DE1927006A1

DE1927006A1 - Optisches Multiplex-UEbertragungssystem

Info

Publication number: DE1927006A1
Application number: DE19691927006
Authority: DE
Inventors: Motoaki Furukawa; Teiji Uchida
Original assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Current assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Priority date: 1968-07-06
Filing date: 1969-05-28
Publication date: 1970-04-23
Also published as: DE1927006B2; US3633034A; FR2012447A1; NL6910423A; FR2012447B1; GB1226275A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Multiples-Übertragungssystem und insbesondere auf ein optisches Zeit- und Raummultiplex-übertragungssystem zur gleichzeitigen Übertragung mehrerer Strahlen, insbesondere Laser-Lichtstrahlen.

In früher vorgeschlagenen optischen Raumrnultiplex-Übertragungssystemen, worin zwei oder mehrere Lichtstrahlen mit gegenseitig unterschiedlichen Einfallswinkeln auf eine Endfläche eines Lichtübertragungsweges auffallen, der zum Beispiel aus einem Linsensystem besteht, muß der räumliche Abstand benachbarter Linsen größer sein, als gewisse werte zur Reduzierung des Einführungsverlustes, der durch das optische System bewirkt wird. Aus diesem G-runde ist die Zahl der gleichzeitig zu übertragenden optischen Strahlen relativ begrenzt. Der erforderliche Raum für den Übertragungsweg muß entsprechend groß sein, weil der Lichtstrahl für Übertragungen im Querschnitt relativ groß sein muß. Weiterhin ist die Anordnung des Übertragungsweges besonders schwierig,

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weil ein gebogener Lichtweg mit solchen herkömmlichen optischen Systemen schwer zu realisieren ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,ein neues optisches Multiplex-Übertragungssystem anzugeben, das frei von den vorgenannten Schwierigkeiten ist. Insbesondere soll die Erfindung für ein optisches Übertragungssystem nach der Art von Raum- und Zeitmultiplex-Lichtwellenübertragungen geeignet sein.

Ein optisches Multiplex-Übertragungssystem nach der Erfindung bedient sich an Stelle eines Linsensystems herkömmlicher Art eines faserartigen Elementes, dessen Brechungsindex η mit dem Abstand χ von der Achse des Faserelementes radial nach auBen im wesentlichen nach der Gleichung

η = n_a (1 - 2^&2^X )

abnimmt, wobei n_a der Brechungsindex in der Achse und &2 eine positive Konstante ist»

Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen nach der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der'Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Faserelement wird im folgenden entsprechend seiner Funktion als Strahlenkonvergenzleiter bezeichnet.

Der hier verwendete Strahlenkonvergenzlexter dient zur Leitung bzw. Führung des Lichtstrahles entlang seiner Längsachse und weist einen bestimmten Brechungsindexgradienten in radialer Richtung normal zur Achse auf. Mehr im einzelnen ist der Brechungsindex über einen senkrechten Querschnitt gesehen am größten in der Achse und nimmt radial zur Außenfläche fortschreitend ab.

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Ein Lichtstrahl mit einer geeigneten Querschnittsgröße, der auf ein Jfcnde des Strahlenleiters auffällt, wird in axialer Richtung durch ihn hindurch übertragen, wobei der Lichtstrahl um die Achse schwingt, ohne dabei an inneren Flächen reflektiert zu werden und ohne zu divergieren. In dem Artikel von D. W. Berreman veröffentlicht in der Zeitschrift "The Bell System Technical Journal", Vol. 43, Wr. 4 (Juli 1964), Seiten 1469 bis 1479 ist eine lange gasgefüllte Röhre zur Übertragung des Lichtstrahles ohne Divergenz beschrieben, die die oben beschriebene Brechungsindexverteilung aufzeigt. Der vorstehend angegebene Strahlenkonvergenzleiter basiert auf dem gleichen Prinzip wie die gasgefüllte Höhre.

