CN1169811A - 多级NxN空间耦合装置的运行方法 - Google Patents

多级NxN空间耦合装置的运行方法 Download PDF

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Abstract

在多级集成光学N×N空间耦合装置中,该装置具有:N=2n(式中n=1,2,3,…)个分别置于空间耦合装置输入端之后能有二种导通状态的集成光学1×2开关的输入角锥和N=2n个分别置于空间耦合装置输出端之前能有二种导通状态的集成光学1×2开关输出角锥以及在输入角锥和输出角锥之间延伸的N2个中间通路的(完全的Shuffle－)中间通路网络,其中始终以同一波长的光出现在N×N空间耦合装置的每一输入端上,这里单个输入端的波长每隔M=2m(式中m=1,2,3…n－1)输入端进行重复,在把各自二个中间通路直接接到n级1×2开关角锥的各自的2n－1角锥基底一侧的1×2的开关上,在从第i个输入角锥到输出角锥延伸的连接路径分别在从第j个(式中丨i－j丨=v·2m,v=1,2,…)输入角锥到上述输出角锥延伸的输入角锥内的串音路径,最多m个不同时进入连接路径,位于角锥输入端和连接输出角锥的角锥输出端之间的1×2开关,而在输出角锥始终有m个不同时进入连接路径、位于连接输入角锥的角锥输入端和角锥输出端之间的1×2开关被接通到总是离开串音路径的导通位置。

Description

多级N×N空间耦合装置的运行方法
现代有广阔前景的光长途通信网络必须在容量、适应性、可靠性和透明性方面满足高要求。在光分频多路传输中进行数据传输和转接时可最佳满足这些对传输网络的要求。光分频多路传输(波分多路传输-WDM)是在一条光纤上集中了多个传输频道，这些频道通过其彼此相差几百GHz的光载频(波长)彼此分离。这时最高可能的频道数受限于光纤放大器的增益带宽。
光十字接头(OCC)用于光频道的半永久性无阻塞的耦合。这种光十字接头通常既配备频率转换级也配备空间转换级。
从ICC’93 Conf.Rec.Vol.3/3，1300-1307，Fig.10在这方面可以获悉一种WDM耦合装置，在其输入一侧具有，进入到附属的输入光纤上的光信号各按频率分离的波长信号分离器，跟随其后的空间耦合装置(空间开关)，各输入的波长转换为出发的波长的可调节的波长转换器以及在其输出一侧具有，传送到这一侧的波长合并的波长多路转换器。
从通信技术杂志(ntz)46(1993)1，16-21页，图13和14可以获悉WDM-耦合装置，在这种装置中也在输入一侧配备有波分多路传输器(图13中为1/N；图14中未命名)，在其输出一侧配备有波分多路传输器(图13中为N/1；图14中未命名)，波长转换器(图13中为频率分级；图14中为滤波器和变频器)用于波长转换为各发出的波长，以及处于其间的空间耦合装置(图13中为空间分级，图14中为光纤开关)。
在光学多路传输器(多路分离器)以及空间耦合装置的这种装置中，有时于空间耦合装置每一种输入端总是加相同的光频(波长)，因而在各具有M光载频的同一分频多路传输的单个光波导的同一频率复盖时，所有M个输入都重复空间耦合装置输入端的光频。
空间耦合装置的任务是让输入端无阻塞地与输出端相连接，即：在每一种负载情况下在任一空闲的输入端和任一空闲的输出端之间能够通过空间耦合装置接通一条途径。
对于具有N输入端和N输出端的空间耦合装置，一种可能的结构是在N个输入端或N个输出端上的各N个1×N树形结构与输入和输出树形结构之间的一个中间通路网络(Shuffle网络)的一种组合；这时具有角锥体的每一树形结构由1×2开关组成。
