ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР И ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОР Российский патент 2002 года по МПК G02B6/293 H04J14/02 

Область техники
Настоящее изобретение относится к двунаправленному оптическому мультиплексору и демультиплексору, которые объединяют и разделяют световой пучок.

Предпосылки создания изобретения
Наиболее широко распространенные оптические устройства объединения/разделения по длинам волн, использующие упорядоченную волноводную решетку (на которую далее ниже будут даваться ссылки как на AWG), которые по существу применяют принцип интерферометра Маха-Цандера, объединяют или разделяют световой пучок при использовании разности фаз.

Фиг. 1 представляет собой схематичный вид традиционного оптического мультиплексора и демультиплексора. Как показано на фиг.1, традиционный оптический мультиплексор и демультиплексор включают N первых упорядоченных волноводов 100, подсоединенных к оптическому волокну, для приема светового пучка с различными длинами волн, первую плосковолноводную область (область свободного пространства, пластинчатый волновод или звездообразный ответвитель) 102 для распределения принимаемого светового пучка, и AWG 104 для того, чтобы световой пучок из первой плосковолноводной области 102 имел различные разности фаз, вторую плосковолноводную область 106, в которой световые пучки, выходящие из AWG 104, имеющие различные разности фаз, интерферируют друг с другом и направляются в различные места на противоположной стороне в соответствии с длиной волны, и М вторых упорядоченных волноводов 108 для вывода светового пучка, расщепленного по длинам волн.

Это действие оптического мультиплексора и демультиплексора может быть объяснено при использовании уравнения решетки, которое описывает дисперсионные характеристики AWG, которая действует как дифракционная решетка по отношению к падающему свету.

В уравнении решетки все фазовые изменения, происходящие в первой плосковолноводной области 102, в области AWG 104 и второй плосковолноводной области 106, суммируются, и сумма фазовых изменений удовлетворяет условию, при котором интерференция происходит на границе раздела между второй плосковолноводной областью 106 и вторыми упорядоченными волноводами 108. Уравнение решетки выражается по отношению к световому пучку, принимаемому через входной волновод, следующим образом, как уравнение 1:
n_sd sinθ + n_cΔL = mλ (1)
где n_s обозначает эффективный показатель преломления плосковолноводной области, n_с обозначает эффективный показатель преломления AWG, d обозначает шаг AWG, m - порядок дифракции, ΔL - разницу в длине между соседними AWG, и λ обозначает длину волны падающего излучения.

Центральная рабочая частота (длина волны) λ₀ представляет собой длину волны при θ равном нулю, и определяется уравнением 2:
n_cΔL = mλ₀ (2)
Уравнение 3, которое описывает изменение угловой дисперсии, т.е. изменение угла дифракции света по отношению к изменению длины волны, может быть получено из уравнения 1:
dθ/dλ = m/n_sd (3)
Т. е. световые пучки, имеющие различные длины волн, направляются под различными углами во вторую плосковолноводную область оптического мультиплексора/демульти-плексора, в соответствии с уравнением 3. Таким образом, выходной волновод подсоединяется в определенном месте, соответствующем углу дифракции света, имеющего длину волны, используемую во второй плосковолноводной области, и таким образом осуществляет оптическое разделение по длинам волн.

Наиболее широко распространенный оптический мультиплексор/демультиплексор, использующий структуру AWG, имеет конструкцию, в которой левая сторона и правая сторона являются симметричными по отношению друг к другу, так что одна и та же функция осуществляется независимо от направления подсоединения устройства. Также в наиболее широко распространенном оптическом мультиплексоре/демультиплексоре, имеющем симметричную структуру, входной и выходной волноводы не отличаются по своей конструкции, так что упорядоченный волновод может действовать как входной волновод или выходной волновод в соответствии с направлением подсоединения.

Этот оптический мультиплексор/демультиплексор может функционировать только в одном направлении в данное время, так что существует способ обеспечения функционирования оптического мультиплексора/демультиплексора, имеющего различные диапазоны каналов в соответствии с состоянием подсоединения устройства при дифференциации диапазонов между первым и вторым упорядоченными оптическими волноводами. Однако этот способ к тому же является таким же, как традиционный способ, в котором упорядоченный оптический волновод действует как входной или выходной волновод в соответствии с направлением подсоединения устройства.

Также, когда этот оптический мультиплексор/демультиплексор применяется к реальной системе, он обычно устанавливается и используется только в одном направлении. Следовательно, изготовление оптического мультиплексора/демультиплексора, который может функционировать с одинаковыми рабочими характеристиками в двух направлениях, не может быть необходимым условием для конструирования оптимизированного устройства, которое удовлетворяет данному описанию.

