интегральные устройства мультиплексора и демультиплексора по длинам волн

Формула изобретения

1. Интегральное устройство мультиплексора по длинам волн, содержащее: (а) средство для принятия, по меньшей мере, одного оптического луча от оптического источника, причем упомянутое средство включает в себя плоскую переднюю поверхность, на которую падает, по меньшей мере, один оптический луч; (b) подсистему объединителя, содержащую (1) линзу с осевым градиентным показателем преломления, связанную с упомянутой плоской передней поверхностью, и (2) линзу начальной загрузки с гомогенным показателем, прикрепленную к линзе с осевым градиентным показателем преломления и имеющую плоскую выходную поверхность, из которой выходит упомянутый, по меньшей мере, один оптический луч; (с) дифракционную решетку, образованную на плоской выходной поверхности подсистемы объединителя для объединения множества разнесенных в пространственном отношении длин волн из упомянутого, по меньшей мере, одного оптического луча, по меньшей мере, в один мультиплексированный, полихроматический оптический луч и для отражения упомянутого, по меньшей мере, одного мультиплексированного, полихроматического оптического луча обратно в подсистему объединителя, и (d) средство для вывода упомянутого, по меньшей мере, одного мультиплексированного, полихроматического выходного луча в приемное устройство оптического излучения, причем упомянутое средство включает в себя упомянутую плоскую переднюю поверхность.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упомянутая дифракционная решетка является дифракционной решеткой Литтроу.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая плоская выходная поверхность выполнена в виде скошенной поверхности под углом, таким, чтобы падающие длины волн из подсистемы объединителя отражались обратно в подсистему объединителя.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один электрооптический элемент для преломления либо отдельной длины волны, либо множества длин волн с целью обеспечения возможностей маршрутизации каналов.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительно содержит нелинейный электрооптический элемент между упомянутым оптическим источником и упомянутой плоской передней поверхностью.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительно содержит ряд отдельно адресуемых электрооптических элементов между упомянутым оптическим источником и упомянутой плоской передней поверхностью.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический источник выбран из группы, состоящей из световодов, лазеров и лазерных диодов.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оптический источник содержит, по меньшей мере, один светодиод, передающий множество длин волн.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оптический источник содержит одномерный ряд световодов.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оптический источник содержит двухмерный ряд световодов.

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оптический источник содержит одномерный ряд лазерных диодов.

12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оптический источник содержит двухмерный ряд лазерных диодов.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемное устройство оптического излучения выбрано из группы, состоящей из световодов и фотоприемников.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что приемное устройство оптического излучения содержит одномерный ряд световодов.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что приемное устройство оптического излучения содержит двухмерный ряд световодов.

16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что приемное устройство оптического излучения содержит одномерный ряд фотоприемников.

17. Устройство по п.13, отличающееся тем, что приемное устройство оптического излучения содержит двухмерный ряд фотоприемников.

18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что больше чем один из упомянутого, по меньшей мере, одного оптического луча падает на подсистему объединителя и выходит из подсистемы объединителя в виде упомянутого, по меньшей мере, одного мультиплексированного, полихроматического оптического луча.

19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент с гомогенным показателем между упомянутым средством для принятия и подсистемой объединителя.

20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один электрооптический элемент для блокирования либо отдельной длины волны, либо множества длин волн с целью обеспечения возможности блокирования канала.

21. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подсистема объединителя обеспечивает требуемую функцию для интенсивности выходного сигнала канала в зависимости от длины волны.

22. Интегральное устройство мультиплексора по длинам волн, содержащее: (а) линзу с осевым градиентным показателем преломления для коллимирования множества монохроматических оптических лучей, проходящих в первом направлении, и для фокусирования мультиплексированного, полихроматического оптического луча, проходящего во втором направлении, причем второе направление является, по существу, противоположным первому направлению; (b) линзу начальной загрузки с гомогенным показателем, прикрепленную к линзе с осевым градиентным показателем преломления, для передачи множества монохроматических оптических лучей из линзы с осевым градиентным показателем преломления в первом направлении и для передачи мультиплексированного, полихроматического оптического луча на линзу с осевым градиентным показателем преломления во втором направлении, причем линза начальной загрузки с гомогенным показателем имеет плоскую поверхность, и (с) дифракционную решетку, образованную на плоской поверхности линзы начальной загрузки с гомогенным показателем, для объединения множества монохроматических оптических лучей в мультиплексированный, полихроматический оптический луч и для отражения мультиплексированного, полихроматического оптического луча обратно в линзу начальной загрузки с гомогенным показателем.

23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что линза начальной загрузки с гомогенным показателем является первой линзой начальной загрузки с гомогенным показателем, причем устройство дополнительно содержит вторую линзу начальной загрузки с гомогенным показателем, прикрепленную к линзе с осевым градиентным показателем преломления, для передачи множества монохроматических оптических лучей на линзу с осевым градиентным показателем преломления в первом направлении и для передачи мультиплексированного, полихроматического оптического луча от линзы с осевым градиентным показателем преломления во втором направлении.

