CN108205174A - 具有椭圆光束的自由空间多路传送切换器 - Google Patents

具有椭圆光束的自由空间多路传送切换器 Download PDF

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Abstract

一种自由空间MCS，可以包括用于发射光束的输入端口、N个输出端口、用于将光束分离成N个部分的分束器、以及包括在阵列方向上排列的N个偏转器的偏转器阵列。每一个偏转器具有有效区域，其在阵列方向中具有一尺寸，该尺寸匹配入射在其上的所述N个部分的一部分在阵列方向中的尺寸。自由空间MCS可以包括第一光束成形光学器件，以在分束器处形成具有基本上垂直于切换方向的长轴的第一椭圆光斑，以及角度偏移元件，以引导来自分束器的N个部分中的每一部分至N个偏转器中的不同偏转器。N个部分中的每一部分在所述偏转器处可以具有第二椭圆光斑，其具有基本上平行于所述切换方向的长轴。

Description

具有椭圆光束的自由空间多路传送切换器
技术领域
本公开涉及多路传送切换器(MCS)，并且更具体地涉及自由空间MCS，其使用椭圆光束以便允许减小自由空间MCS的切换核心内的元件的尺寸，和/或减小自由空间MCS的整体尺寸。
背景技术
在光学通信网络中，利用数字信息调制光信号，并在一定长度的光纤上从源位置向目的地位置传送光信号。多路传送光切换器(在此称为多路传送切换器(MCS))允许来自单个光纤的光信号(例如，包括一个或多个波长信道)同时被切换到多个光纤。在一些情况下，MCS可以允许来自多个输入光纤的多个光信号被切换到多个输出光纤，使得多个输入光纤中的任一个中的光信号可以被多路传送到多个输出光纤的非重叠的子集中。
发明内容
根据一些可能的实施例，自由空间多路传送切换器(MCS)可以包括：输入端口阵列，其包括用于发射光束的输入端口；输出端口阵列，其包括N(N>1)个输出端口；分束器，其光学地设置在所述输入端口阵列和所述输出端口阵列之间，所述分束器将所述光束在分离方向上分离为至少N个部分；偏转器阵列，其光学地设置在所述分束器和所述输出端口阵列之间，其中，所述偏转器阵列包括沿阵列方向排列的N个偏转器，并且其中，所述N个偏转器中的每一个偏转器具有切换方向，所述切换方向基本上垂直于所述分离方向，并且，其中，所述N个偏转器中的每一个具有有效区域，所述有效区域在所述阵列方向中具有一尺寸，该尺寸匹配入射在其上的所述N个部分中的一部分在阵列方向中的尺寸；第一光束成形光学器件，其光学地设置在所述输入端口阵列和所述分束器之间；以及第二光束成形光学器件，其光学地设置在所述输出端口阵列和所述偏转器阵列之间，其中，所述第一光束成形光学器件可以成形所述光束，并在所述分束器处形成第一椭圆光斑，其中，所述第一椭圆光斑的长轴可以基本上垂直于所述切换方向；以及角度偏移(ATO)元件，其光学地设置在所述分束器和所述偏转器阵列之间，其中，所述分束器和所述偏转器阵列可以各自被布置，以使得所述ATO元件将来自所述分束器的光束的至少N个部分中的每一部分引导至所述N个偏转器中的不同偏转器，其中，在所述偏转器处，所述至少N个部分的每一部分可以具有第二椭圆光斑，所述第二椭圆光斑具有基本上平行于所述切换方向的长轴。
根据一些可能的实施例，自由空间多路传送切换器(MCS)可以包括：输入端口阵列，所述输入端口阵列的每一个输入端口用于发射光束；输出端口阵列，其包括N(N>1)个输出端口；分束器，其光学地设置在所述输入端口阵列和所述输出端口阵列之间，用于将所述光束中的每一个光束在分离方向上分离成至少N个部分；偏转器阵列，其光学地设置在所述分束器和所述输出端口阵列之间，其中，所述偏转器阵列可以包括N个偏转器，其中，所述N个偏转器中的每一个可以在垂直于所述分离方向的切换方向上偏转光，其中，所述N个偏转器中的每一个可以接收来自每一个光束的N个部分中的一个，并且将选定部分耦合至所述输出端口阵列的输出端口，并且其中，所述N个偏转器中的每一个可以具有有效区域，其尺寸匹配入射在其上的所述N个部分的尺寸；第一光束成形光学器件，其光学地设置在所述输入端口阵列和所述分束器之间，以在所述分束器处沿分离方向将所述光束形状转变为椭圆形；角度偏移光学器件，其光学地设置在所述分束器和所述偏转器阵列之间，以在所述偏转器阵列处沿所述分离方向将所述N个部分的形状转变为椭圆形；以及，第二光束成形光学器件，其光学布置在所述偏转器阵列和所述输出端口阵列之间，以在所述输出端口阵列处将所选定的部分的形状转变为圆形。
根据一些实施例，一种自由空间多路传送切换器(MCS)可以包括：输入端口阵列，其包括用于发射光束的输入端口；第一光束成形光学器件，其成形所述光束，并在所述分束器处的第一椭圆光斑，其中所述第一椭圆光斑可以具有第一椭圆率，所述第一椭圆率是所述第一椭圆光斑的第一轴线的长度与所述第一椭圆光斑的第二轴线的长度的比率，其中所述第一椭圆光斑的第一轴线可以基本上平行于所述分束器的分离方向，其中所述第一椭圆光斑的第二轴线可以基本上垂直于所述分束器的分离方向，其中所述第一椭圆光斑的第一轴线的长度可以至少比所述第一椭圆光斑的第二轴线的长度大四倍；所述分束器在所述分离方向上将所述光束分离为N(N>1)个部分；角度偏移(ATO)元件，其形成在偏转器阵列的N个不同的偏转器处的与所述N个部分中的每一部分对应的N个第二椭圆光斑，其中所述N个第二椭圆光斑中的每一个具有第二椭圆率，所述第二椭圆率是所述第二椭圆光斑的第一轴线的长度与所述第二椭圆光斑的第二轴线的长度的比率，其中所述第二椭圆光斑的第一轴线基本上垂直于所述偏转器阵列的切换方向，其中所述偏转方向基本上垂直于所述分离方向，其中所述第二椭圆光斑的第二轴线基本上平行于所述分束器的分离方向，并且其中所述第二椭圆光斑的第一轴线的长度至少比所述第二椭圆光斑的第二轴线的长度小四倍；所述偏转器阵列包括所述N个偏转器，以在所述切换方向上偏转所述N个部分中的每一部分；以及输出端口阵列，其包括N个输出端口，每一个输出端口对应所述N个偏转器中的不同的偏转器。
