DE19711882A1 - Optical transmission wavelength filter - Google Patents

Optical transmission wavelength filter

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Abstract

The filter includes an optical conductor, whose optic index structure is periodic or approximately periodic in segments of its longitudinal extent. Two or several reciprocating wave modes are coupled in the conductor through the local optic index changes in such a way with each other, that the optic index structure forms a bandpass with high power transmission in the transmission range, in passage direction with respect to at least one of the wave modes. The transmission range is spectrally limited on both sides by cut-off ranges with small power transmission. Alternatively, the optic index structure comprises, several wavelength transmission ranges which are separated from each other through ranges of lower transmission.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wellenlängenfilter mit einem mehrmodigen optischen Wellenleiter, in dem sich die Brechzahl in longitudinaler Richtung periodisch oder annähernd periodisch ändert. Durch Verkopplung der jeweils hin- und rücklaufenden verschiedenen Moden des Wellenleiters, die durch die Gitterstruktur hervorgerufen wird, wird ein optisches Bandpaßverhalten mit einem oder mehreren Transmissionsbereichen bezüglich mindestens eines Wellentyps erreicht.The invention relates to a wavelength filter with a multi-mode optical Waveguide in which the refractive index changes periodically or approximately in the longitudinal direction changes periodically. By coupling the different modes running back and forth of the waveguide, which is caused by the grating structure, becomes an optical Bandpass behavior with one or more transmission ranges with respect to at least one Shaft type reached.

