DE60220276T2

DE60220276T2 - System und verfahren zur beeinflussung eines spektralen transmissionsbereiches

Info

Publication number: DE60220276T2
Application number: DE60220276T
Authority: DE
Inventors: William W. Northridge MOREY; Xuegong Piscataway DENG; James W. Santa Barbara HORWITZ; Jie Cambridge QIAO
Original assignee: Finisar Corp
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: EP1399768B1; EP1399768A2; ATE363086T1; AU2002352074A1; EP1399768A4; US7142749B2; DE60220276D1; WO2003001894A2; US20030053752A1; WO2003001894A3

Description

Verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität aus der provisorischen US-Anmeldung Nr. 60/301,322 , eingereicht am 27. Juni 2001, mit dem Titel „System and Method for Controlling Spectral Passband Profile".
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Trennung von mehrfachen Wellenlängen in Spektralanteile und genauer die Steuerung eines spektralen Durchlassbereichs während Wellenlängenmultiplexierung und -demultiplexierung in Verbindung mit optischen Kommunikationssystemen und Trennung von Wellenlängen in der Spektralanalyse.
Hintergrund der Erfindung
Die gestiegene Nachfrage nach Datenkommunikation und das bedeutsame Wachstum des Internets haben zu einer erhöhten Nachfrage für Kommunikationsleistung innerhalb von Ballungsgebieten geführt. Ein ebenso starker Anstieg in der Nachfrage nach Kommunikationsleistung zwischen großen Ballungsgebieten ist ebenfalls vorhanden. Optische Kommunikationssysteme unter Verwendung eines Netzwerks aus Glasfaserkabeln wurden entwickelt und installiert, um den erhöhten Bedarf zu stillen.
Die Datenübertragungsleistung von Glasfaserkabeln und Glasfasernetzwerken wurde durch Wellenlängenmultiplexierung (WDM) und dichte Wellenlängenmultiplexierung (DWDM) wesentlich erhöht. Innerhalb von WDM- und DWDM-Systemen werden optische Signale, die jeweiligen Wellenlängen zugeordnet sind, zu einem Signal mit mehreren Wellenlängen zur Übertragung über ein einzelnes Glasfaserkabel oder andere geeignete Wellenleiter kombiniert (gemultiplext). Ein typisches DWDM-System moduliert Mehrfach-Datenströme auf unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums. Zum Beispiel kann ein Datenstrom eine zugewiesene Wellenlänge von 1543 Nanometer (nm) aufweisen und der nächste Datenstrom kann eine zugewiesene Wellenlänge von 1543,8 nm aufweisen. Der erforderliche Abstand zwischen zugewiesenen Wellenlängen wird im Allgemeinen durch die Spezifikationen der International Telecommunications Union (ITU) festgelegt. Diese Abstände umfassen 0,4 nm und 0,8 nm.
Wellenlängendemultiplexierung (WDDM), der Umkehrvorgang der Multiplexierung, bezieht sich typischerweise auf eine Trennung eines Signals mit mehreren Wellenlängen, das von einem einzelnen Glasfaserkabel oder einem anderen geeigneten Wellenleiter übertragen wird, in einzelne optische Signale für jede Wellenlänge. Jedes optische Signal kann weiter verarbeitet werden, um den zugehörigen Datenstrom oder andere Informationen zu erhalten. Sowohl Multiplexierung als auch Demultiplexierung sind für einen zufriedenstellenden Betrieb von WDM- und DWDM-Systemen erforderlich. Multiplexierung und Demultiplexierung von optischen Signalen in herkömmlichen DWDM-Systemen werden typischerweise von zwei getrennten optischen Vorrichtungen durchgeführt, die relativ teuer und häufig schwierig herzustellen sind.
Typische Gitter-basierte Spektrumanalysatoren und Wellenlängenmultiplexer und -demultiplexer, die Glasfasern oder andere Arten von Wellenleitern verwenden, haben Durchlassbereiche oder Spektralantworten, die allgemein einen sehr hohen Peak aufweisen, mit einem langsamen Auslaufen ihrer Wellenlängenantwort. Diese Eigenschaft resultiert aus einer Diffraktionsantwort des zugehörigen Gitterelements, welches die Wellenlängen und die Übertragungsantwort von dazwischenliegenden optischen Linsenelementen und Empfangsoptiken trennt. Solche Antworten (hoher Peak mit langsamen Auslaufen) nutzen die volle Bandbreite der meisten Multiplexer und Demultiplexer nicht aus. Dadurch ist es oft schwierig, Wellenlängentoleranzen für verbundene Bauteile, wie Laserlichtquellen, Verstärker und andere optische Bauteile, festzulegen.
Verschiedene Techniken können verwendet werden, um optische Signale mit mehreren Wellenlängen zu transformieren oder zu defokussieren, um ein gewisse Spektralerweiterung zu erhalten. Bisher verfügbare Techniken und Prozeduren erzeugen häufig deutliche Verluste aufgrund der Ausbreitung der Signale mit mehreren Wellenlängen in Richtungen, die sowohl parallel als auch senkrecht zu der Richtung der Streuung liegen. Deshalb wurde ein Transformieren oder Defokussieren von optischen Signalen mit mehreren Wellenlängen im Allgemeinen bei den meisten optischen Kommunikationssystemen vermieden.
Bei herkömmlichen Multiplexern und Demultiplexern entspricht die Breite jedes Durchlassbereichs für zugehörige optische Signale im Allgemeinen dem Kerndurchmesser der jeweiligen optischen Eingabe- und Ausgabeelemente. Wenn der Durchmesser eines Kerns ungefähr gleich 10 Mikrometer (10 μm) ist, wäre der Durchlassbereich eines zugehörigen optischen Signals häufig 10 Mikrometer oder weniger im räumlichen Bereich, was relativ klein ist. Manchmal kann die Dicke der zugehörigen Mantelschichten verringert werden, um das Durchmesserverhältnis von Kern zum Mantel am Eingang oder Ausgang und somit den zugehörigen Durchlassbereich zu erhöhen.
Die kanadische Patentanmeldung CA 2245389 lehrt die Anwendung einer Vielzahl von Mikrolinsen, um die Durchlassantwort zu modifizieren. Das US-Patent 5,026,131 beschreibt einen Multiplexer/Demultiplexer, der eine Fourier- Transformationslinse nutzt. Die internationale Patentanmeldung WO 01/37021 beschreibt einen Wellenlängenrouter, der ein Beugungsgitter als Streuungselement nutzt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren für Wellenlängenmultiplexierung und -demultiplexierung offenbart, die deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Ansätzen bieten. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein System und ein Verfahren, welche mit einem mehrfachen Wellenlängenmultiplexer und/oder einem mehrfachen Wellenlängendemultiplexer in Zusammenhang stehende Durchlassbereiche verbreitern und abflachen, um eine Nutzung einer größeren Bandbreite zu ermöglichen, ohne zusätzliche deutliche optische Verluste in zugehörigen optischen Vorrichtungen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein System und ein Verfahren, welche die Durchlassbereiche, die mit der Trennung der Wellenlängen in jeder Art von Spektralanalyse in Zusammenhang stehen, verbreitern und abflachen.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Transformieren von optischen Signalen durch Defokussieren oder Streuen, um eine erwünschte Spektralverbreiterung ohne deutlich ansteigende Verluste durch das Defokussieren zu erreichen. Ein Ausführungsbeispiel umfasst ein System für Wellenlängendemultiplexierung mit einem Eingabe-Faseroptikelement oder Wellenleiter, das/der optische Signale mit mehreren Wellenlängen übertragen kann. Das System kann außerdem eine Lichtfokussierungsvorrichtung umfassen, wobei das Eingabe-Faseroptikelement so ausgerichtet ist, dass es optische Signale mit mehreren Wellenlängen durch die Lichtfokussierungsvorrichtung projiziert. Ein zusätzliches Element kann ein Beugungsgitter sein, das so angeordnet ist, um optische Signale mit mehreren Wellenlängen von der Lichtfokussierungsvorrichtung zu empfangen und die optischen Signale mit mehreren Wellenlängen in ihre zugehörigen Spektralanteile zu trennen oder zu streuen. Jeder Spektralanteil kann zu einem Kanal eines zugehörigen Glasfaser-Kommunikationssystem korrespondieren. Ein Spektralmodifikationselement kann verwendet werden, um die Lichtfokussierungsvorrichtung zu defokussieren, um ein optimales Ausmaß an Spektralverbreiterung in der Richtung der Streuung des Beugungsgitters zu erzielen. Die Spektralanteile können vom Beugungsgitter durch die Lichtfokussierungsvorrichtung und das Spektralmodifikationselement auf entsprechende Ausgabe-Faseroptikelemente oder Wellenleiter gerichtet werden.
