DE60128136T2

DE60128136T2 - Optische laufzeitleitung mit anzapfungen

Info

Publication number: DE60128136T2
Application number: DE60128136T
Authority: DE
Inventors: Terry M. Columbia TURPIN; Fred F. Columbia FROEHLICH; Bruce D. Columbia NICHOLS
Original assignee: Essex Corp
Current assignee: Essex Corp
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2021-06-02
Also published as: WO2002003123A3; US6608721B1; CA2414027A1; AU2002216771A1; EP1346249B1; CA2414027C; JP2004502969A; DE60128136D1; WO2002003123A9; WO2002003123A2; EP1346249A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für Kommunikationsdatenübertragung unter Einsatz von Wellenlängen-Multiplexing (WDM). Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aktivieren von Hyperfeinwellenlängen-Multiplexing (HWDM) durch Unterkanalisieren jedes Kanals von konventionell dichtem Wellenlängen-Multiplexing (DWDM) in viele Unterkanäle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Faseroptisches Kabel wird weit und breit für Datenübertragung und andere Telekommunikationsanwendungen eingesetzt. Aber die relativ hohen Kosten der Installierung neuen faseroptischen Kabels stellt eine Barriere hinsichtlich erhöhter Belastbarkeit dar.
Wellenlängen-Multiplexing (WDM) ermöglicht, dass Tragen verschiedener Wellenlängen über eine n gemeinsamen faseroptischen Wellenleiter. WDM kann die Faserbandbreite durch eine Technik, die als dichtes Wellenlängen-Multiplexing (DWDM) bezeichnet wird, in mehrfache diskrete Kanäle trennen. Dies stellt ein relativ kostengünstiges Verfahren bereit, Kapazität von Weitverkehrstelekommunikation über bestehende faseroptische Übertragungsleitungen wesentlich zu erhöhen.
Techniken und Geräte sind jedoch zum Multiplexen der verschiedenen diskreten Trägerwellenlängen erforderlich. Das heißt, die individuellen optischen Signale müssen auf einen gemeinsamen faseroptischen Wellenleiter kombiniert werden und dann später am entgegengesetzten Ende des faseroptischen Kabels wieder in die individuellen Signale oder Kanäle getrennt werden. Daher ist die Fähigkeit individuelle Wellenlängen (oder Wellenlängenbänder) von einer breiten Spektralquelle effektiv zu kombinieren und zu trennen für das Gebiet der Faseroptiktelekommunikation und andere Gebiete, die optische Instrumente verwenden, von zunehmender Wichtigkeit.
Geräte, die mehrfache mit dichtem Abstand angeordnete Trägerwellenlängen innerhalb einer Einzelfaser assemblieren, werden Multiplexer genannt. Geräte, die Trägerwellenlängen am Empfangsende einer Faser trennen, werden Demultiplexer oder Kanalaufteiler genannt. Die folgenden Arten bekannten Technologien lassen sich als WDM-Kanalaufteiler verwenden.
FABRY-PEROT INTERFEROMETER
Das Fabry-Perot Interferometer ist ein bekanntes Gerät zum Zerlegen von Licht in seine Frequenzkomponenten oder entsprechend in seine Wellenlängenkomponenten. Die 1 veranschaulicht ein Beispiel eines Fabry-Perot Interferometers des Stands der Technik. Das veranschaulichte Gerät umfasst zwei Spiegel M₁ und M₂. Jeder der zwei Spiegel M₁ und M₂ ist ein teilweise reflektierender Spiegel. Die Spiegel M₁ und M₂ sind durch einen Luftzwischenraum getrennt. Als andere Möglichkeit könnte das Fabry-Perot Interferometergerät durch Beschichten beider Seiten einer transparenten Platte mit einem teilweise reflektierenden Material hergestellt werden.
Licht von einer spektralen Breitbandquelle wird an der Ebene S₁ eingegeben. Lichtstrahlen in einem Winkel θ und einer Wellenlänge λ werden zwischen den Spiegeln M₁ und M₂ mehrfachen Reflexionen unterzogen. Die Lichtstrahlen verstärken sich entlang eines kreisförmigen Orts P₂ in der Ausgangsebene S₂. Die Bedingung für Verstärkung, die einen speziellen Winkel Θ und eine spezielle Wellenlänge λ in Beziehung bringt, wird durch 2 d cos θ = m λ,gegeben, wo d der Abstand der teilweise reflektierenden Oberflächen und m eine ganze Zahl ist, die als der Ordnungsparameter bekannt ist. Das Fabry-Perot Interferometer zerlegt dadurch die Frequenzkomponenten des Eingangslichts durch Verwendung mehrfacher Strahlreflexion und -verstärkung. Aus der obigen Gleichung ist erkennbar, dass das Ausgangslichtmuster des Systems, d. h. die Interferenzstreifen, im Fall eines divergierenden Eingangsstrahls, ein Satz konzentrischer kreisförmiger Ringe ist. Für jede Wellenlängenkomponente des Eingangslichts ist für jede ganze Zahl m ein Ring zugegen, wobei der Durchmesser jedes Rings proportional zur entsprechenden Lichtfrequenz ist.
Das Fabry-Perot Interferometer ist zur Verwendung als WDM-Kanalaufteiler, aufgrund der Schwierigkeit hohe optische Durchsatzeffizienz zu erhalten, nicht gut geeignet. Wenn der Eingangsstrahl divergent, z. B. der direkte Ausgang einer optischer Faser, ist, dann ist das Ausgangsmuster für eine gegebene Wellenlänge ein Satz Ringe. Mehrfache Wellenlängen produzieren zusammengebündelte Sätze konzentrischer Ringe. Es ist schwierig dieses Licht effizient zu sammeln und es an mehrfachen Detektorpunkten zu konzentrieren oder es an mehrfache Ausgangsfasern zu kuppeln, speziell, während der Abstand von Wellenlängenkomponenten beibehalten wird, den das Interferometer produziert hat. Wenn der Eingangsstrahl kollimiert ist, z. B., der kollimierte Ausgang einer optischen Faser, dann kann der Strahl über einen engen Winkelbereich gefächert werden, um nur einen Ausgang einfacher Ordnung (z. B., m = +1) für jede interessierende Wellenlänge zu produzieren. Diese Auffächerung macht es leicht das Ausgangslicht an mehrfachen Detektorpunkten oder Fasern zu konzentrieren, aber es liegt innewohnender hoher Verlust vor. Die Durchsatzeffizienz kann nicht größer als 1/N sein, wobei N die Zahl der zu zerlegenden Wellenlängenkomponenten ist.
LUMMER-GEHRCKE INTERFEROMETER
Die 2 veranschaulicht ein Beispiel eines Lummer-Gehrcke Interferometers. Das dargestellte Interferometer umfasst eine unbeschichtete Glasplatte und ein Prisma zum Kuppeln eines Lichtstrahls in die Platte. Im Inneren ist die Platte hoch reflektierend bei internen Einfallswinkeln, die sich dem kritischen Winkel nähern. Der interne Einfallswinkel steuert das Reflexionsvermögen der Oberflächen. Die Ausgabe des dargestellten Lummer-Gehrcke Interferometers ist eine Reihe von mehrfachen reflektierten Strahlen, die von Strahl zu Strahl eine frequenzabhängige Phasenverschiebung aufweisen und die an der Ausgangsebene durch eine Linse fokussiert sind. Die Interferenzstreifen, die an der Ausgangsebene im Fall eines divergierenden Eingangsstrahls gebildet werden und eine spezielle Wellenlänge λ sind eine Familie von Hyperbeln nahe dem Zentrum der Ausgangsebene. Jede Wellenlängenkomponente des Eingangsstrahls verursacht eines unverwechselbaren Satz hyperbolischer Streifen.
Das Lummer-Gehrcke Interferometer verlässt sich auf eine unbeschichtete Glasplatte. Jedoch bedeutet die Abwesenheit einer Oberflächenbeschichtung, dass es nicht möglich ist, das Streifenintensitätsprofil abzustimmen. Dies macht das Lummer-Gehrcke Interferometer zum Einsatz in WDM-Anwendungen unpraktisch, in denen das Streifenprofil die Kanalfilterform steuert.
