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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein verbesserte integrierte
optische Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer-Bauelemente,
in denen Licht einer spezifischen Wellenlänge (oder spezifischer Wellenlängen) auf
wirksame Weise eingespeist oder abgezweigt werden kann. Das Bauelement
kann aus optischen Polymeren mit einer starken Änderung des Brechungsindexes
mit der Temperatur hergestellt werden. Ein einzelnes Filterelement
kann über
einen großen
Wellenlängenbereich
verwendet werden, wodurch für
die dynamische Auswahl von Wellenlängen gesorgt wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bauelemente
zum Einspeisen/Abzweigen wellenlängencodierter
Signale (Licht spezifischer Wellenlänge oder Wellenlängen) sind
dem Fachmann bekannt, wie in D. C. Johnson, K. O. Hill, F. Bilodeau
und S. Faucher "New
Design Concept For A Nanowband Wavelength-Selective Optical Tap
And Combiner", Electron Lett.,
Bd. 23, Seiten 668–669
(1987), und C. R. Giles und V. Mizrahi "Low-Loss Add/Drop Multiplexers For WDM
Lightwave Networks",
Proc. IOOC, Seiten 66–67
(1995), offenbart und hierin durch Bezugnahme aufgenommen. Solche
Bauelemente verwenden optische Fasern, die vorrangig in Telekommunikationssystemen
zusätzlich
zu lokalen Netzwerken, Computernetzwerken und ähnlichem genutzt werden. Die
optischen Fasern sind imstande, große Informationsmengen zu transportieren,
und es ist die Aufgabe von Bauelementen gemäß der vorliegenden Erfindung,
durch Absonderung der Information, die auf Kanälen unterschiedlicher Wellenlänge transportiert
wird, eine ausgewählte
Informationsmenge aus der Faser zu entnehmen bzw. in sie einzuspeisen.
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Bauelemente
dieses Typs bestehen aus einer Vielfalt von Komponenten, die zusammen
die gewünschte
Absonderung von wellenlängencodierten
Signalen ermöglichen.
Integrierte optische Koppler und insbesondere Richtkoppler sind
entwickelt worden, um Schwundrichtkopplung durchzuführen, wie
in E. A. J. Marcatili "Dielectric
Rectangular Waveguide And Directional Couplers For Integrated Optics", Bell Syst. Tech. J.,
S. 2071 (1969) offenbart und hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
Optische Signale werden aus einem planaren Wellenleiter in einen
anderen eingekoppelt. Die Signale im zweiten planaren Wellenleiter
breiten sich in der gleichen Richtung aus, in der sich die Signale
im ersten planaren Wellenleiter fortbewegen.
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MMI-(Mehrmoden-Interferenz)-Koppler
sind entwickelt worden, um das Koppeln durchzuführen, wie in L. B. Soldano
und E. C. M. Pennings "Optical
Multi-Mode Interference Devices Based On Self-Imaging: Principles And Applications", J. Lightwave Technol.,
Bd. 13, Seiten 615–627
(1995), offenbart und hierin durch Bezugnahme aufgenommen. MMI-Koppler
bewirken Selbst-Abbildung, wodurch ein in einen Mehrmoden-Wellenleiter
eingegebenes Feldprofil in einzelnen oder mehreren Abbildungen in
periodischen Intervallen entlang der Ausbreitungsrichtung des Leiters
reproduziert wird.
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Optische
Zirkulatoren sind optische Kopplungsbauelemente, die mindestens
drei Ports haben. Drei-Port-Zirkulatoren koppeln in Port 1 eintretendes
Licht zum Port 2, in Port 2 eintretendes Licht
zum Port 3 und in Port 3 eintretendes Licht zum
Port 1.
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Beugungsgitter
(zum Beispiel Bragg-Gitter) werden verwendet, um ein schmales Band
von Wellenlängen
zu isolieren, wie in K. O. Hill und G. Meltz, "Fiber Bragg Grating Technology Fundamentals
And Overview", J.
Lightwave Technol., Bd. 15, Seiten 1263–1276 (1997) und T. Erdogan "Fiber Grating Spectra", J. Lightwave Technol.,
Bd. 15, Seiten 1277–1294
(1997), offenbart und hierin durch Bezugnahme aufgenommen. Solche Gitteneflektoren
haben es möglich
gemacht, ein Bauelement zur Verwendung beim Einspeisen oder Abzweigen
eines Lichtsignals bei einer vorbestimmten Mittenwellenlänge zu oder
aus einem faseroptischen Übertragungssystem
ohne Störung
anderer Signale bei anderen Wellenlängen zu konstruieren, wie in
L. Eldada, S. Yin, C. Poga, C. Glass, R. Blomquist und R. A. Norwood "Integrated Multi-Channel
OADM's Using Polymer Bragg
Grating MZI's", Photonics Technol.
