NO852475L - Fiberoptisk gitterverkfilter i kaskade. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt fagområdet for signalprosessorer for optiske ledede bølger og nærmere bestemt fiberoptiske anordninger for filtrering av signaler.

Behovet for en økning ved hastigheten for databehandlingen øker med de økende komplekse anvendelsene. Ved datamaskin-systemer som behandler bilder fra TV-kamera for robotsyn, idet en uhyre mengde med informasjon blir generert som må bli behandlet. Denne store mengden med informasjon kan overvelde en ordinær datamaskin som fører til den uaksep-table behandlingstiden.

En måte å øke hastigheten ved slik signalbehandling er å anvende datavei (pipeline) arkitektur for datamaskiner. Datavei er en hardware konfigurasjon, dvs. arkitektur for en datamaskin som innbefatter flere prosessorer koplet i en rekke for å tilveiebringe høyere ytelse. Dette blir gjort ved å bryte opp kompliserte tidsforbrukende funksjoner i en rekke med enklere og kortere operasjoner, som hver kan bli utført på assembler-linje måte med samtidig beregning av forskjellige datasett av forskjellige prosessorer. For-bedringen i ytelsen er direkte proporsjonal med antall dataveiprosessorer i serien som samtidig blir holdt opptatt ved å gjøre en del av oppgaven. Dataveimetoden er mest effektiv ved spesielle anvendelser som kan anvendes i serieprosessorer.

En ytterligere økning i hastigheten til slik behandling kan bli tilveiebrakt ved å anvende fiberoptiske systemer ved dataveiarkitekturene, så vel som ved andre signalbehand-lingsdeler til et gitt system. Optiske anordninger kan bli anvendt for å tilveiebringe slik økning i databehandlings-hastigheten på grunn av deres utmerkede utbredelse og forsinkelsesegenskaper. Lavtapet og lavspredningen til enkelmodusfiber tillater signaler å forplante seg lange avstander uten betydelig dempning og forvrengning. Forplantnings- og forsinkelsesegenskapene til enkelmodus-fiberen er spesielt attraktiv på grunn av digitalsignal-behandlingen og konvensjonell analogsignalbehandlingsteknikk (slik som de som anvender akustiske overflatebølgeanordning-er) er begrenset i deres brukbarhet ved anvendelser som innebærer signalbåndbredder som overskrider en eller to GHz, selv om de er svært effektive ved lavere frekvenser. Teknikker som anvender digitale og konvensjonelle analog-signalbehandlinger kan simpelthen ikke bli anvendt ved anvendelser som krever svært høye datahastigheter hvor det ofte er behov for båndbredder på 10 GHz og over.

Sanntidsbehandlingen av bredbåndede radarsignaler er et eksempel på en anvendelse som ville trekke fordeler av optiske fiberanordninger som kan behandle høye frekvensbånd-bredder. Andre potensielle anvendelser innbefatter direkte grensesnittkopling av fiberprosessorer med optiske kommuni-kasjonssystemer av høy hastighet. Fibersystemer kan likeledes utføre sanntidsbehandlingsoperasjoner på optiske utganger til en eller flere fibersensorer innbefattende tidsdelemultipleksing av langsomme sensorutgangssignaler for å tilpasse høye datahastigheter som kan bli håndtert av fibersystemer. I ethvert tilfelle kan muligheten for å behandle bredbåndet optisk data før omformingen til elektri-ske signaler være av stor verdi og finner anvendelse i stor utstrekning.

Prinsippet med systoliske serier for beregning av data som signaler som passerer gjennom systemet har blitt foreslått ved tidligere nettverkbehandlinger. Forskjellige optiske serieprosessorer som har blitt foreslått for slike formål er beskrevet i tidligere kjent teknikk. Blant disse er prosessorer beskrevet av Caulfield et al., "Optical Implementation of Systolic Array Processors", Optics Communications, vol. 40, nr. 2, side 86-90, 15. desember, 1981; Casasent, "Acoustooptic Trandsducers in Iterative Optical Vector-Mat-rix Processors", Applied Optics, vol. 21, nr. 10, 15. mai, 1982; Taylor, "Fiber and Integrated Optical Devices for Signal Processing", SPIE vol. 176, Guided Wave Optical Systems and Devices, II (1979), side 17-27.

Et vanlig problem ved disse teori- og signalbehandlings-systemene er signalfiltreringen. Avhengig av den bestemte anvendelsen kan filtreringen bli anvendt for formål slik som gjenopprettelser av forvrengte signaler eller utledelse av et signal for en kombinasjon av signaler og/eller støy. Betraktet på den enkleste måten er et filters funksjon å fjerne uønskede komponenter fra et inngangssignal slik at kun de ønskede signalkomponentene blir tillatt å passere gjennom filteret. Ved de fleste signalbehandlingsområdene er det svært ønskelig å ha filter som har evnen til å tilveiebringe et bredt område av kompliserte frekvensreaksjoner, slik at filteret kan bli anvendt ved et utall anvendelser.

Der er flere forskjellige optiske anordninger som har blitt anvendt for å filtrere signaler. En anordning innbefatter f.eks. et transversalt filter, slik som en forsinkelseslinje med uttak, hvis uttaksvekter blir justert for å realisere ønskede filtreringsvalg. Dette transversalfilteret er noen ganger kalt et ikke-rekursivt system eller et filter av endelig-varighetspulsreaksjonstypen (FIR). Ved FIR-filteret blir pulssignaler tilført deres innganger eventuelt ført helt gjennom filteret. Disse ikke-rekursive filtrene introduserer kun nuller i systemoverføringsfunksjonen og er derfor kjent som "total-null-filtre". Den prinsipielle ulempen ved FIR-filtrene, enten av forsinkelseslinjetypen med uttak eller gitterverktypen er at det tilveiebringes skarpe filtreringer som krever mange trinn med individuelle uttak eller retningskoplere. Dette behovet for mange trinn gjør de skarpe FIR-gitterverkfiltrene vanskelig å fremstille og relativt dyre. En analyse av disse spesielle typene av total-nullfiltrene som anvender Z-transformasjonsteknikken etableres dessuten ved bruk av inngangssignaler av positive verdier, at det er umulig å tilveiebringe nuller ved overføringsfunksjonen til dette filteret i et kileformet område av S-transformasjonsplanet som er symmetrisk om den positive Z-aksen med dens spiss ved dets plans origo. I tillegg demonstrerer denne analysen også at alle nullene til overføringsfunksjonen kan bli begrenset til høyre siden av Z-transformasjonsplanet kun dersom signaler med negativ verdi er tillatt til å bli filtrert gjennom systemet.

En filtertype av FIR-typen er beskrevet i US-patent nr. 4.159.418. Dette patentet beskriver en kodeanordning for tilpasset filter som innbefatter en fiberoptisk struktur som innebærer to fiberoptiske bølgeledere som fører lys i samme retning og er krysskoplet av flere retningskoplere. De fiberoptiske bølgelederne er i multimodus. Denne konstruksjonen sies å ha tilpassede filteregenskaper. Konstruksjonen i ovenfornevnte patent adskiller seg fra konstruksjonen ved foreliggende oppfinnelse av slike grunner som at retningen av lysforplantningen i utgangsfiberen som resulterer i ikke noen tilbakekoplingsresirkulasjon mellom koplerne i anordningen i ovenfornevnte patent. Ovenfornevnte patent anvender også fibre av multimodustypen.

I tillegg til FIR-filtrene er der andre filtertyper hvis pulsreaksjon har endelig varighet i tid. Disse filtrene er kalt filtre av endelig varighetspulsreaksjon (IIR) eller rekursive filtre. Rekursive filtre innfører generelt både poler og nuller (pol-null-filter) i overføringsfunksjonen. I et spesielt tilfelle kan de rekursive filtrene innføre kun poler i overføringsfunksjonen ved hvilket tilfelle navnet "total-pol-filter" blir anvendt. Ved IIR-filteret forplanter et utgangssignal seg langs en fremovermatelinje til en suksessiv kopler, mens et annet signal forplanter seg langs matelinjen bakover til tidligere kopler på fremovermate linjen. En del av signalet sendt fra utgangen til en retningskopler på fremovermatelinjen vil således returnere fra den umiddelbare suksessive kopleren via bakovermatelinjen etter et totalt sløyfeforsinkelsestidsintervall T.

Som FIR-filteret kan en bestemt filterfunksjon bli tilveiebrakt fra et IIR-fiberoptisk gitterverkfilter ved valg av mengden av lyssignal koplet mellom fibrene og ved å velge sløyfeovergangstidene T forbundet med ethvert av filtertrin-nene.

IIR-fiberoptiske gitterverkfiltre fremviser fordelene til den generelle klassen av ikke-fiberoptiske filtre, slike som kan ha ekstremt skarpe frekvensreaksjoner med et lite antall trinn. Ulempen med disse filtrene er deres kompliserte konstruksjon, overfilterstabilitet og filterets egen ikke-lineære fasereaksjon. Analyse av overføringsfunksjonen for et IIR-fiberoptisk gitterverkfilter viser dessuten at filteret kan innbefatte både poler og nuller hvis respektive steder på Z-transformasjonsplanet er uavhengig. Dvs. dersom spesielle innganger og utganger blir anvendt på denne filtertypen, kan filterets poler og nuller ikke bli justert uavhengig av hverandre. Når alternativt inngangen og utgangen til filteret er valgt for således å definere en total-poloverføringsfunksjon med nuller lokalisert enten ved origo eller ved uendelig, så kan polene til filteret bli justert uavhengig av dets nuller på grunn av lokaliseringen av dets nuller. Slik analyse viser også at på grunn av at et slikt fiberoptisk gitterverkfilter er et positivt system, ved at lysintensitetene blir anvendt som signaler, blir dets poler begrenset til bestemte områder i Z-transformasjonsplanet bestemt av antall trinn ved filteret.

En ytterligere filteranordning er gitterverkfilteret som kun er en fiberfilterkonstruksjon og som blir utført ved kaskading sammen med flere fiberfilterkonstruksjoner slik som de som er individuelt beskrevet her. Gitterverkkonstruksjoner er egnede former for utførelse av signalbehandlings-operasjoner og de har noen fordelaktige karakteristikker sammenlignet med andre filterformer, slik som modularitet, regularitet, enkelt utstyr og god følsomhet. Gitterverkkonstruksjoner er spesielt ønskelig siden det er mulig ved å variere koplingskoeffesienten til gitterkoplerne og justere systemoverfØringsfunksjonen og derfor forme frekvensreaksjonen til filteret.

Fiberoptiske filtre, slik som de beskrevet ovenfor, lider av en begrensning som ikke er tilstede ved andre tilsvarende klasser og ikke-optiske filtre. Spesielt fiberoptiske gitterfilter innbefatter positive systemer siden de anvender lysintensiteten som signalføringsmedium. Med signalmediumet kan negativ veiing av uttakene ikke bli tilveiebrakt. På grunn av at filterene anvender retningskoplere som kan kun additivt i stedet for subtraktivt overføre lyssignaler mellom fibrene, kan kun signaler med positiv verdi bli tilført til og behandlet i filteret. Fraværet av negativite-ten i disse fiberoptiske gitterfiltrene begrenser områdene for Z-transformasjonsplanet ved hvilke polene og nullene til respektive filterkasser kan bli lokalisert.

