CN207742371U - 一种波长选择开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光通信和网络光波长交换技术领域，并公开了一种波长选择开关，其包括沿着光路方向依次布置的光纤阵列端口、准直器阵列、光束整形组件、偏振组件、曲面反射镜、衍射光栅或棱栅、光束偏转组件和硅基液晶相位空间光调制器；其中根据其自由曲面的特性对WSS整体光路重新进行了优化设计，可显著提高波长选择开关的综合性能，例如降低插入损耗及改善插入损耗的波长平坦度等。通过本实用新型，能够有效解决现有设备存在的光学元件生产成本高、光路复杂和装配难度大等问题，因而尤其适用于WDM网络中的可重构光分插复用器之类的用途。

Description

一种波长选择开关

技术领域

本实用新型属于光通信和网络光波长交换技术领域，更具体地，涉及一种波长选择开关。

背景技术

在光通信领域，波分复用(Wavelength division Multiplexing,WDM)技术越来越广泛地应用在各级的光传输网络中。波分复用是当前最为常见的光层组网技术，通过在一根光纤中复用不用波长进行传输，容易实现Gbit/s 甚至Tbit/s的传输容量。而可重构光分插复用器(Reconfigurable Add/Dropmultiplexer,ROADM)是WDM网络中的核心光交换设备，可以在任一端口对任意波长进行配置。波长选择开关(Wavelength Selective Switch,WSS)作为实现动态可重构光加/减复用(ROADM)的新一代技术，具有网状架构，可以支持任意端口波长任意上下行的功能。

基于硅基液晶(LCOS)的WSS使用最为广泛，这种带宽可调谐的WSS 可以满足运营商对于下一代网络中带宽灵活的ROADM的需求。然而，进一步的研究表明：首先，现有的WSS中的玻璃镜片大多由传统的球面玻璃研磨工艺生产而成，受限于使用球面镜片，因此造成WSS内部光路构成复杂，还存在一定的色像差；其次，鉴于传统的球面玻璃研磨工艺，并且镜片在研磨抛光之后需要经过定位测量、机械切割和打磨等工序获得最终适合安装的形状，这些加工过程往往会累积较大的误差，从而为获得高精度的光学镜片，往往需要反复测量修正，造成较高的镜片生产成本；同时，镜片形貌的不一致性造成装配过程中镜片需要反复调整，极大增加了装配生产难度。因而针对WSS设备，目前其中的光学镜片组件无法满足进一步降低低成本、实现镜面高自由度面型以及尺寸高度一致性的需求。本领域亟需解决以上技术问题，以便降低WSS设备生产成本、使其更广泛地应用于现代化光纤通信，以满足WDM网络对更高质量和效率的波长配置的需求。

实用新型内容

针对现有技术的以上不足之处和改进需求，本实用新型提供了一种新型的波长选择开关，其中根据其自由曲面的特性对WSS整体光路重新进行了优化设计，相应不仅有效解决了现有WSS设备具备的光学组件生产成本高、存在一定像差和光路复杂等问题，而且还通过曲面反射镜面型的高自由度设计显著提高了波长选择开关的综合性能，例如降低插入损耗及改善插入损耗的波长平坦度等。

为实现上述目的，按照本实用新型，提供了一种波长选择开关，该波长选择开关包括沿着光路方向依次布置的光纤阵列端口、准直器阵列、光束整形组件、偏振组件、曲面反射镜、衍射光栅、光束偏转组件和硅基液晶相位空间光调制器，光线被所述硅基液晶相位空间光调制器有选择性地反射后可沿原路经返回所述光纤阵列端口，其特征在于：

该光纤阵列端口与所述准直器阵列保持一一对应，其用于外接光纤并将光束输入至所述准直器阵列，然后由此准直器阵列执行准直处理；

该光束整形组件用于对准直处理后的光束进行整形，将圆形光斑转换为椭圆形，且使得此椭圆形光斑的长轴垂直于整体光路所在的平面，然后继续输送至所述偏振组件；

该偏振组件用于将入射光束分离成正交偏振，并转化成两束偏振方向一致的光束，然后继续输送至所述曲面反射镜；

该曲面反射镜用于对光束形状进行调节，并将来自所述偏振组件的两束偏振方向一致的光束反射调整为平行光束，然后继续输送至所述衍射光栅；

该衍射光栅呈反射式衍射光栅的形式，它用于将所述平行光束沿着色散方向发散成多个波长的光信号，并使得这些光信号沿不同方向在同一平面内继续返回传输至所述曲面反射镜，通过此曲面反射镜对所述多个波长的光信号执行传输方向的反射调整，使得不同波长的光线均聚焦分布在同一面的不同空间位置上；

