NO823870L - Fiberoptisk forsinkelseslinje. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fiberoptisk forsinkelseslinje.

Ved kommunikasjon og styresystemer blir forsinkelseslinjer benyttet for å lagre et signal for en diskret periode og for å tilføre signalet ved et utgangspunkt i slutten av perioden. Denne perioden mellom tidspunktet for signalinnføringen og tidspunktet for signalutføringen er kalt forsinkelsestiden.

En forsinkelseslinje med uttak er en variasjon hvor signalet blir tilført flere forskjellige utgangspunkter, idet avstanden mellom etterhverandre følgende utgangspunkter er lik avstanden som ville tilveiebringe en forsinkelsestid lik perioden for den fundamentale frekvensen for anordningen. An-vendelsen av forsinkelseslinje med uttak innbefatter bruk ved korrelasjons- og omhyllingsanordninger.

Dersom et inngangssignal som varierer som en funksjon av tiden blir tilført inngangen til forsinkelseslinjen med uttak kan forsinkelseslinjen bli benyttet for å filtrere valgte frekvenser fra inngangssignalet. Ved summering av utgangene fra forsinkelseslinjen vil anordningen dempe ethvert inngangs-signalinnhold annet enn det til grunnfrekvensen eller grunn-frekvensens harmoniske.

Ved å gjøre perioden mellom flere utgangspunkter lik 5 mikro-sekunder vil f.eks. en grunnfrekvens som har en 5 mikro-sekundperiode bli tilført ved den summeriske utgangen sammen med forskjellige harmoniske for den,\grunnfrekvensen.

For 5 mikrosekundperioden ville fundamentalfrekvensen være

200 kHz. Når en forsinkelseslinje med uttak blir benyttet på denne måten for å føre noen frekvenser og avvise andre virken den som et transversalt filter.

Der er tre hovedtyper forsinkelseslinjer som kan virke som transversalfilter. Den første typen innbefatter en gruppe med anordninger som benytter bølgefenomen hvor bølger kan tvinges til å bevirke at anordningen virker som et trans versalt filter. Den andre typen benytter et overførings-medium av betydelig lengde med signal fjernet ved uttak som er adskilt av like lengder med overføringsmedium, idet disse signalene blir summert for å tilveiebringe den ønskede system-utgangen. Den tredje systemtypen resirkulerer signalet for å tillate at ønskede grunn- og harmoniske frekvenser for-sterker seg selv med det resultat at utgangssignalet i virkeligheten allerede er summert ved resirkulasjonsvirknin-gen.

Den første gruppen er de anordninger som benytter bølgefeno-men for å tilveiebringe en lignende utgang.. Mange av disse anordningene benytter koaksiale kabler eller akustiske bølge-ledere for overføringen og summeringen av signalene. Tids-forsinkelsen ved disse anordningene blir frembrakt på grunn av tiden et signal tar for å vandre gjennom forsinkelseslinjen fra inngangsenden til utgangsenden. Deler av signalet vil bli reflektert og vil utbrede seg fra utgangsenden tilbake til inngangsenden hvor de blir reflektert til utgangsenden igjen. Hvor en inngangsfunksjon blir kontinuerlig tilført vil disse anordningene forsterke signalet ved en grunnfrekvens og den frekvensens harmoniske, mens den demper alle andre frekvenser og vil tilveiebringe ved utgangsenden et signal som innbefatter grunn- og harmoniske frekvensinnhold for det i inngangssignalet.

Koaksial kabelforsinkelseslinje er det mest vanlige for disse anordningene og mikrobølgesignalene karv,'bli lagret i kaoksial-kablene for en tidsperiode. Hovedulempen med koaksialkablene er at de har en svak begrenset båndbredde, som gjør koaksialkabelen ubrukbar ved høye frekvenser og ved korte pulser.

Ved frekvenser over 100 MHz er koaksialkabelen underlagt svære tap og høye frekvenser vil således ikke bli overført nøyaktig. Dersom pulsen som blir overført dessuten er ekstremt kort, f.eks. 1 nanosekund vil den bli degradert og spredd isteden for å forbli skarp.

Koaksialkabelen er også følsom for elektromagnetisk interferens, spesielt når frekvensen som blir overført er relativt høy. ,Svært lange lengder med koaksialkabel kan dessuten være nødvendig for at anordningen skal virke som et transversalfilter ved lave frekvenser og slike anordninger er heller massive og dyre.

En annen type anordning som benytter bølgefenomenet er den akustiske forsinkelseslinjeanordningen. Der er to typer akustiske forsinkelseslinjer: massivbølgeanordninger og overflatebølgeanordninger. Massivbølgeanordningene benytter 'prinsippet med kompresjon og oppløsning av massivmaterialet og har inngangs- og utgangstransduktorer ved enden av det massive materialet. Massivbølgeanordninger krever uheldig-vis store forspenninger og har derfor varmespredningspro-blemer slik at kun pulset drift av massivbølgeanordninger er mulig.

Overflatebølgeanordninger .drives med akustiske overflate-bølger og benytter ladningsbærere i en tynn film av silikon anordnet tilliggende et isolerende pizoelektrisk krystall. Overflateakustiske bølgeanordninger opererer ved UHF-frekvenser som har blitt utviklet og opererer med flere uttak anordnet i overføringsmediumet. Hovedulempen ved slike anordninger er at deres øvre operasjonsfrekvensgrense er tilnærmet en GHz og det er ønskelig å ha et transversalfilter som kan opereres ved høyere frekvenser. Det skal således bemerkes at anordningen som benytter bølgefenomenene ikke er svært tilfredsstillende når de blir benyttet som transversalfilter ved høye frekvenser.

Forsinkelseslinjer med uttak som har et antall uttak ved forskjellige punkter langs overføringsmediumet er generelt av to typer: elektriske og optiske fibre.

