DE60209153T2 - Optische komponente für die spektrale separation von licht verschiedener wellenlängen - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Komponenten und spezieller optische Wellenlängen-Multiplexer und -Demultiplexer.
  • Dem Fachmann ist bekannt, dass es möglich ist, die Verkehrskapazität der Lichtwellenleiternetze durch Wellenlängenmultiplex- und -demultiplexverfahren beträchtlich zu erhöhen. Jede zu transportierende Datenreihe wird auf einer bestimmten optischen Frequenz gesendet, wodurch die Kapazität des Lichtwellenleiters um einen Faktor erhöht wird, der gleich der Anzahl der verwendeten Wellenlängen ist.
  • 1 zeigt einen Multiplexer nach dem Stand der Technik. Bei einem solchen Multiplexer befindet sich das Ende einzelner optischer Fasern 1 bis 4, die jeweils für ein Frequenzband bestimmt sind, in einer Ebene x, welche die Eingangsebene des Multiplexers bildet. Dieser Multiplexer umfasst außerdem ein Kollimationselement 6 und ein Beugungselement 7. Die Eingangsebene x des Multiplexers fällt mit der Brennebene des Kollimationselements 6 zusammen, so dass die Eingangsbündel, die aus den Enden der Einzelfasern 1 bis 4 austreten, das Kollimationselement 6 durchqueren und danach im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Das Beugungselement 7 ist derart angeordnet, dass die Strahlenbündel zu dem Kollimationselement 6 zurückgestrahlt werden, welches sie überlagert, um sie in das Ende einer einzigen Ausgangsfaser 5 einzuleiten.
  • Da die Durchsatzleistung der optischen Netze immer höher wird und die Stabilität der Lichtquellen, insbesondere der Laser, nicht perfekt ist, ist es erforderlich, die Schwankungen bei der Übertragung, die durch diese Instabilität verursacht werden, zu verringern, indem eine möglichst breiter Durchlassbereich für die Multiplexierung gesucht wird.
  • Man ist daher bestrebt, das Verhältnis FWHM/Δλ zu vergrößern, wobei FWHM (Full Width at Half Maximum) die Breite eines einzelnen Bandes bezeichnet und Δλ den Abstand zwischen zwei zentralen Wellenlängen von zwei aufeinander folgenden einzelnen Bändern bezeichnet. Es ist bekannt, dass das Verhältnis FWHM/Δλ proportional zum Verhältnis ω/Δx ist, wobei ω den Modenradius der Fasern bezeichnet und Δx den Abstand zwischen den Fasern bezeichnet.
  • Ein bekanntes Verfahren zum Erhöhen des Verhältnisses FWHM/Δλ besteht daher darin, einen Konzentrator auf der Basis von planaren Wellenleitern zu verwenden, um Δx zu verringern. Diese integrierte optische Komponente gestattet es nämlich, den physischen Zwischenraum zwischen den Wegen zu verringern. Ein solcher Konzentrator ist insbesondere gut geeignet, um in Multiplexern/Demultiplexern mit planarem Wellenleitergitter AWG (Array Wave Guide Grating) verwendet zu werden. Er ist jedoch relativ teuer.
  • Ein anderes Verfahren besteht darin, ω zu vergrößern. So wird im Dokument EP 0 859 249 ein Lichtwellenleiter-Multiplexer beschrieben, der Eingangs-Einzelfasern, die jeweils ein Frequenzband transportieren, und eine Leiste aus Mikrolinsen, wobei jede Mikrolinse mit einem Faserende verknüpft ist, umfasst. Diese Mikrolinsen ermöglichen, die aus den Einzelfasern austretenden Strahlenbündel konvergieren zu lassen, um parallele Strahlenbündel zu erzeugen, die einen Modenradius aufweisen, der größer ist als der der Eingangsbündel. Die Strahlenbündel durchlaufen eine Kollimationslinse, welche sie zu einem Dispersionsgitter lenkt, das es ermöglicht, ein einziges Ausgangsbündel zu erzeugen, das aus den verschiedenen überlagerten Lichtbündeln besteht.
