МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЧАСТОТНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ/ОБЪЕДИНЕНИЯ СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ Российский патент 2003 года по МПК G02B6/34 

Заявляемое в качестве изобретения техническое решение относится к области оптики, более конкретно к устройствам частотного разделения и объединения световых сигналов, и может быть использовано для демультиплексирования и мультиплексирования оптических каналов в плотных высокоскоростных многоканальных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) с расстоянием между каналами 50-200 ГГц.

Для частотного разделения и объединения световых сигналов в ВОЛС, например для демультиплексирования и мультиплексирования оптических каналов, используются полимерные волноводы в виде последовательно соединенных интерферометров Маха-Цендера с периодическими решетками, расположенными в плечах интерферометров. В устройствах такого типа частотное разделение и объединение световых сигналов осуществляется за счет использования периодических решеток, обладающих узкополосным спектром отражения света, а возможность демультиплексирования или мультиплексирования одновременно нескольких оптических каналов обеспечивается набором нескольких последовательно соединенных интерферометров Маха-Цендера с решетками, настроенными на частоты соответствующих световых сигналов.

Известны многоканальные устройства для частотного разделения/объединения световых сигналов в ВОЛС - аналоги, имеющие следующие общие с заявляемым техническим решением признаки: набор последовательно соединенных полимерных волноводных интерферометров Маха-Цендера, каждый из которых содержит два 50%•50% направленных оптических ответвителя, два входных и два выходных порта и две решетки с одинаковым периодом, расположенные в плечах интерферометра и настроенные на частоту соответствующего светового сигнала, как описано в статье L. Eldada и др. "Интегральный многоканальный оптический мультиплексор/демультиплексор, использующий полимерные Брэгговские решеточные интерферометры Маха-Цендера", опубликованной в журнале "IEEE Photonics Technology Letters", Том 10, 10, стр. 1416-1418 в 1998 году. При этом периодические решетки имеют длину 8-15 мм и ширину полосы отражения 0,2-0,8 нм и могут формироваться либо за счет лазерно-индуцированного периодического изменения показателя преломления в полимерном волноводе (как описано в прототипе, прилагаемом к настоящей заявке, см. ниже), либо за счет формирования периодического рельефа вблизи световедущего слоя волновода с использованием субмикронной литографической технологии.

Недостатком этих многоканальных устройств-аналогов является то, что: Во-первых, спектры пропускания периодических решеток имеют непрямоугольную форму, что обусловлено использованием решеток без синусоидально модулированной амплитуды. Это не позволяет обеспечить высокую селективность разделения каналов (>30 дБ) в ВОЛС с расстоянием между каналами 50-200 ГГц. Во-вторых, периодические решетки имеют длину 8-15 мм, что приводит к значительному ослаблению оптических сигналов, распространяющихся в полимерном волноводе, вследствие поглощения света в полимерном материале.

Известно также многоканальное устройство для частотного разделения/объединения световых сигналов в ВОЛС по патенту США 6023545, НКИ США 385/37 (прототип, копия приложена к настоящей заявке), имеющее следующие общие с заявляемым техническим решением признаки: набор последовательно соединенных полимерных волноводных интерферометров Маха-Цендера, каждый из которых содержит два 50%•50% направленных оптических ответвителя, два входных и два выходных порта и две решетки с одинаковым периодом, расположенные в плечах интерферометра и настроенные на частоту соответствующего светового сигнала.

Недостатком прототипа, является то, что: Во-первых, спектры пропускания периодических решеток имеют непрямоугольную форму, что обусловлено использованием решеток без синусоидально модулированной амплитуды. Это не позволяет обеспечить высокую селективность разделения каналов (>30 дБ) в ВОЛС с расстоянием между каналами 50-200 ГГц. Во-вторых, периодические решетки имеют длину 8-15 мм, что приводит к значительному ослаблению оптических сигналов, распространяющихся в полимерном волноводе, вследствие поглощения света в полимерном материале. Ослабление оптических сигналов становится особенно значительным при увеличении числа последовательно соединенных интерферометров Маха-Цендера вследствие общего увеличения длины пути, проходимого светом в устройстве. В силу вышеизложенного прототип не позволяет осуществлять демультиплексирование и мультиплексирование оптических каналов в плотных высокоскоростных многоканальных ВОЛС с расстоянием между каналами 50-200 ГГц. Поэтому весьма актуальной является задача создания многоканального устройства для частотного разделения/объединения световых сигналов таких волоконно-оптических линиях связи.

