УПРАВЛЯЕМЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР ВВОДА-ВЫВОДА
CONTROLLED OPTICAL ADD/DROP MULTIPLEXER

Область техники
Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи (далее ВОСС) со спектральным уплотнением каналов, в частности к способам управляемого ввода/вывода каналов, к управляемым и реконфигурируемым оптическим мультиплексорам ввода/вывода каналов (далее соответственно t-OADM и ROADM), и может использоваться как в системах плотного спектрального уплотнения (далее DWDM), так и умеренного спектрального уплотнения (далее CWDM).
Предшествующий уровень техники
В настоящее время для увеличения пропускной способности магистральных, городских и локальных волоконно-оптических систем связи широко используются технологии спектрального уплотнения каналов. Различают плотное спектральное уплотнение - DWDM и умеренное спектральное уплотнение - CWDM. При этом технологии DWDM используются, в основном, в протяженных магистральных линиях связи, а технологии CWDM - в городских и локальных системах связи.
Технологии DWDM характеризуются предельно высокой пропускной способностью, но являются весьма дорогостоящими. Стандарт на сетку длин волн, введенный Международным Телекоммуникационным Комитетом (далее - Стандарт ITU), предусматривает спектральный интервал между каналами 200, 100, 50 или 25 ГГц (интервал в длинах волн 1,6, 0,8, 0,4 и 0,2 нм соответственно); уже используются системы с еще более высоким (12,5 ГГц) уплотнением каналов.
По сравнению с технологиями DWDM число каналов в системах CWDM, которые могут быть пропущены по одному световоду, значительно меньше, а рекомендованный ITU спектральный интервал между каналами составляет 20 нм. Техника CWDM значительно проще в использовании и дешевле.
В узловых точках ВОСС для ввода/вывода каналов обычно используются оптические мультиплексоры ввода-вывода (далее OADM). Они позволяют вывести из линии один или несколько каналов и одновременно ввести сигнал на тех же длинах волн с новой информацией. Это позволяет существенно повысить эффективность использования систем связи.
OADM c фиксированными частотами каналов позволяют ввести/вывести только ограниченное число каналов. Систематически возрастающие требования к пропускной способности систем связи и использование новых подходов требуют большей гибкости для подобных устройств.
Применение динамически реконфигурируемых или управляемых оптических мультиплексоров ввода-вывода (соответственно ROADM или t-OADM) снимает эти ограничения, позволяя ввести/вывести требуемые каналы в любое время; к тому же t-OADM может использоваться также в системах спектрального уплотнения, где сами длины волн каналов могут перестраиваться. Таким образом, ROADM и POADM обеспечивают возможность оперативного управления трафиком ВОСС, повышая еще больше пропускную способность системы связи.
Хорошо известная специалистам в области оптических систем конструкция ROADM представляет собой устройство, состоящее из дискретных компонентов и включающее демультиплексор, оптические переключатели и мультиплексор. Пару демультиплексор-мультиплексор могут представлять многоступенчатые структуры на интерференционных фильтрах, устройства на дифракционных решетках или в планарном исполнении на так называемых упорядоченных жгутах (AWG). Оптические переключатели, используемые для ввода, вывода и пропускания каналов - как правило, электромеханические микропереключатели.
Однако такое устройство является дорогим, особенно, если количество каналов в системе связи является большим. Оно характеризуется большими вносимыми потерями и деградацией качества оптического сигнала. Кроме того, оптические переключатели недостаточно устойчивы к воздействию окружающей среды, например температуры, вибрации и другим факторам.
Основным функциональным элементом t-OADM является перестраиваемый оптический фильтр - селективное устройство, в котором центральная частота (длина волны) спектральной полосы может динамически перестраиваться. Известно много перестраиваемых оптических фильтров, но большинство из них в силу тех или иных причин плохо приспособлены для использовании в t-OADM.
Например, перестраиваемый акустооптический фильтр имеет сильную поляризационную зависимость, которая создает много практических проблем. Брэгговский фильтр перестраивается механически или с помощью температуры, поэтому скорость перестройки сравнительно мала, около миллисекунды. Перестраиваемый фильтр на основе интерферометров Фабри-Перо также мало приемлем, так как если он перестраивается в широком диапазоне, то его спектральная полоса недостаточно узкая, если же спектральная полоса узкая, то он может перестраиваться только в ограниченном диапазоне.
Перестраиваемый оптический фильтр на основе несимметричного интерферометра Маха-Цендера (далее - однокаскадный ИМЦ) характеризуется низкими вносимыми оптическими потерями и низкой поляризационной зависимостью. Снабженный электрооптическим устройством фазового сдвига он может обеспечить максимально быструю перестройку.
Специалистам в области волоконно-оптических систем связи известно, что многоступенчатая структура на базе однокаскадных ИМЦ, имеющая число ступеней 8 или 9, характеризуется высокой избирательностью и является достаточной, чтобы перекрыть полную спектральную полосу, используемую в системах спектрального уплотнения. Поэтому такой перестраиваемый фильтр из всех вышеперечисленных является наиболее подходящим для использования в t-OADM и ROADM.
Известен перестраиваемый оптический мультиплексор ввода-вывода (US 6795654 В2), имеющий входной порт, выводной порт и выходной порт и включающий устройства, обеспечивающие ввод сигнала, содержащего несколько каналов, связанную со входным портом многоступенчатую структуру оптических фильтров, каждый из которых пропускает через себя нечетные или четные каналы и отражает четные и нечетные каналы соответственно, устройство, обеспечивающее пропускание отраженных каналов в выходной порт и пропускаемого всеми фильтрами канала (выводимого канала) в выводной порт. При этом оптический фильтр в каждой ступени содержит волоконный интерферометр Маха-Цендера, имеющий элемент фазового сдвига и зеркало для отражения каналов, не пропускаемых интерферометром Маха-Цендера. Устройства, обеспечивающие пропускание отраженных каналов в выходной порт и ввод добавляемого нового канала через порт ввода, в результате чего вновь вводимый канал пропускается в выходной порт, могут содержать циркуляторы.
С использованием такого перестраиваемого мультиплексора осуществляют известный способ селективного ввода и вывода задаваемого канала (US 6795654 В2), заключающийся в селективном пропускании четных или нечетных каналов и отражении соответственно нечетных или четных каналов, причем эту операцию повторяют столько раз, сколько требуется для отражения всех каналов, кроме задаваемого, выводе задаваемого канала в порт вывода, объединении отраженных каналов в выходном порте, вводе дополнительного канала через порт ввода и объединении его с каналами, направленными в выходной порт.
Схема одного из вариантов такого мультиплексора - устройства 10 - приведена на Фиг.1. Мультиплексор 10 имеет входной порт 11, выходной порт 12, выводной порт 13, порт 14 ввода и включает три однокаскадных ИМЦ: 15-1, 15-2 и 15-3, сформированных с помощью трех пар волоконно-оптических разветвителей {16-1, 16-2}, {16-3, 16-4} и {16-5, 16-6} и, в качестве интерференционных плеч, соединяющих их световодов {17-1, 17-2}, {17-3, 17-4} и {17-5, 17-6}. Разность длин плеч в трех интерферометрах последовательно возрастает в два раза при переходе к следующему интерферометру.
Каждый из трех указанных однокаскадных ИМЦ 15-1, 15-2 и 15-3 избирательно пропускает нечетные или четные каналы и, с помощью волоконно-оптических рефлекторов 15-1-1, 15-2-1 и 15-3-1, отражает и направляет обратно четные или нечетные каналы соответственно. Используются два циркулятора: циркуляторг 18-1, связанный с входным 11 и выходным 12 портами, для ввода каналов в устройство и пропускания отраженных зеркалами каналов в выходной порт.12, и циркулятор 18-2 - для пропускания выбранных каналов в выводной порт 13 и ввода новых каналов через порт 14 вместо выведенных каналов.
Трехступенчатая структура обеспечивает вывод одного канала при поступлении на вход 8-ми каналов и ввод нового канала взамен выведенного. Управляемые элементы 15-1-2, 15-2-2 и 15-3-2 фазового сдвига, установленные в одном из плеч каждого из трех интерферометров 15-1, 15-2 и 15-3 соответственно, используют для управляемой перестройки спектральных характеристик указанных однокаскадных ИМЦ 15-1,15-2 и 15-3 и, таким образом, для ввода/вывода любого из 8-ми каналов.
