DE2903288A1 - Optischer multiplexer und demultiplexer - Google Patents

Optischer multiplexer und demultiplexer

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Description

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KIEPOEf TELEGRAPH AMD TELEPHOKE PUBLIC CORPORATION, Tokyo, Japan
Optischer Multiplexer mid Demultiplexer
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Multiplexer und/oder optischen Demultiplexer.
Die bevorzugten Anwendungsgebiete sind Spektroskop! sehe Analysen in optischen Einrichtungen und/oder die Überlagerung und/ oder Trennung optischer Signale in einem Wellenlangenmultiplex-Übertragungssystem.
Ein nachrichtenübertragungssystem,, das eine optische Faser (einen Lichtleiter) als Übertragungsmittel aufweist, hat gegenüber metallischen Übertragungsleitungen beispielsweise die folgenden Torteile: Die Verluste sind niedrig, die Bandbreite ist hoch, das Kabel hat einen geringen Durchmesser, ein geringes Gewicht und eine hohe Flexibilität, es tritt kein Nebensprechen auf und es ist immun gegen elektromagnetische Störungen. Der derzeitige Stand der Entwicklung bei der Herstellung optischer Fasern mit geringen Verlusten und bei der Steuerung der Wellenlängen in Lichtquellen ermöglicht die Ausbildung eines Wellenlängenmultiplex-Übertragungssyst ems, bei dem gleichzeitig mehrere Signale mit verschiedenen Wellenlängen über eine einzige optische Faser übertragen werden. Dieses Verfahren ermöglicht nicht nur eine Steigerung der Übertragungskapazität einer optischen Faser t sondern auch eine Zweiweg-Übertragung und/oder gleichzeitige Übertragung mehrerer verschiedener Signale.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel der Grundausführung eines Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystems (auch entsprechend dem englischen Wavelength-Division Multiplex mit WDM abgekürzt). Hierbei werden die Signale mehrerer Kanäle (CH^, CH2, ....... CH ) auf der Sendeseite in Steuersignale zum Steuern von
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Lichtquellen durch jeweils einen Sendekreis (TR., TR2, ...,,, TRn) umgeformt und Lichtquellen (T^, 3E^3 .„,..., T33) zugeführt. Jede Lichtquelle erzeugt einen Lichtstrahl in Abhängigkeit von den Steuersignalen, und jeder Lichtstrahl hat eine Mittenwellenlänge (λ^,Αρ» ······» An)* die Jeweils einem der Kanäle zugeordnet ist. Als Lichtquelle kann grundsätzlich ein Laser oder eine Lichtemissionsdiode (LED) verwendet werden. Die Ausgangslichtstrahlen der Lichtquellen werden einem optischen Multiplexer (MUT) über eine optische Faser zugeführt und darin gemultiplext oder überlagert. Die gemultiplexten Lichtstrahlen werden dann einer optischen Faser-Übertragungsleitung (LIIiE) zugeführt.
Auf der Empfangsseite werden die Wellenlängen durch einen optischen Demultiplexer (DE-MUT) getrennt und jeweils einem Lichtdetektor oder Fühler (R^, R2, ........ Rn) zugeführt, der das optische Signal in ein elektrisches Signal umformt. Das elektrische Signal wird dann über einen Empfängerkreis (REC..,
zugeführt.
, REC ) einem entsprechenden Ausgangsanschluß
Es sei hervorgehoben, daß in einem Zweiweg-TiiDM-Übertragungssystem sowohl die Lichtquellen als auch die Lichtdetektoren beide auf der Sendeseite und der Empfangsseite vorgesehen sind.
Erfindungsgemäß wird ein optischer Multiplexer und/oder ein optischer Demultiplexer der als Beispiel erwähnten Art geschaffen. Es sei jedoch betont, daß aufgrund der XJmkehrbarkeit eines Lichtstrahls der Aufbau eines optischen Multiplexers der gleiche wie der eines optischen Demultiplexers ist. Der Begriff "Multiplexer" oder "Demultiplexer" umfaßt daher sowohl einen Multiplexer als auch einen Demultiplexer, sofern keine andere Definition angegeben ist.
Bekannte Vorrichtungen, die als optischer Multiplexer verwendet werden können, sind ein Prisma, ein optisches Gitter und ein
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wellenlängenselektives Filter. L.in Prisma und ein optisches Gitter sind wellenlängenselektive Vorrichtungen, die die Beziehung zwischen der Wellenlänge und dem Brechungsindex oder dem Beugungswinkel eines Prismas oder eines optischen Gitters ausnutzen.
Ein wellenlängenselektives Filter reflektiert eine bestimmte Wellenlänge und überträgt andere Wellenlängen. Es wird aus Kunststoff mit Farbstoff oder als Dünnschicht-Interferenzfilter, in dem mehrere dünne Schichten auf einem Glassubstrat im Vakuum aufgedampft sind, hergestellt.
Bei einer Gradienten-Stablinse ändert sich der Brechungsindex (die Brechungszahl) in radialer Richtung nach folgender Funktion
N(r) = N0(i-(A2/2)r2) ,
wobei N(r) der Brechungsindex im radialen Abstand r von der Mittelachse, NQ der Brechungsindex in der Mitte und A eine Konstante ist. Wenn in axialer Richtung auf die Mitte des Stabes ein Lichtstrahlenbündel gerichtet wird, ändert sich der Durchmesser des Lichtstrahlenbündels periodisch, und wenn der Lichtstrahl außerhalb der Mitte des Stabes zugeführt wird, verläuft der Lichtstrahl zickzackförmig. Die Kombination der Eigenschaften einer Stablinse und eines Dünnschicht-Interferenzfilters bildet einen optischen Multiplexer.
