DE3209928A1

DE3209928A1 - Optischer multi/demultiplexer

Info

Publication number: DE3209928A1
Application number: DE19823209928
Authority: DE
Inventors: Richard Edward 07701 Fair Haven N.J. Wagner
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-03-20
Filing date: 1982-03-18
Publication date: 1982-11-11
Also published as: CA1172080A; JPS57176018A; NL8201162A; FR2502347B1; GB2096350A; FR2502347A1; US4474424A; GB2096350B

Description

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Beschreibung

Optischer Multi/Demultiplexer

Die Erfindung bezieht sich auf optische Multi/Demultiplexer insbesondere zur Verwendung bei optischen Fasern.

Bei optischen Nachrichtenübertragungsanlagen besteht die Notwendigkeit, Signale unterschiedlicher Wellenlängen aus einer Vielzahl optischer Fasern in eine einzige Faser zu multiplexieren und umgekehrt. Zu den wesentlichen Erwägungen für ein Bauelement, das diese Funktion ausführen soll, gehören dessen komplizierter Aufbau, dessen Einfügungsdämpfung und dessen Übersprechwerte.

Die US-PS 41 11 524 beschreibt einen Typ eines Multi/ Demultiplexers für optische Fasern. Bei diesem Bauelement kollimiert eine Stablinse, die einen (radialen) Gradienten im Brechungsindex besitzt - eine sogenannte GRIN-Stablinse (graded refractive index) -, Licht-

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Signale unterschiedlicher Wellenlänge von Signalquellenfasern auf ihrer einen Fläche zu ihrer anderen Fläche. Im Abstand von der anderen Fläche ist ein reflektierendes Beugungsgitter unter einem solchen Winkel angeordnet, daß die Komponenten unterschiedlicher Wellenlängen der Quellensignale differenziell in die GRIN-Stablinse zurückreflektiert werden, um an der ersten Fläche an einer Ausgangsstelle auszutreten, wo sie in multiplexierter Form in eine einzige Rezeptorfaser eintreten. Die Natur dieses Aufbaues ist jedoch so, daß die Fasergeometrie selbst Kanalabstand und -bandbreite begrenzt.

Andere bekannte Multi/Demultiplexer sind aufgebaut aus vielschichtigen dielektrischen Interferenzfiltern in Verbindung mit Linsen in zahlreichen Konfigurationen, vgl. beispielsweise die in "Low-Loss Optical Multi/ demultiplexer Using Interference Filters", Optical Communication Conference, Amsterdam, 17. - 19. September 1979, Seiten 11.5-1 bis 1 1 . 5-3_; beschriebene Anordnung.

Diese Bauelemente sind jedoch komplexer und sperriger als das mit einem Reflexionsgitter arbeitende Bauelement.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden optische Signalübertragungselemente, die an eine erste Fläche einer Linse angekoppelt sind, in wellenlänqenselektiver Weise miteinander gekoppelt, und zwar mit Hilfe wenigstens eines reflektierenden Filters, das von der zweiten Linsenfläche im Abstand angeordnet ist und ein Signal einer ersten Kellenlänge λ zu reflektieren vermag, um dieses von einem der Elemente auf ein anderes der Elemente zu koppeln, aber wenigstens ein Signal einer zweiten Wellenlänge λ- durchläßt. Das Signal der zweiten Wellenlänge λ „ wird an einem Reflektor durch das erste Filter und die Linse zurückreflektiert, um es gleichfalls von einem der Übertragungselemente auf ein anderes der Übertragungselemente zu koppeln. Die optischen Achsen der Filter sind nichtparallel zueinander. Auch kann eine Vielzahl Filter so ausgelegt werden, daß sie mehrere Signale je unterschiedlicher Wellenlängen zwischen den übertragungselementen koppeln.

Mit einer solcherart erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung erhält man eine vergleichsweise niedrige Einfügungsdämpfung. Der Kanalabstand und die Bandbreite sind von den Eigenschaften der Filter abhängig und von der Fasergeometrie unabhängig. Darüberhinaus sind die Übertragungselemente nur an die eine Fläche der Linse

angekoppelt, wodurch ein raumsparender Aufbau des Ganzen erreicht wird.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines zweikanaligen Multi/Demultiplexers als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines vierkanaliaen Multi/Demultiplexers als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 3 eine Stirnansicht des Multi/Demultiplexers nach Fig. 2 zur Darstellung der Orientierung der signalführenden optischen Fasern.

