CN101051103A - 多单元平面光波电路色散装置 - Google Patents

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Abstract

一种多单元色散光学装置，在单个装置中包括多个独立平面光波电路(PLC)波长色散光学装置，其中多个独立前端单元和后端单元能共用同一个的色散平台和同一个光学机械装置和封装。

Description

多单元平面光波电路色散装置
技术领域
[01]本发明涉及一种多单元波长色散光学装置，尤其涉及一种将多个独立平面光波电路(PLC)色散光学装置集成到单个装置中的集成结构。
背景技术
[02]常规的光学色散装置，例如在2000年8月1日公告的由Solgaard等人申请的第6,097,859号；在2002年12月24日公告的由Bouevitch等人申请的第6,498,872号；在2004年3月16日公告的由Ducellier等人申请的第6,707,959号；在2004年10月26日公告的由Bouevitch等人申请的第6,810,169号的美国专利申请中所公开的，将复用的光束分成构成波长(constituent wavelength)或多组波长，这些波长在被修正或未被修正后，被定向返回通过所述光学色散装置到达所需输出端口。通常，该装置的后端包括可单独控制的装置，例如微镜阵列，用于将所选波长再定向返回几个输出端口中的一个，或者是液晶单元阵列，用于阻挡或衰减所选波长。
[03]在波长阻挡器(WB)或者动态增益均衡器(DGE)的情况下，前端单元可包括具有循环器的单个输入/输出端口或者包括一个输入端口和一个输出端口。通常，前端单元将包括偏振分集单元，用于确保光束具有单独偏振状态。用于WB或者DGE的后端单元是液晶单元阵列，其独立地轮换波长通道(wavelength channel)的偏振状态，用以部分衰减所选通道，或者完全阻挡所选通道通过前端中的偏振分集单元返回。WB和DGE的实例在2006年3月21日公告的由Danagher等人申请的第7,014,326号；2002年12月24日公告的由Bouevitch等人申请的第6,498,872号和2004年10月26日公告的由Bouevitch申请的第6,810,169号美国专利中有公开，这些申请在此作为参考并入本文。
[04]Dragone发明了阵列波导衍射光栅(AWG)(C.Dragone，IEEE Photonics TechnologyLetters，第3卷，No.9，第812-815页，1991年9月)，其在平面光波电路芯片上将色散波导阵列(M.K.Smit，Electronics Letters，第24卷，第385-386页，1988年)与输入和输出“星型耦合器”组合(C.Dragone，IEEE Photonics Technology Letters，第1卷，No.8，第241-243页，1989年8月)实现的。AWG能作为DWDM分接器和DWDM复用器工作，如Dragone在第5,002,350(1991年3月)号美国专利中所教导的，在此作为参考将其并入本文。
[05]2006年4月11日公告的由Ducellier等人申请的第7,027,684号和2004年12月16日公告的由Ducellier等人申请的第2004/0252938号美国专利分别涉及到单层和多层平面光波电路(PLC)波长选择开关(WSS)，其分别于图1和2中示出。图1中示出的单级装置75包括在中间具有输入衍射光栅的PLC74，和在输入衍射光栅任一侧上的多个输出衍射光栅。将进入到输入衍射光栅的输入光学信号分散成构成波长，以不同角度通过透镜化(lensing)78将其定向至倾动镜阵列76。通过与PLC74相邻的第一柱面透镜77，在一个方向上(例如垂直)校准该光，同时柱面转换透镜79在水平方向上将输出光聚焦到倾动镜76上。每一个波长通道都落到不同的倾动镜76上，倾动镜76重定向单独的波长通道，使其反向通过透镜化78，到达所需的用于重组的任何输出衍射光栅和输出到输出端口。对于单级装置，倾动镜76围绕单个轴旋转，以在色散平面(即PLC74的平面)内重定向波长通道。
