CN105182473B - 一种波长选择光阻塞器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种波长选择光阻塞器，所述波长选择光阻塞器包括：光偏振转变组件，设置在所述光输入/输出组件与聚光/偏光透镜组件之间；分光组件，设置在所述聚光/偏光透镜组件与波长信道控制组件之间，用于将入射光信号中不同波长产生空间分离；波长信道控制组件由两行一维液晶阵列组成，设置在偏振光转置组件的端面上，用于控制波长信道的打开，衰减及关断；偏振光转置组件，用于设定将入射的偏振光产生一定的偏移，将各波长信道的光输出至设定的输出端口。本发明利用液晶单元阵列，实现双光路的可选波长阻塞和衰减功能。

Description

一种波长选择光阻塞器
技术领域
本发明涉及光通信中可重构光波长分插复用技术领域，特别是涉及一种能够实现双光路阻塞和衰减，具有无干扰光波长信号开启/阻塞和信道监测反馈功能的波长选择光阻塞器。
背景技术
由于电信及数据网中的光纤通信应用愈益广泛，因特网和数据通信使用需求的持续增加，造成业务流量的持续增长，对网络的带宽提出了越来越高的要求。为了提高光纤带宽的利用效率并满足一些新型融合业务的应用，比如业务和向大客户提供的波长级业务(如存储局域网)及其他新型IP应用，可重构光分插复用(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer,简称“R0ADM”)技术受到重视并获得在网络业务中的配置。采用ROADM能够对网络波长资源进行灵活分配，不仅简化网络规划，且能更加有效利用网络带宽。可重构性的网络配置可适应用户的带宽需求变化，非常有利于城域网应用。此外，还有利于加强网络的保护、恢复功能。
ROADM的实现技术就目前而言包括两类：一类为波长可选择型光开关(WavelengthSelective Switch,简称“WSS”)，第二类为可选波长阻塞器(Wavelength Blocker,简称“WB”)。WSS技术可以将任意波长切换到任意输出端口，使每个波长通道独立可控，并可控制各波长通道的功率均衡。WB则用于控制各波长通道在输出端口的直通，衰减或阻塞。在功能集成和波长通道灵活性方面，WSS比WB更加完善，但技术实现方案更加复杂，且需要更高的材料成本。WB由于其波长衰减、阻塞控制功能及相对更简易的实现方案，在ROADM中依然获得广泛应用。
现有WB的实现方案主要是基于衍射光栅的自由空间光学平台，通过改变指定波长通道的光路的角度或者位置，由波长选择部件的将所需的波长光能量部分(或者全部)的由输出端口输出。可以作为WB设计方案的波长选择部件主要有硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon,简称“LCoS”)技术，微电机系统(Micro Electronic-Mechanical System,简称“MEMS”)技术以及液晶(Liquid Crystal，简称“LC”)技术。在技术实现方面，LCoS芯片难度较大，其驱动控制电路和软件也相应复杂，能够实现商用的仅有少数国外厂商。美国专利US20060066805对LCoS技术及入射偏振光的影响做了具体描述。MEMS技术是基于微电机控制的反射镜阵列对不同的入射光波长产生不同的偏折角度或位移而实现波长控制功能，美国专利CA2402012A1阐述了基于MEMS技术的WB技术方案。LC技术实现方案是基于阵列的相位型液晶或者振幅型液晶而改变入射偏振光的偏转态，同时结合偏振分光器件使不同偏振态的光在空间上产生一定位移或偏折角度而分离，每个液晶单元依照不同波长的光斑位置依次排列，逐一对应不同的波长，每个液晶单元两端的电压可单独调节来实现对光偏振的控制，选择在不同波长光在出射通道的输出强度。美国专利EP2443510A1对基于LC的WB技术有报道。
