Optical wave selective switch device

Abstract

The optical wave selective switch device comprises a fiber array unit comprising a plurality of input / output ports for sending / receiving laser beam signals having different bandwidths, a switching element for steering laser beams in a switching direction, to specific output ports of the fiber array unit, a dispersing element which disperses laser beam signals which are incident thereon, depending on the wavelength of the laser beam signals. Furthermore, the optical wave selective switch device comprises a diffractive optical element with a two-dimensional phase mask is located adjacent to the switching element and outside of electrodes of the switching element so as to introduce individual phase correction for each wavelength corresponding to respective channels in the optical wave selective switch device.

Description

OPTICAL WAVE SELECTIVE SWITCH DEVICETECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure relates generally to the field of optical switching devices for example to an optical wave selective switch device.BACKGROUND

[0002] Generally, wave selective switches are used in optical communication networks to route laser beam signals of different wavelengths to desired output ports. Conventionally, the wave selective switches have diffractive optical elements placed far from a liquid crystal on silicon component. Such a placement of the diffractive optical elements prevents the wave selective switches from accessing and correcting every wavelength of the laser beam signals separately.

[0003] Certain attempts have been made to increase the focusing and modulation of the laser beam signal, primarily by improving design and placement of different components such as the diffractive optical elements, the liquid crystal on silicon component, and the like within the wave selective switches. However, such attempts could lack an ability to provide a significant increase in focusing and modulation of the laser beam signal due to the placement of the diffractive optical element, and thereby preventing a separate access and correction of each wavelength. Therefore, there exists a technical problem of how to provide access and correction of each wavelength of the light beam signal separately.

[0004] Therefore, in light of the foregoing discussion, there exists a need to overcome the aforementioned drawbacks associated with the conventional approaches and provide an improved wave selective switch device.SUMMARY

[0005] The present disclosure provides an optical wave selective switch device. The present disclosure provides a solution to the existing problem of how to provide access and correction of each wavelength of the light beam signal separately. An aim of the present disclosure is to provide a solution that overcomes at least partially the problems encountered in the prior art and provides the optical wave selective switch device for individual phase correction associated with each wavelength, corresponding to different channels in the wave selective switch.

[0006] One or more objectives of the present disclosure are achieved by the solutions provided in the enclosed independent claims. Advantageous implementations of the present disclosure are further defined in the dependent claims.

[0007] In one aspect, the present disclosure provides an optical wave selective switch device. The optical wave selective switch device includes a fiber array unit comprising a plurality of input / output ports for sending / receiving laser beam signals having different bandwidths. The optical wave selective switch device further includes a switching element for steering laser beams in a switching direction to specific output ports of the fiber array unit. The optical wave selective switch device further includes a dispersing element which disperses laser beam signals which are incident thereon, depending on the wavelength of the laser beam signals. Furthermore, a diffractive optical element with a two-dimensional phase mask is located adjacent to the switching element and outside of electrodes of the switching element so as to introduce individual phase correction for each wavelength corresponding to respective channels in the wave selective switch device.

[0008] The inclusion of the fiber array unit with multiple input / output ports enables an efficient handling of the laser beam signals with different bandwidths, thereby enhancing the versatility and performance of the optical wave selective switch device. The switching element is configured to steer the laser beams to specific output ports, providing a precise control over signal direction and improves accuracy and efficiency of signal routing. The dispersing element is configured to separate the laser beam signals based on the wavelength, enabling the optical wave selective switch device to manage multiple laser beam signals simultaneously. The placement of the diffractive optical element with the two-dimensional phase mask adjacent to the switching element offers significant correction in wavefront. Furthermore, by positioning the diffractive optical element outside the electrodes of the switching element, the optical wave selective switch device ensures individual phase correction for each wavelength.

[0009] In an implementation form, the optical wave selective switch device further includes a main optics assembly comprising a plurality of lenses and having a focal plane and an optical axis perpendicular to the focal plane. Furthermore, the fiber array unit and the switching element are both located at the focal plane of the main optics assembly on one side, along the optical axis of the main optics assembly. Moreover, the dispersing element is located on the optical axis of the main optics assembly on the opposite side of the main optics assembly from the fiber array unit and the switching element. Additionally, the optical wave selective switch device has a 4f architecture in a dispersion direction and a 2f architecture in the switching direction.

[0010] The main optics assembly includes the plurality of lenses, that provides a focal plane and an optical axis perpendicular to the focal plane and ensures a precise focusing and alignment of the laser beam signals. The arrangement of the fiber array unit and the switching element at the focal plane of the main optics assembly along the optical axis of the main optics assembly minimizes optical aberrations and signal loss, leading to improved signal quality and higher efficiency. The placement of the dispersing element at the optical axis of the main optics assembly on the opposite side of the main optics assembly from the fiber array unit and the switching element ensures that the laser beams are evenly and accurately dispersed based on the wavelengths after passing through the main optics assembly. Moreover, the 4f architecture in the dispersion direction allows for precise control and management of the dispersed wavelengths, and the 2f architecture offers efficient and accurate steering of the laser beams.

[0011] In another implementation form, the dispersing element is a grism element. The use of a grism (grating-prism) as the dispersive element provides high dispersion efficiency and compactness.

[0012] In a further implementation form, the main optics assembly, the switching element and the dispersing element are arranged such that laser beams diffracted at the dispersing element are passed through the main optics assembly and are focused on the switching element in separable channel slots. Such a configuration of the switching element and the dispersing element ensures that the laser beams are accurately and efficiently focused onto specific areas of the switching element.

[0013] In a further implementation form, a polarization beam splitter is located between the main optics assembly and the switching element, which focuses laser beams with different polarization into different channel slots. The polarization beam splitter allows for simultaneous operation with two orthogonal polarizations, increasing the overall capacity of the optical wave selective switch device.

