一种基于复合硅基液晶的M×N端口ROADM及其控制方法与流程

本发明涉及光分插复用器，尤其涉及一种基于复合硅基液晶的M×N端口可重构光分插复用器及其控制方法。

背景技术：
可以用软件进行远程控制并具有多个输入和输出端口的高端口数M×N端口可重构光分插复用器ROADM和多维光互连OXC设备是建设智能化软件定义可重构光网络的关键性核心部件，具有极其重要的应用前景和国际市场价值，受到了国际范围内各主要光通信研究机构以及器件与设备供应商的广泛关注。近年来，有关研究成果与公开的专利技术方案数量呈急剧上升趋势，相关核心技术方案也已经历了从基于波长阻断器WB的第一代ROADM、基于阵列波导光栅AWG和光开关矩阵的第二代ROADM到基于1×N端口波长选择开关WSS的第三代ROADM的快速演变和发展。第一代和第二代ROADM技术由于在光谱灵活性、工艺复杂性和工作稳定性方面存在诸多严重不足，目前已被基本放弃目前，多维OXC设备的主流技术主要采用由大量1×N波长选择开关与掺铒光纤放大器(EDFA)、分光器等器件组合而成的第三代ROADM技术。其中较为典型的专利技术有：M.D.Feuer等人所申请的美国专利“GrowableMulti-DegreeROADM”(专利号：US20100124391A1，公开日：2010年5月20日)、P.Wisseman所申请的美国专利“MethodforDynamicWavelengthAdd/DropinaROADMNetwork”(专利号：US20100142961A1，公开日：2010年6月10日)和“MethodforExpandingCross-ConnectCapacityinaROADMOpticalNetwork”(专利号：US20110076016A1，公开日：2011年3月31日)、美国Neophotonics公司所申请的美国专利“ScalableOpticalSwitchesandSwitchingModules”(专利号：US20130108215A1，公开日：2013年5月2日)，所不同的只是连接方式的不同。由于大量使用WSS和分光器的串接，这些技术方案普遍具有插入损耗大、结构和控制系统复杂、故障率高、通带特性受限等许多严重不足。近年来，国内外的很多研究机构均积极开展了新一代一体化M×N端口ROADM设备的研究。日本庆应大学采用两个MEMSOpto-VLSI芯片研制成功了具有5×5端口的无阻塞一体化ROADM设备，Finisar公司研制了基于LCoS芯片的2×4端口一体化ROADM，Santec公司报道了通过研制基于LCoS芯片的12×12端口波长阻断器WB与8个1×4光耦合器组合而成的具有4×4端口数的ROADM，阿尔卡特-朗讯贝尔实验室研制了基于LCoS芯片、可实现15种连接方式的5×5端口一体化ROADM，澳大利亚EdithCowan大学报道了基于LCoS芯片研制的2×4端口无阻塞ROADM，华为公司于2014年报道了用两块LCoS芯片研制的8×8端口无阻塞ROADM。其中华为公司所研制的第四代ROADM具有迄今为止所报道的最高端口数，但其内部光学系统设计类似两个1×8WSS的串联，因而包含了两套几乎完全相同的光学系统，导致整个系统所采用的光学部件数目较多，系统组成较为复杂。因此，设计并研制出结构和控制技术简单、光谱特性灵活可调、插入损耗小的集成化M×N端口的高端口数第四代ROADM设备成为当前光通信领域的一个热点课题。

