本發明涉及光通信與光學信號處理領域，具體涉及一種基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調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。但由于衍射光柵和硅基液晶等核心光學部件若干關鍵技術指標的限制，目前商品化的波長選擇開關的波長分辨率通常大于10GHz，而且其工作波長范圍和波長分辨率是固定的，不能夠根據不同應用場景的需要進行調節，極大地限制了波長選擇開關在光纖接入網、全光正交頻分復用光通信系統等需要精細波長分辨率的各種場合的應用。同時，光譜分辨率不足也嚴重制約了目前波長選擇開關在信號時延、色散和光學傅里葉變換等方面的全光信號處理能力。因此，設法實現硅基液晶波長選擇開關的工作波長范圍和波長分辨率的靈活調諧，并盡可能地提高其波長分辨率，對于進一步拓展波長選擇開關的應用場合，大幅度提升其全光信號處理能力對于推動波長選擇開關在網絡全光化和智能化進程中的大規模應用及其在骨干網、城域網和接入網等各種速率層級的實際應用具有十分重要的商業意義和社會經濟價值。為解決波長選擇開關波長分辨率不足這一技術問題，以色列希伯來大學在ECOC’2015和Advanced Photonics’2015等兩個國際學術會議上報道了采用專門研制的高色散波導光柵路由器代替傳統的面刻劃閃耀光柵作為色散元件，實現了波長分辨率為1GHz的高分辨率波長選擇開關并應用于子載波間隔為1GHz的全光正交頻分復用光信號的產生以及子載波信號的上下話路與交換(“Realization of sub-1GHz resolution photonic spectral processors for flexible optical networks”,ECOC’2015；“Fine Resolution Optical Processors for Sub-Channel Add-Drop Multiplexing Networks”,paper NeM4F.1,Advanced Photonics’2015)。這項研究工作充分凸顯了提高波長選擇開關分辨率的重要意義和應用潛力。其不足之處是使設備的端口數和可用工作波長范圍等另外兩個重要技術指標均受到了相當大的制約。采用該技術方案僅可實現具有一個輸入端口和一個輸出端口的波長選擇開關，同時設備的工作波長范圍也僅有20GHz，基本不具備實際應用價值。

技術實現要素：

針對目前波長選擇開關所存在的光譜分辨率不足以及工作波長范圍與分辨率不可調節等兩個技術問題，本發明提出一種基于特別設計的透射式相位衍射光柵陣列而實現的可對波長分辨率和工作波長范圍進行調節的波長選擇開關。

本發明的一個目的在于提出一種基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調波長選擇開關。

本發明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調波長選擇開關包括：一維單模光纖陣列、微透鏡陣列、偏振調整棱鏡、雙膠合光學傅里葉變換透鏡、透射式相位衍射光柵陣列、柱面鏡、液晶空間光調制器、以及圖形加載控制系統；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；透射式相位衍射光柵陣列包括多個不同周期的透射式相位衍射光柵，透射式相位衍射光柵陣列連接至圖形加載控制系統，根據圖形加載控制系統發出的指令實現不同周期的透射式相位衍射光柵的程控切換；沿z軸傳輸的連續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；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工作偏振狀態一致的線偏振光；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陣列中的一個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陣列的同一個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；通過圖形加載控制系統實現透射式相位衍射光柵陣列的程控切換，不同周期的透射式相位衍射光柵的色散能力不同，使得最終成像到液晶空間光調制器上的平行光束覆蓋的像素區域的范圍不同，從而實現波長選擇開關工作波長范圍、波長分辨率和波長操控精度的切換和調節。

進一步，本發明還包括端口光學擴束單元，位于偏振調整棱鏡和雙膠合光學傅里葉變換透鏡之間；端口光學擴束單元將返回的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。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透射式相位光柵陣列的分辨率可調波長選擇開關的控制方法。

本發明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調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)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)圖形加載控制系統發出指令，對透射式相位衍射光柵陣列進行程控切換，使得一個透射式相位衍射光柵位于光路上，平行光經過透射式相位衍射光柵陣列中的一個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；

9)經同一個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；通過圖形加載控制系統實現透射式相位衍射光柵陣列的程控切換，不同周期的透射式相位衍射光柵的色散能力不同，使得最終成像到液晶空間光調制器上的平行光束覆蓋的像素區域的范圍不同，從而實現波長選擇開關工作波長范圍、波長分辨率和波長操控精度的切換和調節。

在步驟9)后，進一步包括，沿y軸排列的不同波長的平行光束經端口光學擴束單元，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，然后至偏振調整棱鏡。

