CN107430247A - 多点、无竞争波长选择开关(wss) - Google Patents

多点、无竞争波长选择开关(wss) Download PDF

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Abstract

一种光学装置包括多个光输入端口、多个光输出端口、一波长色散装置和至少一个光束转向装置。多个光输入端口被配置为用来接收各自具有多个波长分量的光束。波长色散装置接收所述光束并且将各个光束在空间上分离成多个波长分量。光束转向装置具有第一区域和第二区域，空间分离的波长分量被引导到第一区域，各个光束的多个波长分量中的任何子集在各个子集中的波长分量被在空间上彼此重新组合之后被选择性地引导到第二区域上。光束转向装置选择性地将多个波长分量中的各个子集引导到光输出端口中不同的一个光输出端口。

Description

多点、无竞争波长选择开关(WSS)
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年2月9日提交的名称为“多点、无竞争波长选择开关(WSS)”的美国临时专利申请号62/113,738的权益，其内容以引入的方式并入本文。
背景技术
在光通信网络中，具有不同波长上的多个光通道(即，信道)的光信号被从一个地点传送到另一个地点，典型地是通过一段光纤传送的。可以找得到各种不同类型的光开关，这些光开关能够实现光信号从一根光纤到另一根的切换。波长选择开关(WSS)能够帮助实现可配置的取决于波长的切换，就是说，它能够使某些波长通道被从第一光纤切换到第二光纤，同时让其它的波长通道在第一光纤中传播，或者它能够使某些波长通道被切换到第三光纤。基于波长选择光切换的光网络架构，由于具有能够自动创建或重新路由不同波长通道的光路的能力，因此具有很多有吸引力的特点。它加速了业务部署，促进了光网络故障点周边的重新路由，并且减少了服务提供商的首次投资和操作费用，同时创建了不会过时的网络拓扑。
不同的开关结构相对于各个波长的分配和路由提供不同程度的灵活性。图1示出了NxM光开关12的功能框图，图示了时而需要的一种路由功能。NxM光开关10具有N个输入端口101，102，103…10N("10")和M个输出端口151，152，153…15M("15")。输入端口10是能够接收包括多个波长或通道的波分复用(WDM)信号的WDM端口。如后面将要解释的，所期望的路由功能有时被称为无竞争路由。
在无竞争路由中，如图1所示，如果将在一个输入端口上接收到的波长λ1的信号1发送到给定的输出端口并且在不同的输入端口上接收到同一波长λ1的信号2(但是携带不同的数据内容)，则可以将信号2发送到除了信号1被发送到的输出端口以外的任何输出端口。换句话说，光开关12能够建立从一个输入端口到一个输出端口的一个波长上的连接，而不会阻止在第二输入端口与第二输出端口之间建立同一波长上的第二连接。
具有图1所示功能的波长选择开关已经得到了论证证明。这样的波长选择开关具有相对少量的输入和输出端口，并且不容易被扩充以提供更多的端口。例如，Neilson等人申请的美国专利公开号2014/0294346示出了一种采用LCOS阵列作为开关元件的WSS。在这一装置中，在一输入端口上接收到的各个WDM信号被成像并且沿着LCOS阵列的独立的行被按照光谱分散开。由于设计的原因，这种WSS需要M个物理上独立的行被部署到LCOS阵列上，才能提供NxM开关的功能，其中M＞N。这对于具有较大数量的端口的装置来说这有些不切实际，因为需要在LCOS阵列的表面上分配的大量空间。
发明内容
按照本发明的一个方面，提供了一种光学装置，它包括多个光输入端口、多个光输出端口、波长色散装置和至少一光束转向装置。所述多个光输入端口被配置为用来接收各自具有多个波长分量的光束。波长色散装置接收所述光束并且将各个光束在空间上分离成多个波长分量。所述光束转向装置具有第一区域和第二区域，所述空间分离的波长分量被引导到所述第一区域，各个光束的多个波长分量中的任何子集在各个子集中的波长分量被在空间上彼此重新组合之后被选择性地引导到所述第二区域上。所述光束转向装置选择性地将所述多个波长分量中的各个子集引导到光输出端口中不同的一个光输出端口。
按照本发明的另一个方面，提供了一种光学装置，它包括多个光输入端口、多个光输出端口、波长色散元件和开关装置。所述多个光输入端口被配置为用来接收各自具有多个波长分量的光束。波长色散元件接收所述光束并且将各个光束在空间上分离成多个波长分量。所述开关装置接收所述光束的波长分量并且选择性地将各个所述光束的多个波长分量的任何子集引导到光输出端口中不同的一个，只要由输入端口中的两个接收的光束的波长分量不能同时被引导到输出端口中的同一个。
