CN1397812A - 光开关的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种光纤波长开关，包含具有用来发射和接收光信号的光学端口的前端单元；决定色散平面的波长色散元件(如衍射光栅，棱镜等)；与波长色散元件相连的光重定向元件(如球形反射器)；与光重定向元件一起工作、使光信号基本上与波长色散元件决定的色散平面垂直的启动阵列(如MEMS)。波长开关可以被实现具有一个输入/输出端口和几个插入/分离端口的器件，这种器件可以向输入端口插入波长并从输出端口分离波长。前端单元具有光纤阵列，光纤阵列被耦合到微型透镜阵列，其中来自微型透镜的光信号被另一个透镜导引。

Description

光开关的系统和方法
参考的相关专利申请
本专利申请受益于2001年7月12日申请、题为“具有多个可调光学端口的波长开关”的美国第60/304,407号临时专利申请。
技术领域
本发明涉及光开关，尤其涉及具有多个可调节光学端口的光纤波长开关。
背景技术
随着国际互联网和其它宽带服务的增长，提高了对长距离和城市通信基础设施容量的要求。所增加的光纤系统带宽通常不能充分满足这种需求，并且光纤资源的供不应求现已成为许多网络运营商的关注焦点。过去，一种能够在确定的波特率下满足更高宽带要求的实用技术是密集波分复用(DWDM)，该技术将不同波特率的光的多个波长混合到一根信号光纤中。不过，由于更多的传输带宽相当于更多的光学波长，因此数字交叉连接(DXC)，分插复用器(ADM)和故障管理体系结构存在容量饱合和缺乏可挖掘经济潜力的问题。
目前代表光学处理发展方向的器件包括光分插复用器(OADM)和可配置光分插复用器(COADM)。OADM提供对DWDM系统中的波长子集的固定接入，并且提供静态带宽管理。OADM没有路由灵活性，通常也没有用来监视信号功率的手段。由于动态可配置性，COADM扩充了OADM。
例如，一根输入光纤可以有40路具有100千兆赫ITU(国际电信联盟)网格间隔的波长。解复用器(DEMUX)分离出波长子集，再将这些子集传入(例如)2x2光学开关中，该开关传递通过或分离信号，并允许插入特定的波长。所有的波长接着被多路复用器(MUX)混合到输出光纤。系统可以包含位于分离或直通信道上、用来均衡光功率(optica1 power)的衰减器，并且可以包含光学功率接头(optical powertab)和光电二极管以监视每个波长的信号功率或状态。
另一种传统的解决方案涉及可以将任一波长从任一传入端口交换到任一输出端口的全波长交叉连接。但是，由于需要控制较大的光束，全交叉连接开关通常比较复杂。
因此，需要一种既没有全交叉连接开关的复杂性，又增强基于COADM的系统的功能和效率的光学开关。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种光纤波长开关，包括：(a)具有多个光学端口的前端单元，该前端单元包括：(i)光纤阵列，该阵列包括多个被耦合到多个用来发射和接收光信号的光学端口的光纤；(ii)具有多个微型透镜的微型透镜阵列，每个微型透镜都被耦合到一根相应的光纤；及(iii)接收和重定向来自微型透镜阵列的光信号的透镜；(b)决定色散平面的波长色散元件；(c)与波长色散元件相连的光重定向元件；及(d)与光重定向元件一起工作的启动阵列，用来偏转光信号以使其与波长色散元件决定的色散平面基本垂直。
根据本发明的另一个方面，提供一种重新路由和调节光信号的光学器件，包括：(a)具有用来发射光束的第一端口和用来接收光束的第二端口的前端单元，该前端单元包括：(i)光纤阵列，该阵列包括多个被耦合到用来发射光束的第一端口和用来接收光束的第二端口的光纤；(ii)具有多个微型透镜的微型透镜阵列，每个透镜都被耦合到一根相应的光纤；及(iii)用来接收和重定向来自微型透镜阵列的光信号的透镜；(b)具有焦平面并且用来接收来自第一端口的光束的光重定向元件；(c)决定色散平面并且基本上位于光重定向元件的焦平面上的波长色散元件，用来空间分离从光重定向元件反射的光束并且将空间分离的光束重定向到光重定向元件；和(d)位于光重定向元件的焦平面上的启动阵列，用来将从光重定向元件反射的空间分离光束调节到与波长色散元件决定的色散平面基本垂直的方向上，并且通过光重定向元件和波长色散元件将经过调节的空间分离光束反射到前端单元的第二端口。
