减少mems微镜边缘衍射的方法

专利名称：减少mems微镜边缘衍射的方法
技术领域：
本申请涉及用于波分复用(WDM)光网络的光通信系统以及方法， 更具体地涉及具有用于切换和管理多信道光信号中的单个光谱信道功率 的优化光性能的波长选择开关系统以及方法。
背景技术：
多信道光信号典型地包括多个光谱信道，每个具有独立的中心波长 和相关的带宽。相邻信道的中心波长按照预定的波长或频率间隔间隔开， 并且可以波分复用多个光谱信道来形成光网络的组合多信道信号。每个 光谱信道能够负载分开并且独立的信息。在光网络中不同的位置或节点， 使用例如可重构光上下路复用器(ROADM)从组合多信道光信号下路或上 路一个或多个光谱信道。在属于同一受让人的美国专利Nos. 6， 549， 699， 6， 625， 346， 6， 661， 948， 6， 687， 431，和6, 760， 511中公布了可重构光 上下路结构，这里将其整个公布文件引用在此作为参考。
光切换节点可以包括一个或更多配置成上路(ADD)和/或下路 (DROP)模块的波长选择开关(WSS)。参考专利公布了波长选择开关装 置以及方法，包括用于光信号输入输出端口的光纤耦合准直仪阵列，例 如衍射光栅、光束聚焦器的波长分离器(wavelength s印arator)以及 给每个光谱信道一个微镜的信道微镜阵列。在工作中，把来自输入端口 的组合多波长光信号(这里也称为"多信道光信号")提供给波长分离器。
波长分离器在空间上把自由空间的多波长光信号分离或解复用成组分光 谱信道的角谱，而光束聚焦器把光谱信道聚焦到对应的每个信道微镜上。 放置信道微镜以使得每个信道微镜接收一个所分配的分离光谱信道光 束。微镜是单独可控的并且是连续枢轴的(或可旋转的)，以便把光谱信 道光束反射到选择的输出端口中。这使得每个信道微镜能够把其对应的 光谱信道导入任何可能的输出端口，并且从而把光谱信道切换到任何需 要的输出端口。每个输出端口接收零个、 一个、或多个反射的和这样导 入的光谱信道。用把信道切换到不同输出端口来把光谱信道选择性地从 多信道信号中下路，并且来把新的输入信道选择性地上路或和原有信道 组合来形成不同的多波长组合信号。
因为一些原因，还需要监测和控制多波长光信号中单个光谱信道的 功率。这包括完全阻断包括在特定光谱信道中的功率。控制信道功率的 一个原因是提供"无损伤"切换来最小化在重配信道微镜来把输入光谱 信道光束导入("切换")到需要的输出端口中期间的不需要的串扰。在 重配期间，信道微镜重导输入光谱信道光束，使其穿过，也就是"损伤" 中间端口，把不需要的光耦合进中间端口并且引起串扰。因此，需要在 切换期间完全阻断或者充分地衰减光束功率，以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提供到某预定水平的信道衰减。
上述美国专利公布了功率管理和无损伤切换的一个方法，采用例如 液晶像素阵列的空间光调制器来衰减或完全阻断在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之一相关联，并且在液晶阵列的 位置上创建分离焦平面，使得对应于每个信道的谱斑落到其相关的像素 上。因为施加到像素的电压控制像素的通光性，通过施加正确的电压可 以使像素较不透明或甚至对光完全不透明，从而衰减或完全阻断经过那 个像素的光谱信道功率。然而，该方法的缺点是需要额外的元件，包括 用于创建在液晶阵列上的焦平面的棱镜阵列、液晶阵列本身以及用于控 制液晶阵列的电子器件。除了由于这些额外元件的新增成本之外，还需 要更多物理空间来容纳这些元件，增加了系统的整个尺寸和复杂度。
美国专利号6， 549， 699公布了光谱信道功率管理的另一个方法，其 中控制信道微镜绕其切换轴(平行于信道微镜阵列的轴)的旋转来改变
反射光谱信道光束相对于其指定输出端口的空间位置。因为耦合到输出 端口的光谱信道功率量是耦合效率的函数，通过以预定角度旋转信道微 镜来把光束对于输出端口去耦合从而以对应于所需输出功率水平的量进 行衰减，来得到所需功率水平。
后面这个方法的缺点是把光谱信道光束去耦合沿着切换轴对光束 进行了空间上的重定位。依赖于相邻输出端口的物理间隔，可能把光束 的一部分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 物理间隔来减小串扰不合适地增加了设备的物理尺寸。另外，如后面将 详细描述的，因为耦合到绕切换轴的信道微镜旋转的灵敏度，使用这个 方法很难精确地控制光谱信道的功率输出水平。为了克服这个问题，开 发了使用绕分离轴(这里称为衰减轴)旋转信道微镜来改变选择光束功 率的波长选择开关。然而，这个方法导致以旁瓣形式这里称为"兔子耳 朵"的通带的不均匀衰减。需要有能够达到分离信道精确衰减而没有这 些通带非均匀性的波长选择开关。
这就是本发明实施例的目的。


图1是示出了用于R0ADM的ADD或DROP模块中的根据本发明实施
例的波长选择开关结构的简图2示出了用于图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3 A-B是表示耦合效率作为图2中双轴信道微镜绕正交的衰减轴
和切换轴旋转的函数的典型曲线；
图4是用于控制信道微镜绕其切换轴和衰减轴旋转来管理功率水平 和从微镜反射的多信道光信号的光谱信道耦合效率的伺服控制系统的简 图5表示功率水平(表示为插损)作为波长对几个相邻信道微镜波 长区域的函数的图，图片说明了控制信道功率来提供无划痕操作； 图6A-6C是说明来自微镜表面和边缘的光衍射的三维原理图； 图7是表示来自微镜不同部分的光反射的衰减曲线的图表，说明了
衰减对光在哪里射到微镜上以及微镜是否绕切换轴或衰减轴旋转的依赖 性；
图9A-9C是根据本发明实施例说明边缘衍射效应减少的衰减对于波 长变化的图表；
图9D-犯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 的衰减等高线图9F-9H是说明由微镜绕衰减轴和切换轴旋转的不同组合引起的边 缘衍射效应的不同的波长选择开关中的信号强度对于波长变化的图表；
图91是波长选择开关中两个不同端口的信号强度对于波长变化的 图表，其中已经用微镜绕衰减轴和切换轴旋转减少了边缘衍射效应；
图IOA说明波长选择开关的衰减等高线，说明了通过绕非正交轴旋
转切换微镜的切换和衰减；
图10B-IOC是波长选择开关中信号强度对于波长变化的图表，说明 了由微镜绕抖动轴和非正交有效衰减轴旋转引起的边缘衍射效应的减 少；
图11A-IIC是根据本发明ADD模块的第一实施例说明无损伤切换的 原理图12是用于本发明实施例的ADD模块的第二实施例的原理图；以
及
图13是用于本发明实施例的ADD模块的第三实施例的原理图。 简介
因为如下讨论的原因，看上去来自微镜边缘的衍射是已知在衰减中 的"兔子耳朵"的旁瓣的来源。不限于任何特殊理论，相信由衍射引起 的空间通带非均匀性在衰减期间进入了输出端口。改变微镜边缘或者在 边缘上制作图样可以改变衍射引起的通带非均匀性的方向和輻度。另外， 在使用光栅来把信号分离成组分光信道的WSS系统中，光栅具有对于入射
角变化的效率，使其能过滤或减少通带非均匀性。也可以把微镜边缘变 化引起的通带非均匀性导出系统清洁孔径。也可以用正确的配置输出光 纤的接收角来消除通带非均匀性。也可以用空间滤波系统来消除通带非
均匀性。还可以用让微镜单独绕其切换轴旋转或者与微镜绕其衰减轴的 旋转相结合来减小或消除通带非均匀性。
在上面的观点中，可以用l)修改信道微镜的边缘外形；2)用正确选 择光栅的布拉格宽度的有效滤波；3)在傅立叶变换平面上的空间滤波； 4)让微镜单独绕其切换轴旋转或者与绕其衰减轴的旋转相结合，或者这 些方法的组合来减小光通带中的旁瓣。
