CN1288524A - N端口可再配置密集波分复用多路复用器和去多路复用器 - Google Patents

Abstract

一种N端口光波分多路复用器(10)和去多路复用器包括由N条光路(110、112、114、116、11N)连接的两个迅衰波耦合器(30、70)。每条光路包括用于选择指定光波长的波长选择元件(50、52、54、56)。在耦合器内的所有光路之间大体上均匀地分割光信号,这些光信号包括引到耦合器之一的外部端口的N个光波长,从而引出耦合器的每条光路包括最初引到耦合器的所有波长的光。设置在每条光路上的波长选择元件以这样的方式引导光,从而在给定的外部耦合器端口处只有所选出的波长的光作相长干涉而其它波长的光作相消干涉。

Description

N端口可再配置密集波分复用多路复用器和去多路复用器

发明领域

本申请以1998年1月16日提出的编号为60/071,730的临时申请为基础，该日期是我们提出的本申请的优先权日期。

本发明一般涉及适合于单模光电信系统的多路复用和去多路复用器件。说得详细些，本发明涉及一种可再配置单片密集波分多路复用器(DWDM)器件，也可以把它有利地应用于具有多种波长的光信号的去多路复用。

有关技术的描述

对于传送高速通信量的电信系统，光多路复用器提供可靠的、高速的操作，而在电学范畴中工作的器件不能有效地处理这种高速通信量。

已经考虑的一种方法包括一种光学系统，该光学系统通过相长干涉使用波长滤波以合并各种波长的光信号。使用两个星形耦合器(star coupler)来实现多路复用和去多路复用，这两个星形耦合器通过一组N条光波导路径连接。使由多个波长组成的光耦合入N条光路，把功率基本上平均地分配在各光路之间。对于给定的光波长，每条光路具有不同的光程长。因此，对于光信号行进的每条光路，光信号经受不同的相移。选择每条光路以对于特定的光波长产生相长干涉而对于其它波长产生相消干涉，使得每条光路传送预选波长的光信号，从而达到去多路复用功能。逆向工作提供多路复用功能。这种方法有几个缺点。首先，是涉及设计和制造星形耦合器的问题。此外，在诸如星形耦合器之类的平面波导与光纤之间的光耦合是一个困难而吃力的任务。第三，器件不能够再配置，迫使系统设计者应用具有有限灵活性的刚性设计。

在已经考虑的另一个方法中，曾经使用基于光纤具有光栅的马赫-策恩德(Mach-Zehnder)器件以在一条光纤上对一个波长或一系列波长进行多路复用。把这些器件串级起来以在数条光纤上去多路复用数个信号(每个信号具有不同的波长)。然而，串级产生具有伴随而来的成本和可靠性关系的更复杂的机械系统。此外，串级过程会引入耦合损耗和反射，从而使这种系统的性能受到限制，因为光信号将会扩展，而在脉冲之间将要求有更大的分隔以保持给定的比特差错率。如上述方法中所述，串级器件不能再配置，迫使系统设计者应用具有有限灵活性的刚性设计。

本发明认识到提供能够处理多个波长从而无需串级多个器件的可再配置单片DWDM有极大的优点。

发明概要

本发明提供这些优点和致力于这些需求。揭示了一种可再配置的DWDM，它能够响应于网络命令将给定波长的光引导到器件的任何的外部端口，向网络操作者提供更多所需的灵活性。此外，因为器件是单片的，避免了串级系统的缺点。最后，同样地避免了连接光与平面器件的困难任务。

本发明的一个方面涉及一种单片光学器件，用于多个光信号的波分多路和去多路复用。一个波长或多个波长给出多个光信号中的每个光信号的特征。光学器件包括具有M个外部端口和N个内部端口的第一迅衰波耦合器，其中，在M个外部端口和N个内部端口之间均匀地耦合信号光功率。还包括具有N个内部端口和O个外部端口的第二迅衰波耦合器，其中，在N个内部端口和O个外部端口之间均匀地耦合信号光功率。N条光路分别将第一耦合器的N个内部端口的每个内部端口连接到第二耦合器的N个内部端口的相应的一个内部端口。在N条光路的每条光路上放置多个波长选择元件，用于根据一个波长或多个波长，把多个光信号中的每个光信号按规定路线送到选出的一个M或O外部端口。

在本发明的另一个方面揭示了一种用于制造光信号的波分多路复用或去多路复用的器件的一种方法。一个波长或多个波长给出每个光信号的特征。该方法包括下述步骤：形成具有M个外部端口和N个内部端口(从而在M个外部端口和N个内部端口之间均匀地耦合信号光功率)的第一迅衰波耦合器；形成具有N个内部端口和O个外部端口(从而在N个内部端口和O个外部端口之间均匀地耦合信号光功率)的第二迅衰波耦合器；形成分别将第一耦合器的N个内部端口每个内部端口连接到第二耦合器的N个内部端口的相应的一个内部端口的N条光路；以及在N条光路的每条光路上放置多个波长选择元件，从而波长选择元件根据一个波长或多个波长，把光信号按规定路线送到选出的M或O外部端口。