Lett., Bd. 10. Seiten 1416–1418
(1998), offenbart.
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Es
wäre wünschenswert,
eine Wellenlänge
mit größerer Genauigkeit
als heutige Bauelemente innerhalb eines dynamischen Bereichs von
Wellenlängen
durch ein einzelnes Bauelement für
optische Signale abzweigen zu können,
statt mehrere Bauelemente für
optische Signale für
den gleichen Zweck zu verwenden.
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Was
den weiteren Stand der Technik betrifft, wird das Augenmerk auf
GB-A 2269679, JP-A
7084225 und EP-A 854378 gerichtet, von denen letzteres nur nach
Artikel 54(3) und 54(4) EPÜ Stand
der Technik ist und die ein Bauelement für optische Signale beschreiben,
das folgendes umfaßt:
- a) ein Substrat;
- b) ein Paar voneinander beabstandeter Mantelschichten, die aus
Materialien mit mindestens ähnlichen
Brechungsindexwerten bestehen;
- c) eine Kernschicht mit einem Wellenleiter oder einem Paar gegenüberliegender
Wellenleiter, der bzw. das zwischen dem Paar der Mantelschichten
positioniert ist, und mit einem Brechungsindexwert, der größer ist als
der Brechungsindexwert der Mantelschichten, so daß die Differenz
zwischen den Brechungsindexwerten der Kernschicht und der Mantelschichten
ermöglicht,
daß ein
Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen das
Bauelement in einem einzelnen Mode durchlaufen kann;
- d) ein Gitter, das eine Filtereinrichtung bildet, um zu bewirken,
daß eine
einzelne Lichtwellenlänge
des Lichtsignals mit mehreren Wellenlängen davon abgesondert wird;
und
- e) eine Einrichtung zum Ändern
des Brechungsindexes zumindest der Kernschicht, um dadurch die Wellenlänge des
Lichts zu steuern, die aus dem Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen abgesondert
werden soll.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Bauelemente für optische
Signale mit Feinabstimmungseinrichtungen, die für die wirksamere Steuerung
der Lichtwellenlänge
sorgen, die von einem Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen abgesondert
werden soll.
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Das
Bauelement für
optische Signale gemäß der vorliegenden
Erfindung hat eine einzigartige Anordnung von Materialien und schließt auch
die Änderung
der Temperatur des Bauelements für
optische Signale ein, was für
die präzise
Auswahl einer Soll-Wellenlänge
zum Abzweigen oder Einspeisen eines optischen Signals sorgt und
was für
die schnelle Änderung
der Wellenlängen
von einer Soll-Wellenlänge
zu einer anderen sorgt.
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Insbesondere
umfaßt
das Bauelement für
optische Signale der vorliegenden Erfindung:
- a)
ein Substrat
- b) ein Paar voneinander beabstandeter Mantelschichten;
- c) eine Kernschicht mit einem Wellenleiter oder einem Paar gegenüberliegender
Wellenleiter, der bzw. das zwischen dem Paar der Mantelschichten
positioniert ist, und mit einem Brechungsindexwert, der größer ist als
der Brechungsindexwert der Mantelschichten, so daß die Differenz
zwischen den Brechungsindexwerten der Kernschicht und der Mantelschichten
ermöglicht,
daß ein
Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen das
Bauelement in einem einzelnen Mode durchlaufen kann;
- d) einen Gitterbereich, der in jeder der Mantelschichten und
in der Kernschicht vorhanden ist und der eine Filtereinrichtung
bildet, um zu bewirken, daß eine
einzelne Lichtwellenlänge
des Lichtsignals mit mehreren Wellenlängen davon abgesondert wird;
und
- e) einer Einrichtung zum Ändern
des Brechungsindexes zumindest der Kernschicht, um dadurch die Wellenlänge des
Lichts zu steuern, die aus dem Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen abgesondert
werden soll.
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Bei
einem bevorzugten Aufbau des Bauelements für optische Signale besteht
zumindest die Kernschicht aus einem wärmeempfindlichen Material,
und das Mittel zum Ändern
des Brechungsindexes besteht darin, das wärmeempfindliche Material zu
erwärmen.