[06]图2中示出的两级装置75’包括与PLC74相似的第二PLC74’，其置于PLC74上方，所述第二PLC74’具有多个输入或输出衍射光栅和端口。第二柱面透镜77’置于第一柱面透镜77上方，用于将光束聚焦到提供在第二PLC 74’上的输出衍射光栅上。对于两级装置，倾动镜76’关于两个垂直轴旋转，以在色散平面(如上所述)内重定向波长通道，并以与色散平面成锐角的角度地将波长通道重定向至平行于上述色散平面的平面、即PLC 74’所在的平面。
[07]不幸的是，每次用户希望购买WB、DGE、WSS或者其任一种形式的监控器时，就必须与相关的光学机械(opto-mechanics)和封装一起购买分开的色散平台，即球型透镜和倾动镜MEMS芯片。本发明的目的是通过提供多单元色散装置克服现有技术的缺点，其中，多个独立的前端和后端单元能利用相同的色散平台，并共用相同的光学机械和封装。
发明内容
[08]因此，本发明涉及一种多单元平面光波电路装置，其包括：
[09]一个第一平面光波电路芯片，其包括第一输入端口、一个第一输入阵列波导光栅、第一多个输出阵列波导光栅和第一多个输出端口，其中，第一输入光学信号通过第一输入端口进入到第一输入阵列波导光栅，从第一输入阵列波导光栅输出就被分散成位于第一色散平面内的波长通道；
[10]一个第一柱面透镜，用于在在第一方向上校准来自第一平面光波电路第一输入光学信号；
[11]一个第一转换元件阵列，用于将来自第一输入光学信号的每个波长通道单独重定向至所选的第一多个输出阵列波导光栅之一，所述第一多个输出阵列波导光栅形成多个第一输出光学信号，用于输出到各自的第一输出端口；
[12]一个第二平面光波电路芯片，其包括第二输入端口、第二输入阵列波导光栅、至少一个第二输出阵列波导光栅和至少一个第二输出端口，其中，第二输入光学信号通过第二输入端口进入到第二输入阵列波导光栅，根据波长而分散到第二色散平面，并从第二输入阵列波导光栅输出。
[13]一个第二柱面透镜，在第一方向上校准来自第二平面光波电路的第二输入光学信号；
[14]一个第二转换元件阵列，用于将来自第二输入光学信号的每个波长通道单独重定向至所选第二输出阵列波导光栅，再分别输出到各自的第二输出端口；和
[15]一个转换透镜，用于将来第一输入光学信号的波长通道聚焦到第一阵列转换元件阵列中各自的转换元件上，并将第二光学信号的波长通道聚焦到第二转换元件阵列中各自的转换元件上。
附图说明
[16]将参考本发明的优选实施例的附图，更加详细地描述本发明，其中：
[17]图1是常规PLC WSS的平面图；
[18]图2是常规多层PLC WSS的侧面图；
[19]图3是根据本发明的多单元PLC波长色散装置的侧面图；
[20]图4是图3的装置的第一级的顶视图；
[21]图5是图3的装置的第二级的截面图；
[22]图6是根据本发明的多单元PLC波长色散装置的另一实施例的侧视图；
[23]图7是图6的装置的第三级的截面图；
[24]图8是图6的装置的第二级的截面图；
[25]图9是图6的装置的第四级的截面图；
[26]图10是图6的装置的第一级的顶视图。
具体实施方式
[27]参考图3至图5，一个多独立单元、平面光波电路、(PLC)自由空间的混合波长选择开关(WSS)11基于上面图1中示出的相同原理进行操作。包括多个波长通道的第一波长复用信号，进入到第一PLC芯片13的第一输入端口12(如中间端口)。由于PLC上的阵列波导光栅(AWG)14的作用，并根据第一色散平面的波长，从第一PLC13出口发出的光线成角度发散(即散开)。光线在某一方向或平面上(如垂直或第一色散平面)被与PLC13相邻的第一柱面透镜16校准。该被校准的波长通道穿过位于中心OA一侧的柱面转换透镜17，该透镜在另一方向或平面上(如垂直于所述色散平面的水平方向)将输出光聚焦到第一阵列转换元件18(例如用于再定向、衰减或阻挡所有或部分所选波长通道的倾动镜的MEMS阵列或液晶单元阵列)。