NO843404L - Pulsboelgegenerator av hoeyhastighetstypen - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt fiberoptiske forsinkelseslinjer,

og spesielt pulstoggenerering med høy hastighet ved anvendelse av slike fiberoptiske forsinkelseslinjer.

Det er nyttig å kunne generere tog av korte laserpulser

som er adskilt med meget korte tidsintervaller. Disse pulstog kan anvendes for å definere observasjonsvinduer for fysiske fenomener som har meget korte varigheter.

Disse korte pulser, som er adskilt sammen i pulstog, kan

også anvendes for å overføre data med en svært høy datahastighet.

Mange teknikker er kjent for å generere tog av korte laser-

pulser. Repetisjonsperioden til pulstoget, dvs. avstanden mellom pulsene i pulstoget, er imidlertid generelt stor sammenliknet med varigheten av pulsen selv i disse tidligere kjente teknikker. F.eks., når vel kjente lasermoduslås-

teknikker blir brukt, er den maksimale repetisjonsfrekvensen vanligvis begrenset til et lite heltallmultippel av den inverse rundturtransittiden for lyset i resonanshulrommet til laseren. Derfor begrenser størrelsen av resonanshulrommet tettheten til pulsavstanden og derfor pulsavstanden til pulstoget generert på denne måten. Selv de minste halvleder-. ,tyt(fc«f l. 'dr/a~~~s..claserne kan ikke frembringe pulstog som har (en fri tetet avstandjmellom pulsene slik det vil være ønskelig ved noen anvendelser.

Det er således ønskelig å ha en høyhastighetspulstoggenerator

som kan omdanne en enkelt inngangspuls til et tog av frie tett adskilt utgangspulser eller som kan sammentrykke et inngangspulstog til en serie av utgangspulstog som har frie tett adskilte pulser innenfor hvert tog. Den forelig-

gende oppfinnelse er den første demonstrasjon av et enkelt apparat og teknikk for å generere høyhastighetspulstog som har frie tett adskilte pulser og som anvender enkelmodusfiberoptisk resirkuleringsforsinkelseslinjer. Slike resirkuleringsforsinkelseslinjer er blitt beskrevet i flere felles patentsøknader, nemlig:Splice-Free Fiber Optic Recirculating

Memory, EPO-patentsøknad nr. 82305542.1, inngitt 19. oktober 1982, publisert 4. mai 1983 med publikasjonsnr. 0078140;

Tapped Optical Fiber Delay Line, EPO-patentsøknad nr. 82305950.6, inngitt 9. november 1982, publisert 15. juni 1983 med publikasjonsnr. 0,081,296; og Fiber Optic Switch and Discretely Variable Delay Line, Internasjonal patentsøknad nr. PCT/US82/01608, inngitt 12. november 1982, publisert

24. mai 1984 med publikasjonsnr. WO 84/02005.

Oppfinnelsen er en datahastighetstransformasjonsinnretning

og høyhastighetspulstoggenerator, og en fremgangsmåte for å generere tett adskilte pulstog ved interpolering, dvs.

ved å overlegge uavhengige utgangspulstog hvor hvert utgangspulstog blir generert som respons på en bestemt inngangs-

puls. I den foretrukne utførelse består høyhastighetspulstog-generatoren av den første forsinkelseslinje som er benevnt generatorsløyfen. Generatorsløyfen anvender en retningskopler som har en enkelmodusfiberoptisk bølgeleder montert i et spor eller en spalte i en kvartsblokk. Fiberen danner en sløyfe med tilstrekkelig dimensjoner til å forårsake en forutbestemt forsinkelse for lys som forplanter seg rundt sløyfen og gjeninntrer i kopleren ved å passere gjennom et spor i en andre kvartsblokk. Den fiberoptiske bølgelederen som går ut av denne første kopler blir koplet til inngangen til en andre retningskopler som har den samme strukturen som den første kopleren og innbefatter en fibersløyfe lik generatorsløyfen, unntatt ved at lengden på denne sløyfen er litt forskjellig enn lengden til generatorsløyfen.

Denne andre sløyfen er benevnt multipleksersløyfen. Den forskjellige lengden på multipleksersløyfen forårsaker at en datamengde transformeres med en hastighet som kan justeres ved å justere eller variere lengden av sløyfen for å gi et utgangspulstog med pulser som er tett adskilt i forutbestemte intervaller.

I drift blir en enkelt inngangspuls innført i fiberen ved

at den entrer inngangsporten til den første retningskopleren.

Denne inngangslyspuls blir delvis koplet til fiberen som

går ut fra den første retningskopleren, mens en del av inngangspulsenergien forblir i inngangsfiberen og passerer gjennom generatorsløyfen. Når denne returnerer fra det første omløpet gjennom generatorsløyfen, reentrer den koplede energien retningskopleren og deler av energien går ut av kopleren som en andre puls i utgangspulstoget som et resultat av den enkle inngangspulsen. Den gjenværende del av energien som ikke går ut av den første kopleren, blir koplet tilbake inn i generatorsløyfen. Hver gang den sirkulerende pulsen i generatorsløyfen når den første retningskopleren, vil en del av energien bli koplet tilbake inn i sløyfen, og en del av energien slippe ut fra den første retningskopleren for å bli nok en puls i utgangspulstoget fra generatorsløyfen. Således genererer generatorsløyfen et pulstog med minskende amplitude, hvor pulsene er adskilt i tid med et intervall som er lik transittiden til lyspulsen rundt omløpet til generatorsløyfen. Utgangspulstoget fra generatorsløyfen avtar i amplitude, siden hver puls som går ut fra sløyfen og reentrer den første retningskopleren, idet en del av dens energi blir koplet tilbake inn i sløyfen, og bare den gjenværende delen slipper ut av den første retningskopleren som en puls.

Det minskende pulstoget fra generatorsløyfen blir inngangspulstoget til multipleksersløyfen. Multipleksersløyfen har imidlertid en forskjellig lengde fra generatorsløyfen. Forskjell i lengden kan velges slik at den blir en hvilken

som helst fri verdi, og denne lengdeforskjell bestemmer avstanden til pulsene i flerheten av et pulstog som blir sendt ut fra multipleksersløyfen. Multipleksersløyfen og den andre retningskopleren behandler hver puls i sitt inngangspulstog på den samme måte som generatorsløyfen behandlet den enkelte opprinnelige inngangspulsen. Derfor vil en del av hver puls i inngangspulstoget resirkuleres i sløyfen, mens den gjenværende delen av denne pulsen vil passere direkte gjennom den andre kopleren uten resirkulasjon.

På grunn av denne resirkulasjonen vil hver puls i inngangspulstoget til multipleksersløyfen generere et pulstog med minskende amplitude på den samme måte som generatorsløyfen frembrakte et minskende pulstog. Pulstogene generert av hver inngangspuls og som resirkuleres i multipleksersløyfen blir imidlertid interfoliert, med de ikke-resirkulerte pulsene som passerer direkte gjennom den andre kopleren på grunn av lengdeforskjel-len mellom multipleksersløyfen og generatorsløyfen. Multiplek-sersløyfen sender derfor ut en serie av pulstog hvor hvert pulstog er adskilt av transittiden til multipleksersløyfen,

og hvori pulsene i hvert pulstog er adskilt med tiden det tar for en lyspuls å gjennomløpe forskjellen i lengde mellom multipleksersløyfen og generatorsløyfen. Denne tiden kan være fri og liten og er justerbar ganske enkelt ved å endre lengden på multipleksersløyfen i forhold til generatorsløyfen.

Apparatet i henhold til oppfinnelsen endrer datahastighets-overføringen mellom inngangs- og utgangsoptiske pulstog. Apparatet i henhold til oppfinnelsen innbefatter en inngangsfiberoptisk bølgeleder for å styre et inngangspulstog av optiske pulser adskilt et første intervall (T) slik at dette har en første datahastighet, og en utgangsoptisk bølgeleder for å styre et utgangspulstog av optiske pulser adskilt et andre intervall (x) slik at dette har en andre datahastighet. Apparatet i henhold til oppfinnelsen innbefatter videre en multiplekser-resirkulasjonsfiberoptisk forsinkelseslinje koplet mellom inngangsbølgelederen og utgangs-bølgelederen for å motta inngangspulsene og innføre en forutbestemt forsinkelse på inngangspulsene. Lengden til den resirkulerende fiberoptiske forsinkelseslinjen er slik at den medfører en forutbestemt forsinkelse i inngangspulsene som er forskjellig enn mengde t fra det første intervallet (T) for å interfoliere utgangspulsene som er resultatet av hver inngangspuls slik at utgangspulsene er adskilt med det andre intervallet (t) og utgangspulstoget har den andre dataoverføringshastigheten.

