專利名稱：一種波長(zhǎng)選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波長(zhǎng)光交換器件即波長(zhǎng)選擇開關(guān)(WSS)，更確切地說(shuō)本發(fā)明涉及一種基于MEMS技術(shù)的WSS結(jié)構(gòu)?？捎糜谌馔ㄐ啪W(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備中。屬于光纖通信中的光器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖通信正在由目前的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸向智能化的動(dòng)態(tài)全光通信網(wǎng)發(fā)展，可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)和光交叉互連器(OXC)是全光通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的關(guān)鍵器件，而波長(zhǎng)選擇開關(guān)是構(gòu)成ROADM和OXC的有效技術(shù)途徑。波長(zhǎng)選擇開關(guān)端口配置為IXN時(shí)(即1端口輸入，N端口輸出)，對(duì)于輸入的密集波分復(fù)用(DWDM)光信號(hào)，可以將其中任一或者任一組波長(zhǎng)，交換到N個(gè)輸出端口中的任一輸出端口中。波長(zhǎng)選擇開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法，一般是先通過色散元件將輸入端口的DWDM光信號(hào)色散分離，再以聚焦透鏡將不同波長(zhǎng)的光束聚焦到一個(gè)空間光調(diào)制器(SLM)的不同單元上。而SLM是一個(gè)陣列式的光束控制器，可以對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的光束進(jìn)行獨(dú)立控制，通過控制 SLM可以將輸入光信號(hào)交換到目標(biāo)輸出端口中。波長(zhǎng)選擇開關(guān)中實(shí)現(xiàn)光路切換的部分是SLM，常用的有液晶陣列、硅基液晶 (LCOS)技術(shù)、MEMS微鏡陣列和壓電驅(qū)動(dòng)器等。波長(zhǎng)選擇開關(guān)中的色散元件，常用的有反射式閃耀相位光柵和陣列波導(dǎo)光柵(AWG)，其中反射式的閃耀光柵是偏振相關(guān)的，因此需要對(duì)入射光束的偏振態(tài)進(jìn)行處理，AffG為偏振無(wú)關(guān)的光學(xué)元件。CoAdna公司將液晶陣列與雙折射楔角片組合成SLM，并采用反射式閃耀相位光柵，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波長(zhǎng)的選擇交換，(詳見美國(guó)專利US7499608B1)。以硅基液晶(LC0Q技術(shù)進(jìn)行光束控制的代表方案可見美國(guó)專利US7787720B2和中國(guó)公開專利申請(qǐng)CN1906511A，LCOS 芯片上排列著大量的微小液晶單元，每個(gè)單元的相位延遲可獨(dú)立控制，DffDM光信號(hào)被透射式相位光柵衍射分離之后，不同波長(zhǎng)的光斑入射在LCOS芯片上的不同區(qū)域，分別覆蓋數(shù)十至數(shù)百個(gè)液晶單元，可以通過這些液晶單元來(lái)對(duì)各個(gè)光束的波前進(jìn)行調(diào)制。在上述采用液晶的技術(shù)方案中，由于液晶存在很大的偏振控制問題和溫度控制問題，因此其在多端口輸出上需要進(jìn)行偏振控制和溫度控制的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。JDS Uniphase公司將基于平面光路技術(shù)的 AffG與MEMS微鏡陣列通過自由空間光路整合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波長(zhǎng)的選擇交換，(具體結(jié)構(gòu)詳見美國(guó)專利US7440650和中國(guó)公開專利申請(qǐng)CN101118305A)。上述采用平面光路技術(shù)的波長(zhǎng)選擇方案其波長(zhǎng)通帶差，且損耗也較大。相對(duì)于液晶和平面光路技術(shù)，波長(zhǎng)選擇開關(guān)通常采用自由空間型光路結(jié)構(gòu)，這種光路結(jié)構(gòu)在選定了 SLM和色散元件之后，可以對(duì)光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低調(diào)試和封裝難度，提高器件的性能指標(biāo)和可靠性。UCLA大學(xué)和Lucent公司均提出過采用自由空間的波長(zhǎng)選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)(如 J. C. iTsai IEEE Photo Technol Lett 2006 和 D. Μ. Marom IEEE J Lightw Technol (2005)。Polatis公司將微型壓電驅(qū)動(dòng)器與棱鏡組合成SLM，實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)光束的獨(dú)立控制，(詳見美國(guó)專利US7522789B》。上述自由空間的技術(shù)方案中，由于
