DE10227428B4

DE10227428B4 - Vorrichtung zum Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer Datenkanäle und Koppelanordnung für eine solche Vorrichtung

Info

Publication number: DE10227428B4
Application number: DE2002127428
Authority: DE
Inventors: Zhan Dr. Gao; Ingo Dr. Baumann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2022-06-15
Also published as: DE10227428A1

Abstract

Vorrichtung zum Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer Datenkanäle unterschiedlicher Wellenlängen mit
– einem ersten Freistrahlbereich (101),
– einer Koppelanordnung (10) zum Ein- oder Auskoppeln von Licht in den ersten Freistrahlbereich (101),
– einem zweiten Freistrahlbereich (102),
– einer zwischen dem ersten Freistrahlbereich (101) und dem zweiten Freistrahlbereich (102) angeordneten Phasenschieberanordnung (103) und
– einem mit dem zweiten Freistrahlbereich (102) verbundenen Ausgangsbereich (105), wobei
– die Koppelanordnung (10) aufweist
– einen Stumpfwellenleiter (2, 6) mit konstantem Brechungsindex und geradlinig verlaufenden Begrenzungen, dessen eines Ende mit dem ersten Freistrahlbereich (101) gekoppelt ist, und
– einen mit dem Stumpfwellenleiter (2, 6) gekoppelten Lineartaper (1, 4),
– das nicht mit dem ersten Freistrahlbereich (101) gekoppelte Ende des Stumpfwellenleiters (2, 6) unmittelbar an den Lineartaper (1, 4) angrenzt und
– die Länge des Stumpfwellenleiters (2, 6) derart bemessen ist, dass an dem mit dem ersten Freistrahlbereich...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer Datenkanäle unterschiedlicher Wellenlängen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Koppelanordnung für eine derartige Vorrichtung.
Es ist bekannt, zum Multiplexen oder Demultiplexen von optischen Signalen unterschiedlicher Wellenlänge sogenannte Arrayed Waveguide Gratings (AWG) einzusetzen. Ein AWG besteht im allgemeinen aus zwei Freistrahlbereichen, die durch eine Phasenschieberanordnung miteinander verbunden sind. An die Freistrahlbereiche schließen sich Wellenleiter zum Ein- und Auskoppeln des Lichtes an. Eine entsprechende Multiplex/Demultiplex-Anordnung ist beispielsweise in der WO 96/00915 A1 beschrieben.
Die Filtercharakteristik eines AWGs kann in erster Näherung durch eine Gauß-Funktion beschrieben werden. Vorteilhafter wäre jedoch ein eher rechteckförmiger Verlauf der Filterkurven, damit sich die Einfügedämpfung bei Schwankungen der Umgebungstemperatur und/oder der Wellenlänge der Laserstrahlung in einem möglichst großen Wellenlängenbereich nur unwesentlich ändert.
Aus der EP 0 721 120 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt. Vor den ersten Freistrahlbereich eines Demultiplexers mit einem Phasengitter ist eine Anordnung bestehend aus einem Monomode-Wellenleiter, einem adiabatischen Wellenleiteradapter, einem bi-modalen Polarisationsumsetzer und einem Polarisationsfilter in Form eines kanalförmigen, mit einer Metallschicht versehenen Wellenleiters gesetzt. Im Polarisationsumsetzer wird der Grundmodus des einen Polarisationszustandes in eine Mode des anderen Polarisationszustandes umgewandelt. Ziel der Anordnung ist es, den Demultiplexer polarisationsunabhängig auszubilden.
Aus der WO 01/33270 A1 ist eine Vorrichtung zum Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer Datenkanäle unterschiedlicher Wellenlängen bekannt, die eine Koppelanordnung zum Ein- oder Auskoppeln von Licht in einen Freistrahlbereich aufweist. Die Koppelanordnung weist integriert optisch in einem Substrat einen Stumpfwellenleiter auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu realisierende Vorrichtung zum Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer Datenkanäle unterschiedlicher Wellenlängen gemäß der Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Verfügung zu stellen, die einen möglichst rechteckförmigen bzw. flachen Verlauf der Filterkurven für die einzelnen Wellenlängen bereitstellt. Des weiteren soll eine Koppelanordnung bereitgestellt, die in geeigneter Weise Licht in den einen Freistrahlbereich einer entsprechenden Vorrichtung ein- oder auskoppelt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Koppelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Bevorzugte und vorteilhalfte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach ist eine Koppelanordnung zum Ein- oder Auskoppeln von Licht in den ersten Freistrahlbereich vorgesehen, die einen Stumpfwellenleiter und einen Lineartaper aufweist. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass das nicht mit dem ersten Freistrahlbereich gekoppelte Ende des Stumpfwellenleiters unmittelbar an dem Lineartaper angrenzt und die Länge des Stumpfwellenleiters derart bemessen ist, dass an dem mit dem ersten Freistrahlbereich gekoppelten Ende des Stumpfwellenleiters eine verbreiterte Feldverteilung vorliegt, und dass der Lineartaper aus einer Lichtleitfaser besteht, deren Kern getapert ist, und der Stumpfwellenleiter als Multimoden-Stufenindexfaser ausgebildet ist, wobei aus dem getaperten Kern des Lineartapers austretendes Licht vollständig in den Kernbereich der Stufenindexfaser eingekoppelt wird.
