CN107667492B - 用于采用单个光电二极管的波长选择开关的光信道监测器 - Google Patents

Abstract

监测通过波长选择开关(WSS)路由的WDM光信号的至少一个光波长分量的方法，包括将来自WSS的给定输入端口的光波长分量引导到所选择的输出端口，其具有选定的衰减量。导致选定的衰减量的光波长分量的被拒绝部分被引导到与WSS的另一个输出端口相关联的光学监测器。通过预先校准波长分量的功率电平与被引导到光学监测器的被拒绝部分的功率电平之间的比例来确定光波长分量的功率电平。

Description

用于采用单个光电二极管的波长选择开关的光信道监测器

背景技术

光纤通信系统通常采用波分复用(WDM)，这是一种利用光纤来携带许多光谱分离的独立光信道的技术。在波长域中，光信道以分隔的信道波长为中心，这些信道波长在密集WDM(WDM)系统中通常间隔25,50,100或200GHz。光信道携带的信息内容在有限波段上传播，该有限波段通常比信道之间的间隔窄。

光信道监测越来越多地被光纤系统的电信运营商和多重服务运营商所采用。随着光网络的流量增加，网络的监测和管理成为越来越重要的问题。为了监测网络，必须确定和分析网络中特定点处复合信号的光谱特性。然后，这些信息可以用来优化网络的性能。光信道监测对于使用可重新配置和自我管理的光纤网络的现代光网络尤其重要。

例如，可重新配置的光分插复用器(ROADM)和光交叉连接器均需要光信道监测器，这些ROADM和光交叉连接器用于在各个波长信道沿网络传输时操纵各个波长信道。ROADM允许对在沿网络的中间节点处要添加或删除的波长信道进行动态的和可重新配置的选择。例如，在ROADM中，光信道监测器可以提供传入信道的清单以及输出信道的清单，并向可变光衰减器(VOA)控制电子设备提供信道功率信息，使得添加的信道的功率可以与通道信道均衡。

一种类型的光信道监测器采用波长选择开关(WSS)，WSS是一种被配置为以每波长信道为基础执行光开关的一种开关，并且通常能够将传入光纤处的任何波长信道切换到任何期望的输出光纤。因此，1×N型WSS可以将沿着传入光纤传播的WDM输入信号的任何波长信道切换到耦合至WSS的N个输出光纤中的任一个。

美国申请序列号[案件号码2062/16]示出了一种集成到WSS中的OCM。提供了一系列光电二极管，每个光电二极管从OCM输出端口中的一个接收光波长。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种监测WDM光信号的至少一个光波长分量的方法，该WDM光信号通过波长选择开关(WSS)被路由。根据该方法，从第一多个相位模式当中选择将通过SLM产生的第一相位模式。第一多个相位模式当中的每个相位模式(i)将第一光波长分量从WSS的第一输入端口引导到选择的输出端口，并且(ii)使得第一波长分量经历第一选定衰减量。第一相位模式被进一步选择，以使第一光波长分量的第一被拒绝部分产生第一选定衰减量，以使得第一选定衰减量被引导到与WSS的另一个输出端口相关联的光学监测器。SLM的第一部分周期性地被以第一相位模式编程。第一光波长分量被引导到SLM的第一部分，而SLM的第一部分周期性地以第一相位模式被配置。

根据本发明的另一方面，提供一种光学装置，其包括光端口阵列、光电探测器、色散元件、聚焦元件、可编程光相位调制器和处理器。光端口阵列具有用于接收光束的至少一个光输入端口和多个光输出端口。光电探测器光耦合到至少一个光输出端口的第一光输出端口。色散元件从至少一个光输入端口接收光束，并且将光束在空间上分离成多个波长分量。聚焦元件聚焦该多个波长分量。可编程光相位调制器接收聚焦的多个波长分量。该调制器被配置为将波长分量转向到所选择的一个光输出端口。该光学装置还包括非暂时性计算机可读存储介质，其包括指令，当执行该指令时，控制处理器被配置为，使用第一相位模式对可编程光相位调制器的第一部分进行编程。第一相位模式由处理器从第一多个相位模式中被选择出，其(i)将第一多个光波长分量从第一光输入端口引导到所选择的输出端口，并且(ii)使得第一波长分量经历第一选定衰减量。第一相位模式被进一步选择，以使第一光波长分量的第一被拒绝部分产生第一选定量的衰减并被引导到第一光输出端口。