Согласно патенту (US 6795654 В2), в других предлагаемых вариантах предложено однокаскадные ИМЦ выполнять с помощью «дискретных» элементов: светоделителей, зеркал-призм, поляризаторов или усовершенствованных фильтров Лайота. Как альтернативу зеркалам 15-1-1, 15-2-1 и 15-3-1 и циркуляторам 18-1 и 18-2 можно использовать также для пропускания каналов в выходной порт 12 дополнительную структуру оптических фильтров на однокаскадных ИМЦ.
Рассмотренное выше известное устройство позволяет вводить и выводить любой канал из восьми каналов, на которых работает оптическая сеть. Однако известное устройство имеет существенные недостатки.
Специалистам в области оптических систем связи известно, что описанная выше структура, содержащая большое число оптических элементов, - однокаскадные ИМЦ в волоконном или дискретном вариантах, рефлекторы и циркуляторы, - является весьма громоздкой и не может быть надежной и устойчивой в реальных условиях, так как однокаскадные ИМЦ очень чувствительны к условиям окружающей среды, к температуре, вибрациям и другим воздействиям. Поэтому для реализации устройств подобного назначения необходим другой подход - подход с использованием интегрально-оптических технологий.
Известно также, что спектральные характеристики однокаскадных ИМЦ имеют не идеальную форму - неплоские вершины и медленно спадающие края спектральных полос, что при использовании их в системах спектрального уплотнения с большой плотностью каналов может быть причиной перекрытия каналов и плохой изоляции каналов. Кроме того, однокаскадные ИМЦ вносят значительную дисперсию в каналы, которая при большой скорости передачи может приводить к увеличению длительности импульсов и тем самым к снижению пропускной способности оптической системы связи.
Известно, что значительно лучшие спектральные характеристики и меньшую вносимую дисперсию имеют двухкаскадные несимметричные ИМЦ или многокаскадные несимметричные ИМЦ (далее - двухкаскадные и многокаскадные ИМЦ), но эти устройства не являются обратимыми и поэтому не могут использоваться в описанном выше мультиплексоре 10 ввода/вывода.
Для обеспечения возможности интегрально-оптического выполнения управляемого оптического мультиплексора ввода-вывода следует сократить количество используемых оптических элементов и исключить циркуляторы и рефлекторы, так как они несовместимы с интегрально-оптической технологией. Снижение количества используемых оптических элементов целесообразно также с точки зрения уменьшения стоимости устройства.
Таким образом, создание способа управляемого ввода/вывода и управляемого оптического мультиплексора ввода-вывода, более простого в конструктивном решении, удовлетворяющего существующим требованиям по изоляции каналов и вносимой дисперсии и пригодного для интегрально-оптического выполнения, является актуальной проблемой. При этом желательно, чтобы устройство имело дополнительные функциональные возможности, было максимально динамичным и достаточно гибким, то есть обеспечивало в различных применениях наилучшее соотношение между техническими характеристиками и стоимостью.
Раскрытие изобретения
При создании изобретения была поставлена задача создания способа и устройства ввода/вывода желаемого канала из оптического сигнала с помощью селекции каналов оптического сигнала путем управления спектральными характеристиками фильтрующих ступеней мультиплексора с обеспечением последующего вывода желаемого канала, пропускания нежелательных каналов, ввода нового сигнала.
N
Поставленная задача была решена разработкой согласно изобретению способа управляемого, селективного ввода/вывода канала в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением 2 каналов, оптические частоты которых могут перестраиваться, но при этом спектральный интервал Δν между соседними каналами постоянный, в котором:
n
n-1
(a) подают из оптической сети многоканальный оптический сигнал в N-ступенчатую структуру, в которой каждая ступень содержит оптический фильтр, имеющий один вход или два входа и два выхода, выполненный с возможностью управляемой настройки коэффициентов передачи и характеризующийся в n-ой ступени, при n=1, 2, …, N, частотным интервалом Δν=2Δν между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты, и при этом оптический фильтр в каждой ступени, кроме первой, одним входом и одним из выходов соединен соответственно с одним из выходов и одним входом оптического фильтра предыдущей ступени, при этом один вход оптического фильтра первой ступени является входным портом N-ступенчатой структуры, а один из выходов оптического фильтра последней ступени является портом вывода в N-ступенчатой структуре;
(b) выбирают канал, подлежащий вводу/выводу;
(c) настраивают оптический фильтр каждой ступени таким образом, чтобы коэффициент передачи оптического фильтра со входа на выход, используемые в соединениях оптических фильтров, описанных в а), имел максимальное значение на частоте выбранного канала;
(d) пропускают многоканальный оптический сигнал через N-ступенчатую структуру и получают выбранный канал на выходе оптического фильтра последней ступени, являющемся портом вывода в N-ступенчатой структуре;
(е) осуществляют ввод нового канала на оптической частоте выведенного канала, объединяют новый канал и все каналы, кроме выведенного, и возвращают объединенные каналы в оптическую сеть.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы при использовании оптических фильтров, имеющих два входа, ввод нового канала осуществляли через порт ввода N-ступенчатой структуры, соединенный со входом оптического фильтра последней ступени, не используемого в соединениях оптических фильтров, описанных в а), объединение нового канала и всех каналов, кроме выведенного, осуществляли путем соединения выхода оптического фильтра каждой ступени, кроме первой, не используемого в соединениях оптических фильтров, описанных в а), со входом оптического фильтра предыдущей ступени, не используемого в соединениях оптических фильтров, описанных в а), и возвращение объединенных каналов в оптическую сеть производили через выход оптического фильтра первой ступени, не использованный в соединениях фильтров, описанных в а).
Кроме того, согласно изобретению целесообразно, чтобы при использовании оптических фильтров, имеющих один вход, ввод нового канала осуществляли через один из входов оптического сумматора, имеющего N+1 входов и один выход, объединение нового канала и всех каналов, кроме выведенного, осуществляли путем соединения выхода оптического фильтра каждой ступени, не используемого в соединениях фильтров, описанных в а), с одним из входов указанного сумматора, при этом через выход сумматора объединенные каналы возвращали в оптическую сеть.
N
Поставленная задача была также решена разработкой управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода для волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением 2 каналов, оптические частоты которых могут перестраиваться, но при этом спектральный интервал Δν между соседними каналами постоянный, согласно изобретению имеющего один входной порт, один выходной порт, один порт вывода, один порт ввода и включающего:
n
n-1
- N-ступенчатую структуру, содержащую в каждой ступени один оптический фильтр, выполненный с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующийся в n-ой ступени, при n=1, 2, …, N, частотным интервалом Δν=2Δν между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты и имеющий два входа и два выхода;
- контроллер для управления перестройкой коэффициентов передачи указанных оптических фильтров.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы в мультиплексор ввода/вывода в указанной N-ступенчатой структуре:
- оптический фильтр каждой ступени, кроме первой, одним из входов и одним из выходов был соединен соответственно с одним из выходов и одним из входов оптического фильтра предыдущей ступени;
- оптический фильтр первой ступени другим входом был соединен с входным портом;
- оптический фильтр первой ступени другим одним выходом был соединен с выходным портом;
- оптический фильтр последней ступени другим выходом был соединен с портом вывода;
- оптический фильтр последней ступени еще другим входом был соединен с портом ввода.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы в мультиплексоре ввода/вывода оптическими фильтрами ступеней N-ступенчатой структуры являлись однокаскадные и/или двухкаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера.
