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Erfindungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft allgemein doppeltbrechende Filter und insbesondere
einen polarisationsdiversifizierten doppeltbrechenden Doppeldurchgangsfilter
zum Trennen gerader und ungerader Kanäle eines Wellenlängenmultiplexierten
Signals.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Der
doppeltbrechende Filter wurde zuerst von Astronomen um die Jahrhundertwende
entwickelt, so daß sie
Himmelsbeobachtungen der Sonne durch ein schmalbandiges Spektralfenster
anstellen konnten. Die klassischen Referate über diese Filter wurde von
Lyot [1] Evans [2] und Solc [3] geschrieben. (Man beachte in dieser
Patentschrift, daß eine Referenz
auf ein anderes Dokument durch eine Zahl in Klammern bezeichnet
ist, um seine Stelle in einer Liste von Literaturstellen zu identifizieren,
die sich im Anhang findet). Im Jahre 1965 veröffentlichten Harris et al.
[4] ein Verfahren zur Filtersynthese für den doppeltbrechenden Filter.
In den späten
1980ern brachte Buhrer [5] den doppeltbrechenden Filter in die optische
Kommunikationswelt, als er einen derartigen Filter demonstrierte,
der für
optisches Wellenlängenmultiplexieren
und -demultiplexieren ausgelegt ist.
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Die
von Lyot, Evans und Solc gebauten Filter, 1a, verwendeten
Polarisatoren, die vor und hinter dem eigentlichen doppeltbrechenden
Filter plaziert waren, um einen Polarisationszustand am Eingang
zu isolieren und dann den Polarisationszustand am Ausgang des Filters
zu unterscheiden. Dies war für
ihre Anwendung ausreichend, da die Sonne eine intensive Quelle ist
und die Polarisation des Lichts von der Sonne vollständig zufällig ist.
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In
den späten
1980ern erkannte Buhrer, daß die
Verwendung von Eingangs- und Ausgangspolarisatoren einen übermäßigen polarisationsabhängigen Verlust
erzeugte und deshalb für
Telekommunikationsanwendungen ungeeignet war. Er erstellte deshalb
ein Verfahren zur Polarisationsdiversität. Es wurden neue Eingangs-
und Ausgangsstufen vorgeschlagen, damit der doppeltbrechende Filter
gleichzeitig zwei orthogonale Polarisationen verarbeiten kann und
damit der Ausgang des Filters an zwei komplimentäre Ports gekoppelt werden kann.
Bei seinem Verfahren gibt es ungeachtet der Polarisation keinen Lichtverlust.
Buhrers US-Patent 4,987,567 [6] beschreibt weiterhin die Verwendung
eines doppeltbrechenden Filters als einen optischen Signalmultiplexer/-demultiplexer.
Aus
US 5,912,748 ist
eine auseinandergefaltete Demultiplexeranordnung bekannt.
US 5,724,165 offenbart eine
Umlaufvorrichtung, die für das
Strahlfalten verwendet wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt zwei prinzipielle hauptsächliche
Verbesserungen an dem Buhrer-Verfahren an. Zuerst werden verbesserte
Eingangs- und Ausgangspolarisationsdiversitätsvorrichtungen offenbart,
um die zu ersetzen, die von Buhrer erfunden wurden. Zweitens wird
die Architektur des hier offenbarten Filters auf kompakte Weise
gefaltet, um einen einfachen Doppeldurchgangsfilter herzustellen.
Dies ist gegenüber
dem Buhrer-Patent sowohl getrennt als auch erfindungsgemäß.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Der
hier offenbarte doppeltbrechende Doppeldurchgangsfilter bietet eine
verringerte Polarisationsempfindlichkeit und eine erhöhte Zurückweisung von
Nebensprechen im Vergleich zu Designs nach dem Stand der Technik
und bietet eine geringe Einfügungsdämpfung,
einen hohen Kontrast und geringe chromatische Dispersion. Zudem
bietet das Doppeldurchgangsdesign im Gegensatz zu einem Einfachdurchgangsdesign
verbesserte Filterung gegenüber Designs
nach dem Stand der Technik. Eine zentrale Anwendung des doppeltbrechenden
Doppeldurchgangsfilters besteht in der Verwendung als ein Verschachtelungsfilter,
um gerade und ungerade Kanäle eines
wellenlängenmultiplexierten
optischen Signals zu trennen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt eine
doppeltbrechende Doppeldurchgangsfiltervorrichtung eine externe
Schnittstellenvorrichtung, die selbst veranschaulichend ein Strahlverschieberelement
und ein Wellenplattenelement umfaßt; einen doppeltbrechenden
Filter, der eine Reihe von mehreren doppeltbrechenden Wellenplatten
umfaßt;
und eine Umlaufeinheit, die selbst veranschaulichend ein Strahlverschieberelement
und einen Rückreflektor umfaßt. Als
Reaktion auf einen an der externen Schnittstellenvorrichtung empfangenen
Eingabestrahl bildet der Doppelpaßfilter zwei Ausgabestrahlen,
die aus der externen Schnittstellenvorrichtung in einer der Eingabe
entgegengesetzten Richtung austreten. Die Ausgabestrahlintensitäten variieren
auf komplementäre
Weise, so daß ihre
Summenleistung gegenüber
ihrer Eingabefrequenz invariant bleibt.