Ein entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildetes Spektralmodifikationselement defokussiert oder streut optische Signale vorzugsweise nur entlang der Richtung der Streuung des zugehörigen Beugungsgitters, um die erwünschte Spektralverbreiterung oder Durchlassbereichverbreiterung bereitzustellen, ohne, im Vergleich zu herkömmlichen Defokussierungstechniken, die Signalpegelverluste zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung umfasst eine Konturierung der Spektralmodifikationselemente, so dass die Spektralantwort für ein optisches Signal sowohl abgeflacht als auch verbreitert werden kann. Die Spektralmodifikationselemente, die verwendet werden können, um die spektralen Durchlassbereiche gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zu steuern oder zu modifizieren, umfassen eine geneigte flache Platte.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein System zur Wellenlängenmultiplexierung mit einer Anordnung von Eingabe-Faseroptikelementen oder Wellenleitern, die jeweilige optische Signale übertragen können. Das System kann außerdem eine Lichtfokussierungsvorrichtung umfassen, wobei die Eingabe-Glasfaserlemente so ausgerichtet sind, um ihre jeweiligen optischen Signale durch die Lichtfokussierungsvorrichtung zu projizieren. Ein zusätzliches Element kann ein Beugungsgitter sein, das so angeordnet ist, dass es die vielen optischen Signale von der Lichtfokussierungsvorrichtung empfängt. Ein entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildetes Spektralmodifikationselement kann verwendet werden, um die Lichtfokussierungsvorrichtung zu defokussieren, um ein optimales Ausmaß an Spektralverbreiterung für jedes optische Signal und das daraus entstehende optische Signal mit mehreren Wellenlängen zu erreichen. Das Beugungsgitter kombiniert vorzugsweise die jeweiligen optischen Signale zu einem einzelnen optischen Signal mit mehreren Wellenlängen. Das optische Signal mit mehreren Wellenlängen wird dann durch die Lichtfokussierungsvorrichtung und das Spektralmodifikationselement auf ein Ausgabe-Faseroptikelement oder einen Wellenleiter gerichtet.
Technische Vorteile eines Systems und eines Verfahrens, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, umfassen die Verbreiterung und Abflachung des Durchlassbereichs für jeden Kanal in Verbindung mit typischen mehrfachen Wellenlängenmultiplexern und mehrfachen Wellenlängendemultiplexern, die mit optischen Kommunikationssystemen oder -netzwerken verwendet werden, ohne die mit den Multiplexern und/oder Demultiplexern zusammenhängenden Einfuhrverluste wesentlich zu erhöhen. Die Verbreiterung und Abflachung jedes Kanal-Durchlassbereichs gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine Verringerung der Toleranzspezifikationen bei optischen Signalquellen und verringern die Auswirkungen einer Bandbreitenverengung deutlich, die während einer Abfolge von Multiplexierungs- und/oder Demultiplexierungsprozeduren in einem optischen Kommunikationssystem oder -netzwerk auftreten können.
Ein gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildetes Spektralmodifikationselement kann verwendet werden, um Durchlassbereiche von optischen Signalen in Zusammenhang mit Multiplexern, Demultiplexern oder anderen Spektralanalysevorrichtungen zu verbreitern und abzuflachen.
Andere technische Vorteile werden für die Fachleute auf dem Gebiet in Anbetracht der nachfolgenden Beschreibung, Ansprüche und Zeichnungen offensichtlich werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile kann unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erreicht werden, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen, und in denen:
1 eine schematische Zeichnung ist, die ein Beispiel einer optischen Kommunikationsvorrichtung, wie ein Multiplexer oder Demultiplexer, zeigt;
2A eine schematische Zeichnung im Aufriss ist, die eine Endansicht eines optischen Eingabeelements und von optischen Ausgabeelementen zeigt, die mit der optischen Kommunikationsvorrichtung der 1 in Zusammenhang stehen;
2B eine schematische Zeichnung ist, welche eine Endansicht von zwei optischen Ausgabeelementen der
2A und Durchlassbereiche für jeweilige Spektralanteile zeigt, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung abgeflacht und verbreitert wurden;
3 eine Kurve ist, welche Veränderungen im Durchlassbereich eines Spektralanteils aufgrund der Aufnahme eines Spektralmodifikationselements in der Kommunikationsvorrichtung der 1 zeigt;
4A eine Kurve ist, welche ein Beispiel einer asphärischen Linsenoberfläche zeigt, die auf einem Spektralmodifikationselement ausgebildet ist;
4B eine Kurve ist, welche ein weiteres Beispiel eines Oberflächenprofils zeigt, das auf einem Spektralmodifikationselement ausgebildet ist;
5 eine schematische Zeichnung ist, welche ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optischen Kommunikationsvorrichtung zeigt;
6 eine schematische Zeichnung im Schnitt ist, welche Bereiche eines mit der optischen Kommunikationsvorrichtung der 5 in Zusammenhang stehenden Beugungsgitters zeigt;
7 eine schematische Zeichnung eines optischen Kommunikationssystems mit einem Multiplexer und einem Demuliplexer mit Spektralmodifikationselementen, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, ist;
8 eine schematische Zeichnung ist, welche Bereiche der optischen Kommunikationsvorrichtung der 1 zeigt, wobei das Spektralmodifikationselement gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
9 eine Kurve ist, welche die Wirkungen des Spektralmodifikationselements der 8 auf den Durchlassbereich eines mit der Kommunikationsvorrichtung der 1 in Zusammenhang stehenden Spektralanteils zeigt;
10A eine schematische Zeichnung ist, welche eine isometrische Ansicht eines weiteren Beispiels eines Spektralmodifikationselements zeigt;
10B eine schematische Zeichnung ist, welche eine isometrische Ansicht noch eines weiteren Beispiels eines Spektralmodifikationselements zeigt; und
