CN1346451A - 一种波长可选择的调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种调制光波长信道的装置和方法,其中,每个波长信道可独立于其他波长信道调制。该光波长信道可被转换至至少一个接入波导。然后波长信道通过第一多模式波导(10)被传送并映像在至少两个连接波导上。然后,该波长信道被传送至至少一个波长可选择的交叉转换结构(2、4、6、8)。在每个波长可选择的交叉转换结构(2、4、6、8)中,反射的波长信道的相对相位被两个相控元件(C1、C2、D1、D2、E1、E2、F1、F2)改变两次,而在该波长可选择的交叉转换结构之后的光信道的相对相位保持完全不变。到第二多模式波导(20)处的各个接入波导中的光信号的相位关系决定了光信号在出口的什么位置聚焦。

Description

一种波长可选择的调制器
发明领域
本发明涉及一种光波长可选择的装置，更具体地说，是涉及一种波长可选择的调制器，利用该调制器，每一波长信道都可独立于其他波长信道进行分开的调制。本发明也涉及一种光网中波长信道的调制方法。
背景技术
现今，存在各种不同的提高现存光网容量的方法。有一种方法涉及所谓的波长多路技术(WDM)的使用，该技术用于提高光网中光纤的可用带宽范围。波长在光网中可用作信息地址。这就要求使用不同类型的波长可选择的元件。如，可为此使用波长可选择的调制器(WSM)。
对于相互之间非常接近的光信道，如今还没有一种能用于该光信道波长可选择的调制器的方法或设备，从而就造成了问题。
发明概要
借助于波长可选择的调制器，本发明可以解决上述问题，其中，该波长可选择的调制器包括至少两个多模式波导，至少一个波长可选择的交叉转换结构，至少两个可控相控元件，以及至少四个连接波导。所述波长可选择的交叉转换结构处于第一和第二多模式波导之间。第一多模式波导与至少一个处于其第一侧边和至少两个处于第二侧边的接入波导相连；第二多模式波导与其至少两个处于其第一侧边和至少一个处于第二侧边的接入波导相连。所述波长可选择的交叉转换结构与至少两个处于其第一侧边和第二侧边的接入波导相连。
在波长可选择的交叉转换结构中，处于第一多模式波导的第二侧边的第一接入波导与波长可选择的交叉转换结构的第一侧边的第一接入波导通过第一连接波导相连；在第一多模式波导的第二侧边的第二接入波导与波长可选择的交叉转换结构的第二侧边的第一接入波导通过第二连接波导相连；波长可选择的交叉转换结构的第一侧边的第二接入波导通过第三连接波导与第二多模式波导的第一侧边的第一接入波导相连；波长可选择的交叉转换结构的第二侧边的第二接入波导通过第四连接波导与第二多模式波导的第一侧边的第二接入波导相连。
相控元件处于波长可选择的交叉转换结构一侧的连接波导内。对于给定时间段Δt1，第一相控元件可使相位改变，该时间段Δt1早于第二相控元件相位改变的时间Δt2多达τ时间单位，该时间差相当于反射光从第一相控元件到第二相控元件的传输时间，或者相当于从一个连接波导中距离第一多模式波导输出端一定距离的一点到输出端光线传输的时间，所述一定距离与第二连接波导中第一可控相控元件至第二可控相控元件的距离相同。
对于光信号中每一波长，交叉转换结构包括两个不同的所谓马赫-策恩德(Mach-Zehnder)通路。第一马赫-策恩德(Mach-Zehnder)通路从第一多模式波导的第二侧边的第一接入波导经由第一和第四连接波导以及经由波长从中传输的交叉转换结构通到第二多模式波导的第一侧边的第二接入波导。
第二马赫-策恩德(Mach-Zehnder)通路从第一多模式波导的第二侧边的第二接入波导经由第二和第三连接波导以及经由波长从中传输的交叉转换结构通到第二多模式波导的第一侧边的第一接入波导。
