NO321776B1 - Innretning til overforing og behandling av optiske signaler med forskjellige frekvenser - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innretning til overføring og behandling av optiske signaler med forskjellige frekvenser som føres serielt på et og samme optiske fiber.

Optisk overføring av meldinger foregår ofte ved sending av en sekvensiell rekke av enkeltvise binært kodede lyspulser. Da overføringsfrekvensene i dag allerede strekker seg inn i områder som ikke lenger tillater elektronisk databehandling og særlig komplisert koding og dekoding til hemmelig overføring oppstår det et stort behov for optiske komponenter som kan klargjøre den tidsmessige bitrekke optisk til parallell viderebehandling. Den optiske parallellbehandling er i stand til samtidig å transformere en stor mengde binære eller analoge signaler som er anordnet til et bilde eller mønster og arbeider dermed betydelig hurtigere enn en vanlig elektronisk datamaskin.

Med en parallellbehandling oppnås det for visse optiske operasjoner som for eksempel Fourier-transformasjoner, en overordentlig høy tidsgevinst. Da optiske Fourier-transformasjoner er en vesentlig bestanddel av maskinell mønstergjenkjennelse kan koding og dekoding av meldinger lett og meget hurtig foregå optisk. Kjente elektrooptiske komponenter som gjengir en tidsmessig pulsrekke for parallellbehandlingen i en romlig anordnet flate kan for eksempel være bygget opp på grunnlag av det brownske rør.

Som kjent fra patent DE 196 09 234 C2 (Koops), som ikke umiddelbart skal betraktes som den teknikkens stand som ligger til grunn for foreliggende oppfinnelse, men er en alternativ løsning, kan elektronstrålen der bare avbøyes hurtig nok med mikrorør for å kunne lese inn signaler i multigigahertzområdet. En annen metode koder de enkelte optiske pulser avvekslende med hjelp av lysets polarisasjon. Den første, tredje, femte, altså hver ulike puls blir for eksempel polarisert vertikalt, mens alle like pulser polariseres lineært horisontalt. Da kan i hvert fall minst de like og ulike pulser lokalt skilles fra hverandre ved hjelp av en polariserende strålingsdeler. En kaskadekobling muliggjør høyere adskillelsesgrad. Fordelen med denne metode ligger i at den skillende komponent - stråledeleren - er rent passiv. Etter at pulsene for eksempel ble elektrooptisk polarisasjonskodet er ingen aktiv kobling lenger nødvendig. Ulempene ved fremgangsmåten er åpenbart det lave antall på bare to parallelle kanaler pr. kaskadetrinn.

Patentpublikasjonen DE 196 30 705 Al beskriver en fremgangsmåte for å fremstille tredimensjonalt strukturert film, f.eks. linser, på enden av fibere eller laserlyskilder. Med den beskrevne metoden er det mulig å plassere linser på en fiber eller laser med mindre enn 1 mikrometers presisjon. Prismer og stråledeler kan også direkte produseres, og teknikken kan brukes til å lage linsematriser på overflater for bruk i parallell optisk fokusering av et flertall piksler i et matrisemønster.

Patentpublikasjonen US 4 635 278 beskriver et digitalt kommunikasjonssystem for å gjenvinne spektralinformasjon fira et overføringssignal ved hjelp av autoregressiv spektralanalyse.

Patentpublikasjonen US 5 457 573 beskriver et diffraksjonselement som innbefatter et gjennomskinnelig substrat med en første flate og en andre flate, med periodiske spor preget på den første flaten, en reflekterende film anordnet på den første flaten med de periodiske sporene og et antirefleksbelegg på den andre flaten, hvor de periodiske sporene og den reflekterende filmen utgjør et diffraksjonsgitter.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en innretning av den art som er omhandlet i innledningen og som muliggjør parallell viderebehandling av frekvenskodede optiske signaler som opptrer serielt i et optisk fiber. Innretningen skal kunne fremstilles kostnadsgunstig og enkelt og kunne installeres på en plassbesparende måte.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en innretning for parallellbehandling av optiske signaler som har forskjellige optiske frekvenser, særlig for telekommunikasjonsformål, og som blir overført serielt i ett og samme optiske fiber, kjennetegnet ved de trekk som fremgår av det vedfølgende selvstendige patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsens innretninger for parallellbehandling av optiske signaler som har forskjellige optiske frekvenser og som blir overført serielt i ett og samme optiske fiber fremgår av de vedfølgende uselvstendige patentkravene 2 til og med 15.