3采用的光柵對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的色散不同，導(dǎo)致波長(zhǎng)選擇開關(guān)存在較大的偏振相關(guān)損耗(PDL)，通常需要采用額外的偏振控制元件對(duì)波長(zhǎng)選擇開關(guān)進(jìn)行偏振態(tài)控制，以降低PDL。本發(fā)明擬提出一種基于MEMS技術(shù)的波長(zhǎng)選擇開關(guān)，它是以偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵作為色散元件，以一組楔形棱鏡進(jìn)行光束變換，以MEMS微鏡陣列進(jìn)行光路調(diào)制，無(wú)需采用額外的偏振控制元件即可達(dá)到較小的偏振相關(guān)損耗(PDL)，使器件結(jié)構(gòu)更為緊湊、易于調(diào)試封裝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種波長(zhǎng)選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)準(zhǔn)直器陣列1、一個(gè)擴(kuò)束棱鏡組2、一個(gè)與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵3、一個(gè)聚焦透鏡4和一個(gè)MEMS微鏡陣列5 組成。其也可以通過在光路中增加反射鏡6和轉(zhuǎn)向棱鏡7來(lái)縮小器件體積。其波長(zhǎng)選擇開關(guān)的原理圖如圖1所示，準(zhǔn)直器陣列1中的一個(gè)端口作為輸入端口，其他端口作為輸出端口。輸入的DWDM光束，經(jīng)擴(kuò)束棱鏡組2變換為橢圓形光束，之后不同波長(zhǎng)的光束被與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵3衍射為不同偏角，經(jīng)聚焦透鏡4聚焦后，入射在MEMS微鏡陣列5 的不同微鏡上，各個(gè)微鏡單獨(dú)控制每個(gè)波長(zhǎng)的反射方向，再次經(jīng)過聚焦透鏡4、偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵3和擴(kuò)束棱鏡組2，輸出到準(zhǔn)直器陣列1中的目標(biāo)輸出端口。由于所采用的偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵和MEMS微鏡陣列均為偏振無(wú)關(guān)型的光學(xué)元件，因此無(wú)需對(duì)入射光束的偏振態(tài)進(jìn)行處理，減少了光路偏振控制的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，降低了器件成本并便于光路的調(diào)試。與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵3和MEMS微鏡陣列5分別位于聚焦透鏡4的前后焦面上，構(gòu)成一個(gè)2f系統(tǒng)，由于偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵的色散本領(lǐng)有限，聚焦透鏡的焦距較長(zhǎng)，如按照原理圖中各組成部件擺放位置，將使得波長(zhǎng)選擇開關(guān)體積過長(zhǎng)。為了縮小器件體積，可以采用反射鏡6和轉(zhuǎn)向棱鏡7光學(xué)元件，對(duì)光路進(jìn)行折疊，(如圖3所示)?？紤]到偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵的分辨本領(lǐng)，需要對(duì)輸入光束進(jìn)行擴(kuò)束，要求擴(kuò)束方向和與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵的柵格線正交。常用的擴(kuò)束方案是，以兩個(gè)不同焦距的聚焦透鏡構(gòu)成一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)，這將導(dǎo)致光束在兩個(gè)正交方向均得到擴(kuò)束，相應(yīng)的偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵需要更大尺寸，而MEMS微鏡陣列的偏轉(zhuǎn)角度也需要更大。