[0014] In a further implementation form, the main optics assembly comprises at least 5 cylindrical lenses. The use of at least 5 cylindrical lenses in the main optics assembly provides the necessary optical power and aberration correction for high-performance operation across a wide wavelength range.

[0015] In a further implementation, the dispersing element has a diffraction grating on a back side. Having the diffraction grating on the back side of the dispersive element enables efficient coupling of the diffracted beams back into the main optics assembly, improving overall efficiency of the optical wave selective switch device.

[0016] In a further implementation, the main optics assembly is structured so as to deliver laser beam signals from the fiber array unit to the dispersing element, and also to focus laser beam signals from the dispersing element to the switching element. Such a dual functionality of the main optics assembly simplifies the overall design, reduces the number of components, and improves alignment and efficiency of the optical wave selective switch device.

[0017] In a further implementation, the at least 5 cylindrical lenses are made of different glasses. Using different glasses for the cylindrical lenses helps in correcting chromatic aberrations and improving coupling efficiency across the wide wavelength range.

[0018] In a further implementation form, the diffraction grating is formed on a cylindrical surface of the dispersing element. Forming the diffraction grating on a cylindrical surface enables 2f architecture in switching direction without extra elements / surfaces while still providing the necessary dispersion.

[0019] In a further implementation form, the lenses are arranged perpendicular to and on the optical axis. Arranging the lenses perpendicular to the optical axis minimizes aberrations and improves overall optical performance of the optical wave selective switch device.

[0020] In a further implementation form, a micro-optics block is located between the fiber array unit and the main optics assembly including a Wollaston prism, a microlens arrays, a polarization beam combiner and a halfwave plate. The micro-optics block enables efficient coupling of light from the fiber array unit into the main optics assembly, while also providing polarization control and beam shaping capabilities to the optical wave selective switch device.

[0021] In a further implementation form, the micro-optics block is arranged to convert a circular gaussian beam from the fiber array unit to an elliptical gaussian beam. Converting the circular Gaussian beam from the fiber array unit to an elliptical Gaussian beam improves coupling efficiency and gives more flexibility for designing the subsequent optics.

[0022] In a further implementation form, the micro-optics block is further arranged to convert an unpolarized beam to a polarized beam. Converting the unpolarized beam to the polarized beam is helpful for proper operation of the polarization-sensitive switching element and enables polarization-multiplexed operation.

[0023] In a further implementation form, the micro-optics block produces at least one S-polarized signal and a second micro-optics block produces at least one P-polarized signal, and the at least one S-polarized signal and the at least one P-polarized signal are combined using a polarization beam combiner. Such a configuration allows for a twin wavelength selective switch operation, where two separate polarization channels can be processed and combined, effectively doubling the overall capacity of the optical wave selective switch device.

[0024] It is to be appreciated that all the aforementioned implementation forms can be combined.

[0025] It has to be noted that all devices, elements, circuitry, units, and means described in the present application could be implemented in the software or hardware elements or any kind of combination thereof. All steps which are performed by the various entities described in the present application as well as the functionalities described to be performed by the various entities are intended to mean that the respective entity is adapted to or configured to perform the respective steps and functionalities. Even if, in the following description of specific embodiments, a specific functionality or step to be performed by external entities is not reflected in the description of a specific detailed element of that entity which performs that specific step or functionality, it should be clear for a skilled person that these methods and functionalities can be implemented in respective software or hardware elements, or any kind of combination thereof. It will be appreciated that features of the present disclosure are susceptible to being combined in various combinations without departing from the scope of the present disclosure as defined by the appended claims.

[0026] Additional aspects, advantages, features, and objects of the present disclosure would be made apparent from the drawings and the detailed description of the illustrative implementations construed in conjunction with the appended claims that follow.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0027] The summary above, as well as the following detailed description of illustrative embodiments, is better understood when read in conjunction with the appended drawings. For the purpose of illustrating the present disclosure, exemplary constructions of the disclosure are shown in the drawings. However, the present disclosure is not limited to specific methods and instrumentalities disclosed herein. Moreover, those in the art will understand that the drawings are not to scale. Wherever possible, like elements have been indicated by identical numbers.

[0028] Embodiments of the present disclosure will now be described, by way of example only, with reference to the following diagrams wherein:

[0029] FIG. 1 is a diagram that depicts an optical wave selective switch device, in accordance with an embodiment of the present disclosure;

[0030] FIG. 2 is a diagram that depicts an exploded view of the optical wave selective switch device, in accordance with an embodiment of the present disclosure;

[0031] FIG. 3 is a diagram that depicts a micro-block optics placed between a fiber array unit (FAU) and a main optical assembly, in accordance with an embodiment of the present disclosure;

[0032] FIG. 4 is a diagram that depicts a dual micro-optics block positioned in separate wave selective switches, in accordance with an embodiment of the present disclosure;

[0033] FIG. 5 is a diagram that depicts a side view of the optical wave selective switch device, in accordance with an embodiment of the present disclosure; and

[0034] FIG. 6 is a diagram that depicts a polarization beam splitter placed between a switching element and the main optical assembly, in accordance with an embodiment of the present disclosure.

[0035] In the accompanying drawings, an underlined number is employed to represent an item over which the underlined number is positioned or an item to which the underlined number is adjacent. A non-underlined number relates to an item identified by a  line linking the non-underlined number to the item. When a number is non-underlined and accompanied by an associated arrow, the non-underlined number is used to identify a general item at which the arrow is pointing.DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

[0036] The following detailed description illustrates embodiments of the present disclosure and ways in which they can be implemented. Although some modes of carrying out the present disclosure have been disclosed, those skilled in the art would recognize that other embodiments for carrying out or practicing the present disclosure are also possible.

