专利名称：波长选择设备和开关及其方法
技术领域：
本发明涉及光传输技术，特别是用于电信和数据通信的单模式集成光学。更明确地，本发明涉及一种波长选择设备、开关以及因此的方法。
波长路由的几个不同的原理在文献中已知。
N.Takato等人在128-Channel Polarization InsensitiveFrequency-Selection-Switch Using High-Silica Waveguides onSi(使用在硅上的高二氧化硅波导的128信道极化钝感频率选择开关)(IEEE Photon.Tech.Lett.，第2(6)卷，第441-443页，1990年6月)中描述了依赖不对称级联耦合马赫-曾德干涉仪(MZI)的波长选择开关的原理。因此，可以实现1-N开关，其中，在N个等距分开的波长处的光信号可以被耦合在N个输出之间，然而却没有完全彼此独立。
J.-P.Weber等人的出版物A new type of tunabledemultiplexer using a multileg Mach-Zehnder interferometer(一种使用多路径马赫-曾德干涉仪的新型可调去复用器)(Proc.ECIO’97 EthE5 Stockholm(斯德哥尔摩)，第272-275页，1997年)展示了一个MMIMZI设备(多模式干涉马赫-曾德干涉仪)，其可以被用于循环的波长选择路由。
T.Augustsson的Bragg grating assisted MMIMI coupler forwavelength selective switching(用于波长选择开关的布拉格光栅辅助的MMIMI耦合器)(Electron.Lett.，第34(25)卷，第2416-2418页，1998年)以及WO98/39686描述了一种提供完整信道独立路由的MMIMIBg设备(布拉格光栅辅助的多模式干涉迈克尔逊干涉仪)。
K.Okamoto等人在16 channel optical add/drop multiplexerusing silica-based arrayed-waveguide gratings(利用基于二氧化硅的阵列波导光栅的16信道光分插多路复用器)(Electron.Lett.，第31(9)卷，第723-724页，1995年)中讨论了一种基于AWG的配置(AWG，阵列波导光栅)，利用它，原则上可以实现独立路由。
通常，上述已知技术的问题包括大功率损耗、难以把信道串话保持在一个可接受的低电平以及例如由干涉效应引起的各个信道之间的功率变化。提供颇佳性能的那些配置都与由于巨大的和/或复杂的结构所引起的高费用相关。
特别地，下列缺陷对前述各种技术来说是真实的。根据N.Takato的技术呈现出锐利的通带，例如它可能会引起功率损耗。利用根据J.-P.Weber的技术，只能实现非常窄的串话性能优良(即，低串话)的区域。这原则上是可补偿的，但是需要复杂的干涉电路来在设备的马赫-曾德臂中获得一个非线性的相位响应。根据T.Augustsson的技术，如果许多信道要被处理，则需要一个大型电路。即使该技术后面的理论指示低串话，但是例如与处理相关的散射效应可能增加串话。该设备或许对关于串话的散射损耗特别灵敏，因为该成分是基于长迈克尔逊干涉仪臂中的反射。最后，K.Akamoto所描述的技术需要大的芯片表面。此外它呈现出锐利的通带，其可以被大功率的损耗花费来补偿。
本发明的另外一个目的是提供一个或多个上述类型的高性能设备，优选地，用于一个具有关于包含在波长复用光信号中的波长信道实现完全独立路由的可能性的开关中。
因此，本发明的一个特定目的是提供一个或多个设备，用于实现没有与已知技术相关的一个或多个缺点的开关。
按照本发明的第一方面，提供一种设备，用于对包含在波长复用光信号中预确定波长的一个信号进行波长选择相位控制，所述设备包括一个输入端口，用于输入波长复用光信号；一个分离装置，用于把输入的波长复用光信号分离成为预确定波长的信号和基本上包括在多路复用中的其它波长的信号；一个相位控制装置，用于对两个分离的信号之一进行相位控制；一个合并装置，用于把分离的相位控制信号和另外一个分离的信号合并从而得到一个波长复用波长选择相位控制的光信号和一个输出端口，用于输出该波长复用波长选择相位控制的光信号。
优选地，该设备也包括各自分离信号的一个波导，其每一个连接在分离装置各自的输出端口与合并装置各自的输入端口之间，因此相位控制元件被安排在这些波导之一上。优选地，按照对于分离信号基本上相等的传播距离来安排本发明的设备。
分离装置和/或合并装置可以由一个布拉格光栅辅助的MMI结构(MMI，多模式干涉)或一个布拉格光栅辅助的MMIMZI结构(MMIMZI，多模式干涉马赫-曾德干涉仪)构成。
可替代地，分离装置和合并装置可以由同一结构构成，因此该设备包括一个反馈装置，用于引导两个分离信号之一从所述结构中通过用于相位控制的相位控制元件并回到所述结构去。
在这种情况下，所述结构最好包括一个耦合器，该耦合器连接到装备有布拉格光栅的两个波导上，在此，所述耦合器被安排来用于输入波长复用光信号并输出所述波长复用光信号到装备有布拉格光栅的两个波导中，在此，布拉格光栅被安排来用于通过反射其中一个信号而发射另外一个信号来把信号分离成为预确定波长的信号和基本上包括多路复用中的剩余波长的信号，所述反馈装置被安排来用于引导发射信号从所述结构中通过用于相位控制的相位控制装置并回到所述结构去，所述布拉格光栅还被安排来用于通过返回相位控制信号的发射来合并分开的信号，而所述耦合器还被安排来用于接收合并的波长复用波长选择相位控制光信号以及用于在该设备的输出端口处输出同一光信号。
反馈装置可以包括另外一个耦合器和一个波导环路，用于引导发射信号通过用于相位控制的相位控制装置并返回到该耦合器，因此，此另一个耦合器被安排来用于输入通过布拉格光栅发射的信号，用于在所述波导环路中输出同一信号，用于连接通过相位控制装置引导的相位控制信号，以及用于在装备有所述布拉格光栅的所述波导中输出同一信号。