附图说明
图1是现有的自由空间多路传送切换器的示意图；以及
图2A-图2E是在切换核心中使用椭圆光束的自由空间MCS的示例性切换核心的示意图。
具体实施例
以下对示例性实施例的详细描述参考附图。在不同附图中的相同附图标记可识别相同或相似的元件。在下文描述的实施例仅是示例，且不意图将实施例限制至所公开的具体形式。反之，选取实施例用于描述，以使本领域技术人员能够实行实施例。
MCS允许将光信号同时地切换至多个光纤。在自由空间MCS的切换核心内，可以布置一个或多个单元实现这种多路传送切换。例如，自由空间MCS可以包括M个输入端口和N个输出端口。布置在自由空间MCS的切换核心中的分束器可以将M个输入信号中的每个输入信号成角度地分成N个部分，其中每个部分包括给定输入信号的每个波长信道。角度偏移(ATO)元件可将M个部分(例如，来自M个输入端口中的每一个的一个)引导到偏转器阵列(例如，1×N阵列)中的每个偏转器。偏转器阵列中的每个偏转器为撞击偏转器的M个部分中的每一个部分提供切换角度，并且对应N个输出端口中的特定输出端口。因此，通过控制每个偏转器，自由空间MCS可以选择哪个输入端口耦合到哪个输出端口，并且允许单个输入端口耦合到多个输出端口。
图1是现有的自由空间MCS 100的切换核心的侧视示意图。如图1所示，现有的自由空间MCS 100的切换核心包括输入端口阵列105，其包括数量为M个的输入端口110、以及衍射块体光学元件115，其耦合至所述M个输入端口110，用于将M个输入端口发射的、并且撞击在衍射块体光学元件115上的光束分离为N个成角度的分开的部分(例如，每一部分包括光束的每一个波长信道的部分)。被发射进入现有的自由空间MCS 100的切换核心的光束是圆形光束(即，具有圆形的横截面的光束)。
如进一步所示，现有的自由空间MCS 100的切换核心包括角度偏移(ATO)元件120，其引导给定光束中的呈角度分开的N个部分中的每一部分到N个偏转器125的组中的一个。如图所示，ATO元件120布置为距离衍射块体光学元件115一个焦距f，并且距离N个偏转器125中的每一个偏转器一个焦距f。N个偏转器125中的每一个偏转器被布置为接收M个光束中的每一个的部分(例如，使得每一个偏转器125接收M个部分)。如进一步显示，包括在输出端口阵列135中的N个输出端口130中的每一个耦合至N个偏转器125中的对应的一个。在此，N个偏转器125中的每一个被配置用于将选定的M个光束的一部分(即，入射在偏转器125上的M个部分中的一部分)切换至相应输出端口130。如图1所示，自由空间MCS 100的切换核心的元件可布置在同一方向(例如，平行于y轴的方向)中，该方向垂直于自由空间MCS 100的切换核心内的光传播方向(例如，平行于Z轴的方向)。
然而，当现有的自由空间MCS 100能够提供多路传送切换功能时，物理空间的量和/或现有的自由空间MCS 100的整体尺寸可能是显著较大的(例如，导致更大的制造成本、更低的物理空间使用效率等)。如此，期望尽可能地减小自由空间MCS的切换核心的尺寸，和/或自由空间MCS的整体尺寸(例如，为了减小成本和/或增大物理空间使用效率)。
本文描述的实施例提供了一种自由空间MCS，其使用椭圆光束，以便减小自由空间MCS的切换核心的尺寸和/或自由空间MCS的整体尺寸。例如，在一些实施例中，自由空间MCS的一个或多个元件的尺寸，例如偏转器或偏转器阵列的尺寸，可以与入射在其上的椭圆光束的尺寸相当，由此允许更小的偏转器阵列设计(例如，与使用圆形光束的MCS相比)。作为另一示例，在一些实施例中，自由空间MCS的元件，例如角度偏移(ATO)元件，可以具有减小的焦距，这是因为椭圆光束的使用，由此减小了自由空间MCS的整体尺寸(例如，与使用圆形光束的MCS相比)。在一些实施例中，椭圆光束可以具有不同椭圆率(即，轴线尺寸的比率)，而不是与圆形光束相关的1比1的轴线比。例如，椭圆光束可以具有椭圆率，其对应自由空间MCS的端口的数量(例如，32:1，16:1，8:1，4:1等)。
图2A-图2C是在本文所述的切换核心中使用椭圆光束的自由空间MCS200的示例性切换核心的示意图。图2A是自由空间MCS 200的切换核心的等轴视图的示意图，图2B是自由空间MCS 200的示例切换核心的第一(例如，顶部)视角(例如，对应x-z平面)的示意图，以及图2C是自由空间MCS 200的切换核心的第二(例如，侧面)视角(例如，对应y-z平面)的示意图。
如图2A-2C所示，自由空间MCS 200的切换核心为了说明目的以展开配置示出，其可以包括具有M个输入端口的输入端口阵列205，输入光束成形光学器件210，分束器215，偏转器阵列220，角度偏移(ATO)元件225，输出光束成形光学器件230，和具有N个输出端口的输出端口阵列225。
输入端口阵列205包括用于将光束(例如，包括一个或多个波长信道的光信号)发射到自由空间MCS 200的交换核心中的多个输入端口，而输出端口阵列235包括用于接收由输入端口阵列205的输入端口发射的光束的多个输出端口。在一些实现中，输入端口阵列205中的端口和输出端口阵列235的端口被光学耦合到光纤或波导。例如，输入端口阵列205可以光学耦合到输入光纤阵列，输出端口阵列235可以光学耦合到输出光纤阵列。
