DE69222044T2

DE69222044T2 - Optischer schalter

Info

Publication number: DE69222044T2
Application number: DE69222044T
Authority: DE
Inventors: Keith James Blow
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1991-07-09
Filing date: 1992-07-09
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2012-07-10
Also published as: WO1993001518A2; EP0593560A1; EP0593560B1; JPH07500192A; GB9114731D0; JP3288700B2; DE69222044D1; AU666487B2; ES2107544T3; CA2112810A1; CA2112810C; WO1993001518A3; AU2255592A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen optischen Schalter und auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Schalters und insbesondere auf einen optischen Schalter mit linearem Koppler.
Wenn die Wellenleiterbereiche von Lichtwellenleitern in große gegenseitige Nähe gebracht werden, kann eine abklingende Kopplung der Faserfelder eines Lichtsignals auftreten, die zu einer Lichtleistungsübertragung zwischen den beiden Wellenleitern führt. Dies ist die Grundlage verschmolzener Faserkoppler und polierter Koppler, wie in Elect. Lett. 17, 243 (1981) "Fused Single Mode Access Couplers", C. A. Villarruel und R. P. Moeller, sowie in Elect. Lett. 18, 929 (1982) "Single-mode Fibre Optic Directional Coupler", R. Bergh, G. Kotler und H. J. Shaw, beschrieben ist. Hierbei handelt es sich um lineare Vierwegekoppler, wobei von den Enden jedes Wellenleiters ein Eingangsanschluß und ein Ausgangsanschluß gebildet wird. Ein in einen Anschluß eines Wellenleiters eingekoppeltes Lichtsignal breitet sich, sofern es eine geeignete Wellenlänge besitzt, zunächst längs des Wehlenleiters aus, es koppelt jedoch in den anderen Wellenleiter ein, der sich in einem charakteristischen Abstand befindet, der als Kopplungslänge bekannt ist und von der Wellenlänge des Lichtsignals abhängt.
Die Kopplungslänge wird auch als Halbschwebungslänge bezeichnet, da sie gleich der halben Länge ist, die erforderlich ist, damit das Lichtsignal in den anderen Wellenleiter einkoppelt und dann zurückkoppelt, was einer einzelnen Schwebung entspricht. Ein Dreihalbe-Schwebungskoppler koppelt ein Lichtsignal, das in den Eingangsanschluß eines Lichtwellenleiters eingekoppelt wird, in den Ausgangsanschluß des anderen Wellenleiters ein; ein zweihalbe-Schwebungskoppler koppelt ein Lichtsignal, das in den Eingangsanschluß eines Lichtwellenleiters eingekoppelt wird, in den Ausgangsanschluß desselben Wellenleiters ein.
Es ist bekannt, daß optische Schaltvorgänge zwischen zwei Lichtwellenleitern auftreten können, die aus Halbleitermaterialien gebildet sind, wie in IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-22, 5, S. 595-601, "Directional Coupler Switches with Optical Gain", C. J. Setterlind und L. Thylen, beschrieben ist. Die Halbleiterwellenleiter besitzen eine Länge von 3,6 mm, wobei die Vorrichtungslänge so gewählt wird, daß sie gleich der Kopplungslänge der Struktur ist, mit gA = gB = ocm&supmin;¹. Die Vorrichtung schaltet entsprechend den in jeden Wellenleiter eingegebenen Treiberströmen von einem Kreuzzustand in einen Balkenzustand. Die Änderungen des Schaltverhaltens werden auf trägerinduzierte Änderungen des Brechungsindexes des Halbleitermaterials zurückgeführt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Schalter zum Schalten von optischen Signalen mit einer Betriebswellenlänge (λ&sub1;) geschaffen, der ein Paar von Lichtwellenleitern (4, 6) enthält, die als ein linearer Vierwegekoppier konfiguriert sind, wobei der Schalter in der Weise gesteuert werden kann, daß er einen mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten zwischen den Wellenleitern erzeugt, der entweder gleich einem Wert Null oder einem ersten von Null verschiedenen Wert ist, wobei der lineare Koppler bei den beiden Werten ein Kreuzkoppler oder ein Durchgangskoppler bei der Betriebswellenlänge (λ&sub1;) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Koppler bei dem Null-Wert bzw. bei dem ersten von Null verschiedenen Wert des mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten im wesentlichen ein Dreihalbe- Schwebungskoppler bzw. im wesentlichen ein Zweihalbe- Schwebungskoppler bei der Betriebswellenlänge (λ&sub1;) ist, wobei der Schalter eine Pumpeinrichtung (18, 20) enthält, um Änderungen des mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten auszuführen.
