CN117111218A - 波长选择开关 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种波长选择开关，包括色散元件和切换引擎，色散元件能够在色散平面内将从输入端口输入的复用光分散为多个子光束并将其照射至切换引擎，切换引擎能够在切换平面内使多个子光束分别按照预设偏转角度偏转形成偏转的子光束，并将偏转子光束从对应输出端口输出，使其中一种波长光束与其他波长光束偏转角度不同即可将其分离出来并从不同的输出端口输出，实现对信号波长的调度和分配。还包括第一透镜组，第一透镜组能够在切换平面内将复用光沿平行于色散平面方向照射至色散元件，并将色散元件分散的子光束照射至切换引擎，消除了复用光与色散元件之间的倾斜入射角，减小色散元件的圆锥衍射效应，提升波长选择开关的滤波通带性能。

Description

波长选择开关

技术领域

本申请涉及通信技术领域，特别涉及一种波长选择开关。

背景技术

随着光通信技术的不断发展，波分复用(Wavelength Division Multiplexing，简称WDM)是当前常见的光层组网技术，通过把不同波长复用在一根光纤中传输，很容易实现大容量的传输。可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，简称ROADM)作为WDM网络中的核心光交换设备，能够在任一端口对任意波长进行选择配置，其中，波长选择开关(Wavelength Selective Switch，简称WSS)是可重构光分插复用器的核心光电器件，可实现任意波长或任意波长组合在任意端口的光信号切换、衰减或阻断，是当前光通信行业的重要器件之一。

目前，波长选择开关主要包括有输入端口、整形系统、光学系统、色散元件、切换引擎和输出系统，其中，整形系统对从输入端口进入的光束的光斑进行处理，光学系统对经过整形系统后的光束的光路和光斑大小进行控制，色散元件可以把光束中不同波长的光线在空间上进行分波或合分波，并照射至切换引擎上，切换引擎对每个波长的光线进行角度偏转和衰减控制，然后将不同波长的分波或合分波沿不同方向经过对应的输出端口而输出。常见的波长选择开关中，在切换平面上，光学系统为由透镜组成的4f光学系统，f为透镜的焦距，如4f光学系统包括第一透镜和第二透镜，第一透镜的后焦平面与第二透镜的前焦平面重合，色散元件位于重合平面上，也即色散元件位于第一透镜和第二透镜的中间。

然而，在上述的波长选择开关中，入射光束在切换平面上倾斜入射至色散元件上，由于色散元件的圆锥衍射效应，会导致照射至切换引擎上的光线光斑为月牙形，影响波长选择开关的滤波通带性能。

发明内容

本申请提供一种波长选择开关，能够降低切换平面上色散元件的圆锥衍射效应，从而提升波长选择开关的滤波通带性能。

本申请提供一种波长选择开关，包括输入输出端口组，输入输出端口组包括在第一平面内层叠设置的输入端口和多个输出端口，输入端口用于输入复用光，复用光包括多个不同波长的子光束。

还包括色散元件和切换引擎，色散元件被配置为在第二平面内将从输入端口输入的复用光分散为多个子光束，并将多个子光束分别照射至切换引擎的不同区域上，第一平面与第二平面相正交。也就是说，在第二平面内，色散元件能够对复用光起到分光的作用，使其分散为多个子光束并照射至切换引擎的不同区域上，以便于切换引擎实现对各波长信道的独立控制。

还包括第一透镜组，在第一平面内色散元件位于第一透镜组中，第一透镜组被配置为在第一平面内将复用光沿平行于第二平面的方向照射至色散元件上，第一透镜组还被配置为在第一平面内将色散元件出射的子光束照射至切换引擎上。也即在第一平面内，从输入端口输入的复用光经过第一透镜组后沿平行于第二平面的方向照射至色散元件上，而色散元件出射的子光束经过第一透镜组照射至切换引擎上，以使切换引擎实现对各子光束的单独控制。

切换引擎能够在第一平面内对入射至切换引擎上的不同波长的子光束实现单独控制，从而可以改变各子光束在第一平面上的传输角度，进而控制各波长的子光束从对应的输出端口输出。具体的，切换引擎能够在第一平面内将多个子光束分别按照预设偏转角度出射以形成偏转子光束，偏转子光束可以经过第一透镜组、色散元件后从输出端口输出，使子光束的偏转角度不同就能够使其对应照射至不同的输出端口。如使其中一种波长的子光束与其他波长子光束的偏转角度不同，就可以使该波长的偏转子光束照射至对应的输出端口，实现对该波长信号的分离输出，进而能够实现了对信号波长的调度和分配。而由于在第一平面内从输入端口输入的复用光经过第一透镜组可以沿平行于第二平面的方向照射至色散元件上，减小或消除了在切换平面(第一平面)内复用光与色散元件之间的倾斜入射角，减小或避免了复用光中各子光束在色散元件上的入射角的差异，从而显著的降低了色散元件的圆锥衍射效应，提升了光斑形貌，从而显著的提升了波长选择开关的滤波通带性能。

此外，也有助于减小偏转子光束返回并经过色散元件时，各偏转子光束在色散元件上的入射角差异，有助于降低波长选择开关的插入损耗，进一步提升波长选择开关的性能。

在一种可能的实现方式中，第一透镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，色散元件位于第二透镜和第三透镜之间。

第一透镜被配置为在第一平面内将复用光照射至第二透镜上。

第二透镜被配置为在第一平面内将经过第一透镜的复用光沿平行于第二平面的方向照射至色散元件。

第三透镜被配置为在第一平面内将经过色散元件分散的子光束照射至第四透镜上。

第四透镜被配置为在第一平面内将经过第三透镜的子光束沿平行于第二平面的方向照射至切换引擎上。也就是说，在第一平面内，从输入端口输入的复用光经过第一透镜折射后照射至第二透镜上，第二透镜将经过第一透镜的复用光再次折射，使复用光沿平行于第二平面的方向照射至色散元件，从而减小复用光中各子光束在色散元件上的入射角差异，达到降低色散元件的圆锥衍射效应的目的。

