專利名稱：減少mems微鏡邊緣衍射的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及用于波分復(fù)用(WDM)光網(wǎng)絡(luò)的光通信系統(tǒng)以及方法， 更具體地涉及具有用于切換和管理多信道光信號(hào)中的單個(gè)光譜信道功率 的優(yōu)化光性能的波長選擇開關(guān)系統(tǒng)以及方法。
背景技術(shù)：
多信道光信號(hào)典型地包括多個(gè)光譜信道，每個(gè)具有獨(dú)立的中心波長 和相關(guān)的帶寬。相鄰信道的中心波長按照預(yù)定的波長或頻率間隔間隔開， 并且可以波分復(fù)用多個(gè)光譜信道來形成光網(wǎng)絡(luò)的組合多信道信號(hào)。每個(gè) 光譜信道能夠負(fù)載分開并且獨(dú)立的信息。在光網(wǎng)絡(luò)中不同的位置或節(jié)點(diǎn)， 使用例如可重構(gòu)光上下路復(fù)用器(ROADM)從組合多信道光信號(hào)下路或上 路一個(gè)或多個(gè)光譜信道。在屬于同一受讓人的美國專利Nos. 6， 549， 699， 6， 625， 346， 6， 661， 948， 6， 687， 431，和6, 760， 511中公布了可重構(gòu)光 上下路結(jié)構(gòu)，這里將其整個(gè)公布文件引用在此作為參考。
光切換節(jié)點(diǎn)可以包括一個(gè)或更多配置成上路(ADD)和/或下路 (DROP)模塊的波長選擇開關(guān)(WSS)。參考專利公布了波長選擇開關(guān)裝 置以及方法，包括用于光信號(hào)輸入輸出端口的光纖耦合準(zhǔn)直儀陣列，例 如衍射光柵、光束聚焦器的波長分離器(wavelength s印arator)以及 給每個(gè)光譜信道一個(gè)微鏡的信道微鏡陣列。在工作中，把來自輸入端口 的組合多波長光信號(hào)(這里也稱為"多信道光信號(hào)")提供給波長分離器。
波長分離器在空間上把自由空間的多波長光信號(hào)分離或解復(fù)用成組分光 譜信道的角譜，而光束聚焦器把光譜信道聚焦到對應(yīng)的每個(gè)信道微鏡上。 放置信道微鏡以使得每個(gè)信道微鏡接收一個(gè)所分配的分離光譜信道光 束。微鏡是單獨(dú)可控的并且是連續(xù)樞軸的(或可旋轉(zhuǎn)的)，以便把光譜信 道光束反射到選擇的輸出端口中。這使得每個(gè)信道微鏡能夠把其對應(yīng)的 光譜信道導(dǎo)入任何可能的輸出端口，并且從而把光譜信道切換到任何需 要的輸出端口。每個(gè)輸出端口接收零個(gè)、 一個(gè)、或多個(gè)反射的和這樣導(dǎo) 入的光譜信道。用把信道切換到不同輸出端口來把光譜信道選擇性地從 多信道信號(hào)中下路，并且來把新的輸入信道選擇性地上路或和原有信道 組合來形成不同的多波長組合信號(hào)。
因?yàn)橐恍┰?，還需要監(jiān)測和控制多波長光信號(hào)中單個(gè)光譜信道的 功率。這包括完全阻斷包括在特定光譜信道中的功率。控制信道功率的 一個(gè)原因是提供"無損傷"切換來最小化在重配信道微鏡來把輸入光譜 信道光束導(dǎo)入("切換")到需要的輸出端口中期間的不需要的串?dāng)_。在 重配期間，信道微鏡重導(dǎo)輸入光譜信道光束，使其穿過，也就是"損傷" 中間端口，把不需要的光耦合進(jìn)中間端口并且引起串?dāng)_。因此，需要在 切換期間完全阻斷或者充分地衰減光束功率，以避免不需要的光耦合。 監(jiān)測和控制信道光功率的另一個(gè)用途是提供到某預(yù)定水平的信道衰減。
上述美國專利公布了功率管理和無損傷切換的一個(gè)方法，采用例如 液晶像素陣列的空間光調(diào)制器來衰減或完全阻斷在光譜信道中包含的功 率。液晶陣列中的每個(gè)像素和光譜信道之一相關(guān)聯(lián)，并且在液晶陣列的 位置上創(chuàng)建分離焦平面，使得對應(yīng)于每個(gè)信道的譜斑落到其相關(guān)的像素 上。因?yàn)槭┘拥较袼氐碾妷嚎刂葡袼氐耐ü庑?，通過施加正確的電壓可 以使像素較不透明或甚至對光完全不透明，從而衰減或完全阻斷經(jīng)過那 個(gè)像素的光譜信道功率。然而，該方法的缺點(diǎn)是需要額外的元件，包括 用于創(chuàng)建在液晶陣列上的焦平面的棱鏡陣列、液晶陣列本身以及用于控 制液晶陣列的電子器件。除了由于這些額外元件的新增成本之外，還需 要更多物理空間來容納這些元件，增加了系統(tǒng)的整個(gè)尺寸和復(fù)雜度。
美國專利號(hào)6， 549， 699公布了光譜信道功率管理的另一個(gè)方法，其 中控制信道微鏡繞其切換軸(平行于信道微鏡陣列的軸)的旋轉(zhuǎn)來改變
反射光譜信道光束相對于其指定輸出端口的空間位置。因?yàn)轳詈系捷敵?端口的光譜信道功率量是耦合效率的函數(shù)，通過以預(yù)定角度旋轉(zhuǎn)信道微 鏡來把光束對于輸出端口去耦合從而以對應(yīng)于所需輸出功率水平的量進(jìn) 行衰減，來得到所需功率水平。
后面這個(gè)方法的缺點(diǎn)是把光譜信道光束去耦合沿著切換軸對光束 進(jìn)行了空間上的重定位。依賴于相鄰輸出端口的物理間隔，可能把光束 的一部分交叉耦合進(jìn)相鄰輸出端口，引起端口間有害的串?dāng)_。增加端口 物理間隔來減小串?dāng)_不合適地增加了設(shè)備的物理尺寸。另外，如后面將 詳細(xì)描述的，因?yàn)轳詈系嚼@切換軸的信道微鏡旋轉(zhuǎn)的靈敏度，使用這個(gè) 方法很難精確地控制光譜信道的功率輸出水平。為了克服這個(gè)問題，開 發(fā)了使用繞分離軸(這里稱為衰減軸)旋轉(zhuǎn)信道微鏡來改變選擇光束功 率的波長選擇開關(guān)。然而，這個(gè)方法導(dǎo)致以旁瓣形式這里稱為"兔子耳 朵"的通帶的不均勻衰減。需要有能夠達(dá)到分離信道精確衰減而沒有這 些通帶非均勻性的波長選擇開關(guān)。
這就是本發(fā)明實(shí)施例的目的。


圖1是示出了用于R0ADM的ADD或DROP模塊中的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施
例的波長選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)的簡圖2示出了用于圖l的波長選擇開關(guān)中的微鏡陣列的一對相鄰雙軸
信道微鏡；
圖3 A-B是表示耦合效率作為圖2中雙軸信道微鏡繞正交的衰減軸
和切換軸旋轉(zhuǎn)的函數(shù)的典型曲線；
圖4是用于控制信道微鏡繞其切換軸和衰減軸旋轉(zhuǎn)來管理功率水平 和從微鏡反射的多信道光信號(hào)的光譜信道耦合效率的伺服控制系統(tǒng)的簡 圖5表示功率水平(表示為插損)作為波長對幾個(gè)相鄰信道微鏡波 長區(qū)域的函數(shù)的圖，圖片說明了控制信道功率來提供無劃痕操作； 圖6A-6C是說明來自微鏡表面和邊緣的光衍射的三維原理圖； 圖7是表示來自微鏡不同部分的光反射的衰減曲線的圖表，說明了
衰減對光在哪里射到微鏡上以及微鏡是否繞切換軸或衰減軸旋轉(zhuǎn)的依賴 性；
圖9A-9C是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例說明邊緣衍射效應(yīng)減少的衰減對于波 長變化的圖表；
圖9D-犯是說明由微鏡繞衰減軸和切換軸旋轉(zhuǎn)引起的光信號(hào)衰減量 的衰減等高線圖9F-9H是說明由微鏡繞衰減軸和切換軸旋轉(zhuǎn)的不同組合引起的邊 緣衍射效應(yīng)的不同的波長選擇開關(guān)中的信號(hào)強(qiáng)度對于波長變化的圖表；
圖91是波長選擇開關(guān)中兩個(gè)不同端口的信號(hào)強(qiáng)度對于波長變化的 圖表，其中已經(jīng)用微鏡繞衰減軸和切換軸旋轉(zhuǎn)減少了邊緣衍射效應(yīng)；
圖IOA說明波長選擇開關(guān)的衰減等高線，說明了通過繞非正交軸旋
轉(zhuǎn)切換微鏡的切換和衰減；
圖10B-IOC是波長選擇開關(guān)中信號(hào)強(qiáng)度對于波長變化的圖表，說明 了由微鏡繞抖動(dòng)軸和非正交有效衰減軸旋轉(zhuǎn)引起的邊緣衍射效應(yīng)的減 少；
圖11A-IIC是根據(jù)本發(fā)明ADD模塊的第一實(shí)施例說明無損傷切換的 原理圖12是用于本發(fā)明實(shí)施例的ADD模塊的第二實(shí)施例的原理圖；以
及
圖13是用于本發(fā)明實(shí)施例的ADD模塊的第三實(shí)施例的原理圖。 簡介
因?yàn)槿缦掠懻摰脑颍瓷先碜晕㈢R邊緣的衍射是已知在衰減中 的"兔子耳朵"的旁瓣的來源。不限于任何特殊理論，相信由衍射引起 的空間通帶非均勻性在衰減期間進(jìn)入了輸出端口。改變微鏡邊緣或者在 邊緣上制作圖樣可以改變衍射引起的通帶非均勻性的方向和輻度。另外， 在使用光柵來把信號(hào)分離成組分光信道的WSS系統(tǒng)中，光柵具有對于入射
角變化的效率，使其能過濾或減少通帶非均勻性。也可以把微鏡邊緣變 化引起的通帶非均勻性導(dǎo)出系統(tǒng)清潔孔徑。也可以用正確的配置輸出光 纖的接收角來消除通帶非均勻性。也可以用空間濾波系統(tǒng)來消除通帶非
均勻性。還可以用讓微鏡單獨(dú)繞其切換軸旋轉(zhuǎn)或者與微鏡繞其衰減軸的 旋轉(zhuǎn)相結(jié)合來減小或消除通帶非均勻性。
在上面的觀點(diǎn)中，可以用l)修改信道微鏡的邊緣外形；2)用正確選 擇光柵的布拉格寬度的有效濾波；3)在傅立葉變換平面上的空間濾波； 4)讓微鏡單獨(dú)繞其切換軸旋轉(zhuǎn)或者與繞其衰減軸的旋轉(zhuǎn)相結(jié)合，或者這 些方法的組合來減小光通帶中的旁瓣。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例特別地用于波長選擇開關(guān)(wss)，所述波長選擇開關(guān)
