WO1999019754A1 - Verfahren und vorrichtung zur wellenlängenselektiven mischung und/oder verteilung von polychromatischem licht - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur wellenlängenselektiven mischung und/oder verteilung von polychromatischem licht Download PDF

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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction

Definitions

  • the invention relates to a method of the type specified in the preamble of claim 1 and to devices of the type specified in the preamble of claim 2.
  • Such a method, and devices therefor which presumably use comparatively complex fiber Bragg gratings as wavelength selectors as spectrometers , are known from an AT&T announcement 7.96.
  • the wavelength-selective mixing and / or distribution of polychromatic light in the wavelength multiplex process is important in order to generate the wavelength mixture and to dissolve it again.
  • the individual wavelengths with a kind are important in order to generate the wavelength mixture and to dissolve it again.
  • Spectrometer selectively separated, the information recovered and distributed to different consumers after sorting the information.
  • AT&T announcement 7.96 mentioned e.g. B. set up an optical network around Africa to supply the 51 states separately with 51 wavelengths.
  • spectrometers for the decomposition of polychromatic light or light bundles of different specified wavelengths, as used for telecommunications in Multiplex wavelengths and used in optical measurement technology consist of prisms, gratings or fiber gratings and break down the incident spectrum into several spectrally limited light beams with a narrow wavelength.
  • Fig. 1 shows the structure of a cascaded spectrometer, which is made up of photonic crystals and the spectrally selected light intensity with measures a photoresistor at the output of the crystal
  • Fig. 2 the structure for a wavelength selective
  • FIG. 3 shows the construction for a wavelength-selective multiplexer and adder, which selectively couples a certain wavelength into fibers and other networks through coupled fibers.
  • the problem of wavelength-selective mixing and / or distribution is based on the simplest and most reliable selection possible when splitting the spectrum into a plurality of spectrally limited light beams of narrow wavelength range, which are also a decisive feature of a spectrometer.
  • the further explanations are therefore based on the application for spectrometric measurements and lead to complete execution as a mixer and distributor.
  • a spectrometer can also be constructed according to FIG. 1, with which the wavelengths present in the spectrum and the wavelengths to be examined can be selectively coupled out and analyzed. In addition to known light-sensitive ones, this can be used as a spectrometer for a measurement application
  • Elements of conventional design such as phototransistors or charge coupled devices, or semiconductor diodes, advantageously a highly sensitive photoresistor made of nanocrystalline material, in accordance with DPA 196 21 175.1 or 197 20 926.2, can be used.
  • the spectrometer By constructing the spectrometer from photonic crystals with a wavelength-specific design, the spectrometer can be built together with the light-detecting element integrated on a chip.
  • Spectrometers of this type are therefore also inexpensively available for environmental monitoring tasks at emission sources. These can be mass-produced commercially using lithographic processes with high-resolution etching masks produced by deposition or corpuscular-beam-induced deposition in the projection device and with a high refractive index generated by silylation, in accordance with DPA 196 16 324.2. An “on-chip” spectrometer can be implemented in this way.
  • wavelengths that are required for further processing can be selected here with specially designed, selectively acting filters with high resolution.
  • the advantage of the method is the small size and the high selectivity in intensity and bandwidth.
  • Such a spectrometer made of photon crystals for wavelength-selective beam splitting is integrated in a waveguide pattern in such a way that one wavelength is always filtered out of the entire spectrum for each crystal and the residual spectrum for the next crystal in the chain by highly efficient reflection for further splitting and transmission is fed.
  • each spectrometer crystal there is a highly sensitive photoresistor in FIG. 1 for measuring the intensity, integrated in the arrangement or a conventional detector into which the light from the spectrometer crystal is coupled by waveguides or lenses.
  • Such a spectrometer can, according to FIG. 2, be produced in the embodiment with photonic crystals from deposited dielectric rods with also deposited resistance by electron beam induced deposition. However, it can also produce in the version with photonic crystals from dielectric rods produced by dry etching with deposited resistance, which is produced by electron beam induced deposition.
  • a spectrometer in the version with photonic crystals can be made with holes made in the dielectric by dry etching Matter and with integrated deposited resistance which was generated by electron beam induced deposition.
  • the spectrometers described with photonic crystals can each be completed with optical fibers connected per spectral channel in accordance with FIG. 2 for the wavelength division of the spectrum of a multi-wavelength transmission path.
  • This component can also be used for individual wavelengths as a mixer (add) and as a distributor (drop).
  • a synthesizer is formed, according to FIG. 3, by the modification of such a spectrometer, which consists of photon crystals for wavelength-selective beam splitting, integrated in a waveguide pattern in the
  • a synthesizer for assembling a spectrum from individual laser wavelengths the same elements of the spectrometer are operated.
  • At the output of each spectrometer crystal there is a fiber laser or laser connection for coupling the light of the specific wavelength, with which the spectrum can be composed in the smallest space.
  • Such a synthesizer (ADD) with connected optical fiber with per spectral channel, can be used for the wavelength composition of a spectrum with one or more additional wavelengths which are to be added to a multi-wavelength transmission link without influencing the spectrum of the link .

