CN110785689B - 用于多个单元的波长选择开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于多个单元的波长选择开关。根据本发明的用于多个单元的波长选择开关包括：多个输入/输出端口组，包括用于传输多个光束的多个输入/输出端口阵列，所述多个输入/输出端口阵列分别包括多个波长通道；切换透镜部分，被配置为使得从相应输入/输出端口输出的光束在切换轴上相交；第一棱镜部分，布置在所述多个输入/输出端口阵列和所述切换透镜部分之间，并且被配置为使得从所述多个输入/输出端口阵列输出的相应光束在所述切换轴上以不同角度折射；第二棱镜部分，布置在所述切换透镜部分之后，并且被配置为使得从所述切换透镜部分输出的光束组的中心线被布置为与光轴平行；光束扩展部分，用于使从所述第二棱镜部分输出的光束的光束尺寸在色散轴方向上扩展；光束分离部分，用于根据波长分量将其光束尺寸已经被所述光束扩展部分扩展的光束在所述色散轴上以不同角度分离；成像透镜部分，用于重新调节和聚焦由所述光束分离部分分离的波长；以及切换部分，包括与所述多个输入/输出端口组相对应的划分表面，所述切换部分被配置为改变选定波长在所述切换轴上的角度，使得对于每个组独立选择的输入端口的波长通道被传输到独立选择的输出端口。

Description

用于多个单元的波长选择开关
技术领域
本发明涉及一种用于多个单元的波长选择开关，更具体地，涉及一种使用一对棱镜的用于多个单元的波长选择开关，该波长选择开关构成多个单元而不增加其部件数量并且减少制造工艺。
背景技术
通常，波长选择开关在色散轴上扩展从输入端口输出的光束并将光束引导到衍射光栅中。在衍射光栅中，光束被分成多个波长分量。其波长分量已经在衍射光栅中被分离的光束进入切换部分。在切换部分中，根据波长分量以预定角度将光束设置或引导到对应的输出端口阵列。用于多个单元的波长选择开关是包括用于独立操作的多个子单元的波长选择开关。根据相关技术的用于多个单元的波长选择开关使用多个透镜，每个透镜对应于单元以在单个设备中布置多个单元，同时抑制设备尺寸的增加。
然而，当组装多个透镜时，可以增加持续时间和工艺。此外，在相邻透镜彼此靠近的区域中可能产生光学盲区，从而不必要地增加波长选择开关的尺寸。
本申请的背景技术被公开在美国专利号8,190,025(2012年5月29日公告，发明名称：具有不同操作平面的波长选择开关)中。
本发明详述
技术问题
提出本发明以解决上述问题。本发明的目的是提供一种用于多个单元的波长选择开关，该波长选择开关减少了制造的持续时间和工艺并且通过消除光学盲区减小了其高度但是保持了多个单元。
发明内容
根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关(WSS)包括：多个输入/输出端口组，包括用于传输多个光束的多个输入/输出端口阵列，每个输入/输出端口阵列包括多个波长通道；切换透镜部分，被配置为使得从所述多个输入/输出端口阵列传输的多个光束在切换轴上相交；第一棱镜部分，布置在所述多个输入/输出端口阵列和所述切换透镜部分之间，所述第一棱镜部分被配置为根据不同的光束组使从所述多个输入/输出端口阵列传输的多个光束在所述切换轴上以不同角度折射；第二棱镜部分，布置在所述切换透镜部分之后，所述第二棱镜部分被配置为将从所述切换透镜部分传输的每个光束的中心线与光轴平行地对准；光束扩展部分，被配置用于使从所述第二棱镜部分传输的每个光束的光束尺寸在色散轴的方向上扩展；光束分离部分，被配置用于根据不同的波长分量将其光束尺寸已经被所述光束扩展部分扩展的每个光束在所述色散轴上以不同角度分离；成像透镜部分，被配置为重新调节和聚焦由所述光束分离部分分离的光束的波长；以及切换部分，包括与所述多个输入/输出端口组相对应的多个划分区域，所述切换部分被配置为改变具有选定波长的光束在所述切换轴上的角度，使得从每个组独立选择的输入端口的多个波长通道中选择的波长被传输到所述多个输入/输出端口组中的独立选择的输出端口。
根据本发明实施例的用于多个单元的WSS可以进一步包括：偏振光学元件，被配置为将从所述多个输入/输出端口阵列传输的具有随机偏振的光束分成具有基本相同偏振的两个光束，并将这两个光束布置在所述色散轴上。
在根据本发明实施例的用于多个单元的WSS中，所述多个输入/输出组的一部分可以布置成阵列。
在根据本发明实施例的用于多个单元的WSS中，在所述多个输入/输出端口阵列中，可以将不同数量的输入/输出端口分配给每个输入/输出端口阵列。
在根据本发明实施例的用于多个单元的WSS中，所述多个输入/输出端口阵列中的两个可以串联连接，所述两个输入/输出端口阵列中的一个在衰减模式下使用，而所述两个输入/输出端口阵列中的另一个在切换模式下使用。
在根据本发明实施例的用于多个单元的WSS中，所述多个输入/输出端口阵列中的一个可以连接到光检测器，以形成光功率监测器。
根据本发明，由于第一棱镜部分和第二棱镜部分以它们对应于多个输入/输出端口阵列组的方式布置在光路上，因此即使发生第一棱镜部分和第二棱镜部分的组装偏差，光束的焦距也不会改变。因此，即使发生第一棱镜部分和第二棱镜部分的组装偏差，也能够防止光学性能的劣化。此外，由于在第一棱镜部分和第二棱镜部分上不会产生由于连接或涂覆而导致的光学盲区，因此可以在单个光学装置中布置多个单元而不增加其高度。
