DE3414724A1 - Optischer multiplexer/demultiplexer - Google Patents

Optischer multiplexer/demultiplexer

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Description

Beschreibung
Optischer Multiplexer/Demultiplexer
Die Erfindung bezieht sich auf optische Multiplexer und Demultiplexer.
Mit der Ausdehnung des dämpfungsarmen Wellenlängenbereichs für optische Fasern wurden auch Methoden zur Anwendung dieser vergrößerten Bandbreite durch gleichzeitiges Übertragen mehrerer Signale unterschiedlicher Wellenlängen längs jeder Faser untersucht. Hierzu ist es bekannt, winkelmäßig dispersive Bauelemente wie Beugungsgitter zu verwenden. (Siehe z.B. "Optical Devices for Wavelength Multiplexing and Demultiplexing" von W.J. Tomlinson und "High-capacity Wavelength Demultiplexer with a Large Diameter GRIN Rod Lens" von B.D. Metcalf et al. in Applied Optics, Vol. 21, Nr. 5 vom 1. März 1982, Seiten 794 bis 796; ferner "20-Channel Micro-Optic Grating Demultiplexer for 1.1-1.6 μΐη Band Using a Small Focusing Parameter Graded-Index Rod Lens" von M. Seki et al. in Electronics Letters, Vol. 18, Nr. 6 vom 18. März 1982, Seiten 257-258).
Solche Bauelemente umfassen generell eine Faseranordnung, eine Linse und ein Beugungsgitter. Bei Verwendung als Demultiplexer treten eine Vielzahl Signale unterschiedlicher Wellenlängen in das Bauelement über eine Eingangsfaser ein, werden durch die
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Linse kollimiert und auf das Gitter gerichtet, wo sie als Funktion der Wellenlänge aufgefächert werden. Jedes gebeugte Strahlenbündel wird dann auf eine andere der übrigen Fasern fokusiert. Auf diese Weise werden die Signale für eine nachfolgende unabhängige Verarbeitung räumlich voneinander getrennt. Bei einem Betrieb in der umgekehrten Weise können Signale in einer jeden der Fasern für eine gleichzeitige übertragung über eine gemeinsame Faser multiplext werden.
Solche Bauelemente sind zum Demultiplexen von Multimoden- und Einzelmodensignalen gut geeignet. Wie jedoch von Tomlinson a.a.O. vermerkt, sind sie nicht sonderlich wirksam beim :Malti~ plexen von Einzelmodensignalen, Das Problem rührt von dem Umstand her, daß in einer Einzelraodenfaser der Kerndurchmesser im Vergleich zum Außendurchmesser des Mantels klein ist. Folglich kann keine dichte Packung der Kanäle erhalten werden, was zu einer unwirksamen Ausnutzung der verfügbaren Bandbreite resultiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt daher ein optischer Multiplexer oder Demultiplexer e-ine lineare Anordnung optischer Eingangs/Ausgangs-Einzelmodenfasern, ein Beugungsgitter zum selektiven Koppeln optischer Wellenenergie zwischen einer der Fasern und den anderen der Fasern, eine Linse zum Fokusieren der gekoppelten Energie und zusätzlich eine integrierte Anordnung konvergierender optischer Wellenleiter, die zwischen den Fasern und der Linse angeordnet ist.
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Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 einen bekannten Multiplexer/Demultiplexer mit einem Reflex ions-Beugungsgitter,
Fig. 2 die Kennlinie des Multiplexer/Demultiplexer nach Fig. 1, Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Multiplexer/Demultiplexer und Fig. 4 und 5 Teile modifizierter Ausführungsbeispiele der Erfindung.
In Figur 1 ist ein bekannter Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer 10 mit änem Reflexions-Beugungsgitter dargestellt. Die Anordnung ist als Demultiplexer arbeitend dargestellt und besitzt eine optische Multimodenfaser 9 als gemeinsamen Eingang und eine lineare Anordnung optischer Ausgangs-Multimodenfasern 11-1, 11-2 ... 11-6. Signale bei verschiedenen Wellenlängen X1, ^ ~ ... λ. , die aus der Faser 9 austreten, werden mit Hilfe eines glänzenden Reflex ions-Beugungsgitters 13 räumlich getrennt. Eine Linse 12 befindet sich zwischen der Faseranordnung und dem Gitter und dient zur Fokusierung der einzelnen optischen Strahlenbündel.
Beim Betrieb wird Wellenenergie bei den Wellenlängen ^1, 2··' X fi von der Faser 9 emittiert und auf das Beugungsgitter 13 fokusiert, von wo aus sie selektiv reflektiert wird. In Fig. 2 ist die resultierende Intensitätsverteilung als Funktion des Abstandes D längs der Faseranordnung dargestellt. Gemessen
«- 6 —