本發明的優點：

本發明采用透射式相位衍射光柵陣列，利用不同周期的透射式相位衍射光柵的色散能力不同，通過對透射式相位衍射光柵陣列上具有不同周期的透射式相位衍射光柵在光路中的切換可以改變最終成像到液晶空間光調制器上平行光束的波長范圍以及由單一像素單元所決定的波長操控精度，從而實現對波長選擇開關工作波長范圍和波長分辨率的切換和調節，使波長選擇開關既能夠用于對骨干網中大帶寬高速信號的處理，也可用于對城域網和光接入網中GHz和亞GHz級細粒度信號的處理與交換；并可以根據研究工作需要和應用領域的不同對其工作波長范圍和波長分辨率進行大范圍調節，使設備的信號處理能力與適用領域得到顯著增強。與目前通用的采用固定周期面刻劃閃耀光柵的波長選擇開關相比，本發明不僅適用范圍廣泛、信號處理能力大幅度增強，而且具有光學系統簡單、關鍵部件易于制備和獲取、光路組裝和調整方便、易于工業化制造等優點。

附圖說明

圖1為本發明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調波長選擇開關的總體示意圖；

圖2為本發明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調波長選擇開關的實施例一的示意圖；

圖3為本發明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調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和4所示，本發明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調波長選擇開關包括：一維單模光纖陣列1、微透鏡陣列2、偏振調整棱鏡3、雙膠合光學傅里葉變換透鏡4、透射式相位衍射光柵陣列5、柱面鏡6、液晶空間光調制器7、以及圖形加載控制系統8；其中，一維單模光纖陣列1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；透射式相位衍射光柵陣列5包括多個不同周期的透射式相位衍射光柵，透射式相位衍射光柵陣列連接至圖形加載控制系統，根據圖形加載控制系統發出的指令實現不同周期的透射式相位衍射光柵的程控切換；沿z軸傳輸的連續的輸入光經位于一維單模光纖陣列1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，轉變為略微發散的高斯光束；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；雙膠合光學傅里葉變換透鏡4將高斯光束準直為平行光；再經透射式相位衍射光柵陣列5中的一個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6；柱面鏡6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7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；通過圖形加載控制系統8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6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陣列5的同一個透射式相位衍射光柵后，由雙膠合光學傅里葉變換透鏡4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；經過偏振調整棱鏡3后，由微透鏡陣列2中相對應的微透鏡耦合至一維光纖陣列1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；通過圖形加載控制系統實現透射式相位衍射光柵陣列的程控切換，不同周期的透射式相位衍射光柵的色散能力不同，使得最終成像到液晶空間光調制器上的平行光束覆蓋的像素區域的范圍不同，從而實現波長選擇開關工作波長范圍、波長分辨率和波長操控精度的切換和調節。

實施例一

如圖2所示，本實施例中，透射式相位衍射光柵陣列5采用旋轉式透射式相位衍射光柵陣列，連接至光柵角度編碼器，多個不同周期的透射式相位衍射光柵排列在圓周上，且在光柵角度編碼器的旋轉驅動下能夠繞著圓心旋轉，從而實現不同周期的透射式相位衍射光柵在光路中的程控切換。

透射式相位衍射光柵采用刻蝕在硅基片或石英基片上的零級抑制透射式相位光柵；透射式相位衍射光柵的周期位于100～1200nm范圍之間。

實施例二

如圖3所示，本實施例中，透射式相位衍射光柵陣列5采用平移式一維透射式相位衍射光柵陣列，連接至光柵角度編碼器，多個不同周期的透射式相位衍射光柵沿直線排列，且在光柵位移編碼器的驅動下沿直線平移，實現不同周期的透射式相位衍射光柵在光路中的程控切換。

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光學原理圖。其中一維光纖陣列1和液晶空間光調制器7分別位于雙膠合光學傅里葉變換透鏡4的兩側焦點處，被切換進入光路中的透射式相位衍射光柵和液晶空間光調制器7分別位于柱面鏡6的兩側焦點處。

如圖4(a)所示，通過透射式相位衍射光柵陣列5將具有不同周期的透射式相位衍射光柵切換進入光路后可以改變投射在液晶空間光調制器7上色散光斑的大小。當具有較小周期的相位光柵被切換進入光路系統中時，圖4(a)中在液晶空間光調制器7上被色散至兩條虛線所包含的波長范圍內的色散光斑將得到擴展，如圖4(a)中兩條實線所覆蓋的區域所示。所使用的透射式相位衍射光柵的周期越小，被色散到液晶空間光調制器7上的光斑所包含的波長范圍(工作波長范圍)就越小，液晶空間光調制器7對光的波長操控精度就越高，從而實現波長選擇開關波長分辨率的提高。

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。