CN1509419A - 可重新配置的光学分插多路复用器 - Google Patents

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Abstract

这个发明提供了使用衍射光栅(101)来按波长将多波长光信号分离成多个光谱通道的新颖波分发送装置(WSR)，所述多个光谱通道随后被聚焦到对应通道微镜(220)的阵列上。通道微镜可单独控制且可连续枢转以将光谱通道反射进多个输出端口。由此，所发明的WSR装置能够以逐通道为基础发送光谱通道且将任何光谱通道耦合进任何一个输出端口。本发明的WSR装置可进一步配备有伺服控制和光谱功率管理能力，从而将光谱通道到输出端口的耦合效率维持在所希望的值。本发明的WSR装置可以用来构造用于波分复用(WDM)光学组网应用中的新颖类型的可动态地重新配置的光学分插多路复用器(OADM)。

Description

可重新配置的光学分插多路复用器
对相关申请的交叉引用
这个申请对2001年3月19日提交的美国临时专利申请号60/277,217；2001年8月23日提交的美国专利申请号09/938,426；2001年11月7日提交的美国专利申请号10/005,714；2002年1月29日提交的美国专利申请号10/060,493；以及2002年2月14日提交的美国专利申请号10/076,145提出优先权要求，所有上述申请在此被引入作为参考。
发明领域
这个发明通常涉及到光学通信系统。更具体而言，它涉及到用于波分复用光学组网应用中新颖形式的可动态地重新配置的光学分插多路复用器。
背景
随着光纤通信网络快速地扩展到现代生活的每个领域，存在着对使光纤通信网络能够逐渐升级(scalable)、通用、鲁棒且成本有效的光学元件及子系统日益增长的需求。当代光纤通信网络通常采用波分复用(WDM)，因为通过利用不同的波长它允许多个信息(或数据)通道在单个光纤上同时被传递，因此显著地增强了光纤的信息带宽。WDM技术的流行已经使光学分插多路复用器成为现代光纤通信网络中必不可少的构件块。光学分插多路复用器(OADM)用来选择性地从光纤上多重的波长中去除(或分出)一个或更多个波长，因此从光纤上的业务流中减去一个或更多个数据通道。它进一步将一个或更多个波长插入回到光纤，从而将新数据通道插进相同流中。由此，OADM使分别向光纤发射多个数据通道以及从光纤检索多个数据通道变为可能，而不需要中断沿着光纤的整个业务流。的确，OADM的精心布局可以戏剧性地改善光学通信网络的灵活性及鲁棒性，而同时提供显著的成本优势。
在本领域中的传统OADM典型地采用并行或串行结构的多路复用器/去复用器(例如波导光栅路由选择器或按阵列排列的波导光栅)、可调滤波器、光学开关、以及光学环形器，以实现插入和分出功能。在并行结构中，如美国专利号5,974,207所示范，去复用器(例如波导光栅路由选择器)首先将多波长信号分成其组分光谱分量。然后波长转换/路由选择装置(例如光学开关和光学环形器的组合)用来分出选择性的波长并且插入其它波长。最终地，多路复用器将剩余的(即，通过的(pass-through))波长组合到输出多波长光学信号中。在串行结构中，如美国专利号6,205,269所示范，可调滤波器(例如，Bragg光纤光栅)与光学环形器相组合被用来将分出波长从通过波长中分开且随后将插入通道发射进通过路径。如果要插入和分出多个波长，则需要附加的多路复用器和去复用器以分别对分出波长去复用并且对插入波长进行复用。不管根本的结构如何，目前在本领域中的OADM从特征上看成本高且具有显著的光学损耗累积倾向。此外，这些OADM的设计是如此这般，以致于固有地难以以动态形式对它们重新配置。Askyuk等人的美国专利号6,204,946公开了一种利用以并行结构的自由空间光学的OADM。在这种情况下，从输入端口出来的多波长光学信号被入射到经刻划的衍射光栅上。被如此分离的组成光谱通道随后被聚焦透镜聚焦到二元的经显微机械加工的镜的线性阵列上。每个微镜被配置成在两个分立状态之间进行操作，以便于它或者将其对应的光谱通道作为通过通道向后反射回进入输入端口，或者将其光谱通道作为分出通道导引到输出端口。由此，通过信号(即，经组合的通过通道)与输入信号共用相同的输入端口。因此光学环形器被耦合到输入端口，以提供这两个信号的必要路由。同样，分出通道与插入通道共用输出端口。附加的光学环形器被耦合到输出端口。分出通道从输出端口离开且插入通道通过附加的光学环形器被引入到输出端口。随后插入通道借助于衍射光栅及二元微镜与通过信号进行组合。
虽然上述提到的由Askyuk等人所公开的OADM具有执行波长分离及在自由空间进行路由并且由此导致较少的光学损耗的优点，但是它受到若干局限性。首先，它需要通过信号与输入信号共用相同的端口/光纤。因此光学环形器必须被加以实施，以提供对这两个信号的必要路由选择。同样，所有的插入和分出通道通过相同的输出端口进入且离开OADM，因此需要附加的光学环形器。此外，必须提供附加装置以在插入通道进入系统之前对其进行复用且在分出通道离开系统之前对其进行去复用。这一附加的复用/去复用需求增加了更多的成本及复杂性，其可以限制OADM的通用性。其次，在这个OADM中用于各种路由目的而被实施的光学环形器引入可以被累积到相当大的量的附加光学损耗。第三，组分光学分量必须处于精确的对准，以便于系统取得其预计的目的。然而，并未提供用于维持必不可少的对准的规定，以及并没有实施克服在操作期间内因环境影响如热及机械干扰所导致的对准降级的机理。
Tomlinson的美国专利号5,960,133公开了一种利用设计类似于Aksyuk等人的设计的OADM。在一个实施例中，存在被设置在矩形阵列中的输入、输出、分出和插入束。在两个分立位置之间可切换的每个微镜或者将其对应的波长分量从输入束反射回到输出束，或者相伴随地将波长分量从输入束反射回到分出束以及将同一波长分量从插入束反射回到输出束。还示出了可供选择的实施例，其中多个插入和分出束，连同输入和输出束被设置在两维阵列中。然而，如同在Askyuk等人的情况一样，并未提供用于维持系统中必不可少的对准的规定，以及并没有实施减轻在操作期间内因环境影响所导致的对准降级的机理。此外，在一些应用中在两维配置中对准多个光束且进一步维持必不可少的对准可能是困难的。
由此，在本领域中目前的OADM所遭受到的主要缺点被总结如下：
1)波长路由固有地为静态的，致使其难以动态地重新配置这些OADM。
2)插入以及/或分出通道经常需要被复用及/或被去复用，由此强加了附加的复杂性和成本。
3)需要严格的制造公差和辛苦的光学对准。此外，光学对准没有得到有效地维持，致使其易受到操作过程当中的环境影响如热及机械干扰。
4)在光学通信网络中，OADM典型地处于环或级联配置。为了减轻在OADM之间的经常不利地影响网络整个性能的干涉，有必要地是例如通过在每个级中引入功率(或增益)均衡，以系统的方法对进入且离开每个OADM的光谱通道的光功率水平加以管理。这种功率均衡能力还用于补偿由网络中的光学放大器(例如，掺杂铒的光纤放大器)所导致的非均匀增益。然而，却缺乏对这些OADM中各种光谱通道的光功率水平的系统且动态的管理。
5)固有的高成本及沉重的光学损耗进一步阻碍了这些OADM的广泛应用。
鉴于上述内容，在本领域中存在对以简单、有效且经济的结构克服上述不足的光学分插多路复用器的需求。
发明概述
本发明提供了波长分离-路由(WSR)装置以及使用充当输入端口及多个输出端口的光纤准直器阵列；波长分离器；束聚焦装置；以及通道微镜阵列的方法。
在操作中，多波长光学信号来自于输入端口。波长分离器将所述多波长光学信号分成多个光谱通道，其每一个的特征在于不同的中心波长及相联系的带宽。束聚焦装置将光谱通道聚焦成对应的焦斑(focused spot)。通道微镜被如此定位，以便于每个通道微镜接收唯一一个光谱通道。通道微镜可单独地控制和移动(例如可枢转或可旋转)，以便于将光谱通道反射进所选择的输出端口中。由此，每个通道微镜被分配给一个特定的光谱通道，因此得来名称“通道微镜”。每个输出端口可按收任何数量的当被反射的光谱通道。
与在现有技术中所使用的那些通道微镜相对照，本发明中的通道微镜的显著特点在于：每个通道微镜的枢转(或旋转)运动可处于模拟控制下，以便于它的枢转角可以被连续地调节。这使每个通道微镜能够在所有可能的输出端口上扫描其对应的光谱通道，且从而将光谱通道导引到任何所希望的输出端口。
