DE60023048T2

DE60023048T2 - Optische Raumkoppelfelder mit Mehrtor-Kopplern

Info

Publication number: DE60023048T2
Application number: DE60023048T
Authority: DE
Inventors: Christi Kay Madsen; Julian Bernard Soole Soole
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: EP1030533B1; DE60023048D1; EP1030533A1; JP2000244952A; US6253000B1; JP3842511B2

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Koppelfelder für faseroptische Kommunikationssysteme und insbesondere ein optisches Raumkoppelfeld, wobei alle möglichen Kombinationen von Ausgangswegeleitung der Eingangssignale durch eine zutreffende Einstellung des Koppelfeldes bewirkt werden können.
Stand der Technik
Raumkoppelfelder bilden den Kern von Telekommunikationsnetzen. Eine Kombination von Raumkoppelfeldern und Zeitkoppelfeldern bietet beispielsweise den Kern für die im nordamerikanischen Telekommunikationsnetz benutzten elektronischen Vermittlungen AT&T ESS^TM.
Mit dem Fortschritt faseroptischer Kommunikationen und dem begleitenden schnellen Wachstum in den Trägerbitraten- und typischen Kabelfaserzählungen, wie auch dem erhöhten Grad an Netzkomplexität, hat es ein zunehmendes Interesse an Raumkoppelfeldern gegeben, die im optischen Bereich funktionieren und optische Signale ohne dazwischen stattfindende Umwandlung der optischen Signale in elektronische Form von einem Satz Eingängen zu einem Satz Ausgängen leiten. Eine gute Einführung in diese optischen Raumkoppelfelder wird durch Hinton et al. geliefert [Lit. 4]. (Numerierte Verweise werden vollständig im Literaturstellenteil am Ende der vorliegenden Offenbarung angeführt.)
Wie durch Hinton et al. beschrieben, ist ein Raumkoppelfeld großer Ordnung, d.h. eines mit einer großen Anzahl von Eingängen, typischerweise aus kleineren elementaren Raumkoppelfeldern aufgebaut, die auf vorgeschriebene Weise zusammengeschaltet sind. Mit zunehmender Ordnung der Koppelfelder ist auch ersichtlich, daß das Koppelfeld hoher Ordnung sehr schnell eine sehr große Anzahl von Koppelfeldelementen umfaßt. Auch daß die Anzahl von Überquerungen der Signalwege zunimmt. Durch diese beiden Effekte wird die praktische Realisierung des Koppelfeldes behindert, die mit zunehmender Koppelfeldordnung zunehmend schwieriger wird.
Bislang sind praktische Raumkoppelfelder der Größenordnung 16 × 16 im Lithiumniobat-Materialsystem realisiert worden [Lit. 7] und auch im Materialsystem mit dotiertem Silikatglaswellenleiter [Lit. 8]. Die erstere Literaturstelle beschreibt ein 16 × 16-Koppelfeld, das 23, in einer dreistufigen Netzarchitektur verbundene Moduln umfaßt, und insgesamt 448 2 × 2-Richtkopplerwellenleiterkoppelelemente mit 308 Wellenleiter-Überkreuzungen und 42 Kreuzungen in der Modulverbindungsstruktur enthält. Die letztere Literaturstelle beschreibt ein 16 × 16-Koppelfeld, das eine 16 × 16-Matrix doppelter Mach-Zehnder-2 × 2-Koppelelemente auf einem einzigen Silikatglaswellenleitersubstrat benutzt und insgesamt 512 Mach-Zehnder-Elemente mit 512 Wellenleiterüberkreuzungen einsetzt.
Durch praktische Betrachtungen wird bestimmt, daß ein Raumkoppelfeld mit einer Mindestzahl von Koppelelementen und minimaler Komplexität der sie zusammenschaltenden Leitwegstruktur realisiert werden sollte. Um die Koppelfelder der höchsten Ordnung zu realisieren, besteht die Koppelfeldstruktur vorteilhafterweise aus einzelnen Koppelfeldmoduln, die dann zusammengeschaltet werden, um die Gesamtvermittlung bereitzustellen. Dadurch wird die strenge Verpackungsherausforderung gelindert, die auftreten würde, wenn die gesamte Koppelfeldstruktur als ein einziges Modul realisiert werden würde, mit dem damit verbundenen notwendigerweise niedrigeren Chipertrag und der gesteigerten Komplexität und Beschränkungen des erforderlichen elektrischen und thermischen Modulmanagements. Die Koppelfeldmoduln selbst umfassen allgemein eine Anzahl von Koppelfeldelementen, die in eine Koppelfeldstruktur höherer Ordnung aufgebaut werden, und können auch mehrere derartige unabhängige Koppelfelder höherer Ordnung enthalten. Die Kunst einer guten Gesamt-Koppelfeldauslegung liegt zu einem großen Teil in der Bestimmung des optimalen Kompromisses zwischen einer Komplexität der Koppelfeldstruktur, die in einem einzelnen Koppelfeldmodul vorkommt, und der Komplexität der Zusammenschaltung, die zwischen den Koppelfeldmoduln vorkommt. Steigern der Komplexität der Koppelfeldstruktur in einem Modul und auf einem einzigen Wellenleitersubstrat steigert die Komplexität des damit verbundenen elektrischen und thermischen Managements und verringert den erwarteten Waferertrag. Es wird dadurch jedoch die Anzahl von Zusammenschaltungen verringert, die dann zwischen den Koppelfeldmoduln bereitgestellt werden müßten, um die Gesamt-Koppelfeldstruktur zu bilden. Durch Verringern der Ordnung oder der Komplexität der in den Moduln bereitgestellten Koppelfeldfunktion lindert die elektrischen und thermischen Verpackungsbeschränkungen des Moduls, steigert aber die Komplexität der Zusammenschaltungsstruktur.
