DE69533248T2

DE69533248T2 - Abstimmbares optisches Filter

Info

Publication number: DE69533248T2
Application number: DE69533248T
Authority: DE
Inventors: Osamu Yokohama-shi Ishida
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2015-10-31
Also published as: EP0711092B1; US5701371A; DE69533248D1; EP0711092A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf abstimmbare optische Filter, die optische Signale mit gewünschten Frequenzen aus mehreren optischen Signalen extrahieren können, die der Frequenzmultiplexierung (oder Wellenlängenmultiplexierung) unterworfen worden sind und sich auf demselben optischen Pfad ausbreiten.
2. Technisches Gebiet
Abstimmbare optische Filter sind Schlüsselkomponenten in künftigen optischen Frequenzmultiplex-Netzen, von denen erwartet wird, dass sie eine hohe Kapazität und eine vergrößerte Flexibilität aufweisen. Üblicherweise sind optische Filter bekannt, die die Prinzipien der Fabry-Perot-Interferometer anwenden.
Falls z. B. die Stirnflächen geschnittener optischer Fasern poliert und einander gegenüber angeordnet werden, wird das Licht an beiden Stirnflächen mehrfach reflektiert. Bei bestimmten Frequenzen ist das mehrfach reflektierte Licht gleichphasig und wird konstruktiv überlagert, wobei es dadurch hindurchgeht. In diesem Fall verändern sich die Werte der Frequenzen, die weitergeleitet werden, kontinuierlich in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Stirnflächen. Deshalb ist es durch die Veränderung dieses Abstands möglich, optische Signale mit nur den gewünschten Frequenzen auszuwählen.
Weil jedoch die weitergeleiteten Frequenzwerte bei diesem Typ des optischen Filters nur kontinuierlich gesteuert werden können (analoge Steuerung), gibt es den Nachteil, dass die analoge Steuerung im hohen Grade genau sein muss, wenn es eine große Anzahl der Frequenzmultiplexierung unterworfener Kanäle gibt. Außerdem gibt es das Problem, dass es schwierig ist, die Abstimmungsgeschwindigkeit der optischen Filter zu vergrößern, weil die Steuerschaltungen zu kompliziert werden.
Um die obenerwähnten Probleme zu lösen, sind einige herkömmliche abstimmbare optische Filter mit mehreren optischen EIN/AUS-Schaltern und einem Arrayed-Waveguide-Grating-Router hergestellt worden. Dieses herkömmliche Beispiel wird unter Bezugnahme auf die 17–19 erklärt. Für die Einzelheiten dieses herkömmlichen Beispiels sollte auf die Seiten 617 und 618 der Lecture Thesis Collection of the Electronic Data Communications Society Autumn 1994 Convention (Communication 2), (Vortrag Nr. SB-8-8, "Arrayed-waveguide Grating Router with Optical Return Path", Ishida, Takahashi, Inoue und Suzuki), Bezug genommen werden.
Die Operationsprinzipien eines herkömmlichen abstimmbaren optischen Filters werden unter Bezugnahme auf 17 erklärt. In der Zeichnung geben die Bezugszeichen 1 und 2 optische Fasern an. Die optischen Signale mit n verschiedenen Frequenzen f₁, f₂, ..., f_n werden der Frequenzmultiplexierung unterworfen und breiten sich durch die optische Faser 1 aus.
In einem herkömmlichen abstimmbaren optischen Filter 3 wird das einfallende multiplexierte optische Signal zuerst mittels eines Demultiplexierers 4 in n optische Signale mit verschiedenen Frequenzen f₁, f₂, ..., f_n getrennt, die sich durch die entsprechenden optischen Fasern 8₁ , 8₂ , ..., 8_n ausbreiten. Die optischen Schalter 9₁ , 9₂ , ..., 9_n sind an jeder optischen Faser 8₁ –8_n vorgesehen, wobei nur der optische Schalter 9_i , der der ausgewählten Frequenz f_i entspricht, EIN-geschaltet ist. Das in dieser Weise ausgewählte optische Signal der Frequenz f_i wird über einen Multiplexierer 5 an eine optische Faser 2 ausgegeben.
Ein herkömmliches abstimmbares optisches Filter, das nach den in 17 demonstrierten Operationsprinzipien arbeitet, ist in 18 veranschaulicht. In 18 umfasst ein Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 eine Eingangswellenleitergruppe 23, die aus mehreren Eingangswellenleitern 23a–23p zusammengesetzt ist, einen Slab-Wellenleiter 24, ein Arrayed-Waveguide-Grating 26, einen Slab-Wellenleiter 25 und eine Ausgangswellenleitergruppe 27, die aus mehreren Ausgangswellenleitern 27a–27p zusammengesetzt ist, wobei jedes Element auf demselben Substrat ausgebildet ist. Eine optische Fasergruppe 18 umfasst die optischen Fasern 18a–18p, während eine optische Schaltergruppe 9 die optischen Schalter 9a–9p umfasst.
In der folgenden Erklärung wird ein Index I1–I16 auf jeden Wellenleiter 23a–23p der Eingangswellenleitergruppe 23 angewendet, um den Wellenleiter zu identifizieren, auf den Bezug genommen wird. Wenn z. B. der siebente Wellenleiter 23g spezifiziert wird, wird der folgende Index verwendet: Wellenleiter 23g(I7) oder 23(I7). In der gleichen Weise werden die Indizes J1–J16, K1–K16 und S1–S16 verwendet, um die Wellenleiter 27a–27p, die optischen Fasern 18a–18p bzw. die optischen Schalter 9a–9p anzugeben.
Für die Erklärung wird dieses Identifikationssystem verwendet, wobei jede optische Faser 18(Kj) (wobei j = 1, 2, 3, ..., 16 gilt) jeden Wellenleiter 27(Jj) der Ausgangswellenleitergruppe 27 mit jedem Wellenleiter 23(Ij) der Eingangswellenleitergruppe 23 verbindet, wobei sie als ein optischer Schleifenpfad wirkt, der das von jedem Wellenleiter 27(Jj) ausgegebene optische Signal zurück zum entsprechenden Wellenleiter 23(Ij) zurückführt. Außerdem ist ein optischer Schalter 9(Sj) in jeder optischen Faser 18(Kj) vorgesehen. Die optischen Fasern 1, 2 wirken als ein Eingangspfad bzw. ein Ausgangspfad.
Im Allgemeinen ist die Anzahl der Wellenleiter X, Y der Eingangswellenleitergruppe 23 und der Ausgangswellenleitergruppe 27 eines Arrayed-Waveguide-Grating-Routers 21 beliebig, aber um der Vereinfachung willen wird angenommen, dass X = Y = 16 gilt, dass die optische Faser 1 mit dem Wellenleiter 23h(I8) verbunden ist, und dass die optische Faser 2 mit dem Wellenleiter 27h(J8) verbunden ist.
In dem in 18 gezeigten herkömmlichen Beispiel wird ein der Frequenzmultiplexierung unterworfenes optisches Signal mit sechzehn Wellenlängen f₁, f₂, ..., f₁₆ durch die optische Faser 1 übertragen und dann in den Wellenleiter 23h(I8) des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers 21 eingegeben. Am Slab-Wellenleiter 24 wird das der Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal ausgebreitet, um in die mehreren Wellenleiter eingegeben zu werden, die das Arrayed-Waveguide-Grating 26 bilden. Nachdem sich das der Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal durch das Arrayed-Waveguide-Grating 96 ausgebreitet hat, wird es im Slab-Wellenleiter 25 gebeugt. Zu diesem Zeitpunkt unterscheidet sich die Konvergenzposition, in der das optische Signal konvergiert, abhängig von der optischen Frequenz, zurückzuführen auf einen während der Ausbreitung durch das Arrayed-Waveguide-Grating 26 erzeugten Phasenunterschied.
