波长路由器的制作方法

专利名称：波长路由器的制作方法
相关申请的互相参考本申请是1999年11月16日提送的美国专利申请No.09/442,061的部分继续继续，该申请的全部公开内容(包括附件和附录)在此引用以服务于所有目的。
因特网和数据通信在全球导致了对带宽的爆炸性需求。目前光纤通信系统采用了一种称之为密集波分复用(DWDM)的比较新的技术来扩展新的和已有的光纤系统的容量，以帮助满足该需求。在DWDM中，多个光波长同时通过单条光纤传送信息。每个波长作为一个携带一个数据流的独立频道工作。光纤的运载容量被所用DWDM频道的数目倍乘。现今使用多达80个频道的DWDM系统已可从许多制造商处购得，他们允许今后还可达到更多的频道。
在所有通信网络中，都需要把每个频道(或电路)连接到每个相应的目的点，例如一个终端用户或另一个网络上去。执行这种功能的系统称为互连器。此外，还需要在一个中间点处加入(上路)或退出(下路)一些特定频道。执行这些功能的系统称为上路/下路复用器(ADM，add-drop multiplexer)。目前所有这些网络功能都由电子系统执行，典型地由一个电子SONET/SDH系统执行。然而SONET/SDH系统仅被设计成处理单个光学频道。多波长系统为了解处理许多个光学频道将需要多个并行工作的SONET/SDH系统。这使得用SONET/SDH技术来扩大DWDM网络将是困难和昂贵的。
另一种选择是全光学网络。设计工作于波长水平的光学网络通常称作“波长路由网络”或“光传输网络”(OTN)。在波长路由网络中，一条DWDM光纤中的各个波长必须是可管理的。需要用工作于波长水平的新型光子网络元件来执行互连、ADM、和其他网络切换功能。两个主要的功能是光学上路/下路复用器(DADM)和波长选择性互连器(WSXC)。
目前为了用光学技术执行波长路由功能，必须首先把光流解复用或滤波成为它的许多个别波长，每个波长位在一条相应光纤上。然后用一个通常称作光学互连器(OXC)的大型光开关阵列把每个波长导引向它的目标光纤。最后，在继续传向目标光纤之前，所有的波长必须被重新复合(复用)。这样的多重处理是复杂和十分昂贵的，而且降低了系统的可靠性和使系统的管理复杂化。OXC更是一项技术挑战。为了能充分地互连所有的波长，一个典型的40-80频道DWDM系统将需要数千个开关。具有可接受的光学性能的光机式开关对于庞大和昂贵，广泛使用时又是不可靠的。正在研究中的基于新材料的新集成固态技术距商业应用仍很遥远。
所以，业界正在积极寻找一种能实现经济而可靠的多波长数系统全光学波长路由的解决方法。
本发明的一个实施例包含了设置在输入口与上述多个输出口之间的一个自由空间光学串(optical train)以及一个路由机构。自由空间光学串可以含有一些由空气隔开的元件，或者由总体上是单块的构造。光学串中含有一个诸如衍射光栅这样的色散元件，其布局使得来自输入口的光在到达任何一个输出口之前都要两次受到色散元件的作用。路由机构包含一个或多个路由元件，它们在与光学串中其他元件合作以提供把各谱带中的一些希望子组耦合到各希望的输出口处的光路。各个路由元件的布局使得它们能在不同的谱带因第一次遇到色散元件而在空间上被分离之后截获这些谱带。
本发明包括动态(切换)的实施例和静态的实施例。在动态实施例中，路由机构包含一个或多个其状态可现场动态地改变以实现切换的路由元件。在静态实施例中，路由元件在其制造时已被构形好，或者按希望在正常工作时其构形能保持长期不变的要求来构形。
在最一般的情形中，谱带的任何子组，包括零组(无任何谱带)和整组谱带，都可以被导向任何一个输出口。但是，不要求本发明能提供每种可能的路由。此外，一般地说，对于谱带数目是否需要大于或小于输出口数目是没有限制的。
在本发明的某些实施例中，路由机构包含一个或多个后向反射器(retroreflector)，它们中每一个的设置都使得能截获第一次遇到色散元件后的一个相应谱带并使光在经过一个可控的横向偏移后反方向地传播。在另外一些实施例中，路由机构包含一个或多个可倾斜反射镜，它们中的每一个都可以对一个谱带光以一个可控的角偏移进行重新导向。有许多种方法能实现后向反射器，包括可移动屋脊型棱镜或含有固定和可旋转反射镜的子组件。
在某些实施例中，光束在遇到色散元件之前被准直，从而使每个离开色散元件的谱带都是一个其传播方向角度随波长改变的准直光束。然后这些经色散的光束被重新聚焦到它们相应的路由元件上，并按照各个路由元件的配置所确定的方式被导引回来，使得在离开输出口之前再次遇到光学串中的相同元件和色散元件。本发明的一些实施例利用了柱面透镜，另一些实施例利用了球面透镜。在某些实施例中，光焦度和色散作用被结合在单个元件上，例如结合在一个计算机生成的全息图上。
希望本发明的实施例被构形成能使得每个被导引的频道都有一个以具有比较平坦的顶部的带形为特征的光谱传递函数。通过把色散元件设计成具有比各个路由元件的光谱接纳范围更细的分辨率，便能实现这样的传送函数。在许多感兴趣的情形中，各路由元件的尺寸和间隔被设计得能截获那些以规则间隔分开的谱带。这些谱带比谱带间隔窄，并且色散元件的分辨率明显地细于谱带间隔。
根据本发明的一些其他方面，可以利用波长路由器以各种可以称作背对背或者反向面对结构的形式构筑出光学上路/下路复用器(OADM)，波长选择性互连器(WSXC)，以及下路和重复(drop-and-repeat)OADM。每个波长路由器当处于“前向”模式时都有一个输入口和多个输出口，其功能是把输入口处的多个谱带的子组导向希望的输出口。波长路由器是可反向的，所以当处于“后向”模式时输入口变成了一个输出口，而输出口变成了一些输入口，器件的功能变成为把在后向模式时被当作为多个输入口处的光结合起来，并在现在被当作输出口的地方输出。不过，为了易于说明，在说明时不论波长路由器相对于光传送方向如何，都将认为路由器有一个输入口和多个输出口。
根据本发明一个方面的光学上路/下路复用器(OADM)包含第一和第二波长路由器，它们都有一个输入口和多个输出口。第一和第二波长路由器以背对背的构形连接。第一波长路由器的各输出口的一个第一子组与第二波长路由器的各输出口的相应的第一子组进行光通信(光耦合)，第一波长路由器的各输出口的一个第二子组提供下路功能，第二波长路由器的各输出口的相应的第二子组提供上路功能。这样，在进入第一波长路由器的输入口的光中，被选择的谱带被传送给第二波长路由器，并通过第二波长路由器的输入口输出，同时被选择的谱带则被下路从而终止传送或作进一步处理。第二波长路由器的输出口能够作为传送起点接收一些谱带，这些谱带被与那些从第一波长路由器传送给第二波长路由器的谱带相结合，而结合的光则从第二波长路由器的输入口输出。
根据本发明的一个方面的一种波长选择性互连器(WSXC)包含以背对背方式连接的第一和第二波长路由器以及以背对背方式连接的第三和第四波长路由器。光将从第一和第三波长路由器的输入口进入，从第三和第四波长路由器的输入口输出。每个波长路由器的输出口都包含了称之为直通口(through port)和交换口的输出口。
第一与第二波长路由器的直通口之间互相有光通信(光耦合)，第三与第四波光路由器的直通口之间也互相有光通信。第一和第三波长路由器的交换口分别与第四和第二波长路由器的交换口有光通信。这样，进入第一和第三波长路由器的输入口中的谱带的一个第一选择子组将分别被传送到第二和第四波长路由器的输入口并从那里输出，而进入第一和第三波长路由器的输入口的谱带中的一个第二选择子组则将被交换，并分别从第四和第二波长路由器的输入口输出。
根据本发明一个方面的一种保护开关结构包括以背对背形式连接的第一和第二波长路由器以及以背对背形式连接的第三和第四波长路由器。以一个方向传播的光从第一波长路由器的输入口进入，并从第二波长路由器的输入口输出。沿反方向传播的光从第四波长路由器的输入口进入，并从第三波长路由器的输入口输出。每个波长路由器的输出口都包含称为直通口和环返口(loopback port)的输出口。
