CN105739026B - 一种高端口数目波长选择开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高端口数目波长选择开关，包括输入光路部分、输出光路部分、光路偏转部分，所述光路偏转部分包括至少两个级联的LCOS芯片，两个相邻的LCOS芯片之间设置光斑变换***，所述光斑变换***实现各级联LCOS芯片光斑的一致性；每个所述光斑变换***包括沿光路顺序设置的三个柱透镜，其中位于光路两端的柱透镜形成双透镜4f***方式实现分波长平面的光斑变换，位于光路中间的柱透镜实现光切换平面的光斑变换。本发明通过级联多个LCOS芯片，可为高端口WSS器件的研发提供合适的解决方案。

Description

一种高端口数目波长选择开关
技术领域
本发明涉及一种光通信器件，尤其涉及一种波长选择开关，具体涉及一种高端口数目、频率间隔灵活可调的波长选择开关，本发明属于光纤通信领域。
背景技术
可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer，以下简称ROADM)是智能光网络的关键网络节点，支持任意波长业务的上下或阻断，可通过软件的远程控制，实现通信业务的任意扩展，具有极大的灵活性。波长选择开关(WavelengthSelective Switch，以下简称WSS)是组成ROADM节点的核心光子器件，可实现任意波长向多个方向的任意传输及交换。在光传输交换的网络架构中，WSS的端口数目决定了网络架构的维数，更多的WSS端口数目，可支持更多方向的光信号传输交换。随着ROADM节点的组网结构进一步深入发展，为满足更多方向的光波长交换，业界对网络架构的维数提出了更高的要求，也就要求WSS需朝着更高端口数目的方向发展。
实现WSS的技术主要有微光机电***(Micro-Optical Electrical MechanicalSystem，以下简称MOEMS)、液晶(Liquid Crystal，以下简称LC)技术和硅基液晶(LiquidCrystal On Silicon，以下简称LCOS)三种。LC和LCOS技术可满足ROADM***传输中的灵活频率栅格技术要求，其中，LCOS技术可提供更加精细的频率分辨率，在性能指标上更具优势，支持多个不同速率光信号的混传，已成为实现WSS的主流技术。LCOS技术通过控制光路的位相变化，实现光束的空间偏转，偏转角度直接决定WSS的端口数目。但该驱动技术具有光束偏转的角度极限，也就意味着其有最大的可实现端口数目。
目前，基于LCOS技术的WSS最大端口数目为20，这也是目前单个WSS器件的端口数目极限。在需要实现20个以上端口数目时，通常需要将多个WSS器件进行级联，但这种级联的方式会增加ROADM***的组网结构复杂程度，也会提高***的整体成本，不能满足ROADM***快速发展的要求。
发明内容
本发明克服现有方案存在的技术缺陷，在传统单个LCOS方案WSS的基础上，提出了一种基于多个LCOS芯片级联的方案。在制作更大端口数目WSS器件时，可以通过级联多个LCOS芯片，实现更大的光路旋转角度，从而实现更大的WSS端口数目。同时，需要在各个LCOS芯片之间加入傅里叶透镜变换***，达到每个LCOS芯片上光斑大小和位置一致的目标，保证WSS的整体性能不劣化，满足***的指标要求。
本发明采用如下的技术方案实现：
一种高端口数目波长选择开关，包括输入光路部分、输出光路部分、光路偏转部分，所述光路偏转部分包括至少两个级联的LCOS芯片，两个相邻的LCOS芯片之间设置光斑变换***，所述光斑变换***实现各级联LCOS芯片光斑的一致性；每个所述光斑变换***包括沿光路顺序设置的三个柱透镜，其中位于光路两端的柱透镜形成双透镜4f***方式实现分波长平面的光斑变换，位于光路中间的柱透镜实现光切换平面的光斑变换。
