Волоконно оптический коммутатор Текст научной статьи по специальности «Физика»

4 декабря 2011 г. 2:43

ТЕХНОЛОГИИ

Волоконно-оптический коммутатор

Интерферометры Мажа-Цендера, волоконно-оптический коммутатор, разветвитель, мультиплексор, демультиплексор, интерференция, волновод

В статье описана конструкция спектрально-избирательного коммутатора на интерферометрах Маха-Цендера. Приведен алгоритм выбора длин волн оптических несущих каналов и соответствующих настроек интерферометров.

Алексеев Е.В.,

дл.н, профессор,

главный научный сотрудник МТУСИ

Попов А Г.,

аспирант МТУСИ

Попов В.И.,

инженер МТУСИ

Коммутация потоков излучения, как известно, является нсмболее эффекпвным приемом оптимизации потсжо-распределения в поссивных сетях. При комструїфоеании сетей с коммутацией потоков излучения в узлах с успехом могут бьль применены пассивнее спект-ралъноизбирательные коммутаторы, которые к тому же являются статическими полюстью не-блокирющими устройствами Маршрутизация в узлах осуществляется соответствующим выбором дгины волк>1 излучения оптической несущей [ 1,4]. Спектрально-избирательные коммутаторы могут быть построены на разных физических принципах и иметь разное конструктивное исполнение, например ко**иутаторы на дифракционных решетках АУ^С [3,10] или ОХС на многослойных интерференциотых фильтрах и циркуляторах [4]. Здесь же мы детально изложим построение слектральноизби-рательного коммутатора на интерферометрах Маха-Цендера Топологически схема коммутатора ЫхЫ соответствует схеме разветвителя "звезда* ЫхИ X.Котельника [2{ где на месте че-тырехполюстков — разветвителей 2x2 разместим четырехполюсники волоконно-оптических интеферометров Маха-Цендера (ИМЦ). На рис. 1 изображена схема коммутатора 8x8.

Работа коммутатора основана на операции расслоения (интерливинга) спектральных каналов интерферометром Волоконнооптический ИМЦ рис. 2 является аналогом классического интерферометра Маха-Цендера с делителями волны на зеркалах (см например [5Ц.

Так же как и в классическом интерферометре с зеркалами в интерферометре (рис. 2) при разности хода в ветвях А и Б, кратных дг»**е волны

А. имеем максимум жтенсивности (мощности) на выходоом порту 6 и минимум на порту с и смену интенсивностей на портах при измене-(ми разности хода на полуденну волны Вместе с тем в работе интерферометров имеется различие, которое необходимо учитывать при анализе работы и проектировании приборов на волоконно-оптических интерферометрах Известно, что амплитуде» во/и на выходных полюсах е и ( разветвителя С, рис. 2 пропорциональны Со$(с2) и Зіп(сг) соответственно (излучение вводится в порт а), где с — коэффициент связи, а г — длина связи волноводов разветвителя [6]. Таким образом, в зависимости от аргумента сг возможны как разнополярные амплитуды выходных волн, так и однополярные.

Казалось бы, разнополярность указывает на сдвиг фаз в Я родиан между волнами, аналогичный фазовому сдвигу из-за потери полуволны при внеїтем отражении от зеркала делителя в классическом интерферометре Маха-Цендера (51. Однако этот факт объясняет допал-►мтельностъ к#лерференционньи картин на вы-жздах в клоссическсм ИМЦ но не объясняет постоянство полной (сукмарной) мощкхти на выходных портах с, с/валоко»#к>сптического ИМЦ

Докажем что деление мощности разветви гелем на связанных волноводах сопровождается сдвигом фазы на п/2 волны второго волновода ("потерей четверти волны") по отношению к волне первого волновода (в пределах полупе-риода длты биений мощностей в связанных волноводах, когда мощность из первого волновода полностью перекачивается во второй волновод).

