CN103246015B - 多播光学开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多播光学开关。一种多播光学开关包括离散的分裂器、柱面光学器件和反射性开关器件诸如微机电系统（MEMS）镜的线性阵列的自由空间光学组件，从而以紧凑的配置提供低损耗、高性能多播切换。光学分裂器的组件可以包括多个平面光波线路分裂器或者包括每一个均具有不同反射率的局部反射镜的线性阵列的多反射光束分裂器。

Description

多播光学开关

技术领域

本发明的实施例一般地涉及光学通信系统和构件，并且更加具体地涉及多播光学开关。

背景技术

光学开关被广泛地部署在光学通信网络中以提供诸如光学信号路由、保护开关和系统性能监视的功能。特别地，能够同时地向多个目的地给付单一光学信号的副本的多播光学开关已经被确认为用于复用和路由不同的光学信号进或出单一光学光纤的关键构件。这项能力对于在波分复用（WDM）系统中使用的任何波长、任何竞争以及任何方向可重构光分插复用器（ROADM）而言是特别地有用的。关于多播开关如何使得能够实现下一代CDC-ROADM的完整说明，例如见“Next-generation ROADM technologies and architecture”，Paper 8283-8，SPIE Photonics West 2012 Conference 8283。

使用平面光波线路（PLC）开关和分裂器的多播光学开关在本技术领域中是已知的，但是遭受各种缺陷。当利用离散的PLC分裂器和开关配置这种多播开关时，通常地利用光纤尾纤将这些光学构件互联，从而由于所要求的更大数目的光纤互连而导致高的成本和不想要的制造复杂度。例如，为了组装从多个个体PLC分裂器构造的8x16多播开关，要求十六个8×1 PLC分裂器，八个16×1 PLC分裂器，和在其间拼接的128个光纤尾纤连接。可替代地，多播光学开关的各种分裂器和开关能够被集成到单个单片PLC中，但是这种配置通常是高成本的、难以制造，并且遭受低的制造产量。

发明内容

本发明的一个或者多个实施例提供一种多播光学开关，该多播光学开关具有紧凑的、低损耗设计并且比现有技术设计更加容易地制造。根据一个实施例的多播光学开关包括离散的分裂器、柱面光学器件，和反射性开关器件诸如微机电系统（MEMS）镜的线性阵列的自由空间光学组件，从而以紧凑的配置提供低损耗、高性能多播切换。

根据本发明的一个实施例的M×N多播开关包括M个输入端口，其中M大于1；N个输出端口，其中N大于1；M个分裂器，每一个分裂器均被配置为从通过该M个输入端口之一接收的输入光学信号产生N个分裂光学信号；和镜的1×N阵列，每一个镜均能够被控制为将N个分裂光学信号之一引导到该N个输出端口之一。

根据本发明的另一个实施例的M×N多播开关包括M个输入端口，其中M大于1；N个输出端口，其中N大于1；和M个镜，每一个镜均与输入端口之一相关联并且能够被控制为将输入光学信号从相关联的输入端口引导到该N个输出端口中的任何一个。在这个开关中，在镜之一受到控制以将在第一输出端口处引导的输入光学信号切换为在第二输出端口处引导时，输入光学信号被从所有的输出端口光学解耦。结果，能够使用这个开关实现无损伤切换。

根据本发明再一个实施例的M×N多播开关包括M个输入端口，其中M大于1；N个输出端口，其中N大于1；和具有1×N个光束转向元件的硅基液晶（LCOS）面板，每一个光束转向元件均包括多个像素，所述像素的相位能够各自地受到控制以将输入光学信号从该M个输入端口中的任何一个引导到与光束转向元件相关联的该N个输出端口之一。

附图说明

以能够详细理解本发明的实施例的上述特征的方式，通过参考附图，可以获得如上简要地总结的、本发明的实施例的更加具体的描述。然而，应该指出，附图仅仅示意本发明的典型实施例并且因此不被视为限制它的范围，因为本发明可以承认其它等效的实施例。

