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Optisches Bauelement mit Wellenleitern gleicher Länge - Dokument DE60031587T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60031587T2 21.06.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001020740
Titel Optisches Bauelement mit Wellenleitern gleicher Länge
Anmelder Lucent Technologies Inc., Murray Hill, N.J., US
Erfinder Doerr, Christopher Richard, Middletown, New Jersey 07748, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60031587
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 06.01.2000
EP-Aktenzeichen 003000411
EP-Offenlegungsdatum 19.07.2000
EP date of grant 02.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2007
IPC-Hauptklasse G02B 6/124(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G02B 6/125(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Einrichtungen und insbesondere eine optische Einrichtung mit Wellenleiterwegen gleicher Länge, die größere Herstellungstoleranz und verringerte Polarisationsempfindlichkeit aufweisen.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Ein Cross-Connect mit Wellenlängen-Multiplex (WDM) (ein nicht-wellenlängen-veränderlicher) ist eine Einrichtung, die einen beliebigen Wellenlängenkanal in einer beliebigen Leitung mit demselben Wellenlängenkanal in einer beliebigen anderen Leitung austauschen kann. Der herkömmliche Entwurf besteht darin, eine Matrix von Schaltern zwischen Mengen von Wellenlängen-Multiplexern, wie zum Beispiel Wellenlängengitter-Routern (WGRs), zu verwenden. Siehe zum Beispiel die folgenden Publikationen:

  • [1] M. K. Smit „New focusing and dispersive planar component based on an optical phased array", Electron. Lett., Band 24, Seiten 385–386 (1988);
  • [2] H. Takahashi, S. Suzuki, K. Kato und I. Nishi, „Arrayed-waveguide grating for wavelength division multi/demultiplexer with nanometer resolution", Electron. Lett., Band 26, Seiten 87–88 (1990); und
  • [3] C. Dragone "An N × N optical multiplexer using a planar arrangement of two star couplers" IEEE Photon. Technol. Lett., Band 3, 812–814 (1991).

    Für Versionen mit 2 Leitungen × 2 Leitungen wurden Entwürfe mit diskreten Komponenten {z.B. siehe B. Glance „Tunable add drop optical filter providing arbitrary channel arrangements", IEEE Photon, Technol. Lett., Band 7, 1303–1305 (1995)}, und mit voll integrierten Komponenten {siehe z.B. K. Okamoto, M. Okuno, A. Himeno und Y. Ohmori, „16-channel optical add/drop multiplexer consisting of arrayed-waveguide gratings and double-gate switches", Electron. Lett., Band 32, 1471–1472 (1996)}, demonstriert.

Mit Bezug auf die Zeichnung ist 1 eine Draufsicht eines vorbekannten Wellenleiter-Array-Multiplexers 10 mit einem ersten Array-Koppler 11, der über ein Array von n Wellenleitern W1, W2, ..., Wn an einen zweiten Array-Koppler 12 angekoppelt ist. Die Array-Koppler 11 und 12 können quaderförmige Wellenleiterregionen mit mehreren peripherie-verteilten Wellenleitern sein. In einem Betriebsmodus empfängt der Koppler 11 Licht bei Pi von einem Eingangswellenleiter 13, und der Koppler 12 verteilt empfangenes Licht auf zwei Ausgangswellenleiter 14 und 15 in der Nähe von P0. Das Array der n Wellenleiter zwischen den Kopplern 11 und 12 ist in einer „C"-Konfiguration angeordnet, wobei sich die Wellenleiter von den Kopplern wegspreizen, um Übersprechen zu verringern. Jeder sukzessive Wellenleiter liefert einen optischen Weg, der um einen konstanten Betrag &Dgr;l länger als sein Vorgänger ist.

Im Betrieb spreizt sich Licht im Fundamentalmodus des Eingangswellenleiters 13 durch Beugung von der Mitte des Kopplers 11 und bildet eine zirkulare Wellenfront konstanter Phase. Die Wellenleiter um den Umfang des Kopplers 11 herum werden alle mit derselben Phase erregt. Da sich die Wellenleiter trennen, werden die optischen Signale entkoppelt. Nach der Entkopplung breitet sich das Licht in den Wellenleitern zu Anfang jedoch weiter mit einer zirkularen Phasenfront aus und behält nahezu dieselbe Amplitudenverteilung wie bei der anfänglichen Erregung der Wellenleiter.