Dieser optische Multiplexer hat einen Aufbau, wie er in Fig. dargestellt ist: Zwischen zwei Gradienten-Stablinsen 1 und ist ein Interferenzfilter 3 als Schicht angeordnet. Ein in die Gradienten-Stablinse eintretendes Lichtstrahlenbündel verläuft zickzackförmig durch die Gradienten-Stablinse, wie es durch die Pfeile in Fig. 2 dargestellt ist. Zur Verwendung als optischer Multiplexer sind die Längen der Gradienten-Stablinsen 1 und 2 so gewählt, daß sie etwa 1/4 der Zickzack-
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teilung des Lichtstrahlenbündels betragen» Das Dünnschicht-Interferenzfilter 3 ist ein reflektierender Film, der als dielektrischer Mehrschichtfilm ausgebildet ist, dessen Eigenschaften von der Wellenlänge abhängen, d„h» sein Reflexionsvermögen und seine Durchlässigkeit hängen von der Wellenlänge des Lichtstrahlenbündels ab„
Nachstehend wird beschrieben, wie Signale mit zwei verschiedenen Wellenlängen X.. und Ap, die über eine optische Faser 100 zugeführt werden, getrennt werden und an zwei verschiedenen Stellen wieder austreten» Die aus der optischen Faser 100 in die Stablinsenanordnung eintretenden optischen Signalwellen mit zwei verschiedenen Wellenlängen verlaufen zickzackförmig und v/andern durch die Gradienten-Stablinse 1 und dringen in das Interferenzfilter 3 ein» Das Interferenzfilter 3 reflektiert die optische Signalwelle mit der Wellenlänge L * und läßt die optische Signalwelle mit der Wellenlänge λ ρ durch. Die reflektierte optische Signalwelle mit der Wellenlänge /L, tritt in die optische Faser 101 ein» Die optische Signalwelle mit der Wellenlänge A.p wandert durch die Gradienten-Stablinse 2 und wird in die optische Faser 102 geleitet. Auf diese Weise können die beiden optischen Signalwellen mit verschiedenen Wellenlängen getrennt werden» Ob das Interferenzfilter 3 als Multiplexer wirkt, hängt von der Lage 5 der Faser 100 ab» Die Positionen 6 und 7 der optischen Fasern 101 und 102, die die getrennten Signalwellen aufnehmen, hängen ebenfalls von der Lage 5 der optischen Faser 100 ab» Der in Fig„ 2 dargestellte optische Multiplexer hat daher den Nachteil, daß die Eigenschaften des Interferenzfilters 3 und die Lagen der Fasern und 102 zur Aufnahme der Wellen nicht unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Wenn drei oder mehr Wellen getrennt werden sollen, wird die in Fig„ 3 dargestellte Anordnung gewählt«, In diesem Falle sind mehrere Gradienten-Stablinsen 1, 2, 1", 2', 1% 2" zusammengesetzt» Hierbei ergeben sich jedoch hohe Verluste,, wenn die
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Verbindungsstellen der Gradienten-Stablinsen nicht mit äußerster Genauigkeit gewählt werden. Je größer die Anzahl der zu trennenden Signalwellen ist, umso größer sind die Einstellschwierigkeiten.
Ein anderer bekannter optischer Multiplexer, der einen wellenlängenselektiven Spiegel aufweist, ist in der US-PS 3 953 727 angegeben,, Hierbei sind mehrere selektive Spiegel unter einem Winkel von 45° zur Achse des Lichtstrahlenbündels hintereinander angeordnet, und jeder selektive Spiegel reflektiert eine bestimmte Wellenlänge. Wenn daher viele Wellenlängen gemultiplext (gebündelt) oder demultiplext (getrennt) werden sollen, muß ein Lichtstrahl viele selektive Filter durchlaufen, so daß die Übertragungsverluste sehr groß sind. Ferner hat diese bekannte Anordnung den Nachteil, daß, wenn die zu trennenden Wellenlängen sehr dicht beieinanderliegen, eine Trennung unmöglich ist, weil der Einfallswinkel ebenfalls 45 beträgt und das Durchlässigkeits- und/oder Reflektionsvermögen des Filters davon abhängt, ob der Lichtstrahl bzw. das Lichtstrahlenbündel P-polarisiertes oder S-polarisiertes Licht ist.
