DE10145277B4 - Optischer Wellenleiter mit Taper und Wellenlängenmultiplexer/-demultiplexer mit einem solchen Wellenleiter oder solchen Wellenleitern - Google Patents

Abstract

Optischer Wellenleiter mit Taper (2), der sich im Querschnitt S-förmig erweiternd ausgebildet ist, wobei die Querschnittserweiterung durch arctan-Funktionen beschrieben ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiter mit Taper und ein optischen Wellenlängenmultiplexer-/demultiplexer mit einem solchen Wellenleiter oder solden Wellenleitern. Für derartige Multiplexer/Demultiplexer verwendet man meist sogenannte AWG (= Arrayed Waveguide Grating) – auch bekannt unter der Bezeichnung „Phasar". Es handelt sich dabei um planar-optische Wellenleiter Chips.
• Heutige Glasfasernetze basieren zumeist auf der Wellenlängen-Multiplexing-Technik, auch DWDM-Technologie (DWDM = Dense Wavelength Division Multiplexing) genannt. Dies sind rein optische Multiplexsysteme, bei denen gleichzeitig verschiedene Lichtfarben (= Lichtwellenlängen) zur Signalübertragung verwendet werden. Da sich die verschiedenen Wellenlängen gegenseitig nicht beeinflussen, können sie parallel in der gleichen Glasfaser eingesetzt werden und erhöhen dadurch die Übertragungskapazität. Um diese zusammenzuführen und am Ende der Faser wieder zu trennen, werden integriert optische Wellenlängenmultiplexer basierend auf AWGs verwendet. Insbesondere in der Telekommunikation ist es bei der Verwendung solcher optischen Komponenten wünschenswert, dass der Wellenlängenbereich, den sie durchlassen, durch eine Rechteckkurve und nicht durch eine Gaußkurve (wie dies normalerweise der Fall ist) beschrieben wird. Das Maximum dieser Gaußkurve liegt bei der Wellenlänge, für die der Chip optimiert wurde, und je weiter eine Wellenlänge von dieser „Mittenwellenlänge" entfernt ist, desto weniger Intensität wird durchgelassen. Die maximale, durchgelassene Intensität entspricht eben dieser Gaußverteilung.
• Normalerweise haben DWDM-Komponenten ein gaußsches Passband, das heißt, der Durchlassbereich der Bauteile ist auf eine Gaußkurve optimiert, damit die Verluste möglichst klein bleiben. Sobald man jedoch mehrere solcher Komponenten hintereinander schalten muss, wie das in einem realen Netzwerk der Fall ist, entstehen Probleme, weil die Mittenwellenlängen der Gaußverteilungen der einzelnen Komponenten leicht gegeneinander verschoben sein können und damit die Verluste höher werden. Dies ist in 1A schematisch dargestellt.
• Je flacher, d.h. rechteckförmiger, das Passband der Komponenten ist, desto weniger wirken sich kleine Wellenlängenverschiebungen der einzelnen Komponenten aus. Dies ist in 1B schematisch dargestellt.
• Es gibt zahlreiche Lösungsvorschläge, um das oben genannte Problem zu lösen bzw. zu entschärfen.
• Ein erster Vorschlag sieht vor, nach den Eingangswellenleitern des AWG einen Multimodeinterferenzkoppler (= MMI) zu verwenden. Mit dem MMI wird dabei die Feldverteilung des Lichtes, welches beim AWG weiter verwendet wird, so angepasst, dass ein rechteckiges Passband erzeugt wird. Der Nachteil bei dieser Methode ist, dass der MMI wellenlängen- und polarisationsabhängig ist, wodurch der praktische Einsatz in realen Telekom-Systemen problematisch ist und schwer zu realisieren ist.
• Ein zweiter Vorschlag verwendet Eingangswellenleiter mit einem parabolischen Taper. Unter Taper versteht man eine Querschnittserweiterung eines Wellenleiters, die in diesem Fall mathematisch durch parabolische Funktion definiert ist. Durch die Verwendung der parabolischen Taper wird das Passband zwar schon deutlich flacher, aber es ist schwierig, ein Passband mit sehr flachem, rechteckförmigen Durchlassbereich zu erzielen.
