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FASEROPTISCHES SPEKTROMETER MIT HOHER SPEKTRALAUFLÖSUNG - Dokument DE69634989T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69634989T2 08.06.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000882219
Titel FASEROPTISCHES SPEKTROMETER MIT HOHER SPEKTRALAUFLÖSUNG
Anmelder Bae Systems Integrated Defense Solutions, Inc., Austin, Tex., US
Erfinder NICHOLSON, E., James, Boyce, US
Vertreter Heumann, Benz, 64287 Darmstadt
DE-Aktenzeichen 69634989
Vertragsstaaten DE, FR, GB, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 09.05.1996
EP-Aktenzeichen 969279900
WO-Anmeldetag 09.05.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/US96/06712
WO-Veröffentlichungsnummer 0096036858
WO-Veröffentlichungsdatum 21.11.1996
EP-Offenlegungsdatum 09.12.1998
EP date of grant 27.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.06.2006
IPC-Hauptklasse G01J 3/28(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein System zur Identifizierung eines optischen Signals und insbesondere ein System zur Bestimmung der Wellenlänge eines optischen Signals.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Das Aufkommen des Lasers als potente Quelle kontrollierbarer optischer Energie macht die schnelle und genaue Bestimmung der Wellenlänge einer optischen Quelle für viele militärische und kommerzielle Anwendungen möglich. So erfordert beispielsweise bei manchen elektronischen Kriegsanwendungen das Stören eines feindlichen rückkehrendes Signals, welches auf ein Ziel gesandt wurde, die akkurate und rasche Identifikation des feindlichen hereinkommenden Signals, so dass ein Störsignal von gleiche Wellenlänge zurückgestreut werden kann, um das feindliche Waffenleitsystem zu verwirren. Bei manchen Kommunikationsanwendungen ist die schnelle und exakte Identifizierung besonderer optischer Wellenlängen wichtig für optische Hochdichte-Breitbandnetzwerke, welche die Wellenlänge oder Frequenz der ausgesandten Signale genau zu kontrollieren haben. Eine rasche Bestimmung der Wellenlänge wird auch bei Kommunikationsnetzwerken benötigt, bei denen eine Anzahl von Sätzen ferner Strahlungsquellen in Bezug auf einen zentralen Satz von optischen Referenzquellen synchronisiert werden. Andere Anwendungen, welche schnelle und akkurate Identifikation der Wellenlänge eines optischen Signals erfordern, umfassen Spektrallinien-Identifizierung von Laserausstößen und das Überwachen von stimulierten Emissionen aus einem Verfahren oder einem Material zum Zwecke der Qualitätskontrolle.

Traditionell wird die Bestimmung der Wellenlängenkomponente eines zufälligen optischen Signals mittels Nahbandfiltern durchgeführt. Die Auflösung spektraler Trennsysteme hängt jedoch von der Breite der Bandpassfilterregionen ab. So macht beispielsweise die Zunahme der Auflösung von spektraler Trennschärfe es erforderlich, dass die Bandpassregionen eines jeden Filters nahe sein sollen, was in einer Zunahme der Anzahl von Filtern resultiert, um das gleiche Wellenlängenspektrum analysieren zu können. Somit erfordert die traditionelle Technik eine große Anzahl von Nahbandfiltern, um jede mögliche Wellenlänge des hereinkommenden Signalsenders abzudecken.

U.S. Patent Nr. 5,225,894 (Nicholson et al.), erteilt am 6. Juli 1993, schlägt ein System zur Bestimmung von Wellenlängen vor, welches eine begrenzte Anzahl von Breitbandfiltern mit überlappenden Bandpassregionen benützt, um das interessierende Wellenlängenspektrum abzudecken, aber nicht mit der Auflösung einer großen Anzahl von Nahbandfiltern. Wie im Nicholson Patent angeführt, fangen eine Anordnung von Aperturen zufällige optische Pulse ein und transportieren sie entweder zu Breitbandfiltern oder direkt zu einem Photodetektor. Der Ausstöße aus den Filtern werden dann zu optischen Verzögerungsleitungen verbunden, ehe sie zu einem Photodetektor geleitet werden, während die Ausstöße von bestimmten Fasern (Fasern ohne Verzögerung) direkt mit einem anderen Photodetektor verbunden werden. Die Zeitdifferenz zwischen dem Zustand, wenn ein Signal über optische Verzögerungsleitungen aus den Filtern ankommt, und wenn ein Signal über optische Leitungen direkt aus den Aperturen ankommt, wird dann mathematisch in Wellenlängeninformation zurückverwandelt.

