DE3789551T2

DE3789551T2 - Optischer multiplexer/demultiplexer und dessen verwendung in einem optischen modul.

Info

Publication number: DE3789551T2
Application number: DE3789551T
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Imoto; Hirohisa Sano; H Hitachi-Koyasudai-A Tsushima
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1987-12-11
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2007-12-12
Also published as: EP0296247B1; DE3789551D1; WO1988004785A1; EP0296247A1; US4909584A; EP0296247A4

Description

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft allgemein einen optischen Multiplexer/Demultiplexer und spezieller ein optisches Bauelement wie einen optischen Multiplexer, einen optischen Demultiplexer, einen optischen Multiplexer/Demultiplexer usw. zur optischen Übertragung im Wellenlängenmultiplex bei optischer Faser-Nachrichtentechnik, und ein optisches Modul, das dadurch hergestellt wird, daß diese optischen Bauelemente mit lichtemittierenden und empfangenden Halbleiter-Bauelementen integriert werden.

Hintergrundbildender Stand der Technik:

Optische Übertragungstechnik im Wellenlängenmultiplex bei optischer Faser-Nachrichtentechnik ist von Bedeutung, um ein Nachrichtenübertragungssystem wirtschaftlich auszubilden, und ein optischer Multiplexer/Demultiplexer ist ein wesentliches Bauelement für optische Übertragung im Wellenlängenmultiplex.
Diskrete optische Multiplexer/Demultiplexer wie vom Interferenzfiltertyp und vom Beugungsgittertyp waren in der Vergangenheit als Struktur optischer Multiplexer/Demultiplexer vorherrschend. Untersuchungen wurden andererseits für Strukturen vom Wellenleitertyp ausgeführt, um geringere Herstellkosten zu erzielen und ein monolithisches Ein-Chip-Bauelement zu erhalten. Als Beispiel für eine solche bekannte Technik kann ein optischer Demultiplexer vom Richtungskopplertyp genannt werden, wie er in "1978 National Conference On IECE, Paper 56-2" von Sasaki und Ohguro beschrieben ist. Gemäß dieser Literaturstelle aus dem Stand der Technik werden zwei optische Wellenleiter a und b mit jeweils einer Breite W über eine Länge L mit einem Abstand S zwischen ihnen nebeneinander gelegt, wie in Fig. 7 der beigefügten Zeichnungen dargestellt. Ein Symbol n&sub1; repräsentiert den Brechungsindex jedes optischen Wellenleiters und n&sub2; repräsentiert den Brechungsindex des anderen Teils. Dieser Stand der Technik erzielt optische Verzweigungseigenschaften unter Verwendung der Wellenlängenabhängigkeit der Kopplung dieser zwei optischen Wellenleiter. Gemäß dieser Anordnung wird Mehrfachlicht Pi mit zwei Wellenlängen, das an einem Anschluß 1 eintritt in Licht P&sub1; mit einer Wellenlänge λ&sub1; und Licht P&sub2; mit einer Wellenlänge λ&sub2; aufgetrennt, und diese treten an Anschlüssen 2 bzw. 3 aus. Fig. 8 zeigt eine andere Struktur, die aus mehreren Richtungskopplern 4-1 bis 4-3 und mehreren optischen Multiplexern 5-1 bis 5-2 besteht, um die Isoliereigenschaften zu verbessern. Ähnliche Bauelemente sind aus EP-A-152 991 und aus US-A-4,341,438 bekannt.

Offenbarung der Erfindung:

