DE68918764T2 - Wellenlängenmultiplexermodul. - Google Patents
Wellenlängenmultiplexermodul.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet optischer Nachrichtenverbindungen und insbesondere auf Wellenlängenmultiplexermodule zur Benutzung bei optischen Nachrichtensystemen.
- Es sind Gitter und Interferenzfilter als optische Filter für Wellenlängenmultiplexmodule bekannt, jedoch besitzen sie alle nicht die ausreichend hohe Wellenlängenselektivität, um wirksam die potentielle optische Kommunikationskapazität auszunutzen, die in der verfügbaren optischen Bandbreite der Fasern innewohnt. Beispielsweise ist es relativ einfach möglich, die gegenwärtigen Halbleiterlaserdioden mit Frequenzen bis zu 1 GHz zu modulieren. Da höhere Modulationsfrequenzen übermäßig hohe Kosten erfordern, kann die Modulationsrate von 1 GHZ als typisch dafür angesehen werden, was für einen breiten Bereich von Kommunikationszwecken in naher Zukunft benutzt werden wird. Bei dieser Kanalbandbreite sind benachbarte optische Kanäle durch einen Frequenzunterschied getrennt, der sehr viel größer ist als dieser Wert, wodurch die optische Kommunikationskapazität nicht ausgenutzt wird. Nur 1 GHz bei einem Mikron Wellenlänge repräsentiert eine Wellenlängendifferenz von einem 0,003 nm.
- Es soll angenommen werden, daß ein Brechungsgitter 1/D = 5000 Linien/cm aufweist. Bei einem Mikron ist der Brechungswinkel erster Ordnung gegeben durch
- D n sin θ = λ θ = sin&supmin;¹ (1/3) = 0,339 Radian.
- Es soll weiter angenommen werden, daß eine kompakte optische Einrichtung Abmessungen in der Größenordnung von 1 cm hat. 5 Dann ist die Winkelauflösung des Gitters gegeben durch w, die Breite des Lichtstrahls = 1 cm. δθ λ/nw = [D/w]θ = 0,2 x 10&supmin;³ Radian
- Deshalb beträgt die Winkelauflösung des Gitters ein Teil in 5000 oder 0,2 nm, d. h. etwa 100 mal mehr als es bei einem dicht gepackten Wellenlängenmultiplexer erwünscht ist. Ein Gitter geeigneter Auflösung muß 33 cm groß sein, und es ist daher raumgreifend und unzulässig kostspielig.
- Die besten Interferenzfilter besitzen Auflösungen von etwa 1 nm oder etwa 300 mal gröber als erwünscht.
- Es gibt nur eine sehr beschränkte Anzahl von optischen Strukturen, die die erforderliche Selektivität liefern. Das Michelson-Gitter, die Lummer-Gehrke-Platte und das Fabry- Perot-Etalon sind bekannte Beispiele. Von diesen ist das Fabry-Perot-Etalon einmalig insofern, als seine wirksame physikalische Länge durch die "Feinheit" des Etalons multipliziert wird. Das heißt, die Länge, über der die Interferenz aktiv ist, ist gleich der Zahl der runden Schrittdistanzen, mit denen der Lichtstrahl innerhalb des Etalon hin- und zurückgeworfen wird, bevor er als Leckstrom austritt oder absorbiert wird. Das Fabry-Perot-Etalon ist daher eine kompakte Vorrichtung mit außerordentlich hoher Auflösung.
- Fabry-Perot-Resonatoren liefern zahlreiche Resonanzen, die in der Frequenz durch den Wert f getrennt sind, wobei
- f = c/nL.
- Dies wird als der freie Spektralbereich bezeichnet, wo L die Rundlaufdistanz im Resonator, n der Brechungsindex und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum sind. Die halbe Höhe, der volle Bandpaß des Resonators wird definiert als gleich dem freien Spektralbereich dividiert durch die Feinheit. Beispielsweise hat ein 1 cm dickes Etalon aus Glas mit einem Brechungsindex von 1,5 einen freien Spektralbereich von 10 GHz. Wenn die Resonatorfeinheit so gestaltet wird, daß sie gleich 100 ist, dann ist der Filterbandpaß gleich 100 MHz. Die Feinheit des Etalon wird durch die Reflexionsfähigkeit der Oberflächenspiegel, die Absorption des inneren Etalonmediums, die Brechungsverluste und das Fehlen eines perfekten Parallelismus der gegenüberliegenden Spiegeloberflächen eingestellt oder bestimmt. Bei hoher Sorgfalt können parallele Glasplattenetalons hergestellt werden, die eine Feinheit bis zu wenigstens 100 haben.
- Infolge der hohen Feinheit ermöglicht das Fabry-Perot- Interferometer im Gegensatz zu dem Michelson- oder Mach- Zehnder-Interferometer eine Unterscheidung zwischen einer Zahl von unterschiedlichen Wellenlängenbändern gleich dem Wert der Feinheit des Etalons. Wenn beispielsweise die Feinheit des Fabry-Perot-Interferometers 100 ist, dann kann man im Prinzip zwischen einem von 100 benachbarten Wellenlängenbändern unterscheiden. Bei Benutzung als Filter muß man jedoch benachbarte Kanäle mit dem 3- bis 5-fachen Wert der Bandpaßbreite trennen, um annehmbare Übersprechdämpfungen zu erhalten.
