CN102075824A - 在微机电系统芯片上具有集成光纤输入/输出布置的光路由机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光路由机构，该光路由机构可以用于这样的波长路由器中，该波长路由器被配置成从输入光纤接收具有多个光谱带的光，并且把光谱带的子集引到相应的输出光纤。一个自由空间光学系列提供用于在输入光纤与输出光纤之间对光谱带进行路由的光路。光路由机构具有多个可配置的路由元件，以便确定怎样引导每个光谱带。一个共同面把光路由机构与输入和输出光纤的末端部分整体地配合，允许一些光学元件的有效平面化。

Description

在微机电系统芯片上具有集成光纤输入/输出布置的光路由机构 

本申请是申请日为2004年3月26日，申请号为200410029639.9、申请名称为“在微机电系统芯片上具有集成光纤输入/输出布置的光路由机构”的中国发明专利申请的分案申请。 

技术领域

本发明一般地涉及光纤通信，更具体而言是涉及用于将光信号的不同光谱带路由到不同输出端口的方法和系统。 

背景技术

互联网和数据通信正在引起对全球带宽的爆炸性需求。光纤电信系统当前正采用一种被称为密集波分复用(DWDM)的较新技术，以便扩大新的和现有的光纤系统的容量，以助于满足这种需求。在DWDM中，光的多个波长通过单根光纤同时传输信息。每个波长都用作传送数据流的单个通道。光纤的传送能力以使用的DWDM通道数目成倍增加。现今，从许多制造商那里可以获得采用达80通道的DWDM系统，将来有希望更多。 

在所有的电信网络中，都需要把单个通道(或电路)连接到单个目的地点，例如终端用户，或连接到另一个网络。执行这些功能的系统被称为交叉连接器(cross-connects)。另外，需要在某一中间点插入(add)或分接(drop)一些特殊的通道。执行这些功能的系统被称为分插复用器(ADM)。目前，所有这些连网功能都由电子设备-通常由电子同步光纤网络/同步数字系列(SONET/SDH)系统来执行。然而，SONET/SDH系统被设计成只处理一个光信道。多波长系统将需要多个并行操作的SONET/SDH系统，以便处理多 个光信道。这使得扩大使用SONET/SDH技术的DWDM网络的规模将变得困难，而且昂贵。 

替换的方案是全光网络。被设计成在波长级操作的光网络一般被称为“波长路由网络”或“光传输网络”(OTN)。在波长路由网络中，DWDM光纤中的单独波长必须是可管理的。需要在波长级操作的新型光网络元件去执行交叉连接、分插复用(ADM)和其它网络交换功能。两个主要的功能是光分插复用(OADM)和波长选择交叉连接(WSXC)。 

现今，为了在光学上执行波长路由功能，光流必须首先被解多路复用(de-multiplex)或过滤为其多个单波长，每个单波长在单个光纤上。然后，必须利用一个被称为光交叉连接器(OXC)的大型光开关阵列，把每个单波长引向其目标光纤。最后，所有的波长在继续通过目的光纤之前必须被重新多路复用。这种复合过程是复杂和极昂贵的，并且降低系统可靠性，以及使系统管理变得复杂。OXC尤其是一个技术难题。典型的40-80通道的DWDM系统将需要数千个开关，以便完全交叉连接所有的波长。对于普及推广，提供可接受的光学特性的光机械开关太大、昂贵，且不可靠。基于新材料的新的集成固态技术正在被研究，但是距离商业应用仍很遥远。 

因此，工业界正积极地寻找一种全光波长路由解决办法，该全光波长路由解决办法使高波长数(high-wavelength-count)系统能够被成本低廉地和可靠地执行。 

发明内容

因此，本发明的实施例提供一种光路由机构和波长路由器，以及一种使用这些装置的方法，使制造进行各种简化，同时提供某些期望的光学配置。根据本发明实施例的波长路由器被配置成从输入光纤接收具有多个光谱带的光，并把光谱带的子集引到多个输出光 纤中的相应光纤。自由空间光学系列(train)提供用于在输入光纤和输出光纤之间对光谱带进行路由的光路。具有多个可动态配置路由元件的光路由机构根据单个路由元件的状态确定如何引导每个光谱带。根据一些实施例，一个共同面用于使光路由机构整体地配合输入和输出光纤的末端部分。这种结构可以允许一些光学元件的有效平面化，由此允许经济地制造平面物体，以达到精确的公差极限，尤其是当与代替使用一般化的三维物体的结构相比时。减少的组装时间、加工的相似性以及更简洁(tighter)的组装可重复性，使成本得到节省并提高了可靠性。 

