DE3432239A1 - Optischer multiplexer/demultiplexer - Google Patents

Optischer multiplexer/demultiplexer

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DE3432239A1 DE19843432239 DE3432239A DE3432239A1 DE 3432239 A1 DE3432239 A1 DE 3432239A1 DE 19843432239 DE19843432239 DE 19843432239 DE 3432239 A DE3432239 A DE 3432239A DE 3432239 A1 DE3432239 A1 DE 3432239A1
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Description

K.Fußgänger-2
Optischer MuLtipLexer/DemuLtipLexer
Die Erfindung betrifft einen optischen MuLtiρ Lexer/Demultiplexer mit einer Abbildungsoptik und einem Reflexionsgitter. Ein soLches Bauelement ist aus dem Aufsatz. "Optischer Kugellinsen-Demultiplexer" in NTZ, Band 37 (1984), Heft 6, Seiten 346-351 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen auf einfache Weise herstellbaren Multiplexer/Demultiplexer anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Auf die Vorteile wird im Rahmen der Beschreibung Bezug genommen .
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 1b ein Beispiel für den Strahlengang des Lichts für die Anordnung nach Fig. 1a,
ZT/P1-Sm/R -5-
30.08.1984
K.Fußgänger-2
Fig. 2 eine mögliche Anordnung der Lichtleitfasern,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels, und
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, realisiert in der Technik der integrierten Optik.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a ist eine halbkugelförmige Linse 2 vorgesehen, auf deren ebene Fläche ein Reflexionsgitter 1 aufgebracht ist. Der Radius der Linse ist 22,7 mm, die Gitterkonstante g des Gitters ist 3,3 ^m und der Brechungsindex η des Glases-, aus dem die Linse gebildet ist, ist 1,66 (Glas: LaKN12 von Schott) bei Wellenlänge 1,25^m. Weiterhin sind eine einzelne Lichtleitfaser 4 und eine Gruppe von Lichtleitfasern 5 vorgesehen. Beim Multiplexbetrieb werden die einzelnen Strahlen, die zur über-
λς tragung zusammengefaßt werden sollen, dem Multiplexer über Lichtleitfasern 5 zugeführt und der Lichtstrahl, der aus Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen besteh^ wird über die Lichtleitfaser 4 weitergeleitet. Beim Demultiplexbetrieb wird der Lichtstrahl, der in seine Komponenten, die voneinander unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, aufgeteilt werden SoIlx, über die Lichtleitfaser 4 dem Multiplexer zugeführt und die einzelnen Komponenten werden über die Lichtleitfaser 5 weitergeleitet. Der Multiplexer/Demultiplexer ist ein reziprokes Bauelement, so daß er sowohl als Multiplexer als auch als Demultiplexer eingesetzt werden kann.
Anhand der Fig. 1b wird der Strahlengang zwischen der Lichtleitfaser 4 und einer Lichtleitfaser 5 erläutert. Die Linse
K.Fußgänger-2
macht aus dem aus der Lichtleitfaser 4 austretenden divergenten Licht 10 paralleles Licht 11. Aus dem nach der Reflexion an dem Reflexionsgitter 1 immer noch parallelen Licht 12 macht die Linse 2 konvergentes Licht 13, das auf die Lichtleitfaser 5 abgebildet wird.
