本發(fā)明涉及光通信與光學(xué)信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于光學(xué)擴(kuò)束單元的高端口數(shù)波長選擇開關(guān)及其控制方法。

背景技術(shù)：

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著光網(wǎng)絡(luò)流量以10年100倍速度的持續(xù)巨幅增長，現(xiàn)有的電層交換技術(shù)在設(shè)備的數(shù)量與體積、信息交換容量、建設(shè)運(yùn)營成本及能耗等多方面的“天花板效應(yīng)”日益凸顯。構(gòu)建以全光交換、多維復(fù)用、高光譜利用率超信道傳輸與交換技術(shù)以及對網(wǎng)絡(luò)資源的軟件動態(tài)調(diào)整為基礎(chǔ)的下一代低能耗和高譜效智能化全光通信網(wǎng)逐漸成為通信研究和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重要共識，是當(dāng)前光通信技術(shù)領(lǐng)域最主要的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向之一，具有極其重要的研究價值和廣闊的國際市場需求，受到了國際范圍內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)以及器件與設(shè)備供應(yīng)商的廣泛關(guān)注。近10余年來的研究與發(fā)展結(jié)果表明，波長選擇開關(guān)(WSS，wavelength selective switch)是目前唯一具有強(qiáng)大的信號處理功能的全光信號處理和全光交換設(shè)備，已經(jīng)成為當(dāng)前和未來對全球光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全光化和智能化改造不可或缺的重要基礎(chǔ)性設(shè)備。

波長選擇開關(guān)通常具有一個光信號輸入端口和多個光信號輸出端口，可以實(shí)現(xiàn)將輸入光信號中任意一個或一組波長信號從任意輸出端口輸出的功能。利用以硅基液晶(LCoS)大規(guī)模光學(xué)集成空間光調(diào)制器芯片為驅(qū)動元件的波長選擇開關(guān)可以組成符合全光化和智能化等未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，同時具有強(qiáng)大全光信號處理能力的各種高性能可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)、光交叉連接(OXC)設(shè)備和光學(xué)信號處理設(shè)備。顯然，盡可能提高硅基液晶波長選擇開關(guān)的端口數(shù)對于增加可重構(gòu)光分插復(fù)用器和光交叉連接設(shè)備的信息吞吐量、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力和上下話路端口數(shù)等主要技術(shù)指標(biāo)具有十分重要的意義，同時也是推動全光正交頻分復(fù)用(OFDM)超信道技術(shù)在骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)等各種速率層級進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。但由于受LCoS光束指向能力、光纖端口陣列的設(shè)計與制備以及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與成像質(zhì)量等多重因素的制約，使得目前硅基液晶WSS的端口數(shù)受到很大限制。目前國際上商品化WSS的最高端口數(shù)僅為1×23端口。在OFC’2015國際會議上，古河電工(Furukawa Electric Co.,Ltd)報道了通過采用專門研制的石英基平面光波回路(PLC)光斑變換器改進(jìn)光纖端口陣列設(shè)計而實(shí)現(xiàn)的1×40端口硅基液晶WSS處理儀的研究成果(“LCOS-based Flexible Grid 1x40Wavelength Selective Switch Using Planar Lightwave Circuit as Spot Size Converter”,paper Tu3A.8,OFC’2015)；NTT(NTT Corporation)采用復(fù)雜的PLC波導(dǎo)光柵輸入/輸出端口陣列實(shí)現(xiàn)了1×95端口的硅基液晶WSS處理儀(“Ultra-High Port Count Wavelength Selective Switch Employing Waveguide-Based I/O Frontend”,paper Tu3A.7,OFC’2015)，但由于采用了較為復(fù)雜的PLC設(shè)計，設(shè)備的插損、插損均勻性和端口串?dāng)_等技術(shù)指標(biāo)均沒有達(dá)到能夠?qū)嶋H應(yīng)用的水平。

由于受硅基陣列芯片CMOS工藝和液晶像素點(diǎn)邊際效應(yīng)的雙重限制，即使采用目前市場上所能獲得的最高集成度通信波段LCoS芯片，其最大光學(xué)指向能力也僅為±1°左右，限制了輸入/輸出光纖端口陣列的最大允許寬度，從而使波長選擇開關(guān)能夠容納的光纖端口數(shù)量受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對目前硅基液晶WSS的端口數(shù)限制，本發(fā)明通過設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的端口光學(xué)擴(kuò)束單元，在硅基液晶空間光調(diào)制器光學(xué)指向能力十分有限的情況下，實(shí)現(xiàn)硅基液晶波長選擇開關(guān)端口數(shù)的大幅提升。

本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于光學(xué)擴(kuò)束單元的高端口數(shù)波長選擇開關(guān)。

