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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
optische Kommunikationssysteme. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung in optischen Kommunikationssystemen benutzte optische
Bandpaßfilter.
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Stand der
Technik
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Die Kapazität und Geschwindigkeit von Kommunikationssystemen
läßt sich
durch die Übertragung
von Informationen in optischer Form über Netze steigern, die aus
lichtdurchlässigen
Knoten, Fasern und dergleichen zusammengesetzt sind. Optische Kommunikationssysteme
hoher Kapazität
erfordern, daß viele
optische Signale in den Bestandteilen eines optischen Netzes frequenzgemultiplext werden.
Empfänger
müssen
so aufgebaut sein, daß aus
einer Gruppe vieler optischer Frequenzen eine gewünschte optische
Frequenz bzw. ein gewünschtes
Frequenzband wiedergewonnen werden kann. Das erfordert die Bereitstellung
von geeigneten optischen Filtern wie beispielsweise eines optisches Bandpaßfilters
zum Aufteilen eines aus einem großen Band von Frequenzen zusammengesetzten
gemultiplexten Signals in ein oder mehrere Teilbänder von Frequenzen. Bis jetzt
hat es keinen zweckdienlichen Ansatz zum Aufteilen eines Bandes
optischer Frequenzen unter gleichzeitiger Bereitstellung eines scharfen Übergangs
zwischen dem Durchlaßbereich und
dem Sperrbereich gegeben. Die Leistung von optischen Bandpaßfiltern
des Standes der Technik ist wegen des relativ großen Frequenzübergangs
zwischen dem Durchlaß-
und dem Sperrbereich begrenzt gewesen.
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In US-A-4 483 582 ist ein Mehrwellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer
offenbart, der aus Einheiten aufgebaut ist, die jeweils zwei Wellenlängen multiplexen
oder demultiplexen können.
Es können so viele
Einheiten, wie erforderlich sind, zusammengeschaltet werden, um
Multiplexer/Demultiplexer für eine
beliebige Anzahl von Wellenlängen
zu bilden. Jede zwei-Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexereinheit
enthält
einen Leistungsteiler mit vier Anschlüssen, einen Phasenschieber
mit vier Anschlüssen,
bei dem zwei Anschlüsse
mit zwei Anschlüssen des
Leistungsteilers verbunden sind, und einen weiteren Leistungsteiler
mit vier Anschlüssen,
bei dem zwei Anschlüsse
mit zwei Anschlüssen
des Phasenschiebers verbunden sind. Der Leistungsteiler kann ein
Einmoden-Lichtfaser-Richtkoppler
oder ein Strahlteiler mit halbversilbertem Spiegel sein. Der Phasenschieber
kann ein Paar Einmoden-Lichtfasern oder ein Paar gegenüberliegend
angeordneter Spiegel enthalten.
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In US-A-4 723 829 ist eine Vorrichtung
zum Trennen von Strahlungsstrahlen verschiedener Wellenlängen, die
aus einer Lichtfaser austreten, offenbart. Die Vorrichtung enthält ein Reflexionsgitter
und einen wellenlängenselektiven
Spiegel. Der wellenlängenselektive
Spiegel ist zwischen der Lichtfaser und dem Reflektionsgitter angeordnet.
Der Spiegel reflektiert Strahlungsstrahlen von Wellenlängen, die verhältnismäßig weit
von den Wellenlängen
der Strahlungsstrahlen verhältnismäßig eng
beabstandeter Wellenlängen
beabstandet sind. Der reflektierte Strahl wird in einer Ausgangsfaser
reflektiert. Der Spiegel überträgt die Strahlungsstrahlen
verhältnismäßig eng
beabstandeter Wellenlängen
zum Reflektionsgitter.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Filter entspricht dem Anspruch
1, wobei bevorzugte Ausführungsformen
in den abhängigen
Ansprüchen
aufgeführt
sind.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung
ist ein optisches Bandpaßfilter
entwickelt worden. Das optische Filter entsprechend der vorliegenden
Erfindung kann auf integrierten Photonenschaltungen basieren, die
einen sehr scharfen Übergang
zwischen den verschiedenen Durchlaßbereichen bereitstellen können, die
mit geringeren Kosten als den mit der Implementierung von optischen
Filtern des Standes der Technik verbundenen realisiert werden können.
