CN102768385A - 光信道监控器 - Google Patents

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史蒂文·詹姆士·弗瑞斯肯
德米特里·阿巴科莫夫
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Abstract

此处公开的是光信道监控器(100)，其用于监控光传输***中的波长信道的性质。信道监控器(100)包括形式为光纤(102)的设置在竖直的“端口位移”维度上的多个输入端口。每个光纤(102)输入具有多个单独的波长信道的相应的光束(103)。作为例子，光束可以是密集波分复用(DWDM)信号，其具有以50GHz频率等距分隔开的多个波长信道。所述信号，采用光束(103)的形式，通过透镜(104)发送，所述透镜准直每个光束并在端口位移维度上将光束会聚到焦平面(105)。经过准直和会聚的光束入射到可选择性运动的空间操纵元件，所述空间操纵元件的形式为可旋转的微机电***(MEMS)反射镜(106)。所述反射镜选择性地在水平“色散”平面中以预定角度(由表示)将每个光束引导到形式为棱栅(108)的波长色散元件。棱栅(108)通过衍射在色散平面中将包含在每个光束(103)中的波长信道在空间上分离。每个信道被衍射的角度由角度
Figure DDA00001601969600012
控制。

Description

光信道监控器
技术领域
本发明涉及在光传输***中的信号监控。尤其是，本发明提供用于监控波分复用(WDM)信号的各个波长信道的光信道监控器。
尽管此处描述的一些实施例特别参考上述应用，但是应该意识到本发明并不限于这样的使用领域，而是可以在更广泛的情形中应用。
背景技术
整个说明书的背景技术的任何讨论决不应被考虑成对这种技术广为人知或形成本领域公知常识的一部分的认可。
光信道监控器用于在光通信中监控在整个网络上各波长信道的各种特性。在波分复用(WDM)***中，具有不同波长的多个信道作为单个组合信号传输。然而，存在会基于与波长相关的方式而影响光束的各种光学现象。这些影响包括色散以及在光学材料中的与波长相关的损失。因此，当每个信道传播经过光学***时监控每个信道的特性是有益的。
传统光信道监控器可以提供输入信道和输出信道的清单，一些装置可以报告每个信道的功率和峰中心波长。一些光信道监控器包括衍射光栅，用于从WDM信号在空间上分离各个波长信道。常规的信道监控器使用成像***，所述成像***具有控制透镜以在特定焦点处对光束成像。尽管这些***在设计上比较简单，但是控制透镜必须具有大的焦距以便提供良好的光谱性能。因为整个***的标度尺寸大致与焦距成比例，所以装备有成像***的光信道监控器一般尺寸较大。在标度尺寸是重要的考虑因素的光学***中，这经常是不利的。
标题为“High-Resolution Spectrally Adjustable Filter”的美国公开专利申请2009/0303562(Koeppen等人)公开了一种光信道监控器，其包括可倾斜的反射器(例如MEMS反射镜)和用于角分离各波长信道的衍射光栅。该装置装备有非成像***，在所述非成像***中光束在整个***中始终保持基本准直而不聚焦到一点。Koeppen等人提供了标度尺寸更小的装置，因为对光学元件的定位没有焦距方面的限制。然而，这种非成像***明显提高了设计的复杂性，尤其是在使用多个输入/输出时。此外，在该布置中，衍射光栅和可倾斜反射器的尺寸与***中的输入和输出的数量成正比。
发明内容
本发明的目的，在其优选形式下，是提供一种改进的光信道监控器。
按照本发明的第一方面，提供一种光信道监控器，包括：
设置在第一维度中的多个输入端口，每个输入端口适合传输包括多个单独的波长信道的光束；
光焦度元件，用于准直每个光束并在所述第一维度上角会聚所述光束到焦平面；
波长色散元件，用于在第二维度上在空间上分离每个光束的波长信道；
可选择性运动的空间操纵元件，用于选择性地将每个光束在第一维度上以预定角度引导到波长色散元件上；及
多个输出端口，用于接收和输出每个光束的至少一个预定的在空间上分离的波长信道，以用于检测每个预定信道的一个或更多个特性；
其中输入端口和波长色散元件设置在光焦度元件的对应焦平面处或大致邻近所述对应焦平面处，从而每个光束的预定波长信道被同时耦合到预定的输出端口。
波长色散元件优选为反射棱栅。棱栅优选相对于空间操纵元件定向成使得波长色散元件的被第二维度上的光束照射的表面面积在空间操纵元件运动时保持基本不变。
空间操纵元件优选设置在光焦度元件的会聚聚焦路径中的位置，在该位置处，光束的空间分离被减小。至少输出端口的子集优选包括光学探测器和光学狭缝。
空间操纵元件优选能够被选择性地旋转以选择性地在第二维度上经过输出端口扫描波长信道。更优选地，空间操纵元件被以预定频率驱动以在第二维度上周期性地扫描每个信道。优选地，空间操纵元件能够被选择性地旋转以选择性地将波长信道耦合到在第一维度上的期望的输出端口。空间操纵元件优选为微机电(MEMS)反射镜。