具体实施例方式
本发明实施例特别地用于波长选择开关(wss)，所述波长选择开关
用于例如可重构光上下路复用器(R0ADMs)中，以允许动态网络重构和 使多波长(多信道)光信号的单个光谱信道的功率或衰减的管理成为可 能，以便可以从网络容易地上路或下路信号。配置这样的开关的一个或 多个元件来减少由于用于把光信号从一个端口切换到另一个的微镜的边 缘上的衍射导致的通带非均匀性。然而下面将说明，这只是本发明的一 个用途。
图1是根据本发明实施例说明波长选择开关100的部分结构的简 图。把具有如图所示结构的一个或多个波长选择开关配置成上路或下路 模块，可以结合在例如波分复用(WDM)光网络节点中的ROADM中。如图 所示，WSS100可以包括光纤准直仪阵列102，提供用于由多个光纤104 输入和输出WSS的光信号的多个输入输出端口。输入和输出端口包括特 快端口 (express port)。特快端口就是用于大部分光透射通过WSS的端 口。光纤准直仪阵列102可以包括多个单个光纤耦合准直仪，每个和如 图所示的光纤相连接，并将在结合例如图11A、 11B、 11C、 12和13 中详细描述。WSS100还包括端口镜阵列106,包括例如MEMS微镜(例如， 如图所示)的端口微镜的阵列、光束扩束器和中继系统110，优选地是 衍射光栅的波长分离器112，聚束光学器件116以及信道微镜阵列118， 优化地如图l所示的排列。如下所述，可以配置WSS的元件，例如准直 仪阵列102、端口微镜阵列106、光束扩束器和中继系统IIO、聚束光学 器件116和信道微镜118，来减少在微镜边缘的有害的衍射效应。
作为示例而不限制本发明的范畴，波长分离器112可以是现有商业
自由空间波长分离器的任何几种。优选地，本发明实施例中的波长分离 器112是衍射光栅，但并不限于这样的光栅。合适的衍射光栅种类包括 但不限于例如全息制作的空间高频光栅的反射光栅，例如是被动光栅的 分级光栅的空间低频光栅，以及在各种聚合体中全息制作的透射光栅。 虽然优选衍射光栅，也可以替代地使用例如平面光路的其它波长分离器 来代替作为波长分离器112的衍射光栅。
可以把包括多个光谱信道的组合多波长光信号提供给光纤准直仪
阵列102的输入端口，并用端口微镜阵列106的对应端口经过光束扩束 器和中继系统110反射和对准到衍射光栅112。因为下面要解释的原因， 根据本发明的特定实施例，光束扩束器和中继系统iio是例如沿着正交 轴提供不同放大率的棱镜的失真系统。衍射光栅112从角度上分离多波 长光信号的组分光谱信道，而在本例中也是失真系统的远心聚焦光学器 件116把单个光谱信道聚焦成在信道微镜阵列118中对应微镜上的谱斑。 如图所示的两个这样具有中心波长入i和入j的信道分别聚焦到对应的信 道微镜120、 122上。根据由衍射光栅和聚焦光学器件引起的组合多波长 光信号的光谱信道的空间间隔，在阵列中对信道微镜进行空间排列，以 便每个信道微镜接收一个光谱信道。通过光学系统把光谱信道从微镜后 向反射到光纤准直仪阵列上。如下所述，信道微镜是单个可控的，以便 通过反射把光谱信道按照所需耦合效率或衰减导入也就是切换到所需的 光纤准直仪阵列的输出端口。
每个输出端口接收并输出任何数目的反射光谱信道。所以，通过切 换信道到一个或多个"下路"输出端口，选择性的从组合多信道信号下 路光谱信道，而包括剩余信道的多信道信号从"直通"端口输出。另外， 选择性地上路新的输入信道或者在输出端口和原光谱信道的子集相结合 来形成不同的多信道组合信号。如下所述，从多信道光信号下路信道的 WSS下路模块和插入或上路信道的WSS上路模块都可以采用如图1所示
的类似结构。
通常，在阵列118中有用于每个光谱信道的分离信道微镜。典型的 多信道WDM光信号具有例如45或96个光谱信道。所以，图1的阵列118 包括45或96个信道微镜。信道微镜优选地包括硅基微机械镜(MEMS微
镜)，并且每个微镜优选地是双轴器件，能够绕两个正交轴迸行独立的连 续的旋转运动。如下将简短详述的，这使得信道微镜可以绕第一轴旋转 以把对应的光谱信道反射到选择的输出端口，并绕正交轴旋转以控制耦 合到该输出端口的功率量。
图1的WSS还包括设置在端口微镜阵列和失真光束扩束器和中继 系统110之间的光路上的分束器124，接收从分束器反射来的光束的位
置敏感探测器(PSD) 126，以及响应PSD来的信号以控制端口微镜阵列 106的微镜的相关控制电子器件128。如下详述的，这样的结构使得来自 端口微镜的光束能和信道微镜中心对齐，而优化通带并维持ITU间隔对 齐。如下所述，控制电子器件128是例如在软件、硬件、固件或这些的 组合中可编程的，以实现双轴抖动方案。
图2说明根据本发明实施例的双轴信道微镜的典型构造。图片只表 示了多个微镜阵列118中的一对相邻双轴MEMS信道微镜130、 131。如 图中所建议，阵列的其余微镜以实质上同样的微镜间横向间隔沿着切换 轴X水平地(图中的)延伸出。阵列的所有微镜具有相同构造。每个信 道微镜包括枢轴地支撑在内部万向架134上来绕水平(图2中的)"切换" 轴Y旋转的平面反射面132的集合。万向架134枢轴地支撑在外架136 上来绕正交"衰减"轴X旋转。反射镜面132绕正交轴的轴向运动是连 续可变的，并以众所周知的方法用向控制电子器件(未示出)的相反对 施加电压来静电地执行。也可以把平面反射面放在万向架平面上的底座 上来达到高填充因子(也就是，减少相邻微镜的平面反射面边缘间的间 距)。每个信道微镜具有一个或多个实质上和衰减轴X平行的边缘区域。 通过实质上平行，意味着让边缘区域133朝向或多或少的平行于衰减轴 X。然而，在本地水平，边缘的边界或端点135不必总是朝向平行于衰减 轴。如将在接下来的讨论中明了的，在边缘区域133的光衍射能极大地 影响作为其波长的函数的光衰减。
如图2所示，信道微镜的反射镜面132具有伸长的，优选地是长方 形的形状，并以其窄边例如宽度沿着水平切换轴Y而其长边例如长度沿 着垂直衰减轴X朝向。对于这样的特殊微镜外形和关于正交轴的朝向有 着很多原因。这样的设计提供最优机械性能，提供低密度、高谐振频率
和低空气动力学互作用的微镜，以及优化例如高通带和提供精确衰减控 制的光学性能，如下所述。参考回图1，信道微镜阵列118的切换轴Y 和图l的水平面相平行，而衰减轴X伸进图平面。在图l中这也用微镜
122上光束截面140的说明原理性指出。需要让聚焦到微镜上的光谱信 道光束截面也伸长并朝向来和微镜的形状尺寸普遍地相符。优选地，已 知光束普遍地具有椭圆形状。另外，需要控制聚焦在对应的微镜上的信 道光束相对于微镜尺寸的光斑尺寸和位置，来最小化不想要的功率损耗 和最大化通带。
来自光纤准直仪阵列102的准直的输入光束通常具有圆形截面。所 以，为了在微镜上提供控制的光束形状和尺寸，把光束扩束器和中继系 统110做成失真的，也就是在X和Y方向提供不同的放大率。如图l所 示，失真的光束扩束器和中继系统110包括一系列棱镜142-145，包括 具有焦距L和f',的棱镜142和143以及具有焦距fy和f，，的棱镜144 和145。棱镜是双锥形的、圆柱形的或螺旋形的棱镜，或者其它提供具 有失真特性系统的器件。在本发明优选实施例中，衍射光栅112优选地 是选择具有高衍射效率和低偏振相关损耗的、很少或没有光束失真扩展 的透射光栅。
