CN102707387B - 波长选择开关及切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长选择开关及切换方法，波长选择开关中，光信号从环形器的端口1输入，由端口2输出后经光束整形器、体光栅和X方向柱透镜进入第一MEMS，第一MEMS对相应的光信号偏转并反射回X方向柱透镜、体光栅和光束整形器后合成一束，从环形器的端口2输入，从端口3输出进入准直器阵列，再经光束整形器、体光栅和球透镜进入第二MEMS，第二MEMS根据所需切换端口的需要进行相应的偏转后再经球透镜、体光栅和光束整形器进入准直器阵列，并从相应的输出端口输出。本发明，利用第一MEMS实现功率均衡功能，第二MEMS实现波长切换功能，整体上实现无干扰切换和功率均衡，并不会产生“兔耳”效应。

Description

波长选择开关及切换方法

技术领域

本发明涉及光器件，具体涉及波长选择开关及切换方法。

背景技术

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，简称WDM）是当前最常见的光层组网技术，通过把不同波长复用在一根光纤中传输，很容易实现Gbit/s甚至Tbit/s的传输容量。可重构光分叉复用器作为WDM网络中的核心光交换设备，能够在任一端口对任意波长进行配置。波长选择开关（Wavelength Selective Switch，简称WSS）具有输入波长从任意输出端口输出的功能，是实现动态可重构光分插复用器的常用技术。

中国专利CN102226848A公开了一种波长选择开关结构（申请号：201110149547.4），该专利以准直器阵列中的一个作为输入端口，其它作为输出端口，输入的WDM光束经扩束棱镜组变换为椭圆光束，之后不同波长的光束被偏振无关的透射式相位光栅衍射为不同偏角，经聚焦透镜聚焦，入射在MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）微镜阵列上的不同微镜上，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、偏振无关的透射式相位光栅、扩束棱镜组，输出到准直器阵列中的目标输出端口。但是，该专利没有无干扰切换和功率均衡功能。

基于双轴MEMS的WSS可以实现无干扰切换和功率均衡，但是做无干扰切换时会出现“兔耳”现象，影响通信质量。美国专利US7352927B2公布了一种减小了镜边沿衍射效应的光分插复用器结构，通过对微镜边沿的适当修改，通过对输入/输出端口进行修改以允许通过微镜绕切换轴旋转来进行衰减，通过使用微镜绕衰减轴和切换轴两者的旋转来达到需要的衰减水平，通过在焦平面或装置外部插入孔来减小传输到任何或全部输出端口的微镜边沿衍射的大小，或者通过用来把多信道光信号分离成分量光谱光束的衍射光栅对角频率适当的滤波，可以减小衍射对通带的影响。通过使用绕切换和衰减轴的同时旋转来相对于和恒定衰减等值线相切的轴抖动微镜，可以得到峰值耦合。但是，该专利的占空比会比较小，会减小信道通带宽度，而且锯齿状的微镜边缘需要很高的制作工艺。

中国专利CN201194034公开了一种具有无干扰切换的波长选择开关（申请号：200820074020.3），在聚焦透镜的另一侧设置有衰减反射单元阵列，衰减反射单元阵列是由多个通道衰减反射单元组成，衰减反射单元包括有相互连接的透射式MEMS衰减器和一维MEMS反射镜，其中，透射式MEMS衰减器位于一维MEMS反射镜的前端，透射式MEMS衰减器和一维MEMS反射镜的中心轴对齐重合，有效地利用一维反射镜阵列和透射式MEMS光衰减器芯片的组合，实现光路切换和衰减、无干扰切换的功能，提高了填充因子，提高了波长选择开关的工作带宽，但是，该专利的制作工艺要求很高。

综上所述，现有的波长选择开关制作工艺要求高，无干扰切换和功率均衡能力较差，从而影响了通信质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决波长选择开关制作工艺要求高，无干扰切换和功率均衡能力较差的问题。

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波长选择开关，包括4端口环形器、光束整形器、体光栅、X轴方向柱透镜、第一MEMS、第二MEMS、准直器阵列和球透镜，所述准直器阵列具有一个输入端口和多个输出端口，WDM光信号从4端口环形器的端口1输入，由端口2输出后经光束整形器、体光栅和X方向柱透镜整形、分波、聚焦后进入第一MEMS，第一MEMS中与WDM光信号中的相应信道对应的微镜偏转后，所有信道的光信号反射回X方向柱透镜、体光栅和光束整形器后合成一束，从4端口环形器的端口2输入，然后从4端口环形器的端口3输出，并从准直器阵列的输入端口进入准直器阵列，经准直器阵列校准后再次经光束整形器、体光栅和球透镜进入第二MEMS，第二MEMS对相应信道的光信号根据所需切换端口的需要进行相应的偏转后输出，再经球透镜、体光栅和光束整形器进入准直器阵列，并从相应的输出端口输出。

