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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein die optische Nachrichtentechnik und
insbesondere integrierte optische Gittermultiplexer/-demultiplexer.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Die
Informationen, die über
die meisten optischen Kommunikationsnetze übertragen werden, werden üblicherweise
innerhalb mehrerer verschiedener Wellenlängenkanäle, die zusammen in ein Signal
zur Übertragung über einen
Lichtleiter gemultiplext werden, kodiert. Um sinnvolle Informationen
zu gewinnen, ist es daher erforderlich, das gemultiplexte optische
Signal zu demultiplexen, indem das gemultiplexte Signal in seine
Teilwellenlängenkanäle aufgeteilt
wird. Häufig
werden mindestens einige Teilwellenlängenkanäle von dem optischen Signal entnommen.
Alternativ werden die Signale, die über bestimmte Wellenlängenkanäle übertragen
werden, verändert,
erkannt oder auf andere Weise verarbeitet, zum Beispiel an einem
Knoten in einem optischen Netz. Schließlich wird ein neues gemultiplextes
Signal für
die weitere Übertragung über das
optische Kommunikationsnetz aufgebaut.
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1(a) zeigt ein Beispiel eines Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger-Moduls,
das einen Wellenlängenmultiplexer
und -demultiplexer enthält. Ein
Beispiel eines optischen Netzknotens, der den Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger verwendet,
ist in 1(b) gezeigt. Eine ankommende
Faser enthält n
(z.B. n = 32) optische Signalkanäle
unterschiedlicher Wellenlänge.
Eine Untermenge der Signalkanäle
(z.B. m = 4 Kanäle)
wird unter Verwendung eines Bandpassfilters an dem Knoten abgezweigt.
Diese Kanäle
werden unter Verwendung eines optischen Demultiplexers an dem Knoten
zerlegt und werden dann in elektrische Signale umgewandelt. Gleichzeitig
kann die gleiche Anzahl von Signalen, die an dem Knoten erzeugt
werden, auf denselben Wellenlängen wie
die der abgezweigten Kanäle übertragen
werden und kann in eine Monomode-Faser gebündelt werden, wobei ein optischer
Multiplexer verwendet wird, der mit dem Demultiplexer identisch
sein kann, aber in umgekehrter Richtung betrieben wird. Das gemultiplexte
Signal kann dann der Ausgangsfaser unter Verwendung eines anderen
Bandpassfilters zusammen mit den Durchgangskanälen hinzugefügt werden.
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Wie
in dem obigen Beispiel erfordert bei den meisten Netzwerkanwendungen
jeder Knoten einen Multiplexer und einen Demultiplexer, um die Teilwellenlängenkanäle eines
gemultiplexten optischen Signals zu bündeln und zu zerlegen. Sie
bilden wichtige Bestandteile in einem optischen Kommunikationsnetz
mit dichtem Wellenlängenmultiplex
(Dense Wavelength Division Multiplexing – DWDM). Verschiedene DWDM-Techniken
sind bekannt, die Folgendes einschließen: dünne Filmfilter, Faser-Bragggitter,
Phasen-AWGs (arrayed waveguide gra tings) und Spektrometer mit auf
einem Chip integrierten geätzten
Echellegitter. Die integrierten Vorrichtungen weisen viele Vorteile
auf, wie zum Beispiel Kompaktheit, Zuverlässigkeit, geringe Herstellungs-
und Verpackungskosten und mögliche
monolithische Integration mit aktiven Vorrichtungen mit verschiedenen Funktionen.
Es ist jedoch gegenwärtig
allgemein anerkannt, dass Demultiplexer, die auf dünnen Filmfiltern
und Faser-Bragggittern basieren, für Vorrichtungen mit geringer
Kanalanzahl eher geeignet sind, während auf AWGs und auf Schelle-Gittern
basierende Wellenleiter-Demultiplexer bei Vorrichtungen mit großer Kanalanzahl
besser geeignet sind.
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Bei
vielen Netzwerkanwendungen, insbesondere bei Großstadtnetzen, ist es wünschenswert, dass
das System skalierbar ist, zum Beispiel wird eine kleine Zahl von
Kanälen
zu Beginn an einem Knoten hinzugefügt/weggenommen, aber diese
Zahl kann später
zusammen mit der Gesamtzahl der Kanäle in dem System erhöht werden,
wenn der Bedarf in dem Netzwerk steigt. Daher sind integrierte Vorrichtungen,
wie zum Beispiel AWGs und Echellegitter, für derartige Anwendungen aufgrund
der geringen Kanalanzahl, die sie erfordern, weniger vorteilhaft.
