DE3688687T2

DE3688687T2 - Zusatzresonator.

Info

Publication number: DE3688687T2
Application number: DE86105853T
Authority: DE
Inventors: John W Hicks
Original assignee: Polaroid Corp
Current assignee: Polaroid Corp
Priority date: 1985-05-02
Filing date: 1986-04-28
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2006-04-29
Also published as: CA1254416A; JPH07120827B2; JPS61272704A; EP0200194B1; DE3688687D1; EP0200194A3; US4676583A; EP0200194A2

Description

Technischer Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Resonanzhohlräume für Wellenleitersysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung optische Kreise mit mehreren Resonanzhohlräumen, die in spezieller Weise geeignet sind, gewählte, bezüglich der Wellenlänge festgelegte Kanäle von Lichtenergie aus zukoppeln, die in einem optischen Wellenleiter fortschreiten, wobei minimale Energieverluste von anderen Kanälen in dem Wellenleiter auftreten und ein vergrößerter freier Spektralbereich für die Nebenschlußfunktion gegeben ist, d. h. das Verhältnis des elektrischen Feldes, welches von der einen Kanal auskoppelnden Anzapfung passiert wird, zu dem elektrischen Feld, welches sich der Anzapfung nähert.
Resonanzhohlraum-Filteranordnungen sind bekannt, um Spektrallinienbreiten bis 0,01 Å (1 pm) aus einem optischen Wellenleiter oder einer Faser auszukoppeln, in denen viele relativ breitbandige, mit Signalen modulierte Lichtenergie im Bereich von 1 bis 2 Mikron des elektromagnetischen Spektrums fortschreiten. Ein Hauptziel bei der Auskopplung sehr schmaler Linienbreiten aus einem optischen Wellenleiter ist die Verwirklichung eines optischen Kommunikationssystems, bei dem eine große Zahl von Informationskanälen über einen einzigen optischen Wellenleiter übertragen werden kann, und zwar mit der Möglichkeit der Auskopplung diskreter Kanäle an aufeinanderfolgenden Anzapfungen oder Abzweiglinien längs der Hauptleitung. Es ist auch bekannt, daß die Zahl der aufeinanderfolgenden Auskopplungen auf einer einzigen Sammelleitung prinzipiell durch die Auskopplung von Energie aus Seitenkanälen durch stromaufwärtige Abzapfungen begrenzt ist, deren Zweck darin besteht, nur einen Kanal auszukoppeln.
Es können sogenannte Reihenresonanzhohlräume benutzt werden, bei denen eine Feinabstimmung oder eine koresonante Beziehung hergestellt wird, so daß nur ein Kanal in jedem der seriellen Resonanzhohlräume koresonant ist, wodurch die Abfuhr von Energie aus den gewünschten Koresonanzkanälen vermindert oder überhaupt ausgeschaltet wird. Die schmalen interessierenden Linienwellenlängen werden einem ersten Resonanzhohlraum zugeführt, in dem die interessierende Linienbreite zusammen mit den Seitenordnungen der interessierenden Linienbreite mitschwingt. Der zweite Resonanzhohlraum ist mit dem ersten Resonanzhohlraum gekoppelt und so abgestimmt, daß er die interessierende Linienbreite enthält, aber zusammen mit Seitenordnungen von spektralen Intervallen, die unterschiedlich sind von denen des ersten Resonanzhohlraums, so daß nur die interessierende Linienbreite in beiden Hohlräumen mitschwingt. Auf diese Weise wird nur der gewünschte koresonante Kanal am Ausgang des zweiten Resonanzhohlraums verfügbar.
Obgleich diese Reihenhohlräume eine umfangreiche Möglichkeit für die selektive Auskopplung sehr schmaler Linienbreiten von Lichtenergie aus optischen Wellenleitern demonstrieren, ist die Anwendung doch beschränkt durch die Lichtenergieverluste, die sich nach aufeinanderfolgenden Auskopplungen aus der Hauptleitung ansammeln. Das heißt, die Resonanzauskopplungen vermindern die Übertragungsenergie der Wellenlängen, welche Seitenordnungen der gewählten Wellenlänge sind, obgleich in wirksamer Weise die Kanäle mit bestimmter Wellenlänge ausgekoppelt werden.
Es ist auch bekannt, integrale Doppelhohlräume vorzusehen, bei denen der eine Hohlraum durch einen Pfad durch den zweiten Hohlraum vervollständigt wird. Eine solche Anordnung ergibt nicht nur den erwähnten Feinabstimmeffekt, um nur die gewählten Wellenlängen in die Zweigleitung auszukoppeln, sondern es wird auch die Übertragungsfunktion verbessert, wie dies im einzelnen in der Erfindung beschrieben ist.
Aus der WO-A-83/02168 ist eine Resonanzhohlraumvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Zur Wellenlängenfilterung sind lineare oder schleifenförmig gestaltete Filterelemente vorgesehen, die eine seitliche Kopplung zwischen Faserelementen benutzen.
Dieser Resonanzhohlraumfilter kann im optischen Bereich zwischen 0,2 Mikron bis 3 Mikron benutzt werden. Die Faserresonanzhohlraumvorrichtungen haben vergleichsweise geringe Verluste pro Zyklus, und sie sind klein genug, um im Bereich einer Linienbreite zwischen 100 bis 1 pm wirksam zu sein. Die Hohlraumvorrichtung besitzt eine gute Analogie zu einem Fabry-Perot-Interferometer, indem ein hochwirksamer Metallüberzug, beispielsweise Aluminium oder Silber, auf die Enden einer Monomode-Faser aufgebracht wird. Demgemäß sind die die Arbeitsweise eines Fabry-Perot-Interferometers bestimmenden Gleichungen nützlich für die Voraussage und Analyse dieser bekannten Faserhohlraumvorrichtungen.
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Resonanzhohlraumvorrichtung zu schaffen, die nur bei wenigen oder einer einzigen Wellenlänge wirksam ist, so daß eine spezielle Resonanzlinie des Lichtes aus dem optischen Wellenleiter mit minimaler Abschwächung der Seitenordnungen ausgekoppelt und, falls erforderlich, verstärkt werden kann.
Die obengenannte Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1.
Demgemäß ist nach der Erfindung eine Resonanzhohlraum- Wellenleitervorrichtung vorgesehen, bei der der von außen definierte Hohlraum konditional und spontan nur bei der Koresonanzfrequenz der beiden Hohlräume arbeitet, so daß Seitenordnungen beträchtlich abgeschwächt oder sogar aus dem konditionalen Hohlraum eliminiert werden und der Abzug von Übertragungsleitungsenergie durch derartige Seitenordnungen vermindert wird.
Die Kopplung zwischen dem Wellenleitersegment und dem zweiten Hohlraum ist eine Kopplung im abklingenden Feld, und die Stelle bestimmt die wirksame optische Länge des konditionalen Hohlraums, und letzterer wird anfänglich so ausgebildet und/oder so abgestimmt, daß er nur bei einer Wellenlänge in Resonanz ist, die dem zweiten Hohlraum gemeinsam ist.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel wird ein äußerlich definierter Hohlraum, der im folgenden als "Adscitus"- Resonanzhohlraum bezeichnet wird, in einem optischen Wellenleitersegment dadurch ausgebildet, daß ein Ende des Segmentes mit einem realen Spiegel abgeschlossen wird und indem eine Adscitus-Reflexion innerhalb des Segmentes ausgebildet wird, um mit dem realen Spiegel zusammenzuwirken und die Resonanzcharakteristiken zu erzeugen. Die Adscitus- Reflektivität wird im Wellenleitersegment durch einen zweiten Resonanzhohlraum erzeugt, der seitlich mit dem Segment mit der Adscitus-Reflektivität gekoppelt ist, und zwar nur im Bereich der seitlichen Kopplung, wenn der zweite Hohlraum in Resonanz ist, und nur bei den Resonanzwellenlängen des letzteren. Der zweite Hohlraum kann aus einer Länge eines optischen Wellenleiters gebildet werden, der durch Spiegel begrenzt ist, um die gewünschte Resonanzmodencharakteristik zu erzeugen.
Der Adscitus-Hohlraum kann außerdem ein aktives Verstärkermaterial aufweisen, das durch eine Quelle von Lichtenergie eingepumpt wird, um die Verstärkung der Wellenlänge zu verbessern, die durch Resonanz im Adscitus-Hohlraum geführt wird. Die beiden Hohlräume, nämlich der reale und der Adscitus-Hohlraum, sind fein abgestimmt, so daß nur gewählte, in Resonanz befindliche Kanäle aus der Hauptleitung ausgekoppelt werden. So haben sowohl der Durchgang als auch die Auskopplung einen verbesserten freien Spektralbereich.
Gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung kann ein Wellenleitersegment äußerlich mit Resonanzcharakteristiken versehen werden, indem jeweils zweite und dritte Resonanzhohlräume seitlich an das Segment angekoppelt werden, um darin Adscitus-Reflektivitäten zu definieren. Außerdem kann ein konditionaler Resonanzhohlraum in einem optischen Wellenleitersegment ausgebildet werden, das einem gekrümmten Pfad folgt, indem ein geschlossener Resonanzwellenleiterring oder eine Schleife gebildet werden, die seitlich in zwei seitlichen Koppelzonen über dem gekrümmten Segment gekoppelt werden, um in diesem Segment Schleifenresonanzcharakteristiken zu erzeugen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist ein Paar von geschlossenen Resonanzschleifen oder Ringhohlräumen an ein Paar von im Abstand liegenden Wellenleitersegmenten angekoppelt, um (bei Resonanz der Schleifenhohlräume) einen konditionalen Schleifenhohlraum zu schaffen, der durch die erste der Schleifen längs eines ersten Segmentes nach der zweiten Schleife verläuft und durch die letztere hindurch und längs des zweiten Segmentes zurück zu der ersten Schleife.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer optischen Faser-Wellenleitervorrichtung, die einen dualen Hohlraumaufbau definiert, mit einem Hohlraum, der eine äußerlich definierte Resonanz besitzt, um eine gewählte spektrale Linie aus einer optischen Übertragungsleitung auszukoppeln;
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines optischen Faseraufbaus, der drei Hohlraumaufbauten definiert, um in gleicher Weise eine gewählte Spektrallinie aus einer optischen Faserübertragungsleitung auszukoppeln;
Fig. 3 ist eine Darstellung eines optischen Faserkreises, der drei Ringhohlräume bildet, von denen einer die anderen zwei einschließt und konditional zu diesen ist, um eine gewählte Spektrallinie aus einer optischen Faserübertragungsleitung auszukoppeln;
Fig. 4 ist eine Darstellung eines dualen Hohlraum- Ringaufbaus, von denen der eine konditional auf dem anderen befindlich ist, um eine gewählte Spektrallinie aus einer optischen Faserübertragungsleitung auszukoppeln;
Fig. 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorform, um die Mehrfach-Hohlraumanordnung gemäß Fig. 2 zu erzeugen;
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer optischen Leitung, die aus der Vorform gemäß Fig. 5 gezogen wurde;
Fig. 7 veranschaulicht den Zusammenbau einer Leitung gemäß Fig. 6 mit einer Abzweigleitung, und
Fig. 8 veranschaulicht einen vollständigen einheitlichen Aufbau einer Mehrfachhohlraumanordnung gemäß Fig. 2.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein optischer Mehrfachhohlraumkreis gemäß der Erfindung dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der Kreis 10 soll an eine Übertragungsleitung T angekoppelt werden, die einen Teil eines Kommunikations- Systems bildet und eine große Zahl von dicht benachbart zueinander liegenden Informationen tragenden Wellenlängen führen kann, und zwar im typischen Fall im Bereich von 1,34 oder 1,5 Mikron des elektromagnetischen Spektrums. Der Kreis 10 koppelt einen Teil der spektralen Energie aus der Übertragungsleitung 10 aus, während der Rest der Energie, der hier als "P" bezeichnet werden soll, in der Übertragungsleitung weiter fortschreitet. Die aus der Übertragungsleitung T ausgekoppelte Spektralenergie kann einem Anschlußgerät (nicht dargestellt) über eine Abzweigfaser B zugeführt werden.
Der Kreis 10 weist einen Adscitus-Resonanzhohlraum 12 auf, der mit der Übertragungsleitung T über ein abklingendes Feld oder eine seitliche Kopplung 14, mit einem zweiten Resonanzhohlraum 16 über eine zweite Kopplung 18 und mit der Abzweigfaser B über eine seitliche Kopplung 32 gekoppelt ist. Der Resonanzhohlraum 12 wird als konditionaler Hohlraum bezeichnet, und speziell bei diesem Ausführungsbeispiel als Adscitus-Hohlraum, weil die Resonanzcharakteristiken, die er durchführt, konditional sind und durch irgendetwas außerhalb dieses Hohlraums definiert werden. Bei dem Ausführungsbeispiel existiert der Adscitus-Hohlraum 12, wie weiter unten im einzelnen erklärt wird, nur dann, wenn er durch einen Reflektor oder Spiegel komplettiert wird, der durch die Übertragungsfunktion in dem zweiten Hohlraum 16 gebildet wird, obgleich dieser Hohlraum 12 ein tatsächlicher Hohlraum ist. Dies bedeutet, daß der Adscitus-Resonator nicht Wirklichkeit wird, ohne durch das Vorhandensein bestimmter physikalischer Ereignisse außerhalb davon beeinflußt zu sein. Demgemäß wird der Ausdruck "Adscitus" in der Beschreibung dann benutzt, wenn auf Hohlräume, Schleifen oder Spiegel Bezug genommen wird, die von irgendetwas von außen her beeinflußt werden oder von dort ihre Eigenschaften erhalten.
Zum Verständnis des Adscitus-Hohlraums 12 sollte zunächst festgestellt werden, daß dieser, wie beschrieben, aus einem optischen Wellenleiter oder einem Fasersegment 11 besteht, das beispielsweise einen Kern 20 und einen Überzug 22 aufweist und an einem Ende durch eine reflektierende Anordnung, beispielsweise einen wirklichen Spiegel 24, abgeschlossen ist. Der zweite Resonanzhohlraum 16 ist ein linearer Hohlraum, beispielsweise ein Etalon, der durch eine Länge eines optischen Wellenleiters definiert ist, z. B. eine optische Faser, die auf entgegengesetzt liegenden Enden durch Reflektoranordnungen, z. B. wirkliche Spiegel 28 und 30, abgeschlossen ist.
Der Adscitus-Hohlraum 12 besitzt physikalische Charakteristiken, wie etwa eine gewählte Länge, die die Möglichkeit schafft, daß er bei den interessierenden Wellenlängen in Resonanz kommt. Wie bekannt, schwingt ein linearer Hohlraum bevorzugt bei Wellenlängen, die eine gerade Vielzahl von Halbwellenlängen der wirksamen optischen Länge des Hohlraums aufweisen. Der Adscitus-Hohlraum 12 wird geschlossen, oder d. h. gebildet oder definiert innerhalb des Wellenleitersegments 11 durch Adscitus-Reflexion oder einen Spiegel 26, der nur bei den Resonanzwellenlängen oder Resonanzlinien des zweiten Hohlraums 16 vorhanden ist. Wenn die Länge des Adscitus-Hohlraums (der Abstand zwischen dem wirklichen Spiegel 24 und der Stelle der Kopplung 18, die den Adscitus- Spiegel 26 bildet) so gewählt wird, daß eine Wellenlänge mit einer Resonanzlinie des zweiten Hohlraums oder in der Nähe desselben geführt wird, dann wird der Adscitus-Hohlraum zu einem Resonanzhohlraum bei dieser gemeinsamen Linie.
Wenn die Verluste in den Resonanzaufbauten sehr niedrig gehalten werden, dann schwingt nur eine einzige Resonanzlinie in dem Adscitus-Hohlraum, und es wird die Durchgangsfunktion erhalten. Bei mäßigen Verlusten schwingen auch gewisse Seitenordnungen im Hohlraum 12 in Resonanz. Da diese Seitenordnungen jedoch eine verminderte Zahl haben, wird die Durchgangsfunktion noch verbessert. Infolgedessen ergibt sich, daß bei einer Bezugnahme auf eine einzige Resonanzwellenlänge das System tatsächlich einige wenige Seitenordnungen aufweisen kann.
Es ist ersichtlich, daß der Adscitus-Hohlraum 12 Energie aus der Übertragungsleitung T vorherrschend nur bei der interessierenden Wellenlänge auskoppelt und Wellenlängen über und unter der interessierenden Wellenlänge unbeeinflußt läßt. Die gefilterte Wellenlänge wird nach der Abzweigleitung B vorzugsweise an der Koppelstelle 32 ausgekoppelt.
Die effektive optische Länge eines gegebenen Hohlraums kann durch Erhitzen, Strecken oder Beanspruchung eines Teils des Wellenleiters eingestellt werden, der den Hohlraum bildet. Um eine Eichabstimmung zu bewirken, sind oft etwas verschobene, aber sonst ähnliche Resonanzkämme erwünscht. Die tatsächliche mechanische Länge des den Mehrfachhohlraum bildenden Wellenleiters kann zweckmäßigerweise so gewählt werden, daß die Längen einander gleich oder fast gleich sind, aber durch Erhitzung eines Hohlraums oder unterschiedliche Beanspruchung kann eine gesteuerte, etwas unterschiedliche optische Pfadlänge in diesen Hohlräumen erzeugt werden. Infolgedessen wird klar, daß die Längen der Hohlraumwellenleiter, die in den unten erwähnten Beispielen beschrieben sind und die oft annähernd gleich sind, sich nur auf die grobe mechanische Länge beziehen, wobei die optische Länge des einen Hohlraums gegenüber derjenigen des anderen Hohlraums beispielsweise durch Erhitzung eingestellt werden kann.
