DE3435890A1 - Optischer multiplexer oder demultiplexer - Google Patents

Optischer multiplexer oder demultiplexer

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DE3435890A1
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demultiplexer
optical
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light
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Anne Bowmann Salem Va. Bussard
Robert Earl Joppa Pulfrey, Md.
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Alcatel Lucent NV
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International Standard Electric Corp
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Description

A.B.Bussard-1-1 ιχ Optischer Multiplexer oder Demultiplexer
Die Erfindung betrifft einen optischen Multiplexer oder Demultiplexer. Diese Bauelemente dienen dazu, einen Lichtstrahl, der mehrere Wellenlängenanteile enthalt, in die einzelnen Wellenlängen aufzuteilen. Beim Multiplexbetrieb werden mehrere Teilstrahlen, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, miteinander vereinigt. Die Multiplexer oder Demultiplexer, von denen hier die Rede ist, gehören zu der Gruppe von Mu Itiρ lexern/DemuLtiplexern, bei denen Beugungsgitter verwendet werden.
Bei den Mu Itiρlexern/DemuItiplexern, bei denen ein optisches Beugungsgitter verwendet wird, dient das Beugungsgitter als winke Idispersives Element, das das Licht nach der Beugung in eine von der Einfallsrichtung unterschiedliche Ausfallsrichtung lenkt. Der Ausfallswinkel hängt von dem Einfallswinkel und der Wellenlänge des einfallenden Lichts ab. Dadurch kann der Lichtstrahl
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in seine einzelnen Bestandteile, die sich durch unterschiedliche Wellenlängen unterscheiden, aufgeteilt werden und wie gewünscht getrennt oder zusammengefaßt werden. Es gibt mehrere Typen von Beugungsgitterkopplern, wobei eine Gruppe konkave Beugungsgitter verwendet und eine andere Gruppe ein ebenes Beugungsgitter kombiniert mit einer Linse (nachfolgend GRIN genannt) mit einem in radialer Richtung unterschiedlichen Brechungsindex verwendet. Die Gruppe mit konkaven Beugungsgittern hat den Vorteil, daß keine lichtbündelnden Einrichtungen vei— wendet werden müssen. Nachteilig hierbei ist, daß bei der Herstellung der sphärisch konkaven Oberflache und bei der Herstellung des Gitters ein großer Aufwand erforderlich ist. So ist es beispielsweise erforderlich, daß das Werkzeug zur Herstellung des Gitters sich über einen Bogen bewegen muß, wenn es die sphärische Oberfläche passiert. Weiterhin ist es nachteilig, daß der Wirkungsgrad bei der Beugung relativ gering ist und daß bei der Abbildung ein Astigmatismus auftritt. Nachteilig bei Typen mit GRIN-Linsen ist es, daß ein zusätzliches optisches Bauelement zur Bündelung des Lichts notwendig ist.
Diese Nachteile sind bei dem neuen Multiplexer/Demultiplexer nicht mehr vorhanden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Beugungsgi tter-Multi ρlexers/DemuIti ρ lexers,
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Fig. 2 schematische DarsteL Lungen der neuen MuLti- und ρLexer/DemuLtipLexer
Fig. 3
MuLtiρLexer/DemuLtiρ Lexer sind reziproke Bauelemente und können somit sowohl als MuLtipLexer aLs auch als Demultiplexer verwendet werden. In der nachfolgenden Beschreibung wird deshalb teilweise anstatt von Multiplexer/Demultiplexer auch von KoppLern geredet, die beide Betriebsarten umfassen.
In der Fig. 1 ist ein Beugungsgitterkopp ler 10 dargestellt, an den eine Anordnung 12 mit Lichtleitfasern angeschlossen ist. Bei der gewählten Darstellung wird der Koppler 10 als Multiplexer verwendet und deshalb enthält die Lichtleitfaseranordnung mehrere Lichtleitfasern (bei der gewählten Anordnung 8 Licht Leitfasern) 14a, b, c, d, e, f, g und. h, die jeweils mit einer (nichtdargestelLten) Lichtquelle verbunden sind. Als Lichtquelle wird beispielsweise ein Laser oder eine Lichtimitierende Diode verwendet. Jede der Lichtquelle gibt einen Lichtstrahl mit unterschiedlicher Wellenlänge ab. Das von den einzelnen Lichtleitfasern abgegebene Licht ist das einfallende Licht und wird von dem Koppler 10 vereinigt und einer AusgangsLichtLeitfaser 16, die sich ebenfalls in der Lichtleitfaseranordnung befindet, zugeführt. Beim Betrieb als Demu ItipLexer wurde das einfallende Licht über die Lichtleitfaser 16 zugeführt und dieses Licht wurde Anteile mit unterschiedlichen Wellenlängen enthalten. Der Demultiplexer trennt dann den Lichtstrahl in
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seine einzelnen BestandteiLe auf und fuhrt jeder der Licht Leitfasern 14 Licht mit einer bestimmten WeLLenlänge zu. In diesem FaLLe wäre jeder der LichtLeitfasern 14a bis 14h ein geeigneter optisch/ elektrischer Wandler zugeordnet, beispielsweise eine AvaLanche-Diode oder ein PIN-Diode.
Den Figuren 1 mit 2 ist entnehmbar, daß der Koppler 10 ein Längliches optisches Bauelement 18, das aus einem optisch durchlassigen Material besteht, enthält. Als Material verwendet man vorzugsweise Quarzglas. Alle verwendbaren Materialien solLten einen im wesentlichen einheitlichen Brechungsindex aufweisen. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, hat das optische Bauelement 18 einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt; jedoch sind auch andere Formen brauchbar.
