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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kanalbildner bzw. einen Kanalisierer
für Funkfrequenzsignale und
insbesondere einen optischen Funkfrequenzkanalbildner, beispielsweise
zur Verwendung bei der Funkfrequenz-Spektralanalyse, zum optischen
Kanalbilden bzw. Kanalisieren von Funkfrequenzsignalen, die auf
einen optischen Träger
aufmoduliert sind durch optisches Trennen des Funkfrequenzspektrums.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Kommunikationssysteme,
und insbesondere militärische
Kommunikationssysteme, werden aufgrund von Nutzeranforderungen zunehmend
in Richtung höherer
Frequenzen und größerer Bandbreiten
gedrängt. Beispielsweise
verschwindet die verfügbare
Kommunikationsbandbreite, da die Zahl an Nutzern und die Bandbreite
pro Nutzer ansteigt, was Kommunikationsverbindungen zu immer höheren Frequenzen
hin erzwingt. Zusätzlich
verwenden modernde Raketensuchköpfe
und bildgebende Radarsysteme Frequenzen so hoch wie 94 GHz, um eine
Antennenrichtcharakteristik und eine höhere Auflösung für Kleinapertursysteme zu erreichen. Um
eine relativ hohe Bandbreite und hohe Frequenzen aufnehmen zu können, sind
Funkfrequenz-Kommunikationssysteme
dafür bekannt,
dass sie eine optische Trägerfrequenzübertragung
des Funkfrequenzsignals verwenden. Beispiele für solche Systeme sind in den
Patenten
US 4,468,766 ;
US 4,695,790 ;
US 5,055,946 ;
US 5,347,535 ;
US 5,377,035 und in der gesetzlichen
US-Erfindungsregistrierung ("U.S.
Statutory Invention Registration")
H1059 offenbart.
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Optische
Kanalbildner werden dazu verwendet, eine Spektralanalyse der neueren
Hochfrequenzkommunikationssignale durchzuführen. Solche optischen Kanalisierer
bzw. Kanalbildner sind dafür
bekannt, dass sie vergleichsweise breitere Bandbreiten verarbeiten
als vergleichbare Funkfrequenzkanalbildner für die Echtzeitidentifizierung
komplexer Signale. Beispiele solcher optischen Kanalbildner sind
in
US 4,460,250 und 4,695,795
und der gesetzlichen US-Erfindungsregistrierung H1059 offenbart.
Solche Kanalbildner werden dazu verwendet, ein relativ breitbandiges
Signal in verschiedene Unterbänder
oder Kanäle
zu kanalisieren oder aufzuteilen. Solche optischen Kanalbildner
sind dafür
bekannt, dass sie relativ breitere Bandbreiten verarbeiten als bekannte
Funkfrequenz-Kanalisierer. Jedoch verwenden viele der optischen
Kanalbildner eine akusto-optische Technologie und sind daher auf
Funkfrequenz-Bandbreiten von wenigen GHz beschränkt. Beispiele von optischen
Kommunikationssystemen, welche die akusto-optische Technologie verwenden,
sind in
US 4,448,494 ;
US 4,644,267 ;
US 5,005,946 ;
US 5,105,380 ,
US 5,327,142 und
US 5,363,221 offenbart.
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US 5,552,920 betrifft ein
optisch basiertes Kommunikationssystem, das auf einer erhöhten Plattform gehostet
wird, welches mehrere räumlich
getrennte Sende- und Empfangsstrahlen verwendet, die optisch kreuzgekoppelt
sind, um das Spektrum vollständig
wieder zu verwenden und welches ein vollständig interaktives Kommunikationssystem
mit hoher Bandbreite, hoher Kapazität und vollständiger Umschaltung
erzeugen wird. Die erhöhte
Plattform verwendet ihre zugewiesene Bandbreite in jedem der mehrfachen
Strahlen oder Sektoren erneut. Bei diesem System werden die Strahlen
entweder mittels eines Funkfrequenz- oder eines optischen Mittels
gebildet. Die bestimmten Nutzer in jedem Strahl werden dann räumlich durch
Verwendung einer optischen Bragg-Zelle in der Frequenz aufgetrennt.
Die getrennten Signale werden dann durch einen halbdurchlässigen Spiegel
und einen Vollspiegel dupliziert und optisch rekombiniert, um Ausgaben
zu erzeugen, die eindeutige Kombinationen von Frequenzen aus jedem
vollen Satz von Eingangsstrahlen sind. Die rekombinierten Signale
werden dann in das Sendeband verschoben und durch die gleichen N
mehrfachen Strahlen erneut gesendet.