Der in 18 gezeigte Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 wendet diese Operationsprinzipien an, wobei er konstruiert ist, dass er die in 19 gezeigten Router-Anschlussmöglichkeiten besitzt. Wenn z. B. ein der Frequenzmultiplexie rung unterworfenes optisches Signal, das aus den optischen Signalen der Frequenzen f₁, f₂, ..., f₁₆ gebildet ist, in den Wellenleiter 23h(I8) eingegeben wird, wird aus dem Wellenleiter 27a(J1) ein optisches Signal der Frequenz f₁ extrahiert, wird aus dem Wellenleiter 27b(J2) ein optisches Signal der Frequenz f₂ extrahiert, ..., und wird aus dem Wellenleiter 27p(J16) ein optisches Signal der Frequenz f₁₆ extrahiert, sodass jede Frequenz f_j (wobei j = 1, 2, ..., 16 gilt) aus einem Wellenleiter 27(Jj) mit dem gleichen Index extrahiert wird. Wenn das der Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal in den Wellenleiter 23i(I9) eingegeben wird, der einen Index besitzt, der eins größer als der des Wellenleiters 23h(I8) ist, wird außerdem die Beziehung zwischen dem optischen Signal der jeweiligen Frequenz (f₁–f₁₆) und dem Wellenleiter 27(Jj), von dem es ausgegeben wird, um einen Wellenleiter verschoben, wie in 19 gezeigt ist. Deshalb wird, wenn ein der Frequenzmultiplexierung unterworfenes optisches Signal in den Wellenleiter 23i(I9) mit einem Index, der eins größer als der des Wellenleiters 23h(I8) ist, eingegeben wird, dann ein optisches Signal der Frequenz f₂ aus dem Wellenleiter 27a(J1) extrahiert, ..., und ein optisches Signal der Frequenz f₁₆ aus dem Wellenleiter 27o(J15) extrahiert.
In dem in 18 gezeigten herkömmlichen Beispiel breiten sich die aus den Wellenleitern 27(Jj) extrahierten optischen Signale der Frequenz f_j entsprechend durch die optischen Fasern (den optischen Schleifenweg) 18(Kj) aus. Jeder der in den optischen Fasern 18(Kj) vorgesehenen optischen Schalter 9(Sj) ist entweder in einen EIN-Zustand, der das Licht weiterleitet, oder in einen AUS-Zustand der das Licht sperrt, gesetzt.
Ein optisches Signal, das sich durch einen optischen Schleifenweg mit einem optischen Schalter im EIN-Zustand ausbreitet, wird von der Eingangswellenleitergruppe 23 in den Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 erneut eingeleitet. Ein wichtiger Punkt in diesem Fall ist, dass die j-te optische Faser 18(Kj) mit dem Wellenleiter 23(Ij) in der Eingangswellenleitergruppe 23 verbunden sein sollte, der den gleichen Index besitzt. In diesem Fall ist der Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 so konstruiert, dass er die in 19 gezeigten Router-Anschlussmöglichkeiten besitzt, sodass die optischen Signale der Frequenz f_j, die über die Schalter 9(Sj) in die Wellenleiter 23(Ij) neu eingeleitet werden, ohne Rücksicht auf die Werte der Indizes j von den Wellenleitern 27(J8) an die optische Faser 2 ausgegeben werden.
Andererseits werden die optischen Signale, die sich durch die optischen Fasern 18(Kj) ausbreiten, in denen sich die optischen Schalter 9(Sj) in einem AUS-Zustand befinden, nicht neu in den Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 eingeleitet, wobei sie deshalb nicht an die optische Faser 2 ausgegeben werden. Wenn der optische Schalter 9(Sj) lediglich der optischen Faser 18(Kj), durch die sich eine gewünschte Frequenz des Lichts ausbreitet, in einen EIN-Zustand gesetzt ist, während die anderen optischen Schalter 9 AUS-geschaltet sind, dann werden folglich nur ein optisches Signal der Frequenz f_j, die dem optischen Schalter 9(Sj) entspricht, der EIN-geschaltet ist, und ein optisches Signal der Frequenz f₈ aus der optischen Faser 2 ausgegeben. Indem bewirkt wird, dass das in den Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 eingegebene Signal ein optisches Signal der Frequenz f₈ nicht enthält, ist es möglich, ein optisches Signal der gewünschten Frequenz aus der optischen Faser 2 zu erhalten.
Folglich kann ein herkömmliches abstimmbares optisches Filter, wie es in 18 gezeigt ist, optische Signale der gewünschten Frequenzen durch digitale Steuerung auswählen, wobei es keine analoge Steuerung mit hoher Präzision erfordert, selbst wenn die Anzahl der der Frequenzmultiplexierung unterworfenen Kanäle zunimmt.
Das durch 18 erklärte herkömmliche abstimmbare optische Filter besitzt jedoch die Nachteile eines hohen Verlusts und des Bedarfs an einer großen Anzahl optischer Schalter.
Der Gesamtverlust für das optische Signal, das ausgewählt und an die optische Faser 2 ausgegeben wird, würde 2α (dB) betragen, wobei α den Verlust im Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 bezeichnet. Dies ist so, weil das optische Signal zweimal durch den Router hindurchgeht. Die Arrayed-Waveguide-Grating-Router, die gegenwärtig bekannt sind, besitzen abhängig von der optischen Frequenz Verluste α ≥ 5 (dB), wobei aufgrund des zweimaligen Durchgangs die optische Intensität auf weniger als das 0,1fache (–10 dB) abnehmen würde.
Außerdem sind, wie unter Bezugnahme auf 18 erklärt worden ist, um ein beliebiges optisches Signal aus einem der Frequenzmultiplexierung unterworfenen Signal mit Z (wobei Z eine natürliche Zahl ist) Frequenzkanälen zu extrahieren, Z optische Schalter erforderlich. Folglich ist es notwendig, viele optische Schalter zu besitzen, falls die Anzahl der der Frequenzmultiplexierung unterworfenen Kanäle Z zunimmt, was sowohl zu vergrößerten Kosten und vergrößertem elektrischen Verbrauch als auch zu verringerter Zuverlässigkeit führt.
Ein weiteres herkömmliches abstimmbares optisches Filter bezüglich der vorliegenden Erfindung ist im US-Patent, laufende Nr. 5.233.453, mit dem Titel "Tunable Optical Filter" offenbart. Dieses abstimmbare optische Filter umfasst eine fest abgestimmte Filteranordnung und optische Schalter. Bei diesem abstimmbaren optischen Filter wird das Eingangslicht mittels eines ersten optischen Schalters zu einem der fest abgestimmten Filter geführt, wobei seine Ausgabe mittels eines zweiten optischen Schalters zu einem optischen Ausgangspfad geführt wird. Jeder optische Schalter umfasst optische 1 × 2-Schalter, die in einer Baumstruktur angeordnet sind. Dieses Filter erfordert jedoch eine große Anzahl fest abgestimmter Filter und eine große Anzahl von optischen 1 × 2-Schaltern. Um z. B. einen einzelnen beliebigen Kanal aus Z Kanälen zu extrahieren, sind Z fest abgestimmte Filter und etwa 2Z optische 1 × 2-Schalter erforderlich.
Weitere in Beziehung stehende Technik ist in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:

(1) B. Glance u. a., IEEE Journal of Lightwave Technology, Bd. 12, Nr. 6, S. 957–962, 1994, "Applications of the Integrated Waveguide Grating Router",
(2) US-Patent, laufende Nr. 5.373.517, mit dem Titel "Tunable Laser Apparatus",
(3) ELECTRONICS LETTERS, Bd.30, Nr. 16, 4. August 1994, STEVENAGE, HERTS, GB, S. 1327–1328, XP 000468814, O. ISHIDA u. a., "FDM-channel selection filter employing an arrayed-waveguide grating multiplexer".

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung resultierte in Anbetracht der obenerwähnten Situation, wobei es ihre Aufgabe ist, ein digital abstimmbares optisches Filter anzubieten, das niedrigen Verlust besitzt und nur eine kleine Anzahl optischer Schalter erfordert.
