CN207502772U - 一种基于偏振分束双衍射光栅的多端口波长选择开关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于偏振分束双衍射光栅的多端口波长选择开关。本实用新型通过在光学系统中增加偏振分束组合和双透射式相位衍射光栅，将偏振态的处理与端口数的扩展分开到两个独立的方向上，解决了偏振处理对WSS输出端口数的制约，有效拓展了一维单模光纤阵列的最大允许宽度，从而彻底消除了偏振转换处理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，并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大幅增加；本实用新型的器件结构简单、易于制作、成本低廉、可以实现输出端口数量的大幅度提升。
Description
技术领域
本实用新型涉及光通信与光学信号处理领域，具体涉及一种基于偏振分束双衍射光栅的多端口波长选择开关。
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 PlanarLightwave Circuit as Spot Size Converter”,paper Tu3A.8,OFC’2015)；NTT(NTTCorporation)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 EmployingWaveguide-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。
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度左右，限制了输入/输出光纤端口阵列的最大允许宽度，同时由于液晶空间光调制器中液晶分子对偏振态的选择性，要求投射在液晶像素点上的光必须为S偏振态的线偏振光，由于输入/输出光纤端口呈一维排列，假如在光纤端口方向进行偏振态处理势必会占用两个端口间的间距从而影响到端口尺寸的减少和端口数的增加。
发明内容
针对目前硅基液晶WSS中偏振转换装置对端口数的限制，本实用新型提出一种基于偏振分束双衍射光栅的多端口波长选择开关，通过设计一种结构简单、性能稳定的偏振转换与色散装置，通过利用偏振分束组合将入射光分为两束线偏振光后再分布到与WSS端口方向相垂直的方向各自单独处理，进而在WSS端口方向尺寸非常有限的情况下，通过对两束偏振光的分别处理实现了波长选择开关端口数的大幅提升。
本实用新型的基于偏振分束双衍射光栅的多端口波长选择开关包括：一维单模光纤阵列、微透镜阵列、双胶合透镜、偏振分束组合、第一透射式相位衍射光栅、第二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，光路的传播方向沿z轴，沿着光路的传播方向依次放置一维单模光纤阵列、微透镜阵列、双胶合透镜、偏振分束组合、第一透射式相位衍射光栅、第二透射式相位衍射光栅、柱面镜和液晶空间光调制器；一维单模光纤阵列包括沿y轴一维排列的多个光纤端口，光纤端口的方向沿z轴，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；微透镜阵列与液晶空间光调制器分别位于双胶合透镜两侧的焦平面上；第一和第二透射式相位衍射光栅与液晶空间光调制器分别位于柱面镜两侧的焦平面上；双胶合透镜的后焦面与柱面镜的后焦面相重合；一维单模光纤阵列的输入光纤端口、双胶合透镜和柱面镜共轴；液晶空间光调制器连接至液晶图形加载控制系统；第一和第二透射式相位衍射光栅的结构完全相同，沿z轴摆放，二者具有距离差。
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；由双胶合透镜将发散的高斯光束进行准直为平行光；再经偏振分束组合将平行光分成第一光束与第二光束，第一和第二光束均为S偏振并保持平行沿z轴传播，沿x方向上分开具有距离差，分别入射到第一和第二透射式相位衍射光栅，第一和第二透射式相位衍射光栅沿z轴具有距离差，对偏振分束组合分光时第一光束与第二光束走过的不同光程进行补偿；第一和第二透射式相位光栅分别对第一光束和第二光束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；柱面镜的光轴位于第一光束和第二光束的中间，柱面镜将第一光束和第二光束色散后的不同波长的光转变为相互平行的平行光束，并将光束中单一波长光的圆形光斑压窄为椭圆光斑，然后投射至液晶空间光调制器上，同一光束中的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，第一和第二光束中相同波长的光束投射至液晶空间光调制器的相同像素区域；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，使不同波长的光束的反射光在yz平面上产生衍射效应，通过加载不同的相位全息光栅来改变反射光中一级光衍射角的角度；调节了衍射角后的各个不同波长的第一光束的一级衍射光沿着第二光束到达液晶空间光调制器的方向返回；调节了衍射角后的各个不同波长的第二光束的一级衍射光沿着第一光束到达液晶空间光调制器的方向返回