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CN1315664A - 动态增益均衡器和可配置的加/减复用器的光学配置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于重新改路和修改光信号的光学设备。该光学设计包括一个前端设备用于提供一个准直的光束,一个具有光功率的器件用于提供准直/聚焦效果,一个绕射单元用于提供空间扩散,以及修改装置,该修改装置包括一个MEMS阵列或一个液晶阵列用于反射和修改至少一部分光束。当该光学设备用作DGE时,该修改装置用作衰减器,而该光学设备用作COADM时,该修改装置用作切换阵列。

Description

动态增益均衡器和可配置的 加/减复用器的光学配置
本发明涉及一种用于重新选路和修改光信号的光学设备，或更具体地，涉及一种包含绕射光栅的光学配置，它可用作动态增益均衡器和/或可配置的加/减复用器。
在光波分复用(WDM)通信系统中，光学波导根据不同波长同时传送多种不同通信通道。在WDM系统中，希望确证所有通道具有几乎相同的功率。为实现这一目的，在整个系统中的不同点上设置增益均衡器以控制相应通道的相应功率电平。
密集WDM系统要求特殊的加/减复用器(ADM)来添加和去除特殊通道(即波长)。例如，在系统中的预定节点，可从光波导中去除预定波长的光信号，而添加其它波长的光信号。
典型地，增益均衡和加/减复用器设备涉及某种形式的复用和分接(解复用)，以修改通信信号的每个独立通道。特别地，通常提供第一绕射光栅用于分接光信号，以及提供与之空间分隔的第二绕射光栅用于在光信号被修改后复用该光信号。后者的例子在美国专利No.5,414,540中公开，在此作为参考。然而，在这种情况下，必须提供和精确调整两个匹配的绕射光栅以及至少两个匹配的透镜，这种现有技术设备的限制非常之大。
为克服上述限制，已经选用其它现有技术设备来提供单个绕射光栅，用于分接通过该光学器件的第一通路中的光信号且复用通过该光学器件的第二通路中的光信号。例如，在此作为参考的美国专利Nos.5,233,405,5,526,155,5,745,271,5,936,752和5,960,133公开了这种设备。
然而，这些现有技术设备都没有公开一种同时适合于动态增益均衡器(DGE)和可配置的光学加/减复用器(COADM)应用的光学装置。特别是，没有一种现有技术设备认识到提供一种适用于各种切换/衰减装置的简单、对称的光学装置的好处。
此外，没有一种现有技术设备公开了一种结构紧凑、且适应多种并行输入/输出光波导的复用/分接光学装置。
例如，Petal等人的美国专利No.5,414,540公开了一种液晶光学交换器，用于切换一个输入光信号到所选的输出通道。该交换器包括一个绕射光栅、一个液晶调制器和一个极化扩散器。在一个实施例中，Patel等人建议扩展1×2交换为2×2减-加电路以及使用反射器。然而，该公开设备的限制是：加/减光束相对于输入/输出光束有角位移。除了输入光束需要附加的角度调整外，这个角位移不利于耦合加/减和/或输入/输出为并行的光波导。
就设备的结构紧凑性来说，现有技术设备受过长和线性配置的限制，其中输入光束基本上被反向反射回来之前要顺序通过每个光学组件。
美国专利No.6,081,331公开了一种光学设备，它使用一个凹镜多次反射作为利用两个透镜或通过一个透镜的双通路的替代方案。然而，在此公开的设备只适合通过绕射光栅的单通路，且无法实现该发明的优点。
本发明的一个目的是提供一种包含一个结构相对紧凑的绕射光栅的光学系统。
本发明的另一目的是提供一种用于重新选路和修改光信号的光学配置，它可用作动态增益均衡器和/或可配置的加/减复用器。
本发明提供一种4-f光学系统，包括用于将一个输入光信号空间分隔为不同光谱通道(spectral channel)的扩散器，以及一个用于选择性修改每个不同光谱通道的修改阵列。具有光功率的至少一个器件，如透镜或球面镜，能提供扩散器和修改阵列间的光通信。
扩散器和修改阵列基本上配置于具有光功率的至少一个器件的焦平面上更为便利。此外，由于扩散器和具有光功率的器件用于通过光学器件的第一和第二通路，因此可避免提供匹配单元。
根据本发明，提供一种光学设备，其包括：发射一个光束的第一端口；距离第一端口基本上1倍焦距设置的第一改向装置用于接收该光束，第一改向装置具有光功率；距离第一改向装置基本上1倍焦距设置的一个扩散器，用于扩散该光束为多个子光束；距离扩散器基本上1倍焦距设置的第二改向装置，用于接收扩散的光束，第二改向装置具有光功率；以及距离第二改向装置基本上1倍焦距设置的修改装置，用于选择性修改每个子光束和反射每个经修改的子光束返回第二改向装置，其中每个子光束沿基本上平行的光通路入射到或反射回该修改装置。