经过色散元件分散的子光束经过第三透镜折射后照射至第四透镜，第四透镜将其再次折射，使子光束沿平行于第二平面的方向照射至切换引擎上，从而便于切换引擎实现对子光束的偏转以形成偏转子光束，保证实现切换引擎对子光束的单独控制。

在一种可能的实现方式中，第一透镜的后焦面与第二透镜的前焦面重合，第二透镜的后焦面与色散元件重合。

第三透镜的前焦面与色散元件重合，第三透镜的后焦面与第四透镜的前焦面重合。

在一种可能的实现方式中，第一透镜的焦距、第二透镜的焦距、第三透镜的焦距和第四透镜的焦距均相等，如均为f，则第一透镜组为8f光学系统，第一透镜组可以起到中继作用，也即经过第一透镜组的光束保持原有的光学特性(例如光束的尺寸、传播方向等)，这样第一透镜前焦面的光斑可以与第四透镜后焦面的光斑大小一致，通过第一透镜组就实现了对光斑尺寸的调控，有助于提升波长选择开关的滤波通带性能。

在一种可能的实现方式中，色散元件位于第二透镜和第三透镜的中间，以便于使复用光以平行于第二平面的方向照射至色散元件，减小圆锥衍射效应，从而有利于提升切换引擎上的光斑的形貌。

在一种可能的实现方式中，还包括切换透镜组，切换透镜组被配置为在第一平面内对复用光扩束后使其沿平行于第二平面的方向照射至第一透镜组。也就是说，在第一平面内，从输入端口输入的复用光，经过切换透镜组，切换透镜组能够对复用光起到扩束的作用，使复用光沿平行于第二平面的方向照射至第一透镜组。切换透镜组能够实现光斑在第一平面内的放大，增大了光斑面积，实现了对光斑的调控。

切换透镜组还被配置为将切换引擎调控过的偏转子光束切换至不同输出端口，也即在第一平面，切换透镜组可以将经过第一透镜组、色散元件后的偏转子光束折射至对应的输出端口输出，从而实现对信号波长的调度和分配。

在一种可能的实现方式中，切换透镜组包括第五透镜，第五透镜的曲面位于第一平面，也即第一平面内，第五透镜会对经过其上的光束起到折射作用，从而对输入端口输入的复用光起到扩束作用，并对经过第一透镜组、色散元件后的偏转子光束起到折射偏转作用，使其分别折射至对应的输出端口，实现对信号波长的调度和分配。

在一种可能的实现方式中，还包括第二透镜组，在第二平面内色散元件位于第二透镜组中，第二透镜组被配置为在第二平面内，将复用光扩束并照射至色散元件。

第二透镜组还被配置为在第二平面内将色散元件分散的子光束照射至切换引擎上，也即色散元件出射的多个子光束经过第二透镜组后，可以分别汇聚至切换引擎的不同区域上，通过第二透镜组能够实现对光斑的调控。

在一种可能的实现方式中，第二透镜组包括第六透镜和第七透镜。

第六透镜被配置为在第二平面内对复用光扩束后使其照射至色散元件。

第七透镜被配置为在第二平面内对色散元件分散的子光束分别汇聚，以使子光束分别照射在切换引擎的不同区域上。也即在第二平面内，复用光经过第六透镜，第六透镜对复用光进行扩束处理后，使复用光照射至色散元件上。而第七透镜可以将色散元件分散的各子光束分别汇聚，使多个子光束分别照射在切换引擎的不同区域上，以使切换引擎能够实现对各波长光束的独立处理，实现信号波长的调度和分配。

在一种可能的实现方式中，第六透镜的后焦面与色散元件相重合，第七透镜的前焦面与色散元件重合。

在一种可能的实现方式中，第六透镜的焦距和第七透镜的焦距相等，如均为f，则第二透镜组为4f光学系统，第二透镜组可以起到中继作用，实现了对光斑的调控，使第六透镜的前焦面的光斑与第七透镜的后焦面的光斑大小一致。

在一种可能的实现方式中，还包括第三透镜组，第三透镜组被配置在第二平面内将复用光照射至第二透镜组。第三透镜组可以对复用光的光路和光斑大小实现调控，

在一种可能的实现方式中，第三透镜组包括第八透镜和第九透镜，第八透镜被配置为在第二平面内对复用光扩束后使其照射至第九透镜。

第九透镜被配置为在第二平面内将经过第八透镜的复用光汇聚并照射至第二透镜组，使复用光经过第八透镜扩束后再经过第九透镜汇聚，这样经过第三透镜组后实现对光斑的控制，减小随着复用光传输而光斑增大的现象。

在一种可能的实现方式中，第八透镜的后焦面与第九透镜的前焦面重合。第八透镜的焦距可以和第九透镜的焦距相等，如均为f，则第三透镜组为4f光学系统，第三透镜组也起到中继作用，实现对光路和光斑的调控，使第八透镜前焦面的光斑与第九透镜后焦面的光斑大小一致。

在一种可能的实现方式中，输入输出端口组的数量为多个，多个输入输出端口组在第一平面内层叠设置。这样可以实现对多路光信号的集成，使多束复用光可同时输入波长选择开关中，从而有助于降低整个传输系统的成本。

在一种可能的实现方式中，色散元件包括光栅或棱栅。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种全光网络系统的构架示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光交换节点的构架示意图；