附图说明
图1为根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关。
图2为根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关的切换部分。
图3为根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中的第一棱镜部分的功能。
图4为根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中第二棱镜部分的功能以及在第二中继透镜部分处中继输入/输出端口组的相交部的状态。
图5为根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中的输入/输出端口组。
图6为根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中的每个输入/输出端口组的输入/输出端口的构造。
图7为示意性地示出了根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中的三个输入/输出端口组以及与之对应的第一棱镜部分和第二棱镜部分。
图8为根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中的第一棱镜部分的各种形式。
图9为根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中串联连接的用作衰减模式或切换模式的两个输入/输出端口组。
图10为根据本发明的实施例的用于多个单元的波长选择开关中与输入/输出端口组连接以作为光输出功率监测器的光检测器的使用。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的当前实施例，其示例在附图中示出，其中，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在解释用于多个单元的波长选择开关的情况下，为了清楚和便于解释，可能夸大了附图中所示线的粗细或部件的尺寸。另外，如下所述的术语是考虑到在本发明中的功能而定义的术语，该术语可以根据用户、操作者的意图或习惯而变化。因此，应根据本说明书的全部内容来定义这些术语。
图1示意性地示出了根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关；图2示意性地示出了根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关的切换部分；图3示出了根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中的第一棱镜部分的功能；图4示出了根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中第二棱镜部分的功能以及在第二中继透镜部分处中继输入/输出端口组的相交部的状态；图5示意性地示出了根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中的输入/输出端口组；图6示意性地示出了根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中的每个输入/输出端口组的输入/输出端口的构造；图7示意性地示出了根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中的三个输入/输出端口组以及与之对应的第一棱镜部分和第二棱镜部分；图8示意性地示出了根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中的第一棱镜部分的各种形式；并且图9示意性地示出了根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中串联连接的用作衰减模式或切换模式的两个输入/输出端口组。
参照图1，根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关包括输入/输出端口部分(50，60)、偏振光学元件(120)、切换透镜部分(130)、第一棱镜部分(110)、第二棱镜部分(140)、光束扩展部分(150a)、中继透镜部分(150b)、光束分离部分(160)和成像透镜部分(155)。
用于多个单元的波长选择开关相对于色散轴和切换轴对光束进行色散、衍射、聚焦和角度改变。色散轴可以布置成与切换轴正交或不正交。
