CZ20002184A3 - Integrovaný dvousměrný multiplexor s dělením vlnových délek a s axiálním gradientem indexu lomu/ohybovou mřížkou - Google Patents

Abstract

Multiplexor s dělením vlnových délek integruje prvek s axiálním gradientem indexu lomu s ohybovou mřížkou. Zařízení zahrnuje a) prostředek pro přijetí alespoň jednoho optického paprsku (14) z optického zdroje, (b) propojovací podsystém, zahrnující 1) kolimační čočku (26, 26') s axiálním gradientem indexu lomu, 2) zaváděcí čočku (24, 28) s homogenním indexem, c) ohybovou mřížku (22), vytvořenou na planárním výstupním povrchu propojovacího podsystému a d) prostředek pro výstup alespoň jednoho multiplexovaného polychromatického výstupního paprsku do optického přijímače.

Description

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká obecně čoček s axiálním gradientem indexu lomu, přičemž zejména se týká čoček s axiálním gradientem indexu lomu, které se používají v multiplexních aplikacích s dělením vlnových délek.

θ Tato přihláška vynálezu souvisí se dvěma dalšími přihláškami vynálezu, z nichž první má název Integrovaný dvousměrný duální multiplexor s dělením vlnových délek a s axiálním gradientem indexu lomu/ohybovou mřížkou [D-97031] a druhá má název Integrovaný dvousměrný multiplexor s dělením vlnových délek a s gradientem indexu lomu [D-97032], které byly obě podány ve stejném datu s touto přihláškou a stejným přihlašovatelem. Tato přihláška a obě související přihlášky se všechny týkají multiplexorů s dělením vlnových délek a liší se přítomností nebo nepřítomností ohybové mřížky a θ počtem prvků s gradientem indexu lomu.

Dosavadní stav techniky

Multiplexing s dělením vlnových délek (WDM) je rychle se rozvíjející technologie, která umožňuje značné zvýšení celkového objemu dat, který může být přenášen přes optická vlákna. Obvykle byla většina optických vláken používána pouze pro jednosměrný přenos jednoho datového kanálu na jedné vlnové délce. Základní koncepcí WDM je zavádět a vybírat množství datových kanálů do respektive z optického vlákna. Každý datový kanál je přenášen na unikátní vlnové délce a vlnové délky jsou vhodně voleny tak, že kanály vzájemně spolu • · &

neinterferujί, a ztráty vlákna při optickém přenosu jsou nízké. V současnosti existují komerční WDM systémy, které umožňují přenos 2 až 32 současných kanálů.

WDM je cenově nenáročný způsob zvýšení objemu dat (běžně označován jako šířka pasma), přenášeného přes optická vlákna. Alternativní konkurenční technologie pro zvýšení šířky pásma zahrnují začlenění přídavného kabelu s optickými vlákny nebo zvýšení přenosové rychlosti optického vlákna. Začlenění přídavného kabelu s optickými vlákny stojí řádově 'θ 15 000 až 40 000 dolarů na km. Zvýšení přenosové rychlosti optického vlákna je zvýšení omezené rychlostí a cenou elektronických prvků obklopujících systém optických vláken. Jednou z primárních strategií pro elektronické zvýšení šířky pásma bylo použití multiplexu s časovým dělením (časový multiplex) (TDM), který seskupuje nebo multiplexuje množství nízkorychlostních elektronických datových kanálů společně do jednoho vysokorychlostního kanálu. Tato technologie byla po uplynulých 20 let velmi efektivní pro zvýšení šířky pásma, nyní je ale stále více obtížné zlepšit přenosové rychlosti,

Ω jak z technologického tak i z ekonomického hlediska. WDM nabízí potenciál jak pro technologické tak i pro ekonomické řešení pro zvýšení šířky pásma prostřednictvím využití mnoha paralelních kanálů. WDM není v rozporu s TDM, což znamená, že WDM může umožnit mnoha současným vysokorychlostním přenosovým k_análům, aby byly přenášeny přes jedno optické vlákno.

Použití WDM pro zvýšení šířky pásma vyžaduje dvě základní zařízení, která jsou koncepčně symetrická. Prvním zařízením je multiplexor s dělením vlnových délek. Toto zařízení pracuje s množstvím paprsků - z nichž každý má 30 diskrétní vlnovou délku a které jsou zpočátku prostorově • ·· · ·· oddělené v prostoru - a vytváří prostředek pro prostorovou kombinaci všech paprsků s různými vlnovými délkami do jednoho polychromatického paprsku vhodného pro zavedení do optického vlákna. Tento multiplexor může být zcela pasivním optickým zařízením nebo může obsahovat elektroniku, která řídí nebo monitoruje provoz multíplexoru. Vstup do multiplexoru je obvykle zajišťován optickými vlákny, mohou být ale použity laserové diody nebo jiné optické zdroje. Výstupem z multiplexoru je obvykle optické vlákno.

θ Podobně druhým zařízením pro WDM je demultiplexor s dělením vlnových délek. Toto zařízení je funkčně opačné multiplexoru; to znamená, že přijímá polychromatický paprsek vstupující z optického vlákna a vytváří prostředek pro prostorové oddělení vlnových délek. Výstup demultiplexoru je obvykle propojen s optickými vlákny nebo fotodetektory.

V průběhu posledních 20 let byly navrženy a demonstrovány různé typy WDM; viz například (1) W.J. Tomlinson, Applied Optics, svazek 16, č. 8, strany 2180 2194 (srpen 1977); (2) A.C. Livanos a kol., Applied Physics

Letters, svazek 30, č. 10, strany 519 - 521 (15. května

1977); (3) H. Ishio a kol., Journal of Lightwave Technology, svazek 2, č. 4, strany 448 - 463 (srpen 1984); (4) H. Obara a kol, Electronics Letters, svazek 28, č. 13, strany 1268 1270 (18. června 1992); (5) A.E. Willner a kol, IEEE

Photonics Technology Letters, svazek 5, č. 7, strany 838 841 (červenec 1993); a (6) Y.T. Huang a kol., Optics Letters, svazek 17, č. 22, strany 1629 - 1631 (15. listopadu 1992).

