RU2389138C2 - Controlled optical multiplexer - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: controlled optical multiplexer includes a multiple-step structure of filters having elements for controlled adjustment of transfer constants. The optical filters used are asymmetrical Mach-Zehnder interferometres: single-stage and/or two-stage, and/or multistage. Electro-optical or thermo-optical phase-shift devices serve for controlled adjustment of transfer constants of the optical filters. The multiplexer can be made on integrated-optical technology in form of a monolithic solid-state device.

EFFECT: controlled multiplexing of channels in the fibre optic communication system with wavelength-division multiplexing of channels, whose optical frequencies can be adjusted for constant spectral interval neighbouring channels Δν.

7 cl, 9 dwg, 2 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи (далее - ВОСС) со спектральным уплотнением каналов, в частности к управляемым оптическим мультиплексорным устройствам, и может использоваться в системах плотного спектрального уплотнения (далее - DWDM) и умеренного спектрального уплотнения (далее CWDM).The invention relates to fiber-optic communication systems (hereinafter - VOSS) with spectral channel multiplexing, in particular to controlled optical multiplexer devices, and can be used in dense spectral multiplexing (hereinafter - DWDM) and moderate spectral multiplexing (hereinafter CWDM) systems.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Технологии спектрального уплотнения, использующие современные подходы, позволяют удовлетворять существующие требования к пропускной способности ВОСС. Тем не менее, чтобы встретить новые и все возрастающие требования со стороны разработчиков систем связи, необходимо дальнейшее совершенствование и расширение используемых технических средств. Одно из направлений развития технологий спектрального уплотнения связано с использованием подхода, в котором несущие частоты каналов становятся динамически перестраиваемыми.Spectral multiplexing technologies using modern approaches can satisfy existing VOSS bandwidth requirements. Nevertheless, in order to meet new and increasing requirements from the side of developers of communication systems, further improvement and expansion of the used technical means is necessary. One of the directions in the development of spectral compression technologies is the use of an approach in which the carrier frequencies of the channels become dynamically tunable.

Известны и уже существуют перестраиваемые в широком спектральном диапазоне устройства - это лазерные диоды, а также управляемые оптические мультиплексоры ввода/вывода. Для систем связи со спектральным уплотнением каналов необходимы также оптические мультиплексоры с перестраиваемыми оптическими несущими каналами (далее - управляемые оптические мультиплексоры).Tunable devices in a wide spectral range are known and already exist - these are laser diodes, as well as controlled optical input / output multiplexers. For communication systems with spectral channel multiplexing, optical multiplexers with tunable optical carrier channels (hereinafter referred to as controlled optical multiplexers) are also required.

Управляемые оптические мультиплексоры могут использоваться по основному назначению - как устройства для объединения и ввода каналов в оптический тракт. Они также могут входить в состав более сложных устройств и систем спектрального уплотнения с динамической функциональностью, например многоканальных управляемых мультиплексоров ввода/вывода.Managed optical multiplexers can be used for their main purpose - as devices for combining and introducing channels into the optical path. They can also be part of more complex devices and spectral multiplexing systems with dynamic functionality, such as multi-channel controlled input / output multiplexers.

Управляемые оптические мультиплексоры могут найти применение также в многоканальных системах датчиков, в оптических аналоговых системам различного назначения, для оптической фильтрации и других целей.Controlled optical multiplexers can also find application in multichannel sensor systems, in optical analog systems for various purposes, for optical filtering and other purposes.

К настоящему времени разработаны и используются оптические мультиплексоры самых различных типов. Это мультиплексоры в виде многоступенчатых структур на интерференционных фильтрах или дифракционных решетках, мультиплексоры в планарном исполнении на так называемых фазированных жгутах (AWG) и, наконец, наиболее близкие к настоящему изобретению многоступенчатые древообразные структуры на базе несимметричных интерферометров Маха-Цендера (ИМЦ).To date, optical multiplexers of various types have been developed and are used. These are multiplexers in the form of multistage structures on interference filters or diffraction gratings, planar multiplexers on the so-called phased bundles (AWG) and, finally, the multistage woody structures closest to the present invention based on asymmetric Mach-Zehnder interferometers (MZIs).

Известно, что ИМЦ характеризуются малыми оптическими потерями и имеют низкую поляризационную зависимость. Структура ИМЦ с числом ступеней 8-9 характеризуется высокой избирательностью и способна перекрыть полную спектральную полосу, используемую в системах спектрального уплотнения.It is known that MZIs are characterized by low optical losses and have a low polarization dependence. The IMC structure with a number of steps of 8–9 is characterized by high selectivity and is able to cover the full spectral band used in spectral densification systems.

Известная традиционная конструкция мультиплексора на ИМЦ, предназначенного для использования в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением 2^N каналов и частотным интервалом между соседними каналами Δν, представляет собой N-ступенчатую структуру типа «дерево», содержащую в каждой n-й ступени 2^N-n ИМЦ. Мультиплексор имеет 2^N входов для подачи на каждый вход одного канала и один выход для мультиплексированного оптического сигнала.The well-known traditional design of a multiplexer at the IMC, intended for use in a fiber-optic communication system with spectral multiplexing of 2 ^N channels and a frequency interval between adjacent channels Δν, is an N-stage structure of the tree type containing 2 ^Nn in each n-th stage IMC. The multiplexer has 2 ^N inputs for supplying one channel to each input and one output for a multiplexed optical signal.

При поступлении на каждый вход такого устройства каналов, подлежащих мультиплицированию, ИМЦ в первой ступени объединяют каналы в 2^N-1 групп. Каждая группа направляется на вторую ступень, в которой каналы вновь объединяются, теперь в 2^N-2 групп. Такой процесс объединения групп (и каналов) продолжается с проходом излучения последовательно по всем ступеням мультиплексора. Наконец, на последней ступени все каналы полностью объединяются в один поток (оптический сигнал).Upon receipt of channels to be multiplied at each input of such a device, the MZI in the first stage combines the channels into 2 ^N-1 groups. Each group goes to the second stage, in which the channels are reunited, now in 2 ^N-2 groups. Such a process of combining groups (and channels) continues with the passage of radiation sequentially through all steps of the multiplexer. Finally, at the last stage, all channels are completely combined into one stream (optical signal).

Оптические мультиплексоры на основе ИМЦ, а также другие перечисленные выше мультиплексоры в подавляющем большинстве являются статическими, то есть имеют фиксированные спектральные характеристики и поэтому не могут быть использованы в ВОСС со спектральным уплотнением каналов, в которых частоты каналов динамически перестраиваются.The IMC-based optical multiplexers, as well as the other multiplexers listed above, are overwhelmingly static, that is, have fixed spectral characteristics and therefore cannot be used in VOSS with spectral multiplexing of channels in which channel frequencies are dynamically tuned.

Известно также, что однокаскадные ИМЦ, снабженные элементами фазового сдвига, могут быть ключевыми элементами в управляемом оптическом мультиплексоре ввода/вывода (US, 6795654, В2). Очевидно, что при соответствующем применении они могли бы стать также основой для создания управляемого оптического мультиплексора.It is also known that single-stage MZIs equipped with phase shift elements can be key elements in a controlled optical input / output multiplexer (US, 6795654, B2). Obviously, with appropriate application, they could also become the basis for creating a controlled optical multiplexer.

Современная оптическая технология предоставляет достаточно большой выбор ИМЦ, которые могут быть использованы в мультиплексорах, в том числе с динамической функциональностью. Базовая и простейшая структура - несимметричный однокаскадный ИМЦ (далее - однокаскадный ИМЦ).Modern optical technology provides a fairly large selection of MZIs that can be used in multiplexers, including those with dynamic functionality. The basic and simplest structure is an asymmetric single-stage MZI (hereinafter - a single-stage MZI).

Недостатком однокаскадных ИМЦ является неидеальная форма спектральных характеристик, что при использовании их в системах спектрального уплотнения с большой плотностью каналов может быть причиной перекрестных помех и плохой изоляции каналов. Значительно лучшие спектральные характеристики имеют двухкаскадные несимметричные ИМЦ и многокаскадные несимметричные ИМЦ (далее - двухкаскадные и многокаскадные ИМЦ). Многокаскадные ИМЦ, кроме того, характеризуются значительно меньшей вносимой дисперсией.The disadvantage of single-stage MZIs is the imperfect form of spectral characteristics, which, when used in spectral multiplexing systems with a high density of channels, can cause crosstalk and poor isolation of channels. Significantly better spectral characteristics have two-stage asymmetric MZIs and multi-stage asymmetric MZIs (hereinafter - two-stage and multi-stage MZIs). Multistage MZIs, in addition, are characterized by significantly lower introduced dispersion.