本發(fā)明的基于光學(xué)擴(kuò)束單元的高端口數(shù)波長選擇開關(guān)包括：一維單模光纖陣列、微透鏡陣列、偏振調(diào)整棱鏡、端口光學(xué)擴(kuò)束單元、雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡、透射式相位衍射光柵、柱面鏡、液晶空間光調(diào)制器、以及液晶圖形加載控制系統(tǒng)；其中，一維單模光纖陣列包括多個沿y軸一維排列的光纖端口，一維單模光纖陣列的中心為輸入光纖端口，除中心以外的其余光纖端口均為輸出光纖端口；微透鏡陣列包括多個微透鏡，每一個微透鏡與一維單模光纖陣列中的光纖端口嚴(yán)格對準(zhǔn)并一一對應(yīng)；沿z軸傳輸?shù)倪B續(xù)的輸入光經(jīng)位于一維單模光纖陣列中心的輸入光纖端口輸入；經(jīng)位于微透鏡陣列中心的微透鏡匯聚后，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)散的高斯光束；經(jīng)偏振調(diào)整棱鏡將高斯光束的偏振態(tài)調(diào)整為與液晶空間光調(diào)制器的偏振狀態(tài)一致的線偏振光；通過端口光學(xué)擴(kuò)束單元，由雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡將高斯光束準(zhǔn)直為平行光；再經(jīng)透射式相位衍射光柵，將平行光中所包含的各種不同波長光在xz平面以不同的角度色散至柱面鏡；柱面鏡將色散后的不同波長光轉(zhuǎn)變?yōu)檠豿軸排列的相互平行的平行光束，然后投射至液晶空間光調(diào)制器上，不同波長的平行光束投射至液晶空間光調(diào)制器的不同像素區(qū)域；通過液晶圖形加載控制系統(tǒng)在液晶空間光調(diào)制器的不同波長所對應(yīng)的像素區(qū)域上加載相位全息光柵，使不同波長的光束產(chǎn)生衍射效應(yīng)，通過加載不同的相位全息光柵來改變一級衍射光的衍射角；調(diào)節(jié)了衍射角后的各種不同波長的一級衍射光作為返回光返回柱面鏡；互相平行的返回光經(jīng)柱面鏡重新聚焦后，不同波長的光重新匯聚在yz平面上，但在y軸方向上不同波長的光具有不同的角度，從而沿y軸在空間上分開；經(jīng)透射式相位衍射光柵后，由雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡變成互相平行的平行光束，不同波長的平行光束沿y軸相互平行排列；經(jīng)端口光學(xué)擴(kuò)束單元，將相鄰距離較近的平行光束擴(kuò)展為相鄰距離較遠(yuǎn)的平行光束；經(jīng)過偏振調(diào)整棱鏡后，由微透鏡陣列中相對應(yīng)的微透鏡耦合至一維光纖陣列中對應(yīng)的輸出光纖端口，從而利用在液晶空間光調(diào)制器不同的像素區(qū)域上加載相位全息光柵來調(diào)整返回光的角度，實(shí)現(xiàn)對任意波長通道和任意帶寬光信號至特定輸出光纖端口的方向指派，并且在液晶空間光調(diào)制器的指向能力一定的情況下，通過光學(xué)擴(kuò)束單元擴(kuò)展輸出光的空間范圍，增加一維單模光纖陣列的輸出光纖端口的數(shù)量。

端口光學(xué)擴(kuò)束單元采用一組整形棱鏡對，入射光以布儒斯特角分別入射至兩塊整形棱鏡的斜邊；或者采用望遠(yuǎn)系統(tǒng)型的一個凹透鏡和一個凸透鏡的組合，凹透鏡和凸透鏡的光軸與入射光的光軸重合。

液晶空間光調(diào)制器采用硅基液晶LCoS，LCoS的表面為二維像素陣列；通過液晶圖形加載控制系統(tǒng)在像素上加載灰度圖形，從而形成相位全息光柵，調(diào)整一級衍射光的衍射角。

一維單模光纖陣列和液晶空間光調(diào)制器分別位于雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡的兩側(cè)焦點(diǎn)處。透射式相位衍射光柵和液晶空間光調(diào)制器分別位于柱面鏡的兩側(cè)焦點(diǎn)處。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于光學(xué)擴(kuò)束單元的高端口數(shù)波長選擇開關(guān)的控制方法。

本發(fā)明的基于光學(xué)擴(kuò)束單元的高端口數(shù)波長選擇開關(guān)的控制方法，包括以下步驟：

1)沿z軸傳輸?shù)倪B續(xù)的輸入光經(jīng)位于一維單模光纖陣列中心的輸入光纖端口輸入，經(jīng)位于微透鏡陣列中心的微透鏡匯聚后，轉(zhuǎn)變?yōu)槁晕l(fā)散的高斯光束；