Im optischen Demultiplexer mit der in Fig. 7 dargestellten Struktur beträgt die Bandbreite zum Beibehalten eines Übertragungsverlusts von mindestens 25 dB nur ungefähr 20 nm, wenn optisches Verzweigen einer Wellenlänge von 1,3 um und einer Wellenlänge von 1,55 um in Betracht gezogen wird, wie durch die Wellenlängencharakteristik von Fig. 9 repräsentiert. Aus diesem Grund leckt dann, wenn sich die Wellenlängenwerte von 1,3 um und 1,55 um aufgrund einer Temperaturänderung eines lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements (oder eines Halbleiterlaser) ändern, ein optisches Signal mit nicht gewünschter Wellenlänge in das System aus, in dem die gewünschte Wellenlänge abgetrennt wird, so daß Interferenz (oder sog. "Übersprechen") auftritt und sich die Signalqualität verschlechtert.
Der optische Demultiplexer mit der in Fig. 8 dargestellten Struktur kann über eine große Bandbreite zum Beibehalten hoher Abtrennung verfügen, jedoch wird seine Gesamtabmessung groß, da seine bauliche Abmessung durch die jeweils verschiedenen drei Richtungskoppler und die zwei Multiplexer bestimmt wird. Demgemäß nimmt der Verlust aufgrund des Wellenleiterverlustes zu. Da zugehörige Masken für die Richtungskoppler mit den jeweils verschiedenen strukturellen Dimensionen bereitgestellt werden müssen, nehmen die Herstellkosten zu. Das Bauelement kann nicht auf einfache Weise hergestellt werden, da die Struktur kompliziert ist. Insbesondere da die Abmessung groß ist, sind mindestens drei Belichtungsmasken für die Musterbildung erforderlich, so daß die Herstellkosten ansteigen, während die Herstellgenauigkeit gering ist und die Herstellung selbst schwierig ist.
Das den Fig. 7 und 8 gemeinsame Problem ist das folgende. Wenn ein optisches Modul dadurch hergestellt wird, daß ein Halbleiter-Bauelement (Halbleiterbauelemente) (ein lichtemittierendes Bauelement oder ein lichtempfangendes Bauelement oder beide) integral auf der Seite der Anschlüsse 2 und 3 ausgebildet werden, muß das optische Modul insgesamt ausgetauscht werden, wenn eines der optischen Halbleiter-Bauelemente eine Qualitätsverschlechterung aufweist oder zerstört wird, oder dies für beide gilt, was extrem unwirtschaftlich ist. Anders gesagt, muß der optische Demultiplexer ausrangiert werden, obwohl er immer noch verwendet werden könnte. Wenn das optische Modul zerstört ist, ist eine lange Zeitspanne zum Wechsel erforderlich und die optische Nachrichtenübertragung muß in der Zwischenzeit aufgehoben werden. Anders gesagt wird, da das optische Modul selbst mit keinerlei Ausfallverhinderung versehen ist, die Aufhebung der Nachrichtenübertragung Verdruß für die Benutzer bereiten und einen nachteiligen Einfluß auf die Gesellschaft ausüben.
Die Erfindung, wie sie durch die Merkmale von Anspruch 1 definiert ist, kann die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten dadurch überwinden, daß ein erster Zweigwellenleiter zum Abzweigen eines optischen Signals mit einer Wellenlänge λ&sub1; parallel zu einem Hauptwellenleiter zum Weiterleiten optischer Signale der Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; geschaltet wird, ferner ein zweiter Zweigwellenleiter zum Abzweigen des optischen Signals der Wellenlänge λ&sub1; parallel zur Ausgangsseite des Hauptwellenleiters geschaltet wird und ein dritter Zweigwellenleiter zum Abzweigen des optischen Signals der Wellenlänge λ&sub1; parallel zur Ausgangsseite des ersten Zweigwellenleiters geschaltet wird. Die optischen Signale können durch Ausbreitung in Rückwärtsrichtung multiplext werden. Die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten können dadurch überwunden werden, daß optische Halbleiter-Bauelemente an den Ausgangsseiten der Wellenleiter angeschlossen werden und optische Schalter an die Eingangsseiten des Hauptwellenleiters und des ersten Zweigwellenleiters angeschlossen werden.
Drei optische Multiplexer/Demultiplexer derselben Struktur werden unter Verwendung des Hauptwellenleiters und des ersten, zweiten und dritten Zweigwellenleiters auf solche Weise gebildet, daß ein Filterabschnitt zum Sperren einer nicht erwünschten Wellenlänge an einem Anschluß zum Verzweigen und Übertragen einer gewünschten Wellenlänge ausgebildet wird, und dadurch kann hochwertiges Abtrennverhalten erzielt werden. Hierbei weist jeder optische Multiplexer/Demultiplexer die Funktion eines optischen Demultiplexers oder optischen Multiplexers oder beide abhängig von der Art des Hindurchleitens des optischen Signals auf. Da der optische Multiplexer/Demultiplexer derselbe ist, kann die vorstehend beschriebene Struktur mit geringen Herstellkosten dadurch erzielt werden, daß eine optische Multiplexer/Demultiplexer- Maske erstellt wird und die Maske bewegt und belichtet wird, und ein optischer Multiplexer/Demultiplexer kann mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.
Übrigens weichen dann, wenn die strukturellen Parameter (die Breite und Dicke eines Wellenleiterkerns, der Brechungsindexunterschied usw.) der drei optischen Multiplexer/Demultiplexer verschieden sind, die Mittenwellenlängen, die von jedem optischen Multiplexer/Demultiplexer abgezweigt werden, voneinander ab, so daß das Gesamtverzweigungsverhalten ein Doppelkeulenverhalten wird und eine Zunahme des Einfügungsverlustes und eine Abnahme der Dämpfung der Sperrzone gefördert wird. Daher ist es wichtig, daß die strukturellen Parameter dieselben sind. Ferner können Ausfallverhinderung und Störungsselbstdiagnose/Wiederherstellung-Funktion dadurch erzielt werden, daß lichtemittierende oder -empfangende Bauelemente an der Seite mit den vier Ausgangsanschlüssen der vorstehend beschriebenen Struktur angeordnet werden, die optische Schalter vom 1·2-Typ an der Seite mit den zwei Eingängen anschließen, und der Betrieb der optischen Schalter über eine Betriebsüberwachungsschaltung für die lichtemittierenden oder -empfangenden Bauelemente gesteuert wird.
Auf diese Weise können Verdruß der Benutzer oder gesellschaftliche Einflüsse durch Aufhebung der Nachrichtenübertragung ausgeschlossen werden.
Ferner wird es ermöglicht, daß ein optisches Signal einer Wellenlänge λ&sub1; in den Eingangsanschluß des Hauptwellenleiters eintreten kann, welches optische Signal der Wellenlänge λ&sub1; wird von dem mit dem Ausgangsanschluß des dritten Zweigwellenleiters verbundenen lichtempfangenden Bauelement empfangen wird, ein lichtemittierendes Bauelement zum Erzeugen des optischen Signals der Wellenlänge λ&sub1;, das an den Ausgangsanschluß des zweiten Zweigwellenleiters angeschlossen ist, wird über eine verstärkungs/Signalformungs-Schaltung durch das empfangene Signal betrieben, und ein optisches Signal der Wellenlänge λ&sub1; wird vom Eingangsanschluß des ersten Zweigwellenleiters ausgegeben. Demgegenüber wird ein optisches Signal einer Wellenlänge λ&sub2;, das in den Eingangsanschluß des ersten Zweigwellenleiters einfällt, vom lichtempfangenden Bauelement empfangen, das an den Ausgangsanschluß des ersten Zweigwellenleiters angeschlossen ist, ein lichtemittierendes Bauelement zum Emittieren eines optischen Signals einer Wellenlänge λ&sub2;, das an den Ausgangsanschluß des Hauptwellenleiters angeschlossen ist, wird durch das empfangene Signal über die Verstärkungs/Signalformungs-Schaltung betrieben und dieses optische Signal der Wellenlänge λ&sub2; wird vom Eingangsanschluß des Hauptwellenleiters ausgegeben. Auf diese Weise kann ein optischer Zwischenverstärker für Nachrichtenübertragung in zwei Richtungen realisiert werden. Eine derartige Struktur ist völlig neuartig, zeigt hochwertiges Abtrennvermögen über ein weites Band, macht das Modul durchgreifend wirtschaftlich und kann einfach hergestellt werden, da es sich um eine extrem einfache Struktur handelt. Ferner kann die Struktur einfach hergestellt werden, da die optischen Bauelemente parallel zu den Ausgangsanschlüssen angeordnet sind. Da die Eingangs/ Ausgangs-Seiten für das Licht auf einer Seite parallel angeordnet sind, können sie kompakt innerhalb einer Vorrichtung untergebracht werden.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein optisch kohärentes Zweirichtungs-Nachrichtenübertragungsverfahren und -system unter Verwendung des vor stehend angegebenen optischen Multiplexers/Demultiplexers anzugeben.
Die vorstehend genannte Aufgabe kann dadurch gelöst werden, daß einer der Eingangswellenleiter eines zweiten und eines dritten optischen Multiplexers/Demultiplexers, die dieselbe Struktur wie ein erster optischer Multiplexer/Demultiplexer aufweisen, an den Ausgangswellenleiter des ersten optischen Multiplexers/Demultiplexers angeschlossen werden, der zwei Wellenleiter aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind, und die zwei optische Signale mit voneinander verschiedenen Wellenlängen weiterleiten, ein optischer Modulator, ein Strahlteiler und ein lichtemittierendes Halbleiter- Bauelement in einem der Ausgangswellenleiter des zweiten und des dritten optischen Multiplexers/Demultiplexers hintereinander geschaltet werden, ein Strahlteiler und ein lichtempfangendes Bauelement im Rest der Ausgangswellenleiter des zweiten und des dritten optischen Multiplexers/Demultiplexers hintereinander geschaltet werden und zugelassen wird, daß ein Teil des optischen Signals des lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements auf das lichtempfangende Bauelement fällt.
Da die Erfindung optische Multiplexer/Demultiplexer verwendet, die die Wellenleiter kombinieren, kann sie optisch kohärente Zweirichtungs-Nachrichtenübertragung mit verringerter Störung und Interferenz durch eine einfache Struktur erzielen.
Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, einen optischen Multiplexer/Demultiplexer anzugeben, der dazu in der Lage ist, die Verschiebung der Mittenwellenlänge zu kompensieren, und ein Herstellverfahren hierfür anzugeben.
Die vorstehend genannte Aufgabe kann durch einen optischen Multiplexer/Demultiplexer vom Richtungskopplertyp gelöst werden, mit einer Struktur, bei der mehrere quadratische Wellenleiter (Brechungsindex nc; nc > nb) als Kern auf einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex (Brechungsindex nc) nebeneinander liegend angeordnet werden und sie mit einem Mantel mit einem Brechungsindex ncl abgedeckt werden (ncl < nc, ncl ≠ nb). Der Mantel besteht aus einem Film, dessen Brechungsindex bei Wärmebehandlung zunimmt, und die Mittenwellenlänge des optischen Multiplexers/Demultiplexers wird dadurch eingestellt, daß die Wärmebehandlungszeit oder die Menge thermischer Energie eingestellt wird.
Erfindungsgemäß werden verschiende strukturelle Parameter im Stadium gemessen, in dem der Kern auf der Schicht mit niedrigem Brechungsindex ausgebildet wird, der Brechungsindex des Mantels wird eingestellt, während der Zustand der Abweichung vom Entwurfswert berücksichtigt wird, und die Mittenwellenlängenverschiebung kann im wesentlichen vollständig korrigiert werden. Daher lassen sich mit der Erfindung optische Multiplexer/Demultiplexer mit einer Ausbeute von beinahe 100% erhalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 und 2 zeigen optische Multiplexer/Demultiplexer gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
Fig. 3 zeigt ein optisches Zweirichtungs-Übertragungsmodul gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4 zeigt ein optisches Modul hoher Zuverlässigkeit gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5 zeigt ein optisches Zweirichtungs-Transitmodul gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 zeigt ein optisches Zweirichtungs-Übertragungsmodul gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 7 und 8 sind schematische Darstellungen, die einen herkömmlichen optischen Demultiplexer zeigen;
Fig. 9 zeigt die Übertragungsverlustcharakteristik für einen herkömmlichen optischen Demultiplexer, wie sie vom Erfinder berechnet wurde;
Fig. 10 und 12 zeigen jeweils ein Beispiel für ein optisches Zweirichtungs-Überlagerungs-Nachrichtenübertragungsverfahren gemäß der Erfindung;
Fig. 11 zeigt die Einfügungsverlustcharakteristik eines für die Erfindung verwendeten Richtungskopplers;
Fig. 13 und 14 zeigen den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen optischen Multiplexers/Demultiplexers;
Fig. 15 und 16 zeigen das Ergebnis einer Untersuchung der Übertragungsverlustcharakteristik des erfindungsgemäßen optischen Multiplexers/Demultiplexers;
Fig. 17 zeigt die Brechungsindexcharakteristik und die Änderung der Brechungsindexcharakteristik einer vom Erfinder hergestellten Mantelschicht bei Wärmebehandlung;
Fig. 18 zeigt ein Verfahren zum Einstellen des Brechungsindexes des Mantels durch Wärmebehandlung gemäß der Erfindung;
Fig. 19 zeigt die Änderung der Brechungsindexcharakteristik durch Wärmebehandlung gemäß der Erfindung; und
Fig. 20 zeigt die Übertragungsverlustcharakteristik eines Prototyps eines erfindungsgemäßen optischen Multiplexer/Demultiplexers.

