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Hintergrund der Erfindung
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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der
Photonenkristalle; und spezieller auf einen Photonenkristallauskoppelfilter
und auf ein Verfahren zum Abstimmen der Übertragungswellenlängen eines
Photonenkristallauskoppelfilters.
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Beschreibung verwandter Technik
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Wellenlängenmultiplexen
ist ein Prozess, der gestattet, die Übertragungskapazität eines
optischen Kommunikationssystems zu erhöhen. Insbesondere werden bei
einem Wellenlängenmultiplexersystem (WDM-System;
WDM = wave length division multiplexer) unter Verwendung einer Mehrzahl
von optischen Trägersignalen
Informationen übertragen,
wobei jedes Trägersignal
eine unterschiedliche optische Wellenlänge aufweist. Durch ein Modulieren
jedes Trägersignals
mit einem anderen einer Mehrzahl von Informationssignalen kann die
Mehrzahl von Informationssignalen zeitgleich durch ein einziges
Wellenleitungsbauelement, wie z. B. eine einzige optische Faser, übertragen
werden.
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Damit
ein WDM-System ordnungsgemäß funktioniert,
muss das System die Fähigkeit
aufweisen, ein Trägersignal
bei einer bestimmten Wellenlänge
aus einem Wellenleiter zu extrahieren und das Signal bei dieser
Wellenlänge
einem anderen Wellenleiter hinzuzufügen, um den Weg, durch den
sich das extrahierte Trägersignal
bewegt, umzuleiten.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das schematisch Komponenten eines WDM-Kommunikationssystems
darstellt. Das System wird allgemein durch ein Bezugszeichen 10 bezeichnet
und umfasst eine Signalquelle 12, die eine Mehrzahl von
Trägersignalen
bei unterschiedlichen optischen Wellenlängen durch eine optische Faser
oder andere Wellenleitungsbauelemente 14 überträgt. Die
optische Faser 14 ist mit einem Extraktionsbauelement 16 verbunden,
das in der Lage ist, ein oder mehrere der Trägersignale, die durch die optische
Faser 14 getragen werden, zu extrahieren und das extrahierte
Signal oder die extrahierten Signale an eine andere optische Faser
oder an ein anderes Wellenleitungsbauelement 18 umzuleiten.
Die verbleibenden Trägersignale,
die durch die optische 14 Faser getragen werden, werden
durch das Extraktionsbauelement 16 an eine optische Faser 20 oder
dergleichen übertragen.
Die Trägersignale,
die durch optische Fasern 18 und 20 getragen werden,
werden dann durch eine Verarbeitungsstruktur, die nicht in der 1 dargestellt
ist, weiterverarbeitet.
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Ein
praktisches WDM-Kommunikationssystem muss in der Lage sein, zeitgleich
eine große
Anzahl von Trägersignalen
zu übertragen;
und muss deshalb in der Lage sein, eine große Anzahl von Lichtwellenlängen zu
tragen. In Zukunft werden WDM-Systeme sogar noch mehr Trägersignale
als heute übertragen
müssen.
Die Anzahl von Wellenlängen,
die durch bekannte Extraktionsbauelemente extrahiert werden kann,
ist jedoch endlich; und nur ein spezieller Wellenlängensatz
kann aus einem beliebigen bestimmten Extraktionsbauelemententwurf
gewonnen werden. Darüber
hinaus wird die Wellenlängentrennung
der Trägersignale
in zukünftigen WDM-Systemen
geringer sein; und bekannte Extraktionsbauelemente weisen nicht
die Auflösung
auf, die notwenig ist, um die enger beabstandeten Signale selektiv
zu extrahieren.
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Zum
Beispiel werden Auskoppelfilter gewöhnlich in optischen Kommunikationsschaltungen verwendet,
um Licht einer bestimmten Wellenlänge aus einem Wellenleiter
zu extrahieren und das extrahierte Licht auf einen anderen Wellenleiter
zu richten. Tatsächlich
ermöglicht
ein Auskoppelfilter, dass Licht einer Wellenlänge aus einem Weg in einer
optischen Kommunikationsschaltung ausgekoppelt und einem anderen
Weg in der Schaltung hinzugefügt
werden kann.
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Bekannte
Auskoppelfilter können
jedoch entworfen werden, um nur ein paar spezielle, gut getrennte
Wellenlängen
zu extrahieren und umzuleiten. Folglich sind bekannte Auskoppelfilter
nicht vollständig
zufriedenstellend für
eine Verwendung als ein Extraktionsbauelement bei einem WDM-System, das die Fähigkeit
erfordert, Trägersignale,
die durch Licht getragen werden, das eine große Anzahl von unterschiedlichen
Wellenlängen
aufweist, zu extrahieren.
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Photonenkristalle
(PC = photonic crystals) sind periodische dielektrische Strukturen,
die die Ausbreitung von Licht in bestimmten Frequenzbereichen verhindern
können.