Daraus folgt, daß bei der in der Fig. 1a gezeigten Anordnung die Abstände der Lichtleitfasern 5 sowie der Lichtleitfaser 4 vom Mittelpunkt der Linse gleich der Brennweite der Linse sein müssen. Die Brennweite wiederum hängt unter anderem von dem Brechungsindex des Materials, aus dem die Linse besteht,ab,und der Brechungsindex des Materials ist wel Len längenabhängig. Daraus ergibt sich, daß die Abstände der Lichtleitfasern 5 von der Linse 2 - wenn auch nur geringfügig - voneinander unterschiedlich sein müssen, wenn der von der Linse 2 ausgehende Lichtstrahl exakt auf die Lichtleitfasern abgebildet werden soll. Für die Praxis reicht es jedoch in vielen Fällen aus, einen mittleren Abstand zu wählen, der gebildet ist aus dem Mittelwert der Brennweiten, die sich für die einzelnen Wellenlängen ergeben. Man kann also die Enden der Lichtleitfasern 4 und 5 auf einer Linie 3 anordnen, die konzentrisch zum Mittelpunkt der Linse 2 ist. Es ist an sich bekannt, daß ein Reflexionsgitter Licht unterschied Iieher Wellenlänge in unterschiedliche Richtungen«*,.,c*., ablenkt. Dies wird bei dem MuI ti ρ lexer /Derrtu I ti ρ lexer dazu ausgenützt, den über die Lichtleitfaser 4 dem Demultiplexer zugeführten Lichtstrahl in seine einzelnen Komponenten aufzuteilen. Hierzu werden die Lichtleitfasern 5 so angeordnet, daß auf sie jeweils der Lichtstrahl mit der gewünschten Wellenlänge auftrifft. Folglich hängen die Winkel zwischen den Linien Lichtleitfaser 5/MitteIpunkt der
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K.Fußgängei—2
Linse 2 und LichtLeitfaser 4/MitteLpunkt der Linse 2 von der Gitterkonstanten g und der jeweiLigen WeLLenLänge ab.
Eine praktische ReaLisierung des MuLtiρLexers/DemuLtipLexers kann so ausschauen: die Linse 2, das RefLexionsgitter 1 und der eine TeiL der LichtLeitfasern 4 und 5 sind im Inneren eines Gehäuses angeordnet und aus dem Gehäuse schaut jeweiLs der andere TeiL der LichtLeitfasern 4 und 5 heraus. An diese aus dem Gehäuse herauss'chauenden Faserschwänze können weitere LichtLeitfasern angespLeißt werden. Es ist auch mögLich, für die Verbindung zwischen den im Inneren des Gehäuses angeordneten LichtLeitfasern und 5 und weiteren, mit diesen zu verbindenden, LichtLeitfasern, Steckverbindungen vorzusehen. Diese befinden sich dann in der Gehäusewand.
Um optische VerLuste und sphärische und chromatische Aber rat ion k Lei η z.u haLten wähLt man den Brechungsindex η des MateriaLs der Linse so groß wie mögLich.
Der neue MuLtiρ Lexer/DemuLtiρ Lexer ist einfach herzusteLLen, Bei einem ersten HersteLLungsverfahren wird ein RefLexionsgitter 1 auf die ebene FLäche der haLbkugeLförmigen Linse aufgekittet. Die BrechzahL des optischen Kittes stimmt dabei mit der BrechzahL des LinsenmateriaLes überein. Bei einem zweiten HersteLLungsverfahren wird das RefLexionsgitter 1 direkt auf der ebenen OberfLäche der haLbkugeLförmigen Linse erzeugt, nämLich dadurch, daß man die notwendigen GitterLinien (beispieLsweise) durch Ritzen auf der ebenen LinsenoberfLache hersteLLt und die Rückseite mit GoLd oder SiLber verspiegeLt.
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K.Fußgänger-2
Damit der Gitter-MUX/DEMUX eine zur SpektraLbreite der verwendeten Laser passende optische KanaLbandbreite erreicht, ist es wünschenswert, daß die Lichtleitfasern 5 einander möglichst dicht benachbart sind. Dies ist dann der FaLL7 wenn die einzelnen Lichtleitfasern aneinander anstoßen. Der Abstand der Kerne von benachbarten Licht-Leitfasern,auf die die auszukoppelnden Lichtstrahlen abgebildet werden, ist dann durch den Außendurchmesser der Lichtleitfasern bestimmt. Um einen kleineren Abstand der Kerne 14 (Fig. 2) der Lichtleitfasern 5·'zu erhalten, ist es von Vorteil, die Enden 15 der Lichtleitfasern 5 abruschleifen.
