Einstellbarer optischer Pegelangleicher
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf einen einstellbaren optischen Pegelangleicher zur wellenlängenabhängigen Angleichung der Leistungspegel in W DM-Netzen mit zwei Kopplern zur optischen Kopplung eines ersten Wellenleiters mit einem im Koppelbereich parallel dazu verlaufenden zweiten Wellenleiter, einem zwischen den Kopplern angeordneten Filterfunktionselement zur Selektion eines Wellenlängenbereichs um eine Zentralwellenlänge und einem zwischen den Kopplern außerhalb ihrer Koppelbereiche angeordneten einstellbaren Phasenschieber.
Eine Kapazitätserhöhung bei bestehenden optischen Netzwerken zur Datenübertragung, die in den nachrichtentechnischen bevorzugten Wellenlangenbereichen um 1300 nm und 1550 nm erfolgt, kann nur durch Vergrößerung der übertragbaren Datenbitrate oder durch Parallelisierung des Übertragungsprozesses mittels Wellenlängenmultiplex (Wavelength Division Multiplex WDM) realisiert werden. Insbesondere Entwicklungen auf dem Gebiet der Erbiumdotierten Faserverstärker (EDFA) machen die zweite Möglichkeit besonders attraktiv. Eines der Probleme bei der Implementierung von WDM-Netzen stellt jedoch die unterschiedliche Übertragungscharakteristik der einzelnen WDM- Komponenten dar. Deren Eigenschaften sind nur im Idealfall für alle Wellen- längen gleich. Wellenlängenabhängige Verstärkungsprofile, Sättigungseigenschaften der EDFA und uneinheitliche Dämpfungen an den Multiplex- und Demultiplexbauelementen führen dazu, dass jeder Kanal im WDM-Netz ein anderes Übertragungsverhalten aufweist. Für eine weitgehend fehlerfreie Funktion des WDM-Netzes ist jedoch eine gleichmäßige Leistungsverteilung auf die einzelnen Kanäle notwendig. Die Angleichung der Leistungspegel in den einzelnen Übertragungskanälen ist deshalb eine vordringliche Aufgabe, zumal die Anzahl der parallelen Übertragungskanäle durch fortschreitende
Verringerung der Kanalabstände noch weiter stetig zunimmt (die minimale Kanalbandbreite liegt derzeit bei ungefähr 10 GHz).
Insbesondere die in die Strecken integrierten optischen Verstärker weisen wellenlängenabhängige Verstärkungsprofile auf und beeinflussen damit das Übertragungsverhalten der Strecken wesentlich. Die übertragene Signalleistung in den einzelnen Kanälen differiert, das Übertragungsprofil ist nicht glatt. Dieses kann durch einstellbare optische Pegelangleicher ausgeglichen werden, die für eine Verbesserung des Übertragungsverhaltens besonders niedrige zusätzliche Dämpfungswerte, eine geringe Polarisationsabhängigkeit und eine hohe Dynamik aufweisen müssen. Außerdem sollen sie einfach aufgebaut und zu möglichst geringen Kosten herstellbar sein. Bekannte einstellbare Pegelangleicher zur Pegelanpassung auf einem breiten Übertragungsspektrum basieren auf Mach-Zehnder-Filtem, akustisch-optischen Filtern, Hologrammen, mikromechanisch angetriebenen Spiegeln, Multiplex- Demultiplex-Paaren mit variablen Dämpfern oder Phasenschiebern.
