专利名称：多路复用解复用器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于使用波分多路复用信号的单模通信系统的M×N多路复用／解复用器件。
在序号为S．N．08／052，523的专利申请中描述了Mach-Zehn-der滤波器的原理。在此申请中，通过把含有多个波长的光耦合进N条光路即可实现对波长的滤波。基本上相等地分配N条光路之间的功率。每条光路各有不同的长度或以不同的速度传输一给定波长的光。换句话说，每条光路对给定的光波长具有不同的光程长度。
从每条光路来的经相移的光耦合进单一光路，其中发生相长和相消干涉。预先选定光程长度以使特定光波长发生相长干涉而使其它光波长发生相消干涉。于是，预定的光波长从光信号中过滤出来。注意当光信号耦合入单一光路时才发生干涉。即，在空间位置形成耦合，即单一输出光路的位置。因此滤波决定于光的频率及滤波元件的空间相对位置。
通过选择特定的光程长度而相移的原理也可用于波分复用和解复用中。然而，预先选定形成适当相移的光程长度是较难的。在多路复用和解复用中，因为由每一个多个波长的信号传送信息，所以必须选择形成相长干涉的多个波长。
在Dragone的专利号为5，234，672的美国专利中，使用由一组代表光栅的光波导路径连接的两个星形耦合器来实现多路复用和解复用。“位于两个星形耦合器之间的光栅实际上由一列长度不同的弯曲的光波导构成。”(第Ⅰ栏，Ⅱ．42-44)通过光栅的光的光程长度不同产生能导致多路复用和解复用的干涉。在制造这样一个器件中碰到的问题都与星形耦合器的设计和制造有关。此外，光栅路径必须能限制由于相互邻近的光路耦合而产生的位相误差。而且，如星形耦合器的输出或输入端那样的平面波导与光纤之间的光耦合是很困难和精密的工作。
于是需要一种在光路中限制交叉耦合位相误差的耦合器件。
此外，有效的多路复用器和解复用器必须满足几个标准，如-低衰减；-有效的信号分离；-环境稳定性；-机械稳定性；以及，-与光纤系统的兼容性。
因为多路复用器／解复用器包含至少一个耦合器，所以系统兼容性包含耦合器与光纤的耦合。于是，具有包含光纤的耦合器的多路复用器／解复用器器件与光纤通信系统更兼容且更完美。
多路复用是增加安装光纤网络的容量的最经济的方法。不必干扰和增加光缆传输系统而能改良通信网络。因为需要增大电讯的容量，所以多路复用系统更具有吸引力。因此加强了对低衰减、可靠及更经济和容易制造的多路复用和解复用器件的寻找。
术语光程长度常常指波导中光传播的有效距离。以有效折射率neff为特征的一段波导的光程长度由neff×d给出，其中d是用通常方法测得的波导段的长度。通过波导段的光的相速度是光程长度除以通常波导段的光的传输时间。
一般波导的有效折射率neff决定于光波长及波导的传播常数。于是，光程长度一般由以下因素而不相同-对不同波长的光；-对应力形式不同的波导；-对掺杂或掺杂量不同的波导；
-对如纤芯直径等几何尺寸不同的波导。
术语百分数折射率差或简单折射率差是指光波导而言的，这里定义为δ=100×{(n12-n22)／2n12}，其中n1是纤芯区的峰值折射率而n2是包层的折射率。
本发明满足了对一种可容易地插入单模光纤系统中的简单而可靠的多路复用及解复用器件的需要。
本发明的第一个方面是一种用于波分多路复用和解复用的单模器件，它包括一个M×N损耗波耦合器，一个N×O损耗波耦合器，以及用于将一个耦合器的N个输出端与其它耦合器的N个输入端相连的装置。每个耦合器必须在多个输出中提供基本上均匀分配的输入光功率。即，M×N耦合器的每一个M输入端来的光功率必须基本上分成N等份用来分配给N个输出端。当N×O用作输入耦合器时，从每个O输入端来的光功率必须基本上分成N份。
当与用作解复用器的相同器件比较时，必须区分用作多路复用器的本发明的器件的输入和输出端。如这里所用的，当包含至少两个信号波长的光发射到第一衰耗波耦合器的一个端口时，解复用发生了。当至少两个信号波长发射到第二耦合器的分开的输入端时发生多路复用。此外，为运用本发明的器件进行多路复用和解复用，必须对称地发射信号波长。即，特定波长的信号将一直从给定耦合器的相同端口中入射和出射。在以下的例子中多路复用和解复用的相互关系将变得很明显。