关于波长选择光阻塞器的国内专利和相关报道尚不多见。在国外文献中，美国Lucent公司的Christopher Richard在美国专利CA2372536C中提出了一种基于微机械系统的平面波导光阻塞器，其原理是基于两组波导光栅在平面波导中由反射镜阵列来选择相应的波长通道通或断的功能。它的局限性在于波长通道只有导通或关断两种状态，无法实现功率衰减的功能，且采用波导结构导致光信号的输入输出耦合损耗较大。美国JDSUniphase公司的David John Danagher等人在美国专利CA2402012A1中提出了一种基于MEMS和LC结合的WB技术方案。在该设计中，MEMS用于控制波长通道的偏转角度，而LC用于改变激光的偏振态，可实现通道信号的衰减。采用该设计，能够实现单路信号光的可选波长通道的衰减或开关功能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种波长选择光阻塞器，采用该方案能实现两路入射信号光的任意波长通道的开关或信号衰减功能，两路信号的波长通道控制互不影响，有利于简化器件在系统中的使用并降低系统装配成本及缩减系统体积。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种波长选择光阻塞器，包括光输入/输出组件，由两个输入端口及两个输出端口按第一方向排列；分光组件，将从所述输入端出射的含有多个波长信道的光束根据其波长按所述第一方向不同的第二方向分开，其特征在于，所述波长选择光阻塞器还包括：光偏振转变组件，设置在所述光输入/输出组件与聚光/偏光透镜组件之间；分光组件，设置在所述聚光/偏光透镜组件与波长信道控制组件之间；波长信道控制组件由两行一维液晶阵列组成，设置在偏振光转置组件的端面上，用于控制波长信道的打开，衰减及关断；偏振光转置组件，用于设定将入射的偏振光产生一定的偏移，将各波长信道的光输出至设定的输出端口。
在上述的技术方案中，所述波长选择光阻塞器还包括控制电路，用于控制所述波长信道控制组件中的液晶阵列。
所述聚光/偏光透镜组件由一个凹面反射镜组成，或依次由一个凸透镜和一个反射镜组成；所述光输入/输出组件位于所述聚光/偏光透镜组件的焦平面上。
所述分光组件由反射型衍射光栅组成，或者依次由透射型衍射光栅和一个反射镜组成；所述分光组件位于所述聚光/偏光透镜组件的焦平面上。
所述分光组件由反射型衍射光栅组成，或者依次由透射型衍射光栅和一个反射镜组成；所述分光组件位于所述聚光/偏光透镜组件的焦平面上。
所述光输入/输出组件依次由四个光纤准直器组成，或由四端口的光纤阵列组成。
所述光偏振转变组件由依次排列的双折射晶体，相位延迟片，偏振片和光偏转片组成。
所述偏振光转置组件由依次排列的半波长相位延迟片，双折射晶体，四分之一波长相位延迟片，反射镜和信道监测元件组成。
所述反射镜位于所述聚光/偏光透镜组件的焦平面上。
所述信道监测部为光电探测器。
本发明的有益效果是：由于本发明采用了采用了上述的技术方案,相对于现有技术有以下优点：利用单片液晶实现对两路输入光信号的波长信号控制，简化了电路控制复杂性，降低了工艺难度和成本，提高了集成度，降低了产品成本；信道监测功能集成在模块内，便于降低成本和减小模块体积；采用光纤阵列作为输入输出装置，有利于减小元件体积，减小光斑尺寸，对于每个信道而言有利于获得更大的波长带宽，提高产品性能。
附图说明
图1为本发明实施例一在第二方向所示的结构示意图；
图2为本发明实施例一光输入/输出组件及光偏振转变组件在第一方向的结构示意图；
图3为本发明实施例一波长信道开启时波长信道控制组件和偏振光转置组件在第一方向
的结构示意图；
图4为本发明实施例一波长信道阻塞时波长信道控制组件和偏振光转置组件在第一方向
的结构示意图；
图5为本发明实施例一波长信道开启时在第一方向的光路结构示意图；
图6为本发明实施例一波长信道阻塞时在第一方向的光路结构示意图；
图7为本发明实施例一波长信道衰减状态时在第一方向的光路结构示意图；
图8为本发明实施例二在第二方向所示的结构示意图。
图中：
