CN1575618A - 用于波分复用(wdm)电信网络的光交换设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于波分复用(WDM)电信网络的光交换设备(13)，用于将来自多个输入DWDM辐射(i/p－1到i/p－4)的波长载波(i/p－1＠λ₁到i/p－4＠λ₁)交换到一个所选择的输出端(o/p－1到o/p－4)。交换设备(13)包含：多个光输入路径和多个光输出路径；可单独选择加以倾斜的MEMS镜的第一阵列(18)，其中每个镜用于接收来自相应的输入路径的光辐射；以及可单独选择加以倾斜的MEMS镜的第二阵列(23)，其中每个镜用于使入射到其上的光辐射偏转到相应输出路径。该设备的特征在于，镜的第一和第二阵列(18，23)被安排在一个共用的平面上并且可选地相对于单个转轴加以倾斜，并且有一个固定的反射器(24)被安排在这两个镜阵列上。在工作中，沿每个输入路径接收到的光辐射通过固定的反射器被在第一镜阵列中相应的镜偏转到在第二镜阵列中所选的镜，并且从该第二镜阵列被偏转到相应输出路径。

Description

用于波分复用(WDM)电信网络的光交换设备

本发明涉及一种用于波分复用(WDM)电信网络的光交换设备(13)，用于有选择性地将WDM辐射的波长分量(波长载波)交换到一个所选择的输出。本发明更特别地是涉及：一种光交换设备，其中使用MEMS(微电机系统)可移动反射器或镜通过光学手段执行交换。

众所周知，光交叉连接(OXC)可以将来自多个输入光纤的WDM光辐射交换到所选的输出光纤。一种已知的OXC包含两个MEMS可移动镜阵列，这两个阵列彼此相对，其中第一阵列和第二阵列分别相关于输入光纤和输出光纤。每个阵列包含一个二维的平面的镜阵列，其中阵列的每个镜是可独立控制的并且可相对于两个正交轴独立倾斜。一个输入准直器装置，用于将来自每个输入光纤的WDM辐射导引到第一镜阵列的相应镜上，一个输出准直器设备，用于将从第二镜阵列的每个镜接收到的WDM辐射耦合到相应输出光纤。可以对第一阵列的每个镜加以倾斜，从而有选择性地将辐射导引到第二镜阵列中的任意一个镜，并且在第二平面中的每个镜适当地取向，从而将在该处接收到的辐射导引到相应输出准直器。

这样一种光交换装置是完全灵活的，这是因为它可以有选择性地将多个输入光纤中的任意一个连接到多个输出光纤中的任意一个，使得该装置理想地适用于作为光纤交换机。但是，由于需要使阵列中的每个镜单独地关于两个轴准确地倾斜，所以使得控制变得复杂。从光学角度来讲，这种设计也是复杂的，这是因为需要三维(3D)的准确对准。而且，这样的OXC所能选择性地连接的输入的数量受到每个镜的最大倾斜角的限制，并且这对阵列的尺寸产生了限制。为了实现镜的准确取向，已经提出了许多解决方案，但是这些解决方案通常涉及使用高压静电驱动器装置，这使得具有大量输入/输出的OXC变得价格昂贵并且体积庞大。

对于其中要求交换来自有限数量输入光纤的单个波长的应用，不再要求每个输入和输出之间的全连接，并且有可能简化设备。本发明的目的是提供一种光交换装置，该装置至少可以部分地克服已知的装置的上述缺点。

根据本发明，提供了一种光交换设备，该设备包含：多个光输入路径和多个光输出路径；可单独选择加以倾斜的MEMS镜的第一阵列，其中每个镜用于接收来自相应输入路径的光辐射；以及可单独选择加以倾斜的MEMS镜的第二阵列，其中每个镜用于使入射到其上的光辐射偏转到相应输出路径，该设备的特征在于，镜的第一和第二阵列被安排在一个共用的平面上并且可以相对于单个转轴选择性地加以倾斜，并且一个固定的反射器被安排在该两个镜阵列上面，其中在工作中，沿每个输入路径接收到的光辐射通过固定的反射器被第一镜阵列中的相应镜偏转到第二镜阵列中所选镜，并且从该第二镜阵列被偏转到相应输出路径。

优选地，该交换设备用于将来自多个输入DWDM辐射的波长载波(分量)交换到所选的DWDM输出，并且其中第一镜阵列和第二镜阵列排列成列和行，并且其中每行相关于一个DWDM输入，每列相关于相应波长载波。

