CN1446438A - 可重新配置的光开关 - Google Patents

Abstract

提供一种光开关，包括多个用于接收光信号的一个或多个波长分量的输入/输出端口。光开关还包括一个将波长分量引导到多个输入/输出端口中给定的一个端口的光装置。给定的输入/输出端口可以从多个输入/输出端口中的任意一个中选择。假如光信号包括多个波长分量，光装置包括至少一个波长选择元件，例如一个薄膜滤波器。波长选择元件从多个波长分量中选择波长分量中的一个。该光装置还包括多个光元件，每一个与波长选择元件中的一个有关连。每一个光元件引导被相关的选择元件所选择的波长分量到给定的多个输入/输出端口中的一个，其端口独立于其他的波长分量。光元件可能是可倾斜的回射镜装置。

Description

可重新配置的光开关

相关申请

这个申请涉及正在共同处理中的美国申请序列号No.09/571833题目为“可重新配置的光开关”，于2000年5月16日，向美国专利和商标办公室提出申请。

发明的领域

本发明一般涉及光通信系统，特别涉及在波长选择方式中灵活地路由光的光开关。

发明的背景

强烈的兴趣存在于多波长通信系统，它一般地被称为波分复用(WDM)系统。这些系统采用一种WDM光信号，该信号具有支持不同的信息流的不同的波长分量。WDM系统一开始是研究用来提高在两点之间的光纤可以传输的信息容量，而最近在其它事情中，在光滤波技术里的进步，导致了开关元件的发展，从而允许构建一种不同于从波长到波长的复杂路径的网络。更进一步地，除了有可以使用的依据波长的开关元件，在这种元件中，将给定的波长沿着一个给定的路径路由，可重新设置的光元件也变得可能了。这种可变配置的光元件可以动态地改变路径，沿着一个给定的波长路由以有效地在需要的时候重新配置网络的拓扑结构，以便满足所需的改变或在网络故障时恢复服务。

可重新配置的光元件的例子包括分/插复用器(OADM)和光交叉连接(OXC)。使用OADM以从一个WDM信号里分离或分路出一种或多种波长分量，然后再把它们引导进不同的路经上。有时分出的波长被引导进一个公共的光纤路径，而在其它情况下，每个分离的波长被引导进它自己的光纤路径。OXC是比OADM更灵活的设备，它实际上可以重新分发多个WDM输入信号的任意组合的分量到任意数量的输出路径。

前面提到的可重新配置的光元件的功能可由各种不同的设备实现。例如，一种常用的方法是采用许多不同的插入在一对分解器/复用器之间的宽带开关光纤中的任意一种。OADM元件的例子公开在美国专利第5,504,827号，第5,612,805号和第5,959,749号中，而通用的OXC开关结构在T.Koch和I.Kaminow编辑的E.Murphy的OpticalFiber Telecommunications IIIB的第10章中评述。如这些参考文献中所示，这些方法顺序地分解波长，执行必要的开关然后重新复用，其中OXC可以引导一个给定的波长到任意的输出，因为一个常规的OXC采用一种相对复杂的MxM设备用于开关光纤，而OADM的灵活性小一些，因为它们采用一个2x2的光开关矩阵，它只能在两个输出之间引导。OADM的两种另外的方法采用了有效地插入在设备之间的可开关的镜子，以同时地进行波长的分解和复用。这些方法中的第一个采用了一个薄膜电介质分解器/复用器，它两次通过该波长(例如美国专利第5,974,207号)，而第二种方法采用了大衍射光栅的色散在它们被一个可倾斜镜子阵反射掉之前去分解(分解)波长信道(美国专利第5,960,133号)。另一套OADM技术采用了4端口的设备，它以一种可重新配置的方式把多个波长分出到一根单独的光纤输出，并且如果信道在接收机上需要经受宽带光电转换的话，则需要一个额外的分解器。这种功能的一种实现采用了光纤环路器附加到一个双端口类型的预定义的衍射光栅分解器和倾斜镜子阵(Ford等人，超期论文LEOS′97，IEEE Laser and Electn-optiossociety)。第二种实现采用集成的硅波导技术(例如，Doerr，IEEE Phot.Tech.Lett′98)利用热-光相移器为每个波长在插入和分出状态之间切换。另一个4端口的OADM采用了一个光纤环路器和一个可选的可调的光纤光栅反射器以路由分出的信道(例如，C.R.Giles，IOOC′95，JDS2000 catalog)。

所有上面提到的常规的光开关技术都有缺点。考虑到它们的缺点，这些设备通常属于两种类型：非常灵活的设备具有高的成本和大的光损耗，以及低灵活度的设备，它不太昂贵并具有较低的光损耗。最灵活的OXC可被编程用来切换任意大数量的波长的路径，令每种波长进入它自己的光纤(例如带开关的分解/复用)，然而这些设备可能具有大至20dB的插入损耗，并因此需要一个光放大器去补偿这个损耗。这极大地增加了已经很昂贵的设备的成本。因为这些设备太昂贵，低灵活度的其它选择例如光纤光栅和薄膜滤波器经常被使用。在这些设备具有非常低的成本和插入损耗(2-5dB/节点)的同时，它们一般地缺少灵活因为它们采用了例如固定的波长的不能重新配置的OADM。这些设备不灵活还因为当你定制它们以使它们分出更多波长时，它们的损耗、成本、大小和/或复杂性增加，使更灵活的OXC的另选方案变得更有吸引力。最近，如美国专利第5,479,082号所示，一些灵活性被添加到这些低成本的OADM设备上使得它们能选择性地分出或通过一个预先确定的波长的事先指定的固定的子集。此外，前面提到的可重新配置的OADM设备提供了一些增强的灵活性，但典型地其代价是更高的插入损耗(对于分解器/开关)，有限的波长分辨率(对于大光栅方法)和/或附加的用于连接4端口设备的复用/分解设备的更高的成本。

