CN1152274C - 用成虚象的相控阵列产生色散的光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种对于光添加“相反色散”的装置，用于补偿光在光纤中传播而引起的色散。该装置包括一成虚象的相控阵列(VIPA)，和一光返回器件。VIPA对于光提供角色散，而光返回器件将此光返回VIPA以在其中经受多重反射。该光返回器件通常是反射镜。在这种情况下，该反射镜可被成形，以使该装置对于光添加一固定的色散。此外，一透镜可被定位于VIPA和光返回器件之间，以使(a)光从VIPA传输给光返回器件，是通过先将其从VIPA传输给透镜，然后由该透镜将其聚焦到光返回器件上；(b)光从光返回器件返回到VIPA，是通过先将其从光返回器件传输给透镜，然后由该透镜将其射向VIPA，而且(c)从VIPA传输给透镜的光，与从透镜传输给VIPA的返回光平行。

Description

用成虚象的相控阵列产生色散的光学装置
相关申请的交叉参考
本申请是1997年2月7日递交的美国专利申请08/796,842的部分继续，并且该在先申请在此引入作为参考。
本申请也是1996年7月24日递交的美国专利申请08/685,362的部分继续，并且该在先申请也在此引入作为参考。
本申请以1995年7月26日在日本递交的日本专利申请07-190535要求日本优先权，而且该申请也在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种产生色散的装置，它可以用于补偿光纤传输线中累积的色散。更具体地说，本发明涉及一种用成虚象的相控阵列产生色散的光学装置。
背景技术
图1(A)是表示传统的通过光传输信息的光纤通信系统示意图。现在参见图1(A)，发射机30通过光纤34向接收机36发送脉冲32。不幸的是，光纤34的色散或者也称为“波长色散”会降低该系统的信号质量。更具体地说，由于色散的原因，光纤中信号的传播速度与信号的波长相关。例如，当波长较长(如一脉冲具有代表“红”色脉冲的波长)的脉冲传播得比波长较短脉冲(如一脉冲具有代表“蓝”色脉冲的波长)更快时，其色散通常称为正常色散。反之，当短波长脉冲(如蓝色脉冲)比长波长脉冲(如红色脉冲)传播得快时，其色散通常称为“反常”色散。
所以，如果从发射机30发射的脉冲32由红蓝两色脉冲组成，则脉冲32在光纤34内传播的过程中将发生分裂，致使接收机36在不同的时刻分别接收到分开的红色脉冲38和蓝色脉冲40。图1(A)表示了正常色散的情况，其中红色脉冲比蓝色脉冲传播得快。
作为另一个脉冲传输的例子，图1(B)是表示由发射机30发射的具有从蓝色到红色连续波长成分的脉冲42示意图。图1(C)是表示脉冲42到达接收机36时的示意图。由于红色分量和蓝色分量以不同的速度传播，致使脉冲42在光纤34中展宽，并且如图1(C)所示，发生色散失真。这种色散在光纤通信系统中非常普遍，因为全部脉冲包括在有限波长范围内。
所以，对于传输容量大的光纤通信系统而言，光纤通信系统的色散必须得到补偿。
图2是表示具有补偿色散的相反色散组件的光纤通信系统的示意图。现在参见图2，一般地讲，相反色散组件44将对于脉冲添加一个“相反”的色散，以抵销在光纤34中传输所引起的色散。
一些传统的器件可以用作相反色散组件44，例如，图3是表示一具有色散补偿光纤的光纤通信系统的示意图，该补偿光纤具有特殊的截面折射率分布并由此起着相反色散组件的作用，以补偿色散。现在参见图3，色散补偿光纤46提供了用于抵销光纤34所致色散的相反色散。但是，色散补偿光纤制造成本高，而且为了充分补偿色散它必须达到一定的长度。比如，若光纤34有100公里长，则色散补偿光纤46应当约为20至30公里长。
图4是表示用作相反色散组件以补偿色散的线性调频光栅的示意图。现在参见图4，通过光纤传播并发生了色散的光到达光环形器50的输入端48。环形器50将该光提供给线性调频光栅52。线性调频光栅52将光反射回环形器50，而且不同的波长成分在线性调频光栅52上的不同距离处反射，致使不同波长的成分传播了不同的距离，以补偿色散。比如，线性调频光栅52可以设计成：长波成分在线性调频光栅52上的远处反射，从而使其比短波成分传播更长的距离。然后，环形器50将来自线性调频光栅52的反射光提供给输出端54。因而，线性调频光栅52可以将一相反的色散加到脉冲上。
遗憾的是，线性调频光栅对于反射脉冲具有很窄的带宽，所以它不能提供足以补偿多波长光(如波分复用光)的波长带。多个线性调频光栅可以级联起来用于波长多路复用信号，但是这会使系统很昂贵。如图4所示，带有环形器的线性调频光栅更适于用在光纤通信系统中为单通道传输的场合。
图5是表示可用于产生色散的传统衍射光栅的示意图。现在参见图5，衍射光栅56有一光栅表面58。包含不同波长的平行光60入射到光栅表面58上。该入射光受到光栅表面58各个台阶的反射且彼此发生干涉。由此，不同波长的光62，64和66以不同角度从衍射光栅56输出。如下文将详细讨论的那样，衍射光栅可以按空间光栅对的方式使用，以补偿色散。
更具体地说，图6(A)是表示用于补偿色散的相反色散组件的空间光栅对结构的示意图。现在参见图6(A)，光67受到第一衍射光栅68的衍射而变成短波长光69和长波长光70。光69和70然后由第二衍射光栅71衍射成同方向传播的光。如从图6(A)中看出的那样，不同波长的波长成分传播了不同的距离，以加入一相反的色散，从而使色散得到补偿。由于长波(诸如光70)比短波(如光69)传播了更长的距离，所以图6(A)所示的空间光栅对结构具有反常色散。
图6(B)是表示另一个用于补偿色散的相反色散组件的空间光栅对结构的示意图。如图6(B)所示，透镜72和74被放置在第一和第二衍射光栅68和71之间，并且它们共用一个焦点。由于长波(如光70)比短波(如光69)传输距离短，所以图6(B)所示的空间光栅对结构具有正常色散。
图6(A)和6(B)所示的空间光栅对结构通常用于控制激光谐振腔中的色散。但是，实际的空间光栅对结构不能提供足够大的色散来补偿光纤通信系统中产生的较大色散。更具体地说，衍射光栅产生的角色散通常极小，一般大约是0.05°/nm。所以，为了补偿光纤通信系统中出现的色散，第一和第二光栅68和71还必须分离开非常大的距离，从而使这种空间光栅对结构无实用性。
发明内容
所以，本发明的目的是提供一种产生色散的装置，而且该装置对于补偿光纤中积累的色散是实用的。
本发明的目的通过提供一种包含本文称之为“成虚象的相控阵列”或“VIPA”器件的装置而实现。该VIPA产生一从VIPA传播出去的光。该装置还包括一使光返回到VIPA以在VIPA内经受多次反射的光返回器件。
本发明的目的还可以通过提供一种包含VIPA的装置来实现，其接收连续波长范围内具有一波长的输入光并产生连续的相应输出光。该输出光可以与连续波长范围内任何其它波长的输入光所形成的输出光在空间上相区分(例如，沿不同的方向传播)。如果输出光可按其传播角度相区分，那么该装置就有一角色散。
而且，本发明的目的通过提供一VIPA和一光返回器件来实现，其中VIPA包括一通道区和一透明材料。该通道区可以使光接收到VIPA中，并从其中输出。该透明材料具有第一和第二表面，而且第二表面具有的反射率可使入射其上的一部分光透过。入射光通过通道区接收在VIPA中并在透明材料的第一和第二表面之间多次反射，从而产生多束透过第二表面的光。该多束透过光相互干涉而产生输出光。输入光为连续波长范围内的某种波长，且其输出光与该连续波长范围内任何其它波长的输入光所形成的输出光在空间上是可区分的。光返回器件使输出光按照严格的相反方向返回到第二表面上，并透射到VIPA内，从而使输出光在VIPA内经受多次反射，然后从VIPA的通道区输出到输入光路中。
此外，本发明的目的通过提供一种包含VIPA的装置而实现，该VIPA对同一波长的输入光产生多个输出光，并且具有不同的干涉级。该装置还包括一光返回器件，它使一个干涉级的输出光返回到VIPA中，而不返回其它输出光。按此方式，只有对应于单一干涉级的光被返回到VIPA中。
本发明的目的，进一步通过提供一种包含一VIPA、一光返回器件及一透镜的装置来实现。该VIPA接收一输入光，并产生一离开VIPA传播出去的相应输出光。该光返回器件接收来自VIPA的输出光，然后将此输出光返回VIPA。该透镜被定位以使：(a)输出光从VIPA传输给光返回器件，是通过光将其从VIPA传输给透镜，然后由该透镜将其聚焦在光返回器件上；(b)输出光从光返回器件返回到VIPA，是通过先将其从光返回器件传输给透镜，然后由该透镜将其射向VIPA，而且(c)从VIPA传输给透镜的输出光，与沿相反方向从透镜传输给VIPA的返回来的输出光相平行。并且，从VIPA传输给透镜的输出光，并不与从透镜传输给VIPA的返回来的输出光相重叠。
