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CN102804009A - 用于切换光通道的方法和系统 - Google Patents

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CN102804009A CN2010800591764A CN201080059176A CN102804009A CN 102804009 A CN102804009 A CN 102804009A CN 2010800591764 A CN2010800591764 A CN 2010800591764A CN 201080059176 A CN201080059176 A CN 201080059176A CN 102804009 A CN102804009 A CN 102804009A
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D·M·马罗姆
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Original Assignee
Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
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Abstract

本发明公开一种光交换系统。该系统包括：输入光学装置，用于从至少一个输入光端口接收光并将该光分离成多个光通道以将分离的光路分配给每个输入光端口的每个通道。该系统还包括输入引导阵列和输出引导阵列，该输入引导阵列和输出引导阵列被布置以便输入引导阵列被映像到输出引导阵列上，其中输入引导阵列被配置成接收分离后的光并将每个光通道引导到输出引导阵列的单独元件。该系统还包括输出光学装置，用于接收来自输出引导阵列的光通道并将所述光通道耦合到至少一个输出光端口。

Description

用于切换光通道的方法和系统
相关申请
本申请要求2009年10月22日提交的美国专利申请No.61/253,962的优先权，该申请的内容通过引用合并到本文，完全如同其在本文中被阐述一样。
技术领域
在本发明的一些实施方式中，本发明涉及光交换，尤其但非排他地涉及多个输入和输出光纤之间的光通道的交换。
背景技术
光通信利用光学系统来交换、过滤、多路复用和解多路复用光学信号。例如，在波分多路复用通信（WDM）中，各自具有唯一波长范围的多个光通道在单个光纤中携带发射器和接收器之间的调制光信号，从而增加了通信的传输能力。发射器使用光多路复用器来将多个通道组合到用于传输的光纤中，而且接收器使用光解多路复用器来分离光通道以进行检测。
当需要在网络节点处将WDM通道从一个传输光纤布线到另一个传输光纤时，以全光学的方式来实现该布线是有利的，即不检测信号和对信号进行重传。网络节点处的布线功能由称为光交叉连接系统的系统来执行。
一种类型的光交叉连接系统利用为非波长选择的单个大端口数交叉连接、解多路复用器和多路复用器。在操作中，解多路复用器将WDM通道分离，交叉连接执行布线，而此后多路复用器则在它们各自的路径处将WDM通道重新组合。
另一类型的光交叉连接系统利用几个波长选择型开关（WSS），它们或者将波长从一个光纤分布到多个输出光纤，或者将来自多个光纤的波长组合到单个输出光纤中。WSS典型地基于典型地用微机电系统（MEMS）微镜片或液晶(LC)空间光调制器来交换色散光的有限带宽。这种配置的优点在于，它们的通带典型地比利用离散多路复用器和解多路复用器对的解决方案更宽，这暗示着WDM通带经历了更少的滤光效应，从而降低了信号的累积恶化。
WSS的系统在本领域中是公知的。典型地，这种系统利用了用于空间色散或组合输入光的光栅和透镜的组合以及执行交换操作的光束引导元件阵列。这种系统的光谱特性通常是令人满意的，因为它们对术语单独通道的连续光谱带进行交换（D.M.Marom等，2005年，"Wavelength-Selective lxKSwitches using Free-Space Optics and MEMS Micromirrors:Theory,Design,andImplementation,"IEEE J.Lightwave Technol.,Vol.23,No.4,pp.1620-30）。
其他的背景技术包括美国专利No.7649670、7333688、7376311、7283709、7231106、7126250、7016098、6984917、6867920、6738540、6097859、6289145和6327398。
发明内容
根据本发明的一些实施方式，提供一种光交换系统。该系统包括：输入光学装置，用于从至少一个输入光端口接收光并将该光分离成多个光通道以将分离的光路分配给每个输入光端口的每个通道。该系统还包括输入引导阵列和输出引导阵列，以便输入引导阵列被映像到输出引导阵列。输入引导阵列被配置成接收分离后的光并将每个光通道引导到输出引导阵列的单独元件。该系统还包括输出光学装置，用于接收来自输出引导阵列的光通道并将所述光通道耦合到至少一个输出光端口。
根据本发明的一些实施方式，提供一种光交换系统。该系统包括：输入光学装置，用于从至少一个输入光端口接收光并将该光分离成多个光通道以将分离的光路分配给每个输入光端口的每个通道；以及输出光学装置，用于将光路组合到至少一个输出光端口中。该系统还包括光路引导排布，用于动态地将任何光路引导到光输出端口中。光路引导排布具有输入引导阵列和输出引导阵列，其被布置以便输入引导阵列被映像到输出引导阵列。输入引导阵列被配置成经由光路接收光并将每个光通道引导到输出引导阵列的单独元件。
根据本发明的一些实施方式，所述至少一个输入光端口包括多个输入光端口。
根据本发明的一些实施方式，所述至少一个输出光端口包括多个输出光端口。
根据本发明的一些实施方式，所述输入引导阵列和所述输出引导阵列啮合同一平面。