Der Adscitus-Hohlraum 12 ist schwach oder locker mit der Übertragungsleitung T über die seitliche Kopplung 14 in der Weise gekoppelt, daß nur ein geringer Teil der Energie in der Übertragungsleitung, beispielsweise 1 bis 10%, aber vorzugsweise etwa 2%, über die seitliche Kopplung 14 in das Wellenleitersegment 11 ausgekoppelt wird, welches den Adscitus-Hohlraum 12 bildet, wenn das Segment ein offener Kreis wäre. Die seitliche Kopplung 18 zwischen dem Segment 11 und dem zweiten Hohlraum 16 ist vorzugsweise fester und besitzt einen beträchtlichen Koppelkoeffizienten zwischen 20% und 50%. Da der zweite Hohlraum 16 wegen der geringen Spiegelreflexion, die erhalten werden kann, hohe Koppelverluste aufweisen kann, muß der Adscitus-Reflektor 26 eine Funktion mit einer Spitzenresonanz von nicht mehr als etwa 90 bis 95% übertragen.
Der zweite Hohlraum 16 ist ein linearer Hohlraum, der funktionell als Fabry-Perot-Etalon definiert ist, äquivalent den beiden Spiegeln 28 und 30, und er schwingt bei Wellenlängen in Resonanz, die eine ganze Zahl von Halbwellenlängen der wirksamen optischen Länge des Hohlraums besitzen. Wie oben erwähnt, ist der zweite Hohlraum 16 vorzugsweise so ausgebildet, daß er bei einer Gruppe von Wellenlängen in Resonanz schwingt, die unterschiedlich ist gegenüber jenen Wellenlängen des Adscitus-Hohlraums 12, wobei jedoch eine Wellenlänge, nämlich die gewünschte Wellenlänge, für die jeweilige Abzweigleitung B eine gemeinsame Resonanzwellenlänge für beide Hohlräume ist. Beispielsweise kann ein nicht dargestelltes Heizelement entweder am Hohlraum 12 oder am Hohlraum 16 angebracht werden, um den wirksamen optischen Pfad des einen Hohlraums oder des anderen einzustellen. Diese Wellenlängen-Wählfunktion, bei der die beabsichtigten verschiedenen Gruppen von Resonanzlinien des Adscitus- Hohlraums 12 und des zweiten Hohlraums 16 nur eine gemeinsame Resonanzlinie besitzen, wird als Resonanz-Eich- Abstimmung bezeichnet.
Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein vergrößerter freier Spektralbereich in der Durchgangsfunktion vorgesehen wird. Definitionsgemäß ist die "Durchgangsfunktion" das Verhältnis E Durchtritt/E Eingang, d. h. das Verhältnis des elektrischen Feldes, das durch eine Anzapfung nach dem elektrischen Feld verläuft, das sich der Anzapfung nähert. Der Ausdruck "Übertragungsfunktion", d. h. das Verhältnis E Ausgang/E Eingang, ist das Verhältnis des elektrischen Feldes am Ausgang der Anzapfung nach dem elektrischen Feld, welches sich der Anzapfung nähert. Im Sinne der vorliegenden Erfindung arbeitet der Resonanzmehrfachhohlraum-Kreis 10 gemäß Fig. 1 als Anzapfung der Leitung T. Das elektrische Feld in einem Wellenleiter kann in Ausdrücken von Amplitude und Phase ausgedrückt werden. Die Amplitude am stromabwärtigen Punkt ist auf die Amplitude am stromaufwärtigen Punkt durch das Produkt aller Übertragungs-, Verstärker- und Koppelfaktoren zwischen diesen beiden Punkten bezogen. Die Phase bezieht sich auf die Summierung sämtlicher Phasenverschiebungen zwischen den beiden Punkten.
Die Dimensionen für eine spezielle Vorrichtung hängen von der Wellenlänge des in Resonanz zu versetzenden Lichtes ab, und wie oben erwähnt ist es beabsichtigt, die wirksame optische Länge eines jeden Hohlraums abzustimmen, oder es erfolgt während oder nach der Konstruktion die Definition. Für eine beispielsweise Vorrichtung, die im 1,0- bis 1,5- Mikron-Bereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitet, ergibt sich eine zweckmäßige Gruppe von Parametern wie folgt:
a. die Länge der Faser, die den Hohlraum 12 bildet, gemessen vom Mittelpunkt der Koppelstelle 18 nach dem Spiegelende 24, beträgt 1 cm;
b. die Länge der Faser, die den linearen Hohlraum 16 bildet, gemessen vom Mittelpunkt der Kopplung 18 nach dem Spiegelende 30, beträgt 1 cm;
c. die Kopplung an der Koppelstelle 14 beträgt 2%;
d. die Kopplung an der Koppelstelle 32 kann zwischen 1% und etwa 50% gewählt werden, unter Berücksichtigung, daß das Pumpen eingestellt wird. Wie weiter unten beschrieben, kann eine Verstärkung im Hohlraum 12 vorgesehen werden, um einen Verstärkungsgrad von dem doppelten gewählten Wert plus einem genügend hohen Wert zu erhalten, um die gewünschte Kreisgüte Q zu erhalten. Es sollte jedoch auch beachtet werden, daß das Licht in beiden Richtungen in die Zweigleitung B eintritt;
e. die Energiereflexion der Spiegel 24, 28 und 30 beträgt annähernd 97%;
f. die Koppellänge 18 beträgt 2 mm; und
g. die Gesamtlänge der Faser, die den linearen Hohlraum 16 bildet, ist die oben mit "b" bezeichnete Länge plus der halben Länge der Kopplung 18, d. h. 1,1 cm.
Wie im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert wird, kann zweckmäßigerweise in dem optischen Kreis 10 eine Verstärkung benutzt werden, um die Resonanzwellenlänge zu verstärken. So kann das optische Wellenleitersegment 11, welches den Adscitus-Hohlraum 12 umfaßt, mit einem aktiven Verstärker- oder Lasermedium dotiert werden, welches Lichtenergie bei einer oder mehreren Absorptionswellenlängen absorbiert und Licht mit einer anderen Emissionswellenlänge oder -wellenlängen emittiert, die die Wellenlängen umfassen, welche aus der Übertragungsleitung T ausgekoppelt wurden. Beispielsweise Verstärkermaterialien umfassen Neodym, Terbium und Erbium. Die Konzentration der die Verstärkung liefernden Dotierungsmittel im Wirtsmaterial kann schwanken von einem unteren Grenzwert, der durch die minimale Verstärkung bestimmt wird, welche für eine spezielle Anwendung erforderlich ist, und einem oberen Grenzwert, der durch Konzentrationslöschung innerhalb des Adscitus-Hohlraums 12 bestimmt wird. Allgemein ist ein Konzentrationsbereich zwischen 0,1 und 30 Gew.-% geeignet.
Eine Pumplichtquelle, beispielsweise eine Laserdiode, ist vorgesehen, die einen Lichtausgang bei einer Wellenlänge innerhalb des Absorptionsspektrums des aktiven Materials aufweist, d. h. 0,78 bis 0,88 Mikron, wobei das Verstärkermaterial Neodym ist. Die Lichtquelle ist am Ende an das optische Fasersegment 11 angekoppelt, so daß das Pumplicht in den aktiven Kernbereich des Adscitus-Hohlraums 12 gerichtet wird. Da die Pumplichtenergie von der Lichtquelle in den Adscitus-Hohlraum eintritt, absorbiert das Verstärkermaterial Photonen mit einer gleichzeitigen Erhöhung der Elektronenenergiezustände. Wenn eine Verstärkung in der Vorrichtung bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel benutzt wird, dann sollte die Zugriffslänge, d. h. die Länge des Wellenleitersegments 11, die sich über den Adscitus- Spiegel 26 hinaus nach dem Wellenleiterende erstreckt, lang genug sein, um eine ordnungsgemäße Kopplung in das Pumpsystem hinein zu bewerkstelligen. Es ist jedoch zu bemerken, daß eine gesonderte Einführungslänge Energie vergeudet und daß bei Benutzung einer Linse zur Einkopplung der Pumpleistung in das Wellenleitersegment das Ende des Segmentes 11 mit dem Ende der Kopplung 18 derart fluchten kann, daß die Länge des Segmentes 11 1,1 cm beträgt, wobei die Länge um 0,1 cm über den Adscitus-Spiegel 26 vorsteht, um eine Zugriffslänge für das Pumpen zu erhalten. Wie an späterer Stelle im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert wird, kann auch die ausgekoppelte Bandbreite bei der neuartigen Vorrichtung variiert werden, indem die Pumpleistung geändert wird.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des in Fig. 2 dargestellten Konditionalkreises ist ein Adscitus-Hohlraum 52 innerhalb eines optischen Wellenleitersegments 50 ausgebildet, indem zwei Adscitus-Reflektoren 74 und 76 benutzt werden. Das Segment 50 weist einen Kern 54 und einen Überzug 56 auf, um die Lichtenergie auf den Kern zu begrenzen. Ein erster Linearhohlraum 58, der durch eine Länge eines optischen Wellenleiters definiert ist, welcher durch die Spiegel 60 und 62 abgeschlossen ist, ist seitlich bei 64 mit dem Segment 50 gekoppelt, und ein zweiter linearer Hohlraum 66, der durch eine Länge einer optischen Faser definiert ist, die durch die Spiegel 68 und 70 abgeschlossen ist, ist seitlich bei 72 mit dem Segment 50 und dem Adscitus-Hohlraum 52 gekoppelt. Wie weiter unten erläutert wird, bewirkt der erste Hohlraum 58 funktionell die Schaffung eines spiegelartigen Adscitus-Reflektors 74 in dem Segment 50 im Bereich der seitlichen Kopplung 64, und der zweite Hohlraum 66 bewirkt funktionell die Erzeugung eines weiteren spiegelartigen Adscitus-Reflektors 76 im Bereich der seitlichen Kopplung 72. Diese Adscitus-Reflektoren 74 und 76 definieren den Adscitus-Resonanzhohlraum 52 innerhalb des Wellenleitersegments 50. Eine Eingangsleitung oder eine Übertragungsleitung T ist seitlich bei 78 mit einem Teil des Segments 50 innerhalb der Länge gekoppelt, die den Adscitus-Hohlraum 52 bildet, um eine Eingangskopplung an den Kreis zu bewirken, und eine Anzapfleitung oder eine Abzweigleitung B ist in gleicher Weise mit einem weiteren Teil des Adscitus- Hohlraums über eine seitliche Kopplung 80 gekoppelt, um eine Ausgangskopplung zu bilden. Wie dargestellt, sind Eingangskoppelstelle 78 und Ausgangskoppelstelle 80 im Abstand zueinander und zu den Koppelstellen 64 und 72 angeordnet.