Ein Lichtsignal mit der Betriebswellenlänge, das in einen Lichtwellenleiter eines solchen Schalters eingekoppelt wird, tritt in Abhängigkeit davon, ob der mittlere differentielle Verstärkungskoeffizient null ist oder der erste Wert ist, aus demselben bzw. aus dem anderen Wellenleiter aus. Wie später erläutert wird, kann der mittlere differentielle Verstärkungskoeffizient wie die tatsächliche Verstärkung, die dem Lichtsignal durch einen gegebenen Wellenleiter des Schalters verliehen wird, positiv oder negativ sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schalten eines optischen Signals nach Anspruch 7 geschaffen.
Der Betrieb der linearen Koppler kann durch interferometrische Schwebungen zwischen den globalen Modi der beiden konstituierenden Wellenleiter beschrieben werden. Im allgemeinen ist die Wahl zwischen dem Bild des globalen Modus und dem Bild der abklingenden Kopplung Geschmackssache, in dieser Anmeldung ist jedoch die Beschreibung im lokalen Modus günstiger, da die Absorption in dieser Darstellung diagonal ist. Die Verallgemeinerung der Standard-Kopplungsmodus-Gleichungen, die von A. W. Synder und J. D. Love in dem Buch "Optical Wave Guide Theory", veröffentlicht von Chapman and Hall, London 1983, angegeben worden sind, kann folgendermaßen geschrieben werden:
i da/dz = λb - iΓaa (1)
i db/dz = λa - iΓbb
wobei a und b die Lichtsignalstärken in den jeweiligen Wellenleitern sind, λ der Kopplungskoeffizient zwischen den Wellenleitern ist und Γa und Γb die Absorptionskoeffizienten sind. Da dies eine einfache lineare Gleichung ist, wird die Versuchslösung exp(iwz) eingesetzt, um die folgende Eigenwertgleichung zu erhalten:
die die folgenden Eigenwerte liefert:
wobei Γ = (Γa + Γb)/2 und ΔΓ = (Γa - Γb)/2 der mittlere Verstärkungskoeffizient bzw. der mittlere differentielle Verstärkungskoeffizient ist. Die Lösung für diese beiden Feldkomponenten ist dann gegeben durch:
wobei A und B durch die Anfangsbedingungen in üblicher Weise bestimmt werden. Die Gleichung (4) ist streng nur dann gültig, wenn w&sbplus; ≠ w&submin;. Wenn die Eigenwerte entartet sind, muß eine weitere Lösung zeωz eingeführt werden. Bei Fehlen irgendwelcher Verstärkungen oder Verluste reduzieren sich die Eigenwerte auf ±λ, was das vertraute Kopplungsverhalten bei einer Schwebungslänge von π/λ ergibt.
Falls die Verstärkung symmetrisch ist, ΔΓ = 0, besitzen die beiden Eigenwerte den gleichen Imaginärteil, der für eine gleichmäßige Verstärkung erwartet würde. Wenn jedoch die Verstärkung asymmetrisch ist, wird der Realteil des Eigenwerts entsprechend einer Zunahme der Kopplungslänge reduziert, so daß ein linearer Koppler, der bei einer gegebenen Betriebswellenlänge ein Dreihalbe-Schwebungskoppler ist, bei dieser Wellenlänge für bestimmte Werte der mittleren differentiellen Verstärkung ein Zweihalbe- Schwebungskoppler werden kann. Die Abhängigkeit der Einkopplung eines Signals von einem Wellenleiter in den anderen in Abhängigkeit von der mittleren differentiellen Verstärkung wird später in dieser Anmeldung genauer erläutert.
Der Schalter kann so konfiguriert sein, daß der lineare Koppler bei der Betriebswellenlänge bei Null und beim ersten Wert des mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten im wesentlichen ein Dreihalbe-Schwebungskoppler bzw. im wesentlichen ein Zweihalbe-Schwebungskoppler ist, da hierdurch ein vollständiger Schaltvorgang geschaffen werden kann, wobei dies die einfachste Weise ist, in der lineare Mehrfachhalbe-Schwebungskoppler hergestellt werden können.