在一些特定实施例中，多个光纤折叠元件附加地被布置在共同面上。每个折叠元件被定向，以便在一个相应的光纤与平行于自由空间光学系列光轴的路径之间引导光。这样的实施例适于以下情况：可动态配置的路由元件包括可倾斜的微镜，并且光路由机构还具有多个固定反射镜，每一个都被布置成根据路由元件的状态遇到特殊的光谱带。 

在其它实施例中，输入和输出光纤的末端被布置在与自由空间光学系列的光轴垂直的共同平面中。该共同平面可以平行于共同表面。在一个这样的实施例中，一个共同的光纤折叠元件被布置在共同表面上，并且被定向，以便在每个光纤与平行于自由空间光学系列光轴的路径之间引导光。这样的实施例可以适于以下情况：可动态配置的路由元件包括在共同面上形成的可倾斜的微镜，并且光路由机构具有一个第一固定反射镜和多个第二固定反射镜，其中第一固定反射镜被布置成遇到每个光谱带，多个第二固定反射镜可以根据路由元件的状态遇到特殊的光谱带。这样一个系统可以被配置成通过自由空间光学系列的光传播产生的锥形衍射效应被减到最小。在一个这样的实施例中，固定反射镜被布置成在基本上沿圆锥表面包络排列的点处遇到给定的光谱带。在某些特定的实施例中，圆锥表面包络包括一个抛物面包络，例如在远心(telecentric)应用中， 在其它特定的实施例中，圆锥表面包络包括一个椭圆面包络，例如在使用有限远出射光瞳的应用中。 

附图说明

通过参照说明书的其余部分以及附图，可以进一步理解本发明的特性和优点，其中贯穿几个附图所使用的相似附图标记表示相似的部件。在某些情况下，下标与附图标记有关，并且被置于括号中，以表示多个相似部件之一。当参照一个没有规定下标的附图标记时，其意图是指代所有这样的多个相似部件。 

图1A和图1B是说明四行程(four-pass)波长路由器的实施例的俯视图和侧视图； 

图2A和图2B所示的示意图说明了使用两个固定反射镜的光路由机构的操作； 

图3A和图3B所示的示意图说明了使用两个固定反射镜且具有折叠镜的光路由机构的操作； 

图4A-4C所示的示意图说明了圆锥截面包络在配置根据一个实施例的光路由机构的元件中的应用； 

图5所示的示意图说明了使用三个固定反射镜的光路由机构的实施例；以及 

图6A-6C所示的图解说明了在配置根据本发明的一个实施例的光路由机构中使用的几何因素。 

具体实施方式

1.引言

以下的说明阐述了根据本发明的光路由结构的实施例，以及包括该光路由结构的全光波长路由器的实施例。在共同转让的美国专利第6,501,877号中提供了波长路由器的示范性实施例，在此将该专利全部引入，包括其附录，以作为参考。在此描述的光路由机构也可用于任何合适的另外的波长路由器配置中。 

虽然在以下说明中提到“输入”和“输出”光纤，但是这种术语并不是想要限制光传播的方向。更一般地，在不超出本发明的范围的情况下，输入和输出光纤的功能可以被颠倒。例如，配置有一个“输入”光纤和两个“输出”光纤的波长路由器实施例可以用于在单个输入光纤处接收光，并把光引到两个输出光纤。或者，相同的波长路由器实施例可以用于在两个输出光纤处接收光，并把光引到单个输入光纤。 

可以利用自由空间光学系列和光路由机构在光学上执行波长路由功能。自由空间光学系列可以包括空气间隔的元件或者可以是一般的单片(monolithic)结构。图1A和图1B中显示了被配置为四行程路由器100的波长路由器的一个例子，图1A和图1B分别是俯视图和侧视图。其一般功能性是在与光路由机构110集成的输入处接受具有N个光谱带的光，并把光谱带的子集引到与光路由机构110集成的多个输出的期望输出。以下详细讨论不同实施例中的光路由机构的结构。在输入处接收的光被引到光学系列，形成了包括不同光谱带的发散光束118。光束118遇到使该光准直(collimate)的透镜120，并把光引向反射衍射光栅125。光栅125使光分散，从而不同波长的准直光束以不同的角度被引回到透镜120。 