Diese US-PS beschreibt ferner einen Multiplexer, bei dem mehrere Bandpaßfilter um eine Glasplatte mit halbreflektierenden Wänden herum angeordnet sind. Dieser Multiplexer hat jedoch den Nachteil, daß die Lichtverluste sehr groß sind, weil das Lichtstrahlenbündel von den halbreflektierenden Wänden mehrmals teilweise reflektiert oder teilweise durchgelassen wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen optischen Multiplexer und/oder Demultiplexer anzugeben, der die Nachteile und Einschränkungen bekannter Multiplexer und/oder Demultiplexer nicht aufweist. Insbesondere sollen die Einfügungsdämpfung (Durchgangsverluste) und der Einfallswinkel klein sein und viele Signale gemultiplext (gebündelt) werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe enthält ein erfindungsgemäßer optischer Multiplexer und Demultiplexer zumindest ein optisches
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Filter, das eine vorbestimmte Wellenlänge durchläßt und andere Wellenlängen reflektiert, wobei das optische Filter so angeordnet ist, daß ein optisches Strahlenbündel von diesem optischen Filter nacheinander zickzackförmig durchgelassen oder reflektiert wird, eine Einrichtung zum Werfen oder Empfangen eines ausgeblendeten optischen Strahlenbündels auf das oder von dem ersten optischen Filter unter einem kleinen Einfallswinkel, eine Lichtquelle oder einen Lichtdetektor hinter jedem optischen Filter und eine Einrichtung zum Verbinden des Ausgangs des letzten optischen Filters mit einer äußeren optischen Faser, wobei die Durchlaßwellenlänge von jedem optischen Filter abhängt.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines WellenlängenmultiplexNachricht enübertragungssystems, bei dem die Erfindung angewandt wird,
Fig. 2 den Aufbau eines bekannten optischen Multiplexers,
Fig. 3 den Aufbau eines weiteren bekannten optischen Multiplexers,
Fig. 4 den Aufbau eines erfindungsgemäßen dielektrischen Dünnschicht-Filters,
Fig. 5 den Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und der Durchlässigkeit des Filters nach Fig. 4,
Fig. 6 den Zusammenhang zwischen Mittenwellenlänge des Filters und Einfallswinkel des Filters nach Fig. 4,
Fig. 7 den Zusammenhang zwischen Einfallswinkel und Einfügungsdämpfung bei der Mittenwellenlänge des Filters nach Fig. 4,
Fig. 8 den Zusammenhang zwischen Einfallswinkel und unterer 3-dB-Wellenlängebandbreite (d.h. der halben Bandbreite) des Filters in Fig. 4,
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Fig. 9 den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Demultiplexers,
Fig. 10 den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Multiplexers,
Fig. 11 einen anderen Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Demultiplexers,
Fig. 12 ausführlicher den Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Demultiplexers,
Fig. 13 die Kennlinien des Filters nach Fig. 12,
Fig. 14 ausführlicher den Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Multiplexers,
Fig. 15 den ausführlichen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Demultiplexers,
Fig. 16 den ausführlichen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Demultiplexers und
Fig. 17 den ausführlichen Aufbau noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Demultiplexers.
Fig. 4 zeigt den Aufbau des dielektrischen Dünnschicht-Filters. Es ist eine Mehrschichtanordnung aus mehreren ersten Mehrschichtanordnungen mit F1 und Fp, einer zweiten einzigen Schicht mit F, und einer dritten Mehrschichtanordnung mit F^ und Fp. Die Schicht F^ besteht aus ZnS und hat eine Dicke von λ. /4. Die Schicht Fp besteht aus M F„ und hat eine Dicke von λ. /4. Die Schicht F, besteht aus ZnS und hat eine Dicke von >L/2. Vorzugsweise hat die erste Mehrschichtanordnung mit F^ und F2 etwa zehn Schichten F. und die gleiche Anzahl von Schichten F2 in abwechselnder Anordnung und die dritte Mehr-
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Schichtanordnung mit F1 und Fp den gleichen Aufbau wie die erste Mehrschichtanordnung. Vorzugsweise sind diese Schichten an einem Glassubstrat S1 angebracht und die Oberfläche der Schichten mit einer Schutzschicht oder einem Abdeckglas Sp abgedeckt. Dieses dielektrische Dünnschicht-Filter hat eine Bandpaßcharakteristik, die eine vorbestimmte Wellenlänge Λ aus dem Eingangs-Lichtstrahlenbündel durchläßt und andere Wellenlängen reflektiert. Durch entsprechende Wahl der Dicken der Schichten F1, Fp und F^ kann der Durchlaßbereich des Filters nach Wunsch bestimmt werden. Wenn ein Lichtstrahlenbündel unter einem schrägen Einfallswinkel Θ, der ungleich null ist, auf ein Filter trifft, wird der Durchlaßbereich (oder die Mittenwellenlänge) des Filters von der Dicke der Schichten in Richtung des Lichtstrahlenbündels bestimmt. Das Filter hat daher bei einem schrägen Lichtstrahlenbündel einen anderen Durchlaßbereich als bei einem senkrechten Lichtstrahlenbündel . Für die nachstehende Erläuterung ist wesentlich darauf hinzuweisen, daß der vorliegende Multiplexer einen kleinen Einfallswinkel aufweist.
Fig. 5 stellt ein Beispiel einer Messung der Durchlässigkeit eines erfindungsgemäßen dielektrischen Dünnschicht-Filters nach Fig. 4 in Abhängigkeit von der Wellenlänge dar. Die Mittenwellenlänge λQ beträgt hier 875 nm, und die Halbbandbreite äk ist 20 nm. Die Halbbandbreite AA ist die Wellenlängen-Bandbreite, in der die Energie im Vergleich zur Mittenwellenlänge um 3dB abnimmt. Die nicht durchgelassenen Wellenlängen werden reflektiert.
Fig» 6 zeigt die Abhängigkeit der Mittenwellenlänge Xq des Bandpaßfilters vom Einfallswinkel des Lichtstrahlenbündels. Wie Fig. 6 zeigt, nimmt die Mittenwellenlänge λQ mit steigendem Einfallswinkel θ ab.
