Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Wellenleiterarray sowie einen optischen Wellenlängenmultiplexer/Demultiplexer mit dem optischen Wellenleiterarray.

Demultiplexer werden im Bereich der Telekommunikation und Datenübertragung, insbesondere der optischen Datenübertragung eingesetzt.

Auf dem Gebiet der optischen Datenübertragung wird in heutigen Glasfasernetzen häufig das so genannte DWDM (Dens Wavelength Division Multiplexing)-Verfahren eingesetzt. Dabei werden Daten in mehreren Lichtsignalen von je unterschiedlicher Wellenlänge in der gleichen Glasfaser übermittelt. Da sich die Lichtsignale gegenseitig nicht negativ beeinflussen, kann die gesamte Übertragungsrate durch Steigerung der Anzahl der Signale erhöht werden. Zur Übertragung der unterschiedlichen Lichtsignale in der gleichen Glasfaser wird eingangsseitig ein so genannter Multiplexer benötigt, der die Lichtsignale verschiedener Wellenlängen in die gleiche Glasfaser einkoppelt. Am Ende der Glasfaser ist ein entsprechender Demultiplexer vorzusehen, um das Gesamtsignal wieder in die einzelnen Lichtsignale auf unterschiedlichen Wellenleitern aufzuteilen.

Eine Realisierung eines solchen Multiplexer/Demultiplexers kann beispielsweise mit so genannten AWG (Arrayed Waveguide Gratings) durchgeführt werden. Ein solcher AWG ist beispielhaft in 3 gezeigt. Ein Wellenleiterarray 1 wird auch als Phased Array bezeichnet und umfasst eine Vielzahl einzelner Wellenleiter, die vorliegend halbkreisförmig angeordnet sind. Dieses Array 1 ist über je einen Koppelbereich 2, 3 mit einem oder mehreren Eingangswellenleitern 4 sowie einer Vielzahl von Ausgangswellenleitern 5 gekoppelt. Die Koppelbereiche werden auch als Free Propagation Region, kurz FPR bezeichnet. Der erste Koppler 2, der auch als Eingangskoppler bezeichnet wird, dient dazu, das aus dem Eingangswellenleiter 4 austretende Gesamtlichtsignal auf die einzelnen Wellenleiter des Arrays 1 zu verteilen, durch die sich das Licht dann in Richtung des zweiten Kopplers 3, des Ausgangskopplers, ausbreitet.

Die Länge der einzelnen Wellenleiter im Wellenleiterarray 1 ist dabei so gewählt, dass die Längendifferenz des optischen Weges zweier benachbarter Wellenleiter einem ganzzahligen Vielfachen einer Zentralwellenlänge entspricht, für die der Demultiplexer vorgesehen ist. Somit weisen die Feldverteilungen der einzelnen Lichtsignale in dem Array 1 eingangsseitig am Ausgangskoppler 3 im wesentlichen eine gleiche Phasenlage zueinander auf. Dies führt dazu, dass die Feldverteilung, die an dem Array 1 zugewandten Ausgangsbereich des Eingangskopplers 2 vorhanden ist, im Eingangsbereich, also dem ebenfalls dem Array 1 zugewandten Bereich des Ausgangskopplers 3 reproduziert wird.

Aufgrund des konstanten Längenunterschieds benachbarter Wellenleiter im Wellenleiterarray 1 nimmt der Phasenunterschied &Dgr;&phgr; linear von innen nach außen zu. Dadurch wird die Wellenfront insgesamt gebeugt, wodurch sich ein Fokuspunkt in der Bildebene 6 vom Mittelpunkt der Bildebene weg bewegt. Durch geeignete Positionierung der Ausgangswellenleiter 5 entlang der Bildebene 6 am Ende des Ausgangskopplers 5 lässt sich festlegen, welche Wellenlänge und damit welche Lichtsignale den jeweiligen Ausgangswellenleitern 5 zugeordnet sind.

Der Wunsch nach immer weiter steigenden Datenübertragungsraten führt dazu, dass innerhalb des bei Glasfasernetzwerken vorgegebenen nutzbaren Übertragungsfensters die Wellenlängenabstände (auch gennant Kanalabstände vom Engl. Channel Spacing) zwischen den einzelnen zu übertragenden Lichtsignalen reduziert werden und so die Anzahl der Lichtsignale beziehungsweise Kanäle innerhalb des Übertragungsfensters für die jeweilige Glasfaser erhöht wird.