Gitterstrukturen in optischen Wellenleitern, z. B. in optischen Fasern, sind durch eine Vielzahl von Publikationen bekannt, beispielsweise durch G. Meltz, W. M. Morey, und W. H. Glenn: "Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method", Optics Letters, Bd. 14, 1989, S. 823-825. Bekannt sind insbesondere die Filterwirkung von einmodigen Wellenleitern mit einer inneren Gitterstruktur in Reflexionsrichtung.Grating structures in optical waveguides, e.g. B. in optical fibers are characterized by a variety of Publications known, for example by G. Meltz, W. M. Morey, and W. H. Glenn: "Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method", Optics Letters, 14, 1989, pp. 823-825. In particular, the filter effect of single-mode is known Waveguides with an inner grating structure in the direction of reflection.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Verkopplung unterschiedlicher Wellentypen eine Filterwirkung in Transmissionsrichtung zu erzielen.The present invention has for its object by coupling different Wave types to achieve a filter effect in the transmission direction.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein von sich aus mehrmodiger optischer Wellenleiter in einem Abschnitt mit einer Gitterstruktur versehen wird oder ein von sich aus einmodiger optischer Wellenleiter mit einer derartigen Gitterstruktur versehen wird, daß er im Bereich der Gitterstruktur lokal mehrmodig wird. Die Kopplung zwischen den verschiedenen Wellentypen im Bereich der Gitterstruktur wird erfindungsgemäß durch eine lateral inhomogene oder asymmetrische Gestaltung der Gitterstruktur erreicht, beispielsweise durch Strukturierung des Wellenleiters lediglich in einem Teilgebiet seiner Querschnittsfläche. Alternativ kann die Kopplung, insbesondere für unterschiedliche polarisierte Wellentypen, durch anisotrope oder inhomogene oder inhomogene und anisotrope asymmetrische Gitterstrukturen erreicht werden. Die Brauchbarkeit solcher Strukturen zur Erzielung einer Transmissions-Filterwirkung basiert auf der Erkenntnis, daß einerseits in einem bestimmten optischen Wellenlängenbereich für einen Wellentyp eine starke Kopplung mit dem gleichen, aber gegenläufigen Wellentyp auftritt und damit für diesen Wellentyp dort eine geringe Transmission zu erwarten ist. Andererseits tritt für einen anderen Wellenlängenbereich eine starke Kopplung mit einem gegenläufigen anderen Wellentyp auf, so daß auch hier eine geringe Transmission des erstgenannten Wellentyps zu erwarten ist. Zwischen derartigen Bereichen geringer Transmission sind Bereiche hoher Transmission zu erwarten. Die spektrale Transmissionscharakteristik kann erfindungsgemäß eingestellt werden durch die mittlere Gitterkonstante, durch den Wellenleiterentwurf, durch die Änderung des mittleren Brechungsindex im Bereich der Gitterstruktur, durch die Länge, die Stärke oder die Periodizitätsschwankungen (Phasenchirp) des Gitters sowie durch laterale Inhomogenität, Asymmetrie oder Anisotropie der Gitterstruktur. Durch die mittlere Gitterkonstante kann die absolute spektrale Lage des Bandpasses eingestellt werden. Durch den Wellenleiterentwurf oder durch die Änderung des mittleren Brechungsindex im Bereich der Gitterstruktur kann die relative spektrale Lage der Transmissionseinbrüche zueinander eingestellt werden. Durch die Länge, die Stärke oder die Periodizitätsschwankungen kann die Breite der Transmissions­ einbrüche eingestellt werden. Das Verhältnis der Tiefen der Transmissionseinbrüche kann durch die laterale Inhomogenität, Asymmetrie oder Anisotropie der Gitterstruktur eingestellt werden. Durch die relative spektrale Lage der Transmissionseinbrüche zueinander, durch die Breite der Transmissionseinbrüche und durch das Verhältnis der Tiefen der Transmissionseinbrüche zueinander kann die spektrale Form des Transmissions-Wellenlängenfilters eingestellt werden. Die Berechnung konkreter Strukturen mit Hilfe der gekoppelten Wellengleichungen stützt die genannten anschaulichen Erklärungen.The object is achieved in that an inherently multi-mode optical Waveguide is provided in a section with a grating structure or one of its own single-mode optical waveguide is provided with such a lattice structure that it in Area of the lattice structure becomes locally multimode. The coupling between the different According to the invention, wave types in the region of the lattice structure are characterized by a laterally inhomogeneous or asymmetrical design of the lattice structure achieved, for example by structuring the Waveguide only in a partial area of its cross-sectional area. Alternatively, the Coupling, especially for different polarized wave types, through anisotropic or inhomogeneous or inhomogeneous and anisotropic asymmetrical lattice structures can be achieved. The The usability of such structures to achieve a transmission filter effect is based on the Realization that, on the one hand, in a certain optical wavelength range for one Wave type a strong coupling occurs with the same but opposite wave type and so that a low transmission is to be expected there for this wave type. On the other hand, for a different wavelength range is strongly coupled with an opposing other Wave type, so that here too a low transmission of the first-mentioned wave type is expected. Between such areas of low transmission, areas are higher Transmission expected. The spectral transmission characteristic can be according to the invention are set by the mean grating constant, by the waveguide design, by the Change in the average refractive index in the area of the lattice structure, due to the length and the thickness or the periodicity fluctuations (phase chirp) of the grating and due to lateral inhomogeneity, Asymmetry or anisotropy of the lattice structure. Due to the mean lattice constant, the absolute spectral position of the bandpass can be set. Through the waveguide design or by changing the average refractive index in the area of the grating structure, the relative spectral position of the transmission drops to each other can be adjusted. Through the  Length, strength, or fluctuations in periodicity can be the width of the transmissions burglaries can be set. The ratio of the depths of the transmission dips can by the lateral inhomogeneity, asymmetry or anisotropy of the lattice structure can be adjusted. By the relative spectral position of the transmission dips to each other, by the width of the Transmission dips and by the ratio of the depths of the transmission dips the spectral shape of the transmission wavelength filter can be adjusted to one another. The Calculation of concrete structures using the coupled wave equations supports the descriptive explanations mentioned.