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Abstract

Bei der wellenlängenselektiven Mischung bzw. Verteilung von polychromatischem Licht beruht die Problematik auf der möglichst einfachen und sicheren Selektion beim Zerlegen des Spektrums in mehrere spektral begrenzte Lichtstrahlen geringer Wellenlängenbreite, die auch maßgebendes Merkmal eines Spektrometers sind. Für die Mischung wird jedem Glied einer selektiven Kette nacheinander jeweils Licht einer einzelnen Wellenlänge für die Mischung zur Bildung eines Teilspektrums zugeführt und zur Verteilung in jedem Glied eine Wellenlänge ausgefiltert und das jeweilige Restspektrum nach Reflexion dem nächsten Glied zur weiteren Aufspaltung zugeführt. Sowohl zur Mischung als auch zur Verteilung wird eine Kette von photonischen Kristallen eingesetzt und jedem Kristall ein wellenlängenselektiver Ein-/Auskoppler zugeordnet. Anwendungsgebiete der Erfindung sind, neben der wellenlängenselektiven Mischung bzw. Verteilung von polychromatischem Licht, auch spektrometrische Messung und damit Umweltüberwachung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur wellenlängenselektiven Mischung und/oder Verteilung von polychromatischem Licht
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf Vorrichtungen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 näher bezeichneten Art. Ein derartiges Verfahren, und Vorrichtungen hierzu, die vermutlich vergleichsweise aufwendige Faser-Bragg- Gitter als ellenlängen-Selektoren als Spektrometer verwenden, sind aus einer AT&T Verlautbarung 7.96 bekannt.
Für die Telekommunikation ist die wellenlängenselektive Mischung und/oder Verteilung von polychromatischem Licht im Wellenlängen Multiplex-Verfahren von Bedeutung, um das Wellenlängengemisch zu erzeugen und es wieder aufzulösen. Hierzu werden die einzelnen Wellenlängen mit einer Art
Spektrometer selektiv getrennt, die Informationen zurückgewonnen, und nach Sortierung der Informationen an verschiedene Verbraucher verteilt. Nach der erwähnten AT&T Verlautbarung 7.96 wird z. B. ein optisches Netz um Afrika herum aufgebaut, um mit 51 Wellenlängen die 51 Staaten getrennt zu versorgen.
Weitere bekannte Spektrometer zur Zerlegung von polychromatischem Licht oder Lichtbündeln verschiedener vorgege- bener Wellenlängen, wie sie zur Telekommunikation im Wellenlängen multiplex und in der optischen Meßtechnik verwendet werden, bestehen aus Prismen, Gittern oder Fasergittern und zerlegen das einfallende Spektrum in mehrere spektral begrenzte Lichtstrahlen geringer Wellenlängenbreite.
Von Nachteil ist bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen, vor allem den Spektro etern, der hohe Aufwand für den erforderlichen exakten Aufbau und Abgleich.
Mit der Erfindung sollen diese Verfahrensweise und besonders auch die Vorrichtungen wesentlich einfacher und billiger realisierbar werden.
Diese Aufgabe wird mit dem im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Verfahren und der im Kennzeichen des Patentanspruchs 2 beschriebenen Vorrichtung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungsmöglichkeiten sind aus den Kennzeichen der Unteransprüche 3 bis 8 und eine weitere Verwendungsmöglichkeit aus Anspruch 9 ersichtlich.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen die:
Fig. 1 den Aufbau eines kaskadierten Spektrometers, das aus photonischen Kristallen aufgebaut ist und die vom Kristall spektral selektierte Lichtintensität mit einem Photowiderstand am Ausgang des Kristalls mißt, Fig. 2 den Aufbau für einen wellenlängenselektiven
Demultiplexer, der aus einem Spektrum bestimmte Wellenlänge selektiv in Fasern einkoppelt und weiteren Netzwerken durch angekoppelte Fasern zuführt, und Fig. 3 den Aufbau für einen wellenlängenselektiven Multi- plexer und Addierer, der zu einem Spektrum bestimm- te Wellenlänge selektiv in Fasern einkoppelt und weiteren Netzwerken durch angekoppelte Fasern zuführt.
Wie bereits eingangs erwähnt, beruht die Problematik der wellenlängenselektiven Mischung und/oder Verteilung auf der möglichst einfachen und sicheren Selektion beim Zerlegen des Spektrums in mehrere spektral begrenzte Lichtstrahlen geringer Wellenlängenbreite, die auch maßgebendes Merkmal eines Spektrometers sind. Die weiteren Darlegungen gehen deshalb von der Anwendung für spektrometrische Messungen aus und führen zur kompletten Ausführung als Mischer und Verteiler.