根据本发明，提供一种用于重新选路和修改光信号的光学设备，其包括：发射一个光束的第一端口；一个具有焦平面的凹反射器用于接收从第一端口发射的一个光束；一个基本上设置于焦平面上的扩散器，用于空间扩散从凹反射器反射的一个光束，以及改向一个空间扩散的光束返回凹反射器；以及基本上设置于焦平面上的修改装置，用于修改由凹反射器反射的该空间扩散的光束，以及经凹反射器和扩散器反射经修改的空间扩散的光束返回第一端口或第二端口。
根据本发明，还提供一种用于重新选路和修改光信号的方法，包括步骤：偏离其光轴发射一个光束到一个具有光功率的器件；将入射到具有光功率器件的光束改向到一个基本上距离该具有光功率器件1倍焦距配置的扩散器；利用一个基本上距离该具有光功率器件1倍焦距配置的扩散器，空间扩散该改向的光束为对应多个不同光谱通道的多个不同子光束；改向多个不同子光束到一个距离该扩散器基本上为2倍焦距光学配置的修改装置；选择性修改多个不同子光束并基本上将其反向反射；以及将该选择性修改的多个不同子光束改向到扩散器并组合这些子光束以形成一个输出光束，其中多个不同子光束和选择性修改的多个不同子光束基本上沿平行的光通路分别往返于修改装置。
根据本发明，提供一种用于重新选路和修改光信号光学设备，包括：一个透镜，其第一端有一个与其光轴重合的单端口，而第二端有偏离光轴配置的两个端口；一个距离透镜约1-f(1倍焦距)具有光功率的器件，用于接收从单端口发射的一个光束；一个距离该具有光功率器件约1-f的扩散器，用于空间扩散从其接收的光束；以及距离扩散器约2-f光学配置的修改装置，用于修改和反射被扩散器空间扩散的光束，其中所述1-f为具有光功率器件的1倍焦距。
根据本发明，提供一种用于修改和重新选路光束的方法，包括步骤：通过一个大约设置于偏离透镜光轴的透镜第一端的第一端口发射光束，该光束以并行于光轴的方向发射；允许光束通过透镜到大约设置于透镜另一侧与光轴重合的单端口，并允许光束以与光轴成第一预定角返回该单端口；修改该光束并以与光轴成第二预定角反射经修改的光束返回到该单端口；以及允许经修改的光束通过透镜到达大约设置于透镜第一端的第二端口，第二端口偏离光轴且与第一端口空间分隔。
下面将根据附图描述本发明的示例性实施例，其中：
图1示意了根据本发明可用作动态增益均衡器和/或加-减复用器(DGE/COADM)的一种光学配置的实施例原理图；
图2a为供图1所示的具有补偿极化模式扩散(PMD)的DGE/COADM使用的一种前端模块的详细侧视图；
图2b为具有减小或基本消除PMD的装置的一种可选前端模块的详细侧视图；
图3a为包含供图1所示DGE/COADM使用的液晶阵列的一种修改装置实施例的俯视图，其中液晶单元切换为ON状态；
图3b为图3a所示的修改装置的俯视图，其中液晶单元切换为OFF状态；
图3c为包含供图1所示DGE/COADM使用的另一种修改装置实施例的俯视图，其中液晶单元切换为ON状态；
图3d为图3c所示的修改装置的俯视图，其中液晶单元切换为OFF状态；
图4a为供图1所示DGE/COADM使用的另一个修改装置实施例的俯视图，在液晶阵列前放置有一个双折射晶体，其中液晶单元切换为OFF状态；
图4b为图4a所示的修改装置的俯视图，其中液晶单元切换为ON状态；
图5为用于图1所示DGE且使用MEMS设备的修改装置另一个
实施例的俯视图；
图6a和图6b为从图1所示实施例优选的本发明一个实施例的原理图，其中单个凹反射器的焦平面用于放置输入/输出端口、绕射光栅和修改装置；
图7为类似于图6a和图6b所示的本发明一个实施例的原理图，其中输入/输出端口位于修改装置和扩散器之间；
图8为具有类似于图6a和图6b所示配置包含一个光回转器的DGE原理图；以及
图9为根据本发明的DGE/COADM的原理图，它包含一个透镜其单端口用于发射和接收凹反射器反射的光；
图9a示出了根据本发明耦合输入/输出光波导与透镜的小透镜阵列的俯视图；
图9b示出了根据本发明耦合输入/输出光波导与透镜的现有技术极化分集装置的俯视图；
图9c为图9b所示的现有技术极化分集装置的侧视图；
图9d为图9b所示的光学组件的可选装置的俯视图；
图9e为图9d所示的可选装置的侧视图；
图9f为根据本发明输入/输出光波导相对于透镜的光轴不对称偏置的俯视图；
图10为根据本发明DGE/COADM的另一实施例的原理图；
图11为根据本发明COADM的优选实施例的原理图；
图12为根据本发明COADM的原理图，其中输入/输出光波导的不对称排列与MEMS单元提供的角位移互补。