光信道监控器优选包括光学接收器，其耦合到每个输出端口以接收预定的波长信道并检测该信道的一个或更多个预定特性。
每个输入端口优选包括各自的微透镜，用于减小发散和增大每个入射光束的径向宽度。
根据本发明的第二方面，提供一种监控光信道的方法，包括下述步骤：
接收在空间上设置在第一维度上的多个光束，每个光束包括多个单独的波长信道；
准直每个光束并在第一维度上将所述光束角会聚到焦平面；
选择性地将每个光束在第一维度中以预定角度引导；
在第二维度中将每个光束的波长信道在空间上分离；及
同时接收和输出每个光束的至少一个预定的在空间上分离的波长信道，以用于检测每个预定信道的一个或更多个特性。
根据本发明的第三方面，提供一种光学信号监控装置，其用于监控光学输入信号在预定波长下的特性，所述装置包括：
至少一个输入端口，其投射出具有编码为不同波长的多个信道的第一输入光学信号；
光焦度元件，在第一切换维度上角会聚所投射出的光信号并在第二色散维度上准直所投射出的光信号，由此产生光焦度元件输出信号；
色散元件，在所述第二色散维度上使光焦度元件输出信号的不同波长色散，由此产生色散元件输出信号；
输出信号监控元件，用于监控色散元件输出信号的至少一个波长的光功率。
光学信号监控装置优选还包括可变传输方向元件，其以受控方式改变光焦度元件输出信号的投射方向，由此使不同波长被发送到输出信号监控元件上。
所述可变传输方向元件优选包括可旋转反射镜。所述色散元件优选包括棱栅，所述棱栅具有形成在第一表面上的衍射光栅，所述光焦度元件信号在传输通过所述棱栅以后被衍射光栅衍射。
贯穿说明书，对术语“光束”的提及指的是，并且与术语“光信号”同义地用以描述的是，将被光信道监控器监控的WDM信号。特别地提及“光束”，是因为WDM信号经常用空间特性和传播的方式描述，而为了便于理解，其用术语“束”比“信号”能更清楚地描述。然而，应该意识到，这种“光束”包括表示所传输的光信号的传播特性及波长信息。
应该意识到，在本说明书中所用的术语“光”并非要将光束和束的概念限制在电磁波的可见范围内。相反，术语“光”用来指能被所描述的光信道监控器以适当方式控制和操控的任何范围的电磁波。这种电磁波一般包括，但不限于，红外、可见以及紫外波长。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“一些实施例”或“实施例”的提及指的是结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因而，在整个说明书不同处中出现的措辞“在一个实施例中”、“在一些实施例中”或者“在实施例中”并不一定都指向同一实施例。此外，如本领域技术人员从本公开内容中显而易见看到的那样，所述特定特征、结构或特性可以在一个或更多个实施例中以任何适当方式组合。
如此处使用的那样，除非另外指明，序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等等的用处是描述共同对象，上述形容词仅表示正在谈到相似对象的不同例子，而并非意味着这样描述的对象必须处于给定顺序下(无论是时间上、空间上、等级上或者以其它方式)。
在下面的权利要求书和此处的描述中，术语“包括”、“包括有”或者“其包括”中的任何一个都是开放性术语，表示包含至少跟随其后的元件/特征但不排除其它元件/特征。因而，当用在权利要求书中时，术语“包括”不应被解释成对其后列出的手段或元件或步骤的限制。例如，表述“一种装置，包括A和B”不应限于仅由元件A和B构成的装置。此处所用的术语“包含”或“其包含”中的任何一个也是开放性术语，同样表示包含至少跟随其后的元件/特征但不排除其它元件/特征。因为，包含与包括同义并且意思就是包括。
附图说明
下面将参考附图仅以示例方式描述优选实施例，在附图中：
图1为根据第一实施例的光信道监控器的示意性侧视图，为了简单起见示出MEMS反射镜作为传输元件；
图2为根据第一实施例的光信道监控器的示意性平面图；
图3为棱栅的平面图/光线图；
图4为光线图，示出在水平色散平面中波长信道的空间分离；
图5为用于MEMS反射镜的校准***的透视图；
图6为最优MEMS反射镜取向曲线的示例图，示出在东/北相空间中；
图7为根据第二实施例的光信道监控器的示意性平面图；
图8为根据第三实施例的光信道监控器的透视图；
图9为根据第三实施例的光信道监控器的平面图；
图10为光信道监控器的输入端口的侧视图，所述输入端口具有微透镜阵列，用来减小入射光束的发散；
图11为光信道监控器的替代的输入/输出布置的正视图；
图12为形成PDFS补偿器的一对互补的双折射光楔；及
图13为根据第三实施例的光信道监控器的简化的示意性平面图，为间隔较远的输入/输出光纤对画出同一波长的两个正交的偏振状态的前进和返回路径的轨迹。
具体实施方式
在对各个实施例的整个描述中，对应的特征始终被给予相同的附图标记。
首先参考图1，其示意性地描绘光信道监控器100，用来监控光传输***中的波长信道的性质。光信道监控器100构造成通过例如光耦合器耦合到已有的光传输网络。
