NO855361L - Fiberoptisk kanalmottager. - Google Patents

Abstract

En mottager omfatter apparatur (16,. 17) for å modulere et signal på en optisk bærer. En rekke fiberoptiske filtre (20) analyserer den modulerte bærer. Hvert av filtrene (20) har en entydig, forutbestemt senterfrekvens og båndbredde. Filtrene er anordnet for å gi et forutbestemt kontinuerlig moaqerfrekvensområde

Description

Oppfinnelsen vedrører kommunikasjonssystemer, og spesielt angår oppfinnelsen en kanalmottager som benytter optisk signal-analyse.

En foretrukken arkitektur til bruk i en frontendemottager (dvs. en mottager for analyse av innkommende signaler og be-stemmelse av deres frekvensinnhold) er kanaltypen. Slike mottagere er særlig anvendelige i elektronisk krigføring, da de alltid besitter visse betydningsfulle fordeler som ikke gjenfinnes ved en vanlig spektrumanalysator. Disse fordeler skyldes delvis at kanalmottageren benytter parallell signalbehandling som ikke brukes i spektrumanalysatoren.

I en typisk kanalmottager blir det anbragt en rekke filtre, hver med sin spesielle senterfrekvens, for å dekke et forvalgt signalspektrum. Dette spektrum er sentrert rundt signalbæreren med båndbredden bestemt av (AM) modulasjons-frekvensen eller det maksimale predikerte frekvensområde (FM-modulasjon). I en 1-2 GHz mottager av denne type som omfatter f.eks. 100 kanaler med 10 MHz båndbredde hver (3 dB), kan det ses at signaleffekten ved 1,452 GHz vil detekteres i den 45. serielle kanal.

En filtertype som er blitt brukt i kanalmottagere, er

den tappede forsinkelseslinje. Dette filter omfatter et elektro-magnetisk transmisjonsmedium, slik som et vandrebølgerør, bølgeleder, mikrostrimmel etc., som har en rekke "uttak" anbragt langsetter. Uttakene tjener til å ekstrahere eller måle (sample) de forskjellige faser til den vandrende mikrobølgeenergi. Energien fra en rekke uttak blir deretter summert og omformet til et elektrisk signal ved hjelp av en passende transduktor. Det resulterende elektriske signal er representativt for den del av effektspekteret til den vandrende elektromagnetiske energi som finnes innenfor filterets passbånd. Som kjent er passbåndet til en tappet forsinkelseslinje en funksjon av både forsinkelsen (lengden) mellom og antallet av uttakene til transmisjonsmediet. På symbolsk form:

hvor

f c = senterfrekvensen til filteret

BW = 3 dB filterbåndbredde

t = forsinkelsen mellom uttakene

N = antallet uttak

og

hvor

L = avstanden mellom uttakene

Cq = lyshastigheten i fritt rom

= lyshastigheten i mediet, og

n = brytningsindeksen til mediet

Tidligere har kanalmottagersystemer vanligvis operert

på mikrobølge- og millimeterbølgefrekvenser. Derfor er for-sinkelseslinjene nødvendigvis blitt implementert med overflate-akustiske komponenter (SAW) og diskrete elektroniske komponenter når tappede forsinkelseslinjefiltre er blitt benyttet. Selv om dette til en viss grad har vært vellykket, har slike mottagere og filtre hatt en temmelig begrenset anvendelse på

grunn av påviste og uønskede tredjeordens intermodulasjonsfeil og trippel-overføringsfeil.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en forbedret kanalmottager. Mottageren omfatter utstyr for å modulere et signal på en optisk bærer. Mottageren omfatter ytterligere utstyr for å analysere den modulerte bærer, idet utstyret omfatter en rekke optiske filtre. Hvert av de optiske filtre erkarakterisert vedet entydig, forutbestemt senterfrekvens og en båndbredde. Filtrene er anbragt for å skaffe et forutbestemt kontinuerlig mottagerfrekvensområde.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives mer detaljert under henvisning til tegningen. I beskrivelsen og på tegningen er oppfinnelsens forskjellige trekk gitt henvisningstall,

idet samme tall viser til de samme trekk på alle figurer.

