CN104570221A - 一种基于液晶阵列的灵活栅格可调色散补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于液晶阵列的可调色散补偿装置，包括输入输出装置、偏振转换组件(3)、光斑变换系统、灵活栅格可调色散补偿器件和反射镜(8)按光路依次排列设置构成；所述偏振转换组件(3)使带有随机偏振信号的光与两束偏振方向相互垂直的线偏振光相互转换；所述光斑变换系统使不同波长的光信号在空间上被相互分开和复用；所述灵活栅格可调色散补偿器件对不同波长光信号进行灵活栅格可调色散补偿；所述反射镜使所有入射到其表面的光信号沿原光路返回；本发明装置可实现通道栅格灵活可调、色散补偿曲线灵活可调、色散补偿值灵活可调。

Description

一种基于液晶阵列的灵活栅格可调色散补偿装置

技术领域

本发明涉及一种可调色散补偿装置，具体涉及一种栅格灵活可调、色散补偿值灵活可调、色散补偿曲线灵活可调的基于液晶阵列的可调色散补偿装置，本发明属于光纤通信领域。

背景技术

在光纤传输系统中，色散会使光脉冲展宽，导致不同光脉冲之间产生干扰，影响光纤传输系统的性能。而且，随着传输速率的快速提高，系统的色散容限也在不停的降低。光纤色散已经成为制约通信速率进一步提升的重要因素之一。光纤通信系统组网架构也正在发生改变，从传统的点到点通信向全光智能网络发展，光纤链路变得更为复杂化和动态化。在进行色散补偿时，需要对光纤通信网络中各信道的色散进行独立的、动态的补偿，并需要根据实际需求选择不同的色散补偿值。

目前，国际上通用的几种色散补偿方法有：基于级联GT腔、基于FBG技术、基于PLC技术等。美国专利US2003/0210401A1公开的基于GT腔的色散补偿专利，采用热控或机械控制调谐，可满足固定栅格通道的色散一致性补偿，不能实现栅格灵活可调、色散范围灵活可调的功能。在专利US2003/0210401A1的基础上，中国专利申请201010574610.4和201210120224.7推出了基于液晶和LCOS技术的GT腔改进工艺，利用液晶的电控双折射效应实现光波的位相调制，从而实现色散补偿的功能。但上述两个专利依然不能满足栅格灵活可调、色散补偿值灵活可调的功能，只能对单个光波长进行色散补偿，或者对光纤通信系统中的所有通道产生相同的色散补偿量，不能对每个通道产生不同的补偿量或补偿曲线，且通道栅格是固定的。

为实现灵活栅格可调色散补偿功能，目前的通用方案是采用自由空间光学结构。采用衍射光栅、阵列波导光栅等色散分光元件将不同通道的信号在空间进行分开，再基于空间位相调制器对不同通道的色散曲线进行独立调节，产生通道之间相互独立的色散补偿量。以此为理论基础，专利201210049729.9推出了一种基于透射式相位光栅和LCOS芯片空间位相调制器的色散补偿装置，在以上几种色散补偿方案上更进了一步，具有栅格灵活可调的功能。但由于LCOS芯片是反射式的位相调节元件，不能级联和扩展，因此也决定了LCOS芯片的色散补偿值是不可以升级扩展的。如需要更大的色散补偿量，需要增加色散补偿器件的数量，不能通过改变单个器件的设计来满足要求，增加了系统的复杂度和成本。而且，LCOS芯片在二维方向上的像元数目都很多，但真正对色散补偿起到关键影响的是单维度的像元数目和大小，需要独立控制；另外一个维度的像元对色散补偿没有影响，不需要独立控制。LCOS芯片在另外一个维度的设计增加了加工和控制的难度，也增加了系统的成本，此方面的局限性也限制了该色散补偿器件的进一步推广应用。

传统的色散补偿装置大都基于固定频率栅格，已不能满足现有光通信网络系统的发展需求，尤其是发展到400Gb/s以上的系统，要求传输频率间隔具有灵活可调的特性。

发明内容

为优化上述色散补偿方案的缺陷和不足，本发明提出了一种基于液晶阵列的可调色散补偿装置，该方案具有栅格灵活可调、色散补偿曲线灵活可调的特点；并可通过级联不同数量的液晶阵列芯片，对每个通道的色散补偿值进行扩展，在满足不同系统色散补偿值要求的同时，不增加补偿器件的数量，简化了系统的架构，降低了系统的成本。

本发明采用如下技术方案实现：

一种基于液晶阵列的的可调色散补偿装置，包括输入输出装置、偏振转换组件、光斑变换系统、灵活栅格可调色散补偿器件和反射镜按光路依次排列设置构成；所述偏振转换组件使带有随机偏振信号的光与两束偏振方向相互垂直的线偏振光相互转换；所述光斑变换系统使不同波长的光信号在空间上被相互分开和复用；所述灵活栅格可调色散补偿器件对不同波长光信号进行灵活栅格可调色散补偿；所述反射镜使所有入射到其表面的光信号沿原光路返回。

所述光斑变换系统包括凸透镜组件、凹面镜、衍射光栅。

所述所述灵活栅格可调色散补偿器件为液晶阵列芯片；所述液晶阵列芯片基于薄膜ITO工艺，其内部灌装具有位相调节功能的液晶材料。

正向传输的输入信号和反向传输光路的输出信号入射到输入输出装置，所述的偏振转换组件使入射到液晶阵列芯片上面的光信号为线偏振光，且偏振方向平行于液晶阵列芯片中液晶分子长轴和入射光传播方向组成的平面；液晶阵列芯片由多个细长形的液晶单元组合而成，单个液晶单元均连接集成电路芯片，集成电路芯片实现单个液晶单元的独立加电控制；经所述光斑变换系统分开的多通道光信号分布于液晶阵列芯片上，每个通道光信号光斑覆盖多个液晶单元，选择需色散补偿通道的光信号覆盖的液晶单元进行组合后，加电控制改变各自液晶单元的液晶光轴方向，使该通道光信号产生不同的位相延迟曲线进行色散补偿。

所述液晶阵列芯片有多个，依次排列级联组成液晶阵列组件。

多个所述液晶阵列芯片分别设置于玻璃管内，玻璃管粘接固定在一起。

所述输入输出装置由环形器和准直器组成，环形器包括输入端和输出端，准直器设置于环形器后端。

所述输入输出装置可采用双芯准直器。

所述偏振转换组件由偏振分束器和半波片组成，半波片设置于偏振分束器后端且位于一路分光路中。

凸透镜组件也可替换为可实现对光束的水平和竖直方向进行光斑整形的棱镜组件。

本发明具有以下的优点和技术效果：

1.本发明装置通道栅格灵活可调：每个光斑可以覆盖多个液晶单元，且每个液晶单元可以独立控制，通过组合不同数量的液晶单元，可以实现不同大小光斑的控制，从而实现栅格灵活可调的功能。在实际使用中，不同的系统传输速率要求不同的传输频率栅格，本发明方案可以满足不同传输速率的频率栅格要求；

2.本发明装置色散补偿曲线灵活可调：通过独立控制每个液晶单元的电压，独立调整每个单元的折射率，改变通道内传输信号每个液晶单元子部分的位相，调整出不同的色散补偿曲线；

3.本发明装置色散补偿值灵活可调：虽然每个液晶阵列单元的色散补偿值是固定的，但通过级联不同数量的液晶阵列芯片，可以灵活调整器件的色散补偿值，满足不同传输系统的要求。

附图说明

图1为本发明一种基于液晶阵列的灵活栅格可调色散补偿装置的原理示意图；

图2为本发明偏振转换组件的组成结构示意图；

图3a为本发明液晶阵列芯片的组成结构俯视图示意图；

图3b为本发明液晶阵列芯片的组成结构侧视图示意图；

图4为ECB液晶不加电时的液晶分子排布示意图；

图5为TN液晶不加电时的液晶分子排布示意图；

图6为本发明固定频率间隔光通道的光斑覆盖效果示意图；

图7为本发明固定频率栅格的位相延迟曲线示意图；

图8为本发明不同频率间隔光通道的光斑覆盖效果示意图；

图9为本发明灵活栅格的位相延迟曲线示意图；

图10为本发明n个液晶阵列芯片的封装结构示意图；

图11为本发明另一种基于液晶阵列的灵活栅格可调色散补偿装置示意图；

其中：

1：环形器；             2：准直器；

3：偏振转换组件；       4：凸透镜组件；

5：凹面镜；             6：衍射光栅；

7：液晶阵列芯片；       8：反射镜；

9：集成电路芯片；       10：棱镜组件；

301：偏振分束器；       302:半波片；

70n：液晶单元；

7-1、7-2、7-3到7-n：级联的液晶阵列芯片；

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。

一种基于液晶阵列的灵活栅格可调色散补偿装置，包括环形器1、准直器2、偏振转换组件3、凸透镜组件4、凹面镜5、衍射光栅6、反射镜8、多个液晶阵列芯片7及集成电路芯片9。其中，环形器1分别作为色散补偿器件的输入端和输出端；光纤准直器2用于将进入的光纤信号准直输出；偏振转换组件3包括双折射晶体和1/2波片，用于将输入光转换成两束偏振方向平行的线偏振光，此线偏振光的偏振方向应与液晶阵列芯片7的分子长轴方向一致，以满足位相调节的偏振方向要求；凸透镜组件4和凹面镜5组合，用于对入射光信号进行光斑整形，并根据灵活栅格的指标要求计算出焦距组合，同时实现更高的光栅衍射效率和光谱分辨率，此处的光斑整形设计也可将凸透镜组件替换为棱镜组件；衍射光栅6用于对光信号进行衍射，将不同波长的光信号在空间分开，在此处，主要采用反射式光栅，在进行波长分开的同时，也可对光路进行折叠，实现更为紧凑的设计，此处的光栅也可替换为透射式光栅、阵列波导光栅等色散元件；凹面镜5将不同波长信号光转换成平行传输，垂直入射到液晶阵列芯片7上。液晶阵列芯片7具有很多个细长的液晶单元70n，每个光斑覆盖一个或多个液晶单元70n，通过对各个液晶单元70n的独立位相控制和任意数量组合，可以实现灵活栅格的可调功能，并满足色散补偿曲线灵活可调的要求。同时，根据系统需要补偿的色散值反推计算，灵活调整器件中所需要使用的液晶阵列芯片的数量，实现色散补偿值灵活可调的功能。反射镜8用于将所有的波长信号反射回原光路，并依次通过液晶阵列芯片7、凹面镜5、衍射光栅6、凹面镜5、凸透镜组件4、偏振转换器件3、准直器2，最后返回至环形器1输出。在反向传输的过程中，衍射光栅6起到了空间波长复用的功能。集成电路芯片9用于输出液晶阵列芯片7所需的多通道独立控制电压。

如图1所示为第一实施例，本发明推出了一种基于液晶阵列的灵活栅格可调色散补偿装置，主要元件包括环形器1、准直器2、偏振转换组件3、凸透镜组件4、凹面镜5、衍射光栅6、液晶阵列芯片7、反射镜8、集成电路芯片9。如图2所示，偏振转换组件3由偏振分束器301和半波片302组成，半波片302设置于偏振分束器301的光路后端且仅设置于一路分光路中。凸透镜组件4由两个凸透镜组成，两个凸透镜都是柱透镜且柱面方面是相互垂直，分别对水平和竖直方向的光斑进行整形，液晶阵列芯片7中灌装具有位相调节功能的液晶材料，每个液晶阵列芯片的结构如图3a-3b所示；图3a为俯视图，显示每个液晶阵列芯片7由一系列不等间距或等间距的矩形液晶单元7-1至7-n组成；本发明中液晶阵列芯片的两个玻璃板双面均镀增透膜(抗反膜)，光线直接透过液晶阵列芯片7，被反射镜8反射回去，再反向透射液晶阵列芯片7一次。参见图3b，显示在液晶阵列芯片7的两侧镀有增透膜(抗反膜)，用于减少光线在透射液晶阵列芯片7时的损耗。本实施例中正向传输光路的输入信号和反向传输光路的输出信号均入射到输入输出装置，本实施例中输入输出装置由环形器1和准直器2组成，环形器1包括输入端和输出端，准直器2设置于环形器1后端。输入输出装置也可以采用双芯准直器来构成。

液晶阵列芯片7基于薄膜ITO工艺，其内部灌装电控双折射(ECB)液晶或扭曲向列型(TN)液晶，或具有类似位相调节功能的液晶材料。其中，不加电时，ECB液晶的分子长轴沿平行于液晶平板的方向分布，且每层液晶分子的长轴互相平行，如图4所示；TN液晶的分子长轴绕着分子层的方向旋转90度，最上面和最下面的分子长轴相互垂直，如图5所示。在实际使用时，也可以使用其它具有位相调节功能的液晶材料。

下文将进一步说明本发明的工作原理。带有随机偏振信号的光波长信号传输到环形器1的输入端；再传输到准直器2，形成准直光束在自由空间传输；入射到偏振转换组件3的偏振分束器301之后，形成两束偏振方向相互垂直的线偏振光，经过偏振转换组件3的1/2波片后，形成两束偏振方向相互平行的线偏振光，如图2所示；经过凸透镜组件4之后，在两个方向分别进行光斑压缩，且两个方向的压缩比例不同；入射到凹面镜5之上，对两个方向的光斑进行整形，且两个方向的整形比例不同，形成椭圆形光斑入射到衍射光栅6表面；经过衍射光栅6之后，不同波长的光信号在空间上被相互分开，且长波长的光信号位于远离衍射光栅6法线的方向；所有波长信号再次入射到凹面镜5上面，并由凹面镜5进行变换；变换之后，所有波长信号的传输方向相互平行，垂直入射到液晶阵列芯片7上面；液晶阵列芯片7对不同波长光信号进行灵活栅格可调色散补偿，并将补偿后的光信号透射传输至反射镜8表面；反射镜8将所有入射到其表面的光信号反射回原光路，并再次透射经过液晶阵列芯片7，进一步进行色散补偿调节。之后，所有经过色散补偿的波长信号返回至凹面镜5，再返回至衍射光栅6，不同波长的光信号实现空间的复用，形成复合光信号依次通过凹面镜5和凸透镜组件4；所有光信号再次恢复成圆形光斑，入射到偏振转换组件3上面，由偏振转换组件3将两束偏振方向相互平行的线偏振光重新合成为一束随机偏振光，并继续返回至准直器2和环形器1，通过环形器1的输出端口输出，完成不同波长光信号的色散补偿。本发明的正向传输光路和反向传输光路完全重合。

在本发明中，不同波长的光信号经过衍射光栅6和凹面镜5之后，垂直入射在液晶阵列芯片7表面。经过由凸透镜组件4、凹面镜5、衍射光栅6组成的光斑变换系统后，所有的光斑形状都是椭圆形。以50GHz为例，先介绍本发明实现传统固定频率栅格功能的原理。当频率栅格固定时，所有通道的频率间隔是固定的，且所有通道的光斑大小随着波长呈线性变化。为便于理解，在不影响本发明实现原理的前提下，此处假设所有通道的光斑大小一样，均匀分布在液晶阵列芯片7表面，如图6所示。

此处假定每个液晶阵列芯片7有M个液晶单元70n，每个50GHz频率间隔通道的光斑覆盖m个液晶单元70n，M为每个液晶阵列芯片7的液晶单元70n的总数，m为50GHz频率间隔通道的光斑覆盖的液晶单元70n的数目，则每个液晶单元70n对应的频率间隔为50/m GHz。在具体实施时，每个液晶单元70n可独立加电控制，进行独立的位相调节。针对每个具体的通道，组合其对应的各液晶单元70n的位相延迟，可得到不同通道独立的位相延迟曲线，如图7所示。

从图7可以看出，所有通道的频率间隔一样，但每个通道对应的位相延迟曲线不一样，由此可以实现各通道色散曲线灵活可变的功能，优于传统固定频率栅格功能实现方式中各通道色散曲线一样的局限性。由于在实际应用时，每个通道的波长不一样，色散曲线必定不一样，需要对应使用不同的色散补偿曲线，因此迫切需要本发明所提供的各通道色散曲线灵活可变的功能。

在固定频率的基础上，依然以50GHz频率间隔为例，如果将其覆盖的液晶单元70n的数量减少，则对应的频率间隔必然减小，频率间隔将小于50GHz；如果增加其覆盖的液晶单元70n的数量，则对应的频率间隔必然增大，频率间隔将大于50GHz。在整个通带宽度内，按照实际系统要求分配总体M个液晶单元70n，形成不同宽度通道组合，如图8所示。可以看出，灵活栅格的通道光斑具有不同的大小尺寸，分别覆盖不同数量的液晶单元，分别控制每个光斑所控制的液晶单元位相延迟，可实现灵活带宽的灵活色散补偿功能，如图9所示。

在本发明中，通过对每个液晶阵列芯片7中的液晶单元70n的独立加电控制，在每个灵活带宽范围内，可以产生一个与所有波长成分相关的相位延迟函数，并根据实际需要取凸抛物线型或凹抛物线型，且抛物线的系数也可以通过每个液晶单元70n部分的独立调节取不同的值。按照色散补偿的理论，对抛物线型的相位延迟函数取导数，可得到一个线性的色散曲线，即可对光信号通道内的色散进行补偿。不同的液晶单元取不同的电压值，可得出不同的位相延迟函数，其抛物线系数也不同，所得到的线性色散曲线斜率也不同，即可产生不同的色散补偿量。

本发明的第二个具体实施例中，液晶阵列芯片7可以由液晶阵列组件替代，所述液晶阵列组件由不同数量的液晶阵列芯片7-1至7-n级联组成，组成液晶阵列组件的各液晶阵列芯片7的结构是一样。本发明的级联扩展色散值的技术方案具体如下：

液晶材料有明显的双折射效应，且折射率差Δn和一般的双折射晶体相比，具有较大优势。尤其是对液晶材料施加电压时，液晶分子开始向着电场方向进行旋转，在旋转的过程中，折射率差Δn会随之改变，从而改变光程差，实现位相调制的功能；当施加在液晶层上的电压超过最大阈值时，液晶分子长轴均沿着电场方向，位相调节达到最大范围。

经过液晶材料的位相变化量为：

光程差变化量为：

ΔOPD＝Δn×d＝[n_e(θ)-n_o]×d   (2)

液晶的有效折射率为：

$n_e\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{n_e{n}_o}{{(n_o^2{\cos }^2\mathrm{\θ}+n_e^2{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{1/2}}---\left(3\right)$

液晶的色散函数为：

其中：

d为液晶盒厚，θ为液晶分子的倾角，ΔOPD为光程差，λ为波长，n_e为寻常光折射率、n_o为非正常光折射光折射率、τ为波长群时延、Δn为液晶双折射率n_e、n_o之差值。

从公式(1)、(2)、(3)和(4)可以看出，通过调节电压，控制液晶分子的倾角θ，改变液晶的有效折射率n_e(θ)，进而改变光程差，改变位相，可以实现色散补偿的功能。同时，也可以看出，当液晶盒厚d确定时，单层液晶的色散补偿范围是有极大值的。当系统需要补偿的色散值超过单层液晶色散补偿极大值时，需要级联多层液晶，来满足系统补偿值的指标要求，具有灵活扩展性。级联液晶阵列芯片的数量n通过用系统补偿指标值除以单层液晶阵列芯片补偿极大值得到。

在实际应用时，多个液晶阵列芯片7设置于玻璃管内，依次排列的n个液晶阵列芯片7-1、7-2、7-3、……、7-n通过细玻璃管胶粘固定，可选用紫外固化方式或加热式固化方式，或者其他固化方式；也可通过焊接等其他方式固定液晶阵列芯片7；具体实现效果如图10所示。在本发明中，所有的液晶阵列芯片7具有相同的结构及尺寸，且在封装时，应尽量选用外径小的玻璃管，减小液晶阵列组件7的总体长度，来优化系统整体的指标。所述的液晶单元70n均为透射式的设计，以满足不同数量级联的要求，且透射式的设计保证了液晶单元的两次通过，增大了位相调节的幅度。不同液晶阵列芯片7之间采用细玻璃管进行封装，并根据实际色散补偿值要求计算出所需要的液晶阵列芯片7的级联数目。

如图11为基于棱镜组件变换系统的一种基于液晶阵列的灵活栅格可调色散补偿装置，本实施中将凸透镜组件4替换成棱镜组件10，此时棱镜组件能实现对进入其内部光束分别进行水平和竖直方向的光斑进行整形的功能。

虽然本发明已经详细地示出并描述了一个相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内，可以在形式上和细节上作出各种改变，这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于液晶阵列的的可调色散补偿装置，其特征在于：包括输入输出装置、偏振转换组件(3)、光斑变换系统、灵活栅格可调色散补偿器件和反射镜(8)按光路依次排列设置构成；所述偏振转换组件(3)使带有随机偏振信号的光与两束偏振方向相互垂直的线偏振光相互转换；所述光斑变换系统使不同波长的光信号在空间上被相互分开和复用；所述灵活栅格可调色散补偿器件对不同波长光信号进行灵活栅格可调色散补偿；所述反射镜使所有入射到其表面的光信号沿原光路返回。

2.根据权利要求1所述的一种基于液晶阵列的可调色散补偿装置，其特征在于：所述光斑变换系统包括凸透镜组件(4)、凹面镜(5)、衍射光栅(6)。

3.根据权利要求2所述的一种基于液晶阵列的可调色散补偿装置，其特征在于：所述所述灵活栅格可调色散补偿器件为液晶阵列芯片(7)；所述液晶阵列芯片(7)基于薄膜ITO工艺，其内部灌装具有位相调节功能的液晶材料。

4.根据权利要求3所述的一种基于液晶阵列的可调色散补偿装置，其特征在于：正向传输的输入信号和反向传输光路的输出信号入射到输入输出装置，所述的偏振转换组件(3)使入射到液晶阵列芯片(7)上面的光信号为线偏振光，且偏振方向平行于液晶阵列芯片(7)中液晶分子长轴和入射光传播方向组成的平面；液晶阵列芯片(7)由多个细长形的液晶单元组合而成，单个液晶单元均连接集成电路芯片(9)，集成电路芯片(9)实现单个液晶单元的独立加电控制；经所述光斑变换系统分开的多通道光信号分布于液晶阵列芯片(7)上，每个通道光信号光斑覆盖多个液晶单元，选择需色散补偿通道的光信号覆盖的液晶单元进行组合后，加电控制改变各自液晶单元的液晶光轴方向，使该通道光信号产生不同的位相延迟曲线进行色散补偿。

5.根据权利要求4所述的一种基于液晶阵列的可调色散补偿装置，其特征在于：所述液晶阵列芯片有多个，依次排列级联组成液晶阵列组件。

6.根据权利要求5所述的一种基于液晶阵列的的灵活栅格可调色散补偿装置，其特征在于：多个所述液晶阵列芯片(7-1、7-2、…、7-n)分别设置于玻璃管内，玻璃管粘接固定在一起。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种基于液晶阵列的的可调色散补偿装置，其特征在于：所述输入输出装置由环形器(1)和准直器(2)组成，环形器(1)包括输入端和输出端，准直器(2)设置于环形器(1)后端。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的一种基于液晶阵列的的可调色散补偿装置，其特征在于：所述输入输出装置可采用双芯准直器。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种基于液晶阵列的的可调色散补偿装置，其特征在于：所述偏振转换组件(3)由偏振分束器(301)和半波片(302)组成，半波片(302)设置于偏振分束器(301)后端且位于一路分光路中。

10.根据权利要求2所述的一种基于液晶阵列的的可调色散补偿装置，其特征在于：所述的凸透镜组件(4)也可替换为可实现对光束的水平和竖直方向进行光斑整形的棱镜组件(10)。