[0037] FIG. 1 is a diagram that depicts an optical wave selective switch device, in accordance with an embodiment of the present disclosure. With reference to FIG. 1, there is shown an optical wave selective switch device 100 (hereinafter referred to as the device 100) . The device 100 comprises a main optics assembly 102, a switching element 104, a fibre array unit (FAU) 106, a dispersing element 108, and a diffractive optical element (DOE) 114.

[0038] The main optics assembly 102 refers to a collection of optical components designed to manipulate and control light within any optical system. In accordance with an embodiment, the main optics assembly 102 comprises a plurality of lenses and have a focal plane 112 and an optical axis 110 perpendicular to the focal plane. 112. The main optics assembly 102 include a variety of lenses and other optical elements arranged in a specific configuration to achieve desired optical functions, such as focusing, collimating, or directing light beams. The main optics assembly 102 perform focusing and collimating the light. Further, the main optics assembly 102 may perform light path management i.e. the main optics assembly 102 manages the light path, ensuring that light passes through the same optical elements multiple times (quadrupole pass) . Furthermore, the main optics assembly 102 is designed to minimize optical aberrations, ensuring that the light is accurately directed and focused within the device 100. The optical axis 110 is a central line that defines the path along which light travels through the optical elements and the focal plane 112 is a plane where light is focused, and key components like the switching element 104 and output plane of the FAU 106 are positioned in the focal plane 112 to ensure proper light manipulation.

[0039] The device 100 further comprises the switching element 104 for steering laser beams in a switching direction, to specific output ports of the fiber array unit 106, through the main optics assembly 102. The switching element 104 in optical systems is a component designed to control the direction and path of light signals within the device 100. The switching element 104 allows for the routing of light from one input port to one or multiple output ports, effectively managing the flow of optical signals in a controlled manner. In accordance with an embodiment, the switching element 104 is a liquid crystal on silicon (LCoS) element. The LCoS element is a type of spatial light modulator that combines liquid crystal technology with a silicon backing. The LCoS element includes a liquid crystal layer placed on top of a silicon substrate, which includes an array of micro-mirrors or electrodes. The LCoS element operates by applying electrical signals to the liquid crystal layer of the LCoS element. The electrical signals induce changes in the orientation of the liquid crystal molecules, which in turn alters the optical properties of the laser beams passing through or reflected by the element. By controlling the optical properties of the laser beams, the LCoS element or the switching element 104 is configured to steer the laser beams to different output ports of the array of multiple FAUs 106 with a precise alignment. The switching element 104 such as Liquid Crystal on Silicon (LCoS) adjusts the phase of the incoming light, allowing the LCoS to direct the incoming light to the desired output port based on the configured phase pattern.

[0040] The FAU 106 refers to an optical device that contains multiple optical fibers arranged in a precise array. The device 100 further includes the FAU 106 that comprises a plurality of input / output ports for sending / receiving laser beam signals having different bandwidths. The FAU 106 serves as the input / output interface for the device 100, where the FAU 106 sends and receives laser beams with different wavelengths. The FAU 106 is aligned with the main optics assembly 102 and other components like the switching element 104 and the dispersing element 108 to ensure efficient signal routing and minimal optical losses. Further, the FAU 106 plays an important role in the multiplexing and demultiplexing of optical signals, allowing the device 100 to handle multiple wavelengths and channels simultaneously. Some examples of the FAU 106 may include but are not limited to a Single-Mode Fiber Array Unit, a Multi-Mode Fiber Array Unit, a Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) Fiber Array Unit, an Arrayed Waveguide Grating (AWG) Fiber Array Unit, a Ribbon Fiber Array Unit, and the like.

[0041] The device 100 further comprises the dispersing element 108 which disperses laser beam signals which are incident thereon, depending on the wavelength of the laser beam signals. The dispersing element 108 is an optical component used in the device 100 to separate light into its constituent wavelengths or spectral components. The dispersing element 108 operates on the  principle of dispersion, where different wavelengths of light beams are refracted or diffracted at different angles, effectively spreading out the light spectrum. In accordance with an embodiment, the dispersing element 108 is a grism element. The grism element is an optical component that combines the properties of a diffraction grating and a prism. The grism typically consists of a prism with a diffraction grating attached to the surface. The diffraction grating disperses laser beams into the constituent wavelengths, while the prism directs and focuses the dispersed light. The grism element is used to disperse light into its constituent wavelengths with high efficiency and precision. The grism element effectively disperses the input laser beam into its constituent wavelengths, allowing for precise routing of different wavelengths to specific output ports. The grism element’s ability to combine dispersion and refraction in a single element helps in reducing the overall footprint of the device 100, contributing to a more compact and efficient design. Further, by minimizing aberrations and maximizing dispersion efficiency, the grism element enhances the overall performance of the wavelength-selective switch (WSS) , ensuring high coupling efficiency and precise wavelength control.

[0042] In accordance with an embodiment, the dispersing element 108 has a diffraction grating on a back side. In an example, the diffraction grating is made with a groove's density of 2.2 ln / um. Having the diffraction grating on the back side of the dispersing element 108 enables efficient coupling of the diffracted laser beams into the main optics assembly 102, allowing for efficient diffraction and coupling of the optical laser beams, resulting in improved overall optical efficiency and performance of the device 100.

[0043] In accordance with an embodiment, the diffraction grating is formed on a cylindrical surface of the dispersing element 108. In an implementation, the diffraction grating is formed directly on the cylindrical surface of the dispersing element 108. Forming the diffraction grating on the cylindrical surface of the dispersing element 108 enables a more compact and integrated design of the device 100, without compromising the dispersion performance in the switching direction. The cylindrical surface of the dispersing element 108, when combined with the diffraction from the grating element 202, enables a more controlled and effective dispersion of incoming laser beams.

