一种光束整形装置、光束整形方法和WSS

技术领域

本申请涉及光通信领域，尤其涉及一种光束整形装置、光束整形方法和WSS。

背景技术

波长选择开关(Wavelength Selective Switch,WSS)作为全光交叉的关键设备，具有灵活调度，超大容量波长调度等优势，在构建具有超大系统容量和超强节点调度的光网络的过程中发挥了关键作用。WSS光器件由纤阵列单元(Fiber Array Unit,FAU)、光学系统、色散元件和切换引擎四大部分构成。其中，FAU用于对光纤输入输出光束整形，是WSS中的关键组成部件。

现有技术中，FAU由光纤阵列(Fiber Array,FA)、球透镜阵列(Spherical LensArray,SLA)和柱面透镜阵列(Cylindrical Lens Array,CLA)构成；其中，光纤用于接收和发射光束，两种微透镜阵列用于光束整形。由于FA、SLA和CLA分立放置，整个器件的集成度较差，装调难度较高。

发明内容

本申请实施例提供了一种光束整形装置、光束整形方法和WSS，该光束整形装置的集成度更高，装调难度更低。

第一方面，本申请实施例提供了一种光束整形装置，该光束整形装置包括：端口组件和第一光束整形器件，端口组件包括输入端口和/或输出端口。第一光束整形器件用于对输入的每路第一光束分别进行相位调节，以分别调节每路第一光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度。第一方向与第二方向垂直，每路第一光束来自对应的输入端口。和/或，第一光束整形器件用于对输入的每路第二光束分别进行相位调节，以分别调节每路第二光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度，并将每路第二光束传输至对应的输出端口。第一光束与第二光束的传输方向相反。

在该实施方式中，是通过光束整形器件对光束进行相位调节来改变光束的束腰宽度的，并不是依靠透镜来实现的。并且，仅通过光束整形器件就可以调节光束在两个不同维度上的束腰宽度，相较于通过多个透镜来分别调节光束在两个不同维度上束腰宽度的方案，本申请提供的光束整形装置的集成度更高，装调难度更低。

在一些可能的实施方式中，第一光束整形器件包括第一光束整形元件和/或第二光束整形元件。第一光束整形元件与输入端口一一对应，第二光束整形元件与输出端口一一对应。第一光束整形元件用于对第一光束进行相位调节，以调节第一光束整形元件在第一方向和/或第二方向上的焦距，从而调节第一光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度。和/或，第二光束整形元件用于对第二光束进行相位调节，以调节第二光束整形元件在第一方向和/或第二方向上的焦距，从而调节第二光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度。在该实施方式中，每个光束整形元件用于调节与之对应的一路光束的束腰宽度，以使得可以根据实际需要独立调节每一路光束的束腰宽度，增强了本方案的实用性。

在一些可能的实施方式中，每个输入端口的中心与对应的第一光束整形元件的中心的连线分别与第一方向和第二方向垂直。每个输出端口的中心与对应的第二光束整形元件的中心的连线分别与第一方向和第二方向垂直。也就是说，端口的位置与光束整形元件的位置是精确对应的，以实现精准调节每路光束的束腰宽度。

在一些可能的实施方式中，端口组件中的目标端口与第一光束整形器件中对应的目标光束整形元件之间的距离d

d

在该实施方式中，第一条件设置了d

在一些可能的实施方式中，目标光束整形元件在第一方向上的焦距f

在一些可能的实施方式中，d

在一些可能的实施方式中，目标光束整形元件上坐标(x，y)的位置对目标光束进行相位调节后的相位变化量Δφ(x,y)满足第四条件，第四条件包括：

x

在一些可能的实施方式中，当目标光束整形元件用于调节目标光束在第一方向上的束腰宽度时，d

此时，

当目标光束整形元件用于调节目标光束在第二方向上的束腰宽度时，d

此时，

在一些可能的实施方式中，光束整形元件的类型包括超表面和衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)，提高了本方案的扩展性。

在一些可能的实施方式中，光束整形装置还包括第二光束整形器件。第二光束整形器件用于对来自第一光束整形器件的每路第一光束进行相位调节，以分别调节每路第一光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度。和/或，第二光束整形器件用于对输入的每路第二光束分别进行相位调节，以分别调节每路第二光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度，并将每路第二光束传输至第一光束整形器件。在该实施方式中，可以通过两个不同的光束整形器件来分别调节光束在第一方向和第二方向上的束腰宽度，提高了本方案的灵活性。