连接装置是指每个都产生相移的N个光传输通道，在光传输中此相移不同于其它任何光路中产生的相移。即，每个传输通道的光程长度不同于其它任何传输通道的光程长度。
耦合器可包括透镜和镜子元件或者它可以是熔接好的光纤器件或是以衰耗波耦合为基础的平面波导器件。
本发明的多路复用的较佳实施例包括至少一个如专利号为4，983，195的美国专利中描述的熔接好的光纤耦合器。一个耦合器有M根输入光纤和N根输出光纤。其它的耦合器有N根输入和O根输出光纤。两个耦合器之间的传输通道是光纤，每根光纤具有不同于传输通道中其它任何光纤的光程长度。
在本发明的这个实施例中，在耦合器之间含有连接装置的光纤，可具有不同的折射率差以对每根光纤产生相同的光程长度。另一种方法是，通过改变具有相等长度的光纤的纤芯直径也可使光程长度变得相同。当通过改变折射率差或光纤的纤芯直径等几何参数产生光程长度变化时，沿整条连接起来的光纤或几段光纤中的任何一段都存在差别。
通过改变在通常情况下相等长度的光纤的长度也可改变光程长度。
可采用几个改变光程长度的方法。它们包括-用光子方法使沿整条或部分连接起来的光纤长度产生折射率变化；-用热学方法使沿整条或部分的连接起来的光纤长度产生折射率变化；-由电光相互作用沿整个或部分的连起来的光纤长度产生折射率变化；以及，-用应力的方法沿整个或部分的连接起来的光纤长度产生折射率变化，其中应力可由热学、机械或类似方法引起。
可以预见通过包含在工作期间用于调节由一个或多个相移光路引起的相移的装置可实现产生更好的信号分离或更好的信噪比的特殊多路复用／解复用器件。这种调节相移的装置包括上述改变连接波导的光程长度的任一种装置。
当用作解复用器时，不同波长的光信号分配给M×N耦合器的M个输入端中的至少一个。输入光功率在N个输出端中基本上相等地分配。用于将M×N耦合器的N个输出端与N×O耦合器的N个输入端连接起来且每个具有不同的光程长度的连接装置的作用是为相长干涉提供耦合入N×O耦合器特定输出端的特定波长的光。因为连接装置的光程长度一般与波长有关，所以当波长多路复用的信号耦合至预选输出口时，它的每个波长能产生相长干涉。在本技术中可以理解，对一周期族的波长将发生相长干涉。一般，第一级相长干涉是信号和噪声电平基本上分开的多路复用器／解复用器所感兴趣的课题。
当执行解复用工作的反向工作时，此器件起多路复用器的作用。例如O个有区别波长中各不相同的一个可入射N×O耦合器的O个端口中。在特定的端口处入射的波长必须相应于在解复用操作中的在那个端口出射的波长。
可以理解由干涉现象固有的空间关系引起多路复用和解复用作用之间的空间相互关系。例如，考虑一个解复用器件，其中从N×O耦合器的第一输出端口出射波长l1，从第二输出端口出射波长l2等等，以及在最后的输出端口出射l0。为从M×N耦合器的M个输出端口获得多路复用信号，l1必须入射到N×O耦合器的第一个端口，l2入射到第二个端口等等直到l0入射到最后一个端口中，光信号不必入射到每个端口中。但必须保持每个M×N和N×O耦合器的特定端口及特定波长信号之间的对应性。
图1是M×N多路复用器／解复用器的示意图。
图2是具有在两个耦合器分支上多路复用的波长的4×4多路复用器／解复用器的示意图。
图3是具有在一个耦合器分支上多路复用的波长的4×4多路复用器／解复用器的示意图。
图4是用于计算4×4多路复用器／解复用器的功率与波长的关系曲线。
图5a是熔接前的1×4熔接光纤耦合器的端面图，示出耦合区中光纤的对称排列。
图5b是熔接前的4×4熔接光纤耦合器的端面图，示出耦合区中光纤的对称排列。
图5c是熔接前的2×4熔接光纤耦合器的端面图，示出耦合区中光纤的对称排列。
是5d是2×4熔接光纤耦合器的侧面示意图，示出2根直通光纤和2根端接光纤。
图5e是熔接前N根光纤的环状熔接光纤阵列。
图5f是环状熔接光纤阵列的侧面示意图，示出一些直通和一些端接光纤。