Genauer gesagt sind Photonenkristalle Strukturen, die räumlich periodische Abweichungen
bei einem Brechungsindex aufweisen; und mit einem ausreichend hohen
Brechungsindexkontrast können
Photonenbandlücken
in den optischen Übertragungscharakteristika
der Struktur geöffnet
werden. (Der Begriff „Photonenbandlücke", wie er hierin verwendet
wird und wie er gewöhnlich
in der Technik verwendet wird, ist ein Frequenzbereich, bei dem
eine Ausbreitung von Licht durch den Photonenkristall verhindert
wird. Darüber
hinaus soll der Begriff „Licht", wie er hierin verwendet
wird, eine Strahlung in dem gesamten elektromagnetischen Spektrum
umfassen und ist nicht auf sichtbares Licht beschränkt).
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Ein
Photonenkristall, der eine räumliche
Periodizität
in drei Dimensionen aufweist, kann die Ausbreitung von Licht, das
eine Frequenz innerhalb der Bandlücke des Kristalls aufweist,
in allen Richtungen verhindern; jedoch ist die Herstellung einer
solchen Struktur häufig
eine technische Herausforderung. Eine Alternative besteht darin,
eine zweidimensionale Photonenkristallplatte zu verwenden, in der
ein zweidimensionales periodisches Gitter enthalten ist. Bei einer
zweidimensionalen Photonenkristallplatte ist Licht, das sich in
der Platte ausbreitet, in der zu einer Hauptoberfläche der
Platte senkrechten Richtung über
eine innere Totalreflexion beschränkt und Licht, das sich in
der Platte in anderen Richtungen außer der zu einer Hauptoberfläche senkrechten
ausbreitet, wird durch die Eigenschaften der Photonenkristallplatte
gesteuert. Eine zweidimensionale Photonenkristallplatte weist den
Vorteil auf, dass sie mit den planaren Technologien einer Standardhalbleiterverarbeitung
kompatibel ist; und darüber
hinaus macht die planare Struktur der Platte ein optisches Signal
in einem Wellenleiter, der in der Platte erzeugt wird, leichter
zugänglich
für eine
Wechselwirkung. Folglich bietet sich eine zweidimensionale Photonenkristallplatte
für eine
Verwendung zum Erzeugen aktiver Bauelemente an.
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Die 2 ist
eine schematische, perspektivische Ansicht einer zweidimensionalen
Photonenkristallplatte, die im Stand der Technik bekannt ist; und wird
bereitgestellt, um bei einer Erklärung der vorliegenden Erfindung
zu helfen. Die Photonenkristallplatte wird allgemein durch ein Bezugszeichen 30 bezeichnet
und weist einen Plattenkörper 32 auf,
der ein zweidimensionales periodisches Gitter aufweist, das ein
Array von Stäben 34 darin
aufweist. Wie in 2 gezeigt, sind die Stäbe 34 parallel
zueinander ausgerichtet und erstrecken sich durch den Plattenkörper von
einer oberen Fläche 36 bis
zu einer unteren Fläche 38 desselben.
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Die
zweidimensionale Photonenkristallplatte 30 kann verschiedene
Formen annehmen. Zum Beispiel können
die Stäbe 34 Stangen
aufweisen, die aus einem ersten dielektrischen Material gebildet sind,
und der Plattenkörper 32 kann
einen Körper aufweisen,
der aus einem zweiten dielektrischen Material gebildet ist, das
sich hinsichtlich seiner dielektrischen Konstante von der des ersten
dielektrischen Materials unterscheidet. Alternativ können die
Stäbe Löcher aufweisen,
die in einem Plattenkörper
aus dielektrischem Material gebildet sind; oder die Stäbe können Stangen
aus einem dielektrischen Material aufweisen und der Plattenkörper kann
Luft oder ein anderes Gas oder ein Vakuum sein. Darüber hinaus können die
Stäbe angeordnet
sein, um ein quadratisches Array von Stäben zu definieren; oder sie
können
auf eine andere Weise, z. B. in einem rechteckigen Array oder einem
dreieckigen Array, angeordnet sein.
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Bei
einer zweidimensionalen Photonenkristallplatte, wie sie z.B. in
der 2 dargestellt ist, ist Licht, das sich in der
Platte ausbreitet, in der zu den Plattenflächen 36 und 38 senkrechten
Richtung über eine
innere Totalreflexion eingeschränkt.
