多播光學(xué)開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本申請描述了一種光學(xué)開關(guān)(1)，該光學(xué)開關(guān)包括：4條公共端光纖(例如3)，其沿豎直的y維度布置；獨立于波長的分束器(5)；切換單元(7)；和16條分/插光纖(例如9)，其沿水平的x維度布置。在一個工作方向上，公共端光纖(3)投射各自光束(例如11)到分束器(5)，其中，該分束器將每條光束(1)物理地分成多條分開的子光束(例如15)。通過透鏡(17)將子光束(15)聚焦在切換單元(7)的各個微型機電系統(tǒng)(MEMS)反射鏡(例如19)上。反射鏡(19)沿各自預(yù)定軌跡引導(dǎo)每條所述子光束(15)，從而將子光束(15)有選擇性地耦合到對應(yīng)的分/插光纖(9)。沿相反方向出現(xiàn)對應(yīng)的操作，其中插/分光纖(9)用作輸入端口，而公共端光纖(3)提供輸出。
【專利說明】多播光學(xué)開關(guān)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)開關(guān)設(shè)備，并且特別地涉及一種用于將光信號從多條輸入光纖路 由引導(dǎo)至多條輸出光纖的獨立于波長的多播型光學(xué)開關(guān)。雖然這里將描述一些專門針對該 應(yīng)用的實施例，但應(yīng)該認識到：本發(fā)明并不局限于這種使用領(lǐng)域，而可適用于更廣的范圍。

【背景技術(shù)】
[0002] 本說明書全文中關(guān)于【背景技術(shù)】的討論絕對不應(yīng)被認為是承認這種技術(shù)已經(jīng)廣為 人知或形成本領(lǐng)域普通知識的一部分。
[0003] 光學(xué)或光子開關(guān)是光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的核心部件，它在純光學(xué)領(lǐng)域中實現(xiàn)光信號從光源 路由選擇到目的地。光學(xué)開關(guān)可粗略地分為兩大類：波長選擇型開關(guān)；和波長獨立型開關(guān)。
[0004] 波長選擇型開關(guān)在波分多路（WDM)信號范圍內(nèi)切換特定的波長信道，并且通常為 較復(fù)雜和昂貴的設(shè)備。特定類型的波長選擇型開關(guān)是一種可重構(gòu)型光分插復(fù)用器（R0ADM)， 其能夠多路復(fù)用和多路分解（demultiplexing)WDM信號以動態(tài)地分（add)或插（drop)特 定的波長信道。
[0005] 授予 Zhao 和 Lin 的名為 "Solid-State optical wavelength switches" 的美國專利6, 718, 082披露了一種具有波長選擇功能的基于固態(tài)偏振旋轉(zhuǎn) (polarization-rotation)的光學(xué)開關(guān)。波長選擇性是通過使光通過雙折射晶體濾光器實 現(xiàn)的，其選擇性地使一種波長的光的偏振相對于另一波長的光旋轉(zhuǎn)90°，從而實現(xiàn)波長的 單獨路由選擇。Zhao和Lin的專利公開的是一種被動型開關(guān)，其中：光束被分開，并被路由 選擇到輸出端口，不會主動切換以選擇特定的輸出端口。此外，Zhao和Lin的專利公開的 開關(guān)被限定為1X2型開關(guān)。
[0006] 另一種已知類型的波長選擇型開關(guān)包括授予Boduch和Papakos的名為"Methods and apparatus for performing directionless wavelength addition and subtraction within a R0ADM based optical node" 的第 US2009/0180779A1 號美國專利申請公開說 明書，以及2000年12月出版的"Lightwave Technology"雜志第18卷第12期（Vol. 18， No. 12)的"Cost-Effective Implementation of Multicasting in Wavelength-Routed Networks"。前者披露了一種可重構(gòu)型光分/插復(fù)用器，而后者提出了一種體系結(jié)構(gòu)層面上 的波長選擇多播型光交叉連接。
[0007] 這些和其它已知波長選擇型開關(guān)涉及多路分解具有預(yù)定光譜維度的波長信道，并 且然后切換那些獨立的信道。因此，這些類型的開關(guān)不能切換具有可變或任意信道方案的 信號。
