DE60133603T2 - Planares Wellenleiterbauelement mit flachem Durchlassbereich und steilen Flanken - Google Patents

Description

• Hintergrund der Erfindung
• Planare Wellenleitergittervorrichtungen sind in großem Umfang für Wellenlängenmultiplex/demultiplex-, Routing- und optische Add-Drop-Anwendungen in dichten Wellenlängenmultiplex-(DWDM; engl.: Wavelength Division Multiplexing)-Netzwerken verwendet worden. Herkömmlicherweise wird dies entweder mit einem als Array angeordnetem Gitter (AWG; engl.: Arrayed Waveguide Grating) oder geätzten reflektierenden oder durchlässigen Beugungsgittern, die in 1a und 1b gezeigt, erreicht. Wenn die Vorrichtung eine Demultiplexfunktion durchführt, werden mehrere Signalkanäle unterschiedlicher Wellenlängen, die in einen Eingangswellenleiter der Vorrichtung eingebracht werden, getrennt, und jeder Signalkanal wird zu einem vorbestimmten Ausgangswellenleiter einer Mehrzahl von Ausgangswellenleitern geleitet. Eine typische Spektralempfindlichkeit einer solchen Vorrichtung ist in 2 gezeigt.
• Eines der am meist gewünschten Merkmale solcher Vorrichtungen ist eine Spektralempfindlichkeit, die innerhalb eines Durchlassbereichs jedes Signalkanals breite und flache Ansprecheigenschaften aufweist. Dieses Merkmal ermöglicht eine hohe Modulationsfrequenz oder Datenrate für das eingehende Signal. Ferner gibt eine grafische Darstellung der Spektralempfindlichkeit mit einem flachen breiten Teil im Durchlassbereich eine Vorrichtung an, die eine große Toleranz hinsichtlich einer Wellenlängenabweichung bzw. -drift eines an dem Eingangswellenleiter empfangenen Eingangssignals hat und tolerant hinsichtlich einer Durchlassbereichswellenlängenabweichung bzw. -drift der Vorrichtung ist, die zum Beispiel aus einer Temperaturvariation resultiert. Auch verringert eine wie oben angegebene Spektralempfindlichkeit die Wirkung von Polarisationdispersion, die aus der planaren Wellenleitergeometrie resultiert. Außerdem ist eine Vorrichtung mit einem solchen flachen und breiten Durchlassbereich insbesondere bei WDM-Netzwerken bedeutsam, wo mehrere Filter kaskadiert sind und der kumulative Durchlassbereich viel schmaler als der einer einzelnen Filterstufe ist.
• Es ist auch sehr wünschenswert, dass der Durchlässigkeitsfaktor an den Rändern des Durchlassbereichs in der Spektralempfindlichkeit stark abfällt, so dass benachbarte Kanäle eng beabstandet werden können, ohne dabei nicht akzeptables Übersprechen zu verursachen. Offensichtlich führt eine starke Änderung des Durchlässigkeitsfaktor auch zu Signalen in dem Durchlassbereich, die mit näherungsweise gleicher Dämpfung hindurch gelassen werden, wobei dadurch der gesamte Durchlassbereich hinsichtlich der Empfindlichkeit ähnlich gemacht wird.
• Bei einer planaren Wellenleiterdemultiplexvorrichtung, wie zum Beispiel die eine in 1 gezeigte, ist die Form der Spektralempfindlichkeit durch eine Faltung der Amplitudenvertei lung an der ausgangsseitigen Fokalebene, eine von dem Gitter gebildete Abbildung des Eingangswellenleitermodenprofils. mit dem Modenprofil des Ausgangswellenleiters bestimmt. Die Spektralempfindlichkeit des Kanals ist näherungsweise gaußförmig, wenn bei einer herkömmlichen Vorrichtung sowohl für den Eingangswellenleiter als auch den Ausgangswellenleiter Einmodenwellenleiter verwendet werden. Der Durchlassbereich ist schmal, die Oberseite des Durchlassbereichs ist nicht flach und der Übergang ist langsam. Typischerweise hat ein herkömmlicher Demultiplexer mit einer Trennung von 50 GHz einen 1 dB Durchlassbereich von etwa 8–12 GHz.
• Es sind viele verbesserte Ausführungen vorgeschlagen worden, um die Spektralempfindlichkeit des Durchlassbereichs abzuflachen und zu verbreitern. Diese haben jedoch alle Einschränkungen und Nachteile.
• In einem Artikel mit dem Titel "Phased array wavelength demultiplexer with flattend wavelength response" von M. R. Amersfoort et al., Electron. Lett. 30, Seiten 300–301 (1994) werden Mehrmodenausgangswellenleiter verwendet, um die Spektralempfindlichkeit innerhalb des Durchlassbereichs eines AWG-Demultiplexers flach zu machen. Das gleiche Verfahren wird bei auf geätzten Gittern basierenden Demultiplexern in einer Abhandlung mit dem Titel "Monolithic integrated wavelength demultiplexer based an a waveguide Rowland circle grating in InGaAsP/InP" von J.-J. He et al., IEEE J. Lightwave Tech. 16, Seiten 631–638 (1998) verwendet. Dieses Verfahren kann nur bei einer Empfangsvorrichtung verwendet werden, wo die Ausgangssignale des Demultiplexers unmittelbar von Fotodetektoren in elektronische Signale umgewandelt werden. Es kann nicht verwendet werden, wenn die Ausgangssignale in optische Fasern oder Einmodenwellenleiter einzukoppeln sind, wie im Fall von Wellenlängenrouting- und optischen Add-Drop-Vorrichtungen.
• In dem U.S. Patent Nr. 5.412.744 mit dem Titel "Frequency routing device having wide and substantially flat passband" von C. Dragone (erteilt Mai 1995) werden unter Verwendung eines optischen Kopplers zwei Ausgangswellenleiter kombiniert. Weil in der Ausgangsebene jeder Kanal den Raum von zwei Wellenleitern einnimmt, beschränkt dies die Gesamtanzahl von Anschlüssen, die bereitgestellt werden kann. Auch führt der Koppler einen Verlust von wenigstens 3 dB ein. In dem U.S. Nr. 5.706.377 mit dem Titel "Wavelength routing device having wide and flat passbands" von Y. P. Li (erteilt Januar 1998) wurde der Durchlassbereich auf Kosten weiter erhöhten Verlusts weiter verbreitert, indem Y-Zweigkoppler/Splitter sowohl bei den Eingangs- als auch den Ausgangsseiten verwendet werden.
• Es gibt einige Patente und Veröffentlichungen, die durch Verbreitern der Eingangsquelle den Durchlassbereich verbreitern und die Spektralempfindlichkeit innerhalb des Durchlassbe reichs abflachen. In einem Artikel mit dem Titel "Flat spectral response arrayed waveguide grating multiplexer with parabolic waveguide horns" von K. Okamoto und A. Sugita, Electron, Lett. 32, Seiten 1661–1662 (1996) wird an dem Eingangswellenleiter ein parabolisches verjüngtes Wellenleiterhorn verwendet. In der Eingangsebene wird eine Intensitätsverteilung mit zwei Spitzen gebildet. Diese Verteilung mit zwei Spitzen wird mittels eines Gitters auf die Ausgangsebene abgebildet und führt zu einer verbreiterten und abgeflachten Durchlassbereichsspektralempfindlichkeit. Dieses Parabolwellenleiterhorn wird in dem U.S. Patent Nr. 5.629.992 mit dem Titel "Passband flattening of integrated optical filters" von M. Amersfoort und J. B. D. Soole (erteilt Mai 1997) und in einer Abhandlung mit dem Titel "Use of multimode interference couplers to broaden the passband of wavelength-dispersive integrated WDM filters" von J. B. D. Soole et al., LEER Photon. Tech. Lett. 8, Seiten 1340–1342 (1996) durch einen Mehrmodeninterferenzkoppler (MMI) ersetzt. In dem U.S. Patent Nr. 6.049.644 mit dem Titel "Optical routing device having a substantially flat passband" von C. Dagrone (erteilt April 2000) wird ein breiter Eingangswellenleiter mit einem Längsschlitz in der Mitte verwendet, um eine Intensitätsverteilung mit zwei Spitzen zu erzeugen. Bei allen diesen Verfahren ist die Breite des Eingangswellenleiters am Ende viel größer als bei den herkömmlichen Einmodenwellenleitern, wie zum Beispiel denjenigen, die als Ausgangswellenleiter verwendet werden. Dies begrenzt die Anzahl von Eingangsanschlüssen/Wellenleitern und ist daher nicht für NxN Routingvorrichtungen geeignet. Außerdem sind diese Eingangswellenleiterendstrukturen gegenüber Herstellungsfehlern sehr empfindlich.
