CN114488407A - 一种基于二维色散的波长选择开关及方法 - Google Patents

一种基于二维色散的波长选择开关及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二维色散的波长选择开关及方法，包括：准直光纤阵列，所述准直光纤阵列以横向一维形式排列；虚像相位阵列，所述虚像相位阵列设于所述准直光纤阵列的后方；傅里叶透镜，所述傅里叶透镜设于所述虚像相位阵列的后方；光学透镜组，所述光学透镜组设于所述傅里叶透镜的后方，且所述光学透镜组与所述傅里叶透镜位于同一光轴上；以及硅基液晶光开关，所述硅基液晶光开关设于所述光学透镜组的后方，且所述硅基液晶光开关的端面与所述光学透镜组的镜面相对设置。本发明利用具有二维色散特性的虚像相位阵列替代一维色散器件，使得波长信号呈二维平面展开，提高了波长选择装置的性能。

Description

一种基于二维色散的波长选择开关及方法
技术领域
本发明涉及波长选择开关领域，尤其涉及的是一种基于二维色散的波长选择开关及方法。
背景技术
自从“光纤之父”高锟从理论上证明了光纤作为传输媒介可以实现长距离、大容量通讯的可能性以来，光纤通讯领域得到爆发式的发展，并且在1977年光纤通讯系统首次实现商用化。如今，现代光纤通讯系统已经在全球范围内布局，但随着移动互联网的普及，物联网、云计算和大数据分析等新兴技术的发展，人们对通讯容量和数据传输速率提出了更高的要求。波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)作为现代光纤通讯网络的重要技术，从波长维度极大地提升了网络传输容量。
波分复用的普及也催生出另外一种技术——可重建全光插分复用器系统(Reconfigurable Optical Add/drop Multiplexer,ROADM)。ROADM可以使通讯运营商在网络节点处实现波长级的路径调度和恢复，极大地提升了网络的可重构性和鲁棒性。同时，ROADM系统是在全光层面上进行波长信息交换的，不涉及传统的光-电-光转换过程，一方面能有效降低系统功耗，另一方面不需要经过复杂的调制模式。因此，ROADM是实现全光网络的关键技术。ROADM发展至今已经有二十余年历史，第一次商业化是在2000年前后。第一代产品是基于波长阻断器(Wavelength Blocker,WB)的ROADM，它结构简单，成本低廉，模块化程度好，但是系统需要外接固定式滤波器实现固定波长的光交换，无法动态重构上下行端波长。第二代ROADM是基于平面光集成(Planar Lightwave Circuit,PLC)的技术,它是一种基于硅工艺的集成电路，将解复用器、光开关、衰减器和复用器集成在一块芯片上，商用化成本较低，但缺点跟第一代相似，无法实现动态重构波长。第三代ROADM应运而生，其核心技术是波长选择开关(Wavelength Selective Switch,WSS),它可以将输入端口的任意波长信道切换到任意的输出端口，实现全光网络的动态波长重构。
为了满足网络运营维护可重构性和灵活性的要求，ROADM需要具备波长无关(Colourless)、方向无关(Directionless)、竞争无关(Contentionless)的特性。为此，作为ROADM的关键组件，WSS不断进行革新。目前，实现WSS的主流方案有三种，其根本区别在于光开关技术的不同，分别是微机电镜(Microelectromechanical Mirrors,MEMS)系统、液晶(Liquid Crystal,LC)以及硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)光开光。MEMS系统上采用了庞大数量的微反射镜作为光路调控单元，导致系统稳定性较差，功耗较大，很难达到20端口数以上的规格。其次，反射镜的物理尺寸较大，限制了通道的可调带宽。相比之下，LC光开关的稳定性更高，但是，该技术堆叠的液晶层较厚，光束很难精确聚焦在对应深度，限制了大端口数WSS下的信道带宽精度。LCoS技术凭借其支持超大端口数和灵活栅格(Flex-grid)功能，成为目前业界主流技术的选择。搭配基于LCoS技术WSS的ROADM具备波长无关、方向无关、竞争无关、灵活栅格功能(也称为CDCF ROADM)，成为最有潜力的全光交换系统。近年来，WSS的研究方向主要集中在保持损耗和串扰性能的条件下实现更多端口、更灵活栅格以及更宽带宽的性能。
因此，现有技术还有待改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本发明提供一种基于二维色散的波长选择开关及方法，以提高波长选择开关的性能。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种基于二维色散的波长选择开关，所述基于二维色散的波长选择开关包括：
准直光纤阵列，所述准直光纤阵列以横向一维形式排列；