所有的耦合器最好由MMI波导结构构成，但是可替代地，它们可以由定向耦合器构成。
可替代地，该反馈装置包括装备有布拉格光栅的波导的一部分以及用于把发射信号反射回到装备有布拉格光栅的波导的一个反射装置。在这方面中，该相位控制装置包括位于装备有布拉格光栅的波导各自延伸中的两个相位控制元件。在这里反射装置可以由用于全反射的结构或者用于发射信号反射的一个布拉格光栅的结构来构成。
在替换实施例中，分离装置和/或合并装置可以包括一个光环行器或一个Y耦合器。
在分离和合并装置中的布拉格光栅可以被安排来反射预确定波长的信号或者发射预确定波长的信号。
优选地，相位控制装置被安排来用于对预确定波长的信号进行相位控制。
该设备还可以包括至少一个相位调制装置，用于对波长复用光信号进行波长选择相位调制。
此外，本发明包括一个开关，用于切换包含在波长复用多信道光信号中的至少一个波长信道，其包括上述类别和为所述波长信道调整的至少一个设备。
优选地，该开关包括一个干涉电路，特别是一种马赫-曾德干涉仪结构。
本发明的另外一个目的是提供至少一种对包含在波长复用光信号中预确定波长的信号进行波长选择相位控制的方法。
按照本发明的另外一个方面，因此提供一种方法，包括接收波长复用光信号；把接收的波长复用光信号分离成为预确定波长的信号和基本上包括多路复用中剩余波长的一个信号；对两个分离信号的至少一个进行相位控制；把分离相位控制信号和其它分开的信号合并从而获得一个波长复用波长选择相位控制的光信号；以及把该波长复用波长选择相位控制的光信号输出到一个波导中。
从下列说明中，本发明另外的目的将变成显而易见。
本发明的一个优点是当利用一个或多个本发明的波长选择相位控制设备来实现那些开关时将获得有非常灵活功能的那些开关。
本发明的另一个优点是相对于已知开关，它提供了一种优良的可能性来实现改良性能的开关。
本发明的另外一个优点是相比较于已知技术，它在其些方面呈现出更多系统容忍性质。
从下列说明中，本发明另外的优点将变成显而易见。
图1a示意性地说明了根据本发明第一实施例的一种波长选择相位控制设备，图1b示意性地说明了所述相位控制设备的相位响应，而图1c说明了所述相位控制设备的MMIMZI结构中的频率分离。
图2a示意性地说明了根据本发明第二实施例的一种波长选择相位控制设备，图2b示意性地说明了所述相位控制设备的相位响应，而图2c说明了所述相位控制设备的MMIBg结构中的频率分离。
图3a示意性地说明了根据本发明第三实施例的波长选择相位控制设备，图3b示意性地说明了所述相位控制设备的相位响应，而图3c说明了所述相位控制设备的相移布拉格光栅中的频率分离。
图4a示意性地说明了根据本发明第四实施例的一种波长选择相位控制设备，图4b示意性地说明了所述相位控制设备的相位响应，而图4c说明了所述相位控制设备的相移布拉格光栅中的频率分离。
图5a示意性地说明了根据本发明第五实施例的一种波长选择相位控制设备，图5b示意性地说明了所述相位控制设备的相位响应，而图5c说明了所述相位控制设备的布拉格光栅中的频率分离。
图6a示意性地说明了根据本发明第六实施例的一种波长选择相位控制设备，图6b示意性地说明了所述相位控制设备的相位响应，而图6c说明了所述相位控制设备的布拉格光栅中的频率分离。
图7a示意性地说明了根据本发明第七实施例的一种波长选择相位控制设备，图7b示意性地说明了所述相位控制设备的相位响应，而图7c说明了所述相位控制设备的布拉格光栅中的频率分离。
图8示意性地说明了根据本发明第八实施例的包括八个本发明类型A波长选择相位控制设备的一种八信道1×2开关。
图9示意性地说明了根据本发明第九实施例的包括十二个本发明类型A波长选择相位控制设备的一种四信道4×4开关。
图10示意性地说明了根据本发明第十实施例的包括八个本发明类型B波长选择相位控制设备的一种四信道1×2开关。
图11示意性地说明了根据本发明第十一实施例的包括十二个本发明类型B波长选择相位控制设备的一种四信道4×4开关。
图12示意性地说明了根据本发明第十二实施例的一种波长选择相位控制和调制设备。
最佳实施方式在下列说明中，为了解释而非限制的目的，阐明了具体的细节，比如特定的应用、技术、方法等等，以便提供对本发明的全面理解。可是，对本领域技术人员来说很明显，本发明可以被实践在偏离这些具体细节的其它实施例中。在其它实例中，熟知的方法、协议、装置或者电路的详细描述被省略以使本发明不会因为不必要的细节而不清楚。
本发明包括早先已知的若干组件功能的一种新的和发明性的组合，比如光的分离、滤波、合并、反射和发射，因此在本发明不同的实施例中利用不同的组件。
因此按照本发明的由一个设备构成的第一方面，本发明被称为WSPTC(波长选择相位调谐电路)，用于对包含在波长复用光信号中预确定波长的信号进行波长选择相位控制。下列部分被包含在该设备中。
°一个输入端口，用于输入波长复用光信号。
°一个分离装置，用于把输入的波长复用光信号分离成为(1)预确定波长的信号(去复用波长信道)和(2)基本上包括在多路复用中的剩余波长(剩余的多路复用)的信号。典型的分离装置由装备有布拉格光栅的设备构成。
°一个相位控制元件，用于对两个分离信号之一进行相位控制。优选地，去复用波长信道被相位控制，但是，剩余的多路复用也可被相位控制，或者可替代地两个信号都可以被相位控制。
°一个合并装置，用于合并分离的相位控制信号和另外一个分离信号(或者也被相位控制)以便获得一个波长复用波长选择相位控制光信号。典型的合并装置也由装备有布拉格光栅的设备构成。优选地，两个分离信号被安排以便在分离和合并设备之间传播一个完全一样远的距离，但是该距离当然可以不同，这将在下面详细描述。
°一个输出端口，用于输出波长复用波长选择相位控制光信号。
本发明的功能因此能够影响一个波长信道的相位而不必影响周围其它信道的相位。两种不同的功能类型可以被识别。
