DE3707290A1

DE3707290A1 - Optische demultiplexer- und/oder multiplexerschaltung

Info

Publication number: DE3707290A1
Application number: DE3707290A
Authority: DE
Inventors: Masafumi Seki; Yoshiyuki Hanada; Ryoichi Sugawara
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1986-03-06
Filing date: 1987-03-06
Publication date: 1987-09-10
Also published as: GB8705066D0; FR2595477A1; GB2189621A; FR2595477B1; GB2189621B; US4790615A

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltung als Komponente zur Bildung einer Demultiplexer- und/oder Multiplexereinrichtung, wie sie für ein Kommunikationssystem mit optischen Fasern und Wellenlängenvielfach benötigt wird.

Es sind optische Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltungen mit "vergrabenen" Wellenleitern mit der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration bekannt, (z. B. durch Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan, "Characteristics of Guidedwave Multi-/Demultiplexers with Embedded Waveguides by Ion-Exchange Process", Shingaju giho, OQE86-1, 1986, Seiten 1 bis 8).

Bei der in Fig. 1 dargestellten optischen Schaltung ist ein optischer Wellenleiter 2 z. B. durch Ionenaustausch in einem z. B. aus Glas bestehenden transparenten Substrat 1 ausgebildet. Der Brechungsindex des optischen Wellenleiters 2 ist größer als derjenige des transparenten Substrats 1. Der optische Wellenleiter 2 besitzt einen Eintrittspfad 2 A, dessen Ende sich an einer Seite des Substrats 2 befindet, einen Austrittspfad 2 B für durchlaufendes Licht und einen Austrittspfad 2 C für reflektiertes Licht, die in einem Verzweigungsabschnitt 3 von dem Eintrittspfad 2 A abzweigen. In den Verzweigungsabschnitt 3 ist ein Demultiplexerfilter 4 A eingesetzt, das Licht spezifischer Wellenlänge durchläßt (oder reflektiert) und Licht anderer Wellenlängen reflektiert (oder durchläßt). In die Austrittspfade 2 B und 2 C für das durchlaufende bzw. das reflektierte Licht sind Bandpaßfilter 4 B bzw. 4 C eingesetzt, die für Lichtanteile spezifischer Wellenlängen durchlässig sind.

In dem Substrat 1 sind Nuten 5 A, 5 B und 5 C ausgebildet, die den optischen Wellenleiter 2 an dem Verzweigungsabschnitt 3 und im mittleren Bereich der Austrittspfade 2 B und 2 C schneiden. In diese Nuten sind die Filter 4 A, 4 B und 4 C eingesetzt. Von diesen ist das Demultiplexerfilter 4 A derart angeordnet, daß seine Flächennormale den durch den Eintrittspfad 2 A und den Austrittspfad 2 C für das reflektierte Licht bestimmten Winkel halbiert.

Es sei angenommen, daß zwei Lichtanteile mit den unterschiedlichen Wellenlänge λ 1 und λ 2 über eine optische Faser oder dgl. in den Eintrittspfad 2 A eintreten. Dann wird das Licht mit der Wellenlänge g 1 das an dem Verzweigungsabschnitt 3 angeordnete Filter 4 A durchlaufen, während Lichtanteile mit anderen Wellenlängen als λ 1 von dem Filter 4 B gesperrt werden, wodurch die Demultiplexerfunktion sichergestellt wird. Das Licht mit der Wellenlänge λ 1 verläßt das Substrat 1 über den Austrittspfad 2 B für das durchlaufende Licht. Das Licht mit der Wellenlänge λ 2, das von dem Demultiplexerfilter 4 A im Verzweigungsabschnitt 3 reflektiert wurde, gelangt in den Austrittspfad 2 C für reflektiertes Licht und tritt aus dem Substrat 1 aus, nachdem Lichtanteile, die eine andere Wellenlänge haben als g 2 von dem Filter 4 C unterdrückt wurden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten optischen Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltung verlaufen der Eintrittspfad 2 A und der Austrittspfad 2 B für das durchlaufende Licht parallel zur Seite 1 A des Substrats 1. Deshalb ist die Nut 5 A zur Aufnahme des Demultiplexerfilters 4 A gegenüber der Seite 1 A des Substrats 1 geneigt. Falls aber die Nut 5 A, wie vorangehend beschrieben, gegenüber der Seite 1 A des Substrats 1 geneigt sein muß, muß diese zur Aufnahme des Filters 4 A dienende Nut 5 A in jeder der einzelnen Substrateinheiten jeweils einzeln hergestellt werden. Dies geschieht durch materialabtragende Bearbeitung und ist vergleichsweise mühsam, wobei die Produktivität gering ist.