Ein Beispiel dieses Kompromisses wird durch das von Murphy et al. beschriebene 16 × 16-EGS-Netzkoppelfeld (Extended Generalized Shuffle) bereitgestellt [Lit. 7]. Diese 16 × 16-Koppelfeldstruktur umfaßt 448 der in 39 Koppelfeldmoduln eines dreistufigen Netzes realisierten 2 × 2-Grundkoppelfeldelemente; wobei 16 Moduln mit jeweils zwei 1 × 8-Koppelfeldern (mit sieben 2 × 2-Koppelfeldelementen) die erste Spalte des Netzes bereitstellen, 7 Moduln jeweils mit einer 16 × 16-Koppelfeldfunktionalität (mit zweiunddreißig 2 × 2 Koppelfeldelementen in einer 4-spaltigen Banyan-Architektur) die Mittelspalte umfassen und abschließende 16 Moduln jeweils mit zwei 1 × 8-Koppelfeldern die dritte Spalte bilden. Das diese 39 Moduln zusammenschaltende Fasernetz ist relativ einfach bereitzustellen, wobei 112 Verbindungen zwischen der ersten und zweiten Stufe des Netzes und weitere 112 Verbindungen zwischen den zweiten und dritten Stufen bestehen, die alle auf einfache geometrische Weise angeordnet sind. Die Wellenleiterkoppelfeldstrukturen der 7 mittleren Koppelfeldmoduln enthalten jeweils 44 Wellenleiterüberkreuzungen und die Wellenleiterkoppelfeldstrukturen der Moduln in den ersten und dritten Netzspalten enthalten überhaupt keine Wellenleiterüberkreuzungen. Die größte Mehrheit der für diese 16 × 16-EGS-Koppelfeldstruktur erforderlichen Signalüberkreuzungen werden jedoch durch die die Koppelfeldmoduln verknüpfenden Faserverbindungen bereitgestellt. Dies ist sehr vorteilhaft, da die „Überkreuzung" der Fasern verlustfrei ist und vernachlässigbares Nebensprechen aufweist, während Signalkreuzungen in Wellenleitern auf einem wellenleiter-koppelfeldtragenden Substrat stets durch etwas Signalverlust und auch etwas Signalnebensprechen begleitet sind. Die 16 × 16-EGS-Koppelfeldstruktur ist daher in eine bescheidene Anzahl von Koppelfeldmoduln aufgeteilt worden, um den Vorteil des Integrierens von vielen Koppelfeldelementen auf dem gleichen Wellenleitersubstrat zu gewinnen, während die Wellenleiterzusammenschaltungskomplexität und mögliche nachfolgende Leistungsminderung durch Verwendung von Faser zum Zusammenschalten zwischen den Koppelfeldmoduln begrenzt worden ist.
In Betrachtung der Anordnung der Koppelfeldstruktur oder -strukturen, die auf einem einzigen Substrat vorkommen und entweder separat oder mit anderen als Modul des Gesamt-Koppelfeldnetzes verpackt werden können, wird bei einer guten Auslegung versucht, die Anzahl aktiver Koppelfeldelemente, die Anzahl von Elementen, die die Signale durchlaufen können, und die Anzahl von auf dem Chip auftretenden Signalwellenleiterkreuzungen zu minimieren.
Die oben beschriebenen 16 × 16-Raumkoppelfelder wurden aus einzelnen 2 × 2-Koppelfeldelementen aufgebaut. Es ist klar, daß, wenn ein Grundkoppelfeldelement einer höheren Ordnung verfügbar wäre, weniger derartige Elemente erforderlich sein würden, um das Gesamt-Koppelfeld zu bilden. Im Fall von Goh [Lit. 8] benutzt beispielsweise die 16 × 16-Koppelfeldmatrixgruppe 256 2 × 2-Koppelfeldeinheiten (jeweils mit zwei 2 × 2-Mach-Zehnder-Interferometern, gedoppelt, um ein hohes Extinktionsverhältnis beim Koppeln zu erhalten), würde aber nur 64 Koppelfeldelemente umfassen, wenn das Grund-Koppelfeldelement ein 4 × 4-Koppelfeld wäre. Im Fall von Murphy [Lit. 7] würde die Verfügbarkeit eines 1 × 8-Grundkoppelfeldelements die Anzahl von in den ersten und letzten Spalten der Struktur benutzten Koppelfeldelemente von 224 auf 32 verringern und die Verfügbarkeit eines 4 × 4-Grundkoppelfeldelements würde die Anzahl von für die Mittelspalte erforderlichen Elementen von 224 auf 70 verringern (14 4 × 4- und 56 2 × 2-Elemente), für eine Gesamt-Elementenzählung von 102, reduziert von den gegenwärtigen 448. Es ist klar, daß Verwendung von elementaren Koppelfeldeinheiten hoher Ordnung eine sehr bedeutsame Verringerung der Gesamtzahl erforderlicher Elemente bietet.
Eine zuerst 1975 in Erscheinung getretene Form von Mehrtor-Wellenleitervorrichtung mit der Bezeichnung Mehrmodeninterferenz-(MMI-)Koppler [Lit. 9] hat über die vergangenen paar Jahre beträchtliche Aufmerksamkeit empfangen, die aus ihren Eigenschaften der Eigenbilderzeugung entstanden ist [Lit. 10, 11, 12]. Dies ist die Eigenschaft, wobei ein dem Eingang des Mehrmodenteils angebotenes optisches Feld weiter entlang dem Mehrmodenwellenleiter in wohldefinierten optischen Weglängen von der Eingangsebene wieder abgebildet wird. Diese Eigenbilder können in Abhängigkeit von der Plazierung des Eingangsfeldes im Wellenleiterquerschnitt und der optischen Weglänge bezüglich der Bildebene einfach oder mehrfach sein. Das einfachste Auf treten von Eigenbilderzeugung ist vielleicht das einzelne Eigenbild eines Eingangsfeldes, das im Abstand L1,1 entlang dem Mehrmoden-Wellenleiterteil auftritt, wobei L1,1 = 3π/(β0 – β1), und β0 und β1 die Fortpflanzungskonstanten der Modi der niedrigsten und ersten Ordnung des Mehrmoden-Wellenleiters sind. N mehrfache Bilder werden in Entfernungen LN,M erhalten, wobei LN,M = (M/N)3π/(β0 – β1) und M eine solche Ganzzahl ist, daß M und N keinen gemeinsamen Teiler aufweisen [Lit. 12].
In der Wellenleitervorrichtung ist das Eingangsfeld beschränkt und wird typischerweise durch einen einmodigen Eingangswellenleiter bereitgestellt. Für einen N × N-MMI-Koppler gibt es N Positionen, wo der Eingangsleiter plaziert werden könnte, die N Ausgaben erzeugen würden. Für einen gleichförmigen Leistungsteiler unterscheiden sich die N Ausgangssignale nur in ihrer relativen Phase. Eine vollständige Beschreibung von MMI-N × N-Kopplern einschließlich der Phasenverhältnisse der Ausgaben wird durch Bachmann gegeben [Lit. 12].
Die mehrfache Bilderzeugungseigenschaft von Mehrmoden-Interferenzkopplern ist in der Verwendung von MMI-Kopplern als kompakte 2 × 2-Koppler und als 1 × N-Leistungsteiler ausgenutzt worden [Lit. 14, 15].
Da der Betrieb des MMI-Abbildungskopplers symmetrisch zu der Fortpflanzung des Lichts ist, wird ein 1 × N-Koppler, der an seine N Ausgangstore optische Felder angelegt hat, die von der gleichen relativen Stärke und gewissen relativen Phasen sind, bei Darstellung an diesen Ausgängen der gleichen Eingangssignale diese Felder kombinieren, um ein einziges austretendes Feld bereitzustellen, das dem einzigen Eingangsfeld der inversen Operation entspricht. Ändern der relativen Phasen dieser Eingangssignale zu denen, die denen von einer anderen Eingangsposition der inversen Operation entsprechen, bewirkt das Ankoppeln der Ausgabe an dieses letztere Tor. Auf diese Weise kann ein Kopplungsvorgang bewirkt werden.