现在参考图1，示出了一种根据本发明用于重新选路和修改光信号的光学设备，它能用作动态增益/通道均衡器(DGE)和/或可配置的光学加/减复用器(COADM)。
该光学设计包括一个绕射单元120，设置于各自具有光功率的相同单元110a和110b之间的焦平面上。所示的两个端口102a和102b位于输入/输出端，双向箭头指示发射到端口102a的光可通过光学设备传输，且能反射回发射光线的输入端口102a，或者以一种可控方式切换到端口102b，反之亦然。输入/输出端口102a和102b也配置于与之耦合的具有光功率器件110a的焦平面上。尽管只示出两个输入/输出端口便于理解这个设备，但可选择地提供多个这种端口对。在该设备的另一端，在具有光功率器件110b的焦平面上设有用于修改至少一部分入射光线的修改装置150。
由于修改装置和/或扩散器通常依赖于入射光束的极化，因此提供具有已知极化状态的光束以得到所选的切换和/或衰减。图2a和图2b示意了供在此所示的DGE/COADM设备使用、用于提供具有已知极化状态的光束的极化分集装置的两个不同实施例。可选择作为阵列的极化分集装置可光学耦合到输入和输出端口。
参考图2a，示出了用于提供具有已知极化状态的光束的前端微型光学组件105的实施例，它具有光纤管107、微透镜112、以及用于将输入光束分离为两个正交极化子光束的双折射器114。在输出端设有半波板116旋转其中一个光束的极性90°，以确保两个光束具有相同的极化状态，例如水平。在晶体114的快速轴路径上添加一个玻璃片或第二波片118，以降低由沿晶体114的两个发散路径的光学路径长度差引入的极化模式扩散(PMD)的影响。
图2b示意了图2a的可选实施例，其中两个双折射器114a、114b之间配置一个半波片116a；这里的一个可选方案用于使通过双折射材料的路径长度大体相似。或者可提供第三波片119进一步旋转极化状态。
尽管图2a和图2b均示意了单个输入光束以便于理解，但根据本发明前端设备105能传送更多光束(即可设计为上述的一个阵列)。
图3a-3b,3c-3d,4和5各自示意了用于在此所述的DGE/COADM的修改装置的不同实施例。下面将详细描述每个实施例。注意，修改装置通常参考图1讨论。然而，尽管参考的是扩散器120和具有光功率器件110a和110b，但为清晰起见，已从图3a-3b,3c-3d,4和5中省去这些光学组件。
参考图3a和图3b，示出了包含液晶阵列130和反射器140的修改装置150的原理图。反射器140包括第一和第二极化光束分离器144和146以及反射面142。
当该设备用作COADM时，液晶阵列130的每个像素可在第一状态和第二状态之间切换，第一状态如图3a所示的“ON”状态，其中贯穿其中的光束极性没有改变(例如，保持水平)，第二状态如图3b所示的“OFF”状态，其中液晶单元旋转通过光束的极性90°(例如切换到垂直)。反射器140设计用于通过具有第一极性(例如水平)的光，以便从端口102a发射的光束反射回同一端口，以及反射具有另一极性(例如垂直)的光，以便从端口102a发射的光切换到端口102b。
当该设备用作DGE时，调整每个液晶单元以提供0-180°的相位滞后。对从端口102a发射和接收的光束，当液晶单元无相位滞后时可实现0％的衰减，而当液晶单元有180°的相位滞后时实现100％的衰减。当液晶单元的相位滞后大于0小于180°时可实现0-100％间的衰减。在某些DGE应用中，反射器140仅包含一个反射面142(即没有光束分离器)。
液晶阵列130最好有至少一行液晶单元或像素。例如，已发现包含64或128个独立受控像素的阵列尤为实用，但像素也可更多或更少。液晶单元最好为绞合向列(twisted nematic)型，因为它们在ON状态典型地具有一个极小的残余双折射，因此在整个有效波长和温度范围内能获得和维持一个极高的对比率(＞35dB)。液晶阵列130的像素间区域也最好为一个黑格(black grid)覆盖。
图3c和图3d为类似于图3a和图3b的原理图，示意了上面讨论的修改装置150的可选形式，其中反射器140包括一个双Glan棱镜。图3c和图3d所示的结构是从图3a和图3b示意的结构中优选的，因为从极化分集装置(未示出)射出的两个子光束的相应位置在切换时保持不变。
注意，在图3a-3d中，扩散方向垂直于图面。为示例起见，只示出了一束光线通过修改装置150的情况。
