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Das Gebiet der Erfindung ist das der optischen Übertragung
von Signalen und insbesondere ihrer Demultiplexierung in der
Wellenlänge. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein
optisches Filter, das ein durch Rotation abstimmbares
Interferometer vom Fabry-Perot-Typ umfaßt, das in einem parallel
gemachten Bündel zwischen einer Eingangslichtleitfaser und
einer Ausgangslichtleitfaser angeordnet ist.
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Fig. 1 stellt den Empfangsteil eines optischen
Übertragungssystems dar, das optische Filter umfaßt, die eine
Demultiplexierung in der Wellenlänge ausführen. Diese Figur sowie
die nachfolgende Beschreibung gestatten, den Zusammenhang zu
verstehen, in welchem ein Interferometer Fabry-Perot-Typ
verwendet werden kann.
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Eine Lichtleitfaser 10 überträgt eine Vielzahl von optischen
Signalen mit jeweiligen Wellenlängen λ1, λ2, ...,λn. Diese
optischen Signale werden jeweils von einem unterschiedlichen
Signal moduliert, wobei die Modulation in einer Frequenz-
oder Amplitudenmodulation besteht. Ein Sternkoppler 11 ist
an das Ende der Lichtleitfaser 10 angeschlossen und liefert
das empfangene optische Signal an ebenso viele
Ausgangslichtleitfasern 12&sub1; bis 12n, die jeweils mit dem Eingang
eines einstellbaren Etalonfilters 13&sub1; bis 13n verbunden
sind. Jedes Filter 13&sub1; bis 13n ist auf eine unterschiedliche
Wellenlänge des von der Lichtleitfaser 10 übertragenen
optischen Signals abgestimmt und bildet durch Analogie im
elektrischen Gebiet ein Bandpaßfilter. So ist das Filter 13&sub1; auf
die Wellenlänge λ1, das Filter 13&sub2; auf die Wellenlänge λ&sub2; und
das Filter 13n auf die Wellenlänge λn abgestimmt. Jedes
Filter liefert ein gefiltertes optisches Signal mit der
gegebenen Wellenlänge an einen optischen Empfänger 14&sub1; bis 14n.
Die optischen Empfänger 14&sub1; bis 14n umfassen beispielsweise
eine Photodiode zur Erfassung und Mittel zu
Wiederherstel
lung des erfaßten Signals, die gestatten, eine zur von der
zugehörigen Photodiode erfaßten Lichtintensität
proportionale Spannung zu erhalten.
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Die Filter 13&sub1; bis 13n können jeweils ein auf eine gegebene
optische Wellenlänge abgestimmtes Interferometer vom Fabry-
Perot-Typ umfassen und gestatten somit die Filterung des
dieser Wellenlänge entsprechenden optischen Kanals. Sie
führen deshalb eine Demultiplexierung der Wellenlänge aus.
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Die Druckschrift "INLINE TUNABLE ETALON FILTER FOR OPTICAL
CHANNEL SELECTION IN HIGH DENSITY WAVELENGHT DIVISION
MULTIPLEXED FIBRE SYSTEMS" (Anordnung eines abstimmbaren
Etalonfilters in der Leitung für die Auswahl eines optischen
Kanals in gemultiplexten Systemen mit hoher spektraler
Dichte) von A. FRENKEL und C. LIN, BELL COMMUNICATIONS
RESEARCH, ELECTRONIC LETTERS, 4. Februar 1988, Bd. 24, Nr. 3
beschreibt ein solches Fabry-Perot-Interferometer, das bei
der Filterung eines optischen Signals angewendet wird.
Dieses Interferometer wird in Rotation verwendet, um einen
optischen Kanal (eine Wellenlänge) unter denjenigen
auszuwählen, die das auf einer Eingangslichtleitfaser übertragene
optische Eingangssignal bilden.
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Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild eines solchen optischen
Filters, der ein Interferometer vom Fabry-Perot-Typ
verwendet, das zwischen zwei koaxialen Lichtleitfasern angeordnet
ist und in Rotation verwendet wird. Dieses optische Filter
ist zum Beispiel dasjenige, das in Fig. 1 mit 13&sub1; bezeichnet
ist.
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Eine Eingangslichtleitfaser 20 überträgt ein
zusammengesetztes Signal, d. h. das eine Vielzahl von optischen Signalen
mit verschiedenen Wellenlängen umfaßt, wobei diese
Lichtleitfaser zum Beispiel der Faser 12&sub1; der Fig. 1 entspricht.
Die Eingangsfaser 20 weist einen Kern aus Siliciumdioxid mit
einem Durchmesser auf, der ausreichend klein ist, um eine
Übertragung von Licht nur gemäß einem einzigen Modus zu
gestatten. Die Übertragung ist dann vom Einmodentyp. Das Ende
der Faser 20 ist an eine Kollimationslinse 21 geklebt, die
gestattet, ein zur Hauptachse 25 des Filters paralleles
Lichtbündel zu erhalten. Ein auf die Achse 25 zentrierter
Fabry-Perot-Etalon ist in Rotation um eine seiner zum
Wellenvektor nicht kollinearen Achsen frei, so daß die
Differenz des optischen Gangs zwischen zwei den Etalon 22
verlassenden Bündeln modifiziert wird. Der von einem Plättchen mit
geringer Dicke, z. B. aus Siliciumdioxid, bestehende Etalon
22 ist auf seinen beiden Seiten im Reflexionsvermögen
bearbeitet, um vorher definierten optischen Eigenschaften zu
entsprechen.
