專利名稱：有關(guān)光傳輸?shù)难b置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光傳輸，具體地，涉及光通信系統(tǒng)(諸如，電信網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng))中使用的裝置和方法。本發(fā)明也涉及實施波分復(fù)用(WDM)的光通信系統(tǒng)。
現(xiàn)有技術(shù)在電信和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中，對于高容量和高速度的需要正穩(wěn)步地增長。已經(jīng)認(rèn)識到，通過以光纖形式的傳輸線傳輸作為光信號的信息，可提高容量以及速度。波分復(fù)用(WDM)是一種增加現(xiàn)有的和將來的光纖傳輸線的容量的有吸引力的方式。在使用WDM的系統(tǒng)中，被引導(dǎo)到不同的目的地的載送有數(shù)據(jù)信號的多個光載波通過單條光纖被發(fā)送。WDM通過把不同的波長分配給不同的信道來利用在單條光纖中可供使用的巨大的波長范圍(頻域)。這樣，就需要能把若干波長組合在同一器件中同時又能分開不同波長的各種復(fù)用器件。為了構(gòu)建實際的光網(wǎng)絡(luò)而不僅僅是點對點的鏈路，需要路由器件，它使得光信號能夠不用中間變換到電信號而被轉(zhuǎn)發(fā)。
一個已知的波長路由器是所謂的光分-插(add-drop)復(fù)接器(OADM)。OADM的基本功能是從進入的光信號分離出一個波長信道，相應(yīng)于分出功能，和用相同波長的另一個信號代替波長信道，相應(yīng)于插入功能。至今已經(jīng)提出了各種裝置，例如基于光纖中的Bragg(布拉格)柵，它基于在LiNbO3中的聲-光效應(yīng)的應(yīng)用。另一種已知的器件使用分接器來分離信道，并用2×2開關(guān)作波長分／插選擇，同時用另一與分接器來重新組合該信道。這已被集成在Sio2／Si材料的芯片上，用于使用三個排成陣列的波導(dǎo)的分接器和16個熱-光開關(guān)的16個信道。例如，在K．Okamoto等的“16-channeloptical add／drop multiplexer using silica-basedarrayed-waveguide gratings(使用硅基的陣列波導(dǎo)柵的16信道光分／插復(fù)接器)”，Electron．Lett．，vol．31(9)，27 April 1995，pp．723-724中描述了這方面的內(nèi)容．在C．G．M．Vreeburg等的“First InP-based reconfigurable integrated add-dropmultiplexer(第一InP基的可重構(gòu)的集成分-插復(fù)接器)”，IEEEPhoton．Technol．Lett．，vol．9(2)，F(xiàn)ebrary 1997，pp．188-190中描述了另一個集成的復(fù)接器，其中描述了以InP材料的4信道集成OADM，它只使用了一個以環(huán)路反饋結(jié)構(gòu)形式的陣列波導(dǎo)分接器以及四個電光Mach-Zehnder開關(guān)．C．van Dam等的“Novel InP-based phased-array wavelengthdemultiplexer using a generalized MMI-MZI configuration(使用通用MMI-MZI結(jié)構(gòu)的新穎的InP基的相位陣波長分接器)”，Proc．7th Eur．Conf．on Int．Opt．(ECIO’95)，paper WeA2，pp．275-278和“Optical device with phased array(帶有相位陣的光器件)”，WO 95／22070描述了MMI-MZI(多模干涉-多重Mach-Zehnder干涉儀)分接器，其中禁止相位控制，以及它不執(zhí)行任何切換。這種器件的制造容差是非常嚴(yán)格的，這使得很難把該器件制造成、甚至幾乎不可能制造得使它們可以重復(fù)地滿足要求。雖然提到了某些輕微的相位改變，但這些僅僅是打算補償制造偏差，這在制造公差非常嚴(yán)格的器件中是必須的。在R．M．Jenkins等的“Novel 1×N and N×N integrated optical switches usingself-imaging multimode GaAs／AlGaAs waveguide(使用自映射多模GaAs／AlGaAs波導(dǎo)的新穎的1×N和N×N集成光開關(guān))”，Appl．Phys．Lett．，vol．64(6)，7 Febrary 1994，pp．684-686中，獲知另一些器件，諸如以AlGaAs／GaAs材料的基于MMI的開關(guān)。然而，這些開關(guān)實際上在很大的波長范圍內(nèi)是與波長無關(guān)的。另外一些各種固定波長的分接器是已知的。
