DE10054372A1 - Baugruppe zum Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer Signale - Google Patents
Baugruppe zum Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer SignaleInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zum Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer Signale mit mindestens einem wellenlängenselektiven Filter zum Multiplexen bzw. Demultiplexen in die Baugruppe ein- bzw. ausgekoppelter optischer Signale, wobei Lichtstrahlen mindestens eines optischen Kanals jeweils unter einem bestimmten Einfallswinkel auf einen wellenlängenselektiven Filter treffen und dabei von den Lichtstrahlen anderer optischer Kanäle getrennt bzw. mit diesen zusammengeführt werden. Erfindungsgemäß ist mindestens ein wellenlängenselektiver Filter (Fi) bezüglich des Einfallswinkels der Lichtstrahlen einstellbar. Die Erfindung stellt eine Baugruppe zur Verfügung, bei der die Mittenwellenlänge eines Filters aufgrund der Einstellbarkeit des Einfallswinkels genau einstellbar und darüber hinaus ein bestimmter Filter (Fi) auch für mehrere Wellenlängen einsetzbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zum Multiplexen
und/oder Demultiplexen optischer Signale nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Zur effektiveren Ausnutzung der Übertragungskapazität von
Lichtwellenleitern werden in zunehmenden Maße Wellenlängen-
Multiplex/Demultiplex-Techniken eingesetzt. Dabei werden
mehrere, voneinander unabhängige optische Signale mit ver
schiedenen Wellenlängen über einen gemeinsamen Lichtwellen
leiter übertragen. Zur Zusammenführung und Trennung dieser
Signale beim Empfänger bzw. Sender werden dann Multiplex/De
multiplex-Techniken eingesetzt. Eine Möglichkeit der Trennung
bzw. der Zusammenführung optischer Signale verschiedener
Wellenlängen liegt in der Verwendung schmalbandiger optischer
Bandpassfilter.
Solche Filter bestehen meist aus dielektrischen Schichtsyste
men, die auf geeigneten Trägersubstraten, in der Regel Glas
substraten, aufgebracht sind. Ihre Transmissions- bzw. Refle
xionseigenschaften für einen bestimmten Wellenlängenbereich
werden gezielt durch die Wahl der Dicken und Brechzahlen der
einzelnen Schichten und ihre Anordnung eingestellt.
Die Reflektivität bzw. Transmissivität optischer Bandpassfil
ter mit verschiedenen Mittenwellenlängen in Abhängigkeit von
der Wellenlänge des Lichtes ist in Fig. 9 schematisch und
idealisiert dargestellt. Dabei stehen λ1 bis λn für die Zen
tral- bzw. Mittenwellenlängen der Filter Fi bis Fn, λ für die
Wellenlänge des Lichts und R und T für den Reflexions- bzw.
Transmissionsgrad. Der Transmissonsgrad ist mit
durchgezogenen Linien dargestellt, der Reflexionsgrad mit
gestrichelten Linien. Es gilt, daß R ≈ 1 - T. In einem
bestimmten Bereich um ihre Mittenwellenlänge weisen diese
Filter eine besonders hohe Transmission auf, reflektieren
aber Licht mit Wellenlängen außerhalb dieses Bereich. Sie
wirken dadurch als wellenlängenselektive Spiegel. Die
Mittenwellenlänge ist dabei vom Einfallswinkel der
Lichtstrahlen abhängig.
Eine im Stand der Technik bekannte Multiplex-/Demultiplex-
Anordnung mit optischen Filtern ist in der Fig. 10 darge
stellt. Das aus einem Lichtwellenleiter Fi, in der Regel eine
Glasfaser, austretende optische Signal der Wellenlängen λ1-λn
wird durch ein Abbildungssystem L1 kollimiert, parallelisiert
und in ein Filtersystem eingekoppelt. Das Abbildungssystem
besteht dabei in der Regel aus einer Linse, meist einer
Gradientenindexlinse. Das Filtersystem besteht aus optischen
Filter Fi1, Fi2, Fi3, die in einem festen Abstand zueinander
auf den einander gegenüberliegenden Seiten einer planparalle
len Glasplatte 8 und zueinander vesetzt angebracht sind. Das
in die Glasplatte 8 von Abbildungssystem L1 unter einem
bestimmten Winkel eingekoppelte Licht läuft dann innerhalb
der Glasplatte zick-zackförmig zwischen den einander
gegenüberliegenden Filtern Fi hin und her. An jedem Filter Fi
wird Licht einer bestimmten Wellenlänge aus dem Strahlengang
ausgekoppelt und von dem dazugehörigen Abbildungssystem L2,
L3, L4 in einen Lichtwellenleiter F2, F3, F4 eingekoppelt.
Nachteilig an solchen Anordnungen ist, dass für jede Wellen
länge jeweils ein spezieller Filter mit einer bestimmten Zen
tral- bzw. Mittelwellenlänge verwendet werden muß. Je nach
Wellenlängenabstand und Bandbreite der zu trennenden bzw.
zusammmenzuführenden Einzelsignale sind mehrere
unterschiedliche Filter notwendig und dabei nur sehr geringe
Fehlertoleranzen bei der Fertigung der Filter zulässig. Das
führt einerseits zu einem erhöhten Ausschuss an Filtern für
bestimmte Wellenlängen und damit zu erhöhten Herstel
lungskosten und erfordert andererseits hohe Kosten für die
Vorratslagerung einzelner spezieller Filter.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Baugruppe zum
Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer Signale zur
Verfügung zu stellen, bei der die Anzahl der für eine
Multiplex/Demultiplex-Anordnung benötigten Filter
unterschiedlicher Charakteristik verringert ist und Filter
mit höheren Fertigungstoleranzen einsetzbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Baugruppe mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte und
bevorzugte Anordnungsgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Danach ist vorgesehen, dass mindestens ein
wellenlängenselektiver Filter bezüglich des Einfallswinkels
der Lichtstrahlen einstellbar ist. Über den Einfallswinkel
kann dabei die gewünschte Mittenwellenlänge des jeweiligen
Filters exakt eingestellt werden. Dies weist zwei Vorteile
auf. Zum einen können einzelne spezielle Filter als
Multiplexelemente für mehrere Wellenlängen eingesetzt werden,
wobei die selektierte Wellenlänge über den Einfallswinkel der
Lichtstrahlen eingestellt wird. Durch Verwendung gleicher
Filter für verschiedene Wellenlängenkanäle kann die
Gesamtzahl anzufertigender unterschiedlicher Filter reduziert
und damit Herstellungs- und Lagerkosten gesenkt werden.
