DE60122247T2

DE60122247T2 - Optischer Multiplexer/Demultiplexer

Info

Publication number: DE60122247T2
Application number: DE60122247T
Authority: DE
Inventors: Manabu Musashino-shi Oguma; Akira Musashino-shi Himeno; Kaname Musashino-shi Jinguji; Tsutomu Musashino-shi Kitoh; Yoshinori Musashino-shi Hibino
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: US6606433B2; EP1168010A2; EP1168010A3; US20020015554A1; DE60122247D1; EP1168010B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Multiplexer/Demultiplexer zum Multiplexen von optischen Signalen mit hoher Dichte für eine optische Kommunikation oder in einem Bereich optischer Vermittlung.
Seit kurzem wurde ein Wellenlängenmultiplexverfahren einer steigenden Anzahl von Kanälen untersucht, um dem wachsenden Bedürfnis des Kommunikationsverkehrs Rechnung zu tragen. Auf Grund der begrenzten Bandbreite optischer Fasern bei niedrigem Verlust oder der begrenzten Verstärkungsbandbreite von mit seltenen Erdmetallen dotierten Faserverstärkern bei geringem Rauschen wie zum Beispiel Erbium-dotierten Faserverstärkern sind optische Multiplexer/Demultiplexer gefordert, die optische Signale mit einem kleineren Kanalabstand handhaben können. Array-Wellenleiter-Gitter (AWGs) sind typische optische Multiplexer/Demultiplexer, die einer derartigen Anforderung genügen.
Ein Array-Wellenleiter-Gitter, das eine große Anzahl von Signalen auf einmal selbst multiplexen kann, kann für ein optisches Kommunikationssystem verwendet werden und wird tatsächlich in derzeitig betriebenen optischen Systemen verwendet. Ein optischer Multiplexer/Demultiplexer wie das Array-Wellenleiter-Gitter, das eine Anzahl von Signalen (nicht weniger als 8 Wellen) handhabt, wird, wenn das Übersprechen je Kanal nicht sehr gering ist, aufgrund des kumulativen Rauschens nicht für ein optisches Kommunikationssystem verwendbar sein. Heute erzielen Array-Wellenleiter-Gitter mit einem Kanalabstand von 100 GHz ein ausreichend geringes Übersprechen von weniger als –40 dB und befinden sich derzeitig in der Massenproduktion. Bei den Array-Wellenleiter-Gittern mit einem kleineren Wellenlängenabstand eines Kanalabstands von 10 GHz wurde die Massenherstellung jedoch aufgrund des Problems, dass nur geringes Übersprechen nicht erhalten werden kann, bis der Phasenfehler bei der Herstellung nicht genau geschätzt und kompensiert wird, noch nicht durchgeführt.
Abgesehen von den Array-Wellenleiter-Gittern gibt es einige optische Multiplex/Demultiplex-Vorrichtungen, die Komponenten wie zum Beispiel Fasergitter oder Dünnfilmfilter verwenden. Es ist für diese jedoch schwierig, gleichzeitig derartige Anforderungen wie eine Kanalkonfiguration mit einem präzisen Wellenlängenabstand, einem geringen Überschussverlust und einem geringen Ungleichgewicht des Verlusts der einzelnen Kanäle zu erfüllen. Somit werden optische Multiplexer/Demultiplexer vorgeschlagen, die nur wenig Kanäle handhaben können.
Um einen optischen Multiplexer/Demultiplexer zu implementieren, der optische Signale mit einem kleinen Wellenlängenabstand handhaben kann, wird ein Verfahren vorgeschlagen, das zwei existierende Array-Wellenleiter-Gitter mit einem Mach-Zehnder-Filter mit einem FSR (freier Spektralbereich (Free Spectral Range)) von gleich dem Kanalabstand der Array-Wellenleiter-Gitter kombiniert.
Die Verwendung eines derartigen Verfahrens kann einen optischen Multiplexer/Demultiplexer bilden, der in der Lage ist, scheinbar die Anzahl der Kanäle des Array-Wellenleiter-Gitters unter Verwendung der existierenden Array-Wellenleiter-Gitter zu verdoppeln. Da die Array-Wellenleiter-Gitter und das Mach-Zehnder-Filter aus optischen Wellenleitern vom selben Typ aufgebaut werden können, weist das Verfahren außerdem kein Problem hinsichtlich des Verbindungsverlustes auf, und sie können auf einfache Weise auf demselben Substrat integriert werden. Außerdem weist das Verfahren den Vorteil auf, dass es in der Lage ist, das Übersprechen mit anderen Kanälen mit Ausnahme der benachbarten Kanäle auf einen ausreichend kleinen Wert mittels der existierenden Array-Wellenleiter-Gitter zu unterdrücken.
Da jedoch das Mach-Zehnder-Filter eine schmale Sperrbandbreite aufweist und somit benachbarte Kanäle des optischen Multiplexers/Demultiplexers, der durch das Verfahren gebildet wird, ebenfalls eine kleine Sperrbandbreite aufweisen, weist die Verwendung des Mach-Zehnder-Filters mit einem derartigen Übertragungsspektrum das Problem auf, dass es nicht in der Lage ist, das Übersprechen eines benachbarten Kanals unter Berücksichtigung der Mittenwellenlängenvariationen der optischen Signale ausreichend zu verbessern. Außerdem wird, da das optische Signal des Kanals zwei Filter durchläuft, die Durchlassbandbreite kleiner. Somit weist der optische Multiplexer/Demultiplexer, der durch Kombinieren des Mach-Zehnder-Filters mit den Array-Wellenleiter-Gittern aufgebaut ist, das Problem auf, dass die erlaubte Bandbreite der optischen Signalwellenlänge verringert wird.
