CN102608712B - 一种波长选择开关中波长漂移的补偿方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波长选择开关（WSS）中波长漂移的补偿方法及其装置。其方法是采用热伸缩量不同的旋转梁与补偿块的组合结构，利用旋转梁和补偿块在同一外部温度条件下产生不同的伸缩量，使组合结构产生转动，进而带动WSS光学元件转动，达到补偿波长选择开关的波长漂移；其装置包括有固定座、热伸缩量不同的旋转梁和补偿块，补偿块和旋转梁固定粘接在固定座上。本发明具有方法安全可靠，装置结构简单、便于封装，可适用于各种不同类型的WSS光路，不会影响WSS本身的光路结构的优点。

Description

一种波长选择开关中波长漂移的补偿方法及其装置

技术领域

本发明提供一种波长选择开关(Wavelength Selective Switch，简称WSS)中波长漂移的补偿方法及其装置，本发明属于光通信领域。

背景技术

随着波分系统的发展，人们对系统的灵活性要求也越来越高，波长选择开关具有任意端口波长任意上下的功能，给光网络的灵活组网提供了必要的技术平台，正逐渐得到应用。

波长选择开关通常分布在光网络的多个不同节点上，故需要在较大温度范围内均能稳定可靠地工作。而波长选择开关中的光学元件通常采用玻璃元件，这些光学元件会随着环境温度的改变由于热胀冷缩的影响导致光学特性发生变化，或者是由于光学元件与光学底板用胶粘接，胶连剂的热胀冷缩使得光学元件位置变化，所有这些都会导致各个波长偏离原来方向，从而影响波长选择开关中的ITU-T波长对准，导致波长漂移。

Capella公司提出了一种用MEMS微镜或液晶阵列来实现波长选择开关波长漂移补偿的方法，Capella公司提出的美国专利US2009/0028503A1，公开日2009-1-29，该专利提出将光路偏转元件MEMS微镜或液晶阵列置于阵列准直器后对光路进行偏折。但这种方法需要将光路偏转元件插入到原光路中，而且若用MEMS，MEMS的封装较复杂，而液晶阵列则存在温控的问题，并且需要在光路中增加偏振元件，光路调试难度会增加，并会增加器件整体尺寸。

JDSU公司则从机械结构设计和装配方法上对波长选择开关中的波长漂移进行补偿，JDSU公司提出的美国专利US8036502B2，公开日2009-12-22，该专利提出通过对光学底板的结构进行特别设计，并据此配备相应的减震块，固定减震块用于保证光路与MEMS芯片间的对准位置不变，活动减震块则用于减小光学底板和光学壳体膨胀系数不匹配引起的热应力，并补偿由此产生的波长漂移。但此方法并不利于对波长漂移进行主动补偿，并对模块封装的一致性有较高要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，解决WSS中的波长漂移问题，从而提出的一种具有补偿装置的波长选择开关，以及提供一种利用该补偿装置对WSS进行波长漂移补偿的方法。

本发明技术方案实现的原理具体如下：在波长选择开关光路结构中，可以采用补偿装置将入射光束到达分光元件光栅处的入射角发生角度改变，经过分光后各个波长的衍射角也发生改变，经聚焦透镜后各个波长在切换衰减阵列上会沿切换衰减单元排列方向有一个平移，从而使得入射到切换衰减阵列上的各个波长相对于ITU-T波长有一个整体的偏移；或者可以不改变光栅入射角，在经光栅分光后，通过在光路中的光路折叠反射镜背后加上补偿装置，对各个波长的光路偏转方向进行整体调节，使得各个波长在切换衰减阵列处的中心位置发生改变，从而产生相对于ITU-T波长的偏移，此时在调节各波长中心位置的同时，会在切换衰减单元排列方向引入一个角度，但由于WSS光路的波长敏感性，该角度较小，另外切换衰减单元排列方向为小光斑，对角度不敏感，因此通过在光路中的光路折叠反射镜背后加上补偿装置而引入角度不会造成波长选择开关光路插损变化。补偿装置引入的WSS光路角度变化越大，各个波长在切换衰减阵列上沿切换衰减单元排列方向的平移量就越大，从而可获得更大的波长补偿量。

