DE3872103T2 - Vorrichtung fuer optischen wellenlaengenmultiplexer. - Google Patents

Vorrichtung fuer optischen wellenlaengenmultiplexer.

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Description

    Technischer Anwendungsbereich
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen in einem Gerät zum optischen Wellenlängenmultiplexen oder solche Verbesserungen, die sich hierauf beziehen, und insbesondere Laseranordnungs-Multiplexvorrichtungen, bidirektionale Multiplex/Demultiplex-Vorrichtungen, die Abzweige- und Hinzufügungskomponenten enthalten und zur Verwendung in optischen Übertragungssystem geeignet sind.
  • Die Wellenlängenmultiplexierung (WDM) ist eine allgemein bekannte Technik zur Steigerung der Übertragungsfähigkeit eines Lichtwellenleiters (Lichtleitfaser). Anstelle gerade eine einzige Quelle (Laser oder LED) für die Fasereinspeisung zu verwenden, werden zwei oder mehr benutzt, die jeweils auf einer verschiedenen Wellenlänge arbeiten. Eine dichte Kanalbeabstandung ist zur optimalen Übertragungsfähigkeit wünschenswert. Langzeitstabilität ist auch ein kritischer Faktor, und es ist insbesondere eine Immunität gegenüber thermischer Drift wüschenswert.
    • Stand der Technik
  • Halbleiterlaserdioden sind beispielsweise als multiplexierte Quellen verwendet worden. Bei diesen hängt die Arbeitswellenlänge von der Zusammensetzung des Materials der aktiven Schicht ab. Es sind daher Dioden unterschiedlicher aktiver Schichtzusammensetzungen verwendet worden, um unterschiedliche Wellenlängen zu erzeugen. Die endliche spektrale Breite, die typisch für derartige Dioden ist, und die Herstellungstoleranz bei der Zusammensetzung der aktiven Schicht wurden jedoch gewöhnlich die erzielbare minimale Kanalbeabstandung auf zirka 30 nm begrenzen. Ein dichterer Kanalabstand kann durch Verwendung von Einzelfrequenzlasern erzielt werden - beispielsweise Laserdioden mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) oder spaltgekoppelte Hohlraum(C³)-Laser. Hier ist jedoch eine sorgfältige Steuerung erforderlich, um die Emissionswellenlänge jedes Lasers korrekt und auf den Multiplexer abgestimmt zu halten, der dazu verwendet wird, sämtliche Ausgänge von den unterschiedlichen Lasern zu kombinieren.
  • Der Anschaulichkeit halber ist ein typischer Geräteaufbau in FIG. 1 dargestellt. Dieser hat die Form einer 10-Kanal-Multiplexvorrichtung 1. In dieser Anordnung sind zehn Laser L1 bis L10 fester Wellenlänge in einer linearen Eingangsanordnung 3 über Koppellichtwellenleiter oder -fasern 5 kombiniert. Diese Anordnung 3, die auch einen gemeinsamen Ausgangsleiter 7 umfaßt, ist in der Brennebene einer optischen Anordnung 9 mit Littrow-Aufbau angeordnet, die eine Kollimations- und Fokussierlinse 11 und ein Dispersionsglied, ein reflektierendes Gitter 13 umfaßt. Lichtemissionen von den individuellen Lasern L1 bis L10 werden kollimiert, gebeugt und auf den gemeinsamen Ausgangsleiter 7 rückfokussiert. Es ist anzumerken, daß in dieser Anordnung die Emissionswellenlängen und die Anordnungsgeometrie sorgfältig abgestimmt sein müssen, um sicherzustellen, daß sämtliche Emissionen auf einen gemeinsamen Brennpunkt gebeugt werden.
  • Eine solche Anordnung der oben beschriebenen Art ist im folgenden Artikel "68,3 km transmission with 1,37 Tbit km/s capacity using wavelength division multiplexing of ten single frequency lasers at 1,5µm" von Olsson, N.A. et al, veröffentlicht in Electronics Letters, Band 2, Nr. 3, Seiten 105 bis 106 (1985) detailliert beschrieben. Dort beschreiben die Autoren eine Anordnung, in der die selektierten zehn Laser Laserdioden mit verteilter Rückkopplung (DFB) des HRO-Typs (hetero-epitaxially ridge overgrown = Heteropitaxial-Rippen aufgewachsen) waren. Diese waren mit einem Beugungsgitter zweiter Ordnung und mit beiden Facetten gespalten ausgebildet. Die Wellenlängenverteilung der Laser, die von Wafern unterschiedlicher Wellenlängenauslegung ausgewählt waren, betrug zwischen 1,529 und 1,561 µm.
