CN102608710B - 基于lcos的波长选择开关及降低端口间串扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LCOS的波长选择开关及降低端口间串扰的方法，该方法包括以下步骤：根据光信号功率依次递减的方式计算出所有通道波长光信号入射到LCOS后的偏转角度θ₁～θ_n，并分别计算其它偏转角度θ₂～θ_n与最小偏转角度θ₁的差值Δθ₂₁～Δθ_n1；使光纤阵列端口间的间距d和y方向第二柱透镜的焦距f，满足下面的表达式：m为大于0的正整数；或者，式中，Δθ＝Δθ₂₁，P是基于LCOS的波长选择开关的端口个数；调节各波长对应LCOS区域像素的相位，使最小偏转角度θ₁的光信号输出到光纤阵列的任意指定端口。本发明，使其他波长的光信号尽可能少的到达输出端口，降低了端口间串扰。

Description

基于LCOS的波长选择开关及降低端口间串扰的方法

技术领域

本发明涉及波长选择开关，具体涉及基于LCOS的波长选择开关及降低端口间串扰的方法。

背景技术

波分复用是当前最常见的光层组网技术，通过不同波长复用后在一根光纤中传输，很容易实现Gbit/s甚至Tbit/s的传输容量，但是当前的波分复用系统，其本质上还是一个点到点的线路系统。为了满足运营商对于提升网络效率和灵活性的需求，基础承载网的建设将逐渐采用一种以可重构光分插复用设备为代表的光层灵活组网技术，使波分复用从简单的点对点过渡到环网和多环相交拓扑，最终实现网状网。

波长选择开关是用来实现动态可重构光分插复用的新一代技术，具有网状架构，能支持任意端口波长任意上下的功能。美国专利US7092599B2公开了一种波长选择操控装置及方法，该装置包括：一系列光学输入和输出端口，其中光学输入包括多个波长信道的光学信号的第一光学输入端口；第一波长分离元件，用于将所述光学信号的波长信道角色散为角色散波长信号；聚焦元件，用于在角色散维度上将所述角度分离的波长信号聚焦为一系列长形的空间分离波长带；空间操控元件，用于选择性空间操控所述空间分离波长带的空间特性以产生空间操控波长带，可包括液晶显示装置或作用在光的相位上的空间光调制器(SLM)；所述空间操控波长带随后由所述屈光元件聚焦，并由所述第一波长分离元件以空间选择方式组合，以便以空间选择方式在所述输出端口输出。该技术方案能够控制任意输出端口的输出波长，但是，由于LCOS的光栅衍射效应，很容易在波长选择开关的各端口之间产生串扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决如何降低波长选择开关各端口之间串扰的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种降低基于LCOS的波长选择开关端口间串扰的方法，包括以下步骤：

根据光信号功率依次递减的方式计算出所有通道波长光信号入射到LCOS后的偏转角度θ₁～θ_n，并分别计算其它偏转角度θ₂～θ_n与最小偏转角度θ₁的差值Δθ₂₁～Δθ_n1；

使光纤阵列端口间的间距d和y方向第二柱透镜的焦距f，满足下面的表达式：

$f\·\tan \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=\frac{2m+1}{2}d,$ m为大于等于0的正整数；

或者

式中，Δθ＝Δθ₂₁，P是基于LCOS的波长选择开关的端口个数；

调节各波长对应LCOS区域像素的相位，使最小偏转角度θ₁的光信号输出到光纤阵列的任意指定端口。

在上述方法中，所述光纤阵列端口间的间距d和y方向第二柱透镜的焦距f满足，Δθ＝Δθ₂₁、Δθ₃₁、……和Δθ_n1。

本发明还提供了一种波长选择开关，包括光纤阵列、x方向柱透镜阵列、y方向第一柱透镜、偏振转换单元、y方向第二柱透镜、x方向柱透镜、闪耀光栅和LCOS，光信号由光纤阵列的任一端口输入，经过x方向柱透镜阵列和y方向第一柱透镜整形后输入到偏振转换单元，再经过y方向第二柱透镜和x方向柱透镜后入射到闪耀光栅，闪耀光栅对入射光信号进行分波，再经过x方向柱透镜和y方向第二柱透镜入射到LCOS的不同区域，再从光纤阵列的其他任一指定端口输出，光纤阵列端口间的间距d和y方向第二柱透镜的焦距f满足下面的表达式：