虚像相位阵列，所述虚像相位阵列设于所述准直光纤阵列的后方；
傅里叶透镜，所述傅里叶透镜设于所述虚像相位阵列的后方；
光学透镜组，所述光学透镜组设于所述傅里叶透镜的后方，且所述光学透镜组与所述傅里叶透镜位于同一光轴上；
以及硅基液晶光开关，所述硅基液晶光开关设于所述光学透镜组的后方，且所述硅基液晶光开关的端面与所述光学透镜组的镜面相对设置；
所述准直光纤阵列输入的复合光经过所述虚像相位阵列后，沿纵向呈线性色散展开，并经过所述傅里叶透镜及所述光学透镜组形成平面色散，以在所述硅基液晶光开关上选择性地反射进入所述准直光纤阵列的输出端。
在一种实现方式中，所述基于二维色散的波长选择开关，还包括：
柱透镜，所述柱透镜设于所述准直光纤阵列与所述虚像相位阵列之间，所述准直光纤阵列出射的复合光经过所述柱透镜进行束腰整形，被整形后的信号光进入所述虚像相位阵列。
在一种实现方式中，所述基于二维色散的波长选择开关，还包括：
衍射光栅，所述衍射光栅设于所述光学透镜组的透镜之间，且所述衍射光栅与所述傅里叶透镜及所述光学透镜组位于同一光轴上。
在一种实现方式中，所述光学透镜组包括：第一球面镜和第二球面镜；
所述第一球面镜设于所述衍射光栅的前方，所述第二球面镜设于所述衍射光栅的后方；所述第一球面镜、所述衍射光栅以及所述第二球面镜位于同一光轴上；
被线性色散展开的信号光经过所述傅里叶透镜使信号光与光轴的横向距离转化为横向角度，经过所述第一球面镜转化为横向位移量并成像在所述衍射光栅上，经过所述衍射光栅的衍射分光作用在横向色散展开，形成所述平面色散。
在一种实现方式中，所述虚像相位阵列在纵向以一定角度向后方倾斜，以在所述虚像相位阵列中形成自由光谱区域。
在一种实现方式中，所述虚像相位阵列包括：入射面和出射面；
所述入射面镀有第一反射膜，所述出射面镀有第二反射膜；所述准直光纤阵列及所述柱透镜的出射的复合光，经过所述第一反射膜和所述第二反射膜的多次反射，在所述出射面以线性色散展开。
在一种实现方式中，所述准直光纤阵列包括：输入端和输出端；
所述复合光通过所述输入端准直后，进入所述柱透镜及所述虚像相位阵列；所述硅基液晶光开关反射的光信号经过所述虚像相位阵列及所述柱透镜从所述输出端输出至信号接收端。
第二方面，本发明提供一种基于二维色散的波长选择方法，所述基于二维色散的波长选择方法包括：
将光信号输入端的复合光从准直光纤阵列入射，并经过柱透镜对所述复合光进行束腰整形，得到整形后的信号光；
通过虚像相位阵列对整形后的信号光进行多次反射，并在所述虚像相位阵列的输出面形成沿纵向呈线性色散展开的信号光；
通过傅里叶透镜将展开的信号光与光轴的横向距离转化为光射角度，并通过第一球面镜转化为横向位移量，以成像在衍射光栅上；
利用所述衍射光栅的衍射分光作用将成像在横向色散展开，在横向形成平面色散；
通过第二球面镜将所述平面色散入射到硅基液晶光开关上，并控制所述硅基液晶光开关在对应像素上加载预设相位，以使不同波长成分的光信号在横向进行选择性地反射；
将反射的信号光经过所述第二球面镜、所述衍射光栅、所述第一球面镜、傅里叶透镜以及所述虚像相位阵列转化为横向位移量，经由所述虚像相位阵列选择性地输出至所述准直光纤阵列的输出端。
在一种实现方式中，所述将光信号输入端的复合光从准直光纤阵列入射，之前包括：
确定所述虚像相位阵列的倾斜角度和入射窗口大小；
根据所述倾斜角度确定所述虚像相位阵列的自由光谱区：
Figure BDA0003473592200000041
其中，n、t分别为所述虚像相位阵列的折射率和厚度；
θ为所述虚像相位阵列的倾斜角度；
c为常数。
在一种实现方式中，所述将光信号输入端的复合光从准直光纤阵列入射，之前还包括：
根据所述倾斜角度以及入射光束束腰确定所述衍射光栅的二维色散视场分布δθx和δθy；
Figure BDA0003473592200000051
Figure BDA0003473592200000052
其中，d为光栅常数；
β为光栅与x轴的夹角；
θx为x方向的视场角；
ω为光束束腰；
α为所述虚像相位阵列与y轴的夹角；
n为所述虚像相位阵列内部介质的折射率；
R1为所述虚像相位阵列的第一反射膜的反射率；
R2为所述虚像相位阵列的第二反射膜的反射率。
本发明采用上述技术方案具有以下效果：
本发明提供的虚像相位阵列具有较大的色散角度，能够有效提高波长分量的光谱分辨率和空间分辨率，在波长选择开关的其他架构不变的情况下，能够降低波长选择开关中的信道串扰；而且，提供的虚像相位阵列可以充分利用硅基液晶光开关的像素面积进行相位调制，可操纵的光束数明显增多，使波长选择开关能支持更大端口数，提高了整个波长选择系统的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明的一种实现方式中基于二维色散的波长选择开关的结构示意图。
图2是现有的波长选择系统的结构示意图。
图3是现有的波长选择系统的光斑分布示意图。
