DE60220984T2 - Kontinuierlich abstimmbarer Photonikkrystallauskoppelfilter - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • 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.
  • Beschreibung verwandter Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 ).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch Komponenten eines WDM-Kommunikationssystems zeigt;
  • 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer zweidimensionalen Photonenkristallplatte, die gemäß dem Stand der Technik bekannt ist;
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung, die gemäß dem Stand der Technik bekannt ist;
  • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer zweidimensionalen Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 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;
  • 6 ist ein Graph, der den Qualitätsfaktor als eine Funktion des Abstimmbaugliedabstandes von dem Resonanzhohlraum in der Vorrichtung der 4 darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung der exemplarischen Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Eine durchgehend abstimmbare Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung (60), die folgende Merkmale aufweist: einen Photonenkristall (62), einen ersten Wellenleiter (70) in dem Photonenkristall (62) zum Übertragen von Licht, das eine Frequenz in einer Bandlücke des Photonenkristalls (62) aufweist; einen zweiten Wellenleiter (76) in dem Photonenkristall (62); einen Resonanzhohlraum (80), der den ersten und zweiten Wellenleiter (70, 76) verbindet, zum Extrahieren von zumindest einer Wellenlänge des in dem ersten Wellenleiter (70) übertragenen Lichts und zum Umleiten des extrahierten Lichts zu dem zweiten Wellenleiter (76); und ein dielektrisches Abstimmbauglied (90) zum Steuern der zumindest einen Wellenlänge des aus dem ersten Wellenleiter (70) extrahierten Lichtes, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Wellenlänge des aus dem ersten Wellenleiter (70) extrahierten Lichtes eine Funktion der Position des Abstimmbaugliedes (90) relativ zu dem Resonanzhohlraum (80) ist, und wobei die Vorrichtung (60) ferner ein sich bewegendes Bauelement (94) umfasst, das mit dem Abstimmbauglied (90) verbunden ist, zum Einstellen der Position des Abstimmbaugliedes (90) relativ zu dem Resonanzhohlraum (80) zum Extrahieren von zumindest einer ausgewählten Lichtwellenlänge aus dem ersten Wellenleiter (70).
  2. Die Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung (60) gemäß Anspruch 1, bei der sich der erste Wellenleiter (70) durch den Photonenkristall (62) von einer Seite (72) desselben bis zu einer zweiten, gegenüberliegenden Seite (74) desselben erstreckt, und wobei sich der zweite Wellenleiter (76) von dem Resonanzhohlraum (80) zu einer dritten Seite (78) des Photonenkristalls (62) zum Übertragen des extrahierten Lichtes aus der Vorrichtung (60) erstreckt.
  3. Die Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung (60) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Abstimmbauglied (90) ein dielektrisches Abstimmbauglied (90) in dem zweiten Wellenleiter (76) aufweist.
  4. Die Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung (60) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Photonenkristall (62) eine zweidimensionale Photonenkristallplatte (62) aufweist, in der ein zweidimensionales periodisches Gitter in einem Plattenkörper (66) enthalten ist, und wobei der erste Wellenleiter (70) eine erste Reihe von Defekten in dem zweidimensionalen periodischen Gitter aufweist, das sich von einer ersten Seite (72) zu einer gegenüberliegenden, zweiten Seite (74) der zweidimensionalen Photonenkristallplatte (62) erstreckt, und wobei der zweite Wellenleiter (76) eine Reihe von Defekten in dem zweidimensionalen periodischen Gitter aufweist, das sich von dem Resonanzhohlraum (80) zu einer dritten Seite (78) der zweidimensionalen Photonenkristallplatte (62) erstreckt.
  5. Die Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung (60) gemäß Anspruch 4, bei der das periodische Gitter ein Array von Stäben (64) aufweist, und bei der der erste Wellenleiter (70) durch ein Weglassen einer ersten Reihe der Stäbe (64) erzeugt wird und der zweite Wel lenleiter (76) durch ein Weglassen eines Teils einer zweiten Reihe der Stäbe (64) erzeugt wird.
  6. Die Photonenkristallauskoppelfiltervorrichtung (60) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (60) in einem Wellenteilungsmultiplexer-Kommunikationssystem (10) eingebaut ist.
  7. Ein Verfahren zum durchgehenden Abstimmen eines Photonenkristallauskoppelfilters (60), wobei der Photonenkristallauskoppelfilter (60) einen Photonenkristall (62), einen ersten Wellenleiter (70) in dem Photonenkristall (62) zum Übertragen von Licht, das eine Frequenz in einer Bandlücke des Photonenkristalls (62) aufweist, einen zweiten Wellenleiter (76) in dem Photonenkristall (62) und einen Resonanzhohlraum (80), der den ersten und zweiten Wellenleiter (70, 76) zum Extrahieren von zumindest einer Wellenlänge des durch den ersten Wellenleiter (70) übertragenen Lichtes verbindet, aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Auswählen zumindest einer erwünschten Lichtwellenlänge, die aus dem Wellenleiter (70) extrahiert werden soll; Bereitstellen eines dielektrischen Abstimmbaugliedes (90), das mit einem sich bewegenden Bauelement (94) verbunden ist zum durchgehenden Einstellen der Position des Abstimmbauglieds (90); und Positionieren des dielektrischen Abstimmbaugliedes (90) bezüglich des Resonanzhohlraums (80), wobei die zumindest eine Lichtwellenlänge, die aus dem ersten Wellenleiter (70) extrahiert wird, eine Funktion der Position des dielektrischen Abstimmbaugliedes (90) bezüglich des Resonanzhohlraumes (80) ist.
  8. Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem das dielektrische Abstimmbauglied (90) ein dielektrisches Abstimmbauglied (90) aufweist, das sich in den zweiten Wellenleiter (76) erstreckt, und wobei der Positionierungsschritt ein Einstellen des Abstandes eines Endes des dielektrischen Abstimmbaugliedes (90) bezüglich des Resonanzhohlraumes (80) aufweist.
  9. Das Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, das ferner den Schritt eines Bewegens des dielektrischen Abstimmbaugliedes (90) in gewünschte Positionen zum Abstimmen der zumindest einen extrahierten Wellenlänge innerhalb eines vollen Wellenlängenbereiches umfasst.
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