11 eine Kurve ist, welche die Wirkungen von Spektralmodifikationselementen, wie die in 10A und 10B Gezeigten, auf den Durchlassbereich einer mit der Kommunikationsvorrichtung der 1 in Zusammenhang stehenden Spektralanteil zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsbeispiele und ihre Vorteile sind am besten unter Bezugnahme auf 1 bis 11 verständlich, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche und korrespondierende Teile zu bezeichnen.
Die Begriffe „optisches Signal oder optische Signale" und „Lichtsignal oder -signale" werden in dieser Anmeldung verwendet, um den gesamten Bereich aller elektromagnetischer Strahlung zu umfassen, welche zufriedenstellend genutzt wird, um Informationen über einen Wellenleiter und/oder ein Glasfaserkabel zu übertragen. Spektralmodifikationselemente, welche die Lehren der vorliegenden Erfindung implementieren, können zufriedenstellend genutzt werden, um optische Signale entlang einer ausgewählten Richtung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Spektrum umzuwandeln, zu verzerren, zu defokussieren oder zu streuen und den Durchlassbereich für solche Signale zu vergrößern.
Der Begriff „Multiplexer" wird in dieser Anmeldung verwendet, um einen mehrfachen Wellenlängenmultiplexer zu bezeichnen, der zur Verwendung in optischen Kommunikationssystemen und Netzwerken, wie lokalen optischen Netzwerken, optische Weitverkehrsnetze, optische Long-Haul-Netzwerke, städtische Netzwerke und Verbindungen für die „letzten Meter" für Anwender solcher Netzwerke geeignet ist. Der Begriff „Demultiplexer" wird in dieser Anmeldung verwendet, um einen mehrfachen Wellenlängendemultiplexer zu bezeichnen, der zur Verwendung in optischen Kommunikationssystemen und Netzwerken, wie lokalen optischen Netzwerken, optische Weitverkehrsnetze, optische Long-Haul-Netzwerke, innerstädtische Netzwerke und Verbindungen für die „letzten Meter" für Anwender solcher Netzwerke geeignet ist.
Der Begriff „Durchlassband" wird in dieser Anmeldung verwendet, um die Frequenzspanne oder den Frequenzbereich eines optischen Signals zu bezeichnen, das über eine Glasfaser, einen Wellenleiter oder andere Komponenten eines optischen Kommunikationssystems oder Netzwerkes übertragen werden kann. Ein Durchlassband kann außerdem durch einen Bereich von Wellenlängen, der zu dem entsprechenden Bereich von Frequenzen korrespondiert, definiert werden. Ein Durchlassband wird häufig zwischen den Punkten gemessen, an denen ein optisches Signal um drei Dezibel (3 dB) im Amplituden-/Leistungspegel verringert oder ein Halbes der Amplitude in Bezug auf den maximalen Gesamtsignalpegel ist.
Das Durchlassband für viele optische Komponenten kann als ein Spektralbereich oder Spektralprofil mit einer Mittelwellenlänge mit einer Breite gleich zwei halben Bandbreiten definiert sein. Die Mittelwellenlänge entspricht allgemein der arithmetischen Mitte des Durchlassbandes und muss nicht immer die Spitzenwellenlänge des zugehörigen optischen Signals sein. Eine halbe Bandbreite entspricht im Allgemeinen einer Hälfte des maximalen Gesamtsignalpegels oder einer Verringerung von ca. 3 dB in der Amplitude. Multiplexer und Demultiplexer, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, können Spektralmodifikationselemente umfassen, welche die Durchlassbereiche oder Spektralbereiche in Zusammenhang mit solchen Multiplexern und Demultiplexern sowohl abflachen als auch verbreitern können, ohne Signalverluste wesentlich zu erhöhen. Die Begriffe „Leistungspegel", „Amplitude" und „Signalpegel" werden in dieser Anmeldung austauschbar verwendet.
Verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die Kommunikationsvorrichtung 20, wie in 1 gezeigt, die als ein Demultiplexer funktioniert, beschrieben. Die mit der Kommunikationsvorrichtung 20 in Zusammenhang stehenden Komponenten beinhalten ein optisches Eingabeelement oder einen Wellenleiter 22, ein Spektralmodifikationselement 100, eine Lichtfokussierungsvorrichtung 26, ein Beugungsgitter 28 und eine Anordnung von optischen Ausgabeelementen oder Wellenleitern 41 bis 48. Diese Komponenten können auch zusammenarbeiten, um als ein Multiplexer zu funktionieren. Für die Zwecke der Beschreibung einiger Merkmale der vorliegenden Erfindung wird die Kommunikationsvorrichtung 20 als Demultiplexer 20 bezeichnet. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Demultiplexer 20 acht (8) Kanäle mit nichtlinearen Abständen von ca. 200 GHz aufweisen. Der Abstand der Eingabe- und Ausgabefaser oder Wellenleiter kann 130 μm bis 165 μm betragen. Die Komponenten des Demultiplexers 20 müssen nicht physikalisch voneinander getrennt sein. Zum Beispiel können die Lichtfokussierungsvorrichtung 26 und das Beugungsgitter 28 in manchen Ausführungsbeispielen zu einem Bauteil kombiniert werden.
Verschiedene mit dem Demultiplexer 20 in Zusammenhang stehende Komponenten sind im Allgemeinen entlang einer optischen Achse 30 miteinander ausgerichtet. Das Beugungsgitter 28 kann vorzugsweise optische Signale mit mehreren Wellenlängen in zugehörige Spektralanteile in einer Richtung im Allgemeinen senkrecht zur optischen Achse 30 streuen. Auch wenn 1 das Beugungsgitter 28 so zeigt, dass es so angeordnet ist, dass die Ebene des Beugungsgitters 28, das am nächsten zur Fokussierungsvorrichtung 26 liegt, wegen einer deutlicheren Darstellung orthogonal zur optischen Achse 30 ist, kann das Beugungsgitter 28 in der Tat geneigt sein. Zum Beispiel kann das Beugungsgitter 28 geringfügig um eine vertikale Achse gedreht sein. „Vertikale Achse", wie hierin verwendet, ist die Achse, die senkrecht zu sowohl zu der Richtung x als auch zur der Richtung, in welche die Kanäle in 1 verlaufen, ist. Jeweilige Enden des optischen Eingabeelements 22 und der optischen Ausgabeelemente 41–48 sind vorzugsweise auf einer Brennebene 32 angeordnet. Das Verhältnis zwischen der Brennebene 32 und der Richtung der Streuung des Beugungsgitters 28 wird später genauer erläutert.
Ein Eingangs-Glasfaserkabel 21 liefert optische Signale 24 mit mehreren Wellenlängen zum optischen Eingabeelement 22. Das optische Eingabeelement 22 kann als ein integraler Teil des Eingangs-Glasfaserkabels 21 ausgebildet sein. Bei manchen Anwendungen kann das optische Eingabeelement 22 im Wesentlichen den gleichen Kern 22a, die gleiche Mantelschicht 22b und die gleiche Beschichtungsschicht 22c (siehe 2A und 2B) wie das Eingangs-Glasfaserkabel 21 aufweisen. Typische Abmessungen für ein Einzelmodus-Glasfaserkabel, das zufriedenstellend als Eingangs-Glasfaserkabel 21 verwendet werden kann, umfassen einen Kerndurchmesser von ca. zehn Mikrometer (10 μm), einen Mantelschicht-Durchmesser von ca. einhundertfünfundzwanzig Mikrometer (125 μm) und einen Beschichtungsschicht-Durchmesser von ca. zweihundertfünfzig Mikrometer (250 μm). Bei anderen Anwendungen kann das optische Eingabeelement 22 einen Kern und eine Mantelschicht mit allgemein quadratischen oder rechteckigen Querschnitten aufweisen (nicht ausdrücklich gezeigt). Verschiedene im Handel erhältliche Techniken können verwendet werden, um das Eingangs-Glasfaserkabel 21 mit dem optischen Eingabeelement 22 zu koppeln. Vorzugsweise ist das Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis höher als das Verhältnis, das sich aus den typischen Abmessungen ergibt. Ein höheres Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis kann auf verschiedene Arten erreicht werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Ätzen des Fasermantels, um seinen Durchmesser zu verringern, Vergrößern der Kerngröße mit Linsenelementen und Verwendung verjüngter Wellenleiter.