常规的OXC和OADM方法，它们在光开关之前要分解输入信号，其一个特别的限制是每个输出端口只能分出一个特定的固定的波长，它不能被改变。在这种配置中将每个开关安排得使得它仅从分解器上接收一个预定的波长分量，并因此仅能输出这个特定的波长。除非使用了后续的光开关，这些设备的灵活性将受到限制，因为在需要时，它不可能从一个输出端口到另一个输出端口重新引导一个给定的波长，或者重新引导多个波长到一个给定的输出端口。这不仅仅在WDM开关中是真实的，而且在一般宽带开关中，包括1xM宽带开关也是真实的，例如在美国专利号5621829中所示的。当网络中唯一的元件通过一个特定的端口可访问时，这种功能是需要的。并且需要(a)改变引导到这个端口的波长信道，或者(b)在通过这个端口接入的这个特定的光纤上引入额外的波长。这种功能被证明是有用的两种情况是：当一个链路需要用一种不同的波长来恢复时，或当引导进一个特定的端口的信息容量需要通过在同一根光纤上增加额外的WDM波长来提高时。

2000年5月16日，在向U.S.P.T.O提交的正在共同处理中的美国申请序列号No.09/571833，题目为“可重新配置的光开关”中公开了达到前面提到的功能的光开关元件。也就是说，这个开关元件可从任意的输入口引导一个WDM信号的任意一个波长分量到独立于其他端口的任意一个输出端口。更特别的，这个光开关，类似于最近的光开关，在所有光端口的两个子端口间提供了一条光路径，通常被表示为“输入”和“输出”端口。这个光开关仅在输入口子集和输出口子集间提供连接，或相反，但是不能在同一个子集(或者输入或者输出)的两个端口间提供连接。也就是，在这个开关中，通常两个不同的端口子集；一旦光进入一个子集，它必须从另外一个子集中出来。不幸的是这个限制阻止了波长分量在端口的同一个子集间路由。这个性能可成为一个优点，例如，在双向系统中，当用户希望在两个假设通过连接远程分布点的输出端口间通信时，从而避免了光网络的不必要的部分了。当希望在宽带中提供这个功能，独立于波长的开关，将比在与波长有关的开关中对WDM信号的每一个波长更有利地提供这样的功能。

因此，有必要提供一种光开关元件的需求，其中每个及每一个波长分量能从任意给定的端口引导到其他端口而没有限制。

发明的概述

根据本发明，提供一种光开关，它包括用于接收光信号中一个或多个波长分量的输入/输出端口。所述光开关还包括一个将波长分量引导到多个输入/输出端口中任一个的光装置。给定的输入/输出端口可以从多个输入/输出端口中的任意一个中选择。

根据本发明的一个方面，所述光装置反射波长分量到给定的输入/输出端口。

根据本发明的另外一个方面，光信号包括多个波长分量，并且光装置包括至少一个波长选择元件。波长选择元件从多个波长分量中选择一个波长分量。光装置还包括多个光元件，每一个与波长选择元件之一相关连。每一个光元件引导被相关的选择元件所选择的波长分量到给定的多个输入/输出端口中的一个，且独立于其他的波长分量。

根据本发明的另外一个方面，波长选择元件可是薄膜滤波器，每一个传输一个不同的波长分量并反射剩余的波长分量。可选择地，波长选择元件可是大衍射光栅。

根据本发明的另外一个方面，光元件是反射镜，在多个位置是可选择性的倾斜的使得在每一个位置镜子在其上反射有关的波长分量到任意一个选择的输入/输出端口。

根据本发明的另外一个方面，反射镜是微机电(MEM)回射镜组件的一个部件。这个回射镜组件包括一个非球面的透镜或一个弯曲的反射元件。

根据本发明的另外一个方面，光开关包括位于在输入/输出端口和光装置间的一个自由空间区域。

根据本发明的另外一个方面，自由空间区域包括一个有第一和第二平行表面的光透明衬底。在这个情况中，多个波长选择元件分别在沿着第一和第二平行表面延伸的第一和第二矩阵中排列。

根据本发明的另外一个方面，第一和第二矩阵是互相横向偏移的。排列在第一矩阵中的每一个波长选择元件引导所选择的波长分量到排列在第二矩阵中的其它波长选择元件。

根据本发明的另外一个方面，光透明衬底可包括空气作为光信号传播的媒介。可选择地，光透明衬底可以是硅玻璃。

根据本发明的另外一个方面，提供了用于引导至少第一和第二WDM信号的波长分量从第一输入/输出端口到任何被选择的多个输入/输出端口中的一个的方法，该WDM信号包括了多个波长分量。多个输入/输出端口包括第一输入/输出端口。该方法从在第一输入/输出端口接收WDM信号开始。第二，从多个波长分量中选择第一波长分量。从多个输入/输出端口中选择给定的输入/输出端口。将第一波长分量引导到给定的输入/输出端口。此外，第二波长分量被引导到另外一个给定的多个输入/输出端口中的一个，它独立地从给定的输入/输出端口中选择到被定向的第一波长分量。

