Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Verarbeitung von digitalen optischen Signalen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein optisches Gerät zum Vergleichen von zumindest einer Sequenz mit N Bits mit zumindest einer vorbestimmten Sequenz mit N Referenzbits, ein optisches Kommunikationssystem, in dem dieser Vergleich durchgeführt wird und ein Verfahren zur Durchführung dieses Vergleichs.

Herkömmliche Mustererkennung wird mittels einer herkömmlichen Korrelationsoperation zwischen einem Referenzmuster und einem Testmuster durchgeführt. Der Begriff "Referenzmuster" bezeichnet ein vorbestimmtes Muster, das erkannt werden soll. Der Begriff "Testmuster" bezeichnet jedes andere Muster, das mit dem Referenzmuster verglichen werden soll. Die Korrelation c(x,y) zwischen einem Referenzmuster s(x,y) und einem Testmuster f(x, y) wird somit definiert:

Dieses Integral wird herkömmlich als die Faltung der zwei Muster s(x, y) und f(x, y) dargestellt:

Wie bekannt, ist diese Faltungsoperation in dem Bereich der Fourier-Transformation ein einfaches Produkt der Fourier-Transformationen der jeweiligen Muster (in Großbuchstaben angegeben):

Um die Korrelationsfunktion c(x,y) im räumlichen Bereich zu finden, reicht es folglich aus, das Spektrum C(&xgr;,&eegr;) zu berechnen und dann die inverse Fourier-Transformation zu finden.

Es ist außerdem bekannt, dass es in der Optik möglich ist, eine hochkomplexe Operation wie die zweidimensionale Fourier-Transformation auf einfache Weise und in Echtzeit mittels einer optischen Linse durchzuführen. Der Grund dafür liegt darin, dass eine solche Linse auf seiner rückseitigen Brennebene die genaue Fourier-Transformation eines Musters liefert, das sich auf der vorderseitigen Brennebene befindet.

Es gibt bekannte optische Geräte, die in der Lage sind, eine Korrelationsoperation zwischen zwei Mustern durchzuführen. Zum Beispiel zeigt 1 (in welcher, der größeren Klarheit wegen, die Bezugsachsen x, y, z auch angegeben sind) einen herkömmlichen optischen Korrelator gemäß Vander Lugt (A. Vander Lugt, "Signal detection by complex spatial filtering", IEEE trans. Inform. Theory, vol. 10, p.139, 1964).

Dieses Gerät umfasst eine erste Linse 21 mit einer Brennweite f, ein optisches Filter 22 und eine zweite Linse 23 mit einer Brennweite f₂, Der Abstand zwischen den zwei Linsen 21 und 23 beträgt f₁+f₂ und das optische Filter 22 befindet sich in der rückseitigen Brennebene der ersten Linse 21, die der vorderseitigen Brennebene der Linse 23 entspricht. In 1 hat die zweite Linse 23 dieselbe Brennweite f wie die Linse 21 (f₁=f₂=f). Andererseits, wenn die Linse 23 eine Brennweite f₂ hat, die sich von f₁ unterscheidet, hat das optische Feld am Ausgang des Korrelators einen zusätzlichen Skalierungsfaktor im Vergleich zum Fall, bei dem f₁=f₂=f ist.

Zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung sollen die in 1 dargestellten Eingangsebene 11 und Ausgangsebene 14 der Vorrichtung die vorderseitige Brennebene der Linse 21 bzw. die rückseitige Brennebene der Linse 23 bezeichnen.

Das optische Filter 22 kann beispielsweise ein angepasstes Filter (MF) oder ein Phase-Only-Filter (POF) sein.

Das angepasste Filter MF hat eine Übertragungsfunktion H(&xgr;,&eegr;) = kS·(&xgr;,&eegr;), worin S·(&xgr;,&eegr;) das komplexe Konjugat der Fourier-Transformation des Referenzmusters s(x, y) bezeichnet und k eine Multiplikationskonstante ist.

Das Phase-Only-Filter POF hat eine Übertragungsfunktion:

In Bezug auf die Operation des Vander-Lugt-Korrelators

• a) wird das Testmuster f(x,y), welches sich auf der Eingangsebene 11 befindet, auf der rückseitigen Brennebene der Linse 21 Fourier-transformiert, wodurch die Feldverteilung F(&xgr;,&eegr;) erzeugt wird;
• b) wird auf der rückseitigen Brennebene diese Feldverteilung F(&xgr;,&eegr;) durch ein optisches Filter 22 gefiltert, wobei dessen Ausgang eine Feldverteilung von F(&xgr;,&eegr;) H(&xgr;,&eegr;) zugeführt wird; und
• c) es wird auf der rückseitigen Brennebene der zweiten Linse 23 die optische Feldverteilung F(&xgr;,&eegr;)H(&xgr;,&eegr;) durch die Linse 23 Fourier-transformiert, um die Faltung f(x,y)⨂h(x,y) des Testmusters f(x,y) und die Antwort auf den Impuls [h(x,y)] des optischen Filters 22 zu liefern;

Im Falle sowohl des angepassten Filters als auch des Phase-Only-Filters erreicht die Intensität der Feldverteilung auf der Ausgangsebene 14, gemessen am Ursprung (x=0), y=0), ihren Höchstwert, wenn das Testmuster mit dem Referenzmuster [f(x,y)=s(x,y)] übereinstimmt, und hat einen kleineren Wert, wenn dies nicht der Fall ist. Indem man die Intensität der Feldverteilung am Ursprung (x=0, y=0) der Ausgangsebene 14 misst, kann man bestimmen, ob das Testmuster mit dem Referenzmuster identisch ist oder nicht.

Jedoch verarbeiten das angepasste Filter und das Phase-Only-Filter die Muster auf jeweils verschiedene Weise.

Im Fall des angepassten Filters entspricht die Faltung f(x,y)⨂h(x,y) der Korrelation c(x,y) zwischen dem Testmuster und dem Referenzmuster wie in Gleichung (2) definiert. Folglich, wenn das Testmuster mit dem Referenzmuster (f(x,y)=s(x,y)] übereinstimmt, führt der Vander-Lugt-Korrelator die Operation des Autokorrelationstyps:

Dennoch, im Falle des Phase-Only-Filters, entspricht die Faltung f(x,y)⨂h(x,y) nicht einer Korrelationsoperation c(x,y) zwischen dem Testmuster und dem Referenzmuster wie herkömmlich in der Mathematik definiert [Gleichung (2)), und wenn das Referenzmuster (f(x,y)=s(x,y)) auf der Eingangsebene 11 vorhanden ist, ist diese Faltung vom Typ:

Wenngleich die Operation, die durch den Vander-Lugt-Korrelator mit einem Phase-Only-Filter durchgeführt wird, keine echte Korrelationsoperation ist, wie sie in der Mathematik herkömmlich definiert sind, werden zum Zwecke der vorliegenden Erfindung die Funktionen ac'(x,y) und cc'(x,y) als eine Autokorrelation bzw. eine Kreuzkorrelation betrachtet.

Unter den verschiedenen Parametern, welche die Leistung eines Korrelators mit einem Phase-Only-Filter identifizieren, wird in der vorliegenden Beschreibung auf Parameter D' Bezug genommen, welcher das Verhältnis zwischen der Intensität (|cc'(0,0|²) der Feldverteilung angibt, die am Ursprung (x=0, y=0) der Ausgangsebene 14 bei einer Kreuzkorrelationsoperation cc'(x,y) festgestellt wurde, und jener (|ac(0,0|²), die bei einer Autokorrelationsoperation ac'(x,y):

Im Falle eines Korrelators mit einem angepassten Filter, wird im folgenden dennoch auf ein Parameter D Bezug genommen, welcher das Verhältnis zwischen der Intensität (|cc(0,0)|²) der Feldverteilung angibt, die am Ursprung (x=0, y=0) der Ausgangsebene 14 bei einer Kreuzkorrelationsoperation cc(x,y) festgestellt wird, und jener (|ac(0,0|²), die bei einer Autokorrelationsoperation ac(x,y):

Die Parameter D und D' erreichen einen Einheitswert, wenn ein mit dem Referenzmuster s(x,y) identisches Testmuster f(x,y) am Eingang eines Korrelators vorhanden ist. Wenn allerdings ein vom Referenzmuster verschiedenes Muster am Eingang vorhanden ist, haben die Parameter D und D' einen Wert von weniger als 1, und das Unterscheidungsvermögen CD des Korrelators, das durch CD = 1-D oder CD'=1-D'(12) definiert ist, steigt, wenn der Wert von D oder D' fällt.

