УПРАВЛЯЕМЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР
CONTROLLED OPTICAL MULTIPLEXER

Область техники
Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи (далее - ВОСС) со спектральным уплотнением каналов, в частности к управляемым оптическим мультиплексорным устройствам, и может использоваться в системах плотного спектрального уплотнения (далее - DWDM) и умеренного спектрального уплотнения (далее CWDM).
Предшествующий уровень техники
Технологии спектрального уплотнения, использующие современные подходы, позволяют удовлетворять существующие требования к пропускной способности ВОСС. Тем не менее, чтобы встретить новые и все возрастающие требования со стороны разработчиков систем связи, необходимо дальнейшее совершенствование и расширение используемых технических средств. Одно из направлений развития технологий спектрального уплотнения связано с использованием подхода, в котором несущие частоты каналов становятся динамически перестраиваемыми.
Известны и уже существуют перестраиваемые в широком спектральном диапазоне устройства - это лазерные диоды, а также управляемые оптические мультиплексоры ввода/вывода. Для систем связи со спектральным уплотнением каналов необходимы также оптические мультиплексоры с перестраиваемыми оптическими несущими каналами (далее - управляемые оптические мультиплексоры).
Управляемые оптические мультиплексоры могут использоваться по основному назначению - как устройства для объединения и ввода каналов в оптический тракт. Они также могут входить в состав более сложных устройств и систем спектрального уплотнения с динамической функциональностью, например многоканальных управляемых мультиплексоров ввода/вывода.
Управляемые оптические мультиплексоры могут найти применение также в многоканальных системах датчиков, в оптических аналоговых системам различного назначения, для оптической фильтрации и других целей.
К настоящему времени разработаны и используются оптические мультиплексоры самых различных типов. Это мультиплексоры в виде многоступенчатых структур на интерференционных фильтрах или дифракционных решетках, мультиплексоры в планарном исполнении на так называемых фазированных жгутах (AWG) и, наконец, наиболее близкие к настоящему изобретению многоступенчатые древообразные структуры на базе несимметричных интерферометров Маха-Цендера (ИМЦ).
Известно, что ИМЦ характеризуются малыми оптическими потерями и имеют низкую поляризационную зависимость. Структура ИМЦ с числом ступеней 8-9 характеризуется высокой избирательностью и способна перекрыть полную спектральную полосу, используемую в системах спектрального уплотнения.
N
N-n
N
Известная традиционная конструкция мультиплексора на ИМЦ, предназначенного для использования в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением 2 каналов и частотным интервалом между соседними каналами Δν, представляет собой N-ступенчатую структуру типа «дерево», содержащую в каждой n-й ступени 2 ИМЦ. Мультиплексор имеет 2 входов для подачи на каждый вход одного канала и один выход для мультиплексированного оптического сигнала.
N-1
N-2
При поступлении на каждый вход такого устройства каналов, подлежащих мультиплицированию, ИМЦ в первой ступени объединяют каналы в 2 групп. Каждая группа направляется на вторую ступень, в которой каналы вновь объединяются, теперь в 2 групп. Такой процесс объединения групп (и каналов) продолжается с проходом излучения последовательно по всем ступеням мультиплексора. Наконец, на последней ступени все каналы полностью объединяются в один поток (оптический сигнал).
Оптические мультиплексоры на основе ИМЦ, а также другие перечисленные выше мультиплексоры в подавляющем большинстве являются статическими, то есть имеют фиксированные спектральные характеристики и поэтому не могут быть использованы в ВОСС со спектральным уплотнением каналов, в которых частоты каналов динамически перестраиваются.
Известно также, что однокаскадные ИМЦ, снабженные элементами фазового сдвига, могут быть ключевыми элементами в управляемом оптическом мультиплексоре ввода/вывода (US, 6795654, В2). Очевидно, что при соответствующем применении они могли бы стать также основой для создания управляемого оптического мультиплексора.