Das Dokument JP 11 223736 A beschreibt einen optischen Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer, wobei ein Lichtwellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer aus einem optischen Wellenleiter aufgebaut ist, der auf einem ebenen Substrat ausgebildet ist. Ein Lichtwellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer vom asymmetrischen Mach-Zehnder-Interferometertyp und zwei Lichtwellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer vom Array-Wellenleiter-Gittertyp sind mit zwei Ausgängen des Lichwellenlängen-Multiplexers/Demultiplexers vom asymmetrischen Mach-Zehnder-Interferometertyp verbunden. Die Kanalanzahl wird unter Verwendung mehrerer Array-Wellenleiter-Gitter verdoppelt. Die Durchlassbandbreite wird jedoch dadurch verringert.
Die folgende Erfindung entstand, um die vorherigen Probleme zu lösen. Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Multiplexer/Demultiplexer bereitzustellen, der eine große Durchlassbandbreite und ein geringes Übersprechen über sämtliche Kanäle aufweist, um optische Signale mehrerer Wellenlängen mit schmalen Kanälen zu handhaben.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Somit weist das periodische Filter vom Wellenleitertyp gemäß der vorliegenden Erfindung zwei optische Wellenleiter und drei Richtkoppler auf, die die optischen Wellenleiter an drei Orten koppeln. Als Ergebnis kann die Sperrbandbreite der benachbarten Kanäle des optischen Multiplexers/Demultiplexers, der die Kombination aus dem Array-Wellenleiter-Gitter und dem periodischen Filter vom Wellenleitertyps aufweist, verbreitert werden. Es ist vorteilhaft, wenn das periodische Filter vom Wellenleitertyp aus einem optischen 2 × 2-Signalprozessor besteht, der Übertragungsspektren mit einem quadratischen Profil mit einer breiten Durchlassbandbreite und einer breiten Sperrbandbreite aufweisen kann. Dieses ermöglicht die Unterdrückung des Übersprechens unter sämtlichen Kanälen auf einen geringen Betrag sogar dann, wenn die Mittenwellenlängenvariationen des optischen Signals berücksichtigt werden.
Da das periodische Filter vom Wellenleitertyp ein breites Durchlassband mit flacher Spitze und ein breites Sperrband aufweist, weisen die Übertragungskanäle den Vorteil auf, dass sie in der Lage sind, die Verringerung des richtigen Durchlassbandes der Array-Wellenleiter-Gitter zu verhindern.
Somit kann die Verwendung des optischen Wellenleiterfilters mit dem erfindungsgemäßen Aufbau einen optischen Multiplexer/Demultiplexer mit einem breiten Durchlassband und einem geringen Übersprechen über sämtliche Kanäle sogar dann schaffen, wenn die Anzahl der Kanäle des existierenden Array-Wellenleiter-Gitters verdoppelt wird.
Wie es oben beschrieben wurde, verwendet das periodische Filter vom Wellenleitertyp den optischen 2 × 2-Signalprozessor, der die beiden optischen Wellenleiter und die drei Richtkoppler, die die optischen Wellenleiter an drei Orten koppeln, aufweist, der die optischen Wellenleiter mit den optischen Pfadlängendifferenzen an zwei Orten zwischen den Richtkopplern bereitstellt und der Übertragungsspektren mit einem quadratischen Profil mit einem breiten Durchlassband und breiten Sperrband bereitstellen kann. Als Ergebnis kann die Sperrbandbreite der benachbarten Kanäle des optischen Multiplexers/Demultiplexers, der die Kombination aus den Array-Wellenleiter-Gittern und dem periodischen Filter vom Wellenleitertyp enthält, verbreitert werden. Dieses ermöglicht das Übersprechen unter sämtlichen Kanälen sogar unter Berücksichtigung der Mittelwellenlängenvariationen des optischen Signals.
Außerdem weisen die Übertragungskanäle einen Vorteil dahingehend auf, dass sie in der Lage sind, die Verringerung im richtigen Durchlassband der Array-Wellenleiter-Gitter zu verhindern, da das periodische Filter vom Wellenleitertyp ein breites Durchlassband mit flacher Spitze aufweist.
Somit kann die Verwendung des optischen Wellenleiterfilters mit dem erfindungsgemäßen Aufbau einen optischen Multiplexer/Demultiplexer mit einem breiten Durchlassband und geringem Übersprechen über sämtliche Kanäle sogar dann schaffen, wenn die Anzahl der Kanäle des existierenden Array-Wellenleiter-Gitters verdoppelt wird.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen deutlich.