I lys av ovenfornevnte blir det klart at det er behov for en fiberoptisk filteranordning hvor lokaliseringen av filterets poler og nuller i Z-transformasjonsplanet kan bli etablert uavhengig og således øke området og kompleksiteten til reaksjonen for et gitt filter. Det ville dessuten være en ytterligere forbedring å tilveiebringe en slik filteranordning som gir en total filtreringsfunksjon som er ubegrenset med fravær av negativitet.

Oppfinnelsen innbefatter et programmerbart fiberoptisk gitterverkfilter med en overføringsfunksjon som har poler og nuller som kan bli justert uavhengig av hverandre. Filteret er kjennetegnet av en rekursiv fiberoptisk filterseksjon og en ikke-rekursiv fiberoptisk filterseksjon forbundet med den rekursive fiberoptiske filterseksjonen, hvor en av fiberseksjonene mottar inngangssignaler og tilfører et første filtrert signal og det andre til filterseksjonene mottar det første filtrerte signalet og tilveiebringer et filtrert utgangssignal. Ved en foretrukket utførelsesform er filterseksjonene uavhengig justerbare totalpol og totalnullfiltre henholdsvis.

Oppfinnelsen innbefatter også to optiske bølgeledere av monomodustypen som er krysskoplet med flere fiberoptiske retningskoplere anbrakt ved forskjellige posisjoner langs fiberen. De to fibrene fører lyssignaler gjennom rekken. Hver kopler har fire porter, idet hver fiber går gjennom to av disse portene. Koplerne kan bli avstemt til å variere koplings- og transmisjonsoperatorne som beskriver kopleren uttrykt i mengden med energi på hver fiber koplet med den andre fiberen og mengden av energi tilbake i den opprinnelige fiberen.

Kopleren kan bli beskrevet med operatorne x, r, t, p. Disse operatorne er definert uttrykt i mengden med lys sendt gjennom kopleren på hver fiber og mengden av lys krysskoplet fra hver fiber til den andre fiberen. Fibrene mellom koplerne kan være skruelinjet viklet for å gi varierende forsinkelse mellom koplerne. Retningen på viklingen er variert slik at fremoverkopling blir tilveiebrakt i det minste ved en ikke-rekursiv seksjon av gitterverkfilteret og en bakoverkopling blir tilveiebrakt ved i det minste en annen rekursiv seksjon av filteret.

Et kaskadefilter blir således dannet med poler og nuller som er uavhengig justerbare for å tilveiebringe en mer kompleks frekvensreaksjon av gitterverkfilteret. Den spesielle totalpassfilterkonfigurasjonen er dannet ved kaskading av en første ordens rekursiv seksjon med en første ordens ikke-rekursiv seksjon og tilførsel av de to utgangene fra ikke-rekursiv seksjonen til to fotodioder av motsatt polaritet i justeringen av størrelsen på respektive utgangsstrømmer fra fotodiodene med dempere og ved å summere justerte utgangs-strømmer .

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1(a) viser skjematisk et diagram over en fiberoptisk forsinkelseslinje av to-koplingsresirkulasjons-typen (bakovermating). Fig. 1(b) viser en opptegning av systemet på fig. 1(a) sine reaksjoner på tilførsel av et lyspulssignal. Fig. 2(a) viser skjematisk diagrammessig en fiberoptisk forsinkelseslinje av to-kopler ikke-resirkula-sjonstypen (fremovermating). Fig. 2(b) viser en kurve over systemet på fig. 2(a) sin

reaksjon på tilførsel av et lyspulssignal.

Fig. 3 viser skjematisk en optisk gitterverkkonstruksjon av N-te orden for bakovermatesammenstilling med N+1 kopiere og N-forsinkelseselementer. Fig. 4 viser skjematisk et diagram over fiberoptisk gitterverkkonstruksjon av N-te orden til en fremovermateanordning med N+1 kopiere og N-forsinkelseselementer. Fig- 5 viser en foretrukket utførelsesform av en optisk kopler med en side bortskåret. Fig. 6 viser et tverrsnitt av kopleren på fig. 5 langs

linjen 6-6 på fig. 5.

Fig. 7 viser et tverrsnitt av kopleren på fig. 5 langs

linjen 7-7 på fig. 5.

Fig. 8 viser et perspektivriss av en plate av kopleren på fig. 5 som viser hvorledes den fiberoptiske kappen er polert bort. Fig. 9 viser den kritiske sonen for kopling ved de optiske koplerne anvendt ved foreliggende oppfinnelse. Fig. 10 viser en forsinkelseslinje med uttak som i kombinasjon med en annen av dens type kunne bli anvendt som erstatning for de individuelle koplerne i filtrene på fig. 1 til 4 for å tilveiebringe disse filtrene. Fig. 11 viser et tverrsnitt av forsinkelseslinjen med uttak vist på fig. 10 langs linjen 11-11 på fig. 10.

Fig. 12 viser et tverrsnitt av de første tre sporene på

fig. 11.

Fig. 13 viser en alternativ utførelsesform for en av

konstruksjonene på fig. 1 og 2.

Fig. 14 viser et tverrsnitt av konstruksjonen på fig. 13

i det optiske koplingsområdet langs linjen 14-14.

Fig. 15 viser et blokkdiagram over en foretrukket utførelsesform av det optiske gitterverkfilteret av kaskadetypen innbefattende rekursiv og ikke-rekursiv filterseksjon. Fig. 16 viser et skjematisk diagram av et all-passfiber-optisk fiber av første orden av kaskadetypen. Fig. 17(a) viser en opptegning av pulsreaksjonen til all-passfilteret av første orden vist på fig. 16. Fig. 17(b) viser et pol-nulldiagram for overføringsfunk-sjonen til all-passfilteret av første orden vist på fig. 16. Fig. 18 viser et blokkdiagram av et elektronisk subtraksjonsdetekteringssystem for bruk ved foreliggende oppfinnelse. Fig. 19 viser en kurve over normalisert størrelse i forhold til frekvenstidsforsinkelsen for filteret av kaskadetypen sammen med opptegninger av rekursive og ikke-rekursive seksjoner. Fig. 20 viser en opptegning av fasen i forhold til frekvenstidsforsinkelsen for filteret av kaskadetypen sammen med opptegninger av dets rekursive og ikke-rekursive seksjoner. Fig. 1(a) viser konstruksjonen av en 2-kopler resirkula-sjonsforsinkelseslinje. Denne forsinkelseslinjen innbefatter første og andre fiberoptiske bølgeledere 20 og 22 av en-modustypen og flere kopiere 24 og 26 som er fordelt langs fibrenes lengder. Fiberen 22 er nærmere bestemt lukket i seg selv ved hjelp av retningskoplerne 24 og 26, mens fiberen 20 strekker seg direkte mellom kopleren 24 og 26. Kopleren 26 har til formål å mate en del av lyset fra fiberen 20 tilbake til kopleren 24 gjennom fiberen 22. De optiske signalene tilført inngangen X„ , ., . , n ,, , 1 til fiberen 20 sirkulerer således gjentagende rundt sløyfen mellom koplerne 24 og 26, idet det sendes en del av den resirkulerende lysintensiteten til utgangen Y2for fiberen 20 så vel som fiberens 22 utgang Y1. Fig. 1(b) viser at dersom en lyspuls blir tilført ved inngangen X1foranordningen på fig. 1(a), reagerer systemet ved å frembringe en rekke med langsomt avtagende pulser lik avstanden i tid med en sløyfetidsforsinkelsesforskjell T, angitt generelt med henvisningstallet 28. Fig. 2(a) viser en ikke-resirkulerende (fremovermatende) forsinkelseslinje som innbefatter første og andre fiberoptiske bølgeleder 30 og 32 av en-modustypen som er forbundet parallelt mellom to optiske kopiere 34, 36. Ved denne konstruksjonen kan utgangssignalene for kopleren 34 på fiberen 30 og 32 bli matet forover til kopleren 36 hvor de blir rekombinert etter en tidsforsinkelse T som er tidsfor-sinkelsesforskjellen tilstede mellom delene til de to fremovermatende fiberlinjene 30 og 32 som ligger koplerne 34 og 36. Med henvisning til fig. 2(b) skal det bemerkes at pulsreaksjonen til denne fremovermatekonfigurasjonen innbefatter to pulser anbrakt med avstand med en tidsforsinkelse T, som angitt generelt med henvisningstallet 38.

Lengden på de optiske fibrene mellom koplerne 24 og 26 på fig. 1 eller 34 og 36 på fig. 2 og antall kopiere i filteret avhenger av spesielle anvendelser for hvilke konstruksjonen er tiltenkt brukt. Retningskoplerne 24, 26, 34 og 36 kan være av den art som beskrevet av Berg, Kotler og Shaw i "Single Mode Fiber Optic Directional Coupler", Electronic Letters, vol. 16, nr. 7, 27. mars, 1980, og europeisk patentsøknad nr. 0038023. Slike kopiere kan justeres slik at mengden av lysenergi koplet mellom fibrene kan bli variert fra 0% til 100%.

Koplerne 24, 26, 34 og 36 er lineære, symmetriske anordninger hvis optiske karakteristikker kan bli beskrevet ved hjelp av operatorne t, p, r og x. Med henvisning til kopleren 24 som et eksempel på alle koplerne på fig. 1 og 2, er de fire ovenfornevnte operatorne definert med hensyn til inngangs-og utgangssignalene fra kopleren 24. Det vil si:

og Ligningene 1 og 2 ignorerer tapene ved kopleren som generelt er 5% eller mindre. Fysisk uttrykt betyr ligningen 1 at lysenergien til lysbølgen ved porten B ved ethvert øyeblikk er lik lysenergien til bølgen som går inn ved porten A ganger den avstembare koplingsoperatoren r pl n uss 1 pluss lysenergien til bølgen som går inn ved porten D ganger transmisjons-operatoren x, idet tapene ignoreres. Operatoren p^er , • v på grunn av at kopleren er symmetrisk. Lysenergien til lysbølgen som går ut ved porten C er likeledes lik lysenergien som går inn ved porten A ganger transmisjonsopera- <tor>en t^ pluss lysenergien som entrer ved porten D ganger tilbakekoplingskoeffesienten p K1, i. d, et .tapene ignoreres. Operatorne r „„„.„.,._.,._,. - 1 og ti står i forhold til xi og pi på grunn av energikonserveringen. Det vil si:

og

Feil skulle være innenfor 5% på grunn av tapene i kopleren. Energi som går inn i kopleren blir hverken dannet eller ødelagt og samme mengde med energi som går inn i hver kopler minus noen små tap, vil således forlate kopleren. Når r„1og<p>1er avstemt til å kople mer energi mellom fibrene, reduseres operatorenQgT<]proporsjonait med økningen av<r>1og<p>1.