Очевидно, что управляемый оптический мультиплексор, который мог бы быть выполнен в виде многоступенчатой структуры, включающей достаточно большое число ИМЦ, должен быть максимально защищен от воздействия окружающей среды - температурных нестабильностей, вибраций и др. Поэтому для обеспечения необходимой устойчивости и надежности устройство должно иметь высокую степень интеграции используемых ИМЦ и быть компактным; наиболее подходящей технологией для изготовления такого устройства может быть интегрально-оптическая технология.Obviously, a controlled optical multiplexer, which could be made in the form of a multi-stage structure, including a sufficiently large number of MZIs, should be maximally protected from environmental influences - temperature instabilities, vibrations, etc. Therefore, to ensure the necessary stability and reliability, the device must have a high the degree of integration used by the IMC and be compact; the most suitable technology for the manufacture of such a device may be integrated optical technology.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Настоящее изобретение имеет целью создание управляемого оптического мультиплексора для систем спектрального уплотнения с динамической функциональностью. Мультиплексор должен удовлетворять существующим требованиям по изоляции каналов и вносимой дисперсии и быть пригодным для интегрально-оптического выполнения.The present invention aims to provide a controlled optical multiplexer for spectral multiplexing systems with dynamic functionality. The multiplexer must meet the existing requirements for channel isolation and dispersion and be suitable for integrated optical performance.

При создании изобретения была поставлена задача создания способа и устройства для спектрального уплотнения множества каналов с формированием многоканального оптического сигнала путем управления спектральными характеристиками фильтрующих ступеней мультиплексора.When creating the invention, the task was to create a method and device for spectral multiplexing of multiple channels with the formation of a multi-channel optical signal by controlling the spectral characteristics of the filter stages of the multiplexer.

Поставленная задача была решена разработкой способа управляемого мультиплексирования каналов в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением 2^N каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться, в котором:The problem was solved by the development of a method of controlled multiplexing of channels in a fiber-optic communication system with spectral multiplexing of 2 ^N channels, the optical frequencies of which can be tuned for a constant spectral interval between adjacent channels Δν, in which:

(а) подают 2^N каналов, каждый канал отдельно, на 2^N входов N-ступенчатой структуры типа «дерево», содержащей в каждой n-й ступени при n=1, 2, …, N 2^N-n оптических фильтров, имеющих два входа и по меньшей мере один выход, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи и характеризующихся частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν_n=2^n-1 Δν, и при этом входами указанной N-ступенчатой структуры являются каждый из двух входов каждого оптического фильтра первой ступени;(a) 2 ^N channels, each channel separately, are supplied to 2 ^N inputs of an N-step structure of the “tree” type, containing in each n-th stage with n = 1, 2, ..., N 2 ^Nn optical filters having two inputs and at least one output made with the possibility of controlled adjustment of the transmission coefficients and characterized by a frequency interval between adjacent extrema in the dependences of the transmission coefficients on the frequency Δν _n = 2 ^n-1 Δν, and the inputs of this N-step structure are each of two inputs each optical filter of the first step and;

(б) настраивают оптический фильтр каждой ступени таким образом, чтобы для оптической частоты каждого из 2^N каналов коэффициенты передачи с одного из 2^N входов указанной N-ступенчатой структуры на выход имели бы максимальное значение;(b) adjust the optical filter of each stage in such a way that for the optical frequency of each of the 2 ^N channels the transmission coefficients from one of the 2 ^N inputs of the indicated N-stage structure to the output would have a maximum value;

(в) пропускают многоканальный оптический сигнал через N-ступенчатую структуру и получают на выходе оптического фильтра последней степени многоканальный оптический сигнал.(c) a multichannel optical signal is passed through an N-stage structure and a multichannel optical signal is obtained at the output of the last degree optical filter.

Поставленная задача была также решена созданием управляемого оптического мультиплексора для использования в волоконно-оптических сетях со спектральным уплотнением 2^N каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться, включающего:The problem was also solved by creating a controlled optical multiplexer for use in fiber-optic networks with spectral multiplexing of 2 ^N channels, the optical frequencies of which can be tuned for a constant spectral interval between adjacent channels Δν, including:

- N-ступенчатую структуру типа «дерево», содержащую в каждой n-й ступени при n=1, 2, …, N 2^N-n оптических фильтров, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в n-й ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν_n=2^n-1 Δν и имеющих два входа и, по меньшей мере, один выход;- N-step structure of the “tree” type, containing in each n-th stage with n = 1, 2, ..., N 2 ^Nn optical filters, made with the possibility of controlled tuning of transmission coefficients, characterized in the n-th stage by the frequency interval between adjacent extrema in the dependences of the transmission coefficients on the frequency Δν _n = 2 ^n-1 Δν and having two inputs and at least one output;

- контроллер для управления перестройкой коэффициентов передач указанных фильтров.- a controller for controlling the adjustment of the gear ratios of these filters.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы в указанной многоступенчатой структуре:Moreover, according to the invention, it is advisable that in the specified multi-stage structure:

- два входа каждого оптического фильтра первой ступени были соединены с одним из входных портов;- two inputs of each optical filter of the first stage were connected to one of the input ports;

- оптические фильтры в каждой ступени, кроме первой, были соединены каждым из двух входов с выходом одного из оптических фильтров предыдущей ступени;- optical filters in each stage, except the first, were connected by each of the two inputs to the output of one of the optical filters of the previous stage;

- выход оптического фильтра последней ступени был соединен с выходным портом.- the output of the optical filter of the last stage was connected to the output port.

При этом согласно изобретению, целесообразно, чтобы оптическими фильтрами многоступенчатой структуры были однокаскадные и/или двухкаскадные и/или многокаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера, а для управления настройкой коэффициентов передачи оптические фильтры содержали электрооптические или термооптические устройства фазового сдвига.Moreover, according to the invention, it is advisable that the optical filters of the multi-stage structure are single-stage and / or two-stage and / or multi-stage asymmetric Mach-Zehnder interferometers, and to control the adjustment of the transmission coefficients, the optical filters contain electro-optical or thermo-optical phase shift devices.

Кроме того, согласно изобретению целесообразно, чтобы мультиплексор был выполнен по интегрально-оптической технологии на одном чипе.In addition, according to the invention, it is advisable that the multiplexer was made by integrated-optical technology on a single chip.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы в мультиплексоре все входные порты и выходной порт были выполнены с помощью световодов.Moreover, according to the invention, it is advisable that in the multiplexer all the input ports and the output port were made using optical fibers.

Таким образом, согласно изобретению управляемый оптический мультиплексор представляет собой многоступенчатую древовидную структуру на оптических фильтрах, каждый, из которых объединяет нечетные и четные каналы и имеет элементы для управляемой перестройки спектральных характеристик.Thus, according to the invention, the controlled optical multiplexer is a multi-stage tree structure on optical filters, each of which combines odd and even channels and has elements for controlled tuning of spectral characteristics.

В общем случае в одном мультиплексоре согласно изобретению в качестве оптических фильтров одновременно могут использоваться оптические фильтры нескольких типов: однокаскадные, двухкаскадные и многокаскадные ИМЦ. В первых ступенях многоступенчатой структуры, где на вход поступают каналы с небольшим спектральным интервалом, используются двухкаскадные и даже однокаскадные ИМЦ, по мере увеличения спектрального интервала между каналами в последующих ступенях используются многокаскадные ИМЦ.In general, in one multiplexer according to the invention, several types of optical filters can be used simultaneously as optical filters: single-stage, two-stage, and multi-stage MZIs. In the first steps of a multistage structure, where channels with a small spectral interval arrive at the input, two-stage and even single-stage MZIs are used; as the spectral interval between channels increases, subsequent stages use multistage MZIs.

Для управляемой перестройки спектральных характеристик оптических фильтров используются электро- или термооптические устройства фазового сдвига. Управляемые извне устройства фазового сдвига обеспечивают перестройку спектральных характеристик оптических фильтров и как результат необходимую перестройку спектральных характеристик всего управляемого оптического мультиплексора. Использование электрооптического устройства фазового сдвига гарантирует предельно высокую скорость управляемой перестройки спектральных характеристик управляемого оптического мультиплексора.For controlled tuning of the spectral characteristics of optical filters, electro- or thermo-optical phase-shift devices are used. Phase-shift devices controlled externally provide the tuning of the spectral characteristics of the optical filters and, as a result, the necessary tuning of the spectral characteristics of the entire controlled optical multiplexer. The use of an electro-optical phase shift device guarantees an extremely high speed of controlled tuning of the spectral characteristics of a controlled optical multiplexer.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров осуществления способа управляемого оптического мультиплицирования каналов с помощью управляемого оптического мультиплексора согласно изобретению и прилагаемыми чертежами, на которых показаны:The invention is further illustrated by the description of examples of the method of controlled optical multiplication of channels using a controlled optical multiplexer according to the invention and the accompanying drawings, which show:

Фиг.1А - схема известного однокаскадного ИМЦ,Figa - diagram of a well-known single-stage MZI,

Фиг.1Б - условное изображение известного однокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.1А,Figb - conditional image of the well-known single-stage MZI shown in Fig.1A,

Фиг.2 - зависимости коэффициентов передачи от оптической частоты для однокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.1А,Figure 2 - dependence of the transmission coefficients on the optical frequency for a single-stage MZI shown in Fig.1A,

Фиг.3А - схема известного двухкаскадного ИМЦ,Figa - diagram of a well-known two-stage MZI,

Фиг.3Б - условное изображение известного двухкаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.3А,Fig.3B - conditional image of the well-known two-stage MZI shown in Fig.3A,

Фиг.4 - зависимости коэффициентов передачи от оптической частоты для двухкаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.3А,Figure 4 - dependence of the transmission coefficients on the optical frequency for the two-stage MZI shown in Fig.3A,

Фиг.5А - схема известного многокаскадного ИМЦ с нулевой или почти нулевой дисперсией, включающего три двухкаскадных ИМЦ,Figa is a diagram of a well-known multi-stage MZI with zero or almost zero dispersion, including three two-stage MZI,

Фиг.5Б - условное изображение известного многокаскадного фильтра, показанного на Фиг.5А,Fig.5B is a conditional image of a known multi-stage filter shown in Fig.5A,

Фиг.6 - схема выполнения одного из вариантов управляемого оптического мультиплексора согласно настоящему изобретению.6 is a diagram of an embodiment of a controlled optical multiplexer according to the present invention.