图4a和4b为修改装置150的另一个实施例的原理图，其中双折射晶体152配置于液晶阵列130之前。从端口102a发射的具有预定极化状态的一个光束扩散为子光束通过双折射晶体152。通过双折射晶体152的子光束极性保持不变。该子光束通过液晶阵列130传输，在此子光束被选择性修改，且经反射面142反射回双折射晶体152。如果一个特殊的子光束在OFF状态通过一个液晶单元，如图4a所示，那么其极性将旋转90°，而且该子光束在发射到端口102b之前被分解，就好象它通过双折射晶体152传播那样。如果该子光束在ON状态通过一个液晶单元，如图4b所示，那么其极性不会旋转，而且该子光束将直接发射回端口102a。提供半波片153将分解的子光束极性旋转90°，以确保反射的光束具有相同的极化状态。
图5为包含微机电转换(MEMS)155的修改装置150的另一个实施例原理图，它尤其适用于该设备用作DGE时。从端口102a发射的具有预定极性状态的一个光束被扩散为子光束，且通过双折射器156和四分之一波片157发射。双折射器156排列用于不影响子光束的极性。通过四分之一波片157之后，该光束变为圆周极化且入射到MEMS阵列155的一个预定反射器上。该反射器将入射到其上的子光束反射回四分之一波片。该衰减度基于该反射器提供的偏移度(即偏转角)。第二次通过四分之一波片157后，衰减的子光束的极化状态较原极化状态旋转90°。结果，衰减的子光束在双折射器156被分解，且离开该设备指向端口102b。在此提供半波片158以将分解的子光束的极性旋转90°。
当然，修改装置150可能包括至少一个光学设备，能修改至少一部分光束的特性，并以基本上与始发相同的方向反射修改的光束。
上面讨论的每个修改装置最好使用这样一种设备，其中每个空间扩散的光束入射到该设备并从该设备以90°角反射。该90°角是根据包含修改单元阵列(例如，液晶单元，MEMS反射器)的平面测量的。因此，每个子光束沿第一光路径到修改装置，在修改装置选择性切换每个子光束，以便沿同一光路径反射回去，或者沿平行于第一路径的第二光路径反射。输入和修改的输出光束的横向位移(即，相对于角位移)便于多个输入/输出波导之间的高效耦合。例如，本发明在当输入和输出端口位于同一多孔管、带或块时尤其有用。
为保持所期望的简化和对称，具有光功率的器件最好旋转对称，例如旋转对称的透镜或球面反射器。球面反射器最好为凹镜。此外，绕射器120最好为高效、高扩散的绕射光栅。或者回转器(未示出)光学耦合于每个端口102a和102b，用于分离输入/输出和/或加/减信号。
重新回到图1，通过下面的例子描述用作COADM的光学设备的操作。具有预定极性和携带波长λ1,λ2…λ8的一个准直光束通过端口102a发射到透镜110a的较低部位，且改向到绕射光栅120。该光束根据波长以垂直于纸面的方向被空间扩散(即分接)。空间扩散的光束通过透镜110b作为对应具有中心波长λ1,λ2…λ8的8个不同光谱通道的8个子光束传输，在透镜110b该光束被准直且入射到修改装置150。为示例起见在图3a-b示出。每个子光束通过液晶阵列130中一个独立受控的像素。特别地，中心波长为λ3的子光束在OFF状态通过一个液晶单元，而中心波长为λ1-λ2及λ4-λ8的其它7个通道均在ON状态通过液晶单元。由于中心波长为的λ3子光束在OFF状态通过液晶单元，其极性旋转90°，它被极化光束分离器144反射到第二光束分离器146，且如图3b所示反射回端口102b。由于中心波长为λ1-λ2及λ4-λ8的其它7个通道在ON状态通过液晶单元，因此其极性保持不变，而且通过极化光束分离器144传输并从反射面142反射回端口102a。总之，从端口102a发射的原始光束将返回该端口但去除了一个通道(即中心波长为λ3)，而对应中心波长λ3的通道的子光束将切换到端口102b。
同时，具有预定极性且携带中心波长λ3的另一光信号的第二光束从端口102b发射到透镜110a的较低部位。它从绕射光栅120反射，且通过透镜110b传输，在透镜110b该光束被准直且入射到修改装置150。第二光束在OFF状态通过该液晶单元，其极性旋转90°，被第二极化光束分离器146反射到第一光束分离器144，且如图3b所示返回到端口102a。应该注意的是，当该7个快速通道和该添加的通道经扩散光栅120返回时被复用。
由于每个光谱通道在沿两个可能光路径中的一个路径反射回来之前通过一个独立的受控像素，因此能重新充分配置多个通道。
应该注意的是，为示例起见，8个通道的选择是随意的。在本发明的范围之内，可增加或减少通道。