Dabei kann jedoch das Problem auftreten, dass die so genannte Nonuniformity, der Unterschied der Signalstärke zwischen dem stärksten und dem schwächsten Signal am Ausgang des Ausgangskopplers, also am Ausgang des AWG, zunimmt. Zusätzlich gibt es spezielle AWGs wie zum Beispiel so gennante Colourless AWGs oder CWDM AWGs für die es kaumm möglich ist die Nonuniformity klein zu designen.

Wie anhand von 5 und 6 gezeigt ist, wird die Nonuniformity durch die Fernfeldverteilung des Lichts am Ende des Ausgangskopplers 3 bestimmt. 5 und 6 zeigen dies am Beispiel eines Colourless AWG mit acht Ausgangskanälen.

Im Detail zeigt 5 die Fernfeldverteilung des Lichts am Ende des Ausgangskopplers 3. Nur der Teil der Fernfeldverteilung, wo die Ausgangswellenleiter, vorliegend mit acht Ausgangskanäle bezeichnet, positioniert sind, bestimmt das Maß für die Nonuniformity. 6 zeigt die Nonuniformity anhand eines Schaubilds der Einfügedämpfung in Dezibel dB aufgetragen über der Wellenlänge in Mikrometern, wobei auffällt, dass die simulierte und gemessene Nonuniformity die gleiche Form wie die Fernfeldverteilung hat. Daraus ergibt sich wie bereits erwähnt, dass die Nonuniformity durch die Fernfeldverteilung des Lichts am Ende des zweiten Kopplers 3 bestimmt wird.

Eine einfache Möglichkeit der Reduzierung der Nonuniformity wäre eine Vergrößerung der beiden Koppler 2, 3. Die Vergrößerung der Koppler führt jedoch zu einer deutlichen Vergrößerung des AWG insgesamt, was signifikante Kostensteigerungen zur Folge hätte. Insbesondere bei hoher Anzahl der Ausgangskanäle ist zudem eine technologische Grenze für die Größe der Koppler und des AWG insgesamt vorgegeben.

Eine andere Möglichkeit, die Nonuniformity zu reduzieren, ist die Breite der Wellenleiter am Ausgang des Ausgangskopplers 3 zu verändern. Diese Maßnahme ist beispielsweise in dem Dokument US 2006/013536 angegeben. Auch die Dokumente WO 02/073270 A1 und EP 1373950 A1 beschäftigen sich mit einer Variation der Breite der Wellenleiter. Dabei wird in den Bereichen, wo die Signale zu klein sind, der Wellenleiter etwas breiter gemacht, um mehr Licht zu erhalten, während man in den Bereichen, wo die Signalpegel ohnehin sehr hoch sind, schmalere Wellenleiter anfügt und somit weniger Licht in den Wellenleiter einkoppelt. Dadurch wird die Lichtintensität in den Bereichen zu geringen Lichts erhöht, während die Intensität im Bereich zu großen Lichts etwas reduziert wird. Insgesamt werden die Signalstärken homogenisiert und somit die Nonuniformity reduziert.

Problematisch bei diesem Ansatz ist jedoch, dass eine Vergrößerung der Breite der Wellenleiter zu einem vergrößerten Übersprechen zweier benachbarter Kanäle führen kann, englisch Cross Talk. Zudem ist normalerweise der Abstand benachbarter Wellenleiter vorgegeben, so dass durch diesen Ansatz nur verhältnismäßig geringfügige Verbesserungen der Nonuniformity möglich sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Wellenleiterarray sowie einen optischen Wellenlängenmultiplexer/Demultiplexer anzugeben, bei dem die Nonuniformity reduziert ist.

Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Nach einer Ausführungsform ist ein optisches Wellenleiterarray vorgesehen, das zumindest einen Taper umfasst. Der Taper umfasst einen ersten Abschnitt und zumindest einen zweiten Abschnitt. Der erste Abschnitt weist einen sich aufweitenden Querschnitt auf, während der zweite Abschnitt einen sich verjüngenden Querschnitt aufweist.

Unter einem Taper ist vorliegend allgemein ein Wellenleiter mit sich veränderndem Querschnitt verstanden. Solche Taper werden beispielsweise im Übergangsbereich zwischen einem Wellenleiterarray und Ein- beziehungsweise Ausgangskopplern eingesetzt.

