DE4335428A1 - Optical frequency splitter using Bragg diffraction directional couplers - Google Patents
Optical frequency splitter using Bragg diffraction directional couplersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine optische Frequenzweiche mit hoher Selektivität für die optische Nachrichtentechnik.The invention relates to an optical crossover with high Selectivity for optical communications technology.
Bekannt ist, daß Wellenleiterkoppler allein schon selektive Eigenschaften aufweisen, da bei entsprechender Koppellänge die Energie frequenzabhängig zwischen beiden Wellenleitern pendelt. Durch entsprechende Dimensionierung wird erreicht, daß für eine Wellenlänge vollständiges Vorwärtsübersprechen (0-dB-Kopplung) und für die andere kein Vorwärtsübersprechen erfolgt.It is known that waveguide couplers are selective by themselves Have properties, because with a suitable coupling length the Energy oscillates between the two waveguides depending on the frequency. By appropriate dimensioning it is achieved that for a Wavelength full forward crosstalk (0 dB coupling) and for the other there is no forward crosstalk.
Solche Frequenzweichen haben den Nachteil, daß sie nur für bestimmte Einsatzbereiche geeignet sind, da nur geringe Selektivität erreicht wird, die relativen Minimalbandbreiten bei einigen Prozent liegen, und vor allem periodisches Verhalten vorliegt.Such crossovers have the disadvantage that they are only for certain areas of application are suitable, since only small Selectivity is achieved, the relative minimum bandwidths a few percent, and especially periodic behavior is present.
Weiterhin ist eine Ausführung bekannt, die prinzipiell die Anforderung an eine hochselektive Frequenzweiche erfüllt. Sie besteht aus zwei 3-dB-Kopplern, wobei die beiden hinteren Tore des ersten Kopplers jeweils mit den beiden vorderen Toren des zweiten Kopplers verbunden sind und je ein Bragg-Gitter in den Verbindungsleitungen zwischen den Kopplern vorgesehen ist. Im Reflexionsband der Gitter wird der erste Koppler zweimal durchlaufen, so daß sich die beiden 3 dB-Kopplungen zu 0 dB addieren und volles Rückwärtsübersprechen auftritt. Außerhalb des Reflexionsbandes wirken beide Koppler zusammen als 0-dB-Koppler, so daß volles Vorwärtsübersprechen resultiert.Furthermore, an embodiment is known, which in principle the Requires a highly selective crossover. she consists of two 3 dB couplers, the two rear gates of the first coupler with the two front gates of the second Couplers are connected and a Bragg grating in each Connection lines between the couplers is provided. in the Reflection band of the grating becomes the first coupler twice run through, so that the two 3 dB couplings to 0 dB add and full reverse crosstalk occurs. Outside of Reflection band, both couplers act together as a 0 dB coupler, see above that full forward crosstalk results.
Nachteile dieser Lösung sind die Forderung an die exakte Gleichheit der optischen Weglänge auf beiden Verbindungen zwischen dem ersten Koppler und den Gittern, zwischen den Gittern und dem zweiten Koppler und in den Gittern selbst. Diese Gleichheiten auf kleine Bruchteile einer optischen Wellenlänge sind technologisch sehr schwer zu realisieren. Disadvantages of this solution are the requirement for exact equality the optical path length on both connections between the first Coupler and the grilles, between the grilles and the second Coupler and in the grilles themselves. These parities on small Fractions of an optical wavelength are very technological difficult to realize.
Bekannt sind weiterhin unsymmetrische Faserkoppler mit einem Gitter in einer der Fasern mit der Gitterkonstanten Λ und den Effektivbrechzahlen n₁ und n₂ der beiden Fasern. Kopplung durch das Gitter entsteht, wenn A gleich der Schwebungswellenlänge der zu koppelnden Moden ist. Daher resultiert Reflexion in einer der Fasern bei den WellenlängenUnsymmetrical fiber couplers with a grating are also known in one of the fibers with the lattice constant Λ and the Effective refractive indices n₁ and n₂ of the two fibers. Coupling through the Grating occurs when A is equal to the beat wavelength of the coupling modes. Therefore, reflection results in one of the Fibers at the wavelengths
λR1=²n₁Λ und λR2=²n₂Λ (1)λ R1 = ²n₁Λ and λ R2 = ²n₂Λ (1)
und das gewünschte Rückwärtsübersprechen beiand the desired reverse crosstalk
λE=(n₁+n₂)Λ (2).λ E = (n₁ + n₂) Λ (2).