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Insbesondere
umfaßt
der vorliegende periodische doppeltbrechende Doppeldurchgangsfilter: (1)
eine externe Schnittstellenvorrichtung, um einen eingegebenen optischen
Strahl zu empfangen und daraus erste und zweite polarisierte optische
Strahlen, die parallel zueinander sind, die sich in der Vorwärtsrichtung
ausbreiten, in einer ersten Richtung versetzt, und mit entsprechenden
Linearpolarisationszuständen
zu erzeugen, (2) eine doppeltbrechende Filtervorrichtung, um den
ersten und zweiten vorwärtsgerichteten
optischen Strahl zu empfangen und daraus erste und zweite elliptisch
polarisierte optische Strahlen zu erzeugen, wobei die Strahlen jeweils
komplementäre
Intensitäten aufweisen,
die über
einen vordefinierten freien Spektralbereich periodisch mit der Frequenz
des eingegebenen optischen Strahls variieren; (3) eine Umlaufvorrichtung zum
weiteren Trennen des ersten und zweiten elliptisch polarisierten
Strahls in einer zweiten Richtung in vier Strahlen, alle mit Linearpolarisationszuständen, und
um die Richtung (im weiteren als die Rückwärtsrichtung bezeichnet) von
allen vier linear polarisierten Strahlen umzukehren, damit sie die
doppeltbrechende Filtervorrichtung wieder durchlaufen; wobei die freie
Apertur der Filterplatten der doppeltbrechenden Filtervorrichtung
groß genug
ist, um sowohl die vorwärtsgerichteten
als auch die rückwärtsgerichteten Strahlen
aufzunehmen, (4) wobei die gleiche doppeltbrechende Filtervorrichtung
aus den Rückwärtsgerichteten
Strahlen vier elliptisch polarisierte optische Strahlen erzeugt,
die jeweils erste und zweite orthogonale Strahlkomponenten enthalten;
und (5) wobei die externe Schnittstellenvorrichtung eine freie Apertur
aufweist, die groß genug
ist, um (zusätzlich zu
den beiden vorwärtsgerichteten
Strahlen) alle vier rückwärtsgerichteten
Strahlen aufzunehmen und daraus sechs parallele optische Strahlen
zu erzeugen, von denen zwei im allgemeinen die beiden komplementären orthogonalen
Polarisationskomponenten besitzen (wobei diese Strahlen gesammelt
werden) und von denen vier im allgemeinen nur eine der beiden komplementären orthogonalen
Polarisationskomponenten besitzen (diese Strahlen werden zurückgewiesen).
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
enthält
die externe Schnittstellenvorrichtung einen doppeltbrechenden Strahlverschieber
und eine λ/2-Wellenplatte,
die versetzt ist, um nur die Hälfte
der vorwärts-
und rückwärtsgerichteten
Strahlen zu schneiden; wobei die doppeltbrechende Filtervorrichtung eine
oder mehrere doppeltbrechende Wellenplatten enthält, die so ausgelegt sind,
daß die
Dicke der Platten den freien Spektralbereich des Filters und die
relative Azimutorientierung der einen oder der mehreren Platten
die Form der Filterintensitätsantwort
steuert; wobei die Umlaufvorrichtung einen doppeltbrechenden Strahlverschieber
enthält,
der bezüglich
des in der externen Schnittstellenvorrichtung angeordneten doppelten
Strahlverschiebers um 90 Grad um die Achse des einen oder der mehreren
vorwärtsgerichteten
optischen Strahlen gedreht ist, und einen Retroreflektorspiegel.
Bei anderen Ausführungsformen kann
ein rhombuspolarisierender Strahlteiler (PBS – polarizing beam splitter)
für den
doppeltbrechenden Strahlverschieber substituiert werden, und/oder
ein rechtwinkliges Prisma kann für
den Retroreflektorspiegel substituiert werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1a eine
Veranschaulichung eines kaskadierten doppeltbrechenden Filters nach
dem Stand der Technik mit Eingangs- und Ausgangspolarisator, wie
von frühen
Astronomen verwendet;
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1b eine
Veranschaulichung eines kaskadierten doppeltbrechenden Filters nach
dem Stand der Technik;
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2a für den kaskadierten
doppeltbrechenden Filter von 1 das
Ausgangspolarisationssignal bei den beiden linearen orthogonalen
Achsen, ν und η, als Reaktion
auf ein linear polarisiertes Eingangssignal, und 2 die
relative Intensitätsvariation
entlang der η-
und ν-Polarisationsachse
mit der Frequenz;
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3a eine
Darstellung eines doppeltbrechenden Filters nach dem Stand der Technik
aus dem US-Patent 4,987,567, und 3b zeigt
ein Stickdiagramm, das die relative Strahlintensität entlang
der η-
und ν-Polarisationsachse
an verschiedenen Stellen des Filters als Reaktion auf ein Eingangssignal
darstellt;
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4a die
vorliegende erfindungsgemäße Implementierung
eines periodischen doppeltbrechenden Doppeldurchgangs-Slicer-Filters; 4b eine
Substitution eines Rhombuspolarisation-Strahlteilers (PBS) für den Strahlverschieber
von 4a; und 4c eine
Substitution eines Retroreflektorprismas für den Retroreflektor von 4a;
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5a eine
Draufsicht und eine Seitenansicht, die den Effekt auf einem einzelnen
Eingabestrahl darstellen, wenn er den doppeltbrechenden Doppeldurchgangs-Slicer-Filter von 4a durchquert,
und 5b ein Stickdiagramm, das die Strahlkomponentenorte
veranschaulicht, wenn sie den doppeltbrechenden Doppeldurchgang-Slicer-Filter von 4a durchqueren;
und
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6 das
Unterteilen eines wellenlängenmultiplexierten
(WDM) Signals durch den vorliegenden doppeltbrechenden Doppeldurchgang-Slicer-Filter von 4a.