[0008] 另一方面，波長獨立型開關(guān)在不需要知道單獨的信道光譜維度的網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點之 間提供更靈活的光信號的路由選擇。例如，其中多組信道被同時路由選擇。授予Fujita 等人的名為 "Directionless Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer，'（受讓給 Enablence USA Technologies Inc.)的第2011/0164876A1號美國專利申請公開說明書披 露了一種NXM光學(xué)開關(guān)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括耦合到N條輸入光纖中的每條光纖的普通分光 器，用于將N個輸入信號的每個信號分成Μ個或更少的子信號。Μ個子信號由Μ個普通光 NX 1開關(guān)接收，這些NX 1開關(guān)能夠選擇Ν個輸入信號之一供輸出。在復(fù)用輸入信號的情況 中，自開關(guān)輸出的信號穿過光纖，以產(chǎn)生多路分解的單波長輸出信號。
[0009] 雖然Fujita等人披露了一種用于實現(xiàn)NXM切換的通用體系架構(gòu)，但它僅是一種 功能層面的公開，未提供構(gòu)件層面的實施細節(jié)。因此，諸如偏振獨立性、切換消光、制造復(fù)雜 性和成本等重要因素都沒有被考慮。此外，F(xiàn)ujita等人要求部件"被光學(xué)連接"。在所示的 體系結(jié)構(gòu)中，包括了諸如光纖、放大器等部件，這有可能限制通向諸如光纖等的物理波導(dǎo)的 光學(xué)連接。對于許多波長選擇型和波長獨立型設(shè)計普遍存在的這種限制具有特定的性能缺 陷，且要求每個輸入光纖具有對應(yīng)的波束分光器和獨立的NX 1光學(xué)開關(guān)。
[0010] 因此，普遍存在對低成本、簡單的光學(xué)開關(guān)的期望。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于以優(yōu)選形式提供一種改進的或可選的獨立于波長的光學(xué)開關(guān)。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種用于在一個或更多個第一端口與兩個或更 多個第二端口之間切換光束的光學(xué)開關(guān)，所述開關(guān)包括：
[0013] 獨立于波長的分束器，其用于將來自每個所述第一端口的所述光束分成多個分離 的子光束；和
[0014] 獨立于波長的切換單元，其用于選擇性地將每條所述子光束沿各自的預(yù)定軌跡引 導(dǎo)，使得預(yù)定的子光束被耦合在所述第一端口和第二端口之間；
[0015] 其中，所述分束器和所述切換單元被配置成用于沿對波導(dǎo)無約束的基本自由的空 間軌跡引導(dǎo)所述子光束。
[0016] 所述分束器優(yōu)選地將多條所述光束中的每一條同時分成多條分離的子光束。
[0017] 光學(xué)開關(guān)優(yōu)選地包括第一偏振操縱元件和第二偏振操縱元件，分別用于分離和重 組每條所述光束的成分正交的偏振態(tài)，使得每種所述偏振態(tài)單獨地穿過所述分束器和所述 切換單元。
[0018] 所述分束器優(yōu)選地包括一個或更多個偏振光束分離元件。所述光束分離元件優(yōu)選 地從包括空間走離晶體、雙折射光楔和偏振分束器的組中選擇。所述分束器優(yōu)選地包括一 對或多對雙折射光楔，所述光楔對被設(shè)置成彼此鄰近并提供相反的材料雙折射效果，使得 入射到所述光楔對之一上的光束被分成兩條在角度上分離的子光束。
[0019] 所述雙折射光楔對中的每一個優(yōu)選地具有預(yù)定的雙折射軸，并且鄰近布置的光楔 對的所述軸以45°角相對地定向。每個之后的光楔對優(yōu)選地提供所述子光束的更大的在角 度上分離。
[0020] 所述切換單元優(yōu)選地包括與每個所述第二端口對應(yīng)的一個獨立地可切換的元件。 在一個實施例中，所述切換單元包括硅基液晶（LC0S)設(shè)備，該硅基液晶設(shè)備具有由可獨立 地尋址的像素構(gòu)成的的二維陣列，所述像素的預(yù)先確定的子集被配置成用于操縱子光束至 相應(yīng)的第二端口。在進一步的實施例中，所述切換單元優(yōu)選地包括獨立地可傾斜的微機電 系統(tǒng)（MEMS)反射鏡的陣列，該MEMS反射鏡陣列具有與每個所述第二端口相對應(yīng)的一個反 射鏡。
[0021] 在后者的實施例中，所述MEMS反射鏡優(yōu)選地可選擇性地傾斜進入多種預(yù)先選擇 的切換狀態(tài)，每種所述切換狀態(tài)定義了每條所述子光束的軌跡。切換狀態(tài)的數(shù)量優(yōu)選地等 于所述第一端口的數(shù)量，使得每個MEMS反射鏡的特定的切換狀態(tài)確定特定的第一端口，子 光束將從該特定的第一端口被耦合到相應(yīng)的第二端口。
[0022] 所述分束器優(yōu)選地將每條所述光束分成第一組和第二組在角度上分離的子光束， 各組中的每條子光束具有共同的偏振態(tài)，并且該偏振態(tài)與另一組內(nèi)的子光束的偏振態(tài)正 交，正交地偏振的第一組和第二組被引導(dǎo)至所述MEMS陣列的分開的多個反射鏡上。
[0023] 光學(xué)開關(guān)優(yōu)選地包括偏振改變元件，偏振改變元件用于改變所述第一組子光束的 偏振態(tài)，使得所述第一組和第二組子光束具有相同的偏振態(tài)。所述偏振改變元件優(yōu)選地包 括位于所述MEMS陣列附近的1/4波板，使得所述第一組子光束在從所述MEMS陣列反射之 前和之后穿過所述1/4波板。