附图说明
图1表示波长选择开关的一个例子的功能框图。
图2A和2B分别是诸如多点无竞争波长选择开关这样的简化光学装置的一个实例的俯视图和侧视图。
图3是输入光束被成像于其上的图2A和2B的波长选择开关中采用的第一开关元件的平面图。
图4是非色散光束被成像于其上的图2A和2B的波长选择开关中采用的第二开关元件的平面图。
图5是图2A和2B的光学装置的侧视图，表示在输入端口上接收的波长的各种不同子集被引导到输出端口中各个不同的端口上。
图6是图2A和2B的光学装置的侧视图，图解说明了开关装置不能执行的切换两个波长分量的方式。
图7是仅采用单独一个开关元件的波长选择开关的另一种可供选用的实施例中采用的开关元件的平面图。
图8是图2A和2B的波长选择开关的另一种可供选用的实施例中采用的第一开关元件的平面图。
具体实施方式
图2A和2B分别是可以用来与本发明的实施例相结合的诸如多点无竞争波长选择开关(WSS)100这样的简化光学装置的一个例子的俯视图和侧视图。图2A的俯视图在本文中也称为色散平面图，图2B的侧视图在本文中也称为开关平面图。光通过诸如光纤之类的光波导被输入和输出到WSS 100，光波导起到输入和输出端口的作用。如从图2B中清楚地看出的，输入端口阵列101可以包括分别耦合到准直器102l，1022，1023...102m的多个单体输入光纤1011，1012，1013...10lm。来自一个或多个输入光纤101的光被准直器102转换成自由空间光束。从输入端口阵列101出射的光平行于z轴。虽然在图1B中输入端口阵列101仅示出了四个光纤/准直器对，但是更一般地，可以采用任何适当数量的光纤/准直器对。
在图2A和2B中，两张图中影响两个轴上的光的光学元件都被用实线绘制为双凸面光学器件。另一方面，仅影响一个轴上的光的光学元件在受影响的轴上用实线画出。仅影响一个轴上的光的光学元件在它们不影响的轴上也会用虚线画出。例如，在图2A和2B中，两张图中都用实线绘制了光学元件102，106，109和111。另一方面，光学元件103，104，105，107和110在图1A中用实线绘制(因为它们在色散平面上具有聚焦能力)并且在图1B中用虚线绘制(因为它们在开关平面上保持光束不受影响)。图2B中用实线绘制光学元件108(因为它在开关平面上影响光束)并且在图2A中用虚线绘制(因为它在色散平面上保持光束不受影响)。
从输入端口阵列101射出的光束被引导到准直器102，准直器102是柱面透镜其沿着开关平面上的一个轴准直光束并且使得该光束继续在色散平面上发散。一柱面透镜103接收来自准直器102的光束，并在色散平面上对光束进行准直。透镜103对开关平面上的光束没有显著影响。光束现在在色散平面和开关平面上都得到了准直。
在由柱面透镜103在色散平面上进行准直之后，光束被引导到第一波长色散元件104(例如，衍射光栅或棱镜)，该元件在色散平面上将自由空间光束分离成它们的组成波长分量(或简称“波长”)或信道。由于第一波长色散元件104的构造(例如，光栅的取向)，它对开关平面上的光束没有显著影响。色散后的波长然后被引导到柱面透镜105，该透镜将色散平面的波长聚焦到第一透射开关元件106上。柱面透镜105在开关平面上保持波长不受大的影响。
此时，输入光束在空间上被彼此分离开，但每个光束在开关元件106上得到了色散。这在图3中加以图解说明，图3是输入光束在其上成像的第一开关元件106的平面图，也称为光学足迹图。各个输入光束2021，2022，2023...202m是从输入阵列101中的光纤1011，1012，1013...101m中的一个接收的。如图所示，任何特定的输入光束2021，2022，2023...202n沿着x轴被色散为其组成波长分量，并沿着y轴被与其它输入光束在空间上分离开。
第一开关元件106然后在开关平面上以取决于波长的方式使输入光束转向。第一开关元件所作的切换是与第二开关元件109配合进行的。下面在明确了图2A和2B中所示的光学装置的例子中剩余的光学元件之后，将解释说明执行这一切换所采用的方式。
在通过第一开关元件106转向之后，各个输入光束的部分或全部组成波长分量被柱面透镜107在色散平面上重新进行准直。然后使用第二波长色散元件108(例如，衍射光栅或棱镜)来在色散平面上对光束的经过准直的组成分量进行组合或去色散。柱面透镜107和第二波长色散元件108在开关平面上没有显著影响。