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Ausführliche
Beschreibung
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1a ist
eine Darstellung des ursprünglichen
Typs eines kaskadierten doppeltbrechenden Filters. Eine polarisierende
Eingangsfolie polarisiert das ankommende Licht linear. Die Kaskade
doppeltbrechender Kristalle, als Wellenplatten geschnitten und orientiert,
dreht den Polarisationszustand (SOP – state of polarization) als
Funktion der Frequenz. Der Ausgangspolarisator unterscheidet wie
gezeichnet die SOP-Leistung bei Projektion auf eine vertikale Achse
von der auf die horizontale Achse projizierten. Auf diese Weise
wird die Intensität
des ausgegebenen Lichts als Funktion der Frequenz moduliert. Es wird
auch eine veranschaulichende Intensitäts-Frequenzantwort-Kennlinie
gezeigt.
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1b ist
eine Darstellung des gleichen ursprünglichen Filtertyps, aber ohne
die Eingangs- und Ausgangspolarisatoren. Eine oder mehrere Platten aus
doppeltbrechendem Filter 101, als Wellenplatten geschnitten
und orientiert, werden hintereinander angeordnet. Typische einachsige
doppeltbrechende Materialien sind Glimmer, Calcit, Rutil, Yttrium-orthovanadat, alpha-Bariumborat
und Lithiumniobat. Die Dicke jeder Platte L0–4L0 ist entweder eine Einheitsdicke oder ein
ganzzahliges Vielfaches der Einheitsdicke. Für einen freien 200 GHz-Spektralbereich
des kaskadierten Filters bei 1,545 μm muß als Veranschaulichung die
dünnste
Platte etwa 8,8 mm sein, wenn sie mit Calcit hergestellt ist.
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Ein
einachsiger doppeltbrechender Kristall weist zwei senkrecht zueinander
orientierte natürliche
Brechungsindizes auf. Eine Achse wird als die schnelle Achse bezeichnet,
während
die andere Achse als die langsame Achse bezeichnet wird, wobei sich
schnell und langsam auf den kleineren bzw. größeren Brechungsindex beziehen.
Die Achsen der Platten sind so orientiert, daß die Ebene, die die schnelle
und langsame Achse enthält,
senkrecht zu dem Weg 102 des einfallenden optischen Strahls 103 verläuft. In
dieser Orientierung wirkt der Kristall wie eine Wellenplatte. Die
Azimutrotation, z.B., 104, jeder Platte in 101 hängt von
der Filtersyntheseprozedur ab, wie im Stand der Technik beschrieben.
Mit einem linear polarisierten Eingangssignal 103 produziert
ein oder mehrere einachsige doppeltbrechende Kristalle im allgemeinen
ein elliptisch polarisiertes Ausgangssignal 105. Eine fakultative
Halbwellenplatte 106 am Ende der Kaskade dreht den Filterausgangspolarisationszustand
(SOP) in die Achse der Ausgangsstufe (Ausgangsstufe hier nicht gezeigt).
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2a zeigt
die Projektion eines Ausgangspolarisationszustands 105 von 1 auf zwei lineare orthogonale Achsen ν und η. Die Frequenzantwort des
Filters manifestiert sich als die Unerteilung von Leistung auf zwei
lineare orthogonale Polarisations achsen ν und η, die als die Ausgangs-„Ports" der doppeltbrechenden
Filter von 1b dienen.
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Wie
in 2b gezeigt, sind die relativen Strahlintensitäten entlang
der ν-Achse
und den η-Achsen
durch die Länge
der Pfeile über
den Frequenzantwortkurven angegeben. Der Filter von 1 ist
periodisch mit einem freien Spektralbereich (FSR) gleich dem FSR
der dünnsten
Platte L0 in 1.
Wie gezeigt variieren die Intensität entlang der ν- und η-Achsen
auf komplimentäre
Weise derart, daß die
Summe der beiden Intensitäten
bei allen Frequenzen konstant bleibt. 2b veranschaulicht eine
mögliche
Filterantwort, wobei über
ein erstes Frequenzband (bei relativ 0 GHz zentriert) die Intensität auf der η-Achse nahe
dem Maximum und die Intensität
entlang der ν-Achse
in der Nähe
des Minimums ist, während über ein
zweites Frequenzband hinweg (bei relativ +/–100 GHz zentriert) die Intensität auf der η-Achse in
der Nähe
des Minimums und die Intensität
entlang der ν-Achse
in der Nähe
des Maximums liegt. Die Intensitätsantwort
ist periodisch mit der Frequenz, und die Form der Antwort ist das Ergebnis
der Filterplattenorientierungen 101. Während eine Platte eine Kosinus-Quadrat-Antwort
ergibt, kann eine Kaskade von Platten eine schärfere Filterkennlinie erzeugen.