因此，該領(lǐng)域已經(jīng)展開廣泛的研究，討論了大量不同的器件，但它們都有不同的缺點，諸如，太復(fù)雜，包含許多不同的元件，難于制造，是固定波長的器件等等。
美國專利US-A-5 526 153顯示了一個光信道分／插濾波器。然而，在這個器件中，使用了固定波長復(fù)接器，且波長不能改變。為了提供切換功能，必須加上開關(guān)，造成復(fù)雜的器件，它的制造尤其是不容易和不便宜的，也不能做得足夠小。而且，在制造階段已經(jīng)設(shè)定了波長。
發(fā)明概要所以，所需要的是一種具有高容量的可以分別地用于與波長有關(guān)的選擇路由的裝置和方法。而且，需要尺寸小的路由裝置。再者，需要靈活的和易于制造的、新穎的、不復(fù)雜的、以及制造成本便宜的裝置。具體地，需要用于選擇路由和／或復(fù)接(分接)的裝置，它能夠轉(zhuǎn)發(fā)光信號，而根本不用在中間轉(zhuǎn)換成電信號。再者，需要提供能用于分接和選擇路由而不需要大量的元件和光纖連接的裝置。
還需要能用于光網(wǎng)絡(luò)的裝置，例如用于電信、數(shù)據(jù)通信的裝置。
具體地，需要能在波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中使用的裝置。
也需要一種波分復(fù)用系統(tǒng)，其中提供了用于分接和交換的、滿足此前所提到的目的的裝置。
還需要滿足上述要求的光分-插復(fù)接裝置。
所以，提供了用于與波長有關(guān)地對包括多個波長的光信號選擇路由的裝置，它包括光分-插復(fù)接裝置，帶有輸入和輸出波導(dǎo)以及包括具有輸入端與輸出端的路由器件。路由器件包括帶有多個輸入端的分路裝置。路由器件還包括帶有多個輸出端的組合裝置。在分路裝置與組合裝置之間，安排有多個分支波導(dǎo)。由所述路由器件提供波長分接／復(fù)接和切換。在有利的實施例中，裝置被集成在單個芯片上，更有利地，它是單片集成地制造的。
在有利的實施例中，分路裝置和組合裝置的每一個分別包括多模干涉耦合器(MMI)，路由器件包括帶有多個出腳的多模干涉-Mach-Zehnder干涉儀。在特別有利的實施例中，裝置波長是可調(diào)諧的，以使得要被分和／或插的波長是可選擇的。
有利的實施例在于，在分路裝置與組合裝置之間的分支波導(dǎo)是可由相位控制(移相)裝置控制的。移相裝置可以以不同的方式提供，在有利的實施例中，每個分支波導(dǎo)配備有它自己的或分開的移相裝置，但替換地，分開的移相裝置僅被提供用于某些分支波導(dǎo)，或替換地，共同的移相裝置被提供來分別控制不同的分支波導(dǎo)，按照本發(fā)明的一個有利的實施例，裝置包括兩個帶有用于多個波長(例如，包括N個波長，其中N有利地是大于2)的信號的端口以及帶有用于插入(任選的)波長的插入端口的輸入波導(dǎo)。另外，它包括兩個輸出波導(dǎo)，其中一個端口用于多信道輸出信號，另一個用于要分出的(任選的)波長的信道。再者，有利地，分支波導(dǎo)的數(shù)目是與輸入波長的數(shù)目相同的，以及路由器件除了包括分別用于多波長輸入的輸入端和輸出端和分別用于要被分／插的波長的輸入端和輸出端以外，還有利地包括分別用于每個要被環(huán)路反饋的波長的輸入端和輸出端。該裝置可被用于插入、插入和分出、或只是分出。因此，如果有N個波長信道，則一個通過路由裝置，一個用于被分／插的波長，以及其余(N-2)個被環(huán)路反饋。
在另一個實施例中，分支波導(dǎo)的數(shù)目超過輸入波長的數(shù)目。在有利的實施例中，分別相應(yīng)于多信道端口和加入端口的第一和第二輸入波導(dǎo)被連接到相應(yīng)于所述各個輸入端的每個路由器件的輸出端。環(huán)路反饋波導(dǎo)被提供用來把路由器件的另一些輸入端與以上提到的相應(yīng)的輸出端相連。
在有利的實施例中，提供了信道功率均衡。因此功率控制裝置有利地被集成在環(huán)路反饋波導(dǎo)中。功率控制裝置可取不同的形式，在特定的實施例中，它們包括半導(dǎo)體放大器。
在有利的實施例中，路由裝置包括N×N個路由器，用于N個等間隔的波長，有多個路由選擇方案，如每個波長有一個路由表。有利地，路由器件是對稱的和互易的。
再者，在有利的實施例中，提供了與極化無關(guān)的裝置。對于在分路裝置和組合裝置之間的每個分支波導(dǎo)，TM模的光路徑長度與TM模的長度是相同的。至少某些分支波導(dǎo)具有不同的長度。在特別有利的實施例中，所有的分支波導(dǎo)具有不同的長度。
有利地，波導(dǎo)材料是電介質(zhì)材料，為了在這樣的波導(dǎo)中控制光的相位，波導(dǎo)的某些部分的折射指數(shù)必須被改變。這可通過使用不同的效應(yīng)，例如光-彈性效應(yīng)(主要是聲-光效應(yīng)、)、磁-光效應(yīng)、電-光效應(yīng)、等離子體效應(yīng)、或熱-光效應(yīng)，以多種不同的方式達到。磁-光效應(yīng)通常對于集成光學(xué)是不太實際的，以及聲-光效應(yīng)不能給出對于本發(fā)明所打算用的裝置所必須的恒定的折射指數(shù)變化。然而，其它的效應(yīng)可按照不同的實施方案來實現(xiàn)。這將在下面的本發(fā)明的詳細說明中進一步地討論。