Die Parameter D und D' sind somit Indikatoren des Unterscheidungsvermögens CD eines Korrelationsgeräts.

Es ist ebenfalls bekannt, dass das Phase-Only-Filter eine Gesamtleistung aufweist, die besser ist als die des angepassten Filters, wenn es mit einem Vander-Lugt-Korrelator für Mustererkennung verbunden ist [K.C. Macukow et al., "Phase only filter as matched spatial filter with enhanced discrimination capability", Optics communications, vol. 64, p. 224, 1987; L.P. Yaroslavsky, "Is the phase only filter and its modifications optimal in terms of discrimination capability in pattern recognition?", Applied Optics, vol. 31, p.1677, 1992; L.A. Romero et al., "Comparison between the peak-to-sidelobe ration of the matched and the Phase only filters", Optics Letters, vol. 16, p. 253, 1991; B.V. Kumar et al., "Phase only filter with improved signal to noise ratio", Applied Optics, vol. 28, p. 250, 1989].

US Patent 5 214 534 beschreibt auch ein Verfahren zum Durchführen einer Musterkorrelation in einem Fourier-Transformationskorrelator. Dieses Verfahren besteht darin, dass ein Eingangsmuster als ein Phase-Only-Objekt mit standardisierter Amplitude und einer Phase, die von der Intensität dieses Eingangsmusters abhängt, kodiert wird. Dieses Verfahren besteht ebenfalls im Hervorbringen der Fourier-Transformation dieses Objekts, im Filtern der Fourier-Transformation des Objekts mit einem zweidimensionalen Phase-Only-Filter, in dem das Referenzmuster erfasst wird, und schließlich im Hervorbringen der inversen Fourier-Transformation des Objekts, welches so gefiltert wurde.

US Patent 5 523 881 beschreibt einen optischen Signalprozessor, der eine kohärente Lichtquelle, einen ersten und einen zweiten räumlichen Lichtmodulator und einen Strahlteiler verwendet. Das Licht von der Quelle wird vom Strahlteiler reflektiert und an den ersten räumlichen Lichtmodulator gesandt, wo es durch Mehrphasenmodulation gemäß einem Eingangsmuster moduliert wird. Das so modulierte kohärente Licht wird dann der Fourier-Transformation unterworfen, an den zweiten räumlichen Lichtmodulator gesandt, wo es mittels Mehrphasenmodulation gemäß dem Referenzmuster moduliert wird, und dann der inversen Fourier-Transformation unterworfen. Ein Signal, das von der Korrelationsoperation zwischen dem Eingangsmuster und dem Referenzmuster abhängt, wird somit am Ausgang erhalten.

Dennoch ist das Problem der Erkennung von digitalen optischen Signalen, mit anderen Worten das Problem der Unterscheidbarkeit einer Sequenz mit N Referenzbits von jeder anderen Sequenz mit N Bits, sogar dann, wenn sich die Sequenzen lediglich durch ein einziges Bit unterscheiden, viel komplexer als das der Mustererkennung, bei welcher sich im Allgemeinen die Eingangsmuster vom Referenzmuster durch viel mehr als einen einzigen Punkt unterscheiden.

Beim Angehen des Problems der Erkennung von digitalen optischen Signalen, mit anderen Worten von Sequenzen mit Bits, die ein numerisch kodiertes Datenelement enthalten, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung mittels Computersimulationen die Leistung eines Vander-Lugt-Korrelators mit einem Phase-Only-Filter 22 und mit binären Sequenzen mit N Bits (die Bits hatten einen Wert von 1 oder 0) am Eingang untersucht. Diese Simulationen begannen unter Verwendung einer Amplitudenmodulation der N Bits, bei welcher Bit 1 der Anwesenheit eines optischen Feldes zugeordnet wurde, während Bit 0 dessen Abwesenheit zugeordnet wurde, oder umgekehrt (Modulation vom ein/aus Typ). Zusätzlich wurden zwei binäre Referenzsequenzen mit 8 Bits (ein Byte) ausgewählt, die 01000111 (die Nummer 71 in der Dezimalschreibweise) und 01001110 (die Nummer 78 in der Dezimalschreibweise) entsprachen, und die Werte des Parameters D' (oben definiert) wurden für 256 verschiedene Eingangstestbytes berechnet (alle möglichen Bytes, die mit binären Sequenzen mit N=8 Bits erhältlich sind, d.h. 2^N).

14 und 15 zeigen die Werte des Parameters D', die auf diese Weise für das Referenzbyte 01000111 (71) bzw. 01001110 (78) festgestellt wurden. In beiden Fällen wurden alle Testbytes, die vom Referenzbyte verschieden waren, vom Referenzbyte unterschieden (ergaben einen D'-Wert von weniger als 1), und der schlimmste Fall (niedrigstes CD') wurde beim Testbyte 01001111 (79) festgestellt, mit anderen Worten mit einem der Bytes, welches sich vom Referenzbyte lediglich durch ein Bit unterschied. Für das Referenzwort 01000111 (71) und das Testbyte 01001111 (79) wurde ein Parameter D' von 0,99 ermittelt, während für das Wort 01001110 (78) und das Byte 01001111 (79) 0,87 festgestellt wurde. Dies bedeutet, dass der schlechteste Wert von CD' weniger als 1 % im Falle des Referenzbytes (71) und ungefähr 13% im Falle des Referenzbytes (78) betrug.

In diesem Zusammenhang sollte festgehalten werden, dass, um zu bestimmen, ob eine Testsequenz mit der Referenzsequenz identisch ist oder nicht, es auch notwendig ist, ein Gerät zu verwenden, welches in der Lage ist, den Wert der Intensität des durch die Vergleichsoperation zwischen den zwei Sequenzen erzeugten Signals zu analysieren, und zu bestimmen, ob dieser Wert mit dem Maximalwert gleich ist, den diese Intensität im Falle der Identität zwischen der Testsequenz und der Referenzsequenz aufweist. Wenn der Wert der Intensität, der dem schlimmsten Fall entspricht, dem Maximalwert naht, muss das Gerät empfindlicher sein, um die Referenzsequenz unter allen möglichen Eingangtestsequenzen unterscheiden zu können. Beispielsweise muss das Gerät, bei einem CD'- (oder CD-) Wert von 1%, in der Lage sein, Intensitätsabweichungen von 1 % zu detektieren, vorausgesetzt, dass es kein Hintergrundrauschen gibt. Da dies jedoch nie der Fall ist, ist zusätzlich zu der hohen Empfindlichkeit des Geräts ein verhältnismäßig sehr leises Geräusch erforderlich. Diese Bedingungen, selbst wenn sie erfüllt werden können, erfordern die Konstruktion von sehr teueren Geräten. Um preiswerte kommerzielle Geräte verwenden zu können, nahmen die Erfinder das Problem in Angriff, die bestmöglichen CD'- (oder CD-) Werte für alle 2^N-1 Testsequenzen, die sich von der Referenzsequenz unterscheiden, zu identifizieren.

Nachdem sie festgestellt haben, dass die Amplitudemodulation der numerischen Sequenz für die Unterscheidung von Sequenzen mit Bits nicht geeignet war, beschlossen die Erfinder, die Leistung eines Vander-Lugt-Korrelators mit einem Phase-Only-Filter und Sequenzen mit N Eingangsbits, die phasenmoduliert wurden (die Bits hatten die gleiche Intensität und eine Phase von 0/&pgr; für die 0 bzw. 1 Bits oder umgekehrt), zu untersuchen.

