WO2007064240A1 - Dynamically functional multi-channel controllable optical add/drop multiplexer - Google Patents

Dynamically functional multi-channel controllable optical add/drop multiplexer Download PDF

Info

Publication number
WO2007064240A1
WO2007064240A1 PCT/RU2005/000609 RU2005000609W WO2007064240A1 WO 2007064240 A1 WO2007064240 A1 WO 2007064240A1 RU 2005000609 W RU2005000609 W RU 2005000609W WO 2007064240 A1 WO2007064240 A1 WO 2007064240A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
output
input
stage
channels
Prior art date
Application number
PCT/RU2005/000609
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2007064240A8 (fr
Inventor
Vyacheslav Konstantinovich Sakharov
Original Assignee
Nechaev, Alexandr Vladimirovich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nechaev, Alexandr Vladimirovich filed Critical Nechaev, Alexandr Vladimirovich
Priority to PCT/RU2005/000609 priority Critical patent/WO2007064240A1/ru
Publication of WO2007064240A1 publication Critical patent/WO2007064240A1/ru
Publication of WO2007064240A8 publication Critical patent/WO2007064240A8/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/02—Wavelength-division multiplex systems
    • H04J14/0201—Add-and-drop multiplexing
    • H04J14/0202—Arrangements therefor
    • H04J14/0213—Groups of channels or wave bands arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/02—Wavelength-division multiplex systems
    • H04J14/0201—Add-and-drop multiplexing
    • H04J14/0202—Arrangements therefor
    • H04J14/021—Reconfigurable arrangements, e.g. reconfigurable optical add/drop multiplexers [ROADM] or tunable optical add/drop multiplexers [TOADM]

