专利名称：一种可扩展、可重构建的光路分插复用器及方法
技术领域：
本发明涉及一种在光纤通信网络系统中提供快速光学信号波长路由的方式与设备，尤其是一种可扩展、可重构建的光路分插复用器
(ROADM)及方法。 ，
背景技术：
光纤通信网络中经常使用一种称为波分复用(WDM)的技术来增加网络中可以传输的信息容量。在WDM中，多个信号以不同的光学波长在同一个通信路径中传输。每个波长经过不同的电信号进行强度调制，再使用一个光复用器将调制后的光线合并到一个通信路径中。在接收机端，一个光解复用器将不同的波长分开并引导至不同的探测器。
WDM系统根据通道数量和间隔可分为稀疏和密集两种类型。稀疏波分复用(CWDM)系统使用较少的通道，同时波长间隔较大(通常为20纳米或更大)。密集波分复用(DWDM)系统通道数量较多(大于8个)，波长间隔小。常用的波长间隔从0.2、 0.4—直到1.6纳米。DWDM用于通信层次中高等级的系统中，但是其设计难度大，较具挑战性。
光路分插复用器(OADM)是通信网络中使用的重要路由设备。这样的设备中， 一个光解复用器将不同的波长分量分类，分离并去掉其中一个波长分量，插入一个新的波长分量，并使用复用器将所有的波长分量组合回单一的光束。
发明内容
本发明的目的是为光学波长的路由或开关，例如在快速波分复用光纤通信网络中用于通道路由的应用，提供一种可扩展、可重构建的光路分插复用器及方法，其通过使用声光可调谐滤波器(AOTF)，从一个或多个端口，或到一个或多个端口的插入和分离功能都可以得到实现，而且响应迅速、执行时间短。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的一种可扩展、可重构建的光路分插复用器，其包括 一个第一声光可调谐滤波器用来接收从输入端口输入的多波长信号，并传送该信号至输出端口，滤波器可以调节为传送其中一个波长的信号至分离端口； 一个波长阻隔器，其输入端口与声光可调谐滤波器的输出端口连接并接收多波长信号，波长阻隔器可以阻挡选定的波长并将其余波长传送至输出端口； 一个第二声光可调谐滤波器，其输入端口接收剩余的波长，该滤波器带有一个插入端口 ，可调节为将插入端口的一个波长插入到剩余的波长信号中形成输出信号并传送至复用器的输出端口。
进一步包括一个带有第一模拟控制信号的第一射频信号源，和带有第二模拟控制信号的第二射频信号源;第一声光可调滤波器连接到第一射频信号源，第二声光可调滤波器连接到第二射频信号源；第一模拟控制信号选择第一声光可调滤波器传送到分离端口的信号波长，第二模拟控制信号选择第二声光可调滤波器加入到多个波长构成输出信号的信号波长。
进一步包括带有第一数字控制信号、第二数字控制信号和第三数字控制信号的数字信号处理电路;第一、第二和第三数模转换器分别将第一、第二数字控制信号转换为第一、第二模拟控制信号，将第三数字控制信号转换为第三模拟控制信号来选择波长阻隔器阻挡选定的波长。
输入信号是一个多通道稀疏波分复用(CWDM)信号，相邻通道之间的波长间隔大约为20纳米。
输入信号是一个多通道密集波分复用(DWDM)信号，50GHzDWDM系统的波长间隔大约为0.4纳米。
输入信号是一个多通道密集波分复用(DWDM)信号，100 GHzDWDM系统的波长间隔大约为0.8纳米。
输入信号是一个多通道密集波分复用(DWDM)信号，200 GHz和400 GHz DWDM系统的相邻通道之间的波长间隔为1.6纳米或3.2纳米。
每个滤波器包括: 一个声光晶体; 一个或多个换能器连接到上述晶体，并在晶体中驱动声波。
其声光晶体是一个各向同性的晶体。其声光晶体是一个各向异性并且双折射的晶体。
每个声i晶体都有许多表面被涂有多层反及射涂层的电介质薄膜，以此减少光学反射损耗和总体插入损耗。
波长阻隔器包括:第一系列的滤波器将多波长输入信号分解为各组波长； 一组光学开关，每个开关都与第一系列滤波器中的一个连接，并可以有选择的阻挡一个或多个组份波长;第二系列的滤波器将光学开关传送过来的各波长组组合为波长阻隔器的输出信号。
第一和第二系列的滤波器是带有预先指定传输/反射特性的多层电介质薄膜滤波器，这些滤波器在自由空间按相同的光学轴对齐，彼此平行并与输入信号成45度角。
第一和第二系列的滤波器包括基于多层电介质带通薄膜滤波器的尾纤式设备，其传输/反射特性为预先指定的。
