基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关及其控制方法与流程

本发明涉及光通信与光学信号处理领域，具体涉及一种基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关及其控制方法。

背景技术：

进入21世纪以来，随着光网络流量以10年100倍速度的持续巨幅增长，现有的电层交换技术在设备的数量与体积、信息交换容量、建设运营成本及能耗等多方面的“天花板效应”日益凸显。构建以全光交换、多维复用、高光谱利用率超信道传输与交换技术以及对网络资源的软件动态调整为基础的下一代低能耗和高谱效智能化全光通信网逐渐成为通信研究和产业领域的重要共识，是当前光通信技术领域最主要的研究热点和发展方向之一，具有极其重要的研究价值和广阔的国际市场需求，受到了国际范围内各研究机构以及器件与设备供应商的广泛关注。近10余年来的研究与发展结果表明，波长选择开关(WSS，wavelength selective switch)是目前唯一具有强大的信号处理功能的全光信号处理和全光交换设备，已经成为当前和未来对全球光网络进行全光化和智能化改造不可或缺的重要基础性设备。

波长选择开关通常具有一个光信号输入端口和多个光信号输出端口，可以实现将输入光信号中任意一个或一组波长信号从任意输出端口输出的功能。利用以硅基液晶(LCoS)大规模光学集成空间光调制器芯片为驱动元件的波长选择开关可以组成符合全光化和智能化等未来光网络发展需求，同时具有强大全光信号处理能力的各种高性能可重构光分插复用器(ROADM)、光交叉连接(OXC)设备和光学信号处理设备。显然，尽可能提高硅基液晶波长选择开关的端口数对于增加可重构光分插复用器和光交叉连接设备的信息吞吐量、网络扩展能力和上下话路端口数等主要技术指标具有十分重要的意义，同时也是推动全光正交频分复用(OFDM)超信道技术在骨干网、城域网和接入网等各种速率层级进行实际应用具有十分重要的意义。但由于受LCoS光束指向能力、光纤端口阵列的设计与制备以及光学系统设计与成像质量等多重因素的制约，使得目前硅基液晶WSS的端口数受到很大限制。目前国际上商品化WSS的最高端口数仅为1×23端口。在OFC’2015国际会议上，古河电工(Furukawa Electric Co.,Ltd)报道了通过采用专门研制的石英基平面光波回路(PLC)光斑变换器改进光纤端口阵列设计而实现的1×40端口硅基液晶WSS处理仪的研究成果(“LCOS-based Flexible Grid 1x40Wavelength Selective Switch Using Planar Lightwave Circuit as Spot Size Converter”,paper Tu3A.8,OFC’2015)；NTT(NTT Corporation)采用复杂的PLC波导光栅输入/输出端口阵列实现了1×95端口的硅基液晶WSS处理仪(“Ultra-High Port Count Wavelength Selective Switch Employing Waveguide-Based I/O Frontend”,paper Tu3A.7,OFC’2015)，但由于采用了较为复杂的PLC设计，设备的插损、插损均匀性和端口串扰等技术指标均没有达到能够实际应用的水平。

由于受硅基阵列芯片CMOS工艺和液晶像素点边际效应的双重限制，即使采用目前市场上所能获得的最高集成度通信波段LCoS芯片，其最大光学指向能力也仅为±1°左右，限制了输入/输出光纤端口阵列的最大允许宽度，从而使波长选择开关能够容纳的光纤端口数量受到限制。

技术实现要素：

针对目前硅基液晶WSS的端口数限制，本发明通过设计一种结构简单、性能稳定的端口光学扩束单元，在硅基液晶空间光调制器光学指向能力十分有限的情况下，实现硅基液晶波长选择开关端口数的大幅提升。

