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Diese
Erfindung betrifft optische Filter.
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Im
Bereich der Optik ist Wellenlängenfilterung,
das heißt,
das Extrahieren eines optischen Signals mit einer bestimmten Wellenlänge aus
einem Signal, das mehrere spektrale Komponenten enthält, eine
wichtige Funktion. Beispielsweise ermöglicht Wellenlängenfilterung
im Bereich der optischen Kommunikation, dass ein bestimmter optischer
Kommunikationskanal aus mehreren Kanälen im Wellenlängen-Multiplex
extrahiert wird, was ermöglicht,
dass der Kanal weiterverarbeitet wird, zum Beispiel kann er verstärkt, weitergeleitet
oder demoduliert werden. Im Bereich der optischen Kommunikation
ist es erforderlich, dass Komponenten, die Filterung und andere Funktionen
ausführen,
mit anderen optischen Komponenten in integrierte optische Systeme
integriert werden, in denen Licht in faseroptischen oder Halbleiter-Wellenleitern
geleitet wird. Bauteile, die derzeit verwendet werden, um in solchen
integrierten optischen Systemen Filterung durchzuführen, schließen Bragg-Gitter,
Fabry-Perot- und Mach-Zehnder-Interferometer,
Array-Wellenleitergitter (AWGs, Array Waveguide Gratings) und akustooptische
Filter ein. Solche Bauteile sind komplex und erfordern deshalb einen
erheblichen Verarbeitungsaufwand bei ihrer Herstellung, wodurch
als Ergebnis integrierte optische Systeme, die sie enthalten, teuer
und zeitaufwendig zu produzieren sind. Diese Bauteile sind zum Beispiel
in dem Buch „Optical
Networks – A
Practical Perspective" von
R. Ramaswami und K.N. Sivarajan (Morgan Kaufmann Publishers 1998, ISBN1-55860-445-6)
beschrieben.
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Optische
Filter, die auf dem Effekt von Selbstabbildung in einem Multimode-Wellenleiter
basieren, sind auch nach dem Stand der Technik bekannt: zum Beispiel
veröffentlicht
US-Patent 5 862 288 (in dessen 1) ein Filter,
das auf dem Prinzip der 1-zu-1-Abbildung einer eingegebenen optischen Feldverteilung über einen
Abstand L = w2/mλ0 in
einem Multimode-Wellenleiter basiert, wobei w die Breite des Multimode-Wellenleiters
und mλ0 die Wellenlänge der geleiteten Strahlung
aus ebenen Wellen ist, wobei die Wellenlänge von dem Filter gegenüber Strahlung
mit anderen Wellenlängen
bevorzugt durchgelassen wird. m ist eine positive ganze Zahl. Solche
Filter können
leicht hergestellt und mit anderen optischen und optoelektronischen
Bauteilen integriert werden.
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Ein
Problem, das mit einem Filter des letzteren Typs zusammenhängt, ist,
dass die Übertragungsfunktion
des Filters einen signifikanten Ausschlag der Kurve zwischen den
Transmissionsspitzen aufweist, die zu den Wellenlängen mλ0 und
(m + 1)λ0 gehören,
das heißt,
die Transmission eines solchen Filters ist bei Wellenlängen zwischen
denen, die aus den mehreren spektrale Komponenten extrahiert werden
sollen, nicht Null. Eine solche Kurvenform verschlechtert die Filterleistung
und ist in manchen Filteranwendungen nicht akzeptabel.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist, dieses Problem mit Filtern auf Basis
des Effekts der Selbstabbildung in einem Multimode-Wellenleiter zu lösen oder
wenigstens zu entschärfen.