Современная оптическая технология предоставляет достаточно большой выбор ИМЦ, которые могут быть использованы в мультиплексорах, в том числе с динамической функциональностью. Базовая и простейшая структура - несимметричный однокаскадный ИМЦ (далее - однокаскадный ИМЦ).
Недостатком однокаскадных ИМЦ является неидеальная форма спектральных характеристик, что при использовании их в системах спектрального уплотнения с большой плотностью каналов может быть причиной перекрестных помех и плохой изоляции каналов. Значительно лучшие спектральные характеристики имеют двухкаскадные несимметричные ИМЦ и многокаскадные несимметричные ИМЦ (далее - двухкаскадные и многокаскадные ИМЦ). Многокаскадные ИМЦ, кроме того, характеризуются значительно меньшей вносимой дисперсией.
Очевидно, что управляемый оптический мультиплексор, который мог бы быть выполнен в виде многоступенчатой структуры, включающей достаточно большое число ИМЦ, должен быть максимально защищен от воздействия окружающей среды - температурных нестабильностей, вибраций и др. Поэтому для обеспечения необходимой устойчивости и надежности устройство должно иметь высокую степень интеграции используемых ИМЦ и быть компактным; наиболее подходящей технологией для изготовления такого устройства может быть интегрально-оптическая технология.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение имеет целью создание управляемого оптического мультиплексора для систем спектрального уплотнения с динамической функциональностью. Мультиплексор должен удовлетворять существующим требованиям по изоляции каналов и вносимой дисперсии и быть пригодным для интегрально-оптического выполнения.
При создании изобретения была поставлена задача создания способа и устройства для спектрального уплотнения множества каналов с формированием многоканального оптического сигнала путем управления спектральными характеристиками фильтрующих ступеней мультиплексора.
N
Поставленная задача была решена разработкой способа управляемого мультиплексирования каналов в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением 2 каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться, в котором:
N
N
N-n
n-1
n
(а) подают 2 каналов, каждый канал отдельно, на 2 входов N-ступенчатой структуры типа «дерево», содержащей в каждой n-й ступени при n=1, 2, …, N 2 оптических фильтров, имеющих два входа и по меньшей мере один выход, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи и характеризующихся частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν=2 Δν, и при этом входами указанной N-ступенчатой структуры являются каждый из двух входов каждого оптического фильтра первой ступени;
N
N
(б) настраивают оптический фильтр каждой ступени таким образом, чтобы для оптической частоты каждого из 2 каналов коэффициенты передачи с одного из 2 входов указанной N-ступенчатой структуры на выход имели бы максимальное значение;
(в) пропускают многоканальный оптический сигнал через N-ступенчатую структуру и получают на выходе оптического фильтра последней степени многоканальный оптический сигнал.
N
Поставленная задача была также решена созданием управляемого оптического мультиплексора для использования в волоконно-оптических сетях со спектральным уплотнением 2 каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться, включающего:
N-n
n-1
n
- N-ступенчатую структуру типа «дерево», содержащую в каждой n-й ступени при n=1, 2, …, N 2 оптических фильтров, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в n-й ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν=2 Δν и имеющих два входа и, по меньшей мере, один выход;
- контроллер для управления перестройкой коэффициентов передач указанных фильтров.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы в указанной многоступенчатой структуре:
- два входа каждого оптического фильтра первой ступени были соединены с одним из входных портов;
- оптические фильтры в каждой ступени, кроме первой, были соединены каждым из двух входов с выходом одного из оптических фильтров предыдущей ступени;
- выход оптического фильтра последней ступени был соединен с выходным портом.
При этом согласно изобретению, целесообразно, чтобы оптическими фильтрами многоступенчатой структуры были однокаскадные и/или двухкаскадные и/или многокаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера, а для управления настройкой коэффициентов передачи оптические фильтры содержали электрооптические или термооптические устройства фазового сдвига.
Кроме того, согласно изобретению целесообразно, чтобы мультиплексор был выполнен по интегрально-оптической технологии на одном чипе.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы в мультиплексоре все входные порты и выходной порт были выполнены с помощью световодов.