所述输入光路部分包括输入装置、第一偏振转换单元、第一光斑整形***、第一衍射光栅、第一会聚透镜；所述输出光路部分包括第二会聚透镜、第二衍射光栅、第二光斑整形***、第二偏振转换单元和多端口输出装置；其中，输入装置和多端口输出装置分别用于光信号的输入和输出；第一偏振转换单元和第二偏振转换单元分别用于随机偏振光和线偏振光之间的相互转换；第一光斑整形***和第二光斑整形***用于光传输过程中的光斑整形；第一衍射光栅和第二衍射光栅分别用于不同波长光信号在空间的复用和解复用；第一会聚透镜和第二会聚透镜用于不同波长光信号在空间的准直和聚焦；至少两个级联的LCOS芯片中的每一个都用于光波长信号的独立空间切换和衰减；第一光斑变换***和第二光斑变换***用于光斑在光切换平面和分波长平面的光斑变换。
所述输入光路部分、输出光路部分之间设置有反射镜用于光路的空间折叠。
每个所述光斑变换***的位于光路两端的柱透镜形成第一光斑变换***，位于光路中间的柱透镜形成第二光斑变换***；所述光斑变换***进一步包括有反射镜，所述反射镜设置于所述第一光斑变换***和所述第二光斑变换***之间。
与所述光斑变换***的输入端和输出端相连接的LCOS芯片分别位于所述光斑变换***的双透镜4f***的前焦面和后焦面。
与所述光斑变换***的输入端和输出端相连接的LCOS芯片分别位于第二光斑变换***的焦平面。
所述输入装置采用单个输入准直器。
所述多端口输出装置采用输出阵列准直器。
本发明具有以下优点和技术效果：
本发明解决了传统的基于单个LCOS芯片转角不足的问题。因为单个LCOS芯片的转角限制，现有WSS器件的最大输出端口数目为20左右，如果要实现48个、96个端口，或者更高的端口数目，现有技术方案无法实现。本发明通过级联多个LCOS芯片，巧妙地解决了这个问题，可为高端口WSS器件的研发提供合适的解决方案。
附图说明
图1为传统1×N(N≤20)WSS的光学原理结构图——光切换平面；
图2为传统1×N(N≤20)WSS的光学原理结构图——分波长平面；
图3为LCOS芯片控制光束偏转时的像元位相分布；
图4为本发明用于实现高端口数目的第一种实施例WSS光路结构图；
图5为本发明用于级联LCOS芯片之间光斑变换的原理图——光切换平面；
图6为本发明用于级联LCOS芯片之间光斑变换的原理图——分波长平面；
图7为本发明不同级联LCOS芯片上的光斑大小分布示意图；
图8为本发明用于实现高端口数目的多个LCOS芯片级联原理图；
图9为本发明光斑变换***光路示意图；
图10为本发明用于实现高端口数目的第二种实施例WSS光路结构图；
其中：
1：阵列准直器输入部分； 2：阵列准直器输出部分；
3：第一偏振转换单元； 4：光斑整形***；
5：衍射光栅； 6：会聚透镜；
7：LCOS芯片； 8：单个输入准直器；
9：第一偏振转换单元(输入部分)； 10：第一光斑整形***(输入部分)；
11：第一衍射光栅(输入部分)； 12：第一会聚透镜(输入部分)；
13：第一级联LCOS芯片； 14：第一光斑变换***(分波长平面)；
15：第二光斑变换***(光切换平面)； 16：反射镜；
17：第二级联LCOS芯片； 18：第二会聚透镜(输出部分)；
19：第二衍射光栅(输出部分)； 20：第二光斑整形***(输出部分)；
21：第二偏振转换单元(输出部分)； 22：输出阵列准直器；
23：级联第一光斑变换***(分波长平面)；
24：级联第二光斑变换***(光切换平面)；25：级联反射镜；
26：第三级联LCOS芯片；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限于本发明。
传统的基于LCOS技术的WSS光路原理如图1和图2所示，图1是光切换平面的原理示意图，图2是分波长平面的原理示意图。光信号从阵列准直器输入部分1进入WSS光学***，经过偏振转换单元3之后，光信号由随机偏振光变成线偏振光；然后，光斑整形***4将光斑整形成光学***所需要的特定形状，并入射到衍射光栅5上，经衍射光栅5将不同波长的光在空间分开，再经过会聚透镜6，不同波长的光入射到LCOS芯片7上；LCOS芯片7控制光路在不同方向进行偏转，依次反向经过会聚透镜6、衍射光栅5、光斑整形***4、偏振转换单元3，最后从阵列准直器输出部分2输出。
LCOS芯片7的每个液晶像素下都有离散的电极，而每个电极都可以单独加电控制，通过对每个电极独立施加电压，就能实现每个像素的独立位相控制。当像素之间的相移达到2π时，复位至初始位置，重新开始相移至2π，这样，就可以形成0～2π的周期性位相分布，如图3所示。位相整体结构和二元光栅较类似，对光线发生闪耀衍射。