Betrachtet man einen Laserlichtstrahl vom Grundschwingungstyp, der auf ein Flächenende des Strahlenkonvergenzleiters auffällt, so ist die spezifische Fleckgröße des Strahles bestimmt durch eine Punktion der radialen Brechungsindexverteilung des Strahlungskonvergenzleiters. Nach der Veröffentlichung von S. E. Killer in der Zeitschrift "The Bell System Technical Journal", Vol. 44, Kr. 9 (November 1965), Seiten 2C17_vbis 2C64 ist die spezifische Fleckgröße Yi₀ bestimmt durch die

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Beziehung (—^£~r^~) &2 · H^ieri3ei wird angenommen, daß

der Laserlichtstrahl grundsätzlicher Art unter einem geeigneten "riinkel auf einen Strahlungsleiter zum Einfallen gebracht ^ird, der eine Brechungsindexverteilung aufweist, die durch die Gleichung η = n_a(1- ^ agx )

definiert ist, wobei λ ο ^^e Li cirfc wellenlänge im freien Häuni, n_a der orechungsindex in der ichse des Strah.-lenlei ters , ·χ der· radiale abstand von der .ichse und a- eine positive Konstante ist.

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BAD OWtGtHAt

Als Ergebnis von Untersuchungen und Entwicklungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung läßt sich ein faserartiger Strahlenkonvergenzleiter mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 200 Mikron und mit der positiven Konstante a₂ in der Größenordnung von Λ mm mit Vorteil verwenden. Bei einem derartigen Strahlenleiter beträgt die Fleckgröße Wq näherungsweise 12 Mikron . Die vorliegende Erfindung basiert auch auf der Anwendung von derartigen neuen Strahlenkonvergenzleitern für optische Übertragungssysteme.

Entsprechend den Angaben in dem genannten Aufsatz von Miller auf Seite 2022 ist der Lichtweg des auf eine Endfläche des Lichtübertragungsmediums mit der angegebenen Brechungsindexverteilung auffallenden Lichtstrahles gegeben durch die Beziehungen

χ = r^ cos

ν7Γ~

und

Va?

4^ = -r^ y&2 ^s^ⁿ va2 ^{z + r}i ' ^COs * ^a2

wobei χ der Abstand des Lichtweges von der Achse des Strahlenleiters, ζ der axiale Abstand des obigen Punktes von der Einfallsendfläche, a2 die oben angegebene Konstante, T^ der Abstand des Einfallspunktes des Lichtstrahles von der Achse und r^¹ die Neigung des Einfallsstrahles im Einfallspunkt ist.

Ist daher, die axiale Länge ζ des Strahlenkonverg--~leiters gleich NTf/Vai (wobei N eine ganze Zähl ist) gewählt, tritt der mit r^ = O auf die Achse an einer Endfläche des Leiters eingefallene Lichtstrahl an der Austrittsendflache des Leiters unter einem Winkel aus,

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der gleich ist dem Einfallswinkel. Ist die Länge ζ gleich (2M + 1)%/2 Υζ gewählt, tritt der lotrecht auf die Eintrittsendfläche einfallende Lichtstrahl an der Austrittsendfläche des Leiters mit χ = O unter, einem Winkel aus, der abhängig ist vom radialen Abstand der Eintrittsstelle von der Achse des Leiters.

Hieraus folgt, daß eine Raummultiplex-Übertragung realisierbar ist, wenn ein Strahlenkonvergenzleiter von bestimmter Länge verwendet wird und der Einfallswinkel an der Eintrittsendfläche des Leiters in Bezug auf jeden der kohärenten Trägerleitstrahlen besonders eingestellt ist. Da ein Laser als eine Lichtimpulsquelle angesehen werden kann, deren Strahlen sich leicht modulieren lassen, können jede der vorbezeichneten kohärenten Trägerlichtstrahlen zeitmultiplex- impulsmodulierte Lichtimpulsreihen darstellen. Die Erfindung zeigt einen Weg, ein Zeit- und Raummultiplex-Lichtübertragungssystem anzugeben.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme, auf die beigefügten schematischen Zeichnungen anhand vorteilhafter Anwendungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt:

Tig. 1 ein Blockschema einer ersten Anwendung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine ähnliche Anwendung nach Fig. 1 ;

Fig. 3 ein Blockschema einer weiteren Anwendung nach der Erfindung;

Fig. 4 mehrere Impulssignalfolgen zur Erläuterung von Fig. 3 ;

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Fig. 5 eine ähnliche Anwendung nach Pig. 3 und

Fig. 6 ein Blockschema einer dritten Anwendung nach der Erfindung.