从衍射光栅112，用优选地失真的聚焦光学器件116把与分离的单 个光谱信道相对应的光束聚焦到信道微镜上。如图所示，聚焦光学器件 包括分别具有焦距F,Fy和F'x F'y的棱镜系统148和149。失真光束聚焦 光学器件改变来自衍射光栅的光束截面光斑尺寸和朝向，来优化如在信 道微镜上的光束截面140表明的尺寸和合适的朝向。把信道光束经过光 学系统后向反射到光纤准直仪阵列，而失真光学器件决定其在输出端口 的特性。在决定了信道微镜设计之后，可以选择失真光束扩束器和中继 系统110和失真聚焦光学器件116的光学特性来在信道微镜和输出端口 处提供具有预定尺寸、形状和特性的光谱信道光束。如下所述，通过设 计光学系统来优化在微镜上的光束截面和对齐以在很大部分上提供最优 光学性能。
这里描述的结构的意义在于提供简化的和有效的方法来管理单个 光谱信道中的功率，避免当优化光学性能时和前面已知的功率管理方法
相关联的困难和缺点。在本发明实施例中，信道微镜绕其衰减轴旋转减 小对应的光谱信道耦合效率，并导致耦合到输出端口的光的数量减少。 随着信道微镜绕衰减轴的旋转量增加，耦合持续减少直到再也没有光耦 合到输出端口 。图3A是耦合作为双轴信道微镜绕其衰减轴X旋转角度的 函数的变化曲线。当信道微镜从对应于最大耦合情况的零度角度正向或
反向旋转时， 一耦合迅速减小，以至于在近似正负2. 5度时实质上没有光
耦合进输出光纤。
图3B是类似的信道微镜绕其切换轴Y旋转的典型耦合曲线。如已 知的，对于两个曲线表明的特殊微镜设计，耦合效率作为信道微镜绕其 切换轴的旋转角度的函数比耦合效率对信道微镜绕其衰减轴的敏感近似 十倍。对于具有合理尺寸和机械性能并用于设计来在关注的波长范围例 如1550nni提供最优光学性能的光学系统的MEMS信道微镜，信道微镜绕 切换轴Y旋转的耦合效率如图3B的曲线所示。然而，如图3B的曲线所 示，该微镜耦合效率对绕切换轴Y的角度旋转的高敏感性使其很难精确 地和稳定地用这个轴控制功率水平，特别是在不理的环境状况下，例如 振动、晃动、温度变化和元件老化。相反，对如图3A所示的对衰减轴X 的耦合效率进行去敏感允许正常工作状况范围下更稳定和精确的功率水 平控制。如下面要说明的，对于如图2所示的伸长的微镜外形，从信道 微镜反射的光的耦合效率原理上由图1的失真光束扩束器和中继系统 110 (WSS)。
因为光纤对于信道微镜是共扼的，信道微镜的旋转在光纤产生光束 的角度背离，并从而产生耦合变化。因此，信道微镜的旋转在光纤产生 角度背离，并从而产生耦合变化。对于沿正交的X和Y轴分别具有不同 焦距L和fy的失真系统，在光纤的光束角度背离因此和绕正交轴的旋转 不同。信道微镜的角度旋转A 6x和A 9y在聚焦光学器件的入口孔径 (entrance aperture)上产生A 9,fx二Ax和A eyf,二Ay的光束位移 Ax和Ay。这些位移当在反向工作时通过失真扩束器传播到输出端口准 直仪，引起和放大因子Mx和My成反比的位移缩小。输出端口准直仪把 光以角度背离A 9XMll= (Ax/Mx) /fe。n和A 6一二 (Ay/My) /fMll聚 焦到输出光纤上。典型地fx和fy有10%不同，但是Mx和My能以10或更
大的因子不同。因为位移是不同的，在输出光纤上正交轴方向上的光束 角度不同。这产生对于信道微镜正交旋转轴不同的角度敏感度，如图3A
和3B所示。因此，通过正确地选择失真光学器件的放大因子，能获得衰
减轴关于正交切换轴的角度敏感度的减少，提供精确衰减控制和功率均 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，本发明实施例采用基于伺服系统的反馈控制系统来控制信 道微镜的轴。优选地可以但不必须使用同样的控制系统来控制信道微镜
和端口微镜阵列的端口微镜的正交轴。图4根据用来控制两种MEMS微镜 阵列的两个轴的本发明实施例，说明反馈控制系统160的实施例。在图 中，光模块162实质上包括图1所示波长选择开关WSS 100的光学系统。 光模块包括用于接收输入组合多信道光信号的具有输入端口 164，以及 用于输出光谱信道或其它多信道光信号的多个输出直通或下路端口 166 的下路模块。每个输出端口具有光纤光耦合器(或抽头)170，对端口上 输出的光信号功率取样一部分，例如2%。在合光器172中组合从端口输 出的光信号取样来形成输出到光纤174的组合多信道信号。把组合多信 道光信号提供给光信道监测器(OCM) 176，检测和测量每个光谱信道中 的光功率，并把该信息提供给电模块180。电模块使用功率测量来产生 正确的静电控制信号，反馈给在182的光模块以控制信道微镜绕其衰减 轴和切换轴以及端口微镜绕其X和Y轴的运动。
如图4所示，光信道监测器176包括接收来自合光器的组合多信道 光信号的准直仪190，在空间上把多信道光信号分成其组分光谱信道的 衍射光栅192，以及把空间上分离的光谱信道成像到检测每个光谱成分 的光功率水平的例如光电二极管阵列(PDA) 196的光传感器上的棱镜系 统194。 PDA196包括例如传统的光电二极管1X256或1X512阵列，在 空间上排列以使每个光谱信道由棱镜系统成像到光电二极管的预定数目 的不同集合上。把和每个光谱信道相关联的光电二极管集合的输出电压 提供给电模块180，并提供该信道的光功率测量。电模块包括例如微处 理器、存储器和固件上的信号处理程序的电子元件，用于例如处理来自 PDA的光功率测量并用于产生正确的控制信号以控制光模块162中的信
道微镜和端口微镜。
图4的反馈控制系统控制信道微镜118和端口微镜106绕其各自的 衰减轴的旋转，并管理耦合到输出端口的光信号的功率水平。绕端口微 镜衰减轴的旋转的效果是同时控制导入和特定端口微镜相关联的输出端 口的所有光谱信道的功率水平。绕信道微镜衰减轴的旋转的效果是控制
单个光谱信道的功率水平。使用控制系统160维持在每个输出端口的光
信号的预设功率水平。电模块中的存储器包括存储的对应于不同功率水
平的校准值表。把从光信道监测器的PM196输出到电模块180的表示每 个信道功率水平的电压输出和进入电模块对应于所需信道功率水平的设 置点相比较。电模块使用功率测量和设置点来产生正确的静电信号给和 各自微镜衰减轴相关联的信道微镜和端口微镜的电极。这改变光谱信道 信号到其输出端口的耦合，以及因此改变施加到信号的衰减从而改变端 口的输出功率。控制系统160的反馈环把来自PDA的信道功率测量和功 率水平设置点相比较，控制施加到相关联的信道微镜和端口微镜的衰减 电极上的静电压来驱动微镜和端口微镜达到所需功率水平的耦合。
控制系统160还继续监测工作中每个信道的输出功率水平，并连续 的调节施加到信道微镜和端口微镜电极上的电压来维持需要的衰减和功 率水平。如图3A所示，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，反馈控制系统能够甚至是在由振动、晃动和温度变化引起 的不利状况下，精确地并稳定地维持每个信道的预设功率输出水平。另 外，如将简短描述的，控制系统能设置预设功率水平，并在很宽范围上 逐信道维持。
除了控制信道微镜绕其衰减轴的运动，图4的控制系统160还控制 信道微镜绕其切换轴的旋转。电模块180使用来自光信道监测器176的 光功率测量来在单个基础上向信道微镜切换轴提供反馈控制，以维持优 化的信道耦合。这能够维持最优通带。
优选地，图4的控制系统采用交互的或"抖动"控制信号方法来控 制信道微镜绕切换轴的旋转位置，来达到并维持从输入到输出的最优耦 合。因为没有信道微镜间的互动，它们是独立的，并由电模块180中的 处理电子器件同时可控来优化各自的耦合。以余弦波形抖动每个信道微
镜的一个轴，而以同样抖动频率的正弦波形抖动正交轴。光信道监测器 检测和测量特定波长信道的抖动和信道输出功率来判定最优耦合的微镜 电压。把这些电压保存在电模块中例如闪存的存储器中，作为系统每个 端口的开环目标电压。当需要把光谱信道从一个端口切换到另 一个时， 使用存储在闪存中的目的端口的电压来初始定位在该端口的对应光谱信 道微镜。当开环切换完成时，重新启动用于寻找信道到该端口的最优峰 值耦合的反馈环和扰频。达到最优耦合对于最小化每个信道的插损和相 邻信道之间的串扰很重要。
