WO2003027721A2 - Verfahren zur temperaturkompensation einer optischen wdm-komponente sowie optische wdm-komponente mit temperaturkompensation - Google Patents

Verfahren zur temperaturkompensation einer optischen wdm-komponente sowie optische wdm-komponente mit temperaturkompensation Download PDF

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WO2003027721A2
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temperature
filter
bandpass filter
optical component
base body
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Thomas Paatzsch
Martin Popp
Ingo Smaglinski
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Cube Optics Ag
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    • G02B6/29398—Temperature insensitivity

Definitions

  • the present invention relates to a method for temperature compensation of an optical WDM component with at least one bandpass filter which has a characteristic which is dependent on the temperature of the component or the bandpass filter, and with a beam-guiding optic which is intended to transmit a beam through the component to lead. Furthermore, the present invention relates to a corresponding optical WDM component.
  • WDM Wavelength Division Multiplexing
  • H a simultaneous merging and transmission of optical signals of different wavelengths in a single optical fiber (generally a glass fiber) and vice versa the separate coupling of optical signals of different wavelengths from one fiber into several separate optical fibers or components.
  • Light guides are generally thin fibers made of highly transparent optical materials, which guide light in their longitudinal direction through multiple total reflection.
  • the electrical signals that are to be transmitted are converted into light signals by an electro-optical converter, coupled into the optical waveguide, transmitted by the optical waveguide and finally converted back into electrical signals by an opto-electrical converter.
  • the message signals are modulated. Different carrier frequencies are used for the different message signals, the individual discrete frequency components of the entire transmitted signal being referred to as channels. These channels, which are initially separate, are merged into a single fiber (optical fiber) before transmission. After the transmission of the individual message signals or wavelength channels via the optical waveguide, the individual signals must be separated and demodulated.
  • Devices are therefore known in the art for adding (at the beginning of the shared transmission path) and selecting (at the end of the common transmission path) wavelength-coded signals (light of a specific wavelength or specific wavelengths), so-called multiplexer or demultiplexer arrangements.
  • the purpose of these devices is to separate a corresponding wavelength channel from the large number of transmitted channels.
  • bandpass filters in particular narrowband filters, are used Question that let a certain frequency band of light (usually referred to as "channel”) pass almost unhindered, while all other frequencies are reflected.
  • narrowband filters are generally based on an interference-optical effect and are produced by alternately applying layers with a high or low refractive index.
  • Fabry-Perot design a symmetrical arrangement of ⁇ / 2 and ⁇ / 4 layers is chosen.
  • these narrow band filters have the property that the transmission wavelength changes with the temperature of the filter. This effect is based essentially on the thermal expansion of the individual layers in the filter. Typically there is a shift in the transmission wavelength of the order of 1 to 3 pm / K. In the case of very narrow-band interference filters, as are generally required in telecommunications and data communication, this effect leads to a limitation of the temperature range in which the filters can be operated.
  • this object is achieved in that the orientation of the light beam relative to the bandpass filter within the optical component is changed as a function of the temperature of the component.
  • the central transmission wavelength of such a filter shifts not only due to temperature changes and the associated changes in the layer thicknesses of the individual interference layers of the bandpass filter, but also, for example, by changing the angle of incidence with which the light beam hits the filter.
  • the temperature dependence of the central transmission wavelength of the filter on the temperature can thus be reduced by correspondingly changing the alignment of the beam relative to the bandpass filter.
  • the alignment of the beam relative to the bandpass filter is advantageously changed such that the temperature-related shift in the pass characteristic of the bandpass filter is compensated for as completely as possible.
  • a change in the alignment of the beam also includes a change or shift in the point of incidence of the beam (regardless of or in addition to the change in the angle of incidence).
  • the transmission wavelength also depends on the point of incidence of the light beam on the Filter depends, so the filter has a location-dependent filter characteristic. This can be achieved, for example, by a targeted or simply production-related variation in the interference layer thicknesses from the center to the edge of a filter.
  • such an embodiment is more difficult to control, so that the present invention focuses primarily on changing the angle of incidence to compensate for the temperature-related change in the filter characteristic, but the further variant explained above is covered by the definition of the subject matter of the invention, which is given by the claims for protection.
  • This compensation which is as complete as possible, can thus be carried out either by changing the point of incidence of the beam on the bandpass filter or by changing the angle of incidence of the beam on the bandpass filter in each case as a function of the temperature.
  • a change in the angle of incidence inevitably also results in a shift in the point of incidence of the beam on the filter. This can easily be accepted in some applications, but in many cases leads to an unacceptable displacement of the transmitted and / or the reflected beam relative to subsequent decoupling elements, so that in preferred embodiments to be explained, measures for maintaining the point of impact despite changing the Angle of incidence of the beam.
  • the beam can be aligned with the aid of a control element or actuator which actively adjusts the beam-guiding optics as a function of the temperature.
  • an embodiment of the method in which the alignment takes place passively is particularly preferred.
  • Passive is understood to mean that no active control is used that. adjusts the alignment of the beam relative to the bandpass filter after a corresponding measurement result of a temperature.
  • the alignment takes place virtually automatically, without the need for active control as a function of a previously detected temperature change or passage wave change.
  • such a passive alignment is carried out with the aid of at least two members with different coefficients of thermal expansion.
  • a deflecting element of the beam guiding optics such as e.g. a mirror or a prism, depending on the temperature, is tilted relative to the bandpass filter, so that the angle of incidence of the beam on the bandpass filter changes.
  • WDM components are constructed by connecting a basic element several times in series, which in each case filters out a single wavelength channel and forwards the remaining wavelength channels to the next basic element.
  • the basic elements are connected by means of a glass fiber.
  • Newer optical components such as, for example, multiplexers / demultiplexers, in particular WDM components (Wavelength Division Multiplex) and DWDM components (Dense Wavelength Division Multiplex), as described in a further application filed simultaneously by the same applicant with the title “Method and device for distributing and merging electromagnetic waves "have a large number of interference-optical narrow-band filters arranged one behind the other in the beam direction.
  • the change in the angle of incidence of the beam on the first band-pass filter generally has the consequence that the point of incidence changes of the beam on the subsequent bandpass filters changes, this deviation adds up, so that it increases from bandpass filter to bandpass filter and the individual bandpass filters in the beam direction are increasingly hit further outside the center, since the collimation generally arranged behind the bandpass filters ns optics, which are used to record the transmitted light channel and are adjusted to a beam passage in the middle of the bandpass filter, this leads to additional optical losses.
  • a single change of the angle of incidence of the beam on the first bandpass filter is therefore generally not advantageous for components with a very high number of channels, unless appropriate filters with a location-dependent filter characteristic are used, but this means considerable additional effort in the manufacture and adjustment of the filters ,
  • the principles of the present invention are applicable to all three variants mentioned.
  • the distance between two opposite bandpass filters in the beam direction is also changed as a function of the temperature. The distance is preferably changed essentially in the direction of the normal to the bandpass filter surface.
  • the angle at which the light beam transmitted by the filter emerges from the filter is also automatically changed.
  • a further particularly preferred embodiment of the method therefore provides that the collimation optics arranged behind the bandpass filter are moved relative to the bandpass filter as a function of the temperature.
  • At least one bandpass filter preferably all bandpass filters, is tilted as a function of the temperature relative to a base body of the optical component.
  • the angle of incidence of the beam on the bandpass filter can namely not only be achieved by changing the light beam in front of the first bandpass filter, but also by tilting several or all of the bandpass filters and / or a mirror opposite the filters, so that the angle of incidence is changed individually on all bandpass filters.
  • this embodiment is more complicated to implement, it has the advantage that the optical path length of the light in the component remains almost constant.
  • the object mentioned at the outset is achieved by an optical component with at least one bandpass filter which shows a characteristic which is dependent on the temperature of the component or the bandpass filter, and a beam-guiding optic which is provided for the purpose of passing a beam through the Guide component, and a base body, which is connected to the bandpass filter and the beam-guiding optics, wherein a device is provided for changing the orientation of the beam relative to the bandpass filter.
  • This device is preferably a passive element that does not require active control.
  • the passive element consists of several (ie at least two) actuators which are connected to beam-guiding, reflecting or filtering elements of the optical component and have different thermal expansion coefficients.
  • One of the actuators can also be the housing or base part of the optical component. The element connected to one or more such actuators then moves, in particular by tilting, when the temperature changes, in a different way than the other elements, which are not or are otherwise connected to the actuators.
  • the device can be advantageously implemented, for example, in that the beam-guiding optics have a deflection element which can be moved, preferably tilted, relative to the at least one bandpass filter.
  • the movement or tilting of the deflecting element of the beam-guiding optics means that the angle of incidence of the beam on the bandpass filter changes.
  • the deflection element can, for example, be part of a collimator lens system that collimates the light from the glass fiber into the optical component.
  • This collimator optics or coupling device preferably consists of a curved reflecting surface.
  • a lens optic can be dispensed with due to the curved reflecting surface, since the beam expansion occurring at the end of a glass fiber is at least partially compensated for by the curved surface.
  • This curved reflecting surface can take over the function of the deflecting element.
  • the deflection element and / or bandpass filter is connected to the base body via an element which exhibits a thermal expansion that differs from that of the base body. It is thereby achieved that when the temperature changes, the deflection element moves relative to the bandpass filter.
  • This embodiment is one way of realizing passive control of the alignment change.
  • the material of the element with a thermal expansion different from the base body is advantageously selected or the element is arranged in such a way that a change in the alignment of the beam takes place relative to the bandpass filter and the associated change in the characteristic of the bandpass filter is precisely the temperature-related change in the characteristic compensated.
  • the deflection element and / or the bandpass filter is advantageously connected to the base body essentially at two spaced apart areas, preferably on two opposite sides, one area via an element , which shows a thermal expansion different from the base body, is connected to the base body. Due to the different thermal expansion, this leads to a tilt of the deflecting element and / or the bandpass filter relative to the other element when the temperature of the optical component changes, so that the angle of incidence of the beam on the bandpass filter is changed.
  • the collimation optics which are generally arranged behind the bandpass filters, are adjusted to an approximately central beam passage, so that if the point of impact of the beam on the bandpass filter changes, additional optical losses occur, which become increasingly serious in the beam direction. In some applications, this can lead to the simple version described so far for changing the point of impact and / or the angle of impact being no longer sufficient.
  • a particularly preferred embodiment therefore provides that, in the case of optical components which have at least two bandpass filters, a device is provided for changing the spacing of two bandpass filters which are located opposite one another in the beam direction. This change in the distance between two successive bandpass filters in the beam direction can compensate for the deviation of the central point of incidence caused by the change in the angle of the beam.