通过添加更多的滤波器，第一和第二系列的滤波器中滤波器的数量可以根据多波长输入信号的通道数量而改变。
滤波器组中的每一个滤波器的光谱通带宽度都满足第一组滤波器输入端口多波长信号的通带宽度需求。
波长阻隔器包括:第一系列的滤波器将多波长输入信号分解为各组波长组； 一组可调光学衰减器，每个衰减器都与第一系列滤波器中的一个连接，并可以有选择的衰减一个或多个组份波长；第二系列的滤波器将光学开关传送过来的波长组合为波长阻隔器的输出信号。
第一和第二系列的滤波器是带有预先指定传输/反射特性的多层电介质薄膜滤波器。
通过添加更多的滤波器，第一和第二系列的滤波器中滤波器的数量可以根据多波长输入信号的通道数量而改变。
第一系列的滤波器、第二系列的滤波器和光学衰减器组每个都带有尾纤式端口。
所述波长阻隔器还进一步包括 一组分束器，每个分束器安放在第一系列的滤波器和可调光学衰减器组之间，并与输入多波长信号的光路成45度角；一组光探测器，每个光探测器安放在分束器附近来接收分束器
输出的光学信号。
每个分束器的反射率约为1%到5%。
每个分束器都带有尾纤式端口—；每个光探测器都带有尾纤式端a。第一声光可调谐滤波器、第二声光可调谐滤波器和波长阻隔器的输入
输出端口都是尾纤式端口；第一声光可调谐滤波器、第二声光可调谐滤波
器和波长阻隔器的端口连接是通过光纤熔接的。
第一声光可调谐滤波器的输入端口和分离端口都带有使用单模光纤的尾纤式准直器。
第一声光可调谐滤波器的输入端口和分离端口都带有使用单模保偏
(PM)光纤的尾纤式准直器。
一种可扩展、可重构建的光路分插复用器，包括
一个第一声光可调谐滤波器组，其中每一个声光可调谐滤波器都可用来接收从输入端口输入的多波长信号，并传送该信号至输出端口，滤波器可以调节为传送其中一个波长的信号至分离端口；
一个波长阻隔器，其输入端口与声光可调谐滤波器的输出端口连接并接收多波长信号,波长阻隔器可以阻挡选定的波长并将其余波长传送至输出端口；
一个第二声光可调谐滤波器组，其中每一个声光可调谐滤波器的输入端口都接收剩余的波长，每一个滤波器带有一个插入端口，可调节为将插入端口的一个波长插入到剩余的波长信号中形成输出信号并传送至复用器的输出端口。
一种可扩展、可重构建的光路分插方法，其包括将多波长信号中选定的波长传送至分离端口；将多波长信号分离为单独的组份波长；阻挡选定的组份波长并将其余波长继续传送;将插入端口的波长与剩余的波长合并产生输出信号。
本发明的优点和积极效果是
1、本发明为光学波长的路由或开关，例如在快速波分复用光纤通信网络中用于通道路由的应用，提供一种新的方法和设备，此方法和设备通过使用声光可调谐滤波器(AOTF)，从一个或多个端口，或到一个或多个端口的插入和分离功能都可以得到实现，而且响应迅速、执行时间短。该设备是一种具有亚毫秒级波长切换时间的可重构建的光学分插复用器(ROADM)。
—2、—对于不满足布拉格衍射条件的入射波长来说，AOTF基本是透明的。这个特性使得串接使用多个AOTF成为可能，并且所有的插入端口和分离端口都是无色的，即每一个插入/分离端口都可以被调节为允许插入/分离任何单一波长或波段。因而本发明提供一种可扩展的R0ADM，满足可以对插入/分离端口数量进行扩展并且使得插入/分离端口能够插入/分离在既定光谱范围内任何波长，即所有的插入/分离端口都是无色的。
3、因为在布拉格衍射中，零阶光线包含了所有输入的波长，所以需要一个波长阻隔器来阻挡被分离的波长传输到下一个网络节点。在一种具体实施中，波长阻隔器包括多层电介质薄膜滤波器，并且AOTF与波长阻隔器之间的耦接在自由空间中。使用自由空间耦接的一个优点是可以减小设备的体积。
3、 本发明设备中的波长阻隔器可以包括第一个系列的滤波器，其可以将多波长输入信号分离为单独的波长； 一组光学开关，每个开关都与第一个系列的滤波器中的一个通道相连，并且可以有选择的阻挡一个或多个波长；第二个系列的滤波器，将光学开关通过的波长合并为波长阻隔器的输出信号。
4、 本发明设备中的波长阻隔器包括第一个系列的滤波器，可以将多波长输入信号分离为单独的波长； 一组可变光学衰减器，每个衰减器都与第一个系列的滤波器中的一个相连，并且可以有选择的衰减一个或多个组成波长；第二个系列的滤波器，将光学衰减器通过的组成波长合并为波长阻隔器的输出信号。
5、 本发明设备中的波长阻隔器和AOTF都是尾纤式的，波长阻隔器和AOTF之间的耦接是靠熔接每个设备的光纤尾纤。尽管设备的体积增加了，但是其优点在于可以使用现有的商业产品，从而简化生产过程。