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US 5,005,946 beschreibt
einen Mehrkanalfilter, der verwendet werden kann, um Rauschen oder
unerwünschte
Signale aus interessierenden Signalen zu sortieren, klassifizieren
und zu entfernen. Dieses Filter führt eine parallele Echtzeitsignalverarbeitung
durch, um unerwünschte
Spektren aus verschiedenen interessierenden Signalen in einer dichten
Funkfrequenzumgebung zu kanalisieren und zu entfernen. Bei dieser
Anordnung wird effektiv ein einzelner Kanal, der mit unerwünschten
Signalen, Interferenz und Rauschen korrumpiert ist, auf eine Zahl
diskreter Kanäle
umgesetzt, welche spektral auf ausgewählte interessierende Signale zugeschnitten
sind. Der Filterablauf wird erreicht durch Modulieren eines Laserträgers mit
dem gegebenen interessierenden Signal und optisches Durchführen aller
Filterfunktionen und einem dann folgenden Abwärtswandeln des gefilterten
Signals zurück
zu seiner ursprünglichen
Funkfrequenz zur weiteren Verwendung.
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In
anderen bekannten Kommunikationssystemen wird das Kanalisieren bzw.
Kanalbilden im Funkfrequenzband durchgeführt. In solchen Systemen wird
das Funkfre quenzsignal vom optischen Trägersignal demoduliert und stark
verstärkt,
um die Kanalbildung zu erreichen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die verschiedenen Probleme
des Standes der Technik zu lösen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen
Kanalbildner zum optischen Kanalisieren bzw. Kanalbilden von Funkfrequenzsignalen
bereitzustellen, die auf einen optischen Träger aufmoduliert sind. Es ist
noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen optischen
Kanalbildner bereitzustellen, der die Notwendigkeit beseitigt, die
Funkfrequenzsignale aus dem optischen Trägersignal zu demodulieren.
Kurz gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Kanalbildner
für Funkfrequenzsignale
und insbesondere einen Funkfrequenzkanalbildner zum optischen Kanalisieren
von Funkfrequenzsignalen, die auf einen optischen Träger aufmoduliert
sind, und zwar durch optisches Trennen oder Abbilden des Funkfrequenzspektrums
mittels eines optisch dispersiven Elements, wie beispielsweise eines
herkömmlichen
Beugungsgitters oder einer ebenen angezapften Siliziumoxid-Wellenleiterverzögerungsleitung.
In einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung werden zwei Stufen von optischen Filterelementen in
Reihe geschaltet bereitgestellt, um eine sequenzielle Kanalbildung
durchzuführen.
Bragg-Reflexionsgitter
werden zum groben Filtern in Bänder
von 3–4
GHz verwendet, während
Fabry-Perot-Filter, die auf bestimmte Unterbänder des Bragg-Reflexionsgitters
abgestimmt sind, zur Kanalbildung verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Diese
und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug
auf die folgende Beschreibung und die beigefügte Zeichnung einfach verständlich,
worin:
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1 ein
Frequenzdiagramm einer optischen Wellenlänge gegen eine optische Amplitude
ist, welches ein optisches Trägersignal
und Funkfrequenz-Seitenbänder
darstellt.
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2 ist
ein Diagramm eines vollständig
optischen Kanalbildners gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3 ist
ein Diagramm, das eine erfindungsgemäße optische Überlagerungstrennung
darstellt.
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4 ist
ein Diagramm einer alternativen Ausführungsform des in 2 dargestellten
vollständig
optischen Kanalbildners.
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5 ist
ein Diagramm einer Wellenleiterimplementierung mit inkrementellen
Zeitverzögerungen
zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung.
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6 ist
ein Diagramm eines Talbot-Verteilers bzw. -splitters zur Verwendung
mit der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
eine perspektivische Ansicht eines optischen Kanalbildners gemäß der vorliegenden
Erfindung, der die Verwendung eines dreifachen Gitters zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Kanalbildner zum
Kanalisieren von relativ breitbandigen Hochfrequenz-Funkfrequenz-Kommunikationssignalen.
Um eine Signalverarbeitung höherfrequenter Kommunikationssignale
zu ermöglichen,
wird die Kanalbildung optisch ohne Verwenden einer akusto-optischen
Kopplungsvorrichtung durchgeführt.
