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，如果当发射机30发射时脉冲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中传播所引起的色散。
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 应当大约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，线性调频光栅对反射脉冲的带宽很窄，所以它不能提供 足以补偿多波长光(如波分复用光)的波长带宽。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合于用在光纤通信系统中有单 通道传播的场合。
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。现在参考图(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。从图6(A)中可以看出，不同波长 的光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，并且它们共用一焦点。由于长波(如光70) 比短波(如光69)传播距离短，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还得分离开一较大的距离， 从而使这种空间光栅对结构无实用性。

所以，本发明的目的是提供一种产生色散的装置，而且该装置可以 实际地补偿光纤中积累的色散。
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。该光返回器件可以放置成这样：使具有相应干涉级的光返 回到VIPA，而没有任何其它干涉级的光返回到VIPA。
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定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 光在空间上相分辨(例如，沿不同的方向传播)。如果输出光可按其传 播角度相分辨，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。该通道区可以使光进入VIPA， 并从其中输出。该透明材料具有第一和第二表面，第二表面具有的反 射率，可使入射到其上的一部分光透过。入射光通过通道区进入VIPA 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 照严格的反方向返回到第二表面，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。
本发明为一种用虚象的相控阵列产生色散的光学装置，它包括：一 成虚象的相控阵列发生器，它包括相互分离开的第一和第二反射表面， 使其接收相应波长的输入光并产生一离开成虚象的相控阵列发生器传 播出去的相应输出光，且该输出光是按照输入光波长可空间区分的； 以及一使输出光返回成虚象的相控阵列发生器的光返回器件。
本发明的用虚象的相控阵列产生色散的光学装置还包括：一角色散 组件，它有一将光收入其内并从中输出光的通道区，该角色散组件通 过该通道区接受连续波长范围内相应波长的输入光，并使输入光发生 多次反射以产生自干涉，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；以及一使输出光返回角色散组件的光返回器件，以使其在角 色散组件中经受多次反射然后通过通道区从角色散组件中输出。
本发明的用虚象的相控阵列产生色散的光学装置还包括：一成虚象 的相控阵列发生器，包含一允许光从其通过的辐射窗，一透明材料， 及被透明材料将其彼此分隔开的第一和第二反射表面，该第二反射表 面具有让入射到其上的一部分光反射的反射率，输入光通过辐射窗接 收然后在第一与第二反射表面之间多次反射，以使多束光透过第二反 射表面，该多束透过光相互干涉从而使输入光经多次反射和自干涉而 产生一准直输出光，该输出光从成虚象的相控阵列发生器传输出去， 并且是根据输入光波长可空间区分的；以及一光返回器件，它使输入 光返回到成虚象的相控阵列发生器的第二反射表面并从其中透过，以 使该输出光在成虚象的相控阵列发生器的第一和第二反射表面之间经 受多次反射，然后从该辐射窗输出。
本发明的用虚象的相控阵列产生色散的光学装置还包括：一成虚象 的相控阵列发生器，它接收输入光并产生一个离开成虚象的相控阵列 发生器传播的相应输出光；以及一使输出光返回成虚象的相控阵列发 生器的光返回器件，其中光返回器件包括：一反射镜；和一透镜，它 将输出光聚焦在该反射镜上，从而使得反射镜反射该输出光，并由该 透镜把反射光引回到该成虚象的相控阵列发生器。
本发明的用虚象的相控阵列产生色散的光学装置还包括：一成虚象 的相控阵列发生器，它接收输入光并产生一离开成虚象的相控阵列发 生器传播的相应输出光；以及一使输出光返回成虚象的相控阵列发生 器的光返回器件，其中输入光有一个特定的波长，成虚象的相控阵列 发生器产生多个有输入光波长的输出光，且它们都有不相同的干涉级， 及该光返回器件将有相应干涉级的输出光返回到成虚象的相控阵列发 生器，而不将有任何其它干涉级的输出光返回到成虚象的相控阵列发 生器。
本发明的用虚象的相控阵列产生色散的光学装置还包括：第一和第 二表面，该第二表面具有让一部分从其穿过的光反射的反射率，其中 相应波长的输入光聚焦在一条直线上，而且第一和第二表面的位置使 得从该直线发出的输入光在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，该输 出光在空间上与不同波长输入光所产生的输出光是可区分的；而且光 返回器件，它将输出光返回第二表面，使得输出光通过第二表面并在 第一和第二表面之间经受多次反射。