根据本发明的另一个方面，提供一种重新路由和调节光信号的方法，包括：(a)向具有焦平面的反射元件发射光束；(b)将入射到反射元件的光束重定向到决定色散方向的色散元件，该色散元件基本上位于焦平面上；(c)将重定向的光束空间分离成与多个不同光谱信道相对应的多个不同子光束；(d)将多个不同子光束重定向到在光学上基本位于焦平面上的启动阵列；(e)有选择地调节与色散方向基本垂直的多个不同子光束，并且沿基本上相反的方向反射这些子光束；及(f)将经过有选择的调节的多个不同子光束重定向到色散元件，并将这些光束混合以形成输出光束。
根据本发明的另一个方面，提供一种重新路由和调节光信号的器件，包括：(a)用来发射光束的第一端口，该第一端口包括：(i)耦合到用来发射和接收光信号的第一端口的光纤；(ii)耦合到光纤的微型透镜；及(iii)用来接收和重定向来自微型透镜的光信号的透镜；(b)具有焦平面并且用来接收来自第一端口的光束的第一光重定向元件；(c)决定色散方向并且基本位于光重定向元件的焦平面上的第一波长色散元件，用来空间分离从光重定向元件反射的光束并且将空间分离的光束重定向到光重定向元件；(d)基本位于焦平面上的导光偏转器，用来接收从第一光重定向元件反射的空间分离光束并将空间分离光束重定向到与第一波长色散元件决定的色散方向基本垂直的方向上；(e)用来接收来自导光偏转器的空间分离光束的第二光重定向元件；及(f)第二波长色散元件，用来再混合来自第二光重定向元件的空间分离光束，并将再混合的光束导入第二光重定向元件。
根据本发明的另一个方面，提供一种光纤波长开关，包括：(a)前端单元，具有多个被耦合到透镜并且用来发射和接收光的端口；(b)决定色散方向的波长色散元件；(c)与波长色散元件相连的光重定向元件；及(d)与光重定向元件一起工作、使光信号基本与波长色散元件决定的色散平面垂直的启动阵列。
本领域的普通技术人员通过阅读结合附图对本发明的具体实施例进行的详细说明可以理解本发明的其它方面和特征。
附图说明
结合下列图示，将对本发明的其它特征和优点进行详细的说明，其中：
图1是一般光学器件的模块图；
图2是关于前端微型光学元件的例子的模块图；
图3是基于本发明一个实施例的多端口光学器件的模块图；
图4A和4B分别是图解如图3所示的基于本发明一个实施例的光学模块的俯视和侧视示意图；
图4C是如图4A-4B所示的基于本发明一个实施例的前端单元的模块图；
图5A和5B是基于本发明的各种MEMS阵列结构的示意图；
图6A是如图4所示的基于本发明另一个实施例、在偏振分集模式下工作的光学模块的侧面示意图；
图6B是如图6A所示的基于本发明一个实施例的前端单元的模块图；
图7A是基于本发明另一个实施例的多端口光学器件的模块图；
图7B是如图7A所示的基于本发明一个实施例的光学模块的俯视图；及
图7C是基于本发明一个实施例的液晶偏转阵列的模块图。
具体实施方式
图1示出了用来重新路由和调节光信号的一般光学器件10。光学器件10包含色散元件12(棱镜，衍射光栅等等)，该元件位于具有光功率的元件14A和14B之间并且在元件14A和14B的焦平面上。在输入/输出端上的两个端口16A和16B如双向箭头所示，其中发射到端口16A的光可以传播通过光学器件10，并且可以被反射回输入端口16A，或以受控方式被转换到端口16B，反之亦然。虽然图中只示出两个输入/输出端口以利于对器件10的理解，但可以提供多个这样的端口。光学器件10还包含用来调节入射光的至少一部分的调节器18。
调节器18和/或色散元件12通常取决于入射光的偏振。尤其是，提供具有已知偏振态的光以便获得选定的转换和/或衰减。可以使用许多不同的偏振分集方案。例如，图2示出了用来提供具有已知偏振的光的前端微型光学元件50。元件50包含光纤套管52，微型透镜54和双折射元件56(如晶体)，用来将输入光束分成两束垂直偏振的子光束。