Die Unsymmetrie dient dazu, Rückwärtsübersprechen und Reflexion frequenzmäßig zu trennen. Außerdem erfolgt Vorwärtsübertragung in jeder Faser und das für Faserkoppler übliche Vorwärtsübersprechen.The asymmetry is used for backward crosstalk and reflection to separate in frequency. Forward transmission also takes place in each fiber and the forward crosstalk common to fiber couplers.
Nachteil dieser Koppler ist, daß ihr Verhalten in vielerlei Hinsicht von einer idealen Frequenzweiche entfernt ist, da insbesondere auf Grund der Unsymmetrie weder vollständiges Vorwärts- noch Rückwärtsübersprechen erzielt wird.The disadvantage of this coupler is that it behaves in many ways Is away from an ideal crossover because especially due to the asymmetry, neither complete Forward or backward crosstalk is achieved.
Aufgabe der Erfindung ist es, in einer technologisch einfacher zu realisierenden Frequenzweiche, die Vorteile der Bragg-Gitter voll zur Wirkung zu bringen.The object of the invention is to be technologically simpler realizing crossover, the full benefits of the Bragg grating to bring effect.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem an sich bekannten Richtkoppler im Bereich der Koppellänge der Wellenleiter mindestens ein Bragg-Gitter erzeugt wird.According to the invention the object is achieved in that in one known directional couplers in the range of the coupling length of the Waveguide is generated at least one Bragg grating.
Durch die Verlagerung der Bragg-Gitter in den Bereich der Koppellänge der Wellenleiter, wird die Herstellung der Frequenzweiche technologisch beherrschbar, und die vorteilhafte Wirkung der Bragg-Gitter, Reflexionen mit schmaler Bandbreite, können voll zur Wirkung gebracht werden. Der reflektierte Anteil der Leistung steht vorzugsweise am nichtgespeisten Eingang des Kopplers zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.By relocating the Bragg grating to the area of Coupling length of the waveguide, will manufacture the Crossover technologically controllable, and the advantageous Effect of the Bragg grating, reflections with a narrow bandwidth, can be fully effective. The reflected part the power is preferably at the non-powered input of the Coupler available for further processing.
Durch entsprechende Wahl der Gitterkonstanten und Gitterlänge bei der Erzeugung des Bragg-Gitters, können Reflexionen bestimmter Wellenlänge und Bandbreite erzeugt und abgenommen werden. Denkbar ist auch die kaskadenförmige Zusammenschaltung von n erfindungsgemäßen Frequenzweichen, um eine größere Anzahl von schmalbandigen Trägerfrequenzen zur Verfügung zu stellen. Der Vorteil besteht darin, daß durch die geringe Bandbreite viele Kanäle pro Nanometer Wellenlänge bereitgestellt werden können.By selecting the lattice constants and lattice length accordingly generation of the Bragg grating, reflections can be certain Wavelength and bandwidth are generated and accepted. Conceivable is also the cascade-like interconnection of n crossovers according to the invention to a larger number of to provide narrowband carrier frequencies. Of the The advantage is that due to the small bandwidth many Channels per nanometer wavelength can be provided.
Bedingung für eine ideale Frequenzweiche der erfindungsgemäßen Art ist, daß die relative Differenz der Phasenkoeffizienten von Gleich- und Gegentaktwelle des Richtkopplers klein ist gegenüber der relativen Bandbreite der Gitterreflexion.Condition for an ideal crossover of the type according to the invention is that the relative difference in phase coefficients from and push-pull shaft of the directional coupler is small compared to that relative bandwidth of grating reflection.
