CN102498427A - 多端口波长可选择路由器 - Google Patents

Abstract

一种多端口波长选择性开关(WSS)，具有光束控制阵列以把来自一个端口的输入光切换到输出端口的叠层的任一个中，但是通过使用能够在与WSS阵列所使用的光束控制平面垂直的平面内偏转被切换的光束的任一个的偏振切换架构来使开关功能性加倍。以这种方法，通过使端口的两个叠层并排设置在开关中，使端口数加倍。通过光束控制组件，如一维MEMS阵列，来使光束偏转到叠层的任一个中的预期的端口级，同时，通过运作以使光束在两个叠层之间横向转向的偏振切换部件，偏转到端口级的任一个的任何光束可被定向到叠层的任一个。

Description

多端口波长可选择路由器

技术领域

本发明涉及其运作与波长相关的，特别是那些具有大量可切换端口的快速光学开关的领域。

背景技术

在光学通信领域中，光波长用作用承载数字或模拟信息的光学载体。同样，不同波长可被用于将一个组或信道的信息与另一个区分开来。当多个波长耦合或复用到单个光纤时，这称作波分复用(WDM)。这种WDM的使用增加了系统的总带宽。

在这类系统中需要按照光学信号的波长将沿一个光纤传递的光学信息的分组切换到多个其它光纤的任一个。这种开关被称作光学路由器。现有技术中存在许多与波长相关的开关和路由器。在通过引用将其每个完整地结合于此的为WO2003/032071、WO2005/052507、WO2007/029260和WO2006/123344所公开的国际专利申请中，公开了各种波长选择性开关和路由器，其中输入光学信号经过空间波长色散和在两个不同的平面中偏振分束，其可以方便地是垂直的平面。波长色散可优选地由衍射光栅来实施，而偏振分束由偏振分束器来执行。沿波长色散方向像素化以使得各像素在单独波长信道上运作的偏振旋转装置，如液晶偏振调制器运作以按照施加到像素的控制电压来使经过各像素的光信号的偏振旋转。然后通过与分别用于色散和分束输入信号相似或相同的色散和偏振组合部件被偏振调制的信号被波长重组和偏振重组。在输出偏振重组器，引导结果输出信号的方向通过是否由偏振调制器像素旋转特定波长信道的偏振来确定。

在WO2007/029260中，描述了多端口可切换路由器，使用光束控制元件，其可以是微机电系统(MEMS)组件、如微镜，或者一组串行设置的液晶阵列和楔形双折射晶体，其按照通过设置液晶阵列像素所产生的光束的不同偏振来对经过其中的光束生成不同的传播角，或者作为相控阵列的硅基液晶(LCOS)空间光调制器。但是，在没有变成不切实际得大，如其中所描述的具有高达8个可切换端口的路由器的情况下，所有的这些装置在可容易地切换的端口的数量上受到限制。

通过引用，本部分以及说明书的其它部分中提到的出版物的每个的公开都完整地结合于此。

发明内容

本发明寻求提供一种诸如用于光学通信和信息传输系统中的信道路由应用之类的新的光纤波长选择性开关结构(WSS)。在现有技术WSS结构中，使用LC偏振或MEMS光束控制，可切换端口的数量一般受到限制。一种限制在于，端口数量的增加会引起部件高度的增加，这对于集成到光学通信系统中会是不实际的。另一种限制是为这种大的多束截面提供适当光学部件，特别是聚焦光学器件的困难。

本公开中所述的克服这种限制的示范装置可包括通常总共1×12路(这是对已部署的商业系统中使用的当前设计的WSS结构的高度是一种典型的实际极限)的多端口WSS，其中这种开关功能性通过使用能够在与WSS阵列所使用的光束控制平面垂直的平面中偏转被切换的光束的任一个的偏振切换架构而加倍。通过这种方法，使总共24个端口以两个12端口的叠层的形式可用，叠层被并排放置。通过诸如上述WO2007/029260中所述的任一个的光束控制组件来使光束偏转到任一个叠层中的预期端口级。光束控制的一种特别便利的方法可使用MEMS阵列。同时，通过运作以使光束在两个叠层之间横向转向的偏振切换部件，偏转到端口级的任一个的任何光束能够被定向到任一个叠层。在本公开所述的开关中，端口垂直设置，用于信道选择的光束控制偏转的定向在被称为开关的高度中执行，而两个叠层并排设置，选择要将所控制的光束定向到其中的叠层的光束偏转在被称为开关的宽度的方向中执行。

