光路由機構及對光進行路由的方法

專利名稱：光路由機構及對光進行路由的方法
技術領域：
本發明一般地涉及光纖通信，更具體而言是涉及用于將光信號的不同光譜帶路由到不同輸出端口的方法和系統。
背景技術：
互聯網和數據通信正在引起對全球帶寬的爆炸性需求。光纖電信系統當前正采用一種被稱為密集波分復用(DWDM)的較新技術，以便擴大新的和現有的光纖系統的容量，以助于滿足這種需求。在DWDM中，光的多個波長通過單根光纖同時傳輸信息。每個波長都用作傳送數據流的單個通道。光纖的傳送能力以使用的DWDM通道數目成倍增加。現今，從許多制造商那里可以獲得采用達80通道的DWDM系統，將來有希望更多。
在所有的電信網絡中，都需要把單個通道(或電路)連接到單個目的地點，例如終端用戶，或連接到另一個網絡。執行這些功能的系統被稱為交叉連接器(cross-connects)。另外，需要在某一中間點插入(add)或分接(drop)一些特殊的通道。執行這些功能的系統被稱為分插復用器(ADM)。目前，所有這些連網功能都由電子設備-通常由電子同步光纖網絡/同步數字系列(SONET/SDH)系統來執行。然而，SONET/SDH系統被設計成只處理一個光信道。多波長系統將需要多個并行操作的SONET/SDH系統，以便處理多個光信道。這使得擴大使用SONET/SDH技術的DWDM網絡的規模將變得困難，而且昂貴。
替換的方案是全光網絡。被設計成在波長級操作的光網絡一般被稱為“波長路由網絡”或“光傳輸網絡”(OTN)。在波長路由網絡中，DWDM光纖中的單獨波長必須是可管理的。需要在波長級操作的新型光網絡元件去執行交叉連接、分插復用(ADM)和其它網絡交換功能。兩個主要的功能是光分插復用(OADM)和波長選擇交叉連接(WSXC)。
現今，為了在光學上執行波長路由功能，光流必須首先被解多路復用(de-multiplex)或過濾為其多個單波長，每個單波長在單個光纖上。然后，必須利用一個被稱為光交叉連接器(OXC)的大型光開關陣列，把每個單波長引向其目標光纖。最后，所有的波長在繼續通過目的光纖之前必須被重新多路復用。這種復合過程是復雜和極昂貴的，并且降低系統可靠性，以及使系統管理變得復雜。OXC尤其是一個技術難題。典型的40-80通道的DWDM系統將需要數千個開關，以便完全交叉連接所有的波長。對于普及推廣，提供可接受的光學特性的光機械開關太大、昂貴，且不可靠。基于新材料的新的集成固態技術正在被研究，但是距離商業應用仍很遙遠。
因此，工業界正積極地尋找一種全光波長路由解決辦法，該全光波長路由解決辦法使高波長數(high-wavelength-count)系統能夠被成本低廉地和可靠地執行。

發明內容
因此，本發明的實施例提供一種光路由機構和波長路由器，以及一種使用這些裝置的方法，使制造進行各種簡化，同時提供某些期望的光學配置。根據本發明實施例的波長路由器被配置成從輸入光纖接收具有多個光譜帶的光，并把光譜帶的子集引到多個輸出光纖中的相應光纖。自由空間光學系列(train)提供用于在輸入光纖和輸出光纖之間對光譜帶進行路由的光路。具有多個可動態配置路由元件的光路由機構根據單個路由元件的狀態確定如何引導每個光譜帶。根據一些實施例，一個共同面用于使光路由機構整體地配合輸入和輸出光纖的末端部分。這種結構可以允許一些光學元件的有效平面化，由此允許經濟地制造平面物體，以達到精確的公差極限，尤其是當與代替使用一般化的三維物體的結構相比時。減少的組裝時間、加工的相似性以及更簡潔(tighter)的組裝可重復性，使成本得到節省并提高了可靠性。
在一些特定實施例中，多個光纖折疊元件附加地被布置在共同面上。每個折疊元件被定向，以便在一個相應的光纖與平行于自由空間光學系列光軸的路徑之間引導光。這樣的實施例適于以下情況可動態配置的路由元件包括可傾斜的微鏡，并且光路由機構還具有多個固定反射鏡，每一個都被布置成根據路由元件的狀態遇到特殊的光譜帶。
在其它實施例中，輸入和輸出光纖的末端被布置在與自由空間光學系列的光軸垂直的共同平面中。該共同平面可以平行于共同表面。在一個這樣的實施例中，一個共同的光纖折疊元件被布置在共同表面上，并且被定向，以便在每個光纖與平行于自由空間光學系列光軸的路徑之間引導光。這樣的實施例可以適于以下情況可動態配置的路由元件包括在共同面上形成的可傾斜的微鏡，并且光路由機構具有一個第一固定反射鏡和多個第二固定反射鏡，其中第一固定反射鏡被布置成遇到每個光譜帶，多個第二固定反射鏡可以根據路由元件的狀態遇到特殊的光譜帶。這樣一個系統可以被配置成通過自由空間光學系列的光傳播產生的錐形衍射效應被減到最小。在一個這樣的實施例中，固定反射鏡被布置成在基本上沿圓錐表面包絡排列的點處遇到給定的光譜帶。在某些特定的實施例中，圓錐表面包絡包括一個拋物面包絡，例如在遠心(telecentric)應用中，在其它特定的實施例中，圓錐表面包絡包括一個橢圓面包絡，例如在使用有限遠出射光瞳的應用中。