Es zeigen:
1 ein Diagramm, das eine Konfiguration eines ersten Beispiels des optischen Multiplexers/Demultiplexers zeigt,
2 ein Diagramm, das die Übertragungscharakteristik des ersten Beispiels und die Übertragungscharakteristika von dessen Komponenten darstellt,
3 ein Diagramm, das eine Konfiguration eines herkömmlichen optischen Multiplexers/Demultiplexers zeigt,
4 ein Diagramm, das die Übertragungscharakteristik des herkömmlichen optischen Multiplexers/Demultiplexers und die Übertragungscharakteristika von dessen Komponenten darstellt,
5 ein Diagramm das ein Übersprechen benachbarter Kanäle in dem ersten Beispiel und in dem herkömmlichen optischen Multiplexer/Demultiplexer zeigt,
6 ein Diagramm, das ein vergrößertes Spektrum in dem Durchlassband des ersten Beispiels und demjenigen des herkömmlichen optischen Multiplexers/Demultiplexers zeigt,
7 ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Ausführungsform des optischen Multiplexers/Demultiplexers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
8 ein Diagramm, das die Übertragungscharakteristik der Ausführungsform und die Übertragungscharakteristika ihrer Komponenten zeigt,
9 ein Diagramm, das vergrößerte Spektren des Durchlassbandes eines 2 × 2-Wellenleiterfilters, das die Ausführungsform bildet, zeigt,
10 ein Diagramm, das vergrößerte Spektren des Durchlassbandes der Ausführungsform zeigt,
11 ein Diagramm, das eine Konfiguration eines zweiten Beispiels des optischen Multiplexers/Demultiplexers zeigt, und
12 ein Diagramm, das die Übertragungscharakteristik des zweiten Beispiels zeigt.
Im Folgenden werden die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und die Beispiele mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Diagramm, das ein Konfiguration eines ersten Beispiels des optischen Multiplexers/Demultiplexers zeigt. In dieser Figur bezeichnen die Bezugszeichen 101 und 102 erste und zweite Array-Wellenleiter-Gitter, und das Bezugszeichen 103 bezeichnet einen optischen 2 × 2-Signalprozessor, der ein periodisches Filter vom Wellenleitertyp bildet. Der optische 2 × 2-Signalprozessor 103 weist erste, zweite, dritte und vierte Richtkoppler 104, 105, 106 und 107 sowie erste, zweite und dritte Verzögerungsleitungen 108, 109 und 110 auf. Die ersten, zweiten und dritten Verzögerungsleitungen 108, 109 und 110 sind mit Dünnfilm-Heiz-Phasenschiebern 111 und 112, 113 und 114 und 115 und 116 zum Korrigieren von Phasenfehlern, die bei der Herstellung erzeugt werden, versehen. Außerdem ist ein optischer Überwachungswellenleiter 117 zum Überprüfen der Einstellbedingungen der Dünnfilm-Heiz-Phasenschieber 111, 112, 113, 114, 115 und 116 auf halbem Weg durch das Array-Wellenleiter-Gitter 101 angebracht.
Die Array-Wellenleiter-Gitter 101 und 102 weisen einen Kanalabstand von 100 GHz auf, wobei die Mittenwellenlänge jeweils um 50 GHz verschoben ist. Der optische 2 × 2-Signalprozessor 103 weist einen FSR von 100 GHz auf und ist derart hergestellt, dass die Ausgangsanschlüsse jeweils in einem Abstand von 50 GHz geschaltet bzw. vermittelt werden. Außerdem sind die Winkeldarstellungen der Koppelkoeffizienten der ersten, zweiten, dritten und vierten Richtkoppler 104, 105, 106 und 107 derart ausgelegt, dass sie jeweils π/4, 3π/8, π/6 und π/24 aufweisen, sodass der optische 2 × 2-Signalprozessor 103 ein Spektrum mit flacher Spitze aufweist. Außerdem sind die ersten, zweiten und dritten Verzögerungsleitungen 108, 109 und 110 derart ausgelegt, dass sie jeweils eine Länge von L, 2L + λ/2 und 2L + λ/2 aufweisen, wobei λ = 1553,6 nm, nL = 3 mm und n der effektive Index des Kanalwellenleiters ist. Die Berechnung der Parameter wird durch ein Verfahren durchgeführt, das in Jinguji etc., „Optical Half-Band Filters", Journal of Lightwave Technology, Band 18, Nr. 2, Februar 2000, Seiten 252–259, beschrieben ist.
Obwohl das vorliegende Beispiel die oben beschriebenen Parameter verwendet, ist die Kombination der Parameter nicht darauf beschränkt, sodass das vorliegende Beispiel nicht auf die Kombinationen der Wellenleiterparameter des vorliegenden Beispiels beschränkt ist.
Tatsächliche Wellenleiter werden durch Kombinieren einer Technik des Ausbildens eines auf Silikat basierenden Glas-Dickfilms auf einem Si-Substrat durch Flammenhydrolyseabscheidung (FHD) mit einem Wellenleiterprozess, der durch Photolithographie und Trockenätzen durchgeführt wird, hergestellt. Die letztlich hergestellten Wellenleiter weisen einen Querschnitt mit einer Höhe von 7 μm und einer Breite von 7 μm sowie eine relative Brechungsindexdifferenz von 0,75% auf.
Die Endoberflächen der hergestellten Wellenleiter wurden mit einer Trennsäge (dicing) abgeschnitten, und die Eingangs- und Ausgangswellenleiter, die mit Dispersions-verschobenen Fasern verbunden sind, die allgemein in Übertragungsleitungen in Japan verwendet werden, wurden dann einem Schätzverfahren unterzogen. Das ASE-Licht (verstärkte Spontanemission (Amplified Spontaneous Emission)), das von einem Erbium-dotierten optischen Faserverstärker emittiert wird, wurde in den optischen 2 × 2-Signalprozessor 103 eingegeben, und die Betriebspunkte der Dünnfilm-Heiz-Phasenschieber 111, 112, 113,114,115 und 116 wurden durch Überwachung des Lichtausgangs von dem Überwachungsanschluss des optischen Wellenleiters 117 durch einen optischen Spektrum-Analysator bestimmt. Nach dem Eingeben des ASE-Lichts in den optischen 2 × 2-Signalprozessor 103 wurden die Lichtstrahlen, die von den Array-Wellenleiter-Gittern 101 und 102 ausgegeben wurden, durch den opti schen Spektrum-Analysator geschätzt. Nach dem Schätzen der Charakteristika der gesamten Schaltung gemäß dem vorliegenden Beispiel wurden die Array-Wellenleiter-Gitter 101 und 102 von dem optischen 2 × 2-Signalprozessor 103 mit der Trennsäge getrennt, um die einzelnen Übertragungsspektren zu schätzen.