可是光1×2开关的技术上实现只显示出有限的串音衰减。各信号的一部分也到达恰好未选择的输出端，这作为空间耦合装置的一个信号途径的串音影响另一个信号途径。因此在还不能有令人满意的串音衰减的，今天可使用的半导体为基础的光开关情况下，由这种开关构成的空间耦合装置，并不能直接了当地满足系统技术上的那些要求。这时，尤其是同一光频的两频道之间的串音是关键性的，而在另一光频的串音信号情况下，通过置于空间耦合装置后的多路转换器级滤波器的附加的足够大的串音衰减能够起作用。
(根据DE-A1-4 432 728)为了在具有一个光输入端/输出端和N个光输出端/输入端的树形结构内的光1×N开关矩阵有比较高的串音抑制，其组成如下：
—把输入端/输出端与每一输出端/输入端相连接的光波导结构，由自行从输入端/输出端向着输出端/输入端的方向在分叉点树形分叉的光波导组成，以及
—由为了在从该分叉点分叉的波导之间有选择地转换的每个分叉点的每一个光转换开关组成；
给输出端/输入端各派给一光门开关；为了依据分叉点转换开关的开关状态有选择地对该输出端/输入端的光放行和阻塞，从该分叉点把一个分叉的波导与该输出端/输入端连接在一起；
在具有N个光输入端和N个光输出端的树形结构的光N×N开关矩阵内，其组成如下：
—二矩阵系；由各N个光1×N开关矩阵组成，其中每一1×N开关矩阵各配备一个光输入端/输出端和各N个光输出端/输入端；和
—具有二个由各N×N光接口组成的接口系的光交换网络；其每一接口用作光输入端和/或输出端，其中一个接口系的每一接口光学上与另一个接口系的每一接口是可连接的，其中
—每一矩阵系的N个光1×N开关矩阵的全部N×N光输出端/输入端与每一接口系的N×N光接口并联；
—每一矩阵系的N个光1×N开关矩阵的总共N个光输入端/输出端组成N×N开关矩阵的N个输入端和/或N个输出端，
光1×N开关矩阵可以是以上述方式组成的1×N开关矩阵。
这时，转换开关和门开关符合要求地是具有二种导通状态的1×2开关，在这些状态中光基本上总是经过两开关间隙之一，即有关的导通路径，进入导通状态，而一强烈衰减的光分量会无意的耦合到另一开关间隙上，在第三种状态，两种导通路径上的光经历相同的衰减，而就此而言，在两种路径中没有一种路径“导通”信号。这种具有多于两种开关状态的1×2开关例如有TIC开关或具有第三种开关状态的其它数字光开关，在第三种开关状态下，在两种导通路径上的光经历相同的衰减。  (从B.Acklin，M.Schienle，B.Weiss，L.Stoll，G.Muller“NovelOptical switches based on carrier injection in three and five waveguidecouplers：TIC and SIC以载流子注入三和五个波导耦合器TIC和SIC为基础的优良光开关”，Electronics Letters 30(1994)3，217可以获悉)。然后，在每一1×N开关矩阵中，只有那些想要的光路径经过的转换开关和门开关在相应的导通状态下受到控制，此外，与这门开关相连接的转换开关又与另一门开关相连接，后者被控制使处在导至光陷阱的导通状态下。所有的普通转换开关和门开关都处于第三开关状态。(DE-A1-4 432 728)。
一个附加的开关级插入到树叉结构除了增加串音衰减之外确实也一起引入插入衰减的增加。于是除了串音衰减之外，这个插入衰减是空间耦合装置的第二关键性量，此量需要优化。
现在本发明指出另一种导致增加的串音衰减的途径，而且不必随之带来增加的插入衰减。
本发明涉及一种多级N×N空间耦合装置的运行方法，该装置具有N＝2n(n＝1，2，3……)，置于各一个空间耦合装置-输入端之后能有二导通状态的1×2开关的输入角锥，以及
N＝2n，置于各一个空间耦合装置-输出端之前能有二导通状态的1×2开关的输出角锥，以及经过输入锥和输出角锥之间(完全的Shuffle)N2个中间通路的中间通路网络，
