CN104777557B - 基于lcos的多端口可变带宽波长选择开关 - Google Patents

基于lcos的多端口可变带宽波长选择开关 Download PDF

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Abstract

一种基于LCOS的多端口可变带宽波长选择开关，涉及光通信领域，包括一个1×N的TBWSS器件、由N个光纤准直阵列组成的光纤准直器阵列组，每个光纤准直阵列有一个输入端口和M个输出端口，TBWSS器件输出光信号到光纤准直阵列的输入端口，偏振转换单元将光纤准直器阵列组输出的光信号变为同一偏振态的光，X方向第一柱透镜和X方向第二柱透镜使X方向投射在光栅上的光斑足够大，光栅衍射不同波长的光，衍射出的不同角度的光束在X方向，经过X方向第三柱透镜准直投射在LCOS上；在Y方向，经过Y方向柱透镜阵列，再经过X方向第三柱透镜准直投射到LCOS上。本发明增加单个TBWSS的输出端口数目，降低系统功耗和成本。

Description

基于LCOS的多端口可变带宽波长选择开关
技术领域
本发明涉及光通信领域，具体来讲是一种基于LCOS(Liquid Crystal OnSilicon，硅基液晶)的多端口可变带宽波长选择开关。
背景技术
智能光网络主要是由一系列具有高度灵活性的系统设备构成。其中，TBWSS(Tunable Bandwidth Wavelength Selective Switch，可变带宽波长选择开关)是智能光网络系统中的核心模块，可以通过软件配置实现波长的上、下路和直通，且带宽灵活可调。
如图1所示，为传统的基于1×N的TBWSS(1为输入端口数目，N为输出端口数目)，包括光纤准直器阵列301、偏振转换单元302、X方向第一柱透镜303、X方向第二柱透镜304、衍射光栅305、Y方向柱透镜306、X方向第三柱透镜307、LCOS 308。
其工作原理如下：光信号从光纤准直器阵列301的输入端口输入，经过偏振转换单元302后成为同一偏振态的光，然后通过X方向第一柱透镜303与X方向第二柱透镜304组成的扩束系统，使得X方向投射在衍射光栅305上的光斑足够大，以增加衍射光栅305的衍射效率；入射光束经过衍射光栅305衍射后，不同波长的光被分开；在X方向，由衍射光栅305出射的角度发散的光束经过X方向第三柱透镜307，准直投射在LCOS 308上，且不同波长的光聚焦在LCOS 308的不同位置。在Y方向，Y方向柱透镜306保证Y方向的光束不会发散。投射到LCOS 308的不同波长光信号与LCOS 308的液晶像素一一对应，通过调节LCOS 308的液晶像素的相位分布，控制不同波长经过LCOS 308反射后的偏转角度，偏转后的光信号经X方向第三柱透镜307、Y方向柱透镜306、衍射光栅305、X方向第二柱透镜304、X方向第一柱透镜303、偏振转换单元302之后，输出到光纤准直器阵列301的输出端口，完成可变带宽波长选择开关的功能。
但是，随着光通信系统向更高维度的网状系统发展，由于1×N的TBWSS输出端口数目有限，业界目前输出端口数目最多为20个，在需要大量输出端口时，需要采用1个1×NTBWSS和N个1×M TBWSS级联，其中M和N均为TBWSS的出端口，使得整个系统中TBWSS的数量大幅增加，功耗和成本都相应增加。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于LCOS的多端口可变带宽波长选择开关，不采用多个TBWSS级联，增加单个TBWSS的输出端口数目，即满足1个输入端口，N×M个输出端口，降低系统功耗和成本。
本发明的有益效果在于：通过设置一个1×N的TBWSS器件101、由N个光纤准直阵列组成的光纤准直器阵列组102，且N个Y方向的柱透镜与光纤准直器阵列组102的N个光纤准直器阵列一一对应，还与LCOS 109在Y方向的N个区域一一对应，因此实现了避免级联，增加单个TBWSS的输出端口数目，减少了系统的元器件，降低系统功耗和成本。
附图说明
图1为现有技术中1×N的TBWSS器件结构示意图；
图2为本发明实施例多端口的TBWSS结构示意图；
图3为图2中偏振转换单元原理示意图；
图4为LCOS光束偏转原理图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，基于LCOS的多端口的TBWSS，本实施例中具有1个输入端口，N×M个输出端口。其包括一个1×N的TBWSS器件101、由N个光纤准直阵列组成的光纤准直器阵列组102(N≥2)、偏振转换单元103、X方向第一柱透镜104、X方向第二柱透镜105、光栅106、Y方向柱透镜阵列107、X方向第三柱透镜108和LCOS 109。
