DE2903288C2

DE2903288C2 - Optischer Multiplexer und Demultiplexer

Info

Publication number: DE2903288C2
Application number: DE2903288A
Authority: DE
Inventors: Hideki Ishio; Tetsuya Yokosuka Kanagawa Miki; Kiyoshi Yokohama Kanagawa Nosu
Original assignee: Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1978-01-31
Filing date: 1979-01-29
Publication date: 1982-12-02
Also published as: GB2014752A; NL177875B; GB2014752B; IT1109751B; FR2416595A1; FR2416595B1; IT7919524A0; NL7900670A; NL177875C; DE2903288A1

Description

und 102. die die getrennten Signalwellen aufnehmen, !i.ingen ebenfalls von der Lage 5 der optischen Faser 100 ab. Der in F i g. 2 dargestellte optische Multiplexer hat daher den Nachteil, daß die Eigenschaften des Interferenzfilters 3 und die Lagen der Fasern 101 und 102 zur Aufnahme der Wellen nicht unabhängig voneinander eingestellt werden können.

Wenn drei oder mehr Wellen getrennt werden sollen, wird die in Fig. 3 dargestellte gattungsgemäße Anordnung gewählt. In diesem Falle sind mehrere Gradienten-Stablinsen 1, 2, Γ, 2', 1", 2" zusammengesetzt. Hierbei ergeben sich jedoch hohe Verluste, wenn die Verbindungsstellen der Gradienten-Stablinsen nicht mit äußerster Genauigkeit gewählt werden. |e größer die Anzahl der zu trennenden Signalwellen ist. umso größer sind die Einstellschwierigkeiten. Ferner ist diese Anordnung aufwendig.

Ein anderer bekannter optischer Multiplexer, der einen wellenlängenselektiven Spiegel aufweist, ist in der I Κ-Ρς IQ <5Ί T)I anupophpii Hiprhpi sinH mphrprp

selektive Spiegel unter einem Winkel von 45° zur Achse des Lichtstrahlenbündels hintereinander angeordnet, und jeder selektive Spiegel reflektiert eine bestimmte Wellenlänge. Wenn daher viele Wellenlängen gemultiplext (gebündelt) oder demultiplext (getrennt) werden sollen, muß ein Lichtstrahl viele selektive Filter durchlaufen, so daß die Übertragungsverluste sehr groß sind. Ferner hat diese bekannte Anordnung den Nachteil, daß. wenn die zu trennenden Wellenlängen sehr dicht beieinanderliegen, eine Trennung unmöglich ist, weil der Einfallswinkel ebenfalls 45' beträgt und das Durchlässigkeits- und/oder Reflektionsvermögen des Filters davon abhängt, ob der Lichtstrahl bzw. das Lichtstrahlenbündel P-polarisiertes oder S-polarisicrtes Licht ist.

Diese US-PS beschreibt ferner einen Multiplexer, bei dem mehrere Bandpaßfilter um eine Glasplatte mit halbreflektierenden Wänden herum angeordnet sind. Dieser Multiplexer hat jedoch den Nachteil, daß die Lichtverluste sehr groß sind, weil das Lichtstrahienbündel von den halbreflektiere.iden Wänden mehrmals teilweise reflektiert oder teilweise durchgelassen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Multiplexer und/oder Demultiplexer der gattungsgemäßen Art anzugeben, der einfach ist und bei dem die Durchgangsverluste gering sind.

Lösungen dieser Aufgabe sind in den Ansprüchen I und 10 gekennzeichnet. Hierbei können Gradienten-Stabiinsen in dem Raum zwischen den Filtern entfallen. Vielmehr genügt beispielsweise einfach Luft als optisches Material.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. ! den grundsätzlichen Aufbau eines Wellenlängenmultiplex-Nachrichtenübertragungssystems.

Fig. 2 den Aufbau eines bekannten optischen Multiplexers.

F i g. 3 den Aufbau eines weiteren bekannten optischen Multiplexers.

Fig.4 den Aufbau eines dielektrischen Dünnschicht-Filters.

Fig.5 den Zusammenhang zwischen der Wellenlän- ge und der Durchlässigkeit des Filters nach F i g. 4.

Fig. 6 den Zusammenhang zwischen Mittenwellenlänge des Filters und Einfallswinkel des Filters nach F ig. 4,

F i g. 7 den Zusammenhang zwischen Einfallswinkel und Einfügungsdämpfung bei der Mittenwellenlänge des Filters nach F i g. 4.

Fig. 8 den Zusammenhang zwischen Einfallswinkel und unterer 3 dB-Wellenlängebandbreite (d. h. der halben Bandbreite) des Filters in F i g. 4,

F i g. 9 ein schematisiertes Beispiel für einen erfindungsgemäßen optischen Demultiplexer,

Fig. 10 ein schematisiertes Beispiel für einen erfindungsgemäßen optischen Multiplexer,

F i g. 11 ein anderes Beispiel für den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Demultiplexers,

Fig. 12 ausführlicher den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Demultiplexers.

Fig. 13 die Kennlinien der Filter nach F i g. 12,

F i g. 14 ausführlicher den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Multiple-

Fig. 15 den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Demultiplexers.