I en foretrukket utførelse innbefatter apparatet i henhold

til oppfinnelsen videre en generatorfiberoptisk resirkulasjons-forsinkelseslinje for å generere inngangspulstoget fra en enkelt inngangspuls, hvorved generatorforsinkelseslinjen har en lengde for å gi en forsinkelse som er lik det første intervallet (T), slik at pulstoget generert av generatorfor-sinkelseslin j en omfatter en flerhet av puls adskilt med det første forsinkelsesintervallet (T). Multiplekserforsin-kelseslinjen har en forskjellig lengde fra generatorforsin-kelseslin j en , for å gi en forsinkelsestid som er forskjellig enn mengde x fra forsinkelsestiden (T) til generatorforsinkelseslinjen, idet differansen (x) mellom forsinkelsestidene forårsaker interfolieringen av pulser for derved å danne utgangspulstoget av pulser adskilt ved det andre intervallet (x). I en foretrukket utførelse omfatter hver av forsinkelseslinjene en respektiv sløyfe av optiske fiber, idet hver sløyfe er optisk lukket av respektive fiberoptiske retningskoplere. I det minste en av retningskoplerne er fortrinnsvis avstembar slik at en valgbar mengde av kopling opptrer i denne retningskopler. Det er videre foretrukket at koplingsforholdet til hver retningskopler er hovedsakelig det samme og at tapene i hver forsinkelseslinjesløyfe i hovedsak er tilpasset hverandre.

I en annen foretrukket utførelse blir en lyskilde koplet

til den fiberoptiske inngangsbølgeleder for å gi en serie av pulser adskilt med det første intervallet (T) på den fiberoptiske inngangsbølgeleder.

I det minste visse utførelser av apparatet i henhold til oppfinnelsen er det fordelaktig å innbefatte en forsterker i i det minste en av forsinkelseslinjene. I utførelsene hvorved forsinkelseslinjen er en monomodusfiberoptisk bølge-leder, er forsterkeren en optisk forsterker.

I de foretrukne utførelsene av apparatet i henhold til oppfinnelsen, er forsinkelseslinjen en enkelmodusfiberoptisk bølgeleder utført som en sløyfe gjennom en fireport retningskopler i hvilken en ende av fiberen er inngangsbølgelederen og den andre enden av fiberen er utgangsbølgelederen, slik at inngangspulsen på inngangsbølgelederen sirkulerer gjennom sløyfen og noe energi fra hver puls blir sendt ut på utgangs-bølgelederen hver gang et pulstog passerer gjennom kopleren.

I denne foretrukne utførelse kopler retningskopleren noe energi fra hver inngangspuls inn i utgangsbølgelederen og etterlater den gjenværende delen av energien til denne lyspulsen ikke-koplet i bølgelederen for å sirkulere i forsinkelseslinj en.

I det minste en foretrukket utførelse innbefatter apparatet

i henhold til oppfinnelsen videre en detektor koplet til utgangsbølgelederen, hvilken detektor har en elektrisk utgang, og en bryter koplet til den elektriske utgangen for å velge som utgangssignal bare pulser som opptrer på

den elektriske utgangen under forutbestemte tidsintervaller.

Oppfinnelsen er nærmere definert i karakteristikken til

de medfølgende patentkrav.

Oppfinnelsen skal nå beskrives under henvisning til tegningene, hvor

fig. 1 viser et tverrsnitt av den fiberoptiske kopleren

i henhold til oppfinnelsen, og viser et par fiberoptiske tråder montert i respektive buede spor

til respektive koplerhalvdeler;

fig. 2 og 3 er tverrsnitt av kopleren på fig. 1, tatt langs

linjene 2-2 og 3-3 respektivt;

fig. 4 er en perspektivtegning av det nedre basisstykket

til kopleren på fig. 1, adskilt fra det andre basisstykket, for å vise dets tilhørende fiber montert,

og den ovalformede utvendende overflate til fiberen; fig. 5 viser skjematisk flyktigfeltene til paret av fibre

overlappende hverandre i samvirkeområdet;

fig. 6 viser skjematisk kopleren på fig. 1, og illustrerer

kurveradiusen, kjerneavstanden, og samvirkelengden,

som parametre til kopleren;

fig. 7 viser skjematisk en "ekvivalent" kopler;

fig. 8 er en kurve som viser normalisert koplet energi som en funksjon av samvirkelengden for en gitt

fiberkj erneavstand;

fig. 9 er en kurve som viser normalisert koplet energi som en funksjon av samvirkelengden for en annen

fiberkjerneavstand;

fig. 10 er en kurve som viser normalisert koplet energi som en funksjon av den minimale fiberkjerneavstanden

(avstandsoverflåtene overlappende);

fig. 11 er en skjematisk representasjon av de ovalformede motvendende overflatene til fiberne, og viser de

motvendende overflatene lateralt forskjøvet;

fig. 12 er en kurve som viser den normaliserte koplede energi som en funksjon av lateral forskyvning for

en første minimal fiberkjerneavstand;

fig. 13 er en kurve som viser normalt koplet energi som

en funksjon av lateral forskyvning for en andre

fiberkjerneavstand;

fig. 14 er en kurve som viser normalisert koplet energi som en funksjon av lateral forskyvning for en tredje

fiberkjerneavstand;

fig. 15 er en kurve som viser (a) normalisert koplet energi som en funksjon av lateral forskyvning og (b) gjennomgangstap som en funksjon av lateral forskyvning for et koplereksempel som viser at gjennomgangstapet er hovedsakelig konstant over hovedsakelig hele

området for normalisert koplet energi,

fig. 16 er en tegning som illustrerer strukturen til en fiberoptisk forsinkelseslinje og dens virkning

på en enkel inngangspuls.

fig. 17 viser den foretrukne utførelsen av høyhastighets-pulstoggeneratoren.

fig. 18(a)-18(b) viser de eksperimentelle resultatene som er oppnådd med strukturen på fig. 17.

fig. 19 viser en enkelsløyfeutførelse av en datainformasjons-transformasj onsinnretning.

fig. 20 er et tidsskjema som illustrerer utgangspulssekvensen som er resultatet av en forutbestemt inngangspuls-sekvens 106.

fig. 21 er et tidsskjema som viser mellomutgangssignalet

fra sløyfen på fig. 19 for en hurtig-inn, sakte-ut-utførelse av oppfinnelsen,

fig. 22 er et tidsskjema som viser sluttutgangssignalet

på ledningen 130 for hurtig-inn-, sakte-ut-utførelsen på fig. 19.

Det skal nå gis en detaljert beskrivelse av den foretrukne utførelse av konstruksjonen til flyktigfeltkopleren.

Som vist på fig. 1-4 innbefatter en flyktigfeltkopler 10

to tråder 12a og 12b av en enkelmodusfiberoptisk materiale anordnet i longitudinale buede spor eller spalter 13a og 13b respektivt, dannet i optisk flate motvendende overflater 14a og 14b respektivt, til rektangulære basisstykker eller blokker 16a og 16b respektivt. Blokken 16a med tråden 12a montert i sporet 13 vil bli referert til som koplerhalvdelen 10a, og blokken 16b med tråden 12b montert i sporet 13b vil bli referert til som koplerhalvdelen 10b.

Hver av trådene 12a og 12b består av en kommersielt tilgjenge-lig fiber av kvartsglass som er dopet slik at den har en sentral kjerne og en ytre kappe. Det vil sees nedenfor at den foreliggende oppfinnelse er spesielt fordelaktig for anvendelse med enkelmodusfibre, som vanligvis har en kjernediameter i størrelsesorden 10 |im eller mindre og en kappediameter i størrelsesorden 125 Lim selv om oppfinnelsen også kan anvendes med andre typer fibre, såsom multimodusfibre. I utførelsen som er vist blir enkelmodusfibre anvendt, men for klarheten ved illustrasjonen er imidlertid diameteren til trådene 12 og deres respektive kjerner overdrevet.

Videre gjelder prøveresultatene som er beskrevet i det

etterfølgende for kopiere som anvender enkelmodusfibre.

De buede sporene eller spaltene 13a og 13b har en kurveradius som er svært stor. sammenliknet med diameteren til fiberne 12, og har en bredde som er litt større enn fiberdiameteren for å tillate at fiberne 12, når de er montert i sporene, danner en bane som er definert av bunnveggene til sporene 13. Dypden på sporene 13a og 13b varierer fra et minimum ved senteret til blokkene 16a og 16b respektivt, til et maksimum ved kantene til blokkene 16a og 16b respektivt. Dette tillater på fordelaktig måte at de fiberoptiske trådene 12a og 12b, når de er montert i sporene 13a og 13b respektivt, gradvis konvergerer mot senteret og divergerer mot kantene av blokkene 16a og 16b, og derved elimineres enhver skarp bøyning eller brå endringer i retningen til fiberne 12, hvilket kunne forårsake energitap på grunn av modusforstyrrelse. I den viste utførelse er sporene 13 vist rektangulære i tverrsnitt, men det må imidlertid forstås at andre hensiktsmessige tverrsnittkonturer som er tilpasset fiberne 12

kan anvendes alternativt, såsom et U-formet tverrsnitt eller et V-formet tverrsnitt. Teknikker for å danne sporene 13 og montere fiberne 12 deri er forklart nedenfor.

Ved sentrene til blokkene 16, i den viste utførelsen, er dypden på sporene 13 som opptar trådene 12 mindre enn diameteren til trådene 12, mens ved kantene av blokkene 16 er dypden av sporene fortrinnsvis i det minste så stor som diameteren til trådene 12. Fiberoptisk materiale ble fjernet fra hver av trådene 12a og 12b for å danne de respektive ovalformede panalere overflatene 18a og 18b som er koplanare med de motvendende overflatene 17a og 17b respektivt. Disse overflater 18a og 18b vil bli referert til i det følgende som fiberens "motvendende overflater".

