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Dokumentenidentifikation DE69924707T2 02.03.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001057073
Titel ABSTIMMBARER OPTISCHER EINFÜGE-/AUSBLENDMULTIPLEXER
Anmelder E.I. du Pont de Nemours and Co., Wilmington, Del., US
Erfinder ELDADA, Louay, Randolph, US;
NORWOOD, A., Robert, Cranford, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69924707
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.02.1999
EP-Aktenzeichen 999109788
WO-Anmeldetag 22.02.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/US99/03854
WO-Veröffentlichungsnummer 0099042893
WO-Veröffentlichungsdatum 26.08.1999
EP-Offenlegungsdatum 06.12.2000
EP date of grant 13.04.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.03.2006
IPC-Hauptklasse G02F 1/01(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse G02B 6/34(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H04J 14/02(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein verbesserte integrierte optische Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer-Bauelemente, in denen Licht einer spezifischen Wellenlänge (oder spezifischer Wellenlängen) auf wirksame Weise eingespeist oder abgezweigt werden kann. Das Bauelement kann aus optischen Polymeren mit einer starken Änderung des Brechungsindexes mit der Temperatur hergestellt werden. Ein einzelnes Filterelement kann über einen großen Wellenlängenbereich verwendet werden, wodurch für die dynamische Auswahl von Wellenlängen gesorgt wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bauelemente zum Einspeisen/Abzweigen wellenlängencodierter Signale (Licht spezifischer Wellenlänge oder Wellenlängen) sind dem Fachmann bekannt, wie in D. C. Johnson, K. O. Hill, F. Bilodeau und S. Faucher "New Design Concept For A Nanowband Wavelength-Selective Optical Tap And Combiner", Electron Lett., Bd. 23, Seiten 668–669 (1987), und C. R. Giles und V. Mizrahi "Low-Loss Add/Drop Multiplexers For WDM Lightwave Networks", Proc. IOOC, Seiten 66–67 (1995), offenbart und hierin durch Bezugnahme aufgenommen. Solche Bauelemente verwenden optische Fasern, die vorrangig in Telekommunikationssystemen zusätzlich zu lokalen Netzwerken, Computernetzwerken und ähnlichem genutzt werden. Die optischen Fasern sind imstande, große Informationsmengen zu transportieren, und es ist die Aufgabe von Bauelementen gemäß der vorliegenden Erfindung, durch Absonderung der Information, die auf Kanälen unterschiedlicher Wellenlänge transportiert wird, eine ausgewählte Informationsmenge aus der Faser zu entnehmen bzw. in sie einzuspeisen.

Bauelemente dieses Typs bestehen aus einer Vielfalt von Komponenten, die zusammen die gewünschte Absonderung von wellenlängencodierten Signalen ermöglichen. Integrierte optische Koppler und insbesondere Richtkoppler sind entwickelt worden, um Schwundrichtkopplung durchzuführen, wie in E. A. J. Marcatili "Dielectric Rectangular Waveguide And Directional Couplers For Integrated Optics", Bell Syst. Tech. J., S. 2071 (1969) offenbart und hierin durch Bezugnahme aufgenommen. Optische Signale werden aus einem planaren Wellenleiter in einen anderen eingekoppelt. Die Signale im zweiten planaren Wellenleiter breiten sich in der gleichen Richtung aus, in der sich die Signale im ersten planaren Wellenleiter fortbewegen.

MMI-(Mehrmoden-Interferenz)-Koppler sind entwickelt worden, um das Koppeln durchzuführen, wie in L. B. Soldano und E. C. M. Pennings "Optical Multi-Mode Interference Devices Based On Self-Imaging: Principles And Applications", J. Lightwave Technol., Bd. 13, Seiten 615–627 (1995), offenbart und hierin durch Bezugnahme aufgenommen. MMI-Koppler bewirken Selbst-Abbildung, wodurch ein in einen Mehrmoden-Wellenleiter eingegebenes Feldprofil in einzelnen oder mehreren Abbildungen in periodischen Intervallen entlang der Ausbreitungsrichtung des Leiters reproduziert wird.

Optische Zirkulatoren sind optische Kopplungsbauelemente, die mindestens drei Ports haben. Drei-Port-Zirkulatoren koppeln in Port 1 eintretendes Licht zum Port 2, in Port 2 eintretendes Licht zum Port 3 und in Port 3 eintretendes Licht zum Port 1.

Beugungsgitter (zum Beispiel Bragg-Gitter) werden verwendet, um ein schmales Band von Wellenlängen zu isolieren, wie in K. O. Hill und G. Meltz, "Fiber Bragg Grating Technology Fundamentals And Overview", J. Lightwave Technol., Bd. 15, Seiten 1263–1276 (1997) und T. Erdogan "Fiber Grating Spectra", J. Lightwave Technol., Bd. 15, Seiten 1277–1294 (1997), offenbart und hierin durch Bezugnahme aufgenommen. Solche Gitteneflektoren haben es möglich gemacht, ein Bauelement zur Verwendung beim Einspeisen oder Abzweigen eines Lichtsignals bei einer vorbestimmten Mittenwellenlänge zu oder aus einem faseroptischen Übertragungssystem ohne Störung anderer Signale bei anderen Wellenlängen zu konstruieren, wie in L. Eldada, S. Yin, C. Poga, C. Glass, R. Blomquist und R. A. Norwood "Integrated Multi-Channel OADM's Using Polymer Bragg Grating MZI's", Photonics Technol. Lett., Bd. 10. Seiten 1416–1418 (1998), offenbart.

