用于多次经过光学信道监视器的光学器件的制作方法

用于多次经过光学信道监视器的光学器件
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求2020年12月28日提交的，标题为“multi-pass high resolution spectrometer”的美国临时专利申请第63/131,181号的优先权，其在先申请的公开内容被认为是本专利申请的一部分，并通过引用结合到本专利申请中。
技术领域
3.本发明总体上涉及一种反射光学器件和一种光学装置，该光学装置包括与色散元件和微机电系统(mems)元件对准的反射光学器件，以使光束在多次经过时穿过色散元件和mems元件，光束具有在色散元件的色散方向上施加的固定垂直偏移量和在多次经过中的每一次时施加的光谱反转。


背景技术：

4.光信道监视器(optical channel monitor：ocm)是能够测量光信号的波长信道中的光功率的设备。ocm可以连接到光网络中的一个点，以便测量例如该点处的光信道的功率、频率和其他特性。在一些情况下，ocm可以扫描多个波长信道，以便测量多个信道中的光功率(例如，在一个波长范围内)。例如，ocm可用于监视波分复用(wdm)系统中的信道，在该系统中，波长信道被复用成公共载波信号，以在光网络上传输(例如，密集波分复用(dwdm)系统，其中波长信道以50千兆赫(ghz)的频率间隔开，以及其他示例)。


技术实现要素：

5.根据一些实施方式，光学设备可以包括色散元件。该光学器件可以包括反射光学器件，用于反射具有垂直于色散元件的色散方向的固定偏移量和在色散元件的色散方向上的负偏移量的光束。反射光学器件可以与色散元件对准，以相对于色散元件偏移光束，并使光束在多次经过时穿过色散元件，在多次经过的每一次时偏移光束。
6.根据一些实施方式，一种方法可以包括：在光信道监视器的输入端口处接收光束；由光信道监视器的反射光学器件引导光束多次经过光信道监视器的色散元件，其中每次经过根据反射光学器件的固定垂直偏移量而偏移；和基于引导所述光束多次经过所述色散元件，由所述光信道监视器确定所述光束的特性。
7.根据一些实施方式，反射光学器件可以包括多个棱镜面。多个棱镜面可以相对于彼此成角度，以在光路中相对于经过反射光学器件的至少一个其他光路在经过反射光学器件的至少一个光路中产生固定垂直偏移量。多个棱镜面可以相对于彼此成角度，以在至少一个光路中引起光谱反转。
附图说明
8.图1a-1c是本文描述的示例光学设备的示意图。
9.图2a和2b是本文描述的示例光学器件的示意图。
10.图3a-3c是本文描述的示例光路的示意图。
11.图4是与引导光束通过本文描述的光学设备相关的示例过程的流程图。
具体实施方式
12.示例实施方式的以下详细描述参考了附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
13.如上所述，光学信道监视器(ocm)或分光计可用于测量光束的特性。ocm的光谱分辨率可以用具有单个被测量频率的光谱形状的频率宽度δf来表示，例如当测量激光时。较窄的被测量频率对应于较高的光谱分辨率。光谱分辨率可以根据被测量的频率(f)定义为f/δf。传统的ocm可以用于覆盖大约191太赫兹(thz)到196thz的c波段，这可以产生大约5000千兆赫(ghz)的期望光谱范围。给定一个频率宽度，对于一个大约20ghz的传统ocm，一个传统的ocm可以在覆盖的c波段中分辨大约250个不同的频率。
14.因此，调谐元件，其可以是微机电系统(mems)元件，例如ocm的mems反射镜，将具有被选择来分辨250个不同光束位置的尺寸和倾斜角。为了实现调谐元件的这个范围，反射镜尺寸和倾斜角的乘积要大于250λ/2，其中λ是c波段中的光的波长。对于例如1000微米(μm)的反射镜尺寸和1.55μm的波长(在c波段的中心处大约为193thz)，得到的倾斜角至少为11度(或者对于可以倾斜到正角度和负角度的反射镜为 /-5.5度)。对于覆盖较大波段的ocm，例如覆盖c波段(191thz至196thz)和l波段(184thz至191thz)的ocm，调谐元件可能需要更大的倾斜角和/或反射镜尺寸。增加倾斜角和更大的反射镜可能导致制造困难。此外，随着通信密度的增加，小型化可能会阻止使用具有相对较大的反射镜或相对较大的部件的光学设备来实现增加的倾斜角。因此，可能希望光学设备以较小的形状因子实现高光谱分辨率。
