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DE69316063T2 - Wellenlängenmultiplexer, insbesondere für optisches integriertes System - Google Patents

Wellenlängenmultiplexer, insbesondere für optisches integriertes System

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DE69316063T2
DE69316063T2 DE69316063T DE69316063T DE69316063T2 DE 69316063 T2 DE69316063 T2 DE 69316063T2 DE 69316063 T DE69316063 T DE 69316063T DE 69316063 T DE69316063 T DE 69316063T DE 69316063 T2 DE69316063 T2 DE 69316063T2
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Description

  • Die Verwendung optoelektronischer integrierter Schaltungen ermöglicht eine Erhöhung der Informationskapazität der optischen Übertragungen mittels der Wellenlängenmultiplextechnik. Jedoch ist der hierfür nutzbare Wellenlängenbereich im allgemeinen aus mindestens zwei Gründen begrenzt: die Notwendigkeit, die Wellenlängen unter den verschiedenen Arten von Systemanwendungen aufzuteilen (direkte oder kohärente Erkennung, lokales Netz oder Fernübertragungen etc...), und der Vorteil, der bestehen kann, wenn man innerhalb des Durchlaßbereichs der verfügbaren optischen Verstärker arbeitet (Verstärker mit Lichtleitfasern, die mit seltenen Erden dotiert sind, Halbleiterverstärker etc...).
  • Das Problem, das sich bei der Erhöhung der Kapazität der die Wellenlängenmultiplextechnik verwendenden Übertragungssysteme allgemein stellt, ist also das Einfügen einer maximalen Zahl von Kanälen innerhalb eines vorgegebenen Spektralbereichs. Dies verlangt, daß der Abstand zwischen Kanälen verringert wird. Diese Verringerung muß zugleich seitens des Senders (Multiplexierung) und seitens des Empfängers (Demultiplexierung) erfolgen.
  • Ein aus der EP-A-0 393 372 bekannter Multiplexer weist eine lichtstreuende Anordnung auf, die ein Beugungsgitter bildet und angeordnet ist, wie dies in dem Oberbegriff des nachstehenden Anspruchs 3 beschrieben ist.
  • Derartige Beugungsgitter sind unter der Bezeichnung Fresnelscher Doppelspiegel bekannt. Es ist auch bekannt, daß sich die Injektionspunkte, das Beugungsgitter und der Eingang des Ausgangsleiters vorzugsweise auf einem selben Kreis befinden sollten, dem sogenannten "Rowlandschen Kreis".
  • Wenn man die Zahl der von einem solchen Multiplexer zusammengefaßten Spektralkanäle erhöhen möchte, ohne die Breite des gesamten Bandes zu vergrößern, was es erforderlich macht, den Abstand zwischen benachbarten Kanälen zu verringern, und dies ohne die Erzeugung eines störenden Nebensprechens zwischen diesen Kanälen, dann scheint es notwendig, das spektrale Auflösungsvermögen des verwendeten Beugungsgitters zu erhöhen.
  • Verschiedene Lösungen sind für dieses Problem in Betracht gezogen worden. Eine besteht darin, die Brennweite des Beugungsgitters zu vergrößern. Sie zwingt dazu, im gleichen Verhältnis die Abmessungen der den Multiplexer bildenden Platte zu vergrößern, was einen großen Nachteil bei den Telekommunikationsanwendungen darstellt.
  • Die andere besteht darin, den Gitterabstand zu verringern. Sie trifft auf eine technologische Grenze, die von den Verfahren vorgegeben wird, welche sich zum Ätzen des Gitters verwenden lassen. Diese Grenze hängt von dem Material ab, aus dem die Platte besteht. Sie ist weiter entfernt für die Systeme aus GaInAsP-Werkstoffen als für das SiO&sub2;/Si-System. Letzteres besitzt jedoch Kostenvorteile und den Vorteil der einfachen Integration. Unabhängig vom verwendeten Material ist es wünschenswert, das Auflösungsvermögen des Multiplexers zu erhöhen, das heißt, den spektralen Abstand zu verringern, der zwischen benachbarten Kanälen eingehalten werden muß, um ein störendes Nebensprechen zu vermeiden.