Beste Weise zum Ausführen der Erfindung:

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Multiplexers. Die Bezugsziffer 7-1 repräsentiert einen eingangsseitigen Anschluß eines Hauptwellenleiters 1, und optische Signale mit Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2; treten in diesen Anschluß ein, wie durch einen Pfeil 11 gekennzeichnet. Die Bezugsziffer 8-1 repräsentiert einen eingangsseitigen Anschluß eines ersten Zweigwellenleiters 8. Die Bezugsziffer 6-1 kennzeichnet einen optischen Multiplexer/Demultiplexer vom Richtungskopplertyp, der durch den Hauptwellenleiter 7 und den ersten Zweigwellenleiter 8 gebildet wird, wie vorstehend beschrieben. Seine strukturellen Parameter und das Berechnungsergebnis für die Wellenlängencharakteristik sind in Fig. 9 dargestellt. Anders gesagt wird von den optischen Signalen, die die Wellenlänge λ&sub1; (z. B. 1,3 um) und λ&sub2; (z. B. 1,55 um) aufweisen und in den eingangsseitigen Anschluß 7-1 des Hauptwellenleiters 7 eintreten, wie durch den Pfeil 11 repräsentiert, das optische Signal der Wellenlänge λ&sub1; durch den optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-1 abgezweigt, und es läuft durch den ausgangsseitigen Anschluß 8-2 des ersten Zweigwellenleiters 8. Das optische Signal der Wellenlänge λ&sub2; wird nicht abgezweigt, sondern breitet sich als solches durch die Ausgangsanschlußseite 7-2 des Hauptwellenleiters 7 aus. Der optische Multiplexer/Demultiplexer 6-2 vom Richtungskopplertyp besteht aus der Ausgangsseite des Hauptwellenleiters 7 und dem zweiten Zweigwellenleiter 9. Dieser optische Multiplexer/Demultiplexer 6-2 weist dieselben strukturellen Parameter wie 6-1 auf, und er verfügt über dieselbe Wirkung. Anders gesagt, zweigt dieser optische Multiplexer/Demultiplexer 6-2 das optische Signal der Wellenlänge λ&sub1; ab, das zur Ausgangsseite des Hauptwellenleiters 7 ausleckt, und er läßt es sich zum ausgangsseitigen Anschluß 9-2 des zweiten Zweigwellenleiters 9 ausbreiten. Daher ist kaum ein optischer Signalanteil der Wellenlänge λ&sub1; am ausgangsseitigen Anschluß 7-2 vorhanden, und ein optisches Signal der Wellenlänge λ&sub2;, das kein überflüssiges Signal enthält, wird abgegriffen. Anders gesagt wird kein überflüssiges Interferenzsignal eingemischt. Ein optischer Multiplexer/Demultiplexer 6-3 mit denselben strukturellen Parametern und derselben Wirkung wie die optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-1, 6-2 ist an dem ausgangsseitigen Anschluß 8-2 des ersten Zweigwellenleiters 8 angeordnet, oder, anders gesagt, der dritte Zweigwellenleiter 10 ist parallel zur Ausgangsseite des ersten Zweigwellenleiters 8 angeordnet und mit dieser verbunden. Daher breitet sich das optische Signal der Wellenlänge λ&sub1;, das vom optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-1 abgezweigt wurde, durch die Ausgangsseite des ersten Zweigwellenleiters 8 fort, wird dann durch den optischen Demultiplexer 6-3 abgetrennt und läuft innerhalb des ausgangsseitigen Anschlusses 10-2 des dritten Zweigwellenleiters 10 weiter. Das optische Signal der überflüssigen Wellenlänge λ&sub2;, das in 8-2 enthalten ist, läuft als solches zur Ausgangsseite von 8-2 weiter. Dies bedeutet, daß kaum ein optisches Signal der überflüssigen Wellenlänge λ&sub2; an der Ausgangsseite von 10-2 vorhanden ist und nur das optische Signal der Wellenlänge λ&sub1; existiert. Da diese Struktur die drei optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-1, 6-2 und 6-3 verwendet, die dieselben strukturellen Parameter und dieselben Verhaltensweisen aufweisen, kann ein optischer Multiplexer/Demultiplexer erzielt werden, der kaum ein Interferenzsignal enthält und ein hohes Signal/Rausch- Verhältnis aufweist. Da ein solches Bauelement dadurch hergestellt werden kann, daß lediglich drei gleiche optische Multiplexer/Demultiplexer kombiniert werden, ist es extrem vorteilhaft. Anders gesagt, kann Musterbildung dadurch vorgenommen werden, daß eine Maske für einen optischen Multiplexer/Demultiplexer erstellt wird und dann die Maske verschoben und belichtet wird. Demgemäß sind die Maskenkosten niedrig. Da darüber hinaus die Maske klein ist, kann die Abmessungsgenauigkeit der Maske verbessert werden.
Fig. 2 zeigt einen optischen Multiplexer/Demultiplexer gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein lichtempfangendes Bauelement 12-1 zum Empfangen des optischen Signals der Wellenlänge λ&sub2; ist am ausgangsseitigen Anschluß 7-2 des Hauptwellenleiters 7 angeordnet, während ein lichtempfangendes Bauelement 12-2 zum Empfangen des optischen Signals der Wellenlänge λ&sub1; am ausgangsseitigen Anschluß 10-2 des dritten Zweigwellenleiters 10 angeordnet ist.
Fig. 3 zeigt ein Zweirichtungs-Übertragungsmodul gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein lichtemittierendes Bauelement (Halbleiterlaser) 13 zum Emittieren eines optischen Signals der Wellenlänge λ&sub2; ist am ausgangsseitigen Anschluß 7-2 des Hauptwellenleiters 7 angeordnet, während ein lichtempfangendes Bauelement (Photodiode) 12 zum Empfangen des optischen Signals der Wellenlänge X&sub1; am ausgangsseitigen Anschluß 12-2 des dritten Zweigwellenleiters 10 angeordnet ist, so daß das optische Signal der Wellenlänge λ&sub2; in der durch einen Pfeil 11-2 angegebenen Richtung vom eingangsseitigen Anschluß 7-1 des Hauptwellenleiters 7 zugeführt werden kann und das in Richtung eines Pfeils 11-1 ankommende optische Signal der Wellenlänge λ&sub1; innerhalb des optischen Moduls weitergeleitet und vom lichtempfangenden Bauelement 12 empfangen werden kann.
Fig. 4 zeigt ein optisches Modul hoher Zuverlässigkeit gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel beschäftigt sich mit einem optischen Modul mit einer Struktur, bei der ein lichtemittierendes Bauelement 15 und ein lichtempfangendes Bauelement 14 so betrieben wird, daß normale Nachrichtenübertragung gewährleistet ist, wenn entweder das lichtemittierende Bauelement 13 oder das lichtempfangende Bauelement 12 oder beide aufgrund einer Verschlechterung wegen der Lebensdauer oder wegen Zerstörung nicht den gewünschten Betrieb zeigen. Ein optischer Faserübertragungspfad 20 ist mit dem optischen Modul (auf der rechten Seite von A-A' in der Zeichnung) über einen optischen Schalter 18 verbunden. Der optische Schalter ist vom 2·2-Richtungskopplertyp, wie er als üblich im Stand der Technik bekannt ist. Wenn eine Spannung an Punkte A und B in einem Elektrodenabschnitt 34 angelegt wird, der im gemeinsamen Abschnitt des Richtungskopplers ausgebildet ist, wie in der Figur dargestellt, und wenn die Spannung eine bestimmte eingeprägte Spannung V&sub1; ist, pflanzt sich das sich innerhalb der optischen Faser 20 fortpflanzende optische Signal innerhalb des Wellenleiters 7-1 durch den Wellenleiter 25-1 fort, und wenn die Spannung eine bestimmte eingeprägte Spannung V&sub2; ist, die höher als V&sub1; ist, pflanzt sich das durch die optische Faser 20 fortpflanzende optische Signal innerhalb des Wellenleiters 8-1 durch den Wellenleiter 25-2 fort. Fig. 4(b) ist eine vergrößerte Darstellung, die den Elektrodenabschnitt 34 zeigt. Bezugsziffern 34a bis 34d repräsentieren jeweils Elektroden. Der optische Schalter 18 verwendet die Änderung des Brechungsindex des optischen Wellenleiters aufgrund eines elektrooptischen Effekts, wenn eine Spannung an einen der optischen Wellenleiter angelegt wird, um das Phänomen zu nutzen, daß sich die Phasen zweier stehender Wellen einer geradzahligen Mode und einer ungeradzahligen Mode ändern und sich die optische Interferenz am Ausgangsanschluß des Richtungskopplers ändert. (siehe R. V. Schmidt und H. Kogelnik: "Electro-optically Switched Coupler with Stepped Δβ Reversal Using Ti-Diffused LiNbO&sub2; Waveguides"; Appl. Phys. Lett., 2 (1976), 503).