2)經(jīng)偏振調(diào)整棱鏡將高斯光束的偏振態(tài)調(diào)整為與液晶空間光調(diào)制器的偏振狀態(tài)一致的線偏振光；

3)通過端口光學(xué)擴(kuò)束單元，由雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡將高斯光束準(zhǔn)直為平行光；

4)平行光經(jīng)透射式相位衍射光柵，將平行光中所包含的各種不同波長光在xz平面以不同的角度色散至柱面鏡；

5)柱面鏡將色散后的不同波長光轉(zhuǎn)變?yōu)檠貁軸傳輸?shù)南嗷ブg平行的平行光束，并投射至液晶空間光調(diào)制器上，不同波長的平行光束投射至液晶空間光調(diào)制器的不同像素區(qū)域；

6)通過液晶圖形加載控制系統(tǒng)在液晶空間光調(diào)制器的不同波長所對應(yīng)的像素區(qū)域上加載相位全息光柵，通過加載不同的相位全息光柵來改變一級衍射光的衍射角；

7)調(diào)節(jié)了衍射角后的各種不同波長的一級衍射光作為返回光返回柱面鏡；

8)互相平行的返回光經(jīng)柱面鏡重新聚焦后，不同波長的光分別重新匯聚在yz平面，但在y軸方向上不同波長的光具有不同的角度，從而沿y軸空間分開；

9)經(jīng)透射式相位衍射光柵后，由雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡變成互相平行的平行光束，不同波長的平行光束沿y軸平行排列；

10)經(jīng)端口光學(xué)擴(kuò)束單元，將相鄰距離較近的平行光束擴(kuò)展為相鄰距離較遠(yuǎn)的平行光束；

11)經(jīng)過偏振調(diào)整棱鏡后，由微透鏡陣列中相對應(yīng)的微透鏡后耦合至一維光纖陣列中對應(yīng)的輸出光纖端口，從而通過在液晶空間光調(diào)制器的不同的像素區(qū)域上加載不同的相位全息光柵，調(diào)整返回光的角度，實(shí)現(xiàn)對任意波長通道和任意帶寬光信號至特定輸出光纖端口的方向指派，并且在液晶空間光調(diào)制器的指向能力一定的情況下，通過光學(xué)擴(kuò)束單元擴(kuò)展輸出光的空間范圍，增加一維單模光纖陣列的輸出光纖端口的數(shù)量。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明通過在光學(xué)系統(tǒng)中增加端口光學(xué)擴(kuò)束單元，有效拓展了一維單模光纖陣列的最大允許寬度，從而徹底消除了液晶空間光調(diào)制器的光學(xué)指向能力對波長選擇開關(guān)可容納光纖端口數(shù)量的限制作用，并實(shí)現(xiàn)波長選擇開關(guān)中輸出光纖端口數(shù)量的大幅提升，在硅基液晶光學(xué)指向范圍十分有限的情況下，可以實(shí)現(xiàn)波長選擇開關(guān)端口數(shù)量的成倍增加；本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、成本低廉、可以實(shí)現(xiàn)輸出端口數(shù)量的大幅度提升。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于光學(xué)擴(kuò)束單元的高端口數(shù)波長選擇開關(guān)的總體示意圖；

圖2為本發(fā)明的基于光學(xué)擴(kuò)束單元的高端口數(shù)波長選擇開關(guān)的實(shí)施例一的示意圖；

圖3為本發(fā)明的基于光學(xué)擴(kuò)束單元的高端口數(shù)波長選擇開關(guān)的實(shí)施例二的示意圖；

圖4為本發(fā)明的基于光學(xué)擴(kuò)束單元的高端口數(shù)波長選擇開關(guān)的實(shí)施例一的光學(xué)原理圖，其中，(a)為xz平面原理圖，(b)為yz平面原理圖；

