Glasfaser-Verzögerungsleitung basierend auf einem optischen Schalter

Funktionsprinzip der faseroptischen Verzögerungsleitung

In der rein optischen Signalverarbeitung können Glasfasern Funktionen wie Signalverzögerung, Signalverbreiterung und Interferenzunterdrückung realisieren. Durch die gezielte Anwendung dieser Funktionen ist die Informationsverarbeitung im rein optischen Bereich möglich. Die Verzögerungsfunktion der Glasfaser kann beispielsweise in einer Glasfaser-Verzögerungsleitung genutzt werden. Am Beispiel einer herkömmlichen Singlemode-Glasfaser lässt sich bei einer optischen Signalwellenlänge von 1550 nm und einer Übertragungsstrecke von 200 Metern eine Verzögerung von 1 µs bei einer Einfügungsdämpfung von lediglich 0,04 dB erreichen. Im Vergleich dazu liegt die Einfügungsdämpfung herkömmlicher Mikrowellen-Verzögerungsleitungen bei mehreren Dutzend dB. Die Glasfaser-Verzögerungsleitung reduziert die Einfügungsdämpfung somit um fast zwei Größenordnungen, was ihre Wettbewerbsfähigkeit deutlich steigert. Darüber hinaus bietet die Glasfaser...optische VerzögerungsleitungGlasfaserverzögerungsleitungen zeichnen sich durch geringe Größe, niedriges Gewicht, ein hohes Verzögerungs-Bandbreite-Produkt und eine hohe Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen aus und stellen eine ernstzunehmende Konkurrenz zu Mikrowellenverzögerungsleitungen dar. In vielen Anwendungsbereichen können sie diese sogar vollständig ersetzen. Im Vergleich zu herkömmlichen Mikrowellenverzögerungsleitungen weisen Glasfaserverzögerungsleitungen ein hohes Zeit-Bandbreite-Produkt auf, was auf eine gute Frequenzauflösung, hohe Empfindlichkeit und hohe Signalempfangsfähigkeit des Systems hindeutet. Dadurch erfüllen sie die Anforderungen hochauflösender Radarsysteme. Die Betriebsfrequenz von Glasfaserverzögerungsleitungen ist mit über 100 GHz sehr hoch. Im Vergleich zu Oberflächenwellenverzögerungsleitungen mit Betriebsfrequenzen im Hunderter-Megahertz-Bereich und CCD-Verzögerungsleitungen mit Betriebsfrequenzen im Zehner-Megahertz-Bereich bietet sie einen Unterschied von mehreren Größenordnungen. Angesichts der zukünftigen Entwicklung von Kommunikationsradaren und anderen Systemen hin zu höheren Frequenzbändern ist dies ein entscheidender Vorteil für Glasfaserverzögerungsleitungen. Darüber hinaus ist die Dämpfung der Verzögerungseinheit bei Glasfaserverzögerungsleitungen frequenzunabhängig. Diese einzigartigen Vorteile unterstreichen ihr Potenzial in der Signalverarbeitung.

Anwendung der faseroptischen Verzögerungsleitung

Die grundlegende Funktion von Glasfaser-Verzögerungsleitungen (FDL) besteht in der Signalverzögerung. Durch die Verzögerung wird eine rein optische Speicherung und Phasenverschiebung ermöglicht. FDL finden breite Anwendung in Phased-Array-Radarsystemen, optischen Faserkommunikationssystemen, optischen Computersystemen und elektronischen Gegenmaßnahmen. Im Phased-Array-Radar ist die Phased-Array-Antenne die Kernkomponente. Ihre Hauptfunktion besteht darin, das Strahlungsmuster des synthetisierten Strahls zu verändern, um so die Strahlform zu modifizieren und ein schnelles Scannen des Strahls zu erreichen. Dies wird durch die Steuerung von Amplitude und Phase des Signals in der Antenneneinheit realisiert, weshalb die Verzögerungsleitung unverzichtbar ist. Im Vergleich zu Mikrowellen-Verzögerungsleitungen bietet die FDL eine größere Bandbreite und vermeidet Strahlverkippungen. In optisch gesteuerten Phased-Array-Antennen ermöglicht die FDL eine präzise Phasenzuordnung und -steuerung des Mikrowellensignals und eliminiert das zugehörige Echosignalrauschen. Daher ist die FDL die optimale Wahl für Phased-Array-Antennen. In Radarzielsimulatoren wird die FDL zur Simulation von Signalen unterschiedlicher Entfernungen eingesetzt. Aufgrund der Anforderungen moderner Radarsysteme an Radarzielsimulatoren, wie z. B. hohe Frequenzbänder, schnelle Zielumschaltgeschwindigkeiten und große Zielsimulationsdistanzen, genügen herkömmliche Verzögerungsleitungen diesen Anforderungen bei Weitem nicht. Daher sind faseroptische Verzögerungsleitungen (FDL) die einzig praktikable Lösung. Darüber hinaus können FDL in optischen Faserkommunikationssystemen auch die Signalcodierung und das Caching realisieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass faseroptische Verzögerungsleitungen in vielen Bereichen wichtige und unverzichtbare Anwendungen finden. Die Erforschung leistungsstarker faseroptischer Verzögerungsleitungen ist daher von großer wissenschaftlicher Bedeutung für die Anwendung in …Mikrowellenphotonentechnologie.

Entwurf einer faseroptischen Verzögerungsleitung

Die auf einem optischen Schalter basierende faseroptische Verzögerungsleitung wählt verschiedene optische Pfade aus, um mithilfe des Schalters unterschiedliche Zeitverzögerungen zu erzielen. Das Grundprinzip dieses Systems besteht darin, durch Änderung des optischen Pfades verschiedene Verzögerungen zu erreichen. Es handelt sich um eine typische diskrete faseroptische Verzögerungsleitung, deren typischer Aufbau in der Abbildung dargestellt ist.

 

Nachdem das modulierte optische Signal durch die Glasfaser übertragen wurde, wählt das optische Schalterarray den optischen Pfad aus, der die entsprechende Verzögerung erzeugt. Die gewünschte Verzögerung lässt sich durch Einschalten des entsprechenden optischen Schalters bei gleichzeitigem Ausschalten der übrigen Schalter erreichen. Der Vorteil dieser Glasfaser-Verzögerungsleitung liegt in der Möglichkeit, große Verzögerungen zu erzielen, der einfachen Realisierung und den unterschiedlichen Eigenschaften, die sich durch die Auswahl verschiedener optischer Schalter ergeben.