在本发明的WSR装置中，波长分离器可由经刻划的衍射光栅、全息衍射光栅、阶梯光栅、弯曲衍射光栅、透射光栅、色散棱镜或本领域中公知的其它类型波分装置来提供。束聚焦装置可能是单透镜、透镜组件、或本领域中所公知的其它类型束聚焦装置。通道微镜可由经显微机械加工的硅镜、反射带(或膜)、或本领域中公知的其它类型束偏转装置来提供。每个通道微镜可绕着一个或两个轴枢转。充当输入和输出端口的光纤准直器可被设置在一维或两维阵列中。在后者情况下，通道微镜可双轴枢转。
本发明的WSR装置可进一步包括一个与波长分离器和光纤准直器进行光学通信的准直器-对准镜阵列，用于调节多波长输入信号的对准并且借助于对被准直束的角控制将所反射的光谱通道导引进所选择的输出端口。每个准直器-对准镜可沿着一个或两个轴旋转。准直器-对准镜可被设置在一维或两维阵列中。成像透镜的第一和第二阵列可附加地从光学上以远心设置被置于准直器-对准镜和光纤准直器之间，从而将准直器-对准镜“成像”到对应的光纤准直器上以确保光学对准。
本发明的WSR装置可进一步包括与通道微镜和输出端口通信的伺服控制组件。所述伺服控制组件用来监视被耦合进输出端口的光谱通道的光功率水平，并且进一步在逐个基础上提供对通道微镜的控制，以便于维持预先设定的每个光谱通道到输出端口的耦合效率。(如果WSR装置包括如上所述的准直器-对准镜阵列，则伺服控制组件可附加地提供对准直器-对准镜的动态控制。)由此，所述伺服控制组件提供对光谱通道耦合进相应输出端口的动态控制且因此有效地对被耦合进输出端口内光谱通道的光功率水平加以管理。例如，被耦合进输出端口的光谱通道的光功率水平可以被均衡在一个预先设定的值。此外，这种伺服控制组件的使用有效地放宽了在本发明WSR装置组装期间的制造公差及精确度，且进一步使所述系统能够校正在操作期间可能引起的光学对准漂移。在下面的讨论中，结合有被如此说明的伺服控制组件的WSR装置被称为WSR-S装置。
本发明的WSR装置可进一步采用偏振多集设置(polarizationdiversity arrangement)，以克服组分光学元件可能具有的偏振敏感效应。偏振位移单元(polarization-displacing unit)(例如一个或多个双折射束位移器(displacer))以及偏振旋转单元(例如一个或多个半波晶片)可沿着提供输入和输出端口的光纤准直器与波长分离器之间的光学路径被放置。偏振位移单元用来将多波长输入光学信号分解成第一和第二偏振分量。偏振旋转单元可随后将第二偏振分量的偏振旋转(例如，90°)，这样它的偏振基本上平行于第一偏振分量。波长分离器将入射光学信号按波长分别地分成第一和第二光束集。束聚焦装置可将所述第一和第二光束集聚焦到照射到通道微镜上的相应焦斑上。与相同波长相联系的所述第一和第二光束可照射到相同的通道微镜上(且由其所操纵)。通道微镜可被单独地加以控制，以便于第一和第二光束集在反射时受到偏转。被反射的第一光束集可随后通过偏振旋转单元而经受90°的偏振旋转。这使偏振位移单元能够在被反射的第一和第二光束集被耦合进输出端口之前按波长将其分别重新组合进被反射的光谱通道中。
由此，上述提到的偏振多集设置有效地致使偏振敏感效应不重要，且因此减少了系统的插入损耗及取决于偏振的损耗。
因而，本发明的WSR(或WSR-S)装置可被用来构建多种光学设备，包括新颖类型的动态地可重新配置的光学分插多路复用器(OADM)。
在根据本发明的OADM的一个实施例中，在本发明的WSR中可实施包括输入端口、通过端口、多个分出端口、以及多个插入端口的一维输入-输出端口阵列。输入-输出端口阵列的设置可是如此这般，以便于传递进来光学信号的输入端口(即输入端口和插入端口)和携带外出光学信号的输出端口(即，通过和分出端口)以交替(或交错)的形式被放置，借此在每两个输入端口之间被放入的是一个输出端口，且反之亦然。这样的设置保证：如果起源于输入端口的光谱通道即将被发送到分出端口，则来自相邻(或配对)插入端口的具有相同波长的插入光谱通道可以同时被导引进通过端口。这是由于这样的事实，即分出光谱通道和对应的插入光谱通道通过WSR装置中相同的通道微镜被发送到其相应的目的地。
上述OADM的显著优点是：以动态地可重新配置的形式来插入或分出多光谱通道的能力，而不涉及附加的装置。伺服控制组件可进一步被结合到本发明的OADM中，用于监视和控制被耦合进输出端口的光谱通道的光功率水平。
本发明OADM的可供选择性的实施例包括WSR(或WSR-S)装置和光组合器。WSR装置的输出端口包括通过端口以及一个或更多个分出端口，其每个携带任何数量的光谱通道。所述光组合器被耦合进通过端口，用来将通过通道与一个或更多个插入光谱通道进行组合。被组合的光信号构成了系统的输出信号。光组合器可例如是N×1(N≥2)宽带纤维光学耦合器，其还可起到对要被耦合进系统中的多重插入光谱通道进行复用的目的。
在本发明的OADM的另一实施例中，第一WSR(或WSR-S)装置与第二WSR(或WSR-S)装置相级联。所述第一WSR装置的输出端口包括一通过端口和一个或更多个分出端口。所述第二WSR装置包括多个输入端口及一离开端口。配置是如此这般，以便于来自第一WSR装置的通过通道以及一个或更多个插入通道被导引进第二WSR装置的输入端口，且因此被复用进入被导引到第二WSR装置离开端口的输出多波长光学信号中。那便是说在这个实施例中，一个WSR装置(例如所述第一个)有效地执行动态的分出功能，而另一WSR装置(例如所述第二个)则实现动态的插入功能。并且除了由整个通信系统所强加的那些限制以外，本质上不存在对可被插入或分出的波长的基本限制。此外，如果有用于在网络环境中执行复杂的插入和分出功能的如此要求时，则被如此呈现的根本OADM结构内在地可升级且可以被容易地扩展到任何数量的WSR(或WSR-S)系统。
本发明的OADM提供优越于现有设备的许多优点，显著地：
1)通过有利地采用单独且连续可控制的通道微镜阵列，本发明的OADM能够以逐通道为基础发送光谱通道，且将任何光谱通道导引进多个输出端口中的任何一个中。由此，其根本的操作可动态地重新配置，且其根本的结构内在地可升级到大量数目的通道计数，以及升级到多个输入和多个输出端口。
2)插入和分出光谱通道在分别进入OADM之前及离开OADM之后不需要被复用和去复用。并且不存在对要被插入或分出的波长的基本限制。
3)光谱通道进入输出端口的耦合由伺服控制组件进行动态控制，致使OADM对环境影响(如热和机械干扰)较不敏感且因此在性能上更加鲁棒。通过维持最佳的光学对准，由光谱通道引发的光学损耗也得到显著降低。
4)被耦合进通过端口的光谱通道的光功率水平可根据要求被动态地加以管理，或借助于伺服控制组件被维持在所要求的值(例如，被均衡在一预先设定的值)。被耦合进分出端口的光谱通道的光功率水平也可由伺服控制组件加以监视。作为OADM整体的一部分的这个光谱功率管理能力在WDM光学组网应用中将尤其被需要。
5)自由空间光学(free-space optics)的使用提供了一种简单、低损耗且成本高效的结构。此外，伺服控制组件的利用有效地放宽了在初始组装期间的制造公差及精确度，使OADM能够在结构上更简单且更适用，并且成本和光学损耗更低。
6)对于WDM光学组网应用，根本的OADM结构允许根据本发明的多重OADM容易地得到组装(例如，被级联)。
通过下述附图及详细说明，这个发明的新颖特点，以及此发明本身将被最好地加以理解。
附图的简要说明
图1A-1D示出根据本发明的波长分离-发送(WSR)装置的第一实施例，以及示例WSR装置性能的模型化结果；
图2A描绘根据本发明的WSR装置的第二实施例；
图2B-2C示出根据本发明的WSR装置的第三实施例；
图3描绘根据本发明的WSR装置的第四实施例；
图4A-4B示出根据本发明包括WSR装置和伺服控制组件的WSR-S装置的两个实施例的示意性示例；
图5A-5B描绘根据本发明的光学插分多路复用器(OADM)的第一
实施例；
图5C-5D示出根据本发明的OADM的第二实施例；
图5E示出根据本发明采用伺服控制组件的OADM的示范性实施例；
图6A描绘根据本发明的OADM的第三实施例；
图6B示出根据本发明的OADM的第四实施例；
图7A-7B描绘采用偏振多集设置、根据本发明的WSR装置的第五
实施例；
图7C-7D描绘被用在图7A-7B中所示WSR装置中的偏振位移单元的两个示范性实施例；
图8A示出采用偏振多集设置、根据本发明的WSR装置的第六实施例；
图8B描绘采用偏振多集设置、根据本发明的WSR装置的第七实施例；
图8C示出采用偏振多集设置、根据本发明的WSR装置的第八实施例；
详细说明
在这个规范及所附加的权利要求中，“光谱通道”其特征在于截然不同的中心波长和相联系的带宽。如同在WDM光学组网应用中一样，每个光谱通道可携带唯一的信息信号。