Das Array ist so ausgelegt, daß jeder sukzessive Wellenleiter im Vergleich zu seinem niedrigeren Nachbarn eine vergrößerte Länge &Dgr;l aufweist und die Wellenleiter enden in einem konvergierenden Kreis an dem Koppler 12. Im Fall &Dgr;l = m&lgr;0, wobei &lgr;0 die Wellenlänge in dem Medium und m eine ganzzahlige Ordnungszahl ist, bildet die Phasenfront des Lichts in dem Koppler 12 eine zirkulare Welle, die auf der Kopplerachse bei P0 konvergiert. Bei einer anderen Wellenlänge &lgr;0 + &Dgr;&lgr; wird die aus dem Array austretende Phasenfront in einem kleinen Winkel &thgr; relativ zu der Kopplerachse CC' geneigt und koppelt sich effizient in der Nähe von P0 an den Wellenleiter 15, der um &thgr; von der Kopplerachse winkelverschoben ist. In diesem Beispiel ist der Ausgangswellenleiter 14 so positioniert, daß er an &lgr;0 angekoppelt wird, und der Ausgangswellenleiter 15 an &lgr;0 + &Dgr;&lgr;. Diese Einrichtung kann somit zum Empfang zweier aus dem Wellenleiter 13 eingegebener Wellenlängen (&lgr;0 und &lgr;0 + &Dgr;&lgr;) und zur Bereitstellung von Wellenlängen-getrennten Ausgangssignalen &lgr;0 bei 14 und &lgr;0 + &Dgr;&lgr; bei 15 verwendet werden. Die Einrichtung wirkt somit als Gitter und als Demultiplexer. In der umgekehrten Richtung kann sie als Multiplexer wirken.

Viele Lichtwellenleitereinrichtungen erfordern ein Array aus zwei oder mehr Wellenleiterwegen im wesentlichen gleicher Länge, wie zum Beispiel dynamische Wellenlängenentzerrer, offengelegt von C. R. Dörr, in einem Artikel mit dem Titel „Proposed optical cross connect using a planar arrangement of waveguide grating routers and phase shifters", erschienen in IEEE Photon. Technol. Lett., Band 10, Seiten 528–530, 1998 (im folgenden der „Optischer-Cross-Connect-Artikel von Dörr"); die Wellenlänge-Cross-Connects offengelegt von C. R. Dörr und C. Dragone in einem anderen Artikel mit dem Titel „Proposed optical cross connect using a planar arrangement of beam steerers", IEEE Photon. Technol. Lett., Band 11, Februar 1999; und optische Cross Connects, wie zum Beispiel die von C. R. Dörr, C. H. Joyner and L. W. Stulz in einem Artikel mit dem Titel „Integrated WDM dynamic power equalizer with potentially low insertion loss", IEEE Photon. Technol. Lett., Band 10, Seiten 1443–1445, 1998, offengelegten.

2 zeigt ein Schaltbild einer vorbekannten Einrichtung, die in dem US-Patent Nr 5,212,758, ausgegeben an Adar et al am 18.05.1993, „Planar Lens and Low Order Array Multiplexer", äquivalent zu EP-A-0565308 offengelegt wird. Die in 2 gezeigte Einrichtung ist der von 1 ähnlich, mit der Ausnahme, daß die n Wellenleiter (W1, W2, ..., Wn) zwischen den Array-Kopplern 21 und 22 nicht in einer „C"-Konfiguration, sondern in einer „S"-Konfiguration angeordnet sind. Genauer gesagt umfaßt jeder Wellenleiter zwei im wesentlichen kreisförmige Bogen, die die Krümmungsrichtung bei AA' in der Mitte zwischen den Kopplern 21 und 22 umkehren. Es wurde gezeigt, daß solche „S"-Konfigurationen zur Herstellung von Breitband-Multiplexern oder planaren Linsen effektiv sind.

