M×N端口波长选择开关及其核心算法研究

作     者：于冰 

作者单位：中央民族大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈根祥

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：硅基液晶空间光调制器 波长选择开关 相位灰度图 

摘      要：随着可重构光分插复用(Reconfigurable Optical add-drop Multiplexing,ROADM)光网络的建设与发展,波长选择开关(Wavelength Selective Switch,WSS)作为组成ROADM光节点设备的核心光学模块,受到光通信领域的高度重视。目前的ROADM节点普遍基于较为成熟的1×N端口 WSS技术进行建造,随着光网络规模和容量的不断提升,这种方案所需部件众多、建造运维成本高昂、功耗高等问题日益凸显。设法研制出M×N端口 WSS以构建新一代ROADM节点已经成为当前业界的普遍共识。但M×N端口波长选择开关需要将来自M个输入端口的任意波长信号根据需要交换至N个输出端口,要求在波长选择开关内部实现对入射光束的两次偏转,导致目前所报道的M×N端口 WSS普遍面临着结构复杂、插入损耗高、光谱操控精度低以及不具备多路信号广播功能等问题,迄今尚无较为成熟的商用化产品。本文针对M×N端口 WSS所面临的上述问题,深入研究了一种端口方向无透镜,从而使光学系统得到简化的M×N端口 WSS设计方案,通过对硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)所加载的相位灰度图生成算法的研究,实现了端口方向的光束控制,以及对M×N端口 WSS多路广播功能的原理性验证;搭建了 3×3端口的波长选择开关实验系统并完成了其性能测试。论文所完成的主要工作如下:1.在分析了端口方向无透镜的波长选择开关系统的基本结构与工作原理基础上,基于菲涅尔衍射理论,推导了液晶第一次指向面和第二次指向面上的光场强度分布关系,为后续工作的开展奠定了基础。2.设计了兼具闪耀光栅与柱面镜功能的LCOS相位灰度图,在完成波长选择开关的端口切换功能的同时,实现了 WSS在端口方向上的光束质量控制。该方法有效缩短了 M×N端口波长选择开关系统整体长度,降低了系统复杂度以及插入损耗。3.提出了 一种基于对称迭代傅里叶算法(Symmetric Iterative Fourier Transform Algorithm,SIFTA-2)和遗传算法(Genetic Algorithm,GA)、包括相位和幅度自由度的相位灰度图生成算法,应用该算法实现了针对波长选择开关系统信号多播功能的LCOS相位灰度图生成,并对其有效性进行了原理性实验验证。4.搭建了端口方向无透镜的3×3端口 WSS实验系统,实现了 3个输入端口与3个输出端口之间的任意波长切换,最大端口间插损13.2dB,最小通道带宽16.25GHz,光谱调谐精度1 GHz。