该光束偏转组件对所述多个波长的光信号的传输方向继续进行调整，直至所有波长的光线聚焦到以上所述硅基液晶相位空间光调制器的不同像素点上为止；

该硅基液晶相位空间光调制器用于对光信号覆盖位置的像素点施加电压，改变对应液晶的折射率来改变相位，由此使得入射光束发生反射并沿着原入射光路但在高度方向不同的平面内返回，最终耦合进入上述光纤阵列端口予以输出。

作为进一步优选地，当上述波长选择开关采用所述衍射光栅的形式时，该衍射光栅被设计为与一块棱镜胶合在一起形成棱栅。

作为进一步优选地，对于所述曲面反射镜而言，其由光固化树脂通过模压方式制成且具备任意自由曲面形状。

作为进一步优选地，所述曲面反射镜的面型完全由光固化树脂材料来模压形成，并且在其表面均匀镀有金属反射膜或者多层介质反射膜。

作为进一步优选地，所述光固化树脂材料的厚度被设计为10微米～200 微米。

作为进一步优选地，所述金属反射膜的厚度为100纳米～200纳米。

作为进一步优选地，上述波长选择开关优选用于波分复用网络中的可重构光分插复用器。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本实用新型首先基于曲面反射镜片的高自由度曲面形貌，针对性对WSS的整个光路进行了重新设计，不再受限于球面的镜片面形，可以实现对WSS光路布局更高自由度的优化，相应可有效解决现有波长选择开关中所存在的光路复杂和像差难以矫正等技术问题，同时可以进一步改善WSS 设备的光学插入损耗和波长分辨率；

2、本实用新型还重点对WSS光路中的关键光学元件之一曲面反射镜采用了基于树脂的复合材料镜片，该树脂以薄层结构依附于玻璃之类的基底，树脂外表面由光固化模压制备并形成镜面形；相应地，该曲面反射镜片可以获得任意自由曲面形状，并且在生产的镜面形貌具有较高的精度，可以满足WSS对光学元件的高精度要求。

附图说明

图1是用于示范性显示按照本实用新型所构建的波长选择开关的整个构造示意图；

图2是按照本实用新型一种优选实施方式所构建的不同结构的波长选择开关示意图；

图3是按照本实用新型另一优选实施方式所构建的不同结构的波长选择开关示意图，其中在该图中，反射镜面109和110中至少一片是上述基于模压成型的树脂复合材料反射镜片；

图4是按照本实用新型另一优选实施方式所构建的不同结构的波长选择开关示意图，其中在该图中，反射镜面109和110中至少一片是上述基于模压成型的树脂复合材料反射镜片；

图5是按照本实用新型又一优选实施方式所构建的不同结构的波长选择开关示意图，其中在该图中，反射镜面111和112中至少一片是上述基于模压成型的树脂复合材料反射镜片；

图6是按照本实用新型又一优选实施方式显示镍模具与涂覆有UV胶的玻璃基底的布置示意图；

图7是更为具体地显示镍模具与玻璃基底执行模压操作时的示意图；

图8是更为具体地显示完成镀膜操作后的具备曲面形状的反射镜的构造示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件或结构，其中：

101-光纤阵列端口102-准直器阵列103-光束整形组件104-偏振组件105-曲面反射镜106-衍射光栅106a-棱镜107-光束偏转组件108- 硅基液晶相位空间光调制器109-曲面反射镜110-曲面反射镜111-曲面反射镜112-曲面反射镜113-通过单点金刚石机床加工获得的模压模具 114-UV胶115-玻璃基底116-金属反射膜或多层介质反射膜

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是用于示范性显示按照本实用新型所构建的波长选择开关的整个构造示意图。该波长选择开关包括沿着光路方向依次布置的光纤阵列端口 101、准直器阵列102、光束整形组件103、偏振组件104、曲面反射镜105、衍射光栅106、光束偏转组件107和硅基液晶相位空间光调制器108等组件，下面将对其逐一进行具体解释说明。

该光纤阵列端口101与所述准直器阵列102保持一一对应，其用于外接光纤并将光束输入至所述准直器阵列102，然后由此准直器阵列102执行准直处理；

该光束整形组件103用于对准直处理后的光束进行整形，将圆形光斑转换为椭圆形(优选为狭长的椭圆形)，且使得椭圆形光斑的长轴垂直于整体光路所在的平面，然后继续输送至所述偏振组件104；