Der thermooptische Effekt, der der bevorzugte Effekt zur Abstimmung
des Brechungsindexes ist, wird fast in der gesamten Offenbarung
als anschaulicher Effekt verwendet. Aber allgemein kann in der vorliegenden
Erfindung jeder Effekt zur Abstimmung des Brechungsindexes (zum
Beispiel elektrooptischer Effekt, spannungsoptischer Effekt) und
jede Kombination daraus verwendet werden, um den Brechungsindex
zu ändern.
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Bei
einem bevorzugten Aufbau des Bauelements für optische Signale sind zwei
Mantelschichten zwischen der Einrichtung zum Ändern des Brechungsindexes
und dem Kern positioniert, wobei jede der beiden Mantelschichten
einen anderen Brechungsindex hat. Verfahren zur Herstellung der
Bauelemente für
optische Signale der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls offenbart.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
folgenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile
bezeichnen, sind zur Veranschaulichung von Ausführungsformen der Erfindung
bestimmt und nicht dazu, die Erfindung einzuschränken.
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1 ist
eine schematische Vorderansicht einer Ausführungsform eines Filterelements
eines Bauelements für
optische Signale gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine schematische Vorderansicht einer anderen Ausführungsform
eines Filterelements eines Bauelements für optische Signale gemäß der vorliegenden
Erfindung, die zwei Mantelschichten mit verschiedenen Brechungsindizes
zwischen einer Heizeinrichtung und einer Kernschicht verwendet;
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3 ist
ein Diagramm, das die Änderung
der Lichtwellenlänge,
die von einem in der vorliegenden Erfindung verwendeten Filterelement
reflektiert wird, als Funktion der Temperatur darstellt;
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4A–4C sind
schematische Ansichten von drei Ausführungsformen eines einzelnen
Filterelements gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5A–B sind
schematische Ansichten zweier Ausführungsformen von zweistufigen
Add/Drop-(Einspeisungs-/Abzweig-)Filtern
unter Verwendung zweier Heizeinrichtungen mit oder ohne einen Schalter
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6A–6D sind
schematische Ansichten von vierstufigen Add/Drop-Filtern gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer oder mehreren Heizeinrichtungen und einer Vielfalt
von Schalterkonfigurationen;
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7 ist
eine schematische Ansicht eines vierstufigen Add/Drop-Filters gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die ungenutzten Kanäle zum Bus zurückgeführt werden;
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8 ist
eine schematische Ansicht eines vierstufigen Add/Drop-Filters gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die ungenutzten Kanäle unter Verwendung eines 1 × 5-Kombinators
direkt mit der Durchgangsleitung verbunden sind;
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9 ist
eine schematische Ansicht eines vierstufigen Add/Drop-Filters gemäß der vorliegenden
Erfindung, der die Verstimmung einer Kante des Filters verwendet,
um die Anzahl der Schalter und die Komplexität des Kombinators zu verringern;
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10 ist
eine schematische Ansicht eines vierstufigen Add/Drop-Filters gemäß der vorliegenden
Erfindung, der die Verstimmung beider Kanten des Filters verwendet,
um die Anzahl der Schalter und die Komplexität des Kombinators zu verringern;
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11 ist
eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines vierstufigen
Add/Drop-Filters gemäß der vorliegenden
Erfindung, die die Verstimmung der Kanten und eine minimalen Anzahl
von Schaltern verwendet; und
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12 ist
eine schematische Ansicht eines vierstufigen Add/Drop-Filters der
vorliegenden Erfindung, wobei die ungenutzten Kanäle unter
Verwendung von Einspeisungsfiltern mit der Durchgangsleitung kombiniert
werden.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement für optische Signale, bei dem
eine Einrichtung zum Ändern
des Brechungsindexes, vorzugsweise unter Verwendung einer Heizeinrichtung
und wärmeempfindlicher
Polymere, im Filterelement (zum Beispiel Bragg-Gitter) verwendet
wird, um ein Drop/Add-Signalfilter zu erzeugen, das fein abstimmbar
ist, um eine vorgewählte
Lichtwellenlänge über einen
großen
Bereich von Wellenlängen
abzuzweigen oder einzuspeisen.