Přes všechny shora zmiňované přístupy, konstrukce a q technologie existuje ale stále reálná potřeba WDM zařízení, které má všechny vlastnosti z následujícího výčtu: nízká cena, integrace součástek, stabilita v prostřední a teplotní stabilita, málo přeslechů mezi kanály, nízké signálové ztráty kanálů, snadné propojení, velký počet kanálů a úzké mezery mezi kanály.

Podstata vynalezu

Podle předkládaného vynálezu kombinuje multiplexor nebo demultiplexor s dělením vlnových délek prvek s axiálním gradientem indexu lomu s ohybovou mřížkou pro vytvoření integrovaného, dvousměrného multiplexního nebo demultiplexního zařízení s dělení vlnových délek. Pro jednoduchost bude podrobně diskutována funkce demultiplexoru; tento rozbor předkládaného vynálezu bude ale rovněž přímo použitelný pro demultiplexor v důsledku symetrie funkce multiplexoru a demultiplexoru.

Multiplexní zařízení podle předkládaného vynálezu zahrnuje:

(a) prostředek pro přijetí množství optických vstupních paprsků, obsahujících alespoň jednu vlnovou délku, _z optických vláken nebo jiných optických zdrojů, jako jsou lasery nebo laserové diody, přičemž tento prostředek obsahuje planární čelní povrch, na který optické vstupní světlo dopadá a který je vhodný pro spojení se vstupními optickými vlákny nebo pro integraci s dalšími zařízeními;

(b) propojovací podsystém zahrnující (1) kolimační čočku s axiálním gradientem indexu lomu, provozně sdruženou s planárním čelním povrchem a (2) zaváděcí čočku s homogenním indexem lomu, připojenou ke kolimační čočce s axiálním gradientem indexu lomu a mající planární, ale šikmý zadní povrch;

• ·· • · (c) v podstatě Littrowovu ohybovou mřížku provozně sdruženou se zaváděcí čočkou s homogenním indexem lomu, vytvořenou na nebo připojenou k planárnímu výstupnímu povrchu propojovacího podsystému, která kombinuje množství prostorově oddělených vlnových délek do alespoň jednoho polychromatického optického světelného paprsku a odráží kombinovaný optický paprsek zpět do propojovacího podsystému ve v podstatě stejném úhlu jako dopadající paprsky;

(d) doplňkové pole elektrooptických prvků pro lámání množství vlnových délek pro vytvoření směrovacích nebo přepojovacích funkcí pro kanály; a (e) prostředek pro výstup alespoň jednoho multiplexovaného, polychromatického výstupního paprsku pro alespoň jedno optické vlákno, přičemž tento prostředek je umístěn ve stejném vstupním povrchu, jako bylo uvedeno v odstavci (a).

Zařízení podle předkládaného vynálezu může být provozováno buď v dopředném směru pro zajištěni multiplexní funkce nebo v obráceném směru pro zajištění demultiplexní funkce.

Navíc je zařízení podle předkládaného vynálezu ve své podstatě plně dvousměrné a může být použito současně jako multiplexor a demultiplexor pro aplikace, jako jsou síťová propojení nebo uzly, které distribuují kanály do různých 25 oblastí sítě. WDM zařízení podle předkládaného vynálezu na bázi čočky s axiálním gradientem indexu lomu a na bází ohybové mřížky jsou zcela unikátní, protože obsahují jednu nebo více zaváděcích čoček s homogenním indexem, , které umožňují integraci všech optických komponentů do jednoho integrovaného zařízení. To značně zvyšuje robustnost, fl fl • flflfl flfl stabilitu v prostředí a teplotní stabilitu při současném vyloučení zavádění vzduchových prostorů, které způsobují zvýšenou citlivost na vzájemný zákryt, složitost balení zařízení a cenu.

Navíc zaváděcí čočky s homogenním indexem zajišťují velké planární povrchy pro montáž zařízení, vyrovnání zákrytu a integraci přídavných funkcí zařízení. Použití čoček s axiálním gradientem indexu lomu umožňuje velmi vysoký výkon zobrazení oproti čočkám s tradičními sférickými povrchy, čímž je zajištěno ohybově omezené optické zobrazení potřebné pro WDM aplikace. Navíc čočky s axiálním gradientem indexu lomu jsou vyráběny s vysokou kvalitou s nízkou cenouAlternativně by mohly být použity čočky asférických tvarů namísto čoček s axiálním gradientem indexu lomu, kolimační výkon je ale stejný a přitom je značně obtížné vytvořit jednodílné integrované zařízení s asférickými povrchy. Navíc asférické čočky jsou obvykle velmi drahé a trpí zdvojovanými odrazy, které jsou velmi nežádoucí.

Integrace WDM zařízení umožňuje vytvořit systém, který je kompaktní, robustní, stabilní v prostřední a tepelně stabilní. Přesněji integrace komponentů do pevného bloku udržuje komponenty v zákrytu, což zajišťuje dlouhodobý provoz na rozdíl od neitegrovaných zařízení se vzduchovými prostory, které obvykle ztrácejí kvalitu zákrytu a tudíž patřičný výkon v průběhu času.

Celkově předkládaný vynález znamená nový přístup pro

WDM. Použití optických čoček ve spojení s ohybovou mřížkou umožňuje, aby všechny vlnové délky byly multiplexovány současně a zpracovávány jednotně. To je rozdíl oproti méně výhodným sériovým WDM přístupům, které využívají mřížky na • » · · © ♦ · * ««·· • ·« · · ·· ···· • · · · · ·· · · · 9 9 · • 9 · ···· ····

9999 99 99 *· · · ·· bázi interferenčního filtru nebo vláknové Braggovy mřížky.

Takové sériové WDM přístupy trpí značnými optickými ztrátami, přeslechy, ztrátou zákrytu a vytvářením tepla. Navíc ve srovnání s ostatními paralelními multiplexními přístupy, jako jsou zařízení s polem vlnovodných mřížek, propojovacích prostředky s tavenými vlákny nebo propojovací prostředky se stromovými vlnovody, předkládaný vynález provádí oddělování vlnových délek volně uvnitř skla oproti provádění uvnitř ztrátových vlnovodných struktur. Předkládaný vynález tudíž představuje podstatné výhody, pokud se týká nízkých optických signálových ztrát v zařízení a snadnosti montáže a vzájemného zákrytu, ve srovnání s dosavadním stavem techniky.