Fig. 3 viser et pulsreaksjonsfilter (IIR-filter) av endelig varighet som er satt sammen ved kaskadekopling av flere resirkulerende forsinkelseslinjer av den typen som er vist på fig. 1. Dette IIR-filteret innbefatter nærmere bestemt en optisk fiberlinje 49 av fremovermatetypen hvis inngang er betegnet X^Dg hvis utgang er betegnet Y2. Filteret innbefatter også en optisk fiberlinje 50 av bakovermatetypen hvis inngang er X^ . „ , , . 2 og hvis utgang er Y-| . Ved hver av retnmgs-koplerne 51, 52, 53 og 54 blir en del av lyssignalet koplet mellom fremovermatelinjen 49 og bakovermatelinjen 50. For å tilveiebringe en IIR-filtreringsfunksjon forplanter seg ikke lyssignalene sendt fra en koplers utgang samtidig parallelt med en suksessiv kopler. Et signal forplanter seg i stedet for langs fremovermatelinjen 49 til den suksessive kopleren mens det andre utbreder seg langs bakovermatelinjen 50 til tidligere kopler på fremovermatelinjen. En del av signalet sendt fra utgangen til en retningskopler på fremovermatelinjen 49 vil returnere fra den umiddelbare suksessive kopleren via bakovermatelinjen 50 etter et totalt sløyfe-tidsforsinkelsesintervall T.

En spesiell filtreringsfunksjon kan bli tilveiebrakt fra et IIR-fiberoptisk gitterverkfilter ved å velge lyssignalmeng-den koplet mellom fibrene og ved å velge sløyfeovergangs-tidene T forbundet med hvert av filterets trinn. En annen sløyfeovergangstid T kan generelt bli forbundet med hver av IIR-filterets trinn. Dette IIR-fiberoptiske gitterfilteret fremviser fordelene til det korresponderende med klassen av ikke-optiske filtre som har ekstremt skarpe frekvensreaksjoner med et lite antall trinn. Ulempen med dette filteret er kompleksiteten ved dets konstruksjon angående overfilter-stabiliteten og filterets egen ikke-lineære fasereaksjon.

Fig. 4 viser et ikke-rekursivt FIR-fiberoptisk gitterverkfilter. Dette filteret på fig. 4 kan være sammensatt ved å kaskadekople flere ikke-rekursive forsinkelseslinjer av den typen vist på fig. 2. Dette FIR-filteret har to optiske fiberfremovermatelinjer 55 og 56 hhv., som begynner ved inngangene Xa ,

1 og X2 og ender ved respektive utganger Y1 og<v>2- Deler av et signal tilført enten inngangen X1eller X2til dette filteret forplanter seg nedover fibrene 55 og 56

til begge utgangeneQg ^ Flere av retningskoplerne 57, 58, 59 og 60 er anordnet for å definere koplingssteder mellom fibrene 55 og 56. Ved hver av disse retningskoplerne blir en del av signalet på en fiber koplet inn i den andre fiberen. Størrelsen på signalet overført mellom fibrene er avhengig av koplingsoperatoren ^SQmer en funksjon av egenskapene til hver enkelt kopler. Den delen av signalet som ikke er koplet mellom fibrene 55 og 56 fortsetter å forplante seg ned den første fiberen 55 til den suksessive kopleren.

Generelt i avhengighet av hver koplers respektive egenheter og ved forskjellen mellom lengdene på fibrene som tilslutter seg to suksessive kopiere, dvs. et trinn i filteret, vil et pulslyssignal tilført ene inngangen til den første kopleren til slutt bli sendt fra begge utgangene til den andre kopleren som to suksessive optiske pulser. Tidsforsinkelsen mellom disse pulsene, T, blir dessuten bestemt av forskjellene i den innbyrdes koplingsforsinkelsen etablert av respektive fibres lengder. Forskjellene i pulsenes optiske styrke på hver fiber er avhengig av retningskoplernes respektive egenskaper. En spesiell filtreringsfunksjon kan til slutt bli tilveiebrakt ved egnet valg av både størrelsen på lyssignalet koplet mellom fibrene for hver retningskopler og forsinkelsestiden T tilknyttet hver av filtrenes trinn, dvs. et suksessivt par med retningskoplere og optiske fibre som forbinder dem. En annen tidsforsinkelse T kan generelt bli forbundet med hver av filtrenes trinn.

FIR-fiberens optiske gitterverkfilter på fig. 4 er ekvi-valent med et transversalt forsinkelseslinjefilter med uttak. Dette har fordeler ovenfor et forsinkelseslinjefilter med uttak ved at de optiske signalene blir summert i filterets optiske fibre som derved både øker lyssamlings-virkningsgraden og forenkler detekteringssystemet ved filterets utgang. Lignende, men ikke identiske filtrerings-funksjoner kan bli tilveiebrakt ved å anvende kun signalet sendt fra filterets utgang Y„ ^ , , Y2.

1 eller fra dets utgang Y2.

En tredje lignende, men ikke identisk filtreringsfunksjon kan bli tilveiebrakt for å generere et differansesignal mellom signalene sendt fra utgangene Y^og Y t^ FIR-fiber-optiske gitterverkfilter på fig. 4. Ved et FIR-filter fremviser denne fiberoptiske anordningen at korresponderende klasse av ikke-fiberoptiske filtres fordelaktige egenskaper med hensyn til iboende stabilitet og god fasestyring som tillater konstruksjon av lineære fasefiltre. De prinsipielle ulempene til FIR-filtrene både av forsinkelseslinje med uttak eller gitterverktypen er at tilveiebringelsen av skarp filtrering krever mange trinn med individuelle uttak eller retningskoplere. Dette behovet for mange trinn gjør skarp FIR-gitterverkfiltrering vanskelig å fremstille og relativt dyr.

Filterkonfigurasjoner som korresponderer med de vist på fig. 3 og 4 er beskrevet samt deres bruk ved flere spesielle signalbehandlingsanvendelser i europeisk patentsøknad nr. 0099193.

Et gitterverkfilter er mer generelt enn et transversaltilter ved at det gir en overfØringsfunksjon som har både poler og nuller. I motsetning har et transversaltilter kun nuller. Den fysiske viktigheten ved nuller ved en overgangsfunksjon er at nullene representerer frekvenser for inngangssignalet som filteret vil blokkere. Som nevnt ovenfor representerer en overgangsfunksjon reaksjonen til et system på en pulsinn-gang, dvs. en endeløs rekke med sinusformede forskjellige frekvenser og med samme amplitude. Overgangsfunksjonen ble opptegnet som utgangens amplitude i forhold til frekvensen. Dvs. overgangsfunksjonen til systemet er utgangsamplituden og fasen til systemet ved hver av komponentfrekvensené til inngangsbølgeformen.

Overføringsfunksjonen er et nyttig prinsipp på grunn av at hvert signal i tidsområdet kan bli sett som en kombinasjon av forskjellige sinusformede frekvenser av forskjellige amplituder. Denne rekken med sinusformer kan bli tilført ethvert system og reaksjonen av systemet til hver frekvens-sinusform kan bli beregnet ut fra overgangsfunksjonen. Utgangen vil så bestå av en kombinasjon av sinusformer som har annen amplitude og fase enn korresponderende inngangs-sinusform ved virkning av systemet på hver frekvenskomponent som symbolisert av overgangsfunksjonen. Disse utgangssinus-formene kan være kombinert for å utlede utgangssignalet i tidsområdet som resultat fra anvendelsen av gitte inngangssignaler på systemet. Inngangsseriene med sinusformer er vist med Fourier-transformasjonen til inngangssignalet.

Før beskrivelse av anvendelsen av konstruksjonene nevnt ovenfor skal metodene for utførelse av matematiske analyser av disse gitterkonstruksjonene bli beskrevet. Z-transformasjonen er et egnet matematisk verktøy som forenkler analysen av disse systemene. Bruken av en slik transformasjon er gyldig siden disse systemene er lineære og tids-invariante, og på grunn av at en diskret basis-tidsforsinkelse kan bli definert slik at andre relevante data i systemet er et helt multippel av basisforsinkelsen. Dvs. pulsreaksjonen til systemet innbefatter en rekke med pulser som er anbrakt med lik avstand i tid. Den matematiske analysen til disse systemene kan følgelig bli forenklet ved å betrakte verdiene til systemsignalene kun ved diskrete øyeblikk i tid. Siden inngangssignalene og utgangssignalene er beskrevet i uttrykk av diskrete sampler, blir systemene henvist til som samplede datasystemer.

Inngangs-utgangsforholdene til systemet er beskrevet ved overgangsfunksjoner som er forholdet mellom Z-transformasjonen til utgangssignalene for Z-transformasjonen til inngangssignalene. Z-transformasjonen, F(z), til et signal f(k) er definert ved hjelp av følgende uttrykk:

hvor k er tidsindeksen som er et multippel helt tall av basistidsforsinkelsen (k = nT) og z er transformasjonsvaria-belen som representerer en enhetstidsforskyvelse (z-1 representerer en enhetstidsforsinkelse).

Inngangs-utgangsforholdet er også beskrevet ved hjelp av systemoverføringsfunksjoner som innbefatter forholdet mellom Z-transformasjonen for utgangssignalet til Z-transformasjonen for inngangssignalet. Poler og nuller til systemover-føringsfunksjonene er svært viktige ved konstruksjon av analyse av frekvens-selektive filtre. Generelt vil f.eks. inngangsfrekvensene som korresponderer med polene slippes gjennom systemet med mindre dempning enn frekvenser som korresponderer med nuller. Frekvensreaksjonen blir tilveiebrakt når overføringsfunksjonen blir vurdert ved z =

eDwT. D6nn6

eD<wT>beskriver en enhetssirkel sentrert ved origo til

Z-planet. Denne enhetssirkelen spiller også en viktig rolle ved forutsigelsen av et systems stabilitet.

For å sikre stabiliteten må alle polene i systemoverførings-funksjonen være innenfor enhetssirkelen. Fibergitterverkfil-teret innbefatter passive elementer (elementer som ikke har forsterkning) er helt sikkert stabile. Dersom alle nullene også dessuten er innenfor enhetssirkelen, er systemet kallet et minimumsfasesystem mens derimot dersom noen nuller ligger utenfor enhetssirkelen blir systemet kallet et ikke-minimumsfasesystem. For et minimumsfasefilter er fasereaksjonen og logaritmen til størrelsesreaksjonen Hilbert-transforma-sjonspar. For et stabilt, kausal-system er derimot reelle og imaginære deler av frekvensreaksjonen Hilbert-transformas jo-ner til hverandre.

Ved å anvende Z-transformasjonsforhold som definert av ligning 5, kan følgende uttrykk for systemoverføringsfunk-sjonene H(z) bli utviklet for to-koplerforsinkelseslinjene på fig. 1(a) og 2(a).

