SE523638C2 - Omkopplare baserad på flermodsinterferensvågledare - Google Patents

Description

523 638 En annan tillämpning för en MMI-vågledaranordning är som en. "H" 2 kopplare, såsom beskrivs i publikationen ”Multimode Interferen- ce Couplers with Tuneable Splitting Ratios" av J. Leuthold och C.H. Joyner, publicerad i Proc. ECOC 2000, september, München, volym 3. I denna publikation presenterar författarna en ny, kompakt flermodsinterferenskopplare med inställbara effektdel- ningsförhållanden. Kopplaren har stora inställningsområden och används för att optimera på-avförhållanden i interferometrian- ordningar eller t.o.m. som en omkopplare.

Behovet att ha möjlighet att rumsligt omkoppla signaler i op- tiska telekommunikationsnätverk är uppenbart. Enkel rumsomkopp- ling av bredbandssignaler medger dirigering baserad på t.ex. tillgänglig kapacitet eller omdirigering runt delar av nätver- ket som f.n. inte finns tillgängligt.

Optiska omkopplare enligt teknikens ståndpunkt står f.n. inför problem med höga förluster, hög överhörning eller höga krav på tillverkningstoleranser. De kan också ha stabilitetsproblem el- ler hög effektförbrukning.

Sammanfattning av uppfinningen Syftet med föreliggande uppfinning är att undvika eller reduce- ra de ovan nämnda problemen såväl som att tillhandahålla en kompakt omkopplingsanordning och en metod för att koppla optis- ka signaler.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller alltså en kompakt fler- modsinterferensomkopplare vari en optisk ingångssignal, vid en första sida för en MMI-vågledare, selektivt dirigeras till en utgångsvågledare vald från ett antal utgångsvågledare genom in- ställning av fasfronten för självbilder av nämnda optiska in- gångssignaler och att reflektera nämnda självbilder från en andra sida på nämnda MMI-vågledare mot nämnda första sida genom reflektiva organ. 523 essä En fördel med föreliggande uppfinning är att en mycket kompakt kopplingsanordning åstadkommes. En ytterligare fördel är till- handahâllandet av en stabil anordning som har små förluster.

Ytterligare andra fördelar är att kopplaren som tillhandahålls kommer att ha liten överhörning.

I större detalj åstadkoms nämnda fasinställning genom att till- handahålla M fasförskjutare, där M är ett heltal, och där var- dera av nämnda fasförskjutare är anordnade att individuellt ställa in fasen för N självbilder vid nämnda andra sida. MMI- vågledaren är anordnad så att en ingångsljussignal vid en till- trädesvågledare, belägen vid en sida i nämnda MMI-vågledare, delas upp i N självbilder vid en andra sida för nämnda MMI- vågledare. vardera av dessa självbilder kommer att ha en indi- viduell fas vid positionen för nämnda andra sida, för att där- med skapa en fasfördelning över de M fasförskjutarna. Fasför- skjutarna är styrbara så att fasfördelningen kan ställas in för nämnda självbilder att sammanfalla med en fasfördelning för självbilder vid nämnda andra sida som skulle skapas av en op- tisk ljussignal vid nämnda utvalda utgångsvågledare.

I en föredragen utföringsform är N och M lika. D.v.s., M=N fas- förskjutare ställer in faserna för N=M självbilder.

Enligt en aspekt av uppfinningen omfattar vardera av nämnda fasförskjutare en ljusgenomskinlig del som har ett första re- fraktivt index och organ för att ställa in nämnda refraktiva index.