Zum anderen können Filter mit höheren Toleranzen bezüglich
der Mittenwellenlänge verwendet werden, da die gewünschte
Mittenwellenlänge durch entsprechendes Kippen des Filters
auch bei hohen Toleranzwerten genau eingestellt werden kann.
Damit können der Ausschuß bei der Filterfertigung erheblich
reduziert und dementsprechend Kosten eingespart werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die
Lichtein- und/oder Auskopplung in die bzw. aus der Baugruppe
mittels Lichtwellenleitern, wobei jedem Lichtwellenleiter
mindestens ein Abbildungselement zugeordnet ist, dass zwischen
dem Lichtwellenleiter und einem Filter angeordnet ist.
Dabei sind die optischen Achsen der Lichtwellenleiter und die
optischen Achsen der den Lichtwellenleitern zugeordneten
Abbildungselemente bevorzugt parallel zueinander angeordnet.
So wird durch eine parallele Anordnung sowohl die Justage als
auch die Fixierung der einzelnen Komponenten erleichtert.
In einer ersten Weiterbildung dieser Ausgestaltung der
Erfindung ist das Abbildungselement jeweils eine Linse, die
außeraxial vom Licht des zugeordneten Lichtwellenleiters
durchstrahlt wird. Die für die Funktion der Multiplex/Demul
tiplex-Anordnung notwendige Strahlablenkung wird dabei
mittels eines Parallelversatzes der optischen Achse von
Lichtwellenleiter und zugeordnetem Abbildungselement
erreicht. Eine solche Anordnung besitzt einen besonders
einfachen Aufbau und ist deswegen auch fertigungstechnisch
einfach und mit geringem Justageaufwand auszuführen. Dabei
finden unter Umständen auch aufwendigere, mehrstufige Linsen
systeme Verwendung, zum Beispiel zur Reduktion von Abbil
dungsfehlern, die sich aus der außeraxialen Durchstrahlung
der Linse ergeben.
In einer zweiten Weiterbildung ist das Abbildungselement
jeweils eine Linse, die axial vom Licht des zugeordneten
Lichtwellenleiters durchstrahlt wird. Hierdurch werden
Abbildungsfehler durch eine außeraxiale Durchstrahlung der
Linse vermieden. Es ist dann jedoch zur Beibehaltung der
Parallelität der optischen Achsen der Lichtwellenleiter
zusätzlich mindestens ein bezüglich des Einfallswinkels des
Lichtstrahls kippbares optisches Element erforderlich, das
vom Filter reflektiertes Licht in Richtung der Linse und dem
zugeordneten Lichtwellenleiter ablenkt. Das kippbare optische
Element ist insbesondere ein im Strahlengang zwischen Filter
und Linse angeordneter Spiegel oder Prisma. Die Verwendung
eines Spiegels weist dabei gegenüber der Verwendung eines
Prismas den Vorteil auf, dass eine aufgrund der Dispersion
des Glases zusätzliche Wellenlängenabhängigkeit vermieden
wird. Spiegel, Prismen und auch die wellenlängenselektiven
Filter sollten eine geringe Polarisationsabhängigkeit
aufweisen.
Die beschriebenen Anordnungen zur Erzeugung einer
Strahlablenkung weisen den Vorteil auf, dass in einer Mehrka
nal-Multiplex/Demultiplex-Anordnung mit Kaskaden von Licht
wellenleitern, Abbildungssystemen und kippbaren Filtern die
fertigungstechnisch sehr aufwendige direkte Anpassung der
Winkeleinstellungen der optischen Achsen der
Abbildungssysteme und Lichtwellenleiter auf den/die gekippten
Filter vermieden werden kann.
Besonders kompakte Ausführungen sind durch Anordnungen
gegeben, in denen entweder mehrere Filterkaskaden oder Fil
ter- und Spiegel/Prismakaskaden kombiniert werden.
Die einzelnen Filter einer Kaskade sind dabei entweder
individuell oder gemeinsam kippbar. Bevorzugt sind in den
kaskadierten Anordnungen die jeweiligen Lichtwellenleiter
entsprechend den oben beschriebenen
Strahlablenkungsanordnungen parallel zueinander angeordnet
und dadurch leicht justierbar und fixierbar.
Eine erste solche vorteilhafte Anordung ist durch zwei, sich
gegenüberliegende Filterkaskaden gegeben. Die um die
Strahlachse kippbaren Filter beider Kaskaden sind dabei
gegeneinander versetzt, so dass der Strahlengang zwischen den
Filterkaskaden eine Zick-Zacklinie beschreibt. An jedem
Filterelement wird eine bestimmte Wellenlängen
wellenlängenselektiv ausgekoppelt und durch das Abbildungsy
stem in den entsprechenden Lichtwellenleiter eingekoppelt.
Die optische Achse des Abbildungssystems und die Achse des
Lichtwellenleiters sind dabei zueinander parallel. Eine
Strahlablenkung und der Ausgleich der Kippbarkeit der Filter
wird bevorzugt durch einen einstellbaren Parallelversatz zwi
schen optischer Achse eines jeden Abbildungssystems und der
jeweiligen Lichtwellenleiterachse erreicht.
