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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Multiplexer/Demultiplexeranordnungen.
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Solche
Vorrichtungen finden unter anderem Anwendung beim Hinzufügen oder
Fallenlassen von Lichtsignalen bei vorbestimmten Wellenlängen zu oder
von einem Wellenlängenmultiplexfaseroptikübertragungssystem.
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Beispielsweise
ist in der US-A-5 457 758 und der US-A-5 459 801 eine Add-Drop-Vorrichtung
für ein
Wellenlängenmultiplexfaseroptikübertragungssystem
offenbart, zusammen mit einem Koppler, der angepasst ist, um verwendet
zu werden zum Herstellen von Add-Drop-Vorrichtungen, Dispersionskompensatoren,
Verstärkern,
Oszillatoren, Superlumineszenzvorrichtungen und Kommunikationssystemen. Im
wesentlichen umfasst die Art von offenbarten Vorrichtungen in diesen
beiden Dokumenten einen Abklingende-Welle-Koppler, der eine Kopplungsregion aufweist,
die aus zwei Einmodenwellenleitern gebildet ist, wobei die Kopplungsregion
so gebildet ist, dass es eine im wesentlichen vollständige abklingende
Feldkopplung von Licht von einem Wellenleiter zu dem anderen in
einem vorbestimmten Wellenleiterband gibt. Die Vorrichtung weist
ein Bragg-Gitter auf, das in der Kopplungsregion von jedem der Wellenleiter
angeordnet ist.
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In
der WO-A-99/12296 ist eine modulare kaskadierte Mach-Zehnder-DWDM-Komponente
offenbart, die für
die Verwendung als ein Mehrkanalfaseroptikmultiplexer, ein Demultiplexer,
ein Multiplexer/Demultiplexer und/oder eine Add-Drop-Komponente angepasst
ist. Die betreffende Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Mach-Zender-Interferometereinheiten,
wobei jede Einheit ein Paar von 50/50 Faseroptikkopplern umfasst,
die durch ein Paar von Bragg-Gittern verbunden sind, und drei Funktionstore,
die zwei Mehrkanaleingabe-/ausgabetore und auch ein Einkanaleingabe-/ausgabetor
umfassen. Die Bragg-Gitter sind auf eine Wellenlänge des Einkanaleingabe-/ausgabetors
abgestimmt und die Eingabe-/Ausgabetore benachbarter Interferometereinheiten
sind durch Schmelzspleiße
in einer Kaskadenkonfiguration miteinander verbunden. Die Komponente
umfasst einen ersten gemeinsamen Eingabe-/Ausgabeverbinder an einer
ersten der kaskadierten Interferometereinheiten und einen zweiten
gemeinsamen Eingabe-/Ausgabeverbinder an der letzten der kaskadierten
Interferometereinheiten, wobei der zweite gemeinsame Eingabe-/Ausgabeverbinder angeordnet
ist, um das Hinzufügen
von Nachrüstmehrkanalkomponenten
zu erlauben.
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In
der US-A-5 657 406 ist ein Faseroptikwellenlängenmultiplexer/-demultiplexer
offenbart, der eine Mehrzahl von 2 × 2-Optikkopplern umfasst, die jeweils ein
Paar von angepassten Gittern mit jeweiligen Bandpasswellenlängen aufweisen,
die an zwei der Toren befestigt sind. Ein Eingangssignal dringt
in ein Tor ein und wird geteilt und von den Gittern reflektiert
und dann neu kombiniert, um das gesamte Eingangssignal an einem
Ausgangstor zu liefern. Ein weiteres Eingangssignal trifft auf das
Gitter, das durch das Gitter weitergeleitet wird, und mit dem ersten
Eingangssignal auf das Ausgangstor gekoppelt wird. Es gibt eine ähnliche
Anordnung für
die anderen Koppler, die in Reihe geschaltet sind, von denen jeder
eine andere Eingangswellenlänge
hinzufügt.