• Das Kaskadieren von zwei Gittervorrichtung kann auch zu einer abgeflachten Durchlassbereichsspektralempfindlichkeit führen, wie zum Beispiel in einer Abhandlung mit dem Titel "An original low-loss and pass-band flattened SiO2 an Si planar wavelength demultiplexer" von G. H. B. Thomson et al., OFC Technical Digest, TuN1 (1998) und in dem U.S. Patent Nr. 5.926.587 mit dem Titel "Optical passband filters" von J. C. Chen und C. Dragone (erteilt Juli 1999) offenbart. Dieses Verfahren vergrößert jedoch die Größe der Vorrichtung und Übertragungsverluste.
• In dem Artikel "Arrayed waveguide grating multiplexer with flat spectral response" von Okamoto und H. Yamada, Optics Lett. 20, Seiten 43–45 (1995) ist die komplexe Amplitudenverteilung in der Gitterebene an dem Ausgangssternkoppler gemäß einer Kardinalsinus-(Sinc)-Funktion angepasst. Die Intensitätsverteilung an der Ausgangsebene hat somit die Form einer Rechteckfunktion gemäß dem Prinzip einer FourierTransformation. Auch wenn die Phaseneinstellung (oder das negative Vorzeichen), das von der Sinc-Verteilung in bestimmten Arrayarmen verlangt wird, auf einfache Weise realisiert werden kann, indem die Wellenleiterlängen angepasst werden, ist die Amplitudeneinstellung viel schwieriger. Sie wird realisiert, indem die verjüngten Eintrittsbreiten der als Array angeordneten Wellenleiter variiert werden. Ein vergleichbares Verfahren ist in dem U.S. Patent Nr. 5.467.418 mit dem Titel "Frequency routing device having a spatially filtered optical grating for providing an increased passband width" von C. Dragone (erteilt November 1995), offenbart, bei dem die Amplitudenverteilung realisiert wird, indem unter Verwendung von lateralen Verschiebungen zwischen zwei Wellenleitersegmenten Verluste in die als Array eingeordneten Wellenleiter eingeführt werden. Ein Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass die Amplitudeneinstellung aufgrund von Herstellungsfehlern schwierig zu steuern ist und es Verluste, Phasenfehler und Übersprechen der Vorrichtung bedeutsam erhöhen kann. Weil auch ein großer Teil des Gitters eine negative Phase hat und nachteilig zu der Ausgabe beiträgt, wird die resultierende Spitzenübertragungsintensität bedeutsam verringert. Ferner verbessern diese Verfahren nur die Amplitudenverteilung in der ausgangsseitigen Fokalebene, d. h. die von dem Gitter erzeugte Abbildung der Eingangsquelle. Die resultierende Form der Spektralempfindlichkeit unterscheidet sich deutlich von dieser räumlichen Amplitudenverteilung aufgrund der Auswirkung der Faltung mit dem Modenprofil des Ausgangswellenleiters. Die Verbesserung in dem Durchlassbereichsübergang ist daher sehr begrenzt.
• In einem Artikel mit dem Titel "Multigrating method for flattened spectral response wavelength multi/demultiplexer" von A. Rigny et al., Electronics Letters 33, Seiten 1701, 1702 (1997) und in dem U.S. Patent Nr. 5.978.532 mit dem Titel "Spectrographic multiplexer component having an array of waveguides" von den gleichen Autoren sind zwei Anordnungen von Wellenleitern mit unterschiedlichen Weglängenunterschieden verschachtelt angeordnet, um die Durchlassbereichsspektralempfindlic^hkeit abzuflachen. Die Spektralempfindlichkeit ist effektiv die Summe von zwei Gauß-Funktionen, die bei zwei leicht unterschiedlichen Wellenlängen ihre Spitzen haben. Die Technik hat den Vorteil von sowohl einfachem Aufbau als auch einfacher Herstellung. Dieses einfache Verfahren ist jedoch offensichtlich nicht die optimale Lösung und verbessert nicht die Übergangsschärfe innerhalb der Spektralempfindlichkeit zu und von dem Durchlassbereich.
• Abflachen des Durchlassbereichs, Abflachen der Spektralempfindlichkeit innerhalb des Durchlassbereichs kann auch durch eine Auslegung mit mehreren Fokussen erreicht werden, bei dem die Form von Sternkopplern in AWG-Vorrichtungen modifiziert sind, wie in einer Abhandlung mit dem Titel "Passband flattening of phasar WDM using input and Output star couplings designed with two focal points" von Boerk et al., OFC Tech. Dig., Seiten 302–303 (1997) und in einer weiteren Abhandlung mit dem Titel "Flat channel passband wavelength multiplexing and demultiplexing devices by multiple-Roland-circle design" von Y. P. Ho et al., IEEE Photonics Tech. Lett., 9, Seiten 342–344 (1999) dargestellt. Vergleichbar zu dem Mehrfachgitteraufbau verbessert der Aufbau mit mehreren Fokussen die Steilheit von Über gängen innerhalb der grafischen Darstellung der Spektralempfindlichkeit zu und von dem Durchlassbereich nicht.
• In einem Artikel mit dem Titel "Non linear Phase apodisation techniques for arrayedwaveguide grating Passband control" von F. Farjady et al., IEEE Colloquium an Multiwavelength Optical Networks: Devices, Systems and Network Implementations, Ref. Nr. 1998/257, Seiten 4/1–4/4 (1998) wird eine subparabolische Phasenstufe in die als Array angeordneten Wellenleiter eingefügt. Auch wenn die Durchlassbereichsspektralempfindlichkeit mit diesem Verfahren verbreitert wird, wird die Breite des Übergangs zu und von dem Durchlassbereich innerhalb der grafischen Darstellung der Spektralempfindlichkeit bedeutsam vergrößert und wird der eingebrachte Verlust übermäßig, was zu einer bedeutsamen Verschlechterung der Gesamtleistung führt.
• Aufgabe der Erfindung
• Um diese und weitere Einschränkungen des Standes der Technik zu überwinden, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wellenleitergitterbasierte (De)Multiplexvorrichtung bereitzustellen, die eine Durchlassbereichsspektralempfindlichkeit hat, die durch eine flache Oberseite und scharfe Übergänge charakterisiert ist.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Erfindungsgemäß wird eine Wellenleitergittervorrichtung mit einer Spektralempfindlichkeit bereitgestellt, die eine Sollspektralempfindlichkeit ist, um die Feldverteilung des Ausgangsanschlusses der Vorrichtung so zu kompensieren, dass die Spektralempfindlichkeit an dem Ausgangsanschluss nahe der Sollspektralempfindlichkeit ist. Die Spektralantwort wird über Phasenvariationen zwischen Gitterelementen bewirkt, die keine Variation einer Vielfachen von 2π und keine bekannte langsam variierende Phasenvariation sind. Die Verwendung einer Phasenvariation ermöglicht es, dass die Vorrichtung mit erhöhtem optischen Wirkungsgrad arbeitet. Alternativ werden Phasen- und Intensitätsvariationen gemeinsam verwendet.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Wellenleitergittervorrichtung mit einer Spektralempfindlichkeit bereitgestellt, die jedem einer Mehrzahl von Kanälen entspricht und weitere Spitzen innerhalb des Frequenzgangs aufweist, die Frequenzen näherungsweise bei einer Mittenfrequenz zwischen Kanälen entsprechen. Typischerweise sind die weiteren Spitzen viel kleiner als die den Kanälen zugeordneten Spitzen.
• Die Gitterelemente sind angeordnet, um eine Phase von darauf einfallendem Licht zu variieren, wobei die Phasenvariation zwischen benachbarten Gitterelementen die Summe ist von:
• a) einem Vielfachen von 2π;
• b) einer sich langsam ändernden Mittelphasenvariation;
• c) einer oszillierenden Phasenvariation;