通過參照說明書的其余部分以及附圖，可以進一步理解本發明的特性和優點，其中貫穿幾個附圖所使用的相似附圖標記表示相似的部件。在某些情況下，下標與附圖標記有關，并且被置于括號中，以表示多個相似部件之一。當參照一個沒有規定下標的附圖標記時，其意圖是指代所有這樣的多個相似部件。
圖1A和圖1B是說明四行程(four-pass)波長路由器的實施例的俯視圖和側視圖；圖2A和圖2B所示的示意圖說明了使用兩個固定反射鏡的光路由機構的操作；圖3A和圖3B所示的示意圖說明了使用兩個固定反射鏡且具有折疊鏡的光路由機構的操作；圖4A-4C所示的示意圖說明了圓錐截面包絡在配置根據一個實施例的光路由機構的元件中的應用；圖5所示的示意圖說明了使用三個固定反射鏡的光路由機構的
具體實施例方式
1.引言以下的說明闡述了根據本發明的光路由結構的實施例，以及包括該光路由結構的全光波長路由器的實施例。在共同轉讓的美國專利第6,501,877號中提供了波長路由器的示范性實施例，在此將該專利全部引入，包括其附錄，以作為參考。在此描述的光路由機構也可用于任何合適的另外的波長路由器配置中。
雖然在以下說明中提到“輸入”和“輸出”光纖，但是這種術語并不是想要限制光傳播的方向。更一般地，在不超出本發明的范圍的情況下，輸入和輸出光纖的功能可以被顛倒。例如，配置有一個“輸入”光纖和兩個“輸出”光纖的波長路由器實施例可以用于在單個輸入光纖處接收光，并把光引到兩個輸出光纖。或者，相同的波長路由器實施例可以用于在兩個輸出光纖處接收光，并把光引到單個輸入光纖。
可以利用自由空間光學系列和光路由機構在光學上執行波長路由功能。自由空間光學系列可以包括空氣間隔的元件或者可以是一般的單片(monolithic)結構。圖1A和圖1B中顯示了被配置為四行程路由器100的波長路由器的一個例子，圖1A和圖1B分別是俯視圖和側視圖。其一般功能性是在與光路由機構110集成的輸入處接受具有N個光譜帶的光，并把光譜帶的子集引到與光路由機構110集成的多個輸出的期望輸出。以下詳細討論不同實施例中的光路由機構的結構。在輸入處接收的光被引到光學系列，形成了包括不同光譜帶的發散光束118。光束118遇到使該光準直(collimate)的透鏡120，并把光引向反射衍射光柵125。光柵125使光分散，從而不同波長的準直光束以不同的角度被引回到透鏡120。
清楚地顯示了兩束這樣的光束126和126′，后者以虛線表示。由于這些準直光束以不同的角度遇到透鏡120，因此它們被聚焦到光路由機構110中的不同點。聚焦的光束遇到多個可動態配置的路由元件中的相應路由元件，可動態配置路由元件形成了回射組件的一部分，以便把單個光束作為發散光束引回到對其進行準直的透鏡120，然后再次被引到光柵125。在第二次遇到光柵125時，不同光束之間的角間距被消除了，并且光束被引回到對其進行聚焦的透鏡120。可動態配置的元件可以被配置成沿反向路徑發送其截取的光束，該反向路徑使截取的光束移位，以便把截取的光束引向不同的輸出。
2.光路由機構圖2A中顯示了光路由機構的一個實施例，以附圖標記110′表示。該圖用于對光路由機構操作的某些幾何方面提供示意性圖解。在該實施例中，利用包括兩個固定反射鏡214和216以及一組可動態配置的路由元件220的回射組件，實現分離光束的回射。一般，可動態配置的路由元件220至少和分離光束的數目一樣多，從而每個分離光束可以被獨立地路由。取決于每個路由元件220的狀態，單個分離光束或者被引到第一固定反射鏡214(“A”)，或者被引到第二固定反射鏡216(“B”)，由此實現位移，該位移允許分離光束被引向波長路由器中的不同輸出。在圖2A中清楚地顯示了輸入光纖208和多個輸出光纖212，其中利用箭頭指示了光束從輸入光纖208傳播到光學系列，以及從光學系列傳播到輸出光纖212。
