专利名称：具有基于mems的衰减或功率管理的优化的可重构光分插复用器结构的制作方法
具有基于MEMS的衰减或功率管理的优化的可重构光分插复用器结构 技术领域本申请总体上涉及用于波分复用(WDM)光网络的光学通信系统和 方法，尤其涉及用于切换和管理多通道光学信号的各光谱通道的功率 的、具有优化的光学性能的波长选择开关系统和方法。
背景技术：
本发明所涉及类型的多通道光学信号包括多个光谱通道，每个光 谱通道具有独特的中心波长和相关带宽。相邻通道的中心波长相隔预 定的波长或频率间隔，所述多个光谱通道可以被波分复用以形成光网 络的复合多通道信号。每个光谱通道能够承载分开的独立信息。在光 网络的不同位置或节点处，通过例如使用可重构光分插复用器 (R0ADM)，可以从该复合多通道光学信号中清除一个或更多个光谱通 道，或者将一个或更多个光谱通道添加到该复合多通道光学信号中。 在共同转让的美国专利6， 549, 699、 6， 625， 346、 6， 661， 948、 6， 687， 431 以及6， 760， 511中公开了可重新配置光分插复用器结构，其内容通过 引用包含于此。所有的光学切换节点可包括一个或更多个被配置为ADD和/或 DROP模块的波长选择开关(WSS)。所引用的专利公开的波长选择开关 设备和方法包括用作光学信号的输入和输出端口的光纤耦合准直器 阵列、例如衍射光栅的波长分离器、光束聚焦器以及通道微镜阵列， 一个微镜用于一个光谱通道。在工作中，来自输入端口的复合多波长 光学信号(在此也被称为"多通道光学信号")被供应给波长分离器。 波长分离器将自由空间多波长光学信号空间上分离或解复用为成分 光谱通道的角谱，并且光束聚焦器将该光谱通道聚焦到对应的通道微 镜上。通 以便将光谱通道光束反射到选定的输出端口 。这使得每个通道微镜能 够将其对应的光谱通道引导到任何可能的输出端并且由此将光谱通 道切换到任意所希望的输出端口。每个输出端口可以不接收或者接收 一个或一个以上的反射从而引导的光谱通道。通过将通道切换到不同 的输出端口可以从多通道信号中有选择地卸载光谱通道，并且可以将 新输入的通道有选择地添加或组合到原始通道中以形成不同的多波 长复合信号。可以通过商业途径获得几种类型的自由空间光束分离器，它们包 括但不限于反射光栅，例如全息形成的高空间频率光栅；低空间频 率光栅，例如作为刻划光栅的中阶梯光栅；以及可以在各种聚合物中全息形成的透射光栅。用于波长选择分离wss装置的衍射光栅也可以是对于一个极化状态具有更高衍射效率的极化敏感式衍射光栅。因 此，为了维持可接受的系统插入损耗和依赖于极化的损耗，采用极化 分集策略可能是必要的，在极化分集中，将输入光束的极化状态分解 为其正交分量，并将较低效率的极化分量转动到对于衍射最有效的极 化状态。这要求在整个系统光学器件中管理这两个光束分量，这增加 了装置的形成因素。在本发明所涉及类型的波长选择开关结构中，希望优化系统的光 学和机械特性，同时提供小的形成因素。通常，在已知的设备和方法 中，尽管可以使输入到波长分离器的光束准直并且在截面上成圆形， 但是由于衍射光栅引起的光束变形扩展，衍射光束的一些波长在截面 上可能是椭圆形并且扩展。对于其它波长，可能不存在发散，而对于 另一些波长，根据所使用的光栅类型以及入射和衍射角可能存在压 縮。此外，在通道微镜处的光束尺寸由输入光束的尺寸、光束的变形 扩展或压縮以及聚焦光学器件的焦距之间的关系来决定。因此，在衍 射和入射到聚焦光学器件之前对光束尺寸缺乏控制的某些波长开关 中，通道微镜上的束斑尺寸可能不容易控制。这需要使微镜的尺寸充 分适应输入光束条件和聚焦光学器件的实际焦距的可能变化。例如， 简单地接受由光栅造成的变形光束扩展可能不足使通道微镜上的朿
斑尺寸最小化以产生高通带。 一般来说，这些因素妨碍通带等系统的 关键光学参数、与镜的质量成反比的共振频率等微镜的关键机械参数 以及与它们到第三焦度的长度约成正比的微镜之间的气动干扰的优 化。因此，在本领域已知的一些WSS设计中，通过使输入光束通过棱 镜对变形光束扩展器来修改输入光束。这在一个维度上优先增加光束 扩展。然而，为了充分减小形成因素，必须在整个传播中对光束尺寸 进行光学控制，并且一维变形光束扩展器是不够的。此外，同时(伴随变形光束扩展和光束尺寸控制)中继MEMS (微机电系统)端口镜的角转动并将该角转动光学上转换为通道镜处的通道变换有利于维持由国际电信联盟定义的通道频率对准(IUT对准)。只来自光栅或棱镜对的上述变形光束扩展没有实现这一点。由于众多原因，还希望能够监视并控制多波长光学信号的各个光 谱通道中的功率。这包括完全阻挡个别光谱通道中所包含的功率的能 力。阻挡通道中的功率的一个理由是可获得"无碰撞"切换以在将输 入光谱通道光束从一个输出端口重新定位到不同的所希望的输出端 口期间使不需要的串音最小化。在重定位期间，通道微镜在中间端口 上扫描输入的光谱通道光束(即，"碰撞")，其将不想要的光耦合到 中间端口中，并引起串音。因此，希望在扫描期间或者完全阻挡或者 充分衰减该光束中的功率从而避免不想要的光的耦合。监视并控制通 道的光学功率的另一个用途是可将该通道衰减到某预定水平。上述美国专利公开的一种功率管理和无碰撞切换方法采用例如 液晶像素阵列的空间光调制器来衰减或完全阻挡包含在光谱通道中 的功率。液晶阵列中的每个像素与光谱通道中的一个相关联，并且在 液晶阵列的位置处产生单独的焦平面使得与每个通道相对应的光谱 束斑处在与其相关联的像素上。由于施加到像素的电压控制像素的光 透射率，所以通过施加适当的电压可以使像素透射性较低或者对于光 的透射不透明，从而使通过该像素的光谱通道中的功率衰减或完全阻 挡。然而，该方法具有需要包括用以在液晶阵列处生成焦平面的中继 透镜系统、液晶阵列本身以及用以控制液晶阵列的电子装置的附加部 件的缺点。除了这些附加部件的成本增加以外，还需要更大的物理空 间来容纳这些部件，这增加了系统的总尺寸和复杂性。美国专利号6， 549， 699公开了另一种光谱通道的功率管理方法， 在该方法中，控制通道微镜围绕其切换轴(平行于通道微镜阵列的轴) 的转动，以相对于其想要的输出端口改变反射光谱通道光束的空间位 置。由于耦合到输出端口的光谱通道中的功率量是耦合效率的函数， 因此可以通过将通道微镜枢转预定角度使光束关于该输出端口去耦 合以将其衰减对应于所希望的输出功率水平的量来获得所希望的功 率水平。后一种方法的缺点是使光谱通道光束去耦合要沿着切换轴空间 上重新定位光束。根据相邻输出端口的物理间隔，光束的一部分可能 交叉耦合到相邻的输出端口，引起端口之间有害的串音。增加端口的 物理间隔以减少该交叉耦合会不良地增加装置的物理尺寸。此外，如 稍后将详细说明的，由于耦合对于通道镜围绕切换轴的转动的敏感 性，使用该方法难以准确控制光谱通道的功率输出水平。希望在一个波长选择开关系统中集成有下列功能，包括解复用、复用、充分灵活的波长切换、无阻挡的无碰撞切换、与任意外形相符 的动态通道、可变的光学衰减、通道功率监视、波长阻挡器以及波长 连通性确认。此外，希望该结构实现光谱通道的准确衰减，该系统能够作为ADD模块或者DROP模块工作，并具有小的形成因素和低成本。 最后，所有这些功能应该存在于具有低极化依赖损耗、低插入损耗以 及高光学通带的系统中同时维持精确的工TU通道对准。尽管上述专利 和本领域已知的实施方式均解决了波长选择开关中所希望的集成功 能中的部分，但是它们不能达到所希望的功能、性能或控制精度的满 意集成水平。因此，希望提供用于实现波长选择开关的多功能性，包 括实现上述特性和功能的紧凑、更灵活以及更节约成本的结构。针对 这些目标提出了本发明