在一些可能的实施方式中，光束整形装置还包括外壳，端口组件和第一光束整形器件封装在外壳内，外壳内还填充有固体介质。在该实施方式中，K个端口和第一光束整形器件通过固体介质实现粘连，提高了光束整形装置气密性，并实现了高度集成一体化。

在一些可能的实施方式中，端口组件分布为M行N列，M为大于1的整数，N为大于1的整数，其中，每列的M个端口沿第一方向分布，每行的N个端口沿第二方向分布。在该实施方式中，端口组件呈二维阵列分别，适用于高维多端口的WSS。

在一些可能的实施方式中，光束整形装置还包括偏振分光器件。偏振分光器件用于对每路第一光束分别进行偏振分光，并将偏振分光后的每路第一光束传输至第一光束整形器件，或者，偏振分光器用于对来自第一光束整形器件的每路第一光束进行偏振分光。其中，每路第一光束经过偏振分光器件后分离为第一偏振光束和第二偏振光束，第一偏振光束和第二偏振光束具有相互正交的偏振分量。应理解，该实施方式提供的光束整形装置适用于基于偏振相关设计的WSS。

第二方面，本申请实施例提供了一种WSS。该WSS包括：色散组件、透镜组件、光束偏转装置和如上述第一方面任一实施方式介绍的光束整形装置。色散组件用于将来自光束整形装置的每路光束分解为多个子波长光束，并将多个子波长光束传输至透镜组件。透镜组件用于将多个子波长光束分别传输至光束偏转装置的不同区域。光束偏转装置用于分别调节多个子波长光束的偏转方向。

第三方面，本申请实施例提供了一种光束整形方法。该方法包括：获取至少一路第一光束和/或至少一路第二光束。其中，第一光束与第二光束的传输方向相反。对第一光束进行相位调节，以调节每路第一光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度。和/或，对第二光束进行相位调节，以调节每路第二光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度。其中，第一方向与第二方向垂直。

在一些可能的实施方式中，对第一光束进行相位调节包括：通过第一光束整形元件对第一光束进行相位调节，以调节第一光束整形元件在第一方向和/或第二方向上的焦距，从而调节第一光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度。对第二光束进行相位调节包括：通过第二光束整形元件对第二光束进行相位调节，以调节第二光束整形元件在第一方向和/或第二方向上的焦距，从而调节第二光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度。

在一些可能的实施方式中，每个输入端口的中心与对应的第一光束整形元件的中心的连线分别与第一方向和第二方向垂直。每个输出端口的中心与对应的第二光束整形元件的中心的连线分别与第一方向和第二方向垂直。

在一些可能的实施方式中，端口组件中的目标端口与第一光束整形器件中对应的目标光束整形元件之间的距离d

d

在一些可能的实施方式中，目标光束整形元件在第一方向上的焦距f

在一些可能的实施方式中，d

在一些可能的实施方式中，目标光束整形元件上坐标(x，y)的位置对目标光束进行相位调节后的相位变化量Δφ(x,y)满足第四条件，第四条件包括：

x

在一些可能的实施方式中，光束整形元件的类型包括超表面和DOE。

本申请实施例中，是通过光束整形器件对光束进行相位调节来改变光束的束腰宽度的，并不是依靠透镜来实现的。并且，仅通过光束整形器件就可以调节光束在两个不同维度上的束腰宽度，相较于通过多个透镜来分别调节光束在两个不同维度上束腰宽度的方案，本申请提供的光束整形装置的集成度更高，装调难度更低。

附图说明

图1为本申请实施例中WSS的一种结构示意图；

图2为本申请实施例中光束整形装置的第一种结构示意图；

图3(a)为光束在yoz平面内的传播示意图；

图3(b)为光束在xoz平面内的传播示意图；

图4为本申请实施例中超表面的一种结构示意图；

图5为纳米柱的尺寸与相位变化的关系示意图；

图6为纳米柱的尺寸与透射率的关系示意图；

图7为本申请实施例中超表面的一种相位分布示意图；

图8为本申请实施例中光束整形装置的一种尺寸标注示意图；

图9为本申请实施例中光束整形装置的另一种尺寸标注示意图；

图10为本申请实施例中光束整形装置的第二种结构示意图；

图11为本申请实施例中光束整形方法的一个实施例示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种光束整形装置、光束整形方法和WSS。本申请是通过光束整形器件对光束进行相位调节来改变光束的束腰宽度的，并不是依靠透镜来实现的，集成度更高，装调难度更低。需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等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。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本申请的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

