Многоканальный оптический мультиплексор ввода/вывода с динамической функциональностью

Многоканальный оптический мультиплексор ввода/вывода с динамической функциональностью

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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-OADM и ROADM) и может использоваться как в системах плотного спектрального уплотнения (DWDM), так и умеренного спектрального уплотнения (CWDM).

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 ITU-Стандарт спектральный интервал между каналами для систем CWDM составляет 20 нм. Техника CWDM проще в использовании и дешевле, чем DWDM.

В узловых точках ВОСС 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-OADM) позволяют ввести/вывести только один канал. Отметим, что авторы настоящего изобретения, говоря о многоканальных ROADM и t-OADM, 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 «1×К» и мультиплексор конфигурации «К×1», 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, В2) заключается в использовании также пары демультиплексор и мультиплексор, но более простых конфигураций «1×L» и «L×1», где L=К/Р, К - полное число каналов и Р - целое число. Выходы и входы демультиплексора и мультиплексора снова соединены и образуют L трасс, в каждой трассе установлено несколько, в количестве Р, 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 Δν, каналы разделяются оптическим демультиплексором на L подмножеств, в каждом подмножестве - по Р каналов с интервалами между каналами L·Δν. 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.

Целью настоящего изобретения является создание многоканального OADM с динамической функциональностью, которое в разных вариантах может использоваться как многоканальный ROADM или как многоканальный t-OADM. 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 2^N каналов при N - целое число и при этом N≥2 при спектральном интервале между соседними каналами Δν₀ для ввода/вывода 2^M каналов при М - целое число и при этом 1≤М<N, имеющего один входной порт один выходной порт, 2^M портов вывода, 2^M портов ввода и включающего:

- управляемый оптический мультиплексор ввода/вывода, обеспечивающий вывод 2^M каналов в один порт вывода и ввод новых 2^M каналов на несущих частотах выведенных каналов в один порт вывода;

- оптический демультиплексор конфигурации «1×2^M», соединенный своим входным портом с портом вывода указанного управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода,

- оптический мультиплексор конфигурации «2^M×1», 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-М)-ступенчатую структуру, содержащую в каждой ступени один оптический фильтр, имеющий один вход и два выхода, выполненный с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующийся в n₁-й ступени при n₁=1,2,…,(N-M) частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν_n1=2^n1-1Δν₁;

- оптический сумматор, имеющий N-M+1 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 управляемым 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 «дерево», содержащую в каждой n₂-й ступени при n₂=1,2,…,М2^n2-1 оптических фильтров, имеющих, по меньшей мере, один вход и два выхода, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в n₂-й ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты, равным

Δν_n2=2^n2+N-M-1Δν₁.

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 «дерево», содержащую в каждой n₃-й ступени при n₃=1,2,…,М не менее 2^M-n3 оптических фильтров, имеющих два входа и по меньшей мере один выход, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в n₃-й ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν_n3=2^N-n3·Δν₁.

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, М выводных портов и М вводных портов были выполнены с помощью световодов.

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.1А - схема однокаскадного ИМЦ;

Фиг.1Б - условное изображение однокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.1А;

Фиг.2А - схема двухкаскадного ИМЦ;

Фиг.2Б - условное изображение двухкаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.2А;

Фиг.3А - схема многокаскадного ИМЦ, используемого для разделения каналов на нечетные и четные;

Фиг.3Б - условное изображение многокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.3А;

Фиг.4А - схема многокаскадного ИМЦ для объединения нечетных и четных каналов;

Фиг.4Б - условное изображение многокаскадного ИМЦ, показанного на Фиг.4А; Фиг.5А - схема управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода t-OADM;

Фиг.5Б - условное изображение управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода t-OADM, показанного на Фиг.5А;

Фиг.6А - схема управляемого оптического демультиплексора t-Demux;

Фиг.6Б - условное изображение управляемого оптического демультиплексора t-Demux, показанного на Фиг.6А;

Фиг.7А - схема управляемого оптического мультиплексора t-Mux;

Фиг.7Б - условное изображение управляемого оптического мультиплексора t-Mux, показанного на Фиг.7А;

Фиг.8 - схема многоканального OADM с динамической функциональностью согласно изобретению, используемого в режиме реконфигурируемого ввода/вывода, в котором используются t-OADM 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-OADM, t-Demux и t-Mux.