根据本发明的一些实施方式，所述光路引导排布包括转向器阵列，被配置为用于在由所述输入引导阵列执行引导之后提供空间移位。
根据本发明的一些实施方式，所述转向器阵列包括多个转向器元件，每个转向器元件被配置用于将撞击到其上的光束转向预定的转向角，该转向角和与转向器阵列的任何其他转向器元件相对应的任何转向角不同。
根据本发明的一些实施方式，所述转向器阵列是反射型转向器阵列。
根据本发明的一些实施方式，所述转向器阵列是折射型转向器阵列。
根据本发明的一些实施方式，所述输入光学装置包括用于根据波长来分离光的输入衍射光元件和用于根据至少一个输入光端口来分离光的输入光倾斜体。
根据本发明的一些实施方式，输出光学装置包括用于使被引导的光倾斜以根据至少一个输出光端口来对准光束的输出光倾斜体阵列以及用于根据所述对准来耦合光通道的输出衍射光元件。
根据本发明的一些实施方式，所述输入光学装置包括被构建以用于沿着第一方向延伸输入光的变形棱镜光学装置。
根据本发明的一些实施方式，所述输出光学装置包括用于沿着所述第一方向收缩被耦合的光通道的变形棱镜光学装置。
根据本发明的一些实施方式，该系统还包括用于根据所述输入引导阵列与所述输出引导阵列之间的预定成像场景来控制所述输入引导阵列的控制器。
根据本发明的一些实施方式，所述控制器被配置成用于解谐所述输入引导阵列和所述输出引导阵列中的至少一者。
根据本发明一些实施方式的一个方面，提供一种光通信系统，该系统包括用于传播进入的波分复用光的至少一个输入波导、用于传播输出波分复用光的至少一个输出波导以及波长选择交叉连接（WSXC）系统。WSXC系统包括上面描述且将在下文中被进一步描述的光交换系统的至少一些部件和技术特征。
根据本发明的一些实施方式，提供一种光交换方法，该方法包括：将构成多个光通道的光引向具有控制器的光交换系统的至少一个输入光端口中，根据预定成像场景来操作所述控制器，以及从所述至少一个输出光端口接收光。所述光交换系统包括上面描述且将在下文中被进一步描述的所述光交换系统的至少一些部件和技术特征。
根据本发明的一些实施方式的一个方面，提供一种光交换方法。该方法包括：接收构成K个输入光端口中的每个光端口中的N个光通道的光，根据沿着第一方向的光通道和根据沿着第二方向的输入光端口来分离所述光。该方法还包括将分离后的光聚焦到定义第一阵列的多个焦点上并将每个焦点映像到用于定义第二阵列的成像焦点上。在本发明的各种示例性实施方式中，第二阵列和第一阵列沿着第二方向的顺序是不同的。该方法还包括将光束引导离开第二阵列以将所述光束耦合到K个输出光端口中，其中与沿着第二方向具有相同位置的成像焦点相对应的所有光束被耦合到相同的输出光端口。
根据本发明的一些实施方式，所述第一阵列和所述第二阵列啮合同一平面。
根据本发明的一些实施方式，所述根据所述光通道的分离受到衍射的影响，而且根据所述输入光端口的分离受到折射的影响。
根据本发明的一些实施方式，通过根据各个输出光端口来沿着第二方向倾斜每个光束并沿着第一方向衍射倾斜后的光束来耦合所述光束。
根据本发明的一些实施方式，该方法还包括在分离之前沿着第一方向延伸接收到的光。
根据本发明的一些实施方式，所述耦合包括沿着第一方向收缩光束。
根据本发明的一些实施方式，该方法还包括利用至少一个解谐过程来一般地均衡给定输出光端口的所有通道的功率水平。
根据本发明的一些实施方式，收缩焦距包括向每个单独的光束提供空间移位。
根据本发明的一些实施方式，所述空间移位由包括多个转向器元件的转向器阵列提供，每个转向器元件被配置用于将撞击到其上的光束转向预定的转向角，该转向角和与转向器阵列的任何其他转向器元件相对应的任何转向角不同。
根据本发明的一些实施方式，所述空间移位通过反射提供。
根据本发明的一些实施方式，所述空间移位通过折射提供。
根据本发明的一些实施方式，提供一种光交换系统。该系统包括：输入成像光学装置，用于接收来自至少一个输入光端口的光并将该光映像到第一色散平面，以根据每个输入光端口的波长通道来分离接收到的光；以及输出成像光学装置，用于接收来自第二色散平面的光并将该光映像到至少一个输出光端口，其中，色散第二色散平面具有根据波长通道而被分离的光。该系统还包括光路引导排布，用于将来自第一色散平面的色散光引导到第二色散平面。光路引导排布具有输入引导阵列和输出引导阵列，其被布置以便可选地和优选地通过使用用于分配成像中的决定性移位的中间转向器平面来将输入引导阵列映像到输出引导阵列。通过使用输入成像光学装置将输入光端口映像到第一色散平面，色散光路引导排布首先以动态的方式将色散平面映像到第二色散平面，而且用输出成像光学装置将第二色散平面映像到输出端口上，以用于将波长通道从任意输入光端口交换到任意输出光端口。
除非以其他方式定义，否则本文使用的所有技术和/或科技术语都具有与本发明所属技术领域中的普通技术人员所普通理解的意思相同的意思。虽然在实践中可以使用与本文描述的方法和材料相类似或相等价的方法和材料并用于测试本发明的实施方式，但是下面仍将描述示例性方法和/或材料。在冲突的情况下，本说明书包括定义在内将为准。另外，所述材料、方法和示例仅是说明性的且不意欲进行必要的限制。
本发明实施方式的方法和/或系统的实现方式可以包括手动地、自动地或同时手动自动地执行或完成所选择的任务。而且，根据本发明的方法和/或系统的实施方式的实际仪器或设备，若干所选的认为能够通过使用操作系统的硬件、软件或固件或它们的组合来实施。
例如，用于执行根据本发明实施方式的所选任务的硬件可以被实施为芯片或电路。作为软件，根据本发明实施方式的所选任务能够被实施为由使用任意适当操作系统的计算机执行的多个软件指令。在本发明的示例性实施方式中，根据本文描述的方法和/或系统的示例性实施方式的一个或多个任务由数据处理器（诸如用于执行多个指令的计算平台）执行。可选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储器，例如磁性硬盘和/或可移动媒介。可选地，也提供网络连接。还可选地提供显示器和/或用户输入设备（诸如键盘或鼠标）。
附图说明
