NL1003669C2 - Optisch niet-lineair vertakkingselement met MZ-interferometer. - Google Patents

Description

Titel:Optisch niet-lineair vertakkingselement met MZ-interferometer A.Achtergrond van de uitvinding 1.Gebied van de uitvinding

De uitvinding ligt op het gebied van optische inrichtingen voor optische signalen transporterende en verwerkende systemen. Meer in het 5 bijzonder betreft zij een optisch 1x2-vertakkingselement volgens de .aanhef van conclusie 1.

2.Stand van de techniek

Het splitsen van optische signalen is een van de belangrijkste basis-10 functies in optische systemen en netwerken. Optische signaalsplitsers die gebaseerd zijn op kanaalvormige golfgeleiders, zoals optische vezels of geïntegreerde golfgeleiderstructuren, berusten op twee fundamenteel verschillende fysische principes. Een type signaalsplitsers maakt gebruik van interferentie, zoals bij voorbeeld 15 de richtkoppelaar en de op een MZ-interferometer gebaseerde splitser. Het tweede type signaalsplitser maakt gebruik van symmetrie, zoals bij voorbeeld de symmetrische Y-splitser en de als modusfilter gedimensioneerde asymmetrische Y-splitser.

Voor passieve optische netwerken (PON's), zowel toegepast voor 20 signaaldistributie als bidirectioneel verkeer, en die een boomvormig vertakte structuur bezitten met een veelal hoge uitsplitsingsgraad, zijn signaalsplitsers op grote schaal nodig. Daarvoor worden (1 -» N)-splitsers ontworpen, die veelal zijn opgebouwd uit (1 -» 2)-splitsers van bovengenoemde typen. In elke (l-»2)-splitser ondergaat het optische 25 signaal in elke van beide uitsplitsrichtingen een vermogensreductie van 3dB. Dit is in de richting van verdere uitsplitsing (neerwaarts) onvermijdelijk (en vanzelfsprekend), aangezien het aangeboden lichtvermogen zich over de twee mogelijke uitsplitsrichtingen verdeelt. Vanwege tijdsomkeer-invariantie (reciprociteit), waaraan 30 fysische wetten moeten voldoen, treedt in dezelfde structuur deze reductie eveneens op voor optische signalen in de tegengestelde richting (opwaarts), maar nu als reëel signaalverlies. Een manier om aan dit verlies in de opwaartse signaalrichting te ontkomen is door de golfgeleidende structuur in opwaartse richting anders te laten zijn 35 dan die in neerwaartse signaalrichting. Dit kan worden bereikt door de signalen te schakelen, bijvoorbeeld met behulp van extern, electrisch of optisch, bestuurde optische schakelaars. Dit heeft echter het nadeel dat zo'n netwerk dan niet meer passief is, en bovendien een 1003569.

2 gecompliceerd besturingssysteem voor de vele schakelaars vereist.

Een andere mogelijkheid biedt de toepassing van niet-lineaire optische effecten in de hierboven aangeduide splitsstructuren, waardoor een lichtsignaal zelf een schakelwerking teweeg kan brengen.

5 Uit referentie [1] is een simulatie-studie bekend van een symmetrische Y-junctie met een monomodale stam en twee monomodale takken, waarvan althans de takken worden gevormd door identieke golfgeleidersecties in een niet-lineair optisch medium. Vanwege de symmetrie treedt er vermogenssplitsing op in de uitsplitsrichting (neerwaarts). In de 10 opwaartse richting veroorzaakt een via een der takken aangeboden lichtsignaal daarin een brekingsindex-verhoging, waardoor de symmetrie wordt verbroken. De Y-junctie wordt daardoor asymmetrisch, en gaat voor dit signaal werken als een modusfilter: het lichtsignaal propageert volledig verder als nulde-orde modus signaal in de stam van 15 de Y-junctie (Opmerking: bij de bovengenoemde typen (l-*2)-splitsers wordt steeds een deel (de helft) omgezet in een eerste-orde modus, welk deel afstraalt bij binnentreden in de monomodale stam van de Y-junctie met als gevolg het genoemde vermogensverlies). In referentie [2] is een asymmetrische X-junctie in een niet-lineair medium numeriek 20 onderzocht, waarmee een optisch signaal kan worden geschakeld met behulp van een afzonderlijk te injecteren optisch besturingssignaal. Dit besturingssignaal vertoont een soortgelijke schakelende werking (zie meer in het bijzonder Fig. 4 (c) en Fig. 5 (c) van referentie [2]) als hiervoor beschreven voor de niet-lineaire Y-junctie van 25 referentie [1]. Een nadeel van de in de referenties [1] en [2] beschreven splitsstructuren is, ofwel dat ze extreem hoge optische vermogens vereisen, ofwel dat relatief grote niet-lineaire optische effecten nodig zijn, waarvoor tot op heden echter geen geschikte materialen beschikbaar zijn.