Det vil forstås at disse motvendende overflater gir et koplingsareal eller område for fiberne 12a og 12b. Således vil mengden av fiberoptisk materiale som er fjernet øke gradvis fra null mot kantene av blokken 26 til et maksimum mot senteret av blokken 16. Denne gradvise fjerning av det fiberoptiske materialet gjør fiberne i stand til å konvergere og divergere gradvis, hvilket er fordelaktig for å unngå bakoverrefleksjon og overdrevet tap av lysenergi.

I den viste flyktigfeltkopleren, er koplerhalvdelene 10a

og 10b identiske, og er sammensatt ved å plassere de motvendende overflatene 14a og 14b til blokkene 16a og 16b sammen, slik at de motvendende overflatene 18a og 18b til trådene 12a og 12b ligger an mot hverandre.

En brytningsindekstilpassende substans (ikke vist), såsom

en brytningsindekstilpasningsolje, er anordnet mellom de motvendende overflatene 14. Denne substans har en brytningsindeks som er omtrent lik brytningsindeksen til kappen,

og fungerer også til å forhindre at de optiske flate over-overflåtene 14 forblir permanent sammenlåste. Oljen blir innført mellom blokkene 16 ved kapillærvirkning.

Et samvirke eller koplingsområde 32 er dannet i knutepunktet for trådene 12, i hvilket lyset blir overført mellom trådene ved hjelp av flyktigfeltkopling. Det er funnet at, for å sikre riktig flyktigfeltkopling, må mengden av materiale som fjernes fra fiberne 12 omhyggelig kontrolleres slik at avstanden mellom kjernedelene til trådene 12 ligger innenfor en forutbestemt "kritisk sone". Flyktigfeltene strekker seg inn i kappen og minsker hurtig med avstanden utenfor sine respektive kjerner. Således bør tilstrekkelig materiale fjernes for å tillate at hver kjerne befinner seg hovedsakelig innenfor flyktigfeltet til den andre. Dersom for lite materiale blir fjernet, vil kjernene ikke være tilstrekkelig nær til å tillate at flyktigfeltene forårsaker det ønskede samvirke mellom de styrte modi,

og resultatet vil således være utilstrekkelig kopling.

I motsatt fall, dersom for meget materiale blir fjernet,

vil forplantningsegenskapene til fiberne bli endret, og dette resulterer i tap av lysenergi på grunn av modusforstyrrelse. Når imidlertid avstanden mellom kjernene til trådene 12 ligger innenfor den kritiske sone, mottar hver

tråd en vesentlig del av flyktigfeltenergien fra den andre tråden, og optimal kopling oppnås uten vesentlig energitap. Den kritiske sonen er vist skjematisk på fig. 5 og der omfatter den det areal, nevnt med referansetallet 33, i hvilket flyktigfeltene, benevnt med referansetallene 34a og 34b, til fiberne 12a og 12b respektivt, overlapper hverandre med tilstrekkelig styrke til å gi kopling, dvs. at hver kjerne ligger innenfor flyktigfeltet til den andre.

Som tidligere beskrevet opptrer imidlertid modusforstyrrelser innenfor arealet 33 når kjernene blir brakt for tett sammen. F.eks. er det antatt at for svakt styrte modi, såsom HE.^-modus i enkelmodusfibre, eller høyere ordens modi i multimodusfibre, vil slik modusforstyrrelse begynne å opptre når tilstrekkelig materiale er fjernet fra fiberne 12 til å avdekke deres kjerner. Således er den kritiske sonen definert som det arealet i hvilket flyktigfeltene 34 overlapper hverandre med tilstrekkelig styrke til å forårsake kopling uten vesentlig energitap på grunn av modusforstyrrelse.

Utstrekningen av den kritiske sonen for en bestemt kopler

er avhengig av et antall sammenhengende faktorer såsom parameterne til fiberen selv og geometrien til kopleren.

For en enkelmodusfiber som har en trinnindeksprofil kan

videre den kritiske sonen være ganske smal. I en enkelmodus-fiberkopler av typen vist på fig. 1-4, f.eks., er den nødven-dige senter-til-senter-avstanden mellom trådene 12 i senteret av kopleren vanligvis mindre enn noen få (f.eks. 2-3) kjerne-diametere.

Vanligvis er trådene 12a og 12b (1) identiske med hverandre, (2) de har den samme kurveradius i samvirkeområdet 32,

og (3) de har en lik mengde fiberoptisk materiale fjernet fra seg for å danne deres respektive motvendende overflater 18a og 18b. således er fiberne 12 symmetriske over samvirkeområdet 32, i planet til de motvendende overflatene 18

slik at motvendende overflatene 18 dekker hverandre dersom de blir lagt på hverandre. Dette sikrer at de to fiberne

12a og 12b vil ha de samme forplantningsegenskapene i samvirkeområdet 32, og derved unngås koplingsdempning som er tilknyt-tet ulike forplantningsegenskaper.

Blokkene eller basisstykkene 12 kan fremstilles av ethvert dertil egnet stivt materiale. I en typisk kopler består basisstykkene 12 generelt av rektangulære blokker av smeltet kvartsglass som er omtrent en tomme lang, en tomme bred og 0,4 tommer tykk (2,54, 2,54 og 0,92 cm). De fiberoptiske trådene 12 er vanligvis festet i sporene 13 ved hjelp av et passende klebemiddel 38, såsom epoksylim. En fordel med de smeltede kvartsblokkene 16 er at de har en termisk utvidelseskoeffisient som er lik koeffisienten for glass-fiberne, og denne fordel er spesielt viktig dersom blokkene 16 og fiberne 12 blir utsatt for varmebehandling under fremstillingsprosessen. Et annet egnet materiale for blokken 16 er silisium, som også har utmerkede termiske egenskaper for denne anvendelse.

Virkemåten til kopleren 10 skal nå forklares.

Kopleren 10 innbefatter fire porter, merket A, B, C og

D på fig. 1. Sett i perspektivet på fig. 1, er portene

A og C, som korresponderer til trådene 12a og 12b respektivt på den venstre siden av kopleren 10, mens portene B og D som korresponderer til trådene 12a og 12b respektivt,

er på den høyre side av kopleren 10. For forklaringsformål vil det bli antatt at inngangslys med en egnet bølgelengde (f.eks. 1,15 um) blir påtrykt port A. Dette lys passerer gjennom kopleren og blir sendt ut på port B og/eller port D, avhengig av mengden av energi som blir koplet mellom trådene 12. I denne henseende er uttrykket "normalisert koplet energi" definert som forholdet mellom den koplede energien og den totale utsendte energien. I eksemplet ovenfor vil den normaliserte koplede energien være lik forholdet mellom energien på port D og summen av energien sendt ut på portene B og D. Dette forholdet er også referert til som "koplingseffektiviteten", og brukt på denne måten

blir den vanligvis uttrykt som en prosentdel. Når uttrykket "normalisert koplet energi" blir brukt her, bør det således forstås at den korresponderende koplingseffektiviteten er lik den normaliserte koplede energien ganger et hundre.

I denne henseende har prøver vist at en flyktigfeltkopler

10 kan ha en koplingseffektivitet på opptil 100%. Det vil imidlertid også sees at kopleren 10 kan "avstemmes"

for å justere koplingseffektiviteten til enhver ønsket verdi mellom null og den maksimale.

Videre er en flyktigfeltkopler 10 høyst retningsbestemt

slik at hovedsakelig hele energien som påtrykkes på en side av kopleren blir levert til den andre siden av kopleren. Denne koplerretningsbestemtheten er definert som forholdet mellom energien på port D og energien på port C, med inngangs-signalet påtrykt port A. Prøver har vist at den retnings-bestemte koplede energien (ved port D) er større enn 60 dB over den motrettede koplede energien (ved port C). Videre er koplerens retningsbestemthet symmetrisk. Dvs. at kopleren arbeider med de samme egenskaper uavhengig av hvilken siden av kopleren som er inngangssiden og hvilken side som er utgangssiden.Ennvidere oppnår kopleren 10 disse resultater med svært lave gjennomløpstap. Gjennomløps- eller gjennomgangstapet er definert som forholdet mellom den totale utgående energien (porter B og D) og den innmatede energien (port A), fratrukket fra en (dvs. 1 - (P_ + Pn)/Pj .

B DA

Eksperimentelle resultater viser at gjennomgangstap på

0,2 dB er blitt oppnådd, selv om tap på 0,5 dB er mere vanlig. Videre indikerer disse prøver at kopleren 10 arbeider hovedsakelig uavhengig av polariseringen av det påtrykte inngangslyset.

Kopleren 10 arbeider etter flyktigfeltkoplingsprinsippene

ved hvilke styrte modi av trådene 12 samvirker, via deres flyktigfelter, for å forårsake at lys blir overført mellom trådene 12. Som tidligere beskrevet, opptrer denne overføring av lys i samvirkeområdet 32. Mengden av lys som overføres

er avhengig av nærheten og orienteringen til kjernene,

så vel som den effektive lengde av samvirkeområdet 32. Lengden av området 32 er i sin tur avhengig av kurveradiusen til fiberne 12, og, i en begrenset grad av kjerneavstanden, selv om det er funnet at den effektive lengden av samvirkeområdet 32 er hovedsakelig uavhengig av kjerneavstanden.