重新回到图1，通过下面的例子描述用作DGE的光学设备的操作。具有预定极性且携带波长λ1,λ2…λ8的一个准直光束从端口102a通过透镜110a发射，在此它被改向到绕射光栅120。该光束根据波长在垂直于纸面的方向被空间扩散。该空间扩散的光束通过透镜110b作为对应中心波长λ1,λ2…λ8的8个不同光谱通道的8个子光束传输，在透镜110b该光束被准直并入射到修改装置150，以便每个子光束通过液晶阵列130中的一个独立的受控像素，其中每个子光束的极性被选择性调整。特别地，中心波长为λ3的子光束在ON状态通过一个液晶单元，其极性未改变，它通过光束分离器144，且如图3a所示毫无衰减地反射回端口102a。同时，中心波长为λ4的子光束在OFF状态通过一个液晶单元，其极性旋转90°，它从光束分离器144和146反射并指向端口102b。对于返回端口102a的这个子光束，能实现100％的衰减。同时，中心波长为λ5的子光束通过一个提供0-180°相位滞后的液晶单元，它部分从光束分离器144传输并返回端口102a一个衰减的信号。该衰减程度取决于相位滞后。
或者，为得到合适的衰减，可同时从端口102b发射一个第二光束到该光学设备。实际上，这个光学设备提供了对多个输入端口，例如102c,102d,102e等(未示出)提供同时衰减的单个光学系统。
或者，衰减光束从端口102b被接收，因此避免使用回转器。在这种情况下，当中心波长λ3的光束极性旋转90°时(即液晶阵列提供180°相位滞后)，它从光束分离器144反射到第二光束分离器146(图3a示出)且毫无衰减指向端口102b。类似地，当这个光束的极性保持不变时(即液晶阵列无相位滞后)，它通过光束分离器144(图3a示出)且反射回端口102a。对达到端口102b的这个子光束可实现100％的衰减。当液晶单元选择性地提供0-180°间的相位滞后时，可实现可变衰减。
现在转到图6a，图中示出了从图1所示的实施例中优选的另一DEG/COADM实施例。为清晰起见，仅示出了一个光束返回前端设备605，然而此光束之后可配置至少另一个光束(未示出)，这可从图6b示意的等角视图中明显看出。
在图6a中，具有光功率球面反射器610形式的单个器件用于从前端设备605接收一个准直光束，以及往返绕射光栅620和修改装置650接收和反射光束。前端设备605、绕射光栅620和修改装置650类似于上述的105、120和150部分。然而，在这个实施例中前端设备605、绕射光栅620和修改装置650均设置于球面反射器610的一个焦平面上。绕射光栅最好进一步配置于球面反射器610的光轴上。通常，两个回转器(未示出)光学耦合前端设备605，以如上所述在端口102a和102b分离输入/输出和加/减信号。
绕射光栅620、球面反射器640和修改装置650最好由熔氧化硅构成，并与光束折叠镜或棱镜660一起固定到同样材料构成的支撑板670上，如图6b示意。光束折叠镜或棱镜660为空间应用而设。这个设计对于小范围的温度波动最好能保持稳定。此外，这种设计能自由散焦，因为球面反射器610的曲率半径随任何其它线尺度的热胀或冷缩成正比。
当该光学设备用作DGE时，检测器阵列657可选择位于光束折叠镜660之后，以遮断部分波长扩散的光束。这种设计使得信号能被分接而无需外部反馈。
绕射光栅620和修改装置650最好如上所述距离球面镜610基本上1-f，或位于球面反射器610的焦平面上。例如，在COADM应用中，修改装置650最好位于焦平面10％的焦距内。对于DGE应用，如果要求更高的光谱分辨率，则修改装置650最好位于焦平面10％的焦距内，然而分辨率较低的应用中，不必具有同样高的精度。
在操作中，发射一个复用光束到前端设备605。极化分集设备105提供上述具有相同极性(如水平)的两个基本上准直的子光束。这两个光束传输到球面反射器610，且从球面反射器610反射到绕射光栅620。绕射光栅620将此两个子光束各自分离成具有不同中心波长的多个子光束。这多个子光束传输到球面反射器610，在此它们被准直并传输到修改装置650，这些子光束入射到修改装置650作为对应独立光谱通道的空间分隔点。对应一个独立光谱通道的每个子光束被修改，且如上所述根据其极化状态沿同一光路径或另一光路径反射回来。该子光束传输回球面反射器610且改向到扩散器，在扩散器它们被重新组合并传输回球面器，以传输到预定的输入/输出端口。
或者，发射第二、第三、第四等复用光束到前端设备605。实际上，这种光学结构尤其适用于要求同时控制两个频带(例如，C和L频带)的应用中，其中每个频带都有其自己的对应输入/输出加/减端口。
图6a和图6b所示的光学结构最好使对称的4-f光学系统调整误差更小，且比现有技术系统损耗小。实际上，由于事实上避免了使用关键的组件匹配，这种设计相对于使用独立透镜的常规4f系统能提供许多优点。有关在第一和第二路径上入射到光栅的角度的一个重要优点，是匹配该光学配置所固有的。
本发明还提供一种用于重新选路和修改光信号的光学设备，其结构基本上更为紧凑，且使用的组件比类似的现有技术设备要少。