信道监控器100包括设置在竖直的“端口位移”维度(x轴)上的采用光纤102形式的多个输入端口。每个光纤102输入具有多个单独波长信道的各自的光束103。仅作为例子，光束可以是密集型波分复用(DWDM)信号，其具有在频率上以50GHz等距间隔开的多个波长信道。信号103，以光束形式，通过形式为透镜104的光焦度元件发送，所述透镜104准直每个光束并将在端口位移维度上的光束会聚到焦平面105。被准直和会聚的光束入射到可选择性运动的空间操控元件，所述空间操控元件采用的形式为可旋转的微机电***(MEMS)反射镜106。为了便于理解，反射镜106在图1中表示为透射元件。然而，如下面将描述和示出的那样，所述反射镜用来沿预定方向反射光束103。
现在参考图2，示出图1的光信道监控器的平面图。MEMS反射镜106选择性地将每个光束以在水平“色散”平面(y轴)中的预定角度(由
Figure BDA00001601969400061
表示)引导到波长色散元件，所述波长色散元件采用棱栅108的形式。棱栅108通过衍射在色散平面中在空间上分离包含在每个光束103内的波长信道。每个信道被衍射的角度由角度
Figure BDA00001601969400062
控制。
在MEMS反射镜106的某些取向处，在空间上分离的波长信道中的至少一个被棱栅108沿着与入射束103基本相同的路径衍射，由此通过光学***将该束耦合返回到预定的输出光纤110，其中至少一个信道被耦合到每个光纤110中而用于被接收器112检测和监控。接收器，其包括光学探测器诸如雪崩光电二极管和相关的处理部件，检测信道的一个或更多个特性，诸如信道峰功率和信道的中心波长。
再次参考图1的侧视图，输入端口102、输出端口110和棱栅108被唯一地设置在透镜104的对应焦平面114、105处或者大致在所述对应焦平面114、105附近处，从而每个光束103的一个或更多个预定的波长信道被同时耦合到预定的一个或多个输出端口。明确地说，在水平的色散平面中，光束被聚焦到输入和输出端口中并准直到棱栅108上，而在竖直的端口位移平面中光束103被准直并会聚到棱栅108上而且同样被聚焦到输入/输出端口102和110中。
这种对称构造允许MEMS反射镜106位于透镜104的会聚聚焦路径中，其中减小了光束的空间分离。这必定减小镜106所需要的尺寸。此外，对称的成像***允许监控器包含大量的输入和输出端口，而不会成比例地增大***的尺寸。
为了便于理解，首先将描述输入到光信道监控器中的单个光束的波长色散操作。然后会扩展所述概念以描述具有多个输入和输出的信道监控器的操作，并概述所公开的光信道监控器关于同时监控多个信号能提供的重要优点。
现在参考图3，棱栅108为复合元件，包括形式为棱镜116的第一部分和形式为衍射光栅117的第二部分。这些部分一起形成完整的光学棱栅元件。棱镜116限定大致三角形形状的棱栅108的两个表面并在最初将入射光束103折射到光栅117上，光栅117限定棱栅108的第三表面。衍射光栅117然后这一次将所述光束103角色散成分离的输出衍射级。任何直接反射的光束形成所谓的第零级并且不是波长分离的。然而，每个更高的级(第1级、第2级等)包括角色散的波长，由此将包含在光束103中的每个信道在空间上分离。
仅作为例子，在图3中，入射光束103包含三个波长信道，它们具有各自的波长λ1、λ2、λ3。应该意识到，光信道监控器100可以接收具有更多和更少数量的波长信道的光束103。在从光栅117衍射时，第零级(不色散的信号)被衍射离开光轴并离开***。第1级衍射信号根据波长被角色散。为了清楚起见，在图3中夸大了衍射的角度。通过使MEMS反射镜106处于适当方向，特定波长信道(在本例中为λ2)被耦合返回通过***，在该处它被透镜104聚焦到输出光纤110中以被监控。
应该注意到，棱镜116也可以在一定程度上根据波长而角色散所述光束。然而，这种色散相对于衍射光栅所提供的色散来说较小。因此，在图3中未示出棱镜所造成的角色散。此外，尽管所示出的棱栅108在形状上是三角形，但应该意识到，其它形式的棱栅也可被使用。还有，可以实现光信道监控器100的不同设计，而将更高的衍射级(第2级、第3级等)的波长信道耦合至输出端口110。
参考图4，在某些构造中，尽管以稍微不同的角度，一个或更多个波长信道被耦合返回通过光学***。在这种情况中，透镜104将每个波长信道聚焦在焦平面中不同的水平像点处，任一次都仅有一个信道被耦合到输出端口110。
信道监控器100的波长选择性实质上限定了滤光器，该滤光器滤出选定的波长信道以用于监控。滤光器轮廓以及因此监控器100的光谱效率部分地由入射在棱栅108上的每一光束的宽度，特别是闪耀表面118所控制。在本发明情形中，光束宽度是指光束在色散平面中的宽度。比起小宽度束，入射在衍射光栅上的大宽度束将产生更清晰的衍射图案。这有效地转换成线宽较窄的滤光器通带，而提供更好的波长选择性。
依赖于入射在光栅表面上的光束的光斑尺寸，常规衍射光栅将具有不同的光谱性能。光斑尺寸依赖于光束入射在闪耀表面118上的角度，因为它被棱栅108的棱镜部分折射。以相对于光栅表面较大的角度入射的光束将产生较大的光斑尺寸，因此比起以较小角度入射的光束能提供更好的光谱性能。在必须对扫描的光谱进行反卷积的情况下，性能的这种随角度的变化在光信道监控器中是不期望的。
