CN104254797A - 多播光学开关 - Google Patents

多播光学开关 Download PDF

Info

Publication number
CN104254797A
CN104254797A CN201280063023.6A CN201280063023A CN104254797A CN 104254797 A CN104254797 A CN 104254797A CN 201280063023 A CN201280063023 A CN 201280063023A CN 104254797 A CN104254797 A CN 104254797A
Authority
CN
China
Prior art keywords
beamlet
port
polarization
optical
light beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201280063023.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104254797B (zh
Inventor
史蒂文·詹姆士·弗瑞斯肯
托马斯·克尔林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Finisar Corp
Original Assignee
Finisar Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Finisar Corp filed Critical Finisar Corp
Publication of CN104254797A publication Critical patent/CN104254797A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104254797B publication Critical patent/CN104254797B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/351—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements
    • G02B6/3512—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror
    • G02B6/3518—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror the reflective optical element being an intrinsic part of a MEMS device, i.e. fabricated together with the MEMS device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
    • G02B6/2753—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means characterised by their function or use, i.e. of the complete device
    • G02B6/2773—Polarisation splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/354—Switching arrangements, i.e. number of input/output ports and interconnection types
    • G02B6/3554—3D constellations, i.e. with switching elements and switched beams located in a volume
    • G02B6/3556—NxM switch, i.e. regular arrays of switches elements of matrix type constellation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/3592—Means for removing polarization dependence of the switching means, i.e. polarization insensitive switching
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
    • G02B6/2706—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means as bulk elements, i.e. free space arrangements external to a light guide, e.g. polarising beam splitters
    • G02B6/2713—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means as bulk elements, i.e. free space arrangements external to a light guide, e.g. polarising beam splitters cascade of polarisation selective or adjusting operations
    • G02B6/272—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means as bulk elements, i.e. free space arrangements external to a light guide, e.g. polarising beam splitters cascade of polarisation selective or adjusting operations comprising polarisation means for beam splitting and combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
    • G02B6/2753—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means characterised by their function or use, i.e. of the complete device
    • G02B6/2793—Controlling polarisation dependent loss, e.g. polarisation insensitivity, reducing the change in polarisation degree of the output light even if the input polarisation state fluctuates
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0136—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  for the control of polarisation, e.g. state of polarisation [SOP] control, polarisation scrambling, TE-TM mode conversion or separation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching

Abstract

本申请描述了一种光学开关(1)，该光学开关包括：4条公共端光纤(例如3)，其沿竖直的y维度布置；独立于波长的分束器(5)；切换单元(7)；和16条分/插光纤(例如9)，其沿水平的x维度布置。在一个工作方向上，公共端光纤(3)投射各自光束(例如11)到分束器(5)，其中，该分束器将每条光束(1)物理地分成多条分开的子光束(例如15)。通过透镜(17)将子光束(15)聚焦在切换单元(7)的各个微型机电系统(MEMS)反射镜(例如19)上。反射镜(19)沿各自预定轨迹引导每条所述子光束(15)，从而将子光束(15)有选择性地耦合到对应的分/插光纤(9)。沿相反方向出现对应的操作，其中插/分光纤(9)用作输入端口，而公共端光纤(3)提供输出。