so dass benachbarte Gitterelemente angeordnet sind, um die Phase in einer von der Mittelphasenvariation entgegen gesetzten Richtung zu variieren.
• Daher ist erfindungsgemäß eine Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt.
• Vorzugsweise hat das Wellenleitergitter eine Spektralempfindlichkeit, die innerhalb eines Durchlassbereichs derselben im Wesentlichen flach ist.
• Vorzugsweise hat das Wellenleitergitter steil geneigte Flanken innerhalb der Spektralempfindlichkeit im Durchlassbereich.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Auslegung eines Wellenleitergitters auf der Grundlage der Feldverteilung des Ausgangsanschlusses und einer Frequenzbereichsanalyse der Spektralempfindlichkeit der Vorrichtung bereitgestellt.
• Gemäß der Erfindung umfasst das Verfahren die Schritte:
• a) Berechnen eines Modulsprodukts einer Gitterebenenamplitudenverteilung von vom Eingangsanschluss gebeugtem Licht und einer inversen Fourier-Transformierten einer Feldverteilung des Ausgangsanschlusses;
• b) Bereitstellen einer Sollspektralempfindlichkeit für die Wellenleitergittervorrichtung;
• c) Ermitteln einer Phasenverteilung für das Wellenleitergitter bildenden Gitterelemente, so dass die Phasenverteilung an der Ausgangsgitterebene in Verbindung mit der Feldverteilung des Ausgangsanschlusses eine Spektralempfindlichkeit der Wellenleitergittervorrichtung ergibt, die der Sollspektralempfindlichkeit innerhalb eines Arbeitsspektralbereichs im Wesentlichen ähnlich ist; und
• d) Bereitstellen der ermittelten Phasenverteilung der Gitterelemente als die Auslegung, wobei Schritt c) umfasst:
• c1) Bereitstellen eines Arbeitsspektralbereichs, der nicht größer als der freie Spektralbereich der Wellenleitergittervorrichtung ist;
• c2) Bereitstellen einer anfänglichen Abschätzung eines komplexen Spektrums;
• c3) Ermitteln einer Gitterphasenverteilung unter Verwendung einer inversen Fourier-Transformierten des komplexen Spektrums;
• c4) Ermitteln einer effektiven komplexen Gitterebenenamplitude aus der Gitterphasenverteilung und dem in Schritt a) berechneten Produkt;
• c5) Ermitteln einer Spektralamplitude und einer neuen Spektralphase unter Verwendung der Fourier-Transformierten der komplexen Gitterebenenamplitude;
• c6) Ermitteln eines neuen komplexen Spektrums innerhalb des Arbeitsspektralbereichs, das auf der Sollspektralamplitude und der ermittelten Spektralphase basiert und das Teile des komplexen Spektrums außerhalb des Arbeitsspektralbereichs aufweist, die im Wesentlichen ähnlich zu denjenigen sind, die sich aus einer aktuellen Iteration ergeben; und
• c7) Wiederholen der Schritte (c3) bis (c6), bis die Spektralamplitude innerhalb vorgegebener Grenzen relativ zu dem Sollspektrum liegt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Auslegung einer Wellenleitergittervorrichtung mit einem Eingangsanschluss, einem Ausgangsanschluss und einer Mehrzahl von Gitterelementen die Schritte:
• (a) Berechnen eines Modulusprodukts einer Gitterebenenamplitudenverteilung von von dem Eingangsanschluss gebrochenen Lichts und einer inversen Fourier-Transformierten einer Feldverteilung des Ausgangsanschlusses;
• (b) Bereitstellen einer Sollspektralempfindlichkeit;
• (c) Bereitstellen einer anfänglichen Abschätzung einer Spektralphase;
• (d) Ermitteln eines komplexen Spektrums auf der Grundlage der Sollspektralempfindlichkeit und der bereitgestellten Spektralphase;
• (e) Ermitteln einer Gitterphasenverteilung unter Verwendung einer inversen Fourier-Transformierten des komplexen Spektrums;
• (f) Ermitteln einer effektiven komplexen Gitterebenenamplitude auf der Grundlage der Gitterphasenverteilung und des in Schritt (a) berechneten Produkts;
• (g) Durchführen einer Fourier-Transformation der komplexen Gitterebenenamplitude, um eine Spektralamplitude und eine neue Abschätzung der Spektralphase zu ermitteln;
• (h) Wiederholen der Schritte (b) bis (g), bis eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist;
• (i) Bereitstellen der ermittelten Phasenverteilung der Gitterelemente als Auslegung, wenn sich die Spektralamplitude innerhalb vorbestimmter Grenzen relativ zu der Sollspektralempfindlichkeit befindet.
• Das Verfahren kann ferner die Schritte umfassen:
• (i) Bereitstellen eines Arbeitsspektralbereichs kleiner als der freie Spektralbereich des Wellenlängengitters;
• (j) Bereitstellen einer anfänglichen Abschätzung eines in den Schritten (a) bis (h) ermittelten komplexen Spektrums;
• (k) Ermitteln einer Gitterphasenverteilung unter Verwendung einer inversen Fourier-Transformierten des komplexen Spektrums;
• (l) Ermitteln einer effektiven komplexen Gitterebenenamplitude aus der Gitterphasenverteilung und dem in Schritt (a) berechneten Produkt;
• (m) Ermitteln einer Spektralamplitude und einer neuen Spektralphase unter Verwendung der Fourier-Transformierten der komplexen Gitterebenenamplitude;
• (n) Ermitteln eines komplexen Spektrums innerhalb des Arbeitsspektralbereichs auf der Grundlage der Sollspektralamplitude und der ermittelten Spektralphase und mit komplexen Spektralteilen außerhalb des Arbeitsspektralbereichs im Wesentlichen gleich zu denjenigen, die aus einer aktuellen Iteration resultieren; und
• (o) Wiederholen der Schritte (k) bis (n), bis die Spektralamplitude sich innerhalb vorbestimmter Grenzen relativ zu dem Sollspektrum befindet.
• Bei der in dieser Erfindung offenbarten Vorrichtung werden die Phasen zwischen den Gitterelementen auf vorbestimmte Weise modifiziert, um eine verbesserte Durchlassbereichsspektralempfindlichkeit mit einem Minimum an übermäßigem Verlust zu erhalten. Das neue Verfahren hat die folgenden Eigenschaften: (1) Die Durchlassbereichsspektralempfindlichkeit wird verbreitert und abgeflacht und Übergänge werden steiler, was zu verringertem Übersprechen zwischen benachbarten Kanälen führt; (2) im Gegensatz zu allen bekannten Verfahren wird die Durchlassbereichsspektralempfindlichkeit für die endgültige Spektralempfindlichkeit optimiert, d. h. nachdem die Faltung mit dem Ausgangsmodenprofil berücksichtigt wird (3) es kann sowohl bei AWG als auch bei geätzten reflektierenden (oder durchlässigen) Beugungsgittern verwendet werden; (4) sowohl Eingangs- als auch Ausgangswellenleiter sind Einmoden ohne jegliche komplexe herstellungsempfindliche Endstrukturen; (5) es müssen keine Verluste in die Gitterelemente eingebracht werden, um eine vorbestimmte Intensitätsverteilung in der Gitterebene zu erreichen; (6) es sind keine zusätzlichen Wellenleiterelemente, wie zum Beispiel Splitter und Querschnittsanpasser erforderlich, um die Eingangs- oder Ausgangsmodenprofile zu verbreitern; (7) Phasenmodifikationen sind klein und können einfach mit geringen Anpassungen der Wellenleiterlängen im Fall von AWG oder durch kleine Verschiebungen der Positionen der Gitterkristallflächen (engl. grating facets) im Fall von geätzten Beugungsgittern realisiert werden, was zu einer einfachen Herstellung ohne zusätzliche Bearbeitung führt; (8) das Verfahren kann mit anderen Techniken zum Abflachen des Durchlassbereichs kombiniert werden, wie zum Beispiel denjenigen, die Mehrmodenausgangsweilenleiter oder -eingangswellenleiterverbreiterungsstrukturen integrieren.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind nun in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1a eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit als Array angeordneten Wellenleitergittern (AWG) der bekannten Technik ist;
