CN1249823A - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及波长选择开关。所述开关包括至少一个MMI波导、至少一个马赫泽德波导、至少一个相位控制元件和至少一个布拉格光栅,其中所述马赫泽德波导由所述相位控制元件和所述布拉格光栅构成,而且设置成与所述至少一个MMI波导连接。本发明还包括利用上述的波长选择开关来开关波长信道的方法。

Description

光学装置
本发明涉及光波长选择开关，更具体地说，涉及用于重定向光网络中波长信道的波长选择开关，其中每个波长信道可以分别重新定向。本发明还包括在光网络中开关和增加/撤销波长信道多路复用的方法。
已知有许多不同的用于进一步提高现有光网络容量的方法。一种方法是使用所谓的波分多路复用(WDM)技术，以便改进光网络中光纤的可用波长的利用率。为了提高网络的适应性，需要有能够重新定向网络业务的装置。上述用于重新定向业务的装置在尽可能有效利用网络和网络断裂时也更有利。
论文“Wavelength Division MultiDlexer with PhotoinducedBragg Gratings Fabricated in a Planar Lightwave Circuit TypeAsymmetric Mach Zehnder Interferometer on Si”(作者Y.Hibinoet a1.)中描述了一种光学元件，其中在马赫泽德干涉仪中使用布拉格光栅和相位控制元件。所述光学元件预定用于波分多路复用和波分多路分用。
然而上述的装置不能用作波长选择开关。如果将上述装置用于增加/撤销几个信道，那么需要数目与处理的增加/撤销线对的数目相同的装置。这类装置相当难以制造，即适应性不强。
根据现有技术有关波长选择开关的一个问题是它们需要非常大而且复杂的结构或几个元件，这样导致功耗大和成本高。
许多已知方法可以用于提高光学传输系统的容量。例如在波分多路复用中传输信道以不同的载波波长多路复用成信息流和从信息流作多路信号分离。所述多路复用和多路分用需要光波长选择开关。可能还需要改变某些波长信道通过光网络的传输路径。为了这一目的，需要具有波长选择性质的组件，例如波长选择开关形式的组件。
有关已知波长选择开关的一个问题是它们的大功耗。
另一个问题是已知的波长选择开关的结构相当复杂，在目前所知的所有情况下，由相当多的不同元件组成。
再一个问题是已知的波长选择开关制造成本相当高，这是因为上述的复杂结构和大量元件。
本发明利用波长选择开关解决上述问题，所述开关包括至少一个MMI(多模干涉)结构、至少一个布拉格光栅、至少一个马赫泽德波导和至少一个相位控制元件。
上述MMI结构用于分光。当正确选择MMI结构的长度时，MMI结构的一个输入上的光强度分布表现在该MMI结构的所有输出端上。关于这一现象的更深入理论在L.B Soldano和E.C.M.Pennings的论文中有介绍，论文名称为“Optical Multi Mode InterferenceDevices Based on Self Imaging：Principles and Application”，发表在J.Lightwave Technology.Vol.13(4)，pp615-627，1995。
布拉格光栅用于滤光。滤光意味着允许某些波长通过，而反射其他波长。可以说布拉格光栅构成一种波长选择反射镜。所述某些波长的反射可以用许多方法实现；这些方法的大部分通常是通过周期性改变波导中基质的折射率实现反射。
上述相位控制元件对于某些开关功能和校正处理缺陷是必须的。有几种类型的相位控制元件；然而它们的原理都是通过施加的外部信号(电压、电流、光或热)影响光波长。通常使用所谓的热-光元件，即利用热影响折射率，从而影响波长。
根据本发明的波长选择开关可以在它的两个连接端包括MMI波导。所述MMI波导可以在它们的自由端包括许多输入，所述输入由例如所谓光信号接入波导构成。在所述MMI波导之间设置有许多马赫泽德波导。这些马赫泽德波导顺次包括许多相位控制元件和许多布拉格光栅。在只想要控制任何传输波长信道的情况下，相位控制元件的数目可以比布拉格光栅的数目多一个。在只对反射波长信道感兴趣的情况下，相位控制元件的数目可以与布拉格光栅的数目相同。对于每个马赫泽德波导布拉格光栅和相位控制元件的数目可以相当。每个包括所述相位控制元件和布拉格光栅的马赫泽德波导可以相同。