图3为本申请实施例提供的一种波长选择开关的构架示意图；

图4为相关技术中一种波长选择开关在切换平面内的光路示意图；

图5为相关技术中波长选择开关的切换引擎上形成的光斑示意图；

图6为本申请实施例提供的一种波长选择开关在第二平面内的光路示意图；

图7为本申请实施例提供的一种波长选择开关在第一平面内的光路示意图；

图8为本申请实施例提供的一种波长选择开关中切换引擎上形成的光斑示意图；

图9为本申请实施例提供的另一种波长选择开关在第一平面内的光路示意图；

图10为本申请实施例提供的一种波长选择开关信道切换的光路示意图；

图11为本申请实施例提供的另一种波长选择开关在第二平面内的光路示意图。

附图标记说明：

100-波长选择开关； 10-输入输出端口组； 11-输入端口；

12-输出端口； 20-色散元件； 30-切换引擎；

40-第一透镜组； 41-第一透镜； 42-第二透镜；

43-第三透镜； 44-第四透镜； 50-切换透镜组；

51-第五透镜； 60-第二透镜组； 61-第六透镜；

62-第七透镜； 70-第三透镜组； 71-第八透镜；

72-第九透镜。

具体实施方式

本申请的实施方式部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请。

本申请实施例提供一种波长选择开关，可以应用于光纤通信技术中，尤其适用于长途光纤通信的干线或城域网系统中，用于实现信号波长的调度，也即实现信号的上下载，从而能够远程动态地实现波长的分配，提高了工作效率，缩短了对用户需求的反应时间。

具体的，波长选择开关可以应用于全光网络(All Optical Network，简称AON)系统中，其中，全光网络系统是指信号在网络中的传输、交换、放大过程中始终以光信号的形式存在，没有经过电信号的处理，仅仅在进出网络时才进行电-光和光-电的转换。由于AON是以光纤为光传播介质构成的直接光纤通信网络，不受传统网络中电子设备响应速度的影响，能够有效的降低网络延迟和系统功耗而受到广泛的应用。其中，基于密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，简称DWDM)技术的AON，可以实现高速大容量的信息传输和处理，为主要的通信发展趋势之一。

其中，AON使用光交换节点取代传统网络的电节点，为满足网络流量的动态需求，光交换节点需要具备按需分配资源的能力，此外由于网络业务的增多，光交换节点需要具备多维的上下波端口，充分利用波分复用技术的网络容量，进行多维业务调度。光交换节点可以由可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，简称ROADM)构成，ROADM为可以在光纤通信网络中添加、阻挡、穿通、或重定向不同波长光信号的设备，通过远程重构，可以根据需求任意动态的配置上路或下路业务波长，实现业务的灵活调度。而波长选择开关具有从输入的波长中选择并输出特定波长的功能，可以将任意输入端口、任意波长的光信号经过解复用后，无阻塞地调度至任意输出端口，可以应用于ROADM中，可以作为实现多维，上下路灵活的ROADM的关键模块。换言之，波长选择开关能够实现任意波长或任意波长组合在任意端口的光信号切换、光信号衰减或光信号阻断。

当然，在一些其他示例中，波长选择开关也可以应用于其他通信网络设备或系统中，在本申请实施例中不作限制。

以下以波长选择开关应用于全光网络系统中，对波长选择开关的应用场景进行简单的描述。

图1为本申请实施例提供的一种全光网络系统的构架示意图，图2为本申请实施例提供的一种光交换节点的构架示意图。

具体的，参见图1所示，全光网络系统可以包括骨干网络环300和接入网络环400，其中，骨干网络环300可以包括有多个光交换节点301，具体的，光交换节点301可以为ROADM，能够根据需求任意动态地配置上路或下路业务波长，实现业务的灵活调度，骨干网络环300还包括有上路用户端302。接入网络环400可以包括有多个下路用户端401，接入网络环400通过光交换节点301与骨干网络环300进行上下波业务，以实现上路用户端302和下路用户端401的通信，其中，上下波业务是指接入网络环400与骨干网络环300之间的光信号传输。下路用户端401可以是指可提供到用户402的连接设备，例如可以为语音和/或数据连接设备，或者，也可以是膝上型计算机、台式计算机等计算机设备，或者，也可以是如个人数字助理(Personal Digital Assistant，简称PDA)等独立设备，在本申请实施例中不作限制。

参见图2所示，以光交换节点为ROADM，可以包括有多个波长选择开关100，波长选择开关100能够实现接入网络环400和骨干网络环300之间光信号的任意交叉互联，并能够动态调整全光网络中各交换节点的上下波，从而实现全光网络中各光交换节点间的波长分配。

应当理解的是，光交换节点还可以包括有其他的设备，例如，光纤放大器、波导光栅等，在本申请实施例中不作限制。

图3为本申请实施例提供的一种波长选择开关的构架示意图。

参见图3所示，波长选择开关100可以包括输入端口11、输出端口12和分波装置101，其中，输入端口11可以由光纤构成，可以供光束进入波长选择开关100内。具体的，输入端口11用于输入复用光，复用光可以包含有多个不同波长的子光束，换言之，复用光可以包括有λ1、λ2、λ3、λ4、λ5…λm波长的子光束，m≥2。复用光可以经过输入端口11进入波长选择开关100中。

其中，复用光可以是通过DWDM技术将不同波长的子光束复用在一起而形成。复用光中各子光束的波长可以是DWDM通信系统中常用的波长，具体的波长数值可以根据需求选择设定。

分波装置101能够将输入端口11输入的复用光进行分离，使复用光中至少一种波长的子光束与复用光中其他波长子光束分离，并将分离后的子光束从对应的输出端口12输出至波长选择开关100外，从而将该波长的子光束分离而实现对信号波长的调度，可以远程动态的实现对波长的分配。其中，需要说明的是，分离出的子光束可以包括所需求的一种波长的子光束，或者，分离出的子光束可以包括所需求的两种或两种以上波长的子光束。具体的分离方式可以根据通信系统的需求进行选择设定。

例如，以复用光包括波长为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5五种波长的子光束为例，分波装置101对复用光分离，可以将波长为λ1、波长为λ3以及波长为λ5的三种波长的子光束分别分离出来(参照图3所示)，并使其分别从对应的输出端口12输出。波长为λ2和波长为λ4的子光束分离后可以合在一起形成一束光束，并从对应的输出端口12输出。

应当理解的是，输出端口12的数量可以为多个，以实现分离后光束的输出。具体的，输出端口12的数量可以与分波装置101分离的光束的数量保持一致，从而满足分离后的光束的输出需求。