可选地，每个输入光纤/波导和每个输出光纤/波导可以光学地耦合到在其光轴上居中的准直/聚焦透镜。例如，输入端口阵列205和输出端口阵列235可分别光学耦合到输入光纤阵列和输出光纤阵列，其在相应的微透镜阵列中终止。在一些实施例中，每个输入光纤/波导的末端和每个输出光纤/波导的末端可以设置有扩展芯部。在一些实施例中，输入光纤阵列可耦合到平面波导集收集器，其中，波导间隔与耦合到输入光纤阵列的第一端上的光纤间隔相匹配，并且波导间隔小于第二端上的光纤间隔。如果每个光纤/波导具有准直/聚焦透镜，则扩展芯部或波导收集器允许增加自由空间MCS的输入和/或输出端口的数量。
如图2A所示，输入端口阵列205可以包括沿第一方向(例如，平行于x轴的x方向)排列的M(M>1)个端口，并且，输出端口阵列235可以包括沿第二方向(例如，平行于y轴的y方向)排列的N(N>1)个端口。这里，第一方向垂直于第二方向，二者均垂直于光传播方向(例如，平行于z轴的方向)。自由空间MCS 200的输入端口和/或输出端口的数量在4个至100个之间。
在一些实施例中，输入端口的数量可以匹配输出端口的数量(例如，M＝N＝16，使得自由空间MCS 200是16×16MCS)。可选地，输入端口的数量可以不同于输出端口的数量(例如，M＝16，N＝32，使得自由空间MCS200是16×32MCS；M＝32，N＝16，使得自由空间MCS200是32×16MCS)。
当端口(例如，N个输出端口或M个输入端口)的数量是至少16个时，本文描述的实施例可允许偏转器阵列220的尺寸和/或自由空间MCS 200的整体尺寸减小。值得注意的是，虽然本文描述的实施例参照输入和输出端口、光纤和波导来描述，但是在一些实施例中，端口、光纤和波导可以发送和/或接收光信号(即，可以用作输入或输出)，这取决于光信号的传播方向。
输入光束成形光学器件210和输出光束成形光学器件230各自包括用于分别在分束器215和偏转器220上产生椭圆光斑的一个或多个元件。具体地，输入光束成形光学器件210使得从输入端口阵列205的端口传播的光束在分束器215上产生椭圆光斑(例如，或者相反地，使来自分束器215的椭圆光束在输入端口阵列205的端口上产生圆形光斑)。类似地，输出光束成形光学器件230使得来自偏转器阵列220的椭圆光束在输出端口阵列235的端口上产生圆形光斑(例如，或者相反地，导致从输出端口阵列235的端口传播的光束在偏转器阵列220上产生椭圆光斑)。
在一些实施例中，输入光束成形光学器件210和/或输出光束成形光学器件230可各自包括诸如柱面透镜的畸变(anamorphic)准直/聚焦元件，其沿着两个垂直轴线产生不等的放大率。例如，在一个实施例中，光束成形光学器件(例如，输入光束成形光学器件210和/或输出光束成形光学器件230)可以包括光学地设置在两个球面透镜之间的柱面透镜(例如，光学地设置在球面透镜212-1和212-2之间的柱面透镜211，光学地设置在球面透镜232-1和232-2之间的柱面透镜231)。在另一实施例中，光束成形光学器件可包括具有不同光学屈光度的负柱面透镜(即，发散透镜)和正柱面透镜(即，会聚透镜)。在又一个实施例中，光束成形光学器件可以包括一对畸变棱镜。在一些实施例中，可以使用球面或非球面透镜或反射镜、柱面透镜或反射镜、和/或棱镜中的另一布置来产生椭圆光斑。
在本文描述的示例性实施例中，输入光束成形光学器件210和输出光束成形光学器件230将发射到输入端口和/或输出端口和/或从输入端口和/或输出端口发射的所有光束成形。然而，在一些实施例中，可以为每个端口(例如，与光纤/波导集成)提供单独的光束成形光学器件。
如图2A至2C所示，输入光束成形光学器件210和输出光束成形光学器件230每个都可以包括光学设置在两个球面透镜之间的柱面透镜。在此，输入光束成形光学器件210中的柱面透镜的圆柱轴线在第一方向(例如，平行于x轴的方向)上取向，而输出光束成形光学器件230中的柱面透镜的圆柱轴线在与第一方向垂直的第二方向(例如，平行于y轴的方向)上取向。如图2A所示，输入光束成形光学器件210的元件和输出光束成形光学器件230的元件可以被取向成使得分束器215上的椭圆光斑的长轴和偏转器阵列220上的椭圆光斑的长轴是垂直的。光斑的长轴是光斑具有其最长的长度的轴线。
在一些实施例中，椭圆光束的一对轴(例如，平行于y方向的轴和平行于x方向的轴)的长度的比率可以被称为椭圆率(例如，A：1或1：A，如图2A所示)。在一些实施例中，A的值可以高至MCS 200的端口的数量。例如，A可以高至N(例如，使得ATO元件225的分束器215侧的椭圆率为N：1，并且ATO元件225的偏转器阵列220侧为1：N)，其中，N是输出端口阵列235的输出端口数量)。作为具体示例，对于具有64个端口、32个端口、16个端口、8个端口或4个端口的输出端口阵列235，椭圆光束在ATO元件225的分束器215侧的椭圆率可以相应地是64:1、32:1、16:1、8:1或者4:1。类似地，对于具有64个端口、32个端口、16个端口、8个端口或4个端口的输出端口阵列235，椭圆光束在ATO元件225的偏转器阵列220侧的椭圆率可以相应地是1:64、1:32、1:16、1:8或者1:4。实际上，A的值可以小于N，例如，当输出端口阵列235包括16个端口时，A的值可以是4(例如，使得分束器215侧的椭圆率为4：1，并且偏转器阵列220侧的椭圆率为1：4)。如上文所述，椭圆率是在两个选定轴线上的长度的比率。在图2A中，光束的椭圆率被定义为y轴上的长度与x轴上的长度的比率。