[0024] 光學(xué)開關(guān)優(yōu)選地包括：
[0025] 第一走離晶體，其被設(shè)置在所述分束器之前或內(nèi)部，用于空間分離所述光束的正 交的偏振分量；和
[0026] 第二走離晶體，其位于所述切換單元下游，用于重新組合所述正交的偏振分量。
[0027] 所述分束器優(yōu)選地被配置成使所述偏振分量以一對平行子光束的形式從所述分 束器出來，所述一對平行子光束具有相同的偏振態(tài)并形成所述第一組和第二組在角度上分 離的子光束。
[0028] 光學(xué)開關(guān)優(yōu)選地包括半波板，所述半波板被定位在所述第二走離晶體附近并位于 所述第二走離晶體上游，以用于將所述子光束的子集的偏振改變?yōu)檎粻顟B(tài)，從而允許與 特定的光束相對應(yīng)的所有所述子光束進行空間重組。光學(xué)開關(guān)優(yōu)選地包括第一光焦度元 件，該第一光焦度元件被配置成用于將所述子光束準直到所述切換單元上。所述第一光焦 度元件還優(yōu)選地被配置成用于將所述兩個偏振分量都聚焦在單個MEMS反射鏡上。光學(xué)開 關(guān)優(yōu)選地還包括第二光焦度元件，該第二光焦度元件用于在將所述子光束耦合到所述第二 端口之前準直所述子光束。
[0029] 光學(xué)開關(guān)優(yōu)選地包括4個第一端口和16個第二端口。
[0030] 光學(xué)開關(guān)優(yōu)選地可雙向工作，使得在第一工作方向上，光束可以從所述第一端口 切換到所述第二端口中的預(yù)定的一個端口，并且在第二工作方向上，光束可以從所述第二 端口切換到預(yù)定的第一端口。光學(xué)開關(guān)優(yōu)選地可同時地雙向工作，使得來自所述第一端口 的第一子集的光束被切換到所述第二端口的第一子集，同時來自所述第二端口的第二子集 的子光束被切換到所述第一端口的第二子集。
[0031] 光學(xué)開關(guān)優(yōu)選地包括分離裝置，該分離裝置用于分離來自所述第一子集和第二子 集的光束。分離裝置優(yōu)選地包括至少一個偏振改變元件，以選擇性地改變一條或多條光束 的偏振態(tài)。所述偏振改變元件優(yōu)選地包括一個或多個液晶相位調(diào)制元件，該液晶相位調(diào)制 元件被配置成用于獨立操縱所述光束中的預(yù)定的一條光束。
[0032] 所述分離裝置優(yōu)選地是動態(tài)地可變的，使得所述光學(xué)開關(guān)可以在雙向工作模式和 單向工作模式之間改變。
[0033] 子光束的數(shù)量和軌跡由偏振光束分離元件的數(shù)量確定。
[0034] 根據(jù)本公開的第二方面，提供了一種在一個或更多個第一端口與兩個或更多個第 二端口之間切換光束的方法，所述方法包括：
[0035] 以獨立于波長的方式將所述光束分成多個分離的子光束；
[0036] 針對每個所述子光束，在所述第一端口之一與第二端口之一之間確定通路；和
[0037] 沿各自的所述通路選擇性地引導(dǎo)每條所述子光束，使得被包含在每條所述光束內(nèi) 的信息在各自的所述第一端口和第二端口之間傳送；
[0038] 其中，分束器和切換單元被配置成用于沿對波導(dǎo)無約束的基本自由的空間軌跡引 導(dǎo)所述子光束。
[0039] 根據(jù)本公開的第三方面，提供了一種獨立于波長的分束器，用于接收輸入光束并 根據(jù)偏振態(tài)輸出多條在角度上分尚的子光束，所述分束器包括：
[0040] 第一偏振相關(guān)分束兀件，其用于將入射光束分成具有正交的偏振態(tài)的兩條對稱地 在角度上分離的第一級子光束；和
[0041] 第二偏振相關(guān)分束元件，其用于將每條所述正交的子光束進一步分成兩條在角度 上分離的第二級子光束，從而確定4條在角度上分離的子光束，每條所述第二級子光束具 有與其各自起源的第一級子光束正交偏振態(tài)。
[0042] 分束器優(yōu)選地還包括第三偏振相關(guān)分束元件，該第三偏振相關(guān)分束元件將每條所 述第二級子光束進一步分成兩條在角度上分離的第三級子光束，每條所述第三級子光束具 有與其各自起源的第二級子光束正交的偏振態(tài)。
[0043] 分束器優(yōu)選地還包括第四偏振相關(guān)分束元件，該第四偏振相關(guān)分束元件將每條所 述第三級子光束進一步分成兩條在角度上分離的第四級子光束，每條所述第四級子光束具 有與其各自起源的第三級子光束正交的偏振態(tài)。
[0044] 分束器優(yōu)選地被配置成使每條所述第四級子光束具有基本相同的功率。分束器優(yōu) 選地被配置成使所述第四級子光束被輸出為兩個在角度上分離的組，并且其中一個組中的 每條子光束具有與另一組的子光束正交的共同的偏振態(tài)。此外，分束器優(yōu)選地被配置成使 每一級子光束被角度地偏轉(zhuǎn)一定角度，該角度取決于前一級子光束入射在各自的光束分上 的入射角度。
[0045] 所述偏振相關(guān)分束元件優(yōu)選地是具有預(yù)定雙折射軸的雙折射光楔對，每個所述光 楔對的雙折射軸被定向為與前一光楔對成45°角。
