CN101065979A - 将光切换到无色端口和有色端口的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种波长选择开关，所述波长选择开关具有复用器以便无色(非特定波长)和有色(特定波长)端口都是可用的。本发明也公开了一种波导装置，所述波导装置使用色散元件，所述色散元件具有不同的特性以便在一个波导装置内实现无色和有色端口。

Description

将光切换到无色端口和有色端口的系统及方法
技术领域
本发明涉及波长选择开关和集成光波导。
背景技术
波长选择开关通常具有一个或多个输入端口和一个或多个输出端口并能够将来自任一输入端口的多个波长中的每一个路由到所选择的输出端口。在某些波长选择开关中，输出端口并不是特定波长的并且任何波长可被路由到任一输出。这些输出端口被称为是“无色的(colourless)”。在其它波长选择开关中，输出端口是特定波长的。这些输出端口被称为是“有色的(coloured)”。在这些装置中，只有一个特定波长可被路由到各个输出端口。
按照惯例，为了同时具有无色和有色输出端口，需要两个独立的开关装置。
发明内容
根据一主要方面，本发明提供一种装置，其包括：输入端口；至少一个无色输出端口，每个无色输出端口都输出相应的信号，所述信号包含被切换到所述无色输出端口的所有波长的组合；多个有色输出端口，每个有色输出端口输出相应的预定波长；体光学元件，其与所述多个有色输出端口相关联；波长选择装置，所述装置适于选择地切换输入信号的多个波长的每一个到相应的一个：a)选择的无色输出端口；b)所述体光学元件，所述体光学元件然后将所述波长路由到所述多个有色输出端口中输出所述波长的有色输出端口。
在某些实施例中，所述体光学元件包括二次路由透镜(secondary routing lens)。
在某些实施例中，所述至少一个无色输出端口包括多个无色输出端口。
根据另一主要方面，本发明提供一种装置，包括：输入端口；多个无色输出端口，每个无色输出端口都输出相应的信号，所述信号包含被切换到所述无色输出端口的所有波长的组合；多个有色输出端口，每个有色输出端口输出相应的预定波长；光学元件，其与所述多个有色输出端口相关联；波长选择装置，所述装置适于选择地切换输入信号的多个波长的每一个到相应的一个：a)所选择的无色输出端口；b)所述光学元件，所述光学元件然后将所述波长路由到所述多个有色输出端口中输出所述波长的有色输出端口。
在某些实施例中，所述光学元件是波导色散元件。
在某些实施例中，所述装置包括与每个无色输出端口相关联的相应的第一输出色散元件，以及与输入端口相关联的输入色散元件，所述输入色散元件与所述第一色散输出元件具有大致相似的色散特性，并且其中所述光学元件包括第二输出色散元件，所述第二输出色散元件与所述输入色散元件具有不同色散特性，使得光被所述输入色散元件和第二输出色散元件分散之后存在净色散。
在某些实施例中，每个色散元件是波导色散元件。
根据另一主要方面，本发明提供一种集成光波导装置，包括：多个阵列波导，每一个具有第一色散；对于多个具有第一色散的阵列波导的每一个，相应的第一集成光学耦合元件适于耦合所述波导和相应的端口之间的光；至少一个阵列波导，所述阵列波导具有不同于所述第一色散的第二色散；对于具有所述第二色散的阵列波导，第二集成光学耦合元件适于耦合所述阵列波导和多个端口之间的光；其中所述第一色散和第二色散存在足够的差异，使得光学波长在穿过所述多个色散元件中的一个和所述第二色散元件以及所述第二集成光学耦合元件之后，其具有物理隔离(physical separation)以便将各个波长耦合到所述多个端口中的相应一个。
在某些实施例中，每个第一集成耦合光学器件包括被耦合到平板波导的相应的大致非色散波导。
在某些实施例中，所述第二集成耦合光学器件包括多个被耦合到平板波导的大致非色散波导。
根据另一主要方面，本发明提供一种装置，包括：多个光学端口，所述多个光学端口包括用于接收至少一个光学波长信道的至少一个输入光学端口和至少一个无色输出光学端口；至少一组有色光学端口；对于每个输入光学端口，相应的色散元件被光学连接到所述光学端口；至少一个被光学连接到所述至少一个无色输出光学端口的色散元件；具有光学功率的体光学元件；多个反射式路由元件；其中对于每个波长信道：所述输入端口的色散元件和体光学元件向所述多个路由元件的相应一个分散所述波长信道的波长，并且所述多个路由元件的所述相应一个经由所述体光学元件，通过所选择的无色输出端口的相应色散元件，将所述波长信道的波长定向到所述至少一个无色输出端口中的所选择的无色输出端口，或将所述波长信道的波长定向到所选的有色输出端口组，所述所选的无色输出端口或有色输出端口组由相应的路由元件确定；从而被路由到给定无色输出端口的波长被再次组合成端口的单一输出信号，并且每个被路由到给定有色输出端口组的波长在所述组的波长特定端口处出现。
在某些实施例中，所述至少一个无色输出端口包括至少两个无色输出端口。
在某些实施例中，所述色散元件是透射的并位于所述光学端口和具有功率的体光学元件之间。
在某些实施例中，所述装置包括用于各个无色输出端口的相应色散元件。
在某些实施例中，所述装置包括用于所述无色输出端口的单个色散元件。
在某些实施例中，每个色散元件包括波导阵列，所述波导阵列具有横跨所述阵列分布的预定的第一光程差(optical path length difference)。
在某些实施例中，所述装置还包括色散元件，所述色散元件包括波导阵列，所述波导阵列具有横跨与所述有色输出端口组相关联的所述阵列分布的预定的第二光程差(optical path lengthdifference)，所述第一和第二光程差彼此不同。