  • Die Waferselektion, wie oben erwähnt, ist eine teure und zeitaufwendige Prozedur und ist einwandfrei nicht für die Massenproduktion kommerziell praktikabel. Langzeitstabilität ist gleichermaßen ein ernstes Problem in dieser Art von Anordnung.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung sieht eine alternative Lösung vor und soll dem Bedarf für eine derart kritische Auswahl begegnen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Anspruch 1 definiert.
  • In der Vorrichtung der Erfindung ist die Resonanzwellenlänge des oder jedes Lasers einzig gemäß der Orts- Dispersionscharakteristiken der optischen Anordnung und durch die feste Position des Lasers in bezug auf diese Anordnung bestimmt. Da Licht unvermeidlicherweise von einer Apertur endlicher Ausdehnung reflektiert wird, wird das reflektierte Licht auf einen endlichen Wellenlängenbereich beschränkt, so daß schlimmstenfalls die Emission einen multiplen Longitudinalmodeninhalt umfassen kann. Eine größere Selektivität kann Jedoch erzielt werden, indem die Reflexions-Übertragungscharakteristiken der Frontfacette des Lasers modifiziert werden, oder alternativ durch die Auslegung der Reflexionssteigerungseinrichtung - beispielsweise könnte diese eine Etalonform aufweisen. In Jedem Fall sind resonanzgekoppelte Hohlräume definiert. Welcher Fall auch immer, ist es klar ein Vorteil, die Ausdehnung der Reflexionsapertur zu begrenzen. Weist der Wellenleiter die Form einer Faser auf, ist es empfehlenswert, einen eingebetteten Reflektor zu verwenden und die Reflexion so auf den Kern der Faser zu beschränken.
  • Der Laser kann so angeordnet sein, daß seine Vorderendfacette an oder nahe dem Focus liegt. Alternativ kann er von diesem Focus verschoben sein, jedoch hieran mittels einer Faser oder einem anderen Wellenleiter angekoppelt sein, und der Term langeordnet" soll auch diese Anordnung abdecken.
  • Die Laser können zur Schaffung eines Anordnungsinterfaces zusammengefügt sein. Die verschiedene Wellenlänge jedes Lasers wird dann von der relativen Position in der Brennebene abhängen.
    • Kurzübersicht der Zeichnungen
  • In den beiliegenden Zeichnungen
  • zeigt FIG. 1 eine schematische Darstellung, die eine gebräuchliche Anordnung von Lasern und eine optische Multiplexvorrichtung zeigt;
  • zeigt FIG. 2 eine schematische Darstellung, die eine Vorrichtung darstellt, die eine Anordnung von Lasern enthält, die in einer Mehrkanalvorrichtung mit Abzweige- und Hinzufügungsvorrichtung verwendedbar ist;
  • FIG. 3 und 4 in vergrößerter Ansicht von oben jeweils zwei optische Lichtleitfaserwellenleiter zeigen, die jeweils für die in der vorhergehenden Figur umrissene Vorrichtung modifiziert sind;
  • FIG. 5 und 6 eine vergrößerte Ansicht von oben und im Querschnitt eines Lichtleitfaserwellenleiters zeigen, der zur Verwendung in der Vorrichtung der vorausgehenden Figur 2 in alternativer Weise modifiziert ist;
  • FIG. 7, 8 und 9 jeweils einen seitlichen Aufriß, eine Querschnittsansicht bzw. eine Ansicht von oben auf eine Vorrichtung mit einer Einkanal-Abzweige- und Hinzufügungskomponente gemäß der Erfindung zeigen;
  • FIG . 10 eine schematische Ansicht von oben auf eine Abzweige- und Hinzufügungskomponente, realisiert als integrierte optische Schaltung, ähnlich der darstellt, die in den vorhergehenden Figuren 7 bis 9 gezeigt ist; und
  • FIG. 11 eine vergrößerte Ansicht von oben ist, die ein retroreflektierendes Wellenleiterelement zeigt, das zum Einbau in der integrierten Schaltung geeignet ist, die in der vorhergehenden Figur gezeigt ist.
    • Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
  • Damit diese Erfindung besser verstanden wird, werden nun Ausführungsbeispiele hiervon beschrieben, wobei Bezug auf die FIG. 2 bis 11 der beigefügten Zeichnungen genommen wird. Die folgende Beschreibung wird lediglich bei spielhalber vorgenommen.
