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Die Erfindung bezieht sich auf Wellenleiterkoppler.
Wellenleiterkoppler werden zum Übertragen
elektromagnetischer Strahlung zwischen zwei oder mehr gekoppelten
Wellenleitern verwendet. Zum Beispiel koppeln Wellenleiterkoppler aus
optischen Fasern zwei oder mehr optische Fasern zusammen, so
daß in eine Faser eingeleitetes Licht mindestens zum Teil in
die andere(n) Faser(n) gekoppelt wird. Diese Verfahren sind in
der Veröffentlichung "Optical Waveguide Theory" (Theorie der
optischen Wellenleiter) (Chapman and Hall, London, 1983)
beschrieben.
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Es ist schon versucht worden, Wellenleiterkoppler mit
optischen Fasergittern zu kombinieren, um so ein optisches
Signal wellenlängenselektiv aufzuspalten. Eine solche
Anordnung wäre zum Beispiel zum Spalten eines
wellenlängenteilungsmultiplexierten optischen Kommunikationssignals geeignet und
würde die derzeit verwendeten massiven (nicht aus einer Faser
hergestellten) optischen Vorrichtungen wie zum Beispiel
optische Zirkulatoren ersetzen. In einer Form wird bei diesen
Gitterkopplern ein 50:50-2x2-Richtungskoppler (d.h. bei dem
die Hälfte des in eine der beiden gekoppelten Fasern
eingeleiteten Lichts in die andere Faser gekoppelt wird) mit einem
Fasergitter an einem der Ausgänge des Kopplers verwendet. Das
Fasergitter wirkt dann nämlich als wellenlängenselektiver
Spiegel, der Licht einer bestimmten oder in der Nähe einer
bestimmten Wellenlänge (die "Bragg"-Wellenlänge genannt wird)
reflektiert und Licht anderer Wellenlängen hindurchläßt Das
reflektierte Licht wird wieder in den Koppler zurückgeleitet
und wird noch einmal auf die beiden Fasern aufgeteilt.
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Das Ergebnis bei dieser Anordnung ist, daß mit Bragg-
Wellenlänge in die erste Faser eingeleitetes Licht an einen
der Ausgänge der zweiten Faser zurückreflektiert wird, doch um
75% schwächer ist (da es zweimal durch den 50:50-Koppler
gelangt ist). Das durchgelassene Licht wird auch um 50%
verringert. Zum Beispiel in einem Kommunikationssystem, bei dem
Signale entlang optischer Fasern übertragen werden,
verursachen diese zusätzlichen Verluste größere Einschränkungen bei
der Länge der verwendbaren optischen Fasern, dem Signal-zu-
Rauschen-Verhältnis des empfangenen optischen Signals und/oder
der Anzahl optischer Kanäle, die durch eine einzige Faser
geschickt werden können.
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In einer anderen Form, wie sie in der Veröffentlichung
mit dem Titel "Compact all-fibre narrowband transmission
filter using Bragg gratings" (European Conference on Optical
Communication, ECOC '93 post-deadline paper 12.8, S. 29,
1993), verwenden die Gitterkoppler einen 50:
50-2x2-Richtungskoppler mit Fasergittern an jedem Ausgang des Kopplers. Die
Fasergitter reflektieren Licht der Bragg-Wellenlänge oder nahe
der Bragg-Wellenlänge und lassen Licht anderer Wellenlängen
hindurch. Das reflektierte Licht gelangt zurück in den Koppler
und wird so wieder kombiniert, daß es aus dem zweiten Eingang
des Kopplers hinausgelangt. Damit dies funktioniert, muß die
Rekombination interferometrisch exakt sein, was die
Vorrichtung potentiell gegenüber Umweltveränderungen höchst
empfindlich macht.
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In der EP-A-0 234 828 ist ein Koppler offenbart, bei dem
ein zwischen den beiden Fasern angeordnetes Gitter zu einem
wellenlängenselektiven Gegenrichtungskoppeln führt.