第一种类型(称为类型A)是优选的。它具有一个带有将被相位控制的波长微可变阶跃的相位响应。重要的是在f≈fi处的相位响应具有与在f≠fi处的相位响应相同的斜率，即，dΦ(f≈fi)df≈dΦ(f≠fi)df]]>在此，Φ(f)是相位响应，即，作为频率f的一个函数的光相位，而fi是相应于预确定波长的频率，即，去复用波长信道。这类型特别适合于实现1×2和2×2开关(WSS，波长选择开关)，因为对于每个信道只需要一个WSPTC。
另外一种类型(称为类型B)，具有一个带有将被相位控制的波长相对大相位阶跃的相位响应。此阶跃的一部分是变量(常常是一个微小的部分)，这是考虑到波长的相位控制。对于相位响应保持dΦ(f≈fi)df≠dΦ(f≠fi)df]]>如果马赫-曾德类型的开关(在下面详细描述)要被设计使用这类设备，则对于每个信道和每个马赫-曾德臂，需要一个设备(WSPTC)，即，对于1×2和2×2开关，需要两倍数量的类型A。
然而，通常为类型B的一些设备可以被设计(例如利用啁啾布拉格光栅(chirped布拉格光栅))以便它们满足按照类型A的标准。
理论上通过使用下列基本组件，波长选择相位控制设备可以被实现为将在本发明各种实施例中所描述的那样°一个MMI波导或耦合器结构(MMI，多模式干涉)被用于光分离。例如在L.B.Soldano和E.C.M.Pennings的Optical Multi-ModeInterference Devices Based on Self-ImagingPrinciples andApplication(基于同一图像的光多模式干涉设备原理和应用)(J.Light wave Technol.，第13(4)卷，第615-627页，1995年)中及其中的参考书目中可以找到这一点的理论。
光的MMI分离导致输入强度分布的多图像。MMI结构的长度/宽度关系决定图像的数量，它具有某一相互的相位关系，这取决于刺激光的接入波导。
°一个布拉格光栅被用于光的滤波。在这里，两种类型的布拉格光栅被使用1.一种结构，其反射一个窄的光谱带(一个波长信道)，而频谱的剩余成分(剩余信道)相对未受干扰地通过布拉格光栅被发射。该滤波轮廓可以通过强度、长度以及可变周期性(所谓的光栅啁啾)来调制。
2.一种结构，其发射一个窄频带(一个波长信道)，而频谱的剩余成分(剩余信道)通过布拉格光栅被反射。
理论上在G.P.Agrawal和S.Radic的Phase-shifted FiberGratings and their Application for Wavelength Demultiplexing(相移光纤光栅及其波长去复用的应用)(IEEE Photon.Tech.Lett.，第6(8)卷，第995-997页，1994年8月)中可以找到用于波长去复用的布拉格光栅的全面描述。
°一个MMIBg结构(MMIBg，布拉格光栅辅助的多模式干涉)原则上获得固定的分插多路复用的功能。在T.Augustsson的Bragg gratingassisted MMI coupler for add-drop multiplexing”(用于分插多路复用的布拉格光栅辅助的MMI耦合器)(J.LightwaveTechnol.，第16(8)卷，第1517-1522页，1998年)中可以找到这一点的理论。MMIBg结构或者耦合器是这种元件的示例，即，借助于该元件，可以执行波长选择相位控制，参见在下面参考图2的详细描述。对于本发明的实现很重要的是可以使用平面波导技术而不必需要任何微调来制成此元件，利用MMIBg结构这应该是完全可能的。
°一个相位控制元件是积极影响(控制)光相位所需要的一个元件。这里有好几种类型的相位控制元件。这些元件的基础是通过一个外部的电源信号(电压、电流等等)来影响光波长。为此目的，影响(控制)相位的最佳方式或许是使用一个热光元件，即，通过温度来影响波导中的折射率(和通过其的光程长度)——至少关于材料系统SiO2/Si。通过把一个电场应用在波导之上以一种类似的方式也可以影响一些波导，即电光地影响折射率。
现在参考图1-7，将更详细地描述用于波长选择相位控制的本发明设备(WSPTC)的七个不同实施例。这些之中，如图1-2所示开头两个是类型A，而如图3-7所示后续五个是类型B。后者中的一些可能可以被修改为类型A(例如通过啁啾布拉格光栅)。
现在参见图1a，它示意性地说明了根据本发明的波长选择相位控制设备10，分离装置由所谓的布拉格光栅辅助的MMIMZI结构(MMIMZI，多模式干涉马赫-曾德干涉仪)11构成，该布拉格光栅辅助的MMIMZI结构包括通过称为马赫-曾德波导或马赫-曾德臂的两个波导17、19连接到第二MMI波导15的第一MMI波导或耦合器13，该两个波导17、19装备有相同设计的布拉格光栅21、23。MMI波导13具有一个输入端口25和两个输入/输出端口29、31，输入端口25用于输入在称为接入波导的波导27中发射的波长复用光信号，两个输入/输出端口29、31用于把波长复用光信号输出到两个波导17、19中，每个波导中的强度最好相等。布拉格光栅被安排来反射一个称为λi或fi的预确定波长信道，并发射剩余的波长信道。反射的波长信道因此被反馈到MMI波导13中并还通过输出端口33被馈送到称为连接波导的波导35中，通过用于相位控制的相位控制元件37，还馈送到合并装置。通过布拉格光栅21、23发射的波长信道通过输入端口39、41被馈送给另外一个MMI波导15通过输出端口45被进一步馈送到连接波导43。马赫-曾德臂17、19可以装备有用于微调的微调或调整设备47、49，特别是用于补偿在制造过程中不可避免的变化。