Das abstimmbare optische Filter, das einen Arrayed-Waveguide-Grating-Router verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt als seine wichtigsten Merkmale eine Einrichtung zum Verbinden optischer Pfade, die einen aus M (wobei M eine ganze Zahl größer als oder gleich 2 ist) Wellenleitern in einer Eingangswellenleitergruppe des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers mit einem optischen Eingangspfad verbindet, und eine Einrichtung zum Auswählen eines optischen Pfades, die einen aus N (wobei N eine ganze Zahl größer als oder gleich 2 ist) Wellenleitern in einer Ausgangswellenleitergruppe des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers auswählt.
Die Einrichtung zum Verbinden optischer Pfade wählt einen aus M Wellenleitern in der Eingangswellenleitergruppe des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers und verbindet ihn mit dem optischen Eingangspfad. Durch das Umschalten des Eingangswellenleiters, der durch die Einrichtung zum Verbinden optischer Pfade angeschlossen ist, bietet der Arrayed-Waveguide-Grating-Router M verschiedene Router-Anschlussmöglichkeiten in Bezug auf das der Frequenzmultiplexierung unterworfene Signal, das vom optischen Eingangspfad eintritt. Andererseits wählt die Einrichtung zum Auswählen eines optischen Pfades einen aus N Wellenleitern in der Ausgangswellenleitergruppe des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers. Durch das Umschalten des durch die Einrichtung zum Auswählen eines optischen Pfades angeschlossenen Ausgangswellenleiters ist es möglich, N verschiedene Frequenzen für das optische Signal auszuwählen. Die Einrichtung zum Verbinden optischer Pfade und die Einrichtung zum Auswählen eines optischen Pfades können aus optischen Schaltern, elektrischen Schaltern oder dergleichen zusammengesetzt sein; wenn z. B. beide aus optischen Schaltern zusammengesetzt sind, dann ist es möglich, ein Maximum von M · N verschiedenen Frequenzauswahleigenschaften, zurückzuführen auf die Kombination der zwei optischen Schalter, zu erhalten. Das ausgewählte optische Signal geht nur einmal durch den Arrayed-Waveguide-Grating-Router hindurch. In dieser Weise wird ein digital abstimmbares optisches Filter, das minimale Verluste besitzt und nur eine kleine Anzahl optischer Schalter erfordert, was die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, angeboten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine strukturelle graphische Darstellung, die ein abstimmbares optisches Filter gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine graphische Darstellung, die ein Konstruktionsverfahren eines opti schen 1 × 4-Schalters gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
3 ist eine graphische Darstellung, die die Router-Anschlussmöglichkeiten des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers mit sechzehn Eingangs- und Ausgangswellenleitern zeigt.
4 ist eine graphische Darstellung, die die Frequenzauswahloperation gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
5 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkung der Verringerung der Anzahl der optischen Schalter in der vorliegenden Erfindung erklärt.
6 ist eine graphische Darstellung, die ein Konstruktionsverfahren eines optischen 1 × 4-Schalters gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
7A ist eine graphische Darstellung, die eine Frequenzauswahloperation, die von der nach 4 verschieden ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
7B ist eine graphische Darstellung, die eine Frequenzauswahloperation, die von der nach 4 verschieden ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
8A ist eine graphische Darstellung, die eine weitere Frequenzauswahloperation gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
8B ist eine graphische Darstellung, die eine noch weitere Frequenzauswahloperation gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
8C ist eine graphische Darstellung, die eine noch weitere Frequenzauswahloperation gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
9 ist eine graphische Darstellung, die die Frequenzanschlussmöglichkeiten eines Arrayed-Waveguide-Grating-Routers zeigt, der eine Periodizität mit sechzehn der Frequenzmultiplexierung unterworfenen Kanälen besitzt.
10 ist eine strukturelle graphische Darstellung, die ein abstimmbares optisches Filter gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist eine strukturelle graphische Darstellung, die ein abstimmbares optisches Filter gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist eine graphische Darstellung, die die Frequenzauswahloperation einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
13 ist eine graphische Darstellung, die eine andere Frequenzauswahloperation einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
14 ist eine strukturelle graphische Darstellung, die ein abstimmbares optisches Filter gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
15 ist eine graphische Darstellung, die die Frequenzauswahloperation einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
16 ist eine strukturelle graphische Darstellung, die die Struktur einer optischen Querverbindungsvorrichtung zeigt, die ein geeignetes Beispiel der Anwendung des abstimmbaren optischen Filters der vorliegenden Erfindung ist.
17 ist eine graphische Darstellung, die die Operationsprinzipien eines herkömmlichen abstimmbaren optischen Filters erklärt.
18 ist eine strukturelle graphische Darstellung, die ein herkömmliches abstimmbares optisches Filter zeigt.
19 ist eine graphische Darstellung, die die Frequenzanschlussmöglichkeiten eines Arrayed-Waveguide-Grating-Routers mit sechzehn Eingangs- und Ausgangswellenleitern zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die bevorzugten Ausführungsformen des abstimmbaren optischen Filters der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich erklärt. In den folgenden Ausführungsformen können die Eingangs-/Ausgangs-Wellenleiter, die der Arrayed-Waveguide-Grating-Router nicht verwendet, entfernt werden. Wenn jedoch die Wellenleiter durch die Nummer identifiziert werden, sollten die entfernten Wellenleiter in die Zählung einbezogen werden.
[Die erste Ausführungsform]
1 ist eine strukturelle graphische Darstellung, die eine erste Ausführungsform des abstimmbaren optischen Filters der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ähnlich zum herkömmlichen Beispiel, das unter Bezugnahme auf 18 erklärt worden ist, verwendet dieses abstimmbare optische Filter einen Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21, in dem die Eingangswellenleitergruppe 23 und die Ausgangswellenleitergruppe 27 jede aus sechzehn Wellenleitern gebildet ist. Dieser Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 besitzt die Slab-Wellenleiter 24, 25 und ein Arrayed-Waveguide-Grating 26. Außerdem ist der Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 so konstruiert, dass er die in 19 gezeigten Router-Anschlussmöglichkeiten wie beim herkömmlichen Beispiel besitzt. Weil der Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 die Fähigkeit besitzt, sechzehn Kanäle des der Frequenzmultiplexierung unterworfenen Signals zu multiplexieren oder zu demultiplexieren, wird er von nun an als ein Arrayed-Waveguide-Grating-Router mit sechzehn Kanälen bezeichnet (Z = 16).
In 1 sind ein erster optischer 1 × 4-Schalter 44 und ein zweiter optischer 1 × 4-Schalter 54 mittels der optischen Fasergruppen 49, 59 mit vier Wellenleitern in der Eingangswellenleitergruppe 23 bzw. vier Wellenleitern der Ausgangswellenleitergruppe 27 des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers 21 verbunden. In diesem Fall sind die vier Ausgangsanschlüsse des ersten optischen Schalters 44 entsprechend mit den Wellenleitern 23f(I6), 23g(I7), 23h(I8) und 23i(I9) verbunden, während die vier Eingangsanschlüsse des zweiten optischen Schalters 54 entsprechend mit den Wellenleitern 27c(J3), 27g(J7), 27k(J11) und 27o(J15) verbunden sind. Außerdem entsprechen die optischen Fasern 1, 2 jeweils einem optischen Eingangspfad und einem optischen Ausgangspfad, wobei sie mit den optischen Schaltern 44, 54 verbunden sind. Es wird angemerkt, dass die optische Faser 2 nicht notwendigerweise auf eine optische Ausgangseinrichtung, die optische Fasern verwendet, eingeschränkt ist, wobei sie durch andere Elemente, wie z. B. optische Verbinder oder einen räumlichen Lichtausgang, ersetzt sein kann.