Die Länge des Stumpfwellenleiters ist derart bemessen, dass am mit dem ersten Freistrahlbereich gekoppelten Ende des Stumpfwellenleiters eine verbreiterte Feldverteilung vorliegt, die näherungweise durch zwei beabstandete Gauß-Verteilungen beschreibbar ist. Eine Faltung einer doppelten Gauß-Funktion mit der Mode des jeweiligen Ausgangswellenleiters führt zu einer rechteckähnlichen Transmissionsfunktion.
Unter einem Stumpfwellenleiter im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine wellenleitende Struktur mit konstantem Brechungsindex verstanden, die geradlinig verlaufende Begrenzungen aufweist, an die sich ein Cladding anschließt. Die wellenleitende Struktur ist beispielsweise eine planare optische Komponente mit sowohl in Draufsicht als auch im Querschnitt im wesentlichen rechteckiger Form. Es kann sich jedoch auch um den Kernbereich einer Stufenindexfaser handeln, über die Licht in den ersten Freistrahlbereich der Vorrichtung eingekoppelt wird. Der Stumpfwellenleiter ist dabei stets ein Multimoden-Lichtwellenleiter.
Die erfindungsgemäße Lösung führt zu einer Verbreiterung und einer günstigeren Feldverteilung am Eingang des ersten Freistrahlbereiches. Da die Anordnung bezüglich des ersten und des zweiten Freistrahlbereiches spiegelbildlich ist, wird eine verbreiterte Eingangsfeldverteilung im ersten Freistrahlbereich für jede Wellenlänge auf den Ausgang des zweiten Freistrahlbereiches abgebildet. Die Faltung dieser Feldverteilung mit der Mode des jeweiligen Ausgangswellenleiters führt bei einem geraden oder linearen getaperten Ausgangswellenleiter jeweils zu einer Transmissionsfunktion, die einen rechteckförmigeren Verlauf besitzt. Dadurch ändert sich die Einfügedämpfung bei Schwankungen der Umgebungstemperatur und/oder der Wellenlänge der Laserstrahlung in einem relativ großen Wellenlängenbereich nur unwesentlich.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich somit dadurch aus, dass durch eine neue Art von Taper die Einstellung der Feldverteilung am Eingang des ersten Freistrahlbereiches erfolgt. Die vorgeschlagene Lösung ist dabei insofern besonders vorteilhaft, als ein rechteckförmigerer Verlauf der Filterkurven mit relativ einfachen Mitteln, nämlich der Verwendung eines einfach zu realisierenden Multimoden-Stumpfwellenleiters erfolgt.
Durch den Lineartaper kann das in den Stumpfwellenleiter einzukoppelnde Licht in gewünschter Weise eingestellt und variiert werden. Durch ihren einfachen Aufbau und die Kombinationsvielfalt zwischen dem Lineartaper und dem Stumpfwellenleiter bietet die erfindungsgemäße Koppelanordnung bzw. der erfindungsgemäße Taper eine große Technologientoleranz einerseits und ermöglicht sie die Einstellung eines breiten Spektrums der Filtercharakteristik andererseits.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das nicht dem Stumpfwellenleiter gekoppelte Ende des Lineartapers mit einem Single-Mode-Einkoppelwellenleiter gekoppelt ist. Dieser dient einer Feldstabilisierung des in den Lineartaper einzukoppelnden Lichtes und ermöglicht daher ein besser definiertes Eingangsfeld für den Lineartaper.
Bevorzugt ist der Lineartaper in einem derartigen Maß getapert, dass das an seinem einen Ende eingekoppelte einmodige Licht seine Einmodigkeit beibehält und somit am anderen Ende des Lineartapers einmodiges Licht in den angrenzenden Stumpfwellenleiter angekoppelt wird. Dies weist den Vorteil auf, dass eine definiertere Einkopplung des Lichtes in den Stumpfwellenleiter erfolgt. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um eine vorteilhafte Maßnahme. Es ist ebenfalls möglich, dass das Licht bei Durchlaufen des Lineartapers seine Einmodigkeit verliert und mehrmodig in den Stumpfwellenleiter eingekoppelt wird. Eine Mehrmodigkeit kann sich gegebenenfalls auch aufgrund eines unsteten Überganges zwischen dem Lineartaper und dem Stumpfwellenleiter ergeben.