有利的是，该交换设备进一步包含用于将多个输入DWDM辐射中的每个辐射分离成它的相应波长的载波，并且沿相应输入路径引导每个载波的装置。优选地，这种分离装置包含一种波长选择元件，例如衍射光栅或AWG，从而在空间上将DWDM辐射分离成它的组成波长分量(载波)。有利的是，该分离装置进一步包含用于准直和导引沿相应输入路径的每个波长载波。

优选地，该交换设备进一步包含用于合并来自多个输出路径的辐射从而产生DWDM输出的装置。

为了使得可以有选择性地从该交换设备中添加或去除波长载波，并使得可以实现所选择载波的再生和波长转换，该交换设备优选地进一步包含额外的可单独选择加以倾斜的MEMS镜阵列，所述镜可以相对于单个轴发生倾斜，并且该轴对于第一和第二阵列中的镜轴来说是横向的，并且其中所述额外的阵列分别用于有选择性地向一个输入路径添加辐射和去除一个要到达输出路径的辐射。

优选地，每个镜阵列都被制造在一个单个的硅衬底上。

为了更好地理解本发明，下面将参考附图，仅通过例子来描述本发明的实施方案。

图1是表示根据本发明的光交换装置的示意框图；

图2是图1的交换装置的波长分离单元的示意图；

图3是本发明的交换装置的进一步的方框图；

图4是在本发明的光交换装置中使用的MEMS镜输入阵列的概略性的透视图；

图5和6显示了MEM镜阵列的概略性侧面视图和平面视图；

图7显示了图5的MEM镜阵列的一种变体；

图8是根据本发明的光交换装置的概略性侧面视图；

图9是图8的设备的概略性透视图；

图10是包含再生和转换单元的光交换装置的方框图；

图11a和11b显示了用于根据本发明的光交换装置中的两个镜阵列中的镜的运动；

图12和13是图10的光交换装置的概略性侧面视图和平面视图；

图14显示了用于C和L波段DWDM辐射的根据本发明的光交换设备的方框图；

图15是根据本发明的光交换设备的包含镜阵列的硅衬底示图；

图16和17是根据本发明的交换设备的实施方案的概略性侧面视图和正面视图；

图18是镜的摆动角的增加的图；以及

图19显示了图18所涉及的摆动角幅度的示意图。

参考图1，该图显示了用于DWDM(密集WDM)电信网络中的根据本发明的光交换装置10的示意框图。交换装置10具有4个光输入(i/p-1到i/p-4)和4个光输出(o/p-1到o/p-4)，用于在11a到11d和12a到12d接收和输出DWDM辐射。在该例子中，所描述的DWDM辐射包含波长载波λ₁到λ_n，例如16个波长载波。

光交换装置10可以有选择性地将施加到4个输入i/p-1到i/p-4的DWDM辐射的单个波长分量λ₁到λ_n(波长载波)交换到所选择的输出o/p-1到o/p-4。该装置在输入和输出之间依次包含：波长分离单元(解复用器)14、光交换设备13和波长合并器单元(复用器)15。波长分离单元14可以将从11a到11d的输入DWDM辐射中的每个辐射分离成它的组成波长分量(载波/信道)，随后这些波长分量沿相应路径被输入到交换设备13。

为了清楚起见，在图1中仅显示了用于一个输入的路径，并且这些路径用λ₁到λ_n表示。波长合并器单元15可以合并从交换设备13输出的辐射分量从而产生DWDM辐射12a到12d，即该交换装置的输出。

在图2中更详细地显示了波长分离单元14。为了将DWDM输入辐射分离成它的组成波长分量，使用了一种已知的频率(波长)选择设备16(衍射光栅)。为了分离颜色(波长)分量，每个输入DWDM辐射以准直光束的形式被导引到该光栅上。通过透镜17，准直器19使得具有相应波长的辐射变得平行和准直，并且这些辐射沿着用λ₁到λ_n表示的路径被导引到包含在交换设备13中的MEMS镜阵列18的相应镜上。这样，每个DWDM输入的每个波长分量会聚到MEMS镜阵列18的相应镜上。再一次为了清楚起见，在图2中仅显示了用于单个输入i/p-1的路径。

作为一种替换，可以将频率选择设备16放在该交换装置之外；在这种情况下，将提供专用于单个波长载波的光纤，用于向准直器提供输入。

连接到交换设备输出端的波长合并器单元(复用器)15类似于刚才所描述的波长分离单元，其中输入和输出进行了互换，在这里不进一步描述，因为本领域的技术人员可以容易地理解这样的波长分离单元。