  • bandpass filters can also be replaced on one side by a mirror and otherwise arranged side by side.
  • the distance between the mirror (s) and the filters is also changed accordingly when the angle of the beam changes, so that the points of impact on the filters (and the mirror) remain unchanged.
  • the device for changing the spacing of two bandpass filters which follow one another in the beam direction advantageously consists of at least one element with an expansion coefficient which is different from that of the base body and by means of which at least two bandpass filters which follow one another in the beam direction are connected to one another.
  • a receiving collimator lens behind a bandpass filter is also connected to the base body and a device for tilting the receiving collimator lens is provided.
  • the at least one receiving collimator optic is advantageously connected to a holding element which is connected to the base body essentially at two spaced apart areas, preferably on two opposite sides, with an area via an element which shows a thermal expansion that differs from the base body the main body is connected.
  • FIGS. 1a and 1b show a first embodiment of an optical component in two different temperature states
  • Figures 2a and 2b an enlarged detail of the embodiment of Figure 1 in two temperature states
  • Figure 3 is a graphical diagram showing the change in the central wavelength
  • FIG. 4 is a diagram showing the steepness of the angular displacement as a function of the angle of incidence.
  • FIGS. 5a and 5b show a second embodiment of an optical component according to the invention in two temperature states
  • FIGS. 6a and 6b show a third embodiment of an optical component according to the invention in two temperature states
  • FIGS. 7a and 7b show a perspective view of the embodiment of FIGS. 6a and 6b in two different temperature states
  • FIGS. 8a and 8b show a fourth embodiment of an optical component according to the invention in two temperature states
  • FIGS. 9a and 9b show an enlarged detail of the embodiment of FIGS. 8a and 8b in two different temperature states
  • Figures 10a and 10b the holder of a filter with the use of a solid body joint as
  • FIGS. 1a and 1b show a first embodiment of an optical component according to the invention, which is designed here as a multiplexer / demultiplexer.
  • the beam path of the light within the component has been drawn in for clarification and has been given the reference number 3.
  • information signals with four different wavelengths ( ⁇ 1, ⁇ 2, A3 and A4) are coupled into the component from the bottom left in FIGS. 1a and 1b. These signals first strike the mirror 4 and are deflected by the latter onto a first bandpass filter 2.
  • This bandpass element 2 ensures that a wavelength channel (A1), that is to say a frequency, is transmitted. All other wavelengths (A2, A3 and A4) are reflected on the first bandpass filter and directed upwards onto the second bandpass filter. At the second bandpass filter, only the wavelength channel with the wavelength A2 can pass, while all other wavelengths (A3, A4 etc.) are reflected down again onto the third filter.
  • the last reflected output beam may contain other channels with wavelengths that differ from the wavelengths of the coupled channels. This output beam can then be directed onto a further, similar component which is able to couple out the remaining channels or a part thereof.
  • the narrowband filters are noticeably temperature-dependent, so that typically the central transmission wavelength shifts by 1 to 3 pm per Kelvin temperature change. Particularly when the individual wavelengths are very close together, so that very narrow-band interference filters have to be used for channel separation and detection, this leads to a considerable restriction of the temperature working range.
  • the dependence of the characteristic (central transmission wavelength) of the filter shown in FIG. 3 on the angle of incidence of the light on the filter can be used in order to compensate for the temperature-dependent wavelength shift of the filter.
  • the angle of incidence is adjusted passively by means of a suitable optical structure, which behaves in a well-defined manner when the temperature changes. Such well-defined behavior can be achieved, for example, by using suitable materials with appropriate thermal expansion coefficients.
  • the deflection element 4 is mounted asymmetrically, that is to say the deflection element 4 is supported on the one hand on the base body 5 and on the other hand on an element 6 which shows a different thermal expansion to the material of the base body 5.
  • FIGS. 2a and 2b each show the deflection element 4, which is connected on the one hand directly to the base body 5 and on the other hand via an element 6 with different thermal expansion to the base body 5.
  • the situation at a first temperature is shown in FIG. 2a, while the same section is shown in FIG. 2b at a temperature t 2 that is lower than the temperature.
  • the beam 3 impinging on the deflecting element comes from the same direction.
  • the section 6 with a larger thermal expansion coefficient contracts more when the optical component cools than the base body 5, the deflection element 4 is tilted.
  • FIGS. 1 shows the deflection element 4 which is connected on the one hand directly to the base body 5 and on the other hand via an element 6 with different thermal expansion to the base body 5.
  • the central transmission wavelength in such a filter also depends on the angle of incidence of the beam, the temperature-dependent displacement of the central transmission wavelength of the filter 2 can be compensated for in full or at least in part if the material for the element 6 is carefully selected.
  • This has the advantage that to achieve the same reliability and performance of a corresponding optical component, such as a demultiplexer, cheaper components with larger tolerances and also cheaper lasers can be used as signal carriers, or when using high-quality components, the performance and reliability of the Components (usable in a larger temperature range) improved.
  • the tilt angles are shown in a greatly exaggerated manner in the figures for better clarification. In practical use, the required tilt will generally be on the order of less than 1 °.
  • the tilting of the deflecting element 4 not only leads to a change in the angle of incidence of the light on the bandpass filter, but in addition the point of incidence of the beam on the bandpass filter is shifted. Due to the modified angle, the impact point is now also shifted from filter to filter, so that the deviations become increasingly larger.
  • the deviation of the point of incidence of the beam 3 from the original point of impact which is indicated by the dashed beam path 3 ', is already twice as far in the second filter shifted like the first filter. The deviation therefore increases from filter to filter, so that the filters are increasingly exposed to light outside of the center.
  • corresponding collimation optics or electro-optical converters are arranged behind the filters (not shown), which either process the decoupled channels directly or pass them on accordingly.
  • These optics or information processing systems are generally designed for an approximately central beam passage or adjusted accordingly. If, therefore, the shift in the point of impact on the filter becomes too great as the number of filters increases, there are additional, possibly intolerable optical losses. In the case of components with a higher number of channels, this can lead to the simple embodiment shown being less suitable.
  • FIG. 3 an x / y diagram is shown in FIG. 3, in which the relative displacement of the central transmission wavelength (ordinate) is plotted against the angle of incidence (abscissa).
  • FIGS. 5a and 5b show a second embodiment of the optical component according to the invention.
  • the structure largely corresponds to the structure shown in FIGS. 1a and 1b.
  • the two elements 7 have been added, which show a correspondingly selected thermal expansion. This leads to the fact that when the component cools down, not only the deflection element 4 is tilted due to the element 6 moving in the direction of the arrow, but also the bandpass filters arranged below in the figures due to the contraction or expansion of the elements 7 in the direction of the two pillars be moved towards or away from the bandpass filters arranged above. In other words, the distance between the two filters is also changed as a function of temperature, so that the point of incidence of the light beam on the filter remains approximately at the same point.
  • This embodiment can therefore also be used without restriction for components with a very high number of channels.
  • This embodiment has only the small disadvantage that the optical beam path length changes within the component, which may result in slight variations in the insertion loss depending on the temperature. Due to the change in the angle of an incident and transmitted beam, losses in the signal amplitude can also occur in the embodiments described so far in the transition to the subsequent output optics, but this can be avoided if the output optics automatically re-adjust with the same means. is stiert like the beam-guiding, filtering and reflecting elements, as explained below.
  • Tilting the deflecting element or the mirror 4 in the two embodiments shown in FIGS. 1a and 1b and 5a and 5b leads to an angular error with respect to the original beam at all outputs (A1, A2, A3 and A4).
  • the deflection element not only changes the angle of incidence of the light beam on the filter, but also the angle that the transmitted light beam encloses with the normal on the filter surface.
  • the collimation optics which are arranged behind the filters for receiving the transmitted rays, should also be tracked as a function of temperature, so that the transmitted rays strike the collimation optics in the best possible alignment.
  • 6a and 6b show a third embodiment of an optical component with temperature compensation according to the invention.
  • the collimation optics of the outputs are integrated in the base body 5.
  • the deflection element 4 is designed here as a curved reflecting surface 13, which at the same time serves to parallelize the light beam emerging directly from the glass fiber.
  • collimation optics 9 Arranged behind the individual bandpass filters (A1, A2, A3 and A4) are collimation optics 9, which also consist of a curved reflecting surface, which collimate the parallel light beam, for example, into the core of subsequently arranged glass fibers 12.
  • the individual bandpass filters 2 are all arranged in a row here.
  • a mirror 11 is arranged opposite the bandpass filters 2 in a plane arranged below it. If the beam path 3 is followed, it becomes clear that the light beam is first directed via the deflection element 13 onto the first bandpass filter 2, which only allows the wavelength channel A1 to pass, while all other wavelengths are reflected onto the mirror 11.
  • the remaining information signals are then directed from the mirror 11 to the second band-pass filter 2, which only allows the wavelength channel with the wavelength A2 to pass, while all other wavelengths are directed onto the mirror 11 again.
  • This sequence continues until the original information signal has been divided into its individual channels.
  • the change in the angle of incidence of the light beam on the bandpass filter 2 according to the invention is carried out by the element 6, which has a different thermal expansion than the material of the base body 5. When the temperature rises, as shown in FIG. 6b, this causes the lower plane of the base body 5 to tilt.
  • elements 7 are provided, similar to the second embodiment of FIGS. 5a and 5b, which move the filter plane and the plane of the mirror 11 relative to one another due to their corresponding thermal expansion.
  • the change in angle of the transmitted rays is here with the help of Compensated element 10, which also shows a thermal expansion that differs from the thermal expansion of the material of the base body 5.
  • the element 10 ensures that the upper plane of the base body 5 tilts so that the transmitted light rays strike the collimation optics 9 again at approximately the same angle as in the case of the Temperature ⁇ (see Figure 6a) was the case.
  • FIGS. 7a and 7b show the embodiment of the optical component of FIGS. 6a and 6b in a perspective view.
  • the glass fibers 12 and the curved reflecting surfaces 9, which represent the collimation optics, can be clearly seen.
  • the base body 5 is made of several molded parts which are connected to one another via elements with different thermal expansion.
  • the filter level 2 and the mirror level 11 always remain parallel to each other.
  • the symmetrical arrangement of the expansion elements 7 only ensures that the two parallel planes move towards or away from each other.