Der Multiplexer/Demultiplexer 10 nach Fig. 1 dient zum Umsetzen zweier Quellensignale unterschiedlicher Wellenlängen A₁ und /I in ein einziges wellenlängenmultiplexiertes Signal /I + λ . Das Bauelement hat eine GRIN-Stablinse 12, deren Länge ein Viertel der Kollimierungsperiode (quarter-pitch) ist. Die optische Achse der Linse ist durch die strichpunktierte Linie 14 dar-

gestellt, während die Bezugszeichen 16 und 18 die erste bzw. zweite Linsenfläche bezeichnen. Mit der ersten Linseflache 16 sind optische Signalübertragungselemente gekoppelt. Sie liegen als Faser 20 für das multiplexierte Signal und als Fasern 22 und 24 für getrennte Signale bei der ersten bzw. zweiten Wellenlänge vor. Im Abstand von der zweiten Linsenfläche 18 ist ein Interferenzfilter 26 angeordnet, dessen optische Achse 27 unter einem ersten Winkel A gegen die optische Achse 14 der Linse geneigt ist. Auf der der zweiten Linsenfläche 18 abgewandten Seite des Filters 26 befindet sich ein zweites reflektierendes Filter 32, und zwar im Abstand vom Filter 26. Die optische Achse der reflektierenden Fläche 34 des zweiten Filters 32 ist unter einem zweiten Winkel B gegenüber der Linsenachse 14 geneigt.

Die Filter 26, 32 können handelsüblich erhältliche dichroitische Bandseparierungsfilter sein. Geeignete Kenndaten sind beispielsweise ein unteres Wellenlängenband von 806 bis 84 5 Nanometer, ein oberes Wellenlänqenband von 866 bis 895 Nanometer und eine Durchlässigkeit von mehr als 80 % für jedes Band.

Für das betrachtete Bauelement 10 ist das erste Filter

so ausgelegt, daß es ein erstes optisches Signal einer Wellenlänge von 820 Nanometer reflektiert und ein zweites optisches Signal bei einer Wellenlänge von 875 Nanometer mit einer Durchlässigkeit von wenigstens 80 % überträgt. Diese Anordnung liefert eine Kanalbandbreite von mehr als 40 Nanometer und einen Kanalabstand von 550 Nanometer.

Das zweite Filter 32 fungiert als Reflektor für alle Wellenlängensignalkomponenten, die das erste Filter 26 passieren und kann daher auch ein Reflektor ohne Filtereigenschaft sein. Es ist hier aber als ein reflektierendes Filter dargestellt, um die Beschreibung anderer Ausführungsformen zu erleichtern und die gemeinsamen Merkmale zu verdeutlichen.

Im Multiplexbetrieb des Bauelementes 10 gehen das erste und das zweite optische Signal λ. und /l„ aus der ersten und der zweiten Wellenläncrensignalfaser 22, 24 in die Linse 12, um diese als kollimiertes Licht an der zweiten Linsenfläche 18 zu verlassen und zum ersten Filter 26 zu laufen, wie dieses durch die gestrichelten Mittelstrahlen in Fig. 1 dargestellt ist. Die erste Wellenlängensignalkomponente A₁ des Lichts wird unter

dem Kinkel 2A gegen die Linsenachse 14 reflektiert. Sie läuft zurück in die Linse 12 und tritt in die Multiplexsignalfaser 20 ein. Die zweite Wellenlängensignalkomponente λ des, Lichtsignals wird vom ersten Filter 26 durchgelassen und am zweiten Filter 32 unter dem Winkel 2E gegen die Linsenachse 14 reflektiert, um zurück durch das erste Filter 26 und die Linse 12 zur Multiplexsignalfaser 20 zu laufen, wodurch eine Wellenlängenmultiplexierung des ersten und zweiten Signals in der Faser 20 erhalten wird.

