专利名称：多光纤数字延迟线的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于光纤的数字延迟线。尤其，涉及一种多光纤数字延迟线，并入粘贴到单个物理平面上的基底的嵌套光纤中。
目前的宽带通信网络正被用于传输日益大容量的话音、数据和多媒体信息。为了满足这些日益大容量的要求，利用光学通信系统技术实现这样的网络。目前高容量光学通信系统中突出的是利用波分复用(WDM)或密集波分复用(DWDM)光学通信方案，它们能够在单个光纤中放置许多不同中心波长的光学信道。WDM和DWDM网络要求复杂的光学开关性能，以在许多业务传输光纤中有选择地路由这些多个信道。为了对将要被路由的各个信道进行适当的缓冲及排序，例如，这些开关通常采用光学延迟线。
光学延迟线可以利用各种光学技术构成(见，例如，Kenneth P.Jackson等人，“光纤延迟线信号处理”，IEEE学报关于微波理论及技术，MTT-33卷，第3期，1985年3月，193、194页)。光纤延迟线由于其较低损耗及低色散特性已经证实是有吸引力的。典型的光纤结构包括循环延迟线、多抽头延迟线和多光纤延迟线。循环延迟线并入一个本身部分闭合的光纤(例如，通过一个光学耦合器)，使得在延迟线的一端引入的信号绕该环路循环，以每一运行周期输出。非循环光纤延迟线如多抽头和多光纤延迟线仅响应每个输入信号在每个输出端口产生单个输出信号。
多抽头结构包括一个光纤，沿其长度方向分布有抽头，每个抽头能够提供一个信号输出。来自每个抽头的输出信号可以被收集并由一个光学组合器输出。输出信号之间的相对延迟由抽头沿该光纤的相对位置控制。
在一个典型的多光纤光学延迟线中，一个光学信号被分离并且作为输入提供给两个或多个不同长度的光纤(见，例如，美国专利5,703,708，于1997年11月30日颁发给Das等人)。每个光纤输出的光学信号被收集并由一个光学组合器输出。在两个不等长光纤的输入处同时提供一个光学信号的地方，较短光纤中的光学信号比较长光纤中的光学信号在组合器中出现得早。因此，通过调节光纤长度的相对差异可以控制多个光纤之间的延迟。
通过将较长光纤多余的长度差异的至少一段缠绕到一个线轴上，可以将较长的光纤相邻较短的光纤进行卷装。尽管线轴有助于减小所需空间，但是它也引入了一些麻烦。光纤被缠绕到线轴上导致的光纤的物理长度及张力的差异会造成光纤有效光学长度的差异。此外，光学长度可能随线轴上光纤的运动而变化。
这些差异可以被调节，例如，通过在线轴中心并入一个加热器，为线轴上的光纤建立一个稳定的热外形。但是，线轴的几何差异以及光纤在线轴上的定位差异可能使建立热外形的稳定性很困难。
因此，需要有一种多光纤光学延迟线，容易连接到相关元件上，卷装方便且紧凑，热稳定并且能够被装配和用于高速、多光纤应用。
一个多光纤光学延迟线并入嵌套布置(nestedly positioned)的多个光纤，使得各个光纤在单一平面上集中布置。每个光纤的输入端连接到一个光学分离器， 由此基本同时为每个光纤提供输入信号的一个拷贝。每个光纤具有唯一的、预定的长度，使得输入信号的每个拷贝在相关的某个光纤上传输，在唯一的时间间隔的最后时刻到达该相关光纤的输出端。嵌套的平面结构及延迟线的几何结构允许精确地控制每个光纤的光学长度。
在本发明的第一实施例中，每个光纤包括一个输入段和一个输出段，中间由一个U形的连接段相连。输入段基本平行、等长且贴近布置，使得输入段的输入端都基本接近与输入段垂直的直线。同样地，输出段基本平行、等长且贴近布置，使得输出段的输出端都基本接近与输出段基本垂直的直线。多个光纤的每个U形连接段具有唯一的、预定的长度。为了保持平面布置，每个光纤都粘贴到基底的一个平面上。
在本发明的第二实施例中，多个光纤的每个输出端都进一步耦合到一个光学组合器的某个输入端口上，使得光学组合器将接收到的来自多个光纤的信号拷贝进行叠加，以产生单个光学信号输出。
在本发明的一个理想实施例中，一个平面加热器被附于基底的第二平面，使得可以在多个光纤中建立和稳定一个温度外形。