Außerdem sollte der Richtkoppler zumindest funktionell symmetrisch sein.In addition, the directional coupler should be at least functionally symmetrical his.
Bei der wichtigen Ausführung in Anspruch 2 wird aus dem Eingangsspektrum ein schmales Band reflektiert. Die Frequenz wird durch die Gitterkonstante bestimmt. Bei größeren Gitterlängen ist die Lage des Reflexionsschwerpunktes zu beachten und dabei eine Anordnung nach Anspruch 3 zu verwenden.In the important embodiment in claim 2, the Input spectrum reflected a narrow band. The frequency will determined by the lattice constant. With longer grid lengths to take into account the position of the center of reflection and a Use arrangement according to claim 3.
Sollen breitere Bänder oder mehrere Einzelfrequenzen von einem entsprechend dimensionierten Gitter reflektiert werden, so wird die Gitterlänge groß. Da außerdem die Orte der 3 dB-Kopplung wellenlängenabhängig sind, ist eine Anordnung nach Anspruch 4 vorzusehen. Außerdem kann die Gesamtlänge des Kopplers so gewählt werden, daß für die nichtreflektierten interessierenden Frequenzen volles Übersprechen, nämlich für (βeven-βodd)·1=(n+1/2)π, oder kein Übersprechen für (βeven-βodd)·1=nπ auftritt oder, daß die Leistung in einem bestimmten Verhältnis aufgeteilt wird.If broader bands or several individual frequencies are to be reflected by a correspondingly dimensioned grating, the grating length becomes long. Since the locations of the 3 dB coupling are also wavelength-dependent, an arrangement according to claim 4 is to be provided. In addition, the total length of the coupler can be selected such that full crosstalk, namely for (β even -β odd ) · 1 = (n + 1/2) π, or no crosstalk for (β even -β odd ) for the frequencies that are not reflected ) · 1 = nπ occurs or that the power is divided in a certain ratio.
Bei Verwendung von Faserschmelzkopplern liegt im wesentlichen nur ein gemeinsamer Wellenleiter und damit ein gemeinsames Gitter vor. Da die Kerne nahezu unwirksam werden erfolgt die Lichtleitung in der Hauptsache durch das Mantelmaterial. Bei fotorefraktiver Erzeugung des Gitters ist die Verwendung von Fasern, bei denen auch die Mäntel oder Teilquerschnitte derselben GeO₂-dotiert bzw. kodotiert sind, von Vorteil. Eine andere Variante ist die Erzeugung des Gitters an der Manteloberfläche durch Ätzung von Rillen um den Mantel herum.When using fiber fusion couplers is essentially only a common waveguide and thus a common grating. Since the cores become almost ineffective, the light is guided in the main thing is through the jacket material. With photorefractive Generation of the lattice is the use of fibers, too the sheaths or partial cross-sections of the same GeO₂-doped or are coded, an advantage. Another variant is generation of the grid on the surface of the jacket by etching grooves around the Coat around.
Sofern Faserschleifkopplern verwendet werden, bleiben die Lichtwellenleiterkerne im wesentlichen wirksam. Hier wird das auf fotorefraktivem Wege erzeugte Gitter, in den durch die Kopplung dicht benachbarten Lichtwellenleitern, bevorzugt gemeinsam hergestellt. Einzelne Einbringung in die Schleifkopplerhälften ist möglich. Da die Lichtleitung im wesentlichen durch den Kern erfolgt, ist nur die übliche Faser mit GeO₂-Dotierung des Kerns erforderlich.If fiber loop couplers are used, they remain Optical fiber cores are essentially effective. Here's where photorefractive path generated lattice in the by coupling closely adjacent optical fibers, preferably together manufactured. Single insertion into the coupling halves is possible. Since the light conduction essentially through the core done, is only the usual fiber with GeO₂ doping of the core required.