  • Die in FIG. 2 gezeigte Vorrichtung umfaßt eine optische Anordnung 9 mit Littrow-Anordnung mit einer kollimierenden und fokussierenden Linse 11 und einem geneigten Reflexionsgitter 13 wie die gebräuchliche zuvor beschriebene Anordnung. Eine Anzahl von Laserquellen L1 bis Ln' ist in Form einer linearen Anordnung 3' kombiniert und in der Brennebene der Kollimatorlinse 11 angeordnet. Diese Quellen haben die Form von Standard-Fabry-Perot- Vorrichtungen und zwar sämtlich mit nominell derselben Mittenwellenlänge. Jede ist auf ihrer Austrittsfacette 15 mit einer nominell Antireflexionsschicht derart beschichtet, daß die Laserwellenlänge (d.h. die Resonanz) eher durch die externe Rückkopplung als durch die Laserspalt- Spigelfacetten bestimmt wird. Jeder Laser L1' bis Ln' kann so unter diesen Bedingungen mehr als ein breitbandiges optisches Verstärkungsmedium angesehen werden.
  • Als Lichtwellenleiter ist eine Faser 7 in derselben Brennebene an einem gemeinsamen konjugierten Brennpunkt positioniert, der jedem der Laser L1' bis Ln' entspricht. Diese Faser 7 enthält, wie dargestellt ist, einen eingebetteten Reflektor 17, der um eine kurze Distanz vom vorderen Ende 19 der Faser 7 versetzt ist. Ein äußerer wellenlängenselektiver Hohlraum, der dann die Resonanzwellenlänge definiert, wird von der Linse 11, dem Gitter 13 und dem Reflektor 17 in der gezeigten Weise gebildet. Der Reflektor 17 innerhalb der Faser ist teilweise reflektierend, so daß es möglich ist, aus der Anordnung 9 in die Faser 7 Leistung einzukoppeln. In der Darstellung ist der Reflektor 17 innerhalb der Faser 7 eingebettet, da es wünschenswert ist, eine gesteigerte Reflexion auf eine beschränkte Apertur einzugrenzen, wobei diese dem Kernbereich 21 der Faser 7 entspricht. Diese Kompositkonstruktion kann in Längenrichtung der Faser 23, 25 zusammengefügt werden, die nach Deposition eines metallischen Gold- oder ähnlichen reflektierenden Films 17 auf der polierten oder Spaltendfläche einer der Faserlängen 23 (vgl. FIG. 3) auf Stoßkontakt gebracht worden sind. Eine alternative Konstruktion ist in den FIG. 5 und 6 gezeigt. Hier ist die Endfläche 19 der Faser 7 maskiert worden, und es liegt ein reflektierender Film 17" auf der exponierten Fläche des Kerns 21. Diese letztere Konstruktion würde jedoch schwerer herzustellen sein.
  • Die individuellen Laser L1' bis Ln' innerhalb der Anordnung werden auf unterschiedlichen Wellenlängen resonieren (Laserstrahlung abgeben), da vom Gitter gebeugtes und reflektiertes Licht an unterschiedlichen Positionen in der Brennebene fokussiert wird. Die Laserelementbeabstandung und die Gitterdispersion sind daher so gewählt, daß sich ein vorbestimmter und geeigneter Kanalabstand ergibt.
  • Es sei angemerkt, daß das Gitter 13 der Anordnung 9 sowohl als Multiplexkomponente als auch als wellenselektives Element zur Steuerung der Laserwellenlängenwirkt.
  • Es ist ferner festzustellen, daß, da die Laserabstimmung im wesentlichen durch geometrische Faktoren beherrscht wird, d.h. die Abstände innerhalb der Anordnung und die Gittergeometrie, die Vorrichtung relativ immun gegenüber Effekten der Temperaturdrift usw. ist.
  • Die Wellenlängenselektivität kann weiter dadurch verbessert werden, daß die Durchlässigkeit/Reflektivität der Frontfacette 15 jedes Lasers angepaßt wird. Auf diese Weise kann anstelle der antireflektierenden Schicht ein teilweise reflektierender Film bzw. Schicht vorgesehen werden. Dies hat den Effekt der Definition gekoppelter Hohlräume, des Hohlraums vom Laserkorpus und des externen Holraums. Eine Emission auf einer der longitudinalen Resonanzmoden würde in diesem Fall verstärkt.