24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что вторая линза начальной загрузки с гомогенным показателем имеет плоскую поверхность для принятия множества монохроматических оптических лучей от оптического источника и для вывода мультиплексированного, полихроматического оптического луча в приемное устройство оптического излучения.

25. Устройство по п.22, отличающееся тем, что линза с осевым градиентным показателем преломления имеет плоскую поверхность для принятия множества монохроматических оптических лучей из оптического источника и для вывода мультиплексированного, полихроматического оптического луча на приемное устройство оптического излучения.

26. Интегральное устройство демультиплексора по длинам волн, содержащее: (а) линзу с осевым градиентным показателем преломления для коллимирования мультиплексированного, полихроматического оптического луча, проходящего в первом направлении, и для фокусирования множества монохроматических оптических лучей, проходящих во втором направлении, причем второе направление является, по существу, противоположным первому направлению; (b) линзу начальной загрузки с гомогенным показателем, прикрепленную к линзе с осевым градиентным показателем преломления, для передачи мультиплексированного, полихроматического оптического луча от линзы с осевым градиентным показателем преломления в первом направлении и для передачи множества монохроматических оптических лучей на линзу с осевым градиентным показателем преломления во втором направлении, причем линза начальной загрузки с гомогенным показателем имеет плоскую поверхность, и (с) дифракционную решетку, образованную на плоской поверхности линзы начальной загрузки с гомогенным показателем для разделения мультиплексированного, полихроматического оптического луча на множество монохроматических оптических лучей и для отражения множества монохроматических оптических лучей обратно на линзу начальной загрузки с гомогенным показателем.

27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что линза начальной загрузки с гомогенным показателем является первой линзой начальной загрузки с гомогенным показателем, причем устройство дополнительно содержит вторую линзу начальной загрузки с гомогенным показателем, прикрепленную к линзе с осевым градиентным показателем преломления, для передачи мультиплексированного, полихроматического оптического луча на линзу с осевым градиентным показателем преломления в первом направлении и для передачи множества монохроматических оптических лучей от линзы с осевым градиентным показателем преломления во втором направлении.

28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что вторая линза начальной загрузки с гомогенным показателем имеет плоскую поверхность для принятия мультиплексированного, полихроматического оптического луча от оптического источника и для вывода множества монохроматических оптических лучей в приемное устройство оптического излучения.

29. Устройство по п.26, отличающееся тем, что линза с осевым градиентным показателем преломления имеет плоскую поверхность для принятия мультиплексированного, полихроматического оптического луча от оптического источника и для вывода множества монохроматических оптических лучей в приемное устройство оптического излучения.

30. Интегральное устройство демультиплексора по длинам волн, содержащее: (а) средство для принятия, по меньшей мере, одного мультиплексированного, полихроматического оптического луча от оптического источника, причем упомянутое средство включает в себя плоскую переднюю поверхность, на которую падает, по меньшей мере, один мультиплексированный, полихроматический оптический луч; (b) подсистему объединителя, содержащую (1) линзу с осевым градиентным показателем преломления, связанную с упомянутой плоской передней поверхностью, и (2) линзу начальной загрузки с гомогенным показателем, прикрепленную к линзе с осевым градиентным показателем преломления и имеющую плоскую выходную поверхность, из которой выходит упомянутый, по меньшей мере, один мультиплексированный, полихроматический оптический луч; (с) дифракционную решетку, образованную на плоской выходной поверхности подсистемы объединителя для разделения, по меньшей мере, одного мультиплексированного, полихроматического оптического луча в множество монохроматических оптических лучей и для отражения множества монохроматических оптических лучей обратно в подсистему объединителя, и (d) средство для вывода множества монохроматических оптических лучей в приемное устройство оптического излучения, причем упомянутое средство включает в себя упомянутую плоскую переднюю поверхность.

31. Устройство по п.30, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из упомянутого, по меньшей мере, одного мультиплексированного, полихроматического оптического луча падает на подсистему объединителя и выходит из подсистемы объединителя в виде множества монохроматических оптических лучей.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение касается в общем линз с осевым градиентным показателем преломления и, более конкретно, линз с осевым градиентным показателем преломления, используемых в применениях мультиплексирования по длинам волн.

Уровень техники

Мультиплексирование по длинам волн (МДВ) является быстро развивающейся технологией, которая позволяет весьма значительно увеличить общий объем данных, которые можно передавать по световодам. Традиционно большинство световодов использовали для однонаправленного переноса только единственного канала передачи данных на одной длине волны. Основная концепция МДВ заключается в запуске и извлечении множества каналов передачи данных в световод и из световода соответственно. Каждый канал передачи данных передается на определенной длине волны, и длины волн выбирают соответственно так, что каналы не мешают друг другу и потери оптической передачи световода низкие. В настоящее время существуют коммерческие системы МДВ, которые обеспечивают возможность передачи от 2 до 32 каналов одновременно.

