многоканальный управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода

область техники

изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи со спектральным уплотнением каналов, в частности, к многоканальным управляемым оптическим мультиплексорам ввода/вывода каналов (далее t-оаDм) и может использоваться как в системах плотного спектрального уплотнения (далее DWDM), так и умеренного спектрального уплотнения (далее CWDM).

предшествующий уровень техники

новые технологии в волоконно-оптических системах связи, использующие спектральное уплотнение, становятся доминирующими в современных системах связи. плотное спектральное уплотнение, DWDM, используется в протяженных магистральных линиях связи, умеренное спектральное уплотнение, CWDM, используется в городских и локальных системах связи.

технологии DWDM характеризуются предельно высокой пропускной способностью, но являются весьма дорогостоящими. стандарт на сетку длин волн, введенный международным телекоммуникационным комитетом (IтU-стандарт), предусматривает спектральный интервал между каналами 200, 100, 50 или 25 ггц. рекомендованный ITU спектральный интервал между каналами для систем CWDM составляет 20 нм; техника CWDM проще в использовании и дешевле.

в узловых точках BOCC для ввода/вывода каналов используются оптические мультиплексоры ввода-вывода (далее OADM). они позволяют вывести из линии один или несколько каналов и одновременно ввести сигнал на тех же длинах волн с новой информацией; эффективность использования систем связи повышается. при этом число каналов ввода/вывода обычно существенно меньше, чем общее число каналов в линии.

многоканальные OADM имеют, как правило, фиксированные частоты каналов ввода/вывода. систематически возрастающие требования к пропускной способности систем связи требуют большей гибкости, в частности использования реконфигурируемых и управляемых многоканальных OADM. эти устройства кроме использования в оптических коммуникационных сетях могут иметь и другие

применения, например, в многоканальных системах датчиков, для оптической фильтрации, в аналоговых системах различного назначения и пр.

известные к настоящему времени реконфигурируемые OADM (далее ROADM) имеют ряд существенных недостатков, главный из которых тот, что данные устройства весьма сложные и дорогостоящие, а управляемые OADM (далее t-оаDм) позволяют ввести/вывести только один канал. отметим, что, говоря о многоканальных ROADM и t-оаDм, авторы имеют в виду устройства, в которых для каждого выводимого и вновь вводимого канала имеется индивидуальный порт.

хорошо известный специалистам в области оптических систем связи подход к задаче создания ROADM состоит в использовании пары - демультиплексор «lxK» и мультиплексор «Kxl», выходы и входы которых соединены и образуют к трасс (к - полное число каналов в системе). в каждой из трасс установлен оптический электромеханический переключатель (далее MEMS). оптический демультиплексор разделяет оптический сигнал на к каналов и направляет каждый канал в одну из к трасс. MEMS пропускают часть каналов к оптическому мультиплексору, а другую часть каналов направляют в выводные порты. оптический мультиплексор объединяет все каналы, в том числе вновь вводимые, с помощью тех же MEMS и возвращает их в оптическую линию. очевидно, что, будучи реализованным с помощью данного подхода, устройство имело бы высокую стоимость, тем большую, чем больше было бы число каналов к и меньше спектральный интервал между соседними каналами.

другой подход (US, 6 602 000, B2) заключается в использовании также пары - демультиплексор и мультиплексор, но более простых конфигураций «lxL» и «Lxl » при L = кур, где к - полное число каналов и P - целое число. выходы и входы демультиплексора и мультиплексора снова соединены и образуют L трасс, в каждой трассе установлено несколько P мультиплексоров ввода-вывода (далее OADM), выполненных каждый на основе несимметричного интерферометра маха-цендера (далее имц) со встроенными в плечах интерферометра брегговскими дифракционными решетками. управляемый температурным воздействием период дифракционной решетки может в некоторых пределах изменяться - быть равным или не равным длине волны одного из к каналов, и, следовательно, с помощью такого OADM может производиться или не производиться ввод/вывод канала с соответствующей длиной волны.

при поступлении на вход рассматриваемого устройства сигнала, включающего к каналов с интервалом между соседними каналами δv, каналы разделяются оптическим демультиплексором на L подмножеств, в каждом подмножестве - по P каналов с интервалами между каналами L-δv. при проходе сигнала по одной из трасс с помощью последовательно установленных OADM могут быть выведены любые задаваемые каналы. все другие каналы, вместе со вновь введенными на частотах выведенных каналов, объединяются с помощью оптического мультиплексора и поступают в оптическую линию.

специалистам в области оптических систем связи должно быть ясно, что в случае большого количества каналов к данное устройство было бы также весьма сложным в изготовлении и дорогостоящим. при этом структура, содержащая большое число имц, каждый из которых имеет свои индивидуальные дифракционные решетки в двух плечах и систему терморегулирования, оказалась бы громоздкой и ненадежной в работе.

таким образом, в настоящее время не существует многоканальных управляемых и реконфигурируемых OADM, которые реально были бы пригодны для использования в оптических линиях связи и при этом были бы технологичны в изготовлении, надежны в работе и имели бы приемлемую стоимость.

раскрытие изобретения

целью настоящего изобретения является создание многоканального управляемого OADM для технологий спектрального уплотнения каналов. устройство должно быть более простым в конструктивном решении, чем при известных подходах, удовлетворять существующим требованиям по изоляции каналов и вносимой дисперсии и быть пригодным для интегрально-оптического выполнения. устройство должно быть максимально динамичным и гибким.

при создании изобретения была поставлена задача разработки многоканального мультиплексора, обеспечивающего заданную пропускную способность содержащихся в нем фильтрующих устройств с возможностью вывода/ввода каналов заданных частот с помощью управления спектральными характеристиками этих фильтрующих устройств.