N
Поставленная задача была также решена разработкой управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода для волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением 2 каналов, оптические частоты которых могут перестраиваться, но при этом спектральный интервал Δν между соседними каналами постоянный, согласно изобретению имеющего один входной порт, один выходной порт, один порт вывода, один порт ввода и включающего:
n
n-1
- N-ступенчатую структуру, содержащую в каждой ступени один оптический фильтр, выполненный с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующийся в n-ой ступени, при n-1, 2, …, N, частотным интервалом Δν=2Δν между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты и имеющий один вход и два выхода;
- оптический сумматор, имеющий N+1 входов и один выход, соединенный с выходным портом;
- контроллер для управления перестройкой коэффициентов передачи указанных оптических фильтров.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы в мультиплексоре ввода/вывода в указанной N-ступенчатой структуре:
- оптический фильтр каждой ступени, кроме последней ступени, одним из выходов был соединен со входом оптического фильтра последующей ступени, а другим выходом соединен с одним из входов оптического сумматора;
- оптический фильтр первой ступени своим входом соединен с входным портом;
- оптический фильтр последней ступени одним выходом соединен с еще одним входом оптического сумматора, а другим выходом соединен с портом вывода;
- оптический сумматор еще одним входом соединен с портом ввода.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы оптическими фильтрами N-ступенчатой структуры являлись многокаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера.
N
Поставленная задача была также решена разработкой управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода для волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением 2 каналов, оптические частоты которых могут перестраиваться, но при этом спектральный интервал Δν между соседними каналами постоянный, согласно изобретению имеющего один входной порт, один выходной порт, один порт вывода, один порт ввода и включающего:
1
2
1
2
- соединенные, между собой первую и вторую многоступенчатые структуры, содержащие в каждой своей ступени один оптический фильтр, выполненный с возможностью управляемой настройки своих коэффициентов передачи, при этом первая структура имеет N ступеней, вторая структура имеет N ступеней и N+N=N;
1
- оптический сумматор, имеющий N+1 входов и один выход;
- контроллер для управления перестройкой спектральных характеристик оптических фильтров первой и второй многоступенчатых структур.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы в мультиплексоре ввода/вывода:
1
1
1
n1
n1-1
- оптический фильтр в первой многоступенчатой структуре имел один вход и два выхода и характеризовался в n-ой ступени при n=1, 2, …, N частотным интервалом Δν=2Δν между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты;
2
2
2
n2
n2+N1-1
- оптический фильтр во второй многоступенчатой структуре имел два входа и два выхода и характеризовался в n-ой ступени при n=1, 2, …, N частотным интервалом Δν=2Δν между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы в мультиплексоре ввода/вывода:
- в первой многоступенчатой структуре оптический фильтр каждой ступени, кроме последней, одним выходом был соединен со входом оптического фильтра последующей ступени, а другим выходом был соединен с одним из входов оптического сумматора;
- в первой многоступенчатой структуре оптический фильтр последней ступени одним выходом был соединен с одним из входов оптического сумматора, а другим выходом был соединен с одним из входов оптического фильтра первой ступени второй многоступенчатой структуры;
- во второй многоступенчатой структуре оптический фильтр каждой ступени, кроме первой, одним из входов и одним из выходов был соединен соответственно с одним из выходов и одним из входов оптического фильтра предыдущей ступени;
- во второй многоступенчатой структуре оптический фильтр первой ступени структуры другим выходом был соединен с другим входом оптического сумматора;
- в первой многоступенчатой структуре оптический фильтр первой ступени другим входом был соединен с входным портом;
- во второй многоступенчатой структуре оптический фильтр последней ступени одним из выходов был соединен с портом вывода;
- во второй многоступенчатой структуре оптический фильтр последней ступени другим входом был соединен с портом ввода;
- оптический сумматор выходом был соединен с выходным портом.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы в мультиплексоре ввода/вывода оптическими фильтрами первой многоступенчатой структуры являлись многокаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера, а оптическими фильтрами второй многоступенчатой структуры являлись однокаскадные и/или двухкаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы для управления настройкой коэффициентов передачи оптические фильтры содержали электрооптические или термооптические устройства фазового сдвига.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы мультиплексоры ввода/вывода были выполнены по интегрально-оптической технологии на одном чипе.
Кроме того, согласно изобретению целесообразно, чтобы в мультиплексорах ввода/вывода входной порт, выходной порт, порт вывода и порт ввода были выполнены с помощью световодов.
Таким образом, рассмотренная выше проблема создания управляемого оптического мультиплексора ввода-вывода (t-OADM) решена настоящим изобретением, в котором используется многоступенчатая структура оптических фильтров. В качестве оптических фильтров могут использоваться однокаскадные, двухкаскадные и многокаскадные ИМЦ, содержащие устройства фазового сдвига и имеющие один или два входных порта и не менее двух выходных портов.
В способе управляемого селективного ввода/вывода одного канала из многоканального оптического сигнала согласно настоящему изобретению и во всех вариантах управляемого оптического мультиплексора ввода-вывода согласно настоящему изобретению оптический фильтр каждой ступени, кроме фильтра первой ступени, одним из входов и одним из выходов соединен соответственно с одним из выходов и одним из выходов оптического фильтра предыдущей ступени.
При пропускании многоканального оптического сигнала через всю многоступенчатую структуру в каждом фильтре производится разделение каналов на две группы: одна - содержащая нечетные; другая - четные каналы, при этом в одной из групп содержится канал, подлежащий вводу/выводу. Спектральные характеристики оптических фильтров настраиваются таким образом, что в группе, направляемой к следующей ступени, всегда оказывается выбранный канал; как результат, на выход фильтра последней ступени приходит только один канал - выбираемый канал ввода/вывода. Все остальные каналы, вместе с вновь введенным каналом, объединяются и направляются в выходной порт.
В одном из вариантов t-OADM согласно настоящему изобретению, в котором могут использоваться оптические фильтры, имеющие два входа и два выхода, объединение нового канала и всех каналов, кроме выведенного, осуществляют путем соединения еще одного выхода оптического фильтра каждой ступени, кроме первой ступени, с другим, ранее не используемым входом оптического фильтра предыдущей ступени, а возвращение объединенных каналов в оптическую сеть производят через ранее не использованный другой выход оптического фильтра первой ступени.
В другом варианте t-OADM согласно настоящему изобретению, в котором используются оптические фильтры, имеющие один вход и два выхода, объединение вводимого канала и пропускаемых каналов производится с помощью оптического сумматора, входы которого соединяются со вторыми выходами всех фильтров, а также с портом ввода.
В третьем варианте управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода согласно изобретению могут использоваться совместно оптические фильтры, имеющие один вход и два выхода, и оптические фильтры, имеющие два входа и два выхода, и при этом мультиплексор выполнен из двух многокаскадных структур, одна из которых соответствует первому варианту t-OADM, а вторая - второму варианту t-OADM. Объединение пропускаемых каналов в каждой из двух структур производится аналогично объединению, используемому в первых двух вариантах устройства, а ввод нового канала - как в первом варианте.
При этом согласно изобретению в качестве оптических фильтров, имеющих два входа и два выхода, используются однокаскадные и/или двухкаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера, в качестве оптических фильтров, имеющих один вход и два выхода, используются многокаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера, а для управления настройкой коэффициентов передачи оптические фильтры содержат электрооптические или термооптические устройства фазового сдвига.
Кроме того, является существенным, чтобы согласно изобретению предлагаемые мультиплексоры были выполнены по интегрально-оптической технологии на одном чипе.
Краткое описание чертежей.
N
В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров осуществления способа управляемого селективного ввода/вывода канала в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением 2 каналов, оптические частоты которых могут перестраиваться, но при этом спектральный интервал Δν между соседними каналами постоянный согласно изобретению, с помощью управляемых оптических мультиплексоров ввода/вывода согласно изобретению, и прилагаемыми чертежами, на которых показаны:
Фиг.1 - схема известного управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода;
Фиг.2а - схема известного однокаскадного интерферометра Маха-Цендера;
Фиг.2b - условное изображение однокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.2а;
Фиг.3 - зависимости коэффициентов передачи от оптической частоты для однокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.2а;
Фиг.4а - схема известного двухкаскадного ИМЦ;
Фиг.4b - условное изображение двухкаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.4а;,
Фиг.5 - зависимости коэффициентов передачи от оптической частоты для двухкаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.4а;
Фиг.6а - схема известного многокаскадного фильтра, включающего три двухкаскадных ИМЦ;
Фиг.6b - условное изображение многокаскадного фильтра, показанного на Фиг.6а;
Фиг.7 - схема управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода согласно изобретению, содержащего однокаскадные ИМЦ, с иллюстрацией работы при подаче на входной порт оптического сигнала, содержащего 8 CWDM-каналов;
Фиг.8 - схема управляемого мультиплексора ввода/вывода согласно изобретению, содержащего многокаскадные ИМЦ, с иллюстрацией работы при подаче на входной порт оптического сигнала, содержащего 64 DWDM-канала;
Фиг.9 - схема управляемого мультиплексора ввода/вывода согласно изобретению, содержащего однокаскадные, двухкаскадные и многокаскадные ИМЦ, с иллюстрацией работы при подаче на вход оптического сигнала, содержащего 64 DWDM-канала.
