Управляемый оптический демультиплексор

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи со спектральным уплотнением каналов, в частности, к управляемым оптическим мультиплексорным устройствам. Технический результат заключается в демультиплицировании каналов в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться. Для чего управляемый оптический демультиплексор включает многоступенчатую структуру оптических фильтров, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, а также контроллер для управления перестройкой коэффициентов передачи оптических фильтров. В качестве оптических фильтров используются однокаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера (ИМЦ), и/или двухкаскадные несимметричные ИМЦ, и/или многокаскадные несимметричные ИМЦ. Для управляемой перестройки коэффициентов передачи оптических фильтров служат электро- или термооптические устройства фазового сдвига. Мультиплексор может быть выполнен по интегрально-оптической технологии в виде монолитного твердотельного устройства. 2 н. и 5 з.п.ф-лы, 9 ил., 2 табл.

 

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).

Технологии спектрального уплотнения, использующие современные соответствующие системы и устройства, 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 устройства, перестраиваемые в широком спектральном диапазоне, например, лазерные диоды и управляемые оптические мультиплексоры ввода/вывода. Для систем связи со спектральным уплотнением каналов необходимы также оптические демультиплексоры с перестраиваемыми оптическими несущими каналов (далее - управляемые оптические демультиплексоры).

Управляемые оптические демультиплексоры могут использоваться по основному назначению как устройства для разделения и вывода каналов индивидуально к фотоприемным устройствам. Они также могут входить в состав более сложных устройств и систем спектрального уплотнения с динамической функциональностью, например, многоканальных управляемых мультиплексоров ввода/вывода.

Управляемые оптические демультиплексоры могут найти применение также в многоканальных системах датчиков, в оптических аналоговых системах различного назначения, для оптической фильтрации и других целей.

К настоящему времени разработаны и используются оптические демультиплексоры самых различных типов, например, демультиплексоры в виде многоступенчатых структур на интерференционных фильтрах или дифракционных решетках, демультиплексоры в планарном исполнении на так называемых фазированных жгутах (AWG) и, наконец, наиболее близкие к настоящему изобретению, многоступенчатые древообразные структуры на основе 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.

Типичная конструкция демультиплексора на ИМЦ, предназначенного для использования в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением

2^N каналов и частотным интервалом между соседними каналами Δν, представляет собой N-ступенчатую структуру типа «дерево», содержащую в каждой n-й ступени

2^n-1 однокаскадных ИМЦ. Мультиплексор имеет один вход для подачи оптического сигнала из оптической линии и 2^N выходов для демультиплексированных каналов (US, 6349158, B1), (US, 6487335, B1).

При подаче на вход такого устройства оптического сигнала, ИМЦ в первой ступени делит каналы на две группы, одна - содержащая нечетные каналы, а вторая - четные каналы; спектральный интервал между каналами в каждой из двух групп становится равным 2·Δν. Обе группы направляются на вторую ступень, в которой два ИМЦ вновь делят каналы уже на 4 группы, спектральный интервал между каналами в 4-х новых группах теперь 4·Δν. Такой процесс разделения каналов на все большее число групп с увеличивающимся интервалом между каналами продолжается с проходом излучения последовательно по всем ступеням демультиплексора. Наконец, на последней ступени все каналы полностью разделяются и выводятся на отдельные порты.

Оптические демультиплексоры на основе ИМЦ, а также другие упомянутые выше демультиплексоры, 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 однако, что снабженные элементами фазового сдвига ИМЦ могут быть ключевыми элементами в управляемом оптическом мультиплексоре ввода/вывода (US, 6795654, B2). Очевидно, что при соответствующем применении, они могли бы стать также основой для создания управляемого оптического демультиплексора.

Современная оптическая технология предоставляет достаточно большой выбор ИМЦ, которые могут быть использованы в демультиплексорах, в том числе с динамической функциональностью. Базовая и простейшая структура - несимметричный однокаскадный ИМЦ (далее - однокаскадный ИМЦ).

Однако 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 демультиплексор, 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.