Das Lummer-Gehrcke Interferometer ist ebenso zur Verwendung als WDM-Kanalaufteiler, aufgrund der Schwierigkeit hohe optische Durchsatzeffizienz zu erhalten, nicht gut geeignet. Wenn der Eingangsstrahl divergent, z. B. der direkte Ausgang einer optischer Faser, ist, dann ist das Ausgangsmuster für eine gegebene Wellenlänge eine Familie von Hyperbeln. Mehrfache Wellenlängen produzieren zusammengebündelte Sätze von Hyperbeln. Es ist schwierig dieses Licht effizient zu sammeln und es an mehrfachen Detektorpunkten zu konzentrieren oder es an mehrfache Ausgangsfasern zu kuppeln, speziell, während der Abstand von Wellenlängenkomponenten beibehalten wird, den das Interferometer produziert hat. Wenn der Eingangsstrahl kollimiert, z. B. der kollimierte Ausgang einer optischer Faser, ist, dann ist das Ausgangsmuster für eine gegebene Wellenlänge ein Satz fokussierter Punkte, die mehrfachen Inteferenzordnungen entsprechen. Wiederum ist es schwierig dieses Licht effizient zu sammeln und es liegt allgemein ein innewohnender Verlust vor. Die Durchsatzeffizienz kann nicht größer als 1/N sein, wobei N die Zahl von fokussierten Punkten pro Wellenlänge ist.
VIRTUALLY IMAGED PHASED ARRAY
Die 3 stellt ein Beispiel eines "Virtually Imaged Phased Array" (allgemein als VIPA bezeichnet) dar. Das in der 3 dargestellte VIPA-Gerät umfasst eine rechteckige Glasplatte 10, die eine 100%-ige Spiegelschicht 12 auf einer ersten Seite und eine teilweise Spiegelschicht 14 auf der gegenüberliegenden Seite aufweist. Licht tritt in die Platte 10 unterhalb der Spiegelschicht 12 in Form einer fokussierten Linienquelle 16 ein, die von der Zylinderlinse 18 produziert wird.
Die 4 stellt eine betriebliche Seitenansicht des VIPA-Geräts dar. Die Eingangslichtstrahlen 20 und 22 repräsentieren die Grenzen des linienförmig fokussierten Eingangsstrahls. Die Linse 18 fokussiert die Eingangsstrahlen am Punkt 24, nach dem die Strahlen divergieren sowie sich der Strahl fortpflanzt. Die fokussierten Eingangsstrahlen 20 und 22 werden teilweise von der Beschichtung 14 reflektiert und dann völlig von der Beschichtung 12 reflektiert. Diese Reflexion produziert eine virtuelle Abbildung des Punkts 24 an Position 26. Der Reflexionsprozess wird fortgesetzt und produziert zusätzliche sich wegbewegende virtuelle Abbildungen at Positionen 28 und 30. Dieser Prozess produziert virtuelle Abbildungen der Linienquelle, die sich von der Eingangsseite der Glasplatte (d. h., nach links vom Element 10 in 3) wegbewegen und die in der y-Richtung verteilt werden.
Die 5 veranschaulicht die optische Verteilung der divergierenden Lichtstrahlen an der Ausgangsoberfläche der Glasplatte. Die nummerierten Kreise 32, 34 und 36 sind beabsichtigt, die Aufmerksamkeit des Lesers auf die interessierenden Bereiche auf der beschichteten Oberfläche 14 zu lenken. Die Kreise repräsentieren die Größe der aus der Platte austretenden Lichtstrahlen. Der linienförmig fokussierte Eingang ist bei Punkt 24 dargestellt, wobei das zweimal reflektierte Licht, das sich aufgrund von Fortpflanzung divergiert hat, bei Kreis 32 dargestellt ist, das viermal reflektierte Licht, das sich noch mehr divergiert hat, bei Kreis 34 dargestellt ist und das sechsmal reflektierte Licht, das sich noch mehr divergiert hat, bei Kreis 36 dargestellt ist. In dem in der 5 dargestellten Beispiel überlappen sich die mehr als sechs Reflexionen der divergierenden Lichtstrahlen und gehen in ein Interferenzmuster über.
Wie in der 5 gezeigt, scheint jeder der aufeinanderfolgenden Strahlen 32, 34 und 36, der aus der Oberfläche 14 der VIPA-Platte 10 austritt, von den Linienquellenabbildungen 26, 28 bzw. 30, wie in der 4 gezeigt, zu stammen. Das Licht von diesen Abbildungen divergiert, sowie sich das Licht innen in der Glasplatte 10 fortpflanzt. Ein Teil des Lichts von jeder Abbildung tritt durch die teilweise Spiegelschicht 14 aus der Platte aus. Die austretenden Strahlen interferieren miteinander. Das Interferenzmuster wird von einer Linse 38 gesammelt und auf ein Detektor-Array 40 (3) fokussiert.
Im veranschaulichten VIPA-Gerät divergieren die Strahlen und überlappen sich auf der teilweisen Reflexionsfläche 14. Dieser Überlappungseffekt macht Gewichtung der individuellen virtuellen Quellen nur im Sinn einer mittlerer Fläche möglich und begrenzt somit den Grad, zu dem der Kanalfilter angepasst werden kann.
Das VIPA-Gerät erfordert eine linienförmig fokussierte Eingabe. Die linienförmig fokussierte Eingabe bedeutet, dass das VIPA-Gerät ein relativ kompaktes Gerät für grobe Kanalisierung (d. h., breiten Kanalabstand in der Größenordnung von hundert GHz) bereitstellen könnte. Jedoch macht linienförmige Eingabe das VIPA-Gerät für feine Kanalisierung (d. h., engen Kanalabstand in der Größenordnung von einem GHz), aufgrund der Tatsache unpraktisch, dass eine dickere Platte erforderlich ist, die zu übergroßer Strahldivergenz und Überlappung an der Austrittsfläche führen würde.
Die Artikel "Large angular dispersion by a virtually imaged phase array and its application to a wavelength demultiplexer" (Große Winkeldispersion durch VIPA und seine Anwendung auf einen Wellenlängen-Demultiplexer), Optics Letters, Optical Society of America, Band 21, Nr. 5, Seiten 366–368 und "Virtually Imaged Phased Array with Graded Reflectivity" (VIPA mit graduiertem Reflexionsvermögen), IEEE Photonics Technology Letters Band 11, Nr. 11, Nov. 1999, Seiten 1443–1445, beschreiben beide Beispiele von VIPA-Geräten.
INTERFERENZFILTER-DÜNNSCHICHTBELÄGE
Dünnschichtinterferenzfilter erfordern ein anderes Beschichtungsdesign, um jede Wellenlängenkomponente eines Eingangsstrahls zu trennen. Da die durch Dünnschichtbeläge produzierten Interferenzfilter tendieren relativ breite Passbänder zu haben, können sie keine hohe Auflösung (zwanzig GHz oder feiner) erzielen. Diese Begrenzungen schließen im Wesentlichen den Einsatz von Inferenzfiltern als brauchbare hyperfeine Wellenlängen-Multiplexingkanalaufteiler (HWDM-Kanalaufteiler) aus.
KLASSISCHE BEUGUNGSGITTER
Im klassischen Beugungsgitter, wie es für WDM-Kanalisierungsanwendungen benutzt wird, ist das Dispersionselement ein in einem Monoblock aus Silika eingebettetes Gitter. Die optischen Eingangsfasern könnten direkt am Block befestigt sein. Das Gitter könnte mehrere Zehnerfurchen bis mehre tausend Furchen pro Millimeter umfassen. Die Furchen könnten, beispielsweise, durch Ätzen mit einem Diamantwerkzeug oder durch holografische Fotobelichtung hergestellt sein. Das Gitter beugt das einfallende Licht in einer Richtung, die mit der Wellenlänge des Lichts, dem Furchenabstand und dem Einfallswinkel zusammenhängt. Folglich wird ein einfallender Strahl, der mehrere Wellenlängenkomponenten umfasst, schräg in verschiedene Richtungen getrennt werden. Umgekehrt ist ein gegenläufiges Betriebsverfahren möglich, bei dem mehrere Strahlen verschiedener Wellenlängen, die aus verschiedenen Richtungen kommen, in dieselbe Ausgangsrichtung kombiniert (multiplext) werden könnten.
Beugungsgitter angemessener Größe haben für HWDM nicht genügend Auflösung. Zum Beispiel müsste für einen Kanalabstand von 1 GHz ein Gitter erheblich länger als zwölf Zoll sein, um eine adäquate Kanalfilterform zu erzielen. Sie weisen außerdem hohen Einfügungsverlust auf, was sie zur Verwendung in WDM-Systemen ineffizient macht.
Beugungsgitter tendieren, unerwünschte Polarisationseffekte zu produzieren. Die Beugungseffizienz hängt von der Polarisation des einfallenden Strahls ab. Für eine gegebene Wellenlänge erhöht sich dieser Effekt, wenn der Furchenabstand abnimmt. Typisch ist dieser Effekt gering, wenn der Furchenabstand mindestens zehnmal größer als die Wellenlänge ist, doch wird der Effekt wichtig, wenn der Furchenabstand auf wenige Wellenlängen reduziert wird, um höhere Winkeldispersionen zu erzielen.