Es ist wünschenswert den Einsatz von Breitbandfiltern zu eliminieren, um Größe, Gewicht und Kosten des optischen Spektrometers zu minimieren. Weiterhin kann der Durchtritt eines optischen Signals durch die Filter, ehe es zum Photodetektor geht, bewirken, dass das Signal unterschiedlicher abgeschwächt wird als das Signal, das direkt zum Photodetektor transportiert wird, da die Filter nicht aus dem gleichen Material hergestellt sind wie die Fasern, welche das optische Signal leiten. Dadurch muss eine gewisse Kompensation bei der Kontrollelektronik gemacht werden, um den unterschiedlichen dynamischen Bereich des verzögerten Signals und des verzögerungsfreien Signals handhaben zu können. Somit ist es wünschenswert, einzelne Filter zu eliminieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung trennt akkurat die Wellenlänge von einem optischen Signal ohne irgendwelche einzelnen Breitbandfilter zu verwenden. Anstelle von Filtern wird eine Vielzahl von Verzögerungsfasern mit eindeutiger Länge und eindeutigen spektralen Übertragungscharakteristika eingesetzt.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Fasersplitter mit M Eingängen und einem Ausgang verwendet. Jeder der individuellen Eingänge lässt man kegelförmig verlaufen, um die spektralen Übertragungscharakteristika zu kontrollieren. Assoziiert mit jedem der M Eingänge ist eine eindeutige Länge der Faser. Weil die Auflösung ebenso wie der interessierende Wellenlängenbereich sich auf die Faserzusammensetzung und Verzögerungslänge beziehen, kann die Verzögerungsfaser mit einer eindeutigen Länge auch die Funktionen eines Filters ausüben. Das gemessene Signal ist eindeutig und bezieht sich direkt auf die Wellenlänge der Quelle.

Die verzögerte Version und die nicht verzögerungsfreie Version des optischen Signals werden dann kombiniert und analysiert. In diesem Prozess werden die, die Fasern erregenden Photonen zu den Start- und Stop-Photodetektoren geleitet. Der Wellenlängenwert bezieht sich direkt auf die resultierende Zeitdifferenz oder Dauer der Erregung zwischen den beiden Photodetektoren. Bei dieser Ausführungsform beeinflusst die zusammengesetzte Form des Pulses, der vom Detektor in einem RLC-Kreis empfangen wird, die Zeitdifferenz. Die gemessene Zeitdifferenz ist der gewichtete Mittelwert der Transmission bei jeder Zeitverzögerung. Eine Zeitinterpolation wird durch Auswahl der Kombination von Faserübertragungscharakteristika und Faserlänge durchgeführt. Schließlich wird die Zeitverzögerung und die für die Übertragung charakteristische Kurve für jede Verzögerungsfaser zur Bestimmung der Wellenlänge verwendet.

Zusätzlich zur Verwendung eines Fasersplitters zur Bestimmung der Wellenlänge kann das optische Signal auch durch Einsatz einer Vielzahl von unterschiedlichen Verzögerungsfasern aufgetrennt werden, wobei jede der Fasern eindeutige spektrale Übertragungscharakteristika und eindeutige Länge aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist ein Ende jeder Faser mit einer Apertur verbunden, während das andere Ende der Faser am Photodetektor endet.

Die vorliegende Erfindung minimiert Unterschiede von potentiellen optischen dynamischen Bereichen, da die direkten und verzögerten Signale durch Fasern der gleichen Zusammensetzung geleitet werden. Da beide Kanäle durch das gleiche Material hindurchgehen, wird die Stärke der Signale, die durch beide Kanäle hindurchgehen, um den gleichen Betrag geschwächt. Dadurch ist keine Kompensation in der Kontrollelektronik notwendig.

Wie beschrieben, sind die Breitbandfilter vollständig aus dem Spektrometer eliminiert worden, während die Fähigkeit, die Wellenlänge eines Signals zu trennen, erhalten geblieben ist, ohne genau den besonderen Wellenlängenbereich des optischen Signals zu kennen, mit den Zweck, Fasern zu erhalten, deren Transmissionscharakteristika zu den korrekten Bandpassbereichen passen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann man erhalten, wenn man die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen betrachtet, in denen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

2 eine schematische Darstellung des Detektors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

3 eine schematische Darstellung der Zeitgebers der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und

5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Es soll sich nun den Abbildungen zugewendet werden. 1 ist eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 werden einfallende optische Pulse mittels einer Vielzahl von Breitbandaperturen (10) eingefangen. Einmal durch solche Aperturen (10) eingefangen, wird das optische Signal einem Faserpaar übergeben: eine Faser ohne Verzögerung (20) und eine Faser mit Verzögerung (22). In dieser Ausführungsform, ist die Zusammensetzung der Fasern identisch für das Faserpaar (20) und (22). Die Verzögerungsfaser ist eine lange Faser, die eine Verzögerung der Ausbreitung bewirkt, weil das optische Signal einen längeren Weg zurücklegen muss. Die restlichen Aperturen sind ähnlich konstruiert. Jedoch wird für jedes Faserpaar in der Vielzahl von Aperturen eine unterschiedliche Zusammensetzung verwendet, um eine unterschiedliche spektrale Antwort zu erzeugen. Weiterhin unterscheidet sich die Länge jeder Verzögerungsfaser von der Länge irgendeiner anderen Verzögerungsfaser, während die Länge der verzögerungsfreien Fasern identisch ist. Wie in 1 gezeigt, sind Faserpaare, die Fasern (20) und (22) umfassen, aus der der selben Zusammensetzung aufgebaut, während Faserpaare mit Fasern (30) und (32) aus einer anderen Zusammensetzung aufgebaut sind. Ferner sind Fasern (20) und (30) von gleicher Länge, während Fasern (22) und (32) eindeutige, von anderen Fasern unterschiedliche Längen haben. Auf diese Weise wird die Wellenlänge in einer Zeitverzögerung abgebildet, was eine weitere Auflösung der Wellenlänge über den Filterbereich der Fasern hinaus möglich macht. Das optische Signal, das von der Verzögerungsfaser und der Faser ohne Verzögerung weggeht, wird dann durch den Zeitnehmer (100) registriert, um die Zeitdifferenz zwischen den verzögerungsfreien und den verzögerten Signalen zu messen. Die Ausgabe des Zeitnehmers (100) wird zu einem Interpolator (85) gesandt, welcher die Zeitinterpolation durch Auswahl der Kombination der Übertragungscharakeristika der Verzögerungsfasern und der Länge der Verzögerungsfasern berechnet. Somit kann der Interpolator (85) die Wellenlänge mit einem hohen Maß an Auflösung bestimmen.