Diese eingeprägte Spannung wird zunächst auf V&sub1; gesetzt. Wenn das lichtemittierende Bauelement 13 und/oder das lichtempfangende Element 12 anormal werden, wird die eingeprägte Spannung von V&sub1; auf V&sub2; geändert, da die Ansteuerschaltung 17 vom Steuersignal 35 gesteuert wird. Hierbei verfügt die Ansteuerschaltung 17 über Versorgungsspannungsquellen V&sub1; und V&sub2;, und sie schaltet und steuert einen elektrischen Schalter durch das Steuersignal, das angibt, welche der Versorgungsspannungsquellen auszuwählen ist, um die Spannung an den optischen Schalter zu legen. Dies kann durch eine wohlbekannte Umschaltstufe erfolgen.
Nachfolgend werden ein Erzeugungssystem für das Steuersignal, wenn die vorstehend beschriebenen optischen Bauelemente 12 und 13 anormal werden, und ein Verfahren zum Verschieben des Ansteuerungssystems auf die optischen Ersatzbauelemente 14, 15 beschrieben. Entweder das optische Eingangssignal an das lichtempfangende Bauelement 12 oder das durch das lichtempfangende Bauelement 12 dadurch gebildete Signal, daß dieses optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, wird an eine Signalüberwachung 30 und eine Vergleichsschaltung gelegt. Wenn dieses Signal unter einen vorgegebenen Wert fällt (der ungefähr dem minimalen Empfangsempfindlichkeitsniveau entspricht), wird das Steuersignal 35 am Ausgang der Vergleichsschaltung erzeugt. Das Steuersignal 35 steuert die Ansteuerschaltung und betätigt gleichzeitig eine Ansteuerschaltung 33 für das lichtempfangende Bauelement 14, damit dieses das optische Signal der Wellenlänge λ&sub1; empfangen kann. Es betätigt auch die Ansteuerschaltung 31 zum Ansteuern des lichtemittierenden Bauelements 15 in solcher Weise, daß es ein optisches Signal der Wellenlänge λ&sub2; emittiert. Wenn das vom lichtemittierenden Bauelement 13 emittierte optische Signal ebenfalls unter einen vorgegebenen Wert fällt, wird das Signal von 32 (optisches Signal oder das Signal, das durch Umwandeln desselben in ein elektrisches Signal erstellt wurde) von der Überwachung überwacht und von der Vergleichsschaltung bewertet, um das Steuersignal 35 am Ausgang zu erzeugen. Dieses Steuersignal 35 steuert sowohl das lichtemittierende Bauelement 15 als auch das lichtempfangende Bauelement 14 an und es steuert ferner die Ansteuerschaltung 17 an, um die eingeprägte Spannung von V&sub1; auf V&sub2; zu ändern. Auf diese Weise kann Zweirichtungs-Übertragung erzielt werden, ohne daß die Nachrichtenübertragung wegen eines Ausfalls aufgehoben wird.
Da Ausfallverhinderung wie vorstehend beschrieben bewerkstelligt wird, kann die Zuverlässigkeit beträchtlich verbessert werden. Da es selbst dann, wenn die optischen Bauelemente zerstört sind, nicht erforderlich ist, den optischen Multiplexer/Demultiplexer insgesamt auszurangieren, kann große Wirtschaftlichkeit erzielt werden. Anders gesagt, schafft die Erfindung ein optisches Modul mit völlig neuartiger Struktur, das mit Ausfallverhinderung und Störungsselbstdiagnose/Wiederherstellungsfunktion versehen ist (d. h. eine Struktur, bei der die in Fig. 4 dargestellte Anordnung insgesamt integriert ist).
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für ein optisches Modul für einen optischen Zweirichtungs-Zwischenverstärker als Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Multiplexer/Demultiplexers. In diesem optischen Modul wird ein optisches Signal der Wellenlänge λ&sub1; (das vom vorangehenden optischen Zwischenverstärker her übertragene optische Signal), das in den eingangsseitigen Anschluß 7-1 des Hauptwellenleiters eintritt, durch den optischen Multiplexer/Demultiplexer abgezweigt, durch den optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-3 abgezweigt, es tritt in das lichtempfangende Bauelement 12 ein, wo es in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, und wird dann über z. B. einen Operationsverstärker und eine Signalformungsschaltung, die in weitem Umfang in üblicher Weise in der elektrischen Schaltungstechnik verwendet werden, in die Ansteuerschaltung 22-1 für das lichtemittierende Bauelement eingegeben. Das lichtemittierende Bauelement 26 wird so angesteuert, daß es ein optisches Signal der Wellenlänge λ&sub1; ausgibt, das durch den optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-2 bzw. 6-1 abgezweigt wird, an den eingangsseitigen Anschluß 8-1 des ersten Zweigwellenleiters 8 übertragen wird, diesen Wellenleiter verläßt und an einen folgenden optischen Zwischenverstärker gesendet wird.
Dagegen tritt das optische Signal der Wellenlänge λ&sub2;, das vom nächsten optischen Zwischenverstärker gesendet wird, in den eingangsseitigen Anschluß 8-1 des ersten Zweigwellenleiters ein und wird über die optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-1, 6-3 an das lichtempfangende Bauelement 27 geleitet. Das Informationssignal wird durch dieses lichtempfangende Bauelement 27 in ein elektrisches Signal umgewandelt und über die Verstärkungs- und Signalformungsschaltungen in den Ansteuerabschnitt 22-2 für das lichtemittierende Bauelement eingegeben. Dieser Ansteuerabschnitt 22-2 für das lichtemittierende Bauelement steuert das lichtemittierende Bauelement 13 so an, daß es ein optisches Signal der Wellenlänge λ&sub2; ausgibt. Das optische Signal der Wellenlänge λ&sub2; wird über die optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-2, 6-1 an den eingangsseitigen Anschluß 7-1 des Hauptwellenleiters übertragen, verläßt diesen Anschluß 7-1 und wird an den vorangehenden optischen Zwischenverstärker gesendet. Auf diese Weise kann ein optischer Zweirichtungs-Zwischenverstärker unter Verwendung dreier gleicher optischer Multiplexer/Demultiplexer realisiert werden.
Für die Erfindung besteht keine besondere Beschränkung auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Zunächst können vier oder mehr optische Multiplexer/Demultiplexer neben den drei gleichen optischen Multiplexern/Demultiplexern verwendet werden. Wie bin Fig. 6 dargestellt, ist es möglich, zwei gleiche optische Multiplexer/Demultiplexer 6-1, 6-2 in Kombination mit einem anderen optischen Multiplexer/Demultiplexer 23 zu verwenden, der sich von diesen unterscheidet, jedoch sinkt in diesem Fall der bereits beschriebene wirtschaftliche Effekt. Ein Halbleiterlaser, eine lichtemittierende Diode und dergleichen kann als lichtemittierendes Bauelement verwendet werden, und es kann eine beliebige Wellenlänge ausgewählt werden.
Die Erfindung verschafft die Wirkungen, daß hohe Abtrennung aufrechterhalten werden kann, und es kann eine ausgeprägte Verringerung der Herstellkosten unter Verwendung mehrerer optischer Multiplexer/Demultiplexer mit denselben strukturellen Parametern erzielt werden. Ferner kann die Erfindung ein vollständig neuartiges optisches Zweirichtungs-Modul mit Ausfallverhinderung und Störungsselbstdiagnose/Wiederherstellungs-Funktion schaffen, und sie ist wirkungsvoll, um Nachrichtenübertragung mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Sicherheit zu bewerkstelligen. Als noch andere Anwendung kann die Erfindung einfach und wirtschaftlich ein optisches Zweirichtungs-Zwischenverstärkermodul für die Zweirichtungs-Zwischenverstärkung und die Übertragung zwischen optischen Zwischenverstärkern schaffen.
Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Zweirichtungs-Überlagerungs-Nachrichtenübertragungsverfahren. Die Zeichnung zeigt ein Strukturbeispiel für ein optisches Modul innerhalb einer nach oben gerichteten oder einer nach unten gerichteten Station. Ein optisches Signal mit den Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub3;, das sich innerhalb der optischen Faser von der durch einen Pfeil 11-3 angegebenen Richtung aus ausbreitet (hierbei als nach oben gerichtete Seite bezeichnet) fällt auf den Wellenleiter 7 des ersten optischen Multiplexer/Demultiplexers 6-1. Dagegen läuft ein optisches Signal mit den Wellenlängen λ&sub2;, λ&sub4;, das sich durch den Wellenleiter 8 ausbreitet, so, wie dies durch einen Pfeil 11-4 gekennzeichnet ist (hier als nach unten gerichtete Seite bezeichnet), es läuft durch die optische Faser weiter und es wird zur Station auf der stromabwärtigen Seite gerichtet. Anders gesagt, zeigt die Zeichnung ein Beispiel für bidirektionale Übertragung mit vier Wellenlängen mit jeweils zwei Wellenlängen in der nach oben gerichteten bzw. der nach unten gerichteten Richtung.
Die optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-1, 6-2, 6-3 weisen dieselbe Struktur auf, und ihre Struktur und ihre Eigenschaften sind in Fig. 11 dargestellt. Wenn ein optisches Signal Pi der Wellenlänge λ&sub1;, λ&sub2;, λ&sub3;, λ&sub4; in den Wellenleiter a eintritt, wird ein optisches Signal P&sub1; der Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2; zur Ausgangsseite dieses Wellenleiters a geleitet, während ein optisches Signal P&sub2; der Wellenlängen λ&sub3;, λ&sub4; zur Ausgangsseite des Wellenleiters b geleitet wird. Hierbei können die Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; extrem dicht beieinander oder einander gleich sein und die Wellenlängen λ&sub3; und λ&sub4; können extrem dicht beieinander liegen oder einander gleich sein. Wenn angenommen wird, daß die Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; im Band um 1,3 um liegen, während die Wellenlängen λ&sub3; und λ&sub4; im Band um 1,5 um liegen, kann ein solcher optischer Multiplexer/Demultiplexer einfach realisiert werden. Seine strukturellen Parameter sind z. B. W = 10 um, S = 3,16 um, L = 4965 um, Dicke des Wellenleiters 8 um und Brechungsindexunterschied 0,25%, wobei der Mantel den Wellenleiter und seine Umgebung abdeckt.
In Fig. 10 kennzeichnen Bezugsziffern 48-1 und 48-4 Strahlteiler; 46 und 47 sind optische Modulatoren; 42 und 43 sind lichtemittierende Halbleiter-Bauelemente und 44 sowie 45 sind lichtempfangende Bauelemente.
Nachfolgend wird der Betrieb von Fig. 10 beschrieben. Ein optisches Signal der Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2; tritt in den Wellenleiter 7 ein, wie dies durch einen Pfeil 11-3 gekennzeichnet ist. Das optische Signal der Wellenlänge λ&sub1; läuft durch die optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-1, 6-2, wie dies durch einen Pfeil 41 gekennzeichnet ist, und es tritt in den Strahlteiler 48-1 ein, und dann tritt es durch diesen Strahlteiler 48-1 in das lichtempfangende Bauelement 44 (wie eine Avalanche-Photodiode oder eine Photodiode) ein. Ein Teil des optischen Signals 40-2 des lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements 43, das mit der Wellenlänge λ&sub2; schwingt, wird durch die Strahlteiler 48-2, 48-1 reflektiert und tritt in das lichtempfangende Bauelement 44 ein. Anders gesagt, wirkt dieses optische Signal 40-2 als Ortsoszillatorsignal und das lichtempfangende Bauelement 44 sorgt für optische Überlagerungserfassung und für Empfang durch das optische Signal 41 der Wellenlänge λ&sub1; und das optische Signal 40-2 der Wellenlänge λ&sub2;. Optische Überlagerungserfassung hoher Stabilität kann dadurch erzielt werden, daß die Schwingungswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements 3 stabilisiert wird.
Das andere optische Signal der Wellenlänge λ&sub3;, das in den Wellenleiter 7 eintritt, wird anschließend durch die optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-1, 6-3 abgezweigt, es läuft wie durch einen Pfeil 52 gekennzeichnet weiter, und es tritt durch den Strahlteiler 48-4 in das lichtempfangende Bauelement 45 ein. Ein Teil des optischen Signals 39-2 des lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements 42, das mit der Wellenlänge λ&sub4; schwingt, wird durch die Strahlteiler 48-3, 48-4 reflektiert und tritt in das lichtempfangende Bauelement 45 ein, und optische Überlagerungserfassung erfolgt durch die optischen Signale der Wellenlängen λ&sub3; und λ&sub4;. Optische Überlagerungserfassung hoher Stabilität kann dadurch erzielt werden, daß die Schwingungswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements 42 stabilisiert wird. Das restliche optische Signal des optischen Signals des lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements 43, das mit der Wellenlänge λ&sub2; schwingt, läuft durch den Strahlteiler 48-2 und erreicht den optischen Demodulator 47, wo das Signal externer Modulation unterzogen wird. Das optische Signal 40-1 wird dann durch die optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-3, 6-1 geführt, läuft durch den Wellenleiter 8, wie durch einen Pfeil 11-4 gekennzeichnet, läuft innerhalb der optischen Faser weiter und wird an die Station auf der stromabwärtigen Seite übertragen. Das restliche optische Signal des optischen Signals des lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements 42, das mit der Wellenlänge λ&sub4; schwingt, läuft durch den Strahlteiler 48-3 und erreicht den optischen Modulator 46, wo es externer Modulation durch das Informationssignal unterworfen wird. Nach der externen Modulation wird das optische Signal 39-1 in den optischen Multiplexer/Demultiplexern 6-2, 6-1 abgezweigt, läuft durch den Wellenleiter 8, wie dies durch einen Pfeil 11-4 gekennzeichnet ist, und dann durch die optische Faser, und es wird an die Station auf der stromabwärtigen Seite übertragen. Optische Überlagerungserfassung erfolgt, wenn die Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; gleich sind und wenn die Wellenlängen λ&sub3; und λ&sub4; gleich sind.
Da die in Fig. 10 dargestellte Struktur drei optische Multiplexer/Demultiplexer derselben Struktur verwendet, kann die Abtrennung hinsichtlich der Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub3; und hinsichtlich der Wellenlängen λ&sub2; und λ&sub4; extrem stark sein. Insbesondere im Fall optisch kohärenter Nachrichtenübertragung wie optischer Überlagerungs(Heterodyn)-Erfassung und optischer Homodynerfassung fördert Interferenz zwischen den Wellenlängen eine Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses und vereitelt die charakteristischen Eigenschaften optisch kohärenter Nachrichtenübertragung. Daher ist ein optisch kohärentes Zweirichtungs-Nachrichtenübertragungsverfahren mit optischen Multiplexern/Demultiplexern, die für ausreichend starke Trennung der Wellenlängen sorgen, wie vorstehend beschrieben, extrem vorteilhaft. Da die erfindungsgemäße Struktur symmetrisch und einfach ist, kann sie extrem einfach und mit niedrigen Herstellkosten hergestellt werden. Darüber hinaus kann Informationsübertragung großer Kapazität auf einfache Weise bewerkstelligt werden, da die Übertragung eine Zweirichtungs-Übertragung mit vier Wellenlängen ist. Da lichtemittierende Halbleiter-Bauelemente 2, 3 sowohl für die optische Quelle zur Informationsübertragung als auch für die optische Quelle zur Ortsoszillation verwendet werden, ist die Struktur noch wirtschaftlicher.
Fig. 12 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Zweiichtungs-Überlagerungs-Nachrichtenübertragungsverfahren. Es handelt sich um ein optisches Zweirichtungs-Überlagerungs-Nachrichtenübertragungsverfahren mit vier Wellenlängen, bei dem die optischen Signale in einander entgegengesetzten Richtungen innerhalb des Wellenleiters 8 übertragen werden, wie durch Pfeile 11-7 und 11-8 gekennzeichnet. Anders gesagt, werden optische Signale mit voneinander verschiedenen Wellenlängen in zwei Richtungen in die jeweiligen optischen Fasern übertragen.