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Demultiplexer
und Multiplexer, die in dem Netzwerknoten des oben genannten Beispiels
verwendet werden, können
ausgeführt
werden, indem zwei Vorrichtungen, die auf AWG oder Echellegitter basieren,
mit entsprechenden Kanalwellenlängen verwendet
werden. Leider ist die Verwendung von zwei verschiedenen Vorrichtungen
für jeden
der einzelnen Schritte des Demultiplexens und des Multiplexens optischer
Signale anfällig
für Fehler
im Zusammenhang mit unangepassten Kanalwellenlängen. Eine gepaarte Vorrichtung
muss sehr sorgfältig
aus einem Produktionslos ausgewählt
werden, und ihre Einsatzbedingungen müssen individuell angepasst werden,
um eine gute Abstimmung zu erreichen. Üblicherweise war die Produktionsleistung
bislang sehr gering. Ferner geht der Trend in der Industrie in eine Richtung,
in der ein immer geringerer Kanalabstand verwendet wird, um mehr
Wellenlängenkanäle in den Systemen
unterzubringen. Derartige WDM-Kommunikationssysteme
weisen aufgrund des geringeren Kanalabstands eine wesentliche niedrigere
Fehlertoleranz für
Fehlanpassungen von Vorrichtungen auf. Es ist für einen Fachmann ersichtlich,
dass die Schwierigkeiten und Kosten bei der Herstellung identisch
zusammenpassender Vorrichtungen dramatisch steigen, wenn der Kanalabstand
geringer wird.
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Das
US-Patent Nr. 5,414,548 ,
das für
Tachikawa u.a. 1995 erteilt wurde, beschreibt einen AWG-Multiplexer/Demultiplexer
mit optischen Wegen mit Schleifenschaltung. Dasselbe AWG wird auf dem
optischen Weg der Signale zweimal verwendet, beim ersten Mal als
Demultiplexer zum Auftrennen eines gemultiplexten Eingangssignals,
und beim zweiten Mal als Multiplexer zum Bündeln derselben Wellenlängenkanäle in ein
gemultiplextes Signal zur Ausgabe an eine Faserübertragungsleitung. Optische
Schalter oder andere Signalverarbeitungsmittel werden in den Schleifenschaltungswegen
verwendet, um Funktionen, wie zum Beispiel die optische Hinzufügung/Weglassung
(Add-Drop), durchzuführen.
Ein ähnliches
Konzept mit einer leicht abweichenden Konfiguration ist in einem
Dokument mit dem Titel „A
compact integrated InP-based single-phasar optical crossconnect" von C. G. P. Herben et
al., IEEE Photonics Tech. Lett. 10, S. 678–680, 1998 dargelegt. Im Prinzip
können
diese Vorrichtungen ebenfalls als Doppelfunktionsmultiplexer/-demultiplexer
in einem Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger verwendet
werden. Diese Vorrichtungen weisen bei derartigen Anwendungen den
Nachteil auf, dass zwei Faseranordnungen erforderlich sind für die Kopplung
mit den Eingangs-/Ausgangsanschlüssen auf
beiden Seiten des AWGs.
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Das
US-Patent Nr. 5,933,270 ,
das für
Toyohara 1999 erteilt wurde, beschreibt einen optischen Entzerrer,
den ein WDM-Koppler zweimal durchläuft, beim ersten Mal als Demultiplexer
und bei zweiten Mal als Multiplexer. Die kanalisierten Signale werden nach
dem ersten Durchlauf zu demselben Anschluss von einem Licht reflektierenden
Mittel zurückreflektiert,
und das gemultiplexte Signal wird nach dem zweiten Durchlauf an
denselben Anschluss wie das gemultiplexte Eingangssignal ausgegeben.
Diese Vorrichtung ist nicht geeignet für Anwendungen in einem Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger, weil
jeder Anschluss zweimal für
den Eingang und den Ausgang verwendet wird, und daher ist an jedem
Anschluss eine Richtungsgabel erforderlich, um den Ausgang vom Eingang
zu trennen.
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Die
EP-A 0 250 824 offenbart
eine optische Vorrichtung, die mehrere Anschlüsse und Wellenleiter sowie
ein Echellegitter aufweist. Die Vorrichtung ist geeignet für die Durchführung von
Multiplex-/Demultiplexfunktionen.
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Die
britische Patentanmeldung
GB-2219869-A offenbart
eine optische Kopplungsvorrichtung zur Verwendung als Wellenlängenteilungsmultiplexer
oder -demultiplexer, der eine Anordnung von Lichtwellenleitern und
ein Beugungsgitter aufweist. Jeder Wellenleiter weist eine konische Punktgröße des Sichtfeldes
auf, um zur Verringerung des Kanalabstandes der Vorrichtung beizutragen.
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Es
wäre vorteilhaft,
ein auf einem Wellenleitergitter basierendes Gerät vorzusehen, um sowohl die
Funktion des Multiplexens als auch des Demultiplexens gleichzeitig
in einem Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger unter
Verwendung ein- und desselben dispersiven Elements durchzuführen. Durch
eine derartige Vorrichtung wird die Anzahl der erforderlichen Vorrichtungen
verringert und gleichzeitig die Anzahl der Kanäle auf der einzelnen Gittervorrichtung
erhöht,
wodurch die auf Wellenleitergittern basierende Technik wirksamer
und wirtschaft lich wettbewerbsfähiger
wird, sogar für
den Markt mit geringer Kanalanzahl. Ferner werden die Kanalwellenlängen automatisch
angepasst, da Multiplexen und Demultiplexen von derselben Gittervorrichtung durchgeführt werden.