[0044] In accordance with an embodiment, the FAU 106 and the switching element 104 are both located at the focal plane of the main optics assembly 102 on one side, along the optical axis of the main optics assembly 102. The placement of the FAU 106 and the switching element 104 at the focal plane ensures that the laser beams entering and exiting the FAU 106 are accurately focused and directed. The optical axis of the main optics assembly 102 serves as the central reference for the placement of the FAU 106. As the laser beams pass through the lenses of the main optics assembly 102, the laser beams are focused onto the FAU 106, which then directs the beams towards the switching element 104. The switching element 104, situated at the same focal plane, then steers the laser beams to the appropriate output ports. The placement of the FAU 106 and the switching element 104 at the focal plane of the main optics assembly 102 is configured to minimize optical aberrations and losses, thereby resulting in better signal quality and higher coupling efficiency.

[0045] In accordance with an embodiment, the dispersing element 108 is located on the optical axis of the main optics assembly 102 on the opposite side of the main optics assembly 102 from the FAU 106 and the switching element 104. By placing the dispersing element 108 on the opposite side of the main optics assembly 102 from the FAU 106 and the switching element 104, the device 100 ensures that the laser beams passing through the dispersing element 108 are properly dispersed based on the wavelengths of the laser beams. In operation, the main optics assembly 102 directs the incoming laser beams through the lenses of the main optics assembly 102, focusing them onto the FAU 106. The FAU 106 is then configured to send the laser beams to the switching element 104, which is located at the focal plane. Thereafter, the laser beams continue to move through the main optics assembly 102 and are directed towards the dispersing element 108, located on the optical axis on the opposite side. The dispersing element 108 is then configured to separate the laser beams based on the wavelengths of the laser beams, thereby ensuring an effective dispersion of the laser beams, allowing for accurate wavelength separation.

[0046] In accordance with an embodiment, the device 100 has a 4f architecture in a dispersion direction and a 2f architecture in the switching direction. In an implementation, the main optics assembly 102 of the device 100, has the 4f architecture (acts as a 4f optical system) in the dispersion direction, ensuring diffraction-limited performance and minimizing aberrations. The dispersion direction refers to the direction in which the dispersing element 108 separates the different wavelengths of the incoming laser beam signals. The 4f optical system refers to a specific optical configuration where the total optical path length between the input and output planes is four times the focal length (f) of the lenses used. In an implementation, the term "4f" implies the 4f optical system  such as, a first lens is used to collimate the input laser beam, creating a parallel bundle of rays, a second lens is placed at a distance of 2f from the first lens, where f is the focal length of the second lens, a third lens is placed at a distance of 2f from the second lens. The output plane (or image plane) is located at a distance of 2f from the third lens. The 4f optical system forms an image of the input plane at the output plane with a magnification determined by the focal lengths of the plurality of lenses used. The 4f optical system provides telecentric imaging, meaning that chief laser beams at the input and output planes are parallel to the optical axis that is beneficial for applications that require uniform illumination or imaging over a large field of view. By carefully designing the plurality of lenses, the 4f optical system may be optimized to minimize various optical aberrations, such as spherical aberration, coma, and astigmatism, leading to improved image quality. Further, the configuration of the 4f optical system can be scaled to different sizes and wavelengths by adjusting the focal lengths of the optical elements while maintaining the 4f ratio. In the dispersion direction, the 4f architecture is implemented to properly focus the dispersed wavelength channels onto separable channel slots on the switching element 104. The 4f architecture ensures that the diffracted beams from the dispersing element 108 are accurately focused and spatially separated on the switching element 104.

[0047] In an implementation, the main optics assembly 102 of the device 100, has the 2f architecture (acts as a 2f optical system) in the switching direction. The switching direction refers to the direction in which the switching element 104 steers or switches the individual wavelength channels to their respective output ports. The 2f optical system refers to a simpler configuration where the separation between two lenses (or lens groups) is twice the focal length (2f) of one of the lenses (or lens groups) . The 2f optical system is used for magnification or demagnification of an object or image. In the switching direction, the 2f architecture is implemented to enable the switching element 104 to steer or switch the individual wavelength channels to the desired output ports of the FAU 106. The 2f architecture allows for independent control and routing of each wavelength channel in the switching direction. The combination of two architectures (4f in the dispersion direction and 2f in the switching direction) enables the device 100 to efficiently separate, focus, and route the different wavelength channels, while maintaining a compact and integrated design of the device 100.

[0048] The device 100 includes the diffractive optical element (DOE) 114. The DOE 114 refers to a specialized optical component designed to manipulate laser beams through diffraction, which involves the bending and spreading of light waves around obstacles and through apertures. The primary function of the DOE 114 is to control the direction, intensity, and phase of the laser beam signals to achieve several optical effects, such as focusing, beam shaping, or wavelength dispersion. The DOE 114 is composed primarily of a substrate material, such as glass, fused silica, plastic, or semiconductor materials like silicon, that serves as the base. In an implementation, the DOE 114 can be composed of a series of microscopic structures or features etched or patterned onto the substrate. The microscopic structures can be gratings, lenses, holograms, phase plates, beam splitters, apodization filters, and the like.

[0049] In operation, the FAU 106 includes the plurality of input / output ports. The FAU 106 is configured for sending / receiving laser beam signals having different bandwidths. The plurality of input / output ports serve as interfaces for connecting external optical components or systems, enabling the device 100 to handle multiple channels of data from the input laser beams simultaneously. Further, each port of the plurality of input / output ports is specifically designed to accommodate laser beam signals across a range of wavelengths, allowing the device 100 to manage signals with different spectral characteristics. Therefore, the inclusion of the plurality of input / output ports in the FAU 106 allows the device 100 to support a wide range of laser beam signals, thereby increasing the utility of the device 100 in multi-channel systems and complex applications.

