多功能数字光开关 相关申请的声明
本申请涉及于2007年7月23日提交的序号为11/781,940、标题为“High Resolution Digital Optical Encoder/Decoder”的美国专利申请，这里通过引用并入该申请的全部内容。
背景技术
随着由于互联网使用和其它通信的需求增加而使得光纤系统上的数据通信的量和速度迅速提高，改进的全光交换系统越来越关注于克服传统开关的高成本和慢切换速度。这些传统开关包括，例如，各种机械开关、电光开关和热光开光。具体地讲，涉及从光信号切换到电信号然后切换回光信号的交换系统的增加复杂度和成本使得对改进的全光交换的关注程度提高。
全光交换提供将光信号从一个输入路径切换到多个不同输出路径中的选定输出路径，而没有任何从光信号到电信号的中间转换。典型地，这通过将电信号施加到可切换元件以使光信号被选择性地切换来实现。这些电光开关响应于电信号选择性地将光信号的光从输入路径切换到输出路径中的选定输出路径。
已知用于制造全光光开关的各种方法，诸如，在6,687,431、6,661,948、6,625,346和6,549,699中描述的方法。这些器件中的许多器件中的可切换元件为微机电系统(MEMS)光元件，诸如MEMS镜。MEMS镜可单独地控制并且可移动，比如，可在模拟(或连续)控制下枢转(或旋转)，以使当反射时，将光波长从一个或多个输入端口引向输出端口中的选定输出端口。以这种方式，光开关可用于选择性地将波长耦合在系统的输入端口和输出端口之间。然而，当在光开关中使用这样的以模拟方式工作的MEMS镜时，引起许多问题。例如，为了避免镜结构共振引起的不稳定性，可能需要将用于感测每个MEMS镜的精确位置的装置与MEMS器件集成在一起，这实现起来困难并且复杂。另外，切换MEMS器件中各个MEMS元件可在MEMS元件周围引起干扰。具体地讲，发现切换MEMS阵列中的MEMS镜引起与阵列中的其它镜的气动耦合，气动耦合能干扰预计保持静态的镜。由于通常通过要求大电压的相对弱的静电力来驱动镜，所以MEMS镜的位置还可偏移。大电压可引起充电，充电还可干扰镜的位置。当这些器件通过自由空间光束被耦合到输出端口中时自由空间光束的离轴对准来执行动态增益均衡时，所有这些影响变成一个更显著的问题。由于当延长离轴对准以实现更高的衰减水平时作为角定位水平的函数的衰减灵敏度非线性增加，所以这种技术对于镜定位所要求的公差严格得多。灵敏度更高是揭示为何对于这种技术而言复杂的伺服环和昂贵的镜位置感测系统是理想的。
数字镜阵列解决了它们的模拟对应物所具有的许多问题，许多包括集成整体式切换结构的这样的阵列变得可获得。这些器件使用相对低的电压来提供能够以高精度和高稳定性在两个或更多个位置之间选择性地切换的单独镜元件。一种这样的数字镜阵列为空间光调制器，空间光调制器通常称为数字微镜显示器或器件(DMD)。典型地，DMD包括超小型镜阵列(典型地，每平方英寸数百万个)，其中，可单独地将每个镜元件的角度位置控制在例如彼此角度偏移大约10至20度的至少两个位置之间。镜基座位于镜元件后面。可单独地寻址的镜元件倾斜安装在机械铰链上，典型地，镜元件阵列覆盖镜基座中的控制电路层，所有这些安装在半导体芯片上。DMD的镜面包括矩形或方形镜元件的通常为矩形的栅格阵列。典型的镜元件大约为16平方微米，各个元件彼此分离大约1微米的距离。阵列中的镜元件围绕至少一个轴的可单独地控制的倾斜使得从镜面反射的能量形成到预定图案中。此外，可响应于数字信号基本瞬时地重构镜面以形成不同的图案。通常可在大约25微秒或更短时间内实现这样的重构。
已知并入DMD的光开关，例如，在美国专利No.6,295,154和7,203,398以及序号为2003/0164959和2002/0034356的美国申请中公开了并入DMD的光开关。这些开关在将器件扩展到更高级别的功能以支持每个端口上的多个波长或颜色或光、更多数量的切换端口或者将器件扩展到附加功能，诸如在切换期间对光功率级别进行独立控制时受到许多限制。
因此，提供能够执行多种光处理功能的多功能DMD切换器件将是有利的。具体地讲，提供集成1×N开关(其中，N＞1)的器件将是有利的，所述1×N开关能以无串扰方式控制引向多个输出端口的功率级别。