поставленная задача была выполнена созданием многоканального управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода для волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением 2 ^N каналов при N -целое число и при этом N > 2, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между

соседними каналами δvо могут перестраиваться, согласно изобретению, для ввода/вывода 2 ^м каналов при M - целое число и при этом 1< M< N, имеющего один входной порт, один выходной порт, ^ 2M портов вывода, ^ 2M портов ввода и включающего:

- управляемый оптический демультиплексор конфигурации «lx2 ^м » (далее t- Dеmuх) , обеспечивающий разделение сигнала на 2 подмножеств каналов и вывода каждого из подмножеств каналов отдельно на 2 ^м трасс;

- управляемый оптический мультиплексор конфигурации «2 ^м xl» (далее t-мuх), обеспечивающий рекомбинацию оптических сигналов, поступающих на его входы по 2 ^м трассам;

- 2 управляемых оптических мультиплексоров ввода/вывода (далее t-оаDм), размещенных каждый в одной из 2 ^м трасс и обеспечивающих ввод/вывод одного из каналов, поступающих на его вход;

- контроллер для управления перестройкой спектральных характеристик указанных демультиплексора, мультиплексора и 2 ^м мультиплексоров ввода/вывода.

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в многоканальном мультиплексоре указанный управляемый оптический демультиплексор конфигурации «lx2 ^м » включал м-ступенчатую структуру типа «дepeвo», имеющую один входной порт, 2 выходных портов, содержащую в каждой ni-oи ступени при п] = 1, 2,..., M 2" ^1"1 оптических фильтров, имеющих, по меньшей мере, один вход и два выхода, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в п]-oй ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты δ v _пλ = 2" ^1"1 - Av ₀ .

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в указанном оптическом демультиплексоре конфигурации «lx2 ^м » в указанной м-ступенчатой структуре один из входов оптического фильтра первой ступени был соединен с входным портом, оптические фильтры в каждой ступени, кроме последней, были соединены каждым их двух выходов со входом одного из оптических фильтров последующей ступени и каждый из двух выходов оптического фильтра последней ступени был соединен с одним их выходных портов.

кроме того, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в многоканальном мультиплексоре указанный управляемый оптический мультиплексор конфигурации «2 ^м xl» включал м-ступенчатую структуру типа «дepeвo», имеющую 2 ^м входных

портов и один выходной порт, содержащую в каждой n ₂ -oй ступени при n ₂ ⁼ 1, 2,..., M 2 ^M~ " ² оптических фильтров, имеющих два входа и, по меньшей мере, один выход, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в n ₂ -oй ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Av ₁₁₂ = 2 ^{м ~} " ² • Av ₀ .

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в указанном управляемом оптическом мультиплексоре конфигурации «2 ^м xl» в указанной M- ступенчатой структуре каждый из двух входов оптических фильтров первой ступени были соединены с одним из входных портов, оптические фильтры в каждой ступени, кроме первой и последней, были соединены каждым из двух входов с выходом одного из оптических фильтров предыдущей ступени, а одним выходом с одним из входов одного из оптических фильтров последующей ступени, и один выход оптического фильтра последней ступени был соединен с выходным портом.

кроме того, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в многоканальном мультиплексоре указанный управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода содержал (N-M)-cтyпeнчaтyю структуру, имеющую один входной порт, один выходной порт, один порт ввода и один порт вывода, содержащую в каждой ступени один оптический фильтр, имеющий один вход и два выхода, выполненный с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующийся в nз-oй ступени при n ₃ ⁼ 1, 2,..., (N-M) частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты δv _n3 = 2 ^M+ " ^3" ' - Av ₀ , а также оптический сумматор, имеющий N-M+ 1 входов и один выход.

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в указанном управляемом оптическом мультиплексоре ввода/вывода в указанной (N-M)- ступенчатой структуре:

- оптический фильтр каждой ступени, кроме последней ступени, одним из выходов был соединен со входом оптического фильтра последующей ступени, а другим выходом был соединен с одним из входов оптического сумматора;

- оптический фильтр первой ступени своим входом был соединен с входным портом;

- оптический фильтр последней ступени одним выходом был соединен с еще одним входом оптического сумматора, а другим выходом был соединен с портом вывода;

- оптический сумматор еще одним входом был соединен с портом ввода.

- оптический сумматор выходом был соединен с выходным портом.

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы указанный управляемый оптический демультиплексор конфигурации «lx2 ^м », указанный управляемый оптический мультиплексор конфигурации «2 ^м xl», указанный управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода в многоступенчатых структурах в качестве оптических фильтров содержали однокаскадные и/или двухкаскадные и/или многокаскадные несимметричные интерферометры маха-цендера.

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для управления настройкой коэффициентов передачи указанные оптические фильтры содержали электрооптические или термооптические устройства фазового сдвига.

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы многоканальный мультиплексор ввода/вывода был выполнен по интегрально-оптической технологии на одном чипе.

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в многоканальном управляемом оптическом мультиплексоре ввода/вывода входной порт, выходной порт, 2 ^м выводных портов и 2 ^м вводных портов были выполнены с помощью световодов.

таким образом, был разработан многоканальный управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода (далее - многоканальный t-оаDм) для волоконно- оптической системы связи со спектральным уплотнением каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами δvо могут перестраиваться и позволяющего осуществлять ввод/вывод требуемых каналов.