Es ist außerdem sehr schwierig, Nuten, die auf einem Substrat geneigt verlaufen, mit der erforderlichen Genauigkeit herzustellen. Falls die Winkel der Nuten nicht genau sind, wächst die Einfügungsdämpfung an den Verzweigungsabschnitten beträchtlich an, und es ist unvermeidlich, daß die Ausbeute der optischen Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltungen kleiner wird. Es ist praktisch unmöglich, auf diese Weise optische Schaltungen mit konstanter Qualität herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltung mit konstanter Qualität zu schaffen, bei der die vorangehend geschilderten Probleme nicht auftreten, die sich leicht bearbeiten läßt und für die Massenproduktion eignet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltung mit einem in einem Substrat ausgebildeten optischen Wellenleiter mit Verzweigungsabschnitten zur Aufteilung eines ankommenden optischen Pfads in einen durchlaufenden und einen reflektierenden optischen Pfad, ferner mit einer Nut, die den optischen Wellenleiter an den genannten Verzweigungsabschnitten sowie in einem Abschnitt im mittleren Bereich eines der genannten optischen Pfade nach Bedarf kreuzt, sowie mit in diese Nut eingesetzten Filtern, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Nut senkrecht zu zwei entgegengesetzten parallelen Seiten des genannten Substrats verläuft.

Im Hinblick auf die Bedienbarkeit der Verbinderelemente und die Kopplungsverluste optischer Fasern ist es vorteilhaft, in einem geeigneten Bereich des optischen Pfads einen Abschnitt mit bogenförmiger Krümmung vorzusehen, derart daß die optische Achse des optischen Pfads an dessen Ende senkrecht zur Stirnfläche des Substrats verläuft.

In der erfindungsgemäß ausgestalteten optischen Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltung verläuft die Achse der Nut für die Aufnahme der Filter senkrecht zu einer Seite des Substrats. Deshalb lassen sich auf einer entsprechend großen Substratbasis eine Vielzahl von optischen Wellenleitern mit gleichen Schaltungsmustern ausbilden, die einander benachbart sind. Die Herstellung der Nuten erfolgt durch einen einfachen Bearbeitungsvorgang in einem vorbestimmten Bereich dieser Substratbasis. Sodann läßt sich eine entsprechende Vielzahl von optischen Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltungen mit vorbestimmten Nuten für das Einsetzen der Filter auf einmal herstellen, indem man die Substratbasis in gleichartige optische Schaltungen trennt.

Infolgedessen läßt sich erfindungsgemäß eine Vielzahl von Demultiplexern und/oder Multiplexern in einfacher Weise herstellen, was bei optischen Schaltungen gemäß dem Stand der Technik nicht möglich ist. Da die Nuten für die Aufnahme der Filter senkrecht zu einer Seite des Substrats verlaufen, läßt sich außerdem auf relativ einfache Weise eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erreichen.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht eines Beispiels eines herkömmlichen optischen Demultiplexers und/oder Multiplexerschaltung,

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 3 zeigt in einer Draufsicht die Schritte zur Herstellung der optischen Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltung entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 6A bis 8B zeigen die WellenlängenKennlinien dreier Arten von Filtern mit unterschiedlichen Schichtkonfigurationen,

Fig. 9A und 9B zeigen graphische Darstellungen der Beziehung zwischen der Durchlässigkeit und der Bandbreite eines der Filtertypen.

Fig. 2 zeigt eine optische Demultiplexer und/oder Multiplexerschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht. Die Anordnung besteht aus einem Substrat 10, einem optischen Wellenleiter 20, Nuten 30 zum Einsetzen von Filtern und Interferenzfiltern 40. Das Substrat 10 bildet ein Rechteck, die gegenüberliegenden parallelen Langseiten sind mit 11 und 12 und die einander gegenüberliegenden Stirnseiten mit 13 und 14 bezeichnet. Der optische Wellenleiter 20 wird mit Hilfe eines bekannten Verfahrens zur Herstellung optischer Wellenleiter ausgebildet, z. B. durch zwei zweistufigen Ionenaustausch auf einem Glassubstrat 10 oder durch Rußablagerung auf einem Siliciumsubstrat 10. Fig. 2 zeigt ein Schaltungsmuster mit Demultiplexer- und/oder Multiplexerfunktionen für drei Wellenlängen. Der optische Wellenleiter 20 besitzt einen Eintrittspfad 21, der parallel zur Seite 11 des Substrats 10 verläuft. Dieser Eintrittspfad 21 erstreckt sich über einen bogenförmig gekrümmten Abschnitt 22 bis zu einem Verzweigungsabschnitt 23 A und verzweigt sich dort in einen ersten Austrittspfad 24 A für das durchtretende Licht und einen ersten Austrittspfad 25 A für reflektiertes Licht. Nach dem Durchtritt durch den gebogenen Bereich 22 verläuft der Austrittspfad 24 A für das durchtretende Licht parallel zur Seite 11 des Substrats 10 und erreicht das andere Ende 14 des Substrats 10.

