CN104317006A - 一种波长选择开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长选择开关，包括输入光纤端口和输出光纤端口、光纤准直器阵列、偏振控制单元、光束整形系统、色散单元、消色差处理单元和微型反射开关引擎。其中偏振控制单元将入射光信号分解成同向传输、偏振方向一致的两束平行光束，减小光学系统的偏振相关损耗；微型反射开关引擎的微型反射单元具有高填充因子和高镜面平坦度等特点，实现了波长选择开关的通带超平坦特性。

Description

一种波长选择开关

技术领域

本发明涉及光纤通信系统和网络光波长交换器件领域，具体地涉及一种波长选择开关。

背景技术

波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术越来越广泛地被应用到光通信网络，其网络拓扑结构也变得更加复杂，对网络交叉节点上具有波长路由等智能化功能的器件和设备的需求变得越来越强，以实现业务的灵活调度和带宽的有效管理。但是之前的波分复用网络，其本质上还是一个点到点的线路组合，大多数的光层组网只能通过终端站实现的光线路系统构建。稍后出现的光分插复用器(Optical Add-drop Multiplexer，OADM)逐渐实现了从点到点组网向环网组件的演进。但是由于OADM有限的功能，通常只能上下固定数目和波长的光通道，并没有真正实现灵活的光层组网。因此，从某种意义上说，早期的波分复用系统并没有实现真正意义上的光层组网，难以满足业务网络IP(InternetProtocol)化和分组化的要求，例如网络的业务调度能力、可靠性、可维护性、可扩展性、可管理性等。这种情况直到可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-dropMultiplexer，ROADM)的出现才得以改善。ROADM可以在一个节点上完成光通道的上下路，以及穿通光通道之间的波长级别的交叉调度。

目前，构建ROADM系统常见的有三种技术：波长阻断器(Wavelength Blocker，WB)，平面光波电路(Planar Lightwave Circuits，PLC)和波长选择开关(Wavelength SelectiveSwitch，WSS)。其中WB结构简单，模块化程度好，预留升级端口时可支持灵活扩展升级功能，上下路波长较少时成本低，支持广播业务，具备通道功率均衡能力，但当上下路波长较多时，其成本较高，且不易过渡至光交叉连接设备(Optical Cross Connection，OXC)。PLC技术构建的ROADM具有节点内部插损小、上下路波长较多时成本低、便于升级等优点，但其模块化结构差，初期配置成本高，大容量交叉矩阵可靠性有待提高。WSS是近年来发展迅速的ROADM子系统技术，具有频带宽、色散低的特点，并且支持端口和波长的无关性，即任意端口都可以接口任意波长的光信号，同时支持更高的维度，即ROADM节点可以提供能多连接的方向数，基于WSS的ROADM逐渐成为高维度ROADM的首选技术。

目前已有多种技术可用于实现WSS，其中最主要和常见的有基于液晶(Liquid Crystal，LC)的WSS模块，基于硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)的WSS模块和基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)技术的WSS模块。LC技术相对简单，但要实现高维度的WSS，必须叠加多层液晶和棱镜，造成更大的串扰。LCOS技术能够精确控制各通道的相位和振幅，但插入损耗较大，而且各通道之间的串扰和带宽受限于最小像素的大小。相比于LCOS技术，基于MEMS技术的WSS引起了相当大的关注，因为其具有插入损耗低和串扰，更快的开关速度，更大的消光比等优点，更重要是其可以做到输入光的偏振无关。早期基于MEMS技术的WSS都是一维的，微镜面阵列都在同一方向内转动，结构相对简单。后来为了在更多维方向上实现通道的切换，微镜面阵列采用二维结构，也就说镜面的转动方向既可以平行于光栅的色散方向，也可以垂直于光栅的色散方向，虽然这种WSS实现了更多的输入输出端口，但引入了更多的问题，比如通道切换速度较慢，通道之间串扰较大，通道信号损耗不均衡，通带增益抖动较大等，且稳定性难以保证，很难适用于工业领域。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种结构简单、操作方便且稳定性高的波长选择开关。

