减小了镜边沿衍射效应的光分插复用器结构的制作方法

专利名称：减小了镜边沿衍射效应的光分插复用器结构的制作方法
技术领域：
本申请一般地涉及用于波分复用(WDM)光网络的光通信系统和方 法，更具体地涉及在对多信道光信号中单个光谱信道功率进行切换和管 理时具有优化光性能的波长选择开关系统和方法。
背景技术：
多信道光信号典型地包括多个光谱信道，每个具有不同的中心波长 和相关带宽。相邻信道的中心波长以预定的波长或频率间隔隔开，并且 可以波分复用多个光谱信道来形成光网络的复合多信道信号。每个光谱 信道能够承载分离和独立的信息。在光网络中不同的位置或节点，可以 对复合多信道光信号下路或上路一个或更多光谱信道，通过使用例如可 重构光分插复用器(R0ADM)。在共同转让的美国专利No. 6,549,699、 No. 6,625,346、 No. 6,661,948、 No. 6， 687， 431和No. 6, 760， 511中 公开了可重构光分插结构，其公开合并在此作为参考。
光交换节点可以包括一个或更多配置为ADD和/或DROP模块的波长 选择开关(WSS)。所引用的专利公开了波长选择开关装置和方法，包括 作为光信号输入和输出端口的光纤耦合准直器阵列、诸如衍射光栅之类 的分波器、聚束器以及信道微镜阵列，其中每一个微镜用于每一个谱信 道。在操作中，把来自输入端口的复合多波长光信号(这里也称为"多 信道光信号")提供给分波器。分波器在空间上把自由空间多波长光信号 分离或解复用成分量光谱信道的角频谱，并且聚束器把光谱信道聚焦到 信道微镜中对应的微镜。信道微镜的位置使得每个信道微镜接收分离光 谱信道光束中所分配的一个。微镜可单独控制且可连续转动(或可旋转)， 以便把光谱信道光束反射到选择的输出端口。这使得每个信道微镜可以 把其对应的光谱信道引导到任何可能的输出端口，从而把光谱信道切换
到任何需要的输出端口。每个输出端口可以接收零个、 一个或多于一个 的反射及如此引导的光谱信道。通过把信道切换到不同的输出端口，可 以从多信道信号选择性地下路光谱信道，并且可以把新的输入信道选择 性地上路或者和原来的信道相结合以形成不同的多波长复合信号。
由于多种原因还希望能够监测和控制多波长光信号中各个光谱信 道的功率。这包括完全阻断特定光谱信道中包含的功率的能力。控制信
道功率的一个原因是为了提供"无碰撞(hitless)"切换，以在重新定
位信道微镜来把输入光谱信道光束引导("切换")到需要的输出端口期 间最小化不需要的串扰。在重新定位期间，信道微镜把输入光谱信道光
束重新引导穿过了中间端口，也就是"碰撞(hit)" 了中间端口，把不 需要光耦合进了中间端口，并引起串扰。因而，需要在切换期间要么完 全阻断要么充分的衰减光束功率，以便避免不需要的光耦合。监测和控 制信道光功率的另一个用途是使该信道衰减到某预定水平。
上述US专利公开了功率管理和无碰撞切换的一种方法，采用空间 光调制器(例如液晶像素阵列)来衰减或完全阻断光谱信道中包含的功 率。液晶阵列中的每个像素和光谱信道中的一个相关联，并且在液晶阵 列的位置建立单独的焦平面，以便使与每个信道对应的谱斑(spectral spot)位于其相关联的像素上。因为施加到像素上的电压控制像素的光 透射率，通过施加适当的电压可以使像素更不透明或者甚至对光传输完 全不透明，从而衰减或者完全阻断经过该像素的光谱信道的功率。然而， 该方法的缺点是需要额外的部件，包括用于在液晶阵列处建立焦平面的 中继透镜系统、液晶阵列本身、以及用来控制液晶阵列的电子系统。除 了由于这些额外部件增加的成本之外，需要更多物理空间来容纳这些部 件，增加了系统的整体尺寸和复杂度。
美国专利No. 6， 549， 699公开了另一种光谱信道功率管理的方法， 其中控制信道微镜绕其切换轴(平行于信道微镜阵列的轴)旋转来改变 反射的光谱信道光束相对于其需要输出端口的空间位置。因为光谱信道 功率耦合到输出端口中的量是耦合效率的函数，通过把信道微镜转动预 定角度来相对于输出端口解耦合光束从而将其衰减与所需输出功率水平 相对应的量，可以得到所需功率水平。
后一种方法的缺点是光谱信道光束的解耦合在空间上沿着切换轴 重新定位光束。根据相邻输出端口的物理间隔，光束的一部分可能交叉 耦合进相邻输出端口，引起端口间有害的串扰。增加端口的物理间隔来 减少交叉耦合不希望地增加了装置的物理尺寸。此外，如后面将详细描 述的，由于耦合对于信道镜绕切换轴旋转的敏感性，使用这个方法难以 精确地控制光谱信道的功率输出水平。为了克服该问题，已经开发了利 用信道微镜绕单独的轴(这里称为衰减轴)旋转来改变所选光束的功率 的波长选择开关。然而，这种方法可能导致通带的非均匀衰减，形式为 在这里称为"兔耳"的旁瓣。希望有能够实现分离信道的精确衰减而不 带有这些通带非均匀性的波长选择开关。
本发明实施例涉及这些目标。

发明内容
本发明实施例可应用于优化光开关通带，其中光开关在输入和输出 端口之间切换特征为不同波长光谱信道的多信道光信号的分量。把光信 号从一个或更多输入端口转换到光谱光束。光谱光束在空间上分离成分 量光谱信道。把分离的光谱信道聚焦到对应的信道微镜上，信道微镜把 聚焦的光谱信道切换到一个或更多所选的输出端口。放置每个微镜来接 收光谱信道之一 。每个微镜绕切换轴可旋转以便把光谱信道切换到所选 的输出端口。每个微镜还绕衰减轴可旋转以便改变切换的光谱信道到所
选的输出端口的耦合，以控制在该所选端口处输出的光谱信道功率水平。 为了优化通带和减小通带间增加的功率水平，减小来自微镜边沿的 光谱光束的衍射效应。该通带间增加的功率可以引起对宽带放大器行为 的不必要影响。通过对微镜边沿的适当修改，通过对输入和/或输出端口 进行修改以允许通过微镜绕切换轴旋转来进行衰减，通过使用微镜绕衰 减轴和切换轴两者的旋转来达到需要的衰减水平，或者通过用空间滤波 器对角频率适当的滤波，或者通过某些或所有上述方法的组合，可以减 小衍射对通带的影响。通过使用绕切换和衰减轴的同时旋转来相对于和 恒定衰减等值线相切的轴抖动微镜，可以得到峰值耦合。
在下面的描述和权利要求中将阐述本发明其它更具体的方面。


图1是示出了可以用于R0ADM的ADD或DROP模块中的根据本发明 实施例的波长选择开关(WSS)结构的概略图2示出了可以用在图l的波长选择开关中的微镜阵列的一对相邻 双轴信道微镜；
图3A-B是示出了作为绕图2中双轴信道微镜的正交衰减和切换轴 旋转的函数的耦合效率区别的代表性曲线；
图4是可以用来控制信道微镜绕其切换和衰减轴旋转以管理从微镜
反射的多信道光信号的光谱信道的功率水平和耦合效率的伺服控制系统 的概略图5示出了几个相邻信道微镜波长区域上功率水平(表示为插入损 耗)作为波长函数的图，该图说明提供无划痕操作的信道功率控制； 图6A-6C是示出了来自微镜表面和边沿的光衍射的三维示意图。 图7是示出了从镜子不同部分反射的光的衰减曲线的图表，说明衰 减对光从什么地方入射到镜子上以及镜子是否绕切换轴或衰减轴旋转的 依赖性。
图8A-8H是根据本发明实施例构造来减小边沿散射效应的微镜的示 意图。
图9A-9C是根据本发明实施例说明边沿衍射效应减小的衰减对波长图。
图9D-9E是说明由微镜绕衰减轴和切换轴旋转引起的光信号衰减量 的衰减等值线图。
图9F-9H是波长选择开关中的信号强度对波长图，说明作为微镜绕
衰减轴和切换轴旋转不同组合的结果的边沿衍射效应的区别。
图91是波长选择开关中两个不同端口的信号强度对波长图，其中
通过微镜绕衰减轴和切换轴旋转减小了边沿衍射效应。
图10A-10C是根据本发明实施例在ADD模块第一实施例中说明无碰
撞切换的概略图11是可以用在本发明实施例中的ADD模块的第二实施例的概略
图；以及
图12是可以用在本发明实施例中的ADD模块的第三实施例的概略图。
图13是根据本发明实施例具有空间滤波器的波长选择开关(WSS) 的概略图。
图14是根据本发明另一实施例的具有空间滤波器的波长选择开关 (WSS)的概略图。
图15是根据本发明另一实施例的具有外部实施的空间滤波器的波 长选择开关(WSS)的概略图。
图16是根据本发明另一实施例的对所有端口具有内部空间滤波器 的波长选择开关(WSS)的概略图。
图17是根据本发明另一实施例的对所有端口具有内部空间滤波器 的波长选择开关(WSS)的概略图。
图18A-18B是描述空间滤波对波长选择切换系统光通带的影响的图。
介绍
由于下述原因，看起来从镜子边沿的衍射是衰减期间称为"兔耳" 的旁瓣的来源。不限制于任何特定理论，相信在衰减期间把由衍射引起 的空间通带非均匀性引入了输出端口。改变镜子边沿或者在边沿制作图 样可以改变由衍射引起的通带非均匀性的方向和幅度。另外，在使用光
栅来把信号分离成分量光信道的wss系统中，光栅可能具有相对入射角
的效率，使其可以过滤或者减小通带非均匀性。也可以把由镜子边沿调 制引起的通带非均匀性引导出系统清理孔。还可以通过适当配置输出光 纤的允许角来消除通带非均匀性。还可以通过空间滤波系统来消除通带 非均匀性。还可以通过单独地绕其切换轴旋转镜子或者与绕其衰减轴旋 转镜子相结合来减小或消除通带非均匀性。
根据上述观点，可以通过如下方式来减小光通带中的旁瓣1)信 道镜边沿轮廓的调制；2)通过适当选择光栅布拉格带宽来有效滤波；3) 在傅立叶变换平面的空间滤波；4)单独地绕其切换轴旋转镜子或与绕其衰减轴旋转相结合，或者这些的组合。
具体实施例方式
本发明实施例可以特别地用于波长选择开关(wss)，波长选择开关
(wss)例如用于允许动态网络重构和实现多波长(多信道)光信号中各
光谱信道功率或衰减管理以便信号可以从网络容易地上路或下路的可重
构光分插复用器(R0ADM)。配置一个或更多这样的开关部件来减小由于 用来从一个端口到另一个切换光信号的微镜的边沿处衍射导致的通带非 均匀性。然而，将清楚这只是说明本发明的一个作用。