Fig. 1 viser det generelle opplegg til den fiberoptiske kanalmottager i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2 er et skjematisk diagram av et fiberoptisk tappet forsinkelseslinjefilter til bruk i oppfinnelsen. Fig. 3(a) og 3(b) viser det mekaniske opplegg til de fiberoptisk tappede forsinkelseslinjefiltrene av henholdsvis halvkobler- og makrobøy-typen, og

fig. 4(a), 4(b) og 4(c) viser henholdsvis de serielle, parallelle og hybride filteropplegg til den fiberoptiske kanalmottager i henhold til oppfinnelsen.

Med henvisning til fig. 1 omfatter mottageren en antenne 10 eller annen vanlig apparatur som er følsom overfor mikro-bølgeenergi i fritt rom. "Inngående" mikrobølgesignaler 12 mottas av en antenne 10 og ledes til en mikrobølgetrekvensbånd-blander 17. Blanderen 17 mottar som inngang et mikrobølge-frekvensbåndreferansesignal fra en lokal oscillator 16 og tjener til å modulere mikrobølgebæreren til de detekterte mikrobølgesignaler 12 ned i modulasjonsbåndbredden til en laserdiode 15. Derfor vil der i en utgangsport 18 på blanderen 17 dannes et modulert basisbånd-mikrobølgebåndsignal 19.

Signalet 19 intensitetsmodulerer en laserdiode 15, hvorved laserdioden 15 gir som utgang et inkoherent, intensitetsmodulert signal 21, som dupliserer modulasjonen til de mottatte mikro-bølgesignaler 12. Koherent lys er ikke egnet i tappede for-sinkelseslin jer , fordi feil kan innføres på grunn av inter-ferensen mellom lysbølgene fra utgangene. Transmisjonen av inkoherent lys tillater den ønskede enkle signaladdisjon av intensitetene som benyttes i oppfinnelsen.

Signalet 21 benyttes på en fiberoptisk matrise 20 som består av en rekke filtre av den tappede forsinkelseslinje-type anordnet i en rekke utførelser. Hvert filter omfatter en fiberoptisk konstruksjon med en optisk fiber som bl.a. utgjør signaltransmisjonsmediet. Et representativt fiberoptisk tappet forsinkelseslinjefilter vises i detalj på fig. 2.

Hver av de tappede forsinkelseslinjer til matrisen 20

gir en rekke optiske signalutganger som kan kombineres og fokuseres på en fotodetektor. Transmisjon fra forsinkelseslinjen til fokuseringsanordningen kan enten være bundet eller frittroms, avhengig av anordningene benyttet til å tappe for-sinkelseslin jef iberen . Den første transmisjonsmode er forbundet med en halvkoblerutgang, mens den siste mode fås ved å makrobøye transmisjonsfiberen. De mekaniske utførelser til tappede for-

sinkelseslinjefiltre av frittroms- eller bundet (halvkobler-) type vises detaljert henholdsvis på fig. 3(b) og 3(a).

Av fig. 1 kan det ses at de kombinerte og fokuserte utganger til den tappede forsinkelseslinjematrise 20 i parallell omfatter en optisk utgangsbuss 22. Bussen mater de optiske utgangene til alle tappede forsinkelseslinjer i matrisen 20

til en tilsvarende matrise av fotodetektorer 24. De enkelte fotodetektorer i matrisen 24 virker som kretselementer som regulerer strømmen i en rekke kretser som samlet omfatter en strømbuss 26. Bussen 26 mates til en spektrumsutgangs-anordning 28. Utgangsanordningen 28 er innrettet for å demodu-lere og omforme signalene fra strømbussen 26, idet hvert av signalene er følsomme overfor mengden av mottatte signaler i en forvalgt frekvenskanal, til en en analytisk anvendbar profil av spektrumet til de detekterte mikrobølgesignaler 12. Denne profil overføres til en egnet lagrings/display-anordning 30, valgt i overensstemmelse med de forventede bruks-moder for kanalmottageren.

Fig. 2 er et skjematisk diagram for et representativt fiberoptisk, tappet forsinkelseslinjefilter. Forskjellige deler av filteret er forbundet med den tappede forsinkelses-lin jematrise 20, fotodetektormatrisen 24 og utgangsanordningen 28. Den spesifikke tilknytning av hvert filterelement vil fremgå klart av de foranstående og etterfølgende drøftelser.

