CN1196800A - 干涉开关 - Google Patents

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Abstract

一种紧凑的单片干涉开关,诸如马赫—策恩德开关是这样形成的,其中,输入与输出耦合器之间的波导通道(47)之一包含一种呈现共振非线性性能的材料,由此当泵功率经由其传播时而使其折射率改变。每条光波导通道(47,46)都具有不同的传播常数,由此当没有泵功率经由稀土非线性通道传播时,使信号光在每条通道有不同的延迟。当泵功率未经由非线性通道传播时,加到开关输入端的输入信号出现在第一输出端,当泵功率加到非线性通道时,输入信号出现在第二输出端。以相对较低的泵功率电平产生切换。

Description

干涉开关
发明背景
本发明涉及光功率开关器件。
众多包括局域网、传感器阵列和通信系统的应用都需要开关速度高达1千兆赫的光学开关。现已开发了许多形式的光学开关器件。典型的例子有多量子阱波导开关、张力层超晶格定向耦合器和光纤开关。这些器件都是以其所形成之材料的非线性效应为基础的。以半导体器件为例，开关所需的临界功率低于1毫瓦。直至近年还在用二氧化硅基纤芯的光纤制作光纤开关。由于二氧化硅的非线性系数极小，这些光纤开关所需的光功率为几千瓦数量级。
1992年2月15日出版的第17卷第4期「光学周报」第255至257页发表的，由P.L朱等人撰写的“双芯掺铒光纤中的光学开关”一文，已经证明掺铒光纤的非线性系数约为熔凝二氧化硅的一百万倍大。然而，掺铒光纤中非线性系数的较大提高伴随着较大的吸收损耗和较慢的响应时间。朱等人所披露的开关由一段2.26米长的双芯掺铒光纤组成。它难以将光输入到双芯或二芯光纤以及由其输出光。再者，朱等人的掺铒光纤需要较长的长度。而且，由于两根纤芯内的功率差影响到耦合机理，故无法实现较低的串扰。关于这方面的解释见Caglioti等人在1988年2月出版的「美国光学学会杂志B」第5卷第2期第472-482页上发表的“在存在线性和非线性吸收和饱和时对采用非线性耦合器的各种光学开关的限制”一文。该双芯光纤要求大功率输入或较长的光纤长度，必须把它构成能防止因环境造成的相移，诸如弯曲所造成的相移。
R.H.Pantell等人在1993年9月出版的「光波技术杂志」第11卷第9期第1416-1424页上发表的“对掺铒光纤中非线性光学开关的分析”一文，讨论了采用马赫-策恩德和双模光纤两种结构的开关结构，每种结构都应用了掺铒纤芯。
Pantell等人描述了一项实验，其中采用3.4米长的双模光纤。π相移需要15.5毫瓦的吸收泵功率。在LP01和LP11模式中，发送信号注入大致相等的功率。但此类信号的注入是难以实施的，故该器件当发生外部振动和扰动时是不稳定的。
Pantell等人的马赫-策恩德器件的相移区域内的单或双光纤由掺铒光纤制成，泵功率仅仅耦合到其中的一根光纤。由于第1417页上说明双模光纤(TMF)开关的泵功率需求通常为同等马赫-策恩德(MZ)开关的2至4倍，这样，这类马赫-策恩德开关应为85至170厘米长才能使功率维持恒定。在没有泵功率时，所有信号功率都出现在输出端口2。当施加足够的泵功率产生为π/2的相位差时，信号切换到输出端口3。Pantell等人指出，光纤纤芯因纤芯内泵功率所产生的声子而发热，并指出由于双模光纤采用同一个引导区域而对环境变化作出同样的反应，故双模光纤比马赫-策恩德干涉仪更优越。
Pantell双模器件对沿着双模光纤长度方向上的发送条件和任何扰动是非常敏感的。而且，它不能直接与单模操作兼容。
为了达到一定的紧凑度并容易处理，最好使马赫-策恩德型非线性开关成为一种单片结构。为了使这种器件能实际应用，其长度不应超过15厘米左右。
发明概述
因此，本发明的目的在于提供一种光学开关，它克服了前述现有开关的缺点。本发明的另一目的在于提供一种紧凑、低功耗、低串扰的非线性光学开关。
简而言之，根据本发明一个方面的单片干涉开关包括将输入信号分离成N个均等信号分量的输入耦合装置，其中N＞1。具有至少第一和第二输出端，用以将N个信号分量组合在一起的组合装置。将N个信号分量连接到组合装置的N条光波导通道。至少有一条波导通道包含具有谐振非线性的材料，由此当泵功率通过其传播时，其折射率改变。输入耦合装置和组合装置不采用非线性材料。输入耦合器装置、组合装置和光波导通道均与基质玻璃体热接触。
在一个实施例中，该开关包括第一和第二光纤，它们经细长的基质玻璃沿长度方向延伸。该玻璃体包括一个相移区域以及位于该相移区域两端的两个间隔开的耦合区域。玻璃体直径和光纤直径在耦合区域内比在相移区域内的要小。至少位于相移区域内的第一光纤部分含有谐振非线性的材料，由此当泵功率通过其传播时，使第一光纤的折射率改变。当泵功率未通过第一光纤传播时，光纤在相移区域内具有不同的传播常数，这样，第一光纤就使通过其传播的光有一个延迟，它与光通过第二光纤传播而经历的延迟不同。
