CN1237360C

CN1237360C - 具有功率平衡的光交换系统和方法

Info

Publication number: CN1237360C
Application number: CN01808594.6A
Authority: CN
Inventors: 鲁文·杜尔
Original assignee: Lynx Photonics Networks Inc
Current assignee: Lynx Photonics Networks Inc
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: JP2003529097A; EP1279056A1; WO2001073490A1; AU2001247373A1; CN1426540A; EP1279056A4; CA2404473A1

Abstract

本发明使用了一种用于将光信号从多个输入波导(102)切换到多个输出波导(104)，同时平衡输出波导中的功率的系统以及方法。该系统以一个光开关矩阵(100)为基础，包括：用于每个输入波导和用于每个输出波导的一个或多个衰减器(110，120)，用于将进入输入波导的光能的一个可调整部分转移到输出波导。此外，每个输入波导经由一对2×2马赫-择德干涉仪耦合到每个输出波导，其中第一干涉仪具有一个空闲输入端(112)，第二干涉仪具有一个空闲输出端(128)。该系统还包括一个反馈机构，用于分接输入波导或者输出波导中功率的固定部分，并相应地调整衰减器。

Description

具有功率平衡的光交换系统和方法

技术领域

本发明涉及一种光信号切换，特别是涉及一种便于输出功率平衡的光交换系统。

背景技术

在基于密集波分复用的光通信网络中，由于各种原因，不同波长载波携带的信号容易有不同的光功率。一个原因是，这样一个网络使用了维持信号功率的光放大器。光放大器的光增益作为波长的函数不是平坦的。因此，即使输入的复用信号功率相等，输出的复用信号也不会功率相等。第二个原因是，复用信号通常具有不同的始发端，所以，当这些信号到达光放大器时，作为传播不同距离的结果，这些信号经历了不同的传播损耗。如果进入光放大器的复用信号的信号功率范围太大，则放大器饱和，导致不可接受的数据损失。

两个不同的方案已经用来解决该问题。第一个方案是通过引入与响应曲线成倒数的损耗曲线将系统的响应曲线(是光放大器的响应曲线与任何其它波长依赖元件比如滤波器的响应曲线的合成)拉平。这可以无源地实现(Y.Li，“Awaveguide EDFA gain equalizer filter”，Electronics Letters，vol.33pp.2005-2006，1995)或者动态地实现(M.C.Parker，“Dynamic holographic spectral equalizationfor WDM”，IEEE Photon Technology Letters，vol.9pp 529-531，1997；J.E.ford andJ.A.Walker，“dynamic spectral power equalization using micro-opto mechanics”，IEEE Photon Technology Letters，vol.10pp.1440-1442，1998)。在该方案中，信号仍然被复用在普通光波导上。第二方案将信号解复用到各信道上，并使用一个光衰减器衰减每个信道。

诸如2×2和l×2马赫-择德干涉仪(Mach-Zehnder interferometers)的光开关可以被用作衰减器。图1显示了一种马赫-择德干涉仪10。干涉仪10以两个差不多平行的波导为基础，一个是上波导12，一个是下波导14。波导12和14在第一3dB定向耦合器16和第二3dB定向耦合器18中相互耦合。在定向耦合器16与18之间，每个波导12和14通过各自的移相器20和22。上波导12的左端24充当干涉仪10的输入端。上波导12的右端26充当干涉仪10的输出端。下波导14的右端28是一个空闲端。

干涉仪10的操作如下所述。在输入端24进入干涉仪10的相干光被定向耦合器16分解，其一半光在上波导12中继续向右传播，另一半光在下波导14中向右传播。移相器20和22被用来改变波导12和14中的光的相对相位。然后，根据移相器20和22引起的上波导12的光与下波导14的光之间的相位差，定向耦合器18使某些光或者所有光经由输出端26和/或空闲端28从干涉仪10射出。

图2显示了经由输出端28离开一个特定马赫-择德干涉仪10的功率(dB)，它是相对于经由输入端24进入该干涉仪10的功率的相对值，并且是作用于移相器20或者移相器22的加热功率的函数。对于1.55微米波长的光，使用Si上的SiO₂技术来制造该特定马赫-择德干涉仪10。在点I(接近50mW加热功率)获得35dB的最大衰减。在点II(接近610mW加热功率)得到最小衰减。因此，该马赫-择德干涉仪10能够有35dB衰减范围。当该马赫-择德干涉仪10被用作开关时，点I相当于开关关闭，几乎使所有功率都经由输出端26离开开关，而点II则相当于开关全通，几乎使所有功率都经由输出端28离开开关。