在某些实施例中，所述色散元件共同集成到单一波导装置上。
在某些实施例中，所述装置还包括微光学耦合元件，所述微光学耦合元件适于耦合
来自每个端口的光到相应的色散元件或耦合来自相应的色散元件的光到每个端口。
在某些实施例中，所述装置还包括集成光学耦合元件，所述集成光耦合元件适于将来自每个端口的光耦合到相应的色散元件或将来自相应的色散元件的光耦合到每个端口。
在某些实施例中，每个色散元件包括透射式衍射光栅。
在某些实施例中，所述色散元件和路由元件大致被放置在具有光学功率的体光学元件的焦平面。
在某些实施例中，所述色散元件集成在波导基片上，并且所述具有功率的体光学元件包括主圆柱透镜元件，所述主圆柱透镜元件适于将第一平面内的光聚焦到波导基片的平面，所述装置还包括横向圆柱透镜，所述横向圆柱透镜适于大致准直垂直于所述第一平面的第二平面内的光。
在某些实施例中，所述主圆柱透镜具有焦距，使得所述色散元件在所述透镜的第一侧位于所述透镜的焦平面，并且所述路由元件在所述透镜的第二侧位于所述透镜的焦平面。
在某些实施例中，所述色散元件选自包含下述元件的组：中阶梯光栅、阶梯光栅、多个棱镜，以及波导阵列。
在某些实施例中，每个路由元件是可倾斜微镜。
在某些实施例中，所述装置还包括：用于所述路由元件的消热差底座(athermalmount)，所述底座适于移动所述路由元件以补偿所述输入端口的色散元件由于温度变化而造成的色散特性的变化。
在某些实施例中，所述色散元件包括非透射衍射光栅，并且利用二次透镜来将光路由到有色端口。
根据另一主要方面，本发明提供一种装置，包括：多个光学端口，所述多个光学端口包括用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个无色输出光学端口以及至少一组有色输出光学端口；对于输入光学端口和每个无色光学端口，相应的色散元件被光学连接到相应的输入光学端口；多个透射路由元件；具有光学功率的第一体光学元件；以及具有光学功率的第二体光学元件；其中，对于每个波长信道：所述输入端口的色散元件和第一体光学元件向所述多个透射路由元件的相应一个定向任一所述波长信道的光，并且所述多个透射路由元件的相应一个的适当设置，经由第二体光学元件，通过所述相应色散元件，将所述波长信道的光定向到所述至少两个无色输出端口的相应的所选择的无色输出端口，或将所述波长信道的光定向到所选择的有色端口组。
在某些实施例中，每个路由元件为下述中的一种：液晶光束控制元件、声光光束偏转器、固态相控阵的一部分、可控全息图，以及周期性极化铌酸锂光束偏转器。
在某些实施例中，所述装置包括与每组有色端口相关联的二次透镜，所述二次透镜将每个波长路由到特定波长端口。
在某些实施例中，所述装置包括与每组有色端口相关联的色散元件，所述色散元件与其它色散元件具有不同的色散特性，使得在由一个其它色散元件和一个与有色端口组相关联的色散元件的组合分散之后剩余净色散。
根据另一主要方面，本发明提供一种装置，包括：堆叠的多行光学端口，所述端口包括用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个输出光学端口；对于每个光学端口，相应的色散元件被光学连接到所述光学端口；具有光学功率的体光学元件；多个路由元件；其中对于每个波长信道：所述输入端口的色散元件和体光学元件向所述多个路由元件的相应一个分散任一所述波长信道的光，并且所述多个路由元件的相应一个经由体光学元件，通过相应色散元件将所述波长信道的光定向到相应的所选择的输出端口，所述所选择的输出端口由相应的路由元件确定；至少一组有色光学端口，其中每个波长的光也可由所述路由元件路由到所选择的有色光学端口组，并且被如此路由的每个波长在所选择组的特定波长端口出现。
根据另一主要方面，本发明提供一种装置，包括：堆叠的多行光学端口，所述端口包括用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个输出光学端口；对于每行光学端口，相应的色散元件被光学连接到所述光学端口行；具有光学功率的体光学元件；多个路由元件；其中对于每个波长信道：所述输入端口的色散元件和体光学元件向多个路由元件的相应一个分散任一所述波长信道的光，并且所述多个路由元件的相应一个通过体光学元件将所述波长信道的光通过所选择的输出端口属于其的光学端口行的相应色散元件定向到相应的所选择的输出端口，所述所选择的输出端口由相应的路由元件确定；至少一组有色光学端口，其中每个波长的光也可由所述路由元件路由到所选择的有色光学端口组，以及被如此路由的每个波长在所选择组的特定波长端口出现。
根据另一主要方面，本发明提供一种装置，包括：至少一个输入端口，与所述至少一个输入端口相关联的至少一个输入色散元件；至少一个无色输出端口，与所述至少一个无色输出端口相关联的至少一个输出色散元件；至少一组有色输出端口；至少一个体光学元件；对于每组波长信道，相应的开关元件适于重新定向所述波长信道；其中所述色散元件、所述至少一个体光学元件和所述开关元件被设置成：在所述至少一个输入端口被接收的解复用波长信道；向所选择的无色输出端口或所选择的有色输出端口组中的一个重新定向每个波长信道；对于每个无色输出端口，再次复用被向所述无色输出端口路由的任一波长信道；对于每个有色输出端口组，单独输出波长信道而不再次复用。