(a) To-koplerresirkulasjonsforsinkelseslinje med X

1 som inngang og Y^som utgang (se fig 1(a)); .

hvor a„ 1 og aO er intensitetskoplingskoeffesientene for koplerne og 1 , . , og 1 er slø<y>feintensitetstransmitansen for systemet. Som ligningen 6 viser har dette systemet kun en null ved

og en pol ved z=a.

1aoir

(b) To-koplerresirkulasjonsforsinkelseslinjen med X1som inngangen og Y.jSQm utgangen (se fig. i(a)):

hvor 1^ er intesitetstransmisjonsfaktoren til fremover-fiberlinjen. Ved dette tilfellet har systemet en null ved origo og en pol ved z = a^aQl^ (c) To-kopler ikke-resirkulasjonsforsinkelseslinjen med X^som inngang og Y1som utgang (se fig. 2(a)):

hvor b1og<y>>o er intensitetskoplingskoeffesientene for kopl<erne>og 1^Qg 1^ & x intensitetstransmittansen tii to fremovermatefiberlinjer. Dette systemet tar en pol ved origo og en null ved

Det skal bemerkes at de nuller eller poler som er lokalisert ved origo ikke påvirker frekvensreaksjonen til systemet med unntak for en lineær fasefaktor. Av denne grunn er to-kop-lerresirkulas J jonsf orsinkelseslin jen med Y„2 som utgang henvist til som et all-polsystem av første orden (en pol), mens to-kopler ikke-resirkulasjonsforsinkelseslinjen og to-koplerresirkulasjonsforsinkelseslinjen med Y1som utgang er henvist til som all-nullsystem av første orden (en null) og pol-nullsystem av første orden (en pol) henholdsvis. Alle konstruksjoner av interesse ved oppfinnelsen har generelt to innganger og to utganger og er således henvist til som to-parsystemer. I tillegg til overføringsmatrisefor-muleringen kan disse systemene være kjennetegnet ved kjedematriseformulering som er en metode for en karakterise-ring egnet for kaskadekopling av to-parsystemer. Overføringsmatriseformuleringen er spesielt egnet for analyse av kaskadekoplet fremovermatet to-parsystemer, mens kjedematrisemetoden er best for anvendelse ved analyse av kaskadekoplede bakovermatet to-parsystemer. Denne metoden er nærmere beskrevet av F.K. Mitra, R.J. Sherwood, "Digital Ladder Networks", IEEE Trans. Audio Electroacoust., vol. AU-21, 30-36 (febr. 1973).

Det skal bemerkes at ved å anvende velkjente prosedyrer som angitt ovenfor kan kjede og overføringsmatrisene til basisgitterverkseksjonene for filtrene på fig. 3 og 4 bli anvendt for å beregne den totale kjede- og overføringsmatri-sen for gitterverkkonstruksjoner av høyere orden. Ved å anvende denne tilnærmingen sammen med Z-transformasjonsteknikken kan generelle uttrykk for overføringsfunksjonene til gitterkonstruksjonene også bli tilveiebrakt om ønskelig.

Med henvisning igjen til fig. 3 og 4 skal de to fysiske utførelsesformene av de her viste fiberoptiske gitterverkfiltrene bli beskrevet nærmere. Fig. 3 viser en IIR-ut-førelsesform av filteret med bakoverrettet kopling som følge av utgangsfiberen 50 sine viklingers retning. Fig. 4 viser en FIR-utførelsesform av filteret med fremoverrettet kopling som følge av en motsatt retning av viklingen til fiberen 50 sammenlignet med utførelsesformene på fig. 3. På fig. 3 og 4 er vist at utgangsfibrene 50 og 56 fører lys gjennom koplerne 51-54 og 57-60 i samme retning. Retningen på viklingene til utgangsfibrene 50 og 56 er ved utførelsesfor-mene på fig. 3 slik at utgangssignalene etterlater filteret i motsatt retning fra den retningen som utgangssignalene etterlater filteret på fig. 4.

Ved utførelsesformen på fig. 3 returnerer energien koplet fra inngangsfiberen 49 inn i utgangsfiberen 50 i kopleren 52 til fiberen 50 og blir koplet tilbake inn i inngangsfiberen 49 ved kopleren 51 i forhold til koeffesienten p_ Fra

1 . Fra kopleren 51 utbreder seg den tilbakeførte energien fremover til kopleren 52 og blir igjen koplet inn i utgangsfiberen 50

i forhold til koeffesienten r Det samme ^ .;lfo11a for 2. Det samme er tillelle ror energien koplet inn i utgangsfiberen 50 ved hver av koplerne 52-54, dvs. energien blir returnert til tidligere kopler. Konstruksjonen danner tilbakekopling som kan være fordelaktig for å danne et gitterverkfilter på grunn av at det sørger for poler eller topper i overføringsfunksjonen som er programmerbare i en viss grad for lokaliseringen.

Programmerbare gitterverkfilter er svært ønskelig på grunn av at de gir en større frihetsgrad med hensyn til antall overføringsfunksjoner som er tilgjengelig, dvs. overførings-funksjoner som kan bli merket for spesifikke anvendelser. Ved utførelsesformen på fig. 3 kan en viss klasse av gitterverkfilteret bli utført. En virkelig generell optisk gitterverkfilterkonstruksjon ville kreve fullstendig uavhengige valg av koeffesientene t, x, r og p slik at enhver av de fire operatorne som beskriver kopleren kunne være ethvert antall positive eller negative og enten mer eller mindre enn en. Med kjente kopiere av den her betegnede typen er koeffesientene t, x, r og p ikke uavhengige, men er alle bestemt relativt i forhold til hverandre så snart koplingsoperatoren er etablert, dvs. koplingsoperatoren r etablerer p og derfor også etableres t og x ved konservering av energi. På grunn av at koplerne 50-54 er passive er ingen forsterkning i koplerne tilgjengelige. Alle koeffesientene r, p, t og x er derfor positive og mellom null og en.

Ikke desto mindre kan visse gitterverkoverføringsfunksjoner bli utført med konstruksjonen på fig. 3 og justeringer i overføringsfunksjonen kan bli utført. Disse justeringene blir utført ved å variere lengdene på utgangsfibrene 50 mellom koplerne 51-54 og ved å variere lengdene på inngangs-fibrene mellom koplerne 51-54. Ytterligere justeringer ved overføringsfunksjonen kan bli gjort ved å justere koplingsoperatoren r ved en av eller alle koplerne 51-54.

Sprednings- og resirkulasjonseffektene ved fiberlengdene mellom koplerne tillater også anvendelse av systemet på fig. 3 for å modulere fysikalske effekter beskrevet av Redheffer spredningsformalismen. Et fysisk system hvor lys passerer gjennom en rekke med plane, toveis, delvis reflekterende og delvis sendende speil er beskrevet ved denne Redheffer formalismen og er analog til tilbakekoplingen ved utførel-sesf ormen på fig. 3. I motsetning til utførelsesformen på fig. 3, blir ved filteret på fig. 4 energi koplet inn i utgangsfiberen 56 for å bli matet fremover til neste kopler. Mer nøyaktig fremgår det ved fig. 4 at fremovermatet energi blir koplet i kopleren 57 med koeffesienten r 1 fra inngangsfiberen 55 til utgangsfiberen 56. Denne energien utbreder seg gjennom den forlengede lengden med fiberen 56 og går inn i kopleren 58 ved porten D. Ved kopleren 58 blir energien koplet tilbake til inngangsfiberen 55 i forhold til koplingskoeffesienten<p>2- Fra kopleren 59 blir denne energien koplet på nytt tilbake til utgangsfiberen 56 og så videre. Ved hver kopling blir energimengden redusert med koplingskoeffesienten som alltid er mindre enn 1. Energien fortsetter derfor å avta med hver kopling. Utførelsesformen på fig. 4 kan også bli anvendt som et transversalt filter med et antall uttak lik antall kopiere.

Transversalt" iltre er velkjent og optiske f orsinkelseslin jer med uttak har blitt anvendt for å fremstille dem. H.F. Taylor beskriver f.eks. et fiberoptisk transversaltilter i "Fiber and Integrated Optical Devices For Signal Processing", publisert i SPIE, vol. 176, Guided Wave Optical Systems 5c Devices ( 1979) på side 17. Som her beskrevet blir transversaltiltrene anvendt ved signalbehandlingsanvendelser for å tilveiebringe smalbåndsfiltre og tilpassede filtre. Transversaltilter med forsinkelseslinjer med uttak beskrevet av Taylor anvender individuelle modulatorer på fibrene av forskjellige lengder og kombinerer de optiske utgangene ved en enkelt fotodetektor. De individuelle modulatorne varierer uttaksvektene og individuelle fiberlengder bestemmer forsinkelsen mellom uttakene og bestemmer uttaksmellomrom-met. Taylors filter krever en enkelt fotodetektor som ville være optisk koplet med enden av alle de individuelle fibrene i bunten, hvilken detektor ville nødvendigvis være fysisk sett svært stor. Et transversalt filter som anvender utførelsesformen på fig. 4 ville ikke kreve en slik fotodetektor som er en betydelig fordel siden små fotodetektorer kan opereres hurtigere, dvs. ved høyere frekvenser enn store fotodetektorer.

I US-patent nr. 4.159.418 antydes en konstruksjon lignende konstruksjonen på fig. 4 for å tilveiebringe et tilpasset filter med optisk forsinkelseslinje. Denne konstruksjonen anvender imidlertid ikke variable retningskoplere og to fibre av multimodustypen, som begge fører lyssignaler i samme retning. Foreliggende oppfinnelse vist på fig. 4 tilveiebringer en variabel kopling med posisjonene til koplerne 57-60 og anvender fibre av monomodustypen for derved å eliminere spredningsvirkningene bevirket ved multimodusfibrene. De variable koplerne anvendt på fig. 4 tillater programmering av overgangsfunksjonene. Dvs. nuller og poler ved overgangsfunksjonene kan bli beveget for å endre frekvenskarakteristikken for filteret ved å endre avstemningen til koplerne. Lengden på fiberen mellom koplerne kan dessuten bli endret for å endre overgangsfunksjonen noe. Slik programmerbarhet av overgangsfunksjonen gir konstruktøren større fleksibilitet ved konstruksjonen.

Fig. 5-8 viser utførelsesformen av koplerne 51-54 og 57-60. Som vist på fig. 5-8 har koplerne ifølge foreliggende oppfinnelse to strenger 45 og 46 av et fiberoptisk materiale av en-modustypen montert i langsgående bueformede spor hhv. 63A og 63B dannet i flate mothverandre vendte overflater hhv. 64A og 64B til en rektangulær basis eller blokk 66A og 66B hhv. Blokken 66A med strengen 45 montert i sporet 63A skal henvises til som koplerhalvdelen 70A og blokken 66B med strengen 46 montert i sporet 63B skal henvises til som koplerhalvdelen 70B.