用于例如可重構(gòu)光上下路復(fù)用器(R0ADMs)中，以允許動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和 使多波長(多信道)光信號(hào)的單個(gè)光譜信道的功率或衰減的管理成為可 能，以便可以從網(wǎng)絡(luò)容易地上路或下路信號(hào)。配置這樣的開關(guān)的一個(gè)或 多個(gè)元件來減少由于用于把光信號(hào)從一個(gè)端口切換到另一個(gè)的微鏡的邊 緣上的衍射導(dǎo)致的通帶非均勻性。然而下面將說明，這只是本發(fā)明的一 個(gè)用途。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例說明波長選擇開關(guān)100的部分結(jié)構(gòu)的簡 圖。把具有如圖所示結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)波長選擇開關(guān)配置成上路或下路 模塊，可以結(jié)合在例如波分復(fù)用(WDM)光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的ROADM中。如圖 所示，WSS100可以包括光纖準(zhǔn)直儀陣列102，提供用于由多個(gè)光纖104 輸入和輸出WSS的光信號(hào)的多個(gè)輸入輸出端口。輸入和輸出端口包括特 快端口 (express port)。特快端口就是用于大部分光透射通過WSS的端 口。光纖準(zhǔn)直儀陣列102可以包括多個(gè)單個(gè)光纖耦合準(zhǔn)直儀，每個(gè)和如 圖所示的光纖相連接，并將在結(jié)合例如圖11A、 11B、 11C、 12和13 中詳細(xì)描述。WSS100還包括端口鏡陣列106,包括例如MEMS微鏡(例如， 如圖所示)的端口微鏡的陣列、光束擴(kuò)束器和中繼系統(tǒng)110，優(yōu)選地是 衍射光柵的波長分離器112，聚束光學(xué)器件116以及信道微鏡陣列118， 優(yōu)化地如圖l所示的排列。如下所述，可以配置WSS的元件，例如準(zhǔn)直 儀陣列102、端口微鏡陣列106、光束擴(kuò)束器和中繼系統(tǒng)IIO、聚束光學(xué) 器件116和信道微鏡118，來減少在微鏡邊緣的有害的衍射效應(yīng)。
作為示例而不限制本發(fā)明的范疇，波長分離器112可以是現(xiàn)有商業(yè)
自由空間波長分離器的任何幾種。優(yōu)選地，本發(fā)明實(shí)施例中的波長分離 器112是衍射光柵，但并不限于這樣的光柵。合適的衍射光柵種類包括 但不限于例如全息制作的空間高頻光柵的反射光柵，例如是被動(dòng)光柵的 分級(jí)光柵的空間低頻光柵，以及在各種聚合體中全息制作的透射光柵。 雖然優(yōu)選衍射光柵，也可以替代地使用例如平面光路的其它波長分離器 來代替作為波長分離器112的衍射光柵。
可以把包括多個(gè)光譜信道的組合多波長光信號(hào)提供給光纖準(zhǔn)直儀
陣列102的輸入端口，并用端口微鏡陣列106的對應(yīng)端口經(jīng)過光束擴(kuò)束 器和中繼系統(tǒng)110反射和對準(zhǔn)到衍射光柵112。因?yàn)橄旅嬉忉尩脑颍?根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例，光束擴(kuò)束器和中繼系統(tǒng)iio是例如沿著正交 軸提供不同放大率的棱鏡的失真系統(tǒng)。衍射光柵112從角度上分離多波 長光信號(hào)的組分光譜信道，而在本例中也是失真系統(tǒng)的遠(yuǎn)心聚焦光學(xué)器 件116把單個(gè)光譜信道聚焦成在信道微鏡陣列118中對應(yīng)微鏡上的譜斑。 如圖所示的兩個(gè)這樣具有中心波長入i和入j的信道分別聚焦到對應(yīng)的信 道微鏡120、 122上。根據(jù)由衍射光柵和聚焦光學(xué)器件引起的組合多波長 光信號(hào)的光譜信道的空間間隔，在陣列中對信道微鏡進(jìn)行空間排列，以 便每個(gè)信道微鏡接收一個(gè)光譜信道。通過光學(xué)系統(tǒng)把光譜信道從微鏡后 向反射到光纖準(zhǔn)直儀陣列上。如下所述，信道微鏡是單個(gè)可控的，以便 通過反射把光譜信道按照所需耦合效率或衰減導(dǎo)入也就是切換到所需的 光纖準(zhǔn)直儀陣列的輸出端口。
每個(gè)輸出端口接收并輸出任何數(shù)目的反射光譜信道。所以，通過切 換信道到一個(gè)或多個(gè)"下路"輸出端口，選擇性的從組合多信道信號(hào)下 路光譜信道，而包括剩余信道的多信道信號(hào)從"直通"端口輸出。另外， 選擇性地上路新的輸入信道或者在輸出端口和原光譜信道的子集相結(jié)合 來形成不同的多信道組合信號(hào)。如下所述，從多信道光信號(hào)下路信道的 WSS下路模塊和插入或上路信道的WSS上路模塊都可以采用如圖1所示
的類似結(jié)構(gòu)。
通常，在陣列118中有用于每個(gè)光譜信道的分離信道微鏡。典型的 多信道WDM光信號(hào)具有例如45或96個(gè)光譜信道。所以，圖1的陣列118 包括45或96個(gè)信道微鏡。信道微鏡優(yōu)選地包括硅基微機(jī)械鏡(MEMS微
鏡)，并且每個(gè)微鏡優(yōu)選地是雙軸器件，能夠繞兩個(gè)正交軸迸行獨(dú)立的連 續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如下將簡短詳述的，這使得信道微鏡可以繞第一軸旋轉(zhuǎn) 以把對應(yīng)的光譜信道反射到選擇的輸出端口，并繞正交軸旋轉(zhuǎn)以控制耦 合到該輸出端口的功率量。
圖1的WSS還包括設(shè)置在端口微鏡陣列和失真光束擴(kuò)束器和中繼 系統(tǒng)110之間的光路上的分束器124，接收從分束器反射來的光束的位
置敏感探測器(PSD) 126，以及響應(yīng)PSD來的信號(hào)以控制端口微鏡陣列 106的微鏡的相關(guān)控制電子器件128。如下詳述的，這樣的結(jié)構(gòu)使得來自 端口微鏡的光束能和信道微鏡中心對齊，而優(yōu)化通帶并維持ITU間隔對 齊。如下所述，控制電子器件128是例如在軟件、硬件、固件或這些的 組合中可編程的，以實(shí)現(xiàn)雙軸抖動(dòng)方案。
圖2說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的雙軸信道微鏡的典型構(gòu)造。圖片只表 示了多個(gè)微鏡陣列118中的一對相鄰雙軸MEMS信道微鏡130、 131。如 圖中所建議，陣列的其余微鏡以實(shí)質(zhì)上同樣的微鏡間橫向間隔沿著切換 軸X水平地(圖中的)延伸出。陣列的所有微鏡具有相同構(gòu)造。每個(gè)信 道微鏡包括樞軸地支撐在內(nèi)部萬向架134上來繞水平(圖2中的)"切換" 軸Y旋轉(zhuǎn)的平面反射面132的集合。萬向架134樞軸地支撐在外架136 上來繞正交"衰減"軸X旋轉(zhuǎn)。反射鏡面132繞正交軸的軸向運(yùn)動(dòng)是連 續(xù)可變的，并以眾所周知的方法用向控制電子器件(未示出)的相反對 施加電壓來靜電地執(zhí)行。也可以把平面反射面放在萬向架平面上的底座 上來達(dá)到高填充因子(也就是，減少相鄰微鏡的平面反射面邊緣間的間 距)。每個(gè)信道微鏡具有一個(gè)或多個(gè)實(shí)質(zhì)上和衰減軸X平行的邊緣區(qū)域。 通過實(shí)質(zhì)上平行，意味著讓邊緣區(qū)域133朝向或多或少的平行于衰減軸 X。然而，在本地水平，邊緣的邊界或端點(diǎn)135不必總是朝向平行于衰減 軸。如將在接下來的討論中明了的，在邊緣區(qū)域133的光衍射能極大地 影響作為其波長的函數(shù)的光衰減。
如圖2所示，信道微鏡的反射鏡面132具有伸長的，優(yōu)選地是長方 形的形狀，并以其窄邊例如寬度沿著水平切換軸Y而其長邊例如長度沿 著垂直衰減軸X朝向。對于這樣的特殊微鏡外形和關(guān)于正交軸的朝向有 著很多原因。這樣的設(shè)計(jì)提供最優(yōu)機(jī)械性能，提供低密度、高諧振頻率
和低空氣動(dòng)力學(xué)互作用的微鏡，以及優(yōu)化例如高通帶和提供精確衰減控 制的光學(xué)性能，如下所述。參考回圖1，信道微鏡陣列118的切換軸Y 和圖l的水平面相平行，而衰減軸X伸進(jìn)圖平面。在圖l中這也用微鏡
122上光束截面140的說明原理性指出。需要讓聚焦到微鏡上的光譜信 道光束截面也伸長并朝向來和微鏡的形狀尺寸普遍地相符。優(yōu)選地，已 知光束普遍地具有橢圓形狀。另外，需要控制聚焦在對應(yīng)的微鏡上的信 道光束相對于微鏡尺寸的光斑尺寸和位置，來最小化不想要的功率損耗 和最大化通帶。
來自光纖準(zhǔn)直儀陣列102的準(zhǔn)直的輸入光束通常具有圓形截面。所 以，為了在微鏡上提供控制的光束形狀和尺寸，把光束擴(kuò)束器和中繼系 統(tǒng)110做成失真的，也就是在X和Y方向提供不同的放大率。如圖l所 示，失真的光束擴(kuò)束器和中繼系統(tǒng)110包括一系列棱鏡142-145，包括 具有焦距L和f',的棱鏡142和143以及具有焦距fy和f，，的棱鏡144 和145。棱鏡是雙錐形的、圓柱形的或螺旋形的棱鏡，或者其它提供具 有失真特性系統(tǒng)的器件。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，衍射光柵112優(yōu)選地 是選擇具有高衍射效率和低偏振相關(guān)損耗的、很少或沒有光束失真擴(kuò)展 的透射光柵。
從衍射光柵112，用優(yōu)選地失真的聚焦光學(xué)器件116把與分離的單 個(gè)光譜信道相對應(yīng)的光束聚焦到信道微鏡上。如圖所示，聚焦光學(xué)器件 包括分別具有焦距F,Fy和F'x F'y的棱鏡系統(tǒng)148和149。失真光束聚焦 光學(xué)器件改變來自衍射光柵的光束截面光斑尺寸和朝向，來優(yōu)化如在信 道微鏡上的光束截面140表明的尺寸和合適的朝向。把信道光束經(jīng)過光 學(xué)系統(tǒng)后向反射到光纖準(zhǔn)直儀陣列，而失真光學(xué)器件決定其在輸出端口 的特性。在決定了信道微鏡設(shè)計(jì)之后，可以選擇失真光束擴(kuò)束器和中繼 系統(tǒng)110和失真聚焦光學(xué)器件116的光學(xué)特性來在信道微鏡和輸出端口 處提供具有預(yù)定尺寸、形狀和特性的光譜信道光束。如下所述，通過設(shè) 計(jì)光學(xué)系統(tǒng)來優(yōu)化在微鏡上的光束截面和對齊以在很大部分上提供最優(yōu) 光學(xué)性能。
這里描述的結(jié)構(gòu)的意義在于提供簡化的和有效的方法來管理單個(gè) 光譜信道中的功率，避免當(dāng)優(yōu)化光學(xué)性能時(shí)和前面已知的功率管理方法
相關(guān)聯(lián)的困難和缺點(diǎn)。在本發(fā)明實(shí)施例中，信道微鏡繞其衰減軸旋轉(zhuǎn)減 小對應(yīng)的光譜信道耦合效率，并導(dǎo)致耦合到輸出端口的光的數(shù)量減少。 隨著信道微鏡繞衰減軸的旋轉(zhuǎn)量增加，耦合持續(xù)減少直到再也沒有光耦 合到輸出端口 。圖3A是耦合作為雙軸信道微鏡繞其衰減軸X旋轉(zhuǎn)角度的 函數(shù)的變化曲線。當(dāng)信道微鏡從對應(yīng)于最大耦合情況的零度角度正向或
