CN108897102A - 一种双波长选择开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长选择开关，包括输入输出单元（10）、交换单元（11）、偏振处理单元（12）、扩束单元（13）、预偏角元件（14）、色散分光单元（15）、偏转单元（16）、聚焦单元（17）及偏转引擎（18），其中，所述的输入输出单元包括至少两个通道的输入输出区域101及102；所述的交换单元不仅改变两个通道的输入光束特性，而且在上下方向交换两个通道输入光束的位置；预偏角元件对第一通道的输入光束传输方向改变一个角度，实现两个通道独立控制的目的；本发明的实施例在于高密集输入输出端口下同一个光学系统内共用两套可独立控制的波长选择开关，节约成本的同时，大幅度降低了体积。

Description

一种双波长选择开关

技术领域

本发明涉及光通信领域，更具体来说，是一种用于可重构光差分复用（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer,简称ROADM）网络的波长选择开关技术。

背景技术

波长选择开关（Wavelength Selective Switch,简称WSS）是构建可重构光差分复用（ROADM）网络的核心器件，能够实现光网络波长通道的路由功能。ROADM不仅能够实现传统OADM（Optical Add-Drop Multiplexer,光分插复用器）所有功能，还可以从多波长链路信号中提取任意波长到本地，以及将本地任意波长插入到链路中，而且这些操作完全可以通过软件配置实现，为分布式控制操作奠定基础。

现有技术的波长选择开关通常包括至少一个输入端口和N个输出端口（N为大于或等于1的整数），或者N个输入端口和至少一个输出端口。目前主流产品为两个输入端口和N个输出端口，即为双波长选择开关。双波长选择开关是在一个系统内设置两套可独立使用的波长选择开关，两套系统共用除输入输出单元外的各种光学元件，但又可接受单独的控制，这对于节约成本，体积小型化具有重要的作用。

近年来随着云计算、远程医疗及人工智能等各种新业务的发展，其带宽需求呈量级增长，对于器件的集成度会提出越来越高的要求。但目前的专利技术如CN 107577010，所采用PBS偏振转换组件分光技术在偏转维度上受光路结构限制，器件的高度尺寸较大；同时偏转元件仅仅置于色散组件后端，在偏转维度色散组件前端缺少对输入光束的有效处理，在准直器阵列中只能采用束腰较大的准直器透镜，这样导致准直器阵列准直透镜外径尺寸较大，为实现较多输出端口数量，就需要高度更高的PBS偏振转换组件及其它光学组件，集成度大幅降低的同时成本提高。

发明内容

本发明考虑到以上问题，其目的是提供一种高集成度、低成本、小体积的双波长选择开关结构，以解决将来ROADM网络节点及带宽不断增加情况下而导致的器件密集度及成本问题。

本发明实施例所述的双波长选择开关包括第一通道及第二通道上由准直器阵列构成的输入输出单元、扩束单元、交换单元、偏振处理单元、色散分光单元、偏转单元、聚焦单元，对输入光束传输方向改变某一设定角度的预偏角元件，及在第一通道和第二通道上对光束偏转一定角度的偏转引擎。

本发明技术方案实现的原理如下：高集成度的器件需要具有更小束腰的准直器阵列透镜，具有更小束腰的光束会导致入射光发散角增加，光斑增大，当偏转引擎的尺寸在偏转维度上无法同时容纳两个通道的光斑时，需要对光斑在色散分光单元前后进行处理。利用交换单元在偏转维度上不但可以压缩光斑大小到偏转引擎可容纳的尺寸，而且可以产生第一通道入射光束和第二通道入射光束上下位置交换，第一通道的入射光束经过预偏角元件，光束会偏折一个角度后经偏转单元准直，在偏转引擎上两个通道的光斑以一定的距离间隔开，实现在偏转引擎上分别控制两个通道的功能。所述的偏转维度为光信号切换到不同输出端口所在维度；所述的第一通道和第二通道为在偏转维度上由上而下输入输出端口区域。