Als Ausführungsbeispiel kann eine in einer Polarisation betriebene einmodige Faser dienen, die in einem Bereich von beispielsweise einigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern mit einer Gitterstruktur versehen und dort durch die Anhebung des mittleren Brechungsindex zweimodig ist. Eine laterale Asymmetrie der Gitterstruktur kann dadurch erzeugt werden, daß die einzelnen Gitterelemente mit gegen die Faserachse verkippter Flächennormalen nach Fig. 1 angebracht werden. Eine Gitterstruktur kann bekanntermaßen photorefraktiv durch Beleuchtung mit kurzwelligem Licht in die Faser eingeschrieben werden. Der Herstellungsprozeß kann alternativ so gestaltet werden, daß die Brechzahländerungen, die die Gitterstruktur ausmachen, in einem Teil der Querschnittsfläche der Faser, beispielsweise in der während des Herstellungsprozesses der Beleuchtungsquelle zugewandten Hälfte des Faserkerns, stärker ausgebildet werden.A single-mode fiber operated in a polarization can be used as an exemplary embodiment, which is provided with a lattice structure in a range from, for example, a few millimeters to a few centimeters and is two-mode there by increasing the average refractive index. A lateral asymmetry of the lattice structure can be created by attaching the individual lattice elements with surface normals according to FIG. 1 tilted against the fiber axis. As is known, a lattice structure can be inscribed into the fiber in a photorefractive manner by illumination with short-wave light. The manufacturing process can alternatively be designed in such a way that the changes in refractive index, which make up the lattice structure, are more pronounced in part of the cross-sectional area of the fiber, for example in the half of the fiber core which faces the illumination source during the manufacturing process.

Dadurch bewirkt die Gitterstruktur die gewünschte Kopplung auch zwischen den verschiedenen Moden. Das Transmissionsverhalten für die Grundwelle ist für derartige Bauelemente berechnet worden. Fig. 2 zeigt beispielhaft einen typischen spektralen Verlauf der Leistungstransmission für die Grundmode.As a result, the lattice structure also effects the desired coupling between the different modes. The transmission behavior for the fundamental wave has been calculated for such components. Fig. 2 shows an example of a typical spectral curve of the power transmission for the fundamental mode.

Derartige Transmissionsfilter können in einer Vielzahl von Systemen in der optischen Übertragungs- und Meßtechnik Anwendung finden.Such transmission filters can be used in a variety of optical systems Transmission and measurement technology find application.

Claims (13)