Bezieht man sich nunmehr auf 2 im Hinblick auf 1 so ist der Zeitnehmer (100) detaillierter dargestellt. In 2 empfängt ein Detektor (110) optische Pulse von den Fasern (20), (26), (30) und (36). Die verzögerungsfreien Fasern (20) und (30) werden zusammengeführt, und die Endpunkte der Fasern (20) und (30) werden auf einen ersten Photodetektor (60) gerichtet, der als Startphotodetektor bezeichnet wird. In ähnlicher Weise werden die Verzögerungsfasern (22) und (32) zusammengeführt, und die Endpunkte der Fasern (22) und (32) werden auf einen zweiten Photodetektor (65) gelenkt, der als Stoppphotodetektor bezeichnet wird. Um die mathematische Rückumwandlung der Zeit in Wellenlänge zu ermöglichen, wird das optische Signal, das durch den Startphotodetektor (60) und den Stoppphotodetektor (65) empfangen wird, in ein elektrisches Signal umgewandelt und in ein parallelen Widerstand, induktiven Widerstand und Kapazität aufweisenden (RLC) Schaltkreis (70) von 3 eingespeist. Der Taktschaltkreis startet den Zeitumwandlungsprozess immer dann, wenn die Photonen aus dem optischen Puls, der von den verzögerungsfreien Fasern weggeht, auf den Photodetektor (60) treffen. Der Photodetektor (60) wird durch die Photonen angeregt und erzeugt einen fortlaufenden Impulse, der im wesentlichen in den RLC-Kreislauf (70) der 3 entweicht.

3 zeigt den Taktschaltkreislauf in detaillierter Form. Der Spannungsanstieg im RLC-Schaltkreis hängt von der Anzahl der Photonen, die auf den RLC-Schaltkreis (70) treffen, ab. Die Stromabgabe hängt dabei von der Frequenz der Pulse und der Stärke der Pulse ab, die auf den Photodetektor (60) auftreffen. Der Ladungsanstieg im RLC-Schaltkreis (70) bewirkt, dass er zyklisch einschwingt mit einer sinusförmigen Spannung, welche rasch in einer Art und Weise abklingt, die ähnlich der eines aperiodisch gedämpften Oszillators ist. Da die Ladung ansteigt entsprechend der Photonen, die auf den Photodetektor treffen, besitzt die Periode des Oszillators eine eindeutige Gestalt oder Einschwingung und steht in Bezug zur Zusammensetzung und Stärke der eingefangenen Lichtpulse. Das sinusförmige Signal des parallelen RLC-Schaltkreises (70) wird dann zu einem Nulldurchgangsdetektor (75) geführt, der ein Signal produziert, welches den Zähler (80) veranlasst, mit dem Zählen zu beginnen.

Wenn das optische Signal aus den Verzögerungsfasern den Stoppphotodetektor erreicht, wird ein anderer fortlaufender Impuls erzeugt, der den RLC-Schaltkreis (70) veranlasst, eine zweite sinusförmige Spannung zu erzeugen. Das sinusförmige Signal des parallelen RLC-Schaltkreises (70) wird wieder in den Nulldurchgangsdetektor (75) eingespeist, welcher Signale produziert, die den Zähler (80) veranlassen, anzuhalten. Der Zeitunterschied, der durch den Zähler (80) gemessen wird, zwischen dem Zeitpunkt, wenn ein optisches Signal durch den Startphotodetektor (60) und dem Zeitpunkt, wenn das optische Signal durch den Stoppphotodetektor (65) detektiert wird, ist die Zeitmessung, die in Wellenlängenwerte umgewandelt wird.

Ein Interpolationsschema kann nunmehr vom Interpolator (85) der 1 dazu benutzt werden, um die mittels des Zählers (80) gemessene Zeitdauer in Wellenlängenwerte umzuwandeln. Das Interpolationsschema zur Wellenlängenbestimmung macht von der Zeitverzögerung Gebrauch, um die Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs, der durch die verschiedenen Fasern erhalten wird, feiner zu bestimmen. Zusätzlich führt der Mikroprozessor gesteuerte Interpolator (85) auch Wellenlängenberechnungen durch, basierend auf den Charakteristika der Transmissionskurven der Zusammensetzungen, die in jedem Faserpaar verwendet werden.