• 1b eine schematische Darstellung einer (De)Multiplexvorrichtung mit gekrümmten reflektierenden Beugungsgittern der bekannten Technik ist;
• 1c eine vergrößerte schematische Darstellung eines bekannten Schwenkspiegels ist, der in das Substrat eines Beugungsgitters integriert ist;
• 2 typische Spektralempfindlichkeiten unterschiedlicher Kanäle in einer herkömmlichen bekannten Demultiplexvorrichtung ist;
• 3 ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens ist, das das Verfahren einer iterativen Fourier-Transformation für Durchlassbereichsspektrumsmodifikation verwendet;
• 4 das Produkt der effektiven Intensitätsverteilungen in der Gitterebene ist, die von Eingangs- und Ausgangswellenleitermoden für eine beispielhafte Vorrichtung erzeugt werden;
• 5a eine grafische Darstellung von Intensität gegenüber Frequenz ist, die die ursprünglichen (gestrichelte Linie), Soll- (lang gestrichelte Linie) und abgeflachten (durchgezogene Linie) Spektren für das gleiche beispielhafte Gitter wie für 4 zeigt, wobei das abgeflachte Spektrum unter Verwendung des Auslegungsverfahrens von 3 erhalten wurde;
• 5b eine grafische Darstellung von Phase gegenüber Gitterperiodenzahl ist, die den abgeflachten Spektren in 5a entspricht, die unter Verwendung des Verfahrens von 3 erhalten werden;
• 6 ein vereinfachtes Flussdiagramm auf hoher Ebene eines verbesserten computerimplementierten Verfahrens (Phase II) unter Verwendung des iterativen Fourier-Transformationsverfahrens für die phaseninduzierte Technik zum Abflachen des Durchlassbereichs und zum Verschärfen der Übergänge der vorliegenden Erfindung ist;
• 7a eine grafische Darstellung von Intensität gegenüber Frequenz ist, die die ursprünglichen (gestrichelte Linie), Soll-(lang gestrichelte Linie) und abgeflachten (durchgehende Linie) Spektren für das gleiche beispielhafte Gitter wie für 5 zeigt, wobei das abgeflachte Spektrum unter Verwendung des verbesserten Verfahrens von 6 erhalten wird;
• 7b eine grafische Darstellung von Phase gegenüber Gitterperiodenzahl ist, die den abgeflachten Spektren in 7a entspricht, die unter Verwendung des Verfahrens von 6 erhalten werden;
• 7c eine vergrößerte Ansicht des Diagramms von 7 in dem mittleren Bereich ist;
• 8a eine weitere grafische Darstellung von Phase gegenüber Gitterperiodenzahl ist, um einen abgeflachten Durchlassbereich mit scharfen Übergängen für das gleiche Gitter wie für 7 zu erhalten;
• 8b die abgeflachten Durchlassbereichsspektren (durchgezogene Linie) ist, die mit der Phasenverteilung von 8a erhalten werden, wobei die ursprünglichen (gestrichelte Linie) und die Soll-(lang gestrichelte Linie)-Spektren ebenfalls gezeigt sind;
• 8c eine vergrößerte Ansicht der ursprünglichen (gestrichelte Linie) und abgeflachten (durchgehende Linie) Spektren von 8b ist;
• 9a das komplette Spektrum über einen freien Spektralbereich für das Gitter mit abgeflachtem Durchlassbereich mit der Phasenverteilung von 8a ist;
• 9b eine vergrößerte Ansicht des Spektrums von 9 in logarithmischem Maßstab in dem Dummy-Spektralbereich (außerhalb des Arbeitsspektralbereichs) ist; und
• 10a und 10b vereinfachte Diagramme von Gittervorrichtungen mit einem Transmissionsgitter in 10a und einem Reflexionsgitter in 10b sind.
• Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Bezug nehmend auf 1a ist eine in einem Array angeordneten Wellenleitergittervorrichtung gemäß der bekannten Technik gezeigt. In 1b ist eine Vorrichtung mit geätzten reflektierenden Beugungsgittern gemäß der bekannten Technik gezeigt. Wenn eine bekannte Vorrichtung eine Demultiplexfunktion durchführt, werden mehrere Signalkanäle unterschiedlicher Wellenlängen, die in einen Eingangswellenleiter eingebracht werden, getrennt, und je der Kanal wird zu einem vorbestimmten der Ausgangswellenleiter geleitet. Im Folgenden werden die Ebenen, die das Ende der Eingangs- oder Ausgangswellenleiter enthalten und senkrecht zu diesen sind, als Eingangsebene bzw. Ausgangsebene bezeichnet.
• Die Prinzipien des Betriebs der zwei Vorrichtungsarten sind dahingehend vergleichbar, dass beide eine streuende und fokussierende Komponente enthalten, die aus einer Anordnung optischer Elemente besteht. Jedes dieser Elemente führt eine leicht andere optische Weglänge für einen Strahl ein, der sich von einem Eingangs- zu einem Ausgangsanschluss ausbreitet. In einem geätzten Gitter ist dieses optische Element ein reflektierender Spiegel (Gitterkristallfläche), wohingegen es im Fall eines AWG ein optischer Wellenleiter ist.
• 2 zeigt grafisch das typische durch die Spektralempfindlichkeit beschriebene Verhalten der Vorrichtung, beschrieben, d. h. der Übertragungskoeffizient jedes Kanals als Funktion der optischen Frequenz.
• Bezug nehmend auf 10a und 10a ist ein Diagramm einer Gittervorrichtung gezeigt. Ein Eingangsanschluss 10 koppelt Licht in den Gitterbereich ein. Typischerweise sind Wellenleitergittervorrichtungen bidirektionale optische Komponenten, so dass es verständlich ist, dass der Eingangsanschluss auch oder alternativ verwendet werden kann, um Licht aus dem Gitterbereich 13 auszukoppeln. Das Licht breitet sich in Richtung auf eine Gitterebene 12 innerhalb des Gitterbereichs 13 hin aus. Auch wenn diese "Gitterebene" 5 als solche beschrieben ist, kann sie, wie dies Fachleuten auf dem Gebiet ersichtlich ist, basierend auf der gewählten Gitterkonfiguration die Form einer gekrümmten Oberfläche oder einer anderen willkürlich geformten Oberfläche haben. Wenn der Gitterbereich 13 ein reflektierender Gitterbereich ist, wie in 10b gezeigt, dient die Gitterebene 12 sowohl als Eigangsgitterebene als auch Ausgangsgitterebene. Wenn der Gitterbereich 13 durchlässig ist, wie zum Beispiel ein Arraywellenleitergitter, unterscheidet sich die Ausgangsgitterebene 12b von der Eingangsgitterebene 12a. Dies ist wiederum Fachleuten auf dem Gebiet bekannt. Die Gittervorrichtung weist eine Mehrzahl von Ausgangsanschlüssen 14 auf. Jedem Ausgangsanschluss 14 ist eine Ausgangsebene 16 zugeordnet. Dieses Diagramm ist dabei hilfreich, bei der folgenden Beschreibung eine Stelle von Lichtsignalen innerhalb der Wellenleitervorrichtungen zu ermitteln.
• Die (δ-dB-Bandbreite eines Kanals wird oft als das Frequenz- oder Wellenlängenintervall definiert, an dessen Ränder der Übertragungskoeffizient auf (δ dB unter die Spitzendurchlässigkeit abfällt. Die Breite des Kanaldurchlassbereichs wird üblicherweise als 1 dB oder 0,5 dB Bandbreite definiert. Bei dieser Patentoffenbarung definieren wir ohne Allgemeingültigkeit zu verlieren die dB Bandbreite als die Durchlassbereichsbreite Δf_PB. Für eine Demultiplexvorrichtung, die zum Beispiel weniger als –30 dB Übersprechen zwischen benachbarten Kanälen verlangt, sollte der Kanalabstand größer als die Hälfte der Summe des Durchlassbereichs und der 30 dB Bandbreite sein.
• Die Flachheit des Durchlassbereichs kann durch das Inverse der größten Steigung in der Spektralempfindlichkeit innerhalb des Durchlassbereich beschrieben werden. Für Einmodeneingangs- und -ausgangswellenleitern zugeordnete gaußförmige Empfindlichkeit tritt die größte Steigung an den Rändern des Durchlassbereichs auf. Wir definieren daher die Durchlassbereichsflachheit als

