DE69830643T2

DE69830643T2 - Optische RF Signalverarbeitung

Info

Publication number: DE69830643T2
Application number: DE69830643T
Authority: DE
Inventors: Michael G. Rancho Palos Verdes Wickham; Philip H. Wisseman
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2018-12-12
Also published as: JPH11271696A; EP0924539A2; JP2990193B2; DE69830643D1; EP0924539B1; KR100303266B1; TW411400B; EP0924539A3; KR19990063214A; US6016371A

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Signalverarbeitungssystem für HF und im besonderen ein optisches Signalverarbeitungssystem für HF, das daran angepasst ist, eine Vielzahl von Filterfunktionen mittels angezapfter Verzögerungsleitungen mit Lichtwellen-Bragg-Gittern, variabel gewichteten Abzweigungen, positiven und negativen Abzweigungen sowie einer optischen Quelle mit einer kurzen Kohärenzlänge bereitzustellen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Optische Signalverarbeitungssysteme sind dafür bekannt, ausgeprägte Vorteile gegenüber HF- bzw. Hochfrequenz-Signalverarbeitungssystemen aufzuweisen. Diese Vorteile umfassen: erhöhte Übertragungsgeschwindigkeit, geringerer Leistungsverbrauch, geringere Größe und dadurch geringeres Gewicht sowie erhöhte Bandbreite. Aufgrund dieser Vorteile werden solche optischen Verarbeitungssysteme immer beliebter für den Gebrauch in bestimmten Anwendungen, wie beispielsweise Satellitenübertragungs-Systemen und Luftfahrtelektronik-Systemen, für die elektrische Verlustleistung und Bandbreite entscheidende Faktoren sind. Tatsächlich sind verschiedene Luftfahrtelektronik-Standards, wie beispielsweise ARINC 629 und DOD-STD-1773 zur Verwendung optischer Verarbeitungssysteme an Bord von Luftfahrzeugen entwickelt worden. Unglücklicherweise sind, wie in "Digital Avionics Systems Principals and Practice", 2. Ausgabe, von Kerry R. Spitzer, McGraw Hill, Inc., 1993, S. 42 erkannt, keine ausreichenden optische Bauelemente entwickelt worden, um es zu ermöglichen, die schwereren und leistungshungrigen elektronischen Komponenten vollständig zu ersetzen. Daher werden verschiedene elektronische Komponenten immer noch in Luftfahrtelektronik-Anwendungen verwendet.
US 5 479 539 betrifft einen integrierten optischen Sende-Empfänger, der einen Empfangsdetektor umfasst, welcher für eine Übertragung transparent gemacht werden kann. Bei dieser Anordnung umfasst der Sende-Empfänger einen optischen Lichtleiter, einen optischen Detektor, der an einem ersten Bereich des Wellenleiters gebildet wird und der zwischen einem absorbierenden Zustand und einem für Licht einer ersten Frequenz transparenten Zustand schaltbar ist, sowie einen optischen Sender, der Licht bei der ersten Frequenz in einem zweiten Bereich des Wellenleiters aussendet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die verschiedenen Probleme des Standes der Technik zu lösen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Signalverarbeitungssystem für HF bereitzustellen, welches es ermöglicht, analoge elektronische Vorrichtungen zu ersetzen.
Kurz gesagt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein optisches Signalverarbeitungssystem für HF, das verschiedene Filterfunktionen mittels angezapfter Verzögerungsleitungen mit Lichtwellen-Bragg-Gittern, veränderlich gewichteten Abzweigungen, positiven und negativen Abzweigungen sowie einer optischen Quelle mit einer kurzen Kohärenzlänge bereitstellen kann. Solch ein optisches Signalverarbeitungssystem für HF ist vorteilhaft gegenüber elektronischen Systemen für HF und bietet die verbesserte Bandbreite und den niedrigeren Leistungsverbrauch, der optische Signalverarbeitungssysteme für HF für verschiedene Anwendungen, wie beispielsweise Luftfahrtelektronik und Satellitenübertragungen, geeignet macht.
Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die folgende Beschreibung und die zugehörigen Zeichnungen einfacher verstanden, wobei:
1a–1d eine schematische Darstellung von vier abwechselnden optischen Signalverarbeitungssystemen für HF gemäß der vorliegenden Erfindung sind.
2a und 2b schematische Diagramme einer erfindungsgemäßen optischen Quelle mit kurzer Kohärenzlänge sind.
3 ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen komplementären Ausgabe-Optikwandlers ist.
4a–4d graphische Darstellungen sind, die die Änderung in einer Reflektivität eines Bragg-Gitters von 100% Reflektivität auf 0% zeigt, während eine Dehnung oder eine Temperatur für eine erfindungsgemäße variabel gewichtete optische Abzweigung größer wird.