反向旋轉(zhuǎn)時(shí)， 一耦合迅速減小，以至于在近似正負(fù)2. 5度時(shí)實(shí)質(zhì)上沒有光
耦合進(jìn)輸出光纖。
圖3B是類似的信道微鏡繞其切換軸Y旋轉(zhuǎn)的典型耦合曲線。如已 知的，對于兩個(gè)曲線表明的特殊微鏡設(shè)計(jì)，耦合效率作為信道微鏡繞其 切換軸的旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)比耦合效率對信道微鏡繞其衰減軸的敏感近似 十倍。對于具有合理尺寸和機(jī)械性能并用于設(shè)計(jì)來在關(guān)注的波長范圍例 如1550nni提供最優(yōu)光學(xué)性能的光學(xué)系統(tǒng)的MEMS信道微鏡，信道微鏡繞 切換軸Y旋轉(zhuǎn)的耦合效率如圖3B的曲線所示。然而，如圖3B的曲線所 示，該微鏡耦合效率對繞切換軸Y的角度旋轉(zhuǎn)的高敏感性使其很難精確 地和穩(wěn)定地用這個(gè)軸控制功率水平，特別是在不理的環(huán)境狀況下，例如 振動(dòng)、晃動(dòng)、溫度變化和元件老化。相反，對如圖3A所示的對衰減軸X 的耦合效率進(jìn)行去敏感允許正常工作狀況范圍下更穩(wěn)定和精確的功率水 平控制。如下面要說明的，對于如圖2所示的伸長的微鏡外形，從信道 微鏡反射的光的耦合效率原理上由圖1的失真光束擴(kuò)束器和中繼系統(tǒng) 110 (WSS)。
因?yàn)楣饫w對于信道微鏡是共扼的，信道微鏡的旋轉(zhuǎn)在光纖產(chǎn)生光束 的角度背離，并從而產(chǎn)生耦合變化。因此，信道微鏡的旋轉(zhuǎn)在光纖產(chǎn)生 角度背離，并從而產(chǎn)生耦合變化。對于沿正交的X和Y軸分別具有不同 焦距L和fy的失真系統(tǒng)，在光纖的光束角度背離因此和繞正交軸的旋轉(zhuǎn) 不同。信道微鏡的角度旋轉(zhuǎn)A 6x和A 9y在聚焦光學(xué)器件的入口孔徑 (entrance aperture)上產(chǎn)生A 9,fx二Ax和A eyf,二Ay的光束位移 Ax和Ay。這些位移當(dāng)在反向工作時(shí)通過失真擴(kuò)束器傳播到輸出端口準(zhǔn) 直儀，引起和放大因子Mx和My成反比的位移縮小。輸出端口準(zhǔn)直儀把 光以角度背離A 9XMll= (Ax/Mx) /fe。n和A 6一二 (Ay/My) /fMll聚 焦到輸出光纖上。典型地fx和fy有10%不同，但是Mx和My能以10或更
大的因子不同。因?yàn)槲灰剖遣煌?，在輸出光纖上正交軸方向上的光束 角度不同。這產(chǎn)生對于信道微鏡正交旋轉(zhuǎn)軸不同的角度敏感度，如圖3A
和3B所示。因此，通過正確地選擇失真光學(xué)器件的放大因子，能獲得衰
減軸關(guān)于正交切換軸的角度敏感度的減少，提供精確衰減控制和功率均 衡以及穩(wěn)定的工作。
為了優(yōu)化到輸出端口的光譜信道耦合以及精確控制每個(gè)光譜信道 的功率水平，本發(fā)明實(shí)施例采用基于伺服系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)來控制信 道微鏡的軸。優(yōu)選地可以但不必須使用同樣的控制系統(tǒng)來控制信道微鏡
和端口微鏡陣列的端口微鏡的正交軸。圖4根據(jù)用來控制兩種MEMS微鏡 陣列的兩個(gè)軸的本發(fā)明實(shí)施例，說明反饋控制系統(tǒng)160的實(shí)施例。在圖 中，光模塊162實(shí)質(zhì)上包括圖1所示波長選擇開關(guān)WSS 100的光學(xué)系統(tǒng)。 光模塊包括用于接收輸入組合多信道光信號(hào)的具有輸入端口 164，以及 用于輸出光譜信道或其它多信道光信號(hào)的多個(gè)輸出直通或下路端口 166 的下路模塊。每個(gè)輸出端口具有光纖光耦合器(或抽頭)170，對端口上 輸出的光信號(hào)功率取樣一部分，例如2%。在合光器172中組合從端口輸 出的光信號(hào)取樣來形成輸出到光纖174的組合多信道信號(hào)。把組合多信 道光信號(hào)提供給光信道監(jiān)測器(OCM) 176，檢測和測量每個(gè)光譜信道中 的光功率，并把該信息提供給電模塊180。電模塊使用功率測量來產(chǎn)生 正確的靜電控制信號(hào)，反饋給在182的光模塊以控制信道微鏡繞其衰減 軸和切換軸以及端口微鏡繞其X和Y軸的運(yùn)動(dòng)。
如圖4所示，光信道監(jiān)測器176包括接收來自合光器的組合多信道 光信號(hào)的準(zhǔn)直儀190，在空間上把多信道光信號(hào)分成其組分光譜信道的 衍射光柵192，以及把空間上分離的光譜信道成像到檢測每個(gè)光譜成分 的光功率水平的例如光電二極管陣列(PDA) 196的光傳感器上的棱鏡系 統(tǒng)194。 PDA196包括例如傳統(tǒng)的光電二極管1X256或1X512陣列，在 空間上排列以使每個(gè)光譜信道由棱鏡系統(tǒng)成像到光電二極管的預(yù)定數(shù)目 的不同集合上。把和每個(gè)光譜信道相關(guān)聯(lián)的光電二極管集合的輸出電壓 提供給電模塊180，并提供該信道的光功率測量。電模塊包括例如微處 理器、存儲(chǔ)器和固件上的信號(hào)處理程序的電子元件，用于例如處理來自 PDA的光功率測量并用于產(chǎn)生正確的控制信號(hào)以控制光模塊162中的信
道微鏡和端口微鏡。
圖4的反饋控制系統(tǒng)控制信道微鏡118和端口微鏡106繞其各自的 衰減軸的旋轉(zhuǎn)，并管理耦合到輸出端口的光信號(hào)的功率水平。繞端口微 鏡衰減軸的旋轉(zhuǎn)的效果是同時(shí)控制導(dǎo)入和特定端口微鏡相關(guān)聯(lián)的輸出端 口的所有光譜信道的功率水平。繞信道微鏡衰減軸的旋轉(zhuǎn)的效果是控制
單個(gè)光譜信道的功率水平。使用控制系統(tǒng)160維持在每個(gè)輸出端口的光
信號(hào)的預(yù)設(shè)功率水平。電模塊中的存儲(chǔ)器包括存儲(chǔ)的對應(yīng)于不同功率水
平的校準(zhǔn)值表。把從光信道監(jiān)測器的PM196輸出到電模塊180的表示每 個(gè)信道功率水平的電壓輸出和進(jìn)入電模塊對應(yīng)于所需信道功率水平的設(shè) 置點(diǎn)相比較。電模塊使用功率測量和設(shè)置點(diǎn)來產(chǎn)生正確的靜電信號(hào)給和 各自微鏡衰減軸相關(guān)聯(lián)的信道微鏡和端口微鏡的電極。這改變光譜信道 信號(hào)到其輸出端口的耦合，以及因此改變施加到信號(hào)的衰減從而改變端 口的輸出功率。控制系統(tǒng)160的反饋環(huán)把來自PDA的信道功率測量和功 率水平設(shè)置點(diǎn)相比較，控制施加到相關(guān)聯(lián)的信道微鏡和端口微鏡的衰減 電極上的靜電壓來驅(qū)動(dòng)微鏡和端口微鏡達(dá)到所需功率水平的耦合。
控制系統(tǒng)160還繼續(xù)監(jiān)測工作中每個(gè)信道的輸出功率水平，并連續(xù) 的調(diào)節(jié)施加到信道微鏡和端口微鏡電極上的電壓來維持需要的衰減和功 率水平。如圖3A所示，通過使用相對于切換軸Y去敏感的衰減軸X的耦 合效率曲線，反饋控制系統(tǒng)能夠甚至是在由振動(dòng)、晃動(dòng)和溫度變化引起 的不利狀況下，精確地并穩(wěn)定地維持每個(gè)信道的預(yù)設(shè)功率輸出水平。另 外，如將簡短描述的，控制系統(tǒng)能設(shè)置預(yù)設(shè)功率水平，并在很寬范圍上 逐信道維持。
除了控制信道微鏡繞其衰減軸的運(yùn)動(dòng)，圖4的控制系統(tǒng)160還控制 信道微鏡繞其切換軸的旋轉(zhuǎn)。電模塊180使用來自光信道監(jiān)測器176的 光功率測量來在單個(gè)基礎(chǔ)上向信道微鏡切換軸提供反饋控制，以維持優(yōu) 化的信道耦合。這能夠維持最優(yōu)通帶。
優(yōu)選地，圖4的控制系統(tǒng)采用交互的或"抖動(dòng)"控制信號(hào)方法來控 制信道微鏡繞切換軸的旋轉(zhuǎn)位置，來達(dá)到并維持從輸入到輸出的最優(yōu)耦 合。因?yàn)闆]有信道微鏡間的互動(dòng)，它們是獨(dú)立的，并由電模塊180中的 處理電子器件同時(shí)可控來優(yōu)化各自的耦合。以余弦波形抖動(dòng)每個(gè)信道微
鏡的一個(gè)軸，而以同樣抖動(dòng)頻率的正弦波形抖動(dòng)正交軸。光信道監(jiān)測器 檢測和測量特定波長信道的抖動(dòng)和信道輸出功率來判定最優(yōu)耦合的微鏡 電壓。把這些電壓保存在電模塊中例如閃存的存儲(chǔ)器中，作為系統(tǒng)每個(gè) 端口的開環(huán)目標(biāo)電壓。當(dāng)需要把光譜信道從一個(gè)端口切換到另 一個(gè)時(shí)， 使用存儲(chǔ)在閃存中的目的端口的電壓來初始定位在該端口的對應(yīng)光譜信 道微鏡。當(dāng)開環(huán)切換完成時(shí)，重新啟動(dòng)用于尋找信道到該端口的最優(yōu)峰 值耦合的反饋環(huán)和擾頻。達(dá)到最優(yōu)耦合對于最小化每個(gè)信道的插損和相 鄰信道之間的串?dāng)_很重要。
優(yōu)選地，圖4的控制系統(tǒng)獨(dú)立地和切換交替地控制信道微鏡的衰減 軸和切換軸。在如上所述把信道從一個(gè)端口切換到另一個(gè)端口并且使用 擾頻優(yōu)化了耦合之后，控制系統(tǒng)然后把控制模式切換到直接電壓反饋環(huán)， 例如如上所述用來控制所需功率水平的信道微鏡的衰減軸。控制系統(tǒng)優(yōu) 選地不使用抖動(dòng)方法來控制微鏡衰減軸，因?yàn)楫?dāng)微鏡遠(yuǎn)離最優(yōu)耦合旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)時(shí)抖動(dòng)幅度增加，可能產(chǎn)生不穩(wěn)定性。
優(yōu)選地，抖動(dòng)頻率是例如從100Hz到250Hz范圍中的低頻頻率，并 且優(yōu)選地具有足以在光功率上產(chǎn)生例如0. 5% (0. 02dB)量級(jí)的小變化的 幅度。當(dāng)信道耦合不是最優(yōu)時(shí)，會(huì)以和擾頻同樣的頻率調(diào)制光。然而當(dāng) 達(dá)到最優(yōu)耦合時(shí)，會(huì)以擾頻頻率的兩倍調(diào)制光。電模塊180的處理電子 器件同步解調(diào)由光信道監(jiān)測器在信道功率水平信號(hào)上產(chǎn)生的幅度變化。 當(dāng)出現(xiàn)擾頻頻率時(shí)，電子器件產(chǎn)生直流控制電壓給切換軸電極來把信道 微鏡移動(dòng)到最優(yōu)耦合點(diǎn)，在該點(diǎn)來自光信道監(jiān)測器的信號(hào)只包括兩倍于 擾頻的調(diào)制。
