DE3779610T2 - Wellenlaengen-multiplexer/-demultiplexer mit einem elliptischen konkavgitter und dessen anwendung in der integrierten optik. - Google Patents

Wellenlaengen-multiplexer/-demultiplexer mit einem elliptischen konkavgitter und dessen anwendung in der integrierten optik.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung hat einen optischen Multiplexer/Demultiplexer zum Gegenstand. Sie findet in der optischen Nachrichtenübertragung Anwendung.
  • Es ist bekannt, daß der Wellenlängen-Multiplexbetrieb es erlaubt, den Informationsfluß einer optischen Verbindung zu erhöhen. Diese Technik besteht darin, an dem einen der Enden der Verbindung mehrere (N) Lichtstrahlenbündel verschiedener Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, ..., λN in ein und dieselbe optische Faser einzuführen (Multiplexvorgang), danach am anderen Ende der Verbindung die verschiedenen Wellenlängen wiederzugewinnen, um die ursprünglichen Strahlenbündel wiederherzustellen (Demultiplexvorgang).
  • Obwohl diese Technik sehr interessant ist, wirft sie dennoch einige Probleme auf. Es ist in der Tat erforderlich, daß
  • - die Gesamtverluste der Multiplexer- und Demultiplexereinrichtungen gering sind,
  • - die Multiplexer- und Demultiplexereinrichtungen umsteuerbar sind, das heißt, daß sie in einer Richtung als Multiplexer und in der anderen als Demultiplexer arbeiten können,
  • - die Kosten gering sind.
  • Die Vorrichtung der Erfindung entspricht Dank der Verwendung der integrierten Optik und einer speziellen Ausführung eines Beugungsgitters, diesen drei Forderungen.
  • Eine Führungsstruktur in integrierter Optik umfaßt klassischerweise ein mit einer Anordnung von drei durchsichtigen Schichten bedecktes Substrat, wobei die Zwischenschicht einen höheren Brechungsindex besitzt als die zwei sie umgebenden Schichten.
    • Gemäß der Erfindung umfaßt diese Führungsstruktur:
  • - zwei Seiten (F1, F2), die im wesentlichen senkrecht zu den von den durchsichtigen Schichten erzeugten Dioptern sind,
  • - mehrere optische Mikroführungen mit einer Anzahl, die gleich der Anzahl der Arbeitswellenlängen ist, wobei diese Mikroführungen erste Enden besitzen, die mit der Oberfläche der einen der Seiten der Führungsstruktur bündig sind mit einem ausreichenden Abstand dazwischen, um mit ebensovielen optischen Fasern verbunden werden zu können, wobei sich diese Mikroführungen zusammenziehen, indem sie in die Struktur eindringen und zweite Enden aufweisen, die entlang eines Segments aufgeteilt und zusammengezogen sind,
  • - eine einfache optische Mikroführung, die ein erstes Ende, das mit der Oberfläche einer anderen Seite der Führungsstruktur bündig ist, und ein zweites Ende besitzt, das im Innern der Struktur angeordnet ist,
  • - ein konkaves und reflektierendes Beugungsgitter, das aus in die Schichtanordnung geätzten Flächen besteht, wobei die Flächen als geraden Querschnitt Ellipsensegmente besitzen, deren beide Brennpunkte zum einen mit dem zweiten Ende der einfachen optischen Führung und zum anderen mit den verschiedenen zweiten Enden der Mehrzahl von optischen Führungen für jede der Arbeitswellenlängen dieser Führungen zusammenfallen.
  • Auf jeden Fall werden die Merkmale der Erfindung im Licht der folgenden Beschreibung besser zum Vorschein kommen. Diese Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnungen im Anhang, unter denen:
  • - die Figur 1 eine schematische Ansicht des Multiplexers/Demultiplexers der Erfindung zeigt,
  • - die Figur 2 eine geometrische Abbildung ist, die das Bündelungsprinzip durch eine Schar von elliptischen Spiegeln bei Betrieb mit einer Wellenlänge λ&sub1; zeigt,
  • - die Figur 3 eine der vorhergehenden analoge geometrische Abbildung, jedoch für eine Wellenlänge λN ist,
  • - die Figur 4 eine geometrische Abbildung ist, die eine Hyperbelschar zeigt,
  • - die Figur 5 einen geometrischen Aufbau, der es erlaubt, die verschiednenen Flächen des Gitters zu definieren, veranschaulicht,
  • - die Figur 6 ein ebenes unter dem Blaze-Winkel gefurchtes Gitter im Schnitt zeigt,
  • - die Figur 7 die optische Führungsstruktur auf der Höhe einer reflektierenden Fläche des Gitters im Schnitt zeigt,
  • - die Figur 8 eine optische Mikroführung im Schnitt zeigt,
  • - die Figur 9 eine erste Anordnung der verschiedenen Elemente des Multiplexers/Demultiplexers der Erfindung zeigt,
  • - die Figur 10 eine zweite Anordnung dieser selben Elemente zeigt.