Der Durchmesser des Lineartapers am mit dem Stumpfwellenleiter gekoppelten Ende ist bevorzugt kleiner als der Durchmesser des Stumpfwellenleiters. Ansonsten würde eine Lichteinkopplung vom Lineartaper in den Stumpfwellenleiter mit größeren Lichtverlusten einhergehen, da Licht dann teilweise unmittelbar in das Cladding des Stumpfwellenleiters eingekoppelt würde.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Tapers bestehend aus einem Lineartaper und einem Stumpfwellenleiter;
2 einen Querschnitt durch einen Taper gemäß 1 bei Ausbildung des Tapers in einer planaren optischen Komponente;
3 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Tapers gemäß 1, bei dem der Lineartaper und der Stumpfwellenleiter als diskrete Komponenten ausgebldet sind;
4 die Transmissionskurve eines AWGs zum einen mit einem Taper, der als im Stand der Technik bekannter Horntaper ausgebildet ist und zum anderen mit einem Taper, der aus einem Lineartaper und einem Stumpfwellenleiter besteht; und
5 schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zum Multiplexen und/oder Demultiplexen von optischen Kanälen unterschiedlicher Wellenlängen.
Die 1 und 2 betreffen nicht die Erfindung und dienen lediglich der Erläuterung und dem besseren Verständnis der Erfindung.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden zunächst anhand der 5 der Aufbau und die Funktion eines Wellenlängenmultiplexers/Demultiplexers beschrieben.
Der in 5 schematisch dargestellte Wellenlängenmultiplexer/Demultiplexer 100 weist eine als Arrayed-Waveguide-Grating (AWG) bezeichnete Gittereinrichtung auf, die aus einem ersten Freistrahlbereich 101, einem zweiten Freistrahlbereich 102 und einer dazwischenliegenden Phasenschieberanordnung 103 besteht. Der Eingang des ersten Freistrahlbereiches 101 ist mit einer Koppelanordnung verbunden, bei der es sich in der Darstellung der 1 um einen Ein- oder Ausgangswellenleiter 104 handelt. Der Ausgang des zweiten Freistrahlbereiches 102 ist mit mehreren Aus- oder Eingangswellenleitern 105-1, ... 105-n verbunden, die einen Aus- oder Einkoppelbereich 105 bilden.
Bei der Phasenschieberanordnung 103 handelt es sich bevorzugt um ein sogenanntes Phased-Array aus mehreren gekrümmt verlaufenden, streifenartigen optischen Wellenleitern mit von Wellenleiter zu Wellenleiter variierender optischer Länge, wobei der Längenunterschied zwischen zwei benachbarten Wellenleitern konstant ist. Anstelle eines Gitters in Form eines Phased Array können jedoch auch andere optische Gitter, beispielsweise geätzte Gitter verwendet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch die Koppelanordnung 104 vor dem Eingang des ersten Freistrahlbereiches 101 mehr als nur einen Wellenleiter aufweisen kann. Mehrere Eingänge in den ersten Freistrahlbereich 101 dienen dabei dazu, die durch Prozessschwankungen bedingte Verschiebung der Zentralwellenlänge durch Wahl eines geeigneten Eingangs zu kompensieren. Es wird nach einer geeigneten Festlegung jedoch nur ein Eingangs- bzw. Ausgangswellenleiter 104 verwendet.
Der Multiplexer/Demultiplexer ist bevorzugt auf der Oberfläche eines Substrats ausgebildet. Insbesondere besteht die Gittereinrichtung bevorzugt aus einer vergrabenen, verzweigten Wellenleiterstruktur in einer Schicht SiO₂ aus Quarzglas, welche auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht ist. Alternativ können auch andere Materialien wie z.B. GaAs, InGaAlAs, InP, Polymere und Quarzglas ohne Siliziumsubstrat eingesetzt werden. Die Freistrahlbereiche 101, 102 sind als Schichtwellenleiter ausgebildet.
In alternativen Ausgestaltungen grenzt der erste Freistrahlbereich unmittelbar an die Substratkante, so dass die Koppelanordnung 104 nicht auf dem Substrat ausgebildet ist, sondern in einer gesonderten Vorrichtung, die dann an der Substratkante angeordnet wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass Licht aus einer an der Substratkante angebrachten Glasfaser in den ersten Freistrahlbereich 101 unmittelbar angekoppelt bzw. aus diesem ausgekoppelt wird.