所述的准直器阵列构成的输入输出单元，为第一通道及第二通道输入和输出有一定发散角度光束的微透镜阵列，阵列排成一列；

所述的扩束单元由棱镜或棱镜组，透镜或透镜组组成，将光束扩束并准直；

所述的交换单元由透镜组组成，将增大光束束腰，减小发散角度，并通过两个通道输入光束在上下位置的交换，实现双通道同时输入、分别控制；

所述的偏振处理单元包括偏振分光元件和偏振转换元件，偏振分光元件将第一通道及第二通道输入光束分别按一定角度分成两束偏振态互相垂直的线偏振光束；偏振转换元件将两束偏振态垂直的光束转换成相同偏振态的光束；

所述的色散分光单元，将扩束单元后光束中各个波长的光按一定角度分散开；

所述的偏转单元，在偏转维度上将交换单元后的光束准直，并将经偏转引擎后的偏转光束会聚；

所述的聚焦单元，将所述的第一通道和第二通道经色散分光单元后的各个波长光分别会聚至偏转引擎上，同时将经过所述的偏振处理单元后具有相同偏振态的两束光束会聚至偏转引擎上；

所述的预偏角元件，将交换单元后的光束改变一定的角度，在偏转引擎上形成可单独控制的两个通道的区域；

所述的偏转引擎，对所述的经聚焦单元会聚的光束进行相位调整，控制偏转光束的角度到对应的输出端口，至少包括两个通道区域。

本发明实施例提供的双波长选择开关，其聚焦单元不但会聚各个波长的光，而且具有对同偏振态的两束光之间起会聚的作用；偏转维度上的交换单元不仅能压缩输入光束的光斑大小，还具有对第一通道光束和第二通道光束弯折交叉能力，两个通道不但共用除输入输出单元外所有光学元件，而且还具有独立受控的能力，具有高集成度、小体积、高性价比的特点。

附图说明

图1为本发明实施例一双波长选择开关在波长纬度上光路结构示意图；

图2为本发明实施例一双波长选择开关在偏转纬度上光路结构示意图；

图3为本发明实施例一双波长选择开关输入输出单元结构示意图；

图4为本发明双波长选择开关偏转引擎偏转区域示意图；

图5为本发明实施例一双波长选择开关交换单元结构示意图；

图6为本发明双波长选择开关一种偏振处理单元及扩束单元结构示意图；

图7为本发明双波长选择开关另一种偏振处理单元及扩束单元结构示意图；

图8为本发明实施例二所提供的双波长选择开关在偏转维度上光路结构示意图；

图9为本发明实施例二所提供的双波长选择开关输入输出单元结构示意图；

图10为本发明实施例二及实施例三所提供的双波长选择开关偏转单元结构示意图；

图11为本发明实施例三所提供的双波长选择开关在偏转维度上光路结构示意图；

图12为本发明实施例三所提供的双波长选择开关输入输出单元结构示意图；

图13为本发明实施例三所提供的双波长选择开关交换单元结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实例，对本发明进行完整、详细的说明。

实施例一

本实施例一提供了一种双波长选择开关，图1及图2即为本实施例双波长选择开关结构示意图。其中图1为该波长选择开关在波长维度上的光路结构示意图，图2为该波长选择开关在偏转维度上的光路结构示意图。该双波长选择开关包括输入输出单元10、交换单元11、偏振处理单元12、扩束单元13、预偏角元件14、色散分光单元15、偏转单元16、聚焦单元17及偏转引擎18依次排列，101及102分别为两个通道输入输出端口单元，其光路过程具体如下：

101为第一通道，其输入的信号光经过输入端口准直器透镜折射后进入交换单元11。11在偏转维度上不仅能改变输入光束发散角及光斑的大小，还可以在上下位置与第二通道102的输入光束交换；交换后101和102输入光进入偏振处理单元，在波长维度上分成两束偏振态相同的线偏振光，在该维度上经扩束单元对上述的两束输入光束腰放大并准直经过预偏角元件14后，在偏转维度上第一通道101输入光束折射后倾斜入射至色散分光单元15，第二通道102输入光束按原有方向入射到15，在波长维度上入射的各个波长光经15后以不同的衍射角均匀分开，并经聚焦单元17会聚到偏转引擎18；在偏转维度上经过色散分光单元15后，光束仍按照原有的发散角入射到偏转单元16，在该维度上光束被准直，同时第一通道101输入的光束主光线平行于第二通道102输入的光束主光线，经过聚焦单元17后入射至偏转引擎18分别进行衰减调节以及输出端口选择。