5 ist eine graphische Darstellung, die die HF-Phasenänderung des erfindungsgemäßen optischen Signalverarbeitungssystems für HF zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Signalverarbeitungssystem für HF, das für Anwendungen geeignet ist, bei denen große Bandbreiten und ein geringer Leistungsverbrauch wichtig sind, wie beispielsweise Anwendungen in der Luftfahrttechnik und Satellitenübertragung. Das optische Signalverarbeitungssystem für HF wird in den 1a–1d dargestellt, welches angezapfte Verzögerungsleitungen mit Lichtwellen-Bragg-Gittern umfasst. Weitere Ausführungsformen mit positiven und negativen Abzweigungen, Abzweigungen mit variabler Gewichtung und variablen Phasenabzweigungen sind in den 3 bis 5 entsprechend dargestellt. Eine optische Quelle mit einer kurzen Kohärenz zur Verwendung mit der Erfindung ist in 2 dargestellt.
Die 1a–1d zeigen ein optisches Signalverarbeitungssystem für HF gemäß der vorliegenden Erfindung, das daran angepasst ist, bei der Durchführung einer Vielzahl von optischen Filterfunktionen verwendet zu werden, wie beispielsweise Bandpass-Filter, Sperrfilter, Ausgleichsfilter bzw. Equalizer und dergleichen. Zusätzlich zu einem geringeren elektrischen Leistungsverbrauch und erhöhter Bandbreite ist das erfindungsgemäße optische Signalverarbeitungssystem für HF auch daran angepasst, bei höheren Frequenzen betrieben zu werden, und es ist preiswerter und leichter als seine elektronischen Entsprechungen.
In Bezug auf 1a ist ein optisches Signalverarbeitungssystem für HF gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, allgemein mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet, dargestellt. Das optische Signalverarbeitungssystem für HF umfasst eine Quelle 22 zum Erzeugen eines optischen Trägersignals, wie beispielsweise eine optische Quelle mit einer kurzen Kohärenzlänge. Die optische Trägerquelle 22 wird weiter unten im Zusammenhang mit den 2a und 2b genauer beschrieben. Das optische Trägersignal wird an einen optischen Eingang eines Doppelausgangs-Optikwandlers 24 angelegt, wie beispielsweise an einen Mach-Zehnder-Wandler. Ein Beispiel eines solchen Mach-Zehnder-Doppelausgangs-Wandlers wird in "Accelerated Aging of APE Wavequides", Journal of Lightwave Technology, Band 13, Nr. 7, Juli 1995, S. 1523 diskutiert. Ein HF-Signal 26 wird an einen HF-Eingang des Wandlers 24 angelegt. Wie gezeigt, wird ein exemplarisches HF-Signal, das mit der Bezugsziffer 28 bezeichnet ist, an den HF-Eingang des Wandlers 24 angelegt. Wie weiter unten detaillierter beschrieben, ist der Wandler 24 so konfiguriert, dass er komplementäre HF-modulierte optische Signal bereitstellt, die allgemein mit den Bezugsziffern 30 und 32 bezeichnet werden. Ein Paar optischer Leitungen 34 und 36, wie beispielsweise Ein-Moden-Lichtwellenleiter, werden mit den Ausgaben des Wandlers gekoppelt. Die Leitungen 34 und 36 werden an ein Paar optischer Zirkulatoren 38 und 40 angeschlossen. Im Besonderen ist die optische Leitung 34 mit einem Eingangsanschluss 1 des optischen Zirkulators 38 gekoppelt, während die optische Leitung 36 optisch mit Anschluss 1 des optischen Zirkulators 40 gekoppelt ist. Ein Paar angezapfter Verzögerungsleitungen 42 und 44 ist mit Anschluss 2 der optischen Zirkulatoren 38 bzw. 40 gekoppelt. Die angezapften Verzögerungsleitungen 42 und 44 umfassen jeweils einen Lichtwellenleiter mit einem oder mehreren Bragg-Gittern, die allgemein durch die Bezugsziffern 46 bezeichnet werden, und zwar eingerichtet bei unterschiedlichen Abständen entlang der angezapften Verzögerungsleitungen 42 und 44 für die gleichen oder unterschiedliche Wellenlängen, wie unten genauer ausgeführt wird. Die angezapften Verzögerungsleitungen 42 und 44 reflektieren daher einen Teil des optischen Signals, das einer Wellenlänge zugeordnet ist, welchem das Bragg-Gitter zugeordnet ist, und für das es die übrigen Teile überträgt. Die reflektierten optischen Signale von den angezapften Verzögerungsleitungen 42 und 44 treten wieder in den Anschluss 2 der optischen Zirkulatoren 38 bzw. 40 ein und treten aus Anschluss 3 entlang der Leitungen 48 und 50 aus und werden an einem Fotodetektor 42 kombiniert bzw. zusammengeführt, um die gewünschte Filterfunktion durchzuführen.