[0050] Furthermore, the switching element 104 is configured for steering laser beams in a switching direction, to specific output ports of the FAU 106. The switching element 104 operates by altering the direction of the laser beams, ensuring that each laser beam with a specific wavelength is directed to the correct output port of the FAU 106. In an implementation, the switching element 104 may use mechanisms such as optical switching arrays, liquid crystal on silicon (LCoS) devices, or other optical switching technologies to alter the direction of the laser beams. By enabling a precise steering of laser beams to various output ports, the device 100 is configured to accommodate varying signal paths and configurations, thereby optimizing the functionality of the device 100 in complex operations.

[0051] Furthermore, the dispersing element 108 is configured for dispersing laser beam signals which are incident thereon, depending on the wavelength of the laser beam signals. The dispersing element 108 is configured to utilize multiple optical principles such as diffraction or refraction for dispersing the laser beam signals. In an example, the dispersing element 108 disperses  laser beams by exploiting the variation of different laser beam signals in respect to the refractive index of light or diffraction angles. As the laser beam signals interact with the dispersing element 108, each wavelength is deflected at a different angle, creating a spatial separation of the wavelengths. Thus, the dispersion of the laser beam signals allows subsequent components in the device 100 to process each wavelength separately.

[0052] Furthermore, the DOE 114 comprises a two-dimensional phase mask. The DOE 114 is located adjacent to the switching element 104 and outside of electrodes of the switching element 104 so as to introduce individual phase correction for each wavelength corresponding to respective channels in the device 100. The two-dimensional phase mask of the DOE 114 is designed with a specific phase profile that adjusts the phase of each wavelength of the laser beams individually. As the laser beams pass through the DOE 114, the two-dimensional phase mask introduces the necessary corrections to the laser beams, which ensures that each wavelength is properly aligned and optimized for subsequent processing. The placement of the DOE 114 outside the electrodes of the switching element 104 enables the device 100 to gain a flexibility in phase correction. By positioning the DOE 114 outside the electrodes of the switching element 104, the device 100 gains a higher degree of freedom to correct wavefront aberrations, which is not constrained by the internal structure of the switching element 104.

[0053] In an implementation, the DOE 114 is placed such that the diffractive structure of the DOE 114 is applied on a surface facing the switching element 104. The two-dimensional phase pattern of the DOE 114 is described by the equation: DOEphase =∑i=1..Naiyix2) , where ai are coefficients optimized for a specific wave selective switch, and x and y are coordinates on the DOE surface. In another implementation, the phase pattern may be described by the equation: DOEphase=a0y + a1x2 + a2yx2, where ai are coefficients optimized for a specific wave selective switch, and x and y are coordinates on the DOE surface.

[0054] In an implementation, the DOE 114 is designed to provide focal power variation over the y-axis, in the range from -600 mm to -1800 mm. Furthermore, the DOE 114 is optimized for a CL (Cathodoluminescence) spectral bandwidth, covering wavelengths from 1.52 μm to 1.63 μm. The optimization of the DOE 114 allows the device 100 to effectively manage and correct aberrations across an extended spectral range, significantly improving the overall performance and versatility of the device 100.

[0055] In accordance with an embodiment, the main optics assembly 102 is structured so as to deliver laser beam signals from the FAU 106 to the dispersing element 108, and also to focus laser beam signals from the dispersing element 108 to the switching element 104. In an implementation, the main optics assembly 102 is designed to perform both the functions of delivering the laser beams from the FAU 106 to the dispersing element 108, and also focusing the diffracted beams from the dispersing element 108 onto the switching element 104. The main optics assembly 102 is implemented to enable a more compact and integrated design with fewer optical elements, while still maintaining high optical performance and efficiency. The main optics assembly 102 eliminates the need for separate input / output and switching blocks, reducing complexity and improving alignment of the device 100.

[0056] In accordance with an embodiment, the main optics assembly 102, the switching element 104, and the dispersing element 108 are arranged such that laser beams diffracted at the dispersing element 108 are passed through the main optics assembly 102 and are focused on the switching element 104 in separable channel slots. In an implementation, the laser beams from the FAU 106 pass through the main optics assembly 102 and get dispersed by the dispersing element 108. Further, the laser beams pass back through the main optics assembly 102 to be focused on the switching element 104 in separable channel slots corresponding to different wavelengths. By focusing the dispersed wavelengths onto separate channel slots on the switching element 104, the switching element 104 can independently steer each wavelength channel to the desired output port. Such an arrangement enables efficient wavelength-based routing and switching of optical signals in a compact and integrated design while maintaining high optical performance and efficiency of the device 100.

[0057] The device 100 can handle multiple channels of data, precise beam steering, efficient wavelength dispersion, accurate phase correction, minimized optical aberrations, and high coupling efficiency. The capability to handle multiple channels of data allows the device 100 to manage a variety of laser beam signals simultaneously, enabling complex optical communications and signal processing tasks. The inclusion of the FAU 106 with multiple input / output ports enables an efficient handling of the laser beam signals with different bandwidths, thereby enhancing the versatility and performance of the optical wave selective switch device. The switching element 104 is configured to steer the laser beams to specific output ports, providing precise control over the signal direction and improving accuracy and efficiency of signal routing. The dispersing element 108 is configured to separate the laser beam signals based on the wavelength, enabling the optical wave selective switch device to manage multiple laser beam  signals simultaneously. The placement of the DOE 114 with a two-dimensional phase mask adjacent to the switching element offers significant correction in the wavefront. Furthermore, by positioning the DOE 114 outside the electrodes of the switching element 104, the device 100 ensures individual phase correction for each wavelength.

