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CN103558667B - 一种基于自由空间传输的多播交换光开关 - Google Patents

一种基于自由空间传输的多播交换光开关 Download PDF

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CN103558667B
CN103558667B CN201310583128.0A CN201310583128A CN103558667B CN 103558667 B CN103558667 B CN 103558667B CN 201310583128 A CN201310583128 A CN 201310583128A CN 103558667 B CN103558667 B CN 103558667B
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Abstract

本发明涉及一种基于自由空间传输的多播交换光开关，包括依次排列的1xM输入准直器阵列（10）、分光装置（20）、光程补偿装置（70）、光斑变换装置（30）、1xN输出准直器阵列（50）、反射镜阵列（40），1xN输出准直器阵列（50）同反射镜阵列（40）相对应，所述分光装置（20）设置有使1xM输入准直器阵列（10）的输入信号光经过n（n≥2）次分光分束而产生N=2n束子信号光的分光面和反射面；所述光程补偿装置（7）补偿分光装置（20）产生的MXN个子信号光束间的光程差；所述光斑变换装置（30）将MxN个子信号光束聚焦成1xN个光斑射于反射镜阵列（40）上；本发明装置结构紧凑，组装简单，成本低廉，真正实现了无颜色性、无方向性和无竞争性的要求。

Description

一种基于自由空间传输的多播交换光开关
技术领域
本发明涉及一种光开关，尤其涉及一种具有多播交换功能的光开关，本发明属于光纤通信领域。
背景技术
多播交换光开关是一种波长无关的光器件，它能够将一路输入信号光信号分成多路输出光信号传输至不同的端口。作为下一代可重构光分插复用（ROADMreconfigurableopticaladd-dropmultiplexer）系统中的核心器件之一，多播交换光开关和波长选择光开关配合使用，可以满足ROADM系统无颜色性、无方向性、无竞争性的功能要求，对于增加网络建设的灵活性、降低成本都具有非常重要的意义。
多播交换光开关目前有三种实现方式，分别是拼接方式、集成方式和自由空间方式。使用平面光波线路(PLCPlanarLightwaveCircuit)分路器和光开关拼接方式的多播交换光开关，分路器和光开关之间的端口需要使用大量的光纤对光路进行连接，随着端口数的增加，装配难度和体积都会变大；使用PLC集成分路器和开关的集成方式多播交换光开关，技术难度较大，对设备的要求较高，又由于PLC开关自身控制原理，会造成较大的功耗；在美国专利US2013/0202297中提及了两种自由空间的方案，方案一是使用PLC分路器加反射镜或者阵列制作的自由空间型多播交换光开关，需要利用大量的透镜对PLC分路器的光斑进行变换，调试难度和成本很高；方案二是使用具有不同反射率的反射镜组成的镜的阵列来实现分路器的功能，由于每个反射镜的反射率都不一样，导致装配复杂度和成本比方案一更高。并且在该专利的光路中并未明确解决干扰的问题，当多个端口输入时，会存在输入端口被反射光干扰的现象。
发明内容
本发明的目的克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种结构紧凑的具有多播交换功能的光开关。