ARRAY-WELLENLEITERGITTER
Das Array-Wellenleitergitter (AWG) ist ein integriertes optisches passives Laufzeitleitungsgerät, das Kanalisierung durchführt. Das AWG ist konzipiert das Auflösungsvermögen, d. h., das Feinaufspalten der Wellenlängen, über das zu erhöhen, das mit klassischen Beugungsgittern erreichbar ist. AWG wurden erstmals um 1990 von Takahashi und Anderen in Japan und von Dragone und Anderen in den Vereinigten Staaten (U.S.) vorgeschlagen. AWG vergrößern die optische Gangdifferenz zwischen den beugenden Elementen durch Verwendung einer Wellenleiterstruktur, die den gut bekannten Michelsonschen Stufengittern in klassischer Optik entspricht. AWG haben den innewohnenden Nachteil eines viel kleineren freien Spektralbereichs, der die Gesamtzahl von Kanälen begrenzt und das Nahnebensprechen erhöht, das Zweirichtungsvermögen beeinträchtigt. Bei Verwendung eines AWGs ist es schwierig, eine bessere Auflösung als fünfzig GHz zu erzielen. AWG-Geräte, die einer Auflösung von einem GHz fähig sind, würden physikalisch groß und kostspielig sein und sehr hohen Verlust aufweisen.
BRAGGSCHE FASERGITTER
Ein Fasergitter wird durch Registrieren eines Braggschen Gitters im Kern einer Faser einfachen Modus hergestellt, die durch Dotieren, beispielsweise mit Germanium, fotoempfindlich gemacht wird. Dieses Gitter könnte als ein Schmalbandfilter verwendet werden. Es ist erforderlich ein Gitter pro Wellenlängenkanal zu verwenden, daher besteht eine innewohnende Begrenzung hinsichtlich der Zahl von Kanälen, die mit solchen Geräten, aufgrund der schieren Größe des resultierenden Systems, demultiplexiert werden können. Ein primärer Nachteil eines Fasergitters ist, dass es nur eine Wellenlänge reflektieren kann. Ein N-Kanalsystem erfordert daher N-Fasergitter.
Gegensätzlich zu den obigen Demultiplexern beschreibt die US 4.871.232 ein Hochfrequenz-Spektralanalysesystem, das durch Modulieren eines optischen Strahls mit einem zu analysierenden Hochfrequenzsignal funktioniert und den Strahl simultan an periodisch mit Abstand angeordneten Positionen entlang seiner Länge abtastet. Dieses Dokument offenbart die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum unabhängigen Betrieb an jedem eines oder mehrerer optischer Eingänge und Produzieren räumlich getrennter, unabhängiger optischer Strahlen am Ausgang bereit. Die räumliche Trennung unter den Ausgangsstrahlen ist eine Funktion der Frequenzkomponenten der entsprechenden optischen Eingangsstrahlen. Die Erfindung ermöglicht die simultane Kanalisierung hunderter diskreter Eingangsstrahlen in ihre einzelnen Frequenzkomponenten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine detaillierte Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen gegeben.
Die 1 veranschaulicht ein Beispiel der Funktion eines Fabry-Perot Interferometers des Stands der Technik.
Die 2 veranschaulicht ein Beispiel der Funktion eines Lummer-Gehrcke Interferometers des Stands der Technik.
Die 3 veranschaulicht ein Beispiel eines VIPA-Systems des Stands der Technik.
Die 4 veranschaulicht ein Beispiel der Funktion eines VIPA-Geräts des Stands der Technik, das die sich wegbewegenden Abbildungen der fokussierten Linienquelle und der Interferenz im Gerät zeigt.
Die 5 veranschaulicht ein Beispiel der Streuung der optischen Strahlen in einem VIPA-Gerät des Stands der Technik und die Schwierigkeit beim Gewichten der einzelnen Strahlen, um den Ausgangskanalfilter zu bilden.
Die 6 veranschaulicht ein Beispiel einer optischen Laufzeitleitung mit Anzapfungen (Optical Tapped Delay Line/OTDL) in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 7 veranschaulicht ein Beispiel einer betrieblichen Seitenansicht eines OTDL-Geräts in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 8 veranschaulicht ein Beispiel der optischen Ausgangsverteilung entlang der Frequenzrichtung (d. h., der Wellenlängenrichtung in der 6), die einem Einzeleingangsstrahl für ein OTDL-Gerät in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung entspricht.
Die 9 veranschaulicht ein Beispiel der optischen Kontrastübertragung eines Kanals eines OTDL-Geräts in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 10 veranschaulicht ein Beispiel eines schematischen Blockdiagramms der betrieblichen Funktion eines Geräts, wie es beispielsweise in der 6 in einer Einzeleingangsanordnung gezeigt ist.
Die 11 veranschaulicht ein Beispiel eines schematischen Blockdiagramms der betrieblichen Funktion eines Geräts, wie es beispielsweise in der 6 in einer Einzeleingangsanordnung gezeigt ist, das ein optisches System und Ausgangselemente an einer Ausgangsfläche einschließt.
Die 12 veranschaulicht ein Beispiel eines schematischen Blockdiagramms der betrieblichen Funktion eines Geräts, wie es beispielsweise in der 6 gezeigt ist, in einer Mehrfacheingangsanordnung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende detaillierte Beschreibung ist die beste gegenwärtig in Erwägung gezogene Art die Erfindung auszuführen. Diese Beschreibung ist nicht in einem beschränkenden Sinn aufzufassen, sondern wird bloß für den Zweck der Veranschaulichung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung gegeben. Der Umfang der Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche definiert.
Die 6 und 7 veranschaulichen eine bevorzugte Ausführungsform eines OTDL-Geräts in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Im dargestellten Beispiel treten sechs kollimierte Eingangsstrahlen 100a–100f in eine transparente Platte 112 ein. Der Ursprung der Stahlen könnten, beispielsweise, die kollimierten Ausgänge von sechs optischen Fasern (nicht gezeigt) sein, wo jede Faser typisch mehrfache Wellenlängenkanäle trägt. Die Platte 112 hat eine erste Oberfläche 114, die mit einer Beschichtung 116 versehen ist, die im Wesentlichen 100% reflektierend ist. Die Platte 112 hat eine zweite Oberfläche 118, die mit Abstand von der und gegenüber der ersten Oberfläche 114 angeordnet ist. Die zweite Oberfläche 118 ist mit einer Beschichtung 120 versehen, die teilweise reflektierend ist.
In der dargestellten Ausführungsform ist das teilweise Reflexionsvermögen der zweiten Oberflächenbeschichtung 120 räumlich variierend. In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) könnte das teilweise Reflexionsvermögen der zweiten Oberflächenbeschichtung 120 im Wesentlichen einheitlich sein.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Reflexionsflächenbeschichtungen 116 und 120 durch eine Glasplatte 112 getrennt. In alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) könnten die Reflexionsflächen durch andere transparente Materialien, einschließlich leeren Raums, getrennt sein. Das Element 112 könnte auch als ein optischer Resonator bezeichnet werden.
Die 7 veranschaulicht eine betriebliche Seitenansicht des in der 6 gezeigten Geräts. Der in der 7 veranschaulichte Einzeleingangsstrahl 100f entspricht dem Eingangsstrahl 100f der als einer der Mehrfacheingangsstrahlen 100a–f in der 6 veranschaulicht ist. Aufgrund der Perspektive der 7 sind die anderen Eingangsstrahlen 100a–e nicht dargestellt. Man wird jedoch verstehen, dass sich die anderen Mehrfacheingangsstrahlen 100a–e in der in der 7 gezeigten Ansicht hinter dem Eingangsstrahl 100f befinden und dass, das Gerät fähig ist, alle der Mehrfacheingangsstrahlen simultan zu verarbeiten und zu kanalisieren.
Mit Bezugnahme auf die 7 tritt der Eingangsstrahl 100f als ein kollimierter Lichtstrahl in den Resonator 112 ein. Fokussieren des Eingangsstrahls ist nicht erforderlich. Nach Eintreten in den Resonator 112 tritt ein Teil des kollimierten Eingangsstrahls an einer ersten Position oder "Anzapfung" 122a als kollimierter Ausgangsstrahl 124a aus. Ein anderer Teil des kollimierten Eingangsstrahls wird teilweise von der Beschichtung 120 reflektiert und dann von der Beschichtung 116 total reflektiert. Mit anderen Worten, ein Teil des Strahls "prallt" von der Beschichtung 120 auf die Beschichtung 116 und danach zurück. Diese Reflexion oder dieses "Prallen" produziert einen kollimierten Ausgangsstrahl, der an einer zweiten Position oder Anzapfung 122b austritt, die geringfügig räumlich von der ersten Anzapfung 122a verschoben ist. Infolge des Prallens ist die vom Ausgangsstrahl 124b zurückgelegte Distanz geringfügig größer als die vom Ausgangsstrahl 124a zurückgelegte Distanz. Die Breite des optischen Resonators 112 zwischen den Reflexionsflächen 116 und 120 führt daher eine geringfügige Zeitverzögerung zwischen benachbarten Anzapfungen ein. Der Reflexionsprozess wird fortgesetzt und produziert mehrfache zusätzliche kollimierte Ausgangsstrahlen 124a–i, die an mehrfachen Anzapfungspositionen 122a–i aus dem Resonator austreten. Das Ergebnis ist eine Reihe von Ausgangsstrahlen, die in der y-Richtung mit einer progressiven Zeitverzögerung von Strahl zu Strahl verteilt werden.