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In
einer bevorzugten Form der Erfindung werden Mach-Zehnder-interferometerartige
Bauelemente, 100%-Richtkoppler oder Mehrmoden-Interferenz-(MMI-)Koppler
verwendet, die zwei Koppelbereiche aufweisen. Zwischen den Koppelbereichen
mit –3-dB-ltichtkopplern
oder –3-dB-Mehrmoden-Interferenzkopplern
befindet sich ein Gitterbereich, der aus einem Gittersystem (zum
Beispiel Bragg-Gittern) besteht. Die Wellenleiter im Gitterbereich
von Bauelementen vom Mach-Zehnder-Typ sind normalerweise so voneinander
beabstandet, daß in
diesem Bereich keine Schwundkopplung auftritt.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein einzelner Wellenleiter zwischen zwei optischen
Zirkulatoren verwendet. In dem Wellenleiter gibt es einen Gitterbereich,
der aus einem Gittersystem besteht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat das Bauelement für optische Signale einen einzigartig
aufgebauten Gitterbereich aus Materialien, die wärmeempfindlich sind, das heißt, die
relativ hohe thermooptische Koeffizienten (definiert als die Änderung
des Brechungsindexes mit der Temperatur) mit einem absoluten Betrag
von beispielsweise mindestens 10–4/°C haben (zum Beispiel
wärmeempfindliche
Polymere). Beispiele für
wärmeempfindliche
Polymere sind vernetzte Acrylate, Polyimide und Polymethylmethacrylate,
wie zum Beispiel ethoxyliertes Bisphenol-Diacrylat, Tripropylen-Glykol-Diacrylat
und 1,6-Hexandiol-Diacrylat.
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Wenn
Erwärmung
das Mittel zum Ändern
des Brechungsindexes zumindest in der Kernschicht ist, wird der
Gitterbereich mit einer Heizeinrichtung (wie etwa einer Elektrode
mit einem festgelegten Widerstand) oder einer anderen Einrichtung
zum Bewirken einer Temperaturänderung
des Polymers versehen. Mit Bezug auf 1 ist ein
erster Aufbau des Gitterbereichs des optischen Bauelements der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Das Filterelement 2 weist einen
Kernbereich 4 mit entsprechenden Mantelschichten 6A und 6B an
jeder Seite auf. Das Gitter befindet sich im Kernbereich 4 und
zusätzlich
in den Mantelschichten 6A und 6B. Über der
Mantelschicht 6A befindet sich eine Heizeinrichtung 8,
die, wie oben angedeutet, eine Elektrode mit einem festgelegten
Widerstand sein kann. Unterhalb der unteren Mantelschicht 6B ist
ein Substrat 10 ausgebildet. Die Kernschicht besteht, wie
oben beschrieben, aus einem wärmeempfindlichen
Polymer. Die obere Mantelschicht 6A und die untere Mantelschicht 6B sind
vorzugsweise ebenfalls aus ähnlichen
Materialien hergestellt, obwohl der Brechungsindex der jeweiligen
Schichten sich unterscheidet, wie nachstehend beschrieben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Heizeinrichtung in der Nähe des Filterelements vorgesehen,
um die wärmeempfindlichen
Polymere zu erwärmen.
Wie in 3 dargestellt, ändert sich die Wellenlänge des
reflektierten Lichts, wenn die Temperatur des Filterelements zunimmt,
normalerweise mit einer linearen Steigung. Wie speziell im Beispiel
von 3 gezeigt, nimmt die Wellenlänge des reflektierten Lichts
im Bereich von 20 bis 100°C
um 0,256 nm pro Grad Celsius ab. Die Wellenlänge des reflektierten Lichts ändert sich
in diesem Temperaturbereich linear um 20 nm. Die vorliegende Erfindung
verändert
daher die Wellenlänge
des reflektierten Lichts eines Filterelements eines Bauelements
für optische
Signale durch Erhöhen
oder Senken der Temperatur des zum Aufbau des Filterelements verwendeten
Materials.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform übersteigt der Brechungsindex
(n) des Kerns 4 den Brechungsindex sowohl der oberen Mantelschicht 6A als
auch der unteren Mantelschicht 6B. Es wird bevorzugt, daß der Brechungsindex
der oberen Mantelschicht 6A und der unteren Mantelschicht 6B gleich
ist, wenngleich sie sich auch unterscheiden können, solange beide geringer
sind als der Brechungsindex der Kernschicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat die untere Mantelschicht 6B eine Dicke
von etwa 10 bis 20 μm,
während
die obere Mantelschicht 6A eine Dicke von etwa 5 bis 10 μm hat. Die
Dicke der Kernschicht beträgt
vorzugsweise etwa 3 bis 9 μm.