图1是说明根据本发明实施例的波长选择开关100 —部分的结构的 概略视图。一个或更多具有如图所示结构并配置为ADD或者DROP模块的 波长选择开关例如可以结合在波分复用(WDM)光网络的节点处的ROADM 中。如图所示，WSS100可以包括光纤准直器阵列102，为通过多根光纤 104输入到WSS和从WSS输出的光信号提供多个输入和输出端口。输入 和输出端口可以包括特快端口 (express port)。特快端口指其中大部分 光传输通过WSS的端口。光纤准直器阵列102可以包括多个单独光纤耦 合准直器，每一个均与每根光纤如图所示相连接，并将例如结合图IOA、 IOB、 IOC、 ll和12更加详细地进行描述。WSS100还可以包括端口镜 阵列106，所述端口镜阵列包括例如MEMS微镜(例如，如图2中所示) 的端口镜的阵列；光学扩束器和中继系统110;优选地是衍射光栅的分 波器112;聚束光学系统116以及信道微镜阵列118，在光学上如图1 所示排列。如下所述，可以配置WSS的部件如准直器阵列102、端口镜 阵列106、扩束器和中继系统110、聚束光学系统116和信道微镜118， 来减小微镜边沿衍射的有害效应。
作为示例而不是限制本发明的范围，分波器112可以是几种商用自 由空间分束器中的任何一种。优选地，分波器112是衍射光栅，虽然本 发明实施例不限于这样的光栅。合适类型的衍射光栅包括是不限于反射 光栅，例如全息形成的高空间频率光栅，例如是刻划光栅(ruled grating)的中阶梯光栅(Echelle grating)的低空间频率光栅，以及 可以在不同聚合体中全息形成的透射光栅。虽然优选衍射光栅，其它分
波器，例如平面光路，可选地可以用来取代衍射光栅作为分波器112。
可以把包括多个光谱信道的复合多波长光信号提供给光纤准直器
阵列102的输入端口，并且由端口镜阵列106中对应的端口镜反射和对 准通过扩束器和中继系统110到衍射光栅112。由于下面解释的原因， 根据本发明特定实施例，扩束器和中继系统110可以是变形 (anamorphic)系统，例如沿着正交轴提供不同放大的透镜。衍射光栅 112在角度上分离多波长光信号的分量光谱信道，而在这个例子中也是 变形系统的远心聚焦光学系统116把单独的光谱信道在信道微镜阵列 118中对应的微镜上聚焦成谱斑。图中所示中心波长为、和A j的两个这 样的信道分别聚焦到对应的信道微镜120、 122上。信道微镜在空间上根 据由衍射光栅和聚集光学系统引入的复合多波长光信号的光谱信道的空 间分离来排列成阵列，以便每个信道微镜接收光谱信道之一。光谱信道 从微镜反射回来经过光学系统到光纤准直器阵列。如将要描述的，信道 微镜可单独控制，以便在反射时可以以所需耦合效率或衰减把光谱信道 引导也就是切换到光纤准直器阵列的所需输出端口。
每个输出端口可以接收和输出任何数目的反射光谱信道。所以，通 过把信道切换到一个或更多"下路"输出端口，光谱信道可以从复合多 信道信号选择性地下路，而包括剩余信道的多信道信号可以从"直通" 端口输出。另外，新的输入信道可以在输出端口处与原光谱信道子集选 择性相加或组合来形成不同的多信道复合信号。从多信道光信号下路信 道的WSS DROP模块和向多信道光信号插入或上路信道的WSS ADD模块均 可以采用类似图1所示的结构，如下所述。
一般地，对每个光谱信道在阵列118中都有单独的信道微镜。典型 的多信道WDM光信号可以具有例如45或96个光谱信道。所以，图l的 阵列118可以包括45或96个信道微镜。信道微镜优选地包括硅微机械 镜(MEMS镜)，并且每个微镜优选地是双轴装置，能够绕两个正交轴独 立的连续旋转运动。如将要更详细描述的，这使得信道微镜可以绕第一 轴转动以把对应的光谱信道反射到选择的输出端口，并可以绕正交轴转 动以控制耦合到该输出端口的功率量。
图1的WSS还可以包括放置在端口镜阵列和变形扩束器和中继系统
110之间光路上的分束器124，接收从分束器反射的光束的位置敏感探测 器(PSD) 126，以及响应来自PSD的信号来控制端口镜阵列106的镜子 的相关控制电子系统128。如将要更详细的描述的，此设置实现了光束 从端口镜到信道微镜中心上的对准，有助于优化通带和保持ITU波长格 对齐。
图2说明根据本发明实施例中的双轴信道微镜的典型结构。该图只 表示了阵列118的多个微镜中的一对相邻双轴MEMS信道微镜i30、 131。 如图所示，阵列中剩余的微镜沿着切换轴X水平(在图中)延伸，微镜 间具有实质上相同的横向间隔。阵列的所有微镜可以具有相同结构。每 个信道微镜可以包括如下组件平面反射表面132，由内部万向架 (gimbaled frame) 134转动地支撑，以绕水平(图2中)"切换"轴Y 旋转。万向架134可以由外部架136转动地支撑，以绕正交"衰减"轴 X旋转。反射镜表面132绕正交轴的转动运动可以是连续可变的，并且 以众所周知的方法通过向相对的控制电极对(未示出)施加电压来静电 驱动。平面反射表面也可以置于万向架平面上的底座上以达到更高的填 充因子(也就是，减少相邻镜子的平面反射表面边沿之间的间隔)。每个 信道微镜具有一个或更多实质上和衰减轴X平行的边沿区域133。实质 上平行意味着边沿区域133朝向为平均的或多或少平行于衰减轴X。然 而，在局部水平上，边沿的边界135不必要总是朝向平行于衰减轴。如 将在下面讨论中变得清楚的，在边沿区域133的光衍射对光衰减作具有 作为其波长的函数的显著影响。
如图2所示，信道微镜的反射镜表面132可以具有拉长的，优选地
为长方形的形状，并且取向为它们的窄方向例如宽度沿着水平切换轴Y， 而它们的长方向例如长度沿着竖直的衰减轴X。对这种特别的微镜外形 和相对于正交轴的朝向有很多原因。该设计通过提供轻质量微镜、高谐 振频率和低空气动力学互作用提供最优的机械性能，并且优化例如高通 带的光性能，以及提供衰减的精确控制，如下所述。再参考图1，阵列 118的信道微镜的切换轴Y和图1的水平面平行，而衰减轴X延伸进图 平面。这也在图1中通过在微镜122上的光束剖面140的图示来示意性 表明。希望聚焦到微镜上的空间信道光束的剖面也是拉长的并且朝向和微镜形状及尺寸大体一致。优选地，光束具有一般的椭圆形状，如图所 示。另外，希望控制聚焦到对应的微镜上的信道光束相对于微镜尺寸的 光斑尺寸和位置，以最小化不必要的功率损耗且最大化通带。
来自光纤准直器阵列102的准直输入光束一般地具有圆形截面。所 以，为了在微镜上提供受控的光束形状和尺寸，把扩束器和中继系统110
做成变形的，也就是在X和Y方向上提供不同的放大。如图1所示，变 形扩束器和中继系统110可以包括一系列透镜142-145，包括具有焦距 fx和f，,的透镜142和143以及具有焦距fy和f'y的透镜144和145。透 镜可以是双锥形的、圆柱形的或环形的透镜，或者其它使系统具有变形 特性的元件。在本发明优选的实施例中，衍射光栅112优选地是选择为 具有高衍射效率和低偏振相关损耗而有很少或者没有变形扩束的透射光 栅。
从衍射光栅112，通过优选地也是变形的聚焦光学系统116，把与 分离的各光谱信道相对应的光束聚焦到信道微镜上。如图所示，聚焦光 学系统可以包括分别具有焦距F,Fy和FxF'y的透镜系统148和149。变 形的聚束光学系统把来自衍射光栅的光斑剖面尺寸和方向改变成最优尺 寸和适当方向，如在信道微镜上的光束剖面140所示。信道光束反射回 来通过光学系统到光纤准直器阵列，而变形光学系统决定它们在输出端 口的特性。在确定了信道微镜设计之后，可以选择变形扩束器和中继系 统110以及变形聚焦光学系统116的特性，以提供在信道微镜及输出端 口处具有预定尺寸、形状和特性的光谱信道光束。如下所述，通过设计 光学系统来优化微镜上的光束剖面和对准，在大部分提供最优的光学性 能。
这里描述的结构有效地提供简化且有效的方法来管理各个光谱信 道的功率，避免了和前面已知的功率管理方法相关的困难和缺点，同时 能够优化光学性能。在本发明的实施例中，绕其衰减轴旋转信道微镜减 小了对应光谱信道的耦合效率，并使耦合到输出端口的光量减少。当信 道微镜绕衰减轴的旋转量增加时，耦合连续减少直到光不再耦合到输出 端口 。图3A是表示作为信道微镜绕其衰减轴X旋转角度的函数的耦合变 化的曲线。当信道微镜从对应最大耦合条件的零度角度正向或负向旋转
时，耦合迅速减小，以至于在近似正负2.5度角度基本上没有光耦合到 输出光纤中。
图3B是类似的表示信道微镜绕其切换轴Y旋转时的耦合曲线。如
图所示，对于两条曲线所示的具体微镜设计，作为信道微镜绕其切换轴 旋转角度的函数的耦合效率比信道微镜绕其衰减轴旋转时的耦合效率敏 感约十倍。对于具有合理尺寸和机械特性且用在设计来在感兴趣波长范
围例如1550nm提供最优光学性能的光学系统中的MEMS信道微镜，信道 微镜绕切换轴Y旋转时的耦合效率可以如图3B中的曲线所示。然而，耦 合效率对于该微镜绕切换轴Y旋转角度的高敏感性(如图3B中曲线所示)
使其难以精确地和稳定地使用该轴控制功率水平，特别是在不利的环境 条件下，例如振荡、振动、温度变化和器件老化。还有，将耦合系数去 敏感为图3A中针对衰减轴X所示的耦合系数，允许更稳定和精确地在正 常工作条件范围内控制功率水平。对于例如图2所示的拉长的镜子形状， 从信道微镜反射的光的耦合效率原理上由图1的变形扩束器和中继系统 110 (WSS)决定，如下所述。
因为光纤和信道微镜共轭，信道微镜的旋转在光纤处产生光束的角 度偏差，并从而产生耦合变化。因此，信道微镜的旋转在光纤处产生光 束的角度偏差，并从而产生耦合变化。对于变形系统，沿着正交的X和 Y轴分别具有不同的焦距f,和fy，因此光纤处的光束角度偏差将由于绕 正交轴旋转而不同。信道微镜的角度旋转A e,和A 9y在聚焦光学系统 的入口孔处产生光束的位移Ax和Ay，其中A e,f,二Ax禾口A 6 yfy= △