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Ferner
wäre es
vorteilhaft, eine auf einem Echellegitter basierende Vorrichtung
vorzusehen, die sowohl das Multiplexen als auch das Demultiplexen gleichzeitig
durchführt.
Zusätzlich
zu den Vorteilen, die von Natur aus mit Echellegittern verbunden
sind, können
die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse
der Doppelfunktionsvorrichtung mit einer einzelnen Faseranordnung
auf einer Seite des Chips gekoppelt werden, wodurch die Packaging-Kosten
verringert werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine auf einem Wellenleitergitter
basierende Vorrichtung zur gleichzeitigen Durchführung der Funktionen sowohl
des Multiplexens als auch des Demultiplexens in einem Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger vorzusehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, einen auf
einem Echellegitter basierenden Doppelmultiplexer-Demultiplexer
vorzusehen, bei dem die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse in geeigneter
Weise angeordnet sind, so dass die Blazewinkel der Gitterfacetten
gleichzeitig für
die Multiplexer- und Demultiplexeranschlüsse optimiert sind.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
ist eine optische Multiplexer-/Demultiplexer-Vorrichtung zur Wellenlängenteilung
vorgesehen, welche die Merkmale aus Anspruch 1 aufweist. Bevorzugte
Ausführungsformen sind
in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sollen jetzt in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben
werden, wobei:
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1a ein
schematisches Diagramm eines Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger-Moduls
nach dem Stand der Technik ist, bei dem ein Multiplexer am Sender
verwendet wird, um mehrere Wellenlängenkanäle zu bündeln, und ein Demultiplexer
am Empfänger
verwendet wird, um mehrere Wellenlängenkanäle in Abhängigkeit von der Wellenlänge aufzutrennen;
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1b ein
schematisches Diagramm eines optischen Band-Hinzufügungs-Weglassungsknoten ist,
bei dem der Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger aus 1a verwendet
werden kann;
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2a ein
schematisches Diagramm eines AWGs nach dem Stand der Technik ist,
das als Multiplexer oder Demultiplexer verwendet werden kann;
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2b ein
schematisches Diagramm eines Schelle-Beugungsgitters nach dem Stand
der Technik ist, das als Multiplexer oder Demultiplexer verwendet
werden kann;
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3 ein
schematisches Diagramm eines Sender-Empfänger-Moduls ist, bei dem der
integrierte Doppelfunktionsmultiplexer/-demultiplexer gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
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4a ein
schematisches Diagramm einer integrierten Vorrichtung eines Wellenlängen-Multiplexers/-Demultiplexers
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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4b ein
weiteres schematisches Diagramm einer integrierten Vorrichtung eines
Wellenlängen-Multiplexers/-Demultiplexers
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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5 ein
schematisches Diagramm ist, das die Gestaltung eines Blazewinkels
mit Gitterfacetten im Verhältnis
zu der Endpunktanordnung des Kanalwellenleiters darstellt;
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6 ein
schematisches Diagramm einer integrierten Wellenlängen-Multiplexers/-Demultiplexer-Vorrichtung
mit verbundenen Anschlüssen
gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
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7 ein
schematisches Diagramm einer integrierten Vorrichtung eines Wellenlängen-Multiplexers/-Demultiplexers
mit integrierten verbundenen Anschlüssen auf ein- und demselben
Substrat gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Zwar
ist die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die
hier offenbart wird, ein spezielles Beispiel, bei dem ein- und dasselbe
dispersive Element für
das Zerstreuen eines ersten gemultiplexten optischen Signals in
Abhängigkeit von
der Wellenlänge
in einzelne Wellenlängenkanäle und zum
Bündeln
mehrerer einzelner Wellenlängenkanäle in ein
gemultiplextes optisches Signal vorgesehen ist, jedoch sind zahlreiche
Abwandlungen der Erfindung, um den Eingang und den Ausgang einer beliebigen
Anzahl von gemultiplexten Signalen zu ermöglichen, durch Änderungen
der Anzahl von Anschlüssen
zum Empfangen und Ausgeben der gemultiplexten Signale und durch Änderungen
der Anzahl anderer Anschlüsse
zum Empfangen der einzelnen Wellenlängenkanäle möglich, ohne dass vom Umfang
der Erfindung, wie in den beigefügten
Ansprüchen
festgelegt, abgewichen wird.
