CN1656721A - 可重构光学上下路模块、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种全光波长上下路交换。包括至少一个输入端口和至少一个输出端口的多个光学端口每个被光学地耦合到各色散元件。当多信道光学信号输入通过输入端口，各信道的光束在依赖于其波长的角度上重色散元件出现。从色散元件出现的光束通过体光学元件，所述体光学元件将各光束朝向多个路由或者开关元件的每个改向各光束，每个所述路由或者开关元件用于通过体光学元件朝向耦合到所选择的输出端口的所选择的色散元件改向各光束。

Description

可重构光学上下路模块、系统和方法
技术领域
本发明涉及DWDM光纤远程通讯领域，尤其涉及全光学开关领域。所述装置提供全光学波长相关可调交换功能。
背景技术
在1990年早期出现的DWDM光纤远程通讯系统使得点对点通讯链接上的传输容量有了显著的提高。这通过将大量的独立调制的不同波长的光束多路复用到相同的光纤上来实现。现在安装的典型系统在100GHz、50GHz或者更窄的信道间隔上具有64或者更多的精确对齐到ITU-T标准化光栅的信道。调制速度通常是10Gb/s，在实验室试验中达到了40Gb/s，获得每秒几兆兆位的数量级传输到单个光纤的总容量并不罕见(S.Bigo，Optical Communication conference，WX 3，Anaheim，2002)。同时，电交换容量以相当缓慢的速度增长，单级中最大的电矩阵的典型限值是640Gb/s。此外，在大多数的交换节点上，较大比率的通信(70％)是只通过节点的远程通信。因此，光学装置具有较大的吞吐量和局部可调下降能力是有利的。此装置在本领域中被称为可重构光学上下路模块(ReconfigurableOptical Add-Drop Module)或者ROADM。(J.Lacey，Optical FiberCommunication conference，WT，Anaheim，2002)。
ROADM通常包括用于接收DWDM信号的输入端口、用于特快通信的输出端口和至少一个添加或者下路端口，所述添加或者下路端口用于添加或者降低波长信道以进行局部处理。这通常通过下列后续步骤实现：解复用到达的DWDM输入、提供多个开关装置来路由单个信道至输出特快信道或者上下路端口、并将特快信道多路复用到单个输出端口。一些ROADM具有多路复用上下路端口，一些提供完全解复用上下路端口。
本领域普通技术人员公知的是，多路复用/解复用技术可以用许多不同的方式进行。串联滤光器实施例(光纤布拉格光栅、薄膜滤光器、光纤Mach Zehnder栅、双折射滤光器等)通常由于插入损耗的损害而在波长信道的数目上受到限制。因此，当前具有较大数目波长信道的ROADM应用开发的首选的两个解决方案是基于并行波长滤波：或者是使用体衍射光栅的自由空间实施例或者是使用AWG(阵列波导光栅)的波导实施例。
自由空间光学器件实施方式通常包括光纤端口、透镜元件、一个体衍射(bulk diffraction)光栅和开关装置的阵列。例如，来自纽约州科宁的科宁公司提供基于液晶开关元件的装置。尽管显示了优越的光学性能，自由空间光学器件解决办法由于多个高精度的光学元件的极严格的对准公差而通常比较昂贵。此外，这些元件的相对定位必须在需要很好的光机械设计的较宽范围的环境条件上得到维持。
在加州阿纳海姆2002年3月在OFC’02上所发表的论文PD FB 7提供了一种波长选择交换，如图11中的示例中所示出的那样。所述交换包括输入耦合光学器件1200、开关元件1202、主透镜1204和单个衍射光栅1206。不利的是，在此实施例中，只有衍射光栅1206的服务的较小部分位于主透镜1204的焦平面中。这防止了来自所有端口的光束位于焦点上。另一方面，集成光学器件解决办法可以维持放置到相同的衬底上的不同元件的相对定位。有两种主要的方法来在波导中执行并行波长解复用：或者使用AWG或者使用分级光栅，前者由于在波导衬底中制造高精度衍射光栅的难度而到目前为止是更广泛使用的器件。Bragg光栅出于此目的也被使用。
AWG由Dragone通过将色散阵列波导(M.K.Smit，Electronics Letters，Vol.24，pp.385-386 1988)和输入和输出“星形耦合器”(C.Dragone Dragone，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.1，No.8，pp.241-243，August 1989)组合而发明(C.Dragone，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.3，No.9，pp.812-815，September 1991)。AWG可以既作为DWDM解复用器和作为DWDM多路复用器工作，这由Dragone在美国专利5,002,350(1991年3月)中提出。
集成光学器件ROADM因此包括用于解复用输入的DWDM流的输入AWG、用于将被解复用的信道路由到特快路径或者下路端口上的阵列开关装置，以及用于多路复用输出特快DWDM流的输出AWG。由于AWG滤波功能的周期属性，这就可能只使用一个AWG来执行具有回送的ROADM功能(O.Ishida等，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.6，No.10，pp.1219-1221，October 1994)。典型地，集成光学器件ROADM中的互连主要使用引导方式的光学器件来完成，例如使用波导。
开关元件可以集成到与AWG相同的衬底上或者被混合使用。所有集成的实施例典型地利用热光学开关(参看诸如C.R.Doerr等，IEEEPhotonics Technology Letters Volume 15，No.1，January 2003，P138-140)，这占据了较大的衬底面积并需要仔细的热管理，最终限制了其可扩展性。集成MEMS波导方法过去也被提出，但是开关元件通常限制到1×2或者2×2，因此也限制了可扩展性(M.Katayama等，Optical Fibre Communicationconference，WX4-1，Anaheim，2001)。这对普通技术人员而言是公知的：其中AWG输出波导通过微透镜阵列连接到MEMS开关元件的混合实施例是可能的。但是，这通常导致较差的光谱性能，即，没有较宽的扁平信道形状通频带(R.Ryf等，European Conference on Optical Communciation，PDB.1.5，Amsterdam，2001)。
发明内容
根据一个较宽的方面，本发明提供了一种装置，包括：多个光学端口，其包括用于接收至少一个波长信道的至少一个输入光学端口和至少一个输出光学端口；对各光学端口，各色散元件光学地连接到所述光学端口；具有光功率的体光学元件；多个非透射路由元件；其中对各波长信道：输入端口的色散元件和体光学元件朝向各所述多个路由元件之一发散所述波长信道的任何光，以及所述多个路由元件的每个通过所选择的输出端口的各色散元件将通过体光学元件的波长信道的光引导至所述至少一个输出端口的所选择的输出端口，所选择的输出端口通过各路由元件来确定。
在一些实施例中，至少一个路由元件也是可控制的，以只改向波长信道的一部分以实现衰减功能。
在一些实施例中，至少一个路由元件也是可控制的，以改向所有波长信道以实现信道阻塞(channel block)功能。
在一些实施例中，所述至少一个输出端口包括至少两个输出端口。
在一些实施例中，至少一个路由元件也是可控制的，以只改向波长信道的一部分以实现衰减功能。
在一些实施例中，至少一个路由元件也是可控制的，以改向所有波长信道以实现信道阻塞功能。
在一些实施例中，色散元件是透射的并且位于光学端口和具有功率的体光学元件之间。
在一些实施例中，各路由元件是静态可配置的以将光引导至各特定的输出端口。
在一些实施例中，各路由元件动态可配置以将光交换到任何出口端口。
在一些实施例中，各色散元件包括波导阵列，所述波导阵列在所述阵列中具有预定光学路径长度差异分布。
在一些实施例中，色散元件一起集成到单个波导装置上。
在一些实施例中，色散元件集成到多个波导装置中。
在一些实施例中，所述装置还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的微光学器件耦合元件。
在一些实施例中，所述装置还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的集成光学耦合元件。
在一些实施例中，集成光学耦合元件包括星形耦合器。
在一些实施例中，各色散元件包括透射衍射光栅。
在一些实施例中，色散元件和路由元件基本放置在具有光功率的体光学元件的焦平面上。
在一些实施例中，具有光功率的体光学元件是透镜或者曲面镜。
在一些实施例中，色散元件集成到波导衬底上，具有功率的体光学元件包括用于将光聚焦在波导衬底的平面中的第一平面中的主圆柱形透镜元件，所述装置还包括用于基本校准垂直于第一平面的第二平面中的光的横向圆柱形透镜。
在一些实施例中，主圆柱形透镜具有焦距长度，使色散元件在透镜的第一侧面上位于透镜的焦平面中，路由元件在透镜的第二侧面上位于透镜的焦平面中。
在一些实施例中，色散元件从包括分级光栅、阶梯光栅棱栅、棱镜、阵列波导的组中进行选择。
在一些实施例中，各路由元件是可倾斜的微镜。