优选地，图4的控制系统独立地和切换交替地控制信道微镜的衰减 轴和切换轴。在如上所述把信道从一个端口切换到另一个端口并且使用 扰频优化了耦合之后，控制系统然后把控制模式切换到直接电压反馈环， 例如如上所述用来控制所需功率水平的信道微镜的衰减轴。控制系统优 选地不使用抖动方法来控制微镜衰减轴，因为当微镜远离最优耦合旋转 运动时抖动幅度增加，可能产生不稳定性。
优选地，抖动频率是例如从100Hz到250Hz范围中的低频频率，并 且优选地具有足以在光功率上产生例如0. 5% (0. 02dB)量级的小变化的 幅度。当信道耦合不是最优时，会以和扰频同样的频率调制光。然而当 达到最优耦合时，会以扰频频率的两倍调制光。电模块180的处理电子 器件同步解调由光信道监测器在信道功率水平信号上产生的幅度变化。 当出现扰频频率时，电子器件产生直流控制电压给切换轴电极来把信道 微镜移动到最优耦合点，在该点来自光信道监测器的信号只包括两倍于 扰频的调制。
图4的控制系统的电模块实施为控制程序和算法，交替地和周期地 控制信道微镜的切换轴来最优化耦合，以及控制信道微镜的衰减轴来维 持所需的功率水平。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。如将简短描述的，电模块采用提供无划痕操作、单 个信道的完全阻断以及无损伤切换的算法。在描述这些概念之前，首先 参考图5给出根据本发明实施例管理单个光谱信道功率的方法的解释。
如上所述，微镜边缘的光衍射产生光信号衰减作为其波长函数中的 异常。图5说明了同一张图上的表示在对于不同程度衰减(插损)的对
应于五个相邻光谱信道的1550nm波带的波长区域上来自相邻信道微镜 的反射功率的三条不同曲线。用例如宽带激光器产生曲线。顶部曲线200 表示对于最优耦合和零dB衰减的来自五个信道微镜的反射功率。如图所 示，反射功率在每个信道微镜的相对很宽的波长区域上实质上是对应于 近似0. 4dB插损水平的常数。这称为通带区域，并近似对应于切换轴Y 方向上信道微镜宽度的75%。曲线200也表示在每个信道微镜之间的区 域202，其中有反射功率水平的减少。该区域称为"划痕"区域。如图5 所示，划痕区域中的功率比对应于在信道微镜中心的OdB衰减小约 2.0dB，并因此不以和反射功率从通带区域中平坦镜面减少的同样的方式 随着增加的角度旋转而减少。这用曲线206、 208进一步说明，曲线表示 通过以相对较大数量(图中近似为14dB)衰减功率水平，划痕区域比通 带区域传输更多功率。在图中由峰值206指出该划痕区域功率，图中插 损水平近似为11.0dB。峰值206表示的功率是由于来自微镜边缘的衍射。 在峰值间的通带区域208的功率水平近似为18. OdB。
如前所述，当在光通信网络上传输用波长选择开关100切换的光信 号时，峰值206 (有时称为"兔子耳朵")会带来问题。特别地，光通信 网络经常用光放大器来补偿当光信号通过网络的不同元件时遇到的信号 衰减。这样的光信号通常是天然宽带的，也就是它们或多或少不加选择 地放大在波长宽带上的光信号。由于如峰值206展示的"兔子耳朵"效 应，把靠近通带边缘的噪声放大到远大于来自通带中心部分的信号。这 样的高信号强度损害网络元件并减弱经过网络的信噪比。当波长选择开 关级联时问题更加恶化。
当功率水平以相对小量衰减时，"兔子耳朵"效应较不明显。例如， 图5中的中间曲线210表明，对于约4.0dB的衰减，对应于近似8.0dB
的插损，在划痕区域的功率水平近似对应于在通带区域的功率水平。这 产生接近功率水平在对应于相邻微镜的整个波长区域上实质上是常数的 "无划痕"工作条件。其特别地有优势，因为它使不需要组合任何特别 工TU间隔的任意间隔波长的传输成为可能。因此，可以用同一套信道微 镜来传输50、 100或200 GHz ITU间隔的波长，以及在粗波分复用系统 中普遍的波带。无划痕操作还在帮助优化通带和达到用于逐信道功率变
化的ITU规范上有优势。
如在图5中明显的，用控制施加到该信道的衰减量，可以单个控制 用任何特别光谱信道传输的功率水平。用绕其衰减轴把对应信道微镜旋 转需要达到所需消光比的量，可以实现光谱信道的光的完全阻断。这特 别有用，例如，对于"无损伤"信道切换，其中当把信道光束从一个端 口切换到另一个时，把从正在进行切换旋转的微镜反射的光谱信道功率 完全阻断或者减少到低水平。无损伤切换避免或最小化切换期间不想要 的光到中间端口的耦合和不需要的串扰。然而，在要求大程度衰减时，
由于在微镜边缘133衍射引起的"兔子耳朵"现象仍然引起如上所述的
严重问题。本发明实施例解决兔子耳朵现象。
如果做特定假设的话，就能理解如图5所示的边缘衍射效应。这些 假设倾向于解释问题的本质，而不意味着对本发明实施例的任何限制。 首先，如在图6A中所示，假设只要入射平面沿着平行于端点的方向，对 于在平坦光滑表面的入射光，反射角cpr等于入射角cp"第二，如在图 6B中所示，假设只要入射平面沿着平行于端点的方向，对于在边缘端点 的入射光，反射角cpr等于入射角cpi。第三，如在图6C中所示，假设光 在端点在垂直于端点方向的平面内衍射并且反射角关于入射角分布开。
已知上述假设，就能解释观察到的图5所示的"兔子耳朵行为"。 因为平面波行为，光强在镜面上以及沿着对于绕切换轴相对较小的旋转 角度的边缘快速衰减，如图7中实线衰减曲线702所示。例如，绕切换 轴约0. 1度的旋转足以引起几个dB衰减。当光束入射到镜面上时，在微 镜绕衰减轴旋转时，它倾向于相对快速地衰减，如图7中点线衰减曲线 704所示。当光束入射到镜面上平行于衰减轴的边缘附近时，微镜绕衰 减轴的旋转倾向于让信号强度明显不那么快速的衰减，如图7中虚线衰 减曲线706所示。
注意，观察到"兔子耳朵"峰值通常是不对称的，也就是一个比另 一个高。不对称性一般取决于镜子是顺时针还是逆时针绕衰减轴旋转的。 认为不对称性是因为来自平行于朝着光束稍微旋转的衰减轴的边缘的衍 射的稍微较大的面积。远离光束稍微旋转的另一边缘还具有面对光束的 稍微较小的衍射面积。
能用很多不同方法减少边缘衍射效应。例如，根据本发明特定实施 例，用信道微镜阵列和端口微镜阵列之一或两者的绕衰减轴旋转和绕切 换轴旋转的组合来影响衰减。因为绕切换轴的旋转强烈地衰减光束并对 边缘衍射相对的敏感，能以减少或者甚至消除有害的边缘衍射效应和相 关的"兔子耳朵"现象的方法来组合两个旋转。
例如可能用部分地绕衰减轴并部分地绕切换轴旋转微镜来执行衰
减。图9A-9C描述用图1所示的WSS类型对于不同切换轴和衰减轴旋转 组合的边缘衍射效应的减少的衰减对于波长变化的图表。图9A-9C的每 个包括具有调节为最优耦合的切换轴和衰减轴旋转的曲线902。作为对 比，图9A-9C的每个还包括表示只通过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"兔子耳朵"现象。图9A的曲线906A 表示因为绕切换轴B旋转(在这个情况下对应于0. 101度旋转)的8dB 衰减效果，以及因为绕衰减轴A旋转(在这个情况下对应于大约0.727 度旋转)的7dB衰减。注意在曲线906A的右侧上兔子耳朵现象减少了但
是没有完全消除掉。
图9B的曲线906B表示因为绕切换轴A旋转(在这个情况下对应于 0. 127度旋转)的8dB衰减效果，以及因为绕衰减轴B旋转(在这个情 况下对应于大约0. 672度旋转)的7dB衰减。再次地，特别是在曲线906B 的左侧上，和曲线904相比兔子耳朵现象减少了但是没有完全消除掉。