• Die Druckschrift US 5,832,154 A offenbart einen Add-/Drop-(De)multiplexer, der auf einem Mach-Zehnder Interferometer (= MZI) beruht, in dessen Armen sich Gitter befinden, die für die Wellenlängenabhängigkeit sorgen. Die Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern im Kopplungsbereich erfolgt durch zwei 3dB-Koppler. Das Problem ist, dass der Spektralbereich, der vom Gitter reflektiert werden soll rechteckig sein soll und nicht parabolisch, wie dies bei normalen Gittern der Fall ist. Die Lösung besteht darin, dass man das Gitter mit einem Gaußprofil beleuchtet, was dazu führt, dass das Gitter am Anfang und Ende nur ganz schwach ausgeprägt ist, während es in der Mitte sehr stark ausgeprägt ist (anders ausgedrückt: der Brechzahlunterschied zwischen den „Gitterstäben" und den „Zwischenräumen" ist am Anfang praktisch Null, erreicht dann sein Maximum in der Mitte und wird am Ende wieder praktisch Null). Dadurch wird aber die mittlere effektive Brechzahl auch erhöht (entsprechend der Gaußverteilung mit der belichtet wurde) und es kommt zu einem Rippling-Effekt am unteren Ende des Band-Stop Wellenlängenbereichs. Um diesen Effekt zu kompensieren wird vorgeschlagen, dass der Wellenleiter entsprechend dieser Gaußfunktion dünner gemacht werden soll, wodurch sich die effektive Brechzahl entsprechend einer inversen Gaußverteilung ändert (minimale Brechzahl in der Mitte, hohe am Anfang und Ende). Diese kompensiert dann genau die Brechzahländerung durch das Gauß'sche Gitter, wodurch im gesamten Gitterbereich die gleiche effektive Brechzahl herrscht. Der Wellenleiter weist einen Taper auf, dessen Querschnitt einer exponentiellen Funktion folgt.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen optischen Wellenleiter mit Taper vorzuschlagen, der einen relativ flachen Durchlassbereich mit relativ homogener Intensitätsverteilung aufweist. Der Wellenleiter soll dazu geeignet sein, den Durchlassbereich eines integriert-optischen Wellenlängenmultiplexers/-demultiplexers basierend auf AWGs zu verbessern, so dass insbesondere ein nahezu rechteckförmiger Durchlassbereich erzielt werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Im allgemeinen betrifft die Erfindung einen optischen Wellenleiter mit S-förmiger Querschnittsennreiterung, d.h. einem S-förmig sich erweiternden Taper.
• Beim Einsatz in einem Multiplexers/Demultiplexer weisen dessen Eingangswellenleiter jeweils einen solchen S-förmigen Taper auf. Die S-förmigen Taper sind an den Enden der Eingangswellenleiter ausgebildet, bevor diese in den ersten Koppelbereich (freie Ausbreitungsregion), die sogenannte erste FPR (= Free Propagation Region), des AWG übergehen.
• Wenn ein Lichtpuls mit im Normalfall gaußscher Intensitätsverteilung in die Eingangswellenleiter eingespeist wird und den Bereich des S-Tapers erreicht, so wird im konkaven Bereich des S-Tapers die Pulsform zunächst homogen verbreitert und dadurch bereits auch etwas abgeflacht. Im konvexen Teil des S-Tapers werden dann die Seitenflanken des Pulses nach innen und oben gedrückt, und somit drastisch steiler gemacht, wodurch der Puls seine gewünschte nahezu rechteckförmige Intensitätsverteilung (Form) erhält. Durch den konvexen und konkaven Abschnitt des S-Tapers kann die Form der Lichtverteilung somit sehr präzise bestimmt werden.