Fig. 1 und 2 zeigt ein Raummultiplex-Lichtstrahlübertragungssystem nach der Erfindung. Durch Pfeile gekennzeichnete Linien bezeichnen die optischen Wege von Laserlichtstrahlen, während mit 10 der Strahlenkonvergenzleiter bezeichnet ist. Die Ziffern 11, 12 und 13 bezeichnen Laserlichtmodulatoren,und die Ziffern 21, 22 und 2?> bezeichnen Lichtdetektoren. Die Buchstaben L^ , L2 und L-j beziehen sich auf Lichtstrahlen, die durch entsprechende Informationssignale moduliert sind und übertragen werden sollen. In Fig. 2 ist eine konkave , Linse 30 vor der Eintrittsendfläche des Strahlenkonvergenzleiters 10 angeordnet. Die Laserlichtstrahlen, die den Lichtmodulatoren 11, 12 und 13 zugeführt werden, werden durch zu übertragende Informationssignale getrennt moduliert, dann mit der vorerwähnten Fleckgrö-J3e auf der Eintrittsendfläche des Strahlenkonvergenzlei ters 10 zum Auffallen gebracht. Jeder der Lichtwellenmodulatoren 11, 12 und 13 können aus einer Polarisationsrotationsvorrichtung und einem Analysator bekannter Art bestehen.

Wie vorstehend erwähnt, tritt, wenn die Länge des Strahlenkonvergenzleiters 10 gleich dem ganzen Vielfachen von 7tr/)f~&2 6^ewählt ist, der auf die Eintritts- ^; endflache auf der Achse unter einem beliebigen Winkel auffallende Lichtstrahl an der Austrittsendfläche des Leiters unter einem Winkel aus, der gleich ist dem Einfallswinkel. Daher verlassen die Lichtstrahlen L^, L2 und L-, getrennt die optische Faser 10 und werden jeweils durch die zugehörigen Lichtdetektoren 21, 22

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oder 23 demoduliert.

Wenn die Lichtstrahlen L^, L₂ ^und ^3 öurch. die konkave Linse 30, wie Fig. 2 zeigt, untereinander parallel zum Einfallen auf die Eintrittsendfläche des Strahlenkon-" vergenzleiters 10 gebracht werden, wobei die Strahlen parallel zur Leiterachse auftreffen, so treten die Strahlen achsparallel wieder aus dem Leiter aus. Um die Lichtstrahlen L^, L₂ und L^ in der Anordnung nach Pig» 1 am Austrittsende des Leiters wieder voneinander zu trennen, ist am Austrittsende eine der konkaven Linse 30 entsprechende Linse anzuordnen. Weiterhin treten, wenn die Länge des Strahlenkonvergenzleiters 10 in der Anordnung nach Fig. 2 gleich (2N +1) %/2 Y&^ gewählt ist, die Lichtstrahlen L*j, L₂ und L3 getrennt voneinander unter einem Neigungswinkel aus dem Leiter aus, der proportional zur radialen Entfernung des Einfalls-Punktes an der Eintrittsendfläche von der Achse des Strahlenkonvergenzleiters 10 ist.

Wenn der Strahlenkonvergenzleiter 10 die vorstehend angegebene Länge (2H + 1)7Τ/2 V&2 ^at und die Lichtstrahlen Lf, L2 und Lx unter bestimmten Winkeln^ entsprechend wie -in Fig. 1 auf die Eintrittsendfläche des Strahlenkonvergenzleiters 10 auffallen, treten die Lichtstrahlen L^, L₂ und L4 parallel entlang der Achse des Leiters aus. In diesem Falle ist am Austrittsende eine konkave linse entsprechend der Linse 30 in Fig. 2 erforderlich, um die austretenden Lichtstrahlen voneinander zu trennen.