Aus dem Aufsatz [I] "Tunable gain equalization using a Mach-Zehnder optical filter in multistage fiber amplifiers" (K. Inoue, T. Kominato, and H. Toba, IEEE Photon. Technol. Lett, Vol. 3, pp. 718-720, 1991 ) ist ein einstellbarer Pegelangleicher auf Silicabasis (Silica : dotiertes Silizium-Dioxid Si02) bekannt, bei dem zwei einstellbare optische Koppler über zwei unterschiedlich lange Wellenleiterabschnitte miteinander verbunden sind, von denen einer als einstellbarer Phasenschieber benutzt wird. In dem Aufsatz [II] "Dynamic wave- length equalizer in silica using the single-filtered-arm interferometer" (C. R. Doerr, M. Cappuzzo, E. Laskowski, A. Paunescu, L. Gomez, L. W. Stulz and J. Gates, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 11 , pp. 581 - 583, 1999) wird ein einstellbarer, wellenlängenabhängiger Pegelangleicher in Silica-Technik für WDM-Netze beschrieben. Dieser ist aus einem Mach-Zehnder-Interferometer mit zwei Kopplern und einem als optisches Filterfunktionselement wirkenden Multiplex-Demultiplex-Paar (Arrayed-Waveguide-Gratings AWG) aufgebaut. Das Multiplex-Demultiplex-Paar ist über eine Vielzahl von parallelen und gleich
langen, thermo-optisch gesteuerten Phasenschiebern verbunden, über die die Transmission des Pegelangleichers wellenlängenabhängig eingestellt werden kann. Die bekannten Pegelangleicher selektieren aber entweder die Wellenlänge zu grob [I] oder fügen eine hohe Dämpfung in die Übertragungs- strecke ein [II]. Des Weiteren werden relativ hohe Schaltleistungen für die Phasenschieber benötigt.
Andere optische Schlüsselkomponenten in WDM-Netzen sind Add/Drop-Filter, die das Einbringen und Herausfiltern einer oder mehrerer Wellenlängen in bzw. aus der Faser ermöglichen. Es ist bekannt, Add/Drop-Filter in der Struktur eines Richtkoppler-Filters auszubilden. In einem solchen Filter sind mindestens zwei dicht benachbart verlaufende Wellenleiter mit unterschiedlichen Brechungsindizes angeordnet, von denen mindestens ein Wellenleiter ein Gitter als Filterfunktionselement aufweist. Vorzugsweise ist dieses auf dem Wellenleiter mit dem größeren Brechungsindex aufgebracht. Ein solches Add/Drop-Filter ist beispielsweise in IEEE Phot. Technol. Lett., Vol.4, No.12, December 1992, pp. 1386-1389 beschrieben. Rein faseroptische Lösungen für Add/Drop-Filter, bei denen Silica für diese Fasern verwendet wird, sind in IEEE Phot. Technol. Lett., Vol. 8, No.12, December 1996, pp. 1656-1658 beschrieben. Unter anderem von diesem Stand der Technik geht ein optisches gitterunterstütztes Add/Drop-Filter mit materialhybridem Aufbau aus, das Gegenstand einer älteren deutschen Patentanmeldung 100 25 307.5 desselben Anmelders wie für die vorliegende Erfindung ist.
Die Aufgabe für die Erfindung besteht darin, einen gegenüber dem nächstliegenden Stand der Technik verbesserten optischen Pegelangleicher mit einer möglichst geringen Dämpfung, einer ausreichenden Wellenlängenselektivität und einer möglichst geringen Schaltleistung anzugeben. Dabei soll dieser auch eine geringe Polarisationsabhängigkeit, eine hohe Dynamik und eine gute Abstimmbarkeit aufweisen sowie einfach und kostengünstig aufgebaut sein.
Als Lösung für diese Aufgabe ist bei dem erfindungsgemäßen Pegelangleicher der eingangs beschriebenen Art deshalb vorgesehen, dass jeder Koppler als gitterunterstützter 3dB-Filterkoppler zwischen den beiden Wellenleitern mit unterschiedlichen Brechungsindizes und das Filterfunktionselement in Form von zwei zugeordneten Gittern ausgebildet ist, die jeweils im Koppelbereich eines 3dB-Filterkopplers angeordnet sind, und dass der Phasenschieber direkt in einen der beiden Wellenleiter integriert ist. Bei einer vorteilhaften Fortführung des erfindungsgemäßen Pegelangleichers ist darüber hinaus vorgesehen, dass der erste Wellenleiter als Silica-Wellenleiter und der zweite Wellenleiter als Polymer-Wellenleiter ausgebildet und der einstellbare Phasenschieber in den Polymer-Wellenleiter integriert ist. Des Weiteren kann gemäß einer nächsten Fortführung der Polymer-Wellenleiter nichtlineare optische Eigenschaften aufweisen.