$f\·\tan \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=\frac{2m+1}{2}d,$ m为大于0的正整数；

或者

式中，Δθ＝Δθ₂₁，P是基于LCOS的波长选择开关的端口个数。

在上述波长选择开关中，所述光纤阵列端口间的间距d和y方向第二柱透镜的焦距f满足，Δθ＝Δθ₂₁、Δθ₃₁、……和Δθ_n1。

本发明，通过计算LCOS的衍射特性，设计波长选择开关光路的焦距和光纤阵列端口间的间距，调节各波长对应LCOS区域像素的相位，使最小偏转角度θ₁的光信号输出到光纤阵列的任意指定端口，使其他波长的光信号尽可能少的到达输出端口，达到降低波长选择开关端口间串扰的目的。

附图说明

图1是本发明提供的波长选择开关的结构示意图；

图2是本发明中LCOS的结构示意图；

图3是本发明提供的波长选择开关的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细的说明。

如图1所示，本发明提供的波长选择开关100包括光纤阵列101、x方向柱透镜阵列102、y方向第一柱透镜103、偏振转换单元104、y方向第二柱透镜105、x方向柱透镜106、闪耀光栅107和LCOS（液晶显示装置）108。

波长选择开关100的工作原理是：光信号由光纤阵列101的端口1（举例说明）输入，经过x方向柱透镜阵列102和y方向第一柱透镜103整形后输入到偏振转换单元104，光信号被转换成同一偏振方向的偏振光，经过y方向第二柱透镜105和x方向柱透镜106扩束后入射到闪耀光栅107，闪耀光栅107对入射光信号进行分波，不同波长的光信号经过x方向柱透镜106和y方向第二柱透镜105后入射到LCOS液晶显示装置108的不同区域，调节各波长对应LCOS液晶显示装置108区域相邻像素的相位差δ，使最小偏转角度θ₁的光信号按要求输出到光纤阵列101的任意指定端口2～9（举例说明）。

波长选择开关的工作原理与美国专利US7092599B2的工作原理相同，在此不做过多的描述，由于LCOS的光栅衍射效应，很容易在波长选择开关的各端口之间产生串扰，为了避免这种串扰，需要将最小偏转角度θ₁的光信号按要求输出到光纤阵列101的任意指定端口2～9，而避免其它偏转角度θ₂～θ_n的光信号将输出到相应的端口。

本发明的创新点在于，通过控制不同波长光信号对应LCOS液晶显示装置108区域像素的相位，合理选择光纤阵列端口间的间距d和y方向第二柱透镜的焦距f，使其满足下面的表达式：

$f\·\tan \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=\frac{2m+1}{2}d,$     (公式1)

或者

    (公式2)，

从而，避免其它偏转角度θ₂～θ_n的光信号输出到任意指定端口2～9，降低波长选择开关各端口间的串扰。

m为大于0的正整数，m可以取多个值是为了保证f和d取值的灵活性，因为f和d的取值还得考虑闪耀光栅的分光能力和LCOS的偏转能力，m只需要满足大于等于0的正整数中任意一个即可，P是基于LCOS的波长选择开关的端口个数。

波长选择开关的偏振转换单元104由双折射晶体和1/2波片构成。

LCOS液晶显示装置108的结构如图2所示，可将其看作衍射光栅。图2中，g表示LCOS108的像素大小，a表示LCOS108液晶部分大小，θ_o表示光信号的入射角，θ表示光信号从LCOS出射时的偏转角度，此时反射光的光强I表示为：

