专利名称：在复用多个可调激光源时最小化光损耗的方法和器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及在组合来自多个激光源的光信号时将最小化光损耗的方法和光信号器件，所述激光源可以是可调谐的，也可以是不可调谐的。
背景技术：
今天，人们可以使用开关与固定多路复用器或使用宽带组合器来组合N个可调谐激光，其中的宽带组合器可以是以具有S个级(2s＝N)的二进制树的形式排列的树形N-1个2×1组合器。
在波分复用(WDM)系统中，固定激光器的组合是利用诸如阵列波导光栅(AWG)、中阶梯光栅或薄膜过滤器阵列的固定过滤器功能来实现的。在这类实现方案中，光源与过滤器输入之间的固定物理连接如图1中所示。在该实现方案中，当每个光信号都以固定的预定波长传送时，光信号的组合就会发挥作用。如果一个信号的波长改变为对应于不同WDM信道的另一波长，则所述信号不会添加进组合器内，而是沿传输路径出射。因而，这种组合方法不适用于可调谐的激光，因为在可调谐的激光中光信号波长会发生动态改变。
在WDM系统中，可调谐激光的光信号的组合用如下之一的方法来实现在一种称作OXC及固定过滤器的方法中，一个M×N光学交叉连接(OXC)开关可被用来在可调谐激光和固定多路复用器(MUX)之间进行接合，如图2中所示。
在上面的实现中可缩放性-M代表在该系统中所用可调谐激光的数目，N是该WDM系统上可接入信道的数目。缩放端口的数目或可接入信道的数目都需要在物理上进行重配置。
成本-M×N光交叉连接和固定过滤器件或阵列的总成本会使这种实现成本很高。
由于存在插入损耗、偏振依赖损耗(PDL)和其它的寄生效应，导致性能下降。
在第二种称作无源耦合器的方法中，多个可调谐激光的组合可以用宽带(基本上不依赖波长)耦合器来实现，如图3中所示。当在单个物理介质上组合M个光信号而不考虑载波波长或信号的振幅时，得到的输出功率可以表示为输出功率＝∑λ(i)/M 公式1其中λ(i)是来自每个源的光信号的光功率电平。
在上面两种实现中，除多路复用外经常使用负载平衡(或光信号功率电平均衡)操作来均衡所有信道内的光功率电平。通过用更高的光功率衰减单个信道来进行所述操作，以便使信号的传输光功率电平与最小功率电平相匹配，而这样会产生额外的信号功率损耗。
在很多系统应用(例如保护切换或容量供应)中，除了每个所用的光源，还可使用额外的激光源，但该额外的一个源或多个源并不总被激发。所述额外源的存在致使组合器内有更多数目的分支，因而就将可利用的光功率降低公式1提到的因数。图4示出一个具有无源耦合器的1∶1保护环的例子，其中每次激活每对源中的一个。在该例中，(分别在λ1和λ2处)存在两个源对(λ1A/λ1B和λ2Aλ2B)，有效的源λ1A和λ2A分别具有0.8mW和1mW的光功率电平。在这种实施例中，组合器的输出功率在λ1处等于0.2mW，在λ2处等于0.25mW。为了信道的负载平衡，典型会将λ2再衰减至O.2mW。
美国US 5,964,677公开了一种激光二极管功率组合器，包括可操作地耦合在一个激光二极管阵列上、用来将来自激光二极管的光功率组合成相干激光束的染料激光器。
美国专利US 5,737,459公开了一种适合与光学泵浦放大器一起使用的光多路复用器。
发明内容
本发明包括将所有光信号的功率电平衰减至基本上最弱光信号的功率，并描述了在组合来自典型为不同波长的多个可调谐激光源的光信号时将光损耗降至最小的方法和光信号器件。一种方法包括组合来自每个源的光信号的一部分，所述这部分典型地与相对光功率电平成反比。另一种方法包括以基本上没有额外损耗的方式来添加来自每个源的全部光信号，或以基本上没有额外损耗的方式来将所有光信号的功率电平均衡至最弱信号的功率电平。
一种组合来自激光源的多个光信号的方法实现了基本上无额外损耗，所述源是可调谐的或是不可调谐的，其中所述方法包括步骤将所述光信号输入可动态平衡的组合器，所述组合器选自包含下列部件的组Y型连结点(junction)、X型连结点、多模干涉(MMI)耦合器、星形耦合器、定向耦合器或者Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的。
一种用在上述方法中的光信号器件，包括一个可动态平衡的组合器，所述组合器能够多路复用来自可调谐或不可调谐激光源的激光信号，并且所述组合器包括至少一个可动态平衡的构建块元件，所述元件选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、多模干涉(MMI)耦合器、星形耦合器、定向耦合器和Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的。