Eine zweite solche vorteilhafte Anordnung ist durch die
Kombination von einer Filterkaskade mit einer Spiegelkaskade
gegeben. Die um die Strahlachse kippbaren Elemente beider
Kaskaden sind dabei bevorzugt so gegeneinander versetzt ange
ordnet, dass der Strahlengang zwischen den Kaskaden eine
Zick-Zacklinie beschreibt. An jedem Filterelement wird dabei
eine bestimmte Wellenlänge ausgekoppelt und durch das Abbil
dungsystem in den entsprechenden Lichtwellenleiter eingekop
pelt. Die optische Achse des Abbildungssystems und die
optische Achse des Lichtwellenleiters fallen in dieser
Anordnung bevorzugt zusammen, um zusätzliche Abbildungsfehler
zu vermeiden. Die notwendige Strahlablenkung und der
Ausgleich der Kippbarkeit der Filterelemente wird durch die
kippbaren Spiegelemente erreicht.
Eine dritte vorteilhafte Anordnung ist durch die Kombination
einer Filterkaskade und einer Spiegelkaskade gegeben, bei der
die einzelnen Filter einer Kaskade hintereinander angeordnet
sind. Ein einzelnes Filterelement einer Kaskade reflektiert
in dieser Anordnung bevorzugt Licht nur einer Wellenlänge,
alle anderen werden transmittiert. Das von einem Filter
reflektierte Licht wird über einen kippbaren Spiegel der
Spiegelkaskade auf ein Element des Abbildunsgsystems umge
lenkt. Die optischen Achsen des Abbildungssystems und der
Lichtwellenleiterachse fallen dabei bevorzugt zusammen. Auch
ist bevorzugt vorgesehen, dass das jeweils von einem
kippbaren Spiegel umgelenkte Licht im wesentlichen senkrecht
zur Strahlrichtung in der Filterkaskade ausgekoppelt wird, so
dass die einzelnen Lichtwellenleiter wiederum parallel
zueinander angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind alle
optischen Kanäle auf einer Seite des Bauelements bzw. der
Filter angeordnet. Dazu werden die optischen Kanäle des
ersten oder des zweiten optischen Abbildungssystems
gegebenenfalls über ein Umlenkprisma in die Baugruppe ein-
bzw. ausgekoppelt werden. Die Anordnung der optischen Kanäle
auf nur einer Seite der Baugruppe weist fertigungstechnische
Vorteile auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die
Filter und gegebenenfalls Spiegel oder Prismen auf einer
ebenen Plattform angeordnet und ist diese Plattform in ein
Gehäuse eingesetzt, das mindestens eine Lichtein-
/Austrittsöffnung aufweist, wobei die Linsen und
Lichtwellenleiter des ersten und/oder zweiten Abbildungssy
stems fest mit der Außenseite des Gehäuses verbunden sind.
Dabei erfolgt die Befestigung und Justage der Abbildungssy
steme bzw. Linsen- und Lichtwellenleiter bevorzugt mittels
Laserschweißtechnik an dem festen Gehäuse. Hierdurch wird
eine mechanisch besonders langzeitstabile Befestigung
erreicht.
Insbesondere erfolgt die Befestigung der Linsen/Faser-Elemen
te bevorzugt mittels einer freien aktiven Justierung der
Elemente in einem Halterungsflansch oder einer Halterungshül
se und einem anschließenden Anschweißen dieser Flansche oder
Hülsen an das Gehäuse.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine erste Anordnung der optischen Komponenten
einer erfindungsgemäßen Zweikanal-Multiplex/Demul
tiplex-Baugruppe;
Fig. 1b eine zweite Anordnung der optischen Komponenten
einer erfindungsgemäßen Zweikanal-Multiplex-/Demul
tiplex-Baugruppe mit um ihre Achsen kippbaren
Linsen und Fasern;
Fig. 2 eine dritte Anordnung der optischen Komponenten
einer erfindungsgemäßen Zweikanal-Multiplex/Demul
tiplex-Baugruppe unter Verwendung eines Umlenkpris
mas;
Fig. 3 eine vierte Anordnung der optischen Komponenten
einer erfindungsgemäßen Zweikanal-Multiplex-/Demul
tiplex-Baugruppe unter Verwendung eines Umlenkspie
gels;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Mehrkanal-Multiplex/Demultiplex-Baugruppe mit einer
Strahlablenkung entsprechend Fig. 1a;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Mehrkanal-Multiplex/Demultiplex-Baugruppe mit einer
Strahlablenkung entsprechend Fig. 3;
Fig. 6a ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Mehrkanal-Multiplex/Demultiplex-Baugruppe, bei der
eine Filterkaskade und eine Spiegelkaskade
vorgesehen sind;
Fig. 6b ein Ausführungbeispiel einer erfindungsgemäßen
Mehrkanal-Multiplex/Demultiplex-Baugruppe mit ein
seitiger Anordnung aller Faser- und Linsenelemen
te;
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Halterung, Justa
ge und Befestigung einer Linse und einer Glasfaser
in einer erfindungsgemäßen Multiplex/Demultiplex-
Baugruppe;
Fig. 8a ein Ausführungsbeipiel für die Anordnung der
Lichtein- und -austrittsöffnungen an einem Gehäuse
einer erfindungsgemäßen Multiplex/Demultiplex-Bau
gruppe;
Fig. 8b ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung von
Faser- und Linsenhalterunsgflanschen an einem
Gehäuse einer erfindungsgemäßen Multiplex/Demulti
plex-Baugruppe;
Fig. 9 schematisch die Transmissivität bzw. Reflektivität
optischer Filter mit unterschiedlichen Mittenwel
lenlängen in Abhängigkeit von der Wellenlänge und
Fig. 10 eine Anordnung der optischen Komponenten eines Wel
lenlängen-Multiplexers/Demultiplexers mit optischen
Filtern gemäß dem Stand der Technik.
