本發明涉及光通信與光學信號處理領域，具體涉及一種基于光學擴束單元的高端口數波長選擇開關及其控制方法。

背景技術：

進入21世紀以來，隨著光網絡流量以10年100倍速度的持續巨幅增長，現有的電層交換技術在設備的數量與體積、信息交換容量、建設運營成本及能耗等多方面的“天花板效應”日益凸顯。構建以全光交換、多維復用、高光譜利用率超信道傳輸與交換技術以及對網絡資源的軟件動態調整為基礎的下一代低能耗和高譜效智能化全光通信網逐漸成為通信研究和產業領域的重要共識，是當前光通信技術領域最主要的研究熱點和發展方向之一，具有極其重要的研究價值和廣闊的國際市場需求，受到了國際范圍內各研究機構以及器件與設備供應商的廣泛關注。近10余年來的研究與發展結果表明，波長選擇開關(WSS，wavelength selective switch)是目前唯一具有強大的信號處理功能的全光信號處理和全光交換設備，已經成為當前和未來對全球光網絡進行全光化和智能化改造不可或缺的重要基礎性設備。

波長選擇開關通常具有一個光信號輸入端口和多個光信號輸出端口，可以實現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)大規模光學集成空間光調制器芯片為驅動元件的波長選擇開關可以組成符合全光化和智能化等未來光網絡發展需求，同時具有強大全光信號處理能力的各種高性能可重構光分插復用器(ROADM)、光交叉連接(OXC)設備和光學信號處理設備。顯然，盡可能提高硅基液晶波長選擇開關的端口數對于增加可重構光分插復用器和光交叉連接設備的信息吞吐量、網絡擴展能力和上下話路端口數等主要技術指標具有十分重要的意義，同時也是推動全光正交頻分復用(OFDM)超信道技術在骨干網、城域網和接入網等各種速率層級進行實際應用具有十分重要的意義。但由于受LCoS光束指向能力、光纖端口陣列的設計與制備以及光學系統設計與成像質量等多重因素的制約，使得目前硅基液晶WSS的端口數受到很大限制。目前國際上商品化WSS的最高端口數僅為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)光斑變換器改進光纖端口陣列設計而實現的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)采用復雜的PLC波導光柵輸入/輸出端口陣列實現了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雜的PLC設計，設備的插損、插損均勻性和端口串擾等技術指標均沒有達到能夠實際應用的水平。

由于受硅基陣列芯片CMOS工藝和液晶像素點邊際效應的雙重限制，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能夠容納的光纖端口數量受到限制。

技術實現要素：

針對目前硅基液晶WSS的端口數限制，本發明通過設計一種結構簡單、性能穩定的端口光學擴束單元，在硅基液晶空間光調制器光學指向能力十分有限的情況下，實現硅基液晶波長選擇開關端口數的大幅提升。

本發明的一個目的在于提出一種基于光學擴束單元的高端口數波長選擇開關。

本發明的基于光學擴束單元的高端口數波長選擇開關包括：一維單模光纖陣列、微透鏡陣列、偏振調整棱鏡、端口光學擴束單元、雙膠合光學傅里葉變換透鏡、透射式相位衍射光柵、柱面鏡、液晶空間光調制器、以及液晶圖形加載控制系統；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格對準并一一對應；沿z軸傳輸的連續的輸入光經位于一維單模光纖陣列中心的輸入光纖端口輸入；經位于微透鏡陣列中心的微透鏡匯聚后，轉變為發散的高斯光束；經偏振調整棱鏡將高斯光束的偏振態調整為與液晶空間光調制器的偏振狀態一致的線偏振光；通過端口光學擴束單元，由雙膠合光學傅里葉變換透鏡將高斯光束準直為平行光；再經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變為沿x軸排列的相互平行的平行光束，然后投射至液晶空間光調制器上，不同波長的平行光束投射至液晶空間光調制器的不同像素區域；通過液晶圖形加載控制系統在液晶空間光調制器的不同波長所對應的像素區域上加載相位全息光柵，使不同波長的光束產生衍射效應，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；調節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；經透射式相位衍射光柵后，由雙膠合光學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；經端口光學擴束單元，將相鄰距離較近的平行光束擴展為相鄰距離較遠的平行光束；經過偏振調整棱鏡后，由微透鏡陣列中相對應的微透鏡耦合至一維光纖陣列中對應的輸出光纖端口，從而利用在液晶空間光調制器不同的像素區域上加載相位全息光柵來調整返回光的角度，實現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制器的指向能力一定的情況下，通過光學擴束單元擴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量。

端口光學擴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；或者采用望遠系統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在像素上加載灰度圖形，從而形成相位全息光柵，調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制器分別位于雙膠合光學傅里葉變換透鏡的兩側焦點處。透射式相位衍射光柵和液晶空間光調制器分別位于柱面鏡的兩側焦點處。