图9C的曲线906C表示因为绕切换轴A旋转(在这个情况下对应于 0. 145度旋转)的10dB衰减效果，以及因为绕衰减轴B旋转(在这个情 况下对应于大约0.562度旋转)的5dB衰减。在这个情况下，实际上己
经消除了兔子耳朵现象。
如在图9A和9B中所见，有比在相反方向旋转更多减少兔子耳朵现
象尺寸的绕衰减轴旋转的优选方向；也就是，顺时针旋转对逆时针旋转。 最佳旋转方向取决于边缘衍射和光学系统的相互作用，以及特定光谱信 道相对于系统中棱镜中心和/或末端的位置。另外，有最小化兔子耳朵现 象尺寸的绕切换轴和衰减轴(如在图9A和9B中所见)旋转优选的组合。 本发明实施例的结构足够灵活，使得可以为实现光衰减的目的选择最佳 衰减旋转方向和/或切换轴和衰减轴旋转方向的最佳组合。
在绕两个轴的混合旋转的10和15dB衰减处的数据表示，当由于绕 切换轴的衰减百分比增加时，兔子耳朵减小。当前抖动方案使用绕信道 微镜切换轴旋转来优化耦合效率，并绕衰减轴旋转来进行衰减。
然而，使用切换轴和衰减轴两者来执行衰减很大地包括使用切换轴 来优化耦合效率，因为衰减点不再靠近沿着切换轴的耦合效率曲线的峰 值。
图9D的衰减等高图说明了问题的本质。当用单独绕衰减轴旋转达 到12dB衰减并且用单独绕切换轴旋转进行优化耦合的微镜抖动时，耦合 效率结果901在耦合效率曲线中在峰值903附近变化，如上方的插图所 示。然而当用例如由绕衰减轴旋转的8dB和由绕切换轴旋转的4dB达到 12dB衰减时，用绕切换轴旋转的抖动不能优化耦合，因为衰减点离在绕 切换轴旋转的耦合效率曲线901中的峰值903太远，如下方的插图所示。
这个问题的一个解决办法是绕抖动轴et抖动微镜，所述抖动轴近似 与在衰减点固定衰减的等高线相切，如图犯所示。如果微镜运动是绕和 常数衰减等高线充分相切的轴的，抖动会接近对于绕抖动轴et旋转的衰 减曲线的峰值。所以能优化耦合。绕抖动轴et旋转微镜包括使切换轴和 衰减轴旋转互相耦合，以便微镜同时绕切换轴和衰减轴旋转。这样组合 旋转产生耦合效率907中的局部峰值905来在衰减点进行优化。用电模 块180中的硬件、固件和/或软件的正确配置产生组合旋转。
通过绕切换轴和衰减轴旋转的兔子耳朵现象的减少，很大地是选择 通过绕切换轴旋转来得到多少衰减以及通过绕衰减轴旋转来得到多少衰 减的问题。在衰减量的改变中，可以采用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方向的连续的耦合效 率信号，知道达到最大信号。然后用从那个最大的耦合点沿着有效衰减 轴en前进知道达到所需的功率水平或衰减来完成衰减。
图9F-9H说明切换轴和衰减轴旋转的不同组合的一些例子。图 9F-9H的数据是用加州圣何塞的Capella光子的WP4500模型上路模块釆 集的。微镜尺寸是近似100微米乘550微米。在图9F-9H中，曲线908 表示没有衰减。在图9F中，曲线910、 912、 914、 916和918分别表示 在用仅仅绕衰减轴旋转获得2dB、 4dB、 6dB、 8dB和10dB之后的结果。
注意在曲线910、 912、 914、 916、 918中的兔子耳朵峰值。
在图9G中，曲线920表示对于用仅绕衰减轴旋转获得2dB衰减的 通带曲线。曲线922表示对于用绕切换轴旋转获得2dB衰减并且用绕衰 减轴旋转获得2dB的总共4dB衰减的通带曲线。曲线924表示对于用绕 切换轴旋转获得2dB衰减并且用绕衰减轴旋转获得4dB的总共6dB衰减 的通带曲线。曲线926表示对于用绕切换轴旋转获得2dB衰减并且用绕 衰减轴旋转获得6dB的总共8dB衰减的通带曲线。曲线928表示对于用 绕切换轴旋转获得2dB衰减并且用绕衰减轴旋转获得8dB的总共10dB 衰减的通带曲线。注意在曲线928右手侧上的兔子耳朵峰值。
在图9H中，曲线932表示对于用仅绕切换轴旋转获得4dB衰减的 通带曲线。曲线934表示对于用绕切换轴旋转获得4dB衰减并且用绕衰 减轴旋转获得2dB的总共6dB衰减的通带曲线。曲线936表示对于用绕 切换轴旋转获得4dB衰减并且用绕衰减轴旋转获得4dB的总共8dB衰减 的通带曲线。曲线938表示对于用绕切换轴旋转获得4dB衰减并且用绕 衰减轴旋转获得6dB的总共10dB衰减的通带曲线。注意在曲线932、934、 936和938中的兔子耳朵峰值远不如在曲线922、 924、 926和928中的明显。
如从图9F-9H可见，对于这个例子，绕切换轴旋转的部分衰减表现 得需要在由于切换轴旋转的大约2dB和大约4dB衰减之间。通常需要用
切换轴来最小化衰减量，因为串扰和灵敏度的考虑。
作为串扰考虑的说明，图91表示两个不同端口的信号对于波长变 化的数据。两个端口的光信号都用由于绕切换轴旋转的4dB衰减进行了 衰减。用实线表示的第一信号942耦合到第一端口，而用虚线表示的第 二信号944耦合到第二端口 。第一曲线942和第二曲线944的重叠部分
表示串扰。虽然在光开关中一般存在一定水平的串扰，但是能接受的串 扰量不同。例如，在图91中的串扰水平是大约38dB。如果应用特定的 最大串扰是40dB，也许不能接受38dB。在图9I中，用切换轴达到4dB 衰减。为了把串扰保持在可接受的水平，有必要把切换轴衰减限制到大 约3.5dB。可以实验判定对于给定情形会工作的切换轴衰减量。
虽然传统的经常是e。轴和抖动轴et正交，本发明实施例不限于这样
的配置。实际上，绕非正交轴开关是有优势的。图10A说明波长选择开 关的等高线图，说明了这样的优点。
图10A的阴影区域说明出现兔子耳朵现象的区域。用箭头表明衰减
轴x和切换轴y。粗箭头表明作为抖动轴的旋转后的衰减轴x，和旋转后 的切换轴y'。注意在图10A中，旋转后的轴x，和y'不是正交的。有效衰 减轴沿着负向x，轴，如虚线箭头所示。
表示绕x和y轴的旋转X和Y的组合的矢量可以通过旋转矩阵A变 成表示对应的绕旋转后的轴x'和y'的旋转X'和Y':
<formula>formula see original document page 23</formula>
变化过程如下
其中
<formula>formula see original document page 23</formula>
其中i和j是表示分别绕x和y轴旋转的单位矢量。 注意，对于上面的旋转矩阵A，如果6不等于0。或90°或者某些 的整倍数(例如180° 、 270° 、 360°等等)，或者如果M不等于1， 有效衰减轴x，和抖动轴y'是非正交的。
配置微镜绕旋转后的轴x'和y'旋转，例如通过用旋转矩阵A把绕x' 和y，的旋转变换成让微镜执行绕x和y轴对应的旋转的信号来正确配置 控制电子器件128。
在旋转矩阵A中，e和M是和有效旋转轴x'相对于微镜衰减轴x的 相对角度以及有效旋转轴x'相对于抖动轴y'之间的角度相关的参数。可 以选择e和M的值来优化兔子耳朵效应的减少。放大率M是固定的，而 角度e是可变的，能调节来在开关工作中优化兔子耳朵效应的减少。M 的值近似是表示被衰减光谱信道的x轴光放大率和光谱信道的y轴光放 大率的放大率比。该比值很大程度上是在开关系统100中使用的光学器 件的函数。
用举例的方法，而不失其普遍性，可以从如图10A中所示的图中的
椭圆衰减等高线的测量来估计放大率比M的值。例如在图10A中，用数
模转换(DAC)计算的形式来测量椭圆衰减等高线的长轴和短轴。考虑到 x轴和y轴的不同比例尺，图10A中的椭圆等高线的长轴和短轴之比大 约是16。
在旋转矩阵中，如果旋转角度9是90° ， y轴变换成WM。在图10A 中，例如e二30。而M二16.0。在这种情况下，决定e二30。是需要的 平衡点，因为开环衰减点也和y轴上的等高线相切。然而，如果端口串 扰太高或者发生切换失败，就减小角度。注意在开环切换期间，把光束 切换到不是峰值的衰减态。如果关掉校准，或者正在充电，微镜位置离 鞍点非常近，并且在错误的端口捕捉到光束。在那样的情况下，建议减 小旋转角度e 。