然而，在特別有利的實施例中，熱-光相位控制裝置被提供來控制波導(dǎo)材料的折射指數(shù)。而且，如果需要提供功率控制，則必須提供功率控制裝置。需要一種藉以提供光增益的材料，因為必須用來補償過度的損耗?？烧{(diào)諧的損耗元件通常是不夠的。實際上，這意味著，半導(dǎo)體放大器是特別適當(dāng)?shù)摹?br> 可用多種不同的材料來實現(xiàn)該裝置?？墒褂玫牟牧弦踩Q于是否提供相位控制裝置以及是否提供芯片上的放大器。最有利地，如上所述，是把熱-光效應(yīng)用來控制相位。這也允許對材料的最大選擇，諸如，半導(dǎo)體，例如，AlGaAs／GaAs或InGaAsP／InP或LiNbO3，聚合物或SiO2／Si等。
在特別有利的實施方案中，該裝置用有源元件和／或電子電路來集成。有源元件的例子是檢波器、激光器、和放大器。
在另一個實施例中，路由裝置不是N×N信道器件，而是對于N個波長用N+1乘N+1信道的器件。這樣，不包含信號的波長信道就導(dǎo)向分出端口。
按照有利的實施例，適合于如上所述的任何實施方案，用于檢測分出的波長信道的檢波器可被集成在芯片上。以相同的方式，饋送到加入端口的激光器裝置可被集成在芯片上。
附圖簡述現(xiàn)在參照附圖以非限制的方式進一步描述本發(fā)明，其中

圖1顯示按照本發(fā)明的第一實施方案，圖2顯示在按照圖1的實施例中實施的路由器件，以及圖3顯示與對于多個波長的輸出波導(dǎo)分配有關(guān)的路由表。
發(fā)明詳細描述圖1示意地顯示了按照本發(fā)明的用于與波長有關(guān)的路由選擇的裝置10的第一實施方案，它包括被集成在一個芯片上的可調(diào)諧OADM。它包括MMI-MZI可調(diào)諧的路由器件5，它是一個復(fù)接器／路由器，正如將參照圖2進一步被描述的。在J．-P．Weber等的“Anew type of tunable demultiplexer using a multi-legMach-Zehnder interferometer(使用多出腳干涉儀的新型可調(diào)諧分接器)”，ECIO’97，Stockholm，April 2-4，1997，8th EuropeanConference on Integrated Optics Procedings，pp．272-275中描述了MMI-MZI可調(diào)諧的復(fù)接器／路由器的有利的實施方案。按照本發(fā)明，只需要一個分接器／路由器5，以及不需要開關(guān)，因為由MMI-MZI分接器／路由器5本身也提供了切換。最簡單的結(jié)構(gòu)是，如果想要自由選擇分／插的信道或可調(diào)諧分／插的信道，則只可分出(和插入)一個信道。另一方面如果波長是固定的，則可分出(和插入)任何數(shù)目的預(yù)定波長。如果包括有開關(guān)，則可分出(和插入)幾個波長。
在圖1上，顯示了OADM10，它能夠從N個波長信號(其中，N＞2)中分離出一個波長信道，和以相同的波長插入到N個波長信號。提供了帶有用于多信道輸入信號INN的端口1的第一輸入波導(dǎo)，以及提供了帶有用于可被插入的一個信道的波長INADD的端口2的第二輸入波導(dǎo)。裝置10也包括帶有N個輸入端和N個輸出端的MMI-MZI分接器／路由器5，它正如以上所述的被顯示于圖2。該裝置也包括分別帶有用于多信道輸出信號OUTN的端口3和帶有用于分出的波長信道OUTDR的端口4的第一和第二輸出波導(dǎo)。第一和第二OADM輸入IN，IADD被連接到路由器件5的兩個輸入端13N-1-13N，以及兩個OADM輸出OUTN，OUTDR被連接到相應(yīng)于所使用的路由器件5的輸出端。路由器件的其它輸入端131-13N-2，通過環(huán)路反饋波導(dǎo)61-6N-2被連接到它們相應(yīng)的輸出端141-14N-2。在有利的實施例中，在環(huán)路反饋波導(dǎo)中，提供了，具體地說是集成了功率控制裝置71- 7N-2。然而，應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明并不限于包括功率控制裝置的實施方案。然而，如果提供了這樣的裝置，那麼它們有利地是以半導(dǎo)體放大器實現(xiàn)的。
整個裝置10有利地被集成在單個芯片，例如InP芯片上。可調(diào)諧的波長路由器件5，在某種程度上，以與排成陣列的波導(dǎo)波長路由器相同的方式運行。因此，對于N×N器件，如果在輸入端中的一個輸入端上有N個相等間隔的波長，N＞2，則每個波長將出現(xiàn)在不同的輸出中，以及在兩個不同的輸入端中的相同的波長總是進到不同的輸出。如圖3所示，這被示意地顯示在8×8路由表中。然而，按照本發(fā)明的路由器件5與排成陣列的波導(dǎo)路由器的不同之處在于，它包括N個可能的路由表，而不是僅僅一個路由表，允許在同一個裝置中組合分接和切換。