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Außerdem ist
von der US-A-6 061 484 ein Add-Drop-Multiplexer bekannt, der passive optische Komponenten
für Wellenlängenmultiplexen
umfasst. Diese Add-Drop-Multiplexer sind angepasst für die Verwendung
in Verzweigungseinheiten, um es zu ermöglichen, dass Signale, die
entlang Fasern einer Hauptstrecke zwischen Anschlussstationen verlaufen,
von einer Strebenstation fallen gelassen und hinzugefügt werden.
Der Entwurf des Add-Drop-Multiplexers ermöglicht es, dass eine reduzierte
Anzahl von Strebenfasern verwendet wird, während Signale zwischen Streckenfasern
an Strebenfasern gemäß der Trägerwellenlänge geleitet
werden.
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Gleichartig
dazu offenbart das U.S.-Patent Nr. 6,122,417 einen WDM-Multiplexer/Demultiplexer, der
ein Fabry-Perot-Array
verwendet.
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Das
U.S.-Patent Nr. 5,812,709 offenbart eine optische Vorrichtung, die
ein Wellenleiterfilter verwendet, um Eingangslichtsignale zwischen
der Übertragung
zu einem Ausgangstor oder der Reflektion zu einem Fallenlassentor
zu schalten.
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Das
U.S.-Patent Nr. 5,064,263 offenbart eine Multiplexvorrichtung mit
einem Wellenleiter, der auf einem Substrat angeordnet ist und der
eine Mehrzahl von Wellenlängen
in getrennte Kanäle
ausbreitet.
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Das
U.S.-Patent Nr. 4,799,799 offenbart einen optischen Wellenleiter
mit integrierten verspiegelten Enden in einer Matrixtypanordnung
auf einem Substrat zum Erzeugen einer Reihe von optischen Resonatoren.
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Im
wesentlichen leiden alle der herkömmlichen Lösungen, die vorhergehend betrachtet
wurden, an zumindest einem der zwei Grundnachteile.
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Zunächst können dieselben
tendenziell ziemlich schwierig zu realisieren zu sein (was ein typischer
Nachteil ist, den alle Anordnungen gemeinsam haben, die im allgemeinen
als Array-Wellenleitergitter oder AWG bezeichnet werden).
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Zweitens
ist es tendenziell unvermeidlich schwierig, dieselben in einen kleinen
Raum zu bringen, falls die Anzahl von Nebenkanälen, die multiplext/demultiplext
werden sollen, hoch ist. Dieser Nachteil ist typisch für Richtungskoppler,
die auch hohe Einfügungsverluste
zeigen können.
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Die
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen kompakten
Multiplexer/Demultiplexer (MUX/DEMUX) für große Anzahlen von optischen Kanälen zu liefern,
die angepasst sind, um als eine kompakte integrierte Optikkomponente
implementiert zu werden, selbst beim Vorliegen einer hohen Anzahl
von Kanälen,
die multiplext/demultiplext werden sollen. Die Erfindung zielt auch
darauf ab, Anordnungen zu fördern,
die vom technologischen Standpunkt aus nicht schwierig zu implementieren sind
und ferner frei von hohen Einfügungsverlusten sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe gelöst
durch einen optischen Multiplexer/Demultiplexer mit den Merkmalen,
die in den angehängten
Ansprüchen
speziell gefordert sind.
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Bei
dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst der optische Multiplexer/Demultiplexer der Erfindung ein
integriertes Optiksubstrat, wie z. B. einen rechteckigen Chip aus
Silika auf Silizium oder Silika.
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Das
betreffende Substrat definiert einen Hauptausbreitungsweg für die optische
Strahlung, die in einer allgemeinen Zick-Zack-Struktur angeordnet
ist, mit zumindest einer Spitze. Reflektierende Elemente sind an
den Spitzen der Zick-Zack-Struktur angeordnet, um eine Ausbreitung
der optischen Strahlung entlang dem Hauptausbreitungsweg zu erzeugen.
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Der
Hauptausbreitungsweg weist ein Tor auf, das angepasst ist, um als
ein Eingabe-/Ausgabetor für
eine optische Strahlung zu wirken, die eine Mehrzahl von Wellenlängen umfasst.