Настоящее изобретение имеет целью создание управляемого оптического демультиплексора для систем спектрального уплотнения с динамической функциональностью. Демультиплексор должен удовлетворять существующим требованиям по изоляции каналов и вносимой дисперсии и быть пригодным для интегрально-оптического выполнения.

При создании изобретения была поставлена задача разработки способа демультиплексирования многоканального оптического сигнала с помощью управления спектральными характеристиками фильтрующих ступеней демультиплексора.

Поставленная задача решена разработкой способа управляемого демультиплексирования каналов в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением 2^N каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться, в котором:

(а) подают из оптической сети многоканальный оптический сигнал на вход N-ступенчатой структуры типа «дерево», содержащей в каждой n-й ступени при n=1, 2, …, N 2^n-1 оптических фильтров, имеющих, по меньшей мере, один вход и два выхода, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи и характеризующихся частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν_n = 2^n-1Δν, и при этом входом для указанной N-ступенчатой структуры является вход оптического фильтра первой ступени;

(б) настраивают оптический фильтр каждой ступени таким образом, чтобы для оптической частоты каждого из 2^N каналов коэффициенты передачи со входа указанной N-ступенчатой структуры на один из 2^N выходов оптических фильтров последней ступени указанной N-ступенчатой структуры имели бы максимальное значение;

(в) пропускают многоканальный оптический сигнал через N-ступенчатую структуру и получают на выходах оптических фильтров последней ступени демультиплицированные каналы.

Поставленная задача была также решена созданием управляемого оптического демультиплексора для волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением 2^N каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться, имеющего один входной порт и, по меньшей мере, один выходной порт, и включающего:

- N-ступенчатую структуру типа «дерево», содержащую в каждой n-й ступени при n=1, 2, …, N 2^n-1 оптических фильтров, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующийся в n-й ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν_n =2^n-1Δν, и имеющих по меньшей мере один вход и два выхода;

- контроллер для управления перестройкой коэффициентов передач указанных оптических фильтров.

При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в указанной многоступенчатой структуре:

- один из входов оптического фильтра первой ступени был соединен с входным портом;

- оптические фильтры в каждой ступени, кроме первой, были соединены каждым из двух входов со входом одного из оптических фильтров предшествующей ступени;

- каждый из двух выходов оптического фильтра последней ступени был соединен с одним из выходных портов.

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 демультиплексор был выполнен по интегрально-оптической технологии на одном чипе.

При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в демультиплексоре входной порт и все выходные порты были выполнены с помощью световодов.

Как видно из указанного выше, демультиплексор согласно изобретению сформирован в виде многоступенчатой древовидной структуры оптических фильтров, каждый из которых разделяет каналы на нечетные и четные и имеет элементы для управляемой перестройки спектральных характеристик.

В общем случае в одном устройстве в качестве оптических фильтров одновременно могут использоваться оптические фильтры нескольких типов - однокаскадные ИМЦ, и/или двухкаскадные ИМЦ, и/или многокаскадные ИМЦ. В первых ступенях многоступенчатой структуры, где на вход поступают каналы с небольшим спектральным интервалом, используются многокаскадные ИМЦ, по мере увеличения спектрального интервала между каналами в последующих ступенях используются двухкаскадные и даже однокаскадные ИМЦ.

Для управляемой перестройки спектральных характеристик оптических фильтров могут быть использованы устройства фазового сдвига, например, 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 демультиплексора. Использование электрооптического устройства фазового сдвига гарантирует предельно высокую скорость управляемой перестройки спектральных характеристик управляемого оптического демультиплексора.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров осуществления способа управляемого демультиплицирования каналов согласно изобретению с помощью управляемого оптического демультиплексора 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 фильтра с нулевой или почти нулевой дисперсией, включающего три двухкаскадных ИМЦ,

Фиг.5Б - условное изображение известного многокаскадного фильтра, показанного на Фиг.5А,

Фиг.6 - схема одного из вариантов выполнения управляемого оптического демультиплексора согласно настоящему изобретению.

Согласно изобретению, основным элементом управляемого оптического демультиплексора 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, Наука, М., 1970, с.342-346).