Fig. 7 stellt ein Beispiel für die Abhängigkeit der Einfügungsdämpfung vom Einfallswinkel θ bei der Mittenwellenlänge λQ des Bandpaßfilters dar.
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Fig. 8 stellt ein Beispiel für die Abhängigkeit der halben Bandbreite Δλ des Bandpaßfilters vom Einfallswinkel dar.
Wie den Fig. 6, 7 und 8 zu entnehmen ist, ist es günstig, den Einfallswinkel θ kleiner als etwa 20° zu wählen, und die Durchlässigkeit TQ bei der Mittenwellenlänge kQ und die halbe Bandbreite Δλ. bleiben die gleiche wie bei einem senkrechten Lichtstrahleneinfall (θ = 0°), obwohl nur die Mittenwellenlänge /CQ zu kleineren Werten hin verschoben wird.
Fig. 9 stellt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Demultiplexers dar. Dieser Demultiplexer 10a enthält mehrere dielektrisch« Dünnschicht-Filter 111, 112, 113, 114 und 115, deren Aufbau in Fig. 4 dargestellt ist, mehrere Kondensorlinsen 121, 122, 123, 124 und 125, mehrere photoelektrische Umformerelemente (Lichtdetektoren oder -fühler) 131, 132, 133, 134 und 135 und eine Kollimationslinse 140 (Ausblendlinse). Die Filteranordnung aus den optischen Filtern 111, 113 und 115 muß parallel zu der Filteranordnung aus den optischen Filtern 112 und 114 angeordnet sein. Von den optischen Signalwellen, die demultiplext (getrennt) werden sollen, wird nur diejenige mit der Wellenlänge /^1 vom optischen Filter 111 durchgelassen, das alle anderen Wellenlängen reflektiert. Das nächste optische Filter 112 läßt nur die opttische Signalwelle mit der Wellenlänge Ä.^ durch und reflektiert alle anderen Wellenlängen. In der gleichen Weise lassen die optischen Filter 113, 114 und 115 jeweils optische Signalwellen mit den Wellenlängen I,, λ^ und λ.^ durch. Erfindungsgemäß werden daher durch eine Anordnung mehrerer Filter mit verschiedenen Durchlaßbereichen Wellenlängen getrennt oder gebündelt.
Nachstehend wird die Wirkungsweise ausführlicher beschrieben.
Optische Signalwellen mit verschiedenen Wellenlängen A1, λ2» λ,, λ- und Λc, die aus der optischen Faser 101 austreten, werden von der Kollimatorlinse 140 ausgeblendet, so daß ein
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ausgeblendetes Lichtstrahlenbündel in das optische Filter 111 eintritt. Aufgrund der Eigenschaften des optischen Filters 111 wird die optische Signalwelle mit der Wellenlänge L· vom Filter 111 durchgelassen, während die optischen Signalwellen mit anderen Wellenlängen reflektiert werden und ins optische Filter 112 eintreten. Die optische Signalwelle mit der Wellenlänge A^, die vom Filter 111 durchgelassen wurde, wird von der Kondensorlinse 121 auf den Lichtdetektor 131 konvergiert. In ähnlicher Weise wird das Lichtstrahlenbündel mit der Wellenlänge A2 vom optischen Filter 112 durchgelassen und von der Kondensorlinse 122 kollimiert, die den Lichtdetektor 132 beleuchtet. Die optischen Signalwellen mit anderen Wellenlängen werden vom Filter 112 reflektiert und treten ins optische Filter 113 ein. In ähnlicher Weise werden alle optischen Signalwellen nacheinander von den optischen Filtern getrennt. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 weist zwar nur fünf optische Filter auf, doch können durch Hinzufügen weiterer Filter mit verschiedenen Durchlaßbereichen noch sehr viel mehr optische Signalwellen gefiltert werden.
Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Multiplexers 10b, bei dem Signallichtquellen 131', 132', 133', 134' und 135' jeweils die Signale mit den Wellenlängen A^, A2, \-z und Aλ und Ac erzeugen. Die Kollimatorlinsen 121', 122', 123', 124' und 125' bilden parallele Lichtstrahlenbündel, die den jeweiligen Lichtquellen zugeordnet sind, und die Kondensorlinse 140' überträgt die gemultiplexten (gebündelten) optischen Signale in die optische Faser 100. Hierbei wird die optische Signalwelle mit der Wellenlänge A. vom optischen Filter 111 durchgelassen, von der Kondensorlinse 140' kollimiert und in die optische Faser 100 geleitet. Die optische Signalwelle mit der Wellenlänge A2 wird vom optischen Filter 112 durchgelassen, vom optischen Filter 111 reflektiert und von der Kondensorlinse 14O' kollimiert und ins optische Filter geleitet. In ähnlicher Weise werden die Lichtstrahlenbündel mit den Wellenlängen A^, Kh und Ac in die optische Faser geleitet.
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Fig. 11 stellt ein Ausführungsbeispiel des Demultiplexers 10c dar, bei dem die optischen Hüter nicht in einer geraden Linie ausgerichtet sind. Vielmehr sind alle Filter unter einem Winkel gegenüber der Positionslinie angeordnet, bei dieser Anordnung läßt sich das Multiplexen und/oder Demultipiexen in der gleichen Weise wie bei den Anordnungen nach den Fig. 9 und 10 durchführen.