根据本发明的另一方面，诸如马赫-策恩德开关之类的干涉开关或其它干涉开关包括第一和第二光耦合器以及在这些耦合器之间延伸的第一和第二光通道。该开关进一步包括限定连接至第一耦合器的第一输入端口以及限定连接至第二耦合器的第一输出端口的装置。至少一条通道为非线性通道，它包括一种共振非线性的材料。材料的折射率以及由此而涉及的非线性通道的光程长根据经通道所施加的光功率而改变。如以下进一步所述，术语“光程长”是按给定波长和给定传播模式的光信号经由通道从一端至另一端所需的时间的量度。光程长与通道的物理长度和通道的各个参数有关，后者确定了通道上光的相位速度，诸如通道内材料的折射率以及通道的物理结构。无光泵功率时，光程长是互不相同的。该器件具有零功率传递函数，它与经由第一输入端口出现在第一输出端口所施加的光与波长的比例有关。如本申请所述，术语“零功率传递函数”指低功率条件下流行的传递函数，即，非线性通道的性能基本上不受泵功率的影响。零功率传递函数类似于常规马赫-策恩德干涉器件的传递函数；它包括位于第一波长的至少一个波峰，以及位于第二波长的至少一个波谷，典型地包括一组交替的波峰和波谷。在每一波峰，通过输入端口提供的光基本上都出现在第一输出端口，而在每一波谷，通过第一输入端口施加的光基本上没有出现在第一输出端口。最好，在对应于被处理信号波长范围的工作范围内波长的零功率传递函数的波峰和波谷相对间隔得较近，即，间隔的波长差Δλ小于约100纳米，较佳地小于约10纳米，最好小于约6纳米或6纳米以下，典型的在大约1纳米至6纳米之间。
本发明的这一方面实现了当零功率传递函数包括间隔相对较近的波峰和波谷时，非线性通道的光程长仅需较小的变化即可使器件在第一状态与第二状态之间切换，其中，第一状态为通过输入端口提供的给定信号波长的光基本上都出现在第一输出端口，第二状态为加到第一输入端口的此种信号波长的光基本上未出现在第一输出端口。导致切换所需的光程长变化程度可以比可对比器件中导致切换所需的光程长变化程度小几个数量级，其中零功率时的光程长相互相等。这种可对比器件具有平坦的零功率传递函数。使这种差别概念化的一种方法是零功率传递函数包括间隔较近的波峰和波谷，波峰与波谷之间的间距只要有小小的差别将足以使波峰移动得与被发射信号波长对准或不对准。
根据本发明该方面的器件有几个重要优点。进行切换而必须施加到器件上的光功率量可以大大小于具有平坦零功率传递函数的可对比器件所需的光功率量。此大大降低了器件工作时内部所产生的热量，并降低了热效应。而且，比之最初采用相同光程长的可对比器件，根据本发明该方面的器件中，可以实质性地缩短允许以给定光功率电平进行切换所需的非线性通道的物理长度。并由此可在如上所述的单片器件中切实提供所需的切换功能。
较佳地，该器件包括连接到第二耦合器的第二输出端口。第二输出端口可以具有基本上与第一输出端口的传递函数反向的一种传递函数，这样，第二输出传递函数的波峰对应于第一输出传递函数的波谷，反之亦然。可以用包含两个输出端口的器件切换在网路的两条支路之间选择的给定波长的光，或者选择特定的波长沿着网路的一条支路转移。仅仅具有一个输出端口的器件可以用作可调的波长选择滤波器。
根据本发明的另一方面，可以将所述原理应用于多级干涉器件。根据本发明该方面的器件包括至少3个光耦合器和多个在耦合器之间延伸的光通道。这些通道按组设置，故耦合器通过几组通道相互串联连接。每组包括至少两条相互平行的通道。耦合器之一在该串联的输入端构成一个输入耦合器，而位于该串联另一端的另一个耦合器构成输出耦合器。该器件进一步包括限定连接至输入耦合器的信号输入端口以及限定连接至输出耦合器的第一输出端口的装置。该器件中的至少一条通道是如上所述的非线性通道，当光经由通道传播时，其光程长改变。当无光泵功率施加到器件上时，至少一组通道，较佳地所有通道组内的平行连接通道的光程长相互不一样。而且，该器件具有零功率传递函数，它包括位于第一波长的波峰和位于第二波长的波谷，希望这些波峰和波谷是如上所述按较近的间距间隔的。尤其是，各组通道的每一组包括具有非线性材料的至少一条非线性通道。包含在非线性通道内的非线性材料可以对作为泵激波长范围内辐射的光功率起反应，该泵激波长范围远离包围第一和第二波长的信号波段。耦合器基本上可以沿着非线性通道合适地引导该泵激波长范围内的光。
在每个耦合器，非线性通道可以直接相互连接，从而使非线性通道形成经由几个耦合器延伸的一条连续的非线性通道阵列。该开关可以进一步包括连接到该非线性通道阵列一端的泵输入端口。希望耦合器能有效地耦合每个耦合器各通道之间的信号波长波段内的光，但基本上不能有效地耦合各通道之间泵激波长波段内的光。这样，泵激波长波段内的泵光就可以通过泵输入端口施加，并基本上将仅仅在非线性通道阵列内传播。在一个更为较佳的配置中，器件中的所有通道均由光纤构成，非线性通道阵列由经由各个耦合器延伸的第一连续光纤构成。该第一连续光纤可以包括多个间隔开的含有非线性材料的非线性部分以及多个无非线性材料的线性部分，线性部分延伸到所有各种耦合器。该器件可以包括经几个耦合器延伸的第二连续光纤，该第二连续光纤构成第二通道阵列，它在相互直接连接的几组中的每组中都包括几条通道。当采用光纤制成时，该器件较佳地包括一种单片玻璃基体，它以热接触方式包围该光纤。每个耦合器都可以是一种逐渐变尖的外包层耦合器，它包括变窄的光纤和本体部分，变窄的本体部分作为每个此类耦合器的外包层。
根据本发明这一方面的器件可以将上述有效的切换作用同与多级干涉器件有关的几种传递函数形状的任何一种结合起来。一种特别有用的此类器件在一个端口的零功率传递函数内提供一个相对较窄的波峰，该波峰的任一侧是相对较宽的波谷。当光功率施加到非线性通道时，波峰的位置发生偏移。此类器件在采用几个间隔相对较近的信号波长的波长分离多路转接系统中，能用来在几个波长中间选择一个波长。
附图简述
图1是现有技术的马赫-策恩德开关的示意图。