在一些实施例中，各路由元件是液晶光束引导元件、声光光束偏转器、部分固态相控阵、可控全息图、周期轮询铌酸锂光束偏转器之一。
在一些实施例中，所述装置还包括：用于路由元件的无热架，用于移动路由元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化。
在一些实施例中，所述装置还包括：用于路由元件的无热架，用于倾斜色散元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化，这样离开色散元件的光基本集中在路由元件中心。
在一些实施例中，所述装置还包括：双折射晶体光束置换器，其位于色散元件和路由元件之间，用于补偿色散元件的双折射以使得TE和TM子光束基本在路由元件上重合。
在一些实施例中，所述装置还包括：交换的光学路径中的四分之一波片，用于交换TE和TM子光束以使得TE和TM偏振轴线的损耗基本达到平均数(TE/TM或者TM/TE)。
在一些实施例中，具有功率的体光学元件是透镜，各色散元件是非透射的，光学端口和路由元件被安置在透镜的第一侧面上，色散元件位于圆柱透镜的第二侧面上。
在一些实施例中，色散元件包括非透射衍射光栅。
根据本发明的另外的较宽的方面，本发明提供了一种装置，包括：多个光学端口，其包括用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个输出光学端口；对各光学端口，各色散元件光学地连接到光学端口；多个透射路由元件；具有光功率的第一体光学元件；具有光功率的第二体光学元件；其中对各波长信道：输入端口的色散元件和第一体光学元件朝向各所述多个透射路由元件之一引导任意波长信道的光，以及所述多个透射路由元件的每个的合适设置通过所选择的输出端口的各色散元件将通过第二体光学元件的所述波长信道的光引导至所述至少两个输出端口的每个所选择的端口，所选择的输出端口通过各路由元件来确定。
在一些实施例中，各透射路由元件可被静态配置以将光引导到各特定的输出端口。
在一些实施例中，各透射路由元件动态可配置，以将光交换到任何输出端口。
在一些实施例中，各色散元件包括波导阵列，所述波导阵列在所述阵列中具有预定光学路径长度差异分布。
在一些实施例中，输出端口的各色散元件被集成到第一波导装置上，输出端口的色散元件被集成到第二波导装置上。
在一些实施例中，输入端口的色散元件被集成到第一波导装置上，输出端口的色散元件被集成到波导装置堆上。
在一些实施例中，所述装置还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的微光学器件耦合元件。
在一些实施例中，所述装置还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的集成光学耦合元件。
在一些实施例中，集成光学耦合元件包括星形耦合器。
在一些实施例中，输入端口的各色散元件被基本放置到具有光功率的第一体光学元件的焦平面上，输出端口的色散元件被基本安置到具有光功率的第二体光学元件的焦平面上，路由元件也与第一和第二体光学元件有一焦距。
在一些实施例中，第一体光学元件和第二体光学元件分别是透镜或者曲面镜。
在一些实施例中，具有功率的第一体光学元件包括用于将第一平面中的光聚焦在第一波导衬底的平面中的第一主圆柱透镜；具有功率的第二体光学元件包括用于将第二平面中的光聚焦在第二波导衬底的平面中的第二主圆柱透镜：所述装置还包括：用于基本校准垂直于第一平面的第三平面中的光的第一横向圆柱透镜；用于基本校准垂直于第二平面的第四平面中的光的第二横向圆柱透镜。
在一些实施例中，第一主圆柱透镜具有焦距长度，使输入端口的色散元件在第一主圆柱透镜的第一侧上位于第一主圆柱透镜第一焦平面中，透射路由元件在第一主圆柱透镜的第二侧上位于第一主圆柱透镜的第二焦平面中；其中第二主圆柱透镜具有焦距长度，使输出端口的色散元件在第二主圆柱透镜第一侧上位于第二主圆柱透镜的第一焦平面中，透射路由元件在第二主圆柱透镜的第二侧上位于第二主圆柱透镜的第二焦平面中。
在一些实施例中，波导色散元件从包括分级光栅、阶梯光栅棱栅、棱镜、阵列波导的组中进行选择。
在一些实施例中，所述装置还包括：用于路由元件的无热架，用于移动路由元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化。
在一些实施例中，所述装置还包括：用于输入端口的路由元件的第一无热架，用于倾斜色散元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化，从而离开色散元件的光基本集中在路由元件中心；用于输出端口的色散元件的第二无热架，用于倾斜输出端口的色散元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化，从而离开色散路由元件的光基本与输出端口的色散元件相准确对齐。
在一些实施例中，所述装置还包括：第一双折射晶体光束置换器，其位于输入端口的色散元件和路由元件之间，用于补偿输入端口的色散元件的双折射以使得TE和TM子光束基本在路由元件上重合；以及位于输出端口的色散元件和路由元件之间的第二双折射晶体光束置换器，用于补偿输出端口的色散元件的双折射以使得TE和TM子光束基本在路由元件上重合。
在一些实施例中，所述装置还包括：透射路由元件的第一侧面上的交换的光学路径中的第一四分之一波片，用于交换TE和TM子光束以使得TE和TM偏振轴线的损耗基本达到平均数(TE/TM或者TM/TE)；透射路由元件的第一侧面上的交换的光学路径中的第二四分之一波片，用于交换TE和TM子光束以使得TE和TM偏振轴线的损耗基本达到平均数(TE/TM或者TM/TE)。
在一些实施例中，色散元件是非透射的。
根据本发明的另外的较宽的方面，本发明提供了一种装置，包括：叠置多列光学端口，所述端口包括用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个输出光学端口；对各光学端口，各色散元件光学地连接到光学端口；具有光功率的体光学元件；多个路由元件；其中对各波长信道：输入端口的色散元件和体光学元件朝向各所述多个路由元件之一发散任意波长信道的光，以及所述多个路由元件通过所选择的输出端口的各色散元件将通过体光学元件的所述波长信道的光引导至所述至少一个输出端口的所选择的输出端口，所选择的输出端口通过各路由元件来确定。
在一些实施例中，各路由元件静态可配置以将光交换到各特定输出端口。
在一些实施例中，各路由元件动态可配置以将光交换到任何出口端口。
在一些实施例中，各色散元件包括波导阵列，所述波导阵列在所述阵列中具有预定光学路径长度差异分布。
在一些实施例中，色散元件一起集成到各波导装置上。
在一些实施例中，所述装置还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的微光学器件耦合元件。
在一些实施例中，所述装置还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的集成光学耦合元件。
在一些实施例中，集成光学耦合元件包括星形耦合器。
在一些实施例中，各色散元件包括透射衍射光栅。
在一些实施例中，色散元件和路由元件基本放置在具有光功率的体光学元件的焦平面上。
在一些实施例中，具有光功率的体光学元件是透镜或者曲面镜。
在一些实施例中，具有功率的体光学元件包括用于将光聚焦到波导装置的平面中的第一平面中的主圆柱透镜元件；所述装置还包括：对各波导装置，用于在基本垂直于波导装置的平面的各第二平面中校准光的各横向圆柱透镜。
在一些实施例中，主圆柱透镜具有焦距长度，使色散元件在透镜的第一侧上位于透镜的焦平面中，路由元件在透镜的第二侧上位于透镜的焦平面中。
在一些实施例中，色散元件从包括分级光栅、阶梯光栅棱栅、棱镜、阵列波导的组中进行选择。
在一些实施例中，各路由元件是在二维中可倾斜的微镜。
在一些实施例中，各路由元件是液晶光束引导元件、声光光束偏转器、部分固态相控阵、可控全息图、周期轮询铌酸锂光束偏转器之一。
在一些实施例中，所述装置还包括：用于路由元件的无热架，用于移动路由元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化。
在一些实施例中，所述装置还包括：用于路由元件的无热架，用于倾斜色散元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化，这样离开色散元件的光基本集中在路由元件中心。
在一些实施例中，所述装置还包括：双折射晶体光束置换器，其位于色散元件和路由元件之间，用于补偿色散元件的双折射以使得TE和TM子光束基本在路由元件上重合。
在一些实施例中，所述装置还包括：交换的光学路径中的四分之一波片，用于交换TE和TM子光束以使得TE和TM偏振轴线的损耗基本达到平均数(TE/TM或者TM/TE)。
根据本发明的另外的较宽的方面，本发明提供了一种波长选择光学开关，包括：叠置多列光学端口，所述端口包括用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个输出光学端口；对各列光学端口，各色散元件光学地连接到光学端口列；具有光功率的体光学元件；多个路由元件；其中对各波长信道：输入端口的色散元件和体光学元件朝向各所述多个路由元件之一发散任意波长信道的光，以及所述多个路由元件的每个通过各所选择的输出端口所属的光学端口列的各色散元件将通过体光学元件的所述波长信道的光引导至各所选择的输出端口，所选择的输出端口通过各路由元件来确定。