Fig. 12 zeigt ausführlicher den Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Demultiplexers 10d. In dieser Figur bezeichnen die Bezugszahlen 11, 12, 13, 14, 15 und 16 dielektrische optische Dünnschicht-Bandpaßfilter. Mit 21, 22, 23, 24, 25 und 26 sind Glasplatten als Träger der optischen Bandpaßfilter bezeichnet. Mit 31, 32, 33, 34, 35 und 36 sind Glasschützer zum Schützen der optischen Bandpaßfilter bezeichnet. Mit 40 ist eine Gradienten-Stablinse zum Ausblenden von Licht aus einer optischen Faser bezeichnet. Mit 41, 42, 43, 44, 45 und 46 sind Gradienten-Stablinsen zum Sammeln von Lichtstrahlenbündeln bezeichnet. 51, 52, 53, 54, 55 und 56 sind optische Fasern, die das demultiplexte Licht zu Lichtdetektoren oder -fühlern leiten. 60 ist ein transparentes gemeinsames Substrat mit parallelen Ebenen 60a und 60b. Mit 71, 72, 73, 74, 75 und 76 sind Lichtdetektoren oder -fühler bezeichnet. Mit 80, 81, 82, 83, 84, 85 und 86 sind Prismen zur Einkopplung des schräg einfallenden Lichtstrahlenbündels in die optischen Filter bezeichnet, und 100 ist eine optische Faser in einer Übertragungsleitung. Es sei darauf hingewiesen, daß der Vertikalwinkel der Prismen 80 bis 86 der gleiche Winkel ist, unter dem die optischen Strahlenbündel in die optischen Filter einfallen, und dieser Winkel beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 15°. Auf beiden parallelen Oberflächen 60a und 60b des gemeinsamen Substrats 60 sind mehrere optische Bandpaßfilter 11, 13 und 15 einerseits bzw. die optischen Bandpaßfilter 12, 14 und 16 andererseits geradlinig nebeneinander angeordnet. Ferner sind die Brechungsindizes der Glasplatten 21 bis 26, der Glasschützer 31 bis 36, der Gradienten-Stablinsen 40 bis
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46, des gemeinsamen Substrats 60 und der optischen Fasern 51 bis 56 und 100 etwa gleich. Da diese Bauteile durch einen optischen Kontakt miteinander verbunden und ihre Brechungsindizes etwa gleich sind, ist die Reflektion an den Berührungsflächen der Bauteile vernachlässigbar klein. JJa ferner die Mittenwellenlänge des optischen Bandpaßfilters 11 gleich A. ist, wird ein Lichtstrahlenbündel mit der Wellenlänge λ . vom optischen Bandpaßfilter 11 durchgelassen. Andere Wellenlängen An» λ,,-λ^, A1- und Ag, die einen hinreichend großen Abstand von der Wellenlänge A^ haben, werden dagegen vom Filter 11 reflektiert. In ähnlicher Weise lassen die Bandpaßfilter 12 bis 15 jeweils die Wellenlängen X2 t»is Ag durch, während sie Lichtstrahlenbündel mit anderen Wellenlängen reflektieren. Der Vertikalwinkel der Prismen 80 bis 85 liegt hier bei 15°.
Wenn bei dem Demultiplexer nach B'ig. 12 Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen A^ bis Ag über die optische Faser 100 der Stablinse 40 zugeführt werden, werden sie zu parallelen Strahlenbündeln kolliraiert und auf das optische Bandpaßfilter 11 gerichtet, wobei der Einfallswinkel durch den Vertikalwinkel der Prismen 80 bis 86 bestimmt wird. Der Einfallswinkel der Filter liegt hier mithin bei 15°. Aufgrund der Durchlaßeigenschaft des Bandpaßfilters 11 wird eine Lichtwelle mit der Wellenlänge A,. vom Bandpaßfilter 11 durchgelassen. Andere Wellen werden vom Filter 11 reflektiert und durch die Glasplatte 21 j das gemeinsame Substrat 60 und die Glasplatte 22 hindurch auf das zweite optische Bandpaßfilter 12 gerichtet. Die vom Filter 11 durchgelassene Wellenlänge A^ geht durch das Prisma 81 und die Stablinse 41 hindurch und tritt in die optische Faser 51 ein, die die Lichtwelle mit der Wellenlänge Α-, zum Fühler 71 leitet. Am Ausgang des Fühlers 71 erscheint daher ein elektrisches Signal, das der Wellenlänge A^ entspricht. Von den Lichtstrahlenbündeln, die vom Filter 11 zum Filter 12 reflektiert werden, wird nur die Lichtwelle mit der Wellenlänge X0 vom Filter 12, dem Prisma 82, der Stablinse 42
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und der optischen Faser 52 zum Fühler 72 durchgelassen. Am Ausgang des Fühlers 72 tritt daher ein elektrisches Signal, das sich auf die Wellenlänge λρ bezieht, auf. Die Lichtstrahl enbündel mit den Wellenlängen λ^ bis kß werden vom Filter 12 durch die Glasplatte 22, das gemeinsame Substrat 60 und die Glasplatte 25 hindurch zum dritten optischen Bandpaßfilter 13 reflektiert. In ähnlicher Weise werden die Lichtwellen mit den anderen Wellenlängen der Reihe nach durch die optischen Bandpaßfilter 13 bis 16 getrennt. Zwar ist in Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel mit sechs optischen Bandpaßfiltern dargestellt, doch läßt sich auch eine wesentlich größere Anzahl von Lichtwellen durch Verwendung einer entsprechend grosser en Anzahl von Filtern mit verschiedenen Mittenwellenlängen trennen.