Hver av strengene 45 og 46 innbefatter en kommersielt tilgjengelig fiber av kvartsglass som er dopet for å ha en sentral kjerne og en ytre optisk kappe. Som det fremgår nedenfor er foreliggende oppfinnelse spesielt fordelaktig for bruk ved fibre av en-modustypen som typisk har en kjernediameter i størrelsesorden av 10 |jm eller mindre og en optisk kappediameter i størrelsesorden av 125 \ jm. Oppfinnelsen kan imidlertid også bli anvendt ved andre fibertyper, slik som multimodusfibre. Ved den beskrevne utførelsesformen blir fiber av en-modustypen anvendt, av enkelhetens skyld er imidlertid diameteren til stengene 45 og 46 og deres respektive kjerner sterkt overdrevet. Testresultatene beskrevet her er dessuten for kopiere som anvender fibre av en-modustypen.

De bueformede sporene 63A og 63B har en radius som er svært stor sammenlignet med diameteren til fibrene 45 og 46 og har en bredde litt større enn fiberdiameteren for at fibrene 45 og 46, når montert deri, passer med en bane definert av bunnen til sporene 63. Dybden på sporene 63A og 63B varierer fra et minimum ved blokkenes 66A og 66B hhv. senter til et minimum ved kantene av blokkene 66A og 66B hhv. Dette tillater de fiberoptiske strengene 45 og 46, når montert i sporene 45 og 46 hhv., å gradvis på en fordelaktig måte å konvergere mot midten og divergere mot kantene av blokkene 66A og 66B, for derved å eliminere enhver skarp bøy eller plutselig endring i fibrenes 45 og 46 retning som kan bevirke energitap ved modusforstyrrelser. Ved utførelsesfor-mene vist på fig. 6 er sporene 63 vist som rektangulære tverrsnitt, det skal imidlertid bemerkes at enhver annen egnet tverrsnittskontur som vil passe med fibrene kan bli anvendt alternativt, slik som U-formet tverrsnitt eller V-formet tverrsnitt.

Ved sentrene av blokkene 66 er ved den viste utførelsesfor-men dybden på sporene 63 som opptar strengene 45 og 46 mindre enn diameteren på strengene, mens kantene av blokkene 66, dybdene til sporene er i det minste så stor som diameteren til strengene. Fiberoptiske materiale er fjernet for hver av strengene 45 og 46 som vist ved henvisningstallet 78b på fig. 8 for å danne respektive identiske, ovalformede plane overflater 78A, 78B som er kopiane med mothverandre vendte overflater 64A, 64B hhv. Disse overflatene 78A, 78B vil bli henvist til her som mothverandre vendte fiberflater. Graden av fjærnet fiberoptisk materiale øker gradvis fra null mot kanten av blokken 66 til et maksimum mot midten.av blokken. Denne avtagende fjerningen av det fiberoptiske materialet muliggjør en gradvis konvergering og divergering av fiberen som er fordelaktig for å unnå bakoverrettet refleksjon og overdrevet tap av lysenergi.

Ved den viste utførelsesformen er koplerhalvdelene 70A og 70B identiske og blir satt sammen ved å anbringe mothverandre vendte overflater 64A og 64B til blokkene 66A og 66B sammen, slik at overflaten 78A og 78B til strengene 45 og 46 er i et flateforhold.

En brytningsindekstilpassende substans (ikke vist), slik som brytningsindekstilpasningsolje er anbrakt mellom mothverandre vendende overflater 64. Denne substansen har en brytningsindeks tilnærmet lik brytningsindeksen til den optiske kappen og har til funksjon å forhindre at de optiske flate overflatene 64 blir permanent låst sammen. Oljen blir innført mellom blokkene 66 ved kapillarvirkning.

Et samvirkende område 72 er dannet ved knutepunktet til strengene 45 og 46 ved hvilket lys blir overført mellom strengene ved flyktig feltkopling. Det har blitt funnet at for å sikre egnet flyktig feltkopling, må mengden av materialet fjernet fra fibrene bli nøyaktig styrt slik at mellomrommet mellom kjernedelene til strengene 45 og 46 er innenfor en forutbestemt kritisk sone. De flyktige feltene strekker seg inn i den optiske kappen og avtar hurtig med avstanden utenfor deres respektive kjerner. Tilstrekkelig materiale skulle således bli fjernet for å tillate at hver kjerne blir anbrakt hovedsakelig innenfor det flyktige feltet til den andre.

Dersom for lite materiale blir fjernet vil kjernen ikke være tilstrekkelig tett for å tillate de flyktige feltene og bevirke den ønskede samvirkningen av de ledede modiene og utilstrekkelig kopling vil være resultatet. Dersom motsatt for mye materiale blir fjernet, vil utbredelseskarakteri-stikken til fibrene bli endret som medfører tap av lysenergi på grunn av modusforstyrrelse. Når mellomrommet mellom kjernene til strengene 45 og 46 imidlertid er innenfor den kritiske sonen, vil hver streng motta en betydelig del av den flyktige feltenergien fra den andre strengen og optimal kopling vil bli tilveiebrakt uten betydelig energitap.

Den kritiske sonen er vist skjematisk på fig. 16 innbefattende det området betegnet med henvisningstallet 73 ved hvilket de flyktige feltene betegnet med henvisningstallet 74A og 74B til fibrene 45 og 46 hhv. overlappes med tilstrekkelig styrke for å tilveiebringe kopling, dvs. kjernene er innenfor det flyktige feltet dannet av lyset som utbreder seg i den andre kjernen. Som tidligere nevnt forekommer imidlertid forstyrrelse innenfor området 73 når kjernene blir brakt for tett sammen. Det er f.eks. antatt at for

svakt ledede modier, slik som HE„„ , , ,.,

11-modusen ved fibre av enkelmodustypen eller ved høyere ordens modier ved multimodusfibre begynner slik modusforstyrrelse å forekomme når tilstrekkelig materiale er fjernet fra fibrene for å frilegge deres kjerner. Den kritiske sonen er således definert som område ved hvilket de flyktige feltene 74 overlapper hverandre med tilstrekkelig styrke for å bevirke kopling uten vesentlige energitap indusert av modusforstyrrelse .

Utstrekningen av den kritiske sonen for en bestemt kopler er avhengig av antall innvirkende faktorer slik som parametrene til selve fiberen og koplerens geometri. For en fiber av en-modustypen med en trinnindeksprofil kan den kritiske sonen være heller smal. Ved en fiberkopler av en-modustypen, som vist på fig. 5-8, er det nødvendige senter-til-senter mellomrommet mellom strengene 45 og 46 ved koplerens senter som vist på fig. 7 typisk mindre enn et par (f.eks. 2-3) kjernediametre.

Strengene er fortrinnsvis (1) identiske med hverandre, (2) har samme radius ved samvirkende områder 32, og (3) har en lik mengde med fiberoptiske materialer fjernet derfra for å danne deres respektive mothverandre vendende flater 78A og 78B. Fibrene 45 og 46 er således symetriske gjennom samvirkningsområdet 72 i planet til mothverandre vendte flater 78 slik at mothverandre vendte flater 78 strekker seg sant men om overlagret. Dette sikrer at to fibre 45 og 46 vil ha samme forplantningskarakteristikken ved samvirkningsområdet 72, og derved unngås koplingsdempning forbundet med ulike forplantningskarakteristikker.

Blokkene eller basisene 66A og 66B kan være fremstilt av ethvert egnet stivt materiale. Ved en foretrukket utførel-sesform innbefatter basisene generelt rektangulære blokker av smeltet kvartsglass tilnærmet 2,5 cm langt, 2,5 cm bredt og 1 cm tykt. Ved denne utførelsesformen er de fiberoptiske strengene 45 og 46 fastgjort i slisser 63 ved hjelp av egnet sement 79, slik som epoksylim. En fordel ved smeltet kvartsblokker 66 er at de har en termisk utvidelseskoeffe-sient lik den til glassfibre og denne fordelen er spesielt viktig dersom blokkene 66 og fibrene 45 og 46 er underlagt enhver varmebehandling i løpet av fremstillingsprosessen. Et annet egnet materiale for blokken 66 er silisium, som også har utmerkede termiske egenskaper for denne anvendelsen.

Kopleren innbefatter fire porter merket A, B, C og D på fig. 5. Når betraktet ut fra perspektivet på fig. 5, er portene A og D, som korresponderer med strengene 45 og 46 hhv. på venstre siden av kopleren mens portene B og C, som korresponderer med strengene 45 og 46 hhv. er på den høyre siden av kopleren. For den nærmere forklaringen vil det bli antatt at inngangslyset blir tilført porten A. Dette lyset passerer gjennom kopleren og blir ført ut ved porten C og/eller porten B avhengig av energimengden som blir koplet mellom strengene 45 og 46. I dette henseendet er uttrykket "normalisert koplingsenergi" definert som forholdet mellom koplet energi og totalt utført energi.

Ved eksemplet ovenfor vil den normaliserte koplede energien være lik forholdet mellom energi ved porten B og summen av energien ført ved portene B og C. Dette forholdet blir også henvist til som "koplingsvirkningsgraden" og blir ved bruk i alminnelighet uttrykt i prosent. Når uttrykket " normalisert koplet energi" således blir anvendt her, skal det forstås at korresponderende koplingsvirkningsgrad er lik den normaliserte energien ganger 100. I dette henseendet har prøver vist at kopiere av typen vist på fig. 5 har en koplingsvirkningsgrad på opptil 100%. Kopleren kan imidlertid bli "avstemt" for å justere koplingsvirkningsgraden til enhver ønsket verdi mellom 0 og maksimum av 100% energikopling ved forskyvning av flateoverflåtene til blokkene 16A og 16B.

Avstemningen av kopleren endrer koplingsvirkningsgraden og endrer koplingen og transmisjonsoperatorne r, p, t og t. Dvs. når koplingsvirkningsgraden blir redusert, blir mindre energi koplet fra delen A til delen B på fig. 5. Dette betyr at r og p er blitt redusert på grunn av at kopleren er symmetrisk og at t og x er øket siden mindre energi forlater hver av fibrene for det første og for det andre betyr det at mer energi forblir i den opprinnelige fiberen og blir sendt gjennom kopleren ved konservering av energi. Slik avstemning er fortrinnsvis tilveiebrakt ved å la blokkene 66A og 66B gli sidemessig relativt i forhold til hverandre i retningen til pilen på fig. 7.

Kopleren er følsom for forskyvninger til fibrene i en retning som sidemessig forskyver planflatene slik som retningen er vist med pilen på fig. 7. Kopleren er imidlertid mindre følsom mot forskyvninger, som forskyver i lengderetningen planflatene, dvs. i en retning perpendi-kulært på pilen på fig. 7 og kommer ut av siden på en ortogonal måte. Kopleren er relativt ufølsom for forskyvning av fibrene som rotasjonsmessig forskyver flatene. Følsom-heten til koplingsoperatorne for forskyvning av fibrene er avhengig av mellomrommet mellom fibrenes kjerner når fibrene blir overlagret.