图1示意图中示出本发明的主要特征。一个或多个光波长可入射到耦合器8的M个输入端2。耦合器把从每个输入端2的入射功率分成基本相等的N份，用于被输出端4传送。输出端4都连到用于把光输进耦合器10的N个输入端的相移元件6。每个元件6以不同于其它元件6的量偏移传送的光的相位。在耦合器10中，每个输入光中的一个特定的波长同相地耦合到输出端10。如此选择每个元件6的相移量，以使在选到的一个输出端12中仅对一个波长发生相长干涉。在选到的一个输出端中其它波长的光产生相消干涉。于是每个输出端12只传输从入射到输入端2的多个波长中的单一波长，从而使入射的信号解复用。
当N个波长中的不同的每一个分别入射到耦合器10的O个端口12时，此器件就起多路复用器作用。于是，从端口12射出多路复用的信号。
在图2中示意地表示一个2×4多路复用器／解复用器。波长为l1和l2的信号入射到耦合器16的端口14中的第一个。波长为l3和l4的信号入射到耦合器16的端口14中的第二个。信号沿着相移元件18传播。元件中每一个都载有4个波长。每个波长的入射功率在元件18中基本上等分。信号在耦合器20中重新组合并发送给端口22。各个波长l1、l2、l3和l4只在端口22的其中之一中相长干涉。于是端口22中每一个只传输一个波长。
为把图2中示出的器件用作多路复用器，具有波长为l1、l2、l3和l4的信号中不同的一个入射到耦合器20的各个口22。当波长为l1和l2的信号在元件18中移相且通过耦合器16后，将在耦合器的一个分支中发生相长干涉并传到端口14中的一个。以相同的方式，波长为l3和l4的信号将传到端口14的另一个上。注意多路复用和解复用作用的可逆性。例如，l1必须从端口14中相同的一个和端口22中相同的一个出射或入射。同样的可逆性适用于波长l2、l3和l4。
多路复用／解复用器件的作用决定于对图1中6和图2中18的每个相移元件选择适当光程长度。描述适当光程长度的一系列方程式是非线性地且典型地用凑数解法、迭代技术，最好借助计算机来解。
用于2×2多路传输／信号分离器件的方程式在1993年Pren-tice Hall出版的Paul．E．Green所著的《光纤网络》(Fiber OpticNetworks)一书中给出。使用格林的符号和矩阵形式，写出用于1×N多路复用／解复用器件的方程式。器件包括1×N的耦合器、N×N的耦合器和连在两耦合器之间的N个相移元件。
可使用矩阵描述由N个相移元件引起的相移。矩阵大小为N×N并且因为相移元件中没有光功率的耦合所以它只有对角值。相移矩阵[P]具有元素，[P]rs=exp(iδ(ar)z／l)，当r=s，以及[P]rs=0，当r≠s，这里r=1，2，…N。字符δ(ar)是有关波长为l的信号的第r个相移元件引入的相移的增量角。z是沿波导的长度。对每一个入射到1×N的耦合器中的不同波长的光都有一个[P]矩阵。[P]矩阵以描述了入射到1×N的耦合器的电磁场的N×1的矢量工作以产生达到N×N的耦合器的相移场。
因为光通过N×N耦合器时在N个分支中发生耦合，所以描述N×N耦合器中传播的场振幅和相位的散射矩阵[S]一般不是对角的。由下列判据找到[S]的元素-对于每个光波长来说，光在N个输出端基本上等分；-光传播方向不是实质的，所以[S]rs=[S]sr；以及，-能量保存在耦合器中，从而[S]*[S]=[l]，这里[l]是单位矩阵，[S]*是共轭矩阵而[S]经过归一化。
矩阵[S]对代表入射到N×N耦合器的电磁场N×1的矢量起作用。对每个入射的波长都可有一个[S]矩阵。然而，有些情况中[S]可以与波长无关(见下例)。
如果[E]是入射到1×N耦合器的场，那么N×N耦合器输出口处的场[X]是由以下矩阵方程式给出，[X]=[S2][P][S1][E]。在此方程式中，[S1]给出N个输出口中[E]的分离度。[P]给出N个相移分支中场的相移量。[S2]给出N个最终输出端中场的分离度。
这个公式可用于描述M×O多路复用器／解复用器。这样一个器件包括一个M×N的耦合器、N个相移元件和一个N×O的耦合器。在熔接光纤耦合器件中，输入和输出光纤的相应数可通过终接于耦合区两边的特定光纤来改变。例子- 一个4×4单模多包层多路复用器／解复用器。