  • Die vorliegende Erfindung zielt insbesondere darauf ab, die Zahl der Spektralkanäle, die zu einem vorbestimmten Spektralband gehören und sich von einem Multiplexer von begrenzten Abmessungen zusammenfassen lassen, zu erhöhen, ohne ein störendes Nebensprechen auftreten zu lassen.
  • Zu diesem Zweck hat sie insbesondere einen Wellenlängenmultiplexer für ein optisches integriertes System zum Gegenstand, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er mehrere lichtstreuende Anordnungen aufweist, um jeweils mehrere Wellengruppen auf mehrere Eingänge eines selben Ausgangsleiters zu fokussieren, wobei diese Gruppen durch Verschachtelung der Wellenlängen der zu multiplexenden Wellen gebildet werden.
  • Es versteht sich, daß die Zahl der lichtstreuenden Anordnungen zwei, drei oder größer sein kann. Bei drei zum Beispiel fokussiert ein erstes Gitter die Wellen mit dem Rang 3k+1, ein zweites jene mit dem Rang 3k+2 und das dritte jene mit dem Rang 3k+3, wobei k eine ab Null steigende ganze Zahl ist. Allgemeiner ausgedrückt: Wenn die zu multiplexenden Wellen jeweilige Ränge besitzen, die der Abfolge ihrer Wellenlängen entsprechen, und wenn die lichtstreuenden Anordnungen in einer Zahl H vorhanden sind und jeweilige Nummern aufweisen, dann fokussiert jede lichtstreuende Anordnung die Wellen, deren Rang ihrer Nummer Modulo H entspricht.
  • Mittels der beigefügten schematischen Figuren wird nachstehend in Form eines nicht einschränkenden Beispiels genauer beschrieben, wie die vorliegende Erfindung umgesetzt werden kann. Wenn eine gleiche lichtstreuende Anordnung in mehreren Figuren dargestellt ist, ist sie dort mit einen gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Figur 1 stellt eine Draufsicht auf einen Multiplexer gemäß dieser Erfindung dar, der zwei Fresnelsche Doppelspiegel aufweist, die jeweils zwei Multiplexkanälen entsprechen.
  • Figur 2 stellt eine Schnittansicht dieses Multiplexers entlang der Linie II-II von Figur 1 dar.
  • Figur 3 stellt eine Schnittansicht dieses Multiplexers entlang der Linie III-III von Figur 1 dar.
  • Figur 4 stellt eine Schnittansicht dieses Multiplexers entlang der Linie IV-IV von Figur 1 dar.
  • Der als Beispiel gegebene Multiplexer besitzt die Form einer Platte 2, die eine Leitungsschicht 4 aufweist, welche zwischen zwei Begrenzungsschichten 6, 8 angeordnet ist, wobei diese Leitungsschicht leitende Bereiche umfaßt, in denen sie einen Brechungsindex aufweist, der größer ist als jener der Begrenzungsschichten, um entlang ihrer Ebene Lichtwellen zu leiten, welche multiplexerinterne Wellen darstellen.
  • Allgemein weist dieser Multiplexer die folgenden lichtstreuenden Anordnungen auf:
  • - Einen leitenden Bereich, der eine leitende Fläche 10 bildet, die sich in zwei Dimensionen erstreckt und von einem Rand 12 begrenzt wird, um den internen Wellen zu gestatten, sich in verschiedenen Richtungen dieser Ebene von diesem Rand weg und zu diesem Rand hin fortzupflanzen.
  • - Einen linearen Ausgangsleiter 14, welcher aufweist: eine Weiche 22, einen Eingang 16A und einen Eingang 16B, die jeweils einen Punkt des Randes 12 besetzen, um aus dieser leitenden Fläche kommende interne Wellen zu empfangen und um sie entlang der Richtung dieses Leiters weiterzuleiten. Dieser Ausgangsleiter verbindet diese Eingänge mit einem Multiplexerausgang 18, um eine zusammengesetzte Welle dorthin zu führen, die sich aus der Überlagerung der internen Wellen ergibt, die er empfangen hat.