При этом прилагаемые чертежи и описанные варианты осуществления изобретения не ограничивают применение изобретения и не выходят за рамки настоящего 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.1А приведено схематичное изображение волноводного варианта однокаскадного ИМЦ 10, его условное изображение приведено на Фиг.1Б. 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 l₁ и l₂, соответственно. Коэффициенты связи k₁ 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 (LiNbO3) 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 c и d может быть выражена с помощью коэффициентов передачи К_ас(ν,φ) и К_аd(ν,φ):

где D=2πnΔLν/c - фазовая задержка, обусловленная разной оптической длиной

плеч 12-1 и 22-2; ΔL=l₁-l₂; n - показатель преломления материала; ν - 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 К_bс(ν,φ) и К_bd(ν,φ):

Рассматриваемые на каком-либо интервале частот v (длин волн А,), коэффициенты передачи (1)÷(4) становятся спектральными характеристиками однокаскадного ИМЦ. Как можно видеть, спектральные характеристики (1)÷(4) являются периодическими функциями частоты света ν (и длины волны λ), разности длин плеч ΔL, показателя преломления n 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 Δν и в единицах длин волн Δλ, равны:

и

- 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

K_ad(ν,φ)=К_bс(ν,φ) и К_ас(ν,φ)=K_bd(ν,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 Δν (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 n. Управляемая же перестройка положения экстремальных значений коэффициентов передачи относительно задаваемых частот {v_i} (или длин волн {λ₁}) 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 ΔL 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, В), 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.2А 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 k₁, 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 l_24-1 и l_24-2, соответственно. Второй однокаскадный ИМЦ 25 образован двумя волноводами 25-1 и 25-2 неравной длины l_25-1 и l_25-2, соответственно. Фазовые задержки D₁=2πn(l_24-1-l_24-2)/λ и D₂=2πn(l_25-1-l_25-2)/λ, связаны между собой соотношением: D₂=2·D₁.

В ИМЦ 24 и 25 используются устройства фазового сдвига 27 и 28, вносимые ими фазовые сдвиги - φ и ϕ, соответственно. Двухкаскадный ИМЦ имеет выводы а и b с одной стороны и выводы е и f 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(k_i)(i=1,2,3), которые связывают амплитуды света на входе и выходе с параметрами разветвителей:

а для двух однокаскадных ИМЦ 23 и 24 - матрицы T(D1) и T(D2):

и

Тогда матрица передач М(ν,φ,ϕ) двухкаскадного ИМЦ определяется произведением пяти матриц:

Так как коэффициенты пропускания двухкаскадного ИМЦ связывают оптические интенсивности на выходе с оптической интенсивностью на входе, то для их определения следует использовать выражения типа:

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.2А), группы с нечетными и четными каналами меняются местами на выходных портах е и f.

Расстояния между соседними экстремумами Δν и Δλ, в спектральных характеристиках также определяются выражениями (5), где ΔL - разность длин плеч в первом каскаде: ΔL=l_24-1-l_24-2. Cохраняется возможность управляемого сдвига спектральных характеристик, теперь уже с помощью двух фазовых сдвигов φ и ϕ. Чтобы сместить спектральные характеристики К_ае(ν,φ,ϕ) и К_af(ν,φ,ϕ) по оси частот на величину δv, необходимо с помощью соответствующих устройств фазового сдвига изменить фазы φ и ϕ:

и

Можно убедиться также с помощью (6)÷(9), что при вводе сигнала через порты е и f 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 f 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, В2), 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 k₁, k₂, k₃ в используемых двухкаскадных ИМЦ.

На Фиг.3А показан один из вариантов многокаскадного ИМЦ 30, который может использоваться для разделения нечетных и четных каналов; условное изображение многокаскадного ИМЦ приведено на Фиг.3Б.

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 I', 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 k, 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.4А 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 I, и во втором каскаде - двухкаскадный ИМЦ 44 типа I', 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 f. 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.5А, его условное изображение - на Фиг.5Б. Устройство 50 (далее - t-OADM 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 2. 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 «Оut».