图1是根据本发明的实施例的M×N多播光学开关的概略示意。

图2示意分裂器阵列的一个实施例的概略分解视图。

图3A示意在图1的多播光学开关中离开分裂器阵列的准直微透镜并且被成像到反射性开关器件的光束。

图3B示意在图1的多播光学开关中离开分裂器阵列的准直微透镜并且被聚焦柱面透镜在反射性开关器件上聚焦的光束。

图4A是根据本发明的实施例的多播光学开关的概略示意。

图4B是根据本发明的另一个实施例的多播光学开关的概略示意。

图5是根据本发明的另一个实施例的多播光学开关的概略示意。

图6是根据本发明的另一个实施例的多播光学开关的概略示意。

图7是根据本发明的实施例的分裂器阵列的概略示意。

图8是根据本发明的实施例的多反射光束分裂器的概略示意。

图9是根据本发明的另一个实施例的多反射光束分裂器的概略示意。

图10是根据本发明的另一个实施例的多反射光束分裂器的概略示意。

图11是根据本发明又一个实施例的多反射光束分裂器的概略示意。

图12是根据本发明又一个实施例的多反射光束分裂器的概略示意。

图13是根据本发明的另一个实施例的、配置有补偿透明块的多反射光束分裂器的概略示意。

为了清楚起见，已经在适用之处使用了相同的引用数字以标识在图之间公共的、相同的元件。考虑了一个实施例的特征可以无需进一步叙述地被结合在其它实施例中。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的M×N多播光学开关100的概略示意。多播光学开关100是带有M×N切换能力的光学开关，并且因此具有将在输入端口101-103处接收的M个输入光学信号101A-103A中的任何一个切换到N个输出端口111-116中的任何一个的能力。另外，多播光学开关100能够将M个输入光学信号中的每一个多播到N个输出端口111-116中的任何数目的输出端口。例如，输入光学信号101A的副本能够被引导到输出端口111-116中的每一个，或者被引导到输出端口111-116的任何组合，或者不被引导到任何输出端口111-116。为了清楚起见，在图1中，输出端口111-116被描绘成在分裂器阵列120下面延伸的输出光纤，但是还可以是任何其它在技术上可行的波导或者在本技术领域中已知的光耦合。类似地，M个输入端口101-103在图1中被描绘成从分裂器阵列120的后表面延伸的输入光纤，但是在一些实施例中，输入端口101-103可以是任何其它在技术上可行的波导或者在本技术领域中已知的光耦合元件。为了易于说明，在于图1中示意的实施例中，M=3并且N=8。在实践中，M和N可以具有高得多的数值，诸如16、24，或者更高。

多播光学开关100包括如所示那样布置的分裂器阵列120、自由空间光学器件130和反射性开关器件的线性阵列140。在图1中，z轴线与通过多播光学开关100的一般光传播方向平行，x轴线是沿其多播输入光学信号101A-103A中的每一个的轴线，并且y轴线是沿其执行输入光学信号101A-103A的选择的轴线。在图1中，x轴线被描绘成水平轴线并且y轴线被描绘成竖直轴线，然而，本领域技术人员可以理解，x、y和z轴线可以相对于通过多播光学开关100的一般光传播方向被以不同的定向限定而不超过本发明的范围。

分裂器阵列120包括多个平面光波线路（PLC）分裂器121-123（在图2中示意），每一个分裂器均被配置为将输入光学信号101A-103A之一分裂成N个副本。图2示意根据本发明的实施例的分裂器阵列120的一个实施例的概略分解视图。PLC分裂器121-123中的每一个均包括在基板129上形成以形成产生均匀信号分裂的、完全无源的光学分岔器件的平面二氧化硅波导128。因此，PLC分裂器121在输入端口101处接收输入光学信号101A并且在波导121A-121F处复制输入光学信号101A。类似地，PLC分裂器122在输入端口102处接收输入光学信号102A并且在波导122A-122F处复制输入光学信号102A，并且PLC分裂器123在输入端口103处接收输入光学信号103A并且在波导123A-123F处复制输入光学信号103A。注意，因为PLC分裂器121-123中的每一个均将所接收的输入光学信号均匀地分裂成N个复制信号，所以每一个复制信号的光功率均是原始输入光学信号的N分之一。在一些实施例中，为了易于与自由空间光学器件130和多播光学开关100的其它构件组装和对准，PLC分裂器121-123在小形状因子外罩中被一起地堆叠和封装。

在一些实施例中，分裂器阵列120进一步包括带有波导124A-124F的PLC波导阵列124。被自由空间光学器件130引导到分裂器阵列120的光束被波导124A-124F耦合到输出端口111-116。在这种实施例中，PLC波导阵列124可以在单一紧凑的并且精确地对准的组件中被与PLC分裂器121-123一起地封装。在一些实施例中，波导124A-124F中的每一个均包括可以包括可变光学衰减器127以减小通过那里的光学信号的功率级的、基本直的波导。因此，在这种实施例中，输出信号111A-116A中的每一个的衰减均能够被独立地执行。

在一些实施例中，分裂器阵列120进一步包括用于准直离开波导121A-121F、122A-122F和123A-123F的光的微透镜151的阵列150。因此，离开分裂器阵列120的波导的发散光束被准直，并且来自自由空间光学器件130的准直光束在PLC波导阵列124中的波导124A-124F上聚焦并且被耦合于此。阵列150可以被配置成准直微透镜的、单一的二维阵列或者准直微透镜的多个一维阵列151-154。在后一情形中，一维阵列151-154分别地位于PLC分裂器121-124的端面处。一维阵列151-153每一个均包括N个准直微透镜，每一个准直微透镜对应于波导121A-121F、122A-122F和123A-123F之一，而一维阵列154包括N个准直微透镜，每一个准直微透镜对应于PLC波导阵列124中的波导124A-124F之一。因此，在于图1中示意的实施例中，一维阵列154包括分别地与波导124A-124相对准的微透镜154A-154F。

参考图1，自由空间光学器件130如所示那样位于分裂器阵列120和线性阵列140之间，并且被配置为将来自分裂器阵列120的M×N个波导的光引导到线性阵列140上并且将来自线性阵列140的选定光束引导到PLC波导阵列124的N×1个波导124A-124F。自由空间光学器件130包括第一4F柱面透镜131、聚焦柱面透镜132和第二4F柱面透镜133。一起地，第一4F柱面透镜131和第二4F柱面透镜133形成从分裂器阵列120接收准直光束并且在像平面135处将所接收的光成像的4F成像系统。聚焦柱面透镜132，与反射性开关器件141A-141F相结合地，从分裂器阵列120接收准直光束并且在像平面135处聚焦所接收的光束，并且从反射性开关器件141A-141F接收发散光束，并且准直和将所述光束引导到PLC波导阵列124。

