CN105229512B - 使用LCoS装置并且具有减少的串扰的波长选择开关 - Google Patents
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Abstract
一种光学装置，其中由于散射带来的串扰被减少，该光学装置包括具有至少一个用于接收光束的光学输入端以及至少一个光学输出端的光学端口阵列。该输入端与输出端沿着公共轴线延伸。色散元件从光学输入端接收光束并且将该光束空间地分离成多个波长成分。聚焦元件聚焦多个波长成分并且可编程光相位调制器接收该聚焦的多个波长成分。该调制器被配置为将波长成分引导至选择的一个光学输出端。该可编程光相位调制器相对于光学端口阵列导向，以使引导光束所沿的轴线与输入端和输出端延伸所沿的公共轴线不重合。
Description
背景技术
光学网络使用波长选择开关(WSS)来动态地将光波长信号从信号源发送到目的地。WSS装置通常依靠波长操作元件诸如硅基液晶(LCoS)装置或者微机电(MEMS)镜阵列来执行该发送。
LCoS装置包括液晶材料，其被夹在具有透明电极的透明玻璃层和被划分成二维阵列的可单独寻址的像素的硅基板之间。每个像素单独地由电压信号驱动以向光信号提供局部的相位变化，由此提供二维阵列的相位操作区域。一旦光信号已经被衍射元件诸如衍射光栅空间地分离，能够对单独的光谱成分进行操作。光谱成分的空间分离被引导至LCoS装置的预定区域之上，其能够通过以预定的方式驱动相应的像素来独立地操作。
尽管使用LCoS装置的波长选择开关具有某些非常有吸引力的性能特点，但它们也会遭受不希望的光学串扰，其涉及在特定的波长处从输入端口到输出端口的不希望的能量耦合。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种光学装置，其中由于散射带来的串扰被减少。该光学装置包括具有至少一个用于接收光束的光学输入端以及至少一个光学输出端的光学端口阵列。该输入端与输出端沿着公共轴线延伸。色散元件从光学输入端接收光束并且将所述光束空间地分离成多个波长成分。聚焦元件聚焦多个波长成分并且可编程光相位调制器接收该聚焦的多个波长成分。该调制器被配置为将波长成分引导至选择的一个光学输出端。该可编程光相位调制器相对于光端口阵列导向，以使引导光束所沿的轴线与输入端和输出端延伸所沿的公共轴线不重合。
附图说明
图1A和图1B分别是可以和本发明的实施例一起使用的简化光学装置例如自由空间波长选择开关(WSS)的一个示例的俯视图和侧视图。
图2是在x-y面内延伸的图1的LCoS装置的主视图。
图3示出了周期的、步进的相移曲线的一个示例，其可以在y轴线上跨越LCoS装置的区域而产生。
图4和图5是沿着图1B的端口阵列中的线A-A所截取的主视图。
图6是减少串扰的简化光学装置例如自由空间波长选择开关(WSS)的一个示例的侧视图。
图7示出了示出在图6中的光学装置的替代实施例。
具体实施方式
图1A和图1B分别是可以和本发明的实施例一起使用的简化光学装置例如自由空间WSS 100的一个示例的俯视图和侧视图。光通过用作输入端口与输出端口的光波导例如光纤被输入与输出至WSS 100。如图1B最佳地所示，光纤准直器阵列101可以包括多个单根光纤1201、1202和1203，该多个单根光纤分别耦接到准直器1021、1022和1023。来自一个或多个光纤120的光线通过准直器102转换为自由空间光束。从端口阵列101出射的光线平行于z轴线。在图1B中，尽管端口阵列101仅仅示出了三个光纤/准直器对，更一般地说可以使用任何合适数量的光纤/准直器对。
一对望远镜或者光束扩展器将来自端口阵列101的自由空间光束放大。第一望远镜或者第一光束扩展器由光学元件106和107组成，并且第二望远镜或者第二光束扩展器由光学元件104和105组成。
在图1A和图1B中，在两个轴线上影响光线的光学元件在两个视图中用实线表示为双凸光学装置。另一方面，仅仅在一个轴线上影响光线的光学元件用实线表示为在被影响的轴线上的平凸透镜。仅仅在一个轴线上影响光线的光学元件同样以虚线表示在它们不影响的轴线上。例如，在图1A和图1B中，光学元件102、108、109以及110在两个图中用实线描绘。另一方面，在图1A中，光学元件106和107用实线描绘(因为它们具有沿着y轴线聚焦的能力)并且在图1B中用虚线描绘(因为它们使光束沿着x轴线未受影响)。在图1B中，光学元件104和105用实线描绘(因为它们具有沿着x轴线聚焦的能力)并且在图1A中用虚线描绘(因为它们使光束沿着y轴线未受影响)。
每个望远镜可以建立为具有对于x和y方向的不同的放大倍数。例如，由在x方向上放大光线的光学元件104和105形成的望远镜的放大率，可以小于由在y方向上放大光线的光学元件106和107形成的望远镜的放大率。