技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种可重构光分插复用器，特别是由硅基液晶芯片LCoS对光束进行二次指向的M×N端口可重构光分插复用器；具有10×30端口以上、支持多于32个波长通道、通道带宽和通道间隔可调、兼容多种不同速率和通道间隔的DWDM信号、可进行远程软件控制的任意波长、任意方向及无阻塞ROADM。本发明的一个目的在于提供一种基于复合硅基液晶的M×N端口可重构光分插复用器。本发明的M×N端口可重构光分插复用器包括：由M+N个光纤准直器排列而成的光纤准直器阵列、第一傅里叶变换光学透镜、体光栅、第二傅里叶变换光学透镜、第一硅基液晶芯片、反射镜、第二硅基液晶芯片及第三硅基液晶芯片；其中，从光纤准直器阵列中的M个输入端口中的一个或多个输入连续光信号；由第一傅里叶变换光学透镜会聚到体光栅；体光栅将不同输入端口输入的不同波长通道光信号在水平方向上色散展开；经第二傅里叶变换光学透镜会聚并经反射镜反射后，来自不同的输入端口的光信号平行照射到第三硅基液晶芯片不同的位置上，并且在各自的位置内不同波长通道在不同区域形成色散条，通过在第三硅基液晶芯片的相应的区域上加载不同的相位全息光栅，产生+1级和-1级衍射，并使得落在该区域的波长通道衍射光沿着预置的方向偏转；+1级衍射光和-1级衍射光分别经过第一硅基液晶芯片和第二硅基液晶芯片，通过在相应的区域上加载与第三硅基液晶芯片完全相同的相位全息光栅，使不同输入端口的不同波长通道光信号依次经过第二光学透镜、体光栅和第一光学透镜后到达光纤准直器阵列上的指定输出端口重新成为准直光，从而实现对从任意输入端口的任意波长光信号到任意输出端口的低损耗指派。本发明的光纤准直器阵列由一维排列的M+N个光纤准直器阵列组成，其中，光纤准直器阵列中的M个端口为输入端口，M个一维排列的输入端口的中心位于光轴上；其余的N个端口为光互连输出端口，N个一维排列的输出端口分别位于M个输入端口的两侧成对称排列。在输入端口上设置环形器后同时也是本地下话路输出端口，从一个输入端口输入的光信号，经反射镜反射后又返回此输入端口并经环形器输出，从而作为波长阻断器。采用一维端口阵列的突出优点是易于制备且易于实现端口间的低插损光互连。本发明由两块LCoS(第一硅基液晶芯片和第二硅基液晶芯片)和反射镜位于同一平面，组成复合空间光调制器。其作用是在克服LCoS集成规模有限和端口容纳能力不足的同时，将来自输入端口的光信号反射至第三硅基液晶芯片，并对在第三硅基液晶芯片上完成第一次方位编码的光束进行第二次方位调整，以实现来自任意输入端口的任意波长通道光信号到任意输出端口的低损耗互连。本发明由第一傅里叶变换光学透镜和第二傅里叶变换光学透镜组成4f光学信息处理系统，将不同输入端口阵列经反射镜后成像到第三硅基液晶芯片y方向上的不同位置，同时将经过方向指派后的返回光信号准直至相应的输出端口。光纤准直器阵列位于第一傅里叶变换光学透镜的一侧的焦点处；体光栅位于第一傅里叶变换光学透镜的另一侧的焦点处；体光栅位于第二傅里叶变换光学透镜的一侧的焦点处；经反射镜第三硅基液晶芯片位于第二傅里叶变换光学透镜的另一侧的焦点上。本发明用高密度刻划体光栅的色散效应将来自每个输入端口的像在第三硅基液晶芯片的各自输入端口所对应的位置上沿x方向按波长展开成对应的矩形色散图谱，使来自不同输入端口的不同波长通道光信号解复用至第三硅基液晶芯片上的不同区域，同时完成对经方向指派后返回的x方向上各波长通道光信号的复用功能。采用透射式相位全息光栅具有偏振无关、插入损耗大幅降低等显著优点。并在第三硅基液晶芯片的各自输入端口所对应的不同区域加载相位全息光栅，同时产生+1级和-1级衍射，+1级衍射光经过第一硅基液晶芯片，-1级衍射光经过第二硅基液晶芯片；并使得落在该区域的波长通道衍射光沿着预置的方向偏转，实现对不同输入端口的不同波长通道光信号重新指向。本发明的另一个目的在于提供一种基于复合硅基液晶的M×N端口可重构光分插复用器的控制方法。