Description

多播光学开关
技术领域
本发明涉及光学开关设备，并且特别地涉及一种用于将光信号从多条输入光纤路由引导至多条输出光纤的独立于波长的多播型光学开关。虽然这里将描述一些专门针对该应用的实施例，但应该认识到：本发明并不局限于这种使用领域，而可适用于更广的范围。
背景技术
本说明书全文中关于背景技术的讨论绝对不应被认为是承认这种技术已经广为人知或形成本领域普通知识的一部分。
光学或光子开关是光学网络中的核心部件，它在纯光学领域中实现光信号从光源路由选择到目的地。光学开关可粗略地分为两大类：波长选择型开关；和波长独立型开关。
波长选择型开关在波分多路(WDM)信号范围内切换特定的波长信道，并且通常为较复杂和昂贵的设备。特定类型的波长选择型开关是一种可重构型光分插复用器(ROADM)，其能够多路复用和多路分解(demultiplexing)WDM信号以动态地分(add)或插(drop)特定的波长信道。
授予Zhao和Lin的名为“Solid-State optical wavelength switches”的美国专利6,718,082披露了一种具有波长选择功能的基于固态偏振旋转(polarization-rotation)的光学开关。波长选择性是通过使光通过双折射晶体滤光器实现的，其选择性地使一种波长的光的偏振相对于另一波长的光旋转90°，从而实现波长的单独路由选择。Zhao和Lin的专利公开的是一种被动型开关，其中：光束被分开，并被路由选择到输出端口，不会主动切换以选择特定的输出端口。此外，Zhao和Lin的专利公开的开关被限定为1×2型开关。
另一种已知类型的波长选择型开关包括授予Boduch和Papakos的名为“Methods and apparatus for performing directionless wavelength additionand subtraction within a ROADM based optical node”的第US2009/0180779A1号美国专利申请公开说明书，以及2000年12月出版的“Lightwave Technology”杂志第18卷第12期(Vol.18，No.12)的“Cost-Effective lmplementation of Multicasting in Wavelength-Routed Networks”。前者披露了一种可重构型光分/插复用器，而后者提出了一种体系结构层面上的波长选择多播型光交叉连接。
这些和其它已知波长选择型开关涉及多路分解具有预定光谱维度的波长信道，并且然后切换那些独立的信道。因此，这些类型的开关不能切换具有可变或任意信道方案的信号。
另一方面，波长独立型开关在不需要知道单独的信道光谱维度的网络的节点之间提供更灵活的光信号的路由选择。例如，其中多组信道被同时路由选择。授予Fujita等人的名为“Directionless Reconfigurable OpticalAdd/Drop Multiplexer”(受让给Enablence USA Technologies lnc.)的第2011/0164876A1号美国专利申请公开说明书披露了一种N×M光学开关系统，该系统包括耦合到N条输入光纤中的每条光纤的普通分光器，用于将N个输入信号的每个信号分成M个或更少的子信号。M个子信号由M个普通光N×1开关接收，这些N×1开关能够选择N个输入信号之一供输出。在复用输入信号的情况中，自开关输出的信号穿过光纤，以产生多路分解的单波长输出信号。
虽然Fujita等人披露了一种用于实现N×M切换的通用体系架构，但它仅是一种功能层面的公开，未提供构件层面的实施细节。因此，诸如偏振独立性、切换消光、制造复杂性和成本等重要因素都没有被考虑。此外，Fujita等人要求部件“被光学连接”。在所示的体系结构中，包括了诸如光纤、放大器等部件，这有可能限制通向诸如光纤等的物理波导的光学连接。对于许多波长选择型和波长独立型设计普遍存在的这种限制具有特定的性能缺陷，且要求每个输入光纤具有对应的波束分光器和独立的N×1光学开关。
因此，普遍存在对低成本、简单的光学开关的期望。
发明内容
本发明的目的在于以优选形式提供一种改进的或可选的独立于波长的光学开关。
根据本发明的第一个方面，提供了一种用于在一个或更多个第一端口与两个或更多个第二端口之间切换光束的光学开关，所述开关包括：
独立于波长的分束器，其用于将来自每个所述第一端口的所述光束分成多个分离的子光束；和
独立于波长的切换单元，其用于选择性地将每条所述子光束沿各自的预定轨迹引导，使得预定的子光束被耦合在所述第一端口和第二端口之间；
其中，所述分束器和所述切换单元被配置成用于沿对波导无约束的基本自由的空间轨迹引导所述子光束。
所述分束器优选地将多条所述光束中的每一条同时分成多条分离的子光束。
光学开关优选地包括第一偏振操纵元件和第二偏振操纵元件，分别用于分离和重组每条所述光束的成分正交的偏振态，使得每种所述偏振态单独地穿过所述分束器和所述切换单元。
所述分束器优选地包括一个或更多个偏振光束分离元件。所述光束分离元件优选地从包括空间走离晶体、双折射光楔和偏振分束器的组中选择。所述分束器优选地包括一对或多对双折射光楔，所述光楔对被设置成彼此邻近并提供相反的材料双折射效果，使得入射到所述光楔对之一上的光束被分成两条在角度上分离的子光束。
所述双折射光楔对中的每一个优选地具有预定的双折射轴，并且邻近布置的光楔对的所述轴以45°角相对地定向。每个之后的光楔对优选地提供所述子光束的更大的在角度上分离。
所述切换单元优选地包括与每个所述第二端口对应的一个独立地可切换的元件。在一个实施例中，所述切换单元包括硅基液晶(LCOS)设备，该硅基液晶设备具有由可独立地寻址的像素构成的的二维阵列，所述像素的预先确定的子集被配置成用于操纵子光束至相应的第二端口。在进一步的实施例中，所述切换单元优选地包括独立地可倾斜的微机电系统(MEMS)反射镜的阵列，该MEMS反射镜阵列具有与每个所述第二端口相对应的一个反射镜。
在后者的实施例中，所述MEMS反射镜优选地可选择性地倾斜进入多种预先选择的切换状态，每种所述切换状态定义了每条所述子光束的轨迹。切换状态的数量优选地等于所述第一端口的数量，使得每个MEMS反射镜的特定的切换状态确定特定的第一端口，子光束将从该特定的第一端口被耦合到相应的第二端口。
所述分束器优选地将每条所述光束分成第一组和第二组在角度上分离的子光束，各组中的每条子光束具有共同的偏振态，并且该偏振态与另一组内的子光束的偏振态正交，正交地偏振的第一组和第二组被引导至所述MEMS阵列的分开的多个反射镜上。
光学开关优选地包括偏振改变元件，偏振改变元件用于改变所述第一组子光束的偏振态，使得所述第一组和第二组子光束具有相同的偏振态。所述偏振改变元件优选地包括位于所述MEMS阵列附近的1/4波板，使得所述第一组子光束在从所述MEMS阵列反射之前和之后穿过所述1/4波板。
光学开关优选地包括：
第一走离晶体，其被设置在所述分束器之前或内部，用于空间分离所述光束的正交的偏振分量；和
第二走离晶体，其位于所述切换单元下游，用于重新组合所述正交的偏振分量。
所述分束器优选地被配置成使所述偏振分量以一对平行子光束的形式从所述分束器出来，所述一对平行子光束具有相同的偏振态并形成所述第一组和第二组在角度上分离的子光束。
光学开关优选地包括半波板，所述半波板被定位在所述第二走离晶体附近并位于所述第二走离晶体上游，以用于将所述子光束的子集的偏振改变为正交状态，从而允许与特定的光束相对应的所有所述子光束进行空间重组。光学开关优选地包括第一光焦度元件，该第一光焦度元件被配置成用于将所述子光束准直到所述切换单元上。所述第一光焦度元件还优选地被配置成用于将所述两个偏振分量都聚焦在单个MEMS反射镜上。光学开关优选地还包括第二光焦度元件，该第二光焦度元件用于在将所述子光束耦合到所述第二端口之前准直所述子光束。
光学开关优选地包括4个第一端口和16个第二端口。
光学开关优选地可双向工作，使得在第一工作方向上，光束可以从所述第一端口切换到所述第二端口中的预定的一个端口，并且在第二工作方向上，光束可以从所述第二端口切换到预定的第一端口。光学开关优选地可同时地双向工作，使得来自所述第一端口的第一子集的光束被切换到所述第二端口的第一子集，同时来自所述第二端口的第二子集的子光束被切换到所述第一端口的第二子集。
光学开关优选地包括分离装置，该分离装置用于分离来自所述第一子集和第二子集的光束。分离装置优选地包括至少一个偏振改变元件，以选择性地改变一条或多条光束的偏振态。所述偏振改变元件优选地包括一个或多个液晶相位调制元件，该液晶相位调制元件被配置成用于独立操纵所述光束中的预定的一条光束。