附图的简要说明

图1示出了包括集成的信道监测器的波长选择开关(WSS)的一个示例的功能框图。

图2示出了可以在LCoS设备的区域沿y轴产生的周期性的阶梯式相移图的一个示例。

图3示出了可以用于通过WSS在其输入和输出端口之间路由WDM光信号的波长分量λ1，λ2，λ3和λ4的序列的一个示例。

图4A和4B分别是结合本发明的实施例可使用的例如自由空间开关的简化光学装置的一个示例的俯视图和侧视图。

图5是结合本发明的实施例可使用的诸如自由空间开关的简化光学装置的另一个示例的侧视图。

具体实施方式

图1示出了包括集成的信道监测器的波长选择开关(WSS)100的一个示例的功能框图。为了说明的简要性，WSS 100被描述为一个Nx2开关，具有N个输入端口1101,1102,1103,…110n(“110”)和两个输出端口120和130。在其他实施中，WSS可以具有多于两个的输出端口。

交换纤维140在控制器或处理器150的控制下操作，以将输入端口110光耦合到输出端口120和130，从而在任何输入端口110处接收到的WDM光信号的各个波长分量或信道可以在开关控制器150的控制下被选择性地引导到输出端口120和130中的任一个。

如图1进一步所示，输出端口130终止于诸如光电二极管的光电探测器135。如下所述，光电探测器135可以用作光信道监测器，以测量从任何输入端口110引导到输出端口120的光束的功率电平以及可能的其它信号质量参数。如果一个以上的输出端口(除了用于OCM的输出端口130之外)被提供，则光电探测器135可以用于测量从任何输入端口110引导到任何输出端口的光束的功率电平和可能的其他信号质量参数。

交换纤维140可以包含可用作光路转换系统的空间光调制器(SLM)。空间光调制器(SLM)由光学元件(像素)阵列组成，其中每个像素独立地作为光学“阀”起作用，以调整或调制光强度。光信号沿着光谱轴或方向分散到阵列上，从而信号中的各个信道分布在多个光学元件上。可以通过激活所选数量的光学元件来选择性地衰减或阻挡每个波长分量或信道或者一组波长分量或信道，从而入射在那些所选择的光学元件上的部分信道被引导远离返回路径。

WSS设备通常依赖于空间光调制器，例如硅基液晶(LCoS)设备或微机电(MEMS)镜阵列来执行输入和输出端口之间的路由。仅为了说明的目的而非对本文所描述的主题的限制，将描述采用LCoS设备作为空间光调制器的WSS。

LcoS设备包括夹在具有透明电极的透明玻璃层被分成可单独寻址的像素的二维阵列的硅衬底之间的液晶材料。每个像素通过电压信号可单独被驱动，以向光信号提供局部相位变化，从而提供相位操作区域的二维阵列。一旦光信号已被诸如衍射光栅之类的衍射元件空间分离，则可能对各个光谱分量进行操纵。光谱分量的空间分离被引导到LCoS设备的预定区域上，可以通过以预定方式驱动相应的像素来独立地操纵光谱分量。

诸如LcoS设备的可编程光相位调制器在以编程方式确定的像素阵列中的给定像素位置处产生相移。这种调制器可以以多种方式被使用，形成虚拟透镜、棱镜或倾斜镜等。由于LcoS设备的厚度和驱动性有限，所以在任何给定位置可以实现的总相位是有限的。通过应用类似于通过将透镜的表面功率压缩成平面来形成菲涅尔透镜的分割技术，可以在LcoS设备中避免这种限制。具体地说，在感兴趣的波长处期望的总相移通常为2π模。结果相位则总是小于2π。不幸的是，这种分割技术引入了在未分割模式不会产生光散射的方向上光散射的产生。这种散射光是LCoS WSS中串扰自然较高的一个原因。