发明内容
本发明提供用于对多端口、多波长光学信号的光谱通道进行波长 切换的新改进方法和设备，该方法和设备优化了光学及机械特性，同 时管理多波长光学信号的各光谱通道的功率或衰减水平，解决了上述 问题，克服了已知方法和设备的缺点并可获得其它显著优点和益处。这些优点和益处包括ITU通道的精确和稳定对准、高光学通带、 光谱通道与端口的最佳耦合、最佳机械特性和形成因素、以及宽范围 环境条件下的功率或衰减水平的精确稳定控制。本发明能够精确控制 多端口、多通道光学系统中各通道的衰减和功率水平，可获得无碰撞 通道切换以及近似"无缺口"工作，从而可以使光谱通道的通带内的 功率水平近似等于相邻通道之间(两个相邻镜之间)通带之外的功率 水平。这使得只要波长在关注的波段的上下限之间就能够传输任意光 学波长(不必局限于任何特定的ITU网格)而与波长或波长之间的间 隔无关。在本说明书中，术语"功率"或"功率水平"是指相对于基准功 率水平的光学功率，而术语"衰减"是指相对于基准水平的功率减少。 例如，基准功率水平可以是(例如通道的)输入或输出处的最大(未衰减的)功率水平，或者例如0 dBm的绝对功率水平。在一方面，本发明提供用于在光纤耦合准直器提供的多个输入和 输出端口之间切换多通道(多光谱)光学信号的光谱通道的设备。变 形系统将来自输入端口的多通道光学信号转换为具有预定光束外形 的光束。该光束在空间上被分离为成分光谱通道光束，所述成分光谱 通道光束被聚焦到双轴通道微镜阵列上，每个通道光束具有细长的光 束外形。双轴通道微镜阵列的每个微镜接收一个成分光谱通道光束并 具有与细长的光束外形相符的形状。通道微镜可围绕切换轴转动以将 光谱通道切换到选定的输出端口，并且可围绕正交衰减轴转动以控制 在该输出端口处的功率水平。更具体来说，由用镜尺寸旋绕的束斑尺寸近似给出光学通带。这 样，束斑尺寸越小以及镜尺寸越大时，通带越大。在本发明的光学切换设备中，来自输入端口的光学信号被变形地扩展，由光栅在空间上 分离，并且(由聚焦光学器件)聚焦为对准居中在对应的通道微镜上 的细长束斑，通道微镜具有矩形形状和尺寸并且镜之间具有窄间隙以 优化通带。变形光学器件沿着光栅色散方向最佳地放大输入到聚焦光 学器件的光束尺寸，以在通道微镜处提供小的束斑尺寸，从而进一步 优化光学通带。
在其它更特别的方面，通道微镜可围绕衰减轴转动以使输出光束 偏离光纤耦合准直器阵列。这允许波长阻挡。另外，通过以适当的顺 序围绕每个轴转动双轴通道微镜，系统可以实现无碰撞重构。
另外，本发明有助于维持多波长信号的通道对准并有助于控制光 束尺寸及在微镜上的位置。这允许优化通道微镜尺寸，以使气动串音 最小化，(通过设计)控制镜共振频率以及使切换所需的电压最小化。
在另一方面，本发明提供一种用于优化光学切换设备中的通带的 方法，其中来自输入端口的光学信号被变形扩展并转换为具有预定外 形的光束。该光束在空间上被分离为成分光谱通道光束，该成分光谱 通道光束被聚焦为对准居中在具有与通道光束相符的细长形状和尺 寸的对应通道微镜上的细长束斑。
在另一方面，本发明提供一种用于在波长开关的通道微镜上对准 光谱通道的方法，其中(基准光学信号已与其组合的)输入多通道光 学信号的成分光谱通道被聚焦为通道微镜上由端口镜的转动角度确 定的位置处的细长束斑。由基准光束在检测器上的位置来控制端口镜 的角度位置，以将相邻的分开的光谱通道对准在相邻通道微镜上的预 定位置处。
本发明的其它更特别的方面将在以下说明书和权利要求中展现 出来。
图l是示出根据本发明的可以在R0ADM的ADD或DROP模块中采用的 波长选择开关(WSS)的结构的简图；图2示出可以在图1的波长选择开关中采用的微镜阵列的一对相 邻双轴通道微镜；
图3A-B是示出作为围绕图2中的双轴通道微镜的正交衰减和切换 轴转动的函数的耦合效率差别的典型曲线；
图4是可被用于控制通道微镜围绕其切换和衰减轴的转动以管理
从微镜反射的多通道光学信号的光谱通道的功率水平和耦合效率的
伺服控制系统的简图5示出在几个相邻通道微镜的波长区域上作为波长函数的功率
水平(被表示为插入损耗)的图，该图示出对通道功率的控制以获得
无缺口工作；
图6A-C是示出在ADD模块的第一实施例中根据本发明的无碰撞切 换的简图7是可以在本发明中采用的ADD模块的第二实施例的简图；以及 图8是可以在本发明中采用的ADD模块的第三实施例的简图。
具体实施例方式
本发明特别适用于在例如可重构的光学分插复用器(ROADM)中使 用的波长选择开关(WSS)，其允许动态网络重新配置并能够管理多波 长(多通道)光学信号的各光谱通道的功率或衰减，使得信号可以容 易地添加到网络中或者从网络中卸载下来。然而，显然这仅说明了本 发明的一个应用。
图1是示出根据本发明的波长选择开关100的一部分结构的简图。 可以将具有该图中所示结构的并且被配置为ADD或DROP模块的一个或 更多个波长选择开关结合在例如波分复用(WDM)光网络节点处的 R0ADM中。如图所示，WSS100可包括光纤准直器阵列102，光纤准直器 阵列102为光学信号提供多个输入和输出端口，该光学信号由多个光 纤104输入到WSS或者从WSS输出。光纤准直器阵列102可包括多个单独 光纤耦合准直器，如结合图6-8更详细说明的那样， 一个光纤耦合准 直器连接到一个光纤。WSS100还可包括端口镜阵列106，其包括例
如双轴MEMS微镜的端口镜阵列(例如图7-8中所示)；光束扩展器和中 继系统110;优选为衍射光栅的波长分离器112;光束聚焦光学器件 116;以及通道微镜阵列118，它们如图l中所示那样光学排列。
包括多个光谱通道的复合多波长光学信号可被供给到光纤准直
器阵列102的输入端口并经由光束扩展器和中继系统110被端口镜阵 列106的对应端口镜反射和对准到衍射光栅l 12上。由于将要说明的原 因，根据本发明的光束扩展器和中继系统110是沿着正交轴提供不同 放大率的变形系统，例如透镜。衍射光栅按角度分离多波长光学信号 的成分光谱通道以提供空间上分离的光谱通道阵列。优选为远心且为 变形系统的聚焦光学器件116将各光谱通道在通道微镜阵列118中对 应的光学通道上聚焦成具有预定外形的光谱束斑。图中示出了中心波 长为A ,和A j的两个这样的通道，它们被分别聚焦在对应的通道微镜 120和122上。根据由衍射光栅和聚焦光学器件导致的复合多波长光学 信号的光谱通道的空间分离在阵列中空间上排列通道微镜，使得每个 通道微镜接收一个光谱通道。经由该光学系统将光谱通道从微镜反射 回到光纤准直器阵列。如将要说明的那样，通道微镜可以单独控制， 使得在反射时可以将光谱通道以所希望的耦合效率或衰减引导到或 者说切换到光纤准直器阵列中所希望的输出端口。