Im Betrieb führt die Übertragungsleitung T eine große Zahl von wellenlängeneigenen Spektrallinien. Die Resonanzhohlräume 58 und 66 besitzen charakteristische Resonanzlinien und bewirken eine funktionelle Erzeugung der Adscitus-Reflektoren 74 und 76 innerhalb der Bereiche der seitlichen Kopplungen 64 und 72, um die Länge, oder d. h. die Resonanzcharakteristiken des Adscitus-Hohlraums 52 zu definieren. Die wirksame optische Länge des letzteren wird durch den Abstand zwischen den Koppelstellen 64 und 72 bestimmt und führt vorzugsweise nur gewählte Wellenlängen einschließlich der interessierenden Wellenlänge gemeinsam mit den anderen Hohlräumen.
Demgemäß ist ein Fabry-Perot-Kreis mit drei Resonanzhohlräumen in Fig. 2 dargestellt, und dieser Kreis umfaßt einen Adscitus-Resonanzhohlraum 52, der durch Adscitus- Reflektoren abgeschlossen ist, die von Etalons oder wirklichen Resonanzhohlräumen 58 und 66 gebildet werden. Die seitliche Kopplung 78 zwischen der Übertragungsleitung T und dem Adscitus-Hohlraum 52 ist verhältnismäßig lose, d. h. sie liegt zwischen 1 bis 10%, wobei eine Kopplung von 2% zu bevorzugen ist, so daß nur ein kleiner Teil der optischen Energie in der Übertragungsleitung T seitlich in das Segment 50 gekoppelt wird, das den Adscitus-Hohlraum 52 bildet. Die den Spiegelenden der Hohlräume 58 und 66 zugeordneten Verluste sind nicht zu vernachlässigen, und demgemäß liefert selbst eine feste Kopplung von etwa 0,7 in jedem davon keine sehr hohe Adscitus-Reflexion im Wellenleitersegment 50. Dies führt zu einer relativ geringen Feinheit und einer relativ geringen Energieübertragungsfähigkeit in die Zweigleitung B.
Die relativ geringe Güte des Adscitus-Hohlraums 52 verhindert jedoch getrennt betrachtet nicht eine hohe Güte und eine schmale Spektrallinie für die Gesamtschaltung und verhindert nicht die Abdeckung eines großen Spektrums mit minimierten Seitenordnungen infolge des Doppel-Eich- Effektes, der oben beschrieben wurde. Wenn die Güte des Hohlraums 50 erhöht werden muß, dann kann ein mit Neodym dotierter Kern (oder Überzug) für das Segment 50 benutzt werden, und ein solches Segment kann von einem Ende, wie oben erwähnt, mit Licht gepumpt werden.
Wenn es erforderlich ist, eine Verstärkung vorzusehen, kann der Kern 54 und/oder der Überzug 56 des Wellenleitersegments, welches den Adscitus-Hohlraum 52 enthält, mit einem aktiven Verstärkermaterial oder Lasermaterial dotiert werden, welches Lichtenergie bei einer oder mehreren Absorptionswellenlängen absorbiert und Licht mit einer unterschiedlich emittierenden Wellenlänge oder Wellenlängen emittiert. Das bevorzugte Verstärkermaterial ist Neodym, obgleich auch andere Seltene Erden wie beispielsweise Terbium oder Erbium in gleicher Weise geeignet sein können. Die Konzentration des Verstärkermaterials in dem Wirtsglas kann sich ändern von einem niedrigen Pegel, der durch die geringe Verstärkung bestimmt wird, welche für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist, und einem oberen Grenzwert, der durch Konzentrationsdämpfung bestimmt wird. Im allgemeinen kann ein Konzentrationsbereich zwischen 0,1 und 30 Gew.-% geeignet sein. Eine Laserdiode 82, welche als Pumplichtenergiequelle für das Verstärkermaterial dient, wird so gewählt, daß ein Lichtausgang mit einer Wellenlänge innerhalb des Absorptionsspektrums des speziellen benutzten Verstärkermediums 0,78 bis 0,88 Mikron beträgt, wobei das Verstärkermedium Neodym ist. Der Lichtenergieausgang der Laserdiode 82 kann durch eine Linse 84 geschickt werden, um das Licht in den Kern 54 des Wellenleitersegments 50 zu schicken, das den Adscitus-Hohlraum 52 umfaßt. Wenn die Lichtenergie von der Laserdiode 82 in den Adscitus-Hohlraum 52 eintritt, absorbiert das Verstärkermedium Photonen, wobei Verunreinigungen die elektronischen Energiezustände erhöhen. In Abhängigkeit von dem benutzten aktiven Verstärkermaterial kann eine spontane Emission über einem materialspezifischen Emissionsspektrum auftreten. Wenn Neodym als Verstärkermedium benutzt wird, tritt eine spontane Emission in Bereichen zwischen 1,06 und 1,34 Mikron auf. Wenn demgemäß die Spektrallinie, die vorzugsweise innerhalb des Adscitus- Hohlraums 52 in Resonanz ist, innerhalb des spontanen Emissionsspektrums des Verstärkermaterials fällt, dann stimuliert die durch Resonanz getragene Wellenlänge erregte Atome des Verstärkermaterials, um in Phase befindliche Emissionen zu erzeugen, die den Energiegehalt der durch Resonanz getragenen Spektralwellenlänge erhöht. Demgemäß kann die durch Verstärkung erhöhte Wellenlänge dann über die seitliche Kopplung 80 in die Zweigleitung B ausgekoppelt werden, damit sie in einem Anschluß weiterverarbeitet werden kann.
Zweckmäßige Parameter für die drei Hohlraumstrukturen gemäß Fig. 2 sind die folgenden:
a. die Länge des Hohlraums 52 vom Adscitus-Spiegel 74 nach dem Adscitus-Spiegel 76 beträgt etwa 1 cm;
b. die Länge der Hohlräume 58 und 66 von der Mitte der Koppelstellen 64 bzw. 72 nach ihren entfernten Enden 62 und 68 beträgt 0,9 cm;
c. die Gesamtlänge der Hohlräume 58 und 66 zwischen den Spiegelenden beträgt 1 cm;
d. die minimale Länge des Wellenleitersegments 50 von der Stelle der Fluchtung mit dem Spiegelende 60 des Hohlraums 58 nach dem Punkt, der mit dem Spiegelende 70 des Hohlraums 66 fluchtet, beträgt 1 cm;
e. die Kopplung des Eingangskopplers 78 beträgt 2%;
f. die Länge des Eingangskopplers 78 beträgt 0,1 bis 0,2 cm;
g. die Ausgangskopplung 80 beträgt 20 bis 50%;
h. die Länge der Ausgangskopplung 80 beträgt 0,1 bis 0,3 cm;
i. die Kopplung sämtlicher Hohlraumkoppler 64 und 72 beträgt etwa 50%; und
j. die Länge eines jeden Hohlraumkopplers 64 und 72 beträgt 0,2 cm.
Ein Aufbau mit drei Hohlräumen, wie in Fig. 2 dargestellt, kann auf die folgende Weise hergestellt werden. Die Etalons oder Hohlräume 58 und 56 können dadurch hergestellt werden, daß die Enden von 1 cm langen optischen Wellenleiterfasern geschliffen und poliert werden, wobei die Faser aus einem mit Germanium dotierten Siliziumdioxidkern und einem Siliziumdioxidüberzug besteht, wobei das Verhältnis von Überzug zu Kern 10/1 beträgt. Jedes Ende wird dann in ein Plastikmaterial eingekapselt, welches gegenüber einer Fluorwasserstoffsäure (HF) beständig ist und einen Brechungsindex besitzt, der kleiner ist als der des Überzugs, und die freiliegenden Abschnitte der Fasern werden dann in HF auf ein Überzug-zu-Kern-Verhältnis von 3/1 abgeätzt. Das Adscitus-Hohlraumsegment 50 wird aus einer 1 cm langen optischen Wellenleiterfaser hergestellt, die einen Siliziumdioxidkern hat, der mit Germanium und Neodym dotiert ist und einen Siliziumdioxidüberzug hat. Der Brechungsindex und die numerische Apertur sind gleich der Faser der Hohlräume 58 und 60. Das Segment 50 ist auf ein Überzug/Kern- Verhältnis von 3/1 abgeätzt. Die Übertragungsleitung kann durch Ätzen einer standardisierten Siliziumdioxid- Wellenleiterfaser gewonnen werden, die einen mit Germanium dotierten Kern hat und auf ein Überzug/Kern-Verhältnis von 3/1 im Übertragungsbereich vermindert ist, an dem die Ankopplung erfolgen soll. Schließlich kann eine Anzapfleitung dadurch geschaffen werden, daß das Koppelende einer standardisierten, mit Germanium dotierten Siliziumoxidfaser auf ein Verhältnis von 1,6/1 vermindert wird.