De elektriske forsinkelseslinjene med uttak er ganske enkelt et langt segment med ledning med utganger ved flere punkter langs deres ledningslengde. Grunnfrekvensen til en slik forsinkelseslinje blir valgt ved hjelp av en jevn lengde ledning mellom utgangene, idet tiden en elektrisk puls må

ha for å bevege seg fra ene utgangen til den neste utgangen er perioden for grunnfrekvensen. Slike anordninger er svært massive og dyre siden de krever hundre eller muligens til og med tusen utganger som betyr at det er nødvendig med svært store ledningslengder. Slike anordninger har også en streng begrensning i deres operasjonsbåndbredde og kan generelt ikke drives ved høyere frekvenser eller i en omgivelse med elektromagnetisk interferens.

Forsinkelseslinje med uttak av den optiske fibertypen har betydelige fordeler ved at de ikke er følsomme for elektromagnetisk interferens, de kan drives ved relativt høye frekvenser og den optiske fiberen er vesentlig mindre i omfang enn ledninger. For å tilveiebringe ytelser over et stort frekvensområde ved eksisterende optiske fiberanordninger må imidlertid hundrevis eller også tusenvis av optiske"uttak bli benyttet. Dette kan bli gjort ved kjent teknologi ved å fremstille diskret kopiere ved hvert uttakspunkt. Et slikt system er ikke virkelig mulig ved at det er ekstremt vanskelig å konstruere og heller dyrt og ville være vanskelig å utføre uten å senke signalnivået vesentlig. Prinsippet med å sample signaler i en optisk fiber ved diskre intervaller er imidlertid en viktig løsning og vil bli benyttet ved foreliggende oppfinnelse.

\ i,

En annen type forsinkelseslinje med uttak og av optisk fiber-type er en som benytter flere segmenter med optiske fibre, idet hvert segment er av standard lengde lengre enn det foregående segmentet, idet standardlengden er lengden gjennom hvilke lyset utbreder seg i en periode til grunnfrekvensen. Signalet som ble analysert blir innført til disse segmentene samtidig og utgangssignalet til hver av disse segmentene blir summert for å frembringe et utgangssignal som innbefatter grunn- og harmoniske freksinnhold til inngangssignalet.

Mens denne anordningen frembringer det ønskede resultatet

gir den vesentlig problemer ved nødvendigheten av et inngangssignal.som skal bli samtidig tilført hundre eller også

tusen av optiske fibersegmenter. En slik anordning ville være vanskelig å konstruere og vil også bli noe omfangsrik.

Hver av de ovenfor nevnte optiske fiberanordninger gir også ulempen med at de ikke kan endre uttaksvektingsdynamikken uten utbredt modifikasjon ved anordningen. Med andre ord så snart en slik anordning er konstruert kan den relative vektingen til de forskjellige utgangssignalene som skal bli summert ikke bli endret for å tilpasse anordningens utgangssignal.

Den andre typen forsinkelseslinje er en resirkulasjonslager-anordning. Slike anordninger drives på en måte heller lik bølgefenomenanordninger beskrevet ovenfor idet et signal resirkulerer gjennom en fiberoptisk sløyfe i resirkulasjons-lageranordningene, idet utgangen til anordningen som skal bli et summert signal innbefatter systeminnstilt grunn- og harmoniske frekvensinnhold for inngangssignalene idet alle andre frekvenser blir dempet. Grunnfrekvensen har en periode lik tiden det tar for et signal å utføre en sirkulasjon gjennom sløyfen.

Slike anordninger har den fordelen at de kan drives ved høye frekvenser som er upåvirket av elektromagnetisk interferens og de er svært kompakte. Når benyttet som et transversalfilter har en slik anordning imidlertidAflere ulemper.

For å tilveiebringe et utgangssignal av et brukbart nivå

kan for det første resirkulasjonslageranordningen kun tilveiebringe et lett begrenset antall sirkulasjoner før signalnivået faller under det brukbare nivået. Dette er et spesielt problem siden det erønskelig å ha hundre eller også tusen punkter ved hvilke signalene kan taes ut og bli summert for å tilveiebringe et nøyaktig og .skarpt definert passeringsbånd. En annen vesentlig ulempe ved slike anordninger er at det ikke er noen måte å endre den

dynamiske vektingen av utgangssignalene tatt ved forskjellige punkter før de blir summert siden summeringen blir gjort i anordningen. Siden resirkulasjonslageret har en fast sløyfe-lengde er der dessuten bti begrensning på lengden av signalene innført i slike anordninger.

Det er derfor et behov for en anordning som har et større antall diskret uttak, idet hvert uttak kan fjerne signalet

ved et diskret punkt i forsinkelseslinjen. Hver av de uttat-te utgangssignalene skulle være diskret slik at den dynamiske vektingen av utgangssignalene kan bli tilveiebrakt for å tilpasse systemets resulterende utgangssignaler når signalene

blir summert. Ved vekting av forskjellige utgangssignaler kan f.eks. et mer nærmest rektangulært bånd for et transversalt filter bli tilveiebrakt.

Oppfinnelsen angår en optisk fiberforsinkelseslinje med uttak som benytter et stort antall vindinger av enkelmodusoptiske fiber med en del av hver vinding limt til den neste av et nummer parallelle v-spor i en plate eller flis. Dersom anordningen skal bli benyttet som et transversalfilter er lengden på hver vinding identisk med lengden som bestemmer grunnfrekvensen for anordningen. En del av den optiske kappen på hver vinding til den optiske fiberen montert på platen blir fjernet langs dens sidelinje normalt på vindingene til fiberen i v-sporene som derved samtidig danner et uttak i hver vinding hvor linjen krysser den vindingen.

Ved å fjerne en del av den optiske kappen fra hver vinding til den optiske fiberen langs denne linjen vil hver av uttakene bli adskilt med en lengde lik lengden til den ene vindingen ved transversalfilteranvendelse.

