專利名稱：N端口可再配置密集波分復(fù)用多路復(fù)用器和去多路復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請以1998年1月16日提出的編號為60/071,730的臨時申請為基礎(chǔ)，該日期是我們提出的本申請的優(yōu)先權(quán)日期。
本發(fā)明一般涉及適合于單模光電信系統(tǒng)的多路復(fù)用和去多路復(fù)用器件。說得詳細(xì)些，本發(fā)明涉及一種可再配置單片密集波分多路復(fù)用器(DWDM)器件，也可以把它有利地應(yīng)用于具有多種波長的光信號的去多路復(fù)用。
有關(guān)技術(shù)的描述對于傳送高速通信量的電信系統(tǒng)，光多路復(fù)用器提供可靠的、高速的操作，而在電學(xué)范疇中工作的器件不能有效地處理這種高速通信量。
已經(jīng)考慮的一種方法包括一種光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)通過相長干涉使用波長濾波以合并各種波長的光信號。使用兩個星形耦合器(star coupler)來實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用和去多路復(fù)用，這兩個星形耦合器通過一組N條光波導(dǎo)路徑連接。使由多個波長組成的光耦合入N條光路，把功率基本上平均地分配在各光路之間。對于給定的光波長，每條光路具有不同的光程長。因此，對于光信號行進(jìn)的每條光路，光信號經(jīng)受不同的相移。選擇每條光路以對于特定的光波長產(chǎn)生相長干涉而對于其它波長產(chǎn)生相消干涉，使得每條光路傳送預(yù)選波長的光信號，從而達(dá)到去多路復(fù)用功能。逆向工作提供多路復(fù)用功能。這種方法有幾個缺點(diǎn)。首先，是涉及設(shè)計(jì)和制造星形耦合器的問題。此外，在諸如星形耦合器之類的平面波導(dǎo)與光纖之間的光耦合是一個困難而吃力的任務(wù)。第三，器件不能夠再配置，迫使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)用具有有限靈活性的剛性設(shè)計(jì)。
在已經(jīng)考慮的另一個方法中，曾經(jīng)使用基于光纖具有光柵的馬赫-策恩德(Mach-Zehnder)器件以在一條光纖上對一個波長或一系列波長進(jìn)行多路復(fù)用。把這些器件串級起來以在數(shù)條光纖上去多路復(fù)用數(shù)個信號(每個信號具有不同的波長)。然而，串級產(chǎn)生具有伴隨而來的成本和可靠性關(guān)系的更復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。此外，串級過程會引入耦合損耗和反射，從而使這種系統(tǒng)的性能受到限制，因?yàn)楣庑盘枌U(kuò)展，而在脈沖之間將要求有更大的分隔以保持給定的比特差錯率。如上述方法中所述，串級器件不能再配置，迫使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)用具有有限靈活性的剛性設(shè)計(jì)。
本發(fā)明認(rèn)識到提供能夠處理多個波長從而無需串級多個器件的可再配置單片DWDM有極大的優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明概要本發(fā)明提供這些優(yōu)點(diǎn)和致力于這些需求。揭示了一種可再配置的DWDM，它能夠響應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)命令將給定波長的光引導(dǎo)到器件的任何的外部端口，向網(wǎng)絡(luò)操作者提供更多所需的靈活性。此外，因?yàn)槠骷菃纹?，避免了串級系統(tǒng)的缺點(diǎn)。最后，同樣地避免了連接光與平面器件的困難任務(wù)。
本發(fā)明的一個方面涉及一種單片光學(xué)器件，用于多個光信號的波分多路和去多路復(fù)用。一個波長或多個波長給出多個光信號中的每個光信號的特征。光學(xué)器件包括具有M個外部端口和N個內(nèi)部端口的第一迅衰波耦合器，其中，在M個外部端口和N個內(nèi)部端口之間均勻地耦合信號光功率。還包括具有N個內(nèi)部端口和O個外部端口的第二迅衰波耦合器，其中，在N個內(nèi)部端口和O個外部端口之間均勻地耦合信號光功率。N條光路分別將第一耦合器的N個內(nèi)部端口的每個內(nèi)部端口連接到第二耦合器的N個內(nèi)部端口的相應(yīng)的一個內(nèi)部端口。在N條光路的每條光路上放置多個波長選擇元件，用于根據(jù)一個波長或多個波長，把多個光信號中的每個光信號按規(guī)定路線送到選出的一個M或O外部端口。
在本發(fā)明的另一個方面揭示了一種用于制造光信號的波分多路復(fù)用或去多路復(fù)用的器件的一種方法。一個波長或多個波長給出每個光信號的特征。該方法包括下述步驟形成具有M個外部端口和N個內(nèi)部端口(從而在M個外部端口和N個內(nèi)部端口之間均勻地耦合信號光功率)的第一迅衰波耦合器；形成具有N個內(nèi)部端口和O個外部端口(從而在N個內(nèi)部端口和O個外部端口之間均勻地耦合信號光功率)的第二迅衰波耦合器；形成分別將第一耦合器的N個內(nèi)部端口每個內(nèi)部端口連接到第二耦合器的N個內(nèi)部端口的相應(yīng)的一個內(nèi)部端口的N條光路；以及在N條光路的每條光路上放置多個波長選擇元件，從而波長選擇元件根據(jù)一個波長或多個波長，把光信號按規(guī)定路線送到選出的M或O外部端口。
在本發(fā)明的又一個方面揭示了用于在光學(xué)器件中對多個光信號進(jìn)行波分多路復(fù)用或去多路復(fù)用的一種方法。光學(xué)器件包括具有M個外部端口和N個內(nèi)部端口的第一迅衰波耦合器；具有N個內(nèi)部端口和O個外部端口的第二迅衰波耦合器；以及將第一耦合器的N個內(nèi)部端口的每個內(nèi)部端口連接到第二耦合器的N個內(nèi)部端口的相應(yīng)的一個內(nèi)部端口的N條光路。該方法包括下述步驟提供放置在N條光路的每條光路上的多個波長選擇元件；以及根據(jù)一個波長或多個波長，把多個光信號中的每個光信號按規(guī)定路線送到選出的外部端口，其中，由一個波長或多個波長表征多個光信號的每個光信號。