本发明的用虚象的相控阵列产生色散的光学装置还包括：发生装 置，用于接收相应波长的输入光并产生一沿着输入光波长所确定的方 向离开发生装置传播的相应输出光；和用于使输出光返回发生装置的 装置。
本发明还包括一种接收相应波长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；一使从直线发出的 输入光在第一和第二表面之间多次反射的装置，使得产生多束透过第 二表面的光，该多束透过光相互干涉产生输出光，该输出光在空间上 可区分于不同波长输入光所产生的输出光；而且一将输出光返回到第 二表面的装置，使得输出光通过第二表面并在第一和第二表面之间经 受多次反射。
本发明还包括一种接收输入光并产生可空间区分的输出光的装置， 该装置包括：彼此之间用空气隔开的第一和第二表面，该第二表面具 有让一部分入射到其上的光反射的反射率，第一和第二表面的位置使 得输入光在第一和第二表面之间穿过空气发生多次反射，从而产生多 束透过第二表面的光，该多束透过光相互干涉产生输出光，其中输入 光具有连续波长范围内的相应波长，且输出光在空间上与连续波长范 围内的任何其它波长输入光所产生的输出光是可区分的。
本发明还包括一种接收波分复用光的装置，它包括至少两个载波， 并产生每个载波的空间可区分输出光，该装置包括：彼此间用空气隔 开的第一和第二表面，该第二表面具有让一部分入射到其上的光反射 的反射率，第一和第二表面的位置使得波分复用光输入光在第一和第 二表面之间穿过空气发生多次反射，从而产生多束透过第二表面的光， 该多束透过光相互干涉产生波分复用光每个载波的相应输出光，其中 第一和第二表面相互平行，第一表面的反射率基本上是100％，第二表 面的反射率大于80％且小于100％，并且其中每个载波具有连续波长范 围内的相应波长，且对于相应载波形成的输出光在空间上与连续波长 范围内对于任何其它波长载波形成的输出光是可区分的。
本发明的用虚象的相控阵列产生色散的光学装置还包括：彼此间用 空气隔开的第一和第二表面，该第二表面具有让一部分入射到其上的 光反射的反射率，其中相应波长的输入光聚焦在一条直线上，而且第 一和第二表面的位置使得从该直线发出的输入光在第一和第二表面之 间穿过空气发生多次反射，从而产生多束透过第二表面的光，该多束 透过光相互干涉产生输出光，该输出光在空间上与不同波长输入光所 产生的输出光是可区分的，其中输入光包含至少两个波长不同的光， 且该装置产生每个输入光的各自输出光，每个输出光与其它输出光在 空间上是可区分的，其中每个输出光沿着与其它输出光不同的方向传 输，从而在空间上可区分，以及其中第一和第二表面彼此平行，第一 表面的反射率基本上是100％，第二表面的反射率大于80％而小于100％。
本发明的用虚象的相控阵列产生色散的光学装置还包括：彼此间用 空气隔开的第一和第二表面，该第二表面具有让一部分入射到其上的 光反射的反射率，其中相应波长的输入光聚焦在一条直线上，而且第 一和第二表面的位置使得从该直线发出的输入光在第一和第二表面之 间穿过空气发生多次反射，从而产生多束透过第二表面的光，每个透 过光与其它透过光相互干涉产生输出光，该输出光在空间上与不同波 长输入光所产生的输出光是可区分的，其中输入光包括至少两个不同 波长的光，且该装置产生每个输入光的各自输出光，并且每个输出光 沿着与其它输出光不同的方向传输，每个输出光与其它输出光在空间 上是可区分的。
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)是表示用于产生异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是表示根据本发明再一实施例，利用VIPA为光提供可变色 散的装置的侧视图。
图22是表示根据本发明一实施例，图13中装置与环形器组合在一 起的顶视图。
图23是表示根据本发明的一实施例采用VIPA的装置的顶视图。
图24是表示根据本发明一实施例，用于控制VIPA温度的控制器 的示意图。

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个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输出准直光通量(Luminous flux) 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个实施例的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适宜有近似95％或更高，但小于100％的反射率。 反射膜124适宜有近似100％的反射率。平板120上加工有辐射窗126， 且适宜有近似为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，在反射膜122 和124之间发生多次反射。焦线78适宜落在平板120的涂有反射膜122 的表面上。于是，焦线78基本呈直线地聚焦在反射膜122上并通过辐 射窗126。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 如下文就详细讨论的图11所示的区域“b”)，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％ 的光反射向着反射膜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，相邻光束的光路长度之差是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沿着直线 IX--IX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的反射率容易因所使用的具体 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的反射率，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。以这种方式，如图9所示，输入光77在反射表面122和124之间 多次反射，其中每一次反射离开反射表面122都有透过的相应输出光。因 此，输入光77反射离开区域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。