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Ein
notwendiger Schritt, damit sich der doppeltbrechende Filter von 1 als ein Verschachtelungsfilter für optische
Telekommunikationsanwendungen eignet, besteht darin, ein Mittel
zu konstruieren, um die optische Ausgangsleistung auf den beiden
orthogonalen Polarisationsachsen, ν und η, auf zwei unterschiedliche
Ausgangsports aufzutrennen.
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Polarisationsdiversität nach dem
Stand der Technik
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Die
Ausdehnung des in 1 dargestellten klassischen
doppeltbrechenden Filters auf optische Kommunika tionssysteme macht
erforderlich, daß die Leistung
an beiden Ausgangsports unabhängig
ist von dem Polarisationszustand am Eingang. Die Frequenz allein
muß der
einzige Unterscheidungspunkt sein. Ein Mittel zur Polarisationsdiversität ist wesentlich.
In dem US-Patent
4,987,567 [6] an Buhrer wird ein Mittel zur Polarisationsdiversität beschrieben,
wobei eine am Eingang und Ausgang angeordnete Kombination aus Polarisationsstrahlteiler
(PBS) und Spiegel verwendet wird, wie in 3a gezeigt.
Der Eingangsstufen-PBS 1 und der Ausgangsstufen PBS 2 sind mit speziell
ausgelegten polarisierenden Strahlteilern (PBS) hergestellt. Für diesen
PBS werden anstelle der beiden herkömmlichen rechtwinkligen Dreiecke
zwei um 45 Grad geneigte Rhomben verwendet. Die Schnittstelle 301 verwendet
einen speziell ausgelegten mehrschichtigen dielektrischen Film,
der zwischen den Rhomben angeordnet ist, um die Eingangspolarisation
auf die gleiche Weise wie ein PBS aufzuteilen. Die beiden Rhombenflächen 302,
die zu dieser Schnittstelle 301 parallel sind, sind spiegelbeschichtet.
Auf diese Weise ist der Eingangsstrahl 303 auf die Schnittstelle 301 ausgerichtet,
und die Schnittstelle trennt die beiden Polarisationen. Eine Polarisation 304 setzt
sich durch die Schnittstelle 301 fort, während die
andere Polarisation in Richtung auf die gegenüberliegende spiegelbeschichtete
Rhombenfläche 302 reflektiert
wird. Die Reflexion von diesem Spiegel leitet den Strahl so um, daß er parallel 305 verläuft, aber
immer noch vom ersten Strahl 304 versetzt ist. Zusammen
erreicht diese Aktion eine Polarisationstrennung durch die Erzeugung
zweier paralleler Ausgangsstrahlen 304 und 305.
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3b zeigt
Stickdiagramme, die die Polarisations- und räumliche Entwicklung anzeigen,
während
der Strahl 303 durch den Filter von 3a hindurchtritt.
Am Eingang besitzt der Strahl 303 im allgemeinen zwei orthogonale
Polarisationskomponenten, V und H in 310. Der Effekt des
PBS 1 besteht darin, V von H in zwei unterschiedliche Strahlen 304 und 305 räumlich zu
trennen, Rahmen 311. Im allgemeinen transformiert eine
Transmission durch das kaskadierte doppeltbrechende Filter die Linearpolarisationszustände V und
H zu elliptischen Zuständen,
je nach der optischen Frequenz des Lichts. Rahmen 312 veranschaulicht
die Ausgabe des kaskadierten doppeltbrechenden Filters mit Polarisationskomponenten
V1 und V2 auf den Strahl 305' und
Polarisationskomponenten H1 und H2 auf den Strahl 304'. V1 und H1
stellen die horizontalen η-Polarisationskomponenten
dar, und V2 und H2 stellen die vertikalen ν-Polarisationskomponenten dar.
Während
V1 horizontal und H2 vertikal ist, soll die Verwendung der Notation „V1" und „H2" den Ursprung dieser
Komponenten anstelle ihres absoluten SOP bezüglich des Eingangs angeben.
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Wenngleich
PBS 1 die beiden ankommenden Polarisationszustände in zwei unterschiedliche Strahlen
auftrennte, muß PBS
2 die entsprechenden Polarisationskomponenten von den Strahlen 304' und 305' kombinieren,
um zwei komplimentäre
Ausgangsports zu bilden, Ausgang 1 und Ausgang 2, Rahmen 313.
PBS 2 ist so positioniert, daß Strahl 305' die Schnittstelle 301 am
PBS 2 schneidet, während
der Strahl 304' von
der verspiegelten Oberfläche 302 am
PBS 2 reflektiert wird. PBS 2 kombiniert dann die Polarisationskomponenten
V2 und H1 auf den Ausgang 1 und kombiniert die Polarisationskomponenten
V1 und H2 auf den Ausgang 2. Mit der beschriebenen Vorrichtung wird
die gewünschte
Leistung dort erzielt, wo die Ausgabestrahlintensität eine Funktion
nur der eingegebenen optischen Frequenz und nicht des Polarisationszustands
ist.