Es wäre wünschenswert, eine Wellenlänge mit größerer Genauigkeit als heutige Bauelemente innerhalb eines dynamischen Bereichs von Wellenlängen durch ein einzelnes Bauelement für optische Signale abzweigen zu können, statt mehrere Bauelemente für optische Signale für den gleichen Zweck zu verwenden.

Was den weiteren Stand der Technik betrifft, wird das Augenmerk auf GB-A 2269679, JP-A 7084225 und EP-A 854378 gerichtet, von denen letzteres nur nach Artikel 54(3) und 54(4) EPÜ Stand der Technik ist und die ein Bauelement für optische Signale beschreiben, das folgendes umfaßt:

  • a) ein Substrat;
  • b) ein Paar voneinander beabstandeter Mantelschichten, die aus Materialien mit mindestens ähnlichen Brechungsindexwerten bestehen;
  • c) eine Kernschicht mit einem Wellenleiter oder einem Paar gegenüberliegender Wellenleiter, der bzw. das zwischen dem Paar der Mantelschichten positioniert ist, und mit einem Brechungsindexwert, der größer ist als der Brechungsindexwert der Mantelschichten, so daß die Differenz zwischen den Brechungsindexwerten der Kernschicht und der Mantelschichten ermöglicht, daß ein Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen das Bauelement in einem einzelnen Mode durchlaufen kann;
  • d) ein Gitter, das eine Filtereinrichtung bildet, um zu bewirken, daß eine einzelne Lichtwellenlänge des Lichtsignals mit mehreren Wellenlängen davon abgesondert wird; und
  • e) eine Einrichtung zum Ändern des Brechungsindexes zumindest der Kernschicht, um dadurch die Wellenlänge des Lichts zu steuern, die aus dem Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen abgesondert werden soll.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Bauelemente für optische Signale mit Feinabstimmungseinrichtungen, die für die wirksamere Steuerung der Lichtwellenlänge sorgen, die von einem Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen abgesondert werden soll.

Das Bauelement für optische Signale gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine einzigartige Anordnung von Materialien und schließt auch die Änderung der Temperatur des Bauelements für optische Signale ein, was für die präzise Auswahl einer Soll-Wellenlänge zum Abzweigen oder Einspeisen eines optischen Signals sorgt und was für die schnelle Änderung der Wellenlängen von einer Soll-Wellenlänge zu einer anderen sorgt.

Insbesondere umfaßt das Bauelement für optische Signale der vorliegenden Erfindung:

  • a) ein Substrat
  • b) ein Paar voneinander beabstandeter Mantelschichten;
  • c) eine Kernschicht mit einem Wellenleiter oder einem Paar gegenüberliegender Wellenleiter, der bzw. das zwischen dem Paar der Mantelschichten positioniert ist, und mit einem Brechungsindexwert, der größer ist als der Brechungsindexwert der Mantelschichten, so daß die Differenz zwischen den Brechungsindexwerten der Kernschicht und der Mantelschichten ermöglicht, daß ein Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen das Bauelement in einem einzelnen Mode durchlaufen kann;
  • d) einen Gitterbereich, der in jeder der Mantelschichten und in der Kernschicht vorhanden ist und der eine Filtereinrichtung bildet, um zu bewirken, daß eine einzelne Lichtwellenlänge des Lichtsignals mit mehreren Wellenlängen davon abgesondert wird; und
  • e) einer Einrichtung zum Ändern des Brechungsindexes zumindest der Kernschicht, um dadurch die Wellenlänge des Lichts zu steuern, die aus dem Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen abgesondert werden soll.

Bei einem bevorzugten Aufbau des Bauelements für optische Signale besteht zumindest die Kernschicht aus einem wärmeempfindlichen Material, und das Mittel zum Ändern des Brechungsindexes besteht darin, das wärmeempfindliche Material zu erwärmen. Der thermooptische Effekt, der der bevorzugte Effekt zur Abstimmung des Brechungsindexes ist, wird fast in der gesamten Offenbarung als anschaulicher Effekt verwendet. Aber allgemein kann in der vorliegenden Erfindung jeder Effekt zur Abstimmung des Brechungsindexes (zum Beispiel elektrooptischer Effekt, spannungsoptischer Effekt) und jede Kombination daraus verwendet werden, um den Brechungsindex zu ändern.

Bei einem bevorzugten Aufbau des Bauelements für optische Signale sind zwei Mantelschichten zwischen der Einrichtung zum Ändern des Brechungsindexes und dem Kern positioniert, wobei jede der beiden Mantelschichten einen anderen Brechungsindex hat. Verfahren zur Herstellung der Bauelemente für optische Signale der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls offenbart.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die folgenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, sind zur Veranschaulichung von Ausführungsformen der Erfindung bestimmt und nicht dazu, die Erfindung einzuschränken.