Definitions

  • the invention relates to fiber-optic communication systems with spectral channel multiplexing, in particular, to multi-channel reconfigurable and controlled optical channel I / O multiplexers (hereinafter t-OADM and ROADM) and can be used both in dense spectral multiplexing (DWDM) systems and moderate spectral multiplexing (CWDM).
  • t-OADM and ROADM multi-channel reconfigurable and controlled optical channel I / O multiplexers
  • DWDM Dense spectral multiplexing
  • CWDM moderate spectral multiplexing
  • DWDM technologies are characterized by extremely high bandwidth, but are very expensive.
  • the standard for the grid of wavelengths introduced by the International Telecommunication Committee (hereinafter ITU-Standard), provides for the spectral interval between channels 200, 100, 50 or 25 GHz.
  • ITU-Standard The recommended ITU-Standard spectral spacing between channels for CWDM systems is 20 im. CWDM is easier to use and cheaper than DWDM.
  • optical input / output multiplexers (hereinafter OADM) are used for channel input / output. They allow you to remove one or more channels from the line and simultaneously enter a signal at the same wavelengths with new information, and the efficiency of using communication systems is increased. Moreover, the number of input / output channels is usually significantly less than the total number of channels in the line.
  • Multichannel OADMs have, as a rule, fixed I / O channel frequencies.
  • Systematically increasing bandwidth requirements for communication systems require more flexibility, in particular, the use of reconfigurable and managed multi-channel OADMs.
  • These devices other than use in optical communication networks may have other applications, for example, in multi-channel sensor systems, for optical filtering, in analog systems for various purposes.
  • ROADM reconfigurable OADM
  • t-OADM managed OADM
  • the approach to the problem of creating ROADM consists in using a pair - a demx multiplexer of the “lxK” configuration and a multiplexer of the “Kxl” configuration, the outputs and inputs of which are connected and form K paths (K is the total number of channels in the system).
  • An optical electromechanical switch (hereinafter MEMS) is installed in each of the tracks.
  • the specified optical demultiplexer divides the optical signal into K channels and directs each channel to one of the K paths.
  • MEMS pass part of the channels to the optical multiplexer, and the other part of the channels are sent to the output ports.
  • the specified optical multiplexer combines all channels, including newly introduced using the same MEMS, and returns them to the optical line. Obviously, if implemented using this approach, the device would have a high cost, the greater the greater the number of channels K and the smaller the spectral interval between adjacent channels.
  • the period of the diffraction grating can vary within certain limits: be equal to or not equal to the wavelength of one of the K channels, and, therefore, using such OADM channel input / output with an appropriate wavelength may or may not be made.
  • the channels are separated by an optical demultiplexer into L subsets, in each subset P channels with intervals between the channels L- ⁇ v.
  • any given channels can be output. All other channels, together with newly introduced channels at the frequencies of the output channels, are combined using an optical multiplexer and enter the optical line.
  • the aim of the present invention is to provide a multi-channel OADM with dynamic functionality, which in different versions can be used as a multi-channel ROADM or as a multi-channel t-OADM.
  • the device should be simpler in the design solution than the known approaches suggest, satisfy the existing requirements for channel isolation and introduced dispersion, and be suitable for integrated optical performance. Whenever possible, the device should be as dynamic and flexible as possible for use in a wide variety of WDM systems.
  • the task was to develop a device for input / output of multiple channels from an optical signal with spectral channel multiplexing using controlled dynamic tuning of the filtering bandwidth.
  • the problem was solved by creating a multi-channel controlled optical input / output multiplexer with dynamic functionality for a fiber-optic communication system with spectral multiplexing of 2 N channels at N
  • - a controlled optical input / output multiplexer that provides the output of 2 m channels to one output port and the input of new 2 m channels at the carrier frequencies of the output channels to one output port;
  • the multichannel multiplexer be adapted to control the input / output of the channels in a reconfigurable mode, while these optical demultiplexer and multiplexer have fixed spectral characteristics and the controller is electrically connected to the specified controlled optical input / output multiplexer.
  • the multichannel multiplexer be adapted to control the input / output of channels in a tunable mode, while these optical demultiplexer and multiplexer have tunable spectral characteristics and the controller is electrically connected to these controlled optical input / output multiplexer, optical demultiplexer and multiplexer.
  • the indicated optical demultiplexer in the indicated M-stage structure one of the inputs of the optical filter of the first stage is connected to the input port, each of the two outputs of the optical filter of the last stage is connected to one of their output ports and optical filters in each stage, except the last, each of their two outputs were connected to the input of one of the optical filters of the next stage.
  • the specified optical multiplexer in the indicated M-stage structure two inputs of the optical filters of the first stage are connected to the input ports, one output of the optical filter of the last stage is connected to the output port and optical filters in each stage, except the first and last, were connected by each of the two inputs with the output of one of the optical filters of the previous stage, and with one output - with one of the inputs of one of the optical filters of the next stage.
  • single-stage and / or two-stage and / or multi-stage asymmetric Mach-Zehnder interferometers be used as the indicated optical filters.
  • optical filters contain electro-optical or thermo-optical phase shift devices to control the adjustment of transmission coefficients.
  • the multichannel multiplexer was made by integrated-optical technology on a single chip.
  • the input port, output port, M output ports and M input ports in the multi-channel multiplexer are made using optical fibers.
  • Fig.l is a diagram of a single-stage MZI
  • FIG. 1B is a schematic representation of a single-stage MZI shown in FIG. IA;
  • Figa is a diagram of a two-stage MZI
  • Fig.2B conditional image of a two-stage MZI shown in Fig.2A
  • Fig.ZA is a diagram of a multi-stage MZI used for dividing channels into odd and even ones;
  • Fig.ZB conditional image of a multi-stage MZI shown in Fig.ZA;
  • Figa is a diagram of a multi-stage MZI for combining odd and even channels
  • Fig. 4B is a schematic view of the multi-stage MZI shown in Fig. 4A;
  • 5A is a diagram of a t-OADM controlled optical input / output multiplexer
  • Fig. 5B is a schematic illustration of the t-OADM controlled optical input / output multiplexer shown in Fig. 5A;
  • Fig. BA is a diagram of a controlled optical demultiplexer t-Demux
  • FIG. 6 is a conditional image of a controlled optical demultiplexer t-Demuh shown in Fig.ba;
  • 7A is a diagram of a t-Mux controlled optical multiplexer
  • Fig. 7B is a schematic illustration of a controlled optical t-Mux multiplexer shown in Fig. 7A;
  • Fig. 8 is a diagram of a multi-channel OADM with dynamic functionality according to the invention used in a reconfigurable input / output mode using t-OADM and an optical demultiplexer and a multiplexer with fixed spectral characteristics;
  • Fig. 9 is a diagram of a multi-channel OADM with dynamic functionality according to the invention used in a controlled input / output mode using t-OADM, t-Demux and t-Max.
  • a key element for functional devices that are part of a multi-channel OADM with dynamic functionality is an asymmetric Mach-Zehnder interferometer or, as they agreed to call it, a single-stage MZI.
  • a single-stage MZI can be performed using various components and technologies, including using fiber optic splitters, beam splitters, prism mirrors, polarizers and other elements.
  • the best option for multi-channel OADM with dynamic functionality according to the present invention is a single-stage MZI in planar design.
  • FIG. IA is a schematic representation of a waveguide version of a single-stage MZI 10, its conditional image is shown in Fig.lB.
  • the device 10 is placed on one substrate 11, where the cascaded MZI 12 itself is formed by two arms 12-1 and 12-2 located between the first 13 and second 14 splitters, formed by waveguides of unequal length Ii and I 2 , respectively.
  • the coupling coefficients ki 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 10 has conclusions a and b on the one hand and conclusions c and d on the other hand.
  • the single-stage MZI 10 in the arm 12-2 contains a phase shift device 15 that introduces an additional phase shift ⁇ into the phase of the traveling wave and is a controllable element used to adjust the spectral characteristics.
  • phase shift device 15 can be manufactured using a thermo-optical material, for example, silicone, or an electro-optical material, for example, lithium niobate (LiNbO3) or gallium arsenide.
  • thermo-optical material for example, silicone
  • electro-optical material for example, lithium niobate (LiNbO3) or gallium arsenide.
  • 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.
  • the light intensity at the two output ports c and d can be expressed using the transmission coefficients K ac (v, ⁇ ) and K ad (v, ⁇ ):
  • K ad (v, ⁇ ) 0.5- [l + cos (+ ⁇ + ⁇ )] s, (4)
  • D 2 ⁇ n ⁇ Lv / c is the phase delay due to different optical lengths of the arms 12-1 and 22-2;
  • ⁇ L Ii - 1 2 ;
  • p is the refractive index of the material;
  • v is the optical frequency and c is the speed of light in the void.
  • the light intensity at the same output ports c and d can be represented using the transmission coefficients Kb c (v, ⁇ ) and K bd (v, ⁇ ):
  • the transmission coefficients (1) ⁇ (4) become the spectral characteristics of a single-stage MZI.
  • the spectral characteristics (1) ⁇ (4) are periodic functions of the frequency of light v (and wavelength ⁇ ), the difference in arm lengths ⁇ L, refractive index n, and phase shift ⁇ .
  • a single-stage MZI is a reversible device.
  • the signals are divided into two groups, which are output to different outputs.
  • One group contains odd channels
  • the other group contains even channels
  • the spectral interval between channels becomes twice as large as at the input of a single-stage MZI.
  • the distance between adjacent extrema ⁇ v (or ⁇ ) in the spectral characteristics for a real single-stage MZI should be formed at the stage of its manufacture by selecting the corresponding difference of the arm lengths ⁇ L and the refractive index p.
  • the controlled adjustment of the position of the extreme values of the transmission coefficients relative to the given frequencies ⁇ v; ⁇ ( or wavelengths ⁇ ; ⁇ ) should be performed using the appropriate adjustment of the phase shift ⁇ when using an optical filter as part of any particular device Twa.
  • the lack of spectral characteristics of a single-stage MZI is nonplanar peaks and slowly falling edges of the spectral bands, which, with a small spectral interval between channels, can cause crosstalk between adjacent channels.
  • Another known disadvantage is that with a large difference in the lengths of the arms AL, the introduced dispersion can be very large. These flaws limit the possibility of using single-stage MZIs in devices used in communication systems with spectral channel multiplexing.
  • 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 planar form, and at the same time contain phase shift devices.
  • figa shows a schematic representation of the waveguide version of the two-stage MZI 20, its conditional image is shown in figb. It uses three splitters 21, 22 and 23 with coupling coefficients k lz k 2 and k 3 , respectively, forming two single-stage MZIs 24 and 25.
  • the device 20 is placed on a single substrate 26.
  • the first single-stage MZI 24 is formed by two waveguides 24-1 and 24-2 of unequal length I 24- I and I 24-2 , respectively.
  • the second single-stage MZI 25 is formed by two waveguides 25-1 and 25-2 of unequal length I 25-I and I 25-2 , respectively.
  • MZIs 24 and 25 use phase shift devices 27 and 28, the phase shifts introduced by them are ⁇ and f, respectively.
  • the two-stage MZI has conclusions a and b on the one hand and conclusions e and / on the other hand.
  • M (v, ⁇ , ⁇ ) T ⁇ k g ) T (D g ) T (k 2 ) T (D x ) T (k x ) (8) Mi with M bd ⁇
  • 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.
  • FIG. 3A shows one of the variants of the multi-stage MZI 30, which can be used to separate the odd and even channels; conditional image of a multi-stage MZI is shown in Fig.ZB.
  • the device 30 in planar execution is placed on one substrate (crystal) 31 and includes three complementary two-stage MZIs: the first stage uses a two-stage MZI 32 type I, and in the second stage two two-stage MZIs 33 and 34, both types G, respectively, with the other sign of variance.
  • On figa shows one of the variants of the multi-stage MZI 40, which can be used to combine the odd and even channels; conditional image of a multi-stage MZI is shown in Fig.4B.
  • the entire device 40 in planar execution is placed on one substrate (crystal) 41 and includes three two-stage MZIs: in the first cascade two two-stage MZIs 42 and 43 are used, both types I 3 and in the second cascade - two-stage MZI 44 of type G, respectively, with the opposite sign of dispersion.
  • the MZI 42 and 43 When entering the odd and even channels, respectively, through the external ports z and w, the MZI 42 and 43 simply pass one odd and the other even channels to their output ports / The channels are combined using MZI 44, and as a result, the odd and even channels to external port v. Since the dispersion of the two-stage MZI 42 and 43 and each of the two-stage MZI 44 have opposite signs, this ensures zero or almost zero dispersion of the entire device 40.
  • FIG. 5A A diagram of one embodiment of the used controlled optical I / O multiplexer 50 is shown in Fig. 5A, its conditional image in Fig. 5B.
  • the device 50 (hereinafter referred to as t-OADM 50) is a three-stage structure and has an input port “In”, an output port “Out”, an output “Drop” port, an input “Add” port and includes three optical filters 51-1, 51- 2 and 51-3.