在本发明的又一个方面揭示了用于在光学器件中对多个光信号进行波分多路复用或去多路复用的一种方法。光学器件包括具有M个外部端口和N个内部端口的第一迅衰波耦合器；具有N个内部端口和O个外部端口的第二迅衰波耦合器；以及将第一耦合器的N个内部端口的每个内部端口连接到第二耦合器的N个内部端口的相应的一个内部端口的N条光路。该方法包括下述步骤：提供放置在N条光路的每条光路上的多个波长选择元件；以及根据一个波长或多个波长，把多个光信号中的每个光信号按规定路线送到选出的外部端口，其中，由一个波长或多个波长表征多个光信号的每个光信号。

本发明的单片光学DWDM器件导致优于现有的WDM器件的多个优点。本发明避免了在平面波导器件与光纤之间光耦合的复杂任务。由于本发明是单片设计，因而避免了串级系统的缺点。如上所述，这种设计产生具有伴随而来的成本和可靠性关系的复杂的机械系统。此外，避免了限制串级系统的性能的耦合损耗和反射，提供较佳的比特差错率。此外，本发明是可再配置的，向系统管理员提供符合日益增长的网络要求所需的灵活性。

在下面的详细描述中将说明本发明的另外的特征和优点，熟悉本领域技术的人员将从说明书中容易地部分明了，或通过如书面的说明书、权利要求书以及附图所述的实现本发明来理解。

应理解，以前的一般描述和下面的详细描述只不过是本发明的示例，打算提供概述或框架来理解提出权利要求的本发明的特性和特征。

把附图包括在内以提供对本发明的进一步的理解，并且合并在说明书中而构成其一部分。附图示出本发明的一个或多个实施例，并与说明书一起来说明本发明的原理和工作。

附图简述

图1是根据本发明的可再配置单片密集波分多路复用器和去多路复用器的方框图；

图2是根据表示去多路复用操作的本发明第二实施例的单片波分多路复用和去多路复用器件的示意图，示出四波长器件的光栅定位；

图3是根据表示多路复用操作的本发明第二实施例的单片波分多路复用和去多路复用器件的方框图；

图4是根据用熔合光纤耦合器实现的本发明第二实施例的单片波分多路复用和去多路复用器件的剖面图；

图5是根据本发明第二实施例的波长选择元件的详图，示出铬加热器元件和电极；

图6是根据本发明第三实施例使用平面耦合器技术实现的单片波分多路复用和去多路复用器件的示意图；

图7是根据本发明的第四实施例使用平面耦合器技术和反射镜实现的单片波分多路复用和去多路复用器件的示意图；

图8是根据本发明第三和第四实施例的波长选择元件的详图，示出电压调制器元件。

详细描述

现在将详细地参考本发明的较佳实施例，在附图中示出它们的例子。只要有可能，在所有的附图中使用相同的标号来表示相同的部件。在图1中示出本发明的DWDM的单片光学器件的例示实施例，并且在所有附图中概略地用标号10来指定。

根据本发明，单片光波分多路复用器和去多路复用器10将行进在多条光路上的各种波长的光信号多路复用在单条光路上。由于多路复用器是单片的，耦合损耗和不需要的反射不会降低多路复用器的性能，而且可以容纳极窄的脉冲。避免了与诸如星形耦合器之类的平面波导结构耦合到光纤相关联的耦合困难。此外，与串级多路复用器相比单片器件更可靠且生产费用较少。多路复用器10具有多路复用器和去多路复用器两种功能。多路复用器最好使用迅衰波耦合器30和70。多路复用器还使用波长选择元件50、52、54和56，它们给多路复用器10提供具根据网络的需要而再配置的能力。这种灵活性允许网络管理员响应于增加的通信量要求和变化的网络需要而动态地再配置网络。

如这里具体化和在图1中所描述的，光学器件10的第一实施例包括M×N迅衰波耦合器30，它具有M个外部端口20和N个内部端口40。在M个外部端口20和N个内部端口40之间均匀地耦合信号光功率。例如，将平均分配进入外部端口200的光信号并出现在内部端口400、402、404、406和40N处。M×N耦合器30双向工作，从而它还将进入N个内部端口40的光均匀地耦合入外部端口20。光学器件10还包括N×O迅衰波耦合器70，它具有N个内部端口60和O个外部端口80。N×O耦合器70以与M×N耦合器30相同的方式起作用。将平均分配进入内部端口600的光信号，并出现在外部端口800、802、804、806和80O处。如M×N耦合器30那样，N×O耦合器70起双向耦合光的作用。N条光路110、112、114、116…11N把M×N耦合器30的N个内部端口40连接到N×O耦合器70的N个内部端口60。根据光在特定光路中传播的一个波长或一些波长，N条光路110、112、114、116…11N对光信号提供独有的相移。在每条光路110…11N上设置多个波长选择元件50、52、54和56。把每个元件50、52、54和56调谐到特定的波长。每个波长选择元件50、52、54和56还包括形成波长选择子元件矩阵的子元件500-56N。因此，把子元件500、502、504、506和50N调谐到相同的波长。把配置控制器90连接到波长选择元件50、52、54和56。配置控制器90起各别地控制每个子元件500-56N的作用。把配置控制器连接到网络接口100。通过网络接口100把网络配置命令转发到配置控制器90。