Als solches ermöglicht
das System eine Signalverarbeitung und insbesondere eine Kanalbildung
von Funkfrequenzsignalen mit Frequenzen von beispielsweise bis zu
100 GHz.
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Wenn
ein Funkfrequenzsignal auf einen optischen Träger aufmoduliert wird, gibt
das sich ergebende optische Spektrum die Eingangs-Funkfrequenzsignale
wieder. In anderen Worten werden die Funkfrequenzsignale auf optische
Frequenzen hochgewandelt, wobei die Funkfrequenzsignale durch Seitenbänder am
optischen Träger
mit einem optischen Frequenzversatz und einer Amplitude dargestellt
werden, die der Funkfrequenz und -amplitude entsprechen. Beispielsweise
ist, wie in 1 dargestellt, die optische
Amplitude auf der vertikalen Achse dargestellt, während die
optische Wellenlänge
auf der horizontalen Achse gezeigt ist. Die optische Trägerfrequenz
ist bei einer Wellenlänge
T0 gezeigt. Beispielhafte Funkfrequenzen T1, T2 und T3 werden durch
Seitenbänder
relativ zur optischen Trägerfrequenz
T0 dargestellt.
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Ein
wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung ist es, dass die Seitenbänder, welche
die Eingangs-Funkfrequenzsignale darstellen, optisch getrennt werden,
um eine optische Kanalbildung des Funkfrequenzspektrums ohne die
Notwendigkeit zum Abwärtswandeln
des modulierten optischen Signals bereitzustellen, was eine Demodulation
und einen Verstärker
mit einer relativ hohen Funkfrequenzverstärkung benötigt. Ein weiterer wichtiger
Gesichtspunkt der Erfindung ist es, dass sie nicht auf die Verwendung
der akusto-optischen Technologie setzt, welche die Gesamtbandbreite
des Kanalbildners begrenzt. Als solches kann bei der vorliegenden
Erfindung ein optisches Überlagern
verwendet werden, um die modulierten optischen Signale auf eine übliche Funkfrequenz
herunterzuwandeln, so dass die Kanäle des funkfrequenzmodulierten
optischen Trägers mit
einem Detektor verwendet werden können, der auf eine einzelne
Frequenz hin optimiert ist. Das Überlagern
erlaubt es, sowohl die Phase als auch die Amplitude aus den ursprünglichen
Funkfrequenzsignalen wiederzugewinnen.
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Um
den Dynamikbereich jedes der Kanäle
zu maximieren, werden Verzerrungen, die während des optischen Modulationsablaufs
eingeführt
werden, vorzugsweise minimiert. Dies braucht eine effektive lineare elektrische-zu-optische
(Spannung-zu-Aussendungs-)
Eigenschaft für
die gesamte funkfrequente/optische Verbindung. Durch Verwendung
einer optischen Überlagerungserfassung
ist die demodulierte Funkfrequenz-Spannungswellenform in jedem der
Kanäle
proportional zum Produkt des Lokaloszillatorfelds (ELO) und des
Signalfelds (Es). Da diese Wellenform proportional zur Eingangsspannungswellenform
ist, sendet der optische Modulator eine elektrische Feldamplitude,
die zur Eingangsspannung linear ist. Da das elektrische Feld proportional
zur Wurzel der optischen Amplitude ist, ist eine ideale Eigenschaft
eine solche, welche eine Amplitude proportional zum Quadrat der
Eingangsspannung aussendet. Falls daher die Modulationssendeeigenschaft
quadratisch ist, kehrt die im Fotodetektor erzeugte aktuelle Wellenform
zu einer wahren Darstellung des idealen Signals zurück. Obwohl
solche idealen quadratischen Modulatoren zur Zeit nicht verfügbar sind, mag
ein interferometrischer Mach-Zehnder-Modulator verwendet und bei
einem niedrigen Vorspannungspunkt betrieben werden. Unter solchen
Modulationsbedingungen werden die bekannten Intermodulationsprodukte zweiter
Ordnung minimiert, während
der Dynamikbereich maximiert wird.
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Mehrfache
Ausführungsformen
der Erfindung werden zur Kanalbildung von Funkfrequenz-Spektrumssignalen
offenbart. Die erste Ausführungsform,
die in den 2 und 3 dargestellt
ist, verwendet ein Dispersionselement, wie beispielsweise ein Dispersionsraumgitter,
während
die zweite, in 4 dargestellte, Ausführungsform
eine Folge faseroptischer Fabry-Perot-Filter und faseroptischer
Bragg-Gitter verwendet. Die 5 und 6 stellen
Ausführungsformen
dar, die einer monolithischen Herstellung zugänglich sind. Insbesondere betreffen
die 5 und 6 Ausführungsformen, welche einen
Planaren Siliziumoxid-Wellenleiter verwenden, während 6 eine Ausführungsform
darstellt, die einen Talbot-Splitter bzw. Talbot-Verteiler verwendet.