Der erfindungsgemäße Pegelangleicher löst die Aufgabe zur Verbesserung der optischen Leistungsangleichung in WDM-Netzen durch eine vorteilhafte Kombination von Filterkopplern, deren Filterfunktionen durch optische Gitter ausgebildet werden, mit einem einzelnen Phasenschieber. Dabei kann gemäß der bevorzugten Ausführungsform zusätzlich die besonders vorteilhafte Kombi- nation der Silica-Technologie mit der Polymer-Technologie (Hybrid-Techno- logie, vergleiche DE 198 49 862 C1 „Thermooptischer Schalter") eingesetzt werden. Hier sind die Vorteile insbesondere darin zu sehen, dass der Brechungsindexunterschied zwischen Silica- und Polymer-Wellenleitern sehr hoch eingestellt werden kann, wodurch eine Konzeption eines besonders kompakten Pegelangleichers möglich ist. Außerdem wird die gute optische Abstimmbarkeit der Polymer-Technologie verknüpft mit der niedrigen optischen Dämpfung der Silica-Technologie. Der Silica-Wellenleiter wird als optisch transmittive, passive Schicht, der Polymerwellenleiter als aktive Schicht für die Schaltfunktion und für die Phasen- bzw. Wellenlängen-Verschiebungsfunktion genutzt. Da insbesondere der thermo-optische Effekt in Polymer-Wellenleitern sehr ausgeprägt ist, sind nur geringe Schaltleistungen bei einer entsprechenden Steuerung erforderlich. Entsprechend gering ist auch die abzuführende
Wärmemenge. Typische Schaltzeiten liegen hier im ms-Bereich. Durch Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte können diese noch wesentlich unterschritten werden. Insgesamt gesehen führen die vorgesehenen Maßnahmen bei dem erfindungsgemäßen Pegelangleicher daher zu gut abstimmbaren gitterunterstützten Filterkopplem mit einem Phasenschieber mit niedrigem elektrischen Leistungsverbrauch.
Bei der besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen wellenlängenabhängigen Pegelangleichers wird die optische Leistung in den Silica-Wellenleiter eingekoppelt. Die beiden gitterunterstützten 3dB-Filter- koppler werden über die Geometrie so eingestellt, dass die Hälfte der optischen Leistung eines durch die Gitter definierten optischen Wellenlängenbereiches um eine zentrale Wellenlänge in den Polymer-Wellenleiter eingekoppelt wird (Koppelfaktor R = 0,5). Die mit den Gittern verbundene hohe Wellenlängenselektivität wird bei dem erfindungsgemäßen Pegelangleicher für die Filterfunktion ausgenutzt. Je nachdem, wie stark das Wellenlängenband gedämpft werden soll, wird in dem Phasenschieber die Phase der Signale zwischen den beiden Wellenleitern zwischen 0 und π verschoben. In dem zweiten Filterkoppler überlagern sich die Anteile des ausgefilterten Wellenlängenbandes wieder, um sich in ihren Amplituden zu ergänzen, zu dämpfen oder vollständig auszulöschen. Die Filterkoppler haben also zwei Funktionen, die sich aus ihrer speziellen Struktur ergeben. Sie selektieren zum einen durch die aufgeprägte Filterkurve ein vorgegebenes Wellenlängenband und teilen oder vereinigen zum anderen die optische Leistung in diesem Wellenlängenbereich.