30 B. Samenvatting van de uitvinding

Met de uitvinding wordt beoogd een vertakkingselement te verschaffen, dat de gewenste eigenschap met betrekking tot lage vermogensverliezen bezit van splitsstructuren zoals hierboven 35 beschreven, maar waarin de benodigde niet-lineaire effecten aanzienlijk beperkter kunnen blijven, zodat realisatie bij de huidige stand van de techniek mogelijk is. Zij berust op het feit dat in interferometrische structuren, zoals die gebaseerd op een MZ- 1 0 0 3 6 6 9 .

3 interferometer, geen gebruik wordt gemaakt van absolute veranderingen in brekingsindex, maar van fase-veranderingen in optische signalen. Deze fase-veranderingen worden bepaald door het product van de brekingsindexverendering en de lengte van het optische pad waarover de 5 brekingsindexverandering wordt gerealiseerd (6Φ - 6n*L). Dit betekent dat de lengte van het optische pad als vergrotingsfactor kan dienen, zodat ook relatief kleine niet-lineaire effecten voor een schakelwerking kunnen worden benut, als de optische padlengte maar groot genoeg is.

10 Een vertakkingselement van de bovengenoemde soort heeft daartoe volgens de uitvinding het kenmerk van conclusie 1.

Zowel voor een vermogenssplitser als een vermogenskoppelaar bestaan verschillende realisatie-mogelijkheden die gebaseerd zijn op verschillende fysische principes, zoals richtkoppeling en adiabatische 15 koppeling, en welke gepaard kunnen gaan met karakteristieke extra fase-verschillen bij signaalsplitsing. In een voorkeursuitvoering hebben de twee golfgeleidertakken van de MZ-interferometer een extra lineair optisch weglengte-verschil dat de fase-karateristiek voor het gekozen type vermogenssplitser en/of -koppelaar compenseert.

20 In een verdere voorkeursuitvoering wordt in elk van beide golfgeleidertakken van de MZ-interferometer eenzelfde niet-lineaire golfgeleidersectie opgenomen. Hierdoor is de werking van het vertakkingselement in de signaalsplitsrichting, i.e bij injectie van een optisch signaal via de eerste poort, onafhankelijk van de 25 intensiteit van het geïnjecteerde signaal.

Verdere voorkeursuitvoeringen zijn gericht op een realisatie van het vertakkingselement in een geïntegreerde vorm, en gericht op een uitvoering in optische vezel.

Uit referentie [3] is een optisch logisch element bekend, 30 waarmee een XOR-functie kan worden uitgevoerd. Dit logische element omvat een op een MZ-interferometer gebaseerde golfgeleider-structuur, waarbij in elke van de twee golfgeleidertakken een qua fase moduleerbaar element is opgenomen, waarvan de brekingsindex een verandering ondergaat als het wordt aangestraald met licht van buiten 35 de golfgeleider-structuur. Voor deze qua fase moduleerbare elementen worden niet-lineaire optische materialen toegepast, bijvoorbeeld in een halfgeleider-systeem op basis van InP in een MQW-structuur (Multiple Quantum Well). Dergelijke niet-lineaire optische materialen 1003669.

4 in een zelfde structuur als waarmee het moduleerbare element is gerealiseerd zijn in principe ook toepasbaar als de golfgeleidersecties van het vertakkingselement volgens de uitvinding, waarbij echter de brekingsindex-veranderingen niet door licht van 5 buitenaf worden teweeg gebracht, maar uitsluitend door veranderingen in intensiteit van de lichtsignalen die propageren in de jgolfgeleidersecties zelf.

C. Referenties 10 [1] G.J.M. Krijnen, et al., "Simulation of low insertion loss nonlinear Y-junctions", Sensors & Actuators (Optical Transducers), Proceedings S&A Symposium of the University of Twente, Enschede, The Netherlands, November 15-16, 1990, University of Twente/Kluwer Technical Books, Deventer-Antwerpen, 15 pp. 323-328; [2] H. Fouckhardt and Y. Silberberg, "All-optical switching in waveguide X junctions", J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 7, No. 5, May 1990, pp.803-809; [3] US-A-5,315,422;

20 [4] T. Kaino, et al., "Ultrafast non-linear optical switches", NTT

Review, Vol. 7, No. 5, September 1995, pp. 47-56.