Fig. 16 den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Demultiplexers und

Fig. 17 den Aufbau noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Demultiple .TS.

Fig. 4 zeigt den Aufbau des dielektrischen Dünnschicht-Filters. Es ist eine Mehrschichtanordnung aus erstens mehreren Folgen der Schichten Fi und F₂. darauf folgend einer einzigen Schicht F₃ und darauf folgend wieder einer Folge der Schichten F\ und F₂. Die Schicht Fi besteht aus Z_nS und hat eine Dicke von λ/4. Die Schicht F₂ besteht aus MgF₂ und hat eine Dicke von A/4. Die Schicht F₃ besteht aus Z„j und hat eine Dicke von Λ/2. Vorzugsweise hat der erste Teil der Mehrschichtanordnung mit Fi und F₂ etwa zehn Schichten F₁ und die gleiche Anzahl von Schichten F₂ in abwechselnder Anordnung und der dritte Teil der Mehrschichtanordnung mit F] und F₂ den gleichen Aufbau wie der erste Teil. Vorzugsweise sind diese Schichten an einem Glassubstrat S₁ angebracht und die Oberfläche der Schichten mit einer Schutzschicht oder einem Abdeckglas S₂ abgedeckt. Dieses dielektrische Dünnschicht-Filter hat eine Bandpaßcharakteristik, die eine vorbestimmte Wellenlänge λ aus dem Eingangs-Lichtstrah-Ienbündel durchläßt und andere Wellenlängen reflektiert. Durch entsprechende Wahl der Dicken der Schichten Fi, F₂ und F₃ kann der Durchlaßbereich des Filters nach Wunsch bestimmt werden. Wen., ein Lichtstrahlenbündel unter einem schrägen Einfallswinkel Θ, der ungleich null ist. auf ein Filter trifft, wird der Durchlaßbereich (oder die Mittenwellenlänge) des Filters von der Dicke der Schichten in Richtung des Lichtstrahlenbündels bestimmt. Das Filter hat daher bei einem schrägen Lichtstrahlenbündel einen anderen Durchlaßbereich als bei einem senkrechten Lichtstrahlenbündel. Für die nachstehende Erläuterung ist wesentlich darauf hinzuweisen, daß der vorliegende Multiplexer einen kleinen Einfallswinkel aufweist.

F i g. 5 stellt ein Beispiel einer Messung der Durchlässigkeit eines dielektrischen Dünnschicht-Filters nach Fig.4 in Abhängigkeit von der Wellenlänge dar. Die Mittenwellenlänge Ao beträgt hier 875 nm, und die Haibbandbreite Δλ ist 20 nm. Die Halbbandbreite Ak ist die Wellenlängen-Bandbreite, in der die Energie im

Vergleich zur Miüenwellenlänge um 3 dB abnimmt. Die nicht durchgelassenen Wellenlängen werden reflektiert.

:" i g. 6 zeigt die Abhängigkeit der Mittenwellenlänge Ao des Bandpaßfilters vom Einfallswinkel des Lichtstrahlenbündels. Wie F i g. 6 zeigt, nimmt die Mittenwellenlängc A₁₁ mit steigendem Einfallswinkel θ ab.

Fig. 7 stellt ein Beispiel für die Abhängigkeit der Einfügungsdämpfung vom Einfallswinkel θ bei der Mitter -.- eilenlänge A₀ des Bandpaßfilters dar.

Fig. 8 stellt ein Beispiel für die Abhängigkeit der halben Bandbreite Δλ des Bandpaßfilters vom Einfallswinkel dar.

Wie den Fig. 6, 7 und 8 zu entnehmen ist, ist es günstig, den Einfallswinkel Θ kleiner als etwa 20° zu wählen. Dabei bleiben die Durchlässigkeit 7o bei der Mittenwcllenlänge Ao und die halbe Bandbreite Δλ die gleichen wie bei einem senkrechten Lichtstrahleneinfall Θ = O¹); nur die Mittenwellenlänge Ao wird zu kleineren Werten hin verschoben.

Pi λ Q ctplll pin Δ ncfiihi-iincrchp icnipl HpC prfinrinntJ*:-

Signalwellen gefiltert werden.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Multiplexers Wb, bei dem Signallichtquellen 13t', 132', 133', 134' und 135' jeweils die Signale mit den Wellenlängen A|. A?, A₁ und A₄ und A5 erzeugen. Die Kollimatorlinsen 121', 122', 123', 124' und 125' bilden parallele Lichtstrahlenbündel, die den jeweiligen Lichtquellen zugeordnet sind, und die Kondensorlinse 140' überträgt die gemultiplexten (gebündelten) optischen Signale in die optische Faser 100. Hierbei wird die optische Signalwelle mit der Wellenlänge Ai vom optischen Filter 111 durchgelassen, von der Kondensorlinse 140' kollimiert und in die optische Faser 100 geleitet. Die optische Signalwelle mit der Wellenlänge A2 wird vom optischen Filter 112 durchgelassen, vom optischen Filter 111 reflektiert und von der Kondensorlinse 140' kollimiert und in die optische Faser 100 geleitet. In ähnlicher Weise werden die Lichtstrahlenbündel mit den Wellenlängen Aj, A₄ und A^ in die optische