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Entlang
dem bezeichneten Hauptausbreitungsweg sind eine Mehrzahl von selektiven
optischen Kopplern verteilt, denen vorzugsweise Filterelemente,
wie z. B. Bragg-Gitter zugeordnet sind, die angepasst sind zum Hinzufügen zu der optischen Strahlung
und/oder Entfernen von der optischen Strahlung einer jeweiligen
optischen Nebenstrahlung, die um eine jeweilige Nebenwellenlänge zentriert
ist.
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Das
integrierte Optiksubstrat definiert ferner eine Mehrzahl von Nebenausbreitungswegen
für optische
Strahlung, wobei sich jeder Nebenausbreitungsweg zwischen einem
jeweiligen optischen Koppler und einem jeweiligen Nebentor erstreckt, das
angepasst ist, um eine optische Nebenstrahlung, die um eine jeweilige
Nebenwellenlänge
zentriert ist, zu übertragen
(d. h. als ein Eingabe/Ausgabetor für dieselbe zu wirken).
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Vorzugsweise
ist das integrierte Optiksubstrat in der Form eines Streifens (z.
B. eines rechteckigen Chips) mit gegenüberliegenden Seitenoberflächen, wobei
die reflektierenden Elemente reflektierende Metallisierungen umfassen,
die an den gegenüberliegenden
Seitenoberflächen
des Streifens angeordnet sind. Die reflektierenden Metallisierungen sind
in den Endoberflächen
realisiert, um jeweils 50% Energiekopplung zu erhalten.
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Noch
bevorzugter sind die Längen
der selektiven Optischen Koppler entworfen, um 100% Energieübertragung
der ausgebreiteten optischen Strahlung zu erhalten. Die Bragg-Gitter
sind vorzugsweise in den Mitten der jeweiligen Koppler vorgesehen
und zeigen einen hohen Grad an Reflexionsvermögen (zumindest 35 dB). Vorzugsweise
sind die Bragg-Gitter in das integrierte Optiksubstrat photoinduziert.
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Gemäß der Erfindung
kann eine hohe Anzahl von Kopplern mit unterschiedlichen Gittern
in einem kleinen Raum angeordnet sein, um eine entsprechend hohe
Anzahl von optischen Wellenlängen
zu multiplexen/demultiplexen. Beispielsweise kann ein Multiplexer/Demultiplexer
für die
Verwendung mit 20–30
Kanälen
in einem kleinen Silizium- oder Silikachip von wenigen Quadratzentimetern
integriert sein.
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Die
Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf die
angehängte
Figur beschrieben, die schematisch das allgemeine Layout eines integrierten
optischen Optikmultiplexers/-demultiplexers gemäß der Erfindung zeigt.
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Allgemein
soll die Vorrichtung der Erfindung, die immer mit 1 bezeichnet
wird, eine der folgenden Funktionen durchführen:
- – Demultiplexieren
einer optischen Eingangsstrahlung, die eine Mehrzahl von Wellenlängen λ1, λ2, ..., λn umfasst,
um von denselben eine entsprechende Mehrzahl von optischen Nebenstrahlungen
zu extrahieren, die jeweils um eine jeweilige Nebenwellenlänge zentriert
sind (nämlich
eine erste Nebenwellenlänge λ1, eine zweite
Nebenwellenlänge λ2, ..., und
eine n-te Nebenwellenlänge λn), und
- – Multiplexieren
einer Mehrzahl von optischen Nebenstrahlungen an jeweiligen Wellenlängen (nämlich einer
ersten Nebenstrahlung bei der Wellenlänge λ1, einer zweiten Nebenstrahlung bei
der Wellenlänge λ2, ..., und
einer n-ten Nebenstrahlung bei der Wellenlänge λn), um eine Wellenlängenmultiplexoptikstrahlung
entstehen zu lassen, die Strahlungen bei den Wellenlängen λ1, λ2, ..., λn umfasst.