Man sieht leicht, daß das Bauelement 10 auch als Demultiplexer arbeitet. Wenn ein wellenlängenmultiplexiertes optisches Signal mit einer ersten und einer hiervon verschiedenen zweiten Wellenlängensignalkomponente λ . bzw. Ay von der Multiplexsignalfaser 20 als Quelle geliefert wird, läuft dieses Multiplexsignal durch die Linse 12 zum ersten Filter 26. Dort wird die erste Wellenlängenkomponente ^₁ reflektiert, um durch die Linse 12 zurückzulaufen und in die erste Signalfaser 22 einzutreten. Die zweite Komponente X- wird vom ersten Filter 22 durchgelassen und am zweiten Filter 32 reflektiert, um durch das Filter 26 und die Linse 12 zurückzulaufen und in die zweite Signalfaser 24 einzutreten.

Aus der Beschreibung des Aufhaus des Bauelementes 10 ergibt sich, daß zusätzliche Fasern und Filter hinzugefügt werden können, und zwar sämtlich unter verschiedenen Winkelorientierungen gegen die optische Achse 14, um die Anzahl der multiplexierten Kanäle zu erhöhen. Durch Auswahl der zusätzlichen Filter hinsichtlich der gewünschten Wellenlängenselektivität ist es möglich, eine wie gewünscht wellenlängenselektive Kopnluna einer Vielzahl Eingangssignale unterschiedlicher Wellenlänaen zu koppeln, wobei die Hauptbegrenzungen die Einfügungsdämpfung ist.

Sowohl für das Bauelement 10 als auch für ein Bauelement mit mehr als zwei Kanälen kann die Ausrichtung der einzelnen optischen Elemente bei der Herstellung vereinfacht werden durch Verwendung transparenter Keile, beispielsweise der Keile 38 in Fig. 1, die zwischen die optischen Elemente gekittet sind, und zwar mit einem optischen Kitt, dessen Brechungsindex an den der angrenzenden Elemente angepaßt ist.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form eines vierkanaligen Bauelementes 40 dargestellt, das zum Multi/Demultiplexieren von Lichtsignalen λ-, λ , X- und X. vorgesehen ist. Bei dieser Ausführunqsform

sind an die erste Linsenfläche 16 der GRIN-Stablinse 12 vier getrennte Signalfasern 42, 44, 46, 4 8 angekoppelt, die die Signale λ., ^. , λ bzw. 7,. führen, wobei weiterhin eine zentral ,gelegene Multiplexsignalfaser 50 angekoppelt ist. Die Positionen der Fasern 42, 44, 46, 48, 5O sind in Fig. 3 gesondert dargestellt. Im Abstand von der zweiten Linsenfläche 18 sind vier reflektierende Filter 52, 54, 56, 58 angeordnet, die je unter einem Winkel Λ gegen die Linsenachse 14 um denselben Betracr, aber nach unterschiedlichen und je um 90° winkelmäßig versetzten Richtungen geneigt sind. Der Winkel A ist so gewählt, daß die Lichtsignalwellenkomponenten X₁, A„, λ und λ₄ selektiv an den Filtern 52, 54, 56 bzw. 58 reflektiert werden, um eine optische Kopplung zur Multiplexsignalfaser 50 in ähnlicher Weise zu erreichen, wie dieses bei dem Bauelement 10 nach Fig. 1 bewerkstelligt ist. Die Neigung der Filter 52, 54, 56 und 58 je in unterschiedlichen Richtungen ergibt den Vorteil, daß der Winkel A minimiert werden kann. Dieses führt zur geringsten Versetzung der Lichtsignale ^₁, λ_?, λ_, 7·. an der zweiten Linsenfläche 13, wodurch Signalverluste reduziert und Polarisationseffekte daran gehindert werden, die wellenlängenselektiven Eigenschaften der Filter zu beeinflussen. Wie beim Bauelement 10 werden die Filter 52, 54, 56 und 58 und die Linse 12 über transparente

Keile 38 miteinander verkittet und gegenseitig fixiert.