本申请实施例提供的光束整形装置可主要应用于波长选择开关(WavelengthSelective Switch,WSS)中，为了使光斑尺寸符合WSS的系统要求，需要通过光束整形装置对输入的光束进行光束整形，下面首先对WSS进行介绍。

图1为本申请实施例中WSS的一种结构示意图。如图1所示，WSS包括光束整形装置10、色散组件20、透镜组件30和光束偏转装置40。光束整形装置10用于对输入的合波光束进行光束整形，例如，该合波光束包括λ1、λ2…λn共n个波长。色散组件20可以沿着图1所示的色散方向将来自光束整形装置10的合波光束分解为多个子波长光束，以使得多个子波长光束在空间上分开。透镜组件30用于将多个子波长光束分别传输至光束偏转装置40的不同区域。光束偏转装置40用于分别调节多个子波长光束的偏转方向。应理解，光束的偏转方向也就是端口方向，这样就可以通过调节每个子波长光束的偏转方向使其传输至对应的输出端口。色散方向与端口方向通常是垂直的，光束偏转装置40上沿着色散方向可以划分多个调制区域，以对入射的多个子波长光束分别进行调制。

需要说明的是，色散组件20的实现形式包括但不限于光栅和棱镜等。透镜组件30的实现形式包括但不限于球透镜和柱透镜等，并且，透镜组件30包括的透镜数量可以是一个或多个，具体的光路可以根据实际场景灵活设计。光束偏转装置40具体可以采用硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)阵列，LCOS阵列具有像素化的可调制区域，通过调制对应波长区域的像素可以改变每个子波长光束的偏转方向。光束偏转装置40也可以采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)微镜实现。

应理解，上述介绍的WSS只是本申请提供的光束整形装置的其中一个应用场景，其他需要对光束进行整形的场景也适用，下面对本申请提供的光束整形装置进行详细介绍。

为了便于介绍，在后面实施例中统一将光的传输方向定义为Z方向，端口的分布方向定义为Y方向，光的色散方向定义为X方向。其中，X方向与Z方向垂直，Y方向与Z方向垂直，X方向与Y方向垂直。

图2为本申请实施例中光束整形装置的第一种结构示意图。如图2所示，光束整形装置包括端口组件101和第一光束整形器件102。端口组件101包括输入端口和/或输出端口。作为一个示例，从输入端口输入的第一光束经过第一光束整形器件102的处理后输出。作为另一个示例，经过第一光束整形器件102处理后的第二光束从输出端口输出。应理解，第一光束和第二光束的传输方向是相反的，第一光束整形器件102可以对传输方向相反的光束分别进行处理。具体地，第一光束整形器件102可以对第一光束进行相位调节，以调节第一光束在X方向和/或Y方向上的束腰宽度。第一光束整形器件102也可以对第二光束进行相位调节，以调节第二光束在X方向和/或Y方向上的束腰宽度。

在一种可能的实施方式中，光束整形装置是集成化的装置，端口组件101和第一光束整形器件102封装在外壳103中。该集成化的光束整形装置在WSS的应用场景中也可以称之为光纤阵列单元(Fiber Array Unit，FAU)。可选地，外壳103内还可以填充固体介质104，端口组件101和第一光束整形器件102通过固体介质104实现粘连，提高了光束整形装置气密性，并实现了高度集成一体化。其中，固体介质104通常采用高透射率的介质材料。

应理解，端口组件101的实现形式包括但不限于光纤阵列和波导阵列等，具体可以是一维阵列，也可以是二维阵列。例如，若端口组件是二维阵列，则端口组件分布为M行N列，K＝M×N，每列M个端口沿Y方向分布，每列N个端口沿X方向分布。

需要说明的是，从光束整形装置输出的光束在X方向和Y方向上束腰宽度通常由WSS的系统要求决定，根据WSS的系统要求可以确定第一光束整形器件102分别在X方向和Y方向上的焦距，进而也就可以确定第一光束整形器件102所需要的相位分布。第一光束整形器件102基于该相位分布对入射光束进行相位调节就可以实现所需要光束的束腰宽度。