图1A描绘根据本发明的波长分离-发送(WSR)装置第一实施例的透视图。作为实例来示例根据本发明的波长分离-发送(WSR)装置的基本原理和拓扑结构，WSR装置100包括可能是以光纤准直器110阵列形式的多个输入/输出端口，从而提供一输入端口110-1和多个输出端口110-2至110-N(N≥3)；其形式之一可是衍射光栅101的波长分离器；以聚焦透镜102形式的束聚焦装置；以及通道微镜103的阵列。
在操作中，多波长光学信号从输入端口110-1出现。衍射光栅101有角度地将多波长光学信号分成多个光谱通道，其依次被聚焦透镜102聚焦到对应焦斑的空间阵列(在图1A中未示出)。通道微镜103根据由光谱通道所形成的空间阵列而被定位，这样每个通道微镜接收唯一一个光谱通道。通道微镜103在模拟(或连续)控制下可单独地控制和移动，例如可枢转(或旋转)，这样在反射时，光谱通道借助于聚焦透镜102和衍射光栅101被导引进所选择的输出端口110-2至110-N之一。由此，每个通道微镜被分配一个特定的光谱通道，因此得来名称“通道微镜”。每个输出端口可接收任何数量的被反射的光谱通道。
为了示例及清楚起见，在图1A及随后的图中用图形方式仅示例了经选择的几个(例如三个)光谱通道连同输入多波长光学信号。然而，应该注意到在本发明的WSR装置中可以存在任何数量的光谱通道(只要光谱通道的数量不超过系统中所采用的通道镜的数量)。还应该注意到图1A及随后图中所示的代表光谱通道的光束仅是为了示例目的而被提供。即，它们的大小和形状可能不是按照比例而画出。例如，如本领域内的普通技术人员所公知的那样，只要到衍射光栅的入射角不等于衍射角，则输入束和对应的被衍射束通常可具有不同的横截面形状。
在图1A的实施例中，优选地衍射光栅101和通道微镜103分别被放置在聚焦透镜102的第一和第二(即前和后)焦平面(在相对侧)中。这样的远心设置允许被聚焦束的主光线彼此平行且通常平行于光轴。在这个应用中，远心配置进一步允许被反射的光谱通道有效地被耦合进相应的输出端口，从而将另外可出现的各种平移的“偏离效应”(walk-off effects)减至最少。此外，优选地多波长输入光学信号被准直且横截面为圆形。从衍射光栅101被衍射的对应光谱通道的横截面通常为椭圆形，例如它们可在一个维度上与输入束具有相同的大小且在另一维度上是细长的。
公知地是衍射光栅的衍射效率通常取决于偏转。例如，对于标准安装配置中的光栅，p(或TM)偏振(垂直于光栅上的凹槽线)的衍射效率可比s(或TE)偏振(正交于p偏振)的衍射效率高得多，或反之亦然。为了减轻这种偏振敏感效应，正如图1A所示，可从光学上将四分之一波片104置于衍射光栅101和通道微镜103之间，且优选地将其放置在衍射光栅101和聚焦透镜102之间。通过这种方式，每个光谱通道在两次横越四分之一波片时其经受约90°的总偏振旋转。(即，当光束第一次与衍射光栅相遇时如果具有p偏振，则在第二次相遇时它将主要地(如果不是全部)具有s偏振，且反之亦然。)这使所有光谱通道能够引起几乎相同量的取决于偏振的“往复”损耗。
在图1A的WSR装置100中，作为实例，衍射光纤101被定向，以便于如图1B所示例光谱通道的焦斑落到以水平阵列的通道微镜103上。
在图1B中所描绘的是在图1A实施例中所示出的通道微镜103的特写视图。作为实例，通道微镜103被设置在沿着x轴(即在图中的水平方向上)的一维阵列中，以为了以一对一的对应接收从空间上被分离的光谱通道的焦斑。(如同图1A中的情况，仅示例出三个光谱通道，每个通道由会聚束来表示。)每个通道微镜的反射表面位于图中所定义的x-y平面且以模拟(或连续)方式可移动，例如沿着x方向绕轴可枢转(或偏转)。在反射时每个光谱通道相对于其入射方向在y方向上(例如向下)被偏转，以便于被导引进图1 A所示的输出端口110-2至110-N之一。
如上所述，本发明的独特特点是每个通道微镜的运动可单独且连续地控制，这样其位置、例如枢转角可被连续地加以调节。这使每个通道微镜能够沿着所有可能的输出端口扫描其对应的光谱通道且因此将光谱通道导引到任何所希望的输出端口。为了示例这个能力，图1C示出作为通道微镜枢转角θ的函数的耦合效率绘图，其由图1A实施例中WSR装置的光线-跟踪模型所提供。正如在此所使用的那样，光谱通道的耦合效率被定义成被耦合进输出端口内光纤芯的光功率与入射到光纤(与充当输出端口的光纤准直器相联系)入口表面上的光功率总量的比率。在光线跟踪模型中，输入光信号以85°的掠射角入射到每毫米具有700线的衍射光栅上，其中光栅被闪耀(blazed)以优化“-1”级的衍射效率。聚焦透镜具有100mm的焦距。每个输出端口由被耦合到光纤的四分之一间距GRIN透镜(直径为2mm)所提供(见图1D)。如图1C所显示，耦合效率随着枢转角θ而改变，且在这个示范性情况下它要求约0.2度的θ变化，以使耦合效率变得实际上可忽略不计。由此，借助于控制其对应通道微镜的枢转角，每个光谱通道实际上可获取任何耦合效率值。这也就是说在本发明的WSR装置中可以获得在单一波长的颗粒度上变化的光学衰减。图1D提供了对在图1C中耦合效率对θ曲线上的两个端点的光线跟踪示例：轴上耦合对应于θ＝0，其中耦合效率为最大；以及离轴耦合对应于θ＝0.2°，其中代表性的被准直束(表示示范的光谱通道)经受显著的平移偏离且致使耦合效率实际上可忽略不计。由此所说明的示范性模型化结果示例出本发明WSR装置的独特能力。
图1A提供根据本发明的WSR装置的许多实施例之一。总的来说，波长分离器是一波长分离装置，其可是经刻划的衍射光栅、全息衍射光栅、阶梯光栅、色散棱镜或本领域中公知的其它类型光谱分离装置。束聚焦装置可是一聚焦透镜、透镜组件、或本领域中所公知的其它束聚焦装置。通过利用作为波长分离器的弯曲衍射光栅也可实现聚焦功能。通道微镜可由经显微机械加工的硅镜、反射带(或膜)、或本领域中所公知的其它类型束偏转装置来提供。每个微镜可绕着一个或两个轴枢转。重要地是每个通道微镜的枢转(或旋转)运动以模拟方式可单独控制，借此枢转角可以被连续地加以调节以便于使通道微镜沿着所有可能的输出端口扫描光谱通道。经显微机械加工的镜的根本制造技术及相联系的衰减机理在本领域中有很多文件证明，见例如美国专利号5,629,790，其在此被全面且完整地加以引入以作为参考。此外，典型地光纤准直器采用准直透镜(如GRIN透镜)及安装有金属箍的光纤的形式，其两者被一起封装在机械上鲁棒的不锈钢(或玻璃)管中。充当输出和输出端口的光纤准直器可被设置在一维阵列、两维阵列或其它所希望的空间图案中。例如，如本领域中通常所实践的那样，它们可方便地被安装在沿着被制作在由硅、塑料、或陶瓷所制成基片上的V形凹槽的线性阵列中。然而，应该注意到：如在阵列配置中，输入端口和输出端口未必需要彼此处于靠近的空间邻近(虽然靠近的包装将降低每个通道微镜所要求的旋转范围)。在本领域中的那些普通技术人员将知道如何设计根据本发明的WSR装置，以最佳地适合于给定的应用。
如图2A-2B及3所示，本发明的WSR装置可进一步包括准直器-对准镜阵列，用于调节输入多波长光学信号的对准并且便利于将光谱通道耦合进相应的输出端口。
图2A所描绘的是根据本发明的WSR装置的第二实施例。作为实例，如通过标注有相同数字的那些元件所识别的那样，WSR装置200基于图1A实施例中所使用的若干元件而建立且因此共享所述元件。此外，准直器-对准镜220-1至220-N的一维阵列220从光学上被置于衍射光栅101和光纤准直器阵列110之间。准直器-对准镜220-1被指定与输入端口110-1对应，用于调节多波长输入光信号的对准且因此用于使光谱通道能够照射到对应的通道微镜上。准直器-对准镜220-2至220-N以一对一的对应被分配给输出端口110-2至110-N，从而用来提供对经反射光谱通道的被准直束的角控制且因此便利于根据所希望的耦合效率将光谱通道耦合进相应的输出端口。每个准直器-对准镜可绕着一个轴、或两个轴旋转。