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Die Wellenlänge des optischen Signals, das den Etalon 22
verläßt, ist abhängig vom Wert des Rotationswinkels α dieses
Etalons. Eine Fokussierungslinse 23 ist gegenüber der
Kollimationslinse 21 auf der Achse 25 angeordnet, d. h. koaxial in
bezug auf die Linse 21, um das optische Signal zu
konzentrieren, das sie auf dem Kern einer Ausgangslichtleitfaser
24 empfängt, die im allgemeinen gleich derjenigen 20 des
Eingangs ist. Die Fokussierungslinse 23 konzentriert die vom
Etalon 22 stammende optische Energie auf den Kern der
Ausgangslichtleitfaser 24. Die vom Kern der
Ausgangslichtleitfaser 24 integrierte Energiemenge ist insbesondere von der
numerischen Apertur dieser Faser 24 abhängig.
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Die größte Anzahl von verschiedenen Wellenlängen (Kanälen),
die mit Hilfe eines in Rotation verwendeten Interferometers
gefiltert werden können, hängt insbesondere vom Aufbau
dieses Interferometers ab, d. h. von seiner Dicke und der
ausgeführten Oberflächenbearbeitung. Außerdem haben die
Parallelität der Flächen, ihre Rauheit und ihre Ebenheit einen
Einfluß auf die Feinheit. Es wird auch die numerische Apertur
der Ausgangslichtleitfaser 24 berücksichtigt.
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Die Verwendung eines von einem Plättchen mit bearbeiteten
Flächen gebildeten Etalons erfolgt vorteilhafterweise in
statischer Anwendung, d. h. daß jeder Etalon eines optischen
Übertragungssystems in einer gegebenen Winkelposition
angeordnet ist, um eine Filterung eines bestimmten optischen
Kanals auszuführen. Ein Etalonplättchen weist auch sehr viel
geringere Variationen von Merkmalen auf als
Fabry-Perot-Filter, die aus zwei durch einen Luftstreifen (-schicht)
getrennte halb-spiegelnde Plättchen bestehen. Dieser letzte
Filtertyp wird vorzugsweise dynamisch durch Verschieben
eines Plättchens in bezug auf das andere verwendet und
erfordert eine komplexe Einrichtung zur Positionsregelung, die
insbesondere eine perfekte Parallelität der beiden
halbspiegelnden Plättchen gewährleistet, die den Hohlraum
bilden.
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Es ist zu bemerken, daß das in Rotation verwendete Fabry-
Perot-Interferometer auch aus zwei durch eine feinen
Luftstreifen getrennten, festen, spiegelnden Plättchen bestehen
kann. In diesem Fall sind die Plättchen mit spiegelnden
Flächen in einer Trommel bzw. einem Gehäuse angebracht, die
bzw. das gestattet, ihre Parallelität zu gewährleisten.
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Ein Interferometer vom Fabry-Perot-Typ ist insbesondere
durch sein freies Spektralintervall (ISL) charakterisiert,
das beispielsweise in Wellenlängen ausgedrückt ist. Dieses
freie Spektralintervall ISL entspricht dem Abstand, der zwei
Übertragungspeaks des Interferometers trennt. Diese
Übertragungspeaks sind in Fig. 3 dargestellt.
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Fig. 3 stellt die Charakteristik eines beispielsweise in
Rotation verwendeten Fabry-Perot-Interferometers dar. Die
Wellenlänge ist auf der Abszisse und das Intensitätsverhältnis
I/I&sub0; auf der Ordinate dargestellt. 10 ist die gesamte
optische Intensität des optischen Eingangssignals und I die
Intensität des optischen Ausgangssignals des Filters.
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Diese Charakteristik weist eine Folge von Übertragungspeaks
mit der maximalen Intensität 11, der minimalen Intensität 12
auf, und zwei benachbarte Übertragungspeaks sind um ein
freies Spektralintervall ISL voneinander entfernt, das einer
gegebenen Wellenlängendifferenz entspricht. Zwei
Wellenlängen des optischen Eingangssignals müssen um wenigstens den
Wert des freien Spektralintervalls ISL getrennt sein, damit
eine Filterung des optischen Eingangssignal ausgeführt
werden kann. Das freie Spektralintervall in der Frequenz ist
durch die Beziehung gegeben:
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worin c die Geschwindigkeit des Lichts, n der Brechungsindex
des Etalons, L die Dicke des Etalons und θr der
Brechungswinkel des optischen Signals im Inneren des Etalons ist. Dieser
Brechungswinkel hängt vom Einfallswinkel des Lichtstrahls
des optischen Eingangssignals und somit vom Rotationswinkel
des Interferometers ab. Wenn sich der Rotationswinkel
erhöht, erhöht sich auch der Brechungswinkel, verringert sich
cosθr und verringert sich ISL, in Wellenlängen ausgedrückt.
Deshalb erhöht sich für ein Spektrum des gegebenen
Eingangssignals die Frequenz des Ausgangssignals.
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Somit ist zu sehen, daß ein Entwickelnlassen des
Brechungswinkels auf ein Entwickeln des freien Spektralintervalls
zurückkommt. Wenn sich der Winkel erhöht, verringert sich das
ISL in der Wellenlänge, und es wird eine Verschiebung der
Übertragungspeaks zu den niedrigen Wellenlängen hin
festgestellt.