在一些實施例中，可動態配置的路由元件220包括利用微機電系統(“MEMS”)技術制造的可傾斜的微鏡。例如，這種可傾斜微鏡可以被制造成在以下共同未決的共同轉讓專利申請中說明的MEMS裝置，每個申請在此全部引入作為參考Bevan Staple等人于2001年7月3日提交的美國專利申請第09/898,988號，題為“利用控制桿克服靜摩擦的系統和方法(SYSTEMS AND METHODSFOR OVERCOMING STICTION USING A LEVER)”；VictorBuzzetta等人于2001年7月3日提交的美國專利申請第09/899,000號，題為“基于逐步受控傾斜鏡的自由空間光波長路由器(FREE-SPACE OPTICAL WAVELENGTH ROUTER BASED ONSTEPWISE CONTROLLED TILTING MIRRORS)”；Victor Buzzetta于2001年7月3日提交的美國專利申請第09/899,001號，題為“基于逐步受控傾斜鏡的二維自由空間光波長路由器(TWO-DIMENSIONAL FREE-SPACE OPTICAL WAVELENGTHROUTER BASED ON STEPWISE CONTROLLED TILTINGMIRRORS)”；Bevan Staple和Richard Roth于2001年7月3日提交的美國專利申請第09/899,002號，題為“基于微機電系統的、非接觸的自由空間光開關(MEMS-BASED，NONCONTACTINGFREE-SPACE OPTICAL SWITCH)”；Lilac Muller于2001年7月3日提交的美國專利申請第09/899,004號，題為“帶有不接觸的光闌的雙穩態微鏡(BISTABLE MICROMIRROR WITH CONTACTLESSSTOPS)”；以及David Paul Anderson于2001年7月3日提交的美國專利申請第09/899,014號，題為“用于提供多光闌微鏡的方法和設備(METHODS AND APPARATUS FOR PROVIDING AMULTI-STOP MICROMIRROR)”。
MEMS可傾斜微鏡形成于MEMS芯片204上，該MEMS芯片204也可作為在其上面形成固定反射鏡的基底。在共同轉讓的美國專利第6,439,728號中的圖4A、4B和圖5中，顯示了把兩個固定反射鏡與一組可傾斜微鏡結合使用的回射組件的特定例子，該專利由Frederick Kent Copeland(′728專利)于2001年8月28日提交，題為“用于雙位回射鏡中MEMS裝置垂直集成的多鏡堆疊(MULTIMIRROR STACK FOR VERTICAL INTEGRATION OFMEMS DEVICES IN TWO-POSITION RETROREFLECTORS)”，在此引入其全部公開作為參考。
圖2A還注釋了(x，y，z)笛卡爾坐標系，用于定義在以下討論中使用的方向。z軸對應于光學系列的光軸。xy平面與該光軸正交，y軸被定義為對應于可動態配置的路由元件220沿著它被隔開的對稱軸。x方向受右手笛卡爾系要求的約束。從而，例如，圖1A的俯視圖對應平行于yz平面的視圖，圖1B的側視圖對應平行于xz平面的視圖。xy平面中的端視圖將對應于沿光學系列的光軸的視圖。
在考慮波長路由器的操作中，發明者將面臨許多設計因素，其中希望某些參數或者去減小光學像差，或者方便制造。例如，在圖2A中，顯然，輸入光纖208的末端的z值與輸出光纖212的末端的z值不同，以適應系統中的光路長度差。該配置是以下共同未決的共同轉讓專利申請中的、將被更詳細討論的一組配置的一個例子Robert Anderson和Samuel P.Weaver于2000年12月20日提交的美國專利申請第09/747,064號，題為“帶有交錯輸入-輸出光纖的波長路由器(WAVELENGTH ROUTER WITH STAGGEREDINPUT-OUTPUT FIBERS)”，在此引入其全部公開作為參考。另外，由固定反射鏡216的位置產生的布置的幾何結構使光纖的末端在x方向偏移。這種偏移導致了來自錐形衍射的像差，該錐形衍射是由于光在通過光學系列傳播的期間遇到衍射光柵125被強加的。尤其是，因為x方向上的分散，由衍射光柵125對分離光束的重分解(recollapse)也造成了y方向的相應移位。為了減小這種效應，可以通過將輸入和輸出光纖與安置用來分開對準差的光纖座(fiberblocks)一起放置，從而實現圖2A所示的布置。
然而，期望有一個用于放置所有輸入和輸出光纖的單光纖座。使用共同的光纖座制造的效率高，這是因為可以在共同的位置同時對光纖執行拋光和噴涂。根據齊焦化(parfocalization)要求可以理解使用單光纖座的進一步障礙。圖2B中說明了這一點，圖2B顯示了在平行于xz平面的光路由機構110′的橫截面中的特定光束的路徑。選擇坐標系，以使從輸入光纖208發出的光束的焦點位置242位于x＝z＝0。如圖中所注釋的，MEMS芯片表面204相對x軸和z軸傾斜，傾斜角θ是關于z軸定義的。