每个输出端口可以接收和输出任意数量的反射光谱通道。因此， 通过将光谱通道切换到一个或更多个"卸载"输出端口可以从复合多 通道信号中有选择地卸载光谱通道，并且可以从"通过"端口输出包 含剩余通道的多通道信号。另外，可以在输出端口处将新输入的通道 有选择地添加或结合到原始光谱通道的子集合中，以形成不同的多通 道复合信号。如将要说明的那样，从多通道光学信号中卸载通道的WSS DROP模块和向多通道光学信号插入或添加通道的WSS ADD模块二者都 可以采用与图l所示类似的结构。
通常，在阵列118中具有针对每个光谱通道的单独通道微镜。典 型的多通道WDM光学信号可以有例如45或96个光谱通道。因此，图l 中的阵列118可包括45或96个通道微镜。通道微镜优选包括硅微机械
镜(MEMS镜)，每个微镜优选为能够围绕两个正交轴独立连续转动的 双轴装置。如稍后将要更详细说明的那样，这使得通道微镜能够围绕 第一轴枢转以将对应的光谱通道反射到选定的输出端口 ，并能够围绕 正交轴枢转以控制耦合到该输出端口的功率量。
图1中的wss还可以进一步包括设置在端口镜阵列与变形光束扩 展器和中继系统110之间的光路上的光束分离器124、用于接收从该光 束分离器反射的光束的位置敏感检测器(PSD)126以及用于响应来自 PSD的信号对端口镜阵列106的镜进行控制的相关控制电子装置128。 如将要更详细说明的那样，这种安排能够将来自端口镜的光朿对准到 通道微镜的中心上，这有助于优化通带和保持ITU网格对准。
图2示出根据本发明的双轴通道微镜的优选结构。该图仅示出阵 列118的多个微镜中一对相邻的双轴MEMS通道微镜130、 131。如该图 所启示的，该阵列中的其余微镜沿着切换轴Y以相同的微镜间横向间 隔(在该图中)水平延伸。该阵列中的所有微镜可以具有相同的结构。 每个通道微镜可以包括可枢转地支持在围绕(图2中的)水平"切换" 轴Y转动的内部万向框134上的平面反射表面组件132。万向框134可以 被可枢转地支持在围绕正交"衰减"轴X转动的外部框136上。反射镜 表面132围绕所述相互正交轴的枢转运动是连续可变的并且可以按照 公知的方式通过向相对的成对控制电极(未示出)施加电压来靠静电 启动。
如图2所示，通道微镜的反射镜表面132可具有细长的优选为矩形 的形状，它们的窄维度即宽度沿着水平切换轴Y取向，而它们的长维 度即长度沿着垂直衰减轴X取向。对于这种特定的微镜外形和关于相 互正交轴取向有很多理由。如将要说明的那样，这种设计通过提供轻 质量的微镜、高共振频率以及低气动干扰可以获得最佳机械性能，并 优化了光学性能，例如高通带，以及可获得对衰减的精确控制。此外， 如下面所指出的，这种细长的矩形微镜外形与通过聚焦光学器件U6 (图l)聚焦在微镜上的光谱通道的细长的优选为椭圆形光朿外形相 符。 再参考图l，阵列118的通道微镜的切换轴Y平行于图1所在的平
面，而衰减轴X向该图所在的平面内延伸。这还通过微镜122及其对应
的通道光束的光束外形140的图示在图1中示意性示出。如前所述，希
望聚焦到微镜上的光谱通道光束的外形也被伸长和取向为大体上符 合微镜的形状和尺寸。优选地，通道光束具有所示的大体椭圆形状。 此外，希望相对于微镜尺寸控制聚焦到对应的微镜上的通道光束的束 斑尺寸和定位，以最小化不必要的功率损耗并最大化通带。通常，到
聚焦光学器件的入射光束146沿着光栅色散方向的尺寸越大，在通道 微镜处的束斑尺寸越小，这优化了光学通带。
来自光纤准直器阵列102的准直输入光束通常具有圆形截面。因 此，为了在微镜上提供受控制的光束形状和尺寸，光束扩展器和中继 系统110被制成为变形的，即在X和Y方向上提供不同的放大率。如图l 所示，变形光束扩展器和中继系统110可包含一系列透镜142-145，包 括焦距为fx和f'、的透镜142和143以及焦距为fy和f' y的透镜144和145。 该透镜可以是双圆锥形、圆柱形或环形透镜，也可以是可获得具有变 形特性的系统的其它器件。如图1所示，变形光束扩展器和中继系统 可以在衍射光栅112处提供形状为细长的或者大体为椭圆形的光束外 形146。在本发明的优选实施例中，衍射光栅112优选为选择具有高衍 射效率和低极化依赖损耗并且几乎没有变形光束扩展的透射光栅。因 此，变形光束扩展器和中继系统110可以基本上控制光束外形146。
通过远心聚焦光学器件116将来自衍射光栅的、与分开的各光谱 通道相对应的光束聚焦在通道微镜上，如上面所指出的，远心聚焦光 学器件116也优选为变形的。如图所示，该聚焦光学器件可包括焦距 分别为FxFy和F' XF' y的透镜系统148和149。该变形光束聚焦光学器 件将来自衍射光栅的光束外形146的束斑尺寸和取向改变为与微镜外 形相符的最佳尺寸和适当取向，如通道微镜上的光束外形140所示。 通道光束经由该光学系统反射回到光纤准直器阵列，并且该变形光学 器件确定它们在输出端口处的特征。当通道微镜设计已经被确定后， 可以选择变形光束扩展器和中继系统110以及变形聚焦光学器件116
的光学特征，以在通道微镜处和输出端口处提供具有预定的相容尺 寸、形状和特征的光谱通道光束。如将要说明的，通过设计该光学系 统以优化通道光束外形以及它们在微镜上的对准可以在很大程度上 获得最佳光学性能。本发明的结构还实现了低插入损耗。在使用变形光束的情况下， 自由空间光学波前必须被管理以便于以最小的波前畸变，特别是以与 光纤输入模场(典型为近似高斯型)匹配的模场返回到输出光学光纤。 到圆对称光学元件的每个具有不同输入尺寸或腰部的两个光束将具有不同的最小腰部、定位、发散和瑞利(Rayleigh)范围。如果每个光 束从同一定位处的镜反射回到输入光纤源，则它们将具有不同的且小 于最佳的耦合效率。当其中一个光束的尺寸相对于另一个以及系统的 光路长度减小时，这变得更加明显。(最后，当系统的形成因素减小 时，与几何光学设计相比，必须使用基于波动光学的设计来优化性 能。)因此，为了使根据本发明的波长选择开关的插入损耗最小化， 该光学设计应该利用圆柱形元件、透镜和/或反射镜以及环形或双锥 形元件等适当的变形光学器件来管理光束的每个正交维度的最小腰 部尺寸和定位，以便在输出光纤处实现模式匹配。这可以利用本领域 的技术人员所熟知的光学设计技术实现并且体现在本发明的光学设 计中。优选设计包括变形光束扩展器和中继系统110以及变形聚焦光学 器件116的变形光学系统以服务于几个目的。这些目的包括减小用于 经由该系统从微镜中继回的光束的输出端口之间的串音、控制通道微 镜上Y方向上(沿着色散方向)的光束尺寸以优化通带、控制通道微 镜上X方向上的光束尺寸以保持通道微镜长度小到足以减小气动串 音、以及从通道微镜转动中减小耦合的角灵敏度以允许对耦合进行精 确闭环控制。由于在传播时光束发散，所以特别对于小的光束尺寸，光束尺寸 必须(经由光学元件)通过该系统被适当传播以便以最小的波前误差 和适当尺寸返回到输出准直器端口，使得该光束不插入或光耦合到相
