Оптический волноводный спектральный переключатель

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к системам волоконно-оптической связи, а также к лазерным системам, используемым в информатике, сенсорике, оргтехнике и медицине. Оптический волноводный спектрально-селективный переключатель состоит из оптического спектрального демультиплексора и выходного оптического волноводного пространственного переключателя. Каждый волноводный выход демультиплексора соединен с одним из волноводных входов переключателя. На входе демультиплексора располагается дополнительный входной волноводный пространственный переключатель с волноводными выходами, каждый из которых соединяется с одним из волноводных входов демультиплексора. Выходной пространственный переключатель имеет число волноводных входов, каждый из которых соединен с одним из группы волноводных выходов демультиплексора. На волноводные выходы демультиплексора поступает группа из выбираемых несущих длин волн с равноотстоящими спектральными линиями с интервалом, кратным минимальному интервалу в спектре несущих длин волн. Группа из входных волноводов демультиплексора выбирается так, что при переключении спектрально мультиплексированного светового сигнала с одного выбираемого входа демультиплексора на другой на входные волноводы выходного переключателя поступает другая выбираемая группа из выбираемых несущих длин волн. Технический результат - получение селектора со значительно меньшим количеством переключателей и, следовательно, с меньшими потерями света, с более низкими тепловыми нагрузками при большем числе выделяемых спектральных сигналов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

 

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к системам волоконно-оптической связи, а также к лазерным системам, используемым в информатике, сенсорике, оргтехнике и медицине.

Известен интегрально-оптический спектральный переключатель, выделяющий излучение с одной длиной волны из совокупности сигналов на многих длинах волн посредством следующих трех операций: спектрального разложения, управляемой оптической фильтрации и, наконец, спектрального объединения сигналов в одном канале. Устройство состоит из двух планарных оптических спектроскопов, первый из которых является оптическим спектральным демультиплексором (сокращенно - ОСД), второй - мультиплексором (ОСМ). Между ними расположен управляемый оптический фильтр в виде линейки волноводных оптических ключей (вентилей), который соединяет выходы демультиплексора на различных длинах волн с соответствующими входами мультиплексора (A.J.Ticknor and K.G.Purchase, "Integrated Switches For Recofigurable Optical Add-Drop Modules", Proc. SPIE, vol.3949, p.156 (2000)). Основным недостатком этого селектора является большое количество оптических ключей (по числу разделяемых каналов К), а также сравнительно большие потери света на выходном мультиплексоре.

Известен также интегрально-оптический спектральный переключатель, выполненный на базе ОСД/ОСМ и линейки полупроводниковых усилителей (Y.Tachikawa, Y.Inoue, M.Ishii, Т.Nozawa "Arrayed-Waveguide Grating Multiplexer with Lopp-Back Optical Paths and Its Applications" J. of Ligthwave Technol. v.14, №6, 1996). В устройстве выходы демультиплексора соединены через полупроводниковые усилители с его входами, после чего он функционирует как мультиплексор. Выбор излучения с требуемой длиной волны осуществляется путем включения соответствующего усилителя. Основньм недостатком устройства является сложность его технологической реализации на активной подложке (четверной гетероструктуре на фосфиде индия) и, следовательно, высокая стоимость, необходимость использования большого количества полупроводниковых усилителей с идентичными параметрами, а также невысокий коэффициент селекции выделяемого по длине волны сигнала на фоне остальных сигналов.

Наиболее близким аналогом заявляемому устройству является интегрально-оптический спектральный переключатель, построенный из волноводного спектроскопа и оптического волноводного коммутатора. Этот спектральный переключатель выделяет излучение на одной длине волны из совокупности сигналов (мультиплексированного сигнала), на 32 длинах волн с фиксированным интервалом δλ (минимальный спектральный интервал) между ними, распространяющихся по одному волоконному световоду. Он состоит из ОСД и волноводного пространственного переключателя типа N×1, который устанавливает оптическую связь между одним из N входных каналов и одним выходным каналом. Переключатель имеет древовидную структуру и состоит из переключательных элементов 2×1, выполненных на основе интегрально-оптических интерферометров Маха-Цандера (I.Shake, R.Kasahara, H.Takara, M.Ishil, Y.Inone, T.Ohara, Y.Hibino, S.Kawanishi "WDM signal monitoring utilizing asynchronous sampling and wavelenght selection based on thermo-optics switch and AWG" Proceedings ECOC-2003 We 4, p.112). Недостатком этого спектрального селектора излучения является необходимость использования для выделения одного сигнала большого количества оптических переключателей, а именно К-1 переключатель, где К - количество выделяемых длин волн. Одновременная работа большого количества термооптических переключателей сопровождается существенным выделением тепловой энергии, отвод которой с одновременной стабилизацией теплового режима интегральной схемы может представлять собой нетривиальную задачу. Кроме того, потери света в наборе переключателей являются основным моментом, ограничивающим число выделяемых сигналов.