Die optischen 1 × 4-Schalter 44, 54 können als ein Beispiel aus drei optischen 1 × 2-Schaltern 521–523 zusammengesetzt sein, die in einer Baumstruktur verbunden sind, wie in 2 gezeigt ist. Es ist möglich, als die optischen 1 × 2-Schalter viele verschiedenen Typen zu verwenden, wie z. B. mechanische Schalter mit mechanisch beweglichen Faser-Hülsen oder -Prismen, Flüssigkristallschalter, die den Brechungsindex des Flüssigkristalls ändern, indem eine Spannung an ihn angelegt wird, oder thermooptische Schalter, die den Brechungsindex eines Abschnitts eines Wellenleiters in einem Wellenleiter-Interferometer, das auf einem Silika-Substrat ausgebildet ist, ändern, indem ihm Wärme zugeführt wird.
Als Nächstes wird die Operation des abstimmbaren optischen Filters gemäß der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erklärt.
Das einer Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal S₁, das sechzehn Kanäle der optischen Frequenz f₁, f₂, ..., f₁₆ enthält, wird, nachdem es sich durch die optische Faser 1 ausgebreitet hat, in den ersten optischen Schalter 44 eingegeben. Der erste optische Schalter 44 gibt dieses der Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal S₁ an einen der vier Ausgangsanschlüsse aus. Das aus einem der Anschlüsse des ersten optischen Schalters 44 ausgegebene einer Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal wird über eine entsprechende optische Faser in der optischen Fasergruppe 49 in einen der Wellenleiter in der Eingangswellenleitergruppe 23 des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers 21 eingegeben. Das heißt, einer der vier Wellenleiter 23f(I6), 23g(I7), 23h(I8) oder 23i(I9) wird mittels des ersten optischen Schalters 44 ausgewählt, um das der Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal S₁ einzugeben.
Der Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 besitzt die in 3 gezeigten Router- Anschlussmöglichkeiten (die die gleiche wie 19 ist). Falls das der Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal S₁ in den Wellenleiter 23f(I6) eingegeben wird, wird folglich ein optisches Signal der Frequenz f₁ an den Wellenleiter 27c(J3) ausgegeben und über die entsprechende optische Faser in der optischen Fasergruppe 59 in den ersten Eingangsanschluss (den obersten Anschluss in der Zeichnung) des zweiten optischen Schalters 54 eingegeben. Ähnlich gehen in Übereinstimmung mit 3 die optischen Signale der Frequenz f₅, f₉ und f₁₃ durch die Wellenleiter 27g(J7), 27k(J11) und 27o(J15) und ihre entsprechenden optischen Fasern in der optischen Fasergruppe 59, wobei sie entsprechend in die zweiten, dritten und vierten Eingangsanschlüsse des zweiten optischen Schalters 54 eingegeben werden.
Wenn andererseits das der Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal S₁ mittels des ersten optischen Schalters 44 in drei andere Wellenleiter 23g(I7), 23h(I8) oder 23i(I9) eingegeben wird, dann werden die optischen Signale der Frequenz f₂, f₃ oder f₄ über den Wellenleiter 27c(J3) in den ersten Eingangsanschluss des zweiten optischen Schalters 54 eingegeben. Abermals werden in der gleichen Weise die optischen Signale der Frequenz f₆, f₇ oder f₈, der Frequenz f₁₀, f₁₁ oder f₁₂ und der Frequenz f₁₄, f₁₅ oder f₁₆ in die zweiten, dritten und vierten Eingangsanschlüsse des zweiten optischen Schalters 54 eingegeben.
4 zeigt die Beziehung zwischen den vier Wellenleitern in der Eingangswellenleitergruppe 23, in die das der Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal S₁ eingegeben wird, und der Frequenz der aus vier der Wellenleiter in der Ausgangswellenleitergruppe 27 ausgegebenen optischen Signale. Falls z. B. der erste optische Schalter 44 den Wellenleiter 23g(I7) auswählt, während der zweite optische Schalter 54 den Wellenleiter 27k(J11) auswählt, wird ein optisches Signal der Frequenz f₁₀ zur optischen Faser 2 als das ausgewählte optische Signal S₂ ausgegeben. In dieser Weise kann mittels der vier Auswahlmöglichkeiten des ersten optischen Schalters 44 und der vier Auswahlmöglichkeiten des zweiten optischen Schalters 54 einer der sechzehn Kanäle des der Frequenzmultiplexierung unterworfenen optischen Signals S₁ als das ausgewählte optische Signal S₂ erhalten werden.
In der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform geht das ausgewählte optische Signal S₂ nur einmal durch den Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21. Deshalb kann der Verlust für das optische Signal S₂ auf der Hälfte des Verlusts des herkömmlichen Beispiels (18) gehalten werden, in dem zwei Durchgänge erforderlich sind.
Außerdem erfordert die in 1 gezeigte erste Ausführungsform nur sechs optische Schalter, weil die optischen Schalter 44, 54 jeder aus drei optischen 1 × 2-Schaltern zusammengesetzt sind, wie in 2 erklärt ist. Im Gegensatz erfordert das unter Bezugnahme auf 18 erklärte herkömmliche Beispiel sechzehn optische Schalter, um ein optisches Signal einer gewünschten Frequenz aus einem optischen Signal auszuwählen, das sechzehn multiplexierte Frequenzen enthält.
Während die vorliegende erste Ausführungsform und die folgenden Ausführungsformen einen Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 mit sechzehn Kanälen verwenden, in dem Z = 16 gilt, ist es außerdem möglich, Arrayed-Waveguide-Grating-Router mit einer anderen Anzahl der der Frequenzmultiplexierung unterworfenen Kanäle zu verwenden. Es kann z. B. ein ähnliches abstimmbares optisches Filter mit einem Arrayed-Waveguide-Grating-Router, in dem die Anzahl der der Frequenzmultiplexierung unterworfenen Kanäle Z = 4ⁿ ist (wobei n eine natürliche Zahl ist), und zwei optischen 1 × 2ⁿ-Schaltern konstruiert werden, das einen einzelnen beliebigen Kanal aus einem der Frequenzmultiplexierung unterworfenen Signal, das ein Maximum von 4ⁿ Kanälen aufweist, auswählen kann. In diesem Fall beträgt die erforderliche Anzahl der optischen 1 × 2-Schalter (2ⁿ – 1) · 2. Im Gegensatz erfordert das in 18 gezeigte herkömmliche Beispiel 4ⁿ optische Schalter. 5 zeigt die Anzahl der Schalter, die für verschiedene Werte von n (Werte von Z) erforderlich ist. Die außergewöhnlichen Wirkungen der vorliegenden Erfindung sind in der deutlich verringerten Anzahl der notwendigen Schalter leicht offensichtlich.
Es ist außerdem möglich, als die optischen 1 × 4-Schalter 44, 54 mechanische Drehschalter zu verwenden, wie in 6 gezeigt ist. In 6 umfasst der mechanische optische Drehschalter einen Drehschrittmotor 511 und die kollimator-installierten Faserhülsen 512–516. Mit jeder der Hülsen 512–516 ist eine optische Faser verbunden. Der Schalter wird durch das Drehen der Hülse 512 mittels des Drehschrittmotors 511 umgedreht. Ein optischer 1 × 4-Schalter ist vervollständigt, indem ein Drehstop in einer Position hergestellt wird, in der das von der Hülse 512 freigegebene Licht auf eine der Hülsen 513–516 einfällt. Alternativ kann jeder der optischen 1 × 4-Schalter 44, 45 aus einem 1 × 4-Baumkoppler und vier optischen Intensitätsmodulatoren oder optischen Halbleiterverstärkern ausgebildet sein. Das heißt, das einfallende Licht kann mittels des 1 × 4-Baumkopplers in vier Teile getrennt werden, wobei jeder der vier getrennten Ausgänge durch den optischen Intensitätsmodulator oder die optischen Halbleiterverstärker EIN/AUS-geschaltet werden kann.
In der unter Bezugnahme auf 1 erklärten ersten Ausführungsform sind die vier Ausgänge des ersten optischen Schalters 44 entsprechend mit den Eingangswellenleitern 23f(I6), 23g(I7), 23h(I8) und 23i(I9) des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers 21 verbunden, während die vier Eingänge des zweiten optischen Schalters 54 entsprechend mit den Ausgangswellenleitern 27c(J3), 27g(J7), 27k(J11) und 27o(J15) verbunden sind, das Verfahren der Verbindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt. Als ein Beispiel ist ein weiteres Verbindungsverfahren in den 7A und 7B unter Verwendung des gleichen Typs der Tabelle wie in 4 gezeigt.