本发明实现原理具体如下：本发明多播交换光开关装置包括M个输入端口、一套产生MxN光束的分光装置、一套光程补偿装置、一套光斑变换装置、一套光斑的反射装置以及N个输出端口。输入端口与输出端口通常为光纤阵列准直器。分光装置由50：50的分光器件和多个反射镜组成，通过合理的选择器件的尺寸和摆放的位置，可以将任意一束输入信号光分解成N束子信号光束，得到MxN束矩阵式分布的信号光束。分光装置可以设计成一体化结构，同时对M束输入信号光进行分光。光斑变换装置由透镜组成，将MxN束矩阵式分布的平行光束汇聚成1xN的平行光斑，每一个光斑均由所有M束输入信号光的一束子信号光束聚焦而成。反射装置为1xNMEMES反射镜阵列,各反射镜都是独立且可调节的，通过它将输入信号光束的子信号光束选择输出至N个输出端口。
本发明的技术方案是：
一种基于自由空间传输的多播交换光开关，包括依次排列的1xM输入准直器阵列、分光装置、光程补偿装置、光斑变换装置、1xN输出准直器阵列、反射镜阵列，1xN输出准直器阵列同反射镜阵列相对应，所述分光装置设置有使1xM输入准直器阵列的输入信号光经过n（n≥2）次分光分束而产生N=2n束子信号光的分光面和反射面；所述光程补偿装置补偿分光装置产生的MXN个子信号光束间的光程差；所述光斑变换装置将MxN个子信号光束聚焦成1xN个光斑射于反射镜阵列上。
所述分光装置分光面为50:50偏振无关的分光器件，所述反射面为设置于分光器件两则的反射镜。
所述分光器件采用分光膜或者分光片。
所述分光装置是异形分光棱镜，其包括起分光面作用的分光面和起反射面作用的边缘面。
所述光斑变换装置包括依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜，所述第一透镜、第三透镜为x方向柱透镜，第二透镜为y方向柱透镜。
所述光程补偿装置由一组玻璃块组成，每个玻璃块对应设置于各子信号光束光路中，玻璃块的长度为ΔLi为第i束子信号光束与光程最长的子信号光束的光程差，n1为玻璃块的折射率。
反射镜阵列是1xN两维MEMES反射镜阵列。
所述反射镜阵列前面设置有防干扰装置，防干扰装置由焦点后移器件、第五反射镜和遮挡板组成；所述第五反射镜设置于焦点后移器件后端将光线汇聚点的位置反射到光路未设置焦点后移器件时的焦平面上，且将反射镜阵列也置于该汇聚点上，遮挡板设置于光斑变换装置和反射镜阵列之间。
所述遮挡板采用反光或者不透光材质的平板。
所述焦点后移器件是玻璃平板。
本发明具有如下优点：
本发明装置结构紧凑，组装简单，成本低廉，真正实现了无颜色性、无方向性和无竞争性的要求。
附图说明
图1为本发明第一种实施例多播交换光开关装置的整体结构图；
图2a为本发明第一种实施例多播交换光开关俯视结构图；
图2b为本发明第一种实施例多播交换光开关侧视结构图；
图3为本发明装置第二种实施例利用异形分光棱镜实现分光结构图；
图4为本发明装置通道间干扰示意图；
图5为本发明装置增加防干扰结构的后反射装置的侧面结构图；
其中：
10：输入准直器阵列；20：分光装置；
70：光程补偿装置；30：光斑变换装置；
40：反射镜阵列；50：输出准直器阵列
21：分光器件；22：第一反射镜；
23：第二反射镜；24：第三反射镜；
25：第四反射镜；31：第一透镜；
32：第二透镜；33：第三透镜；
34：折光棱镜；35：焦点后移器件；
36：第五反射镜；37：遮挡板；
101～108：输入准直器阵列10的输入准直器；
201、202、203、205：经过分光器件21的光信号光束；
60：异形分光棱镜；
62、63：异形分光棱镜60的边缘面；
401～416：组成反射镜阵列40的反射镜；
501～516：输出准直器阵列50的输出准直器；
701～715：玻璃块；
61：异形分光棱镜60的分光面；
601：入射信号；
602、603、605：经过异形分光棱镜60的子信号光束；
90：焦平面；
91：后移的焦平面；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做出详细说明。