Техническая задача, решаемая заявляемым техническим решением, состоит в создании многоканального устройства для частотного разделения/объединения световых сигналов в ВОЛС, обладающего спектром пропускания прямоугольной формы и позволяющего осуществлять демультиплексирование и мультиплексирование оптических каналов в плотных высокоскоростных многоканальных ВОЛС с расстоянием между каналами 50-200 ГГц.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что многоканальное устройство включает набор последовательно соединенных полимерных волноводных интерферометров Маха-Цендера, каждый из которых содержит два 50%•50% направленных оптических ответвителя, два входных и два выходных порта и две решетки с одинаковым периодом, расположенные в плечах интерферометра и настроенные на частоту соответствующего светового сигнала, причем решетки имеют синусоидально-модулированную амплитуду с периодом D и минимумом в центре решетки и длину более 1,46D и менее 1,5D. Такие решетки обладают спектром пропускания прямоугольной формы и имеют длину менее 1 мм, что позволяет значительно уменьшить ослабление оптических сигналов за счет общего уменьшения оптического пути, проходимого светом в устройстве.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется фиг. 1-4.

На фиг. 1 изображен полимерный волноводный интерферометр Маха-Цендера, содержащий два 50%•50% направленных оптических ответвителя, два входных и два выходных порта и две решетки с одинаковым периодом d, расположенные в плечах интерферометра и настроенные на частоту светового сигнала, где:
1 - полимерные волноводы;
2 - 50%•50% направленные оптические ответвители;
3 - плечи интерферометра Маха-Цендера;
4 - левый входной порт интерферометра;
5 - левый выходной порт интерферометра;
6 - правый входной порт интерферометра;
7 - правый выходной порт интерферометра;
8 - решетки с одинаковым периодом d, имеющие синусоидально-модулированную амплитуду с периодом D и минимумом в центре решетки и длину более 1,46D и менее 1,5D,
λ₁, ... λ_N - несущие длины волн световых сигналов,
d - период решеток.

На фиг. 2 показана форма решетки, имеющей период d, синусоидально-модулированную амплитуду с периодом D и минимумом в центре решетки и длину L более 1,46D и менее 1,5D
n(z) = n_eff+Δnsin(2πz/D)cos(2πz/d), (1)
где n(z) - распределение показателя преломления в области решетки вдоль направления z распространения света;
n_eff - эффективный показатель преломления в области решетки;
2Δn - амплитуда модуляции показателя преломления;
d - период решетки;
D - период синусоидальной модуляции амплитуды решетки,
L - длина решетки.

На фиг. 3 приведена зависимость коэффициента пропускания T решетки (1), обладающей синусоидально-модулированной амплитудой с периодом D и минимумом в центре решетки и длиной L более 1,46D и менее 1,5D, от длины волны падающего света λ, рассчитанная теоретически при следующих параметрах решетки: L= 444 мкм, 2Δn=0,03, D=300 мкм, d=0,5 мкм, n_эфф=1,47,
где Т- коэффициент пропускания;
λ - длина волны падающего света;
Δλ - ширина полосы отражения решетки;
δλ - ширина полосы пропускания, расположенной внутри полосы отражения и имеющей прямоугольную форму;
λ_Бр = 2dn_eff - Брэгговская длина волны, соответствующая центру полосы пропускания. Изменение периода d решетки ведет к изменению λ_Бр и тем самым к настройке решетки на несущую длину волны светового сигнала.