本發(fā)明的單片光學(xué)DWDM器件導(dǎo)致優(yōu)于現(xiàn)有的WDM器件的多個優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明避免了在平面波導(dǎo)器件與光纖之間光耦合的復(fù)雜任務(wù)。由于本發(fā)明是單片設(shè)計(jì)，因而避免了串級系統(tǒng)的缺點(diǎn)。如上所述，這種設(shè)計(jì)產(chǎn)生具有伴隨而來的成本和可靠性關(guān)系的復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。此外，避免了限制串級系統(tǒng)的性能的耦合損耗和反射，提供較佳的比特差錯率。此外，本發(fā)明是可再配置的，向系統(tǒng)管理員提供符合日益增長的網(wǎng)絡(luò)要求所需的靈活性。
在下面的詳細(xì)描述中將說明本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點(diǎn)，熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員將從說明書中容易地部分明了，或通過如書面的說明書、權(quán)利要求書以及附圖所述的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明來理解。
應(yīng)理解，以前的一般描述和下面的詳細(xì)描述只不過是本發(fā)明的示例，打算提供概述或框架來理解提出權(quán)利要求的本發(fā)明的特性和特征。
把附圖包括在內(nèi)以提供對本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，并且合并在說明書中而構(gòu)成其一部分。附圖示出本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例，并與說明書一起來說明本發(fā)明的原理和工作。
附圖簡述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的可再配置單片密集波分多路復(fù)用器和去多路復(fù)用器的方框圖2是根據(jù)表示去多路復(fù)用操作的本發(fā)明第二實(shí)施例的單片波分多路復(fù)用和去多路復(fù)用器件的示意圖，示出四波長器件的光柵定位；圖3是根據(jù)表示多路復(fù)用操作的本發(fā)明第二實(shí)施例的單片波分多路復(fù)用和去多路復(fù)用器件的方框圖；圖4是根據(jù)用熔合光纖耦合器實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明第二實(shí)施例的單片波分多路復(fù)用和去多路復(fù)用器件的剖面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的波長選擇元件的詳圖，示出鉻加熱器元件和電極；圖6是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例使用平面耦合器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的單片波分多路復(fù)用和去多路復(fù)用器件的示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例使用平面耦合器技術(shù)和反射鏡實(shí)現(xiàn)的單片波分多路復(fù)用和去多路復(fù)用器件的示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明第三和第四實(shí)施例的波長選擇元件的詳圖，示出電壓調(diào)制器元件。
詳細(xì)描述現(xiàn)在將詳細(xì)地參考本發(fā)明的較佳實(shí)施例，在附圖中示出它們的例子。只要有可能，在所有的附圖中使用相同的標(biāo)號來表示相同的部件。在圖1中示出本發(fā)明的DWDM的單片光學(xué)器件的例示實(shí)施例，并且在所有附圖中概略地用標(biāo)號10來指定。
根據(jù)本發(fā)明，單片光波分多路復(fù)用器和去多路復(fù)用器10將行進(jìn)在多條光路上的各種波長的光信號多路復(fù)用在單條光路上。由于多路復(fù)用器是單片的，耦合損耗和不需要的反射不會降低多路復(fù)用器的性能，而且可以容納極窄的脈沖。避免了與諸如星形耦合器之類的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)耦合到光纖相關(guān)聯(lián)的耦合困難。此外，與串級多路復(fù)用器相比單片器件更可靠且生產(chǎn)費(fèi)用較少。多路復(fù)用器10具有多路復(fù)用器和去多路復(fù)用器兩種功能。多路復(fù)用器最好使用迅衰波耦合器30和70。多路復(fù)用器還使用波長選擇元件50、52、54和56，它們給多路復(fù)用器10提供具根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需要而再配置的能力。這種靈活性允許網(wǎng)絡(luò)管理員響應(yīng)于增加的通信量要求和變化的網(wǎng)絡(luò)需要而動態(tài)地再配置網(wǎng)絡(luò)。
