一种波长选择开关及可重构光分插复用器

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种波长选择开关及可重构光分插复用器。

背景技术

作为近年来迅速发展的可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)的子系统，波长选择开关(Wavelength Selective Switch，WSS)的性能需求也在不断提升。光交插连接(Optical Cross-Connect，OXC)设备和ROADM作为波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)网络中的核心光交换设备，能够在任意端口对任意波长进行信息配置，实现超大传输容量信息的传输与交换。WSS正是通过重新配置不同端口、波长的信息交换，在光层实现大容量信息路由的功能。

现有的波长选择开关(WSS)通常能实现一个端口输入，多个端口(空间维度)输出的功能。然而这种结构随着输出端口需求的提升，逐渐达到瓶颈。现阶段通常32个输出端口(32维度)的输出已经是上限。一个可重构光分插复用器(ROADM)节点往往需要很多个1×N端口WSS等一起组成。多个端口输入，多个端口输出的WSS能够解决这个问题。但是在以往的设计中，多进多出的WSS无论物料的成本还是光路的复杂性都很高。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种波长选择开关及可重构光分插复用器，旨在实现多进多出的波长选择开关功能的同时，光路精简、可靠性高。

为实现上述目的，本发明提出的一种波长选择开关，所述波长选择开关包括光纤阵列、光纤准直器阵列、偏振控制单元、光束整形系统、透射光栅、切换聚焦单元、消色差处理单元、控制引擎、以及多个压电晶体结构，多个所述压电晶体结构与所述光纤阵列的多根光纤一一对应设置，多个所述压电晶体结构具有在所述光纤的延伸方向上的两端，所述压电晶体结构的一端固定，各所述压电晶体结构的另一端与对应的所述光纤连接，各所述压电晶体结构的另一端在所述波长选择开关的高度方向上产生微小位移以带动对应的所述光纤偏转。

可选地，所述压电晶体结构包括压电陶瓷杆。

可选地，所述光纤准直器阵列包括微透镜阵列，所述微透镜阵列用以对入射的光束进行准直。

可选地，所述偏振控制单元包括偏振分离单元和偏振旋转单元，所述偏振分离单元包括双折射晶体，所述偏振旋转单元包括半波片。

可选地，所述光束整形系统包括第一柱透镜和第二柱透镜，所述第一柱透镜的焦距小于所述第二柱透镜的焦距，在所述波长选择开关的光路上，所述第一柱透镜靠近所述偏振控制单元设置，所述第二柱透镜靠近所述透射光栅设置，所述第一柱透镜和所述第二柱透镜分别用以将来自所述偏振控制单元的光束在所述透射光栅的色散方向上进行扩束。

可选地，所述切换聚焦单元包括第三柱透镜，所述第三柱透镜用以在所述波长选择开关的高度方向上对来自所述光束整形系统的光束进行聚焦。

可选地，所述消色差处理单元包括双胶合透镜，所述双胶合透镜包括一个双凸透镜和一个单凹透镜。

可选地，所述波长选择开关还包括设置在所述消色差处理单元和所述控制引擎之间的反射镜，所述反射镜用以折叠光路。

可选地，所述控制引擎包括微机电系统MEMS或者硅基液晶LCOS。

本发明还提供一种可重构光分插复用器，所述重构光分插复用器包括如上所述的波长选择开关。

本发明的技术方案中，所述波长选择开关包括光纤阵列、光纤准直器阵列、偏振控制单元、光束整形系统、透射光栅、切换聚焦单元、消色差处理单元、控制引擎、以及多个压电晶体结构，多个所述压电晶体结构与所述光纤阵列的多根光纤一一对应设置，多个所述压电晶体结构具有在所述光纤的延伸方向上的两端，所述压电晶体结构的一端固定，各所述压电晶体结构的另一端与对应的所述光纤连接，各所述压电晶体结构的另一端在所述波长选择开关的高度方向上产生微小位移以带动对应的所述光纤偏转。可以理解的，光信号通过各个光纤后，由光纤准直器阵列产生汇聚作用，变成多路输入的准直空间光束。该准直光束经过后续偏振控制单元变成线偏振状态，新的线偏振光经过光束整形系统扩束以及透射光栅分光后，在控制引擎(比如硅基液晶LCOS)表面成像，由于在光纤准直器阵列之前加入了多个所述压电晶体结构，这样输入光纤的每一路都可以在竖直方向产生相对位移，这种相对位移经过光纤准直器阵列之后会产生一定的输入夹角，使得每一路输入信号光能够按照不同的水平位置，分行排列在控制引擎上，而每一行上又有不同的波长分布，从而控制引擎可以对每一路输入信号进行独立控制，简易的实现多进多出的波长选择开关功能，在基本光路不改变(物料成本无需大量提高，保证了光路简易可靠)的前提下，增加了灵活输入端口的数量，使得一个多进多出的WSS即可替换以前多个一进多出的WSS组合，实现可重构光分插复用功能，从而在实现多进多出的波长选择开关功能的同时，光路精简、可靠性高。