本发明采用的技术方案是：

一种波长选择开关中波长漂移的补偿方法，其方法应用的波长选择开关包括依次排列的准直器阵列、聚焦透镜、准直透镜、分光光栅、聚集透镜、切换衰减阵列，所述准直透镜和分光光栅中间设置有第一反射镜，补偿方法包括如下步骤：步骤1、测波长选择开关中波长漂移的方向以及漂移量；步骤2、采用热伸缩量不同的旋转梁与补偿块的组合结构；步骤3、将组合结构固定粘接于波长选择开关中准直器阵列的一侧，或者将其固定粘接于波长选择开关中光栅前的第一反射镜反射面的背面，使温度变化时的组合结构旋转方向同波长选择开关中波长漂移方向相抵消，且使组合结构的波长补偿量与实际测得的波长选择开关的波长漂移量相等。

所述步骤2中组合结构的不同热伸缩量是通过设置包括有宽度的补偿块的结构尺寸和在同一外部温度下补偿块与旋转梁不同的热膨胀系数实现的。

所述步骤2中组合结构的不同热伸缩量是通过电加热在相同热膨胀系数的补偿块和旋转梁上产生不同的温度实现的。

应用上述方法的波长选择开关包括依次排列的准直器阵列、聚焦透镜、准直透镜、分光光栅、聚集透镜、切换衰减阵列，所述准直透镜和分光光栅中间设置有第一反射镜,所述准直器阵列的一侧或者第一反射镜反射面的背面固定粘接有补偿装置，该补偿装置包括有固定座、旋转梁、补偿块，补偿块和旋转梁固定粘接在固定座上，补偿块的热伸缩量＞旋转梁的热伸缩量。