In Fig. 1a ist eine erste Anordnung der optischen Komponen
ten einer erfindungsgemäßen Zweikanal-Wellenlängen-Multi
plex/Demultiplex-Baugruppe dargestellt. Die Baugruppe weist
einen ersten Lichtleiter Fi mit einer zugeordneten Linse L1
auf, die ein optisches Abbildungssystem zum Einkoppeln von
Lichtstrahlen des Lichtleiters Fi in die Baugruppe darstellt.
Der Lichtleiter Fi führt Licht mehrerer Wellenlängen λ1 bis
λn, die unterschiedliche optische Kanäle darstellen.
Das eingekoppelte Licht wird von der Linse L1 kollimiert und
idealerweise als paralleles Licht auf einen wellenlängense
lektiven Filter Fi abgebildet, der eine Wellenlänge λ1
transmittiert und die übrigen Wellenlängen λ2 bis λn
reflektiert und damit Licht der Wellenlänge λ1 von den
anderen Wellenlängen trennt. Der Filter Fi ist kippbar ange
ordnet, wie durch einen Pfeil angedeutet ist. Hierzu sind
beispielsweise drehbare Halterungen für den Filter Fi
vorgesehen. Die Justage kann per Hand erfolgen, aber auch au
tomatisiert, etwa indem eine computerüberwachte aktive
Justage durchgeführt wird.
Durch Kippen des Filters Fi um die Strahlachse wird eine
gewünschte zu transmittierende Mittelwellenlänge genau
eingestellt.
Über Linsen L2, L3 wird das transmittierte bzw. reflektierte
Licht auf die Eintrittsöffnung der Lichtwellenleiter F2, F3
abgebildet und von diesen weitergeleitet.
Die optischen Achsen der Linsen L1, L2, L3 sind in Fig. 1
parallel zueinander und zu den Achsen der Fasern F1, F2, F3
ausgerichtet, wobei jede Linse jeweils den Strahl aus einer
bestimmten Faser ein- bzw. auskoppelt. Das Licht der Faser F1
trifft dabei außeraxial auf die Linse L1 und wird deswegen um
einem Winkel, der vom Versatz der Achsen von Faser F1 und
Linse L1 gegenüber der optischen Achse der Linse abhängt,
abgelenkt. Es trifft unter einem Winkel auf den Filter Fi,
der von der Kippstellung des Filters Ei abhängt.
Der Filter Fi transmittiert wie beschrieben nur den Teil des
Lichts mit der Wellenlänge λ1. Das transmittierte Licht fällt
wiederum außeraxial auf die Linse L2, wird von dieser
fokussiert, in die Faser F2 eingekoppelt und seitlich
weggeführt. Das vom Filter Fi reflektierte Licht der
Wellenlängen λ2 bis λn fällt außeraxial auf die Linse L3,
wird von dieser in die Faser F3 eingekoppelt und ebenfalls
seitlich weggeführt.
Bei einer Kippung des Filters Fi ist ein Ausgleich der
Strahlablenkung erforderlich. Dieser erfolgt durch einen
weiteren Parallelversatz der Faserachsen gegenüber den
Hauptachsen der Linsen L1, L2 und L3.
Ein Vorteil der parallelen Anordnung aller optischen Achsen
von Fasern und Linsen liegt in der besonders leicht und ein
fach durchzuführenden Justage und Montage der Elemente und in
der Möglichkeit, die Baugruppe damit kompakter auszuführen.
In Fig. 1b ist der Strahlengang des Lichtes der Wellenlängen
λ1-λn ähnlich wie in Fig. 1a. Bei dieser Anordnung fallen
aber die optischen Achsen der Linsen L1, L2, L3 und die
Faserachsen zusammen. Die notwendige Strahlablenkung und
deren durch Kippbarkeit des Filters notwendig gewordene
Korrektur werden durch eine Kippung der Linsenhaupt- und
Faserachsen erzeugt (durch einen Pfeil angedeutet).
Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt in der Vermeidung
von Abbildungsfehler aufgrund einer außeraxialen
Durchstrahlung der Linsen, wie sie bei einer Anordnung gemäß
Fig. 1a auftreten können, sofern keine aufwendige
Abbildungssysteme zur Vermeidung solcher Abbildungsfehler
verwendet werden.
Eine weitere Möglichkeit, die optischen. Achsen der Abbilduns
gsysteme und Lichtwellenleiter parallel anzuordnen,
zusätzliche Abbildungsfehler aber zu vermeiden und den durch
die Kippung eines Filters Fi notwendig gewordenen Ausgleich
der Strahlablenkung durchzuführen liegt in der Benutzung von
weiteren Umlenkelementen im Strahlengang.
In Fig. 2 ist das Prinzip für die Benutzung eines Umlenk
prismas im optischen Strahlengang am Beispiel eines Zweika
nal-Demultiplexers gezeigt. Der Strahlengang verläuft axial
von der Faser F1 durch die Linse L1 zum Filter Fi. Licht der
Wellenlänge λ1 wird durch den Filter Fi transmittiert und
durch die Linse L2 in die Faser F2 eingekoppelt. Die
Strahlachse für Licht dieser Wellenlänge fällt mit den
Faserachsen und den Linsenhauptachsen der Fasern F1 und F2
und den Linsen L1 und L2 vor bzw. nach dem Durchgang durch
den Filter Fi zusammen. Ein Parallelversatz des Strahls, der
durch den Durchgang durch den kippbaren Filter Fi auftritt,
wird durch einen Versatz von Linse L2 und Faser F2 ausgegli
chen.