100—光输入/输出组件；1000—光偏振转变组件，包括200—双折射晶体1，300—相位延迟片组件，由半波片310，320，330，340组成，400—起偏/检偏器，500—偏折棱镜1；600—分光组件；700—聚光/偏光透镜组件；720—偏折棱镜2；800—液晶阵列；2000—偏振光转置组件，包括900—相位延迟片2，920—双折射晶体2，940—相位延迟片3，960—光反射镜；980—信道监测组件。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细阐述，应当说明，此处所阐述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而并不用于限定本发明。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
具体实施方式
实施例一
本发明涉及一种双通道的波长选择光阻塞器，包括光输入/输出组件，光偏振转变组件，聚光/偏光透镜组件，分光组件，波长信道控制组件，偏振光转置组件，信道监测组件、控制组件组成。所述的光输入/输出组件是一组包含两个输入和两个输出端口按第一方向排列的光纤阵列或准直器阵列。所述的光偏振转变组件是由双折射晶体，相位延迟片和组成。所述的聚光/偏光透镜组件为凹面镜或凸透镜及反射镜组成，将入射的发散光准直聚焦成为平行光，或将入射的平行光聚焦成为会聚光束，并使光束产生偏转角度。所述的分光组件将从所述输入端出射的含有多个波长信道的光束根据其波长按所述第一方向不同的第二方向分开。所述的波长信道控制组件由两行一维液晶阵列组成，设置在偏振光转置组件的端面上，用于控制波长信道的打开，衰减及关断；偏振光转置组件，用于设定将入射的偏振光产生一定的偏移，将各波长信道的光输出至设定的输出端口。所述的信道监测组件是由光电探测器阵列组成，将各波长的光功率转化为电信号。所述的控制组件是基于信道监测组件所得的电信号，反馈控制到各波长信道对应的液晶单元的驱动电压，从而使得从各所述输出端口输出的波长信道的功率与输入功率的相对衰减幅度变成预设值。
图1为根据本发明的波长选择光阻塞器给出的第一个实施例的在第二方向所呈现的结构示意图。
在图1中，本实施例的波长选择光阻塞器包括如下：用作光输入/输出组件的光纤阵列或光准直器阵列100；光偏振转变组件1000，包括双折射晶体200，半波片组件300，由半波片310，半波片320，半波片330和半波片340组成，起偏片400，参见图2；偏折棱镜500；用作聚光/偏光透镜组件的凹面镜700；用作分光组件的衍射光栅600；直角棱镜720，以及用作波长信道控制组件的液晶阵列800，包括在第一方向排列的两组液晶815和825，每组液晶是由多个液晶像素单元在第一方向组成的阵列；偏振光转置组件2000，包括半波片组件900，由半波片915和半波片925组成，双折射晶体920，四分之一波片940，反射镜960，参见图3；用作信道监测组件的光电探测器980。其中，光输入/输出组件的输入/输出端面，衍射光栅600和反射镜960位于凹面镜700的焦平面上。反射镜960的反射率在90％至99.5％之间。光电探测器980位于反射镜960之后。
图2为本发明专利中光输入/输出组件及光偏振转变组件在第一方向的结构及工作原理示意图，其具体工作方式如下：从光纤端口11和44出来的准直光束111和444的偏振态是混合偏振态。准直光束111和444以一定的角度入射双折射晶体200后，分别分离成两束平行光：一束寻常光115(O光)和一束非寻常光117(E光)；以及一束寻常光447和一束非寻常光449。这四束光中两束(图2中给出的是非寻常光)通过半波片310和340后，光的偏振方向旋转90度，变成寻常光。这样就可以得到四束偏振态相同的平行光。根据光路的可逆性，如果有四束偏振态相同的平行光224，226，336，338从反方向入射，在经过双折射晶体200和半波片320和330后，汇合成两束与入射光平行的混合偏振态的平行光222和333。但是若平行光224，226或336,338的偏振态不完全相同，在经过双折射晶体200和半波片320和330后，将不能汇合成一束光，即存在部分光强度的损失。
