基于VirtualLab的波长选择开关仿真技术研究
发布时间：2021-01-16 06:37
波长选择开关（WSS）是新一代可重构光分插复用（ROADM）全光网络中的核心光学器件之一。基于硅基液晶（LCoS）技术的波长选择开关具有的波长无关、方向无关、无竞争性、无格栅（CDCG）以及丰富的全光信号处理功能已成为波长选择开关技术发展的主要方向。目前商用化WSS主流产品的端口数仅为1×9端口。通过改进光学系统设计并对其内部光学元件进行优化,设计并研制出具有高端口数的硅基液晶WSS,对于进一步降低ROADM光网络的建造和运维成本、提高网络性能及其全光交换能力具有重要的研究意义和实际价值。本文针对一种基于光纤微透镜阵列和硅基液晶的WSS光学系统进行设计并建立了基于VirtualLab光学仿真软件的波长选择开关仿真模型,并对波长选择开关中1×76端口的光束传输和端口间插损等关键参数进行了数值仿真研究,并根据仿真结果进行了初步的实验系统搭建。论文完成的主要工作如下:1.详细论述了基于光纤微透镜阵列和硅基液晶的波长选择开关的整体光学系统设计、所涉及的主要光学部件及其基本工作原理。2.建立了基于VirtualLab光学仿真软件的波长选择开关仿真模型,通过适当设置微透镜阵列、傅里叶变换透镜、柱面...
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ｌｘＮ型波长选择开关的简要功能示意图Ｍ??Ｆｉｇ?１－１?Ｂａｓｉｃ?ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?１＞＜Ｎ?ｔｙｐｅ?ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ?ｓｗｉｔｃｈ??
２波长选择开关的核心光学部件??２．１波长选择开关的结构??图２－１为基于ＬＣＯＳ的ＷＳＳ的基本结构，其中主要器件包括光纤耦合微透镜??阵列、准直透镜、光栅、柱面镜以及液晶空间光调制器。光纤耦合微透镜阵列的??中心端口为ＷＳＳ的输入端口，其余端口为输出端口。光纤耦合微透镜阵列的主要??功能分为两部分：一是将入射光扩束，以使高斯光束在经过准直透镜后转换为大??小合适的近似平行光；二是将经过液晶空间光调制器偏转的一级衍射光经微透镜??更好地耦合进输出光纤中。准直透镜用于将透过微透镜的光束进行准直，使高斯??光束的光束半径维持在一定范围内，光栅作为色散器件则可将复合光分解成单色??光，随后用柱面镜对经过解复用后的单波长光进行压缩，以提高液晶空间光调制??器的使用效率并减少串扰，最后液晶空间光调制器对入射光进行调制，使其衍射??光以一定角度出射后依次逆序经过上述光学器件，最终耦合到特定的输出端口。??透镜??厂?／?透射光栅??＇?Ｐｏｒｔ?Ａ?—■？?ｂ?—??■■■??１＾??麟镜阵列条??政?一??图２－１波长选择开关的系统结构［２２１??Ｆｉｇ?２－１?Ｓｙｓｔｅｍ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ?ｓｗｉｔｃｈ??微透镜阵列是指由微小透镜而成的阵列，一般具有体积孝视场角大、灵敏??度高、重量轻等优点，且其应用场景十分广泛。一般而言，微透镜阵列可分为衍??６??