图2A的实施例在其中希望光纤准直器(充当输入和输出端口)紧邻近准直器-对准镜阵列220被放置的应用中具有吸引力。为了最好地便利于将光谱通道耦合进输出端口，如图2B所描绘，成像透镜可被实施在准直器-对准镜阵列220与光纤准直器阵列110之间。作为实例，如通过标注有相同数字的那些元件所识别的那样，图2B中的WSR装置基于图2A实施例中所使用的许多元件而建立且因此共享所述元件。此外，成像透镜的第一和第二阵列260、270相对于准直器-对准镜阵列220和光纤准直器阵列110被放置在“4-f”远心设置中。图2C中所示的虚线框提供了“4-f”远心设置的顶视图。在这种情况下，在第一和第二阵列260、270中的成像透镜全部具有相同的焦距f。准直器-对准镜220-1至220-N被放置在第一阵列260中的成像透镜的相应第一(或前)焦点上。同样，光纤准直器110-1至110-N被放置在第二阵列270中的成像透镜的相应第二(或后)焦点上。成像透镜的所述第一和第二阵列260、270之间的间距为2f。通过这种方法，准直器-对准镜220-1至220-N被有效地成像到对应光纤准直器110-1至110-N内GRI N透镜的相应入口表面(即前焦平面)上。这种“4-f”成像系统基本上消除了当镜角度变化时可能另外在输出端口出现的被准直束的平移偏离。
图3示出根据本发明的WSR装置的第四实施例。作为实例，如通过标注有相同数字的那些元件所识别的那样，WSR装置300基于图2B实施例中所使用的若干元件而建立且因此共享所述元件。在这种情况下，图2B中的一维光纤准直器阵列110由光纤准直器的两维阵列350所取代，从而提供一个输入端口及多个输出端口。因而，图2B中的一维准直器-对准镜阵列220由准直器-对准镜的两维阵列320所取代，且图2B中成像透镜的第一和第二一维阵列260、270同样分别被成像透镜的第一和第二两维阵列360、370所取代。如同图2B实施例的情况一样，成像透镜的第一和第二两维阵列360、370相对于两维准直器-对准镜阵列320和两维光纤准直器阵列350被放置在基本上相同的“4-f”远心设置中。在这种情况下每个通道微镜103可双轴枢转，以为了将其对应的光谱通道导引到任何一个输出端口中。由此，WSR装置300被装备以支持较大数量的输出端口。
除了如前所述便利于将光谱通道耦合进相应的输出端口以外，在上述实施例中的准直器-对准镜还用来补偿在提供输入和输出端口的光纤准直器中的失调(例如由制造及组装误差而引起)。例如，光纤芯和光纤准直器中它们的相应准直透镜之间有关的失调可以导致被准直束中的指向误差，其可由准直器-对准镜进行校正。出于这些原因，优选地准直器-对准镜可绕两个轴旋转。它们可是经显微机械加工的硅镜，用于快速的旋转速度。它们还可是在本领域中所公知的其它类型镜或束偏转元件。
为了将光谱通道到输出端口的耦合进行优化且进一步维持最佳的光学对准抵御在操作过程中的环境影响如温度变化及机械不稳定性，本发明的WSR装置可结合伺服控制组件，以用于提供对基于逐通道的光谱通道至相应输出端口的耦合的动态控制。在这个规范中结合有伺服控制组件的WSR装置被称为WSR-S装置。
图4A描绘了根据本发明的WSR-S装置第一实施例的示意性示例。WSR-S装置400包括WSR装置410和伺服控制组件440。WSR装置410可基本上类似于图1A中的WSR装置100，或根据本发明的任何其它实施例。伺服控制组件440包括光谱功率监视器460，用于监视被耦合进WSR装置410的输出端口420-1至420-N的光谱通道的光功率水平。作为实例，光谱功率监视器460可借助于纤维光学耦合器420-1-C至420-N-C被耦合到输出端口420-1至420-N，其中每个纤维光学耦合器用来“分接出(tap off)”对应输出端口中的预先设定的一小部分光学信号。伺服控制组件440进一步包括与光谱功率监视器460和WSR装置410的通道微镜430相通信的处理单元470。所述处理单元470使用来自光谱功率监视器460的光功率测量以在逐个基础上提供对通道微镜430的反馈控制，以便于为每个光谱通道维持所希望的到所选择输出端口的耦合效率。
作为实例，处理单元470可将适当的交流(或抖动)控制信号施加到通道微镜，并与dc控制信号叠置用于将通道微镜维持在特定的枢转位置。这使在瞬时的微镜枢转角时能够获得对应光谱通道的光功率水平以及光功率水平的变化率(或光功率水平的时间导数)。鉴于在图1C中的描绘的示范性耦合效率曲线，光功率水平的变化率与耦合效率曲线的斜率成比例，且因此有益于对应所测量的光功率水平来定位微镜枢转角。它还有益于确定被施加到通道微镜上的反馈控制信号的量值，以便于以最有效的方式获得所希望的耦合效率。从本发明的示教中，普通的技术人员将了解如何设计一个适当的伺服控制方案以最好地适合于给定的应用。
由此，伺服控制组件440提供对基于逐通道的光谱通道至相应输出端口的耦合的动态控制，且因此对耦合进输出端口的光谱通道的光功率水平进行管理。在输出端口中的光谱通道的光功率水平可根据要求被动态地加以管理，或被维持在本发明所希望的值(例如，被均衡在一预先设定的值)。如上述所讨论，这样的光谱功率管理能力在WDM光学组网应用中是必要的。
图4B描绘根据本发明的WSR-S装置第二实施例的示意性示例。WSR-S装置450包括WSR装置480和伺服控制组件490。除了通道微镜430(以及由同图4A中所使用的那些相同数字所识别的其它元件)以外，WSR装置480还进一步包括多个准直器-对准镜485，且可根据图2A、2B、3的实施例或根据本发明的任何其它实施例加以配置。作为实例，伺服控制组件490包括如图4A实施例中所说明的光谱功率监视器460以及处理单元495。在这种情况下，所述处理单元495与WSR装置480的通道微镜430和准直器-对准镜485以及光谱功率监视器460相通信。处理单元495使用来自光谱功率监视器460的光功率测量以提供对通道微镜430及连同准直器-对准镜485的动态控制，以便于将光谱通道到输出端口的耦合效率维持在所希望的值。处理单元495的根本操作原理可基本上类似于如上所述的处理单元470的根本操作原理。
在图4A或4B的实施例中，光谱功率监视器460可是本领域中所公知的能够探测多波长光学信号中光谱分量的光功率水平的光谱功率监视设备之一。这种设备典型地采用按波长从空间上将多波长光学信号分成组分光谱分量的波长分离装置(例如衍射光栅)、以及被配置成能够探测这些光谱分量光功率水平的一个或更多个光学传感器(例如光电二极管阵列)的形式。图4A中的处理单元470(或图4B中的处理单元495)典型地包括电路和信号处理程序，用于处理从光谱功率监视器460所接收的光功率测量并且产生即将被施加到通道微镜430(以及在图4B情况下的准直器-对准镜485)上的适当控制信号，以便于将光谱通道到输出端口的耦合效率维持在所希望的值。用于伺服控制系统中这种处理单元的电子电路学和相联系的信号处理算法/软件在本领域中是公知的。本领域中的那些普通技术人员将知道：对于一给定应用，如何在根据本发明的WSP-S装置中提供伺服控制组件。
伺服控制组件的结合提供了这样的附加优点，即在根据本发明的WSR装置的初始组装期间有效地放宽了必不可少的制造公差及光学对准精度，且进一步使所述系统能够校正在操作过程中可能出现的对准漂移。通过维持最佳的光学对准，由光谱通道所导致的光学损耗也显著地得到降低。由此，如此构造的WSR-S装置在结构上更简单且更适用，性能上更鲁棒且成本及光学损耗更低。因而，本发明的WSR-S(或WSR)装置可被用来构造包括用于WDM光学组网应用中的新颖类型光学分插多路复用器(OADM)的各种光学设备。
图5A-5B描绘了本发明的光学分插多路复用器(OADM)的第一实施例。图5A所示的是根据本发明的OADM 500A的示意性视图，其仅示例出WSR装置的输入和输出端口以及多个插入端口。为了简化和清楚起见，WSR装置的剩余部分示意性地由虚线框510表示。在这种情况下的WSR装置可根据图1A、2A、2B、3的实施例，或根据本发明的任何其它配置而被构造。作为实例，在一维的输出-输出端端口阵列570中，可设置输入端口520、通过端口530、和多个分出端口540-1至540-N以及多个插入端口560-1至560-N。输入-输出端口阵列570的所述设置可以是如此这般，以便于传递进来光学信号的输入端口(例如输入端口520和插入端口)和携带外出光学信号的输出端口(例如通过530和分出端口)以交替(或交错)的形式被放置，借此在每两个输入端口之间被放入的是一个输出端口，且反之亦然。这样的设置保证：如果起源于输入端口520的光谱通道λi被路由选择到分出端口，如分出端口540-2，则借助于虚线框510中的光学系统，来自相邻插入端口560-2的具有相同波长λi的插入光谱通道可以被虚线框510中的相同通道光学系统导引进通过端口530。正如在图5B中更详细所示，这是由于这样的事实，即分出光谱通道和对应的插入光谱通道通过虚线框510中相同的通道微镜被路由选择到其相应的目的地。(注：鉴于如此说明的功能性，插入端口560-2固有地与分出端口540-2配对；同样，插入端口560-i与分出端口540-i配对，其中i＝1至N。)