Unter Verwendung von Photonischen Kristallen, die in den DPA 195 33 148.6 und 196 28 355.8 beschrieben sind, kann entsprechend Fig. 1 auch ein Spektrometer aufgebaut werden, mit welchem die im Spektrum vorliegenden und die zu untersuchenden Wellenlängen spezifiziert selektiv ausgekoppelt und analysiert werden können. Dazu können für eine Meßan- wendung als Spektrometer neben bekannten lichtempfindlichen Elementen herkömmlicher Bauart, wie Phototransistoren oder Charge coupled devices, oder Halbleiter-Dioden, vorteilhaft ein hochempfindlicher Photowiderstand aus nanokristallinem Material, entsprechend DPA 196 21 175.1 bzw. 197 20 926.2 eingesetzt werden.
Durch den Aufbau des Spektrometers aus photonischen Kristallen mit wellenlängenspezifischer Ausführung kann das Spektrometer zusammen mit dem das Licht detektierenden Element integriert auf einem Chip aufgebaut werden.
Damit stehen derartige Spektrometer auch für Umwelt-Überwachungsaufgaben an Emissionsquellen preiswert zur Verfügung. Diese können in Massenfertigung durch lithographische Verfahren mit durch Deposition hergestellten hochauflösenden Ätzmasken oder Korpuskularstrahlinduzierte Deposition im Projektionsgerät und mit durch Silylierung erzeugtem hohem Brechungsindex, entsprechend DPA 196 16 324.2, kommerziell hergestellt werden. Es ist derart ein „On- Chip"-Spektrometer realisierbar.
Je nach spezifizierter Wellenlänge können hier mit speziell aufgebauten selektiv wirkenden Filtern hoher Auflösung nur die Wellenlängen ausselektiert werden, die zur Weiterverar- beitung benötigt werden. Der Vorteil der Methode liegt in der geringen Baugröße und der hohen erzielbaren Selektivität in Intensität und Bandbreite.
Die Verwendung von Photonenkristallen in dieser Anordnung für diese Aufgabe ist bisher noch nicht bekannt. Der Ein- satz zur Umweltüberwachung und für Wellenlängen-Digital- Multiplexing ist ebenfalls neu.
Ein solches Spektrometer aus Photonenkristallen zur Wellen- längen selektiven Strahlteilung ist integriert in ein Wellenleitermuster in der Art, daß stets pro Kristall eine Wellenlänge aus dem Gesamtspektrum ausgefiltert wird und das Restspektrum dem nächsten Kristall in der Kette durch hocheffiziente Reflexion zur weiteren Aufspaltung und Wei- tergabe zugeführt wird.
Am Ausgang eines jeden Spektrometerkristalles befindet sich in Fig. 1 zur Messung der Intensität ein hochempfindlicher Photowiderstand, integriert in die Anordnung oder ein herkömmlicher Detektor, in den das Licht aus dem Spek- trometerkristall durch Wellenleiter oder Linsen eingekoppelt wird.
Ein solches Spektrometer kann, entsprechend Fig. 2, in der Ausführung mit photonischen Kristallen aus deponierten dielektrische Stangen mit ebenfalls deponiertem Widerstand durch Elektronenstrahlinduzierte Deposition erzeugt werden. Es kann aber auch in der Ausführung mit photonischen Kristallen aus durch Trocken-Ätzen hergestellten dielektrische Stangen mit deponiertem Widerstand, der durch Elektronenstrahlinduzierte Deposition hergestellt wird, erzeugen.
Eine weitere Möglichkeit für ein Spektrometer in der Ausführung mit photonischen Kristallen kann mit durch Trocken-Ätzen hergestellten Löchern in dielektrischer Materie und mit integriertem deponiertem Widerstand der durch Elektronenstrahlinduzierte Deposition erzeugt wurde.
Die beschriebenen Spektrometer mit photonischen Kristallen können jeweils mit pro Spektralkanal angeschlossener optischer Faser entsprechend Fig. 2 zur Wellenlängen -Aufteilung des Spektrums einer Viel-Wellenlängen-Übertragungs- strecke komplettiert werden. Dieses Bauteil kann auch für einzelne Wellenlängen als Mischer (Add) und als Verteiler (Drop) eingesetzt werden.
Ein Synthetisierer entsteht, entsprechend Fig. 3, durch die Abwandlung eines solchen Spektrometers, das aus Photonenkristallen zur wellenlängenselektiven Strahlteilung besteht, integriert in ein Wellenleitermuster in der
Anordnung, dadurch, daß stets pro Kristall eine Wellenlänge aus dem Gesamtspektrum ausgefiltert wird und das Restspektrum dem nächsten Kristall in der Kette durch hocheffiziente Reflexion zur weiteren Aufspaltung und Weiter- gäbe zugeführt wird.
In umgekehrter Richtung, als Synthetisierer zum Zusammensetzen eines Spektrums aus einzelnen Laserwellenlängen, werden die selben Elemente des Spektrometers betrieben. Am Ausgang eines jeden Spektrometerkristalles befindet sich zur Einkopplung des Lichtes der bestimmten Wellenlänge ein Faserlaser oder Laseranschluß, mit welchem auf kleinstem Raum das Spektrum komponiert werden kann. Ein solcher Synthetisierer (ADD) kann, mit angeschlossener optischer Faser mit pro Spektralkanal, zur Wellenlängen- Komposition eines Spektrums mit einer oder mehreren weiteren Wellenlängen verwendet werden, die zu einer Viel- Wellenlängen-Übertragungsstrecke hinzugefügt werden sollen, ohne das Spektrum der Strecke zu beeinflussen.