射型微透镜阵列与折射型微透镜阵列两种，可通过飞秒激光加工法、光刻胶法等??方法获得。在波长选择开关中，微透镜阵列紧挨输入输出端口，用以缩小光纤端??面出射高斯光束的发散角。此外，应特别注意在实验中对光纤耦合微透镜阵列与??输入输出光纤的准直，这与光纤耦合效率的大小密切相关［２｜］。??在利用仿真软件对波长选择开关器件中微透镜阵列进行仿真时，可通过在??Ｖｉｒｔｉｍ丨Ｌａｂ光学软件中添加一凸面镜以及一平面镜，并根据实际需求合理设置两平??面间厚度、透镜材料、各面尺寸、曲率半径等参数［２２］。由于波长选择开关为ｌｘＮ??型，故可在仿真一个微透镜的基础上，通过周期化设置微透镜阵列的周期以及阵??列尺寸获得满足要求的微透镜阵列，其中微透镜的尺寸指的是单个微透镜的直径??大小，周期指的是在一个微透镜阵列中两个相邻微透镜的中心间距，图２－２展示了??通过光学仿真软件ＶｉｒｔｕａＬａｂ设定得到的一个二维微透镜阵列。??！！！?３?３?－?ｎ?＊?ｉ?ｉ?ｉ?Ｓ?Ｓ?ｉ?ｉ?ｉ?］?ｉ?ｉ?ｉ＂＇??ｓ＂，＂＂＂⑴＂丨??图２－２微透鏡阵列??Ｆｉｇ．２－２?Ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ?ａｒｒａｙ??一般而言，高斯光束在经过透镜后，其束腰半径与束腰位置会发生改变，从??而成为一个新的高斯光束。结合近轴光学系统的物像公式、高斯光束的波面曲率??半径以及高斯光束在透镜前后的通光口径相等公式和原理，可以推导出高斯光束??通过透镜后束腰距离透镜的距离ｙ以及新束腰的大小ｗ。：??Ｗ?＾ＴＴ?（２－Ｄ??（尸＋心平??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]ROADM技术走向动态光层组网[J]. 郝娟,崔玉珍. 中国新通信. 2018(12)
[2]基于VirtualLab Fusion的原子光刻基片定位方案的光学系统仿真[J]. 张宝武,霍剑锋,饶鹏辉,张明月,刘媛媛,余桂英,王道档. 中国计量大学学报. 2017(04)
[3]反射型阶梯光栅的特性分析[J]. 喻洪麟,马升涛,吴永烽. 光电工程. 2010(02)
[4]基于液晶技术的1×2 WSS的设计和实验[J]. 许端,谢卉,胡强高,刘文. 光通信研究. 2008(06)
[5]二元光学液晶闪耀光栅的特性分析[J]. 张翠玉,黄子强. 光学学报. 2008(07)
[6]基于波长选择开关的ROADM实现研究[J]. 周斌,张阳安,黄永清,任晓敏. 光通信研究. 2008(01)
[7]液晶空间光调制器的纯相位调制特性研究[J]. 刘伯晗,张健,吴丽莹. 光学精密工程. 2006(02)
[8]光栅的标量衍射理论与耦合波理论的分析比较[J]. 刘全,吴建宏. 激光杂志. 2004(02)
[9]阶梯透射光栅衍射效率的研究[J]. 张耀举. 中国激光. 2003(07)
[10]液晶电控双折射特性的研究[J]. 王宁,李国华,云茂金. 中国激光. 2002(12)
硕士论文
[1]波长选择开关光学系统的优化设计与仿真[D]. 张倩.中央民族大学 2019
[2]基于DMD的波长可调谐被动锁模激光器的研究[D]. 汪硕.中央民族大学 2019
[3]基于LCoS的波长选择开关与多波长激光器研究[D]. 陈冉.北京交通大学 2016
[4]基于LCOS的可调波长选择开关的研究[D]. 陈超.武汉邮电科学研究院 2016
[5]基于LCOS波长选择开关的研究[D]. 杨东堂.华中科技大学 2015
[6]LCOS波长选择开关WSS设计及串扰分析[D]. 敬泽安.华中科技大学 2015
[7]液晶空间光调制器的衍射特性及应用研究[D]. 高云舒.北京交通大学 2015
[8]基于MEMS技术的波长选择开关研究[D]. 宛政文.华中科技大学 2011
[9]电控平行排列液晶光栅的衍射特性研究[D]. 王俐.电子科技大学 2007
本文编号：2980336
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ｌｘＮ型波长选择开关的简要功能示意图Ｍ??Ｆｉｇ?１－１?Ｂａｓｉｃ?ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?１＞＜Ｎ?ｔｙｐｅ?ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ?ｓｗｉｔｃｈ??
２波长选择开关的核心光学部件??２．１波长选择开关的结构??图２－１为基于ＬＣＯＳ的ＷＳＳ的基本结构，其中主要器件包括光纤耦合微透镜??阵列、准直透镜、光栅、柱面镜以及液晶空间光调制器。光纤耦合微透镜阵列的??中心端口为ＷＳＳ的输入端口，其余端口为输出端口。光纤耦合微透镜阵列的主要??功能分为两部分：一是将入射光扩束，以使高斯光束在经过准直透镜后转换为大??小合适的近似平行光；二是将经过液晶空间光调制器偏转的一级衍射光经微透镜??更好地耦合进输出光纤中。准直透镜用于将透过微透镜的光束进行准直，使高斯??光束的光束半径维持在一定范围内，光栅作为色散器件则可将复合光分解成单色??光，随后用柱面镜对经过解复用后的单波长光进行压缩，以提高液晶空间光调制??器的使用效率并减少串扰，最后液晶空间光调制器对入射光进行调制，使其衍射??光以一定角度出射后依次逆序经过上述光学器件，最终耦合到特定的输出端口。??透镜??厂?／?透射光栅??＇?Ｐｏｒｔ?Ａ?—■？?ｂ?—??■■■??１＾??麟镜阵列条??政?一??图２－１波长选择开关的系统结构［２２１??Ｆｉｇ?２－１?Ｓｙｓｔｅｍ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ?ｓｗｉｔｃｈ??微透镜阵列是指由微小透镜而成的阵列，一般具有体积孝视场角大、灵敏??度高、重量轻等优点，且其应用场景十分广泛。一般而言，微透镜阵列可分为衍??６??