作为实例，图5B以放大的示意图描绘示范性的通道微镜580(例如在图1B中所示的通道微镜103-i)。第一入射束581表示图5A中起源于输入端口520的光谱通道λi，且第一被反射束582表示来自通道微镜580的被反射的光谱通道λi。第二入射束583表示来自图5A中插入端口560-2的插入光谱通道λj，且第二被反射束584表示来自通道微镜580的被反射的插入通道λi。线585指示到通道微镜580反射表面的法线方向。因为第一入射束581的入射角θ1等于第一被反射束582的反射角θ1′，且第二入射束583的入射角θ2同样与第二被反射束584的反射角θ2′相同，所以借此图5A中的输入、通过、分出及插入端口被加以放置的空间设置使第一被反射束582能够被路由选择进入分出端口540-2且第二被反射束584能够被导引进通过端口530。
此外，通过经受枢转(或旋转)运动，例如绕着垂直于纸平面的轴586(例如，沿着图1B中所示的x-方向)，如图5B中所示例的相同操作原理所支配的那样，通道微镜580能够进一步将光谱通道λi导引进输入-输出端口阵列570中的任何其它分出端口，以及连同将插入光谱通道(具有相同波长)从配对的插入端口路由选择到通过端口530。如在图1A、2A、2B或3实施例中所说明的那样，通道微镜580还可将光谱通道λi导引到通过端口530。
本领域中的普通技术人员将意识到：图5B的示范性实施例及如此所示例的操作原理适用于OADM 500A中的任何通道微镜。由此，OADM500A能够将插入光谱通道从多个插入端口插进(或“插入”)到通过端口530，而与此同时将光谱通道从输入端口520路由选择进入适当的分出端口，从而以可动态地重新配置的方法执行插入及分出功能。
应该注意到：作为实例，图5A中的示范性实施例被加以提供以示例本发明的基本原理。各种元件和特点仅出于示例性目的而被示出，且因此没有按照比例画出。例如，在输入-输出端口阵列570中的输入、通过、分出及插入端口通常并没有均匀地隔开，虽然按照旁轴近似它们可能大约均匀地隔开。根据本发明的示教，本领域的那些普通技术人员还将意识到还存在设置图5A中输入-输出端口阵列570的输入端口及输出端口的其它可供选择方法，其基本上将获得与上述方法相同的功能性。作为实例，输入端口520和通过端口530可接近输入-输出端口阵列的中部、在其底部或沿着其的任何其它所希望的位置被放置，只要分出端口和插入端口相应地被加以设置，以便于在每两个输入端口之间所置放的是一个输出端口，且反之亦然。这使每个通道微镜能够以图5B中所描绘的方式执行将光谱通道从输入端口“分出”到分出端口且将光谱通道(具有相同波长)从配对的插入端口“插入”到通过端口的双功能。此外，如本领域中通常所实践的那样，输入-输出端口阵列570可通过光纤准直器阵列来具体表达，所述光纤准直器阵列可被方便地被安装在被制作在由硅、塑料、或陶瓷所制成基片上的V形凹槽中。
图5A-5B实施例的根本原理和操作可被容易地扩展，以如图5C-5D所示例来设计装备有输入和输出端口的两维阵列的OADM。图5C所示为根据本发明的OADM的第二实施例的示意顶视图。(图5C及下面的图中所示的示意视图相对于图1A的透视图被加以呈现。)作为实例，OADM500B利用图1A实施例中所使用的基本结构以及因此若干元件，如通过标注有相同数字的那些元件所识别的那样。此外，两维的输入-输出端口阵列575被加以实施(其中仅明确地示出输入-输出端口阵列575的顶视图)，代替了图1A中的光纤准直器阵列110。
图5D描绘了图5C中的输入-输出端口阵列575的示意性正视图。作为实例，输入-输出端口阵列575包括具有输入端口525和多个插入端口565-1至565-N的输入端口列575A以及包括通过端口535和多个分出端口545-1至545-N的输出端口列575B。在这个设置中，每个输入端口(例如插入端口565-i)与其相邻的输出端口(例如分出端口545-i，其中i＝1至N)形成“一对”，通过这种方法来使每个通道微镜能够将光谱通道从输入端口525路由选择至分出端口(例如分出端口545-i)并且将插入光谱通道(具有相同波长)从配对的插入端口(例如插入端口565-i)导引到通过端口535，如图中箭头所指示。
参考图5C及5D，在操作中，输入端口525传递多波长的光学信号。以衍射光栅101形式的波长分离器按波长将多波长光学信号分成多个“进来的光谱通道”。(注：在此所述的“进来的光谱通道”是指与随后要说明的插入光谱通道相对照的起源于输入端口525的光谱通道。)以聚焦透镜102形式的束聚焦装置将进入的光谱通道聚焦成对应的焦斑，从而照射到通道微镜103上。作为实例，如图5C的示例，每个通道微镜可被这样配置在“标称位置”中，它将对应的进入光谱通道反射到通过端口535。此外，衍射光栅101连同聚焦透镜102可将来自输入-输出端口阵列575中插入端口的插入光谱通道导引到对应的通道微镜103中的一些上。通过绕一适当的轴(例如，沿着图1B中所示的x-方向)枢转每个通道微镜，如图5D所示例，通道微镜能够进一步将进入的光谱通道导引进输入-输出端口阵列575中的分出端口(例如，分出端口545-i)并且将来自配对的插入端口(例如插入端口565-i)的照射插入光谱通道导引到通过端口535。本领域的普通技术人员将认识到输入-输出端口阵列575可选择地以根据本发明的任何其它WSR装置实施(例如，通过适当地修改图2A、2B或3的实施例)。本领域中的那些普通技术人员还将意识到：作为实例，提供图5C-5D的示范性实施例，用来示例本发明的基本原理。各种元件和特点仅出于示例性目的而被示出，且因此没有按照比例画出。例如，作为一对的输入端口525与通过端口535可交替地接近输入-输出端口阵列575的中部、在其底部或沿着其的任何其它所希望的位置被放置，只要输入端口与输出端口被相应分开地分组在两个列内且配成对。输入-输出端口阵列575还可由两列光纤准直器来具体表达，其中输入端口及输出端口列可例如被安装在基片上的两个V形凹槽内。根据本发明的示教，普通技术人员将知道如何在根据本发明的OADM中实施各种输入和输出端口，以最好地适合于给定的应用。
此外，附加地(例如，以图3中所示例的方式)可在图5C实施例中的输入-输出端口阵列575与衍射光栅101之间实施准直器-对准镜的两维阵列(连同成像透镜的第一和第二阵列)，以便于每个准直器-对准镜阵列不是对应于一输入端口就是对应于一输出端口。准直器-对准镜阵列可被用于控制来自输入端口的多波长光学信号和来自插入端口的插入光谱通道的对准，并且用于将被反射的光谱通道导引进输出端口。
由此，上述提到的OADM的显著优点是以可动态地重新配置的方式来执行插入及分出功能的能力，而并不涉及附加的部件，如光学环形器和/或光学组合器。
伺服控制组件可进一步被结合到本发明的OADM中，用于监视且控制被耦合进输出端口的光谱通道的光功率水平。作为实例，图5E描绘了光学装置500C，其包括被集成到根据本发明的OADM 518中的伺服控制组件590。OADM 518可基本上与图5A、5C实施例或根据本发明的任何其它实施例相同。出于简化及清楚的目的，仅明确地示出包括通过端口538和多个分出端口548-1至548-N的OADM 518的输出端口。(例如，这些输出端口可是图5A中的通过端口530和分出端口540-1至540-N，或是图5D中输出端口列575B的组分)。伺服控制组件590可包括光谱功率监视器591和处理单元592。光谱功率监视器591可从光学上被耦合到通过端口538，以为了监视被耦合进通过端口538的光谱通道的光功率水平。例如，借助于经由光学开关595的纤维光学耦合器538-C，可实现光谱功率监视器591到通过端口538的耦合。与光谱功率监视器591和OADM 518的通道微镜(在图5E中未被示出)相通信的处理单元592使用来自光谱功率监视器591的光功率测量，以在逐个基础上提供对通道微镜的反馈控制，以便于将耦合进通过端口538的光谱通道的光功率水平维持在所希望的值。例如，如在光学组网应用中所希望的那样，通过端口538中光谱通道的光功率水平可被均衡在一预先设定的值。(注：如果OADM 518还包括如图2A、2B或3所描绘的准直器-对准镜，则按照图4B中所示例的方法，处理单元592可附加地提供对准直器-对准镜的控制。)