Таким образом, согласно изобретению управляемый оптический мультиплексор представляет собой многоступенчатую древовидную структуру на оптических фильтрах, каждый, из которых объединяет нечетные и четные каналы и имеет элементы для управляемой перестройки спектральных характеристик.
В общем случае в одном мультиплексоре согласно изобретению в качестве оптических фильтров одновременно могут использоваться оптические фильтры нескольких типов: однокаскадные, двухкаскадные и многокаскадные ИМЦ. В первых ступенях многоступенчатой структуры, где на вход поступают каналы с небольшим спектральным интервалом, используются двухкаскадные и даже однокаскадные ИМЦ, по мере увеличения спектрального интервала между каналами в последующих ступенях используются многокаскадные ИМЦ.
Для управляемой перестройки спектральных характеристик оптических фильтров используются электро- или термооптические устройства фазового сдвига. Управляемые извне устройства фазового сдвига обеспечивают перестройку спектральных характеристик оптических фильтров и как результат необходимую перестройку спектральных характеристик всего управляемого оптического мультиплексора. Использование электрооптического устройства фазового сдвига гарантирует предельно высокую скорость управляемой перестройки спектральных характеристик управляемого оптического мультиплексора.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров осуществления способа управляемого оптического мультиплицирования каналов с помощью управляемого оптического мультиплексора согласно изобретению и прилагаемыми чертежами, на которых показаны:
Фиг.1А - схема известного однокаскадного ИМЦ,
Фиг.1Б - условное изображение известного однокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.1А,
Фиг.2 - зависимости коэффициентов передачи от оптической частоты для однокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.1А,
Фиг.3А - схема известного двухкаскадного ИМЦ,
Фиг.3Б - условное изображение известного двухкаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.3А,
Фиг.4 - зависимости коэффициентов передачи от оптической частоты для двухкаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.3А,
Фиг.5А - схема известного многокаскадного ИМЦ с нулевой или почти нулевой дисперсией, включающего три двухкаскадных ИМЦ,
Фиг.5Б - условное изображение известного многокаскадного фильтра, показанного на Фиг.5А,
Фиг.6 - схема выполнения одного из вариантов управляемого оптического мультиплексора согласно настоящему изобретению.
Наилучший вариант осуществления изобретения
Согласно изобретению основным элементом управляемого оптического мультиплексора является несимметричный интерферометр Маха-Цендера или, как условились его называть, однокаскадный ИМЦ. Это известное и часто используемое в оптике устройство (М.Born, E.Wolf. "The Optic Base", Pergamon Press, Oxford, Fifth Oxford, Fifth Edition, 1975, pp.312-316; Перевод на русский язык: М.Борн и Э.Вольф. "Основы оптики". Пер. под ред. Г.П.Мотулевича. М., Наука, 1970, с.342-346).
Однокаскадный ИМЦ может быть выполнен с помощью различных компонент и технологий, в том числе с использованием волоконно-оптических разветвителей, светоделителей, зеркал-призм, поляризаторов. Наиболее оптимальным для использования в многоступенчатой структуре является однокаскадный ИМЦ в планарном выполнении.
На Фиг.1А приведено схематичное изображение волноводного варианта однокаскадного ИМЦ 10, его условное изображение приведено на Фиг.1Б.
1
2
1
2
Устройство 10 размещено на одной подложке 11, где сам однокаскадный ИМЦ 12 образован расположенными между первым 13 и вторым 14 разветвителями двумя плечами 12-1 и 12-1, сформированными волноводами неравной длины 1 и 1 соответственно. Коэффициенты связи k и k разветвителей 13 и 14 равны и делят оптическую мощность в соотношении 50/50. Однокаскадный ИМЦ 12 имеет выводы а и b с одной стороны и выводы с и d с другой стороны.