Licht, das sich in der Platte in anderen Richtungen außer der
zu den Plattenflächen
senkrechten ausbreitet, wird jedoch durch die räumlich periodische Struktur
der Platte gesteuert. Im Besonderen bewirkt die räumlich periodische
Struktur, dass eine Photonenbandlücke bei den Übertragungscharakteristika
der Struktur, geöffnet
wird, innerhalb der die Ausbreitung von Licht durch die Platte verwendet
wird. Insbesondere wird sich Licht, das sich in der zweidimensionalen
Photonenkristallplatte 30 von 2 in anderen
Richtungen außer
der zu einer Plattenfläche
senkrechten ausbreitet und eine Frequenz innerhalb einer Bandlücke der
Platte aufweist, nicht durch die Platte ausbreiten; Licht, das Frequenzen
außerhalb
der Bandlücke
aufweist, wird hingegen ungehindert durch die Platte übertragen.
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Es
ist bekannt, dass die Einführung
von Defekten in dem periodischen Gitter eines Photonenkristalls
die Existenz von lokalisierten elektromagnetischen Zuständen erlaubt,
die an der defekten Stelle eingefangen sind und die Resonanzfrequenzen
innerhalb der Bandlücke
des umliegenden Photonenkristallmaterials aufweisen. Durch ein Anordnen
dieser Defekte auf eine geeignete Weise kann ein Wellenleiter in
dem Photonenkristall erzeugt werden, durch den Licht, das Frequenzen
innerhalb der Bandlücke
des Photonenkristalls (und das somit normalerweise daran gehindert würde, sich
durch den Photonenkristall auszubreiten) aufweist, durch den Photonenkristall übertragen
wird.
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die eine zweidimensionale
Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung 40 darstellt,
die gemäß Stand
der Technik bekannt ist. Die Vorrichtung 40 weist eine
Photonenkristallplatte 42 auf, die ein rechteckiges Array
aus dielektrischen Stangen 44 in Luft aufweist. Eine Defektregion
in der Photonenkristallplatte erzeugt einen Wellenleiter 46,
durch den sich Licht, das eine Frequenz innerhalb der Bandlücke des
umliegenden Photonenkristallmaterials aufweist, ausbreiten kann.
Bei der Photonenkristallplatte von 3 wird die
Defektregion durch ein Weglassen einer Reihe der Stangen 44 erzeugt.
Die Defektregion kann auch auf andere Weisen erzeugt werden; z.
B. durch ein Ändern
der Stangen in einer oder mehreren Reihen, z. B. durch ein Entfernen
von Abschnitten der Stangen oder durch ein Ändern des Durchmessers der
Stangen. Die Defektregion kann sich in einer geraden Linie, wie
in der 3 gezeigt, erstrecken, um einen geraden Wellenleiter
zu definieren; oder die Region kann angeordnet sein, um eine Biegung,
z. B. eine 90-Grad-Biegung, zu umfassen, um einen gebogenen Wellenleiter
zu definieren.
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Sowohl
theoretische als auch experimentelle Arbeit haben die effiziente
Leitung von Licht in einem zweidimensionalen Photonenkristallplattenwellenleiterbauelement
(siehe „Demonstration
of Highly Efficient Waveguiding in a Photonic Crystal Slab at the 1.5 μm Wavelength", S. Lin, E. Chow,
S. Johnson und J. Joannopoulos, Opt. Lett. 25, pp. 1.297-1.299, 2000) gezeigt.
Darüber
hinaus sind einige Untersuchungen bezüglich potentieller Anwendungen
zum Interagieren mit den geleiteten optischen Moden des Wellenleiterbauelements
durchgeführt
worden. Anwendungen, die vorher besprochen worden sind, umfassen
abstimmbare, wellenleiterabhängige
Bauelemente (siehe die ebenfalls anhängige
US-Patentanmeldung
mit der Seriennummer 09/846,056 der glei chen Anmelderin)
und Kanalauskoppelfilter (siehe
US-Patent
mit der Nummer 6,130,969 ).
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Photonenkristallbauelemente,
wie sie in der
US-Patentanmeldung mit
der Seriennummer 09/846,056 beschrieben sind, extrahieren
keine spezifischen Wellenlängen,
wie sie bei einem WDM-Kommunikationssystem erforderlich sind, und leiten
diese auch nicht um. Darüber
hinaus ist der Abstimmbereich der Bauelemente ziemlich eingeschränkt, auch
wenn die Abstimmbarkeit solcher Bauelemente gezeigt worden ist.
Das
US-Patent mit der Nummer
6,130,969 offenbart ein Photonenkristallkanalauskoppelfilter
für WDM-Kommunikationssysteme;
jedoch ist das beschriebene Filter nicht abstimmbar. Damit ein Auskoppelfilter
effektiv in einem WDM-System funktioniert, ist es wünschenswert, dass
das Filter über
einen vollen Bereich von Betriebsfrequenzen abstimmbar ist. Somit
sind bestehende photonenkristallbasierte Bauelement für eine Verwendung
als ein Extraktionsbauelement in einem WDM-System allgemein nicht
völlig
zufriedenstellend.