- Jedoch können Wellenlängen, die durch eine ganze Zahl der freien Spektralbereiche des Etalons getrennt sind, nicht voneinander durch ein einziges Fabry-Perot-Etalon unterschieden oder getrennt werden. Das Vorhandensein von Mehrfachresonanzen begrenzt die Kommunikationskapazität eines einzigen Fabry-Perot-Etalons auf einen einzigen freien Spektralbereich, weil dies nicht in der Lage ist, Module des freien Spektralbereichs zu unterscheiden. Auf den ersten Blick scheint dies ein Nachteil im Hinblick auf die Benutzung eines Fabry-Perot-Etalons oder einer ähnlichen Einrichtung zu sein, die das Verhalten eines Ringresonators als Filter aufweisen, jedoch kann diese Mehrdeutigkeit aufgelöst werden, indem man beispielsweise mehr als einen Fabry-Perot-Resonator in Tandem benutzt, wodurch ein stark vergrößerter freier Spektralbereich erhalten wird. Mit Mehrfachresonatoren, die nach Art eines Feineinstellers arbeiten, wird der freie Spektralbereich durch die Feinheit eines jeden zusätzlichen Resonators multipliziert, der zum Ausfiltern benutzt wird. Wenn beispielsweise zwei Resonatoren benutzt werden, von denen jeder eine Feinheit von 100 und einen freien Spektralbereich von 10 und 10,1 GHz besitzt, dann wird der gesamte wirksame freie Spektralbereich von 10 GHz auf 1000 GHz vergrößert. In diesem Fall tritt die Überlappung der Resonanzen von jedem Filter nur nach 99 oder 100 freien Spektralbereichen der beiden Komponentenfilter auf.
- Umgekehrt haben die Vielfachresonanzen der Fabry-Perot- Resonatoren nicht nur den Vorteil einer Feineinstellung, sondern (1) sie erlauben auch die Benutzung von Lasern, die mit Frequenzdifferenzen arbeiten, die durch zahlreiche freie Spektralbereiche getrennt sind (d. h. die Notwendigkeit der Anpassung der Laserfrequenzen wird für einzelne Resonatorfiltersysteme in hohem Maße gemildert), und (2) das Vorhandensein von Mehrfachresonanzen ermöglicht es, die Frequenzstabilität einer hochstabilen Quelle auf das Etalon zu übertragen, und demgemäß elektronisch einen Laser auf jede bestehende Etalonresonanz zu stabilisieren.
- Da ein einfaches Fabry-Perot-Etalon mit einer Feinheit von 100 selektiv ein Wellenlängenband mit dem Ausschluß der übrigen 99 Wellenlängenbänder durchlassen kann, läßt sich ein solches Etalon als Multiplexer/Demultiplexer benutzen, um wirksam zahlreiche Lichtwellenlängen zu trennen oder zu kombinieren. Eine Annäherung zum Multiplexen besteht darin, aufeinanderfolgend einen Lichtstrahl durch 100 Fabry-Perot- Etalons zu schicken, wobei jedes Etalon benutzt wird, eine bestimmte der 100 unterscheidbaren Wellenlängen vom Rest zu trennen. Ein solches Verfahren wird durch die Forderung erschwert, daß das Licht jedes Etalon im wesentlichen senkrecht trifft. Natürlich ist die Herstellung und Benutzung von 100 getrennten Etalons zur Multiplex- und Demultiplexbildung mühsam und kostspielig, sowohl was die Herstellung der Etalons und der notwendigen Optiken und der zugeordneten Elektronik betrifft, die erforderlich ist, um die Wellenlängen der Etalonfilter bei Vorhandensein sich ändernder Umgebungsbedingungen, beispielsweise Temperatur, zu stabilisieren.
- Was benötigt wird, ist eine robuste, leicht herstellbare Vorrichtung, die eine Auflösung in der Größenordnung von 1 GHz und einen freien Spektralbereich von 100 GHz liefert und die Möglichkeit schafft, etwa 100 Kanäle zu multiplexen und zu demultiplexen. Was insbesondere für das Demultiplexen erforderlich ist, ist die Forderung, daß alle Wellenlängen über eine gemeinsame Monomode-Faser eintreten und unterschiedliche Wellenlängen in räumlich getrenntem Format austreten, so daß die getrennten Wellenlängenkomponenten getrennt detektiert und getrennten Fasern zugeführt oder auf sonstige Weise weiterverarbeitet werden. Was benötigt wird, ist außerdem ein einstellbares Verfahren zur Trennung derart, daß die räumliche Trennung linear proportional der Wellenlängentrennung ist. Im Gegensatz zu einem Beugungsgitter ist jedoch eine sehr viel höhere Auflösung für dicht gepackte Wellenlängenteilungs-Multiplexvorgänge erforderlich. Es ist klar, daß wegen der Übersprechdämpfung von Kanal zu Kanal die Zahl der nützlichen Kanäle etwa gleich ist der Feinheit geteilt durch 3 bis 5.