  • Es sei angemerkt, daß die Komponenten der Anordnung 3' nicht notwendigerweise sämtlich Quellen sind. Optische Detektoren (oder möglicherweise Laser, die als Detektoren betrieben werden) könnten in einigen Kanälen benutzt werden, d.h. an unterschiedlichen Stellen der Anordnung, um über die Faser eine bidirektionale Übertragungsfähigkeit vorzusehen.
  • In der in den FIG. 7 und 9 gezeigten Einzelkanal-Abzweige- und Hinzufügungsvorrichtung (drop-and-add Vorrichtung ) ist ein Fabry-Perot Laser L1' mit longitudinalen Retroreflektoren 27, einem Detektor 29 und zwei Lichtleitfasern, namlich einer Austrittslichtleitfaser 7 und einer Eintrittslichtleitfaser 31 kombiniert. Der Laser L1' und der Detektor sowie auch die Eintritts- und Austrittsfasern 31 und 7 sind equidistant und symmetrisch auf jeder Seite der Achse 33 der Retroreflektoren 27 angeordnet. In dieser Anordnung wird Licht, das auf einer gegebenen beliebigen Wellenlänge von der Eintrittsfaser 31 ausgesandt wird, an einem Punkt x auf dem Retroreflektor 27 kollimiert und fokussiert, auf einen weiteren und entsprechenden Punkt y auf dem Retroreflektor reflektiert und dann auf der Austrittsfaser 7 kollimiert und refokussiert. Auf einer speziellen Wellenlänge jedoch wird aus der Eintrittsfaser 31 austretendes Licht auf den Detektor 29 gerichtet. Auf genau dieser Wellenlänge wird Licht zwischen dem Laser L1' und der Austrittsfaser 7 gekoppelt.
  • Es ist festzustellen, daß zusätzliche Abzweigeund Hinzufügungskanäle durch den Einbau weiterer Laser- Detektorpaare an anderen Punkten in der Brennebene verwirklicht werden können.
  • Wie beschrieben, kann der Laser L1' auf mehr als einer Longitudinalmode des externen Hohlraus resonieren. Dies kann ein Problem für die längsten in Betracht gezogenen Gesamtübertragungssysteme bestätigen, da eine Dispersion in der Faser unvermeidbar zu Nodentrennung- und -interferenz führen wird. Ein Mittel zur Abhilfe besteht darin, die Laserreflexion wie oben beschrieben zu modifizieren. Eine alternative Lösung jJedoch würde eine Etalon-Struktur in der Austrittsfaser 7 anstelle eines einzigen Reflektors 17, wie beispielsweise in FIG. 4 gezeigt, vorsehen, wo zwei beabstandete Etalon- Reflektoren 17, 17' in der Faser 7 eingebettet sind.
  • Eine Alternative zur Verwendung eines Faseraustrittsleiters 7 besteht darin, eine Art integrierten optischen Chip (Lithiumniobat oder eine III-V- Halbleiterzusammensetzung, z.B. GaAs/GaAlAs) einzusetzen, der auch zusätzliche Funktionen ausführen könnte. Die Laseranordnung 3' könnte auch, falls erwünscht, in diesem Chip aufgenommen werden.
  • Eine Realisation als integrierte Schaltung der Abzweige- und Hinzufügungsvorrichtung ist in FIG. 10 gezeigt. Hier sind der Ein- und Austrittswellenleiter 31', 7', die Retroreflektoren 27' und der Laser L1' und Detektor 29' in einem optischen Chip 35 definiert. Jedes Retroreflektorelement umfaßt ein Paar Wellenleiter 37, 39, die entweder über Endspiegel 41 (FIG.10) oder über ein Gitter 43 geeigneter Länge (FIG. 11) gekoppelt sind. Es ist anzumerken, daß die Ein- und Austrittswellenleiter um eine feste Distanz "d", beabstandet sind und daß die Retroreflektorpaare 37, 39 und Detektor- und Laserleitungen 45, 47 um dieselbe Distanz "d" beabstandet sind. Dies stellt sicher, daß der Laser L1' und Austrittsleiter 7' sowie der Detektor 29' und Eintrittsleiter 31' für dieselbe Wellenlänge gekoppelt sind. Auch sind die Ein- und Austrittsleiter 31', 7' und entsprechenden Leiter 37, 39 jJedes einzelnen Retroreflektorelements in entsprechender Weise für dieselbe jeweilige Wellenlänge gekoppelt.