In Fig. 3* in der in einer zweiten Ausführungsform nach der Erfindung für entsprechende Teile die gleichen Beaugszeichen wie in Fig. 1 und 2 verwendet werden, sind mit 11, 12 UHd 13 iln-Aus-Lichtinodulatoren für entsprechende Lichtiiiipulsreiiien bezeichnet. Einem Lichtdetektor 20 ist ein Kanal-Separator 30 nachgeschaltet, der die

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demodulierten elektrischen Zeitmultiplex-Impulsreihen in dem Raumbereich Kanal für Kanal trennt. Mi;fr den Buchstaben L^, , Lg und L-z sind Lichtimpulsreihen bezeichnet, die entsprechend den zu übertragenden Informationssignalen durch Impulssignale moduliert sind, während mit den Buchstaben S^, Sg und S-z die demodulierten Impulsreihen angegeben sind.

In Fig. 3 fallen die Trägerlichtstrahlen auf die Lichtmodulatoren 11 , 12 und 13 ι werden von ImpulsinfοrmationsSignalen moduliert und werden,dann mit der vorerwähnten Fleckgröße auf die Eingangsendflache des den Übertragungsweg darstellenden Strahlenkonvergenzleiters 10 zum Einfallen gebracht. Die modulierten Lichtimpulsreihen L^, Lo und L-z haben die vorbestimmten Phasendifferenz an der Eintrittsendfläche des Strahlenkonvergenzleiters 10, wie aus Fig. 4 zu erkennen ist.

Die Lichtstrahlen, die von dem Strahlenkonvergenzleiter 10 übertragen werden, werden dem Lichtdetektor 20 aufgegeben und in eine elektrische Zeitmultiplex-Impulsreihe übergeführt, die dann dem Kanal-Separator aufgegeben wird, der einen elektrischen Drehschalter enthalten kann. In einer vorbestimmten Zeit trennt der Kanal-Separator 30 die Zeitmultiplex-Informationsreihe in drei Impulsreihen S^, Sg und S3 .

Obgleich.in der Zeichnung nicht dargestellt, können eine Mehrzahl von Linsen zwischen den Modulatoren und der Eingangsendfläche des Strahlenkonvergenzeleiters 10 angeordnet sein, um die Lichtwege der Lichtstrahlen L^j, Lg und L-z in eine genau vorbestimmte Richtung leiten zu können.

Da es nur an der Empfängersei te erforderlich ist, das optische Saum- und Zeitmultiplex-Signal in eine Mehrzahl,

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von elektrischen Zeitmultlplex-Signalen umzuwandeln, kann die Kanalseparation durch einen optischen Kanal-Separator 40 ausgeführt werden, bevor der Multiplex-Lichtstrahl in elektrische Signale umgewandelt ist, wie es Fig. 5 zeigt. In einem solchen Fälle werden die getrennten Lichtstrahlen von den Lichtdetektoren 21, 22 und 23 separat demoduliert.

In Fig. 6, in der für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie in den vorangegangenen Figuren verwendet werden, ist eine dritte Ausführungsform nach der Erfindung gezeigt, in der nur ein Teil des gesamten Übertragungsweges durch den Strahlenkonvergenzlei- · ter 10 bestimmt ist. Der Rest des Übertragungsweges' besteht aus einem Linsensystem, das hier durch die Linsen 51 und 52 verdeutlicht ist. In anderen Worten besteht diese dritte Ausführungsform nach der Erfindung aus einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform nach Fig. 3, bei der der Hauptteil des Lichtübertragungswe-' ges durch die Atmosphäre verläuft und die Linsen 51 und 52 optische Sende- und Empfangsantennen darstellen.