如這里具體化和在圖1中所描述的，光學(xué)器件10的第一實(shí)施例包括M×N迅衰波耦合器30，它具有M個外部端口20和N個內(nèi)部端口40。在M個外部端口20和N個內(nèi)部端口40之間均勻地耦合信號光功率。例如，將平均分配進(jìn)入外部端口200的光信號并出現(xiàn)在內(nèi)部端口400、402、404、406和40N處。M×N耦合器30雙向工作，從而它還將進(jìn)入N個內(nèi)部端口40的光均勻地耦合入外部端口20。光學(xué)器件10還包括N×O迅衰波耦合器70，它具有N個內(nèi)部端口60和O個外部端口80。N×O耦合器70以與M×N耦合器30相同的方式起作用。將平均分配進(jìn)入內(nèi)部端口600的光信號，并出現(xiàn)在外部端口800、802、804、806和80O處。如M×N耦合器30那樣，N×O耦合器70起雙向耦合光的作用。N條光路110、112、114、116…11N把M×N耦合器30的N個內(nèi)部端口40連接到N×O耦合器70的N個內(nèi)部端口60。根據(jù)光在特定光路中傳播的一個波長或一些波長，N條光路110、112、114、116…11N對光信號提供獨(dú)有的相移。在每條光路110…11N上設(shè)置多個波長選擇元件50、52、54和56。把每個元件50、52、54和56調(diào)諧到特定的波長。每個波長選擇元件50、52、54和56還包括形成波長選擇子元件矩陣的子元件500-56N。因此，把子元件500、502、504、506和50N調(diào)諧到相同的波長。把配置控制器90連接到波長選擇元件50、52、54和56。配置控制器90起各別地控制每個子元件500-56N的作用。把配置控制器連接到網(wǎng)絡(luò)接口100。通過網(wǎng)絡(luò)接口100把網(wǎng)絡(luò)配置命令轉(zhuǎn)發(fā)到配置控制器90。
兩個耦合器30和70可以是任何合適的公知類型，但是作為示例，在圖4中示出熔合光纖耦合器；在圖6中示出平面布局；或在圖7中示出平面-鏡子布局。將在下面進(jìn)一步討論這些例子。在平面布局中特別感興趣的是N×N自由空間耦合器，它使用由自由空間區(qū)隔開的兩個波導(dǎo)的線性陣列。
N條光路110、112、114、116…11N可以是任何合適的公知類型，但是作為示例，在圖4中示出光纖或在圖6中示出平面布局的光波導(dǎo)。然而，因?yàn)槠骷?0的集成單片性質(zhì)，這種選擇基本上取決于在實(shí)現(xiàn)耦合器30和70中所使用的技術(shù)。
波長選擇元件50、52、54和56和子元件500-56N可以是任何合適的公知類型，但是作為示例示出諸如光柵或反射鏡之類的反射元件(圖2)。完全反射或部分透射的光柵是合適的。在圖5中示出光柵與鉻加熱器元件的組合。在圖8中示出用作N條光路的鈮酸鋰或磷化銦波導(dǎo)與電壓調(diào)制器的組合。當(dāng)然，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，可以應(yīng)用任何改變N條光路110…11N之間的相位差的方法。例如，任何改變折射率、折射率增量、通路長度或纖心直徑的方法將產(chǎn)生所希望的效果。
配置控制器可以是任何合適的公知類型，但是作為示例，可以在使用具有在片(on-chip)存儲器的可編程邏輯陣列(PLA)器件的基于微處理器的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)配置控制器90。在存儲器中存儲一個查找表來存儲相對于用于輸入和輸出的外部端口的所有可能的波長組合。以數(shù)字字的形式把網(wǎng)絡(luò)配置命令寫入配置控制器。數(shù)字字對在片存儲器尋址以訪問對于每種組合的合適的設(shè)定。
可以使用任何合適的公知方法來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口100。例如，適應(yīng)于特定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)字總線系統(tǒng)適合于這種應(yīng)用?？偩€系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)總線和控制總線。接口100能夠緩存數(shù)據(jù)，并應(yīng)用數(shù)據(jù)收發(fā)器提供光學(xué)器件10和網(wǎng)絡(luò)處理器之間的雙向通信。
通過下面的例子來說明光學(xué)器件10的工作。網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出配置命令而由網(wǎng)絡(luò)接口100接收。網(wǎng)絡(luò)接口100允許光學(xué)器件10適應(yīng)于各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同的數(shù)據(jù)格式和信號電平。網(wǎng)絡(luò)接口100緩存網(wǎng)絡(luò)命令并通過總線系統(tǒng)把命令作為控制字寫入配置控制器90。實(shí)際上控制字是訪問存儲器中的一個位置的地址，以檢索存儲在查找表中的合適的設(shè)定。配置控制器90使用檢索得的數(shù)據(jù)以各別地驅(qū)動每個子元件500-56N。如上所述，根據(jù)光在光路中傳播的一個波長或一些波長，N條光路110、112、114、116…11N對光信號提供獨(dú)有的相移。當(dāng)驅(qū)動子元件時，它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)命令進(jìn)一步移動選出的光信號的相位。這個附加的相移造成所選擇的光信號的相長干涉和行進(jìn)在該特定光路中的所有其它光信號的相消干涉。因此，如圖1所示，由波長λ1-M表征的光信號進(jìn)入外部端口20M并通過40N耦合入內(nèi)部端口400、402、404、406。把元件50[500、502、504、506…50N]調(diào)諧到λ1。配置控制器90驅(qū)動子元件506，接著，子元件506對波長λ1的光提供附加的相移。在光路中使用相長干涉，子元件506引導(dǎo)具有波長λ1的光使之在M×N耦合器的出射端口206處出現(xiàn)。由于相消干涉，在外部端口206處不出現(xiàn)波長λ2-M的光。以這種方式，可以動態(tài)地再配置光學(xué)器件10，以將給定波長的光信號從任何外部端口20和80按規(guī)定路線送到任何其它的外部端口20和80。
如這里具體化并示于圖2中的本發(fā)明的第二實(shí)施例揭示了一種熔合耦合器DWDM10。在該實(shí)施例中，通過使用光柵作為子元件500-546來實(shí)現(xiàn)波長選擇元件50、52和54。圖2是示意圖，示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的去多路復(fù)用操作和光柵500-546的合適的布局。為了說明的方便，在圖2中把本實(shí)施例作為4×4WDM示出。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將理解，這里所揭示的原理可以容易地應(yīng)用來產(chǎn)生如圖1所示的M×O器件。
