DE60031471T2 - Verzweiger zur Verwendung mit einem optischen Verstärker - Google Patents

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Description

  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein optische Kommunikationssysteme und insbesondere optische Verstärker.
  • 2. Allgemeiner Stand der Technik
  • Optische Kommunikationssysteme enthalten in der Regel eine Vielzahl verschiedener Vorrichtungen (zum Beispiel Lichtquellen, Photodetektoren, Schalter, optische Fasern, Modulatoren, Verstärker und Filter). Zum Beispiel erzeugt in dem optischen Kommunikationssystem 1, das in 1 gezeigt ist, eine Lichtquelle 2 ein optisches Signal. Das optische Signal weist eine Serie von Lichtimpulsen auf. Die Lichtimpulse werden von der Lichtquelle 2 zu einem Detektor 5 übertragen. In der Regel überträgt eine optische Faser 4 die Lichtimpulse von der Lichtquelle 2 zu dem Detektor 5.
  • Viele optische Fasern sind mit Verlusten behaftet, weil sie Teile von Lichtimpulsen, die durch sie hindurch übertragen werden, streuen (oder absorbieren) (etwa 0,1–0,2 dB/km). Wenn Teile der Lichtimpulse, die durch eine optische Faser hindurch übertragen werden, gestreut (oder absorbiert) werden, so wird die optische Leistung solcher Lichtimpulse verringert. Um optische Leistungsverluste, die der Verlusteigenschaft von optischen Fasern zuzuschreiben sind, zu kompensieren, werden optische Verstärker 6 entlang der optischen Fasern 4 angeordnet. Die optischen Verstärker 6 erhöhen die optische Leistung der Lichtimpulse, damit sich Lichtimpulse mit ausreichenden Signalstärken entlang der optischen Faser 4 von der Lichtquelle 2 zu dem Detektor 5 ausbreiten.
  • Optische Verstärker eignen sich auch zum Übertragen optischer Signale durch den freien Raum. Solche Freiraumsender eignen sich für Satellitenkommunikationsverbindungen, Gebäude-zu-Gebäude-Verbindungen, stadtinterne Verbindungen, Schiff-zu-Pier-Verbindungen und dergleichen. Die optischen Verstärker stellen die optischen Hochleistungssignale (etwa 100 Milliwatt bis etwa 10 Watt) bereit, die für die Übertragung über solche Verbindungen benötigt werden.
  • Eine aufgeschnittene Ansicht eines optischen Verstärkers 6, der sich für optische Kommunikationssysteme oder optional als ein Freiraumsender eignet, ist in 2A gezeigt. Der optische Verstärker 6 ist ein optischer Mantelpumpverstärker. Der optische Mantelpumpverstärker enthält eine Mantelpumpfaser 10 und ein Faserbündel 20.
  • Das Faserbündel 20 hat mehrere Mehrmodenfasern 22 (zum Beispiel 6–19) und eine Einmodenfaser 24. Die Einmodenfaser 24 befindet sich etwa in der Mitte des Faserbündels 20. Die Mehrmodenfasern 22 übertragen Pumplicht. Die Einmodenfaser 24 überträgt optische Signale.
  • Die mehreren Mehrmodenfasern 22 und die Einmodenfaser 24 werden zu einem Bündel verschmolzen. Das Bündel hat einen Durchmesser, der so verjüngt ist, dass er an die Größe und numerische Apertur (NA) der Mantelpumpfaser 10 angepasst ist. Die mehreren Mehrmodenfasern 22 nahe dem verjüngten Ende des Faserbündels 20 sind mit der Mantelpumpfaser 10 verbunden.
  • Eine Pumpdiode 25 ist mit jeder Mehrmodenfaser 22 in dem Faserbündel 20 verbunden. Die Pumpdiode 25 ist mit dem distalen Ende des verjüngten Faserbündels 20 verbunden. Pumpdioden sind Halbleiterbauelemente, die dafür konfiguriert sind, Licht mit bestimmten Wellenlängen auszusenden (zum Beispiel 915 Nanometer (nm), 980 nm).
  • Eine Querschnittsansicht der Mantelpumpfaser 10 ist in 2B gezeigt. Die Mantelpumpfaser 10 enthält einen Einmodenkern 12, einen ersten Mantel 14 und einen zweiten Mantel 16. Der Einmodenkern 12 besteht aus Siliciumdioxid, das mit einem oder mehreren ionisierten Seltenerdenelementen (zum Beispiel Nd3+, Yb3+, Tm3+ und Er3+) dotiert ist. Der Einmodenkern 12 hat in der Regel einen Durchmesser von etwa 4 μm bis etwa 8 μm. Das optische Signal wird von der Einmodenfaser 24 zu dem Einmodenkern 12 übertragen.
  • Der Einmodenkern 12 ist von einem ersten Mantel 14 umgeben. In 2B ist der erste Mantel 14 mit einem "sternförmigen" Querschnitt gezeigt. Der erste Mantel 14 kann jedoch optional auch einen (nicht gezeigten) "rechteckigen" oder einen (nicht gezeigten) "D-förmigen" Querschnitt haben. Der erste Mantel 14 besteht in der Regel aus Siliciumdioxid mit einem Brechungsindex, der für das Übertragen des Pumplichts geeignet ist.
  • Pumplicht von den Pumpdioden 25 wird von den Mehrmodenfasern 22 zu dem ersten Mantel 14 geleitet. Während sich das Pumplicht durch den ersten Mantel 14 hindurch ausbreitet, erregt es die ionisierten Seltenerdenelemente in dem Einmodenkern 12, wodurch es zu einer Populationsumkehrung kommt. Eine Populationsumkehrung entsteht, wenn sich mehr Elektronen innerhalb der ionisierten Seltenerdenelemente im erregten Zustand befinden, als sich im Grundzustand befinden. Die Energie, die in der umgekehrten Population erregter Seltenerdenelemente gespeichert ist, wird zu den optischen Signalen übertragen, die sich entlang dem Einmodenkern 12 ausbreiten, wodurch die optischen Signale eine Zunahme der optischen Leistung (d. h. eine Verstärkung) erfahren. Um die Populationsumkehrung von ionisierten Seltenerdenelementen in dem Einmodenkern 12 hervorzurufen, muss die Wellenlänge des Pumplichts mindestens einer Absorptionslinie für ein solches ionisiertes Seltenerdenelement entsprechen. Zum Beispiel entspricht Pumplicht mit 975 nm einer Absorptionslinie von Erbium (Er+3).