[0046] 獨立于波長的分束器優(yōu)選地被配置成用于將多條輸入光束根據(jù)偏振態(tài)同時分成 在角度上分離的多條輸出子光束。
[0047] 根據(jù)本公開的第四方面，提供了一種光多路復(fù)用器，用于以受控的方式將一系列 光輸入端口映射到一系列光輸出端口，所述光多路復(fù)用器包括：
[0048] -系列輸入端口，其用于發(fā)出一個或多個光信號；
[0049] 光焦度分光元件，其用于將每個所述光學(xué)信號分成子分量信號；
[0050] 第一光焦度元件，其用于將所述子分量信號準直到方向性元件上，并且用于重新 聚焦所述子分量信號；
[0051] 方向性元件，其用于向所述子分量信號提供可控制的方向性投射，以提供定向的 子分量信號；
[0052] 第二光焦度元件，其用于準直所述定向的子分量信號，以便耦合到所述光輸出端 □。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0053] 現(xiàn)在將通過舉例的方式結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行描述，其中：
[0054] 圖1是根據(jù)包含4X 16光纖排列的第一實施例的多播光學(xué)開關(guān)的示意圖；
[0055] 圖2是圖1的光學(xué)開關(guān)的分束器的示意平面圖，顯示了單個輸入光束傳輸經(jīng)過分 束器；
[0056] 圖3是顯示了從圖2的分束器出來的光束的幾何形狀的射線圖；
[0057] 圖4是圖1的光學(xué)開關(guān)中的透鏡和MEMS反射鏡的平面圖和顯示了子光束經(jīng)透鏡 傳播的射線圖；
[0058] 圖5是根據(jù)采用8X 16光纖排列的第二實施例的光學(xué)開關(guān)的截面圖，其顯示了開 關(guān)的從公共端光纖延伸到MEMS反射鏡的射線的第一半；
[0059] 圖6是第二實施例光學(xué)開關(guān)的截面圖，顯示了開關(guān)的從MEMS反射鏡陣列延伸到分 /插光纖的第二半；
[0060] 圖7是對于第二實施例光學(xué)開關(guān)的從選定的公共端光纖到每條分/插光纖的模擬 的耦合效率的曲線圖；
[0061] 圖8是對于第二實施例光學(xué)開關(guān)的從選定的公共端光纖到每條分/插光纖的模擬 的偏振相關(guān)損耗（PDL)的曲線圖；
[0062] 圖9是對于第二實施例光學(xué)開關(guān)的從選定公共端光纖到每條插/分光纖的模擬的 端口隔離度的曲線圖；
[0063] 圖10是采用2X4光纖排列的光學(xué)開關(guān)的另一實施例的示意平面圖，其中分束器 簡化為示意性的方塊；
[0064] 圖11是分束器的另一實施例的示意平面圖，使用了分束器元件和反射器；和 [0065] 圖12是由圖11的兩個分束器組合形成的系統(tǒng)的示意平面圖，用于提供實現(xiàn)更高 級的分束器。

【具體實施方式】
[0066] 參照圖1，顯示了一種光學(xué)開關(guān)1，其包括：沿垂直的y維度布置的4條公共端 (common port)光纖（例如3);波長獨立型分束器5 ;切換單元7 ;和沿水平的X維度布置 的16條插/分光纖（例如9)。在一個工作方向上，該公共端光纖3投射的各自光束（例如 11)穿過對應(yīng)的微透鏡（例如13)至分束器5,分束器5其將每條光束11物理分成多條分開 的子光束（例如15)。透鏡17將子光束15聚焦在切換單元7的各個微型機電系統(tǒng)（MEMS) 反射鏡（例如19)上。反射鏡19可以受控的方式傾斜，以將每條所述子光束15沿各自預(yù) 定的軌跡引導(dǎo)，從而可選擇性地將穿過透鏡17的子光束15引導(dǎo)到對應(yīng)的插/分光纖9。開 關(guān)1能夠?qū)碜?條公共端光纖3之一的子光束切換到每個插/分光纖9。沿相反方向也 會出現(xiàn)對應(yīng)的操作，其中插/分光纖9用作輸入端口，公共端光纖3提供輸出。
[0067] 仍參照圖1，沿第一工作方向，光束11從公共端光纖3輸入，其中公共端光線3在 一個實施例中布置成具有約250 μ m間距的線性陣列。在其他實施例中，公共端光纖3采用 其它方式布置并具有不同的間距。光束11經(jīng)陣列13的各自微透鏡入射，以將光束限制為 具有預(yù)定尺寸的斑點21。在一個實施例中，光束斑點21具有沿X維度約140μπι和沿y維 度約70 μ m的尺寸。然后，光束11傳播穿過分束器5。在所示實施例中，分束器5包括走離 晶體（walk-off crystal) 23和4對雙折射光楔25、27、29和31。元件32顯示為虛線，因為 它在開關(guān)1中是可選的。這個元件在本文的后面進行說明，其中它將在涉及確定開關(guān)1的 操作配置時加以討論。
[0068] 將參照圖2描述分束器5的操作，圖2顯示了分束器5的平面視圖，其中單個光束 33穿過分束器5傳播。應(yīng)該認識到：對于從其他公共端光線3入射的其他光束3而言，穿 透分束器5的相應(yīng)的傳播是同時發(fā)生的。