本发明的M×N端口可重构光分插复用器的控制方法，包括以下步骤：1)从光纤准直器阵列中的M个输入端口中的一个或多个输入连续光信号；2)由第一傅里叶变换光学透镜会聚到体光栅；3)体光栅将不同输入端口输入的不同波长通道光信号在水平方向上色散展开；4)经第二傅里叶变换光学透镜会聚并经反射镜反射后，来自不同的输入端口的光信号平行照射到第三硅基液晶芯片不同的位置上，并且在各自的位置内不同波长通道在不同区域形成色散条，通过在第三硅基液晶芯片的相应的区域上加载不同的相位全息光栅，产生+1级和-1级衍射，并实现不同输入端口的不同波长通道光信号的重新指向；5)+1级衍射光和-1级衍射光分别经过第一硅基液晶芯片和第二硅基液晶芯片，通过在相应的区域上加载与第三硅基液晶芯片完全相同的相位全息光栅，使不同输入端口的不同波长通道光信号依次经过第二光学透镜、体光栅和第一光学透镜后到达光纤准直器阵列上的指定输出端口重新成为准直光，从而实现对从任意输入端口的任意波长光信号到任意输出端口的低损耗指派。本发明对来自各输入端口的不同波长通道光信号在第三硅基液晶芯片上所对应区域沿y方向加载不同空间周期相位全息光栅实现对+1级(至第一硅基液晶芯片)或-1级(至第二硅基液晶芯片)衍射光的第一次方位编码(衍射角不同)，实现不同输入端口的不同波长通道光信号的重新指向。相位全息光栅的周期不同，衍射角不同；通过改变相位全息光栅的周期调节衍射角。同时在第一硅基液晶芯片和第二硅基液晶芯片上对来自第三硅基液晶芯片的光束所占用的区域上加载与第三硅基液晶芯片相应区域上完全相同的相位全息光栅即可使所有光束恢复为沿-z方向传播的平行光束，完成光束的第二次方位调整。这种设计可以使相位全息光栅的运算和加载过程以及整机的软件控制系统大为简化，从而使建立链接的响应时间得到缩短。本发明的可重构光分插复用器可实现M×N端口的无阻塞光互连功能，具有结构简单、易于实现、通带特性可调、支持灵活光谱、可进行远程软件控制、可单独作为智能化波长交换光网络的节点使用等特点。本发明的优点：(1)本发明实现了基于硅基液晶芯片的M×N端口的ROADM，采用在硅基液晶芯片加载不同二维取向的相位全息光栅的方法，通过改变光栅的周期和光栅的取向调制光束相位，实现光学大规模集成芯片对入射波长通道的二维方向的高效、灵活指配；(2)本发明提出了用两块LCoS芯片与一块反射镜组成复合空间光调制器对光束进行二次光学指向的技术方案，在LCoS芯片的光束空间指派能力十分有限的情况下，充分利用了LCoS在+1级和-1级两个方向上具有完全相同指向能力和衍射效率的特点，不仅实现了设备端口数的成倍增加，而且使整个光学系统更加紧凑，也更易于光路的整体组装与调整，而迄今已报道的各种技术方案均只利用了LCoS在其法线一侧的一级衍射光，造成了对本已十分不足的LCoS光束指向能力的浪费；(3)在解决LCoS芯片端口容纳能力不足的同时，采用创新性的4f光学系统设计，研制出总体结构简洁、部件工艺成熟、性能稳定可靠的波长无关、方向无关、无阻塞、支持灵活光谱(FlexibleGrid)、可进行远程软件控制的10×30端口以上一体化设备；(4)本发明与目前国际上已有的一体化M×N端口ROADM技术方案相比，上述设计不仅可以使设备的光纤准直器阵列数得到大幅提升，而且具有光学系统与控制系统简单、关键部件易于制备、光路组装和调整便利、性能更加稳定可靠等优点。附图说明图1为本发明的M×N端口可重构光分插复用器的光路图；图2为本发明的一个实施例的ROADM设备端口的功能框图，其中，(a)作为10×30端口ROADM，(b)作为30×10端口ROADM；图3为用于光路设计及光束控制与优化的方位编码与空间光互连子系统示意图；图4为本发明使用的硅基液晶芯片的阶梯光栅编码的示意图，其中，(a)为光栅编码图，(b)光栅编码的衍射图。具体实施方式下面结合附图，通过实施例，进一步阐述本发明。