4 und 5 zeigen die Werte des Parameters D', die im Falle der Referenzbytes 01000111 (71) bzw. 01001110 (78) für 256 mögliche Eingangstestbytes ermittelt wurden.

So stellten die Erfinder fest, dass das Unterscheidungsvermögen CD' akzeptable Werte für alle Eingangstestbytes aufwies, außer für die komplementären Bytes. Der Grund dafür liegt darin, dass der auf diese Weise konfigurierte (mit einem Phase-Only-Filter und herkömmlicher 0/&pgr; Phasenmodulation) Vander-Lugt-Korrelator nicht in der Lage war, das Referenzbyte von dessen komplementären Byte zu unterscheiden.

Aus diesem Grund stellten die Erfinder verschiedene andere Arbeitshypothesen auf, welche die Frage betrafen, wie eine Sequenz mit N Referenzbits von deren komplementären Sequenz unterschieden werden könnte, ohne das Vermögen, diese Referenzsequenz mit N Bits von anderen Testsequenzen mit N Bits zu unterscheiden, nachteilig zu beeinflussen. Im Laufe dieser Suche haben sie unerwartet festgestellt, dass dies unter Verwendung einer geeigneten 0/&agr;&pgr; Phasenmodulation mit 0<&agr;<1 für die Eingangsbits erreicht werden kann.

In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung somit ein optisches Gerät umfassend

• – ein erstes Element, das ein digitales optisches Signal mit zumindest einer Sequenz mit N Bits, die durch eine geeignete Phasenmodulation moduliert sind, liefern kann;
• – einen Reihen-Parallel-Umsetzer zum Umsetzen dieser zumindest einen Sequenz mit N Bits in ein räumliches Muster von N parallelen Bits, welches dieselbe Information wie die Sequenz mit den N Bits enthält; und
• – ein zweites Element, das eine Vergleichsoperation zwischen dem räumlichen Muster mit N Bits und einem vorbestimmten räumlichen Referenzmuster mit N Bits durchführen kann und das einem Ausgang ein Signal zuführen kann, welches eine Intensität besitzt, dessen Wert von dem Ergebnis der Vergleichsoperation abhängt,

Das Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht nur in der Lage, eine vorbestimmte Sequenz mit N Referenzbits von deren komplementären Sequenz zu unterscheiden, sondern vermag auch die durchschnittliche Unterscheidbarkeit der Referenzsequenz mit N Bits von allen anderen mit den erwähnten N Bits erhältlichen Testsequenzen zu verbessern (d.h. es verringert den Durchschnittswert des Parameters D oder D'). Mit anderen Worten ermöglicht es das Gerät, die Anzahl von Sequenzen mit N Bits, die erkannt werden können, über das Niveau bekannter Geräte zu heben.

Das erfindungsgemäße Gerät hat auch den Vorteil, dass es eine Unterscheidungsoperation in Echtzeit durchführt, mit anderen Worten in einer Zeitspanne, die mit der Dauer der Ausbreitung der Bits im Gerät gleich ist. Es ist somit mit keinen Einschränkungen der Bitgeschwindigkeit verbunden, wenn es an ein optisches Koppelnetz oder in einem optischen Kommunikationssystem verbunden ist.

Typischerweise ist diese eine Sequenz mit N Bits auch die komplementäre Sequenz des vorbestimmten räumlichen Referenzmusters mit N Bits.

Vorteilhafterweise wird der Wert des Parameters &agr; so ausgewählt, dass die Unterscheidung dieses vorbestimmten räumlichen Referenzmuster mit N Bits von der komplementären Sequenz optimiert wird. Noch vorteilhafter ist es, wenn der Wert des Parameters &agr; so ausgewählt wird, dass die Unterscheidung dieses vorbestimmten räumlichen Referenzmusters mit N Bits von allen möglichen Sequenzen mit N Bits optimiert wird.

Typischerweise beträgt der Wert des Parameters &agr; von 0,3 bis 0,95.

Noch typischer ist es, wenn der Wert des Parameters &agr; von 0,7 bis 0,9 beträgt.

Typischerweise umfasst dieses erste Element eine Laserquelle und einen Phasenmodulator, der die 0/&agr;&pgr; Phasenmodulation ausführen kann.

In einer Ausführung umfasst das erste Element auch ein optoelektronisches Gerät, das ein optisches digitales Eingangssignal mit einer Modulation verschieden von 0/&agr;&pgr; in ein elektrisches Steuersignal für den 0/&agr;&pgr; Phasenmodulator umsetzen kann.

In einer Ausführung umfasst der Reihen-Parallel-Umsetzer einen 1×N Teiler zum Klonen des digitalen optischen Signals in N digitale optische Signale und N Verzögerungsleitungen zum Verzögern der N digitalen optischen Signale durch eine vorbestimmte Verzögerung für jedes Signal in solch einer Weise, dass das räumliche Muster mit N Bits am Ausgang der N Verzögerungsleitungen bereitgestellt wird.

Noch bevorzugter ist es, wenn die N Verzögerungsleitungen Heizgeräte umfassen.

Typischerweise führt das zweite Element eine Faltungsoperation des räumlichen Musters mit N Bits und des vorbestimmten räumlichen Referenzmusters mit N Bits durch.

Vorzugsweise ist das zweite Element, das eine Vergleichsoperation durchführen kann, ein optisches Element, das an dessen Ausgang ein optisches Signal liefern kann, das eine Intensität hat, dessen Wert vom Ergebnis der Vergleichsoperation abhängt.

In einer Ausführung ist das zweite Element ein Vander-Lugt-Korrelator.

Vorzugsweise umfasst der Vander-Lugt-Korrelator eine erste optische Linse, eine zweite optische Linse und ein Phase-Only-Filter.

Vorzugsweise umfasst das optische Gerät auch ein Detektorelement zum Detektierten der Intensität des Signals am Ausgang des zweiten Elements sowie ein Vergleichselement, das diese Intensität mit einer Intensitätsschwelle mit einem vorbestimmten Wert vergleichen kann, um zu bestimmen, ob das räumliche Muster mit N Bits mit dem vorbestimmten räumlichen Referenzmuster mit N Bits identisch ist oder nicht.

Wenn dieses Signal am Ausgang des zweiten Elements optisch ist, ist das Detektorelement typischerweise ein Photodetektor zum Umsetzen des optischen Signals in ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal mit einer vorbestimmten Spannung. Auch ist der Vergleicher typischerweise ein elektrischer Schwellschaltkreis, welcher diese Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsschwellwert vergleichen kann, um zu bestimmen, ob das räumliche Muster mit N Bits mit dem vorbestimmten räumlichen Referenzmuster mit N Bits identisch ist oder nicht.

In einer Ausführung ist das optische Gerät wirksam mit einem Prozessor verbunden, der für jedes vorbestimmte räumliche Referenzmuster den Wert des Parameters &agr; bestimmen kann, welcher die Unterscheidung des vorbestimmten räumlichen Referenzmuster mit N Bits von seiner komplementären Sequenz optimiert, und der die Ausführung der 0/&agr;&pgr; Phasenmodulation durch das erste Element und das Optimieren der Vergleichsoperation durch das zweite Element herbeiführen kann.

Vorteilhafterweise bestimmt dieser Prozessor für jedes vorbestimmte räumliche Referenzmuster den Wert des Parameters &agr;, welcher die Unterscheidung des vorbestimmten räumlichen Referenzmuster mit N Bits von allen möglichen Sequenzen mit N Bits optimiert.