本文参照附图通过仅示例的方式描述了本发明的一些实施方式。现在通过参照详细的附图，应当强调的是，所示出的细节是示例性的而且出于说明性地讨论本发明实施方式的目的。在这一点上，参照附图的描述能够使本领域技术人员清楚如何实践本发明的实施方式。
在附图中：
图1是波长选择型开关的常规系统的示意图；
图2是常规波长选择型交叉连接的示意图；
图3A-F是根据本发明各种实施方式的波长选择型光交叉连接系统的示意图；
图4是根据本发明一些实施方式的引导阵列的示例性布局的示意图；
图5是根据本发明一些实施方式的示出了针对来自特定输入端口的特定光束的两个引导阵列之间的成像的示意图；
图6A-D是以连续方式示出的所述系统包括折射引导阵列的本发明实施方式中的波长选择型光交叉连接系统的示意图；以及
图7是根据本发明一些实施方式的光通信系统的示意图。
具体实施方式
在本发明的一些实施方式中，本发明涉及光交换，尤其但非排他地涉及多个输入和输出光纤之间的光通道的交换。
为了更好地理解图3-7中所示的本发明的一些实施方式，首先参照图1和2中所示的常规光交换系统的结构和操作。
图1是具有WSS的典型系统100的示意图。来自输入光纤110的光被光栅130和透镜140组合空间色散。来自色散光的通道是被交换阵列150中编号为152-1至152-N的单独光束引导元件所引导的独立光束。对于每个WDM通道，存在着分离的引导元件152（图1示出了被光束引导元件152-2所交换的单个通道）。构成被各个光束引导元件所捕获的带宽的被引导光，之后通过透镜140和光栅130被回传给输出光纤160-1至160-K中的其中一个输出光纤。阵列150的光束引导元件152-x所导致的倾斜确定了输出光纤。通道通带特性通过求解光排布（透镜140和光栅130）的功率来确定，而且在交换阵列150被布置在透镜后焦面处被最大化，其中在该透镜后焦面处光谱点被聚焦。这意味着输入和输出光纤都被映像到光束引导阵列150，从而确保了由每个光束引导元件152-x所捕获的带宽被从输入光纤110切换到所选的输出光纤160。这样，图1所示的WSS将WDM通道同单个光纤110分布到多个光纤160。具有WSS的系统还可以以相反的方式操作，即将来自多个输入光纤的WDM通道组合成单个输出光纤。这种系统中的光学装置相对于图1所示的光学装置被颠倒了，但是操作原理是类似的。
已经致力于设计从若干个光纤接收光输入并将来自每个光纤的单独WDM通道布线到若干个输出光纤的系统。这种系统称为波长选择型交叉连接（WSXC）。
图2是常规WSXC 200的示意图。WSXC 200利用了上面描述的基本WSS架构，而且额外地使来自每个光纤（输入和输出两者）的光入射到它自己的光束引导元件行上。图2示出了被指定为220-1至220-K的若干个输入光纤，和被指定为230-1至230-K的若干个输出光纤。输入光纤220携带被布线到输出光纤230的N个光通道。WSXC 200包括光束引导元件210，其中光束引导元件210包括2K行个光束引导元件，每一行具有N个元件。光路由两个光束引导元件建立。引导元件接收来自特定输入光纤的具有特定波长的光束，并将那个特定光束引导向输出光纤的具有相同波长的相应光束引导元件。第二光束引导元件将该光束重新对准以便其被有效地耦合到输出光纤。
本发明的发明人意识到，该解决方案的缺陷在于，两个光束引导元件不能被同时放置在光谱点被聚焦的透镜后焦面处。因此，通过光束引导元件的边缘的修剪变得明显，而且通道通带特性被恶化了。
本发明的发明人发现，光交换技术没有上述的局限性。
在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应当理解，本发明不是必须局限于其在下面的描述中阐述的和/或在附图中示出的和/或所述示例中给出的部件和/或方法的结构和排布的细节中的应用。本发明能够应用于其他实施方式或者能够以各种方式实践或实现。
图3A-F是根据本发明各种示例性实施方式的光交换系统300的示意图。图3A是系统300的透视图，其没有示出优选实施方式的光束迹线，图3B是示出了从输入光纤到空间色散平面的光束迹线的俯视图，图3C、3E和3F是示出了用于用图3C的优选实施方式来促成输入和输出端口之间的光交换的若干可选实施方式的侧视图，以及图3D是示出了从第二空间色散平面到输出光纤的光束迹线的第二俯视图。图3A-F还示出了被便利选择的三维笛卡尔坐标系统x-y-z，以便x-z平面平行于图3B和3D，而y-z平面平行于图3C、3E和3F。例如，y-z平面可以是垂直平面，而x-z平面可以是水平平面。然而，应当理解，系统300可以相对于重力而在任意方向上进行操作，而且术语“垂直”和“水平”不被认为是限制性的。
系统300能够用作WSXC，其在它的Ki个输入端口中的每个输入端口上接收N个光通道，并将来自每个输入端口的单独光通道路由到KO个输出端口中的其中一个输出端口，其中，Ki、Ko和N都是整数，优选地但非必须大于1。因此，例如，当Κi=Ko=Κ时，本实施方式的WSXC的每个通道具有Κi个交换排列。Ki和Ko的典型值包括但不局限于从2至N的任意整数，N的典型值包括但不局限于从10至200的任意整数。期望在本申请的专利权期限内，波分复用技术将允许每个光波导使用更多的通道，而且本发明的范围意欲包括现有技术的所有这种进步。因此，在本发明的一些实施方式中，N甚至可以大于200。
在图3B-F所示的代表性示例中，所示的光通道的数量是3。这些通道在这里被总体称为通道350，而且被单独称为通道350-1、350-2和350-3。应当理解，本发明的范围不排除任意其他数量的通道。输入端口典型地沿着y方向堆叠。为了能够清晰地进行描述，输入端口仅被总体地显示在302处（请见图3B）。类似地，输出端口典型地沿着y方向堆叠而且仅被总体地显示在334处（请见图3D）。