；第一光束的返回光经柱面镜后，经第二透射式相位衍射光栅逆色散，至偏振分束组合；第二光束的返回光经柱面镜后，经第一透射式相位衍射光栅逆色散，至偏振分束组合；偏振分束组合进行合束，合束后由双胶合透镜补偿色差并在yz平面上与入射光束保持平行，在双胶合透镜前不同波长的光在y轴方向上具有不同的角度，通过双胶合透镜后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；然后传播到微透镜阵列上，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中不同波长光的一级衍射光的衍射角，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，在不影响y轴方向上端口数量和尺寸的情况下完成了对两个偏振态的独立转换，并利用第一和第二透射式相位衍射光栅沿z轴的前后摆放位置来补偿偏振分束时两束光不同的光程差，利用一个柱面镜使第一和第二光束共用液晶空间光调制器的同一区域并使两束光的反射光形成完全对称的回路，两束光互为回路，从而两束光的光程相同。
偏振分束组合采用偏振分束棱镜、光路转换镜和半波片的组合；沿光轴方向在偏振分束棱镜前设置半波片，在与光轴垂直的方向位于偏振分束棱镜之上设置光路转换镜；其中，由双胶合透镜将发散的高斯光束进行准直为平行光，经偏振分束棱镜将平行光分成第一光束与第二光束，第一光束为S偏振态沿x轴传播，第二光束为P偏振态沿z轴传播；第一光束通过光路转换镜反射沿z轴传播，第二光束沿z轴通过半波片转换为S偏振态。或者，偏振分束组合采用双折射晶体和半波片的组合；其中，由双胶合透镜将发散的高斯光束进行准直为平行光，经双折射晶体后，产生两束平行传输的光束，第一光束为S偏振，第二光束为P偏振，第二光束再经半波片后转换为S偏振。
双胶合透镜采用双胶合光学傅里叶变换透镜实现光束准直和色散补偿。
光路转换镜采用反射镜或直角棱镜。
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，对入射到相应像素上的光束产生衍射效应，通过控制加载的相位全息光栅实现调整一级衍射光衍射角的作用。
第一和第二透射式相位衍射光栅的结构完全相同，光束的入射角与衍射角与光栅上的刻线数有关，从而折叠光路。
柱面镜的尺寸足够大，从而能够接受全部第一光束和第二光束。
本实用新型的优点：
本实用新型通过在光学系统中增加偏振分束组合和双透射式相位衍射光栅，将偏振态的处理与端口数的扩展分开到两个独立的方向上，解决了偏振处理对WSS输出端口数的制约，有效拓展了一维单模光纤阵列的最大允许宽度，从而彻底消除了偏振转换处理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，并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大幅增加；本实用新型的器件结构简单、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为本实用新型的基于偏振分束双衍射光栅的多端口波长选择开关的一个实施例的器件摆放示意图；
图2为本实用新型的基于偏振分束双衍射光栅的多端口波长选择开关的一个实施例的光束传播示意图；
图3为本实用新型的基于偏振分束双衍射光栅的多端口波长选择开关的一个实施例在yz平面的示意图；
图4为本实用新型的基于偏振分束双衍射光栅的多端口波长选择开关的一个实施例在xz平面的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。
如图1、2、3和4所示，本实施例的基于偏振分束双衍射光栅的多端口波长选择开关包括：一维单模光纤阵列1、微透镜阵列2、双胶合透镜3、偏振分束棱镜4、半波片5、光路转换镜6、第一透射式相位衍射光栅7、第二透射式相位衍射光栅8、柱面镜9、液晶空间光调制器10以及液晶图形加载控制系统11；其中，一维单模光纤阵列1包括沿y轴一维排列的多个光纤端口，一维单模光纤阵列1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1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，转变为发散的高斯光束；由双胶合透镜3将发散的高斯光束进行准直为平行光；再经偏振分束棱镜4将平行光分成第一光束(图2中用实心箭头表示)与第二光束(图2中用空心箭头表示)，第一光束为S偏振态沿x轴传播，第二光束为P偏振态沿z轴传播；第一光束通过光路转换镜6反射沿z轴传播，第二光束沿z轴通过半波片5转换为S偏振态；第一和第二光束均为S偏振并保持平行沿z轴传播，沿x方向上分开具有高度差，分别入射到第一和第一透射式相位衍射光栅7和8，第一和第二透射式相位衍射光栅沿z轴具有距离差，对偏振分束棱镜分光时第一光束与第二光束走过的不同光程进行补偿；第一和第二透射式相位光栅7和8分别对第一光束和第二光束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9；柱面镜9的光轴位于第一光束和第二光束的中间，柱面镜9将第一光束和第二光束色散后的不同波长光转变为相互平行的平行光束，并将光束中单一波长光的圆