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Die
US 6 130 969 offenbart ein
Kanalauskoppelfilter, das mit Photonenkristallen konfiguriert werden
kann. Das Resonatorsystem ist zwischen einem Eingangswellenleiter
und einem Ausgangswellenleiter angeordnet. Um verschiedene Frequenzen
unter Verwendung desselben Bauelements auszukoppeln, kann die dielektrische
Konstante des Resonatorsystems oder der Umgebung abstimmbar sein.
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M.
M. Siglas et al. offenbart in „Add-drop photonic
crystal filters" Conference
On Integrated Optics: Devices Materials and Technologies IV, San Jose,
USA, January 2002 ein Add-Drop-Photonenkristallfilter
in einem 2-D-Photonenkristall, bei dem sich ein erster Wellenleiter
von einer ersten Seite der Platte zu einer zweiten Seite erstreckt
und bei der sich ein zweiter Wellenleiter von einer dritten Seite der
Platte zu dem ersten Wellenleiter erstreckt. Ein Resonanzhohlraum
in Form eines Defektes des Photonenkristalls ist zwischen dem ersten
und dem zweiten Wellenleiter angeordnet.
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Folglich
besteht ein Bedarf an einem Extraktionsbauelement für eine Verwendung
in einem WDM-Kommunikationssystem und für andere Anwendungen, das in
der Lage ist, eine oder mehrere Wellenlängen aus einem optischen Signal,
das eine Mehrzahl von Wellenlängen
umfasst, zu extrahieren und umzuleiten; und das durchgehend abstimmbar ist,
um in der Lage zu sein, eine beliebige ausgewählte zumindest eine Wellenlänge aus
dem optischen Signal zu extrahieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine abstimmbare Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung
gemäß Anspruch
1 bereit, die in der Lage ist, eine beliebige ausgewählte zumindest
eine Wellenlänge
aus einem optischen Signal, das eine Mehrzahl von Wellenlängen umfasst,
zu extrahieren und umzuleiten. Die vorliegende Erfindung stellt
ferner ein Verfahren gemäß Anspruch
7 bereit.
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Eine
Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
weist einen Photonenkristall auf, der einen ersten Wellenleiter zum Übertragen
von Licht, das eine Frequenz innerhalb einer Bandlücke des
Photonenkristalls aufweist, und einen zweiten Wellenleiter aufweist.
Der zweite Wellenleiter ist durch einen Resonanzhohlraum zum Extrahieren
von zumindest einer Wellenlänge
des Lichtes, das durch den ersten Wellenleiter übertragen wird, und zum Umleiten
des extrahierten Lichtes an den zweiten Wellenleiter mit dem ersten
Wellenleiter verbunden. Die Vorrichtung umfasst auch ein Abstimmbauglied
zum Steuern der zumindest einen Wellenlänge des Lichtes, das aus dem
ersten Wellenleiter extrahiert wird.
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Der
Resonanzhohlraum modifiziert die Übertragungscharakteristika
des ersten Wellenleiters durch ein Erzeugen von einer oder mehreren Übertragungsnullen,
die enge Frequenzbereiche innerhalb der Bandlücke des Photonenkristallmaterials aufweisen,
an der Licht, das ansonsten durch den ersten Wellenleiter übertragen
werden kann, daran gehindert wird, sich durch den ersten Wellenleiter auszubreiten,
d. h. es wird aus dem ersten Wellenleiter „gefiltert". Durch ein Verbinden eines zweiten
Wellenleiters mit dem ersten Wellenleiter durch den Resonanzhohlraum
wird das Licht, das daran gehindert wird, sich durch den ersten
Wellenleiter auszubreiten, zu dem zweiten Wellenleiter umgeleitet.
Infolgedessen wird ein Auskoppelfilter bereitgestellt, das Licht
einer oder mehrerer Wellenlängen
aus dem ersten Wellenleiter entfernen und das entfernte Licht zu dem
zweiten Wellenleiter umleiten kann.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung erstreckt sich das Abstimmbauglied in den zweiten
Wellenleiter und ist innerhalb des zweiten Wellenleiters beweglich.
Die Wellenlängen
des Lichts, das aus dem ersten Wellenleiter extrahiert werden kann,
sind eine Funktion der Position des dielektrischen Abstimmbaugliedes
bezüglich
der Resonanzkammer, und durch ein Einstellen der Position des dielektrischen
Abstimmbaugliedes können
die extrahierten Wellenlängen
genau gesteuert werden.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist ein sich bewegendes Bauelement mit dem dielektrischen
Abstimmbauglied verbunden, um das dielektrische Abstimmbauglied
zu gewünschten
Positionen in dem zweiten Wellenleiter zu bewegen, um die Vorrichtung
mit der Fähigkeit,
durchgehend abgestimmt zu werden, bereitzustellen. Vorzugsweise
weist das sich bewegende Bauelement eine Mikrobewegungseinrichtung
auf, die das dielektrische Abstimmbauglied um sehr genaue Beträge bewegen
kann, um zu erlauben, dass die Wellenlängen des extrahierten Lichtes
sehr genau gesteuert werden.