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Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Ziel durch
ein optisches Filter erreicht, der folgendes umfasst:
- (a) einen Multimode-Wellenleiter; und
- (b) Eingangs- und Ausgangswellenleiter, die mit dem Multimode-Wellenleiter an dessen
jeweiligen Enden kommunizieren, und die im Querschnitt des Multimode-Wellenleiters
zentral angeordnet sind, bei dem die Länge des Multimode-Wellenleiters
derart ist, dass eine optische Feldverteilung, die die transversale
Mode der geringsten Ordnung des Eingangs- und Ausgangswellenleiters ist,
die in den Multimode-Wellenleiter über den Eingangswellenleiter
eingekoppelt wird, auf der zentralen Längsachse des Multimode-Wellenleiters
am Ende des Multimode-Wellenleiters, das von dem Eingangswellenleiter
entfernt liegt, im wesentlichen reproduziert wird, und für Strahlung mit
einer Wellenlänge,
die von dem Filter gegenüber
Strahlung mit anderen Wellenlängen
mittels modaler Dispersion und intermodaler Interferenz innerhalb
des Multimode-Wellenleiters durchgelassen werden soll, in den Ausgangswellenleiter eingekoppelt
wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter weiter eine optische
Strahlungsblockiereinrichtung umfasst, die sich quer über den
Multimode-Wellenleiter
an einer Längsposition
innerhalb des Multimode-Wellenleiters
erstreckt, in dem 1-in-N-Wege Intensitätsaufteilung des optischen
Feldes auftritt, wobei N > 1
ist, wobei die Blockiereinrichtung einen Satz von N Aperturen umfasst,
wobei das Zentrum von jeder Apertur an einer lateralen Position
innerhalb des Multimode-Wellenleiters
angeordnet ist, an der ein lokales optisches Intensitätsmaximum
auftritt, wenn die Aufteilung auftritt, und die Aperturen bezüglich optischer
Strahlung transmittieren.
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Die
Länge des
Multimode-Wellenleiters kann pw2 2/λ betragen,
wobei p eine positive ganze Zahl und w2 die
Breite des Multimode-Wellenleiters
ist. Die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM, Full Width Half
Maximum) der Transmissionsspitzen der Übertragungsfunktion eines Filters
nach der Erfindung nm wird verringert, wenn die Länge des
Multimode-Wellenleiters erhöht
wird. Zusätzlich
liefert dies (p-1) Transmissionsspitzen in der Übertragungsfunktion des Fil ters
zwischen den Spitzen, die mit den Wellenlängen mλ0 und
(m + 1)λ0 zusammenhängen.
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Vorzugsweise
sind die Breite w1 des Ankopplungswellenleiters
und die Breite w2 derart, dass w2/w1 > 8 ist. Dies liefert
eine verringerte FWHM der Transmissionsspitzen der Übertragungsfunktion
des Filters.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Laseroszillator geschaffen,
der durch einen Filter nach dem ersten Aspekt der Erfindung gekennzeichnet
ist. Ein solcher Laseroszillator hat ein Ausgangssignal mit spektralen
Eigenschaften, die durch die Übertragungsfunktion
des Filters festgelegt sind.
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Nach
einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine optische Einrichtung
geschaffen, die eine Strahlungsquelle umfasst, und die durch einen
Filter nach dem ersten Aspekt der Erfindung gekennzeichnet ist.
Eine solche Einrichtung gibt Strahlung aus, die eine schmalere spektrale
Breite als die Strahlungsquelle allein hat.
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Ausführungen
der Erfindung werden nun, nur als Beispiel, mit Bezug auf die Zeichnungen
im Anhang beschrieben, in denen:
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die 1 und 2 ebene
bzw. perspektivische Ansichten eines Wellenlängenfilters nach dem Stand
der Technik zeigen;
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3 die
räumliche
Verteilung eines optischen Feldes als Funktion des Abstands innerhalb
eines Teiles des Filters der 1 und 2 darstellt;
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4 ein
Diagramm der Transmission über der
Wellenlänge
von eingegebener Strahlung für
den Filter in den 1 und 2 ist;
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die 5 bis 7 Diagramme
der Transmission bei der Wellenlänge
von eingegebener Strahlung für
weitere Wellenlängenfilter
nach dem Stand der Technik sind;
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8 eine
ebene Ansicht eines Wellenlängenfilters
nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
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In 1 und 2 sind
ebene beziehungsweise perspektivische Ansichten eines Wellenlängenfilters
nach dem Stand der Technik gezeigt, der allgemein als 10 angegeben
ist, der Strahlung mit einer Wellenlänge mλ0 innerhalb
des Filters gegenüber Strahlung
mit anderen Wellenlängen
bevorzugt durchlässt.
m ist eine ganze Zahl und λ0 = 1 μm.