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Probleme nach
dem Stand der Technik und Verbesserungen
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Das
Buhrer-Verfahren scheint eine zufriedenstellende Leistung aufzuweisen;
doch führen
die in den PBS-Komponenten
vorliegenden Unvollkommenheiten sowohl zu einem geringen Kontrastverhältnis zwischen
Polarisa tionszuständen
und einem polarisationsabhängigen
Verlust (PDL). Die praktische Implementierung leidet dementsprechend
unter Nebensprechen und PDL-Beeinträchtigungen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein in 4 gezeigtes
alternatives polarisationsdiversifiziertes doppeltbrechendes Filter
beschrieben. Unser Verfahren der Polarisationsdiversität kann beim
Kontrast der Polarisationstrennung eine Verbesserung in einer Größenordnung
im Vergleich zu der bereitstellen, die von den von Buhrer verwendeten
PSB-Eingangs- und Ausgangsstufen bereitgestellt werden, und eine
Reduzierung beim PDL. Die PBS-Stufen ergeben in der Regel zwischen
den beiden ausgegebenen orthogonalen Linearpolarisationen einen
Kontrast von nur 27 dB. Der 27 dB-Kontrast der PBS-Stufen tritt
wegen der begrenzten Fähigkeit
zur Herstellung eines dielektrischen Stapels an der PBS-Schnittstelle 301 auf,
der ausreichend polarisationsempfindlich, achromatisch und verlustarm
ist. Außerdem
ist in der Regel die Transmission und Reflexion der beiden orthogonalen
Polarisationszustände
an der dielektrischen Schnittstelle 301 asymmetrisch. Ein
Beispiel mit gegenwärtig
erhältlichen PBS-Komponenten
ist eine Transmission von ~95% und eine Reflexion von ~99%. Eine
derartige Asymmetrie erzeugt PDL.
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Doppeldurchgangsfilterdesign
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein in 4 gezeigter
alternativer polarisationsdiversifizierter doppeltbrechender Filter
gezeigt. Unser Verfahren der Polarisationsdiversität kann beim
Kontrast der Polarisationstrennung eine Verbesserung in einer Größenordnung
im Vergleich zu der bereitstellen, die von den von Buhrer verwendeten
PSB-Eingangs- und Ausgangsstufen bereitgestellt werden, und eine Reduzierung
beim PDL. Zudem wird eine einfache und kompakte Doppeldurchgangsarchitektur
offenbart, die sowohl die hier präsentierten Polarisationsdiversitätsverbesserungen
erbt als auch eine ausgezeichnete Filterleistung in Anwendungen
aufweist, wo besonders niedrige Nebensprechpegel imperativ sind.
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Doppeldurchgangsfilterdesign
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4a zeigt
ein Doppeldurchgangsfilterdesign, wie es in einer polarisationsunempfindlichen Ein-Port-zu-Zwei-Port-Konfiguration
verwendet wird. Die Figur verwendet den gleichen doppeltbrechenden
Filter 401 wie in 3a, ersetzt
aber die Eingangs- und Ausgangs-PBS-Elemente mit den vorliegenden externen
Schnittstellen- und
Umlaufstufen. Verschieden ist auch, daß sich die Lichtstrahlen in dem
Doppeldurchgangsfilter durch den doppeltbrechenden Filter 401 sowohl
in der Vorwärts- als auch in der
Rückwärtsrichtung
ausbreiten, während
sich die Lichtstrahlen in dem Buhrer-Filter nur in einer Richtung
ausbreiten.
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Die
externe Schnittstellenstufe 402 enthält einen ersten doppeltbrechenden
Strahlverschieber 404 und eine monolithische λ/2-Wellenplatte 405.
Die monolithische λ/2-Wellenplatte 405 ist
so versetzt, daß sie
nur drei der sechs sich nach vorne und hinten ausbreitenden Strahlen
schneidet. Der doppeltbrechende Filter 401 enthält ein oder
mehrere doppeltbrechende Elemente 408, die als Wellenplatten
geschnitten und orientiert sind. Die außerordentliche Achse dieser
Elemente ist so geschnitten, daß sie
auf der Kristallfläche
senkrecht zum Lichtstrahlweg liegt. Jedes Element wird dann um seine
Senkrechte in einen vorausberechneten Winkel gedreht, der durch
einen Filtersynthesealgorithmus bestimmt wird. Eine fakultative λ/2-Wellenplatte 409 folgt
allen doppeltbrechenden Wellenplatten 408, um das Koordinatensystem
des doppeltbrechenden Filters 401 auf die Umlaufstufe 403 auszurichten.
Die Umlaufstufe 403 enthält einen ersten doppeltbrechenden
Strahlverschie ber 406 und einen Retroreflektor 407.