根据本发明的另外的较宽的方面，本发明提供了一种波长选择光学开关，包括：用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和叠置多列输出光学端口；对各光学端口，各色散元件光学可选地连接到光学端口；多个透射路由元件；具有光功率的第一体光学元件，其位于输入端口地色散元件和多个透射路由元件之间；以及具有光功率的第二体光学元件，其位于输出端口的各元件和多个路由元件之间；其中对各波长信道：输入端口的色散元件和第一体光学元件朝向各所述多个透射路由元件的每个引导任意波长信道的光，以及所述多个透射路由元件的每个的合适设置通过各色散元件将通过第二体光学元件的所述波长信道的光经过第二体光学元件引导至各所选择的输出端口。
根据本发明的另外的较宽的方面，本发明提供了一种装置包括：至少两个光学端口；包含至少两个可选地连接到光学端口的波导色散元件的波导衬底，每个波导色散元件包括各波导阵列，波导色散元件具有用于频散的第一线性相位项，并具有至少第二抛物相位项用于将光束聚焦在衬底的平面中；自由空间传输区域；多个开关元件，每个用于通过自由空间区域从任一第一波导色散元件之一建立多个光学路径至任一第二波导色散元件之一。
在一些实施例中，所述装置还包括横向圆柱透镜，其不影响波导色散元件的平面中的光的传输，但是基本在垂直于波导色散元件的平面中校准所述光。
根据本发明的另外的较宽的方面，本发明提供了一种装置，包括：至少三个光学端口；对每个光学端口有一个色散元件；具有光学功率的体光学元件可选地连接到所有端口。
根据本发明的另外的较宽的方面，本发明提供了一种方法，包括：通过多列光学端口的输入端口接收光学信号；对各多个波长信道：a)通过输入端口的各色散元件以及通过具有光功率的体光学元件朝向多个路由元件中的每个散射输入信号中的任意的波长信道的光；b)各路由元件通过所选择的输出端口的各色散元件将通过体光学元件的所述波长信道的光引导至所述多列端口的各所选择的输出端口，所选择的输出端口通过各路由元件来确定。
附图说明
下面将参照附图来详细说明本发明，其中：
图1是具有4个下路端口的公知全集成波导ROADM的示意图；
图2是公知的具有4个下路端口的4信道全集成波导ROADM的布置视图；
图3A是通过本发明的实施例所提供的组合混合波导和具有4下路端口和5波长信道的MEMS ROADM实施例的俯视图，其中集成的光学器件只提供一个阵列色散元件；
图3B是图3A的实施例的侧视图；
图4A是本发明的每个实施例混合波导和具有4下路端口和5波长信道的优选实施例的俯视图，其中集成光学器件提供一个色散元件阵列和一个耦合光学器件阵列；
图4B是图4A的实施例的侧视图；
图5A是其特征在于多个波导衬底叠置在彼此的顶部并具有能够在二维中倾斜的MEMS元件的本发明的可选实施例的俯视图；
图5B是图5A的实施例的侧视图；
图6A和6B是两个波导装置或者波导装置堆与能够在二维中引导光束的透射交换一起使用的本发明的实施例的布置视图；
图7是1000GHz间隔设计用于40波长信道的图4A的混合波导和MEMSROADM的波导装置的示意布置视图；
图8A、8B和8C是当192THz、194THz和196THz的光束经过中间波导色散元件时离开图7的波导装置的光的模型远场的示例；
图9A显示了通过圆柱透镜聚焦之后在194THz上靠近输入光用MEMS阵列的近场模型示例；
图9B显示了靠近192THz、194THz和196THz的光用MEMS阵列的近场的重叠；
图10A是本发明的实施例的俯视图，其中主圆柱透镜用波导装置和MEMS阵列之间的自由空间传播区域编码到波导色散元件的相轮廓；
图10B是图10A的侧视图；
图11是特征在于单个衍射光栅的另外的传统多波长交换的系统图；
图12是本发明的实施例所提供的、使用自由空间元件和一个阵列衍射光栅的波长选择交换的系统图；
图13是本发明的实施例所提供的，使用自由空间元件和一个阵列衍射光栅和2D光学端口布置的波长选择交换的系统图；
图14是通过本发明的实施例所提供的特征在于温度补偿元件的波长选择交换的系统框图；
图15是特征在于温度补偿元件的本发明的另外的实施例；
图16是特征在于PDλ补偿的本发明的实施例的系统图；以及
图17是特征在于PD损耗补偿的本发明的另外的实施例的系统图。
具体实施方式
在下述的说明中，相似的附图标记表述相同的元件(对图1-2，以及对图3A-10B)。
图1显示了具有一个输入端口101、一个特快输出107e和四个可调下路端口107a，107b，107c，107d的传统全波导ROADM 100的示意图。包含N波长信道λ1...λN的DWDM光束被输入到所述装置的输入端口101。然后不同波长信道通过第一AWG装置102解复用。来自第一AWG装置102的N输出然后连接到N1×2交换103-1至103-N的交换阵列103。各1×2交换阵列103的交换的两个输出之一通过特快多路复用器AWG 106e被直接连接到特快输出107e。交换阵列103的交换的两个输出的另外之一被连接到包含1×4交换104-1至104-N的1×4交换阵列。由于不能获得更大的交换内核(switching kernel)，各1×4交换通常通过由3个1×2交换构成的2级交换树来实施。在波导滑移区域105，1×4交换104-1至104-N四个输出的每个然后通过下降侧多路复用器(AWG106a至106d)连接到下路端口107a-107d。
图2显示了图1中的装置具有四个波长信道λ1…λ4的布置视图。所述装置表示具有一个输入、一个特快输出和四个下路端口的ROADM 100。(例如请参看C.R.Doerr等，IEEE Photonics Technology Letters Volume 15，No.1，January 2003，P138-140)。包含四个波长信道λ1...λ4的DWDM多路复用光束被输入到所述装置的输入端口101。然后不同波长的信道通过第一AWG装置102解复用。来自第一AWG的四个输出然后连接到一个四1×2交换103-1至103-4阵列。每个1×2交换阵列103的交换的两个输出之一通过特快多路复用器AWG 106e至直接连接到特快输出107e。每个1×2交换阵列103的交换的两个输出的另外一个被连接到1×4交换104-1至104-4之一。在波导滑移区域105中，1×4交换104-1至104-4的四个输出的每个然后通过下路侧多路复用器AWG 106a至106d被连接到下路端口107a-107d。如前所述，所述的互连是在波导内的被引导光学路径。
需要指出，在下述的图3A的实施例中并且在所有的其它的实施例中，特别是对下路波长信道进行说明。通常，这涉及单个输入端口和多个输出端口。可选地，这些相同的实施例可以用于简单通过互换端口的角色而起到增加波长信道的作用。这样，例如，一个输入端口、四个下路(输出)端口实施方式可以相同地起到一个输出端口、四个输入(增加)端口实施方式的作用。
图3A显示了通过本发明实施例所提供的具有一个输入端口301c、四个下路端口301a、301b、301d、301e和五个波长信道λ1、λ2、λ3、λ4、λ5的混合波导和MEMS ROADM 300的俯视图。物理端口是任何合适的光学端口实施方式。例如，每个端口可以是单模式光纤或者波导。包含5个波长信道λ1...λ5的输入DWDM光束通过输入端口301c被输入到装置300中。光束通过微光学耦合方案而连接到波导装置304，所述方案由在图中的平面中校准光同时让光未受影响地通过正交平面的圆柱透镜302c和基本在垂直于图中的平面中将光重新聚焦同时让光横向未受影响地通过图中的平面的圆柱透镜303构成。圆柱透镜303和圆柱透镜302a、302b、302d、302e分别对输出端口301a、301b、301d、301e提供耦合光学器件。变换的椭圆光束(基本在图中的平面中校准并基本聚焦在垂直于图中的平面中)被耦合到波导装置304的波导区域305c上。此波导区域305c由被安置的波导阵列构成，这样预定路径长度的变化横过阵列分布。此布置对普通技术人员是公知的以提供波导基色散元件(M.K.Smit，Electronics Letters，Vol.24，pp.385-386，1988)。因此，离开波导部分305c的光显示了依赖于根据波导部分305c的设计参数的波长上的角度。
在本说明中，波长信道是任何相邻的频带。例如单波长信道可以包括一个或者多个ITU波长和中间波长。即使表达式“λ”此处指的是有关波长信道，这不是为了隐含波长信道只是单波长。
为了说明方便，五个波长信道中的三个(例如λ2、λ3、λ4)被显示在图3A部分中波导装置304的右侧，尽管所有五个将出现波导装置305c的出口。这些被解复用的光束307-1至307-5首先横过圆柱透镜306，这不影响图的平面中的光传播，但是基本在垂直的平面中校准光。主圆柱透镜元件308被用于将光聚焦在纸平面中，同时不影响垂直平面中光的传播，使得各解复用光束307-1至307-5入射到开关元件309-1至309-5上。实施例中的这些开关元件由用于在可选择的角度上改向光的倾斜微镜构成。每波长信道可以具有一个倾斜微镜。