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In einem Beispiel der Erfindung hat
die Anmelderin festgestellt, daß beispielsweise
in US-Patenten 5,002,350 und 5,136,671 offenbarte integrierte optische
Multiplexer und Demultiplexer dazu benutzt werden können, ein
monolithisches optisches Bandpaßfilter
mit einem Frequenzübergang
zu erzeugen, der mehrere Größenordnungen
schmaler als der von optischen Filtern des Standes der Technik ist.
Genauer gesagt, umfaßt
das vorliegende Beispiel der Erfindung zwei Frequenzführungsvorrichtungen. Die
erste Frequenzführungsvorrichtung
weist einen Eingang zum Empfangen des Eingangssignals und mindestens
N Ausgänge
auf, wobei N der Anzahl von Frequenzen entspricht, aus denen das
Eingangssignal zusammengesetzt ist. Die N Ausgänge der ersten Frequenzführungsvorrichtung
sind jeweils an Eingänge
einer zweiten Frequenzführungsvorrichtung angekoppelt.
Die Ausgänge
der zweiten Frequenzführungsvorrichtung
entsprechen jeweils einem der ausgewählten Ausgangsfrequenzbänder, in
die das Eingangssignal aufzuteilen ist. Ein mehrere verschiedene
Frequenzkanäle
enthaltendes gemultiplextes Eingangssignal wird in Bänder aufgeteilt,
die jeweils zu entsprechenden Ausgängen der zweiten Frequenzführungsvorrichtung
geleitet werden. Der Frequenzübergang
zwischen den verschiedenen Bändern
kann so schmal wie die Frequenzauflösung zwischen benachbarten
Ausgängen
der ersten Frequenzführungsvorrichtung
sein. Wenn die in den oben erwähnten
Patenten offenbarten Frequenzführungsvorrichtungen
benutzt werden, kann dieser Übergang
so scharf wie 30 dB über
50 GHz sein.
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Dies ist nur ein Beispiel der Erfindung.
Der volle, zu einem Ausschließlichkeitsrecht
berechtigte Umfang der Erfindung ist in den Ansprüchen am Ende
der vorliegenden Anmeldung aufgeführt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Diagramm eines Beispiels eines erfindungsgemäßen optischen Bandpaßfilters.
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2(a) und 2(b) sind Diagramme der im optischen
Bandpaßfilter
der vorliegenden Erfindung eingesetzten Frequenzführungsvorrichtungen.
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3 ist
ein Diagramm einer Frequenzführungsvorrichtung
wie die in 2 gezeigte,
wobei ein aus Frequenzen F1 und F2 zusammengesetztes Signal in einen ersten
Eingangswellenleiter und ein aus Frequenzen F3 und
F4 zusammengesetztes Signal in einen zweiten
Eingangswellenleiter eingegeben werden.
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4 ist
ein Diagramm der in 3 gezeigten
Frequenzführungsvorrichtung,
wobei die Eingangs- und Aungangswellenleiter vertauscht sind.
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5 ist
ein die Einzelheiten der in 1 gezeigten
Frequenzführungsvorrichtungen
darstellendes Diagramm.
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6 ist
ein Diagramm eines alternativen Beispiels eines erfindungsgemäßen optischen
Bandpaßfilters.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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1 zeigt
ein Beispiel des optischen Bandpaßfilters der vorliegenden Erfindung.
Es ist aus zwei, durch Wellenleiter zusammengekoppelten Frequenzführungsvorrichtungen 30 und 32 zusammengesetzt.
Diese Strukturen können
auf einem Halbleiterwafer mono lithisch integriert sein. Sie können durch
bekannte photolithographische Verfahren erzeugt werden.
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Die in der vorliegenden Erfindung
eingesetzten Frequenzführungsvorrichtungen
arbeiten als Multiplexer und Demultiplexer optischer Frequenzen.
Die Einzelheiten ihres Ausbaus und ihrer Funktionsweise werden ausführlicher
im an Dragone erteilten US-Patent Nr. 5,136,671 beschrieben.