Bei dem AusführungsbeispieI nach Fig. 1 besteht das Bauelement 18 aus zwei Blocken, hergestellt aus reinem geschmolzenen Quarzglas 18a und 18b, die planare und sich einander berührende Oberflächen haben. Die Blocke 18a und 18b sind so miteinander verbunden, daß sie ein einziges Bauelement bilden. In an sich bekannter Weise sind die Blöcke 18a und 18b mit einem optisch durch-Lässigen Epoxyharz 20 verbunden, d. h. ein Epoxyharz das Licht durchläßt. Wie anhand der weiteren Beschreibung noch ersichtlich sein wird ist es für die Herstellung eines Kopplers 10 in manchen Fallen von Vorteil, anstelle eines einzigen Quarzglasblockes zwei Quarzglasblocke zu verwenden. Für die Funktionsweise ist es ohne Bedeutung, ob ein oder zwei Blocke verwendet werden. Bei den Darstellungen in den Figuren 2 und 3 wird von einem einzelnen Block ausgegangen. Das eine Ende des läng-
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Liehen optischen Körpers 18 weist eine konvexe OberfLäche 22 auf, die mit einem LichtrefLektierenden MateriaL überzogen ist. Bevorzugte MateriaLien für den überzug der OberfLäche 22 sind GoLd und SiLber. Die OberfLäche kann in an sich bekannter Weise hergesteLLt werden. Es wird vorzugsweise eine sphärische OberfLache 22 verwendet, die eine soLche Krümmung aufweist, daß das von den LichtLeitfasern in den Körper 18 eingekoppeLte Licht zur OberfLache 22 einen Weg zuruckLegt, der gLeich ungefähr der Brennweite ist. Dann erfoLgt eine KoLLimation des Lichts durch die sphärische OberfLäche 22. Für manche Zwecke ist es wünschenswert, daß die Obei— fLäche 22 eine asphärische Form hat und in diesem FaLL ist die OberfLäche durch mehr aLs eine GLeichung definiert; man kann so die Abberation minimieren. Wenn nachfoLgend der Ausdruck sphärisch verwendet wird, soLL hierin auch der FaLL der asphärischen OberfLäche eingeschLossen sein.
Die in der anderen Längsrichtung befindLiche OberfLäche 24 ist eben. Auf einem ersten TeiL dieser ebenen OberfLäche ist ein Beugungsgitter 26 reaLisiert. Das Beugungsgitter besteht aus einer großen AnzahL von Furchen wie in Fig. 2 dargesteLLt. Zum Leichteren Verständnis sind die Furchen in der Fig. 2 nicht immer maßstabsgerecht dargesteLLt. Das Beugungsgitter 26 ist ebenfaLLs mit einem LichtrefLektierenden MateriaL (z. B. GoLd oder SiLber) überzogen. Der verbLeibende TeiL der ebenen OberfLäche 24 ist so ausgestaLtet, daß daran eine LichtLeitfaseranordnung 12 befestigbar ist. Die Befestigung kann auch mitteLs eines geeigneten optisch durch-Lässigen Epoxyharz oder eines anderen geeigneten optischen Kitts erfoLgen.
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Das Beugungsgitter 26 kann auf der ebenen Oberfläche in an sich bekannter Weise mit einem üblichen WeTkZeUgx z. B. einem Diamantblatt, hergestellt werden. Das Beugungsgitter kann auch auf einem Keil realisiert sein, der auf die ebene Oberfläche des Blocks 18b mit einem optischen Epoxydharz 20 (Fig. 1) aufgebracht ist. Das Beugungsgitter 26 wird jedoch vorzugsweise auf der Stirnfläche 24 realisiert. Dies kann so erfolgen, daß der eine Teil der ebenen Fläche 24 mit einem geeigneten optischen Harz überzogen wird und daß in diese Schicht ein Prägestempel eingedruckt wird wobei der Prägestempel in seiner Oberfläche die Form des Beugungsgitters hat. Der Prägestempel wird dann in das Harz eingedruckt, wenn dieses noch verformbar ist. Danach wird das Harz ausgehärtet und in an sich bekannter Weise mit einem reflektierenden Material überzogen. Zwei Blocke 18a und 18b werden dann verwendet, wenn das Beugungsgitter 26 auf diese Weise hergestellt wird, weil dann die Handhabung des Materials einfacher ist.
Es können verschiedene Harze verwendet werden und diese sollen im ausgehärteten Zustand einen Brechungsindex aufweisen, der ungefähr gleich dem des lichtubertragenden Materials ist. Geeignete Harze werden hergestellt von Bausch und Lomb, Microscopy and Image Analysis Division in Rochester, New York, USA.
Anhand der Fig. 2 ist zu sehen, daß das von einer Lichtleitfaser in den Koppler eintretende Licht durch das optische Bauelement 10 sich ausbreitet, bis es auf die verspiegelte sphärische Oberfläche 22 trifft, wo es kollimiert und reflektiert wird. Es gelangt dann durch das
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optische Bauelement zu dem Beugungsgitter 26. Wenn das koLLimierte Licht auf das Beugungsgitter 26 trifft, wird es zurückgebeugt zu der verspiegeLten sphärischen OberfLä'che 22, die das Licht refLektiert und auf die AusgangsLichtLeitfaser abbildet.
Wie in der Fig. 2 ersichtlich ist die konvexe sphärische OberfLäche 22 in bezug auf die optische Achse A des Körpers 18 symmetrisch. Bei einer solchen Anordnung der OberfLäche 22 bildet die planare OberfLäche 24 mit der Senkrechten auf die optische Achse A ein Winkel T. Der Winkel T ist ungefähr·gLeich des halben Beugungseinfallswinke Ls, der für eine effiziente Gitterfunktion erforderlich ist. Bei manchen Ausführungsbeispielen, wie z. B. gemäß Fig. 3, ist es wünschenswert, daß die planare Oberfläche senkrecht zu der optischen Achse ist. Eine soLche senkrechte Oberfläche ist die Oberfläche 24a bei dem Korper 18a in Fig. 3. In diesem Fall Liegt die konvexe sphärische OberfLäche 22a etwas außerhalb der Symmetriefläche in bezug auf die optische Achse. Es ist so wieder im Ergebnis eine Neigung der Oberfläche 26 gegenüber der konvexen sphärischen Fläche vorhanden, die gleich den halben Einfallswinkel, ist der für eine effiziente Gitterfunktion erforderlich ist.
Die äußeren Oberflächen des Korpers 18, ausgenommen die Oberflächen 22 und 24, sind vorzugsweise als Mattglas realisiert, um innere Streuungen von der konvexen Oberfläche 22 und von dem Beugungsgitter 26 zu reduzieren. Das Mattglas kann weiterhin noch geschwärzt oder anderweitig behandelt sein, um die Lichtabsorptionsfähigkeit weiter zu erhöhen.
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- Le
erseite -