Известно, что однокаскадный ИМЦ может быть выполнен с помощью различных компонент и технологий, в том числе, с использованием волоконно-оптических разветвителей, светоделителей, зеркал-призм, поляризаторов и др. Наиболее оптимальным для использования в многоступенчатой структуре является однокаскадный ИМЦ в планарном исполнении.

На Фиг.1А приведено схематичное изображение волноводного варианта однокаскадного ИМЦ 10, его условное изображение приведено на Фиг.1Б. 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 12-2, сформированными волноводами неравной длины 1₁ и 1₂, соответственно. Коэффициенты связи k₁ и k₂ разветвителей 13 и 14 равны и делят оптическую мощность в соотношении 50/50. Однокаскадный ИМЦ 12 имеет выводы a 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.

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 (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.

При вводе через порт a излучения единичной мощности интенсивность света в двух выходных портах с и d может быть выражена с помощью коэффициентов передачи K_ac(ν,φ) и K_ad (ν,φ):

где D=2πnΔLν/c - фазовая задержка, обусловленная разной оптической длиной плеч 22-1 и 22-2; ΔL=1₁-1₂; n - показатель преломления материала; ν - оптическая частота и с - скорость света в пустоте.

При возбуждении через порт b интенсивность света в тех же выходных портах с и d может быть представлена с помощью коэффициентов передачи K_bc(ν,φ) и K_bd (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 по фазе на π;

- коэффициенты передачи при замене двух индексов не изменяются, то есть

K_ad(ν,φ)=K_bc(ν,φ) и K_ac (ν,φ)=K_bd(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.

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_i} (или длин волн {ν_i}) должна производиться с помощью соответствующей регулировки фазового сдвига φ при использовании оптического фильтра в составе какого-либо конкретного устройства.

На Фиг.2 показаны коэффициенты передачи K_ac(ν,φ) и K_ad(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 разделения четных и нечетных каналов с интервалом между соседними по частоте каналами 50 ГГц. Сплошными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K_ac(ν,φ), в соответствии с которой одна группа каналов, - нечетные каналы, - выводится на выход с, пунктирными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K_ad(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 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, B). 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.

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 k₁, k₂ и k₃, соответственно, образующие два однокаскадных ИМЦ 34 и 35. Устройство 30 размещено на единой подложке 36.

При этом первый однокаскадный ИМЦ 34 образован двумя волноводами 34-1 и 34-2 неравной длины 1_34-1 и 1_34-2, соответственно. Второй однокаскадный ИМЦ 35 образован двумя волноводами 35-1 и 35-2 неравной длины 1_35-1 и 1_35-2, соответственно. Фазовые задержки D₁ = 2πn(1_34-1-1_34-2)/λ и D₂=2πn(1_35-1-1_35-2)/λ связаны между собой соотношением: D₂=2·D₁.

В ИМЦ 34 и 35 используются устройства фазового сдвига 37 и 38, которые вносят фазовые сдвиги φ и ф, соответственно. Двухкаскадный ИМЦ имеет выводы а и b с одной стороны и выводы е и f с другой стороны.

Спектральные характеристики двухкаскадного ИМЦ 30 нетрудно получить аналитически. Для трех разветвителей 31-1, 31-2 и 31-3 следует ввести матрицы T(k_i) (i=1, 2, 3), которые связывают амплитуды света на входе и выходе с параметрами разветвителей:

а для двух однокаскадных ИМЦ 33 и 34 - матрицы Т (D₁) и Т (D₂):

Тогда матрица пропускания М(ν, φ, ф) 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 порты a и b остается устройством, выполняющим функцию разделения и объединения нечетных и четных каналов. Так, при подаче оптического сигнала в порт 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 - порт b на Фиг.3А, группы с нечетными и четными каналами меняются местами на выходных портах е и f.

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_44-4-l_44-2. Сохраняется возможность управляемого сдвига спектральных характеристик, теперь уже с помощью двух фазовых сдвигов φ и ф. Чтобы сместить спектральные характеристики K_ae(ν,φ,ф) и K_af(ν,φ,ф) по оси частот на величину δv, необходимо с помощью соответствующих устройств фазового сдвига изменить фазы φ и ф:

Можно убедиться также с помощью (6)÷(9), что при вводе сигнала через порты e 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) некоммутируемые. Поэтому двухкаскадные ИМЦ не являются обратимыми устройствами - два порта a и b с одной стороны могут использоваться только как входные порты, а два других порта e и f с противоположной стороны - только как выходные порты.