第三马赫-策恩德(Mach-Zehnder)通路从第一多模式波导的第二侧边的第一接入波导经由第一和第三连接波导以及经由该波长光波被反射的交叉转换结构通到第二多模式波导的第一侧边的第一接入波导。
第四马赫-策恩德(Mach-Zehnder)通路从第一多模式波导的第二侧边的第二接入波导经由第二和第四连接波导以及经由该波长光波被反射的交叉转换结构通到第二多模式波导的第一侧边的第二接入波导。
只有那些被交叉转换结构反射，也就是说只有那些通过上述第三和第四马赫-策恩德(Mach-Zehnder)通路的波长光波能被积极地控制。
在本发明性的波长可选择的调制器中，马赫-策恩(Mach-Zehnder)通路的长度完全相同。而实际上波长差别很小，因为在该交叉转换结构的中心不会发生反射。
因此，在一个波长可选择的交叉转换结构的情况下，对于由交叉转换结构反射的光波，有两个不同的马赫-策恩德Mach-Zehnder通路或路径，对于由该交叉转换结构传输的光波，也有两个不同的马赫-策恩德Mach-Zehnder通路。在两个波长可选择的交叉转换结构的情况下，对于两种不同的光波就存在着四条不同的马赫-策恩德Mach-Zehnder通路。因此，对于N个波长可选择的交叉转换结构，就存在对于N个不同波长光波的2×N个不同的马赫-策恩德Mach-Zehnder通路。
当所述波导为相同类型，比如说为2×2型时，第一和第二多模式波导的长宽比最好相同。在本发明的一个实施例中，所述多模式波导可包括MMI波导。
对于两个或多个波长可选择的交叉转换结构，每个波长可选择的交叉转换结构都有两个相控元件和两个连接波导。每个波长可选择的交叉转换结构都设有两个相控元件—第一和第二相控元件，这两个相控元件处于最近的波长可选择的交叉转换结构的两个相对侧。所述每个第一相控元件都能比相应的第二相控元件改变相位的时间段t早2τ时间单位的时间段t1中改变相位，该时间差相当于传输光或反射光从最近的相控元件到所述第二相控元件的时间。波长可选择的交叉转换结构通过连接波导相互地从第一波长可选择的交叉转换结构的接入波导连接到邻近的波长可选择的交叉转换结构的接入波导。这些接入波导位于同一侧且相互邻接。
在光网中对光波长信道进行调制的一种发明的方法中，波长信道被引入至少一个位于第一多模式波导第一侧的接入波导中。然后该光波长信道被传送至所述第一多模式波导并在至少两个处于所述接入波导对侧的连接波导上映射。然后光波长信道通过该连接波导被传送。
对于每一波长可选择的交叉转换结构，反射波长的相位由两个位于所述波长可选择的交叉转换结构的第一侧边的第一和第二连接波导内的相控元件改变两次，同时，处于所述波长可选择的交叉转换结构的另一侧的反射波长完全保持不变。
对于每一波长可选择的交叉转换结构，传输波长的相位只改变一次。在不计被动调整部分的情况下，光波长信道至少通过第二多模式波导内的两个连接波导被激发。
各个波长的相位关系决定传送了所述波长的多少能量以及各个波长被送至多模式波导的哪一输出波导。与具体波长可选择的交叉转换结构相连的相控元件相对与另一相控元件有一定的延迟时间τ，并以相同范围改变相位。
在一个发明性的实施例中，该波长可选择的方向改换结构为MMI布喇格(Bragg)光栅型。
本发明目的是提供一种波长可选择的调制器，利用该调制器，每一波长能独立于其他波长得到调制，并被传导至两个输出端之一，该调制器结构简单紧凑，与现有技术相比，能降低生产成本。
本发明的一个有利之处在于，一个实施例中的布置方式能用于在调制第三波长信道的同时增强第一波长信道而减弱第二波长信道。
现在将参考优选实施例并结合附图对本发明进行更为详尽的说明。
附图简介
图1示出了发明的波长可选择的调制器的一个实施例；