第一与第二波长路由器的直通口互相有光通信，第三与第四波长路由器的直通口也互相有光通信。第一和第四波长路由器的环返口分别与第三和第二波长路由器的环返口有光通信。这样，进入第一和第四波长路由器的输入口的谱带的一个第一选择子组将分别被传送到第二和第三波长路由器的输入口，而进入第一和第四波长路由器的输入口的谱带的一个第二选择子组将被环返，并分别从第三和第二波长路由器的输入口输出。
根据本发明一个方面的一种下路和重复OADM包含一个OADM并加上例如分路耦合器或分束器这样的带有一个输入口和第一、第二输出口的分束元件，还包含一个例如具有第一、第二输入口和一个输出口的光耦合器或合路器这样的合路元件。分束元件的输入口与OADM的下路口有光通信，分束元件的第一输出口与合路元件的第一输入口有光通信，合路元件的输出口与OADM的上路口有光通信。分束元件的第二输出口和合路元件的第二输入口定义了下路和重复OADM的下路口和上路口。
根据本发明一个方面的一种下路和重复OADM包含一个含有第一和第二输入口以及第一和第二输出口的WSXC，再加上一个诸如具有一个输入口及第一和第二输出口的分路耦合器或分束器这样的分束元件以及一个例如具有第一和第二输入口及一个输出口的光学耦合器或合路器这样的合路元件。分束元件的输入口与WSXC的第二输出口有光通信，分束元件的第一输出口与合路元件的第一输入口有光通信，合路元件的输出口与WSXC的第二输入口有光通信。分束元件的第二输出口和合路元件的第二输入口定义了下路和重复OADM的下路口和上路口。
对本发明的特性和优点的进一步理解可以通过参考本说明书的其余部分和附图来实现。
图4C和4D分别是被制作成单个单元的屋脊型棱镜阵列的侧视和顶视图；图5A示出适用于本发明各实施例的基于可移动反射镜的后向反射器的一种实现方式；图5B和5C分别是适用于本发明各实施例的基于微反射镜的后向反射器阵列的一种实现方式的侧视和顶视图；图5D是基于微反射镜的后向反射器阵列的另一种实现的侧视图；图6A和6B分别是根据本发明一个利用柱面聚焦元件的实施例的一种波长路由器的顶视和侧视示意图；图7A和7B分别是根据本发明另一个利用柱面聚焦元件的实施例的一种波长路由器的顶视和侧视示意图；图8A和8B分别是根据本发明一个柱面光焦度和色散作用结合成单个元件的实施例的一种波长路由器的顶视和侧视示意图；图9A和9B分别是根据本发明一个把柱面光焦度和色散作用结合成单个元件的实施例的一种波长路由器的顶视和侧视示意图；

图10A和10B分别是根据本发明一个利用棱镜作为色散元件的实施例的一种波长路由器的顶视和侧视示意图；图11示出波长路由器的一个代表性控制系统；图12A示出一种优选的谱带形状；
图12B和12C示出图1A中一个代表性路径的路程长度差；图13是说明通过结合两个波长路由器来得到一个光学上路/下路复用器(OADM)的原理图；图14是说明通过结合4个波长路由器来得到一个波长选择性互连器(WSXC)的原理图；图15是说明通过结合4个波长路由器来提供在一个光学复用区中共享的保护环(OMSSP环)光学网络中的保护开关的原理图；以及图16和17分别是说明基于图13的OADM和基于图14的WSXC的下路和重复OADM的实施例的原理图。
一些特定实施例的说明引言下面的说明给出了根据本发明的全光学波长路由器的一些实施例。本发明的实施例可以应用于诸如光学上路/下路复用器(OADM)和波长选择性互连器(WSXC)等网络元件以达到光学网络系统的目标。
波长路由器的一般功能是在一个输入口接收含有多个(例如N个)谱带的光，并有选择地把各谱带中的一些子组导引到多个(例如M个)输出口中的一些输出口处。大多数的讨论将针对动态(可切换)的实施例，其中的路由机构含有一个或多个其状态可被现场动态改变以实现切换的路由元件。本发明也包括了一些静态的实施例，其中的路由元件在制作时已被构形好，或者是在希望于长期正常工作期间保持构形不变的要求下予以构形的。
本发明的实施例包含一个诸如衍射光栅或棱镜这样的色散元件，它能使入射光偏转一个与波长有关的量。被偏转的光的不同部分将被一些不同的路由元件截获。虽然入射光可能具有连续的光谱，但连续光谱中的各个相邻光谱段可被认为是一些不同的谱带，通常希望入射光的光谱包含了多个分开的谱带。
术语“输入口”和“输出口”具有广义的含义。最广义地说，一个“口”的定义是光进入或离开系统的那个点。例如，输入(或输出)口可以是一个光源(或探测器)的位置，或者是一个输入光纤的下游端点(或一个输出光纤的上游端点)。在一些特定实施例中，“口”位置处的结构可以包含一个接纳光纤的光纤连接器或者一个光纤的尾端，该光纤尾的另一端被连接到外部元件上。大多数实施例希望当光通过输入口进入波长路由器后将发散，当光接近输出口时将在波长路由器内部会聚。不过这并不是必要的。
国际通信联合会(ITU)定义了一个标准的波长划分栅格，它包含一个中心在193100GHz的频带和193100GHz前后每隔100GHz的另外频带。这对应于中心波长约为1550nm的间隔约为0.8mm的一些波长段。应该理解，上述栅格在频率上是均匀的，但在波长上只是近似均匀的。本发明的实施例最好对应于ITU栅格来设计，但25GHz和50GHz这种更窄的频率间隔(对应的的波长间隔约为0.2和0.4nm)也是感兴趣的。
ITU还定义了标准的数据调制率。OC-48对应于约2.5GHz(实际为2.488GHz)，OC-192约对应于10GHz，OC-768约对应于40GHz的调制率。未调制的激光带宽为10-15GHz量级。在目前的实践中，数据率是足够地低的(例如100GHz频道间隔下的OC-192)，使得调制信号的带宽典型地要比频带间隔小得多。这样，只利用了频道容量的一部分。不过如果试图利用更多的可用带宽(例如100GHz频道间隔下的OC-768)，则将引起关于频道自身谱带形状的问题。下面将说明解决这些问题的技术。利用球面聚焦元件的实施例图1A、1B和1C分别是根据本发明一个实施例的一个波长路由器10的顶视、侧视、和端视示意图。波长路由器10的一般功能是在一个输入口12处接收含有多个(例如N个)谱带的光，并有选择地把各谱带的一些子组导引到多个(例如M个)标记为15(1，…，M)的输出口中的一些希望输出口上。如图1C的端视图所示，各输出口沿一条直线17布置，这条直线大体垂直于图1A的顶视面。图中示出输入和输出口各自与它们相应的输入和输出光纤相通信，但应该理解，输入口也可以直接从一个光源接收光，输出口也可以直接与光探测器耦合。这些图不是按尺寸比例画出的。
从输入口12进入波长路由器10的光形成一个发散光束18，它包含了各种不同的谱带。光束18被一个透镜20准直并被导向一个反射衍射光栅25。光栅25使光色散，从而不同波长的准直光束被以不同的角度导引回向透镜20。图中明确地示出了其中两个光束，并用26和26’表示(后者以虚线画出)。由于这些准直光束以不同的角度射向透镜，它们将被聚焦到一个横向焦平面中的一些沿直线27排列的不同点上。直线27位在图1A的顶视面中。
这些聚焦的光束将分别遇到位于焦平面附近的多个后向反射器30(1，…，N)中的相应反射器。这些光束将以发散光束的形式被导引回到透镜20。如下面将详细说明的，每个后向反射器都会使其截获的那个光束以反方向的路径传播，同时可能在垂直于直线27的方向上发生位移。较具体地说，这些光束将分别沿着一些大体上平行于图1B侧视图和图1C端视图中的直线17的直线35(1，…，N)发生位移。
在所示的具体实施例中，每个光束的位移是通过沿着相应后向反射器的直线35(i)移动该反射器的位置来实现的。在下面将说明的其他实施例中，光束位移通过对后向反射器进行重新构形来实现。应该指出，图中示出的后向反射器位于图1C平面内的输出口的上方，但这并不是必要的；对于光栅或其他元件的不同取向情况，可能出现其他的相对位置关系。