  • the expansion element 6, which connects the upper part of the base body 5 asymmetrically to the mirror plane 11, ensures that the deflection element 13, which is fixedly connected to the upper part of the base body 5 (cannot be seen in the illustration in FIGS.
  • tilts is so that when the temperature of the optical component changes, the angle of incidence of the light beam on the filters 2 changes.
  • the expansion element 10 is provided, which ensures an asymmetrical movement, that is to say tilting, of the lower part of the base body 5 with respect to the filter plane 2.
  • the temperature-related change in the central transmission wavelength of the bandpass filter 2 can be completely compensated for by a suitable choice of the materials for the expansion elements 6, 7 and 10.
  • FIGS. 8a and 8b a fourth embodiment of the present invention is shown in FIGS. 8a and 8b.
  • the deflection element 4 is not supported such that it can be tilted, but rather the individual bandpass filters 2.
  • the asymmetrical mounting of the bandpass filters 2 is shown again enlarged in FIGS. 9a and 9b.
  • the filter 2 is supported on the one hand directly on the base body 5 and on the other hand on an expansion element 14 which in turn rests on the base body 5. Due to the different thermal expansion of the thermal expansion element 14 compared to the base body 5, a change in temperature leads to a tilting of the filter element 2 relative to the base body 5.
  • Another advantage of the embodiment according to FIGS. 8 and 9 is that the angle of incidence of the outgoing beams (after passing through the filter) is not influenced by the tilting of the filter, that is, it always remains the same, with only a slight lateral offset taking place.
  • Tilting the filter by the angle ⁇ means for the reflected beam a deviation by the angle 2 ⁇ compared to the previous direction, this is in turn compensated for by tilting an opposite reflector by the angle ⁇ , so that the reflected beam is again in the same direction how the original ray runs, albeit slightly offset to the side.
  • the optical components of the present invention generally consist of injection-molded parts which are essentially dimensionally stable. These molded parts are expediently glued to spacer elements arranged between the molded parts, the spacer elements 6, 7, 10 having a deliberately chosen thermal expansion which differs from the thermal expansion of the other molded parts.
  • the optical components that is to say the optical fibers, collimators, mirrors and filters, are arranged or fastened to the injection-molded parts in a conventional manner.
  • the adhesive bonding preferably with the aid of a permanently elastic adhesive, gives the connection of the molded parts of the base body 5 to the spacing elements 6, 7, 10 certain joint properties, it being completely sufficient according to the present invention if these adhesive connections have very small, relative tilting between the individual housing elements allow that are on the order of 1 ° or less.
  • the spacer elements 6 and 10 are only provided on one side, while compensating elements (not shown here) can be provided on the opposite side, which consist of the same material as the other molded parts of the base body 5.
  • the spacer elements 6, 7, 10 can each Depending on the arrangement and application, either have a greater or a smaller thermal expansion than the molded parts of the base body 5, elements with a negative thermal expansion can also be selected.
  • the elements are always arranged in such a way that when the temperature rises the angle of incidence increases in order to shift the transmission wavelength towards smaller wavelengths, because at the same time due to the temperature increase of the interference layer whose intrinsic transmission wavelength becomes larger, so that the two opposing effects largely or completely compensate one another and the transmission wavelength becomes temperature-independent as a result.
  • the effect of the dependence of the transmission wavelength in narrow-band filters on the angle of incidence is skillfully exploited by the described invention in order to compensate for the temperature-dependent shift in the transmission wavelength of the filters.
  • the angle of incidence is adjusted passively by means of a suitable optical structure, which behaves in a well-defined manner when the temperature changes.
  • optical components are achieved which have a more stable passband over a larger temperature range. Therefore, the operation of the component becomes possible over a much wider temperature range.
  • the component can thus be specified with a further passband, so that, for example, an inexpensive laser with poorer specification can be used.
  • FIGS. 10a and 10b show an optical filter 2 which is mounted on a base or a housing 5, the filter 2 being fixed on a section of the housing 5 which is connected to the remaining part of the housing is connected.
  • the filter 2 is indirectly supported on an actuator 4, the coefficient of thermal expansion of which differs from the material of the housing 5.
  • Figures 10a and 10b show the same component at different temperatures, it being assumed that the actuator 4 has a much greater thermal expansion than the material of the housing 5, which is shown in its dimensions rather than essentially unchanged.
  • a lowering of the temperature means that the actuator 4 according to FIG. 10b is significantly shortened. Since the actuator 4 is rigidly connected to one end of the filter 2, the latter is lowered and, via the rigid connection of the filter 2 to the opposite part of the housing 5, the latter bends at the solid body joint 17.
  • FIGS. 11a and 11b A specific application of such solid-state joints is shown in FIGS. 11a and 11b.
  • the central component 5 is to be regarded as a rigid, fixed housing, on which a plurality of filters 2 of the arrangement shown are mounted in order to couple out wavelengths A1, A2, A3 and A4 at a first temperature according to FIG. 11a.
  • the respective decoupled beams and also the reflected output beam are bundled via collimators 13 'and 13 "in the direction of further optical fibers or other optical components.
  • the collimators 13, 13' and 13" are each fixed to their own housing elements 25, 26 and 27, respectively mounted, these housing elements 25, 26, 27 each having solid-state joints 17, 18, 19 at one end with the basic Housing 5 are connected, while the other end is in turn mounted on actuators 4 on the base housing 5. Due to a thermal expansion of the actuators 4 which clearly differs from the material of the housing 5, as can be seen by comparison with FIG. 11b, the ends of the corresponding housing sections 25, 26, 27 are moved or oscillate relative to the basic housing 5, the Solid joints 17, 18, 19 serve as rotary joints. In the comparison between FIGS.
  • the collimator 13 attached to the housing element 25 is rotated about the joint 17, which leads to the angle of the input beam emanating from the collimator 13 changing, specifically in Transition from Figure 11a to 11b becomes smaller.
  • the beam reflected on the first filter 2 is also reflected at a smaller angle and also occurs on the next filter at a smaller angle, and so on.
  • the collimators 13 'and 13 "tilt about their respective solid joints 19 and 18, the change in angle of the output beams is compensated, so that the collimators 13' and 13" nonetheless the respective output beam onto the following ones focus optical components without having to make any other correction in the adjustment.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturkompensation einer optischen Komponente mit mindestens einem Kanten- oder Bandpassfilter (2) und einer strahlführenden Optik. Um ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches das Betreiben einer optischen Komponente mit einem temperaturabhängigen Bandpassfilter (oder auch Kantenfilter) über einen grösseren Temperaturbereich erlaubt, und eine entsprechende optische Komponente zur Verfügung zu stellen, die über einen weiten Temperaturbereich zuverlässig betrieben werden kann, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die Ausrichtung des Strahls (3) relativ zu dem Kanten- oder Bandpassfilter (2) in Abhängigkeit von der Temperatur der Komponente verändert wird.

Description

Verfahren zur Temperaturkompensation einer optischen WDM-Komponente sowie optische WDM-Komponente mit Temperaturkompensation
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturkompensation einer optischen WDM- Komponente mit mindestens einem Bandpaßfilter, der eine von der Temperatur der Komponente bzw. des Bandpaßfilters abhängige Charakteristik aufweist, und mit einer strahlführenden Optik, die dafür vorgesehen ist, einen Strahl durch die Komponente zu führen. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende optische WDM-Komponente.
Die Abkürzung „WDM" steht dabei für den englischen Begriff „Wavelength Division Multiplexing", d. h. eine gleichzeitige Zusammenführung und Übertragung optischer Signale verschiedener Wellenlängen in einer einzigen optischen Faser (i. a. einer Glasfaser) und umgekehrt das getrennte Auskoppeln optischer Signale unterschiedlicher Wellenlängen aus einer Faser in mehrere getrennte optische Fasern oder Bauelemente. Insbesondere in der Tele- und Datenkommunikation ist es mittlerweile üblich, Informationen optisch, das heißt z.B. über Lichtleiter, zu übertragen. Lichtleiter sind im allgemeinen dünne Fasern aus hochtransparenten optischen Materialien, die Licht in ihrer Längsrichtung durch vielfache Totalreflexion leiten. Die elektrischen Signale, die übertragen werden sollen, werden nach geeigneter Modulation durch einen elektrooptischen Wandler in Lichtsignale umgewandelt, in den Lichtwellenleiter ein- gekoppelt, vom Lichtwellenleiter übertragen und am Ende durch einen optoelektrischen Wandler in elektrische Signale zurückverwandelt. Um die Übertragungsrate der Lichtwellenleiter zu erhöhen, ist es mittlerweile üblich, mehrere unterschiedliche Nachrichtensignale gleichzeitig über einen Lichtwellenleiter zu übertragen. Dazu werden die Nachrichtensignale moduliert. Für die unterschiedlichen Nachrichtensignale werden jeweils unterschiedliche Trägerfrequenzen verwendet, wobei die einzel- nen diskreten Frequenzkomponenten des gesamten übertragenen Signals als Kanäle bezeichnet werden. Diese zunächst getrennten Kanäle werden vor der Übertragung in eine einzige Faser (Lichtwellenleiter) zusammengeführt. Nach der Übertragung der einzelnen Nachrichtensignale bzw. Wellenlängenkanäle über den Lichtwellenleiter müssen die einzelnen Signale getrennt und demoduliert werden.
In der Technik sind daher Vorrichtungen zum Addieren (am Anfang der gemeinsam genutzten Übertragungsstrecke) und Selektieren (am Ende der gemeinsamen Übertragungsstrecke) von wellenlängencodierten Signalen (Licht einer spezifischen Wellenlänge oder spezifischen Wellenlängen), sogenannte Multiplexer- oder Demultiplexeranordnungen bekannt. Zweck dieser Vorrichtungen ist es, aus der Vielzahl von übertragenen Kanälen einen entsprechenden Wellenlängenkanal abzutrennen. Für diese Abtrennungen kommen beispielsweise Bandpaßfilter, insbesondere Schmalbandfilter, in Frage, die ein bestimmtes Frequenzband des Lichtes (üblicherweise als „Kanal" bezeichnet) nahezu ungehindert passieren lassen, während alle anderen Frequenzen reflektiert werden.
Diese Schmalbandfilter beruhen im allgemeinen auf einem interferenzoptischen Effekt und werden durch abwechselndes Aufbringen von Schichten mit hohem bzw. niedrigem Brechungsindex hergestellt. Bei dem sogenannten Fabry-Perot-Design wird eine symmetrische Anordnung aus λ/2- und λ/4-Schichten gewählt.