两个耦合器30和70可以是任何合适的公知类型，但是作为示例，在图4中示出熔合光纤耦合器；在图6中示出平面布局；或在图7中示出平面-镜子布局。将在下面进一步讨论这些例子。在平面布局中特别感兴趣的是N×N自由空间耦合器，它使用由自由空间区隔开的两个波导的线性阵列。

N条光路110、112、114、116…11N可以是任何合适的公知类型，但是作为示例，在图4中示出光纤或在图6中示出平面布局的光波导。然而，因为器件10的集成单片性质，这种选择基本上取决于在实现耦合器30和70中所使用的技术。

波长选择元件50、52、54和56和子元件500-56N可以是任何合适的公知类型，但是作为示例示出诸如光栅或反射镜之类的反射元件(图2)。完全反射或部分透射的光栅是合适的。在图5中示出光栅与铬加热器元件的组合。在图8中示出用作N条光路的铌酸锂或磷化铟波导与电压调制器的组合。当然，本发明不限于这些实施例，可以应用任何改变N条光路110…11N之间的相位差的方法。例如，任何改变折射率、折射率增量、通路长度或纤心直径的方法将产生所希望的效果。

配置控制器可以是任何合适的公知类型，但是作为示例，可以在使用具有在片(on-chip)存储器的可编程逻辑阵列(PLA)器件的基于微处理器的系统中实现配置控制器90。在存储器中存储一个查找表来存储相对于用于输入和输出的外部端口的所有可能的波长组合。以数字字的形式把网络配置命令写入配置控制器。数字字对在片存储器寻址以访问对于每种组合的合适的设定。

可以使用任何合适的公知方法来实现网络接口100。例如，适应于特定网络环境的数字总线系统适合于这种应用。总线系统包括数据总线和控制总线。接口100能够缓存数据，并应用数据收发器提供光学器件10和网络处理器之间的双向通信。

通过下面的例子来说明光学器件10的工作。网络发送出配置命令而由网络接口100接收。网络接口100允许光学器件10适应于各种网络环境的不同的数据格式和信号电平。网络接口100缓存网络命令并通过总线系统把命令作为控制字写入配置控制器90。实际上控制字是访问存储器中的一个位置的地址，以检索存储在查找表中的合适的设定。配置控制器90使用检索得的数据以各别地驱动每个子元件500-56N。如上所述，根据光在光路中传播的一个波长或一些波长，N条光路110、112、114、116…11N对光信号提供独有的相移。当驱动子元件时，它根据网络命令进一步移动选出的光信号的相位。这个附加的相移造成所选择的光信号的相长干涉和行进在该特定光路中的所有其它光信号的相消干涉。因此，如图1所示，由波长λ_1-M表征的光信号进入外部端口20M并通过40N耦合入内部端口400、402、404、406。把元件50[500、502、504、506…50N]调谐到λ₁。配置控制器90驱动子元件506，接着，子元件506对波长λ₁的光提供附加的相移。在光路中使用相长干涉，子元件506引导具有波长λ₁的光使之在M×N耦合器的出射端口206处出现。由于相消干涉，在外部端口206处不出现波长λ_2-M的光。以这种方式，可以动态地再配置光学器件10，以将给定波长的光信号从任何外部端口20和80按规定路线送到任何其它的外部端口20和80。

如这里具体化并示于图2中的本发明的第二实施例揭示了一种熔合耦合器DWDM10。在该实施例中，通过使用光栅作为子元件500-546来实现波长选择元件50、52和54。图2是示意图，示出根据本发明的第二实施例的去多路复用操作和光栅500-546的合适的布局。为了说明的方便，在图2中把本实施例作为4×4WDM示出。本领域的一般技术人员将理解，这里所揭示的原理可以容易地应用来产生如图1所示的M×O器件。

如这里具体化并在图2中描绘的，光学器件10包括四条光纤110、112、114和116，它们构成N条光路。四条光纤110、112、114和116分别连接两个4×4熔合耦合器30和70的内部端口40和60。多个光栅500-546沿耦合器30和70之间的有关的光纤110-116隔开。在耦合器30和70之间的光纤110-116部分最好长度相等。