圖4的控制系統(tǒng)的電模塊實(shí)施為控制程序和算法，交替地和周期地 控制信道微鏡的切換軸來最優(yōu)化耦合，以及控制信道微鏡的衰減軸來維 持所需的功率水平?？刂葡到y(tǒng)優(yōu)選地不同時(shí)控制兩個(gè)軸，但是具有同時(shí) 控制兩個(gè)軸的能力。如將簡短描述的，電模塊采用提供無劃痕操作、單 個(gè)信道的完全阻斷以及無損傷切換的算法。在描述這些概念之前，首先 參考圖5給出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例管理單個(gè)光譜信道功率的方法的解釋。
如上所述，微鏡邊緣的光衍射產(chǎn)生光信號(hào)衰減作為其波長函數(shù)中的 異常。圖5說明了同一張圖上的表示在對于不同程度衰減(插損)的對
應(yīng)于五個(gè)相鄰光譜信道的1550nm波帶的波長區(qū)域上來自相鄰信道微鏡 的反射功率的三條不同曲線。用例如寬帶激光器產(chǎn)生曲線。頂部曲線200 表示對于最優(yōu)耦合和零dB衰減的來自五個(gè)信道微鏡的反射功率。如圖所 示，反射功率在每個(gè)信道微鏡的相對很寬的波長區(qū)域上實(shí)質(zhì)上是對應(yīng)于 近似0. 4dB插損水平的常數(shù)。這稱為通帶區(qū)域，并近似對應(yīng)于切換軸Y 方向上信道微鏡寬度的75%。曲線200也表示在每個(gè)信道微鏡之間的區(qū) 域202，其中有反射功率水平的減少。該區(qū)域稱為"劃痕"區(qū)域。如圖5 所示，劃痕區(qū)域中的功率比對應(yīng)于在信道微鏡中心的OdB衰減小約 2.0dB，并因此不以和反射功率從通帶區(qū)域中平坦鏡面減少的同樣的方式 隨著增加的角度旋轉(zhuǎn)而減少。這用曲線206、 208進(jìn)一步說明，曲線表示 通過以相對較大數(shù)量(圖中近似為14dB)衰減功率水平，劃痕區(qū)域比通 帶區(qū)域傳輸更多功率。在圖中由峰值206指出該劃痕區(qū)域功率，圖中插 損水平近似為11.0dB。峰值206表示的功率是由于來自微鏡邊緣的衍射。 在峰值間的通帶區(qū)域208的功率水平近似為18. OdB。
如前所述，當(dāng)在光通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸用波長選擇開關(guān)100切換的光信 號(hào)時(shí)，峰值206 (有時(shí)稱為"兔子耳朵")會(huì)帶來問題。特別地，光通信 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常用光放大器來補(bǔ)償當(dāng)光信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)的不同元件時(shí)遇到的信號(hào) 衰減。這樣的光信號(hào)通常是天然寬帶的，也就是它們或多或少不加選擇 地放大在波長寬帶上的光信號(hào)。由于如峰值206展示的"兔子耳朵"效 應(yīng)，把靠近通帶邊緣的噪聲放大到遠(yuǎn)大于來自通帶中心部分的信號(hào)。這 樣的高信號(hào)強(qiáng)度損害網(wǎng)絡(luò)元件并減弱經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的信噪比。當(dāng)波長選擇開 關(guān)級(jí)聯(lián)時(shí)問題更加惡化。
當(dāng)功率水平以相對小量衰減時(shí)，"兔子耳朵"效應(yīng)較不明顯。例如， 圖5中的中間曲線210表明，對于約4.0dB的衰減，對應(yīng)于近似8.0dB
的插損，在劃痕區(qū)域的功率水平近似對應(yīng)于在通帶區(qū)域的功率水平。這 產(chǎn)生接近功率水平在對應(yīng)于相鄰微鏡的整個(gè)波長區(qū)域上實(shí)質(zhì)上是常數(shù)的 "無劃痕"工作條件。其特別地有優(yōu)勢，因?yàn)樗共恍枰M合任何特別 工TU間隔的任意間隔波長的傳輸成為可能。因此，可以用同一套信道微 鏡來傳輸50、 100或200 GHz ITU間隔的波長，以及在粗波分復(fù)用系統(tǒng) 中普遍的波帶。無劃痕操作還在幫助優(yōu)化通帶和達(dá)到用于逐信道功率變
化的ITU規(guī)范上有優(yōu)勢。
如在圖5中明顯的，用控制施加到該信道的衰減量，可以單個(gè)控制 用任何特別光譜信道傳輸?shù)墓β仕?。用繞其衰減軸把對應(yīng)信道微鏡旋 轉(zhuǎn)需要達(dá)到所需消光比的量，可以實(shí)現(xiàn)光譜信道的光的完全阻斷。這特 別有用，例如，對于"無損傷"信道切換，其中當(dāng)把信道光束從一個(gè)端 口切換到另一個(gè)時(shí)，把從正在進(jìn)行切換旋轉(zhuǎn)的微鏡反射的光譜信道功率 完全阻斷或者減少到低水平。無損傷切換避免或最小化切換期間不想要 的光到中間端口的耦合和不需要的串?dāng)_。然而，在要求大程度衰減時(shí)，
由于在微鏡邊緣133衍射引起的"兔子耳朵"現(xiàn)象仍然引起如上所述的
嚴(yán)重問題。本發(fā)明實(shí)施例解決兔子耳朵現(xiàn)象。
如果做特定假設(shè)的話，就能理解如圖5所示的邊緣衍射效應(yīng)。這些 假設(shè)傾向于解釋問題的本質(zhì)，而不意味著對本發(fā)明實(shí)施例的任何限制。 首先，如在圖6A中所示，假設(shè)只要入射平面沿著平行于端點(diǎn)的方向，對 于在平坦光滑表面的入射光，反射角cpr等于入射角cp"第二，如在圖 6B中所示，假設(shè)只要入射平面沿著平行于端點(diǎn)的方向，對于在邊緣端點(diǎn) 的入射光，反射角cpr等于入射角cpi。第三，如在圖6C中所示，假設(shè)光 在端點(diǎn)在垂直于端點(diǎn)方向的平面內(nèi)衍射并且反射角關(guān)于入射角分布開。
已知上述假設(shè)，就能解釋觀察到的圖5所示的"兔子耳朵行為"。 因?yàn)槠矫娌ㄐ袨椋鈴?qiáng)在鏡面上以及沿著對于繞切換軸相對較小的旋轉(zhuǎn) 角度的邊緣快速衰減，如圖7中實(shí)線衰減曲線702所示。例如，繞切換 軸約0. 1度的旋轉(zhuǎn)足以引起幾個(gè)dB衰減。當(dāng)光束入射到鏡面上時(shí)，在微 鏡繞衰減軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，它傾向于相對快速地衰減，如圖7中點(diǎn)線衰減曲線 704所示。當(dāng)光束入射到鏡面上平行于衰減軸的邊緣附近時(shí)，微鏡繞衰 減軸的旋轉(zhuǎn)傾向于讓信號(hào)強(qiáng)度明顯不那么快速的衰減，如圖7中虛線衰 減曲線706所示。
注意，觀察到"兔子耳朵"峰值通常是不對稱的，也就是一個(gè)比另 一個(gè)高。不對稱性一般取決于鏡子是順時(shí)針還是逆時(shí)針繞衰減軸旋轉(zhuǎn)的。 認(rèn)為不對稱性是因?yàn)閬碜云叫杏诔馐晕⑿D(zhuǎn)的衰減軸的邊緣的衍 射的稍微較大的面積。遠(yuǎn)離光束稍微旋轉(zhuǎn)的另一邊緣還具有面對光束的 稍微較小的衍射面積。
能用很多不同方法減少邊緣衍射效應(yīng)。例如，根據(jù)本發(fā)明特定實(shí)施 例，用信道微鏡陣列和端口微鏡陣列之一或兩者的繞衰減軸旋轉(zhuǎn)和繞切 換軸旋轉(zhuǎn)的組合來影響衰減。因?yàn)槔@切換軸的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)烈地衰減光束并對 邊緣衍射相對的敏感，能以減少或者甚至消除有害的邊緣衍射效應(yīng)和相 關(guān)的"兔子耳朵"現(xiàn)象的方法來組合兩個(gè)旋轉(zhuǎn)。
例如可能用部分地繞衰減軸并部分地繞切換軸旋轉(zhuǎn)微鏡來執(zhí)行衰
減。圖9A-9C描述用圖1所示的WSS類型對于不同切換軸和衰減軸旋轉(zhuǎn) 組合的邊緣衍射效應(yīng)的減少的衰減對于波長變化的圖表。圖9A-9C的每 個(gè)包括具有調(diào)節(jié)為最優(yōu)耦合的切換軸和衰減軸旋轉(zhuǎn)的曲線902。作為對 比，圖9A-9C的每個(gè)還包括表示只通過繞衰減軸旋轉(zhuǎn)達(dá)到的15dB衰減效 果的曲線904。注意在曲線904中的"兔子耳朵"現(xiàn)象。圖9A的曲線906A 表示因?yàn)槔@切換軸B旋轉(zhuǎn)(在這個(gè)情況下對應(yīng)于0. 101度旋轉(zhuǎn))的8dB 衰減效果，以及因?yàn)槔@衰減軸A旋轉(zhuǎn)(在這個(gè)情況下對應(yīng)于大約0.727 度旋轉(zhuǎn))的7dB衰減。注意在曲線906A的右側(cè)上兔子耳朵現(xiàn)象減少了但
是沒有完全消除掉。
圖9B的曲線906B表示因?yàn)槔@切換軸A旋轉(zhuǎn)(在這個(gè)情況下對應(yīng)于 0. 127度旋轉(zhuǎn))的8dB衰減效果，以及因?yàn)槔@衰減軸B旋轉(zhuǎn)(在這個(gè)情 況下對應(yīng)于大約0. 672度旋轉(zhuǎn))的7dB衰減。再次地，特別是在曲線906B 的左側(cè)上，和曲線904相比兔子耳朵現(xiàn)象減少了但是沒有完全消除掉。
圖9C的曲線906C表示因?yàn)槔@切換軸A旋轉(zhuǎn)(在這個(gè)情況下對應(yīng)于 0. 145度旋轉(zhuǎn))的10dB衰減效果，以及因?yàn)槔@衰減軸B旋轉(zhuǎn)(在這個(gè)情 況下對應(yīng)于大約0.562度旋轉(zhuǎn))的5dB衰減。在這個(gè)情況下，實(shí)際上己
經(jīng)消除了兔子耳朵現(xiàn)象。
如在圖9A和9B中所見，有比在相反方向旋轉(zhuǎn)更多減少兔子耳朵現(xiàn)