15.本文描述的一些实施方式使得ocm或分光计能够具有紧凑的形状因子和高光谱分辨率。例如，光学设备可以包括反射元件，以在多次经过时将光束反射通过衍射元件和mems反射镜，每次经过按一偏移量而分开。通过多次将光束反射经过衍射元件和mems反射镜，光学装置实现了增加的光谱分辨率，而不会伴随反射元件尺寸的增加和/或伴随反射元件可实现的倾斜角的增加。类似地，可以使用尺寸减小的反射元件和/或通过减小的可实现倾斜角的反射元件来实现给定的光谱分辨率。类似地，给定光谱分辨率或给定尺寸下的频率范围可以通过使用多次经过来增加，如本文所述。光学器件可以以垂直于色散元件的色散方向的固定偏移量和光谱反转(spectral inversion)来反射光束，从而能够在光学器件中在输出光和输入光之间进行分离。结果，除了其他示例之外，光学设备能够实现增加的光谱分辨率或减小的形状因子。
16.图1a-1c是示例光学设备100的示意图。如图1a所示，示例光学设备100包括反射光学器件110、透镜120、衍射光栅130和mems反射镜140。
17.反射光学器件110可以包括一个或多个部件，以将光束反射经过衍射光栅130和mems反射镜140。例如，反射光学器件110可以包括反射器阵列(例如，回射器阵列)、角立方体反射器或回射器、棱镜(例如，具有反射表面)、回射棱镜、一组回射棱镜、折射器(例如，具有折射表面的棱镜)、折射器阵列或反射镜等。反射光学器件110可以在第一次经过时接收入射光束，并且按照反射光束的一横向偏移量和光束光谱的反转来反射入射光束。在一些实施方式中，横向偏移量可以是固定的垂直偏移量。例如，反射光学器件110可以多次反射
入射光束，使得反射光学器件使得入射光束在垂直于衍射光栅130的色散方向的方向上偏移固定的量。这样，输出光(相对于反射光学器件110)可以与输入光(相对于反射光学器件110)分离。在一些实施方式中，光谱反转可以是在反射光学器件110的每次反射时(对应于每次经过衍射光栅130和mems反射镜140)施加的光束的负偏移量。以这种方式，不同路径上的光避免了在通过衍射光栅130时被重新折叠成单个点(例如，在波长选择开关中可能会出现这种情况，在经过衍射光栅的不同光路上的光束之间不发生光谱反转)。此外，以这种方式，反射光学器件110在每次经过时使色散加倍，从而通过消除对多个光束扩展器光学器件的需要来实现类似色散水平，从而增加光谱分辨率和/或实现给定光谱分辨率水平的小型化。
18.透镜120可以是被配置成将反射光学器件110与衍射光栅130和mems反射镜140对准的光学元件。例如，透镜120可以是准直透镜等。在一些实施方式中，反射光学器件110和透镜120可以形成单个单体部件，其与衍射光栅130和mems反射镜140共同对准。在一些实施方式中，光学设备100可以包括另一种类型的光学器件，以将反射光学器件110对准衍射光栅130和mems反射镜140。例如，光学设备100可以包括反射镜，以在反射光学器件110和衍射光栅130(而不是透镜120)之间反射光束。附加地或替代地，光学设备100可以包括光学器件的组合，例如透镜120和一个或多个附加光学元件，以将反射光学器件110对准衍射光栅130。
19.衍射光栅130是光学器件100中包括的色散元件的例子。例如，衍射光栅130可以将光束分离并衍射成多个分量光束(component optical beam)，以能够测量每个分量光束的一个或多个光学特性。在一些实施方式中，光学设备100可以包括不同类型的色散元件。例如，光学设备100可以包括棱镜或反射镜，其充当与反射光学器件110和mems反射镜140对准的色散元件，以能够测量光束。基于与反射光学器件110对准以接收光束的多次经过，在特定光谱分辨率下，衍射光栅130可以实现比其他衍射光栅更小的尺寸。衍射光栅的光谱分辨率可以基于被照射的光栅线的数量n和衍射级(diffraction order)m，使得f/δf＝πmn。结果，光束尺寸减小例如4倍将在本例中导致光谱分辨率降低4倍。然而，通过使用反射光学器件110在4次经过中使光束经过衍射光栅4次，衍射光栅130可以获得与另一个衍射光学器件相同的光谱分辨率，该衍射光学器件的尺寸是衍射光栅130的4倍。
20.mems反射镜140是光学装置100中调谐元件的一个例子。例如，mems反射镜140可以包括一组倾斜反射镜，以不同角度来反射光束的分量光束(例如，光束的不同信道)，从而实现分量光束的测量。在一些实施方式中，光学设备100可以包括不同类型的调谐元件，以实现分量光束的反射。在一些实施方式中，mems反射镜140可以与衍射光栅130对准，而没有介入其中的扩束器/压缩器光学器件(或者相对于其他ocm具有减少的扩束器光学器件)。例如，基于减小经过衍射光栅130的光束的尺寸(并且如上所述，通过使光束多次经过以保持光谱分辨率来进行补偿)，光束可以直接照射在mems反射镜140上，而无需介入扩束器/压缩器光学器件。在一些实施方式中，衍射光栅130可以直接设置在mems反射镜140的表面上。例如，衍射光栅130可以制造在形成单个集成部件的mems反射镜140的表面上。以这种方式，多次经过和反射光学器件110的使用减少了光学设备100中的光学器件的数量，从而减小了尺寸、成本和复杂性，并且相对于其他光学设备提高了耐用性。在一些情况下，经过光学装置100的次数可以基于mems反射镜140的尺寸。例如，光学设备100可以配置有特定数量的经