如图1所示，本实施例中，M＝10，N＝20，在输入端口上设置环形器，输入端口同时作为本地下话路输出端口，形成10×(20+10)端口的可重构光分插复用器，M×N端口可重构光分插复用器包括：由M+N个光纤准直器排列而成的光纤准直器阵列1、第一傅里叶变换光学透镜2、体光栅3、第二傅里叶变换光学透镜4、第一硅基液晶芯片5、反射镜6、第二硅基液晶芯片7及第三硅基液晶芯片8；其中，从光纤准直器阵列1中的M个输入端口中的一个或多个输入C波段连续光信号；由第一傅里叶变换光学透镜2会聚到体光栅3；体光栅3将不同输入端口输入的不同波长通道光信号在水平方向上色散展开；经第二傅里叶变换光学透镜4会聚并经反射镜5反射后，来自不同的输入端口的光信号平行照射到第三硅基液晶芯片8不同的位置上，并且在各自的位置内不同波长通道在不同区域形成色散条，通过在第三硅基液晶芯片的相应的区域上加载不同的相位全息光栅，产生+1级和-1级衍射，并实现对不同输入端口的不同波长通道光信号重新指向；+1级衍射光和-1级衍射光分别经过第一硅基液晶芯片5和第二硅基液晶芯片7，通过在相应的区域上加载第三硅基液晶芯片完全相同的相位全息光栅，使不同输入端口的不同波长通道光信号依次经过第二光学透镜4、体光栅3和第一光学透镜2后到达光纤准直器阵1列上的指定输出端口重新成为准直光，从而实现对从任意输入端口的任意波长光信号到任意输出端口的低损耗指派。图2为实施例的ROADM设备端口的功能框图。根据目前商品化LCoS所能达到的技术水平以及目前端口阵列与体光栅制备、光学系统调整、光束整形及LCoS方位编码等方面已经取得的理论与实验研究结果，采用图1所示的总体光学系统设计所能实现的ROADM基础性技术性能和主要技术指标如下：(1)可作为10×30端口ROADM使用：设备端口安排框图如图2(a)所示，包括10个输入端口Pin1～Pin10，在每一个输入端口加上环形器，作为10个本地下话路输出端口D1～D10，以及20个光互连输出端口Pout1～Pout20，总计30个输出端口。可实现：(a)来自任意输入端口Pinx(x＝1,2,…,10)的任意一个或一组波长通道的任意速率光信号均可从本端口经光纤环行器下话路至Dx端口；(b)来自任意输入端口Pinx(x＝1,2,…,10)的任意一个或一组波长通道的任意速率光信号均可从20个光互连输出端口Pouty(y＝1,2,…,20)中的任意一个端口输出；(2)可作为30×10端口ROADM设备反向使用：设备端口安排框图如图2(b)所示，此时，原10个输入端口Pin1～Pin10转变为10个输出端口Pout1～Pout10，在每一个输出端口上加上加上环形器，原来的10个本地下话路输出端口D1～D10转变为10个本地上话路端口A1～A10，原20个光互连输出端口Pout1～Pout20转变为20个光互连输入端口Pin1～Pin20，总计30个输入端口；可实现：(a)来自任意本地上话路端口Ax(x＝1,2,…,10)的任意一个或一组波长通道的任意速率光信号均可上话路至除Poutx外的任意其他9个输出端口；(a)来自任意输入端口Pinx(x＝1,2,…,20)的任意一个或一组波长通道的任意速率光信号均可从10个输出端口Pouty(y＝1,2,…,10)中的任意一个端口输出；(3)支持完全灵活光谱(fullyflexiblegrid)：支持12.5GHz以上任意通道间隔和任意混合速率的波分复用信号的上下话路与互连；(4)插入损耗小于10dB、消光比优于35dB、端口隔离度优于30dB，偏振相关损耗(PDL)小于0.5dB、响应时间小于150ms。图3为用于光路设计及光束控制与优化的方位编码与空间光互连子系统示意图。基于LCoS大规模光学集成芯片的光互连设备所能支持的最大光纤准直器阵列数和最高光谱分辨率等关键技术指标主要受到如下几个相互紧密相关的核心技术要素的制约。