其中，输入端口11和输出端口12可以在一个方向上依次层叠排列，在本申请实施例中，以输入端口11和输出端口12排列的方向为x方向(参照图7所示)，将垂直于x方向、从输入端口11输入的复用光的传播方向为z方向，以x方向和z方向形成的平面为第一平面，也即第一平面为x-z平面。垂直于第一平面的方向为y方向，y方向和z方向形成的平面为第二平面，也即第二平面为y-z平面，则第二平面与第一平面相正交。

可以以第一平面为波长选择开关100的切换平面，以第二平面为波长选择开关100的色散平面。在色散平面内，从输入端口11进入的复用光被分散成多个不同波长的子光束，从而实现对各波长信号的单独处理。在切换平面内，对不同波长的子光束进行调节控制，例如，使不同波长子的光束偏转预设的角度等，以使其从对应的输出端口12输出。

其中，分波装置可以包括色散单元和切换引擎，色散单元用于实现对复用光的分离，色散单元可以是光栅等能够起到分光作用的光学元件，例如，以光栅为例，在色散平面内，光栅能够使经过其上的复用光分散为多个子光束，每个子光束的波长均不相等，色散元件将复用光分散为多个子光束，并将其照射至切换引擎的不同区域上，在切换引擎上形成光斑。在切换平面内，切换引擎可以实现对不同波长子光束的独立控制，以实现对特定波长信号的分离输出。

具体的，切换引擎可以对多个子光束起到偏转作用，使多个子光束按照预设角度发生偏转，而切换引擎可以对不同区域做调控，即可实现对不同波长的子光束的独立控制，也就能够实现对各子光束偏转角度的控制，使偏转角度不同就能够使各波长的偏转子光束从对应的输出端口输出，实现信道的切换。

图4为相关技术中一种波长选择开关在切换平面内的光路示意图，图5为相关技术中波长选择开关的切换引擎上形成的光斑示意图。

具体的，波长选择开关还包括有转像系统4，光栅3位于转像系统4中，在切换平面(图4中的x-z平面)内，从输入端口1a输入的复用光经过转像系统4后照射至切换引擎5上，转像系统4可以对光路和光斑的大小实现调节与控制。

转像系统4可以由透镜组成，具体的，常见的转像系统4多为透镜组成的4f光学系统，其中，f为透镜的焦距。例如，参见图4所示，转像系统4可以包括有第一透镜4a和第二透镜4b，第一透镜4a的后焦面和第二透镜4b的前焦面相重合，第一透镜4a和第二透镜4b的焦距均为f，切换引擎5可以位于第二透镜4b的后焦面上，第一透镜4a的前焦面与第二透镜4b的后焦面之间的距离即为4f。

光栅3可以位于第一透镜4a和第二透镜4b的中间，也就是说，光栅3位于整个4f光学系统的中间。第一透镜4a的曲面位于切换平面内，第二透镜4b的曲面也位于切换平面，也就是说，在切换平面(x-z平面)内，沿着z方向经过第一透镜4a和第二透镜4b的光束会被第一透镜4a和第二透镜4b折射。

换言之，在切换平面内，从输入端口1a输入的复用光经过第一透镜4a，并被第一透镜4a折射至光栅，经过光栅3后照射至第二透镜4b，被第二透镜4b折射至切换引擎5上。

而光栅3位于4f光学系统的中间，参见图4所示，在切换平面内，第一透镜4a折射后的复用光汇聚照射至光栅3时，复用光与光栅3之间会形成倾斜的入射角度(入射角度为0°-90°，换言之，复用光的传输方向与色散平面之间形成有角度)，易发生光栅3的圆锥衍射(Conical diffraction)现象。具体的，复用光以倾斜的角度入射，复用光中各子光束相对于光栅3的入射角有所差异，相应的，各子光束经过光栅3衍射后的出射角也会有差异，这种现象即为圆锥衍射现象，而由于圆锥衍射现象，子光束照射至切换引擎5上后，会在切换引擎5上形成如图5所示的弯月形光斑5a。这样通过切换引擎来实现信道切换时，就会造成子光束的部分缺失，进而对各子光束的偏转准确性造成影响，从而影响波长选择开关的滤波通带性能。

而且当子光束经过切换引擎5偏转并原路返回时，子光束与光栅3之间的入射角度可能会进一步增大，会再次发生圆锥衍射现象，光斑进一步会发生畸变，使经过光栅3的子光束光斑形貌难以恢复至标准的高斯光，影响波长选择开关的插损，进一步降低波长选择开关的性能。

基于此，本申请实施例提供一种波长选择开关，能够大幅的降低光栅等色散元件的圆锥衍射现象，提升波长选择开关的滤波通带性能，并且能够降低波长选择开关的插入损耗。

以下结合附图，对波长选择开关在切换平面和色散平面的光路构架进行详细的说明。

图6为本申请实施例提供的一种波长选择开关在第二平面内的光路示意图。

其中，在本申请实施例中，以一束复用光包括有多束不同波长的子光束为例进行说明。第一平面为x-z平面，第一平面可以为波长选择开关的切换平面。第二平面为y-z平面，第二平面可以为波长选择开关100的色散平面。

波长选择开关包括有色散元件20和切换引擎30，其中，色散元件20可以是光栅，或者，色散元件20也可以是棱栅，棱栅可以包括有棱镜和光栅。当然，在一些示例中，色散元件20也可以是其他能够起到分光作用的光学元件。

切换引擎30可以是硅基液晶芯片(Liquid Crystal on Silicon，简称LCOS)，或者，切换引擎30也可以为微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)，或者，切换引擎30也可以是数字光处理(Digital Light Processing，简称DLP)，或者，切换引擎30也可以是液晶切换芯片或其他能够实现光路切换的芯片。

具体的，色散元件20可以位于输入端口11与切换引擎30的光路上，色散元件20的色散平面可以位于第二平面内。参见图6所示，换言之，在y-z平面内，沿z方向从输入端口11输入的复用光经过色散元件20时，色散元件20能够对复用光起到分光的作用，使入射的复用光中不同波长的光束在空间上以不同的角度散开，而分散为多个子光束，并将多个子光束分别照射至切换引擎30的不同区域上。