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Die
beispielhafte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, die folgt, wird hauptsächlich mit Bezugnahme auf den
Betrieb als ein Demultiplexer gegeben. Ein Fachmann auf diesem Gebiet
wird jedoch sofort erkennen, dass die Anordnung und die Art des
Betriebs, die beschrieben sind, unmittelbar für die mögliche Verwendung der Vorrichtung 1 als
ein Multiplexer gelten.
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Außerdem ist
klar, dass der Begriff „optische Strahlung", wie er hierin verwendet
wird, auf keinen Fall auf Strahlung innerhalb des sichtbaren Bereichs von
Wellenlängen
be schränkt
ist, wobei der Begriff „optisch" so gesehen werden
muss, dass er für
alle Wellenlängen
gilt (einschließlich
Infrarot- und ultravioletter Strahlung), die im allgemeinen auf
dem Gebiet der optischen Kommunikation und dem Verarbeiten von Signalen
und auf dem Gebiet integrierter Optik betrachtet werden.
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Die
Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem integrierten
Optiksubstrat in der Form von z. B. einem rechteckigen Chip 2 aus
Silika auf Silizium oder Silika, in dem Koppler, Bragg-Gitter und
Metallisierungen vorgesehen sein können. Dies wird durch Zurückgreifen
auf bekannte Kriterien und Technologien durchgeführt, wodurch jede detaillierte
Beschreibung hierin unnötig
gemacht wird.
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Der
Chip 2, der das integrierte Optiksubstrat umfasst, ist
vorzugsweise in der Form eines rechteckigen Chips. Dies ist in der
Zeichnung angemerkt als undefinierte Länge, wobei eine solche Länge offensichtlich
vorgegeben wird durch die gewünschte Anzahl
von Eingabe-/Ausgabetoren, die in der Multiplexer-/Demultiplexeranordnung
aufgenommen werden sollen.
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Wie
es hierin gezeigt ist, hat der Chip 2 zwei gegenüberliegende
parallele Seitenoberflächen,
die mit 3 bzw. 4 bezeichnet sind.
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Ein
Haupttor 10 ist an einer der bezeichneten Oberflächen vorgesehen
(bei dem hierin gezeigten Beispiel Oberfläche 3) zum Übertragen
einer optischen Strahlung, einschließlich einer Mehrzahl von Wellenlängen λ1, λ2, ..., λn.
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„Übertragen", wie es hierin verwendet
wird, bezieht sich allgemein auf die mögliche Verwendung des Tors 10 (und
der anderen Tore, die nachfolgend erwähnt werden) sowohl zum Einkoppeln
(d. h. Eingeben) und zum Entnehmen (d. h. Ausgaben) optischer Strahlung
in und von dem Substrat 2.
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Beginnend
von dem Tor 10 ist ein Hauptausbreitungsweg für optische
Strahlung in dem Chip 2 vorgesehen (dies wird durch Zurückgreifen
auf aktuelle integrierte optische Optikwellenlängentechnologie erreicht),
der sich im allgemeinen in einer Zick-Zack-Struktur erstreckt.
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Insbesondere
umfasst die bezeichnete Zick-Zack-Struktur eine Mehrzahl von Spitzen,
die in einer abwechselnden Sequenz an den gegenüberliegenden Oberflächen 3, 4 des
Chips 2 angeordnet sind.
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Jeweilige
reflektierende Elemente, wie z. B. reflektierende Metallisierungen
M1, M2, M3 usw. sind an den Spitzen der bezeichneten Zick-Zack-Struktur vorgesehen.
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Als
Folge dessen folgt eine optische Strahlung, die durch das Tor 10 in
die Vorrichtung 1 injiziert wird, im allgemeinen einem
Ausbreitungsweg, der von dem Tor 10, das an der Seitenoberfläche 3 des Chips 2 vorgesehen
ist, zu einer ersten Metallisierung M1 führt, die an der gegenüberliegenden
Oberfläche 4 vorgesehen
ist. Eine Strahlung, die auf die Metallisierung M1 auftrifft, wird
dann zurückreflektiert zu
der Metallisierung M2, die an der (gegenüberliegenden) Seitenoberfläche 3 vorgesehen
ist, und dann weiter zu der Metallisierung M3, die erneut an der
Oberfläche 4 vorgesehen
ist, usw.