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Erfindungsgemäß ist ein optischer Faserkoppler vorgesehen
mit mindestens einer ersten optischen Faser, die in einem
Kopplungsbereich mit einer zweiten optischen Faser derart
gekoppelt ist, daß mindestens eine Teil der entlang der ersten
optischen Faser geleiteten Strahlung in die zweite optische
Faser gekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
optische Faser ein im Kern der zweiten optischen Faser im
Kopplungsbereich angeordnetes Brechungsgitter aufweist, das
ein Koppeln von Strahlung der für das Brechungsgitter
charakteristischen Wellenlängen von der ersten optischen Faser in
die zweite optische Faser verhindert.
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Die Erfindung löst die oben beschriebenen Probleme, indem
ein wellenlängenselektiver Koppler vorgesehen wird, bei dem
das Koppeln von einer optischen Faser in die andere selektiv
verhindert werden kann, indem ein Brechungsgitter verwendet
wird, das im Kopplungsbereich in der empfangenden optischen
Faser angeordnet ist. Diese Anordnung kann deshalb auch als
"Gitter-Sperr-Koppler" bezeichnet werden. Die am Koppeln
gehinderten Wellenlängen können ähnlich denjenigen sein, die
im "Stop-Band" des Gitters liegen. Durch Steigern der Stärke
des Gitters kann die Kopplungsverhinderung verstärkt werden.
Die wellenlängenselektiven Eigenschaften hängen daher nicht
von mehreren Durchgängen durch einen
Intensitätsteilungskoppler ab, und so kann der Gesamtleistungsverlust, der mit dem
Auswählen eines bestimmten Wellenlängenbereichs einhergeht,
verringert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird im
wesentlichen die gesamte Strahlung, die Wellenlängen hat, die sich von
der Wellenlängencharakteristik des Brechungsgitters
unterscheiden, in die zweite optische Faser gekoppelt. Dadurch wird
dann ein wirkungsvoller Kanal-Ausblend-Filter vorgesehen, bei
dem die charakteristischen Wellenlängen in der ersten
optischen Faser verbleiben und die restliche Strahlung in die
zweite optische Faser gekoppelt wird. Der von der restlichen
Strahlung erfahrene Leistungsverlust ist daher sehr gering.
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Zum Ausgleichen von Störungen der Leitung durch die
beiden optischen Fasern, die durch das Brechungsgitter in der
zweiten optischen Faser verursacht werden, weist die erste
optische Faser in einer bevorzugten Ausführungsform ein im
Kopplungsbereich angeordnetes Brechungsgitter auf, wobei sich
die charakteristischen Wellenlängen des Brechungsgitters in
der ersten optischen Faser von den charakteristischen
Wellenlängen des Brechungsgitters in der zweiten optischen Faser
unterscheiden. Das Brechungsgitter in der zweiten optischen
Faser kann charakteristische Frequenzen haben, die von den
interessierenden Wellenlängen weit entfernt sind, und kann
daher einzig und allein dazu dienen, in den beiden optischen
Fasern ähnliche Propagationsverhältnisse zu schaffen (was
wiederum die Kopplungseffizienz verbessern kann). In
alternativen Ausführungsformen der Erfindung verläuft die erste
optische Faser gleichmäßig oder im wesentlichen gleichmäßig
(d.h. sie hat kein Gitter).
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Eine verbesserte Wellenlängenselektivitätsleistung kann
bei bevorzugten Ausführungsformen dadurch erreicht werden, daß
das Brechungsgitter der zweiten optischen Faser sich über den
Kopplungsbereich hinaus entlang der zweiten optischen Faser
erstreckt. Außerdem wird bevorzugt, daß das Brechungsgitter in
der zweiten optischen Faser im wesentlichen zweimal so lang
ist wie der Kopplungsbereich.