1 ist eine schematische Vorderansicht einer Ausführungsform eines Filterelements eines Bauelements für optische Signale gemäß der vorliegenden Erfindung;

2 ist eine schematische Vorderansicht einer anderen Ausführungsform eines Filterelements eines Bauelements für optische Signale gemäß der vorliegenden Erfindung, die zwei Mantelschichten mit verschiedenen Brechungsindizes zwischen einer Heizeinrichtung und einer Kernschicht verwendet;

3 ist ein Diagramm, das die Änderung der Lichtwellenlänge, die von einem in der vorliegenden Erfindung verwendeten Filterelement reflektiert wird, als Funktion der Temperatur darstellt;

4A4C sind schematische Ansichten von drei Ausführungsformen eines einzelnen Filterelements gemäß der vorliegenden Erfindung;

5A–B sind schematische Ansichten zweier Ausführungsformen von zweistufigen Add/Drop-(Einspeisungs-/Abzweig-)Filtern unter Verwendung zweier Heizeinrichtungen mit oder ohne einen Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung;

6A6D sind schematische Ansichten von vierstufigen Add/Drop-Filtern gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer oder mehreren Heizeinrichtungen und einer Vielfalt von Schalterkonfigurationen;

7 ist eine schematische Ansicht eines vierstufigen Add/Drop-Filters gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die ungenutzten Kanäle zum Bus zurückgeführt werden;

8 ist eine schematische Ansicht eines vierstufigen Add/Drop-Filters gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die ungenutzten Kanäle unter Verwendung eines 1 × 5-Kombinators direkt mit der Durchgangsleitung verbunden sind;

9 ist eine schematische Ansicht eines vierstufigen Add/Drop-Filters gemäß der vorliegenden Erfindung, der die Verstimmung einer Kante des Filters verwendet, um die Anzahl der Schalter und die Komplexität des Kombinators zu verringern;

10 ist eine schematische Ansicht eines vierstufigen Add/Drop-Filters gemäß der vorliegenden Erfindung, der die Verstimmung beider Kanten des Filters verwendet, um die Anzahl der Schalter und die Komplexität des Kombinators zu verringern;

11 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines vierstufigen Add/Drop-Filters gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Verstimmung der Kanten und eine minimalen Anzahl von Schaltern verwendet; und

12 ist eine schematische Ansicht eines vierstufigen Add/Drop-Filters der vorliegenden Erfindung, wobei die ungenutzten Kanäle unter Verwendung von Einspeisungsfiltern mit der Durchgangsleitung kombiniert werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement für optische Signale, bei dem eine Einrichtung zum Ändern des Brechungsindexes, vorzugsweise unter Verwendung einer Heizeinrichtung und wärmeempfindlicher Polymere, im Filterelement (zum Beispiel Bragg-Gitter) verwendet wird, um ein Drop/Add-Signalfilter zu erzeugen, das fein abstimmbar ist, um eine vorgewählte Lichtwellenlänge über einen großen Bereich von Wellenlängen abzuzweigen oder einzuspeisen.

In einer bevorzugten Form der Erfindung werden Mach-Zehnder-interferometerartige Bauelemente, 100%-Richtkoppler oder Mehrmoden-Interferenz-(MMI-)Koppler verwendet, die zwei Koppelbereiche aufweisen. Zwischen den Koppelbereichen mit –3-dB-ltichtkopplern oder –3-dB-Mehrmoden-Interferenzkopplern befindet sich ein Gitterbereich, der aus einem Gittersystem (zum Beispiel Bragg-Gittern) besteht. Die Wellenleiter im Gitterbereich von Bauelementen vom Mach-Zehnder-Typ sind normalerweise so voneinander beabstandet, daß in diesem Bereich keine Schwundkopplung auftritt.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein einzelner Wellenleiter zwischen zwei optischen Zirkulatoren verwendet. In dem Wellenleiter gibt es einen Gitterbereich, der aus einem Gittersystem besteht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das Bauelement für optische Signale einen einzigartig aufgebauten Gitterbereich aus Materialien, die wärmeempfindlich sind, das heißt, die relativ hohe thermooptische Koeffizienten (definiert als die Änderung des Brechungsindexes mit der Temperatur) mit einem absoluten Betrag von beispielsweise mindestens 10–4/°C haben (zum Beispiel wärmeempfindliche Polymere). Beispiele für wärmeempfindliche Polymere sind vernetzte Acrylate, Polyimide und Polymethylmethacrylate, wie zum Beispiel ethoxyliertes Bisphenol-Diacrylat, Tripropylen-Glykol-Diacrylat und 1,6-Hexandiol-Diacrylat.