  

  , wobei I die Spektralintensität in dB ist und der tiefergestellte Index den Wert bei –1 dB ausgehend von der Spitzenintensität angibt. Auf vergleichbare Weise definieren wir die Übergangsschärfe als die Steigung bei einer Intensität von –30 dB, d. h.

  

  . Unser Ziel ist daher, Δf_PB,

  

  und

  

  zu vergrößern.
• Die Technik dieser Erfindung zum Umformen des Durchlassbereichs basiert auf dem Fourier-Transformationsmechanismus der Beugungsgitter. Unten ist die analytische Formel für die Spektralempfindlichkeit des Gitters zusammengefasst.
• Betrachten einen bei X = 0 zentrierten Ausgangswellenleiter in der Ausgangsebene. Man nehme an, dass die Mittenfrequenz des Kanals f_C ist. Bei einem herkömmlichen Gitter ist die Phasendifferenz zwischen zwei benachbarten Gitterelementen gleich einer Vielfachen von 2π für die Kanalmittenfrequenz f_C. Die dem optischen Pfad von dem Eingang zu der Mitte des Ausgangswellenleiters über das 1-te Element entsprechende Phase kann ausgedrückt werden durch: Φ1 = Φ0+ 2lmπ, l = 1, 2 , 3,... N (1)wobei m die Gitterordnung und N die Anzahl Gitterelemente sind.
• Für eine optische Frequenz f = f_C + Δf und für eine leicht von der Wellenleitermitte versetzten Ausgangsstelle kann die Phase umgeschrieben werden als

  

  wobei

  

  die Dispersionskonstante des Gitters in der Ausgangsebene ist. Die Feldverteilung in der Ausgangsebene kann geschrieben werden als

  

  wobei G_l eine reelle Zahl ist, die die effektive Feldamplitude in der Gitterebene für das 1-te Element angibt, und

  

  eine normalisierte Variable im räumlichen und spektralen Bereich ist. Im Fall eines geätzten Beugungsgitters werden die Kristallflächengröße und die Abstände zu den Eingangs- und Ausgangswellenleitern bei der effektiven Feldverteilung berücksichtigt.
• Gleichung (3) zeigt, dass die Funktion g(u) eine diskrete Fourier-Transformation der Amplitudenverteilung in der Gitterebene ist. Daher kann die Gitterfeldverteilung E_l aus der Funktion g(u) erhalten werden, indem die inverse Fourier-Transformation verwendet wird:

  
• Die Kanalspektralempfindlichkeit des Demultiplexers wird mittels des Überdeckungsintegrals (engl.: overlap integral) der Feldverteilung in der Ausgangsebene und des Modenprofils des Ausgangswellenleiters ermittelt.

  

  wobei p(x) das normalisierte Modenprofil des Ausgangswellenleiters ist und die Integration in der Ausgangsebene durchgeführt wird. Man kann sehen, dass die Amplitude des Spektrums A(Δf) durch die folgende Faltung ausgedrückt werden kann:

  
• Bei herkömmlichen Wellenleitergittervorrichtungen gibt die Funktion g(u) die Abbildung der Amplitudenverteilung an dem Eingangswellenleiter wieder. In dem mittleren Bereich der Abbildung ist sie nahezu eine reale Funktion oder, anders ausgedrückt, hat sie eine nahezu konstante Phasenverteilung. Im Fall von Einmodenwellenleitern sind sowohl die Funktion g(u) als auch p(x) näherungsweise Gauß-Funktionen. Die Spektralamplitudenverteilung A(Δf) ist daher auch eine Gauß-Funktion mit einer quadrierten Breite, die der Summe der quadrierten Breiten der entsprechenden Funktionen von g(u) und p(x) im Spektralbereich entspricht.
• Die Idee dieser Erfindung besteht darin, eine zusätzliche Phasenvariation in die Gitterfeldverteilung einzuführen, so dass die resultierende Feldverteilung in der Ausgangsebene, wie durch ihre Fourier-Transformierte g(u) festgelegt, eine komplexe Funktion ist. Die Faltung dieser komplexen Funktion mit dem Ausgangswellenleitermodenprofil nach Gleichung (6) führt zu einer komplexen Funktion A(Δf), deren Amplitude einer Rechteckfunktion so nahe wie möglich kommt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Phasenterm ΔΦ_l jedem Gitterelement hinzugefügt. Dies wird typischerweise realisiert, indem im Fall eines AWG die Wellenleiterlängen leicht angepasst werden oder indem im Fall eines geätzten Beugungsgitters die Positionen der reflektierenden Kristallflächen angepasst werden. Natürlich sind gemäß dieser Erfindung auch andere Verfahren zur Phaseneinstellung möglich. Die Größen der Phaseneinstellungen werden durch das unten beschriebene Verfahren ermittelt.
• Die maximale Variation von ΔΦ_l ist klein (kleiner als 2π), weshalb die Abhängigkeit von ΔΦ_l von der Frequenz vernachlässigt wird. Gleichung (2) wird umgeschrieben als

  
• Gleichung (3) wird zu

  

  mit dem invertierten Fourier-Transformationsverhältnis
• 
• Wendet man die invertierte Fourier-Transformation im Frequenzbereich (d. h.

  

  auf Gleichung (6) an und verwendet man das Faltungstheorem, führt dies zu

  

  wobei P_l mit einer Näherung um einen Faktor die Amplitudenverteilung in der Gitterebene angibt, wenn das Licht in den Ausgangswellenleiter eingegeben wird und sich in der umgekehrten Richtung ausbreitet. Dies ist gegeben durch

  
• Es ist zu beachten, dass die obigen Integrationen über dem freien Spektralbereich durchgeführt werden

  
• Die komplexe Amplitude des Ausgangsspektrums ist gegeben durch
• 
• Aus Gleichung (10) und (12) resultiert die folgende Gruppe von Fourier-Transformations- und inversen Fourier-Transformationsverhältnissen:

  
• Es ist zu beachten, dass die inverse Fourier-Transformierte in dem diskreten Fourier-Transformationsformelpaar üblicherweise auch als diskrete Reihe von N-Termen geschrieben wird. Auch wenn bei bisher durchgeführten numerischen Berechnungen die Integration in Gleichung (13b) auch in diskreter Form durchgeführt wird, ist sie oben in der Integrationsform angegeben, weil eine viel größere Anzahl an Abtaststellen als die Anzahl an Gitterele menten N in dem Spektralbereich erforderlich ist, um eine gewünschte Durchlassbereichsspektralempfindlichkeit mit scharfen Übergängen richtig zu beschreiben. Natürlich steht die Anzahl von Abtaststellen mit dem akzeptablen Niveau an Fehlern und so weiter in Beziehung.
• Für gegebene Eingangs- und Ausgangswellenleiterparameter und Gittergeometrie werden die Amplitudenverteilungen G_l und P_l in der Gitterebene berechnet. Gemäß dem Verfahren wird die Phasenverteilung ΔΦ_l so erlangt, dass |A(Δf)| eine gewünschte Form hat, wobei die Spektralphasenverteilung φ(Δf) als freier einstellbarer Parameter verwendet wird.
• Das obige Problem wurde numerisch gelöst, wobei ein iteratives Fourier-Transformationsverfahren vergleichbar zu dem verwendet wird, das für ein Phasenwiedererlangungsproblem bei Beugungsoptiken verwendet wird, wo die Phasenverteilung in den Beugungs- und Abbildungsebenen auf der Grundlage bekannter Intensitätsverteilungen ermittelt werden (siehe zum Beispiel "A practical algorithm for the determination of Phase for image and defraction plane pictures" von R. W. Gerchberg und W. O. Saxton, Optic 35, Seiten 237–246, 1972). Natürlich können andere numerische Verfahren verwendet werden, wenn auch sie Lösungen des obigen Problems bereitstellen. Eine beispielhafte Implementierung des für das vorliegende Problem angewendeten Verfahrens ist in dem Flussdiagramm von 3 gezeigt.
• Vor Beginn des iterativen Fourier-Transformationsverfahrens werden die effektiven Amplitudenverteilungen in den Gitterebenen G_l und P_l berechnet. Eine zufällige Phasenverteilung zwischen +π und –π wird als anfängliche Abschätzung der Spektralphasenfunktion φ₀(Δf) erzeugt. Die gewünschte Spektralamplitude |A(Δf)| wird auch definiert. Um den Durchlassbereich abzuflachen, umfasst die Funktion |A(Δf)| vorzugsweise einen Bereich des Durchlassbereichs mit einer flachen Spektralempfindlichkeit innerhalb von |Δf| ≤ Δf_PB/2 eines Übergangsbereichs Δf_PB/2 ≤ |Δf| ≤ Δf_PB/2 + Δf_T, wo die Übertragung von dem Maximalwert auf Null abfällt und ansonsten Null ist. Die Funktion wird so normalisiert, dass die Integration von |A(Δf)|² über den freien Spektralbereich den gleichen Wert wie die Integration des ursprünglichen Spektrums vor dem Abflachen des Durchgangsbereichs hat.
• Das Iterationsverfahren beginnt, indem das komplexe Spektrum