再参考图2，上述问题可通过下述方法消除：使光栅117在棱栅108中相对于棱镜116的前表面120定向为使得，在下面将详细描述的MEMS反射镜106的完整扫描期间，由于表面120上的折射而导致的光束尺寸的逐渐增大可以被入射在光栅117上的光束尺寸的逐渐减小所补偿。结合对于为用于监控的给定波长范围的近利特罗(Littrow)衍射条件的要求，上述因素确定在棱栅108上的角入射的范围，以保证光信道监控器100的光谱性能对所监控的每个信道基本保持不变。
棱栅108的另一个优点是，棱镜部分116的光束展开性质增大了入射在光栅部分117上的光束103的宽度，由此提供更大的波长分辨率。此外，棱栅108的色散和衍射性质的组合还在色散平面中提供被放大的波长角分离性。这些效应的作用是进一步减小达到波长信道的足够的空间分离所需要的距离。通过选择棱栅的适当的性质而设定对每个波长信道的空间色散的控制。这些性质包括棱镜材料、取向和折射光栅的光栅线轮廓。通过使用具有高折射率的棱栅，棱栅的尺寸以及因此整个光学***的尺寸，可以减小。
尽管在优选实施例中，棱栅108由硅形成，但应该意识到，合适的棱栅可以由其它已知材料(包括各种光学玻璃以及晶体)形成。此外，所示的棱栅108使用单棱镜116。然而，在替代实施例中，包括相耦合的棱镜的组合的复合棱镜也可以一体地形成到单棱栅108中。
转到图3，在优选实施例中，光栅为具有闪耀表面118的闪耀衍射光栅117，通过改变光束入射到闪耀表面118上的角度而实现对输出波长信道色散的控制。然而，应该意识到，在替代实施例中，可以使用其它形式的衍射光栅，例如划槽光栅。
再参考图2和3，现在将描述由MEMS反射镜106提供的波长信道选择性。如上面解释的那样，由MEMS反射镜106形成的光束103的适当方向允许单个光信道耦合到输出光纤110中以通过接收器112监控。通过选择性地改变MEMS反射镜106相对于棱栅108的面角
Figure BDA00001601969400091
改变光束入射到棱栅108上的角度。改变该角度因此改变每个信道被从棱栅衍射的角度。因此，通过在水平色散平面中将MEMS反射镜106定向相对于棱栅108成预定角度
Figure BDA00001601969400092
可以监控特定的波长信道。
MEMS反射镜106的运动由相关的精确控制致动器实现。通过用周期输入函数驱动MEMS反射镜106，单独的波长信道在空间上扫描经过输出光纤110并耦合到接收器112，由此每个信道被监控一段短的时间。连续的周期性扫描允许光束中的每个信道以时间划分的方式被周期性地取样。
在替代实施例中，应该意识到可以使用其它类型的可控反射器。作为例子，在一个实施例中压电偏转反射镜被用来选择性地控制光束103的方向。
通过直接控制和测量所述反射镜在两个维度上的物理取向，实现对MEMS反射镜106的受控位置的校准。现在参考图5，示出用于MEMS反射镜106的监控***，其中MEMS反射镜示出为矩形。该***包括位于MEMS反射镜106的下侧或背侧上的在空间上分离的位置处的四个监控反射镜124，以及多个对应的光学探测器，诸如光电二极管126。从发光二极管(LED)128发出监控信号，该信号被四个监控反射镜124中的每一个反射开并被光电二极管126接收。每个光电二极管126检测到的光量提供了MEMS反射镜106的取向的精确测量。
现在参考图6，根据对所述反射镜的取向的精确了解，通过从接收器112以许多不同的反射镜取向测量***损失、串扰、信号功率和信号的峰波长，可以构建最优的取向曲线。对每个端口重复上述过程，在所有端口上使串扰和***损失最小化的路径被选为最优曲线。表示MEMS反射镜角度的理想顺序的示例性的最优曲线在图6中示出为东/北相空间中的路径。
当控制***偏离最优曲线时，例如当发生了机械振动时，实际取向数据与最优取向相比较。借助于充分的数据采样，则可以小心地忽略或削弱离最优曲线过远的数据点。替代地，依赖于MEMS反射镜106的取向在它们的各自测量处与最优曲线的偏差，可以施加合适的主动插值或补偿到数据上。
除了上述校准技术以外，MEMS反射镜106可被编程以执行周期性的暗电流测量。这是通过驱动MEMS反射镜106远离最优取向曲线以使得光束被偏转而远离输出端口来实现的。以此方式，由接收器测得的仅有的信号是该装置的固有的暗电流。一旦确定，可以在进一步的测量中合适地补偿所述暗电流。这种暗电流测量循环可以被编程成每预定时间段(诸如每半小时)执行一次。
在对校准问题的讨论结束之前，应该注意到每个MEMS反射镜106具有独一无二的波长响应函数。也就是说，在某些波长下，MEMS反射镜106将产生较低的***损失。MEMS反射镜的波长响应函数的形状可以因单元的不同而不同。因此，在一些实施例中，测量波长响应函数的形状并将其作为校准方法中的因素。
到目前为止，所描述的光信道监控器的操作仅涉及单个输入光束103。再参考图2，光信道监控器100包括一对输入光纤102和对应的输出光纤110，所述输入光纤102和对应的输出光纤110在端口位移平面中竖直地线性堆叠。该对光纤关于中心光轴122(z轴)对称设置，用于耦合在输入光纤102和输出光纤110之间的光束。然而，所述端口不必一定关于光轴对称设置，因为MEMS反射镜106可以被定向成补偿这一点。