该一对望远镜放大了来自端口阵列101的光束并且将它们光学地耦合至波长色散元件108(例如，衍射光栅或者棱镜)，其将自由空间光束分离至它们的成分波长或者信道中。波长色散元件108用于根据其波长在x-y平面上沿着不同方向分散光线。来自色散元件的光线被引导至光束聚焦光学器件109。
光束聚焦光学器件109将来自波长色散元件108的波长成分耦合至可编程光相位调制器，其可以是例如基于液晶的相位调制器，例如硅基液晶(LCoS)装置110。波长成分沿着x轴线分散，其被称为波长色散方向或者波长色散轴线。因此，给定波长的每个波长成分集中在沿着y方向延伸的像素阵列上。作为示例而不是作为限制，具有被表示为λ1、λ2和λ3的中心波长的三个这样的波长成分在图1A中示出为沿着波长色散轴线(x轴线)被聚焦在LCoS装置110上。
如图1B最佳地所示，在从LCoS装置110反射之后，每个波长成分能够通过光束聚焦光学器件109、波长色散元件108和光学元件106和107被返回耦合到端口阵列101中选择的光纤。
图2是在x-y平面内延伸的LCoS装置110的主视图。
三个波长成分λ1、λ2和λ3沿着波长色散轴线(x轴线)被空间地分离。如下所述，在y轴线上的像素19的适当操作允许选择性的将每个波长成分单独引导至选择的输出光纤。
可编程光相位调制器例如LCoS装置，在可编程地确定的像素阵列中的给定像素位置处产生相移。这种调制器能够以多个方式使用，形成虚拟透镜、棱镜或者倾斜镜等。由于LCoS装置的限制的厚度和活动，能够在任何给定位置处实现的总相移被限制。通过类似于用于通过将透镜的表面屈光度压缩至平表面来形成菲涅耳透镜的分割技术的应用，这些限制在LCoS装置内能够被防止。具体地，期望的总相移在所考虑的波长处通常是模数2π。然后最终的相位总是小于2π。不幸地是，这个分割技术在不会产生未分割图案的方向上引入了光的散射。这一散射光是串扰在LCoS WSS中容易更高的主要原因。
转向图3，存在示出了周期的、步进的相移曲线39的一个示例，该相移曲线可以在y轴线上跨越LCoS装置21的区域而产生。该周期的、步进的相移曲线39产生了累积的相位曲线37。该累积的引导曲线37通过用预定的电压驱动每个像素19以提供期望的相位变化而产生。正如在电压和相位之间存在直接的关系，并且相位和引导角度之间存在直接的关系，能够生成建立所需的电压驱动信号与期望的引导角度之间关系的查找表等。相位的周期特性被利用以减少所需的驱动电压。因此，周期的、步进电压信号将产生周期的、步进的相移曲线39，其随后产生累积的相位曲线37，其中相位重置41发生在多个2π弧度角处。当作用在入射波长成分上时，相位曲线37产生与θ成比例或者等于θ的引导角度。因此，通过适当的调节该周期的、步进的相移曲线，能够将波长成分选择性地引导至期望的一个光纤。
图4是图1B的端口阵列101中沿着直线A-A截取的主视图。如所示，光纤1201、1202、1203…，以1×N的配置沿着y轴线延伸。当LCoS装置110将来自一个光纤(用作WSS100的输入端口)的光束引导至另一个光纤(用作WSS100的输出端口)诸如将来自光纤1203的光束引导至光纤1202时，例如，沿着单个方向(y轴线)引导该光束，如图4中的箭头122所示，或者是正向或者是负向。换句话说，引导轴线与光纤1201，1202，1203……被对准所沿的光学端口轴线重合。也就是说，引导方向不是光束正被引导至的光纤或者光学端口的功能。
正如前面提到的那样，导致串扰的散射光线优先地与光束被引导的方向对准。也就是说，在图4中，光线沿着由箭头122所指示的轴线散射。由于该散射光基本上与端口对准，由此造成了不希望的串扰。这一串扰能够通过将光束引导轴线旋转(其同样是光线沿着其散射的散射轴线)而减少，以使其不再与光学端口轴线重合。这种配置在图5中示出，其中光束沿着其被引导至端口1201，1202，1203……的光束引导轴线分别用箭头1301，1302，1303……表示。因此，随着光束被引导至任何特定的端口，散射光线也不会散射至该端口。
在图6中示出了一种用来完成光束引导轴线和光学端口轴线之间的这个未对准的方式，其是图1B中示出的与WSS类似的自由空间WSS的一个示例的侧视图。在图1B和图6中，类似的元件通过类似的附图标记表示。如所示，LCoS装置110延伸在其中的平面不再垂直于光线从端口阵列101传播所沿着的轴线。也就是说，在图6的特定示例中，LCoS110绕x轴线倾斜以使其不再在x-y平面内，并且因此不再垂直于光线从端口阵列101传播所沿着的z轴线。换句话说，倾斜角度被形成在Z轴线和与波长色散轴线(即，图6中的x轴线)垂直的调制器的平面内的方向之间。