Diese Schmalbandfilter haben jedoch die Eigenschaft, daß sich die Durchlaßwellenlänge mit der Temperatur des Filters verändert. Dieser Effekt beruht im wesentlichen auf der thermischen Ausdehnung der einzelnen Schichten im Filter. Typischerweise kommt es zu einer Verschiebung der Durchlaßwellenlänge in der Größenordnung von 1 bis 3 pm/K. Bei sehr schmalbandigen Interferenzfiltern, wie sie im allgemeinen in der Tele- und Datenkommunikation benötigt werden, führt dieser Effekt zu einer Begrenzung des Temperaturbereichs, in dem die Filter betrieben werden können.
Dies hat zur Folge, daß die eingangs beschriebenen optischen Komponenten, die solch einen Bandpaßfilter mit temperaturabhängiger Charakteristik beinhalten, ebenfalls nur über einen begrenzten Temperaturbereich zuverlässig betrieben werden können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches das Betreiben einer optischen Komponente mit einem temperaturabhängigen Bandpaßfilter (oder auch Kantenfilter) über einen größeren Temperaturbereich erlaubt. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende optische Komponente zur Verfügung zu stellen, die über einen weiten Temperaturbereich zuverlässig betrieben werden kann.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ausrichtung des Lichtstrahls relativ zu dem Bandpaßfilter innerhalb der optischen Komponente in Abhängigkeit von der Temperatur der Komponente verändert wird.
Die zentrale Durchlaßwellenlänge eines solchen Filters verschiebt sich nicht nur aufgrund von Temperaturänderungen und den damit verbundenen Änderungen der Schichtdicken der einzelnen Interferenzschichten des Bandpassfilters, sondern beispielsweise auch durch Verändern des Einfallswinkels, mit dem der Lichtstrahl auf den Filter trifft. Dies macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, indem eine durch Temperaturänderung bedingte Verschiebung der zentralen Durchlasswellenlänge zu kleineren oder größeren Wellenlängen hin durch eine entsprechende Änderung der Ausrichtung und vornehmlich des Einfallswinkels des Strahles zumindest teilweise kompensiert wird. Somit kann die Temperaturabhängigkeit der zentralen Durchlaßwellenlänge des Filters von der Temperatur durch entsprechende Veränderung der Ausrichtung des Strahls relativ zu dem Bandpaßfilter reduziert werden. Mit Vorteil wird die Ausrichtung des Strahls relativ zu dem Bandpaßfilter derart verändert, daß die temperaturbedingte Verschiebung der Durchlaßcharakteristik des Bandpasses möglichst vollständig kompensiert wird.
Eine Änderung der Ausrichtung des Strahles umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung auch eine Änderung bzw. Verschiebung des Auftreff punktes des Strahles (unabhängig von oder zusätzlich zu der Änderung des Einfallswinkels) Dies gilt insbesondere dann, wenn die Durchlasswellenlänge auch von dem Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf dem Filter abhängt, der Filter also eine orts- abhängige Filtercharakteristik hat. Dies kann beispielsweise durch eine gezielte oder auch einfach produktionsbedingte Variation der Interferenzschichtdicken von der Mitte zum Rand eines Filters erreicht werden. Allerdings ist eine solche Ausgestaltung schlechter beherrschbar, so daß die vorliegende Erfindung sich in erster Linie auf die Änderung des Einfallswinkels zur Kompensation der temperaturbedingten Änderung der Filtercharakteristik konzentriert, wobei aber die vorstehend erläuterte weitere Variante von der durch Schutzansprüche gegebenen Definition des Erfindungsgegenstandes umfasst ist.
Diese möglichst vollständige Kompensation kann also entweder durch Veränderung des Auftreffpunktes des Strahls auf dem Bandpaßfilter oder durch Veränderung des Einfallswinkels des Strahls auf dem Bandpaßfilter jeweils in Abhängigkeit von der Temperatur erfolgen. Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl den Auftreffpunkt als auch den Einfallswinkel in Abhängigkeit von der Temperatur zu variieren, um eine möglichst vollständige Temperaturkompensation zu erzielen. Im allgemeinen bedingt eine Änderung des Einfallswinkels zwangsläufig auch eine Verschiebung des Auftreffpunktes des Strahles auf dem Filter. Dies kann in manchen Anwendungsfällen problemlos in Kauf genommen werden, führt jedoch in vielen Fällen zu einer inakzeptablen Verschiebung des transmittierten und/oder des reflektierten Strahles relativ zu nachfolgenden Auskopplungselementen, so dass in noch zu erläuternden, bevorzugten Ausführungsformen Maßnahmen zur Beibehaltung des Auftreffpunktes trotz Änderung des Einfallswinkels des Strahles getroffen werden.
Die Ausrichtung des Strahls kann mit Hilfe eines Steuerelements oder Stellgliedes erfolgen, das die strahlführende Optik in Abhängigkeit von der Temperatur aktiv anpaßt.
Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform des Verfahrens, bei der die Ausrichtung passiv erfolgt. Unter passiv wird verstanden, daß keine aktive Steuerung verwendet wird, die. nach ent- sprechendem Meßergebnis einer Temperatur die Ausrichtung des Strahls relativ zu dem Bandpaßfilter anpaßt. Bei der passiven Ausrichtung erfolgt die Ausrichtung quasi automatisch, ohne daß es einer aktiven Steuerung in Abhängigkeit von einer zuvor erfassten Temperaturänderung oder Durchlasswellenänderung bedarf. Eine solche passive Ausrichtung wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens mit Hilfe mindestens zweier Glieder mit unterschiedlichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten durchgeführt. Es ist beispielsweise möglich, Teile der strahlführenden Optik und/oder den Bandpassfilter so an beiden oder je einem der Glieder mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung anzubringen, so daß sich bei einer Temperaturänderung sich die strahlführende Optik und der Bandpaßfilter in einer vorherbestimmten Art und Weise relativ zueinander bewegen, insbesondere derart relativ verkippen, dass der Einfallswinkel und/oder der Auftreffpunkt des Strahles sich verändern, und zwar in der Weise, dass dadurch die durch die Temperaturänderung bedingte, gleichzeitige Änderung der Filtercharakteristik ganz oder mindestens teilweise kompensiert wird.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, daß ein Umlenkelement der strahlführenden Optik, wie z.B. ein Spiegel oder ein Prisma, in Abhängigkeit von der Temperatur gegenüber dem Bandpaßfilter verkippt wird, so daß sich der Einfallswinkel des Strahls auf dem Bandpaßfilter verändert.
Herkömmlich sind WDM-Komponenten durch mehrfaches Hintereinanderschalten eines Grundelementes aufgebaut, welches jeweils einen einzelnen Wellenlängenkanal herausfiltert und die verbliebenen Wellenlängenkanäle an das nächste Grundelement weitergibt. Die Verbindung der Grundelemente erfolgt jeweils mittels einer Glasfaser. Dabei ist es insbesondere auch möglich, daß ein Strahl aus an einem Filter reflektierten Frequenzen bzw. Wellenlängen über einen Wellenleiter in einem Bogen zurückgeführt und erneut unter einem anderen Winkel auf das Filter gerichtet wird, der die Transmissionsbedingung für einen noch in dem Strahl enthaltenen Wellenlängenkanal erfüllt. Neuere optische Komponenten, wie z.B. Multiplexer/Demultiplexer, insbesondere WDM- Komponenten (Wavelength-Division-Multiplex) und DWDM-Komponenten (Dense-Wavelength- Division-Multiplex), wie sie in einer gleichzeitig eingereichten weiteren Anmeldung derselben Anmelderin mit dem Titel „Verfahren und Vorrichtung zur Verteilung und Zusammenführung elektrmagneti- scher Wellen" beschrieben werden, weisen eine Vielzahl von in Strahlrichtung hintereinander angeordneten interferenzoptischen Schmalbandfiltern auf. Die Veränderung des Auftreffwinkels des Strahls auf dem ersten Bandpaßfilter hat dann jedoch im allgemeinen zur Folge, daß sich der Auf- treffpunkt des Strahls auf den nachfolgenden Bandpaßfiltern verändert. Diese Abweichung summiert sich, so daß sie von Bandpaßfilter zu Bandpaßfilter größer wird und die einzelnen Bandpaßfilter in Strahlrichtung zunehmend weiter außerhalb der Mitte getroffen werden. Da die im allgemeinen hinter den Bandpaßfiltern angeordneten Kollimationsoptiken, die der Aufnahme des durchgelassenen Lichtkanals dienen, auf einen Strahldurchgang in der Mitte des Bandpaßfilters justiert sind, kommt es dadurch zu zusätzlichen optischen Verlusten. Eine alleinige Veränderung des Auftreffwinkels des Strahls auf dem ersten Bandpaßfilter ist daher für Komponenten mit sehr hoher Kanalzahl im allgemeinen nicht von Vorteil, es sei denn man verwendet entsprechende angepasste Filter mit einer ortsabhängigen Filtercharakteristik, was aber erheblichen Zusatzaufwand bei der Herstellung und Justierung der Filter bedeutet. Auf alle drei genannten Varianten sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung anwendbar. Dabei ist in einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, daß der Abstand zweier in Strahlrichtung aufeinanderfolgender, gegenüberliegender Bandpaßfilter ebenfalls in Abhängigkeit von der Temperatur verändert wird. Die Veränderung des Abstands erfolgt vorzugsweise im wesentlichen in Richtung der Normalen zur Bandpaßfilterfläche. Mit Hilfe dieser Verschiebung der aufeinanderfolgenden Bandpaßfilter relativ zueinander kann die Verschiebung des Auftreffpunkts des Strahls auf den nachfolgenden Bandpaßfiltern aufgrund der Variation des Einfallswinkels des Strahls auf den ersten Bandpaßfilter kompensiert werden. Dieses Verfahren hat den (kleinen) Nachteil, daß die Lichtlauflänge in der Komponente verändert wird.
Dadurch, daß der Einfallswinkel des Strahls auf den Bandpaßfilter verändert wird, wird automatisch auch der Winkel, mit dem der von dem Filter durchgelassene Lichtstrahl aus dem Filter austritt, verändert.