从后向反射器返回的光束被透镜20准直，并再次被导向光栅25。光栅25的第二次作用是消除不同光束之间的角度分离。不过，由于每个光栅可能被其相应的后向反射器造成了位移，因此这些光束有可能被聚焦到直线17的不同点上。于是，取决于各后向反射器的位置，每个光束被导引到输出口15(1，…，M)中的某个口上。
总之，每个谱带都经历了这样的过程被准直，射向光栅并以一个与波长有关的角度离开光栅，被聚焦到与其对应的后向反射器上并被该反射器位移一个希望的量，被再次准直，再次射入光栅并被光栅抵消原先的色散，然后被聚焦到那个对应于后向反射器所施加的位移量的输出口上。在上述实施例中，光在输入输出口与光栅之间的区域内共通过了4次，每个方向两次。
这个实施例属于称之为自由空间实施例这种更广义的类型中的空气空间实施例类型。在下面将说明的其他自由空间实施例中，各种光束全都在一个玻璃体内传播。“自由空间”一词是指这样一个事实，即光在传播内传播时其横向尺寸不受限制，但可认为在这些横向尺寸上发生了衍射。由于与色散元件的第二次相遇实际上抵消了第一次相遇时所导入的色散，所以每个谱带都基本上无色散地离开路由器。
图1A至1C示出了一个当光束接近和离开后向反射器30(1，…，N)时截获光束的四分之一波片37。这个四分之一波片用来补偿光栅25的任何可能与偏振有关的特性。一般地说，从输入口12进入的光可能有任何偏振状态。所以，如果光栅的衍射效率对两个正交偏振态有明显差异，则波长路由器的总透过效率可能是一个与偏振态随时间变化的关系相同的时间函数，并且如果不同的谱带有不同的偏振态，则总透过效率还可能是波长的函数。图1C示意性地示出四分之一波片的轴相对于直线27倾斜了45°。后面将较详细地讨论关于四分之一波片37减小波长路由器对偏振的依赖性的机制。就目前来说，只要注意到波长路由器10的偏振依赖性可以用四分之一波片来减小就可以了。也有可能使用一个法拉弟(Faraday)旋光器来完成四分之一波片的功能。
图2A和2B分别是根据本发明一个实施例的波长路由器10’的顶视和侧视示意图。与图1A至1C相对应的元件用同样的或者带撇或带下标的代号表示。该实施例与图1A-1C实施例的差别在于，它利用了透射光栅25’和一对透镜20a和20b。因此，该实施例可以看成是图1A-1C实施例的展开形式。
从输入口12进入波长路由器10’的光形成包含了不同谱带的发散光束18。光束18遇到第一透镜20a后被准直和导向光栅25’。光栅25’使光色散，即不同波长的准直光束以不同角度出射。出射的准直光束(图中示出了其中一个)遇到第二透镜20b，被后者聚焦。各聚焦光束分别射入位于焦平面附近的多个后向反射器30(1，…，N)中的相应反射器。光束被反射并以发散光束形式返回到透镜20b，经准直后又射向光栅25’。各个光束之间的角分离被光栅25’的第二次作用消除，然后被聚焦到输出口15(1，…，M)平面上。
在该特定实施例中，输入口12、透镜20a、光栅25’、透镜20b、和后向反射器基本上是等间距排列的，并且两个透镜的焦距相同，输入口与后向反射器之间的距离为4倍(4X)焦距。这样的焦距和相对位置关系称为输入口12与后向反射器之间的“4f中继”，同样，在后向反射器与输出口之间也是“4f中继”。这种构形并非是必要的，但却是优选的。光学系统最好是远心系统。
图3是根据本发明一个实施例的波长路由器10”的顶视示意图。该实施例是一个实体玻璃实施例，其中用一个凹面反射镜40取代了第一个实施例中的透镜20(或第二个实施例中的透镜20a和20b)。因此，该实施例可认为是图1A-1C实施例的进一步折叠形式。像前面一样，从输入口12进入波长路由器10”的光形成一个包含了不同谱带的发散光束18。光束18遇到凹面反射镜40，变成准直光并被导向反射衍射光栅25。光栅25使光色散，以不同的角度把不同波长的准直光束导回反射镜40。图中分别用实线和虚线画出了其中两个光束。由于这些准直光束以不同角度射向反射镜，它们将被聚焦在横向焦平面中的不同点上。
聚焦的光束遇到位于焦平面附近的后向反射器30(1，…，N)。反方向传播的情况与上面实施例中描述的相同，沿着反方向路径传播的光束已在一个垂直于图3平面的方向上发生了位移。因此，返回路径将直接位于前向路径的下方，所以不能在图3中看到。在返回路径中，光束将遇到凹面反射镜40、反射光栅25’、和凹面反射镜40，其中最后一个相遇使光束被聚焦到各个希望的输出口处(由于这些口在输入口12下方，所以图中未示出)。基于屋脊型棱镜的后向反射器实现图4A和4B示出适用于本发明实施例的基于可移动屋脊型棱镜的后向反射器的另外实现方法。后向反射器30a和30b可以用来在上述各实施例中实现阵列30(1，…，N)。
图4A示意性地示出后向反射器30a的工作原理，通过相对于入射光束横向移动反射器30a可以使入射光束位移一个取决于反射器移动量的量。图的左侧示出后向反射器处于一个第一位置时的情况。虚线所示的是向下移动后的第二位置。图的右侧示出后向反射器移动到了第二位置时的情况，这时反射光束向下位移的量正比于反射器向下移动的量。图中示出后向反射器是一个屋脊型棱镜，其工作是基于全内反射的。也有可能把后向反射器实现为一对构成一个V字的反射镜。这种类型的后向反射器的一个特性是，尽管反射光束相对入射光束偏移了一个取决于入射光束相对于棱镜顶的偏移的量，但总的路程长度是与偏移量无关的。
图4B示意性地示出后向反射器30b的工作原理，它包含了一个屋脊型棱镜50和一对与棱镜分开一个小距离的构成V字形的上、下折射率匹配板51和52。通过有选择地使板51或52中的一个与棱镜元件50接触，便可以实现使反射光束位移。图的左侧示出棱镜元件与上板51相接触的情况，这时入射光束将进入上板并被上板和棱镜元件的下表面内反射。图的右侧示出棱镜元件与下板52相接触的情况，这时入射光束在棱镜元件的上表面发生内反射，然后进入下板，并在下板的下表面上发生内反射。可以看出，这种后向反射器可以提供比棱镜元件的移动量大的光束位移量。
图4C和4D是被制作成单个元件的一个屋脊型棱镜阵列的侧视和顶视图。为了保持整个阵列的均匀性，屋脊型棱镜阵列首先被制作成单个长形的棱镜元件，并被粘附在一个支持板的一端。然后把这个组件的顶部和底部抛光成光学平面，并穿过棱镜和支持板组件切割出一些缝隙53，以确定出各个支持齿55上的各个棱镜元件54的阵列。分别在这个屋脊型棱镜阵列的上方和下方设置两个挡板57a和57b。这两个挡板也被抛光成光学平面。相应的各个驱动器58使每个棱镜元件或者靠着上挡板或者靠着下挡板移动。由于在切割缝隙之前在抛光长形棱镜元件平面时的光学精度，靠着一个给定挡板的任何棱镜的互相对准具有十分高的容差。
每个后向反射器都有一个驱动器(actuator)与之关连。图4A或4B中没有明显画出这个驱动器，但图4C明显画出了驱动器58。驱动器的具体类型不是本发明的范畴，对于熟悉本领域技术的人们来说显然了解许多类型的驱动器机构。虽然图4C中示出驱动器是一个分离的单元(例如一个压电传感器)，但由于支持板可以用可变形弯曲材料做成，所以也能起到驱动器的作用。一种可以从PiezoSystems，Inc.(公司名，地址186 Massachusetts Avenue，Cambrige，Massachusetts 02139，美国)购得的压电陶瓷弯曲器具有层状结构，当在其两个外表面上的电极上施加电压时它将发生弯曲。基于可动反射镜的后向反射器实现图5A示意性地示出后向反射器30C的工作原理，它包含一对互相间有一个夹角的固定反射镜60a、60b(V字形的或如图所示的开放结构的)和一个可转动反射镜61。图的左侧示出可转动反射镜的位置使得入射光束被导向反射镜60a的情况，图的右侧示出可转动反射镜的位置使得入射光束被导向反射镜60b的情况。在两种情况下，固定反射镜与可转动反射镜构成的夹角都是90°，从而提供了后向反射器的功能。