Dette formål blir oppfylt ved at fiberen er forsynt med strukturer, som deler opp lyset etter frekvens og som skiller de optiske signaler som føres i fiberen, etter deres frekvens og i avhengighet av frekvensen forskyver disse romlig i forhold til hverandre ved stråling utad, slik at de utstrålte signaler v\ til videre behandling ved hjelp av innretninger, avbildes på en romflate som befinner seg utenfor fiberen i punkter som tilsvarer hver sin frekvens.

Disse signaler som på denne måte er adskilt og avbildet kan enten gjøres synlig med en gang på en skjerm som er anbrakt på romflaten eller de kan behandles videre med innkoblingskomponenter, for eksempel en anordning ved de lysopptakende ender av optiske fibere, anordnet langs romflaten.

Den frekvensoppdelende struktur av fibrene kan være utført som spektrograf ved hjelp av hvilken de optiske pulser skilles fra hverandre lokalt og anordnes på romflaten. For dette formål vil særlig en prismespektrograf, gitterspektrograf, men også et tostråle-eller flerstråleinterferometer være vel egnet.

For å benytte innretningen ifølge oppfinnelsen er det nødvendig at de enkelte på hverandre følgende optiske pulser i stedet for den vanlige polarisasjonskoding har en frekvenskoding. Da på den ene side frekvensen for lyset i et optisk vindu uten videre kan endres med 100 nm og på den annen side kan halvlederlaseren omstilles flere nanometer ved endring av den påtrykte spenning består i prinsippet muligheten til å anordne optiske pulser med forskjellige frekvenser i et bredt område. For dette må flere halvlederlasere med forskjellige tyngdepunktsfrekvenser kunne kobles om elektrisk når det gjelder strålefrekvensene. De optiske pulser som oppstår med forskjellige frekvenser blir så til overføring av meldinger binært kodet og matet inn i den overførende optiske fiber. Denne melding blir altså for eksempel preget i en rekke pulser med stigende frekvens Vj der den første puls har frekvensen v\. Da gjelder videre v\ < vi < v$ <...

<<> Vj < Vj + 1 <... < vn.

Ved en første utførelse av oppfinnelsen tas det sikte på at selve fiberen i avsnitt skal være utformet som en frekvensoppdelende struktur som skiller de optiske signaler etter deres frekvens og i avhengighet av frekvensen stråler ut disse romlig forskjøvet i forhold til hverandre.

Ved dette oppnås en meget kompakt utførelse da de lysledende områder av selve fiberen virker som et funksjonselement og videre påbygning på fibrene til frembringelse av strukturene blir overflødig.

Romflaten kan være plan eller til oppnåelse av en bestemt virkning, for eksempel fjernelse av støy i det avbildede signal, eller til korrektur av avbildningen ha en annen form. Videre kan det ved krumning eller en skråstilling av romflaten eller ved bruk av ekstra forsinkelseselementer oppnås en tidsmessig forskyvning i fiberen av de serielt ankommende signaler slik at signalene kan tas samtidig ut av romflaten og dermed også virkelig viderebehandles parallelt.

Med de ytterligere foranstaltninger som er angitt i underkravene blir ytterligere fordelaktige videreutviklinger og forbedringer av oppfinnelsen mulig.

Utførelseseksempelet på oppfinnelsen er vist på tegningen i form av flere figurer og nærmere beskrevet i den følgende beskrivelse. Her viser: Fig. 1 anvendelse av en passiv optisk komponent til oppdeling av lys ved enden av et

optisk fiber,

fig. 2 anvendelse av et diagonalt anordnet fasegitter til utkobling av lys fra det optiske

fiber,

fig. 3 anvendelse av et annet diagonalt anordnet fasegitter til utkobling av lys fra det

optiske fiber,

fig. 4 en spiralformet anordning av fasegitteret,

fig. 5 anvendelse av fotoniske krystaller som er innsatt i et optisk fiber til

frekvensoppdeling av lys,

fig. 6 den forsinkelse som inntrer mellom de optiske pulser av forskjellige frekvenser,

og

fig. 7 anvendelse av en forsinkelseskomponent til oppnåelse av en simultan avbildning

av lyspulser på en matrise.