Techniken der Wellenlängenmultiplexierung (WDM) können verwendet werden, um dem Eingangs-Glasfaserkabel 21 zu ermöglichen, optische Signale mit mehreren Wellenlängen zu tragen, was den Wirkungsgrad des Glasfaserkabels 21 deutlich erhöht. In letzter Zeit wurden Techniken zur dichten Wellenlängenmultiplexierung (DWDM) entwickelt, um den vorhandenen Glasfasernetzwerken zu ermöglichen, die erhöhte Nachfrage nach Kommunikationspotenzial zu erfüllen.
Während des Betriebs des Demultiplexers 20 projiziert das optische Eingabeelement 22 vorzugsweise ein optisches Signal 24 mit mehreren Wellenlängen durch die Lichtfokussierungsvorrichtung 26 zum Beugungsgitter 28. Bei einigen Anwendungen kann die Lichtfokussierungsvorrichtung 26 eine Vielzahl von Kollimations- und Fokussierungslinsen (nicht ausdrücklich gezeigt) umfassen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Lichtfokussierungsvorrichtung 26 eine einzelne bikonvexe Linse oder eine andere Vorrichtung aufweisen, die divergierendes Licht kollimieren und kollimiertes Licht fokussieren kann (nicht ausdrücklich gezeigt). Das Beugungsgitter 28 streut das optische Signal 24 mit mehreren Wellenlängen vorzugsweise in seine entsprechenden Kanäle oder Spektralanteile in einer Richtung im Allgemeinen senkrecht zur optischen Achse 30 und parallel zur Brennebene 32. Die Richtung der Streuung (x) in Zusammenhang mit dem Beugungsgitter 28 ist in 1, 2A und 2B durch die Pfeile 34 angezeigt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann das Beugungsgitter 28 eine Littrow-Konfiguration oder -anordnung sein. Zum Beispiel kann das Beugungsgitter 28 in einer oberen und unteren Littrow-Konfiguration oder -anordnung angeordnet sein, wie in 5 und 6 gezeigt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Beugungsgitter 28 eine Litmann-Metcalf-Konfiguration oder -anordnung sein (nicht ausdrücklich gezeigt). In noch anderen Ausführungsbeispielen kann das Beugungsgitter 28 ein oder mehrere Übertragungsgitter (z. B. Oberflächenreliefelemente) sein, welche(s) die gewünschte Streuung durchführen. Andere Arten von Beugungsgittern und Anordnungen im Zusammenhang mit Multiplexern und Demultiplexern können zufriedenstellend mit der vorliegenden Erfindung genutzt werden.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das optische Signal 24 mit mehreren Wellenlängen acht Spektralanteile aufweisen. Jeder Spektralanteil eines optischen Signals 24 mit mehreren Wellenlängen kann auch als ein „Kanal" bezeichnet werden. Ein Linienabstand wird häufig als der Abstand zwischen zwei Kanälen oder Spektralanteilen in Wellenlängeneinheiten (nm) oder Frequenzeinheiten (GHz) definiert. Der Linienabstand kann auch als „Kanalabstand" oder „Kanaltrennung" bezeichnet werden. DWDM-Systeme mit vierzig (40) Kanälen haben typischerweise einen Kanalabstand von ca. 100 GHz. DWDM-Systeme mit achtzig (80) Kanälen haben typischerweise einen Kanalabstand von ca. 50 GHz.
Eine Anordnung von optischen Ausgabeelementen oder Wellenleitern 41 bis 48 ist vorgesehen, um jeweils einen der Spektralanteile oder Kanäle in Zusammenhang mit dem optischen Signal 24 mit mehreren Wellenlängen zu empfangen. Die Spektralanteile oder Kanäle (nicht ausdrücklich gezeigt) werden vom Beugungsgitter 28 durch die Lichtfokussierungsvorrichtung 26 und das Spektralmodifikationselement 100 auf die jeweiligen optischen Ausgabeelemente 41 bis 48 gerichtet.
Die optischen Ausgabeelemente 41 bis 48 können als integrale Teile der entsprechenden Ausgangs-Glasfaserkabel 51 bis 58 ausgebildet sein. Bei manchen Anwendungen können die optischen Ausgabeelemente 41 bis 48 im Wesentlichen die gleichen Kerne 41a bis 48a, die gleiche Mantelschicht 41b bis 48b und die gleiche Beschichtungsschicht 41c bis 48c aufweisen, wie vorher in Bezug auf das optische Eingabeelement 22 beschrieben. Bei anderen Anwendungen können die optischen Ausgabeelemente 41 bis 48 einen Kern und eine Mantelschicht mit im Allgemeinen quadratischen oder rechteckigen Schnitten aufweisen. Verschiedene im Handel erhältliche Techniken können verwendet werden, um die Ausgangs-Glasfaserkabel 51 bis 58 mit den entsprechenden optischen Ausgabeelementen 41 bis 48 zu koppeln.
Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können mehr oder weniger Spektralanteile oder Kanäle umfassen. Zum Beispiel kann ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei optischen Signalen mit mehreren Wellenlängen mit zweiunddreißig Spektralanteilen im Bereich von 1540 bis 1570 Nanometer (nm) verwendet werden. Der Abstand zwischen jedem Spektralanteil kann 0,8 nm sein, auch wenn andere Abstände möglich sind, wie z. B. 0,4 nm. Die Lage der optischen Ausgabeelemente 41 bis 48 in Bezug zueinander kann zum Teil auf der Gittergleichung für das Beugungsgitter 28 und dem Abstand zwischen den Spektralanteilen basieren.
In 1 ist das optische Eingabeelement 22 so gezeigt, dass es über den optischen Ausgabeelementen 41 bis 48 angeordnet ist und sich im Allgemeinen parallel zur optischen Achse 30 erstreckt. Bei manchen Anwendungen kann das optische Eingabeelement an einem Ende einer Anordnung von optischen Ausgabeelementen angeordnet sein, um einen Demultiplexer gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zu bilden. Bei anderen Anwendungen kann das optische Ausgabeelement an einem Ende einer Anordnung von optischen Eingabeelementen angeordnet sein, um einen Multiplexer gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zu bilden.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Spektralmodifikationselement 100 zwischen der Brennebene 32 und der Lichtfokussierungsvorrichtung 26 angeordnet sein. Bei anderen Anwendungen kann das Spektralmodifikationselement 100 zwischen der Lichtfokussierungsvorrichtung 26 und dem Beugungsgitter 28 angeordnet sein, siehe 5. Bei noch weiteren Anwendungen kann eine oder mehrere Oberflächen der Lichtfokussierungsvorrichtung 26 modifiziert sein, um ein Spektralmodifikationselement, wie ein torisches Linsenelement (nicht ausdrücklich gezeigt), zu beinhalten.
Das Spektralmodifikationselement 100 verzerrt oder streut vorzugsweise das optische Signal 24 mit mehreren Wellenlängen primär in der Richtung der Streuung des Beugungsgitters 28 (siehe Richtung x in 1, 2A und 2B). Das Spektralmodifikationselement 100 kann auch jeden Spektralanteil primär in der Richtung der Streuung des Beugungsgitters 28 verzerren oder streuen, während jeder Spektralanteil von der Lichtfokussierungsvorrichtung 26 zu den jeweiligen optischen Ausgabeelementen 41 bis 48 wandert. Das Spektralmodifikationselement 100 wandelt die zugehörigen optischen Signale um, indem die optischen Signale in der Richtung der Streuung wahlweise verzerrt werden. Diese Verzerrung in der ausgewählten Richtung wird erreicht, da das Spektralmodifikationselement 100 eine Brennweite in der vertikalen Richtung aufweist, die sich von der Brennweite in der horizontalen Richtung unterscheidet.