Zunächst tritt ein optisches Signal der Wellenlänge λ&sub1;, das sich ausbreitet, wie dies durch einen Pfeil 11-5 gekennzeichnet ist, in den Wellenleiter 7 ein, läuft durch die optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-1, 6-2, wie durch einen Pfeil 51 gekennzeichnet, und tritt durch den Strahlteiler 48-1 in das lichtempfangende Bauelement 44 ein. Ein Teil des optischen Signals des lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements 43, das mit der Wellenlänge λ&sub3; schwingt, wird durch den Strahlteiler 48-4 abgezweigt, wird durch den Strahlteiler 48-1 reflektiert und wird auf dieselbe Weise wie das optische Signal der Wellenlänge λ&sub1; in das lichtempfangende Bauelement 44 eingegeben. So erfolgt optische Überlagerungserfassung bzw. optischer Überlagerungsempfang. Das restliche optische Signal des lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements 43 (mit der Wellenlänge λ&sub3;) läuft durch den Strahlteiler 48-2 und wird in den optischen Modulator 47 eingegeben. Das durch das Informationssignal modulierte optische Signal 57-1 wird sequentiell durch die optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-3, 6-1 abgetrennt, läuft innerhalb des Wellenleiters 7 weiter und läuft dann durch die optische Faser, wie dies durch einen Pfeil 11-6 gekennzeichnet ist, und es wird zur Staion auf der stromabwärtigen Seite gesendet.
Das optische Signal der Wellenlänge λ&sub2;, das sich ausbreitet, wie dies durch einen Pfeil 11-7 gekennzeichnet ist, tritt in den Wellenleiter 8 ein, läuft durch die optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-1, 6-3 weiter, wie dies durch einen Pfeil 40-1 gekennzeichnet ist, und es tritt durch den Strahlteiler 48-4 in das lichtempfangende Bauelement 45 ein. Ein Teil des optischen Signals des lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements 42, das mit der Wellenlänge λ&sub4; schwingt, wird durch den Strahlteiler 48-3 abgezweigt, läuft weiter, wie dies durch einen Pfeil 49-2 gekennzeichnet ist, wird durch den Strahlteiler 48-4 reflektiert und wird auf dieselbe Weise wie das optische Signal der Wellenlänge λ&sub2; in das lichtempfangende Bauelement 45 eingegeben. So erfolgt optische Heterodynerfassung bzw. optischer Heterodynempfang. Das restliche optische Signal (Wellenlänge λ&sub4;) des optischen Signals des lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements 42 wird über den Strahlteiler 48-3 in den optischen Modulator 46 eingegeben, und das im optischen Modulator 46 durch das Informationssignal modulierte optische Signal 39-1 wird sequentiell durch die optischen Multiplexer/Demultiplexer 6-2, 6-1 abgetrennt, läuft durch den Wellenleiter 8 und dann durch die optische Faser, wie durch einen Pfeil 11-8 gekennzeichnet, und wird dann an die Station auf der stromabwärtigen Seite gesendet. So können auf dieselbe Weise wie bei Fig. 10 mit einer einfachen Struktur eine hochwertige Abtrenneigenschaft, geringe Herstellkosten und Zweirichtungs-Übertragung mit mehreren Wellenlängen erzielt werden.
Erfindungsgemäß kann optisch kohärente Zweirichtungs-Nachrichtenübertragung durch eine einfache Struktur realisiert werden, mit Eigenschaften mit verringerter Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses und mit Interferenzverringerung. Da die optische Quelle zur Informationsübertragung auch als optische Quelle für den Ortsoszillator verwendet werden kann, können die Herstellkosten verringert werden.
Die Grundstruktur des erfindungsgemäßen optischen Multiplexxer/Demultiplexers ist in den Fig. 13 und 14 dargestellt. Fig. 13 zeigt den Fall, daß nur ein optischer Multiplexer/ Demultiplexer vorhanden ist, und Fig. 14 zeigt den Fall, daß drei optische Multiplexer/Demultiplexer verwendet werden. Wie es aus diesen Zeichnungen erkennbar ist, werden mehrere (obwohl in der Zeichnung zwei Wellenleiter dargestellt sind, können drei oder mehr verwendet werden) quadratische Wellenleiter 3-1, 3-2 (mit dem Brechungsindex nc; nc > nb) als Kern nebeneinander auf einer Schicht 2 mit geringem Brechungsindex (Brechungsindex nb) auf einem Substrat 1 (Brechungsindex ns) angeordnet, und ein Mantel 4 mit dem Brechungsindex ncl (ncl < nc, ncl ≠ nb) deckt die Kernwellenleiter ab. Der Brechungsindex ncl dieses Mantels 4 kann kleiner oder größer als nb sein. Drei Richtungskoppler werden verwendet, wie dies in Fig. 14 dargestellt ist, um die gegenseitige Abtrennung von Wellenlängen zu verbessern und um die Verschlechterung der Signalqualität aufgrund eines Übersprechens zwischen den Kanälen zu minimieren.
Genauer gesagt, wird aus dem optischen Signal mit den Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, das in einen Anschluß i eintritt, die Wellenlänge λ&sub1; als solche zum Wellenleiter 65 geführt, jedoch wird λ&sub3; zum Wellenleiter 66 im optischen Multiplexer/Demultiplexer A abgezweigt. Danach wird im optischen Multiplexer/Demultiplexer B das ungewünschte optische Signal der Wellenlänge λ&sub2;, das in den Wellenleiter 65 ausleckt, zum Anschluß 1 abgezweigt, während nur das gewünschte optische Signal λ&sub1; am Anschluß 2 entnommen wird. Auf ähnliche Weise wird im optischen Multiplexer/Demultiplexer C das unerwünschte optische Signal der Wellenlänge λ&sub1;, das in den Wellenleiter 66 ausleckt, als solches zum Anschluß 3 geführt, während nur das gewünschte optische Signal λ&sub2; am Anschluß 4 entnommen wird. Im Ergebnis kann die gegenseitige Trennung zwischen den Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; extrem hoch gemacht werden. Die optischen Multiplexer/Demultiplexer A, B, C weisen dieselbe Struktur auf.
Der Brechungsindex ncl des Mantels 4 wird aus den folgenden Gründen verschieden vom Brechungsindex nb der Schicht 2 mit niedrigem Brechungsindex gewählt. In Fig. 14(b) entspricht der Brechungsindex ns des Substrats dem Brechungsindex nb der Schicht mit niedrigem Brechungsindex. Wenn die quadratischen Wellenleiter 3-1, 3-2 dadurch erhalten werden, daß für den Kern ein Film auf der Schicht 2 mit niedrigem Brechungsindex ausgebildet wird, und dann ein Herstellprozeß wie ein Photoresistbeschichten, Photolithographie, reaktives Ionenätzen, Beseitigen des Photoresists und dergleichen ausgeführt wird, treten Abweichungen beim Brechungsindex nc des Kerns, der Breite W und der Dicke T des Wellenleiters und dem Abstand S zwischen den Wellenleitern aufgrund des vorstehend beschriebenen Prozesses auf, und es tritt eine Verschiebung der Mittenwellenlänge auf. Wenn ein Mantel mit demselben Brechungsindex nb wie ihn die Schicht 2 mit niedrigem Brechungsindex aufweist, als solche aufgebracht wird, weisen alle sich ergebenden optischen Multiplexer/Demultiplexer dieselbe Mittenwellenlängenverschiebung auf und können in keiner Weise verwendet werden. Daher werden erfindungsgemäß die Werte nc, W, T und S im Stadium gemessen, in dem der Kern ausgebildet ist, und nachdem der Zustand der Abweichung erfaßt ist, wird der Brechungsindex ncl des Mantels 4 auf solche Weise gewählt, daß die durch die Streuung bedingte Verschiebung der Mittenwellenlänge korrigiert wird. Infolgedessen können die optischen Multiplexer/Demultiplexer mit einer Herstellausbeute von 100% dadurch erhalten werden, daß ncl auf solche Weise eingestellt wird, daß die Verschiebung der Mittenwellenlänge aufgrund der Prozeßschwankung völlig korrigiert wird, und es kann auch eine ausgeprägte Verringerung der Herstellkosten erzielt werden. Wie vorstehend beschrieben, ist ein Verfahren, das die Parameter in einem Zwischenstadium des Herstellprozesses überwacht und die überwachte Information an den Prozeß rückkoppelt, insbesondere für optische Multiplexer/Demultiplexer extrem wirkungsvoll, deren Wellenlängeneigenschaften sich selbst bei kleinen Abweichungen der strukturellen Parameter ändern. In diesem Sinn sorgt die Erfindung für einen völlig neuartigen Prozeß und einen völlig neuartigen optischen Multiplexer/Demultiplexer, die in der Vergangenheit nicht bekannt waren.