  • - Zwei begrenzte Abschnitte des Randes 12, die eine periodische Folge lichtbeugender Punkte aufweisen, um für die internen Wellen, die sich zu diesen Abschnitten hin fortpflanzen, zwei Beugungsgitter 20A und 20B zu bilden, welche imstande sind, diese Wellen in Richtungen, die von ihrer Wellenlänge abhängen, in die leitende Fläche 10 zurückzusenden. Diese Gitter sind konkav, um eine Fokussierung dieser Wellen zu ermöglichen.
  • - Schließlich eine Mehrzahl von Lichtinjektoren J1...JN für den ersten Multiplexkanal und eine Mehrzahl von Lichtinjektoren K1,...,KN für den zweiten Kanal. Diese Injektoren werden von der Platte 2 getragen, um jeweils eine interne Welle von einem Injektionspunkt P1,...PN bzw. Q1,...QN, der zum Rand 12 gehört, in die leitende Fläche 10 in Richtung auf die Beugungsgitter 20A bzw. 20B zu injizieren.
  • Diese Gitter führen jeweils eine Fokussierung dieser Wellen auf den Eingang 16A und den Eingang 16B des Aus gangsleiters und eine Injektion dieser Wellen in diesen Leiter durch. Bei jedem Kanal bilden die Wellenlängen dieser internen Wellen eine Mehrzahl, die in jeweiliger Übereinstimmung mit der Mehrzahl von Injektoren dieses Kanals gestaffelt ist. Die Injektionspunkte jedes Kanals sind in jeweiliger Übereinstimmung mit dieser Mehrzahl von Wellenlängen gestaffelt, um die Fokussierung jeder dieser internen Wellen auf den diesem Kanal entsprechenden Eingang des Ausgangsleiters sicherzustellen.
  • Die beiden Multiplexkanäle haben die leitende Fläche und den Ausgang des Multiplexers 18 gemeinsam. Jeder Multiplexkanal besitzt seine eigenen Lichtinjektoren, sein eigenes Beugungsgitter und einen eigenen Eingang des Ausgangsleiters 14. Die Injektionspunkte der beiden Multiplexkanäle sind so gewählt, daß sich die Wellenlängen, die den Injektionspunkten eines dieser Kanäle entsprechen, zwischen die Wellenlängen einfügen, die den Injektionspunkten des anderen Kanals entsprechen.
  • Die Wellenlängen der zu multiplexenden Wellen bilden eine im wesentlichen regelmäßige Folge, in der jede Wellenlänge von einer benachbarten Wellenlänge durch ein Intervall getrennt ist, das durch die Spektraldichte eines Übertragungsnetzes festgelegt wird, in dem der Multiplexer verwendet wird. Diese Folge definiert einen Rang 1...2N für jede Wellenlänge. Jeder Injektionspunkt PX, QY besitzt einen Rang 2X-1, 2Y, der mit dem Rang der entsprechenden Wellenlänge übereinstimmt. Der eine und der andere der zwei Multiplexkanäle bilden jeweils einen ungeraden Kanal J1...JN, 20A, 16A, dessen Injektionspunkte P1...PN ungerade Ränge besitzen, und einen geraden Kanal K1...KN, 20B, 16B, dessen Injektionspunkte Q1...QN gerade Ränge besitzen. Hierdurch entspricht der Abstand zwischen den Wellenlängen zweier interner Wellen, die von einem selben Beugungsgitter fokussiert werden, immer im wesentlichen wenigstens dem Doppelten des festgelegten Intervalls.
  • Insbesondere bestehen die leitenden Schichten, die untere Begrenzungsschicht 8 und die obere Begrenzungsschicht 6 aus Siliciumdioxid, wobei dieses Siliciumdioxid mit Phosphor dotiert ist, um die leitenden Bereiche zu bilden. Sie sind auf ein Siliciumsubstrat 30 aufgebracht. Die untere Begrenzungsschicht 8 ist punktiert dargestellt, um ihre Unterscheidung zu ermöglichen.