射型微透镜阵列与折射型微透镜阵列两种，可通过飞秒激光加工法、光刻胶法等??方法获得。在波长选择开关中，微透镜阵列紧挨输入输出端口，用以缩小光纤端??面出射高斯光束的发散角。此外，应特别注意在实验中对光纤耦合微透镜阵列与??输入输出光纤的准直，这与光纤耦合效率的大小密切相关［２｜］。??在利用仿真软件对波长选择开关器件中微透镜阵列进行仿真时，可通过在??Ｖｉｒｔｉｍ丨Ｌａｂ光学软件中添加一凸面镜以及一平面镜，并根据实际需求合理设置两平??面间厚度、透镜材料、各面尺寸、曲率半径等参数［２２］。由于波长选择开关为ｌｘＮ??型，故可在仿真一个微透镜的基础上，通过周期化设置微透镜阵列的周期以及阵??列尺寸获得满足要求的微透镜阵列，其中微透镜的尺寸指的是单个微透镜的直径??大小，周期指的是在一个微透镜阵列中两个相邻微透镜的中心间距，图２－２展示了??通过光学仿真软件ＶｉｒｔｕａＬａｂ设定得到的一个二维微透镜阵列。??！！！?３?３?－?ｎ?＊?ｉ?ｉ?ｉ?Ｓ?Ｓ?ｉ?ｉ?ｉ?］?ｉ?ｉ?ｉ＂＇??ｓ＂，＂＂＂⑴＂丨??图２－２微透鏡阵列??Ｆｉｇ．２－２?Ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ?ａｒｒａｙ??一般而言，高斯光束在经过透镜后，其束腰半径与束腰位置会发生改变，从??而成为一个新的高斯光束。结合近轴光学系统的物像公式、高斯光束的波面曲率??半径以及高斯光束在透镜前后的通光口径相等公式和原理，可以推导出高斯光束??通过透镜后束腰距离透镜的距离ｙ以及新束腰的大小ｗ。：??Ｗ?＾ＴＴ?（２－Ｄ??（尸＋心平??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]ROADM技术走向动态光层组网[J]. 郝娟,崔玉珍. 中国新通信. 2018(12)
[2]基于VirtualLab Fusion的原子光刻基片定位方案的光学系统仿真[J]. 张宝武,霍剑锋,饶鹏辉,张明月,刘媛媛,余桂英,王道档. 中国计量大学学报. 2017(04)
[3]反射型阶梯光栅的特性分析[J]. 喻洪麟,马升涛,吴永烽. 光电工程. 2010(02)
[4]基于液晶技术的1×2 WSS的设计和实验[J]. 许端,谢卉,胡强高,刘文. 光通信研究. 2008(06)
[5]二元光学液晶闪耀光栅的特性分析[J]. 张翠玉,黄子强. 光学学报. 2008(07)
[6]基于波长选择开关的ROADM实现研究[J]. 周斌,张阳安,黄永清,任晓敏. 光通信研究. 2008(01)
[7]液晶空间光调制器的纯相位调制特性研究[J]. 刘伯晗,张健,吴丽莹. 光学精密工程. 2006(02)
[8]光栅的标量衍射理论与耦合波理论的分析比较[J]. 刘全,吴建宏. 激光杂志. 2004(02)
[9]阶梯透射光栅衍射效率的研究[J]. 张耀举. 中国激光. 2003(07)
[10]液晶电控双折射特性的研究[J]. 王宁,李国华,云茂金. 中国激光. 2002(12)
硕士论文
[1]波长选择开关光学系统的优化设计与仿真[D]. 张倩.中央民族大学 2019
[2]基于DMD的波长可调谐被动锁模激光器的研究[D]. 汪硕.中央民族大学 2019
[3]基于LCoS的波长选择开关与多波长激光器研究[D]. 陈冉.北京交通大学 2016
[4]基于LCOS的可调波长选择开关的研究[D]. 陈超.武汉邮电科学研究院 2016
[5]基于LCOS波长选择开关的研究[D]. 杨东堂.华中科技大学 2015
[6]LCOS波长选择开关WSS设计及串扰分析[D]. 敬泽安.华中科技大学 2015
[7]液晶空间光调制器的衍射特性及应用研究[D]. 高云舒.北京交通大学 2015
[8]基于MEMS技术的波长选择开关研究[D]. 宛政文.华中科技大学 2011
[9]电控平行排列液晶光栅的衍射特性研究[D]. 王俐.电子科技大学 2007
本文编号：2980336
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