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Die normierte Intensität ist eine Funktion der Phase oder
der Wellenlänge. Im Falle eines perfekten
Fabry-Perot-Interferometers (Parallelität, Ebenheit und Rauheit optimal), der
von einer ebenen Welle beleuchtet wird, läßt sie sich durch
die Funktion von Airy ausdrücken. Diese Funktion ist mit 2π
periodisch und durchläuft das gesamte Spektralgebiet. So hat
man, wenn man sich um ein freies Spektralintervall
ver
schiebt, das gesamte Spektrum des Eingangssignals
durchlaufen. Deshalb wird eine Abstimmbarkeit eines optischen
Filters, der ein Interferometer vom Fabry-Perot-Typ umfaßt,
durch den Wellenlängenbereich definiert, der nötig ist, um
sich von einem Übertragungspeak zum folgenden Peak zu
verschieben.
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So wird die Feinheit als das Verhältnis von ISL zur
Bandbreite (Breite des Übertragungspeaks bei halber Höhe)
definiert:
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F = ISL/BP
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Schließlich ist der Kontrastfaktor C gleich:
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C = - 10 log(I&sub2;/I&sub1;), worin I&sub1; und I&sub2; die übertragene maximale
bzw. minimale Intensität ist.
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Die Rotation des Etalons ruft jedoch eine Herabsetzung der
Bandbreite, begleitet vom einer Verringerung der Amplitude
der übertragenen optischen Signale, hervor.
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Fig. 4 stellt eine Simulation der Änderung der Amplitude und
der Bandbreite eines Übertragungspeaks für verschiedene
Rotationswinkel des Fabry-Perot-Interferometers dar.
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Die Charakteristiken 40 bis 43 stellen die Entwicklung der
Übertragungspeaks bei verschiedenen Rotationswinkel α des
Fabry-Perot-Etalons für Rotationswinkel α des Etalons von 0,
2, 4 und 6º dar, wenn der Filter auf optische
Eingangssignale mit Intensität 10 abgestimmt ist.
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Es wird festgestellt, daß wenn der Einfall normal ist (α =
0), der Übertragungspeak gestattet, beinahe eine
vollständige ausgewählte Wellenlänge zu passieren, d. h. es gibt
wenig Abschwächung. Außerdem sind die Flanken des Peaks 40
steil, und deshalb wird eine gute Unterdrückung der
opti
schen Wellenlängen sichergestellt, die derjenigen benachbart
sind, für welche die Abstimmung erreicht ist (schmale
Bandbreite).
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Für eine mit einer Rotation von 2º (Charakteristik 41)
ausgeführte Abstimmung wird dagegen eine Abschwächung der
übertragenen Intensität, begleitet von einer Verbreiterung der
Bandbreite beobachtet. Dieses Phänomen verstärkt sich in dem
Maße in dem der Winkel α sich erhöht, und hat das Auftreten
eines Nebensprechens zwischen nahen, benachbarten Kanälen
zur Folge.
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In erster Näherung (Kanal mit normierter Amplitude gleich 1
und unendlich kleiner spektraler Breite) wird das
Nebensprechen durch das Verhältnis:
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D = 2 · I&sub1;/I&sub0;
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definiert, worin I&sub0; die maximale Intensität der
Übertragungsfunktion und I&sub1; die Intensität in einem Phasenwert ist,
der der Position des benachbarten Kanals entspricht.
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Dieses Nebensprechen bringt eine Verformung der optischen
Signale am Ausgang des Filters mit sich und ist durch die
Kurve 50 der Fig. 5 dargestellt.
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Auf der Abszisse ist der Rotationswinkel α des
Interferometers in Grad und auf der Ordinate das Nebensprechen in %
dargestellt.
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Wenn das Signal, das das optische Signal moduliert, vom
digitalen Typ ist, nimmt man aufgrund des Nebensprechens an
einer bedeutenden Schließung des Augendiagramms für die
optischen Signale teil, deren Wellenlängen für ihre Filterung
einen großen Winkel α erfordern, wenn die Dichte der
optischen Signale im freien Spektralintervall groß ist, und die
Übertragungsfehlerrate erhöht sich.
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Um diesen Nachteil zu lindern ist es dann nötig, die Anzahl
von Kanälen mit verschiedenen Wellenlängen in einem
gegebenen freien Spektralintervall zu begrenzen. Unter Beachtung
eines ausreichend großen Intervalls zwischen zwei
benachbarten Wellenlängen kann deshalb das Nebensprechen zwischen
Kanälen begrenzt werden und somit eine annehmbare Fehlerrate
beibehalten werden.
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Ein Notbehelf besteht darin, das Reflexionsvermögen des
Fabry-Perot-Etalons zu erhöhen, aber dieser Vorgang wird von
einer Verringerung der Bandbreite BP begleitet und ist somit
nicht für die Filterung von Eingangssignalen angepaßt, die
einen variablen spektralen Raumbedarf aufweisen.
Beispielsweise kann bei direkter Amplitudenmodulation die
unerwünschte Frequenzmodulation (chirp) in nicht vernachlässigbarer
Weise den spektralen Raumbedarf des zu filternden Kanals
erhöhen.
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Es ist auch möglich, zwei Fabry-Perot-Filter treppenförmig
anzuordnen, um die Gesamtfeinheit zu erhöhen. Eine Erhöhung
der Feinheit bringt eine Erhöhung der Auflösung und somit
eine Verringerung des Nebensprechens mit sich. Es werden
jedoch die Energieverluste verdoppelt, und die Bandbreite
verringert sich ebenfalls. Diese Lösung ist somit nicht mehr
für optische Signale mit großem spektralem Raumbedarf
geeignet. Diese Lösung ist auch zu teuer.