  • Zwecks leichterer Verständlichkeit ist der Rand 12 der leitenden Fläche deckungsgleich mit dem Rowlandschen Kreis dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß sich in der Praxis dieser Rand darüber hinaus erstrecken kann, zum Beispiel bis zum Rand der Platte 2, in einiger Entfernung von den Injektionspunkten, den Beugungsgittern und den Eingängen des Ausgangsleiters.
  • Die Lichtinjektoren sind lineare Leiter, die in der Leitungsschicht ausgebildet sind. Sie werden von GaInAsP/InP-Lasern gespeist, die an den Boden von in die Platte gravierten Aussparungen geschweißt sind.
  • Der Ausgangsleiter 14 ist ebenfalls in der Leitungsschicht ausgebildet. Er kann jedoch aus einer Y-förmigen Lichtleitfaserverbindung bestehen. Er ist an eine Lichtleitfaser 32 angeschlossen, die als Anschlußfaser bezeichnet wird und auf eine in die Platte 20 gravierte Abflachung 34 geklebt ist.
  • Die oben beschriebenen Fresnelschen Doppelspiegel könnten durch andere lichtstreuende Anordnungen wie sogenannte geodätische Linsenkombinationen und sogenannte geodätische Prismen ersetzt werden.
  • Im übrigen ist wohlbekannt, daß sich ein Multiplexer zur Bildung eines Demultiplexers verwenden läßt.

Claims (4)

1. Wellenlängenmultiplexer insbesondere für ein optisches integriertes System, der mehrere Injektoren (J1...JN) aufweist, die mehrere Wellen injizieren, welche jeweils mehrere Wellenlängen aufweisen, wobei dieser Multiplexer außerdem eine lichtstreuende Anordnung aufweist, die diese Wellen beugt und fokussiert, um sie dank einer jeweiligen Übereinstimmung zwischen den Positionen dieser Injektoren und diesen Wellenlängen in einen selben Ausgangsleiter zu injizieren, wobei dieser Multiplexer dadurch gekennzeichnet ist, daß jeweils mehrere lichtstreuende Anordnungen (20A, 20B) mehrere Wellengruppen auf mehrere Eingänge (16A, 16B) des Ausgangsleiters (14) fokussieren, wobei diese Gruppen eine gegenseitige Verschachtelung der Wellenlängen ihrer Wellen aufweisen.
2. Multiplexer nach Anspruch 1, bei dem die zu multiplexenden Wellen jeweilige Ränge besitzen, die der Abfolge ihrer Wellenlängen entsprechen, und die lichtstreuenden Anordnungen (20A, 20B) in einer Zahl H vorhanden sind und jeweilige Nummern aufweisen, wobei jede lichtstreuende Anordnung die Wellen, deren Rang ihrer Nummer Modulo H entspricht, fokussiert.
3. Wellenlängenmultiplexer für ein optisches integriertes System, wobei dieser Multiplexer die Form einer Platte (2) besitzt, die eine Leitungsschicht (4) aufweist, welche zwischen zwei Begrenzungsschichten (6, 8) angeordnet ist; wobei diese Leitungsschicht leitende Bereiche umfaßt, die einen Brechungsindex aufweisen, der größer ist als jener der Begrenzungsschichten, um entlang ihrer Ebene Lichtwellen zu leiten, welche multiplexerinternewellen darstellen; wobei dieser Multiplexer einen Multiplexkanal aufweist, der seinerseits aufweist:
- einen leitenden Bereich, der eine leitende Fläche (10) bildet, die sich in zwei Dimensionen erstreckt und von einem Rand (12) begrenzt wird, um den internen Wellen zu gestatten, sich in verschiedenen Richtungen dieser Ebene von diesem Rand weg und zu diesem Rand hin fortzupflanzen.