分束器215包括用于将椭圆光束(例如，由输入光束成形光学器件210产生的M个椭圆光束中的每一个)分成N个部分的元件，并且将M个椭圆光束中的每一个的N个部分传送到ATO元件225。分束器215与波长无关地分离椭圆光束，并且因此分离椭圆光束，使得N个部分中的每一部分包括椭圆光束中包括的每个波长信道中的一些。在一些实施例中，分束器215可以包括衍射分束器。在一些实施例中，如图2A所示，分束器215可以包括分离M个椭圆光束中的每一个的块体光学元件。可选地，分束器215可以包括M个不同的光学元件，每个光学元件被布置为分离M个椭圆光束中的特定的椭圆光束。在一些实施例中，分束器215分离椭圆光束的方向(在此称为分离方向)垂直于输入端口阵列205的输入端口被布置的方向(即垂直于x轴)，并平行于偏转器阵列220的阵列方向，如下所述。
偏转器阵列220包括单独可控的光束转向元件(在此称为偏转器)的阵列(例如，一维(1D)阵列或二维(2D)阵列)。例如，偏转器阵列220可以包括在第二方向(例如平行于y轴)排列的N个单独可控的偏转器的阵列。在偏转器阵列220处对应于椭圆光束的短轴的方向可以被称为阵列方向。在偏转器阵列220处对应于椭圆光束的长轴的方向可以被称为倾斜方向。这些方向在图2E中示出。偏转器阵列220被取向成使得N个偏转器中的每个偏转器接收由分束器215分离的光束的N个部分中的一个(例如，其中N个部分中的每一个入射在偏转器阵列220中的不同偏转器上)。如图所示，偏转器阵列220被取向成使得N个偏转器中的每一个可以选择性地将光束的一部分偏转到输出端口阵列235的不同的输出端口。
在一些实施例中，偏转器阵列220中的每个偏转器以可控制角度选择性地(围绕一个方向)偏转入射到其上的光。更具体地说，偏转器阵列220的每个偏转器选择性地将入射在其上光在切换方向中偏转。对于具有在一个维度上提供偏转的偏转器(即，1D偏转器)的偏转器阵列220，术语“切换方向”是指光被引导的方向。例如，如果1D偏转器被配置成以一定角度将光偏转到偏转器阵列220(例如自由空间MCS 200中的偏转器阵列220)一侧，则切换方向是水平方向(例如，x方向)。参考图2A-2C，偏转器阵列220的阵列方向(即，偏转器布置的方向)平行于y轴，而偏转器阵列220的切换方向平行于x轴(即，切换方向垂直于阵列方向)。
在一个实施例中，偏转器阵列220包括透射元件的阵列，诸如液晶相元件阵列、液晶偏振控制器的一个或多个阵列、和一个或多个双折射楔、可倾斜棱镜阵列等。例如，偏转器阵列220可以包括液晶相调制器阵列，其经由折射率控制提供选择性的光束转向。在此，输入端口阵列205和/或输出端口阵列235光学耦合到产生具有预定偏振状态的光的一个或多个元件。
在另一实施例中，偏转器阵列220可以包括反射元件阵列，诸如倾斜反射镜阵列、液晶相元件的反射阵列等。在偏转器阵列220包括倾斜反射镜阵列的实施例中，每个反射镜的倾斜可以使用致动器(例如，静电致动器、压电致动器、机电致动器、电磁致动器等)来实现。例如，偏转器阵列220可以包括静电控制微型反射镜(例如，MEMS芯片上的MEMS阵列)的微机电系统(MEMS)阵列。当偏转器阵列220中的每个偏转器是微型反射镜时，每个阵列内的微型反射镜可围绕垂直于切换方向且平行于阵列方向的共同的倾斜轴线倾斜。例如，参考图2A，在偏转器阵列220是MEMS阵列的情况下，偏转器阵列220的偏转器的倾斜轴线平行于垂直于切换方向(例如，x方向)的y轴、并且平行于阵列方向(例如，在y方向)。在偏转器阵列220是硅相调制器阵列上的液晶的实施例中，通过线性地倾斜入射光束的相位前沿来使光束转向。在一些实施例中，偏转器阵列220可以包括二维(2D)阵列(例如，当分束器215被设计成产生2D斑点图案而不是1D斑点图案时)。在2D阵列的情况下，阵列方向可以是具有最多偏转器数量的2D阵列的方向。
ATO元件225包括引导在分束器215和偏转器阵列220之间传输的光的元件。更具体地，ATO元件225将由分束器215产生并向ATO元件225传输的光束角转换为光束偏移(即，相对于ATO元件225的光轴)。ATO元件225将N个部分中的每个部分从在分束器215处的A：1的椭圆率转变到在偏转器阵列220处的1：A的椭圆率。由于每个部分的短轴具有较大的发散度，并且由于ATO元件225的角度偏移特性将该较大的发散角度转换成较大的光束尺寸(长轴)，所以这两种变换均可涉及ATO元件的相同功能。在一些实施例中，ATO元件225可以被称为“傅里叶透镜”。一般地，ATO元件225是具有光学屈光度的元件，例如凸透镜(例如，双凸透镜、平凸透镜、凹凸(弯月形)透镜等)、梯度折射率(GRIN)透镜、凹面反射镜等)。例如，在一个实施例中，ATO元件225是球面或非球面透镜，其具有焦距f(例如，如图2B和2C所示)。在另一实施例中，ATO元件225采用两个或更多个透镜形成。
在操作期间，如图2A所示，输入端口阵列205的第m个输入端口发射朝向输入光束成形光学器件210的光束。如图所示，输入端口阵列205的输入端口可以沿着平行于x轴线的方向排列。光束成形光学器件210导致光束在分束器215上产生椭圆光斑。对于每一个输入的每一个椭圆光斑可撞击沿y轴排列并且沿x轴线偏移的分束器。如图2A所示，光束成形光学器件210可以导致椭圆光束的长轴在y方向上取向，并且椭圆光束的短轴在x方向上取向。
分束器215随后将椭圆光束分离为N个部分，并且发送N个部分至ATO元件225(例如，每一个处于相对于光轴不同的角度)。在此，分束器215可以分离椭圆光束，使得N个部分沿y方向排列。ATO元件225将N个部分中的每一部分的角度转变为在y方向(相对于光轴)上的光束偏移，转变每一部分的椭圆度，并且朝向偏转器阵列220引导N个部分中的每一部分。