  • Die in der Figur 1 dargestellte Struktur zeigt zwei Seiten F1 und F2. Eine Mehrzahl N von Mikroführungen G1, G2, ..., GN (im dargestellten Fall N=4) ist mit der Oberfläche der Seite F1 bündig. Auf dieser Seite ist der Abstand der Mikroführungen zum Beispiel etwa 125 m, um eine Kopplung mit den optischen Fasern (nicht gezeigt), die im wesentlichen diesen Durchmesser haben, zu ermöglichen.
  • Beim Eindringen in die Führungsstruktur ziehen sich diese Mikroführungen zusammen. Ihre Enden verteilen sich über ein Segment zwischen den äußersten Punkten P1 und PN.
  • Auf der anderen Seite F2 findet man eine einzelne Mikroführung G, deren Ende mit der Oberfläche von F2 bündig ist und deren anderes Ende S sich im Inneren der Struktur befindet.
  • Zwischen der Mehrzahl N von Mikroführungen G1, G2, ... GN und der einzelnen Mikroführung G befindet sich ein Beugungsgitter R, das aus reflektierenden Flächen mit elliptischem Schnitt besteht, dessen Gestalt in Verbindung mit den Figuren 2 bis 5 beschrieben wird.
  • In der Figur 2 sieht man einen Punkt S, der als Urpunkt angenommen wird, und einen Punkt P1, der als Bildpunkt angenommen wird. Elliptische Spiegel konjugieren diese beiden Punkte optisch für eine Wellenlänge λ1. Jede Ellipse Em ist der Ort mit den Punkten, für die man die Beziehung erhält:
  • SMm + MmP1 = mλ1 (1)
  • wobei m eine ganze Zahl ist, und die Beziehung die Konstamz des optischen Wegs zwischen den Punkten S und P1 wiedergibt (Fermatsches Prinzip).
  • Jedem Wert von m entspricht eine Ellipse. Die Figur 2 zeigt also eine Ellipsenschar Em-1, Em, Em+1, usw, die durch die ganze Zahl m parametrisiert sind.
  • Die Figur 3 stellt eine andere Ellipsenschar dar, die dem gleichen Punkt S, aber einem anderen konjugierten Punkt, als PN angenommen, entspricht, und gilt für eine andere Wellenlänge _1N.
  • Jede Ellipse E'm erfüllt die Beziehung:
  • SMm + MmPN = mλN (2)
  • wobei m wieder eine ganze Zahl ist. Ein Punkt Mn kann gleichzeitig auf der Ellipse Em aus der ersten Schar und auf der zur zweiten Schar gehörenden Ellipse E'm liegen, wenn die Beziehungen (1) und (2) für diesen Punkt alle beide erfüllt sind. Wenn dies der Fall ist, erhält man durch gliedweise Subtraktion dieser beiden Beziehungen die Bedingung:
  • MmP1 -MmPN = m(λ1 - λN) (3)
  • Die Beziehung (3) bedeutet, daß der Punkt Mm auf einer Hyperbel liegt, deren Brennpunkte die Punkte P1 und P2 sind.
  • Die Figur 4 zeigt eine Hyperbelschar Hm-1, Hm, Hm+1, usw., die als Brennpunkte die Punkte P1 und PN hat.
  • Die Figur 5 zeigt diese Hyperbelschar (Hm) und eine der beiden Ellipsenscharen, im vorliegenden Fall die Schar Em. Der Schnitt der Hyperbel Hm mit der Ellipse Em ergibt einen Punkt Mm, der selbstverständlich auf der Ellipse Em liegt der aber auch auf der Ellipse E'm (gestrichelt dargestellt) liegt.