图7为本申请实施例提供的一种波长选择开关在第一平面内的光路示意图。

参见图7所示，波长选择开关100还包括第一透镜组40，在第一平面内，色散元件20位于第一透镜组40中，在第一平面(x-z平面)内，第一透镜组40可以将复用光沿平行于第二平面(y-z平面)的方向照射至色散元件20上，也即输入的复用光经过第一透镜组40可以沿着平行于第二平面的方向照射至色散元件20上。例如，第一透镜组40可以包括有多个透镜，在第一平面内，从输入端口11输入的复用光经过第一透镜组40的其中一个或几个透镜后可以使复用光沿平行于第二平面的方向照射至色散元件20上。

在第一平面内，第一透镜组40还可以将色散元件20出射的子光束照射至切换引擎30上，以使切换引擎30实现对各子光束的单独控制。

图8为本申请实施例提供的一种波长选择开关中切换引擎上形成的光斑示意图。

具体的，经过色散元件20分散的多个子光束经过第一透镜组40照射至切换引擎30的不同区域上，并在切换引擎30上形成光斑(参照图8所示)。切换引擎30能够实现对不同区域上的各波长子光束的单独处理，也即可以对不同波长的子光束进行单独控制，其中，对子光束的控制可以包括光信号切换、光信号衰减以及光信号阻断等。

在第一平面(x-z)内，切换引擎30能够改变不同区域对应的子光束的传输角度，使多个子光束分别按照预设角度发生偏转，并出射形成偏转子光束，偏转子光束按照原路返回，经过第一透镜组40、色散元件20后照射至输出端口12输出。这样使子光束的偏转角度不同就能够使其形成的偏转子光束对应照射至不同的输出端口，如使其中一种波长的子光束与其他子光束的偏转角度不同，就可以使该波长的偏转子光束从对应的输出端口12输出，从而实现对该波长信号的分离输出，进而实现了对信号波长的调度和分配。

而由于从输入端口11输入的复用光经过第一透镜组40可以沿平行于第二平面的方向照射至色散元件20上，这样就能够减小或消除在切换平面(第一平面)内复用光与色散元件20之间的倾斜入射角，减小或避免了复用光中各子光束在色散元件20上的入射角的差异，从而显著的降低了色散元件20的圆锥衍射效应，提升光斑的形貌，减小或避免了信道切换时子光束的缺失，显著的提升了波长选择开关100的滤波通带性能。参见图8所示，切换引擎30上的光斑可以为图8中的标准高斯光斑。

此外，也有助于减小当偏转子光束返回并经过色散元件20时，各偏转子光束在色散元件20上的入射角差异，有助于降低波长选择开关100的插入损耗，进一步提升波长选择开关100的性能。

其中，参见图7所示，输入端口11和输出端口12在x方向层叠排布，也即输入端口11和输出端口12阵列排布在x-z平面(第一平面)内，输入端口11和输出端口12可以组成一个输入输出端口组10，也即一个输入输出端口组10包括一个输入端口11和多个输出端口12。

波长选择开关100可以包括有多个输入输出端口组10，多个输入输出端口组10可以在第一平面内层叠设置。输入输出端口组10也可以阵列排布，每个阵列可以包括一个或多个输入输出端口组10。这样可以实现对多路光信号的集成，使多束复用光可同时输入波长选择开关中，从而有助于降低整个传输系统的成本。

输入输出端口组10可以包括有光纤阵列，光纤阵列可以包括多个光纤，多个光纤分别用于形状上述的输入端口11和输出端口12。

输入输出端口组10还可以包括有其他有助于光信号传输的光学器件，例如，还可以包括有准直透镜阵列等。

其中，每个输入输出端口组10中，输入端口11与输出端口12的层叠排布方式可以是多种的，例如，多个输出端口12可以位于输入端口11的一侧，或者，部分输出端口12可以位于输入端口11的一侧，部分输出端口12可以位于输入端口11的另一侧。

每个输入输出端口组10中，输入端口11与输出端口12之间、以及输出端口12与输出端口12之间可以间隔排列，具体的，间隔距离可以相等。

继续参见图7所示，具体的，第一透镜组40可以包括有第一透镜41、第二透镜42、第三透镜43和第四透镜44，色散元件20可以位于第二透镜42和第三透镜43之间的光路上。第一透镜41、第二透镜42、第三透镜43和第四透镜44可以为柱透镜，当然在一些其他示例中，第一透镜41、第二透镜42、第三透镜43和第四透镜44也可以为其他形状的透镜。

以第一透镜41、第二透镜42、第三透镜43和第四透镜44均为柱透镜，第一透镜41的曲面位于第一平面内，换言之，对于沿着z方向穿过第一透镜41的光束，第一透镜41在y-z平面内的横截面为平面，而在x-z平面内的横截面为曲面，在x-z平面(第一平面)内，光束经过第一透镜41时，第一透镜41会对光束起到折射作用，光束的传播方向发生改变，而在y-z平面(第二平面)内，光束经过第一透镜41时，光束的传播方向保持不变。

相应的，第二透镜42、第三透镜43和第四透镜44的曲面也均位于第一平面内，在x-z平面(第一平面)内，光束经过第二透镜42、第三透镜43和第四透镜44时，光束的传播方向会发生改变。在y-z平面(第二平面)内，光束经过第二透镜42、第三透镜43和第四透镜44时，光束的传播方向保持不变。

具体的，在第一平面(x-z平面)内，从输入端口11输入的复用光经过第一透镜41折射后照射至第二透镜42上。第二透镜42将经过第一透镜41的复用光再次折射，使复用光沿平行于第二平面的方向照射至色散元件20，从而减小复用光中各子光束在色散元件20上的入射角差异，达到消除色散元件20的圆锥衍射效应的目的。

经过色散元件20分散的子光束经过第三透镜43折射后照射至第四透镜44，第四透镜44将其再次折射，使子光束沿平行于第二平面的方向照射至切换引擎30上，从而便于切换引擎30实现对子光束的偏转以形成偏转子光束，保证切换引擎30实现对子光束的控制。