• Eine weitere Verbesserung der Pulsform lässt sich dadurch erzielen, dass man unmittelbar hinter den S-Taper ein gerades Wellenleiterstück einsetzt. Der konstante Querschnitt des geraden Wellenleiterstückes entspricht dabei dem Endquerschnitt des S-Tapers. Dadurch nähert sich die Form des Pulses noch weiter an die gewünschte Rechteckform an. Qualitativ gesehen sorgt dieses gerade Wellenleiterstück dafür, dass sich die im S-Taper gebildete Feldverteilung (Intensitätsverteilung) stabilisieren kann. Eine typische Länge für dieses gerade Wellenleiterstück liegt in der Größenordnung von 10 Wellenlängen.
• Im Gegensatz zu den meisten anderen Verfahren, die ein flaches Passband nur durch eine Verbreiterung der Gaußverteilung erzeugen, kann man mit den S-Tapern nahezu ein flaches Plateau erreichen. Das Passband ist in einem bestimmten Durchlassbereich nahezu linear.
• Im Vergleich zu bekannten Lösungen zur Erzeugung eines flachen Passbandes, z.B. MMI, parabolische Taper, Y-Verzweigungen, etc., baut ein S-Taper kleiner und erlaubt eine noch höhere Integrationsdichte. Durch das Hinzufügen eines geraden Wellenleiterabschnitts unmittelbar hinter dem S-Taper, kann man die Wirkung des S-Tapers verstärken und die Rechteckform des Pulses weiter verbessern.
• Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Aus den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
• Es zeigt:
• 1A: eine schematische Darstellung der Wirkung einer optischen Übertragungsstrecke mit mehreren Komponenten mit gaußförmigem Passband und leicht zueinander verschobenen Mittenfrequenzen auf einen gaußförmigen Eingangsimpuls;
• 1B: eine schematische Darstellung der Wirkung einer optischen Übertragungsstrecke mit mehreren Komponenten mit rechteckförmigem Passband und leicht zueinander verschobenen Mittenfrequenzen auf einen gaußförmigen Eingangsimpuls;
• 2: eine schematische Darstellung eines AWG-Multiplexers/-Demultiplexers mit Eingangswellenleitern mit S-förmigem Taper;
• 3: eine vergrößerte Darstellung eines erfindungsgemäßen S-förmigen Tapers;
• 4A: Darstellung eines gaußschen Passbandes
• 4B: Darstellung eines rechteckförmigen Passbandes durch Verwendung eines S-Tapers;
• 5A: Darstellung der Pulsform im Wellenleiter ohne S-Taper;
• 5B: Darstellung der Pulsform im Wellenleiter mit S-Taper
• 5C: Darstellung der Pulsform im Wellenleiter mit S-Taper und anschließend geradem Wellenleiterabschnitt;
• 6: Darstellungen der simulierten Intensitätsverteilung des Lichtes in einem S-Taper;
• 7A: die (gaußsche) Feldverteilung im Wellenleiter vor dem S-Taper;
• 7B: die (rechteckförmige) Feldverteilung im Wellenleiter nach dem S-Taper.
• 1A zeigt, dass bei gaußschem Passband einer optischen Übertragungsstrecke 10 ein kleiner Versatz der Zentralfrequenzen der einzelnen optischen Komponenten zu starken Verlusten zwischen Eingangsimpuls 9 und Ausgangsimpuls 11 führt. Bei flachem Passband der Übertragungsstrecke 10 – gemäß 1B – ist das System weit weniger empfindlich für Fehlanpassungen bei der Zentralfrequenz, so dass die Verluste zwischen Eingangsimpuls 9 und Ausgangsimpuls 11 klein bleiben.
• 2 zeigt beispielhaft einen auf einem AWG beruhenden Demultiplexer. Das Licht kommt dabei von der linken Seite (bezogen auf die Abbildung) durch die mehreren Eingangswellenleiter 1. Jeder Eingangswellenleiter 1 umfasst einen Taper 2 mit S-förmiger Aufweitung des Durchlassquerschnitts. Hier wird – wie bereits oben beschrieben – die gaußförmige Intensitätsverteilung eines Lichtimpulses im konkaven Bereich des S-Tapers 2 zunächst homogen verbreitert, und dann werden im konvexen Bereich des S-Tapers 2 die Seiten der Intensitätsverteilung nach innen gedrückt, wodurch eine schöne rechteckige Intensitätsverteilung entsteht. Da die Form der Lichtverteilung an dieser Stelle des Demultiplexers die Form des Passbandes bestimmt (also welche Wellenlängen wie stark durchgelassen werden), hat man somit ein rechteckiges Passband für den Demultiplexer erreicht. Die S-Taper 2 werden im AWG-Demultiplexer vor die 1. FPR 3 eingefügt. In 2 ist der Bereich der Eingangswellenleiter 1 mit S-Taper 2 zudem vergrößert dargestellt.