第二种组合来自激光源的多个光信号的方法将所有光信号的功率电平衰减至基本上最弱光信号的功率，并实现基本上无额外的损耗，所述源是可调谐的或不可调谐的，其中所述方法包括步骤将所述光信号输入可动态平衡的组合器，所述组合器选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、MMI耦合器、星形耦合器、定向耦合器或MZI、其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的。
一种可用在上述第二种方法中的光信号器件，包括一个可动态平衡的组合器，所述组合器能够多路复用来自可调谐或不可调谐激光源的激光信号，并且所述组合器包括至少一个可动态平衡的构建块元件，所述元件选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、多模干涉(MMI)耦合器、星形耦合器、定向耦合器和Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的，并且所述组合器能够将所述激光信号的功率电平衰减至基本上最弱光信号的功率且基本上无额外损耗。
第三种组合来自激光源的多个光信号的方法将所有光信号的功率电平衰减至基本上最弱光信号的功率，所述源是可调谐的或不可调谐的，其中所述方法包括步骤将所述光信号输入可动态平衡的组合器，所述组合器选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、MMI耦合器、星形耦合器、定向耦合器或MZI，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的。
一种用在上述第三种方法中的光信号器件，包括一个可动态平衡的组合器，所述组合器能够多路复用来自可调谐或不可调谐激光源的激光信号，并且所述组合器包括至少一个可动态平衡的构建块元件，所述元件选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、多模干涉(MMI)耦合器、星形耦合器、定向耦合器和Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的，并且所述组合器能够将所述激光信号的功率电平衰减至基本上最弱光信号的功率。
第四种组合来自激光源的多个M个光信号的方法将所有光信号的功率电平衰减至一电平，所述源是可调谐的或不可调谐的，所述电平大于最弱光信号的电平除以M而又小于最弱光信号的电平，其中所述方法包括步骤将所述光信号输入可动态平衡的组合器，所述组合器选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、MMI耦合器、星形耦合器、定向耦合器和MZI，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的。
一种用在上述第四种方法中的光信号器件，包括一个可动态平衡的组合器，所述组合器能够多路复用来自可调谐或不可调谐激光源的M个激光信号，并且所述组合器包括至少一个可动态平衡的构建块元件，所述元件选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、多模干涉(MMI)耦合器、星形耦合器、定向耦合器和Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的，并且所述组合器能够将所述M个激光信号的功率电平衰减至一电平，该电平大于最弱光信号的电平除以M而又小于最弱光信号的电平。
图1示出用基于AWG、中阶梯光栅或薄膜过滤器阵列的多路复用器组合的固定波长的激光；图2示出用OXC和基于AWG、中阶梯光栅或薄膜过滤器阵列的多路复用器组合的可调谐波长的激光；图3示出用无源耦合器组合的可调谐波长的激光；
图4示出一个用无源耦合器组合的可调谐波长的激光的实例，其中组合了2对激光，每对激光由主激光和备用激光组成；图5示出对4个可调谐激光中2个进行组合的动态组合器；图6是对4个可调谐激光中2个进行组合的动态组合器的实施例，所述组合器包含四个2×1可动态平衡的组合器；图7是无损耗动态M-信道组合器；图8示出一个可调谐的对波长高度敏感的定向耦合器的实施例，其允许无损耗地组合两个不同波长的光信号，所述信号进入两个不同的输入臂，并从同一输出臂出射；图8a示出当1510nm波长的光信号进入右输入臂时这种器件的计算机仿真；图8b示出1565nm波长的光信号进入图8a中器件的左输入臂。