参照图2，示出了可以在LCoS设备21的区域沿y轴产生的周期性的阶梯式相移图39的一个示例。这种周期性的阶梯式相移图39产生累积相位图37。通过以预定电压驱动每个像素19来提供期望的相位变化产生这种累积相位图37。由于电压和相位之间存在直接关系，以及相位和转向角之间的直接关系，因此可以产生将所需的电压驱动信号与期望的转向角相关联的查找表等。利用相位的周期性来降低所需的驱动电压。因此，周期性的阶梯式电压信号将产生周期性的阶梯式相移图39，接着产生累积相位图37，其中相位复位41以2π弧度的倍数出现。当作用于入射波长分量时，相位图37产生与θ成比例或者相等的转向角。因此，通过适当地调整周期性的阶梯式相移图，可以将波长分量选择性地导向到目标光纤上。

当将光束(例如，光波长分量)从特定输入端口引导到特定输出端口时，光束可以通过期望的衰减度进行衰减，例如，通过引导光束使其不完全与输出端口重叠。期望的衰减度可以通过适当调整施加到LCoS的相位模式来实现，从而使得仅一部分光束耦合到输出端口。

赋予光束的期望的衰减量可以通过各种不同的相位模式来实现。将不同相位模式应用于波束入射的LCoS的部分将导致被拒绝的光(即，未导向所选择的输出端口的部分光束)被引导到不同的方向。

再次参照图1，实线160表示以期望的光衰减量从所选择的输入端口110n导向至所选择的输出端口120的光束。同样，实线162表示产生衰减的被拒绝的光。图1中所示的虚线表示由LCoS从其它输入端口110引导到期望的输出端口120的光产生的非期望的串扰。以相同的所需衰减量引导光束的各种相位模式可能引起不同量的串扰。因此，通常期望选择一种减少该串扰以保持端口隔离的相位模式。

当选择由LCoS或其他SLM产生的合适的相位模式，以在选择的一对端口之间引导光束的同时产生所需的衰减量时，可以通过引导被拒绝的光远离任何端口而使其丢失。这在图1中通过被拒绝的光162示出。或者，可以选择将由LCoS产生的相位模式，该相位模式将光束的被拒绝部分中的至少一些引导到配备有光电探测器135的输出端130。光束的被拒绝部分与在所选择的一对输入和输出端口之间被引导的光束的剩余部分的比率对于特定的LCoS相位模式将是相同的。因此，由光电探测器135测量的光量与路由到所选择的输出端口的光量成比例。路由到所选择的输出端口的实际光量可以通过适当的校准来确定，这可以通过测量输入光束的光功率和对于所选择的相位模式下由所选择的输出端口与光电探测器接收的光功率来实现。

通过采用上述校准过程，在任何所选择的一对端口之间引导的具有期望的衰减量(对应于特定LCoS相位模式)的光量可以被光电探测器135监测到。从输入端口被引导到具有所选择的衰减度的输出端口的每个波长可以以这种方式依次被监测，即通过选择一个产生选择的衰减度的LCoS相位模式同时将被拒绝的光引导至光电探测器135。

通过WSS路由的各个波长分量可以以各种不同的方式被光电探测器135监测。图3示出了可以结合图1的WSS 100使用的序列的一个示例。具体地，图3示出了以时间为函数的WDM光信号的波长分量λ1，λ2，λ3和λ4，该WDM光信号通过WSS在其输入和输出端口之间被路由。

在图3中，以箭头终止的水平线各表示一段时间，在该时间段内相应的波长分量通过WSS以选定的衰减量被路由。实线表示对应波长的被拒绝的光直接丢失的时间段。也就是说，实线表示由于被拒绝的光没有被引导到光电探测器135而相应的波长分量没有被监测的时间段。另一方面，虚线表示由于被拒绝的光被引导到光电探测器135，而相应的波长分量被监测的时间段。

如图3所示，来自不同波长分量的被拒绝的光被依次路由到光电探测器，从而能够以周期性的基准来监测各种波长分量。如图所示，在该特定实施中，给定波长分量被监测的时间量远小于其未被监测的时间量。以这种方式，该系统能够更好地监测通过WSS路由的所有波长分量。当然，耗费在监测和不监测给定波长分量的时间的比例可能因应用而异。此外，在各种实施中，波长分量被监测的时间量可以因波长分量的不同而不同，并且可以对于一个或多个波长分量随着时间的变化而改变。