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Vor der Beschreibung des optischen
Bandpaßfilters
der vorliegenden Erfindung werden die relevanten Merkmale der Frequenzführungsvorrichtungen
besprochen.
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2(a) und (b) zeigen eine Funktionsdarstellung einer
Führungsvorrichtung 12 der
in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Art. Im allgemeinen kann
die Führungsvorrichtung
N Eingangswellenleiter und M Ausgangswellenleiter aufweisen, um eine
N × M-Frequenzführungsvorrichtung
zu bilden. Beispielsweise weist die in 1(a) gezeigte Führungsvorrichtung 12 vier
Eingangswellenleiter 161, 162, 163, 164 und vier Ausgangswellenleiter
181, 182, 183, 194 auf. Von der Führungsvorrichtung 12 werden
die jedem ihrer Eingangswellenleitern zugeleiteten optischen Eingangsfrequenzen
gedemultiplext. Wenn beispielsweise nach der Darstellung in 2(a) ein aus Frequenzen
F1, F2, F3, F4 zusammengesetztes
gemultiplextes Signal zum ersten Eingangswellenleiter 161 der Führungsvorrichtung 12 geleitet
wird, wird die Frequenz F1 zum Ausgangswellenleiter 181 , die Frequenz F2 zum
Ausgangswellenleiter 182 , die Frequenz
F3 zum Ausgangswellenleiter 183 und die Frequenz F4 zum
Ausgangswellenleiter 184 geleitet.
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In der 2(b) ist
die Art und Weise dargestellt, auf die ein optisches Signal gedemultiplext wird,
wenn es statt zum ersten Eingangswellenleiter 161 zum
zweiten Eingangswellenleiter 162 geleitet wird.
In diesem Fall wird die Frequenz F1 zum
Ausgangswellenleiter 182 , die Frequenz
F2 zum Ausgangswellenleiter 183 , die Frequenz F3 zum
Ausgangswellenleiter 184 und die
Frequenz F4 zurück zum Ausgangswellenleiter 18 geleitet,
da die Führungsvorrichtung 12 nur
vier Ausgangswellenleiter besitzt. Wenn die Führungsvorrichtung 12 mit
einem (gestrichelt in der 2(b) dargestellten)
fünften Ausgangswellenleiter 185 versehen ist, um eine 4 × 5-Führungsvorrichtung zu bilden,
erscheint die Frequenz F4 an diesem fünften Ausgangswellenleiter
anstatt am ersten Ausgangswellenleiter 181 anstatt
am ersten Ausgangswellenleiter.
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Die 3 zeigt
eine 2 × 5-Führungsvorrichtung,
bei der ein aus den Frequenzen F1 und F2 zusammengesetztes Signal zum Eingangswellenleiter 161 und ein aus Frequenzen F3 und
F4 zusammengesetztes Signal zum Eingangswellenleiter 162 geleitet wird. Auf Grundlage der in
Verbindung mit 2(a) und 2(b) beschriebenen Führungsvorrichtung 12 werden
von der Führungsvorrichtung
der 3 die zu Eingangswellenleitern 161 und 162 geleiteten
Signale wie gezeigt gedemultiplext. Insbesondere werden, wie man
aus 2(a) erwarten würde, die
Frequenzen F1 und F2 zu
Ausgangswellenleitern 181 bzw. 182 geleitet. Ähnlicherweise werden, wie man aus 2(b) erwarten würde, die
Frequenzen F3 und F4 zu
Ausgangswellenleitern 184 bzw. 185 geleitet. Es wird darauf hingewiesen,
daß keine
Eingangsfrequenz zum Ausgangswellenleiter 183 geleitet
wird.
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Die oben besprochenen Führungsvorrichtungen
sind in ihrer Funktionsweise symmetrisch. Wenn daher in Verbindung
mit der in 3 gezeigten
Führungsvorrichtung
Frequenzen F1, F2,
F3, F4 zu Wellenleitern 181 , 182 , 184 bzw. 185 geleitet
werden (die nun als Eingangswellenleiter fungieren), werden Frequenzen
F1 und F2 am Wellenleiter 161 und Frequenzen F3 und
F4 am Wellenleiter 162 ausgegeben.