Claims (9)

International Standard Electric Corporation, New York A.B.Bussard-R.E.Pulfrey 1-1 Patentansprüche
1. Optischer Multiplexer oder Demultiplexer, dadurch g e kennzeich η- et, daßeraus einem länglichen Körper (18) aus einem lichtdurchlässigen Material besteht, daß dessen in der Längsrichtung eines Ende (22) konvex gewölbt ist, daß dessen in der Längsrichtung anderes Ende (24) eine ebene Oberfläche hat, und daß auf einem Teil der ebenen Fläche ein Gitter (26) vorgesehen ist und der restliche Teil so ausgebildet ist, daß mit ihm mehrere Lichtleitfasern (14a, 14b, 14c, 14d, 16) verbindbar sind.
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2. Optischer Multiplexer oder Demultiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß auf der konvexen Oberfläche und auf dem mit dem Gitter versehenen Teil der ebenen Oberfläche ein lichtref lektierendes Material aufgebracht ist.
3. Optischer Multiplexer oder Demultiplexer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Korper einen einheitlichen Brechungsindex aufweist,
4. Optischer Multiplexer oder Demultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich nicht in der Längsrichtung befindlichen Oberflächen Mattglas sind und mit lichtabsorbierendem Material überzogen sind.
5. Optischer Multiplexer oder Demultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Korper aus zwei miteinander verkitteten oder verklebten Stücken besteht.
6. Optischer Multiplexer oder Demultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Längsrichtung ebene Oberfläche gegen die Senkrechte auf der optischen Längsachse um einen bestimmten Winkel geneigt ist und daß die sphärische Oberfläche symmetrisch zu der optischen Längsachse angeordnet ist.
7. Optischer Multiplexer oder Demultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Längsrichtung ebene Oberfläche senkrecht zu der optischen Längsachse angeordnet ist und daß die sphärische Oberfläche unsymmetrisch zur optischen Längsachse angeordnet ist.
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8. Optischer Multiplexer oder Demultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter auf der ebenen Oberfläche in einer Harzschicht realisiert ist.
9. Optischer Multiplexer oder Demultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Weglängen zwischen den Stellen, an denen die Lichtleitfasern ankoppelbar sind, und der konvexen Oberfläche gleich der Brennweite der konvexen Oberfläche sind.
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DE19843435890 1983-10-03 1984-09-29 Optischer multiplexer oder demultiplexer Withdrawn DE3435890A1 (de)

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