如本文所述，并且如图2A所示，入射在分束器215上的椭圆光束具有A：1的椭圆率(A在y轴中，1在x轴中)，并且以不同角度离开分束器215的N个部分具有相同的初始形状。N个部分中的每一部分被转变形状(例如，通过ATO元件225)，使得它们具有1：A的椭圆率(1在y轴中，A在x轴中)。椭圆光束的给定部分的长轴的长度变成入射在偏转器阵列220上的椭圆光束的部分的短轴的长度，并且椭圆光束的所述部分的短轴的长度变成入射在偏转器阵列220上的椭圆光束的部分的长轴的长度(即，椭圆率从A：1变换到1：A)。换言之，在偏转器阵列220处，椭圆光束的部分的长轴可以在x方向上取向，并且椭圆光束的短轴在y方向上取向。
偏转器阵列220的N个偏转器中的每一个接收N个部分中的不同部分。如图所示，偏转器阵列220可以布置，以使得阵列方向在y方向取向，并且，所述切换取向在x方向取向。如图2A进一步所示，N个偏转器中的每一个可以朝向输出端口阵列235的相应的输出部选择性地偏转入射在其上的椭圆光束的一部分。例如，如图所示，第一偏转器和第三偏转器可以分别朝向输出端口阵列235的第一输出部和输出端口阵列235的第三输出部偏转入射在其上的部分。相反地，第二偏转器和第四偏转器可以偏转入射在其上的部分，使得输出端口阵列235的第二输出部和输出端口阵列235的第四输出部不接收输入光束的部分。在这种情况下，第二偏转器和第四偏转器可以偏转由不同输入端口发射的不同输入光束的部分(例如，第m+1输入光束或第m-1输入光束)。来自不同输入205中的每一个的部分可以以不同角度入射到给定的偏转器上，并且控制偏转器确定入射到偏转器上的哪个部分耦合到对应的输出端口。
如进一步所示，在偏转器阵列220偏转之后，输出光束成形光学器件230使得椭圆光束的部分在输出端口阵列235的第一和第三输出端口上产生圆形光斑，并且第一和第三输出端口可以输出输入光束的接收部分。
如图2A-2C所示，ATO元件225可以通常光学地设置在分束器215和偏转器阵列220之间，以使得分束器215和偏转器阵列220基本上布置在ATO元件225的焦平面处。特别地，仅为了方便示意，图2A-2C所示的ATO元件225示出为透镜。在ATO元件225是反射性的实施例中，在图2A-2C中示出的光学路径关于ATO元件225的平面“折叠”。在ATO元件225是透镜的实施例中，分束器215和偏转器阵列220设置在ATO元件225的相反侧，基本上在相反的焦平面处。在ATO元件225是反射性的实施例中，分束器215和偏转器阵列220设置在ATO元件225的同一侧，基本上在同一焦平面处。
参考图2A并且如上文所述，入射在分束器215上的光束和入射在偏转器阵列220上的部分具有椭圆横截面。具有椭圆横截面的光束在本文称为椭圆光束。在此，入射在分束器215上的椭圆光束的长轴的长度变成入射在偏转器阵列220上的椭圆光束的部分的短轴的长度，并且，在分束器215上的椭圆光束的短轴的长度变成入射在偏转器阵列220上的椭圆光束的部分的长轴的长度。换言之，如图2A所示，在通过ATO元件225之前，椭圆光束部分的长轴平行于y轴，而椭圆光束部分的长轴在在穿过ATO元件225之后平行于x轴。当ATO元件225的焦距f近似等于椭圆光束的长轴的瑞利长度乘以椭圆光束的短轴的瑞利长度的量的平方根时，分束器215处的椭圆光束和偏转器阵列220处的部分可以具有近似相同的尺寸。然而，在分束器215和偏转器阵列220处的椭圆光束的尺寸不必相同；由于分束器215和偏转器阵列220具有不同构造、不同的工作原理和不同的单位面积成本，因此只要保持椭圆率，可能希望使得入射到一个元件上的光束大于另一个元件上的光束。
参考图2B和2C，自由空间MCS 200的操作被更加详细地描述。如图2B所示，在输入端口阵列205中的第m个输入端口处，光束被发射进入光学切换核心。通常，光束将是基本上准直的光束(例如，通过微透镜阵列(未示出)的微透镜准直)。光束穿过输入光束成形光学器件210，其变换光束，使得光束具有椭圆横截面(例如，椭圆率为32：1、16：1、8：1、4：1等)。椭圆光束然后传播到分束器215，其中椭圆光束以椭圆光斑入射在其上，椭圆光斑圆光束点的长轴平行于分束器215的分束方向(例如相对于图2C在垂直方向上伸长，使得长轴平行于y轴)。
如图2C所示，分束器215将椭圆光束分为N个部分(每一具有相同的椭圆横截面)，并成角度地将椭圆光束的N个部分分散至ATO元件225。如进一步示出，ATO元件225朝向偏转器阵列220中的N个偏转器中的不同的偏转器引导椭圆光束的N个部分的每一部分。如图所示，分束器215在平行于y轴的分离方向上以不同角度成角度地分散椭圆光束的N个部分。结果，椭圆光束的N个部分以相对于ATO元件225的不同的角度入射在ATO元件225上。ATO元件225相对于ATO元件25的光轴将这些角度转变为偏移(例如，如图2C所示的偏移)。更具体地，椭圆光束的N个部分被引导至偏转器阵列220的N个偏转器中的每一个，并且被转变形状，由此，N个部分中的每一部分具有1：A的椭圆率(1在y轴上，A在x轴上)。
如图2C进一步所示，椭圆光束的N个部分中的每一个入射在偏转器阵列220中的不同偏转器上，椭圆光斑具有与偏转器阵列220的切换方向平行的长轴(例如，在水平方向上延长，使得长轴平行于x轴)。以这种方式，特定椭圆光束的N个部分中的每一个可以入射在偏转器阵列220的不同偏转器上。通过输入端口阵列205的其他输入端口在切换核心中发射的其他椭圆光束的部分可以以类似方式以不同角度入射到偏转器阵列220的每个偏转器上，其示例在下面参考图2D描述。换言之，对应于M个椭圆光束(例如，每个由输入端口阵列205的相应输入端口发射)的多达M个部分的量可以入射到偏转器阵列220的单个偏转器上。