- Es ist daher Hauptziel der Erfindung, eine Wellenlängenteilungs-Multiplexvorrichtung zu schaffen, die diese verschiedenen Forderungen erfüllt.
- Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die kombinierten Merkmale des Anspruchs 1.
- Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf eine optische Multiplex/Demultiplex-Einrichtung, die die Fähigkeit hat, eine Vielzahl optischer Signale zu trennen und zu kombinieren, die im feinen Wellenlängenabstand angeordnet sind, und geeignet ist zur Benutzung von Anwendungen in optischen Kommunikationssystemen in Sensoranordnungen und in Displays.
- Die Vorrichtung umfaßt einen Etalonaufbau mit einem Glasstück, das die Form eines rechteckigen Parallelepipeds mit zwei gegenüberliegenden, in Längsrichtung verlaufenden Oberflächen haben kann, die poliert und überzogen sind, so daß sie im wesentlichen parallel verlaufen und hochreflektiv sind, wobei eine im wesentlichen 100-%ig reflektiv und etwas transparent ist. Auf der Oberfläche mit dem hochreflektiven Spiegel ist ein geblaztes Beugungsgitter plaziert, und die Länge des Gitters und seiner entsprechenden Spiegel ist kürzer als die Oberfläche, während die andere teilweise reflektierende Oberfläche etwas länger ist, um zwei klare Abschnitte zur Kopplung an gegenüberliegenden Seiten des Etalons zu schaffen.
- Optische Signale werden in das Parallelepiped in der Nähe eines Endes so eingekoppelt, daß ein Kollimatorstrahl schräg in einen Abschnitt der teilweise reflektierenden Oberfläche unter einem vorbestimmten Winkel einfällt, so daß der Strahl das Gitter unter dem selben vorbestimmten Einfallswinkel mehrfach trifft, wenn er über die Länge des Etalons mit minimalen Verlusten hinwegläuft. Das schwache Gitter ist so angeordnet, daß ein kleiner Teil des Signalstrahls innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbandes senkrecht zu den Reflexionsoberflächen immer dann gebrochen wird, wenn der Strahl über die Länge des Etalons auftrifft, um eine Gruppe von im gleichen Abstand zueinander angeordneten örtlichen Resonatorstationen zu bilden, die in der Wellenlänge fein abgestimmt werden können, wie dies unten angegeben wird, so daß an jeder Resonatorstation eine gewählte Wellenlänge aus dem anfänglichen Wellenlängenband abgetrennt werden kann, das durch das Gitter gebeugt wurde. Die einzelnen Signale treten aus der Vorrichtung an ihrer entsprechenden Resonatorstelle aus, indem sie durch die teilweise reflektierende Oberfläche übertragen werden.
- Die einzelnen örtlichen Resonatoren werden durch Einstellung der örtlichen optischen Pfadlänge zwischen den reflektierenden Oberflächen entweder durch einen kleinen Keil am Etalon durch Änderung der physikalischen Länge des Glases durch Erhitzung oder Beanspruchung eingestellt, oder es wird der Brechungsindex mit elektrischen Feldern bei Ausführungsbeispielen eingestellt, wo das Medium elektro-optische Eigenschaften besitzt, oder die Einstellung erfolgt durch irgendwelche anderen Mechanismen.
- Die verbleibenden Signale werden aus dem Etalon über einen Wellenleiter und Fokussierungslinsen ausgekoppelt, die die parallelisierten Signale aufnehmen und diese in die Enden der Wellenleiter richten.
- Die neuartigen Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung angesehen werden, ergeben sich insbesondere aus den beiliegenden Ansprüchen. Die Erfindung selbst, sowohl was das Zusammenwirken, das Verfahren und die Herstellung anbetrifft, lassen sich am besten in Verbindung mit weiteren Aufgaben und Vorteilen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erkennen, welches in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist, wobei in den verschiedenen Figuren gleiche Teile mit gleichem Bezugszeichen versehen sind. In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- Fig. 2 eine schematische Darstellung, die im einzelnen die Beziehung zwischen einer schräg einfallenden Strahlung und einer Etalonoberfläche der Erfindung zusammen mit der Gitterperiodizität zeigt,
- Fig. 3 eine schematische Darstellung, die die Benutzung einer geblazten Gitteroberfläche zur Benutzung bei der Erfindung veranschaulicht,
- Fig. 4 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
- Fig. 5a, 5b und 5c schematische Ansichten von oben, von vorn und von hinten, bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
- In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 eine Multiplex/Demultiplex-Anordnung dargestellt, welche das Wesen der Erfindung verkörpert. Die Anordnung 10 besteht aus einem Etalon 12, welches aus einem blanken, hochqualitativen Glas mit geringem Verlust hergestellt ist, beispielsweise aus Quarzglas oder BK7, das geschliffen und poliert ist, so daß die gegenüberliegenden Oberflächen 14 und 16 optisch flach und relativ zueinander parallel verlaufen. Dabei wird eine Glätte von 1/20 einer Lichtwellenlänge gefordert und eine Parallelität oder eine gesteuerte Fehlparallelität von einem kleinen Bruchteil eines Interferenzstreifens über der gesamten aktiven Oberfläche des Etalons 12. Diese Erfordernisse sind ähnlich den Erfordernissen zur Erzeugung hochqualitativer Etalons mit hoher Feinheit, und sie lassen sich heute mit bekannten Fabrikationsverfahren herstellen.