图2示出了基于所谓MMIbg理论的对称增/减结构的实施例；
图3示出了具有波长可选择的增/减功能的所发明的波长可选择的调制器的另一个实施例。
优选实施例的详细说明
图1示出了发明的波长可选择的调制器1的一个实施例。波长可选择的调制器1包括两个多模式波导10、20，四个波长可选择的交叉转换结构2、4、6、8；8个可控相控元件C1、C2、D1、D2、E1、E2、F1、F2，一个被动调整部分(PAS)70，10个位于两个多模式波导10、20和交叉转换结构2、4、6、8上的连接波导和接入波导。
包括许多不同波长的光信号被引入第一多模式波导10的第一侧边的接入波导。光信号通过多模式波导10传导并在光信号引入处的相对的第二侧边的接入波导上映射。光信号根据多模式波导10的长宽比和所述接入波导的位置来映射。假定长宽比使得从多模式波导10的第一侧边引入的光信号在相对侧边的两个接入波导中等份映射，也即，光信号被两个接入波导中被相等地分成两个一半密度的部分。连接波导连接在第一多模式波导10的第二侧边的接入波导上。第一连接波导连接在第一波长可选择的交叉转换结构2的第一侧边的第一接入波导上，第二连接波导连接在第一波长可选择的交叉转换结构2的第二侧边的第一接入波导上。这些连接波导当中的一个包括相控元件C1，其他连接波导包括被动调整部分70。很容易理解的是，被动调整部分70也可以等同地设置在马赫-策恩德(Mach-Zehnder)一条支路中，最好在没有相控元件的地方。在图1所示的实施例中，相控元件C1包括在第一连接波导中，被动调整部分包括在第二连接波导中。第二波长可选择的交叉转换结构4通过两个连接波导与第一波长可选择的交叉转换结构2相连。第一波长可选择的交叉转换结构2的第一侧边的第二接入波导通过第三波导与第二波长可选择的交叉转换结构4的第一侧边的第一接入波导相连。第一波长可选择的交叉转换结构2另一侧边的第二接入波导通过第四连接波导与第二波长可选择的交叉转换结构4的第二侧边的第一接入波导相连。
图1显示，四个波长可选择的交叉转换结构2、4、6、8处于相继连接的次序。波长可选择的交叉转换结构2、4、6、8通过连接波导相互连接起来，该连接波导从第一波长可选择的交叉转换结构上的接入波导到相邻的波长可选择的交叉转换结构的另一接入波导，其中，所述接入波导位于同一侧并相互之间邻接。
最后的波长可选择的交叉转换结构8与第二多模式波导20通过连接波导连接起来。波长可选择的交叉转换结构8第一侧边的第二接入波导通过连接波导与第二多模式波导20第一侧边的第一接入波导连接。波长可选择的交叉转换结构8第二侧边的第二接入波导通过连接波导与第二多模式波导20第一侧边的第二接入波导连接。图1中的实施例包括两个位于第二多模式波导20第二侧边的波导。
如前所述，沿第一多模式波导10的第一侧边的部分A的接入波导进入的光信号首先通过所述多模式波导10并沿部分B映射在所述接入波导对侧的两个连接波导上。然后光信号进入到所述两个连接波导中。这些连接波导当中的一个在其内部设有相控元件C1。该相控元件C1影响穿过其中的所有波长的光信号。然后光信号被转换至沿部分C的第一波长可选择的交叉转换结构2中。沿各个部分C、D、E、F的波长可选择的交叉转换结构2、4、6、8反射一个波长的光信号，并将其余的光信号予以传送。假定沿部分C的第一波长可选择的交叉转换结构2反射其中一个波长的光信号λ1，沿部分D的第二波长可选择的交叉转换结构4反射其中一个波长的光信号λ2，沿部分E的第一波长可选择的交叉转换结构6反射其中一个波长的光信号λ3，沿部分F的第一波长可选择的交叉转换结构8反射其中一个波长的光信号λ4。