系统300包括输入光学装置，其用于从一个或多个输入光端口302接收光并将该光分离成多个光通道350以将分离的光路分配给每个输入光端口的每个通道。一般而言，输入光学装置根据沿着x方向的光通道350和根据沿着y方向的输入光端口302来分离光，从而形成KixN个分离的光路。根据光通道的分离典型地受到衍射的影响，但是也能够通过折射实现。根据输入光端口的分离典型地受到折射或反射的影响。原理上，将光分离成KixN个分离的光路的任意光排布（其中根据输入端口的分离沿着一个方向而根据通道的分离沿着另一方向）适用于本发明的至少一些实施方式。
在图3A-D的典型图示中，输入光学装置包括根据波长或光通道来分离光的输入衍射光元件308和根据输入光端口来分离光的输入光倾斜体阵列312。
元件308可以是例如衍射光栅。元件308能够以传输模式进行操作，在该情况中，光通过元件308时经历衍射，或者如图3B所示，元件308可以操作在反射模式中，在该情况中，光在被反射出元件308的同时经历衍射。还设想这样的实施方式，其中，根据光通道的分离由其他色散元件执行，所示色散元件包括但不局限于棱镜，该棱镜以不同的角度使不同波长的光转向。还设想光栅和棱镜或能够以依赖于波长的角度来使光转向的任意其他光元件（诸如但不局限于诸如体积全息图）的组合。
输入光倾斜体阵列312是沿着y方向的光倾斜体元件的排布，其中该阵列中的每个倾斜体元件将稍微不同的倾斜应用到入射到其上的光束。由单独倾斜体元件所施加的倾斜优选是固定的，且对应于各个输入端口。因此，倾斜体阵列312优选包括Ki个倾斜体元件，每个倾斜体元件与各个输入端口相对准。在这些实施方式中，倾斜体阵列312提供沿着y方向的Ki个不同的倾斜角（每个输入端口对应一个唯一的倾斜角）。倾斜体元件可以具有本领域公知的任意类型，而且它们能够以反射模式（在该情况中，各个光束在被反射出各个倾斜体元件的同时被倾斜）进行操作，或者如图3B-C所示，以传输模式进行操作（在该情况中，各个光束在通过各个倾斜体元件时被倾斜）。倾斜体元件的代表性示例包括微棱镜、微镜片、衍射元件等。
在一些实施方式中，输入光学装置还包括变形光学装置306，其被布置在位于衍射光元件308之前的输入光的光路中。变形光学装置可以是例如变形棱镜光学装置。变形棱镜是允许光束在一个轴上不被改变而在另一轴上放大光束大小的装置。或者，变形光学装置306可以被实现为柱透镜对。如图3B所示，光学装置306在x-z平面中提供输入光的一维延伸。这种延伸使得能够沿着x方向在不同的光通道之间进行更好的分离，从而增强了光谱的分辨能力，因为被照亮的光栅周期的数量更大了。可选地，输入光学装置还包括Ki个输入准直透镜系统304，每个输入端口具有一个准直透镜系统。每个透镜系统304优选被布置在或邻近各个输入端口处，以用于在衍射和倾斜或可选的延伸之前对输入光进行准直。因此，参考标号304对应于沿着y方向被布置的透镜系统的堆叠或阵列。
在本发明的各种示例性实施方式中，系统300包括输入引导阵列316和输出引导阵列322，其被布置以便阵列316被映像到阵列322上。
如本文使用的，第一对象被“映像”到第二对象上，如果这两个对象被布置以便从一个对象传递到另一个对象的光束既被聚焦在第一对象上又被聚焦在第二对象上。
一个对象在另一对象上的成像典型地通过聚焦光学元件（诸如透镜或透镜系统）来建立。在图3C、3E和3F的代表性图示中，输入引导阵列316和输出引导阵列322中的每一者啮合到透镜系统314的焦平面上，其中透镜系统314可以是单个透镜或透镜排布。图3C示出了透镜系统314是单个透镜的实施方式，图3E示出了透镜系统314包括两个透镜的实施方式，以及图3F输出了透镜系统314包括4个透镜的实施方式。只要由透镜系统314将阵列316映像到阵列322上，本发明的范围并不排除透镜系统314的其他配置。在本发明的各种示例性实施方式中，阵列316与322之间的光路的长度是4f，其中，f是透镜系统314的焦距。这些4f实施方式将在下文中进一步详细描述。本发明的范围并不排除阵列316与322之间的其他光路长度（例如，6f、8f等）。
阵列322和316中的每个阵列都是具有沿着x和y方向布置的单独光束引导元件的二维阵列。图4示出了阵列322和316的可能布局的代表性示例。阵列316和322中的每个阵列还被进一步划分成沿着x方向的行和沿着y方向的列，其中阵列316的行数等于Ki，阵列322的行数等于Ko，而且阵列316和322的列数都等于N。阵列316的行被标记为316-1至316-Ki，阵列322的行被标记为322-1至322-Ko，而且列都被标记为通道号Ch.1至Ch.N。每个单独的光束引导元件都根据格式阵列-行-列而由三个数字的参考标号来识别。光束引导元件可以是反射型或折射型的。光束引导元件能够通过倾斜微镜片（例如，使用MEMS技术制造的微镜片）、通过被写入液晶（LC）空间光调制器（SLM）等中的线性相位梯度来实施。适用于本发明实施方式的光束引导元件能够例如在美国专利No.7403322、6867920和7333688中找到，这些专利的内容都通过引用合并到本文。
在操作时，在被输入光学装置分离（例如，通过衍射光学元件308和倾斜体阵列312的方式）之后，光被透镜系统314聚焦到阵列316上的多个焦点上，每个焦点啮合阵列316的不同引导元件。阵列316引导单独的光束，对于有源开关功能而言优选是动态地引导，以便每个焦点被映像到阵列322上的成像焦点上，其中每个成像焦点啮合阵列322的不同引导元件。可选地和优选地如此成像，以便阵列316处沿着y方向的焦点顺序与阵列322处沿着y方向的成像焦点的顺序不同。例如，阵列316能够将光束从元件316-1-1（即位于第一行和第一列的阵列316元件）引导到元件322-2-1（即位于第二行和第一列的阵列322元件）。如下面将解释的，这种引导能够将第一输入端口的第一通道路由到第二输出端口。在本发明的各种示例性实施方式中，用于切换的空间移位通过转向器阵列318实现。这些实施方式将在下面描述。
阵列316“动态地”引导光束，以便由阵列316的特定引导元件规定的针对特定光束的引导角是可控的，例如通过控制器370的方式。例如，当阵列316是MEMS（其中，每个引导元件是可旋转微镜片）时，控制器370能够例如经由通信线路372将控制信号传送给MEMS，而且MEMS能够响应于控制信号来旋转微镜片。类似地，当阵列316包括被写入LC SLM中的线性相位梯度时，控制器370能够传送控制信号以便改变LC上的相位图案。所有这些操作对本领域技术人员而言都是公知的。