因此為了減少偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵尺寸需求和MEMS微鏡陣列的偏轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)要求，本發(fā)明以棱鏡進(jìn)行擴(kuò)束，輸入光信號(hào)的光束僅在與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵的柵格線正交方向被擴(kuò)束，在準(zhǔn)直器陣列的排列方向未發(fā)生擴(kuò)束，減小了對(duì)偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵尺寸和MEMS微鏡微鏡偏轉(zhuǎn)角度的要求，降低了偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵成本和MEMS微鏡陣列設(shè)計(jì)難度。另外如果以兩個(gè)聚焦透鏡構(gòu)成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束，在器件調(diào)試過程中，要求其光軸與后續(xù)聚焦透鏡的光軸重合。而本發(fā)明所采用的擴(kuò)束棱鏡沒有光軸，在器件調(diào)試過程中無(wú)需考慮光軸重合問題，降低了光路調(diào)試難度。擴(kuò)束棱鏡組由多片楔形棱鏡組成，這樣可以降低對(duì)每片棱鏡擴(kuò)束比M的要求，且每片棱鏡采用較小的頂角α，減小入射光束在棱鏡表面的入射角Y，可以降低棱鏡引起的插入損耗。本發(fā)明提出的一種波長(zhǎng)選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)IXN的波長(zhǎng)選擇開關(guān)器件，用于光通信系統(tǒng)的光交換功能。相對(duì)于現(xiàn)有的自由空間光學(xué)結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)選擇開關(guān)技術(shù)，本發(fā)明采用偏振無(wú)關(guān)的透射式衍射光柵、擴(kuò)束棱鏡組與MEMS微鏡陣列的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)選擇開關(guān)器件的低偏振無(wú)關(guān)特性，避免采用額外的偏振控制元件對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)行偏振控制，降低了波長(zhǎng)選擇開關(guān)的成本及調(diào)試復(fù)雜度。


圖1為本發(fā)明提出的波長(zhǎng)選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)原理圖之俯視圖。圖2為本發(fā)明提出的波長(zhǎng)選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)原理圖之側(cè)視圖。圖3為本發(fā)明提出的一種波長(zhǎng)選擇開關(guān)具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。圖1-3中，1為準(zhǔn)直器陣列，2為擴(kuò)束棱鏡組，3為偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵，4為聚焦透鏡，5為微鏡陣列，6為反射鏡，7為轉(zhuǎn)向棱鏡。圖4為以擴(kuò)束棱鏡進(jìn)行擴(kuò)束示意圖。圖中I1為擴(kuò)束前輸入高斯光束束腰位置，I2為擴(kuò)束后輸入高斯光束束腰位置，α 為擴(kuò)束棱鏡頂角，Y輸入光束在擴(kuò)束棱鏡上的入射角，擴(kuò)束前輸入高斯光束束腰大小，2ω2為擴(kuò)束后輸入高斯光束束腰大小。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出了一種波長(zhǎng)選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)準(zhǔn)直器陣列1、一個(gè)擴(kuò)束棱鏡組 2、一個(gè)與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵3、一個(gè)聚焦透鏡4、和一個(gè)MEMS微鏡陣列5組成(見圖1和圖幻。通過在光路中增加反射鏡6和轉(zhuǎn)向棱鏡7可以縮小波長(zhǎng)選擇開關(guān)的體積(見圖3)。如圖2側(cè)視圖所示，準(zhǔn)直器陣列1中的一個(gè)端口作為輸入端口，其它4個(gè)端口作為輸出端口。輸入的DWDM光束，經(jīng)擴(kuò)束棱鏡組2變換為橢圓光束，之后不同波長(zhǎng)的光束被偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵3衍射為不同偏角，經(jīng)聚焦透鏡4聚焦，入射在MEMS芯片5上的不同微鏡上，各個(gè)微鏡單獨(dú)控制每個(gè)波長(zhǎng)的反射方向，再次經(jīng)過聚焦透鏡4、偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵3、擴(kuò)束棱鏡組2，導(dǎo)入各自的目標(biāo)輸出端口。