INTEGRATED OPTICS WAVELENGTH MULTIPLEXER OR DEMULTIPLEXER

Abstract: 1. Wavelength multiplexer or demultiplexer, comprising a 3-dB directional coupler at the input and at the output, said 3-dB directional couplers being connected together by means of two planar optical waveguides disposed on or at least partially in a substrate, with the fed-in modes having the same amplitudes and predetermined mutual phase positions at the end of the respective couplers, characterized in that, for use in monomode fiber systems, m such stages are connected in cascade with continuously parallel waveguides and the following conditions apply in said stages see diagramm : EP0118577,P5,F1 where Na is the effective refractive index of the one input waveguide of the arrangement ; Nb is the effective refractive index of the other waveguide of the arrangement ; lambda min is the lowest wavelength to be separated ; lambda max is the highest wavelength to be separated ; m is the number of stages ; n is the number of channels to be separated.

Description: Wellenlängen-Multiplexer oder -Demultiplexer in integrierter Optik Die Erfindung befasst sich mit einer Anordnung bestehend aus einem Wellenlängen-Multiplexer oder aus einem Wellenlängen Demultiplexer in integrierter Optik für einwellige Fasersysteme. Um zur Steigerung der Ubertragungskapazität von einwelligen Fasern zwei oder mehr optische Signalträger im Wellenlängenmultiplex gleichzeitig zu übertragen, braucht man am Fasereingang einenWellenlängen-Multiplexer, der die optischen Signalträger verschiedener Wellenlänge von den einzelnen Senderausgängen in die Faser einkoppelt, und am Faserende einen Wellenlängen-Demultiplexer, der die optischen Signalträger nach Auskopplung aus der Faser voneinander trennt und sie den einzelnen optischen Empfängern zuführt. Ziel vorliegender Erfindung ist es, eine Anordnung aus Wellenlängen-Multiplexern oder aus Wellenlängen-Demultiplexern aufzuzeigen, welche leicht in integrierter Optik herstellbar ist, bei einwelligen Fasersystemen verwendet werden kann und in einfacher Weise an grosse Kanalzahlen anzupassen ist. Gelöst wird dies durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen können gemäss den in den Unteransprüchen angeführten Merkmalen realisiert werden. Im folgenden soll die Erfindung näher erläutert werden anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Figuren. Dazu wird der Betrieb einer solchen Anordnung als Demultiplexer gewählt, wobei ein Multiplexerbetrieb dieser Anordnung aufgrund ihrer Reziprozität in umgekehrter Richtung entsprechend möglich und zu verstehen ist. Das Ausführungsbeispiel trennt ausserdem nur vier optische Träger verschiedener Wellenlängen, gerade genug, um die Wirkungsweise in allen Einzelheiten zu verstehen und zwar an einer möglichst einfachen Anordnung. Fig. 1 zeigt die Anordnung des Demultiplexers aus optischen Streifenleitern und Streifenleiter-Kopplern in Draufsicht. Querschnitte durch die Anordnung zeigen Fig. 2, 3, 4, 5 und 6. Alle vier optischen Signale 1, 2, 3, 4 mit den Wel lenlängen A C A2 ( 5 < s4 werden zusammen in den Strei- feleiter-Eingang 1 eingespeist. Er liegt auf einem Substrat so, wie es Fig. 2 als Querschnitt 2-2 dieses Eingangs Streifenleiters zeigt und hat die Brechzahl na. Die effektive Brechzahl der die optischen Signale führenden Grundwelle in diesem Streifenleiter sei Nas so dass sie sich je nach ihrer Wellenlänge A mit der Phasenkonstanten ss= 2s NA/X in ihm ausbreiten. Parallel zu diesem Streifenleiter liegt ein zweiter Streifenleiter auf dem Substrat auf, der eine etwas kleinere Brechzahl nb