Außerdem ist es möglich, ein abstimmbares optisches Filter mit einer völlig gleichen Funktion zu konstruieren, selbst wenn die oben erklärten Indizes I und J vertauscht werden, weil die Router-Anschlussmöglichkeiten des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers 21 in Bezug auf die Eingangs-/Ausgangs-Wellenleitergruppen 23, 27 symmetrisch sind. Das heißt, es können abstimmbare optische Filter mit völlig gleichen Funktionen entsprechend irgendeiner der in den 8A, 8B oder 8C gezeigten Verbindungen konstruiert werden.
Außerdem ist es in der ersten Ausführungsform möglich, die mit den optischen Schaltern verbundenen Eingangs- und Ausgangswellenleiter zu verschieben. Ein abstimmbares optisches Filter, das zu dem ähnlich ist, das unter Bezugnahme auf 4 erklärt worden ist, kann z. B. erhalten werden, indem die vier Ausgangsanschlüsse des ersten optischen Schalters 44 mit den Eingangswellenleitern I_j, I_j+1, I_i+3 und I_i+3 (wobei i eine natürliche Zahl ist und 1 ≤ i ≤ 13 gilt) verbunden werden, die in einem verallgemeinernden Format dargestellt sind. Ähnlich können die vier Eingangsanschlüsse des optischen Schalters 54 mit den anderen Ausgangswellenleitern verbunden werden, die durch J_j, J_j+4, J_j+8 und J_j+12 angegeben sind (wobei j eine natürliche Zahl ist und 1 ≤ j ≤ 4 gilt).
Außerdem ist es durch das Konstruieren des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers 21, sodass die Router-Anschlussmöglichkeiten eine Periodizität zeigen, möglich, die möglichen Bereiche der natürlichen Zahlen i und j zu vergrößern, sodass i ≤ i, j ≤ 16 gilt. Hier bezieht sich die Periodizität auf die Situation, in der, wenn angenommen wird, dass die Anzahl der der Frequenzmultiplexierung unterworfenen Kanäle im Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 gleich Z ist, die optischen Signale der Frequenz f_j und die optischen Signale der Frequenz f_j+Z die gleichen Router-Anschlussmöglichkeiten besitzen. 9 zeigt ein Beispiel der Router-Anschlussmöglichkeiten eines Arrayed-Waveguide-Grating-Routers mit sechzehn Kanälen (Z = 16), der periodische Eigenschaften besitzt. In diesem Fall kann, wenn die natürliche Zahl i größer als 16 wird, der Index I_j durch einen Index I_j' ersetzt werden, sodass gilt: i' = 1 + Mod [i – 1, 16],(wobei Mod [A, B] den Rest repräsentiert, wenn A durch B geteilt wird).
Der Index I17 würde z. B. durch den Index I1 ersetzt werden, während der Index I18 durch den Index I2 ersetzt werden würde. Das Gleiche gilt ebenso für die Indizes J_j.
Außerdem können in der unter Bezugnahme auf 1 erklärten ersten Ausführungsform und in den folgenden Ausführungsformen die Wellenleiter in den Eingangs- und Ausgangswellenleitergruppen, die mit den ersten und zweiten optischen Schaltern verbunden sind, hinsichtlich eines oder mehrerer Anschlüsse der optischen Schalter vertauscht werden. Das heißt, es ist z. B. in der ersten Ausführungsform möglich, den vierten Eintrittsanschluss des zweiten optischen Schalters 54 anstatt mit dem Wellenleiter 27o(J15) mit dem Wellenleiter 27n(J14) zu verbinden. In diesem Fall wird es unmöglich, ein Signal der Frequenz f₁₆ auszuwählen, es ist aber immer noch möglich, einen Kanal aus den verbleibenden fünfzehn Kanälen auszuwählen.
[Die zweite Ausführungsform]
10 ist eine strukturelle graphische Darstellung, die eine zweite Ausführungsform des abstimmbaren optischen Filters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der unter Bezugnahme auf 1 erklärten ersten Ausführungsform insofern, als anstatt eines zweiten optischen Schalters 54 eine Photodioden-Anordnung 80 und eine elektrische Auswahleinrichtung 81 als die Einrichtung zum Auswählen eines optischen Pfades verwendet werden. Außerdem ist anstatt einer optischen Faser 2 ein elekt rischer Ausgang 2' mit dem Ausgang der elektrischen Auswahleinrichtung 81 verbunden. Für den elektrischen Ausgang 2' können Koaxialkabel, Verbinder, leitende Leitungen oder dergleichen verwendet werden.
Als Nächstes werden die Operationen der vorliegenden Ausführungsform erklärt, während die Teile in den Brennpunkt gerückt werden, die sich von der obenerwähnten ersten Ausführungsform unterscheiden.
Die Photodioden-Anordnung 80 besitzt vier Photodioden, die die optischen Signale von den Wellenleitern 27c(J3), 27g(J7), 27k(J11) und 27o(J15) entsprechend in elektrische Signale umsetzen. Die elektrische Auswahleinrichtung 81 wählt eines der vier von der Photodioden-Anordnung 80 ausgegebenen elektrischen Signale aus und gibt es aus.
Wenn z. B. das der Frequenzmultiplexierung unterworfene Signal S₁ mittels des ersten optischen Schalters 44 in den Wellenleiter 23f(I6) eingegeben wird, dann werden die optischen Signale der Frequenz f₁, f₅, f₉ und f₁₃ durch die vier Photodioden der Photodioden-Anordnung 80 in elektrische Signale umgesetzt, wobei eines von ihnen durch die elektrische Auswahleinrichtung 81 ausgewählt und ausgegeben wird. In diesem Fall können sich abhängig von der Auswahl des ersten optischen Schalters 44 die Frequenzen der vier auf die Photodioden-Anordnung 80 einfallenden optischen Signale in vier möglichen Arten verändern. In dieser Weise wird mittels der vier Auswahlmöglichkeiten des ersten optischen Schalters 44 und der vier Auswahlmöglichkeiten der elektrischen Auswahleinrichtung 81 einer der sechzehn Kanäle des der Frequenzmultiplexierung unterworfenen optischen Signals S₁ in ein elektrisches Signal S₂' umgesetzt und ausgegeben.
In der in 10 gezeigten zweiten Ausführungsform ist die Anzahl der erforderlichen optischen Schalter weiter von der unter Bezugnahme auf 1 erklärten ersten Ausführungsform verringert. Außerdem beträgt für sechzehn der Frequenzmultiplexierung unterworfene Kanäle die Anzahl der als Ersatz notwendigen Photodioden lediglich vier. Außerdem wird im Vergleich zur unter Bezugnahme auf 1 erklärten ersten Ausführungsform, in der das optische Signal in ein elektrisches Signal umgesetzt werden kann, indem eine Photodiode mit dem Ende der optischen Faser 2 verbunden wird, der Rauschabstand (S/N) für die Umsetzung in ein elektrisches Signal verbessert, weil das auf die Photodioden-Anordnung ein fallende Licht, zurückzuführen auf das Fehlen eines zweiten optischen Schalters 54, intensiver ist. Das obenerwähnte US-Patent mit der laufenden Nr. 5.233.453 beschreibt eine Struktur, in der ein zweiter optischer Schalter durch eine Photodioden-Anordnung und eine elektrische Auswahleinrichtung ersetzt ist. Die im US-Patent mit der laufenden Nr.5.233.453 beschriebene Erfindung ist von der vorliegenden Erfindung insofern verschieden, als die Frequenzen der auf jede der Photodioden einfallenden optischen Signale immer fest gehalten werden. Folglich erfordert das abstimmbare Filter des US-Patentes mit der laufenden Nr. 5.233.453, dass die Anzahl der Photodioden gleich der Anzahl der der Frequenzmultiplexierung unterworfenen Kanäle ist, sodass im Vergleich zur vorliegenden Erfindung die Anzahl der benötigten Photodioden ziemlich groß ist.