如圖解，當分離光束250之一被回射時，它遇到被圖示為可傾斜微鏡的相應的可動態配置路由元件220′，并且被引到固定反射鏡214或216之一。回射光束252相對xy平面被齊焦化，在這個特定意義上，回射光束252共享一個位于平行于xy平面的共同平面上的虛中間焦點位置，在圖2B中顯示該虛中間焦點位置在-z0處。雖然該說明顯示了對于一個特殊的可動態配置路由元件220′的可能回射，但是類似的可能回射適用于沿垂直于頁面的y軸位移的每個可動態配置路由元件。可動態配置路由元件220′組的配置確定了哪些光譜帶從固定反射鏡“A”214被反射，以及哪些光譜帶從固定反射鏡“B”被反射。
在利用衍射光柵125重分解分離光束之后，光束被引到輸出光纖212，其虛焦點位置在點244處(對應于從固定反射鏡“A”反射的那些光譜帶)和點246處(對應于從固定反射鏡“B”反射的那些光譜帶)。雖然這些光束相對xy平面被齊焦化，都被聚焦于+z′0，處，但是它們沒有相對MEMS芯片表面204被齊焦化，它們被放置在距離該表面的距離分別為ΔA和ΔB處。相對xy平面的光束齊焦化將是所希望的，因為與僅僅相對MEMS芯片表面204的齊焦化相比，相對xy平面的齊焦化將方便制造具有單光纖座的光路由機構。
圖3A和圖3B用于說明類似于圖2A的光路由機構的光路由機構110″的實施例，但是該光路由機構110″具有附加的特征，即輸入光纖208和輸出光纖212位于平行于MEMS芯片表面204的共同平面中。為了適應這種附加的約束，提供折疊元件262和264，以便沿著光學系列的光軸z分別重新引導輸入和輸出光束。折疊元件262和264可以包括表面鏡、棱鏡或類似光學元件，用于在相應光纖與平行于光學系列光軸的路徑之間操縱光束。
圖3A顯示了這種光路由機構110″的實施例的一般配置，圖3B詳細地說明了折疊元件與光纖的幾何關系。雖然圖3B顯示了輸出光纖212和相應的折疊元件264，但是所說明的原理同樣適用于輸入光纖208和相關的折疊元件262。在折疊元件264包括一個折疊鏡的實施例中，通過表面法線 的定向定義每個折疊元件264的方向，折疊元件264的方向不僅取決于相應光纖212的方向，而且取決于光軸相對MEMS芯片表面204的方向θ。對于光纖中心在MEMS芯片表面204之上高度δ處的光纖212，確定相應的折疊元件264的方向，以便被引導沿著光軸z前進的光束的虛焦點位置在MEMS芯片表面204之上距離Δ處。在某些實施例中，該距離Δ對應于根據圖2B討論的距離ΔA或ΔB，從而把光纖配置在平行于芯片表面204的平面中和包括折疊元件264的組合有效地重現了圖2B的光學幾何結構。輸入光纖208可以類似地位于芯片面204之上距離δI處，從而向光學系列傳播的光束的虛焦點位置在芯片表面204之上距離ΔI處。
雖然圖3A中的圖解顯示了與一個輸入光纖和兩個輸出光纖整體地配合的光路由機構，但是對于本領域的技術人員，顯然相同原理可應用于任意數量的輸入和輸出光纖。一般也通過在回射組件中包括附加的固定反射鏡，來適應這種更多數量的光纖。
對于光軸z相對芯片表面204的任意方向θ，每個光纖端口都配有單獨的折疊元件以及相對于芯片表面204的光纖支撐高度。發明者已進一步認識到，在θ基本上等于90°的情況下，有可能把一個共同的折疊元件用于所有光纖，包括輸入和輸出光纖。而且，發明者還進一步認識到，在回射組件增加一個附加固定反射鏡的情況下，如′728專利的圖6A和6B所示的情況，可以實現附加的有利特征。出乎意料的是，發明者發現，由附加固定反射鏡提供的附加自由度允許提供相對MEMS芯片表面的光束齊焦化并同時減小錐形畸變效應的配置。由以下的討論，由發明者發現的配置產生的多種其它優點將變得更明顯。
3.圓錐截面包絡本發明的某些實施例有利地使用圓錐截面的包絡來定義光學元件的布置。圖4A-4C針對三個不同的圓錐截面圖解說明了所采用的圓錐截面原理。圓錐包絡描述了這樣一種表面，在沿著該表面的任一點處的整個法向矢量可以被認為是平面固定反射鏡的小面的指向，在固定反射鏡的表面是平面的情況下，不增加功率或柱面(power or cylinder)到光束路徑。
因此，在圖4A中說明拋物線圓錐截面的使用。以302表示準線或焦面，以308表示拋物面包絡。拋物面包絡具有一個焦點304，該焦點304對應于光學布置的轉接點(switching point)。對于拋物線圓錐截面，出射光瞳頂點位于無限遠，使得光學布置尤其適于遠心配置。