- Ein schwaches Beugungsgitter 18 ist auf der einen Seite des Etalons 12 derart aufgebracht, daß etwa 1 % des einfallenden Lichts in eine gewünschte erste Beugungsordnung gebeugt wird, während das verbleibende Licht spiegelnd reflektiert wird. Schließlich werden hochreflektive Überzüge 20 und 22 auf beiden Seiten des Etalons 12 außer in den Endabschnitten 24 und 26 aufgebracht, wo das Licht in den Körper des Etalons 12 eintreten oder aus diesem austreten muß.
- Im Normalbetrieb wird Licht von einer Eingangsfaser 28 über eine Kollimatorlinse 30 auf den Eintrittsabschnitt 24 gerichtet, und das Licht tritt in das Etalon 12 unter einem von 90 º abweichenden Winkel ein, so daß der Lichtstrahl aufeinanderfolgend zwischen den gegenüberliegenden reflektierenden Oberflächen des Etalons 12 hin- und herläuft und in einer vorbestimmten Richtung fortschreitet. Der Einfallswinkel des Lichtstrahls und der Gitterabstand sind derart aufeinander abgestimmt, daß ein kleiner Teil (in der Größenordnung von 1 % wie oben erwähnt) des schräg einfallenden Strahls so gebeugt wird, daß er senkrecht zu den Oberflächen des Etalons fortschreitet. Da beide Etalonoberflächen fast perfekt reflektieren und das Glas nicht absorbiert, wird das gebeugte Licht durch das Etalon 12 eingefangen und kann nur über einen folgenden schwachen Beugungsprozeß oder über die etwas transparenten Spiegel austreten. Auf diese Weise wird das so eingefangene Licht im Etalon 12 etwa hundertmal hin- und hergeschickt, bevor es austritt.
- Das im Etalon 12 gefangene Licht kann konstruktiv oder destruktiv mit später ankommenden Teilen schräg einfallender Lichtstrahlen zusammenwirken, die so gebeugt wurden, daß sie im Etalon 12 aufgefangen werden. Ein destruktives Zusammenwirken zwischen einfallendem und aufgefangenem Licht bewirkt, daß das im Etalon 12 aufgebaute elektrische Feld relativ klein wird, und zwar ungefähr 0,01 % der einfallenden Lichtstrahlleistung (d. h. die zirkulierende Leistung ist auf grob gesagt 1/Feinheit herabgesetzt). Wenn jedoch ein konstruktives Zusammenwirken zwischen dem innerhalb des Etalons 12 zirkulierenden Licht und dem einfallenden Lichtstrahl auftritt, der das Licht über das Beugungsgitter 18 einpumpt, dann ist die Leistung im Etalon 12 einhundertmal größer (größer multipliziert mit dem Verhältnis der Feinheit) als die einfallende Lichtleistung. Unter solchen Umständen, wo der rundumlaufende optische Pfad eine ganze Zahl von Lichtwellenlängen ist, steht das Etalon mit den einfallenden Lichtwellen in Resonanz und zieht einen beträchtlichen Bruchteil der Lichtleistung von dem einfallenden Strahl ab, wodurch verhindert wird, daß nichtgebeugtes Licht durch das in Resonanz befindliche Etalon hindurchtritt. Wenn keine anderen Lichtverluste außer der Lichtbeugung vorhanden sind, dann bewirkt die Beugung eine Entfernung eines Bruchteils des Lichts aus dem vorwärts fortschreitenden Strahl, und es wird Licht in die Rückwärtsausbreitungsrichtung gebeugt. Eine nützlichere Situation tritt jedoch dann auf, wenn eine Oberfläche des Etalons 12 etwas transparent ist, da dann das hohe elektrische Feld, welches im Resonanzaufbau zirkuliert, die Möglichkeit schafft, daß ein beträchtlicher Bruchteil des Lichts über den etwas transparenten Spiegel austritt. Es ist dieser Anteil vom Licht, der das Etalon 12 über den etwas transparenten Spiegel erregt, der den nützlichen Ausgang liefert, da relativ wenig Licht über diese Oberfläche austritt, wenn das Etalon 12 nicht in Resonanz befindlich ist.