Obwohl in der 7 nicht dargestellt, wird man verstehen, dass eine ähnliche Reihe von Ausgangsstrahlen, die in der y-Richtung verteilt werden, simultan für jeden der Eingangsstrahlen 100a–f produziert werden könnte. Mit anderen Worten, das Gerät ist fähig an jedem der mehrfachen kollimierten Eingangsstrahlen unabhängig von den anderen Eingangstrahlen zu arbeiten. Das Gerät könnte daher als ein "zweidimensionales" Gerät in dem Sinn bezeichnet werden, dass das Gerät zwei verschiedene räumliche Dimensionen verwendet, um Signalverarbeitungsfunktionen durchzuführen. Eine erste Dimension x bringt mehrfache unabhängige kollimierte Eingangsstrahlen unter, die alle unabhängig entlang einer zweiten Dimension y kanalisiert sind.
Die verschiedenen Strahlen bleiben durch den ganzen Reflexionsprozess hindurch im Wesentlichen kollimiert. Divergenz der Strahlen und Interferenz unter den Strahlen wird minimiert. Zahlreiche interne Reflexionen könnten im Resonator 112, ohne wesentliche Divergenz oder Interferenz erzielt werden.
In der Ausführungsform, die in der 6 gezeigt ist, werden die verschiedenen Ausgangsstrahlen dann zu einem anamorphotischen optischen System 140, 142 geleitet, das mit Abstand vom optischen Resonator 112. angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das anamorphotische optische System eine Zylinderlinse 140 und eine sphärische Linse 142. Das anamorphotische optische System 140, 142 führt folgende Funktionen aus: 1) Fourier-Transformation des Ausgangs des Resonators 112 in der vertikalen Dimension y und 2) Abbilden des Ausgangs des Resonators 112 in der horizontalen Dimension x auf eine Ausgangsfläche 144. Obwohl in der 6 nicht dargestellt, wird man erkennen, dass das optische System 140, 142 irgendeine andere als die oben beschriebene anamorphotische Form, abhängig von der speziellen Anwendung des OTDL-Geräts haben könnte. Die ausgeführten Funktionen könnten, beispielsweise, Fourier-Transformation in beiden Dimensionen, teilweise oder fraktionierte Fourier-Transformation in einer oder beiden Richtungen, Abbildung oder irgendeine Kombination dieser Funktionen sein.
Die in der 6 dargestellte Ausgangsfläche 144 ist zweidimensional. Die horizontale Dimension x der Ausgangsfläche 144 entspricht dem Eingangsstrahlindex. Die vertikale Dimension y entspricht der Wellenlänge des Lichts im Eingangsstrahl. Es gibt eine große Vielfalt von Geräten, die an die Ausgangsfläche 144 positioniert werden könnten. Beispielsweise könnten ein Detektor-Array, ein Array kleiner Linsen, ein Lichtleiter-Array, ein faseroptisches Bündel, ein Array von GRIN-Linsen oder irgendeine Kombination des Obigen an der Ausgangsfläche 144 positioniert werden.
Die Funktion der Ausführungsform des in der 6 gezeigten OTDL-Geräts lässt sich vielleicht mit Bezugnahme auf die 10 besser verstehen. Die 10 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein Beispiel des funktionsfähigen Betriebs eines Geräts darstellt, wie es in der 6 gezeigt ist. Die mehrfachen Verzögerungselemente, die durch die in der 10 mit "D" bezeichneten Kästchen, schematisch dargestellt sind, entsprechen der Mehrheit von Reflexionen bzw. Prallungen zwischen den Reflexionsflächen 116 und 120, die im Resonator 112 auftreten, der in der 6 gezeigt ist. Jedes der Verzögerungselemente D zwingt dem optischen Eingang eine kleine zusätzliche Zeitverzögerung auf. An jedem Element D wird der verzögerte optische Eingang angezapft, um einen entsprechenden optischen Ausgang zu produzieren.
Wenn, mit Bezugnahme auf die 10, die Frequenz des optischen Eingangs so ist, dass eine Radiantenphasenverschiebung von 2nπ (wobei n eine ganze Zahl ist) zwischen benachbarten optischen Ausgängen vorliegt, dann werden alle der optischen Ausgänge in Phase sein. Wenn sich alle der optischen Ausgänge in Phase befinden, dann resultiert die kohärente Summe der optischen Ausgänge in einer ebenen Welle, die sich in einer Richtung fortpflanzt, die senkrecht zur Linie ist, welche die optischen Ausgänge enthält und in der Ebene der Seite von 10 liegt. Wir definieren diese Richtung als die optische Achse des Systems.
Wenn die Frequenz des optischen Eingangs dann geringfügig erhöht (oder herabgesetzt) wird, wird es eine entsprechende Änderung in Phasenverschiebung von optischem Ausgang zu optischem Ausgang geben. Diese Änderung in Phasenverschiebung wird bewirken, dass sich die ebene Welle in einem Winkel relativ zur optischen Achse fortpflanzt.
Wenn die Frequenz des optischen Eingangs noch weiter erhöht (oder herabgesetzt) wird, dann wird der Winkel ebenso zunehmen (oder ab nehmen) bis die Phasenverschiebung von optischem Ausgang zu optischem Ausgang 2(n + 1)π Radianten erreicht. An diesem Punkt wird sich die ebene Welle wieder in der Richtung der optischen Achse fortpflanzen.
Die 11 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein Beispiel des funktionsfähigen Betriebs eines Geräts darstellt, das dem in der 6 dargestellt ist und das anamorphotische optische System 140, 142 und die Ausgangsfläche 144 einschließt. Das optische System führt eine Fourier-Transformation durch, die eine ebene Welle, die sich in einem gegebenen Winkel in Bezug auf die optische Achse fortpflanzt, in einen fokussierten optischen Punkt auf einem der Ausgangselemente an der Ausgangsfläche umwandelt. Die Ausgangselemente könnten Fotodetektoren, optische Fasern oder irgendwelche andere optische Elemente sein.
Die 12 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein Beispiel des funktionsfähigen Betriebs eines Geräts, wie es beispielsweise in der 6 gezeigt ist, in einer Mehrfacheingangsanordnung darstellt. Die schematische Darstellung ist eine Mehrfacheingangsversion des in der 10 gezeigten Funktionsblockdiagramms. Hier sind die optischen Eingangsquellen als Dioden gezeigt. Alle anderen Funktionsblöcke sind dieselben wie in der 10. Die 12 veranschaulicht die Fähigkeit, mehrfache optische Eingänge simultan zu verarbeiten.
MATHEMATISCHE THEORIE DER FUNKTION
Die folgenden Abschnitte sind auf eine Erörterung bezüglich der mathematischen Theorie der Funktion des OTDL-Geräts gerichtet. Diese Erörterung soll nicht in einem beschränkenden Sinn verstanden werden, sondern wird für den Zweck der Beschreibung des aktuellen Verständnisses des Erfinders bezüglich der mathematischen zugrunde liegenden Theorie der Funktion der Erfindung vorgenommen.
Annahmen:
Die mathematische Theorie der Funktion des OTDL-Geräts ist leichter verständlich, wenn gewisse vereinfachende (aber realistische) Annahmen in Bezug auf die in den 6 und 7 gezeigte Ausführungsform gemacht werden. Die Annahmen schließen das Folgende ein.

1) Der Durchmesser des Eingangsstrahls ist ausreichend groß, sodass die Strahlprofile der Ausgangsstrahlen 124a–i annähernd gleich sind.
2) Es gibt keine Phasenverschiebung, die mit Durchlässigkeit oder Reflexion von einer der beiden Reflexionsflächenbeschichtungen 116 und 120 assoziiert ist.
3) Es gibt keinen Verlust in den Reflexionsflächenbeschichtungen 116 und 120.
4) Die erste Reflexionsfläche 116 ist total reflektierend.