图5B示意性地示出利用微反射镜的后向反射器30d的工作原理。图5C是其顶视图。在一个V形块64的两个斜面上安装了一对微反射镜阵列62和63。微反射镜阵列62中的单个微反射镜65和微反射镜阵列63中的一行微反射镜66(1，…，M)定义了单个后向反射器。在理解光路是可逆的这一前提下，可以方便地把两个微反射镜阵列称作输入和输出微反射镜阵列。图左侧示出的情况是，微反射镜65处于第一取向，把入射光束导向微反射镜66(1)，后者相对于微反射镜65的第一取向的取向为90°，把光导向相反于入射光束的方向。图右侧示出的情况是，微反射镜65处于第二取向，把入射光束导向微反射镜66(M)。这样，微反射镜65的运动将选择光束的输出位置，而在正常工作中微反射镜66(1，…，M)是固定的。微反射镜65和微反射镜行66(1，…，M)可以沿着垂直于图平面的方向被复制和移动。虽然微反射镜阵列62仅需是一维的，但若能通过添加一些微反射镜来提供额外的灵活性则将可能是方便的。
优选的做法是，微反射镜阵列是平面布局的，并且V形槽的两面角近似为90°，使得两个微反射镜阵列互相以90°面对。由于各种目的这一角度可以有很大的改变，但是90°的角度将有利于用比较小的微反射镜转动来为入射光导向。例如，可市场购得的微反射镜阵列(如Texas Instruments公司的)能偏转±10°左右。这种微反射镜阵列可以用微电机系统(MEMS)领域中已知技术制作。在本实施例中，反射镜是作为一个硅芯片表面上的微加工结构来形成的。这些反射镜被结合到也是在芯片表面上微加工出来的枢轴结构上。在一些实现中，利用静电吸引力使微反射镜有选择地环绕一个适当取向的轴倾斜。
图5D示意性地示出后向反射器30e的工作原理，它与图5c实现方法的区别在于利用了棱镜69而不是V形块64。对相似的元件使用了相应的代号。与使用V形槽的情况类似，希望微反射镜阵列62’和63’以夹角90°互相面对。为此，棱镜三个面的夹角最好是90°、45°和45°，并且两个阵列被安装得使各个微反射镜面对着棱镜的两个直角面。
微反射镜阵列最好被密封得与外界环境隔离。密封可以通过把每个微反射镜阵列包含在一个密封腔内来实现，这种密封腔是形成在硅芯片上的微反射镜阵列的表面与棱镜的表面之间的。可以把带有微反射镜阵列的硅芯片的周边粘结到棱镜表面上，同时保持反射镜与棱镜表面之间有适当的间距，通过在硅芯片的周边处制作一个凸缘，可以使密封腔有一个适当的大小。或者，上述凸缘的作用也可以用粘结在硅芯片周边和棱镜表面上的某种其他适当的周边密封隔圈来实现。如果需要，每个微反射镜可以位在芯片上它自己的一个腔内。棱镜表面最好有消反射镀层。
当前优选的是包括两个可倾斜微反射镜阵列的后向反射器实现。输入微反射镜阵列中的每个微反射镜接收第一次遇到了色散元件后的光，并将它导引到输出微反射镜阵列中的一个反射镜上。通过改变输入阵列中反射镜的角度，便可使返回反射光发生一个横向位移从而再次遇到色散元件并从所选的输出口输出。如前所述，本发明的实施例是可反向使用的。V形块这个实现方式通常对大多数光路位在空气中的实施例是优选的，而棱镜的实现方式通常对大多数光路值在玻璃中的实施例是优选的。作为提供一个分立的棱镜或V形块的一种替代方式，输入阵列和输出阵列的安装面可以与路由器的光学室集成地形成在一起。
输入微反射镜阵列的反射镜行数最好至少与输入口数目(如果多于一个)一样多，其列数则最好至少与被选择为要导向输出微反射镜阵列的波长数一样多。类似地，输出微反射镜阵列的行数最好至少与输出口数目一样多，其列数最好至少与被选择为要导向输出口的波长数一样多。
在放大倍数为1∶1的系统中，输入阵列中的各反射镜行互相平行并且各反射镜沿着入射光束的一个横向轴方向上的互相间隔对应于各输入口之间的间隔。类似地，输出阵列中的各个反射镜行是互相平行的，并且互相间的横向间隔对应于各输出口之间的间隔。对于其他放大倍数的系统，各反射镜行之间的间距需作相应的调整。利用柱面聚焦元件的实施例图6A和6B分别是根据本发明一个实施例的波长路由器70的顶视和侧视示意图。这是一个非折叠实施例，所以可认为对应于图2A和2B的实施例。与图2A和2B的实施例一样，该实施例含有一个透射衍射光栅25’，但与前者不同的是，波长路由器70使用了柱面透镜而不是球面透镜，使用了可倾斜反射镜而不是后向反射器。波长路由器70的一般功能与其他实施例的相同，也即在输入口12处接收含有多个谱带的光，并有选择地把谱带中的各个子组分别导引到多个输出口15(1，…，M)中的希望输出口上。
这些柱面透镜中包括一对仅在顶视图平面(图6A)内才有光焦度的透镜72a、72b，以及一对仅在侧视图(图6B)平面内才有光焦度的透镜75a、75b。因此在图6B平面中透镜72a和72b被画成为矩形，在图6A平面中透镜75a和75b被画成为矩形。
从输入口12进入路由器70的光形成发散光束18，其中包含了不同的谱带。光束18遇到透镜72a，后者使光在横方向准直，但在另一方向上不起作用，结果使光束的横截面形状从圆形变成椭圆形(也即，在图6B平面中光束继续发散，但在图6A平面中不再发散)。然后光束相继遇到透镜75a、光栅25’、和透镜75b。透镜75a和75b的联合作用是使图6B平面中的发散光准直，结果光束以恒定的椭圆形横截面传播。光栅25’使光在图6A平面中色散，结果不同波长的光在图6A平面中以不同的角度传播，但在图6B中传播方向与波长无关。
准直光束遇到透镜72b，被分别聚焦到一些相应的线上。这些聚焦光束分别遇到多个位于焦平面附近的可倾斜反射镜80(1，…，N)中的相应反射镜。这些仅在图6A平面内发散的光束被导向透镜72b。取决于各个反射镜的倾斜角，各光束在图6B平面内发生了角位移。如下面将说明的，这些返回光束在图6A和6B平面内将受到不同的变换。
在图6A平面内，光束被透镜72b准直，并被再次导向光栅25’(在该平面内透镜75a、75b不改变光束的准直情况)。在第二次作用时，光栅25’将消除不同光束间的角分离并把光束导回到透镜72a，后者再把这些光束聚焦(仅在图6A平面内)到输出口15(1，…，M)上。在图6A中，没有分开地示出返回光束，这些光束在该平面上的投影与前向光束的投影重合。
在图6B平面内，光束被透镜75a和75b聚焦到各输出口上。不过，由于每个光束可能被其相应的反射镜引入了一个角位移，所以每个光束将被导向输出口15(1，…，M)中的某一个口上。在图6B中，光栅25’，透镜72b和72a不影响光束的方向和光束的发散、准直、会聚情况。在侧视图平面中，透镜75a和75b提供了反射镜80(1，…，N)与输出口15(1，…，M)之间的傅利叶变换关系。这个傅里叶关系把反射镜处的波前倾斜映射成为输出口处的位置移动。
在该特定实施例中，输入口12、透镜72a、透镜对75a/75b、透镜72b、和可倾斜反射镜大致上是等间距排列的，并且透镜对75a/75b的合成焦距是透镜72a和72b的焦距的两倍。这并非是必要的，但都是优选的。在这样的焦距和相对位置的布局下，透镜72a和72b实现了输入口12与可倾斜反射镜之间的4f中继。此外，透镜对75a/75b(当作单个透镜，不过要遇到两次)实现了输入口与输出口之间的4f中继。光学系统最好是远心系统。
图7A和7B分别是根据本发明一个实施例的波长路由器70’的顶视和侧视示意图。该实施例是图6A和6B实施例的折叠形式，正如图1A-1C实施例是图2A和2B实施例的折叠形式一样。与图1A-1C的实施例相同，波长路由器70’利用了一个反射衍射光栅25。从折叠的特性可以看出，该实施例使用了对应于图6A和6B实施例中的透镜对72a/72b和75a/75b的单个柱面透镜72和75。