所述补偿块和旋转梁高度相同，补偿块和旋转梁上固定粘接有旋转臂。

所述固定座呈L形，补偿块位于固定座的L内侧。

所述的补偿块设置于旋转梁一侧，且补偿块的热膨胀系数＞旋转梁的热膨胀系数。

所述的旋转梁和固定座为一体加工成型的组合体。

所述的旋转梁与补偿块并列、对称固定于固定座，且旋转梁和补偿块上均设置有电控加热装置，所述旋转梁具有补偿块相同结构。

所述旋转臂上设置有一个凸台，该凸台同旋转梁、补偿块接触。

所述的旋转梁和补偿块为金属块，其上的电控制装置为加热电阻。

所述旋转梁和补偿块为压电陶瓷。

本发明具有如下优点：

1、本发明的补偿装置可适用于各种不同类型的WSS光路，不会影响WSS本身的光路结构；

2、本发明的补偿装置结构简单，便于封装，不会增加工艺难度。

附图说明

图1、本发明的波长选择光开关光路结构图；

图2、本发明的被动式补偿装置结构图；

图3、WSS光学元件、光学底板和补偿装置的粘接关系图；

图4、本发明针对准直器阵列采用补偿装置进行补偿波长漂移的光路图；

图5、准直器阵列转角与波长偏移关系示意图；

图6a～图6c、被动式补偿装置的工作状态示意图；

图7、本发明的主动式补偿装置结构图；

图8、进行减小力臂改进的主动式补偿装置结构；

图9、图8中改进主动式补偿装置的工作力臂示意图；

图10、通过增加补偿块高度增加波长补偿量的改进主动式补偿装置；

图11、通过增加补偿块高度增加波长补偿量的改进被动式补偿装置。

其中：

201：准直器阵列；        202：聚焦透镜；

203：准直透镜；                      204：分光光栅；

205：聚焦透镜；                      210：切换衰减阵列；

208A：第一反射镜；                   208B：第二反射镜；

301：固定座；                        302：补偿块；

303：旋转臂；                        304：旋转梁；

305A：第一电控制装置；               305B：第二电控制装置；

300：补偿装置；                      100、光学底板；

200：WSS光学元件；

g：补偿块302与旋转梁304的间隙；      H：补偿块302的高度；

b：补偿块302的宽度；                 a:旋转梁304的宽度；

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明所适用的波长选择开关WSS在波长分布平面即光栅分光平面的光路结构图具体如图1所示,准直器阵列201、聚焦透镜202、准直透镜203、分光光栅204、聚集透镜205、切换衰减阵列210依次排列，其光路过程具体如下：输入光信号经过准直器阵列201准直后，经过由聚焦透镜202和准直透镜203所组成的扩束系统进行扩束，准直光束经过分光光栅204分光成依次排序的单通道光信号，经过分光光栅204后的通道光信号由聚焦透镜205聚焦到切换衰减阵列210，另外，为了减小WSS模块尺寸，可以在准直透镜203和分光光栅204中间增加第一反射镜208A或者聚集透镜205和衰减反射阵列210中间增加第二反射镜208B对光路进行折叠，也可以同时增加第一反射镜208A和第二反射镜208B对光路进行折叠。可以将补偿装置粘接于准直器阵列201，或者将补偿装置粘接于第一反射镜208A或第二反射镜208B反射面的背面。

本发明补偿装置有两种结构，第一种是被动式的补偿装置，第二种是主动式的补偿装置。被动式的补偿装置具体结构如图2所示，包括固定座301，补偿块302、旋转臂303，旋转梁304，旋转梁304和固定座301粘接固定成一体。固定座301和旋转梁304也可以一体加工成形，此时旋转梁304是固定座301上设置的一个凸台。补偿块302和旋转梁304固定粘接于固定座301上，补偿块302分布于旋转梁304的一侧，且补偿块302同旋转梁304的高度保持平行。当补偿块302放置于旋转梁304的右侧，在高温状态下时，补偿装置的补偿块302带动旋转臂303为逆时针转动，在低温状态时，补偿装置的补偿块302带动旋转臂303为顺时针转动。当补偿块302放置于旋转梁304的左侧，在高温状态下时，补偿装置的补偿块302带动旋转臂303为顺时针转动，在低温状态时，补偿装置的补偿块302带动旋转臂303为逆时针转动。固定座301和旋转梁304可以采用玻璃，补偿块302采用金属，为了获得足够大的波长补偿量，补偿块302应该尽量选用热膨胀系数大的金属，例如铝。由于玻璃材质和金属材质这两种材质的热膨胀系数差异导致当环境温度变化时旋转梁304和补偿块302的伸缩量是不一样的。补偿装置的旋转臂303可以与波长选择开关WSS的准直器阵列201侧面平行粘接,或者旋转臂303同第一反射镜208A反射面的背面粘接,或者旋转臂303同第二反射镜208B反射面的背面粘接，补偿装置的旋转臂303通过选择与WSS模块中三种元件之一进行粘接而实现带动粘接元件的共同转动，达到波长漂移补偿的技术目的。

如图3是补偿装置与光学底板100和WSS光学元件200连接关系的侧视图，此处WSS光学元件200为准直器阵列201或者第一反射镜208A或者第二反射镜208B，补偿块302、旋转梁304与固定座301用胶粘在一起，然后固定座301用胶与光学底板100粘接，旋转臂303与WSS光学元件200粘接。该结构的补偿装置采用旋转臂303粘接WSS光学元件，使补偿装置同WSS光学元件粘接面平整且固定面积增大，从而达到较好的波长漂移补偿的效果。本发明的被动式的补偿装置结构也可以不设置有旋转臂303，通过将补偿块302和旋转梁304共同粘接固定于波长选择开关的光学元件上，该结构的补偿装置同样可以带动粘接元件的共同转动，达到波长漂移补偿的技术目的。

利用本发明的补偿装置进行波长漂移补偿时，可以先不放置补偿块302，测出WSS波长漂移的方向以及漂移量。若测得高温下WSS波长往长波方向漂移，低温下波长往短波方向漂移，此时当补偿装置300如图4置于准直器阵列201上方时，为了补偿上述波长漂移，应将补偿块302置于旋转梁304的右侧，使得高温时，补偿装置300带动准直器阵列201角度下俯，将波长往短波方向移，抵消高温时WSS本身波长往长波方向的漂移。如果实际测到WSS模块波长漂移方向与此相反，则需要将补偿块302放置于旋转梁304的左侧。再根据需要补偿的波长漂移量调整补偿块302与旋转梁304的间隙g，并最终将补偿块302与固定座301及旋转臂303用胶粘接。此处，胶可以采用紫外胶，旋转臂303与固定座301粘接时用较软的紫外胶。