при этом входящие в многоканальный t-оаDм три мультиплексорных функциональных устройства (t-Dеmuх, t-мuх и t-оаDм) могут быть выполнены в виде многоступенчатых структур оптических фильтров, в качестве которых используются однокаскадные несимметричные имц (далее - однокаскадный имц) и/или двухкаскадные несимметричные имц (далее - двухкаскадный имц) и/или многокаскадные несимметричные имц (далее - многокаскадный имц). для управляемой перестройки спектральных характеристик оптических фильтров, необходимой для управляемого ввода/вывода нескольких каналов, несущие частоты которых могут перестраиваться, могут использоваться электро- или термооптические устройства фазового сдвига, размещаемые в плечах однокаскадных, двухкаскадных и многокаскадных имц.

краткое описание чертежей.

в дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров осуществления многоканального управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода согласно изобретению и прилагаемыми чертежами, на которых показаны:

фиг.1 - схема однокаскадного имц;

фиг.lб - условное изображение однокаскадного имц, показанного на фиг. IA;

фиг.2A - схема двухкаскадного имц;

фиг.2б - условное изображение двухкаскадного имц, показанного на фиг.2A;

фиг.за - схема многокаскадного имц, используемого для разделения каналов на нечетные и четные каналы;

фиг.зб - условное изображение многокаскадного имц, показанного на фиг.за;

фиг.4A - схема многокаскадного имц для объединения нечетных и четных каналов;

фиг.4б - условное изображение многокаскадного имц, показанного на фиг.4A;

фи г.5 а - схема используемого управляемого оптического демультиплексора t- Dеmuх согласно изобретению;

фиг.5б - условное изображение t-Dеmuх, показанного на фиг.5A;

фиг.6 а - схема управляемого оптического мультиплексора t-мuх согласно изобретению;

фиг.бб - условное изображение t-мuх, показанного на фиг.ба;

фиг.7A - схема управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода t- OADM согласно изобретению;

фиг.7б - условное изображение t-оаDм, показанного на фиг.7A;

фиг.8 - схема многоканального t-оаDм согласно изобретению.

при этом прилагаемые чертежи и описанные варианты осуществления изобретения не ограничивают применение изобретения и не выходят за рамки настоящего изобретения.

наилучшие варианты осуществления изобретения

согласно изобретению, ключевым элементом для функциональных устройств, входящих в состав многоканального t-оаDм согласно настоящему изобретению, является несимметричный интерферометр маха-цендера или, как условились его называть, однокаскадный имц. однокаскадный имц может быть выполнен с помощью различных компонент и технологий, в том числе с использованием

волоконно-оптических разветвителей, светоделителей, зеркал-призм, поляризаторов и других устройств. наиболее оптимальным вариантом для многоканального t-оаDм согласно настоящему изобретению является однокаскадный имц в планарном исполнении.

на фиг. IA приведено схематичное изображение волноводного варианта однокаскадного имц 10, его условное изображение приведено на фиг.lб. устройство 10 размещено на одной подложке 11, где сам каскадный имц 12 образован расположенными между первым 13 и вторым 14 разветвителями двумя плечами 12-1 и 12-2, сформированными волноводами неравной длины Ij и I ₂ , соответственно. коэффициенты связи K ₁ и k ₂ 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 я d с другой стороны.

при этом однокаскадный имц 10 в плече 12-2 содержит устройство 15 фазового сдвига, которое вносит дополнительный фазовый сдвиг φ в фазу пробегающей волны и является управляемым элементом, используемым для настройки спектральных характеристик.

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 (LiNbоз) 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 K _ac (v,φ) и K _ad (v,φ):

K _ad (v, φ) = 0,5 • [1 + cos(— + φ + π)]

(2)

где D=2πnδLv/c - фазовая задержка, обусловленная разной оптической длиной плеч 12-1 и 12-2; δL= I ₁ - I ₂ ; п - показатель преломления материала; v - 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 (v,φ) и K _bd (v,φ):

^(v,ff) = 0,5 - [l + cos( ^{ш V} + φ)] _г (3)

K _hc (v,φ) = 0,5 - [l + cos( ^ш ^ ^V + φ + π)]

рассматриваемые на каком-либо интервале частот v (длин волн λ), коэффициенты передачи (1) í (4) становятся спектральными характеристиками однокаскадного имц. как можно видеть, спектральные характеристики (1) í (4) являются периодическими функциями частоты света v (и длины волны λ), разности длин плеч δL, показателя преломления п и фазового сдвига φ.

для работоспособности однокаскадного имц существенны следующие его свойства:

- расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках (1) í (4) в единицах оптической частоты δv и в единицах длин волн δλ равны:

2ALn и 2ALn , (5)

- коэффициенты передачи (1) í (4), соответствующие переходу оптического излучения с одного входного порта (порта а или в) на два выходных порта (порты с или d), отличаются по фазе на π;

- коэффициенты передачи при замене двух индексов не изменяются, то есть K _ad (v,φ) = Kь _c (v,φ) и K _ac (v,φ) = Kь _d (v,φ);

- изменяя величину фазового сдвига φ, можно изменять спектральные характеристики (1) í (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) 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 тексте они называются оптическими фильтрами.

расстояние между соседними экстремумами δv (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 п. управляемая же перестройка положения экстремальных значений коэффициентов передачи относительно задаваемых частот {v;} (или длин волн {λj}) должна производиться с помощью соответствующей регулировки фазового сдвига φ при использовании оптического фильтра в составе какого-либо конкретного устройства.

недостатком спектральных характеристик однокаскадного имц являются 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 AL вносимая дисперсия может быть весьма велика. эти недостатки

ограничивают возможность использования однокаскадных имц в устройствах, применяемых в системах связи со спектральным уплотнением каналов.