Наилучший вариант осуществления изобретенияBest Mode for Carrying Out the Invention

Согласно изобретению основным элементом управляемого оптического мультиплексора является несимметричный интерферометр Маха-Цендера или, как условились его называть, однокаскадный ИМЦ. Это известное и часто используемое в оптике устройство (М.Born, E.Wolf. "The Optic Base", Pergamon Press, Oxford, Fifth Oxford, Fifth Edition, 1975, pp.312-316; Перевод на русский язык: М.Борн и Э.Вольф. "Основы оптики". Пер. под ред. Г.П.Мотулевича. М., Наука, 1970, с.342-346).According to the invention, the main element of a controlled optical multiplexer is an asymmetric Mach-Zehnder interferometer or, as they agreed to call it, a single-stage MZI. This is a well-known and often used device in optics (M. Born, E. Wolf. "The Optic Base", Pergamon Press, Oxford, Fifth Oxford, Fifth Edition, 1975, pp. 312-316; Translation into Russian: M. Born and E. Wolf. "Fundamentals of Optics. Lane. Edited by G.P. Motulevich. M., Nauka, 1970, p.342-346).

Однокаскадный ИМЦ может быть выполнен с помощью различных компонент и технологий, в том числе с использованием волоконно-оптических разветвителей, светоделителей, зеркал-призм, поляризаторов. Наиболее оптимальным для использования в многоступенчатой структуре является однокаскадный ИМЦ в планарном выполнении.A single-stage MZI can be performed using various components and technologies, including the use of fiber-optic splitters, beam splitters, prism mirrors, and polarizers. The most optimal for use in a multi-stage structure is a single-stage MZI in planar execution.

На Фиг.1А приведено схематичное изображение волноводного варианта однокаскадного ИМЦ 10, его условное изображение приведено на Фиг.1Б.On Figa shows a schematic representation of a waveguide version of a single-stage MZI 10, its conditional image is shown in Fig.1B.

Устройство 10 размещено на одной подложке 11, где сам однокаскадный ИМЦ 12 образован расположенными между первым 13 и вторым 14 разветвителями двумя плечами 12-1 и 12-1, сформированными волноводами неравной длины 1₁ и 1₂ соответственно. Коэффициенты связи k₁ и k₂ разветвителей 13 и 14 равны и делят оптическую мощность в соотношении 50/50. Однокаскадный ИМЦ 12 имеет выводы а и b с одной стороны и выводы с и d с другой стороны.The device 10 is placed on one substrate 11, where the single-stage MZI 12 itself is formed by two arms 12-1 and 12-1 located between the first 13 and second 14 splitters, formed by waveguides of unequal length 1 ₁ and 1 _2, respectively. The coupling coefficients k ₁ and k _{2 of the} splitters 13 and 14 are equal and divide the optical power in a ratio of 50/50. The one-stage MZI 12 has conclusions a and b on the one hand and conclusions c and d on the other hand.

При этом однокаскадный ИМЦ в плече 12-2 содержит устройство 15 фазового сдвига, которое является управляемым элементом, используемым для настройки спектральных характеристик, и может вносить дополнительный фазовый сдвиг φ в фазу пробегающей волны.In this case, the single-stage MZI in the arm 12-2 contains a phase shift device 15, which is a controlled element used to adjust the spectral characteristics, and can introduce an additional phase shift φ in the phase of the traveling wave.

Величина фазового сдвига φ регулируется с помощью термооптического или электрооптического эффекта с помощью электрического тока или напряжения. Соответственно устройство 15 фазового сдвига может быть изготовлено с использованием термооптического материала, например силикона, или электрооптического материала, например ниобата лития (LiNbO₃) или арсенида галлия. Подобные устройства фазового сдвига известны в технике спектрального уплотнения как инструмент для настройки спектральных характеристик оптических фильтров на основе ИМЦ, а также используются в других устройствах - модуляторах и переключателях.The magnitude of the phase shift φ is controlled by the thermo-optical or electro-optical effect using electric current or voltage. Accordingly, the phase shift device 15 can be manufactured using a thermo-optical material, such as silicone, or an electro-optical material, such as lithium niobate (LiNbO ₃ ) or gallium arsenide. Such phase shift devices are known in the spectral densification technique as a tool for tuning the spectral characteristics of optical filters based on the IMC, and are also used in other devices - modulators and switches.

При вводе через порт а излучения единичной мощности интенсивность света в двух выходных портах с и d может быть выражена: с помощью коэффициентов передачиWhen a unit power radiation is input through port a, the light intensity at the two output ports c and d can be expressed: using transmission coefficients

K_ac(ν, φ) и K_ad(ν, φ):K _ac (ν, φ) and K _ad (ν, φ):

где D=2πnΔLν/c - фазовая задержка, обусловленная разной оптической длиной плеч 22-1 и 22-1; ΔL=l₁-l₂; n - показатель преломления материала; ν - оптическая частота и с - скорость света в пустоте.where D = 2πnΔLν / c is the phase delay due to different optical lengths of the shoulders 22-1 and 22-1; ΔL = l ₁ -l ₂ ; n is the refractive index of the material; ν is the optical frequency and c is the speed of light in the void.

При возбуждении через порт b интенсивность света в тех же выходных портах с и d может быть представлена с помощью коэффициентов передачи K_bc(ν, φ) и K_bd(ν, φ):When excited through port b, the light intensity at the same output ports c and d can be represented using the transmission coefficients K _bc (ν, φ) and K _bd (ν, φ):

Рассматриваемые на каком-либо интервале частот ν (или длин волн λ) коэффициенты передачи (1)÷(4) становятся спектральными характеристиками однокаскадного ИМЦ. Как можно видеть, спектральные характеристики (1)÷(4) являются периодическими функциями частоты света ν и длины волны λ, разности длин плеч ΔL, показателя преломления n и фазового сдвига φ.The transmission coefficients (1) ÷ (4) considered on a frequency range ν (or wavelengths λ) become the spectral characteristics of a single-stage MZI. As you can see, the spectral characteristics (1) ÷ (4) are periodic functions of the light frequency ν and wavelength λ, the difference of the arm lengths ΔL, the refractive index n, and the phase shift φ.

Для работоспособности однокаскадного ИМЦ существенны следующие его свойства:The following properties are essential for the performance of a single-stage MZI:

- расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках (1)÷(4) в единицах оптической частоты Δν и в единицах длин волн Δλ равны:- the distances between adjacent extremes in the spectral characteristics (1) ÷ (4) in units of optical frequency Δν and in units of wavelengths Δλ are equal to:

- коэффициенты передачи (1)÷(4), соответствующие переходу оптического излучения с одного входного порта на два выходных порта, отличаются но фазе на π;- transmission coefficients (1) ÷ (4), corresponding to the transition of optical radiation from one input port to two output ports, differ in phase by π;

- коэффициенты передачи при замене двух индексов не изменяются, то есть- transmission coefficients when changing two indices do not change, that is

K_ad(ν, φ)=K_bc(ν, φ) И K_ac(ν, φ)=K_bd(ν, φ);K _ad (ν, φ) = K _bc (ν, φ) And K _ac (ν, φ) = K _bd (ν, φ);

- изменяя величину фазового сдвига φ, можно изменять спектральные характеристики (1)÷(4), сдвигая их по оси частот (длин волн); это приводит, в частности, при изменении фазового сдвига на δφ=±π к инверсии сигналов на выходах;- changing the magnitude of the phase shift φ, you can change the spectral characteristics (1) ÷ (4), shifting them along the axis of frequencies (wavelengths); this leads, in particular, when changing the phase shift by δφ = ± π, to the inversion of the signals at the outputs;

- коэффициенты передачи не изменяются при перестановке индексов, то есть однокаскадный ИМЦ является обратимым устройством.- transmission coefficients do not change during permutation of indices, that is, a single-stage MZI is a reversible device.