图3显示了光交换设备13的功能拓扑。可以看出，它是一种用于将来自输入集合i/p-x@λ_i的波长重新路由到输出集合o/p-x@λ_i的设备，其中x是DWDM输入/输出的数量，i是波长载波。在WDM栅格中(例如对于ITU-T100GHz的40个信道)，将相同的拓扑重复应用于每个波长载波。为了方便制造，交换设备优选地包含一个4x4交换器(即具有4个DWDM输入和输出)。为了实现具有多于4个输入的交换装置，优选地是使用不同交换平面中的多个4x4交换设备来制造它们。在每个交换平面中，来自任意DWDM输入的任意波长分量可以被交换到相应的希望输出的信道(即相同的载波波长)。考虑到实际因素，通过分层来扩展DWDM网络，并且在新交换平面内而不是在不同的平面之间添加互连性。

本发明的交换装置的基本“构建模块”是光交换设备13，该设备包含两个可移动镜的阵列，这些镜阵列可以相对于单个的轴旋转(倾斜)。交换设备13的输入配有输入镜阵列18，而交换设备13的输出配有输出镜阵列23。每个镜阵列包含一个m×n的可单独控制的镜阵列，其中m是DWDM输入的数量(在本例中为4)，n是每个DWDM输入中的波长信道的数量。图4概略性地显示了输入镜阵列18，并且该图还显示了表示从λ₁到λ_n的每个波长载波的单个输入i/p-1的射线图。这些镜阵列优选地是通过经过良好检验的工艺被制成表面上刻蚀有镜(反射器)的硅MEMS。每个镜可以被相关的驱动器(未示出)单独地偏转(倾斜)。

图5(侧面视图)和图6(顶部视图)显示了镜阵列。这些图显示了多个平行的有弹性的硅条20，对这些硅条的上表面进行处理使其可以进行反射。在每个条下面配有相应驱动器21，用于控制该条，使其相对于单个轴偏转希望的倾斜角α。

图5和6仅描述了镜阵列的概念，并且本领域的技术人员可以容易地想出实际的实现形式。为了提高反射表面的平坦度，可以选择将镜固定到弹性硅条上，而不是使该条自身反射。图7对此进行了概略性的表示，其中镜22安装在有弹性的条20上。

作为一种可替换的单个轴，可以使用卡登架装置。

图8显示了用于4输入(m＝4)4输出交换设备的交换设备13的结构，其中显示了输入18和输出23镜阵列。还显示了单个波长载波λ₁的对于4个输入的每条射线。

将MEMS镜阵列18和23平行地安排在一个共用的参考平面上并且在该组件上配有固定的反射平面(顶板)24。该固定的反射平面优选地与安装有输入和输出镜阵列的平面相平行。

由i/p-1@λ₁到i/p-4@λ₁代表的射线来自输入准直器，而由o/p-1@λ₁到o/p-4@λ₁代表的射线被导引到输出准直器。在图8中的射线表示：i/p-1和i/p-2连接到o/p-1和o/p-2，而i/p-3和i/p-4分别交叉连接到o/p-4和o/p-3。虚线指示一种替换的连接，即i/p-3连接到对应的输出o/p-3。输入和输出之间的互连由输入阵列18之内的镜的倾斜角确定。

在图8的横截面中，仅显示了用于单个波长载波λ₁的镜。交换设备的结构可以被理解为在z方向上进行扩展，从而允许同时对所有波长载波λ_i到λ_n的交换。为了阐明交换设备的概念，该设备可以被认为是包含如图9中概略性显示的多个条。为了清楚起见，显示了用于i/p-4的射线路径。

为了允许简单的波长再生和转换，应该可以基于单个波长信道对由交换装置所处理的一部分业务量进行访问。这种功能的结果是额外地节省了开销，这是因为在再生设备中不再需要可调谐DWDM复用器和解复用器。

图10显示了这样一种交换装置的框图。如可以从图中看出的，交换设备13进一步包含多个用于连接到转换和再生模块31的ADD输入(λ信道-入)40和DROP输出(λ信道-出)41。模块31可以用于转换波长和再生波长载波。对于本领域的技术人员来说，转换和再生设备是已知的，这里进一步描述或显示。

降低交换装置的复杂度的关键在于：仅允许再生在全部波长载波中规定比例数量的载波，但是不将每个再生信道限制到一个预定的波长载波。更清楚地说，每个ADD输入或DROP输出应该可以用于任意希望的波长载波。

