在通信系统中，信号经常在很长距离上传输。这种长距离上的传输导 致信号例如由于衰减、干扰以及其它损害而降级。因此，一些系统使用信 号中继器或再生器来接收降级信号，并恢复其原始形状及幅度。
现有技术中的光纤通信系统使用了电信号中继器，其接收来自光传输 介质的光信号，将该光信号变换成电信号，对该电信号的形状和幅度进行 恢复，然后将电信号变换回光，以便在另一光介质上传输。该过程也被称 为再生，其可通过原始光波长到另一光波长的转换而得到进一步补充。
光纤技术的进步使得全光波长转换得到发展，全光波长转换执行转换 而无需将光信号改变为电信号。然而，本申请的发明人已认识到，现有技 术中的全光转换器通常有使用光纤来耦合内部器件的缺点。例如，光纤对 包括温度和压力变化的环境改变敏感。而且，光纤的管理和对准要求大的 工作空间，从而对设备的空间占用(大小)产生严重的限制。此外，长光 纤会将色度和偏振色散引入被转换的信号，从而增加光学系统的最终成 本。

在本发明的一个示例性实施例中，一种用于再生光信号的方法包括： 在基于自由空间光学的全光信号再生器内对输入信号和再生信号进行反 传播(counter-propagate)(其中，基于自由空间光学的全光信号再生器 包括Sagnac环干涉仪)；以及从Sagnac环干涉仪中提取经再生的输出信 号。在本发明的另一示例性实施例中，基于自由空间光学的全光信号再生 器包括：Sagnac环干涉仪；耦合到Sagnac环干涉仪的半导体光放大器的 光信号输入路径；耦合到Sagnac环干涉仪的半导体光放大器的再生光信 号路径；以及耦合到Sagnac环干涉仪的经再生的光输出路径。
本发明的一个目的是提供一种用于基于自由空间光学(free space optics，FSO)的全光信号再生器的设备和方法。FSO也被称为自由空间光 学(free-space photonics)，其指的是为进行高速、宽带通信的通过自由 空间的光束传输和处理。通过使用FSO并取消或减少光纤的使用，本发 明的实施例提供了一种耐振动、温度和压力变化的光信号处理设备。此外， 基于FSO的Sagnac环的使用大大减小或消除了对相位变化的敏感性，并 产生了防热起伏而不影响偏振的健壮的干涉仪。本发明的某些实施例由于 使用了小的自由空间器件而非长光纤跨度，因此还使光信号再生器设备有 可能小型化。
本发明的另一目的是通过使用成本显著低于基于光纤的相应器件的 未封装器件来减小光再生设备的最终成本。本发明的又一目的是提供避免 给转换后的信号带来色度色散以及可支持任何波长的一种再生设备和方 法。
前述内容相当广泛地概述了本发明的某些特征和技术优点，使得以下 详细内容可以被更好地理解。另外的特征和优点在下文中进行描述。如本 领域的普通技术人员将根据本公开而容易地认识到的，这里所揭示的特定 实施例可以用来作为用于修改或设计实现与本发明相同目的的其它结构 的基础。这种等同结构不背离如所附权利要求中所陈述的本发明的精神和 范围。当与附图结合考虑时，这里所描述的若干创造性特征将从以下描述 中得到更好的理。然而，应清楚地理解，提供附图是仅为说明和描述之用， 并非意在限制本发明。

为了更完全地理解本发明，现在参考以下附图，其中：
图1是根据本发明一实施例的基于自由空间光学的全光信号再生器 的框图；
图2是根据本发明一实施例的基于自由空间光学的另一全光信号再 生器的框图；
图3是根据本发明一实施例的具有集成的连续波激光器的基于自由 空间光学的全光信号再生器的框图；
图4是根据本发明一实施例的工作在再生模式下的基于自由空间光 学的全光信号再生器的框图；
图5是根据本发明一实施例的具有集成的多模干涉器件的基于自由 空间光学的全光信号再生器的框图；
图6是根据本发明一实施例的集成有半导体光放大器的双多模干涉 器件的框图；以及
图7是根据本发明一实施例的具有集成的多模干涉器件的基于自由 空间光学的另一全光信号再生器的框图。

以下描述参考了构成其一部分的附图，并且其中本发明的示例性实施 例可借助于图示来实行。对这些实施例进行了充分详细地描述，以使得本 领域的普通技术人员能够实行本发明，并且应理解，可以使用其它实施例， 并且在不背离本发明的精神的情况下可以进行变化。因此，以下描述不应 作为限制，且本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