阵列322动态地在下面描述的输出光学装置的方向上将光束引导离开阵列322。阵列322的操作原理与阵列316的操作原理类似。
输出光学装置接收被引导的光通道并将它们耦合到输出光端口334中。输出光学装置能够与上面描述的输入光学装置类似，除了光功能被翻转之外。例如，输出光学装置能够包括用于使被引导的光束倾斜以便根据输出光端口来对准光束的输出光倾斜体阵列324和用于根据所述对准来耦合光通道的输出衍射光学元件326。换言之，输出光学装置（例如，倾斜体阵列324和元件326）确保了与具有沿着y方向的相同位置的成像焦点相对应的所有光束都被耦合到同一输出光端口。
输出光倾斜体阵列324是沿着y方向的光倾斜体元件的排布，其中该阵列中的每个倾斜体元件将稍微不同的倾斜应用到入射到其上的光束。倾斜体阵列324优选包括Ko个倾斜体元件，每个倾斜体元件都包括与各个输出端口相对应的倾斜。在这些实施例中，倾斜体阵列324提供沿着y方向的KO个不同的倾斜角（每个输出端口对应一个唯一的倾斜角）。倾斜体元件可以具有本领域公知的任意类型，而且它们能够以反射模式（在该情况中，各个光束在被反射出各个倾斜体元件的同时被倾斜）进行操作，或者如图3B-C所示，以传输模式进行操作（在该情况中，各个光束在通过各个倾斜体元件时被倾斜）。倾斜体元件的代表性示例包括微棱镜、微镜片等。
在本发明的各种示例性实施方式中，输出衍射光学元件326与输入衍射光学元件308相同，除了其沿着x方向被翻转之外。这些实施方式允许针对输入端口304和输出端口334的分离位置的利用。
在一些实施方式中，输出光学装置还包括变形光学装置328，其被布置在位于衍射光学元件326之后的被引导光的光路中。变形光学装置328可以是例如变形棱镜对或一对柱透镜。如图3D所示，光学装置328在x-z平面中提供被引导光的一维收缩。这种收缩便于将光束耦合到各个输出端口中。可选地和优选地，由变形棱镜光学装置326提供的一维收缩与由变形棱镜光学装置306提供的一维延伸相匹配。
可选地，输出光学装置还包括KO个输入准直透镜系统332，每个输出端口具有一个透镜系统。每个透镜系统优选被布置在或邻近各个输出端口，以用于将输入光聚焦到输出端口。因此，参考标号332对应于沿着y方向被布置的透镜系统的堆叠或阵列。
下面根据本发明的一些实施方式来更详细地描述输入引导阵列316与输出引导阵列332之间的光路。阵列316和322中的每一个阵列能够独立地为反射型或折射型。图3A-F示出了本发明的阵列316和322都是反射型阵列的实施方式，而图6示出了阵列316和322都是折射型阵列的实施方式。下面的描述针对阵列316和322都是反射型的非限制性实施方式。
下面提供对这些阵列都是折射型的实施方式中阵列316与阵列322之间的光路的描述。
具体参照图3C，在本发明的一些示例性实施方式中，阵列316和322啮合透镜系统314的后焦面。在图3E和3F所示的可替换实施方式中，阵列316和阵列322啮合系统314的不同透镜的焦面。不失一般性，下面的描述针对系统314包括一个透镜的实施方式.
图3C示出了与其中一个输入端口302（在图3C中未示出，请见图3B）相对应的输入光束364。出于清晰描述的目的，没有示出来自其他输入端口（在Ki>1的优选实施方式中）的光束，但是在提供了本发明详细描述的情况下，本领域普通技术人员将知道如何向图3C中增加更多的光束。通常，如所阐述的，给定输入端口提供不止一个光通道。如上面描述的那样，这些通道通过输入光学装置沿着x方向被分离。因此，光束364表示被沿着x方向分离的多个光通道，因此没有在图3C中明确示出（请见图3B和2D中的通道350-1、350-2和350-3）。
在撞击衍射元件308之后，每个光束364穿越输入倾斜体阵列312，如所阐述的那样，该输入倾斜体阵列向光束364施加专用于各个输入端口的倾斜。然而，对于各个输入端口的所有通道而言，倾斜角优选是相同的。这样，每个光束364被相对于y方向倾斜了相同的角度。一旦被倾斜，光束364就通过透镜系统314，该透镜系统将光束364聚焦到位于其后焦面（或系统314的其中一个透镜的后焦面）处的输入引导阵列316上。由倾斜体阵列312施加的倾斜避免了在透镜后焦面处的重叠。光束364因此集体撞击阵列316的单个行，其中，光束364的每个单独的光束撞击那一行中的一个引导元件。换言之，由倾斜体阵列312施加的倾斜确保了光束364中的每一者都撞击阵列316的正确行，而且由衍射光学元件308施加的空间色散确保了光束364中的每一者都撞击阵列316的正确列（阵列316的行和列在图4中示出）。
位于阵列316的各个行处的光束引导元件通过反射将光束364向着透镜系统314引导。离开阵列316的光束被表示为366。
注意，对于所有信道而言，由阵列316规定的引导角不必相同。在图3C中示意性示出的代表性示例中，接收光束364的阵列316的行规定了相对于y轴的4个不同的引导角，因此光束366被示为沿着y方向分离的4条线。
还应当注意，表示光束366的这四条线中的每条线理论上都可以对应于不止一个光束，因为阵列316能够规定同一引导角对应于两个不同的通道。然而，由于通道被沿着x方向分离，所以针对表示光束366的每条线的多个通道并未示出。例如，考虑由特定的输入端口提供的多个通道N是5的简单情况。被指定为Ch1至Ch5的这5个通道分别聚焦在沿着阵列316的特定行布置的5个不同的引导元件322-1-1，...，322-1-5。假设这5个引导元件规定了4个不同的引导角，即θ1，...θ4，其中θ1由322-1-1进而322-1-2规定，θ2由322-1-3规定，θ3由322-1-4规定，以及θ4由322-1-5规定。在这种情况中，表示光束366的4条线中的其中一条线对应于通道Ch1和CH2（沿着x方向被分离），而其他三条线中的每条线对应于通道Ch3、Ch4和Ch5中的其中一者。