单个LCOS芯片的光切换角度有限，目前仅能实现16端口数目以下的WSS。在设计和制作更高端口WSS时，必须将多个LCOS芯片进行级联，但目前的设计没有考虑到不同LCOS芯片上的光斑一致性变换，在芯片级联时，WSS整体的性能指标会劣化。因此，需要解决高端口数目WSS的芯片光斑一致性问题，确保WSS的指标达到使用要求。
本发明一种高端口数目波长选择开关包括输入光路部分、输出光路部分、光路偏转部分，所述光路偏转部分包括至少两个级联的LCOS芯片，两个相邻的LCOS芯片之间设置光斑变换***，所述光斑变换***实现各级联LCOS芯片光斑的一致性；每个所述光斑变换***包括沿光路顺序设置的三个柱透镜，其中位于光路两端的柱透镜形成双透镜4f***方式实现分波长平面的光斑变换，位于光路中间的柱透镜实现光切换平面的光斑变换。
本发明所提供的一种波长选择开关的实施例，如图4所示，主要用于实现高端口数目的WSS，采用输入光路和输出光路分离的设计方式，并通过光斑变换***，保证了各级联LCOS芯片上的光斑大小和位置匹配，主要元件包括单个输入准直器8、第一偏振转换单元(输入部分)9、第一光斑整形***(输入部分)10、第一衍射光栅(输入部分)11、第一会聚透镜(输入部分)12、第一级联LCOS芯片13、第一光斑变换***(分波长平面)14、第二光斑变换***(光切换平面)15、反射镜16、第二级联LCOS芯片17、第二会聚透镜(输出部分)18、第二衍射光栅(输出部分)19、第二光斑整形***(输出部分)20、第二偏振转换单元(输出部分)21和输出阵列准直器22。其中，单个输入准直器8和输出阵列准直器22用于光信号的输入和输出；第一偏振转换单元9和第二偏振转换单元21分别用于随机偏振光和线偏振光之间的相互转换；第一光斑整形***10和第二光斑整形***20分别用于光信号在传输过程中的光斑整形；第一衍射光栅11和第二衍射光栅19分别用于不同波长光信号在空间的复用和解复用；第一会聚透镜12和第二会聚透镜18分别用于不同波长光信号在空间的准直和聚焦；第一级联LCOS芯片13和第二级联LCOS芯片17分别用于不同光波长信号的独立空间切换和衰减；第一光斑变换***14和第二光斑变换***15用于光斑在光切换平面和分波长平面的光斑变换，保证不同LCOS芯片上的光斑大小和位置一致；反射镜16用于光路的空间折叠。
本发明采用了光路输入部分和光路输出部分分离的设计形式，在设计LCOS芯片级联方案时，更利于级联两个或更多个的LCOS芯片，具有较大的灵活性，适合WSS端口数目的空间扩展。
为进一步说明不同LCOS芯片之间的光斑变换***，本发明结合图5和图6进行详细解释。为简便起见，图5和图6中略去了光路中其余非必要功能的元件，仅画出光斑变换***的相关部分。
图5是光切换平面的光斑变换***示意图。第一光斑变换***14是两个分波长平面的柱透镜，在光切换平面不起变换作用。第二光斑变换***15是光切换平面的柱透镜，用于光切换平面的光斑变换，保证第一级联LCOS芯片13和第二级联LCOS芯片17上的光切换平面光斑一致。第一光斑变换***14仅在分波长平面起到光斑变换作用，在与之垂直的平面，仅起到平行平板的作用。为起到光斑变换作用，第一级联LCOS芯片13和第二级联LCOS芯片17均位于第二光斑变换***15的焦平面，光斑变换满足公式1。
其中，ω2为第二级联LCOS芯片17上的光斑大小，ω1为第一级联LCOS芯片13上的光斑大小，f为第二光斑变换***15的焦距，λ为参与变换的波长大小。为保证第一级联LCOS芯片13和第二级联LCOS芯片17上的光斑大小一致，焦距f和光斑大小是一一对应的关系，当光斑大小发生变化时，焦距f也随之改变。
图6是分波长平面的光斑变换***示意图。光切换平面的光斑变换，仅需要保证光斑大小一致，所以采用一个透镜变换即可满足要求。在进行分波长平面变换时，不仅需要保证光斑大小一致，也需要保证各波长光斑位置的一致，所以，本发明采用双透镜4f***完成变换，第一光斑变换***14由两个分波长平面的柱透镜组成。第二光斑变换***15仅在光切换平面起到光斑变换作用，在与之垂直的平面，仅起到平行平板的作用。第一级联LCOS芯片13和第二级联LCOS芯片17均放置于第一光斑变换***14的双透镜4f***的前焦面和后焦面，光斑变换的公式如式1所示。