Nämnda inställning kan utföras, enligt en föredragen utförings- form, genom att göra det refraktiva indexet för nämnda ljusge- nomskinliga del känslig för värme och styra värmen för nämnda inställningsorgan för att fullständigt styra det refraktiva in- dexet för nämnda ljusgenomskinliga del. Därigenom är det möj- ligt att styra den optiska väglängden för inkommande ljus och därigenom fasen för vardera självbild. n aoua n ooo n» o - vo oooo .o o o o 1 oo o o n o o oo o o s oo o o o o n o os: . . o n o o a; o o o u v o o o »u o o o o o o o o oo oo 4 Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är det refraktiva indexet för nämnda ljusgenomskinliga del känslig för ström genom eller spänning tvärs nämnda del. Styrning av spän- ningen eller strömmen och därmed det refraktiva indexet utför då inställningen.

Enligt en annan aspekt av föreliggande uppfinning omfattar var- dera av nämnda fasförskjutare reflektiva organ. Vardera av nämnda fasskiftare är anordnad så att de individuella positio- nerna för nämnda reflektiva organ är styrbara i en riktning pa- rallell med riktningen för ljusutbredningen i nämnda MMI-vågle- dare. Därmed är det möjligt att styra längden för det geomet- riska avståndet och därmed den optiska väglängden för infallan- de ljus och därmed fasen för nämnda självbilder.

Enligt en annan föredragen utföringsform omfattar nämnda fas- skiftare en termoexpansionssektion vilken, i beroende på en på- lagd temperatur, förflyttar reflektiva organ i en riktning pa- rallell med riktningen för ljusutbredning i nämnda MMI-vågle- dare.

Enligt ytterligare en annan föredragen utföringsform omfattar nämnda fasskiftare mikromekaniska fasinställningsorgan anordna- de att styrbart flytta reflektiva organ i en riktning parallell med riktningen för ljusutbredning i nämnda MMI-vågledare.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Figur 1 visar en schematisk vy av en flermodsinterferensanord- ning enligt en första föredragen utföringsform av uppfinningen.

Figur 2 visar en effektfördelning vid gränssnittet B för våg- längden ifråga i figur 1.

Figurerna 3a-3b visar olika fasfördelningar.

Figur 4 visar en schematisk vy av en anordning enligt en andra föredragen utföringsform av uppfinningen. | n o o .o 525 essä Figur 5 visar en schematisk vy av en anordning enligt en tredje n .o a o u: föredragen utföringsform av uppfinningen.

Figur 6 visar en schematisk vy av en anordning enligt en fjärde föredragen utföringsform av uppfinningen.

Figur 7 visar en schematisk vy av en lx4 omkopplare enligt en utföringsformen av uppfinningen.

Föredragna utföringsformer Figur 1 visar en schematisk ritning av en flermodsinterfacean- ordning enligt en första föredragen utföringsform av uppfin- ningen. Till vänster, vid gränssnittet A, betecknas fem access- vågledare 101 till 105. Längden och bredden för vågledaren 106 är anpassad så att en ingångsbild vid en accessvågledare kommer att skapa fem självbilder vid gränssnittet B. Ljusutbrednings- riktningen betecknas 107 och den vinkelräta riktningen 108. Det skall noteras att ljus också kan utbreda sig i den motsatta riktningen till riktning 107.

Figur 2 visar effektfördelningen vid gränssnittet B för en sig- nal som går in i MMI-vågledaren i figur 1 vid accessvågledare 101. Vardera effekttopp, betecknad 201-205, representerar en självbild och uppträder jämnt fördelad vid gränssnittet B. Med andra ord, X-axeln i figur 2 är orienterad i figur 1 i den vin- kelräta riktningen 108. Inmatning från de andra accessvågledar- na 102-105 kommer att skapa liknande effektfördelningar eller självbilder vid gränssnittet B. Effektfördelningsskillnaden vid gränssnittet B mellan olika ingångsaccessvågledare kommer att vara försumbar med en korrekt konstruktion av MMI-vågledaren.