输入/输出端口部分(50，60)包括由多个输入/输出端口阵列组成的多个输入/输出端口阵列组(50-1，60-1，50-2，60-2)。为了便于解释，在图中仅示出了第一输入/输出端口组(50-1，(60-1))和第二输入/输出端口组(50-2，(60-2))，并且虽然在该图中每个输入/输出组(50-1，60-1，50-2，60-2)仅分配了5个端口，但在不同的实施例中可以分配不同数量的端口。
波长选择开关可以包括准直透镜(121)。准直透镜(121)被布置在输入/输出端口部分(50，60)与切换透镜部分(130)之间，并且将从输入/输出端口部分(50，60)发射的扩展光束准直在色散轴上。在此，准直装置将已经以一定程度扩展的光束的方向控制为与光路平行。已经通过准直透镜(121)的光束传输到偏振光学元件(120)。
偏振光学元件(120)设置在切换透镜部分(130)与输入输出端口部分(50，60)之间。偏振光学元件(120)将从输入/输出端口部分(50，60)传输的光束分成各自具有相同偏振态的两个光束，并将这两个光束布置在色散轴上。
偏振光学元件(120)包括双折射晶体(123)和半波片(124)。通过双折射晶体(123)的光束被分成具有与色散轴平行的偏振的光束和具有与切换轴平行的偏振的光束。具有与切换轴平行的偏振的光束在通过半波片(124)时变为具有与色散轴平行的偏振的光束。被如上分离的具有所述偏振的两个光束被布置在色散轴上。
第一棱镜部分(110)位于多个输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)和切换透镜部分(130)之间。第一棱镜部分(110)根据切换轴上的每个组以不同角度折射从多个输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)输出的光束组。
第一棱镜部分(110)包括与多个输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)相对的多个第一入射表面(113)，该多个第一入射表面根据切换轴上的每个组以不同角度折射从多个输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)输出的多个光束组。第一入射表面(113)可以形成为与输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)一样多的数量。
此外，第一入射表面(113)可以相对于输入/输出端口部分(50，60)形成在第一棱镜部分(110)的近侧，或者形成在其远侧。虽然图1示出了其中两个输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)面对第一棱镜部分(110)的结构，但是可以布置三个或更多个输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2，50-3，60-3)面对第一棱镜部分(110a)，如图7所示。此外，第一入射表面(113a)可以在第一棱镜部分(110a)上形成为与输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)一样多的数量。
切换透镜部分(130)在切换轴上与从偏振光学元件(120)输出的光束相交。
切换透镜部分(130)可以是在切换轴上具有曲面的柱面透镜。由于切换透镜部分(130)形成为在切换轴上具有曲面，因此光束能够在切换轴上交叉。此外，可以通过调节切换透镜部分(130)的曲面来调节切换透镜部分(130)的焦距。在此，由于输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)通过第一棱镜部分(110)具有不同的角度，所以每个输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)的交点在切换轴上分开，如图3所示。在此，柱面透镜是在一侧形成有平坦表面而在另一侧形成有弯曲表面的透镜。
切换透镜部分(130)可以位于偏振光学元件(120)之后，而准直透镜(121)可以位于偏振光学元件(120)与输入/输出端口阵列(50，60)之间)。替代地，切换透镜部分(130)和准直透镜(121)二者都可以位于偏振光学元件(120)和输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)之间。
第二棱镜部分(140)位于切换透镜部分(130)和中继透镜部分(150b)之间。第二棱镜部分(140)被配置为使从切换透镜部分(130)输出的光束组的中心线在光轴上平行对准。因此，多个光束组在通过将它们分成组而避免光束组重叠的状态下被传输。
第二棱镜部分(140)包括多个第二入射表面(143)，该多个第二入射表面被配置为使从切换透镜部分(130)输出的多个光束组的中心线在光轴上平行对准。此外，第二入射表面(143)可以相对于输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)形成在第二棱镜部分(140)的近侧，或形成在其远端。参照图1或图7，第二入射表面(143a)可以形成为与光束组的数量(即，输入/输出端口组的数量(50-1，60-1，50-2，60-2，50-3，60-3))一样多的数量。