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Eine
Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in der Lage, die Wellenlängen
von Licht, das aus einem optischen Signal extrahiert wird, genau
zu steuern und kann durchgehend abgestimmt werden, um beliebige ausgewählte Wellenlängen innerhalb
eines breiten Wellenlängenbereichs
zu extrahieren. Die Vorrichtung ist folglich besonders für eine Verwendung
als eine Extraktionsbauelement in einem WDM-Kommunikationssystem
und in anderen Anwendungen geeignet, die die Extraktion einer oder
mehrerer Wellenlängen
von Licht aus einem Signal erfordern, das eine Mehrzahl von Wellenlängen aufweist.
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Noch
weitere Vorteile und spezifische Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden in der Folge in Verbindung mit der folgenden detaillierten
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung klar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm, das schematisch Komponenten eines WDM-Kommunikationssystems
zeigt;
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2 ist
eine schematische perspektivische Ansicht einer zweidimensionalen
Photonenkristallplatte, die gemäß dem Stand
der Technik bekannt ist;
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung,
die gemäß dem Stand
der Technik bekannt ist;
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4 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer zweidimensionalen Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
ein Graph, der die Frequenzen von Übertragungseinbrüchen, die
an einem Ausgang an den ersten Wellenleiter in der Vorrichtung der 4 gemessen
werden, als eine Funktion eines Abstimmbaugliedabstandes von dem
Resonanzhohlraum in der Vorrichtung der 4 darstellt;
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6 ist
ein Graph, der den Qualitätsfaktor als
eine Funktion des Abstimmbaugliedabstandes von dem Resonanzhohlraum
in der Vorrichtung der 4 darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der exemplarischen Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die 4 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer zweidimensionalen Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung wird allgemein durch
ein Bezugszeichen 60 bezeichnet und weist eine zweidimensionale
Photonenkristallplatte 62 (mit einer gestrichelten Linie
in der 4 gezeigt) auf. Die Photonenkristallplatte 62 umfasst
ein zweidimensionales periodisches Gitter, das ein zweidimensionales
Array von Stäben 64 aufweist,
die in einen Plattenkörper 66 eingebettet
sind. Bei dem Ausführungsbeispiel,
das in 4 dargestellt ist, weisen die Stäbe 64 dielektrische
Stangen auf und der Plattenkörper
weist Luft auf. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die
Stäbe Löcher aufweisen,
die in einem Plattenkörper
aus einem dielektrischen Material gebildet sind; oder die Stäbe können Stangen
aus einem ersten dielektrischen Material aufweisen und der Plattenkörper kann ein
anderes Gas oder ein Vakuum oder einen Körper aufweisen, der aus einem
zweiten dielektrischen Material gebildet ist, das sich hinsichtlich
einer dielektrischen Konstante von dem des ersten dielektrischen Materials
unterscheidet.
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Die
Vorrichtung 60 umfasst auch einen ersten Wellenleiter 70,
der sich durch die Photonenkristallplatte 62 von einer
Seite 72 zu der gegenüberliegenden
Seite 74 derselben erstreckt, und einen zweiten Wellenleiter 76,
der sich von einer dritten Seite 78 in die Photonenkristallplatte 62 erstreckt.
Der erste Wellenleiter 70 wird erzeugt, indem eine einzige
Reihe von dielektrischen Stangen 64 aus dem Array weggelassen
wird, und der zweite Wellenleiter 76 wird erzeugt, indem
ein Abschnitt einer einzigen Reihe von dielektrischen Stangen 64 aus
dem Array weggelassen wird. Bei alternativen Ausführungsbeispielen
können
der erste und der zweite Wellenleiter auf andere Weisen erzeugt
werden; z. B. durch ein Entfernen von Abschnitten der Stangen oder
durch ein Ändern
des Durchmessers der Stangen.
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Die
Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung 60 umfasst auch
einen Resonanzhohlraum 80, der den ersten und den zweiten
Wellenleiter verbindet. Bei dem Ausführungsbeispiel, das in der 4 dargestellt
ist, wird der Resonanzhohlraum erzeugt, indem eine Stange aus dem
Array weggelassen wird. Falls gewünscht, könnte der Resonanzhohlraum auch
eine andere Konfiguration aufweisen und eine Stange könnte durch
ein Ändern
ihres Durchmessers oder durch ein Entfernen eines Abschnittes der
Stange anstatt eines Weglassens der Stange verändert werden. Wie in der 4 gezeigt,
erstreckt sich der Resonanzhohlraum von einer Seitenwand des ersten Wellenleiters
und der zweite Wellenleiter erstreckt sich von dem Resonanzhohlraum
in einer zu dem ersten Wellenleiter senkrechten Richtung. Bei anderen
Ausführungsbeispielen
kann sich der zweite Wellenleiter von dem Resonanzhohlraum in verschiedenen
Winkeln bezüglich
des ersten Wellenleiters erstrecken.