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，并因此有反射镜的作用。 结果，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，而是输出光Out1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I00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。这种干涉产生一个 沿着依赖于输入光77波长的特定方向传输的光束。
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×cosθ＝mλ
式中θ表示所得光通量的传输方向，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是一个特定的值，则对于具有波长λ 的输入光而言，所形成的光通量的传输方向可以被确定。
更准确地说，输入光77以一个特定的角从焦线78径向地发散。所以 具有同样波长的输入光从焦线78将在许多不同的方向上传输，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。
根据本发明的一个实施例，图11是表示图7所示VIPA沿IX-IX线断 开的示意图，它表示用于确定输入光倾角的VIPA特性。
现在参见图11，输入光77由柱透镜(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上的等于“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。
倾角θ1应当这样设置，它避免输入光77从反射表面122第一次反射之 后传输到辐射窗126之外。换句话说，倾角θ1应当这样设置，它使得输入 光77在反射表面122和124之间保持“被夹在里面”并且不从辐射窗126 逃逸。因而，为避免输入光77传输到辐射窗126之外，应当根据下述等式 (2)这样设置倾角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 产生自干涉并以此形成输出光。输出光在空间上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相区分。例如，图9表示一输入光77，它 在反射表面122和124之间经过了多次反射。这一多次反射产生了大量彼 此相互干涉的输出光Out0，Out1，Out2，Out3和Out4，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 本发明一个实施例的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2(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可以部分地被刮掉，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。
刮掉反射膜可以由刻蚀方法完成，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(未表示出)可以涂在反射膜168 的上表面并加一个保护板(未表示出)。如果反射膜168具有接近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 射膜的反射率接近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。结果，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，本发明各个实施例的各 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，表示出了有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利用了多次反射方式，并在相干光 之间保持恒定的相位差。结果，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”的光束。“空间可 区分”表示在空间上可区分的光束。例如，如果有许多光束是准直的且在 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，而是存在许多使光束空间彼此 可分的其它方法。
图13是本发明一个实施例的示意图，它表示了用VIPA代替衍射光栅 作为产生色散的角度色散组件的装置。参见图13，VIPA 240具有反射率 接近100％的第一表面242和反射率接近98％的第二表面244。VIPA 240 还包括一个辐射窗247。但是，VIPA 240不局限于这种具体结构。相反地， 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被柱透镜250线聚焦在VIPA 240内。然后，VIPA 240产生一个准直 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上的反射镜一部分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内经过多次反射并从辐射窗247输出。