Bei einer nächsten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pegelangleichers ist vorgesehen, dass die zugeordneten Gitter eine periodische Brechungsindexvariation aufweisen, die durch geometrische oder optische Maßnahmen definiert ist. Bei den geometrischen Maßnahmen handelt es sich um solche, die beispielsweise durch Materialabtrag zu einer kammartigen Struktur führen. Die hierbei entstehenden Zwischenräume können mit einem
zweiten Material ausgefüllt werden, das einen anderen Brechungsindex aufweist. Bei den optischen Methoden werden die Brechzahldifferenzen beispielsweise mittels UV-Belichtung eingeschrieben. Die Gitter können an jeder beliebigen Stelle im Koppelbereich des Kopplers angeordnet sein, beispielsweise im Raum zwischen den beiden Wellenleitern. Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pegelangleichers ist vorteilhaft vorgesehen, dass die zugeordneten Gitter jeweils direkt in einen der beiden Wellenleiter eingeschrieben sind. Dabei kann es an allen Außenseiten eines Wellenleiters angeordnet sein, insbesondere, wenn dieser einen planaren Querschnitt aufweist. Nähere Einzelheiten zu den unterschiedlichen Gitter- definierungsmöglichkeiten und zu weiteren Ausgestaltungen und Dimensi- onierungsangaben der Wellenleiter können der weiter oben erwähnten älteren deutschen Patentanmeldung 100 25 307.5 nach ihrer Veröffentlichung entnommen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Fortführung des erfindungsgemäßen Pegelangleichers ist vorgesehen, dass die beiden Wellenleiter vertikal zueinander angeordnet sind und zwischen den beiden Wellenleitern eine dünne Trennschicht und oberhalb und unterhalb der beiden Wellenleiter je eine Passivierungsschicht vorgesehen ist. Dabei dient die Trennschicht („gap") der definierten optischen Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern, wohingegen die beiden Passivierungsschichten die Wellenleiter von dem Substrat und der Umgebung isolieren. Bei einem derartigen Schichtenaufbau kann gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung dann vorgesehen sein, dass die Zentralwellenlänge des zu selektierenden Wellenlängenbereichs mittels einer Steuerelektrode zusätzlich einstellbar ist, die auf der Passivierungsschicht, insbesondere oberhalb des Polymer-Wellenleiters, angeordnet ist.
Gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung ist es möglich, dass der Phasenschieber über ein Steuerelement einstellbar ist, das auf der Passivierungsschicht, insbesondere oberhalb des Polymer-Wellenleiters,
angeordnet ist. Eine gute thermo-optische Einstellbarkeit des Phasenschiebers kann durch einfache Zufuhr von Wärme realisiert werden. Der thermo-optische Effekt ist bei vielen Polymerwerkstoffen, die für eine Ausformung als Wellenleiter geeignet sind, besonders stark ausgeprägt. Deshalb ist es besonders sinnvoll, wenn nach einer nächsten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Pegelangleichers der Phasenschieber thermo-optisch über eine Heizelektrode als Steuerelement einstellbar ist. Der elektro-optische Effekt weist ebenfalls eine gute Wirkung auf und ermöglicht besonders niedrige Schaltzeiten. Bei einer alternativen Weiterbildung ist deshalb vorgesehen, dass der Phasenschieber elektro-optisch über eine Steuerelektrode als Steuerelement einstellbar ist. In beiden Fällen ist eine gute, örtlich begrenzte Beeinflussung eines der beiden Wellenleiters, insbesondere des Polymer-Wellenleiters, zur exakten Erzeugung vorgewählter Phasenverschiebungen zwischen den beiden Lichtwellen in den Wellenleitern gegeben.
Bei dem bekannten Silica-Pegelangleicher, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, werden den beiden Kopplern AWG-Multiplexer mit Phasenschiebern für jeden zu selektierenden Wellenlängenbereich zwischen geschaltet. Damit ergibt sich in dem einen Arm des Mach-Zehnder-Interferometers ein umfang- reicher Schaltungsaufbau. Bei dem erfindungsgemäßen Hybrid-Pegelan- gleicher ist es hingegen nach einer nächsten Erfindungsfortführung möglich, dass eine hintereinander geschaltete Reihenanordnung zusammen mit weiteren Pegelangleichern desselben Typs vorgesehen ist, von denen jeder Pegelangleicher in einem anderen Wellenlängenbereich um eine andere Zentralwellenlänge arbeitet. Es ergibt sich somit eine sehr übersichtliche, kaskadierte Anordnung, die einfach herstellbar ist. Jeder Pegelangleicher ist einem vorgegebenen Wellenlängenbereich zugeordnet, der durch die eingeprägte Filterfunktion der zugehörigen gitterunterstützten Filterkoppler vorgegeben ist. Jeder Phasenschieber kann über die örtlich begrenzte, genau einstellbare Wärmezufuhr dann auf die erforderliche Phasenverschiebung eingestellt werden. Als besonderer Vorteil dieser Anordnung ist zu nennen, dass bei einem Hybridaufbau mit einem Silica- und einem Polymer-Wellenleiter
jede Wellenlänge nur einmal auf einer kurzen Strecke den Polymer- Wellenleiter passieren muss, die größte Strecke jedoch in dem niedrig dämpfenden Silica-Wellenleiter verbleibt. Eine derartige kaskadierte Struktur aus mehreren Pegelangleichern der erfindungsgemäßen Bauart ist entsprechend der Anzahl der anzugleichenden Wellenlängenbereiche beliebig erweiterbar.
Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt :
Figur 1 ein Diagramm zur Variation der Gitterlänge,
Figur 2 ein Diagramm zur Variation der Dicke der Trennschicht,
Figur 3 eine Tabelle zum kopplungsabhängigen Dämpfungsverhalten des erfindungsgemäßen Pegelangleichers, Figur 4 das schematische Diagramm des erfindungsgemäßen Pegelangleichers, Figur 5 einen integriert-planaren Aufbau des erfindungsgemäßen
Pegelangleichers im räumlichen Längsschnitt und Figur 6 eine kaskadierte Anordnung aus mehreren erfindungsge- mäßen Pegelangleichern für mehrere Zentralwellenlängen im
Längsschnitt in der Frontansicht.
Zunächst werden noch einige grundlegende mathematische Beziehungen zum weiteren Verständnis der Wirkweise des erfindungsgemäßen Pegelangleichers in der besonders bevorzugten Ausführungsform mit einem Silica-Wellenleiter als erstem Wellenleiter und einem Polymer-Wellenleiter als zweitem Wellenleiter gegeben.
Der erfindungsgemäße Pegelangleicher besteht prinzipiell aus zwei Komponenten : dem gitterunterstützten Koppler und dem Phasenschieber. Der gitterunterstützte Koppler wird sowohl als 3dB-Koppler als auch als Filter ein-
gesetzt. Die zentrale Wellenlänge, die herausgefiltert werden soll, wird bestimmt durch die auftretenden Brechungsindizes, durch die Geometrie der Gitter und durch die Struktur der Wellenleiter. Die Gitterperiode Λ ergibt sich zu
mit λcj als zentraler Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich Δλj mit i = 1...m (3dB-Filterbandbreite), nsj|ica t=n als Brechungsindex des Silica- Wellenleiters und npoI (=n2) als Brechungsindex des Polymer-Wellenleiters. Jedes gitterunterstützte Koppelfilter hat einen 3dB-Kopplungskoeffizienten bei der zentralen Wellenlänge λcj (R = 0,5). Der Kopplungskoeffizient des gitterunterstützten Kopplers ist abhängig vom Abstand zwischen den Wellenleitern („gap"), wenn die Gitterperiode Λ und die Gesamtlänge des Gitters L festgelegt sind. Die 3dB-Filterbandbreite Δλj hängt zunächst von der Länge des Gitters in umgekehrter Proportionalität ab. Bezeichnet man die Anzahl einzelner Gitterelemente mit NG, kann folgende Näherung aufgestellt werden :
Δ2. Λ 1
(2) λci L NG
Aus diesem Zusammenhang ist abzuleiten, dass mit zunehmender Gitterlänge L die Filterbandbreite Δλj abnimmt. In der Figur 1 ist eine Simulation für einen gitterunterstützten 3dB-Kopplerfilter mit einer Gitterperiode Λ von 64 μm und einer Trennschichtdicke (gap) von 4 μm bei einer veränderlichen Gitterlänge L dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich sowohl die gekoppelte optische Leistung P als auch die 3dB-Filterbandbreite Δλj verändern, wenn die Gitterlänge L variiert wird.