清楚地显示了两束这样的光束126和126′，后者以虚线表示。由于这些准直光束以不同的角度遇到透镜120，因此它们被聚焦到光路由机构110中的不同点。聚焦的光束遇到多个可动态配置的路由元件中的相应路由元件，可动态配置路由元件形成了回射组件的一部分，以便把单个光束作为发散光束引回到对其进行准直的透镜120，然后再次被引到光栅125。在第二次遇到光栅125时，不同光束之间的角间距被消除了，并且光束被引回到对其进行聚焦的透镜120。可动态配置的元件可以被配置成沿反向路径发送其截取的光束，该反向路径使截取的光束移位，以便把截取的光束引向不同的输出。 

2.光路由机构

图2A中显示了光路由机构的一个实施例，以附图标记110′表示。该图用于对光路由机构操作的某些几何方面提供示意性图解。在该实施例中，利用包括两个固定反射镜214和216以及一组可动态配置的路由元件220的回射组件，实现分离光束的回射。一般，可动态配置的路由元件220至少和分离光束的数目一样多，从而每个分离光束可以被独立地路由。取决于每个路由元件220的状态，单个分离光束或者被引到第一固定反射镜214(“A”)，或者被引到第二固定反射镜216(“B”)，由此实现位移，该位移允许分离光束被引向波长路由器中的不同输出。在图2A中清楚地显示了输入光纤208和多个输出光纤212，其中利用箭头指示了光束从输入光纤208传播到光学系列，以及从光学系列传播到输出光纤212。 

在一些实施例中，可动态配置的路由元件220包括利用微机电系统(“MEMS”)技术制造的可倾斜的微镜。例如，这种可倾斜微镜可以被制造成在以下共同未决的共同转让专利申请中说明的MEMS装置，每个申请在此全部引入作为参考：Bevan Staple等人于2001年7月3日提交的美国专利申请第09/898,988号，题为“利 用控制杆克服静摩擦的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR OVERCOMING STICTION USING A LEVER)”；Victor Buzzetta等人于2001年7月3日提交的美国专利申请第09/899,000号，题为“基于逐步受控倾斜镜的自由空间光波长路由器(FREE-SPACE OPTICALWAVELENGTH ROUTER BASED ON STEPWISE CONTROLLED TILTING MIRRORS)”；Victor Buzzetta于2001年7月3日提交的美国专利申请第09/899,001号，题为“基于逐步受控倾斜镜的二维自由空间光波长路由器(TWO-DIMENSIONAL FREE-SPACE OPTICAL WAVELENGTH ROUTER BASED ON STEPWISE CONTROLLED TILTINGMIRRORS)”；Bevan Staple和Richard Roth于2001年7月3日提交的美国专利申请第09/899,002号，题为“基于微机电系统的、非接触的自由空间光开关(MEMS-BASED，NONCONTACTING，FREE-SPACE OPTICAL SWITCH)”；Lilac Muller于2001年7月3日提交的美国专利申请第09/899,004号，题为“带有不接触的光阑的双稳态微镜(BISTABLE MICROMIRROR WITH CONTACTLESS STOPS)”；以及David Paul Anderson于2001年7月3日提交的美国专利申请第09/899,014号，题为“用于提供多光阑微镜的方法和设备(METHODS AND APPARATUS FOR PROVIDING A MULTI-STOP MICROMIRROR)”。 

MEMS可倾斜微镜形成于MEMS芯片204上，该MEMS芯片204也可作为在其上面形成固定反射镜的基底。在共同转让的美国专利第6,439,728号中的图4A、4B和图5中，显示了把两个固定反射镜与一组可倾斜微镜结合使用的回射组件的特定例子，该专利由Frederick Kent Copeland(′728专利)于2001年8月28日提交，题为“用于双位回射镜中MEMS装置垂直集成的多镜堆叠(MULTIMIRROR STACK FOR VERTICAL INTEGRATION OF MEMS DEVICES IN TWO-POSITION RETROREFLECTORS)”，，在此引入其全部公开作为参考。 

图2A还注释了(x，y，z)笛卡尔坐标系，用于定义在以下讨论中使用的方向。z轴对应于光学系列的光轴。xy平面与该光轴正交，y轴被定义为对应于可动态配置的路由元件220沿着它被隔开的对称轴。x方向受右手笛卡尔系要求的约束。从而，例如，图1A的俯视图对应平行于yz平面的视图，图1B的侧视图对应平行于xz平面的视图。xy平面中的端视图将对应于沿光学系列的光轴的视图。 