  

  konstruiert wird, wobei j die Iterationsnummer ist. Die inverse Fourier-Transformation wird dann unter Verwendung von Gleichung (13b) durchgeführt. Der Phasenterm ΔΦ_l der resultierenden komplexen Funktion wird mit dem bekannten Produkt G_lP_l kombiniert, um die komplexe Gitterebenenamplitude

  

  zu bilden. Die Fourier-Transformationsgleichung (13a) wird dann angewendet, um

  

  zu erhalten. Die resultierende Spektralphasenverteilung φ_j(Δf) wird wiederum mit der gewünschten Spektralamplitude |A(Δf)| kombi niert, um eine neue Abschätzung des komplexen Spektrums

  

  zu bilden. Der Prozess wird wiederholt, bis |A'_j(Δf)| nahe der gewünschten Spektralamplitude

  

  ist kleiner als eine vorbestimmte Toleranz), oder bis eine vorbestimmte Anzahl an Iterationen erreicht wird.
• Das obige Verfahren konvergiert üblicherweise schnell zu einer Lösung (ε ≈ 0), wenn die Lösung existiert, oder, wenn die Lösung nicht existiert, in einen stabilen Zustand, für den sich das Kriterium ε nur gering ändert, wenn die Iterationen weitergehen. Um die Spektralempfindlichkeit des Durchlassbereichs abzuflachen, ist, wenn mit dem obigen Verfahren der stabile Zustand erreicht wird, die Spektralempfindlichkeit leider üblicherweise nicht zufriedenstellend. Als Beispiel wurde das obige Verfahren bei einem tatsächlichen geätzten Beugungsgitter mit 282 Reflexionskristallflächen verwendet. Die Eingangs- und Ausgangswellenleiter waren Einmoden und die resultierenden Amplitudenverteilungen G_l und P_l in der Gitterebene waren näherungsweise gaußförmig. Die Verteilung des Produkts |G_lP_l|² ist 4 gezeigt. Die Geometrie dieses Gitters ist so ausgelegt, dass die Breiten der Gaußverteilungen kleiner als die Gittergröße sind, so dass die meiste optische Leistung von dem Gitter erhalten wird. Wenn das gewünschte Durchlassbereichsspektrum eine flache Oberseite und scharfe Übergänge hat, wie die gestrichelte Linie in 5a, fuhrt das obige Verfahren zu einer Spektralempfindlichkeit, wie von der in 5a gezeigten durchgezogenen Linie. Die entsprechende Gitterphasenverteilung ist in 5b gezeigt. Auch wenn die Oberseite des Durchlassbereichs innerhalb der Spektralempfindlichkeit hinsichtlich der Flachheit keinesfalls zufriedenstellend ist, sind die Übergangssteigungen stark verringert. Eine flachere Oberseite des Durchgangsbereichs wird erhalten, wenn der Solldurchgangsbereich breiter festgelegt wird, allerdings auf Kosten noch schlechterer Übergangssteigungen und deutlich geringerer Spitzendurchlässigkeit. Dieses Ergebnisse sind qualitativ mit denjenigen vergleichbar, die mit dem Verfahren erhalten werden, bei dem ein subparabolischer Phasenterm dem Gitter hinzugefügt wird, wie in der Abhandlung von F. Farjady et al. (1998) berichtet.
• Um das obige Problem zu lösen, wurde das Verfahren weiter verbessert. Die Iterationen werden in zwei Phasen unterteilt. In der ersten Phase wird das Verfahren von 3 verwendet, d. h. das komplexe Spektrum wird gemäß

  

  am Aasfang jeder Iteration konstruiert. Nachdem die Iteration einen stabilen Zustand erreicht, beginnt die zweite Phase, wobei ein in 6 gezeigtes Verfahren verwendet wird. Das komplexe Spektrum wird nun konstruiert gemäß

  

  wobei

  

  der freie Spektralbereich ist und Δf_WSR als Arbeitsspektralbereich bezeichnet wird, in dem die Spektralempfindlichkeit die gewünschte Spektralfunktion |A(Δf)| haben soll.
• Indem Gleichung (14) verwendet wird, wird keine Einschränkung der Spektralempfindlichkeit außerhalb des Arbeitsspektralbereichs auferlegt. Dies ermöglicht es, dass das Verfahren innerhalb des Arbeitsspektralbereichs weiter in Richtung auf die gewünschte Spektralfunktion hin konvergiert.
• Weil die Spektralempfindlichkeit außerhalb des Arbeitsspektralbereichs frei einstellbar wird, anstelle von 0 im idealen Fall, geht etwas optische Leistung verloren. Indem das Verfahren in Phase I vor den Iterationen in Phase II verwendet wird, wird derartiger Verlust minimiert.
• Ein Nebeneffekt dieses Verfahrens besteht darin, dass der Arbeitsspektralbereich auf weniger als die Hälfte des freien Spektralbereichs reduziert wird (z. B. Δf_WSR = 0,45 Δf_WSR). Um Übersprechen aufgrund der Empfindlichkeit ungleich Null außerhalb des Arbeitsspektralbereichs zu vermeiden, müssen alle WDM-Kanäle in ein Frequenzintervall kleiner als Δf_WSR fallen. Dies ist für die meisten Anwendungen üblicherweise kein Problem, weil Δf_FSR und folglich Δf_WSR vergrößert werden können, indem der Gitterordnung verringert wird. Tatsächlich sind die meisten Vorrichtung so ausgelegt, dass nur ein kleiner Teil des freien Spektralbereichs verwendet wird, um die Ungleichmäßigkeit der Spitzenempfindlichkeit über unterschiedlichen Kanälen zu verringern. Eine Ungleichmäßigkeit von 3 dB tritt zum Beispiel auf, wenn der gesamte FSR verwendet wird.
• Nachdem die Iterationen der Phase II einen stabilen Zustand erreichen, wie durch ein sich langsam variierendes

  

  charakterisiert, sind üblicherweise die Durchlassbereichsspektralempfindlichkeit und die Übergangssteigungen recht zufriedenstellend, auch wenn sie nicht genau die gleichen wie bei der künstlich konstruierten idealen Funktion |A(Δf)| sind. Die Empfindlichkeiten innerhalb des WSR aber außerhalb der Durchlassbereichs- und Übergangsbereiche sind also recht gering, aber sie sind immer noch nicht zufriedenstellend aufgrund von strengen Übersprechanforderungen (z. B. << –30 dB).
• Um das Hintergrundrauschen in dem WSR zu verringern, wird das Sollspektrum |A(Δf)| in den Durchlassbereichs- und den Übergangsbereichen gemäß dem letzten Ergebnis zurückgesetzt, d. h.