Alle referenties worden beschouwd als geïncorporeerd in de onderhavige aanvrage.

25 D. Korte beschrijving van de tekening

De uitvinding zal nader worden toegelicht middels een beschrij-ving van een uitvoeringsvoorbeeld, waarbij wordt verwezen naar een tekening die de volgende figuren omvat; 30 FIG. 1 toont schematisch een optisch vertakkingselement volgens de uitvinding, waarin een richtkoppelaar wordt toegepast met een asymmetrische vermogensverdeling; FIG. 2 toont een grafische weergave van het verlies (LS) in optisch signaalvermogen in opwaartse signaalrichting (pijl 35 U) in een optisch vertakkingselement volgens FIG. 1, als functie van de afwijking (x) van een symmetrische vermogensverdeling; FIG. 3 toont schematisch een 2x2-koppelaar in zijn meest algemene 1003669.

5 vermogensverdeling; FIG. 3 toont schematisch een 2x2-koppelaar in zijn meest algemene vorm; FIG. 4 toont schematisch een optisch vertakkingselement volgens 5 de uitvinding gebaseerd op twee 2x2-koppelaars als getoond in FIG. 3; FIG. 5 toont een grafische weergave van het verlies (LS) in optisch signaalvermogen in opwaartse signaalrichting in een vertakkingselement volgens FIG. 1, als functie van een 10 fase-afwijking (ΔΦ); FIG. 6 toont als FIG. 5 het verlies als functie van een vermogens-afwijking (P/P0) van een optimale waarde.

E. Beschrijving van een uitvoerinesvoorbeeld 15 FIG. 1 toont schematisch een golfgeleiderpatroon voor een optisch vertakkingselement volgens de uitvinding. Het vertakkingelement is voorzien van drie poorten 1, 2 en 3. In één signaalrichting (pijl D), de neerwaartse signaalrichting genoemd, dient de eerste poort 1 als optische signaalingang en dienen de tweede 20 en derde poorten 2 en 3 als optische signaaluitgangen. In de tegenovergestelde signaalrichting (pijl U), de opwaartse signaalrichting genoemd, dienen de tweede en derde poorten 2 en 3 als signaalingangen, en dient de eerste poort 1 als signaaluitgang. Het golfgeleiderpatroon van het vertakkingselement omvat een symmetrische 25 Y-junctie 4 en een richtkoppelaar 5. De Y-junctie 4 is voorzien van een stam 4.1 en twee takken 4.2 en 4.3. De richtkoppelaar 5 wordt gevormd door twee in hoofdzaak identieke golfgeleiders 6 en 7, die in een koppelgebied 8 over een lengte parallel lopen en zijn gekoppeld zijn, en die uitlopers 6.1 en 7.1 aan een zijde van het koppelgebied 30 bezitten, en een uitlopers 6.2 en 7.2 aan een tegenovergestelde zijde van het koppelgebied. De takken 4.2 en 4.3 zijn via niet-lineaire elementen 9 en 10 respectievelijk gekoppeld met de uitlopers 6.1 en 7.1 van de golfgeleiders 6 en 7, zodanig dat tussen de Y-junctie en de ingang van de richtkoppelaar een MZ-interferometer is gevormd met twee 35 in hoofdzaak identieke armen. Een uiteinde van de stam 4.1 van de Y-junctie vormt de eerste poort 1, terwijl de uitlopers 6.2 en 7.2 van de richtkoppelaar 5 respectievelijk de tweede poort 2 en de derde poort 3 vormen. De niet-lineaire elementen 9 en 10 zijn 1003669 6 bijvoorbeeld tengevolge van een Kerr-type niet-lineariteit. De koppellengte 1^ is zodanig dat de richtkoppelaar 5 een vermogensverdeling PR bezit, die kan worden uitgedrukt door {(W-x)/(4+x)}, en die hierna asymmetrische vermogensverdeling wordt 5 genoemd. Daarin is x (met 0<x<h) de fractie waarmee PR afwijkt van een symmetrische vermogensverdeling, t.w. (h/h).