具体实施例方式
在本发明的第一种实施方式中，描述一种测量和组合来自多个激光源的一定百分比光功率的方法，所述百分比大于传统设计中的百分比，而且从组合器出射的所有光信号的光功率基本上是相等的。
这种设计示出在图5中。
K是用来动态缩放每个输入λ(i)信道的系数矩阵。
在图5功率电平相差20％的实例中，动态组合器的使用允许获得相对于传统组合器150％的效率提高。
在图5中示出该实施例的一个实际实施方案的例子，即一种2×1树形可动态平衡的组合器，其基于在开状态和关状态间操作的基于1×2Y-分支的反向光开关。图6示出一种4×1组合器的实施。
一个例子显示出了基于2×1 Y-分支、具有两个输入臂和一个输出臂的2×1的可动态平衡的组合器的原理，该例子是例如，其中驱动机构是热-光学效应，其中通过施加热来改变材料的折射率从而实现路由选择，且Y-分支由聚合物制成，该聚合物是一种具有负热-光学系数的材料，这就意味着该材料的折射率随着温度的增加而减小。两个有阻抗的金属加热器制作在该Y-分支上，每个输入臂附近有一个。当没有给加热器供电时，每个臂内基本上有50％的光从输出臂出射。当给一个输出臂的加热器供电时，所述臂被加热，其折射率减小，因而在驱动的臂内就有小于50％的光从输出臂出射，而在未驱动的臂内有多于50％的光从输出臂出射。通过一次向一个加热器供电并控制功率电平，输出率就能控制在0％/100％和100％/0％之间，其中第一个数字表示从“左”输入臂来的光从输出臂出射的百分比，第二个数字表示从“右”输入臂来的光从输出臂出射的百分比。
本发明的第二种实施例是一种测量和组合来自多个激光源的基本上全部光功率的方法，其中的多个激光源工作在不同且已知的波长上。通过将从组合器出射的所有光信号的光功率均衡为最弱信号的值，该方法也允许使所有的信道负载平衡。这种方法利用了每个光信号的载波波长都是已知的事实，并且使用可调谐的波长依赖耦合器来获得基本上无损耗的组合。在一种保护配置中，利用切换来消除无效源，每个有效信道被基本无损耗地发送至组合器的输入端，然后，所有来自有效源的光信号都进入基本无损耗的动态组合器内。这种新颖的设计示出在图7中。
L是用来将每个输入λ(i)信道动态缩放为最弱信道的光功率电平的系数矩阵，以便用于负载平衡。
在图7功率电平相差20％的实施例中，无损耗动态组合器的使用允许相对于图5的普通动态组合器获得60％的效率提高，相对于图4的传统组合器获得300％的效率提高。
在图7中示出该实施例的一个实际实施方案的例子，其中采用定向耦合器作为可调谐波长依赖耦合器。图8示出一种可调谐的对波长高度敏感的定向耦合器，其允许获得两种不同波长光信号的无损耗动态组合。图8(a)示出当1510nm波长的光信号进入右输入臂(在底部输入)时这种器件计算机仿真的结果，在此情形中，光信号从右输出臂出射。在图8(b)中，1565nm波长的光信号进入该相同器件的左输入臂，光信号从右输出壁出射(1510nm的光进入左输入臂，从左输出臂出射)。因而，这种设计就能够实现没有额外损耗的多路复用。同时，这种器件是可调谐的，从而进入两个不同输入臂的任何两个不同波长光信号能从相同的输出臂出射。
应当注意的是，上面讨论的损耗是额外损耗，即设计呈现出的理论损耗(例如平衡的50/50或1×2分束器或2×1组合器具有50％或者3dB的额外损耗)。上面描述的无损耗器件是无额外损耗的器件，横穿这些器件的光信号会具有传播损耗，该传播损耗典型等于吸收损耗+辐射损耗+散射损耗+耦合损耗-增益(并不是所有这些部分都总是存在，而且可能存在其它部分)。
还应当注意的是，上面讨论的可调谐性能够用任何的驱动方式来实现，包括热、电场、磁场、压力或者其任何的组合。
权利要求
1.一种组合来自激光源的多个光信号且基本上无额外损耗的方法，所述源是可调谐的或是不可调谐的，其中所述方法包括将所述光信号输入可动态平衡的组合器，所述组合器选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、多模干涉(MMI)耦合器、星形耦合器、定向耦合器或者Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的。