2 ist ein Graph, der das Übertragungsspektrum der gesamten Schaltung, dasjenige der Array-Wellenleiter-Gitter und dasjenige des optischen 2 × 2-Signalprozessors in der Nähe von 193,1 THz zeigt. Das Durchlassband der Array-Wellenleiter-Gitter stimmt mit demjenigen des optischen 2 × 2-Signalprozessors als Ergebnis des geeigneten Einstellens der Betriebspunkte der Phasenschieber überein. Anhand der 2 ist zu sehen, dass die Mittenwellenlänge des Durchlassbandes von 193,1 THz von dem Licht, das um 100 GHz oder mehr durch das Array-Wellenleiter-Gitter getrennt ist, und von dem um 50 GHz benachbarten Licht des nächsten Kanals durch den optischen 2 × 2-Signalprozessor als Ergebnis der Kombination der beiden optischen Filter, der Array-Wellenleiter-Gitter und zusätzlich des optischen 2 × 2-Signalprozessors, isoliert ist.
3 ist ein Diagramm, das eine herkömmliche optische Schaltung zeigt, die aus einer Kombination eines Mach-Zehnder-Filters und Array-Wellenleiter-Gittern besteht. In dieser Figur bezeichnen die Bezugszeichen 301 und 302 jeweils ein Array-Wellenleiter-Gitter, das Bezugszeichen 303 bezeichnet einen Mach-Zehnder-Filter, die Bezugszeichen 304 und 305 bezeichnen jeweils einen Richtkoppler, das Bezugszeichen 306 bezeichnet eine Verzögerungsleitung und die Bezugszeichen 307 und 308 bezeichnen jeweils einen Dünnfilm-Heiz-Phasenschieber. 4 stellt die Übertragungscharakteristika dar. Hier werden die Übertragungscharakteristika der herkömmlichen optischen Schaltung, die in 4 dargestellt ist, mit den Übertragungscharakteristika der optischen Schaltung gemäß dem ersten Beispiel, das in 2 dargestellt ist, verglichen.
5 zeigt die vergrößerten Übertragungsspektren der benachbarten Kanäle von den Übertragungscharakteristika der beiden optischen Schaltungen. Obwohl die beiden optischen Schaltungen ein geringes Übersprechen von weniger als –30 dB bei 193,15 THz aufweisen, unterscheiden sich ihre Sperrbandbreiten stark voneinander. Beispielsweise ist es, um das Übersprechen von –30 dB oder weniger zu erzielen, für die optische Schaltung gemäß dem ersten Beispiel ausreichend, wenn es eine Trennung von etwa 45 GHz aufweist, während die herkömmliche optische Schaltung eine Trennung von etwa 49 GHz von der Mittenwellenlänge des Durchlassbandes aufweisen muss. Mit anderen Worten beträgt die Bandbreite, die das Übersprechen von –30 dB oder weniger in der Nähe des benachbarten Kanals bereitstellt, in dem her kömmlichen Beispiel etwa 2 GHz, aber etwa 10 GHZ in der optischen Schaltung gemäß dem ersten Beispiel. Im Vergleich zum Kanalabstand von 50 GHz weist die optische Schaltung gemäß dem ersten Beispiel im Vergleich zu herkömmlichen Schaltung, die einen Sperrbereich von 4% aufweist, einen viel größeren Sperrbereich von 20% auf.
6 stellt vergrößerte Übertragungsspektren der Übertragungskanäle der beiden Schaltungen dar. Obwohl die beiden Schaltungen einen geringen Unterschied in der Transmittanz bei 193,10 THz aufweisen, weisen sie große Unterschiede in den Variationen der Transmittanz in Bezug auf die Frequenz auf. Bei einer Definition einer 1-dB-Durchlassbandbreite als eine Bandbreite, die die Transmittanzverschlechterung auf 1 dB in Bezug auf die Transmittanz bei der Mittenwellenlänge des Durchlassbandes herabsetzt, weist die optische Schaltung gemäß dem ersten Beispiel im Vergleich zu herkömmlichen optischen Schaltungen, die eine 1-dB-Durchlassbandbreite von 22 GHz aufweist, eine 1-dB-Durchlassbandbreite von 28 GHz auf. Im Vergleich zum Kanalabstand von 50 GHz ist zu sehen, dass, obwohl die Transmittanzverschlechterung von weniger als 1 dB 44% in der herkömmlichen optischen Schaltung belegt, sie sich auf 56% in der Konfiguration der optischen Schaltung gemäß dem ersten Beispiel erhöht.
Welcher der beiden Wellenleiter des optischen 2 × 2-Signalprozessors 103 als der Eingangswellenleiter zu verwenden ist, hängt von der Wellenlängenzuordnung des optischen 2 × 2-Signalprozessors 103 und der beiden Array-Wellenleiter-Gittern 101 und 102 ab. Da jedoch das vorliegende Beispiel des optischen Multiplexers/Demultiplexers den Eingangswellenleiter durch Verschieben seiner Phase um einen Betrag von π durch Betreiben des Phasenschiebers 111 oder 112 wechseln kann, ist es nicht notwendig, den Eingangswellenleiter zu spezifizieren.