合并装置也由一个布拉格光栅辅助的MMIMZI结构51构成，该布拉格光栅辅助的MMIMZI结构包括通过两个马赫-曾德波导57、59连接到第二MMI波导55上的第一MMI波导53，这两个马赫-曾德波导57、59装备有类似的布拉格光栅61、63。第一MMI波导53有一个输入端口65，连接波导45被连接到其上。由分离装置11反射且由相位控制元件37进行相位控制的波长信道因此通过端口65被馈送并经由输入/输出端口67、69被馈送到两个波导57、59中，在每个波导中强度最好相等。布拉格光栅61、63被安排来反射同一预确定波长信道和发射剩余的信道。优选地，所有的布拉格光栅21、23、61、63是同种类型。波长信道λi因此被反馈到MMI波导53中并通过输出端口71还被馈送到波导73中。
合并装置的第二波导55也装备有输入端口75，发射剩余波长信道的连接波导43被连接到其上。因此，剩余波长信道被馈送到MMI波导55中并通过输入/输出端口77、79被馈送到两个波导57、59中，每个波导的强度最好相等。布拉格光栅61、63发射这些波长信道，以使它们最好叠加反射信道λi。剩余的波长信道和预确定波长信道λi通过输出端口71被反馈到端口67、69和波导73中。
同时，马赫-曾德臂57、59可以装备有用于微调的微调设备81、83。
优选地，该设备是互易的，如果波长复用光信号在端口71被输入则它以同样的方式工作，因此复用波长选择相位控制光信号通过端口25被输出。该设备能够同时在同一波导中以相反的方向用于发射光信号的操作，特别是如果以相反的方向发射的信号使用不同的非重叠波长带或窗口的话。
优选地，连接波导35和43具有这样一种相互的长度关系反射和发射信号分别具有通过该设备的相同光程长度。
图1b示意性地说明了如图1a所示的相位控制设备的相位响应。通过相位控制波长信道和剩余的波长信道通过该设备传播相同距离的这一事实，可获得一种带有将被相位控制的波长微可变阶跃的完全线性相位响应。最后，图1c示出了MMIMZI结构11、51的频率分布，即，作为以毫微米为单位的波长的函数而以分贝为单位的发射和反射特性T、R。
类型A的WSPTC设备10应该呈现优良的滤波性能。然而，通过该设备的所有信道的一个长距离引起损耗和不稳定性问题。除了相位控制信道之外的所有信道经过两个布拉格光栅部分，这可能会引起损耗问题——特别是对于系统中较短的波长。可能需要用于MMI波导中的反射信道强度以及发射信道强度的正确聚焦的微调。这可能将难以在大以及复杂的配置中实现。
接下来参考图2a，它示意性地说明了根据本发明第二实施例的一种波长选择相位控制设备100，分离装置和合并装置都由所谓的MMIBg结构101、103构成。这些结构具有在目前情况中等同于图1a中布拉格光栅辅助的MMIMZI结构11、51的功能。因此，MMIBg结构101包括一个输入端口105和两个输出端口107、109而MMIBg结构103包括两个输入端口111、113和一个输出端口115。在其上安排了一个相位控制元件119的连接波导117被相互连接在端口107和111之间而另一连接波导121被相互连接在端口109和113之间。
通过一个接入波导123把一个波长复用光信号馈送到端口105中。在MMIBg结构101中，此信号被分成在端口107被输出的预确定波长λi(去复用波长信道)的一个信号和在端口109被输出的包括多路复用中剩余波长(剩余波长信道)的一个信号。预确定波长的信号通过波导117从端口107中被发射并通过了用于相位控制的相位控制元件119通过端口111到达MMIBg结构103。包括多路复用中剩余波长的信号通过波导121从端口109发射、通过端口113到MMIBg结构103。MMIBg结构103把分开的信号带到一起并通过输出端口115把一个波长选择相位控制光信号馈送到一个波导125中。
图2b示意性地说明了如图2a所示的相位控制设备的相位响应。一种带有将被相位控制的波长λi微可变阶跃的完全线性相位响应被获得。图2c示出了MMIBg结构101、103的频率分布，即，作为以纳米为单位的波长的函数而分别以分贝为单位的发射和反射特性T、R。
WSPTC设备100是类型A并且不需要微调。类似图1a中的设备，它具有通过该设备的所有信号的一个长距离，这可能会导致损耗和不稳定性问题。除了相位控制信道之外的所有信道经过两个布拉格光栅部分，这可能还会引起损耗问题——别是在较短的波长处。该设备具有更差的滤波性能(图2c)，当很近压缩的信道将被处理时这可能会成为一个限制因素。此外，MMIBg原理主要用于低对比度的波导，而在下面描述的整个开关概念主要适合于高对比度波导。
接下来参考图3a，它示意性地说明了根据本发明第三实施例的一种波长选择相位控制设备200，分离装置和合并装置都由同一结构201(它是一个布拉格光栅辅助的MMIMZI结构)构成，例如等同于如图1所示的结构11或51，除了布拉格光栅被相移即具有反向的发射和反射特性之外。该结构包括通过马赫-曾德波导结构207连接到第二MMI波导205的第一MMI波导203，该马赫-曾德波导结构207包括带有布拉格光栅和可能微调元件的两个波导。
MMI波导203具有用于输入在接入波导211中发射的波长复用光信号的一个输入端口209和波导215连接到其上的一个输出端口213。装备有相移布拉格光栅的马赫-曾德波导结构207被安排来发射波长信道λi并反射剩余的波长信道。被安排来接收发射波长信道的第二MMI结构205，包括连接到连接波导223的两个输入/输出端口217、219，在连接波导223处安排了一个相位控制元件221。因此通过两个输入/输出端口217、219之一或另外一个(就是说的217)馈送发射波长信道，通过波导环路223，因此相位可以被相位控制元件221来控制并通过端口219、217的另外一个(就是说的219)回到MMI结构205。然后把相位控制信道馈送到马赫-曾德波导结构207并通过同一结构被发射以便与反射波长信道叠加或复用，随后波长选择相位控制光信号通过MMI结构203被馈送并通过端口213被输出在波导215中。
图3b示意性地说明了如图3a所示的相位控制设备的相位响应。一种位带有将被相位控制的波长λi相对大阶跃的线性相响应被获得。此阶跃的一小部分是变量，它意味着波长信道可以被相位控制。图3c示出了在马赫-曾德波导结构207中相移布拉格光栅的频率分布，即，作为以纳米为单位的波长的函数而分别以分贝为单位的发射和反射特性T、R。