Für einen zusammengesetzten Puls oder einem Puls, der aus einem breiten Wellenlängenspektrum besteht, führt der Interpolator (85) einen mittleren Durchschnitt der Zeitverzögerung von durch die verschiedenen Fasern laufenden Lichtpulsen aus, um eine durchschnittliche Zeitverzögerung zu bestimmen. Aufgrund der Überlappung der Transmission durch Fasern unterschiedlicher Zusammensetzungen, kann Licht eines gegebenen Wellenlängenbereichs durch mehr als eine Faser geleitet werden. Die Transmission ist – abhängig vom spezifischen Transmissionskoeffizienten der Fasern – unterschiedlich für jede Faserzusammensetzung. Der Interpolator (85) berechnet den mittleren Durchschnitt der Zeitverzögerung für einen zusammengesetzten Puls, wobei die folgende Formel zur Anwendung kommt:

hierbei bedeuten:

tDurchschnitt = mittlerer Durchschnitt der Zeitverzögerung

ti = Zeitverzögerung bei einer bestimmten inkrementellen Wellenlänge für eine Faser mit Verzögerung innerhalb der Vielzahl von Fasern mit Verzögerung, die mit einer entsprechenden Apertur in einer Vielzahl von Aperturen verbunden sind, und

Ti = prozentuale Übertragung für die entsprechende Faser bei einer bestimmten inkrementellen Wellenlänge.

Wie hinreichend bekannt, besteht eine optische Faser im allgemeinen aus einem Kernbereich, in dem ausgesandtes Licht in einer umgebenden Schicht aus Hüllmaterial konzentriert wird. Um eine optimale Lichttransmission von einer Faser zur anderen zu erhalten, sind die Kernbereiche der beiden Fasern mit den Enden präzise aufeinander ausgerichtet. Ist die Ausrichtung jedoch nicht vorhanden ist eine optimale Übertragungsumgebung nicht gegeben. Anstelle von faseroptischen Leitungen mit unterschiedlichen Responsecharakteristiken kann auch ein Fasersplitter eingesetzt werden. Fasersplitter können auf konisch geschmolzenen Fasern, geätzten Fasern oder auf anderen Fasertechnologien basieren. In einem konisch geschmolzenen Fasersplitter werden die Fasern in der Weise gezogen, dass sie einen kleineren Querschnittsbereich bilden. Die kleineren Querschnittsportionen werden miteinander verbunden, so dass ein Lichtpuls, der sich entlang der Ausgangsfaser ausbreitet, gleichmäßig in Lichtpulse aufgetrennt wird, die in jeder Faser sich fortbewegen. Alternativ kann der konisch geschmolzene Splitter so gestaltet sein, dass er einen Teil des Strahls abzweigt, wobei die gleiche Lichtaufteilung erreicht wird.

Die Lichtaufteilungscharakteristik eines Fasersplitters ist besonders effizient, wenn die Vielzahl von Fasern geschmolzen und dabei gezogen werden, um den Faserdurchmesser zu verringern und einen Multifaserkonus zu bilden. Bei dieser Methode werden die geschmolzenen Fasern an einer Stelle entlang des Konus angeritzt und gebrochen, welche den gewünschten Durchmesser besitzt. Der resultierende Multifaserkonus wird zwischen den Aperturen (10) und dem Detektor (110) in der Weise eingesetzt, dass er ein Maximum an optischer Verbindung liefert.

Die konische Form der Fasern erhöht die Ausbeute an Licht im Kernbereich, das in der Umhüllung eingefangen wurde. Dies ist auf den zunehmenden Durchmesser des Kerns zurückzuführen, da die Entfernung von der elektrooptischen Anordnung zunimmt. Diese Verstärkung der optischen Energie in den Faserhülsen resultiert in einer substantiellen Verringerung des Kupplungsverlustes von der elektrooptischen Anordnung zur Vielzahl der optischen Fasern. Die konische Form der Faserhülsen resultiert in einem Verstärkungseffekt, da im wesentlichen jeglicher Lichteinfall auf die Multifaserbündel letztendlich zu den Bereich der Faserhülsen geleitet wird. Dies ist besonders bei der Verwendung in Verbindung mit abgestuften Indexfasern wirksam, obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und von besonderem Wert sein würde, wenn sie in Verbindung mit stufenweisen Indexfasern eingesetzt würde. Ein weiterer Vorteil, der durch diese Anordnung erzielt wird, ist die Eliminierung von Kupplungsverlusten, die mit dem gesondeten Spleiß verbunden sind, der in herkömmlichen Vorrichtungen erforderlich ist. Weiterhin ist der Abgleich der optischen Energie, die sich in den verschiedenen Fasern ausbreitet, besser als in anderen Vorrichtungen.