为了实现上述目的，本发明提供的一种波长选择开关包括输入光纤端口和输出光纤端口、光纤准直器阵列、偏振控制单元、光束整形系统、色散单元、消色差处理单元和微型反射开关引擎；

所述输入光纤端口外接输入光纤，所述输出光纤端口外接输出光纤，所述输入光纤端口和所述输出光纤端口分别连接所述光纤准直器阵列，输入光束经所述输入光纤通过所述输入光纤端口输入所述光纤准直器阵列；

所述光纤准直器阵列包括输入光纤准直器和输出光纤准直器，输入光束经所述输入光纤准直器作用变成高斯光束，然后输入所述偏振控制单元；

所述偏振控制单元将来自所述输入准直器的高斯光束分解成同向传输、偏振方向一致的两束平行光束，然后输入所述光束整形系统；

所述光束整形系统用于增加所述两束平行光束之间的距离，同时将所述两束平行光束的圆光斑变成椭圆光斑，所述椭圆光斑的长径平行于所述色散单元的色散方向；

所述色散单元用于将所述两束平行光束以色散单元的色散方向发散成两组包含多个波长的光信号，分散的多个波长的光信号分别以不同的方向在同一平面内传输；

所述消色差处理单元用于消除色差，同时对分散的多个波长的光信号进行汇聚；

所述微型反射开关引擎包括多个微型反射单元以及驱动电路，所述驱动电路通过改变加载于微型反射单元的电压来改变微型反射单元的偏转角度，从而对不同波长的光信号进行反射，并依次经所述消色差处理单元、色散单元、光速整形系统和偏振控制单元，使返回的光信号输入至对应的输出光纤准直器；

所述输出光纤准直器通过所述输出光纤端口经所述输出光纤将所述光信号输出。

优选地，本发明还包括第一反射元件，所述第一反射元件设置于所述偏振控制单元与所述光束整形系统之间，用于改变所述两束平行光束的传输方向。

优选地，本发明还包括第二反射元件，所述第二反射元件设置于所述光束整形系统与所述色散单元之间，用于改变所述两束平行光束的传输方向。

优选地，所述输入光纤端口为1个，所述输出光纤端口为2个或2个以上；所述输入光纤准直器的数量与所述输入光纤端口的数量相等，所述输出光纤准直器的数量与所述输出光纤端口的数量相等。

优选地，所述输出光纤准直器以所述输入光纤准直器为中心线对称排列。

优选地，所述偏振控制单元包括偏振分离单元和偏振旋转单元，所述偏振分离单元为一种双折射晶体，所述偏振旋转单元为半波片。

优选地，所述光束整形系统包括两个呈夹角设置的直角棱镜。

优选地，所述色散单元为衍射光栅，具有较高的空间频率。

优选地，所述消色差处理单元为双胶合透镜，所述双胶合透镜包括一个双凸透镜和一个单凹透镜；所述双凸透镜为正透镜，用于产生负色差；所述单凹透镜为负透镜，用于产生正色差。

所述双胶合透镜与所述微型反射开关引擎之间的距离等于所述双胶合透镜的焦距f。

优先地，所述多个微型反射单元横向排列，所述多个微型反射单元的转轴位于同一平面，且平行于所述色散单元的色散方向。

优选地，所述微型反射开关引擎采用基于MEMS的微型反射镜面阵列。

优选地，所述微型反射单元包括微型反射镜面、上电极、上硅基底座、下电极、下硅基底座和陶瓷板，所述微型反射镜面为超平坦的微型反射镜面，所述微型反射镜面设于所述上电极上，所述上电极固定于所述上硅基底座，所述上硅基底座中部设有一个悬梁臂，所述微型反射镜面以所述悬梁臂为中轴而旋转；所述下电极设于所述下硅基底座上，所述下硅基底座固定于所述陶瓷板；所述上电极与所述下电极之间加载一电压。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、通过设置第一反射元件、第二反射元件可减小波长选择开关的整体尺寸。