所述分离装置优选地是动态地可变的，使得所述光学开关可以在双向工作模式和单向工作模式之间改变。
子光束的数量和轨迹由偏振光束分离元件的数量确定。
根据本公开的第二方面，提供了一种在一个或更多个第一端口与两个或更多个第二端口之间切换光束的方法，所述方法包括：
以独立于波长的方式将所述光束分成多个分离的子光束；
针对每个所述子光束，在所述第一端口之一与第二端口之一之间确定通路；和
沿各自的所述通路选择性地引导每条所述子光束，使得被包含在每条所述光束内的信息在各自的所述第一端口和第二端口之间传送；
其中，分束器和切换单元被配置成用于沿对波导无约束的基本自由的空间轨迹引导所述子光束。
根据本公开的第三方面，提供了一种独立于波长的分束器，用于接收输入光束并根据偏振态输出多条在角度上分离的子光束，所述分束器包括：
第一偏振相关分束元件，其用于将入射光束分成具有正交的偏振态的两条对称地在角度上分离的第一级子光束；和
第二偏振相关分束元件，其用于将每条所述正交的子光束进一步分成两条在角度上分离的第二级子光束，从而确定4条在角度上分离的子光束，每条所述第二级子光束具有与其各自起源的第一级子光束正交偏振态。
分束器优选地还包括第三偏振相关分束元件，该第三偏振相关分束元件将每条所述第二级子光束进一步分成两条在角度上分离的第三级子光束，每条所述第三级子光束具有与其各自起源的第二级子光束正交的偏振态。
分束器优选地还包括第四偏振相关分束元件，该第四偏振相关分束元件将每条所述第三级子光束进一步分成两条在角度上分离的第四级子光束，每条所述第四级子光束具有与其各自起源的第三级子光束正交的偏振态。
分束器优选地被配置成使每条所述第四级子光束具有基本相同的功率。分束器优选地被配置成使所述第四级子光束被输出为两个在角度上分离的组，并且其中一个组中的每条子光束具有与另一组的子光束正交的共同的偏振态。此外，分束器优选地被配置成使每一级子光束被角度地偏转一定角度，该角度取决于前一级子光束入射在各自的光束分上的入射角度。
所述偏振相关分束元件优选地是具有预定双折射轴的双折射光楔对，每个所述光楔对的双折射轴被定向为与前一光楔对成45°角。
独立于波长的分束器优选地被配置成用于将多条输入光束根据偏振态同时分成在角度上分离的多条输出子光束。
根据本公开的第四方面，提供了一种光多路复用器，用于以受控的方式将一系列光输入端口映射到一系列光输出端口，所述光多路复用器包括：
一系列输入端口，其用于发出一个或多个光信号；
光焦度分光元件，其用于将每个所述光学信号分成子分量信号；
第一光焦度元件，其用于将所述子分量信号准直到方向性元件上，并且用于重新聚焦所述子分量信号；
方向性元件，其用于向所述子分量信号提供可控制的方向性投射，以提供定向的子分量信号；
第二光焦度元件，其用于准直所述定向的子分量信号，以便耦合到所述光输出端口。
附图说明
现在将通过举例的方式结合附图对本发明的优选实施例进行描述，其中：
图1是根据包含4×16光纤排列的第一实施例的多播光学开关的示意图；
图2是图1的光学开关的分束器的示意平面图，显示了单个输入光束传输经过分束器；
图3是显示了从图2的分束器出来的光束的几何形状的射线图；
图4是图1的光学开关中的透镜和MEMS反射镜的平面图和显示了子光束经透镜传播的射线图；
图5是根据采用8×16光纤排列的第二实施例的光学开关的截面图，其显示了开关的从公共端光纤延伸到MEMS反射镜的射线的第一半；
图6是第二实施例光学开关的截面图，显示了开关的从MEMS反射镜阵列延伸到分/插光纤的第二半；
图7是对于第二实施例光学开关的从选定的公共端光纤到每条分/插光纤的模拟的耦合效率的曲线图；
图8是对于第二实施例光学开关的从选定的公共端光纤到每条分/插光纤的模拟的偏振相关损耗(PDL)的曲线图；
图9是对于第二实施例光学开关的从选定公共端光纤到每条插/分光纤的模拟的端口隔离度的曲线图；
图10是采用2×4光纤排列的光学开关的另一实施例的示意平面图，其中分束器简化为示意性的方块；
图11是分束器的另一实施例的示意平面图，使用了分束器元件和反射器；和
图12是由图11的两个分束器组合形成的系统的示意平面图，用于提供实现更高级的分束器。
具体实施方式
参照图1，显示了一种光学开关1，其包括：沿垂直的y维度布置的4条公共端(common port)光纤(例如3)；波长独立型分束器5；切换单元7；和沿水平的x维度布置的16条插/分光纤(例如9)。在一个工作方向上，该公共端光纤3投射的各自光束(例如11)穿过对应的微透镜(例如13)至分束器5，分束器5其将每条光束11物理分成多条分开的子光束(例如15)。透镜17将子光束15聚焦在切换单元7的各个微型机电系统(MEMS)反射镜(例如19)上。反射镜19可以受控的方式倾斜，以将每条所述子光束15沿各自预定的轨迹引导，从而可选择性地将穿过透镜17的子光束15引导到对应的插/分光纤9。开关1能够将来自4条公共端光纤3之一的子光束切换到每个插/分光纤9。沿相反方向也会出现对应的操作，其中插/分光纤9用作输入端口，公共端光纤3提供输出。
仍参照图1，沿第一工作方向，光束11从公共端光纤3输入，其中公共端光线3在一个实施例中布置成具有约250μm间距的线性阵列。在其他实施例中，公共端光纤3采用其它方式布置并具有不同的间距。光束11经阵列13的各自微透镜入射，以将光束限制为具有预定尺寸的斑点21。在一个实施例中，光束斑点21具有沿x维度约140μm和沿y维度约70μm的尺寸。然后，光束11传播穿过分束器5。在所示实施例中，分束器5包括走离晶体(walk-off crystal)23和4对双折射光楔25、27、29和31。元件32显示为虚线，因为它在开关1中是可选的。这个元件在本文的后面进行说明，其中它将在涉及确定开关1的操作配置时加以讨论。
将参照图2描述分束器5的操作，图2显示了分束器5的平面视图，其中单个光束33穿过分束器5传播。应该认识到：对于从其他公共端光线3入射的其他光束3而言，穿透分束器5的相应的传播是同时发生的。
虽然走离晶体23显示为分束器5的一部分，但其功能涉及偏振控制，并且并不具体涉及用于切换目的的光束分。因此，可以认为走离晶体23是与分束器5分离的。然而，为了说明穿透分束器5的光束传播和几何尺寸，走离晶体23被同时地考虑。此外，虽然光学元件在空间上分开显示，但实际上，它典型地尽可能地彼此接近。在一个特定的实施例中，分束器5沿光轴z具有约5mm的总长度。
具体参照图2，走离晶体23最初将光束33分成两条平行光束35和37，这两条平行光束35和37沿水平的x维度空间分离并具有基本相同的功率但正交的偏振态。在其它实施例中，走离晶体23被配置成用于在水平以外的维度上分光束33的偏振态。在进一步的实施例中，走离晶体23由一个或多个双折射光楔代替，并且除了空间分离之外，光束还可被在角度上分离，或光束被在角度上分离以替代空间分离。在图2和后续图中，源自于两个偏振分量35和37的子光束通过分别采用实线和虚线表示来加以区别。
仍参照图2，正交地偏振的并且空间地分离的子光束35和37入射在第一双折射光楔对25上，其被配置使得：每个偏振态沿水平的x维度角度地分离成基本上功率相同的两个正交地偏振的光束。这种状态是通过将光楔对25的特别的或慢轴定向为与每个偏振子光束35和37成45°角而实现。光楔对25的每个光楔的慢轴被定向在相反的方向上，使得：一个偏振分量沿x维度成角度地向上，而另一个分量沿x维度向下成角度。光楔对27、29和31重复这一过程，其中：每个光楔对与前一光楔对成45°角，并且每个后续的光楔对提供更大的在角度上分离。这种配置导致每个相应的光楔对将每个偏振分量进一步在角度上分离成具有不同定向的正交分量。在图2的顶部显示了各个子光束的实例的偏振态。
在经过分束器5中的每个光楔过程中，子光束的数目加倍。在分束器5的输出端，总共有32个子光束，被分成16个在角度上分离的平行光束对39。每个平行光束对39的子光束对应于最初被走离晶体23分离的两个正交的偏振分量35和37。由于这两个分量被空间分离但被准直，因此它们穿过光楔对系统平行地传播，并保持沿x维度的相同的空间偏移量。然而，在输出端处，它们均具有相同的偏振态。为了清楚起见，子光束的在角度上的分离已在图2中放大；实际上，在角度上分离是相当小的。例如，在一种实现方式中，光楔对25将子光束分开约1.74度的角。
在图2的所示实施例中，连续的光楔对被配置成用于提供不断增加的更大的角偏振分离，其中：光楔对25提供最小的角分离，而光楔对31提供最大的角分离。这种配置将子光束分成16个在角度上分离的平行光束对的有用的分布。在一个实施例中，光楔对被配置，使得：每个后续光楔对的角的正切(tanθ)加倍。然而，应该认识到：光楔对25、27、29和31可被配置成采用其它排列形式和采用其它角度对子光束进行在角度上分离。