作为4F成像系统的一个部分，第一4F柱面透镜131位于距分裂器阵列120的端面焦距F1处，并且位于距第二4F柱面透镜133两倍焦距F1处，从而焦点139（在图3A中示意）位于第一4F柱面透镜131和第二4F柱面透镜133之间并且与它们等距。另外，第二4F柱面透镜133位于距像平面135一个焦距F1处。因为第一4F柱面透镜131的轴线和第二4F柱面透镜133的轴线每一条均与y轴线平行地定向，所以4F成像系统仅仅在x-z平面中在像平面135处将光成像，如在图3A中所示意地。图3A示意离开分裂器阵列120的准直微透镜151F并且被成像到图1的多播光学开关中的反射性开关器件141F的光束161。因为反射性开关器件141F被置放在像平面135中，所以光束161在反射性开关器件141F上成像。因为第一4F柱面透镜131位于距分裂器阵列120一个焦距F1处，所以在x-z平面中在反射性开关器件141F处的图像162被如所示地在反射性开关器件141F处形成。注意因为聚焦柱面透镜132的轴线与x轴线平行地定向，所以聚焦柱面透镜132并不显著地改变在图3A中示意的x-z平面中的光束161的路径。

在于图1、3A和3B中示意的实施例中，由第一4F柱面透镜131和第二4F柱面透镜133形成的4F成像系统假定第一4F柱面透镜131和第二4F柱面透镜133具有相同的焦距F1。在其它实施例中，第一4F柱面透镜131和第二4F柱面透镜133的焦距不是相等的，并且第一4F柱面透镜131、第二4F柱面透镜133和焦点139相应地被重新定位。

作为聚焦系统的一个部分，聚焦柱面透镜132位于距像平面135焦距F2处。因为聚焦柱面透镜132的轴线每一条均与x轴线平行地定向，所以聚焦系统仅仅在y-z平面中在像平面135处对光聚焦，如在图3B中所示意地。图3B示意离开分裂器阵列120的准直微透镜151F并且被图1的多播光学开关中的聚焦柱面透镜132在反射性开关器件141F上聚焦的光束161。因为反射性开关器件141F被置放在像平面135中，所以光束161在反射性开关器件141F上聚焦。如在图3B中所示，光束161从反射性开关器件141F反射出去、发散直至通过并且被聚焦柱面透镜132准直，并且经由一维阵列154的准直微透镜154F进入波导124F。注意，因为第一4F柱面透镜131和第二4F柱面透镜133的、分别的轴线与y轴线平行地定向，所以第一4F柱面透镜131和第二4F柱面透镜133并不显著地改变在图3B中示意的y-z平面中的光束161的路径。

参考图1，线性阵列140包括位于主轴线145上和像平面135中的N个反射性开关器件141A-141F。通过围绕主轴线145旋转，反射性开关器件141A-141F中的每一个均被配置为将输入光学信号101A-103A之一的副本引导到与该反射性开关器件相关联的、多播光学开关100的特定输出端口。例如，反射性开关器件141A被配置为将三个光学信号之一引导到输出端口116：来自波导121A的输入光学信号101A的副本、来自波导122A的输入光学信号102A的副本，或者来自波导123A的输入光学信号103A的副本。另外，反射性开关器件141A可以被配置为不将这些光学信号中的任何一个引导到输出端口116，从而无任何光学信号沿着输出端口116A传播。因此，反射性开关器件141A通过围绕主轴线145旋转而选择将输入光学信号101A-103A中的哪一个引导到输出端口116。

反射性开关器件141A-141F可以是每一个均能够围绕主轴线145被以受控方式独立地旋转的、任何在技术上可行的反射性元件。在一些实施例中，反射性开关器件141A-141F由微机电系统（MEMS）镜的1×N阵列构成。在一个这样的实施例中，1×N阵列的MEMS镜中的每一个均能够被控制为围绕主轴线145和分别的副轴线146A-F（在图1和图3B中示意）二者旋转。如在图1中所示，副轴线146A-F中的每一条均对应于反射性开关器件141A-F之一。如在以下描述地，当反射性开关器件141A-141F旋转以将不同的输入光学信号引导到输出端口时，围绕副轴线146A-F的旋转能够提供衰减和/或“无损伤”切换。

在操作中，输入光学信号101A-103A分别地在输入端口101-103处由多播光学开关100接收。输入光学信号101A-103A中的每一个均被分裂器阵列120分裂成N个副本。输入光学信号101A-103A的该N个副本被分裂器阵列120发射、被微透镜151的阵列150准直，并且被聚焦柱面透镜132在y-z平面中聚焦到反射性开关器件141A-141F的线性阵列140上。同时地，由分裂器阵列120发射的输入光学信号101A-103A的N个副本被第一4F柱面透镜131和第二4F柱面透镜133成像到反射性开关器件141A-141F上。反射性开关器件141A-141F中的每一个围绕主轴线145的旋转均确定输入光学信号101A-103A中的哪一个被引导到输出端口111-116。因此，输入光学信号101A-103A中的每一个的副本均被引导到线性阵列140中的反射性开关器件141A-141F中的每一个，但是这些光学信号中的仅仅一个然后被引导到在PLC波导阵列124中与反射性开关器件相对准的波导。