其中在各约M＝2m(这里m＝1，2，……n-1)输入端或为此数倍彼此阻塞的输入端之间的频道串音是关键性的，
尤其是光耦合装置，在其输入一侧具有对进入到所属输入光纤的WDM信号按波长分配的波分多路分离器，
由能有二导通状态的集成光学1×2开关的角锥组成的N×N空间耦合装置置于其后，在该空间耦合装置每一输入端总是出现同一光，各相隔M＝2m(这里m＝1，2……n-1)的输入端出现重复的波长(光载频)，而随其后的是在光空间-波长-(R-W-)耦合装置内可调节的波长变换器，它把进来的波长转换为一种固定的发出波长，而在其输出一侧，把传输给它的各种波长信号合并成一WDM信号的波长多路传输器；
根据本发明所述，本方法的特征为：
—在1×2开关的n级角锥的各2n-1角锥基一侧的1×2开关的每一开关上直接连接各二个中间通路的情况下，
在从第i输入角锥延伸到输出角锥的连接途径，该路径从输入角锥的输入端经把这个输入端与相应的输入角锥输出端相连接的n个1×2开关，经把该输入角锥输出端与相应的输出角锥输入端相连接的中间通路和经把这个输出角锥输入端与输出角锥的输出端相连接的n个1×2开关伸展到该输出端，
在从第j个(其中|i-j|＝v·2m，v＝1，2…)输入角锥延伸到上述输出角锥的串音途径，该路径从输入角锥的输入端经把这个输入端与相应的输入角锥输出端连接的n个1×2开关，经把输入角锥输出端与相应的输出角锥输入端相连接的中间通路和经把这个输出角锥输入端与输出角锥的输出端相连接的n个1×2开关伸展到该输出端，
所有不同时进入连接路径的1×2开关被接通到最高串音衰减的开关状态；
在本发明的进一步扩展中，在输入角锥中，最大m个不同时进入连接路径的、处于角锥输入端和与输出角锥连接的角锥输出端之间的1×2开关，以及在输出角锥，最大m个不同时进入连接路径的、处于与输入角锥连接的角锥输入端和角锥输出端之间的1×2开关被接通到总是远离串音路径的的导通状态。
本发明利用了如下情况，即具有树形结构(角锥)的空间耦合装置在输入端和输出端有冗余度，以至于甚至在所有输入端和输出端之间信号导通情况下也并非所有1×2开关都处于信号路径上，利用由此而根本存在的可能性，即把不使用的开关置于这样一种位置，在此位置上不希望的串音途径受最佳衰减，因而带来增加串音衰减的优点，更确切说不必因此带来与插入附加的门开关有联系的插入衰减的增加。这时本发明不受如下约束，即有二个导通状态能力的1×2开关也还有第三开关状态的能力。
在这儿需要说明，根据EP-A1-0 282 268已知：为了降低在由输入角锥和输出角锥组成的光学空间耦合装置内的串音作用，在一定的耦合途径为使光强度均等设置无功耦合点；但并未给出与本发明的更接近的共同点。
本发明的其它特点依靠附图由下面实施例的更详细的说明可以获悉：
这里给出：
图1图示一种R-W耦合装置和
图2为图1用电路技术细节。
附图1在了解本发明必要的范围内图示了处在I输入光纤L1，…LI和I输出光纤1L…IL之间的光空间波长(R-W-)耦合装置的实施例，其中，在一输入光纤上各有M个波长λ1…λM和在一输出光纤上也各有M个波长λ1…λM，在波长多路器内可能合并在一起。
I输入光纤L1…LI各导至一波长多路分离器WD1…WDl，它使到达各所属的输入光纤L1…Ll的光信号按波长分开。集成光学N×N空间耦合装置R的N个输入端e1…eN接到波长多路分离器WD1…WDI的总共最多N＝2n(其中n＝1，2，3……)个输出端上，以致于始终是同一波长(或光载频)的光出现在N×N空间耦合装置R的每一输入端上，其中单个输入端的波长(或光载频)每间隔M＝2m输入(这里m＝1，2，…n-1)的重复。
空间耦合装置R配备有：