[0069] 雖然走離晶體23顯示為分束器5的一部分，但其功能涉及偏振控制，并且并不具 體涉及用于切換目的的光束分。因此，可以認為走離晶體23是與分束器5分離的。然而，為 了說明穿透分束器5的光束傳播和幾何尺寸，走離晶體23被同時地考慮。此外，雖然光學(xué) 元件在空間上分開顯示，但實際上，它典型地盡可能地彼此接近。在一個特定的實施例中， 分束器5沿光軸z具有約5_的總長度。
[0070] 具體參照圖2,走離晶體23最初將光束33分成兩條平行光束35和37,這兩條平 行光束35和37沿水平的X維度空間分離并具有基本相同的功率但正交的偏振態(tài)。在其它 實施例中，走離晶體23被配置成用于在水平以外的維度上分光束33的偏振態(tài)。在進一步 的實施例中，走離晶體23由一個或多個雙折射光楔代替，并且除了空間分離之外，光束還 可被在角度上分離，或光束被在角度上分離以替代空間分離。在圖2和后續(xù)圖中，源自于兩 個偏振分量35和37的子光束通過分別采用實線和虛線表示來加以區(qū)別。
[0071] 仍參照圖2,正交地偏振的并且空間地分離的子光束35和37入射在第一雙折射光 楔對25上，其被配置使得：每個偏振態(tài)沿水平的X維度角度地分離成基本上功率相同的兩 個正交地偏振的光束。這種狀態(tài)是通過將光楔對25的特別的或慢軸定向為與每個偏振子 光束35和37成45°角而實現(xiàn)。光楔對25的每個光楔的慢軸被定向在相反的方向上，使 得：一個偏振分量沿X維度成角度地向上，而另一個分量沿X維度向下成角度。光楔對27、 29和31重復(fù)這一過程，其中：每個光楔對與前一光楔對成45°角，并且每個后續(xù)的光楔對 提供更大的在角度上分離。這種配置導(dǎo)致每個相應(yīng)的光楔對將每個偏振分量進一步在角度 上分離成具有不同定向的正交分量。在圖2的頂部顯示了各個子光束的實例的偏振態(tài)。
[0072] 在經(jīng)過分束器5中的每個光楔過程中，子光束的數(shù)目加倍。在分束器5的輸出端， 總共有32個子光束，被分成16個在角度上分離的平行光束對39。每個平行光束對39的子 光束對應(yīng)于最初被走離晶體23分離的兩個正交的偏振分量35和37。由于這兩個分量被空 間分離但被準直，因此它們穿過光楔對系統(tǒng)平行地傳播，并保持沿X維度的相同的空間偏 移量。然而，在輸出端處，它們均具有相同的偏振態(tài)。為了清楚起見，子光束的在角度上的 分離已在圖2中放大；實際上，在角度上分離是相當小的。例如，在一種實現(xiàn)方式中，光楔對 25將子光束分開約1. 74度的角。
[0073] 在圖2的所示實施例中，連續(xù)的光楔對被配置成用于提供不斷增加的更大的角偏 振分離，其中：光楔對25提供最小的角分離，而光楔對31提供最大的角分離。這種配置將 子光束分成16個在角度上分離的平行光束對的有用的分布。在一個實施例中，光楔對被配 置，使得：每個后續(xù)光楔對的角的正切（tan Θ )加倍。然而，應(yīng)該認識到：光楔對25、27、29 和31可被配置成采用其它排列形式和采用其它角度對子光束進行在角度上分離。
[0074] 來自每個光楔對的特定的偏振態(tài)的偏轉(zhuǎn)的輸出角度取決于入射到該光楔對上的 入射角。例如，考慮土 Θ的初始光楔對偏轉(zhuǎn)，提供土φ的偏轉(zhuǎn)的第二光楔對的偏轉(zhuǎn)角為 θ + (p; θ - φ; φ - θ; -θ - φ。因此，在第二光楔對27之后，每個偏振分量35和37的 子光束被分成四種不同角度。在第四光楔對31后，光束被分成上述16個光束對39,其中： 每對具有2個平行的正交地偏振的光束。
[0075] 在通過光楔對分的每個光束處，光功率被減半，并具有相應(yīng)的3db的損耗。對于具 有4描繪的光楔對的所示系統(tǒng)，存在12db的信號功率損耗。然而，在走離晶體23處沒有與 分偏振態(tài)有關(guān)的顯著的損耗，這是因為后者被重新組合以形成具有完全偏振信息的16條 子光束。
[0076] 分束器5實現(xiàn)了確定多個角度編碼的子光束的獨特功能性，其能夠獨立地操縱以 便在公共端光纖3和插/分光纖9之間切換。重要的是，這種分發(fā)生在自由空間中，并且不 需要用波導(dǎo)、光纖或其它分散媒質(zhì)對子光束進行空間引導(dǎo)。此外，所有光束被單個分束器5 同時分。與每個輸入光纖使用各自的分束器的其它已知設(shè)計相比，這種同時分具有成本優(yōu) 勢。這種布置也允許在自由空間無波導(dǎo)環(huán)境中執(zhí)行切換?，F(xiàn)在將描述這種切換過程。
[0077] 返回到圖1，來自分束器5的子光束被入射在透鏡17上，透鏡17優(yōu)選地為球面透 鏡，其沿X和y維度均具有約20mm的焦距。這些參數(shù)僅是示例性的，并且在其它實施例中， 透鏡17可具有不同的焦距并可能并非嚴格的球面。在另一實施例中，透鏡17被具有相同 焦距的圓柱面透鏡代替，并且MEMS反射鏡19可以被適當?shù)囟ㄎ灰越邮諒脑撶R反射的光。