光栅50、52和54分别反射波长为λ₁、λ₂和λ₃的光。当把光反射回4×4耦合器30时，如在下面更详细的讨论的，由相互作用信号的相对相位确定将把反射光引向它的外部端口。

已经在题为“M×O多路复用和去多路复用元件”的第5,636,300号美国专利中描述可以合适地用作为耦合器30或耦合器70的4×4耦合器的工作，该专利已转让给本发明的受让人，并通过参考而完整地在此引用。为了举例，假定光在端口206处通过光纤116输入耦合器30，并且如此设计器件，从而在耦合器30和70之间的光纤110-116部分之间发生相等的功率分配。在不存在光栅500-546时，从通过光纤116输入的光得到的、到达耦合器70的光将比任何其它使用光纤110-116耦合的光的相位超前180度。结果，耦合器70将工作以把在光纤116上输入的光输出到端口806。数学上，可以用下列矩阵表示耦合： $M=\left[\begin{array}{cccc}\sqrt{.25}& -\sqrt{.25}& -\sqrt{.25}& -\sqrt{.25}\\ -\sqrt{.25}& \sqrt{.25}& -\sqrt{.25}& -\sqrt{.25}\\ -\sqrt{.25}& -\sqrt{.25}& \sqrt{.25}& -\sqrt{.25}\\ -\sqrt{.25}& -\sqrt{.25}& -\sqrt{.25}& \sqrt{.25}\end{array}\right]$

在矩阵中的负号是考虑到耦合到光纤110、112和114的光与从光纤116的耦合出光相比较的相位差。物理上，这意味着输入到耦合器30的光比到达耦合器70的光超前180度。如将在下面讨论的，在合适地调节相位方面，本发明的第二实施例使用波长选择元件，其形式为正确定位的光栅或与加热器结合使用的光栅。例如，当光从光栅504反射回耦合器30时，可以有效地调节光纤114的有关部分的光程长。为了将光输出到指定的外部端口，通过进一步从输入4×4耦合器30放置它的光栅可以减少光纤的光程长。这直接从互易理论得出和应用上述公式1中的矩阵。具有波长λ₁的光从第一组的光栅500-506反射，并在光纤114上在端口204处输出。从第二组光栅520-526反射的波长为λ₂的光在光纤112上在端口202处输出。第三组光栅540-546反射波长为λ₃的光，并如图所示，在光纤110上在端口200处输出。在图2中，相应于其它组的光栅适当地放置光栅以利用光的相长干涉和相消干涉来得到这个结果。

将通过例子来说明光栅定位。注意，在图2中，子元件504放置偏移光栅500和502的距离“d”处。在该例子中，位移造成在外部端口204处出现λ₁。在第二波长选择元件52中，光栅522偏移光栅520和524，造成在外部端口202处出现λ₂。由d给出光栅偏移的距离，其中 $d=\frac{\mathrm{\λ}}{2n}\±\frac{\mathrm{M\λ}}{n}----\left(2\right)$ 其中M是整数。在公式2中，n是光纤的折射率。

这些光栅的位移是极小的。可以使用光折射技术通过改变折射率来精细地调谐或微调N条光路。还有，可以通过不同的折射率增量而不是实际的光栅位置差异来改变光程长度。以如图1所示的矩阵形式来调整子元件500-546，而不用光栅的位移。子元件包括铬加热器和光栅的组合。加热器位于光栅之间。通过对光路加热，使材料的折射率改变，从而使得光程长变化。另外，可以对光栅本身加热或对光路和光栅两者加热。这样，动态地再配置光学器件10。本领域的一般技术人员将理解，当对一个给定的子元件加热时，配置控制器90将调节沿光路的后续的子元件以计及所改变的光程长度和相关的相移。这样做来保证维持在那个光路中所选择信号的相长干涉和所有其它信号的相消干涉。

光学器件10的第二实施例基于以其窄频带波长而公知的Mach-Zehnder器件。它可以以数十个纳米或更小的数量级来提供波长分隔。例如在第5,295205号美国专利中讨论的Mach-Zehnder器件，通过参考在此完整地引用。迅衰波光纤耦合器30和70通过四条光纤110-116连接。再有，本领域的一般技术人员将认识到，虽然在图2中示出四条光纤，但是可以在本设计中使用N条光纤。

图3是本发明的第二实施例的方框图，示出使用图2中描绘的耦合器对光信号进行多路复用的例子。要注意，虽然在图3中示出4×4耦合器，但是可以使用任何规模的耦合器。此外，内部端口数和外部端口数不必相等，从而通常可以得到M×O工作。

每条光纤110-116包括概略地由50表示而且不各别地示出的光栅。如图2所示，使各光栅偏移。如在图2中讨论的，这些光栅分别反射特定波长λ₁、λ₂或λ₃的光。在多路复用应用中，将波长λ₁、λ₂和λ₃的光通过耦合器30耦合入光纤110-116。通过耦合器70将波长λ₄的光耦合到光纤110-116。光学器件10工作以组合波长λ₁λ₂λ₃λ₄的光。经多路复用的信号在光纤116上的外部端口26处从光学器件10出射。