根据另一主要方面，本发明提供一种方法，包括：利用输入色散元件，将多波长输入信号解复用成多个波长信道；利用开关元件组合和至少一个体光学元件，将所述多个波长信道的每一个路由到：通过与选择的无色输出端口相关联的色散元件到多个无色输出端口的所选择的一个；或至少一组有色输出端口的所选择的组；其中对于每个无色输出端口，将被路由到所述无色输出端口的任何波长进行组合以产生无色输出；其中对于每组有色输出端口，将被路由到所述有色输出端口组的任何波长输出到所述组的特定波长信道输出端口。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1是波长选择开关的框图；
图2是特殊的波长选择开关的示意图；
图3是本发明实施例提供的波长选择开关-解复用器的框图；
图4A和4B本发明实施例提供的特殊的波长选择开关-解复用器的示意图；
图5是本发明实施例提供的另一波长选择开关-解复用器的示意图；
图6A是本发明实施例提供的另一波长选择开关-解复用器的示意图；
图6B是本发明实施例提供的另一波长选择开关-解复用器的示意图；
图7是本发明实施例提供的，以基于色散元件的波导为特征的另一波长选择开关-解复用器的示意图；
图8是根据本发明的另一个实施例，以基于集成在单个装置上的色散元件的波导为特征的另一波长选择开关-解复用器的示意图，该单个装置用于有色输出端口和无色输出端口。
具体实施方式
图1表示的是波长选择开关(WSS)10的简单框图。所述WSS 10具有公共输入端口12和“无色的”复用的输出端口阵列14。任何波长可从输入端口12被路由到输出端口14的任一个。这是为什么将输出端口称为“无色的”，也就是因为它们不是特定波长的。路由到给定无色输出端口的波长被再次细合成此端口的单个输出信号。
图2是波长选择开关例子的更详细图：所述特殊例子在于2004年4月20日提交的申请人的共同待审的美国申请NO.10/193,107的中有所讲授，此申请要求于2002年5月2日提交的临时申请NO.60/381,364的优先权。在此通过参考，将这两个申请的全部内容合并入本申请中。所示的是输入端口20，入射波长复用信号通过输入端口20接收并被入射色散元件22分散开。分散的信号23经由路由透镜24。经过路由透镜后，所述分散信号的各个波长分别传播。然后，所述波长被光束控制阵列25分别控制。随后每个波长经由另一个透镜26，然后通过色散元件阵列27中的多个色散元件的一个，每个输出端口示出一个色散元件。通过光束控制阵列25的适当控制，可将入射波长复用信号的每个波长路由到输出端口阵列30的输出端口的任何一个。
现在参考图3，所示的是本发明实施例提供的波长选择开关-解复用器。这里包含连接到波长选择开关-解复用器42的单个输入端口40、一组一个或多个(N)无色/复用输出端口44以及一组(M)有色/复用输出端口50。所述“有色输出端口”50被固定成波长解复用端口：只有一个特定波长可被路由到相应的解复用输出端口。另一方面，所述“无色”输出端口44可被用来输出在输入端口40处接收的任何波长，所述任何波长已经被路由到适当的输出端口。这个特殊例子将称为“1×(N+M)”。这是因为具有一个输入端口40，N个无色输出端口44，和M个有色输出端口50。更一般的，相似的装置可具有任意数量的无色输出端口和任意数量的有色输出端口。WSS解复用器具有波长选择装置(wavelength selective arrangement)，所述波长选择装置选择地将每个输入波长信道切换到所选择的无色输出端口和有色输出端口的相应的一个。这里具有与有色输出端口相关联的光学元件。例如，这里可以是诸如二次路由透镜的体光学元件。其可以是色散元件，所述色散元件引入不同于与所述输入端口相关联的色散，使得存在净色散。下面将提供波长选择装置的各种详细例子。
在某些实施例中，图3的装置可以用1×(N+K)WSS实现，其中N+K端口中的K(K＝1或更多)端口的再次复用功能被省略，或被改进使得波长单独存在并可在单个的有色端口被输出。
下面将提供所述例子的详细内容。
同样，在图3的例子中，功能块42中只有一个输出端口被连接到波长解复用端口。在另一实施例中，两个或多个这种输出端口被连接到波长解复用端口。对于每个这种输出端口，将必需要有附加的解复用器48。
图3的装置也可以逆运行，使得具有一组无色输入端口、一组有色输入端口和一个单一输出端口。图3的装置是逻辑图，其示出了有色和无色端口。优选地，WSS-解复用器是“集成的”设计，这样，在WSS-解复用器中执行波长解复用的相同光学部件能够切换到无色端口，以执行有色端口的波长解复用功能。下面将提供所述例子的详细内容。
现在参考图4A，示出的是本发明实施例提供的具有解复用器的波长选择装置的特定详细例子。所示的输入端口50与入射色散元件52进行通信。接下来，依次是路由透镜54、光束控制阵列56，以及主透镜58。具有与一组复用输出端口61相关联的色散元件阵列60，并具有与一组解复用输出端口64相关联的二次路由透镜62。
运行中，多波长信号到达输入端口50并在入射色散元件52处被分散开。路由透镜54将每个波长路由到光束控制阵列56的相应的光束控制元件。阵列56的光束控制元件控制每个波长经过主透镜58。每个波长可被控制以便被色散元件阵列60的一个色散元件分散开，使得被复用输出端口61中的所选择的一个端口输出。此外，每个波长可被控制以便被二次路由透镜62路由到特定波长解复用输出端口64。可以看出输入信号中的任意波长可被路由到复用输出端口61的任何一个端口。同样，输入信号中的任意波长可被路由到解复用输出端口64的一个预定端口。换句话说，给定的波长永远只能在解复用输出端口64的一个特定端口出现。在这种意义下，所述解复用输出端口64是“有色的”。复用输出端口61是无色的。