图4是现有的可重建全光插分布复用器系统的结构示意图。
图5是本发明的一种实现方式中的二维色散的原理示意图。
图6是本发明的一种实现方式中的二维光谱视场分布示意图。
图7是本发明的一种实现方式中基于二维色散的波长选择方法的流程图。
图中：
1、准直光纤阵列；2、柱透镜；3、虚像相位阵列；4、傅里叶透镜；5、第一球面镜；6、衍射光栅；7、第二球面镜；8、硅基液晶光开关。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
目前，波长选择开关的性能不断得到提升，主要表现在输入输出端口数的增大，覆盖带宽的拓展以及光开关的性能提升，其光学系统的基本架构相似，方案如图2所示。图中傅里叶透镜和成像透镜1的距离是两透镜的焦距之和，成像透镜1和成像透镜2构成4f系统(线性光学信息处理系统)，色散元件位于4f系统两透镜间的共焦平面上，反射式的光束调控器件位于透镜2的后焦平面上。多个光纤阵列端口沿着y轴排布，各端口的输出信号沿着z轴传输。
该系统的工作原理如下：
首先，准直的信号光经过傅里叶透镜后，将y方向上的距离转化成角度，与光轴交于4f系统的物平面。信号光在4f系统共焦面的色散元件上发生色散(色散元件通常为衍射光栅)，光只在x方向进行波长分束，最后落在反射式光束偏转器的不同位置。
然后，落在x轴不同位置的波长成分在偏转器件的操纵下，以不同的y轴倾角反射，光路反向传输，在傅里叶透镜的作用下，把各波长光束的不同倾角转化成y轴方向上的位移，进入不同的输出端口，这样就实现了波长的选择性输出。这种架构被广泛应用于波长级光交换系统中。
由于，波长选择开关的光学系统设计一般基于“色散-偏转”架构，现阶段普遍利用光栅或棱栅作为色散元件，对信号光进行一维色散展开(假设以x方向展开)，展开后的光束在光开关上进行y方向的偏转调控从而实现波长选择(如图3所示)。近年来，利用衍射光栅和硅基液晶光开关搭建的波长选择开关成为业界主流选择，其端口数可达1*32个，最大覆盖频谱范围接近10THz，信道的最小栅格间距在10GHz左右。这些指标的极限主要受限于色散元件和光开关的性能。
目前，利用的色散元件均基于一维展开，这就意味着光只能从单个方向进行波长分束；另一方面，市面上的硅基液晶光开关像素有限，商用化的高性能硅基液晶光开关一般为2k像素，少数能达到4k像素；因此，可调控的光束数量有限。要想进一步提高波长选择开关性能，最直接的方法是集成多个波长选择开关(M个1*N波长选择开关，即M*N波长选择开关)，2个波长选择开关封装在一个模块使用已经成为主流方案。近年来，波长选择开关的集成度也不断提升，最领先的技术方案可以实现24*12个波长选择开关。但是，波长选择开关的成本较高，随着集成度的提升，系统的价格也变得昂贵，市场在考虑经济效益的条件下，很难实现商用化，所以进一步提升单个波长选择开关的主要性能指标(端口数、覆盖带宽、栅格间隔等)仍然是目前的主要研究方向。
针对上述技术问题，本实施例提供一种基于二维色散的波长选择开关，利用二维色散器代替传统的一维色散元件，使得波长信号呈二维平面展开，展开后的信号光谱分辨率更高、可操纵的信道更多。本实施例基于二维色散的波长选择开关在信道串扰、端口数、覆盖波长范围和栅格灵活性等性能上都有了明显的提高。
示例性系统
如图1所示，本发明实施例提供一种基于二维色散的波长选择开关。
在本实施例的一种实现方式中，所述基于二维色散的波长选择开关可以应用于第三代ROADM(可重建光插分复用系统)，也称为CDCF ROADM可重建光插分复用系统；其中，第三代ROADM的框架如图4所示。
当然，在本实施例的另一种实现方式中，所述基于二维色散的波长选择开关还可以应用于其他代可重建光插分复用系统中，或者应用于基于第三代改进的可重建光插分复用系统中。
如图1所示，所述基于二维色散的波长选择开关包括：
依次沿着图中z轴排列设置的准直光纤阵列1、虚像相位阵列3、傅里叶透镜4、光学透镜组以及硅基液晶光开关8。
具体地，所述准直光纤阵列1以横向一维形式排列，即所述准直光纤阵列1沿着图中x轴方向单行排列；所述虚像相位阵列3设于所述准直光纤阵列1的后方；所述傅里叶透镜4设于所述虚像相位阵列3的后方；所述光学透镜组设于所述傅里叶透镜4的后方，且所述光学透镜组与所述傅里叶透镜4位于同一光轴上；所述硅基液晶光开关8设于所述光学透镜组的后方，且所述硅基液晶光开关8的端面与所述光学透镜组的镜面相对设置。
在本实施例中，所述准直光纤阵列1输入的复合光经过所述虚像相位阵列3后，沿纵向呈线性色散展开，并经过所述傅里叶透镜4、衍射光栅6及所述光学透镜组形成平面色散，以在所述硅基液晶光开关8上选择性地反射进入所述准直光纤阵列1的输出端。
在本实施例的一种实现方式中，所述基于二维色散的波长选择开关还包括：柱透镜2和衍射光栅6。
具体地，所述柱透镜2设于所述准直光纤阵列1与所述虚像相位阵列3之间，所述准直光纤阵列1出射的复合光经过所述柱透镜2进行束腰整形，被整形后的信号光进入所述虚像相位阵列3；所述衍射光栅6则设于所述光学透镜组的透镜之间，而且，所述衍射光栅6与所述傅里叶透镜4及所述光学透镜组位于同一光轴上。