1b zeigt eine weitere Ausführungsform des in 1a dargestellten optischen Signalverarbeitungssystems für HF, und wird allgemein durch das Bezugszeichen 54 bezeichnet. In dieser Ausführungsform wird eine Quelle 56 einer optischen Trägerfrequenz, wie beispielsweise ein Laser, an einen Doppelausgangs-Optikwandler 58, beispielsweise einen Mach-Zehnder-Wandler, zusammen mit einem HF-Eingangssignal 60, angelegt bzw. angeschlossen. Die komplementären Ausgaben vom Wandler 58 werden an eine Serie rekursiver und nicht-rekursiver Schleifenelemente 62, 64, 66 und 68 angelegt, die jeweils ein oder mehrere Bragg-Gitter umfassen, die allgemein mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet werden. Im Besonderen kann eine Ausgangsleitung 72 optisch mit dem rekursiven Schleifenelement 62 gekoppelt sein, welches wiederum mit dem nicht-rekursiven Schleifenelement 64 gekoppelt ist. In gleicher Weise ist die Ausgangsleitung 74 optisch mit dem rekursiven Schleifenelement 66 gekoppelt, welches wiederum mit dem nicht-rekursiven Schleifenelement 68 gekoppelt ist. Jedes der Schleifenelemente 62, 64, 66, 68 kann aus einem Lichtwellenleiter geformt sein, der mit Bragg-Gittern für verschiedene Wellenlängen an unterschiedlichen Abständen um die Schleife eingerichtet ist, und zwar abhängig von der gewünschten Verzögerung und Filterfunktion. Die Ausgangsleitungen 72 und 74 werden an einem Fotodetektor 76 kombiniert, wo die Intensitäten der Signale in den beiden Leitungen aufaddiert werden, um die gewünschte Filterfunktion zu bilden.
In Bezug auf 1b sollte es klar sein, dass, obwohl spezifische Konfigurationen der Schleifenelemente 62, 64, 66 und 68 gezeigt sind, andere Kombinationen möglich sind. Beispielsweise sind die Schleifenelemente 62 und 66 als rekursive Schleifenelemente dargestellt, während die Schleifenelemente 64 und 68 als nicht-rekursive Schleifenelemente dargestellt sind. Andererseits mögen die Ausgangsleitungen 72 und 74 jeweils mit nur einem Schleifenelement gekoppelt sein, welches entweder ein rekursives Element oder ein nicht-rekursives Element sein kann. Die Ausgangsleitungen 72 und 74 können auch mit 3 oder mehr Elementen gekoppelt werden, welche gleich (d.h., rekursiv oder nicht-rekursiv) oder unterschiedlich konfiguriert sein können.
1c zeigt eine weitere unterschiedliche Ausführungsform des optischen Signalverarbeitungssystems für HF, das allgemein mit der Bezugsziffer 78 bezeichnet wird. In dieser Ausführungsform wird eine Quelle 80 für ein optisches Trägersignal, beispielsweise eine optische Quelle mit einer kurzen Kohärenzlänge, an einen Doppelausgangs-Optikwandler 82 zusammen mit einem HF-Eingangssignal 84 angelegt. In dieser Ausführungsform wird jede der komplementären Ausgaben 86 und 88 aus dem Wandler 82 an eine Serie von Stufen von optischen Zirkulatoren 90, 92, 94, 96, 98, 100 und angezapften Verzögerungsleitungen 102, 104, 106, 108, 110 und 112 angelegt. Jede angezapfte Verzögerungsleitung 102, 104, 106, 108, 110 und 112 umfasst ein oder mehrere Bragg-Gitter, die allgemein mit der Bezugsziffer 114 bezeichnet werden, die entlang der angezapften Verzögerungsleitungen 102, 104, 106, 108, 110 und 112 beabstandet sind, und zwar eingerichtet für eine bestimmte Wellenlänge, um die gewünschte Filterfunktion auszuführen. Die optischen Zirkulatoren 92, 94, 96, 98 und 100 isolieren das gesamte reflektierte Licht von den angezapften Verzögerungsleitungen 102, 104, 106, 108, 110 und 112. Das reflektierte Licht von jedem der Paare 102/108, 104/110 und 106/112 der angezapften Verzögerungsleitungen wird durch die optischen Zirkulatoren 114, 116 und 118 gekoppelt, welche wiederum in einen NXI-Leistungskombinator eingegeben werden, dessen Ausgabe mit einem Fotodetektor (nicht gezeigt) gekoppelt ist, um die gewünschte Filterfunktion durchzuführen.