图2是两种类型马赫-策恩德器件的功率输出相对波长的关系曲线图。
图3是在图2所示相邻波峰与波谷之间作为波长间隔之函数的切换所需功率(PS)的曲线图。
图4是根据本发明形成的马赫-策恩德开关的截面图。
图5是沿图4所示5-5线的截面图。
图6是表示根据本发明形成的马赫-策恩德干涉开关其损耗相对发送功率的曲线图。
图7表示一种平面型马赫-策恩德干涉开关。
图8是表示根据本发明另一个实施例的器件的示意图。
图9是表示图8所示器件零功率传递函数的曲线图。
图10是类似于图8的曲线图，但表示存在光学泵功率时的传递函数。
详细说明
图1示意性地表示一种马赫-策恩德开关。第一或输入端耦合器11和第二或输出端耦合器12由波导通道14和15连接。该器件包括连接到输入耦合器11的第一和第二输入端口1和2，还包括连接到输出耦合器12的第一和第二输出端口3和4。耦合器通常为3分贝耦合器，由此例如在耦合器11的两个输出之间平等地划分施加到输入端口2的信号功率，并沿着通道14和15导向第二或输出端耦合器12。在输出端耦合器，沿着两条通道导向的信号彼此组合。根据到达输出端耦合器信号的相对相位，该信号将出现在第一输出端口3或第二输出端口4。一条或两条波导通道14和15包含具有谐振非线性的材料，由此由预定波长波段内光的吸收而导致折射率改变。由于稀土元素呈现较大的非线性折射率，故尤为合适。稀土元素铒呈现极大的非线性折射率。将钕用作非线性材料将提高开关速度，但需要较大的开关功率。还有其他掺杂物可以用以实现粒子数反转，以提供谐振非线性。其例子包括过渡金属如铬和钛。
非线性材料所吸收的光可以是其波长不同于信号之波长的泵或选通脉冲。另外，信号波长可以在引起非线性材料折射率改变的波长波段内。在此情况下，可以将分离信号和选通脉冲加到一个或两个输入端口，或者将单个信号脉冲加到一个输入端口(如功率限制器的情况那样)，其幅度可以确定切换是否发生，即确定出现输出信号的输出端口。在下面的讨论中假定波导通道14是非线性通道。如图所示，泵功率加到输入端口1，信号加到输入端口2。如果需要，泵功率和信号功率可以加到同一个输入端口。
在Pantell等人的开关中，耦合器11的性能使得加到输入端口1的所有泵功率基本上都维持不耦合，由此使其仅在波导通道14内传播。在无泵功率加到第一输入端口1时，信号出现在输出端口3。这是通过适当地将两条波导通道14和15之间的相移固定为零而实现的。换句话说，在没有泵功率的情况下，通道14和15的光程长是相等的。泵功率引起波导通道14内折射率的改变，这样，当用足够的功率启动泵使得通道14和15之间的光程长之差在信号波长上等于π相移时，信号即全部从输出端口3切换到输出端口4。
图2所示的输出功率作为两种不同的单级马赫-策恩德器件的波长函数。曲线21是零功率传递函数，它与出现在第一输出端口3经由第一输入端口1施加的光信号与光信号波长之比有关。由曲线21所示的器件具有通道14和15，在无泵功率的情况下两通道的光程长是相等的。即，在曲线21所示的器件中，当经由通道施加的光功率为低或零时，两条通道的传播常数与物理长度之乘积相等。曲线22表示根据本发明的实施例的器件的零功率传递函数，它与施加在第一输入端口1出现在第一输出端口3的光信号功率与光信号波长之比有关。在根据本发明的器件中，当无泵功率时，耦合器11与12之间的相移区域内的两条通道14和15的光程长明显不同。因通道的物理长度不同，因构成两条通道的波导传播常数不同或者两者兼而有之，可以提供不同的光程长。在传递函数22的每个波峰26，实际上所有经由第一输入端口1施加的光信号功率均出现在第一输出端口3，反之，在传递函数的每个波谷25，实际上所有施加在端口1的光信号功率均出现在第二输出端口4，而不出现在第一输出端口3。
其中，曲线22包括多个波峰位于所示的波长范围内，曲线21呈现一种宽带特性，因此，仅有其波峰出现在图2所覆盖的波长范围内。
以下讨论的模式表明使信号在马赫-策恩德器件的两个输出端口之间切换所需的功率量，是例如图2中曲线22所示零功率传递函数的波峰26与相邻波谷25之间波长间隔的函数。这样，无泵激时，切换所需光功率是波导通道14与15光程长之差的函数。该模式源于其通道具有相同物理通道长度z和不同传播常数β的情况。由于波导的传播常数直接与波导的有效折射率n有关，故用有效折射率来表示该模式。为了计算功率需求，该模式假设图1所示相移区域内的波导通道14和15有不同的有效折射率。尽管该模式假设非线性材料是二氧化硅，如果该二氧化硅掺有能提高波导通道的非线性特性的一种材料，则将获得相似的结果。
图1所示器件的归一化输出功率(在引入选通信号前)为
P＝cos2(πz(n2-n1)/λ)                       (1)其中，n2和n1分别表示通道14和通道15内传播的有效折射率，λ为信号波长。波导通道14和15的长度z选择成在零泵激功率时，使π/2相位变化引入两个感兴趣的波长之间，即，所需波峰波长与所需波谷波长之间。例如，如假定最大量发生在波长λ1(图2中的点26)，最小量出现在波长λ2(图2中的点25)，通过公式
z＝[2(n2-n1)(1/λ1-1/λ2)]-1                 (2)
给出Z。在λ1处进行切换所需的折射率变化δ为改变传递函数所需施加的光功率所引起的折射率变化，故是波谷而不是波峰与波长λ1对准。即，在所加光功率的影响下，δ是必须改变一条通道的有效折射率的量，以提供如曲线27所示的传递函数，只是周期稍有不同或相邻波峰与波谷间的波长不同，这样，波谷就落在λ1。对于有给定的物理通道长度和给定的零功率折射率n1和n2的系统，δ由下式给出：