Další cíle, znaky a výhody předkládaného vynálezu budou zřejmé po pročtení a pochopení následujícího detailního τ 5 popisu ve spojení s odkazy na připojené výkresy, na kterých stejné vztahové značky označují stejné znaky pro všechny obrázky. Osobám v oboru znalým by mělo být zcela zřejmé, že další cíle, znaky a výhody, které nejsou výslovně diskutovány v tomto popisu, jsou tomuto vynálezu vlastní a vyplývají z jeho podstaty.

Výkresy připojené k tomuto popisu je třeba chápat jako kreslené mimo měřítko, pokud není specificky uvedeno j inak.

Přehled obrázků na výkresech

Obr.1 znázorňuje schematický bokorys (obr. la) a schematický půdorys (obr. lb) multiplexního zařízení s dělením vlnových délek podle předkládaného vynálezu, s čočkami s axiálním gradientem indexu lomu, s v podstatě ···· ··

Littrowovou ohybovou mřížkou, a s množstvím vstupů z optických vláken multiplexovaných do jednoho výstupu z optického vlákna;

Obr.2a znázorňuje perspektivní pohled na část zařízení podle obr. 1, který ilustruje detail vstupních a výstupních optických propojení se zařízením;

Obr.2b znázorňuje perspektivní pohled na vstupní část zařízení podle obr. 1, který ilustruje ¹⁰ alternativní vstupní uspořádání, u kterého je vstupem pole laserových diod;

Obr.2c znázorňuje perspektivní pohled na část zařízení podle obr. 1, který ilustruje alternativní výstupní uspořádání pro demultiplexní zařízení, u kterého je výstupem pole fotodetektorů;

Obr. 3 znázorňuje schematický bokorys (obr. 3a) a schematický půdorys (obr. 3b) podobný zařízení podle obr. 1, ale vypouštějící zaváděcí čočkový prvek s homogenním indexem mezi vstupem a kolimačními čočkami s axiálním gradientem indexu lomu;

Obr. 4 znázorňuje perspektivní pohled na část zařízení podle obr. 1, ale obsahující pole elektrooptických prvků řídících paprsek (paralelních se směrem mřížky) pro individuální řízení paprsku každého vstupního kanálu do výstupního portu z vlákna;

• tf » « • tf

Obr.5a, obr. 5b, a obr. 5c znázorňují grafy závislosti intenzity na vlnové délce, které ilustrují různé profily intenzity pro různá uspořádání multiplexoru podle předkládaného vynálezu;

Obr. 6 znázorňuje perspektivní pohled na část zařízení podle obr. 1, podobný pohledu na obr. 2a, ale obsahující pole elektrooptických prvků pro řízení paprsku (kolmo ke směru mřížky) pro individuální řízení paprsku každého vstupního kanálu do výstupního portu z vlákna;

Obr. 7 znázorňuje perspektivní pohled na část zařízení podle obr. 1, podobný pohledu na obr. 2a, ale obsahující elektrooptický prvek pro řízení paprsku pro individuální řízení paprsku každého vstupního kanálu do výstupního portu z vlákna; a

Obr. 8 znázorňuje perspektivní pohled na část zařízení podle obr. 1, ale využívající dva multiplexory pro provádění funkce blokování kanálů prostřednictvím začlenění elektrooptického blokovacího pole na vstupním čele jednoho multiplexoru.

Příklady provedení vynálezu

V následujícím popisu budou detailně rozebrána specifická provedení předkládaného vynálezu, která ilustrují nej lepší způsoby uvedení vynálezu do praxe, jak je v současnosti předpokládáno předkladateli vynálezu. Stručně

4 ·· • 4 • 44

4 4 4 44 4 4 44 4

4444 44 4« 44 44 44 budou rovněž popsána alternativní provedení, jako rovněž použitelná.

Obr. 1 znázorňuje dva pohledy na výhodné provedení předkládaného vynálezu, které představuje multiplexní zařízení s dělením vlnových delek s axialmm gradientem indexu lomu/ohybovou mřížkou. Přesněji obr. Ia ilustruje bokorys zařízení, zatímco obr. lb ilustruje půdorys tohoto zařízení.

Zařízení 10 podle prvního provedení pracuje s polem vstupních vláken s N diskrétními vlnovými délkami světla a prostorově je kombinuje do jednoho optického paprsku 16 a vydává tento jeden paprsek do jednoho výstupu 18 optického vlákna. Každá vlnová délka přenáší informace, které jsou na ni naloženy prostřednictvím dalších prostředků, které zde 15 nejsou znázorněny a které netvoří součást tohoto vynálezu, ale jsou v oboru obecně dobře známé.

Zařízení 10 dále zahrnuje propojovací prvek 20; přičemž na výstupním povrchu 20b tohoto propojovacího prvku

2Q je vytvořena nebo uložena v podstatě Littrowova ohybová mřížka 22 . Tato v podstatě Littrowova ohybová mřížka 22 zajišťuje jak funkci úhlového rozptylu optických paprsků s odlišnou vlnovou délkou tak i funkci odrazu optických paprsků zpět v téměř stejném úhlu, jako je úhel dopadu.

V předkládaném vynálezu je ohybová mřížka 22 použita pro vytvoření úhlového rozptylu, jehož velikost závisí na vlnové délce každého dopadajícího optického paprsku. Navíc je ohybová mřížka 22 orientována ve speciálním úhlu vzhledem k optické ose zařízení 10., aby se dosáhlo podmínky Litrowova ohybu pro jednu vlnovou délku, která leží v nebo v blízkosti φ φ φ · φ · · » φ φφ φ • ΦΦ φφφφ φφφφ φφ φφφ φφ φφφ φφ φ φ φφ φφφφ φφφφ • ΦΦΦ φφ φφ φφ φφ φφ rozsahu vlnových délek pro množství přítomných optických paprsků. Tato podmínka Littrowova ohybu vyžaduje, aby světelný paprsek dopadal a byl odrážen zpět od mřížky ve stejném přesném úhlu. osobám v oboru znalým tudíž bude zcela zřejmé, že v podstatě Littrowova ohybová mřížka je použita pro získání v podstatě Littrowova ohybu pro každou z množství přítomných vlnových délek .