  

  wobei j die Iterationsnummer ist. Die Iterationen setzen sich fort, bis sowohl das Durchlassbereichsspektrum als auch das Übersprechniveau wohl zufriedenstellend sind.
• 7a zeigt ein Spektrum, das aus dem obigen verbesserten Verfahren für das gleiche wie für 5 verwendete Gitterbeispiel resultiert. Das anfängliche Sollspektrum ist auch als gestrichelte Linie gezeigt, wobei das ursprüngliche Spektrum als gepunktete Linie gezeigt ist. Bei diesem Beispiel wird das anfängliche Sollspektrum konstruiert, indem ein flacher Durchgangsbereich von 35 GHz in der Mitte des ursprünglichen Durchgangsbereichsspektrum hinzugefügt wird. In dem resultierenden Spektrum wird die –1 dB Durchgangsbereichsbreite Δf_PB verglichen mit dem ursprünglichen Spektrum von 11,2 GHz auf 41,6 GHz vergrößert. 7b zeigt die Gitterphasenverteilung, die aus dem obigen Verfahren zum Erhalten des Spektrums (durchgezogene Linie) in 7a resultiert. 7c liefert die vergrößerte Ansicht der Phasenverteilung mit der durch einen Punkt markierten Datenstelle für jedes Gitterelement. Die Phasenverteilung hat eine sich langsam ändernde Hüllfunktion vergleichbar zu 5b, aber mit einer überlagerten oszillatorischen Funktion, mit der 2 Gitterelementen entsprechenden Oszillationsperiode. Die Amplitude der Phasenoszillation selbst ist oszillierend mit einer Periode, die umgekehrt proportional zu der Solldurchlassbereichsbreite ist, und ist in der Mitte des Gitters nahezu Null.
• Unter Verwendung der Technik der vorliegenden Erfindung werden die Durchlassbereichsbreite und -form einfach manipuliert, indem die Phasenverteilung an dem Gitter variiert wird. 8a zeigt ein. weiteres Beispiel einer Phasenverteilung, die aus dem obigen Verfahren für das gleiche Gitter zum Erhalten des in 8b gezeigten Spektrums resultiert. In diesem Fall wird die Durchgangsbereichsübergangsbreite in dem anfänglichen Sollspektrum im Verhältnis zu dem ursprünglichen Spektrum um die Hälfte verringert. Verglichen mit dem ursprünglichen Spektrum wird der Durchlassbereich Δf_PB des resultierenden Spektrums von 11,2 GHz auf 22,8 GHz vergrößert. Die Durchgangsbereichsflachheit

  

  wird von 3 GHz/dB auf 5,2 GHz/dB erhöht und die Übergangsschärfe

  

  wird von 1,6 dB/GHz auf 4 dB/GHz vergrößert. Die Größe der Ansicht des Spektrums ist in 8c gezeigt.
• Für vorgegebene Einmodeneingangs-/ausgangswellenleiter ist die Verbreiterung des Durchgangsbereichs inhärent mit einer Verringerung der Spitzenintensität verknüpft, unabhängig davon, welche Technik verwendet wird. Je breiter der Durchlassbereich ist, desto geringer ist die Spitzenempfindlichkeit. Wenn kein optischer Verlust in die Gitterelemente durch die Technik zum Erweitern des Durchlassbereichs eingebracht wird, sollte die Integration der Spektralempfindlichkeit über einen freien Spektralbereich eine Konstante sein. In dem Beispiel von 8 ist die Spitzenempfindlichkeit des abgeflachten Spektrums um etwa 3,4 dB verglichen mit dem ursprünglichen Spektrum verringert, von dem weniger als 1 dB der Überschussverlust aufgrund der Empfindlichkeit ungleich Null außerhalb des Arbeitsspektralbereichs liegt.
• Es sollte herausgestellt werden, dass die Durchgangsbereichstübergangsbreite nicht unendlich auf Null reduziert werden kann. Dies ist der Fall, weil ein tatsächliches Gitter eine begrenzte Anzahl an Phasenelementen aufweist. Wie in dem Beispiel von 8 gezeigt, können die Durchgangsbereichsflachheit und die Übergangssteigungen jedoch mit einem minimalen Verlust und Übersprechrauschen unter Verwendung der Technik der vorliegenden Erfindung bedeutsam verbessert werden.
• 9a zeigt das komplette Spektrum des Gitters über einem freien Spektralbereich. Zwei Dummy-Spitzen mit Nebenkeulen treten in der Mitte des FSR zwischen zwei Brechungsgrößenordnungen auf. Die Einzelheiten des Dummy-Spektrums sind in 9b in logarithmischem Maßstab vergrößert. Die Dummy-Spitzen befinden sich außerhalb des Arbeitsspektralbereichs und der einzige Zweck ihrer Existenz besteht darin, eine gewünschte Spektralempfindlichkeit in dem Arbeitsspektralbereich, insbesondere in dem Durchgangsbereich zu erzeugen. Die Dummy-Spitzen können im Fall symmetrischer Gitter, wie zum Beispiel AWGs, symmetrisch sind. Im Fall gekrümmter Reflexionsgitter sind sie leicht asymmetrisch aufgrund der unterschiedlichen Kristallflächengrößen und unterschiedlichen Abständen zu Eingangs-/Ausgangswellenleitern zwischen oberen und unteren Hälften des Gitters. Diese Asymmetrie führt auch zu den in den 7b und 8a gezeigten etwas asymmetrischen Phasenverteilungen. Die oszillatorische Phasenvariation zwischen benachbarten Gitterelementen steht mit dem Umstand in Beziehung, dass der Dummy-Spektralbereich in der Mitte des FSR angeordnet ist.
• Gemäß Gleichung (13) besteht ein alternatives Verfahren, die gewünschte Spektralfunktion |A(Δf)| zu erhalten, darin, φ(Δf) = 0 festzulegen und Verluste in die Gitterelemente einzuführen, so dass das Produkt G_lP_l der Amplitude der Fourier-Transformierten der Funktion |A(Δ_f)| folgt (z. B. die Sinc-Funktion im Fall von |A(Δf)| eine Rechteckfunktion). Dies ist mit dem von Okamoto et al. (Optics Lett. 20, Seite 43–45, 1995) berichteten Verfahren vergleichbar. Indem das Produkt G_lP_l statt der einfachen Amplitudenverteilung G_l an dem Gitter eingestellt wird, wird jedoch die Faltung mit dem Ausgangsmodenprofil berücksichtigt, was es somit ermöglicht, dass das Durchgangsbereichsspektrum schärfere Übergänge hat. Natürlich ist ein solches Verfahren in vielen Fällen weniger wünschenswert, weil es zu von den Gittern eingeführten Verlusten führt, was wenigstens teilweise verhindert werden kann, indem stattdessen die Phase eingestellt wird.
• Auch wenn die Erfindung unter Bezugnahme auf die grafischen Darstellungen beschrieben ist, ist es möglich, die Wellenleitergittervorrichtung so zu orientieren, dass sie mit Reflexion arbeitet – wo sich die Ausgangsleiter nur auf der gleichen Seite des Gitters wie die Eingangswellenleiter befinden, mit Übertragung etc.
• Ferner ist die Verwendung der Erfindung mit anderen optischen Komponenten als denjenigen, die hier genannt sind, möglich, weil die Komponente mit vielen anderen Wellenleitergittervorrichtungen funktionell vergleichbar ist.
• Bei einer alternativen Ausführungsform ist die gewünschte Spektralempfindlichkeit – die Sollempfindlichkeit – kein breiter flacher Durchgangsbereich, sondern eine andere Empfindlichkeit. Weil die Modenprofile sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangswellenleiter im Auslegungsprozess berücksichtigt werden, ist es möglich, eine Anzahl spektraler Empfindlichkeiten nur abhängig von Auslegungsanforderungen anzupassen. Wenn sich das Sollspektrum innerhalb eines Arbeitsspektralbereichs kleiner als der freie Spektralbereich des Wellenleitergitters befindet, wie oben angegeben, ergibt sich natürlich eine verglichen mit der Sollspektralempfindlichkeit verbesserte Spektralempfindlichkeit.
• Viele weitere Ausführungsformen können vorgesehen sein, ohne sich dabei von dem Umfang der beigefügten Ansprüche zu entfernen.