МДВ является рентабельным способом увеличения объема данных (обычно называемым полосой пропускания), передаваемых по световодам. Альтернативные конкурирующие технологии для увеличения полосы пропускания включают в себя введение дополнительного волоконно-оптического кабеля или увеличение скорости передачи по световоду. Введение дополнительного волоконно-оптического кабеля стоит приблизительно от 15.000 до 40.000 долларов США на км. Повышение скорости оптической передачи является увеличением, ограниченным скоростью и экономией электронной аппаратуры, окружающей волоконно-оптическую систему. Одна из основных стратегий увеличения полосы пропускания электронным способом состояла в использовании временного мультиплексирования (ВМ), которое комплектует или мультиплексирует множество электронных каналов передачи данных более низкой скорости вместе в единый канал очень высокой скорости. Эта технология в течение последних 20 лет была очень эффективной для увеличения полосы пропускания; однако, теперь становится все более трудным повышать скорости передачи как с технологической, так и с экономической точки зрения. МДВ предлагает возможность как экономического, так и технологического решения увеличения полосы пропускания путем использования множества параллельных каналов. МДВ является предпочтительным по сравнению с ВМ, то есть МДВ может допускать одновременное прохождение многих каналов ВМ с высокой скоростью передачи по единственному световоду.

Использование МДВ для увеличения полосы пропускания требует два основных устройства, которые являются принципиально симметричными. Первое устройство представляет собой мультиплексор по длинам волн. Это устройство берет множество лучей - каждый с дискретными длинами волн и первоначально в пространственном отношении разделенными в пространстве - и обеспечивает средство пространственного объединения всех лучей различных длин волн в единый полихроматический пучок, подходящий для запуска в световод. Мультиплексор может быть полностью пассивным оптическим устройством или может включать в себя электронные приборы, которые управляют или контролируют характеристики мультиплексора. Вход мультиплексора обычно выполнен в виде световодов, однако, можно использовать лазерные диоды или другие оптические источники. Выходом мультиплексора обычно является световод.

Точно так же второе устройство для МДВ представляет собой демультиплексор по длинам волн. Это устройство функционально противоположно мультиплексору; оно принимает полихроматический луч, поступающий из световода, и обеспечивает средство пространственного разделения длин волн. Выход демультиплексора обычно сопряжен со световодами или фотоприемниками.

В течение последних 20 лет были предложены и продемонстрированы различные типы МДВ; см., например, работы (1) "Прикладная оптика" У.Дж. Томлинсона (W.J. Tomlinson), том 16, 8, стр. 2180 - 2194 (август 1977 г.); (2) "Документы по прикладной физике" А. К. Ливаноса (А.С. Livanos) и др., том 30, 10, стр. 519 -521 (15 мая 1977 г.); (3) "Журнал технологии световых волн" Х.Ишио (H.Ishio) и др., том 2, 4, стр. 448 - 463 (август 1984 г.); (4) "Документы по электронике" Х.Обара (Н.Оbага) и др., том 28, 13, стр. 1268 -1270 (18 июня 1992 г. ); (5) "Документы по технологии фотоники ИИЭР (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) " А. И. Уилнера (А. Е. Williner) и др. , том 5, 7, стр. 838 - 841 (июль 1993 г.); и (6) "Документы по оптике" Я.Т. Хуанга (Y.T. Huang) и др., том 17, 22, стр., 1629 -1631 (15 ноября 1992 г.).

Однако несмотря на все приведенные выше способы, конструкции и технологии остается реальная необходимость в устройстве МДВ, которое обладает всеми характеристиками: низкой стоимостью, интеграцией на уровне компонентов, устойчивостью к воздействиям окружающей среды и температурной стабильностью, низкими перекрестными помехами каналов, низкими потерями сигнала в канале, легкостью сопряжения, большим количеством каналов и узким канальным интервалом.

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением мультиплексор или демультиплексор по длинам волн объединяет элемент осевого градиентного показателя преломления с дифракционной решеткой для создания интегрального двунаправленного устройства мультиплексора или демультиплексора по длинам волн. Для простоты будет широко обсуждаться функция мультиплексора; однако, такие обсуждения изобретения также можно применять непосредственно к демультиплексору вследствие симметрии функции мультиплексора и демультиплексора. Соответствующее настоящему изобретению устройство мультиплексора содержит:

(a) средство для принятия множества оптических входящих лучей, содержащих, по меньшей мере, одну длину волны, из световодов или других оптических источников, например лазеров или лазерных диодов, причем средство включает в себя плоскую переднюю поверхность, на которую падает оптический входящий свет, и подходит для связи с входными световодами или объединения других устройств;

(b) подсистему объединителя, содержащую 1 коллиматорную линзу с осевым градиентным показателем преломления, оперативно связанную с плоской передней поверхностью, и 2 линзу начальной загрузки с гомогенным показателем, присоединенную к коллиматорной линзе с осевым градиентным показателем преломления и имеющую плоскую, но наклоненную заднюю поверхность;

