CN1774656A - 具有插入波道的自由空间波长选路系统 - Google Patents

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Abstract

一种新颖的波长选路设备，该设备使用一衍射光栅(201)将来自输入口(210)的多波长光学波道分离成多光谱波道；使用一波道交插组件(230)(例如，棱镜阵列)将光谱波道插入到两波道组；使用“加强的中继系统”(240)将交插的波道组分别中继到波道微镜的两分离阵列(203A、203B)。这些波道微镜可单一控制并可绕轴转动以将光谱波道反射到多个输出口(210)。该发明的波长选路设备可以逐波道地为光谱波道选定路线并将任一光谱波道耦合到任一输出口(210)。而且，该波道－交插方案有效地“扩大”了波道间隔，这样允许每一阵列的波道微镜能做得更大且更可靠，因此极大地改善了波道滤波特性并确保了更强的性能。

Description

具有插入波道的自由空间波长选路系统
相关申请的前后参考
本申请要求2001年8月29日提交的美国临时专利申请第60/315,626号和2002年4月27日提交的美国临时专利申请第60/375,961号的优先权，在此引入这两个专利申请作为参考。
技术领域
本发明一般涉及光学系统，尤其是，涉及到具有改善的波道滤波特性和增强性能的动态波长选路系统。本发明的实施例完全适于光学网络应用。
背景技术
在当前的光学网络应用中，基本的构造单元是一器件，该器件可以将多波长光学信号分离成多重光谱波道并以动态再构方式将单个光谱波道发送到多重输出口，同时表现出理想的波道滤波特性(例如，平缓的波道转换功能和最小的波道串音)。更理想的是，这一器件提供“无损(hitless)”再构(即，当波道转换时，光不被耦合到中间输出口)，短的再构时间，和波道功率控制能力(例如，耦合到输出口的光谱波道的光功率大小被控制在预定的值)。
2001年8月23日提交的、尚未授权的、共同拥有的美国专利申请第09/938,426号在此引入作为参考，其公开了一自由空间波长-分离-选路(WSR)设备。图1A描述的是这一WSR设备的示范性的实施例100，包括可以是光纤准直器阵列110的多重输入/输出口，所述准直器阵列110提供了一个输入口110-1和多个110-2到110-N(N≥3)的输出口；波长分离器，一种形式是衍射光栅101；集束器，一种形式是聚焦透镜102；波道微镜阵列103。WSR设备100可以进一步包括准直镜120-1到120-N的阵列120，例如，以输入口110-1和输出口110-2到110-N一一对应的关系。
在工作中，多波长光学信号始于输入口110-1，通过输入准直镜120-1可以指向衍射光栅101。衍射光栅101以一定的角度将多波长光学信号分离成多重光谱波道(为说明和清晰起见，仅清楚地示出三个谱波道)。聚焦透镜102依次将发散的光谱波道聚焦到相应的聚焦斑(focused spot)，射到波道微镜103上。每一波道微镜接收唯一的一个光谱波道。波道微镜103可单个控制并可移动(例如可绕轴转动或可旋转)，这样，依靠反射，光谱波道被定向到选择的输出口110-2到110-N上。每一输出口可以接收任意数目的反射光谱波道。输出准直镜120-2到120-N可以进一步对反射光束的角度进行控制，这样便于光谱波道耦合到各自的输出口。1/4波片104可以额外地插在衍射光栅101和波道微镜103之间，以减轻任何不期望的偏振敏感效应。
图1B描述的是图1A所示的实施例的波道微镜103的近视图。举例说，波道微镜103沿x轴(即图中的水平方向)以一维阵列排列，以便一对一地接收空间分离的光谱波道的聚焦斑。(如在图1A的情况下，仅描述了三个光谱波道，每一个用会聚焦束表示)。每一波道微镜的反射表面位于图中定义的x-y平面内并可以移动，例如，关于x轴转动(或偏离)。依靠反射，每一光谱波道相对于它的入射方向在y方向(例如向下)偏离。之后，图1A的光束聚焦器102将角度偏离变换成相应的空间位移，这样光谱波道指向期望的输出口。
这样，上述WSR设备的独特的特征是每一波道微镜的运动可单独连续可控的，这样可以连续地调整它的位置(例如绕轴转动角)。这使每一波道微镜将它相应的光谱波道指向任一多重输出口。
随着容量要求的增大，光网络应用中的光谱波道可以逐渐将波道间距变窄，相关的情形可以是DWDM(密集波分复用)应用，两相邻光谱波道之间的频率间隔在1.3-1.6μm的波长区域典型地小于100GHz。相应地，图1A-1B所示的WSR设备100中的波道微镜阵列103或许必须配备逐渐变小的沟(即，两相邻微镜之间的间距)，以便适应这些应用。结果，图1A-1B所示的WSR设备100保持期望的波道滤波和其它性能特性可能会变得困难。这些窄沟道微镜阵列的制作也会是一项艰难的任务。