所述的第一通道101及第二通道102包括由微准直器阵列构成的输入输出端口，端口在偏转维度上排成一列。

所述的偏转维度为光信号切换到不同端口所在的维度，所述的波长维度为与偏转维度在空间上垂直的维度。

所述的交换单元11是在偏转维度上具有屈光能力的柱透镜或柱面反射镜，本实例中以两组柱状透镜1101和1102为例说明。1101的后焦面位于1102的前焦面附近，或与1102前焦面重合，第一通道101输入的信号光经1101会聚后过后焦面，经过1102的前焦面并经过1102折射后，相对于进入11之前第二通道102所输入的信号光在上下位置作了交换，同时第一通道及第二通道信号光经过1101和1102会聚后，其信号光束腰位置和大小以及发散角度都发生了变化。对于高密集度输入输出端口所需要的微小尺寸孔径的准直器，利用交换单元改变信号光传输特性，以适应双通道处理的需要。

所述的偏振处理单元12为具有双折射性质的光学晶体，包括偏振分光元件1201和偏振转换元件1202，在波长维度上偏振分光元件将输入光分成上下两束偏振态互相垂直的线偏振光，偏振转换元件将上述两束中的某一束光光轴旋转90度后，两束光具有相同的偏振态。本例中偏振转换元件置于位置靠上的光束位置上。偏振分光元件1201可置于扩束单元13之前的某个位置，如1101和1102之间；偏振转换元件1202只能位于1201之后，色散分光单元15之前的位置。本实例中以12位于11与13之间说明。

所述的扩束单元13至少由一个在波长维度上具有屈光能力的柱状透镜组成，也可以由棱镜组组成，本实例以两个柱状透镜1301和1302说明，1301也可以置于12之前的任意位置，例如1101和1102之间；1302只能置于1201之后，在波长维度上构成扩束准直系统。

所述的预偏角元件14，本实例中是底部为梯形直角棱镜的光学件，第一通道101输入光束经预偏角元件14后向着底部折射的光线反向延长与第二通道102输入的光束交点位于102输入光束经1102后的束腰位置上。14还可置于色散分光单元15后，本实例中以位于15之前的位置说明。

所述的色散分光单元为平面反射式光栅，平面透射式光栅，或棱镜和平面光栅的组合体。

所述的偏转单元16为在偏转维度上有屈光能力的柱状透镜或柱面反射镜组成，所述的第二通道102输入信号光束经交换单元1102后的束腰位置位于16的前焦平面上，偏转引擎18位于16后焦平面上。第一通道101输入信号光束经所述的预偏角元件14后，其折射光束反向延长与所述的第二通道102输入信号光束交点位于16的前焦平面上，所述的第一通道101输入信号光束经16后其主光线与所述的第二通道102输入信号光束主光线平行。所述的第二通道102输入信号光束方向与偏转单元16的光轴重合。

所述的聚焦单元17为在波长维度上有屈光能力的柱状透镜或柱面反射镜组成，前焦面位于所述的色散分光单元15的光栅面上，或者等效光栅面上；后焦面位于所述的偏转引擎18上。在波长维度上所述的经偏振处理单元12后分开的两束同偏振态的光束经过所述的色散分光单元15分光后，经聚焦单元17后各个波长的光不但可以会聚至偏转引擎18上，而且两束光互相交换各自的传输路径。聚焦单元17的位置可置于所述的偏转单元16的前面或后面，或者重合，重合时可与所述的偏转单元16共用，即在波长维度和偏转维度同时由屈光能力元件构成。本实例中以位于偏转单元后面为例说明。

所述的偏转引擎18包括至少两个偏转控制区域，核心部件可以是MEMS微反射镜阵列，也可以是LCOS像素单元阵列，或者液晶单元阵列，通过设置相位控制衰减，改变反射回路的光线角度，从而选择从不同的端口输出。

本发明实施例一中，交换单元11不但可以改变输入输出单元中输入信号光束的传输特性，适应高密集度端口的要求，而且通过交换两个通道输入光束上下位置，实现在同一个系统里传输两套独立光路的能力，解决了将来ROADM网络节点中波长选择开关需求数量增加而导致的集成度降低和成本增加的问题，为大规模实现ROADM网络奠定了基础。