Like deler er på figurene forsynt med like henvisningstall.

På figurene er mikroteknisk strukturer som frembringes som deler av optiske fibere symbolisert som skjematiske avbildninger i form av simulerte optiske komponenter som linser og prismer. I det følgende nevnes de publikasjoner som nærmere beskriver den mikrotekniske fremstilling av de anvendte optiske komponenter nærmere. Den optiske virkning av mikrostrukturene kan som regel sammenlignes med den optiske virkning av linser, prismer og lignende. De anvendte komponenter har derfor i teksten disse betegnelser.

Den foreliggende oppfinnelse gjør bruk av en passiv optisk virksom struktur som spektralt deler opp det gjennomstrømmende lys lokalt til adskillelse av frekvenskodede pulser som ledes serielt i et optisk fiber og gjengir disse på en romlig anordnet flate. Figur 1 viser anvendelsen av en optisk komponent 1 for dette formål. Det dreier seg i eksempelet om en spektrograf på grunnlag av et prisme som er lagt inn i en optisk fiber 2 eller er anbrakt ved den ende, hvorved de optiske fibere overfører en frekvenskodet digital eller analog melding 3 som optiske pulser, og denne avbildes på en romlig anordnet flate 4. Fasegitteret kan også anvendes som spektrografer til romlig oppdeling av de frekvenskodede lyspulser. Slike fasegitre er for eksempel kjent fra US 5 546 481 (Meltz m.fl.).

På figur 2 og figur 3 er skrått (blazed) innførte fibergitre 5 "diagonalt" anordnet for å koble ut lys fra fiberen 2. Med egnede fokuserende komponenter 6 som for eksempel anamorfotiske linser som er kjent fra DE 196 30 705 Al (Koops) kan strålene med en bestemt frekvens (farge) linjeformet avbildes på en romflate 4. Hver frekvens v\ har da et annet fokuseringspunkt. Romflaten 4 kan ligge parallelt med fiberen 2, være krummet i rommet eller være skråttstilt.

Når det gjelder egnede fokuserende komponenter 6 i form av linser, kan disse også være anbrakt direkte på det optiske fiber. En fremgangsmåte til fremstilling av slike linser er for eksempel kjent fra DE 197 13 374 (Koops m.fl.). Ved et optisk fiber med et skrått (blazed) innført Bragg-fibergitter kan en linse anbringes på fiberens optiske mantel. De linser som benyttes kan monteres på overflaten av den sylindriske optiske mantel og kan fremstilles ved pådampningsmetoden ved hjelp av korpuskularstråle-litografi med stor fokaldybde eller ved røntgenlitografi med styrkemodulerte masker. Videre kan linsene også fremstilles ved polymerisering, dvs. ved strålepolymerisering som blir absorbert eller avsatt i overflaten til monomere som er pådampet denne, ved påvirkning fra det lys som kommer ut fra fiberen ved diffraksjon. Her må materialtilførselen til formgivning av linseprofilet reguleres med en hullmaske.

I det optiske fiber som er vist på figur 3 er det skrått (blazed) innført fibergitter 5 som består av flere etter hverandre anordnede gitre i det optiske fiber 2 med forskjellige perioder. Hvert gitter er slik anbrakt at det avkobler og stråler lys med en eneste frekvens fra det optiske fiber 2. Her kan på samme måte som på figur 2 med egnede fokuserende komponenter 6 i form av fokuserende elementer frembringes linjemessige anordninger av de enkelte lyspulser utenfor det optiske fiber 2 på en romflate 4.

Figur 4 viser et optisk fiber der enkelte skrått (blazed) innførte fibergitre 5 er anordnet som en vindeltrapp i det optiske fiber 2. Derved og i forbindelse med egnede fokuserende komponenter 6 (her ikke vist, men svarende til de andre figurer) kan impulsene her avbildes på den plane romflate 4, langs hvilken romflate det for eksempel kan være anordnet en projeksjonsskjerm slik at pulsene avbildes linjevis og rådvis. Hvert omløp av den spalteformede gittergruppe svarer omtrent til en linje som de enkelte spalter løper på ved siden av hverandre. Steder som ligger på siden av hverandre på linjen svarer til etter hverandre liggende gitre i fiberen 2 med lett forskjellige smygeplan. Steder som ligger under hverandre i spaltene svarer til gitrene i direkte etter hverandre liggende skruevindinger i vindeltrappen. I stedet for den vindelformede anordning av gitteret kunne de optiske fibere 2 også selv være viklet eller dreiet (ikke vist) og dermed danne en anordning med samme virkning på lyspulsene.