Fig. 13 stellt ein Ausführungsbeispiel der Trennkennlinien des Demultiplexers 1Od in Fig. 12 dar. In dieser Figur ist die Einfügung sdämpfung, die beim Durchlaufen der optischen Bandpaßfilter 11 bis 16 bewirkt wird, in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Die Einfügungsdämpfung ist wie folgt definiert:
10 logί (Ausgangsleistung eines vorbestimmten Filters ) ν (Eingangsleistung des Demultiplexers) )
Wie Fig. 13 zeigt, werden die Lichtwellen mit Mittenwellenlänge des jeweiligen Filters mit geringer Dämpfung (geringen Verlusten) durchgelassen, während Lichtwellen mit Wellenlängen, die von den Mittenwellenlängen abweichen, praktisch nicht durchgelassen werden.
Das in Fig. 12 dargestellte AusfUhrungsbeispiel eines Demultiplexers kann auch als optischer Multiplexer verwendet werden, der mehrere Wellenlängen in einer einzigen optischen Faser überlagert bzw. bündelt.
Fig. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das als optischer Multiplexer verwendet wird. Mit 40' ist die Stablinse
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zum Einkoppeln eines optischen Strahlenbündels aus der Übertragungsfaser 100 in den Multiplexer bezeichnet. Die Bezugszahlen 41' bis 46' bezeichnen Stablinsen, die die Ausgangsstrahlen der optischen Fasern zu parallelen Lichtbündeln kollimieren, und die Bezugszahlen 51' bis 56' bezeichnen optische Pasern, die die zu multiplexenden Lichtwellen jeweils mit den Wellenlängen K^ bis λ,- weiterleiten. Die jeweils von den Stablinsen 41' bis 46' ausgeblendeten Lichtstrahlenbündel v/erden unter einem schrägen .Einfallswinkel durch die optischen BandpaiBfiltcr dem gemeinsamen Substrat 60 zugeführt. Die Strahlenbündel verlaufen entgegengesetzt zu der Richtung, in der sie im Falle der Fig. 12 verlaufen, und treten in die Stablinse 40' ein, die die gemultiplexten Strahlenbündel in die optische Übertragungsfaser 100 einkoppelt.
Als Beispiel wird nachstehend der Verlauf der Lichtwelle mit der Wellenlänge λ>2, die durch die optische Faser 52' geleitet wird, beschrieben. Die aus der optischen Faser 52' austretende Lichtwelle wird von der Kollimator-Stablinse 42' zu einem parallelen Lichtbündel kollimiert und dann dem optischen Bandpaßfilter 11 unter einem schrägen Einfallswinkel durch das Prisma 82, das optische Bandpaßfilter 12 und das gemeinsame Substrat 60 zugeführt. Dagegen werden die Lichtbündel mit den Wellenlängen λ ^, bis λ^, die dem optischen Bandpaßfilter 12 von unten in Fig. 14 zugeführt werden, vom Filter 12 reflektiert, und zusammen mit dem Lichtstrahlenbündel der Wellenlänge A2 treten diese reflektierten Strahlenbündel ins optische Bandpaßfilter 11 ein. Die dem optischen Bandpaßfilter 11 zugeführten Strahlenbündel werden von diesem Filter 11 reflektiert, das die Wellenlänge λ ^ durchläßt. Die Ausgangsstrahlenbündel des optischen Bandpaßfilters 11 werden über das Prisma 80 und die Stablinse 40' in die optische Übertragungsfaser 100 eingekoppelt.
Fig. 15 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Multiplexers/Demultiplexers dar» Die bereits in Fig. dargestellten Bauteile sind hier mit den gleichen Bezugszahlen
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versehen. Das wesentliche Merkmal dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die demultiplexten Strahlenbündel nicht in eine optische Faser eingekoppelt, sondern unmittelbar den Lichtdetektoren oder -fühlern 71 bis 76 über die Stablinsen 41 bis 46 zugeführt werden.
Fig. 16 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Multiplexers/Demultiplexers dar. Die grundsätzliche Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels nach Fig. 16 ist die gleiche wie die der Ausführungsbeispiele nach Fig. 12 und Fig. 14. Das wesentliche Merkmal des Ausführungsbeispiels nach Fig. 16 besteht darin, daß die dielektrischen Dünnschicht-Filter 11 bis 16 mit Bandpaß-Eigenschaft direkt an der Oberfläche der Prismen 81 bis 86 oder an der Oberfläche des gemeinsamen Substrats 60 durch Aufdampfen im Vakuum oder Aufsprühen befestigt sind. Daher ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 keine Glasplatte oder Glasschutzschicht vorgesehen.
Wie sich aus Fig. 6 ergibt, kann die Mittenwellenlänge λq eines optischen Bandpaßfilters durch Wahl des Einfallswinkels des Eingangslichtstrahlenbündels bestimmt werden. Wenn daher die Mittenwellenlänge eines optischen Bandpaßfilters aufgrund von Herstellungstoleranzen vom gewünschten Wert abweicht, läßt sich unter Ausnutzung jener Eigenschaft die Mittenwellenlänge eines optischen Bandpaßfilters fein abstimmen.