象尺寸的繞衰減軸旋轉(zhuǎn)的優(yōu)選方向；也就是，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)對逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 最佳旋轉(zhuǎn)方向取決于邊緣衍射和光學(xué)系統(tǒng)的相互作用，以及特定光譜信 道相對于系統(tǒng)中棱鏡中心和/或末端的位置。另外，有最小化兔子耳朵現(xiàn) 象尺寸的繞切換軸和衰減軸(如在圖9A和9B中所見)旋轉(zhuǎn)優(yōu)選的組合。 本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)足夠靈活，使得可以為實(shí)現(xiàn)光衰減的目的選擇最佳 衰減旋轉(zhuǎn)方向和/或切換軸和衰減軸旋轉(zhuǎn)方向的最佳組合。
在繞兩個(gè)軸的混合旋轉(zhuǎn)的10和15dB衰減處的數(shù)據(jù)表示，當(dāng)由于繞 切換軸的衰減百分比增加時(shí)，兔子耳朵減小。當(dāng)前抖動(dòng)方案使用繞信道 微鏡切換軸旋轉(zhuǎn)來優(yōu)化耦合效率，并繞衰減軸旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行衰減。
然而，使用切換軸和衰減軸兩者來執(zhí)行衰減很大地包括使用切換軸 來優(yōu)化耦合效率，因?yàn)樗p點(diǎn)不再靠近沿著切換軸的耦合效率曲線的峰 值。
圖9D的衰減等高圖說明了問題的本質(zhì)。當(dāng)用單獨(dú)繞衰減軸旋轉(zhuǎn)達(dá) 到12dB衰減并且用單獨(dú)繞切換軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行優(yōu)化耦合的微鏡抖動(dòng)時(shí)，耦合 效率結(jié)果901在耦合效率曲線中在峰值903附近變化，如上方的插圖所 示。然而當(dāng)用例如由繞衰減軸旋轉(zhuǎn)的8dB和由繞切換軸旋轉(zhuǎn)的4dB達(dá)到 12dB衰減時(shí)，用繞切換軸旋轉(zhuǎn)的抖動(dòng)不能優(yōu)化耦合，因?yàn)樗p點(diǎn)離在繞 切換軸旋轉(zhuǎn)的耦合效率曲線901中的峰值903太遠(yuǎn)，如下方的插圖所示。
這個(gè)問題的一個(gè)解決辦法是繞抖動(dòng)軸et抖動(dòng)微鏡，所述抖動(dòng)軸近似 與在衰減點(diǎn)固定衰減的等高線相切，如圖犯所示。如果微鏡運(yùn)動(dòng)是繞和 常數(shù)衰減等高線充分相切的軸的，抖動(dòng)會(huì)接近對于繞抖動(dòng)軸et旋轉(zhuǎn)的衰 減曲線的峰值。所以能優(yōu)化耦合。繞抖動(dòng)軸et旋轉(zhuǎn)微鏡包括使切換軸和 衰減軸旋轉(zhuǎn)互相耦合，以便微鏡同時(shí)繞切換軸和衰減軸旋轉(zhuǎn)。這樣組合 旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生耦合效率907中的局部峰值905來在衰減點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。用電模 塊180中的硬件、固件和/或軟件的正確配置產(chǎn)生組合旋轉(zhuǎn)。
通過繞切換軸和衰減軸旋轉(zhuǎn)的兔子耳朵現(xiàn)象的減少，很大地是選擇 通過繞切換軸旋轉(zhuǎn)來得到多少衰減以及通過繞衰減軸旋轉(zhuǎn)來得到多少衰 減的問題。在衰減量的改變中，可以采用兩個(gè)不同衰減之間的任何路徑。 優(yōu)選的方法是同時(shí)繞兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)微鏡來提供沿著et方向的連續(xù)的耦合效 率信號(hào)，知道達(dá)到最大信號(hào)。然后用從那個(gè)最大的耦合點(diǎn)沿著有效衰減 軸en前進(jìn)知道達(dá)到所需的功率水平或衰減來完成衰減。
圖9F-9H說明切換軸和衰減軸旋轉(zhuǎn)的不同組合的一些例子。圖 9F-9H的數(shù)據(jù)是用加州圣何塞的Capella光子的WP4500模型上路模塊釆 集的。微鏡尺寸是近似100微米乘550微米。在圖9F-9H中，曲線908 表示沒有衰減。在圖9F中，曲線910、 912、 914、 916和918分別表示 在用僅僅繞衰減軸旋轉(zhuǎn)獲得2dB、 4dB、 6dB、 8dB和10dB之后的結(jié)果。
注意在曲線910、 912、 914、 916、 918中的兔子耳朵峰值。
在圖9G中，曲線920表示對于用僅繞衰減軸旋轉(zhuǎn)獲得2dB衰減的 通帶曲線。曲線922表示對于用繞切換軸旋轉(zhuǎn)獲得2dB衰減并且用繞衰 減軸旋轉(zhuǎn)獲得2dB的總共4dB衰減的通帶曲線。曲線924表示對于用繞 切換軸旋轉(zhuǎn)獲得2dB衰減并且用繞衰減軸旋轉(zhuǎn)獲得4dB的總共6dB衰減 的通帶曲線。曲線926表示對于用繞切換軸旋轉(zhuǎn)獲得2dB衰減并且用繞 衰減軸旋轉(zhuǎn)獲得6dB的總共8dB衰減的通帶曲線。曲線928表示對于用 繞切換軸旋轉(zhuǎn)獲得2dB衰減并且用繞衰減軸旋轉(zhuǎn)獲得8dB的總共10dB 衰減的通帶曲線。注意在曲線928右手側(cè)上的兔子耳朵峰值。
在圖9H中，曲線932表示對于用僅繞切換軸旋轉(zhuǎn)獲得4dB衰減的 通帶曲線。曲線934表示對于用繞切換軸旋轉(zhuǎn)獲得4dB衰減并且用繞衰 減軸旋轉(zhuǎn)獲得2dB的總共6dB衰減的通帶曲線。曲線936表示對于用繞 切換軸旋轉(zhuǎn)獲得4dB衰減并且用繞衰減軸旋轉(zhuǎn)獲得4dB的總共8dB衰減 的通帶曲線。曲線938表示對于用繞切換軸旋轉(zhuǎn)獲得4dB衰減并且用繞 衰減軸旋轉(zhuǎn)獲得6dB的總共10dB衰減的通帶曲線。注意在曲線932、934、 936和938中的兔子耳朵峰值遠(yuǎn)不如在曲線922、 924、 926和928中的明顯。
如從圖9F-9H可見，對于這個(gè)例子，繞切換軸旋轉(zhuǎn)的部分衰減表現(xiàn) 得需要在由于切換軸旋轉(zhuǎn)的大約2dB和大約4dB衰減之間。通常需要用
切換軸來最小化衰減量，因?yàn)榇當(dāng)_和靈敏度的考慮。
作為串?dāng)_考慮的說明，圖91表示兩個(gè)不同端口的信號(hào)對于波長變 化的數(shù)據(jù)。兩個(gè)端口的光信號(hào)都用由于繞切換軸旋轉(zhuǎn)的4dB衰減進(jìn)行了 衰減。用實(shí)線表示的第一信號(hào)942耦合到第一端口，而用虛線表示的第 二信號(hào)944耦合到第二端口 。第一曲線942和第二曲線944的重疊部分
表示串?dāng)_。雖然在光開關(guān)中一般存在一定水平的串?dāng)_，但是能接受的串 擾量不同。例如，在圖91中的串?dāng)_水平是大約38dB。如果應(yīng)用特定的 最大串?dāng)_是40dB，也許不能接受38dB。在圖9I中，用切換軸達(dá)到4dB 衰減。為了把串?dāng)_保持在可接受的水平，有必要把切換軸衰減限制到大 約3.5dB?？梢詫?shí)驗(yàn)判定對于給定情形會(huì)工作的切換軸衰減量。
雖然傳統(tǒng)的經(jīng)常是e。軸和抖動(dòng)軸et正交，本發(fā)明實(shí)施例不限于這樣
的配置。實(shí)際上，繞非正交軸開關(guān)是有優(yōu)勢的。圖10A說明波長選擇開 關(guān)的等高線圖，說明了這樣的優(yōu)點(diǎn)。
圖10A的陰影區(qū)域說明出現(xiàn)兔子耳朵現(xiàn)象的區(qū)域。用箭頭表明衰減
軸x和切換軸y。粗箭頭表明作為抖動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)后的衰減軸x，和旋轉(zhuǎn)后 的切換軸y'。注意在圖10A中，旋轉(zhuǎn)后的軸x，和y'不是正交的。有效衰 減軸沿著負(fù)向x，軸，如虛線箭頭所示。
表示繞x和y軸的旋轉(zhuǎn)X和Y的組合的矢量可以通過旋轉(zhuǎn)矩陣A變 成表示對應(yīng)的繞旋轉(zhuǎn)后的軸x'和y'的旋轉(zhuǎn)X'和Y':
<formula>formula see original document page 23</formula>
變化過程如下
其中
<formula>formula see original document page 23</formula>
其中i和j是表示分別繞x和y軸旋轉(zhuǎn)的單位矢量。 注意，對于上面的旋轉(zhuǎn)矩陣A，如果6不等于0?；?0°或者某些 的整倍數(shù)(例如180° 、 270° 、 360°等等)，或者如果M不等于1， 有效衰減軸x，和抖動(dòng)軸y'是非正交的。
配置微鏡繞旋轉(zhuǎn)后的軸x'和y'旋轉(zhuǎn)，例如通過用旋轉(zhuǎn)矩陣A把繞x' 和y，的旋轉(zhuǎn)變換成讓微鏡執(zhí)行繞x和y軸對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的信號(hào)來正確配置 控制電子器件128。
在旋轉(zhuǎn)矩陣A中，e和M是和有效旋轉(zhuǎn)軸x'相對于微鏡衰減軸x的 相對角度以及有效旋轉(zhuǎn)軸x'相對于抖動(dòng)軸y'之間的角度相關(guān)的參數(shù)?？?以選擇e和M的值來優(yōu)化兔子耳朵效應(yīng)的減少。放大率M是固定的，而 角度e是可變的，能調(diào)節(jié)來在開關(guān)工作中優(yōu)化兔子耳朵效應(yīng)的減少。M 的值近似是表示被衰減光譜信道的x軸光放大率和光譜信道的y軸光放 大率的放大率比。該比值很大程度上是在開關(guān)系統(tǒng)100中使用的光學(xué)器 件的函數(shù)。
用舉例的方法，而不失其普遍性，可以從如圖10A中所示的圖中的
橢圓衰減等高線的測量來估計(jì)放大率比M的值。例如在圖10A中，用數(shù)
模轉(zhuǎn)換(DAC)計(jì)算的形式來測量橢圓衰減等高線的長軸和短軸?？紤]到 x軸和y軸的不同比例尺，圖10A中的橢圓等高線的長軸和短軸之比大 約是16。
在旋轉(zhuǎn)矩陣中，如果旋轉(zhuǎn)角度9是90° ， y軸變換成WM。在圖10A 中，例如e二30。而M二16.0。在這種情況下，決定e二30。是需要的 平衡點(diǎn)，因?yàn)殚_環(huán)衰減點(diǎn)也和y軸上的等高線相切。然而，如果端口串 擾太高或者發(fā)生切換失敗，就減小角度。注意在開環(huán)切換期間，把光束 切換到不是峰值的衰減態(tài)。如果關(guān)掉校準(zhǔn)，或者正在充電，微鏡位置離 鞍點(diǎn)非常近，并且在錯(cuò)誤的端口捕捉到光束。在那樣的情況下，建議減 小旋轉(zhuǎn)角度e 。