进一步地，所述光学透镜组包括：第一球面镜5和第二球面镜7；其中，所述第一球面镜5设于所述衍射光栅6的前方，所述第二球面镜7设于所述衍射光栅6的后方；所述第一球面镜5、所述衍射光栅6以及所述第二球面镜7位于同一光轴上；被线性色散展开的信号光经过所述傅里叶透镜4使信号光与光轴的横向距离转化为横向角度，经过所述第一球面镜5成像在所述衍射光栅6上，经过所述衍射光栅6的衍射分光作用在横向色散展开，形成所述平面色散，进而平面色散光信号经过第二球面镜7后，入射到硅基液晶光开关8上，以使得不同波长成分的光在x轴方向上进行选择性偏转反射。
值得一提的是，在光信号沿光路返回的过程中，傅里叶透镜4可以将硅基液晶光开关8上产生的光束角度偏移转化为位移量，从而输出到准直光纤阵列1中不同的接收端口中。
进一步地，所述虚像相位阵列3在纵向以一定角度向后方倾斜，以在所述虚像相位阵列3中形成自由光谱区域；在本实施例的一种实现方式中，所述虚像相位阵列3的倾角为1°～5°。
在本实施例的一种实现方式中，所述虚像相位阵列3包括：入射面和出射面，所述入射面镀有第一反射膜，所述出射面镀有第二反射膜；所述准直光纤阵列1及所述柱透镜2的出射的复合光，经过所述第一反射膜和所述第二反射膜的多次反射，在所述出射面以线性色散展开；
在本实施例的一种实现方式中，所述准直光纤阵列1包括：输入端和输出端；所述复合光通过所述输入端准直后，进入所述柱透镜2及所述虚像相位阵列3；所述硅基液晶光开关8反射的光信号经过所述虚像相位阵列3及所述柱透镜2从所述输出端输出至信号接收端。
如图5所示，在本实施例中，主要针对波长选择开关架构中的色散元件进行优化。传统的色散元件通常有衍射光栅和棱栅，而本实施例中用到了一种罕见的分光元件--虚像相位阵列(Virtually imaged phased array,VIPA)。
虚像相位阵列的结构类似法布里珀罗标准具，在入射面(除入射窗口镀增透膜外)处镀99％以上的全反膜R1(即第一反射膜)，在出射面镀90％-98％的高反膜R2(即第二反射膜)。由于，复合光束在两个反射面内多次反射，对输出端而言，相当于有n个等间距的虚像以恒定的相位差进行干涉，特定波长的光以特定的角度准直出射，从而实现分光。
本实施例中采用虚像相位阵列的最初目的是利用其大角色散和高分辨率特性，实现波分复用、色散补偿等功能。但是，虚像相位阵列与标准具结构类似，虚像相位阵列存在自由光谱区(Free spectral range,FSR)：
Figure BDA0003473592200000091
其中，n、t分别为所述虚像相位阵列的折射率和厚度；
θ为所述虚像相位阵列的倾斜角度；
c为常数。
在本实施例中，每个自由光谱区周期内的波长呈线性展开，但不同周期的谱线则混叠在一起，因此该元件无法得到广泛应用。而在本实施例中，则利用虚像相位阵列和衍射光栅结合构成的二维色散器替代传统的一维色散元件，在二维平面上对复合光进行色散展开，原理如图5所示。
首先，宽谱信号光通过虚像相位阵列的输入窗口，在虚像相位阵列的两个面内进行多次反射，在出射面处，单个自由光谱区内的不同波长在纵向上以线性展开，不同自由光谱区周期之间会出现混叠，而混叠的波长之差为自由光谱区的整数倍。
然后，被线性展开的波长成分入射到衍射光栅(色散方向为横向)中，重叠的波长成分又由于衍射效应而在横向上展开，因此就能得到呈二维平面分布的色散信号。假设光栅为+1级闪耀光栅，则有光栅方程：
d[sin(θx,i+β)+sinβ]＝λi (2)；
其中，β为信号光入射角；d为光栅常数。
因此，针对某个波长λi，能求得横向色散的角θx,i。虚像相位阵列的色散规律为：
Figure BDA0003473592200000101
其中，α为虚像相位阵列倾斜角，且nsinαin＝sinα。
因此，针对某个波长λi，能求得到纵向色散的角度θy,i，通过联立公式(2)和(3)即可计算出信号光的二维分布情况。
值得注意的是，在实际使用上，虚像相位阵列除了需要考虑自由光谱区的大小以外，还需要考虑倾角的大小。虚像相位阵列通常厚度很薄，它的入射窗口大小为2ndtgα，要想入射光束进入虚像相位阵列，入射光束的束腰尺寸要满足条件以下条件：
2ω<2ndtgα (4)；
因此，一般在虚像相位阵列前置一个柱透镜进行纵向上的光斑压缩。其次，为了得到更大的角色散和空间分辨率，应避免使用过小的倾斜角，而为了较低损耗和保证产生的虚像数量、增大视场面积，不能使用大的倾斜角，因此，一般倾角设置在1～5°左右。
在本实施例中，实验装置如图1所示。该方案与图2的波长选择开关装置最大的区别是：本实施例中引入了虚像相位阵列色散元件，该器件的入射窗口大小有限，从而限制了输入输出端口在纵向上的调控范围；
