CN111061015A - 一种具有双光栅的波长选择开关及其设计方法 - Google Patents

一种具有双光栅的波长选择开关及其设计方法 Download PDF

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尤全
陶金
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Abstract

本发明公开了一种具有双光栅的波长选择开关及其设计方法，涉及光通信技术领域，波长选择开关包括：两个衍射级次一致的透射光栅、第一透镜组合和光相位调制器，两个透射光栅用于对输入的光束分别进行两次分离后输出不同波长的空间光；第一透镜组合用于将两个透射光栅输出的空间光进行汇聚；光相位调制器用于接收所述第二透镜组合汇聚的空间光，对接收到的空间光进行切换和光束整形处理，并将处理后的空间光原路返回。本发明提供的具有双光栅的波长选择开关，可以减小插损，提高波长选择开关的精细度，效果较好，并且能降低成本。

Description

一种具有双光栅的波长选择开关及其设计方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种具有双光栅的波长选择开关及其设计方法。
背景技术
由于近红外光栅具有高分辨率、低损耗的优点，在光学系统中应用越来越广泛，然而，由于生产工艺的限制，近红外光栅的分辨率最高只能做到1000line/mm左右，大大限制了高精度波束发生器的制造。
现有技术中，为了解决上述限制问题，采用较多的是阵列波导光栅(ArrayedWaveguide Grating，简称AWG)，但是，现有的阵列波导光栅往往会损失波长范围，带来严重插损。
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具有双光栅的波长选择开关，可以减小插损，提高波长选择开关的精细度，效果较好，并且能降低成本。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种具有双光栅的波长选择开关，包括：
两个衍射级次一致的透射光栅，两个透射光栅用于对输入的光束分别进行两次分离后输出不同波长的空间光；
第一透镜组合，其用于将两个透射光栅输出的空间光进行汇聚；
光相位调制器，其用于接收所述第二透镜组合汇聚的空间光，对接收到的空间光进行切换和光束整形处理，并将处理后的空间光原路返回。
在上述技术方案的基础上，具有双光栅的波长选择开关还包括：
光纤阵列，其用于将光纤中的光束转换成空间光；
微透镜阵列，其用于分散所述光纤阵列输出的空间光；
偏振转换单元，其用于将所述微透镜阵列输出的空间光转换成单一偏振的空间光；
第二透镜组合，其用于将所述偏振转换单元输出的空间光进行扩束，并将扩束后的空间光发送给两个透射光栅。
在上述技术方案的基础上，具有双光栅的波长选择开关还包括控制器，所述控制器与所述光相位调制器相连，其用于控制所述光相位调制器的硅上液晶LCOS灰度。
在上述技术方案的基础上，两个透射光栅分别为第一透射光栅和第二透射光栅，
第一透射光栅的光栅方程为：
Figure BDA0002341309610000021
式中，λi为光波长，d1为第一透射光栅的槽宽，
Figure BDA0002341309610000022
表示波长为λi的输入光束经过第一透射光栅后透射的衍射角，φ1表示所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角；
第二透射光栅的光栅方程为：
Figure BDA0002341309610000023
式中，λi为光波长，d2为第二透射光栅的槽宽，
Figure BDA0002341309610000024
表示波长为λi的输入光束经过第二透射光栅后透射的衍射角，
Figure BDA0002341309610000025
表示波长为λi的输入光束在第二透射光栅上的入射角。
在上述技术方案的基础上，所述空间光的所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角为49.9°，所述空间光的中心波长的输入光束在第二透射光栅上的入射角也为49.9°。
本发明还提供了一种具有双光栅的波长选择开关的设计方法，包括步骤：
采用两个衍射级次一致的透射光栅，对输入的光束分别进行两次分离后输出不同波长的空间光；
使用第一透镜组合将两个透射光栅输出的空间光进行汇聚；
使用光相位调制器接收所述第二透镜组合汇聚的空间光，对接收到的空间光进行切换和光束整形处理，并将处理后的空间光原路返回。
在上述技术方案的基础上，具有双光栅的波长选择开关的设计方法还包括步骤：
光纤阵列将光纤中的光束转换成空间光；
微透镜阵列分散所述光纤阵列输出的空间光；
偏振转换单元将所述微透镜阵列输出的空间光转换成单一偏振的空间光；
第二透镜组合将所述偏振转换单元输出的空间光进行扩束，并将扩束后的空间光发送给两个透射光栅。