Ein- und Ausgangskoppler werden auch als FPR, Free Propagation Region bezeichnet.

Der Aufbau des vorliegend vorgeschlagenen zumindest einen Tapers des optischen Wellenleiterarrays ist dabei so ausgebildet, dass in beliebige Signalrichtung der Wellenleiter im Bereich des Tapers sich zunächst bezüglich des Querschnitts aufweitet und in einem späteren Abschnitt verjüngt.

Wie eingangs bereits ausführlich erläutert, wird die Nonuniformity, also die uneinheitliche Intensitätsverteilung, durch die Fernfeldverteilung des Lichts am Ende des Ausgangskopplers bestimmt. Diese Fernfeldverteilung wird durch den zumindest einen Taper mit dem vorgeschlagenen Aufbau verändert. Der sich verbreiternde Teil des Wellenleiters des zumindest einen Tapers führt dazu, dass der mittlere Teil der Feldverteilung flacher wird. Der zweite Abschnitt des Tapers umfasst einen schmaler werdenden Wellenleiter, der dafür sorgt, dass die Seitenflanken der Feldverteilung nach innen gedrückt werden. Dies wiederum bewirkt, dass der mittlere Peak wieder angehoben wird, wodurch sich die Einfügedämpfung, englisch Insertion Loss, reduziert, ohne jedoch dabei die bereits erzielte verbesserte Nonuniformity, die im ersten Abschnitt des Tapers erzeugt wurde, wesentlich zu beeinflussen.

Ein zusätzlicher Vorteil des vorgeschlagenen Prinzips ergibt sich dadurch, dass eine Umverteilung, keine Wegstreuung des Lichts stattfindet, so dass zusätzlich zur Verbesserung der Nonuniformity auch die Einfügedämpfung verbessert ist.

Ein weiterer besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Prinzips ist darin begründet, dass die Taper bevorzugt am Eingang des Ausgangskopplers angeordnet sind. Dadurch ist die Ausgangsseite des Ausgangskopplers, an die mehrere Wellenleiter anschließbar sind, noch frei für andere Taper, um damit andere Parameter zu verbessern, wie beispielsweise Cross Talk, Insertion Loss, ein Signal mit Flat Top-Struktur zu produzieren, et cetera.

Ein noch weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Cross Talk nicht unerwünschterweise erhöht wird, da kein Licht von Nachbarkanälen abgesaugt wird.

Zusammenfassend ist daher bemerkenswert, dass die Fernfeldverteilung am Ende des Ausgangskopplers durch Taper am Eingang des Ausgangskopplers vorteilhaft verändert wird. Dies beseitigt unmittelbar die Ursache der Nonuniformity und nicht, wie bisher bekannt, deren Auswirkungen.

Der Begriff Ausgangskoppler ist vorliegend insbesondere im Zusammenhang mit einem Demultiplexbetrieb eines AWG verstanden, wobei dem optischen Wellenleiterarray bevorzugt ein Eingangskoppler vorgeschaltet ist. Selbstverständlich kann das gleiche AWG auch als Multiplexer arbeiten, wobei sich der beschriebene zumindest eine Taper dann am Ausgang des Eingangskopplers befindet. Ein- und Ausgangskoppler vertauschen in diesem Fall ihre Rollen.

Daher wird im folgenden anstelle der Begriffe Eingangskoppler und Ausgangskoppler auch der Begriff erster Koppelbereich und zweiter Koppelbereich ohne Beschränkung der Allgemeinheit verwendet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zumindest eine Taper mit dem vorgeschlagenen Aufbau an der dem Ausgangskoppler zugewandten Seite des optischen Wellenleiterarrays vorgesehen ist.

Bevorzugt sind für jeden Wellenleiter des optischen Wellenleiterarrays je ein Taper mit einem ersten Abschnitt mit sich aufweitendem Querschnitz und einem zweiten Abschnitt mit sich verjüngendem Querschnitt vorgesehen.

Die mehreren Taper haben dabei bevorzugt je gleichen geometrischen Aufbau.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des vorgeschlagenen Prinzips ist der zumindest eine Taper in einem Randbereich des optischen Wellenleiterarrays angeordnet, nämlich an einer Schnittstelle bevorzugt zu einem FPR.