N＝2n个置于各空间耦合装置-输入端e1，……eN之后的能在二种导通状态的集成光学1×2开关的输入角锥E1，……EN，
N＝2n个置于各空间耦合装置-输出端a1，…aN之前的能有二种导通状态的集成光学1×2开关的输出角锥A1，…AN，以及
在组成输入角锥基的输入角锥E1，…EM，…EN的输出端和组成输出角锥基的输出角锥的输入端之间对称通过的具有N2中间通路1z1，……1zN，……Nz1，……NzN的完全-Shuffle中间通路网络，通过这网络，N个输入角锥中的每一个与N个输出角锥中的每一个相连接。
在图1描绘的实施例中可调节的波长变换器λ/λ1…，λ/λ1…，λ/λN连接到空间耦合装置R的输出端a1，…aN上，在变换器内各到达的信号与迄今的(输入)波长无关，转变为各固定的(输出)波长。必须指出，如果没有考虑波长变换，则这种波长变换器可取消。波长变换器λ/λ1，…λ/λN或在其取消的情况下空间耦合装置R相应的输出端在其输出一侧通过波长多路转换器WM1，…WMI合并在一起，传送给多路转换器的不同波长的各信号合并为-WDM信号，并在其输出一侧送到输出光纤1L，…IL。
用如下想法作为本发明的基础，即：在
-由各N＝2n输入端和输出端，各有置于空间耦合器-输入端之后的1×2开关的输入角锥，各有置于空间耦合器-输出端之前的1×2开关的输出角锥以及在组成输入角锥基的、输入角锥的输出端和组成输出角锥基的、输出角锥的输入端之间对称通过的N2中间通路的一个完全Shuffle中间通路网络，通过这网络N个输入角锥中的每一个与N个输出角锥中的每一个相连接，所组成的一空间耦合装置R内，只有其位置本身相差M＝2n(这里1≤m≤n-1)或其数倍的输入端之间的一种串音才是关键性的。在图1的实施例中这种关键性受限于：恰好就在这种数字顺序相差M＝2m的输入端上出现相同光载频的信号，所以例如根据图1空间耦合装置R的输入端ei和ej上要各自出现波长λi的光。
在从第i个输入角锥(图1的Ei)到输出角锥，例如输出角锥Ap(图1)，通过的连接路径，其本身从输入角锥Ei的输入端ei经过这个输入角锥，其输出端eip与相应的输出角锥输入端ipa连接的中间通路izp和输出角锥Ap伸延到其输出端ap上，通过一关键性的串音路径，例如从第j个(这里|i-j|＝v·2m，v＝1，2…)输入角锥(图1的Ej)到上述输出角锥Ap，该路径从输入角锥Ej的输入端ej经过这个输入角锥，其输出端ejp与相应的输出角锥输入端jpa连接的中间通路jzp和输出角锥Ap伸延到其输出端ap上。
从图2可以更清楚看到连接路径和串音路径，在图中两个输入角锥Ei和Ei和输出角锥Ap(参看图1)以及另一个输出角锥Aq被更加详细示出。每一角锥由n级具有二通导状态能力的集成光学1×2开关组成，其中正如对输入角锥Ei的开关i31和对输出角锥Ap的开关31p所提示的那样，二中间通路(izl，izp；izp，izp)能够各自直接连接到1×2开关的n级角锥(Ei；Ap)的各2n-1角锥基一侧的1×2开关(i3l，31p)中的每一个。
上面依靠图1考察过的从第i个输入角锥Ei到输出角锥Ap的连接途径，按照图2从输入角锥Ei的输入端ei经过把该输出端ei与相应的输入角锥输出端eip连接的n 1×2开关i11，i21，i31，另外经过把输入角锥输出端eip与相应的输出角锥输入端ipa连接的中间通路izp，以及最终经过把该输出角锥输入端ipa与输出角锥Ap的输出端ap相连接的n1×2开关31p，21p，11p到该输出端ap上。
另一连接路径可能从输入角锥Ei到输出角锥Aq，确切地说从输入角锥Ej的输入ej端经过把该输入端ej与相应的输入角锥输出端ejq相连接的n1×2开关j11，j21，j32，另外经过把输入角锥输出端ejq与相应的输出角锥输入端jqa相连接的中间通路jzq，最终经过把这种输出角锥输入端jqa与输出角锥Aq的输出端aq相连接的n个1×2开关33q，22q，11q到该输出端aq上。