图4A的设计是集成设计，在这种意义下，为了产生解复用输出(有色的)和复用(无色的)输出的目的，解复用发生在入射色散元件52中。在这种情况下，缺少将解复用输出产生的信号再次复用的二次色散元件。图4B中描述了另一个例子。这和图4A中是一样的，除了对于有色输出端口，提供色散元件66(如所示的棱镜)，所述色散元件66和阵列60的输出色散元件具有不同的色散使得穿过的光将具有净色散。穿过路由透镜62以产生解复用输出64。
对于图4A和4B的实施例，优选地，输入色散元件阵列60和主透镜58的组合与入射色散元件52和路由透镜54的组合具有相等或相反的色散效应。在特殊实施例中，所述主透镜和路由透镜是相同的，并且入射色散元件和阵列60中的色散元件具有相等和相反的色散特性。在另一个例子中，主透镜和路由透镜是不同的，并且输入和输出端口的色散元件也是不同的以便净效应是相等或相反的。
为了简明，图4A和4B的示意图已经被简化了。它们没有示出可以存在的输入和输出耦合光学器件。它们可能没有精确地表示色散元件上的入射角。同样，虽然已经示出了特殊部件组，但是可以理解的是，功能相等的部件可以被代替。例如，所示的入射色散元件52是棱镜。然而，其它色散元件可被用来代替。例如，可以是衍射光栅或阵列波导光栅。所示的路由透镜54是单球面透镜。它可被透镜组合或其它实现相同效果的体光学元件代替。在所说明的实施例中，光或信号通过光束控制元件并且这种光束控制元件被认为是“透射的”。在另一实施例中，光束控制元件可被设置成反射式的来代替。可以采用任何适当的光束控制元件。例如，它们可以是MEMS(微电子机械系统)反射镜。所示的主透镜58是单球面透镜。作为选择，可使用其它体光学元件。所示的色散元件阵列60包括用于每个复用输出端口61的各个棱镜。更一般地，可以使用一个或多个色散元件。这些可以是衍射光栅、阵列波导或其它适于给定执行任务的色散元件。虽然优选地使用每个端口的各自色散元件来增加效率，但是，在其它实施例中，所有复用输出端口61可以使用单个色散元件。所示的二次路由透镜62是单球面透镜。它可由透镜组合或其它实现相同效果的体光学元件代替。
同样，在所说明的例子中，具有两个复用输出端口61，和三个解复用输出端口64。这只是为了说明的目的。可以实现任何合适数量的复用输出端口61和任何合适数量的解复用输出端口64。此外，在某些实施例中，可以是多个二次路由透镜62，每个透镜62具有相应的解复用输出端口组。图5中示出了这种例子，其中具有第一二次路由透镜62，具有相关联的解复用输出端口组64，和第二二次路由透镜70，具有相关联的解复用输出端口组72。在这种情况下，每个波长可被路由到解复用输出端口64或72的特定波长端口或者被路由到复用输出端口61。
如果在给定解复用输出产生的波长间距太紧密，某些实施例可以使用波导集中器来提供适当间隔以便每个输出端口处的波长可被分别处理。
有利地，利用图4A，4B和5的实施例，用于产生复用输出的大多数功能已经被再次用于产生解复用输出。为了产生一组解复用输出，改变色散元件阵列60使得只有一些输出是再次复用的并且给一组或多组解复用输出端口提供二次路由透镜。
现在参考图6A，所示的是具有由本发明提供的集成解复用器的波长选择光学开关的自由空间实施例的系统框图。所述实施例使用反射式衍射光栅阵列代替前述实施例中使用的棱镜。更一般地，所述装置可以使用非透射式色散元件。该图示出了一组MLA(微透镜阵列)132，每一个都与光学端口(一个输入端口143和三个无色输出端口141)相关联，它的输入/输出穿过路由透镜134。该装置的顶视图通常表示为130顶而侧视图通常表示为130侧。
路由透镜134的输出穿过自由空间到达主透镜136，所述主透镜透镜136将来自输入端口143的光路由到衍射光栅183，衍射光栅183构成衍射光栅阵列137的一部分。衍射光栅阵列包括用于输入端口的衍射光栅，和用于一个或多个无色输出端口的每一个的衍射光栅。在所说明的例子中，阵列137中具有四个衍射光栅，它们中的三个用于三个无色输出端口141。所述衍射光栅阵列根据波长反射每个端口的入射光。这里所示的开关元件阵列138由可倾斜的反射镜138A，138B和138C组成，虽然可能有比所示的更多的反射镜。更一般地，这里用于每个波长信道的相应开关元件可被切换。需要注意的是，开关元件138与路由透镜134不是位于相同的水平面。这可在侧视图130侧中更清楚地看到。每个开关元件通过反射镜的倾斜实现从一输入端口到另一光学端口的给定波长的光切换。同样，所示的二次路由透镜139具有相关联的解复用或有色输出端口组140。
图6A的运行与前述实施例相似。一个端口被设计为输入端口而其它端口是输出端口。通过适当倾斜阵列138中的反射镜，在输入端口143处接收的多波长输入信号的每一个波长可通过MLA 132切换到无色输出端口141的任何一个或通过透镜139切换到有色输出端口。如果被路由到无色输出端口141，波长被组合成无色输出。如果被路由到有色输出端口143，每个波长转到组140的预定有色端口。
在所说明的例子中，光束180代表在输入端口143接收的输入多波长信号。这由色散元件183解复用以产生光束182，184。光束182穿过主透镜136，并被开关元件138A重新定向返回穿过主透镜136到有色输出端口组140，在那儿被输出到特定波长信道输出端口。光束184穿过主透镜136，并被开关元件138C重新定向返回穿过主透镜136到色散元件185，所述光束被从色散元件185定向返回穿过主透镜136到无色输出端口141的输出端口161。