Úhel Littrowova ohybu je určen obecně dobře známým vzorcem:

πιλ = dtsiníaj kde m je řád ohybu, λ je vlnová délka, d je vzdálenost drážek ohybové mřížky, a a_A je stejný úhel dopadu a ohybu. Osobám v oboru znalým by mělo být zcela zřejmé, že ohybový úhel mřížky závisí na množství proměnných, které mohou být měněny podle potřeby pro optimalizaci výkonu zařízení. Proměnné ovlivňující ohybový úhel mřížky zahrnují, například, požadovaný řád ohybu mřížky, úhel oslnění mřížky, počet kanálů, prostorové oddělení kanálů a rozsah vlnových délek zařízení.

Propojovací prvek 20 zahrnuje první zaváděcí čočku 24 s homogenním indexem spojenou s nebo připojenou ke kolimační čočce 26 s axiálním gradientem indexu lomu. Tato kolimační čočka s axiálním gradientem indexu lomu je dále spojeno s nebo připojena k druhé zaváděcí čočce 28 s homogenním indexem. Spojení nebo připojení je provedeno s použitím optického tmelu nebo prostřednictvím jiné opticky transparentní spojovací techniky. V tomto prvním provedení je pole 12 optických vláken 12' umístěno tak, že světlo vystupující z konců optických vláken 12/ dopadá na vstupní ·« ·* • ·« ·· 44 ► · « I ► · · ι

9494 94 » · 4 4 ·· ·· » · · 1 ·· 94 povrch 20a propojovacího prvku 20. Každé vlákno 12/ zajišťuje světelný paprsek s diskrétní vlnovou délkou.

Obr. 2a znázorňuje detaily spojení pole 12 vstupních vláken s propojovacím prvkem 20 a zavádění množství optických paprsků 14 do něj, jednoho pro každé vlákno 12', s použitím vhodného propojení/spojky 30. Podobně je kombinovaný optický paprsek 16 propojen do jednoho výstupu 18 z vlákna prostřednictvím vhodné propojovací spojka 32. Takové propoj ení/spoj ky 30., 32 jsou obecně dobře známé v oboru a netvoří součást tohoto vynálezu.

Množství prostorově oddělených světelných paprsků 14 vstupuje do první zaváděcí čočky 24 s homogenním indexem, kde je jim zvětšen průměr. Následně toto množství světelných paprsků 14 vstupuje do první kolimační čočky 26 s axiálním gradientem indexu lomu, kde jsou kolimovány a potom vedeny skrz druhou zaváděcí čočku 28 s homogenním indexem. Na výstupním povrchu 20b druhé zaváděcí čočky 28 s homogenním indexem jsou kolimované světelné paprsky odráženy prostřednictvím v podstatě Littrowovy ohybové mřížky 22, která odstraňuje úhlové oddělení uvnitř množství světelných paprsků 14 a vytváří jeden světelný paprsek 16, který v sobě obsahuje množství vlnových délek. Tento jeden světelný paprsek 16 prochází zpět skrz propojovací prvek 20 v obráceném směru (nejprve skrz druhou zaváděcí čočku 28 s homogenním indexem, potom skrz kolimační čočku 26 s axiálním gradientem indexu lomu a nakonec skrz první zaváděcí čočku 24 s homogenním indexem) . Jeden zaměřený světelný paprsek 16. potom dopadá na výstup 18 optického vlákna připojeného ke vstupnímu povrchu 2Qa první zaváděcí čočky 24 s homogenním indexem propojovacího prvku 20.

9 «9

9 · <

• 9« • ·· • 9 » 9 9 9 » 9 9 9

9* 99

MM 9«

V druhé zaváděcí čočce 28 s homogenním indexem je výstupní povrch 20b vytvořen se zkosenou hranou se stejným úhlem, jako je úhel Littrowova ohybu, daný rovnicí uvedenou výše. Úhel zkosení je přibližně osově paralelní s osou ohybové mřížky 22.

Ohybová mřížka 22 je vytvořena na vzdáleném výstupním povrchu 20b propojovacího prvku 20. Může být vytvořena prostřednictvím množství různých technik, jako je třírozměrný hologram v polymerním médiu, který může být připojen k výstupnímu povrchu 20b, například optickým tmelem. Alternativně může být ohybová mřížka 22 vyryta na výstupním povrchu 20b prostřednictvím mechanického rycího přístroje nebo prostřednictvím jiných technik či technologií v oboru obecně dobře známých. Vyrytá ohybová mřížka 22 by mohla být vytvořena přímo na výstupním povrchu 20b nebo by mohla být vytvořena na samostatném planárním materiálu, jako je polymer, sklo, křemík a podobně, který je zajištěn ke konci propojovacího prvku 20, opět prostřednictvím optického tmelu.

Za účelem zabránění multiplexovanému výstupnímu paprsku 16 (polychromatický paprsek), aby se odrazil přímo zpět do pole vstupních paprsků, jsou vstupní pole a výstupní vlákno symetricky odděleny mírně od centrální osy čoček. Alternativně je vytvořen malý (obecně menší než 3.°) náklon v druhé zaváděcí čočce 28 s homogenním indexem. Tento malý náklon je vytvořen prostřednictvím otočení zadního povrchu druhé zaváděcí čočky 28 s homogenním indexem kolem osy, která prochází kolmo vzhledem ke směru rytí ohybové mřížky 22.

Tento náklon prostorově odděluje výstup 18 a vstupní pole 12 pro účinné a snadné připojení a odpojení zařízení 10. V provedení znázorněném na obr. 1 a na obr. 2a je znázorněno • 0 ·0

0 00

00 množství optických vláken 12/, která zahrnuje pole 12, a výstup 18 z optického vlákna. Opět v důsledku náklonu druhé zaváděcí čočky 28 s homogenním indexem, jsou množství vstupních optických vláken 12 a optický výstup 18 mírně prostorově odděleny na prvním vstupním povrchu 20a první zaváděcí čočky 24 s homogenním indexem.