Eine vierte Ausführungsform des optischen Signalverarbeitungssystems für HF gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1d gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 120 versehen. In dieser Ausführungsform wird eine Quelle 122 für eine optische Trägerfrequenz, wie beispielsweise eine optische Quelle mit einer kurzen Kohärenzlänge, an eine Eingabe eines Doppelausgangs-Optikwandlers 24 angelegt, und zwar zusammen mit einem HF-Signal 126. Die Doppelausgänge des Wandlers 124 werden an ein Paar angezapfter Verzögerungsleitungen 126 und 128 angelegt. In dieser Ausführungsform umfasst jede der angezapften Verzögerungsleitungen 126, 128 eine Mehrzahl von Bragg-Gittern, die allgemein mit der Bezugsziffer 130 bezeichnet werden, und zwar eingerichtet für bestimmte Wellenlängen bei unterschiedlichen Längen entlang der angezapften Verzögerungsleitungen 126 und 128. In dieser Ausführungsform wird, im Unterschied zu den in den 1a–1c gezeigten Ausführungsformen, der Durchlass statt der Reflexion des komplementären Ausgangssignals an einem Fotodetektor 132 zusammengeführt, um die gewünschte Filterfunktion durchzuführen.
Die 2a und 2b zeigen eine optische Quelle mit einer kurzen Kohärenzlänge, die so angepasst ist, dass sie mit den in den 1a–1d gezeigten optischen Signalverarbeitungssystemen 20, 54, 79 und 120 verwendet werden kann. Andernfalls würde eine kohärente optische Kombination der verschiedenen Zeitverzögerungssignale an dem Fotodetektor eine unerwünschte optische Intensitätsmodulation erzeugen, welche die gewünschte Filterfunktion verdecken würde. Als solches sind die in den 2a und 2b gezeigten optischen Quellen, die allgemein mit den Bezugsziffern 134 bzw. 136 bezeichnet werden, so angepasst, dass sie als optische Quelle mit kurzer Kohärenzlänge 22, 56, 80 und 122, wie in den entsprechenden 1a–1d gezeigt, verwendet werden können.
Jede der optischen Quellen 134 und 136 umfasst einen Bragg-Gitter-Auskoppler und eine relativ lange Resonatorlänge, die faseroptischen Lasern inhärent ist. Die Bragg-Gitter-Auskoppler dienen dazu, die Spektralbreite der Ausgabeleistung und damit die lokale Kohärenzlänge zu definieren. Die Kohärenzlänge wird durch die unten stehende Gleichung (1) beschrieben: Lcoherence = c/(nΔV) (1), wobei c die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum darstellt, n der Brechungsindex in dem Wellenleiter-Laser und Δv die Spektralbreite bzw. -weite des Bragg-Gitters ist.
Innerhalb dieser Spektralweite ist das Laserspektrum nicht kontinuierlich, sondern besteht aus einer Mehrzahl individueller Moden, die durch den Resonator-Moden-Abstand δv = c/(n L_cavity) frequenzgetrennt sind, wobei L_cavity die Resonator- oder lokale Kohärenzlänge darstellt. Der Laser wird eine Kohärenz für die Resonatorlänge gleich L_coherence zeigen. Nach einem zu der Resonatorlänge gleichen Abstand wird der Laser wieder für eine Länge L_coherence kohärent sein. Die faseroptische Resonatorlänge definiert eine Länge, über welche die Quelle so angesehen wird, als ob sie die Kohärenzlänge L_coherence aufweist. Die angezapften Verzögerungsleitungen an den Ausgaben des Doppelausgangswandlers 24, 58, 62 und 124, die in den 1a–1d gezeigt sind, sind kürzer als die Kohärenzlänge L_coherence. Da Faserlaser mehrere 10 Meter in der Länge messen können, begrenzt diese Beschränkung die Nützlichkeit der Erfindung nicht.
2a ist als ein faseroptischer Ringlaser konfiguriert und umfasst eine gepumpte Quelle 136, wie beispielsweise einen Diodenlaser, wie z.B. detailliert in "Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers", Michel J. F. Dinonnet, Marcel Dekker, Inc., 1993, S. 267, diskutiert. Die gepumpte Quelle 136 ist optisch mit einer dotierten Faser bzw. einem dotierten Wellenleiter 138 gekoppelt, beispielsweise mit einem Ein-Moden-Wellenleiter 140, einer optischen Kopplungsvorrichtung 142 und einem Wellenlängenmultiplex- (WDM-) Optikwandler 142. Der dotierte Wellenleiter 140 bildet den Laserresonator und kann aus einem dotierten Wellenleiter bzw. Faser von 2000 cm Länge gebildet werden. Der dotierte Wellenleiter 138 ist mit zwei Anschlüssen des optischen Wandlers 142 verbunden und bildet so einen Ring. Der dotierte Wellenleiter 138 ist optisch an einen Auskoppler 144 gekoppelt, welcher eine Kopplungsleitung 147 umfasst, welche Licht von dem dotierten Wellenleiter 138 empfängt. Der Auskoppler ist ein infinitesimaler Leistungsteiler, so wie er in der Industrie gebräuchlich ist. Die Kopplungsleitung 147 umfasst ein veränderliches Bragg-Gitter 146, das in der Kopplungsleitung 147 für eine bestimmte Wellenlänge bei einem bestimmten Abstand eingerichtet ist. Das Bragg-Gitter 146 bewirkt, dass Licht, das in die Rückkopplungsschleife des dotierten Wellenleiters zurück reflektiert werden soll, Laserunidirektional gemacht wird, und definiert auch die spektrale Bandbreite bzw. -weite der Ausgabe.