существенное улучшение спектральных характеристик оптического фильтра для устройств и систем спектрального уплотнения обеспечивают, как известно (US, 6782158, в), двухкаскадные имц, которые могут быть выполнены как с помощью волоконно-оптических разветвителей, светоделителей, зеркал-призм, поляризаторов и других устройств, так и в планарном виде, и содержать при этом устройства фазового сдвига.

на фиг.2A показано схематичное изображение волноводного варианта двухкаскадного имц 20, его условное изображение приведено на фиг.2б. в нем используются три разветвителя 21, 22 и 23 с коэффициентами связи Ic ₁ , k ₂ и k ₃ , соответственно, образующие два однокаскадных имц 24 и 25. устройство 20 размещено на единой подложке 26.

при этом первый однокаскадный имц 24, образован двумя волноводами 24-1 и 24-2 неравной длины I _24-1 и I _24-2 , соответственно. второй однокаскадный имц 25 образован двумя волноводами 25-1 и 25-2 неравной длины I ₂₅ _i и I _2S-2 , соответственно. фазовые задержки D ₁ = 2πn (I ₂₄ -I - ы-г) / λ и D ₂ = 2πn (lгs-i- ьs-г) / λ связаны между собой соотношением: D ₂ = 2-D).

в имц 24 и 25 используются устройства фазового сдвига 27 и 28, вносимые ими фазовые сдвиги - φ и ф, соответственно. двухкаскадный имц 20 имеет выводы а и b с одной стороны и выводы е и/ с другой стороны.

спектральные характеристики двухкаскадного имц 20 нетрудно получить аналитически. для трех разветвителей 21-1, 21-2 и 21-3 следует ввести матрицы T(K ₁ ) (i = 1,2,3), которые связывают амплитуды света на входе и выходе с параметрами разветвителей: cos(A:, ) - /Sm(A:, )

пk,) =

- /Sm(A:, ) COs(A:, )

(6) а для двух однокаскадных имц 23 и 24 - матрицы T(Dl) и T(D2):

тогда матрица передач M(v,φ,ф) двухкаскадного имц определяется произведением пяти матриц:

M(v,φ,ф) = - аd м _hc м _hd = T(k ₃ )T(D ₂ )цk ₂ )T(D _ι )T(k _] ) (8)

так как коэффициенты пропускания двухкаскадного имц связывают оптические интенсивности на выходе с оптической интенсивностью на входе, то для их определения следует использовать выражения типа:

из выражений (6) í (9) могут быть получены все основные свойства двухкаскадных имц. нетрудно проверить, что двухкаскадный имц 20 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 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 оптического сигнала на другой вход, например, порт в (фиг.2A), группы с нечетными и четными каналами меняются местами на выходных портах е иf.

расстояния между соседними экстремумами δv и δλ в спектральных характеристиках также определяются выражениями (5), где δL - разность длин плеч в первом каскаде: δL = I _24-1 - I _24-2 . сохраняется возможность управляемого сдвига спектральных характеристик, теперь уже с помощью двух фазовых сдвигов - φ и ф. чтобы сместить спектральные характеристики K _ae (v,φ,ф) и K _af (v,φ,ф) по оси частот на величину δv, необходимо с помощью соответствующих устройств фазового сдвига изменить фазы φ и ф: _с π - Sv 2π - δv . _л δφ = и δф = . (10)

δк δv

можно убедиться также с помощью (6) í (9), что при вводе сигнала через порты е и /теряется возможность разделения каналов на нечетные и четные, и соответственно, объединения нечетных и четных каналов. это следствие того, что матрицы (6),(7) некоммутируемые. таким образом, двухкаскадные имц не являются обратимыми устройствами - два порта а и b с одной стороны могут использоваться только как входные порты, а два другие порта е и / с противоположной стороны - только как выходные.

спектральные характеристики двухкаскадного имц имеют значительно лучшую форму, 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 (US, 6782158, B2), 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 Ic ₁ , k ₂ , кз в используемых двухкаскадных имц.

на фиг.за показан один из вариантов многокаскадного имц 30, который может использоваться для разделения нечетных и четных каналов; условное изображение многокаскадного имц приведено на фиг.зб. устройство 30 в планарном выполнении размещено на одной подложке (кристалле) 31 и включает три комплементарных двухкаскадных имц: в первом каскаде используется двухкаскадный имц 32 типа I, а во втором каскаде - два двухкаскадных имц 33 и 34, оба типа г, соответственно, с другим знаком дисперсии.

при вводе сигнала в порт а двухкаскадного имц 32 каналы, как обычно, разделяются на две группы, в одной группе нечетные каналы, а в другой - четные; во втором каскаде имц 33 пропускает нечетные каналы на свой выход е, а имц 34 пропускает четные каналы на свой выход/, таким образом нечетные и четные каналы оказываются во внешних портах р и к, соответственно. так как дисперсия двухкаскадного имц 32 и каждого из двухкаскадных имц 33 и 34 имеют противоположные знаки, то в результате дисперсия многокаскадного имц 50 оказывается компенсированной - нулевой или почти нулевой.

на фиг.4A показан один из вариантов многокаскадного имц 40, который может использоваться для объединения нечетных и четных каналов; условное изображение многокаскадного имц приведено на фиг.4б. все устройство 40 в планарном выполнении размещено на одной подложке (кристалле) 41 и включает три

двухкаскадных имц: в первом каскаде используются два двухкаскадных имц 42 и 43, оба типа I, и во втором каскаде - двухкаскадный имц 44 типа г, соответственно, с противоположным знаком дисперсии.