对于许多应用而言，专门配备配有用于同时监测波长分量的光电探测器的多个端口可能成本高昂。因此，在此示出的装置的一个优点是，配备有单个光电探测器的单个端口可用于监测多个波长分量。

对波长选择开关的说明

将参照图4-5描述可集成有上述类型的光信道监测器的波长选择开关的一个示例。关于该光开关的附加细节可以参见在审的美国专利申请序列号[案件号码2062/17]，标题为“采用LcoS设备并降低串扰的波长选择开关”，其全部内容通过引用包含于此以资参考。

图4A和4B分别是可以结合本发明的实施例使用的简化的光学装置(例如自由空间WSS 100)的一个示例的俯视图和侧视图。光通过诸如用作输入和输出端口的光纤的光波导被输入到WSS 100并输出。如图4B所示，光纤准直器阵列101可以包括分别耦合到准直器1021,1022和1023的多个独立光纤1201,1202和1203。来自一个或多个光纤120的光由准直器102转换成自由空间光束。从端口阵列101出射的光平行于z轴。虽然在图4B中端口阵列101仅示出了三对光纤/准直器对，但更通常地，可以使用任何合适数量的光纤/准直器对。

一对望远镜或光束扩张器放大来自端口阵列101的自由空间光束。第一望远镜或光束扩张器由光学元件106和107形成，第二望远镜或光束扩张器由光学元件104和105形成。

在图4A和4B中，以实线示出了影响两个轴上的光的光学元件，该光学元件在两图中都为双凸透镜。另一方面，以实线示出了仅影响一个轴上的光的光学元件，该光学元件在受影响的轴上为平凸透镜。仅影响一个轴上的光的光学元件也在它们不影响的轴线上用虚线示出。例如，在图4A和4B中，均使用实线描绘了光学元件102、108、109和110。另一方面，光学元件106和107在图4A中使用实线描绘(因为它们具有沿y轴的聚焦能力)，在图4B中则使用虚线描绘(因为它们使光束沿x轴不受影响)。光学元件104和105在图4B中使用实线描绘(因为它们具有沿x轴的聚焦能力)，在图4A中则使用虚线描绘(因为它们使光束沿y轴不受影响)。

可以针对x和y方向创建具有不同放大系数的各个望远镜。例如，由在x方向上放大光的光学元件104和105形成的望远镜的放大率可能小于由在y方向上放大光的光学元件106和107形成的望远镜的放大率。

这对望远镜放大来自端口阵列101的光束，并将它们光耦合到波长色散元件108(例如，衍射光栅或棱镜)，其将自由空间光束分离成其构成波长或信道。波长色散元件108用于根据光的波长将光沿不同方向色散在x-y平面上。来自色散元件的光被引导到光束聚焦光学元件109。

光束聚焦光学元件109将来自波长色散元件108的波长分量耦合到光路转换系统。在该示例中，光路转换系统是可编程的光学相位调制器，其可以是，例如基于液晶的相位调制器，比如LcoS设备110。波长分量沿着x轴色散，这被称为作为波长色散的方向或轴。因此，给定波长的每个波长分量聚焦在沿y方向延伸的像素阵列上。

如图4B所示，在从LcoS设备110反射之后，每个波长分量可以通过光束聚焦光学元件109、波长色散元件108以及光学元件106和107耦合到端口阵列101中的选定光纤。如在上述共同在审的美国申请中所详细讨论的，对y轴中的像素的适当操纵允许每个波长分量选择性独立转向到所选择的输出光纤。

在一个特定实施例中，LCoS 110围绕x轴倾斜，从而其不再位于xy平面中，因此不再与光从端口阵列101传播的z轴正交。换句话说，在z轴和调制器的垂直于波长色散轴的平面中的方向之间形成偏斜角。这样的实施例在图5中示出。图5是与图4B所示的侧视图相似的侧视图。在图5、图4A和4B中，相同的元件由相同的附图标记表示。通过以这种方式倾斜LOCS 110，可以减少散射光产生的串扰。