因此，y方向上的端口数量设置不宜过多。本实施例中的准直光纤阵列以x方向一维排布，所以硅基液晶光开关对光束的偏转方向是x轴方向的。从光路结构来看，除了引入虚像相位阵列和柱面镜以外，其他元件与图2放置位置相似，傅里叶透镜与第一球面镜的距离是两者焦距之和，第一球面镜和第二球面镜构成4f系统，衍射光栅放置在4f系统的共焦面上，硅基液晶光开关放置在4f系统的后焦面上，而虚像相位阵列和柱面镜的距离根据实际需要的光束束腰大小而定。
从光路上分析，本实施例中的光路原理如下：
首先，输入端口的复合光从准直光纤阵列入射，经过柱透镜对束腰整形。被整形后的信号光进入虚像相位阵列后，在出射面处沿着y轴线性色散展开。
其次，被线性色散后的信号光经过傅里叶透镜把x方向上与光轴的距离转化成角度，再透过第一球面镜转化为x方向位移量并成像在光栅上，经历衍射分光在x轴方向色散展开，从而形成了平面色散。
再者，平面色散光信号经过第二球面镜后入射到硅基液晶光开关上；PC端控制硅基液晶光开关的不同像素上加载不同的相位，使得不同波长成分的光在x轴方向上进行选择性偏转反射。
最后，不同反射角的光经过4f系统和傅里叶透镜转化成x方向上的位移量，即通过傅里叶透镜将硅基液晶光开关上产生的光束角度偏移转化为位移量，再经由虚像相位阵列反向输出，选择性地进入准直光纤阵列。
值得注意的是，二维色散平面并不是呈矩形分布的，纵向上具有一定的斜率，随着覆盖的波长成分增加，斜率也在单调递增，并且在实际应用中，系统像差及误差也对光斑的分布有影响；因此，在像素中加载相位时会对波长选择开关引入不必要的插损和串扰。要实现光束的精准偏转，就要对硅基液晶光开关上不同波长成分的光斑分布进行位置标定。
在本实施例的一种实现方式中，基于二维色散的波长选择开关所需要的参数选定如下：
在本实施例中，影响波长选择开关性能的主要参数有虚像相位阵列的尺寸和自由光谱区、光束的束腰大小，二维色散元件的倾斜角、4f系统的焦距大小、硅基液晶光开关的像素数目和像素点大小。
首先，虚像相位阵列的入射窗口大小决定了入射光束和出射光束的数量，直接影响着波长选择开关的端口数；
其次，虚像相位阵列的倾斜角确定的条件下，其y方向上长度决定了能够产生的虚像数量，虚像越多，光从顶端出射的泄露损耗越小；因此，虚像相位阵列尺寸尽量大；自由光谱区的大小直接影响了波长选择开关的覆盖带宽和信道间隔，较大的自由光谱区能够覆盖更宽的波长范围，而较小自由光谱区能够支持更小的栅格尺寸。
光斑发散角直接影响光谱分辨率和空间分辨率，在波长选择开关的应用中，发散角越小越有优势。信号光在光栅出射的二维色散视场分布情况如图6所示，δθx和δθy表示光斑在xy平面的发散角表示为：
Figure BDA0003473592200000121
Figure BDA0003473592200000122
其中，d为光栅常数；
β为光栅与x轴的夹角；
θx为x方向的视场角；
ω为光束束腰；
α为所述虚像相位阵列与y轴的夹角；
n为所述虚像相位阵列内部介质的折射率；
R1为所述虚像相位阵列的第一反射膜的反射率；
R2为所述虚像相位阵列的第二反射膜的反射率。
在色散元件参数确定的情况下，由公式(5)可知，x方向发散角δθx主要受光栅夹角β和入射光束束腰影响，且存在最优解；
由公式(6)可知，y方向发散角δθy主要受虚像相位阵列倾斜角α影响，随着α增大，发散角逐渐收敛。因此，通过计算能确定最佳的入射光束束腰和色散元件倾斜角。
4f系统的焦距大小则影响色散平面的成像大小，成像在硅基液晶光开关的面积太大会造成信号丢失，成像太小会降低可调栅格的灵活性，因此需要合理选用球面镜的焦距大小。
硅基液晶光开关的参数对波长选择开关性能是至关重要的。单个像素的尺寸越小，意味着可调控的光束单元越细，即栅格灵活性越高，目前商用的硅基液晶光开关像素尺寸多数在8μm左右。硅基液晶光开关的面积由像素尺寸和数量决定，硅基液晶光开关的面积越大，波长选择开关能覆盖的带宽越宽，可支撑的端口数越大。目前商用硅基液晶光开关像素大多数为2k，少数能达到4k。因此，硅基液晶光开关的技术能够进一步发展，基于硅基液晶光开关的波长选择开关性能也将进一步提升。
本实施例通过上述技术方案具有以下效果：
本发明是利用上述二维色散器替换波长选择开关的一维色散元件，使得输入信道中的波长级信号以平面进行展开，从而充分利用硅基液晶光开关的像素面积对光束相位进行调控，这就意味在其他器件参数不变的情况下，波长选择开关可覆盖的带宽更广。其次，由于二维色散器的空间分辨率比一维色散要高，在硅基液晶光开关像素尺寸恒定的情况下，栅格的可操作范围更灵活。
示例性方法
如图7所示，基于上述实施例，本实施例还提供一种基于二维色散的波长选择方法，包括以下步骤：
步骤S100，将光信号输入端的复合光从准直光纤阵列入射，并经过柱透镜对所述复合光进行束腰整形，得到整形后的信号光；
步骤S200，通过虚像相位阵列对整形后的信号光进行多次反射，并在所述虚像相位阵列的输出面形成沿纵向呈线性色散展开的信号光；
步骤S300，通过傅里叶透镜将展开的信号光与光轴的横向距离转化为光射角度，并通过第一球面镜转化为横向位移量，以成像在衍射光栅上；