(c) дифракционную решетку, близкую к Литтроу, оперативно связанную с линзой начальной загрузки с гомогенным показателем, образованную или прикрепленную к плоской выходной поверхности подсистемы объединителя, которая объединяет множество разнесенных в пространственном отношении длин волн, по меньшей мере, в единый полихроматический оптический световой луч и отражает объединенный оптический луч обратно в подсистему объединителя, по существу, под тем же самым углом, как и падающие лучи;

(d) необязательный ряд электрооптических элементов для преломления множества длин волн, чтобы обеспечить возможности маршрутизации или переключения каналов; и

(е) средство вывода, по меньшей мере, одного мультиплексированного, полихроматического выходного луча, по меньшей мере, для одного световода, причем упомянутое средство расположено на той же самой входной поверхности, которая упомянута в п.(а).

Соответствующее настоящему изобретению устройство может работать как в прямом направлении для обеспечения функции мультиплексора, так и в обратном направлении для обеспечения функции демультиплексора.

Далее, соответствующее настоящему изобретению устройство, по существу, является полностью двунаправленным и может использоваться одновременно в качестве мультиплексора и демультиплексора для таких применений, как сетевые концентраторы или межсоединения, которые распределяют каналы по различным областям сети. Основанные на осевом градиентном показателе преломления и дифракционной решетке устройства МДВ по настоящему изобретению являются уникальными, поскольку они содержат одну или более линз начальной загрузки с гомогенным показателем, которые обеспечивают возможность объединения всех оптических компонентов в единое интегральное устройство. Это значительно увеличивает надежность, устойчивость к воздействиям окружающей среды и температурную стабильность, одновременно избегая введения воздушных промежутков, которые вызывают повышенную чувствительность к выравниванию, сложность компоновки устройства и стоимость.

Кроме того, линзы начальной загрузки с гомогенным показателем обеспечивают большие плоские поверхности для сборки, выравнивания устройства и интеграции дополнительных функций устройства. Использование линзы с осевым градиентным показателем преломления обеспечивает возможность очень высококачественных изображений от линзы с традиционными сферическими поверхностями, вследствие чего обеспечивая оптическое изображение с ограниченной дифракцией, необходимое для применений МДВ. Кроме того, линзы с осевым градиентным показателем преломления создают с высоким качеством и низкой стоимостью. В качестве альтернативы вместо линз с осевым градиентным показателем преломления можно использовать асферические линзы специальной формы; однако, характеристики коллимирования у них точно такие же, но чрезвычайно трудно создать неразъемное, объединенное устройство с асферическими поверхностями. Кроме того, асферические линзы обычно являются очень дорогостоящими и страдают отражением побочных изображений, которые являются очень нежелательными.

Объединение устройства МДВ обеспечивает возможность получения компактной, прочной и устойчивой к условиям окружающей среды и температуры системы. В частности, интеграция компонентов в твердый блок поддерживает выравнивание компонентов, которое обеспечивает долгосрочные характеристики, в отличие от неинтегральных устройств с воздушными промежутками, которые характерным образом ухудшаются в отношении выравнивания и, следовательно, со временем снижают рабочие характеристики.

В целом настоящее изобретение показывает новый метод МДВ. Использование оптических линз вместе с дифракционной решеткой позволяет все длины волн одновременно мультиплексировать и однообразно обрабатывать в противоположность менее желательным последовательным методам МДВ, в которых используют основанные на интерференционном фильтре или волоконные Брэгговские решетки. Такие последовательные методы МДВ страдают от значительных оптических потерь, перекрестных наложений, проблем выравнивания и температурных проблем. Кроме того, по сравнению с другими методами параллельного мультиплексирования, например устройства фильтров типов волн на решетке в волноводе, соединители сплавленных волокон или древовидные волноводные ответвители, настоящее изобретение свободно выполняет разделение длин волн внутри стекла в противоположность разделению внутри волноводных структур с потерями. Таким образом, настоящее изобретение имеет особые преимущества более низких потерь оптического сигнала при прохождении через устройство и простоту сборки и выравнивания по сравнению с известным уровнем техники.

Другие задачи, особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при рассмотрении последующих подробных описаний и прилагаемых чертежей, на которых подобные ссылочные позиции представляют аналогичные детали по всем чертежам. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что данному изобретению присущи и следуют из его сущности дополнительные задачи, особенности и преимущества, специально здесь не обсуждаемые.

Краткое описание чертежей

Следует понимать, что упоминаемые в этом описании чертежи не представлены в масштабе, за исключением специально отмеченных случаев.