对于不同波长的光信号λ1、λ2、λ3、λ4，每一个由波长可选择的交叉转换结构2、4、6、8中的一个，只能是一个反射，其他的转换结构只能将其传送。
在图1所示的实施例中，由沿部分B的连接波导传输出去的一个波长可选择的交叉转换结构反射的一个波长信道受两个可控相控元件的影响，而其他波长信道由沿部分B的另一连接波导传输出去的波长可选择的交叉转换结构反射。比如说，当光波λ1在到达沿部分G的第二多模式波导20的第一侧边的过程中，由于所述光波受不同数目的前面所述的相控元件C1、C2、D1、D2、E1、E2、F1、F2的影响，其相位在第一接入波导和第二接入波导中是不同的。不同的反射光波的相位在沿部分G的第一和第二接入波导中是不同的。与处于第二接入波导中的相位相比，不考虑被动调整部分70，给定反射光波的相位在图1中的这些接入波导中被多改变了两次。自然地，相控元件C1、C2、D1、D2、E1、E2、F1、F2必须由被动调整部分70予以补偿。每一反射光波都有一个通过该波长可选择的交叉转换结构的专属的通路-马赫-策恩德(Mach-Zehnder)通路。这就让一定的波长的光波可以不受其他光波受相控元件的影响，并且借助于第二多模式波导20的合适的结构，涉及接入波长的长度、宽度、以及位置，每一反射光波都可被导引至沿部分H的所需出口。
如前所述，光波λ1被沿部分C的波长可选择的交叉转换结构反射，而所有其他波长信道由该结构传送。这就是说，如果两个相控元件C1、C2以同样的相位改变工作，C2延迟于C1τ时间单位，C1和C2的相位差在其工作时间，也即在其影响光信号的时间内只会影响光波λ1。该延迟时间τ可能是光线从被动调整部分传送到第二相控元件的时间，或是光线从第一相控元件到第二相控元件的时间。选择哪一种延迟时间取决于是否应该优化反射光波或传送光波。通常，应该让非转换(调制)的信道所受的影响最少，因此延迟时间τ应为光线从被动调整部分(PAS)70传送到第二相控元件C2的时间。
在图1所示的实施例中，一次同时可以相互独立地调整四种不同波长的光波，并可控制输出到MMI波导20的任意输出端口。
对于给定长宽比的第二多模式波导20，沿部分G的接入波导的光信号的相变关系决定了光信号将会在沿部分H的哪个位置聚焦
最好是让相控元件的延迟时间τ为光线从被动调整部分(PAS)70传送到第二相控元件C2的时间，并有着同样的相位改变。
相控元件最好为光电控制，以便于得到足够短的响应时间。
另外，当相控元件是半导体材料时，也可由电流注入对其进行控制。
比如说，借助于C1、C2、D1、D2、E1、E2、F1、F2的设有延迟单元的控制单元，可以通过控制电压U(t)或电流I(t)得到延迟时间τ，使得光信号的相位能在给定的时间点和给定的时间间隔内发生改变，其中，电压U(t)或电流I(t)为时间的函数。实现该延迟的更简单的办法是使一个相控元件的电连接比另一相控元件的电连接长。图1和图3中，每一交叉转换结构的时间延迟由时间延迟部分120代表。
被动调整部分70可被认为精确地位于来自第一MMI波导10的和相控元件C1一样的光波长上。
图2示出了可有利地用在该发明的波长可选择的调制器1上的波长可选择的交叉转换结构100的一个例子。大体上，图2示出的波长可选择的交叉转换结构100为充分对称的增/减多路调制器元件。图2具体示出的装置被称为对称MMI Bragg栅格结构。尽管具备图2中交叉转换结构功能的充分对称的增/减元件都可被使用，但在本结构中最为重要的一点是不需要调整。当需要微调及要处理相对多的波长时，也即需要许多波长可选择的交叉转换结构2、4、6、8时，波长可选择的调制器1就很可能难于管理。
比如说，光信号从图2中波长可选择的交叉转换结构的接入波导40引入。一个信道被反射至接入波导30，其余的信道被传送至接入波导50。由于装置的可逆性和对称性，从接入波导60引入的光信号可要么被反射至接入波导50或传送至接入波导30。