6、 本发明设备及方法可实现低成本ROADM的大规模生产。
7、 本发明设备是一种具有所有通道功率均衡功能的ROADM。因为在光纤网络中每个波长通道的功率应保持大致相同，所以在ROADM中集成一个光功率均衡器就成了一个有用的选择。将这种功率均衡功能添加到波长阻隔器中可以以自由空间结构实现或者以加入分束器或各波长分光比为1%至一5%的3端口光纤尾纤式的分光器结构实现。
图1显示了一个多波长的光学信号，其波长间隔距离相同，各波长的功率大致相同。
图2是一个可重构建的光路"分离"复用器的系统框图，包括一个声光可调谐滤波器和波长阻隔器。
图3是一个可重构建的光路分插复用器(ROADM)的系统框图，包括一个分离端口和一个插入端口 。
图4是显示了 ROADM系统控制环的原理框图。
图5是一个可扩展的ROADM系统框图，包括超过一个的无色分离端口和插入端口。
图6-1显示了可重构建的光路"分离"复用器中使用的声光可调谐滤波器(AOTF)的布拉格衍射。
图6-2是可重构建的光路"分离"复用器中使用的声光可调谐滤波器(AOTF)的系统框图。
图7-1显示了可重构建的光路"插入"复用器中使用的声光可调谐滤波器(AOTF)的布拉格衍射。
图7-2是可重构建的光路"插入"复用器中使用的声光可调谐滤波器(AOTF)的系统框图。
图8显示了多波长信号输入到一个可重构建的光路"分离"复用器后被分离的波长和通过的波长。
图9显示了多波长信号输入到一个可重构建的光路"插入"复用器后插入的波长和输出的波长。
图IO是一个波长阻隔器的系统框图。
图11-1是一个光路波长解复用器的系统框图。
图11-2是一个光路波长复用器的系统框图。
图12是一个可扩展的自由空间波长阻隔器的平面图，包括分立的多层电介质薄膜滤波器和一组1X1的光学开关。
图13显示了一个高通光学滤波器的光谱传输特性曲线。图14显示了一个低通光学滤波器的光谱传输特性曲线。图15显示了一个带通光学滤波器的光谱传输特性曲线。图16显示了一个带阻光学滤波器的光谱传输特性曲线。
图17是一个可扩展的自由空间波长阻隔器/增益均衡器的平面图，包
括分立的多层电介质薄膜滤波器、 一组可变光学衰减器/光开关以及一组
分束器和光电探测器。
图18是一个可扩展的自由空间波长阻隔器和通道均衡器的系统框
图，包括带通薄膜滤波器。
图19-1显示了一种典型的基于带通薄膜滤波器的3端口尾纤式分离
复用的光学WDM设备。
图19-2显示了一种用于典型的基于带通薄膜滤波器的3端口尾纤式
插入复用光学WDM设备。
图19-3显示了一种2端口尾纤式可变光学衰减器设备。
图19-4显示了一种3端口尾纤式分光器设备。
图20是一个带有尾纤式光学设备的波长阻隔器的原理图。
图21是一个带有尾纤式光学设备的波长阻隔器和通道均衡器的原理图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述。
这里描述了本发明可扩展的可重构建的光路分插复用器的首选具体实施，并配有参考图，其中相同的参考号码对应相同的组件。对于一个光学波长，或通道的示范参考应被理解为具有一个中心波长和一定带宽的光学信号。
图1显示了一个典型的具有相同通道间距的多波长光学信号。通道间距是以一个通道的中心到相邻通道的中心来测量的。
ROADM的重新构建功能可用多种方式实现，包括可调谐滤波器技术、微电子机械系统(MEMS)、液晶技术、热光效应,基于平面波导光路的波束导向开关技术,或是使用体衍射光栅的自由空间实施方案，或是使用阵列波导光栅(AWG)的波导技术。
上面提及的每种技术都有着各自的优点和缺点， 一种基于AOTF的ROADM和波长选择开关在性能、成本、可扩展性和可生产性上都有一定的竞争优势，从而为光纤通信应用中的波长处理提 了一种可行的解决方
13案。本发明使用波长阻隔器来阻挡一个或多个被分离的波长并将剩余的波 长通过，解决了这一问题。
可重构造的光路分插复用器
图2描述了一个可重构建的光路分离复用器10，其中A0TF12 (图 8中的190)连接到波长阻隔器20 (图10中的210)。输入端口 14接收入 射的多波长信号，被分离的信号传输到端口 16， AOTF12的输出端口 18 含有所有的通道，包括被分离的通道。被分离的通道由波长阻隔器20阻 挡。所有通过的通道都复用至输出端口22.