2、输出光纤准直器以输入光纤准直器为中心线对称排列，可以减小微型反射单元的偏转角度，提高偏转速度，降低其驱动电压。

3、通过由偏振分离单元和偏振旋转单元组成的偏振控制单元，可减小本发明的波长选择开关的偏振相关损耗。

4、通过两个呈夹角设置的直角棱镜所组成的光束整形系统，有助于衍射光栅的色散能力，且光束整形系统的放大倍数可依据波长选择开关需求而改变，放大倍数与直角棱镜的顶角和棱镜材料的折射率有关。

5、通过双凸透镜和单凹透镜组成的双胶合透镜可以消除色差，同时对光信号进行汇聚。

6、上电极与下电极之间产生静电吸引力，导致所述微型反射镜面发生小角度偏转，由于旋转角度很小，微型反射镜面能够快速地将返回光信号从一输出端口切换到另一输出端口，因此本发明的波长选择开关具有超快速的优点。

7、通过采用一维微型镜面阵列结合阵列衰减，解决了光路切换的串扰问题，避免了采用技术难度大和经济成本高的二维阵列转镜，所以保证了本发明的波长选择开关的可靠、稳定和寿命长的优势。

8、本发明采用的微型反射单元具有高填充因子和高镜面平坦度等特点，实现了波长选择开关的通带超平坦特性，且具有较宽的0.5dB带宽和3dB带宽。

附图说明

图1为本发明的模块示意图；

图2为本发明的偏振控制单元的示意图；

图3为本发明的光束整形系统的示意图；

图4为本发明的消色差处理单元的示意图；

图5a为本发明的波长选择开关结构的俯视示意图；

图5b为本发明的波长选择开关结构在y平面的侧视示意图；

图6为本发明的基于MEMS技术的微型镜面阵列的示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的波长选择开关包括输入光纤端口101和输出光纤端口102、光纤准直器阵列103、偏振控制单元104、光束整形系统105、色散单元106、消色差处理单元107和微型反射开关引擎108；

所述输入光纤端口101外接输入光纤，所述输出光纤端口102外接输出光纤，所述输入光纤端口101和所述输出光纤端口102分别连接所述光纤准直器阵列103，输入光束经所述输入光纤通过所述输入光纤端口101输入所述光纤准直器阵列103；

所述光纤准直器阵列103包括输入光纤准直器和输出光纤准直器，输入光束经所述输入光纤准直器作用变成高斯光束，然后输入所述偏振控制单元104；

所述偏振控制单元104将来自所述输入准直器的高斯光束分解成同向传输、偏振方向一致的两束平行光束，然后输入所述光束整形系统105；

所述光束整形系统105用于增加所述两束平行光束之间的距离，同时将所述两束平行光束的圆光斑变成椭圆光斑，所述椭圆光斑的长径平行于所述色散单元106的色散方向；

所述色散单元106用于将所述两束平行光束以所述色散单元的色散方向发散成两组包含多个波长的光信号，分散的多个波长的光信号分别以不同的方向在同一平面内传输；

所述消色差处理单元107用于消除色差，同时对分散的多个波长的光信号进行汇聚；

所述微型反射开关引擎108包括多个微型反射单元以及驱动电路，所述驱动电路通过改变加载于微型反射单元的电压来改变微型反射单元的偏转角度，从而对不同波长的光信号进行反射，并依次经所述消色差处理单元107、色散单元106、光速整形系统105和偏振控制单元104，使返回的光信号输入至对应的输出光纤准直器；