Het principe van de in FIG. 1 getoonde configuratie is er op gericht dat in neerwaartse richting (pijl D) lichtsignalen die via poort 1 binnen treden een volledig symmetrische configuratie ervaren, 10 terwijl de symmetrie van de configuratie in opwaartse richting (pijl U) door lichtsignalen die ofwel via poort 2 ofwel via poort 3 binnentreden, wordt verstoord.

In de neerwaartse signaalrichting (pijl D) is de werking als volgt. Een lichtsignaal Ij dat via de eerste poort 1 van het 15 vertakkingselement binnentreedt, wordt in de Y-junctie 4 in signaaldelen met gelijke intensiteit verdeeld over de takken 4.2 en 4.3. Vanwege de gelijke intensiteit ondervinden deze signaaldelen in de niet-lineaire elementen 9 en 10 geen fase-verschuiving ten opzichte van elkaar, en komen ze derhalve met gelijke amplitude en fase via de 20 uitlopers 6.1 en 7.1 in het koppelgebied 8 van de richtkoppelaar 5 aan. In de richtkoppelaar worden beide signaaldelen volgens de(zelfde) asymmetrische vermogensverdeling over de uitlopers 6.2 en 7.2 verdeeld. De aan de poorten 2 en 3 uittredende signalen Oj en 02 hebben in hoofdzaak dezelfde intensiteit die ongeveer de helft bedraagt van 25 de intensiteit van het aan de poort 1 binnengetreden signaal Ij. In neerwaartse signaalrichting werkt het vertakkingselement derhalve als een 3dB-splitser.

In de opwaartse signaalrichting (pijl U) is de werking anders. Een lichtsignaal I2 dat binnentreedt via poort 2 wordt tengevolge van 30 de asymmetrische vermogensverdeling PR van de richtkoppelaar 5 verdeeld over de twee uitlopers 6.1 en 7.1 in signaaldelen met een verschil in intensiteit, en - karakteristiek voor een richtkoppelaar -met een intrinsiek fase-verschil van 90®. Tengevolge van het verschil in intensiteit ervaren deze signaaldelen onderling bovendien een niet-35 lineair fase-verschil in de respectievelijke niet-lineaire secties 9 en 10. Als dit niet-lineaire faseverschil exact de 90° fase-verschil van de richtkoppelaar 5 compenseert, komen de twee signaaldelen in fase aan in de Y-junctie 4. Zij verschillen echter nog in intensiteit, 1003869.

7 i.e. amplitude, tengevolge van de asymmetrie (fractie x) in de vermogensverdeling van de richtkoppelaar. In de Y-junctie worden de signaaldelen gerecombineerd tot een signaal met een symmetrische veldverdeling en een signaal met een asymmetrische veldverdeling. Het 5 signaal met de symmetrische veldverdeling propageert verder als een nulde-orde modussignaal in de stam 4.1., terwijl het signaal met de asymmetrische veldverdeling als eerste-orde modus signaal niet kan propageren in de stam 4.1 en derhalve zal afstralen. Het deel van het signaalvermogen dat door afstralen verloren gaat wordt bepaald door 10 het amplitude-verschil, dat op zijn beurt rechtstreeks afhangt van de fractie x. Hierna zal worden aangetoond dat voor elke x (met 0<x<h) steeds het grootste deel van het signaalvermogen als nulde-orde modus signaal via de stam 4.1 verder propageert naar de poort 1. Voor een lichtsignaal I2 dat via poort 3 binnentreedt heeft het 15 vertakkingselement exact dezelfde werking, zij het dat alle amplitude-en fase-verdelingen gespiegeld zijn ten opzichte van de symmetrie-as van de structuur van het vertakkingselement. Dit betekent, dat voor de opwaartse signaalrichting het intrinsieke vermogensverlies (Eng.: excess loss) van het vertakkingselement steeds kleiner is dan de 20 gebruikelijke 3dB van de bekende passieve vertakkingselementen.