在考虑波长路由器的操作中，发明者将面临许多设计因素，其中希望某些参数或者去减小光学像差，或者方便制造。例如，在图2A中，显然，输入光纤208的末端的z值与输出光纤212的末端的z值不同，以适应系统中的光路长度差。该配置是以下共同未决的共同转让专利申请中的、将被更详细讨论的一组配置的一个例子：Robert Anderson和Samuel P.Weaver于2000年12月20日提交的美国专利申请第09/747,064号，题为“带有交错输入-输出光纤的波长路由器(WAVELENGTH ROUTER WITH STAGGERED INPUT-OUTPUT FIBERS)”，在此引入其全部公开作为参考。另外，由固定反射镜216的位置产生的布置的几何结构使光纤的末端在x方向偏移。这种偏移导致了来自锥形衍射的像差，该锥形衍射是由于光在通过光学系列传播的期间遇到衍射光栅125被强加的。尤其是，因为x方向上的分散，由衍射光栅125对分离光束的重分解(recollapse)也造成了y方向的相应移位。为了减小这种效应，可以通过将输入和输出光纤与安置用来分开对准差的光纤座(fiber blocks)一起放置，从而实现图2A所示的布置。 

然而，期望有一个用于放置所有输入和输出光纤的单光纤座。使用共同的光纤座制造的效率高，这是因为可以在共同的位置同时对光纤执行抛光和喷涂。根据齐焦化(parfocalization)要求可以理解使用单光纤座的进一步障碍。图2B中说明了这一点，图2B显示了在平行于xz平面的光路由机构110′的横截面中的特定光束的路 径。选择坐标系，以使从输入光纤208发出的光束的焦点位置242位于x＝z＝0。如图中所注释的，MEMS芯片表面204相对x轴和z轴倾斜，倾斜角θ是关于z轴定义的。 

如图解，当分离光束250之一被回射时，它遇到被图示为可倾斜微镜的相应的可动态配置路由元件220′，并且被引到固定反射镜214或216之一。回射光束252相对xy平面被齐焦化，在这个特定意义上，回射光束252共享一个位于平行于xy平面的共同平面上的虚中间焦点位置，在图2B中显示该虚中间焦点位置在-z₀处。虽然该说明显示了对于一个特殊的可动态配置路由元件220′的可能回射，但是类似的可能回射适用于沿垂直于页面的y轴位移的每个可动态配置路由元件。可动态配置路由元件220′组的配置确定了哪些光谱带从固定反射镜“A”214被反射，以及哪些光谱带从固定反射镜“B”被反射。 

在利用衍射光栅125重分解分离光束之后，光束被引到输出光纤212，其虚焦点位置在点244处(对应于从固定反射镜“A”反射的那些光谱带)和点246处(对应于从固定反射镜“B”反射的那些光谱带)。虽然这些光束相对xy平面被齐焦化，都被聚焦于+z′₀，处，但是它们没有相对MEMS芯片表面204被齐焦化，它们被放置在距离该表面的距离分别为Δ_A和Δ_B处。相对xy平面的光束齐焦化将是所希望的，因为与仅仅相对MEMS芯片表面204的齐焦化相比，相对xy平面的齐焦化将方便制造具有单光纤座的光路由机构。 

图3A和图3B用于说明类似于图2A的光路由机构的光路由机构110″的实施例，但是该光路由机构110″具有附加的特征，即输入光纤208和输出光纤212位于平行于MEMS芯片表面204的共同平面中。为了适应这种附加的约束，提供折叠元件262和264，以便沿着光学系列的光轴z分别重新引导输入和输出光束。折叠元件 262和264可以包括表面镜、棱镜或类似光学元件，用于在相应光纤与平行于光学系列光轴的路径之间操纵光束。 

图3A显示了这种光路由机构110″的实施例的一般配置，图3B详细地说明了折叠元件与光纤的几何关系。虽然图3B显示了输出光纤212和相应的折叠元件264，但是所说明的原理同样适用于输入光纤208和相关的折叠元件262。在折叠元件264包括一个折叠镜的实施例中，通过表面法线 

的定向定义每个折叠元件264的方向，折叠元件264的方向不仅取决于相应光纤212的方向，而且取决于光轴相对MEMS芯片表面204的方向θ。对于光纤中心在MEMS芯片表面204之上高度δ处的光纤212，确定相应的折叠元件264的方向，以便被引导沿着光轴z前进的光束的虚焦点位置在MEMS芯片表面204之上距离Δ处。在某些实施例中，该距离Δ对应于根据图2B讨论的距离Δ_A或Δ_B，从而把光纤配置在平行于芯片表面204的平面中和包括折叠元件264的组合有效地重现了图2B的光学几何结构。输入光纤208可以类似地位于芯片面204之上距离δ_I处，从而向光学系列传播的光束的虚焦点位置在芯片表面204之上距离Δ_I处。 