  • Der erste Mantel 14 ist von dem zweiten Mantel 16 umgeben. Der zweite Mantel 16 besteht aus einem fluorierten Polymer mit geringem Brechungsindex oder einem Glas mit geringem Brechungsindex. Der zweite Mantel 16 hat ein Brechungsindex, der sich von dem Brechungsindex des ersten Mantels 14 unterscheidet. Der Unterschied bei den Brechungsindizes des ersten Mantels 14 und des zweiten Mantels 16 schließt das Pumplicht im Wesentlichen innerhalb des ersten Mantels 14 ein und verhindert, dass es unbeabsichtigt aus der Mantelpumpfaser 10 austritt. Wenn der Brechungsindex des ersten Mantels 14 zum Beispiel etwa 1,46 beträgt und der Brechungsindex des zweiten Mantels 16 etwa 1,38 beträgt, so schließt der Unterschied zwischen den zwei Indizes etwa 90% des Pumplichts in dem ersten Mantel ein.
  • Die elektrische Effizienz eines optischen Verstärkers wird als das Verhältnis der effektiven optischen Ausgangsleistung des Verstärkers zu der Leistung, die zum Betreiben der Pumpdioden benötigt wird, berechnet. Die effektive optische Leistung des Verstärkers ist als die Verstärkerausgangsleistung abzüglich der Vorverstärkerleistung definiert. Die Leistung, die zum Betreiben der Pumpdioden benutzt wird, ist als die Anzahl der Dioden mal dem Produkt aus Strom und Spannung je Diode definiert. Wenn zum Beispiel eine Er+3/Yb+3-Mantelpumpfaser, die mit sechs Pumpdioden (betrieben mit etwa 1,7 Volt und etwa 1,5 Ampere) gepumpt wird, ein optisches Signal von 1550 nm aus einer Vorverstärkerleistung von etwa 120 mW auf eine Ausgangsleistung von etwa 1,2 W verstärkt, so hat die Er+3/Yb+3-Mantelpumpfaser eine elektrische Effizienz von etwa 7% (elektrische Effizienz = (1,2 W – 0,12 W)/(6 Dioden × 1,7 Volt × 1,5 Ampere) × 100). Das bedeutet, dass nur etwa 7% der elektrischen Leistung zum Verstärken von optischen Signalen verwendet werden, die in den optischen Verstärker eingespeist werden.
  • In einigen Kommunikationssystemen (zum Beispiel Satellitenkommunikationssystemen) steht eine begrenzte Menge an elektrischer Leistung für den Systembetrieb zur Verfügung. Optische Verstärker mit geringen elektrischen Effizienzen (weniger als etwa 10%) sind für die Verwendung in solchen Kommunikationssystemen unzweckmäßig, weil sie einen erheblichen Teil der verfügbaren Leistung verbrauchen, was möglicherweise die Leistung verringert, die zum Betreiben anderer Vorrichtungen in dem System zur Verfügung steht. Außerdem stehen die Kosten einiger Kommunikationssysteme in direktem Zusammenhang mit der elektrischen Leistung, die zum Betreiben der darin enthaltenen Vorrichtungen benötigt wird. Genauer gesagt, steigen die Kosten des Kommunikationssystems in dem Maße, wie der elektrische Strom zunimmt, der für den Betrieb der Vorrichtungen in dem System benötigt wird. Dementsprechend besteht Bedarf an optischen Kommunikationssystemen, die eine höhere Effizienz aufweisen.
  • EP-A-0779687 beschreibt einen Einmoden-Lichtwellenleiterverstärker, der nicht-genutztes Pumplicht zu anderen Vorrichtungen umlenkt.
  • EP-A-0497243 beschreibt eine Anordnung zum Einleiten von multimodalem Pumplicht in einen Faserverstärker; und WO 98/12589 und JP60 010219 beschreiben jeweils Anordnungen zum Umschalten eines optischen Pfades.
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Kommunikationssystem gemäß den Merkmalen von Anspruch 1. Ein Strahlverzweiger wird dafür verwendet, einen Teil des Pumplichts, das in einen optischen Verstärker in einem optischen Kommunikationssystem eingespeist wird, auf mindestens eine weitere Vorrichtung in dem optischen Kommunikationssystem zu richten. Der Strahlverzweiger ist dafür konfiguriert, optische Signale sowie Pumplicht zu empfangen. Der Strahlverzweiger richtet einen Teil des Pumplichts, das in einen optischen Verstärker in dem optischen Kommunikationssystem eingespeist wird, auf weitere Vorrichtungen (zum Beispiel optische Verstärker, Filter und Modulatoren) des optischen Kommunikationssystems. Das Richten eines Teils des Pumplichts, das in einen optischen Verstärker in dem optischen Kommunikationssystem eingespeist wird, auf weitere Vorrichtungen in dem optischen Kommunikationssystem spart elektrische Energie durch Verringern der elektrischen Gesamtleistung, die für das Betreiben eines solchen optischen Kommunikationssystems benötigt wird.
  • Der optische Verstärker hat einen Aufbau, bei dem eine Mantelpumpfaser mit einem Faserbündel gekoppelt ist. Die Mantelpumpfaser hat einen Einmodenkern, der mit einem ionisierten Seltenerdenelement (zum Beispiel Nd3+, Yb3+, Tm3+ und Er3+) dotiert ist, einen ersten Mantel und einen zweiten Mantel. Der erste Mantel umgibt den Einmodenkern, während der zweite Mantel den ersten Mantel umgibt.