von einem willkürlichen Bezugspunkt 0 aus, tritt die erste Intensitätsspitze der Wellenlänge "λ. im Abstand d1 längs der D-Achse auf. In ähnlicher Weise treten Spitzen für die Wellenlängen λ , _... λ bei den Abständen d„, d_ ... d_ auf. Sonach können die Komponenten des einfallenden Signals, die je einem getrennten Signalkanal entsprechen, räumlich voneinander getrennt werden, indem eine Faser im Brennpunkt eines jeden gebeugten Signals angeordnet wird, wie dieses in Fig. 1 dargestellt ist. Vorteilhaft ist das Gitter 13 so entworfen, daß der Abstand D zwischen den Intensitätsspitzen gleich dem Außendurchmesser der Fasern ist. Hierdurch erreicht man die wirksamste Ausnutzung der verfügbaren optischen Bandbreite. Die Kanalbandbreite ist eine Funktion des Kerndurchmessers C. Für Multimodenfasern, bei denen das Verhältnis von Kerndurchmesser zu Manteldurchmesser annähernd 0,5 ist, kann somit die verfügbare Bandbreite wirksam ausgenutzt werden. Im Gegensatz hierzu ist das Kern/Mantel-Verhältnis für Einzelmodenfasern viel kleiner. Typische Kern- und Manteldurchmesser sind 8 μΐη bzw. 125 μπι, so daß der Ausnutzungswirkungsgrad von 50 Prozent auf etwa 6 Prozent abfällt. Was also erforderlich ist, ist ein Mittel zum Erhöhen der Packungsdichte der Kanäle. Dieses wird bewerkstelligt durch Einfügen einer Anordnung mit konvergierenden Wellenleitern zwischen die Fasern und das Reflexionsgitter, wie dieses in Figur 3 dargestellt ist. Im einzelnen umfaßt jener Multiplexer/Demultiplexer eine Anordnung 31 von Eingangs/Ausgangs-Faserabschnitten 31-1, 31-2 ... 31-n, eine Anordnung 30 integrierter konvergierender optischer Wellenleiter,
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eine Linse 32 und ein glänzendes (blazed) Beugungsgitter 34. Vorteilhaft ist jeder Faserabschnitt mit einem geeigneten Verbindungsanschluß (nicht dargestellt) versehen, um die erforderliche Verbindung zu den Fasern der Übertragungsanlage herzustellen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Linse 32 eine Viertelperioden-GRIN-Linse (GRIN = graded index), die mit der Wellenleiteranordnung einfacher als eine diskrete Linse gekoppelt werden kann. Zur wirksameren Kopplung zwischen Linse 32 und Gitter 34 ist ein Keil 33 zwischengeschaltet.
Wie erwähnt, ist eine dichte Packung der Signalkanäle bei Verwendung üblicher Einzelmodenfasern wegen des kleinen Kern/ Mantel-Verhältnisses nicht möglich. Die Verwendung von Einzelmodenfasern-Sonderformen mit sehr dünnen Ummantelungen und einem entsprechend größeren Kern/Mantelverhältnis würde zu großen Handhabungsschwierigkeiten führen. Die Verwendung einer integrierten Wellenleiteranordnung vermeidet beide Probleme. Wie dargestellt, endet jede Faser 31-1, 31-2 ... 31-n am einen Ende eines der Wellenleiter 30-1, 30-2 ... 30-n. Die Wellenleiteranordnung konvergiert, so daß am linsenseitigen Ende der Abstand zwischen den Wellenleitern viel kleiner ist als der Manteldurchmesser üblicher Einzelmodenfasern. Nebensprechen wird letztlich die Wellenleiterpackungsdichte begrenzen. Nebensprechen ist aber für Abstände in der Größenordnung der doppelten Modengröße klein und kann, falls notwendig, weiterhin dadurch reduziert werden, daß Nuten in das Wellenleitersubstrat zwischen benachbarten Wellenleitern eingebracht werden, wie dieses in Fig. 4 dargestellt ist. Dort ist das linsenseitige Ende der An-3/4
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Ordnung dargestellt. Als Beispiel sind fünf Wellenleiter 41, 42, 43, 44 und 45 als in ein Substrat 46 eingebettet dargestellt. Um die einzelnen Kanäle wirksamer zu entkoppeln, sind Nuten 50, 51, 52 und 53 in das Substrat im Bereich zwischen benachbarten Wellenleitern eingebracht. Eine größere Entkopplung kann dadurch realisiert werden, daß die Fortpflanzungskonstanten benachbarter Wellenleiter verschieden gemacht werden.
Der vorstehend beschriebene Multiplexer kann in ein gemeinsames Substrat integriert werden. Eindimensionale Fokusier- und Beugungsmethoden für optische Dünnschichtwellenleiter sind unter Verwendung von Glassubstraten demonstriert worden..Die Verwendung eines elektrooptisch aktiven Substrates, beispielsweise LiNbO-, würde auch die Integration anderer Schaltungsfunktionen auf dem selben Substrat erlauben. Figur 5 zeigt ein Beispiel einer weiteren Modifizierung der Wellenleiteranordnung, wonach Modulatoren 61-1, 61-2, 61-3 und 61-4 längs den Wellenleitern 60-1, 60-2, 60-3 bzw. 60-4 angeordnet sind. Bei dieser" Ausführungsform werden Dauerstrichsignale bei Wellen längen λ ^?' "^-τ un(^ ^"4 in ^ie Wellenleiteranordnung eingekoppelt. Das Ausgangssignal auf dem Wellenleiter 65 umfaßt Wellenlängen-multiplexte modulierte Signale.
- Leerseite -

