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DE10014644A1 - Optisches Modul zur Wellenlängen-Referenzmessung in WDM-Systemen - Google Patents

Optisches Modul zur Wellenlängen-Referenzmessung in WDM-Systemen

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DE10014644A1
DE10014644A1 DE10014644A DE10014644A DE10014644A1 DE 10014644 A1 DE10014644 A1 DE 10014644A1 DE 10014644 A DE10014644 A DE 10014644A DE 10014644 A DE10014644 A DE 10014644A DE 10014644 A1 DE10014644 A1 DE 10014644A1
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Germany
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bragg grating
fiber bragg
light
opening
optical
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Hans-Ludwig Althaus
Karl-Heinz Schlereth
Joachim Reill
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Infineon Technologies AG
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Ein optisches Modul zur Wellenlängen-Referenzmessung weist im wesentlichen einen Lichtwellenleiter (7) mit integriertem Faser-Bragg-Gitter (8) auf, welches ein Transmissionsmaximum bei einer gewünschten Wellenlänge aufweist. Dem Faser-Bragg-Gitter (8) ist ein Photoempfänger (10) zum Empfang des durch das Faser-Bragg-Gitter (8) hindurchgetretenen Meßstrahlungsbündels nachgeordnet. Gewünschtenfalls kann durch einen Strahlteiler (5) ein Referenzstrahlungsbündel erzeugt werden, das in einem weiteren Photoempfänger (6) detektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Modul zur Wellenlängen- Referenzmessung in Lichtleitfasersystemen nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich somit ins­ besondere auf optische Multiplexer-/Demultiplexer-Systeme oder sogenannte WDM-(wavelength division multiplex)Systeme, bei denen stets eine Mehrzahl von unterschiedlichen Wellen­ längen in beiden Richtungen eines Lichtwellenleiterkabels übertragen werden. In derartigen Systemen ist es von großer Bedeutung, die vorgegebenen Wellenlängen exakt einzuhalten, um eine einwandfreie Kanaltrennung zu ermöglichen. In Laser­ modulen für WDM-Systeme muß daher eine möglichst exakte Wel­ lenlängen-Referenzmessung durchgeführt werden. Für gekühlte WDM-Lasermodule ist es notwendig, die Laserstrahlquellen, also in der Regel Halbleiterlaser, auf eine Wellenlänge von ±50 µm genau zu messen und einzuregeln. Diese Bedingung muß über den gesamten Temperaturbereich und der Lebensdauer des Lasermoduls garantiert werden.
Bei den bisher verwendeten Meßeinrichtungen für die Wellen­ längen-Referenzmessung wurden Etalon-Filter oder Fabry-Perot- Filter eingesetzt. Diese Filter sind derart aufgebaut, daß zwei optische Lichtleitfasern sich mit ihren Endflächen ge­ genüberliegen, so daß die Endflächen einander parallel sind und somit ein Fabry-Perot-Resonator zwischen den Endflächen gebildet wird. Die wellenlängenabhängige Transmission eines derartigen Fabry-Perot-Resonators wird durch die sogenannte Airy-Funktion beschrieben, die im wesentlichen von der Reso­ natorlänge, dem Brechungsindex und dem Absorptionskoeffizien­ ten des zwischen den Resonatorspiegeln befindlichen Materials und der Wellenlänge bestimmt wird. Diese Parameter können so eingestellt werden, daß sich relativ schmalbandige Transmissionsbanden ergeben, die relativ weit voneinander beabstandet sind. In der EP 0 715 429 A2 wird ein WDM-Modul beschrieben, bei der derartige Faser-Fabry-Perot-Filter zum Einsatz kom­ men. Die darin verwendeten Filter können darüber hinaus durch piezogesteuerte Verschiebung einer der Resonatorendflächen und damit Variation der Resonatorlänge abgestimmt werden.
Die beschriebenen Fabry-Perot-Filter haben jedoch den Nach­ teil, daß sie eine relativ hohe Abhängigkeit zwischen der re­ lativen Winkelstellung der Resonatorendflächen und dem ein­ fallenden Strahlungsbündel und der Filterkurve aufweisen.
Es ist demgemäß Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein opti­ sches Modul zur Wellenlängen-Referenzmessung in Lichtleitfa­ sersystemen anzugeben, welches im Vergleich mit konventionel­ len Meßeinrichtungen geringere Anforderungen an die mechani­ sche Stabilität stellt, ohne dabei an Präzision der Wellen­ längen-Referenzmessung zu verlieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein optisches Modul zur Wellenlängen-Referenzmessung insbesondere in Lichtleitfaser­ systemen, enthaltend
  • - einen im Strahlengang eines eingekoppelten Strahlungs­ bündels angeordneten Lichtwellenleiter mit integriertem Faser-Bragg-Gitter, welches ein Transmissionsmaximum bei einer gewünschten Wellenlänge aufweist und
  • - mindestens einen dem Faser-Bragg-Gitter nachgeordneten Photoempfänger zum Empfang des durch das Faser-Bragg- Gitter hindurchgetretenen Strahlungsbündels.