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为本发明提供的波长选择开关的结构立体示意图；

图2为图1中的波长选择开关的局部结构立体示意图；

图3为图1中的控制引擎上的光斑示意图。

附图标号说明：

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

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

作为近年来迅速发展的可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)的子系统，波长选择开关(Wavelength Selective Switch，WSS)的性能需求也在不断提升。光交插连接(Optical Cross-Connect，OXC)设备和ROADM作为波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)网络中的核心光交换设备，能够在任意端口对任意波长进行信息配置，实现超大传输容量信息的传输与交换。WSS正是通过重新配置不同端口、波长的信息交换，在光层实现大容量信息路由的功能。

现有的波长选择开关(WSS)通常能实现一个端口输入，多个端口(空间维度)输出的功能。然而这种结构随着输出端口需求的提升，逐渐达到瓶颈。现阶段通常32个输出端口(32维度)的输出已经是上限。一个可重构光分插复用器(ROADM)节点往往需要很多个1×N端口WSS等一起组成。多个端口输入，多个端口输出的WSS能够解决这个问题。但是在以往的设计中，多进多出的WSS无论物料的成本还是光路的复杂性都很高。

鉴于此，本发明提供一种波长选择开关及可重构光分插复用器，旨在实现多进多出的波长选择开关功能的同时，光路精简、成本节约。图1至图3为本发明提供的波长选择开关的实施例。

在本发明的实施例中，请参阅图1至图3，所述波长选择开关1000包括光纤阵列100、光纤准直器阵列110、偏振控制单元120、光束整形系统(130和140)、透射光栅150、切换聚焦单元160、消色差处理单元170、控制引擎190、以及多个压电晶体结构200，多个所述压电晶体结构200与所述光纤阵列100的多根光纤一一对应设置，多个所述压电晶体结构200具有在所述光纤的延伸方向上的两端，所述压电晶体结构200的一端固定，各所述压电晶体结构200的另一端与对应的所述光纤连接，各所述压电晶体结构200的另一端在所述波长选择开关1000的高度方向上产生微小位移以带动对应的所述光纤偏转。

本发明的技术方案中，光信号通过各个光纤后，由光纤准直器阵列110产生汇聚作用，变成多路输入的准直空间光束。该准直光束经过后续偏振控制单元120变成线偏振状态，新的线偏振光经过光束整形系统扩束以及透射光栅150分光后，在控制引擎190(比如硅基液晶LCOS)表面成像，由于在光纤准直器阵列110之前加入了多个所述压电晶体结构200，这样输入光纤的每一路都可以在竖直方向产生相对位移，这种相对位移经过光纤准直器阵列110之后会产生一定的输入夹角，使得每一路输入信号光能够按照不同的水平位置，分行排列在控制引擎190上，而每一行上又有不同的波长分布，从而控制引擎190可以对每一路输入信号进行独立控制，简易的实现多进多出的波长选择开关1000功能，在基本光路不改变(物料成本无需大量提高，保证了光路简易可靠)的前提下，增加了灵活输入端口的数量，使得一个多进多出的WSS即可替换以前多个一进多出的WSS组合，实现可重构光分插复用功能，从而在实现多进多出的波长选择开关1000功能的同时，光路精简、可靠性高。

本发明对所述压电晶体结构200的具体设置不做限制，本实施例中，所述压电晶体结构200包括压电陶瓷杆，具体的，可以将压电陶瓷杆的一端与光纤粘接，这种细小的压电陶瓷杆，能够在压电陶瓷杆的控制端口节省电源消耗，压电陶瓷杆和光纤的一一对应对应固定连接，还有利于光纤阵列100的集成。

本实施例中，所述光纤准直器阵列110包括微透镜阵列，所述微透镜阵列用以对入射的光束进行准直，微透镜阵列技术成熟，微透镜阵列对应光纤阵列100设置，能够保证光路的灵活性和可靠性。

本实施例中，所述偏振控制单元120包括偏振分离单元和偏振旋转单元，所述偏振分离单元包括双折射晶体(比如钒酸钇晶体)，所述偏振旋转单元包括半波片，通过所述偏振控制单元120将来自所述光纤准直器阵列110的光束分解成同向传输、偏振方向一致的两束平行光束，双折射晶体和半波片技术成熟，能够保证光路的可靠性。可以理解的，由于输入的光束在压电晶体结构200作用下，带有很小角度，因此与现有的波长选择开关1000不同，本实施例中，半波片不是按照完全周期均匀排列的。