In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein optisches Kommunikationssystem umfassend:

• – zumindest eine erste Vorrichtung, die eine Lichtquelle und einen Phasenmodulator aufweist, zum Liefern eines digitalen optischen Signals mit zumindest einer Sequenz mit N Bits, die durch eine geeignete 0/&agr;&pgr; Phasenmodulation moduliert ist, wobei 0<&agr;<1;
• – eine optische Übertragungsleitung, die optisch mit der ersten Vorrichtung verbunden ist, zum Übertragen des digitalen optischen Signals;
• – eine zweite Vorrichtung, die optisch mit der optischen Übertragungsleitung verbunden ist, und die aufweist:
  
  i. einen Reihen-Parallel-Umsetzer zum Umsetzen dieser zumindest einen Sequenz mit N Bits in ein räumliches Muster mit N parallelen Bits, welches dieselbe Information wie die Sequenz mit den N Bits enthält; und
  
  ii. ein Element, das eine Vergleichsoperation zwischen dem räumlichen Muster mit N Bits und einem vorbestimmten räumlichen Referenzmuster mit N Bits durchführen kann und das einem Ausgang ein Signal zuführen kann, welches eine Intensität hat, dessen Wert von dem Ergebnis der Vergleichsoperation abhängt;
  
  iii. ein Detektorelement zum Detektieren der Intensität des Signals bei dem Ausgang des Elements und welches eine Vergleichsoperation durchführen kann; und
  
  iv. ein Vergleichselement, das mit dem Detektorelement verbunden ist und das die Intensität mit einem Schwellwert für die Intensität, der einen vorbestimmten Wert hat, vergleichen kann, um zu bestimmen, ob das räumliche Muster mit N Bits mit dem vorbestimmten räumlichen Muster mit N Bits identisch ist oder nicht.

Für Einzelheiten der Bestimmung des Parameters &agr; sowie der Eigenschaften des Reihen-Parallel-Umsetzers, des Elements, das eine Vergleichsoperation durchführen kann, des Detektorelements und des Vergleichselements wird auf die vorangegangene Beschreibung des erfindungsgemäßen Geräts verwiesen.

Typischerweise ist die Lichtquelle eine Laserquelle.

Vorteilhafterweise umfasst die optische Übertragungsleitung eine optische Faser. Noch vorteilhafter ist es, wenn sie ein optisches Kabel umfasst.

In einer Ausführung umfasst die zweite Vorrichtung:

• – einen 1×M Teiler zum Klonen des digitalen optischen Signals mit zumindest einer Sequenz mit N Bits in M optische Signale mit jeweils dieser zumindest einer Sequenz mit N Bits,
• – einen Reihen-Parallel-Umsetzer zum Umsetzen der zumindest einen Sequenz mit N Bits in ein räumliches Muster mit N parallelen Bits, welches dieselbe Information wie die Sequenz mit den N Bits enthält, für jedes der M optischen Signale, und
• – ein Element, das eine Vergleichsoperation zwischen dem räumlichen Muster mit N Bits und einem der M vorbestimmten räumlichen Referenzmustern mit N Bits durchführen kann.

Typischerweise ist die zumindest eine Sequenz mit N Bits auch die komplementäre Sequenz von einem der M vorbestimmten räumlichen Referenzmustern mit N Bits.

Vorzugsweise wird der Parameter &agr; so ausgewählt, dass die Unterscheidung der M vorbestimmten räumlichen Referenzmuster von der komplementären Sequenz optimiert wird. Noch bevorzugter ist es, wenn der Parameter &agr; so ausgewählt wird, dass die Unterscheidung der M vorbestimmten räumlichen Referenzmustern von allen möglichen Sequenzen mit N Bits optimiert wird.

In einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Vergleichen von einem optischen räumlichen Muster mit N Bits mit einem vorbestimmten räumlichen Referenzmuster mit N Bits umfassend folgende Schritte:

• a) Modulieren der N Bits des optischen räumlichen Musters mit einer geeigneten Phasenmodulation;
• b) Durchführen einer Faltungsoperation des räumlichen Musters mit N Bits mit dem vorbestimmten räumlichen Referenzmuster mit N Bits in solch einer Weise, dass ein Signal mit einer Intensität geliefert wird, dessen Wert von dem Ergebnis der Faltungsoperation abhängt;
• c) Detektieren der Intensität;
• d) Vergleichen des Wertes der Intensität mit einem Schwellwert für die Intensität, der einen vorbestimmten Wert hat, um zu bestimmen, ob das optische räumliche Muster mit N Bits mit dem vorbestimmten räumlichen Referenzmuster mit N Bits identisch ist oder nicht,

Vorzugsweise liefert Schritt b) ein optisches Signal mit einer Intensität, dessen Wert von dem Ergebnis der Faltungsoperation abhängt.

Typischerweise besteht Schritt c) aus dem Umsetzen des optischen Signals in ein entsprechendes elektrisches Signal mit einer vorbestimmten Spannung und Schritt d) aus dem Vergleichen des Wertes dieser Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsschwellwert, um zu bestimmen, ob das optische räumliche Muster mit N Bits mit dem räumlichen Referenzmuster mit N Bits identisch ist oder nicht.

Für Informationen zur Bestimmung des Parameters &agr; wird hier auf die vorangegangene Beschreibung des erfindungsgemäßen Geräts verwiesen.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nunmehr mit Bezug zu Ausführungsbeispielen dargestellt, die, ohne den Erfindungsgegenstand einzuschränken, anhand der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, wobei:

1 den herkömmlichen Vander-Lugt-Korrelator schematisch zeigt;

2 ein erfindungsgemäßes optisches Übertragungssystem schematisch zeigt;

3 eine Ausführung eines Reihen-Parallel-Umsetzer des in 2 dargestellten Übertragungssystems zeigt;

4 die Werte des Parameters D' zeigt, die mit einer herkömmlichen 0/&pgr; Phasenmodulation, 256 Testbytes und dem Referenzbyte 01000111 (71) erhalten wurden;

5 die Werte des Parameters D' zeigt, die mit einer herkömmlichen 0/&pgr; Phasenmodulation, 256 Testbytes und dem Referenzbyte 01001110 (78) erhalten wurden;

6 eine Ausführung eines erfindungsgemäßen optischen Geräts schematisch zeigt;

7 in Kurve A die Werte des Parameters D' zeigt, die mit einer Variation des Pegels der &phgr; Phasenmodulation unter Verwendung des Bytes 01001110 als Referenz und des komplementären Bytes als Test erhalten wurden, und in Kurve B die Niedrigstwerte des Parameters D', die unter Verwendung der anderen Testbytes für jeden Pegelwert der &phgr; Phasenmodulation erhalten wurden;

8 den Wert des Parameters D' zeigt, der erfindungsgemäß für jedes der 256 Testbytes mit dem Referenzbyte 01001110 (78) und einer optimalen Modulation von 0/0,72 &pgr; erhalten wurde;

9 die Werte des Parameters D' zeigt, die mit acht Bytes, die sich lediglich durch ein Bit vom Referenzbyte 01001110 (78) unterschieden, sowie mit seinem komplementären Byte, mit einem Modulationspegel gemäß dem Stand der Technik (Kurve E) sowie mit einem erfindungsgemäßen Modulationspegel (Kurve F) erhalten wurden.

10 den Wert für jedes der 256 Referenzbytes zeigt, der für den optimalen Pegel &phgr;'_o der erfindungsgemäßen Modulation erhalten wurde;

11 den Maximalwert des Parameters D' für jedes der 256 Referenzbytes zeigt, der mit dem optimalen Modulationspegel &phgr;'_o erhalten wurde;

12 den Maximalwert des Parameters D' für jedes der 256 Referenzbytes zeigt, der bei einem Modulationswert von 0,83&pgr; erhalten wurde;

13 die relative Veränderung des Parameters D' für jedes der 256 Bytes zeigt;

14 die Werte des Parameters D' zeigt, die mit dem Referenzbyte 01000111 (71), 256 Testbytes und einer Amplitudemodulation vom ein/aus Typ erhalten wurden;

15 die Werte des Parameters D' zeigt, die mit dem Referenzbyte 01001110 (78), 256 Testbytes und einer Amplitudemodulation vom ein/aus Typ erhalten wurden;

16 eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen optischen Geräts schematisch zeigt;

17 den Maximalwert des Parameters D' für jedes der 256 Referenzbytes zeigt, der bei einer herkömmlichen 0/&pgr; Phasenmodulation erhalten wurde;

18 den Unterschied zwischen den Werfen des Parameters D' von 17 und jenen von 12 für jedes der 256 Referenzbytes zeigt.