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Bei
dem hierin gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiel sind fünf solche
Metallisierungen M1 bis M5 gezeigt, aber es können so viele solche Metallisierungen
vorgesehen sein, wie erforderlich sind, abhängig von der Anzahl von optischen
Nebenkanälen,
die multiplext/demultiplext werden sollen.
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Koppler,
die mit CR1, CR2, ..., CR5 bezeichnet sind, sind Metallisierungen
M1, M2, ..., bzw. M5 zugeordnet. Die Längen der Koppler CR1 bis CR5 sind
berechnet, um 50% Energiekopplung zu erhalten, und die reflektierenden
Metal lisierungen M1 bis M2 sind in den Endoberflächen dieser Koppler realisiert.
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Die
Bezugszeichen C1, C2, ..., C6 bezeichnen weitere selektive Koppler,
die entlang dem Hauptausbreitungsweg verteilt sind, der in dem Vorhergehenden
betrachtet wurde, wobei der Koppler Cj im allgemeinen vorgeschaltet
zu der reflektierenden Metallisierung Mj in dem erfassten Ausbreitungsweg positioniert
ist, ausgehend von dem Aggregattor 10: z. B. ist der Koppler
C2 vorgeschaltet zu der Metallisierung M2 und nachgeschaltet zu
der Metallisierung M1 angeordnet, in der Ausbreitungsrichtung der
optischen Strahlung von dem Eingangstor 10.
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Vorzugsweise
sind die Längen
der Koppler C1 bis C6 entworfen, um eine 100% Energieübertragung
für alle
Wellenlängen
an dem Eingang zu erhalten. An den Mitten der Koppler C1 bis C5
sind jeweilige starke Bragg-Gitter R1 bis R6 (mit vorzugsweise einem
Reflexionsvermögenswert
von zumindest 35 dB) vorgesehen, die jeweilige Bragg-Wellenlängen λ1, λ2, ..., λ6 aufweisen.
Gitter R1, R2, usw. werden vorzugsweise erhalten, indem dieselben
in den Chip 2 photoinduziert werden.
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Jedem
selektiven Koppler C1 bis C6 ist ein jeweiliger Nebenausbreitungsweg
für optische
Strahlung zugeordnet.
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Jeder
solche Nebenausbreitungsweg erstreckt sich zwischen dem jeweiligen
Koppler und einem jeweiligen Nebentor 11 bis 16,
die angepasst sind zum Übertragen
einer optischen Nebenstrahlung, die um eine jeweilige Nebenwellenlänge λ1, λ2, ..., λ6 zentriert
ist.
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Beispielsweise
erstreckt sich ein erster Nebenausbreitungsweg zwischen dem Koppler
C1 und dem Tor 11, während
sich ein zweiter Nebenausbreitungsweg zwischen dem Koppler C2 und
dem Nebentor 12 erstreckt. Ein dritter Nebenausbrei tungsweg
erstreckt sich zwischen dem Koppler C3 und dem Nebentor 13 usw.
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Bei
der Verwendung der Vorrichtung 1 als ein Demultiplexer
wird eine optische Strahlung, die eine Mehrzahl von Wellenlängen λ1, λ2, ..., λn umfasst,
in die Vorrichtung 1 an dem Tor 10 injiziert.
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Während sich
die optische Strahlung entlang der Zick-Zack-Ausbreitungsstruktur ausbreitet, die
in dem Substrat 2 vorgesehen ist, wird die optische Strahlung
bei der Wellenlänge λ1 reflektiert
durch das Gitter R1 und es wird bewirkt, dass sich dieselbe zu dem
Tor 11 ausbreitet, von dem dieselbe extrahiert werden kann.