Dieser Kopplungsvorgang ist für ein 1 × 10-Koppelfeld in dem GaAs/AlGaAs-Materialsystem unter Verwendung eines 10 × 10-MMI-Kopplers demonstriert worden, der mit 10 Signalen von einem 1 × 10-MMI-Leistungsteiler mit Phasenmodulatoren an jedem der 10 Eingänge in den 10 × 10-MMI gespeist wurde, um die relative Phase der Eingangssignale zum Ankoppeln des Lichtsignals an jedes der 10 Ausgangstore zu steuern [Lit. 16]. (Obwohl im Titel der Arbeit ein 10 × 10-Koppelfeld beansprucht wird, wird durch die Verwendung eines 10 × 10-MMI zur Bereitstellung der Eingabe in den zweiten 10 × 10-MMI keine zusätzliche Funktionalität hinzugefügt, die verketteten 10 × 10-MMI-Koppler erlauben nur 10-Koppelfeldeinstellungen.) Eine 1 × 4-Koppelfeldimplementierung im InP-Materialsystem ist unter Verwendung von zwei 4 × 4-MMI-Kopplern mit Phasensteuerteilen auf den verbindenden Armen demonstriert worden [Lit. 17]. In diesem Fall wird ebenfalls durch den ersten MMI-Koppler eine Leistungsteilung bereitgestellt und die Phasensteuerungen stellen die relativen Phasen dieser Eingaben mit gleicher Leistung in den zweiten MMI ein, zutreffendes Einstellen der Phasenregler erlaubt das Ankoppeln der Ausgaben an jedes beliebige der 4 Ausgangstore.
Es ist zu bemerken, daß MMI-basierende Koppler besonders zur Verwendung in integrierten Leistungsteilern und Koppelfeldelementen geeignet sind, da, obwohl sie zur Durchführung der Eigenbilderzeugung, die die Signale zu den verschiedenen Ausgangstoren leitet, von Interferenzeffekten abhängig sind, es sich herausgestellt hat, daß diese Bilderzeugungsoperation nur sehr schwach polarisationsempfindlich ist und eine hohe Toleranz für Variationen in den Vorrichtungsabmessungen und -zusammensetzungen, die in Herstellungsverfahren typisch sind, aufweist. Auch arbeiten sie über ein sehr breites optisches Band [Lit. 13].
Im Fall des referenzierten 1 × 4-InP-basierenden Koppelfelds [Lit. 17], wurde auch ein streng blockierungsfreies 4 × 4-Koppelfeld vorgeschlagen, das aus den demonstrierten 1 × 4-MMI-basierenden Koppelfeldelementen in einer zweispaltigen Router-Wähler-Architektur gebaut wurde [Lit. 4]. Diese Anordnung erfordert 8 1 × 4-Koppelfelder und 16 Koppelfeld-Element-Zusammenschaltungen.
Ein „streng blockierungsfreies" Koppelfeld ist eines, bei dem jeder beliebige freie Eingang stets mit jedem beliebigen freien Ausgang verbunden werden kann, ungeachtet der Anordnung der bereits in der Koppelfeldstruktur bestehenden Verbindung. Geringere Grade von Konnektivität werden als „im weiten Sinne blockierungsfrei" beschrieben, wobei jeder beliebige freie Eingang mit jedem beliebigen freien Ausgang verbunden werden kann, vorausgesetzt, daß alle Verbindungen entsprechend einem bestimmten Algorithmus aufgebaut sind, und „umschaltbar blockierungsfrei", wobei freie Eingänge mit freien Ausgängen verbunden werden können, vorausgesetzt, daß bestehende Verbindungen umgeordnet werden können. Eine völlig blockierungsfreie Koppelfeldarchitektur bietet daher maximale Flexibilität zum Verbinden von Eingangsleitungen mit Ausgangsleitungen und ist allgemein die wünschenswerteste Art von Koppelfeld. Obwohl es möglich ist, völlig blockierungsfreie Netze aus Koppelfeldmodulkomponenten zu bilden, die selbst nicht völlig blockierungsfrei sind, können völlig blockierungsfreie Netze auch unter Verwendung von Koppelfeldmoduln aufgebaut werden, die nicht selbst völlig blockierungsfrei sind.
EP-A-0 933 963 ist auf einen optischen Teiler mit veränderlichem Verhältnis zum Teilen eines eingekoppelten Lichtstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen gerichtet, die jeweils eine vorbestimmte Intensität aufweisen. (Zusammenfassung). Es ist ein blockierungsfreies optisches N × N-Koppelfeld dargestellt. Das Koppelfeld erfordert einen Phasenschieber an jedem gemeinsamen optisch gekoppelten Ausgang/Eingang, der zwischen benachbarten optischen Koppelfeldern liegt.
„On Permutation Switching Networks" (Über Permutations-Koppelnetze) von A. E. Joel Jr., Mai–Juni 1968, Bell System Technical Journal, XP843226 richtet sich auf umschaltbare Koppelnetze für elektrische Systeme.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Ein Koppelfeld gemäß der Erfindung entspricht dem Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen entsprechen den abhängigen Ansprüchen.
Die vorliegende Erfindung bietet N × N blockierungsfreie Koppelfeldmoduln unter Verwendung von MMI-basierenden Koppelfeldelementen. Die Anordnung erfordert ein Minimum von Steuerungselementen zur Bewirkung des Koppelns und benutzt keine Kreuzungen der Signalwellenleiter. Die Koppelfeldsteuereinstellungen können durch Befolgen eines einfachen und transparenten Algorithmus für das Einstellverfahren bestimmt werden. Es werden Koppelfeldstrukturen sehr hoher Ordnung mit einer Vielzahl der gelehrten blockierungsfreien N × N-Koppelfeldmoduln in Betracht gezogen. Bestimmung der richtigen Werte für „N" ist ein praktisches Konsideratum, das die Leistung der einzelnen Koppelfeldmoduln für die von der zugehörigen Modulzusammenschaltungsstruktur erforderte Komplexität eintauscht. Die Raumkoppelfeldstrukturen, die von den blockierungsfreien MMI-basierenden Koppelfeldanordnungen gebaut werden können, können mit sowohl Wellenlängenkoppelfeldern als auch Zeitkoppelfeldern kombiniert werden, um eine beliebige Kombination von Raum-Wellenlängen-Zeitkoppelfeld höherer Ordnung zu bilden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Vorteile, Beschaffenheit und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung werden vollständiger bei Betrachtung der beispielhaften Ausführungsformen in Erscheinung treten, die nunmehr ausführlich in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden. In den Zeichnungen zeigt:
1–4 die Beschaffenheit und Funktionsweise der herkömmlichen N × N-MMI-Koppler, die als Komponenten in erfindungsgemäßen optischen Koppelfeldern benutzt werden;
5–8 die Beschaffenheit und Funktionsweise der als Komponenten in erfindungsgemäßen optischen Koppelfeldern benutzten herkömmlichen optischen Koppelfelder;
9 ein optisches Raumkoppelfeld gemäß der Erfindung;
10 eine Tabelle der Ausgangskoppelfeldzustände für das Koppelfeld der 9,
11A und 11B beispielhafte Ausführungsformen des Koppelfelds der 9;
12 eine Kopplungstabelle für die Ausführungsformen der 11A und 11B;
13 eine weitere Ausführungsform eines optischen Koppelfeldes, in dem benachbarte Mehrmoden-Interferenzgebiete zusammengefügt sind; und
14 eine alternative Ausführungsform eines optischen Koppelfeldes einschließlich von optischen Absorptionsgebieten zum Einfangen und Absorbieren von Streulicht.