此外，本发明的目的通过提供一种包含一VIPA、一反射镜及一透镜的装置来实现。该VIPA接收一输入光，并产生一离开VIPA传播出去的相应输出光。该透镜将此输出光聚焦到反射镜上，以使该反射镜反射此输出光，而且被反射的光由透镜返回射到VIPA上。该反射镜被成型为使本装置提供一固定的色散。
本发明提供了一种用成虚像的相控阵列产生色散的光学装置，包括：一成虚象的相控阵列发生器，包括相互间隔地放置的第一和第二反射表面，该发生器接收一输入光，并产生一离开此成虚像的相控阵列发生器的相应输出光，其中该输出光从此成虚像的相控阵列发生器相应表面传播出去；一光返回器件，其接收来自成虚像的相控阵列发生器的输出光，然后将此输出光返回到成虚像的相控阵列发生器，以及一透镜，其被定位以使所述输出光从成虚像的相控阵列发生器传输给光返回器件，是通过先将其从成虚像的相控阵列发生器传输给透镜，然后由该透镜将其聚焦到光返回器件上；所述输出光从光返回器件返回到成虚像的相控阵列发生器，是通过先将其从光返回器件传输给透镜，然后由该透镜将其射向成虚像的相控阵列发生器，以及从成虚像的相控阵列发生器传输给透镜的输出光，在该顶视图中与成虚像的相控阵列发生器的上述表面垂直；而且从透镜传输给成虚像的相控阵列发生器的返回来的输出光，在顶视图中与成虚像的相控阵列发生器的上述表面垂直。
本发明还提供了一种用成虚像的相控阵列产生色散的光学装置，包括：一角色散组件，其具有一通道区以接收进入角色散组件的光并由其输出；此角色散组件经过该通道区接收在连续波长范围内具有相应波长的输入光，并使该输入光多次反射以产生自干涉而形成从角色散组件传输出来的输出光，从而由角色散组件的相应表面传输出去，该输出光在空间上可与连续波长范围内其它任何波长的输入光所形成的输出光相区分；一光返回器件，其接收来自角色散组件的输出光并将此输出光返回至角色散组件的上述表面，由此而返回角色散组件，以在角色散组件中经受多重反射而后经过该通道区从角色散组件中输出，以及一透镜，其被定位以使所述输出光从角色散组件传输给光返回器件，是通过先将其从角色散组件传输给透镜，然后由该透镜将其聚焦到光返回器件上；所述输出光从光返回器件返回到角色散组件，是通过先将其从光返回器件传输给透镜，然后由该透镜将其射向角色散组件，以及从角色散组件传输给透镜的所述输出光，在该顶视图中与角色散组件的上述表面垂直；而且从透镜传输给角色散组件的返回来的输出光，在该顶视图中与角色散组件的上述表面垂直。
附图说明
本发明的这些和其它目的与优点，将通过结合附图对优选实施例的下述说明而更为清楚明了，其中：
图1(A)(已有技术)是表示传统光纤通信系统的示意图。
图1(B)是表示脉冲未经传统光纤通信系统中光纤进行传播之前的示意图。
图1(C)是表示脉冲经传统光纤通信系统中光纤传播之后的示意图。
图2(已有技术)是表示具有补偿色散的相反色散组件的光纤通信系统的示意图。
图3(已有技术)是表示具有起相反色散组件作用的色散补偿光纤的光纤通信系统的示意图。
图4(已有技术)是表示用作相反色散组件以补偿色散的线性调频光栅的示意图。
图5(已有技术)是表示可用于产生色散的传统衍射光栅的示意图。
图6(A)(已有技术)是表示用于产生反常色散的空间光栅对结构的示意图。
图6(B)(已有技术)是表示用于产生正常色散的空间光栅对结构的示意图。
图7是表示根据本发明一实施例的VIPA的示意图。
图8是表示根据本发明一实施例的图7中VIPA的细部示意图。
图9是表示根据本发明一实施例的图7所示VIPA沿IX-IX线剖开的示意图。
图10是表示根据本发明一实施例由VIPA产生的反射光之间的干涉的示意图。
图11是表示根据本发明一实施例用于确定输入光倾角的图7所示VIPA沿IX-IX线剖开的示意图。
图12(A)，图12(B)，图12(C)和图12(D)是表示根据本发明一实施例的VIPA制作方法的示意图。
图13是表示根据本发明一实施例，将VIPA作为产生色散的角度色散组件使用的装置的示意图。
图14是表示根据本发明一实施例的图13中装置工作原理的详细示意图。
图15是表示根据本发明一实施例的VIPA的各级干涉光的示意图。
图16是表示根据本发明一实施例的波分复用光的几个通道色散情况的示意图。
图17是表示根据本发明一实施例的被VIPA聚焦在反射镜上不同点的波分复用光的不同通道的示意图。
图18是表示根据本发明一实施例，利用VIPA为光提供可变色散的装置的侧视图。
图19是表示根据本发明另一实施例，利用VIPA为光提供可变色散的装置的侧视图。
图20(A)和图20(B)是表示根据本发明的其它实施例，利用VIPA为光提供色散的装置的侧视图。
图21是表示根据本发明一实施例的来自VIPA的光通量的输出角与其波长的关系曲线图；
图22是表示根据本发明一实施例的VIPA的角色散与其光通量波长的关系曲线图；
图23是表示根据本发明实施例的使用VIPA的装置中不同类型反射镜的效果曲线图；
图24是表示根据本发明实施例的使用VIPA的装置中，对于该装置中使用不同类型的反射镜时其色散与波长的关系曲线图；
图25是表示根据本发明实施例的使用VIPA的装置中反射镜效果的曲线图；
图26是表示根据本发明实施例的使用VIPA的装置中国定色散的曲线图；
图27是表示作为根据本发明实施例的使用VIPA的装置，其不同类型反射镜的特征曲线图；
图28(A)，28(B)，28(C)，28(D)，28(E)和28(F)为表示根据本发明实施例的使用VIPA的装置中一些反射镜的实例图；
图29是表示根据本发明另一实施例的使用VIPA以对光提供可变色散的装置的侧视图；
图30是表示根据本发明一实施例的图13中装置与环形器组合的顶视图；
图31是表示根据本发明一实施例的使用VIPA的装置的顶视图；
图32是表示根据本发明附加实施例的使用VIPA的装置的顶视图；
图33是表示根据本发明一实施例的使用VIPA的装置用的简单准直透镜图；
图34是表示根据本发明一实施例的用于控制VIPA温度的控制器原理图。
具体实施方式
在详细说明本发明优选实施例、附图所示实例的过程中，将使用标记，其中相同的附图标记始终代表相同的元件。
图7是表示根据本发明一实施例的成虚象的相控阵列(VIPA)的示意图。而且在下文中，术语“成虚象的相控阵列”和“VIPA”可以互相替换使用。
现在参见图7，VIPA 76适宜由薄玻璃板制成。用透镜80，诸如半圆柱形透镜将输入光77聚焦成一条直线78，以使输入光77进入VIPA 76中。在下文中，将直线78称为“焦线78”。输入光77从焦线78径向传播到VIPA 76内。然后，VIPA 76输出被准直的光通量(Luminousflux)82，其中光通量82的输出角随着输入光波长的不同而改变。例如，当输入光77的波长为λ1时，VIPA 76将沿特定方向输出波长为λ1的光通量82a。当输入光77的波长为λ2时，VIPA 76将沿着不同的方向输出波长为λ2的光通量82b。而且，VIPA 76产生彼此在空间上可区分的光通量82a和82b。
图8是表示根据本发明一实施例的VIPA 76的细部示意图。参见图8，VIPA 76包括由诸如玻璃等制成的平板120，且其上有反射膜122和124。反射膜122优选具有约95％或更高但小于100％的反射率。反射膜124优选具有约100％的反射率。平板120上加工有辐射窗126，且优选具有约为0％的反射率。
输入光77被透镜80聚焦成焦线78通过辐射窗126，且在反射膜122和124之间经受多次反射。焦线78优选落在平板120的涂有反射膜122的表面上。于是，焦线78基本上为聚焦在反射膜122上并通过辐射窗126的直线。当输入光被透镜80聚焦时，焦线78的宽度可以称为输入光77的“束腰”。因而，图8中所示的本发明实施例将输入光77的束腰聚焦在平板120的远表面上(即有反射膜122的表面)。通过将束腰聚焦在平板120的远表面上，本发明实施例可减小(i)输入光进入辐射窗126时，平板120表面上的辐射窗126被输入光77所照射的区域(例如下文将要详细讨论的图11所示的区域“a”)，与(ii)输入光77第一次被反射膜124反射时，反射膜124上被输入光77照射的区域(例如下文将详细讨论的图11所示的区域“b”)互相重叠的可能性。减小这种重叠是确保VIPA正常工作所需要的。