Die Einrichtung 10 ist mit Methoden hergestellt, die Fachleuten
der Halbleiterbauteilherstellung vertraut sind, und ist auf ein
Koordinatensystem 11 bezogen, das x-, y- und z-Richtungen
definiert. Die Einrichtung 10 umfasst Mantelschichten 14 und 18 aus
Al0,1Ga0,9As, die
2,0 μm dick
sind, eine GaAs-Kernschicht 16, die 1,0 μm dick ist
und eine GaAs-Deckschicht 19, die 0,1 μm dick ist. Die Schichten 14, 16, 18 und 19 werden
von einem GaAs-Substrat 12 getragen. Die Schichten 14, 16 und 18 bilden
einen plattenförmigen Wellenleiter,
der in x-Richtung nur eine einzige Mode hat.
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Die
Einrichtung 10 hat die Struktur eines Gebirgskamms 20 (durch Ätzen hergestellt),
die die Schichten 16, 18 und 19 und einen
Teil der Schicht 14 enthält. Die Gebirgskammstruktur 20 hat
Endbereiche 22 und 24 mit einer Breite w1 = 2 μm,
die jeweils den Endbereichen 32 und 34 der Einrichtung 10 entsprechen,
und einen Zentralbereich 26 mit der Breite w2 =
4 μm, der
dem Zentralbereich 36 der Einrichtung 10 entspricht.
Die Breite w1 der Endbereiche 23 und 24 der
Gebirgskammstruktur ist derart, dass optische Strahlung, die innerhalb
dieser Bereiche geleitet wird, und die innerhalb der Einrichtung 10 eine
Wellenlänge
im Bereich von 1 μm
hat, sowohl in x- als auch in y-Richtung
nur eine Mode aufweist, das heißt,
die Endbereiche 32 und 34 der Einrichtung 10 sind
Single-Mode-Wellenleiter. Die Breite w2 des Zentralbereichs 26 der
Gebirgskammstruktur 20 ist derart, dass Strahlung, die
innerhalb der Einrichtung 10 eine Wellenlänge im Bereich
von 1 μm
hat, in y-Richtung im allgemeinen mehrere Moden hat, das heißt, der
Zentralbereich 36 der Einrichtung 10 ist ein Multimode-Wellenleiter
mit Enden 17 und 19.
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Die
Endbereiche 22 und 24 der Gebirgskammstruktur 20 sind
zentral in dem Querschnitt des Zentralbereichs 26 der Gebirgskammstruktur
und auf seiner Mittenachse in Längsrichtung 13 angeordnet. Der
Zentralbereich 26 der Gebirgskammstruktur 20 hat
eine Länge
L = w2 2/λ0 =
16 μm. Der
Zentralbereich 26 der Gebirgskammstruktur 20 trifft
in den xy-Ebenen 33 beziehungsweise 35 auf die
Endbereiche 22 und 24. Der Filter 10 hat
eine xy-Eintrittsebene 37, an der optische Strahlung in
den Filter 10 eintritt, und eine xy-Austrittsebene 39, an der die
optische Strahlung aus dem Filter 10 austritt. Die Längen der
Endbereiche 22 und 24 in z-Richtung können irgendeinen geeigneten
Wert annehmen: der Filter 10 kann auf einem einzelnen integrierten
optischen Chip mit anderen Komponenten und Bauteilen integriert
werden, zum Beispiel mit Verstärkern,
Modulatoren und dergleichen.
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Der
Filter 10 arbeitet wie folgt. Eingegebene optische Strahlung
tritt in die Schicht 16 im Wesentlichen in z-Richtung und
in der xy-Eintrittsebene 37 ein,
wie durch einen Pfeil 40 in 2 angegeben
ist. Die eingegebene optische Strahlung umfasst spektrale Kompo nenten
mit Wellenlängen
mλ0 innerhalb des Filters 10, die
gegenüber
anderen spektralen Komponenten der eingegebenen optischen Strahlung
bevorzugt durchgelassen werden sollen. Die eingegebene optische
Strahlung läuft
in z-Richtung in den Endbereich 32 der Einrichtung 10 als
ein optisches Feld, das sowohl in der x- als auch in der y-Richtung nur eine
einzige Mode hat, wobei sie im wesentlich innerhalb der Schicht 16 geleitet
wird. Wenn das optische Feld in den Zentralbereich 36 des Filter 10 in
der xy-Ebene 33 eintritt, regt jede spektrale Komponente
der eingegebenen optischen Strahlung mehrere transversale Moden
EH1,j in dem Bereich an, wobei j den Modenindex
in der y-Richtung bedeutet und gleich einer ungeraden ganzen Zahl
ist. Folglich werden nur die symmetrischen Moden des Zentralbereichs
(Multimode-Wellenleiter) 36 angeregt. (neff =
3,5 für
die Einrichtung 10.)