虽然图3A中的图解显示了与一个输入光纤和两个输出光纤整体地配合的光路由机构，但是对于本领域的技术人员，显然相同原理可应用于任意数量的输入和输出光纤。一般也通过在回射组件中包括附加的固定反射镜，来适应这种更多数量的光纤。 

对于光轴z相对芯片表面204的任意方向θ，每个光纤端口都配有单独的折叠元件以及相对于芯片表面204的光纤支撑高度。发明者已进一步认识到，在θ基本上等于90°的情况下，有可能把一个共同的折叠元件用于所有光纤，包括输入和输出光纤。而且，发明者还进一步认识到，在回射组件增加一个附加固定反射镜的情况下，如′728专利的图6A和6B所示的情况，可以实现附加的有利特 征。出乎意料的是，发明者发现，由附加固定反射镜提供的附加自由度允许提供相对MEMS芯片表面的光束齐焦化并同时减小锥形畸变效应的配置。由以下的讨论，由发明者发现的配置产生的多种其它优点将变得更明显。 

3.圆锥截面包络

本发明的某些实施例有利地使用圆锥截面的包络来定义光学元件的布置。图4A-4C针对三个不同的圆锥截面图解说明了所采用的圆锥截面原理。圆锥包络描述了这样一种表面，在沿着该表面的任一点处的整个法向矢量可以被认为是平面固定反射镜的小面的指向，在固定反射镜的表面是平面的情况下，不增加功率或柱面(power or cylinder)到光束路径。 

因此，在图4A中说明抛物线圆锥截面的使用。以302表示准线或焦面，以308表示抛物面包络。抛物面包络具有一个焦点304，该焦点304对应于光学布置的转接点(switching point)。对于抛物线圆锥截面，出射光瞳顶点位于无限远，使得光学布置尤其适于远心配置。 

在图4B中显示了椭圆圆锥截面的使用。在这种情况下，转接点304′位于椭圆面包络310的焦点之一，出射光瞳顶点306′位于其他顶点。在这种情况下，光学布置是非远心的，从而准线或共光程长度的焦面303相对平的表面302是弯曲的。光学布置的非远心性使其尤其适于端口多路复用器布置。 

在图4C中显示了双曲线圆锥截面的使用。在这种情况下，转接点304″位于双曲线面包络312的焦点，出射光瞳顶点306″位于距转接点304″无限远处。如图3B中所示的椭圆面包络310一样，准线或共光程长度的焦面相对于平的表面302是弯曲的。 

有多种因素可以影响用于给定应用中的圆锥截面包络的选择。主要的因素是，光学布置是使用远心布置，或者是具有有限的出射光瞳距离。影响这种选择的因素对于本领域的技术人员是公知的。例如，对于图1A-1B描述的波长路由器的光学布置推荐使用远心布置。这种选择反映了这个事实，即在光谱转接空间中的远心主光线允许在四行程输出像点处的光谱折回和分解的(collapsed)光谱。可以根据对几何结构的物理约束确定圆锥截面包络的特定几何参数。例如，在诸如由图1A-1B的波长路由器提供的布置中，主光线的空间间距可以基于光纤之间的间距和所选择的圆锥截面。这种光纤之间的间距可能受这些因素影响，例如每根光纤的包层厚度。主光线的角间距可以基于端口隔离和有关的要求。圆锥截面的焦距，以及甚至所使用的圆锥截面的数量，可以基于光纤的物理尺寸以及有关的焦点。 

因此，圆锥截面包络的使用允许为每个应用确定光学元件的优化布置。以下将针对可以用于有关图1A-1B描述的波长路由器中的布置，来说明这一点。该实施例不仅使用共同的折叠元件，而且还使用以上讨论的、并在′728专利的图6A和6B中显示的第三固定反射镜(“C”)。在图5的透视图中显示了光学布置，以附图标记110″′表示光路由机构。显然，因为θ基本上等于90°，因此xy平面基本上与芯片表面平面204平行(或重合)。从而，来自输入光纤208的光被引至遇到共同折叠元件266，在所说明的实施例中显示的该共同折叠元件包括一个共同折叠镜，该共同折叠镜把平行于z轴的光束重新引向光学系列。由于θ基本上等于90°，该光束基本上与芯片表面平面204垂直地传播。光学系列沿y轴分散光束，并且沿着一个也基本上垂直于芯片表面平面204的路径，把分离的光束引到回射组件。由于这种正交性，如′728专利中讨论的，一个用于密封回射组件的窗可以被包括进来，且基本上平行于芯片表面平面204，由此限制否则将由倾斜的密封窗引起的像差(aberrations)。 