图3显示了一个4端口可重构建的光路分插复用器(ROADM)，是 通过连接图2中的分离复用器10与图9中的插入复用器AOTF 200而构 成的。输入端口 46接收初始的多波长信号，将指定的通道分离到端口 48。 与被分离的信号相同波长的信号通过端口 50加入系统。所有的通道被复 用后通过端口52输出。在一种具体实施中，设备44、 54和42之间的连 接都以自由空间方式完成。在另一种具体实施中，设备44、 54和42之间 的连接是靠熔接每个设备的为尾纤光纤。ROADM 40可以包括对各通道 的功率监测和均衡功能。
图4显示了图3所示的ROADM40的原理框图。DSP74接收指令来 分离或者插入一个特定的通道，并通过数模转换(D/A)设备70、 80发 送信号来控制射频信号源68和82，从而驱动AOTF 64和AOTF 86。 AOTF 64和AOTF 86分别被调节为将要被分离的波长和将要被插入的波长。 DSP 74还通过D/A设备76给VOA驱动器78发送信号来阻挡被分离的 通道。WB62通过模数转换(A/D)设备72将功率信息发送回DSP74。 DSP 74通过D/A设备76给VOA驱动器78发送一个或多个信号来调节 各个通道的衰减水平，从而平衡各个通道的功率。输出的通道被复用后从 端口 84输出。
根据图5，图3所示的ROADM是可扩展的可以通过添加更多的 AOTF 106来分离更多的通道，添加更多的AOTF 120来插入更多的通道。 因为每个AOTF都可以在事先规定的频谱范围内分别调节至任意一个特 定波长，AOTF 106的分离端口 110、AOTF 104的分离端口 112、AOTF 122 的插入端口 114以及AOTF 120的插入端口 116都是无色的。通过扩展波长复用/解复用的容量，波长阻隔器102的容量也可以扩展为处理任何数
量的通道。输入端口 108和输出端口 118通常连接到光纤通信网络中的一个尾纤式准直器上。光纤头可以为单模光纤或者是单模保偏(PM)光纤。光可调谐滤波器
声光可调谐滤波器(AOTF)是固态电子调谐带通型滤波器。声光滤波器工作的原理是在一个各向异性或各向同性的介质中，衍射光的波长与声波的频率相关。改变声波的频率就改变了衍射光波的波长。AOTF提供了连续快速的可调谐性，以及快速的进入时间。使用不同类型的AOTF和不同的声光晶体，可以实现窄带或宽带波长调谐。
声光滤波器的种类有两种共线型与非共线型。其中共线性AOTF在可见光和红外(IR)波段可以使用的晶体包括铌酸锂(LiNb03)和钼酸钙(CaMo04)。非共线性AOTF选择的材料是二氧化碲(Te02)。目前，窄带调谐可以由一个具有高射频频率的非共线性、非近轴滤波器来实现。
由于衍射效率得到改善，ROADM在系统中的光插入损耗指标直接受益，AOTF已经达到了技术的成熟，从研究实验室进入了商业生产。AOTF的优点在于高速、已证明的长期工作的可靠性以及大批量生产的成本低。然而AOTF确实有一个不足是不可忽视的尽管AOTF适合用来构建可重构建的插入复用器，但是并不能独立使用来构建可重构建的分离复用器，因为零阶衍射光线包含了所有的波长，包括被分离的波长。
图6-1显示了一种AOTF的简单形式，包括一个声光晶体134、焊接在一端的换能器140以及用来驱动换能器的射频功率源138。声光晶体134衍射以布拉格角ei = 6B入射的准直光线136，产生一个输出角度为0B的一级光线144和与入射光线136方向相同的零级光线142。
改变功率源138的射频频率可以改变满足布拉格角0B的光线波长，从而改变一级光线144的波长。图6-2显示了图6-1所示的AOTF 130的简化框图。
图7-1显示了 AOTF作为可重构建的插入复用器来工作。AOTF从上方(与声波传播方向相反的方向)接收入射角为布拉格角的输入光线166。输入光线166包括除待插入通道以外的其他所有通道。输入光线166可以自由通过滤波器，因为AOTF 160已被调节为待插入通道而不是输入光线166。同时AOTF 160从下方(与声波传播方向相同的方向)接收入射角为布拉格角的输入光线168，并将输入光线168衍射为零级光线176和一级光线174。光线176在这个应用中不被使用，代表了光损耗。入射光线166和168之间的夹角为26B。图7-2显示了作为插入复用器的AOTF的简化框图，其中光线166和168被合并成为光线174。
图8和图9显示了相同初始多波长输入信号时，AOTFl卯和200分别作为分离复用器和插入复用器的情况。在图8中，单独使用AOTF l卯并不能形成一个可重构建的分离复用器，因为输出196包含了被分离的通道Xi，尽管该通道的光功率有所减弱。因此必须使用一种称为波长阻隔器的设备来阻挡被分离的通道。相反的，AOTF200可以独立作为插入复用器来使用，将通道人i插入至输出204，尽管被插入通道有一些光功率损耗。
波长阻隔器
