CN102226848A - 一种波长选择开关结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波长选择开关结构，其特征在于它由一个准直器阵列1、一个扩束棱镜组2、一个偏振无关的透射式相位光栅3、一个聚焦透镜4、和一个MEMS微镜阵列5组成。并可以通过在光路中增加反射镜6或者转向棱镜7来缩小器件体积。准直器阵列1中的一个作为输入端口，其它作为输出端口，输入的DWDM光束，经扩束棱镜组2变换为椭圆光束，之后不同波长的光束被偏振无关的透射式相位光栅3衍射为不同偏角，经聚焦透镜聚焦，入射在MEMS微镜阵列5上的不同微镜上，各个微镜单独控制每个波长的反射方向，再次经过聚焦透镜4、偏振无关的透射式相位光栅3、扩束棱镜组2，输出到准直器阵列1中的目标输出端口。

Description

一种波长选择开关结构

技术领域

本发明涉及一种波长光交换器件即波长选择开关(WSS)，更确切地说本发明涉及一种基于MEMS技术的WSS结构。可用于全光通信网节点设备中。属于光纤通信中的光器件领域。

背景技术

光纤通信正在由目前的点到点传输向智能化的动态全光通信网发展，可重构光分插复用器(ROADM)和光交叉互连器(OXC)是全光通信网节点设备中的关键器件，而波长选择开关是构成ROADM和OXC的有效技术途径。

波长选择开关端口配置为1×N时(即1端口输入，N端口输出)，对于输入的密集波分复用(DWDM)光信号，可以将其中任一或者任一组波长，交换到N个输出端口中的任一输出端口中。波长选择开关的实现方法，一般是先通过色散元件将输入端口的DWDM光信号色散分离，再以聚焦透镜将不同波长的光束聚焦到一个空间光调制器(SLM)的不同单元上。而SLM是一个阵列式的光束控制器，可以对各个波长的光束进行独立控制，通过控制SLM可以将输入光信号交换到目标输出端口中。

波长选择开关中实现光路切换的部分是SLM，常用的有液晶阵列、硅基液晶(LCOS)技术、MEMS微镜阵列和压电驱动器等。波长选择开关中的色散元件，常用的有反射式闪耀相位光栅和阵列波导光栅(AWG)，其中反射式的闪耀光栅是偏振相关的，因此需要对入射光束的偏振态进行处理，AWG为偏振无关的光学元件。

CoAdna公司将液晶阵列与双折射楔角片组合成SLM，并采用反射式闪耀相位光栅，实现对光波长的选择交换，(详见美国专利US7499608B1)。以硅基液晶(LCOS)技术进行光束控制的代表方案可见美国专利US7787720B2和中国公开专利申请CN1906511A，LCOS芯片上排列着大量的微小液晶单元，每个单元的相位延迟可独立控制，DWDM光信号被透射式相位光栅衍射分离之后，不同波长的光斑入射在LCOS芯片上的不同区域，分别覆盖数十至数百个液晶单元，可以通过这些液晶单元来对各个光束的波前进行调制。在上述采用液晶的技术方案中，由于液晶存在很大的偏振控制问题和温度控制问题，因此其在多端口输出上需要进行偏振控制和温度控制的结构复杂。JDS Uniphase公司将基于平面光路技术的AWG与MEMS微镜阵列通过自由空间光路整合在一起，实现对光波长的选择交换，(具体结构详见美国专利US7440650和中国公开专利申请CN101118305A)。上述采用平面光路技术的波长选择方案其波长通带差，且损耗也较大。

相对于液晶和平面光路技术，波长选择开关通常采用自由空间型光路结构，这种光路结构在选定了SLM和色散元件之后，可以对光路结构进行灵活的优化设计，以降低调试和封装难度，提高器件的性能指标和可靠性。UCLA大学和Lucent公司均提出过采用自由空间的波长选择开关结构(如J.C.Tsai IEEE Photo Technol Lett 2006和D.M.Marom IEEE J Lightw Technol(2005)。Polatis公司将微型压电驱动器与棱镜组合成SLM，实现对波长光束的独立控制，(详见美国专利US7522789B2)。上述自由空间的技术方案中，由于采用的光栅对各个波长的色散不同，导致波长选择开关存在较大的偏振相关损耗(PDL)，通常需要采用额外的偏振控制元件对波长选择开关进行偏振态控制，以降低PDL。

本发明拟提出一种基于MEMS技术的波长选择开关，它是以偏振无关的透射式相位光栅作为色散元件，以一组楔形棱镜进行光束变换，以MEMS微镜阵列进行光路调制，无需采用额外的偏振控制元件即可达到较小的偏振相关损耗(PDL)，使器件结构更为紧凑、易于调试封装。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波长选择开关结构，它包括一个准直器阵列1、一个扩束棱镜组2、一个与偏振无关的透射式相位光栅3、一个聚焦透镜4和一个MEMS微镜阵列5组成。其也可以通过在光路中增加反射镜6和转向棱镜7来缩小器件体积。其波长选择开关的原理图如图1所示，准直器阵列1中的一个端口作为输入端口，其他端口作为输出端口。输入的DWDM光束，经扩束棱镜组2变换为椭圆形光束，之后不同波长的光束被与偏振无关的透射式相位光栅3衍射为不同偏角，经聚焦透镜4聚焦后，入射在MEMS微镜阵列5的不同微镜上，各个微镜单独控制每个波长的反射方向，再次经过聚焦透镜4、偏振无关的透射式相位光栅3和扩束棱镜组2，输出到准直器阵列1中的目标输出端口。