每个分离光束遇到固定反射镜“C”217，该固定反射镜“C”217把光束引到相应的可动态配置路由元件220。取决于可动态配置路由元件220的配置，单个分离光束然后被引到固定反射镜“A”214或固定反射镜“B”216。三个固定反射镜214、216和217被置于该布置中，以便相应的光线在落入圆锥截面包络269的点处遇到这些反射镜，根据该布置的远心性，该圆锥截面包络在布置中显示为抛物线截面包络。当利用穿过光学系列的进一步传播来消除y方向分散时，这样一个事实被维持，即对于被引到固定反射镜“A”214或固定反射镜“B”216的光束存在x方向的位移差。因此，由那些被引到固定反射镜“A”214的光束包含的光谱带被包括在被引到第一输出光纤212(1)的光束中，由那些被引到固定反射镜“B”216的光束包含的光谱带被包括在被引到第二输出光纤212(2)的光束中。由于这些光束沿着光学系列的光轴z传播，共同的折叠元件266用于把这些光束重新引向输出光纤212。因为所说明的实施例使用的输出光纤212位于xy平面内，因此，折叠元件266被显示为一个具有相对于芯片表面204的45°倾角的折叠镜。 

在图5说明的实施例中，图中所示的光纤208和212被支撑在直接在MEMS芯片表面204中形成的V形槽270中。也可以使用各种替换的支撑布置。例如，分开的V形座可以被配置成在期望的x和z位置处支撑光纤，并且被直接放置在MEMS芯片表面204上。在另一个实施例中，MEMS芯片和V形座都可以被放置在微工作台上，并且MEMS芯片的厚度和V形座的布置被配置成获得期望的光纤x和z位置。 

虽然图5中的图解显示了与一个输入光纤和两个输出光纤整体地配合的光路由机构，但是对于本领域的技术人员，显然相同原理可应用于任意数量的输入和输出光纤。一些这样的实施例可以适用于把更多数量的光纤与回射组件中的更多数量固定反射镜一起使用，同时仍然只使用单个共同折叠元件266。 

上述的光路由机构的一个特征在于，它们允许共同的配合基准点(datum)不仅用于输入光纤208和输出光纤212，还用于回射组件。这又允许使用这种集成光路由机构的波长路由器的制造被大大简化。以下，将对根据本发明的实施例制造的光路由机构的可能的进一步优点进行讨论。尤其是，将参照图6A-6C对处理锥形衍射和齐焦化问题的几何机构进行讨论。 

图6A给出了一个用于把输入和输出光纤与光路由机构整体地布置在一起的实施例的示意图，该示意图平行于xy平面。相对于(x，y，z)坐标系的原点，以-x₁表示输入光纤208的x位置，以+x₂表示第一输出光纤212(1)的x位置，并以x₃表示第二输出光纤212(2)与第一输出光纤212(1)之间的间距。在图6A中通过曲线278显示了锥形衍射效应，该锥形衍射效应是由于在x方向移位的光束通过光学系列被重新分解而产生的。特别是，在被移位的光束通过光学系列向回传播之后，由回射组件的x方向光束位移导致了相应的y方向位移，如曲线278所定义的那样。 

例如，考虑一束从输入光纤传播通过波长路由器的光束，其中输入光纤的末端位于(x，y)＝(-x₁，-y₀)。如果回射布置没有在x方向产生位移，则在向回传播通过光学系列之后，光束将返回到(x，y)＝(-x₁，-y₀)。然而，为了实现期望的路由功能，通过回射组件使分离的光束移动不同的位移量，从而在向回传播通过光学系列之后，光束被聚焦在曲线278上的不同点。在该图示中，多个输出光纤之间的期望间距x₃产生了作为结果的y方向的间距Δy。为了使锥形衍射效应减到最小，使输入光束和输出光束当中的焦点的y方向总散射减到最小。在一个实施例中通过以下约束条件 

实现这一点，确保输入光束的焦点的y位置位于中间，并且与输出光束的焦点的y位置近似等距离。而且，当该约束条件被满足时，存在许多应用，在这些应用中输入光束与输出光束之一之间的最大焦点偏差，即Δy/2，小于与波长路由器组合未对准的可接受预算量。在这些应用中，多个光纤可以被配置成其末端位于共同的y位置处，进一步简化了集成光路由机构的制造。在一个这样的实施例中，共同的y位置基本上与输入光束的焦点重合。注意，在使用多于两个输出光纤212的实施例中，相同的约束条件也适用用于以下情况：其中x₂是第一输出光纤的x位置，x₃是第一输出光纤与最后一个输出光纤的间距，所有其它的输出光纤位于第一与最后输出光纤之间；没有必要所有的输出光纤相互之间等间距来满足约束条件。 