用窄波道间隔处理光谱波道的常规方法是，在将每一组解复用成单一波长(并执行后继的选路)之前，将输入多波长信号插到两(例如，“奇”和“偶”)波长组之间。例如，美国专利申请第6,181,849号，公开了这一方法的实现，该方法需要与两套连同开关/选路工具一起的波长多路复用/解复用单元(例如，波导光栅)协同工作的光学衬垫。表面上，这是一项昂贵的棘手的工作。
考虑到上述情况，技术上需要新一代动态波长选路器件，这些器件特别适用于DWDM或其它窄-波道-间隔光学网络应用。
发明内容
本发明提供了一种动态波长选路设备，该设备建立在上述WSR设备基础上并进一步采用了新颖的波道交插方案，在此称为“波长交插选路”(WIR)设备。在该发明的WIR设备中，被衍射光栅分离的光谱波道在射到第一和第二波道微镜阵列之前，被聚焦到波道交插组件上，在该组件上它们被插入到至少第一和第二(或“奇”和“偶”)波道组中。
在一实施例中，“加强的中继系统”可以进一步包含在本发明的WIR设备中，调适它以将来自波道交插组件的第一和第二波道组分别“中继”(或映像)到第一和第二波道微镜阵列上。这确保了波道交插组件和波道微镜阵列接收聚焦的光束，从而呈现出优化波道转换函数和最小化波道串音的重要优越性。第一和第二光束衰减元件阵列可以分别额外插在紧靠该第一和第二波道微镜阵列的位置，以便单独和动态地控制第一和第二波道组的光功率大小。第一和第二光束衰减元件阵列也可以阻断正在进行再构的光学波道，从而便于“无损”再构。
根据本发明的一个实施例，波道交插组件可以采用本领域公知的光束偏离元件阵列提供(例如，交替排列的类棱镜元件或衍射光栅)，根据理想的方案将其配置以插入光谱波道。该波道交插组件也可以包括一交替透射和反射元件阵列，其中透射和反射元件分别与第一和第二波道组(或反之)相应。如上所述，加强的中继系统将插在它的第一焦平面上的第一和第二波道组中继到位于它的第二焦平面内的相应的波道微阵列上，以保持两个波道组间的空间间隔不变的方式。在这一点上，通过“加强”诸如本领域公知的两个中继透镜组件的常规中继系统，例如，通过将两个光束偏离元件(例如，棱镜)插在两个中继透镜之间，或通过将一个(或每个)中继透镜分段，可以构造一加强的中继系统。
上述波道交插方案使得第一或第二阵列中的波道微镜做成比非交插入系统中的波道微镜大得多，例如大约是图1A-1B的实施例的两倍。使用这样的“扩大”的波道微镜带来基本上平化波道传输函数和最小化波道串音的明显优点。而且，由此造成的较大的(有效的)波道间隔使组成波道微镜能以更理想的特性配置，包括(但不限于)更高的谐振频率、关于x和y轴的二维转动，以及更大的转动角度。在许多应用中这些属性是期望得到的。另外，使用较大的波道微镜有效地使得光谱波道和相应的波道微镜之间的微小误调准实际上微不足到，这样，放宽了公差要求并进而使系统不易受环境效应(例如热效应和机械干扰)的影响。
从下面的附图及其详细说明中，将很好地理解本发明的新颖性的特点，以及本发明自身。
附图说明
图1A-1B示出一波长分离选路(WSR)设备的示范性的实施例；
图2A描述本发明的波长选路设备的一示范性的实施例，该设备采用波道交插方案，在此称为“波长交插选路”(WIR)设备；
图2B示出本发明的实现图2A所示的WIR设备的第一实施例；
图2C示出本发明的实现图2A所示的WIR设备的第二实施例；
图2D示出本发明的实现图2A所示的WIR设备的第三实施例；
图3A-3D描述本发明的波道交插方案的两个示范性的实施例；
图3C-3D示出本发明的波道交插组件的两个示范性的实施例；
图4示出图1A的WSR设备和图2A的WIR设备的波道传递函数，特性的两个示范性的曲线图；
图5描述本发明的具有波道功率控制能力的WIR设备的示范性的实施例；以及
图6A-6B示出本发明的一WIR设备的另一实施例。
具体实施方式
作为说明本发明的基本原理的一个例子，图2A描述一采用新颖波道交插方案的波长选路设备示范性实施例，在此称为“波长交插选路”(WIR)设备。图2A的WIR设备200可以使用图1A的WSR设备100的基本结构，并以和图1A的透视图相关的示意图说明。作为例子，该WIR设备200可以包括：一输入-输出口阵列210，该阵列可以是提供一输入口和多个输出口的光纤准直器阵列；一准直镜220阵列，该阵列可以和输入-输出口阵列210呈一对一的关系；一波长分离器201，其可以是衍射光栅；一光束聚焦器202，其可以是一个或多个聚焦透镜(为清晰起见仅清楚地示出一个透镜)；一个波道交插组件230；一个“加强的中继系统”240；以及一波道微镜组件203，该组件可以包括第一和第二波道微镜阵列203A、203B。虚线框203’进一步提供了第一和第二波道微镜阵列203A、203B的前视图。