Ved fjerning av kun en liten del av den optiske kappen ved hvert uttakssted vil kun en liten del av lyset bli fjernet fra fiberen ved hvert uttak. Lyset ved hvert uttak blir fjernet eller detektert på én av to måter. Ved den foretrukne utførelsesformen blir fotofølsomme halvlederanordnin^ger benyttet ved hvert uttak slik at signalet ved hvert uttak kan bli individuelt detektert. Amplituden til utgangen til hvfer fotodetektor kan så bli styrt ved hjelp av en felt-er f ekttransistor (FET) -for dynamisk endring ved vektingen av de forskjellige uttakene. Ved endring av vektingen til de forskjellige uttakene kan frekvensreaksjonen til systemet bli tilpasset. Ved endring av uttakene sonu.blir benyttet kan grunnfrekvensen til anordningen bli endret. Dersom hvert andre uttak blir vektet ved hull blir f.eks. grunnfrekvensen halvert. Når et inngangssignal blir tilført ene enden av fiberen og utgangssignalene til de dynamisk styrte fotosensorne blir summert vil det resulterende systemutgangs-signalet være et signal som innbefatter grunn- og harmoniske frekvensinnholdet til inngangssignalet.

En annen teknikk for detektering av lys ved hvert uttak innbefatter bruk av flere segmenter av optiske fibre i steden for fotodetektorer og i virkeligheten konstruksjon av en kopler ved hvett uttakssted. Utgangssignalene til disse fibrene kan så bli vektet om ønskelig og summert for å frembringe utgangssignalet.

De optiske fibrene blir fortrinnsvis montert slik at avstan-dene mellom påfølgende vindinger til fibrene ved et punkt hvor de skal bli tatt ut er identiske. Nivået ved hvilke fibrene er montert ved steder hvor de skal bli tatt ut sam-menfaller dessuten med sidelinjen normalt på v-sporene siden en del av den optiske kappen ved uttaksprosessen blir fjernet ved polering av fibrenes overflate. Siden poleringsoperasjonen samtidig fjerner en del av den optiske kappen på hver vinding med fibre viklet rundt kjernen og fibrene er montert på samme nivå slik at identisk mengde med optisk kappe blir fjernet fra hver vinding til fibrene og det tilveiebringes således et antall identiske uttak.

For å utføre poleringsoperasjonen på deler av hver fiber-vinding som skal ha noe av den optiske kappen fjernet skulle den delen av fiberen være fast montert. Den foretrukne måten å gjøre dette på er å benytte silikonstykker som har spor etset «i seg. Siden det er mulig å etse silikonstykker ved å benytte fotolitografLske metoder og for å tilveiebringe en høy grad av nøyaktighet ved etseoperasjonen er en slik metode en foretrukket utførelsesform. Bruken av spor etset i et silikonstykke for å orientere viklingsretningen for de optiske fibre er også nyttig ved at de medfører nøyaktig anbringelse av enten de fotofølsomme elementene eller de optiske fiberkoplerledninger på en måte som sikrer at de blir riktig orientert for å sikre riktig drift av uttaket.

Anordningen har flere fordeler i forhold til andre anordninger beskrevet ovenfor. Siden det er en fiberoptisk anordning kan den drives ved svært høye frekvenser ulikt bølge-fenomenanordninger og andre ikke-optiske anordninger beskrevet ovenfor. Siden de optiske frekvensene kan være i størrel-14

sesorden av 10 Hz kan frekvenser flere størrelsesordner høyere enn 1 GHz bli modulert på den optiske benyttede bære-frekvens. Ved å benytte enkelmodusoptiske fibre som for-sinkelsesmedium kan høyfrekvensinformasjon bli overført uten å lide under betydelige signaldegraderinger.

Foreliggende oppfinnelse har en fordel i forhold til andre anordninger beskrevet ovenfor ved at det er mulig å tilveiebringe et stort antall uttak, dvs. 100 eller 1000 uttak fra en enkel relativ kompakt anordning og en relativt billig konstruksjon. Siden alle uttakene utformet i en enkel opera-sjon kan et stort antall uttak med jevn karakteristikk bli fremstilt samtidig, et krav for nøyaktig drift av anordningen.

En annen betydelig fordel ved foreliggende oppfinnelse er at det er mulig å endre vektingen av forskjellige uttak dynamisk. Som nevnt ovenfor er dette en svært ønskelig karakteristikk siden en relativt nøyaktig tilpasning av frekvensreaksjonen kan bli tilveiebrakt. Anordningen har også flere fordeler siden den har en enkelmodusoptisk fiber. På grunn av den lave spredningskarakteristikken til enkelmodusfiberen kan signaler med høyt frekvensinnhold bli overført nøyaktig av anordningen. Siden flyktig feltkopling blir benyttet (som motsatt til polering inntil kjernen av fiberen) tilveiebringer foreliggende oppfinnelse også en mer effektiv stabil og styrbar uttakning fra den optiske fiberen og således en større grad av styring over operasjonskarakteristikken til anordningen.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et tidligere kjent optisk fiberforsinkelseslinje transversalf ilter . Fig. 2 viser e:t perspektivriss av en del av stykket med spor benyttet for riktig innretting av de optiske fibervindingene. Fig. 3 viser et perspektivriss over fotolitografiteknikken benyttet for å tilveiebringe en nøyaktig innretning av v-sporene. Fig. 4 viser et perspektivriss av en del av silikonskiven

klar for etsing.

Fig. 5 viser inngangstrinnet til den foretrukne utførelses-formen for foreliggende oppfinnelse. Fig. 6 viser et tverrsnitt av anordningen vist på fig. 5

med vindingene av de optiske fibrene innrettet i v-sporene.

Fig. 7 viser et forstørret riss av en del av fig. 6 over

optiske fibre montert i v-sporene og polert.

Fig. 8 viser et tverrsnitt av den første vindingen av den optiske fiberen montert i v-sporene som illustrerer hvorledes fibrene blir polert. Fig. 9 viser et perspektivriss av en maske benyttet ved den fotolitografiske prosessen for en alternativ utførel-sesform. Fig. 10 viser et v-spor i en skive fremstilt ved å benytte

maskeringen vist på fig. 9 og sett ovenfra.