【发明内容】
根据本发明的一个实施例，提供了一种多波长开关。该开关包括用于接收光束的至少一个光输入和至少两个光输出。色散元件接收来自光输入的光束，并将光束在空间上分离成多个波长分量。提供准直元件用于使多个波长分量准直。可驱动(actuatable)光装置从准直元件接收准直的多个波长分量。可驱动光装置包括数字微镜器件(DMD)，在至少一个波长分量被引向光输出中的选定光输出之前，该至少一个波长分量被从DMD反射至少两次。
【附图说明】
图1示出根据本发明构造的波长选择开关的一个实施例的第一侧视图。
图2示出波长入射在其上的微镜器件的沿着图1中的线2-2截取的表面的平面图。
图3是被倾斜安装以使它们可绕轴倾斜的两个镜元件的透视图。
图4是波长选择开关沿着图1中的线4-4截取的第二侧视图。
图5a和图5b示出从各个镜元件反射离开的光路。
图6是开关的另一实施例沿着图4中的线4-4截取的侧视图。
图7示出图4的开关被构造为具有光通道监测器(OCM)的1×2开关。
【具体实施方式】
如以下详细描述，提供采用DMD的波长选择开关。与上述开关相反，这里所描述的波长选择开关包括色散元件，其用于分离波分复用(WDM)或密集波分复用(DWDM)信号的不同波长，从而使得能够切换来自每个端口的多个波长。另外，除了光切换之外，或者作为光切换的可替换方案，开关还可执行其它功能。例如，与前述开关不同，当这里所描述的开关被构造为1×N开关(其中，N＞1)时，它可同时基于每波长执行动态增益均衡或功率控制，而没有不期望的端口间的串扰。
一开始应该指出，下述波长选择开关以对称方式工作，以使被引向输出端口中的任意端口的任意波长分量可被替换地引向输入端口中的任意端口。因此，本领域的普通技术人员将认识到，切换路径是互逆的，因而这里所使用的术语输入和输出不限于在相对于开关的单方向上发送光信号或波长分量的元件。换句话说，当光从任意所谓的输出端口进入器件时，这个输出端口用作输入端口，类似地，任意所谓的输入端口可等同地用作输出端口。
图1示出根据本发明构造的波长选择开关100的一个实施例的第一侧视图。尽管可与任意光波长结合使用该开关，但是它特别适合于与C波段(约1525-1565nm之间的波长)或L波段(约1565-1625nm之间的波长)中的光波长结合使用。该开关在从页面出来的平面中包括平行的输入/输出光端口(比如，光纤)的阵列110，在图1中仅可见其中一个光端口。准直透镜115被定位成接收从光纤阵列110射出的光。准直透镜115以从光纤阵列110中的中间光纤延伸的光轴为中心。以这种方式，透镜115使从光纤阵列110中的光纤射出的光准直。然后，准直光入射在透射光栅120上，透射光栅120将光在空间上分离成它的分量波长λ1、λ2、λ3...λN，并引导它们通过第二透镜125。透镜125按照透镜平面的两个轴执行不同功能。在图1中的页面的平面中，透镜使散射的波长λ1至λN准直。在从页面出来的平面中，透镜将准直光束聚焦到微镜器件130的表面上。结果是空间分离的波长的条带，所述空间分离的波长被沿着散射轴准直，并垂直于该轴聚焦，其中，所述条带被引向镜条带140(在图1中仅看见其中一个)之间，并被引到微镜器件130的表面上。
图2示出波长入射在其上的微镜器件130的沿着图1中的线2-2截取的表面的平面图。微镜器件130的镜面分布有上千个微型的、可倾斜的、可单独地控制的镜元件，其中典型的镜元件表示为140和145。每个镜元件典型地具有微米数量级的大小。例如，一个特定的这样的微镜器件130为可单独地控制的镜元件的768×1024阵列。每个镜元件为每侧约16微米的正方形，并围绕与器件130的平面平行的轴旋转。如图2中虚线150所示，镜元件的轴对角地从每个镜元件的一个角延伸到相对角。
镜条带1401和1402(“镜条带140”)位于微镜器件130的表面上方，并沿与轴150平行的方向延伸。可使用传统的平版印刷或其它技术将镜条带140直接制作在衬底或透明窗口的下表面上。可将衬底与微镜器件130集成在一起以形成单个光组件。可将防反射涂层施加到窗口的上表面以减少背向反射。同样，可将防反射涂层施加到各个镜条带之间的下表面的非反射部分。