在于阵列140中的特定反射性开关器件上入射的光学信号之一如所期望地那样被引导到PLC波导阵列124中的波导时，在反射性开关器件上入射的其余光学信号还被朝向分裂器阵列120反射。在分裂器阵列120的一些配置中，例如当PLC分裂器121-123被紧密地隔开时，当反射性开关器件被重新定位时，这种反射光学信号能够被非理想地耦合到PLC分裂器121-123中和/或PLC波导阵列124中的一个或者多个波导。例如，如在图3B中所示意地，反射性开关器件141F被定位成在光束161离开准直微透镜151F之后将光束161引导到准直微透镜154F。为了引导离开准直微透镜152F或者153F的光束，通过围绕主轴线145（图3A所示）旋转到适当的定向，反射性开关器件141F被重新定位。这个旋转由图3B中的箭头149示意。本领域技术人员将会理解，在反射性开关器件141F的重新定位期间，从准直微透镜151F、152F或者153F在其上聚焦的光束可以被光学耦合到准直微透镜151F、152F、153F或者154F。因为任何不想要的光学信号到PLC分裂器121-123的波导和/或PLC波导阵列124的波导的耦合均是高度地不理想的，所以本发明的一些实施例提供“无损伤”切换，其中当阵列140中的反射性开关器件被重新定位时，不想要的光学信号的这种耦合被减轻或者消除。

在一些实施例中，在阵列140中使用两轴线反射性开关器件实现无损伤切换。参考图3A，当阵列140中的特定反射性开关器件通过围绕主轴线145旋转而被重新定位以将不同的输入信号引导到PLC波导阵列124的波导时，反射性开关器件围绕相应的副轴线146A-F（在图3B中示意）的旋转防止不想要的光学信号被耦合到PLC分裂器121-123的波导和/或PLC波导阵列124的波导的任何一个之中。反射性开关器件围绕相应的副轴线146A-F的旋转通过改变在反射性开关器件上产生的图像以光学解耦来自PLC分裂器121-123的波导和/或PLC波导阵列124的波导的任何一个的光而防止这种不想要的光耦合。具体地，由第一4F柱面透镜131和第二4F柱面透镜133形成的4F成像系统在x-z平面中的像平面135处产生图像，例如，在图3A中的图像162。如在图3A中由箭头147示意地，与图像162相关联的反射性开关器件围绕副轴线146A-F的倾斜在与分裂器阵列120和/或阵列150的端面一致的像平面129处产生图像162的倾斜，或者“侧向”视图。因此，反射性开关器件围绕副轴线146A-F的、充分的倾斜引起与图像162相关联并且被成像到像平面129上的光非常低效地或者根本并不耦合到被置放在像平面129中的任何波导或者微透镜。以此方式，能够使用反射性开关器件围绕副轴线146A-F的旋转来有效地“消隐”在反射性开关器件上成像的光学信号，因为这种信号将被从在像平面129中置放的任何波导光学解耦。因此，在围绕主轴线145重新定位之前，通过反射性开关器件围绕副轴线146A-F的旋转，反射性开关器件能够执行无损伤切换。

在一些实施例中，反射性开关器件141A-141F中的每一个围绕副轴线146A-F的旋转均分别地在输出端口111-116中的每一个之处提供衰减。具体地，并非完全地消隐由阵列140中的特定反射性开关器件引导的光学信号地，反射性开关器件围绕副轴线146A-F的旋转能够受到控制以减轻被引导到与反射性开关器件相关联的输出端口的光束的光耦合，由此根据需要衰减光学信号。

在其中反射性开关器件141A-141F围绕副轴线146A-F的旋转提供衰减和/或无损伤切换的实施例中，阵列140包括被配置为以可受控方式围绕主轴线145和副轴线146A-F旋转的两轴线反射性开关器件诸如两轴线MEMS镜的1×N阵列。

注意在这里使用的“输入”和“输出”端口和信号的定义是与在ROADM中的信号“DROP”应用一致的。进一步注意，在信号“ADD”应用中，“输入”和“输出”端口被反转。为了简洁起见，多播光学开关100的操作以上仅仅被描述成“DROP”方向。在其它实施例中，通过反转信号流方向，还可以沿着“ADD”方向使用多播光学开关100。例如，在一些实施例中，多播光学开关100能够被如此配置，使得输出端口111-116可以被用作输入端口，并且输入端口101-103可以被用作输出端口。

根据本发明的一些实施例，带有M×N切换能力的多播光学开关包括硅基液晶（LCOS）相控阵面板而非反射性开关器件的阵列。另外，偏振旋转液晶元件的阵列可以为多播光学开关的N个输出中的每一个提供独立的衰减和/或无损伤切换。图4A是根据本发明的实施例的多播光学开关400的概略示意。除了多播光学开关400包括LCOS面板440替代反射性开关器件的阵列140并且进一步包括偏振分集组件470之外，多播光学开关400在组织和操作方面基本类似于图1的多播光学开关100。注意如果使用偏振独立LCOS调相器面板，则不要求偏振分集组件470。

偏振分集组件470是在本技术领域中众所周知的偏振管理器件并且被配置为将从分裂器阵列120传播并且具有任意偏振的光束转换成具有仅仅单一线偏振取向的、两个平行的并且紧密地隔开的光束。因此，从分裂器阵列120通过偏振分集组件470的光具有单一的已知偏振态。另外，偏振分集组件470被配置为将从LCOS面板440传播并且具有单一线偏振取向的两个平行光束转换成具有任意偏振取向的单一光束。通常，偏振分集组件470可以包括用作双折射光束转向元件的双折射离散板（诸如Wollaston棱镜或者钒酸钇（YVO₄）晶体）和往复光学旋转器（诸如半波片）。在一个实施例中，偏振分集组件470是双折射光束转向单元。