Die modulierten Lichtimpulsreihen L-], Lo und L-z haben die vorbestimmte Phasendifferenz an der Eingangsendflache des Strahlenkonvergenzleiters 10, .wie in Fig. 4- gezeigt. Y/enn die Länge des optischen Strahlenkonvergenzlei ters (selbstkonvergierende optische Faser) 10 gleich (2N +1) ΤΤ/2 /ag gewählt ist, tritt ein auf die Eingangsendflache des Strahlenkonvergenzleiters unter einem geeigneten Winkel innerhalb eines Bereiches spezifisch zu dem Leiter auf die Leiterachse auffallender Lichtstrahl an der Austrittsendfläche.parallel zur Leiterachse aus. Der radiale Abstand der Lichtstrahlen an der Aüstrittsendfläche von der Leiterachse zum Austrittspunkt ist abhängig von dem Einfallswinkel und der Konstanten ag ·

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Da die Konstante a£ leicht durch eine Verringerung (lies?-. Durchmessers des Leiters schmäler gewählt werden kann, kann der Abstand eines an der Austrittsendfläche austretenden Lichtstrahlenpaares klein sein, wenn der Durch- -. messer des Leiters entsprechend klein ist. Sofern also sin genügend dünner Strahlenkonvergenzleiter 10 vorliegt, wie in Fig. 6 angenommen, treten drei Lichtstrahl. len L,,, Lo und L, an der Austrittsendfläche des Leiters 10 parallel mit schmalem Abstand voneinander aus, die auf die optische Sendeantenne 51 gerichtet sind. Genau gesagt, sind die Üb er tr agungs richtungen der drei, austretenden Lichtstrahlen nicht parallel zueinander. Die Übertragungsrichtungen können aber als praktisch parallel verlaufend bezeichnet werden, so daß es möglich ist, die Übertragungslichtstrahlen von der optischen Sendeantenne 51 zur Empfangsantenne 52 zu übertragen.

Drei Lichtstrahlen, die an der optischen Empfangsantenne 52 eintreffen, werden durch den Photodetektor 20 entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 3 konvergiert. Die entsprechende Abwandlung gemäß Fig. 5 läßt sich auch in Fig. 6 vornehmen.

In den vorstehend beschriebenen Anwendungsbeispielen nach der Erfindung ist die einzige Bedingung für die einfallenden Lichtstrahlen, daß sie die vorbezeichnete Fleckgröße haben und daß der Einfallswinkel kleiner als ein bestimmter Betrag ist. Die Anzahl der Lichtstrahlen ist so-lange nicht begrenzt, wie es der Abstand zuläßt, sofern der Einfallswinkel des Lichtstrahles in dem Bereich liegt, der dem Strahlenkonvergenzleiter 10 besonders angepaßt ist. Da die optische Sende- und Empfangsantenne 51 und 52 nur zur Fokussierung des Lichtstrahles auf die optimale Fleckgröße verwendet werden, können sie durch eine Kombinati'd'ffiifeöa^^tMehrzahl von

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äquivalenten optischen Systemen ersetzt werden.

Obgleich, nach dem zweiten und dritten Anwendungsbeispiel die Lichtstrahlen zeitmultiplexmäßig umgewandelt werden, kann die Hultiplexierung auf separate Ebenen der Polarisation von Trägerlientwellen besonders dann gestützt werden, wenn die Bit-Geschwindigkeit der modulierten Laserlichtstrahlen aus Grüsden der Beschränkungen durch die Gesamtfrequenzbandbreite und/oder der optischen Länge des optischen Resonators der Laserlichtquelle nicht ausreichend hoch gewählt werden kann. Auch

kann schlieJ31ich die Zeitmultiplexierung gleichzeitig mit dem Polarisationsebenen-Multiplexvorgang vorgenommen werden. Die Erfindung trägt dabei vor allem zu den höheren Multiplexierungen der optischen Übertragungskanäle bei.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Optisches Multiplex-Übertragungssystem zur gleichzeitigen Übertragung mehrerer Strahlen als Träger von Informationen, insbesondere Laser-Lichtstrahlen, dadurch-gekennzei chnet , daß die Übertragung kohärenter Strahlen auf wenigstens einem Teilabschnitt des gesamten Übertragungsweges durch ein Faserelement (10) erfolgt, dessen Bre- : chungsindex η mit dem Abstand χ von der Achse des Faserelementes radial nach außen im wesentlichen nach der Gleichung

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η = n_a (1 - 2 ^a2^x )

abnimmt, wobei n_a der Brechungsindex in der Achse und 3p eine positive Konstante 'ist.

