CN102879864B - 硅基液晶波长选择开关的波长漂移检测及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基液晶波长选择开关的波长漂移检测及校正方法，波长漂移检测方法通过设定特定的灰度图使得LCOS上某列像素对应的波长偏转到某一输出端口，然后检测该列像素对应的波长，与出厂时的像素-波长对应表做比较，可以判断是否发生了波长偏移。校正方法是计算出波长漂移的像素个数，在控制软件中平移像素列计数器，使得像素列与波长重新一一对应。本发明，对于波长选择开光中不可复原的波长漂移，能够准确检测并进行校正。

Description

硅基液晶波长选择开关的波长漂移检测及校正方法

技术领域

本发明涉及波长选择开关，具体涉及硅基液晶波长选择开关的波长漂移检测及校正方法。

背景技术

波分复用（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。光交插互连设备（OXC）和可重构光分插复用器（ROADM）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（WSS）是用来实现OXC和ROADM的新一代技术，具有输入波长从任意输出端口输出的功能。

光网络分为广域网、城域网和接入网，其中广域网为全互连结构，节点采用OXC连接；城域网和接入网为双向光纤环网结构，采用ROADM进行复用/解复用。因此WSS通常分布在光网络的多个不同节点上，故需要在恶劣的条件下能稳定可靠工作。波长选择开关中的元件通常采用玻璃元件，玻璃元件的热胀冷缩会导致其光学特性发生变化；光学元件与光学底板用胶粘贴，胶连剂的热胀冷缩使也可得光学元件位置变化；另外光栅温度的变化，光栅线数有所变化会导致出射光束角度变化。所有这些因素都会导致各个波长偏离原来位置，从而影响波长选择开关中波长的对准，导致波长选择开关无法正常工作。由于温度或者碰撞等因素造成的不可复原的波长漂移，必须能够检测并进行校正。因此必须在固定时间段内对WSS产品进行检测并且校正波长漂移。

中国专利CN102608712A公开了一种波长选择开关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组合，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，使组合结构产生转动，进而带动WSS光学元件转动，达到补偿波长漂移。

美国专利US8036502B2公开了一种方法，从机械结构设计和装配方法上对波长选择开关的波长漂移进行补偿，该专利通过对光学底板的结构进行特别设计，并配备相应的减震块保证光路与微机电系统（MEMS）芯片间的对准位置不变。

以上专利都是对于基于MEMS的波长选择开关提出的预防或者补偿波长漂移措施，而且需要在原有系统中加入复杂的机械结构，模块的封装有一定难度；更为重要的是对于无法靠自身修复的波长漂移，以上两个专利都无法解决。

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的波长漂移进行补偿结构复杂的问题。

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硅基液晶波长选择开关的波长漂移检测方法，包括以下步骤：

向LCOS面板中写入特定的灰度图，所述灰度图只有一列像素列L_i有灰度变化，其余列均为黑色；

从波长选择开关的输入端口输入光信号，并检测与像素列L_i对应的输出端口的光信号的波长λ_i1；

根据所述λ_i1与出厂时该列像素列对应的波长λ_i0的比较结果，判断是否发生了波长漂移；如果λ_i1＝λ_i0，则说明没有发生波长漂移；如果λ_i1≠λ_i0，说明发生了波长漂移。

在上述检测方法中，在波长选择开关的公共端接上宽带光源获得所述输入光信号；

在与L_i对应的波长选择开关的输出端口接上光谱仪获得所述输出光信号。

在上述检测方法中，将波长选择开关的公共端口接在3端口环形器的端口2上，将所述环形器的端口1接上宽带光源获得所述输入光信号，将所述环形器的端口3接上光谱仪获得所述输出光信号。

本发明还提供了一种硅基液晶波长选择开关的波长校正方法，包括以下步骤：

通过灰度图生成及写入软件向LCOS面板中写入特定的灰度图，所述灰度图只有一列像素列L_i有灰度变化，其余列均为黑色；

从波长选择开关的某一输入端口输入光信号，并检测与像素列L_i对应的输出端口的光信号的波长λ_i1；

计算所述λ_i1与出厂时该列像素列对应的波长λ_i0的差值Δλ；

根据光路设计时光栅与傅里叶透镜的尺寸计算出一个像素列覆盖的波长范围Δλ，并获得漂移的像素个数Δp=Δλ/Δλ；

将所述灰度图生成及写入软件中的像素计数器相应地平移Δp，使得像素列L_i与波长λ_i0相对应。

本发明，通过对比LCOS某一列像素在WSS出厂时和WSS使用一段时间后（可能发生波长漂移）对应的波长来判断是否发生了波长漂移，具有如下优点：

（1）、无需在原有光学系统中加入复杂的机械结构，结构简单，易于封装。

（2）、对于无法靠WSS自身复原的波长漂移，可以在不调整硬件的条件下，通过改变控制软件实现波长校正。

附图说明

图1是波长选择开关的结构示意图；

图2是LCOS面板像素列与波长的对应关系图；

图3是LCOS提供的y方向的相位函数示意图；

图4是写入LCOS的灰度图；

图5是第一种波长漂移检测方法的光谱示意图；

图6是第二种波长漂移检测方法的光谱示意图；

图中：100-波长选择开关，101-光纤阵列，102-x方向柱透镜阵列，103-y方向第一柱透镜，104-偏振转换单元，105-y方向第二柱透镜，106-x方向柱透镜，107-闪耀光栅，108-LCOS面板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细的说明。