  • Es ist leicht einzusehen, dass ein solches Verfahren eine genaue Positionierung der Enden der Fasern bezüglich der Brennpunkte der Mikrolinsen sowie eine genaue Ausrichtung der Achsen der Einzelfasern bezüglich der Brennachsen der Mikrolinsen erfordert.
  • Das Dokument US 4 634 215 beschreibt eine optische Komponente zum Multiplexieren/Demultiplexieren eines optischen Signals, welche ein Beugungsgitter und Mittel, die so gestaltet sind, dass sie die Öffnungen der multimoden Wellenleiter anpassen, umfasst.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lichtwellenleiter-Multiplexer/Demultiplexer bereitzustellen, der kostengünstiger ist, leicht zusammengebaut werden kann und ein höheres Verhältnis FWHM/Δλ aufweist.
  • Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung eine Komponente mit optischer Funktion vor, welche mindestens ein Eingangs-Leiterelement, mindestens ein Ausgangs-Leiterelement und ein zwischen dem oder den Eingangs-Leiterelement(en) und dem oder den Ausgangs-Leiterelement(en) geschaltetes Spektralzerlegungselement umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eines der Eingangs- oder Ausgangs-Leiterelemente eine Faser aufweist, die einen Abschnitt umfasst, der so gestaltet ist, dass er den Modenradius eines Strahlenbündels vergrößert, welches er leitet.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Abschnitt, der so gestaltet ist, dass er den Modenradius des Strahlenbündels vergrößert, durch einen Abschnitt mit Gradientenindex, durch einen Abschnitt, dessen Größe des Kerns oder des Mantels in Querrichtung und/oder in Längsrichtung variiert, oder auch durch einen Abschnitt, dessen Kern- oder Mantelindex in Querrichtung und/oder in Längsrichtung variiert, gebildet werden.
  • Eine solche optische Komponente ermöglicht es vorteilhafterweise, ein Strahlenbündel zu erhalten, dessen Modenradius im Vergleich zu dem Modenradius des Strahlenbündels, das von dem zugehörigen Leiterelement transportiert wird, vergrößert ist.
  • Bei dieser Komponente ist die Funktion der Vergrößerung des Modenradius jedes Strahlenbündels vorteilhafterweise in die Eingangs- und/oder Ausgangsfaser dieses Strahlenbündels integriert.
  • Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich, die ausschließlich der Veranschaulichung dient und nicht einschränkend ist und in Verbindung mit den beigefügten Figuren studiert werden sollte, wobei:
  • 1 schematisch einen Multiplexer/Demultiplexer mit Beugungselement nach dem Stand der Technik zeigt;
  • 2 schematisch einen Multiplexer/Demultiplexer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 3 ein Beispiel einer Faser zeigt, die einen Abschnitt mit Gradientenindex aufweist;
  • 4 schematisch einen Multiplexer/Demultiplexer zeigt;
  • 5 schematisch eine Ausführungsvariante von 4 zeigt;
  • 6 schematisch einen Multiplexer/Demultiplexer zeigt.
  • Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezielle Anzahl von Fasern bestimmt, die in den beigefügten Figuren dargestellt ist, nämlich auf einen 4-zu-1-Multiplexer, sondern sie erstreckt sich auf jede Komponente, die n Fasern umfasst.
  • Die in 2 dargestellte Komponente funktioniert als ein Multiplexer (eine solche Komponente könnte selbstverständ lich auch als Demultiplexer verwendet werden). Diese Komponente umfasst koplanare optische Fasern 1 bis 5, die parallel zueinander und nebeneinander liegend angeordnet sind. Die Fasern 1 bis 4 sind Eingangsfasern, die jeweils für ein gegebenes Frequenzband bestimmt sind. Die Faser 5 ist eine Ausgangsfaser, welche die Übertragung des multiplexierten optischen Strahlenbündels sicherstellt, das durch Überlagerung der aus den Eingangsfasern 1 bis 4 austretenden Strahlenbündel erhalten wird. Die Komponente umfasst außerdem ein Fokussierungselement 6 vom Typ einer Linse, das gegenüber den Enden der Fasern 1 bis 5 angeordnet ist, und ein Beugungselement 7, zum Beispiel ein Beugungsgitter, welches die von den Eingangsfasern 1 bis 4 über das Fokussierungselement 6 ausgesendeten Signale empfängt.