Beide beschriebenen Bauelemente 10 und 40 sorgen für eine wellenlängen.selektive Kopplung zwischen optischen Signalübertragungselenenten an der ersten Linsenfläche 16. Die Elemente können optische Einzel- oder Multimodenfasern sein und können auch Kombinationen anderer optischer Elemente, z. B. Photoemitter und Photodetektoren, sein. Ersichtlich können ootische Signalübertragungselemente an die erste Linsenfläche 16 in zahlreichen Konfigurationen angekoppelt werden, vorausgesetzt nur, daß die jeweiligen Filter zu deren Kopplung entsprechend angeordnet werden, um die Signale zwischen jeweils gewünschten Paaren zu reflektieren. Die Multiplexsignalfasern 20 und 50 brauchen nicht koaxial zur Achse 14 angeordnet sein. Beispielsweise kann es für das Bauelement 10 wünschenswert sein, das zweite Filter 32 parallel zur zweiten Linsenfläche 18 zu orientieren und dann das erste Filter 26 unter einem kleineren Winkel zu neigen, um die Versetzung zu reduzieren. Die Fasern 20, 22, 24 würden dann entsprechend umzuordnen sein. In jedem Fall sind die Filter nichtparallel zueinander. Während die Filter der Bauelemente 10 und 40 Tiefpaßfilter sind (also lange Wellenlängen durchlassen), können sie auch als Hochpaßfilter oder als Bandpaßfilter vorliegen.

Claims

,.". : .;::■■■;■ 3209923 BLUMBACH - WESER BERGSN · KRAMER ZWIRNER · HOFFMANN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Pateniconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsuit Po!emconsu!t Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Palenlconsult Western Electric Company, Incorporated New York, N.Y., OSh Wagner 5 P atentansprüche

1. Optisches Bauelement mit

- einer optischen Linse mit einer ersten und einer zweiten Linsenfläche und einer optischen Achse,

- einer Vielzahl optischer Signalübertragungselemente, die an die erste Linsenfläche angekoppelt sind, und

- optische Mittel zum Herstellen einer wellenlängenselektiven optischen Kopplung zwischen den optischen übertragungselementen,

dadurch gekennzeichnet , daß die optischen Mittel aufgebaut sind aus

- einem ersten wellenlängenselektiv reflektierenden Filter (26, Fig. 1), das eine optische Achse (27) aufweist und ein optisches Signal einer ersten Wellenlänge "on der optischen Linse zurück zu die-

Mündien: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ir.g. · P. Bergen Prof.Dr. jur.Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Artw.bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W.-Ing.

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ser zu reflektieren vermag, um das Signal von einem der optischen übertragungselemente auf ein anderes dieser Elemente zu koppeln, sowie ein optisches Signal einer zweiten Wellenlänge zu übertragen vermag , und

- einem Reflektor (32), dessen optische Achse (36) nicht parallel zur optischen Achse (27) des ersten Filters (26) verläuft und der auf der der Linse (12) angewandten Seite des ersten Filters (26) angeordnet ist, wobei der Reflektor (32, 58) dafür ausgelegt ist, ein optisches Signal einer zweiten Wellenlänge von der optischen Linse zurück zu dieser zu reflektieren, um dieses Signal von einem der optischen Übertragungselemente auf ein anderes dieser Elemente zu koppeln.

2. Bauelement nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das erste Filter (26) ein vielschichtiges, dielektrisches Interferenzfilter ist.

3. Bauelement nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß die optischen übertragungselemente optische Fasern sind.

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4. Bauelement nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß der Reflektor ein zweites wellenlängenselektiv reflektierendes ,Filter ist.

5. Bauelement nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch wenigstens ein zusätzliches reflektierendes Filter (56, 58, Fig. 2), das auf der dem ersten Filter abgewandten Seite des zweiten Filters (54) im Abstand angeordnet ist, wobei die Filter gegenseitig nichtparallele optische Achsen besitzen und je Signale einer Wellenlänge zu übertragen vermögen, die von anderen, auf der der Linse abgewandten Seite dieses Filters im Abstand gelegenen Filtern reflektiert werden.

6. Bauelement nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet , daß die Linse als Stablinse mit einem Gradienten im Brechungsindex vorliegt.

7. Bauelement nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß transparente Keile (38) zwischen den einzelnen opti-

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sehen Gliedern angeordnet sind, um Abstände und Orientierungen der Filter untereinander und qegenüber der Linse zu fixieren.