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Von
den beiden auf Wellenleitern basierenden Techniken AWG und Echellegitter
erfordert das Echellegitter tief geätzte Gitterfacetten von höherer Qualität. Der optische
Verlust der Vorrichtung hängt entscheidend
von der Vertikalität
und der Glätte
der Gitterfacetten ab. Die Größe der Gittervorrichtung
ist jedoch wesentlich geringer als die Phasen-Wellenleiteranordnung,
und die spektrale Feinheit ist wesentlich höher aufgrund der Tatsache,
dass die Anzahl der Verzahnungen in dem Gitter wesentlich höher ist als
die Anzahl der Wellenleiter in der Phasenanordnung. Dadurch ist
es möglich,
dass eine auf einem Echellegitter basierende Vorrichtung eine größere Anzahl
von verfügbaren
Kanälen über ihrem
freien Spektralbereich (free spectral range – FSR) aufweist, und folglich
kann sie leicht auf einen Betrieb mit hoher Dichte aufgerüstet werden.
Die Kreuzkopplung ist ebenfalls geringer aufgrund der Tatsache,
dass es leichter ist, die Phasenfehler in einem schmalen Gitter
zu verringern. Durch die neuen Fortschritte bei der Ätztechnik
ist das Echellegitter zu einer vielversprechenden Alternative zur
AWG-Vorrichtung
geworden. Daher wird die bevorzugte Ausführungsform unter spezieller
Bezugnahme auf Echellegitter beschrieben.
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Es
wird Bezug genommen auf 1a, in
der ein herkömmliches
Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger-Modul
nach dem Stand der Technik allgemein unter dem Bezugszeichen 1 dargestellt
ist. Der Sender-Empfänger 1 sendet
und empfängt
mehrere Wellenlängenkanäle und weist
einen Demultiplexer 4 und einen Multiplexer 5 auf.
In diesem speziellen Fall sind der Kürze wegen vier Wellenlängen dargestellt, obwohl
im Allgemeinen die Anzahl der Wellenlängen, die gemultiplext werden
können,
von anderer Hardware abhängt,
die zusammen mit der Erfindung verwendet wird, um ein vollständiges System
zu bilden. Das gemultiplexte optische Signal, das vier Wellenlängen aufweist,
wird im Sender-Empfänger 1 innerhalb
vier einzelner Wellenlängenkanäle vom Demultiplexer 4 in
optische Signale aufgetrennt, und dann werden diese kanalisierten
Signale von Empfängern, die
sich auf einzelnen Einkanal-Sender-Empfänger-Karten
befinden, in elektrische Signale umgewandelt. Vier neue Informationskanäle werden
von den Sendern auf denselben Sender-Empfänger-Karten in optische Signale
umgewandelt und werden in einen optischen Multiplexer eingefügt. Das
gemultiplexte optische Signal wird zur Übertragung auf der optischen
Leitung 3 gesendet.
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1b zeigt
ein schematisches Diagramm eines optischen Band-Hinzufügungs-Weglassungsknoten,
bei dem der oben genannte Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger verwendet
werden kann. Eine ankommende Faser enthält n (z.B. n = 32) optische
Signalkanäle
unterschiedlicher Wellenlänge. Eine
Untermenge der Signalkanäle
(z.B. m = 4 Kanäle)
werden unter Verwendung eines Bandpassfilters an dem Knoten abgezweigt.
Diese Kanäle
werden gedemultiplext und dann vom Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger in
elektrische Signale umgewandelt. Gleichzeitig wird eine identische
Anzahl von Signalen, die am Knoten erzeugt werden, übertragen und
vom Sender-Empfänger
auf denselben Wellenlängen
wie die der abgezweigten Kanäle
gemultiplext. Das gemultiplexte Signal wird dann der Ausgangsfaser
unter Verwendung eines anderen Bandpassfilters zusammen mit den
Durchgangskanälen hinzugefügt.
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Die
Wellenlängen
der Hinzufügungs-
und Entnahmekanäle
sind bei der obigen Anwendung identisch. Der optische Multiplexer
ist im Wesentlichen identisch mit dem Demultiplexer, der in umgekehrter
Richtung betrieben wird.
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Bei
dem oben genannten Mehrwellenlängen-Sender-Empfänger 1 werden
sowohl ein Demultiplexer 4 als auch ein Multiplexer 5 als
Paar verwendet; daher ist es notwendig, die Geräteeigenschaften des Demultiplexers 4 und
des Multiplexers 5 genau aufeinander abzustimmen. Falls
zwei unabgestimmte Geräte
kombiniert werden, weist das fertige System einen höheren Verlust
auf. Zusätzlich
steht die gesamte Kanalbreite zur Verfügung, wenn die Kanäle ordnungsgemäß aufeinander
abgestimmt sind; in der Praxis ist es jedoch sehr schwierig und
arbeitsintensiv, derartige identisch abgestimmte Vorrichtungen herzustellen.
Das Sicherstellen, dass die beiden Vorrichtungen korrekt aufeinander
abgestimmt sind, erfordert üblicherweise,
dass sie sehr sorgfältig
ausgewählt
werden, und ihre Produktionsleistung war bislang üblicherweise
sehr niedrig.