- Es ist klar, daß der Aufbau nach Fig. 1 zahlreiche äquivalente Stellen enthält, wo Licht so gebeugt werden kann, daß es über lokalisierte Etalons aufgefangen wird, und diese entsprechen den Stellen mit strichlierten Pfeilen, die aus der Oberfläche 16 austreten. Damit eine Wellenlängen- Multiplex/Demultiplex-Wirkung zustande kommt, wird jedes folgende Etalon veranlaßt, bei verschiedenen Wellenlängen in Resonanz zu sein. Wenn beispielsweise die örtlichen Etalons eine Feinheit von 100 besitzen, dann muß jedes folgende Etalon eine physische Längendifferenz von wenigstens 1/100 der Wellenlänge des Lichts, gemessen im Glas, besitzen. Für alle praktischen Zwecke ist die Dicke des Etalons 12 konstant zu halten, gerade wie bei einem normalen Etalon, außer bei einer systematischen Änderung, die genau erzeugt und eingestellt wird. Solche kleinen Differenzen können durch einfaches Polieren erreicht werden, sie können jedoch auch leicht dadurch erzeugt werden, daß ein Temperaturgradient angelegt wird, um systematisch die lokale Temperatur zu steuern. Für die erste Ordnung werden die gegenüberliegenden Enden 32 und 34 des Mehrfachetalonaufbaus auf unterschiedlichen gesteuerten Temperaturen derart gehalten, daß ein linearer Temperaturgradient zustande kommt, und es wird eine kleine lineare Pfaddifferenz zwischen benachbarten lokalisierten Etalons erzeugt. Um eine höhere Genauigkeit zu erzeugen, können die lokalisierten Abschnitte des Etalonaufbaus individuell hinsichtlich ihrer Temperatur gesteuert werden, um eine besser linear gesteuerte Pfaddifferenz zu erhalten, selbst wenn eine Linearität in dem ursprünglichen Aufbau nicht vorhanden war, der auf einem einzigen gemeinsamen Temperaturwert gehalten wurde. Es können statt dessen auch Heizelektroden nichtlinear gemacht werden, um nicht-lineare Temperaturgradienten zu korrigieren. Im Falle der Temperatursteuerung kann der Temperaturbereich auf einen vollen freien Spektralbereich über dem Multiplexer oder einem. Teil eines freien Spektralbereichs eingestellt werden. Im letzteren Fall kann eine einzige Bezugsfrequenz oder können zwei Bezugsfrequenzen benutzt werden, um die Temperaturen zu steuern, die an dem ersten und letzten örtlichen Resonator des Multiplexers anliegen, so daß die dazwischenliegenden Resonatoren ohne zusätzliche Stabilisierungselektronik die übrigen dazwischenliegenden Kanalfrequenzen bedecken.
- Zusätzlich zur Temperatursteuerung kann auch ein Druck benutzt werden, um die optischen Pfadlängen an den lokalisierten Etalonstellen einzustellen.
- Eine Anordnung von Photodetektoren 33, die einzelne Zellen einschließen, welche mit 35 gekennzeichnet sind, kann auf der Austrittsfläche der Vorrichtung 10 oder auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet werden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, um die getrennten Lichtsignale in eine elektrische Form umzuwandeln.
- Die Vorrichtung 10 kann für verschiedene Zwecke benutzt werden. In erster Linie kann die Vorrichtung benutzt werden für lange Übertragungsstrecken, da eine einzige Vorrichtung die Gesamtkapazität einer Verbindung über WDM um mehr als eine Größenordnung vervielfacht. Zweitens kann die Vorrichtung im wesentlichen polarisationsintensiv gestaltet werden, und dies ist ein Attribut, welches nicht notwendigerweise von optischen Faserresonatoren oder integrierten optischen Resonatoren erhalten werden kann. Drittens ist eine getrennte Wellenlängensteuerung eines jeden Resonators nicht erforderlich, indem man viele Resonatoren in eine einzige Vorrichtung einbaut. So wird der elektronische Aufwand in hohem Maße vermindert. Viertens kann, wie oben erwähnt, der Aufbau leicht hergestellt werden, und er ist einfach und robust. Schließlich wird durch Einbau zahlreicher Resonatoren in einer einzigen Vorrichtung die Benutzung einer solchen Vorrichtung als örtlicher Vielfachabzweig möglich machen. Das heißt, der Durchgangskopplungsverlust für den Eingang/Ausgang oder den Sammelschienenstrahl, der gewöhnlich 2 dB pro Abzweig betrifft, wird wirksam zahlreichen örtlichen Abzweigen zugeordnet, da der Verlust pro Abzweig sehr gering sein kann, nämlich kleiner als 0,2 dB für zehn Resonatoraufbauten. Es kann sich tatsächlich als unmöglich erweisen, entweder Faserresonatoren oder integrierte optische Resonatoren mit derart geringen Abzweigverlusten herzustellen, wie dies durch die erfindungsgemäße optische Mehrfachresonatoranordnung möglich ist.
- Die Sammelschienenresonatoren können natürlich auf unterschiedliche Durchlaßbänder dadurch abgestimmt werden, daß die Charakteristiken der Beugungsgitter 18 geändert werden, oder indem verschiedene Abschnitte in Tandem mit je einem eigenen Beugungsabstand angeordnet werden. Die Gitterauflösung liegt in der Größenordnung von 1 nm für einen Eintrittsstrahl mit 1 mm Durchmesser. So wird der Durchgangsverlust eines Multiplexer/Demultiplexers relativ niedrig, wenn nicht die Wellenlänge (oder ein schräger Einfallswinkel) einen beträchtlichen Anteil des Lichts in einer Richtung beugt, die senkrecht zu den Etalonoberflächen liegen. Der Beugungsverlust für den Eintrittsstrahl liegt in der Größenordnung von 1 % pro Beugungsgitterreflexion, wenn das zugeordnete Etalon nicht in Resonanz befindlich ist.