Dann wird unter Benutzung entweder eines CO&sub2;-Laserstrahls oder eines Lichtbogens jeder Hohlraum seitlich mit dem Wellenleitersegment 50 in der Nähe der gegenüberliegenden Enden verschmolzen, wobei achtgegeben werden muß, das Plastikmaterial nicht zu verbrennen, das das nahe Ende eines jeden Hohlraums umschließt. Es wird genügend Hitze vorgesehen, um den Innenkernabstand an den Hohlraumkoppelstellen auf 1,3 Durchmesser zu verbringen, wobei die Koppellänge 2 mm beträgt. Der geätzte Abschnitt der Übertragungsfaser wird durch einen Kleber mit dem Wellenleitersegment 50 von den Wellenleiter-Hohlraumkoppelstellen entfernt, aber zwischen diesen auf eine Länge von 2 mm verklebt, um eine etwa 2-%ige Kopplung mit der Übertragungsleitung zu schaffen. Das geätzte Ende der Zweigleitung wird ebenfalls mit dem Segment (zwischen den Hohlraumkopplern und von den letzteren und dem Übertragungsleiterkoppler entfernt) über eine Länge von 1,1 mm gekoppelt, um eine 50-%ige Kopplung mit der Zweigleitung zu erreichen.
Ein beispielsweises Verfahren zur Konstruktion der optischen Schaltung nach Fig. 2 ist in den Fig. 5 bis 8 veranschaulicht. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Vorform 180 aus Überzugsmaterial, beispielsweise aus Quarzglas, mit drei Nuten 182, 184 und 186 hergestellt. Diese sind in Längsrichtung in eine Hauptoberfläche 188 des Körpers, beispielsweise durch Schlitzen, eingebracht. Innerhalb dieser Nuten werden drei Faservorformen 50a, 58a und 66a eingelegt. Die Vorformen 50a, 58a und 66a weisen einen mit Germanium dotierten Siliziumdioxidkern und einen Siliziumdioxidüberzug geeigneter Proportion derart auf, daß nach dem Ziehen (Fig. 6) Fasern 50, 56 und 58 gebildet werden, die ein Überzug/Kern-Verhältnis von 3/1 haben. Wie bei dem obigen Beispiel bemerkt, weist die Vorform 50a Neodym im Kern auf, um eine Verstärkung zu bewirken. Wie dargestellt, liegt die Vorform 50a in der mittleren Nut 184 zwischen den Vorformen 56a und 58a, und eine zusätzliche Nut 190 ist auf der gegenüberliegenden Seite 192 des Körpers 180 angeordnet und allgemein auf die Nut 184 ausgerichtet.
Die zusammengebaute Vorform 180 wird zu dem aus Fig. 6 ersichtlichen Aufbau 181 gezogen, wobei Fasern 50, 58 und 66 ohne Überzug vorliegen. Der Aufbau wird auf eine geeignete Länge, beispielsweise 1 cm, geschnitten und poliert, und die Enden der Fasern 58 und 66 werden bei 194 und 196 mit einem Reflexionsüberzug versehen, um lineare Hohlräume zu bilden. Ein Teil der Nutwandung, die die Fasern 58 und 50 an einem Ende trennt, wird durch Schlitzen oder Ätzen entfernt und mit-einem Material 198 mit hohem Brechungsindex ausgefüllt, um die Faser 58 an die Faser 50 anzukoppeln. In ähnlicher Weise wird die Trennwand zwischen der Faser 50 und der Faser 66 an dem Ende der Faser 50, das dem Koppelende der Faser 58 gegenüberliegt, entfernt und mit einem Material 200 mit hohem Brechungsindex ausgefüllt, um diese Fasern zu koppeln. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß die Nuten 182, 184 und 186 in dem Vorformkörper so weit entfernt liegen, daß geeignete Wanddicken in dem gezogenen Körper entstehen, wenn diese Wände durch das Material mit hohem Brechungsindex ersetzt werden, so daß eine geeignete Kopplung zwischen dem Normalhohlraum und dem Adscitus-Hohlraum geschaffen wird, wie bei dem obigen Beispiel erwähnt.
Wie in Fig. 7 dargestellt, ist eine Abdeckplatte 202 aus Überzugsmaterial vorgesehen, um die die Faser tragende Oberfläche 188 zu bedecken und die Kopplung der Zweigleitung B mit dem Hohlraum 50 zu bewirken. Die Platte 202 weist eine Längsnut 204 in ihrer Unterfläche 206 auf (der Innenfläche, wenn die Abdeckung vollendet ist), um die Abzweigfaser B aufzunehmen. Letztere wird auf ein Überzug/Kern-Verhältnis von 1,6/1 in der Nähe eines Endes abgeätzt, um eine ordnungsgemäße Kopplung mit dem Hohlraum 50 zu bewirken, und es kann eine Befestigung an der Abdeckplatte 202 erfolgen, bevor die Platte auf dem Faseraufbau verklebt wird, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist.
Zur Einstellung der Länge der Hohlräume 58 und 66 werden dünne, elektrisch gesteuerte (nicht dargestellte) Heizplatten in der Abdeckplatte 202 oder direkt über den Fasern montiert. Um diese Montage der Heizplatten zu ermöglichen, kann eine oder können mehrere Nut(en) in der Abdeckplatte oder in dem die Fasern tragenden Körper 181 vorgesehen sein.
Um die Einheit zu vervollständigen, wird eine Übertragungsfaser T im Koppelbereich auf ein Überzug/Kern-Verhältnis von 3/1 abgeätzt und in der Nut 190 des Körpers angeordnet, um die Anzapfeinheit zu vervollständigen.
Eine dritte Ausführungsform eines optischen Kreises mit mehreren Hohlräumen, welcher gemäß der Erfindung ausgebildet ist, zeigt Fig. 3. Dieser optische Kreis mit mehreren Hohlräumen weist erste und zweite optische Wellenleitersegmente 102 und 104 auf, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und durch Resonanzschleifen 106 und 108 gekoppelt sind. Jede Resonanzschleife 106 und 108 ist als optischer Wellenleiterring ausgebildet, beispielsweise von gewählten Längen optischer Fasersegmente, die mit ihren Enden stumpf aneinandergefügt sind und Koppelstellen 110 bzw. 112 bilden. Demgemäß definiert jede Resonanzschleife 106 und 108 eine wirksame optische Länge, die vorzugsweise gewählte wellenlängenspezifische Spektrallinien führt. Die Resonanzschleife 106 ist seitlich mit dem optischen Fasersegment 102 über eine seitliche Kopplung 114 und mit dem optischen Fasersegment 104 über eine seitliche Kopplung 116 gekoppelt. In ähnlicher Weise ist die Resonanzschleife 108 seitlich mit dem optischen Fasersegment 102 über die seitliche Kopplung 118 und mit dem optischen Fasersegment 104 über die seitliche Kopplung 120 gekoppelt. Eine Sammelleitung T ist mit dem Segment 102 über eine seitliche Eingangskopplung 130 in der Segmentlänge zwischen den Hohlraumkopplern 114 und 118, aber entfernt hiervon, angeordnet. In gleicher Weise ist eine Anzapfleitung B mit einer Ausgangskopplung bei 132 mit dem Segment 104 zwischen den Hohlraumkopplern 116, 120 jenes Segmentes verbunden.
Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und 2, wo die Resonanzenergie in beiden Richtungen in den wirklichen Hohlraum oder die Hohlräume hineinläuft und demgemäß in das Segment in beiden Richtungen einkoppelt und in dieses hineinläuft, wodurch eine Adscitus- Spiegelung in jenem Fasersegment erfolgt, fließt die Resonanzenergie in dem dargestellten Ringhohlraum 106 und 108 nur in einer Richtung, und dies ist die gleiche Richtung wie der Energiefluß in den Segmenten 102 und 104 derart, daß eine Adscitus-Reflexion gebildet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch liefert die Resonanz in der zweiten und dritten Schleife 106 und 108 noch eine bedingte Resonanzhohlraumschleife 140, die beide Hohlraumschleifen 106 und 108 und jene Abschnitte der Segmente 102 und 104 umfaßt, die dazwischen gekoppelt sind, da bei irgendeiner gemeinsamen Resonanzwellenlänge der Schleifen 106 und 108 eine Resonanzschleife 140 in dem optischen Mehrfachhohlraumkreis existieren kann, wobei die Energie über die Schleife 108 und längs des Segmentes 104 nach der Schleife 106 und über diese entlang dem Segment 102 zurück zu der Schleife 104 führt. Vorzugsweise sind die zweiten und dritten Schleifen 106 und 108 relativ zueinander fein abgestimmt, um im wesentlichen nur eine gemeinsame Resonanzwellenlänge zu führen, unter der Annahme von geringen Resonanzhohlraumverlusten, und der Kopplungsabstand oder die Kopplungslänge entlang der Segmente 102 und 104 ist ebenfalls so gewählt oder abgestimmt, daß eine Gesamtlänge der Umfassungsschleife 140 gebildet wird, die nur bei ihrer Resonanzwellenlänge mit der zweiten und dritten Schleife 106 und 108 in Resonanz ist.