Наилучший вариант осуществления изобретения
Согласно изобретению основным элементом управляемого мультиплексора ввода/вывода является известное и часто используемое в оптике устройство несимметричный интерферометр Маха-Цендера или, как условились его называть, однокаскадный ИМЦ (M. Born, E.Wolf. "The Optic Base", Pergamon Press, Oxford, Fifth Oxford, Fifth Edition, 1975, pp.312-316; М.Борн и Э.Вольф. Основы оптики. Пер. под ред. Г.П.Мотулевича. М., Наука, 1970, с.342-346).
Однокаскадный ИМЦ представляет собой интерферометр с двумя одномодовыми плечами и парой разветвителей на двух концах. Термин «несимметричный» означает, что длины плеч ИМЦ заведомо неравные. Отличия в длине, температуре или других параметрах плеч интерферометра вызывают фазовый сдвиг для проходящих по плечам волн, который проявляется при интерференции выводимых волн.
Варианты выполнения однокаскадного ИМЦ с помощью волоконно-оптических разветвителей, светоделителей, зеркал-призм, поляризаторов и других элементов рассмотрены выше при описании известного. управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода (US 6795654 В2).
1
2
1
2
На Фиг.2а приведено схематичное изображение волноводного варианта однокаскадного ИМЦ 20, его условное изображение для целей описания настоящего изобретения приведено на Фиг.2а. Устройство 20 размещено на одной подложке 21, где однокаскадный ИМЦ 22 образован разветвителями 23 и 24 и двумя плечами 22-1 и 22-2, сформированными волноводами неравной длины 1 и 1 соответственно. Коэффициенты связи k и k, соответственно разветвителей 23 и 24, равны и делят оптическую мощность в соотношении 50/50. Однокаскадный ИМЦ 22 имеет выводы с одной стороны, а и b, и выводы с другой стороны, c и d.
При этом однокаскадный ИМЦ 22 содержит в плече 22-2 устройство фазового сдвига 25, которое вносит дополнительный фазовый сдвиг φ в фазу пробегающей волны и является управляемым элементом, используемым для настройки спектральных характеристик ИМЦ.
Величина фазового сдвига φ регулируется с помощью термооптического или электрооптического эффекта с помощью изменения величины электрического тока или напряжения. Соответственно устройство фазового сдвига 25 может быть изготовлено с использованием термооптического материала, например силикона, или электрооптического материала, например ниобата лития (LiNbO3) или арсенида галлия. Подобные устройства фазового сдвига известны в технике спектрального уплотнения как инструмент для настройки спектральных характеристик оптических фильтров на основе ИМЦ, а также используются в других устройствах - модуляторах и переключателях.
ac
ad
При вводе через первый вход а излучения единичной мощности интенсивность света на двух выходах c и d может быть выражена с помощью коэффициентов передачи K(ν,φ) и K(ν,φ):
1
2
где D=2πnΔLν/c - фазовая задержка, обусловленная разной оптической длиной плеч 22-1 и 22-2; ΔL=1-1; n - показатель преломления материала; ν - оптическая частота и с - скорость света в пустоте.
bc
bd
При возбуждении через второй вход b интенсивность света на тех же выходах с и d может быть представлена с помощью коэффициентов передачи K(ν,φ) и K(ν,φ):
Рассматриваемые на каком-либо интервале частот ν (или длин волны λ) коэффициенты передачи (1)÷(4) становятся спектральными характеристиками однокаскадного ИМЦ. Как можно видеть, указанные спектральные характеристики (1)÷(4) являются периодическими функциями частоты света ν и длины волны λ и разности длин плеч ΔL, показателя преломления n и фазового сдвига φ.
Для работоспособности однокаскадного ИМЦ существенны следующие его свойства:
- расстояния между соседними экстремумами Δν и Δλ в спектральных характеристиках (1)÷(4) в единицах оптической частоты и в единицах длин волн соответственно равны:
- коэффициенты передачи (1)÷(4), соответствующие переходу оптического излучения с одного из входов, a или b, на первый c и второй d выходы, отличаются по фазе на π;
- коэффициенты передачи при замене двух индексов не изменяются, то есть
ad
bc
ac
bd
K(ν,φ)=K(ν,φ) и K(ν,φ)=K(ν,φ);
- изменяя величину фазового сдвига φ, можно изменять спектральные характеристики (1)÷(4), сдвигая их по оси частот (или длин волн); это приводит, в частности, при изменении фазового сдвига на δφ=±π, к инверсии сигналов на выходах;
- коэффициенты передачи не изменяются при изменении направления передачи сигнала, то есть однокаскадный ИМЦ является обратимым устройством.
В свою очередь, из этих свойств следует, что при поступлении на вход однокаскадного ИМЦ оптического сигнала, содержащего несколько каналов, частоты (или длины волн) которых совпадают с положением экстремумов в зависимостях коэффициентов передачи от частоты (или длины волн), сигналы разделяются на две группы, которые выводятся на разные выходы. Одна группа содержит нечетные каналы, другая группа - четные каналы, и в обеих группах спектральный интервал между каналами становится в два раза больше, чем на входе однокаскадного ИМЦ. При поступлении этого же оптического сигнала на другой вход, четные и нечетные каналы на выходах меняются местами.
Так как однокаскадный ИМЦ является обратимым устройством, то в другой ситуации, когда на один вход подаются нечетные каналы, а на другой вход подаются четные каналы, то обе группы каналов объединяются в один оптический поток с более плотным размещением каналов.
Устройства, выполняющие функцию разделения каналов на нечетные и четные каналы и обратную функцию объединения нечетных и четных каналов в один поток, в иностранной литературе называют интерливерами; в отечественной литературе нет термина для устройств аналогичного назначения, в настоящем тексте они называются оптическими фильтрами.
i
i
Расстояние между соседними экстремумами Δν (или Δλ) в спектральных характеристиках для реального однокаскадного ИМЦ должно формироваться на стадии его изготовления путем подбора соответствующих разности длин плеч ΔL и показателя преломления n. Управляемая же перестройка положения экстремальных значений коэффициентов передачи относительно задаваемых частот {ν} (или длин волн {λ}) должна производиться с помощью соответствующей регулировки фазового сдвига φ при использований однокаскадного ИМЦ в качестве оптического фильтра в составе какого-либо конкретного устройства.
ac
ad
ac
ad
На Фиг.3 показаны коэффициенты передачи K(ν,φ) и K(ν,φ) для некоторого однокаскадного ИМЦ как функции оптической частоты, который при соответствующих значениях фазовой задержки D и фазовом сдвиге φ имеет расстояние между соседними экстремумами 50 ГГц и может быть, таким образом, использован для разделения четных и нечетных каналов с интервалом между соседними по частоте каналами 50 ГГц. Сплошными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K(ν,φ), в соответствии с которой одна группа каналов - нечетные каналы - выводится на выход с, пунктирными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K(ν,φ), ответственная за вывод другой группы каналов - четных каналов - на выход d.
Как можно видеть на Фиг.3, недостаток данного оптического фильтра - неплоские вершины и медленно спадающие края спектральных полос, что при малом спектральном интервале между каналами может стать причиной перекрестных помех между соседними каналами. Другой известный недостаток заключается в том, что при большой разности длин плеч ΔL вносимая дисперсия может быть весьма велика. Эти недостатки ограничивают возможность использования однокаскадных ИМЦ в устройствах, применяемых в системах связи со спектральным уплотнением каналов.
Существенное улучшение спектральных характеристик оптического фильтра для устройств и систем спектрального уплотнения обеспечивают, как известно (US 6782158 В), двухкаскадные ИМЦ, которые могут быть выполнены как с помощью волоконно-оптических разветвителей, светоделителей, зеркал-призм, поляризаторов и пр., так и в интегрально-оптическом виде и содержать при этом устройства фазового сдвига.