Der in 2b gezeigte Lichtwellenleiter-Laser 136 ist ein dotierter Wellenleiter-Laser mit einer stehenden Welle, wie beispielsweise detailliert in "Rare Earth Doped Fiber Lasers Amplifier", Michel J. F. Dinonnet, March Dekker, Inc., 1993, S. 267, diskutiert. Die optische Quelle mit kurzer Kohärenzlänge 136 umfasst eine Pumpenversorgung 148, welche mit einem dotierten Wellenleiter 150 mittels eines Ein-Moden-Lichtwellenleiters 152, eines optischen Kopplers 154 und eines optischen Kopplers 156 gekoppelt ist. Ein Anschluss des optischen Kopplers 156 ist mit einem hochspiegelnden Spiegel 158 gekoppelt, welcher einen optischen Verstärker formt. Der dotierte Lichtwellenleiter 150 ist mit einem veränderlichen Bragg-Gitter-Auskoppler 166 gekoppelt, welcher die spektrale Bandbreite definiert.
Die Resonatorlänge in beiden Lasern 136 und 164 kann so lang wie nötig sein, um die Bedingung zu erfüllen, dass die Resonatorlänge länger ist als die optische Signalverarbeitungsschaltung für HF. Bei beiden Ausführungsformen können die Bragg-Gitter 146, 160 entweder auf einem Heiz- oder einem Piezo-Feld (nicht gezeigt) angebracht sein, um die Ausgabe-Mittenwellenlänge der optischen Quelle mit kurzer Kohärenzlänge zu verschieben, um verschiedene Abzweigungen in den in den 1a–1d gezeigten angezapften Verzögerungsleitungen anzusteuern, um die Wellenlängen-Position des Bragg-Gitter-Reflexionsspektrums zu verändern, wie weiter unten diskutiert wird. Auf diesem Weg kann die Ausgabe-Mittenwellenlänge verändert werden. Die angezapften Verzögerungsleitungen können Sätze von Bragg-Gittern aufweisen, wobei jeder Satz für eine Wellenlängen eingerichtet ist und aufgebaut ist, um eine bestimmte Filterfunktion durchzuführen. Auf diesem Weg kann durch einfaches Ändern der Wellenlänge des optischen Trägers schnell auf verschiedene Filterfunktionen zugegriffen werden.
Um einige Filterfunktionen zu erhalten, wie beispielsweise Band-Pass, Hoch-Pass und Entzerrung, werden negative Abzweigungsgewichte benötigt. Bei einer elektrischen Analogschaltung welchen solche negativen Abzweigungsgewichte einfach erreicht, weil die Beiträge von den verschiedenen Abzweigungen in dem Filter zusammen kohärent aufaddiert und die HF-Felder zusammenaddiert werden. In einer optischen Analogschaltung wird die optische Intensität addiert, aber die optische Intensität kann niemals negativ werden. Um negative Abzweigungsgewichte in einem optischen System bereitzustellen, wird ein optischer Wandler 162 (3) mit komplementärer Ausgabe gemäß eines wichtigen Aspekts der Erfindung bereitgestellt. Die komplementären Ausgaben des optischen Wandlers 162, durch die Bezugsziffern 164 und 166 bezeichnet, können erreicht werden durch Verwenden eines Doppelausgangs-Mach-Zehnder-Wandlers und durch Ersetzen des üblichen Y- bzw. Schrägabzweig-Kombinierers durch einen 3-db-Koppler 166, so wie in 3 gezeigt, um den optischen Wandler 162 für die komplementäre Ausgabe zu bilden. Ein optischer Träger 168 wird an einen optischen Eingang des optischen Modulators 162 mit komplementärer Ausgabe angeschlossen. Ein HF-Eingangssignal, allgemein mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet, wird an einen HF-Eingangsanschluss des Wandlers 162 angelegt, um das HF-Signal auf den optischen Träger 168 aufzumodulieren, um ein moduliertes optisches Signal zu erzeugen, das das HF-Signal darstellt. Wie in 3 gezeigt, sind – durch Kombinieren der Ausgaben des Mach-Zehnder-Modulators 162 mit einem 3-db-Koppler – sowohl ein HF-moduliertes optisches Signal 164 als auch dessen komplementäres Signal 165 verfügbar, was die negative Abzweigungsfunktion ermöglicht. Wenn die beiden komplementären Ausgangssignale 164 und 165 addiert werden, summieren sie sich zu keiner Modulation.