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Bezugnehmend
auf die in den 2 und 3 gezeigte
Ausführungsform,
wird ein Beugungsgitter als ein räumlich dispersives Element
verwendet, um das Funkfrequenzspektrum in einem einzelnen parallelen Ablauf
zu kanalisieren. Insbesondere werden Funkfrequenz-Eingangssignale
in eine funkfrequenz-optische Modulationsvorrichtung 20 eingegeben,
wie beispielsweise einen Diodenlaser oder einen elektroabsorptiven Modulator
oder vorzugsweise, wie oben angesprochen, ein Mach-Zehnder-Interferometer. Der
Modulator 20 erzeugt das optische Spektrum, wie es in 1 dargestellt
ist. Das optische Signal vom Modulator 20 trifft auf ein
Dispersionselement 22, wie beispielsweise ein herkömmliches
Beugungsgitter hoher Dispersion, wie beispielsweise ein Echellegitter,
das für
einen hohen optischen Beugungswirkungsgrad geblazed ist. Die Winkeldispersion
führt zu
einer räumlichen
Trennung oder Abbildung der optischen Frequenzen, d.h., zu einer
Trennung der Funkfrequenzseitenbänder
auf dem optischen Träger.
Ein oder mehrere Detektorfelder bzw. Detektorarrays 24, 25,
beispielsweise lineare Detektorfelder, sind in einem Abstand entfernt
vom Dispersionselement 22 beabstandet, um die verteilten
optischen Signale zu empfangen. Jeder der Detektorelemente in den linearen
Detektorarrays 24 und 25 empfängt ein optisches Signal mit
einer Amplitude proportional zur Funkfrequenzleistung. Wie gezeigt,
kann das Detektorfeld 25 verwendet werden, um ein Signalzu-Rausch-Verhältnis zu
verbessern.
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Wie
oben angesprochen, wird ein Überlagern
verwendet, um ein optisches Signal auf eine übliche Funkfrequenz herunterzuwandeln,
so dass die getrennten Teile oder Kanäle des funkfrequenzmodulierten
optischen Trägers
einen Detektor verwenden können,
der auf eine einzelne Frequenz hin optimiert ist. Die Lokaloszillatoren,
die zum Überlagern
verwendet werden, können
mittels eines modenstarren Lasers erzeugt werden, was einen Satz
phasenkohärenter
monochromatischer optischer Quellen bereitstellt, die in der Frequenz um
ein gemeinsames Intervall getrennt sind, das gleich dem gewünschten
Kanalabstand ist, um es zu ermöglichen,
dass sowohl Phase als auch Amplitude aus den ursprünglichen
Funkfrequenzsignalen wiedergewonnen werden. Wie in 3 gezeigt,
ist ein modenstarrer Laser, der als ein optischer Lokaloszillator
verwendet wird, welcher durch die Linie 26 dargestellt
wird, auf das Dispersionselement 22 gerichtet; jedoch werden
die Lokaloszillatorsignale 26 auf das Dispersionselement
unter einem etwas unterschiedlichen Winkel eingestrahlt als der
Signallaser, der durch die Linie 28 dargestellt wird, um
eine Zwischenfrequenz zu definieren. Insbesondere stellt der modenstarre
Laser 26 einen Kamm optischer Oszillatoren bereit, deren
Frequenzen um einen gewünschten
Kanalabstand getrennt sind. Die Spektralkomponenten des verteilten
Funkfrequenzsignallasers und der Kamm von Frequenzen, der durch
den modenstarren Laser erzeugt wird, werden am Detektorort bzw. an
der Detektorposition 24, 25 kombiniert, welcher
jeweils beispielsweise ein lineares Detektorfeld sein kann. Jeder
Teil oder Kanal des modulierten Signallasers und eine Komponente
des Frequenzkamms an jedem Detektorort werden einen Frequenzversatz
aufweisen, der als die Überlagerungsfrequenz
dienen kann, die durch Verändern
des Einstrahlwinkelversatzes auf die Dispersionselemente angepasst
werden kann. Auf diese Weise erzeugt jeder Fotodetektor die gleiche
optische Schwebungsfrequenz, so dass jeder Detektorkanal die gleiche
der Erfassung nachgeschaltete Elektronik verwenden kann. Die Zwischenfrequenz
("Intermediate Frequency"; IF)-Schwebungsfrequenz
kann abgestimmt werden durch Verstellen des Versatzes in den Einstrahlwinkeln,
unter welchen die Signal- und Lokaloszillator-Laser auf das Dispersionselement 22 aufgestrahlt
werden. Die Schwebungsfrequenz kann so angepasst werden, dass sie
gleich der kanalisierten Bandbreite ist, um die Verwendung von relativ
langsamen Fotodetektoren sogar für
Kanäle
zu erlauben, die sehr hohen Funkfrequenzsignalfrequenzen entsprechen.