为了有选择性地向模块31添加和去除波长载波，在交换设备13之内进一步配有MEMS镜阵列。这些镜阵列类似于前文所述的阵列，只不过其镜所作的角运动是相对于不同的轴的，优选地是相对于与输入和输出MEMS的轴正交的轴。参考图11，其中显示了(a)具有横向运动轴的镜阵列，以及(b)具有垂直运动轴的镜阵列。

此后，在附图中，“横向”阵列由字母T代表。

图12(侧向视图)和13(平面视图)显示了包含用于在交换路径之内去除和插入波长载波的ADD/DROP功能的交换设备13。如可以从这些图中看出的，与在上面参考图8所描述的实施方案相比，交换设备13进一步包含位于该交换设备输入和输出处的横向镜阵列对35和36、37和38。在交换设备输入处的横向阵列对35和36用于接收来自ADD输入的输入辐射，并且有选择性地将它导引到输入阵列18。在交换设备输出处的横向阵列对37和38用于有选择性地将来自输出阵列23的辐射导引到DROP输出40。

参考图13，可以更清楚地理解由横向阵列25、36、37和38所执行的功能，图13是沿图12的“A”方向得到的平面图。在该图中，垂直镜阵列18、23具有沿该图中所显示的垂直方向的旋转轴，而横向阵列35、36、37和38具有沿水平方向的旋转轴。如可以看出的，准直器42将在ADD输入处的辐射会聚到第一横向阵列35。阵列35通过该设备的反射顶板24反射该辐射，并且从那里反射到所选择的横向镜阵列36，该阵列将辐射重新定向到阵列18和23之间的垂直路径。当要求在DROP输出41去除一个波长载波的时候，相应镜阵列23被定向为使得顶板24将辐射反射到相应的横向镜阵列38，该阵列反过来将辐射导引到阵列37，并且从那里通过准直器43将辐射耦合到输出41。通过类似的方式，使用可以相对于一个单个轴运动的镜阵列来添加或去除每个波长载波。为了简单起见，图12和13不是按比例绘制出的，并且只显示了在输出41处去除的单个波长载波λ₁以及通过输入40添加的单个波长载波λ₄。

在所示的实施方案中，每波长载波仅有一个信道可以被去除和重新插入并且因此被再生或转换。通过一起添加多个横向阵列对，可以同时处理具有相同的波长的几个信道。

考虑到光交换装置(光交叉连接)的尺寸大小，C和L波段商用传输系统的固有的结构暗示要将波长载波分成子波段，从而允许更大的可测量能力。因此，基本交换装置的尺寸大小可以被认为是符合ITU-T100GHz栅格的40个波长信道(载波)。为了实现25％的再生或转换能力，对于每个DWDM输入要求具有10个输入和输出的再生端口，因此，对于一个基本的4x4构建模块，要求有40个再生输入40和输出41。

根据本发明的交换装置，单个的交换装置可以交换160个信道，也就是在波段C中的前100GHz栅格的40个信道。然后，该装置可以逐渐地更新到640个波长信道。当交换装置的全部交换能力不再足以对所有交叉业务量进行路由的时候，可以提供多个层。优选地是避免层之间的路由，尽管通过每层的相应再生器和转换器可以实现有限的层间互连。在图14中的框图中对此进行了显示，并且本领域的技术人员可以容易地识别其中的交换装置的组成分量。比如，这样一种分层的结构允许实现对1280个波长信道(载波)进行交换。

为了实现交换装置的未来的升级，优选地是在光交换设备中没有波长选择元件，例如那些在波长分离和合并器单元14和15中要求的器件。因此，优选地是用于从DWDM辐射中分离单个的波长载波或将单个的波长载波合并到DWDM辐射中的所有选择滤波器或AWG被放置在MEMS光交换设备13的外部，而不是成为该组件的一部分。可以将多光纤连接器用于将光交换设备连接到外部的光学电路。通过例如使用汇集在多光纤连接器的单个的光纤，可以为每个DWDM输入/输出提供进入光交换设备的输入和离开光交换设备的输出。

为了降低组件费用和获得更好的可靠性，优选地是以单个晶片MEMS结构的形式制造交换设备的所有镜阵列。平面视图15中给出了这样一个例子，其中在单个的硅衬底45上制造MEMS阵列。由46表示镜输入镜阵列，47表示输出镜阵列47。提供了两个额外的阵列48、49(横向阵列)，分别用于提供ADD和DROP功能。对于每个波长，仅一个信道可以被添加或去除(总通过能力的25％)。