根据本发明的第二实施例，最好以图4中所示的单片结构来形成多路复用器/去多路复用器Mach-Zehnder器件10。器件10包括通过相移区120连接的外包层耦合器30和70。通过把光纤110、112、114和116插入基质玻璃管140的孔130来形成器件10。如图4所示，有四条光纤，但是可以合适地使用较大或较小的数目N。每条光纤110-116具有一个纤心，由折射率比纤心的折射率低的包层包围所述纤心。各纤心可以有不同的折射率，并且各光纤包层可以有不同的折射率。靠近光纤的基质玻璃管部分的折射率小于任何一个光纤包层的最低折射率。将管和光纤的结合称为耦合器预制件。以一种方式处理预制件，使玻璃管烧缩到光纤未包覆的长度上以形成耦合器。耦合器成形的处理是已知的，并在例如第5,295,205号美国专利中揭示，通过参考完整地在此引用。每条连接光纤110-116包括具有细长纤心的光纤，在其中将光导向预定长度的纤心部分。

如上所述，光纤110-116还具有嵌入其中的多个光栅元件，以大体上相等的纵向间隔(大体上垂直于纵轴)延伸。一个光栅元件在中心波长附近的窄范围内反射单个波长，所述中心波长由光栅元件的间隔和纤心的折射率确定。这种光栅和形成这种光栅的处理是已知的，例如，在第5,042,898号美国专利中所揭示，通过参考完整地在此引用。

图5是如图1所示的波长选择子元件500和配置控制器90的相互作用的详图。配置控制器90包括控制逻辑92和调整器94。系统总线900将控制逻辑92连接到调整器94，该调整器连接到加热器5002。注意，子元件500包括设置在光纤110的纤心上的光栅5000和如图5所示设置在光纤110的周围的铬加热器5002。将加热器5002连接到温度传感器96。将温度传感器96通过实际温度信号线904连接到调整器94以形成控制环路。必须准确地控制每个子元件500-546的温度以保证正确地调节光纤110-11N的折射率。本领域的一般技术人员将认识到，任何合适的加热和调整光纤110加热的方法都可满足需要。

示于图5中的配置控制器90的工作如下。网络接口100将配置命令发送到配置控制器90。控制逻辑92接收该命令。控制逻辑92将命令转换成对于每个子元件500-546的特定的温度设定。在系统总线900上通过调整器94把命令信号发送到各别的子元件。注意，由于出现在分各别的子元件上的局部条件，在每个子元件处的温度可能与在系统总线900上发送到调整器的额定温度有变化。因此，必须调整子元件的温度以保证它的正确的功能。为了完成这项工作，温度传感器96把实际温度信号904馈送给调整器94。调整器94从实际值904中减去从控制逻辑92接收到的额定温度值以产生误差信号。然后在加法器96中把可以是正或负的误差信号加到命令信号900以产生校正的温度信号906。本领域的一般技术人员将认识到，可以使用任何正确地控制子元件500-546的温度的合适方法。

如在这里具体化并示于图6中的本发明的第三实施例中，示出单片平面器件10的示意图。光学器件10包括具有M个外部端口20和N个内部端口40的M×N迅衰耦合器30。使用外部端口20来访问器件10的外部。将内部端口40分开连接到N条光路110-11N。N条光路110-11N的另一端连接到N×O迅衰耦合器70的N个内部端口60。N×O耦合器70还包括访问器件10的外部的外部端口80。在N条光路110-11N上设置波长选择元件50-5M-1。注意，在本实施例中应用子元件，但是为了说明简便起见未在图6中示出。把波长选择元件50调谐到λ1；把元件52调谐到λ₂和把元件5M-1调谐到器件10支持的第M-1个波长。耦合器30和70可以是任何合适的公知的类型，但是为了示例而示出自由空间N×N平面耦合器，它包括由自由空间区隔开的两个线性波导阵列的平面布局。如在上述熔合耦合器实施例中那样，具有波长λ_1-M的光信号进入如图6所示的外部端口20M，并均匀地分配而出现在每个内部端口40处。如上所述，波长选择元件50-5M-1可以是任何合适的公知类型，该类型可以改变N条光路110-11N之间的相位差，这将结合图8进行讨论。

在图6所示的实施例中，有几个因素确定给定波长将出射的外部端口。首先，自由空间截面的弯度造成来自每个波导的光朝着自由空间假面的另一边的端口聚焦，第二，如果波长选择元件作为Bragg光栅实施，则波长选择元件相对于波导的放置的角度也是一个因素。这是因为角度影响来自每个波导的光的相对延迟。通过改变角度而建立了一个相控阵列，它调整光束朝着所要的外部端口。在自由空间界面处的每个波导相对于其它波导的位置造成光朝着自由空间界面另一边的端口聚焦。通过由Bragg反射器产生的附加延迟，精细地把每个波长调节到特定的端口。相位延迟和调整角之间的关系如下列等式所示：