На Фиг.4 приведены коэффициенты передачи K_ae(ν,φ,ф) и K_af(ν,φ,ф) для некоторого двухкаскадного ИМЦ как функции оптической частоты, рассчитанные с помощью выражений (6)÷(9). Этот двухкаскадный ИМЦ при коэффициентах связи k₁=0.7854, k₂=2,0944, k₃=0,3218, соответствующих фазовых задержках D₁ и D₂ и фазах φ и ф может быть использован, как 50-ти 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 K_ae(ν,φ,ф), в соответствии с которой при вводе через порт a одна группа каналов (нечетные каналы) выводится на выход e, пунктирными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K_af(ν,φ,ф), 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.

Известно, что ситуация может быть изменена в лучшую сторону при использовании фильтров, получаемых в результате каскадирования двухкаскадных ИМЦ (US, 6782158, B2). 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 k₁, k₂ и k₃ в используемых двухкаскадных ИМЦ.

На Фиг.5А показан один из вариантов многокаскадного ИМЦ 50, который может использоваться для разделения нечетных и четных каналов; условное изображение многокаскадного ИМЦ приведено на Фиг.5Б.

Устройство 50 в планарном исполнении размещено на одной подложке (кристалле) 51 и включает три комплементарных двухкаскадных ИМЦ: в первом каскаде используется двухкаскадный ИМЦ 52 типа I, а во втором каскаде - два двухкаскадных ИМЦ 53 и 54, оба типа Г, соответственно, с другим знаком дисперсии.

При вводе сигнала в порт a двухкаскадного ИМЦ 52, как обычно, каналы разделяются на две группы, в одной группе нечетные каналы, а в другой - четные; во втором каскаде ИМЦ 53 пропускает нечетные каналы на свой выход e, а ИМЦ 54 пропускает четные каналы на свой выход f, таким образом нечетные и четные каналы оказываются во внешних портах p и k, соответственно. Так как дисперсии двухкаскадного ИМЦ 52 и двухкаскадных ИМЦ 53 и 54 имеют противоположные знаки, то в результате дисперсия многокаскадного ИМЦ 50 оказывается компенсированной - нулевой или почти нулевой.

Схема одного из вариантов управляемого оптического демультиплексора согласно настоящему изобретению приведена на Фиг.6.

Управляемый оптический демультиплексор 60 имеет конфигурацию «1×8», то есть предназначен для демультиплицирования 8-канального сигнала со спектральным интервалом между соседними каналами, равным Δν=400 ГГц.

Демультиплексор 60 представляет собой трехступенчатую структуру типа «дерево» на семи оптических фильтрах. Первый оптический фильтр 61 первой ступени многоступенчатой структуры своими выходными портами соединен с двумя следующими оптическими фильтрами 62-1 и 62-2 второй ступени, которые в свою очередь соединены своими выходными портами с еще следующими четырьмя оптическими фильтрами {63-1, … 63-4} третьей ступени. Все устройство изготовлено на одной подложке (кристалле) 64.

Внешние оптические выводы выполнены с помощью световодов, при этом световод 65 используется как общий входной порт, световоды {66-1, …, 66-8} - как 8 выходных портов, каждый для вывода отдельного канала. Соединения оптических фильтров всех трех ступеней, а также их портов, с внешними световодами-выводами производится волноводами 67, сформированными на подложке 64. Световоды {65, 66-1, 66-2, …, 66-8} оптически согласованы с волноводами 67 с максимальной эффективностью.

Динамическое управление работой демультиплексора осуществляется путем перестройки спектральных характеристик семи оптических фильтров при подаче на устройства фазового сдвига, содержащиеся во всех фильтрах, соответствующих напряжений. Управление производят с помощью контроллера 68, который связан с оптическими фильтрами электрической шиной 69.