На фиг. 4 изображено четырехканальное устройство для частотного разделения/объединения световых сигналов в волоконно-оптических линиях связи, включающее набор четырех последовательно соединенных полимерных волноводных интерферометров Маха-Цендера, каждый из которых содержит два 50%•50% направленных оптических ответвителя, два входных и два выходных порта и две решетки с одинаковым периодом, расположенные в плечах интерферометра и имеющие синусоидально-модулированную амплитуду с периодом D и минимумом в центре решетки и длину более 1,46D и менее 1,5D, где
1 - полимерные волноводы;
2 - 50%•50% направленные оптические ответвители;
3 - плечи интерферометров Маха-Цендера;
4 - левые входные порты интерферометров;
5 - левые выходные порты интерферометров;
6 - правые входные порты интерферометров;
7 - правые выходные порты интерферометров;
8 - решетки с одинаковым периодом d, имеющие синусоидально-модулированную амплитуду с периодом D и минимумом в центре решетки и длину более 1,46D и менее 1,5D;
9 - общий входной порт устройства;
10 - общий выходной порт устройства,
λ₁, ... λ_N - несущие длины волн световых сигналов.

Подчеркнем, что хотя на фиг. 4 изображено четырехканальное устройство, включающее четыре последовательно соединенных интерферометра Маха-Цендера, устройство может иметь любое число каналов за счет последовательного подсоединения дополнительных интерферометров Маха-Цендера с решетками, настроенными на длины волн дополнительных световых сигналов.

Полимерные волноводы 1 состоят из полимерной световедущей жилы и полимерной оболочки с показателем преломления, меньшим показателя преломления световедущей жилы. Изогнутые участки этих волноводов образуют 50%•50% направленные оптические ответвители 2, в которых свет, распространяющийся по каждому из волноводов 1, частично проникает в соседний волновод, причем после ответвления 50% световой энергии остается в исходном волноводе, а 50% световой энергии передается в соседний волновод. Проникновение света из одного волновода 1 в другой происходит за счет эффекта туннелирования света в изогнутых участках 2.

Полимерные волноводы 1 с двумя 50%•50% направленными оптическими ответвителями 2 образуют интерферометр Маха-Цендера, который имеет два плеча 3, два входных и два выходных порта, включающие левый входной порт 4, левый выходной порт 5, правый входной порт 6 и правый выходной порт 7, предназначенные для ввода и вывода световых сигналов. Решетки 8 расположены в плечах 3 интерферометра и имеют одинаковый период d, синусоидально-модулированную амплитуду с периодом D и минимумом в центре решетки и длину более 1,46D и менее 1,5D. Период d решеток (1) в каждом интерферометре Маха-Цендера настроен на частоту соответствующего светового сигнала, при этом длина волны светового сигнала попадает в полосу пропускания решеток.

Решетки 8 с синусоидально-модулированной амплитудой могут быть реализованы в виде пространственной модуляции показателя преломления световедущей жилы и оболочки полимерного волновода. Такая модуляция показателя преломления может быть создана, например, при облучении фоточувствительного полимерного волновода тремя интерферирующими лазерными лучами непосредственно или через фазовую маску. Конкретным физическим механизмом, обусловливающим изменение показателя преломления материала волновода, может быть фотополимеризация, фотохимия (разложение молекул под действием лазерного излучения) или лазерно-индуцированный массоперенос.

Решетки 8 с синусоидально-модулированной амплитудой могут быть также реализованы за счет пространственной модуляции границы раздела между полимерной световедущей жилой и полимерной оболочкой волновода либо за счет пространственной модуляции границы раздела между полимерной оболочкой волновода и функциональным слоем другого материала, имеющим показатель преломления, отличный от показателя преломления оболочки. Такая пространственная модуляция границы раздела может быть создана, например, путем травления полимерного материала через амплитудную маску с использованием субмикронной литографической технологии или путем снятия реплики с мастер - решетки.