πδz/λ＝π(n2-n1)z/λ1-π(n2-n1)z/λ2         (3a)故
δ＝λ1[(n2-n1)/λ1-(n2-n1)/λ2]                (3b)已知二氧化硅基光纤的单位面积单位光功率折射率的变化率(标为n2 *，也称为“非线性折射率”)为
n2 *＝3.2×10-16cm2/瓦                           (4)至于有效面积为75微米2的单模光纤，等式(4)变成
n2 **＝4.3×10-10/瓦                             (5)采用二氧化硅基非线性光纤的器件中，切换所需功率(瓦)约为
Ps＝1.5δ/(4.3/1010)                            (6)
图3是切换作为PP波带之函数所需功率(Ps)的一张图，这是图2所示传递函数波峰26与相邻波谷25之间以纳米为单位的间隔(即λ1-λ2)。其中，零功率传递函数如图2所示为单一的波长周期函数，峰-谷间隔为传递函数的半个周期。无泵功率时，如果光纤14和15具有相同的传播常数，且如果器件因此而具有平坦或无限大周期的传递函数时，以二氧化硅作为非线性材料切换图1所示器件所需的功率将大致为1000千瓦。该图表示当光纤14和15的传播常数变得相当不同，即图2所示波谷25与波峰26之间的波长之差接近1纳米时，将二氧化硅作为非线性材料的器件中，非线性切换的功率需求减少到原来的1/100(约为10千瓦)。对于掺铒或掺其它稀土的非线性材料，可以用掺杂量和波长改变n2 *的值。
然而，对于工作于光通信常用波长的典型掺铒材料，n2 *的数值约为上述针对二氧化硅给出的n2 *值的106倍，即约为6个数量级那么大。因此，切换包含掺铒非线性材料之器件所需的功率约为用二氧化硅作为非线性材料之相应器件所需的功率的10-6(即小6个数量级)。对于采用掺铒非线性材料但具有平坦或无限大周期零功率传递函数的器件来说，其切换仅需约1瓦的光功率。反之，在根据本发明较佳实施例的器件中，采用掺铒非线性材料且零功率传递函数的λ1-λ2约为1纳米，切换所需的光功率约为100分之一那么小，即，约为10毫瓦。
对于相移区域内光程长不同的器件，将获得同样的结果；此种结构通常应用于平面器件。
最好通道内的非线性材料仅仅存在于相移区域而不是连续到并形成部分耦合器，这样，耦合特性将不受泵功率的影响。此种结构的另一重要优点在于它能够利用损耗较高的掺杂光纤或波导来实现非线性，但由于掺杂光纤仅置于耦合器之间，故损耗可以减至最小。如果非线性材料经由耦合器延伸，则泵功率将施加到不含非线性材料的通道或光纤，泵功率耦合到非线性光纤，由此将使损耗减至最小。
在前述公布的由Pantell等人申请的马赫-策恩德开关中，光波导通道14和15相对较长，由此所产生的问题是当泵功率通过其传播时，非线性通道14将发热。根据本发明的较佳实施例，通过使器件形成单片结构，由此使相移区的非线性支路所产生的热传导到相移区的剩余支路而减小发热问题。此种单片马赫-策恩德器件可以采用外包层光纤结构或平面电路。然而，Pantell等人的器件，其长度使之不适合此种单片器件。当实际使用此种单片器件时，其长度不应超过15厘米左右。
如上所述，根据本发明的较佳的器件能以较低的功率电平(直至比Pantell等人公布的常规设计低2个数量级)提供非线性切换。由于非线性光纤长度与开关功率之间有一个折衷办法，可以用此特征有效地缩短该相移区，从而使整个器件容易制成外包层或平面结构。即，该器件可以缩短到可接受的长度以制成单片器件，开关功率可以相应地维持在较低电平。
根据第5295205号美国专利(作为本申请的参考资料)的教导可以形成一种本发明的单片外包层的干扰开关。图4和图5所示的单片结构含有连接的外包层耦合器41和42，它们通过相移区域44连接。通过将光纤46和47插入基质玻璃49的管腔48内形成该器件。每根光纤的纤芯都由折射率低于纤芯的包层包围。所示实施例中，光纤46为单一光纤，光纤47包含47a、47b和47c几段，它们在制成器件之前熔合在一起。位于相移区域44的段47a掺有稀土离子，而段47b和47c不含有稀土离子。位于相移区域的光纤46部分标为46a。薄而细长的光纤部分通过耦合器41和42延伸形成每个耦合器的耦合元件。耦合元件相互并排平行设置，使沿着每个耦合元件传播的光通过容易消散的光波作用，可以传递到相邻的耦合元件。光纤46的端部51a和51b限定了一个输入端口和一个输出端口，而另一光纤47的端部55a和55b限定了另一输入端口和输出端口。这样，即使输入端口和相移区位于输入端耦合器41的相对两侧，该输入端口51a也直接连接到光纤46的相移区46a。至于耦合器相对两侧上设置的两个元件，术语“直接连接”意味着光可以从一个元件经过另一个元件，无需在耦合器的平行光导元件之间传递。通过耦合器的一个耦合元件端-端连接的两个光纤部分彼此直接连接。反之，输入端口51经由耦合器41间接连接到另一光纤的相移区47a；仅仅通过耦合器41中的变窄、平行光纤部分之间的传递，光就可以从端口51a通到相移区47a。在光纤46另一端的第一输出端口51b也直接连接到相移区46a，而端口55a和55b直接连接到相移区或通道47a并间接连接到相移区或通道46a。