В свою очередь из этих свойств следует, что при поступлении на вход однокаскадного ИМЦ оптического сигнала, содержащего несколько каналов, частоты длины волн (длины волн), которых совпадают с положением экстремумов в зависимостях коэффициентов передачи от частоты (длины волн), сигналы разделяются на две группы, которые выводятся на разные выходы. Одна группа содержит нечетные каналы, другая группа - четные каналы, в обеих группах спектральный интервал между каналами становится в два раза больше, чем на входе однокаскадного ИМЦ. При поступлении этого же оптического сигнала на другой вход четные и нечетные каналы на выходах меняются местами.In turn, from these properties it follows that when a single-stage MZI receives an optical signal containing several channels, wavelength (wavelength) frequencies, which coincide with the position of the extrema in the dependences of the transmission coefficients on frequency (wavelength), the signals are divided into two groups that are output to different outputs. One group contains odd channels, the other group contains even channels, in both groups the spectral interval between channels becomes twice as large as at the input of a single-stage MZI. When the same optical signal arrives at another input, the even and odd channels at the outputs change places.

Так как однокаскадный ИМЦ является обратимым устройством, то в другой ситуации, когда на один вход подаются нечетные каналы, а на другой вход подаются четные каналы, обе группы каналов объединяются в один оптический поток с более плотным размещением каналов.Since a single-stage MZI is a reversible device, in another situation, when odd channels are applied to one input and even channels are fed to the other input, both groups of channels are combined into one optical stream with a denser channel arrangement.

Устройства, выполняющие функцию разделения каналов на нечетные и четные и обратную функцию, объединения нечетных и четных каналов в один поток в иностранной литературе называют интерливерами; в отечественной литературе нет термина для устройств аналогичного назначения и в настоящем изобретении они называются оптическими фильтрами.Devices that perform the function of dividing channels into odd and even and the inverse function, combining odd and even channels into one stream are called interleaves in foreign literature; in the domestic literature there is no term for devices of a similar purpose and in the present invention they are called optical filters.

Расстояние между соседними экстремумами Δν (или Δλ) в спектральных характеристиках для реального однокаскадного ИМЦ должно формироваться на стадии его изготовления путем подбора соответствующих разности длин плеч ΔL и показателя преломления n. Управляемая же перестройка положения экстремальных значений коэффициентов передачи относительно задаваемых частот {ν_i} (или длин волн {λ_i}) должна производиться с помощью соответствующей регулировки фазового сдвига φ при использовании оптического фильтра в составе какого-либо конкретного устройства.The distance between adjacent extrema Δν (or Δλ) in the spectral characteristics for a real single-stage MZI should be formed at the stage of its manufacture by selecting the corresponding difference in arm lengths ΔL and refractive index n. The controllable adjustment of the position of the extreme values of the transmission coefficients relative to the specified frequencies {ν _i } (or wavelengths {λ _i }) should be carried out using the appropriate adjustment of the phase shift φ when using an optical filter as part of any particular device.

Ни Фиг.2 показаны коэффициенты передачи K_ac(ν, φ) и K_ad(ν, φ) как функции оптической частоты для некоторого однокаскадного ИМЦ, который при соответствующих значениях фазовой задержки D и фазовом сдвиге φ имеет расстояние между соседними экстремумами 50 ГГц и может быть таким образом использован для объединения четных и нечетных каналов в один общий поток с интервалом между соседними по частоте каналами 50 ГГц. Сплошными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K_ac(ν, φ), в соответствии с которой одна группа каналов - нечетные каналы - выводится на выход с, пунктирными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K_ad(ν, φ), ответственная за вывод другой группы каналов, четных каналов - на выход d.Figure 2 shows the transmission coefficients K _ac (ν, φ) and K _ad (ν, φ) as a function of the optical frequency for some single-stage MZI, which for the corresponding values of the phase delay D and phase shift φ has a distance between adjacent extrema of 50 GHz and can thus be used to combine even and odd channels into one common stream with an interval between adjacent frequency channels of 50 GHz. Solid lines show the spectral dependence of the transfer coefficient K _ac (ν, φ), according to which one group of channels - odd channels - is output with, dashed lines show the spectral dependence of the transfer coefficient K _ad (ν, φ), which is responsible for outputting another groups of channels, even channels - to the output d.

Как можно видеть на Фиг.2, недостаток данного оптического фильтра - неплоские вершины и медленно спадающие края линий спектральных полос, что при малом спектральном интервале между каналами может стать причиной перекрестных помех между соседними каналами. Другой известный недостаток заключается в том, что при большой разности длин плеч ΔL вносимая дисперсия может быть весьма велика (US, 6782158, В). Эти недостатки ограничивают возможность использования однокаскадных ИМЦ в устройствах, применяемых в системах связи со спектральным уплотнением каналов.As can be seen in figure 2, the disadvantage of this optical filter is non-planar peaks and slowly falling edges of the lines of the spectral bands, which with a small spectral interval between the channels can cause crosstalk between adjacent channels. Another known drawback is that with a large difference in shoulder lengths ΔL, the introduced dispersion can be very large (US, 6782158, B). These disadvantages limit the possibility of using single-stage MZIs in devices used in communication systems with spectral channel multiplexing.

Существенное улучшение спектральных характеристик оптического фильтра для устройств и систем спектрального уплотнения обеспечивают, как известно (US, 6782158, B), двухкаскадные ИМЦ, которые могут быть выполнены как с помощью волоконно-оптических разветвителей, светоделителей, зеркал-призм, поляризаторов и других устройств, так и в интегрально-оптическом виде, и содержать при этом устройства фазового сдвига.A significant improvement in the spectral characteristics of the optical filter for devices and systems for spectral multiplexing is provided, as is known (US, 6782158, B), with two-stage MZIs, which can be performed using fiber optic splitters, beam splitters, prism mirrors, polarizers, and other devices, and in the integrated optical form, and contain at the same time phase shift devices.

На Фиг.3А показано схематичное изображение волноводного варианта двухкаскадного ИМЦ 30, его условное изображение приведено на Фиг.3Б. В нем используются три разветвителя 31, 32 и 33 с коэффициентами связи k₁, k₂ и k₃ соответственно, образующие два однокаскадных ИМЦ 34 и 35. Устройство 30 размещено на единой подложке 36.On figa shows a schematic representation of the waveguide version of the two-stage MZI 30, its conditional image is shown in figb. It uses three splitters 31, 32 and 33 with coupling coefficients k ₁ , k ₂ and k _3, respectively, forming two single-stage MZIs 34 and 35. The device 30 is placed on a single substrate 36.

При этом первый однокаскадный ИМЦ 34 образован двумя волноводами 34-1 и 34-2 неравной длины l_34-1 и l_34-2 соответственно. Второй однокаскадный ИМЦ 35 образован двумя волноводами 35-1 и 35-2 неравной длины l_35-1 и l_35-2 соответственно. Фазовые задержки D₁=2πn(l_34-1-l_34-2)/λ и D₂=2πn(l_35-1-l_35-2)/λ связаны между собой соотношением D₂=2·D₁.Moreover, the first single-stage MZI 34 is formed by two waveguides 34-1 and 34-2 of unequal length l _34-1 and l _34-2, respectively. The second single-stage MZI 35 is formed by two waveguides 35-1 and 35-2 of unequal length l _35-1 and l _35-2, respectively. The phase delays D ₁ = 2πn (l _34-1 -l _34-2 ) / λ and D ₂ = 2πn (l _35-1 -l _35-2 ) / λ are related by the relation D ₂ = 2 · D ₁ .

В ИМЦ 34 и 35 используются устройства фазового сдвига 37 и 38, которые вносят фазовые сдвиги φ и ϕ соответственно. Двухкаскадный ИМЦ имеет выводы а и b с одной стороны и выводы е и f с другой стороны.MZI 34 and 35 use phase shift devices 37 and 38, which introduce phase shifts φ and ϕ, respectively. The two-stage MZI has conclusions a and b on the one hand and conclusions e and f on the other hand.

Спектральные характеристики двухкаскадного ИМЦ 30 нетрудно получить аналитически. Для трех разветвителей 31-1, 31-2 и 31-3 следует ввести матрицы T(k_i) (i=1, 2, 3), которые связывают амплитуды света на входе и выходе с параметрами разветвителей:The spectral characteristics of the two-stage MZI 30 are not difficult to obtain analytically. For the three splitters 31-1, 31-2, and 31-3, one should introduce matrices T (k _i ) (i = 1, 2, 3), which connect the amplitudes of the light at the input and output with the parameters of the splitters:

а для двух однокаскадных ИМЦ 33 и 34 - матрицы T(D₁) и T(D₂):and for two single-stage MZIs 33 and 34 - matrices T (D ₁ ) and T (D ₂ ):

Тогда матрица пропускания M(ν, φ, ϕ) двухкаскадного ИМЦ определяется произведением пяти матриц:Then the transmission matrix M (ν, φ, ϕ) of the two-stage MZI is determined by the product of five matrices:

Так как коэффициенты передач двухкаскадного ИМЦ связывают оптические интенсивности на выходе с оптической интенсивностью на входе, то для их определения следует использовать выражения:Since the transmission coefficients of the two-stage MZI associate the optical intensities at the output with the optical intensity at the input, the following expressions should be used to determine them:

Из выражений (6)÷(9) могут быть получены все основные свойства двухкаскадных ИМЦ. Нетрудно проверить, что двухкаскадный ИМЦ при вводе излучения через порты а и b остается устройством, выполняющим функцию разделения и объединения нечетных и четных каналов. Так, при подаче оптического сигнала в порт a некоторого двухкаскадного ИМЦ каналы разделятся на две группы, содержащие одна группа - нечетные каналы, а другая группа - четные каналы. Отметим важное свойство, сохраняющееся у двухкаскадных ИМЦ при подаче этого же оптического сигнала на другой вход - порт в на Фиг.3а, группы с нечетными и четными каналами меняются местами на выходных портах е и f.From the expressions (6) ÷ (9), all the basic properties of two-stage MZIs can be obtained. It is easy to verify that the two-stage MZI, when radiation is input through ports a and b, remains a device that performs the function of separating and combining the odd and even channels. So, when applying an optical signal to port a of a two-stage MZI, the channels will be divided into two groups containing one group — odd channels, and the other group — even channels. Note the important property that is preserved in two-stage MZIs when the same optical signal is applied to another input — port in in Fig. 3a, the groups with odd and even channels change places at the output ports e and f.