Принцип работы отдельного полимерного волноводного интерферометра Маха-Цендера с расположенными в его плечах решетками, имеющими одинаковый период d, синусоидально-модулированную амплитуду с периодом D и минимумом в центре решетки и длину более 1,46D и менее 1,5D, для частотного разделения световых сигналов поясняется на фиг. 1. В левый входной порт 4 интерферометра входит N световых сигналов с несущими длинами волн λ₁, λ₂, ..., λ_N соответственно. Эти сигналы распространяются по верхнему полимерному волноводу 1 и достигают левого 50%•50% направленного оптического ответвителя 2, где делятся в соотношении 50%•50% по интенсивности между верхним и нижним плечами 3 интерферометра. Далее, световые сигналы с длинами волн λ₁, λ₂, ..., λ_N распространяются по верхнему и нижнему плечам 3 интерферометра и достигают решеток 8, находящихся в этих плечах. Период d решеток 8 настроен на частоту светового сигнала с несущей длиной волны λ₁, т.е. длина волны λ₁ попадает в полосу пропускания δλ решеток, см. фиг. 3. Поэтому сигнал на этой длине волны проходит в верхнем и нижним плечах 3 интерферометра через решетки 8, достигает правого 50%•50% направленного оптического ответвителя 2 и в результате интерференции в этом ответвителе выходит из выходного порта 7 интерферометра. При этом оптический сигнал с длиной волны λ₁ в портах 5 и 6 отсутствует.

Световые сигналы, несущие длины волн которых λ₂, ..., λ_N лежат в полосе отражения Δλ и не попадают в полосу пропускания δλ решеток 8, отражаются от решеток и, распространяясь по верхнему и нижнему плечам 3 интерферометра в обратном направлении, достигают левого 50%•50% направленного оптического ответвителя 2, где интерферируют. В результате интерференции световые сигналы с длинами волн λ₂, ..., λ_N выходят из левого выходного порта 5 интерферометра. При этом сигналы с этими длинами волн отсутствуют в портах 6 и 7. Таким образом, оптический сигнал с несущей длиной волны λ₁ выделяется из общего потока сигналов с длинами волн λ₁, λ₂, ..., λ_N.
Полимерный волноводный интерферометр Маха-Цендера, изображенный на фиг. 1, позволяет также объединять световые сигналы, имеющие разные несущие длины волн. В режиме объединения сигналов интерферометр работает следующим образом. В левый входной порт 4 интерферометра входит N -1 световых сигналов с несущими длинами волн λ₂, ..., λ_N. Эти сигналы выходят из выходного порта 5, как описано выше. Одновременно в правый входной порт 6 интерферометра поступает оптический сигнал с несущей длиной волны λ₁, которая попадает в полосу пропускания δλ решетки 8. Этот сигнал проходит через решетки 8 и направляется в порт 5 интерферометра, а в портах 4 и 7 отсутствует. Таким образом, сигнал, имеющий несущую длину волны λ₁ и входящий в правый входной порт 6, и сигналы, имеющие длины волн λ₂, ..., λ_N и входящие в левый входной порт 4, объединяются в левом выходном порту 5 интерферометра Маха-Цендера.

Принцип работы многоканального устройства для частотного разделения/объединения световых сигналов в ВОЛС поясняется на фиг. 4. Общий входной порт 9 устройства соединен полимерным волноводом 1 с левым входным портом 4 первого интерферометра Маха-Цендера. Левый выходной порт 5 первого интерферометра соединен с правым входным портом 6 второго интерферометра Маха-Цендера. Правый выходной порт 7 второго интерферометра подсоединен к левому входному порту 4 третьего интерферометра Маха-Цендера, а левый выходной порт 5 третьего интерферометра подсоединен к правому входному порту 6 четвертого интерферометра Маха-Цендера и т.д. Такая архитектура позволяет создавать устройства с любым числом каналов путем последовательного подсоединения дополнительных интерферометров Маха-Цендера, как описано выше. При этом правый выходной порт 7 последнего интерферометра соединен полимерным волноводом 1 с общим выходным портом 10 устройства.