附图的简要说明

图1显示了根据本发明通过构建开关结构而实现的功能。

图2描述了根据本发明构建的宽带、独立于波长的光开关。

图3描述了根据本发明构建的依赖于波长的光开关。

图4描述了为完成图1中所示的功能而构建的传统的1xM开关的一个开关结构。

图5显示了类似于图2所示的本发明的一个实施例，但是它使用了一个修正透镜以使扩展的光束的交换具有最小插入损耗。

图6显示了图5中所示的本发明的一个可选的实施例，其中使用了聚焦镜用来减少插入损耗。

图7显示了本发明的另外一个可选的实施例。

图8显示了本发明的一个可选的实施例，其中将光透明衬底以六角形的结构排列。

详细说明

图1显示了根据本发明通过构建开关结构而达到的功能。一个波分复用的(WDM)光信号在端口69₁、69₂、......69_n中的一个上被接收。端口69₁、69₂、......69_n是双向端口，因此每一个都可作为输入口或输出口。光开关结构62被设计用来引导WDM信号的单独的波长分量从接收端口到端口69₁、69₂、......69_n中所选择的任意一个，包括最初接收光信号的端口。也就是说，开关结构62能有选择地引导任何的波长分量从任何输入端口到其他的端口，独立于其它波长的路由。相应地，对比其他开关结构，这种开关结构没有两个分离的端口子集，一个作为输入口，另外一个作为输出口。

应该注意，这里用的波长分量的术语不仅仅限制到单独一个波长。波长分量的术语也可被认为是波段。也就是说，一个波长分量可认为是一个单一的波长或一个波段(例如由连续信道组所提供的)，它定义了被WDM光信号包括的所有波段的子集。

图2描述了一个宽带，独立于波长的本发明的实施例。在图2中，透镜321和可倾斜的镜子315作为回射从端口矩阵(没有显示)接收到的光束350的组件，每一个组件都包括一个准直透镜和光纤。回射光束352的空间位置，平行于输入光束350，由镜子315的倾斜角度确定的。如图2所表明的，从一个给定端口接收到的输入光束可被引导到任何其他端口。注意，假如镜子315被倾斜使得输入和回射光束350和352是一致的，输入光束甚至可被引导回它所出发的端口。

可理解的，虽然在图2中倾斜和平移仅显示在纸的平面中的一维方向上，但二维的开关可通过进一步倾斜镜子到页面里或外而获得。有关倾斜镜子的其他细节将在下面结合图3中所示的本发明的实施例来提供。

图3描述了第二个与波长有关的本发明的实施例。在图3中，光开关元件300包括：光透明的衬底308，多个电介质的薄膜滤波器301、302、303和304，多个准直透镜321、322、323和324，多个可倾斜的镜子315、316、317和318以及多个端口340₁、340₂、340₃，...340_n。衬底308具有平行的平表面309和310，第一和第二滤波器阵列就分别排列在它们上面。第一滤波器阵列由薄膜滤波器301和303组成，而第二滤波器阵列由薄膜滤波器302和304组成。准直透镜321-324和可倾斜的镜子315-318的每一个与每一个薄膜滤波器相关连。每一个薄膜滤波器和与之相关连的准直透镜和可倾斜的镜子，有效地形成了一个窄带的自由空间的开关，也就是一个为单独的波长分量沿着不同的路径选择路由的开关。开关元件300的总的物理尺寸将部分地由WDM信号的波束直径决定。

薄膜滤波器301-304是人们熟知的元件(例如，参见美国专利第5,583,683号)，它有一个电介质的多层的结构。薄膜滤波器301-304具有和波长相关的特性，即它们的反射性和透射性依赖于光的波长。特别是，在薄膜滤波器301所收到的WDM光信号的波长分量中，只有波长为λ₁的分量能透过它传输。其余的波长分量全都被薄膜滤波器301反射。同样地，薄膜滤波器302只能传送波长为λ₂的分量而反射所有其它的波长。以同样的方式，薄膜滤波器303和304分别传送波长为λ₃和λ₄的分量，并反射所有其它的波长。因此，本发明通过多个具有不同通带的薄膜滤波器分解波长。

可倾斜的镜子315-318是任何可在2个轴上精确倾斜的镜子，它最好是非常的小而可靠，其平坦度优于大约λ/20。这里作为例子讨论的镜子由一个或多个曲臂支撑，曲臂采用了微机电系统(MEMS)。曲臂的驱动倾斜镜子的表面以改变入射光波束的传播方向。这种微机电的镜子的例子在美国专利第6,028,689号和此处引用的参考中披露。当然，其它的机械也可作为另外的选择用来控制镜子的位置，象比如压电的驱动器。