7 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Ausführungsform des optischen Multiplexers/Demultiplexers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Ausführungsform weist zwei Operationsmodi auf: einer besteht darin, das Übersprechen eines benachbarten Kanals zu verringern, und der andere besteht darin, die Durchlassbandbreite zu erhöhen, wobei die Details im folgenden genauer beschrieben werden.
Die Ausführungsform weist zwei Array-Wellenleiter-Gitter 701 und 702 und einen optischen 2 × 2-Signalprozessor 703 auf, der als ein periodisches Filter vom Wellenleitertyp dient. Der optische 2 × 2-Signalprozessor 703 weist einen Richtkoppler 704, ab stimmbare Koppler 713 und 714 und Verzögerungsleitungen 709 und 711 auf. Der abstimmbare Koppler 713 weist zwei Richtkoppler 705 und 706 und eine dazwischen angeordnete Verzögerungsleitung 710 auf. Auf ähnliche Weise weist der abstimmbare Koppler 714 zwei Richtkoppler 707 und 708 sowie eine Verzögerungsleitung 712, die dazwischen angeordnet ist, auf. Die Verzögerungsleitungen 709, 710, 711 und 712 weisen jeweils zwei der Dünnfilm-Heiz-Phasenschieber 715–722 auf, um die Phasenfehler zu korrigieren, die bei der Herstellung entstehen. Außerdem ist ein optischer Überwachungswellenleiter 723 am Mittelpunkt des Array-Wellenleiter-Gitters 701 befestigt, um die Einstellbedingungen der Dünnfilm-Heiz-Phasenschieber 715–722 zu überprüfen.
Die Verzögerungsleitungen 709 und 711 sind derart ausgelegt, dass sie jeweils Verzögerungen von L und 2L + λ/2 aufweisen, wobei λ = 1553,6 nm, nL = 3 mm, und n ein Brechungsindex der Kanalwellenleiter ist. Die Richtkoppler 704, 705, 706, 707 und 708 sind sämtlich derart ausgelegt, dass sie eine Winkeldarstellung des Koppelkoeffizienten von π/4 aufweisen, und die Verzögerungsleitungen 710 und 712 sind derart ausgelegt, dass sie jeweils Verzögerungen von λ/6 und 5λ/12 aufweisen, wobei λ = 1553,6 nm gilt. Ohne Herstellungsfehler würden die abstimmbaren Koppler 713 und 714 eine Winkeldarstellung des Koppelkoeffizienten von jeweils π/3 und π/12 aufweisen. Die Sollkoeffizienten π/3 und π/12 können trotz kleiner Phasenfehler der Richtkoppler und optischen Pfadlängen erzielt werden, da die abstimmbaren Koppler 713 und 714 ihre Winkeldarstellungen des Koppelkoeffizienten durch Betreiben der Phasenschieber 717, 718, 721 und 722 vollständig einstellen können. Außerdem können deren Winkeldarstellungen der Koppelkoeffizienten auf gegebene Werte wie beispielsweise (π/3) – x, (π/12) + x, etc. eingestellt werden. Die Sollwerte der Parameter des optischen 2 × 2-Signalprozessors gemäß der Ausführungsform werden ebenfalls durch das Verfahren berechnet, das in der obigen Veröffentlichung Jinguji etc., „Optical Half-Band Filters", Journal of Lightwave technology, Band 18, Nr. 2, Februar 2000, Seiten 252–259, beschrieben ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung die oben beschrieben Parameter verwendet, ist die Kombination der Parameter nicht darauf beschränkt. Derselbe Effekt kann durch Einstellen der Winkeldarstellungen der Koppelkoeffizienten auf (π/6) + x und (π/12) + x, und der optischen Pfadlängendifferenzen auf L und –2L oder durch Austauschen der Reihenfolge dieser Werte erzielt werden. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Kombinationen der Wellenleiterparameter der vorliegenden Ausführungsform beschränkt.
Die tatsächlichen Wellenleiter der vorliegenden Ausführungsform wurden ebenfalls durch Kombinieren der Technik des Ausbildens eines auf Silikat basierenden Glas-Dickfilmes auf einem Si-Substrat durch Flammenhydrolyseabscheidung mit dem Wellenleiterprozess, der mittels Photolithografie und Trockenätzen durchgeführt wird, hergestellt. Der letztlich hergestellte Wellenleiter weist einen Querschnitt mit einer Höhe von 7 μm und einer Breite von 7 μm sowie einen relative Brechungsindexdifferenz von 0,75% auf.
Die hergestellten Wellenleiter wurden durch dasselbe Verfahren wie dasjenige des ersten Beispiels geschätzt. Insbesondere wurden deren Endflächen mit einer Trennsäge abgeschnitten und deren Eingangs- und Ausgangswellenleiter, die mit Dispersions-verschobenen Fasern, die allgemein als Übertragungsleitungen in Japan verwendet werden, verbunden sind, wurden dem Schätzverfahren unterzogen. Das ASE-Licht, das von dem Erbium-dotierten optischen Faserverstärker emittiert wurde, wurde in den optischen 2 × 2-Signalprozessor 703 eingegeben, und die Betriebspunkte der Phasenschieber 715 und 722 wurden bestimmt, während der Lichtausgang von dem Überwachungsanschluss des optischen Wellenleiters 723 durch einen optischen Spektrum-Analysator überwacht wurde. Nach dem Eingeben des ASE-Lichts in das Ende auf der Seite des optischen 2 × 2-Signalprozessors wurden die Lichtstrahlen, die von den Array-Wellenleiter-Gittern 701 und 702 ausgegeben wurden, durch den optischen Spektrum-Analysator geschätzt. Nach diesen Messungen gefolgt von der Schätzung der Charakteristika der gesamten Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wurden die Array-Wellenleiter-Gitter 701 und 702 von dem optischen 2 × 2-Signalprozessor 703 mit der Trennsäge getrennt, um die einzelnen Übertragungsspektren zu schätzen.