补偿装置300使得准直器阵列或者反射镜发生角度偏转的方向决定波长偏移的方向，其实现波长漂移补偿过程具体如下：如图4所示，当将补偿装置300粘接于准直器阵列201侧面，当温度发生变化时，补偿装置300带动准直器阵列201水平转动，而使通过准直器阵列201的光路角度发生偏转，偏转光路再通过扩束系统，即通过聚焦透镜202和准直透镜203，此时进入分光光栅的光路入射角发生变化，从而实现对波长漂移进行补偿。结合图5进一步说明，当准直器阵列201角度上仰时，分光光栅处的入射角变小，则衍射角会变大，即波长会往切换衰减阵列210的左边偏移，即往长波方向偏移，反之，若当准直器阵列201角度下俯，则波长会往短波方向偏移。故通过补偿装置300带动WSS光学元件在波长分布平面内上仰或下俯，即可让波长往长波或短波方向偏移，从而补偿波长选择光开关WSS往不同方向的波长漂移。

将补偿装置放置于第一反射镜208A或者第二反射镜208B处，补偿装置带动反射镜发生水平转动，使各波长光路方向随之改变，从而也可以实现对波长漂移进行补偿。准直器阵列201和反射镜208采用配置相同的补偿装置，但起到的光学效果并不是完全相同，由于扩束系统的聚焦透镜202和准直透镜203对通过准直器阵列201的光路角度偏转起到缩小作用，补偿装置在反射镜208处对波长漂移的补偿效果更加明显，并且置于反射镜208处的波长补偿量是置于准直器阵列201的波长补偿量的数倍，补偿量倍数等于波长选择开关中扩束系统的扩束比。

被动式的补偿装置的工作状态示意图如图6a至6c所示，图6a为常温时的补偿装置状态，6b和6c分别为高温和低温时的补偿装置状态。常温时，补偿块302的高度保持不变；当高温时，旋转梁304和补偿块302受热膨胀而在高度方向均会伸长，金属的热膨胀系数一般比玻璃的热膨胀系数大一个数量级，因此补偿块302的伸长量会比旋转梁304的伸长量大。设常温时补偿块302的高度为H，玻璃和金属这两种材质的热膨胀系数之差为Δα，高温与常温两种状态的环境温度差为△T，则有△H＝H×Δα×△T，△H是补偿块302、旋转梁304受温度影响而发生高度变化的高度差。设各个状态下所对应的力臂为L，旋转臂303的转角为θ，则有设旋转梁304沿着固定座301平行方向的宽度为a，补偿块302沿着固定座301平行方向的宽度为b，旋转梁304与补偿块302之间的间隙为g，则高温时旋转力臂L＝a+g，低温时旋转力臂L＝g+b。由上述公式可知，如要增加波长补偿量，即需要增大θ值，可以通过增加补偿块高度、减小补偿装置旋转时的力臂L来达到增大θ值的目的。

当采用增加补偿块高度的方式来增加波长补偿量时，由于增加了旋转梁304与补偿块302的高度，使WSS体积增大。为了保持补偿装置在光路中占据的空间不会因此而增大，可以将固定座301厚度减小，以保持WSS器件总体尺寸不变。固定座301厚度减小，为了保证固定座301与WSS的光学底板100的粘接强度，可以将固定座301设计成L形，固定座301与WSS的光学底板100接触面积保持不变，如图11所示，补偿块302设置于L形固定座301的内侧，补偿块302垂直于光学底板的一侧同固定座301粘接固定，采用该技术方案可以保证在增大补偿块高度、减小固定座301厚度进行增加波长补偿量的情况下，使固定座301同光学底板的粘接面积保持不变。