[Die dritte Ausführungsform]
11 ist eine strukturelle graphische Darstellung, die eine dritte Ausführungsform des abstimmbaren optischen Filters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der unter Bezugnahme auf 1 erklärten ersten Ausführungsform dadurch, dass anstelle des 1 × 4-Schalters ein optischer 1 × 2-Schalter 42 als der erste optische Schalter vorgesehen ist, dessen zwei Ausgangsanschlüsse mit den Wellenleitern 23e(I5) und 23m(I13) in der Eingangswellenleitergruppe 23 des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers 21 verbunden sind, und dass anstelle des 1 × 4-Schalters ein 1 × 8-Schalter 58 als der zweite optische Schalter vorgesehen ist, dessen acht Eingangsanschlüsse mit den Wellenleitern 27d(J4), 27e(J5), 27f(J6), 27g(J7), 27h(J8), 27i(J9), 27j(J10) und 27k(J11) in der Ausgangswellenleitergruppe 27 des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers 21 verbunden sind.
Als Nächstes werden die Operationen der dritten Ausführungsform erklärt, während die Teile in den Brennpunkt gerückt werden, die sich von der obenerwähnten ersten Ausführungsform unterscheiden.
Ein der Frequenzmultiplexierung unterworfenes optisches Signal S₁, das die Kanäle der Frequenz f₁, f₂, ..., f₁₆ enthält, wird in den ersten optischen Schalter 42 eingegeben, nachdem es sich durch die optische Faser 1 bewegt hat. Abhängig von dessen Auswahl wird das der Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal S₁ in irgendeinen der zwei Wellenleiter 23e(I5) und 23m(I13) eingegeben. Weil der Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 die in 3 gezeigten Router- Anschlussmöglichkeiten zeigt, wird, wenn das der Frequenzmultiplexierung unterworfene Signal z. B. in den Wellenleiter 23e(I5) eingegeben wird, dann ein optisches Signal der Frequenz f₁ an den Wellenleiter 27d(J4) ausgegeben und in den ersten Eingangsanschluss des zweiten optischen Schalters 58 eingegeben. Ähnlich werden in Übereinstimmung mit 3 die optischen Signale der Frequenz f₂, f₃, f₄, f₅, f₆, f₇ und f₈ entsprechend an die Wellenleiter 27e(J5), 27f(J6), 27g(J7), 27h(J8), 27i(J9), 27j(J10) und 27k(J11) ausgegeben und entsprechend in die zweiten, dritten, ..., achten Eingangsanschlüsse des zweiten optischen Schalters 58 eingegeben. Wenn z. B. der zweite optische Schalter 58 den ersten Eingangsanschluss mit der optischen Faser 2 verbindet, dann wird folglich nur ein optisches Signal der Frequenz f₁ an die optische Faser 2 ausgegeben.
Falls andererseits das der Frequenzmultiplexierung unterworfene Signal S₁ durch den ersten optischen Schalter 42 in den anderen Wellenleiter 23m(I13) eingegeben wird, dann werden die optischen Signale der Frequenz f₉, f₁₀, ..., f₁₆ über die Wellenleiter J4, J5, ..., J11 in der Ausgangswellenleitergruppe 27 entsprechend in die ersten bis achten Eingangsanschlüsse des zweiten optischen Schalters 58 eingegeben.
12 zeigt gesammelt die Beziehung zwischen den zwei Wellenleitern in der Eingangswellenleitergruppe 23, in die das der Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal S₁ eingegeben wird, und den Frequenzen der von acht der Wellenleiter in der Ausgangswellenleitergruppe 27 ausgegebenen optischen Signale. Wie in 12 gezeigt ist, wird, wenn z. B. der erste optische Schalter 42 den Wellenleiter 23m(I13) auswählt, dann durch das Auswählen des Wellenleiters 27k(J11) im zweiten optischen Schalter 58 ein optisches Signal S₂ der Frequenz f₁₆ an die optische Faser 2 ausgegeben. In dieser Weise ist es durch das Auswählen eines der zwei Wellenleiter, um ihn mittels des ersten optischen Schalters 42 mit der optischen Eingangsfaser 1 zu verbinden, und durch das Auswählen eines der acht Wellenleiter, um ihn mittels des zweiten optischen Schalters 58 mit der optischen Ausgangsfaser 2 zu verbinden, möglich, einen Kanal aus den sechzehn Kanälen des der Frequenzmultiplexierung unterworfenen optischen Signals auszugeben.
In der in 11 gezeigten dritten Ausführungsform geht das ausgewählte optische Signal nur einmal durch den Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21, wobei der Verlust des optischen Signals niedrig gehalten werden kann.
Außerdem kann in der in 11 gezeigten dritten Ausführungsform der optische 1 × 8-Schalter 58 aus sieben 1 × 2-Schaltern zusammengesetzt sein, indem sie in einer Baumstruktur angeordnet werden, wie unter Bezugnahme auf 2 erklärt worden ist. Im Ergebnis beträgt die Gesamtzahl der erforderlichen Schalter acht, wobei, während dies etwas mehr als die für die unter Bezugnahme auf 1 erklärte erste Ausführungsform erforderlichen sechs ist, das abstimmbare optische Filter immer noch mit nur der Hälfte der sechzehn Schalter hergestellt werden kann, die für das unter Bezugnahme auf 18 erklärte herkömmliche Beispiel erforderlich sind.
Mit der vorliegenden dritten Ausführungsform und den im Folgenden erklärten Ausführungsformen kann die gleiche Funktion erhalten werden, selbst wenn die Wellenleiter in der Eingangswellenleitergruppe 23, die mit dem ersten optischen Schalter verbunden sind, oder die Wellenleiter in der Ausgangswellenleitergruppe 27, die mit dem zweiten optischen Schalter verbunden sind, verschoben werden, wie es in der unter Bezugnahme auf 1 erklärten ersten Ausführungsform der Fall ist. Das heißt, in der unter Bezugnahme auf 11 erklärten dritten Ausführungsform können z. B. die zwei Ausgangsanschlüsse des ersten optischen Schalters 42 anstatt mit den Wellenleitern 23e(I5) und 23m(I13) mit den Wellenleitern 23(I_j) und 23(I_j+8) (wobei i eine natürliche Zahl ist und 1 ≤ i ≤ 8 gilt) verbunden sein. Wenn außerdem der Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 periodisch ist, dann kann der Bereich der Indizes i auf 1 ≤ i ≤ 16 erweitert werden, wie es in der ersten Ausführungsform der Fall ist.
Außerdem können in der in 11 gezeigten dritten Ausführungsform anstatt des unter Bezugnahme auf 12 erklärten Verbindungsverfahrens der optischen Schalter ebenfalls die in 13 gezeigten Verbindungen verwendet werden.
[Die vierte Ausführungsform]
14 ist eine strukturelle graphische Darstellung, die eine vierte Ausführungsform des abstimmbaren optischen Filters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der unter Bezugnahme auf 1 erklärten ersten Ausführungsform dadurch, dass anstatt des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers 21 mit sechzehn Kanälen ein Arrayed-Waveguide-Grating-Router 61 für M · N (wobei M und N jeweils natürliche Zahlen größer als oder gleich 2 sind) der Frequenzmultiplexierung unterworfene Kanäle vorgesehen ist, und dass anstelle der optischen 1 × 4-Schalter 44, 54 ein optischer 1 × M-Schalter 40 und ein optischer 1 × N-Schalter 50 als die ersten und zweiten optischen Schalter vorgesehen sind. In Übereinstimmung damit sind die M Ausgangsanschlüsse des ersten optischen Schalters 40 mit den Wellenleitern 63(Ix₁ ), 63(Ix₂), ..., 63(Ix_M) in der Eingangswellenleitergruppe 63 des Arrayed-Waveguide-Grating-Routers 61 verbunden, während die N Eingangsanschlüsse des zweiten optischen Schalters 50 mit den Wellenleitern 67(Jy₁), 67(Jy₂), ..., 67(Jy_N) verbunden sind.