在操作中，包括不同波长λ₁、λ₂、λ₃和λ₄的WDM光信号从端口340₁、340₂、...340_n之一被引导到和这个口相关连的准直透镜314₁、314₂、...314_n。WDM光信号穿过衬底308并被薄膜滤波器301接收。根据薄膜滤波器301的特性，具有波长λ₁的光分量透过薄膜滤波器301传输，而其它波长分量被反射并通过衬底308引导到薄膜滤波器302。透过薄膜滤波器301传送的波长分量λ₁，由准直透镜321汇聚到可倾斜的反射镜子315上。与图2中所示的本发明的实施例相似，可倾斜的镜子315被定位使得沿着路径350被准直透镜321接收的波长分量λ₁被从镜子315上经过路经352回射到端口340₁-340_n中所选的一个。光路径352偏离于光路径350以便波长分量λ₁被引导到想要的端口。选择用来接收这个波长分量的具体的端口将决定镜子315的具体方向。如果光路径350和352是一致的，波长分量λ₁将被引回它原来的端口。

如所提到的，剩下的波长分量λ₂，λ₃和λ₄被薄膜滤波器301反射回衬底308并被引导到薄膜滤波器302。波长分量λ₂透过薄膜滤波器302和透镜322传输，并被可倾斜的镜子316经过反射波长分量λ₂的薄膜滤波器301回射到所选的端口上。相似地，所有其它的波长分量被薄膜滤波器303-304按顺序分开，并按顺序地由可倾斜的镜子317-318反射到所选的端口。通过适当地驱动可倾斜的镜子，每个波长分量可以被引导到独立于其它波长分量而选出的端口上。未被任何可倾斜的镜子重新引导的任何波长可以由一个可选的旁路口或光纤343接收。尽管图3的实施例被配置为选择性地交换四个波长，要认识到本发明更一般地可以通过采用相应数量的窄带自由空间开关选择性地交换任意数量的波长。

图3所示本发明的实施例实现了一些重要的优点。例如，不需要指定一套输入口，它和一套输出口是明显不同的。而且，每个端口可以同时作为输入口或输出口。此外，由于采用了自由空间开关，光连接的数量保持在最小水平，减少了设备的插入损耗、复杂性和成本。

下面的描述仅用于举例的目的，本发明的实施例的一个具体的例子在图3中显示。在这个例子中，衬底是一个矩形的硅块，厚12mm，宽11.475mm，长32mm。一个2x10的准直光束的阵列相对于这个块的法线成11.56°角方向。通过沿着平行于块的长边的轴旋转光束这个阵列被正确地定向以便在块和阵列之间形成所需要的角度。将单独地准直的单个光纤输出口对齐，以便阵列中的光束相互平行。选择阵列中准直透镜的焦距使得从Corning SMF-28光纤上出来的并透过一个单透镜的光形成一个宽0.45mm的光束和距透镜72mm的高斯收敛。光纤头被抛光为平面并有一个防反射的镀层。

窄带自由空间开关的第一和第二阵列每个包括八个薄膜滤波器。薄膜滤波器每个是一个三空腔谐振的薄膜滤波器，其滤波器表面的曲率半径＞100m，尺寸是3.2mm乘11.2mm。在第一个阵列中，第一个薄膜滤波器，它位于距衬底边缘3.2mm处，由光学质量的指数匹配的环氧树脂粘在衬底上，它的通带中心是194.0THz(1545.32mm)。光通带在从峰值下降-0.5dB处宽度通常为0.4nm，从波长中心开始0.8nm的隔离度优于-15dB。将一个12mm焦距的非球面透镜粘在这个薄膜滤波器上。接下来，将一个可买到的微机电的(MEMS)可倾斜的镜子置于镜头的焦点上。可把电压施加到可倾斜的镜子上以沿着两个轴改变其角度方向。镜子调整的角度典型地不超过20。

第一个阵列还包括位于距第一个自由空间开关3.23mm处的第二个窄带自由空间开关。在这个开关中采用的薄膜滤波器的中心光波长为193.8THz(1546.92mm)。六个附加的窄带自由空间开关沿着衬底放置，其中心波长分别是1548.52nm，1550.12nm，1551.72nm，1553.32nm，1554.92nm和1556.52nm。每个顺序的开关之间的中心到中心的距离是3.23mm。

窄带自由空间开关的第二个阵列置于衬底表面，与放置第一个开关阵列的衬底表面相对。第二个开关阵列，也是相互分开3.23mm放置，它们横向朝向第一个开关阵列的半个路程上。第二个开关阵列中采用了八个薄膜滤波器，其中心通带波长分别为1544.52nm，1546.12nm，1547.72nm，1549.32nm，1550.92nm，1552.52nm，1554.12nm和1555.72nm。

每个单独的可倾斜的镜子具有一个电子电路，在它上面施加电压以便操纵镜子。操纵镜子以使得镜子反射的波长被引导到一个特定的输出光纤所需的电压在各镜子间都不一样。选择用于操纵镜子的操作电压(一般是-60到+60伏范围)使得耦合进想要的输出光纤的光功率最大。

本领域的普通技术人员将认识到图3中所示的每一个窄带自由空间开关不一定需要一个单独的透镜和镜子的组合来进行回射。而其它光元件的组合可用于正确地重新引导波长分量。例如，可以设置两个可倾斜的镜子以便实现同样的结果而不需要透镜。作为另一种选择，如果除了可沿着两个轴倾斜，其位置还可以在空间上进行平移，就可以用一个单独的镜子。本发明可以采用任意的自由空间开关构造，它能以足够的平移来回射光束到达所希望的光纤口。