I en vanlig kopler 10, som anvender en kant-til-kant-kjerneavstand på omtrent 1,4 tim, er kurveradiusen i størrelsesorden 25 cm, og det effektive samvirkeområdet er omtrent 1 mm langt ved en signalbølgelengde på 633 nm. Med disse dimensjoner, gjør lyset bare en overgang mellom trådene 13 ettersom det forplanter seg gjennom samvirkeområdet 32. Dersom imidlertid lengden av samvirkeområdet 32 blir økt, eller dersom kjerneavstanden blir minsket, vil det opptre et fenomen som er referert til som "overkopling", ved hvilket lyset vil overføres tilbake til tråden som det kom ifra. Ettersom samvirkelengden blir ytterligere økt, og/eller kjerneavstanden ytterligere minsket, vil lyset føres tilbake til den andre tråden. således kan lyset foreta flere over-føringer fram og tilbake mellom de to trådene 12, mens det forplanter seg gjennom området 32, og antallet slike overføringer er avhengig av lengden av samvirkeområdet 32, og kjerneavstanden.

Det foregående kan forstås mer fullstendig med referanse

til fig. 6 som viser den skjematiske gjengivelse av kopleren 10 på fig. 1. Kjernene til fibre 12a og 12b er vist gradvis konvergerende til en minimal avstand, merket H, ved senteret av kopleren og divergerende mot kantene av kopleren. Den effektive samvirkelengden er merket L og kurveradiusene til trådene 12a og 12b er merket R. Som indikert ovenfor,

er det blitt funnet at mens den effektive samvirkelengden L er en funksjon av kurveradiusen R, er den hovedsakelig uavhengig av den minimale avstanden H mellom fiberne 12.

Selv om denne uavhengighet virkelig gjelder bare for relativt store kjerneavstander og korte bølgelengder, gir den en god tilnærming for de fleste anvendelser, og således, tillater den på fordelaktig måte at kopleren, vist på fig. 6, kan analyseres som en "ekvivalent" kopler som omfatter to paral-

lelle bølgeledere, adskilt ved deres samvirkelengde L,

med en avstand H, som vist på fig. 7.

Virkningene av å variere enten den effektive samvirkelengden L eller fiberavstanden H til den "ekvivalente" kopleren

vist på fig. 7 kan forstås med referanse til fig. 8 og 9. Fig. 8 viser en sinuskurve 40 som illustrerer at den koplede energi P varierer på sinusform som en funksjon av samvirkelengden L for en gitt fiberavstand Hl. Ved denne fiberavstand kan det sees at den koplede energien er omtrent 50% når samvirkelengden er lik Li, og øker til 100% når samvirkelengden øker til L2. Dersom samvirkelengden økes ytterligere, vil resultatet bli "overkopling", hvorved lys blir overført tilbake til tråden som det kom ifra,

og den koplede energien P begynner å minske mot null.

Den koplede energien øker så fra 0 til f.eks., 50% ved

L3. Det kan således sees at mengden av kopling kan varieres ved å endre den effektive lengden til samvirkeområdet.

Virkningen av å minske avstanden H mellom fiberne er å

øke styrken til koplingen, og således øke mengden av lys som overføres over en gitt samvirkelengde L, som vist ved å sammenlikne sinuskurven 42 på fig. 9 med sinuskurven på fig. 8. Dersom f.eks. fiberavstanden blir minsket fra H^(fig. 8) til H_ (fig. 9), kan den koplede energien være 100% ved samvirkelengde Li på fig. 9, som sammenlignet med 50% for den samme samvirkelengden Li på fig. 8. Kurven indikerer at den koplede energien igjen er 100%. For en gitt samvirkelengde (f.eks. LI, L2 eller L3), kan således mengden av energi som blir koplet bli justert ved å endre fiberkjerneavstanden.

Forholdet mellom den minimale fiberavstanden H og den koplede energien P for en gitt samvirkelengde L (dvs. kurveradius)

er vist på fig. 10 med kurven 44. Som vist på denne figuren, oscillerer den normaliserte koplede energien mellom 0 og 1 med økende frekvens eller når kjerneavstanden H minskes. Referansepunktene a, b og c på kurven H ble valgt noe tilfeldig for å indikere den normaliserte koplede energien på 0,5,

1,0 og 0,25 respektivt. Det vil sees at ved punktet "a",

vil 50% av energien bli koplet fra den ene til den andre.

Ved punkt "b" oppnås full kopling, og 100% av den optiske

energien blir overført mellom trådene. Punkt "c", represen-

terer på den annen side en overkoplet tilstand hvorved den koplede energien har minsket fra full kopling til 25%.

Avstemming av kopleren 10

Den foregående beskrivelse er nyttig for forståelsen av "avstem-mings" mulighetene for kopleren 10. Som brukt her, er utttrykket "avstemming" definert som forskyvning eller translasjon av fibrene 12 i forhold til hverandre for å justere energien som koples dem imellom. Slik translasjon av fibrene 12 blir utført ved å la de planare mot motvendende overflatene 18 gli i for-

hold til hverandre, slik at de blir forskjøvet, snarere enn overlappende. D.v.s. at fibrene 12 blir gjensidig forskjøvet i planet til de planare motvendende overflatene. Sett på en annen måte, opptrer slik translasjon når de respektive planene i i hvilke hver av fibrene ligger, blir forskjøvet i forhold til hverandre.

I en fremgangsmåte for fibertranslasjon, blir de motvendende overflatene 18 forskjøvet lateralt. Som brukt her, betyr uttrykket "lateralt forskjøvet" at de motvendende overflatene 18 glir lateralt fra deres overlappende posisjon for å øke avstanden mellom fiberkjernene, mens de opprettholder et hovedsakelig parallelt forhold mellom fibrene 12. Slik lateral forskyvning av de motvendende overflatene 18 er vist skjematisk på fig. 11.Virkningen av slik lateral forskyvning er selvfølgelig og entre avstanden mellom kjernene til fibrene 12.

Kurven 46 på fig. 12 illustrerer grafisk virkningen av lateral forskyvning av fibrens motvendende overflater 18 for en kopler som har en minimal kant til kant kjerneavstand H som er lik "a"

(fig. 10). Når de motvendende overflatene 18 til fibrene er overlappet (d.v.s. ingen forskyvning), vil den normaliserte koplede energien være lik 0,5, som vist ved kurven 44 på fig. 10. Når imidlertid de motvendende overflatene til fibrene 12 er

lateralt forskjøvet i en hvilken som helst retning for å øke avstanden mellom kjernene, minsker den koplete energien grad-

vis til null.

Med en referanse til kurven 48 på fig. 13, er virkningen av lateral fiberforskyvning ved normalisert koplet energi for en kopler som har en kant til kant kjerneavstand lik "b" (fig. 10) vist. Når det er ingen forskyvning og de motvendende overflatene 18 overlapper hverandre, som vist ved kurven 44 på fig. 10, men imidlertid vil etter som de motvendende overflatene 18 til fibrene 12 lateralt forskyves i en hvilken som helst retning, den koplete energien gradvis minke.

Kurven 50 på fig. 14 viser koplet energi som en funksjon av den relative fiberforskyvning for en kjerneavstand som er lik "c"

(fig. 10), som, som det vil gjenkjennes, representere en overkoplet tilstand. Av denne kurven 50 kan det ses at det når de motvendende overflatene 18 til fibrene 12 er overlappende, er den normaliserte koplete energien lik 0,25. Etter som kjerneavstanden blir økt ved å la de motvendende overflatene 18 gli slik at de forskyves lateralt, øker den normaliserte koplete energien til å begynne med til 1,0 og minsker så mot null når kjerneavstanden blir ytterligere økt.

I alle de foregående tilfelle som er vist på fig. 12, 13 og 14, minsker den koplete energien til null ved hovedsakelig den samme laterale forskyvning, forutsatt at de fysiske dimensjonene til kopleren som korresponderer til disse figurene er identiske untatt for deres fiberavstand ved null forskyvning. Ved å sammenligne kurvene 46, 48 og 50 på fig. 12, 13 og 14 resp., kan det ses at de respektive hellinger til disse kurver har en tendens til å øke etter som kjerneavstanden minskes. Således øker føl-somheten til kobleren overfor lateral forskyvning etter som kjerneavstanden minsker. F.eks. vil en kopler som er fremstilt for å utføre overkopling, som på fig. 14, være vesentlig mer føl-som overfor lateral forskyvning enn en kopler som har egenskapene vist på enten fig. 12 eller 13. Denne egenskap med den foreliggende oppfinnelse er ganske fordelaktig, siden ved bryter- anvendelser, er lav følsomhet og høy stabilitet vanligvis ønskelig. Således vil en kopler som har koplingskarakteristika lik koplerne på fig. 12 og 13 (d.v.s. ikke overkoplet) være mer hensiktsmessig ved disse anvendelser.

Eksperimentelle kjensgjærninger indikerer at gjennomgangstapene til kopleren 10 er i hovedsaken konstante, untatt når den laterale forskyvningen av kjernene er relativt stor. Forsøk med en eksempelkopler viste at gjennomgangstapene lå innenfor 0,2 dB

som det minimale tap for en lateral forskyvning av opp til 10 pm i en hvilken som helst retning. Denne kopler anvendte en enkelmodusfiber hvor kjernen hadde en brytningsindeks på 1,460,

og kappen en indeks på 1, 4559, og en kjernediameter på 4 pm. Kurveradiusen til fibrene var 25 cm, kant til kant kjerneavstanden var omtrent 0,9 p tonn, og bølgelengden til det anvendte lyset var 632,8 nm. Fig. 15 viser, for denne eksempelkopler,

en kurve over gjennomgangstap, benevnt med referansetallet 60,

og en kurve over den normaliserte koplete energien, benevnte med henvisningstallet 62, begge som en funksjon av lateral forskyvning av de motvendende overflatene 18. De to horisontale brudte linjene som er trukket gjennom sentret av fig. 14 gir den øvre og nedre grense for et 0,2 dB energitapsbånd. Det kan ses at energitapkurven 60 ligger innenfor dette båndet for laterale forskyvninger opptil omtrent 12 ym i en hvilken som helst retning. Videre kan det ses at ved en lateral forskyvning på 12 pm, er den normaliserte koplete energien omtrent 0,1.

