一種波長選擇開關結構的製作方法

2023-05-27 22:35:46

專利名稱：一種波長選擇開關結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種波長光交換器件即波長選擇開關(WSS)，更確切地說本發明涉及一種基於MEMS技術的WSS結構。可用於全光通信網節點設備中。屬於光纖通信中的光器件領域。
背景技術：
光纖通信正在由目前的點到點傳輸向智能化的動態全光通信網發展，可重構光分插復用器(ROADM)和光交叉互連器(OXC)是全光通信網節點設備中的關鍵器件，而波長選擇開關是構成ROADM和OXC的有效技術途徑。波長選擇開關埠配置為IXN時(即1埠輸入，N埠輸出)，對於輸入的密集波分復用(DWDM)光信號，可以將其中任一或者任一組波長，交換到N個輸出埠中的任一輸出埠中。波長選擇開關的實現方法，一般是先通過色散元件將輸入埠的DWDM光信號色散分離，再以聚焦透鏡將不同波長的光束聚焦到一個空間光調製器(SLM)的不同單元上。而SLM是一個陣列式的光束控制器，可以對各個波長的光束進行獨立控制，通過控制 SLM可以將輸入光信號交換到目標輸出埠中。波長選擇開關中實現光路切換的部分是SLM，常用的有液晶陣列、矽基液晶 (LCOS)技術、MEMS微鏡陣列和壓電驅動器等。波長選擇開關中的色散元件，常用的有反射式閃耀相位光柵和陣列波導光柵(AWG)，其中反射式的閃耀光柵是偏振相關的，因此需要對入射光束的偏振態進行處理，AffG為偏振無關的光學元件。CoAdna公司將液晶陣列與雙折射楔角片組合成SLM，並採用反射式閃耀相位光柵，實現對光波長的選擇交換，(詳見美國專利US7499608B1)。以矽基液晶(LC0Q技術進行光束控制的代表方案可見美國專利US7787720B2和中國公開專利申請CN1906511A，LCOS 晶片上排列著大量的微小液晶單元，每個單元的相位延遲可獨立控制，DffDM光信號被透射式相位光柵衍射分離之後，不同波長的光斑入射在LCOS晶片上的不同區域，分別覆蓋數十至數百個液晶單元，可以通過這些液晶單元來對各個光束的波前進行調製。在上述採用液晶的技術方案中，由於液晶存在很大的偏振控制問題和溫度控制問題，因此其在多埠輸出上需要進行偏振控制和溫度控制的結構複雜。JDS Uniphase公司將基於平面光路技術的 AffG與MEMS微鏡陣列通過自由空間光路整合在一起，實現對光波長的選擇交換，(具體結構詳見美國專利US7440650和中國公開專利申請CN101118305A)。上述採用平面光路技術的波長選擇方案其波長通帶差，且損耗也較大。相對於液晶和平面光路技術，波長選擇開關通常採用自由空間型光路結構，這種光路結構在選定了 SLM和色散元件之後，可以對光路結構進行靈活的優化設計，以降低調試和封裝難度，提高器件的性能指標和可靠性。UCLA大學和Lucent公司均提出過採用自由空間的波長選擇開關結構(如 J. C. iTsai IEEE Photo Technol Lett 2006 和 D. Μ. Marom IEEE J Lightw Technol (2005)。Polatis公司將微型壓電驅動器與稜鏡組合成SLM，實現對波長光束的獨立控制，(詳見美國專利US7522789B》。上述自由空間的技術方案中，由於