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Werden
zwei abgestimmte Vorrichtungen zusammen verwendet, ist es wichtig,
dass ihre Eigenschaften im Zeitablauf oder unter atmosphärischen Bedingungen
sich nicht verändern.
Werden zwei Arrayed Waveguide Gratings (AWGs) für das Demultiplexen und Multiplexen
derselben Gruppe von Wellenlängenkanälen verwendet,
ist es wichtig, dass die beiden AWGs die gleiche Temperatur aufweisen,
da bei Temperaturveränderungen
Wellenlängenverschiebungen
bei herkömmlichen
AWGs auftreten. Dies erfordert, dass die beiden Vorrichtungen sehr nachhaltig
erhitzt oder gekühlt
werden oder dass sie in engem Wärmekontakt
gehalten werden, um zu gewährleisten,
dass ihre Temperaturen gleich sind. Alternativ können sie mit einer Vielzahl
von Techniken thermisch kompensiert werden. Allgemein erhöht das thermische
Kompensieren eines AWGs die Kosten des AWGs und die Möglichkeit
von Störungen
am Gerät.
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Es
wird Bezug genommen auf 2a, in
der eine AWG-Vorrichtung 10 gemäß dem Stand
der Technik dargestellt ist. Sie besteht aus Eingangs-/Ausgangswellenleiteranordnungen 12, 14 und
einem AWG 16. Mehrschichtige Wellenleiter 17 sorgen
für die
optische Kommunikation zwischen der Eingangs-/Ausgangswellenleiteranordnung 12 und dem
AWG 16 sowie zwischen der Eingangs-/Ausgangswellenleiteranordnung 14 und
dem AWG 16. In 2b ist
eine Vorrichtung mit einem geätzten reflektierenden
Beugungsgitter 20 nach dem Stand der Technik dargestellt.
Die Vorrichtung 20 weist einen Eingangs-/Ausgangswellenleiter 22,
eine Eingangs-/Ausgangswellenleiteranordnung, die n einzelne Eingangs-/Ausgangswellenleiter 23a bis 23n aufweist,
sowie ein geätztes
Beugungsgitter 26, das innerhalb eines optischen Weges
zwischen dem Wellenleiter 22 und der Wellenleiteranordnung 23 angeordnet
ist, auf.
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Beide
Vorrichtungen 10 und 20 nach dem Stand der Technik
sind bidirektional, und daher funktioniert jede der Vorrichtungen 10 und 20 sowohl
als Wellenlängenmultiplexer
als auch als Wellenlängendemultiplexer.
Wenn die Vorrichtung des Wellenlängenmultiplexers-/demultiplexers
nach dem Stand der Technik, die allgemein unter dem Bezugszeichen 20 dargestellt
ist, zum Beispiel eine Demultiplexfunktion ausführt, wird ein gemultiplextes
optisches Signal von einem Lichtleiter 28 durch einen Anschluss 21 mit
einem Eingangsende des Eingangs-/Ausgangswellenleiters 22 gekoppelt.
Am distalen Ende des Eingangs-/Ausgangswellenleiters 22 weicht
das Licht in den mehrschichtigen Wellenleiter ab und wird in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
von dem geätzten Beugungsgitter 26 gestreut,
so dass optische Signale innerhalb einzelner Wellenlängenkanäle auf einen vorgegebenen
Eingang der Eingänge 30a bis 30n der
mehreren Eingangs-/Ausgangswellenleiter 23a bis 23n gebündelt werden.
Die einzelnen Wellenlängenkanäle werden
an den Anschlüssen 24a bis 24n zur
weiteren Verarbeitung bereitgestellt. Wenn die Vorrichtung 20 umgekehrt
eine Multiplexfunktion ausführt,
werden mehrere Signale, jedes innerhalb eines getrennten Wellenlängenkanals,
in einen vorgegebenen Leiter der mehreren Eingangs-/Ausgangswellenleiter 23a bis 23n eingeführt, um
die mehreren Signale an das geätzte
Beugungsgitter 26 zu übergeben. Die
Signale werden zusammen gemultiplext, zum Beispiel wird jedes der
getrennten kanalisierten Signale zu einem einzelnen optischen Signal
gebündelt, und
das gemultiplexte Signal wird zu dem Eingangs-/Ausgangswellenleiter 22 geleitet,
wo es mit dem Lichtleiter 28 zur Übertragung über das optische Netz gekoppelt wird.