衰减的变化依赖于移相器20和22中使用的加热功率的变化。

发明内容

2×2和1×2光开关还被用作光开关矩阵的元件，比如PCT申请WO 99/60434和共同待审US专利申请09/696,224中教导的那些，用于将来自输入波导的光信号切换到输出波导。本发明是一种基于光开关矩阵的光交换系统，该光开关矩阵将诸如马赫-择德干涉仪10的光开关的切换功能与这种光开关的衰减功能组合在一个单一单元中。

因此，根据本发明提供了一种光交换系统，用于把来自多个输入波导的光能切换到多个输出波导上，包括：(a)对于每个输出波导：对于每个输入波导：至少一个相应的衰减器，用于把经由每个输入波导输入的光能的一个可调整部分转移到每个输出波导；所述系统的特征在于，每个所述衰减器可调整地并选择性地使输入到它的光能基本上全部通过或基本上全部不通过或部分地通过。

此外，根据本发明，这里提供了一种方法，用于把在相应输入波导上传播的多个光信号中每个光信号从相应输入波导切换到多个输出波导中的一个预期波导上，该方法包括以下步骤：(a)提供一个光开关矩阵，包括：对于每个输出波导：对于每个输入波导：至少一个相应的衰减器，用于把每个输入波导上传播的信号的一个可调整部分转移到每个输出波导；(b)选择用于将光信号转移到预期输出波导的衰减器；和(c)调整所选择的衰减器，以平衡输出波导中的光信号的功率；所述方法的特征在于，每个所述衰减器可调整地并选择性地使输入到它的光能基本上全部通过或基本上全部不通过或部分地通过。

本发明的光交换系统以一个光开关矩阵为基础，该矩阵包括用于每个输入波导和每个输出波导的一组一个或多个光开关，用于把输入波导中光能量的一个可调整部分转移到输出波导。每个开关组中至少一个光开关是衰减器，最好是马赫-择德衰减器。所述的开关最好是2×2开关。如果每个开关组中存在两个开关，一个用于输入以及另一个用于输出，那么输入开关具有一个空闲输入端以及输出开关具有一个空闲输出端。每个输入波导的最后开关组的输入开关还具有一个空闲输出端，并且每个输出波导的第一开关组的输出开关还具有一个空闲输入端。

本发明的光交换系统最好包括一个用于调整衰减器的反馈机构，以平衡输出波导中的输出功率。该反馈机构包括：一个诸如光谱分析仪的功率测量装置；一组抽头，用于把来自输入波导或者输出波导的光能的固定部分转移到光谱分析仪；和一个控制单元，用于接收来自光谱分析仪的指示被抽头波导中的功率电平的信号，并且根据这些信号调整衰减器。每个抽头最好包括一个被耦合到相应输入或输出波导的定向耦合器。

“平衡”输出波导中的输出功率意味着调整输出波导中的输出功率，以便于信号从光交换系统向下游的精确传输。通常，该平衡是通过均衡所有输出波导中的功率实现的；但是存在通过调整功率使其具有不一致的互比值(mutual ratio)来进行功率平衡的情况。例如，某些信号可能指向比其它信号更下游的相应目的地。如果所有信号的功率被均衡，那么由于信号衰减与传播距离在同样意义上变化，因此远目的地的信号到达它们的目的地时具有比近目的地的信号低的功率。在该情况下，通常希望把远目的地的信号功率的电平调整到高于近目的地的信号功率的电平，所以所有信号到达它们的相应目的地时具有相等的功率。