Die Strahlablenkung für die vom Filter Fi reflektierten
Strahlenbündel der Wellenlängen λ2-λn wird durch ein um die
Strahlachse kippbares Umlenkprisma P ausgeglichen. Nach dem
Durchgang durch das Prisma P wird der Strahl durch die Linse
L3 in die Faser F3 eingekoppelt.
Die Verwendung eines Spiegels S zur Strahlablenkung im opti
schen Strahlengang ist am Beispiel eines Zweikanal-Demulti
plexers in Fig. 3 gezeigt. Der Strahlengang verläuft axial
von der Faser F1 durch die Linse L1 zum Filter Fi. Licht der
Wellenlänge λ1 wird durch den Filter Fi transmittiert und
durch die Linse L2 in die Faser F2 eingekoppelt. Die
Strahlachse für Licht dieser Wellenlänge fällt mit den
Faserachsen und den Linsenhauptachsen der Fasern F1 und F2
und den Linsen L1 und L2 vor bzw. nach dem Durchgang durch
den Filter zusammen. Ein Parallelversatz des Strahls, der
durch den Durchgang durch den kippbaren Filter Fi auftritt,
wird durch einen Versatz von Linse L2 und Faser F2 ausgegli
chen.
Eine Strahlablenkung für die vom Filter Fi reflektierten
Strahlenbündel der Wellenlängen λ2-λn wird durch einen um die
Strahlachse kippbaren Umlenkspiegel S ausgeglichen. Nach der
Reflexion am Spiegel S wird der Strahl durch die Linse L3 in
die Faser F3 eingekoppelt. Die Richtung der Lichtauskopplung
ist dabei senkrecht zur Richtung der Lichteinkopplung. Die
Verwendung eines Spiegels als strahlablenkendes Element weist
den Vorteil auf, dass kein Weiteres dispersives Element im
Strahlengang auftritt.
Um mehr als zwei Wellenlängen trennen bzw. bei Umkehr des
Strahlenganges zusammenführen zu können, werden mehrere der
in den Fig. 1a, 2 und 3 gezeigten Anordnungen kaskadiert
ausgeführt.
Ein Ausführungsbeipiel für einen Mehrkanal-Multiplexer bzw.
Demultiplexer mit dem in Fig. 1a dargestellten
Strahlablenkungsprinzip zeigt Fig. 4. In der gezeigten
Anordnung werden die Fasern F1, F2, F3, F4, F5 von zwei
Seiten zugeführt. Ihre Achsen sind jeweils parallel und
gegenüber den optischen Achsen der Ein- und Auskoppellinsen
L1, L2, L3, L4, L5 derart parallel versetzt, dass sich eine
Strahlablenkung ergibt, die für jeden der einzeln kippbaren
Filter Fi1, Fi2, Fi3, Fi4 individuell eingestellt werden
kann. Die Filter Fi1, Fi3 und Fi2, Fi4 stehen sich in zwei
Kaskaden 20, 30 versetzt gegenüber. Jeder der Filter Fi
transmittiert genau Licht einer Wellenlänge, Licht aller
anderen Wellenlängen wird reflektiert. Damit ergibt sich nach
Einkoppeln des Lichtes der Wellenlänge λ1-λn aus der Faser F1
ein Zick-Zack-Strahlengang zwischen den Filterkaskaden 20,
30. An jedem Filter Fi wird Licht einer Wellenlänge aus
diesem Strahlengang ausgekoppelt.
Es wird darauf hingewiesen, dass jeder Filter Fi der beiden
Kaskaden 20, 30 individuell einstellbar ist, um exakt die
gewünschte Mittenwellenlänge einstellen zu können. Dabei
werden bevorzugt gleiche Filter für mehrere benachbarte
Wellenlängen eingesetzt, was durch entsprechendes Verdrehen
der Filter in Bezug auf den Einfallswinkel des kollimierten
Strahls möglich ist. Zum Ausgleich des bei einer Drehung bzw.
Kippung eines Filters auftretenden Versatzes sind die Linsen
Li und zugeordneten Lichtwellenleiter wie durch die
Doppelpfeile B angedeutet senkrecht zu ihrer optischen Achse
verschiebbar angeordnet.
Ausführungsbeispiele mit bezüglich der kollimierten Strahlen
bündel zentrierten Linsen nach den in den Fig. 2 und 3
dargestellten Strahlablenkungsprinzipien sind in den Fig.
5, 6a und 6b dargestellt.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel werden
zur Strahlablenkung und zum Ausgleich der Filterkippung
einzeln kippbare Spiel S1, S2 verwendet. Der Strahlengang
ist in diesem Fall kreuzartig aufgebaut: die Zuführung des
Lichtes mit den Wellenlängen λ1 bis λn erfolgt von einer
Seite über die Faser F1, die Einkopplung des Lichtes der Wel
lenlängen λ4-λn in die wegführende Faser F4 erfolgt an der
gegenüberliegenden Seite über die Linse L4. Die Filter Fi1
und Fi2 koppeln jeweils Licht der Wellenlängen λ1 bzw. λ2
durch Reflexion aus dem Strahlengang aus, das dann über die
Spiel S1, S2 und die Linsen L2, L3 in die Fasern F2, F3
eingekoppelt und senkrecht zur Zuführrichtung des Lichts
weggeführt wird.
Das in Fig. 6a dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt
ebenfalls einen Aufbau mit einzeln kippbaren Spiegeln zur
Strahlablenkung und Ausgleich der Filterverkippung. Der
Strahlengang ist in diesem Fall so aufgebaut, dass die weg
führenden Fasern F2, F3 alle auf einer Seite liegen. Die
Filter Fi1, Fi2 und die Spiel S1, S2 sind jeweils in einer
Kaskade 20, 40 angeordnet. Die einzelnen Elemente stehen sich
dabei versetzt gegenüber. Damit ergibt sich nach Einkoppeln
des Lichtes der Wellenlänge λ1-λn aus, der Faser F1 ein Zick-
Zack-Strahlengang zwischen den zwei Kaskaden 20, 40. An jedem
Filter wird Licht einer Wellenlänge aus diesem Strahlengang
augekoppelt, durch die jeweilige Linse in eine Faser
eingekoppelt und seitlich weggeführt.