如在图16(侧面视图)和17(平面视图)中所概略性地显示的，经过处理的硅衬底45被放在外壳50的内壁上，并且由该外壳的内壁规定反射表面24(顶板)。在安装有衬底45的外壳的内壁上，在衬底的一侧提供了用于ADD功能的准直器阵列51，提供了用于输入的准直器阵列52。在衬底45的相反的一侧上，提供了用于DROP功能的准直器阵列53和用于输出的准直器阵列54。

在这个示例性实施方案中，假设用于ADD和DROP功能的输入/输出连接器或光纤被指定了具体的DWDM波段。

如可以从图17中看出的，要被添加的信道通过准直器阵列51的第一行准直器被连接，并且专用于来自输入准直器阵列52的第一行的输入信道。通过准直器阵列54中的第一行被去除的信道来自通过输出准直器阵列的第一行的输入信道。相同的对应关系应用于其余的阵列的行。

应该注意到，可以由第N行的任意ADD/DROP准直器拦截第N个输入/输出行的任意波长。

为了指示光交换设备的物理尺寸大小的数量级，图18显示了Δα作为h的函数的图，其中Δα是镜的倾斜角α的增量，h是反射顶板高出其上安装有镜阵列的平面的高度。图19显示了光交换设备的几何尺寸，并且指示了计算图18中的数据所涉及的参数。按照下面的关系式可以得到将辐射导引到输出阵列中的下一行的输出镜所需的倾斜角的增量Δα：

$\mathrm{\Δ\α}=\arctan \left(\frac{2\mathrm{h\ΔL}}{L(L+\mathrm{\ΔL})+4\mathrm{hh}}\right)$

其中L是输入镜阵列的镜与相应的输出镜阵列的镜之间分开的距离，ΔL是输入和输出阵列中的镜的行的间隔(间距)。

图18中所绘制的数据用于间距ΔL＝20mm、L＝20mm的条件下，并且h在0到500mm中变化。在该图中，以度为单位表示角Δα的变化。应该注意到，在长度L大于15cm的情况下，如果要求20mm的间距变化，那么就需要小于5度的倾斜角的变化。

Claims (7)

1.一种光交换设备(13)，该设备包含：多个光输入路径和多个光输出路径；可单独选择加以倾斜的MEMS镜的第一阵列(18)，其中每个镜用于接收来自相应输入路径的光辐射；以及可单独选择加以倾斜的MEMS镜的第二阵列(23)，其中每个镜用于使入射到其上的光辐射偏转到相应的输出路径，该设备的特征在于，镜的第一和第二阵列(18，23)被安排在一个共用的平面上并且相对于一个单独的轴可选地加以倾斜，并且一个固定的反射器(24)被安排在这两个镜阵列上面，其中在工作中，沿每个输入路径接收到的光辐射通过固定的反射器被在第一阵列中相应的镜偏转到在第二阵列中所选的镜，并且从该第二阵列被偏转到相应的输出路径。

2.根据权利要求1所述的交换设备，其中该设备用于将来自多个输入DWDM辐射(i/p-1到i/p-4)的波长载波(i/p-1@λ_i到i/p-4@λ_i)交换到一个所选择的DWDM输出端(o/p-1到o/p-4)，并且其中该第一和第二阵列中的镜被排列成行和列，并且其中每行相关于一个DWDM输入，每列相关于一个相应的波长载波(λ_i)。

3.根据权利要求2所述的交换设备，其中该设备进一步包含用于将多个输入DWDM辐射中的每个辐射分离成相应的波长载波并且沿相应的输入路径导引每个载波的装置(14)。

4.根据权利要求或权利要求3所述的交换设备，其中该设备进一步包含用于合并来自多个输出路径的辐射从而产生一个DWDM输出的装置。

5.根据权利要求4或权利要求5所述的交换设备，其中用于分离或合并波长载波的装置包含波长选择部件(16)。

6.根据任一前面的权利要求所述的交换设备，该设备进一步包含额外的可单独选择加以倾斜的MEMS镜阵列(35，36)和(37，38)，所述镜可相对于单独的轴加以倾斜，其中该轴相对于第一和第二阵列中的镜轴是横向的，并且所述额外的阵列分别用于有选择性地将辐射添加到输入路径和去除要到达输出路径的辐射。

7.根据任一前面的权利要求所述的设备，其中在单个的硅衬底(45)上制造每个镜阵列。

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