Anschließend analysierte der Erfinder erstmals, wie die Mittenwellenlängencharakteristik durch den Brechungsindex ncl des Mantels eingestellt werden kann, und das Ergebnis wird erläutert. Die Fig. 15 und 16 zeigen das Untersuchungsergebnis. Wie es aus den Zeichnungen erkennbar ist, verschiebt sich die Mittenwellenlänge bei einer Veränderung des Wertes ncl. Anders gesagt, hat der Erfinder erstmals herausgefunden, daß die Mittenwellenlänge durch den Wert ncl verschoben werden kann.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen eines Mantels mit beliebigem Brechungsindex beschrieben. Fig. 17 zeigt das Meßergebnis für die Brechungsindexcharakteristik eines Mantelfilms, der versuchsweise vom Erfinder hergestellt wurde. Sie zeigt die Brechungsindexcharakteristik eines Films, der dadurch hergestellt wurde, daß dafür gesorgt wurde, daß Monosilan SiH&sub4; (ein durch N&sub2; auf 4% verdünntes Gas), Phosphin PH&sub3; (ein durch N&sub2; auf 1% verdünntes Gas) sowie N&sub2; und O&sub2; über ein auf 390ºC erhitztes Siliziumsubstrat strömten. Der Brechungsindex kann durch Ändern der Gasströmungsrate für PH&sub3; von 1,454 bis 1,475 geändert werden. Eine Kurve gemäß einer durchgezogenen Linie repräsentiert das Ergebnis für einen solchen Fall, und eine Kurve mit einer gestrichelten Linie repräsentiert das Ergebnis für den Fall, daß eine Wärmebehandlung bei 1000ºC für etwa 10 Stunden an Luft erfolgt (Temperaturanstiegszeit 2,5 Stunden, Temperaturhaltezeit 0,5 Stunden und Temperaturabsenkzeit 7 Stunden). Der Brechungsindex kann in einem weiten Bereich verändert werden, wenn auch die Wärmebehandlung ausgeführt wird. Aus dem in Fig. 17 dargestellten Ergebnis ist es deutlich erkennbar, daß der Brechungsindex des Mantels in einem weiten Bereich verändert werden kann und daß demgemäß ein erfindungsgemäßer optischer Multiplexer/Demultiplexer realisiert werden kann.
Fig. 18 zeigt ein anderes Verfahren zum Ändern des Brechungsindex des Mantels. Fig. 18(a) ist eine Draufsicht und Fig. 18(b) ist ein Querschnitt entlang der Linie x-x' in (a). Gemäß diesem Verfahren wird ein optischer Multiplexer/- Demultiplexer mit einem filmförmigen Mantel, dessen Brechungsindex sich durch Wärmebehandlung ändert, vorab hergestellt, und dann wird ein Lichtstrahl 67 von einer Lichtquelle (z. B. einer Weißlichtquelle der Wellenlänge λ&sub1; bis λn = 0,6 bis 1,6 um in diesem Fall), die den Meßwellenlängenbereich abdeckt, über den Eingangsanschluß des optischen Multiplexers/Demultiplexers eingegeben. Das optische Ausgangssignal 68, 69 von jedem Ausgangsanschluß wird durch einen optischen Spektralanalysator überwacht. Danach wird ein CO&sub2;-Laserstrahl so auf die Oberfläche des Mantels 4 gestrahlt, daß der Strahl auf dem Muster des optischen Multiplexers/Demultiplexers in Richtung eines Pfeils 11 bewegt wird, oder es wird der optische Multiplexer/Demultiplexer verschoben, während der Strahl festgehalten wird, um dadurch dem Mantel 4 Wärmeenergie zuzuführen und den Brechungsindex des Mantels zu verändern. Die Mittenwellenlänge wird eingestellt, während das spektrale Ausgangssignal 69 durch den optischen Spektralanalysator beobachtet wird. Die Fleckgröße des Strahls 70 des CO&sub2;-Lasers ist vorzugsweise einige Millimeter für den Durchmesser, um das Muster abzudecken. Die Bewegungsgeschwindigkeit in Richtung eines Pfeils 71 und die optische Ausgangsleistung des CO&sub2;-Laserstrahls werden eingestellt, während der Verschiebungszustand der Mittenwellenlänge beobachtet wird. Fig. 19 zeigt das Ergebnis für die tatsächliche Messung der Änderung des Brechungsindex des Mantels bei Einstrahlung des CO&sub2;-Laserstrahls. Dieses Ergebnis wurde dadurch erhalten, daß ein Strahl von ungefähr 10 W von einer CO&sub2;-Laserquelle durch eine Ge-Linse auf eine Strahlfleckgröße von etwa 6 mm verengt wurde und der Strahl auf einen bei 390ºC hergestellten Glasfilm (Silikatglasfilm und Phosphorsilikatglasfilm) aufgestrahlt wurde, wie in Fig. 17 dargestellt. Es stellte sich heraus, daß der Brechungsindex durch die Bestrahlungszeit eingestellt werden konnte. Die Meßwellenlänge für den Brechungsindex betrug 0,63 um.
Fig. 20 zeigt das Meßergebnis für die Einfügungsverlustcharakteristik eines optischen Multiplexers/Demultiplexers, der tatsächlich als Prototyp hergestellt wurde. In der Zeichnung repräsentieren Symbole und die Charakteristik vor der Wärmebehandlung, und Symbole und repräsentieren die Charakteristik nach einer Wärmebehandlung durch einen CO&sub2;-Laser. Übrigens sind der Kopplungsverlust zwischen der optischen Faser (optische Monomodefaser) und dem Wellenleiter sowie der Verlust im Wellenleiter in der Zeichnung nicht enthalten. Deren Gesamtwert beträgt ungefähr 5 dB und der größte Anteil des Verlusts rührt vom Kopplungsverlust zwischen der optischen Faser und dem Wellenleiter her.
Die Erfindung ist nicht in besonderer Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Schicht mit niedrigem Brechungsindex, der Kern und der Mantel können aus einem hochpolymeren Stoff, einem Dielektrikum, einem magnetischen Material und dergleichen außer Glas hergestellt sein. Außer dem vorstehend beschriebenen Material ist es möglich, für das Substrat 1 Halbleiter wie Si, InP und GaAs zu verwenden. Ein optisches Modul kann dadurch aufgebaut werden, daß funktionelle optische Bauelemente wie lichtemittierende Halbleiter-Bauelemente (Halbleiterlaser, lichtemittierende Dioden usw.) und lichtempfangende Bauelemente am optischen Multiplexer/Demultiplexer angebracht werden. Das Glasmaterial kann Quarzglas, Quarzglas mit einem Dotierstoff wie P, Ge, Ti oder B und sogenanntes Mehrkomponentenglas mit einem Alkalimetall und einem Erdalkalimetall sein. Verschiedene Wärmebehandlungsverfahren können verwendet werden, wie Verfahren unter Verwendung eines elektrischen Ofens oder eines Hochfrequenz-Heizofens, und Verfahren unter Verwendung von Lasern, wie einem CO&sub2;-Laser, einem YAG- Laser und anderen. Der Glasfilm kann dadurch hergestellt werden, daß zunächst ein schmelzteilchenähnlicher Film ausgebildet wird und dieser dann durch Sintern in Glas umgewandelt wird. Der Kern muß nicht völlig quadratisch sein, sondern er kann eliptisch oder rund sein. Ferner können drei optische Multiplexer/Demultiplexer, wie sie in Fig. 13 dargestellt sind, so kombiniert werden, wie in Fig. 14 dargestellt, oder zwei von ihnen können kombiniert werden. Darüber hinaus können vier oder mehr optische Multiplexer/Demultiplexer kombiniert werden, um die Wellenlängenmultiplexzahl zu erhöhen.
Erfindungsgemäß ist es möglich, verschiedene strukturelle Parameter in einem Stadium zu messen, in dem der Kern auf der Schicht mit niedrigem Brechungsindex ausgebildet ist, und der Brechungsindex des Mantels kann eingestellt werden, während der Zustand der Abweichung vom Entwurfswert berücksichtigt wird, um eine Verschiebung der Mittenwellenlänge vollständig zu korrigieren. Demgemäß kann der optische Multiplexer/Demultiplexer mit einer Ausbeute von 100% hergestellt werden. Infolgedessen kann der optische Multiplexer/- Demultiplexer mit weit geringeren Herstellkosten hergestellt werden als durch eine bekannte Technik.

