阅读说明：本技术 用于波长选择开关的复曲面形微透镜阵列 (Toroidal shape microlens array for wavelength-selective switches ) 是由 M·E·哈勒 于 2018-03-02 设计创作，主要内容包括：一种光学设备包括用于接收多个光束的多个光学端口。所述光学装置还包括多个复曲面微透镜,每个微透镜接收来自所述多个光学端口中的一个相应光学端口的光束。一色散元件设置成用于在色散平面上将光束在空间上分开成多个波长分量。至少一个聚焦元件设置成用于聚焦所述多个波长分量。一可编程光学相位调制器还设置成用于接收所述聚焦的多个波长分量。所述调制器配置为选择性地将所述多个波长分量引导到所述多个光学端口中的预定的光学端口。所述多个复曲面透镜将正功率赋予多个端口平面中的所述多个光束并将负功率赋予与端口平面正交的平面上的所述多个光束。(A kind of optical device includes multiple optical ports for receiving multiple light beams.The Optical devices further include multiple double-curved surface lenticules, and each lenticule receives the light beam of a respective optical port in the multiple optical port.One dispersion element is arranged in dispersive plane light beam is spatially separated at multiple wavelength components.At least one concentrating element is arranged for focusing the multiple wavelength component.One programmable optical phase-modulator is also configured to multiple wavelength components for receiving the focusing.The modulator is configured to the scheduled optical port being selectively directed to the multiple wavelength component in the multiple optical port.The multiple toric lens assigns positive to the multiple light beam in multiple port planes and negative power is assigned to the multiple light beam in the plane orthogonal with port plane.)

用于波长选择开关的复曲面形微透镜阵列

背景技术

自由空间光纤通信设备经常需要在正交方向上具有不同束腰尺寸的发射光学器件。例如，考虑波长选择开关(WSS)，其允许WDM光学信号的某些波长分量或者信道在空间上分开(色散)并且选择性地从第一光纤切换到第二光纤，同时让其他波长信道在第一光纤传播，或者它允许某些波长信道切换到第三光纤。开关的分辨率(带边锐度(band edgesharpness))由波长分量在开关焦平面处被色散的方向上的光束束腰尺寸(本文称为色散光束束腰尺寸)决定，其等于发射光束在色散平面上的束腰尺寸乘以系统放大倍数。为了达到最佳分辨率(最锐的带边)，发射光学元件应在色散平面上产生一个小的束腰。

另一方面，在与开关焦平面处的色散方向正交的方向(端口方向)上的束腰尺寸(本文称为端口束腰部尺寸)限制了开关能支持的端口的数量。大的束腰具有小的角度范围，这允许许多端口位于给定的角度切换范围内而无串扰。开关焦平面处的端口束腰等于发射光学器件的端口方向上的束腰乘以系统放大倍数。因此，为了提供高的端口密度或总的端口数，期望发射光学器件产生大的端口束腰。

发明内容

根据所公开主题的一个方面，提供了一种光学装置。该光学装置包括多个用于接收多个光束的光学端口。该光学设备还包括多个复曲面微透镜，每个微透镜接收来自所述多个光学端口中的一个相应光学端口的光束。一色散元件设置成用于在色散平面上将光束在空间上分开成多个波长分量。至少一个聚焦元件设置成用于聚焦所述多个波长分量。一可编程光学相位调制器还设置成用于接收所述聚焦的多个波长分量。所述调制器配置为选择性地将所述多个波长分量引导到所述多个光学端口中的预定的光学端口。所述多个复曲面透镜将正功率赋予多个端口平面中的所述多个光束并将负功率赋予与端口平面正交的平面上的所述多个光束。

本发明内容是为了以简化的形式介绍构思的选定，这些构思将在下面的

具体实施方式

部分中进一步描述。本发明内容不旨在标出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本发明的任何部分中提到的任何或所有缺点的实施方式。通过阅读以下具体实施方式部分和相关附图，这些和各种其他特征将变得清楚。