5) Der Durchlassgrad und der Reflexionsgrad der Oberflächenbeschichtungen 116 und 120 sind über das Eingangsstrahlprofil konstant.

Keine dieser Annahmen sind zum Funktionieren der Erfindung erforderlich. Sie vereinfachen aber stark die mathematische der Funktionstheorie. Sowie diese Annahmen relaxiert werden, wird die mathematische Theoriekomplexer, aber die Grundprinzipien der Funktion bleiben gleich.
Definitionen:
Die in der mathematischen Theorie verwendeten Mengen, Variablen und Funktionen sind nachstehend definiert.
Lassen wir a die maximale Eingangssignalamplitude sein.
Lassen wir x und y kontinuierliche Raumkoordinaten in den horizontalen bzw. vertikalen Richtungen sein. x wird auf den Eingangsstrahlabstand normiert und y wird auf den Ausgangsanzapfungsabstand normiert. Deshalb sind die Werte x und y ganze Zahlen an den Anzapfungszentren und an diesen Punkten werden x und y als die Eingangsstrahlnummer bzw. die Anzapfungsnummer interpretiert.
Die Distanz x in Metern ist der normierte x-mal der Eingangsstrahlabstand in Metern.
Die Distanz y in Metern ist der normierte y-mal Ausgangsanzapfungsabstand in Metern.
Lassen wir b(x, y) das komplexe Amplitudenprofil des Eingangsstrahls sein.
Nehmen wir an, dass b(x, y) trennbar ist, d. h., b(x, y) = b_x(x)b_y(y).
(Diese Annahme ist nicht erforderlich, aber sie vereinfacht die Mathematik.)
Lassen wir τ die Zeitverzögerung zwischen benachbarten Ausgangsstrahlen, z B. 124a und 124b, sein.
Lassen wir d den Abstand zwischen benachbarten Ausgangsstrahlen, z B. 124a und 124b, in Längeneinheiten sein.
Lassen wir m die Gesamtzahl von Anzapfungen in der y-Richtung sein.
Lassen wir f(x) die optischen Frequenzkomponenten im Eingangsstrahl bei Position x sein.
Lassen wir p(x, y) die Einhüllende der optischen Verteilung der Summe aller Ausgangsstrahlen 124a–i am Ausgang der Platte 112 sein.
Lassen wir δ die Dirac-Deltafunktion sein.
Lassen wir * die Faltungsfunktion sein.
Lassen wir F_y den Operator der Fourier-Transformierten in der y-Richtung sein.
Lassen wir t(x, y) den Amplitudendurchlässigkeitsfaktor der teilweisen Reflexionsbeschichtung 120 sein.
Lassen wir T(x, y) den entsprechenden Leistungsdurchlässigkeitsgrad sein: T(x, y) = |t(x, y)|².
Lassen wir r(x, y) den Amplitudenreflexionsfaktor der teilweisen Reflexionsbeschichtung 120 sein.
Lassen wir R(x, y) den entsprechenden Leistungsreflexionsgrad sein: R(x, y) = |r(x, y)|².
(Beachten Sie bitte, dass für eine verlustfreie Beschichtung 120 Erhaltung von Energie erfordert, dass T(x, y) R(x, y) = 1.)
Lassen wir c(x, y) die komplexe Amplitude des Ausgangsstrahls bei Position (x, y) sein. Die "c's" repräsentieren die Anzapfungswichtungen in der optisch angezapften Laufzeitleitung.
Theoretische Entwicklung:
Ausdrücke für die Ausgangsstrahlen an den Anzapfungszentren, wo y gleich einer ganzen Zahl ist, können wie folgt geschrieben werden.

Ausgangsstrahl 124a: c(x, 0) = ab(x, 0)t(x, 0), (durch Annahme 5)
Ausgangsstrahl 124b: c(x, 1) = ab(x, 0)r(x, 0)t(x, 1)e^j2πf(x)τ
Ausgangsstrahl 124c: c(x, 2) = ab(x, 0)r(x, 0)r(x, 1)t(x, 2)e^j2πf(x)2τ, usw.

Im Allgemeinen kann der Ausgangsstrahl im Zentrum der n^ten Anzapfung, c(x, n), geschrieben werden als
Im Allgemeinen ist die Größe von c(x, n) eine Funktion von n,|c(x, n)| = w(n). Die Werte w(n) sind Anzapfungswichtungen und im Allgemeinen werden die Wichtungen selektiert, um die Kanalfilterform des Systems zu steuern. Ein Beispiel der Berechnung der Anzapfungswichtungen ist ein einheitlicher Satz von Wichtungen, w(n) = 1. Für einen einheitlichen Satz Anzapfungswichtungen ist |c(x, 0)| = |c(x, 1)| = |c(x, n)| = 1.
Für hohe Effizienz ist es wünschenswert keinen optischen Verlust zu haben. Dies lässt darauf schließen, dass alles verbliebene Licht aus der Platte 112 an der letzten Anzapfung übertragen werden wird. Lassen wir m den Index der letzten Anzapfung sein. Dies ergibt die Bedingung t(x, m) = 1.
Der Fall, für den die Anzapfungswichtungen einheitlich sind, ergibt die Bedingung |c(x, n)| = |c(x, n – 1)| für alle n. Den Amplitudendurchlässigkeits- und Reflexionskoeffizienten nach lässt diese Bedingung darauf schließen dass
Diese Gleichung kann, dem Energiedurchlässigkeitsgrad nach, neu geschrieben werden als
Der Durchlässigkeitsgrad an der zweiten Anzapfung T(1) jenem an der ersten Anzapfung T(0) nach ist
Der Durchlässigkeitsgrad an der dritten Anzapfung ist
Durch Induktion kann der Durchlässigkeitsgrad an der n^ten Anzapfung T(n) gezeigt werden als
Diese Gleichung gibt den Energiedurchlässigkeitsgrad der Beschichtung 120 an den Anzapfungspositionen n, dem T(0) nach, an der ersten Anzapfung.
Wir wissen, dass für ein verlustfreies System T(m) = 1. Einsetzen T(m) = 1 in der obigen Gleichung und Lösung für T(0) haben wir
Diese Gleichung setzt T(0) beruhend auf der Zahl erwünschter Verzögerungsleitungsanzapfungen fest. Die vorhergehende Gleichung gibt alle der anderen auf T(0) beruhenden T-Werte. Der Durchlässigkeitsgrad der Beschichtung ist jetzt für den Fall einheitlicher Anzapfungswichtungen, d. h., w(n) = 1 voll definiert.
Jede Ausgangsanzapfung ist jetzt einheitlich gewichtet und der Ausgang der Platte 112 kann als ein Array von Punktquellen geschrieben werden, wo jede Quelle durch das Strahlprofil b(x, y) geformt ist. Die komplexe Amplitudenverteilung am Ausgang der Platte 112 in der Ebene eben rechts der Beschichtung 120 wird gegeben durch
Die komplexe Amplitudenverteilung am Ausgang des Systems (Ebene 144 in 6) nach Fourier-Transformation in y und Abbildung in x ist gegeben durch
wo x der Strahlindex für einen Eingangsstrahl ist, y der Anzapfungsindex ist u and f_y die räumliche Frequenzkoordinate ist, die der Wellenlängenrichtung in der Ebene 144 (6) oder gleichwertig der Frequenzachse (8) entspricht. Für jede in f(x) enthaltene Frequenzkomponente gibt es eine verschiedene Phasenverschiebung von Anzapfung zu Anzapfung. Wenn alle der Anzapfungen bei einem gegebenen x für eine gegebene Frequenzkomponente in Phase sind, dann pflanzt sich der Ausgangsbaum entlang der optischen Achse fort. Wenn die Frequenz so erhöht wird, dass die Phasenverschiebung von der ersten Anzapfung zur m^ten Anzapfung um einen Zyklus (2π Radianten) über die Apertur fortgeschritten ist, dann hat sich der fokussierte Ausgangspunkt an der Ebene 144 um ein Auflösungselement, d. h., um eine Punktbreite bewegt. Dies bedeutet, dass die Grenzfrequenzauflösung der Reziprokwert der Gesamtverzögerungszeit m τ des Geräts ist, Δf = 1mτ
Die Zeitverzögerung zwischen benachbarten Anzapfungen ist τ, daher wird das fokussierte Ausgangspunktmuster mit einem Frequenzintervall von fR = 1τ wieder holt.
Dies bedeutet, dass ein Gerät mit m Anzapfungen eine Grenzfrequenzauflösung, die gleich dem Reziprokwert der Gesamtzeitapertur des Geräts ist und einen eindeutigen Frequenzbereich gleich dem Reziprokwert der Zeitverzögerung von Anzapfung zu Anzapfung haben wird. Daher wird das Gerät m unterschiedliche Ausgänge, d. h., m unterschiedliche Wellenlängenkanäle produzieren.