Bei manchen Anwendungen wird diese Umwandlung der optischen Signale auch als „Verzerrung" oder „Streuung" bezeichnet. Normalerweise sind optische Kommunikationssysteme und insbesondere Glasfaserkabel so ausgelegt, dass jede Verzerrung oder Streuung der zugehörigen optischen Signale minimiert wird. Das Spektralmodifikationselement 100 ist vorzugsweise gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, dass es nur zu einem sehr kleinen Ausmaß an Verzerrung oder Streuung in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Streuung 34, zum Beispiel in der Richtung der optischen Achse 30, führt. Ein Ziel ist es, dass im Wesentlichen keine Streuung in der Richtung senkrecht zur Richtung der Streuung, wie in der Richtung der optischen Achse 30, auftritt. Die Lehren der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um Spektralmodifikationselemente zu bilden, die optische Signale primär nur in der Richtung der Streuung eines zugehörigen Beugungsgitters verzerren oder streuen.
Bei einigen Anwendungen hat das optische Signal 24 mit mehreren Wellenlängen im Allgemeinen ein Gauß'sches Strahlprofil, wie vom optischen Eingabeelement 22 projiziert. Das Spektralmodifikationselement 100 wird das optische Signal 24 mit mehreren Wellenlängen vorzugsweise abflachen und verbreitern, um ein Strahlprofil mit einer mehr rechteckigen Konfiguration zu bilden. Das Spektralmodifikationselement 100 kann außerdem jeden Spektralanteil abflachen und verbreitern, um ein Richtstrahlprofil mit einer noch mehr rechteckigen Konfiguration zu bilden. Das Spektralmodifikationselement 100 wird vorzugsweise den Durchlassbereich für jeden Spektralanteil, der von den optischen Ausgabeelementen 41 bis 48 empfangen wird, verbreitern und abflachen, während optische Signale zum Beugungsgitter 28 gesandt und von diesem zurückgegeben werden.
Jedes der optischen Ausgabeelemente 41 bis 48 kann innerhalb einer V-Nut-Anordnung 40 an einer Stelle angeordnet sein, welche dem vom Beugungsgitter 28 zurückgegebenen jeweiligen Spektralanteil entspricht. Jedes optische Ausgabeelement 41 bis 48 ist vorzugsweise mit einem entsprechenden Ausgangs-Glasfaserkabel 51 bis 58 gekoppelt. Bei manchen Anwendungen können die optischen Ausgabeelemente 41 bis 48 Kerne 41a bis 48a mit Durchmessern von ca. 10 Mikrometer (10 μm), Mantelschichten 41b bis 48b mit Durchmessern von ca. einhundertfünfundzwanzig Mikrometer (125 μm) und Beschichtungsschichten 41c bis 48c mit Durchmessern von ca. zweihundertfünfzig Mikrometer (250 μm) aufweisen.
Wie vorher angemerkt, transformiert das Spektralmodifikationselement 100 das optische Signal 24 mit mehreren Wellenlängen vorzugsweise in der Richtung der Streuung, während das Signal 24 mit mehreren Wellenlängen vom optischen Eingabeelement 22 zur Lichtfokussierungsvorrichtung 26 übertragen wird. Das Spektralmodifikationselement 100 transformiert vorzugsweise auch jeden Spektralanteil, der vom Beugungsgitter 28 zum jeweiligen optischen Ausgabeelement 41 bis 48 übertragen wird. Durch Ausbilden des Spektralmodifikationselements 100 gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung kann der an jedem optischen Ausgabeelement 41 bis 48 empfangene Spektralanteil einen Durchlassbereich mit einer im Allgemeinen ovalen Konfiguration 60 aufweisen, wie in 2B mit durchbrochenen Linien angezeigt. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird anerkennen, dass die Form des Durchlassbereichs von einer ovalen Form zu einer anderen Form verändert werden kann, indem die vorliegende Erfindung angewandt wird. Die Größe des neuen Durchlassbereichs kann größer als, kleiner als oder im Wesentlichen gleich dem Durchlassbereich vor der Manipulation sein, je nach Anwendung. Die Lage des Spektralmodifikationselements 100 und seine jeweiligen Abmessungen werden vorzugsweise gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung so ausgewählt, dass die Durchlassbereiche 60 nicht miteinander überlappen, was Nebensignaleffekte zwischen benachbarten optischen Ausgabeelementen 41 bis 48 minimiert.
3 ist eine graphische Darstellung, dass Spektralanteile oder Durchlassbereiche unter Verwendung einer lichtbrechenden oder lichtbeugenden asphärischen zylindrischen Linse als Spektralmodifikationselement 100 sowohl verbreitert als auch abgeflacht werden können. 3 zeigt Berechnungsergebnisse, wenn eine asphärisch gekrümmte Oberfläche, wie die in 4A gezeigte, oder ein Oberflächenprofil, wie in 4B mit einer gestrichelten Linie gezeigt, auf einer zylindrischen Linse oder lichtbeugenden Elementen, die als Mantelebene eines entsprechenden Zylinders genutzt werden sollen, als ein Teil des Spektralmodifikationselements 100 ausgebildet ist. 4A zeigt eine Linse mit gekrümmter Oberfläche mit bilateraler Symmetrie um die vertikale Achse. Die in 4A gezeigte zylindrische Linse ist ein entsprechender kreisförmiger Zylinder mit einem asphärischen Profil, der manchmal als ein asphärischer Zylinder bezeichnet wird. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird anerkennen, dass gekrümmte lichtbrechende Elemente durch ihre lichtbeugenden Gegenstücke auf flachen Substraten ersetzt werden können. Zum Beispiel ist die durchgehende Kurve in 4B ein lichtbeugendes Gegenstück einer kreisförmigen Mantelebene, während die gestrichelte Kurve in 4B das -lichtbeugende Gegenstück einer asphärischen Mantelebene ist.
In manchen Ausführungsbeispielen ist das Spektralmodifikationselement 100 eine zylindrische Linse, die andere Brennweiten in der vertikalen Richtung als in der Richtung, in welcher sich das Licht verbreitet, aufweist. In diesen Ausführungsbeispielen kann das Ausmaß der Verzerrung oder Streuung, das erreicht wird, durch Einstellen des Unterschieds der Brennweite in den zwei Richtungen gesteuert werden.
Bei manchen Anwendungen können eine oder mehrere mit der Lichtfokussierungsvorrichtung 26 in Zusammenhang stehende Oberflächen mit einer zylindrischen Oberfläche mit einem asphärischen Profil ausgebildet sein, wie in 4A gezeigt, oder mit einem Oberflächenprofil, wie in 4B mit einer gestrichelten Linie dargestellt. 4A und 4B zeigen die Höhe einer Linsenoberfläche als eine Funktion der Entfernung "y" entlang einer Seite der Linse. Solange die Lichtfokussierungsvorrichtung 26 ein Oberflächenprofil aufweist, das im Wesentlichen ähnlich dem in 4A und 4B gezeigten ist, ist die Richtung, in welche die Lichtfokussierungsvorrichtung 26 weist, unerheblich. Zum Beispiel kann das System für ein bestimmtes Ergebnis optimiert werden, ungeachtet dessen, ob die Oberfläche mit dem in 4A gezeigten Profil der optischen Ebene 32 oder dem Beugungsgitter 28 zugewandt ist. Außerdem kann die Oberfläche mit dem in 4A oder 4B gezeigten Profil unabhängig auf einer Platte ausgebildet sein oder mit einer anderen Linse kombiniert werden.