Фиг.1 представляет вид сбоку (фиг.1а) и вид сверху (фиг.1b), схематически иллюстрирующие устройство мультиплексора по длинам волн в соответствии с настоящим изобретением с линзой с осевым градиентным показателем преломления, близкой к Литтроу дифракционной решеткой и множеством входов световодов, мультиплексируемых на один выход световода;

фиг.2а представляет изображение в перспективе части показанного на фиг.1 устройства, подробно иллюстрирующее входные и выходные оптические связи с устройством;

фиг. 2b представляет изображение в перспективе входной части показанного на фиг. 1 устройства, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию входа, в которой входом является ряд лазерных диодов;

фиг.2с представляет изображение в перспективе части показанного на фиг.1 устройства, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию выхода для устройства демультиплексора, в котором выходом является ряд фотоприемников;

фиг. 3 представляет схематические вид сбоку в вертикальном разрезе (фиг. 3а) и вид сверху (фиг.3b), аналогичные показанному на фиг.1 устройству, но с опущенным элементом линзы начальной загрузки с гомогенным показателем между входом и коллиматорной линзой с осевым градиентным показателем преломления;

фиг. 4 представляет изображение в перспективе части показанного на фиг.1 устройства, но включающего ряд электрооптических направляющих лучи элементов (параллельно направлению решетки) для индивидуального направления лучей каждого входного канала к выходному порту световода;

фиг. 5а-5с представляют графики, построенные в координатах интенсивности и длины волны, описывающие различные профили распределения интенсивности для различных конфигураций или мультиплексора по настоящему изобретению;

фиг. 6 представляет изображение в перспективе части показанного на фиг.1 устройства, подобное показанному на фиг.2а, но включающее ряд электрооптических направляющих лучи элементов (перпендикулярно направлению решетки) для индивидуального направления лучей каждого входного канала к выходному порту световода;

фиг. 7 представляет изображение в перспективе части показанного на фиг.1 устройства, подобное показанному на фиг.2а, но включающее элемент электрооптического направления лучей для индивидуального направления лучей каждого входного канала к выходному порту световода; и

фиг. 8 представляет изображение в перспективе части показанного на фиг.1 устройства, но использующего два мультиплексора для выполнения блокирующей функции каналов путем включения электрооптического блокирующего ряда на входной лицевой поверхности одного мультиплексора.

Лучшие способы осуществления изобретения

Теперь подробно рассмотрим определенные варианты осуществления настоящего изобретения, которые иллюстрируют лучшие способы, в данный момент рассматриваемые авторами изобретения для практического осуществления изобретения. В качестве применимых вариантов кратко описаны также альтернативные варианты осуществления.

На фиг. 1 показаны два вида предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, которые воплощают устройство мультиплексора по длинам волн с осевым градиентным показателем преломления/дифракционной решеткой. В частности, фиг.1а схематически иллюстрирует вид сбоку в вертикальном разрезе устройства, в то время как фиг.1b иллюстрирует вид сверху.

Устройство 10 первого варианта осуществления имеет ряд 12 входных световодов N дискретных длин волн света 14 и пространственно объединяет их в единый оптический луч 16 и выводит единый луч в единственный выход 18 световода. Каждая длина волны передает информацию, налагаемую на нее с помощью другого средства, которое здесь не показано и которое не является частью данного изобретения, но известно в технике.

Устройство 10 далее содержит элемент 20 объединителя; на выходной поверхности 20b элемента объединителя образована или помещена близкая к Литтроу дифракционная решетка 22. Близкая к Литтроу дифракционная решетка 22 обеспечивает функцию как угловой дисперсии оптических лучей различной длины волны, так и отражения оптических лучей обратно почти под тем же углом, что и угол падения.

В настоящем изобретении дифракционная решетка 22 используется для обеспечения угловой дисперсии, величина которой зависит от длины волны каждого падающего оптического луча. Кроме того, дифракционная решетка 22 ориентирована под определенным углом относительно оптической оси устройства 10 с целью получения условия дифракции Литтроу для одной длины волны, которая находится в пределах или вблизи диапазона длин волн для множества присутствующих оптических лучей. Условие дифракции Литтроу требует, чтобы световой луч падал на решетку и отражался обратно от нее точно под тем же самым углом. Следовательно, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что близкую к Литтроу дифракционную решетку используют для получения близкой к Литтроу дифракции для каждой из множества присутствующих длин волны.

Угол дифракции Литтроу определяется с помощью известной формулы

m = 2dsin(_i),

где m представляет порядок дифракции, - длина волны, d - расстояние между штрихами дифракционной решетки, _i - один и тот же угол падения и угол отклонения при дифракции. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что угол отклонения дифракционной решетки зависит от многочисленных переменных, которые можно изменять при необходимости с целью оптимизирования характеристик устройства. Например, переменные, воздействующие на угол дифракции на решетке, включают в себя требуемый порядок дифракции решетки, угол блеска решетки, количество каналов, пространственное разнесение каналов и диапазон длин волн устройства.

Элемент 20 объединителя содержит первую линзу 24 начальной загрузки с гомогенным показателем, подсоединенную или прикрепленную к коллиматорной линзе 26 с осевым градиентным показателем преломления. Линза с осевым градиентным показателем преломления, в свою очередь, подсоединена или прикреплена ко второй линзе 28 начальной загрузки с гомогенным показателем. Подсоединение или крепление выполняют, используя оптический клей или другой способ оптически прозрачного соединения. В этом первом варианте осуществления ряд 12 световодов 12" размещен так, чтобы свет, исходящий с конца световодов, падал на входную поверхность 20а элемента 20 объединителя. Каждый световод 12" обеспечивает световые лучи дискретных длин волн.

