本發(fā)明涉及光通信與光學(xué)信號(hào)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(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)及其控制方法。

背景技術(shù)：

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著光網(wǎng)絡(luò)流量以10年100倍速度的持續(xù)巨幅增長(zhǎng)，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(yíng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的軟件動(dòng)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(shí)，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?jī)r(jià)值和廣闊的國(guó)際市場(chǎng)需求，受到了國(guó)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(lái)的研究與發(fā)展結(jié)果表明，波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS，wavelength selective switch)是目前唯一具有強(qiáng)大的信號(hào)處理功能的全光信號(hào)處理和全光交換設(shè)備，已經(jīng)成為當(dāng)前和未來(lái)對(duì)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(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)通常具有一個(gè)光信號(hào)輸入端口和多個(gè)光信號(hào)輸出端口，可以實(shí)現(xiàn)將輸入光信號(hào)中任意一個(gè)或一組波長(zhǎng)信號(hào)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(dòng)元件的波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)可以組成符合全光化和智能化等未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，同時(shí)具有強(qiáng)大全光信號(hào)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(hào)處理設(shè)備。顯然，盡可能提高硅基液晶波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)的端口數(shù)對(duì)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(shí)也是推動(dòng)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(jí)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(jì)與制備以及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guó)際上商品化WSS的最高端口數(shù)僅為1×23端口。在OFC’2015國(guó)際會(huì)議上，古河電工(Furukawa Electric Co.,Ltd)報(bào)道了通過(guò)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(jì)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(jì)，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(méi)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(chǎng)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(duì)目前硅基液晶WSS的端口數(shù)限制，本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)端口數(shù)的大幅提升。

本發(fā)明的一個(gè)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(gè)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(gè)微透鏡，每一個(gè)微透鏡與一維單模光纖陣列中的光纖端口嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)并一一對(duì)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的像素區(qū)域上加載相位全息光柵，使不同波長(zhǎng)的光束產(chǎn)生衍射效應(yīng)，通過(guò)加載不同的相位全息光柵來(lái)改變一級(jí)衍射光的衍射角；調(diào)節(jié)了衍射角后的各種不同波長(zhǎng)的一級(jí)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(zhǎng)的光重新匯聚在yz平面上，但在y軸方向上不同波長(zhǎng)的光具有不同的角度，從而沿y軸在空間上分開(kāi)；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(zhǎng)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(guò)偏振調(diào)整棱鏡后，由微透鏡陣列中相對(duì)應(yīng)的微透鏡耦合至一維光纖陣列中對(duì)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(lái)調(diào)整返回光的角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意波長(zhǎng)通道和任意帶寬光信號(hào)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(guò)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(duì)，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(gè)凹透鏡和一個(gè)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(guò)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(jí)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(gè)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的像素區(qū)域上加載相位全息光柵，通過(guò)加載不同的相位全息光柵來(lái)改變一級(jí)衍射光的衍射角；

7)調(diào)節(jié)了衍射角后的各種不同波長(zhǎng)的一級(jí)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(zhǎng)的光分別重新匯聚在yz平面，但在y軸方向上不同波長(zhǎng)的光具有不同的角度，從而沿y軸空間分開(kāi)；

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(zhǎng)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(guò)偏振調(diào)整棱鏡后，由微透鏡陣列中相對(duì)應(yīng)的微透鏡后耦合至一維光纖陣列中對(duì)應(yīng)的輸出光纖端口，從而通過(guò)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(duì)任意波長(zhǎng)通道和任意帶寬光信號(hào)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(guò)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(guò)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(duì)波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)可容納光纖端口數(shù)量的限制作用，并實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇開(kāi)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(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)端口數(shù)量的成倍增加；本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shuō)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(guò)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(hào)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(gè)微透鏡，每一個(gè)微透鏡與一維單模光纖陣列中的光纖端口嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)并一一對(duì)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唤?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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的像素區(qū)域上加載相位全息光柵，通過(guò)加載不同的相位全息光柵來(lái)改變一級(jí)衍射光的衍射角；調(diào)節(jié)了衍射角后的各種不同波長(zhǎng)的一級(jí)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(zhǎng)的光分別重新匯聚在yz平面上，但在y軸方向上不同波長(zhǎng)的光具有不同的角度，從而沿y軸空間分開(kāi)；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(zhǎng)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(guò)偏振調(diào)整棱鏡3后，由微透鏡陣列2中相對(duì)應(yīng)的微透鏡后耦合至一維光纖陣列1中對(duì)應(yīng)的輸出光纖端口，從而通過(guò)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(duì)任意波長(zhǎng)通道和任意帶寬光信號(hào)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(guò)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(duì)，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(duì)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(duì)所組成的端口光學(xué)擴(kuò)束單元使得經(jīng)過(guò)液晶空間光調(diào)制器方向指派后返回的沿y軸排列的對(duì)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(gè)凹透鏡和一個(gè)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(gè)凹透鏡和一個(gè)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(guò)凹透鏡再經(jīng)過(guò)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(kāi)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)。