при вводе нечетных и четных каналов, соответственно, через внешние порт z и w, имц 42 и 43 просто пропускают один нечетные, а другой четные каналы на свои выходные порты / объединяются же каналы с помощью имц 44, и в результате нечетные и четные каналы выводятся во внешний порт v. так как дисперсии двухкаскадных имц 42 и 43 и каждого из двухкаскадных имц 44 имеют противоположные знаки, то таким образом обеспечивается нулевая или почти нулевая дисперсия всего устройства 40.

рассмотрим теперь три функциональные устройства на основе описанных оптических фильтров, которые в свою очередь будут исходными для создания многоканального управляемого мультиплексора ввода/вывода согласно настоящему изобретению. каждую из трех функциональных подсистем рассмотрим на примере одной из возможных реализаций.

схема первого функционального устройства 50, используемого как управляемый оптический демультиплексор согласно настоящему изобретению, приведена на фиг.5A, условное изображение его на фиг.5б.

управляемый оптический демультиплексор t-Dеmuх 50 имеет двухступенчатую структуру типа «дepeвo». первый оптический фильтр 51 (первая ступень многоступенчатой структуры) своими выходными портами соединен с двумя следующими оптическими фильтрами 51-1 и 51-2 (вторая ступень). при этом t-Dеmuх 50 изготовлено на одной подложке (кристалле) 53.

порт ∑ _Dеmuх используется как входной, четыре порта Cl í C4 - для индивидуального вывода каналов. соединения оптических фильтров всех трех уровней производится волноводами 54, сформированными на подложке. динамическое управление работой t-Dеmuх 50 осуществляется путем перестройки спектральных характеристик оптических фильтров при подаче на устройства фазового сдвига, содержащихся во всех оптических фильтрах, соответствующих напряжений. управление производят с помощью внешнего контроллера (на чертеже не показан), который связан с оптическими фильтрами электрической шиной 55.

чтобы пояснить работу t-Dеmuх 50, предположим, что на его вход ∑ _Dе m _uх поступает 4-x-кaнaльный сигнал со спектральным интервалом между соседними

каналами Av ₁ = 50 ггц. в качестве оптических фильтров следует использовать многокаскадные имц 30 (фиг.зб). расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках для оптических фильтров в двух ступенях рассматриваемого устройства должны быть выбраны следующие: для многокаскадного имц 51 Av _52-2 =IOO ггц. соответственно, разность длин плеч имц по выражению (5) в первых каскадах двухкаскадных имц 30, составляющих многокаскадный имц 51, равна AL ₅ ] = 2000 мкм, и разность длин плеч в первых каскадах двухкаскадных имц, составляющих многокаскадные имц 51-1 и 51-2, составляет AL _52-I = AL _52-2 = 1000 мкм (предполагается, что п = 1,5).

очевидно, при некоторых фиксированных фазовых сдвигах в первом и втором каскадах используемых имц {φ* _n } и {ф* _n } можно обеспечить режим деления каналов на группы, содержащие нечетные и четные каналы. в этом состоянии демультиплексор 50 функционирует как традиционный демультиплексор с фиксированными частотами каналов,.

оптический сигнал, содержащий четыре канала, центральные частоты каналов которого {v,}= v _ь v ₂ ,v ₃ и V ₄ , поступает на вход. многокаскадный имц 51 делит каналы (волны) на нечетные (V ₁ , v ₃ } и четные { V ₂ , v ₄ }, которые направляются к многокаскадным имц 51-1 и 51-2. многокаскадные имц 51-1 и 51-2 вновь делят приходящие к ним волны и в результате все волны полностью разделяются и выводятся индивидуально на отдельные порты в соответствии с табл. 1.

таблица 1 распределение каналов по выходным портам

пусть теперь на вход t-Dеmuх 50 поступают сигналы, новые центральные частоты каналов которых {v ^v j} все сдвинуты на величину δv < δvi = 50 ггц.

для того, чтобы демультиплицировать каналы с новыми оптическими несущими, по отдельным выходным портам следует произвести изменения фаз {φ* _n } и {ф* _n } в соответствии с выражением (10). например, чтобы перейти в режим демультиплицирования каналов, частоты которых сдвинулись на величину δv=12,5 ггц

, необходимо изменить фазовые сдвиги следующим образом: δφsi = -π/4 и δφ<; _2- ι = δф ₅₂ - ₂ = — π/8. при этом распределение каналов на выходных портах остается прежним: канал с несущей частотой v ^ч ] будет выведен в порт Cl , канал v ^v ₃ - в порт C2 и так далее.

в общем случае функциональная подсистема, используемая как t-Dеmuх конфигурации «lx2 ^м », может отличаться от устройства 50 числом ступеней M в многоступенчатой структуре, спектральным интервалом между соседними каналами на входе Av" ^x , а также типом используемых оптических фильтров. при этом для оптических фильтров п]-oй ступени при , 2,... M расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках должны устанавливаться равными

A v ₁₁₁ = Z- ¹ - ¹ Av ₁ " . ₍₁₁₎

к характеристикам функциональной подсистемы, используемой как t-Dеmuх, относится область свободной дисперсии, играющая важную роль в настоящем изобретении.

напомним, что спектральные характеристики оптических устройств могут циклически повторяться на широком спектральном интервале. в этом случае период повторения или спектральный диапазон F, в пределах которого еще нет циклического повторения характеристик, называется областью свободной дисперсии.

понятие области свободной дисперсии для t-Dеmuх означает, что, если сигнал на входе содержит множество каналов, спектральный диапазон которых не превышает величины области свободной дисперсии F, то в выходных портах Cl í C4 данного устройства будет только один канал. если же спектральный диапазон каналов на входе шире области свободной дисперсии F, то в выходном порте будет больше каналов, чем один канал.