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Bevorzugterweise weist das Brechungsgitter in der zweiten
optischen Faser eine periodische Modulation des Brechungsindex
der zweiten optischen Faser auf. Da einige Verfahren zum
Herstellen solcher periodischer Modulationen auch die Tendenz
haben, den räumlich durchschnittlichen Brechungsindex der
Faser zu erhöhen, wird bevorzugt, daß dies durch die erste
optische Faser (oder zumindest den Kopplungsbereich der ersten
optischen Faser) ausgeglichen wird, die einen höheren
Brechungsindex hat als die zweite optische Faser.
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Ein erfindungsgemäßer Koppler wird besonders vorteilhaft
in Kommunikationsvorrichtungen eingesetzt.
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Die Erfindung wird nun als Beispiel anhand der
Zeichnungen beschrieben, bei denen gleiche Elemente die gleichen
Referenznummern haben. Es zeigt:
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Fig. 1 ein Schema eines Gitter-Sperr-Kopplers,
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Fig. 2 eine Kurvendarstellung, die die Abhängigkeit der
Durchlässigkeit des Kopplers von Fig. 1 von der Gitterstärke
bei der Bragg-Wellenlänge für zwei Gitterlängen zeigt,
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Fig. 3 eine Kurvendarstellung, die die Abhängigkeit der
Reflexionsvermögens des Kopplers von Fig. 1 von der
Gitterstärke bei der Bragg-Wellenlänge für zwei Gitterlängen
zeigt,
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Fig. 4 eine Kurvendarstellung, die die vorhergesagten
Reflexions- und Durchlässigkeitsspektren des Kopplers von
Fig. 1 zeigt, und
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Fig. 5 eine Kurvendarstellung, die die gemessenen
Reflexionsund Durchlässigkeitsspektren des Kopplers von Fig. 1
zeigt.
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Gemäß Fig. 1 weist ein Gitter-Sperr-Koppler zwei
Einzelmoden-Wellenleiter 10, 20 aus optischen Fasern auf, die zum
Bilden eines 2x2-Richtungskopplers angeordnet sind. Die beiden
Fasern sind in entsprechende Glasblöcke 40, 50 eingebaut, und
die Fasern und Blöcke werden dann poliert, wodurch entlang
einer Seite die Faserummantelung weitgehend entfernt wird. Die
Glasblöcke werden dann zusammengespannt, wobei die beiden
freiliegenden Fasern entlang eines Kopplungsbereichs 45 der
Länge LC ausgerichtet werden.
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Die Kerne der beiden optischen Fasern sind in den meisten
Aspekten im wesentlichen identisch, außer daß der Kern der
einen Faser (der Faser 20) ein lichtbrechendes Bragg-Gitter 25
einer Länge LG aufweist. Das Gitter verursacht eine
periodische Modulation des Brechungsindex des Kerns der Faser 20, mit
einer räumlichen Periode Λ und einer Amplitude δn. Der
räumlich durchschnittliche Brechungsindex im Gitter, nav, ist im
wesentlichen gleich dem Index des Kerns der anderen optischen
Faser (der Faser 10).
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Im Betrieb wird Licht eines kontinuierlichen oder
diskreten Spektrums von wellenlängen λ&sub1;+λ&sub2;+λ&sub3; in ein Ende 30
der Faser 10 eingeleitet. Licht einer Wellenlänge λ&sub1;=λB, wobei
λB die Bragg-Wellenlänge des Gitters ist, wird nicht in die
Faser 20 gekoppelt und kommt daher am anderen Ende der Faser
10 wieder heraus. Das restliche des in den Koppler
eingeleiteten Lichts, d.h. λ&sub2;+λ&sub3;..., wird in die Faser 20 gekoppelt.