在上述波长选择开关中，所述第一MEMS中的所有微镜的偏转角都为正。

本发明还提供了一种上述波长选择开关的切换方法，通过对第一、第二MEMS中与WDM光信号中的信道λ_i对应的微镜i、j进行相应的偏转将WDM光信号切换到相应的输出端口，并实现对信道λ_i的衰减；

所述将WDM光信号切换到相应的输出端口的步骤如下：

首先通过第一MEMS中的微镜i的相应偏转，使信道λ_i的光信号衰减到隔离度以下；

然后通过将第二MEMS中的微镜j根据所需切换端口的需要偏转相应的偏转角度，所述偏转角度为准直器阵列中输入端口与所需切换端口之间的夹角； 

第二MEMS中的微镜j偏转完成后，将第一MEMS中的微镜i复位；

所述第一MEMS中微镜i和第二MEMS中的微镜j分别与光信号中信道λ_i的光信号一一对应。

在上述方法中，所述对信道λ_i的衰减步骤如下： 

如果信道λ_i的光信号没有进行切换，则对第一MEMS中微镜i进行相应的偏转实现信道λ_i的衰减；

如果信道λ_i已经完成切换，则将第一MEMS中的微镜i进行不完全复位，保留特定的偏转角以实现对该信道λ_i的衰减，所述特定的偏转角根据信道λ_i的衰减要求确定。

本发明，利用MEMS微镜绕X轴偏转产生信号衰减，不会产生直边衍射效应，从而不会产生“兔耳”效应。

附图说明

图1是基于双轴MEMS的波长选择开关进行光信号切换和衰减的示意图；

图2是基于双轴MEMS的波长选择开关进行光信号衰减时的出现“兔耳”现象示意图；

图3是本发明提供的波长选择开关的结构示意图；

图4是WDM信道与第一、第二MEMS中各微镜的对应关系示意图；

附图标记：100-波长选择开光，101-4端口环形器，102-光束整形器，103-体光栅，104-柱透镜，105-第一MEMS，106-第二MEMS，107-准直器阵列，108-球透镜。

具体实施方式

在介绍本发明之前，首先结合图1、图2对基于双轴MEMS的波长选择开关的工作原理进行简单介绍。

图1示出了基于双轴MEMS的波长选择开关进行光信号切换和衰减的示意图，其中X轴为切换轴，Y轴为衰减轴。转动X轴使光信号偏转，经过傅里叶透镜变换之后进入到相应的输出准直器实现切换；转动Y轴使光信号偏转，再经过傅里叶透镜变换之后使得入射高斯光场与出射高斯光场形成径向失配实现衰减。

图2示出了基于双轴MEMS的波长选择开关进行光信号衰减时的出现 “兔耳”现象示意图，如图2所示，随着衰减量的增加，“兔耳”逐渐增大，众所周知，利用双轴MEMS做无干扰切换一般要对信道功率衰减35dB以上实现信道阻塞，此时“兔耳”会严重影响阻塞功能。本发明的主要创新在于，波长选择开关实现了无干扰切换，并且大大提高了功率均衡能力，下面结合附图对本发明作出详细的说明。

图3为本发明提供的波长选择开关的结构示意图。如图3所示，本发明提供的波长选择开关100，包括4端口环形器101、光束整形器102、体光栅103、X轴方向柱透镜104、第一MEMS105、第二MEMS106、准直器阵列107和球透镜108，准直器阵列107具有一个输入端口和多个输出端口，波长选择开关的目的是将WDM光信号从特定的输出端口输出。

具体地说，WDM光信号从4端口环形器101的端口1输入，由端口2输出进入光束整形器102扩束后入射到体光栅103，体光栅103对入射的WDM光信号进行分波，于是不同波长的光信号以不同角度从体光栅103射出进入X方向柱透镜104，X方向柱透镜104将以不同角度入射的光信号覆盖在第一MEMS105的不同微镜上，光信号根据各波长的离散方向（X方向）依次展开，通过施加电压驱动第一MEMS105中与WDM光信号中的信道λ_i对应的微镜i进行偏转，使信道λ_i的光信号衰减到隔离度以下，经过衰减和没有衰减的信道的光信号经第一MEMS105后再次反射回X方向柱透镜104，并经过体光栅103和光束整形器102后再合成一束WDM光信号从4端口环形器101的端口2输入，然后从4端口环形器101的端口3输出，并从准直器阵列107的输入端口进入准直器阵列107，经准直器阵列107校准输出后，再依次进入光束整形器102和体光栅103，体光栅103再次对光信号进行分波并入射到球透镜108，球透镜108将不同角度入射的信道光信号（不同波长的光信号）覆盖在第二MEMS106上，通过施加电压驱动第二MEMS106中与WDM光信号中的信道λ_i对应的微镜根据所需切换端口的需要进行相应的偏转，再经球透镜108、体光栅103和光束整形器102进入准直器阵列107，并从准直器阵列107相应的输出端口输出。