该设备是类型B。此第三实施例的一个优点是除了相位控制信道之外的所有信道通过该设备而传播一个短路径。优良的滤波性能可能难以实现。在该设备中可能需要分别正确聚焦反射和发射效应的微调，这可能难以在大而复杂的配置中实现。该设备配置对相移布拉格光栅提出高要求，它意味这里应该需要设计能够处理大系统带宽的优良布拉格光栅的可能性。或者，该光栅可以装备有某些类型的啁啾。
现在参见图4a，根据本发明第四实施例的波长选择相位控制设备300被描述，其中，分离装置和合并装置由包括连接到一对波导305的MMI波导303的同一结构301构成，波导305装备有相移布拉格光栅或者带有微调元件。MMI波导还包括用于连接到波导309的输入端口307和用于连接到波导313的输出端口311。正如从MMI波导303中看到的，除了布拉格光栅以外，所述一对波导305还装备有相位控制元件315、317(每个波导一个)，以及仍然从MMI波导303中看到，在这对波导的远端处装备有一个镜面319或用于全反射的其它结构。
MMI波导303被安排用于通过端口307输入波长复用光信号并用于在马赫-曾德波导结构305中输出信号。装备有相移布拉格光栅的这对波导305被安排来发射波长信道λi并反射剩余的波长信道。相位控制元件315、317(优选地，它们是类似的)被安排用于控制发射信号的相位。镜面319被安排用于把发射信号反射回到布拉格光栅和MMI波导303，因此相位控制信道通过布拉格光栅被发射并与反射波长信道叠加或复用。最后，所获得的波长选择相位控制光信号通过MMI结构303被馈送并通过端口311输出在波导313中。
图4b示意性地说明了如图4a所示的相位控制设备的相位响应。一种带有将被相位控制的波长λi微阶跃的线性相位响应被获得(然而，此阶跃比使用图3a中说明的设备所获得的阶跃更小)，其一部分是变量，其结果造成波长信道可以被相位控制。图4c示出了相移布拉格光栅的频率分布，即，作为以纳米为单位的波长的函数而以分贝为单位的发射和反射特性T、R。
此类型B设备的一个优点是除了相位控制信道之外的所有信道通过该电路而传播一个短路径。优良的滤波性能可能难以实现。相位控制信道的微调可以通过平衡相位控制元件315、317来完成。可能需要反射信道的微调，这可能难以在大而复杂的结构中实现。与前面的实施例中一样，对于布拉格光栅增加了相同的需要。全反射结构的实现可能难以实现。
图5a示出了根据本发明第五实施例的波长选择相位控制设备400，其等同于第四实施例——除了被安排来反射相位控制信号的布拉格光栅419替换了镜面319之外。剩余组件具有相同的参考数字并且起到与如图4a所示的组件相同的作用。
图5b示意性地说明了如图5a所示的相位控制设备的相位响应。一种带有被控制的波长λi微阶跃的线性相位响应被获得，其一部分是变量，这使得波长信道能够被相位控制。图5c示出了布拉格光栅419的频率分布，即，作为以纳米为单位的波长的函数而分别以分贝为单位的发射和反射特性T、R。包含在一对波导305中的相移布拉格光栅的频率分布等同于如图4c所示的那一个。
相比较于如图3a和4a所示的设备，这个设备对相移布拉格光栅提出多少更低的要求。滤波性能或许更好。
图6a示出了根据本发明第六实施例的波长选择相位控制设备500，除了镜面319被布拉格光栅419(被安排来反射控制信号)替换以及一对波导305的相移布拉格光栅被各自波导中的高通类型503与低通类型505的布拉格光栅分别替换之外，其等同于第四实施例，它们一起被安排来发射一个波长信道λi以及反射剩余的波长信道。剩余组件与如图4a所示的那一个具有相同的参考数字并且起到相同的作用。
图6b示意性地说明了如图6a所示的相位控制设备的相位响应。一种带有将被相位控制的波长λi微阶跃的相位响应被获得，其一部分是变量，这结果造成波长信道可以被相位控制。此外，在被高通光栅503反射的信道与被低通光栅505反射的信道之间的一个固定阶跃被获得并且被各自光栅分开的物理位置所导致。图6c示出了布拉格光栅的频率分布，即，作为以纳米为单位的波长的函数而分别以分贝为单位的发射和反射特性T、R。高通503和低通505类型的布拉格光栅分别可以是传统类型并呈现出类似的然而却是波长的下移以及上移和有更宽反射频带的发射和反射特性。
相比较于如图3a、4a和5a所示的设备，这个设备对相移布拉格光栅结构提出更低的要求。可能需要被高通光栅和低通光栅反射的信道的分开微调以便把光正确地聚焦在MMI波导303中。
图7a示出了根据本发明第六实施例的波长选择相位控制设备600，除了关于下列各点之外，其等同于第三实施例。在马赫-曾德波导结构207中的布拉格光栅被替换为传统布拉格光栅603，其反射一个波长信道λi并发射剩余的波长信道。因此，除了λi之外所有的波长信道通过MMI波导205和通过装备有相位控制元件221的波导环路223来传播，因此除了λi之外所有的波长信道被相位控制。在端口213处的输出多路复用信号包括除λi外都被相位控制的波长信道。通过安排对完整的多路复用信号进行相位控制的另外一个相位控制元件605，相位响应可以被纠正以使获得根据如图7b所示的一个相位响应。
图7b因此示意性地说明了如图7a所示的相位控制设备的相位响应。一种带有将被相位控制的波长λi阶跃的线性相位响应被获得，其一部分是变量，这结果造成波长信道可以被相位控制。图7c示出了布拉格光栅603的频率分布，即，作为以纳米为单位的波长的函数而分别以分贝为单位的发射和反射特性T、R。
利用类型B的此设备，避免了难以实现的相移布拉格光栅。可是，有一个缺点是除了相位控制信道之外的所有信道通过该设备传播一个很长的距离并通过了两个布拉格光栅部分，这可能会引起损耗问题——特别是在该系统中的较短波长处。可能需要微调。
