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随着全光网的发展，可编程波长选择开关(WSS)作为光交换节点中新一代可重构光分插复用器(ROADM)与光交叉连接器(OXC)的核心光学器件之一，具有波长无关、方向无关、竞争无关、灵活格栅等丰富的全光信号处理功能。具备高端口数的WSS可以极大地降低全光网中多维光节点的建造、运行和维护成本以及系统组成复杂性，此外WSS的精细光谱操控能力可大幅度提升光节点的网络扩展功能和组网灵活性。目前商用WSS主流端口数仅为1×20端口，最小通道带宽为10GHz，光谱调谐精度为1GHz，因此更高端口数与精细光谱操控能力的WSS对开展智能弹性光网络中多维光交叉连接节点技术的研究具有重大意义。
本文针对现阶段WSS受液晶空间光调制器像素密度、输入/输出端口的设计与制备以及光学系统设计与成像质量等多重因素制约而存在的端口数不足、光谱分辨率受限、任意多路广播功能等科学技术问题，通过使用4K分辨率液晶空间光调制器、改进光学系统设计并对其内部光学元件进行优化，最终实现了插损10dB以内，光谱调谐精度7.5±1pm、最小通道带宽8.34GHz并具备信号多路广播功能的1×120端口可编程波长选择开关。论文主要完成的工作如下：
1．完成了WSS系统中光束通过多个光学元件时光场演化的计算。对单模光纤端面出射的高斯光束进行光场分析，计算了使用不同焦距微透镜时光纤耦合微透镜系统的出射光场的分布。模拟了WSS系统中光束从光纤端面出射到被液晶空间光调制器反射后耦合进入输出光纤的光场变化，获得了微透镜结构对WSS系统中输入/输出端口损耗的影响，为WSS系统中光纤耦合微透镜阵列的设计提供理论基础。
2.完成了127μm间距的128端口高精度光纤耦合微透镜阵列的研制。根据WSS中液晶空间光调制器的有效面积与对入射光束的偏转范围，设计并制作了间距为127μm的128端口微透镜阵列。提出并搭建了一种光纤耦合微透镜阵列的实时损耗检测与耦合系统，随后利用该系统对光纤阵列与微透镜阵列进行精密对准后使用紫外固化胶粘合，最终完成了128端口光纤耦合微透镜阵列的制作。
3.研究了液晶空间光调制器的衍射特性及其光束指向特性与效率。利用液晶材料的电光特性分析了液晶空间光调制器的工作原理与光束偏转特性，推导了相位灰度图单个周期内像素数量对液晶衍射光场能量分布的影响。对4K分辨率的液晶空间光调制器进行了灰度与相位响应曲线的校准，并测量了液晶将衍射光束偏转不同角度时的衍射效率。
4.针对WSS的光学系统结构需求利用模态法对衍射光栅进行了逆向设计，推导了当TE/TM线偏振光入射时满足-1级衍射光闪耀的多种光栅结构，然后利用严格耦合波法对满足要求的衍射光栅结构进行了不同波长与不同入射角下衍射效率的计算。利用1200线/mm光栅具备入射角容忍度高的特点对WSS光路结构进行了优化，有效提高了WSS的光谱操控精度。
5.通过对WSS光路结构进行重新设计与优化，搭建了1×120端口的波长选择开关系统，实现了对输入光信号中各频率分量从任意端口输出的功能，并通过不断优化光路使100个输出端口整体损耗为7.5~8.5dB，实现了小于10GHz的最小通道带宽、亚GHz调谐精度的光谱操控能力。
6.提出了WSS对输入光信号按照任意能量比多路广播的三步混合算法。通过建立WSS中液晶空间光调制器与输出端口平面的光束变换模型，提出了一种满足端口尺寸为127μm范围内能量分布的高精度采样与零填充方法，并在此基础上对传统迭代傅里叶算法、遗传算法、粒子群算法进行混合与改进，提出了适合应用在256级非连续型相位的液晶空间光调制器上的三步混合算法，实现了液晶空间光调制器对入射波束的任意多路广播功能。
本文针对现阶段WSS受液晶空间光调制器像素密度、输入/输出端口的设计与制备以及光学系统设计与成像质量等多重因素制约而存在的端口数不足、光谱分辨率受限、任意多路广播功能等科学技术问题，通过使用4K分辨率液晶空间光调制器、改进光学系统设计并对其内部光学元件进行优化，最终实现了插损10dB以内，光谱调谐精度7.5±1pm、最小通道带宽8.34GHz并具备信号多路广播功能的1×120端口可编程波长选择开关。论文主要完成的工作如下：
1．完成了WSS系统中光束通过多个光学元件时光场演化的计算。对单模光纤端面出射的高斯光束进行光场分析，计算了使用不同焦距微透镜时光纤耦合微透镜系统的出射光场的分布。模拟了WSS系统中光束从光纤端面出射到被液晶空间光调制器反射后耦合进入输出光纤的光场变化，获得了微透镜结构对WSS系统中输入/输出端口损耗的影响，为WSS系统中光纤耦合微透镜阵列的设计提供理论基础。
2.完成了127μm间距的128端口高精度光纤耦合微透镜阵列的研制。根据WSS中液晶空间光调制器的有效面积与对入射光束的偏转范围，设计并制作了间距为127μm的128端口微透镜阵列。提出并搭建了一种光纤耦合微透镜阵列的实时损耗检测与耦合系统，随后利用该系统对光纤阵列与微透镜阵列进行精密对准后使用紫外固化胶粘合，最终完成了128端口光纤耦合微透镜阵列的制作。
3.研究了液晶空间光调制器的衍射特性及其光束指向特性与效率。利用液晶材料的电光特性分析了液晶空间光调制器的工作原理与光束偏转特性，推导了相位灰度图单个周期内像素数量对液晶衍射光场能量分布的影响。对4K分辨率的液晶空间光调制器进行了灰度与相位响应曲线的校准，并测量了液晶将衍射光束偏转不同角度时的衍射效率。
4.针对WSS的光学系统结构需求利用模态法对衍射光栅进行了逆向设计，推导了当TE/TM线偏振光入射时满足-1级衍射光闪耀的多种光栅结构，然后利用严格耦合波法对满足要求的衍射光栅结构进行了不同波长与不同入射角下衍射效率的计算。利用1200线/mm光栅具备入射角容忍度高的特点对WSS光路结构进行了优化，有效提高了WSS的光谱操控精度。
5.通过对WSS光路结构进行重新设计与优化，搭建了1×120端口的波长选择开关系统，实现了对输入光信号中各频率分量从任意端口输出的功能，并通过不断优化光路使100个输出端口整体损耗为7.5~8.5dB，实现了小于10GHz的最小通道带宽、亚GHz调谐精度的光谱操控能力。
6.提出了WSS对输入光信号按照任意能量比多路广播的三步混合算法。通过建立WSS中液晶空间光调制器与输出端口平面的光束变换模型，提出了一种满足端口尺寸为127μm范围内能量分布的高精度采样与零填充方法，并在此基础上对传统迭代傅里叶算法、遗传算法、粒子群算法进行混合与改进，提出了适合应用在256级非连续型相位的液晶空间光调制器上的三步混合算法，实现了液晶空间光调制器对入射波束的任意多路广播功能。