Om het niet-lineaire effect efficiënt te kunnen gebruiken moet de waarde van x (de afwijking van de symmetrische vermogensverdeling) relatief groot zijn, terwijl de daarbij optredende verliezen in verhouding laag blijven. Dat dit mogelijk is, moge blijken uit de 25 volgendè berekening. Eenvoudigheidshalve wordt er in de berekening uitgegaan van een normering, waarbij een via poort 2 of 3 binnentredend optische signaal I2 een signaal is met amplitude "1" en vermogen "1". Dit signaal wordt in de richtkoppelaar 5 voorbij het koppelgebied 8 over de twee uitlopers 6.1 en 7.1 verdeeld in twee 30 signaaldelen waarvan de vermogens respectievelijk ij-(h-x) en i2-(1i+x)

u IL

zijn, waarmee amplituden aj-(h-x) en a2-(h+x) corresponderen, respectievelijk. Bij binnentreden in de Y-junctie 4 zijn de signaaldelen in fase en worden gecombineerd tot een nulde- en een eerste-orde modus signaal, waarbij de amplitude Aq van het nulde-orde 35 modus signaal wordt gegeven door uitdrukking:

Ao - hl 2 * {a: + a2) - hl 2 * {(4-x)% + (H+x)*} (1)

Het met deze amplitude corresponderende vermogen is derhalve | Aq |2, zodat het verlies LS (gedefinieerd als de verhouding van de 1003569.

8 signaalvermogens van de signalen I2 en 03) wordt gegeven door: LS - |Ao|~2 - (½ + (k - χΖ)1*}-1 (2)

In FIG. 2 is LS (in dB) grafisch uitgezet als functie van x. FIG. 2 laat zien, dat zelfs bij x-k het verlies nog steeds beperkt blijft tot 5 een fractie van 1 dB, i.c. ca -0,3 dB.

Het vertakkingselement kan ook worden uitgevoerd met een ander type koppelaar in plaats van de richtkoppelaar. Ook kan de Y-junctie worden vervangen door een 2x2-koppelaar waarvan een poort niet wordt gebruikt. Dit maakt het mogelijk dat het vertakkingselement zowel in 10 een geïntegreerde vorm als met glasvezels kan worden gerealiseerd. Daarbij moet rekening worden gehouden met het feit dat andere typen koppelaars andere intrinsieke fase-verschillen in de uitgangssignalen vertonen. Voor een willekeurige (optische) 2x2-koppelaar C met twee ingangspoorten 31 en 32, en twee uitgangspoorten 33 en 34, zoals 15 schematisch getoond in FIG. 3, geldt algemeen het volgende. (N.B. De aanduidingen 'ingangspoort' en 'uitgangspoort' vormen slechts een relatieve onderscheiding van de poorten. Bij een tegengestelde signaalrichting worden de uitgangspoorten 33 en 34 als ingangspoorten gebruikt, waarbij de ingangspoorten 31 en 32 dan als uitgangspoorten 20 fungeren.) Als een signaal aangeboden via een eerste ingangspoort 31, zich verdeelt over de twee uitgangspoorten 33 en 34 in deelsignalen Sul en met een onderling fase-verschil Φ, dan verdeelt eenzelfde signaal Sj, aangeboden via de tweede ingangspoort 32, zich over de uitgangspoorten 33 en 34 in deelsignalen Sul en met een 25 onderling fase-verschil Φ-180". In de tegengestelde signaalrichting, dus voor een signaal aangeboden aan een uitgangspoort 33 of 34, heeft de koppelaar eenzelfde fase-gedrag. Het fase-verschil Φ heeft verschillende waarden bij verschillende typen koppelaars. Zoals hiervoor reeds gebruikt geldt Φ-90* voor de richtkoppelaar. Voor een 30 adiabatische 3dB-koppelaar, bijvoorbeeld in de vorm van een asymmetrische X-junctie, geldt Φ-0*.

FIG. 4 toont schematisch een optisch vertakkingselement in zijn meest algemene vorm, waarin twee optische 2x2-koppelaars worden toegepast, t.w. een koppelaar Cs met een symmetrische 35 vermogensverdeling (h/h), en een koppelaar Ca met een asymmetrische vermogensverdeling (k-x/k+x). De koppelaars Cs en Ca worden hierna respectievelijk aangeduid met de symmetrische koppelaar en de asymmetrische koppelaar. De symmetrische koppelaar Cs heeft 1 00 ?! 66 9 .

9 ingangspoorten a en b, en uitgangspoorten c en d. De asymmetrische koppelaar Ca heeft ingangspoorten e en f, en uitgangspoorten g en h.