在圖4B中顯示了橢圓圓錐截面的使用。在這種情況下，轉接點304′位于橢圓面包絡310的焦點之一，出射光瞳頂點306′位于其他頂點。在這種情況下，光學布置是非遠心的，從而準線或共光程長度的焦面303相對平的表面302是彎曲的。光學布置的非遠心性使其尤其適于端口多路復用器布置。
在圖4C中顯示了雙曲線圓錐截面的使用。在這種情況下，轉接點304″位于雙曲線面包絡312的焦點，出射光瞳頂點306″位于距轉接點304″無限遠處。如圖3B中所示的橢圓面包絡310一樣，準線或共光程長度的焦面相對于平的表面302是彎曲的。
有多種因素可以影響用于給定應用中的圓錐截面包絡的選擇。主要的因素是，光學布置是使用遠心布置，或者是具有有限的出射光瞳距離。影響這種選擇的因素對于本領域的技術人員是公知的。例如，對于圖1A-1B描述的波長路由器的光學布置推薦使用遠心布置。這種選擇反映了這個事實，即在光譜轉接空間中的遠心主光線允許在四行程輸出像點處的光譜折回和分解的(collapsed)光譜。可以根據對幾何結構的物理約束確定圓錐截面包絡的特定幾何參數。例如，在諸如由圖1A-1B的波長路由器提供的布置中，主光線的空間間距可以基于光纖之間的間距和所選擇的圓錐截面。這種光纖之間的間距可能受這些因素影響，例如每根光纖的包層厚度。主光線的角間距可以基于端口隔離和有關的要求。圓錐截面的焦距，以及甚至所使用的圓錐截面的數量，可以基于光纖的物理尺寸以及有關的焦點。
因此，圓錐截面包絡的使用允許為每個應用確定光學元件的優化布置。以下將針對可以用于有關圖1A-1B描述的波長路由器中的布置，來說明這一點。該實施例不僅使用共同的折疊元件，而且還使用以上討論的、并在′728專利的圖6A和6B中顯示的第三固定反射鏡(“C”)。在圖5的透視圖中顯示了光學布置，以附圖標記110表示光路由機構。顯然，因為θ基本上等于90°，因此xy平面基本上與芯片表面平面204平行(或重合)。從而，來自輸入光纖208的光被引至遇到共同折疊元件266，在所說明的實施例中顯示的該共同折疊元件包括一個共同折疊鏡，該共同折疊鏡把平行于z軸的光束重新引向光學系列。由于θ基本上等于90°，該光束基本上與芯片表面平面204垂直地傳播。光學系列沿y軸分散光束，并且沿著一個也基本上垂直于芯片表面平面204的路徑，把分離的光束引到回射組件。由于這種正交性，如′728專利中討論的，一個用于密封回射組件的窗可以被包括進來，且基本上平行于芯片表面平面204，由此限制否則將由傾斜的密封窗引起的像差(aberrations)。
每個分離光束遇到固定反射鏡“C”217，該固定反射鏡“C”217把光束引到相應的可動態配置路由元件220。取決于可動態配置路由元件220的配置，單個分離光束然后被引到固定反射鏡“A”214或固定反射鏡“B”216。三個固定反射鏡214、216和217被置于該布置中，以便相應的光線在落入圓錐截面包絡269的點處遇到這些反射鏡，根據該布置的遠心性，該圓錐截面包絡在布置中顯示為拋物線截面包絡。當利用穿過光學系列的進一步傳播來消除y方向分散時，這樣一個事實被維持，即對于被引到固定反射鏡“A”214或固定反射鏡“B”216的光束存在x方向的位移差。因此，由那些被引到固定反射鏡“A”214的光束包含的光譜帶被包括在被引到第一輸出光纖212(1)的光束中，由那些被引到固定反射鏡“B”216的光束包含的光譜帶被包括在被引到第二輸出光纖212(2)的光束中。由于這些光束沿著光學系列的光軸z傳播，共同的折疊元件266用于把這些光束重新引向輸出光纖212。因為所說明的實施例使用的輸出光纖212位于xy平面內，因此，折疊元件266被顯示為一個具有相對于芯片表面204的45°傾角的折疊鏡。
在圖5說明的實施例中，圖中所示的光纖208和212被支撐在直接在MEMS芯片表面204中形成的V形槽270中。也可以使用各種替換的支撐布置。例如，分開的V形座可以被配置成在期望的x和z位置處支撐光纖，并且被直接放置在MEMS芯片表面204上。在另一個實施例中，MEMS芯片和V形座都可以被放置在微工作臺上，并且MEMS芯片的厚度和V形座的布置被配置成獲得期望的光纖x和z位置。
雖然圖5中的圖解顯示了與一個輸入光纖和兩個輸出光纖整體地配合的光路由機構，但是對于本領域的技術人員，顯然相同原理可應用于任意數量的輸入和輸出光纖。一些這樣的實施例可以適用于把更多數量的光纖與回射組件中的更多數量固定反射鏡一起使用，同時仍然只使用單個共同折疊元件266。
上述的光路由機構的一個特征在于，它們允許共同的配合基準點(datum)不僅用于輸入光纖208和輸出光纖212，還用于回射組件。這又允許使用這種集成光路由機構的波長路由器的制造被大大簡化。以下，將對根據本發明的實施例制造的光路由機構的可能的進一步優點進行討論。尤其是，將參照圖6A-6C對處理錐形衍射和齊焦化問題的幾何機構進行討論。