LCOS面板440是LCOS相控阵面板，其被配置为提供对无论什么光学信号被引导到输出端口111-116中的每一个均进行切换和独立受控的衰减。如在本技术领域中众所周知地，LCOS相控阵面板能够通过利用在表面上置放的可调节液晶（LC）表面元件控制从二维表面反射的光波的相位而瞄准具有单一已知偏振态的入射激光束。在LCOS相控阵面板上一起地操作的像素集合用作各个光束转向器件。因此，还能够使用LCOS面板440实现用于图1中的阵列140的上述光束切换方案。通过相对于其它光束转向器件利用每一个LCOS光束转向器件引入适当的相位延迟，所期转向得以执行而无需移动件。高分辨率LCOS面板诸如具有1920×1028像素的面板具有足够的分辨率来执行大数目的输入光学信号的相控阵转向，并且能够因此易于被配置成代替图1中的阵列140地作为光束转向器件的1×N阵列使用。

为了使得能够实现被引导到输出端口111-116的光束的无损伤切换和/或衰减，LCOS面板440能够在一些实施例中被配置为提供两轴线光束转向。在LCOS面板440中的这种两轴线光束转向能力使得能够以与在图1中的反射性切换元件141A-141F的两轴线光束转向提供无损伤切换，即，反射性切换元件141A-141F围绕主轴线145和副轴线146A-F旋转非常相同的方式实现无损伤切换。

可替代地，在一些实施例中，无损伤切换和/或衰减可以由使用偏振旋转LC元件的阵列的多播光学开关400执行。图4B是包括这种阵列的多播光学开关400的可替代实施例的概略示意。如所示那样，在图4B中，多播光学开关400包括被置放在柱面光学器件130和LCOS面板440之间的偏振旋转LC元件的阵列450。阵列450包括每一个均包含具有调制入射光的偏振态的分子取向的偏振LC材料的偏振旋转LC元件。由LC元件赋予的偏振旋转的量依赖于被施加到每一个LC元件的驱动电压。通常，阵列450为输出端口111-116中的每一个均包括一个LC元件。与偏振分集组件470相组合地使用，LC阵列450用作电压-受控的光学衰减器。

当期望衰减入射光束时，通过向阵列450的适当的LC元件施加适当的驱动电压，所述光束的偏振态被相应地修改。例如，如果期望入射光束的10%的衰减，则阵列450中的适当的LC元件将光束的光学能量的10%转换成偏振态，其将被偏振分集组件470引导到光倾倒器（dump）或者其它适当的光束截止器件。光束的其余90%的光学能量被偏振分集组件470引导到所期输出端口。因此，阵列450可以为多播光学开关400的N个输出端口111-116中的每一个提供独立的衰减。通过当LCOS面板440将不同的光学信号切换到输出端口时消隐被引导到特定输出端口的全部的光，阵列450可以进一步为多播光学开关400提供无损伤切换能力。

图5是根据本发明的另一个实施例的多播光学开关500的概略示意。在这种实施例中，无损伤切换和/或衰减可以通过与一轴线反射性开关器件541A-541F的1×N阵列540相结合地使用偏振分集组件470、偏振旋转LC元件的阵列450而由多播光学开关500执行。在这种实施例中，除了反射性开关器件541A-541F被配置为以可受控方式围绕主轴线145而不围绕二级轴146A-F旋转之外，反射性开关器件541A-541F基本类似于在图1中的反射性开关器件141A-141F。如上与图4B相结合地描述地，衰减和/或无损伤切换由偏振分集组件470和偏振旋转LC元件的阵列450提供。因为以这个方式提供衰减和/或无损伤切换，所以反射性开关器件541A-541F能够是单轴线反射性开关器件，从而避免了对于两轴线反射性开关器件的需要。

在一些实施例中，不带用于准直离开分裂器阵列120中的该多个波导，即，波导121A-121F、122A-122F和123A-123F的光的微透镜151的阵列150地配置分裂器阵列120。其中多播光学开关的分裂器阵列并不包括微透镜的阵列的、本发明的实施例能够是显著地更加廉价的并且组件复杂度是较低的。在图6中示意了一个这样的实施例。图6根据本发明的另一个实施例示意在x-z平面中的多播光学开关600的概略视图。多播光学开关600包括不带用于准直离开分裂器阵列620的光束的微透镜阵列地配置的分裂器阵列620。如所示那样，离开分裂器阵列620的光束661在x-z平面中以已知角度发散，直至通过自由空间光学器件630的第一4F透镜631。自由空间光学器件630进一步包括第二4F透镜633和2F透镜632，并且被配置为在x-z平面中的像平面135处对于所接收的光成像并且在y-z平面中的像平面135处聚焦所接收的光。大体上，自由空间光学器件630以与以上与图3A和3B相结合地描述的自由空间光学器件130相同的方式操作。然而，由于光束661的发散，一般以比自由空间光学器件130的相应的元件更宽的孔径（即，更大尺寸）和/或更短工作距离（即，更高曲率）配置第一4F透镜631、第二4F透镜633和聚焦透镜632。