  • the multiplexer further comprises an optical adder 52 having 4 inputs “1” ⁇ “4” and one output ⁇ . All three filters 51-1, 51-2 and 51-3 and the adder 52 are integrated on a single substrate 53. Connections of the filters are performed by waveguides 54.
  • Dynamic control of the operation of the controlled input / output multiplexer 50 is carried out by tuning the spectral characteristics of the three filters 51-1, 51-2, and 51-3 when all three filters of the corresponding voltages are applied to the phase-shift devices. Management is carried out using an external controller (not shown in the drawing), which is connected to the optical filters with an electric bus 55.
  • optical filters 51-1, 51-2 and 51-3 are connected in series with each other so that the output of one is connected to the input of the other, the second output of each filter is connected to one of the inputs of the optical adder, the input of the first filter 51-1 is connected to the input port “In”, the output of the last filter 51-3 is connected to the output port “Drop”, the optical adder 52 is connected to the input port “Add” by another input, and the output to the output port “Out”.
  • the operation of t-OADM 50 in these phases ⁇ * n ⁇ and ⁇ f * n ⁇ occurs as follows.
  • the optical filter 51-1 of the first stage divides the channels entering the input port "In" into two groups - a group of odd waves V 1 , V 3 , V 5 and V 7 , which are directed to the optical filter 51-2 of the second stage, and the group even waves V 2 , V 4 , V 6 and Vg, which are directed to the optical adder 52.
  • the optical filter 51-2 again divides the waves and directs the waves v3 and V 7 to the optical filter 51-3 of the third stage, and the waves V 1 and V 5 to the adder 52; the third optical filter 51-3 divides the two waves v 3 and V 7 coming to it.
  • the V 3 wave is released, which passes to the Drop output port, and all the other 7 waves go to the three inputs of the adder 52 and with its help are in the Out port.
  • the wave v " 3 introduced through the port" Add ", is fed to the fourth input of the adder and also appears in the output port 52.
  • the functional device used as t-OADM in the present invention may differ from t-OADM 50 by the number of steps N 1 in the multi-stage structure, the spectral interval between adjacent channels at the input Av 1 8 * , and the type of optical filters used.
  • the distances between adjacent extrema in the spectral characteristics should be set as follows:
  • the free dispersion region which plays an important role in the present invention.
  • the spectral characteristics of optical devices can be cyclically repeated over a wide spectral range.
  • the repetition period, or the spectral range F, within which there is no cyclic repetition of the characteristics is called the region of free dispersion.
  • the free dispersion region F is:
  • t-Demux 60 The scheme of the used controlled optical demultiplexer 60 (hereinafter referred to as t-Demux 60) according to the present invention is shown in Fig. BA, a conditional image of it is shown in Fig. Bb.
  • t-Demuh 60 also has a three-stage structure of the “tree” type.
  • the first optical filter 61 (the first stage of the multi-stage structure) is connected with its output ports to the next two - optical filters 62-2 and 62-3 (second stage), which in turn are connected by their output ports to the following four optical filters 63-1, 63 -2, 63-3 and 63-4 (third stage).
  • the whole device is made on one substrate (crystal) 64.
  • ⁇ Demux port is used as input, eight Cl ⁇ CS ports - for individual output of channels.
  • the optical filters of all three levels are connected by waveguides 65 formed on the substrate. Dynamic control of the operation of the controlled demultiplexer 60 is carried out by tuning the spectral characteristics of the optical filters when applying phase shift devices contained in all the filters, the corresponding voltages. Management is carried out using an external controller (not shown in the drawing), which is connected to the optical filters with an electric bus 66.
  • the spectral intervals between the channels become two times wider.
  • the spectral interval between the channels is minimal, for filters 63-1 ⁇ 63-4 of the third stage, on the contrary, the maximum and for filters 62-1 and 62-2 of the second stage, the spectral interval is intermediate. Therefore, the requirements for the characteristics of the filters are different.
  • the following can be used: in the first stage - multi-stage MZI (Fig. 3A), in the second stage - two-stage MZI (Fig. 2A) and in the third - single-stage MZI (Fig. IA).
  • the t-Demux 60 functions as a traditional demultiplexer with fixed channel frequencies.
  • the multistage MZI 61 divides the channels (waves) into odd v l5 v 3 , V 5 and V 7 and even v 2 , v 4 , v 6 and V 8 , which are sent to the two-stage MZI 62-1 and 61-2.
  • the two-stage MZIs 62-1 and 61-2 divide again the waves arriving to them, while the two-stage MZIs 62-1 directs the waves V 1 and V 5 to the single-stage MZIs 63-1 and the waves v 3 and V 7 - to the single-stage MZIs 63-2 and the two-stage MZI 62-2 directs the waves V 2 and V 6 to the single-stage MZI 63-3 and the waves V 4 and V 8 - to the single-stage MZI 63-4.
  • all the waves are completely separated and displayed individually on separate ports in accordance with the table. one.
  • phase changes ⁇ * n ⁇ and ⁇ * n ⁇ should be made in accordance with expression (10).
  • ⁇ 6 i - ⁇ / 8
  • ⁇ 62-2 - ⁇ / 16
  • the third functional device 70 has an opposite purpose to the functional device 60 and is used to combine channels.
  • the two functional units 60 and 70 intended for the multi-channel OADM with dynamic functionality discussed below, must be compatible.
  • the inputs of the functional device 70 must be supplied with channels whose carrier frequencies coincide with the frequencies of the channels at the outputs of the functional device 60, and the spectral interval between the channels should be like that of t-Demuh 60.
  • the scheme of the used controlled optical multiplexer (hereinafter - t-Mux 70) according to the present invention is shown in Fig.7A, a conditional image of it is shown in Fig.7B.
  • t-Mux 70 is a multi-stage structure of the "tree" type on seven optical filters.
  • optical filters 71-1 ⁇ 71-4 comprising the first stage of a multi-stage structure, are connected with their output ports to two subsequent optical filters 72-1 and 72-2, comprising a second stage, which in turn are connected by their output ports to another optical filter IMC 73, which is the third stage.
  • the entire device is made on the same substrate 74.
  • the ⁇ m ux port serves as a common output port.
  • the optical filters of all three levels are connected by waveguides 75 formed on a substrate 74.
  • Dynamic control of t-Mux 70 operation is carried out by tuning the spectral characteristics of seven optical filters when applying phase shift devices contained in all optical filters corresponding to the voltage. Management is carried out using an external controller (not shown in the drawing), which is connected to the optical filters with an electric bus 76.
  • t-Mx 70 As the optical signal passes from one stage to the next stage, the spectral intervals between the channels become two times narrower. For the optical filters 71-4 ⁇ 71-4 in the first stage, the spectral interval between the channels is maximum; for the optical filter 73, on the contrary, is the minimum. Therefore, the requirements for the characteristics of the optical filters used in the corresponding steps are different.
  • optical filters in this example can be used: in the first stage - single-stage MZI (Fig. IA), in the second stage - two-stage MZI (Fig. 2A) and the third - multistage MZI (Fig. 4A).
  • the design of the t-Mx 70 differs from that described by the t-Dem 60 only by the used multi-stage MZIs: in one case it is multi-stage MZIs (Fig. 3A), and in the other case it is multi-stage MZIs (Fig. 4A).
  • the channel combining process performed using the t-Mx 70 is the reverse of the channel separation process discussed above in t-Demx 60.
  • the design of the t-Mux configuration “2 m xl” in the form of a multi-stage tree-like structure of optical filters can differ from the t-Mux 70 in the number of steps M, the spectral interval between adjacent channels at the Av TM x output, and the type of optical filters used.
  • n optical filters 3 -oy stage at nz l, 2, ... M distances between adjacent extremums in spectral characteristics to be installed ravnmi
  • FIG. 1 A diagram of one embodiment of a multi-channel OADM with dynamic functionality according to the invention is shown in FIG.
  • the multi-channel OADM 80 with dynamic functionality is based on the t-OADM described above (FIG. 5A).
  • This device, designated 81-1, has a free dispersion region 8 times smaller than the spectral range of the optical signal at the input.
  • a couple of devices are also used: the optical demultiplexer 81-2 of the configuration “1x8” and the optical multiplexer 81-3 of the configuration “8x1”.
  • Both devices demultiplexer 81-2 and multiplexer 81-3 have fixed spectral characteristics and can be selected from the existing range of such devices or specially manufactured.
  • Three multiplexer devices 81-1, 81-2, and 81-3 are connected by optical fibers 82, while the output port “Dror” and the input port “Add” t- ⁇ are connected to the input ⁇ Demux of the optical demultiplexer and the output of ⁇ m ux of the optical multiplexer, respectively.
  • the input port 83 and the output port 84 are made in the form of optical fibers and are connected, respectively, to the ports "In" and "Out" t-OADM.
  • Eight output ports 85-1 ⁇ 85-8 are connected to the outputs Cl ⁇ C8 of the optical demultiplexer, and eight input ports 86-1 ⁇ 86-8 are connected to the inputs Bl ⁇ B8 of the optical multiplexer.
  • the output ports 85-1 ⁇ 85-8 and input 86-1 ⁇ 86-8 are also made in the form of optical fibers.
  • the device 80 also contains a controller 87, from which control voltages ⁇ £ / t- o AD m ⁇ are supplied to the t-OADM control elements via an electric bus 88.
  • a specific combination of channels is specified by control voltages ⁇ £ ⁇ - ⁇ ⁇ DM ⁇ - All other channels go to output port 84.
  • Eight channels from the "Dror" port of the device 81-1 are fed to the input of the optical demultiplexer 81-2, with which the channels are output separately from each other to the output ports 85-1 ⁇ 85-8.
  • the optical multiplexer 81-3 instead of the output channels using the optical multiplexer 81-3 can be introduced a new 8 channels.
  • any of 8 combinations of channels can be entered / withdrawn.
  • FIG. 9 A diagram of another embodiment of a multi-channel OADM with dynamic functionality according to the invention is shown in Fig.9.
  • This device is intended for use in an optical system with spectral multiplexing as t-OADM.
  • the multi-channel OADM 90 with dynamic functionality is built on t-OADM (Fig. 5A) and an optical demultiplexer and a multiplexer with tunable spectral characteristics, which use the t-Dem configuration “1x8” and t-configuration “8x1” discussed above (Fig. bA and Fig. 7A).
  • t- ⁇ 92-1 Three multiplexer devices in integrated optical design are placed on the same substrate 91: t- ⁇ 92-1, t-Demu ⁇ 92-2 configuration "1x8", and t- ⁇ ux 92-3 configuration "8x1". They are connected by waveguides 93 formed on a common substrate 91.
  • the output port "Dgar” and the input port "Add” t- ⁇ are connected to the input ⁇ D Canalmuh t-D Canalmuh 92-2 and the output ⁇ enthusiasm U ⁇ t- ⁇ u ⁇ 92-3 , respectively.
  • Multichannel OADM 90 with dynamic functionality has an input port 94, an output port 95, which are connected by waveguides to the ports "In” and "Out” t-OADM 92-1.
  • Eight output ports 96-1 ⁇ 96-8 are connected to the outputs C1 ⁇ C8 t- Demuh 92-2, and eight input ports 97-1 ⁇ 97-8 with inputs Bl ⁇ B8 t- ⁇ uh 92-3.
  • the device 90 also comprises a controller 98, from which control voltages ⁇ U 1 are supplied to the control elements of the three functional subsystems via an electric bus 99.
  • An input optical signal containing 64 channels is fed to the t-OADM 92-1 input.
  • Control voltages ⁇ £ ⁇ - OADM corresponding to the output to the “Drop” port of 8 channels out of 64 with frequencies ⁇ v v ⁇ in one of the combinations according to Table 1 are supplied to the same device. 2. All other channels go to output port 95.
  • Eight channels are fed to the input of the optical demultiplexer 92-2, through which the channels are output separately from each other to the output ports 96-1 ⁇ 96-8.
  • new 8 channels can be introduced.
  • any of 8 combinations of channels from the multi-channel OADM present at the input with the dynamic functionality of 64 channels with channel frequencies ⁇ v ⁇ can be introduced / removed.
  • the device 90 can also be used in the reconfigurable input / output mode of 8 channels, when it is necessary to output / input 8 preset channels from 64 channels with fixed channel frequencies. In this mode, the control voltages ⁇ U Dem ux ⁇ and ⁇ Um ux ⁇ must be set appropriately once, providing separation / association of channels with frequencies corresponding to the ITU-Standard.
  • the control of the output / input of 8 preset channels in this case should be carried out by appropriate changes only of the control signals ⁇ £ ⁇ - OADM ⁇ -
  • a multi-channel OADM with dynamic functionality intended for use as a ROADM or as t-OADM in any particular optical communication system may differ from the considered devices 80 and 90.
  • the parameters included in the composition of a multi-channel OADM with dynamic functionality of functional devices of three types are determined by the total number of channels in the optical system 2 N at N> 2, the spectral interval between adjacent channels ⁇ vschreib and the number of channels to be input / output 2 m (M is an integer the number and at the same time 1 ⁇ M ⁇ N.
  • M is an integer the number and at the same time 1 ⁇ M ⁇ N.
  • the infinity symbol “ ⁇ ” in two positions in table 3 corresponds to the fact that only one channel is output or input through the corresponding ports of these devices.
  • multichannel OADMs with dynamic functionality according to the invention can also have other applications, for example, in multichannel sensor systems, for optical filtering, in analog systems of various purposes.
  • the multi-channel OADM with dynamic functionality can be used in fiber optic lines and communication systems with spectral channel multiplexing, including in trunk communication lines where DWDM technology is used, and in regional, city and local communication systems where CWDM technology is used.
  • the multi-channel OADM with dynamic functionality according to the present can be implemented using existing integrated optical technologies.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Use Of Switch Circuits For Exchanges And Methods Of Control Of Multiplex Exchanges (AREA)