用和衰減等高線相切的形式來定義y'軸。例如在圖10A中，用和 -28dB等高線相切的線定義y'軸，如在其上的且和-28dB等高線相切的小 箭頭所示。該箭頭沿著y'軸朝向并表明當(dāng)其維持-28dB功率控制時(shí)使用 抖動(dòng)"雙軸控制"的方向。垂線表明在非雙軸工作期間抖動(dòng)軸的方向。
由于抖動(dòng)伺服和衰減伺服的天性，微鏡沿著選擇的衰減等高線抖 動(dòng)。在選擇的角度抖動(dòng)點(diǎn)在y、0處。如果開環(huán)衰減是沿著-x'軸校準(zhǔn)的， 可以初始地選擇這個(gè)。在這種情況下，因?yàn)槎秳?dòng)點(diǎn)是y'二O，開環(huán)和閉環(huán) 平衡點(diǎn)是一樣的。這和開環(huán)衰減沿著-x軸然后在信道伺服系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)向 抖動(dòng)在其垂直軸上的等高線上的點(diǎn)移動(dòng)的現(xiàn)有方案形成對比。當(dāng)以這種 方法選擇y'軸時(shí)，實(shí)際上x'和y'不正交是幸運(yùn)的。否則平衡點(diǎn)就要在x' 軸位于等高線的正確角度的地方。在圖10A所示的情形下，這意味著平
衡點(diǎn)要在微鏡直接朝著相鄰端口的地方。
因?yàn)殡p軸控制工作在較小的x軸微鏡旋轉(zhuǎn)下，兔子耳朵比較小。然
而注意，旋轉(zhuǎn)衰減軸x'正在靠近相鄰端口。在兩個(gè)端口之間的中途是等 高線上的局部最小值。這是不穩(wěn)定的鞍點(diǎn)，這里伺服系統(tǒng)變得不穩(wěn)定并 捕捉錯(cuò)誤端口。如可見的，如果軸旋轉(zhuǎn)得離鞍點(diǎn)太遠(yuǎn)，在伺服系統(tǒng)捕捉 到相鄰端口之前衰減量是有限的。在這種情況下端口 l具有在端口 l和 端口 2之間的鞍點(diǎn)。
圖10A的等高線圖顯示了在旋轉(zhuǎn)角度和端口串?dāng)_及切換失敗之間的
折衷。如果波長只出現(xiàn)在一個(gè)上路端口，上路模塊上不會(huì)正常地發(fā)生鞍 點(diǎn)切換失敗。甚至如果波長只出現(xiàn)在一個(gè)下路端口，下路模塊上不會(huì)發(fā) 生鞍點(diǎn)。
從圖IOB和圖IOC可以看出微鏡繞非正交軸旋轉(zhuǎn)的效果。圖IOB表 示插損對于波長變化的圖，表示了用于減少在10dB衰減的兔子耳朵效應(yīng) 的繞非正交抖動(dòng)和有效衰減軸旋轉(zhuǎn)的效率。為了比較的目的，第一幅圖 1002表示在峰值耦合的插損。第二幅圖(虛線)1004表示使用只繞衰減 軸X旋轉(zhuǎn)的10dB衰減的插損。第三幅圖1006表示如上面關(guān)于圖10A所 述使用繞抖動(dòng)軸y'和有效衰減軸x'的組合旋轉(zhuǎn)類型的10dB衰減的插損。 通過使用這樣的組合旋轉(zhuǎn)，實(shí)際上消除了兔子耳朵現(xiàn)象。另外，插損的 波紋量限制在大約0. 5dB或更少。
圖10C表示插損對于波長變化的圖，表示了用于減少在15dB衰減
的兔子耳朵效應(yīng)的繞非正交抖動(dòng)和有效衰減軸旋轉(zhuǎn)的效率。第一幅圖 1012表示在峰值耦合的插損。第二幅圖(虛線)1014表示使用只繞衰減 軸X旋轉(zhuǎn)的15dB衰減的插損。注意明顯的兔子耳朵旁瓣。第三幅圖1016 表示使用繞抖動(dòng)軸y，和有效衰減軸x'的組合旋轉(zhuǎn)的15dB衰減的插損。 實(shí)際上消除了兔子耳朵現(xiàn)象。另外，插損的波紋量限制在大約1dB或更 少。
在本發(fā)明一些實(shí)施例中，需要使用配置來做無損傷切換的WSS。這 樣的無損傷切換可以和減少由于如上所述的衍射引起的"兔子耳朵"效 應(yīng)的本發(fā)明實(shí)施例相結(jié)合。用舉例的方法，圖11A-IIC說明在上路復(fù)用 器模塊220的應(yīng)用中的無損傷切換，其中把光譜信道輸入到模塊的一個(gè) 或多個(gè)輸入端口上，并且在輸出端口上路也就是組合信號(hào)。圖HA-11B 通常表示圖1中WSS 100的簡化原理側(cè)視圖，其中為了簡明略去了圖1 的某些元件。
如圖11A-IIB所示，上路復(fù)用器220包括具有五個(gè)輸入端口和一個(gè) 輸出端口的5X1裝置。光纖準(zhǔn)直儀陣列102因此包括六個(gè)準(zhǔn)直儀，如圖 所示。輸出端口 222是例如如圖所示的第四個(gè)準(zhǔn)直儀端口。在圖IOA中， 第一 (頂部)準(zhǔn)直儀端口 224輸入用失真光束擴(kuò)束器系統(tǒng)110聚焦到衍 射光柵112上的光譜信道入i。衍射光柵在空間上把光譜信道入i從其它
波長信道分開，并把分離的光譜信道提供給把光譜信道聚焦到對應(yīng)的信
道微鏡228上的失真聚焦棱鏡系統(tǒng)116。信道微鏡繞其切換軸旋轉(zhuǎn)到合
適的角度位置來把輸入光譜信道、經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后向反射會(huì)輸出端口
222，如圖IOA所示。
以無損傷的形式把輸入光譜信道、從輸入端口 224切換到輸出端 口 222。用無損傷切換，當(dāng)信道微鏡旋轉(zhuǎn)來把光束切換到端口 222時(shí)， 在端口 224的輸入光不掃過中間端口 230和232。更進(jìn)一步地，對于無 損傷切換，在切換期間實(shí)質(zhì)上衰減了或完全阻斷了光。為了達(dá)到這個(gè)， 首先釋放控制信道微鏡228切換軸的伺服控制環(huán)。向信道微鏡施加控制 電壓來讓信道微鏡繞其衰減軸以阻斷需要的量旋轉(zhuǎn)；然后通過向切換軸 施加存儲(chǔ)在圖4的控制系統(tǒng)電模塊存儲(chǔ)器中的校準(zhǔn)表中的預(yù)設(shè)的控制電 壓，讓信道微鏡繞其切換軸旋轉(zhuǎn)來把輸入光譜信道反射到輸出端口 222。 接下來讓微鏡228繞其衰減軸旋轉(zhuǎn)回到正常優(yōu)化耦合狀態(tài)，然后重新使 控制切換軸的伺服控制環(huán)控制微鏡來達(dá)到最優(yōu)的耦合效率。
圖IIC在原理上說明把光從輸入端口 224切換到輸出端口 222的過 程。在圖11C中的箭頭240表示把輸入信道衰減到阻斷狀態(tài)。箭頭242 表示通過旋轉(zhuǎn)微鏡228把輸入信道切換到端口 222，并表明當(dāng)在輸入端 口 224和輸出端口 222之間切換光時(shí)，沒有光耦合到中間端口 230和232。 箭頭244表示用信道微鏡繞其衰減軸旋轉(zhuǎn)把光增長回正常最優(yōu)耦合狀 態(tài)。
圖11B說明進(jìn)入上路復(fù)用器端口 230的在波長入j上并被其對應(yīng)的 微鏡246切換到輸出端口 222的第二光譜信道。該切換類似地是無損傷 的，并且以和關(guān)于圖IOA的描述的類似的方式完成。因此圖11B中的端 口 222輸出的光信號(hào)包括在端口 224輸入的入i和端口 230輸入的 入,的組合。以類似的方式，可以把其它波長從其它輸入/上路端口輸入， 并切換到輸出端口 222來形成組合多信道信號(hào)。
如圖11A-IIB所示為了在輸出端口從第一衰減狀態(tài)切換到第二不同 的衰減狀態(tài)，可以用不同方法實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的控制。根據(jù)第一方法，今天 輸入端口的光是最大耦合態(tài)，也就是全功率。接下來，用如圖11C所示 的最大衰減的衰減軸實(shí)現(xiàn)從輸入端口到輸出端口的無損傷切換，如上所
述地把輸入光束無損傷地切換到輸出端口。 一旦光束到了輸出端口，控 制衰減軸返回對于零衰減的全功率。然后在全功率狀態(tài)下通過達(dá)到最優(yōu) 耦合來優(yōu)化耦合效率；通過控制信道微鏡繞其衰減軸的運(yùn)動(dòng)來提供所需 的輸出功率水平來衰減光束。
第二方法是從在輸入端口的原始衰減狀態(tài)直接到在輸出端口的所 需衰減狀態(tài)，而沒有首先去衰減到最大耦合效率。這個(gè)方法使用存儲(chǔ)在 控制系統(tǒng)電模塊儲(chǔ)存器中的查找表中的指定對每個(gè)信道微鏡的作為繞衰 減軸旋轉(zhuǎn)角度(例如靜電壓)函數(shù)的衰減水平的校準(zhǔn)電壓。
無損傷切換的第三且優(yōu)選的方法是從輸入端口的衰減狀態(tài)到用繞 衰減軸旋轉(zhuǎn)以最小化功率的在該端口的弱光狀態(tài)。接下來，用在殘留在 最小功率例如阻斷狀態(tài)的衰減軸進(jìn)行到所需—目的端口的無損傷切換。然
后，到達(dá)目的端口后，讓微鏡繞衰減軸旋轉(zhuǎn)來達(dá)到例如-20dB的弱光水 平而不是回到全功率；然后用信道微鏡的切換軸(以及優(yōu)選地，還用將 要簡短描述的方法用如圖1所示的對應(yīng)的端口微鏡106)優(yōu)化在弱光水 平的耦合效率。然后，到達(dá)最優(yōu)耦合效率后，讓信道微鏡繞其衰減軸旋 轉(zhuǎn)到所需的功率水平。
除了用控制信道微鏡繞其切換軸旋轉(zhuǎn)來控制耦合效率之外，還需要 控制把每個(gè)信道光譜光束聚焦到其對應(yīng)的信道微鏡的位置。為了提供高 通帶和高數(shù)據(jù)傳輸速率，要把信道中心波長和信道微鏡的中心對齊。其
它信道的中心波長要類似地和其對應(yīng)的微鏡中心對齊。nu間隔規(guī)范指
定信道間距，然后根據(jù)輸入多信道光信號(hào)的ITU間隔間距把信道微鏡在 陣列中間隔開。因此需要維持ITU對齊，以便所有信道的中心波長保持
位于其對應(yīng)的微鏡的中心來最大化系統(tǒng)通帶。
配置如上所述結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的WSS系統(tǒng)來建立和維持不利工作
條件下的ITU對齊。如前所述，圖1的WSS IOO包括位于端口微鏡陣列 106間的光束通路上的分束器124，以及失真光束擴(kuò)束器和中繼系統(tǒng)110。 把例如來自發(fā)光二極管(未示出)的1310nm波長參考光在光纖準(zhǔn)直儀陣 列的輸入端口處耦合進(jìn)組合多波長光系統(tǒng)?？梢孕纬煞质鱽韮?yōu)先地把 1310nm波長光束反射到PSD126并把例如在C波段的光譜信道波長直通 到失真系統(tǒng)110。 PSD包括以4象限光電探測器形式排列的光電池陣列，
也就是"四方電池(quad cell)"。從分束器反射到PSD上的1310nm參 考光引起用在PSD每個(gè)象限的電壓電位，用于判定參考光束射到PSD上 的形心(centroid)位置。用形心位置來判定光束的對準(zhǔn)。