其中，应当理解的是，输入输出端口组10为多个时，可以使多个输入输出端口组10对应一个第一透镜组40和色散元件20，也即从多个输入输出端口组10的输入端口11进入波长选择开关100的多束复用光，经过同一第一透镜组40和色散元件20后照射至切换引擎30的不同区域上。

图9为本申请实施例提供的另一种波长选择开关在第一平面内的光路示意图。

参见图9所示，其中，第一透镜41的后焦面可以与第二透镜42的前焦面重合，第二透镜42的后焦面可以与色散元件20重合，第三透镜43的前焦面可以与色散元件20重合，第三透镜43的后焦面可以与第四透镜44的前焦面重合。

则第一透镜组40中，第一透镜41的前焦面与第四透镜44的后焦面之间的距离为：f1+f1+f2+f2+f3+f3+f4+f4，其中，f1为第一透镜41焦距，f2为第二透镜42的焦距，f3为第三透镜43的焦距和焦距，f4为第四透镜44的焦距。

其中，第一透镜41的焦距f1、第二透镜42的焦距f2、第三透镜43的焦距f3和第四透镜44的焦距f4可以均相等，如均为f，则第一透镜组40为8f光学系统。第一透镜组40可以起到中继作用，具体的，中继作用指经过该透镜组的光束保持原有的光学特性(例如光束的尺寸、传播方向等)，第一透镜41前焦面的光斑与第四透镜44后焦面的光斑大小一致，这样通过第一透镜组40能够实现对光斑尺寸的调控，有助于提升波长选择开关100的滤波通带性能。

当然，在一些其他示例中，第一透镜41的焦距f1、第二透镜42的焦距f2、第三透镜43的焦距f3和第四透镜44的焦距f4也可以均不相等。或者，第一透镜41、第二透镜42、第三透镜43和第四透镜44中部分透镜的焦距可以相等，部分透镜的焦距不等。

色散元件20可以位于第二透镜42和第三透镜43的中间，以便于使复用光以平行于第二平面的方向照射至色散元件20，减小圆锥衍射效应，从而改善切换引擎30上的光斑形貌，提升波长选择开关100的滤波通带性能。

其中，需要说明的是，在本申请实施例中，透镜可以为单个透镜元件，也即第一透镜组40可以包括有四个透镜元件，以实现第一透镜组40的光路需求。或者，透镜也可以是由两个或两个以上透镜元件组成，在光路上可以等效为一个透镜，实现其光路效果，例如，以第一透镜41为例，第一透镜41可以由两个透镜元件等效而成，两个透镜元件能够实现第一透镜41的光路效果。或者，两个透镜可以共用一个或多个透镜元件，能够分别实现其光路效果即可，例如，第一透镜41可以由两个透镜元件，如第一透镜41元件和第二透镜42元件等效而成。第二透镜42也可以由两个透镜元件等效而成，第一透镜41和第二透镜42可以共用一个透镜元件，如第二透镜42可以由第二透镜42元件和第三透镜43元件等效而成，能够实现第一透镜41和第二透镜42的光路效果即可。

图10为本申请实施例提供的一种波长选择开关信道切换的光路示意图。

参见图10所示，波长选择开关100还可以包括有切换透镜组50，切换透镜组50可以位于输入端口11与第一透镜组40之间的光路上。在第一平面(x-z平面)内，切换透镜组50能够对复用光进行扩束处理，并使扩束处理后的复用光能够沿着平行于第二平面的方向照射至第一透镜组40。

也就是说，在第一平面内，从输入端口11输入的复用光，经过切换透镜组50，切换透镜组50能够对复用光起到扩束的作用，使复用光沿平行于第二平面的方向照射至第一透镜组40，具体的，照射至第一透镜组40的第一透镜41上。切换透镜组50能够实现光斑在第一平面内的放大，增大了光斑面积，实现了对光斑的调控，有助于提升波长选择开关的性能。

复用光依次经过第一透镜41、第二透镜42照射至色散元件20，色散元件20在第二平面内将复用光分散为多个子光束，多个子光束依次经过第三透镜43、第四透镜44后照射至切换引擎30上，切换引擎30能够在第一平面内使多个子光束按照预设角度偏转形成偏转子光束，偏转子光束原路返回，依次经过第四透镜44、第三透镜43、色散元件20、第二透镜42、第一透镜41后照射至切换透镜组50上。切换透镜组50还能够将上述的偏转子光束折射至对应的输出端口12，从而实现对信号波长的调度和分配。

具体的，切换透镜可以包括第五透镜51，第五透镜51也可以为柱透镜，第五透镜51的曲面位于第一平面(x-z平面)内，对于沿着z方向穿过第五透镜51的光束，第五透镜51在y-z平面内的横截面为平面，而在x-z平面内的横截面为曲面，在x-z平面(第一平面)内，光束经过第五透镜51时，第五透镜51会对光束起到折射作用，光束的传播方向发生改变，而在y-z平面(第二平面)内，光束经过第五透镜51时，光束的传播方向保持不变。

也即在本申请实施例中，参见图10所示，在第一平面内，从输入端口11输入的复用光照射至第五透镜51上(图10中实线示意从输入端口11至切换引擎30的光路)，经过第五透镜51扩束处理后以平行于第二平面的方向出射并照射至第一透镜41上，依次经过第一透镜41、第二透镜42后以平行于第二平面的方向照射至色散元件20上，色散元件20分散复用光并出射多个子光束，多个子光束依次经过第三透镜43、第四透镜44后以平行于第二平面的方向照射至切换引擎30上，切换引擎30对多个子光束按照预设角度偏转并射出形成偏转子光束。

偏转子光束依次经过第四透镜44、第三透镜43、色散元件20、第二透镜42和第一透镜41后(图10中的虚线示意从切换引擎30至输出端口12的光路)，照射至第五透镜51上，偏转子光束发生折射，从而将偏转子光束照射至输出端。应当理解的是，经过切换引擎30后的偏转子光束中至少一种波长的子光束与其他波长子光束的偏转角度不同时，经过第一透镜组40和色散元件20后照射至第五透镜51上的入射角也不相同，相应的，出射角也不相同，从而能够将分离后的光束与其他光束分别折射至不同的输出端口12输出，进而实现对信号波长的调度和分配。