y。这些位移通过变形扩束器中继到输出端口准直器上，所述变形扩束器 在工作在相反方向时使位移与放大因子Mx和My成反比的縮小。输出端 口准直器把光聚焦到输出光纤上，角度偏差为△ 8 x。。 = ( Ax/Mx)/f。。u.， 且A eycoU= (Ay/My) /fe。 .。典型的fx和f,可以相差10%，但是Mx 和My可以相差因子10或者更多。因为位移不同，沿正交轴方向到达输 出.光纤上的光束角度会不同。这对于信道微镜的正交旋转轴产生不同的 角度敏感性，如图3A和3B所示。所以，通过适当选择变形光学系统的 放大因子，减小了衰减轴相对于正交的切换轴的角度敏感性，实现了衰 减的精确控制和功率的均衡以及稳定的工作。
为了优化到输出端口的光谱信道耦合以及精确控制每个光谱信道 的功率水平，本发明的实施例可以采用基于伺服的反馈控制系统来控制 信道微镜的轴。优选地同样的控制系统可以但是不必须用于控制信道微 镜和端口镜阵列中的端口镜两者的两个正交轴。图4说明了根据可以用 来控制两种MEMS镜阵列的两个轴的本发明实施例的反馈控制系统160 的实施例。在图中，光学模块162可以实质上包括图1所示波长选择开 关WSS 100的光学系统。光学模块可以包括具有用于接收输入复合多信 道光信号的输入端口 164、以及具有用于输出光谱信道或者其它多信道 光信号的多个输出直通或下路端口 166的DROP模块。每个输出端口可以 具有光纤光耦合器(或抽头)170，取样在端口输出的光信号功率的一部 分，例如2%。从端口输出的光信号的样本可以在合光器172中相结合， 以形成输出到光纤174的复合多信道光信号。可以把该复合多信道光信 号提供给光信道监测器(OCM) 176，光信道监测器176检测和测量每个 光谱信道光功率并把这些信息提供给电子模块180。该电子模块可以使 用功率测量来产生适当的电子控制信号，在182把所述电子控制信号反 馈给光模块，用于控制信道微镜绕其衰减和切换轴运动以及端口镜绕其 X和Y轴的运动。
如图4所示，光信道监测器176可以包括从合光器接收复合多信 道光信号的准直器190;在空间上把多信道光信号分离成其分量光谱信 道的衍射光栅192;以及把空间上分离开的光谱信道成像到光传感器上 的透镜系统194，所述光传感器检测每个光谱分量的光功率水平，例如 光电二极管阵列(PDA) 196。 PDA 196可以包括例如传统的光电二极管 的1X256或1X512阵列，这些光电二极管空间上排列，以便每个光谱 信道由透镜系统成像到不同组预定数目的光电二极管上。把和每个光谱 信道相关联的光电二极管组的输出电压提供给电子模块180，并且提供 该信道的光功率的测量。电子模块可以包括固件形式的电子部件，例如 微处理器、存储器和信号处理程序，例如用于处理来自PDA的光功率测 量以及用于产生适当的控制信号来控制光学模块162中的信道微镜和端 口镜。
图4的反馈控制系统160可以控制信道微镜118和端口镜106绕其
各自的衰减轴的旋转，并且管理耦合到输出端口的光信号的功率水平。 绕端口镜衰减轴旋转的效果是同时控制了在和特定端口镜相关联的输出 端口处正被引导的所有光谱信道的功率水平。绕信道微镜衰减轴旋转的 效果是控制了单独光谱信道的功率水平。控制系统160可以用于维持每 个输出端口处的光信号的预设功率水平。电子模块中的存储器可以包括 所存储的与不同功率水平相对应的校准值表。可以把从光信道监测器
176的PDA 196输出到电子模块180的表示每个信道功率水平的电压和 输入电子模块中与所需信道功率水平相对应的设置点相比较。电子模块 可以使用功率测量和设置点来生成适当的静电电压给和各镜子衰减轴相 关联的信道微镜和端口镜的电极。这改变了光谱信道信号到其输出端口 的耦合，并且从而改变了施加到信号上的衰减以改变端口处的输出功率。 控制系统160的反馈环把来自PM的信道的功率测量和功率水平设置点 相比较，并可以控制施加到相关联的信道微镜和端口镜的静电电压来驱 动微镜和端口镜以得到获得所需功率水平的耦合。
控制系统160也可以在工作期间连续监测每个信道的输出功率水 平，并且可以连续地调节施加到信道微镜和端口镜电极的电压来维持所 需的衰减和功率水平。通过使用相对于切换轴Y去敏感的衰减轴X的耦 合效率曲线，如图3A所示，反馈控制系统能够精确地和稳定地维持每个 信道的预设功率输出水平，甚至是在由振荡和振动以及温度变化弓I起的 不利条件下。另外，如将要描述的，控制系统实现了在宽广范围内逐信 道地设置和维持预设功率水平。
除了控制信道微镜绕其衰减轴的运动，图4的控制系统160还可以 控制信道微镜绕其切换轴Y的旋转。电子模块180可以使用来自光信道 监测器176的光功率测量来逐个向信道微镜的切换轴提供反馈控制，以 维持优化信道耦合。这实现了维持最优通带。
优选地，图4的控制系统采用交替的或"抖动(dither)"控制信 号方法来控制信道微镜绕切换轴的旋转位置，以达到并维持从输入到输 出的优化耦合。因为信道微镜之间没有互作用，它们是独立的并且可以 由电子模块180中的处理电子系统来同时控制以优化每个的耦合。可以 用余弦波形抖动每个信道微镜的一个轴，而用同样抖动频率的正弦波形
来抖动正交轴。光信道监测器可以检测和测量特定波长信道中的抖动以 及该信道的输出功率以确定最优耦合的微镜电压。可以把这些电压保存 在电子模块中的存储器如闪存中作为系统每个端口的开环目标电压。当 希望把光谱信道从一个端口切换到另一个端口时，可以使用存储在闪存 中的目标端口的电压来初始定位该端口处的相应光谱信道微镜。当完成
该开环切换时，可以重新启动反馈环，并且使用抖动音(dither tone) 来寻找信道到该端口的优化峰值耦合。达到优化耦合对于最小化每个信 道的插入损耗和相邻信道间的串扰很重要。
图4的控制系统优选地独立且交替地控制信道微镜的衰减和切换 轴。在把信道从一个端口切换到另一个端口并且用刚才所述的抖动音优 化耦合之后，控制系统然后可以把控制模式切换到例如直接电压反馈环， 以针对所需功率水平控制信道微镜的衰减轴，如上所述。控制系统优选 地不使用抖动方法来控制微镜的衰减轴，因为当镜子转动离开优化耦合 时抖动幅度增加，可能产生不稳定。
抖动频率优选地是例如从约100Hz到约250Hz的范围内的低频音， 并优选地具有足以产生在光功率上例如0.5% (0.02dB)量级的小变化 的幅度。当信道耦合不是优化的时，将会以与抖动音相同的频率对光进 行调制。然而当达到优化耦合时，将会以两倍抖动音频率对光进行调制。 电子模块180的处理电子系统可以同步解调由光信道监测器产生的信道 功率水平信号上的幅度变化。当存在抖动频率的音调时，电子系统可以 产生dc控制电压给切换轴电极以把信道微镜移动到优化耦合点，在所述 优化耦合点来自光信道监测器的信号只具有两倍抖动频率的调制。
图4的控制系统的电子模块可以实施交替且周期地控制信道微镜的 切换轴来优化耦合以及控制信道微镜的衰减轴来维持所需功率水平的控 制程序和算法。控制系统优选地不同时控制两个轴，但是具有同时控制
两个轴的能力。如将要描述的，电子模块可以采用提供无划痕操作、单 个信道完全阻塞以及无碰撞切换的算法。在描述这些概念之前，首先参 考图5解释根据本发明实施例可以管理各个光谱信道功率的方式。
如上所述，微镜边沿处的光衍射可以导致光信号衰减作为其波长函 数的异常。图5在同一图上示出了三条不同曲线，表示在不同衰减水平(插入损耗)下，1550nm波带中的波长范围上从与五个相邻光谱信道相 对应的相邻信道微镜反射的功率。可以用例如宽带激光器产生这些曲线。 上部的曲线200表示优化耦合和零dB衰减下来自五个信道微镜的反射功
率。如图所示，每个信道微镜的反射功率在相对宽的波长区域上实质上 恒定在对应于大约4.0dB插入损耗的水平。这称为通带区域，并对应信 道微镜在切换轴Y方向上的宽度的约75。％。曲线200还表示每个信道微 镜间有反射功率水平减小的区域202。这个区域称为"划痕"区。如图5 所示，划痕区中的功率可以从信道微镜中间处对应于OdB衰减的功率水 平下降大约2.0dB。这是因为微镜边沿是衍射源，来自衍射源的反射功 率更少依赖微镜的旋转角度，并且因而随着角度旋转的增加，不会与来 自通带区域中平坦镜表面的反射功率减少一样减少。这由曲线206、 208 进一步说明，曲线206、 208表示通过将功率水平衰减相对大量(图中大 约14dB)，划痕区比通带区传输更多功率。图中峰值206表明划痕区功 率，在大约11. OdB的插入损耗水平上。由峰值206表示的功率是由于来 自微镜边沿的衍射。在峰值之间的通带区208的功率水平在大约18. OdB。
如上所述，当用波长选择开关ioo切换的光信号在光通信网络传输
时，峰值206 (有时称为"兔耳")可能带来问题。具体地，光通信网络 经常利用光放大器来补偿光信号通过网络的各种部件时遇到的信号损 耗。这样的光放大器经常本质上是宽带的，也就是它们或多或少不加选 择地放大宽波带上的光信号。由于如峰值206展示的"兔耳"效应，可 以把靠近通带边缘的噪声放大到比在通带中间位置的信号大得多的程 度。这样的高信号强度可以破坏网络部件，并且使整个网络的信噪比恶 化。当级联波长选择开关时问题会恶化。
当把功率水平衰减相对小量时，"兔耳"效应不那么明显。例如， 图5中的中间曲线210说明对于大约4. OdB的衰减(对应于约8. OdB的 插入损耗)，划痕区的功率水平大约对应于通带区的功率水平。这产生了 接近"无划痕"的工作条件，其中功率水平实质上在与相邻微镜相对应 的整个波长区域恒定。这是特别有利的，因为这实现了不需要符合任何 特别ITU波长格间隔的任意间隔波长的传输。因此，可以把同一套信道 微镜用于传输50、 100或200GHzITU波长格间隔的波长、以及稀疏波分
复用系统中常用的波带。无划痕工作还有利地有助于优化通带以及达到
逐信道功率变化的ITU规范。