过，以确保特定水平的光谱分辨率，同时保持光束尺寸小于阈值。在这种情况下，阈值基于mems反射镜140的尺寸(例如，阈值是能够在没有扩束器/压缩器光学器件或者具有小于阈值量或者小于阈值尺寸的扩束器/压缩器光学器件的情况下实现直接照射的尺寸)。
21.如图1b所示，反射光学器件110可以包括输入端口150和输出端口152，输入端口150接收用于多次经过衍射光栅130和mems反射镜140的光束的，以及输出端口152在多次经过衍射光栅130和mems反射镜140之后输出光束。例如，反射光学器件110可以(如上所述，经由透镜120)将光束导向衍射光栅130和mems反射镜140用于第一次经过，并且在第一次经过的结束时接收光束的反射。随后，反射光学器件110可以将光束(例如，如本文关于图2a所述的光束的内反射之后)导回衍射光栅130和mems反射镜140(例如，经由透镜120)，并额外经过衍射光栅130和mems反射镜140的一次或多次(例如，第二次经过、第三次经过、第四次经过)。在这个例子中，在第四次经过衍射光栅130和mems反射镜140之后，反射光学器件110可以将光束导向输出端口152用于输出。在一些实施方式中，光学设备100可以包括不同的配置。例如，并非将输入端口150和/或输出端口152包括在反射光学器件110中，而是光学设备100可以包括与反射光学器件110分离的输入端口和/或输出端口。在这种情况下，透镜120、衍射光栅130和/或mems反射镜140可以被配置成在没有反射光学器件110的情况下分别从输入端口和/或输出端口接收光束和/或将光束引导至输入端口和/或输出端口。
22.如图1c所示，反射光学器件110可以包括一组分量反射光学器件160，以使光束能够多次经过衍射光栅130和mems反射镜140。例如，在第一次经过之后(例如，从输入端口150经过透镜120、衍射光栅130和mems反射镜140，然后返回经过衍射光栅130和透镜120)，反射光学器件110可以在第一分量反射光学器件160-1处接收光束。在这种情况下，第一分量反射光学器件160-1可以引起光束的光谱反转和固定垂直偏移量，并将光束导向衍射光栅130和mems反射镜140(例如，通过透镜120)，以做第二次经过。类似地，在第二次经过之后，分量反射光学器件160-2可以反射光束，以做第三次经过，并且在第三次经过之后，分量反射光学器件160-3可以反射光束，以做第四次经过。在这种情况下，在第四次经过之后，光束入射到输出端口152上用于输出。在一些实施方式中，每个分量反射光学器件160是分立的光学元件。例如，反射光学器件110可以包括形成分量反射光学器件160的多个分立棱镜。附加地或替代地，单个光学元件可以形成多个分量反射光学器件160。例如，单个棱镜可以包括经过单个棱镜的多条可能路径，并且例如，第一路径可以形成第一分量反射光学器件，第二路径可以形成第二分量反射光学器件。尽管根据特定的经过次数、分量反射光学器件160的数量或分量反射光学器件160和端口的布置描述了一些实施方式，但是也可以考虑具有其他的经过次数、分量反射光学器件160的数量或分量反射光学器件160和端口的布置的其他实施方式。
23.如上所述，图1a-1c是作为例子提供的。其他示例可以不同于针对图1a-1c所描述的。
24.图2a和2b是光学器件，例如反射光学器件110和/或其分量反射光学器件160的示例实施方式200/200’的示意图。
25.如图2a所示，一组光线可以入射到反射器210的表面上，该反射器210被配置成在诸如光学设备100的光学设备中反射光束。在一些实施方式中，反射器210可以是由玻璃材料、塑料材料或半导体材料等制造的棱镜。在一些实施方式中，反射器210可以类似于角立
方体反射器(corner cube reflector)，但是选择了棱镜面角度以在反射器210的正面上引起额外的全内反射，从而实现垂直方向上的固定分离，如下面更详细描述的。例如，反射器210被配置成引起该组光线的内反射，使得输出光线位置在垂直于色散元件的色散方向的方向上(例如，在垂直方向上)与输入光线位置具有固定的偏移量。换句话说，反射器210具有一组成角度的棱镜面(例如，成30度(30
°