Das Signalleistungsspektrum wird bestimmt durch Messen der Funkfrequenzleistung
der Überlagerungsprodukte,
die in jedem Fotodetektorkanal erzeugt werden. Das komplexe Signalspektrum,
sowohl Phase als auch Amplitude, kann extrahiert werden durch Messen
der in-Phase- und Quadraturkomponenten der Überlagerungsprodukte.
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Verschiedene
kommerzielle Gitter sind zur Verwendung der in den 2 und 3 dargestellten
Ausführungsform
geeignet. Beispielsweise erreicht ein Gitter mit den Maßen 16'' × 8'', das 316 Linien pro Millimeter (mm)
aufweist und in der vierten Ordnung verwendet wird, eine Einzelreflexions-Spektralauflösung von
444 MHz (oder einer 1,5: m optischen Trägerwellenlänge) mit einem optischen Beugungswirkungsgrad
von 80%. Alternativ kann ein kompakteres System auf der herkömmlichen
Technik mehrfacher Beugungsdurchgänge beruhen. Beispielsweise
ein Dreifachdurchgangsgitter-Entwurf mit der gleichen Frequenzauflösung mit
Beugungsgittern der ungefähren
Größe von 5'' bis 6''.
Da der Strahldurchgang für
das Signal und den Lokaloszillator effektiv jedes der drei Gitter
in Reihe sieht, wird die Netto-Dispersion verdreifacht. Dies ermöglicht es,
die Brennweitenlänge
auf ein Drittel des Einzelgitterentwurfs zu verringern.
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Für ein kommerzielles
Gitter ist die Spektraldispersion dθ/dλ in der unten stehenden Gleichung
(1) aufgeführt:
wobei
- d
- = Gitterlinienabstand
in Mikrometer ist.
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Ein
Kanalabstand von 1 GHz (optische Wellenlänge und unter 0,008 Nanometer)
beinhaltet daher eine Kanalwinkeltrennung von 14 Mikrorad. Für einen
Brennebenenelementabstand von 10 μm
wird ein Brennweitensystem von 0,7 m benötigt; jedoch können die
optischen Pfade gefaltet werden, um das System kompakter zu machen.
Das gesamte 100 GHz-Spektrum weist eine Winkelgröße von 0,991 Mikrorad auf,
was einer Brennebenen-Feldlänge
von 2,2 mm entspricht. Unter der Annahme der gleichen Brennebenengeometrie
kann beispielsweise das Dreifachdurchgangssystem, wie in 7 gezeigt,
dazu verwendet werden, die Brennweite auf 0,7 Meter geteilt durch
3 (d.h., 24 cm) zu verringern.
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In
der zweiten Ausführungsform,
die in 4 gezeigt ist, werden zwei Stufen optischer Filterelemente in
Folge verwendet, um eine sequenzielle Bandbreitenkanalbildung durchzuführen, Insbesondere
werden Bragg-Reflexionsgitter 31, 33 für ein grobes
Vorfiltern des optisch getragenen Funkfrequenzspektrums in vorbestimmte
optische Bänder,
beispielsweise von 3 GHz, verwendet. Eine Kanalaufnahme kann erreicht
werden unter Verwendung einer Folge von Kanalaufnahmevorrichtungen,
wie beispielsweise polarisierenden Strahlteilern 30, 32, 34, 36, 38, 40 und 42 und
Faraday-Rotatoren 44, 46, 48 und 50.
Die Bänder
werden in höher
aufgelöste
Unterbänder
gefiltert mittels Ketten von Fabry-Perot-Reflexionsfiltern 52, 54, 56 und 58,
als auch zugehörigen
Viertelwellenplättchen 60, 62, 64 und 66.
Jedes Fabry-Perot-Reflexionsfilter 52, 54, 56 und 58 wird abgestimmt,
um ein bestimmtes Unterband des 3 GHz-Bragg-Gitter 31, 33 -Bandes
durchzulassen bzw. auszusenden. Affe übrigen Unterbänder werden
reflektiert und durch den Rest der Fabry-Perot-Kette übertragen, um
die Kanalbildung des Bragg-Gitter-Bands abzuschließen.