在输出端，使用半波片58将其中一束光的偏振旋转90°，以确保两束光有着相同的偏振态。向双折射元件56加入第二波片60以减弱双折射元件56的两个分路的光程差引起的偏振态色散的影响。为方便理解，图2中只示出一束单独的输入光束。不过，前端微型光学元件50可以传播通过更多的光束。(该元件的不同实施例在图4C和6B中有图示)。
图3是一般多端口(10端口)光学器件100的例子。器件100包含光学模块102(具体结构将在下面讨论)，输入/输出环行器104和多个分/插环行器106A-106D。器件100可以被用在密集波分复用(DWDM)通信系统中以插入和分离特定的信道(如波长)。例如，在系统的预定节点上，从光学波导分离出具有可选择波长的光信号，并且插入其它光信号。
图4A和4B是基于本发明一个实施例的光学模块102的模块102A的一个例子。具体地，图4A是具有球形反射器120形式的光功率的光重定向元件的俯视图，这种球形反射器120被用来接收来自前端单元122(具有图4C所示的光纤阵列)的光束。球形反射器120还反射到达和来自衍射光栅124(如图1中所示的色散元件12)和微型机电系统(MEMS)阵列126(如图1中所示的调节装置)的光束。图4B是图4A中所示元件的侧视图，用来图解元件(120，122，124和126)相对于反射器120的焦平面的位置。
在操作中，复用光束被射入前端单元122以提供两束具有相同偏振的子光束。这两个光束被传播到球形反射器120并从反射器反射到衍射光栅124。衍射光栅124将每束子光束分成多个具有不同中心波长的子光束。这些子光束又被传播到球形反射器120，在反射器120中，这些子光束被传播到MEMS阵列126，其中这些子光束象对应于单光谱信道的空间分离射点那样入射到MEMS阵列126上。
在图4A的俯视图中，每个对应于单光谱信道的子光束被调节，并沿着与入射光路基本相同的光路向后反射，在图4B的侧视图中，反射光路有点偏离原来的光路。子光束被从MEMS阵列126反射到球形反射器120，并被重定向到衍射光栅124，在124处，子光束被再混合并被传播到球形反射器120，以便被发射到如图4B中所示的预定输入/输出端口。
图4C是基于本发明一个实施例的前端单元122的模块图。前端单元122包含光纤阵列132，此阵列包括多个光纤132A到132D(在本例中示出4根光纤)，每根光纤132A-132D将光发射到微型透镜阵列134的相应微型透镜134A-134D上。在通过相应的微型透镜134A-134D后，光束被透镜136偏转，并被导向反射器120(如图4A/4B所示)。
图5A和5B是图解基于本发明的MEMS阵列126的两个实施例的示意图。MEMS阵列126包含多个MEMS元件150(如镜子，反射器等等)，这些元件将光束转换到与色散元件12(具体是图4A中所示的衍射光栅124)决定的色散平面/方向(用点划线λ标识)相互垂直的方向上。在图5B的实施例中，元件150被分成通过成对链子154与固定锚152互连的元件对。
图6A是基于本发明另一个实施例的光学模块102的模块102B的例子，该模块102B支持偏振分集。模块102B包含与图4A和4B中讨论的模块102A相同的元件，但图解了具体如图6B所示的经过变化的前端单元122’。
为了简单，经过变化的前端单元122’中只示出两根光纤132A-132B，而且包含具有一对波片/玻璃块140A和140B的偏振分集模块138(如晶体)。波片140A和140B将光束分成如图所示的两束子光束。在操作过程中，光纤132B将光传过微型透镜134B并到达透镜136，透镜136将光束导入偏振分集模块138，并通过波片140A(用“o”标识光束)。(通过光学模块102B之后)光束“o”经过波片140A回到透镜136并通过微型透镜134A从光纤132A出来。类似地，另一光束“e”的轨迹说明了角度到位置的变换结果。标记f1和f2表示焦距。