In Abhängigkeit davon, ob es sich bei der Anordnung um einen Multiplexer oder um einen Demultiplexer handelt, liegt der erste Freistrahlbereich 101 auf der Eingangsseite und der zweite Freistrahlbereich 102 auf der Ausgangsseite bzw. umgekehrt. Nachfolgend wird lediglich der Fall eines Demultiplexers betrachtet, wobei für einen Multiplexer bei umgekehrter Ausbreitungsrichtung der Lichtsignale entsprechende Betrachtungen gelten.
Der Eingangswellenleiter 104 enthält eine Vielzahl von optischen Signalen unterschiedlicher Wellenlänge λ1, λ2, ..., λn (im folgenden auch als Wellenlängenkanäle bezeichnet), die durch die Gittereinrichtung räumlich getrennt werden. Dabei werden die über den Eingangswellenleiter 104 in den ersten Freistrahlbereich 101 eingestrahlten Signale mehrerer Wellenlängen in dem Freistrahlbereich 101 gleichförmig verteilt und an der Ausgangsfläche 101-1 des ersten Freistrahlbereiches 101 in die einzelnen Wellenleiter der Phasenschieberanordnung 103 eingekoppelt. An einer Eingangsfläche 102-1 des zweiten Freistrahlbereiches 102 treten die optischen Signale aus den einzelnen Lichtwellenleitern der Phasenschieberanordnung 103 wieder aus und in den zweiten Freistrahlbereich 102 ein.
Im zweiten Freistrahlbereich 102 erfolgt nun eine wellenlängenabhängige Fokussierung des Lichtes, wobei das Licht für jede Wellenlänge auf einen bestimmten Punkt bzw. kleinen Raumbereich 106-1, ... an der Ausgangsfläche 102-2 des zweiten Freistrahlbereiches fokussiert wird. Die einzelnen Punkte 106-1, ... 106-n, in denen jeweils das Licht einer bestimmten Wellenlänge konzentriert wird, sind dabei räumlich getrennt. Jedem solchen Punkt 106-1, ... 106-n ist ein Wellenleiter 105-1, ... 105-n des Auskoppelbereichs 105 zugeordnet. Das Licht einer bestimmten Wellenlänge wird jeweils in einen entsprechenden Ausgangswellenleiter 105-1, ... 105-n eingekoppelt.
Auf diese Weise erfolgt ein Demultiplexen der im Eingangswellenleiter 104 enthaltenden Signale mehrerer Wellenlängen bzw., bei umgekehrter Signalrichtung, ein Multiplexen von Signalen in den Wellenleitern 105-1, ... 105-n.
AWG's der beschriebenen Art sind beispielsweise in der WO 96/00915 A1, der WO 99/52003 A1 und in der Veröffentlichung von J. B. D. Soole et al. in IEEE, Photonics Technology Lett., Vol. 8, Nr. 10, Okt. 1996, S. 1340–1342 beschrieben.
Jeder Ausgangswellenleiter 105-1, ... 105-n des Auskoppelbereichs 105 weist eine wellenlängenabhängige Transmissionsfunktion auf. Diese Transmissionsfunktion ist gleich dem Faltungsintegral aus der Feldverteilung der betrachteten Wellenlänge an der Ausgangsfläche 102-2 des zweiten Freistrahlbereichs mit der Mode des betrachteten Ausgangswellenleiters 105-1, ..., 105-n. Da die Gittereinrichtung bezüglich des ersten und des zweiten Freistrahlbereiches 101, 102 spiegelbildlich ist, ist die Feldverteilung an der Ausgangsfläche des zweiten Freistrahlbereichs 102 eine 1:1-Abbildung der Feldverteilung des Eingangswellenleiters 104 an der Eingangsfläche 101-2 des ersten Freistrahlbereichs 101. Bei letzterer handelt es sich in erster Näherung um eine Gauß-Verteilung. Da auch die Mode des jeweiligen Ausgangswellenleiters 105-1, ... 105-n in erster Näherung eine Gauß-Verteilung besitzt, ähnelt die Transmissionsfunktion für jeden Ausgangswellenleiter 105-1, ... 105-n einer Gauß-Funktion. Die Fehlercharakteristik des AWG's kann somit in erster Näherung durch eine Gauß-Funktion gut beschrieben werden.
Günstiger ist jedoch ein eher rechteckförmiger Verlauf der wellenlängenabhängigen Transmissionsfunktion, damit in einem bestimmten Wellenlängenbereich bei Schwankungen der Umgebungstemperatur und/oder der Wellenlänge sich die Einfügedämpfung des AWG nur unwesentlich ändert.