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Ein
bevorzugtes Filterelement zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
ist in 2 dargestellt. Dieses Filterelement stellt eine
zusätzliche
obere Mantelschicht 6C zwischen der Heizeinrichtung 8 und
der anderen oberen Mantelschicht 6A bereit. Die zusätzliche
obere Mantelschicht 6C hat einen Brechungsindex, der niedriger
ist als der der oberen Mantelschicht 6A, und ist eingefügt, da die
metallischen Bauteile, die die Heizeinrichtung 8 bilden,
dazu neigen, Licht zu absorbieren. Die zusätzliche Mantelschicht 6C dient
dazu, Licht von der Heizeinrichtung abzuweisen, und ermöglicht daher
einen geringeren Verlust des optischen Signals, während sie
ermöglicht,
daß die
Gesamtdicke des oberen Mantels (6A und 6C) klein
genug ist, daß der
Kern 4 durch die Heizeinrichtung 8 wirksam beheizt
wird.
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In
der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Dicke der
entsprechenden Schichten die gleiche wie oben in Verbindung mit
der Ausführungsform
von 1 beschrieben. Man beachte, daß die kombinierte Dicke der
oberen Mantelschichten 6A und 6C vorzugsweise
im Bereich von etwa 5 bis 10 μm
liegt.
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Die
vorliegende Erfindung kann auf eine Vielzahl von Bauelementen für optische
Signale (zum Beispiel auf Mach-Zehnder beruhende oder auf Richtkopplern
beruhende oder auf Wellenleitern mit Isolatoren beruhende Einzelkanal-Bauelemente
mit N Stufen) verwendet werden, um ein Drop-(Abzweig-)Filter zu erzeugen, das über einen
großen
Bereich (zum Beispiel 24 bis 100 nm) abstimmbar ist. Eine Heizeineinrichtung
wird an das Filterelement angelegt, und wenn die Heizeinrichtung
aktiviert wird, verursacht die Einwirkung von Wärme auf das polymere Material
eine Änderung
der reflektierten Wellenlänge
des Filterelements.
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Die
unten dargestellte Tabelle 1 stellt die Anzahl (N) der benötigten Stufen
dar, wenn ein feststehender Temperaturbereich und Wellenlängen-Abstimmungsbereich
gegeben ist. Der für
die Abstimmbarkeit verwendete Wert beträgt 0,25 nm pro Grad Celsius,
was die lineare Beziehung zwischen Reflexionswellenlänge und Temperatur
darstellt, wie sie in Verbindung mit dem Beispiel von 3 dargestellt
und beschrieben wurde.
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Wie
in Tabelle 1 dargestellt, gibt es für einen vorgegebenen Temperaturbereich
eine Grenze dafür,
wieviel Abstimmung pro Stufe erfolgen kann. Zum Beispiel beträgt für einen
Temperaturbereich von 10°C
für das Filterelement
der Abstimmungsbereich für
jede Stufe 2,5 nm.
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Das
Filterelement enthält
in Abhängigkeit
vom Kanalabstand und der Bandbreite des Telekommunikationssystems
eine feste Anzahl von Kanälen.
Wenn das Telekommunikationssystem zum Beispiel eine Bandbreite von
24 nm hat, dann sind 30 Kanäle
mit 0,8 nm pro Kanal vorhanden.
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Wie
in Tabelle 1 dargestellt, kann die Anzahl von Stufen, die zur Abstimmung über einen
vorgegebenen Temperaturbereich für
eine vorgegebene Bandbreite erforderlich ist, einfach ermittelt
werden. Zum Beispiel sind, wenn das polymere Material und die erwünschte Abstimmungsgeschwindigkeit
einen Temperaturbereich von 30°C
zulassen, der Kanalabstand 0,8 nm und die Bandbreite 40 nm beträgt, sechs
Stufen mit einem Abstimmungsbereich von 7,5 nm pro Stufe erforderlich.
Wenn weniger Stufen erwünscht
sind, wird ein größerer Temperaturbereich
verwendet. Weniger Stufen führen
zu einem geringeren Einspeisungsverlust (das heißt, die Menge an Lichtverlust
in Dezibel beim Durchqueren des Bauelements), aber die Geschwindigkeit, mit
der das Bauelement abgestimmt wird, um eine gegebene Wellenlänge zu erreichen,
wird verringert.
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Wenn
eine größere Anzahl
von Stufen (das heißt,
ein kleinerer Temperaturbereich) für einen vorgegebenen Bereich
verwendet wird, erfolgt der Wärmetransport
schneller. Jedoch vergrößert die
höhere
Anzahl von Stufen die Länge
des Bauelements für
optische Signale und führt
zu einem höheren
Einspeisungsverlust. Deshalb ist es vorzuziehen, mit einer mäßigen Anzahl
von Stufen mit einem Temperaturbereich irgendwo in der Mitte des
Bereichs von 10 bis 100°C
zu arbeiten.
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Die
Anzahl der Stufen N in Tabelle 1 stellt auch M in dem 1 × M-Schalter
dar, der erforderlich ist, um das Ausgangssignal einer einzelnen
Stufe auszuwählen.