Description

Многоканальный оптический мультиплексор ввода/вывода с динамической функциональностью
Область техники
Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи со спектральным уплотнением каналов, в частности, к многоканальным реконфигурируемым и управляемым оптическим мультиплексорам ввода/вывода каналов (далее t-ОАDМ и ROADM) и может использоваться как в системах плотного спектрального уплотнения (DWDM), так и умеренного спектрального уплотнения (CWDM).
Предшествующий уровень техники
Новые технологии в волоконно-оптических системах связи, использующие спектральное уплотнение, становятся доминирующими в современных системах связи. Плотное спектральное уплотнение, DWDM, используется в протяженных магистральных линиях связи, умеренное спектральное уплотнение, CWDM, используется в городских и локальных системах связи.
Технологии DWDM характеризуются предельно высокой пропускной способностью, но являются весьма дорогостоящими. Стандарт на сетку длин волн, введенный Международным Телекоммуникационным Комитетом (далее ITU- Стандарт), предусматривает спектральный интервал между каналами 200, 100, 50 или 25 ГГц. Рекомендованный IТU-Стандарт спектральный интервал между каналами для систем CWDM составляет 20 им. Техника CWDM проще в использовании и дешевле, чем DWDM.
В узловых точках BOCC для ввода/вывода каналов используются оптические мультиплексоры ввода-вывода (далее OADM). Они позволяют вывести из линии один или несколько каналов и одновременно ввести сигнал на тех же длинах волн с новой информацией, и эффективность использования систем связи повышается. При этом число каналов ввода/вывода обычно существенно меньше, чем общее число каналов в линии.
Многоканальные OADM имеют, как правило, фиксированные частоты каналов ввода/вывода. Систематически возрастающие требования к пропускной способности систем связи требуют большей гибкости, в частности, использования реконфигурируемых и управляемых многоканальных OADM. Эти устройства, кроме использования в оптических коммуникационных сетях, могут иметь и другие применения, например, в многоканальных системах датчиков, для оптической фильтрации, в аналоговых системах различного назначения.
Известные к настоящему времени реконфигурируемые OADM (далее ROADM) имеют ряд существенных недостатков, главный из которых тот, что данные устройства весьма сложные и дорогостоящие, а управляемые OADM (далее t-ОАDМ) позволяют ввести/вывести только один канал. Отметим, что авторы настоящего изобретения, говоря о многоканальных ROADM и t-ОАDМ, имеют в виду устройства, в которых для каждого выводимого и вновь вводимого канала имеется индивидуальный порт.
Хорошо известный специалистам в области оптических систем связи подход к задаче создания ROADM состоит в использовании пары - демультиплексор конфигурации «lxK» и мультиплексор конфигурации «Kxl», выходы и входы которых соединены и образуют К трасс (К - полное число каналов в системе). В каждой из трасс установлен оптический электромеханический переключатель (далее MEMS). Указанный оптический демультиплексор разделяет оптический сигнал на К каналов и направляет каждый канал в одну из К трасс. MEMS пропускают часть каналов к оптическому мультиплексору, а другую часть каналов направляют в выводные порты. Указанный оптический мультиплексор объединяет все каналы, в том числе, вновь вводимые с помощью тех же MEMS, и возвращает их в оптическую линию. Очевидно, что, будучи реализованным с помощью данного подхода, устройство имело бы высокую стоимость, тем большую, чем больше было бы число каналов К и меньше спектральный интервал между соседними каналами.
Другой подход (US, 6602000, B2) заключается в использовании также пары демультиплексор и мультиплексор, но более простых конфигураций «lxL» и «Lxl», где L = К/Р, К - полное число каналов и P - целое число. Выходы и входы демультиплексора и мультиплексора снова соединены и образуют L трасс, в каждой трассе установлено несколько, в количестве P, мультиплексоров ввода-вывода OADM, выполненных каждый на основе несимметричного интерферометра Маха-Цендера (далее ИМЦ) со встроенными в плечах интерферометра брегговскими дифракционными решетками. При управлении температурным воздействием период дифракционной решетки может в некоторых пределах изменяться: быть равным или не равным длине волны одного из К каналов, и, следовательно, с помощью такого OADM может производиться или не производиться ввод/вывод канала с соответствующей длиной волны.
При поступлении на вход рассматриваемого устройства сигнала, включающего К каналов с интервалом между соседними каналами Δv, каналы разделяются оптическим демультиплексором на L подмножеств, в каждом подмножестве - по P каналов с интервалами между каналами L- Δv. При проходе сигнала по одной из трасс с помощью цепочки OADM могут быть выведены любые задаваемые каналы. Все другие каналы, вместе со вновь введенными каналами на частотах выведенных каналов, объединяются с помощью оптического мультиплексора и поступают в оптическую линию.
Ясно, что, в случае большого число каналов в оптической системе, данное устройство было бы также весьма сложным в изготовлении и дорогостоящим. При этом структура, содержащая большое число ИМЦ, каждый из которых имеет свои брегговские индивидуальные дифракционные решетки в двух плечах и систему терморегулирования, оказалась бы громоздкой и ненадежной в работе.
Таким образом, в настоящее время не существует многоканальных реконфигурируемых и управляемых OADM, которые реально были бы пригодны для использования в оптических линиях связи и при этом были бы технологичны в изготовлении, надежны в работе и имели бы приемлемую стоимость.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является создание многоканального OADM с динамической функциональностью, которое в разных вариантах может использоваться как многоканальный ROADM или как многоканальный t-ОАDМ. Устройство должно быть более простым в конструктивном решении, чем предлагают известные подходы, удовлетворять существующим требованиям по изоляции каналов и вносимой дисперсии и быть пригодным для интегрально-оптического выполнения. По возможности устройство должно быть максимально динамичным и гибким для использования в самых разных системах WDM.
При создании изобретения была поставлена задача разработки устройства для ввода/вывода множества каналов из оптического сигнала со спектральным уплотнением каналов с помощью управляемой динамической перестройки пропускной способности фильтрующих элементов. Поставленная задача была решена созданием многоканального управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода с динамической функциональностью для волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением 2N каналов при N
- целое число и при этом N≥2 при спектральном интервале между соседними каналами Δvо для ввода/вывода 2 м каналов при M - целое число и при этом 1< M< N, имеющего один входной пopт(, один выходной порт, 2м портов вывода, 2м портов ввода и включающего:
- управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода, обеспечивающий вывод 2м каналов в один порт вывода и ввод новых 2м каналов на несущих частотах выведенных каналов в один порт вывода;
- оптический демультиплексор конфигурации «lx2м», соединенный своим входным портом с портом вывода указанного управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода,
- оптический мультиплексор конфигурации «2мxl», соединенный своим выходным портом с портом ввода указанного управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода,
- контроллер.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы указанный управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода имел:
- (N-M)-cтyпeнчaтyю структуру, содержащую в каждой ступени один оптический фильтр, имеющий один вход и два выхода, выполненный с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующийся в Пi-ой ступени при щ = 1, 2,..., (N-M) частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Av111 = 2"1^1Av1;
- оптический сумматор, имеющий N-М+l входов и один выход, соединенный с выходным портом.
Кроме того, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в указанной (N-M)- ступенчатой структуре:
- оптический фильтр каждой ступени, кроме последней ступени, одним из выходов был соединен со входом оптического фильтра последующей ступени, а другим выходом был соединен с одним из входов оптического сумматора;
- оптический фильтр первой ступени своим входом был соединен с входным портом; - оптический фильтр последней ступени одним выходом был соединен с другим одним входом оптического сумматора, а другим выходом был соединен с портом вывода;
- оптический сумматор другим из входов был соединен с портом ввода.
- выход оптического сумматора был соединен с выходным портом.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы многоканальный мультиплексор был приспособлен для управления вводом/выводом каналов в реконфигурируемом режиме, при этом указанные оптические демультиплексор и мультиплексор имели фиксированные спектральные характеристики и контроллер был электрически связан с указанным управляемьм оптическим мультиплексором ввода/вывода.
Кроме того, согласно изобретению, целесообразно, чтобы многоканальный мультиплексор был приспособлен для управления вводом/выводом каналов в перестраиваемом режиме, при этом указанные оптические демультиплексор и мультиплексор имели перестраиваемые спектральные характеристики и контроллер был электрически связан с указанными управляемым оптическим мультиплексором ввода/вывода, оптическими демультиплексором и мультиплексором.
При этом, согласно изобретению, в многоканальном мультиплексоре, приспособленном для управления вводом/выводом каналов в перестраиваемом режиме, указанный оптический демультиплексор включал М-ступенчатую структуру типа «дepeвo», содержащую в каждой n2-oй ступени при n2 =1, 2,..., M 2"2'1 оптических фильтров, имеющих, по меньшей мере, один вход и два выхода, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в n2-oй ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты, равным Av112 = T2+^-1Av1.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в указанном оптическом демультиплексоре в указанной М-ступенчатой структуре один из входов оптического фильтра первой ступени был соединен с входным портом, каждый из двух выходов оптического фильтра последней ступени был соединен с одним их выходных портов и оптические фильтры в каждой ступени, кроме последней, были соединены каждым их двух выходов со входом одного из оптических фильтров последующей ступени.
Кроме того, согласно изобретению, целесообразно, чтобы указанный оптический мультиплексор включал М-ступенчатую структуру типа «дepeвo», содержащую в каждой nз-oй ступени при nз = 1, 2,..., M не менее 2м "3 оптических фильтров, имеющих два входа и по меньшей мере один выход, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в n3-oй ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Av113 = 2N~"Ъ - Av1.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в указанном оптическом мультиплексоре в указанной М-ступенчатой структуре два входа оптических фильтров первой ступени были соединены с входными портами, один выход оптического фильтра последней ступени был соединен с выходным портом и оптические фильтры в каждой ступени, кроме первой и последней, были соединены каждым из двух входов с выходом одного из оптических фильтров предыдущей ступени, а одним выходом - с одним из входов одного из оптических фильтров последующей ступени.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в качестве указанных оптических фильтров были использованы однокаскадные и/или двухкаскадные и/или многокаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера.
Кроме того, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для управления настройкой коэффициентов передачи указанные оптические фильтры содержали электрооптические или термооптические устройства фазового сдвига.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы многоканальный мультиплексор был выполнен по интегрально-оптической технологии на одном чипе.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в многоканальном мультиплексоре входной порт, выходной порт, M выводных портов и M вводных портов были выполнены с помощью световодов.