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Das optische Fasergitter wird durch ein Ultraviolett(UV)-
Schreibverfahren erzeugt, bei dem zwei kohärente Strahlen von
UV-Licht mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die
optische Faser gerichtet werden. Dieses Verfahren ist im Artikel
"Fibre Gratings", Physics World, Oktober 1993 beschrieben. Bei
der Belichtung entstehen in Richtung des Faserverlaufs
Interferenzränder zwischen den beiden Strahlen. Da der
Brechungsindex eines Faserkerns durch eine Belichtung durch starke UV-
Strahlung modifiziert wird, heißt das, daß eine periodische
Modifikation des Brechungsindex des Kerns auftreten wird,
wobei bei Schwingungsbäuchen (Maxima) eine stärkere
Veränderung des Interferenzmusters auftritt als bei den Knoten
(Minima). Die Belichtung mit UV-Licht führt auch dazu, daß der
durchschnittliche Brechungsindex des belichteten Faserkerns
erhöht wird.
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Während der Herstellung des Gitters wird Licht von einer
Breitbandlichtquelle (z.B. einer Leuchtdiode oder
LED-Lichtquelle) in ein Ende der Faser eingeleitet und das
durchgelassene Spektrum am anderen Ende der Faser überwacht. Dadurch
kann der Herstellungsprozeß so lange fortgesetzt werden, bis
die erwünschten Gittereigenschaften geschaffen wurden.
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Die Bragg-Wellenlänge des Gitters ist gegeben durch
λB=2neffΛ, wobei neff der sogenannte Modenindex des Faserkerns
ist. In einiger Entfernung von der Bragg-Wellenlänge wird
Licht im Gitterbereich des Kopplers so weitergeleitet, als ob
es in einem Medium mit gleichmäßigem Brechungsindex nav wäre.
Der Koppler von Fig. 1 ist dann gleich einem Synchronkoppler,
der eine im wesentlichen vollständige Übertragung von Leistung
zwischen den beiden Fasern durchführen kann.
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In der Nähe der Bragg-Wellenlänge, in dem
Spektrumsbereich, der als Stopband bezeichnet wird, hat das Gitter zwei
Auswirkungen auf den Betrieb des Kopplers von Fig. 1: erstens,
es verursacht eine starke Dispersion, wodurch der Koppler
asynchron oder in der Phase nicht abgestimmt wird; und
zweitens, es erzeugt eine Barriere (eine eindimensionale
photonische Bandlücke), die Photonen, die von der Faser 10 in die
Faser 20 durchzutunneln versuchen, abweist.
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Wenn das in der Faser 20 erzeugte Gitter stark genug ist
(d.h. die Amplitude ön der Indexmodulation groß genug ist),
können die beiden oben beschriebenen Effekte die Übertragung
von Lichtenergie im Stopband von der Faser 10 in die Faser 20
ausreichend sperren.
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Daher kann ein Gitter-Sperr-Richtungskoppler, wie er in
Fig. 1 gezeigt ist, als ein ganz aus Fasern gefertigter Kanal-
Sperr-Filter verwendet werden, der Wellenlängen innerhalb des
Gitter-Stopbands durch die Faser 10 hindurchläßt, während
andere Wellenlängen von der Faser 10 in die Faser 20
hinüberwechseln.
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Wellenkopplungstheorie wurde zum Modellieren des Betriebs
des Gitter-Sperr-Kopplers von Fig. 1 verwendet, indem ähnlich
vorgegangen wurde wie bei den sogenannten "grating-assisted
couplers" (gitterunterstützten Kopplern) in der
Veröffentlichung "Theory of Dielectric Optical Waveguides" (Theorie der
dielektrischen Lichtwellenleiter), 2. Ausg., (Academic Press,
1991, Kap. 7, S. 280-293). Diese theoretische Analyse wird nun
beschrieben und dann mit expermintellen Ergebnissen aus Tests
verglichen, die mit Prototypen der vorliegenden
Ausführungsform durchgeführt wurden.