als der Eingangs-Streifenle & ter und darum für seine Grundwelle auch die etwas kleinere effektive Brechzahl Nb < Na hat. Uber die Länge 1c ist dieser zweite Streifenleiter mit dem ersten Streifenleiter dadurch verkoppelt, dass der Zwischenraum mit einem Stoff der Brechzahl nc < Nb ausgefüllt ist und zwar so, wie es der Querschnitt 3-3 in Fig. 3 zeigt. Die Felder der Grundwelle werden wegen nc > 1 im gefüllten Spalt zwischen den Streifen weniger quergedämpft als im leeren Spalt, so dass sie die Grundwellen beider Streifen hier verkoppeln. Der Koppelkoeffizient K, mit dem entsprechend dAb = KAadlc (1) die Grundwelle der Amplitude Aa im Eingangs-Streifen auf einem kurzen Teilstück dl c die Grundwelle im anderen Streifen mit der Amplitude dAb anregt, und die Länge 1 des Kopplers müssen so gross gewählt werden, dass am Ende des Kopplers beide Wellen die gleiche Amplitude Aa = Ab (2) haben. Um diese Bedingung für alle zu trennenden Wellen länge, zwischen # min = #1 und #max =#4 möglichst gut zu er- füllen, wählt man EMI3.1 Unter diesen Bedingungen hat nämlich bei konstanter Eingangsleistung die übergekoppelte Leistung Pb in Abhängigkeit von ein Maximum und auch die Bedingung (2) wird gerade erfüllt. Nach einer Strecke der Länge li, auf der die beiden Streifenleiter den Querschnitt 4-4 haben, wie ihn Bild 4 zeigt, auf der sie also ohne Verkopplung ihrer Grundwellen parallel Iaufen, folgt ein zweiter Streifenleiter-Koppler von der gleichen Art wie der erste mit dem Querschnitt 3-3 und der gleichen Länge lc. Am Ausgang des ersten Streifenleiter-Kopplers haben die Grundwellen in beiden Streifen zwar die gleiche Amplitude, sind aber um 900 gegeneinander in der Phase verschoben. Längs der unverkoppelten Strecke der Länge li verschieben sie sich weiter gegeneinander in der Phase und zwar beträgt diese zusätzliche Phasendifferenz EMI4.1 hängt also auch von der WellenIänge ab. Für die längste Welle mit max ist sie am kleinsten und nimmt umgekehrt proportio- nal zur WeElenlänge zu, wobei eine geringfügige Änderung der Differenz der effektiven Brechzahlen mit der WeIlenlänge hier unberücksichtigt bleibt. Im Ganzen ändert sich bi zwischen #min und #max um EMI4.2 Die Länge Li wird nun beispielsweise so eingestellt, dass bei A = 1 =X min die Grundwellen beider Streifen am Eingang des zweiten Kopplers gerade die gleiche Phasenverschiebung gegeneinander haben wie am Ausgang des ersten Kopplers Aufgrund der Reziprozität der Koppler interferieren beide Wellen nach ihrer Wechselwirkung im zweiten Koppler an seinem Ausgang so miteinander, dass sie sich im zweiten Streifen gerade auslöschen, die ganze Eingangsleistung also hier im Eingangs Streifen erscheint. Wenn ausserdem EMI4.3 ist, kehrt sich die Phasenverschiebung zwischen den GrundweIlen beider Streifen am Eingang des zweiten Streifens gerade von 90C auf minus 900 um, so dass sich beide Grund welle jetzt am Ausgang des zweiten Kopplers im Eingangsstreifen gegenseitig auslöschen und die ganze Leistung bei 2 im zweiten Streifen erscheint. Mit EMI5.1 werden in der bis jetzt nur betrachteten ersten Stufe des Demultiplexers gerade solche Verhältnisse eingestellt, dass er vier Kanäle mit den verschiedenen Welleniängen #1 = #min, min' A2, A3 und X4 = hmax voneinander trennen kann. So-ll er i Kanäle mit Wellenlängen zwischen #min und #max voneinander trennen, so muss auf der rechten Seite von G1. (8) der Faktor 3 durch den Faktor (i-l) ersetzt werden, die unverkoppelte Strecke also EMI5.2 lang sein, Die Kopplerlängen stehen dann in dem Verhältnis EMI5.3 Die Leistungsübertragung vom Eingang zu jedem der