Som vist på figur 5 kan de frekvensdelende komponenter i stedet for å være lysgenererte fasegitre også bygges opp som fotoniske krystaller 7. Fotoniske krystaller er krystaller med gitterkonstanter på noen hundre nanometer som i motsetning til de ovenstående beskrevne fasegitre består av meget færre enkeltelementer (gitterkomponenter) siden forskjellene i brytningsindekser er meget større enn ved fibergitrene. Dessuten forsterker resonanseffekter deres virkningsgrad. Fotoniske krystaller og deres fremstilling blir omhandlet av H. Koops i artikkelen: "Photonic crystals built by three-dimensional additive lithograph enable integrated optic of high density", SPIE, b. 28849/29 (Denver/USA 1996). De fotoniske krystaller kan på samme måte som fibergitrene være utformet som frekvensselektive speil, prismer eller stråledelere.

De fotoniske krystaller blir som på fig. 1 anvendt ved enden av det optiske fiber 1, eller som vist på figur 5 innsatt i små kanaler eller gruber 8 i det optiske fiber 2. En fremgangsmåte til fremstilling av slike kanaler eller gruber 8 i det optiske fiber 2 er for eksempel kjent fra DE 197 13 371 (Koops m.fl.) med tittelen "Wellenlangen-Entkopplung aus D-Profil-Fasern mit photonischen Kristallen". I det nevnte patent blir lys overført i et D-profilfiber umiddelbart under fiberoverflaten. I denne fiberflate blir det ved litografi og tørretsing, ved kjemisk våtetsing eller ved laser- eller ioneablasjon utformet et innsnitt som bare er noen få mikrometer bredt. Ved additiv tredimensjonal litografi blir så et fotonisk krystall satt nøyaktig inn i lysets bane og på grunn av den selektive virkning krystallet har på det overførte lys kan en mindre del av spekteret i fiberen kobles inn eller ut av dette. Dette lys som har et lite spektralområde kan kobles ut fra siden av fiberen da medier av fotoniske krystall enten slipper lyset gjennom eller utelukkende leder dette videre i det indre av materialet så lenge lyset har en bestemt bølgelengde. På grunn av den særlige beskaffenhet krystallet har kan på denne måte en del av lyset reflekteres med en vinkel på mindre enn 90° fra fiberen. Ved hjelp av en tredimensjonalt konstruert linse kan lyset også avbøyes i et videreførende fiber.

Fra kanalene eller grabene avbøyer de fotoniske krystaller altså lyset med frekvensen v\ ut fra fibere 2. Ved egnede gitterkonstanter for de fotoniske krystaller 7 kan dermed de forskjellige frekvenser og dermed lyspulser kobles ut av fiberen 2 ved de etter hverandre liggende gruber (utsnitt 8) i det optiske fiber 2 og avbildes med fokuserende komponenter på romflaten 4 eller kobles inn i ytterligere bølgeledere eller detektorer.

Ved de på fig. 6 og 7 viste eksempler foregår en meldingsoverføring ved hjelp av de ovenfor beskrevne frekvensdelende komponenter, altså med enkeltrekker med lyspulser. Hver av disse rekker består av et antall optiske pulser som blir skilt romlig fra hverandre med den frekvensoppdelende struktur (her vist som skravert område) og for eksempel projisert på en skjerm som er anordnet langs romflaten 4. Som man lett ser på fig. 6 treffer pulsene vx skjermen samtidig når denne står i bestemte stillinger (for å forskyve tidsforsinkelsen At). Som forsinkelsesmekanisme for noen av de enkelte lyspulssekvenser kan skjermen vippes eller eventuelt krummes for å vise pulsene syklusmessig samtidig ved at de lyser opp.