在图2A中，输入-输出口阵列210，以及准直镜阵列220，可以以和图1A中描述的关于光纤准直器110和准直镜阵列120基本类似的方式配置。每一波道微镜阵列203A、203B在操作上以及整体构型上也可以基本类似于图1A-1B的波道微镜阵列103。因此，在涉及到这些元件的确定描述中可以依靠图1A-1B的实施例。进而，应当意识到画在图2A以及下面的图中的各种各样的线旨在说明各自系统中的光束的传播，因此，没按比例地画出。类似地，为了说明示出的这些图中的各种各样的光学元件并且没按比例画出。
图2A的WIR设备200的基本操作可以如下。一多波长光学信号始于输入-输出口阵列210的输入口，该信号可以通过准直镜阵列220中的输入准直镜定向到衍射光栅201上。该衍射光栅201按照波长以一定的角度将多波长光学信号分离成多光谱波道(这里“波长-分离方向”基本位于图的平面内)。光束聚焦器202依次将散开的光谱波道聚焦成相应的聚焦斑，射向波道插入组件230。波道插入组件230可以将入射的光谱波道分别插入到第一和第二波道组，例如，包括“奇”和“偶”光谱波道。举例来说，第一波道组可以偏离图平面而第二波道可以偏入图平面。该第一和第二波道组可以基本上被加强的中继系统240“中继”(或映像)到第一和第二波道微镜阵列203A、203B。每一波道微镜对应唯一的光谱波道。如图1A-1B的实施例，波道微镜单个可控并且可移动(例如绕轴转动)，这样，依靠反射，光谱波道被定向到选定的输入-输出口阵列210的输出口(这里“口分离方向”基本上垂直于图平面)。准直镜阵列220的输出准直镜可以进一步提供反射光束的角度控制，因此便于光谱波道耦合入各自的输出口。
在图2A的WIR设备200中，波道交插组件230可以位于加强的中继系统240的物平面内，该物平面正好也是光束聚焦器202的后焦面。(衍射光栅201可以置于光束聚焦器202的前焦面内)。波道微镜组件203可以位于加强的中继系统240的像平面内。进而，调整加强的中继系统240以保持它们的第一和第二焦面的空间距离不变的方式，将第一和第二波道组中继到它们各自的波道微镜阵列。结果，波道交插组件230和波道微镜组件203都接收到聚焦的光束。这提供了优化波道转换功能和将波道串音最小化的重要优点。下面的描述阐明了波道交插组件230和加强的中继系统240的多个示范性的实施例。
图2B给出图2A的WIR设备200可以如何运行的第一实施例200A，以和图2A的定视图相关的侧视图。在图2A和2B中同样的元件用同样的数字标注。为了说明和清晰起见，输入-输出口210连同图2A的准直镜阵列220没有在图2B中明确给出(在下面的图2C-2D的情况也这样)。波长分离方向基本和图2B的平面垂直。
在图2B的实施例中，波道交插组件230A可以用“棱镜罩”配置，其包括类似棱镜的元件阵列，以交替的方式排列。虚框231提供了棱镜罩230A的前视图，作为例子。棱镜罩230A可以如此配置：在图2B的图平面内将“奇”光谱波道偏向上，同时将“偶”光谱波道偏向下。这产生了基本上垂直于波长分离方向的波道交错方向。加强的中继系统240A可以用第一中继透镜241结合第二(或“顶”)和第三(或“底”)中继透镜242、243的形式，这里顶和底中继透镜242、243可以基本相同。(需要意识到的是，顶和底中继透镜242、243可以用分段透镜交替提供。)这样，第一和第二波道组被顶和底中继透镜242、243再聚焦在空间上分离的位置，例如，分别射到第一和第二波道微镜阵列203A、203B上。
第一和第二波道微镜阵列203A、203B可以将第一和第二波道组向后分别反射到顶和底中继透镜242、243上。加强的中继系统240依次将反射的光谱波道定向到波道交插组件230A中的它们相应的棱镜元件上(像在向前的路径上)。这样，波道交插组件230A可以有效地“解开”在向前的路径上它通过光谱波道所传送的内容。籍此，从光束聚焦器一出现，反射的光谱波道就以和它们在向前的路径上从光栅201衍射的基本相同的方式(在波长分离方向)回到了衍射光栅201。尽管，返回路径上的光谱波道被置于口分离方向以便耦合到不同的输出口，如上关于图1A-1B的描述。换句话说，不将其置于口分离方向上，返回路径上的光谱波道可以基本“回溯”到它们各自的波道微镜组件203和衍射光栅201之间的路径，在考虑波长分离的情况下。这使得衍射光栅201能有效地“消除”散射，它在向前的路径中加到光谱波道上并且按照它们的目的输出口将这些光谱波道复用，因此确保了光谱波道进入到各自输出口的最佳耦合并且能将系统的插入损耗最小化。