Die Linie 62 der 3 ist eine Darstellung eines Signalpegels gegenüber einer Wellenlänge für einen Spektralanteil, der von einem der optischen Ausgabeelemente 41 bis 48 ohne die Anwesenheit des Spektralmodifikationselements 100 empfangen wird. Die Linie 64 ist eine Darstellung eines Signalpegels gegenüber einer Wellenlänge für einen Spektralanteil, der von einem der optischen Ausgabeelemente 41 bis 48 empfangen wird, wenn ein Spektralmodifikationselement 100 mit einer asphärischen zylindrischen Oberfläche, wie in 4A gezeigt, zwischen der Lichtfokussierungsvorrichtung 26 und dem Beugungsgitter 28 oder direkt vor der Lichtfokussierungsvorrichtung 26 angeordnet ist.
Die Mittelwellenlänge des Spektralanteils, die verwendet wurde, um die durch die in 3 (in einer speziellen Anwendung) gezeigten Kurven dargestellten Daten zu erhalten, betrug ca. 1550,92 Nanometer (nm). Wenn ein Spektralmodifikationselement 100 nicht vorhanden ist, ist die halbe Bandbreite für den Spektralanteil bei minus 3 dB ungefähr 1544 Nanometer bis 1557 Nanometer. Wenn das Spektralmodifikationselement 100 installiert ist, steigt die halbe Bandbreite auf ungefähr 1542,92 bis 1558,92 Nanometer.
Bei einem Singalpegel von minus 0,5 dB steigt der Durchlassbereich oder die Verbreiterung des Spektralanteils um ca. siebenundfünfzig Prozent (57 %). Der Einführverlust entlang der optischen Achse 30 erhöht sich um ca. 0,73 dB, wenn das Spektralmodifikationselement 100 zwischen der Lichtfokussierungsvorrichtung 26 und dem Beugungsgitter 28 installiert ist. Der Verbreiterungseffekt kann in anderen Anwendungen ähnlich oder besser sein. Optische Signale können, wie in 3 gezeigt, sowohl verbreitert als auch abgeflacht werden.
Eine durch einen Demultiplexer 120 dargestellte Vorrichtung ist in 5 gezeigt. Der Demultiplexer 120 umfasst vorzugsweise ein Eingangs-Glasfaserkabel 21, ein optisches Eingabeelement 22, eine Lichtfokussierungsvorrichtung 126, ein Spektralmodifikationselement 100, ein Beugungsgitter 128 und eine Anordnung von optischen Ausgabeelementen 141 bis 144. Verschiedene Bauteile, die mit dem Demultiplexer 120 in Zusammenhang stehen, sind im Allgemeinen miteinander entlang einer optischen Achse 130 ausgerichtet. Das Ende des optischen Eingabeelements 22 und die Enden der optischen Ausgabeelemente 141 bis 144 sind vorzugsweise mit der Brennebene 132 ausgerichtet. Während des Betriebs des Demultiplexers 120 projiziert das optische Eingabeelement 22 ein optisches Signal 124 mit mehreren Wellenlängen durch die Lichtfokussierungsvorrichtung 126 zum Beugungsgitter 128. Die Lichtfokussierungsvorrichtung 126 kann aus einer großen Vielzahl von Kollimierungs- und Fokussierungslinsen oder anderen Vorrichtungen gebildet sein, die geeignet sind, divergierendes Licht zu kollimieren und kollimiertes Licht zu fokussieren.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das optische Signal 124 mit mehreren Wellenlängen vier Spektralanteile aufweisen. Jeder Spektralanteil des optischen Signals 124 mit mehreren Wellenlängen kann auch als Kanal bezeichnet werden. Die optischen Ausgabeelemente 141 bis 144 sind vorgesehen, um jeweils einen der Spektralanteile oder Kanäle, der mit dem optischen Signal 124 mit mehreren Wellenlängen in Zusammenhang steht, zu empfangen. Die einzelnen Spektralanteile oder Kanäle (nicht ausdrücklich gezeigt) werden vom Beugungsgitter 128 durch das Spektralmodifikationselement 100 und die Lichtfokussierungsvorrichtung 126 auf entsprechende optische Ausgabeelemente 141 bis 144 gerichtet.
Das Beugungsgitter 128 umfasst eine Gitternormale 131 (in 5 und 6 gezeigt). Von der Gitternormalen 131 können ein Einfallswinkel für das optische Signal 124 mit mehreren Wellenlängen, welches das Beugungsgitter 128 berührt, und ein Beugungswinkel für jeden vom Beugungsgitter 128 gebeugten Spektralanteil gemessen werden. Nur ein Spektralanteil 174 ist in 5 gezeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel können der Einfallswinkel und der Beugungswinkel gleich oder fast gleich sein. Das Beugungsgitter 128 kann in einer oberen und unteren Littrow-Konfiguration angeordnet sein. Als solches beugt sich jeder Spektralanteil vom Beugungsgitter 128 bei einfallendem optischen Signal 124 mit mehreren Wellenlängen durch die Lichtfokussierungsvorrichtung 26 hin zu den optischen Ausgabeelementen 141 bis 144.
6 ist eine schematische Darstellung einer vergrößerten Schnittansicht des Beugungsgitters 128, welches bei Multiplexern oder Demultiplexern, welche die Lehren der vorliegenden Erfindung implementieren, genutzt werden kann. Das Beugungsgitter 128 kann eine gebrannte Oberfläche 136 aufweisen. Das Beugungsgitter 128 kann aus vielen verschiedenen Materialen gefertigt sein. Zum Beispiel kann das Beugungsgitter 128 aus Glas gefertigt sein und eine gebrannte Aluminiumoberfläche aufweisen. In manchen Ausführungsbeispielen kann die gebrannte Oberfläche 136 eine Beschichtung aus Siliziummonoxid (SiO) aufweisen. Solche Beugungsgitter können von Richardson Grating Laboratory in Rochester, New York, als Teil Nummer 1319LE-415 geliefert werden.
Die gebrannte Oberfläche 136 kann Spitzen 138 aufweisen, die mit einem einheitlichen Abstand 180 voneinander beabstandet sind. Der Abstand 180 kann verwendet werden, um die Vertiefungsdichte des Beugungsgitters 128 zu definieren.
Typischerweise wird eine Vertiefungsdichte G durch die Gleichung G = 1/d definiert, wobei d gleich der Abstand ist, der durch den Abstand 180 (d. h. der Vertiefungsabstand) angegeben wird. Die Vertiefungsdichte hat häufig einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad und die Polarisationsempfindlichkeit eines Beugungsgitters. Wenn die Vertiefungsdichte erhöht wird und der Abstand zwischen den Vertiefungen auf drei Mal oder weniger der Wellenlänge des gebeugten Lichts abnimmt, tritt allmählich ein polarisationsabhängiger Verlust (PDL) ein. Dies ist ein häufiges Problem, mit dem herkömmliche Multiplexer und Demultiplexer konfrontiert werden.
Die Gitternormale 131 kann eine Referenzachse zum Berechnen eines Einfallswinkels und eines Beugungswinkels für einfallende Strahlen 182 und gebeugte Strahlen 184 bereitstellen. Wenn die gebrannte Oberfläche 136 einfallende Strahlen 182 empfängt, welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen können (z. B. λ1 bis λ3), können diese Strahlen gebeugt werden (d. h. von der gebrannten Oberfläche 136 abprallen). Der Winkel zwischen der Gitternormalen 131 und den einfallenden Strahlen 182 kann gemessen werden, um einen Einfallswinkel I zu definieren. In ähnlicher Weise kann der Winkel zwischen der Gitternormalen 131 und den gebeugten Strahlen 184 gemessen werden, um einen Beugungswinkel ϑ zu definieren.
In dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel können sich α und β einander annähern. Zusätzlich nähern sich α und β vorzugsweise dem Befestigungswinkel φ an, der den Winkel zwischen der Gitternormalen 131 und der optischen Achse 130 des Demultiplexers 120 darstellt. Die optische Achse 130 kann zum Teil durch die Lichtfokussierungsvorrichtung 126 definiert sein. In einem Ausführungsbeispiel können α, β und φ alle größer als 50 Grad sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegen α, β und φ zwischen ca. 62 und 66 Grad. In einem anderen Ausführungsbeispiel, können sie ca. 25 Grad bis 38 Grad sein.
Das Beugungsgitter 128 kann auch eine Beugungsordnung aufweisen. Diese Beugungsordnung, m, kann durch die Beugungsgleichung definiert werden:
wobei