Конструкция демультиплексора 60 такова, что, по мере перехода оптического сигнала от предыдущей ступени к последующей ступени, спектральные интервалы между каналами становятся в два раза шире. Для фильтра 61 в первой ступени спектральный интервал между каналами минимальный, для фильтров 63-1 - 63-4, напротив, максимальный, для фильтров 62-1 и 62-2, используемых во второй ступени, спектральный интервал промежуточный. Поэтому требования к характеристикам используемых в соответствующих ступенях фильтров могут быть различные. В качестве оптических фильтров в этом примере могут быть использованы: в первой ступени - многокаскадный ИМЦ, показанный на Фиг.5Б, во второй ступени - двухкаскадные ИМЦ, показанные на Фиг.3Б, и в третьей ступени - однокаскадные ИМЦ, показанные на Фиг.1Б. Входные и выходные порты оптических фильтров первой и второй ступеней должны быть соединены таким образом, чтобы оптический сигнал пропускался в направлении от первого ко второму каскаду двухкаскадных ИМЦ 62-1 и 62-2 и двухкаскадных ИМЦ, входящих в состав многокаскадных ИМЦ {63-1, …, 63-4}.

Расстояние ΔF между соседними экстремумами в спектральных характеристиках для оптических фильтров в трех ступенях рассматриваемого устройства следующие: для многокаскадного ИМЦ 61 - Δν₆₁=400 ГГц, для двухкаскадных ИМЦ 62-1 и 62-2 - Δν_62-1=Δν_62-2=800 ГГц и для однокаскадных ИМЦ (63-1)÷(63-4) Δν_63-1=Δν_63-2=Δν_63-3=Δν_63-4 = 1600 ГГц. В соответствии с выражением (5) разность ΔL длин плеч интерферометров в первых каскадах двухкаскадных ИМЦ, составляющих многокаскадный ИМЦ 61, равна ΔL₆₁=250 мкм, в первых каскадах двухкаскадных ИМЦ 62-1 и 62-2 разность длин плеч составляет ΔL_62-1=ΔL_62-2=125 мкм и для однокаскадных ИМЦ {63-1, …, 63-4} разность длин плеч есть ΔL_64-1=ΔL_64-2=ΔL_64-3=ΔL_64-4=62,5 мкм (предполагается, что n=1,5).

Для дальнейшего рассмотрения целесообразно ввести понятие коэффициента передачи демультиплексора, аналогичного по смыслу используемому выше при рассмотрении ИМЦ, но в данном случае имеющего отношение к передаче оптического сигнала со входного порта демультиплексора 65 на один из выходных портов {66-1, …, 66-8}. Коэффициенты передачи для каждого из выходов портов, которые обозначим как K_66-1÷K_66-8, определяются произведением коэффициентов передачи оптических фильтров, через которые оптический сигнал, содержащий восемь каналов, проходит, прежде чем каждый канал оказывается в конкретном выходном порте {66-1, …, 66-8}. Например, коэффициент передачи с входного порта в выходной порт 66-3 имеет вид:

где три сомножителя в правой части являются коэффициентами передачи трех оптических фильтров 61, 62-1 и 63-2, верхние индексы соответствует номеру оптического фильтра, а нижние индексы - входным и выходным портам оптического фильтра.

Очевидно, коэффициенты передачи демультиплексора K_66-1÷K_66-8 являются функцией оптической частоты каналов и фазовых сдвигов {φ_n} и {ф_n}. Для демультиплексора 60 при правильной настройке 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.

При некоторых фазовых сдвигах {φ^* _n} и {ф^* _n} - фаз в первом и втором каскадах используемых ИМЦ, - коэффициент передачи с входного порта 65 во входной порт 66-3 должен иметь значения: K_66-3(ν₃)≈1 и K_66-3(ν)≈0 при ν≠ν₃. Соответствующий вид при фазовых сдвигах {φ^* _n} и {ф^* _n} имеют и другие коэффициенты передачи демультиплексора 60, естественно, для частот других каналов.