本发明对所述光束整形系统的具体结构不做，比如所述光束整形系统包括开普勒扩束镜或伽利略扩束镜，本实施例中，所述光束整形系统包括第一柱透镜130和第二柱透镜140，所述第一柱透镜130的焦距小于所述第二柱透镜140的焦距，在所述波长选择开关1000的光路上，所述第一柱透镜130靠近所述偏振控制单元120设置，所述第二柱透镜140靠近所述透射光栅150设置，所述第一柱透镜130和所述第二柱透镜140分别用以将来自所述偏振控制单元120的光束在所述透射光栅150的色散方向上进行扩束。如附图所示，所述第一柱透镜130为水平方向扩束的柱透镜，所述第二柱透镜140也为水平方向扩束柱透镜，两者组成，起到放大光斑作用。所述第一柱透镜130的焦距小于所述第二柱透镜140的焦距，比如所述第一柱透镜130的焦距f＝4，所述第二柱透镜140的焦距f＝60。

可以理解的，光束在经过所述透射光栅150后，不同波长的光信号被水平分离，本实施例中，所述切换聚焦单元160包括第三柱透镜，所述第三柱透镜用以在所述波长选择开关1000的高度方向上对来自所述光束整形系统的光束进行聚焦，如附图所示，所述切换聚焦单元160包括竖直方向的第三柱透镜，能够实现最后端口的切换方向聚焦功能。

本实施例中，所述消色差处理单元170包括双胶合透镜，所述双胶合透镜包括一个双凸透镜和一个单凹透镜，所述双胶合透镜能对不同水平方向光斑进行压缩，使得光斑最终汇聚在控制引擎190的反射面上。

本实施例中，所述波长选择开关1000还包括设置在所述消色差处理单元170和所述控制引擎190之间的反射镜180，所述反射镜180用以折叠光路，能够减小波长选择开关1000的体积。

一实施例中所述控制引擎190包括硅基液晶LCOS，硅基液晶LCOS用于改变多个单波长光信号的传输方向，改变方向后的多个单波长信号沿不同高度的原光路返回形成光输出信号，硅基液晶LCOS包括所述个像素点，通过施加电压改变对应液晶的折射率来改变光束的相位，由此，使入射到硅基液晶LCOS的光束发生反射并沿着原光路但在高度上不同的平面内返回，最终耦合至光纤阵列100上对应的输出端输出，硅基液晶LCOS实现反射光束的角度灵活控制，最终通过光路的可逆性实现输入光信号的不同端口输出切换。即所述光纤阵列100包括多个输入/输出光纤端口101，不仅用于输入光输入信号，还用于输出所述光输入信号经过所述波长选择开关1000处理后得到的光输出信号，可以根据实际情况选择。

另一实施例中，所述控制引擎190包括微机电系统MEMS，微机电系统MEMS包括多个微反射镜，每个微反射镜对应一个波长的光信号，通过芯片驱动控制微反射镜的旋转可以使得入射光束发生折射并沿原光路但在不同高度方向不同的平面内返回，微机电系统MEMS实现反射光束的角度灵活控制，最终通过光路的可逆性实现输入光信号的不同端口输出切换。即所述光纤阵列100包括多个输入/输出光线端口，不仅用于输入光输入信号，还用于输出所述光输入信号经过所述波长选择开关1000处理后得到的光输出信号，可以根据实际情况选择。

另外，所述波长控制开关还可以包括正三角反射棱镜210，该正三角反射镜210将水平光线竖直反射到水平的所述控制引擎190上，以实现结构的稳定，并减少所述控制引擎190表面落灰的可能性。

下面结构附图3，以四根光纤输入端口灵活控制为例，进一步解释本技术方案，可以理解的，不同波长的光信号在每一行中分离，一行实心小椭圆(图中示意性地画出8个小椭圆)被一个大的虚线椭圆圈起的部分，为一个输入端口光信号对应的硅基液晶区域(图中仅圈出一个)，四个端口的光信号对应为四行硅基液晶区域。在现有的波长选择开关1000中，因为光纤输入端口都是平行的，所以输入的光信号也是完全平行，经过第三柱透镜聚焦在硅基液晶上的同一个行的位置(即现有的波长选择开关1000的光斑示意图中只有一行实心小椭圆)，因此即使多个端口同时输入光信号也无法独立控制，本技术方案采取这种带有微小的可调角度设计，使得硅基液晶与压电陶瓷杆相互合作控制，灵活处理每一路输入光信号进入到预设的输出端口。另外，本设计可以将任何其他输入端口转换成输出端口，仅仅需要将目标输入端口的光纤控制与实际输入端口平行即可(因为平行设置使得此两个端口在硅基液晶上会汇聚到图3中的同一行区域)。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。