V provedení, znázorněném na obr. 1, může být namísto množství optických vláken 12/ použito pro vytvoření optických vstupních paprsků 14 pro multiplexní zařízení 10 s dělením vlnových délek použito množství laserových diod 34, znázorněných na obr. 2b. Pole laserových diod 34 může být buď s přilehnutím spojeno s WDM zařízením 10, může být podélně oddáleno, nebo může mít vhodné zaostřovací čočky umístěné mezi výstupním čelem a polem laserových diod pro vytvoření nej lepšího propojení a nejmenší velikosti signálových ztrát nebo přeslechů.

V druhém provedení může být zařízení 10., znázorněné na obr. 1, jako pro všechna zde popisovaná zařízení provozováno v obráceném uspořádání s jedním vstupem 18 z optického vlákna, který přivádí jeden polychromatický světelný paprsek 16 nesoucí množství kanálů s diskrétními vlnovými délkami. Kanály jsou prostorově odděleny prostřednictvím demultíplexní funkce zařízení 10 pro výstup na množství optických vláken 12/. Každé výstupní optické vlákno 12. nese pouze jeden kanál s diskrétní vlnovou délkou. Funkčně v tomto provedení demultiplexor zajišťuje naprosto shodnou, ale opačnou funkci, než multiplexní zařízení 10 popisované ve spojení s odkazy na obr. 1. V provedení demultiplexoru může být namísto množství optických vláken 12. pro zajištění výstupů pro optické paprsky pro demultiplexor s flfl • · « · • 99 • flflfl flfl • fl > · fl «

I flfl « > flfl I » flfl <

• · flfl fl fl dělením vlnových délek použito množství fotodetektorů 36, znázorněných na obr. 2c. Pole fotodetektorů 36 může být buď s přilehnutím spojeno s WDM zařízením 10, může být podélně oddáleno, nebo může mít vhodné zaostřovací čočky umístěné mezi výstupním čelem a polem fotodetektorů pro zajištění nejmenší velikosti signálových ztrát nebo přeslechů.

Ve třetím provedení, znázorněném ve dvou pohledech na obr. 3, je první zaváděcí čočka 24 s homogenním indexem odstraněna pro vytvoření kompaktnějšího zařízení nebo pro θ zařízení, kde použití první zaváděcí čočky s homogenním indexem není nezbytné pro zajištění odpovídajícího výkonu. Obr. 3a znázorňuje bokorys zařízení, zatímco obr. 3b znázorňuje jeho půdorys. V tomto provedení má čočka 2 6' s axiálním gradientem indexu lomu planární výstupní povrch 20a pro přímé spojení s množstvím vstupů 12' a s jedním výstupem z optického vlákna. Alternativní realizace (není znázorněna) tohoto třetího provedení by zahrnovala vzduchový prostor mezi vstupním množstvím optických vláken 12 ' nebo laserových diod 34 a čočkou 26' s axiálním gradientem indexu θ lomu. Zavedení vzduchového prostoru ale není výhodným provedením, protože to zvětšuje složitost montáže a vyrovnání multiplexního zařízení 10 a bylo by vystaveno větší nestabilitě v prostředí a větší tepelné nestabilitě oproti přístupu integrovaného bloku podle výhodných provedení předkládaného vynálezu. Všechny prvky tohoto třetího provedení jsou spojeny nebo propojeny s použitím optického tmelu nebo jiných opticky transparentních spojovacích technik.

Ve čtvrtém provedení, znázorněném na obr. 4, je pole nelineárních elektrooptických prvků 38 integrováno pro

ΦΦ φφ φφ φφ ·Φ φφ φφφφ φφφφ φφφφ Φ·Φ φφφφ φφφφ φφ φφφ φφ φφφ φφ φ φ φφ φφφφ φφφφ ··«· φφ φφ φφ φφ φφ vytvoření funkce pro selektivní směrování multiplexovaného světelného paprsku 16 do několika možných kolineárních výstupů 18a, 18b, 18c, 18d, 18e z vláken. To je obzvláště výhodné pro optické sítě, ve kterých multiplexní zařízení 10 s dělením vlnových délek může zajišťovat současné funkce integrovaného multiplexu a směrování. Pole elektrooptických prvků 38 je elektricky řízeno tuhým optickým materiálem, ve kterém index odrazu může být modifikován prostřednictvím změny elektrického proudu přiváděného do materiálu. Takové elektrooptické prvky jsou v oboru obecně dobře známé; přičemž příklady materiálů zahrnují niobát lithný a určité polymerní materiály.

Výstupní pole 18 je odděleno od povrchu 20a přídavným oddělovacím tělískem nebo čirým blokem 40, tento čirý blok 40

5 přitom zajišťuje pouze určité oddálení pro pole elektrooptických prvků 38 řídících paprsek pro umožnění snadného vstupu a výstupu propojení.

Změna v indexu lomu je využita pro zvětšení nebo zmenšení úhlu šíření světla (vzhledem ke směru gradientu elektrooptíckého materiálu). Je velmi žádoucí použít elektrooptické prvky pro nezávislé posunutí polohy světelných paprsků 14 do libovolného výstupu 18 vlákna. Směr posunutí je paralelní se vstupem 12 ' a výstupním polem 18 . Jak je znázorněno na obr. 4, je pole elektrooptických prvků 3j3 použito pro směrování výstupu do jednoho z množství možných výstupů 18a, 18b, 18c, 18d, 18e z vláken. Množství výstupů 18a, 18b, 18c, 18d, 18e optických vláken je kolineární. Mělo by být zcela zřejmé, že ačkoliv je znázorněno pět takových výstupních optických vláken, vynález není omezen pouze na

.. , tento počet a v praxi podle předkládaného vynálezu muže být ν· ·* ·* ·* ·· β« ···« ···· · · β · • ♦· · · ·· « 9 9 9

4 » · · · · ··· · · 4

9 9 4 4 4 4 4 4 4 9

4449 44 99 49 44 49 využit jakýkoliv smysluplný počet výstupních optických vláken.