• При вводе ед иничной мощности в порт а на выходном порту с (рис. 2) будем иметь су-перпозицио волн:

1/2 CosM - kx -20) + 1/2 Cos (ом - kx - ф) -

- Cosie - Ф/2) Со* <сot-kx- ф/2 - в),

здесь первое слагаемое — волна ветви Б которая д важды "перетекла" из одного волновода в другой соответственно в первом С, и втором С разветвителях и приобретшая сдвиг фазы 29, а второе слагаемое — волна ветви А ф = кЛ — сдвиг фазы волны ветви Айз за разности хода Л в ветвях; к ■ 2 л/А, — волновое wc-по. На выходном порту d будем иметь следующую суперпозицию волн:

1/2 Coe(ft*- be-в) +1/2 Cos (aw - kx - ф - 0)*

■ СоМф/2) Cos (оМ - kx - ф/2 - 0).

Dr

Рис I. Схема спектрал^о-нзбирательного коммутатора 8x8, MZ — интерферометр Маха-Цендера

' AWG (arrayed waveguide graling) — дифрскциом*ие решетка из массива световодов,

* * ОХС (opfed cross ccnnedor) — отичесхий коммутатор

T-Comm #4-2010

^4С 2 Волоконно-оптический китерферометр Махо-Цендера

здесь первое слагаемое — волна ветви Б, а второе слагаемое — волна ветви Л приобретшие сдвиг фазы В соответственно на первом и втором разветвителях С,,

Постслмство полной мощности (закон сохранения энергии) на портах требует, чтобы сумма: Сое2(в - ф/2) + Со*2(ф/2) = 1, отсюда следует В = К/2.

Выразим мощности Фд. на портах с, с! через порядок интерференции Р“ Д/А. Имеем Ф = кЛ = 2яД/а = 2кР, тогда

Фс = 5т2(р/2) = 5п2(яа Фй-С«2|<(>/2)-Ок2М (1)

Покажем теперь, как осуществляется ин-терлкви^ группы из 8 узкополосных каналов с длинами вага А,, оптических несуиих,

которые поступают на ад*< из входных портов коммутатора (рис I), например, на вход №1. Пусть для совокупности длин во/*т К ], А>2, -* Хд и некоторой разности хода А порядки интерференции Р., Р2, ..., Р- отличаются друг от друга на едижцу. Тогда для этой разности хода имеем первое после нулевого поряд ка совпадение интерференционных максимумов для всей совокупности длин волн (в системе интерференционных полос классического ИМЦ с зеркалами имеем картину наибольшего контраста). А для разности хода А, , = А/2 получим расслоение (югтерлиеинг) совокупности длин волн, и соответственно каналов (в системе интерфе-рек*юнных полос — потерю контраста карти-»>|). Причем волш с четным порядком интерфе-рек#*1 согласно (1) поступят в порт сУ, а с нечет-шм — в порт с (рис. 2) интерферометра М1} , коммутатора (рис 1). Интерферометр М12 \ второго каскада произведет росслоение волн с четным порядком Р при разности хода Д2 , - А/4, а интерферометр 2 произведет расслоение волн с нечетным порядком Р при разности хода А2 2 “ А/41 Х/2. Далее интерферометры М23 третьего кас-

када разведут поступившие на них пары каналов по выходным портам коммутатора (рис 1).

Таким образом, видим, что для интерливинга требуется разная настройка ИМЦ во втором (Д2, ^А22) и третьем каскадах в зависимости от четности порядка интер-ференц^м Р, Описанная процедура интерливинга имеет место в известных демультиплексорах 1 хЫ (см. например (8)) и проиплюстр^^ювана на рис 3 в виде графиков мощности Ф({.

■ Сов (ЯР • х), где аргумент х есть доля нормированной разности хода (А = 1); Р, = 11, Р2 ■ 12,... ,Рд = 18. В отличие от демультиплексора 1 хИ в коммутаторе ЫхЫ дл>1 не можем допустить разную настройку интерферометров в одноименном каскаде, поскольку все направления передачи в коммутаторе равноправны и не должны зависеть от номера порта входа. Из графиков рис. 3 видим, что для ИМЦ уже второго каскада не находится общей ностройси с приемлемой развязкой между каналами передач (в лучием случае это 7,6 дБ при разности хода средней между настройками для четных и нечетных каналов). Можно пойти по пути предложенному в патенте [7\ где коммутатор ЫхЫ построен из N демультиплексоров 1хЫ на входе соединенных с N мультиплексорами Ых 1 на выходе. Разумеется, этот пуп> решает задачу

развязки между каналами, но одновременно требует значительного увеличения числа ИМЦ Так, коммутатор 8x8 включает 112 ИМЦ против 12 ИМЦ на рис. 1.