Der 1 × M-Schalter
kann mit einer Folge von 1 × 2-Schaltern
(allgemein 1 × P,
wobei P kleiner als M ist) realisiert werden. N wird N – 1, wenn
die beiden äußeren Stufen
durch eine geringe Temperaturverschiebung aus dem Abstimmungsbereich
heraus verstimmt werden. Es ist nicht wünschenswert, Nichtkanten-Stufen
abzustimmen, da es im allgemeinen wünschenswert ist, eine große Abstimmungsfähigkeit
zu verwenden, um die Anzahl der Stufen zu verringern. Selektive
Abstimmung bedeutet jedoch auch eine zusätzliche Heizeinrichtung und
zusätzlichen
Abstand zwischen Segmenten mit unterschiedlichen Heizeinrichtungen,
wohingegen die gesamte Baugruppe einheitlich erwärmt werden kann, wenn keine
Verstimmung verwendet wird. Wird Verstimmung verwendet, wenn die
Anzahl der Stufen (N) 2 beträgt,
ist kein Schalten erforderlich.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es durch Ändern
der Temperatur des polymeren Materials des Filterelements möglich, die
Wellenlänge
zu steuern, die in jeder Stufe des Bauelements für optische Signale abgezweigt
wird. Das Ändern
der Temperatur bewirkt eine Veränderung
des Brechungsindexes, was eine Wellenlängenänderung des Lichts, das in
das Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen eingespeist oder von ihm abgezweigt
wird, gemäß der folgenden
Formel bewirkt. λ = 2NΛwobei λ die abzuzweigende oder einzuspeisende
Wellenlänge
ist;
N der effektive Brechungsindex des Materials bei Erwärmung ist;
und
λ die
Gitterkonstante ist.
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Somit
ermöglicht
das Erwärmen,
das N und normalerweise in einem geringeren Ausmaß auch λ verändert, eine
Veränderung
der Wellenlänge λ, die eingespeist
oder abgezweigt werden soll.
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Das
in der vorliegenden Erfindung verwendete Filterelement ist für eine große Vielzahl
von Bauelementen für
optische Signale anwendbar. Mit Bezug auf 4A–4C werden
drei Bauelemente für
optische Signale dargestellt, die ein Filterelement 2 gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie es in den 1 oder 2 dargestellt
ist, verwenden. In 4A ist eine Mach-Zehnder-Ausführungsform
dargestellt, in 4B ist eine 100%-Richtkoppler-Ausführungsform
dargestellt, und in 4C ist eine Ausführungsform
dargestellt, die einen einzelnen Wellenleiter zwischen zwei optischen
3-Port-Zirkulatoren 18 verwendet. In allen drei Ausführungsformen
weist das Filterelement eine Heizeinrichtung 8 quer zum
Gitterbereich 20 auf, wie in Verbindung mit 1 und 2 beschrieben.
In Betrieb strahlt eine Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen durch
den Eingangsport 22 in den Gitterbereich 20 ein.
Eine einzelne Lichtwellenlänge
wird entsprechend der Temperatur des Gitterbereichs, wie sie durch
die Heizeinrichtung 8 bestimmt wird, reflektiert. Das erwünschte Signal
mit einer einzelnen Wellenlänge
wird durch den Abzweigport 24 aus dem Gitterbereich abgezweigt,
während
die übrigen
Lichtwellenlängen
den Gitterbereich durchqueren und durch den "Durchgangs"-Port 26 austreten. Die durch
die Heizeinrichtung bestimmte Wellenlänge kann auch zu den Wellenlängen eingespeist
werden, die den Durchgangsport verlassen, indem sie durch den "Add"-Port 28 eingespeist
wird. In der Ausführungsform von 4A können die
beiden –3-dB-Richtkoppler 12 MMI-(Mehrmoden-Interferenz-)Koppler
mit –3
dB sein. In der Ausführungsform
von 4B kann der 100%-Richtkoppler 14 durch
einen 100%-MMI-Koppler ersetzt werden. In der Ausführungsform
von 4C können
die optischen 3-Port-Zirkulatoren 18 durch 1 × 2-Leistungsverteiler
ersetzt werden, wenn hoher Einspeisungsverlust und hohe Rückkehr-Reflektivität toleriert
werden können.