  • Bekanntermaßen besitzt das Beugungselement 7 die Eigenschaft, die verschiedenen Wellenlängen, die in ein und demselben einfallenden Strahlenbündel enthalten sind, unter getrennten Winkeln zurückzustrahlen. Aufgrund des Prinzips der inversen Rückkehr des Lichtes kann das Gitter in der Richtung der Ausgangsfaser 5 über das Fokussierungselement 6 die unter getrennten Winkeln einfallenden und von den Eingangsfasern 1 bis 4 stammenden Strahlenbündel wieder kombinieren.
  • Die Eingangsfasern 1 bis 4 und die Ausgangsfaser 5 weisen jeweils an ihrem Ende einen Abschnitt aus Siliziumdioxid 11 bis 14 und 15 sowie einen Gradientenindex-Faserabschnitt 21 bis 24 und 25 auf. Die Gradientenindex-Faserabschnitte weisen einen Kern auf, dessen Brechungsindex in Abhängigkeit von der radialen Entfernung variiert. Der Brechungsindex, der in der Mitte des Kerns höher ist, verringert sich mit zunehmender Annäherung an den optischen Mantel und zwingt somit die Lichtstrahlen, einer gekrümmten Trajektorie zu folgen, die sich periodisch wieder auf der Mittelachse des Kerns fokussiert. In einer Gradientenindexfaser ändert sich der Brechungsindex der Faser nach einem be stimmten Gesetz der stetigen Änderung des Index, zum Beispiel nach einem parabolischen Gesetz. Somit trifft der sich von der Achse entfernende geneigte Strahl auf eine Umgebung mit sich allmählich verringerndem Index, was zur Folge hat, dass er zur Horizontalen hin geneigt wird und zur Achse hin zurückgeführt wird.
  • In dieser Figur breiten sich die aus den Abschnitten mit Gradientenindex austretenden Strahlenbündel im Vakuum bis zu dem Fokussierungselement 6 aus, welches sie auf dem Element 7 fokussiert. Jedes Strahlenbündel entspricht einem gegebenen Frequenzband, und das Gitter ist so beschaffen, dass es die Gesamtheit der einfallenden Strahlenbündel zu einem einzigen Bündel überlagert, das zu dem Fokussierungselement 6 und der Ausgangsfaser 5 gelenkt wird.
  • In 3 ist ein Beispiel einer Faser 1, die einen Abschnitt mit Gradientenindex umfasst, genauer dargestellt. Eine solche Faser wird von einer klassischen Einmodenfaser 31 gebildet, an deren Ende ein Teilabschnitt aus Siliziumdioxid 11 mit einer Länge Ls angeschweißt ist, gefolgt von einem Faserteilabschnitt mit Gradientenindex 21 mit einer Länge Lg, der den Abschnitt mit Gradientenindex darstellt. Die Strahlenbündel, die aus dem Kern der Einmodenfaser 31 austreten, durchqueren nacheinander den Teilabschnitt 11 aus reinem Siliziumdioxid und den Teilabschnitt 21 mit Gradientenindex. In dem Teilabschnitt 11 aus reinem Siliziumdioxid weisen die Strahlenbündel die Tendenz auf zu divergieren, während sie in dem Teilabschnitt 21 aus Siliziumdioxid mit Gradientenindex die Tendenz aufweisen, sich wieder zu konzentrieren. Der Arbeitsabstand zω und der Modenradius ω des Strahlenbündels am Ausgang der Faser hängen von den Längen Ls und Lg der Teilabschnitte 11 und 21 ab, die an die Einmodenfaser 31 angeschweißt sind.