结合附图阅读本发明的特定示例性实施例的以下描述可以获得对本发明的更完整的理解。其中
图1显示并入一个多光纤光学延迟线的一个现有技术的光学多路复用器的结构；图2说明在图1的现有技术的多光纤光学延迟线中用于容纳光纤长度差异的一个线轴；图3显示本发明的一个实施例的示意图；图4A和4B显示本发明的第二和第三实施例的示意图；图5显示本发明的第四实施例的示意图；图6说明与图3的实施例中并入的进行比较的一个光纤及基底；以及图7提供图6的实施例的一个剖视图。
为了理解的一致性及方便，每个图中相似或相当的元件共享在2个最低有效数字位上相同的识别号(例如，图3的光学分离器314和图4的光学分离器414)。
为了更好地理解本发明的原理，首先回顾现有技术的一些关键方面。
图1显示并入一个多光纤光学延迟线100的一个现有技术的光学多路复用器的结构(见，例如，美国专利5,703,708，于1997年12月30日颁发给Das等人)。一个光学信号被提供给光学分离器118，光学分离器118在4个分离的光纤信号路径103、105、107和109上提供该信号的拷贝，光纤信号路径103、105、107和109分别与调制器102、104、106和108相连。调制的信号由调制器102、104、106和108分别通过信号路径113、115、117和119输出，并且耦合到光学组合器110的输入。光学组合器110将路径113、115、117和119提供的信号进行叠加，以产生一个组合的光学信号111。
为了对调制器102、104、106和108调制的光学信号进行时分复用，光学延迟线112、114和116被分别放置在与调制器104、106和108相连的光纤信号路径上。延迟线112、114和116分别产生信号延迟T、2T和3T，其中延迟T对应所需的时间周期。通过选择预定长度比例为1∶2∶3的光学延迟线112、114和116，分别产生信号延迟T、2T和3T。结果，在与调制器102相连的信号路径上的信号出现在输出110处之后，同时到达与调制器104、106和108相连的信号路径的信号开始分别以一个、二个和三个时间周期出现在输出110处。与调制器102、104、106和108相连的信号路径上的信号因此被时分复用到单个路径输出110。
如图2中所述，延迟线112、114和116都是通过将光纤220在圆柱形线轴222上缠绕合适的长度而形成的。缠绕到线轴222的光纤的物理长度及张力的差异导致光纤220的有效光学长度的差异。有效光学长度，例如，决定一个给定频率的光学信号通过光纤220传输所需的时间。一个加热元件224位于圆柱形线轴222的中轴上，使光纤220的有效光学长度可以被热调谐和稳定。
图1的延迟线100可能无法有效控制例如，高速数字应用中的光学长度，此时图1的延迟线112、114和116之间的光学长度差极小。此外，对于与未缠绕到图2的线轴222的延迟线112、114和116相连的光纤段(例如，离开线轴222以提供到图1的调制器102的光学连接的一个光纤段)的热调谐，这种结构将会无效。最后，在用于由许多单个光纤构造的多光纤光学延迟线的一个合理的物理外壳中，布置多个线轴222可能是困难的或不便的。
本发明并入(incorporate)一个以新型几何结构排列的多光纤延迟线，在现有技术上实现了极大的改进。在图3所示的延迟线的一个实施例中，延迟线300的光纤302在一个平面上嵌套布置。每个光纤包括由U形连接段308相连的输入段304和输出段306。输入段304基本平行、等长且贴近布置，使得输入段的输入端310都基本接近与输入段垂直的直线。同样地，输出段306基本平行、等长且贴近布置，使得输出段的输出端312都基本接近与输出段306垂直的直线。在图3的实施例中，多个光纤302的每个U形连接段308具有唯一的、预定的长度。