图3为本发明专利中液晶阵列800和偏振光转置组件2000在第一方向的光信道开启时的结构示意图。图4为本发明专利中液晶阵列800和偏振光转置组件2000在第一方向的光信道阻塞时的结构示意图。液晶是一种凝聚态物质，其特性与结构介于固态晶体与各向同性液体之间，为有序性的流体。由于液晶的化学结构不对称，其介质特性和光学特性也不对称。当外加电场时将改变液晶分子的排列方向，一定偏振方向的入射光经过液晶时将产生双折射现象(电控双折射效应)，O光和E光的折射率发生改变，进而使O光和E光产生折射率差，由此改变入射光的偏振状态。当液晶的控制电压为零时，所有的液晶分子都准直在一个方向上，系统的延迟接近零，入射光经过液晶后将保持原有的偏振态。如果入射光为线偏振光，则出射光将为与入射偏振方向相同的线偏振光。当对液晶施加高电压时，液晶分子将表现出完全的双折射现象，此时液晶组件的功能可以作为半波片，若使准直液晶分子相对于入射光偏振为45度时，即可将入射光的偏振态旋转90度。如果入射光为线偏振光，则出射光是与入射光偏振方向垂直的线偏振光。当对液晶施加中等电压时，液晶分子将表现出一定的双折射现象，并改变入射光的偏振态。若入射光为线偏振光，则出射光为椭圆偏振光。
本实施例的具体描述如下：
在图1中，两个输入信号111和444从光纤端口11和44输出，光输入/输出组件100的其他端口22和33为输出端口。所述的输入信号111和444是包含多个WDM波长、且为混合偏振态的光信号。输入信号111和444通过偏振变换组件1000后，即可变为两束偏振态相互平行的线偏振平行光，如图5所示。当入射光与起偏器400的起偏方向一致时，这些光将可通过起偏器400并基本上没有损失。信号光115，117，447，449通过偏折棱镜500产生偏折角度并获得扩束发散，之后被凹面镜700汇聚成准直光束至衍射光栅600。光束经过衍射光栅600后，将分光成在第二方向平面内依次排列的单波长光信号，不同波长的信号光具有不同的衍射角度。光束再次经过凹面镜700后，这些不同波长的通道光信号被反射，偏转并被聚焦在凹面镜的焦平面上，如图1所示。信号光经过偏折棱镜720产生偏折角度，并获得光程补偿，之后经过液晶组件800，其中信号光115，117经过液晶阵列825，信号光447，449经过液晶阵列815。每组信号光中的不同波长通道经过不同的液晶单元，其偏振状态可以根据加载在该液晶单元上的驱动电压大小而获得独立控制。对于光路开启的情况，如图5所示，在第一方向平面内，入射信号光115和117通过虚线所包括的偏折棱镜500，凹面镜700，衍射光栅600和直角棱镜720后，经过液晶阵列825，设置液晶驱动电压为0，信号光经过液晶阵列825后偏振方向不变，之后经过半波片905，半波片905的光轴与信号光115和117的偏振方向成45度角，因此信号光115和117经过半波片905后其偏振方向旋转90度，再经过双折射晶体920时对应为非寻常光也即E光，因此其经过双折射晶体920后在第二方向产生光束走离，之后经过四分之一波片940，四分之一波片940的光轴设置为与信号光115和117的偏振方向成45度角，信号光115和117的偏振态变为圆偏振，之后被反射镜960反射，反射镜960的反射率在90％至99.5％范围，少部分强度的光束穿透过反射镜960，入射到光电探测器980。光电探测器980由多个探测器在第二方向组成一维探测器阵列，每个探测器对应于一个波长信号位置，由此监测不同波长信号的光功率强度。绝大部分强度的光束被反射镜960反射，再次经过四分之一波片940，两路信号光的偏振态转变为线偏振，且与入射到四分之一波片940前的偏振方向垂直，因此再次经过双折射晶体920时，对应为寻常光也即O光，因此其经过双折射晶体920后在第二方向不产生光束走离，经过液晶单元825后偏振态也未改变，之后通过虚线所包括的直角棱镜720，衍射光栅600，凹面镜700和偏折棱镜500后，为两束与入射信号115和117同偏振方向的出射信号光224和226，因此信号光224和226可由偏振变换组件1000合并成一束光222并低损耗地耦合到输出端口22中。