Fig. 10A viser et tverrsnitt av v-sporet vist på fig. 10. Fig. 11 viser et tverrsnitt av en av vindingene til den optiske fiberen i et v-spor som illustrerer alternativ utførelsesform som benytter rotasjonsomhylling. Fig. 12 viser et tverrsnitt av en av vindingene til den optiske fiberen i et v-spor som illustrerer en alternativ utførelsesform som benytter en fotolitografisk etsingprosess for å kutte ned i den optiske kappen til den optiske fiberen. Fig. 13 viser skjematisk hvorledes fotodetektoranordningen til den foretrukne utførelsesformen for detektering av lys i flere vindinger til den optiske fiberen, vekting av utgangen til hver fotodetektor og summering av utgangssignalene. Fig. 14 viser et tverrsnitt av anordningen benyttet for å konstruere den foretrukne utførelsesformen på fig. 13, som illustrerer teknikken benyttet for innretningen. Fig. 15 viser en alternativ utførelsesform som benytter den samtidige fremstillingen av flere kopiere som blir benyttet for å detektere lys fra de forskjellige uttakene i forsinkelseslinjen med uttak. Fig. 16 viser en teknikk som benytter den foretrukne utførel-sesformen av oppfinnelsen for detektering av høye

. frekvensfunksjoner.

Fig. 17 viser en vektfunksjon benyttet for å tilveiebringe

et rektangulært passbåndtransversalfilter.

Fig. 18 viser en kurve over vektingen av et antall uttak som

benytter vektfunksjonen på fig. 17.

Hovedprinsippet ved forsinkelseslinje med uttak er å sample et signal samtidig ved flere punkter i overføringsmediumet som signalet utbreder seg i. Når forsinkelseslinjen med uttak virker som et transversalfilter blir alle samplene tatt ved et flertall punkter på overføringsmediumet. Avstanden mellom disse punktene bestemmer grunnfrekvensen for anordningen. Alle samplene blir så summert for å tilveiebringe et signal som innbefatter systemsatte grunn- og harmoniske frekvensinnhold for inngangssignalet. Alle andre frekvenser vil bli dempet av anordningen. Jo større antall uttak eller punkter ved hvilke inngangssignalet blir samplet, jo større nøyaktighet vil bli ønsket filterkarakteristikkene.

Fiberoptisk anordning ment for bruk som filter har hatt et betydelig problem idet det har vært heller vanskelig å få

et større antall uttak ved hvilke sampler for signalet som utbreder seg i fiberen kan bli tatt. Kun fiberoptiske anordning som har falt heldig ut ved tilveiébringelse av et høyere antall uttak er anordningen vist på fig. 1 og er ikke en sann forsinkelseslinje med uttak siden den benytter et stort antall fibre av forskjellige lengder i steden for uttak.

Et inngangssignal 22 blir modulert på et lyssignal tilveiebrakt av en laserlyskilde 20. Utgangssignalene blir tilført n optiske fibre som er nummerert 40a, 40b, 40c, ..., 40n. Hver påfølgende fiber er lengre enn tidligere fibre med en avstand L hvor L er lengden på fiberen som vil tilveiebringe en tidsforsinkelse lik perioden for ønsket grunnfrekvens for transversalfilteret. Utgangsendene til hver av disse fil-trene 40a, 40b, 40c, ..., 40n blir tilført en detektor og addere»r 24 som adderer alle utgangssignalene på fiberen 40 og tilveiebringer et utgangssignal 26, som innbefatter systemets innstilte grunn- og harmoniske frekvensinnhold for inngangssignalet 22.

Anordningen vist på fig. 1 er stor og ubekvem siden den krever et optisk fibersegment for hver av de ønskede uttakene. Foreliggende oppfinnelse overvinner ulempene ved anordningen vist på fig. 1 ved at den har kun et stort antall uttak som er konstruert samtidig av en enkel optisk fiberlengde, som således gjør tiden, prisen og vanskeligheten av konstruksjonen ved forsinkelseslinjen med uttak til et minimum.

Hovedprinsippet ved oppfinnelsen er vist best på fig. 5 som viser inngangssiden for oppfinnelsen. Et enkelt segment med optisk fiber 50 er benyttet, som begynner ved inngangsenden 52, som blir tilført et lysinngangssignal fra en laserlyskilde 20 og som ender ved en utgangsende 54. Den optiske fiberen 50 er viklet rundt et stykke 60 med v-spor for å motta den optiske fiberen 50. Den optiske fiberen 50 er viklet rundt stykket 60 n ganger med deler av fiberen på stykket ved første vindingen som er 110a, idet delen av fiberen 50 montert på stykket i den andre vindingen er 110b osv. Ved sidelinjen 56 normalt på fibersegmentaksen er uttak konstruert slik at hver vinding til den optiske fiberen 50 har et uttak ved "sidelinjen 56. Før en beskrivelse av uttak-konstruksjonen på de optiske fibrene 50 er det nødvendig å beskrive konstruksjonen av stykket 60 og hvorledes de optiske fibre 50 er lagt i v-sporene i stykket 60.

På fig. 2 er vist en del av stykket 60 med fullstendige v-spor. Det er ønskelig at hvert av disse v-sporene er identiske i bredde og dybde siden fibrene skal være i samme plan på grunn av at uttakene i fibrene i disse v-sporene vil bli konstruert samtidig. Dersom v-sporene er identiske vil ut-

takene til fibrene ha jevn karakteristikk.

På grunn av behovet for større nøyaktighet ved konstruksjonen av v-sporene er det foretrukne materialet for stykket 60 silisium, som kan bli etset ved fotolitografisk teknikk,

i steden for andre materialer hvor sporene blir maskinert. Silisiumtypen som blir benyttet er kommersielt tilgjengelig 100 orienterte silisium, på grunn av at når overflaten av denne typen silisium blir underlagt en etsingsoppløsning oppløses overflaten ved en vinkel theta som vist på fig. 2. For 100 orienterte silisium er vinkelen theta 54,74°.