所述输出光纤准直器通过所述输出光纤端口102经所述输出光纤将所述光信号输出。

优选地，如图5a所示，本发明还包括第一反射元件501，所述第一反射元件501设置于所述偏振控制单元104与所述光束整形系统105之间，用于改变所述两束平行光束的传输方向。通过设置第一反射元件501可减小本发明的波长选择开关的整体尺寸。

优选地，如图5a所示，本发明还包括第二反射元件502，所述第二反射元件502设置于所述光束整形系统105与所述色散单元106之间，用于改变所述两束平行光束的传输方向。通过设置第二反射元件502可进一步减小本发明的波长选择开关的整体尺寸。

优选地，如图5b所述，所述输入光纤端口为1个，所述输出光纤端口为2个或2个以上；所述输入光纤准直器的数量与所述输入光纤端口101的数量相等，所述输出光纤准直器的数量与所述输出光纤端口102的数量相等。

优选地，所述输出光纤准直器以所述输入光纤准直器为中心线对称排列。这一设计的好处在于可以减小微型反射单元的偏转角度，提高偏转速度，降低其驱动电压。

优选地，如图2所示，所述偏振控制单元104包括偏振分离单元201和偏振旋转单元202，所述偏振分离单元201为一种双折射晶体，所述偏振旋转单元202为半波片。通过偏振控制单元可减小本发明的波长选择开关的偏振相关损耗。

任意偏振光束203以一个特殊角度入射到偏振分离单元201，由于偏振分离单元201的双折射效应，光束203分解为两束沿不同方向折射的线偏振光204、线偏振光205，它们的振动方向互相垂直。线偏振光205入射到偏振旋转单元202时，其振动面与偏振旋转单元202主截面之间的夹角为45度，则出射的线偏振光207的偏振方向旋转90度，因此从偏振控制单元出射的线偏振光206和线偏振光207具有同样的偏振态，即两束光就变成了同向传输、偏振方向一致的光束。

优选地，如图3所示，所述光束整形系统105包括两个呈夹角设置的直角棱镜301、302。光束整形系统105的光束扩大倍数为各个直角棱镜的放大倍数的乘积。所述光束整形系统105的单一棱镜的光斑放大倍数取决于棱镜的顶角β和棱镜材料的折射率n，表示为

$R=\frac{\cos \mathrm{\β}}{\cos \left(\arcsin (n\·\sin \mathrm{\β})\right)}$

优选地，如图4所示，所述消色差处理单元107为双胶合透镜401，所述双胶合透镜401包括一个双凸透镜402和一个单凹透镜403；所述双凸透镜402为正透镜，用于产生负色差；所述单凹透镜403为负透镜，用于产生正色差。通过所述双凸透镜402和所述单凹透镜403的组合可以消除系统的色差，同时对光信号进行汇聚。

所述双胶合透镜401与所述微型反射开关引擎108之间的距离等于所述双胶合透镜401的焦距f。

如图5a为本发明的波长选择开关的结构的俯视示意图。波长选择开关的光路基于空间同轴光学成像技术，进行波长选择的原理如下：

由输入光纤端口101传送来的输入光信号经光纤准直器阵列103进入波长选择开关光学系统；光束首先被偏振控制单元104分解成两束具有相同偏振态同向传输的光束，然后两光束被第一反射元件501反射进入光束整形系统105，经第一直角棱镜301和第二直角棱镜302放大，形成椭圆光斑。椭圆光斑被第二反射元件502反射到衍射光栅503，光束按波长的不同沿不同方向进行色散，椭圆光斑的色散方向与椭圆的长轴在同一平面，两束光斑中相同波长的光具有相同的色散方向。被色散的各波长光进入双胶合透镜401，用于消除色差并将相同波长的两束光汇聚到微型反射开关引擎108的同一位置，双胶合透镜401与微型反射开关引擎108之间的距离刚好为双胶合透镜401的焦距f。微型反射开关引擎108由横向排列的众多微型反射单元组成，其转轴位于同一平面，且平行于光栅的色散方向。