附图说明

图1A和图1B分别是诸如自由空间WSS的简化光设备的一个示例的俯视图和侧视图。

图2是可用作针对图1所示光学设备的空间光调制器的LcoS设备的正视图。

图3A和图3B分别示出了具有多个柱面透镜的常规微透镜阵列模块的放大的俯视图和侧视图，常规微透镜阵列模块有时用于图1A和图1B所示的光学设备中。

图4A和图4B分别示出了采用复曲面形透镜的根据本发明微透镜阵列布置的示例的放大俯视图和侧视图。

图5示出了对于初始光束尺寸为5.2微米的情况如何使用复曲面微透镜来能够减小光束的色散束腰尺寸的曲线图。

具体实施方式

图1A和图1B分别是可以与本发明的实施例结合使用的简化光学设备(例如自由空间WSS 10)的一个示例的俯视图和侧视图。俯视图的图1A示出了WSS 10的色散平面，侧视图的图1B示出了WSS 10的端口平面。光通过用作输入端口或输出端口的诸如光纤的光波导的阵列101输入和输出WSS 10。如图1B最佳所示，阵列101包括多个独立的光纤120₁、120₂和120₃,光纤120₁、120₂和120₃接收多个光束，多个光束分别耦合到微透镜102₁、102₂和102₃(“102”)，微透镜102₁、102₂和102₃(“102”)支撑在光学模块104上或形成于光学模块104上或光学模块104中，它们一起限定微透镜阵列组件103。在这个示例中，从光纤120₁、120₂和120₃出射的光平行于z轴。虽然图1B中仅示出了三个光纤/微透镜对，更一般地，可以采用任何合适数量的光纤/微透镜对。

在图1A和图1B中，在两个轴上影响光的光学元件在两个视图中用实线表示为双凸光学器件。另一方面，仅在一个轴上影响光的光学元件用实线表示为在受影响的轴上的平凸透镜。仅在一个轴上影响光的光学元件也在它们不影响的轴上用虚线表示。例如，在图1A和图1B中，光学元件108和光学元件110在两个图中均用实线表示。另一方面，光学元件107和光学元件109在图1A中用实线表示(因为它们沿y轴具有聚焦功率)，而在图1B中用虚线表示(因为它们使光束沿x轴不受影响)。光学元件102和光学元件105在图1B中用实线表示(因为它们具有沿x轴的聚焦功率),而在图1A中用虚线表示(因为它们使光束在y轴上不受影响)。

微透镜阵列组件103中的光学模块104允许光以无限制的方式穿过其来传播。也就是说，光学模块104不提供任何波导功能。在常规布置中，透镜阵列组件103的微透镜102₁、102₂和102₃是柱面(cylindrical)透镜，每个柱面透镜在端口平面上赋予正光功率，并使光束在色散平面上不受影响。微透镜102₁、102₂和102₃将光束光学耦合到准直透镜107，准直透镜107在色散平面上准直光束并使光束在端口平面上不受影响。然后，光束从准直透镜光学耦合到波长色散元件108(例如衍射光栅或棱镜)，波长色散元件108将自由空间光束分开成其被组成的波长或信道。波长色散元件108用于根据光的波长在x-y平面上以不同方向分散光。来自色散元件108的分散的波长分量被引导到端口透镜105。

端口透镜105使波长分量在色散平面上不受影响并将波长分量在端口平面上聚焦。频率透镜109从端口透镜105接收波长分量。频率透镜109使波长分量在色散平面上聚焦并使波长分量在端口平面上不受影响。

频率透镜109使波长分量耦合，从而使波长分量现在在两个平面上聚焦到可编程光学相位调制器上，该可编程光学相位调制器可以是例如基于液晶的相位调制器(例如LCoS设备110)。波长分量沿x轴被分散，x轴称为波长色散方向或轴。由此，给定波长的每个波长分量聚焦在沿y方向延伸的像素阵列上。作为示例，但不作为限制，图1A中示出了具中心波长的有λ₁、λ₂和λ₃表示的三个波长分量沿波长色散轴(x轴)聚焦在LCoS设备110上。