Gemäß des Vorangegangenen verwendet eine zweite Ausführungsform eine Vielzahl von Fasersplittern, die mit den Aperturen verbunden sind. Wie in 4 gezeigt, besitzt Fasersplitter (40) ein Licht einfangendes Eingangsendstück (12), einen verzögerungsfreien Abschnitt (42) und ein Verzögerungssegment (44). In ähnlicher Weise besitzt Fasersplitter (50) ein Licht einfangendes Eingangsendstück (13), ein verzögerungsfreies Segment (52) und einen Verzögerungsabschnitt (54). Der Verzögerungsabschnitt (54) besitzt eine Länge, die unterschiedlich von der des Verzögerungssegmentes (44) sowie der Länge der verzögerungsfreien Abschnitte (42) und (52) ist. Obwohl nicht gezeigt, ist es offensichtlich, dass jedes Eingangsendstück des Splitters ein Kernsegment und eine Hülle besitzt. Weiterhin sind die Fasern mit ihren zueinander benachbarten Hüllen miteinander verbunden und besitzen einen konischen Bereich, so dass der Kerndurchmesser im konischen Bereich geringer ist als der Kerndurchmesser im nicht-konischen Bereich, und der konische Bereich eine im allgemeinen ebene Stirnfläche aufweist, wobei die Fasern in der Weise ausgerichtet sind, dass das Licht, welches durch die Apertur (12) eingefangen wird, direkt zu den Segmenten (42) und (44) geschickt wird, wo es innerhalb der Kernstücke auf den Detektor (110) übertragen wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Faserzusammensetzung für jeden Kanal die gleiche und umfasst eine entsprechende Faser mit und ohne Verzögerung. Ferner sind die Längen der Verzögerungsfasern unterschiedlich zueinander, während die Längen aller verzögerungsfreien Fasern identisch sind. Zusätzlich besitzt jeder Kanal eine eindeutige spektrale Übertragungscharakteristik, um eine unterschiedliche spektrale Antwort für jedes Paar von Fasern mit und ohne Verzögerung zu erzeugen.

Bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt das Spektrometer eine erste und eine zweite Apertur zum Einfangen des Wellenlängenspektrums eines optischen Signals. Dabei werden lediglich zwei Sätze von Splittern (140) und (150) benötigt.

Bei der dritten Ausführungsform werden ein Verzögerungsfasersplitter (150), der einen Verzögerungsausgang (152) besitzt, und ein Satz von Verzögerungssplittenden (130, 132, 134) mit der ersten Apertur (16) verbunden. Bei dieser Ausführungsform besitzt jedes Verzögerungssplittende eine eindeutige Transmissionscharakteristik und eine eindeutige Länge.

Zusätzlich ist ein verzögerungsfreier Fasersplitter (140) vorhanden, welcher einen verzögerungsfreien Ausgang (142) und einen Satz verzögerungsfreier Splittenden (120, 122, 124) besitzt, die jede den Verzögerungssplittenden (130, 132, 134) entsprechen. Bei dieser Ausführungsform ist jedes der verzögerungsfreien Splittenden (120, 124, 126) mit der zweiten Apertur (14) mit identischer Länge und identischen Transmissionscharakteristika verbunden, wie seine entsprechenden Verzögerungssplittenden (130, 132, 134). Die Ausgänge (142) und (152) besitzen überdies die selben spektralen Charakteristika.

Jedes der Splittenden besitzt, obwohl nicht gezeigt, ein Kernsegment und eine Hüllschicht. Die Fasersplittenden sind mit ihren zueinander benachbarten Hüllen miteinander verbunden und besitzen einen konischen Bereich, so dass der Kerndurchmesser im konischen Bereich geringer ist als der Kerndurchmesser im nicht-konischen Bereich. Der konische Bereich besitzt eine im allgemeinen plane Stirnfläche, und die Fasern sind so ausgerichtet, dass das Licht aus der Apertur direkt zu den Fasersplittenden geleitet wird, wo es auf die Kernteile auftrifft, um entlang der im allgemeinen ebenen Stirnflächen zum Splitterausgang übertragen zu werden.

Auch wenn das konische Formen der Fasern in einem Splitter besonders effektiv ist, kann die vorliegende Erfindung mit herkömmlichen Spleißtechniken verwendet werden, so wie das Abkratzen der Hülle von den Rändern der Fasern, die zueinander benachbart sind.

Der Kern ist dann teilweise abgelöst, so dass jede Faser einen Teil des gesamten Kernbereichs beisteuert. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung mittels auch noch anderer Spleißtechniken verwendet werden, welche die Hülle von den Endbereichen der zu spleißenden Faser entfernen. Diese Methode liefert einen hohen Anteil von Kernbereich zu gesamtem Querschnitt im Faserbündel und ermöglicht es, dass ein größerer Teil des auf das Faserbündel einfallenden Lichts in die das Licht übertragende Kernbereiche eintritt. Der Einsatz individueller miteinander verbundener Fasern oder eines Fasersplitters mit einer Vielzahl von Enden ist somit äquivalent und kann austauschbar verwendet werden.