Es versteht sich, daß diese Zeichnungen den Zwecken der Darstellung der Konzepte der Erfindung dienen und nicht maßgerecht sind. Die gleichen Bezugsziffern werden für gleichartige Elemente in der gesamten Zeichnung benutzt.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Beschreibung ist in drei Teile eingeteilt. Teil I beschreibt die Beschaffenheit und Funktionsweise der N × N-Multimodeninterferenzkoppler (MMI-Koppler), die als Komponenten in den erfindungsgemäßen optischen Koppelfeldern benutzt werden. Teil II beschreibt herkömmliche optische Koppelfelder, die als Komponenten in den erfindungsgemäßen optischen Koppelfeldern benutzt werden können, und Teil III beschreibt optische Koppelfelder gemäß der Erfindung.
I. MMI-Koppler
1 zeigt einen MMI-Koppler 10 mit N Ausgängen mit einem freien Flachgebiet 11 von Wellenleiter und Toren 12 von einzelmodigem Wellenleiter. Es gibt N Eingangstore und N Ausgangstore. Die relativen Phasen der Ausgangssignale wie auch die dimensionalen Verhältnisse zwischen den Ausgangs-, Eingangs- und Kopplerwellenleiterteilen werden von Bachmann beschrieben [Lit. 12]. In 2 ist der Fall dargestellt, wo N = 3, wofür die relativen Phasen der optischen Ausgangssignale {0, –π, –2π/3} sind. Alle Ausgänge sind gleicher Leistung, d.h. 1/3 der Eingangsleistung (ungeachtet etwaiger Koppelfeldverluste).
3 zeigt den rückwärtsbetriebenen MMI-Koppler der 2; wenn Signale gleicher Leistung an die drei Eingänge im gleichen Phasenverhältnis (aber mit entgegengesetzten Vorzeichen) wie die in 2 gezeigten angelegt werden, wird eine einzige Ausgabe vom obersten Ausgang 1 erhalten.
Auf die gleiche Weise ergibt Einstellung der Eingangsphasen, so daß sie den von der rechten Seite des MMI-Kopplers von der 2 austretenden Signalen entsprechen, wenn das Signal dem Eingang 2 zugeführt wird, den Austritt eines Signals aus dem Ausgang 2 in der 3. Und gleicherweise für Eingang 3 in der 2 und Ausgang 3 der 3. In der 4 ist eine Tabelle der erforderlichen Phasenverhältnisse zusammengestellt.
II. Herkömmliche Koppelfelder
5(A) zeigt ein herkömmliches Koppelfeld 50, das durch Verbinden von zwei MMI-basierenden Kopplern 10A und 10B gebildet wird, die mit Verbindungsgliedern 51 einschließlich von (F1, F2, ...., FN bezeichneten) Phasensteuerelementen 52 verbunden sind. Wenn nur die relativen Phasen zwischen den Eingängen des zweiten MMI-Kopplers relevant sind, kann ein Phasensteuerelement (z.B. F1) weggelassen werden, und es sind nur N – 1 Phasensteuerelemente erforderlich. Indem dann die N – 1 Phasensteuerelemente zweckentsprechend eingestellt werden, kann eine an einen beliebigen der N Eingangstore des linken MMI-Kopplers angelegte Eingabe an einen beliebigen der N Ausgänge auf der rechten Seite des rechten MMI-Kopplers angekoppelt werden. Dies ist im unteren Diagramm der 5(b) dargestellt.
Es sind unterschiedliche physikalische Realisierungen der Phasensteuerelemente möglich und können von dem für die Wellenleiterstrukturen eingesetzten Materialsystem abhängig sein. Für Halbleiter-basierende Wellenleiter können elektrooptische oder Trägereffekte eingesetzt werden, für Lithiumniobat-Leiter können elektrooptisch induzierte Phasenänderungen benutzt werden, und für dotierte Silikatglasleiter kann der theromooptische Effekt dazu benutzt werden, die erforderlichen Phasenänderungen zu bewirken. Um Polarisationsunempfindlichkeit aufrechtzuerhalten, sollten die Phasensteuerelemente polarisationsunabhängig sein.
Das in 5 dargestellte Koppelfeld kann eine einzelne, an den linken MMI-Koppler angelegte Eingabe zu einem beliebigen der Ausgänge des rechten MMI-Kopplers leiten. Bei jeder derartigen Einstellung der Zwischensteuerelemente 52 werden an die anderen Eingänge des linken MMI-Kopplers angelegte Signale zu den anderen rechten MMI-Kopplerausgängen geleitet. Eine diese Wegeleitung beschreibende Tabelle ist in 6 für den Fall mit N = 3 gegeben. Es sind nur 3 Koppelfeldzustände möglich.
Für vollständige Konnektivität sind N! Koppelfeldzustände erforderlich. Diese vollständige Menge von Koppelfeldzuständen kann durch Verketten identischer MMI-Koppler und Phasensteuerelemente erhalten werden. Für ein N × N-Koppelfeld sind N – 1 Stufen von N – 1 Phasensteuerungen pro Stufe erforderlich. 7 zeigt dies für ein 3 × 3-Koppelfeld, das 3! = 6 Zustände erfordert. Hier sind zwei Phasensteuerstufen jeweils mit Steuerelementen 52 auf zwei der zusammenschaltenden Wellenleiterglieder 51 zwischen drei 3 × 3 MMI-Kopplern 10A, 10B, 10C eingesetzt. Die Leitwegtabelle für diese Koppelfeldanordnung ist in 8 dargestellt.