Mu I ti ρ lexer/DemuItiρ lexer werden beispielsweise an den Endstellen einer bidirektionalen Übertragungsstrecke angeordnet. Bei einer solchen Übertragungsstrecke ist es häufig der Fall, daß für die beiden Übertragungsrichtungen Licht mit unterschiedlichen Wellenlänge"n verwendet wird. Ein Mu Itiρ Lexer/Demultiρ Lexer, der für eine solche Anwendung besonders geeignet ist, wird anhand der Fig. 3 erläutert.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist auch hier wieder eine halbkugelförmige Linse 2 vorgesehen, auf die ein Reflexionsgitter 1 aufgebracht ist. Weiterhin ist eine Lichtleitfaser 4 vorhanden, die den Lichtstrahl dem Demultiplexer zuführt oder den Lichtstrahl von dem Multi- plexer aus weiterleitet. Während jedoch bei der Anordnung nach Fig. 1 mehrere untereinander gleichartige Lichtleitfasern 5 vorgesehen sind, sind bei der Anordnung nach Fig. 3 alternierend Monomode LichtI eitfasern 6 und Multimode I ichtLeitfasern 7 vorgesehen. Dies hat folgenden Vor- teil: MuLtimodeLichtLeitfasern haben im Vergleich zu
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K.Fußgänger-2
Monomodelichtleitfasern eine größeren Kerndurchmesser. Dadurch werden an die Abbildung der Lichtstrahlen, die bei dem DemuItiρlexbetrieb in die MuItimodeIichtLeitfasern 7 einzukoppeln sind, keine so hohen Anforderungen c gestellt. Es reicht aus, für den Abstand der Lichtleitfasern 7 von der Linse 2 einen Abstand iu wählen, der gleich dem Hittelwert derjenige Abstände ist, die für eine exakte Abbildung des Lichts auf die Lichtleitfasern erforderlich wären. Die Anordnung ist so' gewählt, daß die
,.Q Mu Iti mode I i cht Lei tf asern nur für den Demu It i ρ lexbet ri eb verwendet werden. Die zwischen den Mu I ti modelichtLeit — fasern 7 angeordneten Monomodelichtleitfasern 6 werden für den Multiplexbetrieb verwendet. Durch sie werden Licht· strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen über die optische Linse 2 zu dem Reflexionsgitter geleitet und gelangen dann nach der Reflexion an dem Reflexionsgitter 1 zu dem Lichtwellenleiter 4 und werden über diesen weitergelei tet.
Für die praktische Realisierung des MuItiρ lexers/Demu Itiplexers gilt das für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Gesagte sinngemäß, daß nämlich die Linse 2,das Reflexionsgitter 1 und die Lichtleitfasern 4, 6 und 7 in einem Gehäuse angeordnet sind und daß jeweils Lichtleitfaserschwänze aus dem Gehäuse herausragen. Es ist weiterhin möglich, in dem Gehäuse zusätzlich auch die Laser 8, die die Lichtstrahlen, die einander überlagert werden sollen, abgeben, und die optisch/elektrischen Wandler, denen die durch den Demultiplexer erzeugten Lichtstrahlen zugeführt werden, anzuordnen. Sind auch die optisch/elektrisehen Wandler und die Laser 8 in dem Gehäuse angeordnet, dann
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K.Fußgänger-2
führen von dem Gehäuse eine Lichtleitfaser 4 und elektrische Leitungen nach außen. Man erhält ein sehr kompaktes Bauelement.
Anstelle einer halbkugelförmigen Linse 2 können auch Linsen mit anderen Formen verwendet werden/ es ist lediglich erforderlich, daß eine ebene Fläche vorhanden ist, auf die das Reflexionsgitter aufgebracht werden kann. Von Vorteil ist eine paraboloidförmige Linse, da sie hinsichtlich der sphärischen Aberration bei der Abbildung der Lichtstrahlen gute Ergebnisse aufweist.