图2C以关于图2A的顶透视图示出了图2A的WIR 200可以如何实行的第二实施例200B。在图2A和2C中相同的元件用同样的数字标记。如在图2A的情况中，波长分离方向基本位于图2C的图平面内。在这一实施例中，波道交插组件230B也可以由包括一棱镜阵列的棱镜罩提供。作为例子，棱镜罩230B可以如此配置：使“奇”和“偶”光谱波道在大体沿波分离的方向上被交替插入。加强的中继系统240B可以包括一第一(或“顶”)和第二(或“底”)棱镜247、248形式的“双棱镜”，插在第一和第二中继透镜245、246之间。例如，棱镜罩230B可以将第一和第二波道组分别定向到第一和第二棱镜247、248。进而，可以调整第一和第二棱镜247、248连同第一和第二中继棱镜245、246来使第一和第二波道组将进一步被置于基本垂直于分离方向的方向，例如，以第一波道组指向图平面，第二波道组背离图平面(或反之)。这样，第一和第二波道组分别射到第一和第二波道微镜阵列203A、203B。
在图2C的实施例中，理想的是，第一和第二波道微镜阵列203A、203B被配置成依靠反射，第一和第二波道组被分别向后定向到第一和第二棱镜247、248上。这使得反射的光谱波道基本“回溯”它们各自的路径并以和它们在向前的路径上从光栅201上被衍射基本相同的方式(在波分离方向)接近衍射光栅201，如图2B的情况。为实现这些，每一波道微镜可以是双轴可移动的(例如，围绕两个正交轴转动)。另外，波道微镜可以每一个是单轴转动，但额外以一预定的(“偏”)角倾斜，有效地使反射的光谱波道基本回溯到它们各自的路径在返回的路径上。
需要理解的是，通过沿波分离方向(诸如在图2C的实施例中)交替插入光谱波道，相应加强的中继系统中的中继透镜(例如，第一和第二中继透镜245、246)不必(例如，和图2B的实施例中的第一中继透镜241)一样大。进而，因为第一和第二波道微镜阵列每一个包括多个波道微镜(对应每一波道组中的光谱波道)，将波道微镜阵列放置在基本垂直于波长分离的方向会是有益的。图2C的棱镜罩230B和加强的中继系统240B被设计，以达到这一目标。进而将会意识到图2C中加强的中继系统240B中的第一和第二棱镜247、248可以用本技术中熟知的其它类型的光束偏转元件代替，只要将替代元件以基本等同的方式执行即可。
图2D为对应于图2A的顶视图的侧视图，示出可以如何执行图2A的WIR200的第三实施例200C。在图2A和2D中，同样的元件用同样的数字标记。如图2B的情况，波长分离方向基本垂直于图平面。在这一实施例中，波道交插组件230C可以包括一交替透射和反射元件阵列，例如，将其调适成让“奇”光谱波道通过而反射“偶”光谱波道。波道交插组件230C可以进一步包括一光束反射器231(例如，一镜子)，用以再定向“偶”光谱波道以便第一和第二波道组相继平行传播。这样，造成的波道交插方向基本垂直于波长分离方向，如图2B的情况。
在图2D中，加强的中继系统240C可以是第一、第二、第三和第四中继透镜249、250、251、252的形式。(需要意识到的是，第一和第三249、251或第二和第四中继透镜250、252，可以交替由分段透镜提供。)第一和第二中继透镜249、250有效地构成一“常规”中继系统(例如，本领域熟知的两个中继透镜的组件)，用做将第一波道组中继到第一波道微镜阵列203A上。类似地，第三和第四中继透镜251、252有效地构成另一“常规”中继系统，将第二波道组中继到第二波道微镜阵列203B上。在返回的路径上，反射的光谱波道基本上通过交插光学元件“回嗍”到它们各自的光学路径上，并以和它们在向前的路径中从光栅201衍射的基本相同的方式(在波长分离方向)返回到衍射光栅201，这样使插入损耗达到最小化。(需要意识到的是，光束反射器231不必在图2D的实施例中。如果在给定的用途中期望这样，相应地，本领域的技术人员将知道如何安排加强的中继系统240C以及第一和第二波道微镜阵列203A、203B)。