来自每个光楔对的特定的偏振态的偏转的输出角度取决于入射到该光楔对上的入射角。例如，考虑±θ的初始光楔对偏转，提供的偏转的第二光楔对的偏转角为因此，在第二光楔对27之后，每个偏振分量35和37的子光束被分成四种不同角度。在第四光楔对31后，光束被分成上述16个光束对39，其中：每对具有2个平行的正交地偏振的光束。
在通过光楔对分的每个光束处，光功率被减半，并具有相应的3db的损耗。对于具有4描绘的光楔对的所示系统，存在12db的信号功率损耗。然而，在走离晶体23处没有与分偏振态有关的显著的损耗，这是因为后者被重新组合以形成具有完全偏振信息的16条子光束。
分束器5实现了确定多个角度编码的子光束的独特功能性，其能够独立地操纵以便在公共端光纤3和插/分光纤9之间切换。重要的是，这种分发生在自由空间中，并且不需要用波导、光纤或其它分散媒质对子光束进行空间引导。此外，所有光束被单个分束器5同时分。与每个输入光纤使用各自的分束器的其它已知设计相比，这种同时分具有成本优势。这种布置也允许在自由空间无波导环境中执行切换。现在将描述这种切换过程。
返回到图1，来自分束器5的子光束被入射在透镜17上，透镜17优选地为球面透镜，其沿x和y维度均具有约20mm的焦距。这些参数仅是示例性的，并且在其它实施例中，透镜17可具有不同的焦距并可能并非严格的球面。在另一实施例中，透镜17被具有相同焦距的圆柱面透镜代替，并且MEMS反射镜19可以被适当地定位以接收从该镜反射的光。
透镜17位于远离光学系统中恰当地限定了光束斑点的任意点21约一倍焦距的距离处，即20mm，并且沿x光轴距离MEMS反射镜19也是一倍焦距，即20mm。光学元件在透镜的焦平面中的这种布置用于将准直光束转换为聚焦光束，并且反之亦然。MEMS反射镜19沿x维度设置，x维度即来自分束器5的光束分离的维度，并且MEMS反射镜19被配置成在y维度上切换。然而，在其它实施例中，可以采用不同的切换配置，其中公共端光纤3和插/分光纤9采用其它排列方式设置。插/分光纤9优选地被布置在具有约250μm间距的线性阵列中。然而，在其它实施例中，其它插/分光纤间距和配置也是可行的。
经分束器5中的每个光楔对的传播将每个光束的偏振态基本上旋转了45°，并且输出光束被在角度上分离成2个正交的偏振光。因此，由于最后的光楔对31，在分束器5的输出端处，第一组8个子光束对被偏振成与第二组8个子光束正交。图3显示了自分束器5输出的光束的示例性的偏振态。如图所示，子光束被成对地输出，并且这些对在x-z平面中以不同的角度输出。由于最后的光楔对31的在角度上分离，第一组8个子光束对沿一个方位偏振(在这个实例中中竖直方向)，而第二组8个子光束对沿正交的方向偏振(在这个实例中为水平方向)，从而确定了2组41和43。
同时参照图1和图3，为了说明两组子光束对41和43之间的偏振的差别，在MEMS反射镜19中的8个反射镜附近插入1/4波板45，并且1/4波板45被定位成用于接收组43的8个子光束对。经1/4波板45的传输与反射(两路)将入射在那些镜上的子光束的偏振变成正交状态。因此，在从MEMS反射镜19返回时，所有子光束具有相同的偏振态。
现在参照图4，其描绘了穿过透镜17并入射在MEMS反射镜19上的16个光束对的射线图。在点21与MEMS反射镜19之间的透镜焦距位置处的透镜17的对称定位提供了光学对称，并且准直16个光束对39中的每一个以便平行入射在各自的MEMS反射镜上。同时，在每个对中的先前被准直的子光束通过透镜被一起聚焦到单个MEMS反射镜上。
依然参照图4，经透镜17传播前(区域1)和经透镜17传播后(区域2)的水平的x维度的光束特性可总结如下：
区域1 区域2
光束对 发散的 准直的
每对中的子光束 准直的 聚焦的
由于对称的原因，这些特征在从MEMS反射镜19反射后的返回途中是等同的。然而，由于1/4波板45的存在，子光束对的组43的偏振态在返回路径上改变了。如下所述，透镜17的对称的轴向定位还具有与控制光束斑点尺寸有关的优点。
如图4所示，在y维度上，透镜17汇聚来自每个公共端光纤3的子光束，使得：这16个光束对构成的每个组都入射在MEMS反射镜19上。这16个光束对构成的四个分开的组入射在反射镜19上；一个组对应于一条公共端光纤3。这四个子光束对中的具体哪一个被耦合到每个插/分端口9的选择，是通过将每个MEMS反射镜设置为4种可能的切换状态中的期望的一种状态实现的。每种切换状态由沿y维度的具体的反射镜倾斜角确定的，其将来自特定的公共端光纤3的入射子光束耦合到相应的插/分光纤9。例如，为了将来自第二公共端光纤的光束引导至第十插/分光纤，第十MEMS反射镜被设置为第二预定倾斜角。入射在第十MEMS反射镜上的剩余3个光束不被耦合到插/分光纤。类似地，在反方向上，为了将来自第三插/分光纤的光束引导到第一公共端光纤，则第三MEMS反射镜被设置为第一预定倾斜角。
在具有不同数目的公共端光纤3的实施例中，切换状态的数目等于公共端光纤的数目。在其它实施例中，每个MEMS反射镜的切换状态的数目大于公共端光纤的数目。在后者的实施例中，一个或多个倾斜角度被确定，使得：在公共端光纤3和特定的插/分光纤9之间不出现耦合。
回到图1，从MEMS反射镜19反射的子光束经透镜17返回。在再次穿过透镜17后，在水平的x维度中，每个子光束对39的子光束被重新准直，并且子光束对39共同地聚焦在一起到焦点47。在y维度中，由16条子光束组成的4个分开的阵列被共同地准直，但每个子光束被编上附加角度，该附加角度由对应的MEMS反射镜的切换状态确定。在光学开关中，焦点47对称地等同于焦点21。在到达点47前，子光束穿过半波板49和第二走离晶体51。半波板49和走离晶体51被定位成接近点47，使得16个子光束对被由透镜17在x维度上充分地聚焦。这种聚焦去除了子光束的空间分离，且半波板49实际上接收由每个垂直地分离的输入光束的八个重叠光束组成的两个组53和55。每个光束组53，55包括与最初的正交的子光束35和37相对应的准直的子光束，并在x维度上被偏移由走离晶体23设定的最始距离。
在经半波板49传输之前，每组中的子光束具有相同的偏振。半波板49被定位成用于仅接收光束组55并将那些子光束的偏振变成正交的方位。这使得走离晶体51能够沿x维度在点47处有效地重新组合两组子光束53，55。走离晶体51优选地拥有与走离晶体23基本相同的特征。然而，在其它实施例中，走离晶体51具有与走离晶体23不同的特征和参数。在进一步的实施例中，光束在返回路径中返回穿过走离晶体23，而不需要走离晶体51。
在经过点47之后，子光束再次沿x维度共同地发散。第二球面透镜57被设置在距离点47约20mm的位置处，且距离第二阵列微透镜(例如59)约20mm。透镜57的焦距约20mm。这种对称的定位使得透镜57沿x维度共同地准直这些子光束，使之具有250μm的光纤间距，同时沿y维度汇聚四组子光束。由于在MEMS反射镜19处沿y维度进行了角度编码，因此指向每个插/分光纤9的四个子光束中仅有一个经微透镜59耦合到插/分光纤。因此，光束在公共端光纤3与插/分光纤9之间的选择性切换可通过设置各自的MEMS反射镜19的倾斜角而方便地地实现。
在开关1的整个传播中，每个光束的光斑尺寸可被仔细控制以减小损耗，并提高设备的空间效率。在经分束器5传播前，微透镜13在点21处将光束限制为沿x维度约140μm、沿y维度约70μm(140μm乘70μm)的椭圆光斑尺寸(半径)。通过高斯光束传播的对称性，在传播穿过球面透镜17(其被置于离光斑21约20mm距离处)后，子光束具有颠倒的椭圆光斑尺寸。MEMS反射镜19离透镜17约20mm，在MEMS反射镜19处颠倒的射束点尺寸约为70μm乘140μm。类似地，在穿过球面透镜17再次传播的过程中，子光束束斑尺寸再次被颠倒，使得：在焦点47处，束斑尺寸再次为约140μm乘70μm。最后，在经球面透镜57传播后，发生最后一次颠倒，确保束斑尺寸在微透镜59处为70μm乘140μm。应该认识到：这些束斑尺寸值仅为示例性的。实际上，例如通过改变微透镜13和59的尺寸、改变光学元件的间隙和使用具有不同焦距的透镜或镜，可以得到不同的束斑尺寸。
应该认识到：开关1可被确定为包括不同数目的公共端光纤3与/或插/分光纤9。增加插/分光纤9的数量要求相应地增加MEMS反射镜19的数量。增加插/分光纤3的数量要求相应地增加每个MEMS反射镜的切换状态的数量。通过使用特殊的分束器5，光楔对的数量也要随着插/分光纤9的数量的增加而成比例地增加。在所示实施例中，四个光楔对将每个输入光束分成16条子光束。具有32条插/分光纤的开关将需要5个光楔对，以选择性地耦合到所有32条光纤。对于分束器5而言，光楔对的数量与插/分光纤数量之间的通常关系为N＝2w，其中w是光楔对的数量，N为分/插光纤的数量。然而，如下面将描述的那样，在光学开关中可以采用其它形式的分束器。