图1为本发明多播交换光开关装置的整体结构图,如图所示，本发明专利整体结构由1xM输入准直器阵列10、分光装置20、光程补偿装置70、光斑变换装置30、反射镜阵列40和1xN输出准直器阵列50组成。1xN输出准直器阵列50同反射镜阵列40相对应，且位于1xM输入准直器阵列10同侧，所述分光装置20设置有分光面和反射面，使1xM输入准直器阵列10的输入信号光经过n（n≥2）次分光面分束而产生N=2n束子信号光。本发明这里分光装置20的一个实例由分光器件21、第一反射镜22、第二反射镜23、第三反射镜24、第四反射镜25构成，第一反射镜22、第二反射镜23分别位于分光器件21的两侧，第三反射镜24位于第一反射镜22另一侧，第四反射镜25位于第二反射镜23另一侧。光斑变换装置30由第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33构成，第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33依次排列。从输入准直器阵列10的任意一个准直器输入的信号光，经过本套装置后，可以从输出准直器阵列50的任意一个或多个没有被占用准直器输出，或是无输出。输出准直阵列50的每个准直器可以接收输入准直器阵列10的任意入射端口的输入光信号，并仅可以同时选择接收一个入射端口的输入光信号。如图：从输入准直器101输入的信号光，可以从任意一个或多个未被其他输入准直器102～108占用的输出准直器501～516输出，或者无输出。输出准直器501～516中的每一个准直器至多只能选择输出来自输入准直器101～108中一个端口的输入信号光。
本发明装置中1xM输入准直器阵列10有M个输入端口，其中M大于1；1xN输出准直器阵列的N个输出端口，其中N大于1；分光装置20的功能是将M个输入端口的每一束输入信号光分解成N个子信号光束，共得到MxN个子信号光束；光程补偿装置70用来补偿分光装置产生的MXN个子信号光束间的光程差；光斑变换装置30将经过分光装置得到的MxN个子信号光束聚焦成1xN个光斑，使得N个光斑中的每一个光斑均由所有M束输入信号光的一束子信号光束聚焦而成，并打在反射装置上；反射装置，即反射镜阵列40，通过调节反射装置，可以使得N个输出端口中的每一个端口都能接收到M个输入端口中的任意一个输入端口产生的子信号光束，或者无光束。
图2a和2b分别为本发明多播交换光开关俯视图和侧视图，为便于说明，定义整个系统以光线入射方向为Z轴，输入准直器阵列10排列方向为Y轴，输出准直器阵列50排列方向为x轴。
这里结合图对分光装置20进行描述，如图2a所示，从最上方的输入准直器101，入射至分光装置20的分光器件21的信号光201为例说明。输入信号光201光强入射到50:50偏振无关的分光器件21上，这里分光器件21可以是分光膜或者是分光片。输入信号光201分为2束光强为1/2的信号光202，2束1/2的信号光分别经过第一反射镜22和第二反射镜23反射后再次经过50:50偏振无关的分光器件21，分为4束光强为1/4的信号光203。以此类推，利用第二反射镜23，第三反射镜24，第四反射镜25或者更多的反射镜使得信号光以上述方式经过n（n≥2）次50:50偏振无关的分光器件21分束后，可以产生N=2n束光强为1/2n的子信号光。本领域技术人员将会理解，通过增加或减少反射镜的数目，可以控制信号光通过分光器件21的次数，最终可以控制分束光束的数目和强度,通过调整光束分离装置20内各反射镜的位置，可以控制出射子信号光之间的距离和位置。另外可以通过计算，使得某些分束后的子信号光共用一面反射镜，以此减少反射镜的个数，简化结构和成本。
由于在光束分离装置即分光装置20中每束光束经过的路程不一致，会造成光程差，所以在离分光装置20不远的地方放置了光程补偿装置70。光程补偿装置70由一组玻璃块701～715组成，每个玻璃块的长度由分束后每条子信号光束在x轴方向的光程差决定。假设第i束子光束与光程最长的子信号光束的光程差为ΔLi，玻璃块的折射率为n1，则第i束子信号光束光路上需放置的玻璃块长度为
如图2b所示，由输入准直器阵列10输入的M束入射信号光都可以经过分光装置20和光程补偿装置70。这样M束入射信号光将产生二维分布的MxN束子信号光束，光束之间相互平行，光程相等，且排列方向分别平行于x轴和y轴。