1
2
3
На Фиг.4а показано схематичное изображение волноводного варианта двухкаскадного ИМЦ 40, его условное изображение приведено на Фиг.4b. В устройстве 40 используются три разветвителя 41, 42 и 43 с коэффициентами связи k, k и k соответственно. Устройство 40 размещено на единой подложке 46.
44-1
44-2
45-1
45-2
1
44-1
44-2
2
45-1
45-2
2
1
Первый однокаскадный ИМЦ 44 образован двумя разветвителями 41 и 42 и двумя волноводами 44-1 и 44-2 неравной длины 1 и 1 соответственно. Второй однокаскадный ИМЦ 45 образован двумя разветвителями 42 и 43 и двумя волноводами 45-1 и 45-2 неравной длины 1 и 1 соответственно. Фазовые задержки D=2πn(1-1)/λ и D=2πn(1-1)/λ связаны между собой соотношением: D=2·D.
В ИМЦ 44 и 45 используются устройства фазового сдвига 47 и 48, вносимые ими фазовые сдвиги обозначим φ и ϕ соответственно. Двухкаскадный ИМЦ имеет выводы с одной стороны, а и b, и выводы с другой стороны, е и f.
i
Спектральные характеристики двухкаскадного ИМЦ 40 нетрудно получить аналитически. Для трех разветвителей 41-1, 41-2 и 41-3 следует ввести матрицы T(k) для (i=1, 2, 3), которые связывают амплитуды света на входе и выходе с параметрами разветвителей:
1
2
а для двух однокаскадных ИМЦ 43 и 44 - матрицы T(D) и T(D):
Тогда матрица пропускания M(ν,φ,ϕ) двухкаскадного ИМЦ определяется произведением пяти матриц:
Так как коэффициенты передач двухкаскадного ИМЦ связывают оптические интенсивности на выходе с оптической интенсивностью на входе, то для их определения следует использовать выражения типа:
Из выражений (6)÷(9) могут быть получены все основные свойства
двухкаскадных ИМЦ. Нетрудно проверить, что двухкаскадный ИМЦ при вводе излучения через входы a и b остается устройством, выполняющим функцию разделения и объединения нечетных и четных каналов. Так, при подаче оптического сигнала на вход а некоторого двухкаскадного ИМЦ каналы разделятся на две группы, содержащие одна группа - нечетные каналы, а другая группа - четные каналы. Отметим важное свойство, сохраняющееся у двухкаскадных ИМЦ: при подаче этого же оптического сигнала на другой вход, вход в на Фиг.4а, группы с нечетными и четными каналами меняются местами на выходах e и f.
44-1
44-2
ac
af
Расстояния между соседними экстремумами Δν и Δλ в спектральных характеристиках также определяются выражениями (5), где ΔL - разность длин плеч в первом каскаде двухкаскадного ИМЦ 40, т.е. ΔL=1-1. Сохраняется возможность управляемого сдвига спектральных характеристик, теперь уже с помощью двух фазовых сдвигов φ и ϕ. Чтобы сместить спектральные характеристики K(ν,φ,ϕ) и K(ν,φ,ϕ) по оси частот на величину δν, необходимо с помощью соответствующих устройств фазового сдвига изменить фазы φ и ϕ:
Можно убедиться также с помощью выражений (6)÷(9), что при вводе сигнала через выходы е и f теряется возможность разделения на нечетные и четные каналы и соответственно объединения нечетных и четных каналов. Это следствие того, что матрицы (6) и (7) являются некоммутируемыми. Таким образом, двухкаскадные ИМЦ не являются обратимыми устройствами - два порта a и b с одной стороны могут быть использованы только как входные, а два другие порта е и f с противоположной стороны - только как выходные, и поэтому двухкаскадные ИМЦ, как отмечалось выше, не могут быть использованы в известном управляемом оптическом мультиплексоре ввода-вывода, представленном на Фиг.1.
ae
af
1
2
3
1
2
ас
af
На Фиг.5. приведены коэффициенты передачи K(ν,φ,ϕ) и K(ν,φ,ϕ) как функции оптической частоты для некоторого двухкаскадного ИМЦ, рассчитанные с помощью выражений (6)÷(9). Этот двухкаскадный ИМЦ при коэффициентах связи k=0.7854, k=2.0944, k=0.3218, соответствующих фазовых задержках D и D и фазах φ и ϕ может быть использован как 50 ГГц оптический фильтр для разделения четных и нечетных каналов с интервалом между соседними по частоте каналами 50 ГГц. Сплошными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи К(ν,φ,ϕ), в соответствии с которой при вводе через первый вход a одна группа каналов (нечетные каналы) выводится на первый выход е, пунктирными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K(ν,φ,ϕ), ответственная за вывод другой группы каналов (четные каналы) на второй выход f.
Как можно видеть, двухкаскадный ИМЦ имеет значительно лучшую форму спектральных характеристик - близкую к прямоугольной, с плоской вершиной и крутым спадом по краям спектральных полос. Поэтому двухкаскадный ИМЦ, используемый как оптический фильтр, обеспечивает лучшее подавление перекрестных помех и высокую изоляцию каналов. Тем не менее вносимая двухкаскадным ИМЦ дисперсия остается большой, что ограничивает применение его как оптического фильтра в системах связи с большой скоростью передачи данных.
1
2
3
Известно, что ситуация может быть изменена в лучшую сторону при использовании фильтров, получаемых в результате каскадирования двухкаскадных ИМЦ. В одном из вариантов подобных устройств могут быть использованы двухкаскадные ИМЦ, имеющие идентичные коэффициенты пропускания, но противоположные по знаку дисперсии, так называемые комплементарные двухкаскадные ИМЦ. Комплементарность обеспечивается определенным соотношением коэффициентов связи k, k и k во входящих в их состав ИМЦ (US 6782158 B2).
На Фиг.6а показан один из вариантов многокаскадного ИМЦ 60, который может использоваться для разделение на нечетные и четные каналы; условное изображение многокаскадного ИМЦ (MZI-3) приведено на Фиг.6b. Устройство 60 в планарном исполнении размещено на одной подложке (кристалле) 61, имеет входной порт g, первый выходной порт p и второй выходной порт k и включает три двухкаскадных ИМЦ, имеющие первый вход а, второй вход b, первый выход е и второй выход f, при этом в первом каскаде используется двухкаскадный ИМЦ 62 типа I, и во втором каскаде - два двухкаскадных ИМЦ 63 и 64, оба типа I', то есть с противоположными знаками дисперсии.
При вводе сигнала через входной порт g двухкаскадный ИМЦ 62, как обычно, разделяет каналы на две группы: в одной группе нечетные каналы, а в другой - четные; во втором каскаде ИМЦ 63 пропускает нечетные каналы на свой первый выход e и далее во внешний первый выходной порт р, а ИМЦ 64 пропускает четные каналы на свой выход f и далее во внешний второй выходной порт k. Так как дисперсии двухкаскадного ИМЦ 62 и двухкаскадных ИМЦ 63 и 64 имеют противоположные знаки, то в результате дисперсия многокаскадного ИМЦ 60 оказывается компенсированной - нулевой или почти нулевой.
К сожалению, недостатком многокаскадных ИМЦ является то, что при вводе оптического сигнала через второй вход b двухкаскадного ИМЦ 62 группы, содержащие нечетные и четные каналы, не меняются просто местами на выходах двухкаскадных ИМЦ 63 и 64, а выводятся в другие выходы, нежели бывшие при вводе оптического сигнала через вход а (в выходы f и е двухкаскадных ИМЦ 63 и 64 соответственно). Этот недостаток не позволяет использовать многокаскадные ИМЦ в рассматриваемом ниже первом варианте реализации управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода согласно настоящему изобретению.
Первый вариант управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода согласно настоящему изобретению предназначен для систем спектрального уплотнения с достаточно широким спектральным интервалом между соседними каналами, например для CWDM-системы. Схема мультиплексора 70 по данному варианту приведена на Фиг.7.