再次参照图1和图2，将会认识到：可以实现无走离晶体23和51的开关1。在这种实施例中，将不会形成正交的子光束35和37或子光束对39，而将仅从分束器5输出16条单个的子光束。光学开关会采用与上述相同的方式操作，但为减少偏振相关损耗，只能更少的偏振控制是可用的。
现在参见图5和6，其描绘了第二实施例光学开关61的平面视图，其是在Zemax光学设计软件中建模的。图5显示了从公共端光纤63到MEMS阵列65的光学通路，而图6显示从MEMS阵列65到插/分光纤67的光学通路。开关61的操作与上述开关1的大体相同，因此将不再重复地详细说明。然而，将以举例的形式描述了具体部件和参数的细节。
开关61包括8条公共端光纤63，其以250μm的间隙安装在光纤V槽阵列中。16条插/分光纤被类似地以250μm的间隙安装在光纤V槽阵列中。来自公共端光纤63和插/分光纤65二者的光束穿过曲率半径为0.333mm的微透镜69，70。主透镜71由S-LAH58型玻璃形成，并且形状为非球面的。与纯球面透镜相比，这些透镜在曲率方面略微更像圆锥形。这种圆锥形状补偿了光学像差。透镜73也由S-LAH58型玻璃形成，并且具有与透镜73相同的非球面形状。两个透镜71和73均具有20mm的焦距。MEMS阵列65包括线性地隔开的16个MEMS反射镜，其间距为250μm。每个反射镜的面积约为240μm乘490μm。每个反射镜可在8个不同的切换状态之间倾斜，用于在8条公共端光纤63之一与16条插/分光纤67之一之间耦合光束。分束器75如上文所述进行工作，且具有5mm的长度。重新组合的走离晶体77的长度也为5mm。
现在将参考图7到9描述开关的模拟性能。所有数据均是针对波长为1530nm的光束进行测量得到的。应该认识到：这些结果取决于所使用的具体参数，并且可以在一定范围内选择可替换的参数和部件实施所述光学开关，以实现相同的主要的切换功能。
参照图7，显示了开关61到每条插/分光纤67的模拟的耦合效率图。所述耦合效率是针对公共端光纤关于光轴z的位置(位移：μm级“位移”)的多个值测量得出的。0位移表示公共端光纤位于光轴z上，而位移0.875则表示公共端光纤被定位在距离该光轴0.875离纤的位置处。针对0，±0.375μm，±0.875μm的位移测量了数据。该效率值忽略了与将每个光束分成16条子光束有关的12dB的信号功率损耗。如图所示，对于所有测量结果，耦合效率均大于95％。
现在参照图8，针对每条插/分光纤67均显示了模拟的偏振相关损耗(PDL)的图。再一次地，这些数据是针对公共端光纤偏离光轴0，±0.375μm，±0.875μm的位移测量取得的结果。PDL数据表示在通过走离晶体77重新组合之前，在两个正交的偏振组分之间测得的光功率的量级差。具体地说，0.08dB的PDL值表示一个偏振分量比正交的偏振分量多承受0.08dB的损耗。
现在参照图9，其显示了针对每条插/分光纤67的模拟的端口隔离度图。这些数据是针对分别偏离光轴0.125μm和0.875μm位移的公共端光纤测量取得的结果。“上光纤”或“下光纤”分别表示是否从阵列中的上面或下面的下一个相邻的邻近光纤产生串扰。端口隔离度表示特定插/分光纤与周围插/分光纤隔离的程度。特别地，它表示由于信号被传送到邻近光纤而在光纤处出现的串扰或干扰的量。
迄今为止，已根据4×16的操作描述了图1的开关。可以对开关1进行配置以在2×8开关的双结构中工作，这会对网络中的双向切换节点有用。图10示例性地图示了实现双体系架构的开关1的横断面视图，其中：来自两个相邻公共端光纤的光束78和79与来自另两个公共端光纤的光束80和81分开处理。这可以通过将一个或多个偏振改变元件32引入到光束78，79，80，81的光学通路中的走离晶体23之后并且第一光楔对25之前的方式实现。
在所示实施例中，偏振改变元件采用两个液晶元件82和83的形式，其中每个液晶元件可电控，以按照预定方式操纵每个光束的相位和偏振。仍参照图10，通过单独地驱动液晶元件82和83，光束78和79的垂直偏振态可被改变为水平方向，而水平偏振态保持不变。类似地，源自光纤80和81的水平偏振分量被改变为垂直方位，而垂直偏振态不变。这导致来自光束78和79的每个子光束都被偏振为具有相同方位，该方位与来自光束80和81的子光束的偏振方位正交。当然，偏振不必被限制为垂直和水平，而可以为任何的相互正交的方位。
第一光楔对25的双折射或慢轴被定向为与光束对78，79或者光束对80，81的子光束平行，并与另一个垂直。更确切地说，在图10中或者垂直或者水平。当经光楔对25传播时，子光束不被分，而是仅根据取决于偏振并且因此取决于入射的公共端光纤3的方向进行简单地转向。由于在分束器5的输出处少了一到光束分步骤，因此仅有8对平行子光束，而不是图3所示的16条。然而，根据发出子光束的特定公共端光纤3，自光楔对25的最初转向将8个子光束对引导到或者第一组8个MEMS反射镜上或者第二组8个MEMS反射镜上。这些子光束对由MEMS反射镜切换、重组和引导到相应的分/插光束。开关1中的其余元件的操作与上文中针对4×16配置做出的说明相同。
由于每个MEMS反射镜被关联到相应的插/分光纤，8条预定的插/分光纤被关联到输入光束78和79，并且另8个预定插/分光纤被关联到输入光束80和81。由于切换是独立的，因此光束78和79的切换独立于光束80和81的切换，从而在开关1内实际上确定了两个分离的2×8开关。相应地，在2×8配置中，独立的切换使得2条公共端光纤用作输入，并且另两条作为输出，从而实现了同时双向切换。因此比4×16配置少了一道光束分的步骤，双2×8配置具有较少的3dB的固有信号功率损耗。
由于液晶元件82和83是可重新配置的，强加的偏振改变可以被动态修改或被打开或关闭。通过采用这种方式，开关1可被配置成用于在单个4×16配置与双2×8配置之间改变。还应该认识到：双开关布置可以按比例改为其它配置和改变公共端光纤与分/插光纤之间的比率。例如，8×16配置可被转换为双4×8配置并且反之亦然。
为了更加灵活，元件82和83可被配置成用于选择性地改变每条光束78、79、80和81的各自偏振态的偏振方位。通过采用这种方式，通过改变元件82和83的驱动信号，可以简单地动态地选择将被用作输入和用作输出的具体的公共端光纤。应该认识到：在其它实施例中，通过诸如2个或多个分开的半波板(其被设置为用于改变每条光束的特定的偏振态的方位)等其它方式，可以提供适合的偏振改变。
其它的实施例和改变的描述
上面已披露了本发明的优选实施例。然而，应该认识到：多播光学开关可采用多种其它方式实现。图11示例性地显示了一个具有2条公共端光纤85和4条插/分光纤86的更普通的实施例。在这个实施例中，公共端光纤85和插/分光纤86均在平面(x-y平面)中按阵列设置，并且MEMS反射镜87也布置在该平面中。图11强调了这里披露的多播开关的核心切换功能性。虽然MEMS反射镜87显示为切换元件，但应该认识到：可以使用其它类型的切换元件。例如，在一个实施例中，具有由可单独寻址的像素构成的一维或多维阵列的硅基液晶(LCOS)设备可用作切换单元。在这个实施例中，子光束被入射在LCOS设备的不同区域上，并且局部像素被电驱动以在子光束间给予相对的相位改变，从而使光束沿特定方向转向。在上述其它实施例中可以采用其它形式的切换元件。分束器88在图11中仅显示为一个方框，它可以具有多种类型，其中一些将在下面描述。
在图1到6的实施例中，光束根据偏振被分束器分成与插/分光纤的数目相对应的多个子光束。这种特定的分束器在偏振多样性方面以及与偏振控制有关的损耗方面具有优点。然而，在其它实施例中，可以使用不同形式的分束器，每个具有其相对的优点和缺点。
参照图12，显示了另一实施例分束器89。分束器89包括多个50∶50分束元件91和反射器93。所示的分束器89被配置以提供具有大致相同功率的4条输出子光束。然而，应该认识到：通过添加或去除分束元件91和反射器93，可以类似地获得更多或更少数目的输出。可选地，参照图13，使用一个或多个分束元件95和反射器97可以组合成多个分束器89，以提供更大数目的输出。应该认识到：通过利用多种形式的分束器(包括图1中所示的分束器5)可以实现诸如图13所示的排列。也应该认识到：诸如透镜和曲面镜等的其它光学元件也可结合到图13中所示类似的布置中，以通过预定方式操纵光束。
适合在当前披露的光学开关中采用的其它实施例包括一个或多个衍射光学元件。这种“衍射分束器”在本领域已知，并且它使用衍射光栅或其它衍射元件以将光束分成多个输出光束。根据衍射结构，输出光束排列成1维或2维阵列。通常，每个输出光束拥有与输入光束相同的偏振、相位和空间特征。