形光斑压窄为椭圆光斑，然后投射至液晶空间光调制器10上，同一光束中的不同波长的平行光束投射至液晶空间光调制器10的不同像素区域，第一和第二光束中相同波长的光束投射至液晶空间光调制器10的相同像素区域；通过液晶图形加载控制系统11在液晶空间光调制器10的不同波长所对应的像素区域上加载相位全息光栅，使不同波长的光束的反射光在yz平面上产生衍射效应，通过加载不同的相位全息光栅来改变反射光中一级光衍射角的角度；调节了衍射角后的各个不同波长的第一光束的一级衍射光沿着第二光束到达液晶空间光调制器10的方向返回；调节了衍射角后的各个不同波长的第二光束的一级衍射光沿着第一光束到达液晶空间光调制器10的方向返回；第一光束的返回光经柱面镜9后，经第二透射式相位衍射光栅逆色散，经半波片5至偏振分束棱镜4；第二光束的返回光经柱面镜9后，经第一透射式相位衍射光栅逆色散，经光路转换镜6至偏振分束棱镜4；偏振分束棱镜4进行合束，合束后由双胶合透镜3补偿色差并在yz平面上与入射光束保持平行，在在双胶合透镜3前不同波长的光在y轴方向上具有不同的角度，通过双胶合透镜3后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；然后传播到微透镜阵列2上，由微透镜阵列2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。
在本实施例中，双胶合透镜3采用双胶合光学傅里叶变换透镜；光路转换镜6采用直角棱镜。第一和第二透射式相位衍射光栅的刻线数为1200线/毫米，光束的入射角为68°，从而折叠光路。
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实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型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，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种基于偏振分束双衍射光栅的多端口波长选择开关，其特征在于，所述多端口波长选择开关包括：一维单模光纤阵列、微透镜阵列、双胶合透镜、偏振分束组合、第一透射式相位衍射光栅、第二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，光路的传播方向沿z轴，沿着光路的传播方向依次放置一维单模光纤阵列、微透镜阵列、双胶合透镜、偏振分束组合、第一透射式相位衍射光栅、第二透射式相位衍射光栅、柱面镜和液晶空间光调制器；所述一维单模光纤阵列包括沿y轴一维排列的多个光纤端口，光纤端口的方向沿z轴，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；所述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；所述微透镜阵列与液晶空间光调制器分别位于双胶合透镜两侧的焦平面上；所述第一和第二透射式相位衍射光栅与液晶空间光调制器分别位于柱面镜两侧的焦平面上；所述双胶合透镜的后焦面与柱面镜的后焦面相重合；所述一维单模光纤阵列的输入光纤端口、双胶合透镜和柱面镜共轴；所述液晶空间光调制器连接至液晶图形加载控制系统；所述第一和第二透射式相位衍射光栅的结构完全相同，沿z轴摆放，二者具有距离差。
2.如权利要求1所述的多端口波长选择开关，其特征在于，所述偏振分束组合采用偏振分束棱镜、光路转换镜和半波片的组合；其中，沿光轴方向在偏振分束棱镜前设置半波片，在与光轴垂直的方向位于偏振分束棱镜之上设置光路转换镜。
3.如权利要求2所述的多端口波长选择开关，其特征在于，所述光路转换镜采用反射镜或直角棱镜。
4.如权利要求1所述的多端口波长选择开关，其特征在于，所述偏振分束组合采用双折射晶体和半波片的组合。
5.如权利要求1所述的多端口波长选择开关，其特征在于，所述双胶合透镜采用双胶合光学傅里叶变换透镜。
6.如权利要求1所述的多端口波长选择开关，其特征在于，所述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。
7.如权利要求1所述的多端口波长选择开关，其特征在于，所述第一和第二透射式相位衍射光栅的结构完全相同，光束的入射角与衍射角与光栅上的刻线数有关，折叠光路。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN109521528A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-03-26 | 武汉邮电科学研究院有限公司 | 实现波长选择开关功能的装置 |
| CN112689209A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-04-20 | 武汉邮电科学研究院有限公司 | 一种基于lcos控制的多用户接入跟踪系统及方法 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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