На фиг. 2а представлены детали объединения ряда 12 входных световодов в объединитель 20 и возбуждения в нем множества оптических лучей 14, по одному для каждого световода 12", используя подходящий объединитель/межсоединение 30. Точно так же объединенный оптический луч 16 подается на единственный выход 18 световода с помощью подходящего объединителя/межсоединения 32. Такие объединители/межсоединения 30, 32 в технике известны и не являются частью данного изобретения.

Множество пространственно разнесенных световых лучей 14 входит в первую линзу 24 начальной загрузки с гомогенным показателем, в которой они расширяются в диаметре. Затем множество световых лучей 14 входит в первую линзу 26 с осевым градиентным показателем преломления, в которой они коллимируются (сводятся в параллельный пучок) и после этого проходят через вторую линзу 28 начальной загрузки с гомогенным показателем. На выходной поверхности 20b второй линзы 28 начальной загрузки с гомогенным показателем коллимированные световые лучи отражаются близкой к Литтроу дифракционной решеткой 22, которая устраняет угловое разделение в пределах множества световых лучей 14 и создает единый световой луч 16, содержащий внутри себя множество длин волн. Единый световой луч 16 проходит обратно через элемент 20 объединителя в обратном направлении (сначала через вторую линзу 28 начальной загрузки с гомогенным показателем, затем через фокусирующую линзу 26 с осевым градиентным показателем преломления, и в конечном итоге через первую линзу 24 начальной загрузки с гомогенным показателем). Затем единый сфокусированный луч 16 падает на световод 18, прикрепленный ко входной поверхности 20а первой линзы 24 начальной загрузки с гомогенным показателем элемента 20 объединителя.

Во второй линзе 28 начальной загрузки с гомогенным показателем выходная поверхность 20b образована со скошенной кромкой под тем же самым углом, как угол отклонения дифракции Литтроу, приведенный выше в уравнении. Угол скоса дан относительно оси, параллельной оси дифракционной решетки 22.

Дифракционная решетка 22 образована на выходной поверхности 20b элемента 20 объединителя. Она может быть образована различными способами типа трехмерной голограммы в полимерной среде, которая может быть прикреплена к выходной поверхности 20b, например, с помощью оптического клея. В качестве альтернативы дифракционную решетку 22 можно наносить на выходной поверхности 20b механической машиной нанесения штрихов или другими способами или приемами, известными в данной области техники. Штриховая дифракционная решетка 22 может быть образована прямо на выходной поверхности 20b или образована на отдельном плоском материале, таком как полимер, стекло, кремний и т.д., который прикрепляют к концу элемента 20 объединителя снова оптическим клеем.

Для того чтобы предотвратить отражение мультиплексированного выходного луча 16 (полихроматического луча) обратно прямо в ряд входящих лучей, входной ряд и выходной световод симметрично несколько разнесены в стороны от центральной оси линзы. В качестве альтернативы создается небольшой (обычно менее 3^o) наклон во второй линзе 28 начальной загрузки с гомогенным показателем. Этот небольшой наклон образуют путем поворота задней поверхности второй линзы 28 начальной загрузки с гомогенным показателем относительно оси, которая лежит перпендикулярно направлению штриховки дифракционной решетки 22. Этот наклон пространственно разделяет выход 18 и входной ряд 12 для эффективности и простоты подсоединения к устройству 10 и от него. Множество световодов 12", образующих входной ряд 12 и выход 18 световода изображенного на фиг.1 варианта осуществления, показаны на фиг.2а. Снова, благодаря наклону второй линзы 28 начальной загрузки с гомогенным показателем, множество оптических входов 12" и оптический выход 18 немного разнесены в пространственном отношении на первой поверхности 20а первой линзы 24 начальной загрузки с гомогенным показателем.

В показанном на фиг.1 варианте осуществления вместо множества световодов 12" можно использовать множество лазерных диодов 34, показанных на фиг.2b, с целью обеспечения входов 14 оптических лучей для мультиплексора 10 по длинам волн. Ряд лазерных диодов 34 можно либо подсоединять встык к устройству 10 МДВ, можно разделять в продольном направлении, либо можно иметь соответствующие фокусирующие линзы, помещенные между выходной лицевой поверхностью и рядом лазерных диодов, чтобы обеспечить лучшее соединение и самую низкую величину ослабления сигнала или перекрестных помех.