监视由图3所示的开关所收到的每一个单独的波长分量的出现和强度通常是重要的。当WDM信号包含大量波长分量时，采用传统的光纤监视抽头会变得特别困难。而在本发明中，这个问题已经很容易被克服，因为通过每一个可倾斜的镜子只收到一个单独的波长分量。因此，单个波长分量可以通过在镜子后面放置一个检测器，以使它接收透过镜子的波长分量的一小部分功率来进行监视。这个信息与传统的抽头监视组合在一起可以为网络控制和管理提供更完整的路由通过开关的光的监视图。

在可倾斜的镜子的各种位置和输入输出光纤上保持精确的对准以便优化它们接收来自镜子的功率也是很重要的。这可通过缓慢调整镜子，同时通过传统的光纤监视抽头监视耦合到光纤上的功率来实现。然而，如果在光纤上有许多其它的波长时，这种方法就变得复杂，在这种情况下，用一个具有唯一RF频率的小的振幅调制编码，在调整可倾斜镜子的位置时，这个频率在相应的输出光纤上检测，通过这种方法改善对每个波长分量的检测是很有用的。这个RF音可以在发送器上用唯一的音为每一个波长编码，或者RF振幅调制可以在镜子调整时临时地编码，其方法是提供镜子倾斜的小的震荡，以便轻微地改变到光纤的耦合效率。后一种方法的好处在于调制音在它被测量的地方被编码，消除了在整个网络中跟踪它们的需要，并且此外，这个音仅仅在它们需要调整时才被编码。

参考图1和4，现在描述本发明的另一个实施例。与图2和3中所示的实施例相似，这个实施例中没有预先定义的输入或输出口。然而，不象图2和3中所示的实施例，这个实施例采用了传统的1xM光开关和复用器。参考图1，一个WDM信号在任意的输入/输出端口69₁，69₂，...69_n被接收到，并且用传统的分解器67₁，67₂，...67_n分解成单个的波长分量或信道的输出到单个的光纤上。这个分解器是人们熟知的并且可以用几种不同的技术来构造，包括但不限于薄膜电介质的滤波器以及在硅光波导中的阵列波导光栅。每个具体的开关结构65₁，65₂，...65_n从所有的分解器67₁，67₂，...67_n上接收同样的波长分量。对于它所收到的给定的波长分量，开关结构可以在任意两个输入/输出端口69₁，69₂，...69_n之间建立一个双向的光连接，进而使得一个输入的信号从开关结构被引导到任意的分解器67₁，67₂，...67_n。分解器反过来把这个信号和从其它开关结构65₁，65₂，...65_n上收到的其它波长分量复用到一起。如果对于每一个具体的波长分量或信道都有一个独立的开关结构，WDM信号的任何分量可以在任意的输入/输出端口69₁，69₂，...69_n之间独立于其它分量的路由选择路由。

图4显示了一种开关结构65₁，65₂，...65_n的一个例子。在图4中，从任意的输入/输出端口输入的波长进入传统的1xM开关63₁，63₂，...63_n之一的唯一的输入口61₁，61₂，...61_n。开关63₁，63₂，...63_n的M个输出口中除了一个，都被连接到其它的1xM开关的每个。将每个开关63₁，63₂，...63_n的剩下的输出口耦合到一个用来把波长反射回那个开关的输入口的镜子60。因为连接可以以这种方式即在任意两个想要的1xM开关之间建立，光信号可以清楚地在开关结构的任意两个输入口61₁，61₂，...61_n之间被路由，包括从进来的口中反射出去。一个被任意给定的1xM开关的输入口收到的入射波长可以被那个给定的开关路由到输入/输出端口69₁，69₂，…69_n(图1)中需要的一个，这是通过从给定的1xM开关到连接在与想要的输入/输出端口相关连的分解器上的1xM开关之间建立一个连接实现的。反过来分解器复用波长到想要的输入/输出端口上。

回到图2和3所示的本发明的实施例，在某些情况下，一个进入图2和3的开关的光信号没有很好地准直。其结果是，由一个简单地非球面透镜和一个位于透镜焦平面上的可倾斜的镜子所形成的自由空间开关(不论宽带或窄带)，当这个开关把光引导回输入/输出端口之一时，将引入插入损耗。损耗的上升是由于当从任意给定的端口收到的光束在焦点上穿过非球面透镜的光轴，其光束的收敛将不在焦平面上。如图5所示，一个校正的镜片54可以插在非球面透镜50和可倾斜的镜子52之间以减小它对插入损耗的贡献。校正镜片54可以是，例如，一个凹-凸透镜，其表面的球面曲率半径等于从其表面到可倾斜的镜子52之间的距离。用这种方式，校正镜片54不操纵光束，但仅简单地改变了光束收敛的位置。用这种方法，把每个光束的收敛定位在焦平面，同时保证每个光束在焦平面穿过光轴是可能的。作为另一种选择，不在每个自由空间开关中加入校正镜片54，一个自由空间开关可以汇聚的镜子代替。例如，如图6所示，光元件850是一个汇聚的镜子阵列而不是一个自由空间开关。当汇聚元件850出现在位于自由空间开关840和860之间的光路径上时，元件850更一般地可能位于自由空间开关的不同个体之间的光路径上。汇聚元件850调整光束收敛的位置以便在开关结构内在瑞利范围内维持相对小的光束的准直。维持这个水平的准直反过来避免了在和图5有关的讨论中对焦距点修正的需求。