除了光路被折叠之外，该实施例的工作过程与图6A和6B实施例的基本相同。在该实施例中，光束要4次遇到每个透镜，其中两次在输入口与可倾斜反射镜之间，两次在从可倾斜反射镜到输出口的途径中。应该指出，发散光在第一次遇到透镜75后变得较不发散，第二次遇到后变成平行(准直)光。利用聚焦/色散结合元件的实施例图8A和8B分别是根据本发明一个实施例的波长路由器90和顶视和侧视示意图。除了把球面光焦度结合到了光栅中去之外，该实施例大体上对应于图1A和1B所示的波长路由器。光焦度和色散作用被结合在单个元件95上。这可以通过把光栅刻划在一个弯曲表面上或在一个平面表面上刻划弯曲的光栅线来实现。替代光栅刻线机来获得这种光栅线的一种众知的方法是全息方法，其中首先把光刻胶甩涂到光栅基底上，然后用分别从希望光源和光栅焦点发出的两个发散光束所形成的干涉图形对之曝光。曝光用的光的波长是中间谱带的波长或该波长的整数倍。曝光后的光刻胶可以直接使用，或者当作一个蚀刻处理的掩模使用。
图9A和9B分别是根据本发明一个实施例的波长路由器100的顶视和侧视示意图。该实施例除了把柱面光焦度结合到光栅线条中形成单个元件105之外，其余大体上对应于采用了柱面透镜和倾斜反射镜的图7A和7B中的波长路由器。图9A顶视图中光焦度是图9B侧视图中光焦度的两倍。这种光栅的全息图形式可以用分别从希望光源和光栅焦线发出的一个发散光束和一个线光源光束所形成的干涉图形对光刻胶进行曝光来制作。棱镜实施例图10A和10B分别是一个波长路由器10的顶视和侧视示意图，该路由器用一个棱镜107替代了前述实施例中的光栅。图10A和10B的实施例对应于图2A和2B的实施例一其中使用了相对应的代号。控制电路图11示出一个含有一个波长路由器112和代表性控制电路的波长路由系统110。波长路由器112可以根据前述任一个实施例来构筑，可以认为其中包含了诸如各种后向反射器和倾斜反射镜等各个路由元件，一个例如衍射光栅或棱镜这样的色散元件，和一些驱动各路由元件的驱动器(至少在动态实施例中)。图中示出该波长路由器有一个输入口12和两个输出口15(1)、15(2)，这里采用了对应于图1A的代号。为了确定起见，假定该波长路由器能处理80个波长频道。用前面的符号表示就是该路由器的M＝2，N＝80。操作的要求是把各波长中的两个子组λ(out-1)和λ(out-2)分开到两个输出口处。在某些情况下，两个子组都可以包含全部输入波长或者不包含任何波长。
控制电路包含驱动器控制电路113，后者为波长路由器110中的各驱动器提供适当的控制信号。驱动器控制电路受到一个控制器114的控制，可以把它看成是控制器与波长路由器之间的接口。驱动器控制电路可以包括一些数字开关、功率驱动器和数/模转换器(DAC)。用来确定多态元件的状态的控制器可以是一个微处理器、一个内置的微控制器、一个ASIC、或者任何适合于控制驱动器控制电路的逻辑电路。控制器114与驱动器控制电路113之间的接口可以采取几种常用的形式，例如一组并行控制线或者一个微处理器兼容的地址/数据/控制总线。
在某些情形中，有可能配置分立的驱动器控制电路。例如，波长路由器可以含有允许直接响应于来自控制器114的命令的接口电路。根据设计时的选择，在波长路由器110与控制电路之间存在着不可避免的分工。本发明不局限于波长路由器驱动器控制的任何特定的功能分配，在目前的一个实施例中，除了简单的驱动器(驱动器电路)之外，波长路由器根本不包含任何控制电路。实际上，所有的智能性的控制电路都包含在控制电路中。
控制器114最好还利用标准或专用的接口和协议与网络环境中的其他计算机通信。这在图中以一个网络管理接口115示意性地示出。这些另外的计算机典型地用于执行网络管理应用软件。谱带形状和分辨率问题后向反射器阵列所在平面中的物理位置对应于频率值，其间相差一个取决于光栅色散和透镜焦距的比例系数。光栅方程为Nmλ＝sinα±sinβ，其中N是光栅线条的空间频率，m是衍射级次，λ是波长，β是光学λ射角，α是衍射角。透镜按照公式x＝fsinα把衍射角映射成其后焦距f处的位置x。当反射镜位于透镜后焦面上时，反射镜平面中的位置与波长之间存在线性关系λNm＝x/f+sinβ。对于一个小波长、频率的变化正比于波长的变化。这样就给出位置与频率之间的比例系数Δx/Δγ＝fNmλ2/c。因此，反射镜平面中的位置标度就是带上这个比例系数的频率标度。
图12A示出一个基本为梯形的优选谱带形状。简单地说，这是通过使光栅的分辨率细于对频率域采样的反射镜尺寸来达到的。对于光栅光斑尺寸与反射镜尺寸之比极大的情况，每个频道的带通响应将仅仅是反射镜在光栅的可完全分辨的频率平面上的位置所给出的矩形响应。对于有限光栅分辨率的情况，带通响应是光栅衍射所确定的光斑与反射镜采样矩形的卷积。图12A示出了当光栅具有高斯状光斑且在反射镜平面中的分辨率细于反射镜尺寸时的这种卷积结合。对于本发明的实施例来说，提供大的反射镜宽度与光栅分辨率的比值是有利的，这是因为这时得到的矩形谱带形状相对于各谱带间的无用部分的大小来说具有大的可用平坦顶部，而这样使光谱的利用更为有效。
图12B还示出了以一定角度从光栅衍射的光束的路程差。这个路程差确定了光栅的频率分力。频率分辨率等于光速除以这个路程差，再乘上一个由光束的横向形状所确定的量级为1的系数。在一些特定实施例中，各光学谱带的间距是ITU的100GHz或更窄。于是光栅的分辨率最好是10GHz或更窄，以便在各频道之间留有一个大的平坦谱带形状，这样将可使100GHz频道间隔下的OC-768数据或25GHz频道间隔下的OC-192数据能以低的损耗传送。这个10GHz或更窄的光栅分辨率要求路程差为3cm或更长。在图1A的折叠式布局中，该3cm是一个来回路程的路程差，也即单程路程差为1.5cm。
图12C示出路程差发生于一个玻璃楔117内的一个路由器10。该实施例对应于图1A中的路由器。强烈希望这种波长路由器的中心波长对温度变化是稳定的。在优选的1550nm中的波长情形中，3cm的路程差约对应于20000个波长。优选设计的路程差变化应在至少为50℃的优选温度范围内小于20000分之一。这就要路程差的变化小于每摄氏度一百万分之一。达到这一温度稳定性的一种方法是用温度系数小于一百万分之一的玻璃来制作波长路由器中产生路程差的部分，即图12C中的玻璃楔117。偏振考虑衍射光栅的效率与入射光的偏振状态有关。任意偏振态入射光学信号的电场E都可写成为沿两个正交轴 和 线偏振的电场之和E‾=Exx^+Eyy^]]>其中 沿光栅色散的方向， 垂直于色散方向。入射信号的光强I0由沿两个正交方向的电场的强度确定I0＝|Ex|2+|Ey|2效率取决于两个正交偏振方向上的两个独立的效率系数ε，使光栅反射的信号的电场E’变为E'=-ϵxExx^-ϵyEyy^]]>相应的总光强为
I’＝εx|Ex|2+εy|Ey|2显然，沿两个正交轴之一线偏振的信号光强经衍射光栅反射后其光强仅与该方向的频率系数有关|x＝εx|Ex|2|y＝εy|Ey|2对于大多数衍射光栅，εx≠εy，所以总效率与入射信号的偏振态有很大关系。
在本发明的实施例中，通过对一个偏振分量加入一个波延迟来减小或消除这种总效率的变化。这可以利用一个具有非对称结构从而使两个正交方向上的折射率不同的波片来实现。这样，当入射光学信号通过波片后，其一个电场分量将相对于另一分量发生延迟。典型地，波片的结构使得引入的相位差为π(“半波片”)或π/2(“四分之一波片”)。本发明实施例中采用了四分之一波片(或能近似提供四分之一个波的延迟的波片)。
把上述结果应用于衍射光栅的反射，可以看出在经过反射衍射光栅的两次反射后，电场成为Efin0=ϵxExx^-ϵyEyy^]]>总光强为Ifin0=ϵx2|Ex|2+ϵy2|Ey|2]]>系统总效率可能发生的大变化通过在返回反射镜与透镜(图1A-1C中的20或图2A和2B中的20b)之间加入一个四分之一波片可被消除。在这样的布局下，每个子光束在被返回反射之前(即紧接步骤(5)之前)和被返回反射之后(即紧接步骤(5)之后)两次通过四分之一波片。紧接着它第一次通过四分之一波片之前(即在衍射光栅上经过一次反射之后)，其电场为E'=-ϵxExx^-ϵyEyy^]]>在通过四分之一波片，再经后向反射器的两个表面的反射，并第二次通过四分之一波片之后，电场成为E′′=-ϵxExx^-ϵyEyy^]]>两次通过四分之一波片将使电场的x分量旋转成y偏振，使y分量旋转成x偏振。所以经过反射光栅Gr的第二次反射后，电场成为Efin=-ϵxϵyEyx^+ϵxϵyExy^]]>相应的总光强为Ifin＝εxεy|Ex|2+εxεy|Ey|2≡εxεyI0于是，电场及其光强与入射光波的偏振态无关，由此消除了与偏振有关的损耗。