在从镜阵列309-1至309-5反射之后，光束307-1至307-5通过圆柱透镜306在垂直于波导装置304的平面中校准，并通过圆柱透镜308在波导装置304的平面中聚焦。在优选的实施例中，透镜308被安置使得波导装置304的端部和交换阵列308被安置到透镜聚焦平面上，保证当它们耦合回到波导装置时不管MEMS阵列309-1至309-5的倾斜角度，光束307-1至307-5的入射角度基本与离开波导装置304时的角度相同。因此，当MEMS倾斜角度的控制方式使得光束307-1至307-5与任何波导部分305a-305e相对齐，此结构允许通过前述耦合光学器件302a、302b，302d、302e将光束进入耦合到输出端口301a，301b，301d，301e的离开光束的有效耦合和再多路复用。
图3A显示了阵列波导形式的波导色散元件。具体而言，与图3A相似的实施例可以利用任何合适的波导色散元件。例如，可以使用蚀刻到波导中的分级光栅。
图3A显示了圆柱透镜302和校准透镜303形式的微光学器件耦合方案。其它的微透镜布置可以使用诸如梯度指数棒形透镜(Selfoc，来自美国NSG)或者其它类型的能达到相同效果的透镜。
图3A显示了MEMS阵列309形式的开关元件。可选地可以使用不同的其它光束引导元件，与液晶光束引导元件、可编程衍射光栅、相阵列、倾斜棱镜或者移动透镜相似。具体而言，可以使用路由元件。路由元件可以执行交换功能，这样也可以是开关元件，或者只是起到执行静态路由功能。
图3A显示了在色散元件和路由元件之间执行路由的圆柱透镜308。具体而言，可以使用具有光学功率的体光学元件。出于此说明的目的，具有光学功率的体光学元件可以是曲面镜或者透镜。不同类型的透镜可以应用于不用的应用中。所有的波长信道在其是透镜的情况下通过体光学元件或者在其是曲面镜的情况下从体光学元件反射。在一些实施例中，诸如图3A的实施例，波长信道都两次通过具有光学功率的体光学元件，一次在朝向路由元件，一次在往回的路径上。在其它的实施例中，诸如特征在于下述的透射开关元件，具有多个体光学元件，所述体光学元件具有光学功率。但是，将被路由通过各具有光学功率的体光学元件的所有波长信道保持相同。
为了简化此实施例的说明，这里显示了具有5波长信道的4下路ROADM，尽管不同数目的端口和不同数目的波长信道可以通过波导色散元件阵列和开关元件阵列的适当设计来容纳。
在一些实施例中，圆柱透镜308基本放入到波导装置304和交换阵列309之间，由此波导装置304和圆柱透镜308之间的光学距离和圆柱透镜308和交换阵列308之间的光学距离每个基本等于圆柱透镜308的有效焦距长度。对普通技术人员公知为“4f系统”的此系统对从或者到波导元件304(远心成像系统)获得良好的耦合是有益的。如果微镜309能够在垂直于图的平面中进一步倾斜，“无瞬时干扰(hitless)“操作可以通过将交换以下述步骤的布置来保证：首先将光束307移出图中的平面(通过在垂直于图中的平面中倾斜微透镜)，然后将光束307引导至图的平面中它们的合适的位置(通过在图中的平面中倾斜微镜)，并最终通过将光束307轴与波导装置304的衬底的轴线相对齐而建立耦合(通过在垂直于图中的平面中倾斜微镜一与交换步骤的第一步骤中所传递的相反的量)。此交换步骤保证了在交换时，只有光束307耦合到它们合适的输出端口，并且没有串扰到其它的输出端口中。
在通过微镜309-1至309-5来反射和改向之后，光束307-1至307-5通过圆柱透镜308和306传播回到波导装置304。由于上述4f系统的几何形状，当微镜309的倾斜角度被适当调整时，各光束307-1至307-5可以具有较好的耦合性能地路由到任何波导色散元件305a至305e。这是4f布置的远心性(telecentricity)的结果，这保证了在离开波导元件304时光束307-1至307-5的离开角度和这些光束的入射角度同时回到波导元件304是平行的，对不同的波导色散元件305a-305e匹配散射要求。例如，对应λ3的所解复用的光束307-3以0度角度从中间波导色散元件305c离开波导装置304。在通过圆柱透镜308路由到MEMS装置309-3之后，其以依赖于MEMS倾斜设置的角度反射。在图中所描述的情况下，所述镜子将光束307-3向上发送。其击中圆柱透镜308的上部并路由回到波导装置304。通过选择合适的MEMS 309-3的倾斜角度，光束307-3精确地对齐到波导色散元件305a。由于4f系统的远心性，光束307-3再次以0度角度入射到波导色散元件305a上，这需要在波长λ3进行有效地耦合。
一旦所有的光束307-1至307-5在它们各波导色散元件305a至305e上重新进入到波导装置304(以完全可选择的方式)，它们被耦合到它们各自的光学端口301a-301e。
图3B显示了图3A的实施例的侧视图。这清楚地显示了圆柱透镜元件303基本在端口301a-301e和波导装置304之间重新聚焦光束，同时圆柱元件302a-302e在图中的平面中几乎不对光束产生影响。这对用于基本在离开波导装置304时校准光束307-1至307-5的圆柱透镜306也是成立的，同时圆柱透镜在图中的平面中几乎不对光传播产生影响。
在上述的实施例中，路由元件被设置以朝向所选择的输出端口引导几乎所有给定波长信道的光。在另外的实施例中，一个或者多个路由元件被用于可控地误导给定波长信道，这样只有部分光被引导至所选择的端口，其它的丢失。这允许实现波长信道特定注意功能(wavelength channelspecific attention function)。在另外的实施例中，一个或者多个路由元件被用于误导给定波长信道，这样基本没有光被引导到任何输出端口。这导致信道阻塞能力。此种修改也可以应用到下述的实施例中。
图4A显示了通过本发明的另外的实施例所提供的混合波导和MEMSROADM 400。图4A的实施例与上述的图3A所示的实施例相似。如前所述，具有输出端口301a、301b、301d、301e和输入端口301c。但是，在此实施例中，在波导装置的外部没有提供微光学器件耦合方案用于将到和从输入端口至波导装置对光进行耦合。相反，提供了通常以404所指示的波导装置。此波导装置与图3A的装置304除了其包括用于耦合到波导阵列和从波导阵列耦合的集成耦合光学器件402a、402b、402c、402d、402e(现在指示为波导装置404的405a-405e)以及部分301a-301e之外是相同的。图4A的实施例的剩余结构和操作与上述的图3A的相同。这使得能够获得具有更稳定的相对对齐的紧凑设计。可以理解上下路端口的任意布置可以在不背离本发明的范围的情况下提供。
各波导阵列色散元件的此耦合光学器件402由板条形波导组成，所述板条形波导端部邻接在色散元件的波导阵列被连接的位置上。此布置作为星形耦合器对普通技术人员而言是公知的(C.Dragone，IEEE PhotonicsTechnology Letters，Vol.1，No.8，pp.241-243，August 1989)。
图4B是图4A的实施例的侧视图。
现在参照图5A和5B，本发明的可选实施例采用了波导装置堆504A-504E。这使得光学端口的数目极大增加。尽管图5A-5B中所显示的示例只包含5个波导装置堆504A-504E，从而获得5×5＝25个光学端口(从501Aa-501Ee)，可以理解，任意数目的这样的堆叠波导装置可以通过相关的光学器件元件506A-506E和体光学元件508的合理设计以及通过以充分较大的倾斜角能够在二维中交换的开关装置509而使用。相似地，选择5波长信道系统是任意的，任何更大的或者更小数目的波长可以通过波导色散元件505的合理设计在多ROADM装置500中路由。在图5A和5B的描述中，大写字母A-E指的是垂直轴线(图5B的平面)，同时小写字母a-e指的是水平轴线(图5A的平面)。
图5A和5B的堆叠布置对各层包括各波导装置504A-504E。层504A、504B、504D和504E分别具有输出端口。所述装置504A的输出端口是端口501Aa-501Ae。相似地，所述装置504E的输出端口是端口501Ea-501Ee。波导装置504C也具有输入端口。所述装置504C的输入端口是端口501Cc。所述装置501C的剩余端口501Ca、501Cb、501Cd和501Ce是输出端口。这样，具有25端口的阵列，一个是输入端口(501Cc)，24个是输出端口。这是用于描述本发明的示例结构。输入和输出端口的其它组合在不偏离本发明的精神的情况下也是可能的。在所说明的实施例中，具有一个输入端口，其余的是输出端口。在另外的实施例中，所有的端口是输入端口除了一个是输出端口。在另外的实施例中，具有多个输入端口和多个输出端口。这最后的布置不是完全非闭塞的。各装置504A-504E的作用与图4的装置404相同。布置500对各波导装置504A-504E还分别包括圆柱透镜506A-506E。也提供了一个单个体光学元件508。图5A的视图中最清楚地显示了一个开关元件509的阵列，每个能够在二维中倾斜，包括在图5A的平面中倾斜以及在图5B的平面中倾斜。图5A的平面中的倾斜允许在相同的装置504A-504E的不同端口之间转换并且在图5B的平面中的倾斜允许在不同的波导装置的端口之间转换。
各端口(输入和输出)能够耦合到装置504A-504E之一上的各集成耦合光学器件。例如，输出端口501Aa被耦合到集成耦合光学器件502Aa。注意到图5A的实施例可以使用诸如图3A的实施例中所使用那些光学元件，而不是使用示例中所示出的集成光学器件。