Befindet sich das erzeugte Gitter nicht an der Stelle der optimalen optischen Weglänge, wird dessen Lage auf fotorefraktivem Wege gemäß Anspruch 8 nachjustiert. Die Justierung erfolgt durch Bestrahlung von jeweils einzelnen Faserkernen mit fokusiertem unstrukturierten UV-Licht.If the generated grid is not in the place of optimal optical path length, its location is photorefractive Readjusted paths according to claim 8. The adjustment is made by Irradiation of individual fiber cores with focused unstructured UV light.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß sich Frequenzweichen der beschriebenen Art einfach herstellen lassen und sich durch hohe selektive Wirkung auszeichnen.The advantage of the solution according to the invention is that Simply produce crossovers of the type described and are characterized by a high selective effect.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigtThe invention is explained in more detail below using an example. In the drawing shows
Fig. 1 einen 0-dB-Faserschmelzkoppler mit Bragg-Gitter Fig. 1 shows a 0 dB fiber fusion coupler with Bragg grating
In Fig. 1 ist ein Faserschmelzkoppler dargestellt. Die Fasern 1 und 2 mit ihren Kernen 4 und Mänteln 5, sind im Koppelbereich 6 miteinander verschmolzen, stark gedehnt und damit verjüngt. Die Faserkerne, die außerhalb des Koppelbereiches für die Lichtführung verantwortlich sind, sind im mittleren Bereich kaum wirksam. Das Licht wird stärker durch den vom Mantelmaterial gebildeten Wellenleiter geführt. Zur Analyse wurde das Modell der Überlagerung von Gleich- und Gegentaktwelle benutzt. Sie entsprechen der LP₀₁- bzw. LP₁₁-Welle im mittleren Bereich. Erfindungsgemäß wird der Koppler in der Mitte der Koppellänge der Wellenleiter mit dem Bragg-Gitter versehen. Die Erzeugung des Gitters erfolgt fotorefraktiv. Da der fotorefraktive Effekt derzeit nur bei Germaniumdioxid-Dotierung erzielbar ist, sind Fasern mit GeO₂- dotiertem Mantel zu verwenden. Die Radiusabhängigkeit der Dotierung kann die unterschiedliche Feldverteilung von LP₀₁ und LP₁₁ dergestalt berücksichtigen, daß die effektive Brechzahländerung für beide Moden gleich ist und darüber hinaus die Polarisationsabhängigkeit vermindert wird.In Fig. 1, a fiber fusion coupler is shown. The fibers 1 and 2 with their cores 4 and shells 5 are fused together in the coupling area 6 , greatly stretched and thus tapered. The fiber cores, which are responsible for guiding the light outside the coupling area, are hardly effective in the central area. The light is guided more strongly through the waveguide formed by the cladding material. The model of the superimposition of common and push-pull wave was used for the analysis. They correspond to the LP₀₁ or LP₁₁ wave in the middle. According to the invention, the coupler is provided with the Bragg grating in the middle of the coupling length of the waveguide. The grid is generated photorefractive. Since the photorefractive effect can currently only be achieved with germanium dioxide doping, fibers with a GeO₂-doped cladding are to be used. The radius dependence of the doping can take into account the different field distribution of LP₀₁ and LP₁₁ in such a way that the effective change in refractive index is the same for both modes and, moreover, the polarization dependence is reduced.
Ist z. B. die effektive, d. h. bewertet gemittelte, jeweilige Brechzahländerung im Gitter Δn=10-4 - 10-3, dann werden für eine maximale Gesamtreflexion von etwa 1 für einfache Gitter etwa 3·10⁴ - 3·10³ Gitterperioden mit der halben Faserwellenlänge benötigt. Es resultieren im 1,55 µm-Band Gitterlängen von 15-1,5 mm und Bandbreiten von etwa 30-300 GHz.Is z. B. the effective, ie weighted average, respective refractive index change in the grating Δn = 10 -4 - 10 -3 , then about 3 · 10lex - 3 · 10³ grating periods with half the fiber wavelength are required for a maximum total reflection of about 1 for simple grating. This results in grating lengths of 15-1.5 mm and bandwidths of approximately 30-300 GHz in the 1.55 µm band.
Claims (8)
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DE19934335428 DE4335428A1 (en) | 1993-10-18 | 1993-10-18 | Optical frequency splitter using Bragg diffraction directional couplers |
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