在图8中，输入光77的光轴132有一个小的倾角θ。当反射膜122第一次反射时，有5％的光透过反射膜122并且在束腰之后发散，有95％的反射向反射膜124。经反射膜124反射之后，光再次射到反射膜122上但位移了一个量值d。然后5％的光透过反射膜122。如图8所示，按照相似的方式，光被分解成有恒定间隔d的多条光路。每条光路中光束的形状是这样的：光从束腰的虚象134开始发散。虚象134沿着垂直于平板120的一条直线以恒定间隔2t分布，其中t是平板120的厚度。虚象134中的束腰位置是自对准的而无须调整它们的位置。从虚象134发散的光相互干涉并形成准直光136，该准直光136的传播方向随输入光77的波长而改变。
光路的间隔d＝2tsinθ，而且相邻光束间光路长度之差是2tcosθ。角色散正比于这两个数之比，即cotθ。其结果是VIPA产生一个比较大的角色散。
如从图8中可看到的那样，术语“成虚象的相控阵列”是由形成虚象134的阵列而得来的。
根据本发明的一个实施例，图9是表示图7所示VIPA 76沿直线IX-IX所取的断面。参见图9，平板120具有反射表面122和124。反射表面122和124相互平行，并相隔为平板120的厚度t。反射表面122和124通常是镀在平板120上的反射膜。如前所述，反射表面124除了辐射窗126的区域之外具有接近100％的反射率，而反射表面122具有接近95％或更高的反射率。所以，反射表面122具有接近5％或更高的透射率，以使得照在反射表面122上的光有接近5％或更少的部分将会透射过去，而有接近95％的光将会反射。反射表面122和124的反射率易于根据所使用的具体VIPA而改变。但是，一般来说反射表面122应该有小于100％的反射率，以使一部分的入射光透射过去。
反射表面124上有一个辐射窗126。辐射窗126允许光从中通过，而且最好没有反射，或者有很低的反射。辐射窗126接收输入光77以允许输入光77进入反射表面122和124之间，并在其间反射。
由于图9表示了图7沿IX-IX的一个截面，所以图7中的焦线78在图9中表现为一个点。然后输入光77从焦线78径向地传播出去。此外如图9所示，焦线78位于反射表面122上。尽管焦线78无须在反射表面122上，但是焦线78的位移会引起VIPA 76特性的微小改变。
如图9所示，输入光通过辐射窗126内的区域A0进入平板120，其中点P0表示区域A0周围的点。
由于反射表面122的反射性而有接近95％或更多的输入光77被反射表面122反射并入射到反射表面124的区域A1。点P1表示区域A1周围的点。在反射离开反射表面124上的区域A1之后，输入光77传输到反射表面122并且有一部分透过反射表面122，作为由R1光线定义的输出光Out1。按照这种方式，如图9所示，输入光77在反射表面122和124之间经受多次反射，其中每一次反射离开反射表面122时还产生透过的相应输出光。因此，例如输入光77每次在反射表面124上反射之后立即离开区域A2，A3和A4，以产生输出光Out2，Out3和Out4。点P2表示区域A2周围的点，点P3表示区域A3周围的点，点P4表示区域A4周围的点。输出光Out2由光线R2定义，输出光Out3由光线R3定义，输出光Out4由光线R4定义。尽管图9只表示出输出光Out0，Out1，Out2，Out3和Out4，但是根据输入光77的功率和反射表面122和124的反射，实际上有许多这样的输出光。正如下文将要详细讨论的那样，输出光彼此相互干涉以产生一个其传输方向随输入光波长而改变的光束。因此，光通量可被描述为输出光Out0，Out1，Out2，Out3和Out4相干涉而形成的最终输出光。
图10表示发明的一个实施例，它是VIPA所产生的反射光之间干涉的示意图。现参见图10，从焦线78传输来的光被反射表面124反射。如前文所述，反射表面124具有接近100％的反射率，并因此基本上起着反射镜的作用。其结果是，对输出光Out1可以进行光学分析，就如同反射表面122和124不存在一样，而是输出光0ut1从焦线I1发出。同样地，可以对输出光Out2，Out3和Out4作光学分析，如同它们分别从焦线I1，I2，I3和I4发出。焦线I2，I3和I4是焦线I0的虚象。
因此，如图10所示，焦线I1距焦线I0有2t距离，其中t是反射表面122和124之间的距离。同样地，每个后续焦线距前面相邻的焦线有2t的距离。因此，焦线I2距焦线I1有2t的距离。进而，在反射表面122和124之间，每个后续的多次反射将产生一个比前面输出光强度弱的输出光。所以，输出光Out2比输出光Out1在强度上要弱。
如图10所示，来自焦线的输出光相互重叠和干涉。更具体地说，由于焦线I1，I2，I3和I4是焦线I0的虚象，故输出光Out0，Out1，Out2，Out3和Out4在焦线I1-I4的位置上具有同一光学位相。因而这种干涉将产生一沿着依赖于输入光77波长的特定方向传输的光通量。
本发明前述实施例的VIPA有一些强制的条件，这些条件是VIPA设计的条件。这些强制条件可增强输出光的干涉，以便形成光通量。VIPA的强制条件由下述方程(1)表示：
               2t×cosφ＝mλ                       (1)
式中φ表示所得光通量的传播方向，该角度是从垂直于反射表面122和124的直线测得的，λ表示输入光的波长，t表示反射表面122和124之间的距离，m表示一个整数。
因此，如果t是一个常数，并且m被指定一个特定的值，则对于具有波长λ的输入光而言，所形成的光通量的传播方向φ可以被确定。
更准确地说，输入光77通过一特定角度从焦线78径向地发散。因此具有同样波长的输入光将沿许多不同的方向从焦线78传输，以在反射表面122和124之间反射。VIPA的强制条件引起一在特定方向上传播的光，该特定方向是通过输出光的干涉强制获得的，以致形成一个具有与输入光波长相对应方向的光通量。在不同于由强制条件获得的特定方向的方向上传输的光，将会因输出光的干涉削弱。
根据本发明一实施例，图1 1是表示图7所示VIPA沿IX-IX线断面的示意图，它表示用于确定输入光入射角倾角的VIPA特性。
现在参见图11，输入光77由柱面透镜(图中未表示)汇集并聚焦在焦线78上。如图11所示，输入光77覆盖了具有在辐射窗126上等于“a”宽度的区域。输入光77从反射表面122反射一次之后，入射到反射表面124上并覆盖了在反射表面124上等于“b”宽度的区域。此外，如图11所示，输入光77沿光轴132传输，该光轴与反射表面122的垂线有一个倾角θ1。
该倾角θ1应当这样设置，以避免输入光77由反射表面122第一次反射之后通过辐射窗126传输至平板之外。换句话说，倾角θ1应当这样设置，以使得输入光77在反射面122和124之间保持“被夹在里面”并且不通过辐射窗126逸出。因而，为避免输入光77通过辐射窗126传输到平板之外，应根据下述等式(2)设置倾角θ1：
光轴的倾角θ1≥(a+b)/4t
因此，如图7至11所示，本发明的实施例包括一个VIPA。它接收具有连续波长范围内相应波长的输入光。VIPA引起输入光的多次反射，以产生自干涉并由此形成输出光。此输出光在空间上是与具有连续波长范围内其它波长的输入光所形成的输出光可区分的。例如，图9表示一输入光77，它在反射表面122和124之间经受多次反射。此多次反射产生的大量输出光Out0，Out1，Out2，Out3和Out4彼此相互干涉，以产生在空间上可区分的每个具有输入光77波长的光通量。
“自干涉”是一个表示在从同一光源发出的所有许多光或光束之间发生干涉的术语。因此，输出光Out0，Out1，Out2，Out3和Out4的干涉称为输入光77的自干涉，因为输出光Out0，Out1，Out2，Out3和Out4全都从同一光源(即输入光77)中发出。
根据本发明的前述实施例，输入光可以是连续波长范围内的任意波长。因此，输入光不受波长的限制，该波长是从离散值范围中选出的一个值。此外，根据本发明的前述实施例，连续波长范围内特定波长输入光所产生的输出光，与该连续波长范围内以不同波长输入的光产生的输出光在空间上是可区分的。因此，如图7所示，当输入光77含有连续波长范围内不同的波长时，光通量82的传输方向(即“空间特性”)是不同的。
图12(A)，图12(B)，图12(C)和图12(D)是表示根据本发明一实施例的VIPA制作方法的示意图。
参见图12(A)，一平行平板164是由玻璃制成的，并有极好的平行度。反射膜166和168用真空镀膜、离子溅射或其它此类方法形成在平行平板164的两边。反射膜166和168之一具有接近100％反射率，而另一反射膜具有低于100％且高于80％的反射率。
现在参见图12(B)，反射膜166和168之一被部分地刮掉，以形成辐射窗170。在图12(B)中，反射膜166被表示成刮掉，使得辐射窗170可以与反射膜166形成在平行平板164的同一表面上。然而也可代之以反射膜168被部分地被刮掉，使得辐射窗170可以与反射膜168形成在平行平板164的同一表面上。如本发明的各个实施例所述的那样，辐射窗可以在平行平板164的任何一侧形成。