图4A，4B，图5和6A的例子是一维结构，在这种意义下，在输出处是线性端口阵列，这些端口是复用输出端口或解复用输出端口。在另一实施例中，在输出处提供二维端口结构，并且一些端口是无色的并且它们中的一些是有色的。具有二维输出端口阵列的波长选择开关的例子在上述被结合的申请中已经有所教导。为了产生具有集成解复用器的集成选择开关，可在二维阵列的任一个输出端口使用二次路由透镜来产生一组解复用输出。
一个这种二维实施例与图6A中的相似，除了这种情况，具有二维端口阵列，通常通过路由透镜光学连接到主透镜和二维衍射光栅阵列。利用路由元件执行切换/路由。在这种情况下，通过用二次路由透镜取代二维阵列中的一个或多个衍射光栅，实现相应的解复用输出端口组。图6B中示出了例子。
现在参考图6B，示出了本发明提供的具有集成解复用器的波长选择光学开关的自由空间实施例的系统框图，和通常表示为1450顶的顶视图和通常表示为1450侧的侧视图。这一实施例再次使用反射式衍射光栅阵列取代前述实施例中使用的棱镜。更一般地，这一装置可以使用非透射式色散元件。图示出了二维微透镜阵列1401，其中的每一个都与光学端口(一个输入端口1410和一个或多个复用输出端口1412)相关联，其中输入/输出穿过路由透镜1402。
路由透镜1402的输出穿过自由空间到达主透镜1406，所述主透镜透镜1406将来自输入端口1410的光路由到衍射光栅1414，衍射光栅1414构成衍射光栅阵列1408的一部分。在所说明的例子中，衍射光栅阵列包括用于所述二维端口阵列中的每一端口行的各个衍射光栅。在所说明的例子中，存在包含相关联的二次路由透镜1416的单组有色端口1411。因此，阵列1408中具有四个衍射光栅，它们中的三个用于三行复用输出端口1412。所述衍射光栅阵列根据波长反射每个端口的入射光。这里所示的开关元件阵列1404由可倾斜的反射镜1404A，1404B和1404C组成，虽然可能存在比所示的更多的反射镜。所述开关元件1404在二维中倾斜。每个波长信道都有各自的开关元件。需要注意的是，开关元件1404与路由透镜1402不是位于同一水平面。这可在侧视图1450侧中更清楚地看到。每个开关元件1404通过反射镜的倾斜实现从一输入端口到另一光学端口的给定波长的光的切换。
图6B的运行与前述实施例相似，除了现在可能是开关处于在二维中。一个端口被指定为输入端口而其它端口为输出端口。通过适当倾斜阵列1404中的反射镜，在输入端口1410处接收的多波长输入信号的每一个波长可通过MLA 1401切换到任何一个复用输出端口1412(可以与所述输入端口位于同一行或与所述输入端口位于另一行）或通过二次透镜1416切换到解复用输出端口1411。如果波长被路由到复用输出端口1412，那么其会被组合成无色输出。如果每个波长被路由到解复用输出端口1411，那么其会转到组1411的预定有色端口。
在所说明的例子中，光束1420代表在输入端口1410接收的输入多波长信号。这由色散元件1414解复用以产生光束1422，1424。光束1424穿过主透镜1406，并被开关元件1404A重新定向返回穿过主透镜1406到有色输出端口组1411，在那儿被输出到特定波长信道输出端口。光束1422穿过主透镜1406，并被开关元件1404C重新定向返回穿过主透镜1406到色散元件1418，所述光束从色散元件1418被定向返回穿过主透镜1406到无色输出端口1412的特定无色输出端口1400。
在所说明的例子中，具有单组有色输出端口1411，并且同样地，具有单个二次路由透镜1416。更一般地，可以是多组有色输出端口。对于图6B的特定实施例，可以用有色输出端口组的一行代替衍射元件阵列中的、通常起无色输出端口行作用的衍射元件。每个组可能具有相应的二次路由透镜。
此外，虽然在所说明的例子中，每个端口行具有相应的衍射光栅，但是，在另个实施方式中，每个端口可以具有相应的衍射光栅，或者每个端口衍射光栅和每行端口衍射光栅的混合。
同样可利用波导色散元件实现二维实施例。在这种情况下，色散元件行可以和波导装置一起实施。这种装置的堆叠结构(stacked arrangement)在2-D阵列中提供每一端口的色散元件。提供一个或多个有色端口组，这通过提供具有不同色散特性的色散元件(至于单个波导色散装置，参考下面图8的详细描述)或通过将光路由到色散元件平面外以在无色端口处输出(至于单个波导色散装置，参考下面图7的详细描述)来提供。
上述实施例已经使用棱镜或衍射光栅作为色散元件。需要注意的是可以使用任何适当的衍射光栅类型。例如，反射式、透射式、中阶梯光栅、阶梯光栅、阶梯光栅或棱镜，来列举一些例子。可以使用阵列波导和中阶梯光栅波导光栅。更一般地，本发明的实施例可以使用可实现所需波长相关(wavelength dependent)功能的任何色散元件。
所描述的实施例具有以MEMS反射镜阵列为特征以执行波长的切换。更一般地，可以使用任何适当的开关元件。例如，可倾斜微反射镜、液晶光束控制元件(相位阵列)、声光光束偏转器(accouto-optic beam deflector)、固态相控阵(phase array)、可控全息图、周期性极化铌酸锂光束偏转器。