Claims

( 9 ) Patentansprüche
1. Verfahren zur wellenlängenselektiven Mischung und/oder Verteilung von polychromatischem Licht, bei dem gebündeltes Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu einem Spektrum zusammengefaßt, übertragen und danach wieder mittels selekti- ver Mittel getrennt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jedem Glied einer selektiven Kette nacheinander jeweils Licht einer einzelnen Wellenlänge für die Mischung zur Bildung eines Teilspektrums zugeführt und zur Verteilung in jedem Glied eine Wellenlänge ausgefiltert und das jeweilige RestSpektrum nach Reflexion dem nächsten Glied zur weiteren Aufspaltung zugeführt wird.
2. Vorrichtung zur wellenlängenselektiven Multiplexierung und Demultiplexierung von polychromatischem Licht mit Synthetisierer zur Mischung und Wellenlängen-Selektoren zur Verteilung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sowohl zur Mischung als auch zur Verteilung eine Kette von photonischen Kristallen eingesetzt ist, bei der jedem Kristall ein wellenlängenselektiver Ein-/Auskoppler zuge- ordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung als Spektrometer jedem Auskoppler ein Detektor zur Messung der Intensität zugeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette von photonischen Kristallen aus deponierten dielektrischen Stangen mit ebenfalls deponiertem Widerstand durch elektronenstrahlinduzierte Deposition erzeugt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette von photonischen Kristallen aus durch Trocken-Ätzen hergestellten dielektrischen Stangen besteht, mit deponiertem Widerstand, der durch elektronenstrahlinduzierte Deposition erzeugt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette von photonischen Kristallen aus durch Trocken-Ätzen hergestellten Löchern in dielektrischer
Materie besteht, mit integriertem deponierten Widerstand, der durch elektronenstrahlinduzierte Deposition erzeugt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Auskoppler der Kette von photonischen Kristallen zur Verwendung als Mischer (Add) bzw. Verteiler (Drop) eine Verbindung für eine optische Faser, Faserlaser, bzw. Laseranschluß zugeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu Verwendung als Bauelement für universelle Verwendung jedem Auskoppler der Kette von photonischen Kristallen Detektoren und je eine Verbindung für eine optische Faser, Faserlaser, bzw. Laseranschluß zugeordnet ist.
9. Verwendung der Vorrichtung zur Demultiplexierung nach Anspruch 2 bis 8 als Spektrometer.
1. Verfahren und Vorrichtung zur wellenlängenselektiven Mischung und/oder Verteilung von polychromatischem Licht
2. Kurzfassung
2.1. Bei der wellenlängenselektiven Mischung bzw. Verteilung von polychromatischem Licht beruht die Problematik auf der möglichst einfachen und sicheren Selektion beim Zerlegen des Spektrums in mehrere spektral begrenzte Lichtstrahlen geringer Wellenlängenbreite, die auch maßgebendes Merkmal eines Spektrometers sind.
2.2. Für die Mischung wird jedem Glied einer selektiven Kette nacheinander jeweils Licht einer einzelnen Wellenlänge für die Mischung zur Bildung eines
Teilspektrums zugeführt und zur Verteilung in jedem Glied eine Wellenlänge ausgefiltert und das jeweilige Restspektrum nach Reflexion dem nächsten Glied zur weiteren Aufspaltung zugeführt. Sowohl zur Mischung als auch zur Verteilung wird eine Kette von photonischen Kristallen eingesetzt und jedem Kristall ein wellenlängenselektiver Ein-/Aus oppler zugeordnet.
2.3. Anwendungsgebiete der Erfindung sind, neben der wellenlängenselektiven Mischung bzw. Verteilung von polychromatisehern Licht, auch spektrometrische Messung und damit Umweltüberwachung.
3. Fig. 3
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