其中，第五透镜51的焦距可以为f5，切换透镜组50可以为2f光学系统，其中f为第五透镜51的焦距，f＝f5。

相应的，第五透镜51可以为单个透镜元件，或者，第五透镜51也可以是由两个或两个以上透镜元件组成，在光路上可以等效为一个透镜，实现第五透镜51的光路效果。

图11为本申请实施例提供的另一种波长选择开关在第二平面内的光路示意图。

本申请实施例中，参见图11所示，波长选择开关还包括有第二透镜组60，在第二平面(y-z平面)内，色散元件20位于第二透镜组60中，第二透镜组60可以将从输入端口11输入的复用光沿平行于第一平面(x-z平面)的方向照射至色散元件20上。

第二透镜组60还可以将色散元件20分散的子光束分别汇聚并使其照射至切换引擎30上，也即色散元件20出射的多个子光束经过第二透镜组60后，可以分别汇聚至切换引擎30的不同区域上，通过第二透镜组也能够实现对光斑的调控。

具体的，参见图11所示，第二透镜组60可以包括有第六透镜61和第七透镜62，色散元件20可以位于第六透镜61和第七透镜62之间的光路上。

第六透镜61和第七透镜62可以为柱透镜，第六透镜61的曲面位于第二平面内，也即对于沿着z方向穿过第六透镜61的光束，第六透镜61在x-z平面内的横截面为平面，而在y-z平面内的横截面为曲面，在y-z平面(第二平面)内，光束经过第六透镜61时，第六透镜61会对光束起到折射作用，光束的传播方向发生改变，而在x-z平面(第一平面)内，光束经过第六透镜61时，光束的传播方向保持不变。

相应的第七透镜62的曲面也位于第二平面内，在y-z平面(第二平面)内，光束经过第七透镜62时，光束的传播方向发生改变，而在x-z平面(第一平面)内，光束经过第七透镜62时，光束的传播方向保持不变。

具体的，在第二平面(y-z平面)内，复用光经过第六透镜61，第六透镜61对复用光进行扩束处理后，使复用光沿平行于第一平面的方向照射至色散元件20上，也即通过第六透镜61对复用光扩束，增大了光斑面积。

第七透镜62可以将色散元件20分散的各子光束分别汇聚，使多个子光束分别照射在切换引擎30的不同区域上，以使切换引擎30能够实现对各波长光束的独立处理，实现信号波长的调度和分配。

继续参见图11所示，第六透镜61的后焦面可以与色散元件20重合，第七透镜62的前焦面也可以与色散元件20重合。则在第二透镜组60中，第六透镜61的前焦面至第七透镜62的后焦面之间的距离为：f6+f6+f7+f7，其中，f6为第六透镜61的焦距，f7为第七透镜62的焦距。

其中，第六透镜61的焦距f6和第七透镜62的焦距f7可以均相等，如均为f，则第二透镜组60为4f光学系统，第二透镜组60也能够起到中继的作用，实现对光路和光斑的调控。

当然，在一些其他示例中，第六透镜61的焦距f6与第七透镜62的焦距f7也可以不相等。

相应的，第六透镜61和第七透镜62也可以分别为单个的透镜，或者，第六透镜61和第七透镜62也可以分别由两个或两个以上透镜元件组成，在光路上可以等效为第六透镜61和第七透镜62即可。其中，第六透镜61和第七透镜62也可以共用一个或多个透镜元件，能够等效以分别实现第六透镜61和第七透镜62的光路效果即可。

继续参见图11所示，波长选择开关100还包括第三透镜组70，第三透镜组70可以位于输入端口11与第二透镜组60之间的光路上，在第二平面(y-z平面)，第三透镜组70可以将输入端口11输入的复用光照射至第二透镜组60。

也即从输入端口11输入的复用光经过第三透镜组70后照射至第二透镜组60，具体的，照射至第二透镜组60的第六透镜61上。第三透镜43也可以对复用光的光路和光斑大小起到调控的作用。

具体的，参见图11所示，第三透镜组70可以包括第八透镜71和第九透镜72，第八透镜71可以位于输入端口11与第九透镜72之间的光路上，第八透镜71和第九透镜72可以为柱透镜。

第八透镜71的曲面位于第二平面内，也即对于沿着z方向穿过第八透镜71的光束，第八透镜71在x-z平面内的横截面为平面，而在y-z平面内的横截面为曲面，在y-z平面(第二平面)内，光束经过第八透镜71时，第八透镜71会对光束起到折射作用，光束的传播方向发生改变，而在x-z平面(第一平面)内，光束经过第八透镜71时，光束的传播方向保持不变。

相应的，第九透镜72的曲面也位于第二平面内，在y-z平面(第二平面)内，光束经过第九透镜72时，光束的传播方向发生改变，而在x-z平面(第一平面)内，光束经过第九透镜72时，光束的传播方向保持不变。

具体的，在第二平面(y-z平面)内，从输入端口11输入的复用光经过第八透镜71，第八透镜71可以对复用光进行扩束处理，使复用光沿平行于第一平面的方向照射至第九透镜72上。

第九透镜72可以将该复用光汇聚并照射至第二透镜组60上，具体的，照射至第六透镜61上。使复用光经过第八透镜71扩束后再经过第九透镜72汇聚，这样经过第三透镜组70实现对光斑的控制，减小随着复用光传输而光斑增大的现象。

继续参见图11所示，第八透镜71的后焦面可以与第九透镜72的前焦面重合(图11中虚线部分为重合部位)，则在第三透镜组70中，第八透镜71的前焦面至第九透镜72的后焦面之间的距离为：f8+f8+f9+f9，其中，f8为第八透镜71的焦距，f9为第九透镜72的焦距。

其中，第八透镜71的焦距f8和第九透镜72的焦距f9可以相等，如均为f，则第三透镜组70为4f光学系统，第三透镜组也可以起到中继作用，实现对光路和光斑的调控，第八透镜的前焦面的光斑与第九透镜后焦面的光斑一致。