如上所述，在无泵激或开关功率时，相移区域44内两根光纤之间的传播常数之差Δβ必须足以能在低功率电平切换。任何能获得不同传播常数的技术都可采用。例如，如图5所示，光纤47a的纤芯直径可以小于光纤46a的纤芯直径。光纤46和47之纤芯内不同的圆点密度表示光纤47a的纤芯包含了稀土离子。另外，光纤纤芯可以有不同的折射率，或者，光纤的包层可以有不同的折射率或直径。可以将任意两种或多种此类特征组合在一起。假定前述最大的可接受长度为15厘米，泵或开关功率小于1毫瓦，则Δβ应等于或大于0.003。
邻近光纤的基质玻璃管部分的折射率比任一光纤包层的最低折射率还要低。管腔的每一端部均可设置漏斗状部分(未图示)以便于光纤的插入。组合后的管子和光纤称为耦合器预制品。
点a与b之间的管子部分最先加热并紧裹住光纤，且至少有一部分与后者熔合。而且使光纤相互接触，由此在其间产生优良的热传导性。它是这样完成的，将管腔抽真空，对靠近第一端53的管子加热使其加热区域部分紧缩，相对热源移动该预制品，并将紧缩区域部分逐渐延伸到端部54，直至获得所需长度的紧缩的管子。之后，通过加热该管子的一个区域，并按相反方向移动位于加热部分另一侧的管子部分以拉伸加热区域而在靠近管子端部53形成耦合器41。达到预定耦合之后即停止拉伸操作。在拉伸管子形成第一耦合器的同时，可以将光功率耦合到输入光纤，并且可以监测输出信号以控制耦合器制造过程中的加工步骤。
为了取得最佳性能，耦合器41和42在整个感兴趣的波长波段内基本上具有相同的耦合性能。因此，通过使管子的合适区域处于与形成耦合器41所用相同的拉伸条件，在管端54附近较佳地形成第二耦合器42。
根据图4和图5所示的实施例构成一个马赫-策恩德干涉开关。管子10由掺有5wt.％硼的二氧化硅制成。光纤46为一种标准的单模光纤，其外径为125微米，纤芯直径为9微米。光纤包层由二氧化硅制成，纤芯由掺有足够量的锗氧化物(germania)材料的二氧化硅制成，以提供0.35％纤芯-包层折射率差Δ。光纤47由外径为125微米、纤芯直径为4微米的一段掺铒光纤制成。光纤包层由二氧化硅形成，纤芯由掺有1000ppm重量铒和足够量的锗氧化物材料的二氧化硅制成，以提供约为1.0％的纤芯-包层折射率差Δ。
根据上述方法使管子紧缩到光纤上并拉伸以形成耦合器41和42。耦合器在1550纳米处为3分贝。所制成器件的总长为12.7厘米。在无泵功率的情况下，马赫-策恩德开关的波峰至波谷波长间隔(见图2)为6纳米。
工作于1521纳米的激光二极管通过衰减器连接到输入端口2。该单光源起到信号的作用并提供功率以改变掺铒光纤的折射率。图6表示该器件的输出作为输入功率的函数。曲线61表示器件过损耗。曲线62表示输入端口2与输出端口4之间的插入损耗，曲线63表示输入端口2与输出端口3之间的插入损耗。当输入功率为低时，基本上全部输入都出现在输出端口3，随着功率电平的增加，输入切换到输出端口4。图6表示该切换发生在输入功率小于1毫瓦的地方。该特例表明，在泵功率或选通脉冲被引入之前，使信号在图1所示两个输出端口3与4之间切换所需的功率量，取决于相移区域两条支路14与15之间所存在的相位差。
图7表示将干涉开关制成平面器件的实施例。所有波导通道和耦合器都制作在基板66之内或之上。输入通道71和72通过耦合器68连接到相移通道69和70。通道69和70通过耦合器67连接到输出通道73和74。通道70比通道69长，由此将相移引入通过通道69和70传播的信号分量之间。通过使通道69和70具有不同的折射率或宽度，也可以产生相移。尽管通道69和70都可以掺有稀土元素，但通道69的阴影表示其通道内的掺杂。如上所述，当泵功率引入合适的输入通道时，掺杂通道的折射率改变。此举使在输入通道71或72进入的输入信号例如从输出通道73切换到输出通道74。
随着功率输出波峰之间的波长间隔相对波长的曲线变得更小，马赫-策恩德器件变得对温度更为敏感。然而，已经制成图4所示波峰间隔如3.5纳米那样小的合适的外包层器件，波峰间隔为1纳米左右的器件也能制成。因为外包层结构相移区域内光纤包藏在基质玻璃内，故这是可行的。这样，在非线性光纤内产生的热就可以传导到其它的光纤。同样，由于热可以经由基板从一条通道传导到另一条通道，故平面型马赫-策恩德器件相对温度是稳定的。再者，由于进行切换所需的泵功率输入相对根据本发明较佳实施例器件为低，故非线性通道内产生的热量也较低。
如图8示意性所示，根据本发明另一实施例的器件可以包括多个串联的级。该器件包括第一或输入端耦合器100、最后或输出端耦合器102以及中间耦合器104、106和108。这些耦合器通过多组通道110、112、114和116相互串联连接。每组通道包括相互并联连接的两条通道。这样，第一组110包括其光学特性基本上与经由通道耦合的光功率无关的线性通道110a，以及配有非线性材料具有上述与功率有关的折射率的非线性通道110b。其它各组包括类似的线性通道112a、114a和116a和非线性通道112b、114b和116b。该器件进一步包括连接到输入端耦合器100的信号输入端口118和泵输入端口120，以及连接到输出端耦合器102的第一和第二输出端口122和124。所有非线性通道110b、112b、114b和116b通过中间耦合器相互直接连接形成一个连续的非线性通道阵列。泵输入端口120经由输入耦合器100直接连接到非线性通道110b，由此直接连接到非线性通道阵列。线性通道110a至116a也通过中间耦合器相互直接连接形成一个连续的线性通道阵列，其依次直接连接到信号输入端口118。耦合器100、104、106和108设置成耦合通道阵列之间的信号波长波段内的光，故加在信号输入端口118的信号波长波段内的光将通过输入耦合器100沿着第一组的两条通道110a和110b引入，在后续的每个耦合器处重新组合，并再次沿着下一组一条或两条通道引入，直至光到达输出耦合器102，并在此处引入第一输出端口122或第二输出端口124。