In der Figur 2 ist eine Simulation für einen gitterunterstützten Filterkoppler mit einer konstanten Gitterperiode Λ von 64 μm und einer Gitterlänge L von 10 mm gezeigt, bei der die Dicke der Trennschicht (gap) variiert wird. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass die optische Leistungskopplung in ihrem Spitzenwert von der Dicke der Trennschicht abhängt. Je dicker diese ist, desto kleiner ist der Kopplungskoeffizient R. Wenn sie 4,4 μm beträgt, ist der Kopplungskoeffizient R genau 3 dB. Deutlich ist in der Figur 2 zu erkennen, dass die 3dB-Filterbandbreite Δλj des Kopplers für unterschiedliche Dicken der Trennschicht nicht schwankt.
Der Phasenschieber verbindet die beiden gitterunterstützten Filterkoppler. Die Übertragungsfunktion des gitterunterstützten Filterkopplers kann angegeben werden mit Φ als deren Phasenverschiebung zu
cos(Φ) jsin(Φ)
Uc = (3) jsin(Φ) cos(Φ)
Für einen 3dB-Koppler gilt : Φ(λ) = π / 4 bei λcj. Die Übertragungsfunktion für den Phasenschieber kann angegeben werden zu
Die Übertragungsfunktion der Kombination gitterunterstützter Filterkoppler - Phasenschieber - gitterunterstützter Filterkoppler ist
exp(jΔφ/2)cos(2Φ) jexp(jΔφ/2)sin(2Φ)
U = Uc x URS x Uc = (5) jexp(jΔφ/2)sin(2Φ) exp(jΔφ/2)cos(2Φ)
Deshalb beträgt die koppelbare optische Leistung Ppoiymer am Ausgang des Polymer-Wellenleiters :
PPo,ymer= S'n2 (2 ) X ∞^ A^>/2) (6)
Die Leistung am Ausgang des Silica-Wellenleiters hingegen beträgt :
Psiiica = cos*(2Φ) x cos Δφ/2) + sin*(Δφ.2) (7)
Wenn gilt : Δφ/2 = 2mπ (m = ganze positive Zahl) , cos(Δφ/2) = 1 , sin(Δφ/2) =0, liegt eine vollständige Überkopplung vor („cross-state") :
P Polymer = SΪn2(2Φ) X COS2(Δφ/2) = SJn2(2Φ) Und Psiiica = cos2(2Φ) .
Deshalb ergibt sich für eine 3dB-Kopplung mit Φ = π/4 der optimale cross-
State: PPolymer = 1 Und PSilioa=0.
Weicht der Kopplungskoeffizient vom Idealzustand ab: Φ = π/4 + ΔΦ, errechnen sich
PPo,ymer = SJn2(2Φ) = Sin 2 + 2Δ )
= cos2(2ΔΦ) ~ {1 - (2ΔΦ)2/2}2 -1 -4 (ΔΦ)2
Psiiica = cos2(2Φ) = cos2(π/2 + 2ΔΦ)
= sin2(2ΔΦ) ~4(ΔΦ)2
Wenn gilt : Δφ/2 = (2m - 1)π, cos(Δφ/2) = 0, sin(Δφ/2) =1, liegt keine Überkopplung, sondern Durchleitung im Silica-Wellenleiter vor („bar-state") :
Psiiica = cos2(2Φ) x cos2(Δφ/2) + sin2(Δφ/2) = 1 und
P Po,ymer=Sin2(2Φ)XCOs2(ΔΦ2) = 0.
Der Kopplungskoeffizient R hat hier also keinen Einfluss, es liegt immer ein perfekter bar-state vor.
Aus der Gleichung (6) kann die Dämpfung für ein reales 3dB-Kopplungs- verhalten im cross-state abgeschätzt werden. In der Tabelle gemäß Figur 3 sind die Ergebnisse dargestellt. Allgemein gesehen wird bei einem Kopplungskoeffizienten R von 0,5 ± 0,2 (bzw. 3 dB ± 1 ,5 dB) nur eine zusätzliche Dämpfung unterhalb von 0,8 dB hervorgerufen. Das zeigt, dass der erfindungsgemäße Pegelangleicher die an ihn gestellte Teilaufgabe der möglichst geringen zusätzlichen Dämpfung in besonders geeigneter Weise löst.
