1 引言

随着光通信技术的快速发展,可重构光分插复用器(ROADM)在下一代全光网络中发挥着至关重要的作用。波长选择开关(WSS),作为ROADM的关键器件,不仅能够实现上下话波长灵活重构^[1-2],而且能够平衡各个波长通道功率并实现通道内波长的动态切换。液晶空间光调制器(LCoS-SLM)具有更窄的滤波带宽和更灵活的波长操控性能。经过近几年的不断发展,LCoS-SLM技术逐渐成为WSS的主流技术,也是未来全光网络发展的主要解决方案^[3]。Oclaro公司于2012年3月推出了号称当时最多端口数的1×23端口WSS系统。2016年Finisar公司研制的4×16端口的任意波形发生器(Waveshaper)成为目前商用性能最好的WSS。该设备支持光强度和相位波形过滤及调整,最小损耗可达4.5 dB,最小带宽可以达到10 GHz,波长操控分辨率为1 GHz。2017年武汉邮电科学研究院研制出了1×9端口的WSS样机,整体损耗达为5.5 dB~6.0 dB,能够实现15 GHz~5 THz的滤波带宽,波长操控分辨率可达6.25 GHz,性能指标良好^[4]。

目前WSS的主要发展趋势是通过增加端口数来提高上下话路通道的可扩展性,通过减小最小滤波带宽来提高频谱利用率。但是,由于液晶空间光调制器^[5-9]受最大偏转角度的限制,在有限的光束偏转距离内增加端口数的唯一途径是缩小单个端口的尺寸。目前,主流WSS端口尺寸最小可达到250 μm。此外,WSS系统中液晶空间光调制器^[8]使用的柱面镜对光束的聚焦能力影响着最小滤波带宽,聚焦的光束越窄越有利于减小最小滤波带宽^[10]。目前已报道的WSS最小滤波带宽可达到10 GHz。

本文主要通过ZEMAX光学软件优化了波长选择开关光学系统,利用2f光学系统设计了一组傅里叶组合透镜组,实现端口尺寸为127 μm的多端口数WSS。在此基础上,针对进一步提升该WSS系统光谱分辨率的问题,通过优化柱面组合透镜使液晶空间光调制器上的光斑压窄到了32 μm的范围内,使整个C波段的最小滤波带宽可以保持在8 GHz范围内。

2 波长选择开关的光学设计

2.1 光路设计与参数确定

初始结构的选择影响着一个光学系统的成像质量^[11]。如果光学系统的初始结构选择不合理,即使拥有丰富的光学设计经验的人也很难使最终的光学系统达到理想的成像效果。因此,初始结构的选取将直接影响最终光学系统的成像效果。图1为经典的基于液晶(LCoS)的WSS系统结构^[4,10],包括一维光纤耦合微透镜阵列、双胶合透镜、透射体光栅、柱面镜和LCoS,共5个部分。输入光束通过光纤耦合微透镜阵列中心的公共端口进入体光学部分。光束经过双胶合透镜准直并入射到高密度透射光栅上,光栅对各不同波长的通道进行色散展开,并利用柱面镜将其会聚成像到液晶空间光调制器上,在整个LCoS芯片有效像素区域形成矩形色散图谱。在LCoS芯片的不同波长通道所对应的像素区域上加载不同周期的相位光栅全息图^[12-14],完成对该波长通道衍射光束的方向调整。被反射的衍射光束通过双胶合透镜后成为对应于不同输出端口的准直平行光,再经微透镜会聚至光纤阵列的不同输出端口输出,从而完成任意波长信号在输入输出端口间的低损耗光互连。利用以上结构搭建C波段高分辨率可调谐滤波器^[15],如图2所示,其最小滤波带宽可以达到约10 GHz。这充分说明了该光学结构的合理性,接下来进一步对其进行改进。

图 1. 波长选择开关结构图

Fig. 1. Structural diagram of wavelength selective switch

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图 2. 可调谐滤波器的不同滤波带宽

Fig. 2. Different filtering bandwidths of tunable filter

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为了将透射光栅锥形衍射的影响降到最低,使用Ibsen公司的966 lp/mm的透射型光栅。该光栅的缺点是色散角比较小,所以必须使光栅与柱面镜之间有足够的距离,保证光束通过光栅后的色散光恰好可以覆盖全部液晶。因为WSS系统中液晶空间光调制器需要同时放置在柱面镜和双胶合透镜的后焦面上,所以相应的双胶合透镜的后焦距需要根据柱面镜的焦距适当增加。若使用普通前后焦距相同的双胶合透镜会导致光束从光纤耦合微透镜出射后因传播距离过长而引起光斑超过液晶尺寸,故本研究使用前后焦距不同的组合透镜系统来代替普通的单个双胶合透镜。同时,为了提高WSS的最小滤波带宽,柱面镜的光束会聚能力至关重要。因此,利用优化的柱面系统替换系统中原有的柱面镜,提高了其对光束的会聚能力。