耦合器设置成实际上仅沿着非线性通道阵列引导泵激波长波段(不同于信号波长波段)内的光。非线性材料应对泵激波长波段内的泵激功率敏感。在器件包括掺铒非线性材料的情况下，可采用约为0.98或1.48微米数量级的泵激波长。信号波长较佳地位于最适合光纤通信的范围，诸如约1.5至1.6微米，一般约为1.52-1.57微米。对掺铒材料，这些信号波长也可以用作泵激波长。较佳地，将耦合器设置成在泵激波长波段内的光通道阵列之间基本上不提供耦合，这样，经由泵激输入端口120提供的泵激波长波段内的光将仅仅通过直接连接的部件，即仅仅通过非线性通道110b-116b传播。该耦合器可以是易消散的耦合器，这样，参照图4所述的外包层耦合器并列了平行的部件诸如变窄的光纤部分。通过使耦合部件具有不同的色散特性，可以有选择地耦合信号波段内的光而不是泵激波段内的光。即，耦合部件设置成对于信号波长波段内的光具有基本上相等的传播常数，但对于泵激波长波段内的光有明显不同的传播常数。
在低功率电平即在无泵功率经由非线性通道传播的情况下，每组通道内的平行通道具有不同的光程长。这样，相对信号波长，该器件就作为信号波长波段内光的多级格形滤波器。Jinguji等人在1995年1月出版的《光波技术杂志》第13卷第1期第73至82页上发表的“综合相关两端口网格形式光延迟线电路”一文，描述了包括串联连接的干涉器件的滤波器的传递函数与构成该器件的通道的性能以及耦合器的特性有关。通过选择通道和耦合器的特性，可以选择器件的传递函数。
一种特别有用的设置，每组内的所有通道其物理长度也相互相等。在零功率时，每组通道具有不同的有效折射率，由此有不同的β值。沿着器件输入端至输出端的方向，各组的光程长之差可以逐步增大。耦合器的耦合比也可以互不相同。针对耦合器所述的术语“耦合比”意味着当光通过耦合器时，从耦合器内的一条通道传递至另一条通道的光功率与留在其原有通道内的光功率之比。例如，在具有90/10耦合比的耦合器内，沿着一条通道到达耦合器的90％的光功率耦合到耦合器内的相对通道，而10％的光功率留在其原有通道。耦合比也可称为耦合百分比，即通过相对通道耦合所到达的所有光的百分比。这样，耦合比为90/10的耦合器具有90％的耦合，而耦合比为15/85的耦合器具有15％的耦合。在一个示例器件中，输入耦合器100的耦合比为5/95、中间耦合器104、106和108的耦合比分别为15/85、25/75和15/85，而输出耦合器102的耦合比为5/95。
这样一种器件可以提供零功率传递函数，如曲线150(图9)所示，通过信号输入端口118提供的光的比例与通过第二输出端口124出射的光的比例有关。图9中的曲线152还示出了信号输入端口118与第一输出端口122之间的零功率传递函数。零功率传递函数150包括位于波长λ1(该例中约为1.53微米)的窄波峰154以及位于该波峰另一侧的波谷。该传递函数的波谷相对为宽和平坦。该例中，波峰与波谷间隔即Δλ可取其中到达输出端口的功率比例为最大比例的0.8倍的波峰上一点与到达端口的功率比例下降到其最大值0.2倍以下的波谷上一点之间的波长之差。即，以上参照图2和图3所述的波峰与波谷的间隔Δλ应当按图9所示取得。再者，当加上泵光时，非线性通道的有效折射率改变，传递函数也改变。一旦加上泵功率，信号输入端口118与第二输出端口124之间的传递函数即如图10中的150’所示，而在同样的泵激条件下，信号输入端口与第一输出端口之间的传递函数则如图中的152’所示。如同上述实施例那样，切换发生在泵功率足以使传递函数的波峰移到以前由波谷所占据的波长的时刻，反之亦然。例如，无泵功率时，约为1.542微米波长的光位于传递函数150的波谷以及传递函数152的较宽波峰上(图9)。因此，如通过信号端口118施加该波长范围的光，光将通过第一输出端口122从该器件输出。然而，加上泵功率后，通过泵激输入端口120修改了传递函数，使之为图10所示，且位于1.542微米波长的光切换到第二输出端口124。
根据该性质的器件在波长分离多路转换应用中具有极大的优点。这样，可以通过器件的第一或信号输入端口施加含有几个波长之信号的一个合成信号，并可以控制泵光功率有选择地使第二输出端口之传递函数的波峰与这些波长的一个或另一个对准。有选择地按规定路线通过第二输出端口发送信号之一，而让其它信号通过第一输出端口发送。该器件也可以在输出端口的下游配备附加的一个或多个滤波器，以去除泵波长波段内的光。也可以将参照图8-10所述的格形或多级器件制成单片器件。较佳地，可以用参照图4所述的外包层方法制作器件。线性通道阵列和信号输入端口可以用一根光纤制成，而非线性通道阵列可以由另一根连续光纤制成。较佳地，连续光纤仅在相互隔开的部分111包括非线性材料，并通过不含非线性材料的线性光纤部分113相互连接，这样，非线性部分和线性部分即按交替的次序设置。线性光纤部分形成耦合器中窄的光纤部分。所有耦合器的外包层可以与覆盖和包围所有光纤的管子整体形成。