從圖2可以看到，多信道輸入信號，即包括N個波長的信號，以這樣的方式被分離開，使得每個波長進到不同的輸出端。通過調(diào)整相位控制或移相裝置9(見圖1)，可以選擇進到分出端口4的波長，因此，提供了可調(diào)諧性。其它波長中的一個波長就直接進到輸出端口3，而其余的N-2個波長被環(huán)路反饋到路由器件5的輸入端。由于路由器件有利地是對稱的和互易的，即，輸入可通過輸出端互換而仍給出相同的結(jié)果，反之亦然，這些波長現(xiàn)在也將被引導(dǎo)到輸出端口。同樣地，如果提供了與分出的信道相同的波長的信號，則它也直接進到輸出端口。最后結(jié)果是，N個波長中的任何的波長可被選擇用于分出(和插入)，而其它的波長將通過路由裝置。當(dāng)然，該裝置可被僅僅用于插入，用于插入和分出，或僅僅用于分出。如果要插入信號的波長信道已經(jīng)包含相同的波長的信號，則該信號被分出，并用要被插入的信號來代替。然而，如果在信道中沒有信息，則加入信號僅僅被插入。再者，可選擇的波長的信號可被分出(不涉及任何插入運行)。
在有利的實施例中，為了提供與極化無關(guān)的運行，路由器件5是與極化無關(guān)的，因此不提供與極化無關(guān)的增益或損耗(見圖2)。為了提供極化無關(guān)性，干涉儀的每個臂，即對于每個分支波導(dǎo)81- 8N，對于TE模和TM模的光路徑長度分別是相同的。有利地，分支波導(dǎo)81-8N的長度都是不相等的。由于沒有被分出的N-2個信道要兩次通過路由器件，而有一個只通過一次，可能造成損耗不平衡。在有利的實施例中，半導(dǎo)體放大器71-7N(圖1)被集成在環(huán)路反饋路徑中，以處理這種損耗的不平衡。再者，如果在進入的信道之間有功率不平衡，可以用同樣的方式處理它們。然后，無論如何，可能需要信道功率的某些外部測量。因此，要能進行從一組N個等間隔的波長中分出可電選擇的波長和用相同波長的另一個信號代替它，并使其能進行插入。
以下將更透徹地描述MMI-MZI信道波長路由器件的一個實施方案。各種基于MMI耦合器的光器件是熟知的，例如1×N和N×N光開關(guān)和波長分接器、通過這兩種器件的組合，提供了可以重新構(gòu)建的波長分接器和／或路由器。在如上所述的J．-P．Weber等的“Anew type of tunable demultiplexer using a multi-legMach-Zehnder interferometer(使用多出腳干涉儀的新型可調(diào)諧分接器)”中通過使用用于移相器的熱-電效應(yīng)而在InP上實現(xiàn)的1×N的分接器，該論文在此引用，以供參考。
從圖2可以看到，N個輸入在第一MMI耦合器中被組合。然后，光傳播通過分支波導(dǎo)81-8N，在其中它在第二N×N MMI耦合器12中重新組合，這樣導(dǎo)致N個輸出。為了提供分接器而不是路由器件，輸入MMI耦合器11將是1×N或2×N耦合器。
在每個波導(dǎo)分支81-8N中，提供了可調(diào)諧的移相器91-9N。按照不同的實施例，它們是基于電-光效應(yīng)，或基于載體等離子效應(yīng)，或它們是如上述文件中所描述的，產(chǎn)生熱調(diào)諧。這些移相器只需要能夠在0和2π之間改變。如果分支波導(dǎo)的長度是相等的，則提供一個開關(guān)。然而，如果它們基于不同的、正確地選擇的長度，則提供一個分接器，除此以外，它有可能通過調(diào)整移相器81-8N而得到輸出端的N種不同的波長分配。器件的運行是基于這樣的事實，通過在功率合成器12(即，第二MMI耦合器(在輸出端))的輸入端處給予正確的相對相位，有可能選擇光進入到N個輸出端的哪一個輸出端。換句話說，在特定的輸出端將有建設(shè)性干擾，以及在其它的輸出端將有破壞性干擾。由波導(dǎo)的不同波長給出波長依賴性，因為在波長λq下，長度Li的波導(dǎo)的相位貢獻Φi，q被給出為Φ1，q=-2πneffLi／λq其中neff是波導(dǎo)的有效指數(shù)。因此，分支波導(dǎo)81-8N的長度必須這樣選擇，使得要被分開的不同的信道波長能使它們被引導(dǎo)到不同輸出端的相對相位。相位控制裝置91-9N有利地能夠加入一個在0與2π間隔內(nèi)的任意的相位。而且，給定的波長將進入到哪個輸出是所選擇的。其它方面則由器件的設(shè)計確定。這也意味著，分支波導(dǎo)81-8N的絕對長度在λ／neff的一小部分的范圍內(nèi)不一定是正確的，而如果沒有提供相位控制裝置正是這樣的情況?，F(xiàn)在將討論給出器件的波長路由特性的公式。該器件運行的方式取決于MMI耦合器的特性，尤其取決于相對輸出的相位。例如，在M．Bachmann等的“General self-imaging property in N×N multimodeinterference couplers including phase relations(在包括相位關(guān)系的N×N多模干涉耦合器中的通用自映射特性)”，AppliedOptics，vol．33(18)，20 June 1994，pp．3905-3911中給出了對于N×N器件的這些結(jié)果。然而，按照本發(fā)明，找到另一個推導(dǎo)，給出了在M．