При этом однокаскадный ИМЦ в плече 12-2 содержит устройство 15 фазового сдвига, которое является управляемым элементом, используемым для настройки спектральных характеристик, и может вносить дополнительный фазовый сдвиг φ в фазу пробегающей волны.
3
Величина фазового сдвига φ регулируется с помощью термооптического или электрооптического эффекта с помощью электрического тока или напряжения. Соответственно устройство 15 фазового сдвига может быть изготовлено с использованием термооптического материала, например силикона, или электрооптического материала, например ниобата лития (LiNbO) 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.
При вводе через порт а излучения единичной мощности интенсивность света в двух выходных портах с и d может быть выражена: с помощью коэффициентов передачи
ac
ad
K(ν, φ) и K(ν, φ):
1
2
где D=2πnΔLν/c - фазовая задержка, обусловленная разной оптической длиной плеч 22-1 и 22-1; ΔL=l-l; n - показатель преломления материала; ν - оптическая частота и с - скорость света в пустоте.
bc
bd
При возбуждении через порт b интенсивность света в тех же выходных портах 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 волн λ) коэффициенты передачи (1)÷(4) становятся спектральными характеристиками однокаскадного ИМЦ. Как можно видеть, спектральные характеристики (1)÷(4) являются периодическими функциями частоты света ν и длины волны λ, разности длин плеч ΔL, показателя преломления n и фазового сдвига φ.
Для работоспособности однокаскадного ИМЦ существенны следующие его свойства:
- расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках (1)÷(4) в единицах оптической частоты Δν и в единицах длин волн Δλ равны:
- коэффициенты передачи (1)÷(4), соответствующие переходу оптического излучения с одного входного порта на два выходных порта, отличаются но 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 (длин волн); это приводит, в частности, при изменении фазового сдвига на δφ=±π к инверсии сигналов на выходах;
- коэффициенты передачи не изменяются при перестановке индексов, 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 длины волн (длины волн), которых совпадают с положением экстремумов в зависимостях коэффициентов передачи от частоты (длины волн), сигналы разделяются на две группы, которые выводятся на разные выходы. Одна группа содержит нечетные каналы, другая группа - четные каналы, 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, обе группы каналов объединяются в один оптический поток с более плотным размещением каналов.
Устройства, выполняющие функцию разделения каналов на нечетные и четные 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 и в настоящем изобретении 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 использовании оптического фильтра в составе какого-либо конкретного устройства.
ac
ad
ac
ad
Ни Фиг.2 показаны коэффициенты передачи K(ν, φ) и K(ν, φ) как функции оптической частоты для некоторого однокаскадного ИМЦ, 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 объединения четных и нечетных каналов в один общий поток 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.2, недостаток данного оптического фильтра - неплоские вершины и медленно спадающие края линий 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 (US, 6782158, В). 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, B), двухкаскадные ИМЦ, которые могут быть выполнены как с помощью волоконно-оптических разветвителей, светоделителей, зеркал-призм, поляризаторов и других устройств, так и в интегрально-оптическом виде, и содержать при этом устройства фазового сдвига.
1
2
3
На Фиг.3А показано схематичное изображение волноводного варианта двухкаскадного ИМЦ 30, его условное изображение приведено на Фиг.3Б. В нем используются три разветвителя 31, 32 и 33 с коэффициентами связи k, k и k соответственно, образующие два однокаскадных ИМЦ 34 и 35. Устройство 30 размещено на единой подложке 36.
34-1
34-2
35-1
35-2
1
34-1
34-2
2
35-1
35-2
2
1
При этом первый однокаскадный ИМЦ 34 образован двумя волноводами 34-1 и 34-2 неравной длины l и l соответственно. Второй однокаскадный ИМЦ 35 образован двумя волноводами 35-1 и 35-2 неравной длины l и l соответственно. Фазовые задержки D=2πn(l-l)/λ и D=2πn(l-l)/λ связаны между собой соотношением D=2·D.