从图5可知，对任何特定光谱信道所传输的功率水平，可通过控制 施加到该信道的衰减量，来单独控制。通过把对应的信道微镜绕其衰减 轴旋转实现所需消光比需要的量，可以实现光谱信道光的完全阻断。这 例如对于"无碰撞"信道切换特别有用，其中在把信道从一个端口切换 到另一个端口时，从正进行切换旋转的微镜反射的光谱信道功率可以完 全阻断或者减小到低水平。无碰撞切换避免或最小化切换期间不必要的 光到中间端口的耦合以及不希望的串扰。然而，在要求大衰减程度时，
由于微镜边沿133处衍射导致的"兔耳"现象仍然可以引起如上所述的
严重问题。本发明实施例解决兔耳现象。
如果做出某些假设，可以理解如图5所展示的边沿衍射效应。这些 假设意在解释问题的本质，而不是意味着对本发明任何实施例的限制。 第一，如在图6A所示，假设对于入射到平坦光滑表面的光，反射角L 等于入射角Vi。第二，如图6B所示，假设对于入射到边沿边界的光， 仅仅在入射平面沿着平行于边界的方向时，反射角L等于入射角Vi。 第三，如图6C所示，假设光在边界处在正交于边界方向的平面上衍射， 并且反射角关于入射角分布。
给定上面的假设，可以解释观察到的图5所示"兔耳行为"。由于 平面波行为，如图7中实线衰减曲线所示，在绕切换轴旋转相对小角度 时，镜子表面上和沿着边沿的光强迅速衰减。例如，绕切换轴约0.1度 的旋转足以引起几个dB的衰减。当光束入射到镜子表面时，当镜子绕衰 减轴旋转时它也倾向于相对迅速地衰减，虽然和绕切换轴旋转相比要更 缓慢，如图7中点线衰减曲线703所示。当光入射到平行于衰减轴的边 沿附近的镜子表面时，镜子绕衰减轴的旋转倾向于更慢的衰减信号强度， 如图7中虚线衰减曲线705所示。
注意经常观察到"兔耳"是不对称的，也就是一个峰比另一个峰高。 不对称通常取决于镜子是关于衰减轴顺时针还是逆时针旋转。相信该不 对称是由于被轻微转向光束的、平行于衰减轴的边沿中的稍大衍射区域。 轻微转离光束的另一边沿也具有面对光束的稍小衍射区域。
可以用多种不同方法来减小边沿衍射效应。例如，根据本发明的特 定实施例，通过关于信道镜阵列和端口镜阵列之一或两者的衰减轴的旋 转和关于切换轴的旋转的结合，可以影响衰减。因为关于切换轴的旋转 强烈衰减光束，并且对边沿衍射相对不敏感，可以以减小或甚至消除边 沿衍射有害效应和相关的"兔耳"现象的方式结合两种旋转。
根据本发明实施例，通过适当的配置微镜信道阵列118中使用的微
镜130的边沿区域133，可以减小衍射。这当中一种可能的配置包括创 建几何形状，使得当镜子绕衰减轴旋转时，引起绕切换轴的边沿旋转效 应。例如，图8A 8C分别示出了具有锯齿边沿133A的微镜130A的例子 的顶视图、端视图和侧视图。边沿133A的特征为锯齿宽度d和锯齿角度 a。平均的，边沿133A和衰减轴平行，即使局部地边界135A可以不是。 然而，锯齿形状向边沿133A赋予具有边沿向量E的边界135A，所述向 量E具有方向平行于切换轴Y的分量，如图8A和8B所示。因此，当镜 子130A绕衰减轴旋转角度9时，边沿向量E相当于绕切换轴旋转角度S ， 如图8C所示。角度6和a以及6如下相关
5- cos、s&ct)(co幼咖1) + 1)
这也可以替换的写成
其中sqrt表示在方括弧中的量取平方根的运算。
因此，锯齿边沿133A产生绕切换轴旋转和绕衰减轴旋转的结合的 等效结果。锯齿角度可以在约5度和约85度之间。发明人已经在实验上 确定，与约6度和约15度之间的锯齿角度a等效的绕切换轴和绕衰减轴 旋转的结合足以显著减小兔耳效应。在高度约500微米和宽约100微米 的矩形镜子上进行这些测量。绕切换轴和绕衰减轴的旋转分别约0.15 和0.7度。
作为示例，两个或更多这样的镜子130A、 130B可以如图8D所示排 列在一起。相邻微镜130A、 130B可以具有一致的锯齿边沿，被合适的间 隔分开，例如6微米，虽然也可以使用更大或更小的间隔。镜子130A、 130B可以绕共同定义的切换轴Y和单独定义的衰减轴XI和X2旋转。
有很多图8A-8D所示结构的变体。具体地，角度a 、边沿133A中锯齿缺口的数目、锯齿缺口的形状都可以变化。所以，本发明实施例不
限于图8A所示的具体锯齿结构。例如，如图8E所示，微镜可以具有实 质上和衰减轴X2平行的边沿133E。边沿具有边界135E，其特征是一些 尖峰P和谷V，其中边界135E的路径长度的大体部分方向沿着切换轴Y2。
在图8F所示的另一个可替换的实施例中，微镜可以具有边沿133F， 该边沿具有沿接近边界135F的边沿间隔开的三维突起138。突起138每 个的特征可以在于离边界135F的深度d、高度h和宽度w。相邻突起可 以间隔开距离u。突起的尺寸和形状可以使得从突起反射的光波前和从 突起间间隔反射的波前之间产生干涉，以便边沿133F处的不同光反射倾 向于彼此相消。作为示例，可以选择高度h粗略等于从镜子130F反射的 光的四分之一波长。因此从突起之间间隔133F反射的光和从突起138 反射的光相比传播了额外的半波长距离。半波长的区别可以产生从突起 138和突起138之间间隔反射的光波之间的相消干涉。显然三维突起138 可以代替地以相反的方式应用，也就是，如同周围表面下的缺口而不是 之上的突起。也很清楚在图8F中u二0的极限中，结合突起(或缺口) 来形成高度(或深度)为h且宽度为d的连续条。
有减小边沿衍射的其它方法。例如，图8G示出了前面实施例的变 体。在该实施例中，微镜130G具有边沿133G，其特征在于变化的反射 率。边沿133G处的反射率朝着边界135G减小。微镜130G的表面的主要 部分具有高反射率。边界135G处的反射率比边沿133G中更远离边界的 区域处要低。也可以通过增加散射体的立体角，例如通过使边沿外形变 圆从而给边沿更大的曲率半径，来减小边沿处的衍射。
在图8F的另一个变形中，可以用相位掩模来实现来自边沿的光衍 射的相消干涉。如图8H中所示，微镜130H可以具有由沿着接近边界135H 的边沿133H设置的一个或更多多层区137构成的相位掩模。如图8H中 插入小图所示，每个多层区137包括两个或更多层，例如，上下层分别 的特征为不同折射率m、 n2。从两层之间的界面139反射的光在反射时 可以经历取决于n,和n2的值的相位变化。如果m小于n2，光在反射时经 将历180度相位变化。如果n,大于r^，光在反射时不会经历相位变化。 光还从上层m和折射率ri3的周围媒质(例如空气或真空)之间的顶部界
面141反射，并且可以经历取决于n3的相位变化。如果n,〉n2并且m〉n3， 从顶部界面141反射的光在反射时经历180度相位变化，而从界面139 反射的光在反射时不会经历相位变化。如果上层的厚度和光波长相比足 够小，两个相位变化会引起从边沿133H反射的光相消。
除了配置微镜130的边沿133以外，有减小边沿处衍射效应的其它 方法。例如，可以通过将镜子部分地绕衰减轴旋转且部分地绕切换轴旋 转来执行衰减。图9A-9C示出了使用图1中所示类型WSS时在切换轴和 衰减轴旋转的不同结合下衰减相对波长的图表。图9A-9C的每一个包括 协调切换轴和衰减轴旋转以达到优化耦合的曲线902。为了对比，图 9A-9C的每一个还包括表示通过只绕衰减轴旋转达到的15dB衰减效果的 曲线904。注意在曲线904中的"兔耳"现象。图9A的曲线906A表示 由于绕切换轴B旋转导致的8dB衰减(在这个情况下对应于0. 101度旋 转)和由于绕衰减轴A旋转导致的7dB衰减(在这个情况下对应于0. 727 度旋转)的效果。注意兔耳现象减小了但是没有完全消除，特别是在曲 线906A的右边。
图9B的曲线906B表示由于绕切换轴A旋转导致的8dB衰减(在这 个情况下对应于0. 127度旋转)和由于绕衰减轴B旋转导致的7dB衰减 (在这个情况下对应于0.672度旋转)的效果。再次地，和曲线904相 比，兔耳现象减小了但是没有完全消除，特别是在曲线906B的左边。
图9C的曲线906C表示由于绕切换轴A旋转导致的10dB衰减(在 这个情况下对应于0. 145度旋转)和由于绕衰减轴B旋转导致的5dB衰 减(在这个情况下对应于0.562度旋转)的效果。在这个情况下，兔耳 现象实际上完全消除。
如图9A和9B中所示，有绕衰减轴旋转的优选方向，比相反方向旋 转更多减小兔耳现象；也就是，顺时针旋转对逆时针旋转。最佳旋转方 向将取决于边沿衍射与光学系统的相互作用以及特定光谱信道相对于系 统中透镜的中心和/或端部的位置。另外，有最小化兔耳现象的绕切换和 衰减轴旋转方向的优选结合(如图9A和9B中所示)。本发明实施例的结 构足够灵活，可以为了实现光衰减的目的来选择最佳衰减旋转方向和/ 或切换轴和衰减轴旋转方向的最佳结合。
绕两个轴混合旋转时10和15dB衰减处获取的数据表明，当由于绕 切换轴旋转导致的衰减百分比增加时，兔耳减小。当前抖动方案使用绕 信道镜切换轴的旋转来优化耦合效率，以及使用绕衰减轴的旋转来衰减。
然而，用切换和衰减轴来执行衰减很大程度地危及使用切换轴来优 化耦合效率，因为衰减点不再靠近耦合效率曲线沿切换轴的峰值。
图9D的衰减等值线图说明了问题的本质。当通过单独绕衰减轴旋 转达到12dB衰减以及通过单独绕切换轴旋转来执行镜子抖动以优化耦 合时，得到的耦合效率901在耦合效率曲线的峰值903的附近变化，如 上面插入小图所示。然而当通过例如绕衰减轴旋转导致的8dB和绕切换 轴旋转导致的4dB来达到12dB衰减时，通过绕切换轴旋转的抖动不能优 化耦合，因为衰减点离绕切换轴旋转的耦合效率曲线901的峰值903太 远了，如下面插入小图所示。
这个问题的解决是绕抖动轴et抖动微镜，所述抖动轴近似和衰减点 处固定衰减的等值线相切，如图9E所示。如果镜子运动是绕和恒定衰减 等值线充分相切的轴的，抖动将会靠近绕抖动轴et旋转的衰减曲线的峰 值。结果可以优化耦合。绕抖动轴et旋转微镜包括把切换和衰减轴的旋 转互相耦合，使得镜子同时绕切换轴和衰减轴旋转。这样的组合旋转产 生耦合效率907的局部峰值905以在衰减点进行优化。可以通过适当配 置电子模块180中的硬件、固件和/或软件来产生组合旋转。