Во втором варианте осуществления устройство 10, показанное на фиг.1, как и в случае всех описанных здесь устройств, может функционировать в обратной конфигурации, с единственным входом 18 световода, который вводит единственный полихроматический световой луч 16, несущий множество каналов дискретных длин волн. Каналы разнесены в пространственном отношении функцией демультиплексирования устройства 10 для обеспечения выхода множества световодов 12". Каждый выходной световод 12" несет только канал единственной и дискретной длины волны. Функционально в этом варианте осуществления демультиплексор обеспечивает идентичную, но противоположную функцию относительно показанного на фиг. 1 устройства 10 мультиплексора. В варианте осуществления демультиплексора вместо множества световодов 12" можно использовать множество показанных на фиг.2с фотоприемников 36 с целью обеспечения оптических выходных лучей для демультиплексора по длинам волн. Ряд фотоприемников 36 можно либо подсоединять встык к устройству 10 МДВ, можно разделять в продольном направлении, либо между выходной лицевой поверхностью и рядом фотоприемников можно помещать соответствующие фокусирующие линзы, чтобы обеспечить самую низкую величину ослабления сигнала или перекрестных помех.

В третьем варианте осуществления, изображенном в двух видах на фиг.3, первая линза 24 начальной загрузки с гомогенным показателем исключена для создания более компактного устройства или для устройств, в которых использование первой линзы начальной загрузки с гомогенным показателем не является необходимым для эксплуатационных характеристик. Фиг.3а изображает вид устройства сбоку в разрезе, в то время как фиг.3b изображает вид сверху. В этом варианте осуществления линза 26" с осевым градиентным показателем преломления обладает плоской выходной лицевой поверхностью 20а для непосредственного соединения с множеством входов 12" и единственным выходным световодом 18. Альтернативное выполнение (не показанное) этого третьего варианта осуществления может включать воздушный промежуток между входным множеством световодов 12" или лазерных диодов 34 и линзой 26" с осевым градиентным показателем преломления. Введение воздушного промежутка не является предпочтительным вариантом осуществления, поскольку это увеличивает сложность сборки и выравнивания устройства 10 мультиплексора и может подвергаться большему влиянию неустойчивости окружающей среды и температуры, чем при методе интегрального блока предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения. Все элементы этого третьего варианта осуществления подсоединены или прикреплены с использованием оптического клея или другого способа оптически прозрачного соединения.

В показанном на фиг.4 четвертом варианте осуществления ряд нелинейных электрооптических элементов 38 объединен в одно целое с целью обеспечения возможности избирательной маршрутизации мультиплексированного света 16 в один из нескольких возможных коллинеарных выходов световодов 18а, 18b, 18с, 18d, 18e. Это является чрезвычайно ценным для построения оптических сетей связи, в то время как устройство 10 мультиплексора по длинам волн может обеспечивать одновременные объединенные функции мультиплексирования и маршрутизации. Ряд 38 электрооптических элементов представляет электрически управляемый твердотельный оптический материал, в котором показатель преломления можно изменять путем изменения электрического тока, подводимого к материалу. Такие электрооптические элементы в технике известны; примеры включают в себя ниобат лития и некоторые полимерные материалы.

Ряд выходов 18 отделяется от лицевой поверхности 20а необязательной прокладкой или пластиной 40. Пластина 40 обеспечивает такой же промежуток, как направляющий лучи ряд 38 для создания простого подсоединения входа и выхода.

Для увеличения или уменьшения угла распространения света (относительно градиентного направления электрооптического материала) используют изменение показателя преломления. Очень желательно использовать электрооптические элементы, чтобы независимо смещать положение световых лучей 14 в произвольный порт 18 выходного световода. Направление смещения параллельно входу 12" и выходным рядам 18. Как показано на фиг.4, для направления выходного сигнала к одному из множества возможных выходов 18а, 18b, 18с, 18d, 18e световодов используется ряд электрооптических элементов 38. Множество выходных световодов 18а-18e является коллинеарным. Это следует понимать так, что хотя показаны пять таких выходных световодов, изобретение этим не ограничено, и при реализации изобретения можно использовать любое приемлемое количество выходных световодов.

В дополнительном пятом варианте осуществления используется устройство в том же самом направлении, как в устройстве демультиплексирования и маршрутизации, в котором каждый световод 12" вводит множество длин волн, которые демультиплексируются и направляются в ряд 18 выходных световодов. Преимущественная ориентация электрооптического элемента 38 такая, что пространственное изменение на выходной лицевой поверхности 20а устройства 10 находится в направлении, параллельном входному ряду 12 и выходному ряду 18. В этом дополнительном варианте осуществления демультиплексированные выходные сигналы 16 можно направлять в один из многих возможных выходных рядов световодов 18, как показано на фиг.4. В качестве альтернативы демультиплексированные выходные сигналы можно направлять в один из многих возможных рядов фотоприемников (не показанных), как обсуждалось выше со ссылкой на фиг.2с.