在其它实施例中，光学开关在光学系统中包括一个或多个分接(tap-off)点，用于在系统中的特定位置监控光束功率和其它特性。例如，在一个实施例中，2％光功率反射器被插入光束通路的合适位置处，用于从中分出小的监控信号到光电二极管或其它光探测器。在类似图1的配置中，用于插入分接监视器的适合位置包括但不局限于邻近微透镜的位置。
应该认识到：公共端光纤和插/分光纤的特殊排布是灵活的，并且光纤可被排列成与所示那些配置不同的配置。然而，不同的配置需要在分束和切换过程中进行适合的改变。例如，公共端和插/分光纤阵列可在平行的或正交的维度中排列。在一个可选配置中，公共端光纤和插/分光纤均沿垂直的y维度设置，但沿水平的x维度间隔开预定距离，或沿y维度移位。应该认识到：具体的光纤排列将影响设备的性能，尤其是关于端口隔离度和耦合效率。
在实践中，公共端光纤和插/分光纤可经由光学连接器被可选地耦合到光学开关外部的不同长度的光纤。在一个实施例中，这些连接器可选地将来自光纤外部长度的信号直接地耦合到开关内的公共端和插/分光纤。然而，在其它实施例中，光信号可经由光学连接器从外部光纤直接输入到各自的微透镜。
这里所示的实施例描述采用反射模式的系统，其中：信号反射离开MEMS反射镜。由于系统长度实际减半并且输入位置接近输出，这实现了减小总体设备尺寸的优点。然而，应该认识到：这里描述的多播开关也可以采用传输布局实现，其中：光束传输穿过切换元件，而不是被反射。这种传输切换元件的实例是液晶相位调制器。
尽管上述实施例未提供波长选择性，但这可以通过采用适当的纤维或位于光学开关下游的相干检测系统来提供。光学开关是灵活的并且能够良好地适于允许这种功能被包括进来。如果输入光束包括一个以上的波长信道，则开关将同时地切换所有这些信道至相应的输出端。单个的信道可以随后在开关的下游进行多路解编。这种切换与滤波的分离是有利的，因为它允许开关被整合到具有不同的或柔性的信号方案的网络中。
在一个更进一步的实施例中，光学开关可以与波长滤波器或其它波长选择装备一起制造，以在单个单元中实现切换和波长选择性。
结论
上述光学开关提供了一种节约成本并且不复杂的装置，用于以波长独立和无方向性的方式，在多条公共端光纤与多条插/分光纤之间同时切换光学信号。分束器将光束分成用于耦合到可选择性地倾斜的MEMS反射镜的阵列的子光束。MEMS反射镜选择适合的倾斜位置，用于在预先选择的公共端光纤与插/分光纤之间耦合光束。该开关在操作中为双向的，允许光束从公共端光纤切换到插/分光纤，或从插/分光纤切换到公共端光纤。该开关在切换方面是完全没有方向性的，使得：来自任意公共端光纤的光束可被引导至插/分光纤中的任意一条或全部光纤，并且反之亦然。
该开关的特殊设计允许单个分束器同时分离每个输入光束，并且确保光束的传播主要穿过自由空间并且与波导无关。与经过诸如波导的分散介质不同，在自由空间通路中切换光学信号的能力是有利的，因为能够减少光损耗、分散和与介质有关的其他效应。此外，使用由串联设置的多个分元件组成的单个分束器实现了同时分或重新组合来自所有光纤的光束。这种设计与每条输入光纤均需要单独的分束器的其它已知的多播开关配置相比，具有成本优势。可以通过下述方式实现进一步的成本优势，即：通过单个MEMS反射镜阵列实现用于方向切换的自由空间或无波导的波束分，而不是每条插/分光纤都使用单独的开关，。
本发明的光切换器的实施例包括如下优点：
由于开关的大自由空间设计而获得的低光损耗。
极小的波长依赖性，允许不同的光信道被相同的切换。该开关适用于与单独的波长选择性装置一起实现功能性。这种切换与波长选择的分离在光学系统是有利的，因为其减少了复杂性和改进了系统可靠性。
低制造成本。该开关可以由已知的、成本高效的部件形成。
低制造复杂性，这可以实现设备故障的减少和制造时间减少。
高偏振独立性。每条光束的偏振在整个光学开关中受到精密地控制，从而减小了偏振相关损耗的效应和其它偏振相关效应。
说明
在本说明书中，使用术语“元件”的意思是单个单一部件或部件的集合，这些部件组合起来以实现具体的功能、目的、或与功能或目标相关的集合。
在这个说明书中，使用术语“正交的”指的是在Jones矢量格式或在笛卡尔(Cartesian)坐标系统中，方位相差90°。类似地，提及90°旋转则意味着旋转成正交状态。
在本说明书中，使用术语“偏振态”和“偏振分量”可互换使用，以描述在空间的一点处以及在一具体时刻的电磁波的电场矢量之间的特定关系。特殊地，电磁波的偏振态是由任意正交的电场矢量之间的相位关系确定的。多种偏振态是已知的并且在本领域中被定义，，并且包括线性偏振、圆偏振和椭圆偏振。
在该说明书中使用术语“定向(orientation)”，在偏振的范畴内，通常指特殊偏振态的几何角配置。然而，通过转换，偏振态由电场矢量之间的相位关系确定。因此，术语“定向”的使用也应延伸到其它传统的偏振态，包括椭圆偏振和圆偏振，它们并不是由几何角简单地确定的。
在这个说明书中，使用术语“波导”指的是用于沿一段距离(无论是长距离还是短距离)引导和限制光传播的纵向型结构。波导的实例包括但不局限于光纤。术语“波导”并不意图涉及诸如透镜和反射镜等单独的光操作元件，它们改变光束的特征但并不严格限制那些光束。
说明书中提及的“一个实施例”、“一些实施例”或“某个实施例”意味着结合包括在本公开的至少一个实施例中的一个实施例描述的特定特性、结构或特征。因此，在说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”、“在一些实施例中”或“在某个实施例中”并不一定指的是同一个实施例。此外，通过本公开而对于本领域任何普通技术人员显而易见的那些具体的特性、结构或特征也可以以任意适当的方式合并到一个或多个实施例中。
除非另有所指，本文中使用序号形容词″第一″，″第二″，″第三″等描述的普通物体，仅表示类似对象的不同的实例，并不意图暗示如此描述的对象必须采用给定的顺序，无论是暂时地、空间地、排成队列或以任何其它方式。
在下述权利要求书和描述中，任何一个术语“包括”、“由...组成”或“其包括”均是一个开放性术语，表示至少包括后面所列出的元件/特征，但并不排除其它元件和/或特征。因此，当在权利要求中使用术语“包括”时，其不应被解释为被仅限于后面列出的装置或元件或步骤。例如，“包括A和B的设备”的表述不应被局限为仅包括部件A和B的设备。这里使用的任何一个术语“包含”或“其包含”也是一个开放性术语，它也意味着至少包括该术语后面所列举的元件/特征，但并不排除其它元件/特征。因此，“包括”与“包含”同义。
应该认识到：在上文的本公开的示例性实施例的描述中，本公开的多种特征有时被组合起来一起归入单个实施例、其图或描述中，为使公开物流水线化和有助于理解多个发明方面的一个或多个方面。然而，这种公开的方法并不应被认为权利要求请求保护的技术方案要求比每个权利要求中明确表达的特征更多的特征。而如下述权利要求反映，发明性的方面在于比单个前面公开实施例的所有特性更少。因此，具体实施例部分之后的权利要求的技术方案被清楚地被合并到该说明书中，其中每条权利要求本身代表本公开的单独的实施例。
此外，虽然这里描述的一些实施例包括其它实施例中包含的一些而非其它特性，但不同实施例的特性的组合也应当被包括在本公开的范围内，并且形成不同的实施例，如本领域技术人员可以理解的那样。例如，在下述实施例中，任何要求权利的实施例可采用任何组合方式使用。
在这里提供的描述中，列出了许多具体的细节。然而，应该理解到：本公开物的实施例可在不具有这些具体细节的情况下加以实现。在其它实例中，为了不妨碍对本说明书的理解，未详细显示公知的方法、结构和技术。
类似地，应该注意到：当在权利要求中使用时，术语“耦合”不应被解释为仅限于直接连接。可以使用术语″耦合″和″连接″及其派生词。应该理解：这些术语并不意指彼此的同义词。因此，“耦合到设备B的设备A”这一表述的范围不应局限于其中设备A的输出被直接连接到设备B的输入的设备或系统。这意味着A的输出和B的输入之间存在路径，该路径可以是包括其它设备或装置的路径。“耦合”可意味着：两个或多个元件或者直接物理接触、电接触或光接触；或者两个或多个元件彼此不直接接触，但依然彼此相互配合或相互作用。
因此，虽然已描述了认为本公开的优选实施例，本领域的技术人员将认识到：在不背离本公开物的精神的情况下，可以对其进行进一步的改变，并且意图要求所有这些变化和改变都包括在本公开的范围内。例如，上述任何公式仅表示可以使用的程序。可以从框图增加或删除功能性，并且在功能框中互换操作。可以增加或删除本公开物的范围内描述的方法的步骤。