  • Optische Signale werden entlang dem Einmodenkern übertragen. Pumplicht wird entlang dem ersten Mantel übertragen. Das Pumplicht in dem ersten Mantel erregt die ionisierten Seltenerdenelemente in dem Einmodenkern, wodurch eine Populationsumkehrung bei diesen ionisierten Seltenerdenelementen hervorgerufen wird. Ein Teil der Energie, die in der umgekehrten Population der erregten Seltenerdenelemente gespeichert ist, wird zu den optischen Signalen übertragen, die entlang dem Einmodenkern übertragen werden, wodurch deren optische Leistung gesteigert wird.
  • Das Faserbündel enthält mehrere Mehrmodenfasern und eine Einmodenfaser, die miteinander verschmolzen sind. Die Einmodenfaser ist vorzugsweise ungefähr in der Mitte des Faserbündels angeordnet. Das Anordnen der Einmodenfaser ungefähr in der Mitte des Faserbündels unterstützt die Ausrichtung zwischen der Einmodenfaser und dem Einmodenkern, wenn das Faserbündel mit der Mantelpumpfaser gekoppelt wird. Der erste Mantel ist über eine oder mehrere Mehrmodenfasern in dem Faserbündel mit einer Quelle für Pumplicht gekoppelt.
  • Pumpdioden sind optional mit einer oder mehreren der Mehrmodenfasern in dem Faserbündel gekoppelt. Die Pumpdioden sind eine Quelle für Pumplicht für den optischen Verstärker.
  • Viele optische Verstärker haben geringe elektrische Effizienzen (weniger als etwa 10%). Somit wird nur ein kleiner Teil der elektrischen Leistung, die von den Pumpdioden in den optischen Verstärker eingespeist wird (weniger als etwa 10%), zum Verstärken optischer Signale verwendet.
  • In einer Ausführungsform des optischen Kommunikationssystems der vorliegenden Erfindung ist ein Strahlverzweiger mit einem Ausgang des optischen Verstärkers gekoppelt. Der Strahlverzweiger ist dafür konfiguriert, sowohl die verstärkten optischen Signale als auch das nicht-genutzte Pumplicht des optischen Verstärkers zu empfangen. Der Strahlverzweiger lenkt einen Teil des nicht-genutzten Pumplicht zu mindestens einer weiteren Vorrichtung in dem optischen Kommunikationssystem um, um dort genutzt zu werden.
  • Der Strahlverzweiger lenkt den Teil des nicht-genutzten Pumplichts zu anderen Vorrichtungen in dem optischen Kommunikationssystem unter Verwendung einer oder mehrerer Schichten eines mindestens teilweise reflektierenden Materials auf einem Substrat um. Die eine oder die mehreren Schichten des mindestens teilweise reflektie renden Materials reflektieren Licht vorzugsweise mit der Wellenlänge des Pumplichts. Wenn zum Beispiel das Pumplicht eine Wellenlänge von etwa 975 nm hat, so ist es zweckmäßig, dass die eine oder die mehreren Schichten des mindestens teilweise reflektierenden Materials aus einem Material bestehen, das Licht mit einer Wellenlänge von etwa 975 nm reflektiert. Zu Materialien, die sich zur Herstellung der einen oder mehreren Schichten des mindestens teilweise reflektierenden Materials eignen, gehören beispielsweise Metalle, dielektrische Materialien und Polymere. Zu geeigneten Substratmaterialien gehören Silicium, Quarzglas und Quarz.
  • Der Strahlverzweiger lenkt optional den Teil des nicht-genutzten Pumplichts zu der mindestens einen weiteren Vorrichtung in dem optischen Kommunikationssystem mit strukturierten Schichten des mindestens teilweise reflektierenden Materials auf dem Substrat. Durch das Strukturieren einer oder mehrerer der Schichten aus mindestens teilweise reflektierendem Material entstehen Regionen auf dem Substrat, die bei der Wellenlänge des Pumplichts reflektieren, sowie Regionen auf dem Substrat, die nicht bei der Wellenlänge des Pumplichts reflektieren. Die eine oder die mehreren Schichten werden zum Beispiel durch Ausbilden von Streifen des teilweise reflektierenden Materials auf dem Substrat strukturiert.
  • Alternativ lenkt der Strahlverzweiger den Teil des nicht-genutzten Pumplichts mit Hilfe mikromechanischer Schichten um. Der Begriff "mikromechanisch" meint im Sinne dieser Beschreibung mindestens teilweise reflektierende bewegliche Schichten auf dem Substrat. Wenn die mindestens teilweise reflektierenden Schichten mikromechanisch sind, so wird das Umlenken des Pumplichts durch die Bewegung dieser Schichten relativ zu dem Substrat gesteuert. Zum Beispiel können die eine oder die mehreren Schichten des mindestens teilweise reflektierenden Materials relativ zu dem Substrat mit Hilfe eines Mechanismus bewegt werden, der auf elektrostatischer Anziehung beruht. Zu geeigneten Mechanismen, die auf elektrostatischer Anziehung beruhen, gehören kapazitive Parallelplattenantriebe und kapazitive Kammantriebe.
  • In einer alternativen Ausführungsform des optischen Kommunikationssystems der vorliegenden Erfindung ist der Strahlverzweiger mit einem Eingang des optischen Verstärkers gekoppelt. Wenn der Strahlverzweiger an den Eingang des optischen Verstärkers gekoppelt ist, so wird ein Teil des Pumplichts von einer oder mehreren der Mehrmodenfasern zu anderen Vorrichtungen in dem optischen Kommunikationssystem übertragen.
  • Weitere Aufgaben oder Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen lediglich der Veranschaulichung dienen und die Erfindung nicht einschränken. Die vorliegende Erfindung wird allein durch die angehängten Ansprüche eingeschränkt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein optisches Kommunikationssystem, das eine Lichtquelle, einen optischen Verstärker und eine Detektor enthält.
  • 2A zeigt eine aufgeschnittene Ansicht eines optischen Verstärkers, der sich zur Verwendung in dem optischen Kommunikationssystem von 1 eignet und eine Mantelpumpfaser und ein Faserbündel enthält.
  • 2B zeigt eine Querschnittsansicht der Mantelpumpfaser von 2A.
  • 3 zeigt das optische Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung, wobei ein Strahlverzweiger an den Ausgang eines optischen Verstärkers gekoppelt ist.