De uitgangspoorten c en d zijn respectievelijk gekoppeld met de ingangspoorten e en f, zodat tussen de koppelaars Cs en Ca een MZ-5 interferometer met twee takken t2 en t2 is gevormd. In de twee takken tj en t2 zijn respectievelijk een eerste optisch niet-lineair element NL1 en een tweede optisch niet-lineair element NL2 opgenomen. Voor de neerwaartse signaalrichting (pijl D) vormen de ingangspoort a van de koppelaar Cs en de uitgangspoorten g en h van de koppelaar Ca, 10 respectievelijk de enige signaalingang en de twee signaaluitgangen van het vertakkingselement, terwijl voor de opwaartse signaalrichting (pijl U) deze poorten respectievelijk de enige signaaluitgang en de twee signaalingangen van het vertakkingelement vormen. De ingangspoort b van de koppelaar Cs wordt daarbij niet gebruikt. Laten de koppelaars 15 Cs en Ca respectievelijk de fase-verschillen Φβ en Qa vertonen. In de neerwaartse signaalrichting (pijl D) verdeelt een signaal Ij, dat via de ingangspoort a van de koppelaar Cs wordt aangeboden, zich in twee deelsignalen van gelijk vermogen over de twee uitgangspoorten c en d met een fase-verschil: 64>D(c,d) - Φβ. Deze twee deelsignalen propageren 20 via de takken tj en t2 verder in de richting van de ingangspoorten e en f van de koppelaar Ca. Opdat uiteindelijk het ingangssignaal Ij resulteert in uitgangssignalen Oj en 02 met een gelijk vermogen (ca de helft van het vermogen van het ingangssignaal Ij), moeten de deelsignalen op de ingangspoorten e en f aankomen met een fase-25 verschil: 64>D(e,f) - Φβ + 90°. Dit betekent dat de takken voor signalen van gelijk vermogen een optisch weglengte verschil moeten bezitten dat resulteert in een faseverschil: 6Φ - Φ# + 90“ - Φ8. In opwaartse signaalrichting verdeelt een op de uitgangspoort g van de koppelaar Ca aangeboden signaal I2 zich in signaaldelen met 30 verschillend vermogen over de ingangspoorten e en f, en bovendien met een fase-verschil: δΦϋ8(β,ί) - ΦΒ. Een signaal I2 aangeboden op de uitgangspoort h van de koppelaar Ca verdeelt zich eveneens in signaaldelen met verschillend vermogen over de ingangspoorten e en f, maar met een fase-verschil: 6Φυ];ι(β,ί) - ΦΒ + 180°. In beide gevallen 35 moeten de signaaldelen op de uitgangspoorten c en d aankomen met een fase-verschil: 6®0(c,d) - Φβ om gecombineerd de symmetrische koppelaar Cs via de ingangspoort a te kunnen uittreden.

Een eerste mogelijkheid om dit te bereiken omvat de volgende 1 0 0 * f) s 9 .

10 twee maatregelen: (i) door de twee niet-lineaire elementen NLl en NL2 gelijk te kiezen en zo te dimensioneren dat met het intensiteitsverschil van de signaaldelen in de takken in de opwaartse signaalrichting (pijl U) een 5 fase-verschil van 90® correspondeert, en (ii) door een extra lineair optisch weglengte-verschil AL tussen de twee takken tj en t2, dat overeenkomt met een fase-verschil Φβ - Φβ + 90®.

Dit betekent dat de niet-lineaire elementen NLl en NL2 steeds gelijk 10 kunnen worden gekozen, terwijl de keuze van een bepaald type koppelaar voor een of beide van de koppelaars Cs en Ca met een geschikt gekozen lineair optisch weglengte-verschil kan worden gecompenseerd.

Een tweede mogelijkheid wordt bereikt met de volgende twee maatregelen: 15 (i') door slechts in één van de takken, bijvoorbeeld t2, een niet-lineair element op te nemen (symbolisch uitgedrukt door NLl - 0 en NL2 ψ 0) en NL2 bij het toegepaste intensiteitsverschil in de opwaartse signaalrichting te dimensioneren op een fase-verschil van 180®, en

20 (ii') door het extra lineair optische weglengte-verschil AL

tussen de twee takken tx en t2 zo te dimensioneren, dat bij de toegepaste signaalintensiteit in de neerwaartse richting dit correspondeert met een fase-verschil Φβ - Φβ + 90®.

Door de symmetrie van eenzelfde niet-lineaire element (NLl - NL2) in 25 elk van'beide takken van de MZ-interferometer heeft de eerste mogelijkheid ten opzichte van de tweede mogelijkheid echter het voordeel, dat de werking van het vertakkingselement in de neerwaartse richting onafhankelijk is van de signaalintensiteit.