Im Folgenden wird die Verwendung zur Unterdrückung des Übersprechens benachbarter Kanäle zusammen mit den Charakteristika beschrieben.
8 ist ein Diagramm, das das Übertragungsspektrum des Anschlusses zeigt, dessen Mittenwellenlänge des Durchlassbandes 193,1 THz beträgt, wenn die abstimmbaren Koppler 713 und 714 derart eingestellt sind, dass sie jeweils Winkeldarstellungen der Koppelkoeffizienten von genau π/3 und π/12 aufweisen. Das Extinktionsverhältnis des optischen 2 × 2-Signalprozessors ist größer als dasjenige des ersten Beispiels, da die Variationen, die bei der Herstellung der Richtkoppler entstehen, unter Verwendung der abstimmbaren Koppler korrigiert werden. Als Ergebnis kann die Ausführungsform der optischen Schaltung ein Übersprechen von weniger als –40 dB in der Nähe des benachbarten Kanals von 193,15 THz erzielen.
Im Folgenden wird die Nutzung der Erhöhung der Durchlassbandbreite zusammen mit den Charakteristika beschrieben.
9 stellt vergrößerte Spektren des Durchlassbandes des optischen 2 × 2-Signalprozessors dar, wenn x = 0,00, 0,03 und 0,06 für den Fall gilt, dass die abstimmbaren Koppler 713 und 714 jeweils Winkeldarstellungen der Koppelkoeffizienten von (π/3) – x und (π/12) + x aufweisen. Bei der Durchlassbandmittenwellenlänge von 193,1 THz weist die Übertragungscharakteristik eine geringe Welligkeit auf, wenn x erhöht wird, obwohl diese bei x = 0,00 flach ist. Die Krümmung der Welligkeit kann durch Variieren von x frei eingestellt werden. Außerdem ist zu sehen, dass die 1-dB-Durchlassbandbreite leicht erhöht wird, wenn x erhöht wird.
10 ist ein Diagramm, das vergrößerte Spektren des Durchlassbandes darstellt, wenn der optische 2 × 2-Signalprozessor 703 mit den Array-Wellenleiter-Gittern 701 und 702 kombiniert wird, wobei x = 0,00, 0,03 und 0,06 gilt. Gemäß den Welligkeiten der 9 ragt das Spektrumsprofil in dem Durchlassband nach unten vor, wenn x auf 0,06 erhöht wird, obwohl es nach oben hervorragt, wenn x = 0,00 gilt. In der Ausführungsform wird der Bereich mit flacher Spitze in der Nähe der Mittenwellenlänge des Durchlassbandes maximal, wenn x = 0,03 gilt.
Tabelle 1 zeigt die minimalen Verluste in dem Durchlassband, die Verluste bei der Mittenwellenlänge des Durchlassbandes, die 1-dB-Durchlassbandbreiten bei den minimalen Verlusten in dem Durchlassband und die Verhältnisse zwischen der 1-dB-Bandbreite und dem Kanalabstand, wenn jeweils x = 0,00, 0,03 und 0,06 gilt.
TABELLE 1
Wenn x = 0,03 eingestellt ist, wird das Profil mit der flachsten Spitze in der Nähe der Durchlassbandmittenwellenlänge erzielt, obwohl der minimale Verlust in dem Durchlassband um weniger als 0,2 dB verschlechtert wird. Wenn andererseits x = 0,06 eingestellt ist, ist die 1-dB-Durchlassbandbreite unter den 1-dB-Bandbreiten maximal, wenn x = 0, 0,03 und 0,06 gilt, und erreicht 35 GHz. In diesem Fall ist die 1- dB-Durchlassbandbreite gegenüber der Kanalbreite von 50 GHz so groß wie etwa 70%.
In der Ausführungsform hängt das endgültige Profil des Durchlassbandes von dem Wert x und dem Entwurf der Array-Wellenleiter-Gitter ab, obwohl der Bereich mit flacher Spitze maximal in der Nähe der Mittenwellenlänge des Durchlassbandes ist, wenn x = 0,03 eingestellt ist. Der Wert x = 0,00–0,10 kann jedoch gewöhnlicherweise einen maximalen Bereich mit flacher Spitze und die maximale 1-dB-Durchlassbandbreite implementieren.
Wie in dem ersten Beispiel hängt es von der Wellenlängenzuordnung des optischen 2 × 2-Signalprozessors 703 und der beiden Array-Wellenleiter-Gitter 701 und 702 ab, welcher der beiden Wellenleiter des optischen 2 × 2-Signalprozessors 703 als der Eingangswellenleiter in der Ausführungsform zu verwenden ist. Da jedoch die Ausführungsform des Multiplexers/Demulitplexers ebenfalls den Eingangswellenleiter durch Verschieben von dessen Phase um einen Betrag von π durch Betreiben der Phasenschieber 715 oder 716 wechseln kann, ist es nicht notwendig, den Eingangswellenleiter zu spezifizieren. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Kombinationen der Wellenleiterparameter der Ausführungsform beschränkt.