В ИМЦ 34 и 35 используются устройства фазового сдвига 37 и 38, которые вносят фазовые сдвиги φ и ϕ соответственно. Двухкаскадный ИМЦ имеет выводы а и b с одной стороны и выводы е и f с другой стороны.
i
Спектральные характеристики двухкаскадного ИМЦ 30 нетрудно получить аналитически. Для трех разветвителей 31-1, 31-2 и 31-3 следует ввести матрицы T(k) (i=1, 2, 3), которые связывают амплитуды света на входе и выходе с параметрами разветвителей:
1
2
а для двух однокаскадных ИМЦ 33 и 34 - 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:
Из выражений (6)÷(9) могут быть получены все основные свойства двухкаскадных ИМЦ. Нетрудно проверить, что двухкаскадный ИМЦ при вводе излучения через порты а и b остается устройством, выполняющим функцию разделения и объединения нечетных и четных каналов. Так, при подаче оптического сигнала в порт a 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 - порт в на Фиг.3а, группы с нечетными и четными каналами меняются местами на выходных портах е и f.
44-1
44-2
ae
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, то есть ΔL=l-l. 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 (6)÷(9), что при вводе сигнала через порты е и f теряется возможность разделения на нечетные и четные каналы и соответственно объединения нечетных и четных каналов. Это следствие того, что матрицы в соответствии с выражением (6) и (7) являются некоммутируемыми. Поэтому двухкаскадные ИМЦ появляются обратимыми устройствами - два порта а и b с одной стороны могут использоваться только как входные порты, а два других порта е и f с противоположной стороны - только как выходные порты.
aе
af
1
2
3
1
2
ac
af
На Фиг.4 приведены коэффициенты передачи K(ν, φ, ϕ) и K(ν, φ, ϕ) для некоторого двухкаскадного ИМЦ как функции оптической частоты, 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 объединения четных и нечетных каналов в общий поток каналов с интервалом между соседними по частоте каналами 50 ГГц. Сплошными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K(ν, φ, ϕ), в соответствии с которой при вводе через порт а одна группа каналов (нечетные каналы) выводится на выход е, пунктирными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K(ν, φ, ϕ), ответственная за вывод другой группы каналов (четные каналы) на 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 дисперсия двухкаскадного ИМЦ остается большой и поэтому использование его как фильтра в системах связи с большой скоростью передачи данных ограничено.
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 комплементарные двухкаскадные ИМЦ, имеющие идентичные коэффициенты пропускания, но противоположные по знаку дисперсии. Комплементарность двухкаскадных ИМЦ обеспечивается определенным соотношением коэффициентов связи k, k и k в используемых двухкаскадных ИМЦ (US, 6782158, В2).
На Фиг.5А показан один из вариантов многокаскадного ИМЦ 50, который может использоваться для объединения нечетных и четных каналов; условное изображение многокаскадного ИМЦ приведено на Фиг.5Б. Устройство 50 в волноводном исполнении размещено на одной подложке (кристалле) 51 и включает три двухкаскадных ИМЦ; в первом каскаде используются два двухкаскадных ИМЦ 52 и 53, оба типа I, и во втором каскаде - двухкаскадный ИМЦ 54 типа I', то есть с противоположным знаком дисперсии.
При вводе нечетных и четных каналов соответственно через внешние порт g и h, ИМЦ 52 и 53 просто пропускают один - нечетные, а другой - четные каналы на свои выходные порты f. Объединяются же каналы с помощью ИМЦ 54, в результате они выводятся во внешний порт k. Так как дисперсии двухкаскадных ИМЦ 52 и 53 и двухкаскадного ИМЦ 54 имеют противоположные знаки, то таким образом обеспечивается нулевая или почти нулевая дисперсия всего устройства 50.
Схема одного из вариантов выполнения управляемого оптического мультиплексора согласно настоящему изобретению приведена на Фиг.6. Это управляемый оптический мультиплексор 60 конфигурации «1×8», то есть устройство для объединения восьми каналов со спектральным интервалом между соседними по частоте каналами, равным Δν=1600 ГГц.