Daher sieht eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens vor, daß die hinter dem Bandpaßfilter angeordneten Kollimationsoptiken in Abhängigkeit von der Temperatur relativ zu dem Bandpaßfilter bewegt werden.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest ein Bandpaßfilter, vorzugsweise alle Bandpaßfilter, in Abhängigkeit von der Temperatur relativ zu einem Grundkörper der optischen Komponente verkippt. Der Auftreffwinkel des Strahls auf den Bandpaßfilter kann nämlich nicht nur durch Veränderung des Lichtstrahls vor dem ersten Bandpaßfilter erzielt werden, sondern ebenfalls durch Verkippen mehrerer oder aller Bandpassfilter und/oder eines den Filtern gegenüberliegenden Spiegels, so daß der Auftreffwinkel auf allen Bandpaßfiltern einzeln verändert wird. Zwar ist diese Ausführungsform komplizierter in der Ausführung, sie hat jedoch den Vorteil, daß die optische Weglänge des Lichts im Bauteil nahezu konstant bleibt.
Hinsichtlich der optischen Komponente wird die eingangs erwähnte Aufgabe gelöst durch eine opti- sehe Komponente mit zumindest einem Bandpaßfilter, der eine von der Temperatur der Komponente bzw. des Bandpaßfilters abhängige Charakteristik zeigt, und eine strahlführenden Optik, die dafür vorgesehen ist, einen Strahl durch die Komponente zu führen, und einen Grundkörper, der mit dem Bandpaßfilter und der strahlführenden Optik verbunden ist, wobei eine Einrichtung für die Veränderung der Ausrichtung des Strahls relativ zu dem Bandpaßfilter vorgesehen ist.
Mit Hilfe dieser Einrichtung zur Veränderung der Strahlausrichtung ist es möglich, in Abhängigkeit von der Temperatur den Einfallswinkel des Strahles auf dem Bandpaßfilter zu verändern, so daß die temperaturabhängige Veränderung der Charakteristik des Bandpaßfilters zumindest reduziert werden kann. Diese Einrichtung ist vorzugsweise ein passives Element, das keine aktive Steuerung benötigt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht da passive Element aus mehreren (d. h. mindestens zwei) Stellgliedern, die mit strahlführenden, reflektierenden oder filternden Elementen des optischen Bauteiles verbunden sind und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Eines der Stellglieder kann dabei auch das Gehäuse oder Basisteil des optischen Bauteiles sein. Das mit einem oder mehren derartiger Stellglieder verbundene Element bewegt sich dann, insbesondere durch Verkippen, bei einer Temperaturänderung in anderer Weise als die weiteren Elemente, die nicht oder in anderer Weise mit den Stellgliedern ver- bunden sind.
Die Einrichtung kann beispielsweise mit Vorteil dadurch verwirklicht werden, daß die strahlführende Optik ein Umlenkelement aufweist, das relativ zu dem mindestens einen Bandpaßfilter bewegbar, vorzugsweise verkippbar ist.
Durch die Bewegung oder Verkippung des Umlenkelements der strahlführenden Optik wird erreicht, daß sich der Einfallswinkel des Strahles auf dem Bandpaßfilter verändert. Selbstverständlich ist es auch möglich, das Umlenkelement derart zu bewegen, daß neben einer Veränderung des Einfallswinkels des Strahls auf dem Bandpaßfilter auch eine Veränderung des Auftreffpunktes des Strahles auf dem Bandpassfilter entweder in kontrollierter Weise erfolgt oder durch zusätzliche Maßnahmen weitgehend vermieden wird.
Das Umlenkelement kann beispielsweise Teil einer Kollimatoroptik sein, die das Licht von der Glasfaser in die optische Komponente kollimiert. Diese Kollimatoroptik oder auch Koppelvorrichtung be- steht vorzugsweise aus einer gekrümmten reflektierenden Fläche. Durch die gekrümmte reflektierende Fläche kann auf eine Linsenoptik verzichtet werden, da die am Ende einer Glasfaser auftretende Strahlaufweitung durch die gekrümmte Fläche zumindest zum Teil kompensiert wird. Diese gekrümmte reflektierende Fläche kann die Funktion des Umlenkelements übernehmen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Umlenkelement und/oder Bandpaßfilter über ein Element, das eine von dem Grundkörper verschiedene thermische Ausdehnung zeigt, mit dem Grundkörper verbunden ist. Dadurch wird erreicht, daß sich bei einer Temperaturänderung das Umlenkelement relativ zu dem Bandpaßfilter bewegt. Diese Ausführungsform ist eine Möglichkeit der Verwirklichung einer passiven Steuerung der Ausrichtungsveränderung. Mit Vorteil wird das Material des Elements mit von dem Grundkörper verschiedener thermischer Ausdehnung so gewählt bzw. das Element derart angeordnet, daß eine Veränderung der Ausrichtung des Strahls relativ zu dem Bandpassfilter erfolgt und die damit verbundene Veränderung der Charakteristik des Bandpaßfilters gerade die temperaturbedingte Änderung der Charakteristik kompensiert. Insbesondere dann, wenn der Auftreffwinkel des Strahls auf dem Bandpaßfilter verändert werden soll, wird mit Vorteil das Umlenkelement und/oder der Bandpaßfilter im wesentlichen an zwei voneinander beabstandeten Bereichen, vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten, mit dem Grundkörper verbunden, wobei ein Bereich über ein Element, das eine von dem Grundkörper verschiedene thermische Ausdehnung zeigt, mit dem Grundkörper verbunden ist. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung führt dies bei einer Temperaturänderung der optischen Komponente zu einer Verkippung des Umlenkelements und/oder des Bandpaßfilters relativ zu dem anderen Element, so daß der Auftreffwinkel des Strahls auf dem Bandpaßfilter verändert wird.
Wie bereits erwähnt, weisen viele optische Komponenten eine ganze Serie von Schmalbandfiltern auf. Wird bei solchen Komponenten mit vielen Filtern lediglich ein optisches Element, wie z.B. das Umlenkelement, verändert, so führt dies dazu, daß sich nicht nur der Auftreffwinkel des Strahls auf dem Filter verändert, sondern ebenso der Auftreffpunkt des Strahls auf dem Filter. Der den Filter nicht passierende Anteil des Strahles wird am Auftreffpunkt reflektiert, so dass die Abweichung des Auftreffpunkts des Strahls auf dem Bandpaßfilter in Strahlrichtung von Filter zu Filter größer wird, da sich die Abweichung summiert, wodurch die einzelnen Filter in Strahlrichtung zunehmend außerhalb der Mitte getroffen werden. Die im allgemeinen hinter den Bandpaßfiltern angeordnete Kollimations- optik ist jedoch auf einen in etwa mittigen Strahldurchgang justiert, so daß es bei einer Veränderung des Auftreffpunkts des Strahls auf dem Bandpaßfilter zu zusätzlichen optischen Verlusten kommt, die in Strahlrichtung zunehmend gravierender werden. Dies kann bei manchen Anwendungsfällen dazu führen, daß die bisher beschriebene einfache Version zur Veränderung des Auftreff punkts und/oder des Auftreffwinkels allein nicht mehr ausreichend ist. Daher sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform vor, daß bei optischen Komponenten, die mindestens zwei Bandpaßfilter aufweisen, eine Einrichtung zur Veränderung des Abstandes zweier gegenüberliegend in Strahlrichtung aufeinanderfolgender Bandpaßfilter vorgesehen ist. Durch diese Veränderung des Abstandes zweier in Strahlrichtung aufeinanderfolgender Bandpaßfilter kann die aufgrund der Winkeländerung des Strahls verursachte Abweichung des mittigen Auftreffpunktes kompensiert werden. Wahlweise können aber auch Bandpassfilter auf einer Seite durch einen Spiegel ersetzt und im übrigen neben- einander angeordnet werden. In diesem Fall wird gleichzeitig mit einer Winkeländerung des Strahles auch der Abstand zwischen Spiegel(n) und Filtern entsprechend verändert, so dass die Auftreffpunk- te auf den Filtern (und dem Spiegel) dennoch unverändert bleiben.
Mit Vorteil besteht die Einrichtung zur Veränderung des Abstandes zweier in Strahlrichtung aufein- anderfolgender Bandpaßfilter aus mindestens einem Element mit einem zu dem Grundkörper unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, über das mindestens zwei in Strahlrichtung aufeinanderfolgende Bandpaßfilter miteinander verbunden sind. Durch entsprechende Materialwahl kann somit erreicht werden, daß bei einer Temperaturveränderung die gegenüberliegenden und jeweils aufeinanderfolgenden Bandpaßfilter und/oder entsprechende Spiegel relativ zueinander bewegt werden.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich vorgesehen, daß eine Empfangskollimatoroptik hinter einem Bandpaßfilter ebenfalls mit dem Grundkörper verbunden ist und eine Einrichtung zum Verkippen der Empfangskollimatoroptik vorgesehen ist.
Mit Vorteil ist die zumindest eine Empfangskollimatoroptik mit einem Halteelement verbunden, das im wesentlichen an zwei voneinander beabstandeten Bereichen, vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten, mit dem Grundkörper verbunden ist, wobei ein Bereich über ein Element, das eine vom Grundkörper verschiedene thermische Ausdehnung zeigt, mit dem Grundkörper verbunden ist.
Dadurch ist es möglich, die Empfangskollimatoroptik in Abhängigkeit von der Temperatur passiv zu verkippen, wodurch die Kollimatoroptiken hinter den Bandpaßfiltern entsprechend der Winkelveränderung der aus den Bandpaßfiltern austretenden Lichtstrahlen kompensiert werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
Figuren 1a und 1b eine erste Ausführungsform einer optischen Komponente bei zwei verschiedenen Temperaturzuständen,
Figuren 2a und 2b eine Detailvergrößerung der Ausführungsform von Figur 1 in zwei Temperaturzuständen, Figur 3 ein graphisches Diagramm, das die Änderung der Zentralwellenlänge in
Abhängigkeit von dem Einfallswinkel zeigt,
Figur 4 ein Diagramm, das die Steilheit der Winkelverschiebung in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel zeigt,
Figuren 5a und 5b eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Kompo- nente in zwei Temperaturzuständen,
Figuren 6a und 6b eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Komponente in zwei Temperaturzuständen,
Figuren 7a und 7b eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform der Figuren 6a und 6b in zwei verschiedenen Temperaturzuständen, Figuren 8a und 8b eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Komponente in zwei Temperaturzuständen,
Figuren 9a und 9b eine Detailvergrößerung der Ausführungsform der Figuren 8a und 8b in zwei verschiedenen Temperaturzuständen, Figuren 10a und 10b die Halterung eines Filters mit der Verwendung eines Festkörpergelenks als
Drehachse und Figuren 11a und 11b einen optischen Multiplexer/Demultiplexer mit Temperaturkompensation unter
Verwendung entsprechender Festkörpergelenke.