圖6A給出了一個用于把輸入和輸出光纖與光路由機構整體地布置在一起的實施例的示意圖，該示意圖平行于xy平面。相對于(x，y，z)坐標系的原點，以-x1表示輸入光纖208的x位置，以+x2表示第一輸出光纖212(1)的x位置，并以x3表示第二輸出光纖212(2)與第一輸出光纖212(1)之間的間距。在圖6A中通過曲線278顯示了錐形衍射效應，該錐形衍射效應是由于在x方向移位的光束通過光學系列被重新分解而產生的。特別是，在被移位的光束通過光學系列向回傳播之后，由回射組件的x方向光束位移導致了相應的y方向位移，如曲線278所定義的那樣。
例如，考慮一束從輸入光纖傳播通過波長路由器的光束，其中輸入光纖的末端位于(x，y)＝(-x1，-y0)。如果回射布置沒有在x方向產生位移，則在向回傳播通過光學系列之后，光束將返回到(x，y)＝(-x1，-y0)。然而，為了實現期望的路由功能，通過回射組件使分離的光束移動不同的位移量，從而在向回傳播通過光學系列之后，光束被聚焦在曲線278上的不同點。在該圖示中，多個輸出光纖之間的期望間距x3產生了作為結果的y方向的間距Δy。為了使錐形衍射效應減到最小，使輸入光束和輸出光束當中的焦點的y方向總散射減到最小。在一個實施例中通過以下約束條件x1≅x2+12x3]]>
實現這一點，確保輸入光束的焦點的y位置位于中間，并且與輸出光束的焦點的y位置近似等距離。而且，當該約束條件被滿足時，存在許多應用，在這些應用中輸入光束與輸出光束之一之間的最大焦點偏差，即Δy/2，小于與波長路由器組合未對準的可接受預算量。在這些應用中，多個光纖可以被配置成其末端位于共同的y位置處，進一步簡化了集成光路由機構的制造。在一個這樣的實施例中，共同的y位置基本上與輸入光束的焦點重合。注意，在使用多于兩個輸出光纖212的實施例中，相同的約束條件也適用用于以下情況其中x2是第一輸出光纖的x位置，x3是第一輸出光纖與最后一個輸出光纖的間距，所有其它的輸出光纖位于第一與最后輸出光纖之間；沒有必要所有的輸出光纖相互之間等間距來滿足約束條件。
在圖6B和6C中利用xz平面的橫截面視圖說明了輸入和輸出光束相對MEMS芯片表面204的齊焦化。圖6B和6C圖解顯示了用于特殊分離光束的回射鏡布置，固定反射鏡“A”214、“B”216和“C”217的法線分別以 和 表示。光束282從光學系列入射到固定反射鏡“C”217上，并且被反射并聚焦到對應于該分離光束的可動態配置路由元件220′上。在圖中以MEMS芯片表面204下面的陰影線表示齊焦像平面283。對于拋物線截面包絡269，齊焦像平面283位于兩倍的拋物線焦距處，拋物線焦點位于MEMS轉接點處。從固定反射鏡“B”216反射的光束286以附圖標記286表示，從固定反射鏡“A”214反射的對應光束以附圖標記287表示。如前所注釋的，入射光束282和反射光束286、287基本上垂直于MEMS芯片表面204傳播，從而密封窗280可以被包括進來，并且與所示的MEMS芯片表面204基本上平行。
通過要求與固定反射鏡“A”、“B”和“C”相關的光束的每一束的虛焦點在距離MEMS芯片表面204的等距離處共面，可以強加齊焦化條件。從而，可以根據圖6B給出的幾何圖確定輸入角。在該圖中，角θdie對應于輸入光束路徑主光線相對MEMS芯片面法線的方向。角θin對應于輸入光線相對MEMS芯片表面204的角度。可以根據裝置的角度轉換狀態以及封裝因素，來選擇θin的值。角θslopeC定義了圓錐截面的傾斜角，代表固定反射鏡“C”217的指向，并且是參考MEMS芯片表面204定義的。角θinc和θref分別對應于固定反射鏡“C”217上的入射角和反射角，并且滿足約束條件θinc＝θref。根據三角形中的角度互補性，有θdie+θin＝θinc+θref。
固定反射鏡“C”的傾斜把這些三角形的頂角平分，從而θslopeC＝90°-[180°-(θdie+θin)]/2。
從而，例如，如果輸入角為θin＝45°，則固定反射鏡“C”217的傾斜角為θslopeC＝67.5°。類似，如果輸入角為θin＝25°，則固定反射鏡“C”217的傾斜角為θslopeC＝57.5°。
圓錐截面包絡269可以用于確定輸入光路的x坐標，以及由此確定固定反射鏡“C”217的位置。一般的圓錐截面方程式為zx(x,r)≡xC2/r1+1-(k+1)xC2r2,]]>其中k定義了圓錐截面的類型，r為圓錐主截面(parent section)的曲率半徑。對于拋物線，k＝-1，從而方程式被簡化為z≡xC22r.]]>以關于點xC的導數表示拋物線的斜率