Alternativní páté provedení vynálezu by využilo zařízení ve stejném směru jako demultiplexní a směrovací zařízení, ve kterem každé vlákno 12 přivádí množství ' vlnových délek, které jsou demultiplexovány a je jimi řízen paprsek do výstupního pole 18 vláken. Výhodná orientace elektrooptického prvku 38 je taková, že prostorová změna na výstupním povrchu 20a zařízení 10 je ve směru paralelním ke

Ί Ω .

vstupnímu poli 12 a výstupnímu poli 18.. V tomto alternativním provedení mohou být demultiplexované výstupy 16 směrovány do jednoho z množství vláken výstupního pole 18., jak je znázorněno na obr. 4. Alternativně mohou být demultiplexované výstupy směrovány do jednoho z mnoha možných fotodetektorů i c _z (nejsou znázorněny) takového pole, jak je diskutováno vyse ve spojení s odkazy na obr. 2c.

V šestém provedení může být zařízení podle obr. 1 speciálně navrženo a zkonstruováno tak, že kanály s individuálními vlnovými délkami v polychromatickém výstupním paprsku jsou nerovnoměrně zaostřeny na výstupní povrch multiplexoru. Jak je graficky znázorněno na obr. 5a, výhodné provedení zařízení podle obr. 1 vytváří velmi jednotné množství zaostřených paprsků, které mají jednotné rozložení intenzity. Toto šesté provedení ale mění konstrukci (jako je 25 zakřivení čočky nebo profil axiálního gradientu indexu lomu) soustavy kolimační čočky, aby začlenilo změnu v rozloženích intenzity jako funkci zvětšující se vlnové délky, jak je znázorněno na obr. 5a a obr. 5c. Tyto změny nemusí být lineární, ale mohou být poměrně složité a nelineární, aby • tf • · « tf · tftf ·· « tftf tf « tftf · tftf • tf φ · tftftftf • tf »

• tf ♦

• tf tf· tf tftf • tftf tf ·· *» • tftf · «· tftf vyhověly nejednotným profilům zisku optických zesilovačů, polí laserových diod nebo jiných zařízení v optické síti.

V sedmém provedení, znázorněném na obr. 6, je multiplexní zařízení 10 s dělením vlnových délek použito pro vytvoření multiplexoru a přepínače 4x4. Je použito základní zařízení 10 podle obr. 1 pro kombinování a/nebo směrování množství vlnových délek, které jsou přítomné na vstupním povrchu 20a zařízení. Integrováno se vstupním povrchem 20a je nejprve pole elektrooptických prvků 42 řídících paprsek,

Ί Ω přičemž každý prvek je individuálně adresovatelný (jeden prvek pro každou vlnovou délku) a schopen směrovat světlo ve směru kolmém ke vstupnímu poli 12 . Každý prvek 42 je použit pro směrování světla z jednoho kanálu 12/ do libovolného výstupního portu 18a, 18b, 18c, 18d. Čirý blok 40 pouze zajišťuje určité oddálení pole elektrooptických prvků 42 řídících paprsek, jako tomu bylo na obr. 4, pro umožnění snadného vstupního a výstupního propojení.

V osmém provedení, znázorněném na obr. 7, je multiplexní zařízení 10 s dělením vlnových délek podle obr. 1 použito pro vytvoření demultiplexoru a přepínače 1x4. Je použito základní zařízení 10 podle obr. 1 jak pro oddělení tak i pro směrování množství vlnových délek na vstupním vláknu 18, které jsou přítomné na vstupním povrchu 20a zařízení. Integrován se vstupním povrchem 20a je nejprve elektrooptický prvek 44 řídící paprsek, který je schopen směrovat světlo ve směru paralelním ke směru rytí ohybové mřížky 22 (není znázorněna na obr. 7). Tento elektrooptický prvek 44 řídící paprsek je použit pro směrování světla o jedné vlnové délce do jednoho ze dvou demultiplexovaných výstupních portů 12a, 12b. Čirý blok 40 pouze zajišťuje • · • φ φφ φφ φφ stejné oddálení pole elektrooptických prvků 44 řídících .

paprsek, jako tomu bylo na obr. 4 a obr. 6, pro umožnění snadného vstupního a výstupního propojení.

V devátém provedení, znázorněném na obr. 8, je multiplexní zařízení 10 s dělením vlnových délek podle obr. 1 použito pro vytvoření blokovacího přepínače 110 se 4 vlnovými délkami prostřednictvím použití dvou multiplexních zařízení 10a. 10b a pole elektrooptických blokovacích prvků 46.

Vstupem a výstupem blokovacího přepínače 110 je vždy jedno vlákno 18 . Toto zařízení zajišťuje blokovací funkci pro každou jednotlivou vlnovou délku.

K výstupnímu povrchu 20a prvního multiplexního zařízení 10a je nejprve připojeno pole elektrooptických blokovacích prvků 46, které jsou individuálně adresovatelné (jeden prvek pro každou vlnovou délku), které selektivně blokují nebo uvolňují průchod světla. Toto pole blokovacích prvků 46 je vytvořeno z tekutého krystalu, elektrochromového tuhého materiálu, nebo jiného podobného materiálu, ve kterém velikost přenosu může být měněna jako funkce energie aplikované na individuální prvek pole.

Za blokovacím polem jsou umístěny buď odrazové hranoly typu Porro (nejsou znázorněny) nebo smyčky 48 vláken, které přebírají jednotlivé výstupy a přesměrovávají je do oddělených poloh na vstupním povrchu 20a přiléhajícího multiplexního zařízení 10b. Vstupy potom přechází skrz toto druhé zařízení 10b, jsou multiplexovány pro výstup na jedno vlákno 18 na výstupním povrchu 20a druhého zařízení. Čirý blok 40 zajišťuje pouze stejné oddálení pole elektrooptických prvků 4 6, jako tomu bylo výše, pro umožnění snadného vstupního a výstupního propojení.