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Die Druckschrift Journal of Lightwave Technology, Bd. 7, Nr.
4, S. 615-624, A. FRENKEL und C. LIN, "Angle-tuned Etalon
Filters For Optical Channel Selection in High Density
Wavelength Division Multiplexed Systems" beschreibt ein
optisches Filter, das ein (oder zwei) Interferometer vom
Fabry-Perot-Typ umfaßt, der in Rotation verwendet wird und
zwischen einer parallel gemachten optischen Quelle und einem
parallel gemachten optischen Empfänger angeordnet ist. Die
Verfasser dieser Druckschrift berücksichtigen, daß der
Verlust an übertragener Leistung aufgrund der vom Etalon oder
den beiden Etalonen hervorgerufenen Verschiebung des
Lichtbündels für Etalone vernachlässigbar ist, die eine Dicke von
weniger als 1 mm haben. Aber diese Druckschrift betrachtet
nicht das Problem der Verringerung der
Unterdrückungsleistungen und somit das Problem des Nebensprechens, das daraus
folgt.
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Die vorliegende Erfindung hat insbesondere die Aufgabe,
diese Nachteile zu beheben.
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Genauer ist es eine Aufgabe der Erfindung, das zwischen
einem gefilterten Kanal und einem zu diesem gefilterten
Kanal nahen Kanal vorhandenen Nebensprechen zu verringern, um
die Übertragungsfehlerrate von optischen Signalen in einem
System, beispielsweise einem System zur optischen
Umschaltung, zu verringern. Eine solche Verringerung des
Nebensprechens im Abstimmbereich (ISL) würde eine Erhöhung des
Kontrastes zwischen den Signalen und somit der Auflösung des
Filters gestatten.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Beibehaltung
einer Mindestbandbreite auf der gesamten Breite des
Abstimmbereichs, d. h. für verschiedene Neigungswinkel des
Interferometers.
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Diese Aufgaben sowie weitere, die im folgenden deutlich
werden, werden dank eines optischen Filters erreicht, das ein
Interferometer vom Fabry-Perot-Typ, das in Rotation
verwendet wird, eine Lichtquelle und einen optischen Empfänger
umfaßt, wobei das Interferometer zwischen der Lichtquelle und
dem optischen Empfänger angeordnet ist und eine Filterung
eines von der Lichtquelle stammenden optischen
Eingangssignals ausführt, wobei sich das optische Eingangssignal im
wesentlichen gemäß einem einzigen Modus ausbreitet, und dem
optischen Empfänger ein gefiltertes optisches Signal
liefert, wobei der optische Empfänger eine Empfangsoberfläche
umfaßt, die die Leistungsdichte des gefilterten optischen
Signals integriert, wobei das optische Filter dadurch
gekennzeichnet ist, daß es ein Plättchen umfaßt, das eine
Brechung des gefilterten optischen Signals ausführt, die
gestattet die relative Position des gefilterten optischen
Signals in bezug auf die Empfangsoberfläche des optischen
Empfängers zu modifizieren.
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So kann die in die Empfangsoberfläche des optischen
Empfängers integrierte Energie optimiert werden und die
Unterdrückung der nahen Kanäle optimiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung umfaßt die
Lichtquelle eine Einmoden-Eingangslichtleitfaser, die mit
einer Kollimationslinse zusammenarbeitet, und umfaßt der
optische Empfänger eine Fokussierungslinse, die mit einer
Ausgangslichtleitfaser zusammenarbeitet, wobei die vom Kern der
Ausgangslichtleitfaser gebotene Oberfläche die
Empfangsoberfläche bildet.
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So wird eine Optimierung der Übertragung der Energie des
gefilterten optischen Signals in Abhängigkeit vom
Rotationswinkel des Interferometers sichergestellt. Diese
Optimierung, die darin besteht, das Maximum der optischen Energie
auf die Fokussierungslinse zu konzentrieren, stellt somit
sicher, daß eine maximale Energie effektiv koaxial zur
Ausgangslichtleitfaser übertragen wird.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung bildet
vorzugsweise das Plättchen in bezug auf das optische
Eingangssignal einen Winkel gleich demjenigen des Interferometers.
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Das Plättchen und das Interferometer sind dann fest
verbunden, und es werden die Übertragungscharakteristiken auf dem
ganzen Abstimmbereich optimiert, d. h. auf dem ganzen freien
Spektralintervall. Der Fluß des gefilterten optischen
Signals entspricht dem Integral der Leistungsdichte dieses
gefilterten optischen Signals.
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Bei einer Ausführungsvariante hat dieses Plättchen eine
feste Winkelposition. In diesem Fall werden bestimmte
Übertragungspeaks bevorzugt.
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Das Interferometer besteht entweder aus einem Etalon mit
bearbeiteten Flächen, oder aus einem Satz von zwei festen
Plättchen, die durch einen Luftstreifen getrennt sind.