附图说明

下面结合附图仅以举例方式说明本发明，其中：

图1图示了一种马赫-择德干涉仪；

图2显示了用于一个特定马赫-择德干涉仪的作为施加的加热功率的函数的相对输出功率；

图3图示了本发明的光开关矩阵的结构；

图4图示了本发明的另一个光开关矩阵的结构；

图5是本发明的一个完整系统的高级方框图；

图6是本发明的另一个完整系统的高级方框图。

具体实施方式

本发明是一种光交换系统，该系统可以用来把来自输入波导的光信号切换到输出波导，同时平衡输出波导中的功率。

结合附图和伴随的说明，可以更好地理解本发明的光交换系统的原理和操作。

参见附图，图3示出了本发明的光开关矩阵100的结构，它类似于WO99/60434中教导的光开关矩阵。光开关矩阵100将四个输入波导102连接到四个输出波导104。为此目的，光开关矩阵100包括十六个输入衰减器110和十六个输出衰减器120。每个衰减器110或者120是一个马赫-择德干涉仪，它实际上和马赫-择德干涉仪10一样。每个输入衰减器110具有一个上输入端112，一个下输入端114，一个上输出端116和一个下输出端118。同样，每个输出衰减器120具有一个上输入端122，一个下输入端124，一个上输出端126和一个下输出端128。每个输入波导102通过一个相应输入衰减器110和一个相应输出衰减器120耦合到每个输出波导104。用于将一个特定输出波导102耦合到一个特定输出波导104的输入衰减器110和输出衰减器120由相应字母标注：输入衰减器110aa和输出衰减器120aa将输入波导102a耦合到输出波导104a；输入衰减器110ab和输出衰减器120ab将输入波导102a耦合到输出波导104b，等等。

具体地说，输入波导102导入耦合到输出波导104a的输入衰减器110的下输入端114，输出波导104从耦合到输入波导102d的输出衰减器120的上输出端126射出。每个输入衰减器110通过相应的中间波导132耦合到其相应的输出衰减器120，该中间波导132从输入衰减器110的上输出端116引导到输出衰减器120的下输入端124。输入波导110的所有上输入端112都是空闲端。同样，输出衰减器120的所有下输出端128也都是空闲端。耦合到输出波导104d的输入衰减器110的下输出端118是空闲端；相应中间波导130从每个其它输入衰减器110的下输出端118引导到将相同输入波导102耦合到下一个输出波导104的输入衰减器110的下输入端114。同样，耦合到输入波导102a的输出衰减器120的上输入端122是空闲端；相应中间波导134从把相同输出波导104耦合到在前输入波导102的输出衰减器120的上输出端126引导到每个其它输出衰减器120的上输入端122。与马赫-择德干涉仪10中一样，每个输入衰减器110的下输入端114和下输出端118实际上是相同的内部下波导的相对端，每个输出衰减器120的上输入端122和上输出端126实际上是相同的内部上波导的相对端，所以中间波导130实际上是相应输入波导102的延伸，以及中间波导134实际上是相应输出波导104的延伸。

每个衰减器110或者120在其通过状态(图2中的点I)被认为OFF(关闭)，其中经由上输入端112或122进入的所有光能经由上输出端116或126离去，并且经由下输入端114或124进入的所有光能经由下输出端118或128离去。在所有衰减器OFF时，经由输入波导102进入矩阵100的所有光能被丢弃在空闲输出端118。通过把加到这些衰减器110和120的移相器上的加热功率增加至图2的点II，接通将特定输入波导102耦合到特定输出波导104的输入衰减器110和输出衰减器120，可以将经由输入波导102进入的某些或者全部光能转移到输出波导104。

图4示出了本发明的另一个光开关矩阵200的结构，类似于US专利中请第09/696,224中教导的光开关矩阵。光开关矩阵200将四个输入波导202连接到四个输出波导204。为此目的，光开关矩阵200包括十六个输入衰减器210和十六个输出衰减器220。每个衰减器210或者220是实际上与马赫-择德干涉仪10相同的一个马赫-择德干涉仪。每个输入衰减器210具有一个上输入端212，一个下输入端214，一个上输出端216和一个下输出端218。同样，每个输出衰减器220具有一个上输入端222，一个下输入端224，一个上输出端226和一个下输出端228。每个输入波导202通过相应输入衰减器210和相应输出衰减器220耦合到每个输出波导204。用于将特定输入波导202耦合到特定输出波导204的输入衰减器210和输出衰减器220由对应的字母标注：输入衰减器210ad和输出衰减器220ad将输入波导202a耦合到输出波导204d，输入衰减器210ba和输出衰减器210ba将输入波导202b耦合到输出波导204a，等。