在图6B和6C中利用xz平面的横截面视图说明了输入和输出光束相对MEMS芯片表面204的齐焦化。图6B和6C图解显示了用于特殊分离光束的回射镜布置，固定反射镜“A”214、“B”216和“C”217的法线分别以 和 

表示。光束282从光学系列入射到固定反射镜“C”217上，并且被反射并聚焦到对应于该分离光束的可动态配置路由元件220′上。在图中以MEMS芯片表面204下面的阴影线表示齐焦像平面283。对于抛物线截面包络269，齐焦像平面283位于两倍的抛物线焦距处，抛物线焦点位于MEMS转接点处。从固定反射镜“B”216反射的光束286以附图标记286表示，从固定反射镜“A”214反射的对应光束以附图标记287表示。如前所注释的，入射光束282和反射光束286、287基本上垂直于MEMS芯片表面204传播，从而密封窗280可以被包括进来，并且与所示的MEMS芯片表面204基本上平行。 

通过要求与固定反射镜“A”、“B”和“C”相关的光束的每一束的虚焦点在距离MEMS芯片表面204的等距离处共面，可以强加齐焦化条件。从而，可以根据图6B给出的几何图确定输入角。在该图中，角θ_die对应于输入光束路径主光线相对MEMS芯片面法 线的方向。角θ_in对应于输入光线相对MEMS芯片表面204的角度。可以根据装置的角度转换状态以及封装因素，来选择θ_in的值。角θ_slopeC定义了圆锥截面的倾斜角，代表固定反射镜“C”217的指向，并且是参考MEMS芯片表面204定义的。角θ_inc和θ_ref分别对应于固定反射镜“C”217上的入射角和反射角，并且满足约束条件θ_inc＝θ_ref。根据三角形中的角度互补性，有 

θ_die+θ_in＝θ_inc+θ_ref。 

固定反射镜“C”的倾斜把这些三角形的顶角平分，从而 

θ_slopeC＝90°-[180°-(θ_die+θ_in)]/2。 

从而，例如，如果输入角为θ_in＝45°，则固定反射镜“C”217的倾斜角为θ_slopeC＝67.5°。类似，如果输入角为θ_in＝25°，则固定反射镜“C”217的倾斜角为θ_slopeC＝57.5°。 

圆锥截面包络269可以用于确定输入光路的x坐标，以及由此确定固定反射镜“C”217的位置。一般的圆锥截面方程式为 

$z_k(x,r)\≡\frac{x_C^2/r}{1+\sqrt{1-(k+1)\frac{x_C^2}{r^2}}},$

其中k定义了圆锥截面的类型，r为圆锥主截面(parent section)的曲率半径。对于抛物线，k＝-1，从而方程式被简化为 

$z\≡\frac{x_C^2}{2r}.$

以关于点x_C的导数表示抛物线的斜率 

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dx}}=x_C/r.$

从而，对于给定的抛物线包络函数的半径，或等效地对于给定的抛物线焦距，输入光路的x坐标为 

x_C＝rtanθ_slopeC。 

对固定反射镜“A”214和“B”216进行类似的分析，以便利用图6C所示的几何图确定输出光纤212的位置。在图6C中，角θ_die再次对应于输入光束路径主光线相对MEMS芯片表面法线的方向。角θ_unswitched对应于输入光线在从路由元件220反射之后相对于MEMS芯片表面204的角度。对于平面镜，θ_unswitched＝θ_in。可以根据角度转换状态和封装因素，例如在MEMS芯片平面204上可以有多少种状态，来选择该值。从路由元件220反射之后的光线的角度分别以θ_A和θ_B表示，θ_A和θ_B分别对应于遇到固定反射镜“A”214和“B”216的光线，并且θ_A和θ_B是相对θ_unswitched定义的。在一个实施例中，可动态配置路由元件具有2倍(2×)的机械转换角放大镜，从而对于对称的转换设计，θ_A＝-θ_B≡2α。因此，分别遇到固定反射镜“A”214和“B”216的光线的角度为 

θ_outA＝θ_unswitched-θ_A

θ_outB＝θ_unswitched+θ_B。 

由用于确定θ_slopedC的相似几何图，以下的结果是显然的： 

θ_slopeA＝90°-[180°-(θ_die+θ_outA)]/2 

θ_slopeB＝90°-[180°-(θ_die+θ_outB)]/2。 

从而，例如，如果θ_in＝45°，θ_die＝90°，以及α＝5.5°，则θ_outA＝34°，θ_outB＝56°，θ_slopeA＝62°，以及θ_slopeB＝73°。 