С помощью предлагаемого спектрального интегрально-оптического селектора решается техническая задача получения селектора со значительно меньшим количеством переключателей и, следовательно, с меньшими потерями света, с более низкими тепловыми нагрузками при большем числе выделяемых спектральных сигналов.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном спектральном селекторе излучения, содержащем интегрально-оптический демультиплексор и набор термооптических переключателей, следующих за ним, на входе устройства, т.е. перед демультиплексором, введен дополнительный набор переключателей, позволяющий изменять положение входных сигналов на входе демультиплексора.

В частности, набор всех необходимых переключателей расположен на входе спектрального селектора, т.е. перед демультиплексором.

В частности, устройство содержит контроллер, управляющий как работой переключателей на выходе селектора, так и на входе селектора.

В частности, переключатели, работающие как интерферометры Маха-Цандера, могут быть электрооптические, акустооптические, магнитооптические и электростатические.

В частности, переключатели могут быть выполнены в виде микромеханических переключателей оптических каналов, изготовленных по технологии MEMS.

В частности, набор переключателей на выходе селектора, т.е. расположенный после демультиплексора, выполнен в виде сдвоенной системы наборов переключателей, позволяющей выделять одновременно два соседних канала связи.

В частности, устройство со сдвоенной системой наборов переключателей, выделяющее два соседних канала связи, снабжено набором источников света, передающим информацию в обратном направлении.

Суть изобретения основана на том, что интегрально-оптический демультиплексор ОСД обладает свойством инвариантности картины спектрального разложения относительно пространственного сдвига входного волокна (изопланатизм). Изменение положения входного канала на входе устройства, а также выделение сигнала с заданной длиной волны на выходе устройства реализуется с помощью двух древовидных наборов 1×N_b, и N_w×1 переключателей соответственно (где N_b - количество выходов выходного переключателя, которое равно количеству поддиапазонов, на которые делится весь диапазон принимаемых сигналов; N_w - количество входов выходного переключателя, которое равно количеству разделяемых длин волн в поддиапазоне), состоящих из оптических переключателей 2×2. В общем случае суммарное количество оптических переключателей S, используемых в устройстве, определяется формулой S=N_b+N_w-2, при этом N_b·N_w=K, где К - число спектрально уплотненных сигналов на входе селектора, равное числу несущих длин волн спектрально мультиплексированного сигнала. Минимальное количество переключателей будет иметь место при . В общем случае оптимальное количество поддиапазонов N_b и число длин волн в них N_w определяется по формулам

, N_w = округление до большего целого (K/N_b). Или наоборот:

, N_b = округление до большего целого (K/N_w).

Таким образом, в отличие от обычного селектора, в котором необходимое число переключателей равно (К-1), в предлагаемом устройстве в общем случае используется переключателей, т.е. общее число переключателей в оптическом селекторе сокращается почти в раз.

Для демонстрации свойства изопланатизма демультиплексора рассмотрим упрощенную схему демультиплексора, представленную на фиг.1. Демультиплексор представляет собой набор канальных волноводов различной длины, такой, что L_i+1-L_i=ΔL=const. Концы волноводов эквидистантно расположены на одной прямой и образуют решетку с периодом d. Вход и выход демультиплексора представляют собой также систему канальных волноводов, период расположения которых равен . Излучение из входных каналов попадает в набор канальных волноводов через линзу и после набора волноводов на выходные каналы также через линзу. Условием прохождения света через демультиплексор является равенство

где n^* - эффективный показатель преломления планарного волновода, - эффективный показатель преломления канального волновода, α и ϕ - углы, обозначенные на фиг.1, λ - длина волны света и m - порядок интерференции света.

Обычно демультиплексор характеризуется так называемой центральной длиной волны λ_ц, определяемой соотношением

поэтому:

sinα+sinϕ=0.