Eine Modifikation des in Fig. 6a gezeigten Aufbaus ist in
Fig. 6b dargestellt. In diesem Fall liegt auch die
zuführende Faser F1 auf der Seite der wegführenden Faser F2,
F3. Die dazu notwendige Strahlumlenkung erfolt durch ein 90°-
Prisma UP. Möglich sind aber ebenso Pentaprismen oder
Spiegel.
Alle gezeigten Ausführungsbeispiele für den optischen Aufbau
sind natürlich nicht auf die Verwendung einer bestimmten
Anzahl von zu- bzw. wegführenden Fasern und der
entsprechenden Anzahl von Filtern, Linsen und Strahl-Umlenke
lementen beschränkt, sondern für eine beliebige Anzahl von
Fasern ausführbar. Auch liegt es im Rahmen der Erfindung,
dass das Licht der einzelnen Wellenlängen nicht über
Lichtwellenleiter weg- bzw. zugeführt wird, sondern der
Multiplexer/Demultiplexer unmittelbar mit einer opto
elektronischen Baugruppe gekoppelt ist, die etwa über ein
Sende- oder Empfangsarray opto-elektronischer Elemente Licht
der einzelnen Wellenlängen ein- oder auskoppelt.
Des weiteren kann vorgesehen sein, daß an der Baugruppe statt
der Lichtwellenleiter Stecker angeordnet sind, in die die
Lichtwellenleiter dann eingesteckt werden.
Bei Verwendung der Baugruppe als Multiplex-Baugruppe ist in
den vorgenannten Ausführungsbeispielen einfach der
Strahlengang umzukehren.
Die Filter Fi sowie eventuelle Prismen- und Spiegelelemente
sind auf einer ebenen Plattform (nicht dargestellt)
angeordnet, die von einem Gehäuse umgeben ist. Die Auslegung
und Befestigung der einzelnen Filter- und Spiegel/Prismen-
Elemente auf der Plattform erfolgt etwa mittels Klebungen,
Lötungen oder Einglasens bzw. Einschweißens. Dabei finden
beispielsweise die Materialien Glas, Keramik, Silizium oder
auch Metalle als Basismaterial für die Plattform Verwendung.
Die Filter, Spiegel oder Prismen haben entweder selbst eine
ausreichend große, plane Auflagefläche oder sie werden
mittels entsprechender Träger auf der Plattform aufgebracht.
Da die Verbindung der optischen Komponenten mit der Plattform
besonders stabil sein muss, sind die thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Teile einander
möglichst angepaßt. Zusätzlich ist bei besonders hohen
Ansprüchen an die Wellenlängenstabilität eine Temperaturregu
lierung einzelner Filter oder auch des gesamten Aufbaus
mittels einer Peltierkühlung oder einer Heizung vorgesehen.
Die gesamte Plattform wird dann mit Gehäuse auf einen
Peltierkühler oder eine Heizung gesetzt. Zur
Temperaturregulierung wird dabei ein Temperaturfühler, etwa
ein NTC-Widerstand an der Plattform angebracht. Eine Regelung
erfolgt beispielsweise mittels eines P/I-Reglers.
In Fig. 7 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel für die
Halterung, Justierung und Befestigung eines optischen
Strahlengangs an einem Gehäuse 2 dargestellt, das eine
Plattform (nicht dargestellt) mit Filtern sowie eventuellen
Prismen- und Spiegelelemente umgibt. Das Gehäuse 2 weist
dabei Lichteintritts-/austrittsöffnungen 7 auf, über die
Licht in das Gehäuse 2 ein- oder auskoppelt wird.
An der Außenwand des Gehäuses sind über der Lichteintritts-
/austrittsöffnung 7 eine Kugellinse 1 und eine Glasfaser F
befestigt. Die Kugellinse 1 ist in einem Linsenflansch 5
angeordnet, der an dem Gehäuse 2 befestigt ist. Der Flansch 5
weist für die Aufnahme der Kugellinse 1 eine zylindrische
Bohrung auf. Die Kugellinse 1 wird beispielsweise gegen eine
Tiefenanschlag so in den Flansch 5 eingebracht, dass ihr
Fokus gegenüber dem Gehäuse 2 eingestellt ist. Anstelle einer
Kugellinse können auch Gradientenindexlinsen oder andere
Optiken in den Linsenflansch 5 eingebracht werden.
Die Glasfaser F ist in einer Kapillare 3 angeordnet,
insbesondere in eine solche eingeklebt. Die Faserstirnfläche
ist dabei leicht schräg angeschliffen, um Rückreflexionen zu
vermeiden. Zur Befestigung der Glasfaser F am Linsenflansch 5
ist ein weiterer Flansch 6 mit Befestigungsrand 61
vorgesehen, der die Kapillare 3 mit der Glasfaser F aufnimmt.
Alternativ zu einem Linsenflansch kann eine präzise
ausgeführte starre Führungshülse (Ferrule) vorgesehen sein,
in die die Faser mit der Kapillare eingesteckt ist. Die
Führungshülse (Ferrule) ist an ihrer Außenseite sehr genau
bearbeitet und wird in den Linsenflansch 5 eingesteckt
(Faserstecker).