Kopleren er sterkt retningsavhengig, med hovedsakelig all den tilførte energien på ene siden av kopleren blir levert på den andre siden av kopleren. Dvs. hovedsakelig alt lys tilført inngangsporten A blir levert ut ved utgangsportene B og C uten motsatt retningskopling til porten D. Hovedsakelig alt lyset tilført inngangsporten D blir likeledes levert utgangsportene B og C. Denne direktiviteten er dessuten symmetrisk. Lyset tilført enten inngangsporten C eller inngangsporten B blir således ført til utgangsportene D eller A hhv. og lys tilført enten porten A eller porten D blir definert enten til porten B eller porten C hhv. Kopleren er dessuten i det vesentlige ikke -diskriminerende i forhold til lyspolarisasjonene, og bevarer polarisasjonen til det koplede lyset i løpet av energioverføringene. Dersom en lysstråle som har en vertikal polarisasjon således f.eks. blir ført til porten A, vil lyset koplet fra porten A til porten B, så vel som lyset som passerer rett gjennom fra porten A til porten C forbli vertikalt polarisert.

Med henvisning til fig. 10-12 er der vist konstruksjonen for en fiberoptisk forsinkelseslinje med uttak som vil kunne bli anvendt for å tilveiebringe filtrene vist på fig. 3 og 4. To av konstruksjonene vist på fig. 10 optisk koplet sammen ved uttakene vil kunne tilveiebringe rekkene på fig. 3 og 4 som det vil fremgå av den følgende beskrivelsen. På fig. 10 blir ett element av optisk fiber 45 anvendt, begynnende ved inngangsenden 80 som blir forsynt med et lysinngangssignal fra en lyskilde 82 og som ender ved en utgangsende 84. Den optiske fiberen 45 er viklet rundt et stykke 86 med V-spor 90a-90y dannet deri. Stykket 86 er en tynn skive av silisium med spor 90a-90y fotolitografisk etset deri og vil bli beskrevet nærmere senere. Den første delen av fiberen på stykket betegner den første vindingen 86a og den andre delen av fiberen 45 montert på stykket 86 betegner vindingen 86b osv. Ved sidelinjen 88 normalt på lengdeaksen til fibersegmentene 86a-86n er uttak konstruert slik at hver omdreining av de optiske fibrene 45 er tatt ut ved sidelinjen 88. Konstruksjonen av stykket 86 og V-sporene og måten på hvilken de optiske fibrene 45 er lagt i V-sporene i stykket 86 er beskrevet nærmere i europeisk patentsøknad nr. 0081296. Standardfotolitografisk etseteknikk, velkjent innenfor halvlederindustrien, kan bli anvendt for å danne V-sporene i stykket 86.

Der et et behov for stor presisjon ved konstruksjonen av V-sporene slik at de alle er identiske i bredde og dybde siden fibersegmentene til fiberen 45 i sporene må være kopiane. Enhver teknikk som vil tilfredsstille det kriteriet kan bli anvendt slik som ved laser eller andre kjemiske eller mekaniske maskineringer. Det har blitt funnet at det er tilfredsstillende å bruke 100 orienterte silisium for stykket 86 med kjemisk etsing ved hjelp av fotolitografisk teknik, som er velkjent ved halvlederfremstilling. Silisium av 100 orienteringer gir et V-spor med vegger ved en vinkel på 54,74 grader.

Det første trinnet ved dannelsen av V-sporene er fotolitografisk etsing av flate spor med bredden på sporene bestemt av dybden nødvendig for V-sporet. Dybden på det nødvendige V-sporet avhenger av størrelsen på den anvendte fiberen.

Med henvisning til fig. 10 er den foretrukne måten å konstruere et optisk uttak på å gi den optiske fiberflaten en buet form slik at en flat del av den optiske fiberen kan bli polert for å danne en plan flate for således å tilveiebringe et uttak for lysutbredelsen i fiberen. For å tilveiebringe denne buede formen er silisiumstykket 86 montert i en kvartsblokk 87 som har en buet øvre overflate. Det har blitt funnet at et silisiumstykke av standardtykkelse (0,25 mm) og omtrent 3 cm langt kan bli bøyd uten å brytes rundt en 30 cm radius. En adhesiv substans slik som voks blir anvendt for å holde silisiumstykket 86 på kvartsblokken 87 i den buede konfigurasjonen vist på fig. 10. Den optiske fiberen 45 kan nå bli montert på silisiumstykket 85.

Før den optiske fiberen 45 kan bli montert i V-sporene ved silisiumstykket 85, må delene av den optiske fiberen 45 som skal bli montert i V-sporene fortrinnsvis få den beskyttende mantelen fjernet. En-modusfiberen av ITT-typen har en plastmantel som kan bli fjernet ved å dyppe den i svovel-syre. Elastisiteten til plastmantelen forhindrer presisjon ved poleringsoperasjonen slik at denne skulle bli fjernet. Fibre av Corning-typen har en lakkmantel som kan bli fjernet for å dyppe den i azeton. Siden lakkmantelen er mer solid enn plastmantelen, er dens fjerning mer foretrukket enn obligatorisk.

Installasjonen av fiberen 45 i V-sporene til silisiumstykket 85 er vist best på fig. 11 som viser et snittriss langs linjen 11-11 på fig. 10. Fig. 19 viser et tverrsnitt av de første tre sporene i nærmere detaljer. En del av den optiske fiberen 86a nær inngangsenden 80 til fiberen er montert i det andre V-sporet 90a til silisiumstykket 85. Det skal bemerkes at der er et første V-spor 90x som ikke er anvendt for å motta den optiske fiberen 45, men er heller anvendt for innretningsformål. Som vist på fig. 12, før fiberen er montert i V-sporet 90a, er en adhesiv substans 92 anbrakt i bunnen av V-sporet 90a. Når delen 86a til den optiske fiberen 45 er anbrakt i V-sporet 90a og den optiske fiberen 45 ligger an mot bunnen ut mot siden av V-sporet 90a, vil den derfor permanent bli fastholdt der ved hjelp av adhesiv 92.

Etter anbringelsen av fiberdelen 86a i det første V-sporet 90a, blir en lengde L av den optiske fiberen etterlatt mellom midten av fiberdelen 86a og midten av den andre fiberdelen 86b til den optiske fiberen 45, som skal bli montert i det andre V-sporet 86b. Denne lengden L er lengden på den optiske fiberen vist som en av fibrene som danner sløyfen for fiberen 45 på fig. 10. Den tilveiebringer en forsinkelsestid lik perioden for den ønskede grunnfrekvensen til transversaltilteret eller ønsket sløyfeforsinkelse for matrisevektormultiplikatoren konstruert ved å anvende konstruksjonen på fig. 10.

Det fremgår av fig. 10-12 at den optiske fiberen 45 er viklet rundt silisiumstykket 86 slik at ved hver suksessiv omdreining er den anbrakt i det neste påfølgende V-sporet og fastgjort der ved hjelp av adhesiv 92. Når den siste delen 86n til den optiske fiberen 45 har blitt anbrakt i det siste V-sporet 90n til silisiumstykket avsluttes den optiske fiberen 45 ved enden 84 som vist på fig. 10.

Det neste trinnet er mekanisk polering av den øvre overflaten til delen 86 av den optiske fiberen 45 ved sidelinjen 88. Delen 86 til den optiske fiberen 45, som er mekanisk montert på silisiumstykket ved hjelp av adhesiv 92, er stabil nok for å få deler av den optiske kappen fjernet ved polering. Denne poleringsoperasjonen vil fjerne deler av den optiske kappen 92 for å danne en plan flate lik flaten 78b vist på fig. 8. Det er viktig å bemerke at ikke hele det optiske materialet 92 (92a-c på fig. 12) rundt kjernen 94 (94a-c på fig. 12) til den optiske fiberen skal bli fjernet. Avstanden mellom enhver kjerne 94 og den polerte overflaten 96 til fibersegmentene 86 i V-sporene avhenger av lysmengden som skal bli fjernet fra fiberen ved hvert uttak. Når små mengder av lys skal bli utledet, kunne den polerte overflaten 96 være lengre borte fra kjernen 94 til fibersegmentene 86. Siden det er ønskelig å ha et høyt antall uttak for visse anvendelser, kan kun en liten mengde med lys bli fjernet ved hvert uttak. Mellom tilnærmet 5 og 10 pm med optisk kappe vil derfor bli etterlatt mellom de polerte overflatene 96 og kjernen 84 til hver av fibersegmentene 86. For å tilveiebringe rekkene på fig. 3 og 4 må to konstruksjoner som vist på fig. 10 bli anvendt som er optisk koplet ved de polerte delene av fibersegmentene 86 ved linjen 88. Dette er vist på fig. 13 og 14. Fig. 13 viser den kombinerte konstruksjonen som representerer konstruksjonen til enten fig. 3 eller 4 med antall kopiere lik antall viklinger for fibrene 45 og 46 i V-sporene. Om konstruksjonen på fig. 13 representerer konstruksjonen på fig. 3 eller 4 avhenger av viklingsretningen til fiberen 46. Dvs. dersom fiberen 46 er viklet for å føre koplet lys tilbake til neste forgående uttak, dvs. retning fra hvilket lyset ved inngangen 45 kom, så er fremoverkopling eller bakoverkopling tilstede og konstruksjonen kan virke som et gitterverkfilter. Dersom viklingsretningen er motsatt, vil det være tilveiebrakt et transversalt eller et tilpasset filter.

Fig. 14 viser et tverrsnitt av konstruksjonen på fig. 13 langs betraktningslinjen 14-14 på fig. 13 som korresponderer med linjen 88 på fig. 10 og 13. Konstruksjonen er ganske enkelt to stykker 86a og 86b med V-spor deri og understøttet av buede kvartsblokker 87a og 87b festet sammen slik at V-sporene 90a-90n i stykket 86a er i en forutbestemt innretning med V-sporene 90a'-90n' i stykket 85b. Innretningssporene 100 og 100' og 102 og 102' ved motsatte ender av stykkene 86a og 86b inneholder innretningsleier 104 og 106. Disse innretningsleiene 104 og 106 og deres korresponderende innretningsspor etablerer faste referansepunkter fra hvilke hver av V-sporene 90a-90n og 90a'-90n' kan nøyaktig bli lokalisert. Dersom det er ønskelig at hver kopler dannet av et par V-spor har samme koplingsoperator r og p som hver av de andre koplerne, så skulle hvert par med spor som danner en kopler være anordnet ved samme avstand fra innretningssporene pluss en valgt forskjell forskjøvet fra et spor i et par relativt i forhold til det andre sporet, slik at hvert fiberpar har samme relative forskyvning som hvert annet par. Ved noen anvendelser av gitterverkfiltre- ringen eller transversalfiltreringen vil denne like veiingen av uttakene være ønskelig.