For å fremstille v-sporene vist på fig. 2 i silisiumstykket 60 kan følgende fotolitografiske metode bli benyttet. Stykket blir først oppvarmet slik at et svært tynt oksydsjikt 66 vil dekke stykket 60 som vist på fig. 3. Stykket blir så belagt med et fotofølsomt belegg 68 kjent som fotoresist. En maske 80 blir så anbrakt over stykket og toppen av stykket blir så utsatt for ultrafiolett lys 90. For masken 80 vist på fig. 3 blir positivvirkende fotoresist benyttet slik at delen av fotoresisten 68 under den ugjennomskinnelige delen av masken 80 vil bli etterlatt for å utføre maskeringsfunksjonen.

Det neste trinnet er å etse bort fotoresisten 68 og oksydsjiktet 66 som var under den ugjennomskinnelige delen av masken ved å benytte en buffersaltsyreoppløsning. Øvrig fotoresist blir så fjernet ved å bruke "en spesiell oppløs-ning og stykket 60 vil fremkomme som på fig. 4 dekket av en maske av oksydsjiktet 66. Silisiumflaten blir så anbrakt i en anisotropisk etseoppløsning, alminnelig kaliumhydroksyd-oppløsning. Deler av stykket ikke dekket av oksydsjiktet 66 vil så bli fjernet med etsende oppløsning ved en vinkel på 54,74° fra overflaten 64 til stykket 60. Etsingen vil oppstå som et flatbunnet spor inntil de to vinklede planene skjærer hverandre og et sant v-spor blir dannet som vist på fig. 2. Denne fotolitografiske teknikken er velkjent og har blitt benyttet i stor grad .ved fremstilling av halvledere.

Størrelsen på sporet som skal bli etset i silisiumstykket 60 avhenger naturligvis av den optiske fiberen som blir benyttet. Det er to i hovedsaken benyttede typer av enkelmodusoptiske fibre, en fremstilt av ITT som har en diameter på omkring 80 mikron (400 mikron innbefattende plastmantelen)

og en andre fiber fremstilt av Corning som er 125 mikron i diameter (135 mikron med fernismantel). Hvilke av disse eller andre fibre som skal bli benyttet avhenger av bølge-lengden på lyset som blir benyttet. Dersom synlig lys skal bli benyttet er ITT-fiberen brukbar siden den er en enkelmodus ved synlige lysbølgelengder (lengre enn grønn) og dersom infrarødt lys skal bli benyttet er Corning-fiberen brukbar siden den er enkelmodus ved infrarøde bølgelengder.

Det finnes minst fire forskjellige teknikker for konstruering av optiske uttak som benytter v-spor i silisiumstykket eller platen 60. Gjennom utstrakt eksperimentering har det blitt funnet at en av disse teknikkene er bedre enn de andre tre og den teknikken vil bli beskrevet først.

Det skal nå henvises til fig. 5. For å konstruere et optisk uttak er det ønskelig å ha den optiske fiberoverflaten, hvor uttaket skal bli tatt ut, i en buet utførelse slik at en flat del av den optiske fiberen 50 kan bli polert for å tilveiebringe et uttak for lyset som utbreder seg i fiberen 50. Silisiumplaten 60 er derfor montert på 'én kvartsblokk 70

som har en buet øvre overflate. Det har blitt funnet at en silisiumplate av standard tykkelse (0,25 mm) og omkring 3 cm lengde kan bli bøyd uten brudd rundt en 30,5 cm radius.

En adhesiv substans, slik som voks, blir benyttet for å

holde silisiumplaten 60 på kvartsblokken 70 i den buede utførelsen vist på fig. 5. Den optiske fiberen 50 kan være montert på en silisiumplate 60.

Før den optiske fiberen 50 kan bli montert i v-sporene i silisiumplaten 60 idet delene av den optiske fiberen som skal bli montert i v-sporene fortrinnsvis har fått fjernet den beskyttende mantelen. ITT-fiberen har en plastmantel som kan bli fjernet ved å dyppe den i svovelsyre. Plastmante-lens elastisitet forhindrer nøyaktighet ved poleringsoperasjonen slik at den må fjernes. Corning-fiberen har en fernismantel som kan bli fjernet ved å dyppe den i aceton. Siden fernis-mantelen er mer solid enn plastmantelen er dens fjerning en foretrukket løsning fremfor en ubetinget nødven-dighet .

Installasjonen av fiberen 50 i v-sporene til silisiumplaten 60 er best vist på fig. 6 og 7. En del av den optiske fiberen 50 når inngangsenden 52 .til fiberen 50 er montert i det andre v-sporet 62a til silisiumplaten 60. Det skal bemerkes at det er et første v-spor 62x som vist på fig. 6, som ikke blir benyttet for den optiske fiberen 50, men i stedet for innretningsformål. Delen av den optiske fiberen 50 som skal bli anbrakt i v-sporet 62a er gitt henvisningstallet llOa og før det blir anbrakt i v-sporet 62a blir en adhesiv substans 120 anbrakt i bunnen av v-sporet 62a. Når delen 110a til den optiske fiberen 50 derfor blir anbrakt i v-sporet 62a og den optiske fiberen 50 ligger an i bunnen mot siden av v-sporet 62a :vil den bli permanent fastholdt der ved hjelp av adhesivmidlet 120.

Etter anbringelsen av delen 110a til den optiske fiberen 50

i det første v-sporet 62a, blir en leng'de L av den optiske fiberen tilbake mellom midten av delen 110a og midten av den andre delen 110b til den optiske fiberen 50, som skal bli montert i det andre v-sporet 62b (fig. 5). Denne lengden L, som definert ovenfor, er lengden av den optiske fiberen som vil tilveiebringe en forsinkelsestid lik perioden for den ønskede grunnfrekvensen til anordningen. Det skal derfor bemerkes at den optiske fiberen 50 er viklet rundt silisiumplaten 60 slik at ved hver påfølgende vinding er den anlagt i det neste påfølgende v-sporet og fastgjort

ved hjelp av adhesivmidlet 120, slik som vist på fig. 5.