3採用的光柵對各個波長的色散不同，導致波長選擇開關存在較大的偏振相關損耗(PDL)，通常需要採用額外的偏振控制元件對波長選擇開關進行偏振態控制，以降低PDL。本發明擬提出一種基於MEMS技術的波長選擇開關，它是以偏振無關的透射式相位光柵作為色散元件，以一組楔形稜鏡進行光束變換，以MEMS微鏡陣列進行光路調製，無需採用額外的偏振控制元件即可達到較小的偏振相關損耗(PDL)，使器件結構更為緊湊、易於調試封裝。

發明內容
本發明的目的在於提供一種波長選擇開關結構，它包括一個準直器陣列1、一個擴束稜鏡組2、一個與偏振無關的透射式相位光柵3、一個聚焦透鏡4和一個MEMS微鏡陣列5 組成。其也可以通過在光路中增加反射鏡6和轉向稜鏡7來縮小器件體積。其波長選擇開關的原理圖如圖1所示，準直器陣列1中的一個埠作為輸入埠，其他埠作為輸出埠。輸入的DWDM光束，經擴束稜鏡組2變換為橢圓形光束，之後不同波長的光束被與偏振無關的透射式相位光柵3衍射為不同偏角，經聚焦透鏡4聚焦後，入射在MEMS微鏡陣列5 的不同微鏡上，各個微鏡單獨控制每個波長的反射方向，再次經過聚焦透鏡4、偏振無關的透射式相位光柵3和擴束稜鏡組2，輸出到準直器陣列1中的目標輸出埠。由於所採用的偏振無關的透射式相位光柵和MEMS微鏡陣列均為偏振無關型的光學元件，因此無需對入射光束的偏振態進行處理，減少了光路偏振控制的設計環節，降低了器件成本並便於光路的調試。與偏振無關的透射式相位光柵3和MEMS微鏡陣列5分別位於聚焦透鏡4的前後焦面上，構成一個2f系統，由於偏振無關的透射式相位光柵的色散本領有限，聚焦透鏡的焦距較長，如按照原理圖中各組成部件擺放位置，將使得波長選擇開關體積過長。為了縮小器件體積，可以採用反射鏡6和轉向稜鏡7光學元件，對光路進行摺疊，(如圖3所示)。考慮到偏振無關的透射式相位光柵的分辨本領，需要對輸入光束進行擴束，要求擴束方向和與偏振無關的透射式相位光柵的柵格線正交。常用的擴束方案是，以兩個不同焦距的聚焦透鏡構成一個望遠系統，這將導致光束在兩個正交方向均得到擴束，相應的偏振無關的透射式相位光柵需要更大尺寸，而MEMS微鏡陣列的偏轉角度也需要更大。因此為了減少偏振無關的透射式相位光柵尺寸需求和MEMS微鏡陣列的偏轉角度設計要求，本發明以稜鏡進行擴束，輸入光信號的光束僅在與偏振無關的透射式相位光柵的柵格線正交方向被擴束，在準直器陣列的排列方向未發生擴束，減小了對偏振無關的透射式相位光柵尺寸和MEMS微鏡微鏡偏轉角度的要求，降低了偏振無關的透射式相位光柵成本和MEMS微鏡陣列設計難度。另外如果以兩個聚焦透鏡構成的望遠系統進行擴束，在器件調試過程中，要求其光軸與後續聚焦透鏡的光軸重合。而本發明所採用的擴束稜鏡沒有光軸，在器件調試過程中無需考慮光軸重合問題，降低了光路調試難度。擴束稜鏡組由多片楔形稜鏡組成，這樣可以降低對每片稜鏡擴束比M的要求，且每片稜鏡採用較小的頂角α，減小入射光束在稜鏡表面的入射角Y，可以降低稜鏡引起的插入損耗。本發明提出的一種波長選擇開關結構可以實現IXN的波長選擇開關器件，用於光通信系統的光交換功能。相對於現有的自由空間光學結構的波長選擇開關技術，本發明採用偏振無關的透射式衍射光柵、擴束稜鏡組與MEMS微鏡陣列的結合實現了波長選擇開關器件的低偏振無關特性，避免採用額外的偏振控制元件對輸入光信號進行偏振控制，降低了波長選擇開關的成本及調試複雜度。