Im Betrieb werden gewählte, bezüglich der Wellenlänge festgelegte Spektrallinien in der Übertragungsleitung T an der seitlichen Eingangskopplung 130 entlanggeführt, wobei ein geringer Anteil von beispielsweise 1 bis 2% der Lichtenergie in das optische Fasersegment 102 eintritt. Die durch Resonanz getragenen Spektrallinien werden dann durch die Seitenkopplung 118 in die Resonanzschleife 108 überführt. Die Kopplung 118 ist so ausgebildet, daß ein beträchtlicher Teil der Energie in die Schleife 108 übertragen wird. Die Energie in der Schleife 108 wird ihrerseits über die Kopplungen 120 und 116 in die Schleife 106 eingekoppelt, wobei jede dieser Kopplungen ebenfalls so ausgebildet ist, daß ein beträchtlicher Teil der Lichtenergie überführt wird. Da die Resonanzcharakteristiken der Adscitus-Schleife 140 und der zweiten und dritten Schleife 108 und 106 so ausgebildet sind, daß sie bei unterschiedlichen Gruppen von Wellenlängen in Resonanz sind, oder die durch Streckung oder Erhitzung oder dergleichen so abgestimmt sind, daß sie in Resonanz kommen, wird nur die interessierende Wellenlänge, d. h. jene, die gemeinsam in allen drei Schleifen in Resonanz befindlich ist, in die bedingte Schleife 140 eintreten und am Ausgang verfügbar sein, um aus dem Kreis an der Kopplung 132 ausgekoppelt zu werden. Und diese Koppelstelle kann an irgendeiner Stelle der Schleife 140 liegen. Es können zusätzliche geschlossene Schleifen in den Kreis eingefügt werden, wobei jede Schleife so beschaffen ist, daß sie nur die gewünschte Wellenlänge gemeinsam mit der Adscitus- Schleife führt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des optischen Kreises 100 können die seitlichen Kopplungen 114, 116, 118 und 120 einen Koppelgrad von 10 bis 90% aufweisen, wobei eine 50-%ige Kopplung zu bevorzugen ist. Die stumpf aneinanderstoßenden Kopplungen 110 und 112, die die Schleifen 106 und 108 schließen, haben vorzugsweise einen Koppelgrad von mehr als 99%. Die Eingangskopplung 130 kann - einen Koppelgrad zwischen 1 und 2% haben. Die Ausgangskopplung 132 kann einen Koppelgrad von 10 bis 90% haben, wobei 25% zu bevorzugen sind.
Wie bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 kann der optische Kreis eine Verstärkung aufweisen, indem ein Teil des bedingten Hohlraums, beispielsweise das Segment 102, mit einem aktiven Verstärkermaterial dotiert wird und indem Licht in der vorbeschriebenen Weise eingepumpt wird.
Ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches ein gekrümmtes Wellenleitersegment und einen wirklichen Hohlraum benutzt, um eine bedingte Resonanzschleife zu schaffen, ist in Fig. 4 dargestellt. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist der optische Kreis an eine Übertragungsleitung T angekoppelt, die Teil eines Kommunikationssystems ist und die eine große Zahl von dicht benachbarten Informationswellenlängen tragen kann, die im typischen Fall im 1,34-Mikron-Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegen. Der optische Kreis zieht einen Teil der Spektralenergie von den Informationswellenlängen ab, die in der Übertragungsleitung T mitgeführt werden, und präsentiert eine gewählte Länge einer Anschlußvorrichtung über eine Abzweigleitung, wie dies weiter unten im einzelnen beschrieben wird.
Der optische Kreis weist eine bedingte Schleife 152 mit einem gekrümmten Wellenleitersegment 153 auf, das an die Übertragungsleitung T über eine seitliche Kopplung 154 angekoppelt ist, und außerdem eine zweite Resonanzschleife 156, die über das Segment 153 (und tatsächlich die bedingte Resonanzschleife 152 vervollständigt) durch Seitenkoppler 158 und 160 gekoppelt sind. Die zweite Schleife 156 wird von einem optischen Wellenleitersegment gebildet, welches über sich selbst über eine nicht dargestellte Entkopplung geschlossen ist und Resonanzcharakteristiken aufweist, die eine Funktion der wirksamen optischen Länge sind. Die Adscitus-Schleife 152 erstreckt sich innerhalb des Segmentes 153 von der seitlichen Eingangskopplung 154 über die seitliche Kopplung 160, die seitliche Kopplung 158 und zurück nach der seitlichen Kopplung 154 über den Durchgang des zweiten Hohlraums 156. Die Schleife 152 wird demgemäß nur bei Resonanzlinien geschlossen, die durch den zweiten Hohlraum 156 bestimmt werden. Unter der Bedingung, daß eine der Resonanzlinien des zweiten Hohlraums 156 in der Nähe der Resonanzlinien des bedingten Hohlraums 152 liegt oder mit diesem zusammenfällt, nimmt diese letztere Schleife Resonanzcharakteristik an. Zur deutlicheren Darstellung ist die Länge 155 des Segmentes 153 zwischen den Koppelstellen 158 und 160 übertrieben dargestellt. In der Praxis ist diese Länge 155, wie später im einzelnen erläutert wird, vorzugsweise nur etwas größer als die halbe Länge der Schleife 156.
Im Betrieb wird ein Teil der Energie der Informationswellenlängen der Übertragungsleitung T durch die seitliche Kopplung 154 in die bedingte Schleife 152 übertragen, deren Resonanzcharakteristiken durch den zweiten Schleifenhohlraum 156 gesteuert werden, um vorzugsweise eine oder mehrere gewählte Wellenlängen zu führen, die aus dem Kreis über eine Abzweigfaser B ausgekoppelt werden, die seitlich mit der bedingten Schleife 152 über eine seitliche Ausgangskopplung 162 angekoppelt ist. Obgleich sehr viel weniger zweckmäßig, kann eine Ausgangsfaser B' (strichliert dargestellt) seitlich mit dem zweiten Hohlraum 156 über eine seitliche Kopplung 164 angekoppelt sein, woraus sich eine abgewandelte Anordnung ergibt, um die durch Resonanz getragenen Wellenlängen auszukoppeln.
Wen es erforderlich ist, die Verstärkung der vorzugsweise geführten Wellenlänge im Kreis zu verstärken, kann ein Verstärkungsmaterial oder ein aktives Material in die Schleife 152 eingebaut werden oder in dem Segment 153 und speziell in dem Abschnitt 152 zwischen den Seitenkopplungen 158 und 160, wobei das eine Ende des optischen Fasersegments 153 einen Eingang 166 definiert, durch den Pumplicht aus einer geeigneten Pumplichtquelle 170, beispielsweise einer Laserdiode, in das optische Fasersegment eingeführt werden kann; die Menge der Pumpleistung wird durch eine Steuerschaltung 172 bestimmt. Das gegenüberliegende Ende des optischen Fasersegments 153 kann als Energieaustritt 174 arbeiten. Wie in den vorgenannten Ausführungsbeispielen beschrieben, kann das Segment 153 (oder der Abschnitt 155 hiervon) mit einem Kern versehen sein, der mit einem Verstärkermaterial oder einem Lasermaterial dotiert ist, das Lichtenergie bei einer oder mehreren Absorptionswellenlängen absorbiert und Licht mit einer anderen Emissionswellenlänge oder -wellenlängen emittiert, welche die Wellenlängen einschließen, die vorzugsweise innerhalb der bedingten Schleife 152 geführt werden. Demgemäß bildet die Quelle 170 Mittel, um Lichtenergie in das Verstärkermaterial (und demgemäß in den Hohlraum 152) einzuführen, um eine Verstärkung der darin geführten Signale zu bewirken, und die Steuerung 172 bildet Mittel, um die Pumpleistung einzustellen. Infolgedessen bildet die Pumpe 170 mit der Steuerung 172 in Verbindung mit dem Verstärkermaterial, wie später im einzelnen beschrieben wird, Mittel, um die Bandbreite der konditionalen Resonanz einzustellen oder zu verändern oder das ausgekoppelte Signal einzustellen oder zu verändern.
Wenn die Pumplichtenergie von der Pumpquelle 170 in den Eingang 166 eintritt und in die Schleife 152 gelangt, absorbiert das Verstärkermaterial Photonen bei gleichzeitiger Zunahme der Elektronenenergiezustände. In Abhängigkeit von dem benutzten Verstärkermaterial kann eine spontane Emission über einem materialspezifischem Emissionsspektrum auftreten. Da die Bandbreiten der Wellenlängen, welche interessieren und in der Übertragungsleitung T fortschreiten, innerhalb des 1,34-Mikron-Bereichs des Spektrums liegen, sind die Resonanzcharakteristiken der die Verstärkung bewirkenden Schleife 152 derart, daß die bevorzugte Spektrallinie vorzugsweise mit einer Erhöhung der Verstärkung einhergeht. Da die Schleife 152 und ihr zweiter Resonanzhohlraum oder die Schleife 156 vorzugsweise so ausgelegt sind, daß sie bei unterschiedlichen Gruppen von Wellenlängen in Resonanz befindlich sind, wird die in der Verstärkung erhöhte Wellenlänge, welche interessiert, mit der Abzweigfaser B über die seitliche Kopplung 162 gekoppelt oder im Falle einer Abzweigfaser B' über die seitliche Kopplung 164. Die Verstärkung, die in der konditionalen Schleife 152 erhalten wird, kann in der Größenordnung von 1,15 für 2 mW Pumpleistung sein, die in diese Schleife eingekoppelt wird. Die Konzentration des Dotierungsmittels kann so eingestellt werden, daß das meiste Pumplicht in der Länge des benutzten Wellenleiters absorbiert wird.