  • Die auf den Hyperbeln Hm+1, Hm+2, .... liegenden Punkte Mm+1, Mm+2, usw. befinden sich also gleichzeitig auf den Ellipsen Mm+1 und M'm+1, Mm+2 und M'm+2, usw.
  • Wenn man nach diesem Prinzip eine von Punkt zu Punkt führende Linie zieht, erhält man das Profil eines Beugungsgitters, das die Eigenschaft besitzt, die Punkte S und P1 für die Wellenlänge λ1 und die Punkte S und Pn für die Wellenlänge λN zu konjugieren.
  • Natürlich bleibt eine gewisse Willkür, um von einer Ellipse zur anderen zu kommen: in der Figur 5 ist die Stufe senkrecht auf die Ellipsen, aber man könnte ebenso gut ein geneigtes Profil wählen.
  • Das ist die Weise, auf die das Gitter R der Figur 1 konzipiert ist. Die Punkte P1 und PN sind die zwei äußersten Punkte des Segments, auf dem die verschiedenen bei den Wellenlängen λ1 und λ2 arbeitenden Mikroführungen auslaufen. Die Zwischenpunkte werden von S, jedoch für dazwischenliegende Wellenlängen, konjugiert.
  • Wenn man auf die Figur 1 zurückkommt, sieht man, daß die dargestellte Vorrichtung, wenn sie als Multiplexer arbeitet, auf ihrer Seite F1 eine Mehrzahl von Lichtstrahlenbündeln empfängt und auf ihrer Seite F2 ein einziges Strahlenbündel aus vielen Wellenlängen liefert (Pfeil M). Als Demultiplexer empfängt die Vorrichtung auf ihrer Seite F2 ein Strahlenbündel aus vielen Wellenlängen und liefert auf ihrer Seite F1 eine Mehrzahl von Strahlenbündeln verschiedener Wellenlängen (Pfeil D).
  • Die Streuung des Gitters der Erfindung kann näherungsweise berechnet werden, wenn man bedenkt, daß das Gitter in der Nähe seiner Mittelachse, wie in Figur 6 gezeigt, mit einem ebenen Gitter verglichen werden kann. Die Winkel i und r bezeichnen die Winkel der auf die Flächen einfallenden und und durch die Flächen reflektierten Strahlenbündel, gerechnet ab der Senkrechten auf die Spiegelflächen.
  • Der Winkel a bezeichnet den Blaze-Winkel des Gitters.
  • Man kann zeigen, daß die Differenz Δr zwischen den der Wellenlänge λ1 und den der Wellenlänge λN entsprechenden Reflexionswinkeln der Strahlenbündel gleich m/(λN - λ1)/p cos(i - α) ist.
  • Man hat zum Beispiel einen mittleren Abstand von 40 m, einen Winkel a von 4º und m=1.
  • Die Brennweite des Spiegels sei in der Größenordnung von 10 mm. Der Zwischenraum zwischen den Punkten P1, P2, ... PN sei nahezu 12 m mit einem Wellenlängenunterschied zwischen den verschiedenen Kanälen von 20 nm.
  • Der Winkel i kann relativ groß (zum Beispiel nahe 65º) gewählt werden.
  • Die Figur 7 zeigt eine Führungsstruktur im Schnitt mit einem Substrat 20, beispielsweise aus Silizium, einer ersten Schicht 22 aus SiO&sub2; mit einer Dicke von 6 bis 8 m, einer zweiten Schicht 24 aus mit Phosphor dotiertem SiO&sub2; mit einer Dicke von etwa 4 bis 5 m, einer dritten Schicht 26 aus SiO&sub2; mit einer Dicke von 6 bis 8 m.
  • Der Brechungsindexunterschied zwischen der Schicht 24 und den anliegenden Schichten 22 und 26 ist gering und von der Größenordnung 10&supmin;³ bis 10&supmin;², wie es auch bei optischen Fasern zwischen dem Zentrum und der Hülle der Fall ist.
  • Diese Anordnung kann bis auf das Substrat geätzt werden, um eine reflektierende Seite, die in Totalreflesion arbeitet, zu bilden. Diese geätzte Seite kann gleichmäßig mit einer Metallschicht 28, zum Beispiel aus Aluminium, überzogen werden.