Die Verschiebungsrichtung des Strahlverschiebers 406 ist senkrecht
zur Verschiebungsrichtung des Strahlverschiebers 404. Der
Retroreflektor ist ein Verbundspiegel, wobei zwei Spiegel so angeordnet
sind, daß sie
einander in einem Winkel von 90 Grad gegenüberliegen. Die vorwärtsgerichteten
Lichtstrahlen werden somit versetzt und zu rückwärtsgerichteten Lichtstrahlen
reflektiert.
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4b zeigt
eine weitere Ausführungsform von 4a,
wo ein Rhombus-Polarisationsstrahlteiler (PBS) 480 für den Strahlverschieber 404 substituiert
ist. 4c zeigt eine weitere Ausführungsform, wo ein Retroreflektorprisma 490 für den Retroreflektor 407 von 4a substituiert
ist.
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5a zeigt
den Weg der Lichtstrahlen durch den Doppeldurchgangsfilter, und 5b zeigt Stickdiagramme,
die die Polarisations- und räumliche Entwicklung
der Lichtstrahlen beim Durchgang durch den Filter angeben. Der eingegebene
Lichtstrahl 410 ist im allgemeinen elliptisch polarisiert.
Rahmen 501 von 5b zeigt
das Vorliegen sowohl horizontaler als auch vertikaler Polarisationskomponenten
am eingegebenen Strahl 410 an. Der Strahlverschieber 404 trennt
die horizontalen und vertikalen Polarisationskomponenten räumlich,
Rahmen 502. Die Richtung der Verschiebung ist „hoch". Die beiden getrennten
vorwärtsgerichteten
Komponenten breiten sich parallel aus. Der untere der beiden Strahlen, 411 [man
beachte, daß diese
Zahl 411 keine eindeutige Bezeichnung für den unteren der beiden vorwärtsgerichteten
Strahlen ist, da 411 auch für die rückwärtsgerichteten Strahlen gilt],
durchquert danach eine versetzte monolithische λ/2-Wellenplatte 405.
Die λ/2-Wellenplatte 405 dreht
den Polarisationszustand am Strahl 411 um 90 Grad, Rahmen 503.
Nun breiten sich beide Strahlen parallel aus und weisen den gleichen
Polarisationszustand auf.
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Die
von der externen Schnittstellenstufe 402 ausgegebenen versetzten
und parallelen Strahlen mit der gleichen Polarisation durchqueren
den doppeltbrechenden Filter 401. Im allgemeinen transformiert
der doppeltbrechende Filter 401 Linearpolarisationszustände zu elliptischen
Polarisationszuständen,
da er sowohl horizontale als auch vertikale Komponenten aufweist,
Rahmen 504. Die Transformation von Linear- zu elliptischer
Polarisation ist eine Funktion der Frequenz des eingegebenen Lichtstrahls 410 und
des Filterdesigns.
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Die
beiden orthogonalen Polarisationskomponenten an den beiden Strahlen,
die aus dem doppeltbrechenden Filter 401 austreten, werden
vom Strahlverschieber 406 räumlich getrennt, Rahmen 505.
Die Richtung der Verschiebung ist derart, daß von dem Verschieber 406 vier
Strahlen 413 in Form von vier Punkten in den Ecken eines
Rechtecks austreten. Jeder austretende Strahl ist linearpolarisiert. Alle
vier Strahlen werden zuerst von der Spiegeloberfläche 407a auf
den Retroreflektor 407 reflektiert, wodurch sie ihre Richtung
um 90 Grad ändern.
Alle vier Strahlen werden zweitens von der Spiegeloberfläche 407b auf
den Retroreflektor 407 reflektiert, wobei sie wieder ihre
Richtung um 90 Grad ändern.
Die austretenden Strahlen werden nun derart „zurückgefaltet", daß ihre Richtung der Richtung
des Durchgangs vor der Reflexion entgegengesetzt ist. Diese vier
Strahlen 414 breiten sich nun in der Rückwärtsrichtung aus. Zudem werden
die relativen Positionen der vier Strahlen von dem Retroreflektor
geändert,
Rahmen 506. Die Position eines Paars von Strahlen, die übereinander 510 angeordnet
sind, wird mit der Position des zweiten Paars von Strahlen, die übereinander 520 angeordnet
sind, vertauscht und alle vier Strahlpositionen werden bezüglich der
Strahlen 413 parallel verschoben. Alle vier parallelen
linearpolarisierten und sich gleich ausbreitenden Strahlen 414 durchlaufen
als nächstes
wieder den Strahl verschieber 406, wodurch der Abstand zwischen
Strahlpaaren 510 und 520 verdoppelt wird.
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Nach
dem Durchgang durch den Strahlverschieber 406 treten die
Strahlen 414 wieder in den doppeltbrechenden Filter 401 ein. Ähnlich zu
dem Vorwärtsdurchgang
durch den Filter, zu Rahmen 504 von Rahmen 503,
wird jeder linearpolarisierte Strahl im allgemeinen in einen elliptisch
polarisierten Strahl transformiert, wobei jeder Strahl sowohl horizontale als
auch vertikale Polarisationskomponenten besitzt, Rahmen 507.