In den Figuren 1a und 1b ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Komponente gezeigt, die hier als Multiplexer/Demultiplexer ausgebildet ist. Dargestellt sind vier Bandpaßfilter 2 und ein Umlenkelement 4, das hier als Spiegel ausgebildet ist, die jeweils an dem Grundkörper 5 befestigt sind.
Der Strahlverlauf des Lichts innerhalb der Komponente ist zur Verdeutlichung eingezeichnet worden und mit der Bezugszahl 3 versehen. In dem gezeigten Beispiel werden in den Figuren 1a und 1 b von links unten Informationssignale mit vier verschiedenen Wellenlängen (λ1 , λ2, A3 und A4) in die Komponente eingekoppelt. Diese Signale treffen zunächst auf den Spiegel 4 und werden von diesem auf einen ersten Bandpaßfilter 2 umgelenkt. Dieses Bandpaßelement 2 sorgt dafür, daß ein Wellenlängenkanal (A1), das heißt eine Frequenz transmittiert wird. Alle anderen Wellenlängen (A2, A3 und A4) werden an dem ersten Bandpaßfilter reflektiert und auf den zweiten Bandpaßfilter nach oben gelenkt. An dem zweiten Bandpaßfilter kann lediglich der Wellenlängenkanal mit der Wellenlänge A2 passieren, während alle anderen Wellenlängen (A3, A4 usw.) wieder nach unten auf den dritten Filter reflektiert werden. Dieser Vorgang setzt sich nun fort, bis das ursprünglich aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzte Informationssignal in seine einzelnen Kanäle getrennt worden ist. Der zuletzt reflektierte Ausgangsstrahl enthält gegebenenfalls noch weitere Kanäle mit Wellenlängen, die sich von den Wellenlängen der ausgekoppelten Kanäle unterscheiden. Dieser Ausgangsstrahl kann dann auf eine weitere, ähnliche Komponente gerichtet werden, die in der Lage ist, die noch verblie- benen Kanäle oder einen Teil hiervon auszukoppeln.
Wie bereits ausgeführt wurde, sind die Schmalbandfilter spürbar temperaturabhängig, so daß sich typischerweise pro Kelvin Temperaturänderung die zentrale Durchlaßwellenlänge um 1 bis 3 pm verschiebt. Insbesondere dann, wenn die einzelnen Wellenlängen sehr dicht beieinander liegen, so daß zur Kanaltrennung und -Erfassung sehr schmalbandige Interferenzfilter eingesetzt werden müssen, führt dies zu einer erheblichen Einschränkung des Temperaturarbeitsbereiches. Mit der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß die in Figur 3 dargestellte Abhängigkeit der Charakteristik (zentrale Durchlasswellenlänge) der Filter von dem Einfallswinkel des Lichts auf den Filter verwendet werden kann, um die temperaturabhängige Wellenlängenverschiebung des Filters zu kompen- sieren. Die Nachführung des Einfallswinkels geschieht passiv durch einen geeigneten optischen Aufbau, der sich unter Temperaturveränderung wohldefiniert verhält. Solch ein wohldefiniertes Verhalten kann beispielsweise durch den Einsatz geeigneter Materialien mit entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten realisiert werden. In der in den Figuren 1a und 1b gezeigten Ausführungsform ist das Umlenkelement 4 unsymmetrisch gelagert, das heißt das Umlenkelement 4 stützt sich einerseits auf dem Grundkörper 5 ab und andererseits auf einem Element 6, das eine zu dem Material des Grundkörpers 5 unterschiedliche thermische Ausdehnung zeigt.
Der dadurch erzielte Effekt ist in den Figuren 2a und 2b noch einmal deutlich überhöht dargestellt. In den Figuren 2a und 2b ist jeweils das Umlenkelement 4, das einerseits direkt mit dem Grundkörper 5 und andererseits über ein Element 6 mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung mit dem Grundkörper 5 verbunden ist. In Figur 2a ist die Situation bei einer ersten Temperatur gezeigt, während in Figur 2b der gleiche Ausschnitt bei einer Temperatur t2, die kleiner als die Temperatur ist, gezeigt ist. In beiden Fällen kommt der auf das Umlenkelement auftreffende Strahl 3 aus der gleichen Richtung. Dadurch, daß sich beim Abkühlen der optischen Komponente der Abschnitt 6 mit größerem thermischem Ausdehnungskoeffizienten stärker zusammenzieht als der Grundkörper 5, wird eine Verkippung des Umlenkelements 4 erzielt. Wie deutlich in den Figuren 2a und 2b zu erkennen ist, wird dadurch der Winkel, den der auf das Umlenkelement 4 einfallende Lichtstrahl 3 mit der Normalen 8 auf der reflektierenden Fläche einschließt, entsprechend verändert. Dies führt dazu, daß der von dem Umlenkelement 4 reflektierte Lichtstrahl bei der Temperatur t2 deutlich gegenüber der Situation bei der Temperatur t| verändert ist. Dies führt, wie in der Figur 1b, die ebenfalls die Situation bei Temperatur t2 zeigt, dargestellt ist, dazu, daß der von dem Umlenkelement 4 reflektierte Lichtstrahl auf den ersten Filter 2 (links unten) mit einem anderen Winkel auftrifft. Berücksichtigt man weiterhin, dass gemäß Figur 3 auch die zentrale Durchlasswellenlänge bei einem solche Filter von dem Einfallswinkel des Strahles abhängt so kann man bei geschickter Wahl des Materials für das Element 6 die temperaturabhängige Verschiebung der zentralen Durchlaßwellenlänge der Filter 2 ganz oder mindestens teilweise kompensiert werden. Dies hat den Vorteil, daß man zur Erzielung der gleichen Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit einer entsprechenden optischen Komponente, wie zum Beispiel eines Demultiplexers, preiswertere Bauteile mit größeren Toleranzen und auch preiswertere Laser als Signalträger einsetzen kann, oder aber bei der Verwendung hochwertiger Bauteile Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Komponenten (nutzbar in einem größeren Temperaturbereich) verbessert.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß in den Figuren zur besseren Verdeutlichung die Verkippungs- winkel stark übertrieben dargestellt sind. In der praktischen Anwendung wird die erforderliche Verkippung im allgemeinen in der Größenordnung von weniger als 1° liegen.
Wie in der Figur 1b ebenfalls zu erkennen ist, führt die Verkippung des Umlenkelements 4 nicht nur zu einer Änderung des Einfallswinkels des Lichts auf die Bandpaßfilter, sondern zusätzlich wird der Auftreffpunkt des Strahls auf dem Bandpaßfilter verschoben. Aufgrund des modifizierten Winkels erfolgt eine solche Verschiebung des Auftreffpunktes nun auch von Filter zu Filter, so daß die Abweichungen zunehmend größer wird. Wie ebenfalls in der Figur 1b zu erkennen ist, ist die Abweichung des Auftreffpunktes des Strahls 3 gegenüber dem ursprünglichen Auftreffpunkt, der durch den gestrichelten Strahlverlauf 3' kenntlich gemacht ist, bei dem zweiten Filter bereits doppelt so weit verschoben wie bei dem ersten Filter. Die Abweichung wird daher von Filter zu Filter größer, so daß die Filter zunehmend außerhalb der Mitte mit Licht beaufschlagt werden.
Im allgemeinen sind hinter den Filtern (nicht gezeigt) entsprechende Kollimationsoptiken oder elek- trooptische Wandler angeordnet, die entweder die ausgekoppelten Kanäle direkt verarbeiten oder entsprechend weiterleiten. Diese Optiken bzw. informationsverarbeitenden Systeme sind im allgemeinen für einen in etwa mittigen Strahldurchgang ausgelegt bzw. entsprechend justiert. Wird daher mit zunehmender Filterzahl die Verschiebung des Auftreffpunktes auf dem Filter zu groß, so kommt es zu zusätzlichen, unter Umständen untragbaren optischen Verlusten. Dies kann bei Komponenten mit höherer Kanalzahl dazu führen, daß die dargestellte, einfache Ausführungsform weniger geeignet ist.
Zur Verdeutlichung des der Erfindung zugrunde liegenden Effekts ist in Figur 3 ein x/y-Diagramm gezeigt, bei dem die relative Verschiebung der zentralen Durchlaßwellenlänge (Ordinate) über dem Einfallswinkel (Abszisse) aufgetragen ist.
In Figur 4 ist zusätzlich die Steilheit der Winkelkennlinie (Ableitung der in Figur 3 gezeigten Funktion) über dem Einfallswinkel aufgetragen.
In den Figuren 5a und 5b ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Komponente dargestellt.
Der Aufbau entspricht weitgehend dem in den Figuren 1a und 1b gezeigten Aufbau. Zusätzlich sind die beiden Elemente 7 zugefügt worden, die eine entsprechend ausgewählte thermische Ausdeh- nung zeigen. Dies führt dazu, daß bei Abkühlung der Komponente nicht nur das Umlenkelement 4 aufgrund des Elements 6, das sich in Pfeilrichtung bewegt, verkippt wird, sondern auch die in den Figuren unten angeordneten Bandpaßfilter aufgrund der Kontraktion oder Ausdehnung der Elemente 7 in Richtung der beiden Pfeiler auf die oben angeordneten Bandpaßfilter zu oder von diesem weg bewegt werden. Mit anderen Worten wird der Abstand der beiden Filter ebenfalls temperaturabhän- gig verändert, so daß der Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf dem Filter in etwa an der gleichen Stelle bleibt. Diese Ausführungsform kann somit uneingeschränkt auch für Komponenten mit sehr hoher Kanalzahl verwendet werden.
Diese Ausführungsform hat lediglich den kleinen Nachteil, daß sich die optische Strahlweglänge innerhalb der Komponente verändert, wodurch sich temperaturabhängig geringe Variationen in der Einfügedämpfung ergeben können. Aufgrund der Winkelveränderung eines einfallenden und trans- mittierten Strahles können beim Übergang in die nachfolgende Ausgangsoptik bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen außerdem Verluste in der Signalamplitude auftreten, die aber vermieden werden können, wenn auch die Ausgangsoptik mit den gleichen Mitteln automatisch nachju- stiert wird wie auch die strahlführenden, filternden und reflektierenden Elemente, wie nachstehend erläutert wird.