[0078] 透鏡17位于遠離光學(xué)系統(tǒng)中恰當?shù)叵薅斯馐唿c的任意點21約一倍焦距的距 離處，即20mm，并且沿X光軸距離MEMS反射鏡19也是一倍焦距，即20mm。光學(xué)元件在透鏡 的焦平面中的這種布置用于將準直光束轉(zhuǎn)換為聚焦光束，并且反之亦然。MEMS反射鏡19沿 X維度設(shè)置，X維度即來自分束器5的光束分離的維度，并且MEMS反射鏡19被配置成在y 維度上切換。然而，在其它實施例中，可以采用不同的切換配置，其中公共端光纖3和插/ 分光纖9采用其它排列方式設(shè)置。插/分光纖9優(yōu)選地被布置在具有約250 μ m間距的線 性陣列中。然而，在其它實施例中，其它插/分光纖間距和配置也是可行的。
[0079] 經(jīng)分束器5中的每個光楔對的傳播將每個光束的偏振態(tài)基本上旋轉(zhuǎn)了 45°，并且 輸出光束被在角度上分離成2個正交的偏振光。因此，由于最后的光楔對31，在分束器5的 輸出端處，第一組8個子光束對被偏振成與第二組8個子光束正交。圖3顯示了自分束器 5輸出的光束的示例性的偏振態(tài)。如圖所示，子光束被成對地輸出，并且這些對在x-z平面 中以不同的角度輸出。由于最后的光楔對31的在角度上分離，第一組8個子光束對沿一個 方位偏振（在這個實例中中堅直方向），而第二組8個子光束對沿正交的方向偏振（在這個 實例中為水平方向），從而確定了 2組41和43。
[0080] 同時參照圖1和圖3,為了說明兩組子光束對41和43之間的偏振的差別，在MEMS 反射鏡19中的8個反射鏡附近插入1/4波板45,并且1/4波板45被定位成用于接收組43 的8個子光束對。經(jīng)1/4波板45的傳輸與反射（兩路）將入射在那些鏡上的子光束的偏 振變成正交狀態(tài)。因此，在從MEMS反射鏡19返回時，所有子光束具有相同的偏振態(tài)。
[0081] 現(xiàn)在參照圖4,其描繪了穿過透鏡17并入射在MEMS反射鏡19上的16個光束對 的射線圖。在點21與MEMS反射鏡19之間的透鏡焦距位置處的透鏡17的對稱定位提供了 光學(xué)對稱，并且準直16個光束對39中的每一個以便平行入射在各自的MEMS反射鏡上。同 時，在每個對中的先前被準直的子光束通過透鏡被一起聚焦到單個MEMS反射鏡上。
[0082] 依然參照圖4,經(jīng)透鏡17傳播前（區(qū)域1)和經(jīng)透鏡17傳播后（區(qū)域2)的水平的 X維度的光束特性可總結(jié)如下：
[0083]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于在一個或更多個第一端口與兩個或更多個第二端口之間切換光束的光學(xué) 開關(guān)，所述開關(guān)包括： 獨立于波長的分束器，用于將來自每個所述第一端口的所述光束分成多個分離的子光 束；和 獨立于波長的切換單元，其用于選擇性地將每條所述子光束沿各自的預(yù)定軌跡引導(dǎo)， 使得預(yù)定的子光束被耦合在所述第一端口和第二端口之間； 其中，所述分束器和所述切換單元被配置成用于沿不受限于波導(dǎo)的基本自由的空間軌 跡引導(dǎo)所述子光束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述分束器將多條所述光束中的每一條同時 分成多條分離的子光束。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，包括第一偏振操縱元件和第二偏振操縱元件，所 述第一偏振操縱元件和第二偏振操縱元件分別用于分離和重組每條所述光束的成分正交 的偏振態(tài)，使得每種所述偏振態(tài)單獨地穿過所述分束器和所述切換單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述分束器包括一個或更多個偏振光束分離 元件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述光束分離元件從包括空間走離晶體、雙 折射光楔和偏振分束器的組中選擇。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述分束器包括一對或更多對雙折射光楔， 所述光楔對被設(shè)置成彼此鄰近并提供相反的材料雙折射效果，使得入射到所述光楔對之一 上的光束被分成兩條在角度上分離的子光束。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述雙折射光楔對中的每一個都具有預(yù)定的 雙折射軸線，并且鄰近布置的光楔對的所述軸線相對于彼此以45°角相對地定向。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)開關(guān)，其中每個光楔對之后的光楔對為所述子光束提供 在更大的角度上的分離。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述切換單元包括與每個所述第二端口對應(yīng) 的一個獨立地可切換的元件。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述切換單元包括可獨立地傾斜的微機電 系統(tǒng)（MEMS)反射鏡的陣列，該MEMS反射鏡陣列具有與每個所述第二端口相對應(yīng)的一個反 射鏡。