较佳地，每组非线性通道内单位泵功率的光程长之差或灵敏度直接与该组提供的零功率光程长差成正比。这样，通道112b比之通道110b在单位泵功率的光程长方面提供更大的变化，通道114b提供更大的灵敏度。在非线性通道阵列包括交替的线性部分和非线性部分的场合中，非线性通道阵列的线性部分可以具有与线性通道阵列相同的性能。若通道阵列由光纤制成，非线性通道阵列的线性部分113可以由用以制作线性通道阵列的相同光纤段制成，非线性部分111可以由包含了非线性材料的非线性光纤段制成。无泵功率时，非线性光纤具有与线性光纤不同的有效折射率。零功率时每组内的光程长差与该组非线性通道内包含的非线性光纤部分的长度成正比。每组内非线性通道的灵敏度也与非线性光纤部分的长度成正比。因此，每组内非线性通道的灵敏度将直接与该组内零功率光程长差成正比。
在不脱离由权利要求书所限定的本发明的情况下，可以利用上述各个特征的若干变化和组合。顺便举个例，一个单级器件或者一个多级器件内多组光纤的每组都可以包含两条以上相互平行延伸的通道。例如，在一个3通道器件中，相移区内的一条通道将不含稀土离子，第二条通道将含有某些稀土离子，第三条通道将含有两倍于第二条通道含量的稀土离子。相移区内的每条通道将使信号延迟不同的量，第一条通道提供最小延迟量，第三条通道提供最大延迟量。再者，每条通道的灵敏度可以与零功率相移(延迟)成正比。第5351325号美国专利介绍了制作N条通道的干涉器件(N＞2)的一种方法。而且，在多级器件中，可以在不包括全部通道组的部分通道组内提供非线性材料。即，某些通道组可以仅包含线性通道，但希望光程长不同。然而，为了增强器件对光泵功率的灵敏度，最好在所有通道组内都包含非线性通道。再者，提供第二输出并非是必需的。即，当把器件仅用作一个滤波器阻塞所选波长时，它仅需一个输出。另一个未采用的输出可以用一种减反射端子端接。上述各个实施例中，每个端口直接连接到一条通道。然而，输入端口、输出端口或这两者也可以经由耦合器间接地连接到各条通道。例如，用于限定输入端口的一根单独的输入光纤可以通过输入端耦合器100间接地连接到两条通道110a和110b(图8)。可以采用上述这些和其它各种变化及组合的特征，但上述较佳实施例仅仅用以说明而不是限制权利要求书所限定的本发明。

Claims (33)

1.一种单片马赫-策恩德开关，其特征在于包括：
将输入信号分离成N个均等信号分量的输入耦合装置，其中N＞1，
用以将N个信号分量组合在一起的组合装置，所述组合装置具有至少第一和第二输出端，
将N个信号分量连接到所述组合装置的N条光波导通道，至少有一条波导通道包含具有谐振非线性的材料，由此当泵功率通过其传播时，其折射率改变，所述输入耦合装置和所述组合装置不采用所述非线性材料，
基质玻璃体，所述输入耦合器装置、所述组合装置和光波导通道均与所述基质玻璃体热接触。
2.如权利要求1所述的单片马赫-策恩德开关，其特征在于，所述光波导通道有不同的传播常数，这样，当泵功率未通过所述至少一条光波导通道传播时，所述N条光波导通道的每一条就使通过其传播的光有一个延迟，它与光通过其它光波导通道的每一条通道传播而经历的延迟不同。
3.如权利要求2所述的单片马赫-策恩德开关，其特征在于等于或大于0.003。
4.如权利要求1所述的单片马赫-策恩德开关，其特征在于，所述基质玻璃体的长度不大于15厘米。
5.如权利要求1所述的单片马赫-策恩德开关，其特征在于，所述通道为光纤，其中，所述光纤、所述输入耦合器装置和所述组合装置由细长的所述基质玻璃体包围。
6.如权利要求5所述的单片马赫-策恩德开关，其特征在于，所述输入耦合器装置和所述组合装置为所述玻璃体内的区域，其中，所述玻璃体直径和所述光纤的直径均小于其在所述相移区内的直径。
7.如权利要求1所述的单片马赫-策恩德开关，其特征在于，所述基质玻璃体包括平面基板，所述通道、所述输入耦合器装置和所述组合装置位于所述基板的表面。
8.如权利要求1所述的单片马赫-策恩德开关，其特征在于，所述具有谐振非线性的材料为稀土。
9.一种单片马赫-策恩德开关，其特征在于包括：
细长的基质玻璃体，
经所述玻璃体沿长度方向延伸的第一和第二光纤，
位于所述玻璃体内的相移区域，
在所述玻璃体内位于所述相移区域两端的两个间隔开的耦合区域，所述玻璃体直径和所述光纤直径在所述耦合区域内比在所述相移区域内的小，
至少位于所述相移区域内的所述第一光纤部分含有谐振非线性的材料，由此当泵功率通过其传播时，使所述第一光纤的折射率改变，当泵功率未通过所述第一光纤传播时，所述光纤在所述相移区域内具有不同的传播常数，这样，所述第一光纤就使通过其传播的光有一个延迟，它与光通过所述第二光纤传播而经历的延迟不同。
10.如权利要求9所述的单片马赫-策恩德开关，其特征在于，所述谐振非线性材料为稀土。
11.一种干涉开关，其特征在于包括第一和第二光耦合器，在上述耦合器之间延伸的第一和第二光通道，以及限定连接到所述第一耦合器的第一输入端口和限定连接到所述第二耦合器的第一输出端口的装置，所述耦合器之间的所述通道分别具有光程长L1和L2，所述通道的至少一条通道为非线性通道，它包括具有共振非线性的材料，由此当光泵功率通过此通道传播时，所述材料的折射率和非线性通道的光程长均发生变化，在无所述光泵功率时，所述光程长L1和L2是相互不同的。