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Die
Funktionsprinzipien der beiden Arten von Vorrichtungen, die allgemein
unter den Bezugszeichen 10 und 20 dargestellt
sind, sind insofern ähnlich,
als sie beide einen dispersiven und einen fokussierenden Bestandteil
enthalten, die auf einer Anordnung optischer Elemente beruhen. Jedes
dieser Elemente bewirkt bei einem Strahl, der von einem Eingangsanschluss
zu einem Ausgangsanschluss wandert, eine leicht unterschiedliche
optische Weglänge. Bei
einem geätzten
Gitter ist dieses optische Element ein reflektierender Spiegel,
zum Beispiel eine Gitterfacette, während es im Fall eines AWGs
ein optischer Wellenleiter ist. Die Größe der geätzten Gittervorrichtung ist
vorteilhafterweise wesentlich geringer als die der Phasen-Wellenleiteranordnung,
und die spektrale Feinheit ist wesentlich höher aufgrund der Tatsache,
dass die Anzahl der Verzahnungen in dem geätzten Gitter wesentlich höher ist
als die Anzahl der Wellenleiter in der Phasenanordnung. Dadurch
ist es möglich,
dass die geätzte,
auf einem Gitter basierende Vorrichtung eine größere Anzahl von verfügbaren Kanälen über ihrem
freien Spektralbereich (free spectral range – FSR) aufweist.
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3 zeigt
ein schematisches Diagramm eines Sender-Empfänger-Moduls,
bei dem der integrierte Doppelfunktionsmultiplexer/-demultiplexer gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird. Multiplexer und Demultiplexer sind auf
demselben Chip eingebaut und in demselben Modul gebündelt. Dadurch
werden nicht nur die Kosten erheblich gesenkt, sondern auch Probleme
mit Fehlanpassungen bei Kanalwellenlängen aufgrund von Herstellungsfehlern,
Zeitschwankungen und Temperaturinstabilitäten, die im Verbindung mit
herkömmlichen
Methoden, bei denen getrennte Mux-/Demuxmodule verwendet werden,
auftreten, beseitigt.
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Es
wird Bezug genommen auf 4a und 4b,
in denen eine integrierte Multiplexer-/Demultiplexervorrichtung,
die dasselbe dispersive Element für das Demultiplexen und Multiplexen
mehrerer verschiedener optischer Signale gemäß einer ersten bevorzugten
Ausführungsform
der aktuellen Erfindung verwendet, allgemein unter dem Bezugszeichen 40 dargestellt
ist. Die Vorrichtung weist einen Eingangsanschluss 21a zum
Koppeln eines ersten gemultiplexten optischen Signals auf, das eine
erste Vielzahl von Wellenlängenkanälen von
einem Lichtleiter mit einem Eingangswellenleiter 22a enthält; mehrere Ausgangsanschlüsse 24a1 bis 24aN,
jeder zum Koppeln eines kanalisierten Signals der ersten Vielzahl der
Wellenlängenkanäle von einem
einzelnen entsprechenden Wellenleiter 23a1 bis 23aN mit
einem Lichtleiter; mehrere Eingangsanschlüsse 24b1 bis 24bN,
jeder zum Koppeln eines einzelnen Wellenlängensignals einer zweiten Vielzahl
von Wellenlängenkanälen von
einem Lichtleiter mit einem einzelnen entsprechenden Wellenleiter 23b1 bis 23bN;
einen Ausgangsanschluss 21b zum Koppeln eines zweiten gemultiplexten
optischen Signals, das die zweite Vielzahl von Wellenlängenkanälen enthält, von
einem Ausgangswellenleiter 22b mit einem Lichtleiter; und
ein Echellegitterelement 26, das angeordnet ist, um das
erste gemultiplexte optische Signal, das von dem Eingangswellenleiter 22a empfangen
wird, in einzelne Wellenlängenkanäle aufzuteilen,
die jeweils mit einem entsprechenden Ausgangswellenleiter 23a1 bis 23aN gekoppelt
sind, und zum Bündeln
der zweiten Vielzahl von Wellenlängenkanälen, die
von den Eingangswellenleitern 23b1 bis 23bN empfangen
werden, zu dem zweiten gemultiplexten optischen Signal, das mit
dem Ausgangswellenleiter 22b gekoppelt ist. Wie für einen
Fachmann ersichtlich ist, sind diese sämtlichen Komponenten optional
auf einem einzelnen Substrat 47 ausgebildet.
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Der
Demultiplexvorgang der Vorrichtung ist in 4a dargestellt.
Ein erstes gemultiplextes optisches Signal dehnt sich entlang dem
Kanalwellenleiter 22a zu einem Bereich, der einen mehrschichtigen Wellenleiter
festlegt, aus. Die gemultiplexten Signale verbreiten sich von dem
Wellenleiterendpunkt 42a zu dem Bereich des mehrschichtigen
Wellenleiters und verbreiten sich durch den mehrschichtigen Wellenleiter
bis zu einem dispersiven Element 26. Das Gitter 26 ist
entlang des mehrschichtigen Wellenleiters angeordnet und ist so
aufgebaut, dass es das erste optische Signal, das sich innerhalb
des mehrschichtigen Wellenleiters verbreitet, abfängt und
es in Bestandteile unterschiedlicher Wellenlänge beugt, die winkelförmig in
Bezug aufeinander verteilt sind, so dass bei einer vorgegebenen
Entfernung von dem Gitter 26 die Bestandteile des ersten
Signals räumlich
an Punkten 43a1 bis 43aN, die den Punkten einer Eingangsfläche eines
von mehreren Kanalwellenleitern 23a1 bis 23aN entsprechen,
aufgeteilt werden, wobei jeder Kanalwellenleiter in optischer Verbindung
mit einem Anschluss der mehreren Anschlüsse 24a1 bis 24aN steht.