Мультиплексор представляет собой трехступенчатую структуру типа «дерево» на семи оптических фильтрах. Четыре оптических фильтра (61-1)÷(61-4) первой ступени многоступенчатой структуры своими выходными портами соединены с двумя следующими, оптическими фильтрами 62-1 и 62-2 второй ступени, которые в свою очередь соединены своими выходными портами с оптическим фильтром ИМЦ 63 третьей ступени. Все устройство изготовлено на одной подложке 64.
Внешние оптические выводы выполнены с помощью световодов. При этом световод 65 используется как общий выходной порт, световоды 66-1, …, 66-8 - как 8 портов, каждый для ввода отдельного канала. Соединения оптических фильтров всех трех уровней, а также их портов с внешними световодами - выводами - производится волноводами 67, сформированными на подложке 64. Световоды 65, 66-1, …, 66-8 оптически согласованы с волноводами 67 с максимальной эффективностью.
Динамическое управление работой мультиплексора 60 осуществляется путем перестройки спектральных характеристик семи оптических фильтров при подаче на устройства фазового сдвига, содержащиеся во всех оптических фильтрах, соответствующих напряжений. Управление производят с помощью контроллера 68, который связан с оптическими фильтрами электрической шины 69.
Конструкция мультиплексора такова, что по мере перехода оптического сигнала с одной ступени к последующей ступени спектральные интервалы между каналами становятся в два раза меньше. Для оптических фильтров (61-1)÷(61-4) в первой ступени спектральный интервал между каналами максимальный, для оптического фильтра 63, напротив, минимальный, для оптических фильтров 62-1 и 62-2, используемых во второй ступени, спектральный интервал промежуточный. Поэтому требования к характеристикам используемых в соответствующих ступенях оптических фильтров могут быть различные. В качестве оптических фильтров в этом примере могут использоваться в первой ступени однокаскадные ИМЦ (Фиг.1Б), во второй ступени - двухкаскадные ИМЦ (Фиг.3Б) и в третьей ступени - многокаскадный ИМЦ (Фиг.5Б). Входные и выходные порты оптических фильтров второй и третьей ступеней должны быть соединены таким образом, чтобы оптический сигнал пропускался в направлении от первого ко второму каскаду двухкаскадных ИМЦ 65 и 66 и двухкаскадных ИМЦ, входящих в состав многокаскадного ИМЦ 67.
61-1
61-2
61-3
61-4
62-1
62-2
63
Расстояние ΔF между соседними экстремумами в спектральных характеристиках для оптических фильтров в трех ступенях рассматриваемого устройства следующие: для однокаскадных ИМЦ (61-1)÷(61-4): Δν=Δν=Δν=Δν=1600 ГГц; для двухкаскадных ИМЦ 62-1 и 62-2: Δν=Δν=800 ГГц и для многокаскадного ИМЦ 63: Δν=400 ГГц.
61-1
61-2
61-3
61-4
62-1
62-2
63
Соответственно разность ΔL длин плеч по выражению (5) в однокаскадных ИМЦ 61-1÷61-4 будет равна ΔL=ΔL=ΔL=ΔL=250 мкм, в первых каскадах двухкаскадных ИМЦ 62-1 и 62-2 разность равна ΔL=ΔL=125 мкм, в первых каскадах двухкаскадных ИМЦ, составляющих многокаскадный ИМЦ 63, разность длин плеч составляет ΔL=62,5 мкм (предполагается, что n=1,5).