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述切換單元包括硅基液晶（LCOS)設(shè)備，該 硅基液晶設(shè)備具有由可獨立地尋址的像素構(gòu)成的二維陣列，所述像素的預(yù)先確定的子集被 配置成用于操縱子光束至相應(yīng)的第二端口。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述MEMS反射鏡可選擇性地傾斜進入多種 預(yù)先選擇的切換狀態(tài)，每種所述切換狀態(tài)定義了每條所述子光束的軌跡。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述切換狀態(tài)的數(shù)量等于所述第一端口的 數(shù)量，使得每個MEMS反射鏡的特定的切換狀態(tài)確定特定的第一端口，子光束將從該特定的 第一端口被耦合到相應(yīng)的第二端口。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)開關(guān)，其中：所述分束器將每條所述光束分成第一組 和第二組在角度上分離的子光束，各組中的每條子光束具有共同的偏振態(tài)，并且該偏振態(tài) 與另一組內(nèi)的子光束的偏振態(tài)正交，正交地偏振的第一組和第二組被引導(dǎo)至所述MEMS陣 列的分開的多個反射鏡上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)開關(guān)，包括偏振改變元件，其用于改變所述第一組子 光束的偏振態(tài)，使得所述第一組和第二組子光束具有相同的偏振態(tài)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述偏振改變元件包括位于所述MEMS陣列 附近的1/4波板，使得所述第一組子光束在從所述MEMS陣列反射之前和之后穿過所述1/4 波板。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)開關(guān)，包括： 第一走離晶體，設(shè)置在所述分束器之前或內(nèi)部，用于空間分離所述光束的正交的偏振 分量；和 第二走離晶體，位于所述切換單元下游，用于重組所述正交的偏振分量。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述分束器被配置成使所述偏振分量以成 對的平行子光束的形式從所述分束器出來，所述成對的平行子光束具有相同的偏振態(tài)并形 成所述第一組和第二組在角度上分離的子光束。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的光學(xué)開關(guān)，包括半波板，所述半波板被定位在所述第二走 離晶體附近并位于所述第二走離晶體上游，以用于將所述子光束的子集的偏振改變?yōu)檎?狀態(tài)，從而允許與特定的光束相對應(yīng)的所有所述子光束進行空間重組。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的光學(xué)開關(guān)，包括第一光焦度元件，該第一光焦度元件被配 置成用于準直所述子光束到所述切換單元上。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述第一光焦度元件還被配置成用于將所 述兩個偏振分量都聚焦在單個MEMS反射鏡上。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的光學(xué)開關(guān)，還包括第二光焦度元件，該第二光焦度元件用 于在將所述子光束耦合到所述第二端口之前準直所述子光束。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，包括4個第一端口和16個第二端口。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述開關(guān)可雙向工作，使得在第一工作方向 上，光束可以從所述第一端口切換到所述第二端口中的預(yù)定的第二端口，并且在第二工作 方向上，光束可以從所述第二端口切換到預(yù)定的第一端口。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述開關(guān)可同時地雙向工作，使得來自所 述第一端口的第一子集的光束被切換到所述第二端口的第一子集，同時來自所述第二端口 的第二子集的子光束被切換到所述第一端口的第二子集。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的光學(xué)開關(guān)，包括分離裝置，該分離裝置用于分離來自所述 第一子集和第二子集的光束。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述分離裝置包括至少一個偏振改變元 件，以選擇性地改變一條或多條光束的偏振態(tài)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述偏振改變元件包括一個或多個液晶相 位調(diào)制元件，該液晶相位調(diào)制元件被配置成用于獨立操縱所述光束中的預(yù)定的光束。
29. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述分離裝置是動態(tài)地可變的，使得所述 光學(xué)開關(guān)可以在雙向工作模式和單向工作模式之間改變。
30. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)開關(guān)，其中：所述子光束的數(shù)量和軌跡由偏振光束分離 元件的數(shù)量確定。
31. -種在一個或更多個第一端口與兩個或更多個第二端口之間切換光束的方法，所 述方法包括以下步驟： 以獨立于波長的方式將所述光束分成多個分離的子光束； 針對每個所述子光束，在所述第一端口中的預(yù)定的第一端口與第二端口中的預(yù)定的第 二端口之間限定通路；和 沿各自的所述通路選擇性地引導(dǎo)每條所述子光束，使得被包含在每條所述光束內(nèi)的信 息在各自的所述第一端口和第二端口之間傳送； 其中，分束器和切換單元被配置成用于沿對波導(dǎo)無約束的基本自由的空間軌跡引導(dǎo)所 述子光束。
32. -種獨立于波長的分束器，用于接收輸入光束并根據(jù)偏振態(tài)輸出多條在角度上分 離的子光束，所述分束器包括： 第一偏振相關(guān)分束兀件，其用于將入射光束分成具有正交的偏振態(tài)的兩條對稱地在角 度上分離的第一級子光束；和 第二偏振相關(guān)分束元件，其用于將每條所述正交的子光束進一步分成兩條在角度上分 離的第二級子光束，從而確定4條在角度上分離的子光束，每條所述第二級子光束具有與 其各自起源的第一級子光束正交偏振態(tài)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的獨立于波長的分束器，還包括第三偏振相關(guān)分束元件，該 第三偏振相關(guān)分束元件將每條所述第二級子光束進一步分成兩條在角度上分離的第三級 子光束，每條所述第三級子光束具有與其各自起源的第二級子光束正交的偏振態(tài)。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的獨立于波長的分束器，還包括第四偏振相關(guān)分束元件，該 第四偏振相關(guān)分束元件將每條所述第三級子光束進一步分成兩條在角度上分離的第四級 子光束，每條所述第四級子光束具有與其各自起源的第三級子光束正交的偏振態(tài)。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的獨立于波長的分束器，其被配置成使每條所述第四級子光 束具有基本相同的功率。
36. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的獨立于波長的分束器，其被配置成使所述第四級子光束被 輸出為兩個在角度上分離的組，并且其中一個組中的每條子光束具有與另一組的子光束正 交的共同的偏振態(tài)。
37. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的獨立于波長的分束器，其被配置成使每一級子光束被角度 地偏轉(zhuǎn)一定角度，該角度取決于前一級子光束入射在各自的光束分上的入射角度。
38. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的獨立于波長的分束器，其中所述偏振相關(guān)分束元件是具有 預(yù)定雙折射軸的雙折射光楔對，每個所述光楔對的雙折射軸被定向為與前一光楔對成45° 角。
39. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的獨立于波長的分束器，其被配置成用于將多條輸入光束根 據(jù)偏振態(tài)同時分成在角度上分離的多條輸出子光束。
40. -種光多路復(fù)用器，用于以受控的方式將一系列光輸入端口映射到一系列光輸出 端口，所述光多路復(fù)用器包括： 一系列輸入端口，其用于發(fā)出一個或多個光信號； 光焦度分光元件，其用于將每個所述光學(xué)信號分成子分量信號； 第一光焦度元件，其用于準直所述子分量信號到方向性元件上，并且用于重新聚焦所 述子分量信號； 方向性元件，其用于向所述子分量信號提供可控制的方向性投射，以提供定向的子分 量信號； 第二光焦度元件，其用于準直所述定向的子分量信號，以便耦合到所述光輸出端口。
41.參照在附圖與/或?qū)嵗忻枥L的本發(fā)明的實施例中的任一實施例在申請中描述的 光學(xué)開關(guān)、切換光束的方法、獨立于波長的分束器、或光多路復(fù)用器。
【文檔編號】G02B6/42GK104254797SQ201280063023
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2012年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月31日
【發(fā)明者】史蒂文·詹姆士·弗瑞斯肯, 托馬斯·克爾林 申請人:菲尼薩公司