輸入準(zhǔn)直儀102點(diǎn)的方向作為溫度的函數(shù)而變化，引起輸入光譜光 束聚,到微鏡上的位置背離微鏡中心，產(chǎn)生ITU未對齊和信道通帶變窄。 另外/其它熱機(jī)械效應(yīng)引起衍射光柵角度、信道微鏡位置以及光器件焦 距變化。每個(gè)這些效應(yīng)也都能導(dǎo)致ITU未對齊和通帶變窄。為了補(bǔ)償ITU 未對齊，旋轉(zhuǎn)端口微鏡來把信道中心波長重新和信道微鏡中心對齊。
在如圖1所示的WSS實(shí)施例中，端口微鏡的角度位置傳播到遠(yuǎn)心聚 焦光學(xué)器件的入口孔徑上，而在遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)輸入由于在端口微鏡位置 的變化引起的角度變化變換成在焦平面上光斑位置的變化。從而端口微 鏡旋轉(zhuǎn)引起了信道掃過其相關(guān)的信道微鏡。當(dāng)信道中心波長和信道微鏡 中心對齊時(shí)，對應(yīng)于ITU對齊，從分束器124反射來的參考光束會(huì)在預(yù) 定位置入射到PSD。把由PSD四個(gè)象限產(chǎn)生的表示光束對齊的電壓和存 儲(chǔ)在控制電子器件128存儲(chǔ)器中的預(yù)設(shè)參考電壓相比較，控制電子器件 用所述參考電壓作為控制端口微鏡來使光束位于信道微鏡中心的反饋信 號(hào)。
如果準(zhǔn)直儀的點(diǎn)或者一個(gè)或多個(gè)其它前面描述的元件因?yàn)槔缦?統(tǒng)溫度變化而發(fā)生變化，需要新的端口微鏡角度和PSD上的參考光束位 置(xl，yl)來維持工TU對齊。因此，對所需的PSD光斑位置作為溫度的 函數(shù)產(chǎn)生一套校準(zhǔn)點(diǎn)來維持ITU對齊，并且校準(zhǔn)點(diǎn)存儲(chǔ)在控制電子器件 128存儲(chǔ)器的表格中。在WSS模塊中放置溫度傳感器來監(jiān)測溫度變化， 把溫度信息和來自校準(zhǔn)表的設(shè)置點(diǎn)信息提供給控制電子器件中的前饋伺 服系統(tǒng)來控制陣列的所有端口微鏡以維持ITU對齊。為了計(jì)算由于滯后 作用的變化，例如可以對于增加的和減小的溫度情況把校準(zhǔn)信息存儲(chǔ)在 表格中。
本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，提供鞏固在ADD模塊各種輸入 或直通端口上或者DROP模塊輸出和下路端口上的波長分布的能力，例如 圖IIA-IIB中所示(或在圖12和13中將簡短描述)。通過在從端口微鏡 反射來的光信號(hào)上使用小幅度、低頻率抖動(dòng)調(diào)制，同時(shí)例如通過引起端
口微鏡的小幅度抖動(dòng)旋轉(zhuǎn)以及在圖4的反饋控制系統(tǒng)中檢測調(diào)制，來實(shí) 現(xiàn)波長辨別。
可以在端口微鏡的任何一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上維持抖動(dòng)。抖動(dòng)調(diào)制和由該端 口微鏡反射的特定輸出或直通端口相關(guān)的光信號(hào)。調(diào)制在信號(hào)中優(yōu)選地
產(chǎn)生在圖4光信道功率監(jiān)測器的光電二極管陣列196的像素上近似 0.05dB量級(jí)的功率波動(dòng)。把該功率波動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并提供給電模塊 180中的控制軟件來表明端口微鏡進(jìn)行抖動(dòng)旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)入到輸出端口或直 通端口的光信號(hào)波長。和用光信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ判盘?hào)相比，端口微鏡的抖 動(dòng)頻率優(yōu)選地是低頻(近似為100到200Hz)，以便不引起顯著的噪聲或 破壞。
在典型的環(huán)形網(wǎng)中，同時(shí)有幾個(gè)波長選擇開關(guān)模塊在工作。如果環(huán) 網(wǎng)中的每個(gè)波長選擇開關(guān)模塊使用同樣的擾頻來表示直通過端口的波 長，會(huì)在通信信號(hào)中擾頻上出現(xiàn)明顯的噪聲累積。因?yàn)?，需要給環(huán)網(wǎng)中 每個(gè)模塊使用不同的擾頻。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)，給每個(gè)WSS模塊分配獨(dú)特的 擾頻，優(yōu)選地一個(gè)至少和環(huán)網(wǎng)中其它WSS模塊的有5Hz差別。頻率分配 過程可以是自動(dòng)的，例如用對已經(jīng)使用中的擾頻執(zhí)行電子搜索，然后分 配沒有在使用中的頻率。
圖11A-11B中所示的上路模塊220的5X1 (NXM)結(jié)構(gòu)是典型的 ADD模塊，其中具有中心波長人，到入 的光信道信號(hào)通過N個(gè)輸入和上路 端口以任何組合進(jìn)入，并且通過一個(gè)(M=l)輸出端口退出。沒有對在 該結(jié)構(gòu)中輸入和上路端口 (N)數(shù)量或者波長數(shù)量的理論限制。然而，有 個(gè)限制是特定波長入i只能從一個(gè)端口進(jìn)入。多個(gè)入可以從輸入或上路端 口進(jìn)入，只要這些X互相不同。
圖12是說明突破前述限制的上路模塊300另一個(gè)實(shí)施例的簡圖。
(多個(gè)微鏡在紙面里面。)如圖所示，本實(shí)施例是具有5個(gè)輸入或上路端 口 (IN1-IN5)和5個(gè)輸出端口的5X1和1X5模塊，排列端口使得技術(shù) 端口 (301、 303、 305、 307和309)是輸入/上路端口，而偶數(shù)端口 (302、 304、 306、 308和310)是輸出端口。然而，在這樣的排列中，除了底部
(圖中的)端口 0UT310之外的所有端口都是"暗"端口，意味著到這些 端口的光消失了。圖12的配置的優(yōu)點(diǎn)是允許特定波長入i的光信道從輸
入或上路端口中的多個(gè)端口進(jìn)入。然而，只有其中一個(gè)波長、的信道會(huì)
通過OUT端口 310退出。這是因?yàn)楹筒ㄩLA i相關(guān)聯(lián)的信道微鏡312決定 了反射光束的方向。這繼而決定了波長入i會(huì)從哪個(gè)輸出端口退出。所有 其它波長Aj從其它一些暗輸出端口退出或退出到自由空間。例如，通過 端口 303進(jìn)入的第二波長Aj信號(hào)由信道微鏡312導(dǎo)入到端口 308。圖12 所示的配置具有很多光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，例如需要把多個(gè)輸入波長組 組合到一起來形成單個(gè)輸出波長組而沒有任何相同的波長。
圖13說明和在圖12中所示上路模塊300的實(shí)施例功能近似的5 X 1 上路模塊340的另一個(gè)實(shí)施例。上路模塊340包括5個(gè)輸入或上路端口 341-345以及l(fā)個(gè)輸出(OUT)端口 346。有和上路(ADD)模塊300類似 的優(yōu)點(diǎn)，特定波長入，的光信道能從輸入或上路端口 341-345中的多個(gè)端 口進(jìn)入。然而，依賴于和波長入i相關(guān)的信道微鏡348的角度，只有其中 一個(gè)進(jìn)入的波長入i的信道會(huì)通過OUT端口 346退出。所有其它進(jìn)入的波 長入j會(huì)退出到自由空間。前面圖12和13中的兩個(gè)上路模塊結(jié)構(gòu)的主要 區(qū)別是物理設(shè)計(jì)不同。兩者的操作實(shí)質(zhì)上是一樣的。
在圖4反饋控制系統(tǒng)中所示的WSS光模塊162是典型的具有一個(gè)輸 入端口和多個(gè)輸出或下路端口的下路模塊。在DROP模塊中，如圖4所示， 用從每個(gè)輸出或下路端口的外出光纖的光百分比取樣，以及如前所述在 控制系統(tǒng)中使用取樣來測量和控制每個(gè)信道的光功率以獲得所需功率水 平，如圖所示，實(shí)現(xiàn)輸出光信道的功率管理。
在上路模塊的情況中，如在圖11A-IIC和圖12-13中所示，還可以
采用如前所述的同樣的信道對齊和輸出信道功率水平控制方法。然而， 在上路模塊中，可以對進(jìn)入輸入或上路端口的光信道施加額外的功率管 理。用從進(jìn)入每個(gè)輸入或上路端口的光譜信道的光百分比取樣，如關(guān)于 圖4描述的同樣方法把取樣組合成組合多信道信號(hào)，以及把組合光信號(hào) 提供給光信道監(jiān)測器和控制系統(tǒng)，例如前面關(guān)于圖4描述的那樣，來控 制信道微鏡以得到所需的輸入光信號(hào)功率水平。
對于上路模塊，可以用兩個(gè)不同方法之一實(shí)現(xiàn)輸入輸出信道的功率 水平控制。 一個(gè)方法采用分立光信道監(jiān)測器， 一個(gè)用于輸入和上路光纖 光功率，而另一個(gè)用于輸出和下路光纖的光。如圖4所示和描述的，兩
個(gè)信道監(jiān)測器可以實(shí)質(zhì)上是一樣的，并采用同一個(gè)或分立的電模塊來控 制信道微鏡的衰減軸。這允許輸入和輸出光譜信道兩者的同時(shí)監(jiān)測和功 率控制。
第二個(gè)方法是采用例如合光器172的分立合光器， 一個(gè)用于輸入或
上路信道而另一個(gè)用于輸出或下路信道，1X2開關(guān)，用來從輸入或輸出 合光器選擇組合信號(hào)，以及單個(gè)光信道監(jiān)測器和電模塊，根據(jù)開關(guān)位置 監(jiān)測和控制輸入光或輸出光。如果尋找特別的衰減水平，則監(jiān)測輸入光 和直通光，而如果要特別的功率水平，則監(jiān)測輸出光。
根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，在上路和下路模塊中為了 ITU間隔對齊維 持信道光束位于其相關(guān)的信道微鏡中心的方法和前面關(guān)于圖1描述的相 類似。在上路模塊中，把參考光注入(組合到)來自一個(gè)輸入光纖的輸 入光，并聚焦到單個(gè)四方電池，如前所述。然而，因?yàn)槠渌下范丝谝?包括其它輸入光譜信道，對于在和上路端口相關(guān)聯(lián)的端口微鏡陣列中用 繞每個(gè)微鏡的一個(gè)或兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)校準(zhǔn)量可以補(bǔ)償這些光譜信道中的任 何對齊變化。也就是說，和上路端口相關(guān)聯(lián)的端口微鏡陣列中的微鏡從 屬于和輸入端口相關(guān)聯(lián)的端口微鏡陣列中的微鏡，以便基于輸入端口控 制一起控制所有輸入和上路端口 。