Im Betrieb pflanzen sich die Wellenlängen der Lichtenergie in der Sammelleitung T über die seitliche Kopplung 154 fort, wo ein geringer Prozentsatz, beispielsweise 0,5 bis 5%, der Lichtenergie in das Segment 153 ausgekoppelt wird, wobei ein beträchtlicher Anteil dieser Energie in die Schleife 156 über die Kopplung 160 eingekoppelt wird. Da sich die Wellenlängere in das erregte Verstärkermaterial fortsetzen, stimulieren sie erregte Atome darin, um in Phase befindliche Emissionen zu liefern, die den Energiegehalt der Wellenlängen darin erhöhen, einschließlich natürlich der bevorzugten Wellenlängen, die in der Konditionalschleife 152 in Resonanz sind. Die Pumpenergie, die durch die Pumplichtquelle 170 geliefert wird, wird so gesteuert, daß die Verstärkung in der Schleife 152 im wesentlichen linear ist. Da die Konditionalschleife 152 und die wirkliche Schleife 156 so ausgelegt sind, daß sie bei unterschiedlichen Gruppen von Wellenlängen in Resonanz sind, wobei im wesentlichen nur eine Wellenlänge beiden Schleifen gemeinsam ist, setzen sich die in Resonanz befindliche und die in der Verstärkung erhöhte gemeinsame Wellenlänge in der Schleife 152 fort, um an der Kopplung 162 ausgekoppelt zu werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des optischen Kreises können der Abschnitt 155 des Segments 153 plus unterer Abschnitt 168 der zweiten Schleife 156 (der sich zwischen den Kopplungen 158 und 160 erstreckt) eine Länge von 4,4 cm haben, während die zweite Schleife 156 eine Gesamtlänge von 4,14 cm besitzt. Die Koppelfaktoren für die seitlichen Kopplungen 154, 158, 160 und 162 können 0,05, 0,703, 0,703 bzw. 0,50 betragen, und die seitlichen Kopplungen 158, 160 und 162 können Übertragungsfaktoren von jeweils 0,71, 0,71 bzw. 0,87 aufweisen. Die Zeitverluste der Schleifen 152 und 156 betragen 4% bzw. 2%, und die Verstärkung in der Schleife 152 kann, wie oben erwähnt, in der Größenordnung von 1,15 liegen.
In der vorliegenden Beschreibung soll der "Koppelfaktor" das Verhältnis der Energie bezeichnen, die vom Eingang nach dem Ausgang eines Kopplers infolge der Resonanzeigenschaften des Aufbaus übertragen wird, in dem der Koppler liegt. Der "Übertragungsfaktor" bedeutet die Übertragung über den Koppler hinaus, ohne Bezugnahme auf irgendwelche Resonanzeffekte der baulichen Umgebung, d. h. die reinen Filtereigenschaften. "Verlustzeit" bedeutet die Länge der Zeit, die verlorengeht, während das Licht die Länge des optischen Pfades längs des Hohlraums durchläuft, d. h. die Zeitdauer, die das Licht benötigt, um über den optischen Pfad zu wandern, der das Produkt von Brechungsindex und geometrischer Länge ist.
Mit dieser Gruppe von Parametern ist der Phasenlängenexponent (iR) der Konditionalschleife 152 so, wie er von einer Schleifenlänge gleich der Länge 155 des Segmentes 153 (zwischen den Kopplungen 158 und 160) plus der Gesamtlänge der zweiten Schleife 156 und der Länge des unteren Abschnitts 168 der zweiten Schleife erhalten wird. Das heißt, die Gesamt-R-Abhängigkeit der Schleife 152 in der Nähe der Resonanz ist so, als würde eine Abzweigung von einem Wellenleiter der Länge erfolgen, die gleich ist der Segmentlänge 155 plus der Gesamtlänge der Schleife 156 und der Länge des unteren Abschnitts 168. Die Länge 155 des Segments 153 plus dem unteren Abschnitt 168 der Schleife 156 ist annähernd gleich der zweiten Schleifenlänge der Schleife 156, d. h. 4,14 cm, im Vergleich mit 4,4 cm, so daß es so ist, als wäre die Konditionalschleife 152 etwas größer als zweimal so lang wie die Schleife 156.
Mit diesen Parametern und der vorgesehenen Verstärkung erhalten wir eine Leitungsbreite (δf) von 5 · 10&sup7; Hertz und einen freien Spektralbereich (ΔFV) von 5 · 10&sup9; Hertz. Der zusammengesetzte freie Spektralbereich des gesamten Anzapfkreises liegt bei ungefähr 17 Ordnungen, d. h. bei 85 · 10&sup9; Hertz, wobei die erste benachbarte Ordnung auf jeder Seite der gewünschten, in Resonanz befindlichen Linie auf etwa 50% des Pegels der Hauptlinie reduziert wird. Die nach der Abzweigleitung übertragene Spitzenleistung beträgt etwa 15%, und die Leistung, die von der Hauptleitung an der Spitze ausgekoppelt wurde, beträgt etwa 8%.
Wenn man verschiedene Verluste in Rechnung stellt, dann beträgt bei einer Eingangsleistung von 2 mW Pumpleistung die tatsächlich der Schleife 152 zugeführte Energie etwa 1 mW. Letztere hat eine numerische Apertur von 0,2 mit einer Betriebswellenlänge im Bereich von 1,06 Mikron für Neodym.
Wenn keine Verstärkung bei diesem Ausführungsbeispiel benutzt wird, dann erhöht sich die Linienbreite von den erwähnten 5 · 10&sup7; Hertz auf 1,1 · 10&sup8; Hertz, und der freie Spektralbereich sinkt von den oben angegebenen 5 · 10&sup9; Hertz auf 5 · 10&sup7; Hertz ab. Die Spitzenübertragungsleistung fällt auch um etwa 2%, und die ausgekoppelte Leistung aus der Leitung beträgt etwa 2%.
Infolgedessen ist die Änderung der Verstärkung durch Veränderung der Pumpleistung (über die Steuerschaltung 172) ein geeignetes Mittel, um die Bandbreite zu steuern. In einem Kommunikationssystem, wo einige Kanäle Videosignale führen und andere beispielsweise Audiosignale, ist es nützlich, in der Lage zu sein, die Bandbreite einer Abzapfung einstellen zu können, um eine Übereinstimmung mit irgendeiner Bandbreite der verschiedenen Kanäle zu erhalten. Die Änderung der übertragenen Leistung, die der Änderung in der Verstärkung zugeordnet ist, kann irgendwo im Empfänger kompensiert werden.
Es muß berücksichtigt werden, daß, obgleich die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf optische Wellenleiterkreise, insbesondere optische Faserwellenleiter, beschrieben wurde, auch andere Wellenleiteranordnungen nützlich sein können, und daß die optischen Systeme nicht auf Fasern beschränkt sind und auch andere Wellenleiter oder integrierte optische Aufbauten umfassen können.
In den verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden die optischen Kreise benutzt, um Energie von einer der Wellenlängen abzuziehen, die in der Übertragungsleitung fortschreiten, um in einem Anschluß verarbeitet zu werden. Zusätzlich zu dieser Verarbeitung, wo die optischen Kreise als Filter/Anzapfung arbeiten, können die beschriebenen optischen Kreise als Leitungsreiniger dienen Beispielsweise können verschiedene der beschriebenen Ausführungsbeispiele benutzt werden, um die Anzapfung zu spülen oder zu reinigen, um Restsignale gewählter Wellenlänge in der Übertragungsleitung auszulöschen (von denen die meisten der gewählten Wellenlänge bereits vorher entfernt und ausgewertet wurden), damit ein sauberer und im wesentlicher rauschfreier Kanal erzeugt wird, in den danach stromab ein anderes Signal jener Wellenlänge eingeführt werden kann.
Es ist ersichtlich, daß die integrale Mehrfachhohlraumschaltung gemäß vorliegender Erfindung einen konditionalen Hohlraum schafft, der ein Verstärkermedium aufweisen kann, um einen Kanal mit einer sehr geringen Linienbreite von Energie aus einer Sammelleitung auszukoppeln, um diesen Kanal zu verstärken und um die ausgekoppelte Bandbreite zu verändern, worauf dieser verstärkte Kanal als ein Signalträger benutzt wird, ohne den freien spektralen Bereich am Übergang in unzweckmäßiger Weise zu vermindern, und so den Abzug der Übertragungsenergie der Resonanzseitenordnungen aus der Sammelleitung so gering wie möglich zu halten. Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung werden hochwirksame optische Kreise geschaffen, um Lichtenergie zu behandeln, wodurch u. a. die angegebenen Ziele der Erfindung vollständig erfüllt werden.
Es ist klar, daß Abwandlungen und/oder Änderungen der dargestellten Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Es ist daher ausdrücklich darauf hinzuweisen, daß die vorstehende Beschreibung und die bei liegenden Zeichnungen nur bevorzugte Ausführungsbeispiele beschreiben und nicht beschränkend sind.