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Die erste Lösung bietet den Vorteil, eine perfekte
Parallelität zwischen den spiegelnden Flächen des
Fabry-Perot-Interferometers sicherzustellen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim
Lesen der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform, die als Darstellung und nicht als Einschränkung
gegeben ist, und der beigefügten Zeichnungen deutlich, in
welchen:
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Fig. 1 den Empfangsteil eines optischen Übertragungssystems
darstellt, in welchem Fabry-Perot-Interferometer
verwendet werden,
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Fig. 2 ein Fabry-Perot-Interferometer vom bekannten Typ
darstellt, das zwischen zwei Lichtleitfasern angeordnet
ist,
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Fig. 3 die Charakteristik eines Filters vom Fabry-Perot-Typ
darstellt, wobei diese Charakteristik äquidistante
Übertragungspeaks umfaßt,
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Fig. 4 eine Simulation der Änderung der Amplitude und der
Bandbreite eines Übertragungspeaks für verschiedene
Rotationswinkel des Fabry-Perot-Etalons darstellt,
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Fig. 5 die Änderung des Nebensprechens zwischen Kanälen in
Abhängigkeit vom Rotationswinkel des Interferometers
darstellt,
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Fig. 6 eine bevorzugte Ausführungsform des optischen Filters
der vorliegenden Erfindung darstellt,
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Fig. 7 die Entwicklung der Leistungsdichte am Ausgang des
Interferometers für verschiedene Rotationswinkel
dieses Interferometers darstellt,
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Fig. 8 eine Simulation der Entwicklung der Position des
Maximums der optischen Leistungsdichte in bezug auf die
Hauptachse des optischen Filters in Abhängigkeit vom
Rotationswinkel des Interferometers für nicht
abgestimmte Wellenlängen darstellt,
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Fig. 9 eine Simulation der Entwicklung der Charakteristiken
eines optischen Filters darstellt, der eine
erfindungsgemäße Korrektionsplatte umfaßt.
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Die Fig. 1 bis 5 wurden vorher unter Bezugnahme auf den
Stand der Technik beschrieben.
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Die Erfindung besteht darin, am Ausgang des Interferometers
ein Maximum der optischen Energie des gefilterten Signals zu
gewinnen, um diese Energie auf die Fokussierungslinse zu
richten, die zur Ausgangslichtleitfaser gehört. Das in Fig.
6 dargestellte Interferometer besteht aus einem Etalon 22
(Plättchen mit bearbeiteten Flächen).
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Es wurde vorher hervorgehoben, daß die Rotation des
Interferometers die verschiedenen Übertragungspeaks in bezug auf
das Spektrum des auf der Einmoden-Faser 20, die mit der
Kollimationslinse 21 zusammenarbeitet, übertragenen
Ausgangssignals verschiebt. Diese Verschiebung der Übertragungspeaks
gestattet, die Abstimmung des Filters auf eine gegebene
Wellenlänge des Eingangssignals zu ändern.
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Diese Rotation ruft jedoch auch eine Spreizung der optischen
Energie hervor, d. h. je größer der Winkel ist, den der
Eta
lon 22 mit der Senkrechten zur Hauptachse 25 des Filters
bildet, desto gespreizter ist die Energie.
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Bei einer Einmoden-Eingangsfaser entwickelt sich die
Verteilung der optischen Energie des Eingangssignals gemäß einer
Gaußschen Verteilungskurve, und das gefilterte Signal am
Ausgang des Etalons 22 besteht somit aus einer Summe von
räumlich gespreizten Gaußschen Verteilungskurven.
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In kartesischen Koordinaten kann die normierte Intensität
des optischen Signals am Eingang der Empfangsfaser 24 zum
Beispiel in der Form ausgedrückt werden:
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worin
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- A eine Konstante ist, die die Brechung der Gaußschen
Verteilungskurve am Eingang der Eingangsfaser und den
Übertragungskoeffizienten darstellt,
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- F&sub0;(x, y) die Gaußsche Verteilung der optischen Intensität
darstellt, die in das Interferometer eintritt,
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- F(x, y) ein Raumterm ist, der unabhängig von der
Phasenverschiebung ist,
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- U(p, x) und V(p, x) Terme sind, die vom Reflexionsvermögen,
der Phasenverschiebung und der räumlichen Verschiebung der
Gaußschen Funktionen abhängen,
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- Wx und Wy den Strahlen der Fokussierungs- bzw. der
Kollimationslinse entsprechen, wobei die Fokussierungslinse
üblicherweise koaxial in bezug auf die Kollimationslinse und
im Zentrum des Interferometers angeordnet ist.
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Diese Summe von Gaußschen Verteilungskurven entspricht einer
Leistungsdichte, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist.
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Fig. 7 stellt eine Simulation der Entwicklung der
Leistungsdichte am Ausgang des Interferometers für verschiedene
Rotationswinkel dieses Interferometers dar. Das betrachtete
Interferometer besteht aus einem Etalon mit bearbeiteten
Flächen, das ein Reflexionsvermögen von 97% aufweist, wobei das
freie Spektralintervall 5,5 nm beträgt. Die maximale
Differenz zwischen den Wellenlängen der Signale, die das
Eingangssignal bilden, muß somit kleiner als 5,5 nm sein.
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Die Kurven 70 bis 73 entsprechen der Entwicklung der
Leistungsdichte am Ausgang des Etalons für Rotationswinkel des
Etalons von 0, 2, 4 bzw. 6º. Auf der Abszisse ist ein
Abstand d (in um) dargestellt, der dem Abstand der Punkte der
Einhüllenden der Leistungsdichte in bezug auf die Hauptachse
25 der Fig. 6 entspricht. Auf der Ordinate ist die
Leistungsdichte DP dargestellt. Diese Kurven wurden für eine
optische Phasenverschiebung der Gaußschen Verteilungskurven
des Ausgangs des Etalons gleich Null, modulo 2π, erhalten,
das heißt, daß die Gaußschen Verteilungskurven in Phase sind
(maximale Energieübertragung). Man befindet sich also auf
jeden Fall an einer Position der Abstimmung der Wellenlänge.