··· ···· · · · ·

Alternativní provedení předkládaného zařízení by využilo blokovací prvky 46 pro přizpůsobení velikosti optické energie (zisku) přenášení na každé vlnové délce. Tak může být blokovací přepínač 110 použit pro vyrovnání nerovnoměrného zisku z jiných částí optické sítě od zařízení, jako jsou optické zesilovače, pole laserových diod, nebo sítě obecně. Příklady možných změn v profilu zisku jsou znázorněny na obr.5a, obr. 5b a obr. 5c, jako bylo diskutováno výše.

Průmyslová využitelnost

Integrovaný multiplexor/demultiplexor s dělením vlnových délek s axiálním gradientem indexu lomu/ohybovou mřížkou podle předkládaného vynálezu nalézá široké uplatnění v sítích a v komunikačních systémech na bázi WDM.

Výše byl popsán integrovaný multiplexor a demultiplexor s dělením vlnových délek s axiálním gradientem indexu lomu/ohybovou mřížkou. Osobám v oboru znalým by mělo být zcela zřejmé, že mohou být provedeny různé změny a modifikace zjevné povahy, přičemž všechny takové změny a

2Q modifikace spadají do rozsahu předkládaného vynálezu, který je definován připojenými patentovými nároky.

Claims (31)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Integrované multiplexní zařízení s dělením vlnových délek s axiálním gradientem indexu lomu/ ohybovou mřížkou, vyznačující se tím, že zahrnuje:

   (a) prostředek pro přijetí alespoň jednoho optického paprsku, obsahujícího alespoň jednu vlnovou délku, z optického zdroje, přičemž tento prostředek obsahuje planární čelní povrch, na který dopadá uvedený alespoň jeden optický paprsek;

   (b) propojovací podsystém zahrnující (1) kolimační čočku s axiálním gradientem indexu lomu, provozně sdruženou s uvedeným planárním čelním povrchem, a (2) zaváděcí čočku s homogenním indexem, připojenou ke kolimační čočce s axiální gradientem indexu lomu a mající planární výstupní povrch, ze kterého vystupuje -uvedený alespoň jeden optický paprsek;

   (c) ohybovou mřížku vytvořenou na uvedeném planárnímu výstupním povrchu uvedeného propojovacího podsystému pro kombinování množství prostorově oddělených vlnových délek z uvedeného alespoň jednoho optického paprsku do alespoň jednoho multiplexovaného, polychromatického optického paprsku a pro odrážení uvedeného alespoň jednoho multiplexovaného, polychromatického optického paprsku zpět do uvedeného propojovacího podsystému; a (d) prostředek pro výstup uvedeného alespoň jednoho multiplexovaného, polychromatického výstupního paprsku do optického přijímače, přičemž uvedený prostředek obsahuje uvedený planární čelní povrch.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedená ohybová mřížka je Littrowova ohybová mřížka.

   φ φ φ

   Φ Φ « >··· φφ ·· ··
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedený planární výstupní povrch je vytvořen se zkoseným povrchem pod úhlem, který je normálový k alespoň jedné vlnové délce ohýbané uvedenou ohybovou mřížkou, přičemž uvedený zkosený

   5 povrch je nakloněn tak, že dopadající vlnové délky z uvedeného propojovacího podsystému jsou odráženy zpět do uvedeného propojovacího podsystému.
4. 4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje alespoň jeden elektrooptický prvek pro lámání buď individuální vlnové délky nebo množství vlnových délek pro vytvoření funkce směrování kanálů.
5. 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že dále zahrnuje nelineární elektrooptický prvek mezi uvedeným

   15 optickým zdrojem a uvedeným planárním čelním povrchem.
6. 6. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že dále zahrnuje pole individuálně adresovatelných elektrooptických prvků mezi uvedeným optickým zdrojem a uvedeným planárním čelním povrchem.
7. 7. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že optický zdroj je zvolen ze skupiny sestávající z optických vláken, laserů a laserových diod.
8. 8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že uvedený

   25 optický zdroj zahrnuje alespoň jedno optické vlákno přenášející množství vlnových délek.
9. 9. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že uvedený optický zdroj zahrnuje jednorozměrné pole optických vláken.
10. 10. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že uvedený optický zdroj zahrnuje dvojrozměrné pole optických vláken.
11. 11. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že uvedený optický zdroj zahrnuje jednorozměrné pole laserových diod.
12. 12. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že uvedený optický zdroj zahrnuje dvojrozměrné pole laserových diod.
13. 13. zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedený optický přijímač je zvolen ze skupiny sestávající z optických vláken a fotodetektorů.
14. 14. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že uvedený optický přijímač zahrnuje jednorozměrné pole optických vláken.
15. 15 15. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že uvedený optický přijímač zahrnuje dvojrozměrné pole optických vláken.
16. 16. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že uvedený optický přijímač zahrnuje jednorozměrné pole fotodetektorů.
17. 17. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že uvedený optický přijímač zahrnuje dvojrozměrné pole fotodetektorů.
18. 18. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, ze uvedený alespoň jeden optický paprsek dopadá na uvedený propojovací podsystém a vystupuje z uvedeného propojovacího podsystému, který tak působí jako multiplexor.

    2Q
19. 19. Zařízení podle nároku 18, vyznačující se tím, že více než jeden z uvedených alespoň jednoho optického paprsku • ·· • ·· • · · · · · · · · · ····«· · · ·» · · ·· dopadá na uvedený propojovací podsystém a vystupuje z uvedeného propojovacího podsystému jako uvedený alespoň jeden multiplexovaný, polychromatický optický paprsek.
20. 20. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedený 5 alespoň jeden multiplexovaný polychromatický optický paprsek dopadá na uvedený propojovací podsystém a vystupuje z uvedeného propojovacího podsystému, který tak působí jako demultiplexor.