可替代地，应该利用包括一个光环行器和/或一个Y耦合器(在该图中未示出)的分离装置和/或合并装置来实现波长选择相位控制的设备。
波长选择开关可通过利用根据本发明七个第一实施例中的任何一个或多个波长选择控制器WSPTC来获得。
为了实现一个基于这种设备的波长选择开关WSS，优选地，需要一个干涉电路。马赫-曾德干涉仪(MZI)应该是特别适合的。
优选地，根据本发明用于波长选择的一个开关结构包括两个耦合器，它们与装备有一个或多个上述波长选择控制器的被称为马赫-曾德波导或马赫-曾德臂的至少两个波导相互连接。耦合器之一被安排来把输入光信号输入到波导而第二耦合器被安排用于根据光信号各自的相位来从开关中输出光信号，光信号各自的相位被一个或多个波长选择相位控制设备所控制。
图8-11从而示出四种不同的MZI/WSPTC结构，其中图8和9示出在此类型A的WSPTC被利用的配置，而图10和11示出在此类型B的WSPTC被利用的配置。注意，WSPTC被缩写为图8-11中的PC机。
现在参见图8，根据本发明第八实施例的一个马赫-曾德类型的八信道1×2开关610被描述，它包括类型A的八个发明的波长选择相位控制设备611-618。该开关包括第一MMI波导620和第二MMI波导630，第一MMI波导620装备有用于输入多路复用信号的输入端口622和两个输出端口626、628；第二MMI波导630装备有两个输入端口632、634和两个输出端口636、638。两个马赫-曾德波导640、642被相互连接在第一MMI波导的输出端口626、628与第二MMI波导的输入端口632、634之间。MMI波导装备有八个波长选择可控设备，其每一个都被安排用于控制各自的波长信道λ1，…，λ8。在示出的实施例中，四个设备被安排在上端的马赫-曾德臂620中而四个被安排在低端的马赫-曾德臂630中，但是没有什么阻止以其它方式安排它们，因为每一臂和每一信道有一个设备，这已完全足够了。为了将设备的大小减到最少，优选地，四个设备被安排在每个臂中。
通过控制设备611-618各自信道的相位，MMI波导630可以被安排(控制)来在端口636或在端口638处输出各自的波长信道。因此，获得在输入多路复用信号中的八个波长信道的完全独立切换。
接下来参考图9，描述了根据本发明第九实施例的四信道4×4开关660，其包括类型A的十二个发明的波长选择相位控制设备。
开关660包括第一MMI波导662和第二MMI波导664，第一MMI波导662装备有四个输入端口和四个输出端口；第二MMI波导664也装备有四个输入端口和四个输出端口。在MMI波导之间安排四个平行的马赫-曾德臂。设备660用于把在第一MMI波导662的输入端口处输入的四个波长信道切换到另外一个MMI波导664处的四个输出端口。每个马赫-曾德臂包括用于控制三个不同波长信道的三个设备。因此，该臂包括(从上面计数)用于控制信道2、3和4的设备，用于控制信道1、3和4的设备，用于控制信道1、2和4的设备，以及用于控制信道1、2和3的设备。相位控制和MMI波导664被安排来以便保证这四个波长信道的完全独立切换。
图10示意性地说明了根据本发明第十实施例的一种四信道1×2开关670，其包括八个本发明类型B的波长选择相位控制设备。
开关670包括第一MMI波导672和第二MMI波导674，第一MMI波导672装备有一个输入端口和两个输出端口；第二MMI波导674被装备有两个输入端口和两个输出端口。在MMI波导之间安排两个平行的马赫-曾德臂。设备670用于把在第一MMI波导672的输入端口处输入的四个多路复用波长信道切换到另外一个MMI波导674处的两个输出端口。每个马赫-曾德臂包括用于控制每个各自波长信道的四个设备。相位控制和MMI波导674被安排以使实现这四个波长信道的完全独立切换。因为该设备是类型B，所以对于每个信道和每个臂需要一个设备。
图11示意性地说明了根据本发明第十一实施例的一种四信道4×4开关680，其包括十六个本发明类型B的波长选择相位控制设备。该开关具有与如图9所示的开关相同的作用，但是因为类型B的设备被利用，所以为了一个正确的功能，需要四个以上的设备。
设备680因此包括第一MMI波导682和第二MMI波导684，第一MMI波导682装备有四个输入端口和四个输出端口；第二MMI波导684也装备有四个输入端口和四个输出端口。在MMI波导之间安排四个平行的马赫-曾德臂。正如在如图9所示设备的情况下，设备680用于把在第一MMI波导682的输入端口处输入的四个波长信道切换到第二MMI波导684的四个输出端口。每个马赫-曾德臂在此包括用于控制四个不同波长信道的四个设备。相位控制和MMI波导684如上被安排来使得保证这四个波长信道的完全独立切换。
这些开关结构原则上可以被扩大以便处理N个波长，在此，N可以被任意地选择。当然，这里有一个实际的限制所有的波长信道必须存在于MMI波导的带宽内部。一个开关应该处理的信道越多，则越需要更大的结构，因此也获得越大的损耗。
图12示出了根据本发明第十二实施例的波长选择相位控制和调制设备700，除了下列各方面之外，其等同于这发明的第五实施例。在相位控制元件和被安排来反射控制信号的布拉格光栅419之间，在每一波导处被安排了各自的强度调制元件703、705。其它组件同图5a所示的那一个具有相同的参考数字并且起到相同的作用。强度调制元件703、705例如可以被实现为电光开关，其每一个包括一个MMIMZI结构和一个电光的相位调制元件。
利用这个配置，波长选择空间开关和波长选择调制可以彼此无关地被实现。当然，本发明实施例1-7的任何实施例可以以类似的方式被修改来实现波长选择调制。
通过把根据第十二实施例的一个或多个设备安排在开关中，例如安排在类似于本发明实施例8-11的开关中，则获得完全独立的开关以及调制。
按照本发明的另外一个方面，包括一种方法，用于对波长复用光信号中的波长信道进行波长选择相位控制。该方法通常包括该信号被接收并被分成所述波长信道和包括多路复用中剩余波长信道的一个信号；至少一个分开的信号被相位控制；把分开的相位控制的信号和其它分开的信号合并以便实现波长复用波长选择相位控制光信号。