In Lichtleitfasern integrierte Faser-Bragg-Gitter sind an sich im Stand der Technik bekannt. Bei der vorliegenden Er­ findung wird jedoch ein Faser-Bragg-Gitter erstmals als wellenlängenselektives Filter für die Wellenlängen-Referenzmes- Sung eingesetzt. Ein Faser-Bragg-Gitter, das in eine Single- Mode-Faser in geeigneter Länge eingebracht wird, kann die notwendige Filtereigenschaft (Filter-Charakteristik) bei der Gitterherstellung dauerhaft und zuverlässig festgelegt wer­ den. Damit ist die Filtereigenschaft nicht mehr von dem Auf­ bau des gesamten Modules abhängig und kann damit auch ent­ sprechend kostengünstig realisiert werden. Darüber hinaus ist einzig durch das entsprechende Faser-Bragg-Gitter die jeweils gewünschte Wellenlänge auszuwählen und festzulegen. Die beim Stand der Technik aufgrund der Verwendung der Fabry-Perot- Filter auftretenden mechanischen Toleranzprobleme können mit Faser-Bragg-Gittern umgangen werden. Bei Faser-Bragg-Gittern ist der vielschichtige Resonator in die Lichtleitfaser einge­ arbeitet, womit eine Verdrehung des Faser-Bragg-Resonators gegenüber der Strahlrichtung automatisch ausgeschlossen wird. Mit Faser-Bragg-Gittern aufgebaute Wellenlängen-Referenzmeß­ einheiten haben somit eine geringere Anforderung an die me­ chanische Stabilität im Vergleich zu konventionellen Aufbau­ ten. Dies wirkt sich auf die verwendeten Materialien und den Herstellungsaufwand sehr positiv aus.
Ein bevorzugter Aufbau eines erfindungsgemäßen Moduls enthält
  • - einen im Strahlengang der eingekoppelten Lichtstrahlung angeordneten Strahlteiler zur Erzeugung zweier Lichtwe­ ge;
  • - einen ersten Lichtweg, an dessen Ende ein erster Photo­ empfänger zur Erzeugung eines Referenzsignals vorgesehen ist;
  • - einen zweiten Lichtweg, an dessen Ende ein zweiter Pho­ toempfänger zur Erzeugung eines Meßsignals vorgesehen ist und in dem der Lichtwellenleiter mit integriertem Faser-Bragg-Gitter angeordnet ist, und
  • - eine elektrische Detektionsschaltung, der die Ausgangs­ signale der Photoempfänger zugeführt werden und die durch Vergleich der Ausgangssignale feststellt, ob die eingekoppelte Lichtstrahlung im Bereich der gewünschten Wellenlänge liegt.
Bei diesem Aufbau des erfindungsgemäßen Moduls ist vorzugs­ weise im zweiten Lichtweg zwischen dem Strahlteiler und dem Faser-Bragg-Gitter eine Sammellinse, insbesondere eine Kugel­ linse, zur Fokussierung des parallelen Strahlungsbündels in das Faser-Bragg-Gitter angeordnet.
Für den Aufbau eines erfindungsgemäßen Moduls können in be­ sonders rationeller Weise vorhandene Komponenten in einem ab­ gewandelten BIDI-Modul-Gehäuse realisiert werden. Ein solches Modulgehäuse weist einen Modulhauptkörper auf, an dessen ei­ nem Ende die Faseranschlußöffnung angeordnet ist, und an des­ sen gegenüberliegendem Ende eine erste ausgangsseitige Öff­ nung und in einer Seitenwand eine zweite ausgangsseitige Öff­ nung angeordnet ist. Das Faser-Bragg-Gitter wird derart in das Modul integriert, indem der Lichtleiter mit dem inte­ grierten Faser-Bragg-Gitter in einer ersten zylindrischen Hülse befestigt wird, die koaxial mit dem zweiten Lichtweg auf dem Öffnungsrand der ersten ausgangsseitigen Öffnung des Modulgehäuses befestigt wird, und indem der zweite Photo­ empfänger in dem äußeren Ende einer zweiten zylindrischen Hülse befestigt wird, die koaxial mit dem zweiten Lichtweg die erste zylindrische Hülse umschließend auf dem Öffnungs­ rand der ersten ausgangsseitigen Öffnung befestigt wird.