Краткое описание чертежей.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров осуществления многоканального управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода с динамической функциональностью согласно изобретению и прилагаемыми чертежами, на которых показаны:
Фиг.l - схема однокаскадного ИМЦ;
Фиг.lБ - условное изображение однокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг. IA;
Фиг.2A - схема двухкаскадного ИМЦ;
Фиг.2Б - условное изображение двухкаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.2A; Фиг.ЗА - схема многокаскадного ИМЦ, используемого для разделения каналов на нечетные и четные;
Фиг.ЗБ - условное изображение многокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.ЗА;
Фиг.4A - схема многокаскадного ИМЦ для объединения нечетных и четных каналов;
Фиг.4Б - условное изображение многокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.4A;
Фиг.5 А - схема управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода t- OADM;
Фиг.5Б - условное изображение управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода t-ОАDМ, показанного на Фиг.5 А;
Фиг.бА - схема управляемого оптического демультиплексора t-Dеmuх;
Фиг.6- условное изображение управляемого оптического демультиплексора t- Dеmuх, показанного на Фиг.бА;
Фиг.7A - схема управляемого оптического мультиплексора t-Мuх;
Фиг.7Б - условное изображение управляемого оптического мультиплексора t- Мuх, показанного на Фиг.7A;
Фиг.8 - схема многоканального OADM с динамической функциональностью согласно изобретению, используемого в режиме реконфигурируемого ввода/вывода, в котором используются t-ОАDМ и оптические демультиплексор и мультиплексор с фиксированными спектральными характеристиками;
Фиг.9 - схема многоканального OADM с динамической функциональностью согласно изобретению, используемого в режиме управляемого ввода/вывода, в котором используются t-ОАDМ, t-Dеmuх и t-Мuх.
При этом прилагаемые чертежи и описанные варианты осуществления изобретения не ограничивают применение изобретения и не выходят за рамки настоящего изобретения.
Наилучшие варианты осуществления изобретения
Согласно изобретению, ключевым элементом для функциональных устройств, входящих в состав многоканального OADM с динамической функциональностью согласно настоящему изобретению, является несимметричный интерферометр Маха- Цендера или, как условились его называть, однокаскадный ИМЦ.
Однокаскадный ИМЦ может быть выполнен с помощью различных компонент и технологий, в том числе, с использованием волоконно-оптических разветвителей, светоделителей, зеркал-призм, поляризаторов и других элементов. Оптимальным вариантом для многоканального OADM с динамической функциональностью согласно настоящему изобретению является однокаскадный ИМЦ в планарном исполнении.
На Фиг. IA приведено схематичное изображение волноводного варианта однокаскадного ИМЦ 10, его условное изображение приведено на Фиг.lБ. Устройство 10 размещено на одной подложке 11, где сам каскадный ИМЦ 12 образован расположенными между первым 13 и вторым 14 разветвителями двумя плечами 12-1 и 12-2, сформированными волноводами неравной длины Ii и I2, соответственно. Коэффициенты связи ki и k2 разветвителей 13 и 14 равны и делят оптическую мощность в соотношении 50/50. Однокаскадный ИМЦ 10 имеет выводы а и b с одной стороны и выводы с и d с другой стороны.
При этом однокаскадный ИМЦ 10 в плече 12-2 содержит устройство 15 фазового сдвига, которое вносит дополнительный фазовый сдвиг φ в фазу пробегающей волны и является управляемым элементом, используемым для настройки спектральных характеристик.
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 (LiNbОЗ) 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.
При вводе через порт а излучения единичной мощности интенсивность света в двух выходных портах с и d может быть выражена с помощью коэффициентов передачи Kac(v,φ) и Kad(v,φ):
iUv^) = 0,5 -[l+ cos(^^ + p)] , (1)
С-
Kad(v,φ) = 0,5-[l + cos( + φ + π)] с , (4) где D=2πnΔLv/c - фазовая задержка, обусловленная разной оптической длиной плеч 12-1 и 22-2; ΔL= Ii - 12; п - показатель преломления материала; v - оптическая частота и с - скорость света в пустоте.
При возбуждении через порт b интенсивность света в тех же выходных портах с и d может быть представлена с помощью коэффициентов передачи Kьc(v,φ) и Kbd(v,φ):
т. . . _. _ r. .2mALv . _
£ω(v,p) = 0,5 - [l + cos( + φ)] , (3)
С- r. , . п _ r. ,2τmALv ...
£йe(v,^) = 0,5 -[l + cos( + p + яг)]
Рассматриваемые на каком-либо интервале частот v (длин волн λ), коэффициенты передачи (1) ÷ (4) становятся спектральными характеристиками однокаскадного ИМЦ. Как можно видеть, спектральные характеристики (1) ÷ (4) являются периодическими функциями частоты света v (и длины волны λ), разности длин плеч ΔL, показателя преломления п и фазового сдвига φ.
Для работоспособности однокаскадного ИМЦ существенны следующие его свойства:
- расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках (1) ÷ (4) в единицах оптической частоты Δv и в единицах длин волн Δλ равны:
Δ v c Δ лД. = ' • ^
2ALn и 2ALn , (5)
- коэффициенты передачи (1) ÷ (4), соответствующие переходу оптического излучения с одного входного порта (порт а или в) на два выходных порта (порты с или d), отличаются по фазе на π;
- коэффициенты передачи при замене двух индексов не изменяются, то есть Kad(v,φ) = Kbc(v,φ) и Kac(v,φ) = Kbd(v,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;
- коэффициенты передачи не изменяются при перестановке индексов, то есть, однокаскадный ИМЦ является обратимым устройством. В свою очередь из этих свойств следует, что при поступлении на вход однокаскадного ИМЦ оптического сигнала, содержащего несколько каналов, частоты (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.
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.
Устройства, выполняющие функцию разделения каналов на нечетные и четные и обратную функцию, объединение нечетных и четных каналов в один поток, в иностранной литературе называют интерливерами; в отечественной литературе нет термина для устройств аналогичного назначения и в настоящем тексте они называются оптическими фильтрами.
Расстояние между соседними экстремумами Δv (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 п. Управляемая же перестройка положения экстремальных значений коэффициентов передачи относительно задаваемых частот {v;} (или длин волн {λ;}) должна производиться с помощью соответствующей регулировки фазового сдвига φ при использовании оптического фильтра в составе какого-либо конкретного устройства.
Недостатком спектральных характеристик однокаскадного ИМЦ являются неплоские вершины и медленно спадающие края 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 AL вносимая дисперсия может быть весьма велика. Эти недостатки ограничивают возможность использования однокаскадных ИМЦ в устройствах, применяемых в системах связи со спектральным уплотнением каналов.
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, так и в планарном виде, и содержать при этом устройства фазового сдвига.
На Фиг.2A показано схематичное изображение волноводного варианта двухкаскадного ИМЦ 20, его условное изображение приведено на Фиг.2Б. В нем используются три разветвителя 21, 22 и 23 с коэффициентами связи klз k2 и k3, соответственно, образующие два однокаскадных ИМЦ 24 и 25. Устройство 20 размещено на единой подложке 26.
При этом первый однокаскадный ИМЦ 24, образован двумя волноводами 24-1 и 24-2 неравной длины I24-I и I24-2, соответственно. Второй однокаскадный ИМЦ 25 образован двумя волноводами 25-1 и 25-2 неравной длины I25-I и I25-2, соответственно. Фазовые задержки Di = 2πn (I24-I- 124-2) / λ и D2 = 2πn (l25-r hs-т) I λ связаны между собой соотношением: D2 = 2-Di.
В ИМЦ 24 и 25 используются устройства фазового сдвига 27 и 28, вносимые ими фазовые сдвиги - φ и ф, соответственно. Двухкаскадный ИМЦ имеет выводы а ж Ъ с одной стороны и выводы е и/с другой стороны.
Спектральные характеристики двухкаскадного ИМЦ 20 нетрудно получить аналитически. Для трех разветвителей 21-1, 21-2 и 21-3 следует ввести матрицы T(K1) (i = 1,2,3), которые связывают амплитуды света на входе и выходе с параметрами разветвителей:
Figure imgf000013_0001
а для двух однокаскадных ИМЦ 23 и 24 - матрицы T(Dl) и T(D2):
T(Dx) = T(D2) = (7)
0 1 о
Тогда матрица передач M(v,φ,ф) двухкаскадного ИМЦ определяется произведением пяти матриц: Mac Mad
M(v,φ,ф) = = T{kг)T(Dг)T(k2)T(Dx)T(kx) (8) Мьс Mbd Δ
Так как коэффициенты пропускания двухкаскадного ИМЦ связывают оптические интенсивности на выходе с оптической интенсивностью на входе, то для их определения следует использовать выражения типа:
Kaf (l/> <P> Ф) = \Maf (У, <P,Ф) f _ /9Ч
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 а 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 оптического сигнала на другой вход, порт в (Фиг.2A), группы с нечетными и четными каналами меняются местами на выходных портах е и/
Расстояния между соседними экстремумами Δv и Δλ в спектральных характеристиках также определяются выражениями (5), где ΔL - разность длин плеч в первом каскаде: AL=I24-I-I24-2. Сохраняется возможность управляемого сдвига спектральных характеристик, теперь уже с помощью двух фазовых сдвигов φ и ф. Чтобы сместить спектральные характеристики Kae(v,φ,(()) и Kaf(v,φ,<j)) по оси частот на величину δv, необходимо с помощью соответствующих устройств фазового сдвига изменить фазы φ и ф:
_ π - δv _ , 2π - δv δφ = όφ =
Av и Av # (10)
Можно убедиться также с помощью (6) ÷ (9), что при вводе сигнала через порты е й / теряется возможность разделения каналов на нечетные и четные и, соответственно, объединения нечетных и четных каналов. Это следствие того, что матрицы (6),(7) некоммутируемые. Таким образом, двухкаскадные ИМЦ не являются обратимыми устройствами - два порта а и b с одной стороны могут использоваться только как входные порты, а два другие порта е и / с противоположной стороны - только как выходные. Спектральные характеристики двухкаскадного ИМЦ имеют значительно лучшую форму, 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.
Известно (US, 6782158, B2), 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 ki, k2, k3 в используемых двухкаскадных ИМЦ.
На Фиг.ЗА показан один из вариантов многокаскадного ИМЦ 30, который может использоваться для разделения нечетных и четных каналов; условное изображение многокаскадного ИМЦ приведено на Фиг.ЗБ.
Устройство 30 в планарном выполнении размещено на одной подложке (кристалле) 31 и включает три комплементарных двухкаскадных ИМЦ: в первом каскаде используется двухкаскадный ИМЦ 32 типа I, а во втором каскаде - два двухкаскадных ИМЦ 33 и 34, оба типа Г, соответственно, с другим знаком дисперсии.
При вводе сигнала в порт а двухкаскадного ИМЦ 32 каналы, как обычно, разделяются на две группы: в одной группе - нечетные каналы, а в другой - четные. Во втором каскаде ИМЦ 33 пропускает нечетные каналы на свой выход е, а ИМЦ 34 пропускает четные каналы на свой выход f, таким образом нечетные и четные каналы оказываются во внешних портах р и к, соответственно. Так как дисперсии двухкаскадного ИМЦ 32 и каждого из двухкаскадных ИМЦ 33 и 34 имеют противоположные знаки, то в результате дисперсия многокаскадного ИМЦ 50 оказывается компенсированной - нулевой или почти нулевой.
На Фиг.4A показан один из вариантов многокаскадного ИМЦ 40, который может использоваться для объединения нечетных и четных каналов; условное изображение многокаскадного ИМЦ приведено на Фиг.4Б. Все устройство 40 в планарном выполнении размещено на одной подложке (кристалле) 41 и включает три двухкаскадных ИМЦ: в первом каскаде используются два двухкаскадных ИМЦ 42 и 43, оба типа I3 и во втором каскаде - двухкаскадный ИМЦ 44 типа Г, соответственно, с противоположным знаком дисперсии.
При вводе нечетных и четных каналов, соответственно, через внешние порт z и w, ИМЦ 42 и 43 просто пропускают один нечетные, а другой четные каналы на свои выходные порты / Объединяются же каналы с помощью ИМЦ 44, и в результате нечетные и четные каналы выводятся во внешний порт v. Так как дисперсии двухкаскадных ИМЦ 42 и 43 и каждого из двухкаскадного ИМЦ 44 имеют противоположные знаки, то таким образом обеспечивается нулевая или почти нулевая дисперсия всего устройства 40.