Claims (41)

1.一种用于在一个或更多个第一端口与两个或更多个第二端口之间切换光束的光学开关，所述开关包括：
独立于波长的分束器，用于将来自每个所述第一端口的所述光束分成多个分离的子光束；和
独立于波长的切换单元，其用于选择性地将每条所述子光束沿各自的预定轨迹引导，使得预定的子光束被耦合在所述第一端口和第二端口之间；
其中，所述分束器和所述切换单元被配置成用于沿不受限于波导的基本自由的空间轨迹引导所述子光束。
2.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述分束器将多条所述光束中的每一条同时分成多条分离的子光束。
3.根据权利要求1所述的光学开关，包括第一偏振操纵元件和第二偏振操纵元件，所述第一偏振操纵元件和第二偏振操纵元件分别用于分离和重组每条所述光束的成分正交的偏振态，使得每种所述偏振态单独地穿过所述分束器和所述切换单元。
4.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述分束器包括一个或更多个偏振光束分离元件。
5.根据权利要求4所述的光学开关，其中所述光束分离元件从包括空间走离晶体、双折射光楔和偏振分束器的组中选择。
6.根据权利要求5所述的光学开关，其中所述分束器包括一对或更多对双折射光楔，所述光楔对被设置成彼此邻近并提供相反的材料双折射效果，使得入射到所述光楔对之一上的光束被分成两条在角度上分离的子光束。
7.根据权利要求6所述的光学开关，其中所述双折射光楔对中的每一个都具有预定的双折射轴线，并且邻近布置的光楔对的所述轴线相对于彼此以45°角相对地定向。
8.根据权利要求7所述的光学开关，其中每个光楔对之后的光楔对为所述子光束提供在更大的角度上的分离。
9.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述切换单元包括与每个所述第二端口对应的一个独立地可切换的元件。
10.根据权利要求9所述的光学开关，其中所述切换单元包括可独立地倾斜的微机电系统(MEMS)反射镜的阵列，该MEMS反射镜阵列具有与每个所述第二端口相对应的一个反射镜。
11.根据权利要求9所述的光学开关，其中所述切换单元包括硅基液晶(LCOS)设备，该硅基液晶设备具有由可独立地寻址的像素构成的二维阵列，所述像素的预先确定的子集被配置成用于操纵子光束至相应的第二端口。
12.根据权利要求10所述的光学开关，其中所述MEMS反射镜可选择性地倾斜进入多种预先选择的切换状态，每种所述切换状态定义了每条所述子光束的轨迹。
13.根据权利要求12所述的光学开关，其中所述切换状态的数量等于所述第一端口的数量，使得每个MEMS反射镜的特定的切换状态确定特定的第一端口，子光束将从该特定的第一端口被耦合到相应的第二端口。
14.根据权利要求10所述的光学开关，其中：所述分束器将每条所述光束分成第一组和第二组在角度上分离的子光束，各组中的每条子光束具有共同的偏振态，并且该偏振态与另一组内的子光束的偏振态正交，正交地偏振的第一组和第二组被引导至所述MEMS阵列的分开的多个反射镜上。
15.根据权利要求14所述的光学开关，包括偏振改变元件，其用于改变所述第一组子光束的偏振态，使得所述第一组和第二组子光束具有相同的偏振态。
16.根据权利要求15所述的光学开关，其中所述偏振改变元件包括位于所述MEMS阵列附近的1/4波板，使得所述第一组子光束在从所述MEMS阵列反射之前和之后穿过所述1/4波板。
17.根据权利要求14所述的光学开关，包括：
第一走离晶体，设置在所述分束器之前或内部，用于空间分离所述光束的正交的偏振分量；和
第二走离晶体，位于所述切换单元下游，用于重组所述正交的偏振分量。
18.根据权利要求17所述的光学开关，其中所述分束器被配置成使所述偏振分量以成对的平行子光束的形式从所述分束器出来，所述成对的平行子光束具有相同的偏振态并形成所述第一组和第二组在角度上分离的子光束。
19.根据权利要求18所述的光学开关，包括半波板，所述半波板被定位在所述第二走离晶体附近并位于所述第二走离晶体上游，以用于将所述子光束的子集的偏振改变为正交状态，从而允许与特定的光束相对应的所有所述子光束进行空间重组。
20.根据权利要求18所述的光学开关，包括第一光焦度元件，该第一光焦度元件被配置成用于准直所述子光束到所述切换单元上。
21.根据权利要求20所述的光学开关，其中所述第一光焦度元件还被配置成用于将所述两个偏振分量都聚焦在单个MEMS反射镜上。
22.根据权利要求20所述的光学开关，还包括第二光焦度元件，该第二光焦度元件用于在将所述子光束耦合到所述第二端口之前准直所述子光束。
23.根据权利要求1所述的光学开关，包括4个第一端口和16个第二端口。
24.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述开关可双向工作，使得在第一工作方向上，光束可以从所述第一端口切换到所述第二端口中的预定的第二端口，并且在第二工作方向上，光束可以从所述第二端口切换到预定的第一端口。
25.根据权利要求24所述的光学开关，其中所述开关可同时地双向工作，使得来自所述第一端口的第一子集的光束被切换到所述第二端口的第一子集，同时来自所述第二端口的第二子集的子光束被切换到所述第一端口的第二子集。
26.根据权利要求25所述的光学开关，包括分离装置，该分离装置用于分离来自所述第一子集和第二子集的光束。
27.根据权利要求26所述的光学开关，其中所述分离装置包括至少一个偏振改变元件，以选择性地改变一条或多条光束的偏振态。
28.根据权利要求27所述的光学开关，其中所述偏振改变元件包括一个或多个液晶相位调制元件，该液晶相位调制元件被配置成用于独立操纵所述光束中的预定的光束。
29.根据权利要求26所述的光学开关，其中所述分离装置是动态地可变的，使得所述光学开关可以在双向工作模式和单向工作模式之间改变。
30.根据权利要求4所述的光学开关，其中：所述子光束的数量和轨迹由偏振光束分离元件的数量确定。
31.一种在一个或更多个第一端口与两个或更多个第二端口之间切换光束的方法，所述方法包括以下步骤：
以独立于波长的方式将所述光束分成多个分离的子光束；
针对每个所述子光束，在所述第一端口中的预定的第一端口与第二端口中的预定的第二端口之间限定通路；和
沿各自的所述通路选择性地引导每条所述子光束，使得被包含在每条所述光束内的信息在各自的所述第一端口和第二端口之间传送；
其中，分束器和切换单元被配置成用于沿对波导无约束的基本自由的空间轨迹引导所述子光束。
32.一种独立于波长的分束器，用于接收输入光束并根据偏振态输出多条在角度上分离的子光束，所述分束器包括：
第一偏振相关分束元件，其用于将入射光束分成具有正交的偏振态的两条对称地在角度上分离的第一级子光束；和
第二偏振相关分束元件，其用于将每条所述正交的子光束进一步分成两条在角度上分离的第二级子光束，从而确定4条在角度上分离的子光束，每条所述第二级子光束具有与其各自起源的第一级子光束正交偏振态。
33.根据权利要求32所述的独立于波长的分束器，还包括第三偏振相关分束元件，该第三偏振相关分束元件将每条所述第二级子光束进一步分成两条在角度上分离的第三级子光束，每条所述第三级子光束具有与其各自起源的第二级子光束正交的偏振态。
34.根据权利要求33所述的独立于波长的分束器，还包括第四偏振相关分束元件，该第四偏振相关分束元件将每条所述第三级子光束进一步分成两条在角度上分离的第四级子光束，每条所述第四级子光束具有与其各自起源的第三级子光束正交的偏振态。
35.根据权利要求34所述的独立于波长的分束器，其被配置成使每条所述第四级子光束具有基本相同的功率。
36.根据权利要求34所述的独立于波长的分束器，其被配置成使所述第四级子光束被输出为两个在角度上分离的组，并且其中一个组中的每条子光束具有与另一组的子光束正交的共同的偏振态。
37.根据权利要求34所述的独立于波长的分束器，其被配置成使每一级子光束被角度地偏转一定角度，该角度取决于前一级子光束入射在各自的光束分上的入射角度。
38.根据权利要求34所述的独立于波长的分束器，其中所述偏振相关分束元件是具有预定双折射轴的双折射光楔对，每个所述光楔对的双折射轴被定向为与前一光楔对成45°角。
39.根据权利要求32所述的独立于波长的分束器，其被配置成用于将多条输入光束根据偏振态同时分成在角度上分离的多条输出子光束。
40.一种光多路复用器，用于以受控的方式将一系列光输入端口映射到一系列光输出端口，所述光多路复用器包括：
一系列输入端口，其用于发出一个或多个光信号；
光焦度分光元件，其用于将每个所述光学信号分成子分量信号；
第一光焦度元件，其用于准直所述子分量信号到方向性元件上，并且用于重新聚焦所述子分量信号；
方向性元件，其用于向所述子分量信号提供可控制的方向性投射，以提供定向的子分量信号；
第二光焦度元件，其用于准直所述定向的子分量信号，以便耦合到所述光输出端口。
41.参照在附图与/或实例中描绘的本发明的实施例中的任一实施例在申请中描述的光学开关、切换光束的方法、独立于波长的分束器、或光多路复用器。
CN201280063023.6A 2011-10-31 2012-10-27 多播光学开关 Expired - Fee Related CN104254797B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161553281P 2011-10-31 2011-10-31
US61/553,281 2011-10-31
PCT/US2012/062334 WO2013066778A2 (en) 2011-10-31 2012-10-27 Multicast optical switch