    20
21. 21. Zařízení podle nároku 20, vyznačující se tím, že alespoň jeden z uvedených alespoň jednoho multiplexovaného, polychromatického optického paprsku dopadá na uvedený propojovací podsystém a vystupuje z uvedeného propojovacího podsystému jako více než jeden z uvedených alespoň jednoho

    25 optického paprsku.
22. 22. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje alespoň jeden prvek s homogenním indexem lomu mezi uvedeným prostředek pro přijetí a uvedeným propojovacím podsystémem.
23. 23. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje alespoň jeden elektrooptický prvek pro blokování buď individuální vlnové délky nebo množství vlnových délek pro vytvoření funkce blokování kanálů.
24. 25 24. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedený propojovací podsystém zajišťuje specificky požadovanou funkci pro výstupní intenzitu kanálu jako funkci vlnové délky.

    25. Integrované multiplexní zařízení s dělením vlnových délek s axiálním gradientem indexu lomu/ohybovou mřížkou, vyznačující se tím, že zahrnuje:

    (a) kolimační/zaostřovací čočku s axiálním gradientem indexu lomu pro kolimaci množství monochromatických optických paprsků postupujících v prvním směru, a pro zaostření multiplexovaného, polychromatického optického paprsku

    5 postupujícího v druhém směru, přičemž druhý směr je v podstatě obracený vzhledem k prvnímu směru;

    (b) zaváděcí čočku s homogenním indexem lomu, připojenou ke kolimační/zaostřovací čočce s axiálním gradientem indexu lomu pro přenos množství monochromatických

    10 optických paprsků od kolimační/zaostřovací čočky s axiálním gradientem indexu lomu v prvním směru a pro přenos multiplexovaného, polychromatického optického paprsku ke kolimační/zasotřovací čočce s axiálním gradientem indexu lomu v druhém směru, přičemž tato zaváděcí čočka s homogenním

    15 indexem lomu má planární propojovací povrch; a (c) ohybovou mřížku vytvořenou v planárním propojovacím povrchu zaváděcí čočky s homogenním indexem lomu pro kombinování množství monochromatických optických paprsků do multiplexovaného, polychromatického optického paprsku a

    20 pro odrážení multiplexovaného, polychromatického optického paprsku zpět do zaváděcí čočky s homogenním indexem lomu.
25. 26. Zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že zaváděcí čočka s homogenním indexem lomu je první Zaváděcí čočka s homogenním indexem lomu a zařízení dále zahrnuje:

    druhou zaváděcí čočku s homogenním indexem lomu, připojenou ke kolimační/zaostřovací čočce s axiálním gradientem indexu lomu pro přenos množství monochromatických optických paprsků ke kolimační/zaostřovací čočce s axiálním gradientem indexu lomu v prvním směru a pro přenos 30 multiplexovaného, polychromatického optického paprsku od • ·· kolimační/zaostřovací čočky s axiálním gradientem indexu lomu v druhém směru.
26. 27. Zařízení podle nároku 26, vyznačující se tím, že druhá zaváděcí čočka s homogenním indexem lomu má planární propojovací povrch pro příjem množství monochromatických optických paprsků z optického zdroje a pro výstup multiplexovaného, polychromatického optického paprsku k optickému přijímači.
27. 28. Zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že kolimační/zaostřovací čočka s axiálním gradientem indexu lomu má planární propojovací povrch pro příjem množství monochromatických optických paprsků z optického zdroje a pro výstup multiplexovaného, polychromatického optického paprsku k optickému přijímači.
28. 29. Integrované demultiplexní zařízení s dělením vlnových délek s axiálním gradientem indexu lomu/ohybovou mřížkou, vyznačující se tím, že zahrnuje:

    (a) kolimační/zaostřovací čočku s axiálním gradientem indexu lomu pro kolimaci multiplexovaného, polychromatického optického paprsku postupujícího v prvním směru, a pro zaostření množství monochromatických optických paprsků postupujících v druhém směru, přičemž druhý směr je v podstatě obracený vzhledem k prvnímu směru;

    (b) zaváděcí čočku s homogenním indexem lomu, připojenou ke kolimační/zaostřovací čočce s axiálním gradientem indexu lomu pro přenos multiplexovaného, polychromatického optického paprsku od kolimační/zasotřovací čočky s axiálním gradientem indexu lomu v prvním směru a pro přenos množství monochromatických optických paprsků ke ♦ ·

    0 00

    0 0

    0 0 • 00 kolimační/zaostřovací čočce s axiálním gradientem indexu lomu v druhém směru, přičemž tato zaváděcí čočka s homogenním indexem lomu má planární propojovací povrch; a (c) ohybovou mřížku vytvořenou v planárním 5 propojovacím povrchu zaváděcí čočky s homogenním indexem lomu pro rozdělení multiplexovaného, polychromatického optického paprsku na množství monochromatických optických paprsků a pro odrážení množství monochromatických optických paprsků zpět do zaváděcí čočky s homogenním indexem lomu.
29. 30. Zařízení podle nároku 29, vyznačující se tím, že zaváděcí čočka s homogenním indexem lomu je první zaváděcí čočka s homogenním indexem lomu a zařízení dále zahrnuje:

    druhou zaváděcí čočku s homogenním indexem lomu, připojenou ke kolimační/zaostřovací čočce s axiálním gradientem indexu lomu pro přenos multiplexovaného, polychromatického optického paprsku ke kolimační/zaostřovací čočce s axiálním gradientem indexu lomu v prvním směru a pro přenos množství monochromatických optických paprsků od kolimační/zaostřovací čočky s axiálním gradientem indexu lomu

    20 , v druhem směru.
30. 31. Zařízení podle nároku 30, vyznačující se tím, že druhá zaváděcí čočka s homogenním indexem lomu má planární propojovací povrch pro příjem multiplexovaného,

    25 polychromatického optického paprsku z optického zdroje a pro výstup množství monochromatických optických paprsků k optickému přijímači.
31. 32. Zařízení podle nároku 29, vyznačující se tím, že kolimační/zaostřovací čočka s axiálním gradientem indexu lomu

    30 má planární propojovací povrch pro příjem multiplexovaného, • tf tftf tftf tftf • « · tf tf tftf · • tftf tf · ·· tftf tftftf tftf tf • tftf · · · · • tftftf ·· tftf «tf • tf tftf tf tftf · « tftf tf • tftf « tf tftf · • tf tftf polychromatického optického paprsku z optického zdroje a pro výstup množství monochromatických optických paprsků k optickému přijímači.