Den optiska bandbredden för MMI-vågledaren är omvänt proportio- nell till antalet ingångs- och utgångsvågledare. Bandbredds- egenskaperna för MMI-vågledare gås mer noggrant igenom i ”Opti- cal Bandwidth and Fabrication Tolerances of Multimode Interfe- rence Couplers" av P.A. Besse, M. Bachmann, H. Melchior, L.B. v anno . ïc..- 523 ess .-l,=.m=l . k. n u 6 I s. o» av n u n u z 'u u. :nano o. n n.. n vv a . u u: v s. . . v n Soldano och M.K. Smit publicerade i Journal of Lightwave Tech- .Q nology, volym 12, nr 6, juni 1994.

Figur 3a visar fasfördelningar för självbilder vid gränssnittet B i figur 1 från de översta tre ingångsvågledarna 101-103.

D.v.s. en ljusbild som går in i MMI-vågledaren 106 i figur 1 vid accessvågledare 101 kommer att ha en effektfördelning en- ligt figur 2 och en fasfördelning enligt den_streckade linjen 301 i figur 3a. En ljusbild som går in i MMI-vågledaren 106 vid accessvågledare 102 kommer att ha en effektfördelning som lik- nar effektfördelningen i figur 2 men en helt annan fasfördel- ning enligt den streckprickade linjen betecknad 302 i figur 3a.

På liknande sätt kommer en bild som går in i MMI-vågledaren vid ingång 103 att ha en fasfördelning enligt streck-pricklinjen 303 i figur 3a.

För att underlätta hänvisningar är fasfördelningen för en bild som går in i MMI-vågledaren 106 vid accessvågledare 104 ritad med en streckad linje i figur 3b och betecknad 304. Slutligen är fasfördelningen för en bild som går in i MMI-vågledaren vid accessvågledaren 105 ritad med en streck-pricklinje i figur 3b och betecknad 305.

MMI-vågledaren 106 i figur 1 är reciprok. Vid gränssnitt B är fem fasskiftare anordnade och betecknade 109-113. Reflektoror- gan (ej visade) är anordnade att reflektera infallande ljus.

Fasskiftarna 109-113 omfattar också organ för att på ett styr- bart sätt ändra fasen för infallande ljus. Eftersom en ingångs- bild, som går in i MMI-vågledaren 106 vid accessvågledare 103, kommer att skapa en effektintensitetsfördelning enligt figur 2 och en fasfördelning enligt linje 303 i figur 3 och eftersom MMI-vågledaren är reciprok, kommer en effektfördelning enligt figur 2 vid gränssnitt B, med en fasfördelning enligt linje 303 i figur 3, som utbreder sig i den motsatta riktningen till riktning 107 att producera en enda självbild vid accessvågleda- re 103. 523 638 n a aæco :H n: | n nu u - s u n f n u .. , 7 :n -'I: o n o u u u o a -n _ v | ß o.. u o u n , . . . . f. - ~ v u f .

För att koppla om en signal, som går in i accessvågledare 102,H" så att den går ut ur accessvågledare 103 fungerar alltså anord- ningen i figur 1 enligt följande. Den optiska signalen kommer att gå in i MMI-vågledaren 106 och skapa fem självbilder vid gränssnitt B enligt figur 2 med en fasfördelning enligt linje 302 i figur 3. Fasskiftarna 109-113 är styrbart satta att för- ändra fasen för det infallande ljuset att sammanfalla med fas- fördelningen enligt linje 303 i figur 3 efter reflektion och att det helt har passerat fasskiftarna.

Det är naturligtvis möjligt att fininställa fasskiftarna att reproducera noggrann skiftning för att imitera fasfördelningen 303 i bästa möjliga mån. Pâ detta sätt skapas en reflektion vid gränssnitt B med en fasfördelning enligt 303 i figur 3, som ut- breder sig motsatt riktningen 107, som ger en enda självbild vid accessvågledare 103. Därmed åstadkommes en dynamisk omkopp- ling från access 102 till access 103. Genom att skifta fasen för infallande ljus för signalen som går in i MMI-vågledaren kan signalen kopplas om till vilken som helst av accessvågle- darna 101-105, d.v.s. inkluderande ingångsaccessvågledaren. Det finns i princip ingen begränsning beträffande antalet ingångs- och utgångsaccessvågledare, d.v.s. en PXQ MMI-vågledaromkopp- lare. Om olika ingångs- och utgångsaccessvågledare krävs, så är antalet accessvågledare N lika med P+Q, alternativt om samma ingångs- och utgångsaccessvågledare används, krävs en NXN- omkopplare.