Die oben aufgeführte Offenbarung und Beschreibung der Erfindung ist veranschaulichend und erläuternd, und manche Änderungen in Bezug auf Größe, Form, Materialien, Komponenten, Schaltkreiselemente, Schaltpläne und Kontakte, ebenso wie in Bezug auf Einzelheiten der dargestellten Schaltkreise, des Aufbaus und des Arbeitsablaufs können vorgenommen werden, ohne sich von der in den Ansprüchen definierten Erfindung zu entfernen.


Anspruch[de]
  1. Apparat zur Bestimmung der Wellenlänge eines optischen Signals, welches mittels einer Anordnung von Aperturen (10) empfangen wird, wobei der Apparat umfasst:

    (a) eine Vielzahl von Paaren von Fasern, wobei jedes Faserpaar mit einer entsprechenden Apertur aus einer Anordnung von Aperturen (10) verbunden ist, und jedes Paar einen Kanal bildet sowie eine Verzögerungsfaser (22, 32) mit einer eindeutigen Länge und eine verzögerungsfreie Faser (20, 30) aufweist,

    (b) einen Zeitnehmer (100), der mit einer Vielzahl von Kanälen verbunden ist, um die Zeitdauer zu messen zwischen dem Zeitpunkt, bei dem das optische Signal aus der verzögerungsfreien Faser austritt und dem Zeitpunkt, bei dem das optische Signal die Verzögerungsfaser verlässt, und

    (c) einen Interpolator (85), der mit dem Ausgang des Zeitnehmers verbunden ist, um die Zeitdauer in einen Wellenlängenwert umzuwandeln,

    dadurch gekennzeichnet, dass jedes Faserpaar eine eindeutige spektrale Übertragungscharakteristik aufweist, um eine unterschiedliche spektrale Antwort für jedes Faserpaar zu erzeugen.
  2. Apparat gemäß Anspruch 1, wobei jeder Faser mit Verzögerung eine inkrementell zunehmende Länge aufweist.
  3. Apparat gemäß Anspruch 1, wobei die Länge jeder Faser ohne Verzögerung gleich ist.
  4. Apparat gemäß Anspruch 1, wobei die Faser ohne Verzögerung eine unterschiedliche Länge besitzt als irgend eine der Verzögerungsfasern.
  5. Der Apparat nach Anspruch 1, wobei der Zeitnehmer weiterhin umfasst:

    (a) einen Detektor (110), um eine ersten elektrischen Impuls zu produzieren, wenn das optische Signal aus der Faser ohne Verzögerung austritt, und einen zweiten elektrischen Impuls, wenn das optische Signal aus der Verzögerungsfaser austritt; und

    (b) eine Uhr (112), welche mit dem Detektor verbunden ist, um die Zeitdauer zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Impuls zu messen.
  6. Apparat gemäß Anspruch 5, wobei der Detektor ferner umfasst:

    (a) einen ersten Fotodetektor (60), um das optische Signal aus der Faser ohne Verzögerung zu empfangen und den ersten elektrischen Impuls zu erzeugen; und

    (b) einen zweiten Fotodetektor (65), um das optische Signal aus der Verzögerungsfaser zu empfangen und den zweiten elektrischen Impuls zu generieren.
  7. Apparat nach Anspruch 5, wobei die Uhr ferner umfasst:

    (a) einen Oszillator (70), welcher operativ in der Lage ist, ein abklingendes oszillierendes Signal bei Empfang eines jeden elektrischen Impulses zu erzeugen;

    (b) einen Nulldurchgangs-Detektor (75), der mit dem Oszillator gekoppelt ist, und

    (c) einen Zähler (80), der mit dem Nulldurchgangs-Detektor verbunden ist.
  8. Apparat nach Anspruch 7, wobei der Oszillator einen parallelen RLC-Kreis umfasst.
  9. Apparat nach Anspruch 7, wobei der Nulldurchgangs-Detektor einen Pulsgenerator umfasst, der durch das abklingende oszillierende Signal aktiviert wird.
  10. Apparat nach Anspruch 7, wobei der Zähler zu zählen beginnt bei Empfang eines ersten Ausgangssignals aus dem Nulldurchgangs-Detektor und mit dem Zählen aufhört bei Empfang eines zweiten Ausgangssignals aus dem Nulldurchgangs-Detektor.
  11. Apparat gemäß Anspruch 1, wobei der Interpolator einen Prozessor umfasst, der die Zeitdifferenz in einen Wellenlängenwert umwandelt.
  12. Apparat nach Anspruch 11, wobei der Prozessor die Zeitdifferenz in den Wellenlängenwert umwandelt gemäß der Formel:
    hierbei bedeuten:

    tDurchschnitt = mittlerer Durchschnitt der Zeitverzögerung

    ti = Zeitverzögerung bei einer bestimmten inkrementellen Wellenlänge für eine Faser mit Verzögerung innerhalb der Vielzahl von Fasern mit Verzögerung, die mit einer entsprechenden Apertur in einer Vielzahl von Aperturen verbunden sind, und

    Ti = prozentuale Übertragung für die entsprechende Faser bei einer bestimmten inkrementellen Wellenlänge.
  13. Apparat zur Bestimmung der Wellenlänge eines optischen Signals, das durch eine Anordnung von Aperturen empfangen wird, wobei der Apparat umfasst:

    (a) eine Vielzahl von Fasersplittern (40, 50), wobei jeder Splitter ein Eingangsende (12, 13), das mit einer entsprechenden Apertur aus einer Anordnung von Aperturen verbunden ist, besitzt, sowie ein Ausgangs-Faserpaar mit einer Verzögerungsfaser (44, 54) und einer eindeutigen Länge, und eine Faser ohne Verzögerung (42, 52) aufweist, wobei jedes Ausgangs-Faserpaar eine eindeutige spektrale Übertragungscharakteristik aufweist, um eine unterschiedliche spektrale Antwort für jedes Ausgangs-Faserpaar zu erzeugen;

    (b) einen Zeitnehmer (100), der mit den Splittern (40, 50) verbunden ist, um die Zeitdauer zu messen von dem Zeitpunkt, bei dem das optische Signal aus der Faser ohne Verzögerung austritt und dem Zeitpunkt, bei dem das optische Signal aus der Verzögerungsfaser austritt, und

    (c) einen Interpolator (85), der mit dem Ausgang des Zeitnehmers verbunden ist, um die Zeitdauer in einen Wellenlängenwert umzuwandeln.
  14. Apparat gemäß Anspruch 13, wobei der Splitter eine kegelförmige Region aufweist.
  15. Apparat zur Bestimmung des Wellenlängenspektrums eines optischen Signals, welches durch eine erste Apertur (16) und eine zweite Apertur (14) eingefangen wird, wobei der Apparat umfasst:

    (a) ein Faser-Splitter mit Verzögerung (150), der einen Verzögerungs-Ausgang (152) sowie einen Satz von Verzögerungs-Splittenden (130, 132, 134) aufweist, die mit einer ersten Apertur (16) verbunden sind, wobei jedes Verzögerungs-Splittende eine eindeutige spektrale Übertragungscharakteristik und eine eindeutige Länge besitzt;

    (b) ein Faser-Splitter ohne Verzögerung (140), der einen Ausgang ohne Verzögerung (142) sowie einen Satz von Splittenden ohne Verzögerung (120, 122, 124) entsprechend den Verzögerungs-Splittenden aufweist, wobei jedes Splittende mit einer zweiten Apertur (14) verbunden ist und die selbe Länge und spektrale Übertragungscharakteristik besitzt wie jedes entsprechende Verzögerungs-Splittende, um eine unterschiedliche spektrale Antwort für jedes Paar entsprechender Verzögerungs-Splittenden und Splittenden ohne Verzögerung zu erzeugen;

    (c) einen Zeitnehmer (100), der mit den Ausgängen des Splitters ohne Verzögerung und des Verzögerungssplitters verbunden ist, um die Zeitdauer zu messen zwischen dem Zeitpunkt, bei dem das optische Signal aus der Faser ohne Verzögerung austritt und dem Zeitpunkt, bei dem das optische Signal aus der Verzögerungsfaser austritt; und

    (d) einen Interpolator (85), der mit dem Ausgang des Zeitnehmer verbunden ist und die Zeitdauer in einen Wellenlängenwert umwandelt.
  16. Apparat nach Anspruch 15, wobei jedes Verzögerungs-Splittende eine inkrementell zunehmende Länge besitzt.
  17. Apparat nach Anspruch 15, wobei jeder Faser-Splitter eine kegelförmige Region aufweist.
  18. Verfahren zur Bestimmung der Wellenlänge eines optischen Signals, das durch eine Anordnung von Aperturen eingefangen wird, umfassend die Schritte:

    (a) Übergeben des optischen Signals an eine Vielzahl von Faserpaaren, wobei jedes Paar eine eindeutige spektrale Übertragungscharakteristik besitzt, um eine unterschiedliche spektrale Antwort für jedes Faserpaar zu erzeugen, sowie ferner eine Verzögerungsfaser und eine Faser ohne Verzögerung aufweist, wobei die Verzögerungsfaser eine eindeutige Länge hat;

    (b) Messen der Dauer vom Zeitpunkt, bei dem das optische Signal aus der Faser ohne Verzögerung austritt und vom Zeitpunkt, bei dem das optische Signal aus der Verzögerungsfaser austritt; und

    (c) Umwandeln der Zeitdauer in einen Wellenlängenwert.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Übergabeschritt (a) ferner den Schritt umfasst, dem durch die Verzögerungsfaser gesandten Signal eine Zeitverzögerung aufzuerlegen, wobei die Verzögerung von der Wellenlänge des optischen Signals abhängig ist.
  20. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Messschritt (b) ferner die Schritte umfasst:

    (i) Erzeugen eines ersten elektrischen Impulses, um einen Zähler in Gang zu setzten;