Es ist ersichtlich gewesen, daß jeder der Koppelfeldzustände durch drei unabhängige Kombinationen der Phasensteuerelemente bereitgestellt wird. Damit Ausgangskopplung stattfindet, müssen die verschiedenen Komponenten jedes das kaskadierte Gitter über unterschiedliche Wege durchlaufenden Signals gleichphasig zueinander am bezeichneten Ausgang ankommen. Da jeder MMI-Koppler seine Ausgaben mit Signalen mit relativen Phasen in Mehrfachen von π/N bereitstellt und den Ausgangstoren am Ende des MMI-Kopplergitters Signalkomponenten zugeführt werden müssen, die Modulo 2π gleichphasig sind, folgt, daß die Phasensteuerelemente Phasenkorrekturen bereitstellen müssen, die Mehrfache von π/N sind. Für ein N × N-Koppelfeld mit N – 1 Stufen von N – 1 Phasensteuerelementen pro Stufe sind insgesamt 2N(N – 1)² mögliche Phasensteuereinstellungen möglich. Diese Gesamtzahl wird durch die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen verketteten MMI-Kopplerelementen auf den Lösungssatz beschränkt, der Koppeln jedes der Eingangssignale an eine einzige ausgeprägte Ausgangsleitung bereitstellt. Im Fall des in 7 und 8 dargestellten 3 × 3-Koppelfeldes sind insgesamt 18 gültige Koppelfeldeinstellungen möglich, die in der Einstellung der 3!, d.h. 6, einmaligen Koppelfeldeinstellungen einen Redundanzfaktor von 3 bereitstellen.
Obwohl die verketteten N × N MMI-Koppler-Koppelfelder volle N × N-Kopplungsfunktionalität bereitstellen können, bedeutet die algorithmische Komplexität der Bestimmung der zum Bewirken irgendeiner bestimmten Koppelfeldkonfiguration erforderlichen Steuerelementeinstellungen zusammen mit den komplexen Wechselwirkungen, die zwischen den Phasensteuerelementen einer Koppelstufe und den Phasensteuerelementen der anderen Stufen auftreten, die ein wirkungsvolles und effektives Mittel zum Bestimmen der Phasensteuerelementeinstellungen in praktischen Vorrichtungen behindern, daß eine einfachere N × N-Kopplungskonfiguration wünschenswert ist.
III. Optische Raumkoppelfelder gemäß der Erfindung
9 zeigt schematisch ein vereinfachtes blockierungsfreies optisches N × N-Leitwegkoppelfeld 90 gemäß der Erfindung mit einer Folge verbundener optischer Koppelfelder 91 (2 × 2), 91 (3 × 3), ... 91 (N × N), die eine sequentielle Reihe von Koppelfeldern mit unitär zunehmender Koppelfelddimension bilden. Mit blockierungsfrei ist gemeint, daß alle möglichen Kombinationen von Ausgangswegelenkung der Eingangssignale durch eine entsprechende Einstellung des Koppelfeldes bewirkt werden können. Eines oder mehrere und vorzugsweise alle der Koppelfelder 91 sind Koppelfelder nach den Darstellungen in 5(a) oder 5(b), mit einem Paar von eigenbilderzeugenden Mehrtor-Multimodeninterferenzkopplern, die durch eine Mehrzahl optischer Wege einschließlich einer entsprechenden Mehrzahl von (in 5(a) und 5(b) gezeigten) Phasensteuerungselementen zusammengeschaltet sind. Das erste Koppelfeld 91 (2 × 2) ist ein 2 × 2-Koppelfeld, das zweite ist ein (3 × 3)-Koppelfeld. Die Dimensionen der Koppelfelder nehmen unitär zu, bis das letzte Koppelfeld N × N ist. In praktischen Ausführungsformen ist N typischerweise ≥ 4 und vorteilhafterweise ≥ 8.
Bei der Untersuchung des Verhaltens des in 9 dargestellten Koppelfeldes wird festgestellt, daß, wenn die durch den 3 × 3-MMI-Koppler der in 5 dargestellten und in 6 ausgeschriebenen Art bereitgestellten Ausgangswegeleitungskombinationen untersucht und mit der vollen Menge möglicher, in 10 gezeigter Wegeleitungskombinationen verglichen werden, es ersichtlich ist, daß die zusätzlichen Wegeleitkombinationen durch einfaches Austauschen der zweien der Eingangsleitungen zugeführten Eingangssignale bereitgestellt werden. In der 10 ist dies dadurch dargestellt, daß das Eingangstor 1 fest bleibt und dann für jede Kombination der Fall hinzugefügt wird, wo Eingangstore 2 und 3 ausgetauscht werden. Die ausgetauschten Kombinationen sind kursiv dargestellt.
Es ist daher ersichtlich, daß durch Aufnehmen des Falls, bei dem Eingänge 2 und 3 umgekehrt werden, die vollständige Menge von 3! Koppelfeldzuständen erreicht wird. Daß dies unvermeidlich ist, wird dadurch verständlich, indem man die Tatsache in Betracht zieht, daß ein einziger Eingang des 3 × 3 durch die verschiedenen Einstellungen der Steuerungen zu den verschiedenen Ausgangstoren geleitet wird und daß jede derartige Einstellung die anderen zwei Eingänge auf eine gewisse feststehende Weise zu den zwei übrigen Ausgangstoren leitet. Wenn jedoch diese zwei Eingänge an die zwei Eingangstore des 3 × 3 angelegt werden können, dann werden beide der zwei möglichen Ausgangswegeleitkombinationen für diese zwei Eingänge zugänglich.
Wenn nunmehr die Koppelfeldmodulgröße durch Zufügen einer nachfolgenden 4 × 4-Koppelfeldstufe gemäß 9 auf 4 × 4 vergrößert wird, kann wieder dasselbe Argument vorgebracht werden. Für jede der vier Wegeleiteinstellungen der 4 × 4-Koppelfeldstufe wird das einzige oberste Eingangssignal zu einem gewissen Ausgang geleitet und die übrigen unteren drei Eingänge werden auf eine gewisse vorgeschriebene Weise zu den anderen drei Ausgängen geleitet. Wenn diese drei Eingänge nunmehr umgeordnet werden können, um die Eingänge der 4 × 4-Koppelfeldstufe in allen möglichen Kombinationen zu speisen, dann können alle Wegeleitmöglichkeiten für diese drei Eingänge erreicht werden und alle Wegeleitkombinationen der vier Eingänge des Gesamt-4 × 4-Koppelfeldes werden zugänglich. Eine solche Umordnung der drei unteren Eingänge wird wie gerade oben beschrieben durch die Kaskade einer 2 × 2- und einer 3 × 3-Koppelfeldstufe bereitgestellt.
11(A) zeigt ausführlicher ein voll konfigurierbares 3 × 3-Koppelfeld mit einer Kaskade eines 2 × 2- und eines 3 × 3-Koppelfeldelements und 11(B) zeigt ein voll konfigurierbares 4 × 4-Koppelfeld mit einer Kaskade eines 2 × 2-, 3 × 3- und 4 × 4-Elements gemäß der obigen Beschreibung.
Auf diese Weise kann ein blockierungsfreies N × N-Koppelfeld durch Kaskadieren von N – 1 Koppelfeldelementen der in 5 dargestellten Art realisiert werden, wobei die Koppelfeldelemente wie in 9 von 2 × 2 auf (N – 1) × (N – 1) ansteigen.