gemäßen Demultiplexers dar. Dieser Demultiplexer 10a enthält mehrere dielektrische Dünnschicht-Filter 111, 112,113,114 und 115. deren Aufbau in F i g. 4 dargestellt ist. mehrere Kondensorlinsen 121,122,123,124 und 125, mehrere photoelektrische Umformerelemente (Liciitdetektoren oder -fühler) 131, 132, 133, 134 und 135 und eine Kollimationslinse 140 (Ausblendlinse). Die Filteranordnung aus den optischen Fibern 111, 113 und 115 muß parallel zu dor Filteranordnung aus den optischen Filtern 112 und 114 angeordnet sein. Von den optischen Signalwellen, die demultiplext (getrennt) werden sollen, wird lur diejenige mit der Wellenlänge Ai vom optischen Filter 111 durchgelassen, das alle anderen Wellenlängen reflektiert. Das nächste optische Filter 112 läßt nur die optische Signalwelle mit der Wellenlänge λ₂ durch und reflektiert alle anderen Wellenlängen. In der gleichen Weise lassen die optischen Filter 113, 114 und 115 jeweils optische Signalwellen mit den Wellenlängen Aj, A4 und A5 durch. Es werden daher durch eine Anordnung mehrerer Filter mit verschiedenen Durchlaßbereichen Wellenlängen getrennt oder gebündelt.

Nachstehend wird die Wirkungsweise ausführlicher beschrieben.

Optische Signalwellen mit verschiedenen Wellenlängen Ai. A2, A3, A₄ und A5, die aus der optischen Faser 100 austreten, werden von der Kollimatorlinse 140 ausgeblendet, so daß ein ausgeblendetes Lichtstrahlenbündel in das optische Filter 111 eintritt. Aufgrund der Eigenschaften des optischen Filters 111 wird die optische Signalwelle mit der Wellenlänge Ai vom Filter 111 durchgelassen, während die optischen Signalwellen mit anderen Wellenlängen reflektiert werden und ins optische Filter 112 eintreten. Die optische Signalwelle mit der Wellenlänge Ai, die vom Filter 111 durchgelassen wurde, wird von der Kondensorlinse 121 auf den Lichtdetektor 131 konvergiert. In ähnlicher Weise wird das Lichtstrahlenbündel mit der Wellenlänge A₂ vom optischen Filter 112 durchgelassen und von der Kondensoriinse 122 kollimiert, die den Lichtdetektor 132 beleuchtet. Die optischen Signalwellen mit anderen Wellenlängen werden vom Filter 112 reflektiert und treten ins optische Filter 113 ein. In ähnlicher Weise werden alle optischen Signalwellen nacheinander von den optischen Filtern getrennt Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 9 weist zwar nur fünf optische Filter auf, doch können durch Hinzufügen weiterer Filter mit verschiedenen Durchlaßbereichen noch sehr viel mehr optische F i g. 11 stellt ein Ausführungsbeispiel des Demultiplexers 10c dar, bei dem die optischen Filter nicht in einer geraden Linie ausgerichtet sind. Vielmehr sind alle Filter unter einem Winkel gegenüber der Positionslinie angeordnet. Bei dieser Anordnung läßt sich das Multiplexer! und/oder Demultiplexen in der gleichen Weise wie bei den Anordnungen nach den F i g. 9 und 10 durchführen.

Fig. 12 zeigt ausführlicher den Aufbau des optischen Demultiplexers 1Od In dieser Figur bezeichnen die Bezugszahlen 11, 12, 13, 14, 15 und 16 dielektrische optische Dünnschicht-Bandpaßfilter. Mit 21, 22, 23, 24, 25 und 26 sind Glasplatten als Träger der optischen Bandpaßfilter bezeichnet. Mit 31, 32, 33, 34, 35 und 36

3^C sind Glasschützer zum Schützen der optischen Bandpaßfilter bezeichnet. Mit 40 ist eine Gradienten-Stablinse zum Ausblenden von Licht aus einer optischen Faser bezeichnet. Mit 41, 42, 43, 44, 45 und 46 sind Gradienten-Stablinsen zum Sammeln von Lichtstrahlenbündeln bezeichnet. 51, 52, 53, 54, 55 und 56 sind optische Fasern, die das getrennte Licht zu Lichtdetektoren oder -fühlern leiten. 60 ist ein transparentes gemeinsames Substrat mit parallelen Ebenen 60a und 606. Mit 71, 72, 73, 74, 75 und 76 sind Lichtdetektoren oder -fühler bezeichnet! Mit 80, 81, 82, 83, 84, 85 und 86 sind Prismen zur Einkopplung des schräg einfallenden Lichtstrahlenbündels in die optischen Filter bezeichnet, und 100 ist eine optische Faser in einer Übertragungsleitung. Es sei darauf hingewiesen, daß der Vertikalwinkel der Prismen 80 bis 86 der gleiche Winkel ist, unter dem die optischen Strahlenbündel in die optischen Filter einfallen, und dieser Winkel beträgt in diesem Ausiührungsbeispiel 15°. Auf beiden parallelen Oberflächen 60a und 606 des gemeinsamen Substrats 60 sind mehrere optische Bandpaßfilter 11,13 und 15 einerseits bzw. die optischen Bandpaßfilter 12, 14 und 16 andererseits geradlinig nebeneinander angeordnet. Ferner sind die Brechungsindizes der Glasplatten 21 bis 26, der Glasschützer 31 bis 36, der Gradienten-Stablinsen 40 bis 46, des gemeinsamen Substrats 60 und der optischen Fasern 51 bis 56 und 100 etwa gleich. Da diese Bauteile durch einen optischen Kontakt miteinander verbunden und ihre Brechungsindizes etwa gleich sind, ist die Reflektion an den Berührungsflächen der Bauteile vernachlässigbar klein. Da ferner die Mittenwellenlänge des optischen Bandpaßfilters 11 gleich Ai ist wird ein Lichtstrahlenbündel mit der Wellenlänge λ\ vom optischen BandpaßFilter 11 durchgelassen. Andere