通过示例，包含波长λ1...λ5的DWDM光束被显示在输入端口501Cc输入到多ROADM装置500。其通过集成耦合光学元件502Cc被耦合到波导装置504C的波导色散元件505Cc。所述波导色散元件由具有在离开波导装置504C时导致光的波长依赖于光的离开角的预定光学长度差异。因此，所述光被解复用为5束，分别包括引用507-1至507-5的λ1-λ5。在图5A上，只有光束507-2至507-4被清楚说明。在通过圆柱透镜506C时这些光束基本在垂直于图的平面的平面中校准，同时几乎在图的平面中不受影响。主圆柱透镜508被用于将各光束507-1至507-5路由到对应的开关元件509-1至509-5，同时几乎不影响垂直于图的平面的平面中的光的传播。这些开关元件优选地由能够在图的平面中和垂直的平面中倾斜的可倾斜镜阵列构成。当镜在图中的平面中倾斜时，光束507可以路由到特定的水平位置a-e。当镜在垂直的平面中倾斜，光束507可以路由到波导堆504中的特定波导装置504A-504E。因此，在图的平面中和在图的垂直平面中的适当的组合使得能够将各光束507-1至507-5路由到25个可能的波导色散元件505Aa-505Ee的任意一个。在一个优选的实施例中，主圆柱透镜508被安置在波导堆504和交换阵列509之间，这样波导堆504和交换阵列509位于圆柱透镜508的焦平面的附近中。此布置保证了无论MEMS镜509-1至509-5的倾斜，光束507-1至507-5将在图的平面中具有入射角进入到使得耦合最大化的任何波导色散元件505Aa-505Ee中(即，入射角基本与离开输入波导色散元件505Cc时的角度相同)。
圆柱透镜506A-506E的阵列根据转换模式被用于重新聚焦和引导光束507-1至507-5到它们各自的波导装置504A-504E。在图5A至5B的情况下，λ3已经从波导色散元件505Cc任意转换到波导色散元件505Aa，λ4已经从波导色散元件505Cc转换到505Ee，λ2已经从505Cc转换到505Cb。在耦合到它们各自的波导色散元件505之后，光束507通过集成耦合元件502进入各自的光学端口501。在图中特定的情况下，描述波长λ2至λ4的3分别在光学端口501Cb、501Aa和501Ee上离开。
再次参照图5B，此图上的重要的一点是用于基本校准自图中的平面中的波导色散元件505Cc离开的光束507-1至507-5的圆柱透镜506A-506E的阵列的布置，同时不影响在垂直平面中的光的传播，以及当它们根据它们的交换模式重新进入到它们各自的波导色散元件505Aa至505Ee时被用于基本重新聚焦光束507-1至507-5。圆柱透镜506A-506E的光学中心被对齐，这样当交换镜509在图5B的平面中倾斜时获得入射到波导装置504A-504E的0度入射角度。对图5A和5B中所描述的特定的实施例而言，这是通过将圆柱透镜506A、506B、606D和506E偏离一合适的量而完成。
图6A和6B显示了特征在于透射开关元件的本发明的另外的实施例。此实施例基本由透射开关元件阵列的一侧上图4的输入端口功能构成，在另外一侧上时与图5A的装置500所提供的相似功能的输出端口。其它实施例中例如连接到另外的400装置的400型装置，或者连接到另外的500型装置的500型装置也是可能的，但是未示出。
图6A显示了透射多ROADM装置600的俯视图，包括连接通过透射交换阵列装置609的左部分(说明中元件以“/L”后缀来标识)和右部分(说明中元件以”/R”后缀来标识)。包括波长λ1...λ5的DWDM多路复用光束在输入端口601/L被输入到透射多ROADM。其通过集成耦合元件602/L耦合到波导色散元件605/L，由于通过波导色散元件605/L传递的色散的缘故，光以依赖于波长的角度离开波长装置604/L。为了清楚起见，只有三个波长被显示为分别对应λ2至λ4的光束607-2至607-4，尽管有五个波长信道。光束607-1至607-5基本在垂直于图的平面中的平面中通过圆柱透镜606/校准。主圆柱透镜608/L被用于路由不同波长的信道至透射开关装置阵列609-1至609-5。这些开关元件能够在传输的过程中引导光束。例如，公知的是普通技术人员利用光相阵列、电全息图或者其它相元件来提供此引导功能。在通过透射开关装置阵列609-1至609-5引导之后，光束607-1至607-5通过主圆柱透镜608/R朝向波导堆604/R引导。优选地，主圆柱透镜608/L和608/R被组装以提供4f系统，由此波导装置604/L和开关装置609阵列以及波导堆604/R位于圆柱透镜608/R的焦平面上。此种布置保证不管通过开关元件609来执行交换，各波长信道607-1至607-5具有在图的平面中合适的入射角以最大化耦合到波导堆604/R。在特定的情况下，当透镜608/L和608/R具有相同的焦距长度，这对应与与从波导装置604/L和与波导色散元件605/L镜像的波导色散元件605/R的离开角度相对的对波导堆604/R的入射角度。使用对圆柱透镜608/L和608/R的不同焦距长度的其它组合和对波长色散元件605/L和605/R的不同的设计通过适当的设计是可能的。圆柱透镜606A/R-606E/R阵列被用于根据交换重新将光束607-1至607-5聚焦到它们各自的波导色散元件605/R中。在图6所示的例子中，波长信道λ2至λ4被分别任意路由到波导色散元件605Cb/R、605Aa/R以及605Ee/R。在路由到它们各波导色散元件之后，光束607-1至607-5通过各集成耦合装置602/R被连接到它们各光学端口601/R。
图6B显示了图6A的实施例的侧视图。尤其显示了圆柱透镜606/L被用于基本校准离开波导装置604/L的光束607-1至607-5。在通过透射开关装置609阵列之后，光束607-1至607-5在二维中被引导。在图6B的平面中，光束607-3朝向波导装置604A/R向上倾斜，光束607-4朝向波导装置604E/R往下倾斜，同时光束607-2没有转向并连接到波导装置604C/R。为了有效地连接到它们各波导装置604/R，光束607-1至607-5通过圆柱透镜606/R阵列被重新聚焦。为了有效地耦合到波导装置604/R，光束607-1至607-5平行于它们对应的波导装置604/R的衬底也是必须的。这通过圆柱透镜606/R的光心的合适定位来实现。在图6B上所显示的示例中，所有的波导衬底604A/R至604E/R是平行的和水平的，这是通过与波导芯位置相比将圆柱透镜606A/R、606B/R、606D/R和606E/R偏移一定量来实现的。
图7显示了包含设计用于具有100GHz空间的40信道系统的波导色散元件705阵列的波导装置704的示例示意布置。这可能被用于实施诸如图4A的波导装置404或者图5A的装置504A-504E。波导装置704由通过集成耦合元件702a-702e耦合到波导色散元件705a-705e的光学端口701a-701e构成。每个耦合元件702a-702e包括在图的平面中的自由传播区域，只将光在垂直的平面中引导。此示例中的此自由传播区域的长度是13.63mm，结束端的弧的曲率半径是13.63mm。波导色散元件705a-705e每个由在一端以12微米的间隙连接到此弧、而在另外一端以12微米的间隙连接到波导装置704的表面的250波导(未全部示出)阵列。250波导被安置，这样各25.55微米的连续波导之间有恒定的物理路径长度差异。使用这样的设计参数，在701c被输入到波导装置704中的40信道100GHz空间DWDM复用光束在以与每微米大约1.4弧度的波长相关的角度离开波导色散元件705c时解复用到40光束707-1至707-40。所选择设计参数的导出与AWG所需的相同，同时对普通技术人员是公知的(参看示例H.Takahashi等，Journal ofLightwave Technology，Vol.12，No.6，pp.989-995，1994)，唯一的差异是波导705阵列在波导装置704的直面上终止。
图8A-图8C显示了从根据图7的用于分别对应频率192THz(λ1＝1561.419nm)，194THz(λ20＝1545.322nm)以及196THz(λ40＝1529.553nm)的三个不同波长的光的上述说明中所提及的参数设计的波导色散元件705c发射的光束707-1，707-20和707-40的远场的示例。从图中可见，光基本在图的平面(也是图7的平面)中校准并具有与波长相关的离开波导装置704的入射角。
图9A显示了在以有效的聚焦5mm聚焦通过透镜之后的光束707-20。此聚焦典型地从通过图4A中所描述的优选实施例中的圆柱透镜408获得，尽管在后者的情况下，主圆柱透镜408的有效焦距长度可能根据开关元件409的最小空间中的限制而不同，典型的实际焦距长度范围为60mm-150mm。透镜306的焦距长度然后被确定以使得光束从波导元件404传输到开关元件309。这典型地需要2和5mm之间的焦距长度。这些只是示例范围。实际值可以根据每个应用的基础上来确定。
图9B显示了与图9A相同的数据，重叠被聚焦的光束707-1、707-20和707-40。
图10A显示了通常指示为1000的本发明的另外的实施例的俯视图。此实施例与图4A的相似在于一组端口301a-301e被设置，其通过集成光学耦合装置被连接到波导阵列。在此示例中，集成耦合装置用附图标记1002a-1002e来表示，波导阵列以1005a-1005e来表示，形成波导装置1004的一部分。此实施例于图4A的不同在于没有主圆柱透镜元件308，但是透镜的功能被集成到波导色散元件。这是通过将合适的相模式(phase profile)放入到波导色散元件中来实现。在波导阵列的情况下，这通常是通过将额外的抛物线相位项添加到只是色散所需的线性相位项中来实现。这样的波导元件的聚焦和色散布置在诸如M.K.Smit，Electronics Letters，vol.24，pp.385-386，1988中进行了说明。在本发明的特定的情况下，各波导色散元件阵列1005a-1005e的聚焦参数必须被计算，这样所有的波长信道1007-1至1007-4被聚焦到交换阵列1009-1至1009-5上的相同点上。这是通过对各波导分散元件在抛物相位模式中放入合适的偏移来实现。圆柱透镜1006执行与图4A的透镜306相同的功能。为了说明图10A，五个波长系统被显示具有5个波导分散元件阵列，尽管其它组合也是可能的。