Die optischen Wellenleiter werden günstigerweise durch eine Doppelkern-Lichtleitfaser geschaffen, wie sie beispielsweise in einem Artikel mit dem Titel "Femtosecond Switching in a Dual-Core Fibre Nonlinear Coupler", Optics Lett. 13, 904-6, 1988) von S. R. Friberg, A. M. Weiner, Y. Silberberg, B. G. Sfez und P. W. Smith, beschrieben ist, da hierdurch ein gleichmäßiger Wechselwirkungsbereich geschaffen wird, der ohne weiteres mit den erforderlichen Abmessungen hergestellt werden kann, andere Formen linearer Koppler können jedoch günstig verwendet werden, etwa dotierte, ebene Wellenleiter, z. B. planare Siliciumdioxid- und Lithium-Niobat-Wellenleiter.
Die Lichtwellenleiter enthalten vorzugsweise Lichtleitfaser-Verstärker, da die mittlere differentielle Verstärkung durch Steuern des Betrags des optischen Pumpens der Wellenleiter ohne weiteres gesteuert werden kann. Es kann ausreichen, nur einen der Wellenleiter als Verstärker vorzusehen, falls er eine ausreichende Verstärkung schaffen kann, um den ersten Wert des mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten zu erhalten.
Ein geeigneter Lichtleitfaser-Verstärker, der zum Schalten von Lichtsignalen innerhalb der Standard-Telekommunikationsfenster verwendet werden kann, ist der mit Erbium dotierte Siliciumdioxid-Lichtleitfaser-Verstärker. Ein Vorteil dieses Verstärkers ist, daß er ein Dreiniveau- System ist, was bedeutet, daß der durch einen nicht gepumpten Wellenleiter eingeführte Verlust angenähert gleich der maximal verfügbaren Verstärkung ist, wenn eine vollständige Besetzungsinversion vorliegt, wodurch für ein gegebenes Verstärkungsvermögen ein größerer verfügbarer mittlerer differentieller Verstärkungskoeffizient geschaffen wird. Ein solcher Schalter kann durch Pumpen lediglich eines der Wellenleiter betrieben werden, um den ersten Wert des mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten zu erzeugen.
Ein optischer Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung, der als Verstärker arbeitende Lichtwellenleiter besitzt, kann durch Pumpen beider Wellenleiter betrieben werden, um so für ein Signal mit der Betriebswellenlänge eine Nettoverstärkung von null zu erzeugen, wenn ein mittlerer differentieller Verstärkungskoeffizient von null erzeugt wird, wodurch ein Schalter mit Null-Einschubverlust geschaffen wird.
Der vorliegende Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ein Graph eines Lichtsignals, das über die Wellenleiter eines optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung gekoppelt wird, in Abhängigkeit von der Ausbreitungsstrecke längs des Kopplers für verschiedene Werte des mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten ist; und
Fig. 3 ein Graph des Lichtsignals, das über einen optischen Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist, in Abhängigkeit vom mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten für einen Koppler gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Oben ist mit Bezug auf die Gleichungen 4 angegeben worden, daß bei asymmetrischer Verstärkung der Realteil des Eigenwerts entsprechend einer Zunahme der Kopplungslänge reduziert wird, so daß ein linearer Koppler, der bei einer gegebenen Wellenlänge ein Dreihalbe-Schwebungskoppler ist, für bestimmte Werte der mittleren differentiellen Verstärkung ein Zweihalbe-Schwebungskoppler bei dieser Wellenlänge werden kann.
Als besonderes Beispiel wird der Fall betrachtet, in dem am Eingang b = 0 gilt, wobei (ohne Verlust der Allgemeinheit) A = 1 gewählt wird. Es kann einfach gezeigt werden, daß die Lösung lautet:
Das Verhalten eines solchen Kopplers in Abhängigkeit von der Verstärkungsasymmetrie ist in Fig. 2 gezeigt. Der Bruchteil der Gesamtenergie im Kreuzzustand, d. h. im Kopplungszustand zwischen den beiden Wellenleitern, ist in Abhängigkeit von der Strecke längs des Kopplers für verschiedene Werte der Verstärkungsasymmetrie aufgetragen. Bei einer einzelnen Halbschwebungslänge bei der Betriebswellenlänge für einen mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten von Null tritt eine starke Modulation des Kreuzzustand-Übertragungsbruchteils auf, die durch einen von Null verschiedenen mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten geschaffen wird, die jedoch für die Anwendung unzureichend ist. Eine Vorrichtung mit Dreihalbe-Schwebungslänge (wiederum bei der Betriebswellenlänge für einen mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten von Null) zeigt jedoch eine Totalmodulation. Da die Verstärkung in einem Arm erhöht wird, wodurch der mittlere differentielle Verstärkungskoeffizient verändert wird, wird der Bruchteil der Energie im Kreuzzustand reduziert und kann tatsächlich gegen Null gehen.
In Fig. 3 ist der Kreuzzustand-Schaltbruchteil in Abhängigkeit vom differentiellen mittleren Verstärkungskoeffizienten ΔΓ für eine Vorrichtung mit Dreihalbe-Schwebungslänge gezeigt.
Die Kurve hängt nicht von der mittleren Verstärkung, sondern von der Vorrichtungslänge ab. Die Asymmetrie in Fig. 3 ist bei der durch die Wellenleiter der Vorrichtung geschaffene asymmetrische Verstärkung nicht besonders überraschend. Es kann für den Schaltungspunkt ein einfacher Ausdruck erhalten werden, wenn die Phasenverschiebungen im b-Feld für den symmetrischen Fall und für den asymmetrischen Fall verglichen werden. Ein vollständiges Schalten tritt in einem (2n + 1)-Schwebungslängen-Koppler auf, wenn gilt:
ΔΓ/λ = 4n + 1/2n + 1
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält ein optischer Schalter einen linearen Vierwegekoppler, der als Doppelkern-Siliciumdioxid-Lichtleitfaser konfiguriert ist, die Wellenleiterkerne 4 und 6 besitzt, wovon jeder mit Erbiumionen dotiert ist, um Faserverstärker zu bilden. Der durch den Kern 4 definierte Wellenleiter besitzt optische Anschlüsse 8 und 10, einen an jedem Ende. Ähnlich besitzt der durch den Kern 6 definierte Wellenleiter optische Anschlüsse 12 und 14, einen an jedem Ende. In dieser Vorrichtung wird der Anschluß 12 beliebig als Eingangsanschluß in den Schalter 2 verwendet, während die Anschlüsse 10 und 14 als Ausgangsanschlüsse verwendet werden.
Ein Eingangssignal mit der Betriebswellenlänge λ&sub1; wird über einen dichroitischen Koppler 16 in den Anschluß 12 eingekoppelt.
Pumplaser 18 und 20, die beide bei ungefähr 980 nm arbeiten, sind direkt bzw. indirekt über den Koppler 16 in den Anschluß 8 eingekoppelt. Die Verstärkung, die für das Lichtsignal von den mit Erbium dotierten Wellenleitern verfügbar ist, wird durch Steuern des Betrags der in jeden Kern eingekoppelten optischen Pumpleistung gesteuert.
Die Länge des Kopplers ist so bemessen, daß der Koppler für einen mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten von Null im wesentlichen ein Dreihalbe-Schwebungskoppler ist, wenn die Betriebswellenlänge λ&sub1; ist und wenn die Faser ausreichend dotiert ist, um ein optisches Pumpen eines der Wellenleiter zu ermöglichen, um so einen ausreichend großen mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten zu schaffen, damit der Koppler bei der Betriebswellenlänge ein Zweihalbe-Schwebungskoppler wird.
Wenn die Er-Verstärkerwellenleiter 4 und 6 als vollkommene Dreiniveau-Systeme betrieben werden, ist die Größe des nicht gepumpten Verlusts gleich der maximal verfügbaren Verstärkung, wenn eine vollständige Besetzungsinversion vorliegt. Für die in Fig. 2 verwendeten Parameter würde eine Halbschwebungslänge von 1 m einem nicht gepumpten Verlust (Γ = 0,7) von 6,1 dB/m entsprechen. In einem Dreihalbe-Schwebungslängen-Koppler wird gefordert, daß die Wellenleiter gleiche oder entgegengesetzte Werte von U besitzen. Dies hat den Vorteil, daß die gesamte Vorrichtungsverstärkung eins ist, außerdem würde lediglich eine Einzelarmverstärkung von 19,4 dB erforderlich sein.