Die Anzahl der durch diese inkrementierende Kaskaden-Koppelfeldarchitekturanordnung erforderlichen Phasensteuerelementen ist ersichtlich N(N – 1)/2. So sind, wo N – 1 Elemente in jeder N × N-Stufe benutzt werden (unter Anerkennung der Tatsache, daß nur relative Phasen wichtig sind und daß ein Verbindungsglied daher nicht ein Steuerelement tragen muß), einem 16 × 16-Koppelfeld, nur 120 Steuerelemente erforderlich. Diese Anzahl ist bedeutend geringer als die (N – 1)² oder 225 für die in 7 dargestellte Gitter-Koppelfeldanordnung erforderlichen Steuerelemente und die für ein Matrixkoppelfeld wie das von Goh erforderlichen N² bzw. 256 [Lit. 8].
In 12 ist die Kopplungstabelle für das in 11 gezeigte blockierungsfreie 3 × 3-Koppelfeld dargestellt. Sie ist eine Erweiterung der in 10 gebotenen Tabelle und zeigt ausdrücklich die Phaseneinstellungen des Steuerelements in der 2 × 2-Koppelfeldstufe, das die Umkehr von Eingängen 2 und 3 in das in der Anordnung der 11 dargestellte 3 × 3-Koppelfeldstufenelement bewirkt. Aus 12 ist ersichtlich, daß die Anzahl von durch die Phasensteuerelemente eingesetzten kombinierten Zuständen durch Symmetriebetrachtungen begrenzt ist. Dies sind die gleichen Symmetriebetrachtungen, die die annehmbaren Zustände der einzelnen Phasenelemente in der Kaskade bestimmen. In dem dargestellten Fall gibt es 3, von den Phasensteuerelementen des 3 × 3-Elements eingesetzte ausgeprägte Zustände und zwei von dem 2 × 2-Element eingesetzte Zustände für insgesamt 3! Koppelfeldzustände. In der Praxis können die elektrischen Steuerschaltungen die Kombination von Phasensteuerungen gemäß dem ausgewählten Koppelzustand einstellen, anstatt die Phaseneinstellungen jedes einzelnen Phasensteuerelements getrennt einzustellen. Im obigen Beispiel eines 3 × 3-Koppelfeldes entspricht dies 3 Steuereinstellungen für die 3 × 3-Stufe und 2 Einstellungen für die 2 × 2-Stufe. Es sind daher insgesamt nur 2 × 3 bzw. 6 Steuereinstellungen erforderlich, entsprechend den 6 Wegeleiteinstellungen des gesamten 3 × 3-Koppelfeldes.
In der Praxis sind die Phasensteuerelemente der Koppelfeldstruktur nicht mit genügend Genauigkeit hergestellt, um A-Priori-Kenntnis ihrer Betriebseigenschaften bereitzustellen; ihre Leistung muß nach der Bildung bestimmt werden, auf die aus dem Verhalten des gesamten Koppelfeldmoduls geschlossen wird. Im Fall des Gitterkoppelfeldes der 7 (oder allgemein für komplexe Matrixkoppelfelder, wo Zugang zu den einzelnen Koppelfeldelementen nicht möglich ist), ist die Wechselwirkung zwischen den Steuerelementen jeder Stufe komplex und die einzelnen Eigenschaften jedes gegebenen Steuerelements müssen auf strenge und nicht transparente Weise aus der Gesamtleistung der vollständigen Koppelfeldstruktur abgeleitet werden. In starkem Gegensatz dazu kann die Leistung der einzelnen Koppelfeldelemente der Anordnung der 9 unabhängig voneinander durch Untersuchen des Wegeleitverhaltens des an das einzelne oberste Eingangstor angelegten Signals untersucht werden; jedes einzelne Koppelfeldelement steht zur einfachen externen Untersuchung zur Verfügung und die Steuerelemente des gesamten N × N-Koppelfeldes können gemäß einem einfachen Algorithmus eingestellt werden.
Eine einfache Aufbauprozedur beginnt mit einem an Eingang 1 angelegten Signal, wobei keine Eingaben an die Eingänge 2 bis N angelegt sind. Die Steuerelemente des letzten N × N-Koppelfeldelements werden dann so konfiguriert, daß dieses Eingangssignal zu jedem seiner N Ausgangstore geleitet werden kann. Durch Leiten des Eingangssignals nacheinander zu den N Ausgängen können die N – 1 einzelnen Steuerelemente dieses N × N-MMI-basierenden Koppelfeldelements in der N-1ten Stufe des Koppelfeldes auf ihre optimalen Werte abgestimmt werden. Wenn die Steuerelemente an diesem letzten Koppelfeldelement optimiert sind, kann das Eingangssignal auf Eingangsleitung 1 entfernt werden und durch ein Signal auf der Eingangsleitung 2 ersetzt werden. Dieses Signal läuft direkt zum (N – 1) × (N – 1)-Koppelfeldelement und dann durch das abschließende N × N-Koppelfeldelement. Wenn die Steuerelemente des letzten N × N-Koppelfeldelements nunmehr optimiert und auf einen bekannten Zustand eingestellt sind, können die Steuerelemente am (N – 1) × (N – 1)-Koppelfeld nunmehr durch Durchfahren der Wegeleitzustände dieses Koppelfeldes optimiert werden. Sobald die Steuerelemente dieser (N – 1) × (N – 1)-Koppelfeldstufe optimiert sind, können die Steuerelemente des (N – 2) × (N – 2)-Koppelfeldes optimiert werden. Und so fort, bis das einzige Steuerelement des 2 × 2-Koppelfeldes optimiert ist. Auf diese Weise können alle N(N – 1)/2 Steuerelemente des vollständig blockierungsfreien N × N-Koppelfeldes leicht optimiert werden.
Durch Wellenleiterkreuzungen geht stets ein gewisser Betrag der übertragenen Signalleistung verloren und wird auch etwas Nebensprechen eingeführt, da etwas Licht von einem Weg in den anderen einstreut. Auch erfordern sie bedeutende Vorrichtungsfläche, da Wellenleiterbiegungen mit großem Radius erforderlich sind, um Leitung ohne biegungsbezogene Leistungsverluste durchzuführen. Wellenleiterkreuzungen in Koppelfeldelementen sollten daher, wo immer durchführbar, auf einem Minimum gehalten werden. Die gelehrte Implementierung eines blockierungsfreien N × N-Wegeleitkoppelfeldes weist gegenüber herkömmlichen N × N-Koppelfeldelementen überhaupt keine Wellenleiterkreuzungen auf und ist daher sehr vorteilhaft.
Es wird erkannt, daß die Multimodeninterferenzgebiete benachbarter Koppelfelder ohne Zwischenverwendung eines verbindenden optischen Wellenleiterweges zusammengefügt werden können. Daraus ergibt sich eine kompaktere Vorrichtungsstruktur und der mögliche Vorteil eines verringerten optischen Einkopplungsverlustes. Diese für ein 3 × 3-Koppelfeld dargestellte Anordnung ist in 13 gezeigt. Das zusammengefügte Flachgebiet 130 ersetzt den Koppler 10B des 2 × 2-Koppelfeldes und den Koppler 10A des 3 × 3-Koppelfeldes.