通过示例，包含λ1至λ5的光信号通过光学端口301c被输入到波长开关装置1000。其通过集成耦合光学器件1002c耦合到波导装置1004的集成透镜波导色散元件1005c。波导色散元件的优选的实施例是具有彼此预定的相位关系的波导阵列。此相位模式中的线性项用于色散，同时第二级项增加聚焦功率。因此，离开波导装置1004的光束具有依赖于波长的多个角度并且都聚焦在集成透镜波导色散元件1005c的焦平面上。为了说明清楚，只有三个这样的光束1007-2至1007-4被显示在图上。同时光束通过传递到构成集成透镜波导色散元件1005c的波导阵列上的非线性相位模式被聚焦到图中的平面中，光束1007-1至1007-5在垂直于图中的平面中发散。因此，圆柱透镜1006被提供将光束1007-1至1007-5校准在垂直于图中的平面中，同时基本不影响图的平面中的光束的传播。在图的平面中，没有具有功率的光学元件，因此，此标识1010的区域指的是自由空间传播区域。如前所述，所有的集成透镜波导色散元件1005a-1005e被设计使得所有的波长信道被聚焦到相同的点上而不管它们传播通过的透镜波导色散元件。这是通过构成集成透镜波导色散元件1005a-1005e的各波导阵列内的相位模式内的非线性项的合理设计来实现。尤其是，开关装置阵列1009-1至1009-5位于与集成透镜波导色散元件1005a-1005e基本相同的焦平面上。
开关装置1009-1至1009-5被作为微镜显示在图10A上，尽管其它的布置例如对具有透射开关装置也是可能的。在倾斜微镜时，光束1007-1至1007-5可以从中间集成透镜波导色散元件1005c路由到任一集成透镜波导色散元件1005a-1005e阵列。使用为此实施例所选择的特定的几何形状，耦合效率最大化。这将在光束1007-2的情况下进行解释，但同时对所有的光束1007-1至1007-5也是正确的。
光束1007-2在其通过集成透镜波导色散元件1005c的端面离开波导装置1004时对应波长信道λ2。给定如上所述的设计参数，其聚焦到开关元件1009-2。如果此光束从集成透镜波导色散元件1005b产生，由于集成透镜波导色散元件1005b的特定光学设计的缘故，其也聚焦到开关元件1009-2。因此，通过将微镜1009-2倾斜一合适的量也可以从1005c至1005b对波长信道λ2建立光路。这对所有的波长信道以及所有的集成透镜波导色散元件实质上是正确的。
在耦合回到波导装置1004时，光束1007-1至1007-5根据对交换阵列1009所选择的交换模式通过集成光学耦合装置1002a-1002e连接到它们各输出端口301a-301e。在图10a所显示的情况下，波长信道λ2被引导到端口301b，波长信道λ3被引导到端口301a，波长信道λ4被引导至端口301e。
图10B显示了图10A的实施例的侧视图。在此情况下，只有一个圆柱透镜1006被用于基本将光束1007-1至1007-5在离开波导装置1004时校准，并在它们回到波导装置1004时将它们再次聚焦。
现在参照图12，显示了通过本发明所提供的波长选择光学开关的自由空间实施例的系统方框图。此实施例利用了反射衍射光栅阵列而不是如前述实施例中那样使用波导装置。具体而言，非透射色散元件被使用在此布置中。图中显示了一组MLA(微透镜阵列)1302，其输出通过路由透镜1304。所述装置的俯视图通常指示为1300TOP，侧视图通常指示为1300SIDE。
路由透镜1304的输出通过自由空间到达主透镜1306，所述主透镜1306路由各端口至形成衍射光栅1307阵列部分的各衍射光栅。此衍射光栅阵列反射根据波长的各端口的入射光。开关装置1308阵列显示由可倾斜镜1308a、1308b和1308c构成。对各波长将分别具有开关元件。注意开关元件1308没有位于路由透镜1304相同的水平面中。这可以从侧视图1300SIDE中清楚可见。各开关元件对给定波长的光从一个输入端口至另外的光学端口通过倾斜镜子来执行。
图12的操作与前述实施例中的相似。一个端口作为输入端口、另外的端口作为输出端口设计。通过适当地在阵列1308中倾斜所述镜子，在输入端口所接收的多波长输入信号的每个波长可以交换到任何的输出端口。
图13是与图12相同的实施例方式，除了在此情况下具有二维的端口阵列，通常以1400指示，通过路由透镜1402光学连接到主透镜1406和衍射光栅1408阵列。交换/路由使用通常以1404指示的路由元件来执行。此实施例与图5A的实施例功能相似，但是衍射光栅被用作色散元件。
上述实施例利用了波导阵列或者衍射光栅作为色散元件。注意可以使用任何合适的衍射光栅类型。例如列出一些示例：反射、透射、分级光栅、阶梯光栅棱栅或者棱镜。可以利用阵列波导和分级波导光栅。棱镜也可以被用于色散元件。具体而言，可以实现所需的波长依赖功能的色散元件都可以通过本发明的实施例来应用。
所描述的实施例的特征是MEMS镜阵列执行波长的交换功能。具体而言，可以使用合适的开关装置。例如，液晶光束引导元件(相阵列)、光声光束偏转器、固体相位阵列、可控全息图、周期轮询铌酸锂光束偏转器。
由于波导中的折射率是温度的函数，基于色散元件的波导的色散属性根据温度变化，导致光束对特定的信道移动离开器对应的镜子中心的位置。需要提供对作为温度函数的此变化的补偿。一个补偿此效果的方式是将镜阵列安置到特定的双通材料架上，由此镜阵列在温度变化时与光束移动。例如当对与硅具有相同热膨胀系数的主支撑件用的架材料并且在此主支撑件和MEMS镜阵列之间放入高膨胀材料(诸如铝)的额外件来实现。此额外件的准确尺寸依赖于此额外件用材料的热膨胀系数、主圆柱透镜的焦距长度以及波导色散元件的色散特性。这种示例显示在图14中，显示了图4的装置400被安置到主支撑件1500上。MEMS阵列309被安装到MEMS支撑元件1502上，所述MEMS支撑元件1502以与光栅307同步作为温度的函数上下移动MEMS镜。一种可选的安装架被显示在图15中，其中波导元件本身在光组件前部倾斜。再次地，这通过将具有与波导元件的一端上的主支撑件不同的热膨胀系数的额外支撑件1602来实现。此额外支撑元件的准确尺寸和位置被设计以取消任何温度依赖色散变化，净效果是特定波长的光束进入和离开波导元件400的角度在较宽的温度范围上基本恒定。图14和15的实施例可以利用此处所说明的任何波长选择交换。
在波导色散元件中的有小量的残余双折射时，特定波长的光束的TE部分和TM部分不在镜阵列中的镜子上重叠。为了补偿这个效果，一些实施例的特征是光束路径中具有双折射晶体光束置换器以使得两个TE和TM子光束在镜阵列上重叠。图17显示了此再次施加到图4的实施例中的示例。双折射晶体1700被显示插入到主透镜308和MEMS镜子390阵列之间。此修改可以对任何上述的实施例使用。
在本发明的每个装置中的任何部件中出现较小量的残余极化依赖性时，显示其自身为通过所述装置的极化依赖透射效率。在一些实施例中，四分之一波板被插入的光路中，效果是在所述装置中交换TE和TM子光束。这导致对两个偏振轴的损耗平均化(TE/TM或者TM/TE)。这样的示例显示在应用到图4的装置400的图18中。此处四分之一波板1800被显示插入到主透镜308和MEMS镜309阵列之间。
此外，尽管前述说明至提及其中具有交换功能的路由元件被用于建立的可编程光路中的交换应用中，在其它实施例中为了使用不能交换的路由元件建立永久光路的固定布置也是有可能的。这样的固定装置的应用将用于固定解复用器、过滤器、带通过滤器、数字复用器等。
上述实施例都集中在从输入到输出端口的改向上，由此实现波长选择交换。本发明的另外的实施例提供了具有三个或者更多端口、每端口的色散元件以及具有与所有端口通讯的具有光功率的体光学元件的集成平台。示例的实施方式是图3中不包括开关元件的布置。这样的布置可以出于交换之外的许多目的来使用。例如，通过将开关元件用合适的光处理元件来替换，可以实现信道选择过滤功能、限制、光传感、信道衰减、偏振状态变化应用。
本发明不是为了限制于上述的特定的实施例，而是应该理解为包含在所附的权利要求的范围之内。

Claims (74)

1.一种装置，包括：
多个光学端口，其包括用于接收至少一个波长信道的至少一个输入光学端口和至少一个输出光学端口；
对各光学端口，各色散元件光学地连接到所述光学端口；
具有光功率的体光学元件；
多个非透射路由元件；
其中对各波长信道：