本发明还提供了上述波长选择开关切换的方法，WDM光信号由多个信道合波而成，第一MEMS和第二MEMS均包括与WDM光信号中的多个信道一一对应的微镜，设WDM光信号中的一个信道为λ_i，第一MEMS和第二MEMS中与λ_i一一对应的微镜分别为微镜i和微镜j，i＝1，2，……，N；j＝1，2，……，N。

该方法具体包括以下步骤：

请参见图4，WDM光信号中的各信道在第一、第二MEMS的微镜阵列上的分布是一样的，信道λ_i分别与第一MEMS和第二MEMS中的微镜i和微镜j 一一对应，当信道λ_i要从准直器阵列107的一个端口切换到另外一个端口时，先启动与信道λ_i对应的第一MEMS105中的微镜i的驱动电压，使得微镜i偏转将该信道λ_i衰减到隔离度以下；然后启动与信道λ_i对应的第二MEMS中微镜j的驱动电压，在无光情况下进行偏转，偏转角度为准直器阵列中输入端口与所需切换端口之间的夹角，第二MEMS106中微镜j偏转完成后，第一MEMS105中微镜i复位，完成无干扰切换。

众所周知，所述的“兔耳”效应是由于双轴MEMS微镜绕y轴偏转实现功率衰减时，微镜的直边会切断高斯光束产生直边衍射效应，从而在损耗谱信道边缘形成凸起部分，整个光谱类似“兔耳”状。本发明利用第一MEMS中的微镜绕x轴偏转产生信号衰减，不会产生直边衍射效应，从而不会产生“兔耳”效应。

如果要对信道λ_i做特定的衰减，可以分为两种情况进行：

（1）如果信道λ_i的光信号没有进行切换，则对第一MEMS中微镜i进行相应的偏转实现信道λ_i的衰减；

（2）如果信道λ_i已经完成切换，则将第一MEMS中的微镜i进行不完全复位，保留特定的偏转角以实现对该信道λ_i的衰减，所述特定的偏转角根据信道λ_i的衰减要求确定。

在上述方法中，第一MEMS1105中的微镜偏转角都为正（即朝上偏转），以防止上面的光信号耦合进入下面的准直器阵列。

采用柱透镜104可以在Y方向减小器件尺寸，原因是第一MEMS105做衰减时，反射光不用耦合到原光路中去，所以Y方向不用对光束聚焦。

本发明具有如下优点：

（1）、利用两片单轴MEMS微镜阵列，第一MEMS微镜阵列实现衰减功能，第二MEMS微镜阵列实现切换功能，单轴MEMS微镜制作工艺成熟且占空比高，降低了对器件的依存。

（2）、利用单轴微镜实现衰减，不会产生“兔耳”效应。

（3）、采用双层对称光路，共用光束整形单元和体光栅。

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 (3)

1.波长选择开关，其特征在于，包括4端口环形器、光束整形器、体光栅、X轴方向柱透镜、第一MEMS、第二MEMS、准直器阵列和球透镜，所述准直器阵列具有一个输入端口和多个输出端口，WDM光信号从4端口环形器的端口1输入，由端口2输出后经光束整形器、体光栅和X轴方向柱透镜整形、分波、聚焦后进入第一MEMS，第一MEMS中与WDM光信号中的相应信道对应的微镜向上偏转后，所有信道的光信号反射回X轴方向柱透镜、体光栅和光束整形器后合成一束，从4端口环形器的端口2输入，然后从4端口环形器的端口3输出，并从准直器阵列的输入端口进入准直器阵列，经准直器阵列校准后再次经光束整形器、体光栅和球透镜进入第二MEMS，第二MEMS对相应信道的光信号根据所需切换端口的需要进行相应的偏转后输出，再经球透镜、体光栅和光束整形器进入准直器阵列，并从相应的输出端口输出。

2.如权利要求1所述的波长选择开关的切换方法，其特征在于，通过对第一、第二MEMS中与WDM光信号中的信道λ_i对应的微镜i、j进行相应的偏转将WDM光信号切换到相应的输出端口，并实现对信道λ_i的衰减；

所述将WDM光信号切换到相应的输出端口的步骤如下：

首先通过第一MEMS中的微镜i的相应偏转，使信道λ_i的光信号衰减到隔离度以下；

然后通过将第二MEMS中的微镜j根据所需切换端口的需要偏转相应的偏转角度，所述偏转角度为准直器阵列中输入端口与所需切换端口之间的夹角；

第二MEMS中的微镜j偏转完成后，将第一MEMS中的微镜i复位；

所述第一MEMS中微镜i和第二MEMS中的微镜j分别与光信号中信道λ_i的光信号一一对应。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对信道λ_i的衰减步骤如下：

如果信道λ_i的光信号没有进行切换，则对第一MEMS中微镜i进行相应的偏转实现信道λ_i的衰减；

如果信道λ_i已经完成切换，则将第一MEMS中的微镜i进行不完全复位，保留特定的偏转角以实现对该信道λ_i的衰减，所述特定的偏转角根据信道λ_i的衰减要求确定。

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