Рассмотрим теперь три функциональных устройства на основе описанных оптических фильтров, которые в свою очередь будут исходными для создания многоканального управляемого мультиплексора ввода/вывода согласно настоящему изобретению. Каждой из трех функциональных устройств рассмотрим на примере одной из возможных реализаций.
Схема одного из вариантов выполнения используемого управляемого оптического мультиплексора 50 ввода/вывода приведена на Фиг.5A, его условное изображение на Фиг.5Б. Устройство 50 (далее - t-ОАDМ 50) представляет собой трехступенчатую структуру и имеет входной порт «In», выходной порт «Out», порт «Drop» вывода, порт «Add» ввода и включает три оптических фильтра 51-1, 51-2 и 51- 3. Мультиплексор дополнительно содержит оптический сумматор 52, имеющий 4 входа «1» ÷ «4» и один выход Σ. Все три фильтра 51-1, 51-2 и 51-3 и сумматор 52 интегрированы на единой подложке 53. Соединения фильтров выполняются волноводами 54.
Динамическое управление работой управляемого мультиплексора 50 ввода/вывода осуществляется путем перестройки спектральных характеристик трех фильтров 51-1, 51-2 и 51-3 при подаче на устройства фазового сдвига всех трех фильтров соответствующих напряжений. Управление производят с помощью внешнего контроллера (на чертеже не показан), который связан с оптическими фильтрами электрической шиной 55.
Оптические фильтры 51-1, 51-2 и 51-3 соединены последовательно друг с другом таким образом, что выход одного соединен со входом другого, второй выход каждого фильтра соединен с одним из входов оптического сумматора, вход первого фильтра 51-1 соединен с входным портом «In», выход последнего фильтра 51-3 соединен с портом вывода «Drop», оптический сумматор 52 еще одним входом соединен с портом ввода «Add», а выходом — с выходным портом «Out».
Чтобы пояснить конструкцию и работу рассматриваемого устройства, будем полагать, что во входной порт «In» управляемого мультиплексора ввода/вывода поступает 8 -канальный оптический сигнал, центральные частоты каналов которого {v;}=Vi,v2,...,V8 , а частотный интервалом между каналами на входе Av1^ =SO ГГц. Так как спектральный интервал между каналами весьма малый, то в качестве оптических фильтров следует использовать многокаскадные ИМЦ, показанные на Фиг.ЗА. Расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках трех оптических фильтров должны быть следующие: Av51-I = 50 ГГц, Av5I-2 =100 ГГц и Av51-3 = 200 ГГц. Соответственно, разности длин плеч интерферометров в первых ступенях многокаскадных ИМЦ должны быть равны: ALsI-I= 1000 мкм, ΔLsi.2 = 500 мкм, и AL5I-3 =250 мкм (предполагается, что n=l,5).
Без потери общности предположим, что для одной из волн, пусть для волны v3, при некоторых фиксированных значениях фаз {φ*n}= φ*5i-ъф*5i-2,φ*55-з и {ф*n }= ф*5i- isф*5i-2,ф*5i-з (фазы, соответственно, в первом и втором каскадах двухкаскадных ИМЦ) выполняются условия, обеспечивающие пробег волны V3 по трассе из входного порта «In» в порт вывода «Drop».
Работа t-ОАDМ 50 при этих фазах {φ*n} и {ф*n} происходит следующим образом. Оптический фильтр 51-1 первой ступени разделяет каналы, поступающие во входной порт «In», на две группы - группу нечетных волн V1, V3, V5 и V7, которые направляются к оптическому фильтру 51-2 второй ступени, и группу четных волн V2, V4, V6 и Vg, которые направляются к оптическому сумматору 52.
Процесс повторяется: сначала оптический фильтр 51-2 вновь делит волны и направляет волны vз и V7 к оптическому фильтру 51-3 третьей ступени, а волны V1 и V5 к сумматору 52; третий оптический фильтр 51-3 делит приходящие к нему две волны v3 и V7. В результате выделяется волна V3, которая проходит в порт вывода «Drop», а все другие 7 волн поступают на три входа сумматора 52 и с его помощью оказываются в выходном порте «Out». Волна v"3, вводимая через порт «Add», поступает на четвертый вход сумматора и также оказывается в выходном порте 52. Для того чтобы любой другой канал был подвергнут вводу/выводу, необходимо в соответствии с выражениями (10) изменить значения фаз {φn} и {фn}. Например, чтобы перейти в режим ввода/вывода соседней волны V4, необходимо так изменить фазовые сдвиги: δψsi-i = π, δφ5i-2 = π/2, δφsi-з = π/4 и δф5i-i = 2π, δфsi-2 = π, δф5i-з = π/2.
Если же на вход мультиплексора начинают поступать сигналы, новые частоты каналов которых {vv;} все сдвинуты на величину δv<Δvi = 50 ГГц, то есть vvj = V; + δv, то для того, чтобы ввести/вывести каналы с новыми оптическими несущими, следует снова в соответствии с выражением (10) внести соответствующую коррекцию в фазовые сдвиги {φ*n} и {ф*n}, Например, для того, чтобы при сдвиге частот каналов на величину δv=12,5 ГГц произвести ввод/вывод волны vч 3, необходимые изменения фаз должны быть: δφsi-i = -π/8, δψsi-2 = -π/16, δφsi-з = -π/32 и δфsi-i = -π/4, δфs1-2 = -π/8,
Figure imgf000018_0001
В общем случае функциональное устройство, используемое в настоящем изобретении как t-ОАDМ, может отличаться от t-ОАDМ 50 числом ступеней N1 в многоступенчатой структуре, спектральным интервалом между соседними каналами на входе Av1 8* , а также типом используемых оптических фильтров. При этом для оптических фильтров щ-ой ступени при U1=I, 2,...N1 расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках должны устанавливаться следующим образом:
Av1n = 2""Av1" _ (n)
К числу характеристик функционального устройства, используемого как t- OADM, относится область свободной дисперсии, играющая важную роль в настоящем изобретении. Напомним, что спектральные характеристики оптических устройств могут циклически повторяться на широком спектральном интервале. В этом случае период повторения, или спектральный диапазон F, в пределах которого еще нет циклического повторения характеристик, называется областью свободной дисперсии.
Понятие области свободной дисперсии применительно к t-ОАDМ означает, что если сигнал на входе содержит множество каналов, спектральный диапазон которых не превышает величины области свободной дисперсии F, то в выводном порте данного устройства будет только один канал. Если же спектральный диапазон каналов на входе шире области свободной дисперсии, то в выводном порте «Drop» будет больше, чем один канал; спектральный интервал между каналами при этом будет равным величине F, то есть, Av1 rop = F . Аналогично через порт «Add» могут быть введены несколько новых канал, частоты которых совпадают с частотами выводимых каналов, а спектральный интервал между каналами равен Δ vfdd = F .
Для t-ОАDМ 50, предназначенного для выделения одного канала из множества каналов со спектральным интервалом между каналами на входе Av1 8* и имеющего многоступенчатую структуру с числом ступеней N1 область свободной дисперсии F есть:
F = I -Av1 ^ (12)
Схема используемого управляемого оптический демультиплексор 60 (далее - t- Dеmuх 60) согласно настоящему изобретению приведена на Фиг.бА, условное изображение его показано на Фиг.бБ.
При этом t-Dеmuх 60 имеет также трехступенчатую структуру типа «дepeвo». Первый оптический фильтр 61 (первая ступень многоступенчатой структуры) своими выходными портами соединен с двумя следующими - оптическими фильтрами 62-2 и 62-3 (вторая ступень), которые в свою очередь соединены своими выходными портами со следующими четырьмя оптическими фильтрами 63-1, 63-2, 63-3 и 63-4 (третья ступень). Все устройство изготовлено на одной подложке (кристалле) 64.
Порт ∑Dеmuх используется как входной, восемь портов Cl ÷ CS - для индивидуального вывода каналов. Соединения оптических фильтров всех трех уровней производится волноводами 65, сформированными на подложке. Динамическое управление работой управляемого демультиплексора 60 осуществляется путем перестройки спектральных характеристик оптических фильтров при подаче на устройства фазового сдвига, содержащиеся во всех фильтрах, соответствующих напряжений. Управление производят с помощью внешнего контроллера (на чертеже не показан), который связан с оптическими фильтрами электрической шиной 66.
Чтобы пояснить работу t-Dеmuх 60, предположим, что на вход ∑Dеmuх поступает 8-ми-кaнaльный сигнал со спектральным интервалом между соседними каналами Δv" = 400 ГГц.
По мере прохода оптического сигнала в t-Dеmuх 60 от одной ступени к последующей ступени спектральные интервалы между каналами становятся в два раза шире. Для фильтра 61 первой ступени спектральный интервал между каналами минимальный, для фильтров 63-1 ÷ 63-4 третьей ступени - напротив, максимальный и для фильтров 62-1 и 62-2 второй ступени спектральный интервал - промежуточный. Поэтому требования к характеристикам фильтров различные. В качестве оптических фильтров в этом примере могут использоваться: в первой ступени - многокаскадный ИМЦ (Фиг.ЗА), во второй ступени - двухкаскадные ИМЦ (Фиг.2A) и в третьей — однокаскадные ИМЦ (Фиг. IA).
Расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках для оптических фильтров в трех ступенях рассматриваемого устройства выбраны следующие: для многокаскадного ИМЦ 61 ΔF6i=400 ГГц, для двухкаскадных ИМЦ 62- 1 и 62-2 Δv62-i= Av62-2 = 800 ГГц и для однокаскадных ИМЦ 63-1 ÷ 63-4 Δv6з-i= Av63-2 = Av63-3 = Av63-4 = 1600 ГГц. Соответственно, разность длин плеч интерферометров по выражению (5) в первых каскадах двухкаскадных ИМЦ, составляющих многокаскадный ИМЦ 61, равна AL6I = 250 мкм, в первых каскадах двухкаскадных ИМЦ 62-1 и 62-2 разность длин плеч составляет AL62-1 = AL62-2 = 125 мкм и для однокаскадных ИМЦ 63-1 ÷ 63-4 разность длин плеч есть AL64-I= AL64-I = AL64-3 = AL64-4 = 62,5 мкм.
Очевидно, при некоторых фиксированных фазовых сдвигах в первом и втором каскадах используемых ИМЦ {φ*n} и {ф*n} можно обеспечить режим деления каналов на группы, содержащие нечетные и четные каналы. В этом состоянии t-Dеmuх 60 функционирует как традиционный демультиплексор с фиксированными частотами каналов.
Оптический сигнал, содержащий восемь каналов, центральные частоты каналов которого {v;}= Vi,V2,...,V8, поступает на вход. Многокаскадный ИМЦ 61 делит каналы (волны) на нечетные vl5v3,V5 и V7 и четные v2,v4,v6 и V8, которые направляются к двухкаскадным ИМЦ 62-1 и 61-2. Двухкаскадные ИМЦ 62-1 и 61-2 вновь делят приходящие к ним волны, при этом двухкаскадный ИМЦ 62-1 направляет волны V1 и V5 к однокаскадному ИМЦ 63-1 и волны v3 и V7 - к однокаскадному ИМЦ 63-2, а двухкаскадный ИМЦ 62-2 направляет волны V2 и V6 к однокаскадному ИМЦ 63-3 и волны V4 и V8 - к однокаскадному ИМЦ 63-4. На последней третьей ступени все волны полностью разделяются и выводятся индивидуально на отдельные порты в соответствии с табл. 1.
Таблица 1 Распределение каналов по выходным портам
Figure imgf000021_0002
Пусть теперь на вход управляемого t-Dеmuх 60 поступают сигналы, новые центральные частоты каналов которых {v4;} все сдвинуты на величину δv<Δv2 = 400 ГГц.
Ччтобы демультиплицировать каналы с новыми оптическими несущими по отдельным выходным портам, следует произвести изменения фаз {φ*n} и {ф*n} в соответствии с выражением (10). Например, чтобы перейти в режим демультиплицирования каналов, частоты которых сдвинулись на величину δv = 50ГГц, необходимо изменить фазовые сдвиги следующим образом: δφ6i = -π/8,
Figure imgf000021_0001
δφ62-2 = -π/16, δφ63-1 ÷ δφ63-4 = - π/32. При этом распределение каналов на выходных портах остается прежним, и канал с несущей частотой v\ будет выведен в порт Cl, канал vч 5 - в порт C2 .
В общем случае конструктивного выполнения t-Dеmuх конфигурации «lx2м» в виде многоступенчатой древообразной структуры оптических фильтров может отличаться от устройства 60 числом ступеней M, спектральным интервалом между соседними каналами на входе Аv™ , а также типом используемых оптических фильтров. При этом для оптических фильтров n2-oй ступени при n2=l, 2,... M расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках должны устанавливаться равными
"2 2 . (13)