本发明的一个目的在于提出一种基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关。

本发明的基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关包括：一维单模光纤阵列、微透镜阵列、偏振调整棱镜、端口光学扩束单元、双胶合光学傅里叶变换透镜、透射式相位衍射光栅、柱面镜、液晶空间光调制器、以及液晶图形加载控制系统；其中，一维单模光纤阵列包括多个沿y轴一维排列的光纤端口，一维单模光纤阵列的中心为输入光纤端口，除中心以外的其余光纤端口均为输出光纤端口；微透镜阵列包括多个微透镜，每一个微透镜与一维单模光纤阵列中的光纤端口严格对准并一一对应；沿z轴传输的连续的输入光经位于一维单模光纤阵列中心的输入光纤端口输入；经位于微透镜阵列中心的微透镜汇聚后，转变为发散的高斯光束；经偏振调整棱镜将高斯光束的偏振态调整为与液晶空间光调制器的偏振状态一致的线偏振光；通过端口光学扩束单元，由双胶合光学傅里叶变换透镜将高斯光束准直为平行光；再经透射式相位衍射光栅，将平行光中所包含的各种不同波长光在xz平面以不同的角度色散至柱面镜；柱面镜将色散后的不同波长光转变为沿x轴排列的相互平行的平行光束，然后投射至液晶空间光调制器上，不同波长的平行光束投射至液晶空间光调制器的不同像素区域；通过液晶图形加载控制系统在液晶空间光调制器的不同波长所对应的像素区域上加载相位全息光栅，使不同波长的光束产生衍射效应，通过加载不同的相位全息光栅来改变一级衍射光的衍射角；调节了衍射角后的各种不同波长的一级衍射光作为返回光返回柱面镜；互相平行的返回光经柱面镜重新聚焦后，不同波长的光重新汇聚在yz平面上，但在y轴方向上不同波长的光具有不同的角度，从而沿y轴在空间上分开；经透射式相位衍射光栅后，由双胶合光学傅里叶变换透镜变成互相平行的平行光束，不同波长的平行光束沿y轴相互平行排列；经端口光学扩束单元，将相邻距离较近的平行光束扩展为相邻距离较远的平行光束；经过偏振调整棱镜后，由微透镜阵列中相对应的微透镜耦合至一维光纤阵列中对应的输出光纤端口，从而利用在液晶空间光调制器不同的像素区域上加载相位全息光栅来调整返回光的角度，实现对任意波长通道和任意带宽光信号至特定输出光纤端口的方向指派，并且在液晶空间光调制器的指向能力一定的情况下，通过光学扩束单元扩展输出光的空间范围，增加一维单模光纤阵列的输出光纤端口的数量。

端口光学扩束单元采用一组整形棱镜对，入射光以布儒斯特角分别入射至两块整形棱镜的斜边；或者采用望远系统型的一个凹透镜和一个凸透镜的组合，凹透镜和凸透镜的光轴与入射光的光轴重合。

液晶空间光调制器采用硅基液晶LCoS，LCoS的表面为二维像素阵列；通过液晶图形加载控制系统在像素上加载灰度图形，从而形成相位全息光栅，调整一级衍射光的衍射角。

一维单模光纤阵列和液晶空间光调制器分别位于双胶合光学傅里叶变换透镜的两侧焦点处。透射式相位衍射光栅和液晶空间光调制器分别位于柱面镜的两侧焦点处。

本发明的另一个目的在于提供一种基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关的控制方法。

本发明的基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关的控制方法，包括以下步骤：

1)沿z轴传输的连续的输入光经位于一维单模光纤阵列中心的输入光纤端口输入，经位于微透镜阵列中心的微透镜汇聚后，转变为略微发散的高斯光束；

2)经偏振调整棱镜将高斯光束的偏振态调整为与液晶空间光调制器的偏振状态一致的线偏振光；

3)通过端口光学扩束单元，由双胶合光学傅里叶变换透镜将高斯光束准直为平行光；

4)平行光经透射式相位衍射光栅，将平行光中所包含的各种不同波长光在xz平面以不同的角度色散至柱面镜；

5)柱面镜将色散后的不同波长光转变为沿z轴传输的相互之间平行的平行光束，并投射至液晶空间光调制器上，不同波长的平行光束投射至液晶空间光调制器的不同像素区域；

6)通过液晶图形加载控制系统在液晶空间光调制器的不同波长所对应的像素区域上加载相位全息光栅，通过加载不同的相位全息光栅来改变一级衍射光的衍射角；

7)调节了衍射角后的各种不同波长的一级衍射光作为返回光返回柱面镜；

8)互相平行的返回光经柱面镜重新聚焦后，不同波长的光分别重新汇聚在yz平面，但在y轴方向上不同波长的光具有不同的角度，从而沿y轴空间分开；

9)经透射式相位衍射光栅后，由双胶合光学傅里叶变换透镜变成互相平行的平行光束，不同波长的平行光束沿y轴平行排列；

10)经端口光学扩束单元，将相邻距离较近的平行光束扩展为相邻距离较远的平行光束；

11)经过偏振调整棱镜后，由微透镜阵列中相对应的微透镜后耦合至一维光纤阵列中对应的输出光纤端口，从而通过在液晶空间光调制器的不同的像素区域上加载不同的相位全息光栅，调整返回光的角度，实现对任意波长通道和任意带宽光信号至特定输出光纤端口的方向指派，并且在液晶空间光调制器的指向能力一定的情况下，通过光学扩束单元扩展输出光的空间范围，增加一维单模光纤阵列的输出光纤端口的数量。