在上述技术方案的基础上，具有双光栅的波长选择开关的设计方法还包括步骤：控制所述光相位调制器的硅上液晶LCOS灰度。
在上述技术方案的基础上，两个透射光栅分别为第一透射光栅和第二透射光栅，
第一透射光栅的光栅方程为：
Figure BDA0002341309610000031
式中，λi为光波长，d1为第一透射光栅的槽宽，
Figure BDA0002341309610000032
表示波长为λi的输入光束经过第一透射光栅后透射的衍射角，φ1表示所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角；
第二透射光栅的光栅方程为：
Figure BDA0002341309610000041
式中，λi为光波长，d2为第二透射光栅的槽宽，
Figure BDA0002341309610000042
表示波长为λi的输入光束经过第二透射光栅后透射的衍射角，
Figure BDA0002341309610000043
表示波长为λi的输入光束在第二透射光栅上的入射角。
在上述技术方案的基础上，所述空间光的所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角为49.9°，所述空间光的中心波长的输入光束在第二透射光栅上的入射角也为49.9°。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的具有双光栅的波长选择开关，可以提高波长选择开关的精细度，效果较好，并且能降低成本。
附图说明
图1为本发明实施例中具有双光栅的波长选择开关的部分光路示意图；
图2为本发明实施例中具有双光栅的波长选择开关的结构框图。
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。
参见图1所示，本发明实施例提供一种具有双光栅的波长选择开关，包括：两个衍射级次一致的透射光栅、第一透镜组合和光相位调制器。
两个透射光栅用于对输入的光束分别进行两次分离后输出不同波长的空间光；第一透镜组合用于将两个透射光栅输出的空间光进行汇聚；光相位调制器用于接收所述第二透镜组合汇聚的空间光，对接收到的空间光进行切换和光束整形处理，并将处理后的空间光原路返回。
参见图2所示，更进一步地，在本发明实施例中，具有双光栅的波长选择开关还包括：
光纤阵列，其用于将光纤中的光束转换成空间光；
微透镜阵列，其用于分散所述光纤阵列输出的空间光；
偏振转换单元，其用于将所述微透镜阵列输出的空间光转换成单一偏振的空间光；
第二透镜组合，其用于将所述偏振转换单元输出的空间光进行扩束，并将扩束后的空间光发送给两个透射光栅。
具体地，在本发明实施例中，两个透射光栅分别为第一透射光栅和第二透射光栅，第一透射光栅用于将所述第二透镜组合输出的空间光按照波长进行第一次分离；第二透射光栅用于将所述第一透射光栅输出的空间光进行第二次分离，输出不同波长的空间光。
本发明实施例中的具有双光栅的波长选择开关的工作过程为：光纤阵列将光纤中的光束转换成空间光；微透镜阵列分散所述光纤阵列输出的空间光；偏振转换单元将所述微透镜阵列输出的空间光转换成单一偏振的空间光；第二透镜组合将所述偏振转换单元输出的空间光进行扩束，并将扩束后的空间光发送给第一透射光栅；第一透射光栅将所述第二透镜组合输出的空间光按照波长进行第一次分离；第二透射光栅将所述第一透射光栅输出的空间光进行第二次分离，输出不同波长的空间光；第一透镜组合用于将第二透射光栅输出的空间光进行汇聚；光相位调制器接收所述第二透镜组合汇聚的空间光，对接收到的空间光进行切换和光束整形处理，控制器控制光相位调制器的硅上液晶LCOS灰度，光相位调制器将处理后的空间光原路返回至光纤阵列的不同端口。
在本发明实施例中，双光栅需满足如下条件：光斑足够大，使光栅有效面积充分被利用；光斑在上下足够多空间，可以在端口切换时无漏光损耗；两个光栅的衍射级次一致。
更进一步地，在本发明实施例中，具有双光栅的波长选择开关还包括控制器，所述控制器与所述光相位调制器相连，其用于控制所述光相位调制器的硅上液晶LCOS灰度。
更为具体地，在本发明实施例中，两个透射光栅分别为第一透射光栅和第二透射光栅，第一透射光栅的光栅方程为：
Figure BDA0002341309610000061
式中，λi为光波长，d1为第一透射光栅的槽宽，
Figure BDA0002341309610000062
表示波长为λi的输入光束经过第一透射光栅后透射的衍射角，φ1表示所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角；
第二透射光栅的光栅方程为：
Figure BDA0002341309610000063
式中，λi为光波长，d2为第二透射光栅的槽宽，
Figure BDA0002341309610000064
表示波长为λi的输入光束经过第二透射光栅后透射的衍射角，