Расстояния между соседними экстремумами Δν и Δλ в спектральных характеристиках также определяются выражениями (5), где ΔL - разность длин плеч в первом каскаде двухкаскадного ИМЦ 40, то есть ΔL=l_44-1-l_44-2. Сохраняется возможность управляемого сдвига спектральных характеристик теперь уже с помощью двух фазовых сдвигов φ и ϕ. Чтобы сместить спектральные характеристики K_ae(ν, φ, ϕ) и K_af(ν, φ, ϕ) по оси частот на величину δν, необходимо с помощью соответствующих устройств фазового сдвига изменить фазы φ и ϕ:The distances between adjacent extrema Δν and Δλ in the spectral characteristics are also determined by the expressions (5), where ΔL is the difference of the lengths of the shoulders in the first cascade of the two-stage MZI 40, that is, ΔL = l _44-1 -l _44-2 . The possibility of a controlled shift of the spectral characteristics is retained now with the help of two phase shifts φ and ϕ. To shift the spectral characteristics K _ae (ν, φ, ϕ) and K _af (ν, φ, ϕ) along the frequency axis by δν, it is necessary to change the phases φ and ϕ using the appropriate phase shift devices:

Можно убедиться также с помощью (6)÷(9), что при вводе сигнала через порты е и f теряется возможность разделения на нечетные и четные каналы и соответственно объединения нечетных и четных каналов. Это следствие того, что матрицы в соответствии с выражением (6) и (7) являются некоммутируемыми. Поэтому двухкаскадные ИМЦ появляются обратимыми устройствами - два порта а и b с одной стороны могут использоваться только как входные порты, а два других порта е и f с противоположной стороны - только как выходные порты.You can also verify with the help of (6) ÷ (9) that when a signal is input through ports e and f, the possibility of splitting into odd and even channels and, accordingly, combining odd and even channels is lost. This is a consequence of the fact that the matrices in accordance with expressions (6) and (7) are non-commutative. Therefore, two-stage MZIs appear as reversible devices - two ports a and b on the one hand can only be used as input ports, and two other ports e and f on the opposite side can only be used as output ports.

На Фиг.4 приведены коэффициенты передачи K_aе(ν, φ, ϕ) и K_af(ν, φ, ϕ) для некоторого двухкаскадного ИМЦ как функции оптической частоты, рассчитанные с помощью выражений (6)÷(9). Этот двухкаскадный ИМЦ при коэффициентах связи k₁=0.7854, k₂=2.0944, k₃=0.3218 соответствующих фазовых задержках D₁ и D₂ и фазах φ и ϕ может быть использован как 50 ГГц-оптический фильтр для объединения четных и нечетных каналов в общий поток каналов с интервалом между соседними по частоте каналами 50 ГГц. Сплошными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K_ac(ν, φ, ϕ), в соответствии с которой при вводе через порт а одна группа каналов (нечетные каналы) выводится на выход е, пунктирными линиями показана спектральная зависимость коэффициента передачи K_af(ν, φ, ϕ), ответственная за вывод другой группы каналов (четные каналы) на выход f.Figure 4 shows the transmission coefficients K _ae (ν, φ, ϕ) and K _af (ν, φ, ϕ) for some two-stage MZIs as functions of the optical frequency calculated using expressions (6) ÷ (9). This two-stage MZI with coupling coefficients k ₁ = 0.7854, k ₂ = 2.0944, k ₃ = 0.3218 corresponding phase delays D ₁ and D ₂ and phases φ and ϕ can be used as a 50 GHz optical filter to combine even and odd channels into a common channel flow with an interval between adjacent frequency channels of 50 GHz. Solid lines show the spectral dependence of the transfer coefficient K _ac (ν, φ, ϕ), according to which, when entering through port a, one group of channels (odd channels) is output e, dashed lines show the spectral dependence of the transfer coefficient K _af (ν, φ, ϕ), which is responsible for outputting another group of channels (even channels) to output f.

Как можно видеть, двухкаскадный ИМЦ имеет значительно лучшую форму спектральных характеристик, близкую к прямоугольной, - с плоской вершиной и крутым спадом по краям спектральных полос. Поэтому двухкаскадный ИМЦ, используемый как оптический фильтр, обеспечивает лучшее подавление перекрестных помех и высокую изоляцию каналов. Тем не менее, вносимая дисперсия двухкаскадного ИМЦ остается большой и поэтому использование его как фильтра в системах связи с большой скоростью передачи данных ограничено.As you can see, the two-stage MZI has a much better shape of the spectral characteristics, close to rectangular, with a flat top and a steep decline along the edges of the spectral bands. Therefore, a two-stage MZI used as an optical filter provides better crosstalk suppression and high channel isolation. Nevertheless, the introduced dispersion of the two-stage MZI remains large and therefore its use as a filter in communication systems with a high data transfer rate is limited.

Известно, что ситуация может быть изменена в лучшую сторону при использовании фильтров, получаемых в результате каскадирования двухкаскадных ИМЦ. В одном из вариантов подобных устройств могут быть использованы комплементарные двухкаскадные ИМЦ, имеющие идентичные коэффициенты пропускания, но противоположные по знаку дисперсии. Комплементарность двухкаскадных ИМЦ обеспечивается определенным соотношением коэффициентов связи k₁, k₂ и k₃ в используемых двухкаскадных ИМЦ (US, 6782158, В2).It is known that the situation can be changed for the better when using filters obtained as a result of cascading two-stage MZIs. In one embodiment of such devices, complementary two-stage MZIs with identical transmittance but opposite in dispersion sign can be used. The complementarity of two-stage MZIs is ensured by a certain ratio of coupling coefficients k ₁ , k ₂ and k ₃ in the used two-stage MZIs (US, 6782158, B2).

На Фиг.5А показан один из вариантов многокаскадного ИМЦ 50, который может использоваться для объединения нечетных и четных каналов; условное изображение многокаскадного ИМЦ приведено на Фиг.5Б. Устройство 50 в волноводном исполнении размещено на одной подложке (кристалле) 51 и включает три двухкаскадных ИМЦ; в первом каскаде используются два двухкаскадных ИМЦ 52 и 53, оба типа I, и во втором каскаде - двухкаскадный ИМЦ 54 типа I', то есть с противоположным знаком дисперсии.On figa shows one of the variants of the multi-stage MZI 50, which can be used to combine the odd and even channels; conditional image of a multi-stage MZI is shown in Fig.5B. The device 50 in the waveguide design is placed on one substrate (crystal) 51 and includes three two-stage MZIs; in the first cascade two two-stage MZIs 52 and 53 are used, both of type I, and in the second cascade - two-stage MZI 54 of type I ', that is, with the opposite sign of dispersion.

При вводе нечетных и четных каналов соответственно через внешние порт g и h, ИМЦ 52 и 53 просто пропускают один - нечетные, а другой - четные каналы на свои выходные порты f. Объединяются же каналы с помощью ИМЦ 54, в результате они выводятся во внешний порт k. Так как дисперсии двухкаскадных ИМЦ 52 и 53 и двухкаскадного ИМЦ 54 имеют противоположные знаки, то таким образом обеспечивается нулевая или почти нулевая дисперсия всего устройства 50.When you enter the odd and even channels, respectively, through the external ports g and h, MZI 52 and 53 simply pass one — odd, and the other — even channels to their output ports f. The channels are combined using MZI 54, as a result they are output to the external port k. Since the dispersions of the two-stage MZI 52 and 53 and the two-stage MZI 54 have opposite signs, this ensures zero or almost zero dispersion of the entire device 50.

Схема одного из вариантов выполнения управляемого оптического мультиплексора согласно настоящему изобретению приведена на Фиг.6. Это управляемый оптический мультиплексор 60 конфигурации «1×8», то есть устройство для объединения восьми каналов со спектральным интервалом между соседними по частоте каналами, равным Δν=1600 ГГц.A diagram of one embodiment of a controlled optical multiplexer according to the present invention is shown in Fig.6. This is a controlled optical multiplexer 60 configuration "1 × 8", that is, a device for combining eight channels with a spectral interval between adjacent frequency channels equal to Δν = 1600 GHz.