Это означает, что свет, введенный в демультиплексор через входной канальный волновод, лежащий на оси демультиплексора, появится спектрально разложенным в выходных каналах. Спектр света распределится таким образом, что свет с длиной волны λ_ц появится в канале, лежащем на оси демультиплексора, свет с большими длинами волн λ>λ_ц появится в каналах, лежащих ниже оси, а свет с меньшими длинами λ<λ_ц волн в каналах, лежащих выше оси демультиплексора (см. фиг.1). Появление света в соответствующих выходных каналах обусловлено, конечно, эквидистантностью расположения длин волн в спектре оптического сигнала. Если спектрально уплотненный сигнал вводится в демультиплексор через входной канал, лежащий выше (или ниже) центрального входного канала, то на выходе демультиплексора спектр выходного сигнала пространственно смещается ниже (или выше) относительно первоначального распределения, т.е., например, свет с центральной длиной волны появится в канале, лежащем ниже (или выше) центрального выходного канала. В этом и состоит свойство изопланатизма рассматриваемого демультиплексора.

Мультиплексоры характеризуются количеством входных каналов и количеством выходных каналов и частотным интервалом расположения входов/выходов. Обычно мультиплексоры являются симметричными, т.е. частотный интервал для входных каналов равен частотному интервалу выходных и количество входных каналов равно количеству выходных. В этом случае мультиплексор обычно обозначается как М×М, что означает, что он имеет М входных каналов и М выходных. В ряде случаев мультиплексор может быть несимметричным, т.е. количество входов не соответствует количеству выходов и/или частотный интервал для входных каналов не равен частотному интервалу выходных.

Изобретение поясняется чертежом (см. фиг.2), на котором представлена схема заявляемого спектрального селектора излучения. Селектор содержит входной набор переключателей (1×2) 1, демультиплексор 2 и выходной набор переключателей (2×1) 3, выполненных на единой подложке. Переключатели снабжены электродами 4, представляющими собой металлические полоски, нанесенные вдоль канальных волноводов переключателей. Переключатель переходит из одного состояния в другое путем подачи электрического напряжения на электроды 4. Кроме того, устройство снабжено контроллером 5, управляющим переключателями.

На фиг.3 изображен спектральный селектор, выделяющий два соседних канала одновременно. Селектор содержит набор переключателей (1×2) 1, демультиплексор 2 и выходной набор сдвоенных переключателей (2×1) 6, выполненных на единой подложке. Кроме того, устройство снабжено контроллером 7, управляющим переключателями. На фиг.3в представлена в качестве примера схема сдвоенного набора переключателей (4×2), позволяющего выделять одновременно два канала связи.

Заявляемый спектральный селектор излучения работает следующим образом. Допустим необходимо выделить сигнал одной спектральной составляющей из 16 спектрально уплотненных компонент этого сигнала. Для этого прежде всего необходим демультиплексор с 16 входными и 16 выходными каналами, можно конечно использовать демультиплексор и с большим числом каналов, но не меньше. Допустим на входе устройства имеется только один переключатель, как изображено на фиг.4. Излучение из волоконного световода поступает на вход переключателя 1 и затем на вход демультиплексора. Если переключатель на входе находится в положении "а", то сигнал из волокна попадает на вход "8" демультиплексора и на выходе демультиплексора появляется К сигналов с разными длинами волн излучения. Половина выходных каналов демультиплексора 2 соединена с входами набора переключателей 3. Этот набор переключателей выделяет из совокупности спектральных компонент сигнала, поступающих на его вход, сигнал с одной длиной волны, который затем передается на выходное волокно. Если переключатель 1 на входе находится в положении "б", то сигнал из волокна попадает на вход "16" демультиплексора и на выходе демультиплексора появляется те же К сигналов, но теперь спектр этих сигналов сдвинут относительно выходных каналов так, что вторая половина спектральных сигналов попадает на вход набора переключателей 3. Затем набор переключателей 3 выделяет заданный спектральный сигнал из второй половины спектрально уплотненных каналов. В силу того, что в селекторе излучения на входе использован один переключатель, на выходе его появляется возможность для выделения требуемого сигнала использовать меньшее число переключателей (К/2-1).

Согласно вышеизложенному, при заданном числе К выделяемых каналов существует минимальное число переключателей для выделения требуемого сигнала.

Если К=2²ⁿ, где n=1, 2, 3, ..., то общее число S переключателей равно .

В случае 16 каналов (16 сигналов) минимальное число переключателей равно 6, из которых 3 переключателя располагаются перед демультиплексором и 3 - после него. На фиг.4 представлена схема 16-канального селектора с минимальным числом переключателей. Вход демультиплексора имеет 4 канала, в каждый из них подается суммарный спектрально уплотненный сигнал из волоконного световода. Этот сигнал подается на тот или иной вход в соответствии с управляющим сигналом контроллера.