$I=I_0\·{\left(\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\α}}\right)}^2\·{\left(\frac{\sin \mathrm{M\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right)}^2$     (公式3)

公式(3)中，I₀表示入射光的光强，M表示入射光束光斑覆盖LCOS108像素的个数，其中，

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}\·a\·(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_o)}{\mathrm{\λ}}$     (公式4)

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}\·g\·(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\δ}$     (公式5)

公式(4)和公式（5）中，λ表示光信号的波长，δ表示LCOS108相邻像素的相位差，对公式（3）作归一化处理，得

$R={\left(\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\α}}\right)}^2\·{\left(\frac{\sin \mathrm{M\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right)}^2/M^2$     （公式6）

公式(6)中，R是反射系数，表示反射光强与入射光强的比值。

根据公式（6）计算所有通道波长光信号入射到LCOS108后的偏转角度，各波长光信号将会有多个离散的偏转角度，各偏转角度以θ₁～θ_n表示。偏转角度θ₁～θ_N的光信号的功率依次递减。在所有偏转角度中，最小偏转角度θ₁的光信号功率最高。基于LCOS的波长选择开关工作时，调节各波长对应LCOS区域像素的相位使最小偏转角度θ₁的光信号按要求输出到光纤阵列的任意指定端口即可。

f·tanθ是不同波长光信号在光纤阵列端口处的偏移，调节不同波长光信号对应LCOS区域像素的相位，θ随之改变。当希望某一波段的光信号输出到光纤阵列的某个端口时，f·tanθ的值被确定；选择合适的y方向第二柱透镜，此时f被确定。计算出θ，根据θ值调节该波段光信号对应LCOS区域像素的相位。调节所有通道波长光信号对应LCOS区域像素的相位，使从LCOS出射的光信号偏转到指定的光纤阵列输出端口。但由于LCOS的光栅衍射效应，LCOS出射的光信号大部分偏转到指定的光纤阵列输出端口，小部分偏转到光纤阵列的其它输出端口，造成了端口间的串扰。光纤阵列的公共输入端口和不同输出端口之间的插损差值的最大值就是端口间的串扰值。

为了降低基于LCOS的波长选择开关端口间的串扰，应使其它偏转角度θ₂～θ_n的光信号的大部分不能到达光纤阵列的任何一个端口，由于偏转角度θ₂的光信号的功率在偏转角度θ₂～θ_n的光信号中最大，应首先确保偏转角度θ₂的光信号不能到达光纤阵列的任何一个端口，为达到这个目的，根据计算得到的其它偏转角度θ₂～θ_n和最小偏转角度θ₁的差值Δθ₂₁～Δθ_2n，选择光纤阵列101端口间的间距d和y方向第二柱透镜105的焦距f，使其满足下面的表达式。

m为大于等于0的正整数；    （公式7）

或者

f·tan(Δθ)≥5.5d    （公式8）

公式（7）和公式（8）中，Δθ为Δθ₂₁，此时计算出来的d和f能够确保偏转角度θ₂的光信号不能到达光纤阵列的任何一个端口，降低了端口间的串扰。

若需要进一步降低端口间的串扰，使公式（1）和公式（2）中的d和f既能满足Δθ取值Δθ₂₁，也能满足Δθ取值Δθ₃₁。不失一般性，若Δθ依次取值Δθ₂₁、Δθ₃₁～Δθ_n1，使公式（1）和公式（2）中的d和f满足Δθ取值的个数越多，端口间的串扰将越小。

图3示出了波长选择开关的另一种实施例，波长选择开关300中用保偏光纤阵列301替换光纤阵列101，使得该方案不需要偏振转换单元104。图1所示的波长选择开关对入射光信号的偏振态无要求，是一种偏振无关型的波长选择开关。图3所示的波长选择开关要求入射光信号的偏振方向与保偏光纤阵列301的慢轴一致，是一种偏振相关型的波长选择开关。