由于所采用的偏振无关的透射式相位光栅和MEMS微镜阵列均为偏振无关型的光学元件，因此无需对入射光束的偏振态进行处理，减少了光路偏振控制的设计环节，降低了器件成本并便于光路的调试。

与偏振无关的透射式相位光栅3和MEMS微镜阵列5分别位于聚焦透镜4的前后焦面上，构成一个2f系统，由于偏振无关的透射式相位光栅的色散本领有限，聚焦透镜的焦距较长，如按照原理图中各组成部件摆放位置，将使得波长选择开关体积过长。为了缩小器件体积，可以采用反射镜6和转向棱镜7光学元件，对光路进行折叠，(如图3所示)。

考虑到偏振无关的透射式相位光栅的分辨本领，需要对输入光束进行扩束，要求扩束方向和与偏振无关的透射式相位光栅的栅格线正交。常用的扩束方案是，以两个不同焦距的聚焦透镜构成一个望远系统，这将导致光束在两个正交方向均得到扩束，相应的偏振无关的透射式相位光栅需要更大尺寸，而MEMS微镜阵列的偏转角度也需要更大。因此为了减少偏振无关的透射式相位光栅尺寸需求和MEMS微镜阵列的偏转角度设计要求，本发明以棱镜进行扩束，输入光信号的光束仅在与偏振无关的透射式相位光栅的栅格线正交方向被扩束，在准直器阵列的排列方向未发生扩束，减小了对偏振无关的透射式相位光栅尺寸和MEMS微镜微镜偏转角度的要求，降低了偏振无关的透射式相位光栅成本和MEMS微镜阵列设计难度。

另外如果以两个聚焦透镜构成的望远系统进行扩束，在器件调试过程中，要求其光轴与后续聚焦透镜的光轴重合。而本发明所采用的扩束棱镜没有光轴，在器件调试过程中无需考虑光轴重合问题，降低了光路调试难度。

扩束棱镜组由多片楔形棱镜组成，这样可以降低对每片棱镜扩束比M的要求，且每片棱镜采用较小的顶角α，减小入射光束在棱镜表面的入射角γ，可以降低棱镜引起的插入损耗。

本发明提出的一种波长选择开关结构可以实现1×N的波长选择开关器件，用于光通信系统的光交换功能。相对于现有的自由空间光学结构的波长选择开关技术，本发明采用偏振无关的透射式衍射光栅、扩束棱镜组与MEMS微镜阵列的结合实现了波长选择开关器件的低偏振无关特性，避免采用额外的偏振控制元件对输入光信号进行偏振控制，降低了波长选择开关的成本及调试复杂度。

附图说明

图1为本发明提出的波长选择开关结构原理图之俯视图。

图2为本发明提出的波长选择开关结构原理图之侧视图。

图3为本发明提出的一种波长选择开关具体实现结构图。

图1-3中，1为准直器阵列，2为扩束棱镜组，3为偏振无关的透射式相位光栅，4为聚焦透镜，5为微镜阵列，6为反射镜，7为转向棱镜。

图4为以扩束棱镜进行扩束示意图。

图中l₁为扩束前输入高斯光束束腰位置，l₂为扩束后输入高斯光束束腰位置，α为扩束棱镜顶角，γ输入光束在扩束棱镜上的入射角，2ω₁为扩束前输入高斯光束束腰大小，2ω₂为扩束后输入高斯光束束腰大小。

具体实施方式

本发明提出了一种波长选择开关结构，它包括一个准直器阵列1、一个扩束棱镜组2、一个与偏振无关的透射式相位光栅3、一个聚焦透镜4、和一个MEMS微镜阵列5组成(见图1和图2)。通过在光路中增加反射镜6和转向棱镜7可以缩小波长选择开关的体积(见图3)。如图2侧视图所示，准直器阵列1中的一个端口作为输入端口，其它4个端口作为输出端口。输入的DWDM光束，经扩束棱镜组2变换为椭圆光束，之后不同波长的光束被偏振无关的透射式相位光栅3衍射为不同偏角，经聚焦透镜4聚焦，入射在MEMS芯片5上的不同微镜上，各个微镜单独控制每个波长的反射方向，再次经过聚焦透镜4、偏振无关的透射式相位光栅3、扩束棱镜组2，导入各自的目标输出端口。