刮掉反射膜可以由蚀刻方法完成，但是机械切削方法也可以采用，且价格更低廉。然而，如果反射膜被机械地刮掉，则需要更小心地处理平行平板164，以将对平行平板164的损害降到最低。例如，如果平行平板上被形成辐射窗的部分被严重损害的话，则平行平板164将由于所接收到的输入的光散射而产生过度的损耗。
而替代先形成反射膜然后刮掉，辐射窗的产生可以通过对平行平板164上对应着辐射窗的部分预先形成一掩膜，于是就可避免该部分被反射膜覆盖。
现在参见图12(C)，透明的粘合剂172被涂在反射膜166和已经除去了反射膜166的那部分平行平板164上。粘合剂172将产生最小可能的光损耗，因为它也同样被涂在形成有辐射窗的那部分平行平板164上。
现在参见图12(D)，将透明保护板174贴在透明粘合剂172上来保护反射膜166和平行平板164。因为透明粘合剂172用于填充因刮掉反射膜166而产生的下凹部分，所以可使透明保护板174与平行平板164的上表面平行。
同样，为保护反射膜168，粘合剂(未表示)可以涂在反射膜168的上表面并加一个保护板(未表示)。如果反射膜168具有约100％反射率，并且在平行平板164的同一表面上没有辐射窗，那么粘合剂和保护板没有必要是透明的。
此外，可以把增透膜176涂在透明保护板174上。例如，透明保护板174和辐射窗170可以用增透膜176覆盖。
根据本发明的前述实施例，焦线被描述成落在辐射窗的表面上，或者在平行平板的相对表面上，该相对表面是输入光进入的表面。但是，焦线也可以在平行平板中聚焦，或在辐射窗之前聚焦。
根据本发明的前述实施例，两个反射膜使光在其间反射，其中一个反射膜的反射率约为100％。然而，同样的效果可以用反射率都小于100％的两个膜来获得。例如两个反射膜都具有95％的反射率。在此情况下，每个反射膜都有光从中透过并产生干涉。其结果是，在有反射膜的平行平板两侧，形成了在随波长而变的方向上传输的光束。因此，本发明各实施例的各个反射率，可根据所需的VIPA的特性方便地加以改变。
根据本发明的前述实施例，描述了由平行平板或由相互平行的两个反射表面构成的波导器件。然而，平板或反射表面并不是必须平行的。
根据本发明的上述实施例，VIPA利用了多次反射，并在相干光之间保持恒定的相位差。其结果是，VIPA的特性是稳定的，从而减小了由偏振引发的光学特性变化。与之相反，传统衍射光栅的光学特性将随输入光的偏振发生不需要的改变。
本发明的前述实施例涉及提供彼此“空间可区分”的光通量。“空间可区分”是指在空间上可区分的光通量。例如，如果有许多光通量是准直的且在不同方向上传输，或者聚焦在不同的位置上，则它们是空间可区分的。然而本发明并不意味着局限这些精确的实例，而是存在许多使光通量在空间彼此可分的其它方法。
图13是本发明一实施例的示意图，它表示使用VIPA代替衍射光栅作为产生色散的角色散组件的装置。参见图13，VIPA 240具有反射率接近1 00％的第一表面242和反射率接近98％的第二表面244。VIPA240还包括一个辐射窗247。但是，VIPA 240并不局限于这种具体结构。相反，如本文所述，VIPA 240可以有许多不同的结构。
如图13所示，光从光纤246输出，被准直透镜248准直并透过辐射窗247被柱面透镜250线聚焦在VIPA 240内。然后VIPA 240产生一准直光251，该准直光251被聚焦透镜252聚焦在反射镜254上。反射镜254可以是形成在基板258上的反射镜部分256。
反射镜254将通过聚焦透镜252将光反射回VIPA 240内。然后，该光在VIPA 240内经受多次反射并从辐射窗247输出。从辐射窗247输出的光通过柱面透镜250和准直透镜248传输，并由光纤246接收。
所以，光从VIPA 240输出并受到反射镜254反射而返回VIPA 240内。由反射镜254反射的光沿着这样的路径传输，该路径的反向与原传输方向刚好相反。如下文将要详细描述的那样，光中的不同波长成分被聚焦到反射镜254上的不同部位，并反射回VIPA 240。其结果是，不同波长成分传输不同的距离，因而产生了色散。
图14是本发明一实施例的详细示意图，它表示图13中装置的工作原理。假设具有不同波长成分的光被VIPA 240接收到。如图14所示，VIPA 240将使束腰262成一些虚象260，其中每个虚象260均发光。
如图14所示，聚焦透镜252将来自VIPA 240的准直光中不同波长成分的光聚焦在反射镜254上不同点处。更准确地说，长波长264聚焦在点272上，中心波长266聚焦在点270上，短波长268聚焦在点274上。于是，与中心波长266相比，长波长264返回到更靠近束腰262的虚象260。与中心波长266相比，短波长268返回到更远离束腰262的虚象260。因此，这种分布可提供正常色散。
反射镜254被设计成仅仅反射特定干涉级的光，而任意其它干涉级的光则聚焦在反射镜254之外。更准确地说，如前所述，VIPA将输出一准直光。该准直光将在这样的方向上传输，在该方向上从每个虚象发出的光路有一个差值mλ，其中m是一个整数。干涉的第m级被定义为对应于m的输出光。
例如，图15是表示VIPA各级干涉光的示意图。参见图15，一个VIPA，如VIPA240，其发出准直光276、278和280。每个准直光276，278和280对应不同的干涉级。因此，例如准直光276是与第n+2干涉级对应的准直光，准直光278是与第n+1干涉级对应的准直光，准直光280是与第n干涉级对应的准直光，其中n是一个整数。准直光276被表示为具有几种波长成分276a，276b和276c。同样，准直光278被表示为具有几种波长成分278a，278b和278c，准直光280被表示为具有几种波长成分280a，280b和280c。这里，波长成分276a，278a和280a都有相同的波长。波长成分276b，278b和280b也有相同的波长(但不同于波长成分276a，278a和280a的波长)。波长成分276c，278c和280c也都有相同的波长(但不同于波长成分276a，278a和280a的波长，也不同于波长成分276b，278b和280b的波长)。尽管图15仅仅描述了三个不同干涉级的准直光，但还会发出许多其它干涉级的准直光。
由于相同波长不同干涉级的准直光沿着不同的方向传播并聚焦在不同位置上，因此反射镜254仅能将单个干涉级的光反射回VIPA 240。例如图15所示，反射镜254的反射部分的长度应该比较小，以使得只反射对应于单个干涉级的光。更为具体地说，在图15中，只有准直光278受到反射镜254的反射。在此情况下，准直光276和280聚焦在反射镜254之外。
波分复用光通常包括许多通道。再参见图13，如果VIPA 240的第一与第二表面242和244之间的厚度t被设定为一特定值，那么这种布置将可以同时补偿每个通道的色散。
更具体地说，每个通道具有一个中心波长。这些中心波长通常间隔开一恒定的频率间隔。VIPA 240的第一与第二表面242和244间的厚度t应该设定成，使得对应于中心波长的所有波长成分都以相同的角度从VIPA 240输出，并由此聚焦在反射镜254上的同一聚焦位置。当厚度t被设定成：对于每个通道来说，对应于中心波长的波长成分通过VIPA 240传播所经历的环路光程长度是每个通道的中心波长的倍数时，这是可能的。厚度t的这个量值在下文中将称为“WDM(波分复用)匹配自由光谱范围(FSR)厚度”，或“WDM匹配FSR厚度”。
而且在此情况下，经过VIPA240的环路光程长度(2ntcosθ)等于每通道的中心波长所对应的波长乘以一个整数，该波长的每个θ相同而整数不相同，其中n是第一与第二表面242和244之间材料的折射率，θ表示与每个通道的中心波长相应的光通量的传播方向。更具体地说，如前所述，θ表示输入光光轴的很小的倾斜角(参见图8)。
所以，如果t被设定为：对于每个通道中与中心波长相对应的波长成分而言，2ntcosθ是每个通道的中心波长的整数倍(θ相同而该整数不同)，则与中心波长对应的所有波长成分将以相同的输出角从VIPA 240发出，并聚焦在反射镜254上的同一聚焦位置。
例如，环路中2mm的实际长度(近似于两倍的VIPA厚度1mm)和1.5的折射率能使间隔100GHz的所有波长满足该条件。其结果是，VIPA 240可以同时补偿波分复用光所有通道中的色散。
因此，参见图14，通过将厚度t设定为WDM匹配FSR厚度，VIPA 240和聚焦透镜252将会使：(a)与每个通道的中心波长对应的波长成分聚焦在反射镜254上的点270，(b)与每个通道的长波长对应的波长成分聚焦在反射镜254上的点272，(c)与每个通道的短波长对应的波长成分聚焦在反射镜254上的点274。因此，VIPA 240可以用于补偿波分复用光所有通道中的色散。