每个光纤准直阵列有一个输入端口和M个输出端口，其中M≥2，光信号从TBWSS器件101的输入端口输入，从TBWSS器件101的输出端口输出，TBWSS器件101的N个输出端口与光纤准直器阵列组102的N个光纤准直阵列输入端口分别对应相连，通过控制TBWSS器件101可以输出指定的光信号到光纤准直器阵列组102的任意一个光纤准直器阵列的输入端口。偏振转换单元103用于将光纤准直器阵列组102输出的光信号变为同一偏振态的光，然后通过X方向第一柱透镜104和X方向第二柱透镜105组成的扩束系统，使得X方向投射在光栅106上的光斑足够大，以增加光栅106的衍射效率；本实施例中光栅106为反射光栅，但是在其他实施例中，光栅106还可以为透射光栅。
入射光束经过光栅106衍射后，不同波长的光已经被分散开。在X方向，由光栅106分开的不同角度的光束经过X方向第三柱透镜108，准直投射在LCOS 109上，而且不同波长的光聚焦在LCOS 109的不同位置上；在Y方向，由光栅106分开的不同角度的光束经过Y方向柱透镜阵列107，保证Y方向的光束不会发散，再经过X方向第三柱透镜准直投射到LCOS 109上。其中，Y方向柱透镜阵列107包含N个Y方向的柱透镜，LCOS 109在Y方向划分为N个区域，N个Y方向的柱透镜与光纤准直器阵列组102的N个光纤准直器阵列一一对应，还与LCOS 109在Y方向的N个区域一一对应。
本发明实现光信号从1个输入端口，从N×M个端口输出的方式如下：
对TBWSS器件101的输出端口进行编号，为1、2、…、N-1、N；
对光纤准直器阵列组102的输入端口进行编号，为1、2、…、N-1、N；
对光纤准直器阵列组102的输出端口进行编号，为1_1、1_2、…、1_(M-1)、1_M、2_1、2_2、…、2_(M-1)、2_M、…、N_1、N_2、…、N_(M-1)、N_M；
LCOS 109在Y方向被划分成N个区域，编号为1、2、…、N-1、N；与光纤准直器阵列组102的N个光纤准直器阵列一一对应，还与Y方向柱透镜阵列107的N个Y方向柱透镜一一对应。
TBWSS器件101的N个输出端口与光纤准直器阵列组102的N个输入端口对应并相连，若需要把指定的光信号输出到光纤准直器阵列组102的输出端口N_M，即光纤准直器阵列组102的第N个准直器阵列的第M个输出端口。TBWSS器件101第N个端口输出的光信号与光纤准直器阵列组102的第N个准直阵列的输入端口相连，经过偏振转换单元103、X方向第一柱透镜104、X方向第二柱透镜105、光栅106后，入射到Y方向柱透镜阵列107的第N个Y方向柱透镜，再经过X方向第三柱透镜108，准直投射在LCOS 109在Y方向的第N个区域上。不同波长的光信号在LCOS 109的X方向分布，可以独立控制LCOS 109的X方向的液晶像素，实现不同波长的光信号偏转到光纤准直器阵列组的任意输出端口；具体的，通过控制LCOS 109在Y方向的第N个区域液晶像素的相位分布，使光信号偏转到光纤准直器阵列组102的第N_M输出端口。
偏振转换单元103由YVO4晶体加半波片阵列组成，如图3所示，其工作原理是：入射的随机偏振光束，首先被YVO4晶体分成o光和e光两束线偏振光，之后o光的偏振方向被半波片旋转90°，或者e光的偏振方向被半波片旋转90°，因此两束输出光的偏振方向相同。
如图4所示，其中输出端口相当于图1中光纤准直器阵列301的输出端口，光栅透镜组合相当于图1中偏振转换单元302、X方向第一柱透镜303、X方向第二柱透镜304、衍射光栅305、Y方向柱透镜306以及X方向第三柱透镜307，LCOS光束偏转原理为：设LCOS 308液晶像素大小为d，光信号的入射角为α，光信号在LCOS 308表面的衍射角为β。根据衍射公式可得：
λ＝Bd(sinα+sinβ) 公式(1)
通过调节LCOS 308的相位级次，可得出衍射角β；通过调节LCOS的相位级次，可以控制光信号从入射端口输出到不同的输出端口，实现波长选择开关功能。
因此，本发明实施例中，可以通过控制LCOS 109在Y方向第N个区域液晶像素的相位分布，使光信号偏转到光纤准直器阵列组102的第N_M个输出端口。LCOS 109在Y方向第N个区域液晶像素的相位分布按照公式(1)计算，已知光信号波长λ，液晶像素大小d，还需要知道入射角α和衍射角β。