交叉转换结构最好为对称，也就是说，该结构可从中间分开，两半各为对方的镜像。
被动调整部分70可用于优化不被任何交叉转换结构反射的信道的传送。
交叉转换结构2、4、6、8的有效反射深度最好尽可能地靠近其中心。
图3示出了发明的波长可选择的调制器11的另一个实施例。带通过滤器80和接收器90与第二MMI的第二侧边的某个输出接入波导相连。带通过滤器只允许那些接收器90希望接收的波长的光波通过。图示的实施例很适合于组合式增/减多路器和调制器。减的功能是通过设置波长信道的相控元件使得所述信道被转换至减端口而实现；增的功能通过调制一个或多个输入的未调制信道并借助于调制器的波长可选择的功能而实现。对于给定的信道，当输出端口为逻辑0时，其减的端口将为逻辑1，反之亦然。如图2所示，为了防止输出信道被减的信道干扰，应该包括一个减少或消除这种效应的带通过滤器80。
发明的波长可选择的调制器1可在单片半导体系统或二氧化硅/硅型电介质波导系统中制造。
波长可选择的调制器的所有连接波导的长度可都相同。
每个波长可选择的交叉转换结构的各个相控元件可将相位改变至相同的范围。不过，属于给定波长的交叉转换结构的一组相控元件对相位的改变可和属于另一交叉转换结构的一组相控元件对相位的改变不一样。属于给定波长可选择的交叉转换结构的相控元件对相位的改变最好相同。
须知的是，本发明并不局限于前述及图例解释的实施例，在附带的权利要求书的范围内的修改是可以进行的。

Claims (14)

1.一种用于调制光波长的波长可选择的调制器(1)，所述波长可选择的调制器(1)包括至少两个多模式波导(10、20)，至少一个波长可选择的交叉转换结构(2、4、6、8)，至少两个相控元件(C1、C2、D1、D2、E1、E2、F1、F2)，以及至少四个连接波导，所述波长可选择的交叉转换结构处于第一和第二多模式波导(10、20)之间，所述第一多模式波导(10)与至少一个处于其第一侧边和至少两个处于第二侧边的接入波导相连；所述第二多模式波导(20)与其至少两个处于其第一侧边和至少一个处于第二侧边的接入波导相连，所述波长可选择的交叉转换结构与至少两个处于其第一侧边和第二侧边的接入波导相连，在所述波长可选择的交叉转换结构中，处于所述第一多模式波导(10)的第二侧边的第一接入波导与所述波长可选择的交叉转换结构的第一侧边的第一接入波导通过第一连接波导相连；在所述第一多模式波导(10)的第二侧边的第二接入波导与所述波长可选择的交叉转换结构的第二侧边的第一接入波导通过第二连接波导相连；所述波长可选择的交叉转换结构的第一侧边的第二接入波导通过第三连接波导与第二多模式波导的第一侧边的第一接入波导相连；所述波长可选择的交叉转换结构的第二侧边的第二接入波导通过第四连接波导与第二多模式波导的第一侧边的第二接入波导相连，所述相控元件处于所述波长可选择的交叉转换结构一侧的连接波导内，对于给定时间段Δt1，第一相控元件(C1)使相位改变，该时间段Δt1早于第二相控元件(C2)使相位改变的时间Δt2多达τ个时间单位，其时间差相当于光线从予期点(70)到第二相控元件(C2)的传输时间，或光线从所述第一相控元件(C1)到所述第二相控元件(C2)的传输时间，对于两个或多个波长可选择的交叉转换结构，每个所述波长可选择的交叉转换结构都有两个相控元件(D1、D2、E1、E2、F1、F2)和两个连接波导，每个所述波长可选择的交叉转换结构都设有两个相控元件，所述两个相控元件处于最近的波长可选择的交叉转换结构的两个相对侧，每个所述第一相控元件(D1、E1、F1)都能在早于相应的所述第二相控元件(D2、E2、F2)使改变相位的时间段Δt2的时间段Δt1中改变相位，该时间差相当于传输光或反射光从最近的相控元件到所述第二相控元件(D2、E2、F2)的时间，波长可选择的交叉转换结构通过相互地连接起来，所述连接波导从第一波长可选择的交叉转换结构的接入波导连接到邻近的波长可选择的交叉转换结构的接入波导，所述这些接入波导位于同一侧且相互邻接。