Das Verkippen des Umlenkelements bzw. des Spiegels 4 in den beiden in den Figuren 1a und 1b und 5a und 5b gezeigten Ausführungsformen führt an allen Ausgängen (A1 , A2, A3 und A4) zu einem Winkelfehler gegenüber dem ursprünglichen Strahl. Mit anderen Worten wird durch das Umlenkelement nicht nur der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf dem Filter verändert, sondern ebenso der Winkel, den der transmittierte Lichtstrahl mit der Normalen auf der Filterfläche einschließt. Daher sollten im Idealfall auch die Kollimationsoptiken, die hinter den Filtern zur Aufnahme der transmittierten Strahlen angeordnet sind, ebenfalls temperaturabhängig nachgeführt werden, so daß die transmittierten Strahlen möglichst in optimaler Ausrichtung auf die Kollimationsoptiken auftreffen.
In den Figuren 6a und 6b ist eine dritte Ausführungsform einer optischen Komponente mit erfindungsgemäßer Temperaturkompensation gezeigt. Hier sind die Kollimationsoptiken der Ausgänge in den Grundkörper 5 integriert. So ist beispielsweise das Umlenkelement 4 hier als gekrümmte reflektierende Fläche 13 ausgebildet, die gleichzeitig dazu dient, den direkt aus der Glasfaser austretenden Lichtstrahl zu parallelisieren.
Hinter den einzelnen Bandpaßfiltern (A1, A2, A3 und A4) sind jeweils Kollimationsoptiken 9 angeord- net, die ebenfalls aus einer gekrümmten reflektierenden Fläche bestehen, die den parallelen Lichtstrahl beispielsweise in den Kern nachfolgend angeordneter Glasfasern 12 kollimieren. Die einzelnen Bandpaßfilter 2 sind hier alle in einer Reihe angeordnet. Gegenüber den Bandpaßfiltern 2 in einer darunter angeordneten Ebene ist ein Spiegel 11 angeordnet. Verfolgt man den Strahlverlauf 3, so wird deutlich, daß der Lichtstrahl über das Umlenkelement 13 zunächst auf den ersten Bandpaß- filter 2 gelenkt wird, der lediglich den Wellenlängenkanal A1 passieren läßt, während alle anderen Wellenlängen auf den Spiegel 11 reflektiert werden. Von dem Spiegel 11 werden die verbleibenden Informationssignale dann auf den zweiten Bandpaßfilter 2 gelenkt, der lediglich den Wellenlängenkanal mit der Wellenlänge A2 passieren läßt, während alle anderen Wellenlängen erneut auf den Spiegel 11 gelenkt werden. Diese Abfolge setzt sich nun fort, bis das ursprüngliche Informationssi- gnal in seine einzelnen Kanäle aufgeteilt worden ist. Die erfindungsgemäße Veränderung des Einfallswinkels des Lichtstrahls auf dem Bandpaßfilter 2 erfolgt durch das Element 6, das eine zu dem Material des Grundkörpers 5 unterschiedliche thermische Ausdehnung besitzt. Dies führt bei einer Temperaturerhöhung dazu, wie in Figur 6b gezeigt ist, daß sich die untere Ebene des Grundkörpers 5 verkippt.
Um den Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf den Bandpaßfiltem dennoch fix zu halten, sind - ähnlich wie in der zweiten Ausführungsform von Figur 5a und 5b - die Elemente 7 vorgesehen, die aufgrund ihrer entsprechenden thermischen Ausdehnung die Filterebene und die Ebene des Spiegels 11 relativ zueinander bewegen. Die Winkeländerung der transmittierten Strahlen wird hier mit Hilfe des Elements 10 ausgeglichen, das ebenfalls eine thermische Ausdehnung zeigt, die sich von der thermischen Ausdehnung des Materials des Grundkörpers 5 unterscheidet. Wie beim Vergleich der Figuren 6a und 6b deutlich zu erkennen ist, sorgt das Element 10 dafür, daß sich die obere Ebene des Grundkörpers 5 verkippt, so daß die transmittierten Lichtstrahlen wieder in etwa im gleichen Winkel auf die Kollimationsoptiken 9 auftreffen, wie dies bei der Temperatur ^ (siehe Figur 6a) der Fall war.
In den Figuren 7a und 7b ist die Ausführungsform der optischen Komponente der Figuren 6a und 6b in perspektivischer Ansicht gezeigt. Deutlich zu erkennen sind die Glasfasern 12 sowie die gekrümmten reflektierenden Flächen 9, die die Kollimationsoptik darstellen. Der Grundkörper 5 ist aus mehreren Formteilen hergestellt, die über Elemente mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung miteinander verbunden sind. Dabei bleiben die Filterebene 2 und die Spiegelebene 11 immer parallel zueinander. Durch die symmetrische Anordnung der Ausdehnungselemente 7 wird lediglich erreicht, daß sich die beiden parallelen Ebenen aufeinander zu oder voneinander weg bewegen. Das Ausdehnungselement 6, das den oberen Teil des Grundkörpers 5 unsymmetrisch mit der Spiegel- ebene 11 verbindet, sorgt dafür, daß das fest mit dem oberen Teil des Grundkörpers 5 verbundene Umlenkelement 13 (in der Darstellung der Figuren 7a und 7b nicht zu erkennen) verkippt wird, so daß sich bei einer Temperaturänderung der optischen Komponente der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf den Filtern 2 verändert. Zur Nachführung der Kollimationsoptiken, die mit dem unteren Teil des Grundkörpers 5 verbunden sind, ist das Ausdehnungselement 10 vorgesehen, das für eine unsymmetrische Bewegung, das heißt Verkippung, des unteren Teils des Grundkörpers 5 gegenüber der Filterebene 2 sorgt. Durch geeignete Wahl der Materialien für die Ausdehnungselemente 6, 7 und 10 kann die temperaturbedingte Veränderung der zentralen Durchlaßwellenlänge der Bandpaßfilter 2 völlig ausgeglichen werden.
In den Figuren 8a und 8b ist schließlich noch eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hier ist nicht das Umlenkelement 4 verkippbar gelagert, sondern die einzelnen Bandpaßfilter 2. Die unsymmetrische Lagerung der Bandpaßfilter 2 ist in den Figuren 9a und 9b noch einmal vergrößert dargestellt. Ganz ähnlich wie bei der unsymmetrischen Lagerung des Umlenkelements 4, wie sie in den Figuren 2a und 2b gezeigt ist, stützt sich der Filter 2 einerseits direkt auf dem Grundkörper 5 ab und andererseits auf einem Ausdehnungselement 14, das wiederum auf dem Grundkörper 5 aufliegt. Aufgrund der gegenüber dem Grundkörper 5 unterschiedlichen thermischen Ausdehnung des thermischen Ausdehnungselements 14 führt eine Temperaturänderung zu einer Verkippung des Filterelements 2 gegenüber dem Grundkörper 5. Deutlich zu erkennen ist in den Figuren, daß auch dies dazu führt, daß sich der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf dem Filterelement 2 entsprechend ändert. Zusätzlich zu erkennen sind hier sowohl die Ausdehnungselemente 7, die dafür sorgen, daß sich bei einer Temperaturänderung die untere Filterebene auf die obere Filterebene zu bewegt bzw. von dieser weg bewegt, und die Ausdehnungselemente 15, die derart angeordnet sind, daß bei einer Temperaturänderung die obere Filterebene gegenüber der unteren Filterebene seitlich verschoben wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß insgesamt gegenüber der dritten Ausführungsform eine geringere Strahlweglänge in der optischen Komponente benötigt wird. Bei der in den Figuren 6 und 7 gezeigten Ausführungsform wird nämlich durch den Spiegel die optische Weglänge des Lichts in der optischen Komponente deutlich vergrößert. Zum Überbrücken dieses größeren Weges muß der Lichtstrahl aber stärker aufgeweitet werden, was eine größere Präzision der Winkelgenauigkeit erfordert. Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform gemäß den Figuren 8 und 9 liegt darin, dass der Auftreffwinkel der ausgehenden Strahlen (nach dem Passieren der Filter) nicht durch das Verkippen der Filter beeinflusst wird, also immer gleich bleibt, wobei nur ein geringer seitlicher Versatz stattfindet.
Ein Verkippen des Filters um den Winkel α bedeutet jedoch für den reflektierten Strahl eine Abweichung um den Winkel 2α gegenüber der vorherigen Richtung, dies wird wiederum kompensiert durch das Verkippen eines gegenüberliegenden Reflektors um den Winkel α, so dass der reflektierte Strahl wieder in der gleichen Richtung wie der Ursprungsstrahl verläuft, wenn auch geringfügig seitlich versetzt.
Wie man insbesondere an der perspektivischen Darstellung der Figuren 7a, 7b erkennt, bestehen die optischen Komponenten der vorliegenden Erfindung im allgemeinen aus spritzgegossenen Formteilen, die im wesentlichen formstabil sind. Diese Formteile sind mit teilweise zwischen den Formteilen angeordneten Abstandselementen zweckmäßigerweise verklebt, wobei die Abstands- elemente 6, 7, 10 eine bewußt gewählte, von der thermischen Ausdehnung der übrigen Formteile abweichende thermische Ausdehnung haben. Die optischen Bauteile, das heißt die optischen Fasern, Kollimatoren, Spiegel und Filter sind an den spritzgegossenen Formteilen in herkömmlicher Weise angeordnet bzw. befestigt. Die Verklebung, vorzugsweise mit Hilfe eines dauerelastischen Klebers, verleiht der Verbindung der Formteile des Grundkörpers 5 mit den Abstandselementen 6, 7, 10 gewisse Gelenkeigenschaften, wobei es gemäß der vorliegenden Erfindung vollständig ausreicht, wenn diese Klebeverbindungen sehr geringe, relative Verkippungen zwischen den einzelnen Gehäuseelementen zulassen, die in der Größenordnung von 1° oder darunter liegen.
Soweit auf beiden Seiten eines Gehäuses dieselben Abstandselemente angeordnet sind, wie z.B. das in Figur 7 erkennbare Element 7, so bewirkt dieses Element 7 lediglich eine Abstandsänderung zwischen den damit verbundenen Formteilen ohne relative Verkippung. Dagegen sind die Abstandselemente 6 und 10 nur einseitig vorgesehen, während auf der gegenüberliegenden Seite jeweils (hier nicht dargestellte) Ausgleichselemente vorgesehen werden können, die aus demselben Material bestehen wie die übrigen Formteile des Grundkörpers 5. Die Abstandselemente 6, 7, 10 können, je nach Anordnung und Anwendungsfall, entweder eine größere oder eine kleinere thermische Ausdehnung haben als die Formteile des Grundkörpers 5, es können auch Elemente mit einer negativen thermischen Ausdehnung gewählt werden. Auf jeden Fall werden die Elemente immer in der Weise angeordnet, daß sich bei einer Erhöhung der Temperatur der Einfallswinkel vergrößert, um die Durchlaßwellenlänge zu kleineren Wellenlängen hin zu verschieben, da gleichzeitig aufgrund der Temperaturerhöhung der Interferenzschicht deren intrinsische Durchlaßwellenlänge größer wird, so daß die beiden gegenläufigen Effekte sich weitgehend oder vollständig kompensieren und die Durchlaßwellenlänge im Ergebnis temperaturunabhängig wird.