Ausgänge des zweiten Streifenleitungskopplers der ersten Stufe hängt sinusförmig von 1/A ab so, wie es Fig. 5 zeigt. Bei den Wellenlängen #1 = #min und #3 wird die Eingangsleistung vollständig zu dem einen Kopplerausgang übertragen und bei den Wellenlängen #2 und #4 = #max vollständig zu dem anderen Ausgang des zweiten Kopplers. Diese beiden Ausgänge speisen nun die zweite Stufe des Demultiplexers in Bild 1, und zwar ist jede Hälfte dieser zweiten Stufe genau so aufgebaut wie die erste Stufe des Demultiplexers, nur die unverkoppelten Strecken der Streifenleiter zwischen den ersten und zweiten Kopplern dieser zweiten Stufe sind kürzer als in der ersten Stufe. In dem betrachteten Beispiel wird für die Trennung der Wellenlängen Ar und3, welche nur in die linke Hälfte der zweiten Stufe gelangen, der Abstand zwischen beiden Kopplern dieser Stufe so gross gewählt, dass für X=x die Grundwellen an den beiden Eingängen des zweiten Kopplers dieser Stufenhälfte gerade um 900 in der Phase gegeneinander verschoben sind und sich bei A = A3 diese Phasenverschiebung gerade umgekehrt hat also 900 beträgt. Unter diesen Umständen erscheint dann die ganze Eingangsleistung des Demultiplexers bei A = kl A1 an dem einen Ausgang des zweiten Kopplers dieser Stufenhälfte und bei X = A3 an dem anderen Ausgang. Die andere Hälfte der zweiten Stufe wird für die Wellenlängen A2 und A4, bei denen ja jeweils die ganze Leistung in den Demultiplexer ihren Eingang speist, ganz entsprechend bemessen, wie die erste Hälfte für A1 und A3. Dann wird bei A = A 2 die ganze Ein gangsleistung des Demultiplexers zu einem Ausgang des zweiten Kopplers dieser Stufenhälfte übertragen und bei = zu dem anderen Ausgang. Im übrigen hängt die Leistungsübertragung von den Eingängen der ersten Koppler dieser zweiten Stufe zu den Ausgängen der zweiten Koppler wieder sinusförmig von 1/A ab, wobei aber die Sinuskurven in Abhängigkeit von 1/A gegenüber den Sinuskurven der ersten Stufe die doppelte Periodenlänge haben, so wie es die Bilder 8, 9, 10 und II an Hand der gestrichelten Linien zeigen. Im einzelnen zeigen diese Bilder 8, 9, 10 und 11 wie sich die sinusförmigen Ubertragungscharakteristiken der ersten Stufe mit den in den Bildern gestrichelt gezeichneten und zu den über- tragungscharakteristiken der ersten Stufe in der Periodenlänge kommensurablen Obertragungscharakteristiken der zweiten Stufe zu Gesamtübertragungs-Charakteristiken multi plizieren, welche für jede der Wellenlängen k1 k2. k3 und die Eingangsleistung ganz auf jeweils einen der vier Ausgänge des Demultiplexers übertragen. Das eine absolute Maximum jeder dieser Ubertragungscharakteristiken ist dabei so breit, dass auch für Wellenlängen, die etwas von einem dieser vier Werte abweichen, die Eingangsleistung noch nahezu ganz auf den entsprechenden Ausgang übertragen wird. Das hier beschriebene Beispiel mit 3-dB-Streifenleiterkopplern für einen weiten Spektralbereich und mit gleichartigen Verbindungsstreifenleitern ist nur eine von vielen Möglichkeiten, den Wellenlängenmultiplexer und -demultiplexer erfindungsgemäss auszuführen. Es kommen dafür auch andere optische Wellenleiter und 3-dB-Koppler oder 3-dB-Verzweigungen in Frage, vorzugsweise natürlich in planarer Form, weil diese sich für eine integrierte Optik eignen. Dabei müssen die beiden optischen Wellenleiter, welche einen 3-dB-Eingangskoppler in der jeweiligen Stufe mit dem zugehörigen Ausgangskoppler verbinden, sich in ihrer Grundwellenlaufzeit so weit unterscheiden, dass sich die erforderlichen Phasenverschiebungen entsprechend den Gleichungen (6), (7) und (8) ergeben.