如這里具體化并在圖2中描繪的，光學(xué)器件10包括四條光纖110、112、114和116，它們構(gòu)成N條光路。四條光纖110、112、114和116分別連接兩個4×4熔合耦合器30和70的內(nèi)部端口40和60。多個光柵500-546沿耦合器30和70之間的有關(guān)的光纖110-116隔開。在耦合器30和70之間的光纖110-116部分最好長度相等。
光柵50、52和54分別反射波長為λ1、λ2和λ3的光。當(dāng)把光反射回4×4耦合器30時，如在下面更詳細(xì)的討論的，由相互作用信號的相對相位確定將把反射光引向它的外部端口。
已經(jīng)在題為“M×O多路復(fù)用和去多路復(fù)用元件”的第5,636,300號美國專利中描述可以合適地用作為耦合器30或耦合器70的4×4耦合器的工作，該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并通過參考而完整地在此引用。為了舉例，假定光在端口206處通過光纖116輸入耦合器30，并且如此設(shè)計(jì)器件，從而在耦合器30和70之間的光纖110-116部分之間發(fā)生相等的功率分配。在不存在光柵500-546時，從通過光纖116輸入的光得到的、到達(dá)耦合器70的光將比任何其它使用光纖110-116耦合的光的相位超前180度。結(jié)果，耦合器70將工作以把在光纖116上輸入的光輸出到端口806。數(shù)學(xué)上，可以用下列矩陣表示耦合M=.25-.25-.25-.25-.25.25-.25-.25-.25-.25.25-.25-.25-.25-.25.25]]>
在矩陣中的負(fù)號是考慮到耦合到光纖110、112和114的光與從光纖116的耦合出光相比較的相位差。物理上，這意味著輸入到耦合器30的光比到達(dá)耦合器70的光超前180度。如將在下面討論的，在合適地調(diào)節(jié)相位方面，本發(fā)明的第二實(shí)施例使用波長選擇元件，其形式為正確定位的光柵或與加熱器結(jié)合使用的光柵。例如，當(dāng)光從光柵504反射回耦合器30時，可以有效地調(diào)節(jié)光纖114的有關(guān)部分的光程長。為了將光輸出到指定的外部端口，通過進(jìn)一步從輸入4×4耦合器30放置它的光柵可以減少光纖的光程長。這直接從互易理論得出和應(yīng)用上述公式1中的矩陣。具有波長λ1的光從第一組的光柵500-506反射，并在光纖114上在端口204處輸出。從第二組光柵520-526反射的波長為λ2的光在光纖112上在端口202處輸出。第三組光柵540-546反射波長為λ3的光，并如圖所示，在光纖110上在端口200處輸出。在圖2中，相應(yīng)于其它組的光柵適當(dāng)?shù)胤胖霉鈻乓岳霉獾南嚅L干涉和相消干涉來得到這個結(jié)果。
將通過例子來說明光柵定位。注意，在圖2中，子元件504放置偏移光柵500和502的距離“d”處。在該例子中，位移造成在外部端口204處出現(xiàn)λ1。在第二波長選擇元件52中，光柵522偏移光柵520和524，造成在外部端口202處出現(xiàn)λ2。由d給出光柵偏移的距離，其中d=λ2n±Mλn----(2)]]>其中M是整數(shù)。在公式2中，n是光纖的折射率。
這些光柵的位移是極小的。可以使用光折射技術(shù)通過改變折射率來精細(xì)地調(diào)諧或微調(diào)N條光路。還有，可以通過不同的折射率增量而不是實(shí)際的光柵位置差異來改變光程長度。以如圖1所示的矩陣形式來調(diào)整子元件500-546，而不用光柵的位移。子元件包括鉻加熱器和光柵的組合。加熱器位于光柵之間。通過對光路加熱，使材料的折射率改變，從而使得光程長變化。另外，可以對光柵本身加熱或?qū)饴泛凸鈻艃烧呒訜?。這樣，動態(tài)地再配置光學(xué)器件10。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將理解，當(dāng)對一個給定的子元件加熱時，配置控制器90將調(diào)節(jié)沿光路的后續(xù)的子元件以計(jì)及所改變的光程長度和相關(guān)的相移。這樣做來保證維持在那個光路中所選擇信號的相長干涉和所有其它信號的相消干涉。
光學(xué)器件10的第二實(shí)施例基于以其窄頻帶波長而公知的Mach-Zehnder器件。它可以以數(shù)十個納米或更小的數(shù)量級來提供波長分隔。例如在第5,295205號美國專利中討論的Mach-Zehnder器件，通過參考在此完整地引用。迅衰波光纖耦合器30和70通過四條光纖110-116連接。再有，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識到，雖然在圖2中示出四條光纖，但是可以在本設(shè)計(jì)中使用N條光纖。
圖3是本發(fā)明的第二實(shí)施例的方框圖，示出使用圖2中描繪的耦合器對光信號進(jìn)行多路復(fù)用的例子。要注意，雖然在圖3中示出4×4耦合器，但是可以使用任何規(guī)模的耦合器。此外，內(nèi)部端口數(shù)和外部端口數(shù)不必相等，從而通?？梢缘玫組×O工作。
每條光纖110-116包括概略地由50表示而且不各別地示出的光柵。如圖2所示，使各光柵偏移。如在圖2中討論的，這些光柵分別反射特定波長λ1、λ2或λ3的光。在多路復(fù)用應(yīng)用中，將波長λ1、λ2和λ3的光通過耦合器30耦合入光纖110-116。通過耦合器70將波長λ4的光耦合到光纖110-116。光學(xué)器件10工作以組合波長λ1λ2λ3λ4的光。經(jīng)多路復(fù)用的信號在光纖116上的外部端口26處從光學(xué)器件10出射。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，最好以圖4中所示的單片結(jié)構(gòu)來形成多路復(fù)用器/去多路復(fù)用器Mach-Zehnder器件10。器件10包括通過相移區(qū)120連接的外包層耦合器30和70。通過把光纖110、112、114和116插入基質(zhì)玻璃管140的孔130來形成器件10。如圖4所示，有四條光纖，但是可以合適地使用較大或較小的數(shù)目N。每條光纖110-116具有一個纖心，由折射率比纖心的折射率低的包層包圍所述纖心。各纖心可以有不同的折射率，并且各光纖包層可以有不同的折射率?？拷饫w的基質(zhì)玻璃管部分的折射率小于任何一個光纖包層的最低折射率。將管和光纖的結(jié)合稱為耦合器預(yù)制件。以一種方式處理預(yù)制件，使玻璃管燒縮到光纖未包覆的長度上以形成耦合器。耦合器成形的處理是已知的，并在例如第5,295,205號美國專利中揭示，通過參考完整地在此引用。每條連接光纖110-116包括具有細(xì)長纖心的光纖，在其中將光導(dǎo)向預(yù)定長度的纖心部分。
