本發(fā)明涉及光通信與光學(xué)信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調(diào)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(jià)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(gè)光信號輸入端口和多個(gè)光信號輸出端口，可以實(shí)現(xiàn)將輸入光信號中任意一個(gè)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(shí)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。但由于衍射光柵和硅基液晶等核心光學(xué)部件若干關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的限制，目前商品化的波長選擇開關(guān)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(jù)不同應(yīng)用場景的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，極大地限制了波長選擇開關(guān)在光纖接入網(wǎng)、全光正交頻分復(fù)用光通信系統(tǒng)等需要精細(xì)波長分辨率的各種場合的應(yīng)用。同時(shí)，光譜分辨率不足也嚴(yán)重制約了目前波長選擇開關(guān)在信號時(shí)延、色散和光學(xué)傅里葉變換等方面的全光信號處理能力。因此，設(shè)法實(shí)現(xiàn)硅基液晶波長選擇開關(guān)的工作波長范圍和波長分辨率的靈活調(diào)諧，并盡可能地提高其波長分辨率，對于進(jìn)一步拓展波長選擇開關(guān)的應(yīng)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(guān)在網(wǎng)絡(luò)全光化和智能化進(jìn)程中的大規(guī)模應(yīng)用及其在骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)等各種速率層級的實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的商業(yè)意義和社會經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為解決波長選擇開關(guān)波長分辨率不足這一技術(shù)問題，以色列希伯來大學(xué)在ECOC’2015和Advanced Photonics’2015等兩個(gè)國際學(xué)術(shù)會議上報(bào)道了采用專門研制的高色散波導(dǎo)光柵路由器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的面刻劃閃耀光柵作為色散元件，實(shí)現(xiàn)了波長分辨率為1GHz的高分辨率波長選擇開關(guān)并應(yīng)用于子載波間隔為1GHz的全光正交頻分復(fù)用光信號的產(chǎn)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(xiàng)研究工作充分凸顯了提高波長選擇開關(guān)分辨率的重要意義和應(yīng)用潛力。其不足之處是使設(shè)備的端口數(shù)和可用工作波長范圍等另外兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)均受到了相當(dāng)大的制約。采用該技術(shù)方案僅可實(shí)現(xiàn)具有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口的波長選擇開關(guān)，同時(shí)設(shè)備的工作波長范圍也僅有20GHz，基本不具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對目前波長選擇開關(guān)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(diào)節(jié)等兩個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于特別設(shè)計(jì)的透射式相位衍射光柵陣列而實(shí)現(xiàn)的可對波長分辨率和工作波長范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)的波長選擇開關(guān)。

本發(fā)明的一個(gè)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(diào)波長選擇開關(guān)。

本發(fā)明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調(diào)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、雙膠合光學(xué)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(diào)制器、以及圖形加載控制系統(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)格對準(zhǔn)并一一對應(yīng)；透射式相位衍射光柵陣列包括多個(gè)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(tǒng)，根據(jù)圖形加載控制系統(tǒng)發(fā)出的指令實(shí)現(xiàn)不同周期的透射式相位衍射光柵的程控切換；沿z軸傳輸?shù)倪B續(xù)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；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)制器的工作偏振狀態(tài)一致的線偏振光；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陣列中的一個(gè)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陣列的同一個(gè)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)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；通過圖形加載控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(diào)制器上的平行光束覆蓋的像素區(qū)域的范圍不同，從而實(shí)現(xiàn)波長選擇開關(guān)工作波長范圍、波長分辨率和波長操控精度的切換和調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步，本發(fā)明還包括端口光學(xué)擴(kuò)束單元，位于偏振調(diào)整棱鏡和雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡之間；端口光學(xué)擴(kuò)束單元將返回的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。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(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(gè)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(diào)波長選擇開關(guān)的控制方法。

本發(fā)明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調(diào)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)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)圖形加載控制系統(tǒng)發(fā)出指令，對透射式相位衍射光柵陣列進(jìn)行程控切換，使得一個(gè)透射式相位衍射光柵位于光路上，平行光經(jīng)過透射式相位衍射光柵陣列中的一個(gè)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(jīng)同一個(gè)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)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；通過圖形加載控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(diào)制器上的平行光束覆蓋的像素區(qū)域的范圍不同，從而實(shí)現(xiàn)波長選擇開關(guān)工作波長范圍、波長分辨率和波長操控精度的切換和調(diào)節(jié)。