Aufgrund der 1:1-Abbildung zwischen Eingangs- und Ausgangsbereich der Gittereinrichtung besteht eine mögliche Lösung hierfür darin, die Feldverteilung im Eingangsbereich derart zu ändern, dass das Faltungsintegral dieser geänderten Feldverteilung, die aufgrund der Spiegelsymmetrie an der Ausgangsfläche 102-2 des zweiten Freistrahlbereiches anliegt, mit der Mode des Ausgangswellenleiters eine flachere Transmissionscharakteristik ergibt. Hierzu ist insbesondere bekannt, die Feldverteilung am Eingang 101-2 des ersten Freistrahlbereiches 101 zu modifizieren, beispielsweise mittels eines 3-dB-Strahlteilers (vgl. US 5 412 744 A ), mittels eines sogenannten „Multimode-Interferenzkoppler" (vgl. IEEE, Photonics Technology Lett., Vol. 8, Nr. 10, Okt. 1996, S. 1340–1342) oder mittels einer sogenannten „Horn"-Struktur (vgl. K. Okamoto, A. Sugita in Electr. Lett. 32, 1996, S. 1661–1662).
Im folgenden wird anhand der 1 und 2 eine weitere Lösung zur Änderung der Feldverteilung am Eingang des ersten Freistrahlbereiches 101 erläutert.
Gemäß 1 erfolgt eine geeignete Einstellung der Feldverteilung an der Eingangsfläche 101-2 des ersten Freistrahlbereiches 101 durch eine Koppelanordnung 10, die eine erste, als „Lineartaper" bezeichnete wellenleitende Struktur 1 und eine zweite, als „Stumpfwellenleiter" bezeichnete wellenleitende Struktur 2 besitzt. Der Stumpfwellenleiter 2 grenzt dabei an und mündet in die Eingangsfläche 101-2 des ersten Freistrahlbereiches 101 eines AWG's entsprechend der 5.
Der dem Stumpfwellenleiter 2 in Bezug auf den ersten Freistrahlbereich 101 vorgelagerte Lineartaper 1 verbreitert sich in Richtung des Stumpfwellenleiters 2 linear bis zu einer Breite H1.
Der Stumpfwellenleiter 2 zeichnet sich durch einen konstanten Brechungsindex aus. Er ist von geradlinig verlaufenden Rändern 21, 22 begrenzt, an die sich ein Cladding eines Materials mit einem unterschiedlichen Brechungsindex anschließt (nicht dargestellt). Die Breite H2 des Stumpfwellenleiters ist größer als die maximale Breite H1 des Lineartapers, wodurch sichergestellt wird, dass aus dem Lineartaper 1 in den Stumpfwellenleiter 2 eingekoppeltes Licht im wesentlichen vollständig in den Stumpfwellenleiter 2 eingekoppelt wird.
Der maximale Durchmesser bzw. die maximale Breite H1 des Lineartapers 1 liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 6 und 30 μm. Seine Länge L1 liegt bevorzugt zwischen 50 und 500 μm. Der Durchmesser bzw. die Höhe H2 des Stumpfwellenleiters 2 liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 10 und 40 μm und die Länge L2 des Stumpfwellenleiters 2 bevorzugt in einem Bereich zwischen 50 und 300 μm.
Vor dem Stumpfwellenleiter befindet sich in dem Ausführungsbeispiel der 1, jedoch nicht notwendigerweise, des weiteren ein Einkoppelwellenleiter 3. Dieser ist als Single-Mode-Lichtwellenleiter ausgebildet und dient einer Feldstabilisierung und Felddefinition des Lichtes am Eingang des Lineartapers 1. Er kann einstückig bzw. als eine wellenleitende Struktur mit dem Lineartaper 1 ausgebildet sein, sowie auch der Lineartaper 1 und der Stumpfwellenleiter 2 bei planarer Ausbildung aus einer wellenleitenden Struktur gebildet sein können.
Die dargestellte Koppelanordnung führt zu einer Verbreiterung der Feldverteilung am Eingangsbereich 101-2 des ersten Freistrahlbereichs 101. Zunächst wird das Licht mehrerer Wellenlängen λ1, λ2, ... beispielsweise über eine Lichtfaser an den Einkoppelwellenleiter 3 einmodig eingekoppelt. Der Einkoppelwellenleiter 3 stellt ein definiertes Feld am Eingang des Lineartapers 1 bereit. Der Lineartaper 1 dient der Verbreiterung des Feldes, wobei bevorzugt ein langsames Auftapern derart vorgesehen ist, dass das Feld einmodig bleibt. Grundsätzlich kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Feld im Lineartaper 1 mehrmodig wird.