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Die
bestimmte Lichtwellenlänge,
die aus der Lichtquelle abgezweigt oder in sie eingespeist wird,
kann gemäß der vorliegenden
Erfindung präzise
ausgewählt
werden, indem die Heizeinrichtung gemäß der Abhängigkeit der reflektierten
Wellenlänge
von der Temperatur angepaßt
wird, wie in 3 dargestellt. In dem in 3 dargestellten
Beispiel wird für
jedes °C,
um das die Temperatur des Gitterbereichs angehoben wird, die reflektierte
Wellenlänge
um 0,256 nm verringert.
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Die
verbleibenden Lichtwellenlängen,
die das in den 4A–4C dargestellte
Filterelement durchlaufen, können
in einem anderen Filterelement weiter verarbeitet werden, damit
die beiden abgezweigten Wellenlängen
in einen einzelnen Schalter eintreten können. Dadurch kann eine von
beiden Wellenlängen
in Abhängigkeit
von den Bedürfnissen
des Verwenders abgezweigt werden. Solche Anordnungen sind in 5A und 5B dargestellt.
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Mit
Bezug auf 5A werden zwei Filterelemente 2A und 2B verwendet,
von denen jedes eine Heizeinrichtung 8A beziehungsweise 8B hat.
Eine erste ausgewählte
Wellenlänge λ1 wird
aus dem Filterelement 2A abgezweigt und tritt in einen
1 × 2-Schalter
(dargestellt durch das Bezugszeichen 30) ein. Das restliche Lichtsignal
ohne λ1 läuft
weiter zum zweiten Filterelement 2B. Die Temperatur der
Heizeinrichtung wird ähnlich wie
im Beispiel von 3 dargestellt angepaßt, um eine
andere Lichtwellenlänge λ2 abzuzweigen,
die ebenfalls in den Schalter 30 eintritt. In der in 5A dargestellten
Ausführungsform
werden beide Wellenlängen λ1 und λ2 wunschgemäß vom Verwender
verwendet, und der Schalter 30 ermöglicht es dem Verwender, abhängig vom
Bedarf entweder λ1 oder λ2 durch einen Abzweigport 32 abzuzweigen.
Verstimmen wird vorzugsweise in der ungenutzten Stufe verwendet,
so daß keine
Information im nutzbaren Bereich verlorengeht.
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Die
in 5B dargestellte Ausführungsform ähnelt der Ausführungsform
von 5A, aber der Schalter ist durch einen Kombinator
ersetzt. In dieser Ausführungsform
muß Verstimmen
verwendet werden, so daß nur
die erwünschte
Wellenlänge
den Abzweigport 32 verläßt.
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Die
in 5A dargestellte Anordnung weist einen bestimmten
Verlust an Lichtintensität
im Schalter auf, und die in 5B dargestellte
Anordnung weist normalerweise einen größeren Verlust (etwa –3 dB) auf, aber
ein solcher Verlust ist akzeptabel, wenn das Bedürfnis darin besteht, mehr als
eine Stufe zu haben, um auf einen größeren Wellenlängenbereich
zuzugreifen und/oder die Abstimmungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
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Eine
verstimmte Wellenlänge
ist eine Wellenlänge,
die außerhalb
des Bereichs der Wellenlängen
liegt, die im Temperaturbereich der Heizeinrichtung verfügbar sind,
wie im Beispiel von 3 dargestellt. Wenn beispielsweise
ein Gitter von der in 3 gemessenen Art ist und die
Heizeinrichtung einen ausgewählten
Temperaturbereich von 40°C
bis 80°C
hat, dann reichen die verfügbaren
abstimmbaren Wellenlängen
von etwa 1563 nm bis 1553 nm. Ein zweites Gitter sei so beschaffen,
daß es
für den
gleichen Temperaturbereich Wellenlängen von 1553 nm bis 1543 nm
filtert. Eine verstimmte Wellenlänge
würde daher
außerhalb
des Gesamtbereichs liegen (zum Beispiel 1564 mit oder 1542 nm).
Wenn somit in Bezug auf 5B λ1 innerhalb
des abstimmbaren Bereichs liegt und λ2 eine
verstimmte Wellenlänge
ist, ist λ1 die einzige Wellenlänge, die vom Kombinator abgezweigt
wird.
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Vierstufige
Anordnungen zum Abzweigen ausgewählter
Wellenlängen
durch Verwendung von Heizeinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung
sind in den 6A–6D dargestellt.
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Mit
Bezug auf 6A ist eine Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, die 4 Stufen und eine einzelne Heizeinrichtung
unter Verwendung eines 1 × 4-Schalters
verwendet, um das Signal mit der erwünschten Wellenlänge abzuzweigen.
In der in 6B dargestellten Ausführungsform
wird anstelle eines 1 × 4-Schalters, wie
in 6A dargestellt, eine Folge von
1 × 2-Schaltern
verwendet, um das gleiche Ergebnis zu erreichen.