如上所述，调适本发明中的“加强的中继系统”，以保持两个波道组之间的空间距离不变的方式，使其将交插在它的物平面上的第一和第二波道组中继(或映像)到位于它的像平面上的两个分离的波道微镜阵列。在这一点上，通过“加强”诸如两个中继透镜的组件的常规的中继系统，例如，通过在两个中继透镜间插入两个(透射和/或反射)光束偏离元件，或通过将一个(或每一个)中继透镜分割成两个，可以再构加强的中继系统，如图2B、2C、2D所描述的那样。需要意识到的是，根据本发明上述加强的中继系统240A、240B、240C仅提供许多加强的中继系统实施例的几个。总而言之，从本发明的教导中，本领域的技术人员将知道如何执行适当加强的中继系统，以最好地适合给定的用途。
图3A-3B描述了说明在一波道分离组件上波道如何交错的本发明的两个示范性的实施例。在图3A中，波长分离可以基本沿x-轴进行。波道交插可以这样，使得主光线偏离基本垂直于x-轴并且进而驻留在平行于y-z平面的平面内。作为例子，带箭头的线301可以表示和光谱波道λi相关的主光线，这里角θxz表示主光线301对x-z平面的角度偏离。图2B和2D的实施例属于这一构型。在图3B中，波长分离同样基本沿x-轴进行，而波道交插可以这样，使得主光线偏离基本平行于x-轴，进而驻留在x-z平面。通过例子，带箭头的线303可以表示和光谱波道λj相关的主光线，这里角θyz表示主光线对y-z平面(或任意平行于y-z平面的平面)的角度偏离。图2C的实施例属于这一构型。
图3C描述了由棱镜元件阵列形成的棱镜罩330A的侧视图，可以以上述和图3A相关的的方式调适来实现波道交插。配置棱镜罩330A，使得组成元件和入射光谱波道呈一对一的关系，以便赋予每一光谱波道一预定的偏离。作为例子，如图3C所示，可以以交替方式排列棱镜罩330A的棱镜组成元件，这样“奇”光谱波道偏出图平面而“偶”光谱波道偏入图平面(或反之亦然)。这使波道交插方向(例如，沿指向图平面外的的y-轴)基本垂直于波长分离方向(例如，沿x-轴)，像和图3A相关的方向。例如，可以使用棱镜罩330A以体现图2B的波道交插组件230A。只要以基本等同的方式配置组成元件，使其能够交插光谱波道，将会意识到棱镜罩330A可以二中取一地包括本领域公知的其它棱镜类型或光束偏离元件。
图3D描述了由类棱镜元件阵列形成的棱镜罩330B的侧视图，可以以上述和图3B相关的方式调适来实现波道交插。同样地，棱镜罩330B可以是和入射光谱波道呈一对一的关系，如图所示。在这一实施例中，可以将棱镜罩330B配置成使“奇”光谱波道在x的正方向偏离，而“偶”光谱波道在图平面内在x的负方向偏离。这使波道交插方向基本沿波长分离方向(例如，沿x轴)，例如，以上述和图3B相关的方式。这样，例如可以使用棱镜罩330B体现图2C的波道交插组件230B。
常规地，棱镜罩330B由本领域公知的透明光栅(例如，用玻璃或硅制成)，它的“凹槽周期”d是光束聚焦器202的被焦面内两相邻光谱波道的间隔的两倍(在图3D中未明确示出)。只要将组成元件以基本等同的方式配置以交插光谱波道，它另外可以包括本领域公知的阵列衍射棱镜，全息棱镜，或其它类型的光束偏离元件。
一般地，本发明的波道交插组件可以涉及到任意装置，该装置能将多个光谱波道分离成至少两个空间上放置的波道组，例如，以和图3A或3B相关的上述方式。虽然前面的实施例涉及到多谱(或波长)波道被分离成第一和第二(或“奇”和“偶”)波道组的情形，本领域的技术人员将会意识到本发明的原理也可以扩展到期望将光谱波道分离成多于两个波道组的应用中，例如，在每一波道组中可以提供进一步扩大的波道间隔。这可以通过执行适当的“波道分离”组件(例如，使每一M(M＜N)光谱波道将在M个不同方向偏离的棱镜罩)，连同图2A的实施例中相应的加强的中继系统(例如，以类似于图2B的加强的中继系统240方式配置的一紧接着M分离中继透镜的大中继透镜)完成。可选择地，在图2A中，上述多个波道交插组件(以及相应的加强的中继系统)可以串联，这样产生每一个都具有较大波道间隔的多个波道组。从本发明的教义，本领域的技术人员也能知道如何设计本发明的波长选路设备的波道分离方案，以达到与给定的应用最好的适应。