dzdx=xC/r.]]>從而，對于給定的拋物線包絡函數的半徑，或等效地對于給定的拋物線焦距，輸入光路的x坐標為xC＝rtanθslopeC。
對固定反射鏡“A”214和“B”216進行類似的分析，以便利用圖6C所示的幾何圖確定輸出光纖212的位置。在圖6C中，角θdie再次對應于輸入光束路徑主光線相對MEMS芯片表面法線的方向。角θunswitched對應于輸入光線在從路由元件220反射之后相對于MEMS芯片表面204的角度。對于平面鏡，θunswitched＝θin。可以根據角度轉換狀態和封裝因素，例如在MEMS芯片平面204上可以有多少種狀態，來選擇該值。從路由元件220反射之后的光線的角度分別以θA和θB表示，θA和θB分別對應于遇到固定反射鏡“A”214和“B”216的光線，并且θA和θB是相對θunswitched定義的。在一個實施例中，可動態配置路由元件具有2倍(2×)的機械轉換角放大鏡，從而對于對稱的轉換設計，θA＝-θB≡2α。因此，分別遇到固定反射鏡“A”214和“B”216的光線的角度為θoutA＝θunswitched-θAθoutB＝θunswitched+θB。
由用于確定θslopedC的相似幾何圖，以下的結果是顯然的θslopeA＝90°-[180°-(θdie+θoutA)]/2θslopeB＝90°-[180°-(θdie+θoutB)]/2。
從而，例如，如果θin＝45°，θdie＝90°，以及α＝5.5°，則θoutA＝34°，θoutB＝56°，θslopeA＝62°，以及θslopeB＝73°。
以上提供的一般圓錐截面方程式可以以與用于確定輸入端口x位置的相同形式，用于確定輸出端口的x位置。從而，應用相同的技術，有xA＝rtanθslopeAxB＝rtanθslopeB。
已經根據其中圓錐截面包絡包括一個拋物線截面包絡的例子，提供了以上的計算位置的特定圖解說明。這種包絡適于例如遠心應用。對于本領域的技術人員，顯然可以利用其它圓錐截面包絡，例如橢圓截面包絡，來類似地執行相同的計算，該橢圓截面包絡適于例如具有有限遠出射光瞳的應用。
已經說明了幾個實施例，本領域的技術人員將會認識到，可以不背離本發明的精神使用各種變型、替換結構以及等同結構。例如，雖然已經利用一種特殊形式的波長路由器說明了本發明，但是有可能使本發明的各方面適合于多種波長路由器設計。因此，以上的說明不應該被認為限制本發明的范圍，本發明的范圍在所附的權利要求中被定義。
權利要求
1.一種波長路由器，用于從輸入光纖接收具有多個光譜帶的光，以及把所述光譜帶的子集引到多個輸出光纖的各個光纖，所述波長路由器包括自由空間光學系列，其被布置成提供用于在所述輸入光纖和所述輸出光纖之間對所述光譜帶進行路由的光路；以及光路由機構，其通過一個共同面與所述輸入和輸出光纖的末端部分整體地配合，所述光路由機構具有多個可動態配置的路由元件，每個這樣的路由元件被配置成根據這種路由元件的狀態把給定的光譜帶引到不同的輸出光纖。
2.根據權利要求1所述的波長路由器，其進一步包括多個被布置在所述共同面上的光纖折疊元件，每個這樣的光纖折疊元件被定向為在一個相應的光纖與平行于自由空間光學系列光軸的路徑之間引導光。
3.根據權利要求2所述的波長路由器，其中所述可動態配置路由元件包括在所述共同面上形成的可傾斜微鏡；以及所述光路由機構還具有多個固定反射鏡，每個這樣的固定反射鏡被布置成根據這種路由元件的狀態遇到給定的光譜帶。
4.根據權利要求1所述的波長路由器，其中所述輸入和輸出光纖的末端被布置在一個垂直于所述自由空間光學系列光軸的共同平面內。
5.根據權利要求4所述的波長路由器，其進一步包括一個共同的光纖折疊元件，所述共同的光纖折疊元件被布置在所述共同面上，并且被定向，以在每個所述光纖和平行于所述自由空間光學系列光軸的路徑之間引導光。
6.根據權利要求5所述的波長路由器，其中所述可動態配置路由元件包括在所述共同面上形成的可傾斜微鏡；以及所述光路由機構還具有一個被布置成遇到每個光譜帶的第一固定反射鏡，以及多個第二固定反射鏡，每個這樣的第二固定反射鏡被布置成根據這種路由元件的狀態遇到所述給定的光譜帶。
7.根據權利要求6所述的波長路由器，其中所述第一固定反射鏡和所述多個第二固定反射鏡被布置成在基本上沿著圓錐面包絡排列的點處遇到所述給定的光譜帶。
8.根據權利要求7所述的波長路由器，其中所述圓錐面包絡包括一個拋物面包絡。
9.根據權利要求7所述的波長路由器，其中所述圓錐面包絡包括一個橢圓面包絡。