1. Optisches Transmissions-Wellenlängenfilter mit einem optischen Wellenleiter, dessen Brechzahlstruktur longitudinal abschnittsweise periodisch oder annähernd periodisch ist,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wellenleiter zwei oder mehrere jeweils hin- und rücklaufende Wellentypen durch die örtliche Brechzahländerungen derart miteinander verkoppelt werden, daß die Struktur in Durchlaßrichtung bezüglich zumindest eines der Wellentypen
  • - ein Bandpaßverhalten mit hoher Leistungstransmission im Transmissionsbereich, der spektral beidseitig von Sperrbereichen mit geringer Leistungstransmission eingeschlossen ist, aufweist,
    oder
  • - mehrere Wellenlängen-Transmissionsbereiche aufweist, die voneinander wellenlängenmäßig durch Bereiche niedriger Transmission getrennt sind.
1. Optical transmission wavelength filter with an optical waveguide whose refractive index structure is periodically or approximately periodically in sections,
characterized in that in the waveguide two or more respectively back and forth wave types are coupled together by the local changes in refractive index such that the structure in the forward direction with respect to at least one of the wave types
  • a bandpass behavior with high power transmission in the transmission area, which is spectrally enclosed on both sides by blocking areas with low power transmission,
    or
  • has a plurality of wavelength transmission regions, which are separated from one another in terms of wavelength by regions of low transmission.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter im Bereich der örtlichen Brechzahländerungen eine zwei- oder mehrmodige optische Faser ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the waveguide in the region of local refractive index changes is a bi- or multi-mode optical fiber. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter im Bereich der örtlichen Brechzahländerungen ein zwei- oder mehrmodiger planarer optischer Wellenleiter oder ein wie in der Integrierten Optik üblicher zwei- oder mehrmodiger Wellenleiter ist.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the waveguide in the region of local refractive index changes a two or more-mode planar optical waveguide or is a conventional two-mode or multi-mode waveguide as in integrated optics. 4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß keiner, einer, mehrere oder jeder der Wellentypen geführte Wellen sind und die übrigen Wellentypen Leckwellen sind.4. Arrangement according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that none, one, several or each of the wave types are guided waves and the rest Wave types are leaky waves. 5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich eingangs- und ausgangsseitig oder nur einseitig an den Bereich mit der örtlichen Brechzahländerung Modenfilter für den auf der jeweiligen Seite zu nutzenden Wellentyp oder für die auf der jeweiligen Seite zu nutzenden Wellentypen befinden.5. Arrangement according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that on the input and output side or only on one side to the area with the local Refractive index change mode filter for the wave type to be used on the respective side or for the shaft types to be used on the respective page. 6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkopplung der Wellentypen durch lateral asymmetrische oder inhomogene oder anisotrope oder inhomogen anisotrope und abschnittsweise longitudinal annähernd periodische Gitterstrukturen erreicht wird.6. Arrangement according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the Coupling of the wave types by laterally asymmetrical or inhomogeneous or anisotropic or inhomogeneous anisotropic and in some cases longitudinally approximately periodic lattice structures is achieved. 7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei der Wellentypen unterschiedlich polarisiert sind. 7. Arrangement according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that at least two of the wave types are polarized differently.   8. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Wellenlängen-Transmissionsbereiche durch eine örtliche Gewichtung der longitudinalen Brechzahlstruktur oder durch die laterale Brechzahlstruktur des Wellenleiters oder durch die Doppelbrechungseigenschaften des Wellenleiters gestaltet wird.8. Arrangement according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the Shape of the wavelength transmission ranges by local weighting of the longitudinal ones Refractive index structure or through the lateral refractive index structure of the waveguide or through the Birefringence properties of the waveguide is designed. 9. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die örtlichen Brechzahländerungen durch photorefraktive Prozesse oder durch Oberflächen­ strukturierung oder durch Dotierung oder durch mechanischen Druck oder durch akustische Wellen oder durch Temperaturänderungen erzeugt wurden und permanent oder nur zeitweilig vorhanden sind.9. Arrangement according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the local changes in refractive index due to photorefractive processes or surfaces structuring or by doping or by mechanical pressure or by acoustic Waves or caused by temperature changes and permanent or only temporarily available. 10. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der das Transmissions-Wellenlängenfilter enthaltende optische Wellenleiter einmodig ist und durch die Anwesenheit der Gitterstruktur lokal in dem die Brechzahländerungen enthaltenden Wellenleiterabschnitt zweimodig oder mehrmodig wird und in den anderen Wellenleiterabschnitten einmodig bleibt.10. The arrangement according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that the optical waveguide containing the transmission wavelength filter is single-mode and by the presence of the grating structure locally in the one containing the refractive index changes Waveguide section becomes two-mode or multi-mode and in the other Waveguide sections remains single-mode. 11. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissionsspektrum des Transmissions-Wellenlängenfilters eingestellt werden kann durch die mittlere Gitterkonstante der Gitterstruktur, durch den Wellenleiterentwurf, durch die Änderung der mittleren Brechzahl im Bereich der Gitterstruktur, durch die Länge, die Stärke oder die Periodizitätsschwankungen der Gitterstruktur, oder durch die laterale Inhomogenität, Asymmetrie oder Anisotropie der Gitterstruktur.11. The arrangement according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that the transmission spectrum of the transmission wavelength filter can be adjusted by the mean grating constant of the grating structure, through the waveguide design, through the change the average refractive index in the area of the lattice structure, by the length, the thickness or the Periodicity fluctuations of the lattice structure, or due to the lateral inhomogeneity, asymmetry or anisotropy of the lattice structure. 12. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine laterale Asymmetrie oder Inhomogenität der Gitterstruktur dadurch besteht, daß die einzelnen Gitterelemente mit gegen die Wellenleiterachse verkippten Flächennormalen nach Fig. 1 angebracht sind.12. The arrangement according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that there is a lateral asymmetry or inhomogeneity of the grating structure in that the individual grating elements are attached with surface normals according to FIG. 1 tilted against the waveguide axis. 13. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine asymmetrische Gitterstruktur in einer optischen Faser durch Ultraviolettbelichtung erzeugt wurde.13. Arrangement according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that created an asymmetrical grating structure in an optical fiber by ultraviolet exposure has been.
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