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Eine
spektrale Komponente der eingegebenen optischen Strahlung mit einer
Wellenlänge λi innerhalb
des Filters 10 hat eine Wellenlänge λi' = λin im
freien Raum, wobei n der Brechungsindex für eine ebene Welle in der Schicht 16 ist.
Zum Beispiel hat die spektrale Komponente der eingegebenen optischen
Strahlung mit einer Wellenlänge λ0 =
1 μm innerhalb
des Filters 10 eine Wellenlänge λ0' = λ0n
= 3,5 μm
im freien Raum.
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Als
ein Ergebnis von modaler Dispersion und Interferenz zwischen Moden
innerhalb des Zentralbereichs 36 variiert die Intensitätsverteilung
in der y-Richtung der spektralen Komponente mit der Wellenlänge λ0 mit
dem Abstand in z-Richtung entlang dem Zentralbereich 36 der
Einrichtung 10, wie in 3 gezeigt
ist. In 3 ist die Intensitätsverteilung 40 in
der y-Richtung in der xy-Ebene 33 des optischen Feldes
der spektralen Komponente mit der Wellenlängen λ0 der
die transversale Mode EH1,1 des zentralen Wellenleiterbereichs 36.
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Als
ein Ergebnis modaler Dispersion und Interferenz zwischen Moden innerhalb
des Zentralbereichs 36 wird die Feldverteilung in der xy-Ebene 35 im
wesentlichen reproduziert und koppelt deshalb effektiv in den Endbereich 34 der
Einrichtung 10 ein. Für
eine spektrale Komponente innerhalb des Filters 10 mit
einer Wellenlänge,
die von mλ0 verschieden ist, wobei m eine ganze Zahl
ist, wird die Intensitätsverteilung 40 in
der xy-Ebene 33 nicht in der xy-Ebene 35 reproduziert,
und folglich ist die Effektivität,
mit der eine solche spektrale Komponente in den Endbereich 34 der
Einrichtung 10 eingekoppelt wird, im Vergleich mit der
der spektralen Komponente λ0 verringert. Eine spektrale Komponente mit
einer Wellenlänge λi < λ0 (≠ mλ0)
in der Einrichtung würde
zum Beispiel erfordern, dass der Zentralbereich 36 des
Filters 10 die Länge
w2 2/λi > w2 2/λ0 hat, damit die Verteilung der transversalen
Mode EH1,1 dieser spektralen Komponente in der xy-Ebene 33 in
der xy-Ebene 35 reproduziert wird. Ebenso würde eine
spektrale Komponente mit einer Wellenlänge λ2 < λ0 (≠ mλ0)
in der Einrichtung zum Beispiel erfordern, dass der Zentralbereich 36 des
Filters 10 die Länge
w2 2/λ2 > w2 2/λ0 hat, damit die Verteilung der transversalen
Mode EH1,1 dieser spektralen Komponente in der xy-Ebene 33 in
der xy-Ebene 35 reproduziert wird. Folglich bewirkt der
Filter 10 eine Filterfunktion, wobei spektrale Komponenten
der Wellenlänge
mλ0 in der eingegebenen Strahlung gegenüber anderen
spektralen Komponenten vorzugsweise durchgelassen werden.
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In 4 ist
die Transmission des Filters 10 im Bereich 0–2 μm als Funktion
der Wellenlänge
(innerhalb des Filters 10) der eingegebenen Strahlung durch
eine Kurve 50 gezeigt. Die Kurve 50 ist in Bezug
auf die Wellenlänge
periodisch: Wellenlängen mλ0 in
der eingegebenen Strahlung werden von dem Filter 10 mit
im Wesentlichen 100% Effektivität
durchgelassen, wobei m eine ganze Zahl ist. Transmissions spitzen,
wie etwa 51 in der Kurve 50, haben eine volle
Breite bei halbem Maximum (FWHM) von ungefähr 560 nm.