偏转器阵列220中的给定偏转器选择性地将入射到其上的椭圆光束的一部分偏转到光学耦合至偏转器的输出端口。例如，如上所述，M个椭圆光束的M个部分的量可以入射在偏转器阵列220的特定偏转器上。在此，偏转器可以朝向输出端口以一定角度偏转M个部分的特定部分(例如，对应于由特定输入端口发射的光束的部分)，同时以远离输出端口的角度(例如，使得M个部分中的单个部分被引导朝向输出端口)偏转其他部分(例如，与由其他输入端口发射的光束对应的部分)。
在一些实现中，特定光束的部分的第一子集可以被引导到输出端口的第一子集，同时，特定波束的部分的第二子集可以被引导远离输出端口的第二子集。以这种方式，特定光束的部分可以被多路传送到输出端口的子集。
如进一步所示，椭圆光束的部分被引导到输出光束成形光学器件230，其转变椭圆光束的部分具有圆形横截面(例如，在被聚焦在输出端口之前)。通常，选择偏转器阵列220的偏转器所提供的角度，以防止给定部分到达输出端口或优化与输出端口的光学耦合。然而，在一些实施例中，可以选择与输出端口耦合的角度以提供预定量的衰减。
在图2D中示出了示出由偏转器阵列220的特定偏转器偏转的M个输入光束的M个部分的偏转的示例操作。如图2D所示，M个椭圆光束的M个部分可以以不同角度入射到偏转器阵列220中的给定偏转器(例如，在相同的有效区域中)上。类似地，M个椭圆光束的M个部分可以入射到偏转器阵列220(未示出)的每个其他偏转器上。在此，可以控制(例如倾斜)特定偏转器，使得M个部分中的每个部分以不同的角度偏转，其中，M个部分中的一个(例如，较大的虚线)耦合到对应特定偏转器的输出端口。如图所示，其他部分可以偏离输出端口(例如，沿x方向)偏转，使得其他部分不入射或耦合到输出端口。
在一些实施例中，如图2A-2D所示，具有基本上垂直的分离和切换方向的分束器215和偏转器阵列220(其中，分束器215和偏转器阵列220被光学地设置在ATO元件225的任一侧上)意味着偏转器阵列220中仅需要单个偏转器的行(即，只需要一维阵列)，并且每个偏转器需要在单一方向上提供偏转(即，一维偏转器)。例如，如果偏转器阵列220包括MEMS反射镜，则每个MEMS反射镜需要围绕单个轴线(即，1D MEMS反射镜)倾斜。因此，偏转器阵列220可以是相对简单的和/或可以以较低的成本制造(例如，与具有2D MEMS反射镜的二维阵列相比)。例如，如果偏转器阵列220是MEMS微型反射镜阵列，则每个偏转器将仅需要两个驱动电极(即，1DMEMS反射镜，而不是2D MEMS反射镜所需的四个驱动电极)，从而减小驱动电子器件的成本。另外，制造1D MEMS反射镜比制造2D MEMS反射镜更容易和/或成本更低。此外，当偏转器阵列220仅具有单排偏转器时，输入光纤阵列和/或输出光纤阵列可以是1D光纤阵列，其可以比2D光纤阵列更简单和/或制造成本更低。然而，在一些实施例中，可以使用2D分束器215和2D偏转器阵列220(例如这种情况：与1D斑点模式相比，当产生2D斑点图案时，分束器215具有高衍射效率以及在衍射斑点之间的更好的均匀性，这比使用2D MEMS反射镜和2D光纤阵列的成本和/或复杂性重要)。
此外，设置有在偏转器阵列220上提供椭圆光斑的输入光束成形光学器件210和输出光束成形光学器件230，其中，光斑在切换方向上被拉长，这意味着偏转器阵列220中的各个偏转器的面积可以较小(例如，由于光斑尺寸在阵列方向上减小)。当偏转器阵列220是MEMS反射镜时，这可以起到进一步减小成本和/或提高可制造性的作用，因为例如MEMS器件的成本大致与MEMS反射镜的表面积成比例。
在一些实施例中，MEMS反射镜的每个微型反射镜在阵列方向和切换方向上的尺寸可以与入射到其上的椭圆光束的尺寸基本匹配。例如，MEMS反射镜的每个微反射镜在切换方向上的尺寸可以大致等于光束的长轴的1/e2强度半径的三倍(例如，在长轴的1/e2强度半径的2.4倍和5.0倍之间)，并且，在阵列方向上的尺寸可以大约等于光束的短轴的1/e2强度半径的三倍(例如，在短轴的1/e2强度半径的2.4和4.0倍之间)。在此，由于椭圆光束的短轴在阵列方向上减小(例如，与圆形光束相比)，微型反射镜的尺寸在阵列方向上减小(例如，因为微型反射镜可以如上所述地基于光束短轴和长轴的尺寸而设置大小)。因此，可以减小微型反射镜的整体尺寸(例如，与尺寸设计成接收圆形光束的微型反射镜相比)。因此，阵列方向上的每个微型反射镜的尺寸的减小允许MEMS反射镜阵列的整体尺寸(以及MCS 200的整体尺寸)在阵列方向上显着减小(例如，当M≥16或N≥16)。
图2E是图示偏转器阵列220的每个偏转器(例如，MEMS反射镜阵列的每个微型反射镜)的尺寸可以基本匹配入射在其上的椭圆光束的尺寸的方式的示例的示意图。如图2E所示，每个偏转器可以具有有效区域，用以从M个输入光束中的每一个(例如，在相同的有效区域中)接收一部分。如图所示，给定偏转器(例如图2E中示出的四个偏转器)的有效区域的尺寸可以在阵列方向和切换方向上基本上匹配椭圆光束的入射部分的尺寸。在此，在阵列方向上可实现的尺寸的减小(由于使用椭圆光束)可以允许减小偏转器、偏转器阵列220、MCS200的切换核心和/或MCS 200自身的高度和/或面积。如上文所示，图2E被提供仅用于示例，且其它实施例是可行的。
另外，椭圆光束的使用减小了自由空间MCS 200的整体切换器尺寸。例如，假定图2A-图2D所示的自由空间MCS 200的切换核心使用圆形的且具有相同的光束尺寸(例如，半径ω0)的输入光束和输出光束。在这种情况下，ATO元件225的焦距f可以等于输入光束和输出光束的长度zr，并且可以如下计算：
f＝zr＝πω0 2/λ
其中，λ是输入光束和输出光束的中心波长。然而，如果输入光束的半径不等于输出光束的半径，则ATO元件225的焦距f可以如下计算：
f＝π(ω01)(ω02)/λ.