虽然在图4-图5所示的特定的波长选择开关中采用的光路转换系统是基于可编程的光相位调制器(例如，LcoS设备)，更通常地，可以采用其他技术，包括例如基于MEM的设备，比如DMD。

如图1所示的控制器150，可以以硬件、软件、固件或其任何组合来实现。例如，控制器可以采用一个或多个处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、离散逻辑或其任何组合。当控制器部分地以软件实现时，设备可以将软件的计算机可执行指令存储在适当的、非暂时计算机可读存储介质中，并且可以使用一个或多个处理器执行硬件中的该指令从而执行本公开的技术。

Claims (25)

1.一种监测WDM光信号的至少一个光波长分量的方法，所述WDM光信号通过波长选择开关(WSS)被路由，包括：

从第一多个相位模式当中，选择将由空间光调制器SLM产生的第一相位模式，所述第一多个相位模式(i)将第一光波长分量从WSS的第一输入端口引导到所选择的输出端口，以及(ii)使得第一光波长分量经历第一选定衰减量，所述第一相位模式被进一步选择，以使所述第一光波长分量的第一被拒绝部分产生所述第一选定衰减量，以被引导到与WSS的另一个输出端口相关联的光学监测器；

使用第一相位模式周期性地对SLM的第一部分进行编程；和

将所述第一光波长分量引导到SLM的第一部分，同时SLM的第一部分周期性地配置有第一相位模式。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

从第二多个相位模式当中，选择将由SLM产生的第二相位模式，所述第二多个相位模式(i)将至少第二光波长分量从WSS的第一输入端口引导到第二选择的输出端口，以及(ii)使得所述第二光波长分量经历第二选定衰减量，所述第二相位模式被进一步选择以使得所述第二光波长分量的第二被拒绝部分产生所述第二选定衰减量，以被引导远离所述光学监测器；

使用第二相位模式周期性地编程SLM的第二部分；和

将所述第二光波长分量引导到SLM的第二部分，同时SLM的第二部分配置有第二相位模式，并且SLM的第一部分配置有第一相位模式。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

从所述第一多个相位模式当中，选择将由所述SLM产生的第三相位模式，所述第三相位模式被进一步选择以使得所述第一光波长分量的所述第一被拒绝部分被引导远离所述光学监测器；

使用第三相位模式周期性地对SLM的第一部分进行编程；和

将所述第一光波长分量引导到SLM的第一部分，同时SLM的所述第一部分周期性地配置有第三相位模式。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括，周期性地将所述第一光波长分量引导到SLM的第一部分，同时在第一相位模式和第三相位模式之间交替SLM的配置。

5.根据权利要求2所述的方法，还包括：

从所述第一多个相位模式当中，选择将由所述SLM产生的第三相位模式，所述第三相位模式被进一步选择，以使得所述第一光波长分量的所述第一被拒绝部分被引导远离所述光学监测器；

使用第三相位模式周期性地对SLM的第一部分进行编程；和

将所述第一光波长分量引导到SLM的第一部分，同时SLM的第一部分周期性地配置有第三相位模式。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

从所述第二多个相位模式当中，选择将由所述SLM产生的第四相位模式，所述第四相位模式被进一步选择，以使得所述第二光波长分量的第二被拒绝部分产生第二选定的衰减量，并被引导到光学监测器；

使用第四相位模式周期性地对SLM的第二部分进行编程；和

将所述第二光波长分量引导到SLM的第二部分，同时SLM周期性地配置有第四相位模式。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

将所述第一光波长分量周期性地引导到配置有第一相位模式的SLM的第一部分，同时周期性交替地将第二光波长分量引导到配置有第四相位模式的SLM的第二部分，从而在光学监测第一光波长分量和第二光波长分量之间交替。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括，测量被引导到所述光学监测器的所述第一光波长分量的所述第一被拒绝部分的功率电平。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括，基于所测量的所述第一光波长分量的所述第一被拒绝部分的功率电平，来确定由所述选择的输出端口接收的所述第一光波长分量的功率电平。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述功率电平的确定包括，预先校准从所述选择的输出端口接收的所述第一光波长分量的功率电平与被引导至所述光学监测器的所述第一被拒绝部分的功率电平之间的比例。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括，使用另一相位模式周期性地对所述SLM的第一部分进行编程，所述另一相位模式使所述WDM光信号的所有光波长分量远离所述光学监测器。