本领域的技术人员将意识到上述波道交插方案允许第一和第二阵列203A、203B的任一个中的波道微镜制得更大(例如，将近图1A-1B中的两倍大)。使用这样的“扩大的”波道微镜带来充分平化波道转换函数且将波道串音最小化的明显的优点。作为例子，图4示出了波道转换函数的两个示范性的曲线。第一曲线410示出具有相当大的内波道“槽口”特征的三个示范性的波道转换函数，该“槽口”可以是图1A的WSR设备所独有的特征。相反地，第二曲线420显示的波道转换函数表现出极浅的内波道“槽口”，该“槽口”可以是图2A的WIR设备所独有的特征。(需要注意的是，第二曲线420示出的浅的内波道“槽口”可以产生自采用的波道分离组件中的相邻元件之间的明显轮廓)。在一些应用中，理想的是这样的几乎“小-槽口”波道转换函数。而且，因而产生的较大的(有效的)波道间隔可以允许组成波道微镜将以更理想的特征配置，包括(但不限于)更高的共振频率，关于两正交轴的双轴旋转，以及更大的枢轴角。这些属性在许多应用中是期望得到的。例如，双轴旋转能力提供了执行“无损”再构的可能性，通过首先操纵波长远离输出准直器，然后操纵波长在平行于准直器阵列的方向上下浮动到邻近期望的输出口区域的一位置，最后操纵波长回到准直器阵列以便将波长波道光耦合到适当的输出光纤。
在期望动态控制耦合到输出口的光谱波道的光功率大小的应用中，光束衰减组件可以进一步执行在本发明的WIR设备中，如图5所示。作为例子，图5的WIR设备500可以利用在图2A的实施例中使用的大量的元件以及由这些元件组成的结构，如用同样的数字所标明的这些元件所表示。另外，光束衰减组件550可以设置在加强的中继系统240和波道微组件203之间，例如，紧靠波道微镜组件203。光束衰减组件550可以包括第一和第二束衰减元件阵列550A、550B，这些元件可以是本领域公知的基于液晶的可变光学衰减器(在此称为“LC-像素”)。虚线框550’分别进一步提供了第一和第二光束衰减阵列550A、550B的前视图。这样，在分别射到第一和第二波道微镜阵列203A、203B(在向前的路径上)之前，第一和第二波道组与第一和第二光束衰减阵列550A、550B相关联因而被第一和第二光束衰减阵列550A、550B所操纵。
在图5的实施例中，第一和第二光束衰减阵列550A、550B可以运转来单个和动态地衰减相应的光谱波道，以便控制耦合到输出口的光谱波道的光功率大小在期望的值(例如，等于预定的值)。第一和第二光束衰减阵列550A、550B可以进一步用做“阻挡”正在进行再构的光谱波道，这样便于“无损”再构。在光网络应用中，这样的波道功率控制和无损再构能力会是非常期望的。而且，因为第一和第二光束衰减阵列550A、550B中的组成LC-像素同样可以做得很大，作为上述的波道交插方案的结果，图5中波道微镜组件203和光束衰减组件550间的排列不会对波道滤波特性产生相反的影响。
本领域的技术人员将意识到光束衰减组件550另外可以包括基于MEMS的模板/衰减元件(shuttering/attenuation elements)，或本领域公知的其它类型的电-光模板/衰减元件，代替LC-像素。而且，通过将液晶材料(连同相关的控制电路)沉积到波道交插组件230(例如，图3C或3D的棱镜罩)上，也可以将波道交插组件230和光束衰减组件的功能性结合起来。从本发明的教义，本领域的技术人员将知道对一给定的应用，在本发明的一WIR设备中如何设计一合适的光束衰减/模板装置。
进一步将意识到使用上述较大的波道微镜(连同较大的LC-像素)能有效地给出光谱波道和相应的光谱微镜(或LC像素)之间的实用上不合理的轻微的错排。这样放松了公差要求且进一步使该系统免受环境效应(诸如热效应和机械干扰)的影响。
可以存在期望第一和第二波道微镜阵列紧靠波道交插组件的应用，而不包括加强的中继系统。(例如，这一构型可以占用较小的设备覆盖区。)图6A示出属于这一情形的WIR设备的本发明另一实施例。作为例子，WIR设备600可以构造在大量图2D的实施例中使用的元件之上并共用这些元件，如用同样的数字鉴别的那些元件所指示的那样。如图2D的情形，可以调适波道交插组件630，允许“奇”光谱波道通过，而后射到波道微镜的第一阵列603A上，而将“偶”光谱波道反射到波道微镜的第二阵列603B上。虚线框605、606分别进一步提供了波道微镜的第一和第二阵列603A、603B的前视图。WIR设备600的剩余操作可以基本上类似于和图2D的实施例相关的上述操作。
在图6A中，波道交插组件630可以包括一交互透射及反射元件阵列，例如，透射及反射元件可以分别对应于“奇”“偶”光谱波道。作为例子，图6B给出了可以如何排列波道交插组件630以及波道微镜阵列630A、630B的一示范性的实施例。波道交插组件630可以包括一具有交替的“孔”(用于透射)和反射表面(用阴影区域标记)的“波道罩”631。可以把波道罩631放置在相对于第一或第二波道微镜阵列603A、603B的位置。为方便校准，波道罩631连同第一或第二波道微镜阵列603A、603B可以安放在装置器632上。