Bachmann等的“General self-imaging property inN×N multimode interference couplers including phaserelations(在包括相位關(guān)系的N×N多模干涉耦合器中的通用自映射特性)”，Applied Optics，vol．33(18)，20 June 1994，pp．3905-3911中提供的簡單的公式。通過如圖2給出的波導(dǎo)編號，對于以k為輸入的在輸出端q處的相對相位被給出為Φkq=-π(k-q)2／(4N)如果(N+k+q)是偶數(shù)Φkq=π-π(k+q-1)2／(4N) 如果(N+k+q)是奇數(shù)獲知這些公式后，可以寫出分支波導(dǎo)的長度為LK的方程組，這樣可得到在每個輸出端處的不同波長。
為了得到帶有波長在λm=λ0+mδ的信道的分接器，m是整數(shù)而δ是信道間隔，一個解決辦法是使得圖2中的器件的支路長度Lk，由Lk=Lo+(dk+pk／N)U給出，Lo任意長度，sk是任意整數(shù)，以及U是特征長度，由下式給出U=λo2／[neff-λo(dneff／dλ]neff是支路的有效指數(shù)，以及pk是整數(shù)，由下式給出pk=N-(k／2)如果k是偶數(shù)，pk=(k-1)／2如果k是奇數(shù)。
由于Lo可被自由選擇，提供了器件配置上的某些自由度。在這個公式中，sk也是任意的，但不同的選擇將給出信道之間的不同的傳輸頻譜形狀，從而是信道的頻譜位置的不同容差?？偟膩碚f，當(dāng)所有的sk整數(shù)都相等時(因此，它們可被設(shè)置為0，因為它們等效于Lo的改變)，能得到最大的容差。如果移相器被這樣地調(diào)整，以使得在λ0時，輸入i(圖2)進到輸出端q0，那么，在輸出號q處，可得到波長λm，其中m被給出為m≡(-1)N+q0(q-q0)／2模N，如果(q+q0)是偶數(shù)m≡(-1)N+q+10(q-q0-1)／2模N，如果(q+q0)是奇數(shù)注意到，m只是以模N定義的，這意味著，在任何的波導(dǎo)中都提供周期性輸出，其周期為Nδ。這是指進入輸入端i的波長。如果使用另一個輸入端，例如j，則可以看到，如果相位被調(diào)整以使得輸入i以波長λm進入到輸出端q(i)，則在相同的波長上，輸入j將進到輸出端q(j)，被給出為q(j)≡q(i)+2(-1)N+q(i)R(n，j，i)模(2N)或q(j)≡1-[q(i)+2(-1)N+q(i)R(n，j，i)]模(2N)這兩個公式中只有一個公式將給出間隔[1，N]中的結(jié)果，并且這是正確的結(jié)果。公式R()被給出為R(N，j，i)=(-1)N+i(i-j)／2 如果(i+j)是偶數(shù)，R(N，j，i)=(-1)N+i(i+j-1)／2如果(i+j)是奇數(shù)。
作為例子，計算了圖3的表格。它給出了在圖2的這種8×8類型的路由器件中對于每個波長和每個輸入端的輸出波導(dǎo)。這個器件可被使用于其中可以使用波導(dǎo)柵陣列路由器的所有的情況。除此以外，有利的是有可能選擇N個可能的結(jié)構(gòu)(帶有移相器)中的一個結(jié)構(gòu)。
在有利的實施例中，N的范圍為4到16，這是多半認(rèn)為是用于WDM傳輸系統(tǒng)的信道數(shù)。然而，本發(fā)明決不是被限制于這些數(shù)值，相反，它們可以更高或更低。
如上所述，在有利的實施例中，在每個分支波導(dǎo)中提供了分開的相位控制裝置。由于希望使得控制的復(fù)雜性最小化，有利地使用了最少數(shù)目的分支波導(dǎo)。所以，有利地，分支波導(dǎo)數(shù)目與波長的數(shù)目(N)相同。然而，在另一個實施例中，分支波導(dǎo)數(shù)目超過波長的數(shù)目。
如前所述，可以使用各種類型的相位控制裝置。在最有利的實施例中，使用了熱-光效應(yīng)控制裝置。這樣做至少在切換速度不太重要的情況下是特別有利的。熱-光效應(yīng)相位控制裝置的優(yōu)點是，不需要攙雜的材料；它甚至可以是絕緣體，這意味著沒有載流子的吸收。而且，損耗隨指數(shù)改變的變化是可忽略的，也能夠得到更好的可靠度，因為沒有電流引起的材料的損傷，以及對于波長的依賴性非常低。
在有利的實施例中，相位控制是通過對帶有放置在波導(dǎo)頂部的薄膜加熱器的波導(dǎo)段的溫度進行控制和保持基片底部為恒定溫度而實現(xiàn)的。這個解決辦法的唯一問題是，使得相鄰的波導(dǎo)之間的間隔為最小，以便不單避免加熱預(yù)期的波導(dǎo)，也避免加熱相鄰的波導(dǎo)，這也稱為熱串音。然而，不同的波導(dǎo)之間的串音比起相干串音來說，即對于同一個波長的竄音來說，不是太嚴(yán)重的問題。
如果切換速度是極度重要的，則可以使用電-光效應(yīng)。在特定的實施例中，使用了量子阱，然而，必須當(dāng)心，指數(shù)改變不太取決于波長。在諸如LiNbO3那樣的晶體中和半導(dǎo)體中，廣泛地使用了電-光效應(yīng)(在整體或量子阱中的Stark效應(yīng))。