圖1為本發明提出的波長選擇開關結構原理圖之俯視圖。圖2為本發明提出的波長選擇開關結構原理圖之側視圖。圖3為本發明提出的一種波長選擇開關具體實現結構圖。圖1-3中，1為準直器陣列，2為擴束稜鏡組，3為偏振無關的透射式相位光柵，4為聚焦透鏡，5為微鏡陣列，6為反射鏡，7為轉向稜鏡。圖4為以擴束稜鏡進行擴束示意圖。圖中I1為擴束前輸入高斯光束束腰位置，I2為擴束後輸入高斯光束束腰位置，α 為擴束稜鏡頂角，Y輸入光束在擴束稜鏡上的入射角，擴束前輸入高斯光束束腰大小，2ω2為擴束後輸入高斯光束束腰大小。
具體實施例方式
本發明提出了一種波長選擇開關結構，它包括一個準直器陣列1、一個擴束稜鏡組 2、一個與偏振無關的透射式相位光柵3、一個聚焦透鏡4、和一個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和轉向稜鏡7可以縮小波長選擇開關的體積(見圖3)。如圖2側視圖所示，準直器陣列1中的一個埠作為輸入埠，其它4個埠作為輸出埠。輸入的DWDM光束，經擴束稜鏡組2變換為橢圓光束，之後不同波長的光束被偏振無關的透射式相位光柵3衍射為不同偏角，經聚焦透鏡4聚焦，入射在MEMS晶片5上的不同微鏡上，各個微鏡單獨控制每個波長的反射方向，再次經過聚焦透鏡4、偏振無關的透射式相位光柵3、擴束稜鏡組2，導入各自的目標輸出埠。與偏振無關的透射式相位光柵3和MEMS微鏡陣列5分別位於聚焦透鏡4的前後焦面上，構成一個2f系統，這種結構可以保證，被與偏振無關的透射式相位光柵衍射分離的不同波長的光束，經聚焦透鏡4聚焦後正入射在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角度來控制每個波長的反射偏角，此偏角經聚焦透鏡變換為垂直方向位移，將不同波長的光束導入各自的目標輸出端 (從側視方向觀察，見圖2)。MEMS微鏡陣列中的微鏡排列方向與準直器陣列的排列方向正交，微鏡的偏轉方向與準直器陣列的排列方向相同。擴束稜鏡組在準直器陣列排列方向的正交方向產生擴束作用(見俯視圖1)，而在準直器陣列的排列方向不產生擴束作用(見側視圖2)，相對於兩個方向均產生擴束的方案(採用兩個聚焦透鏡構成的望遠系統進行擴束)，由於對應各個準直器的光束間距不會被放大，從而減小了對與偏振無關的透射式相位光柵尺寸和MEMS微鏡陣列的偏轉角度的要求。圖1和圖2為波長選擇開關器件的俯視和側視原理圖，如實際的器件結構按照原理圖排列將使得波長選擇開關體積較大，考慮到光束在偏振無關的透射式相位光柵上的入
5射角和衍射角，並為了縮小器件體積，可以引入反射鏡6和轉向稜鏡7，對光路進行摺疊。其中反射鏡6功能只是將光路進行90度方向變化，而轉向稜鏡7隻是將光路進行180度方向變化。圖3所示為該波長選擇開關的一種具體實現結構。準直器陣列如圖2所示排列，這樣便於器件的調試封裝，最下面的準直器作為輸入埠，最先固定，再從下往上依次調試和固定其他輸出埠。本波長選擇開關的具體實現結構採用擴束稜鏡組進行擴束，擴束稜鏡組由3個相同的擴束稜鏡組成。其單個擴束稜鏡見圖4，其擴束比M取決於稜鏡的頂角α和折射率η， 如式(1)，並且擴束前後的高斯光束束腰位置1工和I2存在式(2)所示的關係，在器件設計時需具體考慮。如果要求的擴束比太大，則光束在稜鏡斜面上的入射角過大，即使鍍上增透膜，也會產生很大的損耗，因此往往採用多片稜鏡構成的擴束稜鏡組，以分擔每片稜鏡的擴束比。因此本具體實施例採用三片擴束稜鏡構成稜鏡組實現擴束，降低波長選擇開關的插入損耗。