本发明的光斑变换装置30包括三块透镜，即第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33依次排列。这里的第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33可以是柱透镜。如图2a、图2b所示，第一透镜31、第三透镜33为x方向柱透镜，只对x方向排列的光线有聚焦效果，第二透镜32为y方向柱透镜，只对y方向排列的光线有聚焦效果。由分光装置20的得到的MxN束子信号光束，经过光斑变换装置30后，将被聚焦为XZ平面内沿x方向排列的1xN个光斑，并分别位于反射镜阵列40的N个反射镜401～416上。这里反射镜阵列40可以是MEMS反射镜。每一个光斑均由同一个YZ平面内所有M个子信号光束聚焦而成。反射镜阵列40的每个反射镜都可以绕x轴和Y轴旋转。通过绕X轴旋转，可以将M个子信号光束中的某一束反射回光斑变换装置30，并从光束分离装置20和光程补偿装置70的下方出射，由输出准直器阵列50接收。在绕x轴旋转的时候，为了实现无损伤切换，需要反射镜先绕Y轴旋转，再绕x轴旋转，最后绕y轴旋转，本领域技术人员将会理解，这样通过增加非选择信号光与输出端口之间的耦合角度，来降低非选择信号光与输出端口之间的耦合度。通过调节反射镜阵列40，可以使得N个输出端口中的每一个端口都能接收到M个输入端口中的任意一个输入端口产生的子信号光束，或者无光束。如图2a所示，最终反射镜401～416反射回的光斑再次经过光斑变换系统后可以分别被输出准直器516～501接收。
如图2a所示，本发明中分光装置20的一个实例利用了四面反射镜，即第一反射镜22、第二反射镜23、第三反射镜24、第四反射镜25，使得信号光以上述方式经过4次50:50偏振无关的分光器件21分束后，可以产生16束光强为1/16的信号光205。如图2b所示，在y方向上使用了8个光纤准直器构成输入准直器阵列10。因此，8个输入信号光在经过分光装置20后产生了8x16的矩阵光斑。
如图2a所示，本发明中分光装置20的一个实例使用分光膜作为分光器件21，由于分光膜自身厚度在微米级，这里分光膜厚度可以为2微米，所以信号光经过分光膜后几乎不会产生位移。这样使用四面反射镜就可以使得16束信号光之间的间距相等。所以后面的反射镜阵列40的镜片之间可以采用等间距的设计。如果使用分光片作为分光器件21，分光片自身的厚度会对信号光产生的位移影响，本领域技术人员将会理解，这样会造成分束光束间距不相等，从而对整个系统后面的反射镜阵列40的接收产生影响。解决这一问题有两种方法，一是将反射镜阵列40的镜片设计成不等间距的，以此匹配前面的不等间距的分束光束；二是使用更多的反射镜来调整分束光束之间的距离，使得光束间距相等。
图3为分光装置20的另外一种实现方式，该分光装置20是异形分光棱镜60，这里利用异形分光棱镜60实现分光，异形分光棱镜60包括分光面作用的分光面61和反射面作用的边缘面62、63。光强为1的入射信号601入射到异形分光棱镜60的分光面61上，分为2束光强为1/2的子信号光束602，每束1/2的信号光分别在异形分光棱镜的边缘面62、63处全反射，并再次经过分光面61，分成4束光强为1/4的子信号光束603。以此类推，控制异形分光棱镜边缘的轮廓形状，在边缘面上进行多次全反射，使得信号光以上述方式经过n（n≥2）次分光面分束后，可以产生2n束光强为1/2n的信号光。如图所示的结构能够将每一束输入信号光信号分成功率相同且等间距的16束子信号光束605。异形分光棱镜可以对常规分光棱镜切割得到，利用棱镜边缘产生上述方案中反射镜的作用。这样做的好处是不需再单独调整每个光学器件，全反射的反射率也高于反射镜。本领域技术人员将会理解，由于棱镜边缘类似于第一种分光装置中的反射镜，所以异形分光棱镜的形状可以根据所需的分光的数目和位置调整。