Работа четырехканального устройства, изображенного на фиг. 4, в режиме частотного разделения оптических сигналов происходит следующим образом. В общий входной порт 9 устройства поступают N световых сигналов с несущими длинами волн λ₁, λ₂, ..., λ_N. Эти сигналы по полимерному волноводу 1 достигают левого входного порта 4 первого интерферометра Маха-Цендера и через его левый 50%•50% направленный оптический ответвитель 2 попадают в плечи 3 этого интерферометра. Период решеток 8, находящихся в плечах 3 первого интерферометра, настроен на частоту светового сигнала с несущей длиной волны λ₁, поэтому сигнал с этой длиной волны проходит через решетки 8 и после интерференции в правом 50%•50% направленном оптическом ответвителе 2 поступает в правый выходной порт 7. В то же время сигналы с длинами волн λ₂, λ₃, ..., λ_N отражаются от решеток 8 и через левый 50%•50% направленный оптический ответвитель 2 поступают в левый выходной порт 5 первого интерферометра Маха-Цендера, который соединен с правым входным портом 6 второго интерферометра.

Период решеток 8, находящихся в плечах 3 второго интерферометра Маха-Цендера, настроен на частоту светового сигнала с несущей длиной волны λ₂, поэтому этот сигнал проходит через решетки 8 второго интерферометра и поступает в его левый выходной порт 5, а сигналы с длинами волн λ₃, ..., λ_N отражаются от решеток 8 и через правый выходной порт 7 поступают в левый входной порт 4 третьего интерферометра Маха-Цендера, и т.д. Таким образом, поскольку периоды решеток 8 в плечах 3 четырех последовательно соединенных интерферометров Маха-Цендера настроены на частоты сигналов с несущими длинами волн λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ соответственно, то эти сигналы будут выделены из общего потока сигналов и направлены в соответствующие выходные порты интерферометров. Оставшиеся в потоке сигналы с несущими длинами волн λ₅, ..., λ_N через правый выходной порт 7 четвертого интерферометра Маха-Цендера по полимерному волноводу 1 поступают в общий выходной порт 10 устройства.

Отметим, что высокий уровень изоляции разделяемых по частоте оптических сигналов (>30 дБ) в заявляемом устройстве обеспечивается прямоугольной формой полосы пропускания решеток, см. фиг. 3, которая обусловлена использованием решеток с синусоидально-модулированной амплитудой с периодом D и минимумом в центре решетки и длиной более 1,46D и менее 1,5D, см. фиг. 2.

Работа четырехканального устройства, изображенного на фиг.4, в режиме объединения световых сигналов с разными несущими длинами волн происходит следующим образом. В общий входной порт 9 устройства входят световые сигналы с несущими длинами волн λ₅, ..., λ_N. Эти сигналы по полимерному волноводу 1 попадают в левый входной порт 4 первого интерферометра Маха-Цендера и после отражения от решеток 8, расположенных в плечах 3 этого интерферометра, через левый направленный оптический ответвитель 2 поступают в левый выходной порт 5 первого интерферометра, который соединен с правым входным портом 6 второго интерферометра Маха-Цендера. Одновременно в правый входной порт 6 первого интерферометра входит сигнал с несущей длиной волны λ₁, который после прохождения через решетку 8 также поступает в левый выходной порт 5 первого интерферометра. Таким образом, в правый входной порт 6 второго интерферометра Маха-Цендера поступают объединенные сигналы с несущими длинами волн λ₂, λ₅, ..., λ_N. В правом выходном порту 7 второго интерферометра к этим сигналам добавляется сигнал с длиной волны λ₂, входящий в левый входной порт 4 второго интерферометра и т.д. В результате после прохождения четырех последовательно соединенных интерферометров Маха-Цендера объединенные сигналы с несущими длинами волн λ₁, λ₂, λ₃, λ₄, λ₅, ..., λ_N поступают в общий выходной порт 10 устройства.

Подчеркнем, что длина L решеток 8, расположенных в плечах интерферометров Маха-Цендера и настроенных на частоты соответствующих световых сигналов, составляет менее 1 мм, см. фиг. 2 и 3. Это позволяет значительно уменьшить длину плечей интерферометров по сравнению с длиной плечей интерферометра-прототипа и тем самым уменьшить ослабление оптических сигналов, связанное с поглощением света в полимерном волноводе, за счет общего уменьшения длины пути, проходимого светом в устройстве.