步骤S400，利用所述衍射光栅的衍射分光作用将成像在横向色散展开，在横向形成平面色散；
步骤S500，通过第二球面镜将所述平面色散入射到硅基液晶光开关上，并控制所述硅基液晶光开关在对应像素上加载预设相位，以使不同波长成分的光信号在横向进行选择性地反射；
步骤S600，将反射的信号光经过所述第二球面镜、所述衍射光栅、所述第一球面镜、傅里叶透镜以及所述虚像相位阵列转化为横向位移量，经由所述虚像相位阵列选择性地输出至所述准直光纤阵列的输出端。
在本实施例中，主要针对波长选择开关架构中的色散元件进行优化。传统的色散元件通常有衍射光栅和棱栅，而本实施例中用到了一种罕见的分光元件--虚像相位阵列(Virtually imaged phased array,VIPA)。
虚像相位阵列的结构类似法布里珀罗标准具，在入射面(除入射窗口镀增透膜外)处镀90％以上的全反膜R1(即第一反射膜)，在出射面镀90％-98％的高反膜R2(即第二反射膜)。由于，复合光束在两个反射面内多次反射，对输出端而言，相当于有n个等间距的虚像以恒定的相位差进行干涉，特定波长的光以特定的角度准直出射，从而实现分光。
本实施例中采用虚像相位阵列的最初目的是利用其大角色散和高分辨率特性，实现波分复用、色散补偿等功能。但是，虚像相位阵列与标准具结构类似，虚像相位阵列存在自由光谱区(Free spectral range,FSR)：
Figure BDA0003473592200000141
其中，n、t分别为所述虚像相位阵列的折射率和厚度；
θ为所述虚像相位阵列的倾斜角度；
c为常数。
在本实施例中，每个自由光谱区周期内的波长呈线性展开，但不同周期的谱线则混叠在一起，因此该元件无法得到广泛应用。而在本实施例中，则利用虚像相位阵列和衍射光栅结合构成的二维色散器替代传统的一维色散元件，在二维平面上对复合光进行色散展开，原理如图5所示。
首先，宽谱信号光通过虚像相位阵列的输入窗口，在虚像相位阵列的两个面内进行多次反射，在出射面处，单个自由光谱区内的不同波长在纵向上以线性展开，不同自由光谱区周期之间会出现混叠，而混叠的波长之差为自由光谱区的整数倍。
然后，被线性展开的波长成分入射到衍射光栅(色散方向为横向)中，重叠的波长成分又由于衍射效应而在横向上展开，因此就能得到呈二维平面分布的色散信号。假设光栅为+1级闪耀光栅，则有光栅方程：
d[sin(θx,i+β)+sinβ]＝λi (2)；
其中，β为信号光入射角；d为光栅常数。
因此，针对某个波长λi，能求得横向色散的角θx,i。虚像相位阵列的色散规律为：
Figure BDA0003473592200000151
其中，α为虚像相位阵列倾斜角，且nsinαin＝sinα。
因此，针对某个波长λi，能求得到纵向色散的角度θy,i，通过联立公式(2)和(3)即可计算出信号光的二维分布情况。
值得注意的是，在实际使用上，虚像相位阵列除了需要考虑自由光谱区的大小以外，还需要考虑倾角的大小。虚像相位阵列通常厚度很薄，它的入射窗口大小为2ndtgα，要想入射光束进入虚像相位阵列，入射光束的束腰尺寸要满足条件以下条件：
2ω<2ndtgα (4)；
因此，一般在虚像相位阵列前置一个柱透镜进行纵向上的光斑压缩。其次，为了得到更大的角色散和空间分辨率，应避免使用过小的倾斜角，而为了较低损耗和保证产生的虚像数量、增大视场面积，不能使用大的倾斜角，因此，一般倾角设置在1～5°左右。
在本实施例中，实验装置如图1所示。该方案与图2的波长选择开关装置最大的区别是：本实施例中引入了虚像相位阵列色散元件，该器件的入射窗口大小有限，从而限制了输入输出端口在纵向上的调控范围；
因此，y方向上的端口数量设置不宜过多。本实施例中的准直光纤阵列以x方向一维排布，所以硅基液晶光开关对光束的偏转方向是x轴方向的。从光路结构来看，除了引入虚像相位阵列和柱面镜以外，其他元件与图2放置位置相似，傅里叶透镜与第一球面镜的距离是两者焦距之和，第一球面镜和第二球面镜构成4f系统，光栅放置在4f系统的共焦面上，硅基液晶光开关放置在4f系统的后焦面上，而虚像相位阵列和柱面镜的距离根据实际需要的光束束腰大小而定。
从光路上分析，本实施例中的光路原理如下：
首先，输入端口的复合光从准直光纤阵列入射，经过柱透镜对束腰整形。被整形后的信号光进入虚像相位阵列后，在出射面处沿着y轴线性色散展开。
其次，被线性色散后的信号光经过傅里叶透镜把x方向上与光轴的距离转化成角度，再透过第一球面镜转化为x方向位移量并成像在光栅上，经历衍射分光在x轴方向色散展开，从而形成了平面色散。
再者，平面色散光信号经过第二球面镜后入射到硅基液晶光开关上；PC端控制硅基液晶光开关的不同像素上加载不同的相位，使得不同波长成分的光在x轴方向上进行选择性偏转反射。
最后，不同反射角的光经过4f系统和傅里叶透镜转化成x方向上的位移量，再经由虚像相位阵列反向输出，选择性地进入准直光纤阵列。