  • Es ist festzustellen, daß die Erfindung nicht auf die speziellen oben beispielhalber diskuttierten Anordnungen beschränkt ist. Insbesondere kann die optische Anordnung alternative Komponenten, z.B. einige Linsen, Transmissionsgitter, Prismen, Spiegel usw. enthalten, und die Anordnung ist nicht auf die Littrow-Konfiguration beschränkt. Für einige Anwendungen könnten eher durchlässige als reflektierende optische Anordnungskonfigurationen sich als vorteilhaft erweisen und sind aus dem generellen Schutzumfang der Erfindung nicht ausgeschlossen.

Claims (11)

1. Vorrichtung für optisches Wellenlängenmultiplexen, eine Vorrichtung der Art, die umfaßt:
eine optische Anordnung (9) zur Parallelrichtung, Zerstreuung und Fokussierung von Licht;
einen Laser (L1'), der zumindest funktional an oder nahe bei einem Brennpunkt dieser Anordnung (9) liegt; und
einen Austrittslichtwellenleiter (7; 7'), der an oder nahe bei einem gemeinsamen und konjugierten Brennpunkt dieser Anordnung (9) liegt und so angeordnet ist, um Licht zu empfangen, das von diesem einen Laser (L1') ausgesandt worden ist;
wobei der Lichtwellenleiter (7; 7') eine Reflexionssteigerungseinrichtung (17; 17'; 17") aufweist, um so von diesem einen Laser (L1') ausgesandtes Licht zu reflektieren und hierdurch dessen Resonanzemission zu steuern,
dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Laser (L1'; Ln') einen entsprechenden angrenzenden Detektor (29, 29' ) aufweist, wobei das (die) Laserdetektorpaar(e) mit einem oder mehreren Retro- Reflektoren (27; 27') an oder nahe einer gemeinsamen Brennebene der optischen Anordnung (9) lokalisiert ist (sind); wobei der Austrittslichtwellenleiter (7; 7') einen angrenzenden Eintrittslichtwellenleiter (31; 31') aufweist, der hiermit gepaart ist, wobei beide Lichtwellenleiter an konjugierten Brennpunkten lokalisiert sind, wodurch die Vorrichtung als eine Abzweige- und Hinzufügungsvorrichtung dient, in der Licht vom Eintrittslichtwellenleiter durch die Retro-Reflektoren für sämtliche Wellenlängenkanäle außer für den (die) Kanal (Kanäle) auf den Austrittslichtwellenleiter zurückgeleitet wird, der (die) dem des (der) Laserdetektorpaars(e) entspricht (entsprechen), wobei der (die) Detektor(en) Licht von der Eintrittsfaser einpfängt (empfangen) und der (die) Laser der Austrittsfaser Licht zuführt (zuführen).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher der oder jeder Laser ein Fabry-Perot-Typ Laser ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, in welcher der oder jeder Laser eine Frontfacette (15) aufweist, die mit einem Antireflexionsfilm beschichtet ist,
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, in welcher der oder jeder Laser eine Frontfacette (15) aufweist, die mit einem teilweise reflektierenden Film beschichtet ist, wobei der Gehäusehohlraum des Lasers (L1') und der äußere Hohlraum (der von der optischen Anordnung (9) und der Reflexionssteigerungseinrichtung (17; 17'; 17") gebildet wird) als Resonanzhohlräume gekoppelt sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Laser (L1'; Ln') von gleicher Art sind und nominell dieselbe Mittenwellenlänge aufweisen, wobei die Laser (L1' bis Ln') so zusammengefügt sind, daß sie ein Gruppierungsinterface (3') bilden und sämtlich an oder nahe bei entsprechenden Brennpunkten der optischen Anordnung (9) lokalisiert sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die optische Anordnung derart ist, daß die gemeinsame Brennebene und die konjugierten Brennpunkte koplanar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, in welcher beide, die Lichtwellenleiter (7'; 31') und jeder Retro-Reflektor (27') als Teil einer optischen integrierten Schaltung (35) verwirklicht sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, in welcher der oder Jeder Laser und Jeder entsprechende Detektor (29') gleichermaßen als Teil dieser selben optischen integrierten Schaltung (35) ausgeführt sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, in welcher der oder jeder Lichtwellenleiter (7; 31) die Form einer Lichtleitfaser aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, in welcher die Lichtleitfaser (7) einen eingebetteten Reflektor (17) enthält, der später als diese Reflektorsteigerungseinrichtung dient.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher dieser eine Lichtwellenleiter die Form einer Lichtleitfaser aufweist, wobei diese Faser ein Paar eingebetteter und beabstandeter Etalon-Reflektoren (17; 17') umfaßt.
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