Filteret vil som man ser, omfatte en vanlig optisk signal-transmisjonsfiber 32 som består av en indre, dopet kjerne og en omgivende kledning. Ingen av disse er vist på den foreliggende skjematiske gjengivelse. En rekke utganger 34, 36,

38, 40 og 42 er plassert langsetter fiberen 32. Utgangene kan være enten av den bundne eller frittroms transmisjonstypen. I henhold til oppfinnelsen er utgangene adskilt av like fiber-lengder (1) og de tappede utgangssignaler mates til en felles utgangsfokuserende summeringsnode 52. De summerte utgangs-verdier til utgangene 34, 36, 38, 40 og 42 fokuseres av noden 52 på en fotodetektor 54 som regulerer strømmen gjennom en utgangskrets 56. Strømmen gir en indikasjon på mengden av mottatt signalenergi i passbåndet til det bestemte filter.

Det fiberoptiske tappede forsinkelseslinjefilter vist

og beskrevet ovenfor er velkjent innen den optiske kommunika-sjonsteknikk. Omfattende undersøkelser inkluderer "Microwave-Frequency Response of an Optical-Fiber Delay-Line Filter"

av S. A. Newton and P. S. Cross, Electronics Letters, bind

19, nr. 13 (23. juni 1983), "Fiber-Optic Variable Delay Lines" av J. E. Bowers, S. A. Newton and H. J. Shaw, Electronics Letters, bind 18, nr. 23, (11. november 1982), "Filter Response of Single-Mode Fiber Recirculating Delay Lines" av J. E. Bowers, S. A. Newton, W. V. Sorin og H. J. Shaw, Electronic Letters, bind 18, nr. 3 (4. februar 1982), "Optical Fiber V-groove Transversal Filter" av S. A. Newton, K. P. Jackson og

H. J. Shaw, App. Phys. Letters, bind 43, nr. 2 (15. juli 1983) og "Microband Optical Fiber Tapped Delay Line for Gigahertz Signal Processing" av K. P. Jackson, J. E. Bowers, S. A. Newton og C. C. Cutler, App. Phys. Letters, bind 41, nr. 2

(15. juli 1982).

Det er ålment forstått at konstruksjonen av det tappede forsinkelseslinjefilter karakteriseres av antallet av og avstanden mellom uttakene langsetter forsinkelseslinjen. Senterfrekvensen til et tappet forsinkelseslinjefilter er proporsjonal med avstanden mellom de individuelle uttak, mens dets båndbredde er omvendt proporsjonal med antallet uttak. Derfor kan den tappede forsinkelseslinjes opplegg benyttes til å fremstille en rekke filtre med forvalgte båndbredder og senterfrekvenser. Slike filtre vil ikke bare unngå de betydelige operasjonelle ulemper som skyldes tredjeordens intermodulasjon og trippel-overføringsfeileffekt i lavbåndbreddesystemer,

men gir også den iboende fordel som et signifikant høyere båndbreddesystem har, når de, anbragt på egnet måte i en matrise i henhold til oppfinnelsen, danner en optisk kanalmottager.

Ved å bruke databehandling på optisk båndbredde kan mottageren

i henhold til den foreliggende oppfinnelse ha evne til en meget nøyaktig bedømmelse av et betraktelig øket antall av samtidig detekterte frittromssignaler 12 med forskjellige senterfrekvenser.

For å vise den grunnleggende mekaniske konstruksjon

av henholdsvis bundne og frittroms tappede fiberoptiske for-

sinkelseslinjefiltre til bruk i den foreliggende oppfinnelse skal der nå henvises til fig. 3(a) og 3(b). De mekaniske kon-struksjoner som er vist, omfatter deler av filteret vist skjematisk på fig. 2.

Det "bundne" tappede forsinkelseslinjefilter vist på

fig. 3(a) er av halvkoblertypen med V-spor. Et signal gis til den tappede forsinkelseslinje ved hjelp av en enkelt optisk inngangsfiber 58. Inngangsfiberen 58 føres tilbake og festes til nærliggende spor 60, 62 og 64 på en anisotropt etset V-spors silisiumskive 66. Skiven 66 er montert på en krummet kvartssubstratbasis 68.