Мультиплексор представляет собой трехступенчатую структуру типа «дерево» на семи оптических фильтрах. Четыре оптических фильтра (61-1)÷(61-4) первой ступени многоступенчатой структуры своими выходными портами соединены с двумя следующими, оптическими фильтрами 62-1 и 62-2 второй ступени, которые в свою очередь соединены своими выходными портами с оптическим фильтром ИМЦ 63 третьей ступени. Все устройство изготовлено на одной подложке 64.The multiplexer is a three-stage structure of the type of "tree" on seven optical filters. Four optical filters (61-1) ÷ (61-4) of the first stage of a multi-stage structure with their output ports are connected to the next two optical filters 62-1 and 62-2 of the second stage, which in turn are connected by their output ports to the optical filter of the IMC 63 third stage. The whole device is made on one substrate 64.

Внешние оптические выводы выполнены с помощью световодов. При этом световод 65 используется как общий выходной порт, световоды 66-1, …, 66-8 - как 8 портов, каждый для ввода отдельного канала. Соединения оптических фильтров всех трех уровней, а также их портов с внешними световодами - выводами - производится волноводами 67, сформированными на подложке 64. Световоды 65, 66-1, …, 66-8 оптически согласованы с волноводами 67 с максимальной эффективностью.External optical outputs are made using optical fibers. In this case, the optical fiber 65 is used as a common output port, the optical fibers 66-1, ..., 66-8 - as 8 ports, each for entering a separate channel. The optical filters of all three levels, as well as their ports, are connected to external optical fibers - outputs - by waveguides 67 formed on the substrate 64. Optical fibers 65, 66-1, ..., 66-8 are optically matched with waveguides 67 with maximum efficiency.

Динамическое управление работой мультиплексора 60 осуществляется путем перестройки спектральных характеристик семи оптических фильтров при подаче на устройства фазового сдвига, содержащиеся во всех оптических фильтрах, соответствующих напряжений. Управление производят с помощью контроллера 68, который связан с оптическими фильтрами электрической шины 69.The dynamic control of the operation of the multiplexer 60 is carried out by tuning the spectral characteristics of the seven optical filters when applying phase shift devices contained in all optical filters corresponding to the voltage. Management is carried out using the controller 68, which is connected to the optical filters of the bus 69.

Конструкция мультиплексора такова, что по мере перехода оптического сигнала с одной ступени к последующей ступени спектральные интервалы между каналами становятся в два раза меньше. Для оптических фильтров (61-1)÷(61-4) в первой ступени спектральный интервал между каналами максимальный, для оптического фильтра 63, напротив, минимальный, для оптических фильтров 62-1 и 62-2, используемых во второй ступени, спектральный интервал промежуточный. Поэтому требования к характеристикам используемых в соответствующих ступенях оптических фильтров могут быть различные. В качестве оптических фильтров в этом примере могут использоваться в первой ступени однокаскадные ИМЦ (Фиг.1Б), во второй ступени - двухкаскадные ИМЦ (Фиг.3Б) и в третьей ступени - многокаскадный ИМЦ (Фиг.5Б). Входные и выходные порты оптических фильтров второй и третьей ступеней должны быть соединены таким образом, чтобы оптический сигнал пропускался в направлении от первого ко второму каскаду двухкаскадных ИМЦ 65 и 66 и двухкаскадных ИМЦ, входящих в состав многокаскадного ИМЦ 67.The design of the multiplexer is such that as the optical signal moves from one stage to the next stage, the spectral intervals between the channels become half as much. For optical filters (61-1) ÷ (61-4) in the first stage, the spectral interval between channels is maximum, for optical filter 63, on the contrary, minimum, for optical filters 62-1 and 62-2 used in the second stage, the spectral interval intermediate. Therefore, the requirements for the characteristics of the optical filters used in the corresponding steps can be different. As optical filters in this example, single-stage MZIs can be used in the first stage (Fig. 1B), in the second stage two-stage MZIs (Fig. 3B) and in the third stage - multi-stage MZIs (Fig. 5B). The input and output ports of the optical filters of the second and third stages should be connected in such a way that the optical signal is passed in the direction from the first to the second cascade of two-stage MZI 65 and 66 and two-stage MZI included in the multistage MZI 67.

Расстояние ΔF между соседними экстремумами в спектральных характеристиках для оптических фильтров в трех ступенях рассматриваемого устройства следующие: для однокаскадных ИМЦ (61-1)÷(61-4): Δν_61-1=Δν_61-2=Δν_61-3=Δν_61-4=1600 ГГц; для двухкаскадных ИМЦ 62-1 и 62-2: Δν_62-1=Δν_62-2=800 ГГц и для многокаскадного ИМЦ 63: Δν₆₃=400 ГГц.The distance ΔF between adjacent extremes in the spectral characteristics for optical filters in the three steps of the device under consideration is as follows: for single-stage MZIs (61-1) ÷ (61-4): Δν _61-1 = Δν _61-2 = Δν _61-3 = Δν _{61 -4} = 1600 GHz; for two-stage MZIs 62-1 and 62-2: Δν _62-1 = Δν _62-2 = 800 GHz and for multi-stage MZIs 63: Δν ₆₃ = 400 GHz.

Соответственно разность ΔL длин плеч по выражению (5) в однокаскадных ИМЦ 61-1÷61-4 будет равна ΔL_61-1=ΔL_61-2=ΔL_61-3=ΔL_61-4=250 мкм, в первых каскадах двухкаскадных ИМЦ 62-1 и 62-2 разность равна ΔL_62-1=ΔL_62-2=125 мкм, в первых каскадах двухкаскадных ИМЦ, составляющих многокаскадный ИМЦ 63, разность длин плеч составляет ΔL₆₃=62,5 мкм (предполагается, что n=1,5).Accordingly, the difference ΔL of shoulder lengths according to expression (5) in single-stage MZIs 61-1 ÷ 61-4 will be ΔL _61-1 = ΔL _61-2 = ΔL _61-3 = ΔL _61-4 = 250 μm, in the first cascades of two-stage MZIs 62-1 and 62-2, the difference is ΔL _62-1 = ΔL _62-2 = 125 μm, in the first cascades of two-stage MZIs that make up the multi-stage MZI 63, the difference in shoulder lengths is ΔL ₆₃ = 62.5 μm (it is assumed that n = 1.5).

Для дальнейшего рассмотрения целесообразно ввести понятие коэффициента передачи мультиплексора, аналогичного по смыслу используемому выше при рассмотрении ИМЦ, но в данном случае имеющего отношение к передаче оптического сигнала с одного из входных портов (66-1)÷(66-8) мультиплексора на общий выходной порт 65. Коэффициенты передачи мультиплексора, которые обозначим как К_66-1+К_66-8, определяются произведением коэффициентов передачи оптических фильтров, через которые оптический сигнал проходит перед тем как оказывается на общем выходе 65. Например, коэффициент передачи с входного порта 66-3 в выходной порт 65 имеет вид:For further consideration, it is advisable to introduce the concept of a multiplexer transmission coefficient, similar in meaning to that used above when considering a MZI, but in this case related to the transmission of an optical signal from one of the input ports (66-1) ÷ (66-8) of the multiplexer to a common output port 65. the multiplexer transmission coefficient, which is denoted as K + _66-1 K _66-8, determined by the product of the transmission coefficients of optical filters through which the optical signal passes before appears at the common outlet 65. Nab Emer, the transmission coefficient from the input port 66-3 to the output port 65 has the form:

где три сомножителя в правой части являются коэффициентами передачи трех оптических фильтров 61-2, 62-1 и 63, верхние индексы соответствует номеру оптического фильтра, а нижние индексы - входным и выходным портам оптического фильтра.where the three factors on the right side are the transmission coefficients of the three optical filters 61-2, 62-1 and 63, the upper indices correspond to the number of the optical filter, and the lower indices correspond to the input and output ports of the optical filter.

Очевидно коэффициенты передачи мультиплексора являются функцией оптической частоты и фазовых сдвигов {φ_n} и {ϕ_n}. Для мультиплексора 60 при правильной настойке фазовых сдвигов для всех семи оптических фильтров каждый из восьми коэффициентов передачи должен иметь максимальное значение для несущей частоты одного каналов и минимальное - для частот других каналов.Obviously, the transmission coefficients of the multiplexer are a function of the optical frequency and phase shifts {φ _n } and {ϕ _n }. For multiplexer 60, with proper adjustment of phase shifts for all seven optical filters, each of the eight transmission coefficients should have a maximum value for the carrier frequency of one channel and a minimum value for frequencies of other channels.

При некоторых фазовых сдвигах {φ*_n} и {ϕ*_n} - фаз в первом и втором каскадах, используемых ИМЦ, коэффициент передачи с входного порта 66-3 в входной порт должен иметь значения: К_66-3(ν₃)≈1 и К_66-3(ν)≈0 при ν≠ν₃. Соответствующий вид при фазовых сдвигах {φ*_n} и {ϕ*_n} имеют и другие коэффициенты передачи демультиплексора 60, естественно для частот других каналов.At some phase shifts of {φ * _n } and {ϕ * _n } - phases in the first and second stages used by the MZI, the transfer coefficient from input port 66-3 to the input port should have the values: K _66-3 (ν ₃ ) ≈ 1 and K _66-3 (ν) ≈0 for ν ≠ ν ₃ . The corresponding form at phase shifts {φ * _n } and {ϕ * _n } have other transmission coefficients of the demultiplexer 60, naturally for the frequencies of other channels.