Auch wird erkannt, daß es zur Verringerung von Nebensprechen vorteilhaft sein könnte, absichtlich optisch absorbierende oder streuende Strukturen zwischen den sequentiellen Kopplungselementen einzuführen, um von vorhergehenden optischen Kopplungseinheiten verstreutes Licht einzufangen und zu eliminieren. Solche Absorber- oder Streuungsstrukturen können durch geeignet abgelagerte oder gewachsene Materialien oder durch die Einführung von Reflexionsflächen bereitgestellt werden, die durch einen geeigneten Herstellungsvorgang wie beispielsweise Ätzen gebildet werden. Solche Strukturen könnten so plaziert werden, daß sie optisch von den zusammenschaltenden optischen Wegen entfernt sind, aber so angeordnet sind, daß sie den Eintritt von Streulicht in den Bereich der nachfolgenden Multimodenkopplergebiete im wesentlichen blockieren. Eine mögliche Anordnung ist in der 14 dargestellt, wobei die absorbierenden Strukturen 140 vorteilhafterweise zwischen aufeinanderfolgenden kaskadierten Schaltern 91 angeordnet sind.
Jedes zweckdienliche ebene Wellenleitermaterialsystem kann eingesetzt werden: Ebene Silikatglaswellenleiter [Lit. 1], durch Ionenaustausch hergestellte Glas- und dielektrische Wellenleiter [Lit. 2], oder auf Halbleiter basierende Wellenleiter [Lit. 3].
Die Mittel zur Bereitstellung der Phasenregelung an den die Mehrtorkoppler verbindenden Elementen können unterschiedlich sein und sind von dem eingesetzten Wellenleiter-Materialsystem abhängig. Im Fall von auf Halbleitern basierenden Wellenleitern kann die optische Phasenregelung mittels einer durch Spannung induzierten Bewegung der Halbleiterbandkante oder durch Trägerinjektion (oder -verarmung) innerhalb eines Teils des verbindenden Wellenleiters bewirkt werden. Im Fall von dielektrischen Wellenleitern wie beispielsweise Lithiumniobat kann eine angelegte Spannung zum Induzieren einer Brechungsindexänderung im Wellenleiter-Phasensteuerungsteil benutzt werden. Für auf Silikatglas basierende Wellenleiter kann thermooptische Erwärmung eingesetzt werden, bei der der Wellenleiterphasensteuerteil erwärmt wird und sich aus der nachfolgenden Änderung des Wellenleiter-Brechungsindexes eine optische Phasenänderung ergibt. Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf irgendein bestimmtes Materialsystem eines Schichtwellenleiters beschränkt ist, und auch nicht auf irgendein bestimmtes Mittel zur Bereitstellung der Phasensteuerung in den die Mehrmodenkoppler verbindenden Wellenleiterteilen.
Es versteht sich, daß die Erfindung, obwohl sie in bezug auf ihre Schichtimplementierung beschrieben ist, diejenigen Realisierungen in dreidimensionalen Systemen, so wie sie durch mehrschichtige Schichtwellenleitervorrichtungen oder durch geschweißte Faservorrichtungen oder optische Volumenvorrichtungen bereitgestellt sein können, einschließt.
Es versteht sich, daß die Erfindung alle Raumkoppelfeldarchitekturen „höherer Ordnung" einschließt, die durch die Zusammenschaltung nach normaler Praxis der hier beschriebenen grundlegenden Koppelfeldelemente gebildet werden.
Zusätzlich zu der ausführlich oben betrachteten Raumkopplungsfunktion kann die Übertragungsfunktion des Koppelfeldes wellenlängenempfindlich gemacht werden, indem die optischen Weglängen von Zusammenschaltungen zwischen verknüpften, ein Koppelfeld umfassenden MMI-Kopplern so angeordnet werden, daß sie sich um vorbestimmte Mehrfache der optischen Wellenlänge unterscheiden. Dadurch wird ein wellenlängenselektives Element bereitgestellt und ein Wellenlängenmultiplexer gebildet, so wie sie in [Lit. 18, 19, 20, 21] berichtet worden sind. Durch Einführung der Kopplungsfunktion wird ein zusammengesetztes Wellenlängen- und Raumkoppelfeld gebildet. Eine Koppelfeldstruktur mit diesen Elementen kann zur Bereitstellung von sowohl Wellenlängen- als auch Raumkopplungsfunktionen aufgebaut werden.
Die beschriebenen Koppelfeldarchitekturen können Teil von Raumkoppelfeldern höherer Ordnung und Koppelfeldern bilden, die in ihrer Realisation Komponenten enthalten können, die auch Kopplung im Zeitbereich und im Wellenlängenbereich bereitstellen.
Literaturstellen

1. „Silicon Optical Bench Waveguide Technology" (Silizium-Wellenleitertechnik auf optischer Bank), Y. P. Li und C. H. Henry, Kapitel 8 von „Optical Fiber Telecommunications IIIB" (Faseroptische Telekommunikation IIIB), Herausgeber I. P. Kaminov und T. L. Koch, Academic Press, 1997.
2. „Lithium Niobate Integrated Optics: Selected Contemporary Devices and Systems Applications" (Integrierte Lithiumniobatoptik: Ausgewählte gegenwärtige Vorrichtungen und Systemanwendungen), F. Heismann, S. K. Korotky und J. J. Veselka, Kapitel 9 von „Optical Fiber Telecommunications IIIB" (Faseroptische Telekommunikation IIIB), Herausgeber I. P. Kaminov und T. L. Koch, Academic Press, 1997.
3. „Photonic Integrated Circuits" (Integrierte Photonenschaltungen), T. L. Koch und U. Koren, in „Integrated Optoelectronics" (Integrierte Optoelektronik), Herausgeber M. Dagenais, R. F. Leheny und J. Crow, Academic Press, 1995.
4. „Space-Division Switching" (Raummultiplexdurchschaltung), H. S. Hinto, J. R. Erickson, T. J. Cloonan und G. W. Richards, Kapitel 3 von „Photonics in Switching, Vol. II: Systems" (Photonik in der Vermittlung Band II: Systeme), Herausgeber J. E. Midwinter, Academic Press, 1993.
5. „Switching" (Vermittlung), Kapitel 8 von „An Engineering Approach to Computer Networking" (Eine technische Lösung zur Computervernetzung), S. Keshav, Addison-Wesley, 1997.
6. „Optical Networking" (Optische Vernetzung), R. Ramaswami und K. N. Sivarajan, Morgan Kaufmann, 1998.
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9. R. Ulrich, „Image Formation by Phase Coincidences in Optical Waveguides" (Bilderzeugung durch Phasengleichheiten in optischen Wellenleitern), Optical Communications, 13, S. 259–264, 1975.
10. L. Soldano, F. G. Veerman, M. K. Smit, B. H. Verbeek, A. H. Dubost und E. C. M. Pennings, „Planar Monomode Optical Couplers Based on Multi-Mode Interference" (Auf Multimodeninterferenz basierende ebene optische Monomodenkoppler), J. Lightwave Tech., 10, S. 1843–50, 1992.