输入端口的色散元件和体光学元件朝向各所述多个路由元件之一发散所述波长信道的任何光，以及所述多个路由元件的每个通过所选择的输出端口的各色散元件将通过体光学元件的波长信道的光引导至所述至少一个输出端口的所选择的输出端口，所选择的输出端口通过各路由元件来确定。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个路由元件也是可控制的，以只改向波长信道的一部分以实现衰减功能。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个路由元件也是可控制的，以改向所有波长信道以实现信道阻塞功能。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个输出端口包括至少两个输出端口。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，至少一个路由元件也是可控制的，以只改向波长信道的一部分以实现衰减功能。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，至少一个路由元件也是可控制的，以改向所有波长信道以实现信道阻塞功能。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，色散元件是透射的并且位于光学端口和具有功率的体光学元件之间。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，各路由元件是静态可配置的以将光引导至各特定的输出端口。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各路由元件动态可配置以将光交换到任何出口端口。
10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，各色散元件包括波导阵列，所述波导阵列在所述阵列中具有预定光学路径长度差异分布。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，色散元件一起集成到单个波导装置上。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，色散元件集成到多个波导装置中。
13.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的微光学器件耦合元件。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的集成光学耦合元件。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述集成光学耦合元件包括星形耦合器。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各色散元件包括透射衍射光栅。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，色散元件和路由元件基本放置在具有光功率的体光学元件的焦平面上。
18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，具有光功率的体光学元件是透镜或者曲面镜。
19.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，色散元件集成到波导衬底上，具有功率的体光学元件包括用于将光聚焦在波导衬底的平面中的第一平面中的主圆柱形透镜元件，所述装置还包括用于基本校准垂直于第一平面的第二平面中的光的横向圆柱形透镜。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，主圆柱形透镜具有焦距长度，使色散元件在透镜的第一侧面上位于透镜的焦平面中，路由元件在透镜的第二侧面上位于透镜的焦平面中。
21.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，色散元件从包括分级光栅、阶梯光栅棱栅、棱镜、阵列波导的组中进行选择。
22.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，各路由元件是可倾斜的微镜。
23.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，各路由元件是液晶光束引导元件、声光光束偏转器、部分固态相控阵、可控全息图、周期轮询铌酸锂光束偏转器之一。
24.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
用于路由元件的无热架，用于移动路由元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化。
25.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
用于路由元件的无热架，用于倾斜色散元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化，这样离开色散元件的光基本集中在路由元件中心。
26.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
双折射晶体光束置换器，其位于色散元件和路由元件之间，用于补偿色散元件的双折射以使得TE和TM子光束基本在路由元件上重合。
27.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
交换的光学路径中的四分之一波片，用于交换TE和TM子光束以使得TE和TM偏振轴线的损耗基本达到平均数(TE/TM或者TM/TE)。
28.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，具有功率的体光学元件是透镜，各色散元件是非透射的，光学端口和路由元件被安置在透镜的第一侧面上，色散元件位于圆柱透镜的第二侧面上。
29.根据权利要求28所述的装置，其特征在于，色散元件包括非透射衍射光栅。
30.一种装置，包括：
多个光学端口，其包括用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个输出光学端口；
对各光学端口，各色散元件光学地连接到光学端口；
多个透射路由元件；
具有光功率的第一体光学元件；
具有光功率的第二体光学元件；
其中对各波长信道：
输入端口的色散元件和第一体光学元件朝向各所述多个透射路由元件之一引导任意波长信道的光，以及所述多个透射路由元件的每个的合适设置通过所选择的输出端口的各色散元件将通过第二体光学元件的所述波长信道的光引导至所述至少两个输出端口的每个所选择的端口，所选择的输出端口通过各路由元件来确定。
31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，各透射路由元件可被静态配置以将光引导到各特定的输出端口。
32.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，各透射路由元件动态可配置，以将光交换到任何输出端口。
33.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，各色散元件包括波导阵列，所述波导阵列在所述阵列中具有预定光学路径长度差异分布。
34.根据权利要求33所述的装置，其特征在于，输出端口的各色散元件被集成到第一波导装置上，输出端口的色散元件被集成到第二波导装置上。
35.根据权利要求33所述的装置，其特征在于，输入端口的色散元件被集成到第一波导装置上，输出端口的色散元件被集成到波导装置堆上。
36.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的微光学器件耦合元件。
37.根据权利要求36所述的装置，其特征在于，还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的集成光学耦合元件。
38.根据权利要求37所述的装置，其特征在于，集成光学耦合元件包括星形耦合器。
39.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，输入端口的各色散元件被基本放置到具有光功率的第一体光学元件的焦平面上，输出端口的色散元件被基本安置到具有光功率的第二体光学元件的焦平面上，路由元件也与第一和第二体光学元件有一焦距。
40.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，第一体光学元件和第二体光学元件分别是透镜或者曲面镜。
41.根据权利要求33所述的装置，其特征在于，
具有功率的第一体光学元件包括用于将第一平面中的光聚焦在第一波导衬底的平面中的第一主圆柱透镜；
具有功率的第二体光学元件包括用于将第二平面中的光聚焦在第二波导衬底的平面中的第二主圆柱透镜：
所述装置还包括：
用于基本校准垂直于第一平面的第三平面中的光的第一横向圆柱透镜；
用于基本校准垂直于第二平面的第四平面中的光的第二横向圆柱透镜。
42.根据权利要求41所述的装置，其特征在于，第一主圆柱透镜具有焦距长度，使输入端口的色散元件在第一主圆柱透镜的第一侧上位于第一主圆柱透镜第一焦平面中，透射路由元件在第一主圆柱透镜的第二侧上位于第一主圆柱透镜的第二焦平面中；
其中第二主圆柱透镜具有焦距长度，使输出端口的色散元件在第二主圆柱透镜第一侧上位于第二主圆柱透镜的第一焦平面中，透射路由元件在第二主圆柱透镜的第二侧上位于第二主圆柱透镜的第二焦平面中。
43.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，波导色散元件从包括分级光栅、阶梯光栅棱栅、棱镜、阵列波导的组中进行选择。