圖5為本發(fā)明的基于光學(xué)擴(kuò)束單元的高端口數(shù)波長選擇開關(guān)的實(shí)施例二的光學(xué)原理圖，其中，(a)為xz平面原理圖，(b)為yz平面原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明的基于光學(xué)擴(kuò)束單元的高端口數(shù)波長選擇開關(guān)包括：一維單模光纖陣列1、微透鏡陣列2、偏振調(diào)整棱鏡3、端口光學(xué)擴(kuò)束單元4、雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡5、透射式相位衍射光柵6、柱面鏡7、液晶空間光調(diào)制器8、以及液晶圖形加載控制系統(tǒng)9；其中，光纖中光信號沿z軸傳輸，一維單模光纖陣列1中光纖端口沿y軸一維排列，一維單模光纖陣列的中心為輸入光纖端口，除中心以外的其余光纖端口均為輸出光纖端口；微透鏡陣列2包括多個微透鏡，每一個微透鏡與一維單模光纖陣列中的光纖端口嚴(yán)格對準(zhǔn)并一一對應(yīng)；連續(xù)的輸入光經(jīng)位于一維單模光纖陣列中心的輸入光纖端口輸入；經(jīng)位于微透鏡陣列2中心的微透鏡匯聚后，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚构馐?；?jīng)偏振調(diào)整棱鏡3將高斯光束的偏振態(tài)調(diào)整為與液晶空間光調(diào)制器的偏振狀態(tài)一致的線偏振光；通過端口光學(xué)擴(kuò)束單元4，由雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡5將高斯光束準(zhǔn)直為平行光；經(jīng)透射式相位衍射光柵6，將平行光中所包含的各種不同波長光在xz平面以不同的角度色散至柱面鏡7；柱面鏡7將色散后的不同波長光轉(zhuǎn)變?yōu)檠豿軸排列的相互平行的平行光束，并投射至液晶空間光調(diào)制器8上，不同波長的平行光束投射至液晶空間光調(diào)制器8的不同像素區(qū)域；通過液晶圖形加載控制系統(tǒng)9在液晶空間光調(diào)制器的不同波長所對應(yīng)的像素區(qū)域上加載相位全息光柵，通過加載不同的相位全息光柵來改變一級衍射光的衍射角；調(diào)節(jié)了衍射角后的各種不同波長的一級衍射光作為返回光返回柱面鏡7；互相平行的返回光經(jīng)柱面鏡重新聚焦后，不同波長的光分別重新匯聚在yz平面上，但在y軸方向上不同波長的光具有不同的角度，從而沿y軸空間分開；經(jīng)透射式相位衍射光柵6后，由雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡5變成平行光束，不同波長的平行光束沿y軸排列；經(jīng)端口光學(xué)擴(kuò)束單元4，將相鄰距離較近的平行光束擴(kuò)展為相鄰距離較遠(yuǎn)的平行光束；經(jīng)過偏振調(diào)整棱鏡3后，由微透鏡陣列2中相對應(yīng)的微透鏡后耦合至一維光纖陣列1中對應(yīng)的輸出光纖端口，從而通過在液晶空間光調(diào)制器的不同的像素區(qū)域上加載相位全息光柵，調(diào)整返回光的角度，實(shí)現(xiàn)對任意波長通道和任意帶寬光信號至特定輸出光纖端口的方向指派，并且在液晶空間光調(diào)制器的指向能力一定的情況下，通過光學(xué)擴(kuò)束單元擴(kuò)展輸出光的空間范圍，增加一維單模光纖陣列的輸出光纖端口的數(shù)量。

實(shí)施例一

如圖2和4所示，本實(shí)施例中，端口光學(xué)擴(kuò)束單元4采用一組整形棱鏡對，入射光以布儒斯特角分別入射至兩塊整形棱鏡的斜邊。整形棱鏡對中，第一和第二整形棱鏡的斜邊相互垂直擺放。如圖4(b)所示，由一組整形棱鏡對所組成的端口光學(xué)擴(kuò)束單元使得經(jīng)過液晶空間光調(diào)制器方向指派后返回的沿y軸排列的對應(yīng)于不同輸出光纖端口的平行光束的間距得到有效擴(kuò)展，使所允許的一維單模光纖陣列的寬度得到大幅提升，從而使得一維光纖端口陣列中可以排列更多的光纖輸出端口。在液晶空間光調(diào)制器的光學(xué)指向范圍十分有限的情況下，可以實(shí)現(xiàn)波長選擇開關(guān)端口數(shù)量的成倍增加。

實(shí)施例二

如圖3和5所示，本實(shí)施例中，端口光學(xué)擴(kuò)束單元采用望遠(yuǎn)系統(tǒng)型的一個凹透鏡和一個凸透鏡的組合，凹透鏡和凸透鏡的光軸與入射光的光軸重合。如圖5(b)所示，利用一個凹透鏡和一個凸透鏡制成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)型光學(xué)擴(kuò)束單元，返回的沿y軸排列的互相平行的平行光束先經(jīng)過凹透鏡再經(jīng)過凸透鏡，同樣可以使輸出光束間的間距顯著擴(kuò)大，從而可以在液晶空間光調(diào)制器的光學(xué)指向范圍十分有限的情況下，實(shí)現(xiàn)波長選擇開關(guān)的輸出光學(xué)端口數(shù)的大幅度提高。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。