也可以使用等離子體效應(yīng)。它依賴于由于載流子注入(材料中的電子和空穴)而引起的折射指數(shù)的變化。這造成吸收譜中的改變，從而由Kramers-Kroening定律造成折射指數(shù)的改變。使用半導(dǎo)體中的電光效應(yīng)或等離子體效應(yīng)涉及使用p-i-n二極管結(jié)構(gòu)，或者基于反向偏置(電-光效應(yīng))或者基于正向偏置(等離子體效應(yīng))。因此，攙雜的材料被用來造成自由載流子的吸收(特別是對于p-攙雜材料)。對于等離子體效應(yīng)，被注入的載流子也將構(gòu)成吸收，這使得很難得到損耗足夠低的器件。在載流子注入的情況下，將造成損耗，這大約隨指數(shù)的改變正比地增加。如果在整體或量子阱中使用Stark效應(yīng)，則當(dāng)指數(shù)的改變增加時，吸收也增加。因此，在不同的波導(dǎo)之間將有損耗差，造成在功率合成器的輸出中不良的破壞性干擾，因此造成串音。然而，取決于實施方案，也可以使用基于電-光效應(yīng)和等離子體效應(yīng)的相位控制裝置以給出足夠良好的結(jié)果。
在特別有利的實施例中，使用了用InGaAsP／InP材料做的熱-電相位控制裝置。設(shè)計波長可以是大約1550nm或1300nm。當(dāng)然，其它的替換方案也是可能的。為了簡化處理，使用了帶脊波導(dǎo)，只需要一次晶體生長和一次蝕刻步驟?？梢允褂迷谏厦嫣岬降摹癆 newtype of tunable demultiplexer using a multi-leg Mach-Zehnder interferometer(使用多出腳干涉儀的新型可調(diào)諧分接器)”中所討論的用于實現(xiàn)可調(diào)諧的1×4分接器的技術(shù)。InGaAsP／InP材料的優(yōu)點在于，它允許與有源元件，諸如檢波器、激光器、和放大器的進一步集成。它也允許與電路進一步集成。在特定的實施例中，通過使用另一次的生長步驟和拼接耦合，可以把放大器集成在環(huán)路反饋波導(dǎo)中。
AlGaAs／GaAs材料也可以使用于1300nm和1550nm。然而，對于有源元件，它必須工作在大約870nm。
在另一個實施例中，該裝置用SiO2／Si材料來實現(xiàn)。再者，該裝置可以用聚合物來實現(xiàn)。然而，InGaAsP／InP材料以及AlGaAs／GaAs材料的優(yōu)點在于，除了進一步集成的潛力以外，可提供的大的折射指數(shù)和指數(shù)步長，以及大的熱-電效應(yīng)系數(shù)。這使得InGaAsP／InP器件還可以更小。在上述的文件中所描述的1×4分接器，在保守的設(shè)計中，是5．8mm×1．5mm。通過使用略微更小的彎曲半徑、和更窄的MMI耦合器，按照本發(fā)明的整個OADM將很容易地做成同樣小，或甚至更小。
如上所述，在有利的實施例中，提供了功率控制裝置71-7N-2。然后，需要一種可以提供光增益的材料，因為它必須被補償過多的損耗。可調(diào)諧的損耗元件是不夠的。有利地，使用了半導(dǎo)體放大器。如果需要與極化無關(guān)的運行，則放大器必須被設(shè)計成使得對于TE模和TM模具有相同的光增益。由于存在有通過MMI-MZI路由器件5的反饋路徑，如果放大器的增益足夠的話，可以提供激光器振蕩。振蕩波長由路由器件的濾波特性確定，但它總是與進到放大器的信號的波長不同，因為同一個輸入端中的不同的波長進到不同的輸出端。因此，可以提供放大器的增益箝位運行，它可以給出恒定的增益，與信號功率(至少高到某個飽和極限以前)無關(guān)。
在插入端口與分出端口之間的串音，最好，是要使得分出的信號功率比起在分出端口泄漏的附加的信號功率(功率損失率電平為1dB)至少大25dB。
如上所述，可以使用多種不同的材料。至于使用哪種材料，在某種程度上還取決于實現(xiàn)相位控制元件的方式以及是否實現(xiàn)單片放大器?？偟膩碚f，如果使用等離子體效應(yīng)或電-光效應(yīng)(在半導(dǎo)體中)，則使用AlGaAs／GaAs或InGaAsP／InP(或類似的材料系統(tǒng))。如果使用純的電-光效應(yīng)，則可以使用LiNbO3以及某種聚合物。
如果提供單片放大器，(本發(fā)明也包括其它的實施方案)則可以使用直接帶隙半導(dǎo)體系統(tǒng)，諸如AlGaAs／GaAs或InGaAsP／InP。在另一個實施例中，使用鉺或另一種離子攙雜的波導(dǎo)以及帶有外部激光器的光泵浦。
也如上所述，熱-光效應(yīng)能夠最大限度地選擇材料，例如，半導(dǎo)體，如AlGaAs／GaAs或InGaAsP／InP，LiNbO3，也在SiO2／Si中的聚合物。這些材料之間的主要差別是它們的折射指數(shù)、可提供的指數(shù)步長、它們的熱光效應(yīng)系數(shù)和傳播損耗。這主要影響做成的器件的尺寸。由于在SiO2／Si中的損耗小于半導(dǎo)體材料中的損耗，不一定必須有單片放大器來補償損耗的不平衡。然而，在這種情況下，不能進行功率均衡。