Forsinkelsen kan i stedet for ved skråstilling eller krumning (eller i forbindelse med begge) foregå ved at skjermen er bestrøket med et fluorescerende eller fosforiserende stoff som ettergløder så lenge at alle pulser i en pulsrekke har ankommet. For å unngå en sterk uønsket etterglødning som ville føre til overlapning av de enkelte pulsrekker må det benyttes elektriske eller elektrooptiske koblingskomponenter som skiller de enkelte rekker.

Som figur 7 viser kan enkeltpulsene fanges opp av de optiske fiberes 9 ender 11 som er utformet for innkobling av lys og er anordnet langs romflaten 4 og avbildes på en matrise 10. Hver enkelt optisk fiber 9 må tjene som forsinkelsesstrekning

(forsinkelsesintervall) for de pulser det har fanget opp, slik at pulsene i en frekvensrekke avbildes til samme tid på matrisen 10. Til optisk viderebehandling er det nødvendig med detektorer som har båndbredde tilstrekkelig til pulsrekken. Andre forsinkelseselementer kan være utformet som luftgap eller glassprismer eller gradientindeksprismer.

I stedet for de optiske fibere 9 kan det anvendes detektorer direkte. Hver puls i en rekke blir detektert adskilt og forsinkelsen til parallell elektronisk viderebehandling foregår på elektronisk måte.

Claims (15)

1. Innretning for å sende optiske signaler med forskjellige frekvenser, særlig for kommunikasjonsformål, der signalene blir båret serielt i en og samme optiske fiber (2), karakterisert ved at fiberen (2) er anordnet med en struktur (1) for å dele lys i henhold til frekvens, der strukturen deler optiske signaler (3) båret av fiberen (2) i henhold til deres frekvens og stråler signalene til utsidene med et romlig avvik fra hverandre som en funksjon av frekvensen, og ved at et passende apparat (6) avbilder de strålte signalene (Vi) på et punkt (x) assosiert med deres respektive frekvens på en romflate (4) eksternt til fiberen for videre prosessering.

2. Innretning i henhold til krav 1, karakterisert ved at seksjoner av fiberen (2) i seg selv er konstruert som en frekvensdelende struktur (1) som deler de optiske signalene (3) i henhold til deres frekvens og stråler signalene med et romlig avvik fra hverandre som en funksjon av frekvensen.

3. Innretning i henhold til krav 2, karakterisert ved at det passende apparatet er en fokuserende innretning (6).

4. Innretning i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at i det minste et fokuserende element for å akseptere signaler avbildet på romflaten er anordnet på romflaten.

5. Innretning i henhold til et av kravene 1,2 eller 4, karakterisert ved at et fokuserende element er gitt for hvert signal avbildet på romflaten.

6. Innretning i henhold til krav 5, karakterisert ved at de fokuserende elementene er plassert på endene (11) til optiske fibere (9), som betjener overføring av signalene.

7. Innretning i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at signalene blir avbildet på lineært anordnede punkter på romflaten (4).

8. Innretning i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at romflaten (4) er konstruert med en form slik at hvert individuelle signal (Vi) ankommer romflaten med et spesifikt forhåndsdefinert tidsmessig skifte som en funksjon av signalets frekvens.

9. Innretning i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at formen og anordningen av romflaten (4) er konstruert slik at signalene syklisk ankommer samtidig på romflaten.

10. Innretning i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at frekvensdelmgsstrukturen er konstruert som en fibergitterstruktur (5) hvis gitterelementer er anordnet innenfor fiberen enten diagonalt, det vil si asymmetrisk med hensyn til flatenormalen (blazed) eller helisk.

11. Innretning i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at frekvensdelmgsstrukturen er konstruert som en fotonkrystallstruktur (7) i den optiske fiberen.

12. Innretning i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at i det minste et forsinkelseselement er gitt for å kompensere for forskjeller i utbredelsesforsinkelse som resultat av tidsforsinkelser av signaler koblet ut av fiberen.

13. Innretning i henhold til krav 12, karakterisert ved at forsinkelseselementet er en fosforiserende/fluoriserende substans som kompenserer for utbredelsesforsinkelsesforskjellene til individuelle pulser gjennom persistens (etterglødning).

14. Innretning i henhold til krav 13, karakterisert ved at en projeksjonsskjerm belagt med substansen er anordnet langs romflaten.

15. Innretning i henhold til krav 12, karakterisert ved at forsinkelseselementet er en optisk fiber (9) hvis lengde samsvarer med den ønskede forsinkelsen.