因此，通过减小ω02，ATO元件225的焦距f减小，整体切换器尺寸减小。注意，在x方向和y方向上均存在这种关系，这是因为在一种情况下，ω01是输入光束的半径，ω02是输出光束的半径，在另一种情况下，ω01是输出光束的半径，ω02是输入光束的半径。
然而，偏转器阵列220的切换方向上的光束的半径应该是特定的最小尺寸，以便获得光束的足够小的发散角，并因此能够切换到期望数量的输出端口，其中，光束的发散角θ与光束尺寸(即半径)通过以下公式相关：
θ＝λ/(πω0).
作为说明性示例，如果θlens是允许光束被ATO元件225完全采集的发散角，则光束尺寸必须大于ωmin＝λ/πθlens。为了能够切换到30个端口，光束发散因此应小于θlens/30，因此光束尺寸必须大于30×ωmin。
然而，在非切换方向(即，在阵列方向上)，除了光束发散应落入ATO元件225的孔径内之外，不存在这样的限制。例如，光束大小可以减小到ωmin。相应地，由于阵列方向上的光束宽度可以大大减小，所以输出端口处的总体光斑尺寸可以减小，结果，可以减小所需的焦距f。减少所需焦距减小切换核心的整体尺寸。特别地，当偏转器阵列220是MEMS微反射镜阵列时，透镜孔径通常不限制自由空间MCS的设计。相反，其他因素，例如MEMS微型反射镜可实现的最大光束转向角度，通常会限制自由空间MCS设计。无论如何，提供导致光斑在阵列方向上减小的光束成形光学器件允许更紧凑的自由空间MCS。
图2A-图2D所示的元件的数量和布置作为示例提供。实际上，自由空间MCS 200的切换核心可以包括附加元件、较少元件、与图2A-图2D所示那些不同的不同元件、不同形成的元件、不同设计的元件。另外或可选地，自由空间MCS 200的切换核心的一组元件(例如，一个或多个元件)可以执行被描述为由自由空间MCS 200的切换核心的另一组元件执行的一个或多个功能。
例如，尽管图2A-2D的光学布局为了清楚起见以展开配置示出，但在一些实施例中，光学布局将提供折叠配置。
本文描述的实施例提供了一种自由空间MCS，其使用椭圆光束，以便减小自由空间MCS的切换核心的尺寸和/或自由空间MCS的整体尺寸。例如，在一些实施例中，偏转器阵列的偏转器的面积可以与入射在其上的椭圆光束的面积相当，由此允许更小的偏转器阵列设计(例如，与使用圆形光束的MCS相比)。作为另一示例，在一些实施例中，ATO元件可以具有减小的焦距，这是因为椭圆光束的使用，由此减小了自由空间MCS的整体尺寸(例如，与使用圆形光束的MCS相比)。在一些实施例中，椭圆光束具有不同于圆形光束的1：1椭圆率的椭圆率。例如，椭圆光束可以具有椭圆度，其对应自由空间MCS的部分的数量(例如，32、16、8、4等)。
前述的公开提供了示意和说明，但不旨在穷尽或限制实施例至所公开的确切形式。在上述公开的启示下修改和变形是可行的，或可从实施例的实践中获得。
尽管在权利要求书中记载了和/或在说明书中记载了特征的特定组合，但这些组合并不旨在限制可能的实施例的公开。事实上，这些特征中的许多可以以没有在权利要求书中具体记载和/或没有在说明书中公开的方式组合。虽然列出的每个从属权利要求可以直接从属于仅一个权利要求，但是可能的实现的公开包括每个从属权利要求与权利要求书中的每个其他权利要求的组合。
除非明确描述，否则本文所用的任何元素、动作或指令都不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所使用的，语素“一”和“一个”旨在包括一个或多个物件，并且可以与“一个或多个”互换地使用。此外，如本文所使用的，术语“组”旨在包括一个或多个物件(例如相关物件、不相关物件、相关物件的组合、以及不相关物件等)，并且可以与“一个或多个”可互换地使用。如果只有一个物件被使用，则使用术语“一个”或类似语言。此外，如本文所使用的，术语“具有”、“包括”、“包含”等旨在作为开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。

Claims (20)

1.一种自由空间多路传送切换器(MCS)，包括：
输入端口阵列，其包括用于发射光束的输入端口；
输出端口阵列，其包括N(N>1)个输出端口；
分束器，其光学地设置在所述输入端口阵列和所述输出端口阵列之间，所述分束器将所述光束在分离方向上分离为至少N个部分；
偏转器阵列，其光学地设置在所述分束器和所述输出端口阵列之间，
所述偏转器阵列包括沿阵列方向排列的N个偏转器，
所述N个偏转器中的每一个偏转器具有基本上垂直于所述分离方向的切换方向，并且，
所述N个偏转器中的每一个具有有效区域，所述有效区域在所述阵列方向中具有一尺寸，该尺寸匹配入射在其上的所述N个部分中的一部分在阵列方向中的尺寸；
第一光束成形光学器件以及第二光束成形光学器件，所述第一光束成形光学器件光学地设置在所述输入端口阵列和所述分束器之间，所述第二光束成形光学器件光学地设置在所述输出端口阵列和所述偏转器阵列之间，
所述第一光束成形光学器件成形所述光束，并在所述分束器处形成第一椭圆光斑，
所述第一椭圆光斑的长轴基本上垂直于所述切换方向；以及
角度偏移(ATO)元件，其光学地设置在所述分束器和所述偏转器阵列之间，
其中，所述分束器和所述偏转器阵列各自被布置，以使得所述角度偏移元件将来自所述分束器的光束的至少N个部分中的每一部分引导至所述N个偏转器中的不同偏转器，
在所述偏转器处，所述至少N个部分的每一部分具有第二椭圆光斑，所述第二椭圆光斑具有基本上平行于所述切换方向的长轴。
2.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述第一椭圆光斑的长轴的长度至少比所述第一椭圆光斑的短轴的长度大四倍，并且，所述第二椭圆光斑的长轴的长度至少比所述第二椭圆光斑的短轴的长度大四倍。
3.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述分束器是衍射分束器。
4.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，N大于或等于16。