Det er også mulig å forme kopiere med ulik kopling ved hvert uttak ved anvendelse av konstruksjonen på fig. 13 og 14. Ved slik anvendelse kan den relative forskyvningen til hver av fiberparene i motstående spor bli tilveiebrakt ved å variere avstanden til en av de motstående sporene fra innretningssporet i forhold til avstanden til innretningssporet for motsatt V-spor. Siden fotolitografisk operasjon beskrevet ovenfor kan bli styrt til innenfor fornuftige toleranser, kan en slik metode med forskyvning av V-sporene gi filter med veide uttak.

Vektene kan naturligvis alle bli samtidig endret ved å bevege blokkene 87a og 87b relativt i forhold til hverandre, men alle koplerne vil ha deres fiberpar forskjøvet likt påvirket med samme grad som resulterer i nye vekter bestemt av de opprinnelige vektene pluss felles forskyvning. Ingen individuell styring av koplingsvirkningsgraden vil være mulig. For visse anvendelser, slik som ikke-justerbare koplersituasjoner er det naturligvis tilfredsstillende slik som ved filtre som krever faste pol- og nullsteder ved overføringsfunksjonen. For individuell styring av koplingsvirkningsgraden til hver kopler i rekken må utførelsesfor-mene på fig. 3 og 4 bli anvendt. Fordelen ved utførelses-formen på fig. 13 og 14 er at mange kopiere kan bli bygt billig for å tilveiebringe svært kompliserte overførings-funksjoner og nøyaktig tilpasning av pass- og stoppbåndene til gitterverkfiltre og transversalfiltre ved hjelp av mange forskjellige uttaksvekter.

For dette formål har konstruksjoner og metoder for bruk av både rekursive og ikke-rekursive fiberoptiske gitterverkfiltre blitt diskutert, sammen med metoder for matematisk fremstilling og analysering av operasjonen til disse filtrene. I tillegg har overføringsfunksjoner blitt utviklet som representerer to-koplerresirkulerende og ikke-resirkulerende fiberoptiske forsinkelsesfiltre vist på fig. 1 og 2.

Ved bruk av forsinkelsesfiltrene på fig. 1 og 2 er fiberoptiske gitterverkfiltre som vist på fig. 3 og 4 konstruert. Med henvisning til spesielt ikke-rekursive fiberoptiske gitterverkfilter på fig. 4, gir bruken av Z-transformasjonsteknikken følgende uttrykk for overfØringsfunksjonen til dette filteret:

hvor<c>1'ene er positive verdier og er funksjon for koplings-koef f esientene og z 1 ■ ene er nuller for overf øringsf unks jon-en . Denne overføringsfunksjonen er en all-type med dens poler lokalisert enten ved origo eller ved uendelig. Ved utvidelse av ligningen (11) til dens reelle og imaginære deler og også ved anvendelse av det faktum at c , 1 ene er ikke-negative variable kan det konkluderes med at for et positivt ikke-rekursivt filter kan der ikke være noen null for overføringsfunksjonen i vinkelsektoren

hvor ø representerer polarvinkelen i Z-planet og N er systemorden. Denne ulikheten kan også bli anvendt for å vurdere minimumsorden til systemet nødvendig for realisere gitte nullmønster. Det er dessuten nødvendig å vise at for slike systemer kan ikke alle nuller bli lokalisert i det høyre Z-planet med mindre seksjoner som tillater negativitet er inkorporert.

Frekvensreaksjonen til ikke-rekursive fibergitterverkfiltre a er like de til et transversalfilter (forsinkelseslinje med uttak). Frekvensreaksjonen til et ikke-rekursivt gitterverk-fiberfilter av første orden, når koplingskoeffesienten til begge koplerne er 0,5, er som et eksempel vist på fig. 15. Dette filteret kan bli anvendt som et smalbåndsfilter for å

blokkere frekvenser rundt u>T= , m ^. , .... ,

TT, hvor T er tidsforsmkelses-forskjellen mellom to fremovermatede fiberlinjer.

Disse ikke-rekursive gitterverkfiltrene har alle fordelaktige trekkene til ikke-rekursive systemer, slik som iboende stabilitet og god fasestyreegenskaper i tillegg til alle trekkene til gitterverkkonstruksjoner nevnt ovenfor. Faktumet at summeringen blir gjort optisk innenfor fiberen forenkler detekteringssystemet sammenlignet med det til et fibertransversalfilter og øker også lyssamlevirkningsgraden.

Det mest ugunstige trekket ved ikke-rekursivt filter, det være seg transversale eller gitterverktypen er at de ikke kan tilveiebringe svært skarp filtrering med mindre filter-ordnen N er svært høy. Dette er uønskelig siden filtre av høyere orden er heller vanskelig å fremstille og også dyre.

Med henvisning til fig. 3 kan kjedematrisemetoden beskrevet ovenfor bli anvendt for å vise at overføringsfunksjonen

1(z), fra X1 til Y1 har både poler og nuller som er avhengig av hverandre. Med andre ord kan polene og nullene ikke bli justert uavhengig i forhold til hverandre. Dette er generelt et uønskelig trekk som kan bli fjernet ved å anvende utgangen Y„ , , ^ ,... n

2 på fremovermatelmjen 49.

Ved bruk av kjedematrisetrekket er overføringsfunksjonen 2(z) fra X1til Y2 en all-poloverføringsfunksjon. Dette betyr at alle nuller er lokalisert enten ved origo eller uendelig slik at polene kan bli justert uavhengig. For filtreringsanvendelse er det derfor foretrukket å anvende utgangen Y^ ^or således å tilveiebringe et all-polfilter. Overføringsfunksjonen til dette all-polfilteret kan bli fremvist innenfor en konstant proporsjonalitetsfaktor, med uttrykket:

hvor p

11 ene er poler til overføringsfunksjonen.

Dersom fasereaksjonen til filteret ikke er viktig, kan bedre filter bli konstruert ved å anvende IIR-konstruksjoner på fig. 3. Dette er tilfelle på grunn av at polene til et pol-null IIR-filter kan bli anordnet på en slik måte for å holde størrelsen på frekvensreaksjonen flat i noen bestemte frekvensområder og så kan nullene bli anvendt for å tvinge frekvensreaksjonen til null. IIR-filtre av lavere orden kan følgelig bli anvendt for å frembringe ekstremt skarpe frekvensreaksjoner. Dette er det mest foredelaktige trekket ved IIR-normaltilfellekonstruksjonen. Blant ulempene som stammer fra tilstedeværelsen av tilbakekoplingssløyfer er kompleksiteten ved konstruksjonen, stabiliteten og ikke-lineære fasereaksjoner hvor konstruksjonen kan bli utjevnet for valgfritt å være tett opptil lineært, men egentlig på grunn av at nærheten av poler og nuller kan det være en stor faseendring i overgangsområdene. ~

En ytterligere begrensning med hensyn til begge de fiberoptiske gitterverkfiltrene på fig. 3 og 4 er at de er positive systemer. Dvs. disse gitterverkfiltrene anvender lysintensitet som signalføringsmedium og negative signal-verdier er umulige ved dette mediumet. Filtrene anvender dessuten retningskoplere som kan kun additivt i motsetning til subtraktivt overføre lyssignaler mellom fibrene. Kun signaler med positiv verdi kan således bli tilført og behandlet i filtrene. Dette begrenser områdene for de fiberoptiske gitterverkfiltrene på fig. 3 og 4 med Z-trans-formasjonsplan ved hvilke poler og nuller til de respektive filterklassene kan bli lokalisert.

Gitterverkfiltre anvender derimot digitale filtrerings-teknikker som har parametre som kan anta både positive og negative verdier og derfor kan de dekke mer området av Z-planet. Denne uønskede betingelsen ved fiberoptisk område kan bli overvunnet ved å kombinere positive filterseksjoner med seksjoner som tillater negativitet. Et slikt system som anvender filterkomponenter tidligere beskrevet for å overvinne disse problemene kan bli beskrevet med henvisning til fig. 15.

Fig. 15 viser et blokkdiagram av et kombinert filtersystem som innbefatter en filterseksjon 100 som innbefatter et all-pol, rekursivt fiberoptisk gitterverkfilter som korresponderer med filteranordningen på fig. 3. Utgangen fra all-polfilteret 100 blir tilført en all-nullfilterseksjon 102 i kaskadeform. Filterseksjonen 102 korresponderer med all-null ikke-rekursive fiberoptiske gitterverkfilteranord-ninger vist på' fig. 4. Utgangen fra filterseksjonen 102 blir sendt til et detekteringssystem 104 som funksjonerer for å detektere utgangssignalene og muligens for å tilveiebringe negativitet i systemet, og vil bli beskrevet nærmere senere.

Ved filteranordningen i kaskade på fig. 15 kan polene og nullene til det kombinerte systemet bli justert uavhengig av hverandre. Ønskelige pol-null mønstre i Z-planet kan følgelig bli anordnet for å redusere mer kompliserte frekvensreaksjoner.

Elementene til seksjonene 100 og 102 til filteret i kaskade-formen på fig. 15 kan bli beskrevet nærmere med henvisning til fig. 16, som viser et enkelt all-passfilter av første orden. Seksjonen 100 innbefatter nærmere bestemt all-pol- gitterverkfilter av første orden som korresponderer med den fysiske anordningen av koplerne 51 og 52 og tilknyttede optiske fibre 49 og 50 på fig. 3. Seksjonen 102 innbefatter et all-nullgitterverkfilter av første orden som korresponderer med kopleren 57 og er forbundet med optiske fibre 55 og 56 ved anordningen på fig. 4.

Ved utførelsesformen på fig. 16 blir inngangssignalet

mot<tatt>på X, -, ^ •-, ^ j_ a s\ s\

1-inngangen til all-polfilteret 100. Utgangen fra seksjonen korresponderer med Y2_utgangen til all-pol-filteranordningen på fig. 3. Utgangen fra seksjonen 100 er forbundet med inngangen til all-nullfilterseksjonen 102, som korresponderer med X,_ inngSLngen til filteret på fig. 4. Det filtrerte signalet fra seksjonen 102 blir sendt utover via linjene 55 og 56 på utgangene Y^Qg Y2SQm er innbyrdes forbundet med subtraksjonsdetekteringssystemet 104 som behandler de optiske signalene for således å tilveiebringe et elektronisk utgangssignal på linjen 106. Signalet på 106 innbefatter det filtrerte signalet som innbefatter negati-viteten .

Den totale overføringsfunksjonen for filter beskrevet ved seksjonene 100 og 102 på fig. 16 er gitt med produktet til de to subsystemoverføringsfunksjonene. Med en konstant forsinkelsesfaktor er således overføringsfunksjonen for det generelle tilfellet med ethvert antall kaskadekoplede fremovermatede og bakovermatede trinn:

hvor K er en konstant, z1..'ene er nuller og pi'ene er poler til overføringsfunksjonen. Graden av nevner- og tellerpoly-nomene er antatt å være like.