在一些实施例中，在多播开关中的分裂器阵列中的波导并不直接地将光束发射到自由空间中。相反，分裂器阵列的波导被光学耦合到光纤阵列，该光纤阵列然后将光束发射到自由空间中。图7示意一个这样的实施例。图7是根据本发明的实施例的分裂器阵列720的概略示意。在图7中，在y-z平面中观察分裂器阵列720。如所示那样，光纤尾纤790在一端上被耦合到PLC组件710的端面702并且在另一端上在光纤阵列795中被系到一起。PLC组件710包括多个PLC分裂器721-723，每一个PLC分裂器均带有单一输入701和N个波导728。因为在图7中在y-z平面中观察分裂器阵列720，所以对于PLC分裂器721-723中的每一个，仅仅单一波导728是可视的。光纤阵列795未被刚性地耦合到端面702，并且因此能够根据需要定位和定向，由此使得分裂器阵列720更加能够被修整用于在带有多播光学开关的其它元件的紧凑的外罩中配置。

在一些实施例中，在多播光学开关中的分裂器阵列被配置成多反射光束分裂器的阵列，而非被形成为单一组件的多个PLC分裂器。在图8中示意了一个这样的实施例，这是根据本发明的实施例的多反射光束分裂器800的概略示意。多反射光束分裂器800可以在多播开关诸如在图1中的多播光学开关100中使用，并且在透明平板850中采用多个反射以产生输入光束803的N个副本802。

透明平板850基本平行于输入光束803并且在其路径中而对准并且包括在透明平板850中以线性阵列形成的N个局部透射性镜852。该N个局部透射性镜852中的每一个均具有不同的反射率。因此，输入光束803的、未被在前地遇到的局部透射性镜852反射的部分继续朝向透明平板850中的、其余的局部透射性镜852传播。局部透射性镜852中的每一个均配置有不同的反射率，并且按照反射率升高的次序被布置在透明平板850中。在局部透射性镜852中的每一个之间的反射率的差异得以选择从而输入光束803的副本802中的每一个均具有基本相等的光功率。例如，在其中N=16的实施例中，每一个局部透射性镜852的反射率均增加超过相邻的并且反射性较低的局部透射性镜852十六分之一或者6.25%。因此，镜852A具有6.25%的反射率，镜852B具有12.5%的反射率，镜852C具有18.75%的反射率，等等，从而在透明平板850中的、最后的局部透射性镜852，即，镜852D，具有100%的反射率。在图8中示意的实施例包括从多反射光束分裂器800的主轴线851被以45°的角度置放的局部透射性镜852，这确保了副本802以基本平行的方式从透明平板850传播。然而，在不偏离本发明的范围的情况下，局部透射性镜可以从主轴线851被以其它角度置放。

透明平板850被示意成将单一输入光束803分裂成N个副本802。然而，本领域技术人员可以理解，透明平板和局部透射性镜852能够从图8中的页面延伸出去并且用于将多个输入光束803分裂成N个副本。以此方式，单一光学元件，即，透明平板850，而非M个PLC分裂器的组件，能够在M×N多播开关中被用作分裂器阵列。进而，在一些实施例中，输入光束803是准直光束，因此，能够不使用N个准直微透镜地利用多反射光束分裂器800产生输入光束803的N个副本802。

在一个实施例中，能够使用透明平板的可替代配置减小在输入光束803的N个副本802中的每一个之间的路径长度差异。图9是根据本发明的另一个实施例的多反射光束分裂器900的概略示意。多反射光束分裂器900被配置为在其输出光束之间具有减小的路径长度差异。如所示那样，输入光束803在中心区域920处被耦合到多反射光束分裂器900的透明平板950并且基本垂直于多反射光束分裂器900的主轴线951。另外，透明平板950包括局部透射性镜952的第一线性阵列901和局部透射性镜952的第二线性阵列902。多反射光束分裂器900进一步包括被置放在中心区域920中并且被配置为将输入光束803的一个部分引导到第一线性阵列901并且将输入光束803的一个部分引导到第二线性阵列902的局部透射性镜961和全反射性镜962。因此，输入光束803在一个点处被耦合到透明平板950，但是沿着两个方向传播从而在副本802中的每一个之间的路径长度差异显著地减小。如在图8中示意的实施例那样，多反射光束分裂器900能够容易地无任何另外的光学元件地适于将多个输入光束分裂成N个副本。

图10是根据本发明的另一个实施例的多反射光束分裂器1000的概略示意。多反射光束分裂器1000包括带有在第一表面1010上的后镜1001和在第二表面1020上形成的前镜1002的阵列的透明平板1050。后镜1001包括向透明平板1050中并且朝向前镜1002引导输入光束803的其余部分的全反射性镜。后镜1001使得输入光束803能够如所示那样继续通过透明平板1050传播。前镜1002每一个均是局部透射性镜，并且类似于在图8中的局部透射性镜852，每一个均利用不同的反射率配置并且被按照反射率的次序布置。前镜1002不同于在图8中的透射性镜852之处在于，前镜1002被以反射率降低的次序布置。因此前镜1002A具有前镜1002的最高反射率并且前镜1002B具有前镜1002的最低反射率。在前镜1002中的每一个之间的反射率的差异被如此选择，使得输入光束803的N个副本802中的每一个均具有基本相等的光功率。如在图8中示意的实施例那样，多反射光束分裂器1000能够容易地无任何另外的光学元件地适于将多个输入光束分裂成N个副本。

图11是根据本发明又一个实施例的多反射光束分裂器1100的概略示意。除了多反射光束分裂器1100被配置用于输入光束1103的后输入而非前输入之外，多反射光束分裂器1100基本类似于在图10中的多反射光束分裂器1000。具体地，多反射光束分裂器1100被定向成使得在透明平板1050的第一表面1010上入射的输入光束1103处于适当角度，并且前镜1002被如此定位，使得多反射光束分裂器1100根据需要将输入光束1103分裂成沿着光程传播的N个副本802。在于图11中示意的实施例中，输入光束1103被分裂成N个平行副本802。