该方法可以还包括在上面参考不同实施例所描述的可选步骤。
优选地，通过使用平面波长结构并且在一些单片半导体系统或如硅元素上二氧化硅的电介质波导系统中，可以把分别根据本发明的设备和开关制成集成在一个芯片上。
本发明的优点包括至少在某些方面中的增强性能。本发明特别提供密集信道间距、低损耗和低串话的可能性。此外，假如可以实现高波导对比度，则可以把基于本发明的组件制成非常紧密。
优选地，本发明意指被用作一个波长选择开关元件。然而，本发明也适于实现控制分插多路复用、控制滤波、控制多路复用/多路分离功能等等。
本发明不局限于上述的和在附图中示出的实施例，而是可以在附加权利要求的范围内被修改。特别地，本发明显然不限制为本发明的关于原料、尺寸或制造的选择。
权利要求
1.一种对包含在波长复用光信号中的预确定波长(λi)的信号进行波长选择相位控制的设备，其特征在于-一个输入端口(25、105、209、307)，用于输入波长复用光信号；-一个分离装置(11，101，201，301)，用于把输入的波长复用光信号分离成为预确定波长(λi)的信号和基本上包括多路复用中剩余波长的信号；-一个相位控制装置(37、119、221、315、317)，用于对两个分离信号之一进行相位控制；-一个合并装置(51、103、201、301)，用于合并分离相位控制信号和另外一个分离信号以便获得一个波长复用波长选择相位控制光信号；和-一个输出端口(71、115、213、311)，用于输出该波长复用波长选择相位控制光信号。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于它包括各自分离的信号的一个波导(35、43、117、121)，其每一个被连接在分离装置各自的输出端口(33、45、107，109)与合并装置各自的输入端口(65、75、111、113)之间，其中，相位控制装置(37、119)被安排在这些波导之一上。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于所有输入端口(25、65、75、105、111、113)和输出端口(33、45、71、107、109、115)被物理地分开。
4.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于对于两个分离信号，以一个基本上相等的传播距离来安排之。
5.如权利要求2-4任何一个所述的设备，其特征在于分离装置包括一个布拉格光栅辅助的耦合器(101)。
6.如权利要求2-4任何一个所述的设备，其特征在于合并设备包括一个布拉格光栅辅助的耦合器(103)。
7.如权利要求2-4任何一个所述的设备，其特征在于分离装置(11)包括通过装备有布拉格光栅的两个波导(17、19)来相互连接的两个耦合器(13、15)。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于耦合器之一(13)被安排来用于输入波长复用光信号并且把所述波长复用光信号输出在装备有布拉格光栅的两个波导(17、19)中；布拉格光栅(21、23)被安排来用于通过反射一个信号以及发射另外一个信号来把信号分离成为预确定波长(λi)的信号和基本上包括多路复用中剩余波长的信号，另外一个耦合器(15)被安排来用于输入通过布拉格光栅发射的信号以及用于把同一信号输出在连接到分离装置的输出端口之一(45)的波导(43)上；和所述第一耦合器(13)还被安排来用于输入在布拉格光栅(21、23)处被反射的信号以及用于把同一信号输出在连接到分离装置的另外一个输出端口(33)的波导(35)。
9.如权利要求2-4任何一个所述的设备，其特征在于合并装置(51)包括通过装备布拉格光栅的两个波导(57、59)来相互连接的两个耦合器(53、55)。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于合并装置的耦合器(53)之一被安排来用于在合并装置的输入端口(65)之一处输入分离信号之一并把所述分离信号输出在合并装置的波导(57、59)中；合并装置的另外一个耦合器(55)被安排来用于在合并装置的另外一个输入端口(75)处输入另外一个分离信号并把所述另外一个分离信号输出在合并装置的波导(57、59)中；合并装置的布拉格光栅(61、63)被安排来用于通过反射一个分离信号而发射另外一个分离信号来把分离信号合并；和合并装置的所述第一耦合器(53)还被安排来用于输入该合并的波长复用波长选择相位控制光信号以及用于在该设备的输出(73)处输出之。
11.如权利要求1-4任何一个所述的设备，其特征在于分离装置和/或合并装置包括一个光环行器。
12.如权利要求1-4任何一个所述的设备，其特征在于分离装置和/或合并装置包括一个Y耦合器。
13.如权利要求7-10任何一个所述的设备，其特征在于布拉格光栅(21、23、61、63)被安排来反射预确定波长的信号。
14.如权利要求7-10任何一个所述的设备，其特征在于布拉格光栅被安排来发射预确定波长的信号。
15.如权利要求7-10任何一个所述的设备，其特征在于每个耦合器(13、15、53、55、203，205、303)由一个MMI波导结构构成。
16.如权利要求7-10任何一个所述的设备，其特征在于每个耦合器(13、15、53、55、203，205、303)由一个定向耦合器构成。
17.如权利要求1-12任何一个所述的设备，其特征在于相位控制装置(37、119、221、315、317)被安排来用于对预确定波长的信号进行相位控制。
18.如权利要求1-12任何一个所述的设备，其特征在于相位控制装置(221)被安排来用于对基本上包括多路复用中剩余波长的信号进行相位控制。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于另外一个相位控制装置(605)用于对合并的波长复用的波长选择相位控制光信号进行相位控制。