для t-Dеmuх конфигурации «l x2 ^м », предназначенного для демультиплицирования оптического сигнала, спектральный интервал каналов в котором есть δ v" ^x , область свободной дисперсии F есть:

F = 2» . а v? , ₍₁₂₎

второе функциональное устройство t-мuх 60 имеет назначение, противоположное назначению функционального устройства t-Dеmuх 50, так как оно используется для объединения каналов. два функциональных устройства t-Dеmuх 50 и

t-мuх 60, предназначенные для рассматриваемого ниже многоканального t-оаDм, должны быть совместимыми. под этим понимаем, что на входы t-мuх 60 должны подаваться каналы, несущие частоты которых совпадают с частотами каналов на выходах t-Dеmuх 50, а спектральный интервал между каналами на выходе δv ^*ыx t- Dеmuх 50 должен совпадать со спектральным интервалом между каналами аv™ на входе t-мuх 60, то есть должно выполняться условие δ v _λ " ^ыx = δ v'" .

схема t-мuх 60, используемого как управляемый оптический мультиплексор согласно настоящему изобретению, приведена на фиг.ба, условное изображение его на фиг.бб. при этом t-мuх 60 представляет собой двухступенчатую структуру ^' типа «дepeвo» на трех оптических фильтрах.

два оптических фильтра 61-1 и 61-2, составляющие первую ступень двухступенчатой структуры, своими выходными портами v соединены с оптическим фильтром 62, являющимся второй ступенью. четыре порта Bl í B4 используются для ввода каждого из четырех каналов, порт σ _Mu χ служит общим выходным портом. соединения оптических фильтров всех трех уровней производится волноводами 63, сформированными на подложке 64.

динамическое управление работой t-мuх 60 осуществляется путем перестройки спектральных характеристик трех оптических фильтров при подаче на устройства фазового сдвига, содержащиеся в оптических фильтрах, соответствующих напряжений. управление производят с помощью внешнего контроллера (на чертеже не показан), который связан с оптическими фильтрами электрической шиной 65.

в качестве оптических фильтров следует использовать многокаскадные имц 40 (фиг.4б). расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках для оптических фильтров в двух ступенях рассматриваемого устройства должны быть выбраны следующие: для многокаскадных имц 61-1 и 61-2 δv ₆₁ _ _! = δv _6J _ ₂ =100 ггц и для многокаскадного имц 62 δv ₆₁ =50 Fгц. соответственно, разность длин плеч интерферометров по выражению (5) в первых каскадах двухкаскадных имц, составляющих многокаскадные имц 61-1 и 61-2, составляет AL _6J-1 = AL _61-2 = 1000 мкм, и в первых каскадах двухкаскадных имц, составляющих многокаскадный имц 62, равна AL ₆₂ = 2000 мкм.

можно видеть, что конструкция описанного выше t-мuх 60 отличается от описанного выше t-Dеmuх 50 только используемыми многокаскадными имц: в одном

случае - это многокаскадные имц 30 (фиг.зб), а в другом случае - многокаскадные имц 40 (фиг.4б). процесс объединения каналов, выполняемый с помощью t-мuх 60, является обратным по отношению к процессу разделения каналов, рассмотренному выше для t-Dеmuх 50. управляемая перестройка спектральных характеристик t-мuх 60 также во многом аналогична перестройке, используемой в t-Dеmuх 60.

в общем случае функциональное устройство, используемое как t-мuх конфигурации «2 ^м xl», может отличаться от устройства t-мuх 60 числом ступеней M в многоступенчатой структуре, спектральным интервалом между соседними каналами на выходе δv™ ^* , а также типом используемых оптических фильтров. при этом для оптических фильтров n ₂ -oй ступени при n ₂ =1, 2,... M расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках должны устанавливаться равными

A v _п2 = 2 ^м -" ² Avг _ ₍₁₃₎

понятие области свободной дисперсии для t-мuх означает, что, если на какой- либо входной порт Bl í B4 подается несколько каналов, спектральный интервал для которых равен величине области свободной дисперсии F, то все эти каналы пройдут в выходной порт ∑м _uх - для t-мuх 60, имеющего многоступенчатую структуру с числом ступеней M, область свободной дисперсии F есть:

F = ₂ - . д, _г _ _(U)

схема третьего функционального устройства t-оаDм, используемого как управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода, приведена на фиг.7 а, ее условное изображение - на фиг.7б. при этом t-оаDм 70 представляет собой четырехступенчатую структуру и имеет один входной порт «In», один выходной порт «Out», один порт вывода «Drop», один порт ввода «Add» и включает четыре оптических фильтра 71-1, 71-2, 71-3, 71-4. при этом t-оаDм 70 дополнительно содержит оптический сумматор 72, имеющий 5 входов «1» í «5» и один выход σ. все три фильтра и сумматор интегрированы на единой подложке 73. соединения фильтров выполняются волноводами 74.

динамическое управление работой t-оаDм 70 осуществляется путем перестройки спектральных характеристик четырех фильтров 71 -1 í 71-4 при подаче на устройства фазового сдвига всех четырех фильтров соответствующих напряжений.

управление производят с помощью внешнего контроллера (на чертеже не показан), который связан с оптическими фильтрами электрической шиной 75.

оптические фильтры 71-1 í 71-4 соединены последовательно друг с другом таким образом, что выход р одного соединен со входом g другого, второй выход к каждого фильтра соединен с одним из входов оптического сумматора 72, вход g первого фильтра 71-1 соединен с входным портом «In», выход р последнего фильтра 71-3 соединен с портом вывода «Drop», оптический сумматор 72 еще одним входом «6» соединен с портом ввода «Add», а выходом ∑ - с выходным портом «Out».