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In
der in 6C dargestellten Ausführungsform
werden zwei Heizeinrichtungen verwendet, um ein Verstimmen der Kantenstufen
zuzulassen. Drei Ports zweigen ein Lichtsignal mit einer einzigen
Wellenlänge durch
einen 1 × 3-Schalter
ab, und ein vierter Port zweigt einen vierten Kanal ab, der mit
dem Ausgangssignal des 1 × 3-Schalters
kombiniert wird, um den endgültigen
Abzweigport zu bilden.
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Die
in 6D dargestellte Ausführungsform verwendet zwei Heizeinrichtungen,
um ein Verstimmen der Kantenstufen zuzulassen, und 1 × 2-Schalter.
Die Ausgangssignale der 1 × 2-Schalter
werden kombiniert, um den endgültigen
Abzweigport zu bilden.
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Die
Ausgangssignale der ungenutzten nicht-verstimmten Stufen enthalten
Information aus dem verwendbaren Wellenlängenbereich, und es wäre wünschenswert,
daß diese
Information wieder zum Bus zurückkehrt.
Eine solche Ausführungsform
ist in 7 dargestellt, wo die ungenutzten Kanäle gesammelt
und zurückgeführt werden.
In dieser Ausführungsform
ist ein 1 × 2-Schalter
am Ausgang jeder Stufe ausgebildet, um das Signal entweder zum Abzweig-
oder Durchgangsport zu senden. Die Sammlung der ungenutzten Kanäle in 7 kann
zum Beispiel einen –6-dB-Kombinator
verwenden. Die Wiedereinspeisung der ungenutzten Kanäle in den
Bus kann zum Beispiel einen -3-dB-Kombinator verwenden.
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Wie
in der Ausführungsform
in 8 dargestellt, bestünde eine Möglichkeit zur Verringerung
des Verlusts in den gesammelten Kanälen auf –7 dB darin, alle vier Kanäle unter
Verwendung eines 1 × 5-Kombinators weiterzuleiten
und sie mit der Durchgangsleitung zu kombinieren. Dies erhöht den Verlust
der Durchgangskanäle
von –3
auf –7
dB. Dies ist immer noch akzeptabel, da es alle Kanäle, die
letztendlich durchgelassen werden, angleicht.
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Das
Verstimmen der Kantenstufen ist bei dieser Art von Umgebung möglich, was
zur Vereinfachung der optischen Schaltung führt. Wie in 9 dargestellt,
wird ein 1 × 2-Schalter
weniger benötigt
und aus dem 1 × 5-Kombinator
am Durchgangsport wird ein 1 × 3-Kombinator,
was den Verlust von –7
auf –4,7
dB verringert, obwohl eine zusätzliche
Heizeinrichtung erforderlich ist. Wie in 10 dargestellt,
kann ein weiterer 1 × 2-Schalter
entfernt werden, wenn eine weitere Heizeinrichtung eingefügt wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird eine Modifikation der in 10 dargestellten Ausführungsform
mit einem 1 × 4-Kombinator
anstelle eines 1 × 4-Schalters
am Abzweigport bereitgestellt, wie in 11 dargestellt.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird eine Modifikation der in 10 dargestellten Ausführungsform
mit Einspeisungsfiltern anstelle eines 1 × 3-Kombinators am Durchgangsport
bereitgestellt, wie in 12 dargestellt. Die Einspeisungsfilter
haben Gitter mit den gleichen Konstanten wie die Gitter der Einspeisungs-/Abzweigfilter,
zu denen sie gehören,
und sie teilen sich die gleichen Heizeinrichtungen mit diesen Einspeisungs-/Abzweigfiltern
(oder werden allgemein auf die gleiche Temperatur erwärmt wie
sie). Die Einspeisungsfilter können
sehr geringe optische Verluste haben, wodurch der Verlust um den
Faktor N von 1 × N-Kombinatoren
umgangen wird.
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Es
ist verständlich,
daß alle
Konfigurationen, die an den Abzweigports in den 5–11 dargestellt werden,
an den Einspeisungsports implementiert werden können. Es ist auch verständlich,
daß alle
in 5–11 dargestellten
mehrstufigen Konfigurationen, die Mach-Zehnder-Bauelemente der in 4A dargestellten
Art verwenden, ebenso 100%-Richtkoppler der in 4B dargestellten
Art verwenden können oder
einzelne Wellenleiter zwischen optischen 3-Port-Zirkulatoren der
in 4C dargestellten Art.