12.如权利要求11所述的开关，其特征在于具有零功率传递函数，在无所述光泵功率时，它与通过所述第一输入端口施加、出现在所述第一输出端口的光与波长的比例有关，所述传递函数包括位于第一波长、基本上所有光均出现在所述第一输出端口的波峰，以及位于第二波长、基本上没有光出现在所述第一输出端口的波谷，所述第一和第二波长之间约有10纳米或10纳米以下的波长之差Δλ。
13.如权利要求12所述的开关，其特征在于所述第一与第二波长之间的波长之差Δλ约为6纳米或6纳米以下。
14.如权利要求13所述的开关，其特征在于所述波长之差Δλ约为1纳米与6纳米之间。
15.如权利要求11所述的开关，其特征在于进一步包括连接到所述第二耦合器的第二输出端口。
16.如权利要求11所述的开关，其特征在于所述第一和第二光通道由第一和第二光纤构成，所述第一和第二光纤经由所述耦合器延伸。
17.如权利要求16所述的器件，其特征在于所述光纤的一部分延伸至所述耦合器之外并构成所述端口。
18.如权利要求11所述的器件，其特征在于所述通道和耦合器形成一种单片单元。
19.一种干涉开关，其特征在于包括至少3个光耦合器以及在所述耦合器之间成组延伸的多条光通道，由此使所述耦合器通过所述成组光纤相互串联连接，每组包括至少相互平行的两条所述通道，所述耦合器之一为位于所述串联连接一端的输入耦合器，位于所述串联连接另一端的所述耦合器的另一个为输出耦合器，该器件进一步包括限定连接到所述输入耦合器的信号输入端口以及限定连接到所述输出耦合器的第一输出端口的装置，每条所述通道在所述耦合器之间具有一个光程长，所述通道的至少一条为非线性通道，它包括具有共振非线性的材料，由此当光泵功率通过此通道传播时，所述材料的折射率和非线性通道的光程长均发生变化，在无所述光泵功率时，至少一组内的通道的光程长是相互不同的，所述器件具有零功率传递函数，在无所述光泵功率时，它与通过所述第一输入端口施加、出现在所述第一输出端口的光与波长的比例有关，所述零功率传递函数包括位于第一波长、基本上所有光均出现在所述第一输出端口的波峰，以及位于第二波长、基本上没有光出现在所述第一输出端口的波谷。
20.如权利要求19所述的开关，其特征在于每组包括至少一条具有所述非线性材料的非线性通道。
21.如权利要求20所述的开关，其特征在于所述耦合器适合于引导包括所述第一和第二波长的信号波长波段内的光通过所有所述通道，并引导所述信号波长波段以外的泵激波长波段内的光仅沿着所述非线性通道，所述非线性材料响应于所述泵激波长波段内的泵激辐射，以改变其折射率。
22.如权利要求21所述的开关，其特征在于所述非线性通道直接相互连接于所述多个耦合器的每个耦合器，形成经由所述多个耦合器延伸的连续的非线性通道阵列，所述开关进一步包括直接连接到所述非线性通道阵列的泵输入端口，所述耦合器能有效地耦合通道之间所述信号波长波段内的光，但基本上不能有效地耦合通道之间所述信号波长波段之外泵激波长处的光，由此施加到所述泵输入端口的所述泵激波长处的泵光将仅仅通过所述非线性通道阵列传播。
23.如权利要求22所述的开关，其特征在于所述通道由光纤构成，所述非线性通道阵列由经由所述多个耦合器延伸的第一连续光纤构成。
24.如权利要求23所述的开关，其特征在于所述第一连续光纤包括含有所述非线性材料的多个间隔开的非线性部分和无所述非线性材料的多个线性部分，所述线性部分通过所述耦合器延伸。
25.如权利要求24所述的开关，其特征在于进一步包括通过多个所述耦合器延伸的第二连续光纤，所述第二连续光纤构成第二通道阵列，包括所述多组的每组内的通道。
26.如权利要求25所述的开关，其特征在于全部所述通道均由所述第一和第二连续光纤构成。
27.如权利要求23所述的开关，其特征在于进一步包括包围所述光纤的单块玻璃基体，所述耦合器的每一个为外包层逐渐变小的耦合器，它包括变窄的所述光纤和所述基体部分。
28.如权利要求22所述的开关，其特征在于所述通道组的每组包括线性通道，它具有对泵功率基本上不敏感的光传播特性，每组的线性通道相互直接连接并构成一个线性通道阵列。
29.如权利要求22所述的开关，其特征在于所述第一和第二波长之间约有10纳米或10纳米以下的波长之差Δλ。
30.如权利要求22所述的开关，其特征在于所述第一与第二波长之间的波长之差Δλ约为6纳米或6纳米以下。
31.如权利要求30所述的开关，其特征在于所述波长之差Δλ约为1纳米与6纳米之间。
32.如权利要求28所述的开关，其特征在于进一步包括连接到所述输出耦合器的第二输出端口。
33.如权利要求32所述的开关，其特征在于所述每组包括一条所述非线性通道和一条第二通道，除了输出耦合器以外的每个耦合器适合于分离到达该耦合器的光，它在延伸到下一个耦合器的通道之间基本上是相等的，所述输出耦合器适合于耦合到达所述耦合器的光，它对所述第一和第二输出端口是不相等的。
CN97190778.1A 1996-06-27 1997-06-09 干涉开关 Pending CN1196800A (zh)

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US08/672,188 US5703975A (en) 1995-06-09 1996-06-27 Interferometric switch
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