Ungeachtet dieser Fortschritte werden weiterhin optische Einrichtungen benötigt, die die Übertragung und Verwaltung optischer Signale erleichtern.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Der Erfinder hat eine optische Einrichtung mit einem Array im wesentlichen gleichlanger optischer Wellenleiter erfunden. Jeder einzelne der optischen Wellenleiter enthält einen oder mehrere gerade Teile, einen oder mehrere gekrümmte Teile und wahlweise einen oder mehrere Übergangsteile. Im Gegensatz zum Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Gesamtlänge gerader Teile im wesentlichen für alle Wellenleiter in dem Array gleich. Ähnlich kann eine Gesamtlänge gekrümmter Teile für alle Wellenleiter auch im wesentlichen gleich sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines vorbekannten Wellenleiter-Array-Multiplexers mit „C"-förmigen optischen Wellenleitern ungleicher Länge;

2 einen beispielhaften vorbekannten „S"-förmigen optischen Wellenleiter, der in optischen Einrichtungen mit gleichlangen Wellenleitern nützlich ist;

3 einen „S"-förmigen optischen Wellenleiter, der zwei Punkte verbindet;

4 einen „S"-förmigen optischen Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung;

4 eine schematische Ansicht einer Einrichtung mit einem Array „S"-förmiger optischer Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung; und

6(a) einen Graph einer Spektralantwort bei verschiedenen Wellenlängen für einen Array-Wellenleiter, der gemäß vorbekannten Lehren des Optischer-Cross-Connect-Artikels von Dörr konstruiert ist, bei dem eine Gesamtlänge gerader Segmente nicht konstant ist, und (b) gemäß den vorliegenden Lehren konstruiert ist, wobei die Gesamtlängen gerader Segmente über alle einzelne Wellenleiter hinweg konstant sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Als weitere Hintergrundinformationen ist die Tatsache, daß die „S"-Konfiguration von Wellenleitern dafür ausgelegt werden kann, im wesentlichen gleiche Weglängen von 21 zu 22 bereitzustellen, aus 1 ersichtlich, indem man eine Symmetrielinie AA' senkrecht zu der Linie P0Pi in der Einrichtung mit C-Konfiguration betrachtet. Bei der Einrichtung von 1 wird die Beziehung zwischen Wellenleiter und Weglänge gegeben durch:

W1 = l, W2 = 1 + &Dgr;1, W3 = l + 2&Dgr;l, ..., Wn = l + (n – 1) &Dgr;l.

Wenn man nun eine „S"-Konfigurationsstruktur betrachtet, die durch Schneiden entlang von AA' und axiales Drehen der Struktur um 180°, so daß die linke Hälfte von W1 mit der rechten Hälfte von Wn verbunden wird, die linke Hälfte von W2 mit der rechten Hälfte von Wn-1 verbunden wird usw., betrachtet. Folglich ist die Gesamtweglänge für jeden Wellenleiter gleich und kann als 1 + ((n – 1)&Dgr;l/2) beschrieben werden.

Nunmehr mit Bezug auf 3 ist ein verallgemeinerter Wellenleiter Wg mit zwei Endpunkten Pi und P0 gezeigt. Im allgemeinen Fall muß jeder Wellenleiterweg m an einem spezifizierten Punkt [x1(m), y1(m)], wobei x und y Kartesische Koordinaten sind, in einem spezifizierten Winkel &agr;1(m) beginnen und muß an einem anderen spezifizierten Punkt (x2(m), y2(m)] in einem anderen spezifizierten Winkel &agr;2(m) enden. Es versteht sich, daß eine unendliche Anzahl von Wellenleiterwegen möglich ist, um optische Verbindungen zwischen Pi und P0 zu bewirken, wie zum Beispiel das Verfahren, das in dem oben erwähnten US-Patent Nr 5,212,758 beschrieben wird. Im Gegensatz zu diesem vorbekannten Verfahren definieren das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch die Wellenleiterwege dergestalt, daß die relative Länge jedes Weges herstellungstolerant und polarisationsunempfindlich ist.

Die vorliegende erfindungsgemäße Vorrichtung kann folgendermaßen zusammengefaßt werden. Jeder Weg (Wellenleiter) kann eine Anzahl gerader Segmente, d.h. 3, eine Anzahl gekrümmter Segmente, d.h. 2 und wahlweise ein oder mehrere Übergangssegmente enthalten. Allgemein ausgedrückt weist ein gerades Segment eine im wesentlichen gerade Mittelachse und ein gekrümmtes Segment eine Mittelachse, die um einen Punkt gleichförmig gekrümmt ist, auf, was zu einem im wesentlichen konstanten Krümmungsradius führt. Bei einer konkreten Ausführungsform, bei der eine Anzahl gleichlanger Wellenleiter optisch zwei Endpunkte verbinden, können die geraden Segmente der Wellenleiter alle dieselbe Breite aufweisen; die gekrümmten Segmente der Wellenleiter können alle denselben Biegeradius, dieselbe Breite und dasselbe radiale Offset aufweisen; und die Übergangssegmente können alle für alle Wellenleiterwege gleich sein. Wichtigerweise ist die Summe der Längen gerader Segmente im wesentlichen für jeden der Wellenleiter gleich und ähnlich im wesentlichen für die Summe der Längen gekrümmter Segmente und im wesentlichen für die Summe der Längen von Übergangssegmenten gleich.