通过绕切换和衰减轴旋转减小兔耳现象很大程度上是选择通过绕 切换轴旋转得到多少衰减以及通过绕衰减轴旋转得到多少衰减的问题。 在改变衰减量时，可以取两个不同衰减之间的任何路径。优选的方法是 同时绕两个轴旋转微镜来提供沿着et方向连续的耦合效率信号直到达到 最大信号。然后通过从该最大耦合点沿着en轴行进直到达到所需的功率 水平或者衰减来实现衰减。
图9F-9H示出了切换和衰减轴旋转不同组合的一些例子。用加州圣 河塞的Capella Photonics产的型号WP4500上路模块取得图9F-9H的数 据。微镜的尺寸是大约100微米乘550微米。在图9F-9H中，曲线908 表示无衰减。在图9F中，曲线910、 912、 914、 916和918分别表示只 通过绕衰减轴旋转得到2dB、 4dB、 6dB、 8dB和10dB衰减后的结果。注 意在曲线910、 912、 914、 916、 918中的兔耳峰。
在图9G中，曲线920表示只通过绕切换轴旋转衰减2dB时的通带 曲线。曲线922表示通过绕切换轴旋转衰减2dB且通过绕衰减轴旋转衰 减2dB，总共衰减4dB时的通带曲线。曲线924表示通过绕切换轴旋转 衰减2dB且通过绕衰减轴旋转衰减4dB，总共衰减6dB时的通带曲线。 曲线926表示用绕切换轴旋转衰减2dB且通过绕衰减轴旋转衰减6dB， 总共衰减8dB时的通带曲线。曲线928表示通过绕切换轴旋转衰减2dB 且通过绕衰减轴旋转衰减8dB，总共衰减10dB时的通带曲线。注意在曲 线928右手边的兔耳峰。
在图9H中，曲线932表示只通过绕切换轴旋转衰减4dB时的通带 曲线。曲线934表示通过绕切换轴旋转衰减4dB且通过绕衰减轴旋转衰 减2dB，总共衰减6dB时的通带曲线。曲线936表示通过绕切换轴旋转 衰减4dB且通过绕衰减轴旋转衰减4dB，总共衰减8dB时的通带曲线。 曲线938表示通过绕切换轴旋转衰减4dB且通过绕衰减轴旋转衰减6dB， 总共衰减10dB时的通带曲线。注意在曲线932、 934、 936和938中的兔 耳峰比图9G中曲线922、 924、 926和928中要小得多。
从图9F-9H可知，对于这个例子，部分地通过绕切换轴旋转进行的 衰减看起来要求由于切换轴旋转导致的衰减在约2dB和4dB之间。 一般 地希望最小化使用切换轴的衰减量，这是由于串扰和敏感性方面的考虑。
作为串扰方面考虑的说明，图91表示针对两个不同端口的信号相 对波长的数据。用由于绕切换轴旋转导致的4dB衰减来衰减到两个端口 的光信号。实线曲线表示的第一信号942耦合到第一端口，而虚线曲线 表示的第二信号944耦合到第二端口 。第一曲线942和第二曲线944的 交叠部分表示串扰。虽然在光开关中经常出现一定程度的串扰，可接受 的串扰量是变化的。例如，在图91中的串扰约为38dB。如果对应用规 定的最大串扰是40dB， 38dB可能是无法接受的。在图9I中，用切换轴 实现了4dB衰减。为了把串扰保持在可以接受的水平，可能有必要把切 换轴衰减限制在约3.5dB。可以通过实验确定将用在给定条件下的切换 轴衰减量。
另一个可替换的边沿修正是修改图1中wss 100的光纤准直器阵列
102的输入和输出端口。如果端口间距足够大，可以用绕切换轴的旋转 来得到衰减并避免兔耳现象。
如前所述，另一个替换是通过空间滤波来减小通带中的"兔耳"瓣。 通过傅立叶变换系统可以产生衍射量级的空间分离，以使得可以在傅立 叶变换平面实施空间滤波孔来减小衍射引入的旁瓣和或增加和旁瓣相比
通带中间部分的保真度。例如通过WSS 100中具有选择来消除信道微镜 118边沿处衍射效应的尺寸、形状和位置的孔，例如处于WSS 100内的 焦平面处，来实现这样的空间滤波。
有很多可能的空间滤波器结构。图13示出了与图1中描述和说明 WSS类似的WSS 400的例子。除了上述部件，WSS 400包括位于端口镜阵 列106和扩束和中继系统110之间的空间滤波中继器402。空间滤波中 继器402包括一对中继透镜404、 406以及孔408。透镜404、 406排列 为它们共享共同的焦平面(这个例子中的傅立叶平面)。孔408位于共同 焦平面上。
空间滤波器的孔可选地可以位于准直器阵列102和端口镜阵列106 之间。例如，图14示出了与图1的WSS IOO类似的WSS 500。除了上述 部件，WSS 500包括位于准直器阵列102和端口镜阵列106之间的空间 滤波中继器502。空间滤波中继器502包括在它们的共同焦平面上的位 于两个中继透镜504、 506之间的孔508。在图13和14中，可以选择性 地仅对一个端口施加空间滤波，例如对特快端口。可替换地，可以在一 些输出端口 (例如只在特快端口)或者全部输出端口处放置单独的空间 滤波器。
在一些实施例中，可以在WSS外部放置空间滤波器孔。例如图15 示出了了与图1中描述和说明的WSS类似的WSS 600。除了上述部件， WSS 600包括一端和任何一个输出端口例如通过光纤准直器阵列102相 连接的多模光纤601。多模光纤601的另一端与光学上和第二准直透镜 612相耦合的第一准直透镜604相耦合。空间滤波中继器602光学耦合 在第一和第二准直透镜604、 612之间。空间滤波中继器602包括在它们 共同的焦平面上的位于两个中继透镜604、 606之间的孔608。此系统的 优点是可以减小象图1所示的WSS上非均匀通带衰减的效应，而不必重构内部光学系统。另外，可以选择性地只向那些要求减小非均匀衰减的 端口施加空间滤波。
图16示出了 WSS 700中空间滤波的可选多端口实现。除了上述部 件，WSS 700包括位于端口镜阵列106与扩束和中继系统110之间的空 间滤波中继器702。空间滤波中继器702包括一对中继透镜阵列704、706 以及孔阵列708。如插入小图所示，透镜阵列704、 706的每个由小透镜 (lenslet)的阵列组成。第一和第二透镜阵列中对应的小透镜排列为共 享共同的焦平面。孔阵列708中的孔位于共同焦平面上。空间滤波对于 从信道微镜反射的光谱光束更重要。所以，对应于输出端口的孔可以具 有比对应于输入端口的孔小的直径。
图17示出了 WSS 800中空间滤波的另一可选多端口实现。除了图1 中描述的部件，WSS 800包括位于扩束和中继系统110与分波器112之 间的空间滤波中继器802。空间滤波中继器802包括一对中继透镜阵列 804、 806以及孔阵列、或相对设置的刃边、或合适的相位掩模808。透 镜阵列804、 806的每个可以由小透镜或y-圆柱透镜的阵列组成。第一 和第二透镜阵列中对应的小透镜或者对应的y-圆柱透镜排列为共享共 同的焦平面。孔阵列808中的孔是椭圆形状，并且位于共同焦平面上。 空间滤波对于从信道微镜反射的光谱光束更重要。所以，对应于输出端 口的孔可以具有比对应于输入端口的孔小的直径。
孔直径越小，"兔耳"效应的减小越明显。在计算机建模的通带曲 线图18A和18B中可以看到空间滤波在减小"兔耳"效应中的效果。图 18A示出了没有空间滤波及-20dB衰减的情况下图1所示类型WSS的通 带。注意通带边沿处明显的"兔耳"。图18B示出了具有0.0052mm半径 孔的空间滤波器的类似WSS的通带。注意和图18A相比，图18B中通带 边沿处衰减多得多。
除了空间滤波，有可以用来减小WSS的通带旁瓣非均匀性的其它可 能滤波技术。例如，可以通过作为入射角函数的光栅112的衍射效率(有 时称为角布拉格宽度，其中入射角越大衍射效率越低)，来在某种程度上 对角频率和或者来自信道微镜的散射光进行滤波。该效应意味着衍射和/ 或散射光由于没有被光栅有效衍射而实际上被光栅112滤波。因此，在一些实施例中，光栅112的角布拉格宽度可以允许光栅112滤出或减小 对"兔耳"旁瓣做出贡献的较高角频率。在衰减期间这样的旁瓣幅度减 小可以和信道微镜118边沿的修正相结合。
在本发明一些实施例中，希望使用针对无碰撞切换配置的wss。这
种无碰撞切换可以和如上所述由于衍射而减小"兔耳"效应的本发明实
施例相结合。作为示例，图10A-10C示出了在ADD复用器模块220环境 中的无碰撞切换,其中光谱信道可以在多于一个输入端口上输入到模块， 并上路即复合到输出端口处的信号。图10A-10B —般地表示图1中WSS 100的简化概略侧视图，其中为了简明省略了图1中某些元件。
如图10A-10B所示，ADD复用器220可以包括具有五个输入端口和 一个输出端口的5 X 1装置。光纤准直器阵列102相应地包括六个准直器， 如图所示。输出端口 222可以是例如第四准直器端口，如图所示。在图 IOA中，第一 (顶部)准直器端口 224可以输入光谱信道入i，其由变形 扩束器系统110聚焦到衍射光栅112上。衍射光栅把光谱信道A i从其它 波长信道中空间分离出来，并且把分离出来的光谱信道提供给变形聚焦 透镜系统116，该变形聚焦透镜系统116把光谱信道聚焦到对应的信道 微镜228上。信道微镜可以绕其切换轴旋转到合适的角位置，以把输入 光谱信道Xj反射(切换)回去通过光学系统到输出端口 222，如图10A所示。
可以以无碰撞方式把输入光谱信道入i从输入端口 224切换到输出 端口 222。利用无碰撞切换，在旋转信道微镜来把光束切换到端口 222 时，在端口 224的输入光不扫过中间端口 230和232。另外，为了无碰 撞切换，在切换期间光充分地衰减或者阻断。为了实现这个，首先脱离 控制信道微镜228的切换轴的伺服控制环。可以向信道微镜施加控制电 压来把微镜绕其衰减轴旋转阻断所需的量；然后通过向切换轴施加图4 中控制系统的电子模块存储器中的校准表中所存储的预设控制电压，可 以把信道微镜绕其切换轴旋转来把输入光谱信道反射到输出端口 222。 接下来可以把微镜228绕其衰减轴旋转回正常优化耦合状态，并且然后 可以重新启动控制切换轴的伺服控制环来控制微镜以达到优化耦合效 率。