图16是表示根据本发明一实施例在厚度t被设定为WDM匹配FSR厚度情况下，波分复用光的几个通道色散量的示意图。如图16所示，所有通道都提供有相同的色散。但是，在通道之间色散是不连续的。而且，VIPA 240所要进行色散补偿的每个通道的波长范围可以通过适当设定反射镜254尺寸来设定。
如果不将厚度t设定为WDM匹配FSR厚度，则波分复用光的不同通道将被聚焦在反射镜254上的不同点。例如，如果厚度t等于二分之一，三分之一或其它比例的环路光程厚度，则两个，三个，四个或更多通道的焦点可以聚焦在同一反射镜上，但其每个通道聚焦在不同的焦点。更为具体地说，当厚度t等于二分之一WDM匹配FSR厚度时，来自奇数通道的光将聚焦在反射镜254上同一点，而且来自偶数通道的光将聚焦在反射镜254上同一点上。但是，来自奇数通道的光将聚焦在与来自偶数通道的光不相同的点上。
例如，图17是表示被聚焦在反射镜254上不同点的不同通道的示意图。如图17所示，偶数通道中心波长的波长成分被聚焦在反射镜254上的一点，而奇数通道中心波长的波长成分被聚焦在另一点上。其结果是，VIPA 240可以同时充分地补偿波分复用光所有通道中的色散。
有几种不同的改变由VIPA加入之色散值的方法。例如，图18是表示根据本发明一实施例利用VIPA为光提供可变色散的装置的侧视图。参见图18，VIPA 240产生各自有不同角色散的不同干涉级。所以，加到光信号中的色散量可以通过转动或移动VIPA 240而改变，以使得对应于不同干涉级的光聚焦在反射镜254上并反射回VIPA 240。
图19是表示根据本发明另一实施例利用VIPA为光提供可变色散装置的侧视图。参见图19，聚焦透镜252与反射镜254之间的相对距离保持不变，而且聚焦透镜252和反射镜254一起相对于VIPA 240移动。聚焦透镜252和反射镜254的这种移动可改变从反射镜254返回到VIPA 240的光的位移，从而可改变色散。
图20(A)和图20(B)是表示根据本发明的其它实施例利用VIPA为光提供可变色散的装置的侧视图。图20(A)和图20(B)与图14相似，其中图20(A)和图20(B)表示由束腰262的虚象260所发出的光的长波长264，中心波长266和短波长268的传播方向。
现在参见图20(A)，反射镜254是一个凸面反射镜。利用该凸面反射镜放大光束的位移。所以，利用短透镜焦距和小间隔可以得到大的色散。当反射镜254是凸的时，如图20(A)，凸面形状通常仅仅可以从侧面看出，而不能从顶视方向看出。
现在参见图20(B)，反射镜254是一个凹面反射镜。利用凹面反射镜，色散的符号被颠倒。所以非常色散可以利用短透镜焦距和小间隔获得。当反射镜254是凹的时，如图20(B)，凹面的形状通常仅仅可以从侧面看出，而不能从顶视方向看出。
因此，反射镜254在顶视图中通常看来总象是平的。然而当由顶部观察时反射镜254也有可能是凹的或者凸的反射镜，从而表明该反射镜是“一维”反射镜。
在图20(A)和图20(B)中，反射镜254位于或接近于聚焦透镜252的焦点处。
因此，如上所述，反射镜254在侧视图中可以是凸的或者凹的，如图20(A)和20(B)中分别表示的那样。凸的反射镜可放大色散，而且凹的反射镜可减小色散甚至将色散从正的(正常色散)逆转到负的(反常色散)。更具体地说，凸的反射镜在负方向上产生较大的色散，而且凹的反射镜在负方向上产生较小的色散甚至将色散逆转为正的。这样做之所以可能，是由于色散的大小是侧视图中反射镜曲率的函数。
图21为表示来自VIPA 240的光通量的输出角与其波长的关系曲线图。如从图21看到的那样，波长与输出角的关系曲线282并非直线。
由于VIPA产生的光通量其波长与输出角之间的关系并非直线，故其色散在波长范围内不是固定的，只要平面反射镜、标称的凸反射或标称的凹反射镜被用作反射镜254。这种色散的非线性称之为高级色散。
一般说来，参见图20(A)和20(B)中的装置，色散的非线性可被理解为是指下式(3)；
(角色散)·(1-f·(1/R))∝色散式中f为透镜252的焦距，R为反射镜254的曲率半径。
图22为表示VIPA 240的角色散与其光通量的波长的关系曲线。通常，图22中的曲线代表图21中曲线282的斜率。如从图22中看到的那样，角色散并非固定的。而是角色散随波长变化而变化。
图23为表示上述式(3)中(1-f·(1/R))项与波长的关系曲线。更具体地说，线286表示对于平面反射镜(曲率半径等于无限大)其(1-f·(1/R))项与波长的关系曲线。线288表示对于凹的反射镜(曲率半径为“+”)其(1-f·(1/R))项与波长的关系曲线。线290表示对于凸的反射镜(曲率半径为“-”)其(1-f·(1/R))项与波长的关系曲线。如图23所示，每种反射镜具有固定的曲率半径。
图24为表示当反射镜254为凸的反射镜、平的反射镜和凹的反射镜时，如图20(A)及20(B)的装置其色散与波长的关系曲线。更具体地说，曲线292是当反射镜254为凸的反射镜时色散与波长的关系曲线。曲线294是当反射镜254为平的反射镜时色散与波长的关系曲线。曲线296是当反射镜254为凹的反射镜时色散与波长的关系曲线。
按照非常通用的方式，曲线292，294和296中每条曲线代表图22所示的角色散与图23所示的相称直线的乘积，如上述公式(3)所示。更具体地说，通常曲线292代表图22中的曲线284与图23中直线290的乘积。通常曲线294代表图22中曲线284与图23中直线286的乘积。通常曲线296代表图22中曲线284与图23中直线288的乘积。
如从图24中看到的那样，不论使用凸的、平的或凹的反射镜作为反射镜254，色散都不是固定的。
根据本发明的实施例，这种色散与波长的关系可通过线性调频反射镜254的曲率来减小或者消除。
更具体地说，图25为表示上述公式(3)中的(1-f·(1/R))项与波长关系曲线298的图。一般说来，图25中的曲线298乃是图22中曲线284的反向。因此，具有图25中特性的反射镜将提供一固定的色散，如图26中的曲线300所示。
例如，对于如图14所示的装置来说，较长的波长比较短的波长在负方向上具有更大的色散。因此，反射镜254可被设计成在反射较长波长的位置具有一凹进的部分，在反射较短波长的位置有一凸起的部分，以便有效地消除色散对波长的依赖关系。理论上，反射镜254的弯曲，在波长由短变长时沿光的聚焦点连续地由凸变凹。如果这种变化是以普通的凸面反射镜(而不是平面反射镜)为基础，则此反射镜的弯曲可以做成，在波长由短变长时沿光的聚焦点连续地从强凸变成弱凸。
因此，对于反射镜254来说，为提供一固定的色散存在许多不同的图样。例如，图27为表示根据本发明一些实施例的许多不同反射镜设计特征的曲线图。图27中的曲线302，表示一反射镜随输出光的波长增加连续地从凸变凹。曲线304表示一反射镜随输出光的波长增加从强凸变成略凸。曲线306表示一反射镜随输出光波长增加从略凹变成强凹。其它一些反射镜结构包括例如曲线308和310所示。实际上存在无数的反射镜结构能被使用，而且这类结构可绘制为图27的曲线。此外，反射镜的设计不必规定局限于具有与图27中相同斜率的特征曲线的那些。
图28(A)，28(B)，28(C)和28(D)，表示可被用作本发明各种实施例中反射镜254的各种反射镜的表面形状。例如，图28(A)表示一反射镜连续地从凸变凹，如图27中曲线302表示的那样。图28(B)表示一反射镜连续地从强凸变成弱凸，如图27中曲线310所示。图28(C)表示一反射镜连续地从弱凹变成强凹，如图27中曲线306所示。
并且，实际上存在无数的反射镜结构能被使用。例如，图28(D)表示一平面反射镜变凸。图28(E)表示一平面反射镜变凹。图28(F)表示一具有凸起部分和凹进部分的反射镜，只不过该反射镜从凸变凹并非连续的。
因此，根据本发明上述实施例的装置包括一VIPA、一反射镜及一透镜。该VIPA接收一输入光并产生一离开VIPA传播出去的相应输出光(如光通量)。该透镜将此输出光聚焦在反射镜上，以使该反射镜对此输出光反射，而且被反射的光再由透镜射回到VIPA。该反射镜具有的形状能使该装置产生一固定的色散。
例如，由透镜聚焦的输出光随输出光波长的变化入射在反射镜表面上的不同点。该反射镜被成形为使其表面上的各点随输出光波长由短变长而连续地从凸变凹。作为另一种例子，该反射镜被成形为使其表面上的各点随输出光波长由短变长而连续地从强凸变成弱凸。另一方面，该反射镜可被成形为使其表面上各点随输出光波长由短变长而连续地从弱凹变成强凹。也还存在其它一些例子。例如，该反射镜可具有一凹部分和一凸起部分，以致于波长比特定波长短的输出光被凸起部分反射掉，波长比特定波长长的输出光被凹进部分反射掉。