Wenn Erwärmung das Mittel zum Ändern des Brechungsindexes zumindest in der Kernschicht ist, wird der Gitterbereich mit einer Heizeinrichtung (wie etwa einer Elektrode mit einem festgelegten Widerstand) oder einer anderen Einrichtung zum Bewirken einer Temperaturänderung des Polymers versehen. Mit Bezug auf 1 ist ein erster Aufbau des Gitterbereichs des optischen Bauelements der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Filterelement 2 weist einen Kernbereich 4 mit entsprechenden Mantelschichten 6A und 6B an jeder Seite auf. Das Gitter befindet sich im Kernbereich 4 und zusätzlich in den Mantelschichten 6A und 6B. Über der Mantelschicht 6A befindet sich eine Heizeinrichtung 8, die, wie oben angedeutet, eine Elektrode mit einem festgelegten Widerstand sein kann. Unterhalb der unteren Mantelschicht 6B ist ein Substrat 10 ausgebildet. Die Kernschicht besteht, wie oben beschrieben, aus einem wärmeempfindlichen Polymer. Die obere Mantelschicht 6A und die untere Mantelschicht 6B sind vorzugsweise ebenfalls aus ähnlichen Materialien hergestellt, obwohl der Brechungsindex der jeweiligen Schichten sich unterscheidet, wie nachstehend beschrieben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Heizeinrichtung in der Nähe des Filterelements vorgesehen, um die wärmeempfindlichen Polymere zu erwärmen. Wie in 3 dargestellt, ändert sich die Wellenlänge des reflektierten Lichts, wenn die Temperatur des Filterelements zunimmt, normalerweise mit einer linearen Steigung. Wie speziell im Beispiel von 3 gezeigt, nimmt die Wellenlänge des reflektierten Lichts im Bereich von 20 bis 100°C um 0,256 nm pro Grad Celsius ab. Die Wellenlänge des reflektierten Lichts ändert sich in diesem Temperaturbereich linear um 20 nm. Die vorliegende Erfindung verändert daher die Wellenlänge des reflektierten Lichts eines Filterelements eines Bauelements für optische Signale durch Erhöhen oder Senken der Temperatur des zum Aufbau des Filterelements verwendeten Materials.

In der in 1 dargestellten Ausführungsform übersteigt der Brechungsindex (n) des Kerns 4 den Brechungsindex sowohl der oberen Mantelschicht 6A als auch der unteren Mantelschicht 6B. Es wird bevorzugt, daß der Brechungsindex der oberen Mantelschicht 6A und der unteren Mantelschicht 6B gleich ist, wenngleich sie sich auch unterscheiden können, solange beide geringer sind als der Brechungsindex der Kernschicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die untere Mantelschicht 6B eine Dicke von etwa 10 bis 20 &mgr;m, während die obere Mantelschicht 6A eine Dicke von etwa 5 bis 10 &mgr;m hat. Die Dicke der Kernschicht beträgt vorzugsweise etwa 3 bis 9 &mgr;m.

Ein bevorzugtes Filterelement zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt. Dieses Filterelement stellt eine zusätzliche obere Mantelschicht 6C zwischen der Heizeinrichtung 8 und der anderen oberen Mantelschicht 6A bereit. Die zusätzliche obere Mantelschicht 6C hat einen Brechungsindex, der niedriger ist als der der oberen Mantelschicht 6A, und ist eingefügt, da die metallischen Bauteile, die die Heizeinrichtung 8 bilden, dazu neigen, Licht zu absorbieren. Die zusätzliche Mantelschicht 6C dient dazu, Licht von der Heizeinrichtung abzuweisen, und ermöglicht daher einen geringeren Verlust des optischen Signals, während sie ermöglicht, daß die Gesamtdicke des oberen Mantels (6A und 6C) klein genug ist, daß der Kern 4 durch die Heizeinrichtung 8 wirksam beheizt wird.

In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Dicke der entsprechenden Schichten die gleiche wie oben in Verbindung mit der Ausführungsform von 1 beschrieben. Man beachte, daß die kombinierte Dicke der oberen Mantelschichten 6A und 6C vorzugsweise im Bereich von etwa 5 bis 10 &mgr;m liegt.

Die vorliegende Erfindung kann auf eine Vielzahl von Bauelementen für optische Signale (zum Beispiel auf Mach-Zehnder beruhende oder auf Richtkopplern beruhende oder auf Wellenleitern mit Isolatoren beruhende Einzelkanal-Bauelemente mit N Stufen) verwendet werden, um ein Drop-(Abzweig-)Filter zu erzeugen, das über einen großen Bereich (zum Beispiel 24 bis 100 nm) abstimmbar ist. Eine Heizeineinrichtung wird an das Filterelement angelegt, und wenn die Heizeinrichtung aktiviert wird, verursacht die Einwirkung von Wärme auf das polymere Material eine Änderung der reflektierten Wellenlänge des Filterelements.

Die unten dargestellte Tabelle 1 stellt die Anzahl (N) der benötigten Stufen dar, wenn ein feststehender Temperaturbereich und Wellenlängen-Abstimmungsbereich gegeben ist. Der für die Abstimmbarkeit verwendete Wert beträgt 0,25 nm pro Grad Celsius, was die lineare Beziehung zwischen Reflexionswellenlänge und Temperatur darstellt, wie sie in Verbindung mit dem Beispiel von 3 dargestellt und beschrieben wurde.

TABELLE 1

Wie in Tabelle 1 dargestellt, gibt es für einen vorgegebenen Temperaturbereich eine Grenze dafür, wieviel Abstimmung pro Stufe erfolgen kann. Zum Beispiel beträgt für einen Temperaturbereich von 10°C für das Filterelement der Abstimmungsbereich für jede Stufe 2,5 nm.

Das Filterelement enthält in Abhängigkeit vom Kanalabstand und der Bandbreite des Telekommunikationssystems eine feste Anzahl von Kanälen. Wenn das Telekommunikationssystem zum Beispiel eine Bandbreite von 24 nm hat, dann sind 30 Kanäle mit 0,8 nm pro Kanal vorhanden.