m: = 0, ±1, ±2, ±3, ...
λ: = Wellenlänge des gebeugten Lichts (z. B. 1550 ηm)
d: = Vertiefungsabstand
G: = Vertiefungsdichte = l/d
α: = Einfallwinkel
β: = Beugungswinkel
η_i: = Brechungsindex des Mediums, durch welches Licht verläuft, um am Beugungsgitter anzukommen
η₀: = Brechungsindex des Mediums, durch welches Licht verläuft, nachdem es das Beugungsgitter verlassen hat

Bei manchen Anwendungen kann das Beugungsgitter 128 eine Beugungsordnung größer als eins haben. In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Beugungsgitter 128 eine Beugungsordnung größer als vierzehn haben. Bei Beugungsordnungen nahe vierzehn oder höher kann der PDL abnehmen und der Wirkungsgrad kann sich verbessern. Dies kann auftreten, da höhere Beugungsordnungen (z. B. 14 und größer) eine Vergrößerung der Vertiefungsabstände und eine daraus resultierende Abnahme der Vertiefungsdichte ermöglichen.
Zum Beispiel beim Berechnen von Vertiefungsabständen in Luft, d, mit einer Beugungsordnung von zweiundzwanzig, einer Wellenlänge von 1550 nm und α ≅ β ≅ 64,1 Grad, ergibt die Beugungsgleichung einen Vertiefungsabstand von ungefähr gleich neunzehn Mikrometer (19 μm). Dieser Vertiefungsabstand führt zu einem vernachlässigbaren PDL und hohem Wirkungsgrad, da er ungefähr 12 Mal die Wellenlänge beträgt.
7 ist eine schematische Darstellung charakteristischer Bereiche eines optischen Kommunikationssystems 200, welches die Lehren der vorliegenden Erfindung implementiert. Im Betrieb können Energieversorgungsvorrichtungen 250 abgestimmte Laser 252 antreiben und modulieren. Abgestimmte Laser 252 können abgestimmt sein, um einen Lichtstrahl bei einer bestimmten zugewiesenen Wellenlänge (z.B. λ₁, was gleich 1543 nm sein kann) zu projizieren. Wie dargestellt, umfasst die optische Kommunikationsvorrichtung 200 vier Energieversorgungsvorrichtungen und vier abgestimmte Laser, die Licht in vier verschiedenen Wellenlängenbereichen oder Spektralanteilen erzeugen. In anderen Ausführungsbeispielen kann ein optisches Kommunikationssystem eine andere Anzahl von Energieversorgungsvorrichtungen, Lasern und Wellenlängen umfassen. Eine Vergrößerung des Durchlassbereichs von optischen Signalen, die mit dem optischen Kommunikationssystem 200 in Zusammenhang stehen, gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ermöglicht, dass die Toleranzfestlegungen für Energieversorgungsvorrichtungen 250 und abgestimmte Laser 252 verringert werden können. Dadurch können die Kosten solcher Energieversorgungsvorrichtungen und Laser zusammen mit den entsprechenden Wartungsanforderungen reduziert werden.
Das optische Kommunikationssystem 200 kann einen Demultiplexer 120 und einen Multiplexer 220 umfassen. Der Demultiplexer 120 und der Multiplexer 220 können im Wesentlichen die gleichen Bauteile aufweisen. Im Multiplexer 220 kann das oben beschriebene optische Eingabeelement 22 als ein optisches Ausgabeelement, das mit einem Glasfaserkabel 258 verbunden ist, funktionieren. Im Multiplexer 220 können die oben beschriebenen optischen Ausgabeelemente 141, 142, 143 und 144 als jeweilige optische Eingabeelemente für die entsprechenden Spektralanteile λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄ funktionieren.
Vier unterschiedliche Wellenlängenbereiche oder Spektralanteile λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄ können in den Multiplexer 220 eintreten, der die Lehren der vorliegenden Erfindung implementiert. Sobald sie im Inneren sind, können die Spektralanteile λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄ durch das Spektralmodifikationselement 100 zum Beugungsgitter 128 projiziert werden. Das Beugungsgitter 128 kann die Spektralanteile λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄ gemäß der Gittergleichung kombinieren und das kombinierte Signal zur Lichtfokussierungsvorrichtung 126 und zum Spektralmodifikationselement 100 richten. Die Lichtfokussierungsvorrichtung 126 kann die kombinierten Spektralanteile λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄ als ein optisches Signal mit mehreren Wellenlängen kollimieren und fokussieren. Das optische Signal mit mehreren Wellenlängen mit einem abgeflachten und verbreiterten Durchlassbereich kann vom optischen Element 22 empfangen werden und zum Glasfaserkabel 258 übertragen werden.
Das optische Eingabeelement 22 des Demultiplexers 120 kann ebenfalls mit dem Glasfaserkabel 258 verbunden sein, um optische Signale mit mehreren Wellenlängen zu empfangen, die vom Multiplexer 220 übertragen wurden. Der Demultiplexer 120 kann dann verwendet werden, um die optischen Signale mit mehreren Wellenlängen zu demultiplexen und jeden Spektralanteil λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ auf die entsprechenden Ausgangs-Glasfaserkabel 151, 152, 153 und 154 zu richten.
8 ist eine schematische Darstellung, die Bereiche des Demultiplexers 20 zeigt, wobei ein Spektralmodifikationselement 100a gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Spektralmodifikationselement 100a vorzugsweise zwischen der Brennebene 32 und der Lichtfokussierungsvorrichtung 26 angeordnet. Das Spektralmodifikationselement 100a kann eine im Allgemeinen flache, rechteckige Platte sein. Bei manchen Anwendungen ist das Spektralmodifikationselement 100a vorzugsweise in einem Winkel von ca. θ in Bezug auf die optische Achse 30 ausgerichtet, wobei θ typischerweise zwischen 12° und 30° liegt.
Die berechnete Antwort auf die Installation des Spektralmodifikationselements 100a bei einem Winkel von ca. siebzehn Grad (17°) in Bezug auf die optische Achse 30 im Demultiplexer 20 ist in 9 gezeigt. Die Linie 62a ist eine Darstellung des Signalpegels gegenüber der Wellenlänge für einen Spektralanteil, der von einem der optischen Glasfaserausgabeelemente 41 bis 48 empfangen wird, wenn das Spektralmodifikationselement 100a entfernt ist. Die Mittelwellenlänge für den Spektralanteil, die verwendet wird, um die in 9 gezeigten Informationen zu erhalten, ist ungefähr 1547,3 nm. Die Linie 64a ist eine berechnete Darstellung des Signalpegels gegenüber der Wellenlänge für den gleichen Spektralanteil, wenn das Spektralmodifikationselement 100a zwischen der Brennebene 32 und der Lichtfokussierungsvorrichtung 126 angeordnet ist. Die Berechnungen für 9 nutzen einen Multimodal-Eingangsfaser mit einem Kerndurchmesser von 62,5 μm. Die Ausgangsempfänger sind Multimodalfasern mit einem Kerndurchmesser von 62,5 μm, einem verdünnten Mantel und einem Abstand von ca. 90 μm zwischen den Mitten benachbarter Fasern.
Die berechneten Ergebnisse zeigen an, dass das Spektralmodifikationselement 100a zu einer Verbreiterung des Durchlassbands von ca. sechsundzwanzig Prozent (26 %) bei 0,5 dB unter dem Spitzensignalpegel führt. Die in 9 gezeigten Linien 62a und 64a wurden normalisiert. Der berechnete Verlust durch die Installation des Spektralmodifikationselements 100a ist nur ca. 0,7 dB bei der Spitzenübertragung, verglichen mit Übertragungsverlusten, wenn kein Spektralmodifikationselement innerhalb des Demultiplexers 20 installiert ist.
10A und 10B sind schematische Darstellungen von Spektralmodifikationselementen 100b und 100c. Das Spektralmodifikationselement 100b kann als eine Linse mit großer Brennweite beschrieben werden, geformt aus einem Segment eines kreisförmigen, hohlen Zylinders. Das Spektralmodifikationselement 100c kann als eine Linse mit großer Brennweite beschrieben werden, geformt aus einem Segment eines kreisförmigen, massiven Zylinders. Wenn die Spektralmodifikationselemente 100b oder 100c zwischen dem Beugungsgitter 128 und der Lichtfokussierungsvorrichtung 126 angeordnet sind, vergrößert sich das berechnete Durchlassband um fast einhundert Prozent bei 0,5 dB unterhalb des Spitzenleistungspegels. Ein zusätzlicher Einfuhrverlust für die Spektralmodifikationselemente 100b und 100c wurde nur bei ca. 1 dB berechnet. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird anerkennen, dass eine optimale Konfiguration mit dem in jede beliebige Richtung weisenden Spektralmodifikationselement 100b oder 100c möglich ist. Zum Beispiel kann in einem Ausführungsbeispiel die gekrümmte Seite des Spektralmodifikationselements 100b oder 100c der optischen Ebene 32 zugewandt sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die gekrümmte Seite dem Beugungsgitter zugewandt sein. Außerdem kann das Spektralmodifikationselement eine konvexe Oberfläche in Kombination mit einer Oberfläche in einer anderen Form aufweisen. Zum Beispiel kann eine Konvex-Konvex-Linse, eine Konvex-Konkav-Linse oder eine Konvex-Flach-Linse verwendet werden.
11 ist eine graphische Darstellung der erwarteten Veränderungen im Durchlassbereich oder der spektralen Bandbreite in Zusammenhang mit der Verwendung der Spektralmodifikationselemente 100b oder 100c im Demultiplexer 20.
Allgemeine Informationen