Eine Minimierung der Reflexionsverluste erhält man dann, wenn man auf das Gitter linear polarisiertes Licht richtet und die Hauptpolarisationsrichtung senkrecht zu den Gitter-Linien ausgerichtet ist. Hierzu ist es erforderlich, daß die Lichtleitfasern 4 und 5 (oder 6) polarisationserhaltende Lichtleitfasern sind. ·
Um die Einfügungsverluste pro Wellenlängen-Kanal im Gitter-Multiplexer bzw. -Demultiplexer klein zu halten, werden die halbkugelförmige Linsenoberfläche und die Lichtleitfaserenden mit Antireftexschichten versehen.
Der MULtiplexer/DemuI ti ρ lexer kann in vorteilhafter Weise auch in der Technik der integrierten Optik realisiert werden. Ein Beispiel wird anhand der Fig. 4 erläutert.
K.Fußgänger-2
Anhand der Fig. 4 wird nachfolgend ein besonders vorteilhaftes AusfuhrungsbeispieL erläutert, bei dem die Realisierung in der Technik der integrierten Optik erfolgt.
Es wird ein Gitter verwendet, das in einem Photoresistmaterial erzeugt wird. Dies ist an sich bekannt. Hierzu wird beispielsweise verwiesen auf das Buch "Optische Nachrichtentechnik" von H.G.Unger, Elitera-Verlag, Seiten 107 bis 114. Das Bauelement weist weiterhin einen Filmwellenleiter auf. Diese sind ebenfalls an sich bekannt;
z. B. aus dem genannten Buch von H.G.Unger, S. 19. Bringt man ein solches Gitter auf einen Filmwellenleiter auf, dann erfolgt eine Reflexion des Lichts, wobei die Reflexionswinkel wellenlängenabhängig, sind. Hierzu wird verwiesen auf das Buch "Topics in Applied Physics",- Band 7, Springer-Verlag, Berlin, 1979, Seiten 110-112, insbesondere auf die Fig. 3,14b auf Seite 112.
Bei dem Ausführungsbeispiel wird dem Multiplexer/Demultiplexer (die Erläuterung erfolgt für die Betriebsart "Demultiplexer") von links über eine HonomodelichtLeitfaser 47 Licht zugeführt, das drei Wellenlängen λ , λ_, λ enthält. Das Licht ist parallel und breitet sich in einem Filmwellenleiter 43, der eine blattförmige Form hat, aus. über dem FiLmwel lenLeiter 43 ist, wie oben erwähnt, das Gitter 41, das in einem Photoresi stmateria I 42 gebildet ist, angeordnet. Das Gitter wirkt als Reflexions-Beugungsgitter. Seine Funktion ist aus den zitierten' Literatui— stellen bekannt. Außer Reflexionen in den gewünschten Richtungen passiert ein Teil des Lichts die Photoresistschicht. Um die Verluste gering zu halten, wird (in der
K.Fußgänger-2
Zeichnung nicht dargestellt) auf die Phot or es i. stschicht eine ref Lekt i e rende Schicht, z;. B. Silber, 'aufgebracht.
Es erfolgt eine we ILenlängenabhängige Reflexion des Lichts und zwar - bei der gewählten Darstellung, bei der das Licht von links einfällt - in Richtungen, die nach links unten zeigen. In diesen Richtungen befindet sich ein lichtdurchlässiges Substrat 44/z. B. aus Lithiumniobat, das mit dem Filmleiter 43 verbunden ist.· In dem Substrat breitet sich das reflektierte parallele Licht aus und trifft auf eine in dem Substrat realisierte Linse 45, die das parallele Licht zu konvergentem Licht macht. Die Linse wird in an sich bekannter Weise durch ein geeignetes Cz. B. parabelförmiges) BrechzahIprofi.l realisiert. Um dies zu erhalten, läßt man bei der Herstellung in der gewünschten Weise Titandioxid in das Lithfumniobatsubstrat eindiffundieren.
