CN103281153A - 一种基于硅基液晶的m×n端口的可重构光分插复用器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅基液晶的M×N端口的可重构光分插复用器。本发明的可重构光分插复用器包括：具有M个端口的光纤准直器输入阵列、球面反射镜、体光栅、LCoS Opto-VLSI芯片、透镜及具有N个端口的光纤准直器输出阵列。本发明实现了基于LCoS的M×N端口的ROADM，该设备内部光学系统设计独具特点，结构巧妙，功能优良，利用高密度刻划体光栅作为色散元件，采用在LCoS芯片加载不同二维取向的相位光栅的方法，通过改变光栅周期和光栅取向调制光束相位，实现光学大规模集成芯片对入射波长通道的二维方向的高效、灵活指配。本发明具有高通道数、最优的光谱灵活性、具备色散调节和脉冲整形等拓展功能，可通过软件方便地进行远程控制和升级。

Description

一种基于硅基液晶的M×N端口的可重构光分插复用器

技术领域

本发明涉及光通信与光网络技术，具体涉及一种基于硅基液晶的M×N端口的可重构光分插复用器。 

背景技术

进入21世纪以来，随着密集波分复用(DWDM)技术的广泛应用和光纤传输容量的巨幅增长，同步数字体系(SDH)技术早已不堪重负，构建以波长交换为基础的下一代智能化全光通信网逐渐成为通信研究和产业领域的重要共识。全光通信网具有投资运营成本低、可靠性高、功耗小、可扩展性强、组网灵活、可智能化动态配置网络资源以及对速率和协议透明等众多显著的优点，而成为当前光通信技术领域最主要的研究热点和发展方向之一，是对通信网进行升级改造和下一代网络建设的必然选择。能够通过软件进行远程控制的可重构光分插复用器(ROADM)和多维光交叉连接(OXC)设备作为未来全光通信网络发展所必需的关键性核心基础性设备，具有极其重要的研究价值和广阔的国际市场需求，受到了国际范围内各研究机构以及器件与设备供应商的广泛关注。 

目前ROADM器件所采用的核心技术主要包括基于电控微反射镜阵列的微机电系统(MEMS)或数字微镜元件(DMD)、基于硅基液晶(LCoS)的空间相位调制器阵列、基于阵列波导光栅(AWG)和热光开关的平面光波回路(PLC)光子集成技术、基于电光或热光效应微环形谐振腔可调谐光学滤波器阵列的PLC技术以及PLC和MEMS相结合的技术等。近年来基于波长选择开关(WSS)的第三代ROADM的国内外已公开专利技术方案的数量急剧上升，目前已达数百件之多。其中所采用的核心技术与本发明存在较强相关性的主要有基于MEMS的技术和基于LCoS的技术两大类。 

Giles等人所申请的美国专利“Optical Device with Configurable Channel Allocation”(公开号：US20040130774A1，公开日：2004年7月8日)，是一种典型的基于MEMS的1×N型WSS光学系统设计技术。在该技术方案中，输出光纤耦合功率直接依赖于MEMS镜角度控制的精确性。因此该方案保持MEMS微镜长期工作的稳定性和可重复性是最关键的问题。由于MEMS微镜是单轴的，要实现M×N的WSS功能将会非常困难。JDS Uniphase Corporation所申请的美国专利“M×N Wavelength Selective Switch”(公开号：US20120257853A1，公开日： 2012年10月11日)，采用的光学系统是一种基于单轴MEMS技术的2×2WSS设计方案。 

Finisar Corporation所申请的美国专利“Optical Wavelength Selective Switch Calibration System”(公开号：US20120328291A1，公开日：2012年12月27日)，是一种典型的基于LCoS的1×N WSS技术。Santec Corporation所申请的美国专利“Wavelength Selective Switching Devices”(公开号：US20130128215A1，公开日：2013年5月23日)，与Finisar Corporation的技术类似，该专利技术也是一种基于LCoS的1×N WSS技术。 

从以上对现有技术的分析可见，MEMS和LCoS技术是两种最优的解决途径。其中基于LCoS技术的方案，具有最好的通带特性；基于MEMS技术的方案，端口数相对较少，且工作于50GHz通道间隔时PDL偏大，但工作于100GHz通道间隔时具有很好的特性。目前所看到的WSS技术基本上只有1×N或N×1模式，而实现M×N型WSS功能的一种方法是需要采用多个M×1和1×N的WSS组合而成，另一种方法是需要对MEMS镜改成两轴向扫描，同时使用二维准直器阵列，但设计和制作二维MEMS的难度相当大。 