Filteret beskrevet av fig. 15 og 16 er et enkelt all-passfilter av første orden. Dette er et spesielt tilfelle for et IIR-filter ved hvilket størrelsen på frekvensreaksjonen for filteret er konstant og kun fasereaksjonen endres når pol-og nullposisjonene varierer. Pulsreaksjonene til filtertrin-nene 100 og 102 uten å være behandlet ved detekteringssystemet 104 er vist på fig. 17(a).

Med henvisning til fig. 17(a) er det klart at uten mer enn et all-fiber kan all-passfilteret ikke bli realisert på denne måten. Dette er på grunn av det faktumet at pulsreaksjonene ikke er positive hele tiden. Som det fremgår av fig. 17(a) er pulsreaksjonene positive ved origo og null eller negative ved andre tidspunkter. Som tidligere nevnt vil negative verdier på grunn av at lysintensiteten er anvendt som signalførende medium ikke være mulige og således kan kun signaler med positive verdier bli tilført og behandlet i filteret.

Ved uttrykkene for pol-null-lokaliseringen i Z-planet angir pulsreaksjonen på fig. 17(a) at for hver pol ved z=rejø ma der være en null ved 1 ej<0>.

2

Med andre ord, som vist på fig. 17(b), er polene 110 og nullene 112 refleksjoner for hverandre med hensyn til enhetssirkelen 114 for det enkle første ordens tilfellet. For all-passfilteret av første orden er overføringsfunksjon-en gitt med proporsjonalitetsfaktoren av: hvor parametrene er definert som tidligere. Fra ovenfornevnte overføringsfunksjon kan det konkluderes med at:

som er konstant for en fast pol-null-posisjon mens derimot fasen er en ikke-lineær funksjon av w.

For å overvinne refleksjonsbetingelsene mellom polene og nullene er detekteringssystemet 104 på fig. 16 innbefattet for å fjerne mangelen på negativitet. Dette blir tilveiebrakt ved anvendelse av de respektive utgangssignalene fra

Y

1 og Y2utgangene til all-null-filterseksjonen 102 til en mottager som genererer et differansesignal mellom dem for å tilveiebringe den ønskede negativitetsfunksjonen. Fig. 18 viser en foretrukket utførelsesform av kretsen som kan innbefatte detekteringssystemet 104.

Med henvisning til fig. 18 skal det bemerkes at utgangssignalet på linjen 55 til seksjonen 102 for terminalene Y blir sendt til en ikke-inverterende fotodiode 120 som har en positiv forspenning. Det elektroniske signalet fra fotodioden 120 blir sendt via linjen 122 til en attenuator 124 som blir anvendt for å justere størrelsen på utgangsstrømmen fra linjen 122. Fra demperen 124 blir utgangssignalet sendt via linjen 126 til en energikombinerer 128.

Utgangssignalet på linjen 56 sendt fra terminalen Y„ .,. 2 blir mottatt av en inverterende fotodiode 130 som har en polaritet som er motsatt til den tilhørende den ikke-inverterende fotodioden 120. Det inverterte elektroniske utgangssignalet fra fotodioden 130 blir sendt via linjen 132 til en attenuator 134 hvor størrelsen på utgangssignalet på linjen 132 blir justert. Fra attenuatoren 134 blir utgangssignalet sendt via linjen 136 til energikombinereren 128.

Energikombinereren 128 har til funksjon å summere signaler mottatt fra linjene 126 og 136 for således å tilveiebringe et utgangssignal representativt for den summen til forsterkeren 138. Utgangssignalet blir forsterket av forsterkeren 138 og sendt via utgangslinjen 106 til konvensjonelle signalprosessorer (ikke vist) eller lignende anordninger som kan være nødvendig ved spesielle anvendelser for hvilke filteret blir anvendt.

Attenuatorne 124 og 134 kan bli justert for å sette forholdet mellom detektert lysintesiteter som skal bli kombinert ved energikombinereren. På denne måten blir en total filtreringsfunksjon som er ubegrenset av fraværet av negativitet tilveiebrakt.

All-passfiltrene, slik som det beskrevet ovenfor, er viktig i praksis siden de kan bli anvendt for å utjevne en gitt fase eller en gruppeforsinkelse. Fig. 19 viser en kurve over de teoretiske frekvensreaksjonene til det fullstendige kaskadekoplede filtersystemet på fig. 15 og 16, så vel som for filterseksjonene til det systemet når tidsforsinkelsen øker med hensyn til normalisert størrelse. Størrelsesreak-sjonen til all-polfilterseksjonen 100 er nærmere vist ved henvisningstallet 130, mens det til all-nullfilterseksjonen 102 er vist ved henvisningstallet 132. Størrelsesreaksjonen til det fullstendige kaskadekoplede systemet er vist ved henvisningstallet 134.

Fig. 20 viser en ytterligere fremstilling av fasereaksjonene til det kaskadekoplede systemet og dets filterseksjoner. Reaksjonen til all-polfilterseksjonene 100 er nærmere bestemt vist ved henvisningstallet 136, mens reaksjonen til all-nullfilterseksjonen 102 er vist ved henvisningstallet 138. Reaksjonen til det totale, kaskadekoplede systemet er vist ved henvisningstallet 140.

Den kaskadekoplede filteranordningen beskrevet her tilveiebringer en enestående og rett frem måte for anvendelse av fiberoptiske all-null- og all-polfilterseksjoner ved forskjellige kombinasjoner for å tilveiebringe allsidig filtreringsevne enten med eller uten negativitet. Filter-konstruksjonen kan være direkte utstrakt til høyre orden ved kun å tillegge flere trinn til gitterverket. Slike filtre av høyere orden gir større frihet for konstruktøren av mer kompliserte frekvensreaksjoner. Ved å inkorporere inn-line optiske forsterkere i disse fiberoptiske gitterverkfiltrene tilveiebringes dessuten en kompensering for utbredelsestap og koplingstap som derved tillater et svært stort antall trinn spesielt ved IIR-seksjonen.

Oppfinnelsen beskrevet her tilveiebringer således et fiberoptisk gitterverkfilter som kan brukes ved flere anvendelser som krever komplisert filtrering, siden det definerer en overgangsfunksjon som har nuller og poler som kan bli justert uavhengig av hverandre. Filtersystemet sørger dessuten for en mulighet for håndtrering av både positive og negative verdier i filteret og overvinner således vanskelighetene ved tidligere fiberoptiske filter-anordninger for å kunne virke ved anvendelse som involverer negative verdier og mer komplekse pol-nulldiagrammer.

Claims (10)

1. Fiberoptisk filter, karakterisert ved en rekursiv fiberoptisk filterseksjon (100), en ikke-rekursiv fiberoptisk filterseksjon (102) forbundet med den rekursive fiberoptiske filterseksjonen, hvor en av fiberseksjonene (100, 102) mottar inngangssignaler og tilveiebringer et første filtrert signal og det andre av filterseksjonene mottar det første filtrerte signalet og gir et filtrert utgangssignal.

2 . Filter ifølge krav 1, karakterisert ved at de rekursive (100) og ikke-rekursive (102) filterseksjonene er uavhengig justerbare for å tilveiebringe øket filterreak-s jon.

3 . Filter ifølge krav 1, karakterisert ved et detekteringssystem (104) for behandling av det filtrerte utgangssignalet slik at hovedsakelig enhver valgt frekvens kan passere gjennom det fiberoptiske filteret.

4. Filter ifølge krav 3, hvor nevnte andre fiberoptiske filtre tilveiebringer det filtrerte utgangssignalet som utgangssignaler på to fiberoptiske utgangsbølgeledere (Y 1 r Y2) og hvor detekteringssystemet er karakterisert ved en første fotosensor (120) forbundet med en av de to fiberoptiske utgangsbølgelederne for å tilveiebringe et signal som korresponderer med signalet på nevnte ene bølgeleder, en første attenuator (124) for justering av signalet fra første fotosensor (120), en andre fotosensor (130) forbundet med den andre av de to fiberoptiske bølgeledere for å tilveiebringe et signal som korresponderer med signalet på den andre av bølgelederne, en andre attenuator (134) for å justere signalet fra den andre fotosensoren (130), og en anordning (128, 138) for å kombinere justerte signaler fra den første (124) og den andre (134) attenuatoren for således å tilveiebringe et utgangssignal innenfor et område representativt for i det vesentlige enhver valgt signalfrekvens som er sluppet igjennom filteret.

5 . Filter ifølge krav 4, karakterisert ved en første fiberoptisk bølgeleder (49) som definerer en optisk bane for lysbølgene, en andre fiberoptisk bølgeleder (50) som definerer en annen optisk bane for lysbølgene, en tredje fiberoptisk bølgeleder (55) som definerer en optisk bane for lysbølgene, og en fjerde fiberoptisk bølgeleder (56) som definerer en annen optisk bane for lysbølgene, og at den rekursive fiberoptiske filterseksjonen har første og andre kopiere (51, 52) for sidestilling av første (49) og andre (50) bølgeledere hhv. ved første og andre koplingssted hhv. på første bølgeleder (49), at koplingslokaliseringen er orientert slik at de optiske signalene som utbreder seg innenfor den første bølgelederen påtreffer første koplingsstedet før det andre koplingsstedet, idet den andre kopleren (52) kopler lys fra den første bølgelederen (49) til den andre bølgelederen (50) ved det andre koplingsstedet, og at den første kopleren (51) kopler lys fra den andre bølgelede-ren (50) til den første bølgelederen (49) ved det første koplingsstedet for å tilveiebringe optisk tilbakekopling fra det andre koplingsstedet til det første koplingsstedet, og at den ikke-rekursive fiberoptiske filterseksjonen har en tredje kopler (57) for sidestilling av en tredje (55) og fjerde (56) fiberoptisk bølgeleder ved et valgt koplingssted på den tredje og fjerde bølgelederen for å kople lys mellom tredje og fjerde bølgeledere.

6 . Filter ifølge krav 5, karakterisert ved at den første, andre, tredje og fjerde fiberoptiske bølgeleder-en er optiske fibre av monomodustypen.

7 . Filter ifølge krav 6, karakterisert ved at kopleren (51, 52, 57) er anbrakt langs første (49) og tredje (55) bølgeleder med en størrelse valgt for å frembringe ønskede karakteristikker for en overføringsfunksjon.

8 . Filter ifølge krav 1, karakterisert ved at den rekursive filterseksjonen (100) danner et all-polfilter og at den ikke-rekursive filterseksjonen (102) danner et all-nullfilter.

9 . Filter ifølge krav 8, karakterisert ved at polene til all-polfilteret og nullene til all-nullfilteret er justert uavhengig.

10. Filter ifølge krav 8, karakterisert ved at det innbefatter et detekteringssystem (104) for behandling av det andre filtrerte utgangssignalet slik at hovedsakelig enhver valgt frekvens kan passere gjennom det fiberoptiske gitterverkfilteret.