与偏振无关的透射式相位光栅3和MEMS微镜阵列5分别位于聚焦透镜4的前后焦面上，构成一个2f系统，这种结构可以保证，被与偏振无关的透射式相位光栅衍射分离的不同波长的光束，经聚焦透镜4聚焦后正入射在MEMS微镜阵列的不同微镜上(从俯视方向观察，见图1)；通过控制MEMS微镜阵列中不同微镜的偏转角度来控制每个波长的反射偏角，此偏角经聚焦透镜变换为垂直方向位移，将不同波长的光束导入各自的目标输出端(从侧视方向观察，见图2)。

MEMS微镜阵列中的微镜排列方向与准直器阵列的排列方向正交，微镜的偏转方向与准直器阵列的排列方向相同。扩束棱镜组在准直器阵列排列方向的正交方向产生扩束作用(见俯视图1)，而在准直器阵列的排列方向不产生扩束作用(见侧视图2)，相对于两个方向均产生扩束的方案(采用两个聚焦透镜构成的望远系统进行扩束)，由于对应各个准直器的光束间距不会被放大，从而减小了对与偏振无关的透射式相位光栅尺寸和MEMS微镜阵列的偏转角度的要求。

图1和图2为波长选择开关器件的俯视和侧视原理图，如实际的器件结构按照原理图排列将使得波长选择开关体积较大，考虑到光束在偏振无关的透射式相位光栅上的入射角和衍射角，并为了缩小器件体积，可以引入反射镜6和转向棱镜7，对光路进行折叠。其中反射镜6功能只是将光路进行90度方向变化，而转向棱镜7只是将光路进行180度方向变化。图3所示为该波长选择开关的一种具体实现结构。

准直器阵列如图2所示排列，这样便于器件的调试封装，最下面的准直器作为输入端口，最先固定，再从下往上依次调试和固定其他输出端口。

本波长选择开关的具体实现结构采用扩束棱镜组进行扩束，扩束棱镜组由3个相同的扩束棱镜组成。其单个扩束棱镜见图4，其扩束比M取决于棱镜的顶角α和折射率n，如式(1)，并且扩束前后的高斯光束束腰位置l₁和l₂存在式(2)所示的关系，在器件设计时需具体考虑。如果要求的扩束比太大，则光束在棱镜斜面上的入射角过大，即使镀上增透膜，也会产生很大的损耗，因此往往采用多片棱镜构成的扩束棱镜组，以分担每片棱镜的扩束比。因此本具体实施例采用三片扩束棱镜构成棱镜组实现扩束，降低波长选择开关的插入损耗。

$M=\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \left(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)\right)}---\left(1\right)$

l₂＝M²l₁    (2)

Claims (9)

1.一种波长选择开关结构，其特征在于它包括一个准直器阵列(1)、一个扩束棱镜组(2)、一个偏振无关的透射式相位光栅(3)、一个聚焦透镜(4)、和一个MEMS微镜阵列(5)，实现1×N端口的波长光信号交换；

其中，①扩束棱镜组对输入光信号进行一个方向的扩束，扩束棱镜组(2)的扩束方向与准直器阵列排列方向正交；

②与偏振无关的投射式相位光栅(3)和MEMS微镜阵列分别位于聚焦透镜(4)的前后焦面上，构成一个2f系统；

③MEMS微镜阵列(5)中的微镜阵列方向与准直器阵列的排列方向正交，微镜的偏转方向与准直器阵列的排列方向相同。

2.按权利要求1所述的结构，其特征在于准直器阵列中的一个端口作为输入端口，其余端口作为输出端口。

3.按权利要求2所述的结构，其特征在于经输入端口输入的DWDM光束，经扩束棱镜组(2)变换为椭圆光束，之后不同波长的光束被与偏振无关的透射式相位光栅(3)衍射为不同偏角，经聚焦透镜(4)聚焦，入射在MEMS芯片(5)上的不同微镜上，各个微镜单独控制每个波长的反射方向，再次经过聚焦透镜(4)与偏振无关的透射式相位光栅(3)和扩束棱镜组(2)，导入各自的目标输出端口。

4.按权利要求1所述的结构，其特征在于所述的对输入光信号的扩束方向和与偏振无关的透射式相位光栅的栅格线正交。

5.按权利要求1所述的结构，其特征在于通过控制MEMS微镜阵列中不同微镜的偏转角来控制每个波长的反射偏角，反射偏角经聚焦透镜变为垂直方向的位移，将不同波长的光束导入各自的目标输出端。

6.按权利要求1所述的结构，其特征在于扩束棱镜组由多片楔形棱镜组成，所述的棱镜没有光轴，降低光路调试难度，同时降低对每片棱镜扩束比M得要求。

7.按权利要求6所述的结构，其特征在于所述的扩束比M取决于棱镜的顶角α和折射率n，它们之间的关系式为

$M=\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \left(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)\right)}.$

8.按权利要求7所述的结构，其特征在于扩束比M与扩束前后的高斯光束束腰位置l₁和l₂存在以下关系：

l₂＝M²l₁。

9.按权利要求1所述的结构，其特征在于在所述结构中引入反射镜(6)和转向棱镜(7)，对光路进行折叠，其中反射镜(6)对光路进行90度方向变化，转向棱镜对光路进行180度方向变化。

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