  • Es ist auch möglich, ähnliche Fasern zu verwenden, welche den Teilabschnitt 11 aus reinem Siliziumdioxid nicht umfas sen. In diesem Falle ist die Einmodenfaser 31 direkt an den Faserteilabschnitt 21 mit Gradientenindex angeschweißt.
  • Außerdem bestehen die Faserabschnitte, die dazu vorgesehen sind, den Modenradius der Strahlenbündel zu vergrößern, nicht unbedingt aus Teilabschnitten, die angesetzt und befestigt, zum Beispiel angeschweißt sind. Man kann auch direkt in der Einmodenfaser durch lokale Veränderung der Struktur und/oder der Eigenschaften der Faser mittels einer geeigneten Bearbeitung einen Faserabschnitt erzeugen, der eine Vergrößerung des Modenradius bewirkt. Man kann zu diesem Zweck zum Beispiel Verfahren zur Vergrößerung des Kerns durch Thermodiffusion anwenden, um eine Vergrößerung des Kerns der Einmodenfaser auf einem Abschnitt mit einer bestimmten Länge zu bewirken.
  • Bei einer Ausführungsform des Multiplexers von 2 bestehen die Eingangsfasern 1 bis 4 und die Ausgangsfaser 5 aus Einmodenfasern 31 bis 35, die einen ähnlichen Aufbau wie in 3 aufweisen.
  • Die Einzelfasern 1 bis 5 von 2 können in einem Faserhalter angebracht sein, der V-Nuten zur Positionierung der Fasern umfasst. Die Enden der Fasern 1 bis 5 werden anschließend poliert, um nebeneinander aufgereiht zu werden. Der Arbeitsgang des Polierens bewirkt eine geringfügige Änderung der Länge der Faserabschnitte 21 bis 25 mit Gradientenindex. Es lässt sich zeigen, dass diese Längenänderung wenig Auswirkungen auf den Modenradius ω des Strahlenbündels am Faserausgang hat.
  • Trotzdem ist es möglich, um das Verhalten des Strahlenbündels genau zu steuern, an das Ende jeder Faser 1 bis 5 einen zusätzlichen Teilabschnitt aus Siliziumdioxid ohne Auswirkung auf die Trajektorie der Strahlenbündel anzufügen. Die Fasern werden anschließend in dem Faserhalter mit diesem zusätzlichen Teilabschnitt angebracht, bevor sie zusammen poliert werden. Auf diese Weise wird die Länge der Abschnitte 21 bis 25 mit Gradientenindex durch den Arbeitsgang des Polierens nicht verändert.
  • Es lassen sich auch noch bessere Leistungen erzielen, indem man den Durchmesser der Fasern im Bereich ihres Endes verkleinert. Zu diesem Zweck kann man vorteilhafterweise eine chemische Ätzung ihrer Außenflächen durchführen, um eine Schicht des optischen Mantels zu entfernen. Somit verringert man die Größe des Abstands Δx zwischen den Modenradien.
  • Die Fasern, die bei den drei weiter oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet wurden, ermöglichen es, die Modenradien ω der Einzelfasern auf eine umfassende Weise zu vergrößern. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist den Vorteil auf, dass die Lichtbündel nicht die Luft zwischen den Enden der Einmodenfasern und den Abschnitten, welche die Funktion der Vergrößerung des Modenradius sicherstellen, durchqueren.
  • Außerdem ermöglicht es die Erfindung, die Probleme im Zusammenhang mit der Ausrichtung zu überwinden, die den bisherigen technischen Lösungen innewohnten.