如上所述，光纖110-116還具有嵌入其中的多個光柵元件，以大體上相等的縱向間隔(大體上垂直于縱軸)延伸。一個光柵元件在中心波長附近的窄范圍內(nèi)反射單個波長，所述中心波長由光柵元件的間隔和纖心的折射率確定。這種光柵和形成這種光柵的處理是已知的，例如，在第5,042,898號美國專利中所揭示，通過參考完整地在此引用。
圖5是如圖1所示的波長選擇子元件500和配置控制器90的相互作用的詳圖。配置控制器90包括控制邏輯92和調(diào)整器94。系統(tǒng)總線900將控制邏輯92連接到調(diào)整器94，該調(diào)整器連接到加熱器5002。注意，子元件500包括設(shè)置在光纖110的纖心上的光柵5000和如圖5所示設(shè)置在光纖110的周圍的鉻加熱器5002。將加熱器5002連接到溫度傳感器96。將溫度傳感器96通過實(shí)際溫度信號線904連接到調(diào)整器94以形成控制環(huán)路。必須準(zhǔn)確地控制每個子元件500-546的溫度以保證正確地調(diào)節(jié)光纖110-11N的折射率。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識到，任何合適的加熱和調(diào)整光纖110加熱的方法都可滿足需要。
示于圖5中的配置控制器90的工作如下。網(wǎng)絡(luò)接口100將配置命令發(fā)送到配置控制器90?？刂七壿?2接收該命令?？刂七壿?2將命令轉(zhuǎn)換成對于每個子元件500-546的特定的溫度設(shè)定。在系統(tǒng)總線900上通過調(diào)整器94把命令信號發(fā)送到各別的子元件。注意，由于出現(xiàn)在分各別的子元件上的局部條件，在每個子元件處的溫度可能與在系統(tǒng)總線900上發(fā)送到調(diào)整器的額定溫度有變化。因此，必須調(diào)整子元件的溫度以保證它的正確的功能。為了完成這項(xiàng)工作，溫度傳感器96把實(shí)際溫度信號904饋送給調(diào)整器94。調(diào)整器94從實(shí)際值904中減去從控制邏輯92接收到的額定溫度值以產(chǎn)生誤差信號。然后在加法器96中把可以是正或負(fù)的誤差信號加到命令信號900以產(chǎn)生校正的溫度信號906。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識到，可以使用任何正確地控制子元件500-546的溫度的合適方法。
如在這里具體化并示于圖6中的本發(fā)明的第三實(shí)施例中，示出單片平面器件10的示意圖。光學(xué)器件10包括具有M個外部端口20和N個內(nèi)部端口40的M×N迅衰耦合器30。使用外部端口20來訪問器件10的外部。將內(nèi)部端口40分開連接到N條光路110-11N。N條光路110-11N的另一端連接到N×O迅衰耦合器70的N個內(nèi)部端口60。N×O耦合器70還包括訪問器件10的外部的外部端口80。在N條光路110-11N上設(shè)置波長選擇元件50-5M-1。注意，在本實(shí)施例中應(yīng)用子元件，但是為了說明簡便起見未在圖6中示出。把波長選擇元件50調(diào)諧到λ1；把元件52調(diào)諧到λ2和把元件5M-1調(diào)諧到器件10支持的第M-1個波長。耦合器30和70可以是任何合適的公知的類型，但是為了示例而示出自由空間N×N平面耦合器，它包括由自由空間區(qū)隔開的兩個線性波導(dǎo)陣列的平面布局。如在上述熔合耦合器實(shí)施例中那樣，具有波長λ1-M的光信號進(jìn)入如圖6所示的外部端口20M，并均勻地分配而出現(xiàn)在每個內(nèi)部端口40處。如上所述，波長選擇元件50-5M-1可以是任何合適的公知類型，該類型可以改變N條光路110-11N之間的相位差，這將結(jié)合圖8進(jìn)行討論。
在圖6所示的實(shí)施例中，有幾個因素確定給定波長將出射的外部端口。首先，自由空間截面的彎度造成來自每個波導(dǎo)的光朝著自由空間假面的另一邊的端口聚焦，第二，如果波長選擇元件作為Bragg光柵實(shí)施，則波長選擇元件相對于波導(dǎo)的放置的角度也是一個因素。這是因?yàn)榻嵌扔绊憗碜悦總€波導(dǎo)的光的相對延遲。通過改變角度而建立了一個相控陣列，它調(diào)整光束朝著所要的外部端口。在自由空間界面處的每個波導(dǎo)相對于其它波導(dǎo)的位置造成光朝著自由空間界面另一邊的端口聚焦。通過由Bragg反射器產(chǎn)生的附加延遲，精細(xì)地把每個波長調(diào)節(jié)到特定的端口。相位延遲和調(diào)整角之間的關(guān)系如下列等式所示φ(λ)=cos-1[dsinθλ/λ](3)其中φ是由Bragg反射器造成的相位延遲，θ是調(diào)整角，λ是被調(diào)整的光束的波長，而d是波導(dǎo)之間的分隔。因此，對給定波長的相位延遲影響反射光的聚焦位置。最終，通過在光柵之間的光路[110…11N]上放置加熱器，或?qū)鈻疟旧砑訜?，或?zhí)行兩者使器件可再配置。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將理解，當(dāng)加熱一個給定的子元件時，配置控制器90將調(diào)節(jié)沿光路的后續(xù)的子元件，來計(jì)及所改變的光程長度和相關(guān)的相移。這樣做保證維持在該選出的信號的相長干涉和在光路中所有其它信號的相消干涉。