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Ein
anderer Wellenlängenfilter
nach dem Stand der Technik hat einen Aufbau wie der Filter 10, außer dass
die Endbereiche 22 und 24 der Gebirgskammstruktur 20 Multimode-Wellenleiter
in y-Richtung statt Single-Mode-Wellenleiter in y-Richtung sind.
Bei der Verwendung der alternativen Einrichtung tritt eingegebene
optische Strahlung in die xy-Ebene 37 derart ein, dass
nur die transversale Mode der kleinsten Ordnung im Endbereich 32 der Einrichtung
angeregt wird.
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In 5 ist
nun die Transmission über
die eingegebene Wellenlänge
für einen
weiteren bekannten Wellenlängenfilter
der Erfindung im Bereich von 0–2 μm durch eine
Kurve 55 gezeigt, wobei der Filter eine Konstruktion wie
die des Filters 10 aufweist, außer dass w2 =
8 μm beträgt. Die
Kurve 55 ist bezüglich
der Wellenlänge
periodisch: die Wellenlängen
mλ0 in der eingegebenen Strahlung werden mit im
wesentlichen 100% Wirkungsgrad durchgelassen, wobei m eine ganze
Zahl ist. Die Transmissionsspitzen, wie etwa 56, haben eine FWHM
von ungefähr 150
nm.
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In 6 ist
nun die Transmission über
die eingegebene Wellenlänge
für noch
einen weiteren Wellenlängenfilter
nach dem Stand der Technik für den
Bereich 0–2 μm durch eine
Kurve 60 gezeigt, wobei der Filter eine Konstruktion wie
die des Filters 10 aufweist, außer dass w2 =
16 μm beträgt. Die
Kurve 60 ist bezüglich
der Wellenlänge
periodisch: die Wellenlängen
mλ0 werden mit im wesentlichen 100% Wirkungsgrad
durchgelassen, wobei m eine ganze Zahl ist. Die Transmissionsspitzen,
wie etwa 61, haben eine FWHM von ungefähr 34 nm.
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In 7 ist
nun die Transmission über
die eingegebene Wellenlänge
für noch
einen weiteren Wellenlängenfilter
nach dem Stand der Technik für den
Bereich 0–2 μm durch eine
Kurve 65 gezeigt, wobei der Filter eine Konstruktion wie
die des Filters 10 aufweist, außer dass w2 =
16 μm und
L = 4w2 2/λ0 =
64 μm beträgt. Die
Kurve 65 ist bezüglich
der Wellenlänge
periodisch: die Wellenlängen
mλ0/4 werden mit im wesentlichen 100% Wirkungsgrad
durchgelassen, wobei m eine ganze Zahl ist. Die Transmissionsspitzen,
wie etwa 66, haben eine FWHM von ungefähr 34 nm.
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Die
Transmissionskurven 55, 60 und 65 haben
Nebenmaxima, wie etwa 57, 62 und 67.
Solche Nebenmaxima können
in manchen Filteranwendungen nicht akzeptiert werden.
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Aus
den 4 bis 7 kann man ersehen, dass die
FWHM der Transmissionsspitzen der Filter nach der Erfindung wie
etwa 10 variiert werden kann, indem die Struktur des Filters variiert
wird, indem der Wert von w1/w2 variiert
wird. Die FWHM einer Transmissionsspitze ist proportional zu (w1/w2)2.
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Die
Anzahl von Wellenlängen,
die von dem Filter mit im wesentlichen 100% Wirkungsgrad durchgelassen
wird, kann gesteigert werden, indem die Länge des Zentralbereichs des
Filters erhöht
wird: ein Filter mit einem Zentralbereich mit der Länge pw2 2/λ0 lässt spektrale
Komponenten der eingegebenen Strahlung mit Wellenlängen mλ0/p
mit im wesentlichen 100% Wirkungsgrad durch, wobei m und p ganze
Zahlen sind. Die Erhöhung
der Länge
des Zentralbereichs verringert außerdem die FWHM von Transmissionsspitzen
der Transmissionsfunktion eines Filters nach der Erfindung.
