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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein optische Kommunikationssysteme
und insbesondere optische Verstärker.
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2. Allgemeiner
Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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EP-A-0779687
beschreibt einen Einmoden-Lichtwellenleiterverstärker, der nicht-genutztes Pumplicht
zu anderen Vorrichtungen umlenkt.
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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.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Pumpdioden
sind optional mit einer oder mehreren der Mehrmodenfasern in dem
Faserbündel gekoppelt.
Die Pumpdioden sind eine Quelle für Pumplicht für den optischen
Verstärker.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein optisches Kommunikationssystem, das eine Lichtquelle, einen
optischen Verstärker
und eine Detektor enthält.
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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.
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2B zeigt
eine Querschnittsansicht der Mantelpumpfaser von 2A.
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3 zeigt
das optische Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung, wobei
ein Strahlverzweiger an den Ausgang eines optischen Verstärkers gekoppelt
ist.
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4A zeigt
eine aufgeschnittene Ansicht eines Substrats mit einem darauf angeordneten
kapazitiven Kammantrieb.
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4B zeigt
eine aufgeschnittene Ansicht eines Substrats mit einem darauf angeordneten
kapazitiven Parallelplattenantrieb.
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5A veranschaulicht
eine Konfiguration für
den Aufbau des Strahlverzweigers, der in 3 gezeigt
ist.
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5B veranschaulicht
eine alternative Konfiguration für
den Aufbau des Strahlverzweigers, der in 3 gezeigt
ist.
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6 zeigt
das optische Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung, wobei
der Strahlverzweiger an einen Eingang des optischen Verstärkers gekoppelt
ist.
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7A ist
ein Diagramm des Durchlassgrades, der als eine Funktion der Wellenlänge für die dielektrische
Beschichtung A von Beispiel 1 aufgetragen ist.
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7B ist
ein Diagramm des Durchlassgrades, der als eine Funktion der Wellenlänge für die dielektrische
Beschichtung B von Beispiel 1 aufgetragen ist.
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Detaillierte
Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wenden
wir uns 3 zu. Das Faserbündel 105 enthält mehrere
Mehrmodenfasern 106 und eine Einmodenfaser 108.
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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.
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(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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
wobei ε
0 die
Dielektrizitätskonstante
des freien Raums ist, l
0 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:
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:
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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.
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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:
wobei A = lh und x
0 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:
-
-
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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°.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
folgende Beispiel soll eine konkrete Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung veranschaulichen.
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Beispiel 1
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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.
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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).
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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.
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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.