图7A是基于本发明另一个实施例的一般多端口(10个端口)光学器件200的例子。器件200包含光学模块202(图7B所示)，输入端口204，输出端口206，多个插入端口(在本例中有4个)，和多个分离端口210(在本例中有4个端口)。器件200可以用在密集波分复用(DWDM)通信系统中以便插入和分离特定信道(如波长)。例如，在系统的预定节点上，具有可选择波长的光信号被从光学波导中分离，而其它光信号被插入。
图7B是基于本发明一个实施例的光学模块202的模块202A的例子。具体地，图7B是一对具有上述球形反射器120A和120B形式的光功率的光重定向元件的俯视图。反射器120A被用来接收被反射到衍射光栅124A、又回到反射器120A、之后又反射到导光偏转器阵列220(液晶光学相位阵列-LC OPA，即图1所示的调节装置)的光束。偏转器220将光从反射器120B反射到衍射光栅124B，最后从衍射光栅124B反射到输出端口模块222。
在操作中，发射复用光束以提供具有相同偏振的两束子光束。这两束光被传播到球形反射器120A并被反射到衍射光栅124A。衍射光栅124A将每束子光束分成具有不同中心波长的多个子光束。这些子光束又被传播到球形反射器120A，然后经过导光偏转器220到达球形反射器120B，在120B处又被反射回衍射光栅124B。衍射光栅124B混合从反射器120B接收的子光束，并将光束从反射器120B发射到输出端口模块222的多个输出端口221中的一个上。
图7C图解了基于本发明一个实施例的液晶(LC)偏转阵列220。LC偏转阵列220包括至少一排液晶体(cell)或象素252。通常，阵列220内的每个象素252包含充当电可改写衍射光栅的光学相位阵列。各个象素252的输出被耦合到相应的端口P1，P2和P3。地址选择模块256选择偏转角度，因而选择了图7B的输出端口模块222的具体端口P1，P2或P3。
虽然根据优选实施例描述和图解了本发明，但本发明的范围并不仅仅限于这些实施例。相反，本发明的范围包括在本发明的构思和下列权利要求的全部范围内的所有可能的替代，修改和等价方案。

Claims (20)

1.一种光纤波长开关，包括：
(a)具有多个光学端口的前端单元，该前端单元包括：
(i)光纤阵列，该阵列包括多个被耦合到多个用来发射和接收光信号的光学端口的光纤；
(ii)具有多个微型透镜的微型透镜阵列，每个微型透镜都被耦合到一根相应的光纤；及
(iii)接收和重定向来自微型透镜阵列的光信号的透镜；
(b)决定色散平面的波长色散元件；
(c)与波长色散元件相连的光重定向元件；及
(d)与光重定向元件一起工作的启动阵列，用来偏转光信号以使其与波长色散元件决定的色散平面基本垂直。
2.根据权利要求1所述的光纤波长开关，其中前端单元还包含偏振分集模块，该模块具有至少一个用来将光信号分成两束具有基本上相同的偏振态的子信号的波片。
3.根据权利要求1所述的光纤波长开关，其中波长色散元件包含衍射光栅和棱镜中的一个，并且光重定向元件包含球形反射器。
4.根据权利要求1所述的光纤波长开关，其中启动阵列包含微型机电系统(MEMS)器件，该MEMS器件具有多个可以沿着由色散平面决定的轴移动的反射器。
5.根据权利要求4所述的光纤波长开关，其中多个光学端口中的每一个的位置与分别进出MEMS器件的输入和输出光束的角度偏移相关。
6.根据权利要求1所述的光纤波长开关，其中启动阵列包含具有多个象素的液晶偏转阵列，每个象素都有充当电可改写衍射光栅的光学相位阵列。
7.根据权利要求6所述的光纤波长开关，还包括地址选择模块，该模块被用来选择偏转角度以便向多个光端口中的一个提供信号。
8.一种重新路由和调节光信号的光学器件，包括：
(a)具有用来发射光束的第一端口和用来接收光束的第二端口的前端单元，该前端单元包括：
(i)光纤阵列，该阵列包括多个被耦合到用来发射光束的第一端口和用来接收光束的第二端口的光纤；
(ii)具有多个微型透镜的微型透镜阵列，每个透镜都被耦合到一根相应的光纤；及