Wie in Tabelle 1 dargestellt, kann die Anzahl von Stufen, die zur Abstimmung über einen vorgegebenen Temperaturbereich für eine vorgegebene Bandbreite erforderlich ist, einfach ermittelt werden. Zum Beispiel sind, wenn das polymere Material und die erwünschte Abstimmungsgeschwindigkeit einen Temperaturbereich von 30°C zulassen, der Kanalabstand 0,8 nm und die Bandbreite 40 nm beträgt, sechs Stufen mit einem Abstimmungsbereich von 7,5 nm pro Stufe erforderlich. Wenn weniger Stufen erwünscht sind, wird ein größerer Temperaturbereich verwendet. Weniger Stufen führen zu einem geringeren Einspeisungsverlust (das heißt, die Menge an Lichtverlust in Dezibel beim Durchqueren des Bauelements), aber die Geschwindigkeit, mit der das Bauelement abgestimmt wird, um eine gegebene Wellenlänge zu erreichen, wird verringert.

Wenn eine größere Anzahl von Stufen (das heißt, ein kleinerer Temperaturbereich) für einen vorgegebenen Bereich verwendet wird, erfolgt der Wärmetransport schneller. Jedoch vergrößert die höhere Anzahl von Stufen die Länge des Bauelements für optische Signale und führt zu einem höheren Einspeisungsverlust. Deshalb ist es vorzuziehen, mit einer mäßigen Anzahl von Stufen mit einem Temperaturbereich irgendwo in der Mitte des Bereichs von 10 bis 100°C zu arbeiten.

Die Anzahl der Stufen N in Tabelle 1 stellt auch M in dem 1 × M-Schalter dar, der erforderlich ist, um das Ausgangssignal einer einzelnen Stufe auszuwählen. Der 1 × M-Schalter kann mit einer Folge von 1 × 2-Schaltern (allgemein 1 × P, wobei P kleiner als M ist) realisiert werden. N wird N – 1, wenn die beiden äußeren Stufen durch eine geringe Temperaturverschiebung aus dem Abstimmungsbereich heraus verstimmt werden. Es ist nicht wünschenswert, Nichtkanten-Stufen abzustimmen, da es im allgemeinen wünschenswert ist, eine große Abstimmungsfähigkeit zu verwenden, um die Anzahl der Stufen zu verringern. Selektive Abstimmung bedeutet jedoch auch eine zusätzliche Heizeinrichtung und zusätzlichen Abstand zwischen Segmenten mit unterschiedlichen Heizeinrichtungen, wohingegen die gesamte Baugruppe einheitlich erwärmt werden kann, wenn keine Verstimmung verwendet wird. Wird Verstimmung verwendet, wenn die Anzahl der Stufen (N) 2 beträgt, ist kein Schalten erforderlich.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es durch Ändern der Temperatur des polymeren Materials des Filterelements möglich, die Wellenlänge zu steuern, die in jeder Stufe des Bauelements für optische Signale abgezweigt wird. Das Ändern der Temperatur bewirkt eine Veränderung des Brechungsindexes, was eine Wellenlängenänderung des Lichts, das in das Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen eingespeist oder von ihm abgezweigt wird, gemäß der folgenden Formel bewirkt. &lgr; = 2N&Lgr; wobei &lgr; die abzuzweigende oder einzuspeisende Wellenlänge ist;

N der effektive Brechungsindex des Materials bei Erwärmung ist; und

&lgr; die Gitterkonstante ist.

Somit ermöglicht das Erwärmen, das N und normalerweise in einem geringeren Ausmaß auch &lgr; verändert, eine Veränderung der Wellenlänge &lgr;, die eingespeist oder abgezweigt werden soll.

Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Filterelement ist für eine große Vielzahl von Bauelementen für optische Signale anwendbar. Mit Bezug auf 4A4C werden drei Bauelemente für optische Signale dargestellt, die ein Filterelement 2 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es in den 1 oder 2 dargestellt ist, verwenden. In 4A ist eine Mach-Zehnder-Ausführungsform dargestellt, in 4B ist eine 100%-Richtkoppler-Ausführungsform dargestellt, und in 4C ist eine Ausführungsform dargestellt, die einen einzelnen Wellenleiter zwischen zwei optischen 3-Port-Zirkulatoren 18 verwendet. In allen drei Ausführungsformen weist das Filterelement eine Heizeinrichtung 8 quer zum Gitterbereich 20 auf, wie in Verbindung mit 1 und 2 beschrieben. In Betrieb strahlt eine Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen durch den Eingangsport 22 in den Gitterbereich 20 ein. Eine einzelne Lichtwellenlänge wird entsprechend der Temperatur des Gitterbereichs, wie sie durch die Heizeinrichtung 8 bestimmt wird, reflektiert. Das erwünschte Signal mit einer einzelnen Wellenlänge wird durch den Abzweigport 24 aus dem Gitterbereich abgezweigt, während die übrigen Lichtwellenlängen den Gitterbereich durchqueren und durch den "Durchgangs"-Port 26 austreten. Die durch die Heizeinrichtung bestimmte Wellenlänge kann auch zu den Wellenlängen eingespeist werden, die den Durchgangsport verlassen, indem sie durch den "Add"-Port 28 eingespeist wird. In der Ausführungsform von 4A können die beiden –3-dB-Richtkoppler 12 MMI-(Mehrmoden-Interferenz-)Koppler mit –3 dB sein. In der Ausführungsform von 4B kann der 100%-Richtkoppler 14 durch einen 100%-MMI-Koppler ersetzt werden. In der Ausführungsform von 4C können die optischen 3-Port-Zirkulatoren 18 durch 1 × 2-Leistungsverteiler ersetzt werden, wenn hoher Einspeisungsverlust und hohe Rückkehr-Reflektivität toleriert werden können.