[0058] In an implementation, the FAU 106 may include an array of multiple FAUs. The array of multiple FAUs refers to a configuration where several Fiber Array Units (FAUs) are arranged in a structured manner within the device 100. Each FAU 106 from the array of multiple FAUs consists of a bundle of optical fibers, allowing for multiple input and output channels for laser beam signals. Further, the array of multiple FAUs allows the device 100 to handle numerous input and output channels simultaneously, providing greater flexibility and scalability for optical signal processing. The combination of multiple FAUs 106, an LCoS switching element 104, and the grism dispersing element 108, along with the arrangement of such components, ensures high performance, flexibility, and scalability in optical signal processing.

[0059] The device 100 ingeniously combines the input / output fiber array unit 106 and the switching element 104 into a single shared main optics assembly 102, achieving a remarkable reduction in the number of required lenses. Specifically, for the high-capacity CL band TWIN configuration with 1x64 ports, only 5 cylindrical lenses are needed in the main optics assembly 102, as opposed to the numerous lenses required in prior art approaches to correct aberrations in separate input / output and switching blocks. The simplified layout of the device 100 not only enhances optical alignment and reduces manufacturing costs but also increases the efficiency of the dispersing element 108. By minimizing the difference between the incident angle at the grating and the diffracted bundle of rays, the device 100 operates closer to the optimal Littrow configuration, thereby maximizing the diffraction efficiency.

[0060] Moreover, the device's 100 design results in a substantially reduced footprint, with the optics fitting within a compact volume (e.g. 90x110x10 mm3, which is approximately half the size expected without the present disclosure) . The compact form factor is particularly advantageous in space-constrained applications. Additionally, the device 100 exhibits remarkable scalability, seamlessly accommodating various port configurations, including 4, 9, 20, 32, and 64 ports, thereby offering flexibility and adaptability to diverse network requirements.

[0061] FIG. 2 is a diagram that depicts an exploded view of the optical wave selective switch device, in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is described in conjunction with elements from FIG. 1. With reference to FIG. 2, diagram 200 shows the exploded view of the device 100, that includes the FAU 106, the dispersing element 108, the main optics assembly 102, the DOE 114, the switching element 104, and the grating element 202.

[0062] In an implementation, the dispersing element 108 comprises the grating element 202. The grating element 202 refers to an optical component designed to diffract laser beam signals into the constituent wavelengths of the laser beams. The grating element 202 typically consists of a surface with a regular pattern of lines or grooves. The lines or grooves create an interference pattern when the laser beam passes through or reflects off the grating element 202, causing the laser beam to spread out into a spectrum of colours or wavelengths. In an implementation, when the laser beam interacts with the grating element 202, the laser beam is diffracted, that is the laser beam is separated into multiple laser beams of different wavelengths. The dispersion allows the device 100 to process each wavelength individually, facilitating tasks such as wavelength routing, switching, and filtering.

[0063] FIG. 3 is a diagram that depicts a micro-optics block placed in between a fiber array unit (FAU) and a main optical assembly, in accordance with an embodiment of the present disclosure. With reference to FIG. 3, there is shown a micro-optics block 300 that is placed in between the FAU 106 and the main optics assembly 102.

[0064] In accordance with an embodiment, a micro-optics block 300 includes a Wollaston prism 306, a microlens arrays 302, a polarization beam combiner 312, and an optical element 308 that adds half wave delay in a one of the two beams separated by the Wollaston prism 306. The optical element 308 refers to a plate having a half part of back surface working as a half-wave plate. The Wollaston prism 306 refers to an optical element that splits an incoming light beam into two orthogonally polarized outgoing beams. The Wollaston prism 306 is used to separate or combine polarization states. The microlens arrays 302 refers to arrays of tiny lenses, typically used for beam shaping, collimating, or focusing light from optical fibers or other sources. The polarization beam combiner 312 refers to an optical component, likely a polarizing beam splitter cube or plate, that combines or splits beams of different polarizations (e.g., S and P polarizations) . The optical element 308 introduces (λ / 2) optical path difference in one of the splitted beams, thereby the optical element 308 converts the unpolarized source into either S or P polarized. Having two such sources with orthogonal polarizations and combining them with the polarization beam combiner 312 makes the TWIN.

[0065] The micro-optics block 300 further includes a first cylindrical lens 304, and a second cylindrical lens 310. The micro-optics block 300 is implemented to enable efficient coupling of light from the fiber array unit 106 into the main optics assembly 102, while also providing polarization control and beam shaping capabilities. The micro-optics block 300 allows for efficient coupling of the input beams from the fiber array unit 106, while also enabling polarization control, beam shaping, and polarization multiplexing (for TWIN WSS operation) , improving the overall performance and functionality of the device 100.

[0066] In accordance with an embodiment, the micro-optics block 300 is arranged to convert a circular gaussian beam from the fiber array unit 106 to an elliptical gaussian beam. In an implementation, the micro-optics block 300 allows to convert the circular gaussian beam from the FAU 106 into the elliptical gaussian beam. Converting the circular Gaussian beam from the FAU 106 to an elliptical Gaussian beam is implemented to improve coupling efficiency and reduce aberrations in the subsequent optics. By converting the circular gaussian beam to the elliptical gaussian beam, the device 100 improves the coupling efficiency of the input beams into the main optics assembly 102, while also reducing aberrations and improving overall image quality and optical performance of the device 100.