For koplet energi mellom 0,1 og 1 ligger således energitapet innenfor omtrent 0,2 dB av det minimale energitap. Dersom energitapsbåndet blir strukket til 0,5 dB, ligger energitapsbåndet innenfor 0,5 dB båndet for fiberforskyvninger opptil 15<y>m, hvilket korresponderer til en koplet energi på mindre enn 0,05 (d.v.s. 5%). Således innehar denne kopleren hovedsakelig konstant gjennomgangstap, d.v.s. innenfor en relativt smal energi-tapsbåndbredde, over hovedsakelig hele arbeidsområdet til inn-retningen. Videre er det tydelig at gjennomsgangstapene er svært lave, og relativt konstante for koplet energi mellom 10%

og 100%.

iMed henvisning til fig. 16 er det vist strukturen eller oppbygningen til en fiberoptisk forsinkelseslinje og dennes virkning på en enkelt inngangspuls. En lyskilde 70 er koplet til en enkeltmodus fiberoptisk bølgeleder 12b. Bølgelederen 12b kan være en multimodusfiber, men multimodusfibre har vel kjente spredningsproblemer som ville begrense båndbredden til systemet. Monomodusfibre er foretrukket.

Bølgelederen 12b entrer retningskopleren 10 i porten C og går ut ved porten D. Fibren blir så viklet til en sløyfe med en forutbestemt lengde og reentret i retningskopleren 10 ved en port A. Fibren fortsetter så gjennom kopleren 10 og går ut ved en port B som er utgangsporten fra forsinkelseslinjen. Utgangsfibren blir koplet til en detektor 72 så som en standard fotodiode.

Forsinkelseslinjen på fig. 15 arbeider på følgende måte.

Anta at en enkel inngangslyspuls 74 blir koplet inn på inngangs-bølgelederen 12b. Som nevnt ovenfor, kan kopleren 10 være justert slik at en hvilken som helst mengde med energi fra 0%

til 100% kan koples fra porten C til port B, og inn i fibersegmentet mellom porten B og detektoren 72. Dette fibersegmentet vil av hensiktsmessige grunner bli benevnt som utgangsfibren 76 selv om fibren 12b i virkeligheten er kontinuerlig, og utgangsfibren 76 bare er den delen av fibren 12b mellom porten B og detektoren 72.

Energien som ikke blir koplet fra porten C inn i utgangsfibren

76, minus tap, fortsetter å forplante seg i fibren 12b og går fra porten D. Dette lys forplanter seg rundt forsinkelseslinje-sløyfen som av hensiktsmessige grunner vil bli benevnt som sløyfen 78, og ankommer ved porten A til kopleren 10 en tid T senere. Tidsforsinkelsen T er lik tiden det tar for lyset og forplante seg rundt sløyfen 78.

Når lysen ankommer ved porten A, blir deler av det koplet inn i fibersegmentet mellom portene C og D. Denne del går ut fra porten D og fortsetter rundt sløyfen for en andre omdreining. Delen av lyset som ikke blir koplet tilbake inn i sløyfen 78 forblir i utgangsfibren 76 og går ut som en annen puls i utgangspulstoget vist generelt ved 80.

Utgangspulstoget 80 er sammensatt av et uendelig antall pulser med minskende amplitude. Med untak av den første pulsen, representerer hver puls i ugangspulstoget 80 en tur av lyset rundt sløyfen 78, og hver puls i toget 80 er adskilt fra sine nabopulser med et tidsintervall T. Pulsene minsker i amplitude p.g.a. tapene i sløyfen 78 og det faktum at kopleren 78 kopler en del av energien til hver puls tilbake inn i sløyfen ved hver passasje gjennom kopleren for resirkulering og derved etterlates bare den ikke-koplete delen av energien til hver puls for å gå ut som en annen puls i utgangspulstoget 80.

Utgangspulstoget 80 består av de følgende pulser. En puls 81 representerer energien som blir koplet fra inngangspulsen 74

inn i utgangsfibren 76 som går ut fra porten B uten å forplante seg rundt sløyfen 78. En puls 83 representerer energien fra inngangspulsen 74 som ikke blir koplet inn i utgangsfibren 76 som pulsen 81 og som har forplantet seg en gang rundt sløyfen 78 og har fått en del av sin energi koplet inn i utgangsfibren 76 som pulsen 83. En puls 85 representerer energien fra pulsen 83 som blir koplet tilbake inn i sløyfen 78 for en annen rundtur i sløyfen minus tap og minus mengden av energi som ble koplet tilbake inn i sløyfen for nok en rundtur. Denne prosess fortsetter til uendelig, men tilslutt er amplituden til pulsene falt under støynivået, og pulsene forsvinner.

Med henvisning til fig. 17 er det vist en tegning av den foretrukne utførelse av høyhastighets pulstoggeneratoren. Systemet består av to forsinkelseslinjesløyfer som er lik de som er vist på fig. 16 i struktur, men av ulik lengde. Sløyfene er en gene-ratorsløyf e 82 og en multipleksersløyfe 84. Generatorsløyfen 82 består av inngangsfibren 12b som er ført gjennom en første retningskopler 86 på samme måte somsløyfen 78 på fig. 16. Utgangsfibren 76 blir imidlertid inngangsfibren for multiplekser-sløyfen 84. D.v.s. at utgangsfibren 76 entrer en port C til en andre retningskopler 88, går ut ved en port D, og løper rundt

til porten A for å danne sløyfen 84 og går ut av kopleren 88

igjen ved porten B som et utgangsfibersegment 90 for systemet. Lengden av de to sløyfene 82 og 84 skiller seg med en lengde

slik at transittiden gjennom generatorsløyfen 82 er lik T mens transittiden gjennom multipleksersløyfen 84 er lik T-t hvor er liten sammenlignet med T.

Høyhastighets pulstoggeneratoren på fig. 17 kan anvendes på følgende måte. En enkel inngangspuls 74 genererer et avtagende pulstog 80 på samme måte som beskrevet i forbindelse med fig. 16. Hver puls i utgangspulstoget på fibren 76 skaper et annet fallende eller avtagende pulstog i utgangsfibren 90 ved virkning av multipleksersløyfen 84 på samme måte som beskrevet med referanse til fig. 16. Starttidene for disse avtagende pulstogene på fibrene 90 blir forskjøvet av tiden T som er transittiden gjennom generatorsløyfen 82. P.g.a. forskjellen i transittid mellom sløyfene 82 og 84 blir videre de individuelle pulstogene også interfoliert for å danne undergruppe A-E av pulstog med lik amplitude gruppert på utgangsfibren 90. Hver av undergruppene er adskilt fra den andre med tiden T-t. Hver individuell puls innenfor hver av undergruppene A-E er adskilt fra sin nabopuls eller pulser innenfor undergruppen med tiden t.

Mer spesielt vil det avtagende pulstoget som er dannet av pulsen

92 på inngangen til multipleksersløyfen 84 bestå av pulsene 94

til 98. Det avtagende pulstoget dannet av en puls 100 på inngangen til multipleksersløyfen 84 består av pulsene 101-104. Pulstoget 101-104 starter en tid T etter pulstoget 94-98, men pulsen 95 opptrer en tid T-t etter pulsen 94 slik at avstanden mellom pulsene 95 og 101 er lik tiden t. En lignende analyse passer på de andre pulsene på inngangen.

På fig. 17 forplanter pulsene seg fra høyre til venstre. Derfor

er null tid til venstre på tegningen og pulsene vil komme til-

syne i en detektor (ikke vist) koplet til fibren 90 i samme orden som det er tegnet ved å lese fra venstre til høyre. D.v.s. at den første pulsen som ville opptre ville være pulsen 94. så å

vil pulsene 95 og 101 opptre i denne orden. Så vil de andre pulsene

opptre i den orden som de er vist.

Forskyvningen av starttiden for de individuelle fallende pulstogene så som pulstogene som består av pulsene 94-98 og pulsene 101-104 forårsakes av pulsavstanden med tiden T for inngangspulstoget 80 og av transittiden for multipleksersløyfen 84. F.eks., når pulsene 94 entrer kopleren 88, går pulsen 94 på fibren 90 et øyeblikk senere. En tid T-t senere, går pulsen 95 fra porten B til kopleren 88 og har gjort en rundtur i multi-pleksersløyf en 84. En tid T senere unnslipper pulsen 101 på fibren 90 som en første puls i det fallende pulstog som er resultatet av inngangspulsen 100 til multipleksersløyfen 84.