Claims

1. Optischer Multiplexer/Demultiplexer mit drei 2·2-Richtungskopplern (6-1, 6-2, 6-3), wobei die zwei Ausgangsanschlüsse eines ersten dieser Koppler (6-1) jeweils mit einem Eingangsanschluß eines der zweiten und dritten Koppler (6-2, 6-3) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

jeder der drei Koppler (6-1, 6-2, 6-3) wellenlängen-selektiv für ein optisches Signal mit einer vorgegebenen Wellenlänge ist und zwei parallel angeordnete und optisch miteinander gekoppelte Wellenleiter (7, 8; 7, 9; 8, 10) aufweist und

daß alle drei Koppler in Bezug auf die Breite (W) der Wellenleiter, die Länge (L), über die sie nebeneinander angeordnet sind, und die Lücke (S) zwischen Ihnen die gleichen strukturellen Parameter aufweisen.

2. Multiplexer/Demultiplexer nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Ausgangsanschluß (7-2, 10-2) der zweiten und dritten Koppler (6-2, 6-3) mit einer Photodiode (12, 12-1, 12-2) verbunden ist.

3. Multiplexer/Demultiplexer nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Ausgangsanschluß (7-2) der zweiten und dritten Koppler (6-2, 6-3) mit einem Halbleiterlaser (13) verbunden ist.

4. Verwendung des Multiplexers/Demultiplexers nach Anspruch 1 in einem optischen Modul mit

einer Haupt-Lichtemissionseinrichtung (13), die mit einem Ausgangsanschluß (7-2) des zweiten Kopplers (6-2) verbunden ist,

einer Haupt-Lichtempfangseinrichtung (12), die mit einem Ausgangsanschluß (10-2) des dritten Kopplers (6-3) verbunden ist,

einer Hilfs-Lichtemissionseinrichtung (15), die mit dem anderen Ausgangsanschluß (8-2) des dritten Kopplers (6-3) verbunden ist,

einer Hilfs-Lichtempfangseinrichtung (14), die mit dem anderen Ausgangsanschluß (9-2) des zweiten Kopplers (6-2) verbunden ist,

einem vierten 2·2-Richtungskoppler (18) mit einem Elektrodenabschnitt (34), wobei die zwei Ausgangsanschlüsse (25- 1, 25-2) des vierten Kopplers jeweils mit einem Eingangsanschluß (7-1, 8-1) des ersten Kopplers (6-1) verbunden sind, und

einer Ansteuereinrichtung (17) zur Steuerung der an den Elektrodenabschnitt (34) des vierten Kopplers (18) angelegten Spannung so, daß die Hilfs-Lichtemissionseinrichtung (15) und/oder die Hilfs-Lichtempfangseinrichtung (14) betrieben werden, wenn die Haupt-Lichtemissionseinrichtung (13) und/oder die Haupt-Lichtempfangseinrichtung (12) versagen.

5. Verwendung des Multiplexers/Demultiplexers nach Anspruch 1 in einem optischen Modul mit zwei Lichtemissionseinrichtungen (13, 26), die jeweils mit einem der zwei Ausgangsanschlüsse (7-2, 9-2) des zweiten Kopplers (6-2) verbunden sind,

zwei Lichtempfangseinrichtungen (12, 27), die jeweils mit einem der zwei Ausgangsanschlüsse (8-2, 10-2) des dritten Kopplers (6-3) verbunden sind, und

einer Einrichtung (21-1, 21-2, 22-1, 22-2) zur Ansteuerung der zwei Lichtemissionseinrichtungen (13, 26) auf der Grundlage von jeweils von den zwei Lichtempfangseinrichtungen (12, 27) empfangenen Signalen.

6. Verwendung des Multiplexers/Demultiplexers nach Anspruch 1 in einer bidirektionalen, optisch kohärenten Kommunikationsvorrichtung, mit einem ersten optischen Modulator (46), der mit einem Ausgangsanschluß des zweiten Kopplers (6-2) verbunden ist,

einer ersten Lichtemissionseinrichtung (42), die über einen ersten Strahlteiler (48-3) mit dem ersten Modulator (46) verbunden ist,

einem zweiten optischen Modulator (41), der mit einem Ausgangsanschluß des dritten Kopplers (6-3) verbunden ist,

einer zweiten Lichtemissionseinrichtung (43), die über einen zweiten Strahlteiler (48-2) mit dem zweiten Modulator (41) verbunden ist,

einer ersten Lichtempfangseinrichtung (44), die über einen dritten Strahlteiler (48-1) mit dem anderen Ausgangsanschluß des zweiten Kopplers (6-2) verbunden ist,

einer zweiten Lichtempfangseinrichtung (45), die über einen vierten Strahlteiler (48-4) mit dem anderen Ausgangsanschluß des dritten Kopplers (6-3) verbunden ist,

einem ersten optischen Wellenleiter, der den zweiten und den dritten Strahlteiler (48-2, 48-1) miteinander verbindet und

einem zweiten optischen Wellenleiter, der den ersten und den zweiten Strahlteiler (48-3, 48-4) miteinander verbindet.