  • 4A zeigt eine aufgeschnittene Ansicht eines Substrats mit einem darauf angeordneten kapazitiven Kammantrieb.
  • 4B zeigt eine aufgeschnittene Ansicht eines Substrats mit einem darauf angeordneten kapazitiven Parallelplattenantrieb.
  • 5A veranschaulicht eine Konfiguration für den Aufbau des Strahlverzweigers, der in 3 gezeigt ist.
  • 5B veranschaulicht eine alternative Konfiguration für den Aufbau des Strahlverzweigers, der in 3 gezeigt ist.
  • 6 zeigt das optische Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung, wobei der Strahlverzweiger an einen Eingang des optischen Verstärkers gekoppelt ist.
  • 7A ist ein Diagramm des Durchlassgrades, der als eine Funktion der Wellenlänge für die dielektrische Beschichtung A von Beispiel 1 aufgetragen ist.
  • 7B ist ein Diagramm des Durchlassgrades, der als eine Funktion der Wellenlänge für die dielektrische Beschichtung B von Beispiel 1 aufgetragen ist.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Kommunikationssystem, bei dem ein Strahlverzweiger benutzt wird, um einen Teil des Pumplichts, der in einen optischen Verstärker in einem optischen Kommunikationssystem eingespeist wird, zu mindestens einer weiteren Vorrichtung in dem optischen Kommunikationssystem zu richten. Der Strahlverzweiger ist dafür konfiguriert, optische Signale sowie Pumplicht zu empfangen. Der Strahlverzweiger richtet einen Teil des Pumplichts, das in einen optischen Verstärker in dem optischen Kommunikationssystem eingespeist wird, zu anderen Vorrichtungen (zum Beispiel optischen Verstärkern, Filtern und Modulatoren) des optischen Kommunikationssystems. Das Richten eines Teils des Pumplichts, das in einen optischen Verstärker in dem optischen Kommunikationssystem eingespeist wird, auf weitere Vorrichtungen in dem optischen Kommunikationssystem spart elektrische Energie durch Verringern der elektrischen Gesamtleistung, die für das Betreiben eines solchen optischen Kommunikationssystems benötigt wird.
  • Wie in 3 gezeigt, enthält das optische Kommunikationssystem 100 einen optischen Verstärker 101, der an einen Strahlverzweiger 110 gekoppelt ist. Das optische Kommunikationssystem 100 enthält außerdem eine Vielzahl verschiedener Vorrichtungen 111. Die Vorrichtungen 111 sind optional Lichtquellen, Photodetektoren, Schalter, Modulatoren und/oder Filter.
  • Optische Signale 107 werden in dem optischen Kommunikationssystem 100 entlang (nicht gezeigter) optischer Fasern übertragen, an den optischen Verstärker 101 gekoppelt sind. Die Wellenlänge der optischen Signale ist veränderlich.
  • Der optische Verstärker 101 hat einen Aufbau, der eine Mantelpumpfaser 103 enthält, die an ein Faserbündel 105 gekoppelt ist. Die Mantelpumpfaser 103 ist über einen (nicht gezeigten) Spleiß an das Faserbündel 105 gekoppelt.
  • Die Mantelpumpfaser 103 enthält einen (nicht gezeigten) Einmodenkern, einen (nicht gezeigten) ersten Mantel und einen (nicht gezeigten) zweiten Mantel. Der erste Mantel umgibt den Einmodenkern, während der zweite Mantel den ersten Mantel umgibt.
  • Der Einmodenkern besteht aus Siliciumdioxid, das mit einem oder mehreren ionisierten Seltenerdenelementen (zum Beispiel Nd3+, Yb3+, Tm3+ und Er3+) dotiert ist. Der Einmodenkern hat einen Durchmesser von etwa 4 μm bis etwa 8 μm.
  • Der erste Mantel besteht in der Regel aus Siliciumdioxid mit einem Brechungsindex, der für das Übertragen des Pumplichts geeignet ist. Der erste Mantel hat einen Querschnitt, dessen Form ausreicht, um mindestens etwa 95% des Pumplichts aufzunehmen, das von dem Faserbündel in ihn eingespeist wird. Geeignete Formen für die Querschnitte des ersten Mantels sind rechteckig, sternförmig und D-förmig. Der zweite Mantel besteht in der Regel aus einem fluorierten Polymer oder einem Glas. Der zweite Mantel hat einen Brechungsindex, der sich von dem der ersten Mantelschicht unterscheidet. Der Unterschied bei den Brechungsindizes des ersten Mantels und des zweiten Mantels schließt das Pumplicht im Wesentlichen innerhalb des ersten Mantels ein und verhindert, dass es unbeabsichtigt aus der Mantelpumpfaser austritt.
  • Optische Signale werden entlang dem Einmodenkern übertragen. Pumplicht wird entlang dem ersten Mantel übertragen. Das Pumplicht in dem ersten Mantel erregt die ionisierten Seltenerdenelemente in dem Einmodenkern, wodurch eine Populationsumkehrung bei den ionisierten Seltenerdenelementen hervorgerufen wird. Ein Teil der Energie, die in der umgekehrten Population der erregten Seltenerdenelemente gespeichert ist, wird zu den optischen Signalen übertragen, die entlang dem Einmodenkern übertragen werden, wodurch ihre optische Leistung erhöht wird.
  • Wenden wir uns 3 zu. Das Faserbündel 105 enthält mehrere Mehrmodenfasern 106 und eine Einmodenfaser 108.
  • Die mehreren Mehrmodenfasern 106 und die Einmodenfaser 108 sind miteinander verschmolzen. Die Einmodenfaser 108 ist vorzugsweise ungefähr in der Mitte des Bündels angeordnet. Das Anordnen der Einmodenfaser 108 ungefähr in der Mitte des Bündels richtet die Einmodenfaser 108 im Wesentlichen auf den Kern der Mantelpumpfaser 103 aus, wenn das Faserbündel 105 daran gespleißt wird.