20.如权利要求1所述的设备，其特征在于分离装置和合并装置由同一结构(201、301)构成并且该设备包括一个反馈装置(223、305、319、419)，用于引导两个分离信号之一从所述结构中通过用于相位控制的相位控制装置(221、315、317)并回到所述结构。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于所述结构包括连接到装备有布拉格光栅的两个波导(207、305)上的一个耦合器(203、303)。
22.如权利要求21所述的设备，其特征在于所述耦合器(203、303)被安排来用于输入波长复用光信号并且把所述波长复用光信号输出在装备有布拉格光栅的两个波导(207、305)中；布拉格光栅被安排来用于通过反射一个信号而发射另外一个信号来把信号分离成为预确定波长(λi)的信号和基本上包括在多路复用中剩余波长的信号；所述反馈装置(223、305)被安排来用于引导发射信号从所述结构中通过用于相位控制的相位控制装置(221、315、317)并回到所述结构；所述布拉格光栅还被安排来用于通过发射返回的相位控制信号来合并分离信号；而所述耦合器(203、303)还被安排来用于输入合并的波长复用的波长选择相位控制光信号以及用于在该设备的输出端口(213、311)处输出同一光信号。
23.如权利要求22所述的设备，其特征在于反馈装置包括另外一个耦合器(205)和一个波导环路(223)，用于引导发射信号通过用于相位控制的相位控制装置(221)并回到该另外一个耦合器(205)，因此，此另一个耦合器被安排来用于输入通过布拉格光栅发射的信号，用于在所述波导环路中输出同一信号，用于输入通过相位控制装置引导的相位控制信号，以及用于在装备有所述布拉格光栅的所述波导(207)中输出同一信号。
24.如权利要求22所述的设备，其特征在于反馈装置包括装备有布拉格光栅的波导(305)的一个延伸，并且包括反射装置(319、419)，用于把发射信号反射回到所述波导(305)并且该相位控制装置包括位于各自的所述波导(305)中的两个相位控制元件(315、317)。
25.如权利要求24所述的设备，其特征在于反射装置包括用于发射信号全反射的一个结构(319)。
26.如权利要求24所述的设备，其特征在于反射装置包括用于发射所反射信号的布拉格光栅(419)。
27.如权利要求1-24任何一个所述的设备，其特征在于每个相位控制装置(37、119、221、315、317、605)由一个热光或电光设备构成。
28.如权利要求1-27任何一个所述的设备，其特征在于它包括至少一个强度调制装置(703、705)，用于对波长复用光信号进行波长选择相位调制。
29.如权利要求28所述的设备，其特征在于对于每个相位控制装置或者元件(315、317)，它包括与各自的相位控制装置或元件(315、317)串联安排的一个强度调制装置(703、705)。
30.如权利要求28或29所述的设备，其特征在于强度调制装置包括一个电光开关。
31.一种用于切换包含在波长复用多信道光信号中的至少一个波长信道的开关，其特征在于它包括如适合用于所述波长信道相位控制的权利要求1-30任何一个所述的至少一个设备(611-618)。
32.如权利要求31所述的开关，其特征在于它包括一个干涉电路，特别是一个马赫-曾德干涉仪结构(610、660、670、680)。
33.如权利要求32所述的开关，其特征在于它包括第一(620、662、672、682)和第二(630、664、674、684)耦合设备，最好是MMI波导结构，通过至少两个马赫-曾德波导(640、642)来相互连接，其至少一个波导装备有至少一个设备，并且其第二耦合设备(630、664、674、684)包括至少两个输出端口，因此，第一耦合设备(620、662、672、682)被安排来用于输入波长复用多信道光信号以及把同一光信号输出在马赫-曾德波导中，至少一个设备(611-618)被安排来用于对包含在光信号中的波长信道进行相位控制而第二耦合设备(630、664、674、684)被安排来用于接收所述波长选择相位控制光信号以及根据波长信道的相位来把光波长信道输出在它的输出端口(636、638)的任一个处。
34.一种用于对波长复用光信号中预确定波长(λi)的信号进行波长选择相位控制的方法，其特征在于如下步骤-接收波长复用光信号；-把输入的波长复用光信号分离成为预确定波长(λi)的信号和基本上包括多路复用中剩余波长的信号；-对两个分离信号之一进行相位控制；-合并分离相位控制信号和另外一个分离信号以便获得一个波长复用波长选择相位控制光信号；和-输出波长复用的波长选择相位控制光信号。
全文摘要
本发明涉及一种用于对波长复用光信号中预确定波长(λi)的信号进行波长选择相位控制的设备,它包括:一个输入端口(25、105、209、307),用于输入波长复用光信号;一个分离装置(11、101、201、301),用于把输入的波长复用光信号分离成为预确定波长(λi)的信号和基本上包括多路复用中剩余波长的信号;一个相位控制元件(37、119、221、315、317),用于对两个分离信号之一进行相位控制;一个合并设备(51、103、201、301),用于合并分离相位控制信号和另外一个分离信号以便获得一个波长复用波长选择相位控制光信号;和一个输出端口(71、115、213、311),用于输出波长复用波长选择相位控制光信号。一个包括所述类别的至少一个设备的开关和一种用于波长选择相位控制的方法也包含在本发明中。
文档编号G02F1/01GK1372652SQ0081237
公开日2002年10月2日 申请日期2000年6月26日 优先权日1999年7月1日
发明者T·奥古斯特松 申请人:艾利森电话股份有限公司