Als Nächstes werden die Operationen der vorliegenden vierten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 15 erklärt, während die Teile in den Brennpunkt gerückt werden, die sich von der obenerwähnten ersten Ausführungsform unterscheiden.
Der Arrayed-Waveguide-Grating-Router 61 mit M · N Kanälen besitzt ähnlich zum unter Bezugnahme auf 3 erklärten Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 mit sechzehn Kanälen die Fähigkeit, M · N Kanäle des der Frequenzmultiplexierung unterworfenen Signals zu multiplexieren oder zu demultiplexieren. Deshalb ist es möglich, ein beliebiges optisches Signal aus einem multiplexierten Signal aus einem Maximum von M · N Kanälen auszuwählen, falls ein optischer 1 × M-Schalter 40 auf der Eingangswellenleiterseite und ein optischer 1 × N-Schalter 50 auf der Ausgangswellenleiterseite geeignet mit dem Arrayed-Waveguide-Grating-Router 61 verbunden sind.
Aus diesem Grund sollten, wie bei der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 4, 7A, 7B, 8A, 8B und 8C erklärt worden ist, die M · N Frequenzen von f_Z bis f_Z+M·N innerhalb einer M × N-Matrix in einer geordneten Weise angeordnet sein. Das heißt, die 1 × 2-, 1 × 4- oder 2 × 2-Blockabschnitte sollten in einer periodischen Weise angeordnet sein, wie in den 7A, 7B, 8A, 8B und 8C durch die schraffierten Bereiche angegeben oder durch die schraffierten Linien getrennt ist. Dies ist in 15 in abgekürzter Form gezeigt. 15 entspricht den 4, 7A, 7B, 8A, 8B und 8C der ersten Ausführungsform, wobei sie die Beziehung zwischen den M Wellenleitern (Ix₁–Ix_M) in der Eingangswellenleitergruppe 63, in die das einer Frequenzmultiplexierung unterworfene optische Signal S₁ eingegeben wird, und den Frequenzen der an die N Wellenleiter (Jy₁–Jy_N) in der Ausgangswellenleitergruppe 67 ausgegebenen optischen Signale zeigt.
Hier können die möglichen Kombinationen der Nummern x_j (1 ≤ j ≤ M) und y_j (1 ≤ j ≤ N) der Wellenleiter, mit denen jeder optische Schalter verbunden ist, in allgemeiner Form durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. Das heißt, die Nummern x_j und y_j der Wellenleiter sind natürliche Zahlen, sodass:
worin x und a_i (i = 0, 1, ..., r – 1) natürliche Zahlen sind; und
worin y und b_i (i = 0, 1, ..., r) natürliche Zahlen sind, gilt.
Hier sollte p₀, p₁, ..., p_r eine Folge von Zahlen sein, die aus r + 1 verschiedenen Faktoren (r ist eine natürliche Zahl) von M gebildet ist, wobei p₀ = 1, p_r = M, p_k < p_k+1 gilt und p_k ein Faktor von p_k+1 ist (k ist entweder 0 oder eine natürliche Zahl). Außerdem sollte q₀, q₁, ..., q_r+1 eine Folge von Zahlen sein, die aus Faktoren von N gebildet sind, wobei q₀ = 1, q_r+1 = N, q_k < q_k+1 gilt und q_k ein Faktor von q_k+1 ist (k ist entweder 0 oder eine natürliche Zahl).
In 15 entspricht pa × qb ähnlichen Blockabschnitten, wie in den 7A, 7B, 8A, 8B und 8C angegeben ist (a und b sind natürliche Zahlen, pa und qb sind sprechend Faktoren von M und N, wie oben definiert worden ist).
Folglich ist es durch das Auswählen der Wellenleiter, um sie unter Verwendung der oben gegebenen Gleichungen (1) und (2) mit den optischen Schaltern zu verbinden, möglich, ein abstimmbares optisches Filter mit M · N Kanälen mit einem optischen 1 × M-Schalter und einem optischen 1 × N-Schalter zu konstruieren.
Im Folgenden wird ein Beispiel des Verfahrens der Anwendung der Gleichungen (1) und (2) spezifisch für den Fall erklärt, in dem M = N = 4 gilt (was der ersten Ausführungsform entspricht).
Weil in diesem Fall M = 4 = 22 gilt, sind nur die folgenden zwei numerischen Folgen als die aus verschiedenen Faktoren von M gebildeten numerischen Folgen p_n vorhanden.

(A) p₀ = 1, p₁ = 2, p₂ = 4 (r = 2),
(B) p₀= 1, p₁ = 4(r = 1).

Weil jedoch (B) eine Teilfolge von (A) ist, ist es in der Praxis nur notwendig, die Folge (A) zu betrachten.
Bei der Folge (A) gilt r = 2, deshalb gibt es die folgenden sechs Kandidaten für die aus den Faktoren von N gebildete numerische Folge q_n.

(a) q₀ = 1, q₁= 1, g₂ = 1, q₃= 4,
(b) q₀ = 1, q₁ = 1, g₂ = 2, q₃ = 4,
(c) g₀ = 1, q₁= 1, q₂ = 4, q₃ = 4,
(d) q₀ = 1, q₁ = 2, q₂ = 2, q₃ = 4,
(e) q₀ = 1, q₁ = 2, q₂ = 4, q₃ = 4,
(f) q₀ = 1, q₁ = 4, q₂ = 4, q₃ = 4.

Wenn von diesen z. B. die numerische Folge (d) verwendet wird, dann werden durch das Einsetzen von (A) und (d) in die Gleichungen (1) und (2) die folgenden Gleichungen erhalten: xj = x+(a0 – 1)p0q1+(a1 – 1)p1q2 = x + 2(a0 – 1)+ 4(a – 1), (3)wobei a₀ = 1,2; a₁ = 1,2 gilt, yj = y+(b0 – 1)p0q0 +(b1 – 1)p1q1 +(b2 – 1)p2q2 = y+(b0 – 1)+4(b1 – 1)+8(b2 – 1), (4)wobei b₀ =1,2; b₁ =1; b₂ =1,2 gilt.
In der Gleichung (3) besitzen sowohl a₀ als auch a₁ zwei mögliche Werte, sodass vier Werte x, x + 2, x + 4 und x + 6 für x_j erhalten werden. In der Gleichung (4) besitzen sowohl b₀ als auch b₂ zwei mögliche Werte, während b₁ einen möglichen Wert besitzt, sodass vier Werte y, y + 1, y + 8 und y + 9 für y_j erhalten werden. Diese Kombinationen von x_j und y_j entsprechen den in 8B gezeigten Kombi nationen, wobei es deshalb möglich ist, einen einzelnen beliebigen Kanal aus einer Gesamtzahl von sechzehn Kanälen auszuwählen.
Alternativ können in den Fällen, in denen die anderen numerischen Folgen q_n als (d) aus (a)–(f) verwendet werden, für jede ähnliche Kombinationen von x_j und y_j erhalten werden. Diese entsprechen den in den 4, 7A, 7B, 8A und 8C gezeigten verbleibenden fünf Kombinationen, wobei jede außerdem erlaubt, dass aus einer Gesamtzahl von sechzehn Kanälen ein einzelner beliebiger Kanal ausgewählt wird.
Das heißt, durch das Auswählen der Wellenleiter in der Eingangswellenleitergruppe 63 und der Ausgangswellenleitergruppe 67, um sie mit den ersten und zweiten optischen Schaltern 40, 50 entsprechend den Gleichungen (1) und (2) zu verbinden, ist es möglich, ein einzelnes beliebiges optisches Signal S₂ aus einer Gesamtzahl von M · N Kanälen in einem der Frequenzmultiplexierung unterworfenen optischen Signal S₁ auszuwählen, indem ein Arrayed-Waveguide-Grating-Router 61 mit M · N Kanälen mit einem optischen 1 × M-Schalter 40 und einem optischen 1 × N-Schalter 50 kombiniert wird.
