一种工作区域复用型波长选择开关装置的控制方法

技术领域

本发明是一种用于波分复用通信网络，尤其是一种工作区域复用型波长选择开关。

背景技术

波分复用(wavelength division multiplexing–WDM)技术：在光纤通信网络中将多路信号加载至不同波长上，在同一根光纤中并行传输的技术。

波长选择开关(wavelength selective switching–WSS)技术：WSS通常有一个输入端口和N个输出端口。输入端口接收多路波分复用信号。WSS可将输入端口接收到的 任意波长信道切换至任意目标输出端口。该技术极大的提升了光纤通信网络的重构性， 降低了运营成本，已经成为现代光纤通信网络的核心技术。在实际使用过程中，输入端 口和输出端口可相互调换，即一个WSS拥有N个输入端口和1个输出端口。

1×N空间光开关技术(1×N space switch-SS)技术：1×N空间光开关具有1个 输入端口和N个输出端口。该光开关可将输入端口的接收到的所有光信号切换至任意输 出端口。与WSS不同，该光开关不具备波长选择功能。

可重构全光分插复用器(reconfigurable optical add/drop multiplexer–ROADM) 技术：ROADM是现代光纤通信网络的核心控制单元。一个ROADM通常由多个WSS级联组 成。一个二维ROADM的基本构架,在ROADM传输端，4个1×N WSS配对级联。在此设置 下，任意维度中的输入的任意波长信道可被切换至任意维度的输出端口。ROADM的上下 行端可以截取(drop)ROADM传输端的波长信道至本地下行端口，供本地处理；或从本地 向ROADM传输添加(add)新的波长信道。ROADM的维度具有扩展性。当需要添加新的维度 时，只需在ROADM添加新的WSS，并将新添加的WSS们与已有WSS和上下行端进行相应 的连接。当需要拓展上行或下行端口数目时，可以添加新的上下行单元，达到提升端口 数目的效果。目前8维、16维的ROADM为主流应用。预期未来对32维ROADM的需求也 会增加。上下行端口的数目也通常超过100。

波长交叉连接器(wavelength crossconnect-WXC)技术：ROADM的add/drop功能可由WXC技术实现。WXC有N个输入端口和M个输出端口，任意波长信道可以在输入和 输出端口之间任意切换。所以WXC也被称为N×MWSS。WXC为目前较为先进的WXC构架， 其由N个1×MWSS和M个1×N光开关级联构成。该设置下，WXC可实现无色、无方向 和无冲突((colourless,directionless,contentionless–CDC)波长信道add/drop。 以截取(drop)为例，ROADM传输端的任意波长(colourless)信道可被分配至任意下行端 口(directionless)，且不同维度上具有相同波长的两路信道可被同时截取(contentionless)。WXC可由WSS和SS配对级联构成。SS也可以被集成至WSS的光学 设计中，构成集成式WXC设备。

由以上背景技术介绍可见ROADM系统(特别是高维度ROADM系统)需要使用大量WSS， 提升WSS的集成度将大幅降低ROADM系统的成本和体积。

现有WSS系统的光学构架主要由一个2f傅里叶光学系统和一个4f成像光学系统构成。这两个光学系统通过P

系统中的色散单元可以是衍射光栅(diffraction grating)，也可以是棱镜(prism)， 也可以是衍射光栅棱镜(grism)。

波束控制器件的不同工作区域可以被独立控制，对入射该区域的光束产生偏转。常 见的波束控制器件包括硅基液晶器件(liquid crystal on silicon–LCOS)，光学微 机械器件(micro-electromechanical system–MEMS)器件以及液晶器件等。目前，硅 基液晶器件是WSS系统较为常用的一种波束控制器件。

4f成像系统中包含的色散单元可以将不同波长的光斑打到波束控制器件的不同工 作区域。通过控制波束控制器件对应区域的设置，可以对不同波长信道引入不同的偏转角度。该偏转角度通常是沿着端口方向，但也可以沿着色散方向。4f成像系统将该偏转 角度投影回P

现有技术一的缺点：原理上，可以将2f傅里叶光学系统进一步拆分，达到在该光学系统中实现更多WSS的目的。但是，硅基液晶器件作为最为主流的WSS波束控制器件， 其集成的像素数目有限。集成更多的WSS必然使单个WSS被分配到像素数目减小。而单 个WSS被分配到的像素数目决定了当个WSS可实现的端口数目。因此，在给定端口数目 和硅基液晶器件像素数目条件下，可以集成在一个光学系统中的WSS数目是有限的。