Мультиплексор имеет один входной порт 71, один выходной порт 72, один порт вывода 73, один порт ввода 74 и включает три оптических фильтра 75-1, 75-2 и 75-3, образующих многоступенчатую структуру. Все устройство в планарном виде изготовлено на одной кремниевой подложке 76. Четыре порта 71÷74 выполнены в виде световодов. Фильтры всех трех ступеней соединены между собой и со световодами-выводами волноводами 77, сформированными на кремниевой подложке.
Динамическое управление работой мультиплексора осуществляется путем перестройки спектральных характеристик трех фильтров 75-1, 75-2 и 75-3 при подаче на устройства фазового сдвига, содержащиеся во всех трех фильтрах, соответствующих напряжений. Управление производят с помощью контроллера 78, который связан с оптическими фильтрами электрической шиной 79.
В качестве оптических фильтров могут использоваться однокаскадные ИМЦ согласно Фиг.2а или двухкаскадные ИМЦ согласно Фиг.4а. Фильтры соединены таким образом, что каждый фильтр, кроме первого фильтра 75-1, одним из входов и одним из выходом соединен соответственно с одним из выходов и одним из входов предыдущего фильтра, и при этом первый фильтр 75-1 другим входом соединен с входным портом 71 и другим выходом - с выходным портом 72, а последний фильтр 75-3 соединен другим входом с портом ввода 74 и другим выходом - с портом вывода 73.
Отметим, что соединения оптических фильтров в устройстве 70 не являются единственно возможными, и ниже рассматривается другой вариант соединения оптических фильтров. Преимущество данного соединения в том, что в планарном исполнении устройства 70 волноводы 77 не пересекаются друг с другом.
Рассмотрим случай, когда на вход мультиплексора 70 поступает 8-канальный оптический сигнал с частотным интервалом между каналами Δν=2400 ГГц (средний интервал между каналами Δλ≈20 нм). Так как в данном примере спектральный интервал между каналами большой, то в качестве оптических фильтров используются однокаскадные ИМЦ.
75-1
75-2
75-3
Чтобы обеспечить заданный интервал между каналами Δν=2400 ГГц, для трех однокаскадных ИМЦ расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках (коэффициентах пропускания) установлены таким образом, что при переходе к следующему однокаскадному ИМЦ увеличивается в два раза: Δν=2400 ГГц, Δν=4800 ГГц и Δν=9600 ГГц.
75-1
75-2
75-3
1
2
3
4
5
6
7
8
Соответственно по выражению (5) разности длин плеч в однокаскадных ИМЦ равны: ΔL=41,6 мкм, ΔL=20,8 мкм и ΔL=10,4 мкм (предполагается, что n=1,5). Центральные длины волн 8 каналов при заданном спектральном интервале между каналами Δν могут располагаться следующим образом: λ=1608.5 нм, λ=1588.3 нм, λ=1568.4 нм, λ=1549.0 нм, λ=1530.0 нм, λ=1511.5 нм, λ=1493.5 нм и λ=1475.8 нм.
75-1
75-2
75-3
n
3
3
Предположим, что при некоторых фиксированных значениях фаз φ*, φ* и φ*, которые обозначим как {φ*}, для одной из волн, например для волны ν, обеспечиваются условия пропускания из входного порта 71 в выводной порт 73. Очевидно, что эти условия заключаются в совпадении максимальных значений следующих коэффициентов передачи трех фильтров на длине волны λ:
Чтобы лучше представить работу рассматриваемого устройства, необходимо более подробно описать спектральные характеристики трех оптических фильтров 75-1, 75-2 и 75-3.
75-1
75-2
75-3
ad
1
1
3
5
7
2
4
6
8
ad
2
3
7
1
5
ad
3
3
7
75-1
75-2
75-3
При установленных расстояниях между соседними экстремумами ΔF, ΔF и ΔF и условиях (11) коэффициент передачи К (ν,φ*) для оптического фильтра 75-1 имеет максимальные значения для нечетных волн ν, ν, ν и ν и минимальные для четных волн ν, ν, ν и ν, коэффициент передачи K (ν,φ*) для оптического фильтра 75-2 имеет максимальные значения для волн ν и ν и минимальные значения для волн ν и ν, коэффициент передачи K (ν,φ*) для оптического фильтра 75-3 имеет максимальное значения для волны ν и минимальное значение для волны ν. Следует также иметь в виду инвариантность коэффициентов передачи однокаскадных ИМЦ при перестановке нижних индексов.
75-1
75-2
75-1
75-2
75-3
75-3
75-2
75-1
ac
1
1
3
5
7
2
4
6
8
ad
3
7
1
5
bc
1
5
3
ad
3
3
7
ac
7
3
7
bc
7
2
bc
7
1
Итак, мультплексированный сигнал, включающий 8 спектральных каналов, поступает из ВОСС во входной порт 71. Оптический фильтр 75-1 в соответствии со своим коэффициентом передачи K (ν,φ*) направляет волны ν, ν, ν и ν к оптическому фильтру 75-2, а волны ν, ν, ν и ν пропускает в выходной порт 72. Оптический фильтр 75-2 в соответствии с коэффициентом передачи K (ν,φ*2) направляет волны v и v к оптическому фильтру 75-3, а волны ν и ν - обратно к оптическому фильтру 75-1, которые теперь проходят его при K (νφ*1)=Кbc(ν,φ*1)=1 и оказываются в выходном порте 72. Оптический фильтр 75-3 направляет волну ν в соответствии с коэффициентом передачи K (ν,φ*) в порт вывода 73, а волну ν при K (ν,φ*)=1 возвращает сначала к оптическому фильтру 75-2, а затем эта волна v при K (ν,φ*)=1 проходит к оптическому фильтру 75-1, с помощью которого она при K (ν,φ*)=1 оказывается в выходном порте 72.
3
bc
3
bc
2
bc
1
75-3
75-2
75-1
Нетрудно проследить траекторию движения волны ν' (при этом ν'=ν), вводимой через порт ввода 74. Для этой волны при последовательном проходе через три оптических фильтра 75-1, 75-2 и 75-3 к выходному порту 72 значения соответствующих коэффициентов передачи все равны единице: K (ν',φ*)=K (ν',φ*)=K (ν',φ*)=1, и поэтому волна ν' проходит в выходной порт 72.
3
Таким образом, соединение второго выхода оптических фильтров 75-2 и 75-3 с одним из входов предыдущего фильтра позволяет организовать объединение вновь вводимого канала ν и каналов, не содержащих выбранный канал ν', и направить их в обратном направлении к первому оптическому фильтру 75-1, откуда они возвращаются в ВОСС.
n
4
75-1
75-2
75-3
Рассмотрим теперь работу устройства 70 в динамике, когда любой выбранный канал может быть подвержен вводу/выводу. Для этого следует соответствующим образом изменять значения {φ} фазовых сдвигов для трех оптических фильтров, используя выражение (10). Например, чтобы перейти в режим ввода/вывода соседней волны ν, необходимо следующим образом изменить фазовые сдвиги: δφ=π, δφ=π/2 и δφ=π/4.
n
В Таблице 1 приведены изменения фазовых сдвигов {δφ}, которые необходимо произвести для ввода/вывода любого из 8-ми каналов.
Таблица 1
Частота каналов ввода/вывода и соответствующие изменения фазовых сдвигов {δφ<sub>n</sub>}
Номер канала
Частота каналов ввода/вывода
Изменения фазовых сдвигов {δφ<sub>n</sub>}
δφ<sub>75-1</sub>
δφ<sub>75-2</sub>
δφ<sub>75-3</sub>
1
ν<sub>1</sub>
0
-π
<img file="00000012.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
ν<sub>2</sub>
-π
-½π
-¼π
3
ν<sub>3</sub>
0
0
0
4
ν<sub>4</sub>
π
½π
¼π
5
ν<sub>5</sub>
0
π
½π
6
ν<sub>6</sub>
π
1½π
¾π
7
ν<sub>7</sub>
0
0
π
8
ν<sub>8</sub>
π
½π
1¼π
n
n
n
n
Заметим, что в таблице 1 изменения фазовых сдвигов {δφ} могут быть заменены на эквивалентные {δφ'}, такие чтобы δφ'=δφ±2πn, где n=1, 2, ….
Второй вариант управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода согласно настоящему изобретению предназначен для DWDM-систем. Схема мультиплексора 80 по данному варианту приведена на Фиг.8. Будем полагать, что сигнал на входе содержит 64 канала, частоты каналов соответствуют ITU-стандарту и имеют спектральный интервал между каналами Δv=50 ГГц.