Третье функциональное устройство 70 имеет назначение, противоположное по отношению к назначению функционального устройства 60, и используется для объединения каналов. Два функциональных устройства 60 и 70, предназначенные для рассматриваемого ниже многоканальном OADM с динамической функциональностью, должны быть совместимыми. Под этим понимается, что на входы функционального устройства 70 должны подаваться каналы, несущие частоты которых совпадают с частотами каналов на выходах функционального устройства 60, а спектральный интервал между каналами должен быть как у t-Dеmuх 60. Схема используемого управляемого оптического мультиплексора (далее - t-Мuх 70) согласно настоящему изобретению приведена на Фиг.7A, условное изображение его - на Фиг.7Б. t-Мuх 70 представляет собой многоступенчатую структуру типа «дepeвo» на семи оптических фильтрах.
Четыре оптических фильтра 71-1 ÷ 71-4, составляющие первую ступень многоступенчатой структуры, своими выходными портами соединены с двумя последующими оптическими фильтрами 72-1 и 72-2, составляющими вторую ступень, которые в свою очередь соединены своими выходными портами с еще одним оптическим фильтром ИМЦ 73, являющимся третьей ступенью. Все устройство изготовлено на одной подложке 74.
Восемь портов Bl ÷ B8 используются для ввода каждого из восьми каналов, порт ∑мuх служит общим выходным портом. Соединения оптических фильтров всех трех уровней производится волноводами 75, сформированными на подложке 74.
Динамическое управление работой t-Мuх 70 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 внешнего контроллера (на чертеже не показан), который связан с оптическими фильтрами электрической шиной 76.
В t-Мuх 70 по мере прохода оптического сигнала от одной ступени к последующей ступени спектральные интервалы между каналами становятся в два раза уже. Для оптических фильтров 71-4 ÷ 71-4 в первой ступени спектральный интервал между каналами максимальный, для оптического фильтра 73, напротив, минимальный. Поэтому требования к характеристикам используемых в соответствующих ступенях оптических фильтров различные. В качестве оптических фильтров в этом примере могут использоваться: в первой ступени - однокаскадные ИМЦ (Фиг. IA), во второй ступени - двухкаскадные ИМЦ (Фиг.2A) и третьей - многокаскадный ИМЦ (Фиг.4A).
В соответствии с тем, что t-Мuх 70 должен быть совместимым с управляемым демультиплексором t-Dеmuх 60, расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках для оптических фильтров в трех ступенях рассматриваемого устройства должны быть следующие: для однокаскадных ИМЦ 71-1 ÷ 71-4 Δv7i-i = Δv7i_2 = Av7I-3 = Av7I-4 = 1600 ГГц, для двухкаскадных ИМЦ 72-1 и 72-2 - Av72-I = Δv72-2 = 800 ГГц и для многокаскадного ИМЦ 63 Av73 = 400 ГГц. Можно видеть, что конструкция t-Мuх 70 отличается от описанного t-Dеmuх 60 только используемыми многокаскадными ИМЦ: в одном случае - это многокаскадные ИМЦ (Фиг.ЗА), а в другом случае - многокаскадные ИМЦ (Фиг.4A). Процесс объединения каналов, выполняемый с помощью t-Мuх 70, является обратным по отношению к процессу разделения каналов, рассмотренному выше в t-Dеmuх 60.
В общем случае конструкция t-Мuх конфигурации «2мxl» в виде многоступенчатой древообразной структуры оптических фильтров может отличаться от t-Мuх 70 числом ступеней M, спектральным интервалом между соседними каналами на выходе Av™x , а также типом используемых оптических фильтров. При этом для оптических фильтров n3-oй ступени при nз=l, 2,... M расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках должны устанавливаться равньми
Av113 = 2м~п3 Av3 выx . (14)
Схема одного из вариантов многоканального OADM с динамической функциональностью согласно изобретению приведена на Фиг.8. Данное устройство предназначено для использования в оптической системе со спектральным уплотнением в качестве ROADM при общем количестве каналов в оптической системе - 64, спектральный интервал между соседними каналам Δv0 = 50 ГГц, при этом реконфигурируемому вводу/выводу подлежат 8 каналов.
Многоканальный OADM 80 с динамической функциональностью построен на основе t-ОАDМ, описанного выше (Фиг.5A). Это устройство, обозначенное как 81-1, имеет область свободной дисперсии в 8 раз меньшую, чем спектральный диапазон оптического сигнала на входе.
При этом используется также пара устройств: оптический демультиплексор 81-2 конфигурации «1x8» и оптический мультиплексор 81-3 конфигурации «8x1». Характеристики пары демультиплексор/мультиплексор должны обеспечивать демультиплицирование и мультиплицирование 8 каналов со спектральным интервалом Av™= 400ГГц. Оба устройства демультиплексор 81-2 и мультиплексор 81-3 имеют фиксированные спектральные характеристики и могут быть выбраны из существующей номенклатуры подобных устройств или изготовлены специально.
Три мультиплексорных устройства 81-1, 81-2 и 81-3 соединены световодами 82, при этом выводной порт "Drор" и вводной порт "Аdd" t-ОАDМ соединены со входом ∑Dеmuх оптического демультиплексора и выходом ∑мuх оптического мультиплексора, соответственно. Входной порт 83 и выходной порт 84 выполнены в виде световодов и подсоединены, соответственно, к портам "In" и "Оut" t-ОАDМ. Восемь портов вывода 85-1 ÷ 85-8 соединены с выходами Cl ÷ C8 оптического демультиплексора, а восемь портов ввода 86-1 ÷ 86-8 соединены с входами Bl ÷ B8 оптического мультиплексора. Порты вывода 85-1 ÷ 85-8 и ввода 86-1 ÷ 86-8, выполнены также в виде световодов. Устройство 80 содержит также контроллер 87, от которого по электрической шине 88 на элементы управления t-ОАDМ подаются управляющие напряжения {£/t-oADм}.
Входной оптический сигнал, содержащий 64 канала, частоты которых соответствуют IТU-Стандарту, поступает на вход t-ОАDМ. Так как область свободной дисперсии t-ОАDМ меньше, чем спектральный диапазон оптического сигнала на входе 83, в порт «Drop» выводятся 8 каналов в одном из 8-ми сочетаний, которые показаны в табл. 2. Конкретная комбинация каналов задается управляющими напряжениями {£Д- ОАDМ} - Все другие каналы проходят в выходной порт 84.
Таблица 2 Комбинации каналов, выводимых в порт "Drор" устройства 81-1
Figure imgf000024_0001
Восемь каналов с порта "Drор" устройства 81-1 поступают на вход оптического демультиплексора 81-2, с помощью которого каналы выводятся отдельно друг от друга в выходные порты 85-1 ÷ 85-8. Одновременно, вместо выведенных каналов с помощью оптического мультиплексора 81-3 могут быть введены новые 8 каналов. Таким образом, из 64 каналов может быть введена/выведена любая из 8 комбинаций каналов.
Схема другого варианта выполнения многоканального OADM с динамической функциональностью согласно изобретению приведена на Фиг.9. Данное устройство предназначено для использования в оптической системе со спектральным уплотнением как t-ОАDМ. Общее число каналов в оптической системе также 64, частоты каналов {vv;} могут перестраиваться, но при этом спектральный интервал между каналами Av0 = 50 ГГц остается постоянным, а управляемому вводу/выводу подлежат 8 каналов. Многоканальный OADM 90 с динамической функциональностью построен на t- OADM (Фиг.5A) и оптических демультиплексоре и мультиплексоре с перестраиваемыми спектральными характеристиками, в качестве которых используются рассмотренные выше t-Dеmuх конфигурации «1x8» и t-Мuх конфигурации «8x1» (Фиг.бА и Фиг.7A).
Три мультиплексорных устройства в интегрально-оптическом исполнении размещены на одной подложке 91: t-ОАDМ 92-1, t-Dеmuх 92-2 конфигурации «1x8», и t-Мuх 92-3 конфигурации «8x1». Они соединены волноводами 93, сформированными на общей подложке 91. При этом выводной порт "Dгар" и вводной порт "Аdd" t-ОАDМ соединены со входом ∑Dеmuх t-Dеmuх 92-2 и выходом ∑мUχ t-Мuх 92-3, соответственно.
Многоканальный OADM 90 с динамической функциональностью имеет входной порт 94, выходной порт 95, которые соединены волноводами с портами "In" и "Оut" t-ОАDМ 92-1. Восемь портов вывода 96-1 ÷ 96-8 соединены с выходами C1÷C8 t- Dеmuх 92-2, а восемь портов ввода 97-1 ÷ 97-8 с входами Bl ÷ B8 t-Мuх 92-3.
Все внешние выводы, то есть входной порт 94, выходной порт 95, порты 96-1 ÷ 96-8 вывода и порты 97-1 ÷ 97-8 ввода выполнены в виде световодов. Устройство 90 содержит также контроллер 98, от которого по электрической шине 99 на элементы управления трех функциональных подсистем подаются управляющие напряжения { U1.
Figure imgf000025_0001
Входной оптический сигнал, содержащий 64 канала, поступает на вход t-ОАDМ 92-1. На это же устройство подаются управляющие напряжения { £Λ-OADMЬ соответствующие выводу в порт «Drop» 8-ми каналов из 64 с частотами {vv{} в одном из сочетаний по табл. 2. Все другие каналы проходят в выходной порт 95.
Восемь каналов поступают на вход оптического демультиплексора 92-2, с помощью которого каналы выводятся отдельно друг от друга в выходные порты 96-1 ÷ 96-8. Одновременно вместо выведенных каналов с помощью оптического мультиплексора 92-3 могут быть введены новые 8 каналов. При этом на эти два устройства необходимо подавать управляющие напряжения {f/ϋеmuх} и {Uмих}, обеспечивающие демультиплицирование и мультиплицирование, соответственно, 8-ми выводимых/вводимых каналов, частоты которых выбраны из множества {vv;}.
Таким образом может быть введена/выведена любая из 8 комбинаций каналов из присутствующих на входе многоканального OADM с динамической функциональностью 64 каналов с частотами каналов {v\}. Устройство 90 может использоваться также в режиме реконфигурируемого ввода/вывода 8-ми каналов, когда необходимо выводить/вводить 8 задаваемых каналов из 64 каналов с фиксированными частотами каналов. В этом режиме управляющие напряжения {UDemux} и {Uмux} должны быть один раз установлены соответствующим образом, обеспечивая разделение/объединение каналов с частотами, соответствующими IТU-Стандарту. Управление выводом/вводом 8-ми задаваемых каналов в этом случае должно производиться путем соответствующих изменений только управляющих сигналов { £Л-OADM}-
Многоканальный OADM с динамической функциональностью, предназначенный для использования в качестве ROADM или в качестве t-ОАDМ в какой-либо конкретной оптической системе связи, может отличаться от рассмотренных устройств 80 и 90. В общем случае параметры входящих в состав многоканального OADM с динамической функциональностью функциональных устройств трех типов (t- OADM, Dеmuх и Мuх) определяются общим числом каналов в оптической системе 2N при N>2, спектральным интервалом между соседними каналами Δvо и числом каналов, подлежащих вводу/выводу 2м (M - целое число и при этом 1< M< N. Основные параметры трех функциональных устройств с учетом совместимости этих устройств приведены в табл. 3 .
Таблица 3
Основные параметры функциональных устройств, входящих в состав многоканального OADM с динамической функциональностью
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000027_0001
Символ бесконечности « ∞» в двух позициях в таблице 3 соответствуют тому, что через соответствующие порты этих устройств выводится или вводится только один канал. Количество вариантов комбинаций вводимых/выводимых каналов - 2N"M.
Использование интегрально-оптических технологий для изготовления представляется решающим фактором для того, чтобы многоканальные управляемые оптические мультиплексоры ввода/вывода согласно настоящему изобретению соответствовали требованиям, предъявляемым к устройствам аналогичного назначения: имели возможность ввода/вывода большого количества каналов, были устойчивы к внешним воздействиям, имели 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.
Кроме использования в оптических коммуникационных сетях, многоканальные OADM с динамической функциональностью согласно изобретению могут иметь и другое применение, например, в многоканальных системах датчиков, для оптической фильтрации, в аналоговых системах самого различного назначения.
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 многоканального OADM с динамической функциональностью согласно изобретению, не выходящие за рамки формулы изобретения.
Промышленная применимость
Многоканальный OADM с динамической функциональностью 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 DWDМ-технология, и в региональных, городских и локальных системах связи, где используется СWDМ-технология.
Многоканальный OADM с динамической функциональностью согласно настоящему может быть реализован с помощью существующих интегрально- оптических технологий.