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Zurückkehrend zur 1 ist das optische Bandpaßfilter 34 der
vorliegenden Erfindung aus zwei Frequenzführungsvorrichtungen 30 und 32 zusammengesetzt.
Die erste Führungsvorrichtung 30, in
die ein in der Frequenz aufzuteilendes Eingangssignal geleitet wird,
ist eine 1 × N
Führungsvorrichtung, wobei
N die Anzahl von im gemultiplexten Eingangssignal enthaltenen Frequenzen
ist. Die zweite Führungsvorrichtung 32,
in der die aufgeteilten Frequenzbänder ausgegeben werden, ist
eine (N + 1) × 2
Führungsvorrichtung.
Die erste Menge von M Ausgangswellenleitern der ersten Führungsvorrichtung 30 sind
jeweils in aufeinanderfolgender Reihenfolge an die ersten M Eingangswellenleiter
der zweiten Führungsvorrichtung 32 angekoppelt.
Die übrige Menge
von (N – M)
Ausgangswellenleitern der ersten Führungsvorrichtung 32 sind
jeweils in aufeinanderfolgender Reihenfolge an die übrigen Eingangswellenleiter
der zweiten Führungsvorrichtung
beginnend beim (M + 2) Eingangswellenleiter angekoppelt (d. h. der
(M + 1) Ausgangswellenleiter der ersten Führungsvorrichtung ist an den
(M + 2) Ausgangswellenleiter der zweiten Ausgangsvorrichtung angekoppelt).
Anders gesagt, ist der (M + 1) Eingangswellenleiter der zweiten
Ausgangsvorrichtung nicht an die erste Führungsvorrichtung 30 angekoppelt,
wodurch die zweite Menge von Ausgangswellenleitern um eins relativ
zu den Eingangswellenleitern der zweiten Eingangsvorrichtung 32 von
der ersten Führungsvorrichtung 30 verschoben
wird.
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Die Art und Weise, auf die das Bandpaßfilter 34 wirkt,
ist am leichtesten verständlich,
wenn man erkennt, daß die
zweite Führungsvorrichtung 32 ähnlich der
in 3 dargestellten Führungsvorrichtung bei
umgekehrter Betriebsweise konfiguriert ist (d. h. wenn die Wellenleiter 181 –185 in 3 als
Eingangswellenleiter und die Wellenleiter 161 und 162 als Ausgangswellenleiter eingesetzt
werden). Deutlichkeitshalber zeigt die 4 die in ihrer umgekehrten Betriebsweise
arbeitende Führungsvorrichtung
der 3.
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Zurückkehrend zur 1 werden von der ersten Führungsvorrichtung 30 die
Eingangsfrequenzen F1 ... FN so
gedemultiplext, daß die
einzelnen Frequenzen nacheinander zu ihren N Ausgangswellenleitern
geleitet werden. Die gedemultiplexten Frequenzen F1 ...
FN werden in der oben beschriebenen und
in 1 dargestellten Reihenfolge
zu den Eingängen
der zweiten Führungsvorrichtung 32 geleitet. Von
der zweiten Führungsvorrichtung 32 werden dann
die Frequenzen F1 ... FN genau
wie in 4 dargestellt
gemultiplext; die ersten FM Frequenzen erscheinen
auf der ersten Ausgangsleitung 361 ,
und die zweiten F(M+1) .... FN Frequenzen
erscheinen auf der zweiten Ausgangsleitung 362 .
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Demnach ist das von den zwei, das
optische Bandpaßfilter 34 bildenden
Führungsvorrichtungen 30 und 32 erzeugte
Nettoergebnis, daß das
aus Frequenzen F1 ... FN zusammengesetzte
gemultiplexte Signal in zwei Signale aufgeteilt wird, wobei das
erste aus Frequenzen F1 ... FM und
das zweite aus Frequenzen F(M+1) .... FN zusammengesetzt ist.
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5 zeigt
die relevanten Einzelheiten jeder in 1 dargestellten
Führungsvorrichtung 30 und 32.
Beide Vorrichtungen können
identische Konfigurationen aufweisen, abgesehen möglicherweise
von den unterschiedlichen Anzahlen von Eingangs- und Ausgangswellenleitern,
die benutzt werden. Jede Frequenzführungsvorrichtung enthält eine
Mehrzahl von mit einem Freiraumgebiet 28 verbundenen Eingangswellenleitern 26.