12.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少第二光波长分量包括除了所述第一光波长分量之外的WDM光信号的所有光波长分量。

13.一种光学装置，包括：

光端口阵列，其具有用于接收光束的至少一个光输入端口和多个光输出端口；

光电探测器，其光学耦合到所述至少一个光输出端口的第一光输出端口；

色散元件，其接收来自所述至少一个光输入端口的光束，并在空间上将所述光束分离成多个光波长分量；

聚焦元件，用于聚焦所述多个光波长分量；

可编程光相位调制器，用于接收聚焦的多个光波长分量，所述调制器被配置为将所述多个光波长分量转向到所选择的所述至少一个光输出端口当中的一个；

一个或多个处理器；

非暂时计算机可读存储介质，其包括指令，当该指令被执行时，控制所述一个或多个处理器，使其配置为：

使用第一相位模式对可编程光相位调制器的第一部分进行编程，所述第一相位模式由所述处理器从第一多个相位模式中选择出，所述第一多个相位模式(i)将多个光波长分量当中的第一光波长分量从所述至少一个光输入端口当中的第一光输入端口引导到所选择的输出端口，并且(ii)使得所述第一光波长分量经历第一选定衰减量，所述第一相位模式被进一步选择，以使得第一光波长分量的第一被拒绝部分产生第一选定衰减量并被引导到第一光输出端口。

14.根据权利要求13所述的光学装置，其中，所述可编程光学相位调制器包括基于液晶的相位调制器。

15.根据权利要求14所述的光学装置，其中，所述基于液晶的相位调制器是LcoS设备。

16.根据权利要求13所述的光学装置，其中，所述色散元件从由衍射光栅和棱镜组成的组合中选择出。

17.根据权利要求13所述的光学装置，还包括：光学系统，用于放大从光端口阵列接收的光束并将放大的光束引导到色散元件。

18.根据权利要求17所述的光学装置，其中，所述光学系统具有第一方向上的第一放大系数和与所述第一方向正交的第二方向上的第二放大系数，所述第一放大系数与所述第二放大系数不同。

19.根据权利要求18所述的光学装置，其中，所述第一方向平行于波长色散轴，光束沿着所述波长色散轴在空间上分离，所述第一放大系数小于所述第二放大系数。

20.根据权利要求13所述的光学装置，其中，所述非暂时计算机可读存储介质还包括指令，所述指令在被执行时控制所述一个或多个处理器，使其被配置为测量引导至光学监测器的第一光波长分量的所述第一被拒绝部分的功率电平。

21.根据权利要求20所述的光学装置，其中，所述非暂时计算机可读存储介质还包括指令，所述指令在被执行时控制所述一个或多个处理器，使其被配置为，基于测量的第一光波长分量的第一被拒绝部分的功率电平来确定通过选择的输出端口接收的第一光波长分量的功率电平。

22.根据权利要求21所述的光学装置，其中，所述功率电平的确定包括，预先校准从所选择的输出端口接收的所述第一光波长分量的功率电平与引导至光学监测器的所述第一被拒绝部分的功率电平之间的比例。

23.一种监测通过波长选择开关(WSS)路由的WDM光信号的至少一个光波长分量的方法，包括：

将至少一个光波长分量从所述WSS的给定输入端口经过选定衰减量后引导到选择的输出端口；和

将产生所述选定衰减量的至少一个光波长分量的被拒绝部分引导到与所述WSS的另一个输出端口相关联的光学监测器；和

通过预先校准所述至少一个光波长分量的功率电平与被引导到所述光学监测器的被拒绝部分的功率电平之间的比例来确定所述至少一个光波长分量的功率电平。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，将所述至少一个光波长分量引导到选择的输出端口还包括，将所述至少一个光波长分量引导到空间光调制器(SLM)，并且使用相位模式对所述SLM进行编程，从而将所述至少一个光波长分量引导到所述选择的输出端口。

25.根据权利要求24所述的方法，还包括，从多个相位模式当中，选择产生所述选定衰减量的所述相位模式，使得所述被拒绝部分被引导到所述光学监测器，而不是其它位置。