多个光纤的输入端310进一步通过一个密集光纤互连322分别耦合到光学分离器314的输出光纤316。光学分离器是众所周知的技术，可以从包括例如，Photonic Integration Research，Inc.和SumitomoElectric Lightwave Corp.的许多供应商处购买到。密集光纤互连方法是众所周知的技术。密集光纤互连的一个理想方法是密集合并绞接，利用可从包括Sumitomo Electric Lightwave Corp.和Fujikura Limited的许多商业厂商处获得的设备可以实现。
例如，作为一个数字位流被振幅调制的一个光学信号，在分离器314的输出326处被提供。通过例如在一个带状电缆中以相等长度构成的输出端口光纤316，光学分离器314基本同时向密集光纤互连322处的每个输入段304提供单个输入信号的拷贝。这些拷贝通过输入段304、连接段308和输出段306传播，直到通过密集光纤连接324到达光学组合器318的输入端口光纤320。输入端口光纤320例如在一个带状电缆中以相等长度构成，使得到达光纤302的输出端312的光学信号以相同的时间顺序到达光学组合器318。光学组合器318将接收的信号组合成在组合器输出328处提供的单个信号。输出328可以典型地与一个常规的光探测器互连，以探测组合的光学信号的存在。这样的光探测器可以从，例如，Lucent Technologies Inc.处购买到。
因为多个光纤302的每个U形连接段308具有唯一的、预定的长度，所以在输入端310处引入光纤302的每个光学信号拷贝都将沿一个唯一长度的光纤302传播，以唯一的时刻达到光纤302的相关输出端312。长度为LS的较短光纤上的信号和长度为LL的较长光纤上的信号到达相对时间延迟ΔTR可以表示为ΔTR＝nc*(LL-LS)/c(1)
其中，nc是光纤核心的折射率，c是真空中的光速(见，例如，Jong-Dug Shin等人，“用于光学数据包地址探测的在光纤延迟线端具有金属沉积膜的光纤匹配滤波器”，光子学技术通讯，第8卷，第7期，1996年7月，941页)。组合器输出328处产生的组合信号将并入到达输出端312处的信号拷贝之间的相对延迟。
通过保持光纤302在一个几何平面内，并且输入段304与输出段306都包括贴近布置的等长的光纤段，光纤302的各个光纤长度可以更容易控制。光纤长度的控制在延迟线的高速、位选择的应用中是极为重要的，此时长度差异LL-Ls可能极小(例如，在40Gbit/s的数字应用中小到5mm)。
图4A说明本发明的第二实施例。如图3的实施例，延迟线400的光纤402是嵌套布置的，基本在一个平面内。每个输入段404和输出段406都包含基本平行、等长且贴近布置的光纤长度。
与图3的连接段308相比，图4的连接段408的光纤长度进一步并入线圈段409。线圈段409基本位于由光纤402确定的同一平面内，并且提供了在图3的光纤302的长度上增加光纤402的长度的紧凑方法。该实施例在光学缓冲应用中可能很重要，此时从信号的拷贝被提供到图4的输入端410的时刻开始到一个拷贝首次在长度为LS的较短光纤的输出端412出现的时刻为止测量的绝对延迟时间ΔTA很重要ΔTA＝nc*LS/c (2)其中光纤长度LS并入与输入段404、输出段406和连接段408(包括线圈段409)相关的长度。
在图4A中，光纤402的U形连接段408的一个小的交叉段411所在的平面平行于并且稍高于由连接段408、输入段404和输出段406决定的平面。或者，图4A的交叉段411可以整个去除，如图4B的延迟线401中所示。通过以一个U形部分413开始缠绕线圈段409，使得互连到输入段404的第一部分415和互连到输出段406的第二部分417都从线圈409的中心到外围缠绕，延迟线401去除了图4A的交叉段411。图4B的实施例比图4A的更理想，因为它能使所有的线圈段409位于一个平面内。
图4A、4B的实施例可以进一步修改，例如，如图5所示，使得图5中各光纤的U形段508包括不同长度的线圈段503和505，以及整个省略线圈段的一个光纤的U形段507。对图4的实施例的这种修改在方程(1)的相对时间延迟ΔTR要求很大的应用(例如，对于高速应用中的多位顺序或较低速应用)中可能很重要。
图3的光纤302、图4的402和图5的502必须以良好受控的方式位于单个平面内，从而使光纤长度得到充分控制。例如，如图3所示，包括输入段304和输出段306的光纤每个都需要位于一条直线上，光纤之间相隔一个标准间距(例如，等于光纤直径的100～105％之间的距离)。而且，光纤的分布需要使得输入端310和输出端312都基本接近与包括输入段304和输出段306的光纤分别垂直的直线。这种几何结构保证包括输入段304的光纤是等长的，并且保证包括输出段306的光纤是等长的。此外，连接段308的布置必须保证相关的光纤302每个都具有唯一的、预定的长度。
光纤302可以以良好受控的方式布置，利用，例如，一个自动的基于坐标的光纤路由装置及方法，如美国专利号5,259,051所述，于1993年11月2日颁发给Burack等人(“Burack专利”)，在此作为参考。利用Burack专利的装置及方法，控制一个操纵器在X-Y平面内和绕垂直轴运动，使得一个光纤位于一个涂有粘接剂的基底上。根据图3的光学延迟线，图6说明根据本方法路由的一个光纤650。光纤650位于基底652的平面上，例如，如下。开始端654压在基底652上，光纤的第一长度沿X向在基底上放置一段距离656。半圆长度658接着被放在基底上，其长度等于图3的连接段308中的最短光纤所需的长度。然后光纤长度660以负X向在基底652上放置一段距离660，并且半圆长度662被放置在基底652上，其末端距开始端654有一个短距离。在X向放置的第一长度旁边，另一个光纤长度在X向被放置一段距离656。重复该图形，直到以分层或嵌套的方式绕由开始端654、长度656、半圆长度658、长度660及半圆环路662确定的第一环路放置所需数量的附加环路664。在所需的环路放置在基底上之后，光纤在结束端666处被切断。最后，光纤和基底在分离线668处断开，分离线668的左段被截去，使得第一环路和附加环路664成为在输入端610处开始及输出端612处终止的开环。然后，这些端被分别固定到图3的密集光纤互连322和324上。
图7显示通过图6截面670的横截面770。光纤763和765被压入粘接剂涂层772，以固定与平面基底752的接触。然后外涂层774加在粘接剂涂层772和光纤763及765上，并且一个平面加热器776被附在平面基底752的下表面。这些加热器是众所周知的技术，并且可以从例如Minco Products，Inc.处购买到。外涂层774的作用是将填充材料封装起来以填充光纤周围的气缝，以及保证平面加热器776与光纤763及765之间均匀的热传递，并且可以是一种例如可从DowCorning Corporation购买到的导热硅材料。由此外涂层774和加热器776为光纤763及765建立了一个稳定的热外形，帮助稳定光纤763及765的有效光学长度。
考虑到前面所述，熟练的技术人员显然将认识到上述的示例性实施例仅是本发明的许多可替换的实施例中的一些。因此，本描述仅是作为示例，以及为了告诉那些熟练的技术人员应用本发明的最佳方式。熟练的技术人员可以设计各种其它的替换方式，而不偏离本发明的教义。例如，图3的输入段304和输出段306的布置可以不是相互平行的关系(例如，输入段304可以垂直于输出段306)。此外，光学分离器326的输出光纤316和光学组合器318的输入光纤320的位置可以位于多个平面，使得光纤302可以位于多个平面。
权利要求
1.一种光学延迟线，能够接收一个光学输入信号以及输出该输入信号的相互有时间延迟的多个拷贝，该延迟线包括多个光纤，每个具有一个输入端，并且基本位于一个物理平面且相互为嵌套关系，使得该多个光纤的每个都具有唯一的预定的光学长度；以及一个光学分离器，用于产生输入信号的多个拷贝，并且将输入信号的一个拷贝基本同时地提供给每个输入端；由此每个拷贝在唯一的时间间隔内经过多个光纤中特定的一个到达该特定光纤的一个输出端，该唯一的时间间隔与该特定光纤的预定光学长度有关。
2.权利要求1的延迟线，其中每个光纤包括一个或多个光纤段。