In der Figur 4 ist die Struktur des erfindungsgemäßen einstellbaren optischen Pegelangleichers GE prinzipiell dargestellt. Sie besteht aus einem ersten Wellenleiter WGi mit einem Brechungsindex ni und einem in Koppelbereichen CA parallel dazu verlaufenden zweiten Wellenleiter WG2 mit einem Brechungsindex n2 und weist zwei gitterunterstützte Filterkoppler GC-i, GC2 auf. Die beiden Filterkoppler GC-i, GC2 haben einen Kopplungskoeffizienten R = 0,5, das heißt, sie teilen eine Signalleistung P in zwei Hälften (50% bzw. 3dB) und vereinigen diese auch wieder. In ihren Koppelbereichen CA weisen beide Filterkoppler GCi, GC2 jeweils ein Gitter G-i, G2 auf. Diese können vorzugsweise in einen der beiden Wellenleiter WGi, WG2 eingeschrieben sein und filtern aufgrund ihrer geometrischen Verhältnisse einen Wellenlängenbereich Δλj um eine zentrale Wellenlänge λci aus dem Übertragungsspektrum heraus. Eine zusätzliche Einstellung kann über eine elektrische Steuerelektrode (nicht dargestellt) vorgenommen werden. Zwischen den beiden Filterkopplem GCi, GC2 weist der zweite Wellenleiter W G2 einen einstellbaren Phasenschieber PS auf, über dessen Einstellung eine Phasenverschiebung φ zwischen den Leistungsanteilen des ausgekoppelten Wellenlängenbereichs Δλj in den beiden Wellenleitern WG1 s WG2 eingestellt wird. Je nach Größe der Phasenverschiebung φ wird in dem zweiten Filterkoppler GC2 dann eine vollständige oder anteilige Dämpfung oder Ergänzung durch Überlagerung hervorgerufen, sodass die wellige Übertragungskurve der Strecke ausge- glichen werden kann.
Eine planare Ausführungsform des erfindungsgemäßen wellenlängenabhängigen Pegelangleichers GE ist in Figur 5 in einem Längsschnitt räumlich dargestellt. Der Pegelangleicher GE ist integriert optisch aufgebaut und besteht aus zwei gitterunterstützten Filtern GCi, GC2 und einem dazwischen geschalteten, thermo-optisch einstellbaren Phasenschieber PS. Als Technologie wird eine Kombination aus Silicatechnologie mit einer niedrigen Dämpfung und Polymertechnologie mit einer guten, insbesondere thermischen Abstimmbarkeit eingesetzt. Die gitterunterstützten Filterkoppler GC-ι, GC2 bestehen aus einem Silica-Wellenleiter WGsmca und einem in den Koppelbereichen CA parallel dazu liegenden Polymer-Wellenleiter WGp0iy er, die im dargestellten Ausführungsbeispiel vertikal aufgebaut sind. Beide Wellenleiter WGsmca, WGp0ιymer werden durch eine Silica- oder Polymer- Trennschicht SL voneinander getrennt und durch Passivierungsschichten PL aus Silica oder Polymer von einem Substrat S und von der Umgebung isoliert. Im gewählten Ausführungsbeispiel sind in den Polymer-Wellenleiter WGp0ιymer Gitter G-i, G2 eingeschrieben, welche die Eigenschaft der Filterfunktion bestimmen. Durch die Kombination von Silica- und Polymer-Wellenleiter WGsiiica, WG oiymer kann ein hoher Brechungsindexunterschied eingestellt werden, der die Baulänge des Pegelangleichers GE stark reduziert. Die zweite Komponente des erfindungsgemäßen Pegelangleichers GE bildet der Phasenschieber PS. Hierbei ist der Polymer-Wellenleiter WGpoiymer so angeordnet, dass er mit dem Silica-Wellenleiter WGsiiica nicht koppeln kann. Zusätzlich wird eine Heizelektrode HE oberhalb des Polymer-Wellenleiters WGpoiymer außerhalb der Koppelbereiche CA aufgebracht.