Når den siste delen 110 til den optiske fiberen 50 har blitt anbrak.t i det siste v-sporet 62n til silisiumplaten 60 av-sluttes den optiske fiberen 50 ved enden 54, som vist på fig. 5.

Det neste trinnet er å polere den øvre overflaten til delene 110 til den optiske fiberen 50 ved sidelinjen 56, idet den optiske fibers 50 deler 110 blir montert i silisiumplaten 60. Denne poleringsoperasjonen vil fjerne en del av den optiske kappen 102, som best vist på fig. 7. Det er viktig å bemerke at ikke hele det optiske kappematerialet 10 2 rundt kjernen 100 til den optiske fiberen 50 skal bli fjernet. Avstanden mellom kjernen 100 og den polerte flaten 104 til fiberen 50 avhenger av mengden lys som skal bli fjernet fra fiberen ved hvert uttak. Når små mengder med lys skal bli trukket ut, jo tettere er den polerte overflaten 104 mot fiberens 50 kjerne 100 og jo mer lys blir uttrukket fra fiberen 50 ved det uttaket. Siden det er ønskelig for foreliggende anvendelse å ha et høyt antall uttak vil kun en liten mengde med lys bli fjernet ved hvert uttak. Mellom tilnærmet 5 og 10 mikron med optisk kappe vil derfor bli etterlatt mellom den polerte overflaten 104 og kjernen 100 til fiberen 50. Et tverrsnitt i lengderetningen av den polerte optiske fiberen er vist på fig. 8.

Før beskrivelsen av detekteringen av det utstrålte lyset fra det optiske uttaket skal tre alternative metoder for fremstilling av selve uttakene bli beskrevet. I stedet for å benytte en kvartsblokk 70 med en buet overflate kan silisiumplaten ha buede v-spor skåret inn i den som vist på

fig. 10 og 10A. For å ha slike buede v-spor blir en maske 81, slik som den vist på fig. 9, benyttet. På grunn av at silisiumplaten vil bli etset ved en 54,74° vinkel fra overflaten av platen vil et bredere v-spor bli skjært ut ved platenes kanter avsmalnet til den normale bredden ved midten av platen 162 og siden dybden til v-sporet er proporsjonalt

med bredden på v-sporet vil den være dypere ved enden enn

i midten, som således resulterer i det buede v-sporet 164 vist på fig. 10 og 10A.

Mens denne teknikken forenkler noe konstruksjonen av de buede v-sporene som er nødvendig for de optiske uttakene har den flere problemer. Den fotografiske teknikken benytter for det første svært små trinn i steden for en jevn kurve ved prepareringen av masken 81. Denne begrensningen blir bevirket av det faktum at masken 81 blir preparert i digi-tale trinn i stedet for i en analog kurve. Det resulterende v-sporet vil derfor også inneholde disse svært små trinnene og dette fører til mulige mikrobøytap når den optiske fiberen 50 blir anordnet i v-sporene. Et annet problem er at silisiumskiven som blir benyttet er svært tynn og dersom v-sporene blir for dype kunne de påvirke styrken av silisiumskiven. Tykkere silikonplater er generelt ikke av den jevne tykkelsen nødvendig for nøyaktig montering av fiberen 50. Siden dypere deler av v-sporene ved kantene til silisiumplaten 50 til slutt blir dannet ved å fremstille v-sporene videre ved kantene må minimumsavstanden mellom v-sporene nødvendigvis være større for denne utførelsesformen, noe som gjør den totale størrelsen for forsinkelseslinjen med tapper større.

På grunn av dette problemet blir den første teknikken beskrevet ovenfor foretrukket i forhold til den buede v-sportek-nikken.

En annen mulig metode for å konstruere de optiske uttakene

i fiberen krever ikke bøying av silisiumplaten 60. Denne metoden er vist på fig. 11 og benytter radial poleringstek-nikk. Et sylindrisk verktøy (ikke vist) blir benyttet for å polere fiberen 50 for fjerning av den buede delen 105 fra den optiske kappen 102 til fiberen 50. Dette har den fordelen at tapet lokaliseres, men er ikke den foretrukne ut-førelsesformen i dette henseende på grunn av at den ikke kan nyttes ved begge metodene for måling av uttakenes ut-

gangssignaler beskrevet nedenfor..

Den tredje alternative utførelsesformen for uttaksdelene til fiberen 50 for å fjerne- lys er vist på fig. 12. Fotolitog-rafikk teknikk blir benyttet med kjemisk eller plasraaetsing hvorved en maske av fotoresist 69 blir anbrakt på overflaten til den delen av den optiske fiberen 50 som hviler i v-sporene til silisiumplaten 60. Et gap er tilveiebrakt i foto-resistmasken 69 langs linjen 56 (ikke vist på fig. 12).

Når den kjemiske etsings- eller plasmaetsingsprosessen således foretas vil en del av den optiske kappen 102 bli fje-net og det tilveiebringes et optisk uttak ved punktet 106 hvor den optiske kappen er fjernet. Denne metoden er ikke en foretrukket utførelsesform fordi den er heller vanskelig å utføre siden den krever gjentagende kontroll av mengden av lys fjernet fra uttaket mens etsingsprosessen blir ut-ført.

Der er to teknikker benyttet for å detektere og måle signalet ved fleruttaksstedene. Den første av disse to teknikkene beskrevet nedenfor er den foretrukne utførelsesformen og den andre teknikken beskrevet nedenfor, som ikke er foretrukket utførelsesform er av stor betydning ved at den kan bli benyttet for masseproduksjon av optiske koplingsanord-ninger.