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Lokaloszillatoren
werden kanalisiert unter Verbindung einer Bragg-Gitter-Reihe ähnlich zu
derjenigen, die dazu verwendet wird, einen Signallaser zu kanalisieren.
Die 3 GHz-Lokaloszillatorbänder
werden mit den 3 GHz-Signallaserbändern an den Eingängen der
Fabry-Perot-Kette kombiniert, aber um ein Bragg-Gitter-Band versetzt,
um eine Zwischenfrequenz-Schwebungsfrequenz zu erzeugen. Der freie
Fabry- Perot-Spektralbereich
wird gleich den Bragg-Gitter-Bandbreiten gesetzt, so dass die Lokaloszillator-
und die Signalbänder durch
eine gemeinsame Fabry-Perot-Kette laufen können. Die Lokaloszillatoren
sind die stärkeren
der Signale, so dass die Fabry-Perot-Übertragungsspitzen auf die
Lokaloszillatorfrequenzen im Rückkopplungsregelkreismodus
aufgeschlossen sind.
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Sowohl
die Bragg-Filter- als auch die Fabry-Perot-Filter-Ketten unterteilen
die Bänder
des Spektrums und senden den Rest des Spektrums die Filterkette
herunter zum folgenden Unterteilen, ohne irgendeine optische Energie
zu verwerten. Die Bragg-Filter-Kette
nutzt Polarisationsstrahlteiler und Viertelwellen-Faraday-Rotatoren
zusammen mit Bragg-Filtern, um die Unterbänder des funkfrequenzmodulierten
optischen Spektrums zu verteilen. Die Fabry-Perot-Kette verwendet
Viertelwellenplättchen
und Polarationsstrahlteiler, um die Bänder des funkfrequenzmodulierten
optischen Spektrums auf individuelle Kanäle zu verteilen.
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Die
Lokaloszillatoren werden mittels eines modenstarren Lasers erzeugt.
Die Lokaloszillatoren werden in grobe Unterbänder mittel einer Bragg-Gitter-Folge
gefiltert, die ähnlich
zu, aber getrennt von, dem Signallaser ist. Jedes Lokaloszillator-Teilband
und Signallaser-Teilband wird eine Fabry-Perot-Kette herabgesandt.
Jedoch werden das Lokaloszillator-Unterband und das Signal-Unterband
in der Frequenz durch den freien Spektralbereich der Fabry-Perot-Vorrichtungen
getrennt. Der freie Spektralbereich definiert die Zwischenfrequenz und
ist auswählbar.
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Idealerweise
kann der Kanalbildner auf einem kleinen Wafer gebildet werden, und
zwar durch Verwenden der Grundsätze,
die in einem Michelson-Stufungsgitter enthalten sind. Eine sehr
hohe Auflösung
mit 1000 Linien oder Elementen in einer großen Winkeldispersion kann erreicht
werden, wenn man bei höherer
Ordnung arbeitet. Der kleine freie Spektralbereich, der sich ergibt,
wenn man bei höheren
Ordnungen arbeitet, ist für
die Anwendung ausreichend. Die große inkrementelle Zeitverzögerung zwischen
Linien oder Elementen, die sich ergibt, wenn man bei einer höheren Ordnung
arbeitet, wird mit versetzt gestapelten Platten in einem Michelson-Stufungsgitter
erreicht, wie allgemein in 5 gezeigt
ist. Insbesondere zeigt 5 Monomode-Kanäle oder
Wellenleitungen 70, die als ein planarer Siliziumoxidwellenleiter
ausgebildet sind. Ein moduliertes Signal, das auf einer Monomode-Faser
getragen wird, wird bei Anschluss 1 eingestrahlt und im Folgenden
in individuelle Wellenleiter mit zunehmend längeren Pfadlängen aufgeteilt.
Eine solche Vorrichtung mit inkrementellen Zeitverzögerungen
von beispielsweise 5 Pikosekun den mit 1000 Elementen würde eine
Auflösung
von 200 MHz besitzen und auf einen 5-Zentimeter-Wafer passen.