光束366通过透镜系统314，并且入射到转向器阵列318。由阵列316的各个行处的单独引导元件规定的角度确定了每个光束366在转向器阵列318处沿着y轴的位置和阵列318的转向角的选择。阵列318用于实现316与322之间的空间可变成像排布。能够由阵列318施加的空间可变成像操作的数量能够是Ki+Ko-1。
转向器阵列318优选具有被布置在沿着x方向延伸并沿着y方向堆叠的行中的多个加长转向器元件。因此，光束366被入射到阵列318的加长转向器元件中由阵列316所规定的角度动态选择的一个或多个加长转向器元件上。在图3C所示的代表性示例中，阵列316选择（针对各个输入端口）阵列318的4个不同的加长转向器元件。阵列318的转向器元件被布置，以便每个转向器元件以稍微不同的角度来重定向光束。转向器阵列318优选是静态光学元件，其中，每个加长转向器元件向各个光束施加唯一且预定的角度。
转向器阵列318可以是反射器阵列，在这种情况下，每个反射器元件是具有用于以稍微不同的角度来反射光束的唯一倾斜的反射元件。该实施方式在图3C中示出。针对适用于本实施方式的反射器阵列的代表性示例包括但不局限于微镜片阵列。转向器阵列318可以是反射器阵列，在这种情况下，每个反射器元件是具有用于以稍微不同的角度来反射光束的唯一倾斜的反射元件。该实施方式在图6B和6C中示出。针对适用于本实施方式的折射器阵列的代表性示例包括但不局限于微棱镜阵列。
一旦被转向器阵列318的各个折射器元件转向，光束366就通过透镜系统314被回传到引导阵列322上。因此，阵列316的光束引导元件被透镜系统314独立地映像到阵列322的光束引导元件上。
阵列322的光束引导元件（每个输出端口的每个光通道具有一个光束引导元件，请见图4）通过反射来动态地将光束366向着透镜系统314和输出倾斜体阵列324引导。由阵列322规定的引导角是根据期望的输入-输出交换方案的。
阵列322的给定镜片的引导角优选地确保了由其引导的光束到达倾斜体阵列324的与输出端口相对应的各个倾斜体元件处。光束366现在被沿着y方向对准，以有效地耦合到输出端口334。如下面将进一步描述的，沿着x方向将若干个通道组合到一个输出端口中能够受到输出衍射元件326的影响。因此，上面的描述展现了到4个不同输出端口的交换。
光束引导阵列316与322之间针对来自特定输入端口的特定光束的成像在图5中更好地示出，其中图5是系统300的局部侧视图。图5考虑了来自输入端口1的光束502，并示出了光束502在透镜系统314的前焦面P5-1处被衍射（通过输入衍射308，未示出，请见图3B）后的光束502。光束502被倾斜体阵列312的各个元件所折射，而且在透镜系统314之后，光束（现在被表示为504）在透镜系统314的后焦面P5-2处被聚焦到输入引导阵列316上。在图5所示的代表性示例中，光束504入射到阵列316的引导元件316-1-4上。因此，在该非限制性示例中，光束504构成了光通道No.4。如所阐述的那样，每个引导元件阵列316能够动态地改变反射后光束方向。光束504能够被元件316-1-4引导到方向506-A（用实线示出）或方向506-B（用虚线示出）中。
首先考虑得到的被引导光束处于方向506A中的场景。被引导光束506A穿越透镜314，得到光束508A。光束508A向着透镜系统314的前焦面P5-1传播并撞击到转向器阵列318的转向器元件（反射或折射型）318A上。阵列318优选位于平面P5-1处。转向器元件318A因此被元件316-1-4所规定的引导角所选择。被转向器元件318A所转向的光束（被表示为510A）被透镜系统314转换成在焦面P5-2处聚焦到阵列322上的光束512A。在图5所示的代表性示例中，聚焦后的光束512A入射到阵列322的元件322-1-4上。因此，在该场景中，元件316-1-4被映像到元件322-1-4上。继续该场景，元件322-1-4引导该光束以产生用于向着倾斜体阵列324的各个倾斜体元件传播的被引导光束514A，其中倾斜体阵列324将光束重新对准以得到重新对准后光束516A。光束516A被重新对准以允许其有效地耦合到输出端口1中。因此，在该场景中，第一输入端口的第四光通道被路由到第一输出端口。
其次考虑得到的被引导光束处于方向506B中的场景。被引导光束506B穿越透镜314，得到向着透镜系统314的前焦面P5-1传播并撞击到转向器阵列318的转向器元件318B上的光束508B。因此，在该场景中，元件316-1-4选择折射元件318B。被反射器元件318B所转向的光束（被指定为510B）被透镜系统314转换成在阵列322的元件322-2-4上聚焦的光束512B。因此，在该场景中，元件316-1-4被映像到元件322-2-4上。元件322-2-4引导光束以产生向着倾斜体阵列324的另一倾斜体元件传播的被引导光束514B，其中倾斜体阵列324将光束重新对准而得到被重新对准以允许其有效地耦合到输入端口2上的光束516B。
因此，在该场景中，第一输入端口的第四光通道被路由到第二输出端口。
注意，由于上面描述的成像过程的颠倒特性，沿着x方向的空间色散（在图5中未示出）被颠倒了。在这些实施方式中，上面描述的衍射光学元件308和326之间的互颠倒关系保持了输入端口302与输出端口304之间的分离。
下面描述阵列316和阵列322都是折射型的实施方式中阵列316与阵列322之间的光路。该实施方式在连续的图6A-D中示出。
图6A、6B和6D是系统300的俯视图的示意图，而图6C是图6B的侧视图。从输入端口302到阵列316的光路在图6A中示出，从阵列316到阵列322的光路在图6B和6C（前者是俯视图，后者是侧视图）中示出，而且从阵列322到输出端口334的光路在图6D中示出。因此，图6B和6C应当被理解为图6A的继续，而图6D应当被理解为图6B和6C的继续。