图8显示了本发明的一个另外的实施例，其中对光透明的衬底608排列在近似圆形的结构中。当然，如本发明前面的实施例，衬底608可以是周围的空气、硅玻璃或其它一些对光透明的介质。用这种方式，每个可倾斜的镜子615-621可以排列在围绕衬底608的一个圆形的结构上。这个装置的一个优点是在每个可倾斜的镜子之间的距离相对于图3所示的本发明的实施例中每个可倾斜的镜子之间的距离是可以增加的。因为现在有了更多的可用空间，额外的空间为容纳可倾斜的镜子的封装的结构提供了更多的灵活性。例如，额外的空间可以允许采用非定制的可倾斜的镜子的封装，而不用定制以减小其尺寸。

图7显示了本发明的另一个可选的实施例，其中采用了图3所示发明的光开关300的两个或多个具体的个体，以便提供一个扩展的波长开关700，它和任何一个单独的开关300相比，可以路由更多的波长分量。这可能是为了避免与图5和图8相关的准直问题的讨论而扩展单独的开关结构的波长能力的一个有优势的方法。具体地，如果单独的开关710被设置为路由波长λ₁-λ₈，而单独的到开关720被设置为路由波长λ₉-λ₁₆，那么，扩展的波长开关700可以以同样的方式路由为波长λ₁-λ₁₆，作为单独的开关300设置为用来路由波长λ₁-λ₁₆。除了单独的开关710和720，扩展的波长开关700包括一个带状滤波器730和棱镜740。滤波器730可以是一个类似于图3所示的薄膜滤波器301-304的薄膜滤波器。滤波器730的构造使得它传送波长分量λ₁-λ₈而反射波长分量λ₉-λ₁₆。滤波器730被定位以便从输入/输出端口740₁，740₂，...740_n上接收WDM信号。因此，波长分量λ₉-λ₁₆被反射到开关720，它用和图3相关的讨论中相同的方法为路为这些分量。同样地，波长分量λ₁-λ₈透过带状滤波器730传输并由棱镜740按照全内反射的原理反射到开关710上。尽管图7显示了由两个平行错开的单独的开关300形成的一个扩展的波长开关，本领域中的那些或普通的技术人员将认识到任何数量的开关300可以用类似的方法连接起来以便路由任意需要的数量的波长分量。

Claims (87)

1.一种光开关，包括：

多个用于接收光信号的一个或多个波长分量的输入/输出端口；以及

光学装置，引导所述的波长分量到多个输入/输出端口中任意给定的一个，所述的给定的输入/输出端口是从多个任意的输入/输出端口中可改变地选择的。

2.如权利要求1所述的光开关，其中所述的光信号是一个宽带信号并且所述的光学装置是与波长无关的。

3.如权利要求1所述的光开关，其中所述的光学装置回射所述的波长分量。

4.如权利要求2所述的光开关，其中所述的光学装置回射所述的宽带信号。

5.如权利要求1所述的光开关，其中所述的光信号包括多个波长分量，并且所述的光学装置包括：

至少一个波长选择元件，它从多个波长分量中选出一个所述的波长分量；以及

多个光元件，每个与波长选择元件之一相关连，每个所述的光元件，独立于其它的每个波长分量，引导由相关连的选择元件所选出的所选的波长分量到多个输入/输出端口之中给定的一个，所述的给定的输入/输出端口是从多个任意的输入/输出端口中可改变地选择的。

6.如权利要求1所述的光开关，进一步包括一个自由空间区域，它位于输入/输出端口和光学装置之间。

7.如权利要求5所述的光开关，进一步包括一个自由空间区域，它位于输入/输出端口和波长选择元件之间。

8.如权利要求5所述的光开关，其中所述的波长选择元件是薄膜滤波器，每个透过它传送波长分量中不同的一个并反射剩余的波长分量。

9.如权利要求8所述的光开关，其中所述的波长选择元件是大衍射光栅。

10.如权利要求5所述的光开关，其中所述的光元件是反射镜子，它可在多个位置上有选择地倾斜，以便在每一个位置上镜子反射入射到其上的波长分量到任意所选的输入/输出端口之一。

11.如权利要求10所述的光开关，其中所述的反射镜子是微机电的(MEM)回射镜装置的部件。

12.如权利要求11所述的光开关，其中所述的回射镜装置包括非球面的透镜。

13.如权利要求12所述的光开关，其中所述的回射镜装置包括一个曲面的反射器元件。

14.如权利要求10所述的光开关，其中所述的反射镜子是回射镜装置的一个部件。

15.如权利要求10所述的光开关，其中所述的反射镜子每个包括一个压电驱动器。

16.如权利要求7所述的光开关，其中所述的自由空间区域包括具有第一和第二平行表面的光透明的衬底，所述的多个波长选择元件分别在沿着第一和第二平行表面延伸的第一和第二阵列中排列。