• Die weitere Lichtausbreitung in einem Demultiplexer dieses Typs ist bekannt. Das Licht breitet sich in der 1. FPR 3 (erster Koppelbereich) aus, wird dann in die verschiedenen Wellenleiter (Wellenleiterfächer) des eigentlichen AWG 4 aufgeteilt, erfährt dort unterschiedliche Phasenverschiebungen, da die einzelnen Wellenleiter des AWG 4 unterschiedlich lang sind, und wird aufgrund dieser unterschiedlichen Phasenverschiebungen durch Interferenzen im 2. FPR 5 (zweiter Koppelbereich) in einen bestimmten der mehreren Ausgangswellenleitern 5 fokussiert.
• Die genaue Form der S-Taper 2 sieht man deutlicher in 3. Die Zahlen auf der x- und y-Achse sind nur willkürliche Längeneinheiten und geben nicht die genauen Abmessungen des Tapers wieder. Der S-Taper 2 umfasst einen sich erweiternden konkaven Teil 7, der dann in einen sich erweiternden konvexen Teil 8 übergeht. Erfindungsgemäß kann sich an den Taper 2 ein Wellenleiterstück 20 mit konstantem Querschnitt anschließen, wodurch sich, wie oben beschrieben, eine Verbesserung des Passbandes erzielen lässt.
• In 4A ist ein Beispiel des gaußschen Passbandes 12 eines Wellenleiters dargestellt. Es wird im wesentlichen nur die Mittenwellenlänge durchgelassen. Im Vergleich dazu zeigt 4B das eines optischen Bausteils, z.B. eines AWG, mit erfindungsgemäßem Wellenleiter mit S-Taper. Im Bereich von etwa +/– 4 μm um die Mittenwellenlänge ist das Passband 13 annähernd linear (rechteckförmig).
• Fügt man nach dem S-Taper 2, aber vor dem 1. FPR 3, ein gerades Wellenleiterstück mit gleichbleibendem Querschnitt an, so kann man eine weitere Verbesserung der Rechteckform des Passbandes erreichen.
• 5A ist eine Darstellung der Pulsform am Eingang des AWG. Die Pulsform 12 ist gaußförmig. 5B zeigt die flache Pulsform 13 nach dem S-Taper, wogegen 5C eine Darstellung der nahezu rechteckförmigen Pulsform 14 im AWG nach dem S-Taper und einem geradem Wellenleiterabschnitt ist. Die Annäherung der Pulsform an die Rechteckform wird deutlich.
• In 6 zeigt eine Simulation der Intensitätsverteilung im erfindungsgemäßen S-Taper 2. Es wurde eine 4-Quadrantendarstellung gewählt. Im rechten unteren Quadranten ist die Formgebung des zu simulierenden S-Taper 2 dargestellt. Der linke obere Quadrant zeigt 2-dimensional die simulierte Intensitätsverteilung 15 entlang des S-Taper. Man erkennt wie die Intensitätsunterschiede bezogen auf den Querschnitt vom Eingang (links) zum Ausgang (rechts) geringer werden und sich Vergleichmäßigen. Der rechte obere Quadrant zeigt die Intensitätsverteilung 16 als 3-dimensionale Darstellung.
• Links unten ist schließlich die Intensitätsverteilung 17 am Ausgang des S-Tapers dargestellt.
• Die 7A und 7B zeigen die Intensitätsverteilungen 18 bzw. 19 mit und ohne (bzw. vor) dem S-Taper im Bereich der Mittenfrequenz in stark vergrößerter Darstellung. Zum direkten Vergleich wurde in beiden 7A und 7B der selbe Maßstab bei den x- und y-Achsen gewählt, nur der Offset auf der y-Achse ist unterschiedlich aufgrund der unterschiedlichen Feldverteilungen.
• Man erkennt den nahezu linearen Durchlassbereich im Bereich von +/– 3 μm um die Mittenwellenlänge. Selbstverständlich lässt sich die Breite des linearen Durchlassbereiches durch entsprechendes Design des Tapers variieren. Die oben angegebenen +/– 3 μm sind daher nur beispielhaft zu verstehen.