在图6A-D所示的实施方式中，透镜系统314包括被指定为314A、314B、314C和314D的4个透镜系统。参照图6A，阵列316啮合透镜系统314A的后焦面。在撞击衍射元件308之后，输入光束穿越输入倾斜体阵列312，如前面进一步描述的那样，该输入倾斜体阵列312向光束施加倾斜。一旦被倾斜，光束就通过透镜系统314A，该透镜系统314A将光束聚焦到位于透镜系统314A的后焦面处的输入引导阵列316上。
参照图6B，位于阵列316的各个行处的光束引导元件通过折射将光束向着透镜系统314B引导。光束通过透镜系统314B，并且入射到转向器阵列318。在本实施方式中，阵列318是折射器阵列。由阵列316的各个行处的单独引导元件所规定的角度确定了光束入射到其上的加长转向器元件。因此，阵列318的加长转向器元件被由阵列316所规定的角度动态地选择。一旦被各个转向器元件所转向，光束就穿过透镜系统314C传播到引导阵列322上。因此，阵列316的光束引导元件通过包括多个单独透镜系统（在本示例中为314A、314B和314C）的透镜系统被独立地映像到阵列322的光束引导元件上。
参照图6D，阵列322的光束引导元件（每个输出端口的每个光通道具有一个光束引导元件）通过折射将光束向着透镜系统314D和输出倾斜体阵列324引导。由阵列322规定的引导角是根据期望的输入-输出交换方案的。阵列322的给定镜片的引导角优选地确保了由其引导的光束到达倾斜体阵列324的与输出端口相对应的各个倾斜体元件处。现在光束被对准了以有效地耦合到输出端口334。如前面进一步描述的，输出衍射元件326将若干个通道组合到一个输出端口中。
虽然特别着重于阵列316、318和322都是反射型的配置和阵列316、318和322都是折射型的配置而描述了上面的实施方式，但是应当理解，对这些配置的更详细的引用不被解释为以任意方式限制本发明的范围。因此，阵列316、318和322中的任意一者可以独立地为反射型或折射型，而且本发明的一些实施方式设想折射和反射阵列的组合。
期望在本申请的专利权有效期内，许多相关的光学引导元件将被开发而且术语“光束引导元件”的范围意欲包括现有技术的所有这些新的技术。
图6是根据本发明一些实施方式的光通信系统600的局部示意图。图6示出了系统600的交换节点部分。系统600包括：至少一个，更优选地多个输入波导602，用于传播进入的波分复用光；至少一个，更优选地多个输出波导604，用于传播输出的波分复用光；以及WSXC系统606。在本发明的各种示例性实施方式中，系统606包括上面描述的系统300。在本发明的一些实施方式中，系统606是系统300。WSXC系统606能够通过输出和输入端口（诸如上面描述的端口304和334）连接到波导602和604。波导602和604可以是适用于引导波分复用光的任意类型。例如，波导602和604可以是光纤或者它们可以是嵌入式波导，诸如平面光电路（PLC）或其他阵列的波导。WSXC系统606执行光交换以允许从Ki个输入波导被路由到KO个输出波导的波分复用光数据。波分复用光数据在图7中由λ(p) q表示，其中p是输入波导索引（p=1,2，…，Ki），而q是通道索引（q=1,2，…，N）。如上面进一步描述的，WSXC系统606能够将来自任意输入波导的任意通道λ(p) q路由到任意输出波导。
措辞“示例性的”在本文用于表示“用作示例、实例或说明”。被描述为“示例性的”任意实施方式不是必须被解释为是优选的或优于其他实施方式和/或排除来自其他实施方式的特征。
措辞“可选地”在本文中用于表示“在一些实施方式中提供”以及“在其他实施方式中不提供”。本发明的任意特定实施方式都可以包括多个“可选”特征，除非这些特征冲突。
术语“包括（comprises）”、“包括（comprising）”、“包含（includes）”、“包含（including）”、“具有（having）”和它们的同根词意味着“包括但不局限于”。
术语“构成”意味着“包括并局限于”。
术语“主要构成”意味着组分、方法或结构可以包括其他组成部分、步骤和/或元件，但是仅在额外组成部分、步骤和/或元件没有本质上改变所要求的组分、方法或结构的基本和新颖特性的情况下。
如本文使用的，单数形式“一（a）”、“一（an）”和“该（the）”包括多个引用，除非上下文清楚地以其他方式指出。例如，术语“组合物”或“至少一个组合物”可以包括多个组合物，包括它们的混合物。
在整个说明书中，本发明的各种实施方式可以以范围的格式呈现。应当理解，范围格式的描述仅出于便利和简洁的目的，而且不应当被解释为对本发明范围的不灵活性限制。因此，具有范围的描述应当认为具有特别公开的所有可能的子范围以及该范围内的单独数值。例如，具有诸如从1至6范围的描述应当被解释为具有特别公开的子范围（诸如从1至3、从1至4、从1至5、从2至4、从2至6、从3至6等）以及位于那个范围内的单独数值（例如，1，2，3，4，5和6）。这意味着不考虑范围的宽度。
每当在本文中指出数值范围时，其意味着包括所指出范围内的任意被引用的数字（小数或整数）。短语“第一指示数与第二指示数之间的范围”以及“第一指示数到第二指示数之间的范围”在本文中可以互换使用，而且意味着包括第一指示数和第二指示数以及它们之间的所有分数和整数数。
应当意识到，本发明的某些特征（出于清晰起见，其仅在分离的实施方式的上下文中被描述）还可以被提供在单个实施方式的组合中。相反地，本发明的各种特征（出于简洁起见，其仅在单个实施方式的上下文中被描述）还可以被分离地提供或在任意适当的子组合中被提供或可以适当地被提供在本发明的任意其他实施方式中。在各种实施方式的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施方式的关键特征，除非在没有那些元件的情况下该实施方式是不可操作的。
虽然已经结合本发明的具体实施方式对本发明进行了描述，但是显然，许多可替换形式、修改或变形对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，意欲涵盖落入所附权利要求的精神和广阔范围内的所有装置可替换形式、修改和变形。