每个波长通道落到转换元件阵列18中不同转换元件19a至19f上，这些转换元件分别独立的对各个波长通道进行重定向，使其返回通过转换透镜17和第一柱面透镜16，到达任何所需的输出衍射光栅21a至21d或者返回输入衍射光栅14。第一转换元件阵列18也进行部分衰减或对全部通道进行阻挡，如现有技术中所公知。输出衍射光栅21a至21d重组定向至其上的波长通道并将所重组的输出信号输出至各个输出端口22a至22d。优选地，输入端口12和输出端口22a至22d可选地与波导(如光纤)耦合，用于面向光学网络的双向传输。在具有MEMS镜的一维系统中，每个MEMS镜19a至19f都能围绕单个轴旋转，用以在第一色散平面(即PLC13所在平面)重定向波长通道，且不会将任何通道再定向至其他PLC。
[28]图4中所示的实施例提供了1×4的开关，但是在合适的光学和机械参数范围内的任意数目的输出衍射光栅和输出端口都在本发明的范围内。而且，可以将一些输出端口转换成输入端口或者输入/输出端口，以提供附加功能，例如，分插复用器、交叉复用器。
[29]参考图5，第二PLC芯片23的位置平行于第一PLC芯片13，即置于第一PLC芯片13的下方或上方，并且第二柱面透镜26与所述第二PLC芯片相邻。第二PLC芯片23可与第一PLC芯片13相同，或者可根据需要包括更多或更少的衍射光栅、输入端口和输出端口等。如上所述，第二输入光学信号，包括多个构成的波长通道，通过第二输入端口22进入到第二输入衍射光栅24中，其根据波长以一角度分散波长通道。第二柱面透镜26在一个方向上或平面中(如垂直地或者第二色散平面)校准被分散的光。
[30]在中心轴的相对侧上，来自第二输入光束的波长通道穿过相同的柱面转换透镜17到达来自第一输入光学信号到波长通道。柱面转换透镜17在另一方向或平面(如水平方向和垂直于第二色散平面的方向)将输出光聚焦到第二转换元件阵列28(如倾动镜29a至29f的MEMS阵列或液晶单元阵列，用于重定向、衰减或阻挡全部或部分所选的波长信道)，第二转换元件阵列28平行于第一转换元件阵列18，但是被单独控制。每个波长通道都落到第二转换元件阵列28中的不同转换元件29a至29f上(仅为所示出的那个)，各个转换单元单独重定向各个波长通道，使其返回通过转换透镜17和第二柱面透镜26，到达任何所需的输出衍射光栅31a至31d或者返回输入衍射光栅24。第二转换元件阵列28还可进行部分衰减或全部波长通道阻挡，如现有技术中所公知的。输出衍射光栅31a至31d重组定向至其的波长通道，并将所重组的输出信号输出至各自的输出端口。如上所述，在具有MEMS镜的一维系统中，第二转换元件阵列28的每个MEMS镜29a至29d都能够绕单个轴旋转，以在第二色散平面内(即在PLC 23的平面)重定向波长通道，并不将任意通道重定向至其他PLC。
[31]因此，如图3所示，本发明的装置11在单个封装35中提供两个功能全面且独立的1×4转换(或者衰减或阻挡)装置，通过增加第二行转换元件28，并调整分别位于PLC13和23前面的柱状校准透镜16和26的位置，所述装置具有与单个的1×4装置相同的光学尺寸。理想地，将各个单独行的转换元件18和28(如MEMS镜)制造到同一个衬底30上，以减小尺寸和成本，但转换元件18和28相互独立，即第一行转换元件19a至19f仅将光定向至多个第一输出波导光栅21a至21d和14，同时，第二行转换元件29a至19f仅将光定向至多个第二输出波导31a至31d和24。
[32]在示范性实施例中，第一转换元件阵列18包括MEMS镜19a至19f，同时第二转换元件阵列28包括不同波长通道调整装置(例如衰减器或阻挡器)，从而自输出端口22a至22d的至少一个输出信号输入至第二PLC 23的输入端口22，并根据所需功率等级或波长选择进行波长选择性衰减、均衡或阻挡。
[33]对于信号监控，多个波长通道(例如λ1m至λ11m)通过第二输入端口22进入，一个波长信号λnm每次被MEMs镜阵列28重定向至输出端口32a，输出端口32a光耦合到光电检测器，用于当顺序选择每个波长通道时测量所选波长通道的输出光功率。其余的波长通道被重定向回第二输入端口22，或者其他输出端口32b至32d中的一个。