  • Um das Gitter zu bilden, zeichnet man also zum Beispiel durch elektronische Maskierung auf die Führungsstruktur elliptische Segmente, die das Kriterium der Figur 5 erfüllen, und man ätzt die Struktur entlang dieser Segmente.
  • Um Mikroführungen zu erhalten, kann man die Schicht 24 der Figur 7, wie in Figur 8 dargestellt, ätzen, dann die geätzte Einheit mit einer Schicht 30 aus SiO&sub2; bedecken. Das Lichtstrahlenbündel, dessen Schnitt in der Figur schraffiert ist, wird durch den Kanal 24 geführt.
  • Die Figuren 9 und 10 zeigen zwei Anordnungen der beschriebenen Einheit. In der Figur 9 arbeitet die Platte 40 auf ihren Seiten 42 und 44, die senkrecht aufeinander stehen, und in der Figur 10 auf ihren Seiten 42 und 46, die parallel sind.
  • Der Multiplexer/Demultiplexer, der beschrieben wird, arbeitet mit Lichtstrahlenbündeln, deren Wellenlängen nahe beieinander liegen (etwa 20 nm). Er kann mit einem Multiplexer/Demultiplexer kombiniert werden, wie demjenigen, der in der am 13. März 1983 im Namen des Anmelders eingereichten französischen Patentanmeldung Nr. 2 579 044 beschrieben ist. Eine derartige Vorrichtung umfaßt hintereinander angeordnete Beugungsgitter, wobei jedes einen Bereich mit einer eigenen Wellenlänge beugt. Am Ausgang jedes dieser Gitter kann man eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufstellen, die auf die Strahlen wirkt, deren Wellenlängen in diesem Bereich liegen. Man erreicht auch einen Multiplex/Demultiplexbetrieb in jedem Bereich für naheliegende Wellenlängen.

Claims (1)

  1. Multiplexer/Demultiplexer in integrierter Optik, der dazu bestimmt ist, in einer Mehrzahl von verschiedenen wellenlängen zu arbeiten und eine Führungsstruktur umfaßt, die aus einem mit einer Anordnung von drei durchsichtigen Schichten, nämlich einer ersten Schicht (22), einer zweiten Schicht (24) und einer dritten Schicht (26), bedeckten Substrat (20) besteht, wobei die zweite Schicht (24) einen höheren Brechungsindex besitzt als der Index der ersten (22) und dritten (26) Schicht, die sie umgeben, wobei der Multiplexer/Demultiplexer dadurch gekennzeichnet ist, daß diese Führungsstruktur umfaßt:
    - zwei Seiten (F1, F2), die im wesentlichen senkrecht zu den von den durchsichtigen Schichten erzeugten Dioptern sind,
    - eine Mehrzahl von optischen Mikroführungen (G1, G2, ..., GN) mit einer Anzahl N gleich der Anzahl der Arbeitswellenlängen, wobei diese Mikroführungen erste Enden besitzen, die mit der Oberfläche der einen der Seiten (F1) der Führungsstruktur bündig sind mit einem ausreichenden Abstand dazwischen, um mit ebensovielen optischen Fasern verbunden werden zu können, wobei sich diese Mikroführungen zusammenziehen, indem sie in die Struktur eindringen und zweite Enden (P1, P2, ..., PN) aufweisen , die entlang eines Segments (P1...PN) aufgeteilt und zusammengezogen sind,
    - eine einfache optische Mikroführung (G), die ein erstes Ende, das mit der Oberfläche einer anderen Seite (F2) der Führungsstruktur bündig ist, und ein zweites Ende (S) besitzt, das im Inneren der Struktur angeordnet ist,
    - ein konkaves und reflektierendes Beugungsgitter (R), das aus in die Schichtanordnung geätzten Flächen besteht, wobei die Flächen als geraden Querschnitt Ellipsensegmente besitzen, deren beide Brennpunkte zum einen mit dem zweiten Ende (S) der einfachen optischen Führung (G) und zum anderen mit den verschiedenen zweiten Enden (P1, P2, ..., PN) der Mehrzahl von optischen Führungen (G1, G2, . .., GN) für jede der Arbeitswellenlängen dieser Führungen zusammenfallen.
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