上面依靠图1考察过的从第j个输入角锥Ej到输出角锥Ap的串音路径按照图2从输入角锥Ej的输入端ej经这种输入ej与相应的输入角锥输出端ejp连接的n个1×2开关j11，j21，j31，再经把输入角锥输出端与相应的输出角锥输入端连接的中间通路jzp，最终经把这个输出角锥输入端jpa与输出角锥Ap的输出端ap连接的n个1×2开关33p，22p，11p到该输出ap端上。
在这个串音路径上所有不同时进入连接路径的1×2开关被接通到具有最高串音衰减的开关状态。这以下列方式发生在图2恰好能有二种导通状态的1×2开关的实施例中：
在输入角锥Ej内，不同时进入连接路径的、位于角锥输入端ej和连接输出角锥Ap的输入角锥输出端ejp之间的1×2开关接通到总是离开串音途径的导通位置。在所考虑的实施例中这是开关j31，而此外位于所考虑的串音途径的开关j11和j21同时处于事先已经考虑的其它的连接途径ej-ejq-jzq-jqa-aq，其导通位置由此确定；可以一般地说，各按照各自的导通连接的情况，在0和处在角锥输入端ej和与输出角锥Ap连接的输入角锥输出端ejp之间的m个1×2开关被接通到总是离开串音路径的导通位置。
与此相反，在输出角锥Ap内，始终有m个不同时进入连接途径中，位于与输入角锥Ej连接的角锥输入端jpa和角锥输出端ap之间的1×2开关，例如开关33p，22p，被接通到总是离开串音路径的导通位置。
相应地也适合于在上面已经考虑的另一连接路径ej-ejq-jzq-jqa-aq组成的从第i个输入角锥Ei到输出角锥Aq的串音路径。该串音路径根据图2从输入角锥Ei的输入端ei经把这个输入端ei与相应的输入角锥输出端eiq连接的n个1×2开关i11，i21，i32，另外经把该输入角锥输出端eiq与相应的输出角锥输入端iqa连接的中间通路izq，再经过把该输出角锥输入端iqa与输出角锥Aq的输出端aq连接的n个1×2开关31q，21q，11q到该输出端aq。
在这种串音路径中也是所有不同时进入连接路径的1×2开关被接通到具有最大串音衰减的开关状态。
在输入角锥Ei内，不同时进入连接路径的、位于角锥输入端ei和连接输出角锥Aq的输入角锥输出端eiq之间的1×2开关被接通到总是离开串音路径的导通位置。在所考虑的实施例中这是开关i32，而此外位于所考虑的串音路径上的开关i11，i21同时位于首先考虑的其它的连接路径ei-eip-izp-ipa-ap上，因此决定了其导通位置。
在输出角锥Aq再次始终有m个不同时进入连接路径的、位于与输入角锥Ei连接的角锥输入端iqa和角锥输出端aq之间的1×2开关，例如开关31q，21q被接通到总是离开串音路径的导通位置。
与具有本文一开始所述方式能有二种导通状态和第三种导通状态的1×2开关相应的空间耦合装置比较，在该装置中所有恰好不处于连接路径上的开关处在第三开关状态，在根据本发明运行的空间耦合结构R内，对任意一条连接路径都改进了串音衰减，至少为m·(s-u)[dB]，最多为2m(s-u)[dB]，式中S是处于(另一)导通状态的1×2开关的串音衰减，而u是处于第三开关状态的1×2开关的衰减。如果我们使用S＝20dB的1×2开关的串音衰减和u＝4dB处于第三开关状态的串音衰减(插入衰减)，则因此在n＝3和m＝2的所考虑的实施例中对于在输入和输出之间任意的信号路径，本发明带来的串音衰减的改进最小为32dB，最高为64dB。