Pulsen 101 kompletterer undergruppen B og har den samme amplitude som pulsen 95 under disse vilkår. Disse vilkår er at koplings-og tapsparametrene til multipleksersløyfen 84 er tilpasset koplings- og tapsparametrene til generatorsløyfen 82. Dette krever at koplingseffektiviteten (eller forholdet) til koplerne 86 og 88 er lik og at sløyfetapene, innbefatter koplerens gjennomgangstap er lik. Når disse vilkår er tilstede, vil pulsene i hver av undergruppene A-E være amplitudetilpasset, siden hver puls i en bestemt undergruppe gjør det samme antall gjennomløp rundt enten multipleksersløyfen 84, generatorsløyfen 82 eller en kombinasjon av de to. Hovedfaktoren ved å tilpasse amplitudene til pulsene i undergruppene ligger i å tilpasse koblingskoeffisientene til koplerne 86 og 88, siden tapene i sløyfene er relativt små sammenlignet med energien som koples tilbake inn i sløyfen ved hver passasje gjennom kopleren.

F.eks. er pulsen 95 den andre pulsen i det avtagende pulstoget som er resultatet av pulsen 92 og som har gjort en rundtur i multipleksersløyfen 84. Følgepulsen 101 i undergruppe B går ut på fibren 90 en tid T etter pulsen 94 har gått ut siden pulsen 101 er den direkte koplete pulsen som går ut fra kopleren 88 et øyeblikk etter dens kildepuls 100 ankommer i kopleren 88. D.v.s. atpulsen 101 ikke har gjort noen gjennomløp rundt multi-pleksersløyf en 84, men kildepulsen 100 har gjort et omløp rundt generatorsløyfen 82. Derfor har begge pulsene 95 og 101 gjort et omløp rundt en av sløyfene 84 eller 82. En lignende situa-sjon kan vises å være tilstede for hver av undergruppene A-E. Oppsummert består utgangssignalet på fibren 90 av en uendelig sekvens av pulstog, i det hvert pulstog (undergruppe av pulser med lik størrelse) er adskilt med transittiden T-t til multi-pleksersløyf en fra det neste pulstoget. Generelt består det

te

N pulstoget av N pulser hvorav hver har gjort N-l omløp i multipleksersløyfen, generatorsløyfen eller en kombinasjon av de to. N definerer i dette tilfellet både antallet til undergruppen som starter fra begynnelsen, en pulsundergruppe A og N definerer antallet pulser i undergruppen like så meget som antallet omløp hver puls har gjort. For den første undergruppe A med en puls, vil således N=l indikere at A er den første undergruppe, d.v.s. at den har en puls og at puls 94 ikke har gjort noen omløp. På samme måte, for undergruppe B, vil N være like 2 hvilket indikerer at undergruppe 2 er den andre undergruppe som opptrer, at den har 2 pulser i seg og at hver av disse pulser 95 og 101 har gjort et omløp enten i generatorsløyfen 82 eller i multipleksersløyfen 84.

Den totale omhyllingskurve for de fallende pulsene i pulstog-sekvensen er beskrevet matematisk ved ligning (1) nedenfor. Dersom en enkelt kort puls som har en toppenergi Pq blir sendt inn i generatorsløyfen 82 hvilken sløyfen 82 har en transittid T, består utgangssignalet av en uendelig rekke med pulser adskilt

te

med T. Toppenergien til den N pulsen er gitt ved:

for N = 2,3 ... hvor

ac = fraksjonstap i kopleren, d.v.s. prosentdelen tap eller energi ut minus energi inn = ac ganger energi inn; og a ir = fraksjonsforplantningstap pr. sirkulasjon, d.v.s. lik definisjonen for ac; og

k = energikoplingskoeffisient til retningskopleren, d.v.s. koplet energi i den andre fibren dividert med inngangsenergien

i den første fibren; f.eks., k for kopleren 88 er den koplete energien i fibren 76 som går ut på port C dividert med energien på inngangsfibren 90 som entrer porten B.

I den foretrukne utførelsen er koplingskoeffisienten til koplerne 88 og 86 tilpasset til en hvilken som helst verdi som det er ønskelig å maksimere amplituden for til pulsene i den bestemte undergruppe som inneholder antallet pulser som er ønsket.

Dette kan gjøres ved å løse ligning 1 med hensyn på < hvilket maksimerer P . Andre koplingskoeffisienter kan anvendes dersom P., ikke behøver å maksimeres.

N

Dersom en slik sekvens av pulser som pulstoget 80 blir koplet

inn i en multipleksersløyfe som har en transittid T-t, så vil hver puls i inngangssekvensen entre sløyfen en tid T som er en tid t etter den forutgående pulsen har fullført en full sirkulasjon. De sirkulerende pulsene i multipleksersløyfen er således adskilt med T, og er tatt prøver av av kopleren ved hver passasje og sendt til utgangen. Siden intervallet x mellom pulser innenfor hver undergruppepulstog avhenger bare av transittidsdifferansen mellom generator og multipleksersløyfene 82 og 84, kan dette intervallet velges å være kort. I virkeligheten er x bare begrenset av bredden til den opprinnelige inngangspulsen.

Imidlertid kan intervallet T-t mellom undergruppepulstogene være mye lenger og derved gjøre mulig å trekke ut av et ønsket pulstog, d.v.s. en undergruppe med det ønskete antall pulser, fra utgangsfibren 90 via en relativt sakte port. D.v.s. en bryter kan anordnes som kan lukke seg en eller annen gang under intervallet like før den ønskede undergruppe og åpne seg under intervallet som nettopp følger den ønskede undergruppe. Således kan en hver undergruppe plukkes ut etter ønske. Mens en bryter kan anordnes som kan diskriminere mellom pulser adskilt T-t, ville det være mer vanskelig å bygge en bryter for å diskriminere mellom pulser adskilt med t.

Eksperimentelt har systemet på fig. 17 vist de følgende resultater.

Når en kort puls på 120 pikosekunder (full bredde ved halve maksimale energi) av lys med en bølgelengde på 820 nm fra en laserdiode ble sendt inn i en generatorsløyfe 82 som har en transittid på T=10,9 nanosekunder, vil resultatet være en 92 megabit pr. sekund pulssekvens som avtar i samsvar med ligning (1) på fibren 76.

Denne pulssekvens på fibren 76 ble sendt inn i en pultiplekser-sløyfe 84 som har en transittid T-t = 10,1 nanosekunder. Transittidsdifferansen var således t=0,8 nanosekunder. Koplings- og tapsparametrene ble justert slik at de var like i begge sløyfene ved hjelp av den justerbare retningskopleren 88 og 86 og variabel deling innenfor hver sløyfe 84 og 82. En varierbar deling eller skjøt eller en skjøt mellom to monomodus fibre som kan ha innrettingen mellom fibrene forskjøvet for å forårsake tap i energioverføringen mellom fibrene. Den resulterende utgangs-sekvensen på 1,25 Gigabit pr. sekund ble detektert ved å anvende en silisiumfotodiode. Fig. 18(a)- 18(d) viser de eksperimentelt observerte resultatene fra strukturen på fig. 17. Merk at tilpasningstilstanden til sløyfetap og koplet energi i koplerne 88 og 86 kan undersøkes ved å observere klarheten til amplitudene til pulsene innenfor hver undergruppe. Sløyfetap kan tilpasses ved å anordne en skjøt i hver sløyfe og justere skjøtekvaliteten slik at denne tilpasses tapet i hver sløyfe.

Fig. 19 viser en utførelse av en enkeltsløyfe datatransforma-sjonsstruktur. Fig. 20 er en tidsdiagram som viser sekvensen av utgangspulser som er resultatet av inngangspulssekvensen 106.

Som forklart i forbindelse med fig. 16, vil hver puls på inngangen 111 til forsinkelsessløyfen 113 danne en serie av avtagende pulser på utgangen 115 som er adskilt ved transittiden til sløyfen, T-t. Dersom pulsene 107-110 i inngangspulstoget er likt adskilt med T, vil utgangspulstogene være interfoliert og adskilt som vist på fig. 20. Av hensiktsmessige grunner er hver puls i utgangspulstoget som er generert av hver inngangspuls nummerert med det samme referansetall som inngangspulsen med en tilleggsbokstav vedheftet dette. Bokstaven indikerer hvor mange omløp i sløyfen 113 denne bestemte puls har gjort. F.eks. vil utgangspuls 107A være resultatet av direkte kopling av pulsen 107 til utgangen 115 uten noen omløp mens pulsen 107 er resultatet av inngangspulsen 107 etter at den har gjort et omløp. Det samme gjelder for hver av de andre inngangspulsene 108-110. Pulsen 107A er adskilt fra 107B med transittiden,

T-t, til sløyfen 113 og pulsen 107B er på samme måte adskilt

fra pulsen 107C. På samme måte er pulsen 108A adskilt fra pulsen 108B ved T- t, og 108B er adskilt med T-t fra 108C. Imidlertid er 108A adskilt fra 107B med tiden t. Dette er fordi bare en kort tid etter at pulsen 107B vender tilbake fra sitt første omløp og opptrer ved tiden T-t på utgangen 115, ankommer inngangspulsen 108 på retningskopleren 117 og blir direkte koplet til utgangen 115. Avstanden t mellom pulsene 107B og 108A kan justeres ved å endre sløyfelengden for å endre tidsdifferansen t mellom avstanden til inngangspulsene og forplantningstiden rundt sløyfen i forhold til pulsavstanden til inngangspulstoget.