2. Optisches Multiplex-Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Faserelementes (1O) im wesentlichen gleich

Ν7Γ/2 \R₂
ist, wobei Y* eine ganze Zahl ist.

3. Optisches Liultiplex-Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Faserelementes (10) im wesentlichen gleich

(2InT + 1)T/2 ist, wobei Li eine ganze Zahl ist.

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4. Optisches Multiplex-Übertragungssystem nach Anspruch.

2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor der Eintrittsendfläche des Faserelementes (10) eine konkave Linse (30) angeordnet ist.

5. Optisches Multiplex-Übertragungssystem nach Anspruch

3, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar hinter der Austrittsendfläche des Faserelementes (10) eine konkave Linse (30) angeordnet ist.

6. Optisches Multiplex-Übertragungssystem nach Ansprüchen 1 bis 5i dadurch gekenn, zeich.-net, daß das Faserelement (10) einen Durchmesser in der Größenordnung von 200/* aufweist und die positive Konstante a_P in der Größenordnung von

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1 mm gewählt ist, wobei die Fleckgröße der auf das Faserelement auftreffenden Strahlen näherungsweise 12/*> beträgt.

7·) Optisches Multiplex-Übertragungssystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Vorrichtungen bzw. Einrichtungen zur Erzeugung mehrerer kohärenter Lichtstrahlen, von denen jeder durch ein zu übertragendes Informationssignal moduliert ist und Vorrichtungen bzw. Einrichtungen, durch die die modulierten Lichtstrahlen auf der einen Endfläche des Faserelementes (10) jeweils unter vorbestimmten Winkeln und mit vorbestimmten Abständen von der Achse des Faserelementes einfallen, sowie Vorrichtungen bzw. Einrichtungen, durch die die an der anderen Endfläche des Faserelementes unter entsprechenden Winkeln austretenden kohärenten Lichtstrahlen mit entsprechenden Abständen getrennt voneinander demoduliert werden.

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8. Optisches Multiplex-Übertragungssystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzei chnet , durch Vorrichtungen bzw. Einrichtungen zur Erzeugung mehrerer Lichtimpulsreihen, die durch zu übermittelnde Impulssignale moduliert sind, wobei die modulierten Lichtimpulsreihen unter einer bestimmten Phasendifferenz der Impulssignale auf eine Endfläche des Faserelementes (10) auffallen,und Vorrichtungen bzw. Einrichtungen (20) zur Demodulation der an der anderen Endfläche des Faserelementes austretenden kohärenten Lichtstrahlen, um zeitmultiplexe Informationssignale wiederzugeben, sowie Vorrichtungen bzw. Einrichtungen (30) zur Trennung der modulierten Signale im Raumbereich in eine Mehrzahl von Kanalinformationssignalen.

9. Optisches Multiplex-übertragungssystem nach Anspruch

7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Endfläche des Faserelementes (10) zum Austreten der modulierten Lichtstrahlen und den Vorrichtungen bzw. Einrichtungen (20, 30) zum Demodulieren der modulierten Lichtstrahlen ein optisches Sende- Empfangsantennensystem (51» 52) angeordnet ist, wobei die modulierten Lichtstrahlen auf das op-' tische Sendeantennensystem (51) auftreffen, auf das Empfangs antennensystem (.52) abgestrahlt und auf die Vorrichtungen bzw. Einrichtungen (20, 30) zum Demodulieren gerichtet werden.

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