In een geïntegreerde versie van het vertakkingselement kunnen de 30 niet-lineaire elementen 9 en 10 in FIG. 1 worden gerealiseerd met golfgeleidersecties gevormd op basis van InP in een MQW-structuur zoals bekend uit referentie [3]. Heeft deze structuur een niet-lineaire constante n2 - 10~Acm2/W en een golfgeleiderdoorsnede van 10ym2, dan moeten voor het bewerkstelligen van een 90® fase-verschil 35 bij een inkomend signaalvermogen van 0,lmW van een optisch signaal met golflengte 1,5μιη en een asymmetrie van x - 0,25 in de vermogensverdeling van de richtkoppelaar 5, de niet-lineaire elementen elk een lengte L - 7,5pm bezitten. Bij een tienmaal hoger (lager) 1003669.

11 signaalvermogen wordt L een factor tien korter (langer) gekozen.

Een richtkoppelaar in de geïntegreerde optica komt overeen met een smelt-koppelaar (Eng.: fused coupler) gemaakt door samensmelting van twee losse optische vezels (van glas-achtige materialen). Met 5 smelt-koppelaars van standaard optische (monomode-)vezels zijn zowel symmetrische koppelaars (3dB-koppelaars) als asymmetrische koppelaars '(h-x/^s+x) met een goed gedefinieerde vermogensverdeling realiseerbaar. Niet-lineaire optische vezels zijn op zich bekend, bijvoorbeeld uit referentie [4]. Het vertakkingselement heeft derhalve in principe een 10 eenvoudige glasvezel- realisatie, t.w een symmetrische en een asymmetrische smelt-koppelaar, welke onderling zijn gekoppeld over twee gelijke stukken niet-lineaire optische vezel als takken van een MZ-interferometer, en waarbij in een van de takken een extra lengte standaard glasvezel (overeenkomend met een fase-verschil van 90°) is 15 opgenomen. De niet-lineaire optische constanten n2 van niet-lineaire optische vezels, zoals genoemd in referentie [4], zijn echter globaal gezien een factor 10'10 kleiner dan die van MQW-structuren. Om daarmee het vereiste 90° fase-verschil te bereiken zou de lengte van beide niet-lineaire elementen, bij een vezelkerndoorsnede van ca 100pm2 en 20 een signaalvermogen van ca lOmW, in de orde van enkele kilometers moeten worden gekozen.

Voor een goede werking van het vertakkingselement is vereist, dat lichtsignalen in opwaartse signaalrichting (pijl U) niet gelijktijdig aan de poorten 2 en 3 worden aangeboden. Dit is voor 25 toepassing in een passief optisch netwerk geen bezwaar, aangezien in opwaartse richting de optische signalen verzonden door verschillende zenders in verschillende tijdsloten (TDMA) moeten worden geplaatst, om hogerop in het netwerk te kunnen worden getransporteerd.

Door de aanwezigheid van de niet-lineaire elementen is de 30 werking afhankelijk van het signaalvermogen. Is het optische signaal een intensiteit-gemoduleerd digitaal signaal, waarin "nullen" en "enen” elkaar afwisselen als signaaltoestanden met lage en hoge intensiteit, dan worden in het aftakkingselement in feite alleen de "enen" doorgelaten en de "nullen" niet. Aangezien dit een verbetering 35 van de uitdovingsverhouding (Eng.: extinction ratio) oplevert, is dit voor dergelijke signalen een voordeel. In het algemeen zal variatie in het signaalvermogen tot gevolg hebben, dat de tengevolge van het niet-lineaire effect veroorzaakte fase-verschil niet steeds een optimale 1003669.

12 waarde heeft om in de symmetrische koppelaar Cs (of ook de Y-junctie 4 van FIG. 1) zoveel mogelijk signaalvermogen in de nulde-orde modus te doen opnemen, waardoor het verlies in het vertakkingselement toeneemt. Voor een vertakkingselement met een richt-koppelaar (x-0,25) als 5 getoond in FIG. 1, toont FIG. 5 in grafische vorm de afhankelijkheid van het verlies LS (dB) als functie van de fase-fout ΔΦ (rad), i.e. de afwijking in fase van het optimale fase-verschil 90° (4/τ*·1,58 rad). Op soortgelijke wijze toont FIG. 6 het verlies LS (dB) als functie van de verhouding P/P0 (dB) van het aangeboden signaalvermogen (P) ten 10 opzichte van het optimale signaalvermogen (P0) . Uit de grafieken blijkt dat bij een vermindering in signaalvermogen met een factor 2 (-3dB), het verlies LS in de Y-junctie toeneemt van -0,3 tot -0,9 dB (zie punt Qj in FIG. 6), en de fase-fout oploopt tot ca 45° (zie punt Rj in FIG.

