Демультиплексор со спектральным разделением на основе упорядоченной волноводной дифракционной решетки

Изобретение относится к оптическим системам связи. Технический результат заключается в увеличении оптической мощности полезного сигнала за счет снижения требований к точности изготовления дисперсионного элемента, уменьшения перекрестных помех в каналах, за счет уменьшения регулярных и случайных фазовых ошибок. Сущность изобретения состоит в том, что в демультиплексоре, содержащем сформированные на единой подложке волноведущий слой, геодезическую линзу, оптически связанную с входным одномодовым оптическим волокном и дисперсионным элементом в виде упорядоченной волноводной дифракционной решетки, выходную геодезическую линзу, оптически связанную с дисперсионным элементом и выходными волноводами, все канальные волноводы дисперсионного элемента имеют одинаковую длину и каждый канальный волновод имеет два участка с разной толщиной, при этом разность длин соответствующих участков для любой пары соседних канальных волноводов является постоянной величиной. 2 ил.

 

Изобретение относится к демультиплексору со спектральным разделением (WDM) на основе упорядоченной волноводной дифракционной решетки (AWG).

Предшествующий уровень.

Известен демультиплексор со спектральным разделением на основе упорядоченной волноводной решетки [1, рис.8.11].

Он содержит одномодовое входное оптоволокно, сформированные на единой подложке звездообразный ответвитель, служащий для направления оптических сигналов через канальные волноводы, канальные волноводы разной длины в виде упорядоченной волноводной дифракционной решетки, которые позволяют оптическим сигналам иметь различные фазы, второй звездообразный ответвитель, предназначенный для дифракции оптических сигналов друг с другом, множество выходных волноводов, согласованных со вторым звездообразным ответвителем.

В известном демультиплексоре используются канальные волноводы с одинаковым значением величины фазового замедления канальных волноводов γ_к, но отличающиеся друг от друга по длине на постоянную величину Δl, причем эта разность для любой пары соседних волноводов постоянна.

Недостатком данного демультиплексора является то, в процессе изготовления необходимо следить за тем, чтобы разность длин канальных волноводов Δl для каждой пары канальных волноводов была постоянной. Помимо этого, в конструкцию демультиплексора необходимо вводить дополнительные элементы для получения его оптимальных спектральных характеристик.

Наиболее близким техническим решением является устройство, изложенное в [2], представляющее собой сформированные на единой подложке волноведущий слой, оптический расщепитель, выполненный в виде разветвителя или линзы, связанный с входным одномодовым оптическим волокном и дисперсионным элементом в виде упорядоченной волноводной дифракционной решетки, выходной оптический расщепитель, также выполненный в виде разветвителя или линзы, связанный с дисперсионным элементом и выходными волноводами. Как и в известном демультиплексоре, устройство содержит канальные волноводы с одинаковым значением величины фазового замедления канальных волноводов γ_к, но отличающиеся друг от друга по длине на постоянную величину Δl, причем эта разность для любой пары соседних волноводов, которые служат для направления части оптических сигналов через канальные волноводы, постоянна, и в то же время позволяет оптическим сигналам иметь различные фазы, второй оптический расщепитель для дифракции оптических сигналов друг с другом, множество выходных волноводов, присоединенных ко второму расщепителю и адаптированных таким образом, чтобы давать на выходе интерферирующие оптические сигналы, и настроечные оптические волокна, присоединенные к выходу первого расщепителя, служат для направления оставшихся оптических сигналов, вышедших из первого расщепителя, независимо от длин волн оптических сигналов, а также содержит устройство для настройки демультиплексора, снабженного настроечными волноводами в виде упорядоченной волноводной решетки, настраиваемыми совместно с волноводами демультиплексора, и множество функциональных оптических волокон, настраиваемых совместно с функциональными волноводами демультиплексора.

Недостатком прототипа является то, что для достижения оптимальных рабочих характеристик в конструкцию демультиплексора необходимо вводить дополнительные элементы (например, устройство с настроечными волноводами для настройки демультиплексора). К подобному демультиплексору предъявляются жесткие требования к точности изготовления канальных волноводов. Необходимо выдержать постоянной разность длин канальных волноводов Δl для каждой пары канальных волноводов. Малейшая неточность приводит к регулярным и случайным фазовым ошибкам, которые могут быть вызваны, в частности, неоднородностью периода дифракционной решетки Λ и шага изменения длины канального волновода Δl, что в итоге приводит к уширению фокальных пятен в выходных канальных волноводах, уменьшению мощности оптического канала и к увеличению перекрестных помех в каналах.

Предложенное устройство решает техническую задачу увеличения оптической мощности полезного сигнала за счет снижения требований к точности изготовления дисперсионного элемента с канальными волноводами одинаковой длины, уменьшения перекрестных помех в каналах, за счет уменьшения регулярных и случайных фазовых ошибок.