此外，例如该反射镜可以具有一平的部分，且其在高于特定波长时随同输出光波长的增加而连续地变成凹进部分，以致于比特定波长短的输出光入射在平的部分上面，而且比特定波长长的输出光入射在凹进部分上面。或者该反射镜可以带有一凸起部分，且其在高于特定波长时随同输出光波长的增加而连续地变成平的部分，以致于比特定波长短的输出光入射在凸起部分上面，而且比特定波长长的输出光入射在平的部分上面。
图29为表示根据本发明另一实施例的使用VIPA以对光提供可变色散的装置的侧视图。现在参见图29，聚焦透镜252和反射镜254由逆向反射器312代替。逆向反射器312最好有两个或三个反射表面，并且沿着与入射光传播方向相反的方向反射入射光。逆向反射器312的使用将会产生VIPA-逆向反射器的配置，以加入反常色散。此外，逆向反射器312可相对于VIPA240移动，用以改变色散量。
图30为表示根据本发明一实施例的图13中装置与一环形器组合的顶视图。现在参见图30，环形器314从输入光纤316接收输入光，并将输入光提供给准直透镜248。由反射镜254反射并经过VIPA 240返回的输出光被环形器314接收，且被提供给输出光纤318。在图30中，聚焦透镜252是“标准”聚焦透镜，此处“标准”聚焦透镜是指从聚焦透镜的顶视图和侧视图看都使光聚焦的聚焦透镜，且其在顶视和侧视图中具有相同的焦距。
图31为表示根据本发明另一实施例的使用VIPA以对光添加色散的装置的顶视图。现在参见图31，柱面透镜320将VIPA 240输出的光线聚焦到反射镜254上。从顶部看时，反射镜254有轻微的倾斜(如图31)。输入光纤316将输入光提供给准直透镜248，而且输出光纤318接收从反射镜254反射并经由VIPA 240返回的光。因此，通过采用柱面透镜320和倾斜反射镜254，可不必使用环形器(如图30所示的环形器314)。
然而图30和31中的装置存在若干缺点。关于图30中的装置，环形器314之所以需要是为了将输入光与输出光分开。但是环形器将产生某些不希望有的光学损耗。此外，环形器的实际尺寸对于许多场合可能太大。
至于图31中的装置，该装置的性能比较低，因为VIPA 240接收的输入光并不与VIPA 240垂直，如从图31顶视图可看到的那样。更具体地说，由于VIPA 240所接收的输入光与其并不垂直，所以各种输出光(例如象图9中的输出光Out1，Out2和Out3)将不会完全搭接。而是代之以，这些输出光仅将部分搭接，从而使该装置的性能降低。
图32为表示根据本发明附加实施例的使用VIPA以对光添加色散的装置的顶视图，且其消除了图30和31所示装置的某些缺陷。
参见图32，准直透镜322a和半圆柱形透镜324a被定位于输入光纤316和VIPA 240之间。输入光从输入光纤316输送并由准直透镜322a形成准直光。此准直光然后由半圆柱形透镜324a线聚焦到VIPA 240的辐射窗中。所得到的由VIPA 240产生的光通量输送给聚焦透镜252，并被聚焦到反射镜254上以被其反射。在图32中，聚焦透镜252为“标准”聚焦透镜，此处“标准”聚焦透镜是指从聚焦透镜的顶视图和侧视图看都使光聚焦的聚焦透镜，且其在顶视和侧视图中具有相同的焦距。
准直透镜322b和半圆柱形透镜324b被定位于输出光纤318和VIPA 240之间。由反射镜254反射回VIPA 240的光在VIPA 240中经历多重反射，并且经过VIPA 240的辐射窗输出。此从VIPA 240来的输出光传输到半圆柱形透镜324b和准直透镜322b，以被聚焦到输出光纤318中。
如图32所示，聚焦在反射镜254上的光在顶视图中与反射镜254并不垂直。这种情况的存在是由聚焦透镜252被放在使VIPA 240产生的光通量在顶视图中并不通过聚焦透镜252中心的位置上。与此类似，由反射镜254反射的光也不通过聚焦透镜252的中心。最好将聚光透镜252的透镜中心，在顶视图中放在距离VIPA 240产生的光通量的光束中心和反射镜254反射的光的光束中心至少各为光束厚度之半的位置。其结果是，聚焦透镜252将光聚焦在反射镜254上其透镜轴线326所延伸的位置上。此外，由VIPA 240传输给聚焦透镜252的光328，对于任意波长来说，将与由聚焦透镜252传输给VIPA 240的光330相平行。
使用图32所示的装置，来自输入光纤316的输入光，其传输的空间不同于拟由输出光纤318接收的输出光。因此，其输出光可被耦合到不同于输入光纤的光纤上，而且并不需要环形器。并且，该装置具有较高的性能，因为被接收在VIPA 240辐射窗中的输入光是沿垂直VIPA 240的方向传输的，如顶视图中看到的那样。
虽然图32表示出两块分开的半圆柱形透镜324a和324b，但是单块半圆柱形透镜也可以使用。例如，图33为表示根据本发明一实施例使用单块半圆柱形透镜324取代多块半圆柱形透镜324a及324b的示意图。
另外，半圆柱形透镜通常被定义为其侧视与顶视图之一中聚光而在另一视图中无聚光作用的透镜。半圆柱形透镜是公知的。
此外，本发明并不规定要限制在使用准直透镜、半圆柱形透镜和/或任何其它特定类型的透镜。而代之以可使用其它许多透镜或者器件，只要能提供相当的效果。
因此，例如如图32所示，这类装置包括一VIPA(例如VIPA 240)、一光返回器件(例如反射镜254)和一透镜(例如聚焦透镜252)。VIPA接收一入射光并产生一离开它传播的相应输出光(例如光通量)。光返回器件则接收来自VIPA的输出光，然后将此输出光返回VIPA。该透镜被定位以使：(a)输出光从VIPA传输给光返回器件，是通过先将其从VIPA传输给该透镜，然后由该透镜聚焦在光返回器件上；(b)输出光从光返回器件返回到VIPA，是通过先将其从光返回器件传输给该透镜，然后由该透镜射到VIPA，以及(c)输出光从VIPA传输给该透镜，与输出光从该透镜传输给VIPA相平行。
根据本发明上述一些实施例的VIPA，能够提供比衍射光栅大得多的角色散。因此，如在此描述的VIPA，可以用来补偿比图6(A)及6(B)的空间光栅对配置大得多的色散。
在本发明的上述一些实施例中，反射镜被用来将光反射回VIPA 240中。因此，反射镜可被称之为能将光返回VIPA 240的“光返回器件”。然而，本发明并非规定为局限于使用反射镜作为光返回器件。例如，棱镜(取代反射镜)可被用作能将光返回VIPA 240的光返回器件。此外，反射镜和/或棱镜或者透镜装置的各种组合，可被用作能将光返回VIPA的光返回器件。
在本发明的上述一些实施例中，VIPA带有能反射光的反射膜。例如，图8表示的VIPA 76带有能反射光的反射膜122和124。然而，对于VIPA并不规定局限于利用“薄膜”来提供反射表面。而代之以，VIPA必须简单地带有适合的反射表面，而且这些反射表面可以由或者可以不由“薄膜”构成。
并且，在本发明的上述一些实施例中，VIPA包括一在其中可发生多重反射的透明玻璃平板。例如，图8表示一其上带有反射表面的透明玻璃板120的VIPA 76。然而，对于VIPA并不规定局限于使用玻璃材料或任何类型的“平板”来将反射表面隔开。而代之以，反射表面必须简单地保持在由某种类型的隔离物将其彼此隔开。例如，VIPA的反射表面可以由“空气”隔开而其间没有玻璃平板。因此，其反射表面可被描述为由透明材料隔开的，例如光学玻璃或空气。
如上所述，VIPA的工作对于其两反射表面之间材料的厚度和折射率是敏感的。此外，VIPA的工作波长可通过控制其温度精确地调节。
更具体地说，图34为表示根据本发明一实施例控制VIPA温度的控制器的原理图。参见图34，VIPA 340产生一输出光342。温度传感器344对VIPA 340的温度进行检测。基于被检测出来的温度，控制器346对加热/冷却元件348进行控制，以控制VIPA 340的温度而调节其工作波长。
例如，VIPA 340的温度升高和降低可轻微地改变输出光342的输出角。并且，与特定波长输入光相对应的输出光应以精确的输出角从VIPA 340输出。因此，控制器346可对VIPA 340的温度进行调节，以使其输出光342以正确的输出角严格地输出并保持稳定。
根据本发明上述实施例的装置，使用VIPA来补偿色散。为此，本发明实施例并不规定局限于一种特定的VIPA结构。相反，任何本文讨论的或在本文作为参改引证的相关美国专利申请08/685,362所公开的各种VIPA结构，均可用在一装置中来补偿色散。例如，该VIPA可以有也可以没有辐射窗，而且VIPA各表面上的反射率并不局限于任何具体实例。