当然，在一些其他示例中，第八透镜71的焦距f8与第九透镜72的焦距f9也可以不相等。

相应的，第八透镜71和第九透镜72也可以分别为单个的透镜，或者，第八透镜71和第九透镜72也可以分别由两个或两个以上透镜元件组成，在光路上可以等效为第八透镜71和第九透镜72即可。其中，第八透镜71和第九透镜72也可以共用一个或多个透镜元件，能够等效以分别实现第八透镜71和第九透镜72的光路效果即可。

其中，需要说明的是，当切换引擎30为偏振相关的信道切换设备时，例如，切换引擎30位硅基液晶芯片时，波长选择开关100还可以包括有偏振光学元件(图中未示出)，具体的，偏振光学元件可以位于第三透镜组70和第二透镜组60之间，或者，偏振光学元件可以位于第三透镜组70中，具体的，位于第八透镜71和第九透镜72之间。偏振光学元件能够实现偏振调节，从而便于切换引擎30实现信道切换。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例各实施例技术方案的范围。

Claims (16)

1.一种波长选择开关，其特征在于，包括输入输出端口组，所述输入输出端口组包括在第一平面内层叠设置的输入端口和多个输出端口，所述输入端口用于输入复用光，所述复用光包括多个不同波长的子光束；

还包括色散元件和切换引擎，所述色散元件被配置为在第二平面内将从所述输入端口输入的所述复用光分散为多个所述子光束，并将多个所述子光束分别照射至所述切换引擎的不同区域上，所述第一平面与所述第二平面相正交；

还包括第一透镜组，在所述第一平面内所述色散元件位于所述第一透镜组中，所述第一透镜组被配置为在第一平面内将所述复用光沿平行于第二平面的方向照射至所述色散元件上，所述第一透镜组还被配置为在第一平面内将所述色散元件出射的所述子光束照射至所述切换引擎上；

所述切换引擎被配置为在第一平面内将多个所述子光束分别按照预设偏转角度出射以形成偏转子光束，并使所述偏转子光束经过所述第一透镜组、所述色散元件后从对应的所述输出端口输出。

2.根据权利要求1所述的波长选择开关，其特征在于，所述第一透镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述色散元件位于所述第二透镜和所述第三透镜之间；

所述第一透镜被配置为在第一平面内将所述复用光照射至所述第二透镜上；

所述第二透镜被配置为在第一平面内将经过所述第一透镜的所述复用光沿平行于第二平面的方向照射至所述色散元件；

所述第三透镜被配置为在第一平面内将经过所述色散元件分散的所述子光束照射至所述第四透镜上；

所述第四透镜被配置为在第一平面内将经过所述第三透镜的所述子光束沿平行于第二平面的方向照射至所述切换引擎上。

3.根据权利要求2所述的波长选择开关，其特征在于，所述第一透镜的后焦面与所述第二透镜的前焦面重合，所述第二透镜的后焦面与所述色散元件重合；

所述第三透镜的前焦面与所述色散元件重合，所述第三透镜的后焦面与所述第四透镜的前焦面重合。

4.根据权利要求2或3所述的波长选择开关，其特征在于，所述第一透镜的焦距、所述第二透镜的焦距、所述第三透镜的焦距和所述第四透镜的焦距均相等。

5.根据权利要求2-4任一所述的波长选择开关，其特征在于，所述色散元件位于所述第二透镜和所述第三透镜的中间。

6.根据权利要求1-5任一所述的波长选择开关，其特征在于，还包括切换透镜组，所述切换透镜组被配置为在第一平面内对所述复用光扩束后使其沿平行于第二平面的方向照射至所述第一透镜组；

所述切换透镜组还被配置为在第一平面内将经过所述第一透镜组、所述色散元件后的所述偏转子光束折射至对应的所述输出端口。

7.根据权利要求6所述的波长选择开关，其特征在于，所述切换透镜组包括第五透镜，所述第五透镜的曲面位于第一平面。

8.根据权利要求1-7任一所述的波长选择开关，其特征在于，还包括第二透镜组，在第二平面内所述色散元件位于所述第二透镜组中，所述第二透镜组被配置为在第二平面内，将所述复用光沿平行于第一平面的方向照射至所述色散元件，所述第二透镜组还被配置为在第二平面内将所述色散元件分散的所述子光束照射至所述切换引擎上。

9.根据权利要求8所述的波长选择开关，其特征在于，所述第二透镜组包括第六透镜和第七透镜；

所述第六透镜被配置为在第二平面内对所述复用光扩束后使其照射至所述色散元件；

所述第七透镜被配置为在第二平面内对所述色散元件分散的所述子光束分别汇聚，以使所述子光束分别照射在所述切换引擎的不同区域上。

10.根据权利要求9所述的波长选择开关，其特征在于，所述第六透镜的后焦面与所述色散元件相重合，所述第七透镜的前焦面与所述色散元件重合。

11.根据权利要求10所述的波长选择开关，其特征在于，所述第六透镜的焦距和所述第七透镜的焦距相等。

12.根据权利要求8-11任一所述的波长选择开关，其特征在于，还包括第三透镜组，所述第三透镜组被配置在第二平面内将所述复用光照射至所述第二透镜组。

13.根据权利要求12所述的波长选择开关，其特征在于，所述第三透镜组包括第八透镜和第九透镜，所述第八透镜被配置为在第二平面内对所述复用光扩束后使其照射至所述第九透镜；

所述第九透镜被配置为在第二平面内将经过所述第八透镜的所述复用光汇聚并照射至所述第二透镜组。

14.根据权利要求13所述的波长选择开关，其特征在于，所述第八透镜的后焦面与所述第九透镜的前焦面重合。

15.根据权利要求1-14任一所述的波长选择开关，其特征在于，所述输入输出端口组的数量为多个；

多个所述输入输出端口组在第一平面内层叠设置。

16.根据权利要求1-15任一所述的波长选择开关，其特征在于，所述色散元件包括光栅或棱栅。