通過例子來說明示于圖6中的器件10的工作。由波長λ1-M表征的光信號輸入外部端口20M并將其耦合入內(nèi)部端口400、402、404、406和40N(未各別地示出)。配置控制器90(未示出)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)命令驅(qū)動波長選擇元件50-5M-1。將元件50調(diào)諧到λ1并驅(qū)動元件50把具有波長λ1的光導(dǎo)向M×N耦合器的外部端口200。由于相消干涉，在外部端口200處不出現(xiàn)波長λ2-M的光，而由于相長干涉，在端口200處出現(xiàn)具有λ1的所選擇的信號。以相似的方式，元件52將所選擇的λ2光信號導(dǎo)入外部端口202，等等。以這種方式，可以動態(tài)地再配置光學(xué)器件10，把給定波長的光信號從任何外部端口20和80按規(guī)定路線送到任何其它的外部端口20和80。
在這里具體化并示于圖7中的本發(fā)明的第四實(shí)施例中，示出單片平面器件10的示意圖。在本實(shí)施例中，由反射鏡120來代替圖6的N×O耦合器70。在第四實(shí)施例中，將每個波長選擇元件[50、52、54、…、5M-4]調(diào)諧到一個波長。耦合器30具有M個外部端口20和N個內(nèi)部端口40。將N個內(nèi)部端口40連接到在反射鏡120處終止的N個波導(dǎo)[110…11N]。把波長選擇元件50、52、54到5M一4設(shè)置在波導(dǎo)110到11N上。注意，器件10支持波長λ1-M的光。然而，在器件10中有M-4個波長選擇元件。因此，波長λM-3到λM不具有匹配的波長選擇元件。在第四實(shí)施例中，反射鏡造成所有不具有波長選擇元件的波長反射回輸出端口200。
通過例子來說明示于圖7中的器件10的工作。將波長λ1-M的光導(dǎo)入外部端口20M。把元件50調(diào)諧到λ1并且由配置控制器(未示出)驅(qū)動設(shè)置在波導(dǎo)112上的子元件(未示出)，造成λ1在端口202處從器件10出射。因?yàn)棣薓-3到λM沒有光柵，它們被反射回來并在端口200處從器件出射。給定波長從器件出射的端口是通過對子元件處的光路加熱以改變光路[110…11N]的折射率而選擇的。還應(yīng)注意，可以對子元件本身加熱以產(chǎn)生所要的相移。
本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將明了，可以根據(jù)構(gòu)造器件10所使用的材料，對本發(fā)明的第三實(shí)施例的波長選擇元件[50…5M-1]，或第四實(shí)施例的[50…5M-4]進(jìn)行修改和變更。例如，圖8是應(yīng)用于第三和第四實(shí)施例的如圖1所示的波長選擇子元件500和配置控制器90的相互作用的詳圖。配置控制器90包括控制邏輯92和調(diào)整器94。系統(tǒng)總線900將控制邏輯92連接到調(diào)整器94。把調(diào)整器92連接到子元件500。子元件500包括波導(dǎo)110的與材料有關(guān)的纖心和電壓調(diào)制器5002。把電壓調(diào)制器5000連接到電壓傳感器96。通過實(shí)際電壓信號線904把電壓傳感器96連接到調(diào)整器94以形成控制環(huán)路。必須準(zhǔn)確地控制提供給每個子元件500-56N的電壓以保證恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)光纖110-11N的折射率。
本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識到，作為波長選擇子元件，任何在波導(dǎo)110周圍產(chǎn)生電場的合適的方法都滿足要求。波導(dǎo)110的纖心可以是任何合適的材料，但是通過示例方法示出鈮酸鋰或磷化銦纖心，在耦合區(qū)5002之間的波導(dǎo)部分，它提供了與電壓或電場有關(guān)的相移。
示于圖8中的配置控制器90工作如下。網(wǎng)絡(luò)接口100將配置命令發(fā)送到配置控制器90。控制邏輯92接收命令。控制邏輯92把命令轉(zhuǎn)換成電壓設(shè)定，以對每個子元件500-56N產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)碾妶?。通過調(diào)整器94把命令信號發(fā)送到分立的子元件。然而，由于在各別的子元件處的局部條件，實(shí)際出現(xiàn)在每個子元件處的電壓可能多少偏離額定電壓。因此，電壓傳感器96發(fā)送提供給調(diào)整器94的實(shí)際電壓。調(diào)整器94從電壓傳感器接收的實(shí)際值904減去通過總線900從控制邏輯92接收到的額定電壓以產(chǎn)生誤差信號。然后，將可以是正或負(fù)的誤差信號通過調(diào)整器94加到額定值上以產(chǎn)生校正的電壓信號906。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識到，任何正確地控制將電壓提供給子元件500-546的合適方法都滿足要求。
本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以明了，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變更，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，打算把本發(fā)明覆蓋本發(fā)明的這些修改和變更，只要它們在所附的權(quán)利要求書和它們的等效物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種單片光學(xué)器件，用于對多個光信號波分多路復(fù)用和去多路復(fù)用，所述多個光信號的每個光信號由一個波長或多個波長以及信號光功率來表征，其特征在于，所述光學(xué)器件包括具有M個外部端口和N個內(nèi)部端口的第一迅衰波耦合器，其中，在所述M個外部端口和所述N個內(nèi)部端口之間均勻地耦合所述信號光功率；具有N個內(nèi)部端口和O個外部端口的第二迅衰波耦合器，其中，在所述N個內(nèi)部端口和所述O個外部端口之間均勻地耦合所述信號光功率；N條光路，用于將所述第一迅衰耦合器的所述N個內(nèi)部端口的每個內(nèi)部端口分別連接到所述第二迅衰耦合器的所述N個內(nèi)部端口的相應(yīng)的一個內(nèi)部端口；以及設(shè)置在所述N條光路的每條光路上的多個波長選擇元件，用于根據(jù)一個波長或多個波長，把所述多個光信號的每個光信號按規(guī)定路線送到任何選出的M外部端口或O外部端口。