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Die
zweidimensionale Photonenkristallplatte 62, die den ersten
und zweiten Wellenleiter 70 und 76 und den Resonanzhohlraum 80,
der den ersten und zweiten Wellenleiter verbindet, aufweist, dient
als ein Auskoppelfilter, wenn ein Lichtsignal, das eine Mehrzahl
von Lichtwellenlängen
auf weist, durch den ersten Wellenleiter übertragen wird. Insbesondere
werden, wenn ein Eingangslichtsignal, das eine Mehrzahl von Wellenlängen aufweist,
in den ersten Wellenleiter 70 bei einem Eingangsende 82 geleitet
wird, eine oder mehrere der Wellenlängen aus dem Eingangslichtsignal
extrahiert oder „herausgefiltert" und zu dem zweiten
Wellenleiter 76 umgeleitet. Der Rest des Eingangslichtsignals
wird weiter durch den ersten Wellenleiter 70 übertragen
und wird aus dem ersten Wellenleiter an einem Ausgangsende 84 austreten.
Tatsächlich
dient der Resonanzhohlraum 80, um die Übertragungscharakteristika
des ersten Wellenleiters zu modifizieren, indem er eine Übertragungsnull
innerhalb der Bandlücke
des Photonenkristallmaterials erzeugt, an der Licht, das ansonsten
in der Lage ist, sich durch den ersten Wellenleiter auszubreiten,
daran gehindert wird, sich durch den ersten Wellenleiter auszubreiten.
Die Frequenz der Übertragungsnull
entspricht der Resonanzfrequenz der Resonanzkammer. Die Wellenlänge von
Licht, das daran gehindert wird, durch den ersten Wellenleiter zu passieren,
wird an den zweiten Wellenleiter umgeleitet und tritt aus dem zweiten
Wellenleiter an einem Ausgangsende 86 aus.
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Wie
in der Folge genauer erklärt
wird, ist die Wellenlänge
des Lichtes, das aus dem ersten Wellenleiter extrahiert wird, als
eine Funktion der Konfiguration des Resonanzhohlraumes. Folglich
kann durch ein geeignetes Entwerfen des Resonanzhohlraums eine bestimmte
Wellenlänge
oder ein Satz von bestimmten Wellenlängen aus dem ersten Wellenleiter
extrahiert und zu dem zweiten Wellenleiter umgeleitet werden.
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Wie
in 4 dargestellt, umfasst die Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung 60 ferner ein
dielektrisches Abstimmbauglied 90, das axial mit dem zweiten
Wellenleiter 76 ausgerichtet ist und sich in denselben
erstreckt. Die Wellenlänge
des Lichts, das aus dem ersten Wellenleiter extrahiert wird, ist eine
Funktion der Position des dielektrischen Abstimmbaugliedes relativ
zu dem Resonanzhohl raum; und durch ein Steuern der Position des
dielektrischen Abstimmbaugliedes kann die Resonanzfrequenz der Resonanzkammer
und somit die Wellenlänge
des Lichtes, das aus dem ersten Wellenleiter extrahiert werden kann,
gesteuert werden. Das dielektrische Abstimmbauglied selbst dient
tatsächlich
als ein Wellenleiter, der die Wellenlänge des Lichtes einstellt, das
aus dem Licht in dem ersten Wellenleiter extrahiert wird, und das
extrahierte Licht entlang eines anderen Weges, d. h. in den zweiten
Wellenleiter, umleitet. Abhängig
von der Position des dielektrischen Abstimmbaugliedes bezüglich des
Resonanzhohlraumes gibt es viele Positionsbereiche, entlang denen
Einstellungen vorgenommen werden können, wie in der Folge beschrieben
ist.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist das dielektrische Abstimmbauglied ein stangenförmiges Element
auf, das sich in den zweiten Wellenleiter 76 erstreckt
und im Wesentlichen dieselbe Querschnittsgröße wie der zweite Wellenleiter
aufweist. Das Abstimmbauglied 90 kann eine beliebige geeignete
Querschnittsform, wie z. B. eine runde, quadratische oder andere
rechtwinklige Form, aufweisen. Wie in der Folge ausführlicher
erklärt, kann
bei anderen Ausführungsbeispielen
der Erfindung das dielektrische Abstimmbauglied außerhalb des
zweiten Wellenleiters positioniert sein.