Claims

Формула изобретения
1. Многоканальный управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода с динамической функциональностью для волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением 2N каналов при N - целое число и при этом N>2 при спектральном интервале между соседними каналами Av0 для ввода/вывода 2м каналов при M - целое число и при этом 1< M< N, имеющий один входной порт (94), один выходной порт (95), 2м портов (96-1 ÷ 96-8) вывода, 2м портов (97-1 ÷ 97-8) ввода и включающий:
- управляемый оптический мультиплексор (81-1, 91-1) ввода/вывода, обеспечивающий вывод 2м каналов в один порт (Drор) вывода и ввод новых 2м каналов на несущих частотах выведенных каналов в один порт (Аdd) ввода;
- оптический демультиплексор (81-2, 91-2) конфигурации «lx2м», соединенный своим входным портом (∑Dеmuх) с портом (Drор) вывода указанного управляемого оптического мультиплексора (81-1, 91-1) ввода/вывода,
- оптический мультиплексор (81-3, 91-3) конфигурации «2мxl», соединенный своим выходным портом (∑мuх) c портом (Аdd) ввода указанного управляемого оптического мультиплексора (81-1, 91-1) ввода/вывода,
- контроллер (87, 98).
2. Многоканальный мультиплексор по п.l, отличающийся тем, что указанный управляемый оптический мультиплексор (81-3, 91-3) ввода/вывода имеет:
- (N-M)-cтyпeнчaтyю структуру, содержащую в каждой ступени один оптический фильтр (51-1, 51-2, 51-3), имеющий один вход (g) и два выхода (p,k), выполненный с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующийся в ni-oй ступени при щ = 1, 2,..., (N-M) частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Av111 = 2"1^1A V1 ;
- оптический сумматор (52), имеющий N-M+ 1 входов и один выход, соединенный с выходным портом (Оut).
3. Многоканальный мультиплексор по п.2, отличающийся тем, что в указанной (N-M)- ступенчатой структуре:
- оптический фильтр (51-1,51-2) каждой ступени, кроме последней ступени, одним из выходов (р) соединен со входом (g) оптического фильтра (51-2, 51-3, соответственно) последующей ступени, а другим выходом (к) соединен с одним из входов оптического сумматора;
- оптический фильтр (51-1) первой ступени своим входом (g) соединен с входным портом (In);
- оптический фильтр (51-3) последней ступени одним выходом (к) соединен с другим одним входом оптического сумматора (52), а другим выходом (к) соединен с портом (Drор) вывода;
- оптический сумматор (52) еще одним входом соединен с портом (Аdd) ввода.
- выход оптического сумматора (52) соединен с выходным портом (Оut).
3. Многоканальный мультиплексор по п.l, отличающийся тем, что используется для управления вводом/выводом каналов в реконфигурируемом режиме, при этом указанные оптические демультиплексор (81-2) и мультиплексор (81-3) имеют фиксированные спектральные характеристики и контроллер (87) электрически связан с указанным управляемым оптическим мультиплексором (81-1) ввода/вывода.
4. Многоканальный мультиплексор по п.l, отличающийся тем, что используется для управления вводом/выводом каналов в перестраиваемом режиме, при этом указанные оптические демультиплексор (91-2) и мультиплексор (91-3) имеют перестраиваемые спектральные характеристики и контроллер (98) электрически связан с указанными управляемым оптическим мультиплексором (91-1) ввода/вывода, оптическими демультиплексором (91-2) и мультиплексором (91-3).
5. Многоканальный мультиплексор по п.4, отличающийся тем, что указанный оптический демультиплексор (91-2) включает М-ступенчатую структуру типа «дepeвo», содержащую в каждой n2-oй ступени при n2 =1, 2,..., M 2"2"1 оптических фильтров (61; 62-1, 62-2; 63-1, 63-2, 63-3, 63-4), имеющих, по меньшей мере, один вход (g, а, b, соответственно) и два выхода (p,k; e,f; c,b, соответственно), выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в пг-ой ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты, равным
Av112 = T2+^-1Av1.
6. Многоканальный мультиплексор по п.5, отличающийся тем, что в указанном оптическом демультиплексоре (91-2) в указанной М-ступенчатой структуре один из входов (g) оптического фильтра (61) первой ступени соединен с входным портом (∑Dеmuх), каждый из двух выходов (c,d) оптического фильтра (63-1, 63-2, 63-3,63-4) последней ступени соединен с одним из выходных портов (Cl ÷ C8) и оптические фильтры (61; 62-1,62-2) в каждой ступени, кроме последней, соединены каждым их двух выходов (p,k; е/, соответственно) со входом (a,b) одного из оптических фильтров последующей ступени.
7. Многоканальный мультиплексор по п.4, отличающийся тем, что указанный оптический мультиплексор (91-3) включает М-ступенчатую структуру типа «дepeвo», содержащую в каждой n3-oй ступени при n3 = 1, 2,..., M не менее 2м~пЪ оптических фильтров (71-1, 71-2, 71-3, 71-4; 72-1, 72-2; 73), имеющих два входа (a,b; a,b; z,w, соответственно) и, по меньшей мере, один выход (c,d,e,f,v, соответственно) выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в n3-oй ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δ vпЪ - 2N→3 - Av1.
8. Многоканальный мультиплексор по п.7, отличающийся тем, что в указанном оптическом мультиплексоре (91-3) в указанной М-ступенчатой структуре два входа (a,b) оптических фильтров (71-1 ÷ 71-4) первой ступени соединены с входными портами (Bl ÷ B8), один выход (v) оптического фильтра (73) последней ступени соединен с выходным портом (∑мuх) и оптические фильтры (72-1, 72-2) в каждой ступени, кроме первой и последней, соединены каждым из двух входов (a,Ъ) с выходом (c,d) одного из оптических фильтров (71-1 ÷ 71-4) предыдущей ступени, а одним выходом (ej)c одним из входов (z,w) одного (73) из оптических фильтров последующей ступени.
9. Многоканальный мультиплексор по любому из п.п. 2,5,7, отличающийся тем, что в качестве указанных оптических фильтров используются однокаскадные (10) и/или двухкаскадные (20) и/или многокаскадные (30,40) несимметричные интерферометры Маха-Цендера.
10. Многоканальный мультиплексор по любому из пп.2,5,7, отличающийся тем, что для управления настройкой коэффициентов передачи указанные оптические фильтры (10, 20, 30, 40) содержат электрооптические или термооптические устройства (15,27,28) фазового сдвига.
11. Многоканальный мультиплексор по п.l, отличающийся тем, что выполнен по интегрально-оптической технологии на одном чипе.
12. Многоканальный мультиплексор по п.l, отличающийся тем, что входной порт (83,94), выходной порт (84,95), M портов (85-1 ÷ 85-8; 96-1 ÷ 96-8) вывода и M портов (86-1 ÷ 86-8; 97-1 ÷ 97-8) ввода выполнены с помощью световодов.
1/9
10
Figure imgf000033_0001
Фиг. IA
Figure imgf000033_0002
Фиг.lБ
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 2/9
Figure imgf000034_0001
Фиг.2A
а MZI-2 е
b f
Фиг.2Б
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 3/9
30
(
Figure imgf000035_0001
Фиг.ЗА
Figure imgf000035_0002
Фиг.ЗБ
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 4/9
Figure imgf000036_0001
ФИГ.4A
Figure imgf000036_0002
Фиг.4Б
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 5/9
Figure imgf000037_0001
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 6/9
Figure imgf000038_0001
Фиг.бА
Figure imgf000038_0002
Фиг.бБ
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 7/9
Figure imgf000039_0001
Фиг.7A
Figure imgf000039_0002
ФИГ.75
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 8/9
Figure imgf000040_0001
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
Figure imgf000041_0001
PCT/RU2005/000609 2005-11-29 2005-11-29 Dynamically functional multi-channel controllable optical add/drop multiplexer WO2007064240A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2005/000609 WO2007064240A1 (en) 2005-11-29 2005-11-29 Dynamically functional multi-channel controllable optical add/drop multiplexer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2005/000609 WO2007064240A1 (en) 2005-11-29 2005-11-29 Dynamically functional multi-channel controllable optical add/drop multiplexer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2007064240A1 true WO2007064240A1 (en) 2007-06-07
WO2007064240A8 WO2007064240A8 (fr) 2007-10-25

Family

ID=38092480

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2005/000609 WO2007064240A1 (en) 2005-11-29 2005-11-29 Dynamically functional multi-channel controllable optical add/drop multiplexer

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2007064240A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120103336A1 (en) * 2010-10-29 2012-05-03 General Electric Company Ventilator System and Method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002011339A2 (en) * 2000-07-26 2002-02-07 Apa Optics, Inc. Multiplexer, demultiplexer and add/drop multiplexer for single mode optical fiber communication links
RU2204211C1 (ru) * 2001-12-13 2003-05-10 Александровский Михаил Исаакович Оптическая абонентская линия связи
US6602000B1 (en) * 1999-02-19 2003-08-05 Lucent Technologies Inc. Reconfigurable add/drop for optical fiber communication systems

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6602000B1 (en) * 1999-02-19 2003-08-05 Lucent Technologies Inc. Reconfigurable add/drop for optical fiber communication systems
WO2002011339A2 (en) * 2000-07-26 2002-02-07 Apa Optics, Inc. Multiplexer, demultiplexer and add/drop multiplexer for single mode optical fiber communication links
RU2204211C1 (ru) * 2001-12-13 2003-05-10 Александровский Михаил Исаакович Оптическая абонентская линия связи

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120103336A1 (en) * 2010-10-29 2012-05-03 General Electric Company Ventilator System and Method

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007064240A8 (fr) 2007-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20030035168A1 (en) Spectrum division multiplexing for high channel count optical networks
WO2007064242A1 (fr) Multiplexeur optique commande
WO2007064241A1 (en) Controllable optical add/drop multiplexer
JP4748524B2 (ja) アレイ導波路格子型合分波器
US7907844B2 (en) Method and apparatus for hitless routing of optical signals in an optical transport network
CA2332788C (en) Wavelength multiplexing/demultiplexing unit, wavelength multiplexing/demultiplexing apparatus and wavelength multiplexing/demultiplexing method
WO2007064238A1 (en) Controllable multi-channel optical add/drop multiplexer
RU2380837C1 (ru) Многоканальный оптический мультиплексор ввода/вывода с динамической функциональностью
RU2372729C1 (ru) Многоканальный управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода
KR100845061B1 (ko) 파장 선택적 장치와 스위치 및 이에 관한 방법
JP4350044B2 (ja) 光スイッチ装置
WO2007064240A1 (en) Dynamically functional multi-channel controllable optical add/drop multiplexer
US6674937B1 (en) Optical wavelength routing circuits
US6785442B2 (en) Multi-order optical cross-connect
US20030174946A1 (en) Superstructure photonic band-gap grating add-drop filter
RU2390099C2 (ru) Управляемый оптический мультиплексор ввода-вывода
JP2014160216A (ja) マッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ
JP3832742B2 (ja) 光合分波装置
RU2389138C2 (ru) Управляемый оптический мультиплексор
RU2372728C1 (ru) Управляемый оптический демультиплексор
JP4238069B2 (ja) 光波長合分波装置
JP2784374B2 (ja) 光分岐挿入回路
JP2003304197A (ja) 波長多重分割回路
JP5731946B2 (ja) 波長選択スイッチ
CN114924357B (zh) 一种基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用光延时线

Legal Events

Date Code Title Description
DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2005857410

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008123178

Country of ref document: RU