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Es wird festgestellt, daß für einen Rotationswinkel von 0º
(Kurve 70) das Maximum der Energiedichte gleich 1 ist und
auf der Hauptachse 25 liegt. Außerdem ist die Verteilung
symmetrisch. Alle Interferenzen vom Gaußschen Typ sind hier
auf die Hauptachse 25 zentriert und summieren sich in
konstruktiver Weise.
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Für einen Rotationswinkel von 2º wird eine bedeutende
Abschwächung der optischen Leistungsdichte aufgrund der
Charakteristiken des Etalon beobachtet. Es wird auch eine
räumliche Verschiebung des Maximums der Leistungsdichte
beobachtet, das die Hauptachse (Bezugszeichen 0 auf der Achse der
Abszissen) verläßt. Nun weist aber die Fokussierungslinse 23
einen begrenzten Durchmesser auf, z. B. in der Größenordnung
von 400 um, in Fig. 7 mit D1 dargestellt. In dem Fall, in
dem der Rotationswinkel des Etalons Null ist (Kurve 70), ist
die Leistungsdichte groß, die an dieser Fokussierungslinse
ankommt. Für einen Rotationswinkel von 2º ist jedoch diese
Leistungsdichte, die an der Fokussierungslinse ankommt,
stark verringert. Daraus folgt ein Verlust an optischer
Leistung, die an der Seite der Fokussierungslinse vorbeigeht
und die somit nicht auf die vom Kern der
Ausgangslichtleitfaser 24 gebotene Oberfläche angewendet wird. In diesem Fall
ist die von der Empfangsoberfläche (Kern) der optischen
Ausgangslichtleitfaser 24 integrierte optische Energie
verringert.
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Dieses Phänomen verstärkt sich mit der Neigung des Etalons,
wie durch die Kurven 72 und 73 dargestellt.
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Die räumliche Spreizung der Leistungsdichte wird auch von
einer Änderung der Energieverteilung begleitet, das heißt,
daß für große Rotationswinkel diese Verteilung nicht einer
Gaußschen Verteilung folgt, sondern die Tendenz hat, sich zu
spreizen, wie es an den Kurven 72 und 73 sichtbar ist. Es
werden dann für große Rotationswinkel asymmetrische
Leistungsdichten erhalten.
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Wenn der Rotationswinkel Null ist (Kurve 70), bleiben die
vielfachen Reflexionen konzentrisch und zeigen weder diese
Verbreiterung noch diese Asymmetrie.
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Diese räumliche Verschiebung einzig und allein aufgrund der
Rotation des Etalons hat zur Folge, daß der Maximalwert des
Integrals der Leistungsdichte, d. h. der maximale optische
Fluß des gefilterten optischen Signals, der am Ausgang der
Fokussierungslinse 23 verfügbar ist, nicht in den Kern der
Ausgangslichtleitfaser 24 integriert wird. In der Tat bleibt
selbst bei Erhöhung des Durchmessers der Fokussierungslinse
23 die numerische Apertur des Kerns der
Ausgangslichtleitfaser begrenzt und es wird dann eine Erhöhung der
Übertragungsfehlerrate beobachtet.
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Außerdem wird das Phänomen der Spreizung und der Verformung
der Einhüllenden der Leistungsdichte für eine
Phasenverschiebung von Null von einer Verschiebung des Maximums der
optischen Leistungsdichte zur Hauptachse hin begleitet, wenn
sich der Rotationswinkel des Etalons für
Phasenverschiebungen ungleich Null, d. h. außerhalb der Abstimmung, erhöht.
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Fig. 8 hebt dieses Phänomen hervor. Sie stellt drei Kurven
80, 81 und 82 dar, die jeweils der Position (in um) des
Maximums der optischen Leistungsdichte am Ausgang des Etalons
22 in Abhängigkeit von der Differenz des optischen Gangs in
Radian darstellen, und dies für Rotationswinkel des Etalons
22 von 0, 2 bzw. 4º.
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Diese Kurven wurden durch Simulation erhalten und zeigen,
daß bei einer Phase ungleich Null eine nicht erwünschte
optische Leistungsdichte in der Ausgangsfaser konzentriert
wird. Beispielsweise wird für einen Rotationswinkel des
Etalons von 4º festgestellt, daß sich für eine Differenz des
optischen Gangs von 0,4 rad ein Maximum der Leistungsdichte
im Zentrum der Fokussierungslinse 23 befindet. Dieses
Maximum der optischen Leistungsdichte, die in den Kern der
Ausgangslichtleitfaser konzentriert und dort integriert wird
bildet ein Störsignal, sobald die Frequenzkanäle des
optischen Eingangssignals sehr nahe beieinander liegen. Dieses
Phänomen verstärkt sich mit dem Rotationswinkel des Etalons.
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So tendieren zwei Phänomene dazu, die Leistungen eines
optischen Filters zu begrenzen:
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in der Situation der Abstimmung verschiebt sich das Maximum
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- der Energiedichte senkrecht zur Hauptachse des optischen
Filters und kann das Maximum des optischen Flusses nicht in
die Ausgangslichtleitfaser integriert werden. Folglich ist
die optische Intensität des gefilterten Signals verringert.