Die Ausführung des erfindungsgemäßen optischen Geräts 500 umfasst ein erstes Element 100 zum Liefern eines digitalen optischen Signals mit zumindest einer seriellen optischen Sequenz 1000 mit N binären Bits, die durch eine geeignete Phasenmodulation moduliert ist, einen Reihen-Parallel-Umsetzer 6 und ein zweites Element 9 zum Durchführen einer Faltungsoperation im freien Raum und parallel mit einer vorbestimmten Referenzsequenz mit N binären Bits und der seriellen optischen Testsequenz 1000 (6).

Das erste Element 100 zum Liefern der optischen Sequenz 1000 mit N Bits umfasst beispielsweise eine Laserquelle 120 und einen Phasenmodulator 130. Die Laserquelle 120 ist beispielsweise eine Laserdiode, die auf den Wellenlängen eines optischen Signals der Telekommunikation emittiert, beispielsweise im Bereich von ungefähr 1300 bis 1600 nm, oder vorzugsweise im Bereich von etwa 1500 bis 1600 nm.

Der Phasenmodulator 130 ist ein herkömmlicher optischer Modulator umfassend beispielsweise einen Hohlleiter auf einem LiNbO₃ Substrat, dem zwei Elektroden zugeordnet sind. Der Modulator 130 führt eine binäre Phasenmodulation des optischen Signals durch, das von der Laserquelle 120 gemäß dem digitalen elektrischen Pilotsignal 110 emittiert wird, welches die zu übertragende digitale Information mit einer vorbestimmten Übertragungsgeschwindigkeit überträgt.

Mit dem von der Laserquelle 120 gesendeten optischen Signal assoziiert der Phasenmodulator 130 beispielsweise eine Phase von

• – &phgr;=0, wenn das Bit des elektrischen Signals 110 0 ist; und
• – &phgr;=&agr;&pgr;, wenn das Bit des elektrischen Signals 110 1 ist,

So wird am Eingang des Reihen-Parallel-Umsetzers 6 die optische Sequenz 1000 mit N Bits durch die 0-&agr;&pgr; Modulation phasenmoduliert.

Der Reihen-Parallel-Umsetzer 6 kann die serielle Sequenz 1000 mit N Bits, die wie oben beschrieben gebildet ist, in ein räumliches Muster 3000 mit N Bits umsetzen, welches dieselbe Information enthält wie die serielle Sequenz 1000.

3 zeigt ein Beispiel eines Reihen-Parallel-Umsetzers 6 für N=8. Das optische Signal, das die serielle Sequenz 1000 mit N Bits am Eingang des Reihen-Parallel-Umsetzers 6 enthält, wird durch einen Teiler 61 in N gleiche Signale aufgeteilt, und anschließend wird die i-te Kopie (i=1...N) um einen Zeitintervall von &tgr;_i=(N-i)·T_b(T_b ist die Zeitdauer eines Bits, mit anderen Worten das Inverse der Bitgeschwindigkeit) durch geeignete optische Verzögerungsleitungen 62 verzögert. Auf diese Weise ist das i-te Bit der seriellen Sequenz 1000 mit N Bits am i-ten Ausgang des Umsetzers 6 vorhanden, so dass das entsprechende räumliche Muster 3000 mit N Bits gebildet wird.

Der Teiler 61 ist beispielsweise ein einzelner 1×N Schweißfaserkoppler oder wird aus einer entsprechenden Anzahl von 1×2 Schweißfaserteilern gebildet, die in Reihenschaltung verbunden sind, um einen 1×N Teiler zu bilden. Alternativ kann der Teiler 61 auch durch andere Technologien wie die integrierte Optik oder die holographische Beugung hergestellt werden.

Die optischen Verzögerungsleitungen 62 sind beispielsweise Segmente optischer Fasern oder Hohleiter von geeigneter Länge.

Vorzugsweise sind herkömmliche thermo-optische Phasensteuerungen ("Heizer"), die hier nicht gezeigt sind, am Ausgang der optischen Verzögerungsleitungen 62 oder, alternativ, entlang der Verzögerungsleitungen 62 vorhanden, und regulieren genau die Phasenverzögerungszeit von jedem der N Signale, so dass die Phasenbeziehung zwischen den N Bits des räumlichen Musters 3000 dieselbe ist wie die zwischen den N Bits der optischen Sequenz 1000 am Eingang des Reihen-Parallel-Umsetzers 6.

Mittels einer herkömmlichen elektronischen Stabilisierungs- und Steuerungsschaltung regulieren die Heizer entsprechend die Temperatur der Verzögerungsleitungen 612, um die Längen dieser Leitungen 612 und somit die Phasen der N Bits des räumlichen Musters 3000 anzupassen.

Wenn die optischen Verzögerungsleitungen 62 aus Segmenten optischer Fasern bestehen, kann ein ähnlicher Effekt mit herkömmlichen piezoelektrischen Geräten (Stretcher) erhalten werden, die in der Lage sind, die Längen dieser Segmente optischer Fasern zu regulieren.

In einer Ausführung besteht das zweite Element 9 zur Durchführung einer Faltungsoperation im freien Raum und, parallel dazu, der Referenzsequenz mit N Bits und der seriellen optischen Testsequenz 1000 aus einem herkömmlichen Vander-Lugt-Korrelator vom vorstehend mit dem Bezug auf 1 beschriebenen Typ, umfassend eine erste konvexe Linse 21, ein Phase-Only-Filter 22 und eine zweite konvexe Linse 23. Die Linsen 21 und 23 haben beispielsweise Brennweiten von f₁=1000 mm bzw. f₂=250 mm.

Das zweite Element 9 führt dessen Ausgang ein optisches Signal 2000 mit einer Intensität zu, dessen Wert vom Ergebnis der Vergleichsoperation zwischen der Referenzsequenz mit N Bits und der seriellen optischen Testsequenz 1000 abhängt.

Das Phase-Only-Filter 22 hat eine Übertragungsfunktion mit einer Phase &phgr;(&xgr;,&eegr;), die im Wesentlichen mit der konjugierten Phase des auf dem Filter einfallenden optischen Feldes gleich ist, wenn die Testsequenz mit N Bits mit der Referenzsequenz gleich ist. Insbesondere hat dieses Phase-Only-Filter 22 eine Übertragungsfunktion mit einer Phase &phgr;(&xgr;,&eegr;), die im Wesentlichen mit der konjugierten Phase der Fourier-Transformation der Referenzsequenz mit N Bits gleich ist [Gleichung (4)].

Beispielsweise besteht es aus einem herkömmlichen räumlichen Lichtmodulator (SLM) unter Verwendung von Flüssigkristallen vom "verdrillt-nematischen" Typ.

Dieses Gerät besteht aus einer Reihe von N-Flüssigkristallzellen, die dem einfallenden optischen Feld gemäß dem Konjugat der Phaseninformation, die in der Fourier-Transformation der Referenzsequenz mit N Bits enthalten ist, eine Phasenverzögerung vermitteln. Diese Phasenverzögerung wird durch die Steuerung der an den Flüssigkristallzellen anliegenden Potentialdifferenz mittels eines elektrischen Steuerungssystems erhalten. Dies wird erreicht, weil es aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaften der Flüssigkristalle möglich ist, eine Drehung der Polarisationsebene des auf die Zellen einfallenden Lichts, mit anderen Worten eine Phasenveränderung des einfallenden Lichts durch Anlegen einer vorbestimmten Potentialdifferenz an die Zellen, herbeizuführen.

Alternativ kann das Phase-Only-Filter 22 auch aus einer herkömmlichen, durch bekannte holographische oder beugende lithograpische Verfahren hergestellten Phasenmaske bestehen.

Ein ähnlicher Effekt kann auch mit einem Vander-Lugt-Korrelator umfassend eine erste und eine zweite konvexe optische Linse und ein herkömmliches angepasstes Filter erzielt werden.

In anderen Ausführungen kann das zweite Element 9 auch aus anderen Gerätarten bestehen, die in der Lage sind, eine Faltungsoperation von zwei Sequenzen mit Bits durchzuführen, wie ein herkömmlicher Joint-Transformationskorrelator (JTC), ein Korrelator vom in der vom vorliegenden Anmelder eingereichten Patentanmeldung Nr. 982002411.9 beschriebenen Typ, oder geeignete herkömmliche elektronische Geräte.