邻端口，这会产生相邻端口串音。对于光束的X维度尤其如此，因为 彼此相邻的端口在该方向上被对准，并且希望端口与端口的间隔保持 在最小，以使系统的高度即形成因素最小化。变形光束扩展器和中继 110被优选设计为在Y维度上放大光束，使得束斑尺寸可以在通道微镜 处最小化，有助于产生大的通带以及在X维度上稍微放大光束，使得 光束可以被聚焦到减小通道微镜长度的束斑尺寸。在x维度上控制束 斑尺寸能够控制与微镜长度的第三焦度成正比的气动串音。而且由于 该光束输入到光栅时是变形的，并且希望将光束的腰部放在通道微镜 位置中有助于获得所希望的束斑尺寸和实现上述特性的位置处，因此 聚焦光学器件l 16也是变形的。变形光束扩展器和中继系统110还被设计为将端口镜106的角转 动同时中继到光栅上。这改变了该光束在光栅上的入射角且远心聚焦 光学系统116将该角度改变转换为光谱通道在通道微镜阵列上的位 移。这可通过将要说明的前馈校准获得ITU对准。本发明的结构在获得管理各个光谱通道中功率的简单有效方法、 克服与先前己知的功率管理方法有关的困难和缺点方面是显著的，同 时还能够使光学性能优化。在本发明中，围绕其衰减轴转动通道微镜 减小了对应光谱通道的耦合效率并且使耦合到输出端口中的光量减 小。当通道微镜围绕衰减轴的转动量增加时，耦合连续下降直到光不 再被耦合到输出端口 。图3A是代表耦合作为通道微镜围绕其衰减轴X 的转动角度的函数变化的曲线。当通道微镜从对应于最大耦合条件的 零度角或者正或者负地转动时，耦合迅速下降，在大约正或负2.5度 的角度时基本上没有光耦合到输出光纤。图3B是通道微镜围绕其切换轴Y转动的类似代表性耦合曲线。如 图所示，对于这两个曲线中所示的特定微镜设计，作为通道微镜围绕 其切换轴的角转动的函数的耦合效率比通道镜围绕其衰减轴转动的 耦合效率灵敏十倍以上。对于具有合理尺寸和机械特性的MEMS通道微 镜以及对于被设计为在关注的波长范围内例如1550mn可获得最佳光 学性能的光学系统，通道微镜围绕其切换轴Y转动的耦合效率可以是图3B的曲线所示的那样。然而，如图3B的曲线所示的耦合效率对微镜围绕切换轴Y的角转动的高灵敏度使得难以使用该轴精确稳定地控制功率水平，尤其是在振动、摆动、温度变化以及部件老化等不良环境条件下。另外，使耦合效率对于衰减轴X不灵敏到图3A中所示那样允许在正常的工作条件范围上对功率水平进行更稳定更精确的控制。对于如图2中所示的细长的反射镜外形，如现在将要说明的，从通道微 镜反射的光的耦合效率主要由图l中的变形光束扩展器和中继系统 110(WSS)来确定。由于光纤共轭到通道微镜，通道微镜的转动在光纤处产生光束的 角度偏离，并且相应地产生耦合改变。由此，通道微镜的转动在光纤 处产生光束的角度偏离，并且由此产生耦合改变。对于沿着正交的X 和Y轴分别具有不同焦距fJnfy的变形系统，围绕正交轴的转动在光纤 处光束的角度偏离将因此不同。通道微镜的角转动A L和A e,在聚 焦光学器件的入口光圈处产生光束的位移Ax和Ay，其中A 9X fx = Ax， A ey fy= Ay。通过变形光束扩展器将这些位移中继到输出端 口准直器上，当反向工作时，这引起与放大倍数Mx和My成反比的所述 位移的缩小。输出端口准直器将光以角偏离A (Ax/Mx)/ f。w和A 9yM]1 二 (Ay/My)/ f^'聚焦在输出光纤上。典型地，fx和fy可相 差10%，而Mx和My可相差10倍或更多。由于位移不同，在输出光纤上 光束在正交轴方向上的角度将不同。如图3A和3B所示，这对通道微镜 的正交转动轴产生不同的角灵敏度。因此，通过适当地选择变形光学 器件的放大倍数可以实现衰减轴相对于正交切换轴的角灵敏度的减 小，这可获得精确的衰减控制和功率的均衡以及稳定的运行。为了优化光谱通道到输出端口的耦合以及为了精确控制每个光 谱通道的功率水平，本发明采用基于伺服的反馈控制系统来控制围绕 通道微镜所述轴的转动。可优选使用同一控制系统控制两个正交轴， 但这不是必须的。图4示出根据本发明的反馈控制系统160的实施例， 其可用于控制围绕两个轴的转动。在该图中，光学模块162可主要包 括图1中所示的波长选择开关WSS IOO的光学系统。该光学模块可包括DR0P模块，该DROP模块具有用于接收输入的复合多通道光学信号的输 入端口164和用于输出光谱通道或其它多通道光学信号的多个输出通 过或卸载端口166。每个输出端口可具有光纤光学耦合器(或分接头) 170，其采样在端口输出的光学信号的功率的一部分，例如2%。从端 口输出的光学信号的样本可被组合到光学组合器172中以形成输出到 光纤174的复合多通道信号。该复合多通道光学信号可被供应给光学 通道监视器(0CM) 176，其检测并测量每个光谱通道中的光学功率并将 该信息提供给电子模块180。该电子模块可使用所述功率测量来生成 适当的静电控制信号，在182处将该静电控制信号反馈给所述光学模 块来控制通道微镜围绕它们的衰减和切换轴的转动。如图4所示，光学通道监视器可包括用于从光学组合器接收复合 多通道光学信号的准直器190、用于将多通道光学信号在空间上分离 为其成分光谱通道的衍射光栅192以及用于将空间上分离后的光谱通 道成像在光电二极管阵列(PDA)等光学传感器196上的透镜系统194， 该光学传感器检测每个光谱成分中的光学功率水平。PDA196可包括例 如传统的1X256或1X512光电二极管阵列，该光电二极管阵列在空间 上排列成通过所述透镜系统将每一个光谱通道成像在不同的预定数 量光电二极管组上。与每个光谱通道相关联的光电二极管组的输出电 压被供应给电子模块180并提供对该通道中光学功率的测量。该电子模块可包括电子部件，如微处理器、存储器以及固件中的信号处理程 序，该信号处理程序例如用于处理来自PDA的光学功率测量并生成适 当的控制信号来控制光学模块162中的通道微镜。尽管光学通道监视器176在图4中被示为单独的模块，但是为了成 本和空间节约的目的，也可以通过将准直器190放置在准直器阵列102 位置处但与该阵列的其它准直器成一角度，从而将光学通道监视器 176集成在光学模块162中。由于光纤和通道微镜之间的共轭关系，准 直器190对准直器阵列102中的其它准直器的角转动将引起来自准直 器190的光束在通道微镜阵列118处的移位。PDA196可被放置在移位后 的位置处，从而将光学通道监视器176与光学模块162集成在一起。 图4中的反馈控制系统160可以控制通道微镜围绕其衰减轴的转 动并管理耦合到输出端口的光学信号的功率水平。该控制系统可被用 于维持每个输出端口处光学信号的预置功率水平。所述电子模块中的 存储器可包含对应于不同功率水平的存储的校准值表。代表每个通道中功率水平的、从光学通道监视器176的PDA196输出到电子模块180 的电压可以与进入到该电子模块中的对应于所希望的通道功率水平 的设置点进行比较。该电子模块可以使用所述功率测量和所述设置点 来生成适当的静电电压给与镜的衰减轴相关联的通道微镜的电极。这 改变光谱通道信号与其输出端口的耦合，并因此改变施加到该信号的 衰减从而改变该端口处的输出功率。控制系统160的反馈环对来自通 道PDA的功率测量与所述功率水平设置点进行比较，并且可以控制施 加到相关通道微镜的衰减电极的静电电压以将微镜驱动到获得所希 望的功率水平的耦合。控制系统还可以在工作期间连续监视每个通道的输出功率水平， 并且可以连续调整施加到通道微镜电极的所述电压以维持所希望的 衰减和功率水平。