Der Linsenflansch 5 wird nach erfolgter aktiver Justierung
(einschließlich: Einstellen des zugehörigen wellenselektiven
Filters und des sich daraus ergebenden Strahlversatzes) an
einem verbreiterten Rand 51 mittels Laserschweißens in
Richtung des Pfeils A an dem Gehäuse 2 befestigt. Dabei wird
der Flansch 5 parallel zur Gehäuseoberfläche aktiv justiert.
Nach erfolgter aktiven Justage gegenüber der Kugellinse 1
wird anschließend der Faserflansch 6 ebenfalls über Laser
schweißen am Linsenflansch 5 befestigt.
Das Gehäuse 2 sowie Teile der Flansche 5, 6 bestehen in der
Umgebung der Schweißpunkte oder Nähte bevorzugt aus einem
schweißbaren Material wie z. Bsp. Baustahl, Eisen oder Kovar.
Die Flansche werden bevorzugt in zylindrischer Form ausgelegt
und die Kontaktflächen zwischen Plattform bzw. Gehäuse und
Halterungsflansch bzw. -Hülse plan geschliffen, um eine opti
male Justage und einen geringen Schweißverzug zu ermöglichen.
Die Anschrägung der Faserstirnfläche der Faser F wird im
Design des Strahlengangs bzw. durch einen kleinen lateralen
Versatz der Faserachse bezüglich der Linsenachse bei der
Justierung dieser Teile berücksichtigt.
Falls eine luftdicht und hermetisch abschließbare Montage der
Filterplattformen notwendig ist, werden die Lichteintritts-
/austrittsöffnungen 7 des Gehäuses 2 mit optischen Fenstern
versehen, die bevorzugt schräg gestellt und entspiegelt sind
und die die Öffnungen 7 luftdicht abschließen. Alternativ
wird der Linsenflansch 5 luftdicht ausgeführt und mit dem
Gehäuse 2 dicht geschweißt.
Fig. 8a zeigt in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel für die
Anordnung der Lichtein- und -Austrittsöffnungen 7 an einem
Gehäuse 2, an denen die Linsen- und Faserflansche 5, 6 befe
stigt werden. Die Lichtein- und -Austrittsöffnungen 7 sind
dabei in der Höhe zueinander versetzt angeordnet, was eine
einfache und kompakte Anbringung der Linsen- und
Faserflansche 5, 6 am Gehäuse 2 ermöglicht und besonders
einfach auszuführen ist. Die Spiegel oder Prismen im
Gehäuseinneren weisen bei diesem Ausführungsbeispiel
entsprechend dem Versatz der Lichtein-/Austrittsöffnungen 7
orientierte Flächen auf.
Fig. 8b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die
Anodnung der Lichtein- und Austrittsöffnungen 7 an einem
Gehäuse 2. Dargestellt sind hier auch die Linsen- und
Faserflansche 5, 6. In diesem Fall sind die Lichtein- bzw.
Austrittsöffnung 7 bzw. die einzelnen Flächen des Gehäuses 2,
in denen sich diese befinden, auf jeweils der gleichen Höhe,
aber gegeneinander gekippt angebracht.
Sämtliche optische Flächen im Strahlengang der Baugruppe sind
möglichst entspiegelt, um Einfügeverluste gering zu halten.
Zur Unterdrückung einer unerwünschten Reflexion von der
Filterrückseite ist in einer Alternative vorgesehen, dass
zusätzlich zu einer Entspiegelung dieser Fläche das
Filtersubstrat etwas keilförmig ausgeführt ist.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend
erläuterten Ausführungsbeispiele. Wesentlich für die
Erfindung ist allein, dass mindestens ein
wellenlängenselektiver Filter bezüglich des Einfallswinkels
der Lichtstrahlen einstellbar ist, so dass die
Mittenwellenlänge des Filters exakt einstellbar ist und
darüberhinaus dieselben Filter für das Mutiplexen bzw.
Demultiplexen von Lichtstrahlen unterschiedlicher
Wellenlängen einsetzbar sind.
Fi Filter
L Linse
F Lichtwellenleiter/Faser
S Spiegel
P Primsa
UP 90°-Prisma
L Linse
F Lichtwellenleiter/Faser
S Spiegel
P Primsa
UP 90°-Prisma
1
Kugellinse
2
Gehäuse
3
Kapillare
5
Linsenflansch
51
Rand des Linsenflansches
6
Faserflansch
61
Rand des Faserflansches
7
Lichteintritts-/austrittsöffnungen
8
Glasplatte
20
erste Kaskade von Filtern
30
zweite Kaskade von Filtern
40
Kaskade von Spiegelelementen
Claims (20)
1. Baugruppe zum Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer
Signale mit:
einem ersten optischen Abbildungssystem, das eine Mehrzahl von Lichtstrahlen jeweils eines optischen Kanals in die Baugruppe ein- bzw. auskoppelt,
einem zweiten optischen Abbildungssystem, das einen Licht strahl einer Mehrzahl optischer Kanäle in die Baugruppe ein- bzw. auskoppelt,
mindestens einem wellenlängenselektiven Filter zum Multi plexen bzw. Demultiplexen in die. Baugruppe ein- bzw. ausgekoppelter optischer Signale; wobei Lichtstrahlen mindestens eines optischen Kanals jeweils unter einem bestimmten Einfallswinkel auf einen wellenlängenselektiven Filter treffen und dabei von den Lichtstrahlen anderer optischer Kanäle getrennt bzw. mit diesen zusammengeführt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein wellenlängenselektiver Filter (Fi) bezüglich des Einfallswinkels der Lichtstrahlen einstellbar ist.
einem ersten optischen Abbildungssystem, das eine Mehrzahl von Lichtstrahlen jeweils eines optischen Kanals in die Baugruppe ein- bzw. auskoppelt,
einem zweiten optischen Abbildungssystem, das einen Licht strahl einer Mehrzahl optischer Kanäle in die Baugruppe ein- bzw. auskoppelt,
mindestens einem wellenlängenselektiven Filter zum Multi plexen bzw. Demultiplexen in die. Baugruppe ein- bzw. ausgekoppelter optischer Signale; wobei Lichtstrahlen mindestens eines optischen Kanals jeweils unter einem bestimmten Einfallswinkel auf einen wellenlängenselektiven Filter treffen und dabei von den Lichtstrahlen anderer optischer Kanäle getrennt bzw. mit diesen zusammengeführt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein wellenlängenselektiver Filter (Fi) bezüglich des Einfallswinkels der Lichtstrahlen einstellbar ist.