[34]图6至10示出了在单个封装42中的多个独立单元、平面光波电路(PLC)、自由空间、具有更复杂装置组合的混合波长选择开关(WSS)41。该第二和第三级包括1×9波长开关，第四或底部层包括1×3DGE或WB，和第一或顶部层包括1×1波长开关，其能被用作波长监控器。因此，通过增加其他PLC，柱面准直透镜和转换元件行将具有多个PLC、自由空间的混合波长转换器件结合到单个自由空间光学装置块中，从而，各独立装置共用相同的柱面聚焦透镜47、MEMS衬底50和封装42。
[35]通过参考图7和8，双层1×9WSS包括第一PLC43和第二PLC63。使用中，包括多个波长通道的第一波长多复用信号进入到第一PLC芯片43的第一输入端口42(如中间端口)。由于第一PLC43上的阵列波导光栅(AWG)44的作用，并根据第一色散平面的波长，从第一PLC13出口发出的光线成角度发散(即散开)。光线在某一方向或平面上(如垂直或第一色散平面)被与PLC13相邻的第一柱面透镜46校准。被校准的波长通道穿过位于中心OA一侧的柱面转换透镜47，该透镜在另一方向或平面上(如垂直于该所述色散平面的水平方向)上将输出光聚焦到第一阵列转换元件48(例如用于重定向、衰减或阻挡所有或部分所选波长通道的可倾斜镜倾动镜的MEMS阵列49a到49f或液晶单元阵列)上。倾动镜49a至49f绕两个垂直轴旋转，用于重定向第一色散平面内(即PLC 43的平面内)的波长通道，且与第一色散平面成锐角地将波长通道再定向到平行于第一色散平面的平面中，即PLC63的平面。每个波长通道都落到不同的转换元件49a至49f上，它们分别对每个波长通道进行重定向，使其返回通过转换透镜47和第一柱面透镜46或第二柱面透镜66，到达所需输出衍射光栅51a至51d和71a至71e，或者返回输入衍射光栅44。在所示实施例中，镜49c、49d和49e绕两个轴旋转，用于将源自第一色散平面的各自波长通道定向到第二柱面透镜66，以输出到输出光栅71b和71c，但是不定向至任何其他的PLC，即PLC83或103。同时，镜49b和49f绕单个轴旋转，其垂直于第一色散平面，以将在第一色散平面内其各自的波长通道转换到输出光栅51a至51d，即不转换到在其他PLC上的任何其他输出光栅。第一转换元件阵列48还可进行部分衰减或全部波长信道阻挡，如现有技术中所公知。第一输出衍射光栅51a至51d和71a至71e重组定向至其的波长通道，并将所重组的输出信号输出到各自的输出端口52a至52d和72a至72e。优选地，输入端口42和输出端口52a至52d和72a至72e光学耦合到波导，例如光纤，用于面向光学网络的双向传输。
[36]参考图9，装置41的底部级包括具有输入端口82的第三PLC83和多个输出端口92a至92c。使用中，第二波长复用信号，包括多个波长通道，其进入到第三PLC芯片83的第二输入端口82(如中间端口)。由于第三PLC83上的阵列波导光栅(AWG)84的作用，并根据平行于第一色散平面的第二色散平面的波长，从第三PLC83出口发出的光线成角度发散(即散开)。光线在某一方向或平面上(如垂直或在第二色散平面)被与第三PLC83相邻的第三柱面透镜86校准。被校准的波长通道穿过位于光轴OA另一侧的柱面转换透镜47，该透镜在另一方向或平面上(如垂直于第三色散平面的水平方向)将输出光聚焦到第三阵列转换元件88(例如用于重定向、衰减或阻挡所有或部分所选波长通道的液晶单元阵列89a到89f)上。合适的液晶装置实例是在硅(LCoS)定向阵列上的液晶，如2006年3月30日公告的由Frisken等人申请的第2006/0067611号美国专利中所公布，在此作为参考并入本文。