通过调整MMI波导的形状和尺寸以及马赫泽德波导的长度，利用适当的相位控制元件，可以把光信号从第一MMI波导的输入传播到第二MMI波导的任意输出上。
本发明的目的是获得一种波长选择开关，它的结构尽可能简单和紧凑，以便与现有技术相比可以降低制造成本。
本发明的一个优点是可以保持相当低的功耗。
本发明的另一优点是与现有技术相比它在其他方面例如串扰或类似方面的性能可以提高。
下面将通过最佳实施例并参考附图详细描述本发明。
图1是根据本发明的波长选择开关的实施例；
图2是根据本发明的波长选择开关的第二实施例。
在图1是根据本发明的波长选择开关。辅助线A-K表示用于描述本发明的截面。在这一实施例中，波长选择开关可以彼此独立地处理四个不同波长。在波长选择开关的第一连接端设置有第一MMI波导，在波长选择开关的另一连接端设置有第二MMI波导20。在这一实施例中第一MMI波导10包括一个或多个接入波导11、12、13、14，第二MMI波导20包括一个或多个接入波导21、22、23、24。在第一MMI波导10和第二MMI波导20之间设置四个所谓马赫泽德波导31、32、33、34。上述每个马赫泽德波导包括四个相位控制元件51、53、55、57和三个布拉格光栅62、64、66。
当然上述波长选择开关可以改进为包括N个波长信道，而不是包括上述实施例中所示的四个波长信道。然而，通常为了使得波长选择开关能够彼此独立地处理N个波长信道，它必须包括N×(N-1)个布拉格光栅，N2个相位控制元件和N个接入波导，每个设置成与MMI波导连接。
假设光被激励到接入波导11上，接入波导11属于MMI波导10的截面A。选择MMI波导10的长度以便在沿着截面B的MMI波导10获得来自接入波导11的截面A的N个图象光强。然后假设已经选择MMI波导10的结构和尺寸使得获得接入波导中四个图象的原始分布，即N＝4。如果接入波导11、12、13、14正确地设置在MMI波导10中，即如果它们定位正确，而且正确选择马赫泽德臂31、32、33、34的截面尺寸和定位，图象的大部分能量将连接到马赫泽德波导31、32、33、34。如果实现高度均匀，这些图象的最大能量小于沿着截面A的能量的1/N，即在这种情况下小于沿着截面A能量的1/4。如果光改为从接入波导12-14中任何一个沿着截面A激励出，那么强度分布将相差很小。
相反，相位关系高度依赖于接入波导，光被从所述接入波导激励到MMI波导。这一与输入接入波导有关的相位关系是组件功能的关键。由于可逆性，在截面B具有相应的相位关系沿着相反方向传播的光，即根据图1从底部向上传播，将聚焦在相应的接入波导上。
沿着辅助线D、F和H的截面表示布拉格光栅截面。沿着每个辅助线的布拉格光栅可以是相同的。如果它们相同，那么光栅截面将沿着每个马赫泽德波导31、32、33、34的相应辅助线反射波长。被反射的波长返回到MMI波导10，相位关系由相位控制元件51、53、55确定。
例如假设沿着截面D的布拉格光栅反射波长λ1，沿着截面F的布拉格光栅反射波长λ2；那么沿着截面C的相位控制元件51将确定接入波导11-14中哪一个为波长λ2的输出。沿着截面G的情况类似，即沿着所述截面G的相位控制元件55确定接入波导11-14中哪一个为波长λ3的输出，波长λ3已经被沿着截面H的布拉格光栅反射。
这样对于每个波长可以分别选择MMI波导10沿着相反方向的相位关系，即每个波长信道可以分配一个与其他波长信道无关的输出。当然这意味着，例如沿着截面E的相位控制元件53可以补偿沿着截面C的相位控制元件51，沿着截面G的相位控制元件55可以补偿分别沿着截面C和E的相位控制元件51和53，沿着截面I的相位控制元件57可以补偿分别沿着截面C、E和G的相位控制元件51、53、55。通常，每个相位控制元件必须能够补偿沿着同一马赫泽德波导在信道的传输路径上在它之前设置的相位控制元件。
当然沿着辅助线C的相位控制元件51也影响波长信道λ2、λ3和λ4。然而这一补偿可以根据本领域技术人员熟知的教导容易地软件控制，因此这里不详细描述。如果所述补偿不希望用软件控制，也可以适当的方式从截面C向截面I的方向连续设置相位控制元件51、53、55、57。
没有被布拉格光栅反射的一个或多个波长信道将到达MMI 20，而且沿着辅助线J的相位关系将确定相应的波长信道激励到哪个沿着辅助线K的输出上。如果马赫泽德波导31、32、33、34的长度相等，到达MMI 20的波长信道将聚焦在同一输出。也可以选择马赫泽德波导31、32、33、34之间的长度差，以便到达MMI 10的不同波长可以聚焦到沿着辅助线K的不同接入波导21、22、23、24上。