根据本发明的上述实施例，一种装置采用VIPA来补偿色散。为此，本发明的实施例并不局限于特定的VIPA结构。相反，任何在本文所述的、或在本文作为参考引证的相关美国专利申请08/685,362所公开的不同VIPA结构，均可用在一装置中补偿色散。例如，VIPA可以有、也可以没有辐射窗，且VIPA各表面的反射率不局限于任何具体实例。
尽管已经描述了本发明的一些优选实施例，但是本领域的普通技术人员应该知道：这些实施例可以有各种变化，而不脱离本发明的原理和构思、权利要求书所限定的范围以及它们的等同物。

Claims (48)

1.一种用成虚像的相控阵列产生色散的光学装置，包括：
一成虚象的相控阵列发生器，包括相互间隔地放置的第一和第二反射表面，该发生器接收一输入光，并产生一离开此成虚像的相控阵列发生器的相应输出光，其中该输出光从此成虚像的相控阵列发生器相应表面传播出去；
一光返回器件，其接收来自成虚像的相控阵列发生器的输出光，然后将此输出光返回到成虚像的相控阵列发生器，以及
一透镜，其被定位以使
所述输出光从成虚像的相控阵列发生器传输给光返回器件，是通过先将其从成虚像的相控阵列发生器传输给透镜，然后由该透镜将其聚焦到光返回器件上；
所述输出光从光返回器件返回到成虚像的相控阵列发生器，是通过先将其从光返回器件传输给透镜，然后由该透镜将其射向成虚像的相控阵列发生器，以及
从成虚像的相控阵列发生器传输给透镜的输出光，在该顶视图中与成虚像的相控阵列发生器的上述表面垂直；而且从透镜传输给成虚像的相控阵列发生器的返回来的输出光，在顶视图中与成虚像的相控阵列发生器的上述表面垂直。
2.如权利要求1的装置，进一步包括：
第一和第二光纤，其中
所述输入光通过第一光纤传输而被接收在成虚像的相控阵列发生器中，而且
在被返回成虚像的相控阵列发生器之后的所述输出光在成虚像的相控阵列发生器中经受多重反射，然后被第二光纤接收。
3.如权利要求2的装置，还包括
第一透镜，其将来自第一光纤的所述输入光射向成虚像的相控阵列发生器，和
第二透镜，其将来自成虚像的相控阵列发生器的返回来的所述输出光射向第二光纤。
4.如权利要求2的装置，进一步包括
一透镜，其将来自第一光纤的输入光射向成虚像的相控阵列发生器，并将来自成虚像的相控阵列发生器的返回来的输出光射向第二光纤。
5.如权利要求1的装置，其中光返回器件是一反射镜。
6.如权利要求5的装置，其中从成虚像的相控阵列发生器传输出来的输出光，将通过透镜并聚焦在反射镜上，以使入射在该反射镜上的光与反射镜表面并不垂直。
7.如权利要求1的装置，其中该透镜被定位，以使
从成虚像的相控阵列发生器传输给透镜的输出光，将偏离中心通过该透镜，而且
从透镜传输给成虚像的相控阵列发生器的返回来的输出光，将偏离中心通过该透镜。
8.如权利要求1的装置，其中从成虚像的相控阵列发生器传输给透镜的输出光，并不与从透镜传输给成虚像的相控阵列发生器的返回来的输出光相重叠。
9.如权利要求1的装置，其中该透镜如从其顶视和侧视图看到的那样使光聚焦，并且在透镜的顶视和侧视图中具有相同的焦距。
10.一种用成虚像的相控阵列产生色散的光学装置，包括：
一角色散组件，其具有一通道区以接收进入角色散组件的光并由其输出；此角色散组件经过该通道区接收在连续波长范围内具有相应波长的输入光，并使该输入光多次反射以产生自干涉而形成从角色散组件传输出来的输出光，从而由角色散组件的相应表面传输出去，该输出光在空间上可与连续波长范围内其它任何波长的输入光所形成的输出光相区分；
一光返回器件，其接收来自角色散组件的输出光并将此输出光返回至角色散组件的上述表面，由此而返回角色散组件，以在角色散组件中经受多重反射而后经过该通道区从角色散组件中输出，以及
一透镜，其被定位以使
所述输出光从角色散组件传输给光返回器件，是通过先将其从角色散组件传输给透镜，然后由该透镜将其聚焦到光返回器件上；
所述输出光从光返回器件返回到角色散组件，是通过先将其从光返回器件传输给透镜，然后由该透镜将其射向角色散组件，以及
从角色散组件传输给透镜的所述输出光，在该顶视图中与角色散组件的上述表面垂直；而且从透镜传输给角色散组件的返回来的输出光，在该顶视图中与角色散组件的上述表面垂直。
11.如权利要求10的装置，进一步包括：
第一和第二光纤，其中
所述输入光通过第一光纤传输而被经过该通道区接收在角色散组件中，而且
被返回来的输出光在角色散组件中经受多重反射之后经过该通道区输出，然后被第二光纤接收。
12.如权利要求11的装置，另外还包括：
一透镜，其将来自第一光纤的所述输入光经过该通道区线聚焦到角色散组件中，以及
一透镜，其将由角色散组件的通道区返回的所述输出光射向第二光纤。
13.如权利要求11的装置，另外还包括：
一透镜，其将来自第一光纤的输入光经过该通道区射入角色散组件中，并且将由角色散组件的通道区返回的输出光射向第二光纤。
14.如权利要求11的装置，另外还包括：
第一透镜，其接收来自第一光纤的输入光并形成一准直光；
第二透镜，其接收来自第一透镜的准直光并将该准直光线聚焦到角色散组件的通道区中；
第三透镜，其将从角色散组件的通道区返回的输出光形成准直光，以及
第四透镜，其将来自第三透镜的准直光聚焦到第二光纤中。
15.如权利要求10的装置，其中的光返回器件为反射镜。
16.如权利要求10的装置，其中从角色散组件传输给透镜的输出光，并不与从透镜传输给角色散组件的返回来的输出光相重叠。
17.如权利要求10的装置，其中该透镜如从其顶视和侧视图看到的那样使光聚焦，并且在透镜的顶视和侧视图中具有相同的焦距。
18.一种用成虚像的相控阵列产生色散的光学装置，包括：
一成虚象的相控阵列，包括相互间隔地放置的第一和第二反射表面，其接收一输入光并产生一离开成虚像的相控阵列发生器传播出去的相应输出光；
一反射镜，及
一透镜，其将输出光聚焦到反射镜上，以使反射镜反射输出光，而且被反射的光由透镜返回射在成虚像的相控阵列发生器上
其中该反射镜被成形为使本装置提供一固定的色散。
19.如权利要求18的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜被成形，以使其表面上各点随着输出光波长由短变长而连续地从凸变凹。
20.如权利要求18的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜被成形，以使其表面上各点随着输出光波长由短变长而连续地从强凸变成弱凸。
21.如权利要求18的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜被成形，以使其表面上各点随着输出光波长由短变长而连续地从弱凹变成强凹。
22.如权利要求18的装置，其中
该反射镜具有一凹进部分和一凸起部分，以使比特定波长短的输出光被凸起部分反射掉，而且比特定波长长的输出光被凹进部分反射掉。
23.如权利要求18的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜具有一平的部分，且其在高于特定波长时随同输出光波长的增加而连续地变成凹进部分，以致于比特定波长短的输出光入射在平的部分上面，而且比特定波长长的输出光入射在凹进部分上面。
24.如权利要求18的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜具有一凸起部分，且其在高于特定波长时随同输出光波长的增加而连续地变成平的部分，以致于比特定波长短的输出光入射在凸起部分上面，而且比特定波长长的输出光入射在平的部分上面。
25.一种用成虚像的相控阵列产生色散的光学装置，包括：
一角色散组件，它有一将光接收其内并从中输出光的通道区，该角色散组件通过该通道区接收连续波长范围内的相应波长的输入光，并使输入光发生多重反射以产生自干涉，形成角色散组件的输出光，而且该输出光在空间上可以与连续波长范围内任何其它波长的输入光所形成的输出光相区分；
一反射镜，以及
一透镜，并由其将角色散组件形成的输出光聚焦到该反射镜上，其中
该反射镜将被聚焦的光反射回透镜，并由透镜将被反射的输出光再射回角色散组件，从而使被反射的输出光在角色散组件中经受多重反射，然后经过通道区从角色散组件中输出，以及
该反射镜被成形，以使该装置提供一固定的色散。
26.如权利要求25的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜被成形，以使其表面上相应点随着输出光波长由短变长而连续地从凸变凹。
27.如权利要求25的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜被成形，以使其表面上相应点随着输出光波长由短变长而连续地从强凸变成弱凸。