Claims (16)

1. Wellenleitergittervorrichtung umfassend: einen ersten Anschluss zum Empfang eines optischen Signals mit einer Mehrzahl von Kanälen, wobei die Kanäle durch einen Kanalabstand innerhalb des Frequenzbereichs voneinander getrennt sind; eine Mehrzahl zweiter Anschlüsse zum Empfang optischer Signale mit jeweils einem einzelnen Kanal; einen Gitterbereich, der eine Mehrzahl von Gitterelementen innerhalb des Wellenleiters umfasst, wobei die Gitterelemente angeordnet sind, um die Phase von sich zwischen dem ersten Anschluss und einem der Mehrzahl zweiter Anschlüsse ausbreitendem Licht mittels der Gitterelemente zu variieren, wobei die Phasenvariation zwischen benachbarten Gitterelementen sich von einem Vielfachen von 2π unterscheidet, wobei der Unterschied die Summe einer sich langsam ändernden Mittenphasenvariation und einer hochfrequenten Phasenvariation ist, wobei der Gitterbereich gemäß einem Auslegungsverfahren ausgelegt ist, das die folgenden Schritte umfasst: a) Berechnen eines Modulusprodukts einer Gitterebenenamplitudenverteilung von vom Eingangsanschluss gebeugtem Licht und einer inversen Fourier-Transformierten einer Feldverteilung des Ausgangsanschlusses; b) Bereitstellen einer Sollspektralempfindlichkeit für die Wellenleitergittervorrichtung; c) Ermitteln einer Phasenverteilung für Gitterelemente, die das Wellenleitergitter bilden, so dass die Phasenverteilung an der Ausgangsgitterebene in Verbindung mit der Feldverteilung des Ausgangsanschlusses eine Spektralempfindlichkeit der Wellenleitergittervorrichtung ergibt, die im Wesentlichen der Sollspektralempfindlichkeit innerhalb eines Arbeitsspektralbereichs ähnlich ist; und d) Bereitstellen der ermittelten Phasenverteilung der Gitterelemente die Auslegung, wobei Schritt c) umfasst: c1) Bereitstellen eines Arbeitsspektralbereichs, der nicht größer ist als ein gewünschter, der Sollspektralempfindlichkeit des Wellenleitergitters zugeordneter freier Spektralbereich; c2) Bereitstellen einer anfänglichen Abschätzung eines komplexen Spektrums; c3) Ermitteln der Gitterphasenverteilung unter Verwendung einer inversen Fourier-Transformierten des komplexen Spektrums; c4) Ermitteln einer effektiven komplexen Gitterebenenamplitude aus der Gitterphasenverteilung und dem in Schritt a) berechneten Produkt; c5) Ermitteln einer Spektralamplitude und einer neuen Spektralphase unter Verwendung der Fourier-Transformierten der komplexen Gitterebenenamplitude; c6) Ermitteln eines neuen komplexen Spektrums innerhalb des Arbeitsspektralbereichs, das auf der Sollspektralamplitude und der ermittelten Spektralphase basiert und das Teile des komplexen Spektrums außerhalb des Arbeitsspektralbereichs aufweist, die im Wesentlichen ähnlich zu denjenigen sind, die sich aus einer aktuellen Iteration ergeben; und c7) Wiederholen der Schritte (c3) bis (c6), bis die Spektralamplitude innerhalb vorgegebener Grenzen relativ zu dem Sollspektrum liegt.
2. Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 1, die eine Spektralempfindlichkeit hat, die innerhalb ihres Durchlässigkeitsbereichs im Wesentlichen flach ist.
3. Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 2, die innerhalb der Spektralempfindlichkeit im Durchlässigkeitsbereich steil geneigte Ränder aufweist.
4. Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Spektralempfindlichkeit der Wellenleitervorrichtung für Feldverteilungsprofile des ersten Anschlusses und der zweiten Anschlüsse der Vorrichtung sorgt.
5. Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 4, die innerhalb eines Arbeitsspektralbereiches, der kleiner als ein freier Spektralbereich der Vorrichtung ist, eine Spektralempfindlichkeit aufweist, die dem Sollspektrum im Wesentlichen ähnlich ist, und die außerhalb des Arbeitsspektralbereichs eine Spektralempfindlichkeit aufweist, die sich im Wesentliche von dem Sollspektrum unterscheidet.
6. Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Arbeitsspektralbereich mittig um eine Mittenfrequenz herum zentriert ist, bei der eine wesentliche Frequenzempfindlichkeit vorliegt, und bei der die Spektralempfindlichkeit außerhalb des Arbeitsspektralbereichs wenigstens eine Spitze näherungsweise bei einer mittleren Frequenz zwischen zwei zwei Beugungsordnungen entsprechenden Empfindlichkeitsspitzen aufweist.
7. Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Gitter ein als Array angeordnetes Wellenleitergitter ist.
8. Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Gitter ein gekrümmtes Reflexionsgitter ist.
9. Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Eingangs- und Ausgangsgangsanschlüsse optische Einmodenwellenleiter sind.
10. Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 5, bei der wenigstens einer des Eingangsanschlusses und der Ausgangsanschlüsse einen optischen Einmodenwellenleiter und eine Modenprofil verbreiternde Struktur an einem Ende des Einmodenwellenleiters umfasst.
11. Verfahren zur Herstellung einer Wellenleitergittervorrichtung mit einem Eingangsanschluss, einem Ausgangsanschluss und einer Mehrzahl von Gitterelementen, das die Schritte umfasst: Auslegen des Wellenleitergitters durch a) Berechnen eines Modulusprodukts einer Gitterebenenamplitudenverteilung von vom Eingangsanschluss gebeugtem Licht und einer inversen Fourier-Transformierten einer Feldverteilung des Ausgangsanschlusses; b) Bereitstellen einer Sollspektralempfindlichkeit für die Wellenleitergittervorrichtung; c) Ermitteln einer Phasenverteilung für Gitterelemente, die das Wellenleitergitter bilden, so dass die Phasenverteilung an der Ausgangsgitterebene in Verbindung mit der Feldverteilung des Ausgangsanschlusses eine Spektralempfindlichkeit der Wellenleitergittervorrichtung ergibt, die im Wesentlichen der Sollspektralempfindlichkeit innerhalb eines Arbeitsspektralbereichs ähnlich ist; und d) Bereitstellen der ermittelten Phasenverteilung der Gitterelemente die Auslegung, und Herstellen des Wellenleitergitters gemäß der Auslegung; dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) umfasst: c1) Bereitstellen eines Arbeitsspektralbereichs, der nicht größer ist als ein gewünschter, der Sollspektralempfindlichkeit des Wellenleitergitters zugeordneter freier Spektralbereich; c2) Bereitstellen einer anfänglichen Abschätzung eines komplexen Spektrums; c3) Ermitteln der Gitterphasenverteilung unter Verwendung einer inversen Fourier-Transformierten des komplexen Spektrums; c4) Ermitteln einer effektiven komplexen Gitterebenenamplitude aus der Gitterphasenverteilung und dem in Schritt a) berechneten Produkt; c5) Ermitteln einer Spektralamplitude und einer neuen Spektralphase unter Verwendung der Fourier-Transformierten der komplexen Gitterebenenamplitude; c6) Ermitteln eines neuen komplexen Spektrums innerhalb des Arbeitsspektralbereichs, das auf der Sollspektralamplitude und der ermittelten Spektralphase basiert und das Teile des komplexen Spektrums außerhalb des Arbeitsspektralbereichs aufweist, die im Wesentlichen ähnlich zu denjenigen sind, die sich aus einer aktuellen Iteration ergeben; und c7) Wiederholen der Schritte (c3) bis (c6), bis die Spektralamplitude innerhalb vorgegebener Grenzen relativ zu dem Sollspektrum liegt.
12. Verfahren zur Herstellung einer Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 11, bei dem lediglich die Phasenverteilung der Gitterelemente beim Auslegen des Wellenleitergitters festgelegt wird.
13. Verfahren zur Herstellung einer Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 11, bei dem die Phasenverteilung in Kombination mit der Modifikation der durch die Gitterelemente verursachten Amplitudenverteilung beim Auslegen des Wellenleitergitters festgelegt wird.
14. Verfahren zur Herstellung einer Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 11, bei welchem der erwünschte freie Spektralbereich der Arbeitsspektralbereich ist.
15. Verfahren zur Herstellung einer Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 11, bei dem ein Teil, der kleiner ist als der gesamte freie Spektralbereich des Wellenleitergitters, den Arbeitsspektralbereich bildet, wobei die Spektralempfindlichkeit der Sollspektralempfindlichkeit innerhalb des Arbeitsspektralbereichs ähnlich ist und sich von dem Sollspektrum außerhalb des Arbeitsspektralbereichs unterscheidet.
16. Verfahren zur Herstellung einer Wellenleitergittervorrichtung nach Anspruch 11, bei dem im Schritt (c) die Phasenvariationen ermittelt werden als Summe von: a) einem Vielfachen von 2π; b) einer sich langsam ändernden Mittenphasenänderung; c) einer oszillierenden Phasenvariation; derart, dass benachbarte Gitterelemente so angeordnet sind, dass sie die Phase in entgegen gesetzte Richtung von der Mittenphasenänderung variieren.