    (ii) Erzeugen eines zweiten elektrischen Impulses, um den Zähler anzuhalten, und

    (iii) Berechnen der Zeitdauer zwischen dem ersten elektrischen Impuls und dem zweiten elektrischen Impuls.
  21. Verfahren nach Anspruch 18, wobei für den Umwandelschritt (c) die Formel
    angewendet wird; hierbei bedeuten:

    tDurchschnitt = mittlerer Durchschnitt der Zeitverzögerung

    ti = Zeitverzögerung bei einer bestimmten inkrementellen Wellenlänge für eine Faser mit Verzögerung innerhalb der Vielzahl von Fasern mit Verzögerung, die mit einer entsprechenden Apertur in einer Vielzahl von Aperturen verbunden sind, und

    Ti = prozentuale Übertragung für die entsprechende Faser bei einer bestimmten inkrementellen Wellenlänge.
  22. Verfahren zur Bestimmung der Wellenlänge eines optischen Signals, das durch eine Anordnung von Aperturen eingefangen wird, umfassend die Schritte:

    (a) Beschaffen einer Vielzahl von Fasersplittern, wobei jeder Splitter mit einem entsprechendem der Aperturen verbunden ist,

    (b) Aufspalten des optischen Signals in jedem Fasersplitter in ein erstes und ein zweites Signal durch Übergeben des Signals an ein Ausgangs-Faserpaar mit einer Verzögerungsfaser und einer eindeutigen Länge und einer Faser ohne Verzögerung, wobei jedes Faserpaar eine eindeutige spektrale Übertragungscharakteristik besitzt, um eine unterschiedliche spektrale Antwort für jedes Faserpaar zu erzeugen;

    (c) Verzögern der ersten Signale in dem sie die betreffende Verzögerungsfaser durchlaufen;

    (d) Messen der Dauer zwischen dem Austritt der zweiten Signale und den ersten Signalen aus dem betreffenden Ausgangs-Faserpaar; und

    (e) Umwandeln der Zeitdauer in Wellenlängenwerte.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Messschritt (d) ferner die Schritte umfasst:

    (i) Erzeugen eines ersten elektrischen Impulses, um einen Zähler in Gang zu setzen;

    (ii) Erzeugen eines zweiten elektrischen Impulses, um den Zähler anzuhalten; und

    (iii) Berechnen der Zeitdauer zwischen dem ersten elektrischen Impuls und dem zweiten elektrischen Impuls.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, wobei für den Umwandelschritt (e) die Formel
    angewendet wird; hierbei bedeuten:

    tDurchschnitt = mittlerer Durchschnitt der Zeitverzögerung

    ti = Zeitverzögerung bei einer bestimmten inkrementellen Wellenlänge für eine Faser mit Verzögerung innerhalb der Vielzahl von Fasern mit Verzögerung, die mit einer entsprechenden Apertur in einer Vielzahl von Aperturen verbunden sind, und

    Ti = prozentuale Übertragung für die entsprechende Faser bei einer bestimmten inkrementellen Wellenlänge.
  25. Verfahren zur Bestimmung der Wellenlänge eines optischen Signals, das durch eine Verzögerungsapertur und eine Apertur ohne Verzögerung eingefangen wird, umfassend die Schritte:

    (a) Übergeben des durch die Verzögerungsapertur eingefangenen optischen Signals an die Splittenden eines Verzögerungs-Fasersplitters und des durch die Apertur ohne Verzögerung eingefangenen optischen Signals an die entsprechenden Splittenden eines Fasersplitters ohne Verzögerung, wobei jedes Splittende des Verzögerungssplitters eine eindeutige spektrale Übertragungscharakteristik und eine eindeutige Länge besitzt, und jedes entsprechende Splittende des Splitters ohne Verzögerung die gleiche spektrale Übertragungscharakteristik wie das entsprechende Verzögerungs-Splittende aufweist, um eine unterschiedliche spektrale Antwort für jedes Paar entsprechender Splittenden mit und ohne Verzögerung zu erzeugen;

    (b) Messen der Dauer vom Zeitpunkt, bei dem das optische Signal aus dem Ausgang des Fasersplitters ohne Verzögerung austritt, bis zum Zeitpunkt, bei dem das optische Signal aus dem Ausgang des Fasersplitters mit Verzögerung austritt; und

    (c) Umwandeln der Zeitdauer in einen Wellenlängenwert.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Messschritt (b) ferner die Schritte umfasst:

    (i) Erzeugen eines ersten elektrischen Impulses, um einen Zähler in Gang zu setzen;

    (ii) Erzeugen eines zweiten elektrischen Impulses, um den Zähler anzuhalten; und

    (iii) Berechnen der Zeitdauer zwischen dem ersten elektrischen Impuls und dem zweiten elektrischen Impuls.
  27. Verfahren nach Anspruch 25, wobei für den Umwandelschritt (c) die Formel
    angewendet wird; hierbei bedeuten:

    tDurchschnitt = mittlerer Durchschnitt der Zeitverzögerung

    ti = Zeitverzögerung bei einer bestimmten inkrementellen Wellenlänge für eine Faser mit Verzögerung innerhalb der Vielzahl von Fasern mit Verzögerung, die mit einer entsprechenden Apertur in einer Vielzahl von Aperturen verbunden sind, und

    Ti = prozentuale Übertragung für die entsprechende Faser bei einer bestimmten inkrementellen Wellenlänge.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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