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4b zeigt
den Multiplexvorgang der Vorrichtung. Die Signale einer zweiten
Vielzahl von Wellenlängenkanälen dehnen
sich jeweils entlang einzelner Kanalwellenleiter 24b1 bis 24bN zu
dem mehrschichtigen Wellenleiter aus. Die Signale verbreiten sich
von den Wellenleiterendpunkten 43b1 bis 43bN in
den mehrschichtigen Wellenleiter und dehnen sich durch den mehrschichtigen
Wellenleiter zu dem Gitter 26 aus. Das Gitter 26 fängt die
optischen Signale unterschiedlicher Wellenlänge, die sich innerhalb des mehrschichtigen
Wellenleiters ausdehnen, ab und bündelt sie zu einem zweiten
gemultiplexten Signal an einem Punkt, der der Eingangsfläche 42b des
Kanalwellenleiters 22b entspricht. Der Kanalwellenleiter 22b leitet
das gemultiplexte Signal zum Anschluss 21b.
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Der
Multiplexer weist eine weniger strenge Anforderung an Kreuzkopplungen
zwischen benachbarten Kanälen
auf, und es ist besser, wenn diese eine größere Durchlassbreite aufweisen.
Dies erfolgt durch Verwendung einer größeren Breite eines sich verjüngenden
Wellenleiters an dem Schnittpunkt der Wellenleiter-Schicht bei dem
Multiplexer.
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Daher
werden für
den Multiplexer und den Demultiplexer unterschiedliche Leistungsspezifikationen
erzielt, auch wenn für
beide dasselbe dispersive Element verwendet wird.
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Gemäß der Erfindung
ist das dispersive Element 26 ein reflektierendes Echellegitter,
das mit fokussierenden Eigenschaften sowie mit Dispersionseigenschaften
gebildet ist. Das reflektierende Echellegitter weist gegenüber AWGs
Vorteile auf, da es von der Größe her kleiner
ist, und die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Doppelfunktionsvorrichtung
werden optional mit einer einzelnen Faseranordnung auf einer Seite
des Chips gekoppelt, wodurch die Packaging-Kosten verringert werden.
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Die
Positionen der Endpunkte 42a, 43a1 bis 43aN, 42b und 43b1 bis 43bN der
Eingangs- und Ausgangswellenleiter sind vorzugsweise so angeordnet,
dass die reflektierenden Facetten des Echellegitters optimal gleichzeitig
sowohl für
den Demultiplexer als auch für
den Multiplexer geblazed werden, wodurch der Einfügungsverlust
für beide
Vorrichtungen auf ein Mindestmaß gesenkt
wird. 5 zeigt das Schema der Anordnung. Bei einer Gitterfacette 35, die
am Punkt P zentriert ist, teilt die Senkrechte zu der Facette den
von dem Wellenleiterendpunkt 42a, dem Punkt P und dem Punkt 43a,
der der Punkt in der Mitte zwischen 43a1 und 43aN ist,
gebildeten Winkel im Wesentlichen gleichmäßig. Gleichzeitig teilt sie ebenfalls
im Wesentlichen gleichmäßig den
Winkel, der durch den Wellenleiterendpunkt 43b, den Punkt P
und den Punkt 43b, der der Punkt in der Mitte zwischen 43b1 und 43bN ist,
gebildet wird.
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Die
oben genannten Kriterien sind erfüllt, wenn die Endpunkte 42a, 43a1 bis 43aN, 42b und 43b1 bis 43bN der
Eingangs- und Ausgangswellenleiter sich entlang einer gekrümmten oder
geraden Linie 45 in der Reihenfolge 42a, 43b1 bis 43bN, 42b und 43a1 bis 43aN befinden.
Dies ermöglicht,
dass die Trennung zwischen zwei beliebigen benachbarten Endpunkten
im Wesentlichen gleich der räumlichen
Verteilung ist, die erzeugt wird durch das Gitter für zwei Wellenlängen, die
durch einen Kanalabstand in dem Wellenlängenbereich getrennt sind.
Die gesamte Streuung der Endpunkte entlang der Linie 45 und
folglich der Aberrationseffekt des Gitters werden auf ein Mindestmaß gesenkt.
Der Übertragungsverlust
der Vorrichtung, der durch die Abschattungswirkung der Seitenwände 36 verursacht
wird, wird ebenfalls auf ein Mindestmaß begrenzt. Um Kreuzungen der
Wellenleiter zu vermeiden, werden die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse in derselben
Reihenfolge angeordnet, d.h. 21a, 24b1 bis 24bN, 21b und 24a1 bis 24aN.