同时，在以与多个输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)一一对应的方式安装透镜的情况下，可能发生透镜的组装偏差和由于透镜的组装偏差引起的损失。此外，在相邻透镜彼此靠近的区域(透镜的周向区域)中可能发生光学盲区。相反，根据本发明的实施例，由于第一棱镜部分(110)和第二棱镜部分(140)面对多个输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)以将多个组分开，因此即使发生第一棱镜部分(110)和第二棱镜部分(140)的组装偏差，也可以避免光束的焦距的变化。此外，可以防止在第一棱镜部分(110)和第二棱镜部分(140)处发生光学盲区。此外，由于第一棱镜部分(110)和第二棱镜部分(140)将多个光束组的光路完全分开，因此可以防止光束组进入不同输入/输出端口阵列组(50-1，60-1，50-2，60-2)的端口。
光束扩展部分(150a)扩展从第二棱镜部分(140)输出的光束的光束尺寸。
光束扩展部分(150a)包括第一光束扩展透镜(151)和第二光束扩展透镜(153)，该第一光束扩展透镜和第二光束扩展透镜被配置为在色散轴的方向上扩展光束的光束尺寸。
光束扩展部分(150a)可以由具有不同焦距的一对透镜构成，并且可以通过以伸缩方式在色散轴的方向上扩展光束来增加光束尺寸。光束扩展部分(150a)包括在色散轴上具有曲面的至少一个柱面透镜。在此，光束的光束尺寸在色散轴的方向上扩展，而在切换轴的方向上不扩展。在此，伸缩方式是指其中以和焦距一样近的距离布置两个透镜的布置。
光束分离部分(160)被配置为根据波长分量将光束尺寸已经被光束扩展部分(150a)扩展的光束在色散轴上以不同角度分离。光束分离部分(160)包括棱镜部分(未示出)和光栅部分(未示出)。在此，棱镜部分和光栅部分可以一体地形成或分开地形成。
成像透镜部分(155)被配置为重新布置和聚焦已经由光束分离部分(160)分离的波长分量。成像透镜部分(155)可以由一对或以上的透镜构成。
在切换轴上，中继透镜部分(150b)位于第二棱镜部分(140)与切换部分(170)之间。中继透镜部分(150b)包括第一中继透镜(154)和第二中继透镜(156)。通过布置透镜部分，第二光束扩展透镜(153)可以用作第一中继透镜(154)，而成像透镜(155)可以用作第二中继透镜(156)。在此，中继是指按照它们的原样传输光学特性(诸如光束的光束尺寸、光束的尺寸和光束传播方向)。
切换部分(170)被配置为对所选波长的角度进行角移位，以将由多个波长通道选择的波长传输到独立选择的输出端口。切换部分(170)包括多个切换通道部分(173：见图2)，该多个切换通道部分被配置为根据波长反射从成像透镜部分(155)输出的光束。参照图2，切换部分(170)包括多个像素，其中一些像素组用作每个输入/输出端口阵列组(50-1，60-1，50-2，60-2)的对应部分，其中每个对应部分用作对应于每个波长的切换通道部分(173)。切换部分(170)可以由LCoS(硅基液晶)构成，并且通过根据输入电信号在切换轴上产生相位斜坡来对一定波长的角度产生角位移。
进入成像透镜部分(155)的光束的光束尺寸越大，聚焦在切换部分(170)上的光束的光束光斑尺寸越小。在此，随着光束的光束光斑尺寸在色散轴的方向上变小，可以防止相邻光束光斑在切换部分(170)的切换通道部分(173)中重叠。从第一输入/输出端口阵列组(50-1，60-1)照射的光束进入第一对应部分(175-1：见图2)，并且从第二输入/输出端口阵列组(50-2，60-2)照射的光束进入第二对应部分(175-2)。
已经在切换部分(170)独立地进行角移位的多个波长通道通过与光束输入所沿着的路径相同的路径输出到对应的输出端口阵列。换句话说，已经在切换部分(170)进行角移位的多个波长通道经由成像透镜部分(155)、中继透镜部分(150b)、光束分离部分(160)、光束扩展部分(150a)、第二棱镜部分(140)、偏振光学元件(120)、准直透镜(121)和第一棱镜透镜部分(110)依次输出到输出端口阵列。
在根据本发明实施例的用于多个单元的波长选择开关中，与一个波长选择开关对应的构造可以视为一个输入/输出阵列组(50-1，60-1，50-2，60-2)和与之相对应的切换部分(170)的表面以及所有输入/输出端口阵列组(50-1，60-1，50-2，60-2)共享的光学系统。
参照图5，不同的输入/输出端口组(50-1，60-1，50-2，60-2)可以布置在同一阵列中，或者可以构成为独立放置的多个阵列。
参照图6，输入/输出端口阵列组(50-1，60-1，50-2，60-2)放置在多个输入/输出端口部分(50，60)中，在输入/输出端口阵列组中，每组的输入/输出端口的数量相同或不同。在图6(a)中，每组分配一个输入端口和N个输出端口。在图6(b)中，每组分配N个输入端口和一个输出端口。在图6(c)中，一组分配一个输入端口和N个输出端口，而其他组分配N个输入端口和一个输出端口。在图6(d)中，一组分配一个输入端口和M个输出端口，而其他组分配N个输入端口和一个输出端口，其中M、N是等于或大于一的不同整数。除了图6所示的实施例之外，还可能由各种数量的输入和/或输出端口的组合构成。