通过使用如图3A所示的相对于切换轴Y降低灵敏度 的衰减轴X的耦合效率曲线，即使在由振动、摆动以及温度变化引起 的不利条件下，反馈控制系统也能够精确稳定地维持每个通道的预置 功率输出水平。另外，如稍后要说明的，控制系统能够设定预置功率 水平并且在宽的范围上以逐一通道为基础维持该预置功率水平。除了控制通道微镜围绕其衰减轴的运动以外，图4的控制系统160 还可以控制通道微镜围绕其切换轴Y的转动。电子模块180可以使用来 自光学通道监视器176的光学功率测量以对各个通道微镜的切换轴单 独提供反馈控制，从而保持最佳的通道耦合。优选地，图4的控制系统采用交替或"脉动"控制信号方法来控 制通道微镜围绕切换轴的转动位置，从而实现和维持从输入到输出的 最佳耦合。由于通道微镜之间没有干扰，所以它们是独立的并且可以 被电子模块180中的处理电子器件同时控制以优化每一个的耦合。每 个通道微镜的一个轴可以以余弦波形脉动，而正交轴以相同脉动频率 的正弦波形脉动。该光学通道监视器可以检测和测量特定波长通道内 的脉动以及该通道的输出功率，以确定最大耦合的微镜电压。可以将 这些电压保存在电子模块中例如闪速存储器的存储器中，作为该系统 每个端口的开环目标电压。当想要将光谱通道从一个端口切换到另一 个端口时，存储在闪速存储器中的该目的地端口的电压可被用于将对 应的光谱通道微镜初始定位在该端口处。当该开环切换完成时，反馈 环可以被再次启动，并且脉动信号可被用于找到通道对端口的最佳峰 值耦合。实现最佳耦合对于最小化相邻通道之间的串音和使通道微镜 的宽度(沿着切换轴Y的窄维度)最小化从而减小微镜尺寸和提高WSS 的形成因数来说是重要的。图4的控制系统优选独立并交替地控制通道微镜的衰减轴和切换 轴。在将通道从一个端口切换到另一个端口并使用刚才所述的脉动信 号优化耦合之后，控制系统可以将控制模式切换到直电压反馈环，例 如用于如上所述针对所希望的功率水平控制通道微镜的衰减轴。该控 制系统优选不使用脉动方法来控制微镜的衰减轴，因为当镜的转动离 开最佳耦合时脉动幅度增加，这可产生不稳定性。脉动频率优选为例如从大约100Hz到大约250Hz的范围内的低频 信号，并且优选具有足以产生例如大约O. 5% (0. 02dB)的小光学功率 改变的幅度。当通道耦合不是最佳时，以与脉动信号相同的频率调制 光。然而当实现最佳耦合时，以两倍的该脉动信号频率调制光。电子 模块180的处理电子器件可以同步解调由光学通道监视器产生的通道功率水平信号上的幅度变化。当存在脉动频率的信号时，该电子器件 可以产生dc控制电压给切换轴电极，以将通道微镜移动到来自光学通 道监视器的信号仅包含两倍于该脉动频率的调制的光学耦合点。该脉动控制方法还可以用可选择的方法来补充或替换，该可选择 的方法利用如图3A-B中所示的耦合效率和围绕每个轴的角转动之间 的高斯函数关系。该高斯函数为以下形式 f(a， P) C e—A。2B"其中f(ci，P) 二特定端口处特定波长通道的输出功率a =围绕切换轴的转动角度 0 =围绕衰减轴的转动角度A 二用于确定围绕切换轴转动的灵敏度的常数 B 二用于确定围绕衰减轴转动的灵敏度的常数 C 二用于定义功率幅度的常数 可以使用上式所定义的函数关系来建立用于确定在最佳耦合位 置处通道微镜取向角度a和3的前馈算法。这可以通过采样通道微镜的当前角度取向和两个其它角度位置处的功率来实现，这两个其 它角度位置中的一个是通过改变微镜围绕切换轴的角度位置而得 到，另一个是通过改变微镜围绕衰减轴的角度位置而得到。这提供了 a和e的三个不同组合的功率读数以及可以用于求解上述函数关 系f(a， e)中三个未知数的三个等式。可以通过已知的分析或数值 方法取f(a， e)关于a和e的一阶导数，将其设置为零，并求解a和 P来确定函数f(a， P)的峰值。可以容易地扩展该方法从而也包括 端口镜角度取向。在此情况下，存在端口镜的轴的两个额外的转动 角度以及两个以上的未知数。然后该函数关系变为 /( ,/ ) C"2(G 其中Y 二围绕端口镜的Y轴的转动 S 二围绕端口镜的X轴的转动 G ^用于定义围绕端口镜Y轴转动的灵敏度的常数 D ^用于定义围绕端口镜X轴转动的灵敏度的常数为了求解最佳功率位置，必须在Y和S的两个不同组合处获得两 个额外的功率读数，其提供用于求解两个额外未知数G和D的两个额外 等式。可使用其它等式和/或其它数值方法来确定优化耦合效率的角 度位置，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。还可以通过针对 除最佳耦合效率以外的选定的功率或衰减水平求解这些等式来使用 这些等式控制光学信号的功率或衰减水平，这对本领域的技术人员来 说也是很明显的。 图4的控制系统的电子模块可以体现为用于交替和周期性地为最 佳耦合控制通道微镜的切换轴和为维持所希望的功率水平控制通道 微镜的衰减轴的控制程序和算法。该控制系统优选不同时控制两个 轴；然而，该控制系统的灵活性允许同时控制两个轴。如稍后将要说 明的，该电子模块可以采用用于获得无缺口工作、对各个通道的完全 阻挡以及无碰撞切换的算法。在说明这些概念之前，首先参照图5解 释根据本发明的可管理各个光谱通道功率的方式。图5示出同一图上的三条不同曲线，它们代表在1550nm波长带的 波长区域上从对应于5个相邻光谱通道的相邻通道微镜反射的功率的 不同衰减水平(插入损耗)。例如可以使用可调谐激光器来生成这些 曲线。顶部曲线200代表来自五个通道微镜的最佳耦合和零dB衰减时 的反射功率。如图所示，在每个通道微镜的相对宽的波长区域上在对 应于大约4. 0 dB插入损耗的水平处反射功率基本上是常数。这被称为 通带区域，并且大约对应于通道微镜沿着切换轴Y的方向上的宽度的 75%。曲线200还示出了对应于相邻微镜之间的间隙位置的每一通道 微镜之间的区域202，该区域存在反射功率水平的降低。该区域被称 为"缺口"区域。如图所示，缺口区域中的功率从对应于通道微镜中 心处的O dB衰减的功率水平仅下降了几个dB (图中大约是2.0 dB)。 这是因为微镜的边缘是衍射源，从该处反射的功率较少依赖于微镜的 转动角度，因此反射功率不随角转动的增加而减少，而在通带区域中 从平坦的镜表面反射的功率随角转动的增加而减少。这进一步由曲线 204示出，该曲线示出通过使功率水平衰减相对大的量(该图中为大 约14 dB)缺口区域比通带区域传输更多的功率。在该图中，该缺口 区域功率由大约ll.O dB的插入损耗水平的峰值206来表示。由峰值 206代表的功率应归于从微镜边缘的衍射。峰值之间的通带区域208 中的功率水平为大约18.0 (1B。图5中的中间曲线210表示对应于大约8.0 dB的插入损耗的大约 4.0dB的衰减，该缺口区域中的功率水平大约对应于通带区域中的功 率水平。这建立了在对应于相邻微镜的整个波长区域上功率水平基本