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In der theoretischen Analyse wird das jeweils in den
Fasern 10, 20 weitergeleitete Licht in eine nach vorne und
eine nach hinten gerichtete Welle aufgeteilt. Im
Kopplungsbereich, der eine effektive Länge LC (Fig. 1) hat, tauscht
jedes Paar copropagierender Wellen mit einer
Kopplungskonstante C Energie aus. Im Innern des Gitterbereichs der Länge
LG (Fig. 1) werden die Vorwärts- und Rückwärtswellen der Faser
20 mit einer Kopplungskonstante κ=πδn/λ auch
zusammengekoppelt, wobei X die Vakuumwellenlänge des betreffenden Lichts
ist.
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Angenommen, die Koeffizienten C und κ sind im
Kopplungsbzw. im Gitterbereich konstant, dann kann die Eingangsleistung
an den vier Ausgängen, d.h. T&sub1;, T&sub2;, R&sub1; und R&sub2;, analytisch durch
Lösen von vier gekoppelten Wellengleichungen berechnet werden.
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Zum Erhalten eines fast vollständigen Leistungsaustauschs
zwischen den beiden Fasern außerhalb der Gitterbandbreite
sollte das Produkt CLC gleich einer halben Vielfachen von π
bei der Betriebswellenlänge sein. Damit das Gitter zum Sperren
der Kopplung wirksam wird, sollte nach den Berechnungen die
Kopplungskonstante C im Vergleich zur Gitterkopplungskonstante
κ klein sein. Es ist daher vorzuziehen, den kleinsten Wert von
C zu wählen, der gegeben ist durch CLC=π/2.
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Fig. 2 und 3 sind Kurvendarstellungen, die zeigen, wie
sich die vier Ausgangsleistungen eines Gitter-Sperr-Kopplers
mit der Gitterstärke bei der Bragg-Wellenlänge verändern.
Insbesondere ist Fig. 2 eine Kurvendarstellung, die die
Abhängigkeit der Durchlässigkeit der Kopplers von Fig. 1 von der
Gitterstärke bei der Bragg-Wellenlänge für zwei Gitterlängen
zeigt, und Fig. 3 eine Kurvendarstellung, die die Abhängigkeit
des Reflexionsvermögens der Kopplers von Fig. 1 von der
Gitterstärke bei der Bragg-Wellenlänge für zwei Gitterlängen
zeigt.
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In Fig. 2 bei κ=0 arbeitet die Vorrichtung als ein
herkömmlicher 2x2-Koppler und, da CLC=π/2, findet eine
vollständige Energieübertragung statt, wobei T&sub2;=100%. Bei einem
Erhöhen der Gitterstärke sinkt T&sub2; jedoch auf 0 und T&sub1; tendiert
gegen 100%. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann ein großer Teil des
Eingangslichts auch reflektiert werden. Bei LG=LC erreichen die
reflektierten Signale ein Maximum bei κLC ungefähr gleich 2,
fallen aber dann bei höheren Werten für κLC gegen null ab.
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Es ist klar, daß je stärker das Gitter ist, es desto
besser Licht mit der Bragg-Wellenlänge am Koppeln von der
Faser 10 in die Faser 20 hindern kann.
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Fig. 2 und 3 zeigen außerdem den Effekt des Ausdehnens
des Gitters über den Kopplungsbereich hinaus. Je länger das
Gitter ist, desto schwieriger ist es für Licht, an einem Ende
der Faser 20 auszutreten, und daher ist eine erhebliche
Steigerung von T&sub2; und R&sub2; zu beobachten, wenn die Gitterlänge von LC
auf 2LC verlängert wird. Folglich ist ein größerer Teil der
Leistung an den Ausgängen der Faser 10, wobei R&sub1; bei
schwächeren Gittern bevorzugt wird und T&sub1; bei stärkeren.