Det kan ses av fig. 20 at tidsintervallet 119 inneholder en puls som representerer hver av de fire inngangspulsene, men som er adskilt ved intervaller på tiden t. En bryter 120 er koplet til den elektriske utgangsledningen 122 til en fotodiodedetektor 124 og kan under styring av en tidskrets 126 velge ut bare pulsene som opptrer under tidsintervallet 119 fra pulstoget på utgangsfibren 115. Oppbygningen til en slik bryterkrets 120

og tidskrets 126 vil være åpenbar for fagkyndige.

Dersom inngangspulstoget 106 (fig. 19) representerer et dataord som kommer inn i forsinkelsessløyfen 113 ved en første dataoverføringshastighet, så representerer utgangspulstoget som finnes i intervallet 119 det samme dataordet på utgangen 115 (fig. 19) ved en andre, høyere dataoverføringshastighet. Dersom logisk 1 og 0 er representert ved tilstedeværelsen eller fra-været til pulser under en tidsspalte, så vil pulstoget som finnes i tidsintervallet 119 være tilstrekkelig til å overføre dataene. Dersom imidlertid amplituden til de individuelle pulsene i inngangspulstoget nøyaktig må passe til de korresponderende amplitudene i utgangspulstoget, så kan pulstoget i intervallet 119 være inadekvat. Dette er fordi pulsene i intervallet 119 ikke passer til amplitudene til korresponderende inngangs-

pulser p.g.a. at noen av pulsene har vært utsatt for flere omløp og mer koplingstap enn andre.

Denne situasjonen kan avhjelpes ved å addere en forsterker 128 til forsinkelsessløyfen på fig. 19 for å kompensere for tap i systemet. Den forutgående forklaring forutsatte at forsterkeren hadde enhetsforsterkning. Dersom forsterkingen til forsterkeren ble økt for å kompensere for tap ved omløpet rundt sløyfen og for ikke-koplet energi som forlater sløyfen på utgangsfibren 115, så vil uavhengig av hvor mange ganger en puls gjennomløper sløyfen, utgangspulsen fra sløyfen hver gang en omløpende puls passerer gjennom kopleren 117 være lik amplituden til den korresponderende inngangspulsen. D.v.s. at hver inngangspuls vil generere et pulstog av utgangspulser som passer til amplituden til inngangspulsen.

En hver forsterkerutførelse som har tilstrekkelig båndbredde

for dataoverføringshastigheter erkarakterisert vedtidsdiffe-r.ansen t vil være tilstrekkelig. For dataoverf øringshastig-heter i megahertzområdet er slike forsterkerutførelser vel kjent for fagkyndige. Slik en forsterkerutførelse kan være en foto-detektor i sløyfen 113 koplet til inngangen til en konvensjonell elektronisk forsterker. Utgangssignalet fra forsterkeren kan så drive en halvlederlaser til å kople forsterkede lyspulser tilbake inn i sløyfen.

Det kan ses av fig. 20 at avstanden mellom den siste pulsen HOA

i pulstoget i intervallet 119 bare er den lille tiden x fra den første pulsen 107E i det neste intervallet 121. Dette finner sted når, som på fig. 20, x er valgt til å være 20% av T. Dersom x er vesentlig mindre, så vil avstanden mellom den siste pulsen i intervallet 119 og den første pulsen i intervallet 121 bli større. Denne tilstand gjør det lettere for bryteren 120 å diskriminere mellom den siste pulsen i intervallet 119 og den første pulsen i intervallet 121.

Etter som blir gjort mindre, vil selvfølgelig båndbredden

til forsterkeren 128 måtte økes p.g.a. bredden til pulsene som må minskes tilsvarende. For dataoverføringshastigheter i gigahertzområdet, kan forsterkeren 128 være en optisk forsterker så som forsterkeren forklart i Volum QE-19, nummer 7

av I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics i en artikkel med tittel "Analysis of a Multistable Semiconductor Light Amplifier", side 1184, hvilken artikkel herved er innlemmet som referanse.

En annen utførelse av forsterkeren 128 kunne være en halvlederlaser med speilene i denne belagt antireflekterende slik at refleksjonskarakteristikken til låsingen ikke opptrer tilstrekkelig til å forårsake låsing. Således opptrer halvlederelementet som en kanal med forsterking. I en slik utførelse vil det måtte dannes en populasjonsinversjon av eksiterte elektroner ved å innføre en eksitasjonsstrøm i form av en C.W.-strøm eller en puls slik som pulsene som skal forsterkes forplanter seg gjennom kanalen, hvorved de stimulerer eksiterte elektroner til å falle til lavere energitilstander og derved utsende fotoner som adderer lys til pulsen som passerer gjennom kanalen og derved forsterker denne. Videre detaljer vedrørende denne utførelse og fremgangsmåte for å forsterke vil være åpenbart for fagkyndige.

En annen forsterkerutførelse som kunne anvendes for forsterkeren 128 er vist i den parallelle U.S. patentsøknad med nr. 407,136, inngitt 11. august 1982, med tittel Fiber Optic Amplifier. Forsterkeren er utført som retningskopleren på figur 1 untatt ved at en av enkelmodusoptiske fibrene er dopet kvartsglass slik at den har en kjerne og en kappe, mens den andre fibren er en enkelkrystallneodym-ytriumalluminiumgranat (ND:YAG) fiber-dobet for å ha en kjerne og en kappe. Kjernene bør være tilstrekkelig små til å forsyne bare en stor kjernediameter på 10 pm eller mindre og kappediameter på 125 pm. Disse fibre er plassert sammen til hverandre i den optiske kopleren på fig. 1.

ND:YAG krystallfibren er det forsterkende medium, og den vil være koplet til fibren til sløyfen 113 på fig. 19 slik at pulsene som gjennomløper sløyfen 113 passerer gjennom ND:YAG-krystallet. Kvartsglassfibren fører pumpebelysningen. Brytningsindeksene til de to fibrene er hovedsakelig identiske eller identiske.

Avstanden mellom pumpefibren og den forsterkende fibren og lengden av samvirkeområdet 18a er valgt slik at den optiske kopleren vil gi en høy koplingseffektivitet ved bølgelengden til pumpelyskilden, men en lav koplingseffektivitet ved bølge-lengden til signalet som skal forsterkes. Dette resulterer i en kopling av pumpelyset inn i den dopede forsterkende fiber, men hovedsakelig ellimineres tap av det optiske signalet som skal forsterkes siden dette signalet ikke blir koplet inn i pumpefibren.

Siden strukturen til denne forsterkeren tillatter at pumpebølge-lengden blir koplet inn i den forsterkende fibren for å styres innenfor den forsterkende fibren, behøver ikke diamteren til ND:YAG-forsterkningsfibren overskride absorpsjonslengden. Dette skyldes at pumpelyset effektivt bli absorbert i en retning langs aksen til ND:YAG-fibren snarere enn perpendikulært på denne akse etter at pumpelyset er blitt koplet inn i forsterkningsfibren. Således kan pumpelyset automatisk mates til den forsterkende ND:YAG-fibren uten å påvirke de signalbærende egenskaper. Videre, siden det anvendes en fireport kopler for å kople pumpelyset til forsterkningsfibren, er endene til forsterkningsfibren tilgjengelige for direkte signalkopling til de optiske fibrene innenfor det optiske fibersystemet.

ND:YAG-fibren er dopet med et materiale som vil lase ved fre-kvensen til signalet som skal forsterkes. Signalet som skal forsterkes forplanter seg igjennom ND:YAG krystallfibren for å stimulere emissjon av koherent lys fra lasematerialet, hvilket resulterer i forsterkning av signalet.

Andre forsterkerstrukturer for anvendelse ved høye frekvenser vil være åpenbare for fagkyndige.

Det er også mulig å anvende utførelsen på fig. 19 for å endre dataoverføringshastigheten fra hurtig til sakte. Ved en slik anvendelse består pulstoget 106 som entrer på inngangsfibren 111 av en flerhet av pulser som er adskilt med en tid t. Disse pulser entrer sløyfen 113 og sirkulerer rundt denne adskilt med en tid t. Sløyfen er igjen av en lengde slik at sirkula-sjonstiden er lik T-t. Et utgangspulstog ved en lavere dataoverf øringshastighet har pulsene adskilt T sekunder fra hverandre og kan frembringes ved å ta ut bare en puls av den sirkulerende gruppen på hver sirkulasjon.

Dette kan gjøres enten ved predetekterende bryting eller ved etterdetekterende bryting. Strukturen beskrevet på fig. 19

vil passe til etterdetekterende brytingsanvendelser. Strukturen opptrer eller virker nettopp som beskrevet med referanse til fig. 19. Bryteren 120 og tidskretsen 126 er imidlertid modifi-sert slik at åpning og lukking av den elektriske banen mellom detektorens 124 elektriske utgangsledning 122 og systemets utgangsledning bare velger bestemte av pulsene på ledningen 122 .

Med henvisning til fig. 21, er det vist et tidsskjema over mellomutgangssignaler på ledningen 122 fra detektoren 124 for sløyfen 113 på fig. 19 for en hurtig inn, sakte ut dataoverføringshastighetsutførelse i hht. oppfinnelsen. Det kan ses av fig. 21 at pulsene 107-110 går ut fra sløyfen 113 med den nøyaktige avstand som de gikk inn, men at en annen pulsgruppe vil gå ut bak denne gruppen etter nok en sirkulasjon. D.v.s.

at pulsene på ledningen 122, under perioden 1, alle er adskilt med t sekunder fra hverandre, og de er resultatet av direkte kopling fra inngangsfibren 111 til fibren 115 i retningskopleren 117. Imidlertid, T-t sekunder senere vil den første pulsen til den andre gruppen gå ut, og gruppen har nå nesten fullført en omdreining gjennom sløyfen 113. Avstanden mellom pulsene HOA og 107B er bare t sekunder, men kunne være større dersom T ble gjort større i forhold til T. Den samme pulsmarkering er brukt på fig. 21 som på fig. 20.