11. L. Soldano und E. Pennings, „Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Applications" (Auf Eigenbilderzeugung basierende optische Multimodeninterferenzvorrichtungen: Grundsätze und Anwendungen), J. Lightwave Tech., 13, S. 615–627, 1995.
12. M. Bachmann, P. A. Besse und H. Melchior, „General Self-Imaging Properties in N × N Multimode Interference Couplers Including Phase Relations" (Allgemeine Eigenbilderzeugungseigenschaften in N × N-Multimodeninter ferenzkopplern einschließlich Phasenverhältnisse), Applied Optics, 33, S. 3905–3911, 1994.
13. P. A. Besse, M. Bachmann, H. Melchior, L. B. Soldano und M. K. Smit, „Optical Bandwidth and Fabrication of Multimode Interference Couplers" (Optische Bandbreite und Herstellung von Multimodeninterferenzkopplern), J. Lightwave Tech., 12, S. 1004–9, 1994.
14. E. C. M. Pennings, R. J. Deri, A. Scherer, R. Bhat, T. R. Hayes, N. C. Andreadakis, M. K. Smit, L. B. Soldano und R. J. Hawkins, „Ultracompact Low Loss Directional Couplers on InP Based on Self-Imaging by Multimode Interference" (Ultrakompakte verlustarme Richtkoppler auf InP basierend auf Eigenbilderzeugung durch Multimodeninterferenz), Applied Physics Letters, 59, S. 1926–28, 1991.
15. R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck und K. P. Hilton, „Novel 1-to-N-Way Integrated Optical Beam Splitters Using Symmetric Mode Mixing in GaAS/AlGaAs Multimode Waveguides" (Neuartige integrierte optische 1-zu-N-Weg-Strahlteiler unter Verwendung von symmetrischer Modenmischung in GaAS/AlGaAs-Multimodenwellenleitern), Applied Physics Letters, 61, S. 1754–56, 1992.
16. R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck, G. W. Smith und K. P. Hilton, „Novel 1 × N and N × N Integrated Optical Switches Using Self-Imaging Multimode GaAS/AlGaAs Waveguides" (Neuartige integrierte optische 1 × N- und N × N-Koppelfelder unter Verwendung von eigenbilderzeugenden GaAS/AlGaAs-Multimodenwellenleitern), Appl. Phys. Lett., 64, S. 684–6, 1994.
17. M. Bachmann, Ch. Nadler, P. A. Besse und H. Melchior, „Compact Polarization Multi-Leg 1 × 4 Mach-Zehnder Switch in InGaAsP/InP" (Kompaktes 1 × 4-Mach- Zehnder-Polarisationsmehrwegekoppelfeld in InGaAsP/InP), European Conf. on Optical Communications, ECOC '94, Conference Proceedings, S. 519–522, 1994.
18. C. van Dam, M. R. Amersfoort, G. M. ten Kate, F. P. G. M. van Ham, M. K. Smit, P. A. Besse, M. Bachmann und H. Melchior, „Novel InP-Based Phased-Array Wavelength Demultiplexer Using Generalized MMI-MZI Configuration" (Neuartiger auf InP basierender phasengesteuerter Wellenlängendemultiplexer unter Verwendung einer verallgemeinerten MMI-MZI-Konfiguration), European Conference on Integrated Optics, ECIO '94, Genua, Italien, Conference Proceedings, S. 275–8, 1994.
19. Liestuen und A. Sudbo, „8-Channel Wavelength Division Multiplexer Based on Multimode Interference Couplers" (Auf Multimodeninterferenzkopplern basierender 8-Kanal-Wellenlängenmultiplexer), Photonics Technology Letters, 7, S. 1034–36, 1995.
20. Bachmann, P. A. Besse, Ch. Nadler und H. Melchior, „The Integrated Prism Interpretation of Multi-Leg Mach-Zehnder Interferometers Based on Multimode Interference Couplers" (Die Interpretierung mit integriertem Prisma von auf Multimodeninterferenzkopplern basierenden Mehrwege-Mach-Zehnder-Interferometern), Optical and Quantum Electronics, 27, S. 909–920, 1995.
21. M. R. Paiam und R. I. MacDonald, „Design of Phased-Array Wavelength Division Multiplexers Using Multimode Interference Couplers", (Konstruktion von phasengesteuerten Wellenlängenmultiplexern unter Verwendung von Multimodeninterferenzkopplern), Applied Optics, 36, S. 5097–5108, 1997.

Claims

Blockierungsfreies optisches N× N-Leitwegkoppelfeld mit einer Reihe von N – 1 verbundenen optischen k × k-Koppelfeldern (91) mit unitär zunehmender Koppelfelddimension k, wobei k eine Ganzzahl kleiner gleich N ist und größer gleich 2 ist, wobei jedes der verbundenen k × k-Koppelfelder ein Paar selbstabbildender Mehrtor-Mehrmoden-Interferenzkoppler (10A, 10B) und diese Koppler (10A, 10B) zusammenschaltende k optische Wege (51) enthält, wobei das Leitwegkoppelfeld dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes der verbundenen k×k-Koppelfelder k – 1 phasensteuernde Elemente in k – 1 der k zusammenschaltenden Wege enthält.
Koppelfeld nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der verbundenen k × k-Koppelfelder ein mit einem 3 × 3-Koppelfeld verbundenes 2 × 2-Koppelfeld umfaßt.
Koppelfeld nach Anspruch 1, wobei jeder der k optischen Wege eines der Mehrzahl von Phasensteuerelementen enthält.
Koppelfeld nach Anspruch 1, wobei alle außer einem der zusammenschaltenden Wege eines der k – 1 Phasensteuerungselemente enthält.
Koppelfeld nach Anspruch 1, wobei die verbundenen optischen k × k Koppelfelder und die k optischen Wege in einem System mit gemeinsamem Wellenleitmaterial bereitgestellt werden, das ein planares Silizium-Lichtwellensystem, ein System mit Halbleitermaterial oder ein System mit InP/InGaAsP-Material ist.
Koppelfeld nach Anspruch 1, zum Arbeiten in dem optischen Übertragungsband langer Wellenlänge von optischen Fasern.
Koppelfeld nach Anspruch 3, wobei mindestens eines der k – 1 Phasensteuerungselemente thermisch einstellbar, elektrooptisch einstellbar oder durch Trägerinjektion einstellbar ist.
Koppelfeld nach Anspruch 1, weiterhin mit einer optisch absorbierenden oder verteilenden Struktur zum Absorbieren oder verteilen von durch ein erstes der k × k optisch verbundenen Koppelfelder erzeugter Streustrahlung.
Koppelfeld nach Anspruch 1, wobei N ≥ 4 oder N ≥ 8 ist.
Koppelfeld nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl der erforderlichen k – 1 Phasensteuerungselemente weniger gleich N(N – 1)/2 ist.