2．如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述波長選擇元件是可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)命令加以調(diào)節(jié)的。
3．如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于，至少一個所述迅衰耦合器是熔合波導(dǎo)光纖耦合器。
4．如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述第一迅衰耦合器或第二迅衰耦合器中的至少一個迅衰耦合器是平面耦合器。
5．如權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述平面耦合器是N×N自由空間平面耦合器。
6．如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述多個波長選擇元件包括設(shè)置在N條光路上的多個反射元件，其中，調(diào)諧所述多個反射元件的每個反射元件，以反射具有從多個波長中選出的指定波長的光，并用間隔和鄰近的反射元件隔開。
7．如權(quán)利要求6所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述多個反射元件包括多個反射鏡。
8．如權(quán)利要求6所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述多個反射元件包括多個光柵。
9．如權(quán)利要求8所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述N條光路的每條光路對在所述N條光路中傳播的光的多個波長的每個波長提供有區(qū)別的相移。
10．如權(quán)利要求9所述的光學(xué)器件，其特征在于，當(dāng)所述多個光柵之一將選出的光信號按規(guī)定的路線送到選出的M外部端口或O外部端口時，所述有區(qū)別的相移造成選出的光信號的相長干涉和在所述N條光路中傳播的所有其它光信號的相消干涉。
11．如權(quán)利要求10所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述N個光程長包括多條光纖，其中，所述多條光纖的每條光纖具有折射率、折射率增量、長度和纖心直徑。
12．如權(quán)利要求11所述的光學(xué)器件，其特征在于，通過改變折射率增量來調(diào)節(jié)選出的光信號到選出的M外部端口或O外部端口的路由。
13．如權(quán)利要求11所述的光學(xué)器件，其特征在于，通過改變長度來調(diào)節(jié)選出的光信號到選出的M外部端口或O外部端口的路由。
14．如權(quán)利要求11所述的光學(xué)器件，其特征在于，通過改變纖心直徑來調(diào)節(jié)選出的光信號到選出的M外部端口或O外部端口的路由。
15．如權(quán)利要求10所述的光學(xué)器件，其特征在于，通過改變間隔來調(diào)節(jié)選出的光信號到選出的M外部端口或O外部端口的路由，從而造成有區(qū)別的相移以產(chǎn)生選出的光信號的相長干涉和所有其它光信號的相消干涉。
16．如權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其特征在于，以距離δ來改變所述間隔，所述δ由下述公式表示δ=λ2n±Mλn]]>其中，λ是選出的光信號的波長，n是光纖的折射率，而M是整數(shù)。
17．如權(quán)利要求8所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述多個光柵的每個光柵至少是部分地透射的。
18．如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述波長選擇元件還包括設(shè)置在N條光路上的多個光柵，其中，調(diào)諧所述多個光柵的每個光柵以反射多個波長中的具有指定波長的光，并用間隔和所述多個光柵的一個鄰近的光柵隔開；設(shè)置在N條光路上并與所述多個光柵交錯的多個加熱器；以及連接至所述多個加熱器的每個加熱器的配置控制器，其中，響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)命令，通過各別地驅(qū)動所述多個加熱器的選出的加熱器，所述配置控制器動態(tài)地改變多個光信號的每個光信號到選出的M外部端口或O外部端口的路由。
19．如權(quán)利要求18所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述N條光路的每條光路對在N條光路中傳播的光的多個波長的每個波長提供有區(qū)別的相移。
20．如權(quán)利要求19所述的光學(xué)器件，其特征在于，當(dāng)所述多個光柵之一將選出的光信號按規(guī)定的路線送到所選擇的M外部端口或O外部端口時，所述有區(qū)別的相移造成選出的光信號的相長干涉和在所述N條光路中傳播的所有其它光信號的相消干涉。
21．如權(quán)利要求20所述的光學(xué)器件，其特征在于，N個光程長包括多條光纖，其中，所述多條光纖的每條光纖具有折射率增量。
22．如權(quán)利要求21所述的光學(xué)器件，其特征在于，通過對所述多條光纖的選出的一條光纖加熱從而改變折射率增量，加熱器動態(tài)地改變選出的光信號到選出的M外部端口或O外部端口的路由。
23．如權(quán)利要求18所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述多個加熱器還包括各別地連接到所述配置控制器的多個電極，其中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)命令，所述多個電極的每個電極由所述配置控制器各別地驅(qū)動以將熱能提供給所述多個加熱器的選出的加熱器。