11 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines zweiten Beispiels des optischen Multiplexers/Demultiplexers zeigt.
Das zweite Beispiel des optischen Multiplexers/Demultiplexers weist vier Array-Wellenleiter-Gitter 1101, 1102, 1103 und 1104 sowie drei optische 2 × 2-Signalprozessoren 1105, 1106 und 1107 auf, die als ein periodisches Filter vom Wellenleitertyp dienen. Der Kanalabstand der vier Array-Wellenleiter-Gitter ist gleich dem FSR der beiden optischen 2 × 2-Signalprozessoren 1105 und 1106 und dem Kanalabstand des optischen 2 × 2-Signalprozessors 1107. Außerdem sind die Mittenwellenlängen der vier Array-Wellenleiter-Gitter um ein Viertel der Wellenlänge des Kanalabstands der Array-Wellenleiter-Gitter gegeneinander verschoben, und die Mittenwellenlängen der optischen 2 × 2-Signalprozessoren 1105 und 1105 sind derart ausgelegt, dass sie um die Hälfte des Kanalabstands der Array-Wellenleiter-Gitter verschoben sind.
Die optimalen Werte der Parameter der optischen 2 × 2-Signalprozessoren in dem zweiten Beispiel werden ebenfalls durch das Verfahren berechnet, dass in Jinguji etc., „Optical Half-Band Filters", Journal of Lightwave Technology, Band. 18, Nr. 2, Februar 2000, Seiten 252–259, beschrieben ist.
Der optische Multiplexer/Demultiplexer des zweiten Beispiels wurde auf dieselbe Weise wie derjenige des ersten Beispiels und der Ausführungsform hergestellt und geschätzt. 12 stellt die Übertragungscharakteristik des optischen Multiplexers/Demultiplexers des zweiten Beispiels dar. In dem zweiten Beispiel liegt der nächste benachbarte Kanal bei 193,125 THz, was dichter beim Kanal von 193,15 Tz als der dichteste benachbarte Kanal in dem ersten Beispiel und der Ausführungsform des optischen Multiplexers/Demultiplexers ist. 12 zeigt, dass das Übersprechen ein wenig geringer als –30 dB ist und in der Nähe von 193,125 THz stattfindet. Außerdem wird eine Übertragungscharakteristik mit flacher Spitze in der Nähe der Durchlassbandfrequenz von 193,1 THz erhalten.
In der Konfiguration des zweiten Beispiels des optischen Multiplexers/Demultiplexers, die in 11 gezeigt ist, gibt es viele Kombinationen der Entwurfsparameter des optischen 2 × 2-Signalprozessors wie zum Beispiel die Anzahl der Stufen des optischen 2 × 2-Signalprozessors, das Plus oder Minus der Verzögerungsbeträge der Verzögerungsleitungen und die Winkeldarstellungen der Koppelkoeffizienten der Richtkoppler. Außerdem ist es nicht notwendig, dass die optischen 2 × 2-Signalprozessoren 1105 und 1106 denselben Aufbau aufweisen. Es gibt verschiedene Konfigurationen, die denselben Effekt wie beispielsweise das Ändern des Wellenleiters, der mit dem optischen 2 × 2-Signalprozessor 1107 zu verbinden ist, schaffen.
Obwohl das zweite Beispiel vier Array-Wellenleiter-Gitter und drei optische 2 × 2-Signalprozessoren verwendet, ist deren Anzahl nicht auf diese Anzahlen begrenzt. Beispielsweise ermöglicht die Verwendung von acht Array-Wellenleiter-Gittern und sieben optischen 2 × 2-Signalprozessoren die Herstellung eines optischen Multiplexers/Demultiplexers mit mehreren Kanälen, niedrigem Übersprechen und breitem Durchlassband. Mit anderen Worten ist, obwohl die Konfiguration des zweiten Beispiels des optischen Multiplexers/Demultiplexers in 11 gezeigt ist, diese nicht auf die Kombinationen der Entwurfsparameter der optischen 2 × 2-Signalprozessoren oder auf die Kombinationen der Array-Wellenleiter-Gitter und der optischen 2 × 2-Signalprozessoren des zweiten Beispiels beschränkt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform beschränkt, die zum Beschreiben der Konfigurationen und Operationen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurde. Obwohl in der vorherigen Ausführungsform auf Silikat basierende optische Wellenleiter verwendet wurden, ist es ebenfalls beispielsweise möglich, die optischen Wellenleiterschaltkreise unter Verwendung anderer Materialien wie beispielsweise Halbleiter, LiNbO₃ und einem Polymer auszubilden. Außerdem können, obwohl die optischen 2 × 2-Signalprozessoren der vorhergehenden Ausführungsform Richtkoppler verwenden, sämtliche oder ein Teil der Richtkoppler durch MMIs (Multi-Mode Interference couplers (Multimode-Interferenz-Koppler)) oder durch Multimode-Interferenz-Koppler mit einem beliebigen Leistungsaufteilungsverhältnis, das aus einer Kombination von MMIs und Verzögerungsleitungen mit einem ähnlichen Effekt, aber einer Erhöhung des Verlustes besteht, ersetzt werden. Ein Beispiel für die Multimode-Interferenzkoppler mit beliebigem Leistungsaufteilungsverhältnis, die aus einer Kombination von MMIs und Verzögerungsleitungen bestehen, ist in T. Saida et al, „Silica-based 2 × 2 multimode interference coupler with arbitrary power splitting ratio", Electron Lett., 1999, Band 35, Seiten 1–2, beschrieben. Obwohl die vorherige Ausführungsform den thermooptischen Effekt als ein Phasensteuerverfahren verwendet, können andere Steuerverfahren ebenfalls verwendet werden, die einen elektrooptischen Effekt, eine Brechungsindexänderung, die durch Strahlung induziert wird, etc. verwenden.