现在参考图1，描述了根据本发明的一个示例性实施例的基于自由空 间光学(FSO)的全光信号再生器100。信号输入单模光纤(SMF)和准 直器105耦合到非偏振束合路器145。非偏振束合路器145耦合到非偏振 束分路器140。非偏振束合路器145还通过第一半导体光放大器(SOA) 臂150耦合到SOA 160。SOA 160通过第二SOA臂155耦合到内部偏振 控制器135。在一个特定实施例中，内部偏振控制器135可包括内部热电 冷却器(TEC)和电热调节器(thermistor)130。然而，在大多数不需要 温度控制的应用中，不需要使用TEC。内部偏振控制器135耦合到非偏 振束分路器140。再生信号偏振维持(PM)光纤和准直器110耦合到外 部偏振控制器125。在一个实施例中，外部偏振控制器125包括外部TEC 和电热调节器120。外部偏振控制器125耦合到非偏振束分路器140。非 偏振束分路器140耦合到偏振器165，该偏振器165通过自由空间隔离器 170耦合到输出SMF光纤和准直器115。再生器100可通过密封的封装 180来包装，并包括用于电连接的输入/输出针175。
在该实施例中，元件105、145和150限定了信号输入光路径，而元 件110、120、125、140、130、135和155限定了再生信号光路径，元件 165、170和115限定了经再生的输出光路径。另外，元件145、150、160、 155、135和140的组合建立了Sagnac环干涉仪(Sagnac环)185。
在工作时，信号输入SMF和准直器105将输入光信号101引入到 Sagnac环185中，以便在Sagnac环185内产生交叉增益调制(XGM)、 交叉相位调制(XPM)和/或交叉偏振调制(XPP)。其间，再生信号输入 PM光纤和准直器110将再生信号102反传播(counter-propagate)到 Sagnac环185中。在一优选实施例中，再生信号输入PM光纤和准直器 110可将再生信号102的偏振状态保持为线性偏振。上面所产生的XGM、 XPM和/或XPP调制被转录到通过再生输入PM光纤和准直器110引入 到SOA160内的再生信号102上。输出SMF光纤和准直器115使经再生 的信号103(输出信号)能够离开Sagnac环185，例如进入到外部尾纤式 设备中(未示出)。
外部偏振控制器125控制Sagnac环185外部的偏振状态。内部偏振 控制器135控制Sagnac环内的顺时针和逆时针方向传播光的器件的偏振。 优选地，内部和外部偏振控制器135、125两者分别安装在内部和外部TEC 和电热调节器130、120上，所述TEC和电热调节器130、120通过在常 规工作期间对偏振控制器135、125进行测量并锁定在目标温度上，来控 制偏振控制器135、125的温度。
非偏振束分路器140将再生信号102分成一个逆时针部分以及一个顺 时针部分，这两部分都在Sagnac环185内循环。在一个实施例中，非偏 振束分路器140的分束比为50％。不过，也可以使用其它比率。非偏振 束分路器140还可以用作公知为偏振束分路器(PBS)的偏振分路器。非 偏振束合路器145将输入信号101与再生信号分量进行合路。在一个实施 例中，非偏振束合路器145的混合比是50％。不过，也可以使用其它比 率。例如，如果需要更大的信号功率，则该比率可以改变成60％∶40％ 或者其它任何值。非偏振束合路器145还可以将不同的偏振分量进行合 路。
第一SOA臂150可以是SMF光纤，其中，所述光纤末端包含准直 器。第一SOA臂150收集由非偏振束合路器145合路的光并将其传送到 SOA 120，并且收集从SOA 120朝向输出SMF光纤115的光。在一个实 施例中，第一SOA臂150可沿其光轴移动，从而在Sagnac环185内设置 时延，如在2003年7月18日提交的名称为“ALL-OPTICAL，TUNABLE REGENERATOR，RESHAPER，AND WAVELENGTH CONVERTER，” 的未决美国专利申请序列号10/623,280中所揭示的那样，该美国专利申请 通过引用结合于此。在另一实施例中，时延可以通过引入具有较高折射特 性的材料(例如，玻璃、液晶、双折射晶体等)而非通过移动第一SOA 臂150来实现。类似地，第二SOA臂155也可以是SMF光纤，其中， 所述光纤末端包含准直器。第二SOA臂155收集来自SOA 120的光并将 其向输出SMF光纤115传送，并且将逆时针方向传播的CW引入到SOA 120中。在该实施例中，第二SOA臂155不需要沿光轴平移。
偏振器165可以是线性偏振器，并设置在输出端口处，以改进输出信 号的消光比。自由空间隔离器170可以用于防止光反射返回到Sagnac环 185并影响SOA 120的性能。输入/输出针175连接到电压并控制内部器 件如TEC控制器120、130和SOA 120的电子器件。最后，密封的封装 180使再生器100保持闭合并密封，以免受湿度和灰尘影响。