чтобы пояснить конструкцию и работу рассматриваемого t-оаDм 70, будем полагать, что во входной порт «In» поступает 16-кaнaльный оптический сигнал, центральные частоты каналов которого {v,} = Vi,v ₂ ,...,vi ₆ , а частотный интервал между каналами на входе δ v" ^x = 200 ггц.

так как спектральный интервал между каналами весьма малый, то в качестве оптических фильтров следует использовать многокаскадные имц 30 (фиг.за). расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках трех оптических фильтров должны быть следующие: Av ₇₁ . i = 200ггц, Av _7I-2 = 400ггц, δv _7] . ₃ = 800ггц и Av _71-4 = 1600 ггц. соответственно, разности длин плеч интерферометров в первых ступенях многокаскадных имц должны быть равны: AL _7M = 500 мкм, AL _7I-2 = 250мкм, AL _7I-3 = 125мкм и AL _7I-4 = 62,5мкм.

без потери общности предположим, что для одной из волн, пусть для волны v ₃ , при некоторых фиксированных значениях фаз {φ* _n } и {ф* _n } выполняются условия, обеспечивающие пробег волны v ₃ по трассе из входного порта «In» в порт вывода «Drop».

работа t-оаDм 70 при этих фазах {φ* _n } и {ф* _n } происходит следующим образом.

оптический фильтр первой ступени 71-1 разделяет каналы, поступающие во входной порт «In», на две группы - группу нечетных волн v _ь v ₃ ,..,vi ₅ , которые направляются к оптическому фильтру второй ступени 71 -2, и группу четных волн v ₂ ,v ₄ ,...,v ₎₆ , которые направляются к оптическому сумматору 72.

процесс повторяется: сначала оптический фильтр 71-2 вновь делит каналы (волны) и направляет волны v ₃ , V ₇ , V ₁₁ и v ₁₅ к оптическому фильтру третьей ступени 71-3, а волны V ₁ , V ₅ , V ₉ и V ₁₃ к сумматору 72; оптический фильтр 71-3 делит

приходящие к нему волны и направляет волны V ₃ и Vn к оптическому фильтру 71-4, а волны V ₇ и Vi ₅ направляет к сумматору 72. наконец, оптический фильтр 71-4 делит приходящие к нему две волны, в результате выделяется волна v ₃ , которая проходит в порт вывода «Drop», а все другие 15 волн поступают на четыре входа сумматора 72 и с его помощью оказываются в выходном порте «Out». волна v ^N ₃ , вводимая через порт «Add», поступает на четвертый вход сумматора и также оказывается в выходном порте сумматора 72.

для того, чтобы любой другой канал был подвергнут вводу/выводу, необходимо в соответствии с выражениями (10) изменить значения фаз {φ _n } и {ф _n }. например, чтобы перейти в режим ввода/вывода соседней волны v ₄ , необходимо следующим образом изменить фазовые сдвиги {φ* _n } и {ф* _n }: δφ _71-1 = π, δφ ₇ i_ ₂ = π/2, δφ ₇ ]. ₃ = π/4 и δψ ₇ i- ₄ = π/8, а фазы {ф _n } должны иметь, соответственно, изменения, в два раза большие по величине.

если же на вход t-оаDм 70 начинают поступать сигналы, новые частоты каналов которых {V;} все сдвинуты на величину δv < Av ₁ = 200 ггц, то есть, v ^v ,=V;+δv, то для того, чтобы ввести/вывести каналы с новыми оптическими несущими, следует снова в соответствии с выражением (10) внести соответствующую коррекцию в фазовые сдвиги {φ* _n } и {ф* _n }- например, для того, чтобы при сдвиге частот каналов на величину δv = 50 ггц произвести ввод/вывод волны v ^N ₃ , необходимые изменения фаз должны быть: δφ ₇ ].]= -π/8, δφ ₇ i _-2 = -π/16, δφγi-з = — π/32 и δφ ₇₁ . ₄ = -π/64.

в общем случае функциональное устройство, используемое в настоящем изобретении как t-оаDм, может отличаться от t-оаDм 70 числом ступеней в (N-M)- многоступенчатой структуре, спектральным интервалом между соседними каналами на входе δ v ^*x , а также типом используемых оптических фильтров.

при этом для оптических фильтров n ₃ -oй ступени при n ₃ = 1, 2,...3 расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках должны устанавливаться следующим образом:

δ к _и з = 2- ³ - ¹ δ v ₃ " • (15)

схема одного из вариантов управляемого многоканального t-оаDм согласно настоящему изобретению изображена на фиг.8. при этом многоканальный t-оаDм 80 предназначен для использования в оптической системе со спектральным уплотнением,

общее число каналов в которой 64, а спектральный интервал между соседними каналам δvо = 50 ггц и обеспечивает управляемый ввод/вывод 4 задаваемых каналов.

многоканальный t-оаDм 80 построен на функциональных устройствах, рассмотренных выше: используются t-Dеmuх 81-1 конфигурации «1x4», t-мuх 81-2 конфигурации «4x1» и четыре идентичных t-оаDм (81-3) í (81-6), установленных в трассах Cl í C4, соединяющих входы t-Dеmuх 81-1 с соответствующими входами t- мuх 81-2.

многоканальный t-оаDм 80 - интегрально-оптическое устройство, выполненное на одной подложке 82. соединения между функциональными частями производятся с помощью волноводов 83, сформированных на общей подложке 82.