(iii)用来接收和重定向来自微型透镜阵列的光信号的透镜；
(b)具有焦平面并且用来接收来自第一端口的光束的光重定向元件；
(c)决定色散平面并且基本上位于光重定向元件的焦平面上的波长色散元件，用来空间分离从光重定向元件反射的光束并且将空间分离的光束重定向到光重定向元件；和
(d)位于光重定向元件的焦平面上的启动阵列，用来将从光重定向元件反射的空间分离光束调节到与波长色散元件决定的色散平面基本垂直的方向上，并且通过光重定向元件和波长色散元件将经过调节的空间分离光束反射到前端单元的第二端口。
9.根据权利要求8所述的光学器件，其中前端单元还包含偏振分集模块，该模块具有至少一个用来将来自第一端口的光束分成两束具有基本上相同的偏振态的子光束的波片。
10.根据权利要求9所述的光学器件，其中波长色散元件包含衍射光栅和棱镜中的一个，并且光重定向元件包含球形反射器。
11.根据权利要求9所述的光学器件，其中启动阵列包含微型机电系统(MEMS)器件，该MEMS器件具有多个可以沿着由色散平面决定的轴移动的反射器。
12.一种重新路由和调节光信号的方法，包括：
(a)向具有焦平面的反射元件发射光束；
(b)将入射到反射元件的光束重定向到决定色散方向的色散元件，该色散元件基本上位于焦平面上；
(c)将重定向的光束空间分离成与多个不同光谱信道相对应的多个不同子光束；
(d)将多个不同子光束重定向到在光学上基本位于焦平面上的启动阵列；
(e)有选择地调节与色散方向基本垂直的多个不同子光束，并且沿基本上相反的方向反射这些子光束；及
(f)将经过有选择的调节的多个不同子光束重定向到色散元件，并将这些光束混合以形成输出光束。
13.根据权利要求12所述的方法，其中发射步骤包含在微型透镜中接收光束并使用透镜重定向来自微型透镜的光束以便将光束导向反射元件。
14.一种重新路由和调节光信号的器件，包括：
(a)用来发射光束的第一端口，该第一端口包括：
(i)耦合到用来发射和接收光信号的第一端口的光纤；
(ii)耦合到光纤的微型透镜；及
(iii)用来接收和重定向来自微型透镜的光信号的透镜；
(b)具有焦平面并且用来接收来自第一端口的光束的第一光重定向元件；
(c)决定色散方向并且基本位于光重定向元件的焦平面上的第一波长色散元件，用来空间分离从光重定向元件反射的光束并且将空间分离的光束重定向到光重定向元件；
(d)基本位于焦平面上的导光偏转器，用来接收从第一光重定向元件反射的空间分离光束并将空间分离光束重定向到与第一波长色散元件决定的色散方向基本垂直的方向上；
(e)用来接收来自导光偏转器的空间分离光束的第二光重定向元件；及
(f)第二波长色散元件，用来再混合来自第二光重定向元件的空间分离光束，并将再混合的光束导入第二光重定向元件。
15.根据权利要求14所述的光学器件，其中前端单元还包含偏振分集模块，该模块具有至少一个用来将来自第一端口的光束分成两束具有基本上相同的偏振态的子光束的波片。
16.根据权利要求15所述的光学器件，其中第一和第二波长色散元件包含衍射光栅，并且第一和第二光重定向元件包含球形反射器。
17.一种光纤波长开关，包括：
(a)前端单元，具有多个被耦合到透镜并且用来发射和接收光的端口；
(b)决定色散方向的波长色散元件；
(c)与波长色散元件相连的光重定向元件；及
(d)与光重定向元件一起工作、使光信号基本与波长色散元件决定的色散平面垂直的启动阵列。
18.根据权利要求17所述的光纤波长开关，其中前端单元还包含偏振分集模块，该模块具有至少一个用来将发送的光束中的一个分成两个具有基本上相同的偏振态的子信号的波片。
19.根据权利要求17所述的光纤波长开关，其中波长色散元件包含衍射光栅和棱镜中的一个，并且光重定向元件包含球形反射器。
20.根据权利要求19所述的光纤波长开关，其中启动阵列包含微型机电系统(MEMS)器件，该MEMS器件具有多个可以沿着由色散方向决定的轴移动的反射器。
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