为常数的近似"无缺口"工作条件。这是本发明特别有利的特征，因为这使得能够传输不必符合任何特定ITU网格间隔的任意间隔波长。 因此，本发明使得同一组通道微镜能够被用于传输50、 100或200 GHz ITU网格间隔上的波长，还能够用于传输粗波分复用系统中共同的波 带上的波长。无缺口工作也有利地帮助优化通带和实现通道间功率变 化的ITU规范，这有助于利用具有例如IO GHz或40 GHz的不同调制的信号。从图5可明显看出，通过控制对特定光谱通道施加的衰减量可以 单独控制该通道传输的功率水平。通过使通道微镜围绕其衰减轴转动 实现所希望的消光比所需的量可以实现对应的光谱通道的光的完全 阻挡。这对于当将通道光束从一个端口切换到另一个端口时，从经过 切换转动的微镜反射的光谱通道的功率可以或者被完全阻挡或者被 减少到低水平的"无碰撞"通道切换是特别有用的。无碰撞切换避免 或最大限度降低了切换期间不必要的光耦合到中间端口和不良串音。图6A-C示出在ADD复用器模块220环境下的无碰撞切换，其中可以 在一个以上的输入端口上将光谱通道输入到该模块，并且可以在输出 端口处将光谱通道添加到即结合到所述信号上。图6A-B-—般地表示图 1中WSS 100的简化的侧面视图，其中为了清楚而省略了图l中的某些 元件。如图6A-B中所示，ADD复用器220可包括具有五个输入端口和一个 输出端口的5X1装置。光纤准直器阵列102相应包括六个准直器，如 图所示。例如输出端口222可以是所示的第四个准直器端口。在图6A 中，第一 (顶部)准直器端口224可以输入光谱通道入，，由变形光束 扩展器系统110将该光谱通道聚焦到衍射光栅112上。衍射光栅在空间 上将光谱通道入从其它波长通道中分离出来，并将分离后的光谱通 道供应给变形聚焦透镜系统116，其将该光谱通道聚焦到对应的通道 微镜228上。该通道微镜可围绕其切换轴转动到适当的角度位置以经 由该光学系统将输入的光谱通道、反射(切换)回到输出端口222， 如图6A所示。可以以无碰撞方式完成将输入的光谱通道入i从输入端口224切换到输出端口222。利用无碰撞切换，当转动通道微镜以将在端口224 输入的光切换到端口222时，该光束不在中间端口230和232上扫描。 更确切地说，对于无碰撞切换，在切换期间该光被基本上衰减或阻挡。 为了实现这一点，首先断开用于控制通道微镜228的切换轴的伺服控 制环。可以对通道微镜施加控制电压以使该微镜围绕其衰减轴转动阻 挡所需的量；然后通过对切换轴施加存储在图4的控制系统的电子模 块存储器中的校准表中的预置控制电压，使该通道微镜围绕其切换轴 转动以将输入的光谱通道反射到输出端口222。接下来，微镜228可围 绕其衰减轴转回到正常的最佳耦合条件，然后可重新连接控制该切换 轴的伺服控制环以控制该微镜实现最佳耦合效率。图6C示意性示出将光从输入端口224切换到输出端口222时的处 理。图6C中的箭头240代表输入通道衰减到阻挡条件。箭头242代表通 过转动微镜228将输入通道切换到端口222，其表示在输入端口224和 输出端口222之间切换该光时没有光被耦合到中间端口230和232。箭 头244代表通过通道微镜围绕其衰减轴的转动将光增加回到正常最佳 耦合条件。图6B示出不同波长A」的第二光谱通道在端口230进入ADD复用器 并被其对应的微镜246切换到输出端口222。该切换可以同样是无碰撞 的，并且可以用上述结合图6A说明的方式来实现。由此图6B中在端口 222上输出的光学信号可包括在端口224输入的入i和在端口230输入 的入」的组合。以同样的方式，可以在其它输入/添加端口输入其它波 长并将其切换到输出端口222以形成复合多通道信号。可以用不同的方法来实现图6A-B中所示的为了在输出端口处将 光学信号从第一衰减状态切换到第二不同衰减状态而对光学信号的 控制。按照第一方法，进入输入端口的光可处于最佳耦合状态，即全 功率。接着，如图6C中所代表的，可以通过使用衰减轴来完成最大衰 减的从输入端口到输出端口的无碰撞切换，同时如上所述将输入光束 无碰撞切换到输出端口。 一旦该光束处在输出端口，可控制衰减轴以 返回到对应于零衰减的全功率。然后在全功率条件下优化耦合效率， 在实现了最佳耦合时，通过控制该通道微镜围绕其衰减轴的运动来衰 减该光束，从而提供所希望的输出功率水平。第二方法是从输入端口处的原始衰减状态直接到输出端口处所 希望的衰减状态而不用首先无衰减到最大耦合效率。该方法使用存储 在控制系统的电子模块的存储器中的査找表中的校准电压，其规定了 作为围绕衰减轴转动角度(例如，静电电压)的函数的每个通道微镜 的衰减水平。用于无碰撞切换的第三优选方法是通过围绕衰减轴的转动从输 入端口处的衰减状态到该端口处的低光状态从而将功率最小化。接 着，保持衰减轴在最小功率例如阻挡条件，执行到所希望的目的地端 口的无碰撞切换。然后，在到达目的地端口后，通道微镜围绕衰减轴 转动以达到低光水平，例如-20dB，而不是返回到全功率；然后可以 使用通道微镜的切换轴(以及优选还有图1中所示的对应端口镜106， 以稍后要说明的方式)来优化该低光水平的耦合效率。然后，在实现 最佳耦合效率后，可以使通道微镜围绕其衰减轴转动到所希望的功率 水平。除了通过控制通道微镜围绕其切换轴的转动来控制耦合效率以 外，还希望控制每个通道的光谱光束在其对应的通道微镜上的聚焦位 置。为了获得高通带以及高数据传输率，通道的中心波长应该对准到 通道微镜的中心。其它通道的中心波长同样应该与它们对应的微镜中心对准。ITU网格规范规定了通道间隔，并且根据输入的多通道光学信号的nu网格间隔将通道微镜水平横向间隔开。因此，希望维持nu对准使得所有通道的中心波长保持在它们对应的微镜的中心，以便于 使系统的通带最大化。本发明的WSS系统能够建立ITU对准并且能够在不利的工作条件 下保持ITU对准。如前所述，图1的WSS100可包括位于端口镜阵列106 和变形光束扩展器与中继系统110之间的光束路径内的光束分离器 124。来自发光二极管(未示出)的例如1310nm波长的基准光可以在
光纤准直器阵列的输入端口处耦合到复合多波长光学系统中。该光束分离器可被形成为将1310nm波长光束优先反射到PSD 126并将例如C-带的光谱通道波长传递到变形系统110。PSD可包括以4-象限光电检测 器即"四象限电池(quad cell)"形式排列的光电池阵列。从光束分 离器反射到PSD上的1310nm基准光使PSD的每个象限中的电压增力卩，这 可用于确定投射到PSD上的基准光束的矩心位置。该矩心位置可被用 于确定光束的对准。输入准直器102所指的方向可作为温度的函数而改变，这引起输 入光谱光束在微镜上的聚焦位置偏离微镜的中心，产生工TU未对准和 通道通带的窄化。此外，其它热机械效应可引起衍射光栅角度、通道 微镜的位置以及光学器件焦距的变化。这些效应的每一个还可导致 ITU未对准和通带窄化。为了补偿ITU未对准，可转动端口镜以将通道 中心波长重新对准到通道微镜的中心上。在图1所示的WSS的实施例中，端口镜的角度位置被中继到远心聚 焦光学器件的入口光圈上，并且由端口镜转动位置的改变引起的到远 心光学系统的输入的角度改变被转换为在焦平面上的束斑位置的改 变。因此，通过变形光束扩展器将端口镜的转动或输入光束中继到聚 焦光学器件的入口光圈上。这导致通道关于通道微镜的转换以及在与 其相关联的通道微镜上扫描通道。当对应于ITU对准，通道的中心波 长与通道微镜的中心对准时，从光束分离器124反射的基准光束将以 预定的定位投射到PSD上。可将由PSD的四个象限产生的代表光束对准 的电压与存储在控制电子器件128的存储器中的预置基准(校准)电 压进行比较，并由该控制电子器件使用该电压作为反馈信号来控制端 口镜使该光束置于通道微镜的中心上。