具体地说，输入波导202导入输入衰减器210的上输入端212，该输入衰减器210耦合到循环在前的输出波导204；输入波导202a导入输入衰减器210ad的上输入端212，输入波导202b导入输入衰减器210ba的上输入端212，输入波导202c导入输入衰减器210cb的上输入端212，以及输入波导202d导入输入衰减器210dc的上输入端212。输出波导204从耦合到对应输入波导202的输出衰减器220的上输出端226射出：输出波导204a从输出衰减器220aa的上输出端226射出，输出波导204b从输出衰减器220bb的上输出端226射出，输出波导204c从输出衰减器220cc的上输出端226射出，输出波导204d从输出衰减器220dd的上输出端226射出。每个输入衰减器210通过一个相应中间波导232耦合到其相应输出衰减器220，该中间波导232从该输入衰减器210的下输出端218引导到该输出衰减器220的下输入端224。输入衰减器210的所有下端214是空闲端。同样，输出衰减器220的所有下输出端228是空闲端。将输入波导202耦合到对应输出波导204的输入衰减器210aa、210bb、210cc、和210dd的上输出端是空闲端。相应中间波导230从每个其它输入衰减器210的上输出端216引导到将相同输入波导202耦合到循环在前输出波导204的输入衰减器210的上输入端212。例如，中间波导230从输入衰减器210cb的上输出端216引导到输入衰减器210ca的上输入端212，另一个中间波导230从输入衰减器210ca的上输出端216引导到输入衰减器210cd的上输入端212，以及再一个中间波导230从输入衰减器210cd的上输出端216引导到输入衰减器210cc的上输入端212。将输入波导202耦合到循环在前输出波导204的输出衰减器220ad、220ba、220cb、和220dc的上输入端222是空闲端。相应中间波导234从将相同输出波导204耦合到循环在前输入波导202的输出衰减器220的上输出端226引导到每个其它输出衰减器220的上输入端222。例如，中间波导234从输出衰减器220dc的上输出端226引导到输出衰减器220ac的上输入端222，另一个中间波导234从输出衰减器220ac的上输出端226引导到输出衰减器220bc的上输入端222，再一个中间波导234从输出衰减器220bc的上输出端226引导到输出衰减器220cc的上输入端222。中间波导234将输出衰减器220dc、220db和220da分别连接到输出衰减器220ac、220ab和220aa。如终点A、B和C所示，该中间波导234的连接是通过环绕实现的，通常是通过交叉输入波导202或者输出波导204实现的。

与马赫-择德干涉仪10中一样，每个输入衰减器210的上输入端212和上输出端216实际上是相同内部上波导的相对端，每个输出衰减器220的上输入端222和上输出端226实际上是相同内部上波导的相对端，所以中间波导230实际上是相应输入波导202的延伸，而中间波导234实际上是相应输出波导204的延伸。

每个衰减器210或者220在其通过状态(图2中的点I)被认为OFF(关闭)，其中经由上输入端212或222进入的所有光能经由上输出端216或226离去，并且经由下输入端214或224进入的所有光能经由下输出端218或228离去。在所有衰减器OFF时，经由输入波导202进入矩阵200的所有光能被丢弃在空闲输出端216。通过把加到这些衰减器210和220的移相器上的加热功率增加至图2的点II，接通将特定输入波导202耦合到特定输出波导204的输入衰减器210和输出衰减器220，可以将经由该输入波导202进入的某些或者全部光能转移到该输出波导204。

图5是本发明的完整的光交换系统250的高级方框图。除了用于将光信号从四个输入波导302切换到四个输出波导304的4×4光开关矩阵300外，系统250还包括一个反馈机构，用于确定经由输出波导304从矩阵300射出的光信号的功率，并且实时根据输出波导304中的平衡功率调整矩阵300的衰减器。矩阵300可以是如上所述的矩阵100，或者如上所述的矩阵200。反馈机构包括一个光谱分析仪310，一个控制单元312和一组光抽头314。每个抽头314将相应的一个输出波导304中的少量的固定部分从该波导304转移到光谱分析仪310。被表示成功率测量装置的光谱分析仪310测量从每个输出波导304转移的功率，并且把代表这些功率的信号发送给控制单元312。根据这些信号，控制单元312调整矩阵300的衰减器，以平衡输出波导304中的功率。抽头314最好以定向耦合器为基础。控制单元312最好以个人计算机为基础。控制单元312还包括一个电子驱动器，用于根据该驱动器从个人计算机接收的控制信号调整加到矩阵300的移相器的加热功率。

图6是本发明的可替代的光交换系统350的高级方框图。类似于系统250，系统350包括：一个4×4光开关矩阵400，用于将光信号从四个输入波导402切换到四个输出波导404；一组光抽头414；一个光谱分析仪410；以及一个控制单元412。光抽头414、光谱分析仪410、和控制单元412基本上与系统250的抽头314、光谱分析仪310和控制单元312相同。系统250与系统350之间的主要区别在于：在系统350中，抽头414是把输入波导402中的功率的少量的固定部分转移到光谱分析仪410，而不是把输出波导404中功率的少量的固定部分转移到光谱分析仪410。此外，系统350的结构和操作与系统250的结构和操作基本相同。光谱分析仪410测量从每个输入波导402转移来的功率，并且把代表这些功率的信号发送给控制单元412。基于这些信号，控制单元412调整矩阵400的衰减器，以平衡输出波导404中的功率。