LCOS（liquidcrystal on silicon，硅基液晶）首先应用于液晶显示领域，它是在一片硅基底上制作许多液晶单元，在每个液晶单元上面有一个透明电极，下面有一个电子控制单元，从每个液晶单元反射的光其相位可通过施加在这个单元上的电压来控制。一束光入射在LCOS面板上，其光斑覆盖许多液晶单元，每个液晶单元的反射光相位被单独控制，相当于对反射光的波长进行调节，从而对反射光方向进行控制。硅基液晶波长选择开关将LCOS作为控制阵列，实现将任意波长组合切换到任一输出端口。

如图1所示，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面板108。

LCOS的波长选择开关的工作原理如下：

光信号由光纤阵列101的一个端口（称为WSS的公共端，如端口5）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线偏振光，然后经过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，不同波长的光信号再经过x方向柱透镜106和y方向第二柱透镜105后入射到硅基液晶面板108的不同区域。通过控制不同波长光信号对应硅基液晶108区域像素的相位，不同波长的光信号将会以不同角度衍射，衍射光线经过整个光路回到光纤阵列101的输出端口（称为WSS的输出端）。

LCOS控制波长偏转的原理如下：

由于LCOS每个像素的相位可调，通过构造它的相位排列，使其作用等同于衍射光栅。

设LCOS液晶像素大小为d，光信号的入射角为α，光信号在LCOS表面的衍射角为β，f为该傅里叶系统的焦距。根据衍射公式可得：

nλ=Md(sinα+sinβ)    (公式1)

其中n为衍射级次，λ为波长，M为LCOS的相位级次。

则从上式可知，LCOS的最大衍射角为：

${\mathrm{\β}}_{\max }={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{Md}}\right)$ (公式2)

不同波长光信号从LCOS出射时的偏转角度为β，f·tanβ是不同波长光信号在光纤阵列端口处的偏移。当希望某一波段的光信号输出到光纤阵列的某个端口时，调节该波长光信号对应LCOS区域像素的相位排列，β随之改变，从而f·tanβ随之改变，也就是该波长从对应的输出端口输出。

一个WSS产品完成之后，每一波长都与LCOS中固定的一列像素对应，如图2所示，波长λ₁与像素列数L₁对应，波长λ₂与像素列数L₂对应，……，波长λ_i与像素列数L_i对应，可以绘制出波长与像素的对应表格。往LCOS面板中写入与LCOS相同分辨率的灰度图可以精确控制每个像素点的相位。通过改变该列像素点的相位排列，可以控制该波长从任意输出端口输出。

发生波长漂移之后，波长λ_m与像素列数L_i对应（m＞i或者m＜i），此时软件控制像素列数L_i时无法实现对波长λ_i的偏转或衰减，从而无法实现WSS应有的功能。通过对比LCOS某一列像素在WSS出厂时和WSS使用一段时间后（可能发生波长漂移）对应的波长来判断是否发生了波长漂移，如果对应关系发生变化则要进行校准。

往LCOS面板中写入与LCOS相同分辨率的灰度图可以精确控制每个像素点的相位。基于上述特性，本发明提供了一种硅基液晶波长选择开关的波长漂移检测，包括以下步骤：

步骤1：通过与LCOS配套的灰度图生成及写入软件向LCOS面板中写入特定的灰度图，该灰度图只有一列像素列L_i的灰度有灰度变化（如图3所示），它提供的相位如图4所示，其他的像素列均为黑色（黑色代表对应的像素相位为零），这样就可以把覆盖在像素列L_i上的光波长从WSS其中一个输出端口输出。该灰度图的作用是使得该列像素构成相位排列能够让覆盖在它上面的波长偏转到WSS的一个输出端口，然后用光谱仪检测该端口的输出信号，读出该像素列对应的光波长。用此波长与出厂时该列像素对应的波长做比较，如果两个波长相等，则说明无波长漂移；如果两个波长不相等，则说明发生了波长漂移。

步骤2：从波长选择开关的输入端口输入光信号，并检测与L_i对应的输出端口的光信号的波长λ_i1；

步骤3：根据λ_i1与出厂时该列像素对应的波长λ_i0的比较结果，判断是否发生了波长漂移；如果λ_i1＝λ_i0，则说明没有发生波长漂移；如果λ_i1≠λ_i0，说明发生了波长漂移。