对于多波长输入的光学信号来说，波长阻隔器(WB)的定义是阻挡一个或多个通道并通过其他通道的光学设备。图10显示了波长可调谐的波长阻隔器210的系统框图。在图中，波长阻隔器有选择的阻挡输入信号212中任意一个通道人i (i从l到n)，其余的通道则通过至输出214。
图11-1和11-2分别显示了波长解复用器(DeMux)和波长复用器(Mux)的原理框图。图11-1中的DeMux 220将多通道光学信号222分离成多元的光学通道Xi。图11-2中的Mux226将多元的光学通道人i合并为一个多通道的光学信号224。
图12显示了一个波长阻隔器，包括一个DeMux 228和一个Mux 238，以及一阵列的1X1光学开关236，可以将输入信号232中的一个或多个波长阻挡，使之不能到达输出234。在图12所示的具体实施中，DeMux228和Mux 238包括在自由空间排列的分立的多层电介质薄膜滤波器。图17显示了集成了功率均衡功能的波长阻隔器，均衡功能是通过使用一组可调光衰减器(VOA) 286和一组功率监测设备274来实现的。VOA 286同时提供了功率均衡和通道阻隔的功能。在图17所示的具体实施中，所有的光学部件都在自由空间中排列对齐。自由空间WB
图12显示的WB包括了第一组滤波器228从al到an，第二组滤波器238从bl到bn，以及安放在两组滤波器228和238之间的一组1 X 1的光学开关236从cl到cn。每一组滤波器228和238中的滤波器都与其他滤波器平行，并与入射光线232成45度角。第一组滤波器228[al…an]中的al接收准直的多通道输入信号232，包含了从XI到An的波长通道。第一个滤波器以后的每一个滤波器，例如a2，都接收一部分的输入光线并将接收光线的一部分传递到下一个滤波器以及236中的一个开关。这样滤波器228从al到an就实现了解复用的功能，将输入信号232中的通道都分离开来。在通道被分离后，光学开关236从cl到cn用来阻挡一个或多个通道XI到入n。未被阻挡的通道通过到第二组滤波器238从bl到bn，将所有通道集合到一起，实现复用功能，提供输出光线234。这种自由空间结构的优点是体积小，但是缺点是生产变得困难，尤其是通道数量很大的时候。
电介质薄膜滤波器(DTFF)
在一种实施方案中，图12中的滤波器是多层电介质薄膜滤波器。下面来讨论一下这种滤波器的性能特点。图13显示了一个所谓高通滤波器的传输特性曲线240。波长为Xi的高通滤波器就是将所有波长小于或等于Xi的通道都通过，波长大于入i的通道都反射的滤波器。图14显示了一个所谓低通滤波器的传输特性曲线252。波长为Xi的低通滤波器就是将所有波长大于Xi的通道都通过，波长小于或等于Ai的通道都反射的滤波器。在具体的应用中，设计者可以调节高通滤波器和低通滤波器来通过或反射单一通道或多个通道。滤波器组中的每一个滤波器的光谱通带宽度都满足第一组滤波器输入端口多波长信号的通带宽度需求。
回到图12， WB230滤波器组中的滤波器的光学特性如下所示。
滤波器组228， al到an
滤波器al是一个波长为入l的高通滤波器。这样滤波器al通过波长XI并反射其他波长。滤波器ai (i从2到n)是波长为Xi (i从2到n)的低通滤波器。这表明每个滤波器根据安装在矩阵中的位置反射特定波长，并通过其余的波长。例如，滤波器a3反射波长人3并通过及以上的波长。最后一个滤波器an仅仅实现反射的功能。滤波器组238， bl到bn
滤波器bl仅仅实现反射的功能。滤波器bi(i从2到n)是波长为(i从2到n)的高通滤波器，根据安装在矩阵中的位置反射特定波长，并通过其余的波长。滤波器an是一个波长为An的低通滤波器。
图15和图16分别显示了带通滤波器和带阻滤波器的传输特性曲线260和270。设计者也可以使用这些滤波器来构造WB 230设备。
图17描述了集成的通道监测和功率均衡功能的WB 280设备。图17中的波长阻隔器280包括第一组滤波器272从al到an，第二组滤波器288从bl到bn， 一组可调光衰减器(VOA) 286从cl到cn，以及274组包括分束器从dl到dn和光检测器从el到en。在图17所示的具体实施中，DeMux 272和Mux 288包括自由空间的DTFF。 WB 280中的薄膜滤波器与WB 230中的有着相同的特性。VOA286通过将通道功率衰减至非常低的水平来阻挡一个通道。例如在绝大部分应用中，如果一个通道的信号水平降到-50dB以下就可以认为该通道已经被阻挡了。图17中的可调光衰减器(VOA) 286从cl到cn替换了图12所示的WB 230中的光学开关。分束器组274的di被安放在滤波器272的ai和VOA286的ci之间(i从1到n)，并且各自的反射率大约在1%到5%之间。分束器274基本与滤波器272的ai (i从1到n)平行，光检测器274的ei (i从1到n)被安放的位置使其可以从分束器274 di (i从1到n)分离光信号。如图4所示，通过分离的光信号，光检测器d可以监测通道功率并通过反馈控制回路帮助调节VOA来均衡未被阻挡的通道。