φ(λ)=cos^-1[dsinθ_λ/λ]    (3)其中φ是由Bragg反射器造成的相位延迟，θ是调整角，λ是被调整的光束的波长，而d是波导之间的分隔。因此，对给定波长的相位延迟影响反射光的聚焦位置。最终，通过在光栅之间的光路[110…11N]上放置加热器，或对光栅本身加热，或执行两者使器件可再配置。本领域的一般技术人员将理解，当加热一个给定的子元件时，配置控制器90将调节沿光路的后续的子元件，来计及所改变的光程长度和相关的相移。这样做保证维持在该选出的信号的相长干涉和在光路中所有其它信号的相消干涉。

通过例子来说明示于图6中的器件10的工作。由波长λ_1-M表征的光信号输入外部端口20M并将其耦合入内部端口400、402、404、406和40N(未各别地示出)。配置控制器90(未示出)根据网络命令驱动波长选择元件50-5M-1。将元件50调谐到λ₁并驱动元件50把具有波长λ₁的光导向M×N耦合器的外部端口200。由于相消干涉，在外部端口200处不出现波长λ_2-M的光，而由于相长干涉，在端口200处出现具有λ₁的所选择的信号。以相似的方式，元件52将所选择的λ₂光信号导入外部端口202，等等。以这种方式，可以动态地再配置光学器件10，把给定波长的光信号从任何外部端口20和80按规定路线送到任何其它的外部端口20和80。

在这里具体化并示于图7中的本发明的第四实施例中，示出单片平面器件10的示意图。在本实施例中，由反射镜120来代替图6的N×O耦合器70。在第四实施例中，将每个波长选择元件[50、52、54、…、5M-4]调谐到一个波长。耦合器30具有M个外部端口20和N个内部端口40。将N个内部端口40连接到在反射镜120处终止的N个波导[110…11N]。把波长选择元件50、52、54到5M一4设置在波导110到11N上。注意，器件10支持波长λ_1-M的光。然而，在器件10中有M-4个波长选择元件。因此，波长λ_M-3到λ_M不具有匹配的波长选择元件。在第四实施例中，反射镜造成所有不具有波长选择元件的波长反射回输出端口200。

通过例子来说明示于图7中的器件10的工作。将波长λ_1-M的光导入外部端口20M。把元件50调谐到λ₁并且由配置控制器(未示出)驱动设置在波导112上的子元件(未示出)，造成λ₁在端口202处从器件10出射。因为λ_M-3到λ_M没有光栅，它们被反射回来并在端口200处从器件出射。给定波长从器件出射的端口是通过对子元件处的光路加热以改变光路[110…11N]的折射率而选择的。还应注意，可以对子元件本身加热以产生所要的相移。

本领域的一般技术人员将明了，可以根据构造器件10所使用的材料，对本发明的第三实施例的波长选择元件[50…5M-1]，或第四实施例的[50…5M-4]进行修改和变更。例如，图8是应用于第三和第四实施例的如图1所示的波长选择子元件500和配置控制器90的相互作用的详图。配置控制器90包括控制逻辑92和调整器94。系统总线900将控制逻辑92连接到调整器94。把调整器92连接到子元件500。子元件500包括波导110的与材料有关的纤心和电压调制器5002。把电压调制器5000连接到电压传感器96。通过实际电压信号线904把电压传感器96连接到调整器94以形成控制环路。必须准确地控制提供给每个子元件500-56N的电压以保证恰当地调节光纤110-11N的折射率。

本领域的一般技术人员将认识到，作为波长选择子元件，任何在波导110周围产生电场的合适的方法都满足要求。波导110的纤心可以是任何合适的材料，但是通过示例方法示出铌酸锂或磷化铟纤心，在耦合区5002之间的波导部分，它提供了与电压或电场有关的相移。

示于图8中的配置控制器90工作如下。网络接口100将配置命令发送到配置控制器90。控制逻辑92接收命令。控制逻辑92把命令转换成电压设定，以对每个子元件500-56N产生恰当的电场。通过调整器94把命令信号发送到分立的子元件。然而，由于在各别的子元件处的局部条件，实际出现在每个子元件处的电压可能多少偏离额定电压。因此，电压传感器96发送提供给调整器94的实际电压。调整器94从电压传感器接收的实际值904减去通过总线900从控制逻辑92接收到的额定电压以产生误差信号。然后，将可以是正或负的误差信号通过调整器94加到额定值上以产生校正的电压信号906。本领域的一般技术人员将认识到，任何正确地控制将电压提供给子元件500-546的合适方法都满足要求。