  • Weiter oben wurden Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei welchen der Abschnitt, der dazu vorgesehen ist, den Modenradius des Bündels zu vergrößern, von einem Abschnitt mit Gradientenindex gebildet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt. Wie weiter oben erwähnt wurde, erstreckt sich die vorliegende Erfindung auch auf den Fall, in dem der Abschnitt, der die Vergrößerung des Modenradius sicherstellt, von einem Faserabschnitt gebildet wird, bei dem die Größe des Kerns oder des Mantels in Längsrichtung und/oder in Querrichtung variiert, oder auch von einem Abschnitt, dessen Kern- oder Mantelindex in Längsrichtung und/oder in Querrichtung variiert.
  • Außerdem kann das Beugungselement 7 von einem Stufengitter, einem holographischen Phasen- oder Volumengitter oder auch aus einer Verknüpfung mehrerer dieser Elemente bestehen.

Claims (13)

  1. Komponente mit optischer Funktion, welche mindestens eine Einmoden-Eingangsfaser (1–4), mindestens eine Einmoden-Ausgangsfaser (5) und ein zwischen der oder den Eingangsfaser(n) (1–4) und der oder den Ausgangsfaser(n) (5) geschaltetes Beugungsgitter (7) umfasst, wobei mindestens eine der Eingangs- oder Ausgangsfasern (1–5) einen Abschnitt (21–25) umfasst, der so gestaltet ist, dass er den Modenradius des Strahlenbündels vergrößert, das sich in dieser Faser ausbreitet.
  2. Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (21–25), der so gestaltet ist, dass er den Modenradius des Strahlenbündels vergrößert, durch einen Abschnitt mit Gradientenindex gebildet wird.
  3. Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (21–25), der so gestaltet ist, dass er den Modenradius des Strahlenbündels vergrößert, durch einen Faserabschnitt gebildet wird, dessen Größe des Kerns oder des Mantels in Querrichtung und/oder in Längsrichtung variiert.
  4. Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (21–25), der so gestaltet ist, dass er den Modenradius des Strahlenbündels vergrößert, durch einen Faserabschnitt gebildet wird, dessen Kern- oder Mantelindex in Querrichtung und/oder in Längsrichtung variiert.
  5. Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (21–25), der so gestaltet ist, dass er den Modenradius des Strahlenbündels vergrößert, von einem Faserteilabschnitt ge bildet wird, der an das Ende der Faser (1-5) angesetzt und an ihm befestigt ist.
  6. Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (21–25), der so gestaltet ist, dass er den Modenradius des Strahlenbündels vergrößert, durch lokale Änderung der Struktur und/oder der Eigenschaften der Faser durch eine geeignete Behandlung gebildet wird.
  7. Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer bildet.
  8. Komponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (7) die Lichtbündel von mehreren Eingangsfasern (1–4) empfängt und die überlagerten Bündel zu mindestens einer Ausgangsfaser (5) zurücksendet.
  9. Komponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (7) die überlagerten Lichtbündel von wenigstens einer Eingangsfaser (5) empfängt und die Bündel getrennt zu Ausgangsfasern (1–4) zurücksendet.
  10. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser(n) (1–5) außerdem einen Abschnitt aus reinem Siliziumdioxid umfassen, der zwischen dem Ende der Faser (31) und dem die Vergrößerung des Modenradius sicherstellenden Faserabschnitt (21–25) angeordnet ist.
  11. Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elementarfaser (1–5) an ihrem Ende einen Siliziumdioxid-Schutzabschnitt aufweist, der an den die Vergrößerung des Modenradius sicherstellenden Faserabschnitt (21–25) angeschlossen ist, wobei die Siliziumdioxid-Schutzabschnitte poliert werden können, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Länge des die Vergrößerung des Modenradius sicherstellenden Faserabschnittes (21–25) geändert wird.
  12. Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Endes der Faser(n) (1–5), welche mindestens einen die Vergrößerung des Modenradius sicherstellenden Faserabschnitt (21–25) aufweist (aufweisen), durch chemische Bearbeitung der Außenflächen der Fasern verringert wird.
  13. Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (7) aus der Gruppe gewählt ist, welche die Stufengitter, die holographischen Phasen- oder Volumengitter sowie die Verknüpfung mehrerer dieser Elemente umfasst.
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