CN1224853C - 周期性阵列波导光栅复用器/解复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对多波段DWDM系统进行复用/解复用的装置，此装置将提供已经降低了的插入损耗。该装置包括第一及第二个平面波导；一个连接第一及第二平面波导并具有周期性频谱的光散射器件；一组连接到第一平面波导上的N个输入波导以及一组连接到第二个平面波导上的M个输出波导，其中M个输出以Δf的频率间隔分开，N个输入以M*Δf的间隔分开， 自由光谱区等于N*M*Δf，其中N为大于1的整数，M为大于或等于N的整数。在本发明的一个具体实施例的装置中，其中电信窗口被分成一组包括M个信道的副波段，该装置包括一个温度控制器，以对每一副波段提供各自的温度设置点，并减少波长中心偏差。
Description
技术领域
本发明涉及周期性阵列波导光栅复用器/解复用器，尤其涉及用来对多信道的周期性副波段进行分离的复用器/解复用器。
背景技术
在目前的光通信系统中，为了增加光纤网络的可用带宽，通常使用密集波分复用技术(DWDM)以便在不同的波长中发送多个光信号。近年来，DWDM系统的信道数已经从很少的几个信道急剧增加到超过100个的信道。
人们并不总是需要一个最大容量的系统，因此服务供应商更愿意提供一个既可满足客户要求又只需要低成本的通信系统。为增加光通信网络中的可伸缩性，供应商们建议将通信窗口分成多个信道的副波段，并且在系统软件需要升级时可将这些副波段以模块的形式添入。
为支持一个模件式副波段系统，必需使用一个其多信道副波段少于整个DWDM系统的复用器/解复用器。
由于某些实际原因，这里讨论的是指在标准的100GHz ITU信道间隔的光通信窗口的40个信道。然而我们认为这只是一个应用实例，并且可以很容易地提供更多或更少的信道以及不同的信道间距。
阵列波导光栅(AWG)是一种适合将大量信道同时复用与解复用的色散光学装置，具有40信道的系统中的每一信道的信号可以在单个AWG中被复用或解复用。
选择一个合适的复用器/解复用器作为多信道副波段的模块系统，将使供应商不得不提高硬件成本并且使得硬件更加复杂化。如果在所有的信道中只须复用或解复用一小部分的子信道，那么采用大型的装置来复用/解复用所有的信道将会引入不必要的损耗和复杂性。另外，使用大容量AWG来处理挑选出的仅仅一小部分的子信道，就需要大型的开关路由器来耦合选定的输出；或者是，设计并优化AWG以适用于任一特定的子信道。然而，对于供应商来说，给某一选定的副波段提供服务然后再对额外的副波段增加服务，这种服务需花费很大的成本，而且也不方便于每一多信道的副波段维持一个特定的AWG。
因此，人们希望提供能够对一组副波段中的任一选定的多信道副波段进行复用/解复用的单个复用器/解复用器。既然AWG在频率上是一个周期性的装置，它就可以被用来处理多于一个的副波段，只要这些副波段等于AWG的自由光谱区(FSR)。然而这并不足以设计一个合适的复用器/解复用器，因为在这种装置中将产生大得无法接受的损耗。人们仍然需要更好的复用器/解复用器来提供多信道副波段的模块式系统。
H.Takahashi等人于1995年3月在Journal of LightwaveTechnology，Vol.13，No.3中发表的“阵列波导N×N波长复用器的传输特性”中描述了一种现有技术的装置。在所描述的装置中，构造了一个有相同数目(N)的输入与输出波导的路由器。通过利用AWG的周期性可以完成N×N的路由；通过选择不同的输出，可以改变输出信道的次序。每一个输出都含有周期性通过频率以使复用信号的任一信道传递到任一输出上。在此装置中，当FSR＝N*Δf时便可提供N×N的连接，其中Δf为100GHz设置下的频道间隔，其插入损耗为3dB。
发明内容