Пусть на входные порты мультиплексора 60 поступают входные сигналы - восемь каналов с распределением каналов по входным портам в соответствии с табл.1.Let the input signals — eight channels with the distribution of channels by input ports in accordance with Table 1 — be received at the input ports of multiplexer 60.

Таблица 1Table 1 Распределение каналов по входным портамChannel allocation by input ports Входной портInput port 66-166-1 66-266-2 66-366-3 66-466-4 66-566-5 66-666-6 66-766-7 66-866-8 Несущая частота каналаChannel carrier frequency ν₁ ν ₁ ν₅ ν ₅ ν₃ ν ₃ ν₇ ν ₇ ν₂ ν ₂ ν₆ ν ₆ ν₄ ν ₄ ν₈ ν ₈

При значениях фазовых сдвигов {φ*_n} и {ϕ*_n} мультиплексор 60 функционирует как обычный мультиплексор с фиксированными частотами каналов. Однокаскадные ИМЦ (61-1)÷(61-4) первого уровня попарно объединяют каналы и направляют их через четыре своих выходных порта на второй уровень - к двухкаскадным ИМЦ 62-1 и 62-2. Двухкаскадные ИМЦ 62-1 и 62-2 вновь объединяют каналы и направляют их на следующий уровень многоступенчатой структуры. На третьем уровне после прохождения волн через ИМЦ 63 все каналы объединятся и поступают на общий выходной порт 63.With phase shifts of {φ * _n } and {ϕ * _n }, multiplexer 60 functions as a conventional multiplexer with fixed channel frequencies. Single-stage MZIs (61-1) ÷ (61-4) of the first level pair the channels in pairs and direct them through their four output ports to the second level - to the two-stage MZIs 62-1 and 62-2. Two-stage MZIs 62-1 and 62-2 reunite the channels and direct them to the next level of the multi-stage structure. At the third level, after the waves pass through MZI 63, all the channels are combined and fed to the common output port 63.

Пусть теперь на входные порты мультиплексора начинают поступать сигналы, новые центральные частоты каналов {ν_i} которых все сдвинуты на величину δν<Δν, то есть ν_i=ν_i+δν. Для того чтобы мультиплицировать и объединить каналы с новыми оптическими несущими по отдельным выходным портам, следует произвести изменения фаз {φ*_n} и {ϕ*_n} в соответствии с выражением (10). Например, чтобы перейти в режим мультиплицирования каналов, частоты которых сдвинулись на величину δν=50 ГГц, необходимо изменить фазовые сдвиги в соответствии с табл.2.Now let the signals begin to arrive at the input ports of the multiplexer, the new center frequencies of the channels {ν _i } of which are all shifted by δν <Δν, that is, ν _i = ν _i + δν. In order to multiply and combine channels with new optical carriers on separate output ports, it is necessary to make phase changes {φ * _n } and {ϕ * _n } in accordance with expression (10). For example, in order to switch to the multiplication mode for channels whose frequencies have shifted by δν = 50 GHz, it is necessary to change the phase shifts in accordance with Table 2.

Таблица 2.Table 2. Изменения фаз {φ_n} и {ϕ_n} при сдвиге частот каналов δν=50 ГГцChanges in the phases {φ _n } and {ϕ _n } with a channel frequency shift δν = 50 GHz   ИМЦ (61-1)÷(61-4)IMC (61-1) ÷ (61-4) ИМЦ 62-1 и 62-2IMC 62-1 and 62-2 ИМЦ 63MZI 63 1-е каскады1st cascades δφ_61-4÷δφ₆₄=-π/32δφ _61-4 ÷ δφ ₆₄ = -π / 32 δφ_62-1=δφ_62-2=-π/16δφ _62-1 = δφ _62-2 = -π / 16 δφ₆₃=-π/8δφ ₆₃ = -π / 8 2-е каскады2nd cascades   δ_ф62-1=δ_ф62-1=-π/8δ _f62-1 = δ _f62-1 = -π / 8 δ_ф63=-π/4δ _f63 = -π / 4

Другие варианту управляемого оптического мультиплексора согласно настоящему изобретению могут отличаться от рассмотренного устройства 60 количеством и типом используемых оптических фильтров. В общем случае для управляемого оптического мультиплексора конфигурации «М×1», где М - значение из ряда 4, 16, 32, …2^N при N≥2, количество ступеней в многокаскадной структуре есть N, при этом в каждой n-й ступени при n=1, 2, …N должно использоваться 2^N-n оптический фильтров, и суммарное количество оптических фильтров, следовательно, равно 2ⁿ-1. Например, для мультиплицирования 32 каналов необходимое количество ступеней возрастает до 5, а количество используемых оптических фильтров до 31.Other variants of the controlled optical multiplexer according to the present invention may differ from the device 60 considered in the number and type of optical filters used. In the general case, for a controlled optical multiplexer of the “M × 1” configuration, where M is a value from a number of 4, 16, 32, ... 2 ^N at N≥2, the number of steps in a multistage structure is N, with each n-th stage when n = 1, 2, ... N, 2 ^Nn optical filters should be used, and the total number of optical filters, therefore, is 2 ⁿ -1. For example, to multiply 32 channels, the required number of steps increases to 5, and the number of optical filters used to 31.

Настройка оптических фильтров в каждой ступени должна производиться таким образом, чтобы для оптической частоты каждого из 2^N каналов коэффициенты передачи с одного из 2^N входов указанной N-ступенчатой структуры на выход имели бы максимальное значение.The tuning of the optical filters in each stage should be carried out in such a way that for the optical frequency of each of the 2 ^N channels the transmission coefficients from one of the 2 ^N inputs of the indicated N-stage structure to the output would have a maximum value.

Для управляемого оптического мультиплексора, предназначенного для использования в системе DWDM, чтобы обеспечить, с одной стороны, требуемые технические параметры, а с другой стороны, уменьшить стоимость, целесообразно использовать в первых ступенях однокаскадные ИМЦ, в последующих ступенях, при среднем спектральном интервале между каналами двухкаскадные ИМЦ и, наконец, в последних ступенях, где на вход поступают каналы с небольшим интервалом, - многокаскадные ИМЦ.For a controlled optical multiplexer intended for use in a DWDM system, in order to provide, on the one hand, the required technical parameters and, on the other hand, to reduce the cost, it is advisable to use single-stage MZIs in the first stages, in subsequent stages, with an average spectral interval between channels of two-stage MZI and, finally, in the last steps, where channels with a small interval arrive at the input - multi-stage MZIs.

Для управляемого оптического мультиплексора, предназначенного для систем CWDM, в качестве оптических фильтров можно использовать двухкаскадные или даже однокаскадные ИМЦ. Заметим, что в силу обратимости оптических характеристик однокаскадных ИМЦ соответствующее устройство в целом будет также обратимым, то есть его можно использовать как управляемый мультиплексор/демультиплексор.For a controlled optical multiplexer designed for CWDM systems, two-stage or even single-stage MZIs can be used as optical filters. Note that due to the reversibility of the optical characteristics of single-stage MZIs, the corresponding device as a whole will also be reversible, that is, it can be used as a controlled multiplexer / demultiplexer.

Управляемые оптические мультиплексоры могут иметь применение не только в системах связи со спектральным уплотнением, но и в ряде других систем, например в многоканальных системах датчиков, для оптической фильтрации, в аналоговых системах самого различного назначения.Controlled optical multiplexers can be used not only in communication systems with spectral multiplexing, but also in a number of other systems, for example, in multichannel sensor systems, for optical filtering, in analog systems of various purposes.

Например, описанный выше управляемый оптический мультиплексор 60 может быть использован в оптической системе с фиксированными частотами каналов, в которой возможны ситуации, когда каналы на входах меняются местами. Требуемое функционирование можно обеспечить также с помощью соответствующих изменений величины фазовых сдвигов {φ_n} и {ϕ_n}. Например, если необходимо на входах 66-1 и 66-2 поменять местами каналы с несущими частотами ν₁ и ν₅, а распределение всех других каналов на входных портах оставить прежним, то следует с помощью устройства фазового сдвига в однокаскадном ИМЦ 61-1 изменить фазу φ_61-1:For example, the controllable optical multiplexer 60 described above can be used in an optical system with fixed channel frequencies, in which situations are possible where the channels at the inputs are interchanged. The required functioning can also be achieved by means of corresponding changes in the magnitude of the phase shifts {φ _n } and {ϕ _n }. For example, if it is necessary to swap the channels with carrier frequencies ν ₁ and ν ₅ at the inputs 66-1 and 66-2, and leave the distribution of all other channels at the input ports unchanged, then with the help of the phase shifter in the single-stage MZI 61-1 change phase φ _61-1 :

φ*_61-1→φ*_61-1+δφ_61-1, где δφ_61-1=±π.φ * _61-1 → φ * _61-1 + δφ _61-1 , where δφ _61-1 = ± π.