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Die Berechnungen lassen erkennen, daß die Bandbreite des
Gitter-Sperr-Kopplers durch die Bandbreite des Gitters allein
ganz gut angenähert werden kann. Fig. 4 ist zum Beispiel eine
Kurvendarstellung, die die berechneten Reflexions- und
Durchlaßspektren in der Nähe der Bragg-Wellenlänge eines Gitter-
Sperr-Kopplers mit κLC ungefähr gleich 3 und LG ungefähr gleich
2LC zeigt. Die Bandbreite des halben Maximums der vollen
Breite (FWHM-Bandbreite) des Durchlaßspektrums T&sub1;, Δλ, ist
ungefähr gleich 0,7 nm, was sehr nahe derjenigen eines Gitters
mit der gleichen Indexmoluation und Lange ist. Dieses Spektrum
hat eine charakteristische Senke in der Mitte, da der vom
Gitter verursachte Phasenabstimmungsfehler an den Rändern des
Gitter-Stopbands Maxima erreicht, die bei λ=λB(1±δn/2neff)
liegen.
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Die verschiedenen Gitterparameter werden so für den
Gitter-Sperr-Koppler gewählt, daß er wie gewünscht als Filter
wirkt. Allgemein wird versucht, bei der Bragg-Wellenlänge T&sub1;
zu maximieren und T&sub2;, R&sub1; und R&sub2; zu minimieren. Für manche,
jedoch nicht alle, Anwendungsgebiete ist es außerdem
wünschenswert, daß die Filterbandbreite so klein wie möglich
ausfällt.
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Die erste der oben genannten Anforderungen kann erfüllt
werden, indem κLC 50 groß wie möglich gemacht wird. Das kann
entweder dadurch geschehen, daß die Indexmodulation groß ist
oder der Kopplungsbereich lang. Die Indexmodulation ist jedoch
nicht nur durch die Lichtbrechung der Faser 20 eingeschränkt,
sondern auch durch die erwünschte Filterbandbreite, da Δλ bei
einem starken Gitter ungefähr gleich δnλB/neff ist. Ein Erhöhen
der Kopplerlänge ist auch Einschränkungen unterworfen. Je
länger ein Koppler ist, desto schwieriger ist es, einen
vollständigen Energieaustausch im Koppler zu erreichen.
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In der Praxis werden die durchschnittlichen Indizes der
beiden den Koppler bildenden Fasern immer ein wenig, Δnav,
voneinander abweichen; für CLC=π/2 ist die maximale
Energieübertragung, die beim Koppler erreichbar ist, (außerhalb der
Gitterbandbreite) dann eingeschränkt auf
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was quadratisch mit LC zunimmt, wenn P nahe 100% ist.
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Unter Berücksichtigung dieser verschiedenen Überlegungen
bei der Auswahl der Parameter wurde ein Prototyp eines Gitter-
Sperr-Kopplers des in Fig. 1 gezeigten Typs erzeugt, indem ein
lichtbrechendes Fasergitter in eine Hälfte eines polierten
Faserkopplers integriert wurde.
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Vor dem Herstellen des Kopplers wurde ein Gitter mit
λB=1535 nm und Δλ=1,1 nm in die Faser 20 geschrieben, indem
die Seite einer mit Germanium/Bor kodotierten optischen Faser
über eine Länge von 15 mm über einen Zeitraum von ungefähr 10
Minuten von zwei interferierenden UV-Strahlen aus einem
Krypton-Fluorid(KrF)-Excimer-Laser bestrahlt wurde. Dadurch
entstand eine Indexmodulation von ungefähr δn=6x10&supmin;&sup4;, und außerdem
wurde der durchschnittliche Index der Faser um ungefähr
8,7±0,3)x10&supmin;&sup4; erhöht, was durch Überwachen der Veränderung der
Bragg-Wellenlänge (wie oben beschrieben) während der
UV-Belichtung geschätzt wurde.
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Damit die durchschnittlichen Indizes der beiden Fasern
bis auf eine Differenz von ungefähr Δnav=6x10&supmin;&sup5; abgestimmt
waren, wurde ein ähnliches Gitter auch in die Faser 10
eingeschrieben, jedoch mit λB=1550 nm. Der Abstand von 15 nm
zwischen den Bragg-Wellenlängen war so groß, daß die beiden
Gitter unabhängig voneinander behandelt werden konnten. (Die
Verwendung von zwei Gittern zum Abstimmen der
durchschnittlichen Faser-Indizes konnte einfach dadurch vermieden werden,
daß anfangs zwei unterschiedliche Fasern ausgewählt wurden und
ein Gitter nur in diejenige der beiden Fasern eingeschrieben
wurde, die den niedrigeren Modenindex hatte.)