本發明的另一個目的在于提供一種基于光學擴束單元的高端口數波長選擇開關的控制方法。

本發明的基于光學擴束單元的高端口數波長選擇開關的控制方法，包括以下步驟：

1)沿z軸傳輸的連續的輸入光經位于一維單模光纖陣列中心的輸入光纖端口輸入，經位于微透鏡陣列中心的微透鏡匯聚后，轉變為略微發散的高斯光束；

2)經偏振調整棱鏡將高斯光束的偏振態調整為與液晶空間光調制器的偏振狀態一致的線偏振光；

3)通過端口光學擴束單元，由雙膠合光學傅里葉變換透鏡將高斯光束準直為平行光；

4)平行光經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變為沿z軸傳輸的相互之間平行的平行光束，并投射至液晶空間光調制器上，不同波長的平行光束投射至液晶空間光調制器的不同像素區域；

6)通過液晶圖形加載控制系統在液晶空間光調制器的不同波長所對應的像素區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)調節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)經透射式相位衍射光柵后，由雙膠合光學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)經端口光學擴束單元，將相鄰距離較近的平行光束擴展為相鄰距離較遠的平行光束；

11)經過偏振調整棱鏡后，由微透鏡陣列中相對應的微透鏡后耦合至一維光纖陣列中對應的輸出光纖端口，從而通過在液晶空間光調制器的不同的像素區域上加載不同的相位全息光柵，調整返回光的角度，實現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制器的指向能力一定的情況下，通過光學擴束單元擴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量。

本發明的優點：

本發明通過在光學系統中增加端口光學擴束單元，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制器的光學指向能力對波長選擇開關可容納光纖端口數量的限制作用，并實現波長選擇開關中輸出光纖端口數量的大幅提升，在硅基液晶光學指向范圍十分有限的情況下，可以實現波長選擇開關端口數量的成倍增加；本發明的器件結構簡單、易于制作、成本低廉、可以實現輸出端口數量的大幅度提升。

附圖說明

圖1為本發明的基于光學擴束單元的高端口數波長選擇開關的總體示意圖；

圖2為本發明的基于光學擴束單元的高端口數波長選擇開關的實施例一的示意圖；

圖3為本發明的基于光學擴束單元的高端口數波長選擇開關的實施例二的示意圖；

圖4為本發明的基于光學擴束單元的高端口數波長選擇開關的實施例一的光學原理圖，其中，(a)為xz平面原理圖，(b)為yz平面原理圖；

圖5為本發明的基于光學擴束單元的高端口數波長選擇開關的實施例二的光學原理圖，其中，(a)為xz平面原理圖，(b)為yz平面原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本發明。

如圖1所示，本發明的基于光學擴束單元的高端口數波長選擇開關包括：一維單模光纖陣列1、微透鏡陣列2、偏振調整棱鏡3、端口光學擴束單元4、雙膠合光學傅里葉變換透鏡5、透射式相位衍射光柵6、柱面鏡7、液晶空間光調制器8、以及液晶圖形加載控制系統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格對準并一一對應；連續的輸入光經位于一維單模光纖陣列中心的輸入光纖端口輸入；經位于微透鏡陣列2中心的微透鏡匯聚后，轉變為高斯光束；經偏振調整棱鏡3將高斯光束的偏振態調整為與液晶空間光調制器的偏振狀態一致的線偏振光；通過端口光學擴束單元4，由雙膠合光學傅里葉變換透鏡5將高斯光束準直為平行光；經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變為沿x軸排列的相互平行的平行光束，并投射至液晶空間光調制器8上，不同波長的平行光束投射至液晶空間光調制器8的不同像素區域；通過液晶圖形加載控制系統9在液晶空間光調制器的不同波長所對應的像素區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；調節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；經透射式相位衍射光柵6后，由雙膠合光學傅里葉變換透鏡5變成平行光束，不同波長的平行光束沿y軸排列；經端口光學擴束單元4，將相鄰距離較近的平行光束擴展為相鄰距離較遠的平行光束；經過偏振調整棱鏡3后，由微透鏡陣列2中相對應的微透鏡后耦合至一維光纖陣列1中對應的輸出光纖端口，從而通過在液晶空間光調制器的不同的像素區域上加載相位全息光柵，調整返回光的角度，實現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制器的指向能力一定的情況下，通過光學擴束單元擴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量。

實施例一

如圖2和4所示，本實施例中，端口光學擴束單元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擴束單元使得經過液晶空間光調制器方向指派后返回的沿y軸排列的對應于不同輸出光纖端口的平行光束的間距得到有效擴展，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。在液晶空間光調制器的光學指向范圍十分有限的情況下，可以實現波長選擇開關端口數量的成倍增加。

實施例二

如圖3和5所示，本實施例中，端口光學擴束單元采用望遠系統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系統型光學擴束單元，返回的沿y軸排列的互相平行的平行光束先經過凹透鏡再經過凸透鏡，同樣可以使輸出光束間的間距顯著擴大，從而可以在液晶空間光調制器的光學指向范圍十分有限的情況下，實現波長選擇開關的輸出光學端口數的大幅度提高。

最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解：在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限于實施例所公開的內容，本發明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。