Мультиплексор имеет один входной порт 81, один выходной порт 82, один порт вывода 83, один порт ввода 84 и включает шесть оптических фильтров 85-1, 85-2, 85-3, 85-4, 85-5, 85-6, образующих также многоступенчатую структуру. Мультиплексор дополнительно содержит оптический сумматор 86, имеющий семь входов и один выход. Все шесть фильтров и сумматор интегрированы на единой подложке 87. Четыре порта 81, 82, 83 и 84 выполнены в виде световодов. Соединения фильтров со световодами, а также все другие соединения выполнены волноводами 88.
Динамическое управление работой мультиплексора осуществляется путем перестройки спектральных характеристик шести фильтров 85-1÷85-6 при подаче на устройства фазового сдвига всех шести фильтров соответствующих напряжений. Управление производят с помощью контроллера 89, который связан с оптическими фильтрами электрической шиной 89-1.
Так как во входном сигнале спектральные каналы расположены значительно ближе друг к другу, то это требует использования элементов с более высокими характеристиками, а именно с лучшей изоляцией каналов, а также для использования мультиплексора при высоких скоростях передачи - с малой дисперсией. При этом следует учесть, что перекрестные помехи в соседних каналах, а также вносимая дисперсия имеют место прежде всего в фильтрах первых ступеней, где спектральные интервалы между каналами на входе небольшие, но весьма большие разности длин плеч в ИМЦ и соответственно большая вносимая дисперсия. В последующих ступенях интервалы между каналами становятся больше, а вносимая дисперсия меньше, соответственно требования к оптическим фильтрам в этих ступенях могут быть снижены.
Поэтому в рассматриваемом втором варианте управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода согласно изобретению в первых трех ступенях используются многокаскадные ИМЦ, показанные на Фиг.6а, а в последующих ступенях - двухкаскадные ИМЦ, показанные на Фиг.4а. Очевидно, что в таком варианте мультиплексор 80 является более простым и более дешевым в изготовлении, чем если бы он был выполнен только на многокаскадных ИМЦ.
Оптические фильтры соединены последовательно друг с другом таким образом, что первый выход одного фильтра соединен со входом другого, второй выход каждого фильтра соединен с одним из входов оптического сумматора, вход первого фильтра 85-1 соединен с входным портом 81, выход последнего фильтра 85-6 соединен с портом вывода 83, и оптический сумматор 86 одним входом соединен с портом ввода 84, а выходом - с выходным портом 82.
85-1
85-2
85-3
85-4
85-5
85-6
85-1
85-2
85-3
85-4
85-5
85-6
Расстояние между соседними экстремумами в спектральных характеристиках шести оптических фильтров установлено также таким образом, что при переходе к следующему оптическому фильтру увеличивается в два раза: Δν=50 ГГц, Δν=100 ГГц, Δν=200 ГГц, Δν=400 ГГц, Δν=800 ГГц и Δν=1600 ГГц. Соответственно разности длин плеч интерферометров в первых ступенях используемых многокаскадных и двухкаскадных ИМЦ должны быть: ΔL=2000 мкм, ΔL=1000 мкм, ΔL=500 мкм, ΔL=250 мкм, ΔL=125 мкм и ΔL=62,5 мкм.
3
n
n
3
Предположим, что для одной из волн, например для волны v, при некоторых фиксированных значениях фаз {φ*} и {ϕ*} соответственно в первом и втором каскадах двухкаскадных МЦИ, используемых во всех шести оптических фильтрах, выполняются условия, аналогичные (11), обеспечивающие пробег волны ν по трассе из входного порта 81 в порт вывода 83.
n
n
1
3
63
2
4
64
Работа устройства 80 при этих фазах {φ*} и {ϕ*}, осуществляется следующим образом. Входной сигнал поступает из ВОСС на входной порт 81, оптический фильтр 85-1 делит каналы на две группы - группу нечетных волн ν, ν, … ν, которые направляются к оптическому фильтру 85-2, и группу четных волн ν, ν, …, ν, которые направляются к оптическому сумматору 86.
3
7
59
63
5
9
57
61
3
35
3
3
Процесс многократно повторяется: оптический фильтр 85-2 вновь делит волны и направляет волны ν, ν, …, ν, ν к оптическому фильтру 85-3, а волны ν, ν, …, ν, ν к сумматору 86, и так продолжается до тех пор, пока последний оптический фильтр 85-6, наконец, в последний раз не разделит приходящие к нему две волны ν и ν. В результате выделяется волна ν, которая проходит в порт вывода 83, а все другие 63 волны после прохождения сумматора 86 оказываются в выходном порте 82. Волна ν, вводимая через порт 84, также приходит в выходной порт 82.
n
n
n
n
При работе мультиплексора 80 в динамическом режиме, то есть для обеспечения ввода/вывода любых других волн, необходимо в соответствии с выражениями (10) изменять значения фаз {φ} и {ϕ} для всех используемых оптических фильтров. Так же, как и для описанного выше мультиплексора 70 (Фиг.7), возможно состояние, когда ни одна из волн не выводится, а все пропускаются в ВОСС. Число устройств фазового сдвига в третьем варианте мультиплексора существенно больше, чем в первом варианте, однако задача соответствующей перестройки фаз {φ} и {ϕ} не представляет принципиальных трудностей.
Возможные оптические потери и разные уровни каналов для пропускаемых волн могут быть компенсированы с помощью использования обычных в технике DWDM оптического усилителя и/или спектрального эквалайзера.
Третий вариант управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода согласно настоящему изобретению может использоваться также в DWDM системах спектрального уплотнения. Схема мультиплексора 90, соответствующего данному варианту, приведена на Фиг.9.
Будем полагать, что сигнал на входе снова содержит 64 канала, частоты каналов соответствуют ITU-стандарту и имеют спектральный интервал между каналами Δν=50 ГГц. Предположим также, что частоты каналов в данном случае удерживаются в своих номиналах более строго, а скорости передачи данных сравнительно невысокие. Поэтому здесь требования к изоляции каналов и вносимой дисперсии для используемых оптических фильтров могут быть снижены еще больше по сравнению с требованиями в рассмотренном выше втором варианте реализации управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода.
Мультиплексор 90 имеет один входной порт 91, один выходной порт 92, один порт вывода 93, один порт ввода 94 и включает шесть оптических фильтров 95-1, 95-2, 95-3, 95-4, 95-5 и 95-6, образующих две многоступенчатые структуры, содержащие в первой структуре два оптических фильтра 95-1 и 95-2, а во второй структуре - четыре оптических фильтра 95-3, 95-4, 95-5 и 95-6. Оптические фильтры 95-1 и 95-2 являются многокаскадными ИМЦ, показанными на Фиг.6а, фильтры 95-3 и 95-4 - двухкаскадными ИМЦ, показанными на Фиг.4а, и фильтры 95-5 и 95-6 - однокаскадными ИМЦ, показанными на Фиг.2а.
95-1
95-2
95-3
95-4
95-5
95-6
Расстояние между соседними экстремумами в спектральных характеристиках шести оптических фильтров установлены также таким образом, что при переходе к следующему оптическому фильтру увеличивается в два раза: Δν=50 ГГц, Δν=100 ГГц, Δν=200 ГГц, Δν=400 ГГц, Δν=800 ГГц и Δν=1600 ГГцz.
Мультиплексор 90 дополнительно содержит оптический сумматор 96, имеющий 3 входа и один выход. Все шесть фильтров и сумматор интегрированы на единой подложке 97. Четыре порта 91÷94 выполнены в виде световодов. Соединения фильтров со световодами, а также все другие соединения выполнены волноводами 98.
Мультиплексор 90 представляет собой комбинацию рассмотренных выше первого и второго вариантов мультиплексоров согласно изобретению. Первые два оптических фильтра 95-1 и 95-2 соединены, как в мультиплексоре 80, последовательно с подключением вторых выходов к оптическому сумматору и образуют первую многоступенчатую структуру. Вторая многоступенчатая структура с четырьмя оптическими фильтрами изображена на Фиг.9 в виде расположенных в ряд оптических фильтров; в этой второй структуре оптические фильтры соединены между собой таким же образом, как в мультиплексоре 70, каждый фильтр, кроме первого, одним из входов и одним из выходом соединен соответственно с одним из выходов и одним из входов предыдущего фильтра.