Claims (6)

Patentansprüche
1.\ Optischer Multiplexer oder Demultiplexer mit
- einer linearen Anordnung (31) optischer Eingangs/Ausgangsfasern,
- einem Beugungsgitter (34) zum selektiven Koppeln von optischer Wellenenergie zwischen einer der Fasern und den anderen Fasern und
- einer Linse (32) zum Fokusieren der gekoppelten Wellenenergie, dadurch gekennzeichnet , daß
- die Fasern (31) Einzelmodemfasern sind und
- eine integrierte Anordnung (30) konvergierender optischer Wellenleiter zwischen den Fasern und der Linse vorgesehen ist.
2. Multiplexer oder Demultiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß
- die Wellenleiteranordnung (30) eine Vielzahl in ein Substrat
(46) eines niedrigeren Brechungsindex eingebetteter Streifenwellenleiter (41 bis 45) aufweist und
- der Abstand zwischen benachbarten Streifenwellenleitern von einem Maximum beim ersten, den Fasern (31) zugekehrten Ende
der Wellenleiteranordnung auf ein Minimum beim zweiten, der Linse (32) zugekehrten Ende der Wellenleiteranordnung abnimmt.
3. Multiplexer oder Demultiplexer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
- Nuten (50 - 53), die sich in das Substrat (46) in den Bereichen des zweiten Endes zwischen benachbarten Streifenwellenleitern (41 - 45) hineinerstrecken.
4. Multiplexer oder Demultiplexer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß
- das Substrat (46) aus einem elektrooptischen Material ist.
5. Multiplexer oder Demultiplexer nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch
- Mittel (62) zum Modulieren eines optischen Signals, das längs Streifenwellenleiter der Wellenleiteranordnung übertragen wird,
6. Multiplexer oder Demultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß
- die Fortpflanzungskonstanten benachbarter Wellenleiter in . der Wellenleiteranordnung ungleich sind.
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