5.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述自由空间多路传送切换器包括至少16个输入端口或至少16个输出端口。
6.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述角度偏移元件包括凸透镜、梯度折射率透镜、或凹面镜中的一个。
7.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述角度偏移元件包括至少一个球面透镜或非球面透镜。
8.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述角度偏移元件具有一焦距，该焦距基本上等于所述第一椭圆光斑的长轴的瑞利长度乘以所述第一椭圆光斑的短轴的瑞利长度之积的平方根。
9.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述第一光束成形光学器件和所述第二光束成形光学器件中的每一个包括：
柱面透镜；
柱面反射镜；或
第一和第二变形棱镜。
10.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述偏转器阵列包括一维倾斜微机电系统(MEMS)微型反射镜的一维(1D)阵列、一维切换液晶相元件的一维阵列、或液晶偏振转动元件和偏振分离元件的一维阵列中的一种。
11.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述N个偏转器的每一个偏转器是一维的倾斜微机电系统(MEMS)微型反射镜，所述偏转器的在所述切换方向的尺寸大于在所述阵列方向的尺寸。
12.根据权利要求11所述的自由空间多路传送切换器，其中，每一个微机电系统微型反射镜在所述阵列方向上的尺寸是在所述第二椭圆光斑的短轴的1/e2强度半径的2.4至4.0倍之间。
13.根据权利要求12所述的自由空间多路传送切换器，其中，每一个微机电系统微型反射镜在所述切换方向上的尺寸是在所述第二椭圆光斑的长轴的1/e2强度半径的2.4至5.0倍之间。
14.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述输入端口阵列的取向垂直于所述偏转器阵列和所述输出端口阵列的取向。
15.根据权利要求1所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述输入端口阵列光学耦合至输入光纤阵列，并且，所述输出端口阵列光学耦合至输出光纤阵列。
16.一种自由空间多路传送切换器(MCS)，包括：
输入端口阵列，所述输入端口阵列的每一个输入端口用于发射光束；
输出端口阵列，其包括N(N>1)个输出端口；
分束器，其光学地设置在所述输入端口阵列和所述输出端口阵列之间，用于将所述光束中的每一个光束在分离方向上分离成至少N个部分；
偏转器阵列，其光学地设置在所述分束器和所述输出端口阵列之间，
所述偏转器阵列包括N个偏转器，
所述N个偏转器中的每一个在垂直于所述分离方向的切换方向上偏转光，
所述N个偏转器中的每一个接收来自每一个光束的N个部分中的一个，并且将选定部分耦合至所述输出端口阵列的输出端口，以及
所述N个偏转器中的每一个具有有效区域，其尺寸匹配入射在其上的所述N个部分的尺寸；
第一光束成形光学器件，其光学地设置在所述输入端口阵列和所述分束器之间，以在所述分束器处沿分离方向将所述光束形状转变为椭圆形；
角度偏移光学器件，其光学地设置在所述分束器和所述偏转器阵列之间，以在所述偏转器阵列处沿所述分离方向将所述N个部分的形状转变为椭圆形；
第二光束成形光学器件，其光学布置在所述偏转器阵列和所述输出端口阵列之间，以在所述输出端口阵列处将所选定的部分的形状转变为圆形。
17.根据权利要求16所述的自由空间多路传送切换器，其中，在所述分束器处的光束的形状的长轴的长度至少比在所述分束器处的光束的短轴的长度大四倍。
18.根据权利要求16所述的自由空间多路传送切换器，其中，在所述偏转器阵列处的所述N个部分中的每一部分的形状的长轴的长度至少比在所述偏转器阵列处的所述N个部分中的每一部分的短轴的长度大四倍。
19.一种自由空间多路传送切换器(MCS)，包括：
输入端口阵列，其包括用于发射光束的输入端口；
第一光束成形光学器件，其成形所述光束，并在所述分束器处形成第一椭圆光斑，
所述第一椭圆光斑具有第一椭圆率，所述第一椭圆率是所述第一椭圆光斑的第一轴线的长度与所述第一椭圆光斑的第二轴线的长度的比率；
所述第一椭圆光斑的第一轴线基本上平行于所述分束器的分离方向，
所述第一椭圆光斑的第二轴线基本上垂直于所述分束器的分离方向，
所述第一椭圆光斑的第一轴线的长度至少比所述第一椭圆光斑的第二轴线的长度大四倍；
所述分束器在所述分离方向上将所述光束分离为N(N>1)个部分；
角度偏移(ATO)元件，其在偏转器阵列的N个不同的偏转器处形成与所述N个部分中的每一部分对应的N个第二椭圆光斑，
所述N个第二椭圆光斑中的每一个具有第二椭圆率，所述第二椭圆率是所述第二椭圆光斑的第一轴线的长度与所述第二椭圆光斑的第二轴线的长度的比率；
所述第二椭圆光斑的第一轴线基本上垂直于所述偏转器阵列的切换方向，
所述偏转方向基本上垂直于所述分离方向，
所述第二椭圆光斑的第二轴线基本上平行于所述分束器的分离方向，
所述第二椭圆光斑的第一轴线的长度至少比所述第二椭圆光斑的第二轴线的长度小四倍；
所述偏转器阵列包括所述N个偏转器，以在所述切换方向上偏转所述N个部分中的每一部分；以及
输出端口阵列，其包括N个输出端口，每一个输出端口对应所述N个偏转器中的不同的偏转器。
20.根据权利要求19所述的自由空间多路传送切换器，其中，所述N个偏转器中的每一个具有有效区域，所述有效区域的尺寸匹配入射在其上的N个部分的尺寸。
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