Математическая задача о взаимодействии света с решетками, имеющими синусоидально-модулированную амплитуду, решалась теоретически в статье V.I. Sokolov и др., "Оптические фильтры на основе негармонических Брэгговских решеток с фазовыми сдвигами", опубликованной в сборнике "Рrос. SPIE", Том 3688, стр. 320-329 в 1999 году, и в статье V.I. Sokolov, V. Ya. Panchenko, "Распространение и взаимодействие волн в периодических средах с пространственно-модулированным коэффициентом связи: Применение к оптической фильтрации", опубликованной в сборнике "Рrос. SPIE", Том 3733, стр. 296-305 в 1999 году. Однако в этих статьях не исследовались спектральные характеристики решеток с периодом D и минимумом в центре решетки и длиной более 1,46D и менее 1,5D и не рассматривалась и не обсуждалась возможность применения таких решеток в качестве элемента полимерного волноводного интерферометра Маха-Цендера с целью частотного разделения/объединения световых сигналов в ВОЛС.

Отметим, что возможность использования решеток с синусоидально-модулированной амплитудой с периодом D и минимумом в центре решетки и с длиной более 1,46D и менее 1,5D для разделения и объединения световых сигналов в плотных высокоскоростных многоканальных ВОЛС с расстоянием между каналами 50-200 ГГц не является очевидной и не следует явно из уровня техники. Такая возможность была установлена авторами заявки на основе численного моделирования, показавшего, что такие решетки обладают узкополосным спектром пропускания прямоугольной формы.

Заявляемое техническое решение является новым, поскольку оно основывается на использовании в последовательно соединенных полимерных волноводных интерферометрах Маха-Цендера негармонических решеток, обладающих синусоидально-модулированной амплитудой, которые принципиально отличаются от ранее использованных гармонических периодических решеток.

Заявляемое техническое решение является реализуемым в промышленных масштабах, поскольку такие решетки могут быть могут быть изготовлены с использованием имеющихся технологий: освещением фоточувствительного полимерного материала тремя интерферирующими лазерными лучами непосредственно или через фазовую маску, травлением полимерного материала через амплитудную маску или путем снятия реплики с мастер - решетки.

Заявляемое техническое решение не является очевидным и не следует явно из уровня техники. Действительно, решетки с другими параметрами, например решетки с синусоидально-модулированной амплитудой с периодом D и минимумом в центре решетки, длина которых более 1,5 D или менее 1,46D, не обеспечивают прямоугольную форму спектра пропускания света в устройстве и поэтому не могут быть использованы для демультиплексирования и мультиплексирования оптических каналов в плотных высокоскоростных многоканальных ВОЛС с расстоянием между каналами 50-200 ГГц.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна", "промышленная применимость" и "изобретательский уровень".

Изобретение используется в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Устройство содержит набор последовательно соединенных полимерных волноводных интерферометров Маха-Цендера, каждый их которых содержит два 50%•50% направленных оптических ответвителя, два входных и два выходных порта и две решетки с одинаковым периодом, расположенные в плечах интерферометра и настроенные на частоту соответствующего светового сигнала. Решетки имеют синусоидально модулированную амплитуду с периодом D и минимумом в центре решетки и длину более 1,46D и менее 1,5D. Решетки могут быть реализованы в виде пространственной модуляции показателя преломления полимерного материала вдоль направления распространения света. Обеспечено получение спектра прямоугольной формы и возможность осуществления демультиплексирования и мультиплексирования оптических каналов в плотных высокоскоростных многоканальных ВОЛС с расстоянием между каналами 50-200 ГГц. 4 ил.

Многоканальное устройство для частотного разделения/объединения световых сигналов в волоконно-оптических линиях связи, включающее набор последовательно соединенных полимерных волноводных интерферометров Маха - Цендера, каждый из которых содержит два 50%•50% направленных оптических ответвителя, два входных и два выходных порта и две решетки с одинаковым периодом, расположенные в плечах интерферометра и настроенные на частоту соответствующего светового сигнала, отличающееся тем, что решетки имеют синусоидально модулированную амплитуду с периодом D и минимумом в центре решетки и длину более 1,46 D и менее 1,5 D.