本领域一般技术人员可以明了，可以对本发明进行各种修改和变更，而不偏离本发明的精神和范围。因此，打算把本发明覆盖本发明的这些修改和变更，只要它们在所附的权利要求书和它们的等效物的范围内。

Claims (35)

1．一种单片光学器件，用于对多个光信号波分多路复用和去多路复用，所述多个光信号的每个光信号由一个波长或多个波长以及信号光功率来表征，其特征在于，所述光学器件包括：

具有M个外部端口和N个内部端口的第一迅衰波耦合器，其中，在所述M个外部端口和所述N个内部端口之间均匀地耦合所述信号光功率；

具有N个内部端口和O个外部端口的第二迅衰波耦合器，其中，在所述N个内部端口和所述O个外部端口之间均匀地耦合所述信号光功率；

N条光路，用于将所述第一迅衰耦合器的所述N个内部端口的每个内部端口分别连接到所述第二迅衰耦合器的所述N个内部端口的相应的一个内部端口；以及

设置在所述N条光路的每条光路上的多个波长选择元件，用于根据一个波长或多个波长，把所述多个光信号的每个光信号按规定路线送到任何选出的M外部端口或O外部端口。

2．如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述波长选择元件是可以根据网络命令加以调节的。

3．如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，至少一个所述迅衰耦合器是熔合波导光纤耦合器。

4．如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述第一迅衰耦合器或第二迅衰耦合器中的至少一个迅衰耦合器是平面耦合器。

5．如权利要求3所述的光学器件，其特征在于，所述平面耦合器是N×N自由空间平面耦合器。

6．如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个波长选择元件包括：

设置在N条光路上的多个反射元件，其中，调谐所述多个反射元件的每个反射元件，以反射具有从多个波长中选出的指定波长的光，并用间隔和邻近的反射元件隔开。

7．如权利要求6所述的光学器件，其特征在于，所述多个反射元件包括多个反射镜。

8．如权利要求6所述的光学器件，其特征在于，所述多个反射元件包括多个光栅。

9．如权利要求8所述的光学器件，其特征在于，所述N条光路的每条光路对在所述N条光路中传播的光的多个波长的每个波长提供有区别的相移。

10．如权利要求9所述的光学器件，其特征在于，当所述多个光栅之一将选出的光信号按规定的路线送到选出的M外部端口或O外部端口时，所述有区别的相移造成选出的光信号的相长干涉和在所述N条光路中传播的所有其它光信号的相消干涉。

11．如权利要求10所述的光学器件，其特征在于，所述N个光程长包括：

多条光纤，其中，所述多条光纤的每条光纤具有折射率、折射率增量、长度和纤心直径。

12．如权利要求11所述的光学器件，其特征在于，通过改变折射率增量来调节选出的光信号到选出的M外部端口或O外部端口的路由。

13．如权利要求11所述的光学器件，其特征在于，通过改变长度来调节选出的光信号到选出的M外部端口或O外部端口的路由。

14．如权利要求11所述的光学器件，其特征在于，通过改变纤心直径来调节选出的光信号到选出的M外部端口或O外部端口的路由。

15．如权利要求10所述的光学器件，其特征在于，通过改变间隔来调节选出的光信号到选出的M外部端口或O外部端口的路由，从而造成有区别的相移以产生选出的光信号的相长干涉和所有其它光信号的相消干涉。

16．如权利要求15所述的光学器件，其特征在于，以距离δ来改变所述间隔，所述δ由下述公式表示： $\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2n}\±\frac{\mathrm{M\λ}}{n}$ 其中，λ是选出的光信号的波长，n是光纤的折射率，而M是整数。

17．如权利要求8所述的光学器件，其特征在于，所述多个光栅的每个光栅至少是部分地透射的。

18．如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述波长选择元件还包括：

设置在N条光路上的多个光栅，其中，调谐所述多个光栅的每个光栅以反射多个波长中的具有指定波长的光，并用间隔和所述多个光栅的一个邻近的光栅隔开；

设置在N条光路上并与所述多个光栅交错的多个加热器；以及

连接至所述多个加热器的每个加热器的配置控制器，其中，响应网络命令，通过各别地驱动所述多个加热器的选出的加热器，所述配置控制器动态地改变多个光信号的每个光信号到选出的M外部端口或O外部端口的路由。

19．如权利要求18所述的光学器件，其特征在于，所述N条光路的每条光路对在N条光路中传播的光的多个波长的每个波长提供有区别的相移。

20．如权利要求19所述的光学器件，其特征在于，当所述多个光栅之一将选出的光信号按规定的路线送到所选择的M外部端口或O外部端口时，所述有区别的相移造成选出的光信号的相长干涉和在所述N条光路中传播的所有其它光信号的相消干涉。

21．如权利要求20所述的光学器件，其特征在于，N个光程长包括：

多条光纤，其中，所述多条光纤的每条光纤具有折射率增量。

22．如权利要求21所述的光学器件，其特征在于，通过对所述多条光纤的选出的一条光纤加热从而改变折射率增量，加热器动态地改变选出的光信号到选出的M外部端口或O外部端口的路由。