Один из входов первого оптического фильтра 95-1 соединен с входным портом 101, один из выходов последнего оптического фильтра 95-6 соединен с портом вывода 103 и один из входов последнего оптического фильтра 95-6 соединен с портом ввода 94. Третий вход оптического сумматора соединен с одним из выходов оптического фильтра 95-3, выход сумматора соединен с выходным портом 92.
Динамическое управление работой мультиплексора осуществляется путем перестройки спектральных характеристик шести фильтров 95-1÷95-6 при подаче на устройства фазового сдвига всех шести фильтров соответствующих напряжений. Управление производят с помощью контроллера 99, который связан с оптическими фильтрами всех оптических фильтров электрической шиной 99-1.
Функционирование мультиплексора, состоящего из двух многокаскадных структур оптических фильтров, в каждой структуре происходит аналогично рассмотренным выше в первом и втором вариантах реализации мультиплексора.
N
1
2
В третьем варианте реализации управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода в более общем случае ввода/вывода одного канала из множества 2 каналов мультиплексор должен включать две многоступенчатые структуры оптических фильтров: первую структуру на многокаскадных ИМЦ (Фиг.6а) с числом ступеней N и вторую структуру оптических фильтров на однокаскадных ИМЦ (Фиг.2а) или/и двухкаскадных ИМЦ (Фиг.4а) с общим числом ступеней во второй структуре N.
1
2
Общее количество оптических фильтров должно быть N+N=N, расстояние между соседними экстремумами в спектральных характеристиках шести оптических фильтров должно быть установлено также таким образом, что при переходе к следующему оптическому фильтру увеличивается в два раза.
Отдельно количество однокаскадных, двухкаскадных и многокаскадных ИМЦ должно быть выбрано исходя из требований к спектральному интервалу между каналами Δν и скорости передачи данных. Немаловажным фактором выбора оптических фильтров, используемых в обеих структурах, может быть также стоимость изготовления мультиплексора.
Дополнительная функциональность всех трех вариантов мультиплексоров согласно настоящему изобретению заключается в возможности работы этих устройств в режиме, обеспечивающем для одного или нескольких выделенных каналов одновременно вывод и пропускание, без ввода новых сигналов на оптических несущих выводимых каналов; при этом все другие каналы, как обычно, должны пропускаться в выходной порт.
1
32
3
n
n
3
6
6
3
Проиллюстрируем дополнительную функциональную возможность на примере второго варианта мультиплексора 80 (Фиг.8). Пусть на входной порт 81 поступают 32 канала, например волны ν÷ν, и необходимо одновременно выводить и пропускать канал с оптической частотой ν. Для того чтобы реализовать такой режим (назовем его режимом "вывода/пропускания"), необходимо сохранить фазовые сдвиги {φ*} и {ϕ*}, соответствующие рассмотренному случаю ввода/вывода волны ν, для всех оптических фильтров, кроме последнего, а значение фазовых сдвигов φ и ϕ для последнего оптического фильтра 85-6 установить таким, чтобы для волны ν обеспечивалось деление оптической мощности 50:50.
n
n
3
19
3
19
Аналогичным образом, при соответствующей настройке фаз {φ} и {ϕ}, всех шести оптических фильтров, можно обеспечить данный режим для любой другой волны. Для того чтобы выполнить режим "вывода/пропускания" для двух каналов, например с частотами ν и ν, необходима перестроить фазовые сдвиги для фильтра 85-6, чтобы выполнить деление 50:50 для волн ν и ν, Нетрудно продолжить описание соответствующих изменений фазовых сдвигов в оптических фильтрах для обеспечения режима "вывода/пропускания" других пар каналов, а также 4-х и более каналов.
В описанных вариантах мультиплексора согласно настоящему изобретению используется единая концепция работы. Она заключается в использовании многоступенчатой структуры оптических фильтров на основе несимметричных ИМЦ. Оптический фильтр каждой ступени, кроме фильтра последней ступени, соединен со входом фильтра в последующей ступени. Для каждого оптического фильтра коэффициенты передачи на несущих частотах, поступающих на вход каналов, имеют экстремальные значения: для нечетных каналов - минимальные значения, для четных каналов - максимальные значения, или наоборот.
При пропускании многоканального оптического сигнала через многоступенчатую структуру в каждом фильтре производится разделение каналов на две группы, одна - содержащая нечетные, а другая - четные каналы, при этом в одной группе содержится канал, подлежащий вводу/выводу. Спектральные характеристики оптических фильтров настраиваются таким образом, что в группе, направляемой к оптическому фильтру в последующей ступени, всегда оказывается выбранный канал; как результат, в порт вывода приходит только один канал - выбранный канал ввода/вывода.
Все остальные каналы вместе со вновь вводимым каналом объединяются и направляются в выходной порт. Объединения каналов производится с помощью дополнительных соединений между фильтрами, используя свойства их коэффициентов передачи, или с помощью оптического сумматора. Таким образом, производится управляемый селективный ввод/вывод одного канала и при этом обеспечиваются требуемые спектральные характеристики каналов и минимальная дисперсия.
Принцип работы, характеристики и возможные варианты реализации настоящего изобретения были описаны выше на примерах использования соответствующих устройств в оптических системах, в которых длины волн каналов соответствовали ITU-стандартам. Поэтому в рассмотренных примерах мультиплексоры функционировали как реконфигурируемые оптические мультиплексоры ввода/вывода - ROADM.
Однако управляемые оптические мультиплексоры ввода/вывода согласно настоящему изобретению являются более гибкими и универсальными, чем обычные ROADM, так как могут быть использованы как управляемые оптические мультиплексоры ввода/вывода в системах, в которых оптические длины волн каналов перестраиваются, и поэтому необходима соответствующая перестройка спектральных характеристик мультиплексоров. Требуемая перестройка спектральных характеристик может быть легко выполнена с помощью устройств фазового сдвига, размещенных в оптических фильтрах, аналогично тому, как было описано в рассмотренных примерах.
В качестве устройств фазового сдвига во всех вариантах могут быть использованы как электрооптические устройства, так и термооптические, при этом электрооптические устройства фазового сдвига могут гарантировать предельно высокую скорость перестройки спектральных характеристик мультиплексора.
Использование интегрально-оптических технологий для изготовления представляется решающим фактором для того, чтобы мультиплексоры согласно настоящему изобретению соответствовали требованиям, предъявляемым к устройствам аналогичного назначения, - большое число каналов, устойчивость к внешним воздействиям, высокое быстродействие и др. Применение в конструкции устройств унифицированных типовых элементов, - однокаскадных, двухкаскадных и/или многокаскадных ИМЦ, - позволит использовать автоматизированные технологические операции, что, в свою очередь, обеспечит высокие технические характеристики и сравнительно низкую стоимость изготовления мультиплексоров.
Выбор того или иного варианта осуществления способа управляемого селективного ввода/вывода одного канала и управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода согласно изобретению, а также используемых в них оптических фильтров, - однокаскадных, двухкаскадных или многокаскадных ИМЦ, - может быть произведен с учетом специфики конкретной оптической системы связи.
Рассмотренные примеры поясняют принцип работы, характеристики и возможные варианты конструкции настоящего изобретения. Специалистам в области волоконно-оптических систем связи должно быть очевидно, что в рамках настоящего изобретения возможны другие модификации и альтернативные варианты конструктивного исполнения управляемых оптических мультиплексоров ввода/вывода согласно изобретению, не выходящие за рамки формулы изобретения.
Промышленная применимость
Способ управляемого селективного ввода/вывода каналов согласно изобретению и управляемые оптические мультиплексоры ввода/вывода согласно настоящему изобретению могут использоваться в волоконно-оптических линиях и системах связи со спектральным уплотнением каналов, в том числе в магистральных линиях связи, в которых используются технологии DWDM, и в региональных, городских и локальных системах связи, в которых используются технологии CWDM.
Управляемые оптические мультиплексоры ввода/вывода согласно настоящему изобретению могут быть реализованы с помощью существующих интегрально-оптических технологий.