因此，可访问端口的数量加倍，然而没有增加开关的高度或者光束控制结构的复杂度，但是必须添加横向偏振切换结构。这个偏振切换组件可有利地由具有双折射晶体楔的液晶(LC)单元来构成，如本申请的部分发明人的标题为“液晶波长可选择路由器”的共同待定美国临时专利申请No.61/213，544中所述。这样，端口数加倍，而无需光束控制装置的宽角摆动并且无需开关组件的过大的高度。

按照其它示例，如WO2007/029260所示，多于一个的偏振切换结构的序列能够被串行使用，以实现在多于两个备选横向方向中所控制的输出光束的切换，使得光束控制叠层能够增至三倍甚至更多，因而生成甚至更大的WSS阵列。

因此，按照本公开所述的装置的示范实现提供了一种多端口波长选择性开关，包括：

(i)适于输入和输出光学信号的端口的二维阵列，

(ii)波长色散元件，接收来自端口之一的输入光束，并且在色散平面中色散其波长分量，

(iii)像素化光束控制阵列，设置成使得按照与波长分量关联的光束控制阵列的像素的设定在与色散平面基本垂直的平面中控制波长分量，以及

(iv)偏振相关偏转阵列，包括：

(a)像素化偏振旋转元件，适于按照施加到像素的控制信号来旋转经过其中的像素的光的偏振，以及

(b)双折射元件，设置成与其相邻，

偏转阵列被定向使得经过偏转阵列的输入光束的波长分量在与光束控制方向基本垂直的方向中偏转，

开关的元件还被设置成使得来自端口之一的输入光束的波长分量按照如下方面被定向到端口的二维阵列的任意的另一个：

(c)波长分量经过其中的偏振旋转部件的像素的设定，以及

(d)与波长分量关联的光束控制阵列的像素的设定。

在这种开关中，像素化光束控制阵列可有利地是反射MEMS阵列，并且像素化偏振旋转部件可以是像素化液晶单元。在使用液晶单元的一个实施例中，经过液晶单元的像素的波长分量的偏振可按照施加于液晶像素的电压而被旋转。

在这种开关的其它示例实现中，双折射元件可以是双折射楔，其锥度被调准为使得它使不同偏振的光在与光束控制方向基本垂直的不同角方向上偏转。如果是这样的话，则由双折射楔偏转波长分量的角方向应当取决于施加于波长分量在入射到楔之前经过的液晶单元的像素的电压。

另外，在上述开关的任一个的备选实现中，端口的二维阵列可有利地被设置在两个相邻叠层中，使得开关提供两倍于以一维阵列设置端口的具有相似高度的开关的端口容量。

在这些开关实现的任一个中，端口可被设置成使得光能够在一个端口与其它端口的任一个之间切换。

最后，这类开关还可包括像素化液晶衰减器阵列，使得任何波长分量能够经过开关而被衰减。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，将会更全面地了解和理解本发明，附图包括：