值得注意的是，二维色散平面并不是呈矩形分布的，纵向上具有一定的斜率，随着覆盖的波长成分增加，斜率也在单调递增，并且在实际应用中，系统像差及误差也对光斑的分布有影响；因此，在像素中加载相位时会对波长选择开关引入不必要的插损和串扰。要实现光束的精准偏转，就要对硅基液晶光开关上不同波长成分的光斑分布进行位置标定。
在本实施例的一种实现方式中，基于二维色散的波长选择开关所需要的参数选定如下：
在本实施例中，影响波长选择开关性能的主要参数有虚像相位阵列的尺寸和自由光谱区、光束的束腰大小，二维色散元件的倾斜角、4f系统的焦距大小、硅基液晶光开关的像素数目和像素点大小。
首先，虚像相位阵列的入射窗口大小决定了入射光束和出射光束的数量，直接影响着波长选择开关的端口数，
其次，虚像相位阵列的倾斜角确定的条件下，其y方向上长度决定了能够产生的虚像数量，虚像越多，光从顶端出射的泄露损耗越小；因此，虚像相位阵列尺寸尽量大；自由光谱区的大小直接影响了波长选择开关的覆盖带宽和信道间隔，较大的自由光谱区能够覆盖更宽的波长范围，而较小自由光谱区能够支持更小的栅格尺寸。
即在本实施例中，所述步骤S100之前包括以下步骤：
步骤S001，确定所述虚像相位阵列的倾斜角度和入射窗口大小；
步骤S002，根据所述倾斜角度确定所述虚像相位阵列的自由光谱区。
在本实施例的一种实现方式中，光斑发散角直接影响光谱分辨率和空间分辨率，在波长选择开关的应用中，发散角越小越有优势。信号光在光栅出射的二维色散视场分布情况如图6所示，δθx和δθy表示光斑在xy平面的发散角表示为：
Figure BDA0003473592200000171
Figure BDA0003473592200000172
其中，d为光栅常数；
β为光栅与x轴的夹角；
θx为x方向的视场角；
ω为光束束腰；
α为所述虚像相位阵列与y轴的夹角；
n为所述虚像相位阵列内部介质的折射率；
R1为所述虚像相位阵列的第一反射膜的反射率；
R2为所述虚像相位阵列的第二反射膜的反射率。
在色散元件参数确定的情况下，由公式(5)可知，x方向发散角δθx主要受光栅夹角β和入射光束束腰影响，且存在最优解；
由公式(6)可知，y方向发散角δθy主要受虚像相位阵列倾斜角α影响，随着α增大，发散角逐渐收敛。因此，通过计算能确定最佳的入射光束束腰和色散元件倾斜角。
4f系统的焦距大小则影响色散平面的成像大小，成像在硅基液晶光开关的面积太大会造成信号丢失，成像太小会降低可调栅格的灵活性，因此需要合理选用球面镜的焦距大小。
即在本实施例中，所述步骤S100之前包括以下步骤：
步骤S003，根据所述倾斜角度以及入射光束束腰确定所述衍射光栅的二维色散视场分布δθx和δθy。
在本实施例中，硅基液晶光开关的参数对波长选择开关性能是至关重要的。单个像素的尺寸越小，意味着可调控的光束单元越细，即栅格灵活性越高，目前商用的硅基液晶光开关像素尺寸多数在8μm左右。硅基液晶光开关的面积由像素尺寸和数量决定，硅基液晶光开关的面积越大，波长选择开关能覆盖的带宽越宽，可支撑的端口数越大。目前商用硅基液晶光开关像素大多数为2k，少数能达到4k。因此，硅基液晶光开关的技术能够进一步发展，基于硅基液晶光开关的波长选择开关性能也将进一步提升。
本实施例通过上述技术方案达到以下技术效果：
本实施例中虚像相位阵列提供的角色散比较大，二维色散器的引入能够有效提高波长分量的光谱分辨率和空间分辨率，在波长选择开关的其他架构不变的情况下，能够降低波长选择开关中的信道串扰；而且，二维色散能够充分利用硅基液晶光开关的像素面积进行相位调制，可操纵的光束数明显增多，使波长选择开关能支持更大端口数；再者，色散从线型变为面型，在信道间隔不变的情况下，波长选择开关能支持更宽的覆盖带宽，有效提高全光网络节点处交换的传输容量；最后，二维色散器的色散能力可以通过调控虚像相位阵列的自由光谱区、倾斜角度、厚度、光栅常等参数实现提高，使得硅基液晶光开关加载的相位可以操纵更细致的波长成分，实现更窄的信道间隔，即波长选择开关具备更灵活的栅格间距。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。
综上所述，本发明提供了一种基于二维色散的波长选择开关及方法，包括：准直光纤阵列，所述准直光纤阵列以横向一维形式排列；虚像相位阵列，所述虚像相位阵列设于所述准直光纤阵列的后方；傅里叶透镜，所述傅里叶透镜设于所述虚像相位阵列的后方；光学透镜组，所述光学透镜组设于所述傅里叶透镜的后方，且所述光学透镜组与所述傅里叶透镜位于同一光轴上；以及硅基液晶光开关，所述硅基液晶光开关设于所述光学透镜组的后方，且所述硅基液晶光开关的端面与所述光学透镜组的镜面相对设置。本发明利用具有二维色散特性的虚像相位阵列替代一维色散器件，使得波长信号呈二维平面展开，提高了波长选择装置的性能。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于二维色散的波长选择开关，其特征在于，所述基于二维色散的波长选择开关包括：