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Der
Betrieb der Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung von 4 wurde
bei einem System veranschaulicht, das auf der Mikrowellenregion
basiert. Bei der Veranschaulichung bestand der Photonenkristall
aus Aluminiumoxidstangen mit einem Durchmesser von 3,18 mm, die
ein quadratisches Gitter bildeten, das eine Gitterkonstante (einen
Gitterabstand) von 8,333 mm aufwies. Der Brechungsindex der Aluminiumoxidstangen
betrug 3,1 und die Stangen wiesen eine Länge von 12 cm (eine Länge, die
ausreichend ist, um für
eine vernünftige
Näherung
als unendlich lang zu gelten) auf. Die Übertragung durch die Vorrichtung
an dem Ausgangsende 84 wurde unter Verwendung eines Agilent-8509A-Netzwerk analysators
und zweier Mikrowellenhornantennen gemessen. Die sendende Antenne
wurde an dem Eingangsende 82 des ersten Wellenleiters angeordnet
und die empfangende Antenne wurde an dem Ausgangsende 84 des
ersten Wellenleiters angeordnet.
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Die
zweidimensionale Photonenkristallplatte wurde wie in der 4 gezeigt
gebaut. Das dielektrische Abstimmbauglied wurde in den zweiten Wellenleiter
eingefügt.
Eine Referenz für
die Position des dielektrischen Abstimmbaugliedes wurde als die Schnittstelle
zwischen dem Resonanzhohlraum und dem zweiten Wellenleiter festgelegt
und das dielektrische Abstimmbauglied wurde dann von dieser Position
in die Richtung des zweiten Wellenleiters um einen Abstand D, wie
in der 4 gezeigt, bewegt und die Übertragung wurde an dem Ausgangsende
des ersten Wellenleiters 84 gemessen. Aufgrund des Resonanzhohlraums
gibt es Übertragungseinbrüche (Übertragungsminima).
Die Frequenzen der Einbrüche
sind in der 5 aufgezeichnet, die ein Graph ist,
bei dem die Frequenzen der Übertragungseinbrüche entlang
der Y-Achse aufgezeichnet sind und der Abstand D von dem Resonanzhohlraum
entlang der X-Achse aufgezeichnet ist.
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Die
extrahierte Frequenz für
die Struktur der 4 ohne das dielektrische Abstimmbauglied 90 betrug
13,61 GHz. Die in durchgezogenen Linien in der 5 gezeigten
Daten zeigen an, dass die Vorrichtung auf verschiedene Frequenzen
um 13,61 GHz abgestimmt werden kann. Die Frequenz ändert sich
linear als eine Funktion von D, wie durch die gestrichelten Linien
in der 5 gezeigt, die durch eine lineare Anpassung an
die ursprünglichen
Daten erhalten wurden.
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Tatsächlich gibt
es viele Werte von D, bei denen die Platte verwendet werden kann,
um eine gegebene Frequenz abzustimmen. Der Wiederholungsabstand
beträgt
ungefähr
15,5 mm, wie in 5 gezeigt. Es ist auch festzuhalten,
dass es bei bestimmten Abständen Übertragungseinbrüche bei
mehreren Frequenzen gibt.
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Wie
Fachleuten wohl bekannt ist, können
die oben beschriebenen Charakteristika bei der Mikrowellenbetriebsweise
durch ein geeignetes Skalieren der Größen des Photonenkristalls,
des Resonanzhohlraums und des dielektrischen Abstimmbaugliedes ohne
weiteres auf die optische Betriebsweise ausgedehnt werden.
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Die 6 ist
ein Graph, der den Qualitätsfaktor
Q der verschiedenen Resonanzen der unterschiedlichen Frequenzen,
die entlang der Y-Achse aufgezeichnet sind, als eine Funktion des
Abstandes D des dielektrischen Abstimmbaugliedes von dem Referenzhohlraum,
der entlang der X-Achse aufgezeichnet ist, darstellt. Wegen der
Werte des Qualitätsfaktors
(durchschnittlich ungefähr
600) sind die Werte sehr empfindlich gegenüber kleinen Unvollkommenheiten
des Photonenkristalls sowie der Umgebung, was die hohen Schwankungen
ihrer Werte erzeugt. Allgemein nehmen die Q-Faktoren um die Regionen
ab, bei denen die zweiten Übertragungseinbrüche auftauchen.
Jedoch sind die Q-Werte in anderen Regionen ziemlich hoch, was die
Vorrichtung ziemlich attraktiv für
WDM-Anwendungen macht.
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Die
Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung 60 umfasst vorzugsweise
auch ein Bauelement, das in der 4 bei 94 schematisch
dargestellt ist, zum Bewegen des dielektrischen Abstimmbaugliedes
in verschiedene Positionen innerhalb des zweiten Wellenleiters.
Vorzugsweise weist das Bewegungsbauelement eine Mikrobewegungseinrichtung auf,
die in der Lage ist, das dielektrische Abstimmbauglied um sehr kleine
und sehr genaue Beträge
zu bewegen. Solch eine Fähigkeit
ist wichtig, denn je feiner die Bewegung des dielektrischen Abstimmbaugliedes,
desto feiner die Steuerung über
die Wellenlänge
des Lichts, das aus dem ersten Wellenleiter extrahiert wird.