本发明通过设计一个周期性色散器件，具体地说设计一个其FSR比选定的波段宽若干倍的阵列波导光栅(该倍数与大于1的输入端的个数有关)，并且能将在感兴趣的波长范围内的任一选定的多信道副波段进行复用或解复用。另外，通过优化输入与输出端的个数，可以显著地降低损耗。
因此，本发明公开了一种将从许多副波段中选出的含有M个相邻光学频道的副波段进行复用或解复用的光学复用器/解复用器，包括：
一第一个平面波导；
一第二个平面波导；
一对第一及第二平面波导进行光耦合，并具有周期性自由光谱区的阵列波导光栅；
一组耦合到第一个平面波导上的相间的N个输入波导，此N个输入在解复用工作模式时用于发射信道相邻的互补的副波段频率，或者在复用工作模式时用于输出信道相邻的复用波段；
一组耦合到第二个平面波导上的相间的M个输出波导，此M个输出在解复用工作模式时用于接收一个输入副波段的解复用输出频率，或者在复用工作模式时发射一组相邻信道频率；
其中M个输出端被分隔开以提供一频谱间隔Δf，输入端被分隔开以提供频谱间隔基本上为M*Δf的互补的输入副波段频率，且装置的自由光谱区基本上为N*M*Δf。
本发明还提供一种用来将一组光信道频率副波段进行复用/解复用的光学复用器/解复用器，每个副波段包括M个相邻的信道频率，此光学复用器/解复用器包括：一周期性色散光学器件，其自由光谱区等于有M个信道副波段频宽的N整数倍，其中N大于1；上述周期性色散光学器件被光耦合到一组N个输入上，此N个输入端被间隔开以提供选定的频谱间隔为M*Δf的输入副波段频率，并在解复用工作模式时将光发射到周期性色散光学器件中，或者在复用工作模式时输出一个信道相邻的复用波段；以及一组M个间隔开的输出端，以提供一个频谱间隔Δf，这些M个输出在解复用工作模式时从周期性色散光学器件中接收一个副波段的M个解复用信道，或者在复用工作模式时将一组相邻信道发射到周期性色散光学器件中。
本发明另外提供一种将一包括M个相邻信道的副波段从一组信道间隔为Δf的光信道中解复用的方法，其包括以下步骤：从一组光信道中解复用一包括M个复用信道的副波段；将包括M个信道的副波段发射到周期性色散光学器件的一个选定的输入中，该周期性色散光学器件具有一组间隔开的以提供频谱间隔为M*Δf的N个输入，一组间隔开的以接收频谱间隔为Δf的输出频率的M个输出，以及等于N*M*Δf的自由光谱区；将一包括M个信道频率的色散光学器件的周期性次序分配到M个输出。
有利的是，根据本发明的阵列波导光栅可以在宽信道光谱上对任一副波段进行复用/解复用。
附图说明
本领域的技术人员很容易从下列图中看出本发明的其它优点，并且这些图仅是本发明的一个优选参考例。
图1为一被分割成副波段的多波段DWDM系统；
图2为根据本发明的含有多个输入与多个输出的阵列波导光栅；
图3为图2中AWG的一个频谱输出；
图4为图2中AWG的另一个互补的频谱输出；
图5为图2中AWG的波长中心偏差；以及
图6为图5中经过温度补偿后修改的波长中心偏差。
具体实施方式
图1说明一被分成10个副波段的40信道的电信窗口，每个波段有四个信道，信道的间距为标准化的100GHz。这种以四信道为一个副波段的分法是任意的，并且可以根据本发明选择任何的相邻信道。
图2是根据本发明的一种复用器/解复用器具体实施例的示意图。该装置包括一由一组长度不等的波导组成的阵列波导光栅12；一组输入波导14；一组输出波导16；以及第一和第二平面波导18与20。可以利用已知的技术将整个装置集成到同一个基片上。一AWG12将第一及第二平面波导18与20连接起来，其中相邻波导22的长度相差一个常数，或者根据一个选定的函数而不同，并且其几何长度像设计图中一样从一侧到另一侧增加，这种结构产生一个在频率上呈周期性的输出响应。
sub-band.[21]这种周期性响应正如该装置的自由光谱图FSR，图3中所示为FSR在800GHz时的周期频率。为了设计一个适于在感兴趣波长范围内的所有副波段进行工作的复用器/解复用器，应当假定FSR应该被限制在一频率范围内以合并信道的一个副波段，比如对于一个四信道系统，应使FSR＝400GHz。由于只有一个输入端14，周期性FSR将使得一个副波段的每个信道以不同次序的光栅被解复用到装置10的一个输出16上。