Wie bereits erwähnt, sind in allen Figuren und insbesondere auch in Figur 7b die relativen Verkippungen der einzelnen Bauteile stark übertrieben dargestellt, um das Prinzip der vorliegenden Erfindung besser verständlich machen zu können.
Durch die beschriebene Erfindung wird der Effekt der Abhängigkeit der Durchlaßwellenlänge bei Schmalbandfiltern von dem Einfallswinkel geschickt ausgenutzt, um die temperaturabhängige Verschiebung der Durchlaßwellenlänge der Filter zu kompensieren. Die Nachführung des Auftreffwinkels geschieht passiv durch einen geeigneten optischen Aufbau, der sich unter Temperaturveränderung wohldefiniert verhält. Dadurch werden optische Komponenten erzielt, die ein stabileres Paßband über einen größeren Temperaturbereich aufweisen. Daher wird der Betrieb der Komponente über einen viel größeren Temperaturbereich möglich. Die Komponente kann so mit einem weiteren Paßband spezifiziert werden, so daß beispielsweise ein kostengünstiger Laser mit schlechterer Spezifizierung eingesetzt werden kann.
In Figuren 10a und 10b erkennt man einen optischen Filter 2, der an einer Basis bzw. einem Gehäu- se 5 gelagert ist, wobei das Filter 2 an einem Abschnitt des Gehäuses 5 fixiert ist, der über eine als Drehgelenk wirkende Schwachstelle des Gehäusematerials mit dem übrigen Teil des Gehäuses verbunden ist. Auf der anderen Seite ist das Filter 2 indirekt auf einem Stellglied 4 gelagert, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient von dem Material des Gehäuses 5 abweicht. Figuren 10a und 10b zeigen dasselbe Bauelement bei verschiedenen Temperaturen, wobei angenommen ist, daß das Stellglied 4 eine wesentlich stärkere thermische Ausdehnung aufweist als das Material des Gehäuses 5, welches in seinen Abmessungen eher als im wesentlichen unverändert dargestellt ist. Ausgehend von der Anordnung gemäß Figur 10a führt eine Absenkung der Temperatur dazu, daß sich das Stellglied 4 gemäß Figur 10b deutlich verkürzt. Da das Stellglied 4 mit einem Ende des Filters 2 starr verbunden ist, wird dieses abgesenkt und über die starre Verbindung des Filters 2 mit dem gegenüberliegenden Teil des Gehäuses 5 verbiegt sich dieses an dem Festkörpergelenk 17.
Eine konkrete Anwendung solcher Festkörpergelenke ergibt sich aus den Figuren 11a und 11b. Im Falle der Figuren 11a und 11b ist das mittlere Bauteil 5 als starres, festes Gehäuse anzusehen, an welchem mehrere Filter 2 der gezeigten Anordnung montiert sind, um bei einer ersten Temperatur gemäß Figur 11a Wellenlängen A1 , A2, A3 und A4 auszukoppeln. Die jeweils ausgekoppelten Strahlen und auch der reflektierte Ausgangsstrahl werden über Kollimatoren 13' bzw. 13" in Richtung weiterer optischer Fasern oder anderer optischer Komponenten gebündelt. Die Kollimatoren 13, 13' und 13" sind jeweils an eigenen Gehäuseelementen 25, 26 bzw. 27 fest montiert, wobei diese Gehäuseelemente 25, 26, 27 jeweils über Festkörpergelenke 17, 18, 19 an einem Ende mit dem Grundge- häuse 5 verbunden sind, während das andere Ende wiederum über Stellglieder 4 an dem Grundgehäuse 5 gelagert ist. Aufgrund eines wieder von dem Material des Gehäuses 5 deutlich abweichenden thermischen Ausdehnung der Stellglieder 4 werden, wie man durch Vergleich mit Figur 11 b erkennt, die Enden der entsprechenden Gehäuseabschnitte 25, 26, 27 relativ zu dem Grundgehäuse 5 bewegt bzw. verschwingt, wobei die Festkörpergelenke 17, 18, 19 als Drehgelenke dienen. Bei dem Vergleich zwischen den Figuren 11a und 11b erkennt man, daß dabei unter anderem der an dem Gehäuseelement 25 befestigte Kollimator 13 um das Gelenk 17 gedreht wird, was dazu führt, daß sich der Winkel des von dem Kollimator 13 ausgehenden Eingangsstrahles verändert, konkret im Übergang von Figur 11a zu 11b kleiner wird. Dies bedeutet, daß auch der an dem ersten Filter 2 reflektierte Strahl unter einem kleineren Winkel reflektiert wird und auch unter einem kleineren Winkel auf den nächsten Filter auftritt, und so fort. Dabei gleichzeitig auch auf der Ausgangsseite der Filter die Kollimatoren 13' bzw. 13" um ihre jeweiligen Festkörpergelenke 19 bzw. 18 verkippen, wird die Winkeländerung der Ausgangsstrahlen kompensiert, so daß die Kollimatoren 13' bzw. 13" dennoch den jeweiligen Ausgangsstrahl auf die nachfolgenden optischen Komponenten fokussieren, ohne daß eine sonstige Korrektur in der Justierung vorgenommen werden muß.
Bezuαszeichenliste
(1 ) optische Komponente
(2) Bandpaßfilter
(3) Strahl
(4) Umlenkelement
(5) Grundkörper
(6), (7) Ausdehnungselemente
(8) Normale
(9) Kollimationsoptik
(10) Ausdehnungselement
(11 ) Spiegel
(12) Glasfasern
(13) Kollimatoroptik
(14), (15) Ausdehnungselemente

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Temperaturkompensation einer optischen Komponente mit mindestens einem Kanten- oder Bandpaßfilter (2) und einer strahlführenden Optik, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung des Strahls (3) relativ zu dem Kanten- oder Bandpaßfilter (2) in Abhängigkeit von der Temperatur der Komponente verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung des Strahls (3) relativ zu dem Filter (2) derart verändert wird, daß die temperaturbedingte Verschiebung des
Bandpasses mindestens teilweise kompensiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffpunkt des Strahls (3) auf dem Bandpaßfilter (2) in Abhängigkeit von der Temperatur verändert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel des Strahls (3) auf dem Bandpaßfilter (2) in Abhängigkeit von der Temperatur verändert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung des Strahls relativ zu dem Bandpaßfilter passiv erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung des Strahls mit Hilfe mindestens zweier Glieder (5, 6) mit unterschiedlichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umlenkelement (4) der strahlführenden Optik gegenüber dem zumindest einen Bandpaßfilter (2) verkippt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zweier in Strahlrichtung aufeinanderfolgender Bandpaßfilter (2) in Abhängigkeit von der Temperatur verändert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine hinter dem Bandpaßfilter (2) angeordnete Kollimationsoptik (9) in Abhängigkeit von der Temperatur relativ zu dem Bandpaßfilter (2) bewegt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Bandpaßfilter (2) in Abhängigkeit von der Temperatur relativ zu einem Grundkörper (5) der optischen Komponente verkippt wird.
11. Optische Komponente mit zumindest einem Kanten- oder Bandpaßfilter (2) mit einer von der Temperatur der Komponente (1 ) bzw. des Filters (2) abhängigen Charakteristik und einer strahlführenden Optik, die dafür vorgesehen ist, einen Strahl (3) durch die Komponente (1) zu führen, und mit einem Grundkörper (5), der mit dem F ilter (2) und der strahlführenden Optik verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung für die Veränderung der Ausrichtung des Strahls (3) relativ zu dem Filter (2) vorgesehen ist.
12. Optische Komponente nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Veränderung des Auftreffpunktes des Strahls (3) auf dem Bandpaßfilter (2) vorgesehen ist.
13. Optische Komponente nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Veränderung des Einfallswinkels des Strahls (3) auf dem Bandpaßfilter (2) vorgesehen ist.
14. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung passiv ist.
15. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umlenkelement (4) vorgesehen ist, das relativ zu dem mindestens einen Bandpaßfilter (2) bewegbar, vorzugsweise schwenkbar ist.
16. Optische Komponente nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (4) Teil einer Kollimatoroptik (13) ist.
17. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (4) und/oder der Bandpaßfilter (2) über ein Element (6, 14), das eine von dem Grundkörper (5) verschiedene thermische Ausdehnung zeigt, mit dem Grundkörper verbunden ist.
18. Optische Komponente nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (4) und/oder der Bandpaßfilter (2) im wesentlichen an zwei voneinander beabstandeten Bereichen, vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten, mit dem Grundkörper (5) verbunden ist, wobei ein Bereich über ein Element, das eine von dem Grundkörper verschiedene thermische Ausdehnung zeigt, mit dem Grundkörper verbunden ist.
19. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Bandpaßfilter (2) und eine Einrichtung (7) zur Veränderung des Abstandes zweier in Strahlrichtung aufeinanderfolgender Bandpaßfilter vorgesehen sind.
20. Optische Komponente nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) zur Veränderung des Abstandes zweier in Strahlrichtung aufeinanderfolgender Bandpaßfilter (2) aus mindestens einem Element (7) mit einem zu dem Grundkörper (5) unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten besteht, über das mindestens zwei in Strahlrichtung aufeinanderfolgende Bandpaßfilter (2) miteinander verbunden sind.
21. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Empfangskollimatoroptik (9) hinter einem Bandpaßfilter (2) ebenfalls mit dem Grundkörper (5) verbunden ist und eine Einrichtung zum Verkippen der Empfangskollimatoroptik vorgesehen ist.
22. Optische Komponente nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Empfangskollimatoroptik (9) mit einem Halteelement verbunden ist, das im wesentlichen an zwei voneinander beabstandeten Bereichen, vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten, mit dem Grundkörper verbunden ist, wobei ein Bereich über ein Element (10), das eine vom Grundkörper (5) verschiedene thermische Ausdehnung zeigt, mit dem Grundkörper
(5) verbunden ist.
23. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Komponente eine WDM-Komponente, besonders bevorzugt eine DWDM- Komponente ist.
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