基于相位光栅阵列的分辨率可调波长选择开关及控制方法与流程

本发明涉及光通信与光学信号处理领域，具体涉及一种基于透射式相位光栅阵列的分辨率可调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。但由于衍射光栅和硅基液晶等核心光学部件若干关键技术指标的限制，目前商品化的波长选择开关的波长分辨率通常大于10GHz，而且其工作波长范围和波长分辨率是固定的，不能够根据不同应用场景的需要进行调节，极大地限制了波长选择开关在光纤接入网、全光正交频分复用光通信系统等需要精细波长分辨率的各种场合的应用。同时，光谱分辨率不足也严重制约了目前波长选择开关在信号时延、色散和光学傅里叶变换等方面的全光信号处理能力。因此，设法实现硅基液晶波长选择开关的工作波长范围和波长分辨率的灵活调谐，并尽可能地提高其波长分辨率，对于进一步拓展波长选择开关的应用场合，大幅度提升其全光信号处理能力对于推动波长选择开关在网络全光化和智能化进程中的大规模应用及其在骨干网、城域网和接入网等各种速率层级的实际应用具有十分重要的商业意义和社会经济价值。为解决波长选择开关波长分辨率不足这一技术问题，以色列希伯来大学在ECOC’2015和Advanced Photonics’2015等两个国际学术会议上报道了采用专门研制的高色散波导光栅路由器代替传统的面刻划闪耀光栅作为色散元件，实现了波长分辨率为1GHz的高分辨率波长选择开关并应用于子载波间隔为1GHz的全光正交频分复用光信号的产生以及子载波信号的上下话路与交换(“Realization of sub-1GHz resolution photonic spectral processors for flexible optical networks”,ECOC’2015；“Fine Resolution Optical Processors for Sub-Channel Add-Drop Multiplexing Networks”,paper NeM4F.1,Advanced Photonics’2015)。这项研究工作充分凸显了提高波长选择开关分辨率的重要意义和应用潜力。其不足之处是使设备的端口数和可用工作波长范围等另外两个重要技术指标均受到了相当大的制约。采用该技术方案仅可实现具有一个输入端口和一个输出端口的波长选择开关，同时设备的工作波长范围也仅有20GHz，基本不具备实际应用价值。

技术实现要素：

针对目前波长选择开关所存在的光谱分辨率不足以及工作波长范围与分辨率不可调节等两个技术问题，本发明提出一种基于特别设计的透射式相位衍射光栅阵列而实现的可对波长分辨率和工作波长范围进行调节的波长选择开关。

本发明的一个目的在于提出一种基于透射式相位光栅阵列的分辨率可调波长选择开关。

本发明的基于透射式相位光栅阵列的分辨率可调波长选择开关包括：一维单模光纤阵列、微透镜阵列、偏振调整棱镜、双胶合光学傅里叶变换透镜、透射式相位衍射光栅阵列、柱面镜、液晶空间光调制器、以及图形加载控制系统；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；透射式相位衍射光栅阵列包括多个不同周期的透射式相位衍射光栅，透射式相位衍射光栅阵列连接至图形加载控制系统，根据图形加载控制系统发出的指令实现不同周期的透射式相位衍射光栅的程控切换；沿z轴传输的连续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；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工作偏振状态一致的线偏振光；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阵列中的一个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阵列的同一个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；通过图形加载控制系统实现透射式相位衍射光栅阵列的程控切换，不同周期的透射式相位衍射光栅的色散能力不同，使得最终成像到液晶空间光调制器上的平行光束覆盖的像素区域的范围不同，从而实现波长选择开关工作波长范围、波长分辨率和波长操控精度的切换和调节。

进一步，本发明还包括端口光学扩束单元，位于偏振调整棱镜和双胶合光学傅里叶变换透镜之间；端口光学扩束单元将返回的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。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透射式相位光栅阵列的分辨率可调波长选择开关的控制方法。

本发明的基于透射式相位光栅阵列的分辨率可调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)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)图形加载控制系统发出指令，对透射式相位衍射光栅阵列进行程控切换，使得一个透射式相位衍射光栅位于光路上，平行光经过透射式相位衍射光栅阵列中的一个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；

9)经同一个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；通过图形加载控制系统实现透射式相位衍射光栅阵列的程控切换，不同周期的透射式相位衍射光栅的色散能力不同，使得最终成像到液晶空间光调制器上的平行光束覆盖的像素区域的范围不同，从而实现波长选择开关工作波长范围、波长分辨率和波长操控精度的切换和调节。

在步骤9)后，进一步包括，沿y轴排列的不同波长的平行光束经端口光学扩束单元，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，然后至偏振调整棱镜。