Der erste Austrittspfad 25 A für reflektiertes Licht verläuft zu einem zweiten Verzweigungsabschnitt 23 B und verzweigt sich dort in einen zweiten Austrittspfad 24 B für durchtretendes Licht. Einen zweiten Austrittspfad 25 B für reflektiertes Licht. Die Austrittspfade 25 A und 25 B verlaufen zunächst schief gegenüber den Seiten 11 und 12 des Substrats 10 und schließlich in der Nähe der Enden 13 und 14 parallel dazu, nachdem sie entsprechende Kurvenabschnitt 22 durchlaufen haben. Die optischen Wege der Austrittspfade 25 A und 25 B an den ausgangsseitigen Enden verlaufen infolge dessen senkrecht zu den Enden 13 und 14 des Substrats 10.

Der Abstand zwischen dem Eintrittspfad 21 und dem zweiten Austrittspfad 24 B für durchtretendes Licht an dem einen Ende 13 des Substrats 10 ist ebenso groß wie der Abstand zwischen dem ersten Austrittspfad 25 A für durchtretendes Licht und dem zweiten Austrittspfad 25 B für reflektiertes Licht an dem anderen Ende 14. Die Enden des Eintrittspfades 21 und die jeweiligen Austrittspfade 24 A, 24 B und 25 B sind mit einer optischen Faser 50 oder direkt mit einem lichtemittierenden oder einem lichtempfangenden Element verbunden.

Zwei Nuten 30 zum Einsetzen von Filtern sind derart angebracht, daß sie sich senkrecht zu den Seiten 11 und 12 über die gesamte Breite des Substrats 10 erstrecken. Die Querschnittsgröße jeder Nut 30 beträgt z. B. 50 µm Breite und 200 µm Tiefe, so daß seine Breite im wesentlichen die gleiche ist wie diejenige eines zu verwendenden Filters und ihr Boden unter dem unteren Ende des optischen Wellenleiters 20 liegt. Eine der Nuten, die mit 30 A bezeichnet ist, kreuzt den optischen Wellenleiter 20 in dem ersten Verzweigungsabschnitt 23 A und den zweiten Austrittspfad 25 B für reflektiertes Licht etwa in dessen Mitte. An dem Verzweigungsabschnitt 23 A bilden der Eintrittspfad 21 und der Austrittspfad 25 A für reflektiertes Licht mit der Normalen der Nut 30 A einen konstanten Winkel R.

Die andere Filternut 30 B kreuzt den optischen Wellenleiter 20 im zweiten Verzweigungsabschnitt 23 B und etwa in der Mitte des Eintrittspfades 21, die Winkel, die durch den optischen Wellenleiter 20 und die Nut 30 B bestimmt werden, entsprechen den vorgenannten Winkeln.

An dem ersten Verzweigungsabschnitt 23 A ist ein erstes Demultiplexerfilter 40 A, z. B. ein einen Bandpaß für kurze Wellenlängen bildendes Inteferenzfilter, werden in die Nut 30 eingesetzt und dort verkittet, daß sie den Querschnitt des optischen Wellenleiters 20 abdeckt. In ähnlicher Weise ist ein Filter 40 C zum Abschneiden des Rauschens in dem austretenden Licht z. B. ein 1,2 µm-Bandpaßfilter mit 35 Schichten, in denjenigen Abschnitt der Nut 30 A eingesetzt, der den zweiten Austrittspfad 25 B für reflektiertes Licht schneidet. In die andere Nut 30 B ist ein zweites Demultiplexerfilter 40 B, z. B. ein 1,3 µm-Bandpaßfilter mit 23 Schichten, im Bereich des zweiten Verzweigungsabschnitts 23 B eingesetzt. In dem Abschnitt, in welchem die Nut 30 B den Eintrittspfad 21 kreuzt, ist kein Filter erforderlich. Deshalb ist dort ein optischer Kitt 51 in die Nut 30 B eingefüllt, der denselben Brechungsindex hat, wie der optische Wellenleiter 20, so daß die durch diesen Abschnitt der Nut getrennten Teile des optischen Wellenleiters 20 optisch miteinander verbunden werden.