图3(a)为光束在yoz平面内的传播示意图。图3(b)为光束在xoz平面内的传播示意图。如图3(a)和图3(b)所示，端口101位于位置4处，第一光束整形器件102位于位置1处。光束从端口101输入并经过第一光束整形器件102，光束在Y方向上的束腰在位置2处，光束在X方向上的束腰在位置3处。可以看出，本申请实现了独立调节高斯光束在X方向和Y方向上的束腰宽度。以WSS的应用场景为例，从输入端口输入的第一光束经过第一光束整形器件102可以输出椭圆形的光斑，与第一光束逆向的第二光束经过第一光束整形器件102后可以还原为初始的光斑大小并从输出端口输出。

在一种可能的实施方式中，第一光束整形器件102包括第一光束整形元件和/或第二光束整形元件，第一光束整形元件与输入端口一一对应，第二光束整形元件与输出端口一一对应。以图2为例，端口组件包括输入端口101a和输出端口101b、…、输出端口101f，第一光束整形器件包括第一光束整形元件102a和第二光束整形元件102b、…、第二光束整形元件102f。具体地，第一光束整形元件用于对第一光束进行相位调节，以调节第一光束整形元件在X方向和/或Y方向上的焦距，从而调节第一光束在X方向和/或Y方向上的束腰宽度。第二光束整形元件用于对第二光束进行相位调节，以调节第二光束整形元件在X方向和/或Y方向上的焦距，从而调节第二光束在X方向和/或Y方向上的束腰宽度。优选地，每个端口的中心与对应的光束整形元件的中心的连线与Z方向平行，也就是说，端口的位置与光束整形元件的位置是精确对应的，以实现精准调节每路光束的束腰宽度。

需要说明的是，光束整形元件包括多个相位调节单元，多个相位调节单元呈阵列式排布。具体地，光束整形元件的类型包括但不限于超表面和衍射光学元件(DiffractiveOptical Elements，DOE)。下面分别以超表面和DOE为例进行介绍。

实现方式1：光束整形元件为超表面。

图4为本申请实施例中超表面的一种结构示意图。如图4所示，超表面由微结构阵列构成，例如，该微结构可以是纳米柱，微结构的材料可以是硅，每个微结构可以视为独立的相位调节单元。纳米柱的横切面形状包括但不限于矩形、圆形、椭圆形和十字形。在一种可能的实施方式中，纳米柱的特征尺寸和相邻两个纳米柱之间的距离都小于入射光束的波长，以达到更好的实现效果。例如，纳米柱为圆柱，纳米柱的特征尺寸包括纳米柱的高度和横切面的直径。又例如，纳米柱为方柱，纳米柱的特征尺寸包括纳米柱的高度和横切面的边长。在另一种可能的实施方式中，纳米柱阵列可以嵌入在介质中，并且，纳米柱阵列可以根据需要设置在光学基底上，该光学基底的上表面包括但不限于平面和球面。

应理解，如图4所示，超表面的微结构阵列可以包括不同尺寸的微结构，微结构阵列上各微结构具体如何分布决定了超表面的相位分布，进而决定了超表面对光束进行相位调节后光束的束腰宽度。也就是说，可以根据实际需要光束的束腰宽度来确定超表面每个位置上设置什么尺寸的微结构，从而灵活设计微结构阵列的分布形态。

图5为纳米柱的尺寸与相位变化的关系示意图。如图5所示，以纳米柱是圆柱且入射光束的波长λ

图7为本申请实施例中超表面的一种相位分布示意图。基于图6所示的超表面相位分布可以输出ω

实现方式2：光束整形元件为DOE。

DOE是在光学基片的表面上刻蚀出深度不同的结构，也就是说，DOE的表面高度可以是高低不平的，此处不再提供附图展示，DOE表面每个具有独立高度的位置可以视为独立的相位调节单元。DOE的光学基片的材料包括但不限于石英玻璃、普通玻璃和硅。应理解，DOE表面上各位置的高度如何分布决定了DOE的相位分布，进而决定了DOE对光束进行相位调节后光束的束腰宽度。也就是说，可以根据实际需要光束的束腰宽度来确定DOE表面上每个位置的高度，从而灵活设计DOE表面高度的分布形态。