Frühere Ausführungen negativer Abzweigungsgewichte in einem optischen Verzögerungssystem haben einen Doppel-Fotodetektor-Ansatz verwendet, bei dem die gemessenen bzw. detektierten Signale in dem elektrischen Bereich subtrahiert werden. Durch Verwenden eines Doppelausgangsanschluss-Mach-Zehnder-Wandlers entfällt die Notwendigkeit für einen Doppelwandler. Durch Verbinden der Ausgänge des Mach-Zehnder-Wandlers 162 auf optische Weise wird dem System eine zusätzliche Flexibilität bereitgestellt, wie beispielsweise eine Übertragung zu entfernten Orten oder zusätzliches optisches Filtern.
Die Flexiblität von optischen Filtern für HF verlangt veränderliche gewichtete komplexe Abzweigungen; Abzweigungen, in denen die Reflektivität (Amplitude) und Phase verändert werden können, um die Funktion des Filters zu verändern. Eine Änderung in der Amplitude einer Abzweigung kann erreicht werden durch Verschieben der internen Wellenlänge des Reflexionsspektrums des Bragg-Gitters relativ zu der festen Wellenlänge des optischen Trägers. Dies kann erreicht werden durch Verändern des Abstandes der optischen Pfadlänge in dem Gitter. Maximale Reflektivität eines faseroptischen Bragg-Gitters wird bei der Bragg-Mittenwellenlänge erreicht, die durch die unten stehende Gleichung (1) erreicht wird: λBragg = 2 n ΔL (1), wobei N der Brechungsindex des faseroptischen Kerns bzw. des Kerns des Lichtwellenleiters bei der optischen Trägerwellenlänge ist, und ΔL der physikalische Abstand der Index-Modulation in dem Kern ist.
Sowohl N als auch ΔL können auf eine von zwei Arten geändert werden. Insbesondere kann das Gitter auf einen Heizer gelegt werden, um das Gitter aufzuheizen. In diesem Fall wird der Brechungsindex durch die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex modifiziert, während ΔL durch den Ausdehnungskoeffizienten des faseroptischen Kerns geändert wird. Die Kombination dieser beiden Effekte modifiziert die Bragg-Mittenwellenlänge wie in Gleichung 2 gezeigt:
Der Brechungsindex und die Brechungslänge können auch durch Dehnen des Gitters mittels eines piezoelektrischen Feldes bzw. Piezopads geändert werden. Der Index wird durch eine spannungsinduzierte Änderung im Brechungsindex geändert. Die Länge wird ebenfalls physikalisch durch die Dehnungseinwirkung geändert. In beiden Fällen ändert sich die Bragg-Mittenwellenlänge relativ zur festen Wellenlänge des optischen Trägers, so wie es in den 4a–4d dargestellt ist. Wenn die Wellenlänge des optischen Trägers gleich der Bragg-Mittenwellenlänge ist, ist die Reflektivität des Gitters maximal, was sehr klein oder eine 100%ige Reflektivität sein kann. Falls das Gitter gedehnt oder aufgeheizt wird, um die Mittenwellenlänge des Gitters sehr unterschiedlich von der optischen Trägerwellenlänge zu bewegen, kann die Abzweigung für den optischen Träger so gut wie unsichtbar gemacht werden, so wie es in 4d dargestellt ist.