4 zeigt ein Schaltbild eines gemäß den vorliegenden Lehren aufgebauten beispielhaften optischen Wellenleiters. Genauer gesagt, verbindet der optische Wellenleiter optisch zwei Endpunkte (x1, y1) und (x2, y2). Wie in dieser Figur gezeigt, besitzt der Wellenleiter eine Anzahl gerader Segmente (3 in diesem Beispiel) und eine Anzahl gekrümmter Segmente (2 in diesem Beispiel) und wahlweise eines oder mehrere Übergangssegmente, die zwischen den gekrümmten Segmenten und den geraden Segmenten angeordnet sind. In dieser Figur ist nicht ausdrücklich gezeigt, aber von Fachleuten ohne weiteres erkennbar, daß ein solcher optischer Wellenleiter eine Mittelachse aufweisen würde, durch die sich optische Signale ausbreiten können. Wie bereits erwähnt, weisen gerade Segmente eine im wesentlichen gerade Mittelachse und gekrümmte Segmente eine Mittelachse mit konstantem Krümmungsradius auf.

Diese Eigenschaften lassen sich erzielen, indem man den Winkel des mittleren geraden Segments &agr;3(m) im wesentlichen gleich folgendem macht: und die Längen der 3 geraden Segmente, l1(m) , l2(m) und l3(m) im wesentlichen gleich folgendem: wobei c1 und c2 Konstanten sind, die sich für alle Wellenleiter in dem Array nicht ändern. Zusätzlich sind fx und fy Funktionen, die die x- und y-Verschiebungen der Kurven und Übergangsteile bei gegebenem Startwinkel, Stopwinkel und Kurvensinn, (d.h. im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn) h geben.

5 ist ein Schaltbild einer optischen Einrichtung mit einem Array im wesentlichen gleichlanger Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung. Genauer gesagt, und nunmehr mit Bezug auf diese Figur, ist ein Array von Wellenleitern W1, W2, W3, ... Wn gezeigt, das einen Eingangskoppler Pi mit einem Ausgangskoppler P0 verbindet. Es sollte beachtet werden, daß die Wellenleiter nicht, so wie es in dieser Figur der Einfachheit halber abgebildet ist, an demselben Koppler bzw. denselben Kopplern ausgehen oder enden müssen.

Jeder der Wellenleiter W1, W2, W3, ... Wn weist im wesentlichen dieselbe Gesamtlänge auf und enthält jeweils mehrere gerade Segmente, mehrere gekrümmte Segmente und wahlweise ein oder mehrere Übergangssegmente. Wie bereits erwähnt, ist die Gesamtlänge der geraden Segmente für einen einzelnen Wellenleiter, d.h. W1, im wesentlichen für beliebige der anderen Wellenleiter, d.h. Wn, gleich. Ähnlich ist die Gesamtlänge der gekrümmten Segmente für einen einzelnen Wellenleiter, d.h. W1, im wesentlichen für beliebige der anderen Wellenleiter, d.h. Wn, gleich. Wenn schließlich Übergangssegmente vorliegen, ist die Gesamtlänge der Übergangssegmente für einen einzelnen Wellenleiter, d.h. W1, im wesentlichen für beliebige der anderen Wellenleiter, d.h. Wn, gleich.

6 zeigt die Spektralantwort durch einen Wellenlänge-Cross-Connect, wie in dem Optischer-Cross-Connect-Artikel von Dörr beschrieben, der in Silica-Wellenleitern ausgeführt ist, wobei 6(a) Verbindungswellenleiterwege zwischen Wellenleiter-Gitter-Routern dafür ausgelegt sind, gleiche Längen aufzuweisen, aber die Summe der Längen gerader Segmente nicht für jeden Weg gleich ist, während dies bei 6(b) der Fall ist. Wenn alle Weglängen in einer tatsächlichen Einrichtung gleich sind, sollten alle Durchlaßbänder dieselbe Höhe aufweisen. Wenn die tatsächlichen Weglängen jedoch um mehr als ungefähr 0,001% in Bezug auf einander falsch sind, werden die Durchlaßbandhöhen signifikante Schwankungen aufweisen. Vorteilhafterweise und wie aus 6(b) ersichtlich ist, bewirkt die vorliegende Erfindung, daß die tatsächlichen Wellenleiterweglängen in einer realen Einrichtung nahezu identisch sind.