Использование интегрально-оптических технологий для изготовления представляется решающим фактором для того, чтобы управляемый оптический мультиплексор согласно настоящему изобретению имел необходимую устойчивость к внешним воздействиям, большое число каналов, высокое быстродействие. Использование унифицированных типовых элементов в конструкции - однокаскадных и/или двухкаскадных, и/или многокаскадных ИМЦ позволяет использовать автоматизированные технологические операции, что обеспечит высокие технические характеристики и относительно низкую стоимость изготовления мультиплексоров.The use of integrated optical technologies for manufacturing seems to be a decisive factor for the controlled optical multiplexer according to the present invention to have the necessary resistance to external influences, a large number of channels, and high speed. The use of standardized standard elements in the design - single-stage and / or two-stage, and / or multi-stage MZI allows the use of automated technological operations, which will provide high technical characteristics and relatively low manufacturing cost of multiplexers.

Выбор используемых оптических фильтров - однокаскадных, двухкаскадных или многокаскадных ИМЦ - должен производиться с учетом специфики конкретной оптической системы связи. В качестве устройств фазового сдвига могут использоваться как электрооптические, так и термооптические устройства, при этом электрооптические устройства фазового сдвига могут гарантировать предельно высокую скорость перестройки спектральных характеристик мультиплексора.The choice of optical filters used - single-stage, two-stage or multi-stage MZI - should be made taking into account the specifics of a particular optical communication system. Both electro-optical and thermo-optical devices can be used as phase shift devices, while electro-optical phase shift devices can guarantee an extremely high tuning speed of the spectral characteristics of the multiplexer.

Рассмотренные примеры поясняют принцип работы, характеристики и возможные варианты конструкции настоящего изобретения. Специалистам в области волоконно-оптических систем связи должно быть очевидно, что в рамках настоящего изобретения возможны другие модификации и альтернативные варианты конструктивного исполнения управляемого оптического мультиплексора согласно изобретению, не выходящие за рамки формулы изобретения.The examples discussed explain the principle of operation, characteristics and possible design options of the present invention. Specialists in the field of fiber-optic communication systems should be obvious that in the framework of the present invention, other modifications and alternative structural options for the controlled optical multiplexer according to the invention are possible, without going beyond the scope of the claims.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Способ управляемого мультиплексирования согласно изобретению с помощью управляемого оптического мультиплексора согласно настоящему изобретению может использоваться в волоконно-оптических линиях и системах связи со спектральным уплотнением каналов, в том числе в магистральных линиях связи, где используется DWDM-технология, и в региональных, городских и локальных системах связи, где используется CWDM-технология.The method of controlled multiplexing according to the invention using a controlled optical multiplexer according to the present invention can be used in fiber-optic lines and communication systems with spectral multiplexing of channels, including trunk lines where DWDM technology is used, and in regional, city and local systems communications where CWDM technology is used.

Управляемый оптический мультиплексор согласно настоящему может быть реализован с помощью существующих интегрально-оптических технологий.The controlled optical multiplexer according to the present can be implemented using existing integrated optical technologies.

Claims (7)

1. Способ управляемого мультиплексирования каналов в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением 2^N каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться, в котором:
(а) подают 2^N каналов, каждый канал отдельно, на 2^N входов N-ступенчатой структуры типа «дерево», содержащей в каждой n-й ступени, при n=1, 2,…, N, 2^N-n оптических фильтров, имеющих два входа и, по меньшей мере, один выход, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи и характеризующихся частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν_n=2^n-1Δν, и при этом входами указанной N-ступенчатой структуры являются каждый из двух входов каждого оптического фильтра первой ступени;
(б) настраивают оптический фильтр каждой ступени таким образом, чтобы для оптической частоты каждого из 2^N каналов коэффициенты передачи с одного из 2^N входов указанной N-ступенчатой структуры на выход имели бы максимальное значение;
(в) пропускают многоканальный оптический сигнал через N-ступенчатую структуру и получают на выходе оптического фильтра последней ступени многоканальный оптический сигнал.1. A method of controlled multiplexing of channels in a fiber-optic communication system with spectral multiplexing of 2 ^N channels, the optical frequencies of which can be tuned with a constant spectral interval between adjacent channels Δν, in which:
(a) serve 2 ^N channels, each channel separately, to 2 ^N inputs of an N-step structure of the “tree” type, containing in each nth step, with n = 1, 2, ..., N, 2 ^Nn optical filters having two inputs and at least one output, made with the possibility of controlled adjustment of the transmission coefficients and characterized by the frequency interval between adjacent extrema in the dependences of the transmission coefficients on the frequency Δν _n = 2 ^n-1 Δν, and the inputs of this N-step structure are each of the two inputs of each optical filter of the first stup none;
(b) adjust the optical filter of each stage in such a way that for the optical frequency of each of the 2 ^N channels the transmission coefficients from one of the 2 ^N inputs of the indicated N-stage structure to the output would have a maximum value;
(c) a multi-channel optical signal is passed through an N-stage structure and a multi-channel optical signal is obtained at the output of the last stage optical filter. 2. Управляемый оптический мультиплексор для использования в волоконно-оптических сетях со спектральным уплотнением 2^N каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться, имеющий 2^N входных портов [(66-1),…, (66-8)] и один выходной порт (65), включающий:
N-ступенчатую структуру (60) типа «дерево», содержащую в каждой n-й ступени, при n=1, 2,…, N, 2^N-n оптических фильтров [(61-1),…, (61-4); (62-1), (62-2); 63], выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в n-й ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν_n=2^N-nΔν, и имеющих два входа [а, b или g, h] и, по меньшей мере, один выход [с, или е, или k];
контроллер (68) для управления перестройкой коэффициентов передач указанных фильтров [(61-1),…, (61-4); (62-1), (62-2); 63].2. A controlled optical multiplexer for use in fiber optic networks with spectral multiplexing of 2 ^N channels, the optical frequencies of which can be tuned with a constant spectral interval between adjacent channels Δν having 2 ^N input ports [(66-1), ..., (66- 8)] and one output port (65), including:
An N-step structure (60) of the “tree” type, containing in each nth step, with n = 1, 2, ..., N, 2 ^Nn optical filters [(61-1), ..., (61-4); (62-1), (62-2); 63], made with the possibility of controlled adjustment of the transmission coefficients, characterized in the n-th step by the frequency interval between adjacent extrema in the dependences of the transmission coefficients on the frequency Δν _n = 2 ^Nn Δν, and having two inputs [a, b or g, h] and, at least one output [s, or e, or k];
a controller (68) for controlling the adjustment of the gear ratios of these filters [(61-1), ..., (61-4); (62-1), (62-2); 63]. 3. Мультиплексор по п.2, отличающийся тем, что в указанной многоступенчатой структуре
два входа [а, b или g, h] каждого оптического фильтра первой ступени соединены с одним из входных портов [(66-1),…, (66-8)];
оптические фильтры [(62-1), (62-2); 63] в каждой ступени, кроме первой, соединены каждым из двух входов [а, b; g, h] с выходом [с, е] одного из оптических фильтров предыдущей ступени;
выход [k] оптического фильтра (63) последней ступени соединен с выходным портом (65).3. The multiplexer according to claim 2, characterized in that in said multistage structure
two inputs [a, b or g, h] of each optical filter of the first stage are connected to one of the input ports [(66-1), ..., (66-8)];
optical filters [(62-1), (62-2); 63] in each step, except the first, are connected by each of the two inputs [a, b; g, h] with the output [s, e] of one of the optical filters of the previous stage;
the output [k] of the optical filter (63) of the last stage is connected to the output port (65). 4. Мультиплексор по п.2, отличающийся тем, что оптическими фильтрами [(61-1),…, (61-4); (62-1), (62-2); 63] N-ступенчатой структуры являются однокаскадные (10), и/или двухкаскадные (30), и/или многокаскадные (50) несимметричные интерферометры Маха-Цендера.4. The multiplexer according to claim 2, characterized in that the optical filters [(61-1), ..., (61-4); (62-1), (62-2); 63] N-step structures are single-stage (10), and / or two-stage (30), and / or multi-stage (50) asymmetric Mach-Zehnder interferometers. 5. Мультиплексор по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что для управления настройкой коэффициентов передачи оптические фильтры [(61-1),…, (61-4); (62-1), (62-2); 63] содержат электрооптические или термооптические устройства [15; 37, 38] фазового сдвига.5. The multiplexer according to any one of claims 2 to 4, characterized in that for controlling the adjustment of transmission coefficients, optical filters [(61-1), ..., (61-4); (62-1), (62-2); 63] contain electro-optical or thermo-optical devices [15; 37, 38] phase shift. 6. Мультиплексор по п.2, отличающийся тем, что выполнен по интегрально-оптической технологии на одном чипе.6. The multiplexer according to claim 2, characterized in that it is made by integrated optical technology on a single chip. 7. Мультиплексор по п.2, где все входные порты [(66-1),…, (66-8)] и выходной порт (65) выполнены с помощью световодов. 7. The multiplexer according to claim 2, where all the input ports [(66-1), ..., (66-8)] and the output port (65) are made using optical fibers.

Images