本领域的普通技术人员将易于理解，该示例性实施例的各种偏离落在 本发明的精神和范围内。例如，器件165和170可组合成可购买到的单个 器件，从而减小FSO部件的总数量。此外，可以在非偏振束分路器140 和偏振器165之间结合带有TEC控制的PC控制器，以优化性能。而且， 可以将可调滤波器(未示出)在自由空间隔离器170和输出SMF光纤和 准直器115之间结合到封装中。该可调滤波器可以防止输入信号101在输 出端口处离开再生器100，从而在再生器100内仅保留新的再生信号。
另外，如本领域的普通技术人员根据本公开将容易地理解的，通过使 用自动化的制造工具在机械台上放置FSO器件，有可能使再生器100的 制造过程自动化，以便实现亚微米精度，从而显著减小生产成本。
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的基于自由空间光学的 另一全光信号再生器200。在该实施例中，SOA 210在其端口而非尾纤处 与左和右SOA臂集成，这使得封装180的尺寸减小，并且还由于从其设 计中减少或取消了光纤而提高了再生器200的稳定性。
图2的实施例还包括棱镜215，例如Dove棱镜，其允许准直光的直 角打折(fold)以建立Sagnac环220。棱镜215还可以沿光轴移动，以便 在Sagnac环220的两臂之间产生适当的时延。如本领域的普通技术人员 根据本公开将容易理解的，沿棱镜215的轴移动棱镜215不改变左SOA 臂和非偏振束分路器140之间(通过非偏振束合路器145)的路径，而是 仅仅改变右SOA臂和非偏振束合路器145之间(通过棱镜215和内部偏 振控制器135)的长度。
关于图3，其描述了根据本发明的一个示例性实施例的具有集成的连 续波激光器310的基于自由空间光学的全光信号再生器300。在该实施例 中，再生激光器310作为封装180的一部分被集成，并通过输入PM光纤 和准直器110而耦合到CW光路径。再生激光器310可以是任何类型的 波长激光器或可调激光器。例如，在归零(RZ)传输的情况下，再生激 光器310可以是比如来自工作于任一期望比特率的光时钟发生器或脉冲 发生器的脉冲源302。
在一替选实施例中，可变光衰减器(VOA)(未示出)可以集成在激 光器310与输入PM光纤和准直器110之间，以便控制到Sagnac环320 所需的输入再生信号功率。可替选地，如果未使用VOA，则激光器310 的功率可以通过外部电子器件控制。再生器300的多个优点之一是取消外 部再生激光器的笨重封装以及在封装180内以更简单形式来使用该再生 器的能力，从而减小了成本和大小，并简化了再生器300在标准的电子卡 上的集成。
关于图4，其描述了根据本发明的一个示例性实施例的工作于再生模 式下的基于自由空间光学的全光信号再生器400。在再生模式下，输入信 号101被直接射入再生输入PM光纤和准直器110中，并且没有再生信号 被并行射入到再生器400。在该实施例中，再生器400可以显著地改进输 入信号101的消光比，并且还减小存在于原始信号上的噪声和损害。该实 施例的多个优点之一在于其消除了对再生信号激光器的需要。
在一替选实施例中，使用了低饱和功率SOA 210。在这种情况下，有 益的是，将可选的再生激光402射入SMF和准直器105且并行于由再生 输入PM光纤和准直器110执行的输入信号101再生。当SOA 210在 Sagnac环420内工作时，可选的再生激光402可有助于均衡SOA 210内 的增益变化，从而消除由SOA 120内的非线性引起的信号的峰值效应和 失真。在SMF和准直器105处的可选的再生信号402可以是任意波长的 空闲信号。
关于图5，其描述了根据本发明的一个示例性实施例的具有集成的多 模干涉器件的基于自由空间光学的全光信号再生器500。再生器的正确操 作通常要求输入信号的波长不同于再生信号的波长，使得所述两个信号可 以在设备的输出处区分。再生器500通过将多模干涉仪(MMI)与SOA 集成来解决该问题。通常，MMI是一种能够对输入信号的模式进行转换 的设备。例如，MMI可以在两个不同输入端口接受两个不同信号，并将 它们加到单个出端口上，其中，每个信号可具有不同的横向模式。
因此，再生器500使用集成有多模干涉耦合器的SOA(SOA/MMI) 511。输入光纤505将输入信号101直接连接到SOA/MMI 515的第一输 入端口517。第二输入端口516可以在尾纤上带有光纤和准直器，并且使 在Sagnac环520内循环的再生光维持在零阶模式。角反射棱镜510反射 Sagnac环520内的再生光。在一个示例性实施例中，角反射棱镜510提 供再生信号的全部反射，从而减小了对再生信号102和输入信号101的功 率需求。