Zusätzlich kann das Modulgehäuse mit einer äußeren Tempera­ turstabilisierung durch einen Kühler oder ein Heizelement versehen werden.
Im folgenden wird ein einziges Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Moduls anhand der Zeichnungsfigur näher erläu­ tert.
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Modul in einem Längsschnitt dargestellt.
Das erfindungsgemäße Modul gemäß der Figur ist aus einem ab­ gewandelten BIDI-Modulgehäuse hergestellt. Es weist einen Mo­ dulhauptkörper 1 auf, der lichtein- und -austrittsseitige Öffnungen besitzt, zwischen denen optische Lichtwege reali­ siert werden können. In der Figur auf der rechten Seite be­ findet sich eine Faseranschlußöffnung, an der eine Lichtleit­ faser 2 angekoppelt werden kann. Die Lichtleitfaser befindet sich an ihrem modulseitigen Ende innerhalb eines Faserflan­ sches 3, der an einer Stirnfläche des Modulhauptkörpers 1 durch eine umlaufende Laserschweißnaht mit dem Modulhauptkör­ per 2 verbunden ist.
Das aus der Lichtleitfaser 2 austretende Strahlungsbündel wird durch eine erste Kugellinse 4 parallelisiert. Anschlie­ ßend trifft das parallelisierte Strahlungsbündel auf einen in dem Modulhauptkörper 1 gehalterten 3 dB-Strahlteiler 5, an welchem es in zwei Teilbündel gleicher Intensität aufgespal­ ten wird. Ein erstes Teilbündel - das Referenzstrahlungsbün­ del - wird um einen rechten Winkel an dem Strahlteiler 5 um­ gelenkt und trifft anschließend auf die Empfangsfläche einer ersten Photodiode 6 auf. Ein zweites Teilbündel - das Meß­ strahlungsbündel - tritt durch den Strahlteiler 5 hindurch.
Das Meßstrahlungsbündel wird anschließend einem Lichtwellen­ leiter 7 mit integriertem Faser-Bragg-Gitter 8 zugeführt. Mit einer zweiten Kugellinse 9 wird dabei das zweite Strahlungs­ bündel in das Faser-Bragg-Gitter 8 fokussiert. Nach dem Durchtritt durch den Lichtwellenleiter 7 mit dem integrierten Faser-Bragg-Gitter 8 trifft das Meßstrahlungsbündel auf die Empfangsfläche einer zweiten Photodiode 10 auf.
Das Faser-Bragg-Gitter 8 ist in an sich bekannter Weise her­ gestellt und weist eine wellenlängenabhängige Transmission mit einem Transmissionsmaximum bei einer vorgegebenen Wellen­ länge auf. Die Ausgangssignale der beiden Photodioden 6 und 10 werden einer geeigneten elektrischen Detektionsschaltung zugeführt, die durch Vergleich der Ausgangssignale fest­ stellt, ob die Wellenlänge der eingekoppelten Lichtstrahlung im Transmissionsmaximum des Faser-Bragg-Gitters 8 liegt.
Der Lichtwellenleiter 7 wird zur Befestigung an dem Modul­ hauptkörper 1 zuerst in eine Hülse 11 eingesetzt und fest mit dieser verbunden. Diese wird derart mit ihrer Stirnfläche auf dem Öffnungsrand der ersten lichtausgangsseitigen Öffnung des Modulhauptkörpers 1 befestigt, daß sie mit dem Strahlengang des Meßstrahlungsbündels koaxial ist und das Meßstrahlungs­ bündel optimal in dem Lichtwellenleiter 7 und dem Faser- Bragg-Gitter 8 geführt werden kann. Die Photodiode 10 ist in dem äußeren Ende einer zweiten Hülse 12 gehaltert, deren In­ nendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser der ersten Hülse 11 und die an ihrer gegenüberliegenden Stirnseite glei­ chermaßen mit dem Öffnungsrand der ersten lichtausgangsseiti­ gen Öffnung des Modulhauptkörpers 1 verbunden ist. Letzteres kann wiederum durch Laserschweißen erreicht werden, wodurch eine umlaufende Schweißnaht erzeugt wird.
Vorzugsweise weist der Lichtwellenleiter 7 an seinem dem Mo­ dulhauptkörper 1 zugewandten Ende einen Vorsprung mit abge­ schrägter Lichteintrittsfläche auf. Dieser Vorsprung wird bei der Befestigung in eine Ausnehmung entsprechender Größe in der ersten lichtausgangsseitigen Öffnung des Modulhauptkör­ pers 1 eingesetzt.