Wellenlängen A₂. Ai. A^. A-, und Aj,. die einen hinreichend großen Abstand von der Wellenlänge Ai haben, werden dagegen vom Filter 11 reflektiert. In ähnliche; Weise lassen die Bandpnßfilter 12 bis 15 jeweils die Wellenlänge A₂ bis Ats durch, während sie Lichtstrahlenbündel mit anderen Wellenlängen reflektieren. Der Vertikal winkel der Prismen 80 bis 85 liegt hierbei 15".

Wenn bei dem Demultiplexer nach Fig. 12 Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen Ai bis Ae über die optische Fase,' lOO der Stablinse 40 zugeführt werden, werden sie zu parallelen Strahlenbündeln kollimiert und auf das optische Bandpaßfilter 11 gerichtet, wobei der Einfallswinkel durch den Vertikalwinkel der Prismen 80 bis 86 bestimmt wird. Der Einfallswinkel der Filter lieg-, hier mithin bei 15". Aufgrund der Durchlaßeigenschaft des Bandpaßfilters 11 wird eine Lichtwelle mit der Wellenlänge Ai vom Bandpaßfilter 11 durchgelassen. Andere Wellen werden vom Filter 11 reflektiert und durch die Glasplatte 21, das gemeinsame Substrat 68 und die Glasplatte 22 hindurch auf das zweite optische Bandpaßfilter 12 gerichtet. Die vom Filter 11 durchgelassene Wellenlänge λ, geht durch das Prisma 81 und die Stablinse 41 hindurch und tritt in die optische Faser 51 ein. die die Lichtwelle mit der Wellenlänge Ai zum Fühler 71 leitet. Am Ausgang des Fühlers 71 erscheint daher ein elektrisches Signal, das der Wellenlänge Ai entspricht. Von den Lichtstrahlenbündeln, die vom Filter 11 zum Filter 12 reflektiert werden, wird nur die Lichtwelle mit der Wellenlänge A₂ vom Filter 12, dem Prisma 82, der Stablinse 42 und der optischen Faser 52 zum Fühler 72 durchgelassen. Am Ausgang des Fühlers 72 tritt daher ein elektrisches Signal, das sich auf die Wellenlänge A₂ bezieht, auf. Die Lichtstrahlenbündel mit den Wellenlängen Aj bis Af, werden vom Filter 12 durch die Glasplatte 22, das gemeinsame Substrat 60 und die Glasplatte 23 hindurch zum dritten optischen Bandpaßfilter 13 reflektiert. In ähnlicher Weise werden die Lichtwellen mit den anderen Wellenlängen der Reihe nach durch die optischen Bandpaßfilter 13 bis 16 getrennt. Zwar ist in Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel mit sechs optischen Bandpaßfiltern dargestellt, doch läßt sich auch eine wesentlich größere Anzahl von Lichtwellen durch Verwendung einer entsprechend größeren Anzuhi von Filtern mit verschiedenen Mittenwellenlängen trennen.

Fig. 13 stellt ein Beispiel der Trennkennlinien des Demultiplexers XQd in Fig. 12 dar. In dieser Figur ist die Einfügungsdämpfung, die beim Durchlaufen der optischen Bandpaßfilter 11 bis 16 bewirkt wird, in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Die Einfügungsdämpfung ist wie folgt definiert:

-10 log

(Ausgangsleistung eines
vorbestimmten Filters)

(Eingangsleistung des
Demultiplexers)

Wie Fig. 13 zeigt, werden die Lichtwellen mit Mittenwellenlänge des jeweiligen Filters mit geringer Dämpfung (geringen Verlusten) durchgelassen, während Lichtwellen mit Wellenlängen, die von den Mittenwellenlängen abweichen, praktisch nicht durchgelassen werden.

Das in F i g. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Demultiplexers kann auch als optischer Multiplexer verwendet werden, der mehrere Wellenlängen in einer einzigen optischen Faser überlagert bzw. bündelt.

