DE3414724C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Multiplexer/Demulti­ plexer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise 2.
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 dis­ persive Bauelemente wie Beugungsgitter zu verwenden. (Siehe z. b. "Optical Devices for Wavelength Multiplexing and De­ multiplexing" von W. J. Tomlinson und "High-capacity Wave­ length 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 µm 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 unterschied­ licher Wellenlängen in das Bauelement über eine Eingangs­ faser ein, werden durch die 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 Einmodenfasern gut geeignet. Wie jedoch von Tomlinson a.a.O. vermerkt, sind sie nicht sonderlich wirksam beim Multiplexen von Einmodensignalen. Das Problem rührt von dem Umstand her, daß in einer Einmodenfaser der Kerndurch­ messer 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.
In der JP-A-56-1 26 806 ist in Übereinstinmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 2 ein optischer Multiplexer/Demultiplexer beschrieben, der eine integrierte Anordnung konvergierender optischer Wellenleiter aufweist, wobei mehrere Wellenleiterstreifen in einem Substrat ausgebildet sind. Bei solchen Bauelementen haben Monomodefasern (=Einmodenfasern) gewisse Vorteile, nachteilig ist jedoch die geringe Packungsdichte aufgrund des sehr dünnen Kerns der Fasern. In der DE-A-32 39 336 (nicht vorveröffentlicht) ist vorgeschlagen, den Abstand zwischen den einzelnen Wellenleitern so einzustellen, daß er zur Vermeidung von störendem Übersprechen etwa dem dreifachen Wert der Breite eines Lichtwellenleiters ent­ spricht.
Aus der US-A-41 11 524 ist ein optischer Multiplexer/De­ multiplexer bekannt, bei dem auf einer Seite einer Optik ein Beugungsgitter angeordnet ist, während auf der anderen Seite die Enden mehrerer Lichtleitfasern in einer Halterung angeordnet sind, so daß sie bezüglich der Optik in ihrer Lage nicht verändert werden können. Eine integrierte An­ ordnung mit konvergierenden optischen Wellenleitern, wie sie aus der oben erwähnten JP-Druckschrift bekannt ist, ist in der US-Druckschrift nicht beschrieben. Eine der­ artige integrierte Anordnung soll im Stand der Technik eine möglicherweise zu geringe Packungsdichte der Kanäle vermeiden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Multiplexer/ Demultiplexer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, daß eine noch höhere Packungs­ dichte der Kanäle (Fasern) erreicht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe nach dem Anspruch 1 beziehungs­ weise dem Anspruch 2 dadurch, daß in der Wellenleiteran­ ordnung "Mittel zum Verringern des Übersprechens zwischen benachbarten Wellenleiterstreifen an dem der Linse benach­ barten Ende der Wellenleiteranordnung vorgesehen sind".
Diese Mittel bestehen speziell nach dem Anspruch 1 aus Nuten, nach dem Anspruch 2 aus unterschiedlichen Aus­ breitungskonstanten der einzelnen Wellenleiterstreifen.
Es wurde erkannt, daß die Packungsdichte bei Bauelementen der hier in Rede stehenden Art nicht lediglich durch geo­ metrische Gesichtspunkte begrenzt ist, sondern eine grund­ legende Beschränkung durch das Neben- oder Übersprechen zwischen einzelnen Kanälen gegeben ist. Ferner wurde erkannt, mit welchen konkreten Maßnahmen das Über­ sprechen abgeschwächt und mithin die Packungsdichte der Kanäle vergrößert werden kann.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 einen bekannten Multiplexer/Demultiplexer mit einem Reflexions-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 Fig. 1 ist ein bekannter Wellenlängen-Multiplexer/Demulti­ plexer 10 mit einem Reflexions-Beugungsgitter dargestellt. Die Anordnung ist als Demultiplexer arbeitend dargestellt und be­ sitzt eine optische Multimodenfaser 9 als gemeinsamen Eingang und eine lineare Anordnung optischer Ausgangs-Multimodenfasern 11-1, 11-2 . . . 11-6. Signale bei verschiedenen Wellenlängen λ1, λ2 . . . λ6, die aus der Faser 9 austreten, werden mit Hilfe eines glänzenden Reflexions-Beugungsgitters 13 räumlich ge­ trennt. Eine Linse 12 befindet sich zwischen der Faseran­ ordnung und dem Gitter und dient zur Fokusierung der einzelnen optischen Strahlenbündel.