Описание изобретения
Целью настоящего изобретения является создание двунаправленного оптического мультиплексора/демультиплексора, который может одновременно объединять и разделять световой пучок за счет подсоединения центрального волновода на границе раздела между каждой плосковолноводной областью и упорядоченным оптическим волноводом.

Для достижения упомянутой выше цели в настоящем изобретении создается оптический мультиплексор/демультиплексор, включающий оптическую волноводную матрицу, имеющую множество оптических волноводов, плосковолноводную область, подсоединенную к оптической волноводной матрице, и упорядоченную волноводную решетку, подсоединенную к плосковолноводной области, где оптическая волноводная матрица, кроме того, включает центральный волновод, сформированный в таким месте, где фокусируется световой пучок, передаваемый от упорядоченной волноводной решетки к плосковолноводной области, на границе раздела между оптической волноводной матрицей и плосковолноводной областью, и объединенный световой пучок со множеством длин волн принимается через центральный волновод или выводится через него.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематичный вид традиционного оптического мультиплексора/демультиплексора;
фиг. 2 представляет собой схематичный вид двунаправленного оптического мультиплексора/демультиплексора в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 изображает центральный волновод по фиг.2;
фиг. 4 изображает двунаправленный оптический демультиплексор, в котором используется схема по фиг.2;
фиг. 5 изображает двунаправленный оптический мультиплексор, в котором используется схема по фиг.2; и
фиг.6 изображает двунаправленный оптический мультиплексор/демультиплексор, в котором используется схема по фиг.2.

Предпочтительнии вариант реализации изобретения
Как показано на фиг.2, оптический мультиплексор/демультиплексор, в соответствии с настоящим изобретением, включает первую волноводную матрицу 202, имеющую первый центральный волновод 200, первую плосковолноводную область 204, упорядоченную волноводную решетку (AWG) 206, вторую плосковолноводную область 208 и вторую волноводную матрицу 212, имеющую второй центральный волновод 210. Здесь первый центральный волновод 200 формируется в фокусе (F₁) на границе раздела между первой волноводной матрицей 202 и первой плосковолноводной областью 204. Фокус F₁ представляет собой такое место в первой плосковолноводной области 204, куда фокусируется световой пучок от AWG 206. Второй центральный волновод 210 формируется в фокусе (F₂) на границе раздела между второй плосковолноводной областью 208 и второй волноводной матрицей 212. Фокус F₂ представляет собой такое место во второй плосковолноводной области 208, куда фокусируется световой пучок от AWG 206.

Фиг. 3 показывает соотношение между центральным волноводом и плосковолноводной областью фиг.2. Здесь позицией 300 обозначена AWG, позицией 304 - плосковолноводная область, позицией 306 - оптическая волноводная матрица, имеющая 8 волноводов, позицией 308 - центральный волновод, формируемый в фокусе F₂, и позицией 302 обозначена граница раздела между AWG 300 и плосковолноводной областью 304.

Расстояние между оптическими волноводами, подсоединенными к плосковолноводной области, определяет диапазон длин волн выходного спектра. Центральный волновод, который является одним из признаков настоящего изобретения, должен подсоединяться в таком месте, которое не зависит от расположений, соответствующих длинам волн светового излучения, передаваемого множеством оптических волноводов, которые осуществляют общую функцию мультиплексирования/демультиплексирования. Здесь реальный волновод подсоединяется к действительному фокусу в плосковолноводной области.

Фиг.4 иллюстрирует пример, в котором двунаправленный оптический мультиплексор/демультиплексор, в соответствии с настоящим изобретением, функционирует как двунаправленный оптический демультиплексор. Когда световое излучение с длинами волн λ_j0-λ_j7 попадает в первый центральный волновод 200 в первой волноводной матрице 202, и одновременно световое излучение с длинами волн λ_i0-λ_i7 попадает во второй центральный волновод 210 во второй волноводной матрице 212, световое излучение с длинами волн λ_j0-λ_j7 выходит через другие волноводы во второй волноводной матрице 212, и световое излучение, имеющее длины волн λ_i0-λ_i7, выходит через другие волноводы в первой волноводной матрице 202. Т. е. когда объединенный световой пучок, содержащий несколько длин волн, принимается через центральный волновод, сформированный внутри каждого, первого и второго упорядоченного волновода, световой пучок, принимаемый через центральный волновод внутри волноводной решетки разделяется по длинам волн и выходит через множество волноводов внутри упорядоченного волновода, напротив упорядоченного волновода, в который был принят объединенный световой пучок.