在步驟9)后，進(jìn)一步包括，沿y軸排列的不同波長的平行光束經(jīng)端口光學(xué)擴(kuò)束單元，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，然后至偏振調(diào)整棱鏡。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)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(diào)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(shí)現(xiàn)對波長選擇開關(guān)工作波長范圍和波長分辨率的切換和調(diào)節(jié)，使波長選擇開關(guān)既能夠用于對骨干網(wǎng)中大帶寬高速信號的處理，也可用于對城域網(wǎng)和光接入網(wǎng)中GHz和亞GHz級細(xì)粒度信號的處理與交換；并可以根據(jù)研究工作需要和應(yīng)用領(lǐng)域的不同對其工作波長范圍和波長分辨率進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)，使設(shè)備的信號處理能力與適用領(lǐng)域得到顯著增強(qiáng)。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(guān)相比，本發(fā)明不僅適用范圍廣泛、信號處理能力大幅度增強(qiáng)，而且具有光學(xué)系統(tǒng)簡單、關(guān)鍵部件易于制備和獲取、光路組裝和調(diào)整方便、易于工業(yè)化制造等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調(diào)波長選擇開關(guān)的總體示意圖；

圖2為本發(fā)明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調(diào)波長選擇開關(guān)的實(shí)施例一的示意圖；

圖3為本發(fā)明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調(diào)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和4所示，本發(fā)明的基于透射式相位光柵陣列的分辨率可調(diào)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、雙膠合光學(xué)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(diào)制器7、以及圖形加載控制系統(tǒng)8；其中，一維單模光纖陣列1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)格對準(zhǔn)并一一對應(yīng)；透射式相位衍射光柵陣列5包括多個(gè)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(tǒng)，根據(jù)圖形加載控制系統(tǒng)發(fā)出的指令實(shí)現(xiàn)不同周期的透射式相位衍射光柵的程控切換；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1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)槁晕l(fā)散的高斯光束；經(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；雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡4將高斯光束準(zhǔn)直為平行光；再經(jīng)透射式相位衍射光柵陣列5中的一個(gè)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(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7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；通過圖形加載控制系統(tǒng)8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(jīng)透射式相位衍射光柵陣列5的同一個(gè)透射式相位衍射光柵后，由雙膠合光學(xué)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(jīng)過偏振調(diào)整棱鏡3后，由微透鏡陣列2中相對應(yīng)的微透鏡耦合至一維光纖陣列1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；通過圖形加載控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(diào)制器上的平行光束覆蓋的像素區(qū)域的范圍不同，從而實(shí)現(xiàn)波長選擇開關(guān)工作波長范圍、波長分辨率和波長操控精度的切換和調(diào)節(jié)。

實(shí)施例一

如圖2所示，本實(shí)施例中，透射式相位衍射光柵陣列5采用旋轉(zhuǎn)式透射式相位衍射光柵陣列，連接至光柵角度編碼器，多個(gè)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(zhuǎn)驅(qū)動下能夠繞著圓心旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)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(shí)施例二

如圖3所示，本實(shí)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(gè)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(qū)動下沿直線平移，實(shí)現(xiàn)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(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)的光學(xué)原理圖。其中一維光纖陣列1和液晶空間光調(diào)制器7分別位于雙膠合光學(xué)傅里葉變換透鏡4的兩側(cè)焦點(diǎn)處，被切換進(jìn)入光路中的透射式相位衍射光柵和液晶空間光調(diào)制器7分別位于柱面鏡6的兩側(cè)焦點(diǎn)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(jìn)入光路后可以改變投射在液晶空間光調(diào)制器7上色散光斑的大小。當(dāng)具有較小周期的相位光柵被切換進(jìn)入光路系統(tǒng)中時(shí)，圖4(a)中在液晶空間光調(diào)制器7上被色散至兩條虛線所包含的波長范圍內(nèi)的色散光斑將得到擴(kuò)展，如圖4(a)中兩條實(shí)線所覆蓋的區(qū)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(diào)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(diào)制器7對光的波長操控精度就越高，從而實(shí)現(xiàn)波長選擇開關(guān)波長分辨率的提高。

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)。