另外，波道罩631可以置于本领域公知的第一和第二直角棱镜(例如，由硅或玻璃制成)的斜表面之间。第一或第二波道微镜阵列603A、603B可以分别安放在第一和第二棱镜的两侧“面”上，这些棱镜以90度定向，例如，以图6B描述的方式。这一校准有助于“缩短”图6A中的波道交插组件和各个波道微镜之间的光学路径。
在本发明中，波长分离器201通常可以是规定的衍射光栅、全息衍射光栅、阶梯光栅、弯曲的衍射光栅、透射光栅、散射光栅或其它本领域公知的波长分离器件。光束聚焦器202可以是单一透镜、一透镜组件或其它本领域公知的光束聚焦器件。波道微镜203可以是硅微加工镜、反射带(或隔膜)或本领域公知的其它类型的自动调准镜。每一波道微镜可以关于一个或两个轴转动。准直镜220也可以是硅微加工镜，或本领域公知的其它类型的光束偏离器件，每一个都关于一个或两个轴转动。将会意识到上述波道微镜可以用本领域公知的其它类型的光束操纵(例如，基于电-光的光束操纵)元件代替，这些元件能动态地以基本等同的方式操纵光谱波道。
本领域的技术人员应意识到，通过上述示范性的实施例对本发明的基本原理进行了说明。在此可以以等同的方式设计出各种各样的装置和方法来执行指定的功能。而且，在此可以在不脱离本发明的原理和范围的情况下，做出各种各样的变化、替代和交替。因此，本发明的范围应该由下面的权利要求及其它们的法律等同物确定。

Claims (43)

1、一种设备，包括：
a)用于多波长光学信号的一输入口，以及多个输出口；
b)波长分离器，将所述多波长光学信号按波长分离成多光谱波道；
c)光束聚焦器，聚焦所述的光谱波道；
d)波道交插组件，将所述光谱波道插到至少第一和第二波道组之间；以及
e)至少第一和第二波道微镜阵列，分别和所述的至少第一和第二波道组对应，使得每一波道微镜接收唯一的所述光谱波道，所述波道微镜可单个控制以将所述光谱波道定向到所选择的所述输出口。
2、如权利要求1所述的设备，其中所述的光束聚焦器将所述的光谱波道聚焦成所述波道交插组件上的相应的光谱斑，其中所述设备进一步包括一加强的中继系统，调适所述加强的中继系统以将来自所述波道交插组件的所述至少第一和第二波道组分别中继到所述至少第一和第二波道微镜阵列。
3、如权利要求2所述的设备，其中所述加强的中继系统包括第一、第二以及第三中继透镜，配置它们使得所述第二和第三中继透镜分别对应于所述第一和第二波道组。
4、如权利要求2所述的设备，其中所述加强的中继系统包括第一、第二中继透镜，以及光学上插在所述第一和第二中继透镜之间的第一和第二光束偏离元件，配置它们使得所述第一和第二光束偏离元件分别对应于所述第一和第二波道组。
5、如权利要求4所述的设备，其中所述第一和第二光束偏离元件中的任一个都包括一棱镜。
6、如权利要求2所述的设备，其中所述加强的中继系统包括第一、第二、第三和第四中继透镜，配置它们使得所述第一和第二中继透镜对应于所述第一波道组，使得所述第三和第四中继透镜对应于所述第二波道组。
7、如权利要求1所述的设备，其中所述波道交插组件包括光束偏离元件阵列，所述阵列和所述光谱波道一对一地交替排列。
8、如权利要求7所述的设备，其中所述光束偏离元件阵列采用衍射光栅。
9、如权利要求7所述的设备，其中所述光束偏离元件阵列包括一棱镜阵列。
10、如权利要求7所述的设备，其中所述光束偏离元件阵列用液晶材料和相关的控制电路沉积，以动态地控制所述光谱波道的光功率的大小。
11、如权利要求1所述的设备，其中所述波道交插组件包括一交替的透射及反射元件阵列，配置它们使得所述第一波道组穿过并反射所述第二波道组。
12、如权利要求11所述的设备，其中所述波道交插组件进一步包括一光束偏离器，用于再偏转所述第二波道组以使所述第一和第二波道组平行传播。
13、权利要求1所述的设备进一步包括第一和第二光束衰减元件阵列，分别紧靠所述第一和第二波道微镜阵列，其中所述第一和第二光束衰减元件阵列分别动态控制所述第一和第二波道组的光功率大小。
14、如权利要求13所述的设备，其中所述第一和第二光束衰减元件阵列的任一个都包括基于液晶的可变光学衰减器。
15、如权利要求1所述的设备，其中每一波道微镜关于绕至少一个轴连续转动。
16、如权利要求1所述的设备，其中所述光束聚焦器包括一个或多个透镜。
17、如权利要求1所述的设备，其中所述波长分离器包括一选自该组的元件，该组包括规定的衍射光栅、全息衍射光栅、阶梯光栅、曲线衍射光栅以及发散棱镜。
18、如权利要求1所述的设备，其中所述输入口和所述多个输出口包括一光纤准直器阵列。