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Das Gitter in der Faser 10 ist natürlich nicht
wesentlich, auch wenn es die Abstimmung der beiden Fasern im
Kopplungsbereich verbessern kann. Alternativ könnte der
Kopplungsbereich der Faser 10 in nichtmodulierender Weise mit UV-Licht
belichtet werden, wodurch eine gleichmäßige Steigerung des
Brechungsindex der Faser 10 entstehen würde. Bei anderen
Ausführungsformen braucht die Faser 10 überhaupt nicht
modifiziert zu werden. In diesem Fall könnte die Faser 10 so
ausgewählt werden, daß sie einen ungefähr gleichen Brechungsindex
wie die Faser 20 aufweist, oder möglicherweise könnte der
Index der Faser 10 leicht höher sein als derjenige der Faser
20.
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Nach diesen Belichtungen wurde ein Koppler hergestellt,
indem die Fasern jeweils in einen entsprechenden Glasblock 40,
50 eingebaut wurden und die jeweilige Faser und der jeweilige
Block bis auf 2 um vom Kern poliert wurden. Dies geschah nach
dem Verfahren, das in einem Artikel von M.J.F. Digonnet und
H.J. Shaw in IEEE J. of Quantum Electonics, Bd. 18, 746 (1982)
beschrieben ist.
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Die beiden Blöcke wurden in einer
Präzisionseinspannvorrichtung zur Sub-Mikrometer-Einstellung der Faserausrichtung
zusammengesetzt. Der Krümmungsradius der Fasern in den Blocks
wurde so gewählt, daß eine effektive Kopplungslänge von
ungefähr LC=3 mm entstand, entsprechend einer κLC von ungefähr 3,7.
Gemäß der Gleichtung (1) oben, und angenommen, Δnav ist
ungefähr gleich 6x10&supmin;&sup5;, ermöglicht diese Länge von 3 mm theoretisch
eine Kopplung von mindestens 95%.
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Licht aus einer 1540-nm-Breitband-Leuchtdiode wurde in
die Faser 10 eingeleitet und der Koppler eingestellt, bis die
Ausgangsleistung T&sub2; maximiert war. In der Praxis wurde eine
maximale Kopplung von 97% erreicht, was eine Fehlabstimmung
Anav des durchschnittlichen Indexes von ungefähr 5x10&supmin;&sup5;
anzeigte. Die Wellenlängenausbeute des Kopplers wurde unter
Verwendung einer weißen Lichtquelle und eines
Lichtspektrumsanalysators untersucht. Die Kopplung sinkt in einem um 1535 nm
herum zentrierten Wellenlängenbereich von 100 nm nur um
ungefähr 1% ab.
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Außerdem wurde eine Rückschneide(Kontroll)-Messung
durchgeführt zum Vergleichen der gesamten Leistung aller vier
Ausgänge mit der in die Faser 10 eingeleiteten Leistung; der
zusätzliche Verlust war ungefähr 0,22 dB. Die Leistung der
Vorrichtung wurde weiter dadurch untersucht, daß ein
herkömmlicher 50:50-Koppler zwischen die Leuchtdiode und den Eingang
geschaltet wurde, um auf den Ausgang R&sub1; zugreifen zu können.
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Die an den vier Ein- bzw. Ausgängen gemessenen
kalibrierten Reflexions- und Durchlaßspektren sind in Fig. 5 gezeigt.
Der Ausgang T&sub1; hat ein Maximum von ungefähr 70% und eine
Bandbreite von ungefähr 0,7 nm. Das Spektrum weist die
charakteristische Senke in der Mitte auf, die durch die Berechnungen
vorhergesagt wurde. In einiger Entfernung von der
Bragg-Wellenlänge (λB=1534,7 nm) fällt die Durchlässigkeit auf ungefähr
3% ab, was einem Auslöschungsverhältnis von 13 dB entsprach.