用和衰减等高线相切的形式来定义y'轴。例如在图10A中，用和 -28dB等高线相切的线定义y'轴，如在其上的且和-28dB等高线相切的小 箭头所示。该箭头沿着y'轴朝向并表明当其维持-28dB功率控制时使用 抖动"双轴控制"的方向。垂线表明在非双轴工作期间抖动轴的方向。
由于抖动伺服和衰减伺服的天性，微镜沿着选择的衰减等高线抖 动。在选择的角度抖动点在y、0处。如果开环衰减是沿着-x'轴校准的， 可以初始地选择这个。在这种情况下，因为抖动点是y'二O，开环和闭环 平衡点是一样的。这和开环衰减沿着-x轴然后在信道伺服系统关闭时向 抖动在其垂直轴上的等高线上的点移动的现有方案形成对比。当以这种 方法选择y'轴时，实际上x'和y'不正交是幸运的。否则平衡点就要在x' 轴位于等高线的正确角度的地方。在图10A所示的情形下，这意味着平
衡点要在微镜直接朝着相邻端口的地方。
因为双轴控制工作在较小的x轴微镜旋转下，兔子耳朵比较小。然
而注意，旋转衰减轴x'正在靠近相邻端口。在两个端口之间的中途是等 高线上的局部最小值。这是不稳定的鞍点，这里伺服系统变得不稳定并 捕捉错误端口。如可见的，如果轴旋转得离鞍点太远，在伺服系统捕捉 到相邻端口之前衰减量是有限的。在这种情况下端口 l具有在端口 l和 端口 2之间的鞍点。
图10A的等高线图显示了在旋转角度和端口串扰及切换失败之间的
折衷。如果波长只出现在一个上路端口，上路模块上不会正常地发生鞍 点切换失败。甚至如果波长只出现在一个下路端口，下路模块上不会发 生鞍点。
从图IOB和图IOC可以看出微镜绕非正交轴旋转的效果。图IOB表 示插损对于波长变化的图，表示了用于减少在10dB衰减的兔子耳朵效应 的绕非正交抖动和有效衰减轴旋转的效率。为了比较的目的，第一幅图 1002表示在峰值耦合的插损。第二幅图(虚线)1004表示使用只绕衰减 轴X旋转的10dB衰减的插损。第三幅图1006表示如上面关于图10A所 述使用绕抖动轴y'和有效衰减轴x'的组合旋转类型的10dB衰减的插损。 通过使用这样的组合旋转，实际上消除了兔子耳朵现象。另外，插损的 波纹量限制在大约0. 5dB或更少。
图10C表示插损对于波长变化的图，表示了用于减少在15dB衰减
的兔子耳朵效应的绕非正交抖动和有效衰减轴旋转的效率。第一幅图 1012表示在峰值耦合的插损。第二幅图(虚线)1014表示使用只绕衰减 轴X旋转的15dB衰减的插损。注意明显的兔子耳朵旁瓣。第三幅图1016 表示使用绕抖动轴y，和有效衰减轴x'的组合旋转的15dB衰减的插损。 实际上消除了兔子耳朵现象。另外，插损的波纹量限制在大约1dB或更 少。
在本发明一些实施例中，需要使用配置来做无损伤切换的WSS。这 样的无损伤切换可以和减少由于如上所述的衍射引起的"兔子耳朵"效 应的本发明实施例相结合。用举例的方法，图11A-IIC说明在上路复用 器模块220的应用中的无损伤切换，其中把光谱信道输入到模块的一个 或多个输入端口上，并且在输出端口上路也就是组合信号。图HA-11B 通常表示图1中WSS 100的简化原理侧视图，其中为了简明略去了图1 的某些元件。
如图11A-IIB所示，上路复用器220包括具有五个输入端口和一个 输出端口的5X1装置。光纤准直仪阵列102因此包括六个准直仪，如图 所示。输出端口 222是例如如图所示的第四个准直仪端口。在图IOA中， 第一 (顶部)准直仪端口 224输入用失真光束扩束器系统110聚焦到衍 射光栅112上的光谱信道入i。衍射光栅在空间上把光谱信道入i从其它
波长信道分开，并把分离的光谱信道提供给把光谱信道聚焦到对应的信
道微镜228上的失真聚焦棱镜系统116。信道微镜绕其切换轴旋转到合
适的角度位置来把输入光谱信道、经过光学系统后向反射会输出端口
222，如图IOA所示。
以无损伤的形式把输入光谱信道、从输入端口 224切换到输出端 口 222。用无损伤切换，当信道微镜旋转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。更进一步地，对于无 损伤切换，在切换期间实质上衰减了或完全阻断了光。为了达到这个， 首先释放控制信道微镜228切换轴的伺服控制环。向信道微镜施加控制 电压来让信道微镜绕其衰减轴以阻断需要的量旋转；然后通过向切换轴 施加存储在图4的控制系统电模块存储器中的校准表中的预设的控制电 压，让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。 接下来让微镜228绕其衰减轴旋转回到正常优化耦合状态，然后重新使 控制切换轴的伺服控制环控制微镜来达到最优的耦合效率。
图IIC在原理上说明把光从输入端口 224切换到输出端口 222的过 程。在图11C中的箭头240表示把输入信道衰减到阻断状态。箭头242 表示通过旋转微镜228把输入信道切换到端口 222，并表明当在输入端 口 224和输出端口 222之间切换光时，没有光耦合到中间端口 230和232。 箭头244表示用信道微镜绕其衰减轴旋转把光增长回正常最优耦合状 态。
图11B说明进入上路复用器端口 230的在波长入j上并被其对应的 微镜246切换到输出端口 222的第二光谱信道。该切换类似地是无损伤 的，并且以和关于图IOA的描述的类似的方式完成。因此图11B中的端 口 222输出的光信号包括在端口 224输入的入i和端口 230输入的 入,的组合。以类似的方式，可以把其它波长从其它输入/上路端口输入， 并切换到输出端口 222来形成组合多信道信号。
如图11A-IIB所示为了在输出端口从第一衰减状态切换到第二不同 的衰减状态，可以用不同方法实现光信号的控制。根据第一方法，今天 输入端口的光是最大耦合态，也就是全功率。接下来，用如图11C所示 的最大衰减的衰减轴实现从输入端口到输出端口的无损伤切换，如上所
述地把输入光束无损伤地切换到输出端口。 一旦光束到了输出端口，控 制衰减轴返回对于零衰减的全功率。然后在全功率状态下通过达到最优 耦合来优化耦合效率；通过控制信道微镜绕其衰减轴的运动来提供所需 的输出功率水平来衰减光束。
第二方法是从在输入端口的原始衰减状态直接到在输出端口的所 需衰减状态，而没有首先去衰减到最大耦合效率。这个方法使用存储在 控制系统电模块储存器中的查找表中的指定对每个信道微镜的作为绕衰 减轴旋转角度(例如静电压)函数的衰减水平的校准电压。
无损伤切换的第三且优选的方法是从输入端口的衰减状态到用绕 衰减轴旋转以最小化功率的在该端口的弱光状态。接下来，用在残留在 最小功率例如阻断状态的衰减轴进行到所需—目的端口的无损伤切换。然
后，到达目的端口后，让微镜绕衰减轴旋转来达到例如-20dB的弱光水 平而不是回到全功率；然后用信道微镜的切换轴(以及优选地，还用将 要简短描述的方法用如图1所示的对应的端口微镜106)优化在弱光水 平的耦合效率。然后，到达最优耦合效率后，让信道微镜绕其衰减轴旋 转到所需的功率水平。
除了用控制信道微镜绕其切换轴旋转来控制耦合效率之外，还需要 控制把每个信道光谱光束聚焦到其对应的信道微镜的位置。为了提供高 通带和高数据传输速率，要把信道中心波长和信道微镜的中心对齐。其
它信道的中心波长要类似地和其对应的微镜中心对齐。nu间隔规范指
定信道间距，然后根据输入多信道光信号的ITU间隔间距把信道微镜在 阵列中间隔开。因此需要维持ITU对齐，以便所有信道的中心波长保持
位于其对应的微镜的中心来最大化系统通带。
配置如上所述结合本发明实施例的WSS系统来建立和维持不利工作