19、权利要求1所述的设备进一步包括一准直镜，光学上插在连同所述输出口的所述输入口和所述波长分离器之间，用于调整来自所述输入口的所述多波长光学信号的校直以及将所述反射光谱波道定向到所述输出口。
20、如权利要求19所述的设备，其中每一准直镜绕至少一个轴旋转。
21、该设备，包括：
a)光纤准直器阵列，提供一多波长光学信号的输入口和多个输出口；
b)波长分离器，将所述多波长光学信号依据波长分离成多个光谱波道；
c)光束聚焦器；
d)波道交插组件；
e)加强的中继系统；以及
f)第一和第二波道微镜阵列；
其中所述光束聚焦器将所述的光谱波道聚焦成所述波道交插组件的相应的光谱斑，其中所述波道交插组件将所述光谱波道插在第一和第二波道组之间，其中调试所述加强的中继系统以将来自所述波道交插组件的第一和第二波道组分别中继到所述第一和第二波道微镜阵列，这样每一波道微镜接收所述光谱波道中唯一的一个，其中所述波道微镜可单个控制以将所述光谱波道定向到选定的所述输出口。
22、如权利要求21所述的设备，其中所述波道交插组件包括一光束偏离元件阵列，和所述光谱波道一对一地交替排列。
23、如权利要求22所述的设备，其中所述光束偏离元件阵列采用衍射光栅。
24、如权利要求22所述的设备，其中所述光束偏离元件阵列包括一棱镜阵列。
25、如权利要求22所述的设备，其中所述光束偏离元件阵列用液晶材料及相关的控制电路沉积以便动态控制所述光谱波道的光功率大小。
26、如权利要求22所述的设备，其中所述加强的中继系统包括第一、第二和第三中继透镜，将这样的所述第二和第三中继透镜配置成分别相应于所述第一和第二波道组。
27、如权利要求22所述的设备，其中所述加强的中继系统包括第一和第二中继透镜，以及光学上插在所述第一和第二中继透镜之间的第一和第二光束偏离元件，配置它们使所述第一和第二光束偏离元件分别相应于所述第一和第二信道组。
28、如权利要求27所述的设备，其中所述第一和第二光束偏离元件中的任一个都包括一棱镜。
29、如权利要求21所述的设备，其中所述波道交插组件包括一交替透射和反射元件阵列，配置它们使得所述第一波道组穿过且能反射第二波道组。
30、如权利要求29所述的设备，其中所述加强的中继系统包括第一、第二、第三和第四中继透镜，配置它们使得所述第一和第二中继透镜相应于所述第一波道组，所述第三和第四中继透镜相应于所述第二波道组。
31、如权利要求29所述的设备，其中所述波道交插组件进一步包括一光束反射器，用于再偏离所述第二波道组以便使所述第一和第二波道组平行传播。
32、权利要求21所述的设备进一步包括第一和第二光束衰减元件阵列，分别紧邻所述第一和第二波道微镜阵列，其中所述第一和第二光束衰减元件阵列分别动态地控制所述第一和第二波道组的光功率大小。
33、如权利要求32所述的设备，其中所述第一和第二光束衰减元件阵列中的任一个都包括基于液晶的可变光学衰减器。
34、如权利要求21所述的设备，其中每个波道微镜绕至少一个轴连续转动。
35、如权利要求21所述的设备，其中所述波长散射器包括一个选自该组的元件，该组包括控制衍射光栅、全息衍射光栅、阶梯光栅、弯曲衍射光栅以及散射棱镜。
36、权利要求21所述的设备进一步包括一准直镜阵列，光学上插在所述光纤准直器阵列和所述波长散射器之间，用于调整来自所述输入口的多波长光学信号的准直以及将所述反射光谱信道定向到所述输出口。
37、如权利要求36所述的设备，其中每个准直镜绕至少一个轴可旋转。
38、一种自动波长选路的方法，包括：
接收来自输入口的多波长光学信号；
将所述多波长光学信号按照波长分离成多个光谱波道；
将所述光谱波道交插在至少第一和第二波道组之间；
将所述至少第一和第二波道组定向到至少第一和第二光束操纵元件上，这样每一光束操纵元件接收所述光谱波道中唯一的一个；以及
控制所述光束操纵元件以便将所述光谱波道定向到多个输出口。
39、权利要求38所述的方法进一步包括：将所述至少第一和第二波道组分别中继到所述至少第一和第二光束操纵元件阵列。
40、权利要求38所述的方法进一步包括：
动态控制耦合到所述输出口的光谱波道的光功率大小。
41、权利要求38所述的方法进一步包括：
在所述交插步骤之前将所述光谱波道聚焦成相应的聚焦斑。
42、如权利要求38所述的方法，其中所述光束操纵元件包括微镜，其中所述控制步骤包括单个转动所述微镜，以便将所述光谱波道定向到所述多个输出口。
43、如权利要求42所述的方法，其中对所述微镜进行动态控制。
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