当通道数量较小(即通道总数小于或等于8)时，图12中的WB230和图17中的WB 280都可以容易的实现。如果通道数量大于8 (—些标准的通道计数是4、 8、 16、 32以及64等等)，所有通道累积的插入损耗(反射和传输)在这样的结构中将会变得非常高。减少大数量通道波长阻隔器的插入损耗的一种解决办法是使用低通或高通滤波器将信号分离成为分组的通道组，每个组都包括4或8个通道。
图18显示了这样一个大数量通道的系统290。所有的滤波器292 Xi和296 Yi (i从1到n)都互相平行。滤波器Xi 292和Yi 296 (i从1到n)与图15中的WB 230的滤波器ai和bi (i从1到n)的光学特性相同，除了 Xi 292和Yi 296滤波器通过或反射一组波长而不是单一波长。准直光线291包含波长组Ai (i从l到n)，以45度角入射到第一个滤波器X1。每一个通道组都使用图12中的WB 230或图17中的WB280来处理。WB非自由空间结构
自由空间系统230、 280和290的主要缺点就是组装时很难将每一个滤波器都以45度角对准输入信号来减小系统的光损耗，尤其是当通道数目很大时。另一种构建系统230、 280和290的方式就是使用尾纤式基于薄膜滤波器的光学设备，设备之间的耦接通过熔接光纤完成。而且用尾纤式器件可以方便构建通道功率监测和通道均衡功能。在描述这样一个系统之前有必要介绍一下光纤通信网络中常用的尾纤式光学器件。
尾纤式光学器件
这里描述的尾纤式光学器件更适合使用单模光纤。图19-1是一个3端口尾纤式器件300的原理示意图，包括一个输入端口 304、通过端口 302和反射端口 306。尽管可以使用低通滤波器252和高通滤波器240来构建波长解复用器220 (图11-1)和复用器226 (图11-2)，但是使用图15中的带通滤波器260更为合适。带有波长为入i的低通滤波器的器件300可以将通道Xi从输入端口 304传送到输出端口 302，并将其他所有通道反射到反射端口 306。
图19-2显示了一个3端口的带通式设备320，包括两个输入端口和一个通过端口。通道人i使用输入端口 324,其他的通道使用输入端口 322。从两个输入端口输入的通道被复用后通过端口 328输出。
图19-3是一个2端口尾纤式VOA器件340的原理示意图，包括一个输入端口 344和一个通过端口 342。设备340的功能是可调光衰减器或开关(在绝大多数应用中如果衰减超过50dB就可以把VOA作为光学开关来使用)。
图19-4是一个3端口尾纤式分光器件350的原理示意图。设备350的功能是将输入端口 354的通道光功率分出大约1%到5°/。并传送至光检测器358，同时保持信号的主要部分传送到端口 352。
图20显示了一个通过光纤熔接连接尾纤式设备的波长阻隔器360。该设备包括解复用设备363 Pi (i从1到n)， VOA设备366 Vi (i从1到n)和复用设备368 Wi (i从1到n)。在WB 360中，输入端口 362接收初始信号，所有处理过的信号经过复用后传送到输出端口 364。可以看到的是，在构建这样一个WB的过程中并没有涉及光学对光的问题，而且所有的设备都是低成本的商业产品。其主要的缺点就在于波长阻隔器设备的体积大大增加，因为光纤的弯曲半径必须大于20毫米，这样才能使得弯曲损耗减至最少。
带有功率监测和功率均衡功能的WB
图21是一个带有功率监测和功率均衡功能的波长阻隔器设备370的原理示意图。设备370包括解复用设备376 Pi (i从1到n)， VOA设备382 Vi (i从l到n)，复用设备384Wi (i从2到n)，分光设备380 Pi (i从1到n)和光检测器设备378 Mi (i从1到n)。分光设备380安插在设备376 Pi和设备382 Vi之间。光检测器设备378 Mi连接到Ti组380来监测所有通道的光功率。这个信息反馈到一个数字信号处理器(图4中的DSP74)，并由处理器向Vi设备382发出控制信号来平衡所有通道的功率，如图4所示。在WB370中，输入端口 372接收初始信号，所有处理过的信号复用后送至输出端口 374。在这个具体实施中，Mi设备378与Ti设备380之间的耦合联接靠光纤熔接来完成，因为Mi设备378通常是尾纤式光学设备。
尽管本专利已经用许多版本的具体实施详细描述，但是其他版本的方案仍然存在。例如在一种具体实施中，声光滤波器中使用的每一个晶体的表面都涂有多层反反射涂层的电介质薄膜，以此减少光学反射损耗和总体插入损耗。所以权利要求书的精神与保护范围不应被限制于本说明书中所描述的首选方案。
权利要求