从现有各方面的工艺技术水平来看，以LCoS光学大规模集成(Opto-VLSI)芯片为基础的多端口ROADM具有高通道数、良好的通带特性和大的通带调谐灵活性与兼容性，是唯一能够满足未来光网络发展需求并具有动态色散补偿、脉冲整形等诸多强大潜在拓展功能的技术，将逐渐成为构建下一代ROADM的主流技术方向。 

如何实现高端口数和高通道数的任意波长、任意方向、无阻塞ROADM是长期以来业界所共同关注和追求的目标。基于LCoS的Opto-VLSI处理器芯片的ROADM技术虽然具有高通道数、光谱灵活性、色散调节和脉冲整形等强大的潜在衍生功能、可用软件方便地进行远程升级换代等诸多显著优点，但由于其光学系统设计本身的复杂性，使得迄今为止国际上基于LCoS的ROADM仍然均采用1×N端口设计。受透镜等光学元件尺寸和光路设计等基本要素的限制，采用这种1×N端口的技术方案极大地限制了基于LCoS的ROADM所能实现的端口数量。目前应用这种技术的商品化ROADM(WSS)所达到的最高水平也仅为1×23端口，端口数的进一步提高存在很大的技术困难。 

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于硅基液晶的M×N端口的可重构光分插复用器，具有8×32端口以上、支持多于32个波长通道、具备通道功率自动均衡功能、 通道带宽和通道间隔可调、兼容多种不同速率和通道间隔的DWDM信号、可进行远程软件控制的任意波长、任意方向及无阻塞ROADM。 

本发明的目的在于提供一种基于硅基液晶的M×N端口的可重构光分插复用器。 

本发明的基于硅基液晶的M×N端口的可重构光分插复用器包括：具有M个端口的光纤准直器输入阵列、球面反射镜、体光栅、LCoS Opto-VLSI芯片、透镜及具有N个端口的光纤准直器输出阵列；其中，光纤准直器输入阵列和体光栅分别位于球面反射镜的焦平面上；LCoS Opto-VLSI芯片和光纤准直器输出阵列分别位于透镜的前和后焦平面上；入射光经过具有M个端口的光纤准直器输入阵列入射，经球面反射镜反射至体光栅；体光栅光解复用，在LCoS Opto-VLSI芯片上形成M条色散条，每一条色散条上的每一个波长通道分别在LCoS Opto-VLSI芯片上占据一个区域；控制器在LCoS Opto-VLSI芯片上加载相位光栅，控制每一个区域的角度和空间频率，将每一条色散条上的每一个波长通道导向光纤准直器输出阵列的一个指定的端口输出，其中，M和N为自然数。 

体光栅采用高密度刻划体光栅。体光栅对来自M个输入端口的入射光解复用，在LCoS Opto-VLSI芯片上形成M条色散条，每一条色散条上的各每一个波长通道分别在LCoS Opto-VLSI芯片上占据一个区域。控制器在LCoS Opto-VLSI芯片上生成相位全息图，形成不同的二维取向的相位光栅，通过改变光栅周期和光栅取向调制光束的相位，根据控制器的指配指令对各波长通道所在的区域加载特定方向和特定空间频率，对各波长通道的1级衍射光进行角度编码，利用透镜的傅里叶变换效应将不同方向的衍射光导向N个输出端口中的任意一个指定的输出端口，从而实现来自任意输入端口的任意波长通道均可到达任意一个输出端口，实现M×N端口之间任意波长通道、任意端口间的可重构交叉互联。 

考虑到通道功率自动均衡在实际应用中不可或缺的重要性，本发明还包括通道功率自动均衡系统，通道功率自动均衡系统包括：M×N端口的可重构光分插复用器、N个光纤耦合器、N×1电控开关、通道功率实时监测模块及控制器；入射光从M个端口输入M×N端口的可重构光分插复用器，光解后的各波长通道分别从N个端口输出；经光纤耦合器后，大部分光输出，一小部分光进入N×1电控开关；N×1电控开关连接至通道功率实时监测模块；通道功率实时监测模块连接至控制器；M×N端口的可重构光分插复用器和N×1电控开关分别连接至控制器。从而，对各端口输出的各波长通道的光功率进行反馈控制，以实现各端口内各波长通道的自动功率均衡。其中，对各波长通道功率的控制通过在该波长通道所对应的区域上加载不同衍射效率的相位光栅的方法进行精确调控。本发明的系统成本低廉且易于实施，可以 与M×N端口的ROADM的光学系统一起进行一体化的气密封装。 