类似地，可以设计一个磁光延迟器使线偏振光每经过一次将旋转45°，于是两次通过该延迟器后将使 和 偏振分别旋转成 和 偏振。这种在光栅的第一次与第二次反射之间进行的偏振态互换消除了总光栅效率对偏振态的依赖性。
四分之一波片或磁光延迟器可以放置在图1A光学系统的任何位置处，这是因为在任何位置上都可实现第一次与第二次光栅反射之间的两次通过。把四分之一波片或磁光延迟器放置在透镜与光栅之间使得它们能作用在准直光束上。这使得由它们引起的光学像差比较小，而且还能改善波片的性能。系统应用下面的讨论将说明利用多个波长路由器的一些系统。所示的每个波长路由器都含有单个输入口和两个输出口，并且为了确定起见假定它们都能处理80个波长频道。用前述描述波长路由器的符号来表示，即为M＝2和N＝80。各个波长路由器用带下标的代号110表示，并且带有如图11所示的典型控制电路。不过就纯光学原理来说，可以用不带控制电路的波长路由器112来替代。
波长路由器可以根据前述任一个本发明实施例来制作，或者也可用其他方法制作，只要它们能提供这里所说明的波长路由器功能。一般地说，如前所述，前述本发明实施波长路由器的光路都是可逆的。光学上路/下路复用器(OADM)图13是说明一种通过以背对背方式结合一对波长路由器110a和110b所构成的光学上路/下路复用器(OADM)的原理图。OADM的一般功能是在一个输入口132处接收一组波长频道，把其中的一个子组(包括全部频道或没有频道)(直通波长)传送给一个输出口133，把那些不是直通波长的波长(下路波长)分路给一个下路口135，在一个上路口137处接收下路波长的一部分或全部(假定它们携带的新的信息)，并把上路波长与直通波长结合起来，使它们从输出口133输出。
在背对背构形中，OADM120的输入口132是波长路由器130a原来的输入口，而OADM120的输出口133是波长路由器130b原来的输入口。直通路径是通过耦合两个波长路由器的第一输出口来实现的。下路口135和上路口137是两个波长路由器原来的第二输出口。下路口和上路口可以被耦合到发送和/或接收终端设备或者一个或数个其他网络上。根据具体的应用，可能只需要上路和下路功能中的一个功能。波长选择性互连器(WSXC)图14是说明一种通过结合两对背靠背的波长路由器(共4个)所形成的波长选择性互连器(WSXC)的原理图。WSXC的一般功能是在第一和第二输入口142和142’处接收第一和第二组波长频道，把各波长中选出的两个子组分别通过各自的直通路径传送到第一和第二输出口143和143’处，同时对那些不通过直通路径传送的波长进行交换。于是，从输入口142和142’进入的交换波长将从波长路由器110a和110c的交换输出口145和145’送出，并分别被传送给波长路由器110d和110b的交换输入口147’和147。进入交换输入口的交换波长将与直通路径上的波长结合，并从输出口143和143’输出。与上述OADM的情形相同，WSXC140的输出口是波长路由器110b和110d原来的输入口。OMSSP环保护开关图15是说明一种用来在一个光学复用部分共享的保护环(OMSSP环)光学网络中提供保护开关的开关结构150的原理图。结构150的组成与上述的WSXC140类似，由两对背对背的波长路由器110a-110d(共四个)组成。这个结构与WSXC有两个主要方面的差别。首先，在WSXC中，上下两对波长路由器都使光沿着相同的方向传送，但在开关结构中，上下两对路由器处理相反方向的光传送，这里任意地把这两个方向称为“东”方向和“西”方向。其次，WSXC中的交换口被开关结构中的环返路径152和155取代。这样便有可能把从东光纤进入波长路由器110a各波长中的一个子组分出来并把它导引回到波长路由器110c并从那里输出到西光纤上。类似地，那些从西光纤进入波长路由器110d的波长(或者可能是一个不同的组)可被分出一部分并导回到波长路由器110b进而输出到东光纤上。
从来自东光纤的波长中分出一个子组并把它返回到西光纤上去这一能力使得有可能保护这个环在出现例如激光器故障或OADM出错等情况下不发生会影响到各波长中的一个子组的错误模式。下路和重复OADM
下路和重复OADM(有时称作“广播模式”OADM)除了具有上述的OADM功能外，还具有继续发送输出口处的下路波长的能力。下面的讨论将说明基于图13 OADM和图14 WSXC的实施例，不过对其他形式的OADM和WSXC也是适用的。与OADM和WSXC中的元件对应的元件用同样的代号表示。
图16是说明一种基于图13 OADM的下路和重复OADM 160的原理图，图13 OADM含有输入和输出口132和133，以及下路和上路口135和137。下路和重复OADM 160含有相同的输入和输出口，但在OADM的下路和上路口135和137之间还加入了另外的元件，而且还提供了它的其他两个口，即功能性下路和上路口135’和137’。
新加入的元件包括一个任选的光学放大器162，一个具有一个输入口和第一、第二输出口的50％分路耦合器(或其他分束器)165，以及一个具有第一、第二输入口和一个输出口的光学耦合器或合路器167。光学放大器接收来自下路口135的光，被任选放大的光在分路耦合器165中被分束。从分路耦合器第二输出口传出的光组成了下路波长，据此第二输出口定义了功能性下路口135’。于是这个输出光对应于来自图13中的下路口135的光。与从分路耦合器的第一输出口输出的光相同的波长称为“重复波长”，被传送给光学耦合器167的第一输入口。
准备进入网络传送的波长称作“上路波长”，被传送给定义了功能性上路口137’的光学耦合器167的第二输入口。这些波长被与重复波长结合，然后被传送给OADM构筑模块的上路口137。然后，直通波长、重复波长和上路波长从输出口133输出。
图17是说明一种基于图14WSXC的下路和重复OADM 170的原理图，图14 WSXC含有第一、第二输入口142、142’和第一、第二输出口143、143’。第一输入口142和第一输出口143起着下路和重复OADM 160’的输入口和输出口的作用，但在第二输出口143’与第二输入口142’之间加入了其他元件。由于其他的元件提供了其他的口，即作为下路和重复OADM的功能性下路和上路口的另外两个口172和175。
加入的元件与下路和重复OADM 160的情况相同，这里也使用了相对应的代号。如上面一样，光学放大器162接收来自第二输出口143’的光，被任选地放大了光在分路耦合器165中被分束。来自分路耦合器第二输出口的光组成了下路波长，据此第二输出口定义了功能性下路口172，于是这个输出光对应于来自图13中下路口135的光。重复波长被传送给光学耦合器167的第一输入口，并与被传送给光学耦合器167的第二输入口的上路波长相结合，该第二输入口定义了功能性上路口175。这些上路波长又与重复波长相结合，并被传送给WSXC构筑模块的输入口142’。然后，直通波长，重复波长，和上路波长从第一输出口143输出。结论虽然上面是对本发明一些特定实施例的完整说明，但也可采用各种修饰、替代结构和等价结构。例如，虽然把可动态构形的路由元件(后向反射器等)说明成包含了可动元件，但也可以用电光器件来实现切换。例如可以使用电光法卜里—白洛(Fabry-Perot)反射器。
因此，不应当把上面的说明当作是对由权利要求书所定义的本发明范畴的限制。
权利要求