该系统较为复杂,需要在ZEMAX软件的序列模式下从前到后依次进行设计。由于光纤的模场半径为5.2 μm,所以分别设置输入光的束腰半径为5.2 μm且中心波长分别为1530,1545,1560 nm三个波长的高斯光束。三束光通过微透镜阵列入射。在微透镜与透射光栅之间是单独设计的由两个双胶合透镜组成的焦距为225 mm的傅里叶透镜组^[16],如图3所示。设计傅里叶透镜组的目的是控制光束通过微透镜后的发散距离,使入射到透射光栅的光束保持为直径为6 mm的平行光,同时缩短微透镜到透射光栅之间的距离,减小整个系统的空间尺寸。

图 3. 傅里叶透镜组结构

Fig. 3. Fourier lens group structure

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光束经过透射光栅后,不同波长的光具有不同的衍射角度,这些具有不同衍射角度的光再经过一个初始焦距为500 mm组合柱面镜系统。柱面镜能使光束在一个方向上聚焦而另一个方向上不变。为了补偿柱面镜引起的像差,在柱面镜之后插入两片双胶合透镜。由于LCoS的功能仅仅是改变光束的传播方向,所以可用一个平面镜来代替LCoS。在序列模式里还需将各光学器件按照光束入射到平面镜时的顺序反向摆好,以使光束通过平面镜反射后再返回,最终耦合至微透镜。通过设置平面镜的不同偏转角度来模拟LCoS的偏转,使光束返回至微透镜阵列的不同端口,从而实现将指定波长光束切换到WSS任意端口的目的。

先单独设计两套组合透镜系统,然后再整合到一起。微透镜与透射光栅之间的傅里叶透镜组的初始结构由两个双胶合平板透镜组成,其焦距、厚度、材料设为变量,然后在评价函数中设置各参数,使傅里叶透镜组的出射光为平行光并且光斑直径为6 mm。经过多次优化后的傅里叶透镜结构如图3所示。将图3系统中光学元件的参数作为固定值,其后依次添加其他光学器件:衍射光栅、组合柱面镜系统和反射镜。由于透射光栅入射角为49.9°,故在ZEMAX序列模式中需要在透射光栅前后分别添加坐标断点使光束产生偏折。坐标断点需要根据光栅刻线数、光栅材料、入射波长设置相应的倾斜角度。建立好光学系统结构之后,首先需要编辑评价函数并调整目标值和权重,然后释放透射光栅前的傅里叶透镜组参数并反向顺序设置各光学器件。平面镜之后光学器件的各个参数应依据与自身相对应的前面光学器件的数据而定。通过进一步改善评价函数且多次优化,最终得到如图4所示的系统结构。

图 4. ZEMAX总体系统框图

Fig. 4. ZEMAX overall system block diagram

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2.2 评价函数设置

由于整个系统较为复杂,而ZEMAX自带的默认评价函数过于简单,故在ZWMAX光路设计中评价函数的设置显得尤为重要。MNCG、MXCG、MNEG、MXEG操作符是对玻璃的中心和边界的约束条件,MNCA、MXCA操作符是对空气的中心和边界约束条件,RANG操作符是指光线相对于z轴的角度,以°表示。因光栅的色散作用,入射到液晶表面的不同波长的光会具有不同的入射角。在液晶表面使用RANG操作符可使入射到液晶表面的不同波长的光的入射角尽量小,从而减小系统的像差。SUMM、DIFF、PROD、DIVI操作符分别表示对两行操作数作加、减、乘、除运算。由于系统对标准面上的光斑位置和尺寸均有严格的规定,有时数据非常小,这就需要把操作数乘以一个较大的数然后再配适当的权重才有意义。为了使两个操作数完全相等,这就需要作减法使得两个操作数之差为零。REAX、REAY分别表示实际光线在指定编号表面上的x、y半径。在透射光栅表面、液晶表面和返回至微透镜上的光斑尺寸都要用到这两个操作符来设定光参数。图5为评价函数编辑器中的部分操作数。

图 5. 评价函数编辑器

Fig. 5. Evaluation function editor

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设置评价函数并对其进展优化后,系统的评价函数值越小表示系统的整体性能越高。图6为设置后的初始优化操作图,评价函数值为2.4416。整个光学系统设置了7个组态,每个组态在光栅面、平面镜(即LCoS)面以及像面等多个面上均对光斑尺寸有一定的要求。此外,评价函数中有些Value值太小,还需要进行SUMM、DIFF、PROD、DIVI等多种运算。因此,在整个系统中评价函数高达3000多行,即使每个评价函数的%Contrib取极小值,最后的系统评价函数值也无法降到最低。