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Planare
Siliziumoxid-Wellenleiter, die als Siliziumoxid-basierte optische
integrierte Schaltkreise ausgebildet sind, wie in 5 dargestellt,
sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt und in "Silica-Based Integrated
Optic Mach-Zehnder Multi/Demultiplexer Family with Channel Spacing
of 0.01–250
nm" von N. Takato,
T. Kominato, A. Sugita, K. Jinguji, H. Toba und M. Kawachi, IEEE
Journal on Selected Areas in Communications, Band 8, Nr. 6, S. 1120–1127, August
1990 offenbart. Solche planaren Siliziumoxid-Wellenleiter werden
auf einem Siliziumoxidsubstrat 72 mittels Flammenhydrolyse-Abscheidung
und herkömmlichen
fotolithographischen Techniken ausgebildet, denen ein reaktives
Ionenätzen
folgt. Flammenhydrolyse beruht auf einer Optikfaserherstellung,
während
fotolithografische und reaktive Ionenätz-Abläufe mit bestehender Siliziumtechnologie
kompatibel sind, wie es allgemein in "Silica-Based Single Mode Waveguides
and Their Application to Guided-Wave Optical Interferometers", von N. Takato,
K. Jinguji, M. Yasu, H. Toba und M. Kawachi, Journal of Lightwave
Technology, Band 6, S. 1003–1010,
1988 und "Low-Loss
High Silica Single Mode Channel Waveguides", von N. Takato, M. Yasu und M. Kawachi,
Electron. Lett., Band 22, S. 321–322, 1986 offenbart ist. Solche planaren
Siliziumoxid-Wellenleiter können
in verschiedenen Konfigurationen mit einem relativ hohen Grad an Genauigkeit
unter Verwendung der oben besprochenen Abläufe ausgebildet werden. Beispielsweise
kann der planare Siliziumoxid-Wellenleiter 70,
der in 5 dargestellt ist, mit 100 bis 1000 Wellenleiterkanälen 74–84 oder
mehr ausgebildet werden. Zur Darstellung und zu Diskussionszwecken
sind nur sechs Wellenleiterkanäle 74–84 in 5 gezeigt.
Jeder Wellenleiterkanal ist zunehmend länger (d.h., weist eine längere Pfadlänge auf) als
der vorhergehende Kanal. Beispielsweise ist der Wellenleiterkanal 76 länger als
der Wellenleiterkanal 74; der Wellenleiterkanal 78 ist
inkrementell länger
als der Wellenleiterkanal 76 usw. Die Unterschiede in den
Längen
der Wellenleiterkanäle 74–84 führen zu
ansteigenden Verzögerungen
am Detektorfeld 86, wodurch ein Beugungsgitter nachgebildet
wird. Jedoch weist, im Gegensatz zu einem Beugungsgitter, die Verwendung
eines planaren Siliziumoxid-Wellenleiters 70 so gut wie
keine Begrenzung in Bezug auf die höchste Ordnung auf, bei welcher
die Vorrichtung effektiv betrieben werden kann. Der planare Siliziumoxid-Wellenleiter 70 erlaubt
es, Vorrichtungen extrem hoher Ordnung zu verwenden, um eine Auflösung zu
verbessern (d.h., die Zahl der Kanäle multipliziert mit der Ordnung),
ohne die Zahl der Kanäle
zu erhöhen.
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Ein
alternatives Verfahren zum Verteilen des Signals in eine Vielzahl
von Komponenten ist eine optische Verteilervorrichtung, wie beispielsweise
ein Talbot-Verteiler, wie in 6 dargestellt.
Der Talbot-Verteiler beruht auf einer multimodalen Selbstabbildung.
Ein Monomode-Wellenleiter führt
in einen Multimode-Hohlraum und wird auf N = Bilder der eingestrahlten
einzelnen Mode bei einem Abstand abgebildet, der gleich der Talbot-Länge des
Multimode-Hohlraums, geteilt durch N, ist. Ein 1 × 32-Talbot-Verteiler,
gefolgt von 32 kaskadierenden 1 × 32 Talbot-Verteilern würde 1024
Elemente bereitstellen. Die optischen Wellenleiter folgen den Talbot-Verteilern
und stellen die notwendigen inkrementellen Zeitverzögerungen
bereit. Eine optische Verstärkung
wird hinzugefügt
durch optische Pumpbereiche des Wellenleiters, die unter dem gleichen
Wafer wie der Kanalbildner integriert sind, einschließlich des
modenstarren Lasers, des Signallasers, des Modulators, der Abbildungslinse
und des Detektorfelds. Insbesondere werden Talbot-Verteiler aus
Strahlteilern gebildet, wie allgemein in "Novel 1-to-N Way Integrated Optical
Beam Splitters Using Symmetric Mode Mixing in GaAs/AlGaAs Multimode
Waveguides", von
J.M. Heatan, R.M. Jenkins, D.R.Wright, J.T. Parker, J.C.H. Birbeck
und K.P. Hilton in Appl. Phys. Lett., Band 61, Nr. 15, Seiten 1754–1756, 1992
und in "Waveguide
Beam Splitters and Recombiners Based on Multiple Propagation Phenomenon", von R.M. Jenkins,
R.W.J. Devereux und J.M. Heaton in Optics Lett., Band 17, Nr. 14,
S. 991–993,
1992 offenbart. Wie hierin beschrieben, weisen die Strahlteiler
allgemein eine Vielzahl von Kanälen
gleicher Länge
auf, beispielsweise die vier beispielhaften Kanäle 88, 90, 92 und 94,
die in 6 gezeigt sind, welche einen 1 bis N (N = Zahl
der Kanäle)-Strahlteiler bilden.