5). Een toename van het vermogen met een factor 2 (+3dB) gaat evenwel 15 gepaard met een verlies van ca -3dB (zie punt Q2 in FIG. 6) en een fase-fout van ca 90° (zie punt R2 in FIG. 5). Dit betekent dat bij afwijkingen van het optimale signaalvermogen vermogensstijgingen beter in de hand moeten worden gehouden dan vermogensdalingen. Bij lOdB lager signaalvermogen is het verlies in het vertakkingselement nog 20 altijd beter dan in een lineaire splitser. Om een hoge tolerantie te bereiken onder vermogensvariaties wordt bijvoorkeur het operationele vermogen enigszins onder het voor schakelen optimale vermogen gekozen, bijvoorbeeld op 40% (-4dB). Het verlies in het vertakkingselement is dan weliswaar niet optimaal (ca ldB), maar de toegestane 25 vermogensvariatie, waarbinnen het verlies nog altijd beter is dan voor een lineaire splitser, is het grootst (ca ±6dB).

1 0 0 3 6 6 9.

Claims (5)

1. Optisch vertakkingselement voorzien van drie optische poorten, waarbij een via een eerste optische poort geïnjecteerd optisch signaal naar vermogen wordt gesplitst in twee naar vermogen gelijke signalen 5 die respectievelijk uittreden via een tweede en een derde optische poort, en waarbij een via de tweede of de derde poort geïnjecteerd optisch signaal uittreedt via de eerste optische poort, welk vertakkingselement omvat - een optische vermogenssplitser voorzien van een ingangskanaal 10 en twee uitgangskanalen, en - een niet-lineaire golfgeleidersectie die een lichtgeleidend pad vormt door een medium met een intensiteits-afhankelijke brekingsindex, met het kenmerk. 15 dat het vertakkingselement verder een optische vermogenskoppelaar omvat, welke is voorzien van twee ingangskanalen en twee uitgangskanalen, en dat elk der uitgangskanalen van de vermogenssplitser is gekoppeld met een andere der ingangskanalen van de vermogenskoppelaar, aldus een 20 Mach-Zehnder-interferometer vormend met twee golfgeleidertakken, waarbij de niet-lineaire golfgeleidersectie is opgenomen in een eerste van de twee golfgeleidertakken, waarbij het ingangskanaal van de vermogenssplitser de eerste poort vormt en het eerste en het tweede uitgangskanaal van de 25 vermogenskoppelaar respectievelijk de tweede en de derde poort vormen, en waarbij de vermogenskoppelaar een asymmetrische vermogensverdeling bezit.

2. Optisch vertakkingselement volgens conclusie 1 met het kenmerk. dat de golfgeleidertakken van de MZ-interferometer voorts een verschil 30 in lineair optische weglengte bezitten, dat afhankelijk is van het gekozen type van de vermogenssplitser en van de vermogenskoppelaar.

3. Optisch vertakkingselement volgens conclusie 2 met het kenmerk. dat een verdere niet-lineaire golfgeleidersectie, van een zelfde soort als en in hoofdzaak identiek met de eerste genoemde 35 golfgeleidersectie, is opgenomen in de tweede van de twee golfgeleidertakken.

4. Optisch vertakkingselement volgens conclusie 2 of 3 met het kenmerk, dat de vermogenskoppelaar en de vermogenssplitser zijn 1003669. uitgevoerd als kanaalvormige golfgeleiderstructuren in een laag lichtgeleidend materiaal op een substraat, en de niet-lineaire golfgeleidersecties MQW-structuren in halfgeleider-materiaal zijn, welke zijn opgenomen tussen de respectievelijke uitgangs- en 5 ingangskanalen van de vermogenskoppelaar en -splitser.

5. Optisch vertakkingselement volgens conclusie 2 of 3 met het kenmerk. dat de vermogenskoppelaar en de vermogenssplitser zijn uitgevoerd als smeltkoppelaars van standaard optische vezels, en de niet-lineaire golfgeleidersecties porties van niet-lineaire optische 10 vezels zijn, welke zijn opgenomen tussen de respectievelijke uitgangs-en ingangskanalen van de vermogenskoppelaar en -splitser. 1003669.