参考图7，示出替代实施例，其中单个输入光纤102构造成将光束103的波长信道耦合到关于光轴122对称设置的对应的输出光纤110。这通过定向MEMS反射镜106以使得光束103以合适的角度入射到棱栅108上以将选定的波长信道衍射到输出端口110(就好像它位于对称的轴外位置一样)来实现。同样，输入光束的被衍射的波长信道可以在竖直的端口位移轴线上的一系列输出位置上切换。
这种功能产生了更多的能力来通过适当地调整MEMS反射镜106的取向而选择性地在多个输出光纤之间切换来自单个输入光纤102的光束。通过在色散平面和端口位移平面中选择合适的扫描频率，光信道监控器可构造成顺序地将从单个输入光纤102入射的光束的单个波长信道耦合到多个输出光纤中的每一个中。然而，如下面将讨论的那样，光信道监控器的优选操作是同时将来自多个光束中的每一个(从各自的输入光纤输入)的单个波长信道耦合到对应的输出光纤中，并经过MEMS反射镜的完整扫描来扫描输出波长信道。
应该意识到，输出端口110不必在端口位移平面中对齐。因为MEMS反射镜106可选择性地竖直地及水平地引导在空间上分离的波长信道，输入和输出光纤也可以在水平色散平面中在空间上分离，只要它们仍在端口位移平面中间隔开(以大致使回波损失最小化)即可。
现在参考图8，提供光信道监控器600的另一实施例，对于该实施例下面将描述利用多个输入和输出的操作和优点。在该实施例中，对应的特征被给予相同的附图标记。在图9中示出同一实施例的平面图。
在该实施例中，三个光束103通过微透镜604A至604C的阵列从各自的竖直地堆叠的输入光纤102输入。对应的输出微透镜606A至606C将输出波长信道耦合到各自的输出光纤110，所述输出光纤110线性地布置在输入光纤下面。尽管该光信道监控器包括并支撑分别来自三个输入光纤的三个同时的光束输入，但应该意识到，在其它实施例中，不同数量的输入和输出光纤可以布置在替代取向上以将选定的信道输出提供到期望的接收器。
图10示出微透镜阵列的分解图。微透镜604被连接到输入光纤102的末端，作用是降低光束103的发散而增大入射到透镜104上的每个光束的径向宽度。在相对端，输出微透镜606用来将所衍射的波长信道聚焦到各自的输出光纤中。透镜104处于一位置，从而它的焦平面位于微透镜阵列处。微透镜所提供的降低的光束发散度使得不再需要对透镜104的尺寸限制(否则是必须的)，由此针对给定标度尺寸进一步优化光信道监控器600的性能。
通过最上面的微透镜604A的光束通过底部微透镜606A耦合出去。类似地，来自输入微透镜604B和604C的信号被分别耦合到输出微透镜606B和606C。
再参考图8，用于形成光信道监控器600的其它的光学元件被安装在基板608上，所述基板608将所述元件保持在静止的稳定构造中。光学元件优选借助于粘合接触而固定地接合到基板608。
光束103首先传输通过偏振依赖频移(PDFS)补偿器610和偏振依赖损失(PDL)补偿器612，上述部件将在下面描述。接着光束103入射在高反射的反射镜614上以将光束限制到基板608的区域。在利用不同构造的光学元件的实施例中，或者在不限制空间范围的实施例中，可以省去反射镜614。
被偏转的光束入射在成像透镜104上，如上所述，成像透镜用来在色散平面中准直每个光束103以随后入射到棱栅108上。透镜104还在竖直的端口位移平面中准直光束103，而且降低每个光束在端口位移平面中的空间分离度，从而最大程度的利用MEMS反射镜106和棱栅108的可用的表面面积。在端口位移平面中进行的上述光束限制提供了对MEMS反射镜的更有效的利用，并允许更多的输入和输出端口装备在光信道监控器600中。
接下来，光束横穿展开棱镜616，该展开棱镜616用来在色散平面中展开每个光束103的宽度。因此，直径为圆形的光束被拉伸成椭圆形形状，其中长轴为水平的。增大光束的宽度允许棱栅108的更大的表面面积被利用，由此对光线产生更有效的衍射。
扩展光束入射到朝向下方的反射镜618，该反射镜618将光束引导至MEMS反射镜106上。在该实施例中，MEMS反射镜106在水平形状上是圆形的并可枢转地安装到基板608以便选择性地将光束103竖直地和水平地操纵到棱栅108上。然而，在替代实施例中，MEMS反射镜106具有不同的水平形状，包括正方形和矩形形状。在反射离开MEMS反射镜106以后，光束被反射回到朝向下的反射镜618上，反射镜618将其引导至棱栅108上。竖直分离的光束在水平方向上被衍射，特定波长信道或衍射级被通过透镜-反射镜***耦合回去。
MEMS反射镜106被周期性输入函数驱动，从而它在水平面内定向地扫描每个光束。在某些反射镜位置处，以类似于上面所述的方式，波长信道将通过所述***被耦合回到对应的输出光纤100中。MEMS反射镜106也可以在正交方向上旋转，从而光束103被竖直地引导。这允许来自给定的输入光纤的光束被耦合到位于所述输入光纤上方或下方的预定的输出光纤110中。
在一个实施例中，监控器600是双向的和可逆的，从而输入光纤102和输出光纤110每个能够或者输入或者输出光信号。就是说，输入光纤能够用作输出光纤，反之亦然。此外，在一些实施例中，输入和输出光纤设置在交替的奇偶排列中，使得输入光纤位于与输出光纤相邻位置且类似地，输出光纤位于与输入光纤相邻位置。这种布置具有与降低相邻光纤之间的串扰相关的优势。在又一个实施例中，信道监控器600提供选择性，其中在任一次中使用特定的输入和输出端口。这种灵活性允许相邻端口在交替时刻使用从而减小了串扰。
应该意识到，图8和9中所示的光学元件的特定结构被选择成减小***的总的尺寸，并将信道监控器装配到基板608上。在另一实施例中，部件布置在其它构造中，诸如更线性的构造。
参考图11，示出图8的光纤座架604的替代实施例。在此，来自三个等距间隔开的输入光纤102的在空间上分离的波长信道被直接耦合到三个相应的光学探测器624A-624C，例如雪崩光电二极管。探测器624位于狭缝626内，该狭缝用作空间滤波器以限制入射到探测器624上的光束的宽度。也可以将一个或更多个狭缝设置在输入或输出光纤的前面，例如图8中的实施例那样。
在横穿光学***时，每个光束可能经历会损害被检测的信号的质量的光学现象。一种这样的现象为偏振依赖损失(PDL)。它是由于各种光学介质的非各向同性属性造成的在不同偏振状态之间经历的差分信号衰减。这种效应是依赖于波长的且在高数据速率传输中特别突出。在光信道监控器中补偿PDL是特别重要的，因为PDL的波长依赖性对某些测得的波长信道的测量结果产生偏差。将合适的PDL补偿结合到信道监控器中允许对某些光学元件(诸如硅棱栅108)的限制被放松。
通过将形式为逸散(walk-off)晶体和四分之一波片的组合的PDL补偿器612引入到光束103的路径中，来补偿PDL。逸散晶体将每个光束在空间上分成其构成的正交偏振分量。四分之一波片作用是在光束传播通过信道监控器600之前使每个光束103的分离的偏振分量圆偏振。这种PDL补偿器612将任意偏振的光束转变成两个取向相反(一个左旋，一个右旋)的圆偏振光束。在圆偏振状态下，电场矢量在每个取向中花费相等的时间，因此经受相等的损失。在回程中，在第二次经过四分之一波片以后，逸散晶体将分量在空间上重新组合成单个输出光束。得到的正交偏振分量在相同偏振状态下花费了相等的时间，因此经受基本相同的损失。PDL补偿器612还补偿出现在***中的任何依赖于偏振的延迟。
在光信道监控器中可能经历的第二种光学现象是偏振依赖频移(PDFS)。这种效应在来自输入光纤的两个偏振状态由于PDL补偿而经过不同的光路时出现，所述两个偏振状态可以既在色散平面中分离也在端口位移平面中分离。光束在棱栅108上的在竖直面以及水平面中的入射角导致特定波长衍射角的变化。因此，在经过不同光路时，作为构成的偏振分量以不同角度入射到棱栅108上，这导致在输出光纤处在同一波长的两个偏振状态之间出现空间偏移。这样，每个波长信道依赖于偏振状态以不同的MEMS反射镜倾斜角耦合到接收器112中，这使光信道监控器600的性能变差。因此，合适的PSFS补偿是期望的。
再简短地参考图1，可以看出，经过不同输入/输出光纤路径的光束以不同角度入射到棱栅108上。尤其是，经过来自输入/输出光纤对的路径的光束比靠近光轴122的那些以更大的角度入射到棱栅108上。因此，在预置多个输入和输出的情况下，不能仅通过对齐而同时补偿PSFS。因此，单独的PSFS补偿是重要的。
现在参考图12，示出PDFS补偿器610，其采用的形式为一对互补的双折射光楔628和630。这些光楔在竖直端口分离平面中具有互补的渐缩的(tapered)宽度以及相反的双折射性质以在水平色散平面中提供相反的逸散方向。光楔628、630布置成使得沿补偿器610的中心(在所述中心处光楔628和630的宽度相等)穿过的水平偏振光束展现出总的零水平位移。类似地，沿补偿器610的竖直的下侧区域(在所述下侧区域，光楔630的宽度大于光楔628的宽度)穿过的水平偏振光束被移位到传播方向的右边。
为了示出在光信道监控器中PDL和PDFD补偿的实现，图13示出光线图，其画出对于间隔开较远的输入/输出光纤对的同一波长的两个正交偏振状态的前进和返回路径。这里省略了MEMS反射镜106并简化了棱栅以便于理解。竖直偏振分量用实线表示而水平偏振分量用虚线表示。
首先转到起初为竖直分量的路径(实线)，该分量最初不受影响地经过PDFS补偿器610。在入射到PDL补偿器612之前，半波片632将竖直分量旋转成水平取向，这使得光束移到左边。透镜104准直所述光束到棱栅108上，棱栅108以角α1衍射光束。在返回路径上，光束被透镜104准直并不受影响地经过PDL补偿器612。因为光束现在是水平偏振的，因此它被光楔630移到左侧然后被光楔628移到右侧。由于光楔628在输出端口水平位置处的厚度更大，净移动是到右侧，由此在色散平面中将光束与其初始路径重新对齐。
仍然参考图13，注意力现在转向初始水平分量的路径(虚线)。该分量最初被光楔628移到左侧然后被光楔630移到右侧。在输入端口的水平位置处光楔630的宽度更大，提供向右侧的净移动。光束被半波片632旋转成竖直取向，因而光束不受影响地经过PDL补偿器612。透镜104准直光束到棱栅108上，在该位置处，光束以角度α2衍射。该光束的返回路径与正交分量的前进路径重合，如图13中所示。