2 zeigt eine Ausführung eines optischen Übertragungssystems gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung. Dieses System ist geeignet zum Senden von zumindest einem digitalen optischen Signal, das eine gewisse Anzahl von optischen Sequenzen 1000 mit N Bits enthält, die jeweils eine Dauer T_b und eine Bitrate r_b=1/T_b haben. Das optische Übertragungssystem in 2 umfasst einen Sender A, eine optische Übertragungsleitung 4 und einen Empfänger B.

Wiederum umfasst der Sender A eine Laserquelle 2, die mit einem Eingang des Phasenmodulators 3 optisch verbunden ist. Der Ausgang des Phasenmodulators 3 ist verbunden mit der optischen Übertragungsleitung 4, welche wiederum mit dem Eingang vom Empfänger B optisch verbunden ist.

Die Laserquelle 2 ist beispielweise eine Laserdiode, die bei den Wellenlängen eines optischen Signals der Telekommunikation emittiert, beispielsweise im Bereich von etwa 1300 bis 1600 nm oder vorzugsweise im Bereich von etwa 1500 bis 1600 nm.

Der Phasenmodulator 3 ist ein herkömmlicher optischer Modulator umfassend beispielsweise einen Hohlleiter auf einem LiNbO₃ Substrat, dem zwei Elektroden zugeordnet sind. Der Modulator 3 führt eine binäre Phasenmodulation des optischen Signals durch, das von der Laserquelle 2 gemäß dem digitalen elektrischen Pilotsignal 110 gesendet wurde, welches die zu übertragende digitale Information bei einer vorbestimmten Bitrate enthält.

Mit dem von der Laserquelle 2 emittierten optischen Signal assoziiert der Phasenmodulator 3 beispielsweise eine Phase von

• – &phgr;=0, wenn das Bit des elektrischen Signals 110 0 ist; und
• – &phgr;=&agr;&pgr;, wenn das Bit des elektrischen Signals 110 1 ist,

Die optische Übertragungsleitung 4 umfasst typischerweise eine optische Faser. Vorzugsweise umfasst sie ein optisches Kabel.

Bei Fernverbindungen umfasst die optische Übertragungsleitung 4 vorzugsweise zumindest einen herkömmlichen optischen Verstärker, beispielsweise einen vom Erbium-dotierten Fasertyp.

In der erläuterten Ausführung umfasst der Empfänger B einen 1×M Teiler 5 zur Trennung des Eingangssignals in M Ausgänge. Jeder der M Ausgänge des Teilers 5 ist mit einem Reihen-Parallel-Umsetzer 6 verbunden, umfassend jeweils N Ausgänge, beispielsweise aus optischer Faser. Die N Ausgänge jedes Reihen-Parallel-Umsetzers 6 sind mit einem der M Elemente 9.1-9.M vom vorstehend beschrieben Typ optisch verbunden, zum Durchführen einer Faltungsoperation im freien Raum und, parallel dazu, mit einem räumlichen Referenzmuster mit N Bits und einem räumlichen Testmuster mit N Bits (6). Der Ausgang jedes Elements 9.1-9.M ist mit einem separaten Photodetektor 7 verbunden, welcher wiederum mit der Schwellenschaltung 8 verbunden ist.

Der Teiler 5 ist beispielsweise ein einzelner 1×M Schweißfaserkoppler oder besteht aus einer Vielzahl von Schweißfaserkopplern (beispielsweise vom 1×2 Typ) in Reihenschaltung, um einen 1×M Teiler zu bilden.

Alternativ kann der Teiler 5 auch durch andere Technologien wie die integrierte Optik oder holographische Beugung hergestellt werden.

Die räumlichen Reihenumsetzer 6 sind beispielsweise vom vorstehend mit Bezug auf 3 beschriebenen Typ.

In einer Ausführung können die Geräte 9.1-9.M, wie vorstehend erwähnt, ein Vander-Lugt-Korrelator (1) sein, umfassend jeweils eine erste konvexe Linse 21, ein Phase-Only-Filter 22 und eine zweite konvexe Linse 23. Alternativ können die Geräte 9.1-9.M aus anderen herkömmlichen Korrelatortypen bestehen wie einem herkömmlichen Joint-Transformationskorrelator (JTC), einem Korrelator vom in der vom vorliegenden Anmelder eingereichten Patentanmeldung Nr. 98202411.9 beschriebenen Typ oder herkömmlichen elektronischen Geräten, die in der Lage sind, eine Faltungsoperation mit einem Referenzbyte und einem Testbyte durchzuführen.

Jedes der Geräte 9.1-9.M wird so hergestellt, dass sie eine vorbestimmte binäre Referenzsequenz mit N Bits unter allen der möglichen Sequenzen (2^N), die von der optischen Übertragungsleitung 4 zugeführt werden, erkennen. Der Empfänger B ist somit in der Lage, von allen der 2^N möglichen Sequenzen, die dem Eingang zugeführt werden, diejenigen zu unterscheiden, die mit zumindest einer der M Referenzsequenzen (wobei M≤2^N) identisch sind.

Wenn es andererseits erforderlich ist, nur eine vorbestimmte Referenzsequenz mit N Bits zu erkennen, umfasst der Empfänger B lediglich einen Reihen-Parallel-Umsetzer 6, ein einzelnes Element 9, eine einzelne Photodiode 7 und eine einzelne Schwellenschaltung 8.

Diese Referenzsequenzen können beispielsweise eine Zellenadresse zur Übertragung vom asynchronen Typ (asynchrones Übertragungsverfahren, ATM) oder ein CDMA (Codemultiplex-Vielfachzugriff) Leitungscode sein.

Der Photodetektor 7 ist beispielsweise eine PIN Photodiode aus InGaAs, wie das ETX75 FJ SLR Modell, das von Epitaxx Optoelectronics Devices, 7 Graphics Drive, West Trenton, NJ, USA, vertrieben wird.

Die Schwellenschaltung 8 ist beispielsweise eine herkömmliche elektronische Schaltung.

Der Photodetektor 7 detektiert die Intensität des optischen Signals 2000 am Ausgang des entsprechenden Elements 9 und setzt sie in einen entsprechenden Spannungswert V um. Die Schwellenschaltung 8 vergleicht diesen Spannungswert V mit einem Schwellenspannungswert, der auf herkömmliche Weise ausgewählt wird, um zu bestimmen, ob die von der optischen Übertragungsleitung 4 zugeführten Sequenzen mit N Bits mit der vorbestimmten Referenzsequenz identisch sind oder nicht.

16, in welcher dieselben Bezugszeichen zur Angabe von Komponenten vom selben Typ wie die vorstehend beschriebenen verwendet werden, zeigt eine zweite Ausführung des Geräts 500 gemäß der vorliegenden Erfindung.

In der in 16 dargestellten Ausführung umfasst das Gerät 500 in 6 auch eine optoelektronische Schaltung 43, einen Photodetektor 7, eine Schwellenschaltung 8 und einen Prozessor 44. Wiederum umfasst die optoelektronische Schaltung 43 typischerweise eine Photodiode, eine Schwellenschaltung und einen elektronischen Verstärker, jeweils vom herkömmlichen Typ (nicht gezeigt).

Die optoelektronische Schaltung 43 setzt ein digitales optisches Signal, welches eine von 0/&agr;&pgr; verschiedene Modulation hat und von einer Übertragungsleitung (beispielsweise vom optischen Fasertyp) 41 zugeführt wird, in ein entsprechendes elektrisches Signal 110 um. Das elektrische Signal 110 wird als das Pilotsignal des Phasenmodulators 130 des Geräts 500 verwendet, welcher das von der Laserquelle 120 durch eine 0/&agr;&pgr; Modulation erzeugte optische Signal moduliert.

Die Sequenz mit N Bits 1000, die auf diese Weise mit dem Phasenmodulator 130 moduliert wird, wird an den Reihen-Parallel-Umsetzer und an das zweite Element 9 in 6 gesandt.