所述入射角α由三部分的位置关系决定：光纤准直器阵列组102中指定光纤准直器阵列的输入端口(本实施例中为第N个准直器阵列的输入端口)、Y方向柱透镜阵列107中与该指定光纤准直器阵列对应的Y方向柱透镜(本实施例中为第N个Y方向柱透镜)、LCOS 109在Y方向与指定光纤准直器阵列对应的区域(本实施例中，为第N个区域)。
光纤准直器阵列组102中指定光纤准直器阵列的指定输出端口(本实施例中为第M个输出端口)，Y方向柱透镜阵列107中与该指定光纤准直器阵列对应的Y方向柱透镜(本实施例中为第N个Y方向柱透镜)、LCOS 109中在Y方向与指定光纤准直器阵列对应的区域(本实施例中为第N个区域)。
根据图4的光路位置关系原理，分析得到入射角α和衍射角β的数值，按照公式(1)即可计算出LCOS 109在Y方向第N个区域的液晶像素相位分布，通过LCOS 109驱动电路下载相位分布到LCOS 109的第N个区域，即可实现光信号从光纤准直器阵列组102的输出端口N_M输出。按照上面的工作方式可使进入TBWSS器件输入端口的光信号从光纤准直器阵列组102的任意输出端口输出，由于光纤准直器阵列组102有N×M个输出端口，因此，1个TBWSS器件101的输入端口，N×M个输出端口，实现了1×(N×M)的TBWSS功能。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种基于LCOS的多端口可变带宽波长选择开关，包括偏振转换单元、X方向第一柱透镜、X方向第二柱透镜、光栅、Y方向柱透镜阵列、X方向第三柱透镜和LCOS，其特征在于：还包括一个1×N的可变带宽波长选择开关TBWSS器件、由N个光纤准直阵列组成的光纤准直器阵列组，其中N≥2，每个光纤准直阵列有一个输入端口和M个输出端口，M≥2，TBWSS器件用于输出光信号到光纤准直阵列的输入端口，偏振转换单元用于将光纤准直器阵列组输出的光信号变为同一偏振态的光，X方向第一柱透镜和X方向第二柱透镜用于使X方向投射在光栅上的光斑足够大，光栅用于衍射不同波长的光，光栅衍射出的不同角度的光束在X方向，经过X方向第三柱透镜准直投射在LCOS上；在Y方向，经过Y方向柱透镜阵列，再经过X方向第三柱透镜准直投射到LCOS上；
Y方向柱透镜阵列包含N个Y方向的柱透镜，LCOS在Y方向划分为N个区域，N个Y方向的柱透镜与光纤准直器阵列组的N个光纤准直器阵列一一对应，还与LCOS在Y方向的N个区域一一对应；输入光纤准直器阵列组的光信号依次经过偏振转换单元、X方向第一柱透镜、X方向第二柱透镜、光栅后，入射到Y方向柱透镜阵列的对应Y方向柱透镜，再经过X方向第三柱透镜，准直投射在LCOS在Y方向的对应区域上，通过控制LCOS在Y方向的不同区域液晶像素的相位分布，使TBWSS器件进入输入端口的光信号偏转到光纤准直器阵列组中对应的光纤准直阵列输出端口。
2.如权利要求1所述的基于LCOS的多端口可变带宽波长选择开关，其特征在于：1×N的TBWSS器件的每个输出端口分别与光纤准直器阵列组的一个输入端口对应相连。
3.如权利要求1所述的基于LCOS的多端口可变带宽波长选择开关，其特征在于：通过独立控制LCOS在X方向的液晶像素，实现不同波长的光信号偏转到光纤准直器阵列组的任意输出端口。
4.如权利要求1所述的基于LCOS的多端口可变带宽波长选择开关，其特征在于：LCOS在Y方向的不同区域液晶像素的相位分布，通过公式λ＝Bd(sinα+sinβ)计算，其中λ为光信号波长，d为液晶像素大小，α为入射角，β为衍射角，B为LCOS的相位级次。
5.如权利要求4所述的基于LCOS的多端口可变带宽波长选择开关，其特征在于：所述入射角α由三部分的位置关系决定，包括光纤准直器阵列组中指定光纤准直器阵列的输入端口、Y方向柱透镜阵列中与该指定光纤准直器阵列对应的Y方向柱透镜、LCOS中在Y方向与指定光纤准直器阵列对应的区域。
6.如权利要求4所述的基于LCOS的多端口可变带宽波长选择开关，其特征在于：所述衍射角β由三部分的位置关系决定，包括光纤准直器阵列组中指定光纤准直器阵列的指定输出端口，Y方向柱透镜阵列中与该指定光纤准直器阵列对应的Y方向柱透镜、LCOS中在Y方向与指定光纤准直器阵列对应的区域。
7.如权利要求1所述的基于LCOS的多端口可变带宽波长选择开关，其特征在于：所述光栅为透射光栅或反射光栅。
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