- Unter der Annahme, daß ein einziger Kanal des Multiplexer/Demultiplexers an einen Teilnehmer angeschlossen ist, kann dieser Teilnehmer verschiedene Etalonordnungen für unterschiedliche Zwecke benutzen. In diesem Fall besitzt der Teilnehmer eine zweite Demultiplexer/Multiplexer-Einrichtung, die dem Sammelschienen-Multiplexer/Demultiplexer ähnlich ist, der so betrieben wird, daß eine grobe Filterwirkung zustande kommt, derart, daß verschiedene Ordnungen des Sammelschienen-Demultiplexers durch den örtlichen Demultiplexer des Teilnehmers getrennt werden.
- Geeignete Beugungsgitter können auf der Etalonoberfläche entweder durch Liniermaschinen oder durch Photolithographie aufgebracht werden. Beide Verfahren bilden Techniken, wodurch die Linierung "geblazt" sein kann, so daß vorzugsweise Licht zwischen gewählten gewünschten Richtungen gebeugt wird, wodurch weniger Licht vergeudet wird, das in unerwünschte Ordnungen gebeugt wurde. Die hochreflektierenden Oberflächen des Etalons 12 können über mehrschichtige dielektrische Überzüge erzeugt werden, oder durch eine Metallisierung. Silber reflektiert ungefähr 99 % von 0,8 Mikron und könnte so leicht benutzt werden, um wenigstens einen Spiegel des Resonators zu bilden, der eine Feinheit von 100 hat. Hochreflektierende metallische Spiegel haben hohe Verluste in Durchlaßrichtung. Die dielektrischen Überzüge sind zu bevorzugen, wenn wenigstens teilweise transparente Spiegel hergestellt werden sollen, um die Durchlässigkeit bei einem gegebenen Reflexionswert zu maximieren. Wenn dielektrische Überzüge benutzt werden, wäre es auch erwünscht, eine 100-%ige Reflexionsfähigkeit bei dem schrägen Einfallswinkel des Erregerstrahls zu haben, während ein etwas transparenter Überzug (Reflexionsfähigkeit von beispielsweise 98,5 %) erzeugt wird für das Licht, welches senkrecht zum Etalon 12 fortschreitet, so daß leichter etwas Licht entweichen kann, um benutzt zu werden.
- Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der schräg einfallenden Richtung des Multiplexlichtstrahls, und dieser ist mit 36 bezeichnet, relativ zur Etalonoberfläche, und es ist die Periodizität des Abstands des Beugungsgitters 18 ersichtlich. Hier sind auch der gebeugte Strahl und der spiegelnd reflektierte Strahl ersichtlich, die mit 38 bzw. 40 bezeichnet sind. Für einen gegebenen Beugungsperiodenabstand D muß der Einfallswinkel θ so eingestellt sein, daß sin θ = λ/nD, um Licht senkrecht zur Oberfläche zu beugen. Ein schwaches Beugungsgitter wird über ein photolithographisches Maskierungsverfahren auf einem lichtempfindlichen Widerstand erzeugt, und dann wird das Glas mit einer schwachen Lösung von HF über den entwickelten Photowiderstand geätzt, und dann wird der Photowiderstand entfernt.
- Fig. 3 zeigt, wie die Oberfläche des Gitters 18 aussehen würde, wenn mit einer üblichen Linierungsmaschine geblazt wird.
- Fig. 4 und 5a bis 5c zeigen äquivalente Multiplexer/Demultiplexer-Strukturen, die elektro-optische Medien anstelle von Glas benutzen. Bei diesen Ausführungsbeispielen kann eine individuelle Resonatorabstimmung auf elektrischem Wege erreicht werden, statt durch thermische Steuerung. Zusätzlich können elektrische Signale nunmehr an den Resonator angelegt werden, um eine cw-Trägerfrequenz zu modulieren, die auf dem Multiplexstrahl vorhanden ist.
- Fig. 4 veranschaulicht einen Resonator 50, der aus einem Kristall 52 beispielsweise aus ADP oder KDP hergestellt ist (Ammoniumdihydrogenphosphat bzw. Kaliumdihydrogenphosphat), wobei die "c"-Achse oder die optische Achse in der Papierebene nach unten weist. Das Beugungsgitter ist hier bei 54 angedeutet. Gegenüber dem Beugungsgitter befindet sich ein 99 % reflektierender elektrisch leitfähiger Spiegel 55, der beispielsweise durch Sputtern von Indiumzinnoxid auf der Oberseite eines dielektrischen Reflektors erzeugt ist. Entsprechend jeder lokalisierten Etalonstation längs des Kristalls 52 befinden sich 100-%ig reflektierende leitfähige Elektroden 56 bis 60. Jeder Elektrode 56 bis 60 sind abstimmbare Signalspannungsquellen 62 bis 66 zugeordnet. Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist eine Eingangsphase 68 in einen Endabschnitt des Kristalls 52 über eine Kollimatorlinse 70 gerichtet, und eine Fokussierungslinse 72 richtet das verbleibende Signal in eine Ausgangsbusfaser 74 für eine weitere Benutzung stromab. Bei der Anordnung der Einrichtung 50 wird das elektrische Feld in Richtung des eingefangenen Lichtstrahls angelegt. Da die Lichtpfade der Etalons entlang der c-Achse verlaufen, befinden sich beide Polarisationszustände bei der gleichen Wellenlänge in Resonanz.