Решаемая техническая задача достигается тем, что в демультиплексоре, содержащем сформированные на единой подложке волноведущий слой, геодезическую линзу, оптически связанную с входным одномодовым оптическим волокном и дисперсионным элементом в виде упорядоченной волноводной дифракционной решетки, выходную геодезическую линзу, оптически связанную с дисперсионным элементом и выходными канальными волноводами, все канальные волноводы упорядоченной волноводной дифракционной решетки имеют одинаковую длину и каждый канальный волновод имеет два участка с разной толщиной, при этом разность длин соответствующих участков для любой пары соседних канальных волноводов является постоянной величиной.

По существу все каналы демультиплексора со спектральным разделением на основе упорядоченной волноводной дифракционной решетки изготавливаются одинаковой длины и с двумя участками разной толщины. Использование заранее изготовленных шаблонов и широко известных технологических методов (в т.ч. фотолитографических) приводит к упрощению технологического процесса, а следовательно, регулярные и случайные фазовые ошибки при аналогичной погрешности в изготовлении будут как минимум на порядок ниже.

Предложенное устройство представлено на фиг.1, где

1 - подложка;

2 - волноведущий слой;

3 - входная геодезическая линза;

4 - входное одномодовое оптическое волокно;

5 - дисперсионный элемент в виде упорядоченной волноводной дифракционной решетки, состоящей из канальных волноводов одинаковой длины;

6 - выходная геодезическая линза;

7 - выходные канальные волноводы;

8 - длина дисперсионного элемента;

9 - длина участка канального волновода с большей толщиной;

10 - длина участка канального волновода с меньшей толщиной;

11 - разность соответствующих участков канальных волноводов для любых соседних канальных волноводов.

Устройство работает следующим образом:

По одномодовому входному волокну (4) распространяются N оптических сигналов с несущими длинами волн λ₁, λ₂, ..., λ_N. Волокно соединяется с волноведущим слоем (2) мультиплексора. Это значит, что на подложке (1), выполненной из оптически прозрачного материала, создается волноведущий слой (2), по которому распространяется оптическое излучение за счет явления полного внутреннего отражения.

Подложка (1) и волноведущий слой (2) образуют плоский волновод, в котором распространяется единственная низшая мода H₁, с фазовым замедлением (эффективным показателем преломления) γ_n.

Поскольку поперечный размер поля в одномодовом волокне порядка 10-12 мкм, то введенное в плоский волновод излучение сильно расходится. На пути этого расходящегося пучка помещается планарный фокусирующий элемент - геодезическая линза (3), причем расстояние между торцом волокна и центром линзы равно ее фокусному расстоянию f₁. Располагая геодезическую линзу таким образом, мы формируем плоско-параллельный фазовый фронт, равный апертуре D дисперсионного элемента (5) демультиплексора в виде упорядоченной волноводной дифракционной решетки для направления оптических сигналов в канальные волноводы, из которых состоит упорядоченная волноводная дифракционная решетка.

Все канальные волноводы упорядоченной волноводной дифракционной решетки имеют одинаковую длину (8), располагаются с периодом Λ, и каждый канальный волновод на своей длине имеет два участка с разной толщиной (9, 10). При этом разность длин (11) соответствующих участков для любой пары соседних канальных волноводов является постоянной величиной. Благодаря наличию двух участков с разной толщиной канального волновода (9, 10) и при обеспечении постоянной разности соответствующих участков для соседних канальных волноводов оптическое излучение с заданной длиной волны λ_i имеет на выходе дисперсионного элемента (5) ступенчатое фазовое распределение с фазовым набегом ΔФ, причем величина фазового набега равна , где Δγ_к=γ_к2-γ_к1, где γ_к2 - фазовое замедление в канальном волноводе с большей толщиной, γ_к1 - фазовое замедление в канальном волноводе с меньшей толщиной, Δγ_к - разность фазовых замедлений в канальных волноводах.

Фазовое замедление γ напрямую зависит от толщины канального волновода h.

где λ - длина волны оптического канала, n₁ - показатель преломления воздуха, который можно считать равным 1, n₂ - показатель преломления волноведущего слоя, n₃ - показатель преломления подложки.

На фиг.2 приводится график, на котором становится ясной зависимость между толщиной волновода (как плоского, так и канального) и фазовым замедлением для двух низших мод H₁ и E₁.

Фазовое замедление, а следовательно, и толщина канального волновода непосредственно влияют на основные спектральные характеристики демультиплексора. К основным спектральным характеристикам относятся: область рабочих длин волн, разрешение и максимальное число каналов.

Область рабочих длин волн Δλ дисперсионного элемента (5) определяется как разность максимального и минимального значений длин волн Δλ=λ_max-λ_min, соответствующих границам области, где сохраняется работоспособность всего устройства в целом. Как правило, Δλ ограничивается перекрытием дифракционных порядков или уменьшением интенсивности рабочего порядка.