Figure BDA0002341309610000065
表示波长为λi的输入光束在第二透射光栅上的入射角。
优选地，在本发明实施例中，所述空间光的所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角为49.9°，所述空间光的中心波长的输入光束在第二透射光栅上的入射角也为49.9°。
本发明实施例中，以输入波长为1530nm～1570nm为例，分别记为λi＝1530～λn＝1570，中心波长1550nm对应的最佳入射角为49.9°，将第一透射光栅的入射角设定为49.9°，即φ1的值为49.9°，选用的第一透射光栅和第二透射光栅的槽宽均为1um。两个光栅均选取-1衍射级次。
根据上述公式(1)可计算得到波长为1570nm光束在经过第一透射光栅后透射的衍射角为53.6°，波长为1530nm光束在经过第一透射光栅后透射的衍射角为49.9°，则得到宽带信号的衍射角差值为3.7°。
调整第二透射光栅的位置，使中心波长为1550nm的光在第二透射光栅上的入射角为49.9°，因此，波长为1530nm的输入光束在第二透射光栅上的入射角为49.9°+3.7°/2＝51.75°，波长为1570nm的输入光束在第二透射光栅上的入射角为49.9°-3.7°/2＝48.05°。
根据上述公式(2)可计算得到波长为1570nm光束在经过第二透射光栅后透射的衍射角为55.7°，波长为1530nm光束在经过第二透射光栅后透射的衍射角为48.1°，则得到宽带信号的衍射角差值为7.6°。
可见，与单个光栅相比，具有双光栅的波长选择开关的宽带信号的衍射角差值更大，空间上的色散角增加了一倍。
在本发明实施例中，第二透射光栅和光相位调制器的LCOS芯片分别设置在第一透镜组合的前后焦面上，焦距f为100mm，则LCOS芯片上沿Y轴的位置分布L为：
L＝2f·tan(Δθ22)
式中，L为波长为1530nm和1570nm波长在LCOS芯片上的中心分布间距，f为第一透镜组合的焦距，Δθ2为第二透射光栅的宽带信号的衍射角差值，即为上述计算得到的7.6°。
可见，通过多光栅的设计，不同波长的光斑在LCOS上分布扩大约一倍，在LCOS的分辨率同样取1080P的情况下，最大可控精度扩大一倍，其效果不亚于用4K分辨率的LCOS(成本高一倍)，若换上4K的LCOS，在其他任何不变的情况下，则最小可调带宽将会缩小至3GHz，因此，可以减小插损，可以提高波长选择开关的精细度，效果较好，并且能降低成本。
本发明实施例还提供了一种具有双光栅的波长选择开关的设计方法，包括步骤：
采用两个衍射级次一致的透射光栅，对输入的光束分别进行两次分离后输出不同波长的空间光；
使用第一透镜组合将两个透射光栅输出的空间光进行汇聚；
使用光相位调制器接收所述第二透镜组合汇聚的空间光，对接收到的空间光进行切换和光束整形处理，并将处理后的空间光原路返回。
更进一步地，在本发明实施例中，具有双光栅的波长选择开关的设计方法还包括步骤：
光纤阵列将光纤中的光束转换成空间光；
微透镜阵列分散所述光纤阵列输出的空间光；
偏振转换单元将所述微透镜阵列输出的空间光转换成单一偏振的空间光；
第二透镜组合将所述偏振转换单元输出的空间光进行扩束，并将扩束后的空间光发送给两个透射光栅。
更为具体地，在本发明实施例中，两个透射光栅分别为第一透射光栅和第二透射光栅，第一透射光栅先将所述第二透镜组合输出的空间光按照波长进行第一次分离；第二透射光栅再将所述第一透射光栅输出的空间光进行第二次分离，输出不同波长的空间光。
更进一步地，在本发明实施例中，具有双光栅的波长选择开关的设计方法还包括步骤：控制所述光相位调制器的硅上液晶LCOS灰度。
更进一步地，在本发明实施例中，两个透射光栅分别为第一透射光栅和第二透射光栅，
第一透射光栅的光栅方程为：
Figure BDA0002341309610000091
式中，λi为光波长，d1为第一透射光栅的槽宽，
Figure BDA0002341309610000092
表示波长为λi的输入光束经过第一透射光栅后透射的衍射角，φ1表示所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角；
第二透射光栅的光栅方程为：
Figure BDA0002341309610000093
式中，λi为光波长，d2为第二透射光栅的槽宽，
Figure BDA0002341309610000094
表示波长为λi的输入光束经过第二透射光栅后透射的衍射角，
Figure BDA0002341309610000095
表示波长为λi的输入光束在第二透射光栅上的入射角。
优选地，在本发明实施例中，所述空间光的所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角为49.9°，所述空间光的中心波长的输入光束在第二透射光栅上的入射角也为49.9°。