这样，基准光在PSD上的位置 可被用于ITU通道对准。可在宽的工作条件范围上校准该位置使得在 广泛的环境条件下连续维持工TU对准。如果准直器或者一个或更多个其它上述元件的指向因系统温度 等的改变而改变，则需要新的端口镜角度及在PSD上的新基准光束位 置(xl，yl)以维持工TU对准。因此，可针对所需的PSD束斑位置生成一 持ITU对准，并且该校准点被存储在控 制电子器件128的存储器中的表内。温度传感器可位于WSS模块内以监 视温度改变，并且该温度信息和来自校准表的设定点信息可被提供给 控制电子器件中的前馈伺服系统以控制该阵列的所有端口镜来维持ITU对准。为了计算例如由磁滞现象引起的变化，可以将针对升高和降低温度条件的校准信息存储在该表中。本发明的结构的另一个优点是它可获得用于确认在例如图6A-B 中(或者稍后将要说明的图7和图8中)所示的ADD模块的多个输出或通 过端口中或者在DROP模块的输出和卸载端口中波长分布的能力。通过 例如引起端口微镜小幅度的脉动转动在从端口微镜反射的光学信号 上引入小幅度低频率脉动调制，并检测图4的反馈控制系统中的调制 可以实现波长识别。可以确认关于端口微镜的任意一个转动轴的脉动。脉动对该端口 微镜反射的与特定输出或通过端口相关联的光学信号进行调制。该调 制优选在图4的光学通道功率监视器176中的光电二极管阵列196的像 素处建立大约0.05 dB的信号功率波动。该功率波动可被转换为电信 号并被供应给电子模块180中的控制软件来表示由经过脉动转动的端 口镜引导到输出或通过端口的光学信号波长。该端口镜的脉动频率优 选为与由该光学信号传输的通信信号的频率相比较低的频(大约IOO 至200Hz)以便于不引起明显的噪声和中断。在典型的环形网络中，可能存在若干个同时工作的波长选择开关 模块。如果该环形网络中的每个波长选择开关模块使用相同的脉动频 率来表示通过端口的波长，则在通信信号中在脉动频率处可能存在明 显的噪声累积。因此，可能希望对网络环中的每个模块使用不同的脉 动频率。为了实现这一点，可以对每个WSS模块分配唯一的脉动频率， 优选地，每个脉动频率与该环中的其它WSS模块的脉动频率至少相差 5Hz。可以例如通过对已经使用的脉动频率进行电子搜索，然后分配 没有被使用的频率来自动进行频率分配处理。图6A-B中所示的ADD模块220的5 X 1 (N X M)结构是典型的ADD模 块，其中中心波长为、至"的光学通道信号能够以任意组合通过N 个输入和添加端口进入，并通过一个(M4)输出端口退出。对于该结 构中的输入和添加端口的数量(N)或者对于波长的数量理论上没有限 制。然而，存在特定波长八只能从一个端口进入的限制。多个入可 以从输入端口或添加端口进入，只要这些A彼此不同即可。图7是示出避开前述限制的ADD模块300结构的另一实施例的简 图。(多个微镜在纸所在的平面内。)如图所示，该实施例是5X1和1 X5模块，5个输入或添加端口 (IN1-IN5)和5个输出端口被排列成使得 奇数端口 (301,303， 305， 307和309)为输入/添加端口而偶数端口 (302，304，306，308和310)为输出端口。然而，在该排列中，除了 (图 中的)底部端口OUT 310以外的所有端口都是"暗(dark)"端口，意 思是到达这些端口的光都消失。图7的配置的优点是它允许特定波长 、的光学通道从一个以上的输入或添加端口进入。然而，只有一个 波长入，通道通过0UT端口310退出。这是因为与波长A ,相关联的通道 微镜312的角度确定光束反射的方向。这反过来确定波长A ,退出的端口。所有其它波长、通过一些其它暗输出端口退出或进入自由空间。 例如，通过端口303进入的波长A i的第二信号将被通道微镜312引导 到端口308。图7中所示的配置在光通信系统中有很多应用，例如，希 望将波长的多个输入组组合在一起以形成波长的单个输出组而没有 任何重复的波长。图8示出与图7中所示的ADD模块300的实施例功能相似的5X1 ADD模块340的另一实施例。ADD模块340可包括5个输入或添加端口 341-345和一个0UT端口346。它与ADD模块300的相似优点是特定波长 入，可以从输入或添加端口341-345中的多个进入。然而，根据与波长 入i相关联的通道微镜348的角度，进入波长A i通道中只有一个通过 0UT端口346退出。所有其它进入波长入i将退出到自由空间。上述图7 和图8中的两个ADD模块配置之间的主要差别是不同的物理布局。它们 两个的工作基本相同。图4的反馈控制布置中所示的WSS光学模块162是典型的DR0P模
块，其中有一个输入端口和多个输出或卸载端口。 DR0P模块中，通过 从如图4中所示的每个输出或卸载端口的输出光纤中采样光的百分 数，并如前所述在控制系统中使用该样本来测量和控制每个通道的光 学功率以获得所希望的功率水平，可以在实现输出光学通道的功率管 理。在ADD模块的情况下，如图6-8中所示，也可以采用与如前所述的 通道对准和输出通道的功率水平控制相同的方法。然而，在ADD模块 中，可以对进入输入和添加端口的光学通道额外施加功率管理。这可 以通过如下所述来完成从进入每个输入和添加端口的光谱通道采样 光的百分数，以与结合图4所述的相同方式将该样本组合到复合多通 道信号中，并将该复合光学信号提供给光学通道监视器和控制系统， 例如先前结合图4所说明的，以便于控制通道微镜来获得流入光学信 号的所希望的功率水平。对于ADD模块，可以通过两个不同方法中的任何一个来实现对输 入和输出通道二者的功率水平控制。 一个方法可以采用分开的光学通 道监视器， 一个用于输入和添加光纤中的光功率， 一个用于来自输出 和卸载光纤的光。这两个通道监视器可以与图4中所示和所说明的基 本相同，并且可以采用同一个或者分开的电子模块来控制通道微镜的 衰减轴。这允许同时监视和控制流入和流出光谱通道二者的功率。第二个方法是采用分开的组合器，如组合器172， 一个用于输入 和添加通道， 一个用于输出和卸载通道，1X2开关从输入或者输出组 合器中选择复合信号，以及根据开关的位置监视和控制流入光或流出 光的单个光学通道监视器和电子模块。可以监视流入光和通过光是否 达到特定的衰减水平，并且可以监视流出光是否为所希望的特定功率 水平。根据本发明，在ADD和DROP模块二者中为了工TU网格对准而保持通 道光束在它们相关联的通道微镜的中心上的方法可以与结合图l的前 述方法类似。在ADD模块中，可以将基准光注入到(组合到)来自一 个流入光纤的输入光中，并如所述将该基准光聚焦到单个四象限电池 可包含其它流入光谱通道，所以可以 由围绕端口镜阵列中与添加端口相关联的每个微镜的一个或两个轴 的转动校准量来补偿那些光谱通道对准中的变化。也就是说，与添加 端口相关联的端口镜阵列中的微镜可从动于端口镜阵列中与输入端 口相关联的微镜，使得可以基于对输入端口的控制来一起控制全部输 入和添加端口微镜。从上述可知，根据本发明的可重新配置的光学添加-卸载系统和 方法可获得具有众多优点的简化集成结构。除了别的以外，这些包括 以逐通道为基础对各个光谱通道进行有效、灵活和高精度功率管理的 方法；避免串音和对中间通道的干扰的无碰撞切换通道；能够精确管 理通道上的功率并能够以各种波长网络间隔工作的无缺口工作；导致 高通带和ITU通道对准的光学特性的优化；以及模块和微镜等部件的 最佳机械特性。尽管关于本发明的具体实施例给出上述说明，但是本领域的技术 人员会意识到在不脱离本发明的精神和原则的情况下可以在这些实 施例中进行改变，在所附权利要求中限定了本发明的范围。