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104254797A true CN104254797A (zh) 2014-12-31
CN104254797B CN104254797B (zh) 2016-09-21

Family

ID=48193001

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280063023.6A Expired - Fee Related CN104254797B (zh) 2011-10-31 2012-10-27 多播光学开关

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9158072B2 (zh)
CN (1) CN104254797B (zh)
WO (1) WO2013066778A2 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107850736A (zh) * 2015-07-31 2018-03-27 华为技术有限公司 一种光交叉连接器
CN108205174A (zh) * 2016-12-19 2018-06-26 朗美通经营有限责任公司 具有椭圆光束的自由空间多路传送切换器
CN109073898A (zh) * 2016-03-01 2018-12-21 奇跃公司 用于将不同波长的光输入波导的反射开关设备

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9069139B2 (en) * 2011-07-28 2015-06-30 Jds Uniphase Corporation Multicast optical switch
CN103558667B (zh) * 2013-11-19 2016-04-13 武汉光迅科技股份有限公司 一种基于自由空间传输的多播交换光开关
US9998252B2 (en) * 2014-02-21 2018-06-12 Dicon Fiberoptics, Inc. Apparatus and manufacturing method for an integrated multicast switch, for use in reconfigurable optical add-drop networks
US9488787B2 (en) 2014-03-31 2016-11-08 Lumentum Operations Llc Cross-connect switch using 1D arrays of beam steering elements
US9883263B2 (en) 2014-03-31 2018-01-30 Lumentum Operations Llc Free-space multicast switch with elliptical beams
CN107797181B (zh) * 2016-08-31 2020-04-28 华为技术有限公司 光开关矩阵及其控制方法
CN110149165B (zh) 2018-02-13 2021-06-15 华为技术有限公司 一种光交叉连接装置
CN111290084A (zh) * 2020-03-31 2020-06-16 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 多播交换光开关
US11906823B2 (en) * 2021-04-20 2024-02-20 Ii-Vi Delaware, Inc. Reconfigurable port arrays for wavelength selectable switch
US11722236B1 (en) * 2022-04-05 2023-08-08 Ii-Vi Delaware, Inc. Polarization-maintaining wavelength selective switch for free-space optical communication

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1080729A (zh) * 1992-06-23 1994-01-12 菲利浦电子有限公司 对偏振敏感的分束器及制造该分束器和含该分束器的磁光扫描器的方法
CN1259247A (zh) * 1997-04-02 2000-07-05 乔拉姆技术公司 1×n数字可编程光学路由转换器
US20020196494A1 (en) * 2001-03-30 2002-12-26 Mcguire James P. Programmable optical add/drop multiplexer
US20050007285A1 (en) * 2002-01-22 2005-01-13 Jean-Louis Oudar Saturable absorber component and method for production of a saturable absorber component
JP2008139477A (ja) * 2006-11-30 2008-06-19 Fujitsu Ltd 光スイッチ
US20080316585A1 (en) * 2005-09-08 2008-12-25 Xtellus, Inc. Optical Wavelength Selective Router

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6366335B1 (en) * 1993-06-09 2002-04-02 U.S. Philips Corporation Polarization-sensitive beam splitter, method of manufacturing such a beam splitter and magneto-optical scanning device including such a beam splitter
US6049404A (en) * 1997-04-02 2000-04-11 Macro-Vision Communications Inc. N+M digitally programmable optical routing switch
US6275312B1 (en) * 1997-04-02 2001-08-14 Chorum Technologies Lp Optical routing switch
FR2821681B1 (fr) * 2001-03-02 2004-07-09 Teem Photonics Routeurs optiques utilisant des modules d'amplificateur de positions angulaires
US9103991B2 (en) 2005-09-08 2015-08-11 Finisar Corporation Multi-pole optical signal switch
US8165468B2 (en) 2008-01-14 2012-04-24 Tellabs Operations, Inc. Methods and apparatus for performing directionless wavelength addition and subtraction within a ROADM based optical node
US20110164876A1 (en) 2008-10-02 2011-07-07 Enablence USA Components, Inc. Directionless reconfigurable optical add/drop multiplexer

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1080729A (zh) * 1992-06-23 1994-01-12 菲利浦电子有限公司 对偏振敏感的分束器及制造该分束器和含该分束器的磁光扫描器的方法
CN1259247A (zh) * 1997-04-02 2000-07-05 乔拉姆技术公司 1×n数字可编程光学路由转换器
US20020196494A1 (en) * 2001-03-30 2002-12-26 Mcguire James P. Programmable optical add/drop multiplexer
US20050007285A1 (en) * 2002-01-22 2005-01-13 Jean-Louis Oudar Saturable absorber component and method for production of a saturable absorber component
US20080316585A1 (en) * 2005-09-08 2008-12-25 Xtellus, Inc. Optical Wavelength Selective Router
JP2008139477A (ja) * 2006-11-30 2008-06-19 Fujitsu Ltd 光スイッチ

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107850736A (zh) * 2015-07-31 2018-03-27 华为技术有限公司 一种光交叉连接器
CN109073898A (zh) * 2016-03-01 2018-12-21 奇跃公司 用于将不同波长的光输入波导的反射开关设备
US11256095B2 (en) 2016-03-01 2022-02-22 Magic Leap, Inc. Reflective switching device for inputting different wavelengths of light into waveguides
CN108205174A (zh) * 2016-12-19 2018-06-26 朗美通经营有限责任公司 具有椭圆光束的自由空间多路传送切换器

Also Published As

Publication number Publication date
US20140254982A1 (en) 2014-09-11
CN104254797B (zh) 2016-09-21
US9158072B2 (en) 2015-10-13
WO2013066778A2 (en) 2013-05-10
WO2013066778A3 (en) 2015-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104254797A (zh) 多播光学开关
CN1307449C (zh) 重新路由光信号的光学器件、方法和光纤波长开关
US10495819B2 (en) Optical arrangement for managing diversity and isolation between ports in a wavelength selective switch
US7440650B2 (en) Planar lightwave circuit based wavelength selective switch
CN107113080B (zh) 波长无关、方向无关和竞争无关的网络节点以及光传输网络
US8693819B2 (en) Method and system for switching optical channels
CN104808293A (zh) 2x2波长选择开关阵列
CN107430247A (zh) 多点、无竞争波长选择开关(wss)
EP3206065A1 (en) Wavelength selective switch
US11728919B2 (en) Optical communications apparatus and wavelength selection method
WO2016065708A1 (zh) 一种多播交换光开关
WO2017147770A1 (zh) 波长选择开关装置、通信设备和波长切换方法
CN108169858A (zh) 一种多波长选择开关
JP2020514797A (ja) 波長選択スイッチにおける帯域外クロストークを抑制するための光学配置
US6792175B2 (en) Optical crossbar switch
CN108897102B (zh) 一种双波长选择开关
WO2019004510A1 (ko) 복수 유닛의 파장 선택 스위치
WO2017088115A1 (zh) 可重构光分插复用器
JP6630098B2 (ja) 光信号処理装置
US20160025934A1 (en) Dual-Ganged Optical Switch
US9851508B2 (en) Wavelength selective switch for multimode optical systems
KR101832874B1 (ko) 광 교차연결 장치
CN108205174A (zh) 具有椭圆光束的自由空间多路传送切换器
JP2017049458A (ja) 光信号処理装置
JP2010271645A (ja) 波長選択スイッチ

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20160921

Termination date: 20201027

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee