專利名稱：可控波長選擇光交叉連接器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及路由多波長光信號的光交叉連接器，具體說，是涉及可磁控波長選擇光交叉連接器。
在現(xiàn)代電信網(wǎng)絡中，由于光纖的高速和寬帶寬，一般首選光纖作傳輸介質(zhì)。波分復用(WDM)把許多不同波長的光信號組合起來，在一根單獨的光纖上傳輸，因而被用來滿足日益增長的速度更高和帶寬更寬的要求。
在通信網(wǎng)絡中，比如那些采用WDM的網(wǎng)絡中，各個光信號需要有選擇地路由至不同的目的地。通過通信網(wǎng)絡中的互連節(jié)點，有選擇地路由信號的一種必要部件，是一個高容量的矩陣或交叉連接交換器。目前，在光通信網(wǎng)絡中使用的大多數(shù)交叉連接交換器不是手動的便是電子的。電子交換器要求多個光-電和電-光轉(zhuǎn)換。由于以光的形式傳送信息，在速度和帶寬上有好處，所以對以WDM為基礎的光網(wǎng)絡，全光的網(wǎng)絡元件是首選的解決辦法。此外，為在光學層上提供管理帶寬的靈活性(例如在逐個波長的基礎上)，也需要全光的網(wǎng)絡元件。
雖然已經(jīng)作出努力發(fā)展全光的交叉連接器和交換器，但是這些努力沒能跟上對速度更高和帶寬更寬的永恒增長的要求。例如，某些交叉連接裝置打算把鈮酸鋰(LiNbO3)交換器陣列與光纖放大器組合起來，以解決現(xiàn)有系統(tǒng)的速度和損耗問題。雖然鈮酸鋰交換器陣列具有快速交換器的性能，光纖放大器有能補償LiNbO3損耗的特性，但這類交叉連接器，不具備必要的波長選擇性，以便對帶寬進行有效的管理。在另一種光交叉連接裝置中，用波長變換元件，把各個波長信道按照共同的目的地重新安排。特別是，多波長光信號被分路，變成各個不同波長的光信號，而各個光信號，則用與每一個不同波長相對應的空間分開的各層交換器結(jié)構(gòu)來轉(zhuǎn)接。使用分路器和分開的交換器結(jié)構(gòu)層，這種交叉連接裝置，實現(xiàn)起來既昂貴又復雜。類似地，已知的別的使用多級交換器結(jié)構(gòu)類型的交叉連接裝置，也一樣昂貴和復雜。
按照本發(fā)明的一種光交叉連接交換器(switch)，包括一個分配多波長光輸入信號的光學路由器，一個把多波長信號送至該交換器輸出口的光組合器，以及把光路由器和光組合器互連的光纖。所選互連光纖包含可控的波長選擇元件，例如可磁控光纖光柵，該光柵透過或反射多波長光信號內(nèi)的個別信道，使一個被選擇的特定波長信道，能從該交換器的任何輸入口路由至任何輸出口。
在一個示例性實施例中，光路由器部分包括多個輸入光耦合器，其中每一個輸入光耦合器與該光交換器相應的輸入口相連。同樣，光組合器部分包括多個輸出光耦合器，其中每一個輸出光耦合器與該光交換器相應的輸出口相連。每一個輸入光耦合器連同與之相連的在互連光纖上的光纖光柵，被用來分配經(jīng)輸入口接收的信號，而每一個輸出光耦合器連同與之相連的光纖光柵，被用來組合要送至該交換器輸出口的信號。通過控制光纖光柵的透過和反射工作模式，可以用光纖光柵來完善多波長光信號的各個信道在逐個波長基礎上的轉(zhuǎn)接。
光交叉連接交換器并不要求光到電和電到光的轉(zhuǎn)換，只以光的形式傳送信息，因而能夠獲得與之相關(guān)的在速度和帶寬上的優(yōu)點。此外，由于使用一系列高速，可磁調(diào)諧和可磁閂鎖的光纖光柵來實現(xiàn)轉(zhuǎn)接功能，該光交換器具備了必要的波長選擇性，在光學層上優(yōu)化了帶寬的管理，比如逐個波長管理。比起現(xiàn)有裝置，這種光交換器也不那么昂貴和不那么復雜。它運行快速且無需功率來維持轉(zhuǎn)接狀態(tài)。還有，可以按某種方式裝配和封裝這種交換器，使其交換器性能和波長選擇性不受環(huán)境溫度變化的影響。
考察下面結(jié)合附圖的詳細說明后，可以獲得本發(fā)明原理更完整的了解，附圖中以相同的參考數(shù)字表示相同的元件。附圖有

圖1是一個示例性的實施例，畫出一個按照本發(fā)明原理的2×2波長選擇光交換器；圖2示意地畫出一種示范性的可磁調(diào)諧光纖光柵器件，它可連續(xù)調(diào)諧并可閂鎖在若干個波長值上；
圖3(a)-(c)分別畫出矩形的，優(yōu)化歪斜的，和過度歪斜的M對H磁滯回線；圖4畫出被閂鎖波長的漂移實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是對一個可連續(xù)調(diào)諧的光纖光柵，施加不同強度的脈沖磁場而獲得的。
圖5是一個示意圖，表示一個雙穩(wěn)可磁調(diào)諧光纖光柵器件；圖6畫出兩個波長的可重復性實驗數(shù)據(jù)，它是對一個雙穩(wěn)可磁調(diào)諧器件，施加相反符號的磁場而得到的；圖7(a)-(b)畫出器件結(jié)構(gòu)的一種變化，它利用含有光柵的光纖的可磁控彎曲，使光纖光柵獲得某種應變；圖8(a)是另一個示例性實施例，畫出又一個按照本發(fā)明原理的2×2波長選擇光交換器；圖8(b)是一個簡化的示意圖，畫出一個演示性例子，表明圖2所示2×2波長選擇光交換器的工作原理；圖9是一個示例性實施例，畫出一個按照本發(fā)明原理的K×M波長選擇光交叉連接裝置；圖10(a)畫出圖9的K×M波長選擇光交叉連接裝置中1×M波長選擇光路由器部分；圖10(b)畫出圖9的K×M波長選擇光交叉連接裝置中K×1波長選擇光組合器部分；圖11表明一種廉價且實用的方法，把(a)可磁控光柵，或(b)整個光交叉連接系統(tǒng)，封裝在一單個恒溫爐內(nèi)，以抵抗環(huán)境溫度的起伏，使之穩(wěn)定。
圖12(a)-(b)是示意圖，表明一個雙穩(wěn)的，可磁調(diào)諧光柵器件，通過添加一個負熱膨脹元件，使之對溫度不敏感。
應當明白，這些圖只用來說明本發(fā)明的概念，除曲線圖外，都是不按比例畫的。
本發(fā)明分為四部分。第Ⅰ部分描述按照本發(fā)明的一個光交叉連接交換器。第Ⅱ部分描述用于該交換器的可磁調(diào)諧光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理。第Ⅲ部分描述所發(fā)明的交換器的各種變化的實施例，和第Ⅳ部分描述封裝該交換器的裝置。
Ⅰ．光交叉連接交換器參見附圖，圖1畫出一個2×2光交換器100的示例性實施例，此交換器能轉(zhuǎn)接多波長光信號，例如波分復用(WDM)光信號的各個信道。在圖1所示例子中，多波長信號I1和I2，每一個以 表示包含N個單獨信道，其中每個單獨信道與N個波長之一相聯(lián)系。但是應該指出，這一配置僅為了說明。例如，可以把不同波長指派給多波長信號I1和I2的各個信道。
光交換器100包括一個光路由器部分150和一個光組合器部分151。包括定向光傳遞器件101和102的光路由器部分150，對多波長光輸入信號I1和I2進行分配。包括定向光傳遞器件103和104的光組合器部分151，把多波長光信號組合起來，作為輸出信號O1和O2而輸出。更具體說，定向光傳遞器件101和102分別經(jīng)輸入光纖106和107接收多波長光輸入信號I1和I2。同樣，定向光傳遞器件103和104分別與輸出光纖108和109耦合，分別送出多波長光輸出信號O1和O2。定向光傳遞器件101-104可以包括業(yè)內(nèi)人士熟知的光環(huán)行器，或任何能夠以定向方式傳遞或耦合光能量的其他已知器件。為便于說明，此后的說明都指光環(huán)行器101-104。
光環(huán)行器101-104經(jīng)互連光纖125-128耦合在一起，其中光纖125-126是在其內(nèi)配備波長選擇元件105的波長選擇光纖。波長選擇元件105可以由業(yè)內(nèi)熟知的可調(diào)諧光纖布拉格光柵，或任何其他已知的波長選擇濾波器構(gòu)成。為便于說明，此后的說明都指光纖光柵105。如圖所示，光纖125包括光纖光柵105A，而光纖126則包括光纖光柵105B。如圖所示，光環(huán)行器101的口110，經(jīng)過波長選擇光纖125，沿直通路徑與光環(huán)行器103的口115耦合。光環(huán)行器101的口111，經(jīng)過光纖127，沿跨接路徑與光環(huán)行器104的口118耦合。同樣，光環(huán)行器102的口113，經(jīng)過波長選擇光纖126，沿直通路徑與光環(huán)行器104的口117耦合。光環(huán)行器102的口112，經(jīng)過光纖128，沿跨接路徑與光環(huán)行器103的口116耦合。
與現(xiàn)有的光交換器和交叉連接系統(tǒng)不同，光交換器100，按照本發(fā)明原理，使用可調(diào)諧光纖光柵來實現(xiàn)波長選擇轉(zhuǎn)接功能。特別是，光纖光柵105能夠調(diào)諧，從多波長光輸入信號I1和I2中，反射或透過任何特定波長的光信道。在一個例子中，光纖光柵105能夠調(diào)諧或編程，使光纖光柵105中至少一個被用來對某個要路由的特定波長，從光交換器100的某個輸入路由至某個輸出。光纖光柵105既可用作帶阻濾波器，也可用作帶通濾波器。用作帶阻濾波器時，光纖光柵105能夠用來反射多波長光信號中任何特定一個波長或一組波長。反之，用作帶通濾波器時，光纖光柵105能夠用來透過任何特定的一個波長或一組波長。
利用制造技術(shù)來裝配光纖光柵的方法，或調(diào)諧/編程技術(shù)，是眾所周知的。這里描述的實施例里，光纖光柵能夠被接入光纖路徑，或直接蝕刻在光纖上，或采用其他已知技術(shù)。有關(guān)把光纖光柵用作波長選擇部件的進一步基礎知識，例如參考Hubner等Strong Bragg Gratingsin Non Sensitized Low Loss Planar Waveguides as Building Biocks forWDM Network Components,SPIE Vol.2998,No.12,Photonics West 97,San Jose,CA,1997。
在運行中，光交換器100采用波長選擇的分/插原理，完成與傳統(tǒng)的縱橫接線器等效的轉(zhuǎn)接功能。更具體說，包含各個信道，而各個信道有其特定波長的一個多波長光信號，作為輸入I1，從光纖106送至光環(huán)行器101。光環(huán)行器101把多波長光信號經(jīng)過光環(huán)行器101的口110，傳送至波長選擇路徑125。那些具有在光纖光柵105A透射帶內(nèi)波長的各個信道，作為一種“直通”連接，并且作為多波長輸出信號O1的一部分，被傳送至光環(huán)行器103的口115。這種“直通”式路由，就是與縱橫接線器的橫狀態(tài)(bar state)等效的操作。那些具有在光纖光柵105A反射帶內(nèi)波長的各個信道，被反射回光環(huán)行器101的口110。然后，這些信道從光環(huán)行器101的口111，經(jīng)過跨接光纖127，被路由至光環(huán)行器104的口118，并且作為多波長輸出信號O2的一部分而被送出。實際上，用光纖光柵105A來完善那些被反射的信道的交叉連接，其方式與縱橫接線器把信號交叉連接時的縱狀態(tài)(cross state)相同。相同的操作原理可用于進入光環(huán)行器102的光信號I2上，為簡化起見，在此不再重復。
如圖所示，要仔細考慮的是，能夠控制各個選出的光纖光柵，以便對多波長光信號內(nèi)各個信道，進行適當?shù)摹爸蓖ā甭酚珊汀敖徊孢B接”路由。圖1畫出一種可能的控制手段，據(jù)此，通過一個單個控制器120，用一個聯(lián)動交換器機構(gòu)121-122，控制光纖光柵105A。特別是，可以用交換器121同時控制光纖125的光纖光柵105A和光纖126的光纖光柵105B，還可以用交換器122同時控制光纖125的另一個光纖光柵105A和光纖126的另一個光纖光柵105B，如此類推。本例中，兩個多波長光信號I1和I2的各個信道可以用相同的各個波長，因此能夠有利地使用該控制方案，以保證每根光纖載運的對應波長的信道，實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)接，避免在同一根光纖內(nèi)任何兩個相同波長信道之間的干涉。
可調(diào)諧光纖光柵105可以單獨地被訪問，隨后加以適當控制(即單獨可控)。恰當?shù)目刂拼胧┛梢园?，利用業(yè)內(nèi)人士熟知的技術(shù)，單獨地調(diào)諧(或編程)每根光纖，或單獨地和有選擇地在其透過和反射運行狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換(例如實現(xiàn)ON/OFF作用)。具體說，光柵能夠熱調(diào)諧、壓電調(diào)諧、磁致伸縮調(diào)諧(見1998年9月22頒發(fā)給A.M.Glass等人的美國專利No.5,812,711)、或磁調(diào)諧(見1998年7月14頒發(fā)給S.Jin等人的美國專利No.5,781,677)。在這些技術(shù)中，相信對本申請最有用的是磁調(diào)諧。
Ⅱ．用于本交換器的可磁調(diào)諧光纖光柵參見附圖，圖2示意地畫出一個示例性的可再組合的光纖光柵器件10，它由一段包括折射率微擾光柵12的光纖11組成。用粘結(jié)劑13或機械固定，使光纖在光柵的區(qū)域牢牢固定在一塊可編程磁鐵14和導向罩16之間，以便把磁鐵14的磁力傳送至光柵12。用粘在罩16上的第二塊磁鐵15向磁鐵14施力。磁鐵可以是導向柱形狀，但最好是非圓形截面的形狀，以便在處理或工作時將光纖的扭轉(zhuǎn)減至最小。一個或多個電磁鐵(螺線管)17緊鄰磁鐵放置，在磁鐵之間提供一個可控的磁場。導向罩16最好是一根管，但也可以有別的形狀，例如，它可以由U形的上片和下片兩部分組裝而成。
導向罩16通常用玻璃、石英、金屬、或塑料做成管狀。光纖光柵或用機械緊固，或用粘結(jié)，比如用環(huán)氧樹脂或焊料，使之附著在磁鐵14和導向罩16上。如用焊料，光纖表面要涂覆一層金屬層，以改善焊料的粘結(jié)強度。這里以粘合劑13表示這種粘結(jié)。
如圖2所示，調(diào)整磁鐵14、15，使它們之間有一個小的空氣隙。它們的取向最好是相反的極相鄰(S緊鄰N)，并且電磁鐵17的場要在光柵上產(chǎn)生一個拉伸應力。不與導向罩16粘結(jié)的磁鐵14最好是受約束的，比如用一塊擋塊18。為了消除涉及磁鐵長度(磁鐵15)變化，導致兩磁鐵之間空隙變化，進而磁力和光纖應力變化的熱膨脹，磁鐵罩的粘結(jié)位置盡量靠近空氣隙，粘結(jié)點到空隙的距離要小于磁鐵長度的5％，小于2％更好。
運行時，從磁鐵14、15、和17傳至光柵的磁力，使光柵產(chǎn)生應變，改變光柵的波長響應。兩個相吸引的磁鐵間的力，近似正比于磁感應(M)的平方乘以磁鐵在空隙處的橫截面(A)(F∝M2×A)。因此，較強的磁鐵(較高的M)或較大的磁鐵(較大的A)給出更強的力。然而，高矯頑性的強磁鐵，難以編程或調(diào)諧。當光纖光柵的長度拉長或壓縮例如1％(ε=Δl/l=0.01)時，光柵的周期∧也將改變。但是，因為玻璃中原子間距離也受彈性應力的影響，從而其折射率也改變，所以諧振布拉格反射波長的改變并不準確為1％。對折射率的這一應力作用，可以用光彈常數(shù)Pε表示，對SiO2光纖，其典型值約為0.22。由磁施加的應變ε(ε=Δl/l)導致波長的改變可以表達為Δλ/λ=(Δl/l)(1-Pε)=ε(1-Pε)。此應變ε由施加的應力(σ)和彈性模量(E)決定，ε=σ/E，而在光纖上的應力為力(F)除以橫截面面積(πr2)，這里r是光纖光柵的半徑。整理這些方程，得，Δλ/λ=(F/πr2)(1/E)(1-Pε)。例如，對λ=1550nm,F=1200gm，給出波長的移動是Δλ=16.01nm，或約1％的改變。對間隔為0.8nm的波分復用信道，產(chǎn)生的Δλ足以在20個信道跨距上改變被濾波的波長。
因為光纖在拉伸應變小于約6％時會斷裂，還因為這一失效是災難性的，因而極端希望可調(diào)諧光柵的設計能自動提供總拉伸應變的一個上限。圖2裝置的結(jié)構(gòu)就給出這種優(yōu)點，因為在兩個磁鐵間預設的空隙可以作為這個上限。當光纖因磁力而伸長且磁鐵最終互相接觸時，光纖不可能再伸長。在圖2的兩個磁鐵間空隙所需長度(光纖伸長的上限)，通常小于光纖被拉伸處的長度的4％(例如2”長的含有光柵的光纖，空隙應設定～80mil以下)，最好小于含有光柵的光纖長度的2％。后一數(shù)值相當于光纖斷裂應變的三分之一。
要確信光纖光柵沒有遭受扭曲形變，這也是十分重要的，因為扭曲會減少光纖在給定拉伸應變下的斷裂強度，且會使光信號失真。為消除或減少扭曲形變，要設置磁鐵的導向機構(gòu)，在容器截面是圓形的情形下，添加導向軌，或用非圓形容器，使可移動磁鐵移動時側(cè)邊不會旋轉(zhuǎn)。
圖3a、3b、和3c定量地畫出與本發(fā)明有關(guān)的三種不同類型磁鐵的M對H磁滯回線?？稍俳M合光柵器件的一個重要優(yōu)點是，要維持產(chǎn)生的光柵周期變化，從而其波長變化，無需施加持續(xù)的功率。由于矩形回線磁鐵14、15的磁力的可閂鎖性，這是可能的。該器件能在兩個波長之間作雙穩(wěn)調(diào)諧。高度各向異性、且調(diào)整其磁化軸使之與光纖光軸平行的一種磁性材料，具有如圖3a所示的矩形磁滯回線。見Jin等IEEE Trans.Magn.,MAG-23,No.5,P.3187(1987)，此文收入在這里，以供參考。用經(jīng)過形變老化的Fe-Cr-Co合金，作為具有這一回線形狀的磁鐵，是較為滿意的。
用具有矩形磁滯回線的磁鐵，可以做成雙穩(wěn)應變的器件，它在兩個波長之間轉(zhuǎn)換例如，零應變的布拉格反射波長λ0和飽和應變反射波長λ1。施加一個AC退磁化磁場，得到λ0。用足以使磁鐵飽和的DC脈沖電流，得到λ1。雙穩(wěn)器件的優(yōu)點是降低了對所加電流或?qū)﹄s散磁場的敏感性。
對波長的連續(xù)調(diào)諧，光纖應變對施加磁場的特征曲線成矩形回線，這不總是需要的，因為圖3a中，例如當調(diào)諧跨越許多信道，而目標卻是某個居中應變時，曲線陡峭的邊沿能引起控制問題。為易于控制光纖光柵中的應變，M-H和ε-H回線可以像圖3(b)那樣傾斜。增加磁鐵的自退磁化場，例如或者增加電磁鐵有效直徑，或者減少其長度，從而降低磁鐵的長度對直徑比，就可以實現(xiàn)回線的傾斜。回線最佳的傾斜示于圖3(b)，即，當施加的磁場撤除后，剩余的磁化或剩余的光纖應變?nèi)跃邆渖吓c飽和值相同(至少90％)，而當場反向時，快速增加的M或ε的場，在開始時接近零場，較滿意是在矯頑力的30％范圍內(nèi)，在矯頑力(Hc)的10％范圍內(nèi)更好。M-H和ε-H回線過分傾斜，如圖3(c)那樣，是不希望的，因為這種情況引起光柵中應變的可閂鎖性能下降。這種可閂鎖應變的退化以圖3(a)中箭頭指出。
下面是一個故意使回線傾斜的例子。用一種Fe-28％Cr-7％Co合金，經(jīng)過形變老化以產(chǎn)生一Hc為70Oe的矩形M-H回線，大小為0.180”直徑和4”長時用～60Oe引起M-H回線傾斜，得到類似于圖3(b)M-H回線。
制作圖2的可磁調(diào)諧并最好是可閂鎖的光纖光柵，較可取的裝配步驟如下。第一步裝配這種可調(diào)諧光柵器件的步驟，是提供一根光纖光柵，例如布拉格光柵，它有需要的布拉格反射波長，以便分出或插λ一個波長分量。例如，對中值波長1550nm的光束，在以SiO2為基礎的光纖中(折射率n～1.45)，布拉格光柵周期∧是500nm.。要裝進可磁調(diào)諧光柵組件中的每一光纖光柵長度，通常在5mm至200mm范圍，在10-100mm范圍更好。對短的光纖光柵，光柵之外的常規(guī)光纖部分，可以用來或者粘結(jié)在磁部件上，或者粘結(jié)在導向罩(或襯底)上。
下一步是把磁部件和導向罩粘結(jié)在光纖光柵上。至少需要兩個磁部件，可以是兩片單獨的，也可以是合起來的。它們的磁極取向最好平行于光纖光柵的光軸。在本發(fā)明的可調(diào)諧光柵中，每個磁部件的至少一部分是半硬的或帶剩余磁化的永久磁鐵。但至少有一塊磁鐵的強度，通過改變施加的磁場，是可編程、可檫除并可再編程的。當這兩磁鐵以相反磁極互相相對時，例如北極對著南極，它們便互相吸引。粘結(jié)在磁鐵之一和導向罩上的光纖光柵受拉伸應力，其拉伸彈性應變ε隨應力σ的增加而成正比地增加(ε=σ/E，這里對石英玻璃，彈性模量E=1.5×106psi)。
第三步是對準和把光柵粘在磁鐵之一和導向罩上。要保證粘合的強度和使粘結(jié)面上應變釋放減至最小，要求使用機械性強的非熱塑性粘合劑，或者熔點、機械強度、和抗蠕變性都相對高的焊料。要粘結(jié)的光纖表面需要涂覆一金屬化層，以改善與焊料的結(jié)合強度。
對給定體積的磁鐵，為了使磁力最大，相對兩極間的空隙要非常小?？障对龃?，磁力減小?？障兑笮∮诩s80mil。較可取的是，把空隙設定為，使光纖光柵中最大拉伸應變保持在約～2％或更小，這樣光纖斷裂的危險降至最小。
較可取的磁鐵材料是那些其磁性能被脈沖磁場改變的磁性材料。合適的磁鐵例子如Fe-Cr-Co、Fe-Al-Ni-Co(阿爾尼科鋁鎳鈷永磁合金)、Cu-Ni-Fe(銅鎳鐵永磁合金)、Co-Fe-V(維卡釩鈷鐵磁性合金)、經(jīng)特殊處理，低矯頑性(Hc)的稀土鈷(Sm-Co)或Nd-Fe-B磁鐵、和鋇鐵氧體或鍶鐵氧體磁鐵?？删幊檀盆F的矯頑性范圍通常要求在500Oe以下，而在100Oe以下較好，易于用螺線管的脈沖場再磁化來編程。矯頑性通常在10Oe以上，在30Oe以上更好，以便保持剩余磁化的穩(wěn)定，也便于抵抗雜散磁場的退磁。當磁場撤除后，為了光纖應變的滿意的可閂鎖性，可編程磁鐵應有矩形的磁化磁滯回線，其矩形比(剩余磁化/飽和磁化)至少為0.85，至少為0.90較好，至少為0.95更好。為了形成所需的如圖2所示的棒狀，特別希望用機械上可延展的并易于成形或易于機加工的磁鐵合金，例如Fe-Cr-Co、Cu-Ni-Fe、Co-Fe-V。不希望使用有高矯頑力(例如Hc＞1000Oe)的、穩(wěn)定的永久磁鐵，例如Sm-Co或Nd-Fe-B(除非改變成有較低矯頑力)，因為難以用需要的低磁場對剩余磁化再編程。但是，這些穩(wěn)定的磁鐵能用來提供一個基本(或偏置)場，與可編程磁鐵的場結(jié)合。
下一步裝配步驟，是裝上至少一個繞在磁鐵部件上的螺線管，然后施加一個編程脈沖或短時間的場，以調(diào)整或除去磁鐵中的剩余磁化。這步調(diào)整改變了光纖光柵上的力和應變，從而改變光信號波長或幅度。也可以用一個恒定的DC場取代脈沖場，但用DC脈沖場較好，以避免向螺線管提供恒定的電流。脈沖場需要的時間間隔或速度，通常在10-10-8秒范圍，10-10-6秒較好，10-1-10-4秒更好。對厚形狀磁鐵，由于渦流損耗，不希望用太快的脈沖。電流脈沖的形狀可以是矩形、整流的正弦形、或不規(guī)則形，只要達到磁化至預定剩余值所需的最大場就可以。
最后步驟是把多個可磁調(diào)諧和可閂鎖的光柵與環(huán)行器及其他光學部件組裝起來，并完成該波長選擇光交叉連接系統(tǒng)。
例1一個可調(diào)諧光纖光柵器件按照下述方法組裝。該光柵的無應變布拉格反射波長是1549.7nm。制造Fe-28wt％Cr-7wt％Co的合金棒(0.108英寸直徑)，經(jīng)過形變老化后，呈現(xiàn)Hc～85Oe和矩形比Mr/Ms(剩余磁化/飽和磁化)～0.97的一條磁滯回線。磁鐵長度減至2.2英寸，使該M-H回線傾斜～30Oe。光纖光柵一端用環(huán)氧樹脂粘合在可編程磁鐵靠近空隙一端，而光柵的另一端粘合在一不銹鋼管(內(nèi)徑～O.150英寸)上，如圖2所示，下面還要說明。另一可編程磁鐵(圖2左側(cè)的磁鐵)緊鄰右側(cè)磁鐵放置，與之隔一6mil的空氣隙，并用環(huán)氧樹脂粘合在不銹鋼管上。把這一裝置放進螺線管內(nèi)，并讓電流通過以產(chǎn)生磁場，然后撤除電流，以便在光纖光柵上感生出剩余的拉伸應變。
畫在圖4上的是用這個(6信道移頻器模塊)光柵得到波長移位。分別用105、118、127、138、和168Oe的場，得到的波長移位為0.8、1.6、2.4、3.2、和4.0nm，并在撤除場后保持不變。
為了本發(fā)明的可調(diào)諧和可閂鎖光柵的運行，要磁化至某個調(diào)諧狀態(tài)，要再磁化至不同的調(diào)諧狀態(tài)，或要退磁以完全除去拉伸應變，都須施加適當強度的磁場。理想的辦法是，減少螺線管的功率(電流)來獲得某種強度的磁場。
對許多波長選擇交叉連接交換器系統(tǒng)，要求光柵移動的波長可能比較小。例如，圖1的2×2交換器(或普遍地N×N交叉連接交換器)的布拉格光柵，能夠停在與要求的波長信道略有偏離的一個波長上，舉例說，在兩個相鄰光信道波長之間。對這些類型的應用，可以用如圖5所示的雙穩(wěn)可調(diào)諧光柵器件，取代圖2類型的能在更寬波長范圍調(diào)諧的可調(diào)諧光柵。
圖5示意地畫出一個示例性雙穩(wěn)光纖光柵器件50，它包括一長段含有折射率微擾光柵52的光纖51。用粘合劑53或機械固定，使光纖在光柵的區(qū)域牢牢固定在一塊可換向磁鐵54和導向罩56之間，以便把磁鐵54的磁力傳送至光柵52。粘合在罩56上的不可換向磁鐵55向可換向磁鐵54施加吸力或斥力。可換向磁鐵54可以是導向柱形狀，但最好是非圓形截面的形狀，以便在處理或工作時將光纖的扭轉(zhuǎn)減至最小。一個或多個電磁鐵(螺線管)57緊鄰磁鐵54放置，以便提供足夠的磁場，在須要時使極性換向。導向罩56最好是一根管，但也可以有別的形狀，例如，它可以由U形的上片和下片兩部分組裝而成。
導向罩56通常用玻璃、石英、金屬、或塑料做成管狀。光纖光柵或用機械緊固，或用粘結(jié)，比如用環(huán)氧樹脂，低熔點玻璃，或焊料，使之附著在磁鐵54和導向罩56上。如用焊料，光纖表面最好涂覆一層金屬層，以改善焊料的粘結(jié)強度。這里以粘合劑53表示這種粘結(jié)?？蓳Q向并可移動的磁鐵54，和兩個不可換向又不可移動的磁鐵55排成一行，它們之間留有很小的固定(預設的)間隙。這兩個不可換向磁鐵的取向，最好互相以相同磁極相對(S對S或N對N)，可換向磁鐵放在它們之間。
運行時，可換向并可移動的磁鐵54不是被左側(cè)的不可換向磁鐵吸引并撞擊左側(cè)的不可換向磁鐵，便是被右側(cè)的不可換向磁鐵吸引并撞擊右側(cè)的不可換向磁鐵，將視周圍的螺線管57的磁化極性而定。由于磁極的安排，可換向磁鐵被不可換向磁鐵之一排斥的同時，又被另一不可換向磁鐵吸引。因為可移動磁鐵只有兩個固定位置，所以也只有兩個拉伸應變的固定狀態(tài)，從而在被固定的光纖光柵內(nèi)也只有兩個光柵波長狀態(tài)。固定磁鐵55和可移動磁鐵54之間預設的間隙，決定了在該雙穩(wěn)(數(shù)字可調(diào)諧)器件中光柵波長的移動程度。圖5所示器件的一個重要優(yōu)點，是被移動的波長的可閂鎖性和穩(wěn)定性，向螺線管施加一個脈沖或短時間的電流作為啟動，之后，可移動磁鐵便被鎖定在兩個位置之一，不再需要持續(xù)提供電功率。
要確信光纖光柵沒有遭受扭曲形變，這是十分重要的，因為扭曲改變了加在光柵上的應變量，減少光纖在給定拉伸應變下的斷裂強度，且會使光信號失真。為消除或減少扭曲形變，要為可移動磁鐵設置導向機構(gòu)，在容器截面是圓形的情形下，添加導向軌，或用非圓形截面的容器和一個非圓形截面的磁鐵，比如一個橢圓形或方形截面的容器或磁鐵。光纖可以放在磁鐵外，或放在磁鐵的一個孔中，或放在磁鐵的一條溝槽內(nèi)。
例2一雙穩(wěn)、可調(diào)諧的光纖光柵器件按照下述方法組裝成圖5的結(jié)構(gòu)。光柵的布拉格反射波長為1556.480nm。制造Fe-28wt％Cr-7wt％Co的合金棒(0.095英寸直徑)，經(jīng)過形變老化后，呈現(xiàn)Hc～93Oe和矩形比Mr/Ms(剩余磁化/飽和磁化)～0.97的一條磁滯回線，作為圖5的可移動、可換向磁鐵。磁鐵長度約2英寸。不可換向磁鐵(兩塊0.25英寸長，0.125英寸直徑的Nd-Fe-B磁鐵)粘結(jié)在不銹鋼導向關(guān)的兩端。光纖光柵一端用環(huán)氧樹脂粘合在可換向磁鐵左端，而光柵的另一端粘合在不銹鋼管上，如圖5所示。把這一裝置放進螺線管內(nèi)，并讓電流通過以產(chǎn)生磁場，然后撤除電流，以便使Fe-Cr-Co可換向磁鐵中剩余磁化的極性換向，于是它不是撞擊左側(cè)的Nd-Fe-B磁鐵，便是撞擊左側(cè)的Nd-Fe-B磁鐵。
圖6是曲線圖，表示在上述雙穩(wěn)光柵器件內(nèi)施加±200Oe場(向螺線管輸送～1毫秒脈沖電流)，從實驗上得到的波長移動。當Fe-Cr-Co磁鐵撞擊左側(cè)時(H=+200Oe)，光纖光柵波長是1557.420nm，而當磁鐵換向時(H=-200Oe)波長變成1556.480nm，同時撞擊右側(cè)。Δλ=0.940nm的波長移動用±200Oe換向多次，表面Δλ=0.940nm的波長移動是可重復的。
在光纖中獲得磁應變的一個供選擇的實施例，是利用光纖的彎曲或撓曲，如圖7(a)和7(b)所示。如圖7(a)所示，一長段含有光柵72的光纖71，用粘合劑73固定在支承架76的兩側(cè)。用一機械臂74使光纖產(chǎn)生可閂鎖應變。或者用機械的辦法，或者用磁的辦法，把光纖光柵往下壓(或向上拉)，最好略離開光柵作用區(qū)，于是在光柵內(nèi)產(chǎn)生拉伸應變，從而改變其諧振波長(例如在布拉格型光柵中的布拉格反射波長，或在長周期型光柵中的峰耦合波長)。較可取的是，產(chǎn)生的應變和波長移動是可閂鎖的，例如利用某種機械的彈簧閂型結(jié)構(gòu)，或如圖7(b)所示，利用磁的吸引或排斥力?？梢苿哟盆F77用彈簧臂78與支承架相連，它被磁力吸引，被部分釋放，或完全釋放，由可編程磁鐵79的磁化大小決定。
按照本發(fā)明的雙穩(wěn)可調(diào)諧器件有若干優(yōu)點。它產(chǎn)生的波長移動，在施加的場撤除后是可閂鎖的，無需持續(xù)消耗功率來維持波長的移動。器件的結(jié)構(gòu)相對簡單，轉(zhuǎn)接啟動時施加于螺線管的電流(或電壓)不是關(guān)鍵的，因為施加的電流(或電壓)只須“大于”某一極小值，令轉(zhuǎn)接操作起作用。波長移動的速度(或信道分/插)能相對快，例如比10毫秒快。
這里描述的光柵在采用復用器/分用器的波分復用通信相同中特別有用。在這類系統(tǒng)中，一“干線”光纖攜帶若干波長λ1，λ2，…λn的光信號信道，它需要從光纖干線分出某個單一波長的信道，或把某個單一波長的信道插入干線。種種這類器件都能用互連光環(huán)行器和光纖光柵制作。通常被光柵反射的信道是從干線光纖分出或插入干線。這里描述的光柵能夠在光柵上選擇應該分出或插入哪一信道。在一對環(huán)行器之間可以放置一系列雙穩(wěn)可調(diào)諧光柵，它們的光柵波長定在信道間的波長上。啟動需要的光柵作半信道波長移動，把相鄰通信信道分出或插入。
回過頭參考圖1，可磁控光纖光柵105沿光路由器部分150和光組合器部分151之間的互連光纖125-128放置，以利于在逐個波長的基礎上完成轉(zhuǎn)接功能。更具體說，多波長光信號各個信道的路由，是沿著互連光纖125-128，根據(jù)光纖光柵105是處于透射狀態(tài)(即某特定波長信道將透過光纖)或處于反射狀態(tài)(即某特定波長信道將被光纖反射回去)而控制的。
Ⅲ．供選擇的本交換器的一些實施例圖8(a)按照本發(fā)明原理，畫出一個變化了的實施例2×2光交換器200。類似于圖1的實施例，光交換器200包括包括一個光路由器部分270和一個光組合器部分271。包括光耦合器201和202的光路由器部分270，對多波長光輸入信號I1和I2進行分配。包括光耦合器203和204的光組合器部分271，把多波長光信號組合起來，作為輸出信號O1和O2而輸出。更具體說，光耦合器201和202分別接收多波長光輸入信號I1和I2，而光耦合器203和204分別送出多波長光輸出信號O1和O2。光耦合器201-204可以包括無源的光耦合器，例如業(yè)內(nèi)熟知的星形耦合器，或任何能夠耦合光能量的其他已知器件。為便于說明，此后的說明都指星形耦合器201-204。
星形耦合器201-204經(jīng)互連光纖205-208耦合在一起，光纖205-208是在其內(nèi)配備波長選擇元件210的波長選擇光纖。波長選擇元件210可以由業(yè)內(nèi)熟知的可調(diào)諧光纖布拉格光柵構(gòu)成，或任何其他已知的波長選擇濾波器。為便于說明，此后的說明都指光纖光柵210。如圖所示，光纖205包括光纖光柵210A，光纖206包括光纖光柵210B，光纖207包括光纖光柵210C，和光纖208包括光纖光柵210D。如圖所示，星形耦合器201經(jīng)過波長選擇光纖205，沿直通路徑與星形耦合器203耦合。星形耦合器201經(jīng)過波長選擇光纖206，沿跨接路徑與星形耦合器204耦合。同樣，星形耦合器202經(jīng)過波長選擇光纖208，沿直通路徑與星形耦合器204耦合。星形耦合器202還經(jīng)過波長選擇光纖207，沿跨接路徑與星形耦合器203耦合。
如圖8(a)所示，選件光隔離器220也能與各個星形耦合器的輸入口和輸出口耦合，以便阻隔可能損壞某些部件的光信號的背散射或反射，起保護作用。因此，選件光隔離器220能夠用來減少來自不需要的反射(如反方向傳播信號)產(chǎn)生的干涉。
星形耦合器201和202可以是1×2的耦合器，它把作為輸入的一個光信號廣播至所有輸出。星形耦合器203和204是2×1耦合器，它的單個輸出是組合所有輸入而構(gòu)成的。星形耦合器的工作原理是眾所周知的。例如眾所周知，1×M光耦合器把它的單個輸入，比如一個多波長光信號，平均地廣播至它的M個輸出口中每一個。雖然圖8(a)所示實施例用1×2和2×1星形耦合器，但應指出，本發(fā)明原理可以與任何大小的星形耦合器結(jié)合使用。因此，這里出示和說明的實施例，只是示例性的，不能理解為限制。例如，后面還要更詳細說明，利用基本的兩級交叉連接器結(jié)構(gòu)，按照本發(fā)明原理，能夠?qū)崿F(xiàn)任何大小的交叉連接器，其中光路由器部分270代表一級(用于路由信號)，而光組合器部分271代表另一級(用于組合信號)。因此，與用多級交換器機構(gòu)的現(xiàn)有裝置相比，這種結(jié)構(gòu)更簡單和更便宜。
再參考圖8(a)，星形耦合器201每一個輸出口將攜帶整個多波長光信號I1(即所有波長，從λ1到λn)的光能量的一部分，而星形耦合器202每一個輸出口將攜帶整個多波長光信號I2(即所有波長，從λ1到λn)的光能量的一部分。多波長光輸入信號I1因而通過星形耦合器201，廣播至波長選擇光纖205和206兩者上。而輸入信號I2則通過星形耦合器202，廣播至波長選擇光纖207和208兩者上。
因為整個對波長信號被廣播至相應星形耦合器的所有輸出，所以，所有互連星形耦合器201-204的波長選擇光纖上，都要放置光纖光柵210。每一路徑都需要光纖光柵210，于是被選擇的特定波長信道，能夠在星形耦合器201-204間的互連光纖205-208內(nèi)適當?shù)赝高^或反射。在圖8(a)所示特定實施例里，光纖光柵210可以作為帶通濾波器而工作，調(diào)諧它，讓從多波長光信號I1和I2選出的特定波長信道通過。例如，可以調(diào)諧光纖光柵210A，只讓選出的波長通過，從星形耦合器201到達星形耦合器203。同樣，可以調(diào)諧光纖光柵210B，讓選出的別的波長通過，從星形耦合器201到達星形耦合器204。光纖光柵210C和210D也可以類似地調(diào)諧，讓按需要選出的波長通過。
運行時，光交換器200有別于光交換器100(圖1)，差別在于星形耦合器的用途與光環(huán)行器相反。更具體說，多波長光信號由各個信道組成，每一信道有其特定波長，多波長光信號作為輸入I1，被傳送至光路由器部分270中的星形耦合器201。星形耦合器201把整個多波長光信號(即波長λ1至λn的全部信道)廣播或路由至波長選擇光纖205和206。那些具有光纖光柵210A透過帶的波長的各個信道，作為“直通”連接，被傳送至星形耦合器203。這種“直通”路由在功能上等效于縱橫接線器的橫狀態(tài)。那些具有光纖光柵210A反射帶的波長的各個波長信道，被反射回星形耦合器201。類似地，那些具有光纖光柵210B透過帶的波長的各個信道，經(jīng)過波長選擇光纖206，被傳送至星形耦合器204。在星形耦合器201和204之間的交叉連接路由，在功能上等效于縱橫接線器的縱狀態(tài)。那些具有光纖光柵210B反射帶波長的各個信道，被反射回星形耦合器201。相同工作原理應用于進入星形耦合器202的光信號I2，為簡單計，這里不再重復。
在光組合器部分271，星形耦合器203接收特定波長的各個信道，這些特定波長信道是從星形耦合器201沿光纖205在“直通”路徑路由來的。星形耦合器203也接收特定波長的各個信道，這些特定波長信道是從星形耦合器202沿光纖207在“交叉連接”路徑路由來的。星形耦合器203把來自它所有輸入端的不同波長的各個信道，組合起來，并把組合的多波長光信號作為輸出O1送出。相同工作原理應用于星形耦合器204，為簡單計，這里不再重復。事實上，輸出信號O1既可以包括來自輸入信號I1的各個信道(“直通”信道)，也可以包括來自輸入信號I2的各個信道(“交叉連接”信道)。
圖8(b)畫出光交換器200運行的一個特殊例子的簡圖，其中多波長光信號I1包括兩個獨立信道(波長為λ1和λ2)，而多波長光信號I2包括兩個獨立信道(波長為λ3和λ4)。如圖，假定為交叉連接情形，其中需要輸出信號O1包括波長信道λ1和λ3，而輸出信號O2包括λ2和λ4。因此，光交換器200(圖8(b))要配置成，光纖光柵210A透過波長λ1而反射波長λ2。光纖光柵210B透過波長λ2而反射波長λ1。類似地，光纖光柵210C透過波長λ3而反射波長λ4，光纖光柵210D透過波長λ4而反射波長λ3。應當指出，這個例子表明，在不同輸入和輸出信號中(如I1,I2,O1，和O2)各個信道的波長分派，沒有必要相同，雖然為簡化說明，每一個都以 表示。
考慮到前面的敘述，可以看到，光纖光柵210A-210D與光路由器部分270結(jié)合使用，有助于在多波長光信號內(nèi)，路由(如廣播，分配，等等)各個波長信道。同樣的光纖光柵210A-210D與光組合器部分271結(jié)合使用，有助于在多波長光信號內(nèi)，組合(如分路，耦合，等等)各個波長信道。在與星形耦合器201-204互連的每個波長選擇光纖205-208內(nèi)，通過加進可調(diào)諧光纖光柵210，光交換器200由此獲得十分靈活的波長選擇交叉連接性能。
按照本發(fā)明的另一方面，圖8(a)表明，利用星形耦合器201-204上以前不用的口，可以獲得波長選擇本機分/插性能。如圖，以前不用的輸入口250，可以用在星形耦合器201和202上，以便把特定波長的個別信道，插入多波長光信號中。同樣，以前不用的輸出口260，可以用在星形耦合器203和204上，以便把選出的特定波長的個別信道，從多波長光信號中分出。
運行時，按照圖8(a)實施例，要利用星形耦合器的分出功能，可能要求附加的部件，如濾波器或其他波長選擇元件，把要分出的波長信道濾出。例如，在分出路徑260上，需要一個只透過λ1的波長選擇濾波器，以便從多波長光信號中只分出波長信道λ1。還應指出，圖8(a)的分/插結(jié)構(gòu)，僅僅是示例性的。故此，業(yè)內(nèi)精明人士應當明白，在星形耦合器201-204上可用口的任何組合，都可根據(jù)需要用作插入或分出路徑。只為舉例，星形耦合器201和202也可以支持分出功能，這依賴于可用的口。
利用星形耦合器設計的靈活性及光纖光柵的波長選擇能力的優(yōu)點，無需改變基本交換器結(jié)構(gòu)，就能擴大可編程的分/插能力。特別是，分/插能力的可擴大性在于，星形耦合器能設計附加的口，以備將來使用，而可編程性則在于，光纖光柵能依據(jù)要分出或要插入的被選出的波長信道而調(diào)諧或編程。
圖9畫出K×M光交叉連接裝置300。除了下面指出的之外，前面說明2×2光交換器200(圖9A)的工作原理，同樣可以用于這里說明的K×M光交叉連接裝置300。
簡單說來，光交叉連接裝置300接收K個多波長光信號作為輸入，其中每個光信號有不同波長的各個信道，然后把多波長光信號的各個信道，在K個交叉連接器輸入與M個交叉連接器輸出之間路由，并送出M個多波長光信號作為輸出。光交叉連接裝置300包括一個光路由器部分340和一個光組合器部分341。包括光耦合器310的光路由器部分340，廣播從K個交叉連接器輸入口305接收的多波長光信號I1，I2，至IK。包括光耦合器320的光組合器部分341，把多波長光信號組合起來，并把它們作為輸出O1,O2，至OM，送至在M個交叉連接器輸出口315。光纖光柵330沿互連光纖325設置，以利在光路由器部分340和光組合器部分341之間路由多波長光信號的各個信道。
為簡化說明，圖9中只畫出輸入I1、I2、和IK及輸出O1、O2、和OM，而省略I3至IK-1及O3至OM-1。此外，為了簡化說明，每一輸入和輸出都畫成包含相同的一組波長，以 表示，但容易改為不同的各組波長。
K個交叉連接器輸入口305與輸入光纖301至303耦合，以接收多波長輸入光信號I1、I2、到IK。一輸入光耦合器310，在此作為有一個輸入口和M個輸出口的1×M星形耦合器，在路由器部分340與每個交叉連接器輸入口305相聯(lián)。每個輸入光耦合器310，能夠把多波長光信號從它的單個輸入口廣播至它的M個輸出口。在光交叉連接裝置300的光組合器部分341，多個交叉連接輸出口315與攜帶被路由的多波長光信號的輸出光纖350-352耦合。一輸出光耦合器320，在此作為有K個輸入口和單個輸出口的K×1星形耦合器，與每個交叉連接輸出口315向聯(lián)。每個輸出光耦合器320，能夠把其所有輸入口接收的各個波長信道組合起來。
輸入光耦合器310和輸出光耦合器320，通過互連波長選擇光纖325，耦合在一起。波長選擇光纖325包括波長選擇元件330，比如可調(diào)諧光纖光柵，按照前述其他實施例相同方式，透過或反射多波長光信號中各個波長信道的任一個?；ミB的波長選擇光纖325，提供了一種完全連接的交換器結(jié)構(gòu)，它能在無阻塞的基礎上，把任一多波長光輸入信號I1,I2，至IK的任一N波長信道，路由至任一交叉連接輸出口315。
按前述實施例相同方式，光纖光柵330結(jié)合光路由器部分340，被用來完善多波長光信號中各個波長信道的路由(如廣播，分配，等等)。相同的光纖光柵330結(jié)合光組合器341，還被用來完善多波長光信號中各個波長信道的組合(如復用，耦合，等等)。在互連光耦合器310與320的每一波長選擇光纖325中，通過加進可調(diào)諧光纖光柵330，光交叉連接裝置300因此而獲得十分靈活的波長選擇交叉連接能力。
如圖9所示，K×M交換器結(jié)構(gòu)有K·M根波長選擇光纖325，把光路由器部分340和光組合器部分341互連起來，這里K代表交叉連接輸入口305的數(shù)目，M代表交叉連接輸出口315的數(shù)目。當K=M，圖9畫出有相等數(shù)目輸入口和輸出口對稱交換器。因此，對以圖9配置為基礎的3×3交叉連接器，在每一輸入光耦合器310和每一輸出光耦合器320之間，有3根波長選擇光纖，總共有9根波長選擇光纖。但是，應當指出，任何大小的交叉連接裝置，不論是K=M的方型交換器矩陣，或是K≠M的非方形交換器矩陣，都可以用來實現(xiàn)本發(fā)明。重要的是，圖9所示實施例表明，如何按照本發(fā)明原理，以基本的兩級交叉連接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)任何大小的交叉連接器，其中光路由器部分340代表一級(用于接收并路由K個多波長光輸入信號)，而光組合器部分341代表另一級(用于組合并送出M個多波長光輸出信號)。如所指出，這一交叉連接結(jié)構(gòu)，比用多級交換器結(jié)構(gòu)來路由信號的現(xiàn)有裝置，更為便宜和更為簡單。
可調(diào)諧光纖光柵330的數(shù)目也會依據(jù)交叉連接裝置的大小和特殊光纖光柵計劃用途而變化。例如，一根獨立的可調(diào)諧光纖光柵330可以用于N個波長的每一個，或者一根單一的可調(diào)諧光纖光柵330可以用來透過或反射N個波長中多于一個的波長。還有，波長選擇光纖325可以包括別的用途的其他光纖光柵，如增益展平。舉例說，在每一可調(diào)諧光纖光柵330只與N個波長信道的一個對應時，為了執(zhí)行有N個波長信道的多波長光信號中各個信道的轉(zhuǎn)接，光纖光柵330的數(shù)目是K·M·N。例如，用3×3交叉連接器的4波長系統(tǒng)，即K=M=3和N=4，在每一輸入光耦合器310和每一輸出光耦合器320之間，有3根波長選擇光纖325，總共有9根波長選擇光纖。因為每一路徑必須能反射/透過4個波長的每一個，所以要有36可磁調(diào)諧光纖光柵。再說一遍，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下，上述實施例還能有其他的變化或改動。
如果是大的交叉連接交換器結(jié)構(gòu)，即大的K·M，在信號被光耦合器廣播和組合時，可能需要放大以補償插入和其他損耗。有許多不同的放大器型式可以結(jié)合本發(fā)明的論述采用。例如，可以用各種半導體光放大器和光纖光放大器。光纖放大器，特別是摻鉺光纖放大器，業(yè)內(nèi)人士是熟知的，并將在下面闡述的例子中使用。應當指出，雖然摻鉺光纖放大器特別適合在本發(fā)明中用于放大，并將在此闡述，但也可以用其他合適的稀土元素元件，如鐠、釹之類。
按照本發(fā)明原理，光纖放大可以用許多不同的配置方案插入。例如，可以把光纖放大器(未畫出)放在光路由器部分340的輸入光耦合器310之前，或光組合器部分341的輸出光耦合器320之后?；蛘?，可以把光纖放大器(未畫出)在補償選擇光纖325中分配，其方式雷同于我們的待批專利所述，該專利的美國申請序號No.08/777,890，12/31/96登記，該專利收入在這里，以供參考。還有另一種配置方案，可以把光纖光放大器(未畫出)與可調(diào)諧光纖光柵330沿波長選擇光纖325集成的一起，如我們的待批專利所述，專利的美國申請序號No.08/920,390和08/920,391，都在8/29/97登記，兩者都收入在這里，以供參考。
雖然沒有明顯畫在圖8和9上，但可以考慮，能夠控制分別在光纖光柵210和330中被選出的各個光纖光柵，以完善多波長光信號內(nèi)各個信道的適當?shù)摹爸蓖ā甭酚珊汀敖徊孢B接”路由。因此，前面圖1描述的各種控制技術(shù)，同樣可以用于圖8和9所示實施例。
圖10(a)畫出光交叉連接裝置300(圖9)中光路由器部分340的一個輸入光耦合器310。圖10(a)的結(jié)構(gòu)基本上是一1×M波長選擇光分配器，它是K×M波長選擇交叉連接裝置基本的標準部件。如前所述，每一輸入光耦合器310通常由一1×M光耦合器，如無源星形耦合器構(gòu)成，其中單個輸入信號在M個輸出間廣播。實際上，一1×M光耦合器，如1×M星形耦合器，通常是把M個光耦合器熔融在一起制作的，所以有M個輸入和M個輸出。事實上，一1×M光耦合器基本上是一M×M光耦合器。既然如此，一1×M光耦合器將與一M×M耦合器有相同的損耗和制作成本。但使用時，只用1×M耦合器的一個輸入來接收一個輸入信號，然后廣播至M個輸出。
在這個例子的基礎上，圖10(a)畫出如何能利用光耦合器310以前不用的口來提供附加的功能。除通過輸入光纖301接收多波長光信號的交叉連接輸入口305外，以前不用的輸入口401，可以用來傳送泵浦源(未畫出)的泵浦光至光纖光放大器(未畫出)。同樣，另一個以前不用的輸入口402，可以用來作本機插入口，把波長信道插入多波長光信號中。除通過波長選擇光纖325用于廣播多波長光信號的輸出口外，以前不用的輸出口，也可以作本機分出口403，分出各個波長信道，或作為訪問口404，執(zhí)行監(jiān)視功能，如此等等。在這些應用中還畫出選件隔離器420，如前述，它用于阻隔向后反射，起保護作用。
同樣，圖10(b)畫出光交叉連接裝置300(圖9)中光組合器部分341的一個輸出光耦合器320。圖10(b)這種結(jié)構(gòu)基本上是一K×1波長選擇光組合器，它是另一種K×M交叉連接裝置基本的標準部件。如前所述，每一輸出光耦合器320通常由一K×1光耦合器，如無源星形耦合器構(gòu)成，其中把K個輸入信號組合成單個輸出。如圖示，輸出光耦合器320上以前不用的輸入和輸出口，能按前面對圖10(a)輸入光耦合器310說明的相同方式，用來提供附加的功能。例如，光耦合器320可以包括一本機插入口405、本機分出口406、用于泵浦光的口407、和一進行監(jiān)視的口408。
按照本發(fā)明原理的波長選擇光交叉連接裝置，能支持任何大小的多波長系統(tǒng)(即任何數(shù)目的波長和任何數(shù)目的輸入和輸出)，以及能容納附加的業(yè)務要求，又無需對交換器結(jié)構(gòu)作重大改變，從這個意義上說，它有很大的設計靈活性。如前所述，該交叉連接裝置還支持分/插容量的擴展，擴展的容量能按分/插要求而動態(tài)地增減。該交叉連接裝置在分出和繼續(xù)兩方面的應用及廣播應用上也很有用。
Ⅳ．交換器的封裝已經(jīng)知道，當環(huán)境溫度變化時，光纖光柵的性能要改變。例如見1997年12月2日頒發(fā)給D.A.Fleming等人的美國專利No.5,694,503。在布拉格光柵中，neff和∧兩者都依賴于溫度，以石英基光纖為例，其純依賴于溫度的關(guān)系，在λ=1550nm上約+0.0115nm/℃。溫度產(chǎn)生的反射波長移動通常主要由于neff隨溫度而變化。熱膨脹產(chǎn)生∧的變化，僅僅是石英基光柵純依賴于溫度的關(guān)系的一小部分。為保證波長選擇光交叉連接系統(tǒng)在光網(wǎng)絡中的可靠性和可重復性，可能的性能變化，如環(huán)境溫度變化而引起的性能變化，應減至最小或消除。在本發(fā)明中，收入附加的實施例，其交叉連接系統(tǒng)基本上與環(huán)境溫度變化無關(guān)。下面三種方法均用于這一目的。
1)保證其環(huán)境溫度不變的器件系統(tǒng)封裝法---為此，如圖11(a)所示，所有可磁控光柵都適當?shù)胤庋b在單個的恒溫爐130內(nèi)，比如工作在固定的40度C的溫度上?；蛘呷鐖D11(b)所示，可以把整個光交叉連接系統(tǒng)放進爐130。要不，所有光柵或交叉連接系統(tǒng)封裝起來與一熱電致冷器(見L.A.Johnson論文，Laser and Optoelectonics,4月，1998,p.109，和J.R.Hobbs論文，Laser Focus World,2月，1993，p.117)接觸和放在熱電致冷器鄰近，使任何溫度，如零度C得以維持。溫度反饋和有關(guān)溫度調(diào)節(jié)的機構(gòu)，都可以適當?shù)匾谩?br> 2)當磁調(diào)諧光柵波長狀態(tài)受環(huán)境溫度影響而變化時，器件系統(tǒng)封裝法能提供反饋，并自動把波長改正為讓光信道通過或濾去的正確值。可以用光譜分析儀，或譜抽頭器件，與啟動適當?shù)墓鈻怕菥€管內(nèi)磁脈沖的信號反饋系統(tǒng)結(jié)合起來，也和任選的溫度傳感器結(jié)合起來。這種反饋系統(tǒng)的額外好處是，它對所有不需要的波長移動，如機械振動引起的，封裝粘合劑如環(huán)氧樹脂的蠕變引起的，以及依賴于溫度的關(guān)系引起的波長移動，一律提供修正。
3)在可磁調(diào)諧光柵結(jié)構(gòu)內(nèi)提供自動(被動)溫度補償?shù)钠骷庋b法。因為光柵溫度升高會導致布拉格波長λ的增加，主要是由于在neff中依賴于溫度的關(guān)系的增加，所以必須減小光柵周期∧來補償該效應，使λ與溫度無關(guān)。要做到這一點，例如開始時對光纖施加預應力，比如張力，或處于磁應變調(diào)諧狀態(tài)，然后，當環(huán)境溫度增加時，使光柵中張力基本上與之成正比地釋放(或當溫度降低時，使張力變強)。對典型的摻鍺芯的石英基光纖光柵，為維持溫度遲鈍的布拉格波長，受熱時要求的熱收縮應變范圍，大概每100℃C的溫度變化是900×10-6，就是說，有效的CTE約為-9×10-6/℃。
本發(fā)明賦予可調(diào)諧光柵(連續(xù)的和雙穩(wěn)的結(jié)構(gòu))以被動的溫度補償能力，基于四類機制(ⅰ)經(jīng)由一個或多個部件，把光纖光柵粘附在可移動磁鐵上，這些部件通過CTE特殊篩選，能減小光纖光柵中拉伸應變，并抵消溫度引起光柵諧振波長的增加，(ⅱ)利用溫度引起配對磁極之間磁間隙的增加，例如通過支承架的熱膨脹，由于磁部件之一粘附在支承架上，因而減小相關(guān)磁力，由此減小光纖光柵內(nèi)彈性形變的程度，(ⅲ)采納至少一個拉長了的元件，把光纖光柵粘結(jié)在導向管上，作為一擴張器和一應變釋放器，利用它的熱膨脹來減小被粘結(jié)的光柵上的熱應變，和(ⅳ)利用溫度導致可編程磁鐵磁的強度的損失，不是利用固有熱散射損失，就是利用引入的熱膨脹間隙材料來增加通量的泄漏，在磁極間隙減小磁通量，因而減小磁吸引力，從而減小光柵內(nèi)磁引起的拉伸應變。應當指出，對連續(xù)可調(diào)諧與雙穩(wěn)兩種情形，獲得溫度補償?shù)姆绞酱嬖谖⒚畈顒e，前者更多地依賴于通過控制間隙或磁的強度，改變磁吸引力，而后者直接依賴于釋放光纖中的應變。
作為一個例子，一種用于雙穩(wěn)光柵結(jié)構(gòu)(在兩個固定光柵波長間可磁轉(zhuǎn)接)的被動溫度補償封裝法，示意地畫在圖12(a)上。圖上，插入一個負CTE元件20，并把它粘在光纖感生與可移動磁鐵24(其磁化是可編程和可閂鎖的)之間。溫度補償封裝裝置必須包括某種結(jié)構(gòu)或某種結(jié)構(gòu)部件，其長度受熱時要收縮，就是說，有基本是負的熱膨脹系數(shù)(CTE)。因而，有這類負CTE值的材料或組裝成的結(jié)構(gòu)，作為波長可調(diào)諧光纖光柵的溫度補償元件是理想的。理想的負CTE材料例子包括陶瓷材料如ZrP2O7,ZrV2-xPO，和ZrW2O8(見C.Martinet等，J.Am.Ceram.Soc.,Vol.51,p.227,1968,T.A.Mary等，Science,Vol.272,p.9,1996,和V.Korthuis等，Chem.of Materials,Vol.7,p.412,1995等論文)這些論文也描述了金屬負CTE材料，如Ni-Ti合金(48-64 wt％Ni),Cu-Al-Zn合金(1-10％Al,20-40％Zn，均衡的Cu)，Cu-Al-Ni合金(10-20％Al,1-5％Ni，均衡的Cu),Cu-Zn-Si合金(30-40％Zn,0.5-1.5％Si，均衡的Cu)，和Cu-Sn合金(20-30％Sn，均衡的Cu)(見美國專利申請，序號08/957,953,D.A.Fleming于1997年10月27登記)。能控制金屬、陶瓷、或復合材料的化學性質(zhì)和處理方法，獲得需要的負CTE值。
圖12(a)器件的溫度補償效果按如下方法獲得。如圖12(b)，當可移動磁鐵轉(zhuǎn)換至對著右側(cè)磁鐵25的右側(cè)位置時，溫度效果由兩個主要因素決定，即溫度引起光柵的波長增加和負CTE元件的熱收縮。兩個右側(cè)粘結(jié)點間的小距離(包括可移動磁鐵的一小部分，永久磁鐵一段短的長度和支座29一段短的長度)對熱膨脹也有貢獻，但其效應小，且能通過調(diào)節(jié)福CTE元件的長度或CTE值，簡單地使之合適。通過匹配負CTE至需要值，大約是-9ppm/℃，便獲得被動溫度補償效果。
如果圖12(a)器件現(xiàn)在轉(zhuǎn)換至示于圖12(a)的更高波長狀態(tài)，可移動磁鐵被磁力吸附在左側(cè)永久磁鐵上。這種狀態(tài)下，可編程磁鐵和支承架，兩者的熱膨脹對溫度效果都有貢獻，并影響拉伸以便和光柵波長。本發(fā)明建議使用可編程磁鐵24與支承架26的CTE匹配(以較少的調(diào)來適應其他小部件、長度差別等等)，因為在這種情形下，Z形地放置的可編程磁鐵和支承架的熱膨脹被抵消了。代替單個負CTE元件，包括三種正的或零CTE材料的負CTE復合裝置，放在一個緊湊的Z形結(jié)構(gòu)內(nèi)，可以取代圖12的一個負CTE元件。受熱時有效的熱收縮，可以利用兩根不同CTE的直棒平行地粘結(jié)的第三根直棒上而獲得。
應當明白，上述各個特定的實施例只用來說明本發(fā)明原理，業(yè)內(nèi)熟練人士在不偏離本發(fā)明的精神實質(zhì)和涵蓋范圍下，能夠作出各種變化。例如，注意到有好幾種合適的材料體系，能用于前面的各個實施例，其中包括，但不限于鈮酸鋰，硅光凳，半導體體系，諸如此類。因為這些例子是用于說明而非限制，實施例的各種變化，可以從本發(fā)明的講解中策劃出來。因此，本發(fā)明的涵蓋范圍僅受下述權(quán)利要求書的限制。
權(quán)利要求
1．一種可控的、波長可選擇的光交叉連接交換器，包括多個輸入口以接收多波長光信號，和多個輸出口以送出作為光交換器輸出的多波長光信號，每一多波長光信號又包括多個信道，其中一個信道與一個特定波長有關(guān)，該光交換器還包括一個光路由器部分，與多個輸入口耦合，以分配來自輸入口的多波長光信號；一個光組合器部分，與多個輸出口耦合，以組合多波長光信號；和多根光纖，互連光路由器部分和光組合器部分，從多根光纖中選出的若干光纖含有波長選擇可磁調(diào)諧的光纖光柵，它能讓多個信道中任何信道通過或反射，于是能把多個信道中的任何信道從多個輸入口的任何輸入口送至多個輸出口的任何輸出口。
2．按照權(quán)利要求1的光交叉連接交換器，其中的波長選擇元件包括光纖布拉格光柵，其波長是可磁改變的。
3．按照權(quán)利要求1的交換器，其中的調(diào)諧是用相鄰磁極的磁力相互作用而完成的。
4．按照權(quán)利要求1的交換器，其中的波長選擇在激勵后是可鎖住的，無需繼續(xù)提供功率來維持所選擇的波長。
5．按照權(quán)利要求2的交換器，其中的波長選擇，是以需要的磁場強度的磁激勵，從波長的連續(xù)譜中選出需要的一個波長而完成的。
6．按照權(quán)利要求1的交換器，其中的波長選擇，是從數(shù)字上可用的波長中選出需要的一個波長而完成的，數(shù)字上可用的波長是在光纖光柵結(jié)構(gòu)的設計和裝配中預先設定的。
7．按照權(quán)利要求1的交換器，其中光路由器部分包括多個輸入光耦合器，每一輸入光耦合器與對應的多個輸入口之一相關(guān)，其中光組合器部分包括多個輸出光耦合器，每一輸出光耦合器與對應的多個輸出口之一相關(guān)。
8．按照權(quán)利要求7的交換器，其中多個輸入光耦合器和多個輸出光耦合器包括星形耦合器。
9．按照權(quán)利要求8的交換器，其中多個輸入光耦合器的每一個是一1×M光耦合器，而多個輸出光耦合器的每一個是一K×1光耦合器，這里K是等于輸入口數(shù)目的一個整數(shù)，M是等于輸出口數(shù)目的一個整數(shù)，且其中每一個多波長光信號包括N個信道，同時，有N個信道的多波長光信號，在一K×M交叉連接機構(gòu)內(nèi)的K個輸入口和M個輸出口之間路由。
10．按照權(quán)利要求9的交換器，其中K=M。
11．按照權(quán)利要求1的交換器，還包括一個控制器，它根據(jù)命令信號，有選擇地控制可調(diào)諧光纖光柵，以反射或通過多個信道中的任何信道。
12．按照權(quán)利要求11的交換器，其中的光纖光柵是可磁調(diào)諧光纖光柵，而其中的控制器通過施加磁場，有選擇地對光纖光柵調(diào)諧。
13．按照權(quán)利要求11的交換器，其中的控制器有選擇地在一透過的和一反射的工作狀態(tài)之間交換器光纖光柵。
14．按照權(quán)利要求11的交換器，其中被選擇的各個光纖光柵是作為一組而控制的。
15．按照權(quán)利要求11的交換器，其中每一個光纖光柵是獨立可控的。
16．按照權(quán)利要求1的交換器，其中的光交叉連接交換器是裝在一個溫度補償封裝內(nèi)，使交換器的性能與環(huán)境溫度無關(guān)。
17．按照權(quán)利要求16的交換器，其中與環(huán)境溫度無關(guān)性質(zhì)，是通過設置至少一個容納光交叉連接器的恒溫爐而獲得的。
18．按照權(quán)利要求16的交換器，其中與環(huán)境溫度無關(guān)性質(zhì)，是通過在光交叉連接器的附近設置至少一個熱電致冷器而獲得的。
19．按照權(quán)利要求16的交換器，其中與環(huán)境溫度無關(guān)性質(zhì)，是通過提供一波長檢測和反饋系統(tǒng)，還通過用磁脈沖激勵主動地再調(diào)整可調(diào)諧光纖光柵波長而獲得的。
20．按照權(quán)利要求7的交換器，其中多個輸入光耦合器和多個輸出光耦合器，每一個都包括以前不用的口，這些口能有選擇地把各個特定波長信道，插入多波長光信號中。
21．按照權(quán)利要求7的交換器，其中多個輸入光耦合器和多個輸出光耦合器，每一個都包括以前不用的口，這些口能有選擇地把各個特定波長信道，從多波長光信號中分出。
22．按照權(quán)利要求7的交換器，還包括與多個輸入光耦合器耦合的一個摻稀土元素的光纖放大器，把多個輸入光耦合器對應的一個接收的多波長光信號，進行光放大。
23．按照權(quán)利要求7的交換器，還包括與多個輸出光耦合器分別耦合的多個摻稀土元素的光纖放大器，把多個輸出光耦合器對應的一個送出的多波長光信號，進行光放大。
24．按照權(quán)利要求7的交換器，還包括多個摻稀土元素的光纖放大器，在有波長選擇元件的多根光纖中被選出的各根光纖之內(nèi)耦合，每個摻稀土元素的光纖放大器，把多個輸入光耦合器和多個輸出光耦合器之間的多波長光信號，進行光放大。
25．一種光交叉連接器，包括至少兩個輸入定向光傳遞器件，每一個都能接收多波長光信號，每一多波長光信號包括多個信道，其中一個信道關(guān)聯(lián)著一個特定的波長；至少兩個輸入定向光傳遞器件，每一個都能送出多波長光信號，作為光交叉連接器的輸出；和多根光纖把至少兩個輸入定向光傳遞器件和至少兩個輸出定向光傳遞器件互連，從多根光纖中選出的各根光纖，包括至少一根有可磁控波長選擇元件，它能通過或反射多個信道中的任何信道，所以多個信道中任何信道，能夠從這至少兩個輸入定向光傳遞器件的任一個路由至這至少兩個輸出定向光傳遞器件的任一個。
26．按照權(quán)利要求25的交叉連接器，其中的波長選擇元件包括可磁調(diào)諧并可磁閂鎖的光纖光柵。
27．按照權(quán)利要求25的交叉連接器，其中的至少兩個輸入定向光傳遞器件和至少兩個輸出定向光傳遞器件，每一個都包括一個光環(huán)行器。
28．按照權(quán)利要求25的交叉連接器，其中的至少兩個輸入定向光傳遞器件和至少兩個輸出定向光傳遞器件，每一個都包括一個光耦合器。
29．按照權(quán)利要求26的交叉連接器，還包括一個控制器，它根據(jù)命令信號，有選擇地控制可磁調(diào)諧光纖光柵，以反射或通過多個信道中的任何信道。
30．按照權(quán)利要求29的交叉連接器，其中的光纖光柵是可調(diào)諧光纖光柵，而其中的控制器通過施加脈沖磁場，有選擇地對光纖光柵調(diào)諧。
31．按照權(quán)利要求29的交叉連接器，其中的控制器有選擇地在一透過的和一反射的工作狀態(tài)之間交換器光纖光柵。
32．按照權(quán)利要求29的交叉連接器，其中被選擇的各個光纖光柵是作為聯(lián)動裝置內(nèi)的一個組而控制的。
33．按照權(quán)利要求29的交叉連接器，其中每一個光纖光柵是獨立可控的。
34.按照權(quán)利要求16的交叉連接器，其中在光交叉連接交換器中的依賴于溫度的波長變化是小于0.5nm/100度C，小于0.05nm/100度C更好。
全文摘要
一種光交叉連接交換器,它包括分配多波長光輸入信號的一個光路由器,在交換器的輸出口送出多波長信號的一個光組合器,和把光路由器與光組合器互連的光纖。選用的互連光纖包含可控波長選擇元件,如可磁控的光纖光柵,它能透過或方式多波長光信號內(nèi)各個信道,于是,某個特定波長的被選出的信道,能夠從該交換器的任何輸入口路由至任何輸出口。
文檔編號G02B6/34GK1314598SQ0010224
公開日2001年9月26日 申請日期2000年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月18日
發(fā)明者莫哈木德·T·法特西, ?；簟そ? 韋恩·哈威·諾克斯, 哈里施·馬沃里 申請人:朗迅科技公司