最后还必须说明：前面提到的本发明置于输入一侧具有波长多路分离器，其后的具有集成光1×2开关的角锥的N×N空间耦合装置，必要时其后的波长变换器，和输出一侧波长多路转换器的光耦合装置的框架内描述；本发明不受此约束，而且非常普遍地在具有多级N×N空间耦合装置情况下，该装置具有N＝2n(式中n＝1，2，3，……)个分别置于空间耦合装置-输入端之后的能具有二种导通状态的1×2开关的输入角锥，和N＝2n个分别置于空间耦合装置-输出端之前的能具有二种导通状态的1×2开关输出角锥，以及具有一个在输入和输出角锥之间延伸的(完全Shuffle-)有N2中间通路的中间通路网络得到应用，在应用中处在分别相差M＝2m(式中m＝1，2，…n-1)个输入端或相差M的倍数个输入端的输入端之间的频道串音是关键性的；上述说明对图2同样适用。

Claims (2)

1.多级N×N空间耦合装置(R)的运行方法，该装置具有：
N＝2n(式中n＝1，2，3…)分别置于空间耦合装置-输入端(e1，…eN)之后的能有二种导通状态的1×2开关的输入-角锥(E1，…EN)和
N＝2n分别置于空间耦合装置-输出端(a1，…aN)之前的能有二种导通状态的1×2开关的输出-角锥(A1，…AN)，以及
一个在输入和输出角锥之间通过的有N2中间通路(1z1，NzN)的(完全Shuffle)中间通路网络，
在该装置中在分别相隔M＝2m(式中m＝1，2，3，…n-1)或其倍数的输入端之间的频道串音是关键性的，
尤其在一种光耦合装置中，在其输入端一侧具有对到达一个所属的输入光纤(L1，…LI)的WDM信号各按波长分配的波长多路分离器(WD1，…Wdl)，
跟随其后的能有二种导通状态的集成光学1×2开关的角锥组成的N×N空间耦合装置(R)，在其每一输入端(ei)上始终是同一光，在各相隔M＝2m(式中m＝1，2，…n-1)的输入端重复的波长(光载频)出现把光空间-波长-(R-W-)耦合装置内分别到达的波长转变为固定的发出波长的可调节波长多路变换器(λ/λp)能置于其后，
而在其输出端一侧，从属于它的各种波长的信号合并为一个WDM信号的波长多路转换器(WM1，…WMI)，
因此，在把各二个中间通路(iz1，izp)直接接到各2n-1角锥基底一侧1×2开关(i31)的n级1×2开关的角锥(Ei)中的任一个上，
在从第i个输入角锥(Ei)到输出角锥(Ap)延伸的连接通路，
从输入角锥(Ei)的输入(ei)经过把该输入端(ei)
与相应的输入角锥输出端连接的n个1×2开关(i11，i21，i31)，把输入角锥输出端(eip)与相应的输出角锥输入端(ipa)相连接的中间通路(izp)，把该输出角锥输入端(ipa)与输出角锥(Ap)的输出端连接的n个1×2开关(31p，21p，11p)伸延到该输出端(ap)上，
在从第j个(式中|i-j|＝v·2m，v＝1，2，…)输入角锥(Ej)到上述输出角锥(Ap)延伸的串音路径，
从输入角锥(Ej)的输入端(ej)经把该输入端(ej)与相应的输入角锥输出端(ejp)连接的n个1×2开关(j11，j21，j31)，把输入角锥输出端(ejp)与相应的输出角锥输入端(jpa)连接的中间通路(jzp)，把该输出角锥输入端(jpa)与输出角锥(Ap)的输出端(ap)连接的n个1×2开关(33p，22p，11p)伸延到该输出端(ap)所有不同时进入连接路径的1×2开关(j31，33p，22p)被接通到最大串音衰减的开关状态。
2.根据权利要求1的方法，其特征为：
在输入角锥(Ej)最多m个不一起列入一个连接路径，处在角锥输入端(ej)和与输出角锥(Ap)连接的角锥输出端(ejp)之间的1×2开关(j31)和在输出角锥(Ap)始终是m个不同时进入连接路径，位于连接输入角锥(Ej)的角锥输入端(jpa)和角锥输出端(ap)之间的1×2开关(33p，22p)被接通到总是离开串音路径的导通状态。
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