28.如权利要求25的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜被成形，以使其表面上各点随着输出光波长由短变长而连续地从弱凹变成强凹。
29.如权利要求25的装置，其中
该反射镜具有一凹进部分和一凸起部分，以使比特定波长短的输出光被凸起部分反射掉，而且比特定波长长的输出光被凹进部分反射掉。
30.如权利要求25的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜具有一平的部分，且其在高于特定波长时随同输出光波长的增加而连续地变成凹进部分，以致于比特定波长短的输出光入射在平的部分上面，而且比特定波长长的输出光入射在凹进部分上面。
31.如权利要求25的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜具有一凸起部分，且其在高于特定波长时随同输出光波长的增加而连续地变成平的部分，以致于比特定波长短的输出光入射在凸起部分上面，而且比特定波长长的输出光入射在平的部分上面。
32.一种用成虚像的相控阵列产生色散的光学装置，包括：
第一和第二表面，而且第二表面所具有的反射率能使其上入射光的一部分被透过，此处
一相应波长的入射光被聚焦成一条线，而且
第一和第二表面被定位，以使该输入光从这条线射出去而在第一和第二表面之间进行多次反射，从而导致多重光透过第二表面，而且透过的多重光相互干涉而产生一从第二表面传输出去的输出光，且其在空间上可与不同波长的其它输入光所产生的输出光相区分；
一光返回器件，其将该输出光返回第二表面，以使该输出光通过第二表面并在第一和第二表面之间经受多重反射，以及
一透镜，其被定位以使
所述输出光从第二表面传输给光返回器件，是通过先将其从第二表面传输给透镜，然后由该透镜将其聚焦到光返回器件上；
所述输出光从光返回器件返回到第二表面，是通过先将其从光返回器件传输给透镜，然后由该透镜将其射向第二表面，以及
从第二表面传输给透镜的所述输出光，在该顶视图中与第二表面相垂直；而且从透镜传输给第二表面的返回来的所述输出光，在该顶视图中与第二表面相垂直。
33.如权利要求32的装置，其中的光返回器件为反射镜。
34.如权利要求33的装置，其中从第二表面传输出来的输出光将通过该透镜并被聚焦在反射镜上，以使入射在反射镜上的光并不垂直于该反射镜表面。
35.一种接收一相应波长的输入光并将其聚焦成一条直线的装置，该装置包括：
彼此隔开的第一和第二表面；
用于使输入光从该直线射出去而在第一和第二表面之间被多次反射的装置，从而导致多重光透过第二表面，以使所透过的光相互干涉而产生一离开第二表面传输出去的输出光，且其在空间上可与不同波长的其它输入光所产生的输出光相区分；
一光返回装置，用于将输出光返回第二表面，以使被返回的输出光通过第二表面并在第一和第二表面之间经受多重反射，以及
一透镜，其被定位以使
所述输出光从第二表面传输给光返回装置，是通过先将其从第二表面传输给透镜，然后由该透镜将其聚焦到光返回装置上；
所述输出光从光返回装置返回到第二表面，是通过先将其从光返回装置传输给透镜，然后由该透镜将其射向第二表面，以及
从第二表面传输给透镜的输出光，在该顶视图中与第二表面相垂直；而且从透镜传输给第二表面的返回来的输出光，在该顶视图中与第二表面相垂直。
36.一种用成虚像的相控阵列产生色散的光学装置，包括：
一角色散组件，其具有一通道区以将光接收到角色散组件中并使光由其输出，此角色散组件经过其通道区接收被聚焦成一直线的具有相应波长的输入光，并使该输入光多次反射以产生自干涉而形成从角色散组件传输出去的输出光，且其在空间上可与不同波长的其它输入光所形成的输出光相区分；
一反射镜，以及
一透镜，其将角色散组件形成的输出光聚焦在反射镜上，其中
该反射镜将被聚焦的光反射回透镜，并由该透镜将被反射的输出光射回角色散组件，以使被反射的输出光在角色散组件中经受多重反射，然后经过通道区从角色散组件中输出，而且
该反射镜被成形以使本装置提供一固定的色散。
37.如权利要求36的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜被成形，以使其表面上相应点随着输出光波长由短变长而连续从凸变凹。
38.如权利要求36的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜被成形，以使其表面上相应点随着输出光波长由短变长而连续地从强凸变弱凸。
39.如权利要求36的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜被成形，以使其表面上相应点随着输出光波长由短变长而连续地从弱凹变强凹。
40.如权利要求36的装置，其中
该反射镜具有一凹进部分和一凸起部分，以使比特定波长短的输出光被凸起部分反射掉，而且比特定波长长的输出光被凹进部分反射掉。
41.如权利要求36的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜具有一平的部分，且其在高于特定波长时随同输出光波长的增加而连续地变成凹进部分，以致于比特定波长短的输出光入射在平的部分上面，而且比特定波长长的输出光入射在凹进部分上面。
42.如权利要求36的装置，其中
由透镜聚焦的输出光，随着输出光波长的改变而被入射在反射镜表面上的不同点，而且
该反射镜具有一凸起部分，且其在高于特定波长时随同输出光波长的增加而连续地变成平的部分，以致于比特定波长短的输出光入射在凸起部分上面，而且比特定波长长的输出光入射在平的部分上面。
43.一种用于接收输入光并产生一可空间区分的输出光的装置，该装置包括：
其间用空气将其相互隔开的第一和第二表面，而且第二表面所具有的反射率能让入射其上光的一部分透过去；第一和第二表面被定位，以使入射光在其间经过空气被多次反射而产生出许多束透过第二表面的光，且此多束透过光彼此干涉而产生该输出光，
其中该输入光为一连续波长范围内的相应波长输入光，而且输出光在空间上可与该连续波长范围内其它任意波长的输入光所形成的输出光相区分。
44.一种用于接收一至少包括两种载波(carrier)的波分复用光，并产生一对于每一载波为可空间区分的输出光的装置，该装置包括：
其间用空气将其相互隔开的第一和第二表面，而且第二表面所具有的反射率能让入射其上光的一部分透过去；第一和第二表面被定位，以使此波分复用光在其间经过空气被多次反射而产生出许多束透过第二表面的光，且此多束透过光彼此干涉而为波分复用光的每一载波产生相应的输出光；
其中每一载波为一连续波长范围内的相应波长，而且对于每一载波所形成的输出光，在空间上可与此连续波长范围内对于具有其它任意波长的载波所形成的输出光相区分。
45.一种用成虚像的相控阵列产生色散的光学装置，包括：
其间用空气将其相互隔开的第一和第二表面，而且第二表面所具有的反射率能使入射其上光的一部分透过去，其中
相应波长的入射光被聚焦成一条直线，而且
第一和第二表面被定位，以使此入射光从该直线射出而在第一和第二表面间经过空气被多次反射，从而产生许多束透过第二表面的光，且此透过的多束光相互干涉，以产生一空间上可与不同波长的其它输入光所产生的输出光相区分的输出光。
46.一种用成虚像的相控阵列产生色散的光学装置，包括：
其间用空气将其相互隔开的第一和第二表面，而且第二表面所具有的反射率能使入射其上光的一部分透过去，其中
相应波长的输入光被聚焦成一条直线，而且
第一和第二表面被定位，以使此入射光从该直线射出而在第一和第二表面间经过空气被多次反射，从而产生许多束透过第二表面的光，而且每一透过光与其它每一透过光相干涉，以产生一空间上可与不同波长的其它输入光所产生的输出光相区分的输出光。
47.一种接收一连续波长范围内相应波长输入光用的装置，它包括：
其间用空气将其相互分开的第一和第二表面，以及
用于使输入光在第一和第二表面间经过空气多次反射以产生自干涉而形成输出光的装置，其中该输出光在空间上可与该连续波长范围内其它任意波长输入光所形成的输出光相区分。
48.一种接收一相应波长且被聚焦成一条直线的输入光的装置，该装置包括：
其间用空气将其互相分开的第一和第二表面，以及
用于使该输入光从该直线射出以在第一和第二表面间经过空气被多次反射，从而产生许多束透过第二表面光的装置，并使所透过的光相互干涉，以产生一在空间上可与不同波长的其它输入光所产生的输出光相区分的输出光。
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