参照图8，第一棱镜部分(110b)可以使用反射棱镜构成。图8(a)示出了在色散轴上入射到第一棱镜部分(110b)并从其反射的光束的路径；图8(b)示出了在切换轴上入射到第一棱镜部分(110b)的光束的路径；并且图8(c)示出了在切换轴上从第一棱镜部分(110b)反射的光束的路径。以类似的方式，第二棱镜部分(140)可以使用第二棱镜(未示出)构成。
参照图9，两个输入/输出端口阵列组(50-1，60-1，50-2，60-2)串联连接，其中一个输入/输出端口阵列组(50-1，60-1)可以在衰减模式下使用，而另一个输入/输出端口阵列组(50-2，60-2)可以在切换模式下使用。在衰减模式下，输入/输出端口阵列组(50-1，60-1，50-2，60-2)具有输入端口和输出端口，并且根据对应切换部分(175-1)的操作独立地衰减或阻挡多个波长分量输出的光功率。通过将衰减模式下的(多个)输出端口连接到切换模式下的(多个)输入端口，根据切换部分(175-2)与切换模式对应的操作独立地改变多个波长分量的(多个)输出端口。多个单元中的每个单元可以独立地执行波长选择开关的衰减和切换功能。
参照图10，可以通过将光检测器(180)连接到多个输入/输出端口阵列组(50-1，60-1，50-2，60-2)中的一个输入/输出端口阵列组(50-1，60-1)的输出端口来构成光功率监测器。可以通过阻挡除了用于从对应组输入的光信号的多个波长分量的特定通道以外的所有通道来测量每个通道的光功率。
如上所述，由于第一棱镜部分(110)和第二棱镜部分(140)以它们对应于多个输入/输出端口阵列组(50-1，60-1，50-2，60-2)的方式布置在光路上，因此即使发生第一棱镜部分(110)和第二棱镜部分(140)的组装偏差，光束的焦距也不会改变。因此，即使发生第一棱镜部分(110)和第二棱镜部分(140)的组装偏差，也能够防止光学性能的劣化。
尽管已经示出并描述了本发明的几个实施例，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的原理和精神的情况下对此实施例进行改变。
本发明的范围在权利要求及其等同物中限定。
工业实用性
根据本发明，由于第一棱镜部分和第二棱镜部分以它们对应于多个输入/输出端口阵列组的方式布置在光路上，因此即使发生第一棱镜部分和第二棱镜部分的组装偏差，光束的焦距也不会改变。因此，即使发生第一棱镜部分和第二棱镜部分的组装偏差，也能够防止光学性能的劣化。

Claims (6)

1.一种用于多个单元的波长选择开关(WSS)，包括：
多个输入/输出端口组，包括用于传输多个光束的多个输入/输出端口阵列，每个输入/输出端口阵列包括多个波长通道；
切换透镜部分，被配置为使得从所述多个输入/输出端口阵列传输的多个光束在切换轴上相交；
第一棱镜部分，布置在所述多个输入/输出端口阵列和所述切换透镜部分之间，所述第一棱镜部分被配置为根据不同的光束组使从所述多个输入/输出端口阵列传输的多个光束在所述切换轴上以不同角度折射；
第二棱镜部分，布置在所述切换透镜部分之后，所述第二棱镜部分被配置为将从所述切换透镜部分传输的每个光束的中心线与光轴平行地对准；
光束扩展部分，被配置用于使从所述第二棱镜部分传输的每个光束的光束尺寸在色散轴的方向上扩展；
光束分离部分，被配置用于根据不同的波长分量将其光束尺寸已经被所述光束扩展部分扩展的每个光束在所述色散轴上以不同角度分离；
成像透镜部分，被配置为重新调节和聚焦由所述光束分离部分分离的光束的波长；以及
切换部分，包括与所述多个输入/输出端口组相对应的多个划分区域，所述切换部分被配置为改变具有选定波长的光束在所述切换轴上的角度，使得从每个组独立选择的输入端口的多个波长通道中选择的波长被传输到所述多个输入/输出端口组中的独立选择的输出端口。
2.根据权利要求1所述的用于多个单元的波长选择开关，进一步包括：
偏振光学元件，被配置为将从所述多个输入/输出端口阵列传输的具有随机偏振的光束分成具有基本相同偏振的两个光束，并将这两个光束布置在所述色散轴上。
3.根据权利要求1所述的用于多个单元的波长选择开关，其中，所述多个输入/输出端口组的一部分布置成阵列。
4.根据权利要求1所述的用于多个单元的波长选择开关，其中，在所述多个输入/输出端口阵列中，将不同数量的输入/输出端口分配给每个输入/输出端口阵列。
5.根据权利要求1所述的用于多个单元的波长选择开关，其中，所述多个输入/输出端口阵列中的两个串联连接，所述两个输入/输出端口阵列中的一个在衰减模式下使用，而所述两个输入/输出端口阵列中的另一个在切换模式下使用。
6.根据权利要求1所述的用于多个单元的波长选择开关，其中，所述多个输入/输出端口阵列中的一个连接到光检测器，以形成光功率监测器。
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