需要说明的是，为了达到更好的实现效果，光束整形元件也需要满足一些条件，下面分别进行介绍。

图8为本申请实施例中光束整形装置的一种尺寸标注示意图。如图8所示，d

在一种可能的实施方式中，d

其中，ω

在一种可能的实施方式中，光束整形元件在Y方向上的焦距f

在一种可能的实施方式中，d

在一种可能的实施方式中，光束整形元件上坐标(x，y)的位置对光束进行相位调节后的相位变化量Δφ(x,y)满足第四条件，第四条件包括：

x

在一种可能的实施方式中，

在一种可能的实施方式中，当光束整形元件独立调节光束在其中一个方向上的束腰宽度时也需要满足指定的条件。例如，当目标光束整形元件用于调节目标光束在第一方向上的束腰宽度时，d

此时，

又例如，当目标光束整形元件用于调节目标光束在第二方向上的束腰宽度时，d

此时，,

图9为本申请实施例中光束整形装置的另一种尺寸标注示意图。如图9所示，端口101呈二维阵列分布，包括M行N列，每列M个端口沿Y方向分布，每列N个端口沿X方向分布。d

在一种可能的实施方式中，d

其中，ω

需要说明的是，上述实施例中是通过一个光束整形器件来调节光束在X方向和Y方向上的束腰宽度。在实际应用中，也可以通过两个不同的光束整形器件来分别调节光束在X方向和Y方向上的束腰宽度，下面进行介绍。

图10为本申请实施例中光束整形装置的第二种结构示意图。区别于上述图2所示的光束整形装置，图10所示的光束整形装置包括第一光束整形器件102和第二光束整形器件105。例如，第一光束整形器件102用于调节光束在Y方向上的束腰宽度，第二光束整形器件105用于调节光束在X方向上的束腰宽度。又例如，第一光束整形器件102用于调节光束在X方向上的束腰宽度，第二光束整形器件105用于调节光束在Y方向上的束腰宽度。应理解，在实际应用中，第一光束整形器件102可以根据实际需要选择调节光束在其中一个方向上的束腰宽度，或者，同时调节光束在两个方向上的束腰宽度，同理也适用于第二光束整形器件105。

在一种可能的实施方式中，第一光束整形器件102的相位分布满足

需要说明的是，在一些可能的实施方式中，WSS是基于偏振相关设计的，光束整形装置还可以包括偏振分光器件。具体地，偏振分光器件用于对输入的光束进行偏振分光，其中，光束经过偏振分光器件后分离为第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光和第二偏振光具有相互正交的偏振分量。应理解，偏振分光可以在光束整形之前进行，也可以在光束整形之后进行，具体此处不做限定。

综合上面的介绍，本申请是通过光束整形器件对光束进行相位调节来改变光束的束腰宽度的，并不是依靠透镜来实现的。并且，仅通过光束整形器件就可以调节光束在两个不同维度上的束腰宽度，相较于通过多个透镜来分别调节光束在两个不同维度上束腰宽度的方案，本申请提供的光束整形装置的集成度更高，装调难度更低。

上面对本申请实施例提供的光束整形装置进行了介绍，下面对本申请实施例提供的光束整形方法进行介绍。

图11为本申请实施例中光束整形方法的一个实施例示意图。需要说明的是，该光束整形方法是基于上述介绍的光束整形装置实现的。关于光束整形装置的结构可以参考上述各实施例的相关描述，此处不再赘述。在该示例中，光束整形方法包括如下步骤。

1101、获取至少一路第一光束和/或至少一路第二光束。

需要说明的是，第一光束与第二光束的传输方向相反。以上述图2所示的实施例为例，第一光束来自端口组件中的输入端口并向第一光束整形器件传输，第二光束经过第一光束整形器件向端口组件中的输出端口传输。端口组件的实现形式包括但不限于光纤阵列和波导阵列等，具体可以是一维阵列，也可以是二维阵列。

1102、对第一光束进行相位调节，以调节每路第一光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度；和/或，对第二光束进行相位调节，以调节每路第二光束在第一方向和/或第二方向上的束腰宽度。

应理解，第一方向与第二方向垂直。在一些可能的实施方式中，具体可以通过光束整形元件对光束进行相位调节，以调节光束整形元件在X方向和/或Y方向上的焦距，从而调节光束在X方向和/或Y方向上的束腰宽度。例如，第一光束整形元件对第一光束进行相位调节，第二光束整形元件对第二光束进行相位调节。其中，光束整形元件的具体实现方式可以参考上述实施例的相关介绍，此处不再赘述。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细说明，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各实施例技术方案的精神和范围。