替代实施例
波长信道在色散平面中被在空间上分离，作为例子所述色散平面在这里为水平面。然而，应该意识到，在其它实施例中棱栅108在不同于水平维度的取向上将波长信道在空间上色散。
在所示的实施例中，信道监控器与接收器112分离，而接收器112耦合到输出端口110。然而，应该意识到，在其它实施例中，接收器112可以装备在信道监控器中。
尽管在所示的实施例中使用的是分离的输入和输出光纤，但是在替代实施例中相同光纤被同时用作至接收器112的输入和输出端口。由于使用成像透镜104，该输入/输出耦合可以同时发生，所述成像透镜104限定了返回信号能够在其中被接收的焦平面114。在该替代实施例中，使用三端口光学循环器以分离在相反方向传播的信号。以此方式，从外部光学***输入的信号被限制而不能直接传播到接收器112，而从信道监控器100返回的信号被限制而不能传播回到外部光学***。
在一个实施例中，信道监控器包括多个输入光纤和单个输出光纤。反射镜106被特定的周期性扫描函数驱动以在水平和竖直平面两者中倾斜，以使得来自输入光纤的交替光纤的单独的波长信道被顺序耦合到输出光纤。作为例子，在具有分别输入信号(P1、P2、P3)的三个输入端口的监控器中，每个输入信号具有三个波长信道(λ1、λ2、λ3)，反射镜106构造成将下述信道序列按时间耦合到输出光纤：P1λ1、P2λ1、P3λ1、P1λ2、P2λ2、P3λ2、P1λ3、P2λ3、P3λ3。在其它实施例中，提供不同的耦合序列。应该意识到，反射镜106的二维倾斜允许监控来自输入和输出光纤或端口的基本上任何二维阵列的信道。
在一个实施例中，信道监控器与主动补偿***通信以在监控每个信道的特定特性之后选择性地补偿光束。例如，如果在信道已经被监控以后确定特定波长信道的功率低于相邻的多路复用信道的功率，则可以在监控器的下游向该信道提供放大。
尽管在上面示出的实施例中，棱栅108被描述为利用反射衍射光栅，但应该意识到，也可以使用透射衍射光栅。然而，这样的实施例必须需要更大的基板，因此在标度尺寸上更大。
应该意识到，在替代实施例中，可以实施光学元件的不同组合和构造以操纵在输入端口102、MEMS反射镜106、棱栅108和输出端口110之间的光束。例如，在一个实施例中，优选在光束入射到MEMS反射镜106之前减小束腰，而在光束入射到棱栅108之前增大束腰。
结论
应该认识到，上面的公开内容提供一种改进的光信道监控器。还应该认识到，本公开内容提供紧凑的光信道监控器，其有效地包含多个输入/输出端口并且***的复杂性被降低。
通过使用在上面描述的独特构造中的棱栅108，所公开的光信道监控器缓解了在现有的成像***光信道监控器中存在的标度问题。尤其是，通过在紧凑的成像透镜104的焦平面中提供单一衍射，减小了标度尺寸。就是说，在棱栅108内的棱镜116的光束宽度控制允许使用具有小的焦距的紧凑透镜104，而不会明显影响装置的光谱性能。
此外，使用成像***，相对于非成像***而言，在包含多个输入和输出方面提供了简便性。具体地说，所公开的光信道监控器包括单个主成像透镜104，其限定用于为多个光束同时成像的单个焦平面。这允许多个输入和输出端口通过将所述端口放在透镜104的焦平面中而被容易地装入。就是说，要增加另外的端口，不需要额外的透镜或光学元件。这种单一透镜设计还便于将输入光纤102用作输出端口110，由此提供简单的、更紧凑的设计。
通过将端口位移平面中的光束路径会聚在棱栅108上，多个端口可以容纳在光信道监控器600中。这导致更有效地利用MEMS反射镜106的面积并且允许更多的输入/输出端口同时工作。
棱栅108具有有利的光束展开性质，其与典型的衍射或色散元件相比提供更高的波长分辨率。此外，棱栅108的对色散和衍射性质两者的组合还在色散平面中提供放大的角波长分离。这些效应可以减小达到波长信道的足够的空间分离所需要的距离，这在促进光信道监控器中的切换方面是特别有利的。
解释
贯穿上述说明书，术语“元件”用于指单个一体部件或组合起来以实现特定功能或目的的部件集合。
在上面对示例性实施例的描述中，应该认识到，有时不同特征在一个实施例、附图或其描述中聚集在一起，目的是整体性地介绍本公开内容并且帮助理解各种创新方面中的一个或更多个。然而，上述公开的这种方法不应被解释成反映下述意图：请求保护的光信道监控器需要比明确记载在每个权利要求中更多的特征。相反，如所附的权利要求所反映的那样，创新的方面包含比单个前述公开的实施例的所有特征更少的特征。因而，具体实施方式之外的权利要求书据此明确地合并到具体实施方式中，每个权利要求自身即为单独的实施例。
此外，如本领域技术人员所理解的那样，尽管这里描述的一些实施例包括包含在其它实施例中的一些而非其它特征，但不同实施例中的特征的组合应落入所公开的光信道监控器的范围内，并形成不同的实施例。例如，在所附的权利要求中，可以以任意组合使用所主张的任何实施例。
在此处提供的描述中，阐明了许多特定细节。然而，应该理解，可以不限于这些特定细节来实现这些实施例。为了不混淆对说明书的理解，在其它情况中，公知的方法、结构和技术没有被详细示出。