При значениях фазовых сдвигов {φ^* _n} и {ф^* _n} демультиплексор 60 функционирует как обычный демультиплексор с фиксированными частотами каналов. Оптический сигнал, центральные частоты каналов которого {ν_i}=ν₁, ν₂, …, ν₈, поступает во входной порт 65. Многокаскадный ИМЦ 61 делит каналы на нечетные ν₁, ν₃, ν₅, ν₇ и четные ν₂, ν₄, ν₆, ν₈ каналы, каждая группа направляется на вторую ступень - четные каналы к двухкаскадному ИМЦ 62-1 и нечетные каналы к двухкаскадному ИМЦ 61-2. Двухкаскадные ИМЦ 62-1 и 61-2 вновь делят приходящие к ним каналы, при этом двухкаскадный ИМЦ 62-1 направляет каналы с частотами ν₂ и ν₆ к однокаскадному ИМЦ 63-1 и каналы с частотами ν₄ и ν₈ - к однокаскадному ИМЦ 63-2, а двухкаскадный ИМЦ 62-2 направляет каналы с несущими частотами ν₁ и ν₅ к однокаскадному ИМЦ 63-3 и каналы с частотами ν₃ и ν₇ - к однокаскадному ИМЦ 63-4. На последней третьей ступени все каналы полностью разделяются и выводятся индивидуально на отдельные порты в соответствии с табл.1.

Таблица 1 Распределение каналов по выходным портам
Выходной порт	66-1	66-2	66-3	66-4	66-5	66-6	66-7	66-8
Несущая частота канала	ν1	ν5	ν3	ν7	ν2	ν6	ν4	ν8

Пусть теперь на вход демультиплексора начинают поступать сигналы, новые центральные частоты каналов которых {ν'_i} все сдвинуты на величину δν<Δν, то есть ν'_i=ν_i+δν. Для того чтобы демультиплицировать и развести каналы с новыми оптическими несущими по отдельным выходным портам, следует произвести изменения фаз {φ_n} и {ϕ_n} в соответствии с выражением (10). Например, чтобы перейти в режим демультиплицирования каналов, частоты которых сдвинулись на величину δν=50 ГГц, необходимо изменить фазовые сдвиги в соответствии с табл.2.

Таблица 2 Изменения фаз {φn} и {фn} при сдвиге частот каналов δv=50 ГГц
	ИМЦ 61	ИМЦ 62-1 и 62-2	ИМЦ 63-1-63-4
1-е каскады	δφ61=-π/8	δφ62-1=δφ62-2=-π/16	δφ63-1÷δφ63-4=-π/32
2-е каскады	δф61=-π/4	δф62-1=δф62-1=-π/8	-

При этом распределение каналов на выходных портах остается прежним, канал с несущей частотой ν'₁ будет выведен в порт 66-1, канал ν'₅ - в порт 66-2 и так далее.

Другие варианты управляемого оптического демультиплексора согласно настоящему изобретению могут отличаться от рассмотренного устройства 60 количеством и типом используемых оптических фильтров. Очевидно, в общем случае для управляемого оптического демультиплексора конфигурации «1×M», где М - значение из ряда 4, 16, 32, … 2^N при N≥2, число ступеней в многокаскадной структуре должно быть N, при этом в каждой n-й ступени при n=1, 2, …, N должно использоваться 2^n-1 оптических фильтров, суммарное число оптических фильтров, следовательно, равно 2ⁿ-1. Например, для демультиплицирования сигнала, содержащего 32 канала, необходимое число ступеней возрастает до 5, а число используемых оптических фильтров - до 31.

Настройка оптических фильтров в каждой ступени должна производиться таким образом, чтобы для оптической частоты каждого из 2^N каналов коэффициенты передачи демультиплексора со входного порта на один из 2^N выходных портов имел бы максимальное значение.

Для управляемого оптического демультиплексора, предназначенного для использования в системе DWDM, чтобы, с одной стороны, обеспечить требуемые технические параметры, а, с другой стороны, уменьшить стоимость, целесообразно использовать в первых ступенях многокаскадные ИМЦ, в последующих ступенях, при среднем спектральном интервале между каналами - двухкаскадные ИМЦ и, наконец, в последних ступенях, где на вход поступают каналы с большим интервалом, - однокаскадные ИМЦ.