1、一种可扩展、可重构建的光路分插复用器，其特征在于包括一个第一声光可调谐滤波器用来接收从输入端口输入的多波长信号，并传送该信号至输出端口，滤波器可以调节为传送其中一个波长的信号至分离端口；一个波长阻隔器，其输入端口与声光可调谐滤波器的输出端口连接并接收多波长信号，波长阻隔器可以阻挡选定的波长并将其余波长传送至输出端口；一个第二声光可调谐滤波器，其输入端口接收剩余的波长，该滤波器带有一个插入端口，可调节为将插入端口的一个波长插入到剩余的波长信号中形成输出信号并传送至复用器的输出端口。
2、 根据权利要求1所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于进一步包括一个带有第一模拟控制信号的第一射频信号源，和带有第 二模拟控制信号的第二射频信号源；第一声光可调滤波器连接到第一射频信号源，第二声光可调滤波器连 接到第二射频信号源；第一模拟控制信号选择第一声光可调滤波器传送到分离端口的信号 波长，第二模拟控制信号选择第二声光可调滤波器加入到多个波长构成输 出信号的信号波长。
3、 根据权利要求2所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于进一步包括-带有第一数字控制信号、第二数字控制信号和第三数字控制信号的数 字信号处理电路；第一、第二和第三数模转换器分别将第一、第二数字控制信号转换为 第一、第二模拟控制信号，将第三数字控制信号转换为第三模拟控制信号 来选择波长阻隔器阻挡选定的波长。
4、 根据权利要求1所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其特征在于输入信号是一个多通道稀疏波分复用(CWDM)信号，相邻 通道之间的波长间隔大约为20纳米。
5、 根据权利要求1所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于输入信号是一个多通道密集波分复用(DWDM)信号，50 GHz DWDM系统的波长间隔大约为0.4纳米。
6、 根据权利要求1所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于输入信号是一个多通道密集波分复用(DWDM)信号，100 GHz DWDM系统的波长间隔大约为0.8纳米。
7、 根据权利要求1所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于输入信号是一个多通道密集波分复用(DWDM)信号，200 GHz 和400 GHz DWDM系统的相邻通道之间的波长间隔为1.6纳米或3.2纳 米。
8、 根据权利要求1所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于每个滤波器包括一个声光晶体；一个或多个换能器连接到上述晶体，并在晶体中驱动声波。
9、 根据权利要求8所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于其声光晶体是一个各向同性的晶体。
10、 根据权利要求8所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于其声光晶体是一个各向异性并且双折射的晶体。
11、 根据权利要求8所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于每个声光晶体都有许多表面被涂有多层反反射涂层的电介质薄 膜，以此减少光学反射损耗和总体插入损耗。
12、 根据权利要求1所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于波长阻隔器包括第一系列的滤波器将多波长输入信号分解为各组波长； 一组光学开关，每个开关都与第一系列滤波器中的一个连接，并可以有选择的阻挡一个或多个组份波长；第二系列的滤波器将光学开关传送过来的各波长组组合为波长阻隔器的输出信号。
13、 根据权利要求12所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器， 其特征在于第一和第二系列的滤波器是带有预先指定传输/反射特性的多 层电介质薄膜滤波器，这些滤波器在自由空间按相同的光学轴对齐，彼此平行并与输入信号成45度角。
14、 根据权利要求12所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器， 其特征在于第一和第二系列的滤波器包括基于多层电介质带通薄膜滤波 器的尾纤式设备，其传输/反射特性为预先指定的。
15、 根据权利要求12所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器， 其特征在于通过添加更多的滤波器，第一和第二系列的滤波器中滤波器的 数量可以根据多波长输入信号的通道数量而改变。
16、 根据权利要求12所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器， 其特征在于滤波器组中的每一个滤波器的光谱通带宽度都满足第一组滤 波器输入端口多波长信号的通带宽度需求。