类似地，应该注意到，术语“耦合”当用在权利要求中时，不应被解释为限于仅直接连接。可以使用术语“耦合”和“连接”连同它们的衍生词。应该理解，这些术语并非是彼此的同义词。因而，表述装置A耦合到装置B的范围不应限于其中装置A的输出直接连接到装置B的输入的这样的装置或***。而是，其意味着在A的输出和B的输入之间存在路径，该路径可以是包括其它装置或器件的路径。“耦合”可以指两个或更多元件处于直接物理、电学或光学接触，或者两个或更多元件并不彼此直接接触但仍然彼此协作或相互作用。
因而，尽管已经描述了被相信为优选实施例的上述内容，但是本领域技术人员应该认识到，可以在不偏离所公开的光信道监控器的精神的情况下对其做出其它和进一步的改变，申请人所主张的这些改变和修改均落入本公开内容的范围内。例如，对本公开内容的范围内所描述的方法，可以加入步骤或去掉步骤。

Claims (19)

1.一种光信道监控器，包括：
设置在第一维度中的多个输入端口，每个输入端口适合于传输包括多个单独的波长信道的光束；
光焦度元件，用于准直每个光束并在所述第一维度中角会聚所述光束到焦平面；
波长色散元件，用于在第二维度上在空间上分离每个光束的波长信道；
可选择性地运动的空间操纵元件，用于选择性地将每个光束在第一维度中以预定角度引导到波长色散元件上；及
设置在第一维度中的多个输出端口，用于接收和输出每个光束的至少一个预定的在空间上分离的波长信道，以用于检测每个预定信道的一个或更多个特性；
其中输入端口和波长色散元件设置在光焦度元件的对应的焦平面处或大致邻近所述对应的焦平面处，以使得每个光束的预定的波长信道被同时耦合到预定的输出端口。
2.根据权利要求1所述的光信道监控器，其中波长色散元件为反射棱栅。
3.根据权利要求2所述的光信道监控器，其中棱栅相对于空间操纵元件定向成使得波长色散元件的在第二维度中被光束照射的表面面积在空间操纵元件运动时保持基本不变。
4.根据权利要求1所述的光信道监控器，其中空间操纵元件设置在光焦度元件的会聚聚焦路径中的位置，其中光束的空间分离被减小。
5.根据权利要求1所述的光信道监控器，其中至少输出端口的子集包括光学探测器和光学狭缝。
6.根据权利要求1所述的光信道监控器，其中空间操纵元件被选择性地旋转以选择性地在第二维度上经过输出端口扫描波长信道。
7.根据权利要求6所述的光信道监控器，其中空间操纵元件被以预定频率驱动以在第二维度上周期性地扫描每个信道。
8.根据权利要求1所述的光信道监控器，其中空间操纵元件被选择性地旋转以选择性地将波长信道耦合到在第一维度上的期望的输出端口。
9.根据权利要求1所述的光信道监控器，其中空间操纵元件为微机电(MEMS)反射镜。
10.根据权利要求1所述的光信道监控器，包括光学接收器，其耦合到每个输出端口以接收预定的波长信道并检测该信道的一个或更多个预定特性。
11.根据权利要求1所述的光信道监控器，其中每个输入端口和输出端口包括各自的微透镜，用于减小发散和增大每个入射光束的径向宽度。
12.根据权利要求1所述的光信道监控器，包括逸散晶体和四分之一波片，用来补偿偏振依赖损失。
13.根据权利要求1所述的光信道监控器，包括一对互补的渐缩的双折射光楔，用于补偿偏振依赖频移。
14.根据权利要求13所述的光信道监控器，其中双折射光楔在第一维度上在宽度上是渐缩的，并具有相反的双折射性质，由此将特定波长的已经在第二维度上以不同角度在空间上分离的偏振状态重新对齐。
15.一种监控光信道的方法，包括下述步骤：
接收在空间上设置在第一维度上的多个光束，每个光束包括多个单独的波长信道；
准直每个光束并在第一维度上将所述光束角会聚到焦平面；
在第一维度上以预定角度选择性地引导每个光束；
在第二维度上将每个光束的波长信道在空间上分离；及
同时接收和输出每个光束的至少一个预定的在空间上分离的波长信道，以用于检测每个预定信道的一个或更多个特性。
16.一种光学信号监控装置，用于监控光学输入信号在预定波长下的特性，所述装置包括：
至少一个输入端口，其投射出具有编码为不同波长的多个信道的第一输入光学信号；
光焦度元件，在第一切换维度上角会聚所投射出的光信号并在第二色散维度上准直所投射出的光信号，由此产生光焦度元件输出信号；
色散元件，在所述第二色散维度上使光焦度元件输出信号的不同波长色散，由此产生色散元件输出信号；
输出信号监控元件，其监控色散元件输出信号的至少一个波长的光功率。
17.根据权利要求16所述的装置，还包括：
可变传输方向元件，其以受控方式改变光焦度元件输出信号的投射方向，由此使不同波长被发射到输出信号监控元件上。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述可变传输方向元件包括可旋转反射镜。
19.根据权利要求16所述的装置，其中所述色散元件包括棱栅，所述棱栅具有形成在第一表面上的衍射光栅，所述光焦度元件信号在传输通过所述棱栅以后被衍射光栅衍射。
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