Die bestimmte Lichtwellenlänge, die aus der Lichtquelle abgezweigt oder in sie eingespeist wird, kann gemäß der vorliegenden Erfindung präzise ausgewählt werden, indem die Heizeinrichtung gemäß der Abhängigkeit der reflektierten Wellenlänge von der Temperatur angepaßt wird, wie in 3 dargestellt. In dem in 3 dargestellten Beispiel wird für jedes °C, um das die Temperatur des Gitterbereichs angehoben wird, die reflektierte Wellenlänge um 0,256 nm verringert.

Die verbleibenden Lichtwellenlängen, die das in den 4A4C dargestellte Filterelement durchlaufen, können in einem anderen Filterelement weiter verarbeitet werden, damit die beiden abgezweigten Wellenlängen in einen einzelnen Schalter eintreten können. Dadurch kann eine von beiden Wellenlängen in Abhängigkeit von den Bedürfnissen des Verwenders abgezweigt werden. Solche Anordnungen sind in 5A und 5B dargestellt.

Mit Bezug auf 5A werden zwei Filterelemente 2A und 2B verwendet, von denen jedes eine Heizeinrichtung 8A beziehungsweise 8B hat. Eine erste ausgewählte Wellenlänge &lgr;1 wird aus dem Filterelement 2A abgezweigt und tritt in einen 1 × 2-Schalter (dargestellt durch das Bezugszeichen 30) ein. Das restliche Lichtsignal ohne &lgr;1 läuft weiter zum zweiten Filterelement 2B. Die Temperatur der Heizeinrichtung wird ähnlich wie im Beispiel von 3 dargestellt angepaßt, um eine andere Lichtwellenlänge &lgr;2 abzuzweigen, die ebenfalls in den Schalter 30 eintritt. In der in 5A dargestellten Ausführungsform werden beide Wellenlängen &lgr;1 und &lgr;2 wunschgemäß vom Verwender verwendet, und der Schalter 30 ermöglicht es dem Verwender, abhängig vom Bedarf entweder &lgr;1 oder &lgr;2 durch einen Abzweigport 32 abzuzweigen. Verstimmen wird vorzugsweise in der ungenutzten Stufe verwendet, so daß keine Information im nutzbaren Bereich verlorengeht.

Die in 5B dargestellte Ausführungsform ähnelt der Ausführungsform von 5A, aber der Schalter ist durch einen Kombinator ersetzt. In dieser Ausführungsform muß Verstimmen verwendet werden, so daß nur die erwünschte Wellenlänge den Abzweigport 32 verläßt.

Die in 5A dargestellte Anordnung weist einen bestimmten Verlust an Lichtintensität im Schalter auf, und die in 5B dargestellte Anordnung weist normalerweise einen größeren Verlust (etwa –3 dB) auf, aber ein solcher Verlust ist akzeptabel, wenn das Bedürfnis darin besteht, mehr als eine Stufe zu haben, um auf einen größeren Wellenlängenbereich zuzugreifen und/oder die Abstimmungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Eine verstimmte Wellenlänge ist eine Wellenlänge, die außerhalb des Bereichs der Wellenlängen liegt, die im Temperaturbereich der Heizeinrichtung verfügbar sind, wie im Beispiel von 3 dargestellt. Wenn beispielsweise ein Gitter von der in 3 gemessenen Art ist und die Heizeinrichtung einen ausgewählten Temperaturbereich von 40°C bis 80°C hat, dann reichen die verfügbaren abstimmbaren Wellenlängen von etwa 1563 nm bis 1553 nm. Ein zweites Gitter sei so beschaffen, daß es für den gleichen Temperaturbereich Wellenlängen von 1553 nm bis 1543 nm filtert. Eine verstimmte Wellenlänge würde daher außerhalb des Gesamtbereichs liegen (zum Beispiel 1564 mit oder 1542 nm). Wenn somit in Bezug auf 5B &lgr;1 innerhalb des abstimmbaren Bereichs liegt und &lgr;2 eine verstimmte Wellenlänge ist, ist &lgr;1 die einzige Wellenlänge, die vom Kombinator abgezweigt wird.

Vierstufige Anordnungen zum Abzweigen ausgewählter Wellenlängen durch Verwendung von Heizeinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den 6A6D dargestellt.

Mit Bezug auf 6A ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die 4 Stufen und eine einzelne Heizeinrichtung unter Verwendung eines 1 × 4-Schalters verwendet, um das Signal mit der erwünschten Wellenlänge abzuzweigen. In der in 6B dargestellten Ausführungsform wird anstelle eines 1 × 4-Schalters, wie in 6A dargestellt, eine Folge von 1 × 2-Schaltern verwendet, um das gleiche Ergebnis zu erreichen.