Das verbreiterte Feld wird nun in den Stumpfwellenleiter 2 eingekoppelt. Mit zunehmendem Verlauf im Stumpfwellenleiter 2 wird das Licht dabei immer schwächer in der Mitte des Stumpfwellenleiters 2 geführt und konzentriert sich stattdessen mehr und mehr an den jeweiligen Rändern 21, 22. So wird das Licht aufgrund des Sprungs der Brechzahl an den Rändern 21, 22 insbesondere an den Rändern 21, 22 des Stumpfwellenleiters 2 geführt wird. Es bilden sich dabei zwei Gauß-Verteilungen an den Rändern 21, 22 aus, mit denen das Licht in den ersten Freistrahlbereich 101 eingekoppelt wird, wie durch die beiden Gauß-Funktionen 41, 42 schematisch angedeutet. Hierdurch wird erreicht, dass am Eingang 101-2 des ersten Freistrahlbereichs 101 eine doppelte Gauß-Verteilung mit zwei benachbarten Maxima bereitgestellt wird. Es liegt somit eine relativ breite Feldverteilung mit zwei Maxima und einer dazwischen liegenden, sich aus der Überlagerung der Gauß-Verteilungen ergebenden Delle vor.
Wie anhand der 5 erläutert, wird diese Eingangsfeldverteilung für jede Wellenlänge durch das AWG auf den entsprechenden Raumpunkt 106-1, ... 106-n unmittelbar abgebildet, so dass dort die gleiche verbreiterte Feldverteilung vorliegt. Dies führt nun vorteilhafterweise zu einer relativ flachen, rechteckähnlichen Transmissionsfunktion für jeden Wellenleiter 105-1, ... 105-n des Ausgangsbereichs des AWG's. So führt eine Faltung der doppelten Gauß-Funktion mit der Mode des jeweiligen Ausgangswellenleiters zu einer rechteckähnlichen Transmissionsfunktion. Die verbreiterte Eingangsfeld-Verteilung im ersten Freistrahlbereich, die auf den Ausgang des zweiten Freistrahlbereiches abgebildet wird, führt somit zu einem mehr rechteckförmigen Verlauf der Transmissionsfunktion bzw. Filterkurve des AWG's. Hierdurch wird erreicht, dass die Einfügedämpfung des AWG sich bei Schwankungen der Umgebungstemperatur und/oder der Wellenlänge des Lasers in einem möglichst großen Wellenlängenbereich nur unwesentlich verändert.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Verwendung eines Lineartapers 1 nicht zwingend notwendig für die Bereitstellung der gewünschten Feldverteilung am Eingang des ersten Freistrahlbereichs 101 ist. Da die Bereitstellung zweier Gauß-Verteilungen durch den Stumpfwellenleiter 2 erfolgt, kann auf den Lineartaper auch verzichtet werden, wobei dann einmodiges Licht unmittelbar in den Stumpfwellenleiter eingekoppelt wird.
Die 2 zeigt einen Schnitt durch den Stumpfwellenleiter 2 der 1 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Koppelanordnung 10 integriert optisch auf einem planaren Substrat 5 ausgebildet ist.
Wie an sich bekannt, sind dabei beispielsweise auf einem Siliziumwafer 51 mehrere SiO₂-Schichten abgeschieden, die verschiedene Brechungsindizes aufweisen. Es handelt sich bei diesen Schichten um eine sogenannte Pufferschicht 52, eine Kernschicht und eine Deckschicht 53. Die Kernschicht, die sich zwischen der Pufferschicht und der Deckschicht befindet, weist dabei den größten Brechungsindex auf. Bevor die Kernschicht mit der Deckschicht 53 abgedeckt wird, erfolgt mittels einer fotolithographisch hergestellten Maske und eines Ätzverfahrens eine Strukturierung der Kernschicht derart, dass eine bestimmte gewünschte Struktur, im vorliegenden Fall ein Stumpfwellenleiter 54 stehenbleiben. Diese Struktur 54 wird dann mit der Deckschicht 53 überschichtet und bildet den lichtführenden Wellenleiterkern. Die diesen umgebende Deckschicht 53 stellt das Cladding des Wellenleiterkerns 54 dar.