条件下的ITU对齐。如前所述，图1的WSS IOO包括位于端口微镜阵列 106间的光束通路上的分束器124，以及失真光束扩束器和中继系统110。 把例如来自发光二极管(未示出)的1310nm波长参考光在光纤准直仪阵 列的输入端口处耦合进组合多波长光系统。可以形成分束器来优先地把 1310nm波长光束反射到PSD126并把例如在C波段的光谱信道波长直通 到失真系统110。 PSD包括以4象限光电探测器形式排列的光电池阵列，
也就是"四方电池(quad cell)"。从分束器反射到PSD上的1310nm参 考光引起用在PSD每个象限的电压电位，用于判定参考光束射到PSD上 的形心(centroid)位置。用形心位置来判定光束的对准。
输入准直仪102点的方向作为温度的函数而变化，引起输入光谱光 束聚,到微镜上的位置背离微镜中心，产生ITU未对齐和信道通带变窄。 另外/其它热机械效应引起衍射光栅角度、信道微镜位置以及光器件焦 距变化。每个这些效应也都能导致ITU未对齐和通带变窄。为了补偿ITU 未对齐，旋转端口微镜来把信道中心波长重新和信道微镜中心对齐。
在如图1所示的WSS实施例中，端口微镜的角度位置传播到远心聚 焦光学器件的入口孔径上，而在远心光学系统输入由于在端口微镜位置 的变化引起的角度变化变换成在焦平面上光斑位置的变化。从而端口微 镜旋转引起了信道扫过其相关的信道微镜。当信道中心波长和信道微镜 中心对齐时，对应于ITU对齐，从分束器124反射来的参考光束会在预 定位置入射到PSD。把由PSD四个象限产生的表示光束对齐的电压和存 储在控制电子器件128存储器中的预设参考电压相比较，控制电子器件 用所述参考电压作为控制端口微镜来使光束位于信道微镜中心的反馈信 号。
如果准直仪的点或者一个或多个其它前面描述的元件因为例如系 统温度变化而发生变化，需要新的端口微镜角度和PSD上的参考光束位 置(xl，yl)来维持工TU对齐。因此，对所需的PSD光斑位置作为温度的 函数产生一套校准点来维持ITU对齐，并且校准点存储在控制电子器件 128存储器的表格中。在WSS模块中放置温度传感器来监测温度变化， 把温度信息和来自校准表的设置点信息提供给控制电子器件中的前馈伺 服系统来控制阵列的所有端口微镜以维持ITU对齐。为了计算由于滞后 作用的变化，例如可以对于增加的和减小的温度情况把校准信息存储在 表格中。
本发明实施例结构的另一个优点是，提供巩固在ADD模块各种输入 或直通端口上或者DROP模块输出和下路端口上的波长分布的能力，例如 图IIA-IIB中所示(或在图12和13中将简短描述)。通过在从端口微镜 反射来的光信号上使用小幅度、低频率抖动调制，同时例如通过引起端
口微镜的小幅度抖动旋转以及在图4的反馈控制系统中检测调制，来实 现波长辨别。
可以在端口微镜的任何一个旋转轴上维持抖动。抖动调制和由该端 口微镜反射的特定输出或直通端口相关的光信号。调制在信号中优选地
产生在图4光信道功率监测器的光电二极管阵列196的像素上近似 0.05dB量级的功率波动。把该功率波动转换成电信号并提供给电模块 180中的控制软件来表明端口微镜进行抖动旋转的导入到输出端口或直 通端口的光信号波长。和用光信号传输的通信信号相比，端口微镜的抖 动频率优选地是低频(近似为100到200Hz)，以便不引起显著的噪声或 破坏。
在典型的环形网中，同时有几个波长选择开关模块在工作。如果环 网中的每个波长选择开关模块使用同样的扰频来表示直通过端口的波 长，会在通信信号中扰频上出现明显的噪声累积。因为，需要给环网中 每个模块使用不同的扰频。为了实现这个，给每个WSS模块分配独特的 扰频，优选地一个至少和环网中其它WSS模块的有5Hz差别。频率分配 过程可以是自动的，例如用对已经使用中的扰频执行电子搜索，然后分 配没有在使用中的频率。
图11A-11B中所示的上路模块220的5X1 (NXM)结构是典型的 ADD模块，其中具有中心波长人，到入 的光信道信号通过N个输入和上路 端口以任何组合进入，并且通过一个(M=l)输出端口退出。没有对在 该结构中输入和上路端口 (N)数量或者波长数量的理论限制。然而，有 个限制是特定波长入i只能从一个端口进入。多个入可以从输入或上路端 口进入，只要这些X互相不同。
图12是说明突破前述限制的上路模块300另一个实施例的简图。
(多个微镜在纸面里面。)如图所示，本实施例是具有5个输入或上路端 口 (IN1-IN5)和5个输出端口的5X1和1X5模块，排列端口使得技术 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，在这样的排列中，除了底部
(图中的)端口 0UT310之外的所有端口都是"暗"端口，意味着到这些 端口的光消失了。图12的配置的优点是允许特定波长入i的光信道从输
入或上路端口中的多个端口进入。然而，只有其中一个波长、的信道会
通过OUT端口 310退出。这是因为和波长A i相关联的信道微镜312决定 了反射光束的方向。这继而决定了波长入i会从哪个输出端口退出。所有 其它波长Aj从其它一些暗输出端口退出或退出到自由空间。例如，通过 端口 303进入的第二波长Aj信号由信道微镜312导入到端口 308。图12 所示的配置具有很多光通信系统中的应用，例如需要把多个输入波长组 组合到一起来形成单个输出波长组而没有任何相同的波长。
图13说明和在图12中所示上路模块300的实施例功能近似的5 X 1 上路模块340的另一个实施例。上路模块340包括5个输入或上路端口 341-345以及l个输出(OUT)端口 346。有和上路(ADD)模块300类似 的优点，特定波长入，的光信道能从输入或上路端口 341-345中的多个端 口进入。然而，依赖于和波长入i相关的信道微镜348的角度，只有其中 一个进入的波长入i的信道会通过OUT端口 346退出。所有其它进入的波 长入j会退出到自由空间。前面图12和13中的两个上路模块结构的主要 区别是物理设计不同。两者的操作实质上是一样的。
在图4反馈控制系统中所示的WSS光模块162是典型的具有一个输 入端口和多个输出或下路端口的下路模块。在DROP模块中，如图4所示， 用从每个输出或下路端口的外出光纤的光百分比取样，以及如前所述在 控制系统中使用取样来测量和控制每个信道的光功率以获得所需功率水 平，如图所示，实现输出光信道的功率管理。
在上路模块的情况中，如在图11A-IIC和图12-13中所示，还可以
采用如前所述的同样的信道对齐和输出信道功率水平控制方法。然而， 在上路模块中，可以对进入输入或上路端口的光信道施加额外的功率管 理。用从进入每个输入或上路端口的光谱信道的光百分比取样，如关于 图4描述的同样方法把取样组合成组合多信道信号，以及把组合光信号 提供给光信道监测器和控制系统，例如前面关于图4描述的那样，来控 制信道微镜以得到所需的输入光信号功率水平。
对于上路模块，可以用两个不同方法之一实现输入输出信道的功率 水平控制。 一个方法采用分立光信道监测器， 一个用于输入和上路光纤 光功率，而另一个用于输出和下路光纤的光。如图4所示和描述的，两
个信道监测器可以实质上是一样的，并采用同一个或分立的电模块来控 制信道微镜的衰减轴。这允许输入和输出光谱信道两者的同时监测和功 率控制。
第二个方法是采用例如合光器172的分立合光器， 一个用于输入或
上路信道而另一个用于输出或下路信道，1X2开关，用来从输入或输出 合光器选择组合信号，以及单个光信道监测器和电模块，根据开关位置 监测和控制输入光或输出光。如果寻找特别的衰减水平，则监测输入光 和直通光，而如果要特别的功率水平，则监测输出光。