17、 根据权利要求1所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于波长阻隔器包括第一系列的滤波器将多波长输入信号分解为各组波长组； 一组可调光学衰减器，每个衰减器都与第一系列滤波器中的一个连接，并可以有选择的衰减一个或多个组份波长；第二系列的滤波器将光学开关传送过来的波长组合为波长阻隔器的输出信号。
18、 根据权利要求17所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器， 其特征在于第一和第二系列的滤波器是带有预先指定传输/反射特性的多 层电介质薄膜滤波器。
19、 根据权利要求17所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器， 其特征在于通过添加更多的滤波器，第一和第二系列的滤波器中滤波器的 数量可以根据多波长输入信号的通道数量而改变。
20、 根据权利要求17所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器， 其特征在于第一系列的滤波器、第二系列的滤波器和光学衰减器组每个都 带有尾纤式端口。
21、 根据权利要求17所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其特征在于所述波长阻隔器还进一步包括一组分束器，每个分束器安放在第一系列的滤波器和可调光学衰减器 组之间，并与输入多波长信号的光路成45度角；一组光探测器，每个光探测器安放在分束器附近来接收分束器输出的 光学信号。
22、 根据权利要求21所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其特征在于每个分束器的反射率约为1%到5%。
23、 根据权利要求21所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器， 其特征在于- 每个分束器都带有尾纤式端口 ； 每个光探测器都带有尾纤式端口 。
24、 根据权利要求1所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于-第一声光可调谐滤波器、第二声光可调谐滤波器和波长阻隔器的输入 输出端口都是尾纤式端口；第一声光可调谐滤波器、第二声光可调谐滤波器和波长阻隔器的端口 连接是通过光纤熔接的。
25、 根据权利要求1所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于第一声光可调谐滤波器的输入端口和分离端口都带有使用单模 光纤的尾纤式准直器。
26、 根据权利要求1所述的可扩展、可重构建的光路分插复用器，其 特征在于第一声光可调谐滤波器的输入端口和分离端口都带有使用单模 保偏(PM)光纤的尾纤式准直器。
27、 一种可扩展、可重构建的光路分插复用器，其特征在于包括 一个第一声光可调谐滤波器组，其中每一个声光可调谐滤波器都可用来接收从输入端口输入的多波长信号，并传送该信号至输出端口，滤波器 可以调节为传送其中一个波长的信号至分离端口；一个波长阻隔器，其输入端口与声光可调谐滤波器的输出端口连接并 接收多波长信号，波长阻隔器可以阻挡选定的波长并将其余波长传送至输 出端口；一个第二声光可调谐滤波器组，其中每一个声光可调谐滤波器的输入 端口都接收剩余的波长，每一个滤波器带有一个插入端口，可调节为将插 入端口的一个波长插入到剩余的波长信号中形成输出信号并传送至复用 器的输出端口。
28、 一种可扩展、可重构建的光路分插方法，其特征在于包括将多波长信号中选定的波长传送至分离端口；将多波长信号分离为单独的组份波长；阻挡选定的组份波长并将其余波长继续传送；将插入端口的波长与剩余的波长合并产生输出信号。
全文摘要
本发明涉及一种可扩展、可重构建的(或可调的)光路分插复用器及方法。该光路分插复用器包括一对声光可调谐滤波器和一个波长阻隔器。第一个输入端口接收一个初始的波分复用光学信号，该信号包含了一个或多个将要被分离的光学信号。第二个输入端口接收将要被插入的光学信号，与将要被分离的光学信号波长相同。在一种具体实施中，波长阻隔器通过自由空间耦合连接到声光可调谐滤波器。在另一种具体实施中，耦合是通过光纤熔接实现的。后一种方式的优点是可以使用现有的商业产品并且组装简单，但是要实现更小的体积就要使用自由空间耦合的方式。本设备的可扩展性体现在可以实现任意数量的插入/分离端口，以及可以处理任意数量的波长通道的容量。
文档编号G02B6/34GK101672954SQ200910175798
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年5月5日
发明者高培良 申请人:高培良