[37]每个波长信号都落到不同的转换元件89a至89f上，其部分或全部地单独衰减并重定向每个单独波长通道，使其返回通过转换透镜47和第三柱面透镜86，到达任何所需的输出衍射光栅91a至91c，或者返回到输入衍射光栅84，即不会到达其他PLC上的任何其他输出光栅。输出衍射光栅91a至91c重组定向至其的波长通道，并将所重组的输出信号输出至各自的输出端口92a至92c。优选地，输入端口92和输出端口92a至92c光学耦合到波导，例如光纤，用于面向光学网络的双向传输。
[38]对于信号监控，多个波长信号如λ1m至λ11m通过第三输入端口102进入到第四PLC103中，其置于第二PLC63上。由于第四PLC103上的阵列波导光栅(AWG)104的作用，并根据平行于第一色散平面的第三色散平面的波长，从第四PLC104出口发出的光线成角度发散(即散开)。光线在某一方向或平面上(如垂直或在第三色散平面)被与第四PLC103相邻的第四柱面透镜106校准。被校准的波长通道穿过位于中心OA一侧的柱面转换透镜47，该透镜在另一方向或平面上(如垂直于第三色散平面的水平方向)上将输出光聚焦到第三阵列转换元件108(例如用于重定向、衰减或阻挡所有或部分所选波长通道的MEMS镜109a至109f)上。一个波长通道λnm每次被第三MEMs镜阵列108重定向，通过转换透镜47和第四柱面透镜106、经由输出光栅111定向至输出端口112，即不会再定向至在其他PLC上的任何其他输出光栅。在顺序选择每个波长通道时，将输出端口106光学耦合到光电检测器115，用于测量所选波长通道的输出光功率。其余的波长通道通过转换元件阵列108重定向，经由输入光栅104再定向回第三输入端口102，或者经由其他光栅(未示出)再定向至不同的输出端口。因此，第三输入端口102可包括循环器，用于将输出波长通道定向至分开的输出端口。
[39]在使用中，可将一个PLC的输出端口光学耦合到其他PLC的输入端口，以提供级联功能，例如由PLC 43和63形成的输出WWS的一个信号能输出到由PLC 103形成的信号监控器和/或输出信号监控器(PLC 103)的信号然后输出到由PLC 83形成的衰减器/WB。可选地，所有信号最初都能发送到信号监控器(PLC 103)，且然后传送到WSS(PLC43和63)和/或传送到衰减器/WB(PLC 83)。

Claims (15)

1.一种多单元平面光波电路装置，包括：
一个第一平面光波电路芯片，包括一个第一输入端口、一个第一输入阵列波导光栅、第一多个输出阵列波导光栅和第一多个输出端口，其中，第一输入光信号通过所述第一输入端口进入到所述第一输入阵列波导光栅，当其从所述第一输入阵列波导光栅离开时，在第一色散平面中分散成多个波长通道；
一个第一柱面透镜，用于在第一方向上校准从所述第一平面光波电路发出的所述第一输入光学信号；
一个第一转换元件阵列，用于将来自所述第一输入光学信号的每个所述波长通道单独重定向至所选的所述第一多个输出阵列波导光栅，以形成多个第一输出光信号，用于输出到各自的所述第一多个输出端口；
一个第二平面光波电路芯片，其包括一个第二输入端口、一个第二输入阵列波导光栅、至少一个第二输出阵列波导光栅和至少一个第二输出端口，其中，第二输入光信号通过所述第二输入端口进入到所述第二输入阵列波导光栅，当其从所述第二输入阵列波导光栅离开时，在与所述第一色散平面平行的第二色散平面中根据波长散开；
一个第二柱面透镜，用于在所述第一方向上校准从所述第二平面光波电路发出的所述第二输入光信号；
一个第二转换元件阵列，平行于所述第一转换元件阵列，用于将自所述第二输入光信号的每个所述波长通道单独重定向至所选的所述第二输出阵列波导光栅，用于输出到各自的所述第二输出端口；和
一个转换透镜，用于将所述第一输入光学信号的所述波长通道聚焦到所述第一转换元件阵列的各自的转换元件上，并用于将所述第二输入光信号的所述波长通道聚焦到所述第二转换元件阵列的各自的转换元件上。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一和所述第二转换元件阵列包括在同一个衬底上的两行平行的MEMs镜阵列。