權利要求
1.一種波長選擇開關結構，其特徵在於它包括一個準直器陣列(1)、一個擴束稜鏡組 (2)、一個偏振無關的透射式相位光柵( 、一個聚焦透鏡(4)、和一個MEMS微鏡陣列(5)，實現IXN埠的波長光信號交換；其中，①擴束稜鏡組對輸入光信號進行一個方向的擴束，擴束稜鏡組O)的擴束方向與準直器陣列排列方向正交；②與偏振無關的投射式相位光柵⑶和MEMS微鏡陣列分別位於聚焦透鏡(4)的前後焦面上，構成一個2f系統；③MEMS微鏡陣列(5)中的微鏡陣列方向與準直器陣列的排列方向正交，微鏡的偏轉方向與準直器陣列的排列方向相同。
2.按權利要求1所述的結構，其特徵在於準直器陣列中的一個埠作為輸入埠，其餘埠作為輸出埠。
3.按權利要求2所述的結構，其特徵在於經輸入埠輸入的DWDM光束，經擴束稜鏡組 (2)變換為橢圓光束，之後不同波長的光束被與偏振無關的透射式相位光柵C3)衍射為不同偏角，經聚焦透鏡(4)聚焦，入射在MEMS晶片( 上的不同微鏡上，各個微鏡單獨控制每個波長的反射方向，再次經過聚焦透鏡(4)與偏振無關的透射式相位光柵C3)和擴束稜鏡組0)，導入各自的目標輸出埠。
4.按權利要求1所述的結構，其特徵在於所述的對輸入光信號的擴束方向和與偏振無關的透射式相位光柵的柵格線正交。
5.按權利要求1所述的結構，其特徵在於通過控制MEMS微鏡陣列中不同微鏡的偏轉角來控制每個波長的反射偏角，反射偏角經聚焦透鏡變為垂直方向的位移，將不同波長的光束導入各自的目標輸出端。
6.按權利要求1所述的結構，其特徵在於擴束稜鏡組由多片楔形稜鏡組成，所述的稜鏡沒有光軸，降低光路調試難度，同時降低對每片稜鏡擴束比M得要求。
7.按權利要求6所述的結構，其特徵在於所述的擴束比M取決於稜鏡的頂角α和折射率η，它們之間的關係式為
8.按權利要求7所述的結構，其特徵在於擴束比M與擴束前後的高斯光束束腰位置I1 和I2存在以下關係I2 = M2I10
9.按權利要求1所述的結構，其特徵在於在所述結構中引入反射鏡(6)和轉向稜鏡 (7)，對光路進行摺疊，其中反射鏡(6)對光路進行90度方向變化，轉向稜鏡對光路進行180 度方向變化。
全文摘要
本發明涉及一種波長選擇開關結構，其特徵在於它由一個準直器陣列1、一個擴束稜鏡組2、一個偏振無關的透射式相位光柵3、一個聚焦透鏡4、和一個MEMS微鏡陣列5組成。並可以通過在光路中增加反射鏡6或者轉向稜鏡7來縮小器件體積。準直器陣列1中的一個作為輸入埠，其它作為輸出埠，輸入的DWDM光束，經擴束稜鏡組2變換為橢圓光束，之後不同波長的光束被偏振無關的透射式相位光柵3衍射為不同偏角，經聚焦透鏡聚焦，入射在MEMS微鏡陣列5上的不同微鏡上，各個微鏡單獨控制每個波長的反射方向，再次經過聚焦透鏡4、偏振無關的透射式相位光柵3、擴束稜鏡組2，輸出到準直器陣列1中的目標輸出埠。
文檔編號G02B6/293GK102226848SQ20111014954
公開日2011年10月26日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者孫方紅, 孫睿玲, 朱紅 申請人:孫方紅, 孫睿玲, 朱紅