17.如权利要求15所述的光开关，其中所述的光透明的衬底包括作为介质的空气，光信号在其中传播。

18.如权利要求16所述的光开关，其中所述的光透明的衬底是硅玻璃。

19.如权利要求16所述的光开关，其中所述的第一和第二阵列是相互横向错开的。

20.如权利要求19所述的光开关，其中每个所述的排列在第一阵列中的波长选择元件引导所选的波长分量到另一个所述的排列在第二阵列中的波长选择元件。

21.如权利要求7所述的光开关，其中将多个波长选择元件排列在一个封闭的结构中。

22.如权利要求21所述的光开关，其中所述的封闭结构是一个圆形结构。

23.如权利要求21所述的光开关，其中所述的自由空间区域确定了一个多边形。

24.如权利要求16所述的光开关，进一步包括一个排列在第一阵列中的汇聚镜子，所述的汇聚镜子通过调整光信号的波束的收敛的位置减小了插入损耗。

25.如权利要求23所述的光开关，其中所述的自由空间区域是周围的空气。

26.如权利要求23所述的光开关，其中所述的自由空间区域是硅玻璃。

27.如权利要求5所述的光开关，进一步包括一个准直透镜，它位于每个所述的波长选择元件和与之相关连的光元件之间，每个所述的光元件位于与之相关连的透镜的焦点上。

28.如权利要求27所述的光开关，其中所述的准直透镜和所述的光元件用作为一个回射器。

29.如权利要求1所述的光开关，其中所述的光学装置包括至少一个准直透镜和至少一个可倾斜的镜子。

30.如权利要求5所述的光开关，其中所述的光元件每个包括一个准直透镜和一个可倾斜的镜子。

31.如权利要求1所述的光开关，其中所述的光信号第一和第二的多个波长分量，并且所述的光学装置包括第一和第二光学装置子组件，每个所述的光学装置子组件包括：

至少一个波长选择元件，它从第一和第二的多个波长分量中选择一个所述的波长分量；以及

多个光元件，每个与波长选择元件之一相关连，每个所述的光元件引导由与之相关连的选择元件所选出的被选择的独立于其它每个波长分量的波长分量到多个输入/输出端口中给定的一个，所述的给定的输入/输出端口是从多个任意的输入/输出端口中可改变地选择的。

32.如权利要求31所述的光开关，进一步包括一个光耦合装置，它引导第一的多个波长分量到第一个光学装置子组件，并且引导第二的多个波长分量到第二个光学装置子组件。

33.如权利要求32所述的光开关，其中所述的光耦合装置包括一个滤波器，它反射第二的多个波长分量到第二个光学装置子组件，并透过它传送第一的多个波长分量。

34.如权利要求33所述的光开关，其中所述的光耦合装置进一步包括一个从所述的滤波器中接收第一的多个波长分量的棱镜，并引导第一的多个波长分量到第一个光学装置子组件。

35.如权利要求7所述的光开关，进一步包括一个汇聚镜子，它排列在光信号经过的路径上，且位于一对波长选择元件之间，所述的汇聚镜子通过调整光信号的波束的收敛的位置减小了插入损耗。

36.一种方法，用于引导来自第一个输入/输出端口的包含至少一个波长分量的光信号中的第一个波长分量到任意所选的包括所述的第一个输入/输出端口在内的多个输入/输出端口之一，所述的方法包括以下步骤：

在第一个输入/输出端口接收光信号；

如果所述光信号包括多个波长分量，则选出第一个波长分量；

从任意的多个输入/输出端口中选出一个给定的输入/输出端口；以及

引导第一个波长分量到给定的输入/输出端口。

37.如权利要求36所述的方法，其中所述的第一个输入/输出端口和给定的输入/输出端口是同一个端口。

38.如权利要求36所述的方法，其中引导第一个波长分量的步骤包括通过自由空间区域引导第一个波长分量的步骤。

39.如权利要求36所述的方法，其中选择第一个波长分量的步骤包括用具有相应于第一个波长的通带的薄膜滤波器分解出第一个波长分量的步骤。

40.如权利要求38所述的方法，其中所述的第一个波长分量由一个可倾斜的镜子通过自由空间区域来引导的。

41.如权利要求40所述的方法，其中可倾斜的镜子是一个MEM镜子。

42.如权利要求41所述的方法，其中所述的MEM镜子是一个回射MEM镜子装置。

43.如权利要求36所述的方法，其中所述的光信号是一个宽带的光信号。

44.一种方法，用于引导来自第一个输入/输出端口的包含多个波长分量的WDM信号中的至少第一和第二个波长分量到任意所选的包括所述的第一个输入/输出端口在内的多个输入/输出端口之一，所述的方法包括下列步骤：

在第一个输入/输出端口接收WDM信号；

从多个波长分量中选出第一个波长分量；

从任意多个输入/输出端口中选出一个给定的输入/输出端口；

引导第一个波长分量到给定的输入/输出端口；以及

引导第二个波长分量到另一个给定的多个输入/输出端口之一，它是独立于第一个波长分量被引导到的那个给定的输入/输出端口而选出的。

45.如权利要求44所述的方法，其中所述第一个输入/输出端口和给定的输入/输出端口是同一个端口。

46.如权利要求44所述的方法，其中引导第一和第二个波长分量的步骤包括通过自由空间区域引导第一和第二个波长分量的步骤。

47.如权利要求44所述的方法，其中选择第一波长分量的步骤包括用具有相应于第一个波长的通带的薄膜滤波器分解出第一个波长分量的步骤。

48.如权利要求46所述的方法，其中第一个波长分量由一个可倾斜的镜子通过自由空间区域来引导的。

49.如权利要求48所述的方法，其中可倾斜的镜子是一个MEM镜子。

50.如权利要求49所述的方法，其中所述的MEM镜子是一个回射光装置的部件。

51.如权利要求48所述的方法，其中所述的可倾斜的镜子包括一个压电驱动器。

52.如权利要求48所述的方法，进一步包括在其入射到可倾斜的镜子上之前准直第一个波长分量的步骤。

53.如权利要求47所述的方法，其中所述的分解和引导步骤由多个窄带自由空间开关执行的。

54.如权利要求53所述的方法，其中所述的自由空间开关包括一个回射镜子。

55.一种方法，用于引导来自第一个输入/输出端口的包含多个波长分量的WDM信号中的至少第一和第二个波长分量到任意所选的包括所述的第一个输入/输出端口在内的多个输入/输出端口之一，所述的方法包括下列步骤：