Falls in der vorangehend beschriebenen optischen Schalter die Krümmungsabschnitte bei 22 des optischen Wellenleiters 20 zu kleine Krümmungsradien haben, entsteht ein Strahlungsverlust. Der Krümmungsradius sollte deshalb wenigstens 5 mm, mit Rücksicht auf die Miniaturisierung der Schaltung vorzugsweise im Bereich von 10 bis 25 mm liegen. Falls die durch den Eintrittspfad und die Austrittspfade für reflektiertes Licht an den beiden Verzweigungsabschnitten 23 A und 23 B bestimmten Winkel 2 R etwa 20° betragen, erhält man gute Filtereigenschaften.

Die optische Schaltung des ersten Ausführungsbeispiels mit der vorangehend beschriebenen Anordnung läßt sich nach dem in Fig. 3 dargestellten Schema mit guter Effizienz herstellen. In einer z. B. aus Glas bestehenden Substratbasis 22 wird eine Vielzahl von optischen Wellenleitern mit vorbestimmten Schaltungsmustern ausgebildet. Anschließend werden die Nuten 30 A und 30 B für das Einsetzen der Filter in der Weise ausgebildet, daß sie sich von einem Ende bis zum anderen Ende der Basis 52 erstrecken. Die Herstellung dieser Nuten 30 A und 30 B erfolgt durch materialabtragende Mittel, z. B. eine Säge. Anschließend wird die Basis 52 zu Substratelementen zerschnitten, die den Schaltungssubstraten 10 entsprechen.

Wenn die Erfindung in die Praxis umgesetzt wird, sollte das Schaltungsmuster vorzugsweise so entworfen werden, daß die Anzahl der Abschnitte, in denen der optische Wellenleiter 20 von den Nuten 30 durchtrennt wird und in denen keine Filter 40 aufgenommen werden sollen, so klein wie möglich ist.

Das Schaltungsmuster kann beispielsweise einen Entwurf haben, wie er in Fig. 4 für das zweite Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Hier verlaufen der Eintrittspfad 21 und alle Ausgangspfade 24 A, 24 B und 25 B parallel zu den Seiten 11 und 12 eines Substrats 10. Eine Nut 30 verläuft ebenfalls parallel zu den Seiten 11 und 12 des Substrats 10. Der optische Wellenleiter 20 besitzt Krümmungsabschnitte 22, die ihm Krümmungen von etwa 180° und 90° verleihen. Infolgedessen kreuzt die Nut 30 den optischen Wellenleiter 20 nur in Abschnitten, in denen Filter 40 aufgenommen werden sollen und die optischen Achsen aller optischen Pfade 21, 24 A, 24 B und 25 B, die sich an dem Ende 13 des Substrats 10 befinden, können senkrecht zu diesem Ende 13 verlaufen.

Da die Enden aller optischen Pfade 21, 24 A, 24 B und 25 B an dem Ende 13 des Substrats 10 zentralisiert sind, braucht nur eine einzige Anordnung optischer Fasern mit der Schaltung verbunden werden.

Bevor das in Fig. 5 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wird, sei zunächst ein Bandpaßfilter, das bei diesem dritten Ausführungsbeispiel Verwendung findet, anhand von Fig. 6A bis 9B erläutert.

Fig. 6A bis 8B zeigen die Wellenlängen-Charakteristiken der Bandbreiten, wenn drei verschiedene Arten von Bandpaßfiltern in den optischen Pfad eingefügt werden. Die betreffenden Filter sind mit 1 bis 3 durchnumeriert.

Fig. 6A und 6B, 7A und 7B und 8A und 8B entsprechen den Filtern Nr. 1, 2 bzw. 3. Die Schichtkonfigurationen der betreffenden Filter sind folgende:

Nr. 1: HLH(3HLHLHL3H)³HLH23 Schichten Nr. 2: HLH(2LHLHLHLH2L)³HLH31 Schichten Nr. 3: HLHL(LHLHLHLHl)²LHLH23 Schichten
wobei H eine die dielektrische Schicht angibt, die einen Brechungsindex von 2,2 hat und eine Schichtdicke, die λ/4 entspricht und L eine dielektrische Schicht mit einem Brechungsindex von 1,5 und einer Schichtdicke, die λ/4 entspricht. Fig. 6A, 7A und 8A zeigen Fälle, bei denen die zentrale Wellenlänge 900 nm beträgt. Fig. 6B, 7B und 8B zeigen Fälle, bei denen die zentrale Wellenlänge 1.200 nm beträgt. Die Filterwinkel R, die durch die zu dem Filter und dem optischen Pfad normale Ebene bestimmt sind, betragen 0°, 5°, 10°, 15° und 20°. Die Kennlinien der Filter mit diesen Filterwinkeln sind durch eine durchgezogene Linie, eine Linie mit abwechselnd einem langen und zwei kurzen Liniestücken, eine Linie mit abwechselnd einem langen und einem kurzen Linienstück, eine gestrichelte Linie bzw. eine punktierte Linie dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein vergrabener optischer Wellenleiter verwendet, der durch ein mit einem elektrischen Feld unterstütztes zweistufiges Ionenaustauschverfahren hergestellt ist und im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Entsprechend dem Brechungsindexprofil dieses optischen Wellenleiters ist der Brechungsindex im zentralen Bereich am größten und nimmt zu den Außenflächen des optischen Wellenleiters allmählich ab.

Bei dem Filter Nr. 1 ist die Verschlechterung der maximalen Durchlässigkeit gering. Die Verringerung der Durchlaßbandbreite ist ebenfalls klein. Bei den Filtern Nr. 2 hingegen sind sowohl die Verschlechterung der maximalen Durchlässigkeit als auch die Verringerung der Durchlaßbandbreite groß. Die erforderliche Durchlaßbandbreite hängt von der Spezifikation des Übertragungssystems ab. Wenn die Wellenlängenänderung des zu verwendenden lichtemittierenden Elements in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen und in Abhängigkeit von den Herstellbedingungen in Betracht gezogen werden, beträgt die Bandbreite bei einer Wellenlänge von 800 bis 900 nm vorzugsweise etwa 30 nm oder mehr und bei einer Wellenlänge von 1.200 bis 1.300 nm etwa 50 nm. Tabelle 1 zeigt, ob die entsprechenden Filter, die in dem Wellenleiter wirksam sind, die oben angegebenen Bandbreitenbedingungen erfüllen oder nicht, wenn sie eine Durchlässigkeit von 90% oder mehr (d. h. eine Durchlässigkeit, die um 10% niedriger ist als die maximale Durchlässigkeit) besitzen.

Tabelle 1

Man erkennt aus Tabelle 1, daß das Filter Nr. 1 optimal arbeitet, das Filter Nr. 3 nur für Wellenlängen von 800 bis 900 nm wirksam ist und das Filter Nr. 2 ungeeignet ist. Aus Fig. 6A bis 8B, den Ergebnissen von Tabelle 1 und weiteren theoretischen und experimentiellen Studien geht ganz allgemein folgendes hervor: Wenn man ein Filter in einem optischen Pfad mit einem Filterwinkel von R = 0° anordnet, ist die Verschlechterung der Filtereigenschaften bei einer Anordnung des Filters mit einem Winkel von R größer 0° umso kleiner, je größer die 90%-Bandbreite ist.

Aus Tabelle 2 geht hervor, ob die 90%-Durchlaßbandbreite bei einer Wellenlänge von 800 bis 900 nm gleich oder größer als 50 nm und bei einer Wellenlänge von 1.200 bis 1.300 nm gleich oder größer ist als 70 nm, wenn R gleich 0° ist.

Tabelle 2

ein Vergleich zwischen den Ergebnissen der Tabellen 1 und 2 zeigt ihre Entsprechung.

Aus den vorangehend angegebenen Ergebnissen und weiteren Studien geht klar hervor, daß die 90%-Durchlaßbandbreite bei einem Filterwinkel von R gleich 0° ein geeigneter Beurteilungsmaßstab dafür ist, ob ein bestimmtes Filter in einem optischen Pfad benutzt werden kann oder nicht und daß ein geeignetes Filter dementsprechend eine Bandbreite von 50 nm oder mehr bei einer Wellenlänge von 800 bis 900 nm und von 70 nm oder mehr einer Wellenlänge von 1.200 bis 1.300 nm haben sollte.

Was die Anzahl der Schichten betrifft, ist eine vergleichweise kleine Schichtzahl von etwa 23 geeignet.