Pulsene som går ut på fibren 115 representerer så inngangspulstoget etter et gjennomløp. På samme måte vil pulsene som går ut under perioden 3 representere inngangspulstoget etter at dette har gjort to gjennomløp gjennom sløyfen 113. Pulsene på fig. 21 er vist som avtagende i amplitude basert på antagelsen at ingen forsterker 128 er anordnet i sløyfen 113. Dersom imidlertid en forsterker er tilsted i sløyfen 113, så vil pulsene som går ut under periodene 2 og 3 ha samme amplitude som pulsene under perioden 1.

Det kan ses av fig. 21 at pulsene 107A og 108B er adskilt med

T sekunder og det er også pulsene 108B og 109C osv. Dersom bryteren 120 kan lukkes under bare de tidsperiodene som tillater pulsene 107A, 108B, 109C og HOD, vil således et pulstog som det som er vist på fig. 22 være resultatet, forutsatt at en forsterker 128 er anordnet i sløyfen 113. Således vil man ha fått frem en pulsadskillelse på T sekunder på utgangssignalet for et inngangspulstog med en pulsadskillelse på t sekunder.

Ved svært høye dataoverføringshastigheter vil selvfølgelig bryteren 120 måtte være svært hurtig for å kunne skru av og på under tidsavsnitt i størrelsesorden x. Slike hurtige brytere er imidlertid kjent. F.eks. kan innretninger som "Josephson's knutepunkt" bli brukt. Bruksmåten for slike brytere vil være åpenbar for fagkyndige. Det kan også anvendes høyhastighets integrerte kretser slike som de som er utviklet for Forsvars-departementet under VHSIC-programmet for bryteren 120, hvilket vil være åpenbart for fagkyndige. Bryteren 120 kan drives av tidskretsen 126 av par med smalt adskilte pulser adskilt med tidsavsnitt i størrelsesorden x. Tidskretsen kan generere disse pulsene ved å anvende apparatet på fig. 17. Egnete tids-arrangementer vil være åpenbare for fagkyndige.

Alternativt kan brytingen utføres før detekteringen ved å anvende en forskjellig type retningskopler som kopleren 117. En slik kopler som er beskrevet i High Technology magazine, november/desember, 1982, sidene 35-43, på side 40 i en artikkel med tittel "Future Looks Bright for Guided Wave Optics", av Robert Haavind, vil være adekvat. Detaljene vedrørende denne artikkel er herved innlemmet som referanse. Enkelt forklart består denne kopler av to optiske bølgeledere som er dannet ved å diffundere en urenhet så som titan inn i en krystallblokk av litiumniobat. Geometrien til bølgelederne er slik at de er bragt til å ligge innenfor omtrent 5 pm fra hverandre for en bestemt samvirkeavstand. Et par elektroder er anordnet på litiumniobatkrystallet med et par av elektroder over hver av bølgelederne i samvirkeområdet. Normalt vil flyktigfeltet til lys som forplanter seg i en bølgeleder komme inn i den andre bølgelederen i samvirkeområdet. Lys begynner så å bygges opp i den andre bølgelederen. Dersom samvirkeområdet er langt nok, så vil alt lyset overføres til den andre bølgelederen og bare flyktigfeltet forblir i den opprinnelige bølgelederen. Dersom samvirkeområdet er lenger enn den fullstendige over-føringslengden, så begynner lyset å endres tilbake inn i den opprinnelige bølgelederen. Elektrooptiske krystaller innehar en egenskap som er kalt Pockels effekt som betyr at et elektrisk felt i krystallet kan endre brytningsindeksen i krystallet. Denne effekt blir brukt i den ovenfor beskrevne kopleren ved å påtrykke et elektrisk felt som er orientert opp i en bølgeleder og ned i den andre bølgelederen. Dette endrer brytningsindeksen og kan forhindre energioverføring. Elektrodene kan drives med egnede signaler til å forårsake at kopleren bryter bare visse av de sirkulerende pulsene ut av sløyfen og derved endres dataoverf øringshastigheten . Således kan koplingen fra sløyfen 113 til fiberens utgangsbølgeleder 115 utføres selektivt ved tidspunkter styrt av påtrykningen av hensiktsmessig tidsinndelte elektriske signaler. Ved en slik utførelse kan tidskretsen 126 være som beskrevet ovenfor untatt ved at dens elektriske ut-gangssignaler på en ledning 132 vil bli koplet til kopleren beskrevet ovenfor og erstatter kopleren 117 på fig. 19. Således kan pulsene 107A, 108B, 109C og HOD bli koplet ut av sløyfen 113 ved anvendelse av hensiktsmessig tidsbestemte signaler til kopleren.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet uttrykt ved utførelsene vist her, vil mange modifikasjoner være åpenbare for fagkyndige. Alle slike modifikasjoner ligger innen rammen av oppfinnelsen slik denne er angitt i de vedheftete patentkravene.

Claims (10)

1. Anordning for å endre dataoverføringshastighet mellom inngangs- og utgangsoptiske pulstog, karakterisert ved, en inngangsfiberoptisk bølgeleder for å styre et inngangspulstog av optiske pulser som har en første dataoverføringshastig-het, og pulsene er adskilt med et første intervall; en utgangsoptisk bølgeleder for å styre et utgangspulstog av optiske pulser som har en andre dataoverføringshastighet, og pulsene er adskilt med et andre intervall; og en multiplekser resirkulerende fiberoptisk forsinkelseslinje koplet mellom inngangsbølgelederen og utgangsbølgelederen for å motta inngangspulsene og påføre en forutbestemt forsinkelse på inngangspulsene, hvorved lengden av multiplekserens resirkulerende fiberoptiske forsinkelseslinje er slik at den påfører en forutbestemt forsinkelse, forskjellig fra det første intervallet med en mengde som er lik det andre intervallet, for å interfoliere utgangspulsene som er resultatet av hver inngangspuls slik at utgangspulsene blir adskilt med det andre intervallet og utgangspulstoget har den andre dataoverføringshastig-heten.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter en generatorfiberoptisk resirkulerende forsinkelseslinje for å generere et inngangspulstog av en enkel inngangspuls, og generatorforsinkelseslinjen har en lengde slik at den påfører en forsinkelse lik det første intervallet, slik at inngangspulstoget generert av generatorforsinkelseslinjen omfatter en flerhet av pulser adskilt med det første forsinkelsesintervallet, hvorved den multipleksende fiberoptiske resirkulerende forsinkelseslinjen har en forskjellig lengde enn genera-torresirkulerende forsinkelseslinjen for å påføre en forsinkelsestid forskjellig fra forsinkelsestiden påført av generatorforsinkelseslinjen, en mengde lik det andre intervallet, i det forskjellen mellom forsinkelsestidene forårsaker interfolieringen av pulser for å danne utgangspulstoget av pulser adskilt med det andre intervallet.

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at hver av generator og multiplekserforsinkelseslinjene omfatter en respektiv sløyfe av optisk fiber, og hver sløyfe er optisk lukket av respektive fiberoptiske retningskoplere hvorved i det minst en av retningskoplerne er avstembar slik at en valgbar mengde av kopling opptrer i denne retningskopler.

4. Anordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at koplingsforholdet til hver retningskopler er hovedsakelig det samme, og tapene i hver forsinkelseslinjesløyfe er hovedsakelig tilpasset.

5. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter en lyskilde koplet til inngangsfiberoptiske bølgelederen for å gi på inngangsfiberoptiske bølge-lederen en serie med pulser adskilt med det første intervallet.

6. Anordning som angitt i hvilket som helst av kravene 1-5, karakterisert ved at den omfatter en forsterker i det minste i en forsinkelseslinje.

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at forsinkelseslinjen er en monomodusfiberoptisk bølge-leder og forsterkeren er en optisk forsterker.

8. Anordning som angitt i hvilket som helst av kravene 1-7, karakterisert ved at forsinkelseslinjen er en enkelmodusfiberoptisk bølgeleder som er ført i sløyfe gjennom en fire ports retningskopler i hvilken en ende av fiberen er inngangsbølgelederen og den andre enden av fiberen er utgangs-bølgelederen slik at inngangspulser på inngangsbølgelederen sirkulerer gjennom sløyfen og noe energi fra hver puls blir sendt ut på utgangsbølgelederen hver gang en puls passerer gjennom kopleren.

9. Anordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at retningskopleren kopler noe energi frahver inngangspuls inn i utgangsbølgelederen og etterlater den gjenværende delen av energien til denne lyspulsen ikke-koplet i inngangs-bølgelederen for å sirkulere i forsinkelseslinjen.

10. Anordning som angitt i hvilket som helst av kravene 1-9, karakterisert ved at den omfatter: en detektor koplet til utgangsbølgelederen i det detektoren har en elektrisk utgang; og en bryter er koplet til den elektriske utgangen for å velge som sin utgang bare pulser som opptrer på den elektriske utgangen under forutbestemte tidspunkter.