图3是镜元件141和145的透视图，可倾斜地安装镜元件141和145，以使它们可绕轴150倾斜。单独的镜元件141的非驱动表面50和单独的镜元件145的表面52通常位于相同的平面中，这可称为镜元件的脱离或浮动(off or float)状态。通过施加控制力来影响例如支撑构件48的移动，表面52可绕公共平面中的轴150倾斜。如果支撑件44将元件141保持在其原始位置(即，其浮动状态)中，则入射在表面50上的光将被反射到与入射在表面52上的光不同的位置。微镜器件是众所周知的，在市场上可买得到的部件，因此，不必再进一步讨论关于它们的结构和制作的细节。
诸如微镜器件130这样的微镜器件通常以两种工作模式之一工作。第一工作模式为模拟模式，有时称为光束转向(beam steering)。在这种工作模式下，控制各个镜元件围绕它们各自的轴旋转的寻址电极被充电到与镜的期望偏转对应的电压。撞击微镜器件的光被镜以根据镜的偏转而确定的角度反射。第二工作模式为数字模式。当以数字方式工作时，每个镜元件在围绕其轴的两个方向中的任一个方向上充分偏转。也就是说，可将每个镜元件定位成处于以下三种状态之一：镜元件沿彼此相反的方向倾斜的两种状态和脱离或浮动状态。数字工作使用相对大的电压来确保镜被充分偏转。为了举例说明的目的，将就以数字模式工作的微镜器件来描述本发明。传统上，这样的微镜器件可称为数字微镜器件(DMD)。在本发明的一些实施例中，优先选择DMD具有这样的镜元件，即，这些镜元件足够小以至于每个波长分量可从相对大量的镜元件(比如，10个或者更多个)反射。另外，在一些实施例中，镜元件相对于DMD中的镜阵列的总面积的空间填充系数约等于85％或者更多。
图4是波长选择开关沿着图1中的线4-4截取的第二侧视图。该视图示出选择性地将波长λ1从光纤阵列110中的输入光纤(即，光纤1104)切换到光纤阵列110中的两个输出光纤1103和1105之一的方式。可以以类似的方式选择性地切换其余的波长λ2-λN。
DMD 130中的镜元件的大小相对于开关100中使用的光波长足够小，以至于光从DMD 130衍射。因此，根据波长λ1入射在其上的镜元件的倾斜角度，DMD 130用作闪耀光栅，光将沿着路径160向右上衍射，或者沿着路径165向左上衍射。当衍射的光向着镜条带1401或1402向回反射时，该光将使自身加强，在用各种衍射级表示的位置处形成一系列光点。同样，衍射的光将抵消级之间的光。因此，为了使到达镜条带1401或1402的光最大化，镜条带每个应该位于波长的衍射级之一处。在图4中示出的具体示例中，镜1401和1402分别位于-2级衍射和+2级衍射处。也就是说，沿着路径160和165衍射的光表示二级衍射。然而，更一般地讲，镜条带1401和1402可位于任何合适的衍射级处。
如果光入射在镜条带1401上，则它将沿着路径175反射回DMD130。另一方面，如果光入射在镜条带1402上，则它将沿着路径170反射回DMD 130。如果光束170或175入射在其上的镜元件在与初始进入波长λ1沿着路径180入射在其上的镜元件相反的位置倾斜，则光将沿着路径180或者与路径180平行的路径182向着第二准直透镜125向回反射。这示出在图5a中，其中，为了简明，示出光路180，从单个镜元件143反射，示出光路182，从DMD 130中的单个镜元件147反射。如所示，镜元件143和147沿相反方向倾斜。指出，如果光束入射在DMD的多于一个的镜上，则可同时将光束的不同部分引向输出180和182。这种能力称为可编程多播，可编程多播有效地将光束分裂和耦合到多个输出端口中。
再次参照图4，在光第二次从DMD 130反射后沿着路径180或182行进之后，光然后将以与上述方式互逆的方式越过光栅120和第一准直透镜115。如果光已经从DMD 130沿着路径182反射，则光将被输出端口1105接收。另一方面，如果光已经从DMD 130沿着路径184反射，则光将被输出端口1103接收。以这种方式，可将波长λ1从输入端口1104切换到输出端口1103和1105中的选定输出端口。可以以类似的方式切换其余的波长λ2-λN。
