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Verwandte Anmeldung
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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".
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Technisches Gebiet der Erfindung
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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.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Andere
technische Vorteile werden für
die Fachleute auf dem Gebiet in Anbetracht der nachfolgenden Beschreibung,
Ansprüche
und Zeichnungen offensichtlich werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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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:
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1 eine
schematische Zeichnung ist, die ein Beispiel einer optischen Kommunikationsvorrichtung,
wie ein Multiplexer oder Demultiplexer, zeigt;
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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;
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2B eine
schematische Zeichnung ist, welche eine Endansicht von zwei optischen
Ausgabeelementen der
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2A und
Durchlassbereiche für
jeweilige Spektralanteile zeigt, die gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung abgeflacht und verbreitert wurden;
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3 eine
Kurve ist, welche Veränderungen im
Durchlassbereich eines Spektralanteils aufgrund der Aufnahme eines
Spektralmodifikationselements in der Kommunikationsvorrichtung der 1 zeigt;
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4A eine
Kurve ist, welche ein Beispiel einer asphärischen Linsenoberfläche zeigt,
die auf einem Spektralmodifikationselement ausgebildet ist;
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4B eine
Kurve ist, welche ein weiteres Beispiel eines Oberflächenprofils
zeigt, das auf einem Spektralmodifikationselement ausgebildet ist;
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5 eine
schematische Zeichnung ist, welche ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer optischen Kommunikationsvorrichtung zeigt;
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6 eine
schematische Zeichnung im Schnitt ist, welche Bereiche eines mit
der optischen Kommunikationsvorrichtung der 5 in Zusammenhang
stehenden Beugungsgitters zeigt;
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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;
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8 eine
schematische Zeichnung ist, welche Bereiche der optischen Kommunikationsvorrichtung
der 1 zeigt, wobei das Spektralmodifikationselement gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
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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;
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10A eine schematische Zeichnung ist, welche eine
isometrische Ansicht eines weiteren Beispiels eines Spektralmodifikationselements
zeigt;
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10B eine schematische Zeichnung ist, welche eine
isometrische Ansicht noch eines weiteren Beispiels eines Spektralmodifikationselements zeigt;
und
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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.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
- ηi
- = 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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Allgemeine Informationen
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- 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
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Typische Glasfaserabmessungen
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- 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
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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 |
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Sichtbares Licht
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- ungefähr
400 nm (0,4 Tm) bis 700 nm (0,7 Tm) (dunkel violettblau bis tiefrot)
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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.