2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtein- und/oder Auskopplung in die bzw. aus der
Baugruppe mittels Lichtwellenleitern (F) erfolgt und jedem
Lichtwellenleiter (F) mindestens ein Abbildungselement (L, P,
S) zugeordnet ist, das zwischen dem Lichtwellenleiter (F) und
einem Filter (Fi) angeordnet ist.
3. Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die optischen Achsen der Licht
wellenleiter (F) und die optischen Achsen der den Lichtwellenleitern
(F) zugeordneten Abbildungselemente (L) parallel
zueinander angeordnet sind.
9. Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das Abbildungselement jeweils
eine Linse (L) ist, die außeraxial vom Licht des zugeordneten
Lichtwellenleiters (F) durchstrahlt wird.
5. Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das Abbildungselement jeweils
eine Linse (L) ist, die axial vom Licht des zugeordneten
Lichtwellenleiters (F) durchstrahlt wird, wobei zusätzlich
mindestens ein bezüglich des Einfallswinkels eines
Lichtstrahls kippbares optisches Element (S. P) vorgesehen
ist, das vom Filter (Fi) reflektiertes Licht in Richtung der
Linse (L) ablenkt.
6. Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das kippbare optische Element ein
im Strahlengang zwischen Filter (Fi) und Linse (L)
angeordneter Spiegel (S) oder Prisma (P) ist.
7. Baugruppe nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere
kippbare Filter (Fi) in mindestens einer Kaskade angeordet
sind, wobei die Filter (Fi) einer Kaskade einzeln oder
gemeinsam kippbar sind.
8. Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Fil
terkaskade vorgesehen sind, wobei der Strahlengang zwischen
den Filtern (Fi) der ersten Kaskade und den Filtern (Fi) der
zweiten Kaskade derart verläuft, dass der optische Pfad der
Lichtstrahlen zwischen den beiden Filterkaskaden eine Zick-
Zacklinie-beschreibt und an jedem Filterelement mindestens
ein Strahl einer bestimmten Wellenlänge aus dem Strahlengang
zwischen den Filterkaskaden ausgekoppelt wird.
9. Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Filterkaskade kippbare Spie
gelelemente (S) zugeordnet sind, die ebenfalls in einer
Kaskade angeordnet sind.
10. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, dass der optische Pfad der
Lichtstrahlen zwischen der Spiegelkaskade und der
Filterkaskade eine Zick-Zack-Linie beschreibt, wobei an jedem
Filterelement (Fi) der Kaskade mindestens ein Lichtstrahl
einer bestimmten Wellenlänge aus dem Strahlengang zwischen
Filterkaskade und Spiegelkaskade ausgekoppelt wird.
11. Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Filter der Kaskade jeweils
Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektieren, wobei die
Filter im wesentlichen in einer Reihe hintereinander
angeordnet sind.
12. Baugruppe nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, dass das an einem Filter (Fi)
reflektierte Licht jeweils über einen kippbaren Spiegel (S)
umgelenkt und im wesentlichen senkrecht zur Strahlrichtung in
der Kaskade ausgekoppelt wird.
13. Baugruppe nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle
optischen Kanäle auf einer Seite des Bauelements bzw. der
Filter angeordnet sind.
14. Baugruppe nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die optischen Kanäle des ersten
oder des zweiten optischen Abbildungssystems über ein
Umlenkprisma (UP) in die Baugruppe ein- bzw. ausgekoppelt
werden.
15. Baugruppe nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter
(Fi) auf einer ebenen Plattform angeordnet sind und diese
Plattform in ein Gehäuse (2) eingesetzt ist, das mindestens
eine Lichtein-/Austrittsöffnung (7) aufweist, wobei die
Linsen (L) und Lichtwellenleiter (F) des ersten und/oder
zweiten Abbildungssystems fest mit dem Gehäuse (2) verbunden
sind.
16. Baugruppe nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens eine Linse (L) des
ersten und/oder zweiten Abbildungssystems in einer Linsenhal
terung, insbesondere einem Linsenflansch (5) sitzt, die fest
mit dem Gehäuse (2) im Bereich der Lichtein-/austrittsöffnun
gen (7) verbunden ist.
17. Baugruppe nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter eine
Lichtfaser (F) aufweist, die von einer Kapillare (3)
umschlossen ist und in einer Lichtfaserhalterung,
insbesondere einem Faserflansch (6) oder einer Hülse sitzt,
wobei die Lichtfaserhalterung fest mit der Linsenhalterung
verbunden.
18. Baugruppe nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) im
Bereich der Lichtein-/Austrittsöffnungen (7) und/oder die
Linsenhalterung (5) im Bereich der Kontaktfläche mit dem
Gehäuse (2) und/oder die Faserhalterung (6) im Bereich der
Kontaktfläche mit der Linsenhalterung aus einem laserschweiß
baren Material besteht.
19. Baugruppe nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der
Lichtein-/austrittsöffnungen (7) die Gehäuseflächen und die
Kontaktflächen der Linsenhalterungen (5) plan geschliffen
sind.
20. Baugruppe nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass die Filter (Fi) eine
plane Fläche besitzen, mit der sie direkt auf die Platform
aufgesetzt sind, oder mittels eines mindestens einseitig
planen Trägers mit der Platform verbunden sind.
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