在图5 E的实施例中，如果在实际应用中这样要求的话，则光谱功率监视器591可附加地测量分出端口548-1至548-N中光谱通道的光功率水平。通过使用纤维光学耦合器548-1-C至548-N-C来分别“分接出”分出端口548-1至548-N中预先设定的一小部分光学信号，则可实现上述这点。被分接出的光学信号可由光学组合器596加以组合，所述光学组合器的输出依次被耦合到光学开关595。在正常操作期间所述配置可是这样的，光学开关595被设定在第一转换状态(1)，其允许从通过端口538被转向的光学信号进入光谱功率监视器591(同时阻挡从分出端口被转向的被组合光学信号)，从而使通过端口538中光谱通道的光功率水平能够得到监视和进一步控制(例如得到均衡)。在偶然或定期的基础上，光学开关595可被设定在第二转换状态(2)，其允许从分出端口分接出的被组合光学信号进入光谱功率监视器591(同时阻挡从通过端口538被转向的光学信号)，从而允许分出光谱通道的光功率水平得到测量。注意：在分出光谱通道的光功率水平正在得到测量的同时，处理单元592不需要提供对OADM 518中通道微镜的反馈控制。
本领域中的普通技术人员将认识到：不是借助于光学开关595以时分多路复用方式操作光谱功率监视器591，而是在图5E的实施例中可附加地采用一个辅助光谱功率监视器，专门用于监视分出端口内光谱通道的光功率水平。(在这种情况下，光学开关595不需要被使用。)在两者中的任一方案中，图5E中的处理单元、光谱功率监视器及纤维光学耦合器在配置及操作上可基本上类似于图4A(或4B)实施例中所说明的那些。光学组合器596可是N×1纤维光学耦合器、或在本领域中所公知的任何其它适合的光学组合装置。光学开关595可是2×1开关。本领域中的普通技术人员将进一步意识到：取代光学组合器596和光学开关595的组合，作为选择地(N+1)×1光学开关可在图5E中被加以实施，其中开关的(N+1)输入端可分别被耦合到通过端口538和分出端口548-1至548-N，且开关的输出端可被耦合到光谱功率监视器591。
图6A描绘根据本发明的OADM的第三实施例。作为实例，OADM 600A包括WSR-S(或WSR)装置610和光学组合器650。WSR-S装置610的输入端口620接收多波长光学信号。这个光学信号的组分光谱通道随后被分离且被路由选择到包括一个通过端口6 30和一个或更多个分出端口640-1至640-N(N≥1)的多个输出端口。通过端口630可接收任何数量的光谱通道，即通过光谱通道。每个分出端口还可接收任何数量的光谱通道，即分出光谱通道。通过端口630从光学上被耦合到光学组合器650，其用来将通过光学通道与由一个或更多个插入端口660-1至660-M(M≥1)所提供的一个或更多个光谱通道进行组合。然后被组合的光学信号被发送进现有端口670，从而提供输出的多波长光学信号。
在上述实施例中，光学组合器650可是K×1(K≥2)宽带纤维光学耦合器，其中存在K个输入端和一个输出端。通过光谱通道和插入光谱通道例如以一对一的对应被馈送进K个输入端，且被组合的光学信号作为系统输出的多个波长光学信号从K×1纤维光学耦合器的输出端离开。这样的多输入耦合器还适合将待被耦合进OADM 600A的多重插入光谱通道进行多路复用的目的。如果希望输出的多波长光学信号中光谱通道的光功率水平被有效地加以管理，如被均衡在一预先设定的值，则可采用两个光谱功率监视器。作为实例，例如，借助于图4A或4B中所描绘的纤维光学耦合器，第一光谱功率监视器可接收从通过端口630和分出端口640-1至640-N所分接的光学信号。第二光谱功率监视器接收从出口端口670所分接的光学信号。伺服控制系统可被相应地构造成用于监视和控制通过、分出及插入光谱通道。由此，图6A的实施例以简单且低成本的装配提供万能的光学分插多路复用器，同时以可动态地重新配置的方式提供多个插入/分出端口。
图6B描绘根据本发明的OADM的第四实施例。作为实例，OADM 600B包括从光学上被耦合到第二WSR-S装置680的第一WSR-S装置610。每个WSR-S装置可与图4A或4B的实施例基本上相同。(作为选择地，图1A、2A、2B或3实施例的WSR装置可被加以实施。)第一WSR-R装置610包括输入端口620、通过端口630及一个或更多个插入端口640-1至640-N(N≥1)。来自通过端口630的通过光谱通道连同来自插入端口660-1至660-M(M≥1)的一个或更多个插入光谱通道进一步被耦合到第二WSR-S装置680。在这个示范性情况下，通过端口630和插入端口660-1至660-M构成了第二WSR-S装置680的输入端口。借助于其组成波长分离器(例如，衍射光栅)和通道微镜(两者均未在图6B中示出)，第二WSR-S装置680用来对通过光谱通道及插入光谱通道进行多路复用，且将被多路复用的光学信号发送进出口端口670，以提供系统的输出信号。
在图6B的实施例中，一个WSR-S装置，例如所述第一WSR-S装置610有效地执行动态的分出功能，而另一个WSR-S装置(例如所述第二WSR-S装置680)完成动态的插入功能。基本上不存在对可被插入或分出的波长的基本限制(除非由整个通信系统所强加的那些限制)。此外，如此被呈现的根本OADM结构固有地可升级且可以容易地被扩展到任何数量的级联WSR-S(WSR)系统，如果用于执行复杂的插入和分出功能存在这样的要求。附加地，通过将输入端口作为输出端口且分出端口作为插入端口使用，则图6B的OADM可在相反方向操作。
如上所讨论，衍射光栅的衍射效率是偏振敏感的，且这样的偏振敏感效应可在光学系统中引起显著的插入损耗及取决于偏振的损耗(PDL)。在WDM光学组网应用中此情形加重，其中WDM信号的偏振状态典型地是不确定的且可随着时间变化。这可产生所不希望的随时间变化的插入损耗，其可导致光学信号降到可接受的功率水平以下，或致使它们无法使用。因此，需要避免这种偏振敏感效应。正如现在将要说明的那样，本发明提供致力于这个问题的偏振多集方案。
图7A描绘根据本发明WSR装置的第五实施例的示意性顶视图且图7B描绘其的示意性侧视图，所述实施例采用将偏振敏感效应减至最小的偏振多集设置。如被标注有相同数字的那些元件所指示，WSR装置700可利用图1A实施例中所使用的基本结构和若干元件。输入端口110-1向偏振位移单元720提供多波长光学信号(例如其可包含波长λ1至λM)。多波长光学信号可是不确定的且/或随着时间变化的偏振。偏振位移单元720可沿着光纤准直器110阵列(包括输入端口110-1和输出端口110-2至110-N，如下面的图7B所示)和衍射光栅101之间的光学路径被放置。偏振位移单元720用来将输入的多波长光学信号分成(分解成)第一p偏振分量和正交于所述p偏振分量的第二s偏振分量。假设p偏振是衍射光栅101“所喜好的”偏振方向(即p偏振分量的衍射效率高于s偏振的衍射效率)，则输入光学信号的p偏振分量可作为来自偏振位移单元720的第一光学信号722被输出。输入光学信号的s偏振分量可通过偏振旋转单元730经受90°的偏振旋转，以产生也具有p偏振的第二光学信号732。因此，均具有p偏振的所述两个光学信号722、732入射到衍射光栅101上。
分别来自偏振位移单元720和偏振旋转单元730的所述第一和第二偏振分量(光学信号722、732)可进一步通过束修改单元740经受变形的束放大，且随后作为照射到衍射光栅101上的从空间上被分离且被放大的束742、744出现。配置可是这样的，以便于束修改单元740优先地将在垂直于衍射光栅101上凹槽线方向上的束尺寸加以扩大，借此由聚焦透镜102所产生的被聚焦束在这个方向(即垂直于凹槽线)上变窄。这使例如矩形形状的微镜能够被加以实施。随后衍射光栅101将被放大的第一和第二偏振分量742、744分别按波长分成第一和第二被衍射的光束集。每个光束集可包含在不同角度从衍射光栅被衍射的多个波长λ1至λM。聚焦透镜102依次将被衍射的光束聚焦到照射到通道微镜103上的对应焦斑上。每个焦斑的横断面可是椭圆形的。此外，具有相同波长(例如λi)的第一和第二被衍射光束被设置成照射到相同的通道微镜(例如在下面图7B中所示的通道微镜103-i)上。通过这种方法，每个通道微镜同时处理其特征在于相同波长(以及偏振)的两个光束。
图7B描绘了WSR装置700的示意性侧视图，其中仅明确地示出在前向路径上的第二偏振分量(由图7A中的光学信号732、744表示)以及在返回路径上被反射的第一光束集。出于示例和清楚的目的，在这个图中几个通道微镜被明确地加以标识，而通道微镜阵列作为一个整体也由数字103指示。如上面有关图1A-1B所说明，通道微镜103可单独地控制和移动，例如可绕轴750(其可平行于图1B中所示的x轴并且垂直于图7B的平面)枢转。因此，每个通道微镜借助于其枢转运动能够将其对应的光束导引进任何一个输出端口110-2至110-N。作为实例，通道微镜103-k可被加以控制以将具有波长λk的第一和第二光束导引进第一输出端口110-2；通道微镜103-j可被加以控制以将具有波长λj的第一和第二光束导引进第二输出端口110-3；通道微镜103-i可被加以控制以将具有波长λi的第一和第二光束导引进第三输出端口110-4，等等。注意：多个通道微镜可被单独地控制以将它们对应的光束导引进相同的输出端口。