图7示出了通常表示为200的本发明的另一实施例的顶视图和侧视图。具有端口组202，204，206，208，210，它们都通过集成耦合光学器件连接到波导阵列，所述波导阵列形成波导色散元件。在这个例子中，集成耦合光学器件用附图标记212，214，216，218，220表示，并且波导阵列用222，224，226，228，230表示，它们构成波导装置260的一部分。每个波导色散元件内部具有适当的相位分布(phase profile)。在波导阵列的情况下，这通常利用线性相位项来实现以提供适当的色散。例如，这种波导元件的色散装置在M.K.Smit，Electronics Letters，Vol.24，pp.385-386，1988中有所描述。分别利用准直透镜242和聚焦透镜244对光进行准直和聚焦。利用至此为止描述的装置，抵达输入端口206的多波长信号将经历色散，使得每个波长被路由到路由元件阵列240中的相应的一个路由元件。每个波长可通过相关联的色散元件222，224，226，228，230独自被切换到复用输出端口202，204，208，210中的一个。因此，利用早先引入的术语，在端口202，204，208，210的输出信号是无色的。根据此实施例，构成阵列240一部分的开关元件在二维中是可切换的。它们是可调以便将光切换到所描述的复用输出端口的任一个。此外，它们在垂直方向是可调以切换光，从而由解复用端口输出该光。通过提供装置206平面外的二次路由透镜250实现解复用端口。这导致每个波长被路由到特定波长输出端口。所示的波导集中器252来增加输出端口之间的间距以便每个波长可被分开提取。解复用输出端口组由254表示。因此，为了将波长路由到解复用输出端口，波长最初沿着相似的路径，穿过输入端口206，集成耦合光学器件216和输入色散元件226经由准直透镜242和聚焦透镜244并到达开关元件阵列。每个波长信道具有一个开关元件。对于切换到复用输出端口的波长，这些只在水平方向可切换并且波长通过所选择的输出端口202，204，208，210中的一个出去。对于将穿过解复用端口的波长，阵列240中的适当开关元件被在垂直方向可切换的以导致所述波长被路由通过二次透镜250，然后到达通过适当解复用输出端口，每个这种端口是特定波长的。
图7的实施例，利用相同的波导装置260作为复用端口，不产生解复用输出端口。相反，它们利用外部实施到所述波导装置260的二次路由透镜250产生。在另一个实施例中，在相同的波导装置上提供有解复用输出端口。现在，将参考附图8描述这种例子。所示的是输入端口301，无色输出端口302，303，304和有色输出端口305。输入端口301通过集成耦合光学器件308连接到基于波导的色散元件312。同样，三个无色输出端口302，303，304的每一个连接到相应的集成耦合光学元件310和相应的基于波导的色散元件312。所述图中只示出了三个无色端口，但是任何其它数目都位于所述实施例的范围内。有色输出端口305通过集成波导集中器320连接到集成耦合光学器件322，然后连接到基于波导的色散元件324。基于波导的色散元件312和324具有不同的色散量使得穿过波导色散元件312和324的波长依次经历非零净色散，虽然两次穿过波导色散元件312的波长基本不经历净色散。如图7的实施例，在准直透镜242和聚焦透镜244之后设置开关阵列240，基于波导的色散元件没有连接到集成耦合光学器件的末端，该色散元件与准直透镜242和聚焦透镜244进行光通讯。
运行中，与输入端口301相关联的色散元件312通过准直透镜242和聚焦透镜244将在所述输入端口接收的所有波长信道分散到阵列240中的适当特定波长开关元件。开关元件将每个波长切换到用于无色输出端口的一个所选择的色散元件312，或切换到用于有色输出端口的色散元件324。与无色输出端口302，303，304相关联的色散元件312再次复用波长回所述相关联的无色输出端口。这完全的再次复用发生，因为这样的事实：即这些无色输出端口的色散元件和输入端口的色散元件基本相同。另一方面，与有色输出端口305相关联的色散元件324具有不同于其它色散元件的一些色散量使得在波长通过色散元件324和集成耦合光学器件322耦合返回之后剩余净色散。这意味着在装置322的输出处的波长仍然被少量分开。波导集中器320将各个波长分成被连接到有色输出端口305的各个波导。
无色端口的色散元件和有色输出端口的色散元件的色散差异需要足够大使得可以分解有色输出305的独立信道。图8的结构中所示的装置300的实际实施是以所有色散元件在单个装置中为特征的，并且这将仅仅由于物理几何结构而潜在地增加了不同元件色散间的差异的限制。如果差异过大，可能不能在单个波导装置上实现所有装置。
在图8实施的例子中，具有三个无色输出端口和一组有色输出端口。更一般地，通过适当地缩放装置300中的色散元件数量可以提供任何适当数量的无色输出端口和有色输出端口组。此外，根据需要切换的波长信道的数量可以缩放阵列240中的开关元件的数量。通过如装置300的堆叠装置并提供二维可切换的开关元件实现二维实施例。另一个实施例根据所选择的有色输出端口和无色输出端口的数量来提供其适当比例的装置300。
在一个例子中，输入色散元件和无色输出端口的色散元件的数量级是33，然而对于有色输出端口的色散元件的数量级是20。这仅仅是个例子并且当然可以使用任何适当数量。
在优选的实施例中，给开关元件阵列240提供消热差底座241。所述消热差底座根据温度上下移动开关元件阵列，以补偿由于温度变化而引起的输入端口色散元件的色散特性的变化。
上述实施例已经被具体为一个输入端口和多个复用输出端口以及单组解复用输出端口。更一般地，每种类型的端口可以为任何数量。此外，可以结合一组或多组解复用输出端口提供二维端口阵列。虽然优选地将MEMS反射镜阵列用作开关元件，但是，可以采用任何适当的开光元件技术。
所述例子以单个输入端口和多个输出端口为特征。可以理解的是，所描述的任何实施例可以逆运行使得单个输入端口是输出端口，以及输出端口是输入端口。