通过本发明实施例的具有双光栅的波长选择开关的设计方法可以实现具有双光栅的波长选择开关的宽带信号的衍射角差值更大，空间上的色散角增加了一倍，进而可以减小插损，提高波长选择开关的精细度，效果较好，并且能降低成本。
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 (10)

1.一种具有双光栅的波长选择开关，其特征在于，包括：
两个衍射级次一致的透射光栅，两个透射光栅用于对输入的光束分别进行两次分离后输出不同波长的空间光；
第一透镜组合，其用于将两个透射光栅输出的空间光进行汇聚；
光相位调制器，其用于接收所述第二透镜组合汇聚的空间光，对接收到的空间光进行切换和光束整形处理，并将处理后的空间光原路返回。
2.如权利要求1所述的具有双光栅的波长选择开关，其特征在于，还包括：
光纤阵列，其用于将光纤中的光束转换成空间光；
微透镜阵列，其用于分散所述光纤阵列输出的空间光；
偏振转换单元，其用于将所述微透镜阵列输出的空间光转换成单一偏振的空间光；
第二透镜组合，其用于将所述偏振转换单元输出的空间光进行扩束，并将扩束后的空间光发送给两个透射光栅。
3.如权利要求1所述的具有双光栅的波长选择开关，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述光相位调制器相连，其用于控制所述光相位调制器的硅上液晶LCOS灰度。
4.如权利要求1所述的具有双光栅的波长选择开关，其特征在于，两个透射光栅分别为第一透射光栅和第二透射光栅，
第一透射光栅的光栅方程为：
Figure FDA0002341309600000011
式中，λi为光波长，d1为第一透射光栅的槽宽，
Figure FDA0002341309600000012
表示波长为λi的输入光束经过第一透射光栅后透射的衍射角，φ1表示所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角；
第二透射光栅的光栅方程为：
Figure FDA0002341309600000021
式中，λi为光波长，d2为第二透射光栅的槽宽，
Figure FDA0002341309600000022
表示波长为λi的输入光束经过第二透射光栅后透射的衍射角，
Figure FDA0002341309600000023
表示波长为λi的输入光束在第二透射光栅上的入射角。
5.如权利要求4所述的具有双光栅的波长选择开关，其特征在于：所述空间光的所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角为49.9°，所述空间光的中心波长的输入光束在第二透射光栅上的入射角也为49.9°。
6.一种具有双光栅的波长选择开关的设计方法，其特征在于，包括步骤：
采用两个衍射级次一致的透射光栅，对输入的光束分别进行两次分离后输出不同波长的空间光；
使用第一透镜组合将两个透射光栅输出的空间光进行汇聚；
使用光相位调制器接收所述第二透镜组合汇聚的空间光，对接收到的空间光进行切换和光束整形处理，并将处理后的空间光原路返回。
7.如权利要求6所述的具有双光栅的波长选择开关的设计方法，其特征在于，还包括步骤：
光纤阵列将光纤中的光束转换成空间光；
微透镜阵列分散所述光纤阵列输出的空间光；
偏振转换单元将所述微透镜阵列输出的空间光转换成单一偏振的空间光；
第二透镜组合将所述偏振转换单元输出的空间光进行扩束，并将扩束后的空间光发送给两个透射光栅。
8.如权利要求6所述的具有双光栅的波长选择开关的设计方法，其特征在于，还包括步骤：控制所述光相位调制器的硅上液晶LCOS灰度。
9.如权利要求6所述的具有双光栅的波长选择开关的设计方法，其特征在于，两个透射光栅分别为第一透射光栅和第二透射光栅，
第一透射光栅的光栅方程为：
Figure FDA0002341309600000031
式中，λi为光波长，d1为第一透射光栅的槽宽，
Figure FDA0002341309600000032
表示波长为λi的输入光束经过第一透射光栅后透射的衍射角，φ1表示所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角；
第二透射光栅的光栅方程为：
Figure FDA0002341309600000033
式中，λi为光波长，d2为第二透射光栅的槽宽，
Figure FDA0002341309600000034
表示波长为λi的输入光束经过第二透射光栅后透射的衍射角，
Figure FDA0002341309600000035
表示波长为λi的输入光束在第二透射光栅上的入射角。
10.如权利要求9所述的具有双光栅的波长选择开关的设计方法，其特征在于：所述空间光的所有波长的输入光束在第一透射光栅上的固定入射角为49.9°，所述空间光的中心波长的输入光束在第二透射光栅上的入射角也为49.9°。
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