权利要求
1.用于切换具有不同波长光谱通道的多通道光学信号的光学设备，该光学设备包括光纤耦合准直器，其提供用于具有一个或更多个所述光谱通道的光学信号的多个输入和输出端口；变形系统，其从所述光纤准直器的输入端口接收光学信号并将所述光学信号转换为具有预定光束外形的光束；衍射光栅，其用于将所述光束在空间上分离为成分光谱通道光束；聚焦光学器件，其用于将所述成分光谱通道转换为具有细长通道光束外形的通道光束；以及双轴通道微镜阵列，所述微镜具有与所述细长通道光束外形相符的细长形状，并且所述阵列的每个微镜被定位成接收所述成分光谱通道中的一个，所述微镜可以围绕第一切换轴转动以将所述的一个光谱通道切换到选定的输出端口，并且可以围绕第二衰减轴转动以改变所述切换后的光谱通道与所选输出端口的耦合，从而控制在该选定端口处输出的所述光谱通道的功率水平。
24. 根据权利要求23的方法，其特征在于，还包括从端口镜反射 所述光学信号，该端口镜的转动位置使所述成分光谱通道的聚焦后的 细长束斑在所述微镜上移动，确定所述聚焦后的细长束斑在所述通道 微镜上的位置，将所述细长束斑维持在所述微镜的中心上。
25. 根据权利要求24的方法，其特征在于，所述确定包括检测与 所述光学信号一起投射到输入端口中的基准光束在检测器上的位置， 并且所述维持包括控制所述端口镜以将所述基准光束维持在所述检 测器上的预定位置处。
26. 根据权利要求24的方法，其特征在于，还包括以预定频率的 脉动信号调制所述光学信号，在输出端口处检测光谱通道上的所述脉 动信号调制，并针对预定检测的脉动信号调制条件控制通道微镜。
27. 根据权利要求26的方法，其特征在于，所述调制包括以有相 位差的脉动信号调制所述光谱通道，并且所述控制包括对在多个预定 频率检测到的脉动调制进行控制。
28. 根据权利要求24的方法，其特征在于，还包括以不同的预定 频率的脉动信号调制所述光学信号，在输出端口处检测光谱通道上的 脉动信号调制，以及根据预定的脉动信号频率识别耦合到端口的光谱 通道。
29. 根据权利要求24的方法，其特征在于，所述端口镜是双轴镜， 并且所述方法还包括颤振所述端口镜的正交轴，测量所述轴在不同角 度位置组合时的功率水平，基于功率和所述端口镜的每个轴的转动角 度之间的预定关系使用前馈算法来预测提供最佳耦合效率的转动角 度，以及将所述端口镜转动到所述转动角度以实现最佳耦合效率。
30. 根据权利要求24的方法，其特征在于，还包括颤振通道微镜 的正交切换轴和衰减轴；测量所述端口镜和所述通道微镜在不同角度 位置组合时的功率水平，基于所述端口镜的预定关系和功率与通道微 镜的每个轴的转动角度之间的另一个预定关系使用前馈算法来预测 提供最佳耦合效率和选定的功率或衰减水平的转动角度，以及将所述 通道镜和所述端口镜转动到该转动角度以实现所述最佳耦合效率或 选定的功率或衰减水平。
31.
32. 根据权利要求23的方法，其特征在于，还包括通过围绕第二 正交轴转动所述微镜将第一端口处所述光谱通道的功率减少到最小 功率水平；通过围绕第一轴转动所述通道微镜将所述通道微镜切换到 第二端口，同时维持所述最小功率水平；通过围绕所述正交轴转动所 述通道微镜将所述功率增加到低功率水平；通过围绕所述第一轴转动 将所述光谱通道在所述第二端口处的耦合优化在所述低功率水平；以 及通过围绕所述正交轴转动所述通道微镜将所述功率水平增加到选 定的功率水平。
33. 根据权利要求23的方法，其特征在于，还包括测量所述多通 道光学信号的各个光谱通道的功率，并针对所述各个光谱通道的预定 功率水平对所述通道微镜的所述正交轴施加反馈控制。
34. 根据权利要求23的方法，其特征在于，所述转换包括在正交 方向上对所述光束施加不同的放大率，以及选择所述放大率使得所述 聚焦的细长束斑在所述微镜上具有优化光学通带的形状和尺寸。
35. 根据权利要求34的方法，其特征在于，所述选择包括选择所 述放大率以在微镜上获得减小气动串音的束斑尺寸。
36. 根据权利要求34的方法，其特征在于，所述选择包括选择所 述放大率以使从微镜反射到所选输出端口的光谱i束的束斑尺寸减 小从所述反射光束到相邻输出端口的耦合和串音。
37. 根据权利要求23的方法，其特征在于，还包括围绕第一和第 二轴转动通道微镜以控制耦合到所述输出端口的所述光谱通道的功
38. 用于在光学设备中将多通道光学信号的光谱通道对准到微镜 阵列中对应的通道微镜上的方法，所述光学设备用于将所述光谱通道 切换到不同的输出端口，该方法包括将多通道光学信号从输入端口弓I导到可转动的端口镜，所述多通 道光学信号包括具有不同中心波长的多个光谱通道和基准光束；将来自所述端口镜的多通道光学信号在空间上分离为成分光谱 通道，根据分离后的光谱通道的中心波长间隔所述分离后的光谱通 道；在微镜阵列的对应通道微镜上将所述分离后的光谱通道聚焦为 束斑，根据相邻的成分光谱通道之间的间隔分开所述阵列的微镜，并 且由所述端口镜的转动角度来确定束斑在对应的微镜上的位置；将所述基准光束引导到检测器上，所述基准光束在所述检测器上 具有由所述端口镜的转动角度确定的位置；以及控制所述端口镜的转动以将所述基准光束定位在所述检测器上 的预定位置，其在所述通道微镜上的预定位置将相邻的分开光谱通道 对准到对应的相邻通道微镜。
39. 根据权利要求38的方法，其特征在于，还包括存储检测器电 压，该电压对应于由环境条件的改变引起的所述基准光束与所述预定 位置的偏离；监视所述环境条件；以及使用所存储的电压控制所述端 口镜以在检测到所述环境条件改变时将所述光谱通道重新对准到对应微镜上的所述预定位置。
40.根据权利要求38的方法，其特征在于，还包括对准所述光谱通道以满足ITU网格规范。
全文摘要
一种用于在输入和输出端口之间切换多通道、多波长光学信号的光谱通道的ROADM的波长选择开关结构使用用于最佳耦合效率和ITU网格对准的双轴MEMS端口镜阵列、用于扩展输入光学信号以建立细长的光束外形的变形光束扩展器、用于在空间上分离所述光谱通道的衍射光栅、变形聚焦透镜系统、双轴细长的通道MEMS微镜阵列、内置光学通道监视器以及电子反馈控制系统。该双轴通道微镜可围绕一个轴转动以在端口之间切换光学通道，并且可围绕正交轴转动以改变光谱通道与输出端口的耦合并针对完全阻挡或预定的功率水平控制光谱信号的衰减。通过由所述反馈控制系统实现的最佳光学耦合效率，该结构可获得无碰撞切换、接近无缺口的工作、ITU通道对准、高通带、在宽温度范围上的稳定性以及最小的插入损耗。
文档编号G02B6/26GK101156098SQ200680011725
公开日2008年4月2日 申请日期2006年3月24日 优先权日2005年4月11日
发明者B·特里梅因, J·E·戴维斯, M·H·加勒特, M·达令 申请人:卡佩拉光子学公司