ein Mikrometer (μm) = 1 × 10^–6 Meter
ein Mikron (μm) = 1 × 10^–6 Meter
ein Nanometer (nm) = 1 × 10^–9 Meter
ein Mikron = ein Mikrometer = 1000 Nanometer

Typische Glasfaserabmessungen

Durchmesser von Mantel und Kern = D = 125 μm ± 2 μm
Multimodalfaser – Durchmesser Kern = d = 50 μm
Einzelmodalfaser – Durchmesser Kern = d = 8,6 – 9,5 μm

Spektrumbereiche für herkömmliche Glasfaser

S-Band (kurze Wellenlänge) 1280–1350 nm

C-Band (herkömmlich) 1528–1561 nm

blaues Band 1528–1545 nm

rotes Band 1545–1561 nm

L-Band (lange Wellenlänge) 1561–1620 nm
Sichtbares Licht

ungefähr 400 nm (0,4 Tm) bis 700 nm (0,7 Tm) (dunkel violettblau bis tiefrot)

Auch wenn die offenbarten Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass verschiedene Veränderungen, Ersetzungen und Abänderungen an den Ausführungsbeispielen durchgeführt werden können, ohne von den angefügten Ansprüchen abzuweichen.

Claims

Optische Kommunikationsvorrichtung (20), umfassend: zumindest eine Lichtfokussierungsvorrichtung (26); zumindest ein optisches Eingabeelement (22), das optisch mit der Lichtfokussierungsvorrichtung (26) verbunden ist, wobei das optische Eingabeelement (22) ein Lichtsignal so übertragen kann, dass das Lichtsignal durch die Lichtfokussierungsvorrichtung (26) projiziert wird; zumindest ein Beugungsgitter (28), das optisch mit der Lichtfokussierungsvorrichtung (26) verbunden ist, wobei das Beugungsgitter (28) das Lichtsignal in Spektralanteile beugen und die Spektralanteile durch die Lichtfokussierungsvorrichtung (26) zurückführen kann, wobei das optische Eingabeelement (22) und das Beugungsgitter (28) entlang einer optischen Achse (30) ausgerichtet sind; zumindest ein optisches Ausgabeelement (41), das einen der Spektralanteile von der Lichtfokussierungsvorrichtung (26) empfangen kann, wobei entsprechende Enden des optischen Eingabeelements (22) und des zumindest einen optischen Ausgabeelements (41) in einer Brennebene (32) angeordnet sind; und zumindest ein Spektralmodifikationselement (100), das zwischen der Brennebene (32) und der Lichtfokussierungsvorrichtung (26) angeordnet ist, wobei das Spektralmodifikationselement das Lichtsignal primär in einer mit dem Beugungsgitter (28) in Zusammenhang stehenden Richtung der Streuung verzerren kann, um den Transmissionsbereich des Spektralanteils, der von dem zumindest einen optischen Ausgabeelement (41) empfangen wird, zu vergrößern, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektralmodifikationselement eine flache Platte (100a) umfasst, die in einem Winkel in einem Bereich von ungefähr 12 Grad bis ungefähr 30 Grad in Bezug auf die optische Achse (30) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtfokussierungsvorrichtung (26) eine Linse umfasst.
Verfahren zum Demultiplexen eines optischen Signals (24) mit mehreren Wellenlängen, umfassend: Projizieren des optischen Signals mit mehreren Wellenlängen von einem optischen Eingabeelement (22) zu einer Lichtfokussierungsvorrichtung (26); Kollimieren und Fokussieren des optischen Signals mit mehreren Wellenlängen mit der Lichtfokussierungsvorrichtung (26) und Richten dieses kollimierten und fokussierten optischen Signals auf ein Beugungsgitter (28), wobei das optische Eingabeelement (22) und das Beugungsgitter (28) entlang einer optischen Achse (30) ausgerichtet sind; Beugen des optischen Signals mit mehreren Wellenlängen in entsprechende Spektralanteile unter Verwendung des Beugungsgitters (28), wobei jeder Spektralanteil einen Transmissionsbereich aufweist; Richten der Spektralanteile vom Beugungsgitter (28) auf die Lichtfokussierungsvorrichtung (26); Kollimieren und Fokussieren der Spektralanteile mit der Lichtfokussierungsvorrichtung (28) und Richten der Spektralanteile auf eine Anordnung von optischen Ausgabeelementen (41–48), wobei entsprechende Enden des optischen Eingabeelements (22) und der Anordnung der optischen Ausgabeelemente (41–48) in einer Brennebene (32) angeordnet sind; jeweils Empfangen der Spektralanteile von der Lichtfokussierungsvorrichtung (26) an einer Anordnung von optischen Ausgabeelementen (41–48); und Verbreitern und Abflachen des Durchlassbereichs jedes Spektralanteils unter Verwendung eines Spektralmodifikationselements (100), das eine flache Platte (100a) umfasst, die in einem Winkel in einem Bereich von ungefähr 12 Grad bis ungefähr 30 Grad in Bezug auf die optische Achse (30) angeordnet ist, wobei das Spektralmodifikationselement zwischen der Brennebene (32) und der Lichtfokussierungsvorrichtung (26) angeordnet ist.