Fig. 9A und 9B zeigen die Beziehung zwischen der Bandbreite und der Durchlässigkeit bei dem bevorzugten Filter Nr. 1, wenn dessen Winkel geändert wird. Fig. 9A und 9B zeigen Fälle, bei denen die zentralen Wellenlängen 900 nm bzw. 1.200 nm betragen. Falls die Bedingungen einer Bandbreite von 30 nm für die zentrale Wellenlänge von 900 nm und von 50 nm für die zentrale Wellenlänge von 1.200 nm gleichzeitig erfüllt sein sollen, läßt sich eine Durchlässigkeit von 90° oder mehr dann nicht erreichen, wenn der Filterwinkel R gleich oder größer ist als 15°, während sich eine Durchlässigkeit von 90% oder mehr erreichen läßt, falls der Filterwinkel R gleich oder kleiner ist als 13°. Eine Durchlässigkeit von 95% oder mehr läßt sich erreichen, falls der Filterwinkel R kleiner oder gleich 10° ist. Dieser Bereich von R ist jedoch nicht praktikabel, da 0 kleiner wird, falls andere ungeeignete Filter, z. B. die oben beschriebenen Filter Nr. 2 und 3, verwendet werden.

Aus den Ergebnissen von Fig. 9 und weiteren theoretischen und experimentiellen Studien ergibt sich, daß vom Standpunkt des praktischen Einsatzes die Toleranzgrenze des Filterwinkels R bei 13° liegt und daß ein Filterwinkel R, der wie bei herkömmlichen optischen Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltungen größer oder gleich 15° ist, weit außerhalb des Bereiches liegt, in dem sich theoretisch gute Ergebnisse erzielen lassen, so daß solche Winkel nicht empfehlenswert sind.

Tabelle 3 zeigt die 90%-Bandbreite, die sich mit dem Filter Nr. 1 erzielen läßt, das die oben beschriebenen guten Werte besitzt. Aus Tabelle 3 läßt sich der Filterwinkel R bestimmen.

Tabelle 3

Fig. 5 zeigt die Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In einem plattenförmigen Glassubstrat 10 sind optische Pfade 60 bis 67, die als "vergrabene" optische Wellenleiter ausgebildet sind, in einem vorbestimmten Schaltungsmuster angeordnet. In dem Substrat 10 sind ferner Nuten 70 bis 72 ausgebildet, die die optischen Wellenleiter in den entsprechenden Bereichen kreuzen. In den Nuten 70 bis 72 sind entsprechende Interferenzfiltergruppen 90 bis 93 eingesetzt.

Das Substrat 10 besteht aus Glas, das z. B. SiO₂ und B₂O₃ als Hauptbestandteil zur Bildung von Oxiden sowie eine geringe Menge Alkaliionen für den Ionenaustausch enthält. Mit Hilfe photolithographischer oder ähnlicher Verfahren wird auf dem Glassubstrat 10 eine Maske hergestellt, die dem vorbestimmten Schaltungsmuster entspricht. Ionen mit einer Valenz von 1, z. B. Tl, die zu einer Vergrößerung des Brechungsindex des Glases beitragen, werden in einem ersten Ionenaustausch mit den Alkaliionen in einem elektrischen Feld durch die Öffnung der Maske hindurchdifundiert. In einem zweiten Ionenaustausch werden Ionen eindiffundiert, die zu einer Verringerung des Brechungsindexes des Glases beitragen. Auf diese Weise werden die optischen Pfade 60 bis 67 hergestellt.

Die auf diese Weise gebildeten optischen Pfade 60 bis 67 haben im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und Brechungsindexprofile, bei denen der Brechungsindex vom Zentrum zu der Außenfläche des betreffenden optischen Pfades allmählich abnimmt. Diese optischen Pfade 60 bis 67 sind mit niedrigem Kopplungsverlust an optische Fasern angekoppelt.

Die Nuten 70 bis 72 werden so ausgebildet, daß sie im wesentlichen parallel zu den Stirnseiten des Substrats 10 verlaufen und z. B. eine Breite von etwa 40 µm und Tiefe von etwa 200 µm haben.