图7示出了图6a和图6b的结构更为紧凑的可选配置。在这个实施例中，从更窄的前端设备605向外配置体积更大的扩散器620和修改装置650。
图8示意了包括传统的三端口光学回转器以及具有特殊对称设计的DGE。发射一个光束到回转器880的第一端口882，在此光束通过端口884循环往返。返回端口884的光束通过前端设备805，前端设备805产生具有相同极性的两个准直子光束，它们以平行于光轴OA的方向发射到球面反射器810的上部。入射到球面反射器810的准直子光束被反射并以入射角β改向到绕射光栅820。该子光束根据波长被空间扩散且传输到球面反射器810的下部。入射到球面反射器810下部的该空间扩散的子光束被反射，且与平行与球面反射器810光轴平行的方向传输到修改装置850。一旦被衰减，该子光束就沿同一光路径反射回球面反射器810、绕射光栅820和前端设备805。绕射光栅重组该两个空间扩散的子光束。前端设备805重组两个子光束为一个光束，该重组的光束传输到回转器880，接着循环到输出端口886。类似于上述组件105、120和150的前端设备805、绕射光栅820和修改装置850均设置于球面反射器810的焦平面825上。特别地，绕射光栅820设置于球面反射器810的焦点上，而修改装置850和前端设备对称地设置于绕射光栅两侧。修改装置850最好包括一个液晶阵列830和平面反射器840或一个MEMS阵列(未示出)。
应该注意的是，至此描述的光学设计的一个重要方面涉及光学组件的对称和位置。特别地，事实上前端设备、具有光功率器件、扩散器以及修改装置均彼此相距1倍焦距(具有光功率器件的焦距)尤其有利于入射光束的近似高斯特性。
重新回到图8，从前端设备805射出的输入光束基本上准直且经具有光功率器件810传输到绕射光栅820。由于绕射光栅820位于具有光功率器件810的焦点上，而且输入光束已准直，因此该光束基本上如上述聚焦于绕射光栅820。在光栅的1/e2点大小，2ω1，和前端设备805的1/e2直径，2ω2的关系为：
ω1 *ω2=λ*f/π
其中λ为波长，f为具有光功率器件的焦距。因此，本领域的技术人员通过改变前端设备805的光束尺寸，能调整绕射光栅820的点大小以及得到的光谱分辨率。
此外，本发明允许从前端设备805发射的光束传播到液晶阵列830，而点扩张很小或不扩张，因为通过对称，液晶阵列的点大小与前端设备的点大小相同。因此，可改变从前端设备805发射的光束尺寸以与液晶阵列的单元尺寸一致，反之亦然。或者，可调整光束的尺寸来改变光栅820的点大小。显然，通过图1和图6a、6b所示的光学配置可实现相同的调整。
图9示意了根据本发明的一个实施例，其中单个准直/聚焦透镜990替代了图8所示的DGE中的光回转器884。透镜990最好为准直/聚焦透镜，如Graded Index或GRIN透镜。GRIN透镜990这样设置使得其一个端面与球面反射器910的焦平面925重合。GRIN透镜990的设置方向使其光轴(OA2)与球面反射器910的光轴OA平行但不共轴。输入985和输出987端口设置于透镜990的相对端面993，偏离光轴OA2且分别光学耦合输入999和输出998光波导。输入999和输出998波导最好为双光纤管支撑的光纤，如双孔管或双v-槽管。单输入/输出端口992设置于与光轴OA2重合的端面994上。所示的修改装置950包括垂直与球面反射器910的OA轴的液晶阵列930和平面镜940。或者修改装置包括一个MEMS阵列(未示出)。其他所有光学组件类似于图8所示的组件。
在操作中，从输入波导999以基本平行于透镜990的光轴(OA2)的方向发射一个光束到端口985。该光束通过GRIN透镜990，并从端口992以角度α出射到光轴。角度α取决于端口985偏离光轴(OA2)的位移d。该光束传输到球面反射器910的上端，在此，它以入射角β射向绕射光栅920。产生的空间扩散的光束传输到球面反射器、被反射接着传播到修改装置950。如果绕射光栅920如图9所示平行于焦平面925，那么入射到修改装置的光束的入射角大体上接近α。空间扩散光束的每个子光束通常沿不同于来时的光路径，以一个预定角度被选择性反射回球面反射器910。修改装置950可提供可变衰减。球面反射器910将经修改的空间扩散光束改向返回绕射光栅920，以便光束重组而形成一个经修改的输出光束，该光束以接近于α的入射角入射到单端口992。衰减的输出光束通过透镜990并指向输出端口987，该光束在端口987被传播到输出光纤998。
这种允许光束通过设置于该设备一端的两个不同端口往返的简单设计最好简单、结构紧凑，且相对于现有技术的修改和重新选路设备更容易制造。