In einer Ausführung umfasst der Taper keine weiteren Abschnitte abgesehen vom ersten Abschnitt und vom zweiten Abschnitt, so dass sich der zweite Abschnitt unmittelbar an den ersten Abschnitt anschließt.

Bevorzugt entspricht dabei der Querschnitt am Eingang des zweiten Abschnitts genau dem Querschnitt am Ausgang des ersten Abschnitts, so dass sich insgesamt ein stetiger Verlauf der Berandung des Wellenleiters ergibt.

Der gesamte Taper ist bevorzugt symmetrisch aufgebaut, derart, dass die Berandung des Wellenleiters im Bereich des Tapers achsensymmetrisch zu einer Achse verläuft, die im wesentlichen in Lichtausbreitungsrichtung verläuft.

Die Berandung des ersten Abschnitts hat bevorzugt beidseitig exponentiellen Verlauf, während der zweite Abschnitt eine Berandung mit linearem Verlauf aufweist.

Alternativ kann der erste Abschnitt eine Berandung mit linearem Verlauf und der zweite Abschnitt eine Berandung mit exponentiellen Verlauf aufweisen.

In einer anderen Ausführungsform haben die Berandung des ersten und des zweiten Abschnitts einen je linearen Verlauf.

In einer noch anderen Ausführungsform sind beide Abschnitte mit exponentiellem Verlauf der Berandung ausgebildet.

Zwischen erstem und zweitem Abschnitt kann ein Bereich mit konstantem Querschnitt vorgesehen sein. Ein weiterer Bereich mit konstantem Querschnitt kann vor dem ersten und/oder nach dem zweiten Abschnitt vorgesehen sein.

Das optische Wellenleiterarray mit dem zumindest einen Taper mit dem vorgeschlagenen Querschnittsverlauf ist bevorzugt in einem optischen Wellenlängenmultiplexer/Demultiplexer einsetzbar. Dort sind über jeweilige Koppelbereiche zumindest je ein Wellenleiter ankoppelbar.

Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 mehrere Ausführungsbeispiele eines Tapers nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

2 mehrere Taper nach dem vorgeschlagenen Prinzip an einem Beispiel an der Schnittstelle zwischen Wellenleiterarray und Ausgangskoppler,

3 ein Beispiel eines Wellenlängenmultiplexers/Demultiplexers, bei dem das vorgeschlagene Prinzip anwendbar ist,

4 herkömmliche Taper am Ausgang des Wellenleiterarrays,

5 die Nonuniformity bei acht Ausgangskanälen mit herkömmlichen Tapern anhand der Fernfeldverteilung,

6 die simulierte und gemessene Nonuniformity bei dem herkömmlichen Taper-Typ,

7 die Fernfeldverteilung ohne Taper,

8 die entsprechende Nonuniformity,

9 die Fernfeldverteilung an einem Beispiel mit einem Taper gemäß 1,

10 die der 9 entsprechende verringerte Nonuniformity,

11 bis 14 entsprechen den 7 bis 10, jedoch für einen 200-Kanal-AWG anstelle eines 8-Kanal-AWG.

1 zeigt beispielhaft vier verschiedene Typen von Tapern zur Anwendung in einem optischen Wellenleiterarray, bevorzugt am Übergang des Wellenleiterarrays zum Ausgangskoppler.

Im einzelnen hat der oben angegebene Taper von 1 zunächst einen exponentiellen Verlauf eines ersten Abschnitts, der einen sich aufweitenden Querschnitt aufweist. Daran schließt sich ein zweiter Abschnitt mit gerader Berandung an, die sich verjüngt. Während der erste Abschnitt das Bezugszeichen A trägt, ist der zweite Abschnitt mit Bezugszeichen B versehen. Der Beginn des ersten Abschnitts A geht dabei in einen Wellenleiter mit konstantem Querschnitt über, der zum Zentralbereich des AWG führt. Der Ausgang des zweiten Abschnitts B hingegen ist mit einem Ausgangskoppler verbindbar.

Ein anderes Ausführungsbeispiel nach 1 umfasst einen ersten Abschnitt C mit einem sich exponentiell erweiternden Querschnitt, an den sich ein zweiter Abschnitt D anschließt, der einen sich exponentiell verjüngenden Querschnitt hat. Die Berandung des zweiten Abschnitts D entspricht dabei einer Exponentialfunktion mit negativem Exponenten.