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- Wenn die gefilterten optischen Signale nicht in Phase sind,
d. h. wenn es zwischen den gefilterten Signalen eine
Phasenverschiebung gibt, wobei diese Phasenverschiebung
absichtlich erhalten wurde, um ein Signal mit einer Wellenlänge zu
beseitigen, die nah bei derjenigen eines gefilterten
Signals liegt, nähert sich das Maximum der Energiedichte
dieses zu beseitigenden Kanals wieder der Hauptachse des
Filters, und daraus folgt eine schlechte Unterdrückung der
Kanäle, die den gefilterten benachbart sind.
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Diese beiden Nachteile verbinden sich zu einer Erhöhung des
Nebensprechens.
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Die vorliegende Erfindung schlägt vor, Mittel vorzusehen,
die es gestatten, die Verschiebung des Maximums des
Integrals der Leistungsdichte in bezug auf die Hauptachse eines
optischen Filters zu kompensieren, um dieses Maximum in die
Empfangspupille und somit in den Kern der
Ausgangslichtleitfaser wieder zu zentrieren. Diese Mittel bilden somit ein
Plättchen, das eine Brechung des gefilterten optischen
Signals ausführt, die eine Korrektur der Position des
gefilterten optischen Signals in bezug auf die
Ausgangslichtleitfaser gestattet.
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Bei der Ausführungsform der Fig. 6 wird diese erneute
Zentrierung durch ein koaxiales Plättchen 60 sichergestellt,
das eine Brechung der gefilterten optischen Signale
sicherstellt, so daß das von der oben genannten Summe der
Gaußschen Verteilungen gebildete Maximum der optischen Energie
auf die Hauptachse 25 des Filters zurückgebracht wird. Dafür
wird das Plättchen 60 um einen Winkel θ geneigt.
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Die Brechung der gefilterten optischen Signale gestattet,
den maximalen Wert des gefilterten optischen Flusses in Kern
der Ausgangsfaser 24 zu konzentrieren. Dieser Vorgang ist
zur Verschiebung der Fokussierungslinse und der zugehörigen
Ausgangsfaser äquivalent, deren Durchmesser D1 in Fig. 7
dargestellt ist, so daß sie das Maximum der optischen
Leistungsdichte aufnimmt. Bei dieser Ausführungsform sind alle
Elemente auf dieselbe Hauptachse 25 zentriert.
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Der Rotationswinkel A des koaxialen Plättchens 60 kann für
eine zu filternde gegebene Wellenlänge optimiert werden,
indem die Gesamtleistung des Signals in der
Ausgangslichtleitfaser 24 gemessen wird.
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Das dargestellte Plättchen 60 ist zwischen dem Etalon 22 und
der Fokussierungslinse 23 angeordnet, es kann aber auch
zwischen der Kollimationslinse 21 und dem Etalon 22 angeordnet
sein. Seine Position ist somit nicht entscheidend. Dagegen
ist es notwendig, daß die Lichtleitfaser, die das
Eingangssignal überträgt, vom Einmodentyp ist, damit das optische
Eingangssignal eine Verteilung vom Gaußschen Typ aufweist.
Die Ausgangslichtleitfaser 24 kann vom Einmodentyp oder
Multimodentyp sein. Wenn sie vom Einmodentyp ist weist das
optische Filter eine Symmetrie auf, die gestattet, es in
zweiseitig gerichteter Übertragung zu verwenden.
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Wenn das Plättchen 60 mit dem Etalon 22 beweglich ist, das
heißt, daß θ = α, ist es die ausgeführte Korrektur auf dem
gesamten Bereich der Abstimmbarkeit des optischen Filters.
Wenn es dagegen fest ist, werden nur einige Wellenlängen
gegenüber den anderen Wellenlängen des Eingangssignals
begünstigt.
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Die von der vorliegenden Erfindung angewendete Korrektur
kann im Vergleich zu Fig. 9 beurteilt werden.
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Fig. 9 stellt eine Simulation der Entwicklung der
Charakteristiken eines optischen Filters dar, das eine
erfindungsgemäße Korrektionsplatte umfaßt. Die Charakteristiken 90 bis
93 entsprechen der Entwicklung der optischen
Ausgangsinten
sität I gegenüber der gesamten optischen Intensität 10 eines
Eingangssignals für Rotationswinkel von 0, 2, 4 bzw. 6º.
Diese Charakteristiken sind mit denen der Fig. 4 zu
vergleichen, die ohne Korrektionsplatte erhalten wurden.
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Es wird eine Gesamtverringerung des Peaks für α = 0º (Kurve
90) aufgrund einer Reflexion der Korrektionsplatte
festgestellt, wenn das einfallende Signal zur Oberfläche des
Etalons senkrecht ist. Diese Abschwächung des Peaks ist nicht
hinderlich, da ja in einem wirklichen Verwendungsfall nicht
bei einem Rotationswinkel von Null gearbeitet wird, um sich
von den Problemen der Reflexion zu den Sendequellen hin zu
befreien. Es ist somit wünschenswert, die Korrekturmittel
der Erfindung zu übergehen, wenn der Einfall senkrecht ist.