参考图7A，从相应通道微镜103被反射的第一和第二光束集被偏转出图平面(如图7B侧视图所指示)，因此在图7A的顶视图中未被明确地示出。关于图7B，对于本领域那些普通技术人员将显然地是被反射的每个第一和第二光束集均通过束修改单元740经受变形的束放大，因此恢复了输入光信号的束大小。被反射的第一光束集随后通过偏振旋转单元730经受90°的偏振旋转，借此被反射的第一和第二光束集在进入偏转位移单元720时在两个正交的方向上被偏振。这使偏转位移单元720能够将被反射的第一和第二光束集在被耦合进经选择的输出端口110-2至110-N之中一些之前，按波长被重新组合进被反射的光谱通道。
应该理解：由于在实际系统中可能存在的不足，由偏振旋转元件(例如偏振旋转单元730)所产生的偏振旋转可与预先规定的角度(例如90°)具有略微的变动。然而，这样的变动将不会显著地影响本发明的整个性能。
在图7A-7B的实施例中，对应于光纤准直器110阵列，偏振位移单元720可采用单偏振位移元件的形式。图7C示出偏振位移元件720A的示范性实施例的两个示意性视图，所述偏振位移元件720A可是本领域中众所周知的双折射束位移器。由图7C中虚线框761所表示的第一简图示例出偏振位移元件720A的顶视图，其中入射光束770(例如在图7A-7B实施例中的多波长输入光信号)被分解成在两个正交方向上被偏振的第一和第二偏振分量772、774。注意到所述两个偏振分量在从偏振位移元件720A中出来时从空间上被位移且平行地传播。由图7C中虚线框762所表示的第二简图描绘偏振位移元件720A的示范性横断面顶视图，其中借助于将偏振位移元件720A横贯进入单光束780(例如在图7A-7B实施例中具有波长λi的被反射光谱通道)，在两个正交方向上被偏振的两个平行光束776、778(例如与在图7A-7B实施例中的波长λi相联系的第一和第二被反射光束)被重新组合。由此，偏振位移元件720A充当在一个方向上传播的光束的偏振分离元件；且担当在相反方向上穿过的光束的偏振组合元件。
本领域中的普通技术人员将意识到：不是使用双折射的束位移器，而是作为选择地偏振位移元件720A可由适合的偏振束分裂元件，例如本领域中通常所使用的偏振束分裂器并结合有适当的束偏转器或棱镜(以便于两个出来的偏振分量平行地传播)来提供。这样的偏振束分裂元件提供与上述提到的双折射束位移器基本上类似的功能。通常，本发明中的偏振位移元件以图7C所描绘的方式可由提供偏振分离和组合双功能的任何光学元件具体实施。
同样，偏振旋转单元730可包括单个偏振旋转元件，例如半波片、液晶旋转器、法拉第旋转器或本领域中所公知的能够将光束偏振旋转一个预先规定的角度(例如90°)的任何其它装置。
作为选择地，偏振位移单元720可包括多个偏振位移元件，每个所述偏振位移元件对应于图7A-7B实施例中的一个或更多个光纤准直器110。作为实例，图7D描绘了可由偏振位移元件720-1至720-N阵列组成的偏振位移单元720B的示意性侧视图。如上述有关图7C所说明，每个偏振位移元件可是双折射束位移器、偏振束分裂元件或本领域中所公知的任何其它适合装置。在这种情况下，偏振旋转单元730可包括一个或更多个偏振旋转元件，每个偏振旋转元件如上所说明。作为实例，图7D还示出作为偏振旋转元件730-1至730-N阵列的偏振旋转单元730B的示意性侧视图，所述偏振旋转元件730-1至730-N可与偏振位移元件720-1至720-N成一对一的对应。由此，偏振位移单元720B，连同偏振旋转单元730B可被实施在图7A-7B的实施例中，以便于偏振位移元件720-1至720-N与提供输入端口110-1和输出端口110-2至110-N的光纤准直器110成一对一的对应。
本领域中的那些普通技术人员将意识到：图7C-7D的示范性实施例作为实例而被提供，以示例在本发明中偏振位移单元连同偏振旋转单元是如何被配置且操作的。在此可进行各种改变和修改来以基本上等效的方式来执行所指定的功能。例如，与以图7A中所示例的方式被水平地分开相反，作为选择地偏振位移单元720连同偏振旋转单元730可被这样配置，第一和第二偏振分量沿着基本上垂直于图7A示意性顶视图中纸平面的垂直方向从空间上被分开。正如根据本发明的示教将意识到的那样，本领域的一个普通技术人员将知道：对于一给定的应用，如何在根据本发明的WSR装置中实施适当的偏振位移单元以及适合的偏振旋转单元。
此外，束修改单元740可由与偏振位移单元720连同偏振旋转单元730和衍射光栅101进行光学通信的柱面镜或棱镜组件组成。通常，束修改单元可由能够根据预先设定比率放大输入光学信号且缩小被反射的光学信号的任何光学装置具体表达。这样的束修改单元可尤其地在需要精细光谱分辨率的应用，如DWDM光学组网应用中有用。
图7A-7B中的WSR装置700在操作及功能上基本上类似于图1A中的WSR装置，且因此取得了其优点。此外，上述提到的偏振多集设置致使衍射光栅101的偏振敏感性在WSR装置700中不重要。这使WSR装置700能够将插入损耗减至最小。它还允许WSR装置700以简单且成本高效的结构(例如通过利用在本领域中通常可获得的大色散全息衍射光栅)增强光谱的分辨率。偏振多集设置的另一显著特点在于：与每个波长相联系的第一和第二光束(对应于每个光谱通道的两个偏振分量)在从微镜反射时有效地“交换”它们相应的光学路径(例如，第二光束的返回路径基本上类似于第一光束的前向路径，且反之亦然)。这具有重要的意义，即针对每个光谱通道基本上均衡两个偏振分量的整个光学路径，从而将取决于偏振的损耗(PDL)及偏振模式的色散(PMD)减至最少。在许多应用中这样的属性是极为需要的。
本领域中的那些普通技术人员将意识到图7A-7B的WSR装置700可以根据本发明示教的各种方法被进一步修改。例如以上述有关图2A、2B、或3的实施例所说明方式，例如，WSR装置可包括准直器-对准镜阵列。图8A示出本发明WSR装置800A的第六实施例的示意性顶视图，所述WSR装置采用以偏振多集设置的准直器-对准镜220阵列。作为实例，WSR装置800A可基于图2A和7A的实施例被构造，因此类似的元件被标注有相同的数字。在图8A中，准直器-对准镜220阵列(如图2A所示，其可包括准直器-对准镜220-1至220-N)可沿着光纤准直器110和偏振位移单元720之间的光学路径被放置，以便于在准直器-对准镜220和提供输入和输出端口的光纤准直器110之间存在一对一的对应。如关于图2A所说明，准直器-对准镜220可被加以控制，以调节多波长输入光信号的对准，并且进一步提供对被反射光谱通道的被准直束的角度控制。这便利于根据所希望的耦合效率将被反射的光谱通道耦合进相应的输出端口。
在图8A的实施例中，准直器-对准镜220被放置在光纤准直器110和偏振位移单元720之间，并且控制(被组合的)被反射光谱通道以及(未被分裂的)多波长输入光学信号的角位置。可能存在这样的应用，其中希望向被反射的第一和第二偏振分量(在前向路径上)以及向被反射的第一和第二光束集(在返回路径上)提供单独的控制。图8B描绘属于这种情形的本发明WSR装置800B的第七实施例的示意性顶视图。WSR装置800B可基于图8A的实施例被构造，因此类似的元件被标注有相同的数字。在这种情况下，可采用偏振束分裂单元820(取代图8A中的偏振位移单元720)，以将多波长输入光学信号分解成在两个正交方向上传播的第一和第二偏振分量822、824。第二偏振分量824可随后入射到第一束偏转单元222且被其反射，借此它平行于第一偏振分量822传播。这随后的操作基本类似于图8A中的操作。在返回路径上，被反射的第一光束集入射到第一束偏转单元222上且被其反射，以为了使偏振束分裂单元820能够按波长将第一和第二光束集分别重新组合进被反射的光谱通道。