綜上所述，可見根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可重構(gòu)光上下路系統(tǒng)和方法提 供具有很多優(yōu)點(diǎn)的簡化的和集成的結(jié)構(gòu)。其中，這些包括有效、靈活和 高度精確的在逐信道基礎(chǔ)上的單個(gè)光譜信道功率管理；避免對中間信道 串?dāng)_和干擾的無損傷信道切換；使跨信道精確功率管理成為可能的無劃 痕工作以及在不同波長間隔間距的工作；導(dǎo)致高通帶和nu信道對齊的 光學(xué)特性優(yōu)化；以及例如微鏡的模塊和元件的最優(yōu)機(jī)械性能。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的典型實(shí)施例，具體示出和描述了本發(fā)明，但 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明 的精神和范圍的情況下，可以對這些實(shí)施例進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的多種改 變。
盡管上述包括本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的完整描述，可以使用各種替換、 修改和等價(jià)物。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)該由參考以上描述來確定，代 替地，應(yīng)該參考所附權(quán)利要求及其等價(jià)物的全部范圍來確定。不管優(yōu)選
還是非優(yōu)選的任意特征可以與任意其他優(yōu)選或非優(yōu)選的特征組合使用， 單個(gè)數(shù)量不排除多個(gè)這種術(shù)語，除非另有聲明。所附權(quán)利要求不應(yīng)該解 釋為包括裝置+功能的限制，除非這種限制使用"用于...的裝置"在給 定權(quán)利要求中明確地說明。
權(quán)利要求
1. 一種光學(xué)設(shè)備，用于切換具有不同波長光譜信道的多信道光信號(hào)，包括多個(gè)輸入和輸出端口，用于具有一個(gè)或多個(gè)所述光譜信道的光信號(hào)；光束擴(kuò)束器和中繼系統(tǒng)，適合于從一個(gè)或多個(gè)輸入端口接收光信號(hào)，形成失真系統(tǒng)來把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有預(yù)定伸長束截面的光譜光束；波長分離器，用于在空間上把光譜光束分離成組分光譜信道；以及信道微鏡陣列，將所述陣列的每個(gè)信道微鏡設(shè)置為用于接收所述組分光譜信道之一，所述微鏡繞切換軸y可旋轉(zhuǎn)，來把一個(gè)光譜信道切換到所選擇的輸出端口；其中每個(gè)信道微鏡繞衰減軸x可旋轉(zhuǎn)，來改變所述的一個(gè)光譜信道和所選擇的輸出端口的耦合以控制在所述選擇的端口上光譜信道的功率水平，其中衰減軸和切換軸不同，其中，將每個(gè)信道微鏡配置為通過同時(shí)繞切換軸y和衰減軸x旋轉(zhuǎn)而相對于抖動(dòng)軸y’進(jìn)行抖動(dòng)，所述抖動(dòng)軸y’實(shí)質(zhì)上與常數(shù)衰減的等高線相切，其中抖動(dòng)軸和有效衰減軸是非正交的，以及其中每個(gè)信道微鏡配置為通過繞切換軸y和衰減軸x的旋轉(zhuǎn)組合，相對于有效衰減軸x’旋轉(zhuǎn)微鏡來衰減功率水平，其中繞抖動(dòng)軸y’和有效衰減軸x’旋轉(zhuǎn)微鏡減小了由于來自一個(gè)或多個(gè)微鏡邊緣的光譜光束衍射引起的設(shè)備通帶非均勻衰減，其中所述邊緣實(shí)質(zhì)上和衰減軸平行。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中繞抖動(dòng)軸y'和有效衰減軸x'的旋轉(zhuǎn)通過如下的旋轉(zhuǎn)矩陣A與繞切換軸y和衰減軸x的旋轉(zhuǎn)相關(guān)cos^ —Msin夕 |_(sin6)/M cos6>其中e是不等于0?；?0°或者90°的整倍數(shù)的角度，并且M不等于l。
3. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中M的值是所述一個(gè)光譜信道的x 軸光放大率和y軸光放大率之比。
4. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述光器件包括配置失真系統(tǒng)，所述失真系統(tǒng)配置用于把光信號(hào)變換成具有預(yù)定伸長束截面的光譜光 束。
5. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括雙軸端口微鏡陣列，用于維持 耦合到每個(gè)端口的最優(yōu)耦合效率以及維持最優(yōu)ITU間隔對齊。
6. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括用來實(shí)現(xiàn)光譜信道的無損傷切 換的裝置。
7. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中用來實(shí)現(xiàn)無損傷切換的裝置包括 在切換期間用于實(shí)質(zhì)上衰減或阻斷一個(gè)或多個(gè)光譜光束的裝置。
8. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中在切換期間用于實(shí)質(zhì)上衰減或阻 斷一個(gè)或多個(gè)光譜光束的裝置包括用于釋放控制信道微鏡切換軸的伺服控制環(huán)的裝置；控制電子器件，當(dāng)釋放了伺服控制環(huán)時(shí)，適于向信道微鏡施加控制 電壓來讓微鏡繞其衰減軸旋轉(zhuǎn)用于阻斷所需的量；用于讓所述信道微鏡繞其切換軸旋轉(zhuǎn)以把輸入光譜信道反射到第 一輸出端口的裝置；用于讓所述微鏡繞其衰減軸旋轉(zhuǎn)回到正常最優(yōu)耦合情形的裝置，以及用于重新讓伺服控制環(huán)控制切換軸以控制微鏡達(dá)到最優(yōu)耦合效率 的裝置。
9. 一種優(yōu)化光學(xué)設(shè)備中通帶的方法，所述光學(xué)設(shè)備用于在輸入和輸 出端口之間切換具有不同波長的組分光譜信道的多信道光信號(hào)的光信號(hào)，包括在空間上把來自輸入端口之一的所述多信道光信號(hào)分離成與組分光譜信道相對應(yīng)的光譜光束；把分離的光譜信道聚焦到對應(yīng)的信道微鏡上，所述信道微鏡把聚焦 的光譜信道切換到一個(gè)或多個(gè)選擇的輸出端口；以及通過繞切換軸y和衰減軸x的組合旋轉(zhuǎn)，相對于抖動(dòng)軸y'抖動(dòng)特定 信道微鏡，所述抖動(dòng)軸y'實(shí)質(zhì)上與常數(shù)衰減的等高線相切，以及 利用繞切換軸y和衰減軸X的組合旋轉(zhuǎn),通過相對于有效衰減軸X'旋轉(zhuǎn)特定信道微鏡來衰減功率水平，其中抖動(dòng)軸y'和有效衰減軸x'是非正交的，其中繞抖動(dòng)軸y'和有效衰減軸x'旋轉(zhuǎn)特定微鏡減小了由于來自一個(gè) 或多個(gè)微鏡邊緣的光譜光束衍射引起的設(shè)備通帶非均勻衰減，其中所述 邊緣實(shí)質(zhì)上和衰減軸平行。
10. 如權(quán)利要求9的方法，其中繞抖動(dòng)軸y'和有效衰減軸x'的旋轉(zhuǎn) 通過如下的旋轉(zhuǎn)矩陣A與繞切換軸y和衰減軸x的旋轉(zhuǎn)相關(guān)<formula>formula see original document page 4</formula>其中e是不等于0?；?0°或者90°的整倍數(shù)的角度，并且M不等于l。
11. 如權(quán)利要求10的方法，其中M的值是所述光譜信道的x軸光放大率和y軸光放大率之比。
12. 如權(quán)利要求9的方法，其中選擇繞切換軸x和衰減軸y旋轉(zhuǎn)的 組合，使得所得到的插損表現(xiàn)為相對于峰值耦合插損大約10dB的衰減和 大約O. 5dB或更少的波紋。
13. 如權(quán)利要求9的方法，其中選擇繞切換軸x和衰減軸y的旋轉(zhuǎn) 組合，使得所得到的插損表現(xiàn)為相對于峰值耦合插損大約15dB的衰減和 大約ldB或更少的波紋。
14. 如權(quán)利要求9的方法，還包括用光學(xué)設(shè)備實(shí)現(xiàn)無損傷切換。
15. 如權(quán)利要求14的方法，其中實(shí)現(xiàn)無損傷切換包括在從輸入端口 到輸出端口的一個(gè)或多個(gè)光譜信道的切換期間實(shí)質(zhì)上衰減或阻斷一個(gè)或 多個(gè)光譜光束。
16 .如權(quán)利要求15的方法，其中在切換期間實(shí)質(zhì)上衰減或阻斷一個(gè)或多個(gè)光譜光束包括釋放控制信道微鏡切換軸的伺服控制環(huán)；當(dāng)釋放了伺服控制環(huán)時(shí)，讓微鏡繞其衰減軸旋轉(zhuǎn)用于阻斷所需的 讓信道微鏡繞其切換軸旋轉(zhuǎn)以將輸入光譜信道反射到第一輸出端 讓微鏡繞其衰減軸旋轉(zhuǎn)回到正常最優(yōu)耦合情形；以及 重新讓伺服控制環(huán)控制切換軸，以控制所述微鏡實(shí)現(xiàn)最優(yōu)耦合效
全文摘要
為了優(yōu)化波長選擇開關(guān)中的通帶，減少了來自微鏡邊緣的光譜波束的衍射效應(yīng)?？梢杂梦㈢R相對衰減軸和切換軸兩者的旋轉(zhuǎn)以達(dá)到所需衰減來減少通帶的衍射效應(yīng)?？梢酝ㄟ^在和使用同時(shí)繞切換軸和衰減軸旋轉(zhuǎn)而相對于抖動(dòng)軸抖動(dòng)微鏡來得到峰值耦合，所述抖動(dòng)軸實(shí)質(zhì)上與常數(shù)衰減的等高線相切。通過由繞切換軸和衰減軸的旋轉(zhuǎn)組合，使信道微鏡繞和抖動(dòng)軸不正交的有效衰減軸旋轉(zhuǎn)來衰減光譜信道的功率水平。
文檔編號(hào)G02B6/30GK101384933SQ200680053185
公開日2009年3月11日 申請日期2006年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者布賴恩·P·特里梅因, 約瑟夫·E·戴維斯 申請人:卡佩拉光子學(xué)公司