Более конкретно, когда световое излучение на нескольких длинах волн принимается через первый центральный волновод 200, первая плосковолноводная область 204 распределяет принимаемое световое излучение, и AWG 206 позволяет световым пучкам из первой плосковолноводной области 204 иметь различную разность фаз. За счет второй плосковолноводной области 208 происходит интерференция между световыми пучками, имеющими различные разности фаз, которые выходят из AWG 206, и световые пучки различных длин волн выводятся через различные волноводы внутри второй волноводной матрицы 212. Также, когда световое излучение нескольких длин волн принимается через второй центральный волновод 210, световые пучки, которым соответствуют различные длины волн, выходят через различные волноводы внутри первой волноводной матрицы 202.

Когда центральный волновод в двунаправленном оптическом мультиплексоре/демультиплексоре, в соответствии с настоящим изобретением, используется только как входной волновод, предпочтительно, чтобы оптический вентиль подсоединялся к волноводу со специализированным входом для того, чтобы предотвратить интерференцию или обратные потери при выходе светового излучения.

Фиг.5 иллюстрирует пример, в котором двунаправленный оптический мультиплексор/демультиплексор, в соответствии с настоящим изобретением, функционирует как двунаправленный оптический мультиплексор/демультиплексор. Когда световые пучки различных длин волн λ_j0-λ_i7 принимаются волноводами (за исключением первого центрального волновода 200) первой волноводной матрицы 202, они объединяются и выводятся через второй центральный волновод 210. Также, когда световые пучки различных длин волн λ_j0-λ_j7 принимаются волноводами (за исключением второго центрального волновода 210) второй волноводной матрицы 212, они объединяются и выходят через первый центральный волновод 200.

Фиг.6 иллюстрирует пример, в котором однонаправленный оптический мультиплексор/демультиплексор, в соответствии с настоящим изобретением, функционирует как двунаправленный оптический демультиплексор. Когда световое излучение различных длин волн λ_j0-λ_j7 принимается первым центральным волноводом 200 первой волноводной матрицы 202, и световые пучки различных длин волн λ_j0-λ_i7 принимаются оставшимися волноводами, световые пучки различных длин волн λ_j0-λ_i7 мультиплексируются и выводятся через второй центральный волновод 210, и мультиплексированный световой пучок с различными длинами волн λ_j0-λ_j7 разделяется и выводится через волноводы (за исключением второго центрального волновода 210) второй волноводной матрицы 212.

Предпочтительно, чтобы выходной волновод избирательно подсоединялся к оптическому волокну на стадии сборки для того, чтобы этот двунаправленный оптический мультиплексор/демультиплексор имел различные диапазоны каналов в двух направлениях. Изменения компоновки или конструкции традиционного оптического мультиплексора/демультиплексора могут использоваться как изменения устройства на стадии сборки микросхемы.

Промышленная применимость
Как описано выше, в соответствии с оптическим мультиплексором/демультиплексором, согласно настоящему изобретению, центральный волновод, через который принимается и выводится мультиплексированный световой пучок, добавляется ко множеству оптических волноводов в таком месте, где выходные спектры этих волноводов не подвергаются воздействию, так что мультиплексированный световой пучок может быть разделен в направлении от оптической волноводной матрицы на одной стороне к оптической волноводной матрице на другой стороне, и одновременно разделенный световой пучок может быть объединен в направлении, противоположном упомянутому выше направлению.