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Für α = 2º (Kurve 91) ist die Abschwächung im wesentlichen
gleich derjenigen, die ohne Korrektionsplatte erhalten wird,
und die Bandbreite ist schmaler. Die Leistung des
übertragenen optischen Signals ist somit im wesentlichen gleich, aber
die Unterdrückung der Wellenlängen, die der gefilterten
benachbart sind, ist deutlich verbessert.
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Für α = 4º (Kurve 92) ist die Abschwächung des Filters viel
kleiner als die desselben Filters ohne Korrektionsplatte und
die Bandbreite ist ebenfalls viel geringer. Dieses Phänomen
ist für einen Rotationswinkel α des Etalons von 6º (Kurve
93) verstärkt.
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Die Entwicklung des Nebensprechens D ist durch die Kurve 51
der Fig. 5 dargestellt, wobei diese Entwicklung unter
Verwendung einer erfindungsgemäßen Korrektionsplatte erhalten
wird. Es wird somit festgestellt, daß die durch das
Brechungsplättchen angewendete Korrektur gestattet, dieses
Nebensprechen merklich zu verbessern. Es wird auch eine
Rotation der Nebensprechcharakteristik beobachtet. Bei einem
Winkel von Null ist die im Kern der Empfangsfaser
integrierte Energie geringer, aber der Übertragungspeak ist
nicht verformt (siehe Fig. 9). Tatsächlich bleiben die
verschiedenen Wellenfronten am Ausgang des Etalons konzentrisch
und ändert die durch die Brechung eingeführte Verschiebung
die Zahl konstruktiver Interferenzen nicht oder wenig. So
ist das Nebensprechen für einen gegebenen
Zwischenkanalabstand sehr wenig verschlechtert.
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Mit einem Etalon mit 97% Reflexionsvermögen wurden Messungen
für eine Nutzwellenlänge von 1555 nm und ein freies
Spektralintervall von 5,5 nm ausgeführt. Der erreichte Gewinn
beträgt 6 dB auf dem gesamten Bereich der Abstimmbarkeit.
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Insgesamt ist die integrierte Energie in einer Phase
ungleich Null außerhalb der Bandbreite kleiner als diejenige,
die ohne Korrektionsplatte integriert ist, und die
Energiedichte, die von konstruktiven Interferenzen stammt und
wieder auf die Fokussierungslinse zentriert ist, ist größer. So
ist der Einschluß der Nutzenergie verbessert und es wird ein
größerer Übertragungsgewinn bei einer Phase von Null
erhalten, und eine Verformung des Peaks verringert die Bandbreite
leicht. Die Flanken des Peaks sind steiler und sondern um so
besser die Energien aus, die sich bei Frequenzen außerhalb
der Bandbreite befinden.
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Die Kollimations- und Fokussierungslinsen sind
beispielsweise Linsen mit Indexgradient, die an die Eingangs- bzw.
Ausgangslichtleitfasern geklebt sind. Dieses Kleben wird so
ausgeführt, daß die Brennweite zwischen dem Kern der Fasern
und den Ebenen der Linsen beibehalten wird.
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Das Brechungsplättchen ist vorzugsweise reflexvermindernd
behandelt. Die eventuellen Probleme der Parallelität der
Flächen des Plättchens werden durch den Rotationswinkel θ des
Plättchens nachgeregelt.
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Selbstverständlich kann das Interferometer auch
beispielsweise aus einem Satz von zwei Plättchen bestehen, die durch
einen Luftstreifen getrennt sind und in einer Trommel bzw.
einem Gehäuse fest verbunden gehalten werden. In diesem Fall
sind nur die Oberflächen der Plättchen, die durch den
Luftstreifen getrennt sind, behandelt, um ihnen ein bestimmtes
Reflexionsvermögen zu verleihen.
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Die Verbesserung der Leistungen hat als Hauptvorteil die
Möglichkeit, die Anzahl von Kanälen in einem optischen
System mit Demultiplexierung in Wellenlängen zu erhöhen. Das
Reflexionsvermögen des Interferometers kann so begrenzt
sein, daß der Übertragung bei größeren Werten als ungefähr
98% auf dem ganzen Bereich der Abstimmbarkeit nicht
geschadet wird.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf
die oben beschriebene Anwendung, d. h. die Filterung von
optischen Kanälen eines von einer Einmoden-Eingangsfaser
übertragenen Eingangssignals, beschränkt. In allgemeiner Weise
bilden die Einmoden-Eingangsfaser und die Kollimationslinse,
die mit einer Lichtquelle verbunden sind, eine optische
Quelle, die ein optisches Eingangssignal liefert, das sich
gemäß einem einzigen Modus ausbreitet. Diese optische Quelle
kann insbesondere durch einen integrierten Lichtwellenleiter
ersetzt werden, der beispielsweise aus einem Leiter aus
Siliciumdioxid mit Hybridstruktur besteht, der einen
Lasersender, einen oder mehrere Lichtverstärker usw. umfaßt. Ebenso
kann die Ausgangslichtleitfaser ein Bestandteil eines
Aufbaus eines optischen Empfängers sein, der durch eine
Erfassungsphotodiode ersetzt sein kann. Die von der
Erfassungsphotodiode gebotene Oberfläche ist dann diejenige, die die
Integration der Leistungsdichte des gefilterten optischen
Signals ausführt, und eine optimale Erfassung wird dank des
Plättchens ausgeführt, das eine Brechung des gefilterten
optischen Signals ausführt, die gestattet, die relative
Position des gefilterten optischen Signals in bezug auf diese
Empfangsoberfläche zu ändern.