在通常的ROADM设备中，对输入信号偏振态的控制是必需加以认真考虑并妥善解决的重要问题之一，直接影响ROADM的偏振相关损耗(PDL)参数。对于基于DLP和SLM技术的ROADM而言，由于其内部光学系统中使用了体刻划闪耀光栅和LCoS Opto-VLSI芯片，二者均具有很强的偏振依赖性，因此这一问题显得尤其重要。针对这一问题，本发明的光纤准直器输入阵列采用带有偏振保持尾纤的光纤准直器，光纤准直器输入阵列包括偏振控制单元和偏振保持尾纤，入射光经偏振控制单元后进入偏振保持尾纤。偏振控制单元进一步包括两个偏振分束棱镜、λ/2波片和光延迟线；任意偏振态的入射光经过第一个偏振分束棱镜，分束成两束偏振态互相垂直的光，一束经过λ/2波片，另一束经过光延迟线进行光程补偿后，同时到达第二个偏振分束棱镜，重新会聚转化为具有最大衍射效率的偏振态光。偏振控制单元将任意输入偏振态转化为具有最大衍射效率的偏振态光，然后再耦合至输入端的偏振保持尾纤，以确保ROADM的PDL指标达到设计标准。 

本发明的有益效果： 

(1)本发明实现了基于LCoS的M×N端口的ROADM，该设备内部光学系统设计独具特点，结构巧妙，功能优良，利用高密度刻划体光栅作为色散元件，采用在LCoS芯片加载不同二维取向的相位光栅的方法，通过改变光栅周期和光栅取向调制光束相位，实现光学大规模集成芯片对入射波长通道的二维方向的高效、灵活指配； 

(2)本发明研的基于LCoS Opto-VLSI的ROADM具有8×32端口以上和32个波长通道以上、具备通道功率自动均衡功能、通道0.5dB带宽在10～45GHz范围内可调、通道间隔可调、通道间串扰低于35dB、回波损耗大于45dB、响应时间小于250ms、可进行远程软件控制任意波长、任意方向以及无阻塞等多项功能； 

(3)本发明的基于LCoS Opto-VLSI的ROADM具有高通道数、最优的光谱灵活性、具备色散调节和脉冲整形等拓展功能，可通过软件方便地进行远程控制和升级。 

附图说明

图1为本发明的基于硅基液晶的M×N端口的可重构光分插复用器的光路图； 

图2为本发明的基于硅基液晶的M×N端口的可重构光分插复用器的通道功率自动均衡系统的结构示意图； 

图3本发明的LCoS Opto-VLSI芯片的结构示意图，其中(a)为剖面图，(b)为俯视图，(c) 为进行角度编码的原理图； 

图4本发明的基于硅基液晶的M×N端口的可重构光分插复用器的光纤准直器输入阵列的结构示意图，其中，(a)为带有偏振保持尾纤的光纤准直器的示意图，(b)偏振保持尾纤内部的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例，进一步阐述本发明。 

如图1所示，本实施例的基于硅基液晶的M×N端口的可重构光分插复用器包括：具有8个端口的光纤准直器输入阵列1、球面反射镜2、体光栅3、LCoS Opto-VLSI芯片4、透镜5及具有32个端口的光纤准直器输出阵列6；其中，光纤准直器输入阵列1和体光栅3分别位于球面反射镜2的焦平面上；LCoS Opto-VLSI芯片4和光纤准直器输出阵列6分别位于透镜5的前和后焦平面上；入射光从具有M个端口的光纤准直器输入阵列1入射，经球面反射镜2反射至体光栅3；体光栅3光解复用，在LCoS Opto-VLSI芯片4上形成8条色散条，每一条色散条上的每一个波长通道分别在LCoS Opto-VLSI芯片4上占据一个区域；控制器在LCoS Opto-VLSI芯片上加载相位光栅，控制每一个区域的角度和空间频率，将每一条色散条上的每一个波长通道导向光纤准直器输出阵列6的一个指定的端口输出。输入和输出平面位于xy平面。 

如图2所示，通道功率自动均衡系统包括：M×N端口的可重构光分插复用器A、N个光纤耦合器B、N×1电控开关C、通道功率实时监测模块D及控制器；入射光从M个端口输入M×N端口的可重构光分插复用器A，光解后的各波长通道分别从N个端口输出；经光纤耦合器B后，99％光输出，1％光进入N×1电控开关C；N×1电控开关C连接至通道功率实时监测模块D；通道功率实时监测模块D连接至控制器；M×N端口的可重构光分插复用器和N×1电控开关分别连接至控制器。 