- einen linearen Ausgangsleiter (14), welcher einen Eingang 16A aufweist, der einen Punkt des Randes besetzt, um die aus dieser leitenden Fläche kommenden internen Wellen zu empfangen und um sie entlang der Richtung dieses Leiters weiterzuleiten, wobei dieser Ausgangsleiter diesen Eingang mit einem Multiplexerausgang (18) verbindet, um eine zusammengesetzte Welle dorthin zu führen, die sich aus der Überlagerung der internen Wellen ergibt, die er empfangen hat;
- einen begrenzten Abschnitt des Randes, der eine lichtstreuende Anordnung aufweist, die von einer periodischen Folge lichtbeugender Punkte gebildet wird, um für die internen Wellen, die sich zu diesem Abschnitt hin fortpflanzen, ein Beugungsgitter (20A) zu bilden, das imstande ist, diese Wellen in Richtungen, die von ihrer Wellenlänge abhängen, in die leitende Fläche (10) zurückzusenden, wobei dieses Gitter konkav ist, um eine Fokussierung dieser Wellen zu ermöglichen;
- und eine Mehrzahl von Lichtinjektoren (J1...JN), die von der Platte getragen werden und jeweils dazu dienen, eine interne Welle von einen Injektionspunkt (P1, PN) dieser Welle, der zum Rand (12) gehört, in die leitende Fläche (10) in Richtung auf das Beugungsgitter (20A) zu injizieren, so daß dieses Gitter eine Fokussierung dieser Welle auf den Eingang (16A) des Ausgangsleiters und eine Injektion dieser Welle in diesen Leiter durchführt, wobei die Wellenlängen dieser internen Wellen eine Mehrzahl bilden, die in jeweiliger Übereinstimmung mit dieser Mehrzahl von Injektoren gestaffelt ist; und wobei diese Injektionspunkte eine Mehrzahl bilden, die in jeweiliger Übereinstimmung mit dieser Mehrzahl von Wellenlängen gestaffelt ist, um die Fokussierung jeder dieser internen Wellen auf den Eingang des Ausgangsleiters sicherzustellen;
wobei dieser Multiplexer dadurch gekennzeichnet ist, daß der Ausgangsleiter (14) zwei Eingänge (16A, 16B) und eine optische Weiche (22) zum Anschluß dieser beiden Eingänge an den Multiplexerausgang (18) aufweist; wobei dieser Multiplexer einen ersten und einen zweiten Multiplexkanal umfaßt, welche die leitende Fläche (10) und den Multiplexerausgang (18) gemeinsam haben, wobei jeder Multiplexkanal eine Mehrzahl von Injektoren (J1...JN) (K1...KN), eine Mehrzahl von Wellenlängen, eine Mehrzahl von Injektionspunkten (P1...PN) (Q1...QN), ein Beugungsgitter (20A) (20B) und einen Eingang (16A) (16B) des Ausgangsleiters (14) besitzt, wobei die Injektionspunkte der beiden Multiplexkanäle so gewählt sind, daß sich die Wellenlängen, die den Injektionspunkten (P1,...PN) des ersten Kanals entsprechen, zwischen die Wellenlängen einfügen, die den Injektionspunkten, (Q1,...QN) des zweiten Kanals entsprechen.
4. Multiplexer nach Anspruch 3, bei dem die Wellenlängen im wesentlichen eine regelmäßige Folge bilden, in der jede Wellenlänge von einer benachbarten Wellenlänge durch ein festgelegtes Intervall getrennt ist, wobei diese Folge einen Rang für jede Wellenlänge definiert; wobei jeder Injektionspunkt einen Rang besitzt, der mit dem Rang der entsprechenden Wellenlänge übereinstimmt; wobei der eine und der andere der zwei Multiplexkanäle jeweils einen ungeraden Kanal (J1...JN, 20A, 16A), dessen Injektionspunkte (P1...PN) ungerade Ränge besitzen, und einen geraden Kanal (K1...KN, 20B, 16B) bilden, dessen Injektionspunkte (Q1, QN) gerade Ränge besitzen, so daß der Abstand zwischen den Wellenlängen zweier interner Wellen, die von einem selben Beugungsgitter fokussiert werden, immer im wesentlichen wenigstens dem Doppelten des festgelegten Intervalls entspricht.
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