  • (Nicht gezeigte) optische Pumpdioden sind optional an jede Mehrmodenfaser 106 in dem Faserbündel 105 gekoppelt. Die optischen Pumpdioden sind eine Quelle für Pumplicht 109 für die Mantelpumpfaser 103. Die Wellenlänge des Pumplichts ist veränderlich, jedoch muss sich seine Wellenlänge von der Wellenlänge der optischen Signale unterscheiden. Zum Beispiel liegen die Wellenlängen für viele optische Signale in der Regel im Bereich von etwa 1300 nm bis etwa 1590 nm, während die Wellenlängen von Pumplicht im Bereich von etwa 890 nm bis etwa 990 nm liegen. Geeignete Pumpdioden sind auf dem freien Markt bei der SDL Company, San Jose, Kalifornien, sowie bei der Optopower Company, Tucson, Arizona, zu beziehen.
  • Viele optische Verstärker haben geringe elektrische Effizienzen (weniger als etwa 10%). Somit wird nur ein kleiner Teil der elektrischen Leistung, die von den Pumpdioden in den optischen Verstärker eingespeist wird (weniger als etwa 10%), zum Verstärken der optischen Signale genutzt.
  • In einer Ausführungsform des optischen Kommunikationssystems der vorliegenden Erfindung ist ein Strahlverzweiger 110 an einen Ausgang des optischen Verstärkers 101 gekoppelt. Wenn der Strahlverzweiger 110 an den Ausgang des optischen Verstärkers 101 gekoppelt ist, so ist der Strahlverzweiger 110 dafür geeignet, sowohl die verstärkten optischen Signale 107 als auch das nicht-genutzte Pumplicht 109 zu empfangen. Der Strahlverzweiger 110 lenkt mindestens einen Teil des nicht-genutzten Pumplichts 109 zu mindestens einer weiteren Vorrichtung 111 in dem optischen Kommunikationssystem um. Der Strahlverzweiger 110 ist für die Wellenlängen der optischen Signale durchlässig. Das heißt, während mindestens ein Teil des Pumplichts durch den Strahlverzweiger 110 umgelenkt wird, wird im Wesentlichen das gesamte Licht mit Wellenlängen der optischen Signale dort hindurchgelassen.
  • Die Vorrichtungen 111 werden dann mit dem nicht-genutzten Pumplicht, das durch den Strahlverzweiger 110 umgelenkt wurde, betrieben. Das Einspeisen eines Teils des nicht-genutzten Pumplichts 109, das von dem optischen Verstärker zu anderen Vorrichtungen 111 in dem optischen Kommunikationssystem ausgegeben wird, spart elektrische Energie durch Verringern der elektrischen Gesamtleistung, die für den Betrieb des optischen Kommunikationssystems 100 benötigt wird.
  • Der Strahlverzweiger 110 lenkt mindestens einen Teil des nicht-genutzten Pumplichts 109 zu Vorrichtungen 111 in dem optischen Kommunikationssystem 100 mit Hilfe einer oder mehrerer Schichten eines mindestens teilweise reflektierenden Materials auf einem Substrat. Die eine oder die mehreren Schichten des mindestens teilweise reflektierenden Materials werden so ausgewählt, dass nur die Wellenlängen von Pumplicht reflektiert werden, die umgelenkt werden sollen. Wenn zum Beispiel Pumplicht mit 975 nm umgelenkt werden soll, so werden die eine oder die mehreren Schichten des mindestens teilweise reflektierenden Materials so ausgewählt, dass nur Licht in einem Wellenlängenbereich reflektiert wird, das 975 nm enthält, während sie Licht mit den Wellenlängen der optischen Signale hindurchlassen. Zu Beispielen von Materialien, die zum Herstellen der einen oder mehreren Schichten des mindestens teilweise reflektierenden Materials geeignet sind, gehören Metalle (zum Beispiel Gold), dielektrische Materialien (zum Beispiel Siliciumnitrid) und Polymerschichten (zum Beispiel Perfluoretheracrylate wie zum Beispiel L-9367, Fluorkohlenwasserstoffverbindungen wie zum Beispiel FC-722 und Oberflächenmodifikatoren wie zum Beispiel FC-724, die alle bei der 3M Company, St. Paul, Minnesota, zu beziehen sind). Zu geeigneten Substratmaterialien gehören Silicium, Quarzglas und Quarz.
  • Der Strahlverzweiger 110 lenkt optional mindestens einen Teil des nicht-genutzten Pumplichts zu der mindestens einen weiteren Vorrichtung in dem optischen Kommunikationssystem mit strukturierten Schichten des mindestens teilweise reflektierenden Materials auf einem Substrat. Durch das Strukturieren einer oder mehrerer der Schichten aus dem mindestens teilweise reflektierenden Material entstehen Regionen auf dem Substrat, die bei der Wellenlänge des Pumplichts reflektieren, sowie Regionen auf dem Substrat, die nicht bei der Wellenlänge des Pumplichts reflektieren. Das heißt, nicht-genutztes Pumplicht, das auf Regionen des Substrats auftrifft, die bei der Wellenlänge des Pumplichts nicht reflektieren, wird nicht reflektiert. Die eine oder die mehreren Schichten werden zum Beispiel durch Ausbilden von Streifen des teilweise reflektierenden Materials auf dem Substrat strukturiert.
  • Alternativ lenkt der Strahlverzweiger 110 den Teil des nicht-genutzten Pumplichts mit Hilfe mikromechanischer Schichten um. Der Begriff "mikromechanisch" meint im Sinne dieser Beschreibung mindestens teilweise reflektierende bewegliche Schichten auf dem Substrat. Wenn die mindestens teilweise reflektierenden Schichten mikromechanisch sind, so wird das Umlenken des Pumplichts durch die Bewegung dieser Schichten relativ zu dem Substrat gesteuert. Das heißt, wenn die mikromechanischen Schichten in dem Pfad des Pumplichts angeordnet sind, so wird dieses Pumplicht reflektiert, und wenn die mikromechanischen Schichten nicht in dem Pfad des Pumplichts angeordnet sind, so wird dieses Licht nicht reflektiert. Zum Beispiel können Polysilicium und/oder Siliciumnitrid relativ zu einem Siliciumsubstrat mit Hilfe eines elektrostatischen Stellmechanismus' bewegt werden.