Figur 4 visar en anordning enligt en andra föredragen utfö- ringsform av uppfinningen. Denna anordning är en lx8-omkopplare med en ingångsaccessvågledare 401 och åtta utgångsaccessvågle- dare gemensamt betecknade 402. Nio individuella styrbara fas- skiftare 404 används för att styra fasfronten för en infallande ljusbild. Varje fasskiftare omfattar ett transparent medium som har ett refraktivt index, vilket är styrbart genom att anbringa en spänning tvärs över nämnda medium. Det är också möjligt att använda ett termooptiskt material, vari variation av temperatu- 523 638 =--0 8 ren styr det refraktiva indexet. Genom att varrera det refrakïin tiva indexet för fasskiftarna 404 är den optiska väglängden styrbar och därmed fasfronten för en infallande ljusbild. En bredbandig reflektionssektion 405 reflekterar den fasanpassade bilden till den utvalda utgångsaccessvågledaren 402. MMI- vågledaren 403 omfattar en adiabatisk avsmalnande sektion 407 med en vinkel 6, 408. Eftersom fasen för det infallande ljuset ställs in över ett relativt långt avstånd, d.v.s. under färden genom fasskiftarna 404, förändras intensitetsfördelningen för ljuset under avståndet genom fasskiftarna 404. Genom att ha en adiabatisk avsmalning av vågledaren, d.v.s. utan koppling till högre moder, erhålls en långsammare förändring av intensitets- fördelningen för det infallande ljuset. Därmed åstadkommes en mer effektiv omkoppling med väsentligt reducerad överhörning och också minskad effektförlust.

Vid konstruktion av anordningen bör hänsyn tas till att inte bara det infallande ljuset kommer att passera fasskiftarna och den transparenta delen med anpassat refraktivt index, utan ock- så det reflekterade ljuset. Detta måste beaktas vid konstruk- tion av fasskiftarna så att en riktig fasinställning erhålles.

Fasskiftarna är ordentligt isolerade mellan varandra 406, så att en minimal överhörning sker.

Figur 5 visar en 1x8-omkopplare enligt en tredje föredragen ut- föringsform av uppfinningen. Samma detaljer betecknas med samma siffror. Fasskiftare, gemensamt betecknade 501, omfattar en första del 502 som har en bredbandig reflektionssida 503 anord- nad att reflektera infallande ljus. Nämnda första del är anord- nad att vara förflyttningsbar i riktningen för ljusutbredning i MMI-vågledaren. Företrädesvis är nämnda första del 502 fjäder- förspänd att inta en första position och är förflyttningsbar i en riktning mot nämnda accessvågledare 401 och 402 till en and- ra position genom en andra del 504 av nämnda fasskiftare 501.

Nämnda andra del är en mikromekanisk anordning, vilken på ett styrbart sätt puttar nämnda första del 502 mot nämnda access- 523 638 n :ana 9 vågledare för att därigenom korta det geometriska avståndet för- infallande ljus, vilket möjliggöra fininställning av fasen för nämnda infallande ljus. Vardera av nämnda mikromekaniska anord- ningar 504 är individuellt styrbar av ett styrorgan 505. I den- na föredragna utföringsform har en MMI-vågledaren inte någon avsmalnande sektion, eftersom förändringen av fas för det in- fallande ljuset sker över en relativt kort distans. Därmed be- höver inga överväganden göras med avseende på förändringar av intensitetsfördelning.