Ein drittes Beispiel zeigt einen Taper mit zwei Abschnitten E, F, die jeweils durch Geradenstücke und damit linearer Berandung begrenzt sind.

Ein viertes Beispiel zeigt einen linear sich erweiternden ersten Abschnitt G, an dem sich ein exponentiell sich verjüngender Abschnitt H anschließt.

Es ist zu bemerken, dass in den Ausführungsbeispielen gemäß 1 eine Achsensymmetrie zu einer Zentralachse 7 gegeben ist.

2 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Taper von 1, jeweils in einem Wellenleiter eines optischen Wellenleiterarrays. Die Wellenleiter des Wellenleiterarrays sind mit Bezugszeichen 8 versehen. Die Taper mit dem sich aufweitenden und nachfolgend sich verjüngendem Querschnitt tragen Bezugszeichen 9.

Wie 2 zeigt, sind die Taper 9 in einem Randbereich des Wellenleiterarrays vorgesehen, an den sich ein Koppler anschließt, der Bezugszeichen 10 trägt und nur ausschnittsweise dargestellt ist. Der Koppler 10 wird auch als FPR, Free Propagation Region verstanden.

3 zeigt ein AWG mit dem Wellenleiterarray 1, einem Eingangskoppler 2, einem Ausgangskoppler 3, einem Eingangswellenleiter 4 und mehreren Ausgangswellenleitern 5. Der Übergang zwischen dem Wellenleiterarray 1 und dem Ausgangskoppler 3 kann dabei nach dem vorgeschlagenen Prinzip weitergebildet sein, wie beispielhaft in 2 dargestellt.

4 bis 6 sind bereits eingangs erläutert worden, so dass deren Beschreibung an dieser Stelle nicht noch einmal wiederholt wird.

7 bis 10 zeigen die Fernfeldverteilung am Ende des zweiten Koppers 3 bei einem so genannten colourless AWG mit acht Ausgangskanälen, wobei 7 und 8 ohne den vorliegend vorgeschlagenen Taper am Eingang des zweiten Kopplers aufgenommen sind, während 9 und 10 mit einem Taper gemäß 2 aufgenommen sind.

Während 7 und 9 jeweils die Fernfeldverteilung am Ende des zweiten Kopplers zeigen, ist in 8 und 10 jeweils derjenige Ausschnitt der 7 beziehungsweise 9 gezeigt, wo die Ausgangswellenleiter 5 positioniert sind und damit der tatsächliche Verlauf der Nonuniformity.

Man erkennt, dass durch die Verwendung der vorgesehenen Taper die Fernfeldverteilung vorteilhaft verändert wird. Im vorliegenden Beispiel konnte die Nonuniformity um einen Faktor 3 reduziert werden. Darüber hinaus ist erkennbar, dass zugleich auch die Einfügedämpfung, die durch das kleinste Signal am Rand bestimmt wird, leicht verbessert ist.

Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigen 11 bis 14. Diese Diagramme unterscheiden sich von denen in 7 bis 10 dadurch, dass anstelle eines 8-Kanal-AWG ein AWG mit 200 Ausgangskanälen, bei 25 Gigahertz, gezeigt ist.

11 und 12 betreffen wiederum eine Ausführung in konventioneller Technik, während für die Aufzeichnung der 13 und 14 bei einem 200-Kanal-AWG die erfindungsgemäßen Taper verwendet wurden.

Wenn man keine Taper am Eingang des zweiten Kopplers verwendet, erreicht die Nonuniformity ungefähr 2 dB. Mit dem vorliegend vorgeschlagenen Querschnittsverlauf der Taper, siehe 1 und 2, beispielsweise hingegen kann ebenfalls die Nonuniformity um mehr als Faktor 2 reduziert werden. Darüber hinaus wird auch die Einfügedämpfung verringert.

1

Wellenleiterarray

2

Koppelbereich

3

Koppelbereich

4

Eingangswellenleiter

5

Ausgangswellenleiter

6

Bildbereich

7

Symmetrieachse

8

Wellenleiter

9

Taper

10

Koppler

A

Abschnitt

B

Abschnitt

C

Abschnitt

D

Abschnitt

E

Abschnitt

F

Abschnitt

G

Abschnitt

H

Abschnitt