Как выбираются упоминаемые здесь входы демультиплексора? Прежде всего необходимо определиться с положением выходов. Выходов всего 4 и они располагаются в центре, т.е. если демультиплексор по сути своей имеет 16 пронумерованных выходов от 1 до 16, то набор выходных переключателей подсоединяется к выходу №7, №8, №9 и №10. Положим теперь, что центральной длиной волны света является λ₈=λ_ц=1,55 мкм. При указанном подключении выходного набора переключателей на вход демультиплексора суммарный спектрально уплотненный сигнал должен быть подан на вход демультиплексора №2, №6, №10 и №14.

Необходимо отметить, что работающая комбинация входов и выходов, рассмотренная здесь, не является единственной. В таблице, приведенной ниже, отмечены все возможные работающие комбинации входов и выходов для демультиплексора с 16 спектральными каналами и четырьмя каналами на выходе. Рассмотренная выше комбинация входов и выходов отличается от других большей однородностью амплитудного распределения выходного сигнала по спектру и поэтому она наиболее практична. Причем количество вариантов подключения входного каскада и, соответственно, выходного равно отношению количества разделяемых длин волн в применяемом демультиплексоре к количеству используемых поддиапазонов N_b. Следует отметить, что при задаче разделения К длин волн в описываемом устройстве возможно применение лишь тех конструкций демультиплексоров, которые рассчитаны на разделение К или большего числа длин волн.

Как уже отмечалось выше, в предлагаемом спектральном селекторе требуемое число переключателей равно S=N_b+N_w-2. Однако следует отметить, что число их уменьшается в селекторе излучения, выделяющем одновременно два соседних канала. Поскольку в таком селекторе используется сдвоенный набор переключателей, то в выходном наборе переключателей необходимо только переключателей типа (2×1). Тогда общее число требуемых переключателей достигает величины S=N_b+N_w-3.

Спектральный селектор, основанный на демультиплексоре и наборе термооптических переключателей, в настоящее время широко используется для мониторинга WDM-сигнала. Количество спектральных каналов в WDM-сигнале, который может быть изучен, определяется набором термопереключателей, т.е. нагревом чипа, на котором они изготовлены. В работе I.Shake и др. (ЕСОС-2003 We 4, р.112) использован предельно возможный набор, состоящий из 31 термопереключателя. Однако уже сейчас изготавливаются демультиплексоры на 256 и даже на 512 каналов (K.Takada et al. Photonics Technol. Letters v.13, N11, p.1182, 2001). Предлагаемое устройство позволяет уже сейчас использовать спектральный селектор для мониторинга WDM-сигнала с 256 спектральными компонентами.

1. Оптический волноводный спектрально-селективный переключатель, состоящий из оптического спектрального демультиплексора типа М×М, разрешающего К≤М несущих длин волн спектрально мультиплексированного сигнала и выходного оптического волноводного пространственного переключателя типа N_w×1, расположенных так, что каждый волноводный выход демультиплексора соединен с одним из волноводных входов переключателя, отличающийся тем, что на входе спектрального демультиплексора располагается дополнительный, входной, волноводный пространственный переключатель типа 1×N_b с числом волноводных выходов N_b<K, каждый из которых соединяется с одним из волноводных входов демультиплексора, а выходной пространственный переключатель типа N_w×1 имеет число волноводных входов N_w<K, каждый из которых соединен с одним из группы волноводных выходов демультиплексора, на которые поступает группа из N_w выбираемых несущих длин волн с равноотстоящими спектральными линиями с интервалом, кратным минимальному интервалу в спектре несущих длин волн, при этом группа из N_b входных волноводов демультиплексора, подсоединяемых к входному переключателю, выбирается так, что при переключении спектрально мультиплексированного светового сигнала с одного выбираемого входа демультиплексора на другой, за счет соответствующего смещения изображения спектра сигнала в выходном оптическом каскаде демультиплексора, на входные волноводы выходного переключателя поступает другая выбираемая группа из N_w выбираемых несущих длин волн.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для селекции К несущих длин волн спектрально мультиплексированного сигнала, причем К такое, что К=Н², где Н - любое целое число больше единицы, количество адресуемых волноводных выходов входного переключателя N_b равно числу входов N_w выходного переключателя, то есть N_b равно числу входов N_w выходного переключателя, то есть N_b=N_w=H