图1示意地示出现有技术波长选择性开关结构(WSS)；

图2示意地示出按照本发明的一个优选实施例所构成和运作的波长选择性开关结构(WSS)；以及

图3和图4分别示意地示出使用偏振分束器或偏振光束组合器来生成输入光束偏振分集的备选方法。

具体实施方式

现在参照图1，其示意示出诸如国际专利申请公开号No.WO2007/029260中所述的并且用于光学通信和信息传输系统中的信道路由应用的现有技术波长选择性开关结构(WSS)的俯视图。WSS包括用于输入和输出光学信号的光纤准直仪的叠层10。因为从顶部来观看叠层，所以附图中只有一个准直仪是可见的。在这种应用中，并且如被本领域常规地使用的那样，开关的色散平面一般称作横向平面，使得色散平面中的视图称作侧视图，而与色散平面垂直的视图称作平面图或者来自顶部的视图。该插图示出光纤准直仪的叠层10的侧视图。从各光纤准直仪所发出的光束然后被转换为具有相同的预定的偏振方向的一对紧密设置的光束以通过WSS进行传送。这可通过使用其输出面的一部分之上具有半波片的双折射走离(walk-off)晶体19、如YV04晶体来实现。因此，各输入准直仪信道的输出被转换为具有相同偏振方向，设置在预定平面中的一对光束。在这个偏振分解和转换之后，这些光束则能够有利地在那个相同预定平面中，例如通过变形棱镜对，来横向扩大。本领域众所周知的这些可选光束扩大部件在图1中未示出。

这些输入光束在附图的平面中便利地通过衍射光栅11进行波长色散。被波长色散的光束由透镜12聚焦到一维光束控制和切换阵列13。在图1所示的示范开关中，MEMS阵列14用于光束控制，并且像素化液晶单元15用于被切换的光束的衰减。为了简洁起见，图1中仅示出三个独立的波长信道和三个像素，但是要理解，使用100GHz或者甚至50GHz的信道间距，适应于装置的带宽的信道的数量将比那大许多。MEMS阵列控制朝向不同输出端口的信号在离开附图平面的方向中，即在开关高度的方向中，使得输出信号各不相同地被定向成进入准直仪叠层的侧视图所示的不同的光纤准直仪10。

现在参照图2，其示意示出按照本公开的开关的一个示范实现的波长选择性开关结构(WSS)。图2的WSS与图1的不同之处在于，光束控制和切换阵列20这时包括两个切换阵列。第一个是用于按照与图1的实施例中相同的方式的光束控制的反射MEMS阵列14。这控制在开关高度的方向，即在离开附图平面的方向中的光束，以在输出端口准直仪阵列10的不同输出端口级的任一个输出WSS。

第二切换阵列被置于在MEMS阵列14的前面，并且运作以切换沿与光束控制方向基本垂直的方向的光束。它在图2中示为作为LC偏振模式切换阵列进行操作，包括双折射晶体楔21和关联的像素化LC单元22。在共同待定美国临时专利申请No.61/213，544“液晶波长可选择路由器”中更全面地描述了这种LC偏振模式切换阵列的运作，通过引用将其完整地结合于此。LC单元22按照施加到LC单元电极的电压来改变经过的光的偏振方向，并且双折射晶体楔22按照入射光的偏振横向偏转光束。楔的锥度必须横向调准，以使得其偏转平面也是横向的，即，在色散平面中并且垂直于光束控制平面。因此，光束能够按照施加到它经过其中的LC像素22的电压来偏转。例如，对于特定偏振方向，如果施加LC电压以将单元完全激活成接通，则不发生穿越(traversing)光的偏振方向的变化，并且光束没有偏离地经过楔。如果关闭LC，则穿越光的偏振旋转90度，并且然后被楔偏转。楔取向使得在被切换时，在附图平面中，即在色散平面中，使光束偏转。如由晶体材料的双折射率所确定的偏转光束角使得偏离使光束转向以使得它这时进入设置成紧接第一准直仪阵列10的第二准直仪阵列25。因此，通过切换在LC偏振模式切换阵列中的像素而没有改变光束控制设定，输出光束能够在准直仪阵列10或25中的对应输出端口级之间切换。通过切换LC阵列和光束控制阵列的像素，输出光束能够被切换到两个并排准直仪阵列10、25的输出端口的任一个。在两个准直仪叠层的侧透视图中看到，一个位于另一个之后，均占用WSS的相同高度。

最后，光束控制和切换阵列20还可包括LC衰减阵列15，一般包括线性偏光镜和像素化LC单元，这是本领域已知的。

因此，通过结合LC偏振模式开关来操作MEMS开关，输入到12-准直仪阵列的端口之一的光束能够在两个垂直平面中切换，使得它能够被接入到两个12-准直仪阵列的24个端口的任一个。由于那些端口之一用作输入端口，本发明的WSS的这个具体实施例是1×23路WSS。WSS的高度不需要超过12端口WSS，并且由第二准直仪叠层所引起的增加的占用面积是最小的。