本发明的优点：

本发明采用透射式相位衍射光栅阵列，利用不同周期的透射式相位衍射光栅的色散能力不同，通过对透射式相位衍射光栅阵列上具有不同周期的透射式相位衍射光栅在光路中的切换可以改变最终成像到液晶空间光调制器上平行光束的波长范围以及由单一像素单元所决定的波长操控精度，从而实现对波长选择开关工作波长范围和波长分辨率的切换和调节，使波长选择开关既能够用于对骨干网中大带宽高速信号的处理，也可用于对城域网和光接入网中GHz和亚GHz级细粒度信号的处理与交换；并可以根据研究工作需要和应用领域的不同对其工作波长范围和波长分辨率进行大范围调节，使设备的信号处理能力与适用领域得到显著增强。与目前通用的采用固定周期面刻划闪耀光栅的波长选择开关相比，本发明不仅适用范围广泛、信号处理能力大幅度增强，而且具有光学系统简单、关键部件易于制备和获取、光路组装和调整方便、易于工业化制造等优点。

附图说明

图1为本发明的基于透射式相位光栅阵列的分辨率可调波长选择开关的总体示意图；

图2为本发明的基于透射式相位光栅阵列的分辨率可调波长选择开关的实施例一的示意图；

图3为本发明的基于透射式相位光栅阵列的分辨率可调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和4所示，本发明的基于透射式相位光栅阵列的分辨率可调波长选择开关包括：一维单模光纤阵列1、微透镜阵列2、偏振调整棱镜3、双胶合光学傅里叶变换透镜4、透射式相位衍射光栅阵列5、柱面镜6、液晶空间光调制器7、以及图形加载控制系统8；其中，一维单模光纤阵列1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；透射式相位衍射光栅阵列5包括多个不同周期的透射式相位衍射光栅，透射式相位衍射光栅阵列连接至图形加载控制系统，根据图形加载控制系统发出的指令实现不同周期的透射式相位衍射光栅的程控切换；沿z轴传输的连续的输入光经位于一维单模光纤阵列1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，转变为略微发散的高斯光束；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；双胶合光学傅里叶变换透镜4将高斯光束准直为平行光；再经透射式相位衍射光栅阵列5中的一个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6；柱面镜6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7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；通过图形加载控制系统8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6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阵列5的同一个透射式相位衍射光栅后，由双胶合光学傅里叶变换透镜4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；经过偏振调整棱镜3后，由微透镜阵列2中相对应的微透镜耦合至一维光纤阵列1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；通过图形加载控制系统实现透射式相位衍射光栅阵列的程控切换，不同周期的透射式相位衍射光栅的色散能力不同，使得最终成像到液晶空间光调制器上的平行光束覆盖的像素区域的范围不同，从而实现波长选择开关工作波长范围、波长分辨率和波长操控精度的切换和调节。

实施例一

如图2所示，本实施例中，透射式相位衍射光栅阵列5采用旋转式透射式相位衍射光栅阵列，连接至光栅角度编码器，多个不同周期的透射式相位衍射光栅排列在圆周上，且在光栅角度编码器的旋转驱动下能够绕着圆心旋转，从而实现不同周期的透射式相位衍射光栅在光路中的程控切换。

透射式相位衍射光栅采用刻蚀在硅基片或石英基片上的零级抑制透射式相位光栅；透射式相位衍射光栅的周期位于100～1200nm范围之间。

实施例二

如图3所示，本实施例中，透射式相位衍射光栅阵列5采用平移式一维透射式相位衍射光栅阵列，连接至光栅角度编码器，多个不同周期的透射式相位衍射光栅沿直线排列，且在光栅位移编码器的驱动下沿直线平移，实现不同周期的透射式相位衍射光栅在光路中的程控切换。

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光学原理图。其中一维光纤阵列1和液晶空间光调制器7分别位于双胶合光学傅里叶变换透镜4的两侧焦点处，被切换进入光路中的透射式相位衍射光栅和液晶空间光调制器7分别位于柱面镜6的两侧焦点处。

如图4(a)所示，通过透射式相位衍射光栅阵列5将具有不同周期的透射式相位衍射光栅切换进入光路后可以改变投射在液晶空间光调制器7上色散光斑的大小。当具有较小周期的相位光栅被切换进入光路系统中时，图4(a)中在液晶空间光调制器7上被色散至两条虚线所包含的波长范围内的色散光斑将得到扩展，如图4(a)中两条实线所覆盖的区域所示。所使用的透射式相位衍射光栅的周期越小，被色散到液晶空间光调制器7上的光斑所包含的波长范围(工作波长范围)就越小，液晶空间光调制器7对光的波长操控精度就越高，从而实现波长选择开关波长分辨率的提高。

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。