Beim Betrieb wird Wellenenergie bei den Wellenlängen λ1, λ2 . . . λ6 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 von einem willkürlichen Bezugspunkt O aus, tritt die erste Intensitätsspitze der Wellenlänge λ1 im Abstand d1 längs der D-Achse auf. In ähnlicher Weise treten Spitzen für die Wellen­ längen λ2, 3 . . . λ6 bei den Abständen d2, d3 . . . d6 auf. So­ nach können die Komponenten des einfallenden Signals, die je einem getrennten Signalkanal entsprechen, räumlich voneinander getrennt werden, indem eine Faser im Brennpunkt eines jeden ge­ beugten Signals angeordnet wird, wie dieses in Fig. 1 darge­ stellt ist. Vorteilhaft ist das Gitter 13 so entworfen, daß der Abstand D zwischen den Intensitätsspitzen gleich dem Außen­ durchmesser der Fasern ist. Hierdurch erreicht man die wirksamste Ausnutzung der verfügbaren optischen Bandbreite. Die Kanalband­ breite ist eine Funktion des Kerndurchmessers C. Für Multimoden­ fasern, bei denen das Verhältnis von Kerndurchmesser zu Mantel­ durchmesser annähernd 0,5 ist, kann somit die verfügbare Band­ breite wirksam ausgenutzt werden. Im Gegensatz hierzu ist das Kern/Mantel-Verhältnis für Einzelmodenfasern viel kleiner. Typische Kern- und Manteldurchmesser sind 8 µm bzw. 125 µm, 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 bewerk­ stelligt durch Einfügen einer Anordnung mit konvergierenden Wellenleitern zwischen die Fasern und das Reflexionsgitter, wie dieses in Fig. 3 dargestellt ist. Im einzelnen umfaßt jener Multiplexer/Demultiplexer eine Anordnung 31 von Ein­ gangs/Ausgangs-Faserabschnitten 31-1, 31-2 . . . 31-n, eine An­ ordnung 30 integrierter konvergierender optischer Wellenleiter, 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 Einzel­ modenfasern-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 Wellen­ leiteranordnung 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. Neben­ sprechen 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 ordnung dargestellt. Als Beispiel sind fünf Wellenleiter 41, 42, 43, 44 und 45 als in ein Substrat 46 eingebettet darge­ stellt. 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 Ent­ kopplung kann dadurch realisiert werden, daß die Fort­ pflanzungskonstanten 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, beispiels­ weise LiNbO3, würde auch die Integration anderer Schaltungs­ funktionen auf dem selben Substrat erlauben. Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer weiteren Modifizierung der Wellenleiter­ anordnung, 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 λ1, λ2, λ3 und λ4 in die Wellenleiteranordnung ein­ gekoppelt. Das Ausgangssignal auf dem Wellenleiter 65 umfaßt Wellenlängen-multiplexte modulierte Signale.

Claims (6)

1. Optischer Multiplexer/Demultiplexer mit
  • - einer linearen Anordnung (31) optischer Einmodenfasern, von denen eine Faser als Eingangsfaser den Wellenlängen­ multiplex-Lichtstrahl empfängt und mehrere Fasern als Ausgangsfasern dienen,
  • - einem Beugungsgitter (34) und einer Linse (32) zum Koppeln von Anteilen des Lichtstrahls aus der Eingangsfaser zu den einzelnen Ausgangsfasern, und
  • - einer integrierten Anordnung (30) konvergierender optischer Wellenleiter zwischen den Fasern und der Linse, wobei in der integrierten Anordnung mehrere Wellenleiterstreifen (41-45) in einem Substrat (46) mit relativ niedrigem Brechungsindex eingebettet sind, der Abstand zwischen benachbarten Wellen­ leiterstreifen an dem den Fasern (31) zugewandten Ende der Anordnung größer ist als an dem der Linse (32) zugewandten Ende der Anordnung,
gekennzeichnet durch
  • - Nuten (50-53), die sich zwischen benachbarten Wellen­ leiterstreifen (41-45) an dem der Linse benachbarten Ende der Anordnung in das Substrat (46) hinein erstrecken.
2. Optischer Multiplexer/Demultiplexer mit
  • - einer linearen Anordnung (31) optischer Einmodenfasern, von denen eine Faser als Eingangsfaser den Wellenlängen­ multiplex-Lichtstrahl empfängt und mehrere Fasern als Ausgangsfasern dienen,
  • - einem Beugungsgitter (34) und einer Linse (32) zum Koppeln von Anteilen des Lichtstrahls aus der Eingangs­ faser zu den einzelnen Ausgangsfasern, und
  • - einer integrierten Anordnung (30) konvergierender optischer Wellenleiter zwischen den Fasern und der Linse, wobei in der integrierten Anordnung mehrere Wellenleiterstreifen (41-45) in einem Substrat (46) mit relativ niedrigem Brechungsindex eingebettet sind, der Abstand zwischen benachbarten Wellenleiterstreifen an dem den Fasern (31) zugewandten Ende der Anordnung größer ist als an dem der Linse (32) zugewandten Ende der Anordnung,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Ausbreitungskonstanten benachbarter Wellenleiter in der integrierten Anordnung ungleich sind.
3. Optischer Multiplexer/Demultiplexer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das Substrat (46) aus einem elektrooptischen Material besteht.
4. Optischer Multiplexer/Demultiplexer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch
  • - eine Einrichtung (62) zum Modulieren eines optischen Signals längs den Wellenleiterstreifen der integrierten Anordnung.
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