Fig. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das als optischer Multiplexer verwendet wird. Mit 40' ist die Stabünsc zum Einkoppeln eines optischen Strahlenbündel.¹; """. den. Multiplexer in die Ubertragungsfaser 100 bezeichnet. Die Bezugszahlen 4Γ bis 46' bezeichnen Stablinsen, die die Ausgangsstrahlen der optischen Fasern zu parallelen Lichtbündeln kollimieren, und die Bezugszahlen 5Γ bis 56' bezeichnen optische Fasern, die die zu multiplcxenden Lichtwellen jeweils mit den Wellenlängen Ai bis A_b weiterleiten. Die jeweils von den Stablinsen 41' bis 46' ausgeblendeten Lichtstrahlenbündel werden unter einem schrägen Einfallswinkel durch die optischen Bandpaßfilter dem gemeinsamen Substrat 60 zugeführt. Die Strahlenbündel verlaufen entgegengesetzt zu der Richtung, in der sie im Falle der Fig. 12 verlaufen, und treten in die Stablinse 40' ein. die die gemultiplexten Strahlenbündel in die optische Ubertragungsfaser 100 einkoppelt.

Als Beispiel wird nachstehend der Verlauf der Lichtwelle mit der Wellenlänge A₂, die durch die optische Faser 52' geleitet wird, beschrieben. Die aus der optischen Faser 52' austretende Lichtwelle wird von der Kollimator-Stablinse 42' zu einem parallelen Lichtbündel kollimiert und dann dem optischen Bandpaßfilter 11 unter einem schrägen Einfallswinkel durch das Prisma 82. das optische Bandpaßfilter 12 und das gemeinsame Substrat 60 zugeführt. Dagegen werden die Lichtbündel mit den Wellenlängen Aj bis A₆, die dem optischen Bandpaßfilter 12 von unten in Fi g. 14 zugeführt werden, vom Filter 12 reflektiert, und zusammen mit dem Lichtstrahlenbündel der Wellenlänge A₂ treten diese reflektierten Strahlenbündel ins optische Bandpaßfilter 11 ein. Die dem optischen Bandpaßfilter 11 zugeführten Strahlenbündel werden von diesem Filter 11 reflektiert, das die Wellenlänge A, durchläßt. Die Ausgangsstrahlenbündel des optischen Bandpaßfilters 11 werden über das Prisma 80 und die Stablinse 40' in die optische Übertragungsfaser 100 eingekoppelt.

Fig. 15 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel des

■to erfindungsgemäßen Multiplexers/Demultiplexers dar. Die bereits in Fig. 12 dargestellten Bauteile sind hier mit den gleichen Bezugszahlen ve^rsehen. Das wesentliche Merkmal dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die getrennten Strahlenbündel nicht in eine optische Faser eingekoppelt, sondern unmittelbar den Lichtdetektoren oder -fühlern 71 bis 76 über die Stablinsen 41 bis 46 zugeführt werden.

Fig. 16 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Multiplexers/Demultiplexers dar.

W Die grundsätzliche Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels nach Fig. 16 ist die gleiche wie die der Ausführungsbeispiele nach Fig. 12 und Fig. 14. Das wesentliche Merkmal des Ausführungsbeispiels nach Fig. 16 besteht darin, daß die dielektrischen Dünn-

schicht-Filter 11 bis 16 mit Bandpaß-Eigenschaft direkt an der Oberfläche der Prismen 81 bis 86 oder an der Oberfläche des gemeinsamen Substrats 60 durch Aufdampfen im Vakuum oder Aufsprühen befestigt sind. Daher ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 keine Glasplatte oder Glasschutzschicht vorgesehen.

Wie sich ₃u- Fi g. 6 ergibt, kann rf^;e Mittenwc!'"'!? ■-ge Ao eines optischen Bandpaßfilters d;.ci- Wahl ass Einfallswinkels des Eingangsüchtstrahlenbündels bestimmt werden. Wenn daher die Mittenwellenlänge eines optischen Bandpaßfilters aufgrund von Herstellungstoleranzen vom gewünschten Wert abweicht, läßt sich unter Ausnutzung jener Eigenschaft die Mittenwe!- lenlänge eines optischen Bandpaßfilters fein abstimmen.

fig. '.7 stelK ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Multiplexers/Demultiplexers dar, bei dem die Feinabstimmung der Mittenwellenlänge unter Ausnutzung der erwähnten Eigenschaft durchführbar ist. In Fig. 17 sind die gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 12 für gleiche Elemente verwendet '''orden. Das wesentliche Merkmal des Ausführungsbeispiels nach Fig. 17 besteht in der Verwendung einer zweiten Gruppe von Prismen 91 bis 96 für die Feineinstellung des Einfallswinkels. Du; Vertikalwinkel dieser Prismen 91 bis 96 sind so gewählt, daß die jeweiligen optischen Bandpaßfilter 11 bis 16 die optimalen Einfallswinkel erhalten. Die Summe der Vertikalwinkel der ersten Prismengruppe und der zweiten Prismengruppe ist im wesentlichen gleich dem Einfallswinkel eines auf die optischen Filter treffenden Lichtstrahlenbündels. Es sei jedoch betont, daß bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 17 der Durchmesser jedes optischen Bandpaßfilters wesentlich größer als der Durchmesser eines zugeführten Lichtstrahlenbündels ist. so daß kein optisches Lich'sti-ahlenbündel über ein optisches Filter hinausreicht, . enn der Einfallswinkel geändert wird.