3.如权利要求1所述的装置，还包括光学耦合到所述第二输出阵列波导光栅之一的光检测器；其中，所述第二转换元件阵列连续地将所述第二输入光信号中的每个所述波长通道重定向至一个输出阵列波导光栅，同时将其余的波长通道定向至所述第二输入阵列波导光栅，用于输出到所述第二输出端口。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述第二输出端口光学耦合到所述第一输入端口。
5.如权利要求3所述的装置，还包括：
一个第三平面光波电路芯片，其包括一个第三输入端口、一个第三输入阵列波导光栅、第三多个输出阵列波导光栅和第三多个输出端口，其中，第三输入光信号通过所述第三输入端口进入到所述第三输入阵列波导光栅，当其从所述第三输入阵列波导光栅离开时，就根据波长分散到第三色散平面中；
一个第三柱面透镜，用于在所述第一方向上校准从所述第三平面光波电路发出的所述第三输入光信号；和
一个第三转换元件阵列，用于单独衰减或重定向来自所述第三输入光学信号的每个所述波长通道，到所选的所述第三多个输出阵列波导光栅之一，以输出到各自的所述第三多个输出端口；
其中，所述转换透镜将来自所述第三输入光学信号的波长通道聚焦到所述第三转换元件阵列的各自的转换元件上。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述第一、第二和第三转换元件阵列包括在同一个衬底上的三行平行的MEMs镜阵列。
7.如权利要求5所述的装置，其中至少一个所述第一输出端口光学耦合到所述第二输入端口。
8.如权利要求7所述的装置，其中至少一个所述第二输出端口光学耦合到所述第三输入端口。
9.如权利要求5所述的装置，其中至少一个所述第二输出端口光学耦合到所述第三输入端口。
10.如权利要求5所述的装置，其中所述第二转换元件阵列单独衰减或重定向来自自所述第二输入光学信号的每个所述波长通道，到所选的所述第二输出阵列波导光栅，以输出到各自的所述第二输出端口。
11.如权利要求10所述的装置，其中至少一个所述第一输出端口光学耦合到所述第二输入端口。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述第二转换元件阵列单独衰减和重定向来自所述第二输入光信号的每个所述波长通，到所选的所述第二输出阵列波导光栅，以输出到各自的所述第二输出端口。
13.如权利要求1所述的装置，还包括：
一个第三平面光波电路芯片，其包括一个第三输入端口、一个第三输入阵列波导光栅、第三多个输出阵列波导光栅和第三多个输出端口，其中，第三输入光信号通过所述第三输入端口进入到所述第三输入阵列波导光栅，当其从所述第三输入阵列波导光栅离开时，就根据波长分散到第三色散平面中；
一个第三柱面透镜，用于在所述第一方向上校准从所述第三平面光波电路发出的所述第三输入光学信号；和
一个第三转换元件阵列，用于单独衰减或重定向来自所述第三输入光学信号的每个所述波长通道至所选的所述第三多个输出阵列波导光栅之一，以输出到各自的所述第三多个输出端口；
其中，所述转换透镜将来自所述第三输入光学信号的波长通道聚焦到所述第三转换元件阵列聚焦到的各个转换元件上。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述第一、第二和第三转换元件阵列包括在同一个衬底上的三行平行的MEMs镜阵列。
15.如权利要求1所述的装置，还包括：
一个第四平面光波电路芯片，其与所述第一平面光波电路相邻且平行，包括第四多个输出阵列波导光栅和第四多个输出端口，其中在所述第一转换元件阵列中的每个转换元件都绕第一轴转动，用于在所述第一色散平面中将波长通道定向回所述第一多个输出衍射光栅，且绕垂直于所述第一轴的第二轴旋转，用于以与所述第一色散平面成锐角定向波长通道；和
一个第四柱面透镜，用于接收并将从第一色散平面被重定向的所述第一输入光学信号的波长通道聚焦到所述第四多个输出阵列波导上。
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