Die Transformation von Linear- zu elliptischer Polarisation ist
eine Funktion der Frequenz des optischen Strahls am Eingang, 410,
und des Designs des doppeltbrechenden Filters 401. Die
aus dem doppeltbrechenden Filter 401 austretenden 415 Strahlen
durchqueren schließlich
die externe Schnittstellenvorrichtung 402.
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Der
Zweck der externen Schnittstellenvorrichtung 402 für die rückwärtsgerichteten
Strahlen ist die Konstruktion von zwei Ausgabestrahlen, die gesammelt
werden, die Polarisationskomponenten haben, die doppelt gefiltert
worden sind. Es bleiben vier Strahlen zurück, die zurückgewiesen werden. Allgemein
fällt die
Existenz von Leistung in den zurückgewiesenen
Lichtstrahlen mit dem Licht zusammen, das von dem doppeltbrechenden
Filter 401 bei dem zweiten Durchgang zurückgewiesen
wird. Die Leistung in den zurückgewiesenen
Strahlen kann für
einen bestimmten Hilfszweck gesammelt werden.
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Zur
Ausbildung der beiden gesammelten Ausgabestrahlen 430 durchqueren
die unteren beiden Strahlen von 415, Strahlen 511 und 512 vom Rahmen 507,
zuerst die versetzte λ/2-Wellenplatte 405.
Beide Polarisationskomponenten der Strahlen 511 und 512 treten
um 90 Grad gedreht aus, Rahmen 508. Als nächstes durchqueren
alle vier Strahlen den Strahlverschieber 404, der wie zuvor
so orientiert ist, daß eine
Polarisationskomponente nach unten verschoben wird, während sich
die andere unverändert an
ihrer Stelle befindet. Auf diese Weise werden vertikale Polarisationskomponenten 530 der
beiden Strahlen 550 nach unten verschoben; vertikale Polarisationskomponenten 540 der
beiden Strahlen 560 werden nach unten verschoben und die übrigen horizontalen
Polarisationskomponenten sind unbeeinflußt. Das Ergebnis, Rahmen 509,
sind sechs Strahlen, die rückwärtsgerichtet
und parallel sind. Die mittleren beiden Strahlen, 515 und 516,
werden als die Ausgabe des Filters gesammelt. Während die verbleibenden Strahlen, 550 und 540,
als zurückgewiesen
gezeigt sind, können
sie zur Signalüberwachung oder
zu anderen Zwecken genutzt werden.
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Eine
Unvollkommenheit der versetzten λ/2-Wellenplatte 405 kann
durch die Hinzufügung
eines Folienpolarisators 405' korrigiert
werden, der hinter der λ/2-Wellenplatte 405 und
vor dem doppeltbrechenden Filter 401 angeordnet ist und
der alle sechs Strahlen polarisiert. Der Folienpolarisator 405' ist so ausgerichtet,
daß er
vertikale Polarisationskomponenten durchläßt und horizontale Polarisationskomponenten
zurückweist
oder umgekehrt, je nach dem Design.
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Wie
oben erörtert,
veranschaulicht 2b die frequenzabhängige Polarisationsantwort
eines doppeltbrechenden Filters 401 bei einem gegebenen linearpolarisierten
Eingabestrahl. Die externe Schnittstelle 402 übersetzt
die frequenzabhängige Polarisationsantwort
in eine Amplitudenantwort an den Ausgängen OUT1 und OUT2. Es sei
eine relative Frequenz 0 GHz in 2b betrachtet,
wo die Ausgabe des Filters 401 horizontal stark und vertikal schwach
ist. Dementsprechend sind die Komponenten V1 und H1 in den im Rahmen 504 dargestellten Strahlen 412 stark,
während
die Komponenten V2 und H2 schwach sind. Nach einem Umlauf mit resultierender
Verschiebung sind die Strahlen 510 im Rahmen 506 schwach,
während
die Strahlen 520 im Rahmen 506 stark sind. Der
zweite Durchlauf durch den doppeltbrechenden Filter 401 in
der rückwärtsgerichteten
Richtung erzeugt elliptisch polarisierte Strahlen, Rahmen 507,
wo die horizontalen Komponenten relativ stark sind, während die
vertikalen Komponenten relativ schwach sind. Zudem ist die Summenleistung
in den Strahlen 511 und 511' im Vergleich zu der Summenleistung
in den Strahlen 512 und 512' relativ schwach. Die nachfolgende
Bearbeitung durch die externe Schnittstellenstufe 402 führt dazu,
daß die
Intensität
des gesammelten Strahls 516 relativ zur Intensität des gesammelten
Strahls 515 stark ist. Infolge dessen ist dementsprechend
OUT1 intensiv und OUT2 schwach. Bei einer anderen relativen Frequenz, ±100 GHz
in 2b, ist die Ausgabe des Filters 401 vertikal
stark und horizontal schwach. Nach der gleichen Analyse wie oben,
erzeugt der doppeltbrechende Doppeldurchgangsfilter einen intensiven OUT2
und einen schwachen OUT1. Die Summe der Leistungen an den Ausgangsports
OUT1 und OUT2 ist immer konstant, wodurch Leistung bei allen Frequenzen
gespart wird. Die relative Intensität zwischen OUT1 und OUT2 variiert
periodisch mit der Frequenz, ist aber unabhängig von der Eingangspolarisation
im Strahl 410. Die Periode der Variation ist der freie
Spektralbereich (FSR) des doppeltbrechenden Filters 401.
