[发明专利]一种折叠型M×N端口波长选择开关的实现方法

权利要求书

1.一种折叠型M×N端口波长选择开关的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)光路搭建：

a)沿着光束传输方向依次设置：一维单模光纤准直器阵列、短焦柱面镜、第一长焦柱面镜、反光镜、透射式相位衍射光栅、第二长焦柱面镜、液晶空间光调制器以及液晶图形加载控制系统；

b)一维单模光纤准直器阵列中包括M+N个单模光纤准直器，所有单模光纤准直器沿x轴方向排列成一维阵列，M个单模光纤准直器作为输入端口，N个单模光纤准直器作为输出端口，每个输入端口和输出端口的光束传输方向均沿z轴方向；

c)短焦柱面镜和第一长焦柱面镜的母线均位于xz平面上，z轴分别穿过短焦柱面镜与第一长焦柱面镜的母线，短焦柱面镜和第一长焦柱面镜组成光学4f系统；

d)透射式相位衍射光栅的表面沿其中线平分为两个相同且对称的第一透射区域和第二透射区域，透射式相位衍射光栅的中线沿x轴方向，第一透射区域的中线与第一长焦柱面镜的母线居中对齐，第一透射区域的中线沿x轴方向；

e)透射式相位衍射光栅表面的中线与第二长焦柱面镜的母线和液晶空间光调制器表面的中线居中对齐；

f)液晶空间光调制器的液晶芯片平面与反光镜均垂直于yz平面放置；在透射式相位衍射光栅的第二透射区域前放置反光镜，反光镜的中线沿x轴方向，反光镜的中线与第二透射区域的中线居中对齐；

g)液晶空间光调制器的液晶芯片上划分为M+N个区域，其中，分别与M个输入端口一一对应的M个区域为第一反射区域，并且分别与N个输出端口一一对应的N个区域为第二反射区域，M和N均为≥2的自然数；液晶空间光调制器连接至液晶图形加载控制系统；

2)M个相互独立的连续波长的入射光束分别输入至一维单模光纤准直器阵列中的M个输入端口；

3)M个输入端口将输出M个沿z轴相互独立平行传输的高斯光束，M个高斯光束的光轴穿过短焦柱面镜的母线和第一长焦柱面镜的母线，通过调节短焦柱面镜和第一长焦柱面镜的焦距，将M个出射光沿y轴方向进行扩束准直为M个沿y轴方向的平行光束，短焦柱面镜和第一长焦柱面镜将M个光束在y轴方向的尺寸加大，对M个光束在x轴方向的尺寸没有作用；

4)随后M个光束到达透射式相位衍射光栅的第一透射区域，在透射式相位衍射光栅的第一透射区域表现为以y轴为长轴的椭圆光斑；透射式相位衍射光栅对入射光束进行第一次色散，每个光束通过透射式相位衍射光栅时不同波长的光束的衍射角度不同，不同波长的光束从空间上分开，M个光束包含的各种不同波长的光束沿各自传播方向的xz平面以不同的角度色散至第二长焦柱面镜的一侧；

5)第二长焦柱面镜将色散后具有不同衍射角度的不同波长的光束转变为光轴相互平行传输的光束并将单波长的光束聚焦至液晶空间光调制器，并且将这些相互平行传输的光束整体向液晶空间光调制器的中线偏折，第二长焦柱面镜同时将光束中单波长的原本以y轴为长轴的椭圆光束压窄为以x轴为长轴的椭圆光束，即聚焦，M个光束分别投射到液晶芯片上相对应的第一反射区域的M个区域；

6)每个光束中不同波长的光束相互平行传输并投射至液晶空间光调制器各自相对应的第一反射区域内的不同像素区域，M个入射光束中不同波长的光束与xz平面的夹角均为横向偏转夹角θ；通过液晶图形加载控制系统分别在液晶空间光调制器的第一反射区域的M个区域中不同波长所对应的像素区域上加载设定的相位灰度图，使得对应的像素区域上反射的光经过第二长焦柱面镜和透射式相位衍射光栅至反光镜反射后返回至第二反射区域的N个区域中的一个区域，该区域与N个输出端口的一个相对应；通过液晶图形加载控制系统加载不同的相位灰度图来控制反射光使其与yz平面产生不同的夹角，实现入射光束的第一次偏转，所有不同波长的反射光与xz平面的夹角不变依旧也为横向偏转夹角θ；

7)液晶空间光调制器在实现入射光束的第一次偏转的同时将入射光束在xz平面上沿x轴的发散状态变换为沿x轴的汇聚状态，实现光束的第一次变换，反光镜的位置为汇聚的焦平面，光束在反光镜位置处沿x轴汇聚后将继续沿x轴发散；

8)M个入射光束中不同波长的光束被第一次偏转后返回至第二长焦柱面镜沿母线与入射光束对称的另一侧，通过第二长焦柱面镜后反射光束与xz平面的横向偏转夹角θ消失，第二长焦柱面镜将光束中同一光束内不同波长的光汇聚至透射式相位衍射光栅的第二透射区域，然后再由透射式相位衍射光栅的第二透射区域实现第一次逆色散，随后被反光镜反射；由于反光镜垂直于yz平面放置，光束经反光镜反射后与yz平面的夹角同该波长光束第一次偏转产生的与yz平面的偏转角相同；

9)被反光镜反射后的光束再次通过透射式相位衍射光栅的第二透射区域进行第二次色散，随后通过第二长焦柱面镜后投射至液晶空间光调制器上相应的第二反射区域的N个区域上，此时第二长焦柱面镜使不同波长的光束相互平行传输并与xz平面产生横向偏转夹角θ；

10)由于通过液晶图形加载控制系统在液晶空间光调制器的第二反射区域的N个区域上加载设定的相位灰度图，能够使得反射光束与yz平面产生不同的夹角，因此，当光束第二次色散后返回至液晶空间光调制器的第二反射区域时，通过控制液晶空间光调制器在相应波长所对应的像素区域上加载设定的相位灰度图，使得光束实现第二次偏转，第二次偏转使得不同光束与yz平面之间不同的夹角消失，并且使得第二次偏转后的一个波长或多个波长光束的光轴与第一次偏转前的光束中相同波长的光束的光轴平行，不平行的光束对应的波长的光将被丢弃；在波长一致的情况下，第二次偏转后与第一次偏转前的光束在x轴方向上存在偏移，因此经第二反射区域的N个区域第二次偏转后的N个光束能够返回至相应的输出端口；

11)液晶空间光调制器在实现入射光束的第二次偏转的同时将入射光束在xz平面上沿x轴的发散状态变换为沿x轴汇聚状态，实现光束的第二次变换，一维单模光纤准直器阵列的输出端口的位置为汇聚的焦平面，液晶空间光调制器的两次光束变换看做一个光学4f系统，反光镜所在平面为光学4f系统的2f位置；

12)随后返回的光束通过第二长焦柱面镜后传输至透射式相位衍射光栅的第一透射区域进行第二次逆色散并依次通过第一长焦柱面镜与短焦柱面镜的母线后返回至对应N个输出端口中的任意一个或多个设定的端口；从而通过利用反光镜与液晶空间光调制器对入射光束的两次偏转反射实现入射光束中任意波长通道和任意带宽光信号的端口切换。