)(并且两个棱镜面相互垂直，如图所示))，以使第一输入光线在反射器210的表面上的第一位置入射并从第二位置输出，使得第一位置和第二位置偏移特定的量。附加地或可替换地，该组棱镜面可以成角度，以使第二输入光线在第三位置入射，并从分别不同于第一位置和第二位置的第四位置输出，使得第三位置和第四位置也分开特定的量。这与其它角立方体反射器形成对比，其中入射位置和输出位置之间的间隔基于入射位置的位置，而不是固定的。在一些实施方式中，反射器210被配置成引起相对于色散方向的光谱反转。
26.如图2b所示，一组光线可以入射到折射器210’的表面上，折射器210’被配置成在诸如光学设备100的光学设备中反射光束。在这种情况下，折射器210’被配置成引起该组光线的反射，使得输出光线位置在垂直于色散元件的色散方向的方向上(例如，在垂直方向上)与输入光线位置具有固定的偏移量。在一些实施方式中，折射器210’可以由棱镜形成，该棱镜具有能产生垂直偏移量的折射表面，如图所示。在一些实施方式中，可以选择折射器210’的特定类型或配置，以最小化与折射器210’的折射表面相关联的色差。在一些实施方式中，折射器210’被配置成引起相对于色散方向的光谱反转。
27.如上所述，图2a和2b是作为一个或多个例子提供的。其他例子可能与图2a和2b所描述的不同。
28.图3a-3c是示例光路的示意图。图3a和示例300示出了当本文描述的反射器(例如反射光学器件110或反射器210)与一组光纤对准时，在本文描述的光学器件(例如光学器件100)中的第一组光路(例如，可对准色散元件上的一组位置)。图3b和示例310示出了当另一种类型的反射器与该组光纤未对准时的第二组光路，该反射器没有被配置用于固定的垂直偏移量。图3c和示例320示出了当本文描述的反射器(例如反射光学器件110或反射器210)与该组光纤不重合时的第三组光路。在图3b中，由于mems反射镜在垂直方向上的旋转而产生的偏移导致光轴在附图标记311处沿第一方向偏移。在附图标记312处，在第一方向上相对于对光轴的偏移导致光束进入光学反射器的位置处的在第一方向上的偏移。具有单次内反射的光学反射器在光束离开光学反射器的位置(在附图标记313处)处引起第二方向上的偏移。在附图标记314处，第二方向上的偏移导致光束指向的位置在第一方向上的偏移，从而导致光束错过输出光纤。在这种情况下，未被配置用于固定垂直偏移量的反射器，当与一组光纤未对准时，导致输出光束不能到达该组光纤的输出光纤。这是具有基于入射位置的垂直偏移量的结果，如上关于图2a和2b所述。相比之下，如图3c和示例320所示，当与一组光纤未对准时，被配置为用于固定垂直偏移量的反射器导致输出光束继续到达该组光纤的输出光纤。例如，如附图标记321所示，由于mems反射镜在垂直方向上的旋转引起的偏移导致光轴在第一方向上偏移。在附图标记322处，在第一方向上相对于光轴的偏移导致在光束进入光学反射器的位置处的在第一方向上的偏移。具有固定垂直偏移量的光学反射器在光束离开光学反射器的位置(附图标记323)处在第一方向上引起偏移。这是具有独立于入射位置的固定垂直偏移量的结果，从而导致光束仍然到达输出光纤。
29.以这种方式，使用具有固定垂直偏移量的反射光学器件，例如反射光学器件110或反射器210，可以降低由于光学器件的部件的不良对准而导致的不良光学器件性能的可能性。例如，确保光路到输出光纤的对准独立于光路到输入光纤的对准，避免了当使用多次经过光学设备时可能发生的放大影响。换句话说，如果光束被未正确对准的mems反射镜(例如mems反射镜140)反射4次，则输出光束偏移量被乘以4倍。由于插入损耗，这可能会使功率水平误差增加16倍。然而，通过使用如图3a和3c所示的反射光学器件(以及图2a和图2b所示的折射光学器件)，该反射光学器件相对于图3b所示的反射光学器件具有额外的内反射，消除了对准误差，从而使得不正确对准的mems反射镜能够使用多次经过和相应的反射，而不会放大输出光束偏移和伴随的功率电平误差。
30.如上所述，提供图3a-3c作为例子。其他示例可以与关于图3a-3c描述的不同。
31.图4是与用于多信道光学信道监视器的光学器件相关联的示例过程400的流程图。在一些实施方式中，图4的一个或多个过程块可以由光学设备或其部件(例如，光学设备100或其部件、反射器210、图3a和3c的反射器以及其他示例)来执行。在一些实施方式中，图4的一个或多个过程块可以由与光学设备分离或包括光学设备的另一个设备或一组设备来执行。
32.如图4所示，过程400可以包括在光信道监视器的输入端口接收光束(框410)。例如，如上所述，光学设备可以在光信道监视器的输入端口处接收光束。