该偏振组件104用于将入射光束分离成正交偏振，并最终转化成两束偏振方向一致的光束，然后继续输送至所述曲面反射镜105；

该曲面反射镜105用于对光束形状进行调节，并将来自所述偏振组件 104的两束偏振方向一致的光束反射调整为平行光束，然后继续输送至所述衍射光栅106；

该衍射光栅106呈反射式衍射光栅的形式，它用于将所述平行光束沿着色散方向发散成多个波长的光信号，并使得这些光信号沿不同方向在同一平面内继续返回传输至所述曲面反射镜105，通过此曲面反射镜105对所述多个波长的光信号执行传输方向的反射调整，使得所有波长的光信号均可聚焦分布在同一面的不同位置上；此外，该衍射光栅还可以与一块棱镜胶合在一起形成棱栅，并同样执行以上相同的色散功能。

该光束偏转组件107对所述多个波长的光信号传输方向进行调整，直至所有波长的光信号均覆盖在所述硅基液晶相位空间光调制器108的不同像素点上为止；

该硅基液晶相位空间光调制器108用于对光信号覆盖位置的像素点施加电压，改变对应液晶的折射率来改变相位，由此使得入射光束发生反射并沿着原入射光路在不同高度的平面内返回，最终耦合进入上述光纤阵列端口101予以输出。

按照本实用新型的一个优选实施例，所述偏振组件包括偏振分离单元和偏振旋转单元，其中偏振分离单元涉及为双折射晶体的结构，偏振旋转单元优选为半波片。

图2、图3、图4、图5是按照本实用新型优选实施方式所构建的不同结构的波长选择开关示意图；如图所示，对其中反射镜片的布置给出了多种不同的设计。例如，在图3或图4，反射镜面109和110中至少一片是基于模压成型的树脂复合材料反射镜片；而在图5中，反射镜面111和112 中至少一片是基于模压成型的树脂复合材料反射镜片。

可参见图6，示范性显示了按照本实用新型优选实施方式的曲面反射镜制备工艺。

具体而言，所述曲面反射镜优选可采用以下方式来制备：首先，选择光固化树脂制作基底并将该基底加工成为内侧具备凹陷区域的构造形式，同时对该凹陷区域执行表面粗糙化处理；接着，根据曲面反射镜的面型特征，并优选采用单点金刚石机床加工获得对应的精密模压模具；接着，在常温条件下向所述基底的凹陷区域注入及涂覆适量的光固化树脂，并将所述模压模具与所述基底保持对置地放于所述光固化树脂上，平缓施压使得光固化树脂挤出，相应由所述光固化树脂材料模压形成所需的曲面反射镜面型，然后对其执行光固化处理；最后，完成固化后所形成的树脂材料层的最外侧，通过真空镀膜方式均匀镀上金属反射膜(或多层介质反射膜)，由此获得最终的曲面反射镜产品。

通过以上构思，一方面，由于在整个制备过程中曲面反射镜的面型完全是由光固化树脂形成的，这样不仅可避免机械挤压之类的变形操作，而且实现较复杂的非球面的曲面镜片形状，并获得较高的曲面反射镜的形貌精度；另一方面，按照本实用新型的一个优选实施例，可针对性引入了单点金刚石机床来加工精密模压模具，并且结合曲面反射镜的制造特点在关键工艺参数上进行了研究和设计，可实现多类型、多特性的曲面反射镜的快速生产，大大降低了制造周期，并最终降低生产成本。之所以这样设计，不仅可紧密结合单点金刚石机床加工技术的优势来高精度、高效率获得各种复杂类型的欲成型曲面，而且该精密模具能够更好地与光固化树脂相配合，由此完全依靠光固化树脂即可实现对面型的高精度控制，并有效减少镜片热膨胀带来的变形等问题。例如，该模压模具及加工指标优选设计如下：单点金刚石机床控制器优选支持精度高于1纳米的编程分辨率以及32 皮米的反馈分辨率，该模压模具的表面粗糙度小于5纳米，形状误差小于 0.3微米；较多的实际测试表明，单点金刚石机床加工模具与光固化树脂模压工艺的结合，可使得最终产品的良品率高达90％以上，显著高于本领域常规使用的机械手或夹具之类的加工方式。

下面将结合图6、图7、图8，更为具体地且以单点金刚石机床加工的精密镍模具与UV胶为例来说明自由曲面反射镜的制备过程。

首先如图6所示，优先地采用玻璃来制作玻璃基底115，将其加工成为内侧具备凹陷或弯曲区域的构造形式；接着，对该凹陷区域执行表面粗糙化处理，同时在玻璃基底3的侧面设置多个排胶口。

接着，紧密结合以上的制造路线及实际运用需求，本实用新型中不仅采用模压工艺来加工成型反射镜面型，而且专门选择了单点金刚石机床加工技术，根据待制备曲面反射镜的面型特征来加工获得对应的精密模具。