图3是本发明实施例一中提供的第一通道及第二通道输入输出阵列端口示意图，该准直器阵列包括第一通道101及第二通道102，101及102均由光纤输入输出阵列和微透镜阵列组成，在偏转维度上排成一列；101和102分别包括至少一个输入信号端口，N个输出端口（N为大于1的整数）。本实例中10101及10201为输入端口，其余为输出端口。

偏转引擎18在偏转纬度X轴方向上至少分成两个相同的区域。图4是本发明实施例一中对应第一通道和第二通道在偏转引擎中的区域，1801子区域和第一通道101对应，1802子区域和第二通道102对应。1801和1802子区域中椭圆形光斑分别是101和102输入光束经系统变换后按照ITU标准定标的各个波长。需要进一步说明的是，改变101输入端口，1801内的椭圆光斑位置在X轴方向上平移。

图5是本发明实施例一提供的一种交换单元结构示意图，前组1101和后组1102均为在偏转维度上具有一定屈光能力的柱状透镜，为透镜组的光轴；为1101的像方焦点，和1102的物方焦点重合，或位于附近；为了减小像差，1101和1102都可以分裂成数量更多的柱透镜，图中1102可分裂成1102A和1102B，或者其他方式的组合，但组合后的焦点位置相对于1101的焦点位置保持不变。进一步的，在波长维度上1101和1102之间可以放置有一定屈光能力的柱状透镜或透镜组，也可以放置在该维度上有偏振分光能力的光学晶体。

进一步的，图6和图7是本发明提供的两种偏振分光和扩束结构形式，为入射光光轴；图6为采用棱镜（沃拉斯顿或尼科尔棱镜）分光方式扩束结构，该结构扩束单元可由单个柱透镜组成；图7为单独使用有双折射能力（钒酸钇等）的光学晶体分光扩束结构，该结构扩束单元至少由两个柱状透镜组成，柱状透镜的光轴偏离入射光束的光轴。对于具有较小束腰较大发散角的输入光束进入偏振处理单元12之前，可通过在波长维度上添加有屈光能力的柱状透镜12A压缩输入光束，减轻偏振处理单元及扩束单元的压力，12A也可以为柱面反射镜，可置于12之前的任何位置。更进一步的，偏振分光元件和扩束单元可同时置于交换单元11之前，或1101和1102之间；或者11置于12和13之间。

实施例二

本发明实施例二提供第二种结构的双波长选择开关，图8所示在偏转维度上光路结构示意图，包括输入输出单元20、交换单元21、偏振处理单元22、扩束单元23、色散分光单元25、偏转单元26、聚焦单元27及偏转引擎28。

本发明实施例二是在上述实施例一的基础上，改变输入输出单元端口的输入方式，及偏转单元柱透镜或柱面反射镜的组合形式。输入输出单元及偏转单元分别如图9和图10。图9输入输出单元包括至少两个通道的输入输出区域201及202，第一通道201输入端口位于20101端口和201N端口间的一个端口，也可为201N端口，本实例中以201M端口作为第一通道输入端口；第二通道202输入端口位于20201端口和202N间的一个端口，也可为20201端口，本实例中以20202端口作为第二通道输入端口。图10包括在偏转维度上部和下部两个有屈光能力的柱面透镜，也可以为柱面反射镜，本实例以柱面透镜为例说明。图10上下两个柱面透镜2601和2602相对放置，其中2601光轴和2602光轴分别和第一通道201输入端口201M输入光束和第二通道202输入端口20202输入光束对应。交换单元21包括前组柱透镜2101和后组柱透镜2102，2101像方焦面位于2102物方焦面附近，或2102物方焦面上；2101和2102可分别为柱透镜或柱面反射镜，本实例以柱透镜为例说明；交换单元21除了改变输入端口201M及20202输入光束的传输特性外，还可以对201M和20202输入光束在上下位置上交换，实现高密集输入输出端口及双通道传输。

实施例三

本发明实施例三提供第三种结构的双波长选择开关，图11所示在偏转维度上光路结构示意图，包括输入输出单元30、交换单元31、偏振处理单元32、扩束单元33、色散分光单元35、偏转单元36、聚焦单元37及偏转引擎38。