與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵3和MEMS微鏡陣列5分別位于聚焦透鏡4的前后焦面上，構(gòu)成一個(gè)2f系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)可以保證，被與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵衍射分離的不同波長(zhǎng)的光束，經(jīng)聚焦透鏡4聚焦后正入射在MEMS微鏡陣列的不同微鏡上(從俯視方向觀察，見圖1)；通過控制MEMS微鏡陣列中不同微鏡的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)控制每個(gè)波長(zhǎng)的反射偏角，此偏角經(jīng)聚焦透鏡變換為垂直方向位移，將不同波長(zhǎng)的光束導(dǎo)入各自的目標(biāo)輸出端 (從側(cè)視方向觀察，見圖2)。MEMS微鏡陣列中的微鏡排列方向與準(zhǔn)直器陣列的排列方向正交，微鏡的偏轉(zhuǎn)方向與準(zhǔn)直器陣列的排列方向相同。擴(kuò)束棱鏡組在準(zhǔn)直器陣列排列方向的正交方向產(chǎn)生擴(kuò)束作用(見俯視圖1)，而在準(zhǔn)直器陣列的排列方向不產(chǎn)生擴(kuò)束作用(見側(cè)視圖2)，相對(duì)于兩個(gè)方向均產(chǎn)生擴(kuò)束的方案(采用兩個(gè)聚焦透鏡構(gòu)成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束)，由于對(duì)應(yīng)各個(gè)準(zhǔn)直器的光束間距不會(huì)被放大，從而減小了對(duì)與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵尺寸和MEMS微鏡陣列的偏轉(zhuǎn)角度的要求。圖1和圖2為波長(zhǎng)選擇開關(guān)器件的俯視和側(cè)視原理圖，如實(shí)際的器件結(jié)構(gòu)按照原理圖排列將使得波長(zhǎng)選擇開關(guān)體積較大，考慮到光束在偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵上的入
5射角和衍射角，并為了縮小器件體積，可以引入反射鏡6和轉(zhuǎn)向棱鏡7，對(duì)光路進(jìn)行折疊。其中反射鏡6功能只是將光路進(jìn)行90度方向變化，而轉(zhuǎn)向棱鏡7只是將光路進(jìn)行180度方向變化。圖3所示為該波長(zhǎng)選擇開關(guān)的一種具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)直器陣列如圖2所示排列，這樣便于器件的調(diào)試封裝，最下面的準(zhǔn)直器作為輸入端口，最先固定，再?gòu)南峦弦来握{(diào)試和固定其他輸出端口。本波長(zhǎng)選擇開關(guān)的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)采用擴(kuò)束棱鏡組進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束棱鏡組由3個(gè)相同的擴(kuò)束棱鏡組成。其單個(gè)擴(kuò)束棱鏡見圖4，其擴(kuò)束比M取決于棱鏡的頂角α和折射率η， 如式(1)，并且擴(kuò)束前后的高斯光束束腰位置1工和I2存在式(2)所示的關(guān)系，在器件設(shè)計(jì)時(shí)需具體考慮。如果要求的擴(kuò)束比太大，則光束在棱鏡斜面上的入射角過大，即使鍍上增透膜，也會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，因此往往采用多片棱鏡構(gòu)成的擴(kuò)束棱鏡組，以分擔(dān)每片棱鏡的擴(kuò)束比。因此本具體實(shí)施例采用三片擴(kuò)束棱鏡構(gòu)成棱鏡組實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束，降低波長(zhǎng)選擇開關(guān)的插入損耗。
權(quán)利要求
1.一種波長(zhǎng)選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)，其特征在于它包括一個(gè)準(zhǔn)直器陣列(1)、一個(gè)擴(kuò)束棱鏡組 (2)、一個(gè)偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵( 、一個(gè)聚焦透鏡(4)、和一個(gè)MEMS微鏡陣列(5)，實(shí)現(xiàn)IXN端口的波長(zhǎng)光信號(hào)交換；其中，①擴(kuò)束棱鏡組對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)行一個(gè)方向的擴(kuò)束，擴(kuò)束棱鏡組O)的擴(kuò)束方向與準(zhǔn)直器陣列排列方向正交；②與偏振無(wú)關(guān)的投射式相位光柵⑶和MEMS微鏡陣列分別位于聚焦透鏡(4)的前后焦面上，構(gòu)成一個(gè)2f系統(tǒng)；③MEMS微鏡陣列(5)中的微鏡陣列方向與準(zhǔn)直器陣列的排列方向正交，微鏡的偏轉(zhuǎn)方向與準(zhǔn)直器陣列的排列方向相同。