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Bei
einem entsprechenden Design des doppeltbrechenden Filters 401 kann
die in den 4a, 4b und 4c vorgestellte
Erfindung insgesamt als ein Verschachtelungsfilter verwendet werden. Wenn
folglich unter Bezugnahme auf 6 das Eingangssignal
ein wellenlängenmultiplexiertes
(WDM) Signal frequenzmäßig gleichförmig beabstandete Kanäle mit der
Periode FSR aufweist, würde
die doppeltbrechende Filtervorrichtung (BF) 501 (4a, 4b und 4c)
das WDM-Eingangssignal entschachteln, so daß die ungeradzahligen Kanäle bei OUT1
ausgegeben würden
und die geradzahligen Kanäle
bei OUT2 ausgegeben würden.
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Eine
Anwendung des vorliegenden doppeltbrechenden Doppeldurchgangsfilters
von 4a–4c liegt
in der Erhöhung
der Anzahl der WDM-Kanäle,
die in optischen Demultiplexern und Demultiplexern, die Arrayed-Waveguide Routers (AWG)
verwenden, verarbeitet werden können.
Für eine
gegebene AWG-Frequenzauflösungskapazität kann der
einem Multiplexer und/oder Demultiplexer auf AWG-Basis präsentierte
Frequenzabstand von WDM-Kanälen
verdoppelt werden, wenn die Kanäle zuerst
von dem vorliegenden doppeltbrechenden Filter gefiltert werden,
um gerade und ungerade WDM-Kanäle
zu trennen, die dann von getrennten AWGs verarbeitet werden.
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Eine
derartige Anordnung ist in 6 gezeigt.
Wenn unter Bezugnahme auf 6 das Eingangssignal
ein wellenlängenmultiplexiertes
(WDM) Signal mit Wellenlängen
mit einer FSR-Trennung ist, würde
der doppeltbrechende Doppeldurchgangsfilter (BF) 601 das
WDM-Signal so zerlegen, daß die
ungeradzahligen Wellenlängen
bei OUT1 ausgegeben würden
und die geraden Wellenlängen
bei OUT2 ausgegeben würden.
Ein an jeden von OUT1 und OUT2 (nicht gezeigt) angeschlossener separater AWG
würde dann
dazu verwendet, weiter eine oder mehrere der geraden und ungeraden
Wellenlängen zu
wählen.
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Ergebnisse
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Der
vorliegende doppeltbrechende Doppeldurchgangsfilter weist eine besonders
gute Antwort auf. Der Filterverlust kann niedrig sein, unter 0,1
dB pro Stufe. Mit ausreichender Filtersynthese und Anzahl von Stufen
läßt sich
eine scharfe flache Filterantwort erzielen. Die Phasenantwort ist
ausgezeichnet im Vergleich zu Fabry-Perot- oder Bragg-Fasergitterfiltern,
weil die Impulsantwort von endlicher und kurzer Dauer ist.
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Wenn
der vorliegende doppeltbrechende Doppeldurchgangsfilter in optischen
Kommunikationsanwendungen verwendet wird, sollte polarisationsunempfindlich
optimiert werden. Dadurch sollte, falls möglich, kein Nebensprechboden
hinzugefügt werden.
Buhrer demonstrierte den Einsatz von zwei speziellen PBS-Stufen,
jeweils eine für
Eingabe und Ausgabe, um einen polarisationsunempfindlichen Filter
zu erzeugen. Der Nebensprechboden für gute PBS-Elemente betragen
aktuell etwa –27
dB. Diese Stufen sind relativ achromatisch.
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Im
Kontrast dazu kann der vorliegende doppeltbrechende Doppeldurchgang-Slicer-Filter
den Nebensprechboden von –27
dB auf –40
dB reduzieren und sollte inhärent
achromatisch sein. Zusätzlich weist
das Verfahren mit Doppeldurchgangseingang- und -ausgangsstufe, das
hier präsentiert
wird, Toleranz gegenüber
Unvollkommenheit der erforderlichen λ/2-Platten auf.
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Was
beschrieben worden ist, ist für
die Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung lediglich
beispielhaft. Andere Verfahren und Anordnungen können vom Fachmann implementiert
werden, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Anhang
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Literaturstellen
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- [1] B. Lyot Comptes Rendus, Band 197, S. 1593, 1933.
- [2] J. Evans, J. Opt. Soc. Amer., Band 39, Nr. 3, S. 229, 1949.
- [3] I. Solc., Czech., J. Phys. Band 3, S. 366, 1953.
- [4] S. Harris, J. Opt. Soc. Amer., Band 54, Nr. 10, S. 1267,
1964.
- [5] C. Buhrer, Applied Optics, Band 26, Nr. 17, S. 3628, 1987;
Applied Optics, Band 27, Nr. 15, S. 3166, 1988; Applied Optics,
Band 33, Nr. 12, S. 2249, 1994.
- [6] U.S. Patent 4,987,567, erteilt an C. Buhrer, 22. Januar
1991.