在图8B的实施例中，偏振束分裂单元820可是经由准直器-对准镜220与光纤准直器110阵列相通信的本领域中所公知的单个偏振束分裂器。它还可包括例如与准直器-对准镜220一对一对应的偏振束分裂器阵列。第一束偏转单元222可包括例如与准直器-对准镜220一对一对应的第一镜阵列。所述第一镜222可单独调节，以为了控制相关的对准且因此保证在前向路径上第一和第二偏振分量之间必不可少的束平行性，其反过来导致与每个波长相联系的第一和第二被衍射光束基本上刚好重合在相同的通道微镜上。在返回路径上，第一镜222可同样分别地调节被反射的第一和第二光束集之间的有关对准，从而保证被反射的第一和第二光束集借助于偏振束分裂单元820被适当地重新组合进相应的光谱通道。第一镜222可在动态基础上被加以控制。作为选择地，第一镜222可被调节到一预先设定的位置，以使偏振束分裂单元820能够获得必不可少的束平行性。在操作过程中第一镜222可随后被固定在相应的位置上。(通过这种方法，偏振束分裂单元820所需要的公差可被放宽。)应该进一步意识到第一束偏转单元222还可是静态镜，或是本领域中所公知的任何其它束偏转装置，其被如此配置以使如上所说明偏振束分裂单元820和第一束偏转单元222的组合有效地构成偏振位移单元。
图8C描绘了本发明WSR装置800C的第八实施例的示意性顶视图。WSR装置800C可包括在图8B实施例中所采用的元件以及第二和第三束偏转单元224、226。第二束偏转单元224可包括例如与第一束偏转单元222中的组分镜一对一对应的单独可调节的第二镜阵列。第三束偏转单元226可简单地为静态镜，或其它公知的束偏转设备。通过这种方法，第一和第二偏振分量822、824(在前向路径上)可由第一和第二束偏转单元222、224独立地加以控制，所述第一和第二束偏转单元222、224还分别控制被反射的第一和第二光束集(在返回路径上)。准直器-对准镜220可进一步便利于将(经组合的)被反射的光谱通道耦合进所希望的输出端口。
本发明的WSR装置700(或图8A-8C实施例中的任何一个)可进一步结合例如以有关上面图4A(或4B)所说明方式的伺服控制组件。伺服控制组件可动态地管理被耦合进输出端口的被反射光谱通道的光功率水平。伺服控制组件还可被这样配置以便于将与光谱通道相联系的PDL减至最少。
此外，例如以上述所说明方式相类似的方式，可基于WSR装置700、800A、800B或800C(连同相联系的伺服组件)构建动态可重新配置的OADM。如此构造的OADM将具有低插入损耗、低PDL和增强的光谱分辨率等重要优点，其将尤其适合于WDM光学组网应用。
本领域中的那些普通技术人员将意识到：作为实例提供上述提到的实施例，以示例本发明的基本原理。可以进行各种变化、替代及改变，而不偏离如所附加权利要求所定义的本发明的原理和范围。

Claims (30)

1.一种光学装置包括：
a)提供多波长光信号的输入端口及多个输出端口的多光纤准直器；
b)将所述多波长光信号按波长分成多光谱通道的波长分离器；以及
c)通道微镜阵列，其被如此放置以便于每个通道微镜接收唯一一个所述光谱通道，所述通道微镜可单独且连续地枢转以将所述光谱通道反射进所选择的输出端口。
2.根据权利要求1的光学装置进一步包括与所述通道微镜和所述输出端口相通信的伺服控制组件，用于提供对所述通道微镜的控制且因此维持预先设定的每个被反射的光谱通道到唯一一个所述输出端口的耦合。
3.根据权利要求2的光学装置，其中所述伺服控制组件包括用于监视被耦合进所述输出端口的所述光谱通道的光功率水平的光谱功率监视器，以及一个响应于所述光功率水平用于提供对所述通道微镜的控制的处理单元。
4.根据权利要求3的光学装置，其中所述伺服控制组件适合于将所述光功率水平维持在一预先设定值上。
5.根据权利要求1的光学装置进一步包括与所述波长分离器和所述光纤准直器相通信的准直器-对准镜阵列，用于调节来自所述输入端口的所述多波长光信号的对准并且用于将所述被反射的光谱通道导引进所述输出端口。
6.根据权利要求5的光学装置，其中每个准直器-对准镜可绕着至少一个轴旋转。
7.根据权利要求5的光学装置进一步包括与所述准直器-对准镜和所述光纤准直器成远心设置的第一和第二成像透镜阵列。
8.根据权利要求1的光学装置，其中每个通道微镜可绕着至少一个轴枢转。
9.根据权利要求1的光学装置进一步包括将所述光谱通道聚焦进对应焦斑的束聚焦装置。
10.根据权利要求9的光学装置，其中所述束聚焦装置包括一个或更多个聚焦透镜。
11.根据权利要求1的光学装置，其中所述波长分离器包括一个从由经刻划的衍射光栅、全息衍射光栅、阶梯光栅、透射光栅、弯曲衍射光栅和色散棱镜所组成的组中选择出的元件。
12.根据权利要求1的光学装置进一步包括从光学上被置于所述波长分离器和所述通道微镜之间的四分之一波片。
13.根据权利要求1的光学装置，其中所述输出端口包括一个通过端口和一个或更多个分出端口，其中所述通道微镜将所述光谱通道的一子集导引进所述通过端口以提供一通过信号，以及其中所述光学装置进一步包括用于将所述通过信号与一个或更多个插入光谱通道相组合的光学组合器。
14.根据权利要求1的光学装置，其中所述光纤准直器被设置在一维的输入-输出端口阵列中，所述输入-输出端口包括所述多波长光学信号的所述输入端口和多个插入端口，以及提供通过端口和多个分出端口的多输出端口，其中所述输入-输出端口被如此配置以便于每个分出端口具有一个配对的插入端口，借此每个通道微镜能够将来自所述多波长光学信号的光谱通道反射进分出端口并且将来自配对插入端口的插入光谱通道反射进所述通过端口。
15.根据权利要求14的光学装置，其中所述输入-输出端口阵列包括交替的输入和输出端口。
16.根据权利要求1的光学装置进一步包括将所述多波长光学信号分解成第一和第二偏振分量的偏振位移单元，及一个将所述第二偏振分量的偏振旋转成基本平行于所述第一偏振分量的偏振的偏振旋转单元，其中所述波长分离器将所述第一和第二偏振分量按波长分别被分离成第一和第二光束集，且其中所述通道微镜被放置成反射所述第一和第二光束集，以便于借助于所述偏振旋转单元和所述偏振位移单元，所述被反射的第一和第二光束集按波长分别被重新组合成被反射的光谱通道。
17.根据权利要求16的光学装置，其中所述偏振位移单元包括至少一个与所述输入端口和所述输出端口相通信的偏振位移单元。
18.根据权利要求17的光学装置，其中所述至少一个偏振位移单元包括至少一个从由双折射束位移器和偏振束分裂元件组成的组中所选择的元件。
19.根据权利要求16的光学装置，其中所述偏振旋转单元包括至少一个与所述偏振位移单元进行光学通信的偏振旋转元件。
20.根据权利要求19的光学装置，其中所述至少一个偏振旋转元件包括至少一个从由半波片、法拉弟旋转器及液晶旋转器组成的组中选择出的元件。
21.根据权利要求16的光学装置进一步包括一个用于为所述第一和第二偏振分量提供变形的束放大以及为所述被反射的第一和第二光束集提供变形的束缩小的束修改单元。
22.根据权利要求21的光学装置进一步包括用于将所述第一和第二光束集聚焦进对应焦斑的束聚焦装置。
23.根据权利要求21的光学装置，其中所述束修改单元包括一个或更多个柱面透镜。
24.根据权利要求21的光学装置，其中所述束修改单元包括一个或更多个棱镜。
25.根据权利要求16的光学装置进一步包括与所述光纤准直器和所述偏振位移单元相通信的准直器-对准镜阵列，用于调节来自所述输入端口的所述多波长光信号的对准且用于将所述被反射的光谱通道导引进所述输出端口。
26.一种执行动态波长分离和发送的方法，包括
a)从一输入端口接收多波长光信号；
b)将所述多波长光学信号按波长分离成多光谱通道；
c)将所述光谱通道照射到一通道微镜的阵列上，以便于每个通道微镜接收唯一一个所述光谱通道；以及
d)动态且连续地控制所述通道微镜，因此将所述光谱通道导引进多个输出端口。
27.根据权利要求26的方法进一步包括提供所述通道微镜的反馈控制这样的步骤，因此维持预先设定的每个光谱通道到唯一一个输出端口的耦合。
28.一种在偏振多集设置中动态路由选择多波长光学信号的方法，包括
a)将所述多波长光学信号分解成第一和第二偏振分量；
b)将所述第二偏振分量的偏振旋转成基本平行于所述第一偏振分量的偏振；
c)将所述第一和第二偏振分量分别按波长分离成第一和第二光束集；
d)将所述第一和第二光束集聚焦到一微镜阵列上；
e)动态地控制所述微镜以将所述第一和第二光束集反射进所选择的输出端口；
f)将所述被反射的第一光束集的偏振旋转约90度；以及
g)将所述被反射的第一和第二光束集按波长分别重新组合进被反射的光谱通道。
29.根据权利要求28的方法进一步包括为所述第一和第二偏振分量分别提供变形的束放大的步骤。
30.根据权利要求29的方法进一步包括为每个所述第一和第二光束集提供变形的束缩小的步骤。
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