参考图3，一个四波长多路复用的信号入射到一个输入光纤24中。图3示出在最好是多包层耦合器的4×4耦合器的单根输入光纤上载有的波长为l1、l2、l3和l4的场。
应用Srs=Ssr，[S]*[S]=[l]，及4×4耦合器中光是等分的准则，可得决定在耦合器的四个输出支路中波长li，(i=1，2，3，4)的场是如何分配的散射矩阵。
令[S]rr=C exp(ia)，对r=1，2，3，4，以及[S]rs=C exp(ib)，对r≠s，及r，s=1，2，3，4，这里a和b是相位角而C是实数。注意该矩阵满足[S]rs=[S]sr。如果Ei是具有波长为li的场，那么用来描述图3中示出的输入耦合器分支中场的四个分矢量是第一行中值为Ei的列矢量及其余三行中为零的列矢量。相位角a可选为参考的相位角并设定为零。
求得恒定式[S]*[S]=[l]中指出的矩阵乘积并对相应的分量立方程式得以下方程式4C2=1，以及C2exp(ib)＋C2exp(-ib)=-2C2。
第一式得C=(0．25)1／2。第二式得cos(b)=-1，从而，b=180°。因此满足特定判据的矩阵[S]对r，s=1，2，3，4有分量Srr=(0．25)1／2，及Srs=-(0．25)1／2。注意[S]是与波长无关的。
选择图3中相移分支2b的长度相等且具有各自的折射率差△j，j=1，2，3，4。那么对一给定波长l的相移矩阵将有分量[P]rr=exp2πi／l(△j-△1)z，j=1，2，3，4，以及对r≠s，有[P]rs=0。
对分支24的一个分支上的输入场[E]，输出端28处的场[X]为，[X]=[S][P][S][E]。输出功率正比于[X]2的绝对值。使用此矩阵方程式及在数学领域中熟知的试数替代解法可得到△j。产生图4中功率曲线的那组折射率差为△1=0．003000；△2=0．010000；△3=0．024000；以及，△4=0．035025。
选择相移元件的折射率△产生了一个器件，其中同时入射到一个4×4耦合器的单根光纤的四个信号波长将分成四个波长，它们将出现在第二4×4耦合器的四个输出端的各个输出端。依据上述可逆性，当四个信号入射到相同一个端口28时，该器件将多路复用这四个信号。
在图4中曲线30、32、33和34示出输出耦合器各个分支中的归一化输出功率。各个功率峰值的间隔大约为5纳米。相对于噪声本底来说，峰值功率是好的。
对具有多于四个输出端的多路复用／解复用器件的[S]矩阵的解法包括更复杂的试数迭代解法过程。矩阵[S]一般与波长有关。不同的耦合器几何学图形导致不同的[S]矩阵。
多路传输／信号分离器件的较佳实施例包括上述外包层耦合器。在功率从第一波导组耦合到第二波导组处区域上第二组光纤与第一组光纤的对称排列，来实现本发明所需的光功率的相等分配。两个波导组对称的几何图形基本上保证了功率的对称耦合。
图5a中示出了有关1×4多外包层耦合器中单根光纤的四根光纤的对称排列。外包层的主体没有示出。虽然最好用外包层熔接光纤耦合器，但也可使用没有外包层的熔接耦合器。
图5b中示出了4×4耦合器的耦合区中在做成锥形以前四根光纤的对称排列。
图5c的菱形排列适用于2×4的熔接光纤耦合器。在光纤30通过耦合器的耦合区或熔接区后终接。图5d中示出2×4菱形结构的侧视图。光纤32是终接光纤而光纤35叫做直通光纤。
对更高的光纤数的M×N熔接光纤耦合器，尝试用如图5e中所示的环状等结构。例如，可以终接一些M个输入光纤，以提供给N个输出光纤，这里M＞N。在图5e中，34是直通光纤而36是终接光纤。
在Miller等人专利号为5，017，206的美国专利中详细示出和讨论了对称的1×N多包层耦合器的例子。
考虑提供给N个分支中信号的相等衰耗耦合的平面1×N器件。单个平面波导光路可耦合至顺次位于单个光路上的N个光路上。换句话说，考虑的器件是具有N个以其伸出的短接头的平面波导。
权利要求