现在参照图3，其示出使用偏振分束器(PBS)组件32来生成开关的输入处所需的偏振分集的备选方法。使来自输入准直仪，在图3的示例中示为9个光束的输入光束30进入PBS，其中任何光束的p分量未转向地传送，而s分量被偏转成使得它与p分量平行地出现。设置在出现转向光束的PBS的区域之上的半波片33将s偏振改变成p偏振，使得两种光束这时具有相同p偏振以通过开关传送。然后，9个光束的任一个如在图2的先前示例中所述那样被光束控制和横向偏转。

现在参照图4，其示出使用偏振光束组合器组件42来生成开关的输入处所需的偏振分集的备选方法。图4中仅示出单个输入光束，但是要理解，能够如同图3中那样使用多个光束。使来自输入准直仪的输入光束40进入通常由双折射块所组成的PBC，使得输入光束的s和p分量转向到不同角方向。发散光束进入棱镜44，其中它们再次被折射成平行结构，并且设置在出现s分量光束的区域之上的半波片43将s偏振改变成p偏振，使得两种光束这时具有相同p偏振以通过开关传送。然后，9个光束的任一个如在图2的先前示例中所述那样被光束控制和横向偏转。

本领域的技术人员要理解，本发明并不受上文具体示出和描述的内容的限制。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合和子组合，以及本领域的技术人员在阅读以上描述后会想到的而现有技术中没有的对其的变更和修改。

Claims (9)

1.一种多端口波长选择性开关，包括：

适于输入和输出光学信号的端口的二维阵列；

波长色散元件，接收来自所述端口之一的输入光束，并且在色散平面内色散其波长分量；

像素化光束控制阵列，设置成使得波长分量按照与所述波长分量关联的所述光束控制阵列的像素的设定在与所述色散平面基本垂直的平面中被控制；以及

偏振相关偏转阵列，包括：

像素化偏振旋转元件，适于按照施加到所述像素的控制信号来旋转经过其中的像素的光的偏振，以及

设置成与其相邻的双折射元件，所述偏转阵列被定向成使得经过所述偏转阵列的所述输入光束的波长分量在与所述光束控制方向基本垂直的方向偏转，

所述开关的元件还被进一步设置成使得来自所述端口之一的所述输入光束的所述波长分量按照如下方面被定向到端口的所述二维阵列的另一个：

所述波长分量经过其中的所述偏振旋转组件的像素的设定，以及

与所述波长分量关联的所述光束控制阵列的像素的设定。

2.如权利要求1所述的多端口波长选择性开关，其中，所述像素化光束控制阵列是反射MEMS阵列。

3.如权利要求1所述的多端口波长选择性开关，其中，所述像素化偏振旋转部件是像素化液晶单元。

4.如权利要求3所述的多端口波长选择性开关，其中，经过所述液晶单元的像素的波长分量的偏振按照施加于所述液晶像素的电压而旋转。

5.如以上权利要求中的任一项所述的多端口波长选择性开关，其中，所述双折射元件是双折射楔，其锥度被调准成使得它在与所述光束控制方向基本垂直的不同角方向中偏转不同偏振的光线。

6.如权利要求5所述的多端口波长选择性开关，其中，由所述双折射楔偏转的所述波长分量的角方向取决于施加于所述波长分量在入射到所述楔上之前经过其中的所述液晶单元的像素的电压。

7.如以上权利要求中的任一项所述的多端口波长选择性开关，其中，端口的所述二维阵列被设置在两个相邻叠层中，使得所述开关提供两倍于其中以一维阵列设置端口的具有相似高度的开关的端口容量。

8.如以上权利要求中的任一项所述的多端口波长选择性开关，其中，所述端口被设置成使得光能够在一个端口与其它端口的任一个之间切换。

9.如以上权利要求中的任一项所述的多端口波长选择性开关，还包括像素化液晶衰减器阵列，使得任何波长分量能够经过所述开关而被衰减。

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