根据本发明某些实施例，在上路和下路模块中为了 ITU间隔对齐维 持信道光束位于其相关的信道微镜中心的方法和前面关于图1描述的相 类似。在上路模块中，把参考光注入(组合到)来自一个输入光纤的输 入光，并聚焦到单个四方电池，如前所述。然而，因为其它上路端口也 包括其它输入光谱信道，对于在和上路端口相关联的端口微镜阵列中用 绕每个微镜的一个或两个轴的旋转校准量可以补偿这些光谱信道中的任 何对齐变化。也就是说，和上路端口相关联的端口微镜阵列中的微镜从 属于和输入端口相关联的端口微镜阵列中的微镜，以便基于输入端口控 制一起控制所有输入和上路端口 。
综上所述，可见根据本发明实施例的可重构光上下路系统和方法提 供具有很多优点的简化的和集成的结构。其中，这些包括有效、灵活和 高度精确的在逐信道基础上的单个光谱信道功率管理；避免对中间信道 串扰和干扰的无损伤信道切换；使跨信道精确功率管理成为可能的无划 痕工作以及在不同波长间隔间距的工作；导致高通带和nu信道对齐的 光学特性优化；以及例如微镜的模块和元件的最优机械性能。
尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但 本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明 的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改 变。
尽管上述包括本发明优选实施例的完整描述，可以使用各种替换、 修改和等价物。因此，本发明的范围不应该由参考以上描述来确定，代 替地，应该参考所附权利要求及其等价物的全部范围来确定。不管优选
还是非优选的任意特征可以与任意其他优选或非优选的特征组合使用， 单个数量不排除多个这种术语，除非另有声明。所附权利要求不应该解 释为包括装置+功能的限制，除非这种限制使用"用于...的装置"在给 定权利要求中明确地说明。
权利要求
1. 一种光学设备，用于切换具有不同波长光谱信道的多信道光信号，包括多个输入和输出端口，用于具有一个或多个所述光谱信道的光信号；光束扩束器和中继系统，适合于从一个或多个输入端口接收光信号，形成失真系统来把光信号转换成具有预定伸长束截面的光谱光束；波长分离器，用于在空间上把光谱光束分离成组分光谱信道；以及信道微镜阵列，将所述阵列的每个信道微镜设置为用于接收所述组分光谱信道之一，所述微镜绕切换轴y可旋转，来把一个光谱信道切换到所选择的输出端口；其中每个信道微镜绕衰减轴x可旋转，来改变所述的一个光谱信道和所选择的输出端口的耦合以控制在所述选择的端口上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同时绕切换轴y和衰减轴x旋转而相对于抖动轴y’进行抖动，所述抖动轴y’实质上与常数衰减的等高线相切，其中抖动轴和有效衰减轴是非正交的，以及其中每个信道微镜配置为通过绕切换轴y和衰减轴x的旋转组合，相对于有效衰减轴x’旋转微镜来衰减功率水平，其中绕抖动轴y’和有效衰减轴x’旋转微镜减小了由于来自一个或多个微镜边缘的光谱光束衍射引起的设备通带非均匀衰减，其中所述边缘实质上和衰减轴平行。
2. 如权利要求1所述的设备，其中绕抖动轴y'和有效衰减轴x'的旋转通过如下的旋转矩阵A与绕切换轴y和衰减轴x的旋转相关cos^ —Msin夕 |_(sin6)/M cos6>其中e是不等于0。或90°或者90°的整倍数的角度，并且M不等于l。
3. 如权利要求2所述的设备，其中M的值是所述一个光谱信道的x 轴光放大率和y轴光放大率之比。
4. 如权利要求1所述的设备，其中所述光器件包括配置失真系统，所述失真系统配置用于把光信号变换成具有预定伸长束截面的光谱光 束。
5. 如权利要求1所述的设备，还包括双轴端口微镜阵列，用于维持 耦合到每个端口的最优耦合效率以及维持最优ITU间隔对齐。
6. 如权利要求1所述的设备，还包括用来实现光谱信道的无损伤切 换的装置。
7. 如权利要求6所述的设备，其中用来实现无损伤切换的装置包括 在切换期间用于实质上衰减或阻断一个或多个光谱光束的装置。
8. 如权利要求7所述的设备，其中在切换期间用于实质上衰减或阻 断一个或多个光谱光束的装置包括用于释放控制信道微镜切换轴的伺服控制环的装置；控制电子器件，当释放了伺服控制环时，适于向信道微镜施加控制 电压来让微镜绕其衰减轴旋转用于阻断所需的量；用于让所述信道微镜绕其切换轴旋转以把输入光谱信道反射到第 一输出端口的装置；用于让所述微镜绕其衰减轴旋转回到正常最优耦合情形的装置，以及用于重新让伺服控制环控制切换轴以控制微镜达到最优耦合效率 的装置。
9. 一种优化光学设备中通带的方法，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组分光谱信道的多信道光信号的光信号，包括在空间上把来自输入端口之一的所述多信道光信号分离成与组分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多个选择的输出端口；以及通过绕切换轴y和衰减轴x的组合旋转，相对于抖动轴y'抖动特定 信道微镜，所述抖动轴y'实质上与常数衰减的等高线相切，以及 利用绕切换轴y和衰减轴X的组合旋转,通过相对于有效衰减轴X'旋转特定信道微镜来衰减功率水平，其中抖动轴y'和有效衰减轴x'是非正交的，其中绕抖动轴y'和有效衰减轴x'旋转特定微镜减小了由于来自一个 或多个微镜边缘的光谱光束衍射引起的设备通带非均匀衰减，其中所述 边缘实质上和衰减轴平行。
10. 如权利要求9的方法，其中绕抖动轴y'和有效衰减轴x'的旋转 通过如下的旋转矩阵A与绕切换轴y和衰减轴x的旋转相关<formula>formula see original document page 4</formula>其中e是不等于0。或90°或者90°的整倍数的角度，并且M不等于l。
11. 如权利要求10的方法，其中M的值是所述光谱信道的x轴光放大率和y轴光放大率之比。
12. 如权利要求9的方法，其中选择绕切换轴x和衰减轴y旋转的 组合，使得所得到的插损表现为相对于峰值耦合插损大约10dB的衰减和 大约O. 5dB或更少的波纹。
13. 如权利要求9的方法，其中选择绕切换轴x和衰减轴y的旋转 组合，使得所得到的插损表现为相对于峰值耦合插损大约15dB的衰减和 大约ldB或更少的波纹。
14. 如权利要求9的方法，还包括用光学设备实现无损伤切换。
15. 如权利要求14的方法，其中实现无损伤切换包括在从输入端口 到输出端口的一个或多个光谱信道的切换期间实质上衰减或阻断一个或 多个光谱光束。
16 .如权利要求15的方法，其中在切换期间实质上衰减或阻断一个或多个光谱光束包括释放控制信道微镜切换轴的伺服控制环；当释放了伺服控制环时，让微镜绕其衰减轴旋转用于阻断所需的 让信道微镜绕其切换轴旋转以将输入光谱信道反射到第一输出端 让微镜绕其衰减轴旋转回到正常最优耦合情形；以及 重新让伺服控制环控制切换轴，以控制所述微镜实现最优耦合效
全文摘要
为了优化波长选择开关中的通带，减少了来自微镜边缘的光谱波束的衍射效应。可以用微镜相对衰减轴和切换轴两者的旋转以达到所需衰减来减少通带的衍射效应。可以通过在和使用同时绕切换轴和衰减轴旋转而相对于抖动轴抖动微镜来得到峰值耦合，所述抖动轴实质上与常数衰减的等高线相切。通过由绕切换轴和衰减轴的旋转组合，使信道微镜绕和抖动轴不正交的有效衰减轴旋转来衰减光谱信道的功率水平。
文档编号G02B6/30GK101384933SQ200680053185
公开日2009年3月11日 申请日期2006年11月6日 优先权日2005年12月22日
发明者布赖恩·P·特里梅因, 约瑟夫·E·戴维斯 申请人:卡佩拉光子学公司