2.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于準(zhǔn)直器陣列中的一個(gè)端口作為輸入端口，其余端口作為輸出端口。
3.按權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于經(jīng)輸入端口輸入的DWDM光束，經(jīng)擴(kuò)束棱鏡組 (2)變換為橢圓光束，之后不同波長(zhǎng)的光束被與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵C3)衍射為不同偏角，經(jīng)聚焦透鏡(4)聚焦，入射在MEMS芯片( 上的不同微鏡上，各個(gè)微鏡單獨(dú)控制每個(gè)波長(zhǎng)的反射方向，再次經(jīng)過聚焦透鏡(4)與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵C3)和擴(kuò)束棱鏡組0)，導(dǎo)入各自的目標(biāo)輸出端口。
4.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的對(duì)輸入光信號(hào)的擴(kuò)束方向和與偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵的柵格線正交。
5.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于通過控制MEMS微鏡陣列中不同微鏡的偏轉(zhuǎn)角來(lái)控制每個(gè)波長(zhǎng)的反射偏角，反射偏角經(jīng)聚焦透鏡變?yōu)榇怪狈较虻奈灰?，將不同波長(zhǎng)的光束導(dǎo)入各自的目標(biāo)輸出端。
6.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于擴(kuò)束棱鏡組由多片楔形棱鏡組成，所述的棱鏡沒有光軸，降低光路調(diào)試難度，同時(shí)降低對(duì)每片棱鏡擴(kuò)束比M得要求。
7.按權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的擴(kuò)束比M取決于棱鏡的頂角α和折射率η，它們之間的關(guān)系式為
8.按權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于擴(kuò)束比M與擴(kuò)束前后的高斯光束束腰位置I1 和I2存在以下關(guān)系I2 = M2I10
9.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于在所述結(jié)構(gòu)中引入反射鏡(6)和轉(zhuǎn)向棱鏡 (7)，對(duì)光路進(jìn)行折疊，其中反射鏡(6)對(duì)光路進(jìn)行90度方向變化，轉(zhuǎn)向棱鏡對(duì)光路進(jìn)行180 度方向變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種波長(zhǎng)選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)，其特征在于它由一個(gè)準(zhǔn)直器陣列1、一個(gè)擴(kuò)束棱鏡組2、一個(gè)偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵3、一個(gè)聚焦透鏡4、和一個(gè)MEMS微鏡陣列5組成。并可以通過在光路中增加反射鏡6或者轉(zhuǎn)向棱鏡7來(lái)縮小器件體積。準(zhǔn)直器陣列1中的一個(gè)作為輸入端口，其它作為輸出端口，輸入的DWDM光束，經(jīng)擴(kuò)束棱鏡組2變換為橢圓光束，之后不同波長(zhǎng)的光束被偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵3衍射為不同偏角，經(jīng)聚焦透鏡聚焦，入射在MEMS微鏡陣列5上的不同微鏡上，各個(gè)微鏡單獨(dú)控制每個(gè)波長(zhǎng)的反射方向，再次經(jīng)過聚焦透鏡4、偏振無(wú)關(guān)的透射式相位光柵3、擴(kuò)束棱鏡組2，輸出到準(zhǔn)直器陣列1中的目標(biāo)輸出端口。
文檔編號(hào)G02B6/293GK102226848SQ20111014954
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者孫方紅, 孫睿玲, 朱紅 申請(qǐng)人:孫方紅, 孫睿玲, 朱紅