В шестом варианте осуществления показанное на фиг.1 устройство можно специально разработать и сконструировать так, чтобы каналы отдельных длин волн в выходном полихроматическом луче фокусировались неравномерно на выходной лицевой поверхности мультиплексора. Как показано графически на фиг.5а, предпочтительный вариант осуществления показанного на фиг. 1 устройства создает очень однородное множество сфокусированных лучей, которые имеют однородные распределения интенсивности. Однако в данном варианте осуществления изменена конструкция (например, кривизна линзы или профиль осевого градиентного показателя преломления) сборки коллиматорной линзы для включения изменения распределений интенсивности в функции увеличения длины волны, например, показанного на фиг.5b и 5с. Эти изменения не должны быть линейными, а могут быть довольно сложными и нелинейными, чтобы согласовать с неоднородными профилями коэффициентов усиления оптических усилителей, рядов лазерных диодов или других устройств в оптической сети связи.

В показанном на фиг.6 седьмом варианте осуществления для создания коммутатора и мультиплексора 44 используется устройство 10 мультиплексирования по длинам волн, изображенное на фиг.1. Показанное на фиг.1 основное устройство 10 используется для объединения и (или) маршрутизации множества длин волн, которые присутствуют на входной лицевой поверхности 20а устройства. С входной лицевой поверхностью 20а объединен первый ряд электрооптических направляющих лучи элементов 42, причем каждый элемент является индивидуально адресуемым (по одному элементу для каждой длины волны) и способным направлять свет в направлении, перпендикулярном входному ряду 12. Каждый элемент 42 используется для направления света из одного канала 12" к произвольному выходному порту 18а, 18b, 18с, 18d. Пластина 40 обеспечивает такой же промежуток, что и направляющий лучи ряд 42, как на фиг.4, для создания простого подсоединения входа и выхода.

В показанном на фиг.7 восьмом варианте осуществления для создания коммутатора и мультиплексора 14 используется устройство 10 мультиплексирования по длинам волн, изображенное на фиг.1. Показанное на фиг.1 основное устройство 10 используется как для объединения, так и маршрутизации множества длин волн на входном световоде 18, которые присутствуют на входной лицевой поверхности 20а устройства. С входной лицевой поверхностью 20а объединен первый электрооптический направляющий лучи элемент 44, способный направлять свет в направлении, параллельном направлению штриховки дифракционной решетки 22 (не показанной на фиг.7). Направляющий лучи элемент 44 используется для направления света одной длины волны к одному из двух портов 12а, 12b демультиплексированных выходных сигналов. Пластины 40 создают такой же промежуток, что и направляющий лучи ряд 44, как на фиг.4 и 6, для обеспечения простого подсоединения входа и выхода.

В показанном на фиг.8 девятом варианте осуществления для создания блокировочного переключателя 110 на 4 длины волны с использованием двух устройств 10а, 10b мультиплексирования и ряда электрооптических блокирующих элементов 46 применяется устройство 10 мультиплексирования по длинам волн, изображенное на фиг.1. На входе и выходе устройства 110 блокировочного переключателя имеется один световод 18. Это устройство обеспечивает функцию блокирования для каждой отдельной длины волны.

К выходной лицевой поверхности 20а первого устройства 10а мультиплексора прикреплен первым ряд 46 электрооптических блокирующих элементов, являющихся отдельно адресуемыми (по одному элементу для каждой длины волны), которые избирательно блокируют или не блокируют прохождение света. Ряд блокирующих элементов 46 образован из жидкокристаллического, электрохромного твердотельного материала или другого подобного материала, в котором величину прохождения сигнала можно изменять в зависимости от мощности, подводимой к отдельному элементу ряда.

После блокирующего ряда размещены либо отражательные призмы Порро-типа (не показанные), либо петли 48 световодов, которые берут отдельные выходные сигналы и перемаршрутизируют их к отдельным местоположениям на входной лицевой поверхности 20а смежного устройства 10b мультиплексора. Затем входные сигналы, проходящие через второе устройство 10b, мультиплексируются для вывода в единственный световод 18 на выходной лицевой поверхности 20а второго устройства. Пластина 40 создает такой же промежуток, что и направляющий лучи ряд 46, как описано выше, для обеспечения простого подсоединения входа и выхода.

В дополнительном варианте осуществления настоящего устройства можно использовать блокирующие элементы 46, чтобы подстраивать величину оптической энергии (усиление), передаваемой на каждой длине волны. Таким образом, этот блокировочный переключатель 110 можно использовать для выравнивания неравного коэффициента усиления от других частей оптической сети связи с помощью устройств, таких как, например, оптические усилители, ряды лазерных диодов или сети связи в целом. Примеры возможных изменений профиля коэффициента усиления, показанные на фиг.5а, 5b и 5с, обсуждались выше.

Промышленная применимость

Ожидается, что соответствующий настоящему изобретению интегральный мультиплексор/демультиплексор по длинам волн с осевым градиентным показателем преломления/диффракционной решеткой найдет широкое применение в основанных на МДВ сетях и системах связи.

Таким образом, был раскрыт интегральный мультиплексор и демультиплексор по длинам волн с осевым градиентным показателем преломления/дифракционной решеткой. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что можно делать различные изменения и модификации явного характера, и все такие изменения и модификации рассматриваются не выходящими за рамки сущности и объема притязаний настоящего изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.