En rekke uttak dannes ved å anbringe en rekke optiske utgangsfibre 70, 72, 74 og 76 på en tilsvarende skive 78 med V-spor. Optisk energi fra steder plassert langs inngangsfiberen 58 kobles til utgangsfibrene 70, 72, 74 og 76 ved hjelp av den velkjente svinnfeltkobling som finner sted mellom optiske fibre hvis kjerner befinner seg svært nær hverandre. Svinnfeltet til det optiske signal eksponeres i en kort (omtrent 1 mm)

del av hver inngangsfibervinding ved å polere kontaktflatene til inngangs- og utgangsfibrene for å fjerne kledningen inn-til noen få mikrometer fra kjernen.

Lyset som kobles ut av de adskilte uttak på inngangsfiberen 58, ledes av de enkelte utgangsfibre 70, 72, 74 og 76. Utgangsfibrene kan monteres i en matrise med romlig korre-lerte vekter som er frembragt ved selektiv intensitetsfilt-rering og tilordnet lysintensiteten som overføres i fibrene. Utgangssignalene overført av utgangsfibrene kan deretter fokuseres på en enkelt detektor for summering. Ved sideveis jus-tering av den relative forskyvning av inngangs- og utgangsfibrene ved deres polerte kontaktflate (dvs. utgangen) justeres graden av signalkobling. Forskyvning av hele matrisen forårsaker like variasjoner i koblingen ved hvert uttak. Jevnheten i avstanden mellom kjernene, som påvirker koblings jevnheten,

er en funksjon av nøyaktigheten til fotolitografen som benyttes til fremstilling av V-spor-skivene 66 og 78.

Fig. 3(b) viser den mekaniske konstruksjon til et fiberoptisk, tappet forsinkelseslinjefilter av makrobøy- eller frittroms-typen. Til forskjell fra den tappede forsinkelseslinje

på fig. 3(a) benytter ikke apparaturen som er "vist på fig.

3, svinnfeltenes kobling for å tappe en optisk inngangsfiber 80. Isteden er inngangsfiberen 80 pakket rundt en sylindrisk kjerne 84 med forholdsvis stor diameter. En brå krumnings-diskontinuitet (dvs. en makrobøy) frembringes i regelmessig avstand på inngangsfiberen 80 ved å plassere en tappestift 86 med liten diameter på den ellers glatte overflate til kjernen 84.

Tangensielle lystransmisjoner fra det indre av inngangsfiberen 80 finner sted ved hver diskontinuitet i krumningen til den optiske fiber som er snodd rundt kjernen 84. Utgangene er neddykket i et bad 88 av et indekstilpasset fluid. Lys transmittert tangensielt fra uttakene faller inn på en rekke linser 90 som frembringer avbildningen av uttakene på et av-standsplan hvor utgangssignalene kan veies ved hjelp av spatiale filtreringsmetoder. De veide utganger kan deretter summeres ved hjelp av en fokuserende linse 94 og gis til en detektor 96.

Virkemåten til fiberoptiske tappede forsinkelseslinjer utført i overensstemmelse med de ovenstående figurer 3(a)

og 3(b) som filtre og relaterte optiske innretninger diskuteres i "Fiber-Optic Delay Line Devices for Gigahertz Signal Processing" av S. A. Newton, K. P. Jackson, J. E. Bowers, C. G. Cutler and H. J. Shaw, Proceedings of IEEE International conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp. 1204-1207 (april 1983).

Kanalmottageren eller frontende-mottageren på fig. 1

kan ha en rekke alternative systemutførelser. Tre utførelserkarakterisertgenerelt i overensstemmelse med geometrien eller arkitekturen til den tappede forsinkelseslinjematrise 20 er de serielle, parallelle og hybride utførelser vist henholdsvis på fig. 4(a), 4(b) og 4(c).