Claims: Patentansprüche: 1. Anordnung mit einem Wellenlängen-Multiplexer oder -Demultiplexer in integrierter Optik, dadurch gekenn zeichnet, dass bei einwelligen Fasersystemen ein 3-dB Eingangskoppler und ein 3-dB-Ausgangskoppler durch zwei optische Wellenleiter miteinander verbunden sind, die verschiedene Laufzeiten haben. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie an mindestens einem der beiden Ausgänge dieser Stufe eine weitere gleich aufgebaute Anordnung angeschlossen ist, wobei jedoch die Laufzeitdifferenzen ihrer opti schen Verbindungswellenleiter kleiner gewählt sind. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an beide Ausgangsarme der ersten Stufe je eine weitere gleich aufgebaute Anordnung angeschlossen ist und dass mindestens drei ihrer vier Verzweigungsarme mit weite ren gleich aufgebauten Anordnungen verbunden sind, wo bei die optischen Verbindungswellenleiter der zuletzt genannten Anordnungen noch kleinere Laufzeitdifferenzen haben als die Anordnungen in der vorhergehenden Stufe. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass soviele Stufen hintereinander geschaltet sind mit jeweils kleineren Laufzeitdifferenzen, dass sich mindestens soviele Verzweigungsarme wie zu kombinierende bzw. zu trennende optische Kanäle verschiedener Wellenlänge ergeben. 5. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die beiden optischen Verbindungswellen leiter zwischen den 3-dB-Eingangs- und Ausgangskopplern als planare optische Wellenleiter in oder auf-ea-nem Sub strat ausgeführt sind mit unterschiedlicher ever Brechzahl für ihre Grundwelle. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnetz dass die 3-dB-Eingangs- und Ausgangskoppler aus ekoppel- ten planaren optischen Wellenleiter in oder auf einem Substrat bestehen. 7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die planaren 3-dB-Koppler und die planaren Verbindungs wellenleiter auf'oder in einem gemeinsamen Substrat ange ordnet sind. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Stufen oder die einzelnen Stufen mindestens teilweise auf oder in einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. 9. Anordnung nach Anspruch-5, 6, 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, dass die planaren Verbindungswellenleiter als Streifenwellenleiter ausgeführt sind, wobei sich die beiden Verbindungswellenleiter zwischen jedem 3-dB-Ein gangs- und Ausgangskoppler im Streifenquerschnitt und/ oder in der Streifenbrechzahl unterscheiden. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die 3-dB-Koppler aus gekoppelten Streifenleitern bestehen. 11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hälften der Streifenleiterkoppler den gleichen Strei fenquerschnitt und/oder die gleiche Streifenbrechzahl ha ben wie derjenige Streifenwellenleiter, welcher sie mit einander verbindet 12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen leiter in den 3-dB-Kopplern dadurch miteinan der verkoppelt werden, dass sie über die Länge des Kopplers dicht nebeneinander verlaufen. 13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungs-Wellenleiter und die Wellenleiter in den 3-dB-Kopplern auf dem jeweiligen Substrat aufliegende Streifenleiter sind, dass aber in den 3-dB-Kopplern der Raum zwischen den beiden Streifen leitern mit einem Stoff ausgefüllt ist, der eine Brechzahl hat, die kleiner ist als die kleinere der beiden Streifenbrechzahlen.

Inventors: UNGER, HANS-GEORG, PROF. DR.-ING.
Applicants: ANT NACHRICHTENTECHNIK GMBH
Application year: 1983
Main classification: G02B6
IPC codes: G02B6