Die optischen Pfade 61 und 63 schneiden im Bereich der Nut 72 eineinander mit einem Einfallswinkel R gleich 10°. Die optischen Grade 63 und 66 schneiden im Bereich der Nut 71 einander mit einem Einfallswinkel R = 10°. Die linken Abschnitte der optischen Pfade 61 und 64 und die rechten Abschnitte der optischen Pfade 62 und 66 verlaufen im wesentlichen parallel zu den längeren Seiten des Substrats 10. Die rechten und die linken Abschnitte der optischen Pfade 61 und 62 verlaufen im wesentlichen in gerader Linie. Der optische Pfad 63 und der rechte Abschnitt des optischen Pfades 64 verlaufen im wesentlichen in einer geraden Linie. In denjenigen Abschnitt der Nut 72, in dem sich die Enden der optischen Pfade 61 bis 63 befinden, ist ein optisches Filter 90 mit kurzwelligem Durchlaßbereich eingesetzt. Zwischen die optischen Pfade 66 und 67 ist ein Bandpaßfilter 92 eingefügt. In den Abschnitt der Nut 71, in welchem sich die Enden der optischen Pfade 63, 64 und 66 befinden, ist ein Bandpaßfilter 91 eingefügt. In den Abschnitt der Nut 70, in dem sich das Ende des optischen Pfades 64 befindet, ist ein Bandpaßfilter 93 eingefügt. Das Filter 90 mit kurzwelligem Durchlaßbereich und die Bandpaßfilter 91 bis 73 bestehen aus dünnen Platten, deren Stärke nicht größer ist als 40 µm. Sie sind in die Nuten 70 bis 72 mit Hilfe eines optischen Kittes fixiert. In das Filter 90 mit kurzwelligem Durchlaßbereich besitzt für den gesamten Wellenlängenbereich von 800 bis 900 nm hohe Durchlässigkeit, während es für Wellenlängen von 1.200 bis 1.300 nm eine Sperrdämpfung von 30 dB oder mehr besitzt. Das Filter 90 mit kurzwelligem Durchlaßbereich dient dazu, aus dem sich über die optischen Pfade 60 und 61 ausbreitenden Mischlicht, das Wellenlängen λ 1 = 890 nm, λ 2 = 1.200 nm und λ 3 = 1.300 nm hat, einen Strahl mit der Wellenlänge g 1 herauszufiltern, der dann durch den optischen Pfad geführt wird. Das Bandpaßfilter 91 dient zum Demultiplexen der Lichtanteile mit den Wellenlängen λ 2 und g 3. In diesem Fall wird zur Erzielung der gewünschten Demultiplexercharakteristik das oben beschriebene Filter Nr. 1 mit einem Filterwinkel R = 10° verwendet.

Das Filter Nr. 1 ist so ausgebildet, daß es die oben beschriebene Konfiguration hat und seine zentrale Wellenlänge λ 3 ist. Die Brechungsindizes der H- und L-Schichten betragen 2,2 bzw. 1,5. Als Ablagerungsmaterial für die H-Schicht wurde TiO₂ verwendet. Die Herstellbedingungen, wie z. B. die Ablagerungsgeschwindigkeit und die Substrattemperatur wurden derart optimiert, daß die H-Schicht einen Brechungsindex von 2,2 hatte und damit kleiner war als der des Substratmaterials. In diesem Fall wurde eine Bandbreite von 55 nm oder mehr bei einer Durchlässigkeit von 92% erzielt. Die Sperrbanddämpfung für eine um 100 nm von der zentralen Wellenlänge abweichende Wellenlänge betrug 28 dB.

Die Bandpaßfilter 92 und 93 dienen zum Empfang von Lichtanteilen mit den zentralen Wellenlängen der Lichtanteile mit den zentralen Wellenlängen λ 2 und g 3, die rechtwinklig auf sie auftreffen. Da mithin für die Filter 92 und 93 R = 0 ist, ist für sie die oben beschriebene winkelabhängige Beeinträchtigung der Filtereigenschaften sehr klein und hängt nicht so sehr von der Schichtkonfiguration der einzelnen Filter ab.

Als Bandpaßfilter 92 und 93 dienten Filter mit einer Übertragungsbandbreite von 60 bis 65 nm bei einer Durchlässigkeit von 95% und einer Sperrdämpfung von 30 dB bei einer Wellenlänge, die von der zentralen Wellenlänge um 100 nm abweicht. Die Filterwinkel R der Bandpaßfilter 92 und 93 können von 0° abweichen. Um eine Verkleinerung der Bandbreite zu vermeiden, ist jedoch vorzugsweise R ≦ 7°. Diejenigen Abschnitte der Nuten 70 und 71, an denen sich die optischen Pfade 60 und 61 befinden, sind mit optischen Kitten 80 bzw. 81 gefüllt, um Lichtverluste durch Trennung der optischen Pfade 60 zu 61 zu vermeiden.

Wenn bei dem dritten Ausführungsbeispiel Mischlicht der Wellenlängen λ 1, λ 2 und λ 3 in den optischen Eintrittspfad 20 gelangt, tritt der Lichtanteil mit der Wellenlänge λ 1 durch das Filter 90 mit kurzwelligem Durchlaßbereich und wird zu dem optischen Austrittspfad 62 geführt. Die Lichtanteile mit den Wellenlängen λ 2 und λ 3 werden von dem Filter 90 reflektiert, so daß sie sich in dem optischen Pfad 63 ausbreiten und das Bandpaßfilter 91 erreichen. Der Lichtanteil mit der Wellenlänge λ 2, der von dem Filter 91 reflektiert wird, breitet sich durch den optischen Pfad 66 aus, durchläuft das Bandpaßfilter 92 und wird am Ende des optischen Austrittspfads 67 ausgegeben. Der Strahl mit der Wellenlänge λ 3 durchläuft das Filter 91 und das Bandpaßfilter 93 und wird vom Ende des optischen Austrittspfads 65 in den Außenraum des Substrats 10 ausgegeben.