根据上述教导，本发明的许多改进和变化是可能的。因此，所附加的权利要求的范围是可以理解的，本发明可以被实施成不同于这里所特殊描述的。

Claims (36)

1、一种装置，包括：
输入端口；
至少一个无色输出端口，每个无色输出端口都输出相应的信号，所述信号包含被切换到所述无色输出端口的所有波长的组合；
多个有色输出端口，每个有色输出端口输出相应的预定波长；
体光学元件，其与所述多个有色输出端口相关联；
波长选择装置，其适于选择地将输入信号中的多个波长的每一个切换到下述相应的一个：
a)所选择的无色输出端口；
b)所述体光学元件，然后所述体光学元件将所述波长路由到所述多个有色输出端口中输出该波长的有色输出端口。
2、根据权利要求1所述的装置，其中所述体光学元件包括二次路由透镜。
3、根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个无色输出端口包括多个无色输出端口。
4、一种装置，包括：
输入端口；
多个无色输出端口，每个无色输出端口都输出相应的信号，所述信号包含被切换到所述无色输出端口的所有波长的组合；
多个有色输出端口，每个有色输出端口输出相应的预定波长；
光学元件，其与所述多个有色输出端口相关联；
波长选择装置，其适于选择地将输入信号的多个波长的每一个切换到下述相应的一个：
a)所选择的无色输出端口；
b)所述光学元件，然后所述光学元件将所述波长路由到所述多个有色输出端口中输出所述波长的有色输出端口。
5、根据权利要求4所述的装置，其中所述光学元件是波导色散元件。
6、根据权利要求4所述的装置，包括与每个所述无色输出端口相关联的相应的第一输出色散元件，以及与所述输入端口相关联的输入色散元件，所述输入色散元件与所述第一色散输出元件具有大致相似的色散特性，并且其中所述光学元件包括第二输出色散元件，所述第二输出色散元件与所述输入色散元件具有不同色散特性，使得光被所述输入色散元件和第二输出色散元件分散之后存在净色散。
7、根据权利要求6所述的装置，其中每个色散元件是波导色散元件。
8、一种集成光波导装置，包括：
多个阵列波导，每一个具有第一色散；
对于所述多个具有第一色散的阵列波导的每一个，相应的第一集成光耦合元件适于耦合所述波导和相应的端口之间的光；
至少一个波导阵列，所述波导阵列具有不同于所述第一色散的第二色散；
对于具有所述第二色散的所述波导阵列，第二集成光耦合元件适于耦合所述波导阵列和多个端口之间的光；
其中所述第一色散和所述第二色散存在足够的差异，使得光学波长在穿过所述多个色散元件中的一个和所述第二色散元件以及所述第二集成光耦合元件之后，其具有物理隔离以便将各个波长耦合到所述多个端口中的相应一个。
9、根据权利要求8所述的波导装置，其中每个第一集成耦合光学器件包括被耦合到平板波导的相应的大致非色散波导。
10、根据权利要求8所述的波导装置，其中所述第二集成耦合光学器件包括多个被耦合到平板波导的大致非色散波导。
11、一种装置，包括：
多个光学端口，所述多个光学端口包括用于接收至少一个光学波长信道的至少一个输入光学端口和至少一个无色输出光学端口；
至少一组有色光学端口；
对于每个输入光学端口，相应的色散元件光学连接到所述光学端口；
至少一个光学连接到所述至少一个无色输出光学端口的色散元件；
具有光学功率的体光学元件；
多个反射式路由元件；
其中对于每个波长信道：
所述输入端口的色散元件和所述体光学元件向所述多个路由元件的相应一个分散所述波长信道的波长，并且所述多个路由元件的所述相应一个经由所述体光学元件，通过所选择的无色输出端口的所述相应色散元件，将所述波长信道的波长定向到所述至少一个无色输出端口的所选择的无色输出端口，或将所述波长信道的波长定向到所选的有色输出端口组，所述所选的无色输出端口或有色输出端口组由所述相应的路由元件确定；
从而被路由到给定的无色输出端口的波长被再次组合成所述端口的单一输出信号，并且每个被路由到给定有色输出端口组的波长在所述组的波长特定端口处出现。
12、根据权利要求11所述的装置，其中所述至少一个无色输出端口包括至少两个无色输出端口。
13、根据权利要求11所述的装置，其中所述色散元件是透射的并位于所述光学端口和所述具有功率的体光学元件之间。
14、根据权利要求11所述的装置，包括用于每个无色输出端口的相应色散元件。
15、根据权利要求11所述的装置，包括用于所述无色输出端口的单个色散元件。
16、根据权利要求11所述的装置，其中每个色散元件包括波导阵列，所述波导阵列具有横跨所述阵列分布的预定的第一光程差。
17、根据权利要求16所述的装置，还包括色散元件，所述色散元件包括波导阵列，所述波导阵列具有横跨与所述有色输出端口组相关联的所述阵列分布的预定的第二光程差，所述第一和第二光程差彼此不同。
18、根据权利要求17所述的装置，其中所述色散元件共同集成到单一波导装置上。
19、根据权利要求11所述的装置，还包括微光学耦合元件，所述微光学耦合元件适于将来自每个端口的光耦合到所述相应的色散元件或将来自所述相应的色散元件的光耦合到每个端口。
20、根据权利要求17所述的装置，还包括集成光耦合元件，所述集成光耦合元件适于将来自每个端口的光耦合到所述相应的色散元件或将来自所述相应的色散元件的光耦合到每个端口。
21、根据权利要求11所述的装置，其中每个色散元件包括透射式衍射光栅。
22、根据权利要求11所述的装置，其中所述色散元件和所述路由元件大致被放置在所述具有光学功率的体光学元件的焦平面。
23、根据权利要求11所述的装置，其中所述色散元件集成在波导基片上，并且所述具有功率的体光学元件包括主圆柱透镜元件，所述主圆柱透镜元件适于聚焦第一平面内的光到波导基片的平面，所述装置还包括横向圆柱透镜，所述横向圆柱透镜适于大致准直垂直于所述第一平面的第二平面内的光。