图IOC概略地示出了把光从输入端口 224切换到输出端口 222的过 程。用图10C中的箭头240表示把输入信道衰减到阻断状态。用箭头242 表示通过旋转微镜228把输入信道切换到端口 222，所述箭头说明光在 输入端口 224和输出端口 222之间切换时没有光耦合到中间端口 230和 232。箭头244表示通过信道微镜绕其衰减轴的旋转把光增加回到正常优 化耦合状态。
图10B示出了不同波长入j的第二光谱信道，其在端口 230进入ADD 复用器，且通过其对应的微镜246被切换到输出端口 222。此切换可以 类似的是无碰撞的，并且可以用类似上面结合图IOA所描述的方式来实 现。因此图IOB中在端口 222输出的光信号可以包括在端口 224输入的 入i和在端口 230输入的Aj的组合。以类似方法，可以在其它输入/上路 端口输入其它波长并且切换到输出端口 222来形成复合多信道信号。
可以用不同方法实现图10A-IOB所示的光信号控制以在输出端口从
第一衰减状态切换到不同的第二衰减状态。根据第一方法，进入输入端 口的光可以在最大耦合状态，也就是全功率。接下来，可以通过如图10C 所示使用衰减轴达到最大衰减来实现从输入端口到输出端口的无碰撞切 换，同时如上所述把输入光束无碰撞切换到输出端口。 一旦光束出现在 输出端口，可以控制衰减轴回到对应于零衰减的全功率。然后可以在全 功率条件下优化耦合效率；并且在实现优化耦合效率时，通过控制信道 微镜绕其衰减轴运动来来衰减光束，以提供所需输出功率水平。
第二方法是直接从输入端口处的原始衰减状态变到输出端口处的 所需衰减状态，而不首先去衰减到最大耦合效率。该方法利用控制系统 的电子模块存储器的查找表中所存储的校准电压，所述控制系统把每个 信道微镜的衰减水平列为绕衰减轴的旋转角度(例如静电电压)的函数。
无碰撞切换的第三且为优选的方法是通过绕衰减轴旋转来最小化 功率，从输入端口处的衰减状态变到该端口处的低光状态。接下来，在 衰减轴保持在最小功率，例如阻断状态的条件下，进行到需要的目的端 口的无碰撞切换。然后，在到达目的端口时，信道微镜绕衰减轴旋转以 到达例如-20dB的低光水平而不是回到全功率；然后可以用信道微镜(优 选地还有图1所示的对应端口镜106，以下面将描述的方式)的切换轴
优化低光水平处的耦合效率。然后，在达到优化耦合效率时，信道微镜 可以绕其衰减轴旋转到所需功率水平。
除了通过控制信道微镜绕其切换轴的旋转来控制耦合效率，还希望 控制把每个信道的光谱光束聚焦到其对应的信道微镜的位置。为了提供 高通带以及高数据传输速率，信道的中心波长应该和信道微镜的中心对 准。其它信道的中心波长应该类似地和它们对应的微镜中心对准。信道 间隔由ITU波长格间隔规范规定，并且信道微镜根据输入多信道光信号
的ITU波长格间隔在阵列中横向间隔开。因此，希望维持ITU对准以便
所有信道的中心波长保持在它们对应的微镜中心以最大化系统通带。
如上所述结合本发明实施例的WSS系统可以配置来在不利的工作条 件下建立和维持ITU对准。如前所述，图1的WSS 100可以包括位于端 口镜阵列106和变形扩束器和中继系统110之间光路中的分束器124。 可以在光纤准直器阵列的输入端口把例如来自发光二极管(未示出)的 1310mn参考光耦合到复合多波长光系统中。可以形成分束器来优先地把 1310nm波长光束反射到PSD 126，并且使例如在C波段的光谱信道波长 通过到变形系统110。 PSD可以包括排列形式为4-象限光电探测器也就 是"四单元(quad cell)"的光电单元阵列。从分束器反射到PSD上的 1310nm参考光在PSD的每个象限产生电压电位，这些电压电位可以用来 确定撞到PSD上的参考光的形心(centroid)位置。可以用形心位置来
确定光束的对准。
输入准直器102指向的方向可以作为温度的函数变化，使输入光谱 光束聚焦到微镜上的位置偏离微镜中心，产生ITU非对准以及信道通带 变窄。另外，其它热-机械效应可以引起衍射光栅角度、信道微镜的位置 以及光学系统焦距的变化。每一种这些效应也可以导致ITU长非对准以 及通带变窄。为了补偿ITU非对准，可以旋转端口镜来把信道中心波长 重新对准到信道微镜的中心。
在图1所示的WSS实施例中，把端口镜的角位置中继到远心聚焦光 学系统的入口孔，并且把由于端口镜位置变化导致的远心光学系统输入 处的角度变化转变成焦平面处光斑位置的变化。从而端口镜旋转使信道 扫过其相关的信道微镜。当把信道的中心波长和信道微镜的中心对准时
(对应于ITU对准)，从分束器124反射的参考光束会射到PSD预定位置。 可以把由PSD四象限产生的表示光束对准的电压和控制电子系统128的 存储器中存储的预设参考电压相比较，并由控制电子系统用作反馈信号 来控制端口镜使光束在信道微镜的中心。
如果准直器或一个或更多其它前述元件的指向因为例如系统温度 之类的变化而变化，需要新的端口镜角度和PSD上的参考光束位置(xl， yl)来维持ITU对准。从而可以产生作为温度函数的一组校准点作为所 需PSD光斑位置以维持ITU波长对准，以及作为控制电子系统128中存 储器的表中所存储的校准点。可以在WSS模块中放置温度传感器来监测 温度变化，并且把温度信息和来自校准表的设置点信息提供给控制电子 系统中的前馈伺服系统，来控制阵列的所有端口镜以维持ITU对准。为 了计入由于滞后作用的变化，例如可以在表中存储用于增加和减少温度 条件的校准信息。
本发明实施例的结构的另一优点是提供确认ADD模块(如图 10A-10B中所示或者将描述的图11和12中所示)的不同输出或直通端 口或者DROP模块的输出和下路端口中波长分布的能力。可以通过在从端 口微镜反射的光上引入小幅度、低频率的抖动调制(例如使端口微镜小 幅度抖动旋转)，并在图4的反馈控制系统中检测调制，来实现波长识别。
抖动可以绕端口微镜任一旋转轴进行。抖动调制和特定输出或直通 端口相关联、由该端口微镜反射的光信号。在图4的光信道功率监测器 176的光电二极管阵列196的像素上，调制优选地产生近似0. 05dB量级 的信号功率波动。可以把此功率波动转换成电子信号并且提供给电子模 块180中的控制软件，以指示由正进行抖动旋转的端口镜引导到输出或 直通端口的光信号波长。端口镜的抖动频率和用光信号传输的通信信号 频率相比优选地是低频(约100到200Hz)，以便不引起显著的噪声或干 扰。
在典型的环网中，可能有数个波长选择开关模块同时工作。如果环 网中的每个波长选择开关模块利用同样的抖动频率来指示通过端口的波 长，在通信信号中抖动频率处会出现显著的噪声累积。因此，可能需要 对环网中每个模块使用不同的抖动频率。为了实现这个，可以为每个WSS
模块分配惟一的抖动频率，优选地该抖动频率与环网中其它wss模块的
抖动频率至少相差5Hz。频率分配过程可以是自动的，例如通过执行对
已经在使用的抖动频率的电子搜索，并且然后分配没有在使用的频率。
在图10A-10B中所示的ADD模块220的5X1 (NXM)结构是典型的 ADD模±央，其中具有中心波长入，到A n的光信道信号可以通过N个输入和 上路端口以任何组合进入，并且通过一个(M=l)输出端口输出。在该 结构中没有对输入和上路端口(N)数目或者对波长数目的任何理论限制。 然而，有特定波长入i只能从一个端口进入的限制。多个入可以从输入或 上路端口进入，只要这些入彼此不同。
图11是说明绕开前述限制的ADD模块300结构的另一实施例的简 化图。(多个微镜在纸平面之内。)如图所示，该实施例是具有5个输入 或上路端口 (IN1-IN5)和5个输出端口的5X1和1X5模块，排列戶万述 端口使得奇数端口 (301、 303、 305、 307和309)是输入/上路端口，而 偶数端口 (302、 304、 306、 308和310)是输出端口。然而，在这个排 列中，除了底部(图中)端口 OUT 310，所有端口都是"暗"端口，意 味着到这些端口的光会消失。图11的结构的优点是允许特定波长入i的 光信道从多于一个输入或上路端口进入。然而，波长入i的信道中只有一 个会通过OUT端口 310输出。这是因为和波长Ai相关联的信道微镜312
的角度决定了光束反射的方向。这继而决定了波长、通过哪个输出端口 输出。所有其它波长入i将通过一些其它暗输出端口输出或输出到自由空 间。例如，通过端口 303进入的波长、的第二信号会由信道微镜312引 导到端口 308。图ll所示的结构在光通信系统中具有很多应用，例如， 在需要把多个输入波长组结合在一起来形成单个输出波长组而没有任何 重复波长。
图12说明在功能上和图11所示ADD模块300的实施例类似的5X1 ADD模块340的另一实施例。ADD模块340可以包括5个输入或上路端口 341-345以及1个OUT端口 346。它具有和ADD模块300类似的优点，即 特定波长入i可以从输入或上路端口 341-345中的多个端口进入。然而， 取决于和波长入i相关联的信道微镜348的角度，波长入i的迸入信道中 只有一个会通过OUT端口 346输出。所有其它进入的波长A i将输出到自由空间。前面图11和12的两个ADD模块结构之间的原理区别在于不同
的物理布局。两者的操作实质上是一样的。
在图4的反馈控制结构中所示的WSS光模块162是代表性的DROP 模块，其中有一个输入端口和多个输出或下路端口。在DR0P模块中，通 过对来自每个输出或下路端口的输出纤的光的百分比取样，如图4所示， 并如前所述在控制系统中用取样来测量和控制每个信道的光功率来得到 需要的功率水平，可以实现输出光信道的功率管理，如图4所示。