Изобретение используется в оптических линиях связи. Устройство содержит две волноводные матрицы, включающие множество волноводов и один центральный волновод, соединенные соответственно с первой и второй плосковолноводной областями, между которыми размещена упорядоченная волноводная решетка. Центральные волноводы имеют входы, формируемые в таком месте, где фокусируется световой пучок, передаваемый от упорядоченной волноводной решетки к плосковолноводной области на границе раздела между соответствующими матрицей и плосковолноводной областью. Световой пучок, мультиплексированный по длинам волн, пропускается или выпускается через центральный волновод. В дополнение к световым волноводам центральный волновод, где световой пучок пропускается или выпускается, создается в таком месте, что спектры выходящего из световых волноводов излучения не подвергаются воздействию, и, следовательно, разделение и объединение светового пучка по длинам волн является возможным одновременно в направлении от одной матрицы световых волноводов к другой и в противоположном направлении. 3 с. и 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Оптический мультиплексор/демультиплексор, включающий первую оптическую волноводную матрицу, первую плосковолноводную область, подсоединенную к первой оптической волноводной матрице, упорядоченную волноводную решетку, подсоединенную к первой плосковолноводной области, вторую плосковолноводную область, подсоединенную к упорядоченной волноводной решетке, и вторую оптическую волноводную матрицу, подсоединенную ко второй плосковолноводной области, отличающийся тем, что первая оптическая волноводная матрица содержит волновод с входом, формируемый в таком месте, где фокусируется световой пучок, передаваемый от упорядоченной волноводной решетки к плосковолноводной области, на границе раздела между первой оптической волноводной матрицей и плосковолноводной областью; и множество волноводов с выходами для вывода световых пучков множества длин волн, соответственно вторая оптическая волноводная матрица содержит волновод со входом, сформированный в таком месте, где фокусируется световой пучок, передаваемый от упорядоченной волноводной решетки к плосковолноводной области, на границе раздела между второй оптической волноводной матрицей и плосковолноводной областью; и множество волноводов с выходами для вывода световых пучков множества длин волн, соответственно, в котором первый мультиплексированный световой пучок со множеством длин волн принимается через волновод со входом первой оптической волноводной матрицы, и световые пучки с различными длинами волн, полученные за счет демультиплексирования первого мультиплексированного входного светового пучка, выводятся через множество волноводов с выходами во второй оптической волноводной матрице, и второй мультиплексированный световой пучок со множеством длин волн принимается через волновод со входом второй оптической волноводной матрицы, и световые пучки с различными длинами волн, полученные при разделении второго мультиплексированного входного светового пучка, выводятся через множество волноводов с выходами в первой оптической волноводной матрице. 2. Мультиплексор/демультиплексор по п. 1, в котором оптический вентиль для предотвращения интерференции или обратных потерь при выходе светового пучка дополнительно подсоединяется к волноводу со входом в первой или второй оптической волноводной матрице. 3. Оптический мультиплексор/демультиплексор, включающий первую оптическую волноводную матрицу, первую плосковолноводную область, подсоединенную к первой оптической волноводной матрице, упорядоченную волноводную решетку, подсоединенную к первой плосковолноводной области, вторую плоско-волноводную область, подсоединенную к упорядоченной волноводной решетке, и вторую оптическую волноводную матрицу, подсоединенную ко второй плосковолноводной области, отличающийся тем, что первая оптическая волноводная матрица содержит волновод с выходом, формируемый в таком месте, где фокусируется световой пучок, передаваемый от упорядоченной волноводной решетки к плосковолноводной области, на границе раздела между первой оптической волноводной матрицей и плосковолноводной областью; и множество волноводов со входами для приема световых пучков множества длин волн, соответственно вторая оптическая волноводная матрица содержит волновод с выходом, сформированный в таком месте, где фокусируется световой пучок, передаваемый от упорядоченной волноводной решетки к плосковолноводной области, на границе раздела между второй оптической волноводной матрицей и плосковолноводной областью; и множество волноводов с выходами для вывода световых пучков множества длин волн, соответственно, в котором световые пучки со множеством длин волн принимаются через множество волноводов со входом во второй оптической волноводной матрице, соответственно и мультиплексированный световой пучок, полученный за счет объединения входных световых пучков множества длин волн, выводится через волновод с выходом в первой оптической волноводной матрице, и световые пучки со множеством длин волн принимаются через множество волноводов со входами в первой оптической волноводной матрице, соответственно и мультиплексированный световой пучок, полученный при мультиплексировании входных световых пучков со множеством длин волн, выводится через волновод с выходом во второй оптической волноводной матрице. 4. Оптический мультиплексор/демультиплексор, включающий первую оптическую волноводную матрицу, первую плосковолноводную область, подсоединенную к первой оптической волноводной матрице, упорядоченную волноводную решетку, подсоединенную к первой плосковолноводной области, вторую плосковолноводную область, подсоединенную к упорядоченной волноводной решетке, и вторую оптическую волноводную матрицу, подсоединенную ко второй плосковолноводной области, отличающийся тем, что первая оптическая волноводная матрица содержит первый центральный волновод для приема мультиплексированного светового пучка со множеством длин волн, первый центральный волновод формируется на том месте, где фокусируется световой пучок, передаваемый от упорядоченной волноводной решетки к плосковолноводной области, на границе раздела между первой оптической волноводной матрицей и плосковолноводной областью; и множество волноводов со входами для приема световых пучков множества длин волн, соответственно вторая оптическая волноводная матрица содержит второй центральный волновод для выхода мультиплексированного светового пучка, полученного за счет мультиплексирования световых пучков, принимаемых через множество волноводов со входами, второй центральный волновод формируется в таком месте, где фокусируется световой пучок, передаваемый от упорядоченной волноводной решетки к плосковолноводной области, на границе раздела между второй оптической волноводной матрицей и плосковолноводной областью; и множество волноводов с выходами для разделения мультиплексированного пучка, принимаемого через первый центральный волновод в первой оптической волноводной матрице, соответственно по длинам волн, и вывода разделенных световых пучков со множеством длин волн. 5. Мультиплексор/демультиплексор по п. 4, в котором оптический вентиль для предотвращения интерференции или обратных потерь из-за выхода светового излучения, кроме того, подсоединяется к первому центральному волноводу.