Claims

1. Resonanzhohlraum-Vorrichtung mit einem Wellenleiteraufbau, der wenigstens einen Wellenleiterabschnitt (11; 50; 102, 104; 153) und wenigstens einen ersten Hohlraum (16; 66; 106, 108; 156) aufweist, der in der Lage ist, bei mehreren Wellenlängen in Resonanz zu schwingen, wobei der erste Hohlraum (16; 66; 106, 108; 156) mit jenem Abschnitt (11; 50; 102, 104; 153) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen dem ersten Hohlraum (16; 66; 106, 108; 156) und dem Abschnitt (11; 50; 102, 104; 156) eine direkte Kopplung derart ist, daß die Kopplung einen bedingten Hohlraum (12; 52; 140; 152) definiert, der einen Teil des Wellenleiterabschnitts (11; 50; 102, 104; 156) enthält, wobei die wirksame optische Länge des bedingten Hohlraums (12; 52; 140; 152) durch die Stelle der Kopplung am Wellenleiterabschnitt (11; 50; 102, 104; 153) bestimmt wird, und daß diese Stelle in der Weise gewählt wird, daß der bedingte Hohlraum (12; 52; 140; 152) nur bei einer von den mehreren Wellenlängen mit dem ersten Hohlraum (16; 66; 106, 108; 156) in Resonanz ist.

2. Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher außerdem Mittel (B) mit dem Wellenleiteraufbau gekoppelt sind, um Energie der Resonanzwellenlängen daraus abzuziehen.

3. Die Erfindung nach den Ansprüchen 1 und 2, bei gleicher der Wellenleiterabschnitt (11; 50; 102, 104; 153) und der erste Hohlraum (16; 66; 106, 108; 156) optische Wellenleiter sind.

4. Die Erfindung nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei welcher der Wellenleiteraufbau an einen Mehrfachkanal- Übertragungswellenleiter angekoppelt ist, um von diesem Energie abzuziehen.

5. Die Erfindung nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei welcher die Vorrichtung außerdem eine Wellenleiterabzapfung (32; 80; 132; 164) aufweist, um Energie der einen gemeinsamen Wellenlänge aus der Wellenleitervorrichtung abzuziehen.

6. Die Erfindung nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei welcher die Wellenleiterabzapfung eine seitliche Kopplung mit der Wellenleitervorrichtung aufweist.

7. Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher der erste Hohlraum (16; 66; 106, 108; 156) ein linearer Hohlraum ist, der einen zusätzlichen Reflexionsgrad (26; 74) in jenem Abschnitt (11; 50) im Bereich der Kopplung (18; 64) hiermit bildet.

8. Die Erfindung nach Anspruch 7, bei welcher der Abschnitt (11; 52) einen Reflektor (24; 76) aufweist, der im Abstand zum Koppelbereich (16; 64) derart liegt, daß die Trennung zwischen dem Reflektor (24; 76) und dem Koppelbereich die Länge eines Zusatzhohlraums (12; 52) in jenem Abschnitt definiert.

9. Die Erfindung nach Anspruch 8, bei welcher der Abschnitt ein Abschnitt (11; 56) einer optischen Faser ist.

10. Die Erfindung nach Anspruch 8, bei welcher der Reflektor ein Zusatzreflektor (76) ist, der von dem zweiten linearen Hohlraum gebildet ist, welcher mit dem Abschnitt an einer Stelle gekoppelt ist, die vom Koppelbereich des ersten Hohlraums distanziert liegt, um einen zweiten Zusatzreflektor (74) in dem Abschnitt zu bilden.

11. Die Erfindung nach Anspruch 10, bei welcher die Hohlräume allgemein koplanar innerhalb eines Blocks aus Überzugsmaterial angeordnet sind, wobei der Zusatzhohlraum zwischen den linearen Hohlräumen angeordnet und an seinen gegenüberliegenden Enden mit diesen gekoppelt ist.

12. Die Erfindung nach Anspruch 11, bei welcher die Hohlräume benachbart zu einer gegebenen Oberfläche des Materialblocks angeordnet sind und eine Abzweigleitung (B) mit dem Zusatzhohlraum (52) an diese Oberfläche gekoppelt ist, wobei eine Abzapfleitung (T) mit dem Zusatzhohlraum (5) auf der gegenüberliegenden Seite des Blocks aus Überzugsmaterial angekoppelt ist.

13. Die Erfindung nach Anspruch 11, bei welcher eine Kappe aus Überzugsmaterial über der gegebenen Oberfläche angeordnet und an dieser festgelegt ist.

14. Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher der erste Hohlraum ein Schleifenhohlraum ist, der durch einen Wellenleiter gebildet ist, der eingeschleift und mit sich selbst gekoppelt ist, wobei der erste Hohlraum mit dem Wellenleiteraufbau einen bedingten Resonanzschleifenhohlraum bildet, der jenen Abschnitt aufweist.

15. Die Erfindung nach Anspruch 14, bei welcher der Wellenleiteraufbau und der erste Hohlraum optische Wellenleiter sind.

16. Die Erfindung nach Anspruch 15, bei welcher der Abschnitt ein gekrümmter Wellenleiterabschnitt ist und der erste Hohlraum an zwei Stellen über diesem Abschnitt gekoppelt ist, um einen bedingten Resonanzschleifenhohlraum zu schaffen, der sich zwischen den Koppelstellen längs des Abschnitts und über dem ersten Hohlraum erstreckt, so daß die Resonanzlänge des bedingten Hohlraums eine Funktion der hänge des Abschnitts zwischen den Koppelstellen und Abschnitten des ersten Hohlraums ist.

17. Die Erfindung nach Anspruch 16, bei welcher der erste Hohlraum über dem Abschnitt an Stellen angekoppelt ist, die so angeordnet sind, daß eine Länge der bedingten Schleife nur eine Resonanzwellenlänge gemeinsam mit dem ersten Hohlraum führt.

18. Die Erfindung nach Anspruch 17, bei welcher das Segment und der erste Hohlraum optische Faserwellenleiter sind.

19. Die Erfindung nach Anspruch 14, bei welcher der Wellenleiteraufbau zwei im Abstand zueinander angeordnete Wellenleiterabschnitte aufweist und die Anordnung außerdem zwei erste und zweite Schleifenhohlräume aufweist, die an im Abstand zueinander liegenden Stellen über den Abschnitten angekoppelt sind, um einen bedingten Resonanzschleifenhohlraum zu schaffen, der sich längs eines ersten dieser Abschnitte über den ersten Hohlraum längs des zweiten Abschnitts nach und über dem zweiten Hohlraum erstreckt.

20. Die Erfindung nach Anspruch 14, bei welcher die ersten und zweiten Hohlräume über den Abschnitten an Stellen gekoppelt sind, die eine Länge des bedingten Hohlraums definieren, der im wesentlichen nur bei einer Wellenlänge gemeinsam mit der Resonanzwellenlänge des ersten und zweiten Schleifenhohlraums in Resonanz befindlich ist.

21. Die Erfindung nach Anspruch 20, bei welcher der erste und der zweite Hohlraum im wesentlichen eine gemeinsame Resonanzwellenlänge aufweisen.

Die Erfindung nach Anspruch 20, bei welcher die Abschnitte und der erste und der zweite Hohlraum optische Faserwellenleiter sind.