Gemäß 2 ist vorgesehen, dass der Stumpfwellenleiter 2 im Querschnitt rechteckig ausgebildet ist. In den Stumpfwellenleiter 2 eingekoppeltes Licht wird dabei zunehmend an den seitlichen Rändern 21, 22 geführt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die den Stumpfwellenleiter 2 ausbildende planare Schicht 54 auch andere Ausgestaltungen besitzen kann. Beispielsweise sind die Ränder 21, 22 nicht derart scharfkantig ausgebildet, wie in 2 dargestellt. Wichtig ist jedoch, dass die beiden Ränder 21, 22 parallel verlaufen, so dass das Licht in zwei parallelen Gauß-Verteilungen in den ersten Freistrahlbereich 101 eingekoppelt wird.
Es wird weiter darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf eine Ausführung in Verbindung mit einer planaren optischen Komponente beschränkt ist. Ebenso ist es denkbar, dass die Koppelanordnung aus diskreten optischen Komponenten besteht. Dies ist schematisch und beispielhaft anhand der 3 dargestellt. Danach besteht der Lineartaper aus einer Lichtleitfaser 4, deren Kern 41 getapert ist. Der Stumpfwellenleiter ist als Multimoden-Stufenindexfaser 6 ausgebildet, wobei aus dem getaperten Kernbereich 41 des Lineartapers 4 austretendes Licht vollständig in den Kernbereich 61 der Stufenindexfaser 6 eingekoppelt wird. Um den Kernbereich 61 der Multimodenfaser schließt sich in bekannter Weise der Mantelbereich bzw. das Cladding 62 an.
Die Stirnfläche 63 des Stumpfwellenleiters 6 grenzt bevorzugt unmittelbar an eine Substratkante eines AWG's, bei der der erste Freistrahlbereich unmittelbar an der Substratkante liegt, so dass Licht vom Stumpfwellenleiter 61 unmittelbar in den ersten Freistrahlbereich einkoppelbar ist.
Die Einfügedämpfung bzw. Transmissionskurve für einen Wellenlängenkanal ist in 4 zum einen für eine Koppelanordnung gemäß 1 (Kurve 7) und zum anderen für eine Koppelanordnung bestehend aus einem im Stand der Technik bekannten Horntaper (Kurve 8) dargestellt. Bei der Simulation des Tapers gemäß 1 wurden dabei folgende Parameter gewählt: L1 = 100 μm, L2 = 120 μm, H1 = 10 μm und H2 = 16 μm.
Zur Berechnung der Eigenschaften des Horntapers wurde die aus K. Okamoto, A. Sugita in Electr. Lett. 32, 1996, S. 1661–1662 bekannte Gleichung verwendet: y = (2·a·λc·X/neff + W0 2)-1/2 wobei x und y die Länge und Breite des Tapers, a eine Konstante kleiner als 1, λ_c die Zentralwellenlänge, n_eff der effektive Brechnungindex und Wo die Streifenwellenleiterbreite sind. Bei der Berechnung wurde x = 160 μm, a = 0. 95, λ_c = 1, 55 μm, n_eff = 1, 44968 und W₀ = 6 μm gewählt. Damit lag eine Taperbreite von 19 μm bei dem bekannten Horntaper vor.
Wie aus 4 ersichtlich, ergibt die Modellierung der Filterkurven resultierend aus diesen Vorgaben, dass die zwei Transmissionskurven oberhalb –7 dB sehr ähnlich sind. Unterhalb +7 dB ist die Spreizung der aus dem Horntaper resultierenden Filterkurve größer. Die Transmissionskurve des Horntapers ist breiter als die der Koppelanordnung gemäß 1. Mit anderen Worten gewinnt man mit der neuen Koppelanordnung gegenüber der Verwendung eines Horntapers bei gleichem Passband eine verbesserte Isolation der benachbarten Kanäle, die im vorliegenden Beispiel bei 3 bis 5 dB liegt.
Weiter ist in 4 zu erkennen, dass die Transmission an einem relativ großen Bereich um die Zentralwellenlänge (f = 0) herum konstant ist. Änderungen beispielsweise der Temperatur, die zu einer Verschiebung der Zentralwellenlänge des betrachteten Kanals führen, haben daher in einem relativ großen Bereich (df = plus 30 GHz bis minus 30 GHz) im wesentlichen keinen Einfluss auf die Transmission bzw. Einfügedämpfung.