如图6所示，113代表通过单点金刚石机床加工技术获得的模压模具，其优选采用镍金属作为材料并通过单点金刚石机床加工技术加工获得对应的镍模具。通过采用热膨胀系数小的金属作为成型模具的材料，不仅可大大降低曲面反射镜的制作成本，而且同样便于单点金刚石机床加工工艺的开展，同时模压成型的方法易于控制加工面的面型，可实现各类特殊化的面型制作。

接着，是光固化树脂的涂覆、成型及固化步骤。优先得选择常温条件下，向所述基底的凹陷区域注入及涂覆适量的光固化树脂；接着，将所述金属模具与所述基底保持对置地放于所述光固化树脂上，平缓施压使得光固化树脂从所述排胶口挤出，并完全由所述光固化树脂材料模压形成所需的曲面反射镜面型，然后通过紫外光辐射对其执行光固化处理。

更具体地，如图7所示，按照本实用新型的一个优选实施例，可将所述玻璃基底115通过固定件予以固紧，并在常温调节下向所述凹陷区域注入及涂覆适量的UV胶114；接着，将所述镍模具与所述玻璃基底保持置地放于所述UV胶上，平缓施压使得UV胶侧面挤出，并由于由该UV胶模压形成所需的曲面反射镜面型，其中113表示按压在UV胶上的镍模具，114表示发生变形的UV胶。此外，在本实施例中，可以从所述玻璃基底的底部直接施加紫外光线照射，待所述UV胶固化后即获得预设厚度的UV胶层。

最后，在完成固化后所形成的树脂材料层的最外侧，通过真空镀膜方式均匀镀上金属反射膜或多层介质反射膜116，由此获得最终的曲面反射镜产品。如图8所示，待所述UV胶固化后，将所获得的工件放入真空室首先执行高压等离子体清洗活化处理，然后在真空室内进行真空镀膜处理，由此获得最终的曲面反射镜产品。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种波长选择开关，该波长选择开关包括沿着光路方向依次布置的光纤阵列端口、准直器阵列、光束整形组件、偏振组件、曲面反射镜、衍射光栅、光束偏转组件和硅基液晶相位空间光调制器，光线被所述硅基液晶相位空间光调制器有选择性地反射后可沿原路经返回所述光纤阵列端口，其特征在于：

该光纤阵列端口与所述准直器阵列保持一一对应，其用于外接光纤并将光束输入至所述准直器阵列，然后由此准直器阵列执行准直处理；

该光束整形组件用于对准直处理后的光束进行整形，将圆形光斑转换为椭圆形，且使得此椭圆形光斑的长轴垂直于整体光路所在的平面，然后继续输送至所述偏振组件；

该偏振组件用于将入射光束分离成正交偏振，并转化成两束偏振方向一致的光束，然后继续输送至所述曲面反射镜；

该曲面反射镜用于对光束形状进行调节，并将来自所述偏振组件的两束偏振方向一致的光束反射调整为平行光束，然后继续输送至所述衍射光栅；

该衍射光栅呈反射式衍射光栅的形式，它用于将所述平行光束沿着色散方向发散成多个波长的光信号，并使得这些光信号沿不同方向在同一平面内继续返回传输至所述曲面反射镜，通过此曲面反射镜对所述多个波长的光信号执行传输方向的反射调整，使得不同波长的光线均聚焦分布在同一面的不同空间位置上；

该光束偏转组件对所述多个波长的光信号的传输方向继续进行调整，直至所有波长的光线聚焦到以上所述硅基液晶相位空间光调制器的不同像素点上为止；

该硅基液晶相位空间光调制器用于对光信号覆盖位置的像素点施加电压，改变对应液晶的折射率来改变相位，由此使得入射光束发生反射并沿着原入射光路但在高度方向不同的平面内返回，最终耦合进入上述光纤阵列端口予以输出。

2.如权利要求1所述的波长选择开关，其特征在于，当上述波长选择开关采用所述衍射光栅的形式时，该衍射光栅被设计成与一块棱镜胶合在一起形成棱栅。

3.如权利要求1或2所述的波长选择开关，其特征在于，对于所述曲面反射镜而言，其由光固化树脂通过模压方式制成且具备任意自由曲面形状。

4.如权利要求3所述的波长选择开关，其特征在于，所述曲面反射镜的面型完全由光固化树脂材料来模压形成，并且在其表面均匀镀有金属反射膜或者多层介质反射膜。

5.如权利要求4所述的波长选择开关，其特征在于，所述光固化树脂材料的厚度被设计为10微米～200微米。

6.如权利要求5所述的波长选择开关，其特征在于，所述金属反射膜的厚度为100纳米～200纳米。