图5b为本发明的波长选择开关的结构在y平面的侧视示意图，y1平面表示从上向下看，y2平面表示从下向上看。微型反射开关引擎108的微型反射单元转动方向在y平面内，转动角度θ的大小取决于驱动电压的大小，并会决定返回光束的路径选择。如图5b所示，返回光束将再次经过双胶合透镜401到达衍射光栅503，此时衍射光栅503则具有汇聚作用，不同波长的光束将会被重新聚成一个椭圆光束，后经光束整形系统105还原成并缩小成圆形光斑。两束圆形光斑将进入偏振控制单元104，由于微型反射开关引擎108的反射作用，原线偏振光206和207将交换返回路径，即原线偏振光206经过偏振旋转单元202，其偏振状态将发生90度旋转，与原线偏振光207的偏振方向垂直，最后两束线偏振光被偏振分离单元201合成一束光，由光纤准直器阵列103输出到输出光纤阵列。如图5b所示，当转动角度为θ₁时，返回光束将进入输出光纤102-1，当转动角度大于θ₁或者小于θ₁时，返回光束将偏离输出光纤102-1，此时波长选择开关将起到波长阻断或者滤波的功能，功率衰减的大小取决于返回光束偏离输出光纤102-1的大小。同样地，当转动角度为θ₂时，返回光束将进入输出光纤102-2，当转动角度大于θ₂或者小于θ₂时，返回光束将偏离输出光纤102-2。因此，返回光束偏离目标输出端口的大小将决定衰减的大小，但此时必须考虑这个返回光束对邻近输出端口的串扰，对于一个给定的偏离光束，输出端口的衰减和对邻近输出端口的串扰可以用下式计算

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{attenuation}}\left(x_0\right)={\left|{\∫}_{D-\mathrm{collimator}}\mathrm{\Ψ}(x,y)\mathrm{\Ψ}(x-x_0,y)\mathrm{dxdy}\right|}^2$

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{crosstalk}}\left(x_0\right)={\left|{\∫}_{D-\mathrm{collimator}}\mathrm{\Ψ}(x,y)\mathrm{\Ψ}(x+P_L-x_0,y)\mathrm{dxdy}\right|}^2$

式中，Ψ(x,y)表示光斑形状，P_L表示邻近输出端口之间的间隔，x₀表示返回光束偏离准直器光轴的距离，D-collimator表示光纤准直器的直径。

优选地，如图6所示，所述微型反射开关引擎108为采用基于MEMS的微型镜面阵列，所述微型反射单元包括微型反射镜面601、上电极602、上硅基底座603、悬梁臂604、下电极605、609、陶瓷板606和下硅基底座607、608，所述微型镜面601为超平坦的微型反射镜面，所述微型反射镜面601设于上电极602上，所述上电极602固定于上硅基底座603，所述上硅基底座603中部设有一个悬梁臂604，所述微型反射镜面601以所述悬梁臂604为中轴而旋转；所述下电极605、609分别设于所述下硅基底座607、608上，所述下硅基底座607、608固定于所述陶瓷板606；所述上电极602与所述下电极609之间加载一电压610，两者会产生静电吸引力，所述微型反射镜面601发生小角度偏转，而此时由于所述悬梁臂604发生了轻微扭转，产生扭转力，当所述悬梁臂604所提供的扭转力和所述微型反射镜面601受到的静电吸引力达到平衡时，所述微型反射镜面601处于一种小角度θ偏转的平衡状态，此时入射到所述微型镜面601的光束会偏离入射时的路线。由于旋转角度很小，所述微型反射镜面601能够快速地将返回光信号从输出光纤102-2切换到输出光纤102-1，因此本发明的波长选择开关具有超快速的优点。通过采用一维微型镜面阵列结合阵列衰减，解决了光路切换的串扰问题，避免了采用技术难度大和经济成本高的二维阵列转镜，所以保证了本发明的波长选择开关的可靠、稳定和寿命长的优势。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种波长选择开关，其特征在于：包括输入光纤端口和输出光纤端口、光纤准直器阵列、偏振控制单元、光束整形系统、色散单元、消色差处理单元和微型反射开关引擎；