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Ein
Verfahren, das Schritte zum Abstimmen einer Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung
aufweist, bildet ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Das Verfahren umfasst die Schritte eines Auswählens einer
zumindest einen gewünschten
Wellenlänge
von Licht, das aus einem ersten Wellenleiter zu extrahieren ist,
der ein Lichtsignal überträgt, das
eine Mehrzahl von Wellenlängen
aufweist; und, danach, eines Positionierens eines dielektrischen
Abstimmbaugliedes bezüglich
eines Resonanzhohlraums in dem Photonenkristall, wobei die Wellenlänge der
einen oder mehreren Wellenlängen
des extrahierten Lichtes z. B. eine Funktion der Position des dielektrischen
Abstimmbaugliedes bezüglich
des Resonanzhohlraums ist.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel,
das in 4 dargestellt ist, wurde der Resonanzhohlraum
durch ein Weglassen einer einzigen Stange 64 in dem Stangenarray
erzeugt. Bei alternativen Ausführungsbeispielen
kann die Stange durch eine Stange mit einem anderen Durchmesser
ersetzt werden, anstatt die Stange wegzulassen. Die einzige Stange
kann z. B. dimensioniert werden, um die Mittel-Extraktions-Wellenlänge der
Vorrichtung einzustellen, und das dielektrische Abstimmbauglied
kann verwendet werden, um die Frequenz nach Bedarf fein abzustimmen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann der Resonanzhohlraum durch ein Weglassen von
mehr als einer Stange erzeugt werden. Durch ein Entfernen einer
Mehrzahl von Stangen können
zwei oder mehrere Frequenzregionen unter Verwendung desselben bewegbaren
dielektrischen Abstimmbaugliedes fein abgestimmt werden.
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Wie
durch das weitere Extraktionsbauelement 22 dargestellt,
das in einer gepunkteten Linie in der 1 gezeigt
ist, kann gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung eine Mehrzahl von Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtungen
an verschiedenen Orten entlang einer optischen Faser in einem optischen
Kommunikationssystem verbunden sein. Jede Vorrichtung kann auf eine
bestimmte Frequenzregion fein abgestimmt werden, um eine bestimmte
Lichtwellenlänge aus
der optischen Faser zu extrahieren. In solch einem System muss die Mehrzahl
von Vorrichtungen mehrere Einheitszellen voneinander entfernt sein,
um eine Interferenz zu vermeiden (eine „Einheitszelle" wird als eine Zelle definiert,
die Abmessungen in der X- und Y-Richtung des Photonenkristalls,
wie in der 4 gezeigt, aufweist, die gleich
der Beabstandung zwischen den Stangen in dem Kristall sind).
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Es
ist herausgefunden wurden, dass das dielektrische Abstimmbauglied 90 selbst
dann die Frequenz der extrahierten Wellenlänge effektiv abstimmt, wenn
das Bauglied außerhalb
des zweiten Wellenleiters positioniert ist. Folglich kann das dielektrische
Abstimmbauglied in anderen Ausführungsbeispielen
der Erfindung außerhalb
des zweiten Wellenleiters sein. Wenn das dielektrische Abstimmbauglied außerhalb
des zweiten Wellenleiters positioniert ist, kann das Bauglied parallel
zu dem zweiten Wellenleiter oder in einem Winkel zu dem zweiten
Wellenleiter, einschließlich
senkrecht zu dem zweiten Wellenleiter, ausgerichtet sein. Allgemein
sollte das dielektrische Abstimmbauglied jedoch von dem zweiten
Wellenleiter mit einem Abstand von nicht mehr als ungefähr einer
Einheitszelle beabstandet sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann die optische Faser 18 (1)
selbst als ein dielektrisches Abstimmbauglied dienen. Bei einem
solchen Ausführungsbeispiel
können
die extrahierten Frequenzen durch ein Bewegen der optischen Faser
abgestimmt werden.
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Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann entweder als ein abstimmbares
Auskoppelfilter (unter Verwendung einer Niedrig-Dielektrisch-Abstimmplatte
oder einer optischen Faser) oder als eine abstimmbare Abstimmstichleitung
(unter Verwendung einer Hoch-Dielektrisch-Abstimmplatte) verwendet
werden.
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Auch
wenn das beschriebene exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung
darstellt, sollte klar sein, dass die Erfindung auf verschiedene
Arten variiert werden kann, ohne von dem Schutzbereich derselben
abzuweichen. Zum Beispiel kann die Erfindung auch auf eine vollständig dreidimensionale Photonenkristallvorrichtung
angewendet werden, auch wenn die Ausführungsbeispiele, die hierin
beschrieben sind, zweidimensionale Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtungen
aufweisen. Da die Erfindung auf sehr unterschiedliche Arten variiert
werden kann, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nur insofern
eingeschränkt
sein sollte, als dies durch den Schutzbereich der folgenden Ansprüche erforderlich
ist.