Den første teknikken er skjematisk vist på fig. 13. De tre delene til den optiske fiberen 50 i v-sporene er vist. De polerte overflatene til disse tre delene 104a, 104b og 104c har fotofølsomme elektroniske anordninger 140a, 140b og 140c, henholdsvis, installert i en stilling hvor lyset blir tatt ut fra fiberen 50 ved hvert sted blir målt ved hjelp av " de fotofølsomme anordningene 140a, 140b og 140c. Utgangssignalene til disse fotofølsomme anordningene 140a, 140b og 140c er forbundet med felteffekttransistorer (FET) henholdsvis 142a, 142b og 142c. FET 142a, 142b og 142c blir benyttet for å vekte de forskjellige uttakene ved å variere portpotensialet til FET 142a, 142b og 142c og de kan også bli benyttet for å kompensere for tapene som forekommer i fibrene for uttak som er nærmere enden av den optiske fiberen 50.

Utgangene 144a, 144b og 144c til FET 142a, 142b og 142c henholdsvis såvel som utgangene 144 til de andre uttaksstedene blir tilført en addereranordning 25, som tilveiebringer et utgangssignal 26 som innbefatter det systeminnstilte grunn- og harmoniske frekvensinnholdet til inngangssignalet 22 idet alle andre frekvenser blir dempet. Fotosensorne 140 og FET 142 er fortrinnsvis fremstilt på en andre silisiumplate 61 slik at når de to platene 60, 61 er anbrakt sammen som vist på fig. 14 blir forsinkelsesanord-ningen med uttak fullført. Om nødvendig kan et indekstil-pasningsmedium 130 slik som indeksolje bli benyttet mellom de polerte delene 104 til den optiske fiberen 50 og fotosensorne 140 som vist på fig. 13.

Fig. 14 viser at de to ytterligere v-sporene 62x og 62y i silikonplaten 60 og de to v-sporene 63x og 63y i den andre silisiumplaten 61 blir benyttet for riktig sammenmontering av de to platene. To stifter 150x og 150y er anordnet i tilsvarende par med v-spor henholdsvis 62x og 63x, 62y og 63y for å sikre riktig innretting. Om ønskelig kan den andre silisiumplaten 61 også bli montert på en kvartsblokk 71.

Den andre utførelsesformen av utgangstrinnet innbefatter

et antall segmenter med optiske fibre Illa, 111b, 111c, ..., Uln og montering av dem i v-spor i en andre silikonplate

166 som er identisk med platen 60 og så polering av overflatene til de optiske fibrene 111 som beskrevet ovenfor.

De to silisiumplatene 60 og 166 blir så anordnet i nærhet idet innretningen blir utført ved hjelp av stiften 150x og 150y vist på fig. 14 og optiske kopiere blir dannet. Utgangsenden til de optiske fibrene 111 blir så tilført detektorne 23, som tilfører et tilsvarende elektrisk signal til vektanordningene 141, hvis utgangssignalet blir addert ved hjelp av en adderingsanordning 25 for å tilveiebringe et utgangssignal 26.

Det skal imidlertid bemerkes at anordningen.' er mer kompli-sert og vanskelig å fremstille enn den foretrukne utførel-sesformen beskrevet ovenfor. Den er imidlertid svært viktig ved at ved å benytte v-sporene - silisium plateteknologi kan et stort antall optiske kopiere bli fremstilt samtidig. Disse koplerne kunne så bli spaltet i individuelle kopiere hver med fire porter som i ovenfor nevnte tilfelle og solgt enkeltvis.

Det skal bemerkes at den øvre grensen for frekvensene som

kan bli filtrert ved hjelp av et transversalfilter som benytter ovenfor beskrevne forsinkelseslinje med uttak er bestemt av minimumslengden til den optiske fiberen mellom uttaksstedene. En måte å øke den systeminnstilte grunnfrekvensen er å øke fiberens 50 lengde mellom uttaksstedene, men dette er begrenset siden fiberen 50 ikke kan bli bøyd uten vesentlig tap. På fig. 16 er vist en anordning som benytter fire av enhetene med uttak beskrevet ovenfor.

Siden dette i virkeligheten reduserer lengden L ved hvilke intervall samplingen av signalet forekommer til L/4 kan maksimumsfrekvensen som blir målt bli øket med en faktor lik 4 på grunn av proporsjonalitetsreduksjonstiden ved hvilke samplene blir tatt.

Vektingen av utgangssignalene bil en forsinkelseslinje med uttak for å variere reaksjonen for systemet er foretrukket ved å dempe i noen grad utgangssignalene til de valgte individuelle uttakene. Vektstyringen iboende i forsinkelseslinjen med uttak ifølge foreliggende oppfinnelse muliggjør en varie-ring av grunnfrekvensen til transversalfilteret til en betydelig grad ved å sette ned antall uttak fullstendig for å senke grunnfrekvensen til transversalfilteret. Ved å ute- late hvert andre uttak ved å vekte disse uttakene ved null blir f.eks. grunnfrekvensen halvert. En annen fordel ved muligheten for å vekte hvert uttak enkeltvis er at tapet i signalstyrke nær enden av forsinkelseslinjen med uttak kan bli kompensert for ved vektstyringer.

Vektstyringer tillater også filterets passbånd å bli tilpasset f.eks. ved et transversalfilter hvor passbåndet kan bli skarpere og smalere slik at det er nesten rektangulært i stedet for kun en relativ tilnærming av et rektangulært passbånd med harmoniske. Dersom uttakene blir vektet likt (eller ikke vektet i det hele tatt) er frekvensreaksjonen for anordningen |sin(x)/x|, som vist på fig. 17. Grunnfrekvensen blir sentrert ved f o , idet ^passbåndet er mellom

-ir og ir fra grunnfrekvensen f .