входной порт 84 и выходной порт 85 соединены со входом t-Dеmuх 81-1 и выходом t-мuх 81-2 - ∑Dеmuх и ∑ _t- мux , соответственно. четыре порта вывода 86-1 í 86-4 и четыре порта ввода 87-1 í 87-4 соединены, соответственно, с выводными портами «Drop» и вводными портами «Add». все эти внешние выводы выполнены в виде световодов.

многоканальный t-оаDм 80 может в качестве устройства управления содержать контроллер 88, связанный с электрической шиной 89 с элементами управления шести указанных выше мультиплексорных функциональных устройств.

рассмотрим работу многоканального t-оаDм 80 в режиме управляемого ввода/вывода 4-х каналов, когда на вход 84 поступают 64 канала, частоты которых {v ^v _; } могут перестраиваться, то есть смещаться на величину δv, меньшую, чем спектральный интервал между каналами.

входной оптический сигнал, содержащий 64 канала, подается на вход устройства t-Dеmuх 81-1, область свободной дисперсии которого в 16 раз меньше, чем спектральный диапазон оптического сигнала на входе.

на это же устройство поступают управляющие напряжение {Iгsi-i}, соответствующее функционированию устройства как t-Dеmuх для оптических каналов с частотами {v'j}.

соответственно, с 4-х выходных портов t-Dеmuх 81-1 в трассы Cl í C4 выводится по 16 каналов. распределение каналов по четырем трассам приводится в табл. 2.

таблица 2 комбинации каналов, выводимых в трассы с 1 í C4

каждое из 4-х подмножеств каналов, содержащее по 16 каналов, поступает на вход одного из t-оаDм 81-3 í 81-6. на эти же устройства поступают управляющие напряжения {Iгgi-з} í {U9 ₈ i. ₆ }, обеспечивающие функционирование данных устройств как t-оаDм для оптических каналов с частотами {V;}. как результат, из 4-х подмножеств каналов выводится один из каналов - любой задаваемый из каждого подмножества каналов. одновременно, вместо выведенных каналов с помощью тех же t-оаDм могут быть введены новые 4 канала. остальные каналы, вместе со вновь введенными, проходят на вход t-мuх 81-2.

на t-мuх 81-2 поступает управляющее напряжение {Iгsi-г}, обеспечивающее функционирование его как t-мuх для оптических каналов с частотами {V,-}. в результате все поступающие на входы t-мuх 81-2 каналы оказываются в выходном порте многоканального t-оаDм. таким образом, в режиме управляемого ввода/вывода могут быть выведены/введены четыре канала из 64 каналов; при этом число возможных вариантов каналов ввода/вывода составляет 16 ⁴ « 65 -10 ³ .

многоканальный t-оаDм 80 может использоваться также в режиме реконфигурируемого ввода/вывода 4-х каналов, когда необходимо выводить/вводить 4 задаваемых канала из 64 каналов с фиксированными и соответствующими ITU- стандарту частотами каналов. в этом режиме управляющие напряжения {Usi-i} для t- Dеmuх 81-1 и {Usi- ₂ } для t-мuх 81-2 должны быть один раз установлены соответствующим образом, а далее оставаться неизменными. управление выводом/вводом четырех задаваемых каналов в этом случае должно производиться с помощью соответствующих изменений фаз в элементах управления оптических фильтров, входящих в состав t-оаDм 81-3 í 81-6.

многоканальный мультиплексор ввода/вывода, предназначенный для использования в какой-либо конкретной оптической системы связи, может отличаться

от рассмотренного многоканального t-оаDм 80. в общем случае параметры входящих в состав многоканального t-оаDм функциональных устройств трех рассмотренных типов определяются общим числом каналов в оптической системе 2 ^N при N>2, спектральным интервалом между соседними каналами δvо и числом каналов, подлежащих вводу/выводу 2 ^м (M - целое число, 1< M <N). основные параметры трех функциональных устройств с учетом совместимости этих устройств приведены в табл. 3 .

таблица 3 основные параметры функциональных устройств

символы «∞ » в двух позициях табл. 3 соответствуют тому, что на выводном и вводном порте каждого многоканального t-оаDм присутствует только один канал. число вариантов комбинаций вводимых/выводимых каналов весьма большое: 2 ^S , где S = 2 ^M - (N - M).

использование интегрально-оптических технологий для изготовления многоканального t-оаDм представляется решающим фактором для того, чтобы многоканальные управляемые оптические мультиплексоры ввода/вывода согласно настоящему изобретению соответствовали требованиям, предъявляемым к устройствам аналогичного назначения: имели возможность ввода/вывода большого количества каналов, были устойчивы к внешним воздействиям, имели высокое быстродействие. использование в конструкции унифицированных типовых элементов - однокаскадных и/или двухкаскадных и/или многокаскадных имц - позволит использовать автоматизированные технологические операции, что обеспечит высокие технические характеристики и относительно низкую стоимость изготовления мультиплексоров.

кроме использования в оптических коммуникационных сетях, многоканальные t-оаDм согласно изобретению могут иметь и другое применение, например, в многоканальных системах датчиков, для оптической фильтрации, в аналоговых системах самого различного назначения.

рассмотренные примеры поясняют принцип работы, характеристики и возможные варианты конструкции настоящего изобретения. специалистам в области волоконно-оптических систем связи должно быть очевидно, что в рамках настоящего изобретения возможны другие модификации и альтернативные варианты конструктивного исполнения управляемых оптических мультиплексоров ввода/вывода согласно изобретению, не выходящие за рамки формулы изобретения.

промышленная применимость

многоканальный управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода 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 DWDм-технология, а также в региональных, городских и локальных системах связи, где используется CWDM- технология.

многоканальный управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода согласно настоящему может быть реализован с помощью существующих интегрально- оптических технологий.