Das optische Ausgangssignal 2000 des zweiten Elements 9 wird dann an den Photodetektor 7 und dann an die Schwellenschaltung 8 gesandt.

Für Informationen zur Bestimmung des Parameters &agr; und die Merkmale der Laserquelle 120, des Phasenmodulators 130, des Reihen-Parallel-Umsetzers 6, des zweiten Elements 9, des Photodetektors 7 und der Schwellenschaltung 8 wird hier auf die vorangegangenen Beschreibungen verwiesen.

Das Gerät in 16 kann beispielsweise im Empfänger eines herkömmlichen optischen Übertragungssystems verwendet werden, in welchem zumindest ein digitales optisches Signal übertragen wird, das Sequenzen mit N Bits umfasst und durch eine herkömmliche Modulation wie NRZ (non return to zero) oder RZ (return to zero) Amplitudemodulation oder eine 0/&pgr; Phasenmodulation moduliert wurde.

Für die letztgenannte 0/&pgr; Phasenmodulation wird die optoelektronische Schaltung 43 vorzugsweise einem herkömmlichen Gerät zugeordnet, das in der Lage ist, eine Detektion vom kohärenten Typ durchzuführen.

Das zumindest ein digitales optisches Signal wird dem Eingang des Geräts in 16 über die Übertragungsleitung 41 zugeführt.

Die Schaltung 43 führt die optisch-zu-elektrisch Umsetzung des digitalen optischen Signals, das die Sequenzen mit N Bits umfasst, durch und liefert somit das elektrische Pilotsignal 110 an den Phasenmodulator 130.

Gemäß der vorbestimmten Referenzsequenz mit N Bits bestimmt der Prozessor 44 den Parameter &agr; wie vorstehend beschrieben und betreibt

• – den Phasenmodulator 130, so dass er eine 0/&agr;&pgr; Modulation des von der Laserquelle 120 emittierten Signals durchführt; und
• – das Filter des Elements 9, so dass es die Phase (im Falle eines Phase-Only-Filters) oder die Phase und Amplitude (im Falle eines angepassten Filters) des einfallenden optischen Feldes gemäß der Information zur Phase bzw. zur Phase und Amplitude, die im auf dem Filter einfallenden optischen Feld enthalten ist, verändert, wenn die Testsequenz mit N Bits mit der Referenzsequenz identisch ist.

Das vom zweiten Element 9 gelieferte optische Signal 2000 wird dann durch die Photodiode 7 in ein elektrisches Signal umgesetzt, dessen Spannung von der Schaltung 8 mit einer auf herkömmliche Weise ausgewählten Schwellenspannung verglichen wird, um zu bestimmen, ob die zugeführten Testsequenzen mit dem vorbestimmten Referenzsequenz identisch sind oder nicht.

Folglich kann das Gerät in 16 aufgrund des Prozessors 44 mehr als eine vorbestimmte Referenzsequenz mit N Bits unter denen erkennen, die dem Empfänger zugeführt werden.

Die Erfinder haben ein Computerprogramm entwickelt, das in der Lage ist, das Verhalten eines erfindungsgemäßen Geräts zu simulieren.

So haben sie die Werte des Parameters D' bestimmt, die mit einer Variation des &phgr; Phasenmodulationspegels für das Bit 1 (0≤&phgr;≤&pgr;), mit anderen Worten mit einer Variation des Parameters &agr; (0≤&agr;≤1), erhalten wurden, unter Verwendung

• – einer Referenzsequenz mit 8 Bits (N=8), die 01001110 ist (78 in der Dezimalschreibweise);
• – aller der möglichen 256 Testbytes; und
• – eines Variationsschritts von 0,01 &pgr; des &phgr; Phasenmodulationspegels.

7, Kurve A, zeigt die so ermittelten Werte des Parameters D' unter Verwendung des komplementären Bytes des Referenzbytes 78 als Testsequenz. 7, Kurve B, zeigt wiederum für jeden Wert den Höchstwert (schlimmster Fall) des Parameters D', der mit allen 256 Testbytes erhalten wurden, außer denen, die mit dem Referenzbyte 78 und seinem komplementären Byte identisch waren. Die Kurve B stellt somit für jeden berücksichtigten Wert des Parameters &agr; den schlimmsten Fall des Unterscheidungsvermögens CD eines erfindungsgemäßen Geräts für alle Testbytes dar, außer denen, die mit dem Referenzbyte 78 und seinem komplementären Byte identisch waren.

Für jeden Wert des Parameters &agr; wurde dann der Punkt der Kurve A oder B, der dem Höchstwert des Parameters D' entsprach, geprüft, und die Kurve, welche die auf diese Weise ermittelten Punkte durchlief, wurde gezeichnet.

Zu diesem Zeitpunkt wurde der Pegel der Modulation &phgr;, der dem Minimum dieser Kurve entsprach, geprüft, und so wurde der optimale Modulationspegel &phgr;_o, welcher die Unterscheidbarkeit der Referenzsequenz mit Bits 78 von allen anderen Testsequenzen einschließlich der komplementären Sequenz optimierte, ermittelt. Wie in 7 gezeigt, wurde für die Referenzsequenz 01001110 (78) ein optimaler Modulationspegel &phgr;_o (der in diesem Fall dem Minimum der Kurve B entspricht) von 0,72&pgr; ermittelt; mit anderen Worten wurde ein optimaler Wert &agr;_o des Parameters &agr; von 0,72 ermittelt. Für diesen Wert des Modulationspegels wurde ein Parameter D' von 0,4537 für die komplementäre Sequenz ermittelt, während für die Sequenz mit der schlechtesten Unterscheidbarkeit (siehe Kurven A und B) ein Parameter D' von 0,6635 ermittelt wurde.

8 zeigt die Ergebnisse einer weiteren Simulation, die zur Bestimmung der Variation des Parameters D' durchgeführt wurde, unter Verwendung

• – von 256 Testbytes,
• – des Bytes 01001110 (78) als Referenzsequenz, und
• – von einem optimalen Modulationspegel &phgr;_o von 0,72&pgr;.

Die ermittelten Resultate zeigen, dass die 0/&agr;&pgr; Modulation nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einen guten Wert für den Parameter D' bei allen Testbytes einschließlich der komplementären Sequenzen lieferte.

9 zeigt die Werte des Parameters D', die mit den Testbytes (206, 14, 110, 94, 70, 74, 76, 79), die sich vom Referenzbyte 01001110 (78) lediglich um ein Byte unterschieden, und mit dessen komplementären Byte (177), erhalten wurden. Die Kurve E zeigt die Werte des Parameters D', die mit einem Modulationspegel &phgr; von &pgr; erhalten wurden, mit anderen Worten mit einer herkömmlichen Modulation, während die Kurve F die Werte des Parameters D' zeigt, die gemäß der Erfindung mit einem optimalen Modulationspegel &phgr;_o von 0,72&pgr; erhalten wurden.

Diese Kurven zeigen, dass die erfindungsgemäße Phasenmodulation es ermöglichte, die numerische Referenzsequenz von deren komplementären Sequenz zu unterscheiden, und die Unterscheidbarkeit (die Verringerung des Wertes vom Parameter D') vom übriggebliebenen kritischsten Byte 01001111 (79) zu verbessern. Es sollte hier darauf verwiesen werden, dass ein sehr hoher Wert von D' für dieses letzte Byte mit der herkömmlichen 0/&pgr; Phasenmodulation erhalten wurde.

Das erfindungsgemäße Gerät ermöglichte es somit, das Problem, dass eine vorbestimmte Referenzsequenz von deren komplementären Sequenz nicht unterschieden werden kann, zu überwinden und steigert im Durchschnitt die Möglichkeit, sie von allen anderen Testsequenzen zu unterscheiden.

Dasselbe Verfahren wurde verwendet, um den optimalen Wert von &phgr; für jedes der 256 Referenzbytes zu bestimmen.