图12是根据本发明又一个实施例的多反射光束分裂器1200的概略示意。除了多反射光束分裂器1200配置有透明平板1250之外，多反射光束分裂器1200基本类似于在图10中的多反射光束分裂器1000，该透明平板1250被配置为产生具有“啁啾”间隔的N个副本802，即，副本802未被均匀地相互隔开。具体地，透明平板1250具有沿着透明平板1250的长度增加的、在第一表面1010和第二表面1020之间的非均匀厚度1290。这种非均匀光束间隔能够是有利的，因为可以被用作图1中的镜阵列140的一些镜阵列具有非均匀间隔。本领域技术人员可以理解，在图12中示意的多反射光束分裂器的实施例允许在N个副本802之间的光束间隔被任意地设为匹配任意的非均匀镜间隔。

在图10中示意的多反射光束分裂器的一个潜在的缺陷在于，副本802中的每一个的束腰1080沿着z轴线将不处于相同的位置。因为每一个副本802横切的距离和材料是不相同的，所以副本802是不相同的，并且每一个副本802的束腰1080（图10所示）沿着z轴线将不处于相同的位置。这将导致通过其余的柱面光学器件130和镜阵列140的、非一致的光学性能。为了对此变化进行补偿并且对于副本802中的每一个最小化束腰1080的位置的变化，在一些实施例中，能够在多反射光束分裂器1200和柱面光学器件130之间插入具有变化长度的光学平板。在图13中示意了一个这样的实施例。

图13是根据本发明的实施例的、配置有补偿透明块体的多反射光束分裂器1300的概略示意。除了多反射光束分裂器1300进一步包括透明块体1330之外，多反射光束分裂器1300基本类似于多反射光束分裂器1000。透明块体1330被置放在微透镜151的阵列150（概略地由线A代表）和柱面光学器件130（概略地由线B代表）之间。如所示那样，透明块体1330中的每一个均被置放在输入光束803的副本802之一的光程中，并且具有不同的长度。透明块体1330中的每一个的长度和位置均被选择为沿着z轴线并且相对于柱面光学器件130对准副本802中的每一个的束腰1380。

本领域技术人员可以理解，在这里描述的本发明的实施例诸如多播光学开关100、400和500能够在各种光学系统中使用，包括波分复用（WDM）系统，其中信息由多个信道携带，每一个信道均具有独特的波长。例如，在图1中的M个输入光学信号101A-103A中的每一个均可以是来自WDM系统的单一波长信道。

总之，本发明的实施例阐述了一种多播光学开关，该多播光学开关包括离散的分裂器和反射性开关器件（诸如MEMS镜）的线性阵列的自由空间光学组件，从而以紧凑的配置提供低损耗、高性能多播切换。多播光学开关以紧凑的低损耗配置提供M×N多播切换，该配置有利地避免了在现有技术M×N多播开关中普遍的、庞大数目的光纤尾纤连接。本发明的进一步的优点在于，能够易于以各种方式在M×N多播开关中结合输出信号的独立衰减和/或无损伤切换。

虽然前述涉及本发明的实施例，但是可以在不偏离其基本范围的情况下设计本发明其它的和进一步的实施例，并且其范围由随后的权利要求确定。

Claims (23)

1.一种M×N多播开关，包括：

M个输入端口，其中M大于1；

N个输出端口，其中N大于1；

M个分裂器，每一个分裂器均被配置为从通过所述M个输入端口之一接收的输入光学信号产生N个分裂光学信号，并且所述分裂器中的每一个均包括局部透射性镜的线性阵列并且在所述阵列中的每一个局部透射性镜均具有不同的反射率；和

镜的1×N阵列，每一个镜均能够被控制为将N个分裂光学信号之一引导到所述N个输出端口之一。

2.根据权利要求1的多播开关，其中所述M个分裂器被配置成单一组件。

3.根据权利要求1的多播开关，进一步包括平面光波线路，所述平面光波线路被配置为接收由所述镜引导的所述N个光学信号并且使用N个波导将所述N个光学信号导引到所述N个输出端口。

4.根据权利要求3的多播开关，其中所述N个波导中的每一个均包括可变光学衰减器。

5.根据权利要求1的多播开关，其中在所述镜的1×N阵列中的每一个镜均能够围绕第一轴线旋转以将在此处接收的光学信号引导到所述N个输出端口之一。

6.根据权利要求5的多播开关，其中在所述镜的1×N阵列中的每一个镜均进一步能够围绕第二轴线旋转以使得能够实现无损伤切换。

7.根据权利要求1的多播开关，其中由所述M个分裂器之一产生的所述N个分裂光学信号具有近似相等的强度。

8.根据权利要求1的多播开关，进一步包括柱面光学器件，所述柱面光学器件被置放在所述M个分裂器和所述镜的1×N阵列之间，并且被配置为在第一平面中在所述镜中的每一个上聚焦来自所述M个分裂器的光并且在第二平面中在所述镜中的每一个上利用来自所述M个分裂器的光产生图像，所述第二平面垂直于所述第一平面。

9.一种M×N多播开关，包括：

M个输入端口，其中M大于1；

N个输出端口，其中N大于1；

M个分裂器，每一个分裂器均被配置为从通过所述M个输入端口之一接收的输入光学信号产生N个分裂光学信号，并且所述分裂器中的每一个均包括镜的线性阵列并且在所述阵列中的每一个镜均具有不同的反射率；和