[0067] In accordance with an embodiment, the micro-optics block 300 is further arranged to convert an unpolarized beam to a polarized beam. In an implementation, the micro-optics block 300 allows to convert unpolarized beam into an S or P polarized beam. Converting the unpolarized beam to the polarized beam is implemented for proper operation of the polarization-sensitive switching element 104 (LCoS) and enables polarization-multiplexed operation of the device 100. The technical effect of polarizing the input beam is that it enables the use of polarization-based switching and routing mechanisms, allowing for efficient and independent control of orthogonal polarization channels, effectively doubling the overall capacity of the device 100.

[0068] FIG. 4 is a diagram that depicts a dual micro-optics block positioned in separate wave selective switches, in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG. 4 is described in conjunction with elements from FIG. 3. With reference to FIG. 4, diagram 400 shows a micro-optics block 300 and a second micro-optics block 402. The micro-optics block 300 and the second micro-optics block 402 are combined to enable simultaneous processing of orthogonally polarized signals. In an implementation, the micro-optics block 300 is configured to produce an S-polarized signal and the second micro-optics block 402 is configured to produce a P-polarized signal.

[0069] In accordance with an embodiment, the micro-optics block 300 produces at least one S-polarized signal 314 and the second micro-optics block 402 produces at least one P-polarized signal 316, and the at least one S-polarized signal 314 and the at least one P-polarized signal 316 are combined using a polarization beam combiner 312. The micro-optics block 300 is implemented to enable a twin wavelength selective switch operation, where two separate polarization channels can be processed and combined, effectively doubling the overall capacity of the device 100. By enabling dual micro-optics block in the device 100, the device 100 effectively doubles its capacity by simultaneously processing two independent polarization channels. The combined beam can then be directed to subsequent components of the device 100, such as the main optics assembly 102 and the dispersing element 108, for further processing and routing.

[0070] FIG. 5 is a diagram that depicts a side view of the optical wave selective switch device, in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG. 5 is described in conjunction with elements from FIG. 1. With reference to FIG. 5, diagram 500 shows a side view of the device 100, showing the overall arrangement and optical path of the laser beams in the dispersion direction (YOZ) . The diagram 500 comprises a glass block 502, at least 5 cylindrical lenses 504A-504E, input / output port 506 of the FAU 106, channels 508, the switching element 104, and the dispersing element 108.

[0071] In an implementation, the glass block 502 may be a polarization beam splitter. The polarization beam splitter (PBS) is located between the main optics assembly 102 and the switching element 104. The PBS focuses the S-polarized and P-polarized beams from the two separate micro-optics blocks (for TWIN WSS operation) into different channel slots on the switching element 104.

[0072] In accordance with an embodiment, the main optics assembly 102 comprises at least 5 cylindrical lenses 504A-504E. The at least 5 cylindrical lenses 504A-504E are implemented to provide the necessary optical power and aberration correction for high-performance operation across a wide wavelength range (for example, wavelength range (CL band) , from 1.5245 to 1.6267 μm) . By using the at least 5 cylindrical lenses 504A-504E in the main optics assembly 102, the device 100 enables efficient coupling and focusing of the optical laser beams, while minimizing aberrations and maintaining high optical quality over the entire operating wavelength range.

[0073] In accordance with an embodiment, the at least 5 cylindrical lenses 504A-504E are made of different glasses. In an implementation, the at least 5 cylindrical lenses 504A-504E are made of different glasses, such as F_SILICA, SILICON, and N-BK10. Different glasses for the at least 5 cylindrical lenses 504A-504E are used for correcting chromatic aberrations and improving image quality across the wide wavelength range (CL band) that the device 100 is designed to operate in. By using different glasses for the at least 5 cylindrical lenses 504A-504E, the device 100 enables better correction of chromatic aberrations, resulting in improved image quality and optical performance over the entire operating wavelength range.

[0074] In accordance with an embodiment, the lenses 504A-504E are arranged perpendicular to and on the optical axis. In an implementation, the at least 5 cylindrical lenses 504A-504E are perpendicular to the optical axis to minimize optical aberrations in the device 100. The perpendicular arrangement of the at least 5 cylindrical lenses 504A-504E on the optical axis is implemented to minimize aberrations and improve overall optical performance of the device 100. By arranging the lenses perpendicular to the optical axis, the device 100 reduces off-axis aberrations, such as coma and astigmatism, resulting in improved image quality and optical performance of the device 100.

[0075] The dotted lines in the diagram 500 represent the optical path of the laser beams pointing in the channels 508, that follow the quadruple pass design. The laser beam signals from the input / output port 506 of the FAU 106 first pass through the main optics assembly 102 and then get dispersed by the dispersing element 108 in the dispersion direction (YOZ) . The dispersed laser beams then pass back through the main optics assembly 102 and get focused onto separable channel slots on the switching element 104.

[0076] In an example, only 5 channels 508 and one output port 506 are shown in FIG. 5. The 5 channels 508 may correspond to wavelengths such as 1.52450 um, 1.54390 um, 1.57395 um, 1.61051 um, and 1.62671 um. The device 100 may comprise up to 250 channels covering CL spectral bandwidth and up to 64 output ports placed in a line together. In an implementation, a pitch between ports may be 80 um.

[0077] FIG. 6 is a diagram that depicts a polarization beam splitter placed between a switching element and the main optical assembly, in accordance with an embodiment of the present disclosure. With reference to FIG. 6, there is shown the polarization beam splitter (PBS) 600 that is placed in between the dispersing element 108 and the main optics assembly 102 of the device 100. The PBS 600 comprises a polarisation splitter 602, Quarter-Wave Plate (QWP) +Mirror 604, and a mirror 606.