66-1
66-8
Для дальнейшего рассмотрения целесообразно ввести понятие коэффициента передачи мультиплексора, аналогичного по смыслу используемому выше при рассмотрении ИМЦ, но в данном случае имеющего отношение к передаче оптического сигнала с одного из входных портов (66-1)÷(66-8) мультиплексора на общий выходной порт 65. Коэффициенты передачи мультиплексора, которые обозначим как К+К, определяются произведением коэффициентов передачи оптических фильтров, через которые оптический сигнал проходит перед тем как оказывается на общем выходе 65. Например, коэффициент передачи с входного порта 66-3 в выходной порт 65 имеет вид:
где три сомножителя в правой части являются коэффициентами передачи трех оптических фильтров 61-2, 62-1 и 63, верхние индексы соответствует номеру оптического фильтра, а нижние индексы - входным и выходным портам оптического фильтра.
n
n
Очевидно коэффициенты передачи мультиплексора являются функцией оптической частоты и фазовых сдвигов {φ} и {ϕ}. Для мультиплексора 60 при правильной настойке фазовых сдвигов для всех семи оптических фильтров каждый из восьми коэффициентов передачи должен иметь максимальное значение для несущей частоты одного каналов и минимальное - для частот других каналов.
n
n
66-3
3
66-3
3
n
n
При некоторых фазовых сдвигах {φ*} и {ϕ*} - фаз в первом и втором каскадах, используемых ИМЦ, коэффициент передачи с входного порта 66-3 в входной порт должен иметь значения: К(ν)≈1 и К(ν)≈0 при ν≠ν. Соответствующий вид при фазовых сдвигах {φ*} и {ϕ*} имеют и другие коэффициенты передачи демультиплексора 60, естественно для частот других каналов.
Пусть на входные порты мультиплексора 60 поступают входные сигналы - восемь каналов с распределением каналов по входным портам в соответствии с табл.1.
Таблица 1
Распределение каналов по входным портам
Входной порт
66-1
66-2
66-3
66-4
66-5
66-6
66-7
66-8
Несущая частота канала
ν<sub>1</sub>
ν<sub>5</sub>
ν<sub>3</sub>
ν<sub>7</sub>
ν<sub>2</sub>
ν<sub>6</sub>
ν<sub>4</sub>
ν<sub>8</sub>
n
n
При значениях фазовых сдвигов {φ*} и {ϕ*} мультиплексор 60 функционирует как обычный мультиплексор с фиксированными частотами каналов. Однокаскадные ИМЦ (61-1)÷(61-4) первого уровня попарно объединяют каналы и направляют их через четыре своих выходных порта на второй уровень - к двухкаскадным ИМЦ 62-1 и 62-2. Двухкаскадные ИМЦ 62-1 и 62-2 вновь объединяют каналы и направляют их на следующий уровень многоступенчатой структуры. На третьем уровне после прохождения волн через ИМЦ 63 все каналы объединятся и поступают на общий выходной порт 63.
i
i
i
n
n
Пусть теперь на входные порты мультиплексора начинают поступать сигналы, новые центральные частоты каналов {ν} которых все сдвинуты на величину δν<Δν, то есть ν=ν+δν. Для того чтобы мультиплицировать и объединить каналы с новыми оптическими несущими по отдельным выходным портам, следует произвести изменения фаз {φ*} и {ϕ*} в соответствии с выражением (10). Например, чтобы перейти в режим мультиплицирования каналов, частоты которых сдвинулись на величину δν=50 ГГц, необходимо изменить фазовые сдвиги в соответствии с табл.2.
Таблица 2.
Изменения фаз {φ<sub>n</sub>} и {ϕ<sub>n</sub>} при сдвиге частот каналов δν=50 ГГц
ИМЦ (61-1)÷(61-4)
ИМЦ 62-1 и 62-2
ИМЦ 63
1-е каскады
δφ<sub>61-4</sub>÷δφ<sub>64</sub>=-π/32
δφ<sub>62-1</sub>=δφ<sub>62-2</sub>=-π/16
δφ<sub>63</sub>=-π/8
2-е каскады
δ<sub>ф62-1</sub>=δ<sub>ф62-1</sub>=-π/8
δ<sub>ф63</sub>=-π/4
N
N-n
n
Другие варианту управляемого оптического мультиплексора согласно настоящему изобретению могут отличаться от рассмотренного устройства 60 количеством и типом используемых оптических фильтров. В общем случае для управляемого оптического мультиплексора конфигурации «М×1», где М - значение из ряда 4, 16, 32, …2 при N≥2, количество ступеней в многокаскадной структуре есть N, при этом в каждой n-й ступени при n=1, 2, …N должно использоваться 2 оптический фильтров, и суммарное количество оптических фильтров, следовательно, равно 2-1. Например, для мультиплицирования 32 каналов необходимое количество ступеней возрастает до 5, а количество используемых оптических фильтров до 31.