系统250或者350平衡输出波导304或者404中的功率的范围取决于相应电子驱动器的分辨率。在驱动器的动态范围与平衡输出波导304或者404中功率的精度之间存在一种折衷。电子驱动器通常是具有固定的预定数量步长的数字驱动器。大步长的电子驱动器具有大动态范围，但是以低精度为代价。小步长的电子驱动器具有高精度，但是以有限动态范围为代价。

尽管已经结合有限数量的实施例对本发明进行了说明，但是本领域的普通技术人员将会明白本发明的许多变化、修改和其它应用都是可以作出的。

Claims

1、一种光交换系统，用于把来自多个输入波导的光能切换到多个输出波导上，包括：

(a)对于每个输出波导，且对于每个输入波导：至少一个相应的衰减器，用于把经由所述每个输入波导进入的光能的一个可调整部分转移到所述每个输出波导；

所述系统的特征在于，每个所述衰减器可调整地并选择性地使输入到它的光能基本上全部通过或基本上全部不通过或部分地通过。

2、根据权利要求1所述的系统，其中每个所述衰减器包括一个马赫-择德干涉仪。

3、根据权利要求1所述的系统，其中对于每个输出波导，且对于每个输入波导：所述至少一个相应衰减器之一包括具有一个空闲输出端的2x2开关。

4、根据权利要求3所述的系统，其中对于每个输出波导，将光能从第一输入波导转移到所述每个输出波导的所述至少一个相应衰减器的所述之一的所述2x2开关具有一个空闲输入端。

5、根据权利要求1所述的系统，其中：对于每个输出波导，且对于每个输入波导：所述至少一个相应衰减器之一包括具有一个空闲输入端的2x2开关。

6、根据权利要求5所述的系统，其中对于每个输入波导，将光能从所述每个输入波导转移到最后输出波导的所述至少一个相应衰减器的所述之一的所述2x2开关具有一个空闲输出端。

7、根据权利要求1所述的系统，还包括：

(b)一个反馈机构，用于调整所述衰减器，使输出波导中光能的功率平衡。

8、根据权利要求7所述的系统，其中所述反馈机构包括：

(i)一个功率测量装置；

(ii)对于每个输出波导：一个抽头，用于把所述每个输出波导中的光能的一个固定部分转移到所述功率测量装置；和

(iii)一个控制单元，用于：

(A)为每个输出波导从所述功率测量装置中接收一个代表所述每个输出波导中光能的所述功率的信号；

(B)基于所述信号调整所述衰减器，以平衡所述功率。

9、根据权利要求8所述的系统，其中所述功率测量装置包括一个光谱分析仪。

10、根据权利要求8所述的系统，其中每个所述抽头包括一个定向耦合器。

11、根据权利要求7所述的系统，其中所述反馈机构包括：

(i)一个功率测量装置；

(ii)对于每个输入波导：一个抽头，用于把所述每个输入波导中光能的一个固定部分转移到所述功率测量装置；和

(iii)一个控制单元，用于：

(A)为每个输入波导从所述功率测量装置中接收一个代表所述每个输入波导中光能的功率的信号；和

(B)基于所述信号调整所述衰减器，以平衡输出波导中光能的所述功率。

12、根据权利要求11所述的系统，其中所述功率测量装置包括一个光谱分析仪。

13、根据权利要求11所述的系统，其中每个所述抽头包括一个定向耦合器。

14、一种方法，用于把在相应输入波导上传播的多个光信号中每个光信号从相应输入波导切换到多个输出波导中的一个预期波导上，包括以下步骤：

(a)提供一个光开关矩阵，包括：对于每个输出波导，且对于每个输入波导：至少一个相应的衰减器，用于把所述每个输入波导上传播的信号的一个可调整部分转移到所述每个输出波导；

(b)选择用于将光信号转移到预期输出波导的所述衰减器；和

(c)调整所述选择的衰减器，以平衡输出波导中光信号的功率；

所述方法的特征在于，每个所述衰减器可调整地并选择性地使输入到它的光能基本上全部通过或基本上全部不通过或部分地通过。

15、根据权利要求14所述的方法，还包括步骤：

(d)测量输出波导中光信号的所述功率；所述调整是基于输出波导中光信号的所述测量功率进行的。

16、根据权利要求14所述的方法，还包括步骤：

(d)测量输入波导中光信号的功率；所述调整是基于输入波导中光信号的所述测量功率进行的。

17、根据权利要求14所述的方法，其中实施所述调整，以均衡输出波导中光信号的所述功率。