由背景技术介绍可知ROADM系统需要使用大量WSS，特别是当上下行端需要巨量上/ 下行端口时，需要使用多个WXC系统实现系统所需的上/下行端口数目。而单个WXC系统中又包含多个WSS。因此，现有WXC系统的体积和成本较大，占ROADM系统总体体积 和成本比例也较大，限制了ROADM技术的进一步推广和应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种工作区域复用型波长选择开关。该方案中多个 WSS共同使用波束控制器件中的同一片工作区域，且不会在ROADM系统中造成任何波长信道调配冲突，大幅提升了提升了WXC系统集成度，达到了降低成本和体积的目的。

技术方案：本发明是一种工作区域复用型波长选择开关装置的控制方法，该波长选 择开关装置装置由一个输入/输出光纤阵列、一个色散单元、一个波束控制器件以及相关光学透镜或反射镜构成；所述输入/输出光纤阵列组成两个或两个以上各个波长选择 开关的输入端口和输出端口；该两个或两个以上的波长选择开关的入射光束以大致相同 的入射角入射至色散单元的不同区域；这几个波长选择开关的入射频谱经过第二成像透 镜之后被分配至波束控制器件中的同一片工作区域；这几个波长选择开关的同一波长入 射光束将共享波束控制器件中的同一片工作区域，但从不同波长选择开关的入射光束相 对于波束控制器件存在不同的入射角；波束控制器件的对应区域可以被独立控制，实现 对波束的偏转。

所述色散单元根据波长将各信道的光束发散至不同方向，具有聚焦特性的光学元件 进一步将各波长信道的光束分配至一个波束控制器件的不同工作区域；其中来自两个或 两个以上输入端口具有相同中央波长的信道被分配至该波束控制器件的同一片工作区域；波束控制器件的不同工作区域可被独立控制，实现对应区域的光束的偏转，进而将 各波长信道切换至对应的目标出射端口。

所述波长选择开关中，色散方向上有多个端口，分别对应波长选择开关的WSS 1.1–1.3的输入端口，这三个入射端口位于傅里叶透镜前焦平面处，三束入射光束经过由 此傅里叶透镜构成2f系统后，在该傅里叶透镜的后焦平面面重合。

所述波长选择开关的入射光束在焦平面处在色散方向上具有不同的入射角度，焦平 面面同时也是由第一成像透镜、色散单元、第二成像透镜构成的4f系统的物平面，即 焦平面与第一成像透镜的前焦平面重合，色散单元位于第一成像透镜的后焦平面处。

所述由第一成像透镜、色散单元、第二成像透镜构成的4f系统，其物平面为光纤端口面，像平面为色散单元面，该4f系统将从三个不同WSS入射的光束投影至色散单元 沿色散方向即y轴的不同区域，但是它们与色散单元之间的入射角大致相同。

所述色散单元位于成像透镜的前焦平面处，三个入射端口的频谱经第二成像透镜后， 被分配至波束控制器件中的同一片工作区域，实现了光斑分布。

所述波束控制器件经过反射，波长选择开关的WSS 1.1-1.3的光束会再次经过由第 一成像透镜、色散单元、第二成像透镜构成的4f系统,重新在焦平面重合，且在色散方向或端口方向上具有具有不同的入射角度，傅里叶透镜进一步将该光束的角度转换成光束与光轴的位移，因此波长选择开关的WSS 1.1–1.3的输出端口在色散方向或端口 方向上与光轴也存在位移。

所述波束控制器件在端口方向上划分N排个工作区域，每一排工作区域对应一组WSS。

所述的傅里叶透镜、第一成像透镜、第二成像透镜均为透射式透镜，或使用具有曲率的反射镜起到相同的作用。

所述工作区域复用型波长选择开关装置，其控制方法工作波长范围一般位于通信C 波段1528nm–1570nm或者L波段1571nm–1611nm,或者同时覆盖C波段和L波段。

有益效果：本发明使多个WSS共用波束控制器件中的同一片工作区域，且在ROADM上下行端不会引入波长信道调配冲突，可有效提升波束控制器件使用效率，大幅降低WXC系统成本和体积。

关键技术点是一种工作区域复用型波长选择开关设计方案：传统WSS/WXC方案中，各个WSS需要使用波束控制器件的不同工作区域，避免波长信道调配冲突。本发明提出 了一种工作区域复用型波长选择开关设计方案，其中多个WSS共用波束控制器件的同一 片工作区域，且在ROADM上下行端不会引入波长信道调配冲突。