(a)从WDM信号中分解出第一个波长分量；

(b)引导第一个波长分量到给定的输入/输出端口；以及

(c)从WDM信号中分解出第二个波长分量，并且引导所述第二个波长分量到独立于给定的输入/输出端口而选出的多个输入/输出端口之一。

56.如权利要求55中所述的方法，其中步骤(c)是在步骤(a)和(b)之后执行的。

57.如权利要求55所述的方法，其中所述的引导第一和第二波长分量的步骤包括通过自由空间区域引导第一和第二个波长分量的步骤。

58.如权利要求55所述的方法，其中所述的第一个波长是由具有相应于第一个波长的通带的薄膜滤波器分解出的。

59.如权利要求57所述的方法，其中所述的第一个波长分量由一个可倾斜的镜子通过自由空间区域来引导的。

60.如权利要求59所述的方法，其中可倾斜的镜子是一个反射镜子。

61.如权利要求60所述的方法，其中所述的可倾斜的反射镜子包括一个压电驱动器。

62.如权利要求59所述的方法，进一步包括准直第一个波长分量到可倾斜的镜子上的步骤。

63.如权利要求55所述的方法，其中所述的分解和引导步骤是由多个窄带自由空间开关执行的。

64.如权利要求5所述的光开关，进一步包括一个和每个波长选择元件相关连的检测器，用于监视透过其传输的波长分量。

65.如权利要求55所述的方法，进一步包括在分解步骤执行以后监视第一个波长分量的步骤。

66.一种光开关，包括：

多个输入/输出端口，用于接收包含多个波长分量的WDM信号中的一个或多个波长分量；以及

用于从多个波长分量中选择所述的波长分量之一，并且独立于每个其它选择和引导装置，波长分量把由相应的选择元件选出的被选定的波长分量引导到多个输入/输出端口中给定的一个，所述的给定的输入/输出端口是从多个任意的输入/输出端口中可改变地选择的。

67.如权利要求66所述的光开关，其中所述的选择和引导装置包括多个窄带自由空间开关。

68.如权利要求66所述的光开关，其中所述的选择和引导装置包括一个波长选择元件和一个与之相关连的光元件。

69.如权利要求68所述的光开关，其中所述的波长选择元件是一个薄膜滤波器。

70.如权利要求67所述的光开关，其中所述的窄带自由空间开关包括一个薄膜滤波器和一个可倾斜的光元件。

71.如权利要求70所述的光开关，其中所述的可倾斜的光元件是一个可倾斜的镜子。

72.如权利要求68所述的光开关，其中所述的波长选择元件是一个大衍射光栅。

73.如权利要求55所述的光开关，进一步包括一个与每一个窄带自由空间开关相关连的检测器。

74.如权利要求66所述的光开关，进一步包括一个自由空间区域，它位于输入/输出端口及选择和引导装置之间。

75.如权利要求74所述的光开关，其中所述自由空间区域包括一个具有第一和第二平行表面的光透明的衬底，所述的包括多个波长选择元件的选择和引导装置在分别沿着第一和第二平行表面延伸的第一和第二阵列中排列。

76.如权利要求74所述的光开关，其中所述自由空间区域包括作为媒介的空气，光信号在其中传播。

77.如权利要求74所述的光开关，其中所述光透明衬底是硅玻璃。

78.如权利要求75所述的光开关，其中所述的第一和第二阵列是相互横向错开的。

79.如权利要求78所述的光开关，其中每一个所述的排列在第一阵列中的波长选择元件引导所选的波长分量到另一个所述的排列在第二阵列中的波长选择元件。

80.如权利要求68所述的光开关，其中所述的光元件是一个回射器。

81.如权利要求70所述的光开关，其中所述的可倾斜的光元件包括一个可倾斜的镜子和一个准直透镜。

82.如权利要求29所述的光开关，进一步包括一个光校正元件，它位于准直透镜和所述的可倾斜的镜子之间以便减小插入损耗。

83.如权利要求82所述的光开关，其中所述的光元件是一个可倾斜的镜子而所述的光校正元件是一个凸-凹透镜。

84.如权利要求83所述的光开关，其中所述的凸-凹透镜的至少一个表面的球面曲率半径等于透镜表面和可倾斜的镜子的之间的距离。

85.如权利要求81所述的光开关，进一步包括一个光校正元件，它位于准直透镜和所述的可倾斜的镜子之间以便减小插入损耗。

86.如权利要求85所述的光开关，其中所述的光校正元件是一个凸-凹透镜。

87.如权利要求86所述的光开关，其中所述的凸-凹透镜的球面曲率半径等于透镜的至少一个表面和可倾斜的镜子的之间的距离。

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