In dem Substrat 44 sind weiterhin Wellenleiter 46 realisiert, die so zueinander und relativ/ zu der Linse 45 angeordnet sind, daß auf sie durch die Linse' 45 einer der durch Reflexion erzeugten Lichtstrahlen, die jeweils eine Wellenlänge λ., X2 oder X3 aufweisen, abgebitdet wird. Diese Wellenleiter sind mit Lichtleitfasern 48 verbindbar, über die die Lichtstrahlen, die jeweils eine Wellenlänge aufweisen, weitergeleitet werden.
Mit dem für den DemuItiρlexbetrieb beschriebenen Bauelement ist auch Multiplexbetrieb möglich.. Ferner besteht die Möglichkeit, das in der Technik der integrierten Optik realisierte Bauelement so auszugestalten, daß es auch die oben erwähnten Laser und optisch/elektrisehe Wandler enthält.
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K.Fußgänge r-2
Geringe Verluste bei der Reflexion am Gitter erhält man mit einem geblazeten Sägez.ahngitter.
4-
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Claims (9)

STANDARD ELEKTRIK LORENZ AKTIENGESELLSCHAFT STUTTGART K.Fußgänger-2 Patentansprüche
1. Optischer MuLtipLexer/DemuLtipLexer mit einer AbbiLdungsoptik und einem Reflexionsgitter, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Abbildungsoptik (2) zumindest eine ebene FLäche aufweist und direkt mit dem RefLexionsgitter (1) verbunden ist.
2. Optischer MuLtipLexer/DemuLtipLexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die AbbiLdungsoptik zumindest angenähert haLbkugeLförmig ist.
3. Optischer MuLtipLexer/DemuLtipLexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik zumindest angenähert paraboLoidförmig ist.
4. Optischer MuLtipLexer/DemuLtipLexer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtleitfaser (4) vorgesehen ist, über die beim MuLtiρLexbetrieb der aus Licht mit mehreren WeLLenLängen bestehende Lichtstrahl aus dem Multiplexer auskoppeLbar ist und über die beim DemuLtiρlexbetrieb dem Demultiplexer ein aus mehreren Wellenlängen bestehender Lichtstrahl zuführbar ist, daß eine Gruppe von Lichtleitfasern (5) vorgesehen ist,
ZT/P1-Sm/R -2-
30.08.1984
K.Fußgänger-2
daß beim Multiplexbetrieb dem Multiplexer über jede Lichtleitfaser ein Lichtstrahl mit einer einzigen Wellenlänge zuführbar ist und beim Demultiρlexbetrieb aus dem Demultiplexer über jede Lichtleitfaser ein Lichtstrahl mit einer einzigen Wellenlänge auskoppelbar ist, und daß die Winkel (#<]/ X2 5 ' unter denen die einzelnen Lichtleitfasern (5) der Lichtleitfasergruppe gegenüber der einzigen Lichtleitfaser (4) angeordnet sind, abhängig von der jeweiligen Wellenlänge und der Gitterkonstanten gewählt sind.
5. Optischer MuItiρ lexer/DemuI ti ρ lexer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von Lichtleitfasern abwechselnd aus Monomode (6)- und Multimode (7)-lichtleitfasern besteht.
6. Optischer MuItiρlexer/Demu11iρ lexer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die MonomodeIichtLeitfasern jeweils mit einer Lichtquelle (8) verbunden sind.
7. Optischer MuItiρ Lexer/DemuItiρ lexer nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Multimodefasern jeweils mit einem optisch/elektrischen Wandler (9) verbunden sind.
8. Optischer MuItiplexer/DemuItiρ lexer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Lichtleitfasern po larisationserha I tende Lichtleitfasern sind, die so angeordnet sind, daß die durch sie festgelegte Hauptpolarisationsrichtung senkrecht zu den Gitterlinien ausgerichtet ist.
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K.Fußgänge r-2
9. Optischer MuLtipLexer/DemuLtipLexer nach einem, der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der MuLti pLexer/DemuLtipLexer in der Technik der integrierten Optik reaLisiert ist.
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