附图说明

图1是WSS在色散方向上的光学构架，

图2是集成式WSS在端口方向上的光学构架，

图3是通过多个WXC提升下行端口数目的方法，

图4是工作区域复用型WSS中LCOS表面波长信道光斑分布，

图5是工作区域复用型WSS色散方向上的光学构架，

图6是工作区域复用型WSS中的端口分布，

图7是工作区域复用型WSS色散方向上的基本光学构架。

图中有：光纤准直阵列1、波长选择开关WSS、傅里叶透镜2、第一成像透镜3、 色散单元4、第二成像透镜5、波束控制器件6、第一波长信道λ

具体实施方式

2f和4f光学系统是业内术语，一般来讲，2f光学系统中有一个透镜，物面和像面分别处于这个透镜的前焦平面和后焦平面附近。在图3所示的光学系统中，傅里叶透镜 构成一个典型的2f系统，光纤准直阵列在该透镜的物面附近处，Po平面在其像面。2f 系统的作用为将物面的图像聚焦至像面。一个4f光学系统一般由两个透镜组成。两个 透镜的间距为他们焦距的和，物面与第一个透镜的距离与其焦距相等，像面与第二个透 镜间距与相等。在图3所示系统中，成像透镜1和2构成一个4f系统，其物面为P

在如图3所示的可重构全光分插复用器(ROADM)系统中，两个独立的波长交叉连接器(WXC)系统实现了2×24＝48个下行端口。其中WSS 1.1和WSS 1.2在两个独立的WSS系统中，使用了波束控制器件中的两个不同工作区域。仔细分析ROADM构架可以发现WSS 1.1和WSS 1.2都与维度1处的输入WSS相连，因此任意波长信道在某个特定时刻只能被分配至WSS1.1 和WSS 1.2中的其中一个WSS中。即WSS 1.1和WSS 1.2不可能同时接受到一个相同的波长信 道。

在图4给出的示例中，WSS 1.1-1.3都与维度1处的输入WSS相连，且共用波束控制器件中 的同一片工作区域。不论第一波长信道λ

为了实现上述功能，本发明中提出了一种新型WSS/WXC设计结构。该结构由一个输入/输出 光纤阵列、一个色散单元、一个波束控制器件以及相关光学透镜或反射镜构成。输入/输出光纤 阵列组成系统中集成的各个WSS的输入端口和输出端口。该系统中集成的两个或两个以上的WSS 的入射光束以大致相同的入射角入射至色散单元的不同区域。经过一个2f光学系统之后，这几 个WSS的入射频谱被分配至波束控制器件中的同一片工作区域。这几个WSS的同一波长入射光 束将共享波束控制器件中的同一片工作区域，但从不同WSS的入射光束相对于波束控制器件存 在不同的入射角。

图5所示的光学构架可以实现上述功能。与传统构架(图1)比较，在图5的构架中，色散 方向上有多个端口，分别对应WSS 1.1–1.3的输入端口。这三个入射端口位于图中傅里叶透 镜前焦平面处，它们的入射光束经过由此傅里叶透镜构成2f系统后，在该傅里叶透镜的后焦平 面P

需要指出的是，本设计方案中，光纤阵列和色散单元之间的光路不局限于本示例中给出的 4f系统设计。若去掉这一4f系统，也可以保证三束入射光以相同的入射角度入射至色散单元 的不同区域，进而达到波束偏转器件工作区域复用的目的。而色散单元和波束控制器件之间在 色散方向上的光学构架则需遵循2f光学系统原理，即色散单元和波束控制器件分别位于成像透 镜2的前后焦平面上。

端口方向上的光学构架依旧沿用图2中给出的设计方案，将波束控制器件在端口方向上划 分N排个工作区域，每一排工作区域对应一组WSS。

另外需要指出的是，在本发明的图示中，系统中的傅里叶透镜，成像透镜1-2均为透射式 透镜。实际设计过程中可以使用具有曲率的反射镜起到相同的作用。

本设计中工作波长范围一般位于通信C波段(1528nm–1570nm)或者L波段(1571nm–1611nm),或者同事覆盖C波段和L波段。但工作波长范围不局限于此。

以下的设计示例中，系统的工作波长区间假设为C波段。系统在色散方向上的光学构 架如图7所示，端口方向上的光学构架遵循图6原理。色散单元的色散能力一般为0.2deg/nm –0.5deg/nm。波束控制器件有效工作区域沿色散方向上的尺寸一般为10mm-20mm之间。 因此，成像透镜2的焦距一般在40mm–100mm范围内。成像透镜1的焦距一般与成像 透镜2一致。但也可以有所不同。根据单个WSS的端口数目要求，系统中傅里叶透镜的焦距一般在25mm–80mm之间。光纤端口间距一般在80um至500um之间。光纤准直阵列 的入射光高斯束腰半径一般为端口间距1/3或更小，以保证相邻端口之间的隔离度。