Selbst wenn bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 17 die Mittenwellenlängen der optischen Bandpaßfilter 11 bis 16 aufgrund von Herstellungsfehlern eine geringe Abweichung von den gewünschten Mittenwellenlängen λ| bis Ais aufweisen, lassen sich diese Fehler durch Nachjustierung des Einfallswinkels eines optischen Lichtstrahls unter Verwendung der Kompensationsprismen 91 bis % ausgleichen. Da ferner der Durchmesser der optischen Bandpaßfilter hinreichend groß ist. wird die Multiplex- und/oder Demultiplexwirkung selbst dann nicht gestört, wenn der Einfallswinkel eines Eingangslichtstrahls vom Nennwert abv.eicht. In der beschriebenen Weise ausgebildet» Multiplexer und/oder rarLultiplexcr haben dir fn^er.Jc.i Vorteile: 5

a) E lasten sich zahlreiche Siijnalwellen mit geringen Verlusten (geringer Dämpfung) durch Anordnen der optischen Filter in einer Reihe multiplexer! oder 'Jemultiplexen.

b) Durch die Verwendung der opiii;:h.,-n B.-ndpaßfilter lassen sich Signalwellen mit geringem Weller längenabstand multiplexen oder demulti,-!f xen.

c) Die Kennlinien der Vorrichtung lassen sich durch Nachjustieren des Einfallswinkels des in die optischen Bandpaßfilter eintretenden Lichtstrahlenbündels korrigieren oder einstellen.

d) Soweit alle Elemente optisch miteinander ίη Kontakt stehen, verlaufen die Lichtstrahlenbündel nicht durch die Luft.

e) Es läßt sich ein optischer Multiplexer/Demultiplexer herstellen, der frei von äußeren thermischen Störungen und mechanischen Schwingungen ist und der einen verhältnismäßig kleinen Aufbau hat. f) Ferner kann ohne Verwendung eines Antireflektionsüberzugs auf einzelnen Bauteilen ein Multiplexer oder Demultiplexer mit geringer Dämpfung bzw. geringen Verlusten und kleinem Aufbau hergestellt werden, weil die optischen Fasern, Linsen, dielektrischen Dünnschicht-Filter und das gemeinsame Substrat den gleichen Brechungsindex aufweisen.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Multiplexer mit mehreren flachen optischen Filtern (11 — 16; 111—115), von denen jedes für Licht mit einer verschiedenen vorbestimmten Wellenlänge durchlässig ist und Licht mit den anderen Wellenlängen reflektiert, mit je einer optischen Einrichtung (41'-46'j 81-86; 121'-125') zwischen jedem optischen Filter und je einer Lichtquelle für Licht der vorbestimmten Wellenlänge (131'—135'), die das Licht der Lichtquelle (131'—135') als Bündel paralleler Lichtstrahlen auf das optische Filter unter einem kleinen, aber von Null verschiedenen Einfallswinkel zur Flächennormale ausrichtet, und mit einer weiteren optischen Einrichtung (40'; 80; 140') am Ausgang des letzten optischen Filters (11; 111) zur Verbindung des Ausgangsstrahlenbündels mit einer optischen Faser (100), bei dem die optischen Filter (11 — 16; 111 — 115) in zwei im wesentlichen parallelen getrennten Reihen in der Weise angeordnet sind, daß die Lieh strahlenbündel nach Durchgang durch das für ihre jeweilige Wellenlänge durchlässige optische Filter der Reihe nach von Filter zu Filter zickzackförmig auf einem für alle Lichtbündel gemeinsamen Weg bis zum Erreichen des letzten Filters hin- und herreflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß de: von den Lichtbündeln durchlaufene Raum zwischen den optischen Filtern mit optischem Material von einheitlichem Brechungsindex erfüllt ist.

2. Multiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daL die optischen Filter dielektrische Dünnschicht-Bandpaß£^:!ter sin¹.

3. Multiplexer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die AusricH-'ungseinrichtungen (4Γ-46';81-86) je ein Prisma (81—86) aufweisen.

4. Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er ein transparentes dielektrisches Substrat (60) mit zwei parallelen ebenen Oberflächen aufweist und daß die eine Reihe optischer Filter (11,13,15) in einer geraden Linie auf der einen ebenen Oberfläche und die andere Reihe optischer Filter (12,14,16) in einer geraden Linie aur der anderen ebenen Oberfläche angeordnet ist.

5. Multiplexer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Filter (11 — 16) unmittelbar an den parallelen Oberflächen des Substrats (60) entweder durch Aufdampfen oder Aufsprühen angebracht sind. so

6. Multiplexer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sulstrat (60) und jedem optischen Filter (11 — 16) je ein zweites Prisma (91 —96) zum Einstellen des Einfallswinkels angeordnet ist.

7. Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel etwa 15° beträgt.

8. Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle optischen Elemente, die im Strahlengang der Lichtstrahlenbündel vorgesehen sind, optisch miteinander in Berührung stehen, so daß die Strahlenbündel nicht durch Luft verlaufen.

9. Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit Ausnahme der Filter alle im Strahlengang der Lichtstrahlenbündel liegenden optischen Elemente etwa den gleichen Brechungsindex aufweisen, so daß das Lichtstrahlenbündel nicht an der Berührungsfläche zweier Elemente reflektiert wird,

10. Optischer Demultiplexer mit mehreren flachen optischen Filtern (11 — 16; 111 — 115), von denen jedes für Licht mit einer verschiedenen vorbestimmten Wellenlänge durchlässig ist und Licht mit den anderen Wellenlängen reflektiert, mit einer optischen Einrichtung (40, 80; 140), die die optischen Filter mit einem kollimierten Eingangs-Lichtstrah-Ienbündel mit den vorbestimmten Wellenlängen unter einem kleinen, aber von Null verschiedenen Einfallswinkel zur Flächenormale beaufschlagt und mit je einer weiteren optischen Einrichtung (42, 82; 121 — 125) zwischen jedem optischen Filter und je einem Lichtdetektor (131 — 135) zur Aufnahme und Fokussierung des vom zugeordneten optischen Filter durchgelassenen Lichtstrahlenbündels und zur Beleuchtung jedes Lichtdetektors (131 — 135), bei dem die optischen Filter (11 —16; 111 —115) in zwei im wesentlichen prallelen getrennten Reihen in der Weise angeordnet sind, daß das Lichtstrahlenbündel der Reihe nach von Filter zu Filter zickzackförmig hin- und herreflektiert wird, bis für jede Wellenlängenkomponente das für sie durchlässige Filter erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Lichtbündel durchlaufene Raum zwischen den optischen Filtern, mit optischem Material von einheitlichem Brechungsindex erfüllt ist

11. Demultiplexer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Filter dielektrische Dünnschichi-Bandpaßfilter sind.

12. Demultiplexer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagungseinrichtung (40,80) im kollimierten Eingangs-Lichtstrahlenbündel ein Prisma (80) aufweist.

13. Demultiplexer nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er ein transparentes dielektrisches Substrat (60) mit zwei parallelen ebenen Oberflächen aufweist und daß die eine Reihe optischer Filter (11, 13, 15) in einer geraden Linie auf der einen ebenen Oberfläche und die andere Reihe optischer Filter (12,14,16) in einer geraden Linie auf der anderen ebenen Oberfläche angeordnet ist.

14. Demultiplexer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Filter (11 — 16) unmittelbar an parallelen Oberflächen des Substrats (60) entweder durch Aufdampfen oder Aufsprühen angebracht sind.

15. Demultiplexer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat (60) und jedem optischen Filter (11 — 16) je ein zweites Prisma (91—96) zum Einstellen des Einfallswinkels angeordnet ist.

16. Demultiplexer nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel etwa 15° beträgt.

17. Demultiplexer nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß alle optischen Elemente, die im Strahlengang des Lichtstrahlenbündels vorgesehen sind, optisch miteinander in Berührung stehen, so daß das Strahlenbündel nicht durch Luft verläuft.

18. Demultiplexer nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mit Ausnahme der Filter aüe im Strahlengang des Lichtstrahlenbündels liegenden optischen Elemente etwa den

gleichen Brechungsindex aufweisen, so daß das Lichtstrahlenbündel nicht an der Berührungsfläche zweier Elemente reflektiert wird.

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Multiplexer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und/oder einen optischen Demultiplexer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Dis bf.ui «lugten Anwendungsgebiete sind spektroskopische Analysen in optischen Einrichtungen und/ oder die Überlagerung und/oder Trennung optischer Signale in einem Wellenlangenmultiplex-Übertragungssystem.

Ein Nachrichtenübertragungssystem, das eine optische Faser (einen Lichtleiter) als Übertragungsmittel aufweist, hat gegenüber metallischen Übertragungsleitungen beispielsweise die folgenden Vorteile: Die Verluste sind niedrig, die Bandbreite ist hoch, das Kabel hat einen geringen Durchmesser, ein geringes Gewicht und eine hohe Flexibilität, es tritt kein Nebe:;sprecnen auf und es ist immun gegen elektromagnetische Störungen. Der derzeitige Stand der Entwicklung bei der Herstellung optischer Fasern mit geringen Verlusten und bei der Steuerung der Wellenlängen in Lichtquellen ermöglicht die Ausbildung eines Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystems, bei dem gleichzeitig mehrere Signale mit verschiedenen Wellenlängen jo über eine einzige optische Faser übertragen werden. Dieses Verfahren ermöglicht nicht nur eine Steigerung der Übertragungskapazität einer optischen Faser, sondern auch eine Zweiweg-Übertragung und/oder gleichzeitige Übertragung mehrerer verschiedener Signale.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel der Grundausführung eines Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystems (auch entsprechend dem englischen Wavelength-Division Multiplex mit WDM abgekürzt). Hierbei werden die -to

Signale mel :erer Kanäle CH, CH₂ CW_n) auf der

Sendeseite in Steuersignale zum Steuern von Lichtquellen durch jeweils einen Sendekreis (Si, S₂ S_n)

umgeformt und Lichtquellen (Ti, T₂ T_n) zugeführt.