Die zweite lichtausgangsseitige Öffnung des Modulhauptkörpers 1 dient der Aufnahme und Befestigung der ersten Photodiode 6 und ist in einer Seitenwand des Modulhauptkörpers 1 geformt. Die zweite Photodiode 6 ist in an sich bekannter Weise in ei­ ne kurze metallische Hülse eingesetzt, die an dem Öffnungs­ rand der zweiten lichtausgangsseitigen Öffnung durch Schweißen, vorzugsweise wiederum durch einen Laserschweißvorgang, befestigt ist.
Für das erfindungsgemäße Modul ist auch ein anderer Aufbau möglich, bei welchem das Faser-Bragg-Gitter 8 in einem geeig­ neten PLC-Board integriert ist.
Theoretisch denkbar ist auch, daß nur eine einzelne Photo­ diode zur Detektion des durch das Faser-Bragg-Gitter hin­ durchgetretenen Strahlungsbündels verwendet wird und die Wel­ lenlänge der eingekoppelten Lichtstrahlung auf das Maximum des Ausgangssignals der Photodiode geregelt wird. In diesem Fall kann auf den Strahlteiler verzichtet werden und der Mo­ dulhauptkörper kann einfacher geformt werden.
Zusätzlich kann eine Temperaturstabilisierung vorgesehen sein, indem beispielsweise auf der Oberfläche des Lichtwel­ lenleiters 7 ein Temperatursensor angeordnet ist und ein an das Modulgehäuse gesetzte Kühlelement, wie ein Peltier- Element, dafür sorgt, daß eine konstante Temperatur aufrecht­ erhalten wird. Alternativ kann auch die Temperaturstabilisie­ rung durch eine digitale Regelung bei bekannter Filterkurve umgangen werden.

Claims (5)

1. Optisches Modul zur Wellenlängen-Referenzmessung, insbe­ sondere in Lichtleitfasersystemen, enthaltend
  • - einen im Strahlengang eines eingekoppelten Strahlungs­ bündels angeordneten Lichtwellenleiter (7) mit inte­ griertem Faser-Bragg-Gitter (8), welches ein Transmissi­ onsmaximum bei einer gewünschten Wellenlänge aufweist und
  • - mindestens einen dem Faser-Bragg-Gitter (8) nachgeordne­ ten Photoempfänger (10) zum Empfang des durch das Faser- Bragg-Gitter (8) hindurchgetretenen Strahlungsbündels.
2. Optisches Modul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
  • - einen im Strahlengang der eingekoppelten Lichtstrahlung angeordneten Strahlteiler (5) zur Erzeugung zweier Lichtwege;
  • - einen ersten Lichtweg, an dessen Ende ein erster Photo­ empfänger (6) zur Erzeugung eines Referenzsignals vorge­ sehen ist;
  • - einen zweiten Lichtweg, an dessen Ende ein zweiter Pho­ toempfänger (10) zur Erzeugung eines Meßsignals vorgese­ hen ist und in dem der Lichtwellenleiter (7) mit inte­ griertem Faser-Bragg-Gitter (8) angeordnet ist, und
  • - eine elektrische Detektionsschaltung, der die Ausgangs­ signale der Photoempfänger (6, 10) zugeführt werden und die durch Vergleich der Ausgangssignale feststellt, ob die eingekoppelte Lichtstrahlung im Bereich der ge­ wünschten Wellenlänge liegt.
3. Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
- der Modulhauptkörper (1) eine Faseranschlußöffnung, eine der Faseranschlußöffnung gegenüberliegenden erste licht­ ausgangsseitige Öffnung und eine zweite lichtausgangs­ seitige Öffnung aufweist,
  • - der Lichtwellenleiter (7) mit dem integrierten Faser- Bragg-Gitter (8) in einer ersten zylindrischen Hülse (11) befestigt ist, die koaxial mit der optischen Achse des zweiten Lichtwegs auf dem Öffnungsrand der ersten lichtausgangsseitigen Öffnung befestigt ist, und
  • - der zweite Photoempfänger (10) in dem äußeren Ende einer zweiten zylindrischen Hülse (12) befestigt ist, die koa­ xial mit der optischen Achse des zweiten Lichtwegs die erste zylindrische Hülse (11) umschließend auf dem Öff­ nungsrand der ersten lichtausgangsseitigen Öffnung befe­ stigt ist.
4. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - im zweiten Lichtweg zwischen dem Strahlteiler (5) und dem Faser-Bragg-Gitter (8) eine Sammellinse (9), insbe­ sondere eine Kugellinse, zur Fokussierung des parallelen Strahlungsbündels in das Faser-Bragg-Gitter (8) angeord­ net ist.
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