Для управляемого оптического демультиплексора, предназначенного для системы CWDM, в качестве оптических фильтров можно использовать двухкаскадные или даже однокаскадные ИМЦ. Заметим, что в силу обратимости оптических характеристик однокаскадных ИМЦ, устройство в целом будет также обратимым, то есть его можно использовать как управляемый мультиплексор/демультиплексор.

Управляемые оптические демультиплексоры могут иметь применение не только в системах связи со спектральным уплотнением, но и в других системах, например, в многоканальных системах датчиков, для оптической фильтрации, в аналоговых системах самого различного назначения и др.

Как пример, рассмотренное устройство 60 может быть использовано в оптической системе с фиксированными частотами каналов, в которой необходимо изменять положение каналов на выходных портах. Требуемое функционирование можно обеспечить также с помощью соответствующих изменений фазовых сдвигов {φ_n} и {ф_n}. Например, чтобы поменять местами положение каналов с частотами v₁ и v₅ в портах 66-1 и 66-2, следует с помощью устройства фазового сдвига в однокаскадном ИМЦ 64 изменить фазу φ_63-1: φ^* _63-1→φ_63-1+δφ_63-1, где δφ_63-1=±π.

Для изготовления управляемых оптических демультиплексоров согласно настоящему изобретению целесообразно использовать интегрально-оптические технологии, что обеспечит необходимую устойчивость к внешним воздействиям, большое число каналов, высокое быстродействие. Применение унифицированных типовых элементов в конструкции - однокаскадных, двухкаскадных и/или многокаскадных ИМЦ - позволит 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 демультиплексера согласно изобретению, не выходящие за рамки формулы изобретения.

Управляемый оптический демультиплексор 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 демультиплексор согласно настоящему изобретению может быть реализован с помощью существующих интегрально-оптических технологий.

1. Способ управляемого демультиплексирования каналов в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением 2^N каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться, в котором:
(а) подают из оптической сети многоканальный оптический сигнал на вход N-ступенчатой структуры типа «дерево», содержащей в каждой n-й ступени при n=1, 2, …, N 2^n-1 оптических фильтров, имеющих, по меньшей мере, один вход и два выхода, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи и характеризующихся частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν_n=2^n-1 Δν и при этом входом для указанной N-ступенчатой структуры является вход оптического фильтра первой ступени;
(б) настраивают оптический фильтр каждой ступени таким образом, чтобы для оптической частоты каждого из 2^N каналов коэффициенты передачи со входа указанной N-ступенчатой структуры на один из 2^N выходов оптических фильтров последней ступени имели бы максимальное значение;
(в) пропускают многоканальный оптический сигнал через N-ступенчатую структуру и получают на выходах оптических фильтров последней ступени демультиплицированные каналы.

2. Управляемый оптический демультиплексор для волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением 2^N каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться, имеющий один входной порт и 2^N выходных портов и включающий:
N-ступенчатую структуру типа «дерево», содержащую в каждой n-й ступени при n=1, 2, …, N 2^n-1 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_n=2^n-1 Δν и имеющих, по меньшей мере, один вход и два выхода;
контроллер для управления перестройкой коэффициентов передач указанных оптических фильтров.

3. Демультиплексор по п.2, отличающийся тем, что в указанной многоступенчатой структуре:
один из входов оптического фильтра первой ступени соединен с входным портом;
оптические фильтры в каждой ступени, кроме первой, соединены каждым их двух входов с одним из выходов одного из оптических фильтров предшествующей ступени;
каждый из двух выходов оптического фильтра последней ступени соединен с одним их выходных портов.

4. Демультиплексор по п.2, отличающийся тем, что оптическими фильтрами многоступенчатой структуры являются однокаскадные, и/или двухкаскадные, и/или многокаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера.

5. Демультиплексор по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что для управления настройкой коэффициентов передачи оптические фильтры содержат электрооптические или термооптические устройства фазового сдвига.

6. Демультиплексор по п.2, отличающийся тем, что выполнен по интегрально-оптической технологии на одном чипе.

7. Демультиплексор по п.2, отличающийся тем, что входной порт и все выходные порты выполнены с помощью световодов.