  • Elektrostatische Stellglieder legen eine elektrostatische Kraft zwischen zwei Elektroden eines Kondensators an, um die teilweise reflektierenden Schichten relativ zu dem Substrat zu bewegen. Eine Elektrode wird entweder durch die teilweise reflektierenden Schichten gebildet oder an den teilweise reflektierenden Schichten angebracht, und die andere Elektrode wird an dem Substrat verankert. Zu Beispielen geeigneter elektrostatischer Stellglieder gehören ein kapazitiver Kammantrieb 140 und ein kapazitiver Parallelplattenantrieb 150, die in den 4A bzw. 4B gezeigt sind.
  • Für den kapazitiven Kammantrieb 140 sind die zwei Elektroden 141, 142 des Kondensators ineinandergreifende Finger. Die Elektrode 142 ist an dem Substrat 147 mittels Kontaktinseln 143 angebracht. Die Elektrode 141 ist an den teilweise reflektierenden Schichten 146 angebracht. Die Elektrode 141 sowie die teilweise reflektierenden Schichten 146 können auf dem Substrat 147 relativ zur Elektrode 142 bewegt werden. Die Kapazitanz zwischen zwei der ineinandergreifenden Finger der Elektroden 141, 142 bestimmt sich aus folgender Gleichung:
    Figure 00160001
    wobei ε0 die Dielektrizitätskonstante des freien Raums ist, l0 die Überlappungslänge (mit 145 bezeichnet) der ineinandergreifenden Finger vor dem Anlegen einer elektrostatischen Kraft ist, h die Höhe der Hauptstütze des Kamms ist, an der die teilweise reflektierenden Schichten 146 angebracht sind, d der Abstand zwischen den ineinandergreifenden Fingern ist (mit 148 bezeich net) und x die Verschiebung der Elektrode 141 relativ zur Elektrode 142 ist. Aus Gleichung (1) ergibt sich, dass die Kapazitanz zwischen zwei der ineinandergreifenden Finger der Elektroden 141, 142 eine lineare Funktion der Verschiebung x ist. Bei jeder kapazitiven Struktur ist die Kraft (F), die auf eine Elektrode aufgrund der anderen Elektrode einwirkt:
    Figure 00170001
    wobei C die Kapazitanz ist, V die Spannung ist und x die Verschiebung ist. Wenn man Gleichung (1) in Gleichung (2) hinein substituiert, so ergibt sich:
  • Figure 00170002
  • Somit ist bei einem kapazitiven Kammantrieb die Kraft, die durch die Elektrode 142 auf die Elektrode 141 ausgeübt wird, um die teilweise reflektierenden Schichten 146 zu bewegen, unabhängig von der Verschiebung x und ist nur durch die Spannung begrenzt, die an die Elektroden 141, 142 angelegt wird.
  • Bei dem kapazitiven Parallelplattenantrieb 150 sind die zwei Elektroden 155, 151 des Kondensators parallele Platten. Die Elektrode 155 ist an dem Substrat 157 mit Kontaktinseln 153 angebracht. Die Elektrode 151 ist an den teilweise reflektierenden Schichten 156 angebracht. Die Elektrode 151 sowie die teilweise reflektierenden Schichten 156 können auf dem Substrat 157 relativ zur Elektrode 155 bewegt werden. Die Kapazitanz zwischen den Elektroden 155, 151 bestimmt sich aus:
    Figure 00180001
    wobei A = lh und x0 die Entfernung zwischen den Elektroden 155 und 151 vor dem Anlegen einer elektrostatischen Kraft ist. Aus Gleichung (4) ergibt sich, dass die Kapazitanz umgekehrt proportional zu der Verschiebung x ist. Wenn man die Gleichung (4) in die Gleichung (2) hinein substituiert, so erhält man:
  • Figure 00180002
  • Aus Gleichung (5) ergibt sich, dass die Kraft, die durch die Elektrode 155 auf die Elektrode 151 ausgeübt wird, um die teilweise reflektierenden Schichten 156 zu bewegen, von x0, der Entfernung zwischen den Elektroden 155 und 151, abhängt. Genauer gesagt, wenn x0 zunimmt, so nimmt auch die Spannung zu, die zum Bewegen der reflektierenden Schichten 156 benötigt wird.
  • Zu weiteren Mechanismen, die zum Bewegen einer oder mehrerer teilweise reflektierender Schichten relativ zu einem Substrat geeignet sind, gehören rotierende Kammantriebe, lineare Rillenantriebe, rotierende Rillenantriebe, thermische Bimorphs, elektromagnetische Antriebe und Formgedächtnislegierungen. Veranschaulichende Vorrichtungen sind in den US-Patenten Nr. 5,500,761, Nr. 5,654,819, Nr. 5,589,974, Nr. 5,751,469 und 5,870,221 besprochen; siehe auch Marxer und Mitarbeiter, "MHz Opto-Mechanical Modulator", Transducers '95-Eurosensors IX, Royal Swedish Academy of Eng. Sciences, Stockholm (Juni 1995), Seiten 289–292.
  • Eine Konfiguration des Strahlverzweigers 110, die zum Umlenken eines Teils des nicht-genutzten Pumplichts zu Vorrichtungen in dem optischen Kommunikationssystem 100 geeignet ist, ist in 5A gezeigt. Der Strahlverzweiger 110 enthält ein Substrat 200 mit mehreren Führungen 205 und einer darauf ausgebildeten mindestens teilweise reflektierenden Oberfläche 210. Die Führungen 205 stützen eine erste und eine zweite optische Faser 207, 209. Die Führungen 205 dienen auch zum Ausrichten der optischen Fasern 207, 209 entlang einer optischen Achse 1-1'. Optische Signale und Pumplicht werden zwischen der optischen Faser 207 und der optischen Faser 209 entlang einem Pfad 215 übertragen, der sich entlang der optischen Achse 1-1' erstreckt. Eine weitere optische Faser 211 ist gleichermaßen an dem Substrat 200 entlang einer optischen Achse 2-2' angebracht, die im Wesentlichen orthogonal zur optischen Achse 1-1' verläuft.