所述输入光纤端口外接输入光纤，所述输出光纤端口外接输出光纤，所述输入光纤端口和所述输出光纤端口分别连接所述光纤准直器阵列，输入光束经所述输入光纤通过所述输入光纤端口输入所述光纤准直器阵列；

所述光纤准直器阵列包括输入光纤准直器和输出光纤准直器，输入光束经所述输入光纤准直器作用变成高斯光束，然后输入所述偏振控制单元；

所述偏振控制单元将来自所述输入准直器的高斯光束分解成同向传输、偏振方向一致的两束平行光束，然后输入所述光束整形系统；

所述光束整形系统用于增加所述两束平行光束之间的距离，同时将所述两束平行光束的圆光斑变成椭圆光斑，所述椭圆光斑的长径平行于所述色散单元的色散方向；

所述色散单元用于将所述两束平行光束以色散单元的色散方向发散成两组包含多个波长的光信号，分散的多个波长的光信号分别以不同的方向在同一平面内传输；

所述消色差处理单元用于消除色差，同时对分散的多个波长的光信号进行汇聚；

所述微型反射开关引擎包括多个微型反射单元以及驱动电路，所述驱动电路通过改变加载于微型反射单元的电压来改变微型反射单元的偏转角度，从而对不同波长的光信号进行反射，并依次经所述消色差处理单元、色散单元、光速整形系统和偏振控制单元，使返回的光信号输入至对应的输出光纤准直器；

所述输出光纤准直器通过所述输出光纤端口经所述输出光纤将所述光信号输出。

2.根据权利要求1所述的波长选择开关，其特征在于：还包括第一反射元件，所述第一反射元件设置于所述偏振控制单元与所述光束整形系统之间，用于改变所述两束平行光束的传输方向。

3.根据权利要求2所述的波长选择开关，其特征在于：还包括第二反射元件，所述第二反射元件设置于所述光束整形系统与所述色散单元之间，用于改变所述两束平行光束的传输方向。

4.根据权利要求1-3任一项所述的波长选择开关，其特征在于：所述输入光纤端口为1个，所述输出光纤端口为2个或2个以上；所述输入光纤准直器的数量与所述输入光纤端口的数量相等，所述输出光纤准直器的数量与所述输出光纤端口的数量相等；所述输出光纤准直器以所述输入光纤准直器为中心线对称排列。

5.根据权利要求1-3任一项所述的波长选择开关，其特征在于：所述偏振控制单元包括偏振分离单元和偏振旋转单元，所述偏振分离单元为一种双折射晶体，所述偏振旋转单元为半波片。

6.根据权利要求1-3任一项所述的波长选择开关，其特征在于：所述光束整形系统包括两个呈夹角设置的直角棱镜。

7.根据权利要求1-3所述的波长选择开关，其特征在于：所述色散单元为衍射光栅。

8.根据权利要求1-3任一项所述的波长选择开关，其特征在于：所述消色差处理单元为双胶合透镜，所述双胶合透镜包括一个双凸透镜和一个单凹透镜；所述双凸透镜为正透镜，用于产生负色差；所述单凹透镜为负透镜，用于产生正色差；

所述双胶合透镜与所述微型反射开关引擎之间的距离等于所述双胶合透镜的焦距f。

9.根据权利要求1-3任一项所述的波长选择开关，其特征在于：所述多个微型反射单元横向排列，多个微型反射单元的转轴位于同一平面，且平行于所述色散单元的色散方向。

10.根据权利要求9所述的波长选择开关，其特征在于：所述微型反射开关引擎采用基于MEMS的微型反射镜面阵列。