N个镜，每一个镜均与所述输入端口之一相关联并且能够被控制为将来自相关联输入端口的输入光学信号引导到所述N个输出端口中的任何一个，

其中，在所述镜之一受到控制以将在第一输出端口处引导的输入光学信号切换成在第二输出端口处引导时，所述输入光学信号被从所有的输出端口光学解耦。

10.根据权利要求9的多播开关，其中，在所述镜中的之一已经受到控制以将在所述第一输出端口处引导的输入光学信号切换成在所述第二输出端口处引导之后，所述输入光学信号被光学耦合到所述第二输出端口。

11.根据权利要求10的多播开关，其中所述受到控制的镜能够围绕第一轴线旋转以将在所述第一输出端口处引导的输入光学信号切换成在所述第二输出端口处引导，并且能够围绕第二轴线旋转以从所有的输出端口将所述输入光学信号光学解耦。

12.根据权利要求9的多播开关，进一步包括柱面光学器件，所述柱面光学器件被置放在所述N个分裂器和所述M个镜之间，并且被配置为在第一平面中在所述M个镜中的每一个上聚焦来自所述N个分裂器的光并且在第二平面中在所述M个镜中的每一个上利用来自所述N个分裂器的光产生图像，所述第二平面垂直于所述第一平面。

13.根据权利要求9的多播开关，进一步包括：

液晶像素，所述液晶像素位于输入光学信号的光程中，以旋转所述输入光学信号的偏振从而将所述输入光学信号从所有的输出端口光学解耦。

14.根据权利要求13的多播开关，进一步包括：

第一光束转向组件，所述第一光束转向组件位于所述输入端口和所述液晶像素之间以将输入光学信号转换成具有相同偏振的一对平行光束并且用于将所述平行光束从所述镜引导到所述N个输出端口之一中。

15.一种M×N多播开关，包括：

M个输入端口，其中M大于1；

N个输出端口，其中N大于1；

具有1×N个光束转向元件的硅基液晶（LCOS）面板，每一个光束转向元件均包括多个像素，其相位能够各自地受到控制以将来自所述M个输入端口中的任何一个的输入光学信号引导到与所述光束转向元件相关联的所述N个输出端口之一；

M个分裂器，每一个分裂器均被配置为从通过所述M个输入端口之一接收的输入光学信号产生N个分裂光学信号；以及

被置放在所述M个分裂器和所述LCOS面板之间的柱面光学器件，所述光学器件被配置为在第一平面中在所述光束转向元件中的每一个上聚焦来自所述M个分裂器的光并且在第二平面中在所述光束转向元件中的每一个上利用来自所述M个分裂器的光产生图像，所述第二平面垂直于所述第一平面。

16.根据权利要求15的多播开关，进一步包括：

双折射光束转向元件，所述双折射光束转向元件被配置为将具有第一偏振态的光从所述LCOS面板的每一个光束转向元件引导到与所述LCOS面板的所述光束转向元件相关联的输出端口中；和

被置放在所述LCOS面板和所述双折射光束转向元件之间的N个液晶元件的阵列，每一个液晶元件均能够被控制为旋转被从所述M个输入端口之一引导到所述N个输出端口之一的输入光学信号的偏振。

17.一种M×N多播开关，包括：

M个输入端口，其中M大于1；

N个输出端口，其中N大于1；和

N个镜，每一个镜均能够被控制为将来自所述M个输入端口中的任何一个的输入光学信号引导到与所述镜相关联的所述N个输出端口之一，

其中，在所述镜之一受到控制以将输入光学信号从通过所述M个输入端口中的第一个接收的第一输入光学信号切换为通过所述M个输入端口中的第二个接收的第二输入光学信号时，所有的输入光学信号均首先被从与所述受到控制的镜相关联的输出端口光学解耦，并且然后所期第二输入光学信号被耦合到与所述受到控制的镜相关联的输出端口。

18.根据权利要求17的多播开关，其中所述受到控制的镜能够围绕第一轴线旋转以将输入光学信号从所述第一输入光学信号切换为所述第二输入光学信号并且能够围绕第二轴线旋转以将所述第一输入光学信号从与所述受到控制的镜相关联的所述输出端口光学解耦。

19.根据权利要求17的多播开关，进一步包括M个分裂器，每一个分裂器均被配置为从通过所述M个输入端口之一接收的输入光学信号产生N个分裂光学信号。

20.根据权利要求19的多播开关，进一步包括柱面光学器件，所述柱面光学器件被置放在所述M个分裂器和所述N个镜之间，并且被配置为在第一平面中在所述N个镜中的每一个上聚焦来自所述M个分裂器的光并且在第二平面中在所述N个镜中的每一个上利用来自所述M个分裂器的光产生图像，所述第二平面垂直于所述第一平面。

21.根据权利要求17的多播开关，其中所述分裂器中的每一个均包括平面光波线路。

22.根据权利要求17的多播开关，其中所述分裂器中的每一个均包括镜的线性阵列并且在所述阵列中的每一个镜均具有不同的反射率。

23.根据权利要求17的多播开关，进一步包括液晶像素，所述液晶像素位于所述第一输入光学信号的光程中以旋转所述第一输入光学信号的偏振以将所述第一输入光学信号从与所述受到控制的镜相关联的输出端口光学解耦。