Claims

1. Optischer Schalter zum Schalten von optischen Signalen mit einer Betriebswellenlänge (λ&sub1;), der ein Paar von Lichtwellenleitern (4, 6) enthält, die als ein linearer Vierwegekcppler konfiguriert sind, wobei der Schalter in der Weise gesteuert werden kann, daß er einen mittleren differentiellen verstärkungskoeffizienten zwischen die Wellenleitern erzeugt, der entweder gleich einem Wert Null oder einem ersten von Null verschiedenen Wert ist, wobei der lineare Koppler bei den beiden Werten ein Kreuzkoppler oder ein Durchgangskoppler bei der Betriebswellenlänge (λ&sub1;) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Koppler bei dem Null-Wert bzw. bei dem ersten von Null verschiedenen Wert des mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten im wesentlichen ein Dreihalbe- Schwebungskoppler bzw. im wesentlichen ein Zweihalbe- Schwebungskoppler bei der Betriebswellenlänge (λ&sub1;) ist, wobei der Schalter eine Pumpeinrichtung (18, 20) enthält, um Änderungen des mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten auszuführen.

2. Schalter nach Anspruch 1, in dem die Lichtwellenleiter (4, 6) als eine Doppelkern-Lichtleitfaser konfiguriert sind.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem wenigstens einer der Lichtwellenleiter (4, 6) einen Lichtleitfaser-Verstärker enthält.

4. Schalter nach Anspruch 3, wobei der oder jeder Lichtleitfaser-Verstärker als Pumpeinrichtung (18, 20) einen zugeordneten Laser besitzt.

5. Schalter nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei der Lichtleitfaser-Verstärker als ein Dreiniveau-System betrieben werden kann.

6. Schalter nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Lichtleitfaser-Verstärker (4, 6) mit Erbium dotierte Siliciumdioxid-Lichtleitfasern sind.

7. Verfahren zum Schalten eines optischen Signals, das an einen Eingangsanschluß eines Schalters nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 angelegt wird, indem die optischen Pumpeinrichtungen so gesteuert werden, daß sie eine Änderung des mittleren differentiellen Verstärkungskoeffizienten zwischen Null und dem ersten von Null verschiedenen Wert oder umgekehrt ausführen, so daß der Schalter von einem Kreuz-Zustand zu einem Balken-Zustand oder umgekehrt wechselt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei im Balken-Zustand beide Wellenleiter gepumpt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Balken-Zustand das Signal über dem Schalter eine Null-Nettoverstärkung sieht.

10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 9, wobei im Kreuz-Zustand nur einer der Wellenleiter gepumpt wird.