1.一种用于在一个输入口接收含有多个谱带的光并把所述谱带中的一些子组分别导引到多个输出口中的相应输出口上的波长路由器，该波长路由器包括一个自由空间光学串，其设置在输入口与所述输出口之间，用来为导引各个谱带提供光学路径，该光学串含有一个被设置得能截获从输入口传播来的光的色散元件，所述光学串的布局使得光在达到任一个输出口之前能两次遇到所述色散元件；以及一个路由机构，其含有至少一个能根据其状态把一个给定谱带导引到不同输出口上的可动态构形的路由元件。
2.根据权利要求1的波长路由器，其中所述输入口位于一个输入光纤的端头处。
3.根据权利要求1的波长路由器，其中所述输出口位于多个输出光纤的相应端头处。
4.根据权利要求1的波长路由器，其中所述路由机构的构形使得能把至少两个谱带导引到单个输出口上。
5.根据权利要求1的波长路由器，其中所述路由机构的构形将使得至少一个输出口接收不到任何谱带。
6.根据权利要求1的波长路由器，其中所述谱带的数目多于输出口的数目，并且输出口的数目大于2。
7.根据权利要求1的波长路由器，其中所述路由机构含有多个反射元件，每个反射元件与一个相应的谱带相关连。
8.根据权利要求1的波长路由器，其中所述可动态构形的元件具有一个移动自由度。
9.根据权利要求1的波长路由器，其中所述可动态构形的元件具有一个旋转自由度。
10.根据权利要求1的波长路由器，其中所述可动态构形的元件含有一些由微电机系统(MEMS)元件制成的反射镜。
11.根据权利要求1的波长路由器，其中所述色散元件是一个光栅；并且所述光学串含有结合在所述光栅中的光焦度。
12.根据权利要求1的波长路由器，其中所述光学串包含一个透镜；所述色散元件是一个反射光栅；所述路由机构包含多个可动态构形的元件；来自所述输入口的光被所述透镜准直并被所述反射光栅反射成多个对应于所述各谱带的在角度上分开的光束；所述在角度上分开的光束分别被所述透镜聚焦到所述可动态构形的元件中的相应元件上；并且每个给定的可动态构形的元件都有多个状态，每个状态能沿着多个路径中的一个希望路径导引那个对应于该可动态构形的元件的在角度上分开的光束，使得离开该可动态构形的元件的光再次被所述透镜准直，被所述反射光栅反射，以及再次被所述透镜聚焦到所述多个输出口中对应于所述多个路径中的一个希望路径的那个输出口上。
13.根据权利要求1的波长路由器，其中所述色散元件是一个其分辨率明显小于谱带间隔的光栅。
14.根据权利要求13的波长路由器，其中的分辨率是通过使一个路程差大于约3cm来达到的。
15.一种波长上路/下路复用器，它包括根据权利要求1的第一和第二波长路由器，它们以相反方向连接，使得第一波长路由器的各输出口中的一个第一子组与第二波长路由器的各输出口中的一个对应的第一子组发生光学通信，所述第一波长路由器的输入口与一个上游光纤发生光学通信，所述第二波长路由器的输入口与下游光纤发生光学通信，并且所述第一和第二波长路由器各自输出口中的第二子组与网络终端设备发生光学通信，使后者能从两个输出口第二子组中的一个子组接收光，并把光送入两个输出口第二子组中的另一个子组上。
16.一种用于在一个输入口接收含有第一N个谱带的光并把所述N个谱带的一些子组导向第二M个输出口中的相应输出口的波长路由器，该波长路由器包括一个设置在输入口与所述输出口之间的用来为导引各个谱带提供一些光学路径的自由空间光学串，该光学串含有一个被设置得能截获从输入口传播来的光的色散元件，所述光学串被布局得能使光在到达任何一个输出口之前两次遇到所述色散元件；并且其中的M大于2。
17.根据权利要求16的波长路由器，其中所述色散元件是一个反射光栅，并且光学串包含一个透镜，其被设置得能截获来自输入口的光，使被截获光准直，把准直光导向所述反射光栅，截获从反射光栅反射的光，使光聚焦，并沿一条路径导引聚焦光，使每个谱带被聚焦到一个不同点；以及N个反射元件，其被设置得能截获各个聚焦谱带并导引它们与所述透镜、所述反射光栅、所述透镜和各个输出口相遇。
18.根据权利要求16的波长路由器，其中所述色散元件是一个透射光栅，并且光学串包含一个设置在所述透射光栅与输入口之间的透镜；以及位于所述透射光栅的远离所述输入口一侧的N个反射元件，其布局使得通过所述光栅并射到所述反射元件上的光能通过所述透射光栅、所述透镜和所述输出口。
19.根据权利要求16的波长路由器，其中所述色散元件是一个反射光栅，并且光学串包含一个曲面反射器，被设置得能截获来自输入口的光，使截获的光准直，把准直光导向所述反射光栅，截获从反射光栅反射的光，使光聚焦，并沿一条路径导引聚焦光，使每个谱带被聚焦到一个不同点上，；以及N个反射元件，其被设置得能截获各个聚焦谱带并导引它们与所述曲面反射器、所述反射光栅、所述曲面反射器和各个输出口相遇。
20.根据权利要求16的波长路由器，其中所述色散元件是一个棱镜。
21.根据权利要求16的波长路由器，其中所述光学路径中包含一些由微电机系统(MEMS)元件制成的反射镜。
22.一种用于在一个输入口接收含有第一N个谱带的光并把所述N个谱带中的一些子组导向第二M个输出口中的相应输出口的波长路由器，该波长路由器包括一个第一柱面透镜，用于使来自输入口的光在一个第一横方向上准直；一个第二柱面透镜，用于使光在一个垂直于所述第一横方向的第二横方向上准直；一个透射色散元件，用于使光在所述第一横方向上沿一个特定指向发生色散；一个第三柱面透镜，用于使光在第一横方向上聚焦；N个位于所述第三柱面透镜焦平面中的可倾斜反射镜，每个反射镜用来截获一个相应的谱带并把该谱带导引回到所述第三柱面透镜；以及多个驱动器，每个驱动器与一个相应的反射镜耦合，以实现相应谱带光路的选择性倾斜；其中各个谱带通过所述第三柱面透镜在第一横方向上被准直，通过光栅在第一横方向上沿着与所述特定指向相反的指向被色散，通过所述第二柱面透镜在第二横方向上被聚焦，并通过所述第一柱面透镜在第一横方向上被聚焦，由此每个谱带在第一和第二横方向上都被聚焦成一个位于一个由相应可倾斜反射镜所确定的相应位置处的焦点。
23.根据权利要求22的波长路由器，它还包括一个被设置得能接收来自所述返回路径的光的输出光纤阵列，这些光纤的位置以由所述第二柱面透镜的造成的傅里叶关系对应于所述多个可倾斜反射镜的倾斜角。
24.根据权利要求22的波长路由器，其中所述多个反射镜由微电机系统(MEMS)元件制成。
25.一种用于在一个输入口接收含有第一N个谱带的光并把所述N个谱带中的一些子组导引向第二M个输出口中的相应输出口的波长路由器，该波长路由器包括一个第一球面透镜，用于使来自输入口的光准直；一个透射色散元件，用于使光在一个第一横方向上沿一个特定指向发生色散，以使各个谱带在空间分开；一个第二球面透镜，用于使从所述色散元件传播来的光聚焦；以及多个位于所述第二球面透镜的焦平面中的后向反射器，每个后向反射器都截获一个相应的谱带并把该谱带导引回到所述第二球面透镜上，同时还使该谱带在一个垂直于第一横方向的第二横方向上发生一个横向位移，所述横向位移取决于该后向反射器的状态；其中每个谱带通过所述第二球面透镜被准直，通过光栅在第一横方向上沿着一个与所述特定指向相反的指向被色散，通过所述第一球面透镜被聚焦，由此每个谱带都成为一个位于一个由相应后向反射器所确定的相应位置处的焦点。
26.一种用于在一个输入口接收含有第一N个谱带的光并把所述N个谱带中的一些子组导引向第二M个输出口中的相应输出口的波长路由器，该波长路由器包括一个设置得能使来自输入口的光准直的具有正光焦度的光学元件；一个反射色散元件，用于使从所述光学元件传播来的光在一个第一横方向上沿一个特定指向色散，以使各个谱带在空间分开，所述色散元件把所述谱带导引回到所述光学元件上，后者使来自所述色散元件的光聚焦；以及多个位于所述光学元件的焦平面中的后向反射器，每个后向反射器都截获一个相应的谱带，并把该谱带导引回到所述光学元件上，同时带使该谱带在一个垂直于所述第一横方向的第二横方向上发生一个横向位移，所述横向位移取决于该后向反射器的状态；其中每个谱带通过所述光学元件被准直，通过所述色散元件在第一横方向上沿着一个与所述特定指向相反的指向被色散，通过所述光学元件被聚焦，由此每个谱带都成为一个位于由相应后向反射器所确定的相应位置处的焦点。