- Die Fig. 5a bis 5c zeigen eine Vorrichtung 80, die auf einem Etalon hergestellt ist, das aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat besteht. Bei der Vorrichtung 80 wird das elektrische Feld senkrecht zur Richtung des eingefangenen Lichtstrahls angelegt statt in der Richtung des Lichtstrahls. Wie dargestellt, besteht die Vorrichtung 80 aus einem polierten Kristall 81 aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat, welches auf einer Seite ein Gitter 82 trägt, unter welchem ein 100-%ig reflektierender Spiegel 84 aufgebracht ist. Am Spiegel 84 liegt ein 99-%ig reflektierender Spiegel 86 an, damit ein kleiner Prozentsatz des gewählten Lichts hindurchtreten kann.
- Die Eingangssammelleitung wird durch die optische Faser 88 dargestellt, deren Ausgang von der Linse 90 gesammelt wird, während er auf die Oberfläche des Gitters 82 gerichtet wird. Der Ausgang erfolgt über eine Abzweigfaser 92, die den Eingang über die Fokussierungslinse 94 erhält. Abnahmeeinrichtungen, durch die die Signale von der Hauptleitung nach der Station und dem Zweig und umgekehrt übertragen werden, sind durch eine typische Faser 100 und die zugeordnete Linse 102 dargestellt.
- Wie aus Fig. 5a und 5b ersichtlich, hat die Vorderseite der Vorrichtung 80 eine geerdete Elektrode 104, die daran befestigt ist, während auf der gegenüberliegenden Seite ein Feld getrennter Elektroden 106 bis 112 angeordnet ist, die den Abnahmestationen entsprechen. Jede Elektrode 106 bis 112 weist ihr zugeordnet eine variable Spannungsquelle 114 bis 120 auf, um die Signale durch Anwendung eines elektrischen Feldes quer zur Ausbreitungsrichtung des Signals durch das Material 81 abzustimmen.
- Der Fachmann kann auch andere Ausführungsbeispiele schaffen, ohne vom Rahmen der Ansprüche abzuweichen. Beispielsweise können die reflektierenden Oberflächen des Etalons in einem dichteren Abstand liegen, während gleichzeitig der ankommende Strahl aufgeweitet wird, so daß seine gegenüberliegenden Ränder während aufeinanderfolgender Reflexionen überlappen, während er das Etalon durchläuft, so daß der Ausgang als Wellenlängenkontinuität wie in einem Spektrumanalysator erfolgt, und nicht als diskrete Wellenlängen, die an in regelmäßigem Abstand zueinander angeordneten Stellen existieren. Es ist auch festzuhalten, daß die Vorrichtungen vollständig in ihrer Arbeitsweise umkehrbar sind, um entweder als Demultiplexer oder als Multiplexer zu arbeiten. Daher ist beabsichtigt, daß alle Merkmale, die in der obigen Beschreibung oder in der Zeichnung enthalten sind, nur zur Veranschaulichung dienen und nicht beschränkend interpretiert werden sollen.
Claims (19)
1. Optische Multiplex/Demultiplex-Vorrichtung mit den
folgenden Merkmalen:
- ein etalonartiger Aufbau (12) besteht aus zwei im
Abstand zueinander angeordneten hochreflektierenden
Spiegeloberflächen (20, 22), von denen wenigstens eine (22)
teilweise durchlässig ist; die Oberflächen (22, 20) sind im
Betrieb ein wenig von der parallelen Richtung abweichend, um
eine gesteuerte physikalische Differenz in der Pfadlänge an
Stellen zu schaffen, die längs der Oberflächen verteilt
sind;
- ein geblaztes Beugungsgitter (18) auf einer der
reflektierenden Oberflächen;
- ein optischer Wellenleiter (28) und eine
Kollimatorlinse (30) sind vorgesehen, um einen parallelisierten
optischen Strahl in das Etalon (12) einzukoppeln, indem die
Signale in einen Teil einer der reflektierenden Oberflächen
(22) unter einem vorbestimmten Einfallswinkel so gerichtet
werden, daß der Strahl mehrfach zwischen den reflektierenden
Oberflächen (20, 22) hin und her derart reflektiert wird,
daß der Strahl wiederholt auf das Beugungsgitter (18) unter
einem vorbestimmten Winkel derart auftrifft, daß der Strahl
innerhalb des Etalons (12) von einem Ende nach dem anderen
hindurchtritt, wobei das Beugungsgitter (18) so ausgebildet
ist, daß es selbstwirkend die Intensität des
fortschreitenden Signals nur um einen kleinen Prozentsatz jeweils dann
vermindert, wenn die Signale einfallen, und derart, daß der
Strahl unter einem richtigen Winkel entsprechend dem
vorbestimmten Band der optischen Wellenlängen einfällt, so
daß eine Beugung der Strahlen senkrecht zur reflektierenden
Oberfläche (20, 22) auftritt; wobei die Reflexionsfähigkeit
der reflektierenden Oberflächen (20, 22) in der
Größenordnung von 99 % liegt und die Beugungsleistung des Gitters
(18) 1 % beträgt;
- Mittel zur örtlichen Steuerung der optischen Pfadlänge
zwischen den reflektierenden Oberflächen (20, 22) an den
Stellen längs des Etalons, entsprechend jenen Stellen, wo
der Strahl senkrecht zu den Reflexionsoberflächen (20, 22)
gebeugt wurde, um jene Stellen bei einer vorbestimmten
Wellenlänge innerhalb des vorbestimmten Wellenlängenbandes
in Resonanz zu versetzen, wodurch jede der gewählten
Wellenlängen aus jenen Stellen durch die teilweise