Ein Beispiel der optischen Verteilung auf der Ebene 144 in der Frequenzachse an einer gegebenen Position x ist in der 8 dargestellt. Die Spektrallinien an Positionen 62, 63 und 64 repräsentieren drei unterschiedliche Wellenlängenkanäle und diese Linien sind an Positionen 65, 66 und 67 und an Positionen 68, 69 und 70 wiederholt. Der Abstand der sofortigen Wiederholungen 61 der zeitlichen Frequenz nach entspricht dem Reziprokwert der Zeitverzögerung zwischen Anzapfungen 1/τ, wie oben definiert und der Abstand der räumlichen Frequenz nach entspricht dem Reziprokwert der Distanz zwischen Anzapfungen 1/d.
Die Form einer Spektrallinie für einen perfekten Einzelfrequenzeingang (d. h., eine reine Einzelwellenlänge) ist die Fourier-Transformierte der Einhüllenden der Ausgangsstrahlen F_y{p(x, y)}. Im Fall einer einheitlichen Einhüllenden, beispielsweise, ist die Form eine sin(x)/x Funktion. Umgekehrt ist die Einhüllende der optischen Verteilung am Ausgang des Kanalaufteilers (Ebene 144) an einer gegebenen Strahlposition x die Fourier-Transformierte der y-Komponente des Strahlprofils b(x, y) in der y-Achse, wovon die Kurve 71 in der 8 ein Beispiel ist, und der Abbildung der x-Komponente von b(x, y) in der x-Achse oder b(x)F_y{b_y(y)}.
Die Kontrastübertragung eines einzigen Detektorelements oder einer auf der Ebene 144 positionierten optischen Faser ist in der 9 dargestellt. Die 9a, oben, ist das Amplitudenprofil eines fokussierten Punkts 73 auf der Detektorebene in der f_y'-Richtung, das einem Einzelfrequenzeingang entspricht. Das räumliche Ansprechverhalten 74 eines Detektorelements oder einer Faseraufnehmers (Pick-up) ist in der 9b dargestellt. Das resultierende Frequenzverhalten 75 ist die Faltung von 73 und 74 und ist in der 9c gezeigt. Der Effekt der optischen Punktform 73 ist, die Ränder des Detektoransprechverhaltens 74 zu glätten und die Kanalfilterform 75 mit einer Breite zu produzieren, die ca. gleich der Summe der Breiten von 73 und 74 ist.
ANWENDUNG DES OTDL-GERÄTS AUF WDM-KOMMUNIKATIONSSYSTEME
Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf Telekommunikations-Datenübertragung unter Einsatz von WDM anwendbar. Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht HWDM durch Subkanalaufteilung jedes Kanals von konventionellem DWDM in viele Subkanäle.
Frequenzauflösung:
Wie hierin verwendet, hat der Ausdruck "Auflösung ("resolution") dieselbe Bedeutung wie die Phrase „Kanalabstand" („channel spacing"). Die modulierte Signalbandbreite eines optischen Trägers in einem gegebenen Kanal kann den Kanalabstand nicht überschreiten. Deshalb entspricht die maximal modulierte Signalbandbreite ungefähr dem Kanalabstand. Wenn, beispielsweise, eine größere modulierte Bandbreite erwünscht wird, dann ist größerer Kanalabstand erforderlich. Ein OTDL-Gerät kann für praktisch jeden Kanalabstand konzipiert werden, der für ein spezielles Kommunikationssystemdesign nötig ist.
Der Ausdruck "Auflösung" bezieht sich auf den Kanalabstand zwischen benachbarten Trägerwellenlängen, wie den Trägerwellenlängen 63 und 64 in der 8. Der Kanalabstand könnte entweder in Einheiten von Wellenlängen (d h. Metern) oder aber in Einheiten von zeitlicher Frequenz (d. h. Zyklen pro Sekunde oder Hz) ausgedrückt werden.
Die praktische Untergrenze an Kanalabstand für DWDM-Ausrüstung ist ca. 50 GHz. Gegensätzlich stellt ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung Subkanalabstand in der Größenordnung von 1 GHz oder weniger bereit. Daher stellt ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung in der Größenordnung 50-mal mehr Kanäle pro Faser bereit und die zusätzlichen Kanäle entsprechen mindestens einer zehnfachen Zunahme an Bandbreitennutzung der Faser und daher erhöhter Datenübertragungskapazität. Die Grenzauflösung eines OTDL-Geräts könnte als 1/mτ berechnet werden, wobei m die Zahl optischer Anzapfungsausgänge und τ die Zeitverzögerung von Anzapfung zu Anzapfung repräsentiert. Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist fähig, eine Auflösung bereitzustellen, die mindestens zwei Größenordnungen feiner als die Auflösung ist, die sich gegenwärtig mit konkurrierenden Technologien, die auf WDM anwendbar sind, erzielen lässt.
Beispielsweise wird ein OTDL-Gerät mit einer optischen Resonatordicke von einem Zentimeter (cm) und das für einhundert "Prallungen" ("bounces") zwischen Reflexionsflächen konzipiert ist, eine Gesamtverzögerungslänge von einem Meter bereitstellen. Die von Licht benötigte Zeit, sich in Glas um eine Distanz von einem Meter fortzupflanzen, beträgt ca. fünf Nanosekunden. Solch eine Zeitverzögerung entspricht einer Frequenzauflösung von ca. zweihundert MHz. Ebenso würde ein OTDL-Gerät, das für fünfhundert "Prallungen" ("bounces") konzipiert ist, eine Auflösung von ca. vierzig MHz bereitstellen.
Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung könnte in Kombination mit einem konventionellen DWDM-Kanalaufteiler verwendet werden, um jeden DWDM-Kanal in viele HWDM-Unterkanäle aufzuteilen. Diese Kanalaufteilung in Unterkanäle würde Dienstanbietern von Fasertelekommunikation ermöglichen Bandbreiten in kleineren Einheiten zu verkaufen, um somit die Gesamteinnahmen für eine installierte Faser zu erhöhen. Kunden könnten eine Wellenlänge in dieser optischen Schicht leasen, anstatt das Recht zu leasen mit einer speziellen Datenrate zu senden. Eine Fernsehstation könnte, zum Beispiel, eine Wellenlänge von ihrem Studio zu ihrem Sender und eine weitere zur örtlichen Kabelgesellschaft reservieren und beide Signale in digitalen Videoformaten senden, die nicht im Telefonnetz verwendet werden.
Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung stellt relativ höhere Frequenzauflösung bereit. Diese ermöglicht ihrerseits dem Spektralbereich zwischen bestehenden optischen Trägerfrequenzen in DWDM-Systemen wirksamer verwendet zu werden, wodurch die Nutzung der Faserbandbreite und somit das Datendurchsatzvermögen auf einer Einzelfaser signifikant verbessert werden.
Die durch ein OTDL-Gerät bereitgestellte höhere Auflösung ermöglicht es, einen Kanal hoher Bandbreite in viele Kanäle geringerer Bandbandbreite (in der Größenordnung von einem GHz oder geringer) zu unterteilen. Dies lässt kostengünstigere Signaldemodulationsendgeräte zu, die optische Detektoren und Elektronik für geringe Bandbreite verwenden.
Die durch ein OTDL-Gerät bereitgestellt höhere Auflösung erhöht die Zahl unabhängiger optischer Wellenlängenträger, die in einem Faserkommunikationssystem verwendet werden können. Statt 40 oder 80 Kanälen kann es 4000 bis 40.000 Kanäle (Wellenlängen) geben, die jedem Nutzer erlauben seine eigene unabhängige Wellenlänge zu haben. Ein OTDL-Gerät ermöglicht dadurch große "eine Wellenlänge pro Nutzer" passive optische Netzwerke.
Die höhere Auflösung gestattet außerdem, die Möglichkeit ein Breitbandsignal als viele Schmalbandsignale parallel geschaltet zu senden. Viele parallele Kanäle gestatten dem Netzwerkmanagementsystem "Bandbreite auf Anforderung" ("bandwidth on demand") durch Zuteilung verschiedener HWDM-Kanäle an Nutzer nach Bedarf bereitzustellen. Bei mehr verfügbaren optischen Trägern kann der Netzwerkmanager den Nutzern mehr parallel geschaltete Kanäle zuteilen, die einen momentanen Bedarf für höhere Kapazität haben.
In konventionellen WDM-Systemen trägt ein einzelner Wellenlängenkanal diverse Verkehrsformattypen (z. B. Ethernet, ATM, POS) alle in ihrem systemeigenen Format. Ein OTDL-Gerät ermöglicht die Zuordnung von Kanälen zu gewissen Formattypen, etwas, das bei gegenwärtigen Architekturen von Faserkommunikationssystemen unpraktisch ist.
Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist fähig relativ große Zeitverzögerungen in der Größenordnung von mehreren Nanosekunden oder mehr zu generieren. Solch ein OTDL-Gerät tendiert daher, sehr empfindlich gegenüber relativ kleinen Frequenzänderungen zu sein. Folglich könnte ein Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden sehr hohe Auflösungen – in der Größenordnung von 10 GHz und feiner – zu produzieren.
Kanalfilterform:
Die Kanalfilterform eines OTDL-Geräts lässt sich relativ leicht steuern. Diese Formgebung ermöglicht, dass ein höherer Prozentsatz der verfügbaren Bandbreite einer Faser verwendet werden kann. Diese Leichtigkeit der Steuerung ist ein Ergebnis der Verwendung eines kollimierten Lichtstrahleingangs zur Platte 112. Der Strahl an jeder Anzapfung auf der Beschichtung 120 ist auf einen kleinen Bereich auf der Beschichtung beschränkt, Dieser Bereich ist für jede der Anzapfungen verschieden. Daher lässt sich jeder Ausgangsstrahl in Amplitude und Phase individuell wichten. Diese Wichtung jeder Anzapfung gestattet präzise Steuerung der Form des optischen Punkts auf dem Ausgangsgerät. Dies bedeutet genaue Filternebenkeulensteuerung und die Fähigkeit, Kanäle enger zusammenzupacken und Übertragungskapazität zu erhöhen.
Optische Durchsatzeffizienz.
Die Effizienz eines optischen Systems wie OTDL könnte als der Anteil der Lichtleistung definiert werden, die in das System in einem einzelnen Wellenlängenkanal in einem einzelnen Eingangsstrahl eingegeben wird, der letztlich auf eine einzelne, nachweisbare Position in der Ausgangsebene fokussiert wird. Bei Verwendung dieser Definition bedeutet eine Effizienz von 40%, beispielsweise, dass 40% der ursprünglichen Eingangslichtleistung auf einen Punkt fokussiert werden und, dass die restlichen 60% verloren oder verschwendet werden, weil sie entweder in wiederholten Punkten höherer Ordnung erscheinen oder durch Fehler in den optischen Komponenten zerstreut werden. Effizienz ließe sich durch einfaches Messen der Eingangs- und Ausgangslichtleistungen bei einer gegebenen Wellenlänge und Berechnen ihres Verhältnisses messen. In der vorliegenden Erfindung könnten Effizienzen in der Größenordnung von 40% und größer und in einigen Fällen in der Größenordnung soviel wie 70% und größer mit einer Frequenzauflösung von 10 GHz oder feiner erzielt werden.
Vergleich mit dem VIPA-Gerät:
Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung stellt im Vergleich mit anderen Geräten, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, eine Reihe von Vorteilen bereit. Zum Beispiel benötigt ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung nicht die Verwendung eines fokussierten Eingangsstrahls, wie es bei einem VIPA-Gerät erforderlich ist. Ein solcher fokussierter Strahl hat die Tendenz, sich in einem VIPA-Gerät nach dem Fokus schnell zu zerstreuen, wenn er sich in einem dicken optischen Resonator (d h., einer Dicke in der Größenordnung von mehreren Millimetern oder größer) fortpflanzt und wird durch die Ränder des Geräts schnell abgestumpft. Die schnelle Divergenz des fokussierten Eingangsstrahls in einem VIPA-Gerät macht außerdem die Steuerung der Amplitude, d. h., die Gewichtung, der individuellen virtuellen Abbildungen schwierig. Die Verwendung von kollimierten Eingangsstrahlen relativ großen Durchmessers in der vorliegenden Erfindung ermöglicht einen relativ dicken Resonator. Ein dicker Resonator ist erforderlich, um eine relativ lange Gesamtverzögerungszeit in der Platte 112 zu produzieren, damit eine hohe Frequenzauflösung erzielt wird.
Zweidimensionalität:
Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist zweidimensional. Eine der zwei räumlichen Dimensionen lässt mehrfache Paralleleingänge zu. Folglich ist ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung fähig, simultan mit hunderten von unabhängigen Eingängen zu arbeiten.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die diese Zweidimensionalität ausnutzt, könnten ein erstes OTDL-Gerät und ein zweites OTDL-Gerät in der z-Achsenrichtung kaskadenartig angeordnet werden, d. h., entlang der optischen Achse, wobei der Ausgang des ersten OTDL-Geräts als der Eingang des zweiten OTDL-Geräts dient. Außerdem könnte das zweite OTDL-Gerät neunzig Grad um die z-Achse, relativ zum ersten OTDL-Gerät rotiert werden und dadurch bereitstellen, was als eine „gekreuzte" ("crossed") Ausführungsform bezeichnet werden könnte.
In solch einer gekreuzten Ausführungsform könnte das erste OTDL-Gerät eine grobe Kanalaufteilung niedriger Auflösung durchführen. Das zweite OTDL-Gerät könnte eine feine Kanalaufteilung hoher Auflösung durchführen. Die gekreuzte Ausführungsform könnte, beispielsweise, in einem Kommunikationssystem verwendet werden, wo eine Einzelfaser vorhanden ist, die hunderte oder selbst mehrere tausend Trägerwellen oder Kanäle, im Gegensatz zu Zehnern von Fasern, die jeweils fünfzig einhundert Kanäle tragen, trägt. Die gekreuzten OTDL-Geräte könnten alle von dieser Einzelfaser emittierten Wellenlängen kanalisieren und die Wellenlängen würden an der Ausgangsebene räumlich getrennt werden. Ein Paar gekreuzter OTDL-Geräte kann die ganze Bandbreite einer Faser auf hohe Auflösung (d. h., ein GHz oder weniger) kanalisieren.
Umkehrbarkeit:
Das OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist umkehrbar. Mit anderen Worten, ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung könnte verwendet werden viele Eingänge mit verschiedenen Frequenzen (Trägerwellen) in einen Einzelausgang zu multiplexen. Die umgekehrte Funktionsweise könnte durch Eingabe angemessener mehrfacher Lichtfrequenzen an geeigneten Positionen in der Ausgangsebene 144 des Geräts erzielt werden. Das von diesen Eingangsquellen emittierte Licht wird sich rückwärts durch das in der 6 gezeigte System fortpflanzen und sich in der Platte 112 kombinieren und letztlich an einer gemeinsamen Eingangsöffnung des Geräts erscheinen.
Bezug nehmend auf das, in den 6 und 7 dargestellte, OTDL-Gerät könnte, beispielsweise, eine divergierende Lichtquelle, die der geeigneten Frequenz ist und die an der richtigen Position in der Ebene 144 eingegeben wird, effizient in den geeigneten Strahl 110a–f gekoppelt werden. Eine vom optischen System (infolge des einfallenden divergierenden Strahls) produzierte ebene Welle geeigneter Frequenz und geeignetem Einfallswinkel auf die Fläche 118 der Platte 112 wird einen Ausgang an der optischen Eingangsöffnung produzieren. Die einfallende ebene Welle ergibt die Beiträge von jeder Ausgangsanzapfung, die in Phase ist und sich konstruktiv summiert.
Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung könnte daher als ein Multiplexer oder als ein Demultiplexer, zum Kombinieren bzw. Trennen mehrfacher Wellenlängenkanäle, funktionieren. Die Verwendung kollimierter Lichtstrahlen im Gerät und die Kontrolle der Wichtung an jeder optischen Anzapfung an der Laufzeitleitung machen das Gerät bei Betriebsarten sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsrichtung, d. h. den Demultiplexer- bzw. Multiplexerbetriebsarten, relativ effizient.
Anwendung des OTDL-Geräts auf optische Signalverarbeitung
Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung könnte als Ersatz für eine Braggsche Zelle in optischen Signalverarbeitungsanwendungen verwendet werden.