10 zeigt die so ermittelten optimalen Werte &phgr; (auf der vertikalen Achse) für jedes Referenzbyte (auf der horizontalen Achse in Dezimalwerten angegeben). Aus 10 geht hervor, dass die optimalen Modulationspegel &phgr;_o für nahezu alle Bytes zu einem begrenzten Satz von Werten, die von 0,7 &pgr; bis 0,9 &pgr; reichen, was 0,7≤&agr;_o≤0,9 entspricht, gehören.

11 zeigt wiederum den Höchstwert des Parameters D', der für jedes der 256 Referenzbytes beim entsprechenden vorstehend festgestellten optimalen Modulationspegel &phgr;_o erhalten wurde. Von Zeit zu Zeit schlossen die Testbytes nicht dasjenige ein, das mit dem ausgewählten Referenzbyte gleich war.

Zusätzlich wurde mittels einer Gruppe von am Computer durchgeführten Simulierungen ein Modulationspegel &phgr; von 0,83 &pgr; (&agr;=0,83) ermittelt, welcher das Vermögen zur Unterscheidung zwischen allen 256 Referenzbytes von allen möglichen Testbytes optimierte.

12 zeigt die so ermittelten Höchstwerte des Parameters D' für jedes Referenzbyte.

In diesem Zusammenhang sollte darauf verwiesen werden, dass, wenn es notwendig ist, dass lediglich M (M<2^N) Referenzbytes von allen möglichen Testbytes erkannt werden, eine Bestimmung des Modulationspegels &phgr;, der das Vermögen zur Unterscheidung dieser M Referenzbytes von allen möglichen Testbytes optimiert, vorzuziehen ist. Dieser Modulationspegel wird sich im Allgemeinen von jenem unterscheiden, der das Vermögen zur Unterscheidung aller 2^N Referenzbytes optimiert.

Der Unterschied (die relative Variation des Parameters D') zwischen dem Höchstwert des Parameters D', der unter Verwendung des Modulationspegels von 0,83 &pgr; erhalten wurde, und dem Höchstwert des Parameters D', der mit dem optimalen Modulationspegel für jedes Byte erhalten wurde, wurde dann für jedes Byte berechnet.

13 zeigt die so ermittelten Ergebnisse für die relative Variation des Parameters D' (auf der vertikalen Achse). Für jedes Referenzbyte (in der Dezimalschreibweise auf der horizontalen Achse angegeben) wurde aufgrund der Verwendung eines Modulationswertes von 0,83 &pgr; anstatt des optimalen Wertes eine Erhöhung des Wertes des Parameters D' von bis zu 20% gefunden.

17 zeigt wiederum den schlechtesten Wert des Parameters D', der für jedes der 256 Referenzbytes mit einer herkömmlichen 0/&pgr; Modulation, unter Berücksichtigung aller 2^N Testsequenzen mit der Ausnahme von der komplementären Sequenz und der mit der Referenzsequenz identischen Sequenz, erhalten wurde.

Beim Vergleich der Ergebnisse in 11 und 12 mit jenen in 17 sollte darauf verwiesen werden, dass die erfindungsgemäße Modulation nicht nur ein gutes Vermögen zur Unterscheidung der komplementären Sequenz liefert, sondern es auch ermöglichte, im Durchschnitt viel niedrigere Werte des Parameters D' als jene, die mit herkömmlicher Modulation erhalten wurden, zu erhalten.

Zum Beispiel zeigt 18, die den Unterschied zwischen den in 17 erhaltenen Werten von D' und jenen, die in 12 erhalten wurden, veranschaulicht, wie die mit herkömmlicher Modulation 0/&pgr; erhaltenen Werte von D' als im Durchschnitt höher gefunden wurden als jene, die gemäß der Erfindung erhalten wurden.

Das Verfahren zur Bestimmung des Parameters &agr; und folglich des optimalen Modulationspegels ist unabhängig von der Länge (N) der Referenzsequenz mit Bits sowie von der speziellen Ausführung des zweiten Elements 9. Zum Beispiel wurden weitere Simulierungen für verschiedene Längen der numerischen Sequenz, mit andern Worten für N Werte von 7 und 5, durchgeführt. Auch in diesem Fall wurde ein optimaler Wert &agr;_o typischerweise im Bereich zwischen 0,7 bis 0,9 erhalten.

In einer anderen Ausführung der Erfindung umfasst das Gerät 500 in 6 auch eine Phasenmaske (nicht gezeigt). Vorzugsweise befindet sich diese Phasenmaske am Eingang des zweiten Elements 9. Beispielsweise kann es sich auf der Eingangsebene 11 des in 1 gezeigten Vander-Lugt-Korrelators befinden.

Beispiele von herkömmlichen zu den Zwecken der Erfindung geeigneten Phasenmasken sind diejenigen, die von Lasiris hergestellt werden, welche Laserritzverfahren verwendet, oder diejenigen von RPC, welche lithographische Verfahren mit ultravioletter Strahlung verwendet. Diese Verfahren des Ritzens und die Umsetzung der so erzeugten beugenden optischen Elemente werden beispielsweise von A. Asselin et al. ("Diffractive optics at NOI", National Optics Institute, vol. 5, pp. 1-8, 1994) beschrieben.

Die Phasenmaske kann die existierenden Unterschieden zwischen Sequenzen mit N Bits, die einander sehr ähneln (zum Beispiel im Falle von Sequenzen, die sich lediglich durch ein Bit voneinander unterscheiden), hervorheben und wird vorzugsweise so durchgeführt, dass eine vorbestimmte Phasenverschiebung den Bits mitgegeben wird, die in der Eingangstestsequenz dieselbe Position auf der x, y Ebene besetzen wie die in der Referenzsequenz mit N Bits auf 1 eingestellten Bits.

Durch die Verwendung einer solchen Maske wird das Phase-Only-Filter 22 des in 1 dargestellten Vander-Lugt-Korrelators vorzugsweise so betrieben, dass die Phase &phgr;(&xgr;,&eegr;) seiner Übertragungsfunktion [Gleichung (4)] mit der Summe der Konjugatphase der Fourier-Transformation der Referenzsequenz mit N Bits und der durch die Maske eingeführten Phasenverschiebung gleich ist.

Zur Bestimmung des optimalen Phasenverschiebungswerts, welcher durch die Phasenmaske eingeführt werden soll, wurden Simulierungen unter Verwendung des Bytes 01001110 (78) als Referenzsequenz mit N Bits durchgeführt.

In einer Anfangsphase wurde der optimale Phasenverschiebungswert der Phasenmaske für die Eingangssequenz unter Verwendung eines herkömmlichen Phasenmodulationspegels &phgr; (gleich &pgr;) berechnet.

So wurde ein optimaler Phasenverschiebungspegel &phgr;_M der Maske von 0,29 &pgr; erhalten. Mit diesem Wert war es möglich, die Unterscheidbarkeit aller Sequenzen mit N Bits mit der Ausnahme von der komplementären Sequenz der Referenzsequenz (78), die andererseits nicht unterschieden wurde, um etwa 21 % zu verbessern.

Folglich wurde dann der optimale Phasenverschiebungswert der Phasenmaske unter Verwendung eines Phasenmodulationspegels &phgr; von an gemäß der Erfindung für die Eingangssequenz berechnet.

So wurde eine Kombination von Werten &phgr;_o, &phgr;_oM ermittelt, die in der Lage war, die Referenzsequenz von deren komplementären Sequenz zu unterscheiden, während sie gleichzeitig deren Unterscheidbarkeit von den anderen Testsequenzen optimierte.

So wurden ein optimaler Modulationspegel &phgr;_o, von etwa 0,78&pgr;, und ein optimaler Phasenverschiebungswert &phgr;_oM von etwa 0,45&pgr; erhalten.

Für diese Werte von &phgr;_o, &phgr;_oX wurde für die numerische Testsequenz 00001110 (14) ein Höchstwert des Parameters D' (dem schlimmsten Fall entsprechend) von 0,6416 ermittelt.

Somit lieferte die Phasenmaske Werte von D', die insgesamt jenen ähnelten, die in der Abwesenheit einer Phasenmaske und mit einer optimalen Modulation von 0,72&pgr; der Bits der Eingangssequenz (8) erhalten wurden.