圖1顯示了按照本發(fā)明的裝置的有利的實施方案。然而，多種替換例也是可能的。任何的波導(dǎo)都可用于輸入和加入端口，它們也可以互換，只要輸出和分出端口以相應(yīng)的方式被改變的話。這只對給定的相位組合影響其波長分配，但它不改變裝置的總的運行狀況。如圖1所示的實施方案的優(yōu)點在于，可避免波導(dǎo)交叉。
在路由器件中，分支波導(dǎo)的長度通常不是信道數(shù)目的單調(diào)函數(shù)，這意味著，在某些實施例中，較長的波導(dǎo)是夾在兩個較短的波導(dǎo)之間。而且，如果使用基于熱-電效應(yīng)的相位控制裝置，則它們必須放置成(或波導(dǎo)分支必須放置成)有足夠的間隔，以避免在任何相鄰的波導(dǎo)中產(chǎn)生的溫度有任何重大的改變。這些考慮以及如上所述的所使用的材料對于裝置的總的尺寸有影響。
在具體的實施例中，提供了損耗補償?shù)妮斎牒停蜉敵龇糯笱b置。
在一個實施例中，使用了(N+1)×(N+1)MMI-MZI路由器件，但仍舊只有N個波導(dǎo)。這使得該裝置，尤其是OADM，能夠容易旁路，以及不包含信號的波長信道被引導(dǎo)到分出端口，而包含信號的所有端口通過該分出端口。
在再一個實施例中，也使用了(N+1)×(N+1)MMI-MZI路由器件，以便得到對于所有信道相等的損耗。不過，這樣一來分出的波長是固定的，這意味著，失去了可調(diào)諧性。這可以這樣做，即通過把不帶有信號的波長信道引導(dǎo)到輸出端口，使得所有通過路由器件的(N-1)個信道通過環(huán)路反饋。
在有利的實施例中，用于分出信道的檢波器被集成在芯片上。在這種方式下，光纖連接和元件的數(shù)目進一步減少，這顯然是有利的。
在另一個有利的實施例中，它也是可以在以上所述的所有的實施例中實現(xiàn)的，即饋送給加入端口的激光器裝置被集成在芯片上。如果該裝置(具體地是OADM)是可調(diào)諧的，則激光器優(yōu)選地也是可調(diào)諧的。
按照本發(fā)明的裝置的優(yōu)點在于，路由器件(具體地是MMI-MZI路由器件)可被使用于分接和切換，因此給出了容易被集成在一個芯片上的簡單的器件。其它的優(yōu)點在本申請中早先已經(jīng)討論過。
本發(fā)明不限于所顯示的實施例，而是它可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)以多種方式進行變化。
權(quán)利要求
1．用于與波長無關(guān)地對包括多個波長的光信號選擇路由的裝置(10)，該裝置包括帶有輸入和輸出波導(dǎo)的光分-插復(fù)接裝置以及包括帶有輸入端和輸出端的路由器件(5)，其特征在于，路由器件(5)包括帶有多個輸入端的分路裝置(11)和帶有多個輸出端的組合裝置(12)，所述各輸入端(13N)和各輸出端(14N)中的一個分別被使用于多波長輸入／輸出，另一個輸入端(13N-1)和輸出端(14N-1)分別被使用于分／插波長，其它的輸入端和輸出端(131- 13N-2；141-14N-2)被使用于其余波長的環(huán)路反饋，在該分路裝置與組合裝置之間安排有多個分支波導(dǎo)(81-8N)，以及由所述路由器件(5)同時提供波長分接／復(fù)接和切換，該裝置還是波長可調(diào)諧的，要分和／或插的波長是可選擇的。
2．按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，該裝置被集成在單個芯片上。
3．按照權(quán)利要求1或2的裝置，其特征在于，分路裝置(11)包括用作為分路器的第一多模干涉耦合器，以及組合裝置(12)包括用作為組合器的第二多模干涉耦合器(MMI)，路由器件(5)包括帶有多個出腳的多模干涉-Mach-Zehnder干涉儀。
4．按照前述權(quán)利要求中任一項的裝置，其特征在于，該裝置(10)被單片集成地制造。
5．按照權(quán)利要求1-4中任一項的裝置，其特征在于，至少多個分支波導(dǎo)(81-8N)是可由相位控制裝置控制的，以提供可調(diào)諧性。
6．按照權(quán)利要求5的裝置，其特征在于，對于每個分支波導(dǎo)(81-8N)，提供了分開的移相裝置(91-9N)。
7．按照至少權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，它包括兩個輸入波導(dǎo)，它們帶有用于多個信號(INN)的端口(1)，每個信號被編碼在分開的波長信道(N＞2)上，和帶有可以插入一個波長到其中的插入端口(2)，以及它還包括兩個輸出波導(dǎo)，它們帶有用于多個波長信道的端口(3)，和帶有可以從中分出一個波長信道的端口(4)。
8．按照權(quán)利要求7的裝置，其特征在于，分支波導(dǎo)(81，…，8N)的數(shù)目至少相應(yīng)于輸入波長(I1，…，IN)的數(shù)目，以及路由器件(5)包括分別用于每個波長的輸入端和輸出端。
9．按照權(quán)利要求8的裝置，其特征在于，第一和第二輸入波導(dǎo)被連接到路由器件的每一個輸入端，以及每個輸出波導(dǎo)被連接到路由器件的相應(yīng)于所述各個輸入端的輸出端，環(huán)路反饋波導(dǎo)(61-6N)被提供來用于連接路由器件(5)的其它輸入端與相應(yīng)的輸出端。