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Alle
anderen Wellenlängen
in der Strahlung werden zu dem Koppler CR1 übertragen, der in Zusammenarbeit
mit der Metallisierung M1 als eine reflektierende Oberfläche, d.
h. als ein Spiegel wirkt, die alle verbleibende Strahlung zu dem
Koppler C2 sendet. Der Koppler C2 und das Gitter R2 extrahieren
von dem Signal die Komponente (den Kanal) bei der Wellenlänge λ2, die zu
dem Tor 12 gesendet wird.
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Alle
verbleibenden Signalkomponenten werden zu dem Koppler CR2 und der
reflektierenden Metallisierung M2 gesendet, um zu dem Koppler CR3 und
dem Gitter R3 zu verlaufen, wo die Komponenten bei der Wellenlänge λ3 von der
Strahlung, die zu dem Tor 13 gesendet werden soll, „abgezogen
werden" (d. h. extrahiert
werden).
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Der
gleiche beschriebene Mechanismus wiederholt sich bis zu dem Koppler
C6 und dem Bragg-Gitter R6, die schließlich von dem Strahlungsweg
die Komponente bei der Wellenlänge λ6 extrahieren,
während
alle verbleibenden Wellenlängen möglicherweise
zu einem Abschlusstor 17 ausgebreitet werden.
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Der
darunter liegende physikalische Mechanismus der Reflektion durch
ein Gitter, wie z. B. der Gitter R1 bis R6 ist in der Technik gut
bekannt, siehe beispielsweise F. Bakhti, P. Sansonetti, C. Sinet,
L. Gasca, L. Martineau, S. Lacroix, X. Daxhelet, und F. Gonthier, „Optical
add/drop multiplexer based on UV-written Bragg grating in a fused
100 coupler" – Electronics
Letters 33, 803–804
(1997).
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Der
Betrieb der Vorrichtung 1 als ein Multiplexer ist im wesentlichen
identisch mit demjenigen, der im vorhergehenden beschrieben wurde,
außer der
Tatsache, dass bei einem Multiplexerbetrieb optische Nebenstrahlungen
bei Wellenlängen λ1, λ2, ..., λn an den
Toren 11, 12, 13, ..., 1n in
die Vorrichtung 1 injiziert werden, um eine multiplexierte
optische Strahlung zu bewirken, die die Vorrichtung 1 an
dem Tor 10 verlässt,
das als ein Ausgangstor wirkt.
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Wenn
beispielweise die Vorrichtung 1 als ein Multiplexer verwendet
wird, wird ein optisches Signal bei der Wellenlänge λ2 durch das Tor 12 injiziert,
um durch den Koppler C2 und das Bragg-Gitter R2 zu dem Koppler/Spiegel
CR1/M1 reflektiert zu werden. Von dort wird das vorliegende Signal
zu dem Koppler C1 gesendet, der dasselbe zu dem Tor 10 überträgt. In der
Tat wird ein solches Signal bei der Wellenlänge λ2 das Gitter R1 nicht „sehen", weil die Bragg-Wellenlänge des
letzteren (d. h. λ1)
anders ist.
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Wie
es angezeigt wurde, ermöglicht
es die Anordnung der Erfindung, dass eine relativ hohe Anzahl von
Kopplern mit unterschiedlichen Gittern implementiert wird, um eine
entsprechende Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen in einem relativ kleinen Raum
zu trennen (demultiplexen) oder zu mischen (multiplexen).
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Koppler
C1, C2, ... und CR1, CR2, ... und auch die anderen Komponenten der
Vorrichtung müssen
selbstverständlich
optimiert werden.
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Genauer
gesagt, durch Bezugnahme auf bekannte Technologien, können Multiplexer-/Demultiplexervorrichtungen
gemäß der Erfindung
implementiert werden, die angepasst sind für die Verwendung mit 20 bis
30 Kanälen
auf einem Silizium- oder Silika-Chip, der eine Oberfläche von
einigen wenigen Quadratzentimetern aufweist.
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Selbstverständlich können, wenn
das Prinzip der Erfindung gleich bleibt, Einzelheiten und Ausführungsbeispiele
bezüglich
dem hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsbeispiel variiert werden, ohne
von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert
ist.