Die Verwendung von Temperatur oder Dehnung eines Bragg-Gitters ist sehr effektiv zum Verändern der Amplitude der Abzweigung, aber nicht so effektiv zum Ändern der HF-Phase. Die Phase wird verändert durch Ändern der Zeitverzögerung des HF-Signals durch ein Erhöhen oder Verringern der optischen Pfadlänge. Diese Änderung der Pfadlänge ist relativ klein, wenn das Gitter aufgeheizt oder gedehnt wird, so wie oben diskutiert, und ist daher keine effektive Methode zum Modifizieren der Phase der Abzweigung. Um eine Pfadlängenänderung bereitzustellen, kann eine von zwei Techniken in Zusammenhang mit einem wichtigen Aspekt der Erfindung, so wie unten diskutiert, verwendet werden. Zunächst kann die Phase oder die Zeitverzögerung zwischen aufeinander folgenden Abzweigungen wirksam werden durch Aufweisen einer Serie von Bragg-Gittern, die alle auf die gleiche Wellenlänge eingerichtet sind und die alle auf einem Temperatur- oder Piezofeld vorhanden sind. Eine bestimmte Zeitverzögerung wird dann eingerichtet, wenn eines der Gitter-Reflexionsspektren in die Wellenlänge des optischen Trägers bewegt wird, so wie es in 5 gezeigt ist. Das anfängliche Gitter in der Abzweigungs-Verzögerungsleitung ist ein einfaches Gitter. Folgende Gitter sind tatsächlich ein Satz von Gittern, eingerichtet mit einer Reflexions-Spektralweite, die nicht mit der optischen Träger-Wellenlänge übereinstimmt. Wenn das Piezofeld oder Heizfeld eingeschaltet wird, wird eines der Gitter eingerichtet, die Bragg-Mittenwellenlänge wird in die Position der Trägerwellenlänge bewegt, so dass das optische Signal an der physikalischen Position dieses Gitters reflektiert wird. Verschiedene unterschiedliche Zeitverzögerungen sind dadurch möglich. Die Variation der Zeitverzögerung oder der HF-Phase ist die Umlaufzeit zwischen den Gittern in dem Gitter-Satz. Das Gewicht der Abzweigung kann auf ein anderes gesetzt werden als die Spitzenreflektivität, und zwar abhängig von der gewünschten Filterfunktion. Eine andere Technik zum Verändern der Phase ist das Bereitstellen eines Gitter-Satzes, wobei jede Abzweigung bei einer unterschiedlichen Bragg-Gitter-Mittenwellenlänge eingerichtet ist. Das erste Gitter in der Abzweigungs-Verzögerungsleitung könnte auch ein Satz von Gittern sein. Eine Phasenänderung wird erreicht durch Ändern der Wellenlänge des optischen Trägers. Piezo- oder Heizfelder werden benötigt, um die Amplitude der Abzweigung zu verändern.
Ein drittes Verfahren zum Ändern der Phase ist es, ein vergleichsweise langes (d.h.: 2 cm) Chirp-Gitter zu verwenden. Über die Länge des Gitters verändert sich der Gitterabstand linear. Die optische Trägerreflexion tritt an Punkten entlang des Chirp-Gitters auf, wo die Gitter-Berichtigung die Bragg-Bedingung: λ_Bragg = 2n ΔL trifft. Diese Art von Gitter jedoch ist selbst nicht für eine veränderliche Gewichtungsänderung geeignet. Jedoch funktioniert ein Festfunktions-HF-Filter, wie beispielsweise ein Sperr- oder Bandpassfilter, gut, und die Fähigkeit der Phasenänderung erlaubt es, die Sperr- oder Bandpass-Frequenz durch Ändern der Phase der Abzweigungen zu verändern. Dieses Verfahren einer Phasenvariation hat zudem den Vorteil, dass die Sperr-Mittenfrequenz kontinuierlich variiert werden könnte anstatt in nicht zusammenhängenden Schritten, so wie bei den anderen, oben diskutierten, zwei Phasenvariations-Verfahren.
Offensichtlich sind viele Modifikationen und Abänderungen der vorliegenden Erfindung im Licht der oben beschriebenen Lehren möglich. Was beansprucht und mittels eines Patents abgedeckt zu werden wünscht, ist folgendes:

Claims

Ein optisches Signalverarbeitungssystem für HF mit: einer Quelle (22, 56, 80, 122) eines optischen Trägers, einem optischen Wandler (24, 58, 82, 124) der einen optischen Eingangsanschluss zum Empfangen der Quelle (22, 56, 80, 122) eines optischen Trägers und einen HF-Eingangsanschluss zum Empfangen eines HF-Signals aufweist, wobei der optische Wandler (24, 58, 82, 124) Doppelausgangsanschlüsse aufweist, einer oder mehreren angezapften Verzögerungsleitungen (42, 44; 102, 104, 106, 108, 110, 112; 126, 128), die mit einem oder mehreren der Doppelausgangsanschlüsse des optischen Wandlers (24, 58, 82, 124) optisch gekoppelt sind, einem Photodetektor (52, 76, 132) der die Ausgaben der Doppelausgangsanschlüsse zusammenfasst.
Das optische Signalverarbeitungssystem für HF nach Anspruch 1, weiter enthaltend Ausgangsleitungen, die optisch mit jedem der Doppelausganganschlüsse des optischen Wandlers (24, 58, 82, 124) und der einen oder mehreren angezapften Verzögerungsleitungen (42, 44; 102, 104, 106, 108, 110, 112; 126, 128) gekoppelt sind, und wobei der Photodetektor (52, 76, 132) die Ausgaben der Ausgangsleitungen zusammenfasst.