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_i}=ν₁,ν₂,…,ν₈, а частотный интервалом между каналами на входе Δ=50 ГГц. Так как спектральный интервал между каналами весьма малый, то в качестве оптических фильтров следует использовать многокаскадные ИМЦ, показанные на Фиг.3А. Расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках трех оптических фильтров должны быть следующие: Δν_51-1=50 ГГц, Δν_51-2=100 ГГц и Δν_51-3=200 ГГц. Соответственно, разности длин плеч интерферометров в первых ступенях многокаскадных ИМЦ должны быть равны: ΔL_51-1=1000 мкм, ΔL_51-2=500 мкм, и ΔL_51-3=250 мкм (предполагается, что n=1,5).

Без потери общности предположим, что для одной из волн, пусть для волны ν₃, при некоторых фиксированных значениях фаз {φ∗_n}=φ∗_51-1,φ∗_51-2,φ∗_55-3 и {ϕ∗_n}=ϕ∗_51-1,

ϕ∗_51-2,ϕ∗_51-3 (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-OADM 50 при этих фазах {φ∗_n} и {ϕ∗_n} происходит следующим образом. Оптический фильтр 51-1 первой ступени разделяет каналы, поступающие во входной порт «In», на две группы - группу нечетных волн ν₁ ν₃, ν₅ и ν₇, которые направляются к оптическому фильтру 51-2 второй ступени, и группу четных волн ν₂, ν₄, ν₆ и ν₈, которые направляются к оптическому сумматору 52.

Процесс повторяется: сначала оптический фильтр 51-2 вновь делит волны и направляет волны ν₃ и ν₇ к оптическому фильтру 51-3 третьей ступени, а волны ν₁ и ν₅ к сумматору 52; третий оптический фильтр 51-3 делит приходящие к нему две волны ν₃ и ν₇. В результате выделяется волна ν₃, 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 ν'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 {φ_n} и {ϕ_n}. Например, чтобы перейти в режим ввода/вывода соседней волны V4, необходимо так изменить фазовые сдвиги: δφ_51-1=π, δφ_51-2=π/2, δφ_51-3=π/4 и δφ_51-1=2π, δφ_51-2=π, δφ_51-3=π/2.

Если же на вход мультиплексора начинают поступать сигналы, новые частоты каналов которых {ν'_i} все сдвинуты на величину δν<Δν₁=50 ГГц, то есть ν'_i=ν_i+δν, 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 {ϕ∗_n}. Например, для того чтобы при сдвиге частот каналов на величину δν=12,5 ГГц произвести ввод/вывод волны ν'₃, необходимые изменения фаз должны быть: δφ_51-1=-π/8, δφ_51-2=-π/16, δφ_51-3=-л/32 и δφ_51-1=-π/4, δφ_51-2=-π/8, δφ_51-3=-π/8.

В общем случае функциональное устройство, используемое в настоящем изобретении как t-OADM, может отличаться от t-OADM 50 числом ступеней N₁ в многоступенчатой структуре, спектральным интервалом между соседними каналами на входе Δν, а также типом используемых оптических фильтров. При этом для оптических фильтров n₁-й ступени при n₁=1,2,…N₁ расстояния между соседними экстремумами в спектральных характеристиках должны устанавливаться следующим образом:

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-OADM 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 Δν=F. Аналогично через порт «Add» могут быть введены несколько новых канал, частоты которых совпадают с частотами выводимых каналов, а спектральный интервал между каналами равен Δν=F.

Для t-OADM 50, предназначенного для выделения одного канала из множества каналов со спектральным интервалом между каналами на входе Δν и имеющего многоступенчатую структуру с числом ступеней N₁ область свободной дисперсии F есть:

Схема используемого управляемого оптический демультиплексор 60 (далее - t-Demux 60) согласно настоящему изобретению приведена на Фиг.6А, условное изображение его показано на Фиг.6Б.

При этом t-Demux 60 имеет также трехступенчатую структуру типа «дерево». 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 Σ_Demux используется как входной, восемь портов С1÷С8 - для индивидуального вывода каналов. Соединен