对于光路关闭的情况，如图6所示，在第一方向平面内，入射信号光115和117通过虚线所包括的偏折棱镜500，凹面镜700，衍射光栅600和直角棱镜720后，经过液晶阵列825，设置液晶驱动电压为高电压，信号光经过液晶阵列825后偏振方向旋转90度，之后经过半波片905，半波片905的光轴与信号光115和117的偏振方向成45度角，因此信号光115和117经过半波片905后其偏振方向再次旋转90度，再经过双折射晶体920时对应为寻常光也即O光，因此其经过双折射晶体920后在第二方向不产生光束走离，之后经过四分之一波片940，四分之一波片940的光轴设置为与信号光115和117的偏振方向成45度角，信号光115和117的偏振态变为圆偏振，之后被反射镜960反射，少部分强度的光束穿透过反射镜960，入射到光电探测器980。绝大部分强度的光束被反射镜960反射，再次经过四分之一波片940，两路信号光的偏振态转变为线偏振，且与入射到四分之一波片940前的偏振方向垂直，因此再次经过双折射晶体920时，对应为非寻常光也即E光，因此其经过双折射晶体920后在第二方向产生光束走离，偏离出射端口的方向，因此光束无法输出至输出端口22中，由此实现信号从端口11至端口22的阻断功能。当设置液晶驱动电压为介于高电压与0电压之间的电压时，如图7所示，信号光115和117经过液晶阵列825后其偏振状态变为椭圆偏振态，之后经过半波片905后其偏振状态依然为椭圆偏振态，再经过双折射晶体920时分别被分解为O光和E光两路信号，其中O光信号对应于光束阻断时的传输线路，无法传至输出端口22；而E光对应于光束开启时的传输线路，能够低损耗耦合到端口22中，因此实现了衰减部分信号光的功能。
对于输入信号光447和449的光路开启，光路阻断以及信号衰减的情况，与信号光115和117的传输光路类似，因此不再赘述。
实施例二
图8为根据本发明的波长选择光阻塞器给出的第二个实施例的在第二方向所呈现的结构示意图。
本实施例与第一个实施例相比，主要的不同点在于用凸透镜705和反射镜720的透镜结构取代凹面镜700。其他的结构与图1中所示的前述结构相同。本实施例对于输入信号光的光路开启，光路阻断以及信号衰减的情况，第一个实施例的传输光路类似，因此省略了其描述。

Claims (9)

1.一种波长选择光阻塞器，包括光输入/输出组件，由两个输入端口及两个输出端口按第一方向排列；分光组件，将从所述输入端出射的含有多个波长信道的光束根据其波长按所述第一方向不同的第二方向分开，其特征在于，所述波长选择光阻塞器还包括：光偏振转变组件，设置在所述光输入/输出组件与聚光/偏光透镜组件之间；所述分光组件，设置在所述聚光/偏光透镜组件与波长信道控制组件之间；波长信道控制组件由两行一维液晶阵列组成，设置在偏振光转置组件的端面上，用于控制波长信道的打开，衰减及关断；所述偏振光转置组件，用于设定将入射的偏振光产生一定的偏移，将各波长信道的光输出至设定的输出端口。
2.根据权利要求1所述的波长选择光阻塞器，其特征在于，所述波长选择光阻塞器还包括控制组件，用于控制所述波长信道控制组件中的液晶阵列。
3.根据权利要求1所述的波长选择光阻塞器，其特征在于，所述聚光/偏光透镜组件由一个凹面反射镜组成，或依次由一个凸透镜和一个反射镜组成；所述光输入/输出组件位于所述聚光/偏光透镜组件的焦平面上。
4.根据权利要求1所述的波长选择光阻塞器，其特征在于，所述分光组件由反射型衍射光栅组成，或者依次由透射型衍射光栅和一个反射镜组成；所述分光组件位于所述聚光/偏光透镜组件的焦平面上。
5.根据权利要求1所述的波长选择光阻塞器，其特征在于，所述光输入/输出组件依次由四个光纤准直器组成，或由四端口的光纤阵列组成。
6.根据权利要求1所述的波长选择光阻塞器，其特征在于，所述光偏振转变组件由依次排列的双折射晶体，相位延迟片，偏振片和光偏转片组成。
7.根据权利要求1所述的波长选择光阻塞器，其特征在于，所述偏振光转置组件由依次排列的半波长相位延迟片，双折射晶体，四分之一波长相位延迟片，反射镜和信道监测元件组成。
8.根据权利要求7所述的波长选择光阻塞器，其特征在于，所述反射镜位于所述聚光/偏光透镜组件的焦平面上。
9.根据权利要求7所述的波长选择光阻塞器，其特征在于，所述信道监测元件为光电探测器。
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