此外，本发明避免使用体积庞大而造价昂贵的光回转器，并同时提供附加的自由度来调整模式大小，这也部分确定了该设备的分辨率(即能调整GRIN透镜990的焦距)．
最好，往返输出998和输入999光波导传播的光束例如通过使用微准直仪、热膨胀芯纤或透镜纤维被聚焦/准直．或者阵列形式的前端设备(例如图2a或2b所示)耦合输入/输出波导999/998与端面993。图9a-9d示意了各种光学输入配置，为示意起见采用图2a所示的配置示意。
在图9a中，输入999和输出998光纤经小透镜阵列912耦合GRIN透镜990。根据优选的远心配置可提供分隔器913。这种不提供极化分集的光学配置适合于不涉及极化敏感组件的应用。
图9b和图9c描绘了前端设备(即，如图2a所示)耦合输入/输出波导999/998与GRIN透镜990的实施例的俯视和侧视图。更具体地说，前端设备包括外壳996、小透镜阵列912、双折射器914、半波片916、玻璃片或第二波片918以及GRIN透镜990。
在图9d和9e中分别示出了一种光学配置的俯视和侧视图，其中提供极化分集的双折射单元914、半波片916和玻璃片918设置于GRIN透镜990的端面994，而分隔器913和小透镜阵列912设置于端面993。
图9f示意了一个实施例，其中输入999和输出998光波导不对称配置于GRIN透镜990的光轴OA2两侧。在这些情况下，更便于比较输入999和输出998波导之间的固定距离(D-2d)与输入和输出光路径之间的夹角(2α)。这种关系可更具体近似为： D F = 2 α
此处，f为透镜GRIN透镜990的焦距。
当然也能对该光学配置进行其它改进。例如，在某些情况下，绕射光栅920最好与焦平面925成一个角度。另外，可选择前端设备/透镜990、绕射光栅920和修改装置950的位置以最小化与具有光功率器件910外围相关的偏差。在图10中，示意了图9的一种替代设计方案，其中具有光功率的器件为透镜910，它有两个焦平面925a和925b。绕射光栅920与焦平面925b重合，而反射器940与焦平面925a重合。这个操作类似于图9所讨论的操作。
包括如图9a-9d所示的GRIN透镜990的实施例的一个优点为，对COADM和DGE应用来说，它们适合于基于MEMS技术的修改装置。这与图1和6-8描述的现有技术光学配置形成对比，其中基于MEMS的修改装置150较COADM应用更适合DGE应用。
特别地，当单准直/聚焦透镜990提供输入光束且接收经修改的输出光束时，每个MEMS反射器提供的角位移互补由使用GRIN端口990的轴外输入/输出端口产生的角位移。更具体地，透镜990提供的角位移，如α的选择依赖于MEMS设备的角位移，如1°。
图11示意了一个优选实施例，其中示出了一个类似于图9所示配置、设计用作COADM的配置。光学回转器80a和80b分别耦合每个光波导99a和99b，用于分离输入/输出和加/减光信号。光波导99a和99b光学耦合配置于透镜90一侧的微透镜12a和12b。移动透镜90使得其一端位于球面反射器10的焦平面25上。在该焦平面上还有上述的扩散器20和修改装置50。然而在这个实施例中，修改装置最好为MEMS阵列50。注意，MEMS阵列提供2×2旁路配置，其中发射到回转器80a的端口1的一个快速信号以第一操作模式传播到同一回转器80a的端口3，而发射到回转器80a的端口1的一个去除信号以第二操作模式传播到第二回转器80b的端口3。类似地，在第二回转器设备的端口1添加的一个信号以第二工作模式传播到第二回转器的端口3，而且不以第一工作模式集结。为示例起见，该光束假定包括波长λ1和λ2，然而实际上典型地使用更多波长。
在操作中，携带波长λ1和λ2的该光束被发射到第一光回转器80a的端口1，且循环到外壳96支撑的光波导99a。该光束通过微透镜12a以基本上平行于透镜90的光轴(OA2)的方向传输到透镜90。该光束通过偏离光轴(OA2)配置的端口85进入透镜，并且以与光轴(OA2)成一个角度从与光轴(OA2)重合的端口92射出。射出的光束λ1λ2传输到球面反射器10的上部，被反射，接着入射到绕射光栅20，在此它被空间扩散为分别携带波长λ1和λ2的两个子光束。每个子光束被传输到球面反射器10的下部，被反射，接着被传输到MEMS阵列50的独立反射器51和52。重新回到图11，反射器51的配置方位使得对应入射到其上的λ1子光束沿同一光路径反射回透镜90，再次通过端口85，且传播到回转器80a的端口2，在此它被循环到端口3。然而反射器52的配置方位使得对应λ2的子光束沿一条不同光路径返回。因此对应波长λ2的丢弃信号返回到透镜90，通过端口87，传播到第二回转器80b的端口2，以及循环到端口3。