Auf diese Weise wird das Mischlicht mit den Wellenlängen g 1, λ 2 und λ 3 in Abhängigkeit von den Wellenlängen in die verschiedenen optischen Pfade 62, 67 bzw. 65 geleitet.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel betrugen die Einfügungsverluste der Kanäle für die zentralen Wellenlängen λ 1, λ 2 und λ 3 2 dB oder weniger und über die gesamte Bandbreite (35 nm für den Kanal der Wellenlänge λ 1 und 55 nm für die Kanäle der Wellenlängen λ 2 und λ 3) 2,5 dB oder weniger. Die Nebensprechdämpfung am fernen Ende betrug 30 dB für den Kanal der Wellenlänge λ 1, 45 dB für den Kanal der Wellenlänge 2 und 60 dB oder mehr für den Kanal der Wellenlänge λ 3.

Vorangehend wurde die Funktion des dritten Ausführungsbeispiels bei dessen Einsatz als optische Demultiplexerschaltung beschrieben. Die optische Schaltung des dritten Ausführungsbeispiels kann auch als optische Multiplexerschaltung oder als bidirektionale optische Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltung verwendet werden. Im letzteren Fall beträgt die Nebensprechdämpfung am nahen Ende 70 dB oder mehr für die einzelnen Kanäle.

Wenn die optische Schaltung des dritten Ausführungsbeispiels als optische Multiplexerschaltung oder als optische Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltung eingesetzt wird, können die Filter 92 oder 93 im Gegensatz zu den Filtern 90 und 91 zur Durchführung des Demultiplexens mittels Durchlaß- oder Reflektionswirkung nach Bedarf entfallen.

Claims

1. Optische Demultiplexer- und/oder Multiplexerschaltung mit einem in einem Substrat ausgebildeten optischen Wellenleiter mit Verzweigungsabschnitten zur Aufteilung eines ankommenden optischen Pfads in einen durchlaufenden und einen reflektierenden optischen Pfad, ferner mit einer Nut, die den optischen Wellenleiter an den genannten Verzweigungsabschnitten sowie in einem Abschnitt im mittleren Bereich eines der genannten optischen Pfade nach Bedarf kreuzt, sowie mit in diese Nut eingesetzten Filtern, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut senkrecht zu zwei entgegengesetzten parallelen Seiten des genannten Substrats verläuft.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter ein derartiges Schaltungsmuster aufweist, daß die genannte Nut von wenigstens einem der Verzweigungsabschnitte und wenigstens einem der optischen Pfade die genannte Nut gemeinsam genutzt wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter ein derartiges Schaltungsmuster aufweist, daß die Nut gemeinsam von allen Abschnitten für die Aufnahme der genannten Filter die Nut genutzt wird.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Pfad, der die Nut unter einem schiefen Winkel schneidet, einen bogenförmig gekrümmten Abschnitt besitzt und daß die optische Achse dieses optischen Pfads in den Endbereichen des Substrats und in der Nähe dieser Endbereiche senkrecht zu den betreffenden endseitigen Stirnfläche des Substrats verläuft.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Wert des von dem optischen Eintrittspfad und dem optischen Reflektionspfad bestimmten Winkels nicht größer ist als 13°.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der genannten Filter ein Bandpaßfilter ist, dessen 90%-Durchlaßbandbreite für Wellenlängen von 800 bis 900 nm nicht weniger als 50 nm und für Wellenlängen von 1.200 bis 1.300 nm nicht weniger als 70 nm beträgt, wenn das Filter in einen optischen Wellenleiter eingefügt ist und seine Normale mit der optischen Achse dieses optischen Pfads zusammenfällt.

7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Filter eine 23-Schichten-Struktur besitzt, die durch HLH(3HLHLHL3H)3HLH gekennzeichnet ist, wobei H eine Schicht mit einem relativ hohen Brechungsindex und einer λ/4 entsprechenden Schichtdicke ist und L eine Schicht mit einem relativ niedrigen Brechungsindex und einer λ/4 entsprechenden Schichtdicke ist.

8. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Pfad über seinen Querschnitt einen Brechungsindex- Gradienten in radialer Richtung besitzt.