44.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，还包括：
用于路由元件的无热架，用于移动路由元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化。
45.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，还包括：
用于输入端口的路由元件的第一无热架，用于倾斜色散元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化，从而离开色散元件的光基本集中在路由元件中心；
用于输出端口的色散元件的第二无热架，用于倾斜输出端口的色散元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化，从而离开色散路由元件的光基本与输出端口的色散元件相准确对齐。
46.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，还包括：
第一双折射晶体光束置换器，其位于输入端口的色散元件和路由元件之间，用于补偿输入端口的色散元件的双折射以使得TE和TM子光束基本在路由元件上重合；
以及位于输出端口的色散元件和路由元件之间的第二双折射晶体光束置换器，用于补偿输出端口的色散元件的双折射以使得TE和TM子光束基本在路由元件上重合。
47.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
透射路由元件的第一侧面上的交换的光学路径中的第一四分之一波片，用于交换TE和TM子光束以使得TE和TM偏振轴线的损耗基本达到平均数(TE/TM或者TM/TE)；
透射路由元件的第一侧面上的交换的光学路径中的第二四分之一波片，用于交换TE和TM子光束以使得TE和TM偏振轴线的损耗基本达到平均数(TE/TM或者TM/TE)。
48.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，色散元件是非透射的。
49.一种装置包括：
叠置多列光学端口，所述端口包括用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个输出光学端口；
对各光学端口，各色散元件光学地连接到光学端口；
具有光功率的体光学元件；
多个路由元件；
其中对各波长信道：
输入端口的色散元件和体光学元件朝向各所述多个路由元件之一发散任意波长信道的光，以及所述多个路由元件通过所选择的输出端口的各色散元件将通过体光学元件的所述波长信道的光引导至所述至少一个输出端口的所选择的输出端口，所选择的输出端口通过各路由元件来确定。
50.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，各路由元件静态可配置以将光交换到各特定输出端口。
51.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，各路由元件动态可配置以将光交换到任何出口端口。
52.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，各色散元件包括波导阵列，所述波导阵列在所述阵列中具有预定光学路径长度差异分布。
53.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，色散元件一起集成到各波导装置上。
54.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的微光学器件耦合元件。
55.根据权利要求53所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于从各端口自/至各色散元件耦合光的集成光学耦合元件。
56.根据权利要求55所述的装置，其特征在于，集成光学耦合元件包括星形耦合器。
57.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，各色散元件包括透射衍射光栅。
58.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，色散元件和路由元件基本放置在具有光功率的体光学元件的焦平面上。
59.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，具有光功率的体光学元件是透镜或者曲面镜。
60.根据权利要求53所述的装置，其特征在于，
具有功率的体光学元件包括用于将光聚焦到波导装置的平面中的第一平面中的主圆柱透镜元件；
所述装置还包括：
对各波导装置，用于在基本垂直于波导装置的平面的各第二平面中校准光的各横向圆柱透镜。
61.根据权利要求60所述的装置，其特征在于，主圆柱透镜具有焦距长度，使色散元件在透镜的第一侧上位于透镜的焦平面中，路由元件在透镜的第二侧上位于透镜的焦平面中。
62.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，色散元件从包括分级光栅、阶梯光栅棱栅、棱镜、阵列波导的组中进行选择。
63.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，各路由元件是在二维中可倾斜的微镜。
64.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，各路由元件是液晶光束引导元件、声光光束偏转器、部分固态相控阵、可控全息图、周期轮询铌酸锂光束偏转器之一。
65.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，还包括：
用于路由元件的无热架，用于移动路由元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化。
66.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，还包括：
用于路由元件的无热架，用于倾斜色散元件来补偿作为温度函数的色散元件的色散特性的变化，这样离开色散元件的光基本集中在路由元件中心。
67.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，还包括：
双折射晶体光束置换器，其位于色散元件和路由元件之间，用于补偿色散元件的双折射以使得TE和TM子光束基本在路由元件上重合。
68.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
交换的光学路径中的四分之一波片，用于交换TE和TM子光束以使得TE和TM偏振轴线的损耗基本达到平均数(TE/TM或者TM/TE)。
69.一种波长选择光学开关，包括：
叠置多列光学端口，所述端口包括用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和至少两个输出光学端口；
对各列光学端口，各色散元件光学地连接到光学端口列；
具有光功率的体光学元件；
多个路由元件；
其中对各波长信道：
输入端口的色散元件和体光学元件朝向各所述多个路由元件之一发散任意波长信道的光，以及所述多个路由元件的每个通过各所选择的输出端口所属的光学端口列的各色散元件将通过体光学元件的所述波长信道的光引导至各所选择的输出端口，所选择的输出端口通过各路由元件来确定。
70.一种波长选择光学开关，包括：
用于接收至少一个波长信道的输入光学端口和叠置多列输出光学端口；
对各光学端口，各色散元件光学可选地连接到光学端口；
多个透射路由元件；
具有光功率的第一体光学元件，其位于输入端口地色散元件和多个透射路由元件之间；
具有光功率的第二体光学元件，其位于输出端口的各元件和多个路由元件之间；
其中对各波长信道：
输入端口的色散元件和第一体光学元件朝向各所述多个透射路由元件的每个引导任意波长信道的光，以及所述多个透射路由元件的每个的合适设置通过各色散元件将通过第二体光学元件的所述波长信道的光经过第二体光学元件引导至各所选择的输出端口。
71.一种装置，包括：
至少两个光学端口；
包含至少两个可选地连接到光学端口的波导色散元件的波导衬底，每个波导色散元件包括各波导阵列，波导色散元件具有用于频散的第一线性相位项，并具有至少第二抛物相位项用于将光束聚焦在衬底的平面中；
自由空间传输区域；
多个开关元件，每个用于通过自由空间区域从任一第一波导色散元件之一建立多个光学路径至任一第二波导色散元件之一。
72.根据权利要求71所述的装置，其特征在于，还包括横向圆柱透镜，其不影响波导色散元件的平面中的光的传输，但是基本在垂直于波导色散元件的平面中校准所述光。
73.一种装置，包括：
至少三个光学端口；
对每个光学端口有一个色散元件；
具有光学功率的体光学元件可选地连接到所有端口。
74.一种方法，包括：
通过多列光学端口的输入端口接收光学信号；
对各多个波长信道：
a)通过输入端口的各色散元件以及通过具有光功率的体光学元件朝向多个路由元件中的每个散射输入信号中的任意的波长信道的光；
b)各路由元件通过所选择的输出端口的各色散元件将通过体光学元件的所述波长信道的光引导至所述多列端口的各所选择的输出端口，所选择的输出端口通过各路由元件来确定。
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