Das andere Durchlaßspektrum, T&sub2;, hat eine Bandbreite von 1,0
nm und eine Auslöschung von 18 dB (1,6 % Durchlässigkeit) bei
der Bragg-Wellenlänge. Die Senke in der Durchlässigkeit bei
1533 nm kommt von einer resonanten Kopplung in eine
Ummantelungsmode. Das reflektierte Signal R&sub1; ist größer als erwartet
mit einer hervorstehenden Eigenschaft bei 1534,2 nm, während
R&sub2; bei allen Wellenlängen klein bleibt, mit einem Maximum bei
1535,2 nm.
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Ein Vergleich der in Fig. 5 gezeigten Kurven mit den in
Fig. 4 gezeigten Kurven ergibt für LC=2,5 mm, LG=5 mm und
δn=6x10&supmin;&sup4; eine gute theoretische Übereinstimmung der gemessenen
Spektren. Die zu beobachtenden Diskrepanzen kommen
hauptsächlich von der Nichtgleichmäßigkeit der Indexmodulation und des
durchschnittlichen Indexes entlang des Gitterbereichs, was
durch räumliche Intensitätsveränderungen des UV-Schreibstrahls
verursacht sein kann. Der Reflexionspeak bei 1534,2 nm rührt
vermutlich von einem unterbelichteten Gitterbereich außerhalb
des Kopplungsbereichs her. Das würde auch erklären, warum der
Hauptpeak im T&sub1;-Spektrum enger ist als die Senke im
T&sub2;-Spektrum.
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Zusammenfassend kann ein Gitter-Sperr-Koppler des
beschriebenen Typs als ein ausschließlich aus Fasern
hergestellter Kanalausblendfilter verwendet werden. Der Gitter-Sperr-
Koppler funktioniert nach dem Prinzip, daß in einem engen
Bereich von Wellenlängen, die dem Gitter-Stopband entsprechen,
ein Koppeln durch ein starkes Gitter verhindert wird, das den
Koppler verstimmt und eine eindimensionale photonische
Bandlücke schafft. Die Theorie über gekoppelte Wellen hat eine
Beschreibung der Eigenschaften von Gitter-Sperr-Kopplern
geliefert, wodurch praktische Grenzen bei der Wahl von
Konstruktionsparametern gegeben sind.
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Die auf den oben beschriebenen Gitter-Sperr-Koppler
angewendeten Verfahren könnten auch auf planare optische
Geometrie und andere Gebiete der Wellenleitertechnik, wie z.B.
Mikrowellen-Wellenleiter angewendet werden. Außerdem können
die Wellenleiterkoppler in Kommunikationsvorrichtungen, wie
z.B. in optischen Kommunikationsvorrichtungen verwendet
werden. In einem Wellenlängen-Teilungs-Multiplexiersystem kann
z.B. signalmoduliertes Licht einer Anzahl diskreter
Wellenlängen
unter Verwendung konventioneller Richtungskoppler in ein
einziges optisches Signal kombiniert werden und dann über eine
optische Faser an eine Empfängervorrichtung geschickt werden.
In der Empfängervorrichtung könnten dann unter Verwendung
eines oder mehrerer oben beschriebener Wellenleiterkoppler die
diskreten Wellenlängen zum getrennten optischen Empfang und
Dekodieren separiert werden. Diese könnten in Reihe angeordnet
sein, so daß der Ausgang der Faser 10 in einem Koppler (d.h.
in der alles außer dem ausgewählten Wellenlängenbereich
geleitet wird) mit dem Eingang 30 der Faser 10 des nächsten
Kopplers verbunden wird. In jedem Koppler wird durch die
entsprechende Faser 20 ein ausgewählter Wellenlängenbereich
herausgenommen.