Fig. 17 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Multiplexers/Demultiplexers dar, bei dem die Feinabstimmung der Mittenwellenlänge unter Ausnutzung der erwähnten Eigenschaft durchführbar ist. In Fig. 17 sind die gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 12 für gleiche Elemente verwendet worden. Das wesentliche Merkmal des Ausführungsbeispiels nach Fig. 17 besteht in der Verwendung einer zweiten Gruppe von Prismen 91 bis 96 für die Feineinstellung des Einfallswinkels. Die Vertikalwinkel dieser Prismen 91 bis 96 sind so gewählt, daß die
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jeweiligen optischen Bandpaßfilter 11 bis 16 die optimalen Einfallswinkel erhalten» Die Summe der Vertikalwinkel der ersten Prismengruppe und der zweiten Prismengruppe ist im wesentlichen gleich dem Einfallswinkel eines auf die optischen Filter treffenden Lichtstrahlenbündels» Ls sei jedoch betont, daß bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig„ 17 der Durchmesser jedes optischen Bandpaßfilters wesentlich größer als der Durchmesser eines zugeführten Lichtstrahlenbündels ist, so daß kein optisches Lichtstrahlenbündel über ein optisches filter hinausreicht, wenn der Einfallswinkel geändert wird»
Selbst wenn bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig» 17 die Mittenwellenlängen der optischen Bandpaßfilter 11 bis 16 aufgrund von Herstellungsfehlern eine geringe Abweichung von den gewünschten Mittenwellenlängen λ,, bis kr aufweisen, lassen sich diese Fehler durch Nachjustierung des Einfallswinkels eines optischen Lichtstrahls unter Verwendung der Kompensationsprismen 91 bis 96 ausgleichen,, Da ferner der Durchmesser der optischen Bandpaßfilter hinreichend groß ist, wird die Multiplex- und/oder Demultiplexwirkung selbst dann nicht gestört, wenn der Einfallswinkel eines Eingangslichtstrahls vom Nennwert abweicht. In der beschriebenen Weise erfindungsgemäß ausgebildete Multiplexer und/oder Demultiplexer haben die folgenden Vorteile;
a) Die Lichtstrahlenbündel verlaufen nicht durch Luft, weil alle Elemente optisch miteinander in Kontakt stehen.
b) Es läßt sich ein optischer Multiplexer/Demultiplexer herstellen, der frei von äußeren thermischen Störungen und mechanischen Schwingungen ist und der einen verhältnismäßig kleinen Aufbau hat.
c) Es lassen sich zahlreiche Signalwellen mit geringen Verlusten (geringer Dämpfung) durch Anordnen der optischen Filter in einer Reihe multiplexen oder demultiplexer
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d) Durch die Verwendung der optischen Bandpaßfilter lassen sich Signalwellen mit geringem Wellenlängenabstand multiplexen oder demultiplexer
e) Die Kennlinien der Vorrichtung lassen sich durch Nachjustieren des Einfallswinkels des in die optischen Bandpaßfilter eintretenden Lichtstrahlenbündels korrigieren oder einstellen.
f) Ferner kann ohne Verwendung eines Antireflektionsüberzugs auf einzelnen Bauteilen ein Multiplexer oder Demultiplexer mit geringer Dämpfung bzw. geringen Verlusten und kleinem Aufbau hergestellt werden, weil die optischen Fasern, Linsen, dielektrischen Dünnschicht-Filter und das gemeinsame Substrat den gleichen Brechungsindex aufweisen.
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e e r s e
ite

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1« Optischer multiplexer, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein flaches optisches Filter vorgesehen ist, das für eine vorbestimmte Wellenlänge durchlässig ist und andere Wellenlängen reflektiert, daß das optische Filter so angeordnet ist, daß ein optisches Strahlenbündel von dem optischen Filter nacheinander durchgelassen oder reflektiert wird, daß hinter jedem optischen Filter eine optische Einrichtung angeordnet ist, die ein paralleles optisches Strahlenbündel aus einer optischen Quelle jedem optischen Filter unter einem kleinen Einfallswinkel zuführt, daß eine weitere optische Einrichtung am Ausgang des letzten optischen Filters vorgesehen ist, die das optische Ausgangs-Strahlenbündel einer optischen Faser zufuhrt, und daß die Mittenwellenlänge jedes optischen Filters von denen der anderen abweicht.
    Optischer Demultiplexer, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein flaches optisches Filter vorgesehen ist, das für eine vorbestimmte Wellenlänge durchlässig ist und andere Wellenlängen reflektiert, daß das optische Filter so angeordnet ist, daß ein optisches Lichtstrahlenbündel von diesem optischen Filter nacheinander durchgelassen oder reflektiert wird, daß eine optische Einrichtung vorgesehen ist, die einem ersten optischen Filter ein kollimiertes optisches Eingangs-Strahlenbündel unter einem kleinen Einfallswinkel zuführt, daß eine weitere optische
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    Einrichtung vor jedem optischen Filter vorgesehen ist, die das von jedem optischen Filter durchgelassene Strahlenbündel empfängt und fokussiert und einen Lichtdetektor beleuchtet, und daß die Mittenwellenlänge jedes optischen Filters von denen der anderen abweicht.
    3. Optischer Multiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Filter ein dielektrisches Dünnschicht-Filter mit Bandpaßeigenschaft ist.