1．一种用于单模光通讯信号波分多路复用和解复用的器件，其特征在于包括具有M个输入端口和N个输出端口的第一衰耗波耦合器件，其中来自所述M个输入端口中的每一个的功率基本上在N个输出端口中等分；具有N个输入端口和O个输出端口的第二衰耗波耦合器件，所述N个输入口中的每一个所带的每个特定波长的功率分别耦合进所述O个输出端口的一个预选端口；以及用于把所述第一耦合器的每个所述N个输出口分别连接至所述第二耦合器的相应的每个所述N个输入口的方法，以在所述第一第二衰耗波耦合器之间形成N条光路，其中每个所述N个光程长度是相同的。
2．如权利要求1所述的波分多路复用和解复用器件，其特征在于至少一个所述衰耗耦合器是熔接的光纤耦合器。
3．如权利要求2所述的波分多路复用和解复用器件，其特征在于所述N个光程长度包括平面光波导。
4．如权利要求1所述的波分多路复用和解复用器件，其特征在于至少一个所述衰耗耦合器是平面耦合器。
5．如权利要求1所述的波分多路复用和解复用器件，其特征在于所述N个光程长度包括光纤，每条所述光纤具有折射率差，长度和纤芯直径。
6．如权利要求5所述的波分多路复用和解复用器件，其特征在于通过分别沿每条所述光纤的至少一部分的长度改变每条所述光纤的所述折射率差，或通过分别沿所述光纤的至少一部分的长度改变所述光纤的纤芯直径，或通过分别改变所述光纤的长度，可改变所述光程长度。
7．如权利要求1所述的波分多路复用和解复用器件，其特征在于它还包括用来调节整个光程长度的预选范围内的至少一个所述光程长度的调节装置。
8．一种单模波分多路复用和解复用器件，其特征在于包括具有至少一条输入光纤，至少三条输出光纤及一个锥形耦合区的第一熔接光纤耦合器，在耦合区所述至少一条输入光纤和所述至少三条输出光纤熔接在一起从而从所述输入光纤来的基本上等量的功率耦合到每条所述输出光纤中；具有一些输入和输出光纤，以及一个锥形耦合区的第二熔接光纤耦合器，所述第二熔接光纤耦合器的输入光纤数至少等于所述第一熔接光纤耦合器的输出光纤数，在锥形耦合区所述第二耦合器的输入和输出光纤熔接在一起，从而每个所述输入光纤中特定波长的信号功率分别耦合至一个预选的所述输出光纤中；以及与所述第一熔接光纤耦合器的输出光纤数相等的不同的连接光纤，连在所述第一熔接光纤耦合器的所述输出端和所述第二熔接光纤耦合器的所述输入端之间；其中每个所述各不相同的连接光纤在传播的光信号中产生相移，此相移不同于其它各不相同连接光纤产生的相移。
9．如权利要求8所述的波分多路复用和解复用器件，其特征在于每个所述各不相同的连接光纤沿所述连接光纤的至少一部分长度具有不同于其它各不相同的连接光纤的折射率差。
10．一种单模波分多路复用和解复用器件，其特征在于包括具有M个输入端口和N个输出端口的第一光耦合器，所述耦合器如此构成以在所述N个输出端口中相等地分配每个所述M个输入端口的输入功率；具有N个输入端口和O个输出端口的第二光耦合器，所述耦合器如此构成以把每个所述N个输入端口来的特定波长的功率耦合至所述O个输出端口的一个特定端口中；以及把所述第一耦合器的每个所述N个输出端口连到所述第二耦合器所述输入端口的相应一个端口上的相移装置；其中在所述第二耦合器的每个所述输出端口，对一个预选波长发生相长干涉，且所述第二耦合器的每个所述输出口处的所述预选波长不同于其它任何所述预选波长，前者可任选地再包含用于在整个预选的范围递增地改变由至少一个所述相移装置产生的相移的装置。
全文摘要
本发明揭示了一种M×O多路复用/解复用器件。由相移装置把M×N耦合器连到N×O耦合器。此相移装置在耦合器之间提供了N条光路,每条光路具有互不相同的光程长度。当M为出射口时,M×N耦合器的耦合区必须在耦合支路之间提供基本上均匀的光功率分配。同样地,当O为出射口时,N×O耦合器的耦合区必须对耦合支路之间提供基本上均匀的光功率分配。较佳实施例中包括两个熔接光纤耦合器和用作相移装置的各不相同光纤。
文档编号H04J14/02GK1206269SQ95121420
公开日1999年1月27日 申请日期1995年12月12日 优先权日1995年12月12日
发明者唐纳德·布鲁斯·凯克, 威廉·詹姆斯·米勒, 丹尼尔·阿洛伊修斯·诺兰 申请人:康宁股份有限公司