其一，LCoS阵列芯片的集成度与信息容纳能力(像素尺寸与总像素数)，这决定了LCoS对±1级衍射光进行高效和大角度方位编码的能力，同时也决定了每一波长通道所对应的光束成像到LCoS上时所必须具有的最小光斑尺寸(对光束进行高效指向所需的最少像素数)，因而对整个设备所能达到的最大端口数与最高光谱分辨率给出了一个最基本的限制。其二，LCoS的方位编码和光束指向能力是对整个光学系统进行光路设计的基本依据，直接决定了在不造成光路遮挡情况下光束在系统内部所需经历的最短传输距离。LCoS的集成度越高，所需的光束传输距离越短。其三是光束在系统内传播过程中的发散问题。要求成像到LCoS上的光斑尺寸越小，光束传播距离越长，系统内部的光束发散问题就越严重。因此，根据LCoS的信息容纳能力对整个光学系统的光路与光束尺寸进行科学合理的最优化设计与控制是本发明解决的重要科学技术问题之一。如图3所示。该子系统由第二傅里叶变换光学透镜4、复合空间光调制器以及第三硅基液晶芯片8构成。复合空间光调制器由第一LCoS5和第二LCoS7及居中的反射镜6密接组成，三个LCoS及反射镜的外观尺寸均为规格相同的矩形，边长分别为a和b，复合空间光调制器的边长为b×3a。三个LCoS的b边均沿x方向，用作波长通道的解复用；a边均在yz平面(图面)内，用作方位编码及空间互连。图中画出了一个光束入射到子系统内的情况，为概念和原理表述清晰，其中的光束尺寸是夸大的。其中光束在第二傅里叶变换光学透镜4、复合空间光调制器以及第三硅基液晶芯片8上的光斑尺寸分别标记为2W1、2W2和2W3。通过将第二傅里叶变换光学透镜4的焦距设定为f2＝T0+T/2，其中，T0是第二傅里叶变换光学透镜4与复合空间光调制器之间的距离，T是复合空间光调制器与第三硅基液晶芯片8之间的距离，则光束的束腰2W0将位于复合空间光调制器与第三硅基液晶芯片8的中间T/2处。该设计保证了光束在第三硅基液晶芯片8和复合空间光调制器上具有近似相同的光斑尺寸，使所有部件的能力都能得到最佳发挥，从而实现整机性能的最优化。采用4K×2K像素数LCoS芯片，由于像素尺寸的减小，LCoS的光束指向能力增加一倍。采用a＝15.36mm，b＝8.64mm的LCoS设置方式。采用4K×2K像素数LCoS阵列芯片时的光束指向和光斑尺寸计算结果。此时的光学系统参数为T＝660mm，T0＝127mm，f2＝457mm，W0的最佳设计值为0.4mm，相应的光斑尺寸为W1＝0.664mm，W2≈W3＝0.571mm。从而使整个系统的端口容纳能力达到了12×36端口，为保证设备具有良好的端口隔离度设定在10×30端口，以保证在光束间留有足够的保护间隙。如图4(a)所示，硅基液晶芯片是通过改变入射光的相位实现光调制的，根据闪耀光栅的原理，可以使用硅基液晶芯片加载不同的位相图来模拟出闪耀光栅对入射光的调制，具体操作就是对液晶施加适当大小的周期性电压使其形成周期性的相位全息光栅。硅基液晶芯片最大的优点在于能够实时的改变光栅的周期、闪耀角等参数，进而改变出射光的闪耀波长、闪耀级次，实现灵活可控的目的。由于液晶器件由许多离散的像素点组成，这就导致调节光的相位时不能使相位产生连续的变化，只能通过多个逐级变化的台阶来产生阶梯形的相位改变，不断趋近闪耀光栅的相位连续分布。图4(b)表示液晶模拟出的位相光栅，将位相光栅的每个周期分成m个逐级变化的台阶，产生多阶相位轮廓光栅，这样光波通过相邻的台阶将会产生2π/m的相位差，实现类似于二元阶梯光栅对入射光的相位调制；光栅常数为d，衍射角为θ。当光垂直入射时就发生了多缝夫琅禾费衍射，每个宽度为a的小台阶相当于一个狭缝。最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。