以上提供的一般圆锥截面方程式可以以与用于确定输入端口x位置的相同形式，用于确定输出端口的x位置。从而，应用相同的技术，有 

x_A＝rtanθ_slopeA

x_B＝rtanθ_slopeB。 

已经根据其中圆锥截面包络包括一个抛物线截面包络的例子，提供了以上的计算位置的特定图解说明。这种包络适于例如远心应用。对于本领域的技术人员，显然可以利用其它圆锥截面包络，例如椭圆截面包络，来类似地执行相同的计算，该椭圆截面包络适于例如具有有限远出射光瞳的应用。 

已经说明了几个实施例，本领域的技术人员将会认识到，可以不背离本发明的精神使用各种变型、替换结构以及等同结构。例如，虽然已经利用一种特殊形式的波长路由器说明了本发明，但是有可能使本发明的各方面适合于多种波长路由器设计。因此，以上的说明不应该被认为限制本发明的范围，本发明的范围在所附的权利要求中被定义。 

Claims (13)

1.一种光路由机构，其包括：

一个基底；

回射组件，其被形成在所述基底上，且包括多个可动态配置的路由元件和多个固定反射镜；以及

光纤输入-输出布置，其与所述基底的表面整体地配合，以支撑一个输入光纤和多个输出光纤的末端部分，

由此所述基底的所述表面作为所述回射组件和所述光纤输入-输出布置的共同配合基准面。

2.根据权利要求1所述的光路由机构，其进一步包括多个被布置在所述基底上的光纤折叠元件，每个这样的光纤折叠元件被布置成截取对应于一相应光纤的光。

3.根据权利要求1所述的光路由机构，其进一步包括一个共同的光纤折叠元件，所述共同的光纤折叠元件被布置在所述基底上，并且被定向成截取对应于所述输入和输出光纤的光。

4.一种对来自输入光纤的具有多个光谱带的光进行路由的方法，所述方法包括：

通过光学系列传播所述来自所述输入光纤的光，所述光学系列被配置成把所述光分为多个光谱带，以及把所述光谱带聚焦到光路由机构上；

通过所述光学系列对来自所述光路由机构的至少一个光谱带进行路由；以及

把所述至少一个光谱带引到输出光纤，其中所述光路由机构通过一个共同面与所述输入和输出光纤的末端部分整体地配合。

5.根据权利要求4所述的方法，其中通过所述光学系列传播来自所述输入光纤的所述光的步骤包括：利用第一光纤折叠元件把所述光重新引到平行于所述光学系列光轴的第一路径上，以及把所述至少一个光谱带引到输出光纤的步骤包括：利用第二光纤折叠元件重新引导来自平行于所述光轴的第二路径的包括所述至少一个光谱带的光束。

6.根据权利要求4所述的方法，其中通过所述光学系列传播来自所述输入光纤的所述光的步骤包括：利用光纤折叠元件把所述光重新引到平行于所述光学系列光轴的第一路径上，以及把所述至少一个光谱带引到所述输出光纤的的步骤包括：利用所述光纤折叠元件重新引导来自平行于光轴的第二路径的包括所述至少一个光谱带的光束。

7.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括利用来自所述输入光纤的所述光对包括所述至少一个光谱带的光束进行齐焦化。

8.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括对包括所述至少一个光谱带的光束的锥形衍射进行补偿。

9.一种波长路由器，用于从输入光纤接收具有多个光谱带的光，以及把所述光谱带的子集引到输出光纤，所述波长路由器包括：

光学系列，其包括：

用于把所述光分为多个光谱带的装置；以及

用于把所述光谱带聚焦的装置；

用于把所述光谱带的所述子集路由到所述输出光纤的装置；以及

用于支撑所述输入和输出光纤的末端部分的装置，

其中用于路由的所述装置通过一个共同面与所述用于支撑所述输入和输出光纤的末端部分的装置整体地配合。

10.根据权利要求9所述的波长路由器，其进一步包括多个用于在一相应的光纤和平行于所述光学系列光轴的路径之间引导光的装置。

11.根据权利要求9所述的波长路由器，其进一步包括一个用于在每个光纤和平行于光学系列光轴的路径之间引导光的共同装置。

12.根据权利要求9所述的波长路由器，其中所述输入和输出光纤相对彼此被布置成补偿由所述光学系列引起的锥形衍射。

13.根据权利要求9所述的波长路由器，其中所述输入和输出光纤被布置成对在所述光学系列与所述光纤之间被引导的光束进行齐焦化。

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