  • Die Führungen 205 sind quadratische Rillen, die in einer Oberseite des Substrats 200 ausgebildet sind. Die Führungen 205 sind optional als V-förmige Rillen (siehe 4B), (nicht gezeigte) Schienen und/oder (nicht gezeigte) Kanäle konfiguriert. Zu geeigneten optischen Fasern gehören Einmodenfasern und/oder Mehrmodenfasern.
  • Die mindestens teilweise reflektierende Oberfläche 210 weist eine oder mehrere Schichten des mindestens teilweise reflektierenden Materials auf, die auf einer Oberfläche des Substrats 200 ausgebildet sind. Die mindestens teilweise reflektierende Oberfläche 210 auf dem Substrat 200 ist entlang dem Pfad 215 zwischen der optischen Faser 207 und der optischen Faser 209 angeordnet. Der obere Rand der mindestens teilweise reflektierenden Oberfläche 210 blockiert mindestens einen Teil des Pfades 215. Wenn die mindestens teilweise reflektierende Oberfläche 210 einen Teil des Pfades 215 blockiert, so lenkt sie einen Teil des Pumplichts 213, das in den Strahlverzweiger 110 eingespeist wird, durch die optische Faser 207 um. Der umgelenkte Teil des Pumplichts 213 wird von der optischen Achse 1-1' weg in die optische Faser 211 hinein übertragen, um von ande ren Vorrichtungen in dem optischen Kommunikationssystem verwendet zu werden. Der nicht-blockierte Teil des Pumplichts und die optischen Signale werden entlang der optischen Achse 1-1' zu der optischen Faser 209 übertragen.
  • Die mindestens teilweise reflektierende Oberfläche 210 des Substrats 200 blockiert optional den Pfad 215. Wenn der Pfad 215 zwischen der optischen Faser 207 und der optischen Faser 209 vollständig durch das Substrat 200 blockiert ist, so beeinflusst das Material, aus dem das Substrat 200 besteht, die Übertragung der optischen Signale entlang der optischen Achse 1-1'. Um eine solche Übertragung der optischen Signale entlang der optischen Achse 1-1' der optischen Faser 207 zu der optischen Faser 209 zu unterstützen, besteht das Substrat 200 vorzugsweise aus einem Material, das für den Wellenlängenbereich der optischen Signale durchlässig ist. Insbesondere Quarzglas und/oder Siliciumdioxid sind für Licht in dem Arbeitswellenlängenbereich durchlässig, der in der Regel für die optischen Signale verwendet wird (oberhalb etwa 1000 nm).
  • Die mindestens teilweise reflektierende Oberfläche 210 des Strahlverzweigers 110 ist in einem Winkel angeordnet, der relativ zur optischen Achse 1-1' veränderlich ist. Das Anordnen der mindestens teilweise reflektierenden Oberfläche 210 des Strahlverzweigers 110 in einem Winkel relativ zur optischen Achse 1-1' lenkt das Pumplicht in die optische Faser 211 um, um von anderen Vorrichtungen in dem optischen Kommunikationssystem verwendet zu werden. Zu geeigneten Winkeln für die mindestens teilweise reflektierende Oberfläche 210 gehören Winkel in einem Bereich von etwa 3° bis etwa 90°.
  • Eine alternative Konfiguration eines Strahlverzweigers 110, die für das Übertragen eines Teils des Pumplichts zu Vorrichtungen 111 in dem optischen Kommunikations system 100 geeignet ist, ist in 5B gezeigt. Der Strahlverzweiger 110 ist so konfiguriert, dass die mindestens teilweise reflektierende Oberfläche, die auf dem Substrat ausgebildet ist, vollständig den Pfad 215 zwischen der optischen Faser 207 und der optischen Faser 209 blockiert.
  • Wenden wir uns 5B zu. Der Strahlverzweiger 110 enthält ein Substrat 290, eine Führung 205, ein Gehäuse 270 und eine mindestens teilweise reflektierende Oberfläche 250, die auf einem beweglichen Arm 300 ausgebildet ist. Die Führung 205 ist eine V-förmige Rille, die in der Oberfläche des Substrats 290 ausgebildet ist. Die Führung 205 stützt eine erste und eine zweite optische Faser 207, 209. Die Führung 205 dient dazu, die optischen Fasern 207, 209 entlang der optischen Achse 1-1' auszurichten.
  • Das Gehäuse 270 ist auf der Oberfläche 280 des Substrats 290 angebracht. Das Gehäuse 270 stützt den beweglichen Arm 300. Der bewegliche Arm 300, auf dem die mindestens teilweise reflektierende Oberfläche 250 ausgebildet ist, blockiert vollständig den Pfad 215 zwischen der optischen Faser 207 und der optischen Faser 209. Das Gehäuse 270 stützt den beweglichen Arm 300 in einer aufrechten Position, die im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche 280 des Substrats 290 verläuft.
  • Wenn der Pfad 215 zwischen der optischen Faser 207 und der optischen Faser 209 vollständig durch den beweglichen Arm 300 blockiert ist, so beeinflusst das Material, aus dem der bewegliche Arm 300 besteht, die Übertragung von Pumplicht und/oder der optischen Signale dort hindurch. Genauer gesagt, absorbiert Silicium Licht oberhalb des Arbeitswellenlängenbereichs, der in der Regel für das Pumplicht verwendet wird (unterhalb etwa 1000 nm). Wenn nicht-reflektiertes Pumplicht entlang der optischen Achse 1-1' von der optischen Faser 207 zu der optischen Faser 209 übertragen werden soll, so wird ein Durchlässigkeitsfenster in der reflektierenden Oberfläche des Siliciumsubstrats gebildet. Das Durchlässigkeitsfenster wird zum Beispiel durch Ätzen des Siliciumsubstrats mittels Kaliumhydroxid (KOH) oder optional durch Ätzen des Siliciumsubstrats mittels Lösungen aus Ethylendiaminpropionsäure (EDPA), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) oder einem Gemisch aus Fluorwasserstoffsäure/Salpetersäure/Essigsäure (HF/HNO3/CH3COOH) ausgebildet. Das Siliciumsubstrat wird optional mittels eines Plasmas auf Chlor- oder Fluorbasis geätzt.