然而，在这种系统中将产生在3dB范围以内如滚降(roll-off)分布的高损耗。这可以被解释为，由FSR所定义的最大功率的包络通常有一个在0损耗与-3dB之间的高斯形状，最大损耗发生在两个依次相的高斯函数交迭处的波长区域。作为本发明的一个实施例，高斯型包络在图4中用30标明，FSR越小，包络就越小，从而能够在包络的低损耗端通过的信道数就越少。
本发明还揭示了，如果增加输入数，FSR可以被拓宽以允许多个信道在包络的低损耗端通过，这样会减少滚降(roll-off)损耗，如图3与图4所示。一个输出响应将会使来自每一个输入并含有互补的输出副波段在更宽的800Ghz包络下通过，如图4所示。当输入数大于1时，优化计算也应当考虑输入的滚降(roll-off)。在图2到图4所示的例子中，四信道的波段已被选定，因而装置10有4个的输出16，通过优化输入与输出的滚降(roll-off)，最佳的2个的输入14被选出。表1中的计算为一个4信道副波段的roll-off损耗值，从中可以看出该选择是如何确定的。
表1
| N | M | 输入的滚降 | 输出的滚降 | 总损耗 |
| 1 | 4 | 0 | 1.63 | 1.63 |
| 8 | 0 | 2.15 | 2.15 | |
| 16 | 0 | 2.45 | 2.45 | |
| 2 | 4 | 0.75 | 0.4 | 1.15 |
| 8 | 0.75 | 0.6 | 1.35 | |
| 16 | 0.75 | 0.7 | 1.45 | |
| 4 | 4 | 1.63 | 0.2 | 1.83 |
| 8 | 1.63 | 0.23 | 1.86 | |
| 16 | 1.63 | 0.28 | 1.91 |
如表中所示，本实例中含有2个输入和4个输出的AWG经计算得出的总损耗只有1.15dB，而不是一个400GHz FSR光栅的单输入的损耗1.63dB。
为了设计一个适于所有信道的复用器/解复用器，FSR必须等于信道间距Δf与输入数N以及输出数M的乘积，其中N与M大于1，因而FSR＝N*M*Δf。N个输入副波段频率必须有一个M*Δf的频谱间距，而M个输出副波段频率必须有一个Δf的频谱间距。在本实例中，N＝2，M＝4并且Δf＝100GHz，故FSR＝800GHz。为使N个输入有M*Δf的频谱间距，所设计的装置应该在输入14之间提供一个选定的物理分离，即在色散器件中的物理分离与频谱分离之间的色散关系。
为了给一个选定的信道波段构造一个装置10，就应选择正确的输入14。可以通过将选定的输入与装置永久性地安装在一起，或以动力方式连接在一个1×N的开关上，在本实例中为1×2，没有给出图示。
为了在全波段范围内有效地使用同一个AWG装置，还有一个误差需要进行补偿。如技术上所熟知的那样，一个阵列波导光栅的FSR只可能为一些分立的值。因此，选定的最佳FSR可能不能提供中心刚好在ITU栅格上的通频带，其结果是信道有一个随着光栅的次序向后而递增的波长中心偏差，这个问题在图5中已指出。图5为一个N＝2且M＝4的56信道系统的波长中心偏差，每一个信道相连的副波段以越来越偏离中心波段附近的0位移形式进行分布。图5中用副波段的不同斜率表示的另一种无法避免的色散偏差，这是由不同的光栅顺序引起的，这些不同的光栅顺序具有不同的波长色散。
从图6中可以看出，通过对每一副波段提供一个不同的温度设置点，所有的副波段可以回到中心位置。通过使用一个温度控制器(没有给出图示)对每一副波段有选择地加热或冷却其基片，可以得到各自的设置点。在本实例中，当给每一副波段进行AWG温度设置点调整时，最大的波长中心偏差会由68pm减小到18pm，也可以使用其它的已有技术来校正波长中心偏差。比如移动输入位置或者对装置施加应力。