为检测WSS提供的输入光信号以及信号可以通过以下两种方法实现。

方法一：

在波长选择开关的公共端接上宽带光源获得所述输入光信号；

在与L_i对应的波长选择开关的输出端口接上光谱仪获得所述输出光信号。

输出光信号的光谱如图5所示，上部分是波长未漂移是的光谱，下部分是波长发生漂移后的光谱，凸起光谱中心对应的波长就是这列像素对应的波长。读出下部分波长之后与WSS出厂时像素与波长对应表中的原波长对比，如果两波长相等说明波长没有发生漂移，如果两波长不相等，则说明波长发生了漂移。

方法二：

在WSS的公共端口上接一个3端口环形器，其中：将波长选择开关的公共端口接在3端口环形器的端口2上，将所述环形器的端口1接上宽带光源获得所述输入光信号，将所述环形器的端口3接上光谱仪获得所述输出光信号。如图6所示：上部分是波长未漂移时的光谱，下部分是波长发生漂移后的光谱，凹陷光谱中心对应的波长就是这列像素对应的波长。读出下部分波长之后与WSS出厂时像素列与波长对应表中的原波长对比，如果两波长相等说明波长没有发生漂移，如果两波长不相等，则说明波长发生了漂移。

本发明还提供了一种硅基液晶波长选择开关的波长漂移校正方法，其原理是：依据上述波长漂移检测方法，可以得到检测时像素列上的光波长，用该波长减去未发生波长漂移时的波长得到一个差值，然后用此差值除以一个像素覆盖的波长范围，则可以得出漂移的像素个数。校正工作是把灰度图生成及写入软件中像素列数与光波长的重新匹配，根据上述计算出的像素漂移个数，把软件中像素计数器向左或者向右平移，使得像素列数与光波长重新一一对应。这样，修正过后的软件控制的像素列数就能与用户想要切换的波长一致了。具体步骤如下：

通过灰度图生成及写入软件向LCOS面板中写入特定的灰度图，所述灰度图只有一列像素列L_i有灰度变化，其余列均为黑色；

从波长选择开关的某一输入端口输入光信号，并检测与像素列L_i对应的输出端口的光信号的波长λ_i1；

计算像素列L_i上覆盖的光波长λ_i1与原来未发生波长漂移时像素列L_i对应的光波长λ_i0（出厂时该列像素列对应的波长）之间的差值Δλ，Δλ＝λ_i1-λ_i0。

根据光路设计时光栅与傅里叶透镜的尺寸计算出一个像素列覆盖的波长范围Δλ，并获得漂移的像素个数Δp=Δλ/Δλ，Δλ的值可正可负，则Δp的值也可正可负。这里规定Δp为正值，则说明波长向右漂移；Δp为负值，则说明波长向右漂移。

校正工作主要是对控制软件中像素列数与光波长的重新匹配，根据上述计算出的像素漂移数Δp把灰度图生成及写入软件中像素计数器向左或者向右平移Δp，使像素列L_i与波长λ_i0相对应。

采用同样的方法对波长选择开关中所述波长进行校正。

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.硅基液晶波长选择开关的波长漂移检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

向硅基液晶面板中写入特定的灰度图，所述灰度图只有一列像素列L_i有灰度变化，其余像素列均为黑色；

从波长选择开关的输入端口输入光信号，并检测与像素列L_i对应的输出端口的光信号的波长λ_i1；

根据所述λ_i1与出厂时该列像素列对应的波长λ_i0的比较结果，判断是否发生了波长漂移；如果λ_i1＝λ_i0，则说明没有发生波长漂移；如果λ_i1≠λ_i0，说明发生了波长漂移。

2.如权利要求1所述的硅基液晶波长选择开关的波长漂移检测方法，其特征在于，

在波长选择开关的公共端接上宽带光源获得所述输入光信号；

在与L_i对应的波长选择开关的输出端口接上光谱仪获得所述输出光信号。

3.如权利要求1所述的硅基液晶波长选择开关的波长漂移检测方法，其特征在于，

将波长选择开关的公共端口接在3端口环形器的端口2上，将所述环形器的端口1接上宽带光源获得所述输入光信号，将所述环形器的端口3接上光谱仪获得所述输出光信号。

4.硅基液晶波长选择开关的波长校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过灰度图生成及写入软件向硅基液晶面板中写入特定的灰度图，所述灰度图只有一列像素列L_i有灰度变化，其余列均为黑色；

从波长选择开关的某一输入端口输入光信号，并检测与像素列L_i对应的输出端口的光信号的波长λ_i1；

计算所述λ_i1与出厂时该列像素列对应的波长λ_i0的差值Δλ；

根据光路设计时光栅与傅里叶透镜的尺寸计算出一个像素列覆盖的波长范围▽λ，并获得漂移的像素个数Δp=Δλ/▽λ；

将所述灰度图生成及写入软件中的像素计数器相应地平移Δp，使得像素列L_i与波长λ_i0相对应。

Images