  • Der bewegliche Arm 300 mit der mindestens teilweise reflektierenden Oberfläche 250 darauf ist in einem Winkel angeordnet, der relativ zur optischen Achse 1-1' veränderlich ist. Der reflektierte Teil des Pumplichts wird entlang der optischen Achse 2-2' zu einer (nicht gezeigten) optischen Faser übertragen.
  • Das Gehäuse 270 bewegt optional den beweglichen Arm 300 relativ zu dem Substrat 290. Zu geeigneten Gehäusen gehören potenziell Befestigungsstrukturen wie zum Beispiel Verankerungen, Verriegelungsplatten mit Arretierungen, angelenkte Verriegelungsplatten und Epoxidharz, zusammen mit verschiedenen Kombinationen von Stellgliedern und Federn, welche die optionale Bewegung des Gehäuses 270 ermöglichen. Beispiele solcher Gehäuses sind in den US-Patenten Nr. 5,824,910, Nr. 5,646,464 und Nr. 4,746,242 besprochen.
  • In einer alternativen Ausführungsform des optischen Kommunikationssystems der vorliegenden Erfindung ist der Strahlverzweiger 110 an einen Eingang des optischen Verstärkers 101 gekoppelt, wie in 6 gezeigt. Wenn der Strahlverzweiger 110 an einen Eingang des optischen Verstärkers 101 gekoppelt ist, so ist der Strahlverzweiger 110 in der Lage, mindestens einen Teil des Pumplichts 109 zu empfangen, das von einer oder mehre ren Mehrmodenfasern 106 in dem Faserbündel 105 in den optischen Verstärker eingespeist wird. Der übrige Teil des Pumplichts 109 in dem Faserbündel 105 wird in die Mantelpumpfaser 103 eingespeist. Der Teil des Pumplichts, der durch den Strahlverzweiger empfangen wird, wird zu anderen Vorrichtungen in dem optischen Kommunikationssystem übertragen.
  • Das folgende Beispiel soll eine konkrete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
  • Beispiel 1
  • Es wurden Simulationsstudien für zwei dielektrische Beschichtungen A und B durchgeführt. Jede Beschichtung bestand aus mehreren Schichten eines dielektrischen Materials. Die Simulationen wurden durch die Evaporated Coatings, Inc., Willow Grove, Pennsylvania, durchgeführt.
  • 7A ist ein Diagramm des Durchlassgrades der dielektrischen Beschichtung A, der als eine Funktion der Wellenlänge aufgetragen ist. Die mehreren Schichten des dielektrischen Materials hatten einen Durchlassgrad von etwa 100% für Licht mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 950 nm. Dementsprechend wird im Wesentlichen das gesamte Licht mit Wellenlängen von größer als etwa 950 nm durch die dielektrische Beschichtung A reflektiert (Durchlassgrad von nahe null).
  • 7B ist ein Diagramm des Durchlassgrades der dielektrischen Beschichtung B, der als eine Funktion der Wellenlänge aufgetragen ist. Die mehreren Schichten des dielektrischen Materials hatten einen Durchlassgrad von etwa 100% für Licht mit einer Wellenlänge von größer als etwa 1020 nm. Das bedeutet, dass etwa 100% des Lichts mit Wellenlängen oberhalb etwa 1020 nm durch die dielektrische Beschichtung B durchgelassen werden. Im Wesentlichen kein Licht mit Wellenlängen oberhalb etwa 1020 nm wird durch die Beschichtung B reflektiert.
  • Sowohl Beschichtung A als auch Beschichtung B haben einen Durchlassgrad von etwa 10% bei etwa 980 nm, was einem Reflexionsgrad von etwa 90% bei etwa 980 nm entspricht.

Claims (12)

  1. Optisches Kommunikationssystem, umfassend: einen optischen Verstärker (101), der angelegt ist, optische Signale (107) sowie Pumplicht (109) zu empfangen, und einen Verzweiger (110), der mit dem optischen Verstärker (101) gekoppelt und eingerichtet ist, mindestens einen Teil des Pumplichts (109), das dem optischen Verstärker bereitgestellt wird, an eine oder mehrere Vorrichtungen (111) in dem optischen Kommunikationssystem zur Verwendung durch dieses umzulenken, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (101) angelegt ist, multimodales Pumplicht zu empfangen, und dass der Verzweiger (110) einen mikromechanischen Reflektor (250) für das multimodale Pumplicht aufweist.
  2. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei der Verzweiger (110) mit einer Ausgabe des optischen Verstärkers (101) gekoppelt ist.
  3. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei der Verzweiger (110) mit einer Eingabe des optischen Verstärkers (101) gekoppelt ist.
  4. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei der optische Verstärker (101) eine Mantelpumpfaser aufweist, die mit einem Faserbündel gekoppelt ist.
  5. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 4, wobei der Verzweiger (110) mit der Mantelpumpfaser gekoppelt ist.
  6. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 4, wobei das Faserbündel mehrere multimodale Fasern aufweist.
  7. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 6, wobei der Verzweiger (110) mit mindestens einer der mehreren multimodalen Fasern gekoppelt ist.
  8. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei der Verzweiger (110) eine oder mehrere Schichten eines zumindest teilweise reflektierenden Materials auf einem Trägermaterial aufweist.
  9. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 8, wobei die einen oder mehreren Schichten eines zumindest teilweise reflektierenden Materials in Bezug auf das Trägermaterial beweglich sind.
  10. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 9, wobei die einen oder mehreren Schichten des zumindest teilweise reflektierenden Materials in Bezug auf die Halterung beweglich sind, wobei ein Mechanismus verwendet wird, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem kapazitiven Parallelplattenantrieb, einem kapazitiven Kammantrieb, einem rotierenden Kammantrieb, einem linearen Rillenantrieb, einem rotierenden Rillenantrieb, thermischen Bimorphs, einem elektromagnetischen Antrieb und Formgedächtnislegierungen besteht.
  11. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 8, wobei die eine oder mehreren Schichten des zumindest teilweise reflektierenden Materials aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Metall, dielektrischem Material und Polymer besteht.
  12. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 8, wobei die einen oder mehreren Schichten eines zumindest teilweise reflektierenden Materials gemustert sind.
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