Das optische Signalverarbeitungssystem für HF wie in Anspruch 1 oder 2 angegeben, wobei die eine der einen oder mehreren angezapften Verzögerungsleitungen (42, 44; 102, 104, 106, 108, 110, 112; 126, 128) einen optischen Zirkulator (38, 40; 90, 92, 94, 96, 98, 100) enthält, der einen Eingangsanschluss, einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss aufweist, wobei der Eingangsanschluss mit einem der komplementären Ausgänge des optischen Wandlers (24, 58, 82, 124) gekoppelt ist, der erste Ausgangsanschluss mit einem Bragg-Gitter (46) gekoppelt ist und der zweite Ausgangsanschluss mit dem Photodetektor (52, 76, 132) gekoppelt ist, und/oder wobei die eine oder mehreren angezapften Verzögerungsleitungen (42, 44; 102, 104, 106, 108, 110, 112; 126, 128) ein Lichtwellenleiter-Bragg-Gitter (46) enthalten, das mit einem der komplementären Ausgänge des optischen Wandler (24, 58, 82, 124) gekoppelt ist, und/oder das optische Signalverarbeitungssystem für HF weiter einen Koppler (142, 152, 156, 166) enthält, wobei der Koppler (142, 152, 156, 166) mit den Doppelausgangsanschlüssen des optischen Wandlers (24, 58, 82, 124) gekoppelt ist, um komplementäre Ausgangssignale bereitzustellen, und/oder wobei die eine oder mehreren angezapften Verzögerungsleitungen (42, 44; 102, 104, 106, 108, 110, 112; 126, 128) eine positive Abzweigungsgewichtung bereitstellen.
Das optische Signalverarbeitungssystem für HF wie in Anspruch 1 oder 2 angegeben, wobei die eine oder mehreren angezapften Verzögerungsleitungen (42, 44; 102, 104, 106, 108, 110, 112; 126, 128) enthalten: ein oder mehrere Schleifenelemente (62, 66; 64, 68), und/oder eine oder mehrere Stufen, wobei jede Stufe einen optischen Zirkulator (90, 92, 94, 96, 98, 100) und ein oder mehrere Bragg-Gitter (46) aufweist, und/oder wobei die Quelle (22, 56, 80, 122) eines optischen Trägers eine optische Quelle (22, 56, 80, 122) mit kurzer Kohärenzlänge ist, und/oder wobei die eine oder mehreren angezapften Verzögerungsleitungen (42, 44; 102, 104, 106, 108, 110, 112; 126, 128) eine negative Abzweigungsgewichtung bereitstellen.
Das optische Signalverarbeitungssystem für HF wie in Anspruch 4 angegeben, wobei das eine oder mehrere Schleifenelemente enthalten: ein rekursives Schleifenelement (62, 66) und/oder ein nicht rekursives Schleifenelement (64, 68), und/oder wobei jede der einen oder mehreren angezapften Verzögerungsleitungen (42, 44; 102, 104, 106, 108, 110, 112; 126, 128) verschiedene Arten von Schleifenelementen (62, 66; 64, 68) enthalten und/oder das optische Signalverarbeitungssystem für HF weiter optische Isolatoren zur optischen Isolierung von durch jede Stufe reflektierten Lichts enthält, und/oder wobei die optische Quelle (22, 56, 80, 122) mit kurzer Kohärenzlänge einen Lichtwellenleiterringlaser und/oder einen Lichtwellenleiterringlaser mit stehender Welle enthält.
Das optische Signalverarbeitungssystem für HF wie in Anspruch 1 oder 2 angegeben, wobei die eine oder mehreren angezapften Verzögerungsleitungen (42, 44; 102, 104, 106, 108, 110, 112; 126, 128) eine Mehrzahl von Bragg-Gittern (46) enthält.
Das optische Signalverarbeitungssystem für HF wie in Anspruch 6 angegeben, wobei das Bragg-Gitter (46) auf einem Heizfeld oder einem Piezofeld montiert ist, und/oder wobei die Bragg-Gitter (46) auf die gleiche Wellenlänge oder für verschiedene Wellenlängen eingerichtet sind.
Das optische Signalverarbeitungssystem für HF wie in Anspruch 1 angegeben, weiter enthaltend erste Veränderungseinrichtungen zum Verändern des Abstands in dem Gitter (46), um die Amplitude des von dem Gitter (46) reflektierten Lichts zu verändern, um eine angezapfte Verzögerungsleitung mit einer veränderlichen Abzweigungsgewichtung bereitzustellen.
Das optische Signalverarbeitungssystem für HF wie in Anspruch 1 angegeben, weiter enthaltend zweite Veränderungseinrichtungen zum Verändern der Phase des HF-Signals.