经过光斑变换***之后的不同LCOS芯片上的光斑示意图如图7所示，所有LCOS芯片13，17上的光斑大小和位置均保持一致。在实际应用时，可根据端口数目的需要，选择多个光斑变换***，可以通过级联多个LCOS芯片，达到增加光路偏转角度的目的，从而实现更大的输出端口数目。如图8所示，当3个LCOS芯片级联时，通过光斑变换***的级联第一光斑变换***23(分波长平面)和级联第二光斑变换***24(光切换平面)，可实现第三级联LCOS芯片26和第二级联LCOS芯片17的光斑级联匹配，再依次从输出光路输出，WSS的性能指标可以保持不变。
如图9所示，将第一光斑变换***23(分波长平面)、第二光斑变换***24(光切换平面)和反射镜25的组合类比为光斑变换***，当需级联更多LCOS芯片时，将以此光斑变换***进行级联，LCOS芯片数量增加时，光斑变换***的数量依次递增，确保所有级联LCOS芯片上的光斑一致，如图10所示。
虽然本发明已经详细地示出并描述了一个相关的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内，可以在形式上和细节上做出各种改变，这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种高端口数目波长选择开关，包括输入光路部分、输出光路部分、光路偏转部分，其特征在于：所述光路偏转部分包括至少两个级联的第一级联LCOS芯片(13)、第二级联LCOS芯片(17)，第一级联LCOS芯片(13)和第二级联LCOS芯片(17)之间设置有光斑变换***，所述光斑变换***包括第一光斑变换***(14)和第二光斑变换***(15)用于光斑在光切换平面和分波长平面的光斑变换；第一光斑变换***(14)是位于光斑变换光路两端的分波长平面柱透镜，在光切换平面不起变换作用；所述两个柱透镜形成双透镜4f***，第二光斑变换***(15)是位于双透镜4f***中间的光切换平面的柱透镜；所述第一级联LCOS芯片(13)、第二级联LCOS芯片(17)分别位于第一光斑变换***(14)的前焦面和后焦面，且位于第二光斑变换***(15)的焦平面；光斑变换需满足公式：ω2为第二级联LCOS芯片(17)上的光斑大小，ω1为第一级联LCOS芯片(13)上的光斑大小，f为第二光斑变换***(15)的焦距，λ为参与变换的波长大小。
2.根据权利要求1所述的一种高端口数目波长选择开关，其特征在于：所述输入光路部分包括输入装置、第一偏振转换单元(9)、第一光斑整形***(10)、第一衍射光栅(11)、第一会聚透镜(12)；所述输出光路部分包括第二会聚透镜(18)、第二衍射光栅(19)、第二光斑整形***(20)、第二偏振转换单元(21)和多端口输出装置；其中，输入装置和多端口输出装置分别用于光信号的输入和输出；第一偏振转换单元(9)和第二偏振转换单元(21)分别用于随机偏振光和线偏振光之间的相互转换；第一光斑整形***(10)和第二光斑整形***(20)用于光传输过程中的光斑整形；第一衍射光栅(11)和第二衍射光栅(19)分别用于不同波长光信号在空间的复用和解复用；第一会聚透镜(12)和第二会聚透镜(18)用于不同波长光信号在空间的准直和聚焦。
3.根据权利要求2所述的一种高端口数目波长选择开关，其特征在于：所述输入光路部分、输出光路部分之间设置有反射镜(16)用于光路的空间折叠。
4.根据权利要求1所述的一种高端口数目波长选择开关，其特征在于：所述光斑变换***进一步包括有反射镜(16)，所述反射镜(16)设置于所述第一光斑变换***(14)和所述第二光斑变换***(15)之间。
5.根据权利要求3所述的一种高端口数目波长选择开关，其特征在于：所述输入装置采用单个输入准直器(8)。
6.根据权利要求3所述的一种高端口数目波长选择开关，其特征在于：所述多端口输出装置采用输出阵列准直器(22)。
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