Eine Braggsche Zelle (ebenso als eine akustisch-optische Zelle oder AO-Zelle bekannt) ist ein Gerät zum Umsetzen eines elektrischen Signals in ein optisches Format in vielen optischen Prozessoren. Beispielsweise verwendet der "Kanalaufteiler" ("channelizer") an Bord des SWAS-Raumflugkörpers (Short Wavelength Astronomical Spectrometer/Astronomisches Kurzwellenspektrometer) eine Braggsche Zelle. Eine Braggsche Zelle umfasst einen elektrischen-akustischen Wandler, der an einen Block transparenten Materials geklebt ist. Ein elektrisches Signal wird auf den Wandler angewandt, das Schwingen des Wandlers bewirkt. Die Schwingungen werden als eine fortschreitende Schallwelle in den transparenten Block gekoppelt. Die Schallwelle umfasst eine Reihe von Kompressionen und Brechungen im Block, die den Brechungsindex des Blocks räumlich modulieren. Wenn der Block mit Licht illuminiert wird, dann zerstreuen die Indexmodulationen das Licht. Wenn die Schallwelle, beispielsweise, sinusförmig ist, dann sind die Indexmodulationen sinusförmig und fungieren als ein Beugungsgitter. Je höher die Frequenz des elektrischen Signals, desto höher die räumliche Frequenz des Beugungsgitters und desto größer der Winkel, in dem das Licht zerstreut (gebeugt) wird. Dieser Beugungsprozess lässt zu, dass das elektrische Signal in ein Winkelspektrum optischer ebener Wellen zerlegt wird. Das Winkelspektrum lässt sich auf eine Ebene fokussieren, um eine Spektrumsanalyse des elektrischen Signals durchzuführen.
Die Braggsche Zelle ist in der Frequenzbandbreite auf ca. zwei GHz durch akustische Dämpfung und Wandlerfertigungstechnologie begrenzt. Es gibt außerdem einen nichtlinearen Effekt, der die nützliche Beugungseffizienz für viele Anwendungen auf weniger als zehn Prozent begrenzt. Dieser Effekt wurde von David Hecht quantifiziert und wird als Hecht-Grenze bezeichnet. Die Hecht-Grenze ist ein Ergebnis der Erzeugung von Intermodulationprodukten in der Braggschen Zelle.
Gegensätzlich leidet ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung nicht unter akustischer Dämpfung. Daher kann ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung in der Frequenzbandbreite viel breiter sein. Beispielsweise kann die Bandbreite für ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung größer als zweihundert GHz, im Gegensatz zu den typisch zwei GHz für eine Braggsche Zelle, sein.
Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung stellt relativ kleinere Aperturzeiten, d. h., die Gesamtverzögerungszeit mτ, um einen Faktor von ca. einhundert im Vergleich zu einer Braggschen Zelle bereit. Dies ermöglicht eine schnellere zufällige Winkelstrahlpositionierung in Strahlsteuerungsanwendungen.
Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung leidet nicht unter der Hecht-Grenze, die nichtlineare Interaktionen in Braggschen Zellen beschreibt. Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet keine volumetrische Beugungsindexmodulation und ist daher hinsichtlich optischen Durchsatzes nicht durch die Hecht-Grenze begrenzt. Hohe optische Effizienz ist ohne Erzeugung von Intermodulationsprodukten möglich. Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung kann theoretisch 100% Effizienz erzielen.
Braggsche Zellen mehrfachen Eingangs lassen sich, aufgrund elektromagnetischer und akustischer Interaktionen zwischen den Eingängen, nur äußerst schwer zuverlässig herzustellen. Im Gegensatz dazu benötigt jeder Eingang eines OTDL-Geräts mehrfachen Eingangs grundlegend nur einen zusätzlichen optischen Eingang mit einem richtig kollimierten und orientierten Strahl. Homogenität und Klarheit des optischen Materials der Platte 112 ist ebenso wünschenswert, um gestörtes Übersprechen (crosstalk) zu minimieren.
Ein OTDL-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung könnte vorteilhaft für Breitbandspektrumsanalyse von Signalen, Korrelation von Signalen und optische Strahlabtastung verwendet werden. Ein OTDL-Gerät ist speziell auf interferometrische Kreuzleistungsspektrumanalysatoren, Radiometerbanken und elektronische Kriegsführungsempfänger anwendbar.

Claims

Gerät mit zweidimensionaler optischer Laufzeitleitung mit Anzapfungen, umfassend: Einen optischen Resonator (112) zwischen zwei mit Abstand angeordneten und entgegengesetzten Reflexionsflächen (114, 118), die XY-Ebenen definieren, wobei der Resonator einen Eingang umfasst, wo mindestens ein kollimierter Eingangsstrahl in den Resonator eintreten kann, die zweite Fläche (118) ein Reflexionsvermögen von weniger als 100% hat, sodass ein kollimierter Eingangsstrahl, der durch den Eingang in den Resonator eintritt, durch aufeinander folgende Reflexionen zwischen zwei Reflexionsflächen (114, 118) eine Reihe diskreter mehrfacher zeitverzögerter Ausgangsstrahlen (124a–f) produziert, die in der y-Richtung verteilt sind und den Resonator durch die zweite Fläche verlassen; ein optisches System (140, 142), das mit Abstand vom Resonator (112) angeordnet und eingerichtet ist, eine erste Funktion der Fouriertransformation des Ausgangs des Resonators (112) in der Y-Dimension durchzuführen, wobei besagte Fouriertransformation eine ebene Welle umsetzt, die sich mit einem gegebenen Winkel mit Bezug auf die optische Achse in einen fokussierten optischen Punkt ausbreitet, sodass ein Muster fokussierter Punkte entlang der y-Dimension auf eine Ausgangsebene (144) gebildet wird; wobei besagtes Gerät dadurch gekennzeichnet ist, dass: besagter Eingang des Resonators so eingerichtet ist, dass eine Mehrheit kollimierter Eingangsstrahlen (100a–f), die entlang der x-Richtung mit Abstand angeordnet sind, in den Resonator eintreten; und besagtes optische System eingerichtet ist, eine zweite Funktion der Abbildung des Ausgangs (124a–f) des Resonators (112) in der x-Dimension auf besagte Ausgangsebene durchzuführen, sodass eine Gruppe fokussierter Punkte mit einer x-Verteilung, die den Eingangsstrahlen entspricht und eine y-Verteilung, die den Frequenzkomponenten jedes Eingangsstrahls entspricht, gebildet wird.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die erste Reflexionsfläche (114) und die zweite Reflexionsfläche (118) durch ein transparentes Material getrennt sind.
Gerät nach Anspruch 2, wobei der optische Resonator eine transparente Platte (112) umfasst, die ersten und zweiten Reflexionsflächen (114, 118) durch eine Beschichtung auf einer jeweiligen Fläche der Platte bereitgestellt werden.
Gerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Reflexionsvermögen der zweiten Fläche (118) räumlich variiert.
Gerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Reflexionsvermögen der zweiten Fläche (118) im Wesentlichen gleichförmig ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das optische System umfasst: ein anamorphotisches optisches System (140, 142).
Gerät nach einem beliebigen der obigen Ansprüche, das eingerichtet ist, den Eingangsstrahl (100a–100f) mit einer Auflösung nicht gröber als 10 GHz in Bestandteilfrequenzen zu kanalisieren und das eine optische Durchsatzeffizienz von nicht weniger als 40% haben soll.
Gerät nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der folgenden Posten: eine Detektorgruppe, eine Gruppe kleiner Linsen, eine Lichtrohrgruppe, ein Lichtwellenleiterbündel und eine Gruppe von GRIN-Linsen an der Ausgangsebene (144) positioniert ist.
Verfahren zum Betreiben eines Geräts nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, das umfasst: Bereitstellen des mindestens einen kollimierten Eingangsstrahls (100a–f) an besagten Eingang, sodass eine Gruppe fokussierter Punkte mit einer X-Verteilung, die den Eingangsstrahlen entspricht und eine Y-Verteilung, die den Frequenzkomponenten jedes Eingangsstrahls entspricht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei besagter Eingangsstrahl (100a–100f) mit einer Auflösung nicht gröber als 10 GHz in Bestandteilfrequenzen kanalisiert wird und eine optische Durchsatzeffizienz von nicht weniger als 40% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei der mindestens eine Eingangsstrahl (100a–100f) eine Mehrheit kolliminierter Eingangsstrahlen ist, jeder der Eingangsstrahlen mindestens eine Frequenz umfasst, die Ausgangsstrahlen (124a–124d) als eine Funktion der mindestens einen Frequenz eines entsprechenden Eingangsstrahls gegenseitig phasenverschoben werden, wodurch die mehrfachen Eingangsstrahlen an der Ebene (144) gleichzeitig in Bestandteilfrequenzen kanalisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, welches das Betreiben des Geräts als einen Demultiplexer zum Trennen mehrfacher Wellenlängenkanäle umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Geräts nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, das umfasst: Bereitstellen einer Mehrheit von Eingangsstrahlen verschiedener Frequenzen an vorbestimmten Stellen in der Ausgangsebene (144) des Geräts, derartig, dass sich besagte Strahlen rückwärts durch das optische System ausbreiten und im optischen Resonator kombiniert werden, um einen Ausgangsstrahl am Eingang des Geräts zu produzieren.
Verfahren nach Anspruch 13, welches das Betreiben des Geräts als einen Multiplexer zum Kombinieren mehrfacher Wellenlängenkanäle umfasst.