3.权利要求2的延迟线，其中该一个或多个光纤段包括一个输入段，其中该输入段包括输入端，并且多个光纤的各个输入段基本是在单一物理平面内集中且共线布置，使得各个输入段的输入端位于与各个共线输入段基本垂直的线上；一个输出段，其中该输出段包括输出端，并且多个光纤的各个输出段基本是在单一物理平面内集中且共线布置，使得各个输出段的输出端位于与各个共线输出段基本垂直的线上；以及一个连接段，其中该多个光纤的各个连接段是在单一物理平面内集中且嵌套布置。
4.权利要求3的延迟线，其中该连接段为U形。
5.权利要求3的延迟线，其中某些输入段具有基本相等的光学长度，某些输出段具有基本相等的光学长度并且每个连接段具有唯一的预定的光学长度。
6.权利要求3的延迟线，其中每个输入段具有唯一的预定的光学长度，每个输出段具有唯一的预定的光学长度并且某些连接段具有基本相等的光学长度。
7.权利要求2的延迟线，其中一个或多个光纤段包括单个段，该单个段为U形并且包括输入端及输出端，并且其中每个光纤的单个段都具有唯一的预定的光学长度。
8.权利要求7的延迟线，其中每个光纤的输入端基本位于第一线上并且每个光纤的输出端基本位于第二线上。
9.权利要求8的延迟线，其中该第一线及第二线延伸形成单一的线。
10.权利要求1的延迟线，其中第一光纤的预定光学长度与第二光纤的预定光学长度之间的差d相当于在该数字光学输入信号中的预定数量的位传输所需的时间间隔内一个数字光学输入信号将要经过的光学长度。
11.权利要求1的延迟线，其中通过将所述多个光纤粘贴到一个基底的第一平面上而保持多个光纤的嵌套布置位于单一平面上。
12.权利要求11的延迟线，其中该基底由一种刚性的、尺寸稳定的材料构成。
13.权利要求12的延迟线，其中该材料选自MYLAR、玻璃环氧树脂和聚酰亚胺。
14.权利要求1的延迟线进一步包括一个光学组合器，用于将到达多个光纤的输出端的输入信号拷贝组合形成单个输出信号。
15.权利要求3的延迟线，其中嵌套的光纤进一步同心缠绕到一个线圈上，使得该嵌套的光纤的输入段及输出段从该同心线圈的圆周贴近引出。
16.权利要求3的延迟线，其中至少一个光纤的连接段进一步包括一个或多个同心环路，该同心环路基本位于单一平面内并且被粘贴到该基底表面上。
17.权利要求11的延迟线，进一步包括粘贴到基底的第二平面的一个平面加热器。
18.权利要求17的延迟线，其中所述平面加热器被有选择地激励以在多个光纤中建立一个预定的、稳定的热外形，使得基本消除光纤中的漂移和抖动。
19.权利要求18的延迟线，其中所述平面加热器为一个薄膜加热器。
20.权利要求1的延迟线，其中该多个光纤为多模式光纤。
21.权利要求1的延迟线，其中各个输入段以标准间距布置，使得第一输入段的中心轴与相邻输入段的中心轴之间的第一均匀距离在该第一光纤的直径的100％和105％之间。
22.权利要求1的延迟线，其中各个输出段以标准间距布置，使得第一输出段的中心轴与相邻输出段的中心轴之间的第一均匀距离在该第一光纤的直径的100％和105％之间。
23.一种光学延迟线，用于产生一个光学输入信号的相互有时间延迟的拷贝，包括一个光学分离器，用于产生该光学输入信号的多个拷贝；多个光纤，每个基本位于单一物理平面内，并且相互嵌套，使得每个光纤具有唯一的、预定的光学长度；以及用于将输入信号的一个拷贝基本同时地耦合到每个光纤的装置。
全文摘要
一个多光纤光学延迟线并入多个嵌套布置并被粘贴到一个平面基底上的光纤。该光纤包括在基底上线性且贴近布置、并且等长的输入部分。该光纤还包括在基底上线性且贴近布置、并且等长的输出部分。每个光纤的输入及输出部分被一个U形的连接部分互连,并且每个连接部分具有唯一的及预定的长度。选择该预定长度使得该多个光纤中最短光纤与另一光纤之间的长度差异相当于在数字信号中的预定数量的位传输所需的时间周期内输入信号将要经过的光纤长度。
文档编号H04J14/00GK1336561SQ0013390
公开日2002年2月20日 申请日期2000年11月10日 优先权日2000年11月10日
发明者威廉·R·霍兰德 申请人:朗迅科技公司