从辐射窗247输出的光 传输通过柱透镜250和准直透镜248，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是本发明的一个实施例的详细示意图，它表示了图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VIPA 240，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 具有几个种长成分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278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 一个恒定的频率间隔。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设定成： 对于每个通道，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，经由VIPA 240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表示从垂直于反射表面122与124的直线测得的光通量的传播方向。
所以，如果t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。
所以，参考图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是表示根据本发明一实施例，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，色散的符号是负的。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。
当从顶部看时，反射镜254也许是凹的或凸的反射镜，因此显示出反 射镜是“一维”反射镜。
在图20(A)和图20(B)中，反射镜254位于或接近聚焦透镜252 的焦点。
图21是表示根据本发明再一实施例，利用VIPA为光提供可变色散装 置的侧视图。现在参见图21，用逆向反射器282代替聚焦透镜252和反射 镜254。最好是，逆向反射器282有两个或三个反射表面，并沿着与入射 光传播方向相反的方向反射输入光。逆向反射器282的使用将会产生 VIPA-逆向反射器的配置，以加入反常色散。进而，逆向反射器202可相对 于VIPA 240移动，用以改变色散量。
图22表示本发明的一个实施例，它是图13中装置与环形器组合在一 起的顶视图。现在参见图22，环形器284从输入光纤286处接收输入光， 并将输入光提供给准直透镜248。由反射镜254反射并经由VIPA 240返回 的输出光被环形器284接收，且被提供给输出光纤288。在图22中，聚焦 透镜252是“正常”聚焦透镜，其中“正常”聚焦透镜是指从聚焦透镜的 侧面和顶部看去都将光聚焦的聚焦透镜。
图23是表示本发明另一实施例的利用VIPA对于光添加色散的装置的 顶视图。参见图23，柱透镜290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23)。一输出光纤294 将输出光传输到准直透镜248，且输出光纤294接收从反射镜254反射并 经由VIPA 240返回的光。因此，通过采用柱透镜290和倾斜反射镜254， 可不必使用环形器(如图22所示的环形器284)。
根据本发明的前述实施例，VIPA可提供比衍射光栅大得多的角色 散。因此，这里描述的VIPA可以被用于补偿比图6(A)和6(B)空 间光栅对配置大得多的色散。
在本发明的前述实施例中，反射镜被用于将光反射回VIPA 240内。于 是，反射镜可以称为将光返回VIPA 240的“光返回器件”。但是，本发明 不仅局限于用反射镜作为光返回器件。例如，棱镜(而非反射镜)可以用 作将光返回VIPA 240的光返回器件。此外，反射镜和/或棱镜的各种组合 或透镜装置可以用作使光返回VIPA的光返回器件。
在本发明的上述实施例中，VIPA具有用于反射光的反射膜。例如， 图8表示了一具有反射光的反射膜122和124的VIPA 76。但是，VIPA 并不局限于利用“膜”提供反射表面。然而VIPA必须有简便适用的反射 表面，这些反射表面可以是或可以不是由“膜”形成的。
此外，在本发明上述实施例中，VIPA包括一个透明玻璃板，在其中 将发生多次反射。例如，图8表示了具有带反射表面的透明玻璃板120的 VIPA 76。但是，VIPA并不局限于用玻璃材料或其它类型的平板来分离 反射表面。然而反射表面必须用某些种间隔物简单地保持相互分开。例如， VIPA的反射表面可以由“空气”分离开，而在其间不存在玻璃板。而且， 反射表面可以被描述成由光学玻璃或空气等透明材料分割开的。
如上所述，VIPA的工作性能对于VIPA反射表面之间透明材料的厚 度与折射率敏感。此外，VIPA的工作波长可以通过控制VIPA的温度而 精确地调节。
更为具体地说，图24表示本发明一个实施例，它是用于控制VIPA温 度的控制器的示意图。现在参见图24，VIPA 300产生一个输出光302。 一个温度传感器304检测VIPA 300的温度。根据检测到的温度，控制器 306通过控制加热/冷却元件308来控制VIPA 300的温度，以调节VIPA 300 的工作波长。
例如，提高和降低VIPA的温度可以稍稍改变输出光302的输出角度。 而且，对应于特定输入光波长的输出光应该以一个精确的输出角从VIPA 300中输出。所以，用控制器306调节VIPA 300的温度，可以使输出光302 以正确的输出角准确输出，并保持稳定。
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。
本申请是1996年7月24日递交的美国申请08/685,362的部分继续， 并且该在前的申请在此引入作为参考。
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。