In der in 6C dargestellten Ausführungsform werden zwei Heizeinrichtungen verwendet, um ein Verstimmen der Kantenstufen zuzulassen. Drei Ports zweigen ein Lichtsignal mit einer einzigen Wellenlänge durch einen 1 × 3-Schalter ab, und ein vierter Port zweigt einen vierten Kanal ab, der mit dem Ausgangssignal des 1 × 3-Schalters kombiniert wird, um den endgültigen Abzweigport zu bilden.

Die in 6D dargestellte Ausführungsform verwendet zwei Heizeinrichtungen, um ein Verstimmen der Kantenstufen zuzulassen, und 1 × 2-Schalter. Die Ausgangssignale der 1 × 2-Schalter werden kombiniert, um den endgültigen Abzweigport zu bilden.

Die Ausgangssignale der ungenutzten nicht-verstimmten Stufen enthalten Information aus dem verwendbaren Wellenlängenbereich, und es wäre wünschenswert, daß diese Information wieder zum Bus zurückkehrt. Eine solche Ausführungsform ist in 7 dargestellt, wo die ungenutzten Kanäle gesammelt und zurückgeführt werden. In dieser Ausführungsform ist ein 1 × 2-Schalter am Ausgang jeder Stufe ausgebildet, um das Signal entweder zum Abzweig- oder Durchgangsport zu senden. Die Sammlung der ungenutzten Kanäle in 7 kann zum Beispiel einen –6-dB-Kombinator verwenden. Die Wiedereinspeisung der ungenutzten Kanäle in den Bus kann zum Beispiel einen -3-dB-Kombinator verwenden.

Wie in der Ausführungsform in 8 dargestellt, bestünde eine Möglichkeit zur Verringerung des Verlusts in den gesammelten Kanälen auf –7 dB darin, alle vier Kanäle unter Verwendung eines 1 × 5-Kombinators weiterzuleiten und sie mit der Durchgangsleitung zu kombinieren. Dies erhöht den Verlust der Durchgangskanäle von –3 auf –7 dB. Dies ist immer noch akzeptabel, da es alle Kanäle, die letztendlich durchgelassen werden, angleicht.

Das Verstimmen der Kantenstufen ist bei dieser Art von Umgebung möglich, was zur Vereinfachung der optischen Schaltung führt. Wie in 9 dargestellt, wird ein 1 × 2-Schalter weniger benötigt und aus dem 1 × 5-Kombinator am Durchgangsport wird ein 1 × 3-Kombinator, was den Verlust von –7 auf –4,7 dB verringert, obwohl eine zusätzliche Heizeinrichtung erforderlich ist. Wie in 10 dargestellt, kann ein weiterer 1 × 2-Schalter entfernt werden, wenn eine weitere Heizeinrichtung eingefügt wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Modifikation der in 10 dargestellten Ausführungsform mit einem 1 × 4-Kombinator anstelle eines 1 × 4-Schalters am Abzweigport bereitgestellt, wie in 11 dargestellt.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Modifikation der in 10 dargestellten Ausführungsform mit Einspeisungsfiltern anstelle eines 1 × 3-Kombinators am Durchgangsport bereitgestellt, wie in 12 dargestellt. Die Einspeisungsfilter haben Gitter mit den gleichen Konstanten wie die Gitter der Einspeisungs-/Abzweigfilter, zu denen sie gehören, und sie teilen sich die gleichen Heizeinrichtungen mit diesen Einspeisungs-/Abzweigfiltern (oder werden allgemein auf die gleiche Temperatur erwärmt wie sie). Die Einspeisungsfilter können sehr geringe optische Verluste haben, wodurch der Verlust um den Faktor N von 1 × N-Kombinatoren umgangen wird.

Es ist verständlich, daß alle Konfigurationen, die an den Abzweigports in den 511 dargestellt werden, an den Einspeisungsports implementiert werden können. Es ist auch verständlich, daß alle in 511 dargestellten mehrstufigen Konfigurationen, die Mach-Zehnder-Bauelemente der in 4A dargestellten Art verwenden, ebenso 100%-Richtkoppler der in 4B dargestellten Art verwenden können oder einzelne Wellenleiter zwischen optischen 3-Port-Zirkulatoren der in 4C dargestellten Art.


Anspruch[de]
  1. Bauelement für optische Signale, mit:

    a) einem Substrat (10);

    b) einem Paar erster und zweiter voneinander beabstandeter Mantelschichten (6A, 6B);

    c) einer Kernschicht (4) mit einem Wellenleiter oder einem Paar gegenüberliegender Wellenleiter, der bzw. das zwischen dem Paar der Mantelschichten positioniert ist, und mit einem Brechungsindexwert, der größer ist als der Brechungsindexwert der ersten und zweiten Mantelschicht, so daß aufgrund der Differenz zwischen den Brechungsindexwerten der Kernschicht und den Mantelschichten ein Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen in einem einzelnen Mode durch das Bauelement treten kann;

    d) einem Gitterbereich (20), der eine Filtereinrichtung bildet, die bewirken soll, daß eine einzelne Lichtwellenlänge des Lichtsignals mit mehreren Wellenlängen abgesondert wird; und

    e) einer Einrichtung (8) zum Ändern des Brechungsindexes zumindest der Kernschicht, um dadurch die Wellenlänge des Lichts zu steuern, die aus dem Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen abgesondert werden soll,

    dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterbereich (20) in jeder der Mantelschichten und der Kernschicht vorhanden ist.
  2. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 1, wobei zumindest die Kernschicht (4) aus einem wärmeempfindlichen Material besteht, wobei die Einrichtung (8) zum Ändern des Brechungsindexes zumindest der Kernschicht eine Heizeinrichtung umfaßt.
  3. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 1 in Form eines Mach-Zehnder-Interferometers, das mit einem abstimmbaren Gitter (20) integriert ist.
  4. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 1 in Form eines 100%-igen Richtkopplers oder eines 100%-igen MMI-Mehrmoden-Interferenz-Kopplers, der mit einem abstimmbaren Gitter (20) integriert ist.
  5. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 1 in Form eines einzelnen Wellenleiters, der mit einem abstimmbaren Gitter (20) zwischen zwei optischen Drei-Port-Zirkulatoren (18) oder zwei 1 × 2-Leistungsverteilern integriert ist.
  6. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 2, wobei das wärmeempfindliche Material einen relativ hohen thermooptischen Koeffizienten mit einem absoluten Wert von mindestens etwa 10–4/°C hat.
  7. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 6, wobei das wärmeempfindliche Material zumindest ein wärmeempfindliches Polymer ist.
  8. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 7, wobei das thermoempfindliche Polymer aus der Gruppe gewählt ist, die aus vernetzten Acrylaten, Polyimiden und Polymethylmethacrylaten besteht.
  9. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex der ersten und der zweiten Mantelschichten (6A, 6B) der gleiche ist.
  10. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 1, ferner mit einer dritten Mantelschicht (6C), die über der Kernschicht (4) positioniert ist.
  11. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 10, wobei die dritte Mantelschicht (6C) einen Brechungsindex hat, der kleiner ist als der der ersten und zweiten Mantelschichten (6A, 6B).
  12. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Kernschicht etwa 3 bis 9 &mgr;m ist.
  13. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 1, wobei die zweite Mantelschicht (6B) zwischen der Kernschicht (4) und dem Substrat (10) positioniert ist, wobei die zweite Mantelschicht eine Dicke von etwa 10 bis 20 &mgr;m hat.
  14. Bauelement für optische Signale nach Anspruch 1, wobei die erste Mantelschicht (6A) eine Dicke von etwa 5 bis 10 &mgr;m hat.
  15. Wellenlängenmultiplexer/demultiplexer mit einer Vielzahl von integrierten Bauelementen für optische Signale, wobei jedes der Bauelemente für optische Signale ein Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
  16. Wellenlängenmultiplexer/demultiplexer nach Anspruch 15, ferner mit mindestens einem Schalter (30) zum Empfangen mindestens einer gewählten Wellenlänge des Lichts von der Vielzahl von Bauelementen für optische Signale.
  17. Wellenlängenmultiplexer/demultiplexer nach Anspruch 15, ferner mit mindestens einem Kombinator zum Empfangen mindestens einer gewählten Wellenlänge des Lichts von den Bauelementen für optische Signale.
  18. Wellenlängenmultiplexer/demultiplexer nach Anspruch 15, ferner mit einer Einrichtung zum Zurückgeben mindestens einer ungenutzten Wellenlänge, die in dem Bereich von nutzbaren Wellenlängen erzeugt wird, an das Signal mit nichtabsonderter Wellenlänge, das durch das optische Bauelement tritt.
  19. Wellenlängenmultiplexer/demultiplexer nach Anspruch 18, ferner mit Einfügefiltern zum Zurückgeben ungenutzter Wellenlängen, die in dem Bereich nutzbarer Wellenlängen erzeugt werden, an das Signal mit nichtabgesonderter Wellenlängen, das durch das optische Bauelement tritt.
  20. Verfahren zum Einfügen/Ausblenden einer vorgewählten Lichtwellenlänge in/aus einem optischen Signal mit dem folgenden Schritt: Führen des optischen Signals durch ein Bauelement für optische Signale mit:

    a) einem Substrat (10),

    b) einem Paar erster und zweiter voneinander beabstandeten Mantelschichten (6A, 6B),

    c) einer Kernschicht (4) mit einem Wellenleiter oder einem Paar gegenüberliegender Wellenleiter, der bzw. das zwischen dem Paar der Mantelschichten positioniert ist, und mit einem Brechungsindexwert, der größer ist als der Brechungsindexwert der ersten und zweiten Mantelschichten,

    d) einem Gitterbereich (20), der in jeder der Mantelschichten (6A, 6B) und der Kernschicht (4) ausgebildet ist und der eine Filtereinrichtung bildet, die bewirken soll, daß eine einzelne Lichtwellenlänge des Lichtsignals mit mehreren Wellenlängen abgesondert wird, und

    e) einer Einrichtung (8) zum Ändern des Brechungsindexes zumindest der Kernschicht; und Ändern des Brechungsindex, um dadurch die vorgewählte Lichtwellenlänge zu reflektieren.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei zumindest die Kernschicht (4) aus einem wärmeempfindlichen Material besteht und das Bauelement für optische Signale eine Heizeinrichtung (8) umfaßt, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfaßt: Ändern der Temperatur der Heizeinrichtung, so daß das thermoempfindliche Material eine vorgewählte Lichtwellenlänge reflektiert.
Es folgen 11 Blatt Zeichnungen






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