同时，中心波长为λ2的第二光束添加到第二光回转器80b的端口1，且循环到光波导99b。第二光束λ2以基本上以平行于透镜90的光轴(OA2)方向通过微透镜12b发射到透镜90。它通过偏离光轴(OA2)配置的端口87进入透镜90，且以与光轴成一个角度从与光轴(OA2)重合的端口92射出。射出的光束传输到球面反射器10的上部，被反射，接着入射到绕射光栅20，在此它被反射到MEMS阵列50的反射器52。反射器52的配置方位使得对应λ2的第二光束沿一条不同光路径反射回球面反射器10，在此它射向绕射光栅。在该绕射光栅，对应λ2的添加的光信号与对应λ1的快速信号组合。该复用信号返回透镜90、通过端口85，接着返回第一回转器80a的端口2，在此它从端口3循环出该设备。
当然，可设想其它各种实施例而不偏离本发明的精神和范围。例如，实际上最好MEMS阵列的每个反射器在不平行焦平面25的位置之间偏离，即该偏离不等于至此示意的45°和0°偏离。在这些情况下，与透镜90耦合的光波导最好不对称地配置于光轴OA2两侧，如图9d示意。例如，图12示意了光波导99和98如何配置才能互补MEMS反射器51提供的角位移。此外，MEMS阵列相对于扩散面在水平或垂直方向翻转也在本发明的范围内。此外，也能组合上面的实施例和/或组件。

Claims (14)

1．一种光学设备，其特征在于：
用于发射一个光束的第一端口；
距离第一端口基本上为一倍焦距设置的第一改向装置，其用于接收该光束，并且具有光功率；
距离第一改向装置基本上为一倍焦距设置的一个扩散器，用于将该光束扩散为多个子光束；
距离扩散器基本上为一倍焦距设置的第二改向装置，其用于接收扩散的光束，并且具有光功率；以及
距离第二改向装置基本上为一倍焦距光学设置的修改装置，用于选择性地修改每个子光束，并且将每个修改过的子光束反射回到第二改向装置。
2．根据权利要求1的光学设备，其特征在于，第一和第二改向装置包括一个相同的凹镜，而且一倍焦距为凹镜的焦距。
3．根据权利要求2的光学设备，其特征在于，该扩散器为一个绕射光栅。
4．根据权利要求3的光学设备，其特征在于，光学耦合到第一端口的前端设备包括：
一个用于准直一个输入光束的微透镜；
一端耦合微透镜的一个双折射晶体，用于将输入光束分成两个正交极化的光束；以及
一个设置于双折射晶体的相对端的半波片，用于将两个正交极化的光束中一个光束的极性旋转90°，以便两个光束具有相同的极性。
5．根据权利要求3的光学设备，其特征在于，光学耦合到第一端口的前端设备包括：
一个用于准直一个输入光束的微透镜；
第一端耦合到微透镜的第一双折射晶体，用于将输入光束分成第一和第二正交极化的光束；
第一端耦合到双折射晶体的第二端的一个半波片，用于将第一和第二正交极化光束中每一个光束的极性旋转90°；以及
耦合到半波片第二端的第二双折射晶体，用于改向第一和第二光束，以便它们具有相同的路径长度。
6．根据权利要求3的光学设备，其特征在于，该修改装置包括至少一个液晶阵列、一个反射器和一个MEMS设备。
7．根据权利要求6的光学设备，其特征在于，该反射器包括至少一个反射面、一个极化光束分离器和一个双Glan棱镜。
8．根据权利要求3的光学设备，其特征在于，一个光束折叠镜用于改向来自凹镜的多个子光束到修改装置，以及一个设置在光束折叠镜后的检测器阵列用于遮断和检测多个子光束中的至少一部分。
9．根据权利要求1的光学设备，其特征在于，第一和第二改向装置包括一个相同透镜和一对透镜。
10．根据权利要求3的光学设备，其特征在于，距离凹镜基本上为一倍焦距设置一个透镜，该透镜的第一端用于耦合到偏离透镜光轴的第一和第二端口，而第二端具有一个单端口与透镜的光轴重合。
11．根据权利要求10的光学设备，其特征在于，透镜为GRIN透镜。
12．根据权利要求11的光学设备，其特征在于，相对于透镜光轴的第一和第二端口的位置分别与输入和输出光束往返修改装置的角位移有关。
13．一种用于修改和重新改路光束的方法，其特征在于，包括步骤：
通过设置于偏离透镜光轴的透镜第一端的第一端口发射光束，该光束平行于光轴方向发射；
允许光束通过透镜传送到设置于与光轴重合的透镜相对一侧的单端口，而且允许该光束以与光轴成第一预定角度返回该单端口；
修改该光束，且以与光轴成第二预定角度将修改后的光束反射回该单端口；以及
允许该修改的光束通过透镜传送到设置于透镜第一端的第二端口，第二端口偏离光轴配置且与第一端口空间上分隔。
14．根据权利要求13的用于修改和重新改路光束的方法，其特征在于，第一和第二预定角度符号相反。
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