durchlässige reflektierende Oberfläche (22) hindurchtritt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche außerdem
Mittel (20,31) aufweist, um den Rest des Strahles aus dem
anderen Ende des Etalons zur weiteren Benutzung aus
zukoppeln.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die
hochreflektierenden Spiege loberflächen beispielsweise durch
Polierverfahren so hergestellt sind, daß sie ein wenig von
der Parallelität abweichen, um die gesteuerten
physikalischen Differenzen in der Pfadlänge an jenen Stellen
hervorzurufen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Mittel
zur Änderung der optischen Pfadlänge zwischen den
reflektierenden Oberflächen (20, 22) Mittel aufweisen, um das
Etalon differentiell zu erhitzen, um den Abstand zwischen
den reflektierenden Oberflächen zu ändern.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Etalon
(12) ein Glasstück mit polierten Oberflächen (11, 16)
aufweist und die reflektierenden Oberflächen des Etalons den
polierten Oberflächen des Glases, die zum Zwecke der
Reflexion überzogen sind (20, 22), gegenüberliegen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher eine (20)
der Reflexionsoberflächen kürzer als die andere (22) ist, um
klare Endabschnitte (24, 26) zu schaffen, durch die die
Signale in das Glasstück ein- und aus diesem ausgekoppelt
werden können.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher das Glas
in einem elektro-optischen Material in der Lage ist, seinen
Brechungsindex zu ändern, um örtlich die optische Pfadlänge
an den Stellen des Etalons zwischen den reflektierenden
Oberflächen zu ändern.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher das
elektro-optische Material aus einer Gruppe ausgewählt ist,
welche Lithiumniobat, Lithiumtantalat, ADP und KDP
enthält.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Mittel
zur Änderung der optischen Pfadlänge zwischen den
reflektierenden Oberflächen an jenen Stellen des Etalons Mittel
aufweisen, um örtlich elektrische Felder anzulegen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die
elektrischen Felder in der Richtung angelegt werden, in der
die optischen Signale durch das Etalon fortschreiten.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die
elektrischen Felder senkrecht zu jener Richtung angelegt
werden, in der die Signale durch das Etalon (12)
fortschreiten.
12. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Mittel
zum Auskoppeln der Signale aus dem Etalon (12) einen
optischen Wellenleiter (29) und eine Linse (31) umfassen, um
die verbleibenden Signale aus dem Etalon (12) zu empfangen
und diese in das Ende des Wellenleiters (29) zu fokussieren.
13. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Mittel
zur Änderung der optischen Pfadlänge an jenen Stellen
Heizeinrichtungen auf gegenüberliegenden Enden (32, 34) des
Etalons (12) aufweisen, um einen Temperaturgradienten zu
erzeugen, der sich in vorbestimmter Weise über die Länge des
Etalons (12) ändert.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche außerdem ein
Feld (33) von Photodetektoren (35) enthält, von denen jeder
über die Stellen angeordnet ist, um ein Signal mit einer
vorbestimmten Wellenlänge zu empfangen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Mittel
zur Änderung der optischen Pfadlänge zwischen den
reflektierenden Oberflächen wenigstens ein Heizelement aufweisen,
das an einem Ende (32, 34) des etalonartigen Aufbaus
angeordnet ist, um dieses differentiell zu erhitzen und den
Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen (20, 22)
einstellbar zu ändern.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der
Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen (20, 22)
des etalonartigen Aufbaus und die Breite des kollimierten
optischen Strahls derart sind, daß der Ausgang, der aus der
Austrittsseite austritt, die Form eines durchgehenden
Wellenlängenbandes besitzt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche außerdem Mittel
(29, 31) aufweist, um den Rest des parallelisierten
Eingangsstrahls auszukoppeln und weiter zu benutzen, nachdem
Teile hiervon abgezogen und durch die Vorrichtung einem
Demultiplexvorgang unterworfen wurden.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche außerdem Mittel
aufweist, um individuelle Signale vorbestimmter Wellenlänge
in die lokalisierten Resonanzstellen der Vorrichtung
einzukoppeln, so daß die Vorrichtung als Multiplexer
arbeiten kann.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, welche außerdem
Mittel aufweist, um parallelisiertes Licht an einer zweiten
Stelle unter einem vorbestimmten Einfallswinkel ein- oder
auszukoppeln, so daß die Vorrichtung vollständig in ihrer
Arbeitsweise umkehrbar ist und entweder als Multiplexer oder
Demultiplexer wirkt.
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