Die Koppelanordnung ist bevorzugt integriert optisch in einem Substrat ausgebildet, das auch das AWG enthält. Die Koppelanordnung ist somit bevorzugt monolithisch mit dem AWG integriert und in gleicher Technik, beispielsweise Glas auf Silizium ausgeführt. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, den Lineartaper und den Stumpfwellenleiter als gesondertes Teil auszubilden, das dann bis direkt an die Substratoberflächenkante, an der in einem solchen Fall der erste Freistrahlbereich ausgebildet wäre, herangeführt ist, wobei das Licht direkt in den ersten Freistrahlbereich eingestrahlt würde. Der Lineartaper und der Stumpfwellenleiter könnten beispielsweise integriert optisch auf einem gesonderten Substrat ausgebildet sein, wobei der Stumpfwellenleiter an der Substratkante ausgebildet ist und das gesonderte Substrat dann Kante an Kante mit dem AWG-Substrat positioniert wird. Wie anhand der 3 erläutert, könnte die aus Lineartaper und Stumpfwellenleiter bestehende Koppelanordnung jedoch auch aus diskreten Komponenten bestehen.

Claims

Vorrichtung zum Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer Datenkanäle unterschiedlicher Wellenlängen mit – einem ersten Freistrahlbereich (101), – einer Koppelanordnung (10) zum Ein- oder Auskoppeln von Licht in den ersten Freistrahlbereich (101), – einem zweiten Freistrahlbereich (102), – einer zwischen dem ersten Freistrahlbereich (101) und dem zweiten Freistrahlbereich (102) angeordneten Phasenschieberanordnung (103) und – einem mit dem zweiten Freistrahlbereich (102) verbundenen Ausgangsbereich (105), wobei – die Koppelanordnung (10) aufweist – einen Stumpfwellenleiter (2, 6) mit konstantem Brechungsindex und geradlinig verlaufenden Begrenzungen, dessen eines Ende mit dem ersten Freistrahlbereich (101) gekoppelt ist, und – einen mit dem Stumpfwellenleiter (2, 6) gekoppelten Lineartaper (1, 4), – das nicht mit dem ersten Freistrahlbereich (101) gekoppelte Ende des Stumpfwellenleiters (2, 6) unmittelbar an den Lineartaper (1, 4) angrenzt und – die Länge des Stumpfwellenleiters (2, 6) derart bemessen ist, dass an dem mit dem ersten Freistrahlbereich (101) gekoppelten Ende des Stumpfwellenleiters (2, 6) eine verbreiterte Feldverteilung vorliegt, und – der Lineartaper (4) aus einer Lichtleitfaser besteht, deren Kern (41) getapert ist, und der Stumpfwellenleiter (6) als Multimoden-Stufenindexfaser ausgebildet ist, wobei aus dem getaperten Kern (41) des Lineartapers (4) austretendes Licht vollständig in den Kernbereich (61) der Stufenindexfaser eingekoppelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht mit dem Stumpfwellenleiter (2, 6) gekoppelte Ende des Lineartapers (1, 4) mit einem Single-Mode Einkoppelwellenleiter (3) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lineartaper (4) derart getapert ist, dass an einem Ende eingekoppeltes einmodiges Licht seine Einmodigkeit beibehält und am anderen Ende als einmodiges Licht in den Stumpfwellenleiter (6) eingekoppelt wird.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (H1) des Lineartapers (1, 4) am mit dem Stumpfwellenleiter (2, 6) gekoppelten Ende kleiner ist als der Durchmesser (H2) des Stumpfwellenleiters (2, 6).
Koppelanordnung zur Ein- oder Auskopplung von Licht in einen Freistrahlbereich einer Vorrichtung zum Multiplexen und/oder Demultiplexen optischer Datenkanäle unterschiedlicher Wellenlängen gemäß Anspruch 1, wobei die Koppelanordnung aufweist: – einen Stumpfwellenleiter (2, 6) mit konstantem Brechungsindex und geradlinig verlaufenden Begrenzungen, dessen. eines Ende an den ersten Freistrahlbereich (101) angrenzt, und – einen mit dem Stumpfwellenleiter (2, 6) gekoppelten Lineartaper (1, 4), wobei – das nicht an den ersten Freistrahlbereich (101) angrenzende Ende des Stumpfwellenleiters (2, 6) unmittelbar an den Lineartaper (1, 4) angrenzt, – die Länge des Stumpfwellenleiters (2, 6) derart bemessen ist, dass an dem an den ersten Freistrahlbereich (101) angrenzenden Ende des Stumpfwellenleiters (2, 6) eine verbreiterte Feldverteilung vorliegt, und – der Lineartaper (4) aus einer Lichtleitfaser besteht, deren Kern (41) getapert ist, und der Stumpfwellenleiter (6) als Multimoden-Stufenindexfaser ausgebildet ist, wobei aus dem getaperten Kern (41) des Lineartapers (4) austretendes Licht vollständig in den Kernbereich (61) der Stufenindexfaser eingekoppelt wird.
Koppelanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Single-Mode Einkoppelwellenleiter (3), der mit dem einen Ende des Lineartapers (1) gekoppelt ist.