2.一种包括可动态平衡的组合器的光信号器件，所述组合器能够多路复用来自可调谐或不可调谐的激光源的激光信号，并且所述组合器包括至少一个可动态平衡的构建块元件，所述元件选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、多模干涉(MMI)耦合器、星形耦合器、定向耦合器和Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的。
3.一种在将所有来自激光源的多个光信号的功率电平衰减至基本上最弱光信号的功率的同时组合所述多个光信号、且基本上无额外损耗的方法，所述源是可调谐的或不可调谐的，其中所述方法包括将所述光信号输入可动态平衡的组合器，所述组合器选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、MMI耦合器、星形耦合器、定向耦合器或MZI，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的。
4.一种包括可动态平衡的组合器的光信号器件，所述组合器能够多路复用来自可调谐或不可调谐的激光源的激光信号，并且所述组合器包括至少一个可动态平衡的构建块元件，所述元件选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、多模干涉(MMI)耦合器、星形耦合器、定向耦合器和Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的，并且所述组合器能够将所述激光信号的功率电平衰减至基本上最弱光信号的功率且基本上无额外损耗。
5.一种在将所有来自激光源的多个光信号的功率电平衰减至基本上最弱光信号的功率的同时组合所述多个光信号的方法，所述源是可调谐的或不可调谐的，其中所述方法包括将所述光信号输入可动态平衡的组合器，所述组合器选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、MMI耦合器、星形耦合器、定向耦合器或MZI，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的。
6.一种包括可动态平衡的组合器的光信号器件，所述组合器能够多路复用来自可调谐或不可调谐的激光源的激光信号，并且所述组合器包括至少一个可动态平衡的构建块元件，所述元件选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、多模干涉(MMI)耦合器、星形耦合器、定向耦合器和Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的，并且所述组合器能够将所述激光信号的功率电平衰减至基本上最弱光信号的功率。
7.一种在将所有来自激光源的M个光信号的功率电平衰减至一电平的同时组合所述M个光信号的方法，所述源是可调谐的或不可调谐的，所述电平大于最弱光信号的电平除以M而又小于最弱光信号的电平，其中所述方法包括将所述光信号输入可动态平衡的组合器，所述组合器选自包含至少一个下列部件的组Y型连结点、X型连结点、MMI耦合器、星形耦合器、定向耦合器和MZI，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的。
8.一种包括可动态平衡的组合器的光信号器件，所述组合器能够多路复用来自可调谐或不可调谐的激光源的M个激光信号，并且所述组合器包括至少一个可动态平衡的构建块元件，所述元件选自包含下列部件的组Y型连结点、X型连结点、多模干涉(MMI)耦合器、星形耦合器、定向耦合器和Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，其中的任一部件可以是无源的、可调谐的或可切换的，并且所述组合器能够将所述M个激光信号的功率电平衰减至一电平，该电平大于最弱光信号的电平除以M而又小于最弱光信号的电平。
全文摘要
本发明描述了用于在组合来自多个激光源的光信号时将光损耗降至最低的方法和光信号器件，所述多个激光源的波长典型是不同的，所述源可以是可调谐的或是不可调谐的。
文档编号H04J14/02GK1596518SQ02823528
公开日2005年3月16日 申请日期2002年11月26日 优先权日2001年11月26日
发明者F·道, L·埃尔达达 申请人:纳幕尔杜邦公司