在本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请都通过引用而被全部引用到本说明书中，就如同每个单独的出版物、专利或专利申请被特别和单独地指出以通过引用而被合并到本文一样。另外，本说明书中对任意参考文献的引用或识别都不应当被解释为是认为这些参考文献能够作为本发明的现有技术。至于使用了章节标题，它们不应当被解释为是必要的限制。

Claims (23)

1.一种光交换系统，该光交换系统包括：
输入光学装置，用于从至少一个输入光端口接收光并将该光分离成多个光通道以将分离的光路分配给每个输入光端口的每个通道；
输出光学装置，用于将光路组合到至少一个输出光端口中；以及
光路引导排布，用于动态地将任意光路引导到任意光输出端口中，所述光路引导排布具有输入引导阵列和输出引导阵列，所述输入引导阵列和输出引导阵列被布置以便输入引导阵列被映像到所述输出引导阵列，其中，所述输入引导阵列被配置成经由所述光路接收光并将每个光通道引导到所述输出引导阵列的单独元件。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个输入光端口包括多个输入光端口。
3.根据权利要求1和2中任一权利要求所述的系统，其中所述至少一个输出光端口包括多个输出光端口。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的系统，其中，所述输入引导阵列和所述输出引导阵列啮合同一平面。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的系统，其中，所述光路引导排布包括被配置成用于在由所述输入引导阵列执行所述引导之后提供空间移位的转向器阵列。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述转向器阵列包括多个转向器元件，每个转向器元件被配置用于将撞击到该转向器元件上的光束转向预定的转向角，该转向角和与所述转向器阵列的任意其他转向器元件相对应的任何转向角不同。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述转向器阵列是反射型转向器阵列。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述转向器阵列是折射型转向器阵列。
9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的系统，其中，所述输入光学装置包括用于根据波长分离所述光的输入衍射光学元件和用于根据所述至少一个输入光端口来分离所述光的输入光学倾斜体阵列。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的系统，其中，所述输出光学装置包括用于使被引导的光倾斜以根据所述至少一个输出光端口来对准光束的输出光倾斜体阵列以及用于根据所述对准来耦合光通道的输出衍射光学元件。
11.根据权利要求1至10中任一权利要求所述的系统，其中，所述输入光学装置包括被构建以用于沿着第一方向延伸所述输入光的变形棱镜光学装置。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述输出光学装置包括用于沿着所述第一方向收缩被耦合的光通道的变形棱镜光学装置。
13.根据权利要求1至12中任一权利要求所述的系统，其中，该系统还包括用于根据所述输入引导阵列与所述输出引导阵列之间的预定成像场景来控制所述输入引导阵列的控制器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述控制器被配置成用于解谐所述输入引导阵列和所述输出引导阵列中的至少其中一者。
15.一种光通信系统，该光通信系统包括用于传播进入的波分复用光的至少一个输入波导、用于传播输出的波分复用光的至少一个输出波导和波长选择型交叉连接WSXC系统，其中，所述WSXC系统包括根据权利要求1至14中任一权利要求所述的系统。
16.一种光交换方法，该方法包括：
将构成多个光通道的光引导向根据权利要求13和14中任一权利要求所述的系统的至少一个输入光端口中；
根据所述预定成像场景来操作所述控制器；以及
从所述至少一个输出光端口接收光。
17.一种光交换方法，该方法包括：
接收构成K个输入光端口中的每个光端口中的N个光通道的光；
根据沿着第一方向的光通道和根据沿着第二方向的所述输入光端口来分离所述光；
将分离后的光聚焦到用于定义第一阵列的多个焦点上；
将每个焦点成像到用于定义第二阵列的成像焦点上，其中沿着所述第二方向的顺序在所述第二阵列和所述第一阵列中是不同的；以及
将光束引导离开所述第二阵列以将所述光束耦合到K个输出光端口中，其中与沿着所述第二方向具有相同位置的成像焦点相对应的所有光束被耦合到相同的输出光端口。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一阵列和所述第二阵列啮合同一平面。
19.根据权利要求17和18中任一权利要求所述的方法，其中，所述根据所述光通道的分离受到衍射的影响，以及所述根据所述输入光端口的分离受到折射的影响。
20.根据权利要求17至19中任一权利要求所述的方法，其中，所述光束通过根据各个输出光端口来沿着所述第二方向倾斜每个光束并沿着所述第一方向衍射倾斜后的光束而被耦合。
21.根据权利要求17至20中任一权利要求所述的方法，该方法还包括在所述分离之前沿着所述第一方向延伸接收到的光。
22.根据权利要求17至21中任一权利要求所述的方法，其中，所述耦合包括沿着所述第一方向收缩所述光。
23.根据权利要求17至22中任一权利要求所述的方法，其中，该方法还包括利用至少一个解谐过程来一般地均衡给定输出光端口的所有通道的功率水平。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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