24．如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述波長選擇元件還包括設(shè)置在N條光路上的多個子元件，其中，所述多個子元件的每個子元件是可調(diào)諧的，以根據(jù)波長改變所述多個光信號的每個光信號的相位；以及連接到所述多個子元件的每個子元件的配置控制器，其中，所述配置控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)命令動態(tài)地改變多個光信號到選出的M外部端口或O外部端口的路由。
25．如權(quán)利要求24所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述多個子元件的每個子元件包括鈮酸鋰波導(dǎo)元件；以及連接到所述鈮酸鋰波導(dǎo)元件的電壓調(diào)制器，其中，所述電壓調(diào)制器由所述配置控制器各別地控制并通過改變圍繞所述鈮酸鋰波導(dǎo)元件的電磁場各別地驅(qū)動所述鈮酸鋰波導(dǎo)元件。
26．如權(quán)利要求25所述的光學(xué)器件，其特征在于，當(dāng)將選出的光信號按規(guī)定的路線送到選出的M外部端口或O外部端口時，電磁場的改變導(dǎo)致選出的光信號的相長干涉和在N條光路中傳播的所有其它光信號的相消干涉。
27．如權(quán)利要求24所述的光學(xué)器件，其特征在于，多個子元件的每個包括磷化銦波導(dǎo)元件；以及連接到所述磷化銦波導(dǎo)元件的電壓調(diào)制器，其中，所述電壓調(diào)制器由所述配置控制器各別地控制并通過改變圍繞所述磷化銦波導(dǎo)元件的電磁場各別地驅(qū)動所述磷化銦波導(dǎo)元件。
28．如權(quán)利要求27所述的光學(xué)器件，其特征在于，當(dāng)將選出的光信號按規(guī)定的路線送到選出的M外部端口或O外部端口時，電磁場的改變導(dǎo)致相移，造成選出的光信號的相長干涉和在N條光路中傳播的所有其它光信號的相消干涉。
29．一種用于制造光信號的波分多路復(fù)用和去多路復(fù)用器件的方法，每個所述光信號由一個波長或多個波長和信號光功率來表征，其特征在于，所述方法包括下列步驟形成具有M個外部端口和N個內(nèi)部端口的第一迅衰波耦合器，其中，在所述M個外部端口和所述N個內(nèi)部端口之間均勻地耦合信號光功率；形成具有N個內(nèi)部端口和O個外部端口的第二迅衰波耦合器，其中，在所述N個內(nèi)部端口和所述O個外部端口之間均勻地耦合信號光功率；形成N條光路以將所述第一耦合器的所述N個內(nèi)部端口的每個內(nèi)部端口分別連接到所述第二耦合器的所述N個內(nèi)部端口的相應(yīng)的一個內(nèi)部端口；以及在所述N條光路的每條光路上設(shè)置多個波長選擇元件，其中，所述波長選擇元件根據(jù)一個波長或多個波長，把光信號按規(guī)定路線送到M外部端口或O外部端口的選出的一個外部端口。
30．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，實(shí)行所述形成步驟，從而以單片方式形成器件。
31．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述第一迅衰耦合器或所述第二迅衰耦合器中的至少一個迅衰耦合器是熔合波導(dǎo)光纖耦合器。
32．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述第一迅衰耦合器或所述第二迅衰耦合器中的至少一個迅衰耦合器是平面耦合器。
33．如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述第一迅衰耦合器或所述第二迅衰耦合器中的至少一個迅衰耦合器是N×N自由空間平面耦合器。
34．一種用于在光學(xué)器件中對多個光信號進(jìn)行波分多路復(fù)用或去多路復(fù)用的方法，所述光學(xué)器件包括具有M個外部端口和N個內(nèi)部端口的第一迅衰波耦合器；具有N個內(nèi)部端口和O個外部端口的第二迅衰波耦合器；以及將所述第一迅衰耦合器的所述N個內(nèi)部端口的每個內(nèi)部端口連接到所述第二迅衰耦合器的所述N個內(nèi)部端口的相應(yīng)的一個內(nèi)部端口的N條光路，其特征在于，所述方法包括下述步驟提供放置在所述N條光路的每條光路上的多個波長選擇元件；以及根據(jù)一個波長或多個波長，把多個光信號的選出的一個光信號按規(guī)定路線送到所選擇的M外部端口或O外部端口，其中，由所述一個波長或所述多個波長表征所述多個光信號的每個光信號。
35．如權(quán)利要求34的用于對多個光信號進(jìn)行波分多路復(fù)用和去多路復(fù)用的方法，其特征在于，所述多個波長選擇元件是可加熱的光柵元件，而所述按規(guī)定路線發(fā)送的步驟還包括對在N條光路中傳播的光的多個波長的每個波長提供有區(qū)別的相移，其中，所述有區(qū)別的相移造成選出的光信號的相長干涉和在N條光路中傳播的所有其它光信號的相消干涉；反射多個光波長的選出的一個光波長，其中，將所述可加熱的光柵元件的每個光柵元件調(diào)諧到指定的光波長從而反射由所述指定的光波長表征的光信號；以及對加熱元件的選出的加熱元件加熱，從而動態(tài)地改變多個光信號的選出的光信號到任何選出的M外部端口或O外部端口的路由。
全文摘要
一種N端口光波分多路復(fù)用器(10)和去多路復(fù)用器包括由N條光路(110、112、114、116、11N)連接的兩個迅衰波耦合器(30、70)。每條光路包括用于選擇指定光波長的波長選擇元件(50、52、54、56)。在耦合器內(nèi)的所有光路之間大體上均勻地分割光信號,這些光信號包括引到耦合器之一的外部端口的N個光波長,從而引出耦合器的每條光路包括最初引到耦合器的所有波長的光。設(shè)置在每條光路上的波長選擇元件以這樣的方式引導(dǎo)光,從而在給定的外部耦合器端口處只有所選出的波長的光作相長干涉而其它波長的光作相消干涉。
文檔編號G02B6/293GK1288524SQ99802188
公開日2001年3月21日 申請日期1999年1月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月16日
發(fā)明者D·B·凱克, D·A·諾蘭 申請人:康寧股份有限公司