[0078] The polarisation splitter 602 refers to a polarisation mirror or coating that reflects one polarization state (e.g. s-polarization) and transmits the orthogonal polarization state (e.g. p-polarization) . The QWP refers to a birefringent optical element that introduces a quarter-wave (λ / 4) optical path difference between orthogonal polarization components. The QWP is combined with the mirror to rotate the polarization state of the reflected beam. The mirror 606 refers to a regular mirror that reflects the light beam towards the dispersing element 108 after the polarization state has been modified by the QWP+Mirror 604. A path 608 represents a path for the combined polarization states towards the dispersing element 108 from the micro-optics block 616. A path 610 represents a path for one polarization state (e.g. s-polarized) from the micro-optics block 616. A path 612 represents a path for the orthogonal polarization state (e.g. p-polarized) from the micro-optics block 616. A path 614 represents a path for another polarization state received from the second micro-optics block 618.

[0079] In accordance with an embodiment, the polarization beam splitter 600 is located between the main optics assembly 102 and the dispersing element 108, which focuses laser beams with different polarization into different channel slots. In an implementation, the polarization beam splitter (PBS) 600 is introduced between the main optics assembly 102 and the dispersing element 108. The PBS 600 is used to focus the S-polarized and P-polarized laser beams from the two separate micro-optics blocks (for TWIN WSS operation) into different channel slots on the dispersing element 108. The PBS 600 is implemented to enable simultaneous operation with two orthogonal polarizations, effectively doubling the overall capacity of the device 100. By using the PBS 600, the device 100 allows for polarization-multiplexed operation, where two separate polarization channels can be processed and switched independently, increasing the overall capacity and throughput of the device 100.

[0080] Modifications to embodiments of the present disclosure described in the foregoing are possible without departing from the scope of the present disclosure as defined by the accompanying claims. Expressions such as “including” , “comprising” , “incorporating” , “have” , “is” used to describe, and claim the present disclosure are intended to be construed in a non-exclusive manner, namely allowing for items, components or elements not explicitly described also to be present. Reference to the singular is also to be construed to relate to the plural. The word “exemplary” is used herein to mean “serving as an example, instance, or illustration” . Any embodiment described as “exemplary” is not necessarily to be construed as preferred or advantageous over other  embodiments or to exclude the incorporation of features from other embodiments. The word “optionally” is used herein to mean “is provided in some embodiments and not provided in other embodiments” . It is appreciated that certain features of the present disclosure, which are, for clarity, described in the context of separate embodiments, may also be provided in combination in a single embodiment. Conversely, various features of the invention, which are, for brevity, described in the context of a single embodiment, may also be provided separately or in any suitable combination or as suitable in any other described embodiment of the disclosure.

Claims

1.An optical wave selective switch device (100) comprising:a fiber array unit (106) comprising a plurality of input / output ports for sending / receiving laser beam signals having different bandwidths;a switching element (104) for steering laser beams in a switching direction, to specific output ports of the fiber array unit (106) ;a dispersing element (108) which disperses laser beam signals which are incident thereon, depending on the wavelength of the laser beam signals; andwherein a diffractive optical element (114) with a two-dimensional phase mask is located adjacent to the switching element (104) and outside of electrodes of the switching element (104) to introduce individual phase correction for each wavelength corresponding to respective channels in the optical wave selective switch device (100) .2.The device (100) of claim 1, further comprising a main optics assembly (102) comprising a plurality of lenses and having a focal plane and an optical axis perpendicular to the focal plane,wherein the fiber array unit (106) and the switching element (104) are both located at the focal plane of the main optics assembly (102) on one side, along the optical axis of the main optics assembly (102) ;wherein the dispersing element (108) is located on the optical axis of the main optics assembly (102) on the opposite side of the main optics assembly (102) from the fiber array unit (106) and the switching element (104) ; andwherein the device (100) has a 4f architecture in a dispersion direction and a 2f architecture in the switching direction.3.The device (100) of claim 1, wherein the switching element (104) is a liquid crystal on silicon element.4.The device (100) of claim 1, wherein the dispersing element (108) is a grism element.5.The device (100) of claim 2, wherein the main optics assembly (102) , the switching element (104) and the dispersing element (108) are arranged such that laser beams diffracted at the dispersing element (108) are passed through the main optics assembly (102) and are focused on the switching element (104) in separable channel slots.6.The device (100) of claim 2, wherein a polarization beam splitter is located between the main optics assembly (102) and the switching element (104) , which focuses laser beams with different polarization into different channel slots.7.The device (100) of claim 2, wherein the main optics assembly (102) comprises at least 5 cylindrical lenses (504A-504E) .8.The device (100) of claim 1, wherein the dispersing element (108) has a diffraction grating on the back side.9.The device (100) of claim 2, wherein the main optics assembly (102) is structured so as to deliver laser beam signals from the fiber array unit (106) to the dispersing element (108) , and also to focus laser beam signals from the dispersing element (108) to the switching element (104) .10.The device (100) of claim 7, wherein the at least 5 cylindrical lenses are made of different glasses.11.The device (100) of claim 8, wherein the diffraction grating is formed on a cylindrical surface of the dispersing element (108) .12.The device (100) of claim 7, wherein the lenses are arranged perpendicular to and on the optical axis (110) .13.The device (100) of claim 2, wherein a micro-optics block (300) is located between the fiber array unit (106) and the main optics assembly (102) including a Wollaston prism (306) , a microlens arrays (302) , a polarization beam combiner (312) , and a halfwave plate.14.The device (100) of claim 13, wherein the micro-optics block (300) is arranged to convert a circular gaussian beam from the fiber array unit (106) to an elliptical gaussian beam.15.The device (100) of claim 14, wherein the micro-optics block (300) is further arranged to convert an unpolarized beam to a polarized beam.16.The device (100) of claim 13, wherein the micro-optics block (300) produces at least one S-polarized signal (314) , and a second micro-optics block produces at least one P-polarized signal (316) , and the at least one S-polarized signal (314) and the at least one P-polarized signal (316) are combined using the polarization beam combiner (312) .

Images