Siden det er ønskelig å tilveiebringe et mer rektangulært passbånd og eliminere sidefrekvensknutene er vekting av uttakene ønskelig. På fig. 18 er foretrukket vekting av en forsinkelseslinje med 67-uttak som benytter FET 140 for å tilveiebringe vektingen beskrevet ved hjelp av kurven som viser vektingen av de 67-uttakene. Midtuttaket 200 er ikke vektet i det hele tatt så hele det elektriske signalet fra fotodetektoren 140 blir sluppet gjennom av FET 142 til adderingsanordningen 25. Uttakene til hver side av midtuttaket 200 blir vektet ved hjelp av FET 14 2 for hvert uttak i den grad angitt med fig. 18 med mengden hver linje som representerer et uttak blir dempet fra 1,0 som er mengden av dempning gitt til det bestemte uttaket. Denne vektingen ville tilveiebringe ønsket nærmere rektangulært passbånd.

Dersom et større antall uttak blir vektet i området mellom

B og C på fig. 18 ville passbåndet bli smalere og smalere sentrert på grunnfrekvensen bestemt av lengden L mellom uttakene. Dersom et mindre antall uttak er vektet i B til C kurveområdet blir passbåndet bredere.

Passbåndets form er bestemt av antall uttak benyttet ved en vektfunksjon tilnærmet sideknutene, hvor tre er vist på hver side a.v kurven (B til C) , idet disse knutene er A til B og C til D områdene. Jo s.tørre antall av disse sideknutene

er frembrakt ved vekting av uttakene, jo skarpere og mer rektangulær vil passbåndet være. Det' skal således bemerkes at passbåndene ved forskjellige former kan bli kundetilpasset ved å benytte forskjellige vektfunksjoner på uttakene.

Fordelene ved foreliggende oppfinnelse i forhold til tidligere forsinkelseslinjer med uttak er store. Den optiske forsinkelseslinjen med uttak kan opereres ved frekvenser mye høyere enn ved bølgefenomenanordninger eller elektriske anordninger. Anordningen er ikke underlagt elektromagne-tiske interferenser. Den mest merkbare fordelen ved denne forsinkelseslinjen er sannsynligvis at et relativt stort antall identiske optiske uttak kan bli hurtig, bekvemt og billig konstruert i en enkel kompakt enhet. Siden hver av uttakene kun fjerner en liten del av signalet er antall effektive uttak som kan bli tilveiebrakt betydelig høyere enn de til et forsinkelseslinjetransversalfilter med uttak av resirkulasjonstypen. Muligheten for kundetilpasning av utgangene ved å benytte vektstyringer tillater nøyaktig forming av passbåndet til en nøyaktig form med den ønskede frekvenskarakteristikken. Den beskrevne v-spor-silisium-plateteknologien tillater fremstilling av identiske koplings-anordninger i store mengder for kommersiell omsetning.

Claims (15)

1. • Optiske fiberforsinkelseslinje med uttak for samp-ling av et lyssignal tLlfø rt forsinkelseslinjen med uttak, karakterisert ved en optisk fiberlengde med en kjerne og en optisk kappe, en basis som danner en platform for fastholdelse av flere segmenter av fiberen, idet hver fibersegment er montert ved en forutbestemt høyde ved hjelp av basisen, flere uttak i flerfibersegmentene, idet hver av uttakene innbefatter en del av fibersegmentene ved hvilke de optiske fibres høyde har blitt redusert til en forutbestemt avstand over basisen, og innretning for å detektere lyset ved alle uttakene.

2. Forsinkelseslinje ifølge krav 1, karakterisert ved at basisen innbefatter en plate med flere utsparinger i overflaten for montering av de optiske fibrenes segmenter.

3. Forsinkelseslinje ifølge krav 2, karakterisert ved at fordypninger er parallelle v-spor av jevn bredde og dybde.

4. Forsinkelseslinje ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene, karakterisert ved at basisen er fremstilt av 100-orienter't silisium og at v-sporene passer med krystallinplanene i silisiumet.

5. Forsinkelseslinje ifølge krav 2, 3 eller 4, karakterisert ved at utsparingene er parallelle v-spor som videre og dypere nær siden av basisen enn i midten av basisen.

6. Forsinkelseslinje ifølge krav 5, karakterisert ved at uttakene innbefatter deler av fiberseg mentene ved hvilke en del av den optiske kappen er fjernet.

7. , Forsinkelseslinje ifølge krav 4, karakterisert ved at ut,takene innbefatter deler av fibersegmentene ved hvilke en buet utskjæringsdel av den optiske kappen er fjernet.

8. Forsinkelseslinje ifølge krav 4, karakterisert ved at overflaten til basisen er i en buet sam-menstilling som bevirker at v-sporene blir buet.

9. Forsinkelseslinje ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at uttakene innbefatter deler av fibersegmentene ved hvilke en del av den optiske kappen (102) er fjernet.

10. Forsinkelseslinje ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at uttakene utleder mindre enn 3% av lyssignalet "som utbreder seg i fiberen ved stedet til uttakene.

11. Forsinkelseslinje ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den videre innbefatter en adderingsanordning for addering av lyset detektert ved alle uttakene for å frembringe et utgangssignal.

12. Forsinkelseslinje ifølge et hviiket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at fibersegmentenes lengder mellom uttakene er like, idet utgangssignalet er det systeminnstilte grunn- og harmoniske frekvensinnholdet til inngangssignalet, idet den systeminnstilte grunnfrekvensen er frekvensen som har en periode lik tiden nødvendig for et signal å utbrede seg i lengden mellom tilliggende uttak.

13. Forsinkelseslinje ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved flere detektorer, som hver detekterer et lyssignal ved et individuelt .uttakssted og kan vekte lyssignalet detektert av en multiplikatorfaktor mellom null og en.

14. Forsinkelseslinje ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at innretning for detektering av lyset er fotoelektriske anordninger .

15. Forsinkelseslinje ifølge krav 1, karakterisert ved at innretning for å detektere lyset innbefatter flere utgangslengder med optisk fiber, en andre basis med et v-spor for å motta de flere utgangslengder med fiber, idet den andre basisen er identisk med basisen hvor deler av den optiske kappen til utgangsfibrene er fjernet.