如图1B中最佳所示，在从LCoS设备110反射之后，每个波长分量可以通过频率透镜109、端口透镜105、色散元件108和透镜107以及微透镜阵列模块103耦合回到光纤阵列101中选定的一个光纤120。

图2是可用作针对图1所示的光学设备的空间光调制器的LCoS设备21的正视图。在该说明性的示例中，具有三个波长分量λ₁、λ₂和λ₃的光束沿波长色散轴(x轴)在空间上分开并且沿LCoS设备21的多个像素19延伸。波长分量在空间光调制器上的细长的横截面形状由微透镜102控制的光束的束腰尺寸的差异来确定。应注意的是，虽然波长分量示出为具有椭圆形的横截面形状，但是更一般地，波长分量可以具有任何横截面形状，包括例如新月形状。

图3A和图3B分别示出了例如可用于图1A和图1B中所示类型的光学设备中的光纤120和常规的微透镜阵列模块103的放大的俯视图和侧视图。如前所述，为了获得在正交方向上不同的束腰尺寸，柱面微透镜102在端口平面上赋予正光功率并使光束在色散平面上不受影响。如果光束被视为(treated as)高斯光束，那么根据高斯光束成像，端口平面上的光束腰尺寸由光纤束腰和柱面微透镜的焦距决定。同样地，如果光纤阵列101中的光纤120位于柱面微透镜102上的后焦点，则端口平面上的光束腰将形成在柱面微透镜102的前焦点处。光束腰的位置能通过散焦从该位置向后或向前移动。色散平面上的束腰位于光纤120的端部并且束腰的尺寸由所采用的光纤确定。举例来说，对于标准康宁SMF-28e光纤，在1550nm波长下，色散平面上的束腰尺寸为5.2μm。

如前所述，期望的是由光纤阵列101中的光纤120接收的光束的端口束腰尺寸相对较大，以实现高的端口数。另一方面，也期望的是色散光束的束腰尺寸相对较小，以获得高的分辨率。期望的是进一步将色散束腰尺寸减小到低于由所采用的光纤类型确定的尺寸，以进一步提高分辨率。虽然分辨率能通过增加准直透镜的焦距来提高，从而降低系统的放大倍数，但这也增加了设备的整体尺寸。

根据本发明的一个方面，诸如图1A和图1B所示的光学设备可以通过在图3A和图3B所示的传统阵列模块103中向微透镜102添加色散方向上的负光功率。也就是说，图3A和图3B所示的为柱面透镜的微透镜102能用复曲面(toric)透镜来代替，该复曲面透镜在色散平面上赋予负光功率而在端口平面上赋予正光功率。这种布局如图4A和图4B所示，图4A和图4B分别示出了与图3A和图3B中类似的光纤阵列201和微透镜阵列装置104的放大的俯视图和侧视图。如图4A和图4B所示，向微透镜202添加负功率减小了色散光束腰的尺寸。这种减少的产生是因为在色散平面上向微透镜202添加负功率增加了光束的数值孔径。

图5示出了对于初始光束尺寸为5.2微米的情况，如何使用复曲面微透镜能减小光束的色散束腰尺寸的曲线图。曲线图显示了色散束腰尺寸与复曲面微透镜的焦距的函数关系。如曲线图所示，使用该技术能实现色散束腰尺寸显著减小并相称地(commensurate)提高分辨率。

在一些实施例中，复曲面形(toroidal)微透镜可以具有非球面表面，以发射的光束质量接近理想状态，以避免***损耗惩罚(penalty)。表1示出了使用Zemax^TM光学设计软件计算的光纤阵列/复曲面形微透镜阵列设计的一个示例的在端口和色散方向上的M平方(M2)光束质量。该表的最后一行给出了使用非球面复曲面(toroid)能实现的光束质量。在这种情况下，M平方光束质量接近端口和色散平面桑的值1(高斯光束的理想值)。

表1

在一个实施例中，复曲面微透镜相对于光学端口定位成：使光束散焦，将端口光束腰部延伸到一距离，光束自该距离分别被接收，从而光束在正交方向的光束腰部移动到超过复曲面微透镜的焦距的点。