本发明的优点：

本发明通过在光学系统中增加端口光学扩束单元，有效拓展了一维单模光纤阵列的最大允许宽度，从而彻底消除了液晶空间光调制器的光学指向能力对波长选择开关可容纳光纤端口数量的限制作用，并实现波长选择开关中输出光纤端口数量的大幅提升，在硅基液晶光学指向范围十分有限的情况下，可以实现波长选择开关端口数量的成倍增加；本发明的器件结构简单、易于制作、成本低廉、可以实现输出端口数量的大幅度提升。

附图说明

图1为本发明的基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关的总体示意图；

图2为本发明的基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关的实施例一的示意图；

图3为本发明的基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关的实施例二的示意图；

图4为本发明的基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关的实施例一的光学原理图，其中，(a)为xz平面原理图，(b)为yz平面原理图；

图5为本发明的基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关的实施例二的光学原理图，其中，(a)为xz平面原理图，(b)为yz平面原理图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明的基于光学扩束单元的高端口数波长选择开关包括：一维单模光纤阵列1、微透镜阵列2、偏振调整棱镜3、端口光学扩束单元4、双胶合光学傅里叶变换透镜5、透射式相位衍射光栅6、柱面镜7、液晶空间光调制器8、以及液晶图形加载控制系统9；其中，光纤中光信号沿z轴传输，一维单模光纤阵列1中光纤端口沿y轴一维排列，一维单模光纤阵列的中心为输入光纤端口，除中心以外的其余光纤端口均为输出光纤端口；微透镜阵列2包括多个微透镜，每一个微透镜与一维单模光纤阵列中的光纤端口严格对准并一一对应；连续的输入光经位于一维单模光纤阵列中心的输入光纤端口输入；经位于微透镜阵列2中心的微透镜汇聚后，转变为高斯光束；经偏振调整棱镜3将高斯光束的偏振态调整为与液晶空间光调制器的偏振状态一致的线偏振光；通过端口光学扩束单元4，由双胶合光学傅里叶变换透镜5将高斯光束准直为平行光；经透射式相位衍射光栅6，将平行光中所包含的各种不同波长光在xz平面以不同的角度色散至柱面镜7；柱面镜7将色散后的不同波长光转变为沿x轴排列的相互平行的平行光束，并投射至液晶空间光调制器8上，不同波长的平行光束投射至液晶空间光调制器8的不同像素区域；通过液晶图形加载控制系统9在液晶空间光调制器的不同波长所对应的像素区域上加载相位全息光栅，通过加载不同的相位全息光栅来改变一级衍射光的衍射角；调节了衍射角后的各种不同波长的一级衍射光作为返回光返回柱面镜7；互相平行的返回光经柱面镜重新聚焦后，不同波长的光分别重新汇聚在yz平面上，但在y轴方向上不同波长的光具有不同的角度，从而沿y轴空间分开；经透射式相位衍射光栅6后，由双胶合光学傅里叶变换透镜5变成平行光束，不同波长的平行光束沿y轴排列；经端口光学扩束单元4，将相邻距离较近的平行光束扩展为相邻距离较远的平行光束；经过偏振调整棱镜3后，由微透镜阵列2中相对应的微透镜后耦合至一维光纤阵列1中对应的输出光纤端口，从而通过在液晶空间光调制器的不同的像素区域上加载相位全息光栅，调整返回光的角度，实现对任意波长通道和任意带宽光信号至特定输出光纤端口的方向指派，并且在液晶空间光调制器的指向能力一定的情况下，通过光学扩束单元扩展输出光的空间范围，增加一维单模光纤阵列的输出光纤端口的数量。

实施例一

如图2和4所示，本实施例中，端口光学扩束单元4采用一组整形棱镜对，入射光以布儒斯特角分别入射至两块整形棱镜的斜边。整形棱镜对中，第一和第二整形棱镜的斜边相互垂直摆放。如图4(b)所示，由一组整形棱镜对所组成的端口光学扩束单元使得经过液晶空间光调制器方向指派后返回的沿y轴排列的对应于不同输出光纤端口的平行光束的间距得到有效扩展，使所允许的一维单模光纤阵列的宽度得到大幅提升，从而使得一维光纤端口阵列中可以排列更多的光纤输出端口。在液晶空间光调制器的光学指向范围十分有限的情况下，可以实现波长选择开关端口数量的成倍增加。

实施例二

如图3和5所示，本实施例中，端口光学扩束单元采用望远系统型的一个凹透镜和一个凸透镜的组合，凹透镜和凸透镜的光轴与入射光的光轴重合。如图5(b)所示，利用一个凹透镜和一个凸透镜制成的望远系统型光学扩束单元，返回的沿y轴排列的互相平行的平行光束先经过凹透镜再经过凸透镜，同样可以使输出光束间的间距显著扩大，从而可以在液晶空间光调制器的光学指向范围十分有限的情况下，实现波长选择开关的输出光学端口数的大幅度提高。

最后需要注意的是，公布实施例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。