准直光纤阵列，所述准直光纤阵列以横向一维形式排列；
虚像相位阵列，所述虚像相位阵列设于所述准直光纤阵列的后方；
傅里叶透镜，所述傅里叶透镜设于所述虚像相位阵列的后方；
光学透镜组，所述光学透镜组设于所述傅里叶透镜的后方，且所述光学透镜组与所述傅里叶透镜位于同一光轴上；
以及硅基液晶光开关，所述硅基液晶光开关设于所述光学透镜组的后方，且所述硅基液晶光开关的端面与所述光学透镜组的镜面相对设置；
所述准直光纤阵列输入的复合光经过所述虚像相位阵列后，沿纵向呈线性色散展开，并经过所述傅里叶透镜及所述光学透镜组形成平面色散，以在所述硅基液晶光开关上选择性地反射进入所述准直光纤阵列的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于二维色散的波长选择开关，其特征在于，所述基于二维色散的波长选择开关，还包括：
柱透镜，所述柱透镜设于所述准直光纤阵列与所述虚像相位阵列之间，所述准直光纤阵列出射的复合光经过所述柱透镜进行束腰整形，被整形后的信号光进入所述虚像相位阵列。
3.根据权利要求1所述的基于二维色散的波长选择开关，其特征在于，所述基于二维色散的波长选择开关，还包括：
衍射光栅，所述衍射光栅设于所述光学透镜组的透镜之间，且所述衍射光栅与所述傅里叶透镜及所述光学透镜组位于同一光轴上。
4.根据权利要求3所述的基于二维色散的波长选择开关，其特征在于，所述光学透镜组包括：第一球面镜和第二球面镜；
所述第一球面镜设于所述衍射光栅的前方，所述第二球面镜设于所述衍射光栅的后方；所述第一球面镜、所述衍射光栅以及所述第二球面镜位于同一光轴上；
被线性色散展开的信号光经过所述傅里叶透镜使信号光与光轴的横向距离转化为横向角度，经过所述第一球面镜转化为横向位移量并成像在所述衍射光栅上，经过所述衍射光栅的衍射分光作用在横向色散展开，形成所述平面色散。
5.根据权利要求1所述的基于二维色散的波长选择开关，其特征在于，所述虚像相位阵列在纵向以一定角度向后方倾斜，以在所述虚像相位阵列中形成自由光谱区域。
6.根据权利要求2所述的基于二维色散的波长选择开关，其特征在于，所述虚像相位阵列包括：入射面和出射面；
所述入射面镀有第一反射膜，所述出射面镀有第二反射膜；所述准直光纤阵列及所述柱透镜的出射的复合光，经过所述第一反射膜和所述第二反射膜的多次反射，在所述出射面以线性色散展开。
7.根据权利要求1所述的基于二维色散的波长选择开关，其特征在于，所述准直光纤阵列包括：输入端和输出端；
所述复合光通过所述输入端准直后，进入所述柱透镜及所述虚像相位阵列；所述硅基液晶光开关反射的光信号经过所述虚像相位阵列及所述柱透镜从所述输出端输出至信号接收端。
8.一种基于二维色散的波长选择方法，其特征在于，所述基于二维色散的波长选择方法包括：
将光信号输入端的复合光从准直光纤阵列入射，并经过柱透镜对所述复合光进行束腰整形，得到整形后的信号光；
通过虚像相位阵列对整形后的信号光进行多次反射，并在所述虚像相位阵列的输出面形成沿纵向呈线性色散展开的信号光；
通过傅里叶透镜将展开的信号光与光轴的横向距离转化为光射角度，并通过第一球面镜转化为横向位移量，以成像在衍射光栅上；
利用所述衍射光栅的衍射分光作用将成像在横向色散展开，在横向形成平面色散；
通过第二球面镜将所述平面色散入射到硅基液晶光开关上，并控制所述硅基液晶光开关在对应像素上加载预设相位，以使不同波长成分的光信号在横向进行选择性地反射；
将反射的信号光经过所述第二球面镜、所述衍射光栅、所述第一球面镜、傅里叶透镜以及所述虚像相位阵列转化为横向位移量，经由所述虚像相位阵列选择性地输出至所述准直光纤阵列的输出端。
9.根据权利要求8所述的基于二维色散的波长选择方法，其特征在于，所述将光信号输入端的复合光从准直光纤阵列入射，之前包括：
确定所述虚像相位阵列的倾斜角度和入射窗口大小；
根据所述倾斜角度确定所述虚像相位阵列的自由光谱区：
Figure FDA0003473592190000031
其中，n、t分别为所述虚像相位阵列的折射率和厚度；
θ为所述虚像相位阵列的倾斜角度；
c为常数。
10.根据权利要求9所述的基于二维色散的波长选择方法，其特征在于，所述将光信号输入端的复合光从准直光纤阵列入射，之前还包括：
根据所述倾斜角度以及入射光束束腰确定所述衍射光栅的二维色散视场分布δθx和δθy；
Figure FDA0003473592190000032
Figure FDA0003473592190000033
其中，d为光栅常数；
β为光栅与x轴的夹角；
θx为x方向的视场角；
ω为光束束腰；
α为所述虚像相位阵列与y轴的夹角；
n为所述虚像相位阵列内部介质的折射率；
R1为所述虚像相位阵列的第一反射膜的反射率；
R2为所述虚像相位阵列的第二反射膜的反射率。
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