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Es
wird Bezug genommen auf 6, in der eine integrierte Multiplexer-/Demultiplexervorrichtung,
die dasselbe dispersive Element für das Demultiplexen und Multiplexen
mehrerer unterschiedlicher optischer Signale gemäß einer ersten Ausführungsform
der aktuellen Erfindung verwendet, allgemein unter dem Bezugszeichen 60 dargestellt
ist.
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Die
Vorrichtung weist einen Eingangsanschluss 21a zum Koppeln
eines ersten gemultiplexten optischen Signals auf, das eine erste
Vielzahl von Wellenlängenkanälen enthält, von
einem Lichtleiter mit einem Eingangswellenleiter 22a; mehrere
Ausgangsanschlüsse 24a1 bis 24aN,
jeder zum Koppeln eines kanalisierten Signals der ersten Vielzahl
der Wellenlängenkanäle von einem
einzelnen entsprechenden Wellenleiter 23a1 bis 23aN mit
einem Lichtleiter; mehrere Eingangsanschlüsse 24b1 bis 24bN, jeder
zum Koppeln eines einzelnen Wellenlängensignals einer zweiten Vielzahl
von Wellenlängenkanälen von
einem Lichtleiter mit einem einzelnen entsprechenden Wellenleiter 23b1 bis 23bN;
einen Ausgangsanschluss 21b zum Koppeln eines zweiten gemultiplexten
optischen Signals, das die zweite Vielzahl von Wellenlängenkanälen enthält, von
einem Ausgangswellenleiter 22b mit einem Lichtleiter; und ein
Echellegitterelement 26, das angeordnet ist, um das erste
gemultiplexte optische Signal, das von dem Eingangswellenleiter 22a empfangen
wird, in einzelne Wellenlängenkanäle aufzuteilen,
die jeweils mit einem entsprechenden Ausgangswellenleiter 23a1 bis 23aN gekoppelt
sind, und zum Bündeln
der zweiten Vielzahl von Wellenlängenkanälen, die
von den Eingangswellenleitern 23b1 bis 23bN empfangen
werden, zu dem zweiten gemultiplexten optischen Signal, das mit
dem Ausgangswellenleiter 22b gekoppelt ist. Wie für einen
Fachmann ersichtlich ist, sind diese sämtlichen Komponenten optional
auf einem einzelnen Substrat 47 ausgebildet.
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Bei
der ersten Ausführungsform
der Erfindung ist ein Mittel zum optischen Koppeln jedes der mehreren
Ausgangsanschlüsse 24a1 bis 24aN mit einem
entsprechenden Anschluss der mehreren Eingangsanschlüsse 24b1 bis 24bN vorgesehen.
Natürlich
ist es möglich,
mindestens einige der kanalisierten Signale unmittelbar zu dem dispersiven
Element zurückzuschleifen,
ohne das innerhalb des Wellenlängenkanals
geführte
Signal zu modulieren oder auf andere Weise zu bearbeiten. Alternativ
sind mindestens einige der Schleifenschaltungswege 25 mit
einer optischen Komponente vorgesehen, wie zum Beispiel einem Detektor/einer
Quelle, einem Abschwächer,
einem Schalter, usw., so dass das kanalisierte Signal, das zurückgeschleift
wird, anders ist als dasselbe ursprünglich empfangene kanalisierte
Signal.
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Es
wird Bezug genommen auf 7, in der eine integrierte Multiplexer-/Demultiplexervorrichtung,
die dasselbe dispersive Element für das Demultiplexen und Multiplexen
mehrerer unterschiedlicher optischer Signale gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet, allgemein unter dem Bezugszeichen 70 dargestellt
ist. Bei der zweiten Ausführungsform
ist ein Schleifenschaltungsweg, der eine weitere optische Komponente 71 aufweist,
einstückig
auf dem Substrat ausgebildet.
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Es
ist ein Vorteil der Erfindung, dass mehrere Wellenlängenkanäle gleichzeitig
unter Verwendung desselben dispersiven Elements gedemultiplext und gemultiplext
werden. Daher werden die Probleme in Zusammenhang mit unangepassten
Leistungen von zwei optischen Vorrichtungen vermieden. Ein weiterer
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung klein
ist im Vergleich zu AWG-basierten
Vorrichtungen und dass die Eingangs-/Ausgangsanschlüsse mit
einer einzelnen Faseranordnung gekoppelt werden können, so
dass die Packaging-Kosten gesenkt werden. Der Einfügungsverlust
der Vorrichtung wird sowohl für
den Demultiplexer als auch für den
Multiplexer bei allen Kanälen
auf ein Mindestmaß gesenkt.
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Es
ist für
Fachleute offensichtlich, dass Abwandlungen und alternative Ausführungsformen
vorgenommen werden können,
ohne dass vom Umfang der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen festgelegt,
abgewichen wird.