Jede Lichtquelle erzeugt einen Lichtstrahl in Abhängigkeit von den Steuersignalen, und jeder Lichtstrahl hat

eine Mittesiwellenlänge (Ai, A₂ A_n,, die jeweils einem

der Kanäle zugeordnet ist. Als Lichtquelle kann grundsätzlich ein Laser oder eine Lichtemissionsdiode (LED) verwendet werden. Die Ausgangslichtstrahlen der Lichtquellen werden einem optischen Multiplexer (MULT) über eine optische Faser zugeführt und darin gemultiple\t oder überlagert. Die gemultiplexten Lichtstrahlen werden dann einer optischen Faser-Übertragungsleitung zugeführt.

Auf der Empfangsseite werden die Wellenlängen durch einen optischen Demultiplexer (DEMULT) getrennt und jeweils einem Lichtdetektor oder Fühler (Ri, R₂,..., A_n) zugeführt, der das optische Signal in ein elektrisches Signal umformt. Das elektrische Signal wird

dann über einen Empfängerkreis (Ei, E₂ E_n) einem

entsprechenden Ausgangsanschluß zugeführt.

In einem Zweiweg-WDM-Übertragungssystem sind sowohl die Lichtquellen als auch die Lichtdetektoren beide auf der Sendeseite und der Empfangsseite vorgesehen.

Ein optischer Multiplexer kann durch Umkehrung der Strahlungsrichtung aiic!. als Demultiplexer verwendet werden, un j umgekehrt.

Bekannte Vorrichtungen, die als optischer Multiplexer verwendet wc; den kfviirn, str^-rv eic. Priima, ein optisches Gitter und ein weilenlängeüsslektiv^ FiUe₁. <L;a Pi Lma und ein optisches Gitter sind wellenlängenselektive Vorrichtungen, die die Beziehung zwischen ucr Wellenlänge und dem Brechungsindex out: dem Beugungswinkel eines Prismas oder eines optischen Gitters ausnutzen.

Ein wellenlängenselektives Filter reflektiert eine bestimmte Wellenlänge und überträgt andere Wellenlängen. Es wird aus Kunststoff mit Farbstoff oder als Dünnschicht-Interferenzfilter, in dem mehrere dünne Schichten auf einem Glassubstrat im Vakuum aufgedampft sind, hergestellt.

Bei einer Gradienten-Stablinse ändert sich der Brechungsindex (die Brechungszahl) in radialer Richtung nach folgender Funktion

N(r)=N<{\-(AV2)r\

wobei N(r) der Brechungsindex im radialen Abstand r von der Mitteiachse, Mder Brechungsindex in der Mitte und A eine Konstante ist. Wenn in axialer Richtung auf die Mitte des Stabes ein Lichtstrahlenbündel gerichtet wird, ändert sich der Durchmesser des Lichtstrahlenbündels oeriodisch, und wenn der Lichtstrahl außerhalb der Mitte des Stabes zugeführt wird, verläuft der Lichtstrahl zickzackförmig. Die Kombination der Eigenschaften einer Stablinse und eines Dünnschicht-Interferenzfilters bildet einen optischen Multiplexer.

Ein bekannter optischer Multiplexer (1977 International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication; Technical Digest, 1977, Seiten 367—370) hat einen Aufbau, wie er in Fi g. 2 dargestellt ist: Zwischen zwei Gradienten-Stablinsen 1 und 2 ist ein Interferenzfilter 3 als Schicht angeordnet. Ein in die Gradienten-Stablinse eintretendes Lichtstrahlenbündel verläuft zickzackförmig durch die Gradienten-Stablinse, wie es durch die Pfeile in Fig.2 dargestellt i«t. Zur Verwendung als optischer Multiplexer sind die Längen der Gradienten-Stablinseri 1 und 2 so gewählt, daß sie etw" 'Λ der Zickzackteilung des Lichtstrahlenbündels betragen. Das Dünnschicht-Interferenzfilter 3 ist ein reflektierender Film, der als dielektrischer Mehrschichtfilm ausgebildet ist, dessen Eigenschaften von der Wellenlänge abhängen, d. h. sein Reflexionsvermögen und seine Durchlässigkeit hängen von der Wellenlänge des Lichtstrahlenbündels ab.

Nachstehend wird beschrieben, wie Signale mit zwei verschiedenen Wellenlängen A| und λ₂, die über eine optische Faser 100 zugeführt werden, getrennt werden und an zwei verschiedenen Stellen wieder austreten. Die aus der optischen Faser 100 in die Stablinsenanordnung eintretenden optischen Signalwellen mit zwei verschiedenen Wellenlängen verlaufen zickzackförmig und wandern durch die Gradienten-Stablinse 1 und dringen in das Interferenzfilter 3 ein. Das Interferenzfilter 3 reflektiert die optische Signalwelle mit der Wellenlänge X₂ und läßt die optische Signalwelle mit der Wellenlänge Ai durch. Die refle'.tierte optische Signalwelle mit der Wellenlänge A2 tritt in die optische Faser 101 ein. Die optische Signalwelle mit der Wellenlänge Ä| wandert durch die Gradienten-Stablinse 2 und wird in die optische Faser 102 geleitet. Auf diese Weise können die beiden ootischen Signalwellen mit verschiedenen WHIenlar-gen getret.r.t werden. Ob das Interfer^nz^lte/ 3 als Multiplexer wirkt, hängt von der Lage 5 der Faser 100 ab. Die Positionen 6 und 7 der optischen Fasern 101