33.如图4中进一步所示，过程400可以包括引导光束多次经过光信道监视器的色散元件，其中每次经过根据反射光学器件的固定垂直偏移量而偏移(框420)。例如，光学设备可以引导光束多次经过光信道监视器的色散元件，其中每一次经过都根据反射光学器件的固定垂直偏移量而偏移，如上所述。
34.如图4中进一步所示，过程400可以包括基于引导光束多次经过色散元件来确定光束的特性(框430)。例如，如上所述，光学设备可以基于引导光束多次经过色散元件来确定光束的特性。
35.过程400可以包括额外的实施方式，例如下面描述的和/或结合本文别处描述的一个或多个其他过程的任何单个实现或实现的任何组合。
36.在第一实施方式中，引导光束经过色散元件包括在多次经过中的第一次经过时引导光束经过色散元件，基于在第一次经过时引导光束经过色散元件而使用反射光学器件反射具有固定垂直偏移量的光束，以及基于反射具有固定垂直偏移量的光束而在多次经过中的第二次经过时引导光束经过色散元件。在一些实施方式中，垂直方向上的光束偏移在连续反射时抵消。
37.在第二实施方式中，单独或与第一实施方式结合，反射光学器件包括对应于多次经过的多个分量反射光学器件。
38.在第三实施方式中，单独地或与第一和第二实施方式中的一个或多个相结合，引导光束经过色散元件包括使用多个分量反射光学器件中的第一分量反射光学器件反射具有固定垂直偏移量的光束，以进行多次经过中的第一次经过，以及使用多个分量反射光学器件中的第二分量反射光学器件反射具有固定垂直偏移量的光束，以进行多次经过中的第二次经过。
39.在第四实施方式中，单独或与第一至第三实施方式中的一个或多个相结合，引导
光束经过色散元件包括，相对于光束的多次经过中的第一次经过，在多次经过中的第二次经过色散元件时，使得光束的光谱反转。
40.尽管图4示出了过程400的示例框，但是在一些实现方式中，过程400可以包括与图4中所示的那些框相比额外的框、更少的框、不同的框或者不同排列的框。附加地或替代地，过程400的两个或更多个框可以并行执行。
41.前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的精确形式。可以根据上述公开进行修改和变化，或者可以从实现的实践中获得修改和变化。此外，本文描述的任何实现都可以被组合，除非前述公开明确地提供了一个或多个实现不能被组合的理由。
42.如这里所使用的，根据上下文，满足阈值可以指大于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、小于或等于阈值、等于阈值、不等于阈值等的值。
43.即使特征的特定组合在权利要求中被引用和/或在说明书中被公开，这些组合并不旨在限制各种实现的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中没有具体叙述和/或说明书中没有公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求以及权利要求集中的每个其他权利要求。如这里所使用的，涉及项目列表中的“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”意在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及相同项目的多个的任意组合。
44.除非明确描述，否则这里使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，冠词“一”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用此外，如本文所用，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目或相关和不相关项目的组合)，并且可以与“一个或多个”互换使用当只打算使用一个项目时，使用短语“仅一个”或类似的语言。此外，如本文所用，术语“具有”等意在是开放式术语。此外，短语“基于”意在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在串联使用时旨在包括在内，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。此外，为了便于描述，这里可以使用空间上相对的术语，例如“下方”、“下”、“上”、“上方”等，来描述一个元件或特征与图中所示的另一个元件或特征的关系。除了图中所示的方向之外，空间相关术语旨在包括使用或操作中的设备、装置和/或元件的不同方向。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，并且这里使用的空间相对描述符同样可以相应地解释。