Refraktivt indexmatchningsorgan 506 används för att matcha det refraktiva indexet i MMI-vågledaren 507. Detta är nödvändigt eftersom fasskiftarna kommer att förflyttas och gap, med t.ex. luft eller vakuum, kan uppträda i gränssnittet mellan fasskif- tarna 501 och MMI-vågledaren. Indexmatchningsorganet kan t.ex. vara en vätska med samma refraktiva index som MMI-vågledaren. I det fallet föredras det att ställa vätskan under tryck för att förhindra bubbelbildning. Det är också möjligt att använda ett mjukt material, vilket kommer att följa rörelserna för fasskif- tarna, t.ex. kiselgummi.

Figur 6 visar en lx8-omkopplare enligt en fjärde utföringsform av uppfinningen. Samma detaljer betecknas med samma siffror.

Nio fasskiftare 601 är individuellt styrbara. En bredbandig re- flektionssektion 602 är belägen på en termoexpansionsdel 603.

Nämnda termoexpansionsdel 603 förflyttar nämnda bredbandiga re- flektionssektion i en riktning parallell med ljusutbredningen i nämnda MMI-vågledare. Termoexpansionsdelen 603 är styrbar genom ett uppvärmningselement 604. Därmed är det möjligt att indivi- duellt styra vardera fasskiftare genom applikation av värme ge- nom nämnda värmeelement för att ställa in fasen för en infal- lande ljusbild. För att undvika termisk överhörning och undvika att förändra det refraktiva indexet för indexmatchningsorganen 506 genom att förändra dess temperatur anbringas ett termiskt isoleringslager 605 mellan den termiska expansionsdelen 603 och indexmatchningsorganen 506. 7523 ess u u... 10 Figur 7 visar en 1x4-omkopplar med en ingångsvágledaraccessport. 701 kopplad till en MMI-vågledaromkopplaranordning 702. Fyra utgångsvågledaraccessportar betecknas 703, 704, 705 och 706. En isoleringsplatta 707 är anordnad för att förhindra överhörning mellan ingångsaccessvågledaren 701 och utgångsaccessvågledarna 703-706. Omkopplaren är approximativt 5 mm bred, avstånd A, och 10 mm hög, avstånd B, med indexkontrast A=l,5% ( A==Éí:ïg9¿ ). "cum Figuren är inte i skala, t.ex. är avståndet C tvärs utgångspor- tarna 703-706 approximativt 1 mm.

Claims (13)

~523 638 11 ï3ï3š š;ï"ë.ï}_š'_;“" Patentkrav

1. Anordning för rumsselektiv omkoppling av en optisk sig- nal från en ingångsaccessvågledare (l01; 401) till en första utvald utgångsaccessvågledare (101, 102, 103, 104, 105; 401, 402), - nämnda anordning omfattar en flermodsinterferensvågledare (MMI) (106; 403; 107) som vid en första sida har ett antal, N, accesser för koppling av accessvågledare, - nämnda MMI-vågledare har en längd, i ljusutbredningsriktning, så att en bild vid den i:te, i 5 N accessvågledaren som breder ut sig i nämnda MMI-vågledare kommer att skapa N självbilder vid en andra sida motstående nämnda första sida, där N är ett heltal större än 1, k ä n n e t e c k n a d a v - reflektiva organ (405; 503; 602), belägna i nämnda MMI-vågle- dare nära nämnda andra sida, anordnade att reflektera nämnda N självbilder mot nämnda första sida för nämnda MMI-vågledare, och - organ (109, 110, 111, 112, 113; 404; 501; 601), anordnade vid nämnda andra sida för att anpassa fasen för vardera av nämnda självbilder för att skapa en enda självbild vid nämnda utvalda utgångsaccessvågledare.