1

Eingangswellenleiter

2

S-Taper

3

Erste FPR (Free Propagation Region)

4

AWG (Arrayed Waveguide Grating)

5

Zweite FPR (Free Propagation Region)

6

Ausgangswellenleiter

7

Konkav erweiterter Teil

8

Konvex erweiterter Teil

9

Eingangsimpuls

10

Übertragungsstrecke

11

Ausgangsimpuls

12

Gaußscher Durchlassbereich

13

Rechteckförmiger Durchlassbereich

14

Rechteckförmiger Durchlassbereich (verbessert)

15

Intensitätsverteilung

16

Intensitätsverteilung

17

Intensitätsverteilung

18

Intensitätsverteilung

19

Intensitätsverteilung

20

Wellenleiterstück

Claims (7)

1. Optischer Wellenleiter mit Taper (2), der sich im Querschnitt S-förmig erweiternd ausgebildet ist, wobei die Querschnittserweiterung durch arctan-Funktionen beschrieben ist.
2. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen ersten Abschnitt (7) mit konkav verlaufender Querschnittserweiterung und einen sich daran anschließenden zweiten Abschnitt (8) mit konvex verlaufender Querschnittserweiterung aufweist.
3. Optischer Wellenlängenmultiplexer/-demultiplexer umfassend: einen oder mehrere Eingangswellenleiter (1), einen sich an den oder die Eingangswellenleiter (1) anschließenden ersten Koppelbereich (3), einen sich an den ersten Koppelbereich (3) anschließenden Wellenleiterfächer (4), einen sich an den Wellenleiterfächer (4) anschließenden zweiten Koppelbereich (5), und einen oder mehrere sich an den zweiten Koppelbereich (5) anschließende Ausgangswellenleiter (6), wobei der oder die Eingangswellenleiter (1) jeweils einen sich im Querschnitt S-förmig erweiternden Taper (2) aufweisen, dessen Querschnittserweiterung durch arctan-Funktionen beschrieben ist.
4. Optischer Wellenlängenmultiplexer/-demultiplexer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der S-förmige Taper (2) einen ersten Abschnitt (7) mit konkav verlaufender Querschnittserweiterung und einen sich daran anschließenden zweiten Abschnitt (8) mit konvex verlaufender Querschnittserweiterung aufweist.
5. Optischer Wellenlängenmultiplexer/-demultiplexer nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der S-förmige Taper (2) durch Funktionen vom Typ y = α + β·arctan (x·γ) und y = –α – β·arctan (x·γ) beschrieben ist, wobei α einen Offsetwert und β, γ Skalierungsfaktoren beschreiben, und x und y zwei zueinander orthogonale Koordinatenachsen beschreiben, wobei die x-Achse in Fortpflanzungsrichtung des Lichtes zeigt und in der Symmetrieachse des jeweiligen Eingangswellenleiters (1) liegt und die y-Achse durch den Wendepunkt sowohl der ersten als auch der zweiten oben angegebenen arctan-Funktion verläuft.
6. Optischer Wellenlängenmultiplexer/-demultiplexer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den S-förmigen Taper (2) unmittelbar ein gerades Wellenleiterstück (20) mit konstantem Querschnitt anschließt.
7. Optischer Wellenlängenmultiplexer/-demultiplexer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des geraden Wellenleiterstückes (20) in der Größenordnung von 10 Wellenlängen der verwendeten Lichtwellenlänge liegt.