在ADD模块的情况下，如图10A-10C和图11-12所示，也可以采用 如前所述的同样的信道对准和输出信道功率水平控制方法。然而，在ADD 模块中，可以对进入输入和上路端口的光信道额外施加功率管理。这可 以通过如下方法来实现对来自进入每个输入和上路端口的光谱信道的 光的百分比进行取样，以与结合图4所描述的同样方法将取样组合到复 合多信道信号中，以及把复合光信号提供给如前面图4中描述的光信道 监测和控制系统，以控制信道微镜来得到需要的输入光信号功率水平。
对于ADD模块，可以用两种不同方法的任何一种来实现输入和输出 信道的功率水平控制。 一种方法可以采用分离的光信道监测器， 一个用 于在输入和上路光纤中的光功率，而另一个用于来自输出或下路光纤的 光。两个信道监测器可以实质上和如图4中所示及描述的一样，并且可
以用同样或者分离的电子模块来控制信道微镜的衰减轴。这将允许输入 和输出光谱信道两者功率的同时监测和控制。
第二种方法是采用分离的合光器，例如合光器172， 一个用于输入 和上路信道，而一个用于输出和下路信道；用于从输入或输出合光器选 择复合信号的1X2开关；以及根据开关位置监控和控制输入光或输出光 的单个光信道监测器和电子模块。如果需要特定衰减水平，可以监控输 入光和直通光，而如果需要特定功率水平，可以监控输出光。
根据本发明特定实施例，在ADD和DROP模块中为了 ITU波长格对 准而维持信道光束在它们相关的信道微镜中间的方法可以和前面结合图 l描述的类似。在ADD模块中，如所描述的，参考光可以注入到(结合 到)来自一根输入光纤的输入光中，并且可以聚焦到单个四单元(quad cell)上。然而，因为其它上路端口也可以包括其它输入光谱信道，通
过绕端口镜阵列中和上路端口相关联的每个微镜的一个或两个轴旋转的 校准量，可以补偿这些光谱信道对准中的变化。也就是说，端口镜阵列 中和上路端口相关联的的微镜可以受端口镜阵列中和输入端口相关联的 微镜支配，从而可以基于输入端口的控制来一起控制所有输入和上路端 口微镜。
根据前面所述，可以看到根据本发明实施例的可重构光分插系统和 方法提供了具有众多优点的简化集成结构。其中，这些优点包括基于逐
信道的有效、灵活且高度精确的各光谱信道功率管理方法；避免到中间 信道的串扰和干涉的无碰撞信道切换；实现穿过信道的精确功率管理以 及在不同波长格间距处操作的无划痕操作；导致高通带和ITU信道对准 的光学特性优化；以及模块和例如微镜的部件两者的优化机械特性。
虽然前面的描述参考本发明的特定实施例，但是本领域技术人员将 认识到，不脱离本发明的精神和原理，可以在这些实施例中做出改变， 本发明的范围由所附权利要求限定。
虽然以上包括对本发明优选实施例的完整描述，但是可以使用其他 替换、修改和等价物。因此，本发明的范围不应参照以上描述来确定， 而是应该参照所附权利要求及其等价物的完全范围来确定。任何特征无 论是否优选，都可以与任何其他特征(无论是否优选)相结合。在所附 权利要求中，不定冠词"A"或"An"表示一个或多个该冠词后跟随的项 目，除非另外明确说明。所附权利要求不应解释为包括装置+功能限制， 除非给定权利要求中使用短语"装置，用于"明确提到该种限制。
权利要求
1.一种光学设备，用于切换具有不同波长的光谱信道的多信道光信号，包括用于具有一个或更多所述光谱信道的光信号的多个输入和输出端口；扩束器和中继系统，适用于从一个或更多输入端口接收光信号，形成变形系统来把光信号转换成具有预定拉长的光束形状的光谱光束；分波器，用于把光谱光束空间分离成分量光谱信道；以及信道微镜阵列，放置阵列中每个信道微镜以接收所述分量光谱信道之一，微镜绕切换轴可旋转以把所述的一个光谱信道切换到所选的输出端口；其中每个信道微镜绕衰减轴可旋转以改变切换的光谱信道到所选的输出端口的耦合，来控制在该所选端口处输出的光谱信道的功率水平，其中衰减轴和切换轴不同，其中配置信道微镜和/或输入或输出端口和/或分波器来减小由于来自一个或更多微镜边沿的光谱光束衍射造成的设备通带非均匀衰减，其中边沿实质上平行于衰减轴。
2. 根据权利要求1的设备，其中配置边沿来减小从边沿反射的光谱 光束的衍射效应。
3. 根据权利要求2的设备，其中边沿的至少一部分具有沿着切换轴的向量分量。
4. 根据权利要求3的设备，其中边沿的一部分具有锯齿结构。
5. 根据权利要求4的设备，其中锯齿结构的特征在于相对于衰减轴 约5度和约85度之间的锯齿角度。
6. 根据权利要求2的设备，其中边沿包括一个或更多突出到微镜表 面平面之上和/或下沉到微镜表面平面之下的特征。
7. 根据权利要求6的设备，其中每个特征突出到微镜表面平面之上 或者下沉到微镜表面平面之下的距离近似等于会射到该镜子上的光的四 分之一波长，或者近似等于使得由于特征的存在以及微镜表面引起的光 学干涉以使得来自微镜表面边沿区域的衍射消除或减弱的方式进行光学 相消相干的量。
8. 根据权利要求2的设备，其中边沿包括灰度掩模，其特征在于靠近边沿边界的区域中反射率低于远离边界的区域。
9. 根据权利要求8的设备，其中边沿包括具有第一反射区和第二反 射区的相位掩模，其中从第一和第二反射区反射的光在反射时经历不同 的相移分布，使得从第一和第二反射区反射的光倾向于相消。
10. 根据权利要求2的设备，其中配置边沿来增加光散射的立体角。
11. 根据权利要求10的设备，其中边沿的特征在于圆形或成形的形状。
12. 根据权利要求1的设备，其中输入和/或输出端口充分远离，使 得通过将微镜部分地绕切换轴旋转且部分地绕衰减轴旋转，减小从边沿 反射的光谱光束的衍射效应。
13. 根据权利要求1的设备，其中选择信道微镜绕衰减轴旋转的方 向(顺时针对逆时针)来最小化在衰减状态的边沿衍射效应。
14. 根据权利要求1的设备，还包括具有孔的空间滤波器，其特征 在于选择所述孔的尺寸、位置和形状来减小由于从边沿反射的光谱光束 衍射造成的通带非均匀衰减效应。
15. 根据权利要求14的设备，其中空间滤波器包括第一和第二中继 透镜，其中孔位于第一和第二中继透镜之间的傅立叶变换平面处。
16. 根据权利要求15的设备，其中输入端口和/或输出端口包括光 学耦合到扩束器和中继系统的端口镜阵列，其中空间滤波器位于端口镜 阵列与扩束器和中继系统之间的光路上。
17. 根据权利要求16的设备，其中输入端口和输出端口包括特快端 口，其中空间滤波器光学耦合到特快端口。
18. 根据权利要求16的设备，其中空间滤波器光学耦合到任何或全 部输出端口。
19. 根据权利要求18的设备，其中第一中继透镜的形式是两个或更 多小透镜的第一阵列，以及第二中继透镜的形式是两个或更多小透镜的 第二阵列，其中第一阵列中的每个小透镜光学耦合到对应的输出端口， 第二阵列中的每个小透镜光学耦合到第一阵列中对应的小透镜，其中空 间滤波器包括孔阵列，每个孔位于在第一和第二小透镜阵列中对应的小 透镜的傅立叶变换平面处。
20. 根据权利要求15的设备，其中输入和输出端口还包括光学耦合到端口镜阵列的光纤准直器阵列，其中端口镜阵列光学耦合到扩束器和 中继系统，空间滤波器位于光纤准直器和端口镜阵列之间的光路上。
21. 根据权利要求15的设备，还包括端口镜阵列，光学耦合到扩束器和中继系统以及输入和输出端口 ； 一根或更多多模光纤，其中每根单模光纤具有第一端和第二端，第一端光学耦合到对应的输出端口；以及一个或更多准直器透镜对，所述准直器透镜对具有第一和第二准直 器透镜，每个准直器透镜对光学耦合到所述一根或更多多模光纤中对应 的一根光纤的第二端；其中空间滤波器位于第一和第二准直器透镜之间。
22. 根据权利要求1的设备，其中选择信道微镜分别绕切换和衰减 轴的旋转(顺时针对逆时针)的组合来最小化在衰减状态下的边沿衍射 效应。
23. 根据权利要求1的设备，其中光学系统包括变形系统，配置来 把光信号转换成具有预定拉长的光束形状的光谱光束。
24. 根据权利要求1的设备，其中每个信道微镜具有对应于所述光 束外形的拉长的形状。
25. 根据权利要求1的设备，还包括双轴端口微镜阵列，用于保持 到每个端口的最优耦合效率以及保持最优ITU波长格对准。
26. 根据权利要求1的设备，其中分波器是衍射光栅，配置光栅来 滤出或减小对通带非均匀衰减做出贡献的较高角频率。
27. 根据权利要求1的设备，还包括用于实现光谱信道无碰撞切换 的装置。
28. 根据权利要求25的设备，其中选择端口镜绕其一个或两个旋转 轴的旋转的组合来最小化在衰减状态下的边沿衍射效应。
29. —种优化光学设备通带的方法，所述光学设备用于在输入和输出端口之间切换具有不同波长的分量光谱信道的多信道光信号的光信号，所述方法包括把来自输入端口之一的所述多信道光信号空间分离成与分量光谱 信道相对应的光谱光束；把分离的光谱信道聚焦到对应的信道微镜上，所述信道微镜把聚焦 的光谱信道切换到一个或更多所选的输出端口，信道微镜具有和所述拉 长的光斑的形状及尺寸相符合的拉长的形状及尺寸，所述聚焦包括把所述拉长的光斑对准以在所述对应的微镜上居中；以及减小由于从一个或更多微镜的边沿反射的光谱光束的衍射效应造 成的光学设备通带的非均匀衰减。
30. 根据权利要求29的方法，其中减小由于衍射效应造成的光学设 备通带的非均匀衰减包括将一个或更多微镜部分地绕衰减轴旋转且部 分地绕与衰减轴不同的切换轴旋转。
31. 根据权利要求29的方法，其中减小由于衍射效应造成的光学设 备通带的非均匀衰减包括配置一个或更多微镜的边沿来减小从边沿反射的光谱光束的衍射效应。
32. 根据权利要求31的方法，其中边沿的至少一部分具有沿着切换 轴的向量分量。
33. 根据权利要求32的方法，其中边沿的一部分具有锯齿结构。
34. 根据权利要求33的方法，其中锯齿结构的特征在于相对于衰减 轴约5度和约85度之间的锯齿角度。
35. 根据权利要求34的方法，其中边沿包括一个或更多突出到微镜 表面平面上之上和/或下沉到微镜表面平面之下的特征。