如图3(a)所示，LCoS Opto-VLSI芯片从下之上依次包括：硅基底、铝镜、λ/4波片、液晶、ITO及玻璃。在本实施例中，LCoS Opto-VLSI SLM芯片采用1920×1080像素，单像素尺寸为8×8μm²。考虑到衍射效率、插入损耗和通道串扰等问题，对每个端口的每一个波长通道在LCoS Opto-VLSI芯片上对应安排70×70个像素点阵形成二维取向的相位光栅，每个端口共支持32个波长通道。通道中心波长、0.5dB通道带宽、通道间隔、通道色散、衍射效率等通道特性均可通过对各通道所对应的像素单元内相位光栅的周期和相位取向进行精细的独 立调谐与控制，从而使整个ROADM器件具有极大的光谱灵活性和对各种DWDM信号的广泛兼容性。如图3(c)所示，三维坐标轴ξηζ，在LCoS Opto-VLSI上加载空间频率为v的相位光栅，衍射光将偏转方位角θ，衍射光的波矢相位光栅的波矢如果改变相位光栅的空间频率v，衍射光的偏转方位角θ的大小会随之变化，如果改变相位光栅的方位角φ，衍射光的偏转方位角θ的空间位置会随之改变。通过对不同波长通道加载特定空间频率和特定角度的相位光栅，实现空间方向指配。 

如图4(a)所示，光纤准直器输入阵列1包括偏振控制单元11和偏振保持尾纤12；如图4(b)所示，偏振控制单元11进一步包括两个偏振分束棱镜111、λ/2波片112和光延迟线；任意偏振态的入射光经过第一个偏振分束棱镜111，分束成两束偏振态互相垂直的光，一束经过λ/2波片112，另一束经过光延迟线113进行光程补偿后，同时到达第二个偏振分束棱镜111，重新会聚转化为具有最大衍射效率的偏振态光。 

最后应说明的是：虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明使用的参数，结构及其控制方法，但是本领域的技术人员应该理解，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，在不脱离本发明实质和精神范围内，可以对本发明进行各种修改和替换，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。 

Claims (7)

1.一种可重构光分插复用器，所述可重构光分插复用器基于硅基液晶具有M×N端口，其特征在于，所述可重构光分插复用器包括：具有M个端口的光纤准直器输入阵列(1)、球面反射镜(2)、体光栅(3)、LCoS Opto-VLSI芯片(4)、透镜(5)及具有N个端口的光纤准直器输出阵列(6)；其中，光纤准直器输入阵列(1)和体光栅(3)分别位于球面反射镜(2)的焦平面上；LCoS Opto-VLSI芯片(4)和光纤准直器输出阵列(6)分别位于透镜(5)的前和后焦平面上；入射光从具有M个端口的光纤准直器输入阵列(1)入射，经球面反射镜(2)反射至体光栅(3)；体光栅(3)光解复用，在LCoS Opto-VLSI芯片(4)上形成M条色散条，每一条色散条上的每一个波长通道分别在LCoS Opto-VLSI芯片(4)上占据一个区域；控制器在LCoS Opto-VLSI芯片(4)上加载相位光栅，控制每一个区域的角度和空间频率，将每一条色散条上的每一个波长通道导向光纤准直器输出阵列(6)的一个指定的端口输出，其中，M和N为自然数。

2.如权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于，所述体光栅(3)采用高密度刻划体光栅。

3.如权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于，进一步包括通道功率自动均衡系统，所述通道功率自动均衡系统包括：M×N端口的可重构光分插复用器、N个光纤耦合器、N×1电控开关、通道功率实时监测模块及控制器；入射光从M个端口输入M×N端口的可重构光分插复用器，光解后的各波长通道分别从N个端口输出；经光纤耦合器后，大部分光输出，一小部分光进入N×1电控开关；N×1电控开关连接至通道功率实时监测模块；通道功率实时监测模块连接至控制器；M×N端口的可重构光分插复用器和N×1电控开关分别连接至控制器。

4.如权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于，所述光纤准直器输入阵列采用带有偏振保持尾纤的光纤准直器，所述光纤准直器输入阵列包括偏振控制单元(11)和偏振保持尾纤(12)，入射光经偏振控制单元(11)后进偏振保持尾纤(12)。

5.如权利要求4所述的可重构光分插复用器，其特征在于，所述偏振控制单元进一步包括两个偏振分束棱镜(111)、λ/2波片(112)和光延迟线(113)；任意偏振态的入射光经过第一个偏振分束棱镜(111)，分束成两束偏振态互相垂直的光，一束经过λ/2波片(112)，另一束经过光延迟线(113)进行光程补偿后，同时到达第二个偏振分束棱镜(111)，重新会聚转化为具有最大衍射效率的偏振态光。

6.如权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于，所述LCoS Opto-VLSI芯片从下之上依次包括：硅基底、铝镜、λ/4波片、液晶、ITO及玻璃。

7.如权利要求3所述的可重构光分插复用器，其特征在于，对各波长通道功率的控制通过在该波长通道所对应的区域上加载不同衍射效率的相位光栅的方法进行精确调控。

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