在一个实施例中，MMI/SOA 515可类似于在1999年8月3日授权的、 名称为“COMPACT OPTICAL-OPTICAL SWITCHS AND WAVELENGTH CONVERTERS BY MEANS OF MULTIMODE INTERFERENCE MODE CONVERTERS”的美国专利No.5,933,554中所 揭示的MMI/SOA，该美国专利通过引用结合于此。MMI可以是基于InP 波导(未示出)的设备，其具有2个输入端口和2个输出端口。InP波导 被设计成使得进入端口516的零阶模式激光在输出端口518保持第零阶模 式。因此，该实施例可以提供防止输入信号101在Sagnac环520内循环 的选择性滤波器，从而仅仅使得再生光循环和干涉以产生信号输出。此外， MMI允许输入信号101和再生信号102波长相同，不会在Sagnac环520 中干涉。
而且，输入到MMI/SOA 515的信号进入MMI/SOA 515中发生交叉 增益过程的SOA部分，所述信号自身包括两个信号(第一横向模式的第 一当前输入信号101以及第二横向模式的第二当前再生信号102)。当交 叉增益信号离开SOA并被耦合到输出端口518的单模光纤时，只有第一 模式(零阶)信号能够进入光纤518。因此，即使这两个信号101和102 具有相同波长，也可以将其区分开，并且使MMI/SOA 515到输出端口的 单模光纤518，提供了横向模式滤波器，从而代替光谱滤波器。
该示例性实施例的优点在于，其允许输入信号101和再生信号102 有完全相同的波长，原因是在进入SOA 515时，这两个信号并非处于相 同的空间模式。这使得再生器500对信号进行再生而无需改变其波长。此 外，该实施例还可以阻止输入信号101离开再生器500而无需在再生器 500的输出端口使用光滤波器，比如固定波长滤波器或可调滤波器。
参考图6，其描述了根据本发明一实施例的集成有半导体光放大器的 双多模干涉器件的框图。该双MMI+SOA设备可以在例如上述的某些实 施例中如下所述地使用。第一MMI 605可接收两个输入信号601和602 (例如，上述的输入信号101和再生信号102)。第一MMI 605的输出耦 合到输入SOA 610，该SOA 610将601和602相加。SOA 610的输出耦 合到第二MMI 615的输入，然后，该第二MMI 615将信号601和602 分开。MMI 615的输出耦合到输出单模光纤620。在这里所描述的一些实 施例中使用这种特定装置的一个优点在于，在输出光纤处不需要精密的耦 合校准。否则，如果SOA 610直接耦合到输出单模光纤620，则将不得不 对后者进行高精度地对准，使得在SOA 610和单模光纤620之间不存在 耦合，且在SOA 610中不存在高模式。第二MMI 615消除了该问题，这 是因为在其输入端之一，只有零阶能够传播。
关于图7，其描述了根据本发明的一个示例性实施例的具有集成的多 模干涉器件的基于自由空间光学的另一全光信号再生器700。输入信号 101在穿过耦合到隔离器710和透镜715的Risley单元705之后，经由集 成的MMI/SOA 720的第一输入进入Sagnac环。其间，再生信号102在 穿过耦合到另一隔离器710、偏振控制器735和Dove棱镜730的另一 Risley单元705之后，经由MMI/SOA 720的第二输入进入Sagnac环。 调节楔735使得时延设定在Sagnac环内。或者，可以使用任何适当的自 由空间光学时延机制。
在该实施例中，由于SOA和MMI集成在同一芯片上，因此它们经 由三个(而非两个)透镜耦合到再生器700。而且，在该配置中，需要单 束分路器740。束方向可以由Risley单元705控制，该Risley单元705还 将外部光纤(承载信号101-103)耦合到自由空间再生器700。Dove棱镜 730可用于使所有的外部端口保持在再生器700的一端，但对其正确操作 是不重要的。在一个实施例中，由于包括MMI/SOA 700的芯片尺寸小， 因此使每个输入端口处于芯片的不同面更为方便。
尽管本发明的某些实施例及其优点在此进行了详细描述，也应理解， 在不背离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进 行各种变化、替代和变更。而且，本发明的范围并非意在受限于这里所描 述的过程、机器、产品、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域的普 通技术人员将从本公开容易地理解的，根据本发明，可以使用目前存在的 或以后将被开发的执行与这里所描述的对应实施例基本相同的功能或实 现与这里所描述的对应实施例基本相同的结果的其它过程、机器、产品、 装置、方法或步骤。因此，所附权利要求意在将这些过程、机器、产品、 装置、方法或步骤包括在其范围内。