2. Anordning enligt patentkrav 1, vari de N självbilderna som kommer från nämnda optiska signal som går in i nämna MMI- vågledare vid den i:te accessvågledaren vardera har en fas pmi som utgör en uppsättning Pi som beskriver en fasfördelning av självbilderna vid nämnda andra sida, och - nämnda organ för att ställa in fasen för vardera självbild är anordnad att anpassa fasfördelningen Pi, vid nämnda andra sida, för självbilder från en ingångsaccessvågledare i, att 523 638 12 sammanfalla med fasfördelningen Pi för en utvald utgångsac-H". cessvågledare j.

3. Anordning enligt krav 1, vari nämnda organ för att an- passa fasen för vardera självbild omfattar N individuella fas- skiftare anordnade i linje vinkelrätt med utbredningsriktningen för infallande ljus vid nämnda andra sida.

4. Anordning enligt krav 3, vari vardera av nämnda fasskif- tare omfattar organ för att anpassa det refraktiva indexet för åtminstone en del av nämnda fasskiftare.

5. Anordning enligt krav 4, vari det refraktiva indexet an- passas genom att anpassa temperaturen eller anbringa en spän- ning tvärs åtminstone en del av nämnda fasskiftare.

6. Anordning enligt krav 3, vari nämnda reflektiva organ är anordnade på en yta, som är riktad mot ljusutbredningsriktning- en, för vardera av nämnda fasskiftare, och vari vardera av nämnda fasskiftare omfattar organ (504, 505) för att anpassa dess position i en riktning parallell med ljusutbredningsrikt- ningen i nämnda MMI-vågledare.

7. Anordning enligt krav 6, vari åtminstone en del av nämn- da fasskiftare är konstruerad av ett termoexpansivt material (603), nämnda positionsanpassningsorgan är ett temperaturan- passningsorgan, och att nämnda temperaturanpassningsorgan är kopplat till nämnda åtminstone del av nämnda fasskiftare så att en förändring i temperatur för nämnda temperaturanpassningsor- gan förändrar längden för nämnda fasskiftare.

8. Anordning enligt krav 6, vari åtminstone en del av var- dera av nämnda fasskiftare är förflyttningsbar i en riktning parallell med 1jusutbredningsriktningen i nämnda MMI-vågledare, och vari nämnda positionsanpassningsorgan är en mikromekanisk anordning anordnad att förflytta nämnda åtminstone en del av nämnda fasskiftare i nämnda ljusutbredningsriktning. 523 638 13

9. Anordning enligt krav 6, vari refraktivt.indexmatch:' ningsorgan (506) anbringas mellan nämnda MMI-vågledare och var- dera av nämnda fasskiftare.

10. Anordning enligt krav 3, vari vardera av nämnda fasskif- tare är anordnad sida vid sida med ett isoleringsavstånd (406) däremellan.

11. Metod för att koppla en optisk signal från en första ingångsaccessvågledare till en första utvald utgångsaccessvåg- ledare, nämnda första vågledare och en uppsättning med utgångsaccessvågledare är kopplade till en första sida för en MMI-vâgledare, - en första uppsättning N, där N är ett heltal, av självbilder skapas vid en andra sida för nämnda MMI-vågledare från en bild som uppträder vid nämnda ingångsaccessvâgledare, k ä n n e t e c k n a d a v - fasen för vardera av nämnda första uppsättning med självbil- der vid nämnda andra sida ställs in att sammanfalla med fasför- delningen för en andra uppsättning med självbilder, vilka skul- le uppträda vid nämnda andra sida från en bild som uppträder vid en utvald utgångsaccessvågledare, och - nämnda första uppsättning med självbilder reflekteras mot nämnda första sida.

12. Metod enligt krav 11, vidare omfattande steget att an- passa det refraktiva indexet för M, där M är ett heltal, fas- skiftare anordnade vid positionen för vardera av nämnda själv- bilder vid nämnda andra sida.

13. Metod enligt krav ll, vidare omfattande steget att an- passa positionen för M fasskiftare i en riktning parallell till ljusutbredningsriktningen i nämnda MMI-vågledare, nämnda fas- skiftare är anordnade vid positionen för vardera av nämnda självbilder vid nämnda andra sida.