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In 8 ist
nun ein optisches Filter nach der Erfindung gezeigt, das generell
mit 300 bezeichnet ist. Das Filter 300 hat eine
Konstruktion und Abmessungen wie die des Filters 10. Das
Filter hat drei Sätze
von Aperturen 315A, 315B und 315C, die
durch Ätzen
von Rillen in dem Multimode-Wellenleiter 326 des Filters 300 hergestellt
sind. Die Rillen haben eine solche Tiefe, dass sie vollständig durch
die Kern-Wellenleiterschicht
des Filters 300 verlaufen. Die Sätze von Aperturen 315A und 315C sind
jeweils in einem Abstand w2 2/3λ0 von
den jeweiligen Enden 317 und 319 des Multimode-Wellenleiters 326 angeordnet, und
jede besteht aus drei Aperturen, deren Zentren bei w2/6,
w2/2 und 5w2/6 von
einer Seite des Multimode-Wellenleiters 326 des Filters
aus positioniert sind. Der Satz von Aperturen 315B ist
in einem Abstand w2 2/2λ0 von
jedem der Enden 317 und 319 des Multimode-Wellenleiters 326 angeordnet,
und hat zwei Aperturen im Abstand von w2/4
und 3w2/4 von einer Seite des Multimode-Wellenleiters 326.
Die Rillen können
durch irgendeine geeignete Methode der Halbleiterverarbeitung hergestellt
werden, z. B. durch fokussiertes Ionenstrahlätzen.
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In 3,
auf die noch einmal Bezug genommen wird, können die z-Positionen der drei Sätze von Aperturen 315A, 315B und 315C mit
den z-Positionen in dem Multimode-Wellenleiter 326 zusammenfallen,
an denen 1-in-2- und 1-in-3-Wege-Aufteilung von eingegebener Strahlung
mit der Wellenlänge λ0 auftritt.
Das Zentrum von jeder Apertur befindet sich an einer lateralen Position
innerhalb des Wellenleiters 326, an der ein lokales Maximum
in der Intensitätsverteilung
an der entsprechenden z-Position auftritt.
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Die
Sätze von
Aperturen 315A, 315B und 315C bewirken
die Unterdrückung
von Nebenmaxima (wie etwa 57, 62 und 67 in
den 4, 5 beziehungsweise 6)
in der Transmissionsfunktion des Filters 300, was folglich
eine verbesserte Filterleistung ergibt. Die Nebenmaxima können durch
zusätzlich
vorgesehene Aperturen an anderen z-Positionen innerhalb des Multimode-Wellenleiter 326,
an denen 1-in-N-Wege-Aufteilung
einer eingegebenen Intensitätsverteilung
auftritt, weiter unterdrückt
werden. Die Unterdrückung
von Nebenmaxima kann auch in Filtern nach der Erfindung erreicht
werden, die Multimode-Wellenleiter mit der Länge pw2 2/λ0 haben, wobei p eine ganze Zahl ist, indem
solche Aperturen geeignet positioniert werden.
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Wellenlängenfilter
nach der Erfindung können
modifiziert werden, um Laseroszillatoren herzustellen. Zum Beispiel
kann die Einrichtung 10 modifiziert werden, sodass sie
ein optisches Verstärkungselement
innerhalb von irgendeinem oder allen der Bereiche 22, 24 und 26 der
Gebirgskammstruktur 20 und eine optische Rückkopplungseinrichtung
(z. B. Spiegel, die durch Spaltung hergestellt werden) an den Enden
der Bereiche 22 und 24 ergibt, die in die xy-Ebenen 37 beziehungsweise 39 fallen.
Ein solcher Laseroszillator hat ein spektrales Ausgangssignal, das
durch die Wellenlängenfiltereinrichtung
bestimmt wird, die ihren Resonator bildet.
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Ein
Filter nach der Erfindung kann mit einer Strahlungsquelle kombiniert
werden, sodass eine optische Einrichtung hergestellt wird, die Strahlung
abgibt, die einer schmalere spektrale Breite hat, als die der Strahlungsquelle
allein.