10.根據權利要求4所述的波長路由器，其中所述光纖的末端基本上根據關系式 被布置，其中每個xi測量沿平行于所述共同平面的軸且垂直于對稱軸的距離，可動態配置路由元件沿著所述對稱軸被布置，x1代表所述對稱軸與所述輸入光纖之間的距離，x2代表所述對稱軸與到所述對稱軸最近的輸出光纖之間的距離，以及x3代表到所述對稱軸最近的所述輸出光纖與到所述對稱軸最遠的輸出光纖之間的距離。
11.根據權利要求5所述的波長路由器，其進一步包括一個窗，所述窗被布置成基本上與所述光軸垂直，并且適于密封所述光路由機構。
12.根據權利要求4所述的波長路由器，其中所述共同平面基本上平行于所述共同面。
13.一種光路由機構，其包括一個基底；回射組件，其被形成在所述基底上，且包括多個可動態配置的路由元件和多個固定反射鏡；以及光纖輸入-輸出布置，其與所述基底的表面整體地配合，以支撐一個輸入光纖和多個輸出光纖的末端部分，由此所述基底的所述表面作為所述回射組件和所述光纖輸入-輸出布置的共同配合基準面。
14.根據權利要求13所述的光路由機構，其進一步包括多個被布置在所述基底上的光纖折疊元件，每個這樣的光纖折疊元件被布置成截取對應于一相應光纖的光。
15.根據權利要求13所述的光路由機構，其進一步包括一個共同的光纖折疊元件，所述共同的光纖折疊元件被布置在所述基底上，并且被定向成截取對應于所述輸入和輸出光纖的光。
16.一種對來自輸入光纖的具有多個光譜帶的光進行路由的方法，所述方法包括通過光學系列傳播所述來自所述輸入光纖的光，所述光學系列被配置成把所述光分為多個光譜帶，以及把所述光譜帶聚焦到光路由機構上；通過所述光學系列對來自所述光路由機構的至少一個光譜帶進行路由；以及把所述至少一個光譜帶引到輸出光纖，其中所述光路由機構通過一個共同面與所述輸入和輸出光纖的末端部分整體地配合。
17.根據權利要求16所述的方法，其中通過所述光學系列傳播來自所述輸入光纖的所述光的步驟包括利用第一光纖折疊元件把所述光重新引到平行于所述光學系列光軸的第一路徑上，以及把所述至少一個光譜帶引到輸出光纖的步驟包括利用第二光纖折疊元件重新引導來自平行于所述光軸的第二路徑的包括所述至少一個光譜帶的光束。
18.根據權利要求16所述的方法，其中通過所述光學系列傳播來自所述輸入光纖的所述光的步驟包括利用光纖折疊元件把所述光重新引到平行于所述光學系列光軸的第一路徑上，以及把所述至少一個光譜帶引到所述輸出光纖的的步驟包括利用所述光纖折疊元件重新引導來自平行于光軸的第二路徑的包括所述至少一個光譜帶的光束。
19.根據權利要求16所述的方法，其進一步包括利用來自所述輸入光纖的所述光對包括所述至少一個光譜帶的光束進行齊焦化。
20.根據權利要求16所述的方法，其進一步包括對包括所述至少一個光譜帶的光束的錐形衍射進行補償。
21.一種波長路由器，用于從輸入光纖接收具有多個光譜帶的光，以及把所述光譜帶的子集引到輸出光纖，所述波長路由器包括光學系列，其包括用于把所述光分為多個光譜帶的裝置；以及用于把所述光譜帶聚焦的裝置；用于把所述光譜帶的所述子集路由到所述輸出光纖的裝置；以及用于支撐所述輸入和輸出光纖的末端部分的裝置，其中用于路由的所述裝置通過一個共同面與所述用于支撐所述輸入和輸出光纖的末端部分的裝置整體地配合。
22.根據權利要求21所述的波長路由器，其進一步包括多個用于在一相應的光纖和平行于所述光學系列光軸的路徑之間引導光的裝置。
23.根據權利要求21所述的波長路由器，其進一步包括一個用于在每個光纖和平行于光學系列光軸的路徑之間引導光的共同裝置。
24.根據權利要求21所述的波長路由器，其中所述輸入和輸出光纖相對彼此被布置成補償由所述光學系列引起的錐形衍射。
25.根據權利要求21所述的波長路由器，其中所述輸入和輸出光纖被布置成對在所述光學系列與所述光纖之間被引導的光束進行齊焦化。
全文摘要
本發明提供了一種光路由機構，該光路由機構可以用于這樣的波長路由器中，該波長路由器被配置成從輸入光纖接收具有多個光譜帶的光，并且把光譜帶的子集引到相應的輸出光纖。一個自由空間光學系列提供用于在輸入光纖與輸出光纖之間對光譜帶進行路由的光路。光路由機構具有多個可配置的路由元件，以便確定怎樣引導每個光譜帶。一個共同面把光路由機構與輸入和輸出光纖的末端部分整體地配合，允許一些光學元件的有效平面化。
文檔編號H04Q11/00GK1534918SQ200410029639
公開日2004年10月6日 申請日期2004年3月26日 優先權日2003年3月28日
發明者邁克爾·L·卡普蘭, 邁克爾 L 卡普蘭 申請人:Pts公司