根据WSS光路中各个透镜的焦距、透镜间距以及补偿装置所作用的WSS光学元件在光路中所处的位置，可得到准直器阵列201或反射镜208处转角与所引起的波长偏移的对应关系，进而可以确定补偿装置转角与波长偏移的关系。通常我们先根据所测得的高温时的WSS波长漂移量确定补偿块302与旋转梁304的间隙g，但在从常温变化到高温和从常温变化到低温两种情况下，WSS在相同温度变化范围内的波长漂移量会有所不同，为了对这种情况进行完全补偿，补偿装置在上述温度变化情况下的波长补偿量也应不同。由上述补偿装置转角公式知，若要实现从常温变化到高温和从常温变化到低温两种情况下补偿装置的波长补偿量不同，即要求旋转臂303的转角θ随温度变化范围△T变化的比例系数应不同，而当补偿装置总体尺寸和部件材质确定后，H与Δα为确定值，此时可改变补偿块302的宽度b，使得高温和低温时的力臂L不同，这时高温变化和低温变化时具有不同的比例系数高温和低温时的比例系数的取值由波长补偿量的目标值决定，我们可以选择合适的补偿块302的宽度b，使补偿装置的波长补偿量与实际测得的WSS的波长漂移量相等，从而对波长漂移进行完全补偿。

采用发明的第一种被动式补偿装置来实现波长漂移补偿时，只利用该补偿装置就可以完成WSS的波长漂移补偿，而不需要额外设置控制电路对补偿装置进行控制，且补偿装置中的各个组成部件结构简单，容易获得。但该被动式补偿装置不容易对WSS模块的波长漂移进行连续可调的补偿，因此被动式补偿装置比较适合用于对波长漂移补偿精度要求不是很高的场合。如果WSS光模块本身的带宽余量比较充足，我们可以采用这种被动式补偿装置对WSS模块进行波长漂移粗补偿。

为了实现对WSS中的波长漂移进行连续可调的补偿，提高波长补偿精度，本发明提出第二种结构，即一种主动式补偿装置，主动式补偿装置和被动式补偿装置的结构原理是一样的，均采用旋转梁与补偿块的组合结构，使补偿块与旋转梁有不同的伸缩量，从而使得补偿装置产生转动，进而带动WSS光学元件转动，只不过对于主动式补偿装置,该装置的旋转梁也采用补偿块,即装置中有两个补偿块。当补偿装置开始工作时，两个补偿块中未进行加电控制的补偿块即作为旋转梁进行工作，采用该补偿装置可以对波长漂移进行主动式的补偿。主动式补偿装置具体结构如图7所示，包括固定座301、旋转臂303、补偿块302、第一电控制装置305A、第二电控制装置305B，两块补偿块302并列、对称设置于固定座301上。两块补偿块302同固定座301用胶固定粘接，两块补偿块302上分别设置有第一电控制装置305A、第二电控制装置305B。旋转臂303设置于补偿块302上方。旋转臂303同补偿块302接触的部位也可以如图8所示设计为突出的凸台，凸台设计主要作用是用以减小工作力臂L，从而增加波长补偿量，参见图9所示，此时工作力臂L不再是与补偿块302的宽度有关，而是与旋转臂303处设置的凸台宽度有关，此时工作力臂L变小，增加了补偿装置的波长补偿量。补偿块302可以采用金属，例如：铝块，补偿块302也可以是具有微位移动能的压电陶瓷或其它具有微位移功能的元件。当两块补偿块302均采用金属块时，第一电控制装置305A和第二电控制装置305B为加热电阻。如果需要让补偿装置实现图6b的转动效果进行波长漂移补偿，可以对右边的补偿块302上的加热电阻进行加电，使位于右边的补偿块302升温膨胀，而左边的补偿块302保持原温度不变，就起到了旋转梁的作用，左右两边补偿块的温度差导致二者有不同的热伸缩量，从而实现角度转动，反之亦然。同样，当补偿块302为压电陶瓷时，可以根据WSS波长漂移的方向选择其中一个压电陶瓷进行加电，使该加电的压电陶瓷具有一定的微位移，位于旁侧未加电的压电陶瓷此时起到旋转梁的作用，并且带动WSS光学元件进行旋转，从而实现与用铝块对相同的转动效果。

本发明的主动式的补偿装置结构跟被动式的补偿装置一样，也可以不设置有旋转臂303，通过将两个补偿块302共同粘接固定于波长选择开关的光学元件上，该结构的补偿装置也可以带动粘接元件的共同转动，达到波长漂移补偿的技术目的。