På fig. 4(a) representerer en modulert kilde 98 kombina-sjonen av elementer vist på fig. 1, omfattende antennen 10, mikrobølgeblanderen 14, den lokale oscillator 16 og laserdioden 15 for å levere optisk båndbreddeenergi til den tappede for-sinkelseslin jematrise 20. Utgangssignalet fra kilden 98 benyttes på en rekke fiberoptiske tappede forsinkelsesfiltre anbragt i en seriell matrise 100. Hver av de enkelte filtrene til matrisen 100 omfatter gruppering av en rekke uttak med forvalgt separasjon og vekt, slik at hver av de optiske utgangssignaler til utgangsgruppen 102 "dekker" og derved indikerer innholdet av en del av det potensielle inngangssignalspektrum. Hver av utgangene til gruppen 102 kan representere utgangen til en dedisert optisk summeringsnode som skal anvendes på en fotodiode (ikke vist). Uttakene kan fremstilles som en enkelt modulert signalbærende optisk fiber. Derfor er utførelsen på fig. 4(a) en meget forenklet konstruksjon som er lett å fremstille.

Den parallelle utførelse av fig. 4(b) frembringes ved

å anvende et signal fra en modulert kilde 104 på en 1xN kobler 106 forut for levering av koblerutgangen til en rekke fiberoptiske, tappede forsinkelseslinjefiltre 108. Hvert filter til matrisen 108 omfatter en enkelt optisk fiber som inkluderer et forvalgt antall adskilte og veide uttak for å frem-bringe en tilsvarende forvalgt senterfrekvens og båndbredde. Antallet filtre i matrisen 108 i samband med de enkelte filter-parametre bestemmer mottagerens dekningsspektrum. Igjen kan en utgangsgruppe 110 omfatte utgangene til en rekke optiske summeringsnoder. Mens parallellfiltermatrisestrukturen er noe mer komplisert enn den serielle struktur på fig. 4(a), bedres kvaliteten på signaldeteksjonen i den utstrekning de små utilsiktede signaltap som skyldes uttakslekkasje ikke er additive som i den serielle oppstilling.

Fig. 4(c) viser en mottager som omfatter en hybrid parallell og seriell filtermatrise. Som i den foregående utførelse, gir utgangssignalet fra en modulert kilde 112 til en signal-splittende optisk kobler 114 før den resulterende mengde av signaler gis til en tilsvarende mengde parallelle filter-"strenger" i hybridfiltermatrisen 116. Mottageren på fig.

4(c) representerer et kompromiss mellom de serielle og parallelle arkitekturer og frembyr fordeler som lavere mekanisk kompleksitet enn den "rene" parallelle matrise uten den mengde av ubehandlede signaltap som karakteriserer den enfibers, serielle filtermatrise.

Mottageren som er beskrevet her, er ekstremt bredbånds, idet den benytter fiberoptiske elementer og apparatur. Den tillater derfor brukeren å detektere og diskriminere effektivt mellom et stort antall mulige inngangsfrekvenser. Den store båndbredde tilbyr videre muligheten av å utføre parallell signalbehandling og derved øke hastigheten til signaldeteksjonen uten problemene med tredjeordens intermodulasjonsfeil og trippeloverføringsfeil som forekommer ved kjent teknikk. Mottagere fremstilt i henhold til oppfinnelsen nyter godt

av fordeler som er egne for fiberoptiske innretninger generelt slik som lav effekt, enkel struktur og lett fremstilling.

Claims (6)

1. Kanalmottager, karakterisert ved apparatur for å modulere et signal på en optisk bærer og en anordning for å analysere den modulerte bærer, omfattende en rekke optiske filtre, idet hvert av filtrene er kjennetegnet ved en forutbestemt senterfrekvens og båndbredde, idet filtrene er innrettet for å tilveiebringe et forutbestemt kontinuerlig frekvensområde.

2. Mottager i henhold til krav 1, karakterisert ved at hvert av de optiske filtre er en optisk, tappet forsinkelseslinje.

3. Mottager i henhold til krav 2, karakterisert ved at hvert av filtrene ytterligere omfatter en optisk fiber, en rekke optiske uttak anbragt med mellomrom langs fiberen og en anordning for å detektere den optiske energi emittert fra uttakene.

4. Mottager i henhold til krav 3, karakterisert ved at filtrene er anbragt i serie.

5. Mottager i henhold til krav 3, karakterisert ved at filtrene omfatter et parallelt arrangement av en rekke filterserier.

6. Mottager i henhold til krav 3, karakterisert ved at filtrene er anbragt i parallell.