23．如权利要求18所述的光学器件，其特征在于，所述多个加热器还包括：

各别地连接到所述配置控制器的多个电极，其中，根据网络命令，所述多个电极的每个电极由所述配置控制器各别地驱动以将热能提供给所述多个加热器的选出的加热器。

24．如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述波长选择元件还包括：

设置在N条光路上的多个子元件，其中，所述多个子元件的每个子元件是可调谐的，以根据波长改变所述多个光信号的每个光信号的相位；以及

连接到所述多个子元件的每个子元件的配置控制器，其中，所述配置控制器根据网络命令动态地改变多个光信号到选出的M外部端口或O外部端口的路由。

25．如权利要求24所述的光学器件，其特征在于，所述多个子元件的每个子元件包括：

铌酸锂波导元件；以及

连接到所述铌酸锂波导元件的电压调制器，其中，所述电压调制器由所述配置控制器各别地控制并通过改变围绕所述铌酸锂波导元件的电磁场各别地驱动所述铌酸锂波导元件。

26．如权利要求25所述的光学器件，其特征在于，当将选出的光信号按规定的路线送到选出的M外部端口或O外部端口时，电磁场的改变导致选出的光信号的相长干涉和在N条光路中传播的所有其它光信号的相消干涉。

27．如权利要求24所述的光学器件，其特征在于，多个子元件的每个包括：

磷化铟波导元件；以及

连接到所述磷化铟波导元件的电压调制器，其中，所述电压调制器由所述配置控制器各别地控制并通过改变围绕所述磷化铟波导元件的电磁场各别地驱动所述磷化铟波导元件。

28．如权利要求27所述的光学器件，其特征在于，当将选出的光信号按规定的路线送到选出的M外部端口或O外部端口时，电磁场的改变导致相移，造成选出的光信号的相长干涉和在N条光路中传播的所有其它光信号的相消干涉。

29．一种用于制造光信号的波分多路复用和去多路复用器件的方法，每个所述光信号由一个波长或多个波长和信号光功率来表征，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

形成具有M个外部端口和N个内部端口的第一迅衰波耦合器，其中，在所述M个外部端口和所述N个内部端口之间均匀地耦合信号光功率；

形成具有N个内部端口和O个外部端口的第二迅衰波耦合器，其中，在所述N个内部端口和所述O个外部端口之间均匀地耦合信号光功率；

形成N条光路以将所述第一耦合器的所述N个内部端口的每个内部端口分别连接到所述第二耦合器的所述N个内部端口的相应的一个内部端口；以及

在所述N条光路的每条光路上设置多个波长选择元件，其中，所述波长选择元件根据一个波长或多个波长，把光信号按规定路线送到M外部端口或O外部端口的选出的一个外部端口。

30．如权利要求29所述的方法，其特征在于，实行所述形成步骤，从而以单片方式形成器件。

31．如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述第一迅衰耦合器或所述第二迅衰耦合器中的至少一个迅衰耦合器是熔合波导光纤耦合器。

32．如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述第一迅衰耦合器或所述第二迅衰耦合器中的至少一个迅衰耦合器是平面耦合器。

33．如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述第一迅衰耦合器或所述第二迅衰耦合器中的至少一个迅衰耦合器是N×N自由空间平面耦合器。

34．一种用于在光学器件中对多个光信号进行波分多路复用或去多路复用的方法，所述光学器件包括具有M个外部端口和N个内部端口的第一迅衰波耦合器；具有N个内部端口和O个外部端口的第二迅衰波耦合器；以及将所述第一迅衰耦合器的所述N个内部端口的每个内部端口连接到所述第二迅衰耦合器的所述N个内部端口的相应的一个内部端口的N条光路，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

提供放置在所述N条光路的每条光路上的多个波长选择元件；以及

根据一个波长或多个波长，把多个光信号的选出的一个光信号按规定路线送到所选择的M外部端口或O外部端口，其中，由所述一个波长或所述多个波长表征所述多个光信号的每个光信号。

35．如权利要求34的用于对多个光信号进行波分多路复用和去多路复用的方法，其特征在于，所述多个波长选择元件是可加热的光栅元件，而所述按规定路线发送的步骤还包括：

对在N条光路中传播的光的多个波长的每个波长提供有区别的相移，其中，所述有区别的相移造成选出的光信号的相长干涉和在N条光路中传播的所有其它光信号的相消干涉；

反射多个光波长的选出的一个光波长，其中，将所述可加热的光栅元件的每个光栅元件调谐到指定的光波长从而反射由所述指定的光波长表征的光信号；以及

对加热元件的选出的加热元件加热，从而动态地改变多个光信号的选出的光信号到任何选出的M外部端口或O外部端口的路由。

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