本发明实施例三是在上述实施例二的基础上，改变输入输出单元端口的输入方式，及交换单元前组柱透镜与后组柱透镜的组合形式，在偏转维度上构成两套独立传输的光学结构。输入输出单元及交换单元分别如图12和图13。图12输入输出单元包括至少两个通道的输入输出区域301及302，第一通道301输入端口位于30101端口和301N端口间的一个端口，本实例以301M端口为输入端口；第二通道302输入端口位于30201端口和302N端口间的一个端口, 本实例以302M端口为输入端口。图13为交换单元结构示意图，前组柱透镜3101和后组柱透镜3102分别由相同的上下两个柱透镜构成，两个柱透镜相对放置，前组靠上位置柱透镜的光轴和后组靠上位置柱透镜的光轴重合成直线，前组靠下位置柱透镜的光轴和后组靠下位置柱透镜的光轴重合成直线。和分别对应第一通道301输入端口301M输入光束光轴和第二通道302输入端口302M输入光束光轴，和分别和图10中偏转单元36靠上位置柱透镜3601光轴和靠下位置柱透镜3602光轴重合，构成两路独立传输的光学系统结构。

上述仅为本发明较好实施例，实施例详细示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上做出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种双波长选择开关，包括输入输出单元、交换单元、偏振处理单元、扩束单元、预偏角元件、色散分光单元、偏转单元、聚焦单元及偏转引擎构成；其特征在于：

所述的准直器阵列构成的输入输出单元，包括第一通道输入输出端口和第二通道输入输出端口；

所述的交换单元，将在所述的偏转单元前分别改变两个通道入射光束的传输特性，实现在同一个系统内独立传输两套光路的功能；

所述的偏振处理单元，将所述的第一通道及第二通道入射光分别转化为偏振态相同的两束线偏振光，包括偏振分光元件和偏振转换元件；

所述的扩束单元，将所述的第一通道及第二通道入射光光束扩束；

所述的预偏角元件，将第一通道或第二通道，或同时两个通道的入射光束传输方向偏折一个角度，实现两个通道独立控制的功能；

所述的色散分光单元，将扩束后光束中各个波长光分开；

所述的偏转单元，将所述的经交换单元后的光束准直；

所述的聚焦单元，将所述的经色散分光单元后各个波长光分别会聚，将所述的经偏振处理单元后的两束光之间会聚，并交换各自的传播路径；

所述的偏转引擎，至少包括第一通道和第二通道两束入射光偏转控制区域，分别对入射的两束光偏转不同角度，以选择对应的输出端口。

2.依据权利要求1所述的双通道波长选择开关，其特征在于，所述输入输出单元包括至少两个准直器阵列排成一列，分别对应第一通道及第二通道；每个通道包括至少一个输入端口及N个输出端口，N为不小于1的整数。

3.依据权利要求1所述的双波长选择开关，其特征在于，所述交换单元包括前组柱透镜或柱面反射镜，及后组柱透镜或柱面反射镜，其中，所述前组柱透镜或柱面反射镜像方焦面位于后组柱透镜或柱面反射镜物方焦面附近或物方焦面上，所述交换单元位于所述色散分光单元之前。

4.依据权利要求1所述的双波长选择开关，其特征在于，所述偏振处理单元为双折射晶体。

5.依据权利要求1所述的双波长选择开关，其特征在于，所述扩束单元为柱透镜、柱面反射镜或棱镜，所述扩束单元位于所述色散分光单元之前。

6.依据权利要求1所述的双波长选择开关，其特征在于，所述预偏角元件为底部或上部或上底部分分别相对放置的梯形棱镜、直角棱镜或楔角片。

7.依据权利要求1所述的双波长选择开关，其特征在于，所述色散分光单元为棱镜、反射式光栅、透射式光栅或棱镜和光栅的组合体。

8.依据权利要求1所述的双波长选择开关，其特征在于，所述偏转单元为在偏转维度上具有屈光能力的柱透镜或柱面反射镜，偏转单元为一组单放，或二组在偏转维度上下位置上相对放置；所述聚焦单元为在波长维度上具有屈光能力的柱透镜或柱面反射镜，所述偏转单元可位于所述聚焦单元之前、之后或重合，重合时所述偏转单元和所述聚焦单元共同使用同一光学元件，该光学元件在偏转维度和波长维度上同时具有屈光能力。