Das vorliegende Verfahren ergibt herstellungstolerante relative Weglängen, weil bei der Herstellung von planaren Lichtwellenschaltungs-Wellenleitern es schwierig ist, eine präzise Wellenleiterbreite zu erzielen. Jegliche Wellenleiterbreiten-Ungenauigkeit ist jedoch gewöhnlich für alle Wellenleiter gleich. Eine Änderung der Wellenleiterbreite ändert den effektiven Index des Wellenleiters, wodurch seine effektive Weglänge verändert wird; und dieser Effekt ist für gerade Teile und gekrümmte Teile verschieden. Da jedoch die gesamte gerade Länge und die gesamte gekrümmte Länge unabhängig für jeden Wellenleiterweg in dem Array gleich sind, bleiben die Gesamtweglängen trotz Herstellungs-Wellenleiterbreiten-Ungenauigkeiten gleich. Dieses Verfahren ergibt außerdem polarisationsunabhängige relative Weglängen, wobei wiederum die gesamte gerade Länge und die gesamte gekrümmte Länge für jeden Wellenleiterweg in dem Array gleich sind. Da die Doppelbrechungen der geraden und gekrümmten Teile verschieden sind, kann es bei anderen Verfahren zu einer Polarisationsabhängigkeit der Weglängendifferenz zwischen den Wellenleiterwegen kommen.


Anspruch[de]
Optische Einrichtung mit einem Eingang und einem Ausgang und einem Array im wesentlichen gleichlanger optischer Wellenleiter, die den Eingang mit dem Ausgang koppeln, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der optischen Wellenleiter eine Vielzahl von geraden Segmenten aufweist, die mit einem oder mehreren gekrümmten Segmenten verbunden sind, wobei die Summe der Längen der geraden Segmente in jedem der optischen Wellenleiter im wesentlichen gleich ist und die Summe der Längen der gekrümmten Segmente in jedem der Wellenleiter im wesentlichen gleich ist. Optische Einrichtung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß jeder der optischen Wellenleiter ein oder mehrere optionale Übergangssegmente aufweist, die die geraden Segmente mit den gekrümmten Segmenten der optischen Wellenleiter verbinden, wobei die Summe der Längen der Übergangssegmente in jedem der optischen Wellenleiter im wesentlichen gleich ist. Optische Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die geraden Segmente jedes der optischen Wellenleiter im wesentlichen dieselbe Breite aufweisen. Optische Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die geraden Segmente jedes der optischen Wellenleiter im wesentlichen dieselbe Breite, denselben Biegeradius und dieselbe radiale Versetzung aufweisen. Optische Einrichtung nach Anspruch 2, wobei jeder der optischen Wellenleiter mindestens drei (3) gerade Segmente und mindestens zwei (2) gekrümmte Segmente umfaßt, die zwischen den geraden Segmenten angeordnet sind, und wobei jedes gerade Segment durch ein oder mehrere Übergangssegmente mit einem benachbarten gekrümmten Segment verbunden ist. Optische Einrichtung nach Anspruch 5, wobei jeder der optischen Wellenleiter m an einem Punkt [x1(m), yl(m)], wobei x und y kartesische Koordinaten sind, mit einem spezifizierten Anfangswinkel &agr;1(m) beginnt und an einem anderen spezifizierten Punkt [x2(m), y2(m)] mit einem spezifizierten Endwinkel &agr;2(m) endet, wobei ein Winkel des mittleren geraden Segments &agr;3(m) im wesentlichen durch die folgende Beziehung definiert wird: und die Längen der 3 geraden Segmente l1(m), l2(m) und l3(m) im wesentlichen gleich sind, wobei c1 und c2 Konstanten und fx und fy Funktionen sind, die die x- und y-Verschiebung der Kurven und Übergangsabschnitte bei gegebenem spezifiziertem Startwinkel, spezifiziertem Endwinkel und gegebenem Kurvensinn (d.h. im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn) h angeben.






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