Eine Mehrzahl von Ausgangswellenleitern 40 erstreckt sich
aus dem Freiraumgebiet 28 und ist mit einem optischen Gitter 42 verbunden.
Das optische Gitter 42 umfaßt mehrere Wellenleiter ungleicher
Länge,
die eine vorbestimmte Menge an Weglängenunterschied für eine entsprechende Mehrzahl
von mit einem weiteren Freiraumgebiet 46 verbundenen Eingangswellenleitern 44 bereitstellt. Das
Freiraumgebiet 46 ist mit einer Mehrzahl von Ausgangswellenleitern 38 verbunden.
Diese Frequenzführungsvorrichtungen
arbeiten als Multiplexer und Demultiplexer optischer Frequenzen.
Wie oben bemerkt, werden Einzelheiten ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise
ausführlicher
in dem an Dragone erteilten US-Patent Nr. 5,136,671 beschrieben.
Im Fall der in 1 dargestellten
Frequenzführungsvorrichtung 30 entspricht
der Eingangswellenleiter 16 einem der in 5 dargestellten Eingangswellenleiter 26.
Im Fall der in 2 dargestellten
Frequenzführungsvorrichtung 32 entsprechen
die Ausgangswellenleiter 361 und 362 zwei der in 5 dargestellten Ausgangswellenleiter 38.
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Die oben beschriebene Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung läßt sich
in die Aufteilung eines Eingangssignals in mehr als zwei Frequenzbänder verallgemeinern.
Im verallgemeinerten Fall muß, wenn
W die Anzahl von Frequenz-Teilbändern
ist, in die das Eingangssignal aufzuteilen ist, die zweite Führungsvorrichtung 32 mindestens
(W – 1)
zusätzliche
Eingangswellenleiter in Bezug auf die Anzahl von Eingangswellenleitern
der ersten Führungsvorrichtung 30 aufweisen. 6 zeigt ein Beispiel eines
optischen Bandpaßfilters
zum Aufteilen eines Signals in drei Teilbänder (d. h. W = 3). In diesem
Fall weist die erste Führungsvorrichtung 30 sechs
Ausgangswellenleiter 181 , 182 , ..., 186 auf,
und die zweite Führungsvorrichtung 32 muß daher
acht Eingangswellenleiter aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Anzahl von Ausgangswellenleitern der ersten
Führungsvorrichtung
gleich der Anzahl von Eingangswellenleitern der zweiten Führungsvorrichtung.
Wenn insbesondere das Bandpaßfilter
ein Signal in W Frequenzteilbänder
aufteilen soll und die Anzahl gemultiplexter, das Eingangssignal
bildende Frequenzen N beträgt
(sodaß die
erste Führungsvorrichtung
mindestens N Ausgangswellenleiter aufweisen muß), muß die zweite Führungsvorrichtung
N + (W – 1)
Eingangswellenleiter aufweisen. Während in diesem Fall die erste
Führungsvorrichtung
nur N Ausgangswellenleiter aufweisen muß, wird die Komplexität der Vorrichtung
bedeutend verringert, wenn sie stattdessen mit N + (W – 1) Ausgangswellenleitern versehen
ist, wobei die zusätzlichen
W – 1
Wellenleiter unbenutzt bleiben. Durch Verwendung einer derartigen
Konfiguration wird die Breite Δf
des zu jedem der N Ausgangswellenleiter der ersten Führungsvorrichtung
geleiteten Durchlaßbereichs
gleich der Breite Δf
des Durchlaßbereichs
sein, der zu jedem der Eingangswellenleiter der zweiten Führungsvorrichtung über die
gesamte freie Periode NΔf
des spektralen Bereichs geleitet sein kann. In dem in 6 dargestellten Beispiel
der Erfindung ist die Anzahl von Ausgangswellenleitern der ersten
Führungsvorrichtung
und die Anzahl der Eingangswellenleiter der zweiten Führungsvorrichtung
gleich acht, wobei die abschließenden
zwei Eingangswellenleiter 187 und 188 der ersten Führungsvorrichtung unbenutzt
bleiben.