24、根据权利要求23所述的装置，其中所述主圆柱透镜具有焦距，使得所述色散元件在所述透镜的第一侧位于所述透镜的焦平面，并且所述路由元件在所述透镜的第二侧位于所述透镜的焦平面。
25、根据权利要求11所述的装置，其中所述色散元件选自包含下述元件的组：中阶梯光栅、阶梯光栅、棱镜，以及波导阵列。
26、根据权利要求11所述的装置，其中每个路由元件是可倾斜微反射镜。
27、根据权利要求17所述的装置，所述装置还包括：
用于所述路由元件的消热差底座，所述底座适于移动所述路由元件以补偿所述输入端口的所述色散元件的由于温度引起的色散特性的变化。
28、根据权利要求11所述的装置，所述色散元件包括非透射式衍射光栅，并且利用二次透镜将光路由到所述有色端口。
29、一种装置，包括：
多个光学端口，所述多个光学端口包括接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个无色输出光学端口及至少一组有色输出光学端口；
对于所述输入光学端口和每个无色光学端口，相应的色散元件被光学连接到相应的输入光学端口；
多个透射式路由元件；
具有光学功率的第一体光学元件；以及
具有光学功率的第二体光学元件；
其中对于每个波长信道：
所述输入端口的色散元件和第一体光学元件向所述多个透射路由元件的相应一个定向任一所述波长信道的光；并且所述多个透射路由元件的相应一个的适当设置经由所述第二体光学元件，通过所述的相应色散元件，将所述波长信道的光定向到所述至少两个无色输出端口的相应所选择的无色输出端口，或将所述波长信道的光定向到所选择的有色端口组。
30、根据权利要求29所述的装置，其中每个路由元件是下述中的一种：液晶光束控制元件、声光光束偏转器、固态相控阵的一部分、可控全息图，以及周期性极化铌酸锂光束偏转器。
31、根据权利要求29所述的装置，还包括与每个有色端口组相关联的二次透镜，所述二次透镜将每个波长路由到特定波长端口。
32、根据权利要求29所述的装置，还包括与每个有色端口组相关联的色散元件，所述色散元件与其它色散元件具有不同的色散特性，使得在由一个所述其它色散元件和一个所述与有色端口组相关联的色散元件的组合分散之后剩余净色散。
33、一种装置，包括：
堆叠的多行光学端口，所述端口包括用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个输出光学端口；
对于每个光学端口，相应的色散元件被光学连接到所述光学端口；
具有光学功率的体光学元件；
多个路由元件；
其中对于每个波长信道：
所述输入端口的色散元件和体光学元件向所述多个路由元件的相应一个分散任一所述波长信道的光，并且所述多个路由元件的相应一个经由所述体光学元件，通过所述的相应色散元件将所述波长信道的光定向到相应的所选择的输出端口，所述所选择的输出端口由所述相应的路由元件确定；
至少一组有色光学端口，其中每个波长的光也可由所述路由元件路由到所选择的有色光学端口组，并且被如此路由的每个波长在所选择组的特定波长端口出现。
34、一种装置，包括：
堆叠的多行光学端口，所述端口包括用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个输出光学端口；
对于每行光学端口，相应的色散元件被光学连接到所述光学端口行；
具有光学功率的体光学元件；
多个路由元件；
其中对于每个波长信道：
所述输入端口的色散元件和体光学元件向所述多个路由元件的相应一个分散任一所述波长信道的光；并且所述多个路由元件的相应一个经由所述体光学元件，将所述波长信道的光通过所述光学端口行的所述相应色散元件定向到相应的所选择的输出端口，所选择的输出端口属于所述光学端口行，所述所选择的输出端口由所述相应的路由元件确定；
至少一组有色光学端口，其中每个波长的光也可由所述路由元件路由到所选择的有色光学端口组，并且被如此路由的每个波长在所选择组的特定波长端口出现。
35、一种装置，包括：
至少一个输入端口，与所述至少一个输入端口相关联的至少一个输入色散元件；
至少一个无色输出端口，与所述至少一个无色输出端口相关联的至少一个输出色散元件；
至少一组有色输出端口；
至少一个体光学元件；
对于每组波长信道，相应的开关元件适于重新定向所述波长信道；
其中所述色散元件、所述至少一个体光学元件和所述开关元件被设置成：
在所述至少一个输入端口被接收的解复用波长信道；
向所选择的无色输出端口或所选择的有色输出端口组中的一个重新定向每个波长信道；
对于每个无色输出端口，再次复用被向所述无色输出端口路由的任何波长信道；
对于每个有色输出端口组，分别输出波长信道而不再次复用。
36、一种方法，包括：
利用输入色散元件，将多波长输入信号解复用成多个波长信道；
利用开关元件组合和至少一个体光学元件，将所述多个波长信道的每一个路由到：
经由与所述所选择的无色输出端口相关联的色散元件的多个无色输出端口中的所选择的一个；
或至少一组有色输出端口中的所选择的组；
其中对于每个无色输出端口，将被路由到所述无色输出端口的任何波长进行组合以产生无色输出；
其中对于每个有色输出端口组，将被路由到所述有色输出端口组的任何波长输出到所述组的特定波长信道输出端口。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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