可以以相对无损的方式或者可控衰减量将各个波长从输入端口1104切换到输出端口1103和1105之一。可通过使选择数量的镜元件倾斜来赋予衰减，在这些镜元件上，从镜条带1401和1402之一接收到切换波长。这可结合图5b进行举例说明，图5b示出进入光路180和离开光路182。如前结合图5a所指出的，为了简明，示出光路180，从单个镜元件143反射，示出光路182’，从单个镜元件147反射。在图5a中，镜元件143和147沿相反方向倾斜。另一方面，在图5b中，镜元件143和147都沿着相同方向倾斜，结果，光从镜元件147沿着路径182’反射，在路径182’中，光被引向远离光纤阵列110，因而有损耗。通过适当地使任意选择数量的镜元件倾斜，可使引向选定输出端口或光纤的光衰减选定量，其中，诸如在镜元件147的情况下，所述镜元件使入射在DMD 130上的切换波长的分量第二次反射。更具体地讲，可使光以这样的增量衰减，所述增量等于从单个镜元件反射的光量。因此，图5b示出波长选择开关100的一般工作原理。第一镜元件集合(比如，镜元件143)，控制切换波长被引向的输出端口，切换波长从该第一镜元件集合衍射。第二镜元件的集合(比如，镜元件147)，控制切换波长的衰减，切换波长从该第二镜元件的集合衍射。指出，如果镜元件147被定位成处于脱离或浮动状态，则光路182可被反射到镜条带140中的后一个上，该后一个进而将光反射回DMD 130，从DMD130，光可被再次引向一个或多个另外的输出端口。
如以上所述，结合输入端口1104以及输出端口1103和1105，波长选择开关用作1×2开关。使用1×2开关作为基本构建块，许多其它开关构造是可行的。例如，假设采用合适数量的镜条带140，可使用单个DMD形成任意数量的这样的1×2开关。例如，在图4中，示出了七个光纤或端口，其中任意三个可用作1×2开关，在该1×2开关中，中间端口用作输入端口，外围端口用作输出端口。例如，可用端口1101、1102和1103形成一个开关，其中，端口1102用作输入端口，而可用端口1105、1106和1107形成另一开关，其中，端口1106用作输入端口。图6示出以这种方式构造的开关100。与图4类似，图6和下述图7是开关100的沿着图4中的线4-4截取的侧视图。在该示例中，与端口1101、1102和1103相关联的1×2开关采用镜条带1403和1404，与端口1105、1106和1107相关联的1×2开关采用镜条带1404和1405。
可为上述波长选择开关100的各种实施例提供光通道监测(OCM)能力。这可使用任意两个相邻端口来实现，其中一个端口用作OCM输入，其中另一个端口用作可放置光检测器的输出端口。图7示出图4的开关100，在该开关100中，端口1103、1104和1105用作1×2开关，端口1101和1102用作一个OCM，端口1106和1107用作另一OCM。端口1102和1106用作OCM输入，端口1101和1107用作检测器112和114定位于其中的OCM输出。应该指出，更一般地讲，波长选择开关100中的任意两个相邻端口用作1×1开关。可通过使用这个开关的波长选择衰减能力将窄带的时变波长光栅化(raster)到输出端口检测器上，来使这个开关作为OCM可编程地工作。可对这个光栅化进行标定以将作为时间函数的检测器输出转换为作为波长函数的光输入功率。
虽然这里具体地对各种实施例进行了举例说明和描述，但是将意识到，以上教导覆盖了本发明的修改和变型，在不脱离本发明的精神和预计范围的情况下，这些修改和变型在权利要求的限定内。例如，尽管上述波长选择开关采用在其中彼此平行地布置各个端口的光纤阵列，但是在本发明的其它实施例中，可不彼此平行地布置各个端口中的两个或更多个端口。以这种方式，当DMD的镜元件处于其脱离或浮动状态时，可避免到端口的背向反射。另外，尽管将光开关描述为执行切换功能的器件，但是更一般地，可为了代替切换或者除了切换之外的各种其它目的而使用这里所公开的器件。例如，已经提及所述器件可用作光通道监测器。还可在诸如可编程多播的应用中使用所述器件以将波长分量引向多于一个的输出端口。另外的应用包括色散控制，这可通过适当地调整通过器件的波长分量中的每个波长分量所行进的路径长度来实现。