第二开关元件109从色散元件108接收重新组合起来的光束。第二开关元件109上接收各个光束的位置是由第一开关元件106执行的切换来决定的。具体地说，重新组合起来的光束各自被选择性地引导到图2B中所示的位置A，B，C...之一上。图4示出了在不同位置A，B，C...处到达第二开关元件109上的光束2041，2042，2043...204n，这些光束虽然没有被色散，但是在第二开关元件109上被与其它输入光束2041，2042，2043...204n物理上分离开。
柱面透镜110，柱面小透镜阵列111和光纤阵列112以类似的方式与输入光学器件101，102和103形成输出光耦合。特别地，柱面透镜110在开关平面上对光束进行准直，并将光束引导到柱面小透镜阵列111中的柱面透镜1111，1112，1113...111n中的各自相应的一个上。各个柱面透镜1111，1112，1113...111n将其各自的光束引导到输出光纤端口阵列112中的输出端口1121，1122，1123...112n中对应的一个。
如图2B所示，在第二开关元件109上的位置A，B，C...与输出端口1121，1122，1123...112n之间存在一对一的关系。也就是说，被从输入端口中的任何一个引导到比如说第二开关元件109上的位置A的各个波束中的重新组合起来的波长的任何子集将总是被第二开关元件109引导到输出端口中同一个预定的端口。更一般地讲，被由输入端口中的任何一个引导到第二开关元件109上的任何特定位置A，B，C...的各个光束中的重新组合起来的波长的任何子集将总是被第二开关元件109引导到输出端口中与第二开关元件109上的特定位置A，B，C...相对应的同一个预定端口。
在操作中，第一和第二开关元件106和109协同操作，从而使得由任何给定输入端口101接收的光束的波长的任何子集可以被路由到任何给定的输出端口112，只要任何给定的输出端口在任一时刻只能接受来自单独一个输入端口的波长的子集。也就是说，开关元件106和109被布置成使得输出端口受到这样的限制：它们在任何给定时刻仅支持与一个输入端的连接，而不同时支持与多个输入端的连接。将参照图5和6图解说明这一开关行为。
图5表示被引导到各个不同的输出端口的、在输入端口101上接收的波长的各种不同子集。各个输入端口接收包括波长分量λ1－λn的WDM光束。例如，在图5中，由输入端口1011接收到的光束的波长分量λ1和λ5－λ7被引导到输出端口1129，由输入端口1102接收的光束的波长分量λ1被引导到输出端口1121，由输入端口1013接收的光束的波长分量λ1-λn被引导到输出端口1125并且由输入端口101n接收的光束的波长分量λ3-λ4，λ6和λ10-λn被引导到输出端口1127。
与图5相比照，图6表示一种假设且不允许的情形：波长分量被从第一开关元件106路由到第二开关元件109。具体地说，图6中所示的开关行为是不允许的，因为它表明第二开关元件109上的位置D同时从输入端口1011和输入端口1013二者接收波长分量。
第一和第二开关元件106和109可以基于各种不同技术平台中的任何一种。例如，第一和第二开关元件可以例如是诸如可编程光学相位调制器或基于微机电(MEMS)的器件这样的光束转向元件。合适的可编程光学相位调制器的一个例子是液晶附硅(LCoS)器件。基于MEMs的器件的一个例子是数字微镜器件(DMD)。在一些实施例中，第一和第二开关元件106和109基于相同的技术平台或不同的技术平台。例如，在后一种情况下，第一开关元件106可以是可编程光相位调制器，而第二开关元件109可以是基于MEMs的器件。
在一种可供选用的实施例中，采用单独一个开关元件来代替图2-6中所示的两个开关元件。也就是说，图2-6中所示的第一和第二开关元件二者的功能由一个物理开关元件来完成。图7示出了这种组合开关元件301的光学足迹图。色散光束302和非色散光束303被物理上分离开，并且可以以多种方式定向或布局。例如，尽管图4中的色散光束302和非色散光束303沿着水平方向延伸，但是在其它实施例中，它们可以沿着彼此不同的方向延伸(例如，色散光束302可以沿着水平方向延伸，而非色散光束303可以沿着垂直方向延伸)。
在另一可供选用的实现方案中，可以通过使输入端口取向为使空间上分离的输入光束成像到开关元件106上，以致使得输入光束相对于彼此不重合，来减小串扰。在图8中示出了这种情形，图8是与图3的平面图类似的开关元件106的平面图。不过，在图8中，输入光束是沿着x轴交错的，从而使得任何两个不同的输入光束中的相同波长不沿着y轴对齐。
应当注意，这里介绍的光开关可以以互易的方式操作，从而输入端口可以用作输出端口，并且输出端口可以用作输入端口。由此，本文中的术语输入和输出可以交换着使用。