图2是根据本发明的波长选择开关的另一实施例。辅助线A-H表示用于描述本发明的截面。这一实施例包括MMI波导10和四个马赫泽德波导31、32、33、34。在MMI波导10的一端设置有四个接入波导11、12、13、14。在与所述接入波导相对的另一端设置所述马赫泽德波导31、32、33、34。这些马赫泽德波导31、32、33、34中的每一个上设置三个布拉格光栅62、64、66和三个相位控制元件51、53、55。
假设波长信道发送至设置在MMI波导10上的接入波导11。这一波长信道通过MMI波导。选择MMI波导的长度和结构以便在沿着截面B的MMI波导获得来自接入波导11的截面A的N个图象光强。在这种情况下，假设已经选择所述长度和结构，使得获得四个图象。如果接入波导11、12、13、14正确地设置在MMI波导10中，即如果它们定位正确，而且如果已经正确选择马赫泽德臂31、32、33、34的截面尺寸和定位，图象的大部分能量将连接到马赫泽德波导31、32、33、34。如果实现高度均匀，这些图象的最大能量小于沿着截面A的能量的1/N，即在这种情况下小于沿着截面A能量的1/4。如果光改为从接入波导12-14中任何一个沿着截面A激励出，那么强度分布将相差很小。
另一方面，相位关系高度依赖于从哪个接入波导把光激励到MMI波导。这一与输入接入波导相关的相位关系是组件功能的关键。由于可逆性，在截面B具有相应的相位关系沿着相反方向传播的光，即根据图2从底部向上传播，将聚焦在相应的接入波导上。
沿着辅助线D、F和H的截面表示布拉格光栅截面。沿着每个辅助线的布拉格光栅可以是相同的。如果它们相同，那么光栅截面将沿着马赫泽德波导31、32、33、34中每一个的相应辅助线反射波长。被反射的波长返回到MMI波导10，相位关系由相位控制元件51、53、55确定。
例如假设沿着截面D的布拉格光栅反射波长λ1，沿着截面F的布拉格光栅反射波长λ2；那么沿着截面C的相位控制元件51将确定接入波导11-14中哪一个为例如波长λ1的输出。沿着截面E的相位控制元件53将确定接入波导11-14中哪一个为例如波长λ2的输出。沿着截面G的情况与此类似，即沿着所述截面的相关相位控制元件55确定接入波导11-14中哪一个为波长λ3的输出，波长λ3已经被沿着截面H的布拉格光栅反射。
这样对于每个波导可以分别选择MMI波导10沿着相反方向的相位关系，即每个波长信道可以分配一个与其他波长信道无关的输出。当然这意味着，例如沿着截面E的相位控制元件53可以补偿沿着截面C的相位控制元件51，沿着截面G的相位控制元件55可以补偿分别沿着截面C和E的相位控制元件51和53。通常，每个相位控制元件能够补偿沿着同一马赫泽德波导在信道的传输路径上在它之前设置的相位控制元件。
当然实际上沿着辅助线C的相位控制元件51也影响波长信道λ2、λ3和λ4。然而这一补偿可以根据本领域技术人员熟知的教导容易地以软件方式控制，因此这里不需详细描述。如果所述补偿不希望用软件控制，也可以适当的方式从截面C向截面G的方向连续设置相位控制元件51、53、55。
没有被任何布拉格光栅反射的一个或多个波长信道将被从相应的马赫泽德波导31、32、33、34激励。
适合于本发明生成的材料是例如石英(SiO2)、聚合物、铌酸锂(LiNbO3)、或者半导体系统。
当然本发明并不限于上面描述和图示的实施例，而是可以在所附权利要求范围内进行改进。

Claims (21)

1.用于切换光波长信道的波长选择开关，其特征在于它包括至少一个MMI波导(10，20)、至少两个马赫泽德波导(31，32，33，34)、对于每个马赫泽德波导的至少一个布拉格光栅(62，64，66)和至少一个相位控制元件(51、53、55、57)，其中所述马赫泽德波导由所述相位控制元件和所述布拉格光栅构成，并设置成与至少一个MMI波导(10，20)连接。
2.根据权利要求1所述的波长选择开关，其特征在于一个或多个接入波导(11，12，13，14)设置在MMI波导(10，20)的至少一个接触自由端上。
3.根据权利要求2所述的波长选择开关，其特征在于设置在至少MMI波导(10，20)之一上的接入波导(11，12，13，14)的数目与马赫泽德波导(31，32，33，34)的数目相同。