N
N
Настройка оптических фильтров в каждой ступени должна производиться таким образом, чтобы для оптической частоты каждого из 2 каналов коэффициенты передачи с одного из 2 входов указанной N-ступенчатой структуры на выход имели бы максимальное значение.
Для управляемого оптического мультиплексора, предназначенного для использования в системе DWDM, чтобы обеспечить, с одной стороны, требуемые технические параметры, а с другой стороны, уменьшить стоимость, целесообразно использовать в первых ступенях однокаскадные ИМЦ, в последующих ступенях, при среднем спектральном интервале между каналами двухкаскадные ИМЦ и, наконец, в последних ступенях, где на вход поступают каналы с небольшим интервалом, - многокаскадные ИМЦ.
Для управляемого оптического мультиплексора, предназначенного для систем CWDM, в качестве оптических фильтров можно использовать двухкаскадные или даже однокаскадные ИМЦ. Заметим, что в силу обратимости оптических характеристик однокаскадных ИМЦ соответствующее устройство в целом будет также обратимым, то есть его можно использовать как управляемый мультиплексор/демультиплексор.
Управляемые оптические мультиплексоры могут иметь применение не только в системах связи со спектральным уплотнением, но и в ряде других систем, например в многоканальных системах датчиков, для оптической фильтрации, в аналоговых системах самого различного назначения.
n
n
1
5
61-1
Например, описанный выше управляемый оптический мультиплексор 60 может быть использован в оптической системе с фиксированными частотами каналов, в которой возможны ситуации, когда каналы на входах меняются местами. Требуемое функционирование можно обеспечить также с помощью соответствующих изменений величины фазовых сдвигов {φ} и {ϕ}. Например, если необходимо на входах 66-1 и 66-2 поменять местами каналы с несущими частотами ν и ν, а распределение всех других каналов на входных портах оставить прежним, то следует с помощью устройства фазового сдвига в однокаскадном ИМЦ 61-1 изменить фазу φ:
61-1
61-1
61-1
61-1
φ*→φ*+δφ, где δφ=±π.
Использование интегрально-оптических технологий для изготовления представляется решающим фактором для того, чтобы управляемый оптический мультиплексор согласно настоящему изобретению имел необходимую устойчивость к внешним воздействиям, большое число каналов, высокое быстродействие. Использование унифицированных типовых элементов в конструкции - однокаскадных и/или двухкаскадных, и/или многокаскадных ИМЦ позволяет использовать автоматизированные технологические операции, что обеспечит высокие технические характеристики и относительно низкую стоимость изготовления мультиплексоров.
Выбор используемых оптических фильтров - однокаскадных, двухкаскадных или многокаскадных ИМЦ - должен производиться с учетом специфики конкретной оптической системы связи. В качестве устройств фазового сдвига могут использоваться как электрооптические, так и термооптические устройства, при этом электрооптические устройства фазового сдвига могут гарантировать предельно высокую скорость перестройки спектральных характеристик мультиплексора.
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 управляемого оптического мультиплексора согласно изобретению, не выходящие за рамки формулы изобретения.
Промышленная применимость
Способ управляемого мультиплексирования согласно изобретению с помощью управляемого оптического мультиплексора согласно настоящему изобретению может использоваться в волоконно-оптических линиях и системах связи со спектральным уплотнением каналов, в том числе в магистральных линиях связи, где используется DWDM-технология, и в региональных, городских и локальных системах связи, где используется CWDM-технология.
Управляемый оптический мультиплексор согласно настоящему может быть реализован с помощью существующих интегрально-оптических технологий.