2.根据权利要求1所述的波长可选择的调制器(1)，其特征在于，所述多模式波导为MMI波导。
3.根据权利要求2所述的波长可选择的调制器(1)，其特征在于，所述波长可选择的交叉转换结构为对称结构。
4.根据权利要求2所述的波长可选择的调制器(1)，其特征在于，所述波长可选择的交叉转换结构(2、4、6、8)为MMI布喇格(Bragg)光栅结构(100)。
5.根据权利要求3或4所述的波长可选择的调制器(1)，其特征在于，属于波长可选择的交叉转换结构的各个相控元件(C1、C2、D1、D2、E1、E2、F1、F2)在相同范围内改变相位。
6.根据权利要求3或4所述的波长可选择的调制器(1)，其特征在于，所述时间段Δt1与所述时间段Δt2相同。
7.根据权利要求6所述的波长可选择的调制器(1)，其特征在于，所有的所述连接波导的长度相同。
8.根据权利要求7所述的波长可选择的调制器(1)，其特征在于，对于N个所述波长可选择的交叉转换结构，存在适用于N个不同波长的2×N个不同马赫-策恩德(Mach-Zehnder)通路。
9.根据权利要求1所述的波长可选择的调制器(1)，其特征在于，接收器(90)通过带通过滤器(80)与所述第二多模式波导的出口相连。
10.一种调制光网络中光波长信道的方法，其特征在于，将光波长信道转换至至少一个处于第一多模式波导的第一侧边的接入波导；通过所述多模式波导传送所述波长信道；
并将所述波长信道映像在至少两个位于所述接入信道的相对侧边的连接波导中；
通过所述连接波导传送所述波长信道；
借助于所述波长可选择的交叉转换结构第一侧边的第一和第二连接波导的两个相控元件，对于每一波长可选择的交叉转换结构，反射波长的相位经2次改变，其中所述相位由第一相控元件在一定的时间段Δt1内予以改变，所述时间段Δt1早于由第二相控元件对相位的改变的时间段Δt2一个时间段，所述时间相当于光线从予期点(70)到第二相控元件的传输时间，或光线从所述第一相控元件到所述第二相控元件的传输时间，同时所述波长在所述波长可选择的交叉转换结构的第二侧边的相位保持不变；
对于每一所述波长可选择的交叉转换结构，传送波长的相位在第一和第二方向改变一次；
通过第二多模式波导的至少两个连接波导，改换所述光波长通道；和
处于第二多模式波导的第一侧边的各个接入通道的光信号之间的相位关系决定了在对所述多模式波导给定长宽比的条件下的光信号在第二多模式波导的第二侧边的什么位置聚焦。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述多模式波导为MMI波导。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所有所述连接波导的长度相同。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对于N个所述波长可选择的交叉转换结构，存在适用于N个不同波长的2×N个不同马赫-策恩德(Mach-Zehnder)通路。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述时间段Δt1与所述时间段Δt2相同。
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