В новом техническом решении (схема рис. 1) увеличение развязки достигается подбором длин ВОЛН А |, А^,..., Х8 оптических несущих каналов Здесь мы приведем примеры найденных решений для настроек ИМЦ второго каскада, которые могут быть приняты за основу проектирования коммутатора 4x4 (рис. 4).

Пример I

Для той же разности хода А положим Р, - 11,05, Р2 - 12, Р3 - 13,05, Р4 - 14, Р5 =15,05, Р6= 16, Р7 =17,05, Р8 = 18. Первое совпадение интерференционных максимумов для новой совокупности д лин волн наступит при разности хода Л - 20Д, а расслоение на четные и нечеттью каналы »*перферометрами М2, , М2, 2приА| ] =А, 2= 10Д.Расслоение среди четных и соответственно нечетных каналов интерферометрами ,, М^2, будем иметь при настройках разностей хода

^2.1 =^2 2 = ^-2'495 + 0,0002)-Ас развязкой между каналами не менее 33 дБ. Развязку рассчитываем по формуле 101д(Фс/Ф(^) ■ = 201д!д(ГгР}, где Р = 5.2495Р.

тш/шл тщпем !.щя 9 * адгсадИР ШЮ Н >:т -Ш :Швй 9»:

1о А;,-Д/4/

чт

Д||=Л/2

нечетные

Р/

четные

Р;

рзир7

4 И гй

&«с. 3. Графики мощности группы из 8 узкополосных каналов с дгинами еогн Л , Л?, 6 интерферометра Маха-Цендера с порядками интерференции Р, ■ 11, Р2 ■ 12, . хода Д.

Ае в выходом порту , Р8 • 18 при разности

Т-Сотт #4-2010

Таблица 1

8Х.\вЫХ ЛИ ЛИ ли Л»4

№1 3(7) К5) 4(8) 2(6)

Ш 4(8) 2(6) 3(7) 1(5)

ли К5) 3(7) 2(6) 4(8)

№4 2(6) 4(8) 1(5) 3(7)

fW. А. Схемо коммутоторо 4x4 и тоблщр кросс-соединений коммутатора

Пример 2

Положим Р, -11,1, Р2 *12, Р3 -13,1. Р4 »14, Р5 = 15,1, Р6 = 16« Р7 = 17,1, Р8 = 18.

Расслоение на четные и нечетные каналы интерферометрами ,, 2, наступит

при 1 *Д| 2 э 5Д. РЬсслоение среди четных и соответственно нечетных кс»<апов интерферометрами М12 ], М2-22> будем иметь при

) = 3^2 2 = ^ ^ с развязкой между кана-

лами не менее 27дБ(Р1= 2,251 Р)

Пример 3 (с привязкой к частотной сетке рекомендованной (Ш-Т )

Сетка стандарта Ш-Т Рес.С692 [9] строится с опорной частотой ^ -193,10 ТГц (что соответствует дг**<е волны к0 = 1552,524381 нм) и шагом 50 Пц ('0,4 нм).

Из условия интерливинга: А - Р/. = РдХ^ находим совсжупностьдлш волн X, = 1553,328;

- 1552,524; Хз- 1551,723; - 1550,918

и порядки интерферендо Р =1931, Р2 =1932; Р3=1933; Р£ = 1934для шага в 100 ГГц, Для той же разности хора А изменяем поряден интерференции Р, = 1931,1; р2 = 1932, рз = 1933,1 ; Р4 =1934. Тогда центральные длины волн оптических несущих каналов примут новые

X,- 1553,249; *2= 1552,524;

Хз = 1551,802; Х4 = 1550,919 нм

Расслоение на четные и нечетные каналы интерферометрами М22 ,, М22 2, наступит при , =5,2 = 5Д “ЭРоХо* 14997,386»*м.