Claims (19)

1.一种光学装置，包括：
多个光输入端口，这些光输入端口被配置为用来接收各自具有多个波长分量的光束；
多个光输出端口；
一波长色散元件，用于接收所述光束并且将各个光束在空间上分离成多个波长分量；和
一开关装置，用于接收所述光束的波长分量并且选择性地将各个所述光束的多个波长分量的任何子集引导到光输出端口中不同的一个，只要由输入端口中的两个接收的光束的波长分量不能同时被引导到输出端口中的同一个。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，由所述开关装置选择性地引导的光束中的第一个的波长分量的子集和由所述开关装置选择性地引导的光束中的第二个的波长分量的子集包括具有相同波长的波长分量。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述开关装置包括至少一个光束转向装置，所述至少一个光束转向装置具有第一区域和第二区域，所述空间分离的波长分量被引导到所述第一区域，被选择性地引导的波长分量的子集在各个子集中的波长分量被在空间上彼此重新组合之后被引导到所述第二区域上。
4.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，所述至少一个光束转向装置包括单独一个光束转向装置，所述第一和第二区域位于所述单独一个光束转向装置上。
5.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，所述光束转向装置包括第一和第二光束转向装置，所述第一区域位于第一光束转向装置上，所述第二区域位于第二光束转向装置上。
6.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，所述波长色散元件在第一平面上对各个光束进行空间分离，并且所述开关装置在与第一平面垂直的第二平面上选择性地引导在空间上接收到的各个光束中的多个波长分量的子集。
7.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，所述至少一个光束转向装置包括可编程光相位调制器。
8.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述第一和第二光束转向装置包括第一和第二可编程光相位调制器。
9.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述第一和第二光束转向装置包括可编程光相位调制器和基于MEMs的器件。
10.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述第一光束转向装置是可编程光相位调制器，第二光束转向装置是基于MEMs的器件。
11.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述开关装置被配置为使波长分量中的选定波长分量在它们被色散成空间分离的波长分量的时候以及它们没有被色散的时候切换。
12.一种光学装置，包括：
多个光输入端口，这些光输入端口被配置为用来接收各自具有多个波长分量的光束；
一波长色散装置，用于接收所述光束并且将各个光束在空间上分离成多个波长分量；和
至少一个光束转向装置，所述至少一个光束转向装置具有第一区域和第二区域，所述空间分离的波长分量被引导到所述第一区域，各个光束的多个波长分量中的任何子集在各个子集中的波长分量被在空间上彼此重新组合之后被选择性地引导到所述第二区域上，所述至少一个光束导向装置选择性地将所述多个波长分量中的各个子集引导到光输出端口中不同的一个光输出端口。
13.根据权利要求12所述的光学装置，其特征在于，所述至少一个光束转向装置包括单独一个可编程光相位调制器，所述第一区域和第二区域位于所述单独一个可编程光相位调制器上。
14.根据权利要求12所述的光学装置，其特征在于，所述至少光束转向装置包括第一和第二可编程光相位调制器，所述第一区域位于第一可编程光相位调制器上，所述第二区域位于第二可编程光相位调制器上。
15.根据权利要求12所述的光学装置，其特征在于，所述第二区域包括多个位置，波长分量的空间上重新组合的子集可以由所述至少一个光束转向装置选择性地引导到所述多个位置上，所述位置中的每一个与光输出端口中不同的一个相关联，从而使得被引导到所述位置当中给定的一个位置的任何子集是由与所述给定位置相关联的光输出端口接收的。
16.根据权利要求15所述的光学装置，其特征在于，所述波长色散元件在第一平面上对各个光束进行空间分离，并且所述至少一个光束转向装置在与第一平面垂直的第二平面上选择性地引导在空间上重新组合的各个光束中的多个波长分量的子集。
17.根据权利要求12所述的光学装置，其特征在于，所述至少光束转向装置包括可编程光相位调制器和基于MEMs的器件，所述第一区域位于所述可编程光相位调制器上，所述第二区域位于所述基于MEMs的器件上。
18.根据权利要求12所述的光学装置，其特征在于，至少两个光束具有位于同一波长上的波长分量。
19.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述开关装置切换波长分量中空间上分离的波长分量和彼此在空间上重新组合起来的波长分量。
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