CN104155723A - 一种基于楔形液晶盒的光交换模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于楔形液晶盒的光交换装置，包括输入光纤准直器、第一偏振转换组件、第一光栅、第一透镜、楔形液晶盒、第二透镜、第二光栅、第二偏振转换组件和输出光纤准直器阵列；输入光纤准直器设置在第一透镜的光轴上，第一光栅与楔形液晶盒分别设置于第一透镜的前后焦面上；输出光纤准直器阵列离轴设置于第二透镜的出射光路侧；第二偏振转换组件设置于输出光纤准直器阵列与第二光栅之间；通过调节施加在楔形液晶盒上电场的大小改变楔形液晶盒的出射光与第二透镜的光轴之间的夹角从而改变第二透镜的出射光与光轴之间的距离；本发明通过楔形液晶盒与适当的光学系统设计，对输入光信号中任一波长均产生多个可选择的输出端口，实现波长选择开关功能。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种基于楔形液晶盒的波长选择开关。
背景技术
随着人们对通信带宽需求的增长和通信业务的日益复杂化，电信运营商对光通信网络配置的灵活性提出更高的要求，基于波分复用技术和可重构光分插复用技术的智能化光网络得到迅速发展。光开关与波长选择开关是光通信系统中的重要器件和模块，在智能化光网络中得到越来越普遍的应用。与电开关相比，光开关与波长选择开关不经过“光-电-光”转换，能够提高网络的可靠性与灵活性，是实现全光网络必需的器件。
光开关是一种具有一个或多个输入/输出端口的光器件，它可以在输入/输出端口之间实现光信号的线路交换，利用光开关可以在光网络中实现光交叉连接、线路自愈保护等功能。而波长选择开关也是一种具有一个或多个输入/输出端口的光器件，它可以在输入/输出端口之间实现波长粒度的线路交换，利用波长选择开关可以组成功能灵活的可重构光分插复用节点，对提高智能化光网络的性能至关重要。光开关和波长选择开关的区别在于，前者对光信号的交换是波长无关的，一个输入端口的所有光波长，只能同时交换到同一个输出端口中；后者对光信号的交换是波长相关的，一个输入端口的不同光波长，可以分别交换到不同输出端口中。
光开关的常用技术方案有机械式光开关、热光开关、磁光开关、电光开关、MEMS(微电机系统)光开关、波导型光开关等等，波长选择开关的常用技术方案有MEMS、LCOS(硅基液晶)、液晶等等。其中现有基于液晶技术的波长选择开关，它是通过一个液晶单元与一个双折射楔形棱镜相配合，通过液晶单元控制光束的偏振方向，让光束以o光或者e光通过双折射楔形棱镜，产生不同的偏转角度，再通过一定的光学系统设计，实现对光束输出端口的选择和交换。该方案的特点是，光信号通过一个液晶单元+双折射楔形棱镜组合结构，只能选择两个可能的输出端口，为了选择多个可能的输出端口(比如8个)，需要将3个这样的组合结构串联起来，因此器件的端口扩展性较差，难以实现大端口数的波长选择开关。
液晶材料具有一种电控双折射特性，通过外加电场可以改变液晶材料的折射率，据此可以制作楔形液晶盒，即可以通过外加电场调节光路的偏转角。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于楔形液晶盒实现波长选择开关功能的波长选择开关。
本发明提供的基于楔形液晶盒的光交换装置，包括输入光纤准直器、第一偏振转换组件、第一光栅、第一透镜、楔形液晶盒、第二透镜、第二光栅、第二偏振转换组件和输出光纤准直器阵列；所述输入光纤准直器设置在第一透镜的光轴上，所述第一光栅与所述楔形液晶盒分别设置于第一透镜的前、后焦面上；所述第一偏振转换组件设置于输入光纤准直器与第一光栅之间；所述第二透镜与第一透镜共轴；所述楔形液晶盒与所述第二光栅分别置于第二透镜的前后焦面上；所述输出光纤准直器阵列离轴设置于第二透镜的出射光路侧；所述第二偏振转换组件设置于输出光纤准直器阵列与第二光栅之间；输入光纤准直器输出的光经过第一偏振转换组件后成为两束e光，分别进入第一光栅色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，2m路光经过第一透镜后分别作为楔形液晶盒的入射光，楔形液晶盒的出射光作为第二透镜的入射光，第二透镜的出射光与光轴之间的距离r'＝(n-1)αf；通过调节施加在楔形液晶盒上电场的大小改变楔形液晶盒的出射光与第二透镜的光轴之间的夹角θ8从而改变第二透镜的出射光与光轴之间的距离；其中，f为第一透镜与第二透镜的焦距，α为楔形液晶盒的楔角，n为楔形液晶盒的折射率。
本发明还提供了一种基于楔形液晶盒的光交换装置，包括输入光纤准直器、第一偏振转换组件、第一光栅、第一透镜、楔形液晶盒和输出光纤准直器阵列；在所述楔形液晶盒的平面上镀有反射膜；所述输入光纤准直器设置在所述第一透镜的光轴上，所述第一光栅与所述楔形液晶盒分别设置于第一透镜的前后焦面上；所述第一偏振转换组件设置于输入光纤准直器与第一光栅之间；输出光纤准直器阵列与所述输入光纤准直器处于同一个水平面设置；输入光纤准直器输出的光经过第一偏振转换组件后成为两束e光，分别进入第一光栅色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，2m路光经过第一透镜后分别作为楔形液晶盒的入射光，楔形液晶盒由于平面上镀有反射膜，光路反向出射，再通过第一透镜后，出射光与光轴之间的距离r＝(2n-2)αf；通过调节施加在楔形液晶盒上电场的大小改变楔形液晶盒的出射光与第一透镜的光轴之间的夹角θ7，从而改变第二透镜的出射光与光轴之间的距离；其中，f为第一透镜的焦距，α为楔形液晶盒的楔角，n为楔形液晶盒的折射率。
本发明提出一种基于楔形液晶盒的光交换模块结构，通过楔形液晶盒与适当的光学系统设计，将楔形液晶盒制成阵列式结构，输入的波分复用光信号中的不同波长，通过一个光栅色散展开在阵列的不同单元上，可以对每个波长的输出端口进行独立的控制，从而实现波长选择开关功能。
本发明提出的一种基于楔形液晶盒的波长选择开关，包括输入光纤准直器、偏振转换组件、光栅、透镜、楔形液晶盒以及输出光纤准直器阵列，其中光栅与楔形液晶盒分别置于透镜的前后焦平面上。来自输入光纤准直器的光经过偏振转换组件后成为两束e光，再经过光栅色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，经过透镜后进入楔形液晶盒，然后偏转一定的角度反射或透射，最后输出。通过电压调节楔形液晶盒的折射率可以使所需波长进入任意的输出光纤准直器中，从而实现波长选择开关的功能。
附图说明
图1为液晶的电光效应示意图。
图2为楔形液晶盒结构图。
图3为楔形液晶盒透射式结构光路图。
图4为楔形液晶盒反射式结构光路图。
图5为基于楔形液晶盒的波长选择开关的透射式结构俯视图。
图6为基于楔形液晶盒的波长选择开关的透射式结构侧视图。
图7为基于楔形液晶盒的波长选择开关的反射式结构俯视图。
图8为基于楔形液晶盒的波长选择开关的反射式结构侧视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种基于楔形液晶盒的光交换模块结构，通过楔形液晶盒与适当的光学系统设计，将楔形液晶盒制成阵列式结构，输入的波分复用光信号中的不同波长，通过一个光栅色散展开在阵列的不同单元上，可以对每个波长的输出端口进行独立的控制，从而实现波长选择开关功能。
本发明提出的一种基于楔形液晶盒的波长选择开关，包括输入光纤准直器、偏振转换组件、光栅、透镜、楔形液晶盒以及输出光纤准直器阵列，其中光栅与楔形液晶盒分别置于透镜的前后焦平面上。来自输入光纤准直器的光经过偏振转换组件后成为两束e光，再经过光栅色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，经过透镜后进入楔形液晶盒,然后偏转一定的角度反射或透射，最后输出。通过电压调节楔形液晶盒的折射率可以使所需波长进入任意的输出光纤准直器中，从而实现波长选择开关的功能。
本发明的主要思想是使用液晶材料做成楔形，由于液晶材料的电光特性，其折射率可以受所加电压调节，从而可以调节光路的偏转角，进而实现波长选择开关的功能。
现结合附图对本发明做进一步描述：
如图1所示，在向列相液晶中，在外部电场驱动下，液晶分子指向矢与电场成夹角θ，此时会发生双折射现象。当非常光e光波法线与电场同向时，其折射率n2可用下式表示：其中no为寻常光o光的折射率，ne为e光在液晶分子指向矢垂直于电场方向时的折射率，而角θ取决于外加电场的大小，因此可以通过电场调节液晶材料的折射率。
如图2，基于液晶材料的电光效应，使用液晶材料做成楔形，楔形液晶盒呈阵列式排布，每一单元可以分别调节，通过设计适当的光学系统使得不同的波长入射至不同的单元上，可以对每个波长进行独立的控制，从而实现波长选择开关的功能。
如图3与图4分别为楔形液晶盒透射式结构光路图与反射式结构光路图，通过电压控制楔形液晶盒折射率为n，光路由楔形液晶盒斜面入射，入射时有：反射镜反射前后：θ4＝θ3(3)；反射光出射：θ6＝nθ5；(4)又由几何关系：θ1＝α；(5)θ3＝α-θ2；(6)θ5＝α+θ4；(7)联立可以得到：θ6＝(2n-1)α(8)；
即反射光与水平方向的夹角为：θ7＝θ6-α＝(2n-2)α(9)；其中α为楔形液晶盒的楔角。
直接透射时，有：θ8＝nθ3(10)；可得透射光与水平方向的夹角为：θ8＝(n-1)α(11)。
从式(9)与式(11)可以看到，无论是透射式或反射式，通过电压改变楔形液晶盒的折射率n，可以控制光束的偏转角度，从而控制输出光束的输出位置，控制任意波长的光束进入任一输出光纤准直器，这样就实现了波长选择开关的功能。另外θ7＝2θ8，表明反射式结构的调节范围为透射式的2倍。由于楔形液晶盒的折射率n连续可调，因此输出位置r也连续可变，本发明具有连续可调的优点。
如图5与图6，为基于楔形液晶盒的波长选择开关的透射式结构示意图，包括输入光纤准直器111、第一偏振转换组件112、第一光栅113、第一透镜114、楔形液晶盒115、第二透镜214、第二光栅213、第二偏振转换组件212和输出光纤准直器阵列211，其中光栅113与楔形液晶盒115分别置于透镜114的前后焦平面上，楔形液晶盒115与光栅213分别置于透镜214的前后焦平面上，偏振转换组件由位移晶体与半波片组成，功能为将输入光转换为两束平行的e光。来自输入光纤准直器111的光经过偏振转换组件112后成为两束e光，分别为光路1与光路2，再经过光栅113色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm。通过楔形液晶盒后，不同的波长偏转不同的角度，经过透镜214，光栅213，偏振转换组件212，最终进入输出光纤准直器阵列211中。通过电压调节楔形液晶盒115的折射率可以使所需波长进入任意的输出光纤准直器中，从而实现波长选择开关的作用。
光路通过透镜214后出射高度为：r'＝θ8f＝(n-1)αf(12)，其中，f为第一透镜114与第二透镜214的焦距。
通过电压改变楔形液晶盒113的折射率n，可以控制任意波长输出光束的输出位置r’，从而控制任意波长的光束进入任意一个输出光纤准直器中。
在本发明实施例中，第一偏振转换组件112与第二偏振转换组件212由位移晶体与半波片组成，位移晶体可以将o光与e光分离，半波片可以将o光与e光互相转化；其中第一偏振转换组件112置于输入光纤准直器111之后，半波片紧贴在位移晶体后表面的下半部分，可以将来自输入光纤准直器111的光转换成两束平行的e光；第二偏振转换组件112置于输入光纤准直器111之前，半波片紧贴在位移晶体前表面的下半部分，可以将两束平行的e光合成一束进入输出光纤准直器阵列211。
如图7与图8，该基于楔形液晶盒的波长选择开关的反射式结构的具体实施例中，包括输入光纤准直器111、第一偏振转换组件112、第一光栅113、第一透镜114、楔形液晶盒115和输出光纤准直器阵列116，其中光栅113与楔形液晶盒115分别置于透镜114的前后焦平面上，在楔形液晶盒115的平面上镀有反射膜。输入光纤准直器111输出的光经过第一偏振转换组件112后成为两束e光，分别进入第一光栅113色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，2m路光经过第一透镜114后分别作为楔形液晶盒115的入射光，楔形液晶盒115由于平面上镀有反射膜，光路反向出射，再通过第一透镜114出射；通过电压调节楔形液晶盒115的折射率可以改变反射光束的偏转角，使所需波长进入任意的输出光纤准直器中，从而实现波长选择开关的作用。
光束经过透镜114后出射高度为：r＝θ7f＝(2n-2)αf(13)。
与透射式结构相比，反射式结构更加简单，减小了器件尺寸，并且调节范围是透射式结构的两倍。
在上述理论知识的基础上，本发明提出的基于楔形液晶盒的光交换模块与波长选择开关结构，使用液晶材料做成楔形，利用液晶材料的电光特性实现光路偏转角度可调，基于该楔形液晶盒实现波长选择开关的功能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于楔形液晶盒的光交换装置，其特征在于，包括输入光纤准直器(111)、第一偏振转换组件(112)、第一光栅(113)、第一透镜(114)、楔形液晶盒(115)、第二透镜(214)、第二光栅(213)、第二偏振转换组件(212)和输出光纤准直器阵列(211)；
所述输入光纤准直器(111)设置在第一透镜(114)的光轴上，所述第一光栅(113)与所述楔形液晶盒(115)分别设置于第一透镜(114)的前、后焦面上；所述第一偏振转换组件(112)设置于输入光纤准直器(111)与第一光栅(113)之间；所述第二透镜(214)与第一透镜(114)共轴；所述楔形液晶盒(115)与所述第二光栅(213)分别置于第二透镜(214)的前后焦面上；所述输出光纤准直器阵列(211)离轴设置于第二透镜(214)的出射光路侧；所述第二偏振转换组件(212)设置于输出光纤准直器阵列与第二光栅之间；
输入光纤准直器(111)输出的光经过第一偏振转换组件(112)后成为两束e光，分别进入第一光栅(113)色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，2m路光经过第一透镜(114)后分别作为楔形液晶盒(115)的入射光，楔形液晶盒(115)的出射光作为第二透镜(214)的入射光，第二透镜(214)的出射光与光轴之间的距离r'＝(n-1)αf；通过调节施加在楔形液晶盒(115)上电场的大小改变楔形液晶盒(115)的出射光与第二透镜(214)的光轴之间的夹角θ8从而改变第二透镜(214)的出射光与光轴之间的距离；
其中，f为第一透镜(114)与第二透镜(214)的焦距，α为楔形液晶盒(115)的楔角，n为楔形液晶盒(115)的折射率。
2.一种基于楔形液晶盒的光交换装置，其特征在于，包括输入光纤准直器(111)、第一偏振转换组件(112)、第一光栅(113)、第一透镜(114)、楔形液晶盒(115)和输出光纤准直器阵列(116)；在所述楔形液晶盒(115)的平面上镀有反射膜；
所述输入光纤准直器(111)设置在所述第一透镜(114)的光轴上，所述第一光栅(113)与所述楔形液晶盒(115)分别设置于第一透镜(114)的前后焦面上；所述第一偏振转换组件(112)设置于输入光纤准直器(111)与第一光栅(113)之间；输出光纤准直器阵列(116)与所述输入光纤准直器(111)处于同一个水平面设置；
输入光纤准直器(111)输出的光经过第一偏振转换组件(112)后成为两束e光，分别进入第一光栅(113)色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，2m路光经过第一透镜(114)后分别作为楔形液晶盒(115)的入射光，楔形液晶盒(115)由于平面上镀有反射膜，光路反向出射，再通过第一透镜(114)后，出射光与光轴之间的距离r＝(2n-2)αf；通过调节施加在楔形液晶盒(115)上电场的大小改变楔形液晶盒(115)的出射光与第一透镜(114)的光轴之间的夹角θ7，从而改变第二透镜(214)的出射光与光轴之间的距离；
其中，f为第一透镜(114)的焦距，α为楔形液晶盒(115)的楔角，n为楔形液晶盒(115)的折射率。
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