图3所示的波长选择开关降低端口间串扰的方法与降低波长选择开关端口间串扰的方法一致，此处不再赘述。

本发明提供的降低基于LCOS的波长选择开关端口间串扰的方法，包括以下步骤：

根据光信号功率依次递减的方式计算出所有通道波长光信号入射到LCOS后的偏转角度θ₁～θ_n，并分别计算其它偏转角度θ₂～θ_n与最小偏转角度θ₁的差值Δθ₂₁～Δθ_n1；

使光纤阵列端口间的间距d和y方向第二柱透镜的焦距f，满足下面的表达式：

$f\·\tan \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=\frac{2m+1}{2}d,$ m为大于0的正整数；

或者

式中，Δθ＝Δθ₂₁，P是基于LCOS的波长选择开关的端口个数；

调节各波长对应LCOS区域像素的相位，使最小偏转角度θ₁的光信号输出到光纤阵列的任意指定端口。

若Δθ依次取值Δθ₂₁、Δθ₃₁～Δθ_n1，使公式（1）和公式（2）中的d和f满足Δθ取值的个数越多，波长选择开关100端口间的串扰将越小。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.降低基于LCOS的波长选择开关端口间串扰的方法，包括以下步骤：

根据光信号功率依次递减的方式计算出所有通道波长光信号入射到LCOS后的偏转角度θ₁～θ_n，并分别计算其它偏转角度θ₂～θ_n与最小偏转角度θ₁的差值Δθ₂₁～Δθ_n1；

使光纤阵列端口间的间距d和y方向第二柱透镜的焦距f，满足下面的表达式：

$f\·\tan \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=\frac{2m+1}{2}d,$ m为大于0的正整数；

或者

式中，Δθ＝Δθ₂₁，P是基于LCOS的波长选择开关的端口个数；

调节各波长对应LCOS区域像素的相位，使最小偏转角度θ₁的光信号输出到光纤阵列的任意指定端口；

所述波长选择开关，包括光纤阵列、x方向柱透镜阵列、y方向第一柱透镜、偏振转换单元、y方向第二柱透镜、x方向柱透镜、闪耀光栅和LCOS，光信号由光纤阵列的任一端口输入，经过x方向柱透镜阵列和y方向第一柱透镜整形后输入到偏振转换单元，再经过y方向第二柱透镜和x方向柱透镜后入射到闪耀光栅，闪耀光栅对入射光信号进行分波，再经过x方向柱透镜和y方向第二柱透镜入射到LCOS的不同区域，再从光纤阵列的其他任一指定端口输出。

2.如权利要求1所述的降低基于LCOS的波长选择开关端口间串扰的方法，其特征在于，所述光纤阵列端口间的间距d和y方向第二柱透镜的焦距f满足，Δθ＝Δθ₂₁、Δθ₃₁、……和Δθ_n1。

3.波长选择开关，包括光纤阵列、x方向柱透镜阵列、y方向第一柱透镜、偏振转换单元、y方向第二柱透镜、x方向柱透镜、闪耀光栅和LCOS，光信号由光纤阵列的任一端口输入，经过x方向柱透镜阵列和y方向第一柱透镜整形后输入到偏振转换单元，再经过y方向第二柱透镜和x方向柱透镜后入射到闪耀光栅，闪耀光栅对入射光信号进行分波，再经过x方向柱透镜和y方向第二柱透镜入射到LCOS的不同区域，再从光纤阵列的其他任一指定端口输出，其特征在于，光纤阵列端口间的间距d和y方向第二柱透镜的焦距f满足下面的表达式：

$f\·\tan \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=\frac{2m+1}{2}d,$ m为大于0的正整数；

或者

式中，Δθ＝Δθ₂₁，P是基于LCOS的波长选择开关的端口个数。

4.如权利要求3所述的波长选择开关，其特征在于，所述光纤阵列端口间的间距d和y方向第二柱透镜的焦距f满足，Δθ＝Δθ₂₁、Δθ₃₁、……和Δθ_n1。

Images