27.根据权利要求26的波长路由器，其中所述光学元件是一个球面透镜。
28.根据权利要求26的波长路由器，其中所述光学元件是一个凹面反射器。
29.根据权利要求26的波长路由器，其中每个后向反射器都包含一个屋脊型棱镜；并且后向反射器的状态由该后向反射器的屋脊材镜的横向位置所确定。
30.根据权利要求26的波长路由器，其中每个后向反射器都包含一个屋脊型棱镜和一个用透明材料制成的可相对运动的相关体，其构形适合于与后向反射器的屋脊型棱镜发生光学接触；并且后向反射器的状态至少部分地取决于该后向反射器的屋脊型棱镜是否与其相关体发生光学接触。
31.一种可构形的后向反射器阵列，它包括一个含有分别位于两个夹角约为90°的平面中的第一和第二安装表面的支持元件；安装在所述支持元件的第一和第二安装表面上的分别位在第一和第二基底上的第一和第二MEMS微反射镜阵列；所述第一阵列中的一个与所述第二阵列中的M个微反射镜相关连的给定微反射镜；以及分别耦合于所述第一阵列中的每个给定微反射镜以为所述给定微反射镜提供M个分立的取向的驱动器，其中每个取向沿着一个朝向所述第二阵列中的一个不同微反射镜的入射方向引导光；所述第二阵列中的所述M个微反射镜具有各自的取向以使当所述第二阵列中的给定反射镜被取向以把光导引到所述第二阵列中的一个微反射镜上时，该微反射镜取向基本上与所述给定反射镜的取向成90°夹角。
32.根据权利要求31的可构形后向反射器，其中所述支持元件是一个具有两个互相面对的支持表面的V形块；并且所述第一和第二阵列上安装有位在这些阵列中的微反射镜与所述第一和第二安装表面之间的所述第一和第二基底。
33.根据权利要求31的可构形后向反射器，其中所述支持元件是一个具有两个互相背对的支持表面的棱镜；并且所述第一和第二阵列上安装有一些位于所述第一和第二基底与所述第一和第二安装表面之间的这些阵列中的微反射镜。
34.根据权利要求31的可构形后向反射器，其中微反射镜的偏转角限制在±10°量级上。
35.一种可动态构形的后向反射器，它包括互相间具有特定固定夹角的第一和第二平面反射镜，所述第一和第二平面反射镜定义了一个交轴；一个安装得能绕一个平行于所述交轴的旋转轴旋转的第三平面反射镜；以及一个耦合于所述第三平面反射镜的能为所述第三平面反射镜提供相对于所述旋转轴的第一和第二角位置的驱动器；当位于所述第一角位置时，所述第一与第三平面反射镜之间的夹角约为90°，当位于所述第二角位置时，所述第二与第三平面反射镜之间的夹角约为90°。
36.一种制作屋脊型棱镜阵列的方法，该方法包括提供一个长形棱镜元件；提供一对长形挡板元件，它们的表面具有希望的平整度；把长形棱镜元件的各个表面抛光到希望的平整度；对经过这样抛光后的长形棱镜元件进行一组处理，以得到组成该阵列的多个屋脊型棱镜；以及为该屋脊型棱镜阵列提供用于在该对长形挡板元件之间运动的各个相应定位元件。
37.根据权利要求36的方法，其中长形棱镜元件是一个幺正单元；并且该组处理包括把长形棱镜元件物理地切割成一些单个的棱镜。
38.根据权利要求36的方法，其中长形棱镜元件是一个由一些单个棱镜粘合成的单元；并且该组处理包括断开各单个棱镜之间的粘合。
39.一种光学上路/下路复用器(OADM)，它包括第一和第二波长路由器，每个路由器有一个称为输入口的端口和多个称为输出口的另外端口，这些输出口至少包含第一和第二输出口，每个波长路由器都被构形成能够在其输入口处接收含有多个谱带的光并把从所述谱带中选出的一些子组导引到所述多个输出口中的相应输出口上；所述第一和第二波长路由器是反方向连接的，使得所述第一波长路由器的输出口中的一个第一子组与所述第二波长路由器的输出口中的一个相应的第一子组发生光学通信，所述每个波长路由器的第一子组输出口数目小于波长路由器的多个输出口的数目，所以所述每个波长路由器都具有输出口的一个第二子组；这样，所述第一波长路由器的输入口起着用于OADM的一个输入口的作用，所述第二波长路由器的输入口起着用于OADM的一个输出口的作用，所述第一波长路由器的第二子组输出口为OADM提供了一个下路口的功能，以及所述第二波长路由器的第二子组输出口为OADM提供了一个上路口的功能。
40.根据权利要求39的OADM，其中每个波长路由器仅含有第一和第二输出口，它们定义了用于该波长路由器的所述第一和第二子组输出口。
41.一种下路和重复OADM，它包括根据权利要求39的OADM；一个含有一个输入口及第一和第二输出口的分束元件；一个含有第一和第二输入口及一个输出口的合路元件；以及一组光学路径，它们能提供所述OADM的下路口与所述分束元件的输入口之间、所述分束元件的第一输出口与所述合路元件的第一输入口之间、以及所述合路元件的输出口与所述OADM的上路口之间的光学通信。
42.根据权利要求41的下路和重复OADM，它还包括一个设置在所述OADM的下路口与所述分束元件的输入口之间的所述光学路径中的光学放大器。
43.一种波长选择性互连器(WSXC)，它包括第一、第二、第三和第四波长路由器，每个波长路由器都含有一个称为输入口的端口和多个称为输出口的另外端口，这多个输出口中至少包含了第一和第二输出口，每个波长路由器都被构形得能够在其输入口处接收含有多个谱带的光并把所述各谱带中的一些被选择的谱带子组导引到所述波长路由器的多个输出口中的相应输出口上；所述第一和第二波长路由器以相反的方向连接，使得所述第一波长路由器的第一输出口与所述第二波长路由器的第一输出口发生光学通信；所述第三和第四波长路由器以相反的方向连接，使得所述第三波长路由器的第一输出口与所述第四波长路由器的第一输出口之间发生光学通信；所述第一波长路由器的第二输出口与所述第四波长路由器的第二输出口发生光学通信；所述第三波长路由器的第二输出口与所述第二波长路由器的第二输出口发生光学通信；这样，所述第一和第二波长路由器的输入口起着用于WSXC的第一和第二输入口的作用；所述第三和第四波长路由器的输入口起着用于WSXC的第一和第二输入口的作用；所述第一和第二波长路由器的所述第一输出口之间的所述光学通信以及所述第三和第四波长路由器的所述第一输出口之间的所述光学通信提供了用于WSXC的直通路径，并且所述第一和第四波长路由器的所述第二输出口之间的所述光学通信以及所述第三和第二波长路由器的第二输出口之间的光学通信提供了用于WSXC的交换路径。
44.一种下路和重复OADM，它包括根据权利要求43的WSXC；一个含有一个输入口及第一和第二输出口的分束元件；一个含有第一和第二输入口及一个输出口的合路元件；以及一组光学路径，它们能提供所述WSXC的第二输出口与所述分束元件的输入口之间、所述分束元件的第一输出口与所述合路元件的第一输入口之间、以及所述合路元件的输出口与所述WSXC的第二输入口之间的光学通信。
45.根据权利要求44的下路和重复OADM，它还包括一个设置在所述WSXC的第二输出口与所述分束元件的输入口之间的所述光学路径中的光学放大器。
全文摘要
一种波长路由器,选择地在以输入口(12)和输出口(15)之间引导谱带。该路由器包括以配置在该输入口和所述输出口之间的以自由空间光学串,和一路由机构(30)。该自由空间光学串卡包括空气分离元件(20,25)和可以是单体构造。该光学串包括例如衍射光栅的一色散元件(25),并被构造成使来自输入口的光在到达输出口之前遭遇色散元件两次。该路由机构(30)包括一或多个路由元件并与光学串中的其它元件(37)合作以提供将这些谱带的子组耦合至期望输出口的光学路径。
文档编号G02B6/293GK1390314SQ00815769
公开日2003年1月8日 申请日期2000年11月14日 优先权日1999年11月16日
发明者罗伯特·T·韦韦尔卡, 史蒂文·P·乔治斯, 理查德·S·罗思 申请人:网络光子公司