如图2b所示，为了减少器件的体积和成本，透镜的尺寸会做的尽可能小，输出准直器阵列50和输入准直器阵列10会挨的尽可能近。这样就产生了一个问题，在如图4所示的简化结构中，当通过旋转反射镜阵列40选取某一所需的输入光信号到输出准直器阵列50时，部分其它通道的反射光会反射回输入准直器阵列10的某些端口，从而对这些端口造成干扰。为了避免这种干扰，本发明提供了另外一种改进方式。改进方式如图5所示，在反射镜阵列40前面加入了一套防干扰装置。防干扰装置由焦点后移器件35、第五反射镜36和遮挡板37构成。这里焦点后移器件35可以是玻璃平板。在光斑变换装置30后方放置厚度为d，折射率为n2的玻璃平板作为焦点后移器件35，可以将第二透镜32的像方焦平面后移动Lshift=d-d/n2的距离到后移的焦平面91所示的位置，然后利用第五反射镜36将光线汇聚点的位置反射到原先的没有放置焦点后移器件35时的焦平面90上，并将反射镜阵列40也置于汇聚点上，这样，光线经过MEMS反射时，仍位于透镜的焦平面上。在光斑变换装置30和反射镜阵列40之间放置一块遮挡板37，这里遮挡板37可以是任何反光或者不透光材质的平板，这里可以是塑料平板。这样可以阻挡没有被选择的信号光反射回光斑变换装置内，从而避免了没有被选择的输入信号光反射回入射端口。第二透镜32前方的折光棱镜34位于输出准直器阵列50和第二透镜32之间，这里放置遮光棱镜34为了使得经过反射的被选择的信号光在经过第二透镜32和折光棱镜34后与Z轴平行，便于输出信号与输出准直器阵列50的耦合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于自由空间传输的多播交换光开关，其特征在于：包括依次排列的1xM输入准直器阵列(10)、分光装置(20)、光程补偿装置(70)、光斑变换装置(30)、1xN输出准直器阵列(50)、反射镜阵列(40)，1xN输出准直器阵列(50)同反射镜阵列(40)相对应，所述分光装置(20)包括一个偏振无关的分光面和多个设置于分光面两侧的反射面，实现使1xM输入准直器阵列(10)的输入信号光经过n(n≥2)次分光分束而产生N＝2n束子信号光；所述光程补偿装置(7)补偿分光装置(20)产生的MXN个子信号光束间的光程差；所述光斑变换装置(30)将MxN个子信号光束聚焦成1xN个光斑射于反射镜阵列(40)上。
2.如权利要求1所述的一种基于自由空间传输的多播交换光开关，其特征在于：所述分光面设置为50:50偏振无关。
3.如权利要求1或2所述的一种基于自由空间传输的多播交换光开关，其特征在于：所述分光面是分光膜或者分光片，所述反射面是反射镜。
4.如权利要求1或2所述的一种基于自由空间传输的多播交换光开关，其特征在于：所述分光装置(20)采用异形分光棱镜(60)，其包括分光面(61)和起反射面作用的边缘面(62、63)。
5.如权利要求1所述的一种基于自由空间传输的多播交换光开关，其特征在于：所述光斑变换装置(30)包括依次排列的第一透镜(31)、第二透镜(32)、第三透镜(33)，所述第一透镜(31)、第三透镜(33)为x方向柱透镜，第二透镜(32)为y方向柱透镜。
6.如权利要求1所述的一种基于自由空间传输的多播交换光开关，其特征在于：所述光程补偿装置(70)由一组玻璃块(701～715)组成，每个玻璃块对应设置于各子信号光束光路中，玻璃块的长度为ΔLi为第i束子信号光束与光程最长的子信号光束的光程差，n1为玻璃块的折射率。
7.如权利要求1所述的一种基于自由空间传输的多播交换光开关，其特征在于：反射镜阵列(40)是1xN两维MEMES反射镜阵列。
8.如权利要求1-7之一所述的一种基于自由空间传输的多播交换光开关，其特征在于：所述反射镜阵列(40)前面设置有防干扰装置，防干扰装置由焦点后移器件(35)、第五反射镜(36)和遮挡板(37)组成；所述第五反射镜(36)设置于焦点后移器件(35)后端将光线汇聚点的位置反射到光路未设置焦点后移器件(35)时的焦平面(90)上，且将反射镜阵列(40)也置于该汇聚点上，遮挡板(37)设置于光斑变换装置(30)和反射镜阵列(40)之间。
9.如权利要求8所述的一种基于自由空间传输的多播交换光开关，其特征在于：所述遮挡板(37)采用反光或者不透光材质的平板。
10.如权利要求9所述的一种基于自由空间传输的多播交换光开关，其特征在于：所述焦点后移器件(35)是玻璃平板。
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