本领域的技术人员将会理解，虽然已经通过一种AWG对本发明进行了描述与图解，然而其它的具有周期性频谱的色散器件也可以采用，而且大型光学装置比如衍射光栅与全息光栅也可以在本发明中运用。因而，不应将本发明的范围局限于这里具体描述的实施例，而应以所附权利要求书揭示的范围为根据。
Claims (12)
1.一种将从许多副波段中选出的含有M个相邻光学频道的副波段进行复用或解复用的光学复用器/解复用器，包括：
一第一个平面波导；
一第二个平面波导；
一对第一及第二平面波导进行光耦合，并具有周期性自由光谱区的阵列波导光栅；
一组耦合到第一个平面波导上的相间的N个输入波导，此N个输入在解复用工作模式时用于发射信道相邻的互补的副波段频率，或者在复用工作模式时用于输出信道相邻的复用波段；
一组耦合到第二个平面波导上的相间的M个输出波导，此M个输出在解复用工作模式时用于接收一个输入副波段的解复用输出频率，或者在复用工作模式时发射一组相邻信道频道；
其中M个输出端被分隔开以提供一频谱间隔Δf，输入端被分隔开以提供频谱间隔为M*Δf的互补的输入副波段频率，且装置的自由光谱区为N*M*Δf。
2.根据权利要求1所述的光学复用器/解复用器，还包括用来从一组N个输入中选择一个输入以发送一包括M个相邻信道的副波段的装置。
3.根据权利要求2所述的光学复用器/解复用器，其中M＞N。
4.根据权利要求3所述的光学复用器/解复用器，其中N＝2，并且M＝4。
5.根据权利要求1所述的光学复用器/解复用器，还包括一对每一副波段提供一温度设置点的温度控制器。
6.一种用来将一组光信道频率副波段进行复用/解复用的光学复用器/解复用器，每个副波段包括M个相邻的信道频率，此光学复用器/解复用器包括：
一周期性色散光学器件，其自由光谱区等于有M个信道副波段频宽的N整数倍，其中N大于1；
上述周期性色散光学器件被光耦合到一组N个输入上，此N个输入端被间隔开以提供选定的频谱间隔为M*Δf的输入副波段频率，并在解复用工作模式时将光发射到周期性色散光学器件中，或者在复用工作模式时输出一个信道相邻的复用波段；以及
一组M个间隔开的输出端，以提供一个频谱间隔Δf，这些M个输出在解复用工作模式时从周期性色散光学器件中接收一个副波段的M个解复用信道，或者在复用工作模式时将一组相邻信道发射到周期性色散光学器件中。
7.根据权利要求6所述的光学复用器/解复用器，其中该周期性色散光学器件选自包括阵列波导光栅，衍射光栅以及全息光栅的器件。
8.根据权利要求7所述的光学复用器/解复用器，其中M＞N。
9.根据权利要求8所述的光学复用器/解复用器，还包括一对每一副波段提供一温度设置点的温度控制器。
10.一种将一包括M个相邻信道的副波段从一组信道间隔为Δf的光信道中解复用的方法，其包括以下步骤：
从一组光信道中解复用一包括M个复用信道的副波段；
将包括M个信道的副波段发射到周期性色散光学器件的一个选定的输入中，该周期性色散光学器件具有一组间隔开的以提供频谱间隔为M*Δf的N个输入，一组间隔开的以接收频谱间隔为Δf的输出频率的M个输出，以及等于N*M*Δf的自由光谱区；
将一包括M个信道频率的色散光学器件的周期性次序分配到M个输出。
11.根据权利要求10所述的将一包括M个相邻信道的副波段进行解复用的方法，还包括以下步骤：
从一组光信道中解复用另一个包括M个不同的相邻复用信道的副波段；
将此另一个包括M个信道的副波段发射到周期性色散光学器件的一组N个输入的另一个输入中；以及
将一包括M个不同信道频率的色散光学器件的另一个周期性次序分配到M个输出端。
12.根据权利要求11所述的将一包括M个相邻信道的副波段进行解复用的方法，还包括另一步骤，即在发射一个包括M个光信道相邻的副波段之前，在该输入与另一输入之间切换一个光学耦合。
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