Сохранение работоспособности устройства в целом означает сохранение одномодового режима работы всех элементов конструкции демультиплексора, в том числе дисперсионного элемента (5). Область одномодового режима определяется как разность двух длин волн, соответствующих их критическим значениям для низших H₁ и E₁ волн. Так, например, для канального волновода с большей толщиной h и показателями преломления сред n₁ n₂, n₃ и эффективным показателем преломления γ выражения для γ_max и λ_min имеют вид:

Для обеспечения максимальной области рабочих длин волн Δλ необходимо выбирать толщины канальных волноводов следующим образом:

толщина канального волновода с большей толщиной должна быть максимально возможная, при которой не нарушается одномодовый режим работы демультиплексора, толщина канального волновода с меньшей толщиной должна быть немногим более чем толщина волноведущего слоя. При таком подходе обеспечивается максимальная область рабочих длин волн.

Длины этих участков канальных волноводов должны выбираться таким образом, чтобы разность соответствующих участков (11) Δl для любой пары соседних канальных волноводов была постоянной.

L=N·Δl, где L - длина дисперсионного элемента, N - максимальное число каналов демультиплексора.

Сформировать подобную структуру достаточно просто с помощью шаблонов-масок, заранее изготовленных в соответствии с выбранными параметрами дисперсионного элемента, и фотолитографических методов. Первый шаблон формирует одинаковую длину всех канальных волноводов, второй шаблон помогает формировать разную толщину канальных волноводов.

Постоянная разность обеспечивает постоянный фазовый набег ΔФ, что в свою очередь является необходимым условием для правильной работы демультиплексора.

Разрешение δλ - наименьшее различие в длинах волн, которое удовлетворяет поставленному критерию. В нашем случае целесообразно ввести критерий, определяемый требуемым соотношением перекрестных помех в оптическом канале (обычно 30 дБ).

Максимальное число каналов демультиплексора является главной характеристикой устройства. Из определения N следует очевидный вывод: для достижения максимально возможного числа каналов необходимо увеличивать Δλ и уменьшать δλ.

Ниже представлены формулы для основных спектральных характеристик с учетом дисперсии как материальной, так и волноводной:

Здесь использованы следующие обозначения Δδ=γ(Г_к1-Г_к2)-Г(γ_к1-γ_к2)=γ·ΔГ_к-Г·Δγ_к - сомножитель, учитывающий различную дисперсию двух участков канальных волноводов с разной толщиной и плоского волновода, и - величины фазового и группового замедления для плоского волновода, а Г_к - для канального.

Как видно из выше представленных формул, фазовое замедление γ и/или разность фазовых замедлений Δγ входят в каждую формулу, а следовательно, все основные спектральные характеристики зависят от разности толщин канальных волноводов.

На выходе дисперсионного элемента (5) каждый оптический канал имеет свое фазовое распределение и распространяется под определенным углом к апертуре дисперсионного элемента (5), и, проходя через выходную геодезическую линзу (6), выполняющую роль планарного фокусирующего элемента, расположенную после дисперсионного элемента (5), оптический канал с заданной длиной волны λ_i попадает в соответствующий выходной канальный волновод (7).

Техническим результатом является:

1. Благодаря тому, что все канальные волноводы имеют одинаковую длину, можно снизить требования к точности изготовления демультиплексора в раз по сравнению с традиционными схемами.

2. Для любой схемы демультиплексора, помимо случайных, существуют так называемые регулярные ошибки. Регулярными фазовыми ошибками являются: 1) длина волноводов может быть не одинаковой l±δl; 2) разность между соседними участками канальных волноводов может иметь регулярное отклонение δ(Δl); 3) значение фазового замедления у канального волновода зависит от поперечной координаты. В предлагаемой конструкции демультиплексора благодаря тому, что длины всех канальных волноводов одинаковы, можно достаточно просто скорректировать данные виды ошибок, что приводит к улучшению основных спектральных характеристик.

Литература:

1. Р.Фримен. Волоконно-оптические системы связи. М.: Техносфера, 2003, с.217.

2. Патент RU 2180468 С1, Н 04 J 14/02 от 2000 г.

Демультиплексор со спектральным разделением на основе упорядоченной волноводной дифракционной решетки, содержащий сформированные на единой подложке волноведущий слой, геодезическую линзу, оптически связанную с входным одномодовым оптическим волокном и дисперсионным элементом в виде упорядоченной волноводной дифракционной решетки, выходную геодезическую линзу, оптически связанную с дисперсионным элементом и выходными волноводами, отличающийся тем, что все канальные волноводы упорядоченной волноводной дифракционной решетки имеют одинаковую длину и каждый канальный волновод имеет два участка с разной толщиной, при этом разность длин соответствующих участков для любой пары соседних канальных волноводов является постоянной величиной.