由于使用的倾斜角度，在光束聚焦光学器件109和LCoS装置110之间的距离沿着LCoS装置110的不同部分将会不同。为了在LCoS装置110的任何部分上适当地聚焦光束，可选的聚焦校正元件能够被放置在系统的光路中。例如，如图7所示，聚焦校正元件例如低角度楔形棱镜111能够被放置在光束聚焦光学器件109和LCoS装置110之间。
尽管已经用具体到结构特点和/或方法动作的语言描述本发明，应该理解的是，限定在附带权利要求中的本发明不一定被限制于所描述的特定特点或者动作。相反地，特定特点和动作作为实施所请求保护的发明的示例的形式被公开。
Claims (15)
1.一种光学装置，包括：
光学端口阵列，所述光学端口阵列具有至少一个用于接收光束的光学输入端以及至少一个光学输出端，所述输入端和输出端沿着公共轴线延伸；
色散元件，所述色散元件从所述至少一个光学输入端接收所述光束并且将所述光束空间地分离成多个波长成分；
聚焦元件，所述聚焦元件用于聚焦所述多个波长成分；以及
可编程光相位调制器，所述可编程光相位调制器用于接收所聚焦的多个波长成分，使得所述波长成分沿着所述可编程光相位调制器的波长色散轴线在空间上分离，所述调制器固定地在第二方向上延伸，以使在所述波长成分在被所述光学端口阵列对准之后所沿着传播的第一方向和垂直于所述波长色散轴线的所述调制器平面内的第二方向之间形成固定倾斜角度，所述调制器包括多个像素，在所述调制器保持定位在所述固定倾斜角度的同时每个像素对入射到其上的波长成分产生期望的相位变化，使得所述波长成分在与所述公共轴线不对准的方向上被引导。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述可编程光相位调制器具有周期的、步进的相移曲线。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述可编程光相位调制器包括基于液晶的相位调制器。
4.根据权利要求3所述的光学装置，其中所述基于液晶的相位调制器是LCoS装置。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述色散元件选自由衍射光栅和棱镜组成的组。
6.根据权利要求1所述的光学装置，进一步包括光学系统，所述光学系统用于将接收自所述光学端口阵列的所述光束放大并且将所放大的光束引导至所述色散元件。
7.根据权利要求6所述的光学装置，其中所述光学系统在第一方向上具有第一放大倍数，并且在垂直于所述第一方向的第二方向上具有第二放大倍数，所述第一放大倍数不同于所述第二放大倍数。
8.根据权利要求7所述的光学装置，其中所述第一方向平行于波长色散轴线，所述光束沿着所述波长色散轴线被空间地分离，所述第一放大倍数小于所述第二放大倍数。
9.一种用于将来自端口阵列的输入端口的光束的波长成分引导至所述端口阵列的至少一个输出端口的方法，包括：
在所述输入端口处接收所述光束；
空间地分离所述光束的所述波长成分；
以固定倾斜角度在可编程光相位调制器上聚焦所空间地分离的波长成分，所述固定倾斜角度被形成在所述波长成分在被所述端口阵列对准之后所沿着传播的第一方向和垂直于波长色散轴线的所述调制器平面内的第二方向之间，所述波长成分沿着所述调制器的所述波长色散轴线被空间地分离，所述调制器包括多个像素，在所述调制器保持定位在所述固定倾斜角度的同时每个像素对入射到其上的波长成分产生期望的相位变化，使得所述波长成分在与公共轴线不对准的方向上被引导；并且
沿着所述第二方向调整所述调制器的相移曲线以选择性地将所述波长成分中的单独波长成分引导至输出端口。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述相移曲线是周期的、步进的相移曲线。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述可编程光相位调制器包括基于液晶的相位调制器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述基于液晶的相位调制器是LCoS装置。
13.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在空间地分离所述光束的所述波长成分之前放大所述光束。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向上放大所述光束。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一方向平行于所述波长色散轴线，所述光束沿着所述波长色散轴线被空间地分离，在所述第一方向上的放大率小于在所述第二方向上的放大率。
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