Ähnlich zu den vorhergehenden Ausführungsformen besitzt die in 14 gezeigte vierte Ausführungsform außerdem weniger Verlust im Vergleich zum herkömmlichen Beispiel, weil das optische Signal S2 nur einmal durch den Arrayed-Waveguide-Grating-Router 61 geht. Weil außerdem aus etwa K optischen 1 × 2-Schaltern optische 1 × K-Schalter gebildet werden können (wobei K eine natürliche Zahl ist), beträgt die Anzahl der in der vierten Ausführungsform notwendigen optischen Schalter nur (M + N). Im Gegensatz erfordert das unter Bezugnahme auf 18 erklärte herkömmliche Beispiel M · N optische Schalter, was den durch die vorliegende Ausführungsform gebotenen Vorteil der Verringerung der optischen Schalter offensichtlich macht.
Außerdem kann in der in 14 gezeigten vierten Ausführungsform die Gesamtzahl der optischen Schalter auf einem Minimum gehalten werden, falls die Anzahl M und die Anzahl N sowohl der ersten als auch der zweiten optischen Schalter so dicht wie möglich am Wert M · N festgelegt werden.
Wie oben ausführlich erklärt worden ist, ist es mit dem abstimmbaren optischen Filter der vorliegenden Erfindung, abhängig vom Zustand der Verbindung der ersten und zweiten optischen Schalter, möglich, ein Maximum von M · N möglichen Frequenzauswahleigenschaften zu erhalten. Außerdem führt das ausgewählte optische Signal nur einen einzelnen Durchgang durch den Arrayed-Waveguide-Grating-Router 21 oder 61 aus, der einen hohen Verlust aufweist. Im Ergebnis ist es möglich, ein abstimmbares optisches Filter zu bieten, das einen niedrigen Verlust und eine verringerte Anzahl optischer Schalter, die zum Ausführen der digitalen Operationen verwendet werden, besitzt.
[Die fünfte Ausführungsform]
16 zeigt die Struktur einer optischen Querverbindungsvorrichtung, die ein geeignetes Beispiel der Anwendung des abstimmbaren optischen Filters der vorliegenden Erfindung ist. In diesem Fall umfasst die in 16 gezeigte optische Querverbindungsvorrichtung 500 mehrere (in diesem Fall m) Strahlteiler 502, die m der Frequenzmultiplexierung (die Frequenzen f₁, ..., f_n) unterworfene optische Eingangssignale Si₁, ..., Si_m aufteilen, die entsprechend von m optischen Übertragungswegen 501 in m optische Übertragungswege 503 übertragen werden; m Schalter 510 mit mehreren Eingängen, von denen jeder m Strahlteiler 504, mehrere optische m × 1-Schalter 505, mehrere abstimmbare optische Filter 506 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in den ersten bis vierten Ausführungsformen erklärt worden ist, mehrere Frequenzumsetzer 507, die optische oder elektrische Signale empfangen und sie mit umgesetzten Frequenzen ausgeben, und einen optischen Multiplexierer 508 umfasst; und m optische Übertragungswege 509, die entsprechend mit den Ausgangsanschlüssen der m Schalter 510 mit mehreren Eingängen verbunden sind. Diese optische Querverbindungsvorrichtung 500 empfängt m · n optische Signale in m optischen Eingangssignalen Si₁, ..., Si_m, in denen die optischen Signale der Frequenzen f₁, ..., f_n multiplexiert worden sind, wobei sie die Fähigkeit besitzt, sie in m optische Ausgangssignale So₁, ..., So_m in den optischen Übertragungswegen 509 querzuverbinden. Während dieser Typ der optischen Querverbindungsvorrichtung eine große Anzahl abstimmbarer optischer Filter erfordert, kann die Größe der Vorrichtung unter Verwendung der vorliegenden Erfindung deutlich verringert werden, weil die große Anzahl der erforderlichen abstimmbaren optischen Filter mit einer kleinen Anzahl optischer Schaltelemente erreicht werden kann.
Die ausführlichen Operationen der im Allgemeinen bekannten optischen Querverbindungsvorrichtung sind in der folgenden Literatur erklärt: "1990 International Op tical Meeting on Photonic Switching, Vortrag Nr. 14B-9(PD), 12.–14. April 1990, Kobe, Japan, Post-deadline Papers Technical Digest, S. 10–12, 1990" (M. Nishio u. a.).

Claims

Abstimmbares optisches Filter, das umfasst: – einen Arrayed-Waveguide-Grating-Router (61), der eine Eingangswellenleitergruppe, die aus M · N Wellenleitern gebildet ist, und eine Ausgangswellenleitergruppe, die aus M · N Wellenleitern gebildet ist, besitzt, wobei M und N jeweils natürliche Zahlen größer oder gleich zwei sind; und – einen optischen Eingangspfad (1) zum Eingeben eines einer Wellenlängenmultiplexierung unterworfenen optischen Signals, und – eine Einrichtung (40) zum Verbinden optischer Pfade, die so beschaffen ist, dass sie den optischen Eingangspfad mit einem der M Wellenleiter verbindet, die aus den M · N Wellenleitern der Eingangswellenleitergruppe ausgewählt sind, und – eine Einrichtung (50) zum Auswählen eines optischen Pfades, die so beschaffen ist, dass sie einen der N Wellenleiter auswählt, die aus den M · N Wellenleitern der Ausgangswellenleitergruppe ausgewählt sind, wobei das Filter dadurch gekennzeichnet ist, dass die M Wellenleiter, die mit x_j, j = 1, 2, ... M, bezeichnet sind, so gewählt sind, dass sie die folgenden Formeln erfüllen, die eine oder mehrere Mengen aus M Wellenleiternummern definieren, die aus M · N Nummern ausgewählt sind, die den M · N Wellenleitern der Eingangswellenleitergruppe zugewiesen sind:
wobei die N Wellenleiter, die mit y_j, j = 1, 2, ... N, bezeichnet sind, so ausgewählt sind, dass sie die folgenden Formeln erfüllen, die eine oder mehrere Mengen aus N Wellenleiternummern definieren, die aus M · N Nummern ausgewählt sind, die den M · N Wellenleitern der Ausgangswellenleitergruppe zugewiesen sind:
wobei: die numerische Reihe p₀, p₁, ..., p_r aus r + 1 verschiedenen Faktoren von M zusammengesetzt ist, derart, dass p₀ = 1, p_r = M, p_k < p_k+1, wobei k = 0, 1, ..., r – 1 ist und p_k ein Faktor von p_k+1 ist; die numerische Reihe q₀, q₁, ..., q_r+1 aus r + 2 Faktoren von N gebildet ist, derart, dass q₀ = 1, q_r+1 = N, q_k ≤ p_k+1, wobei k = 0, 1, ..., r und q_k ein Faktor von q_k+1 ist; a_i und b_i jeweils natürliche Zahlen sind, die die obigen Formeln erfüllen; und x und y jeweils natürliche Zahlen sind, die jede Menge von Wellenleiternummern bestimmen.
Abstimmbares optisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arrayed-Waveguide-Grating-Router eine Periodizität von M · N hat; wenn die berechnete Wellenleiternummer, die durch x_j angegeben wird, M · N übersteigt, eine weitere Wellenleiternummer ausgewählt wird, die durch x'_j = 1 + Mod[x_j – 1, M · N] berechnet wird; und wenn die berechnete Wellenleiternummer, die durch y_j angegeben wird, M · N übersteigt, eine weitere Wellenleiternummer ausgewählt wird, die durch y'j = 1 + Mod[y_j – 1, M · N] berechnet wird.
Abstimmbares optisches Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arrayed-Waveguide-Grating-Router so konstruiert ist, dass wenigstens einer der Wellenleiter der Eingangswellenleitergruppe und der Ausgangswellenleitergruppe, der nicht mit der optischen Verbindungseinrichtung oder der optischen Auswahleinrichtung verbunden ist, weggelassen ist.