Jeder Kanal 88, 90, 92 und 94 ist
optisch mit einer Vielzahl von optischen Wellenleitern 96, 98, 100 und 102 gekoppelt;
wobei jeder Wellenleiter so ausgebildet ist, dass er inkrementell
länger
als ein benachbarter Wellenleiter ist. In anderen Worten wird, unter
Bezug auf 6, der Wellenleiter 100 so
gebildet, dass er inkrementell länger
als der benachbarte Wellenleiter 102 ist, während der
Wellenleiter 98 so ausgebildet ist, dass er inkrementell
länger
als der benachbarte Wellenleiter 102 ist, usw. Die Wellenleiter 96–102 bilden
Verzögerungspfade.
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Verschiedene
Parameter beeinflussen die Eigenschaften eines Talbot-Verteilers,
der als ein optischer Kanalbildner verwendet wird. Diese Parameter
umfassen: die Zahl der Verzögerungspfade
(d.h., der Wellenleiter 96–102); die inkrementelle
Zeitverzögerung
zwischen den Verzögerungen
(d.h., inkrementelle Unterschiede in der Pfadlänge der verschiedenen Kanäle 88–94);
und die Trennung zwischen den Enden der Pfade. Für einen 20 GHz-Kanalbildner
mit einer Kanalgröße oder
Auflösung
von 1 GHz, werden 40 Verzögerungspfade
(d.h., Kanäle)
mit Vergrößerungen
von 0,5 cm in der Pfadlänge
und einer Trennung zwischen den Enden der Pfade von 0,002 cm benötigt.
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Bezugnehmend
auf 6 wird ein funkfrequenzmoduliertes optisches Eingangssignal
in den Talbot-Verteiler 85 geführt und in gleiche Teile aufgespalten.
Für eine 40-Kanal-Vorrichtung 85 würde das
funkfrequenzmodulierte Signal in 40 Teile aufgespalten werden. Jeder
Teil des Signals wird in die optischen Wellenleiter 96–102 des
Talbot-Verteilers 85 eingespeist. Wie oben angemerkt, sind
die Wellenleiter 96-– 102 inkrementell
länger
als benachbarte Wellenleiter, und zwar mit den Enden der Kanäle um 0,002
cm getrennt. Mit einer solchen Ausgangstrennung wird jedes der Ausgangssignale
mit einer Winkeltrennung von 1,875 Millirad verteilt. Falls eine
Linse mit kurzer Brennweite von beispielsweise f = 1,067 cm benachbart
dem Ausgang angeordnet ist, kann das Ausgangssignal auf ein Fotodetektorfeld 96 mit
einem Elementabstand von beispielsweise 0,002 cm fokussiert werden.
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In
praktischen Systemen müssen
die Zeitverzögerungen
auf einen Bruchteil der optischen Wellenlänge gesteuert werden. Die Pfadlänge mag
gesteuert werden durch Anordnen von Heizfeldern an den Verzögerungsleitungen
und Steuern der Temperatur. Insbesondere ist die optische Pfadlänge dafür bekannt,
dass sie das Produkt aus Brechungsindex n und der Länge L ist, über welche
das Heizfeld einen Einfluss hat.
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Der
ebene Siliziumoxid-Wellenleiter 70 (5) oder
der Talbot-Verteiler 85 (6) können durch
das Beugungsgitter 22 ersetzt werden, um einen optischen
Kanalbildner auszubilden, wie er allgemein in den 2 und 3 gezeigt
ist.
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Offensichtlich
sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung
im Licht der obigen Lehren möglich.
Beispielsweise können
für Entwürfe, bei
denen die Pfadlänge
für die
planare Siliziumoxid-Wellenleiter-Technologie unpraktisch werden,
Faseroptiken verwendet werden, um eine kompakte Anordnung bereitzustellen.
Daher sollte verstanden werden, dass die Erfindung innerhalb des
Umfangs der angehängten
Ansprüche
anders als oben besonders beschrieben ausgeführt werden kann.