10．按照前述權(quán)利要求中的任一項的裝置，其特征在于，功率控制裝置(71-7N)，例如半導(dǎo)體放大器，被集成在環(huán)路反饋波導(dǎo)(61- 6N)，以提供用于信道功率均衡。
11．按照前述權(quán)利要求中的任一項的裝置，其特征在于，路由器件(5)包括N×N路由器，用于N個相等間隔的波長，以及有一個路由表，用于每個波長。
12．按照前述權(quán)利要求中的任一項的裝置，其特征在于，為了控制要被引導(dǎo)到分出端口的那個波長，要調(diào)整路由器件(5)的相應(yīng)的相位控制裝置。
13．按照權(quán)利要求11或12的裝置，其特征在于，路由器件(5)是對稱的和互易的。
14．按照權(quán)利要求9的裝置，其特征在于，對于每個分支波導(dǎo)(81-8N)，光路徑長度分別對于TE和TM模是相同的，提供了與極化無關(guān)的裝置。
15．按照前述權(quán)利要求中的任一項的裝置，其特征在于，至少多個分支波導(dǎo)(81-8N)具有不同的長度。
16．至少按照權(quán)利要求5的裝置，其特征在于，波導(dǎo)材料是電介質(zhì)材料，以及熱-光相位控制裝置(91-9N)被提供用來控制其折射指數(shù)。
17．按照權(quán)利要求5的裝置，其特征在于，使用電-光相位控制裝置和等離子體相位控制裝置。
18．按照權(quán)利要求16的裝置，其特征在于，裝置由半導(dǎo)體材料例如，InGaAsP／InP制成。
19．按照前述權(quán)利要求中的任一項的裝置，其特征在于，它是與有源元件和／或電子電路集成在一起的。
20．按照權(quán)利要求1-10中的任一項的裝置，其特征在于，路由器件是用于N個波長的(N+1)×(N+1)信道器件，不包含信號的波長信道被引導(dǎo)到分出端口。
21．按照前述權(quán)利要求中的任一項的裝置，其特征在于，用于檢測分出的波長信道的檢波器被集成在芯片上。
22．按照前述權(quán)利要求中的任一項的裝置，其特征在于，用于饋送到插入端口的激光器裝置被集成在芯片上。
23．帶有多個輸入波導(dǎo)和帶有多個輸出波導(dǎo)以及包括路由器件(5)的光分-插復(fù)接裝置(10)，上述的多個輸入波導(dǎo)包括多個波長輸入端口(1)和上述的多個輸出波導(dǎo)包括多個波長輸出端口(3)，其特征在于，路由器件(5)是組合的分接／路由器件，提供分接以及切換功能，以及要被分和／或插的波長是可選擇的，從而提供了波長可調(diào)諧的裝置，所述裝置(10)還被集成在單個芯片上。
24．按照權(quán)利要求23的光分-插復(fù)接裝置，其特征在于，提供了可調(diào)整的相位控制裝置(91-9N)，以及還在于通過調(diào)整所述相位控制裝置選擇加入的／分出的波長。
25．按照權(quán)利要求24的光的分-插復(fù)接裝置，其特征在于，路由器件(5)包括對于多波長輸入信號的每個波長的一個分支波導(dǎo)，所述分支波導(dǎo)(81-8N)被安排在第一與第二MMI耦合器之間，以及對于每個波導(dǎo)，提供了分開的相位控制裝置(91-9N)。
26．按照權(quán)利要求25的光分-插復(fù)接裝置，其特征在于，通過相位控制裝置(91-9N)，以熱-光方式控制波導(dǎo)的折射指數(shù)。
27．按照前述權(quán)利要求中的任一項的裝置在WDM-系統(tǒng)中的使用。
28．用于在包括多個光分-插復(fù)接器的光通信系統(tǒng)中執(zhí)行與波長無關(guān)的路由選擇的方法，其特征在于，它包括以下步驟-在OADM中在第一波導(dǎo)上接收N個基本上相等間隔的波長，-在OADM中的分開的波導(dǎo)上接收要被插入的波長，-通過第一輸入端輸入N個波長到MMI-MZI路由器件，-通過第二輸入端輸入插入的波長到MMI-MZI路由器件，-把N個基本上相等間隔的波長分開，-通過調(diào)整相位控制裝置來選擇要被分出的波長，-把要被分出的波長經(jīng)過路由器件的分開的輸出端發(fā)送到分開的輸出波導(dǎo)，-把一個波長通過路由器件直接切換到用于N個波長的共同輸出端，-把其余的N-2個波長環(huán)路反饋到路由器件的輸入端，-在與用于分出的波長的分開的波導(dǎo)不同的公共輸出波導(dǎo)上，輸出N-2個環(huán)路反饋的波長和通過路由器件直接切換的波長以及從插入端口插入的波長。
全文摘要
本發(fā)明涉及分別用于與波長無關(guān)地對包括多個波長的光信號選擇路由的裝置(10)和方法。該裝置包括帶有輸入和輸出波導(dǎo)的光的分－插復(fù)接裝置,它又包括帶有輸入端和輸出端的路由器件(5)。路由器件(5)包括帶有多個輸入端的分路裝置(11)和帶有多個輸出端的組合裝置(12)。所述各輸入端(1文檔編號H04B10/02GK1292957SQ9881079
公開日2001年4月25日 申請日期1998年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月29日
發(fā)明者J·－P·韋伯 申請人:艾利森電話股份有限公司