主动补偿装置同样为了增加补偿量的同时保证固定座301与WSS的光学底板100的粘接强度，也可以将固定座301设计成L形，使固定座301与WSS的光学底板100接触面积保持不变，如图10所示，两块补偿块302设置于L形固定座301的内侧，补偿块302垂直于光学底板的一侧同固定座301粘接固定，采用该技术方案可以保证在增大补偿块高度、减小固定座301厚度进行增加波长补偿量的情况下，使固定座301同光学底板的粘接面积保持不变。

虽然本发明已经详细地示出并描述了一个相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种波长选择开关中波长漂移的补偿方法，其特征在于：其方法应用的波长选择开关包括依次排列的准直器阵列（201）、聚焦透镜（202）、准直透镜（203）、分光光栅（204）、聚集透镜（205）、切换衰减阵列（210），所述准直透镜（203）和分光光栅（204）中间设置有第一反射镜（208A），补偿方法包括如下步骤：

步骤1、测波长选择开关中波长漂移的方向以及漂移量；

步骤2、采用热伸缩量不同的旋转梁（304）与补偿块（302）的组合结构；

步骤3、将组合结构固定粘接于波长选择开关中准直器阵列（201）的一侧，或者将其固定粘接于波长选择开关中光栅前的第一反射镜（208A）反射面的背面，使温度变化时的组合结构旋转方向同波长选择开关中波长漂移方向相抵消，且使组合结构的波长补偿量与实际测得的波长选择开关的波长漂移量相等。

2.如权利要求1所述的一种波长选择开关中波长漂移的补偿方法，其特征在于：

所述步骤2中组合结构的不同热伸缩量是通过设置包括有宽度的补偿块（302）的结构尺寸和在同一外部温度下补偿块与旋转梁不同的热膨胀系数实现的。

3.如权利要求1所述的一种波长选择开关中波长漂移的补偿方法，其特征在于：

所述步骤2中组合结构的不同热伸缩量是通过电加热在相同热膨胀系数的补偿块和旋转梁上产生不同的温度实现的。

4.一种实现权利要求1所述方法的波长选择开关，其特征在于：包括依次排列的准直器阵列（201）、聚焦透镜（202）、准直透镜（203）、分光光栅（204）、聚集透镜（205）、切换衰减阵列（210），所述准直透镜（203）和分光光栅（204）中间设置有第一反射镜（208A）,所述准直器阵列（201）的一侧或者第一反射镜（208A）反射面的背面固定粘接有补偿装置，该补偿装置包括有固定座（301）、旋转梁（304）、补偿块（302），补偿块（302）和旋转梁（304）固定粘接在固定座（301）上，补偿块（302）的热伸缩量＞旋转梁（304）的热伸缩量。

5.如权利要求4所述的波长选择开关，其特征在于：

所述补偿块（302）和旋转梁（304）高度相同，补偿块（302）和旋转梁（304）上固定粘接有旋转臂（303）。

6.如权利要求4或5所述的波长选择开关，其特征在于：

所述固定座（301）呈L形，补偿块（302）位于固定座（301）的L内侧。

7.如权利要求4或5所述的波长选择开关，其特征在于：

所述的补偿块（302）设置于旋转梁（304）一侧，且补偿块（302）的热膨胀系数＞旋转梁（304）的热膨胀系数。

8.如权利要求7所述的波长选择开关，其特征在于：

所述的旋转梁（304）和固定座（301）为一体加工成型的组合体。

9.如权利要求5所述的波长选择开关，其特征在于：

所述的旋转梁（304）与补偿块（302）并列、对称固定于固定座（301），且旋转梁（304）和补偿块（302）上均设置有电控加热装置，所述旋转梁（304）具有补偿块（302）相同结构。

10.如权利要求9所述的波长选择开关，其特征在于：

所述旋转臂（303）上设置有一个凸台，该凸台同旋转梁（304）、补偿块（302）接触。

11.如权利要求9所述的波长选择开关，其特征在于：

所述的旋转梁（304）和补偿块（302）为金属块，其上的电控制装置为加热电阻。

12.如权利要求9所述的波长选择开关，其特征在于：

所述旋转梁（304）和补偿块（302）为压电陶瓷。