初步的优化完成后,为了更大幅度地提升该光学系统的性能,还需要对其进行进一步的优化。锤形优化通过自动重复一个优化过程来脱离局部极值区的限制,可以对该光学系统进行更加细致的优化。不断调整评价函数的Target值和Weig值,进行多次优化,并经过长时间的锤形优化,最后将整个系统的评价函数值降至1.0319。该值虽然还是偏大,但成像情况基本符合光学系统要求。

图 6. 优化操作图

Fig. 6. Optimized operation diagram

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3 设计结果分析与讨论

整个光学系统的设计及优化基本完成,接下来通过ZEMAX给出的图表分析来判断整个光学系统的成像情况。在实际成像过程中,由于色差、球差、像差等因素的存在,经入瞳的平行光线并不能严格地会聚在像面的某一点,而是形成一个弥散斑。理论上该弥散斑的半径越小,光学系统的成像效果越好。在ZEMAX中方均根(RMS)半径和几何(GEO)半径是对弥散斑大小的描述。RMS半径是所有光线到达像面后的坐标的RMS值,能近似反映弥散斑的质量。几何半径则表示弥散斑的最大直径。

整个光学系统主要通过光线足迹图和点列图来进行分析。光线足迹图可以显示光斑在x和y方向上的最大位置。图7为平面镜(即LCoS面)上显示的光斑,其中图7(a)为三个波长均存在时的情况,图7(b)、(c)和(d)分别是波长为1530,1545,1560 nm时的单波长光线足迹图。可从图7读出数据并计算出光斑的尺寸,结果如表1所示。从表1看出,平面镜上各个波长的光斑在x方向上线宽接近5.3 mm,在y方向上线宽最大为32 μm。假设使用Holoeye公司的型号为GAEA的液晶空间光调制器,单个像素尺寸为3.74 μm,分辨率为3840 pixel×2160 pixel,通过计算,对应的最小滤波带宽能够保持在1 GHz至8 GHz的范围内^[10]。

图8(a)为平面镜不偏转(即偏转角为0°)时光束返回至微透镜(即像面)上的点列图。由图8(a)可以看出,三个波长都形成较为圆滑且较为集中的光斑,读取数据最大半径为8.5 μm,RMS半径为5.887 μm。通过多重组态的方法改变平面镜在y方向的倾斜角度,每隔0.1°设置一个结构,从0.1°至0.7°共7个结构,点列图如图8(b)所示。通过读取数据,结构1~7光斑的RMS半径分别为13.763,14.237,15.808,18.761,23.214,28.654,34.490 μm。因为微透镜的尺寸直径为125 μm,所以经过平面镜反射回去的光束可以耦合至微透镜中。在读取光线在x或y方向最大或小半径时发现,结构1~7的光斑中心并不在x轴上,结构1光线的y方向最大半径为0.034 μm,结构7光线的y方向最小半径为-0.661 μm。虽然整体偏向x轴下方,但仍然小于微透镜尺寸。结构7在像面上x方向的最小中心值为-4.1438 mm。根据整个光学系统的对称性,可以认为当平面镜左右各偏转到0.7°时,光斑在x方向上的距离为8.2879 mm,即约为65个微透镜间距。由此可以得到整个波长选择开关可利用的端口数为65。

图 7. 不同波长的光线足迹图。(a) 1530,1545,1560 nm三个波长的光线足迹图;(b) 1530 nm波长的光线足迹图;(c) 1545 nm波长的光线足迹图;(d) 1560 nm波长的光线足迹图

Fig. 7. Light trails of different wavelengths. (a) Light trails at three wavelengths of 1530 nm, 1545 nm, and 1560 nm; (b) light trail at 1530 nm; (c) light trail at 1545 nm; (d) light trail at 1560 nm

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图 8. 点列图。(a) 0°偏转角的点列图;(b) 6个组态的点列图

Fig. 8. Spot diagrams. (a) Spot diagram of 0° deflection angle; (b) spot diagram of 6-column

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4 结论

在现有WSS结构的基础上设计了组合傅里叶透镜,并将LCoS前的单片柱面镜替换为双胶合柱面镜加球面镜的结构。该设计方案不但减小了光学系统像差,而且提高了光束在LCoS上的成像精度。利用ZEMAX光学软件对所设计的光学系统进行合理优化,得到65个端口的WSS光学系统结构,其最小滤波带宽在8 GHz范围内。本文为下一步的实验搭建提供了理论基础。