Die vorliegende Erfindung implementiert den optischen Multiplexer/Demultiplexer mit einem guten Transmittanzspektrum unter Verwendung der Tatsache, dass der 2 × 2-Signalprozessor einen hohen Grad der Entwurfsflexibilität hinsichtlich der Transmittanz aufweist. Die 2 × 2-Signalprozessoren, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, weisen einen hohen Grad der Entwurfsflexibilität hinsichtlich der Gruppenverzögerungscharakteristika der optischen Signale, die diese durchlaufen, auf und wurden intensiv untersucht. Ein Beispiel eines 2 × 2-Signalprozessors, der eine beliebige Gruppenverzögerung erzielen kann, ist in Takiguchi etc., „Variable group delay dispersion equalizer based on a lattice form programmable optical filter", Electron Lett., 1995, Band 31, Seiten 1240–1241, beschrieben. Dieser kann die Gruppenverzögerung des optischen Multiplexers/Demultiplexers in seiner Gesamtheit wie zum Beispiel das gegenseitige Auslöschen der Gruppenverzögerungen durch Kombinieren dieser steuern, da er die Gruppenverzögerungen der Array-Wellenleiter-Gitter unter Verwendung von kegeligen Wellenleitern oder Parabol-Wellenleitern oder die Gruppenverzögerungen des 2 × 2-Signalprozessors selbst verwendet.

Claims

Optischer Multiplexer/Demultiplexer, der zwei Array-Wellenleiter-Gitter (701, 702) und ein periodisches Filter vom Wellenleitertyp (703), die in Kaskade geschaltet sind, enthält, wobei jedes der Array-Wellenleiter-Gitter (701, 702) denselben Kanalabstand und eine Kanalmittenwellenlänge aufweist, die um die Hälfte des Kanalabstands verschoben ist, und wobei das periodische Filter vom Wellenleitertyp (703) periodische Ausgangsübertragungsspektren mit einer Wiederholperiode aufweist, die mit dem Kanalabstand identisch ist, wobei das periodische Filter vom Wellenleitertyp (103) aufweist: zwei optische Wellenleiter, drei Richtkoppler (704, 713, 714) zum Koppeln der optischen Wellenleiter an drei unterschiedlichen Orten, eine Einrichtung (709, 711) zum Bereitstellen der optischen Wellenleiter an zwei Orten zwischen den Richtkopplern (714, 713, 704) mit einer optischen Pfadlängendifferenz, gekennzeichnet durch eine Winkeldarstellung eines Koppelkoeffizienten der ersten, zweiten und dritten Richtkoppler (704, 713, 714), wobei für die Winkeldarstellung eines Koppelkoeffizienten = sin^–1√(Leistungskoppelverhältnis) gilt, und wobei die optischen Pfadlängendifferenzen an ersten und zweiten Orten durch einen von zwei Sätzen gegeben sind, die jeweils aus {π/4, (π/3) – x, (π/12) + x, L, 2L + λ/2} und {π/4, (π/6) + x, (π/12) + x, L, –2L} bestehen, wobei 0,03 ≤ x ≤ 0,10 gilt.
Optischer Multiplexer/Demultiplexer, der zwei Array-Wellenleiter-Gitter (701, 702) und ein periodischen Filter vom Wellenleitertyp (703), die in Kaskade geschaltet sind, enthält, wobei jedes der Array-Wellenleiter-Gitter (701, 702) denselben Kanalabstand und eine Kanal mittenwellenlänge, aufweist, die um die Hälfte des Kanalabstands verschoben ist, und wobei das periodische Filter vom Wellenleitertyp (703) periodische Ausgangsübertragungsspektren mit einer Wiederholperiode aufweist, die mit dem Kanalabstand identisch ist, wobei das periodische Filter vom Wellenleitertyp (703) aufweist: zwei optische Wellenleiter, drei Richtkoppler (704, 713, 714) zum Koppeln der optischen Wellenleiter an drei unterschiedlichen Orten, eine Einrichtung (709, 711) zum Bereitstellen der optischen Wellenleiter an zwei Orten zwischen den Richtkopplern (714, 713, 704) mit einer optischen Pfadlängendifferenz, gekennzeichnet durch eine Winkeldarstellung eines Koppelkoeffizienten der dritten, zweiten, und ersten Richtkoppler (714, 713, 704), wobei für die Winkeldarstellung eines Koppelkoeffizienten = sin^–1√(Leistungskoppelverhältnis) gilt, und wobei die optischen Pfadlängendifferenzen an zweiten und ersten Orten durch einen von zwei Sätzen gegeben sind, die jeweils aus {π/4, (π/3) – x, (π/12) + x, L, 2L ± λ/2} und {π/4, (π/6) + x, (π/12) + x, L, –2L} bestehen, wobei 0,03 ≤ x ≤ 0,10 gilt.
Optischer Multiplexer/Demultiplexer nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei mindestens einer der Richtkoppler aus einem abstimmbaren Koppler besteht.
Optischer Multiplexer/Demultiplexer nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei mindestens einer der beiden Wellenleiter, die die optischen Pfadlängendifferenzen bereitstellen, einen Phasenschieber enthält.