36. 根据权利要求35的方法，其中每个特征突出到微镜表面平面之 上或者下沉到微镜表面平面之下的距离近似等于会射到该镜子上的光的 四分之一波长，或者近似等于使得由于特征的存在以及微镜表面弓I起的 光学干涉以使得边沿衍射对通带的影响消除或减弱的方式进行光学相干、
37.根据权利要求31的方法，其中边沿包括灰度掩模，其特征在于靠近边沿边界的区域中反射率低于远离边界的区域。
38. 根据权利要求31的方法，其中边沿包括具有第一反射区和第二反射区的相位掩模，其中从第一和第二反射区反射的光在反射时经历不 同的相移分布，使得从第一和第二反射区反射的光倾向于相消。
39. 根据权利要求31的方法，其中配置边沿包括增加边沿处的光衍 射的立体角。
40. 根据权利要求39的方法，其中边沿的特征在于圆形形状。
41. 根据权利要求29的方法，其中减小由于衍射效应造成的光学设 备通带的非均匀衰减包括用孔对一个或更多光谱光束进行空间滤波， 所述孔的特征在于选择孔的尺寸、位置和形状以便孔减小由于从边沿反 射的光谱光束衍射效应造成的光学设备通带非均匀衰减。
42. 根据权利要求41的方法，其中对一个或更多光谱光束进行空间 滤波包括使用第一和第二中继透镜，其中孔位于第一和第二中继透镜 之间的焦平面处。
43. 根据权利要求42的方法，其中输入端口和/或输出端口包括光 学耦合到扩束器和中继系统的端口镜阵列，其中空间滤波器位于端口镜 阵列与扩束器和中继系统之间的光路上。
44. 根据权利要求43的方法，其中输入端口和输出端口包括特快端 口，其中空间滤波器光学耦合到特快端口。
45. 根据权利要求43的方法，其中空间滤波器光学耦合到输出端口。
46. 根据权利要求45的方法，其中第一中继透镜的形式是两个或更 多小透镜的第一阵列，以及第二中继透镜的形式是两个或更多小透镜的 第二阵列，其中第一阵列中的每个小透镜光学耦合到对应的输出端口， 第二阵列中的每个小透镜光学耦合到第一阵列中对应的笑傲透镜，其中 空间滤波器包括孔阵列，每个孔位于在第一和第二小透镜阵列中对应的 小透镜的傅立叶平面处。
47. 根据权利要求42的方法，其中输入和输出端口还包括光学耦合 到端口镜阵列的光纤准直器阵列，其中端口镜阵列光学耦合到扩束器和 中继系统，空间滤波器位于光纤准直器和端口镜阵列之间的光路上。
48. 根据权利要求41的方法，还包括端口镜阵列，光学耦合到扩束器和中继系统以及输入和输出端口； 一根或更多多模光纤，其中每根单模光纤具有第一端和第二端，第一端光学耦合到对应的输出端口；以及一个或更多准直器透镜对，所述准直器透镜对具有第一和第二准直 器透镜，每个准直器透镜对光学耦合到所述一根或更多多模光纤中对应的一根光纤的第二端；其中空间滤波器位于第一和第二准直器透镜之间。
49. 根据权利要求29的方法，其中把所述多信道光信号空间分离成 与分量光谱信道相对应的光谱光束包括通过在正交方向上对光束进行 变形扩束，把来自一个或更多输入端口的光信号转换成具有预定拉长的 光束外形的光谱光束；以及把所述光谱光束空间分离成分量光谱信道。
50. 根据权利要求29的方法，其中减小由于衍射效应造成的光学设 备通带的非均匀衰减包括使用衍射光栅来把来自输入端口之一的多信 道光信号空间分离成与分量光谱信道相对应的光谱光束，其中配置衍射 光栅来滤出或减小对通带非均匀衰减做出贡献的较高角频率。
51. 根据权利要求42的方法，其中减小由于衍射效应造成的光学设 备通带的非均匀衰减包括:将一个或更多端口镜部分地绕第一轴旋转和/或部分地绕与第一轴不同的第二轴旋转。
52. —种光学设备，用于切换具有不同波长的光谱信道的多信道光信号，包括用于具有一个或更多所述光谱信道的光信号的多个输入和输出端扩束器和中继系统，适用于从一个或更多输入端口接收光信号，形 成变形系统来把光信号转换成具有预定拉长的光束形状的光谱光束； 分波器，用于把光谱光束空间分离成分量光谱信道；以及 信道微镜阵列，放置阵列中每个信道微镜以接收所述分量光谱信道 之一，微镜绕切换轴可旋转以把所述的一个光谱信道切换到所选的输出 端口；其中每个信道微镜绕衰减轴可旋转以改变切换的光谱信道到所选 的输出端口的耦合，来控制在该所选端口处输出的光谱信道的功率水平，其中衰减轴和切换轴不同，其中将每个信道微镜配置为通过绕切换轴和衰减轴的旋转的组合， 来将功率水平衰减到足以减小由于来自一个或更多微镜边沿的光谱光束 衍射造成的设备通带非均匀衰减，其中边沿实质上平行于衰减轴，以及将每个信道微镜配置为通过同时绕切换轴和衰减轴旋转来相对于 实质上和常数衰减等值线相切的轴抖动。
53. 根据权利要求52的设备，其中输入和/或输出端口充分远离， 使得通过微镜部分地绕切换轴旋转且部分地绕衰减轴旋转，减小从边沿 反射的光谱光束衍射效应。
54. 根据权利要求52的设备，其中选择信道微镜分别绕切换和衰减 轴的旋转(顺时针对逆时针)的组合来最小化在衰减状态下的边沿衍射 效应。
55. 根据权利要求52的设备，其中光学系统包括变形系统，配置来 把光信号转换成具有预定拉长的光束形状的光谱光束。
56. 根据权利要求52的设备，其中每个信道微镜具有对应于所述光 束外形的拉长的形状。
57. 根据权利要求52的设备，还包括双轴端口微镜阵列，用于保持 到每个端口的最优耦合效率以及保持最优ITU波长格对准。
58. 根据权利要求57的设备，其中选择端口镜绕其一个或两个旋转 轴的旋转的组合来最小化在衰减状态下的边沿衍射效应。
59. 根据权利要求52的设备，其中分波器是衍射光栅，其中配置光 栅来滤出或减小对通带非均匀衰减做出贡献的较高角频率。
60. 根据权利要求52的设备，还包括用于实现光谱信道无碰撞切换 的装置。
61. —种优化光学设备通带的方法，所述光学设备用于在输入和输 出端口之间切换具有不同波长的分量光谱信道的多信道光信号的光信 号，所述方法包括把来自输入端口之一的所述多信道光信号空间分离成与分量光谱 信道相对应的光谱光束； 把分离的光谱信道聚焦到对应的信道微镜上，所述信道微镜把聚焦 的光谱信道切换到一个或更多所选的输出端口；以及减小由于从一个或更多微镜的边沿反射的光谱光束的衍射效应造 成的光学设备通带的非均匀衰减，其中边沿实质上平行于衰减轴。
62. 根据权利要求61的方法，其中将一个或更多微镜部分地绕衰减轴旋转且部分地绕与衰减轴不同的切换轴旋转包括将镜子绕切换轴旋转足以产生约2dB或更多衰减的量。
63. 根据权利要求61的方法，其中将一个或更多微镜部分地绕衰减轴旋转且部分地绕与衰减轴不同的切换轴旋转包括将镜子绕切换轴旋转足以产生约2dB和约4dB之间的衰减的量。
64. 根据权利要求61的方法，其中减小由于衍射效应造成的光学设 备通带的非均匀衰减包括将一个或更多微镜部分地绕衰减轴旋转且部 分地绕与衰减轴不同的切换轴旋转。
65. 根据权利要求64的方法，其中减小通带的非均匀衰减包括通 过至少一个微镜绕切换轴和衰减轴两者旋转的组合把功率水平衰减到衰 减点，其中旋转的组合包括充分的绕切换轴旋转以减小通带的非均匀衰 减。
66. 根据权利要求65的方法，还包括通过镜子同时绕切换轴和衰 减轴旋转来对于实质上和常数衰减等值线相切的轴抖动至少一个镜子， 其中常数衰减等值线经过衰减点。
67. 根据权利要求61的方法，其中把所述多信道光信号空间分离成 与分量光谱信道相对应的光谱光束包括通过在正交方向上对光束进行 变形扩束，把来自一个或更多输入端口的光信号转换成具有预定拉长的 光束外形的光谱光束；以及把所述光谱光束空间分离成分量光谱信道。
68. 根据权利要求61的方法，其中减小由于衍射效应造成的光学设 备通带的非均匀衰减包括:将一个或更多端口镜部分地绕第一轴旋转和/ 或部分地绕和第一轴不同的第二轴旋转。
69. —种设备，用于在输入和输出端口之间切换具有不同波长的分量光谱信道的多信道光信号时优化通带，包括装置，用于把来自输入端口之一的所述多信道光信号空间分离成与 分量光谱信道相对应的光谱光束；装置，用,于把分离的光谱信道聚焦到对应的信道微镜上，所述信道微镜把聚焦的光谱信道切换到一个或更多所选的输出端口；以及装置，用于减小由于从一个或更多微镜的边沿反射的光谱光束衍射 效应造成的光学设备通带的非均匀衰减，其中边沿实质上平行于衰减轴。
70. 根据权利要求69的设备，其中减小通带的非均匀衰减的装置包 括用于将一个或更多微镜部分地绕衰减轴旋转且部分地绕与衰减轴不同 的切换轴旋转的装置。
71. 根据权利要求70的设备，其中至少一个信道微镜通过绕切换轴 和衰减轴两者旋转的组合，把功率水平衰减到衰减点，其中旋转的组合 包括充分的绕切换轴旋转以减小通带的非均匀衰减。
72. 根据权利要求71的设备，还包括通过将镜子同时绕切换轴和衰 减轴旋转来相对于实质上和常数衰减等值线相切的轴抖动至少一个镜子 的装置，其中常数衰减等值线经过衰减点。
73. 根据权利要求71的设备，其中旋转的组合包括绕切换轴旋转足 以产生约2dB或更多衰减。
74. 根据权利要求71的设备，其中旋转的组合包括绕切换轴旋转足 以产生约2dB和约4dB之间的衰减。
全文摘要
通过对微镜边沿的适当修改，通过对输入和/或输出端口进行修改以允许通过微镜绕切换轴旋转来进行衰减，通过使用微镜绕衰减轴和切换轴两者的旋转来达到需要的衰减水平，通过在焦平面或装置外部插入孔来减小传输到任何或全部输出端口的微镜边沿衍射的大小，或者通过用用来把多信道光信号分离成分量光谱光束的衍射光栅对角频率适当的滤波，可以减小衍射对通带的影响。通过使用绕切换和衰减轴的同时旋转来相对于和恒定衰减等值线相切的轴抖动微镜，可以得到峰值耦合。
文档编号G02B6/26GK101194194SQ200680020844
公开日2008年6月4日 申请日期2006年3月13日 优先权日2005年4月11日
发明者布赖恩·P·特里梅因, 约瑟夫·E·戴维斯, 马克·H·加勒特 申请人:卡佩拉光子学公司