In der Figur 6 ist eine kaskadierte Anordnung GEC von mehreren hintereinander geschalteten Pegelangleichern GE-i, GE2, ..., GEm (GEj, i = 1...m, im gezeigten Beispiel m = 3) mit unterschiedlichen Filterfunktionen (die Gitter sind in diesem Ausführungsbeispiel in den Silica-Wellenleiter WGsiiica eingeschrieben) zur gleichzeitigen Pegelangleichung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen Δλ, (i = 1...m, im gezeigten Beispiel m = 3) im
Längsschnitt in der Frontansicht dargestellt (räumliche Darstellung vergleiche Figur 5) . Diese Struktur ist in Abhängigkeit von der Anzahl der signaltragenden Wellenlängen im WDM-Netz beliebig erweiterbar. Durch getrennt voneinander einstellbare Phasenschieber PS-i, PS2, ..., PSm (PSj, i = 1...m, im gezeigten Beispiel m = 3 ) können die Wellenlängenbereiche Δλi, Δλ2 Δλm unabhängig voneinander gedämpft und damit in ihrer Amplitude angeglichen werden. Jeder Wellenlängenbereich Δλ-i, Δλ2, ..., Δλm muss dabei nur einmal den Polymer-Wellenleiter WGPoιymer passieren. Die größte Strecke verbleibt er in dem niedrig dämpfenden Silica-Wellenleiter WGsiiica- Dadurch erzeugt auch eine solche kaskadierte Anordnung GEC aus mehreren erfindungsgemäßen Pegelangleichern GEj nur eine geringe zusätzliche Dämpfung in optischen WDM-Netzen.
Die gesamte Struktur des erfindungsgemäßen Pegelangleichers kann mittels der an sich bekannten Silica-Polymer-Hybrid-Integrations-Technik hergestellt werden. Der Silica-Wellenleiter kann durch Kombination von Flammen- Hydrolyse-Deposition (FHD) mit reaktiven lonenstrahl-Ätzen (RIE) hergestellt werden. Die Gitterhöhe kann beim RIE-Prozess genau kontrolliert werden. Nach der Herstellung des Silica-Wellenleiters wird die Trennschicht aufgebracht. Prinzipiell können Silica- oder Polymer-Materialien dafür eingesetzt werden. Die polymere Trennschicht, der Polymer-Wellenleiter und die Passivierungsschicht können mittels eines Spin-Coating-Verfahrens hergestellt werden. Der Wellenleiterkern kann durch RIE geformt werden. Zum Schluss werden noch die Steuerelektroden oberhalb der gitterunterstützten Filterkoppler und der Phasenschieber angeordnet.
Bezugs- und Formelzeichenliste
φ HnasenverscnieDung in Ht» Φ Phasenverschiebung in GC
Λ Gitterperiode
Δλi Wellenlängenbereich (3dB-Filterbandbreite) λci zentrale Wellenlänge im Wellenlängenbereich Δ
CA Koppelbereich
SL Trennschicht
G-i, G2 Gitter gap Trennschichtdicke
GC-i, GC2 gitterunterstützter Filterkoppler
GE Pegelangleicher
GEi Pegelangleicher in GEC
GEC kombinierte Komponente zur Pegelangleichung i Laufindex, i = 1....m
HE Heizelektrode
L Gitterlänge
NG Anzahl der Gitterelemente nι Brechungsindex des ersten Wellenleiters n2 Brechungsindex des zweiten Wellenleiters
Polymer Brechungsindex des Polymer-Wellenleiters
Silica Brechungsindex des Silica-Wellenleiters
P optische Leistung
PL Passivierungsschicht
PS Phasenschieber
PS, Phasenschieber in GEC
R Kopplungskoeffizient
S Substrat
WG1 erster Wellenleiter
WG2 zweiter Wellenleiter
WGpoiymer Polymer-Wellenleiter
WGsiiica Silica-Wellenleiter