4.根据权利要求2所述的波长选择开关，其特征在于设置在至少MMI波导(10，20)之一上的接入波导(11，12，13，14)的数目与马赫泽德波导(31，32，33，34)的数目不相同。
5.根据权利要求3或4所述的波长选择开关，其特征在于马赫泽德波导(31，32，33，34)设置在第一MMI波导(10)与第二MMI波导(20)之间。
6.根据权利要求5所述的波长选择开关，其特征在于第一MMI波导(10)和第二MMI波导(20)的尺寸和结构相同。
7.根据权利要求5所述的波长选择开关，其特征在于第一MMI波导(10)和第二MMI波导(20)的尺寸和结构不同。
8.根据权利要求6或7所述的波长选择开关，其特征在于至少一个马赫泽德波导(31，32，33，34)包括N个相位控制元件(51、53、55、57)和(N-1)个布拉格光栅(62、64、66)。
9.根据权利要求8所述的波长选择开关，其特征在于马赫泽德波导(31，32，33，34)的长度相同。
10.根据权利要求8所述的波长选择开关，其特征在于至少一个马赫泽德波导(31，32，33，34)的长度与其他波导的长度相同。
11.根据权利要求6或7所述的波长选择开关，其特征在于每个马赫泽德波导(31，32，33，34)包括N个相位控制元件(51、53、55、57)和(N-1)个布拉格光栅(62、64、66)。
12.根据权利要求11所述的波长选择开关，其特征在于马赫泽德波导(31，32，33，34)的长度相同。
13.根据权利要求11所述的波长选择开关，其特征在于至少一个马赫泽德波导(31，32，33，34)的长度与其他波导的长度相同。
14.根据权利要求12或13所述的波长选择开关，其特征在于设置在马赫泽德波导(31，32，33，34)上的相位控制元件相同。
15.一种切换光网络中光波长信道的方法，其特征在于包括如下步骤：
-把所述光波长信道激励到设置于第一MMI波导上的接入波导；
-通过所述第一MMI波导传输光波长信道并将其表现(depict)在至少一个马赫泽德波导上，所述马赫泽德波导设置于与所述接入波导相对的另一端；
-通过马赫泽德波导传输光波长信道；
-通过设置在马赫泽德波导上的相位控制元件改变至少光波长信道之一的相位；以及
-通过至少一个设置在马赫泽德波导上的布拉格光栅反射至少一个光波长信道。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于至少一个光波长信道被通过所述设置在马赫泽德波导上的布拉格光栅和相位控制元件传输，达到第二MMI波导，而且所述传输的波长信道被从至少一个设置在第二MMI波长上的接入波长激励。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于相位控制元件控制光波长信道被分别传输到第一和第二MMI波长上的哪个接入波导上。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于没有在布拉格光栅中反射的波长信道被所述布拉格光栅后面的至少一个相位控制元件补偿畸变，所述畸变由所述布拉格光栅之前的至少一个相位控制元件导致的。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于没有在布拉格光栅中反射的波长信道被利用软件方法软件补偿由至少一个相位控制元件导致的畸变。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于当马赫泽德波导的长度相同，当设置在相对于马赫泽德波导中相关布拉格光栅的等效位置上的相位控制元件相同，而且当已经正确选择所述第二MMI波导的尺寸和结构时，没有在布拉格光栅中反射的波长信道被从设置在第二MMI波导上的同一接入波导激励出来。
21.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于当马赫泽德波导的长度不同，当设置在相对于马赫泽德波导中相关布拉格光栅的等效位置上的相位控制元件相同，而且当已经正确选择所述第二MMI波导的尺寸和结构时，没有在布拉格光栅中反射的波长信道被激励到设置在第二MMI波导上的不同接入波导上。
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