    4. Optischer Demultiplexer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Filter ein dielektrisches Dünnschicht-Filter mit Bandpaßeigenschaft ist.
    5. Optischer Multiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Einrichtung zum Einstellen des Einfallswinkels eines Lichtstrahlenbündels, das auf ein optisches Filter trifft, zum Abgleichen der Mittenwellenlänge jedes optischen Filters aufweist und daß diese Einrichtung für jedes optische Filter vorgesehen ist.
    6. Optischer Demultiplexer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Einrichtung zum Einstellen des Einfallswinkels eines Lichtstrahlenbündels, das auf ein optisches Filter trifft, zum Abgleichen der Mittenwellenlänge jedes optischen Filters aufweist und daß diese Einrichtung für jedes optische Filter vorgesehen ist.
    7. Optischer Multiplexer, dadurch gekennzeichnet, daß er ein transparentes dielektrisches Substrat mit zwei parallelen Ebenen aufweist, daß eine erste Gruppe optischer Filter in einer geraden Linie auf der ersten Ebene angeordnet ist, daß eine zweite Gruppe optischer Filter in einer geraden Linie auf der zweiten Ebene, jedoch gegenüber den entsprechenden Filtern auf der ersten Ebene versetzt, angeordnet ist, daß eine Einrichtung zum Projizieren
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    kollimierter optischer Strahlenbündel auf jedes der optischen Filter unter einem vorbestimmten Einfallswinkel vorgesehen ist, daß am Ausgang des letzten optischen Filters eine Einrichtung zum Einkoppeln des optischen Ausgangs-Strahl enbündels in eine ausgangsseitige optische Faser angeordnet ist und daß dieses optische Filter die Eigenschaft hat, daß es eine Welle mit einer vorbestimmten Wellenlänge durchläßt und Wellen mit anderen Wellenlängen reflektiert, wobei die Durchlaßwellenlänge von jedem speziellen optischen Filter abhängt.
    8. Optischer Multiplexer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Projizieren kollimierter optischer Strahlenbündel auf jedes der optischen Filter unter einem vorbestimmten Einfallswinkel ein Prisma aufweist.
    9. Optischer Multiplexer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel etwa 15° beträgt.
    10. Optischer Multiplexer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Filter unmittelbar an parallelen Oberflächen des Substrats entweder durch Aufdampfen oder Aufsprühen angebracht sind.
    11. Optischer Multiplexer nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß alle optischen Elemente, die im Strahlengang des Lichtstrahlenbündels vorgesehen sind, optisch miteinander in Berührung stehen, so daß das Strahlenbündel nicht durch Luft verläuft.
    12. Multiplexer nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß alle im Strahlengang des Lichtstrahlenbündels liegenden optischen Elemente etwa den gleichen Brechungsindex aufweisen, so daß das Lichtstrahlenbündel nicht an der Berührungsfläche zweier Elemente reflektiert wird.
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    13. Multiplexer nach einem der Ansprüche 7 "bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat und jedem optischen Filter ein zweites Prisma zum Einstellen des Einfallswinkels angeordnet ist.
    14. Optischer Demultiplexer, dadurch gekennzeichnet, daß er ein transparentes dielektrisches Substrat mit zwei parallelen Ebenen aufweist, daß eine erste Gruppe optischer Filter in einer geraden Linie auf der ersten Ebene angeordnet ist, daß eine zweite Gruppe optischer Filter in einer geraden Linie auf der zweiten Ebene, jedoch gegenüber entsprechenden Filtern auf der ersten Ebene versetzt, angeordnet ist, daß eine Einrichtung zum Projizieren eines kollimierten optischen Strahlenbündels auf das erste optische Filter unter einem vorbestimmten Einfallswinkel vorgesehen ist, daß zumindest ein Lichtdetektor hinter jedem optischen Filter angeordnet ist und daß dieses optische Filter eine solche Bandpaßcharakteristik hat, daß es eine Welle mit einer vorbestimmten Wellenlänge durchläßt und Wellen mit anderen Wellenlängen reflektiert, wobei die Mittenwellenlänge von jedem speziellen optischen Filter abhängt.
    15. Demultiplexer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Projizieren des kollimierten optischen Strahlenbündels auf das erste optische Filter unter einem vorbestimmten Einfallswinkel ein Prisma aufweist.
    16. Demultiplexer nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel etwa 15° beträgt.
    17. Demultiplexer nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Filter unmittelbar an parallelen Oberflächen des Substrats entweder durch Aufdampfen oder Aufsprühen angebracht sind.
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    18» Demultiplexer nach, einem der Ansprüche 14 Ms 17, dadurch, gekennzeichnet, daß alle optischen Elemente, die im Strahlengang des LichtstrahlenMindels vorgesehen sind, optisch miteinander in Berührung stehen, so daß das Strahlenbündel nicht durch Luft verläuft.
    19. Demultiplexer nach einem der Ansprüche 14 Ms 18, dadurch gekennzeichnet», daß alle im Strahlengang des Lichtstrahlen-"bündels liegenden optischen Elemente etwa den gleichen Brechungsindex aufweisen* so daß das Lichtstrahlenbündel nicht an der Berührungsfläche zweier Elemente reflektiert wird«
    20. Demultiplexer nach einem der Ansprüche 14 Ms 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat und jedem optischen Filter ein zweites Prisma zum Einstellen des Einfallswinkels angeordnet ist.
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