Расслоение среди четных и соответственно нечетных каналов интерферометрами будем иметь при ^2 , в&22* = 2,7505* А = 8249,312 с развязкой между каналами не менее 25 дБ (Р = 2,7505 Р).

Пример 4

Увеличив шаг вдвое (200 ГГц) и оставаясь в сетке стандарта ГГЦ-Т [?ес.С5692 получим развязку между каналами не менее ЗОцБ.

л. = 1554,053; = Хд = 1552,524;

Лз = 1550,839; к4 = 1549,317 нм

Р, = 965,05; Р2=966; Р3 = 967,05; Р& = 968.

5, ,=5^=104= ЮР^-14997,389»*м

Зц =Д22=4.73001 - 4 = 4,75001 •

= 7123,76м(м.

Приведенные примеры 3,4 показывают, что для работы коммутатора в высоких порядках интерференции (ВОСП с плотным мультиплексированием) требуется весьма то4#*» регулировка (юстировка) разности хода А интерферометров. В случае интегрально-оптического исполнения ИМЦ юстировка может быть обеспечена электрооптическими или термооптическими устройствами фазового сдвига включенными в ветви А,Б (рис. 2) к*лерферо-метра.

Замечательным свойством коммутатора №сЫ на интерферометрах Маха-1_^зндера, а также всех выше упомянутых коммутаторов (3, 4, 7, 10], является повторяемость кросс-соединений для длии волн (каналов) отстоящих друг от друга с периодичностью в N шагов. Назовем такие группы из т дгин волн "Л-лакетоми” В табл. 1 кросс-сое»«ени* (рис. 4) кроме номеров четырех каналов в скобках указаны номера ксыалов 5-8 из примеров 1,2. Таким образом, из N "А-лакетов" на каждом входном порту в кажд>й из N выходных портов поступает по одаому "Л-лакет/. То есть в каждом выходном порту имеем те же N ‘Л-пакетов’ (лп- N каналов) но собранных из разных вход-

ных портов. 'Указанное свойство спектральноизбирательных коммутаторов позволяет не только эффективно использовать их в перестраиваемых мультиплексорах ввода-вывода 1ЮАЭМ (І?есопІідигаЬ1е ОрЙсаІ АсИ/йгор МаІНрІехег) но и осуществлять маршрутизацию информационных потоков в сложнораэ-ветленных пассивных сетях С принципом построения и вариантами исполнения таких сетей можно будет познакомиться в ближайших публикациях авторов.

Литература

1 Suzuld & et d Opted woveleng^vdrrfson muH-plex transmission network device using transceiver having 2-inpuf/2-oupu1 opical palh switch // Patent EP 1043847,2000.

2 H.W. Kogdnfc et d Passive — star coupler // Patent US №4 787.693, 1998.

3 Гончаров AA, Ситжав B.B„ Cewwo кий ЮС, Сычугов BA, Уоиап БА Интегральмооп-тичеасий аналог эшелона Майкельсона, его основные свойства и приложения // Квантовая электроника, 2004. —Т. 34. - IM9 8

Л Oberg M.G. Oplcd NxN wavelength ctoss-connecf // teen WO/1996/011537.

5 MPytco, XP. Матьв. Задачи no crnvwe /Пер с англ.// Под ред проф. Л.В Леешина — М: Мир, 1976.

6. А Снайдер, ДжЛ<ж Теория оптинеских волноводе® / Пер с »4ГЛ, под ред Е М. Дисяова и

В.В-Шееменко. — М_ Радио и связь, 1987

7 Wu Mlng-Chiang. Compact wavelength-selective optical crossconnect // Patent

WO/2004/015459.

8- МКшпеЬсг/. Cascaded coupler Mach-Zehnder chammel dropping fillers for Wovelength-Division-Muhplexed optical systems // Journal of lightwave Technology, 1994. -Vd.12.-NP2 - PP22^230.

9 P. Фримю. Волоково-оптические систем* связи. 2-е дспогмителжое издание/Пер с англ, под ред Н.Н.Спелсва — М : Техносфера, 2004

10 Кар Т. et al, Wavelength selective and level

adjusting optical device // Patent WO

US2007/258678.

ГГЦ-Т — Международный coo з электросвязи

10

T-Comm #4-2010