CN105099598A - 一种基于液晶光栅光开关 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种基于液晶光栅的光交换装置，包括：输入准直器101、输入偏振分光器201、输入四分之一波片301、液晶光栅4、输出四分之一波片302、输出偏振分光器202、输出准直器102。通过改变液晶光栅的电压，来选择光信号的传输路径，使得光信号输出至选定输出端。这种光交换装置结构简单、尺寸小、成本低。

Description

一种基于液晶光栅光开关
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于液晶光栅的光开关。
背景技术
在以波分复用技术(WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)为基础的现有通信网络中，网络的各个节点要完成光-电-光的转换，仍以电信号处理信息的方式进行交换。其中的电子件在适应高速、大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，由此产生了通信网中的“电子瓶颈”现象。为了解决这个问题，人们提出了全光网(AllOpticalNetwork,AON)的概念，全光网以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性，已成为下一代高速宽带网络的首选。
光交叉连接(OpticalCrossConnection,OXC)是全光网中的核心器件，它与光分插复用器(OpticalAdd-DropMultiplexer,OADM)、掺饵光纤放大器(Erbium-dopedOpticalFiberAmplifier,EDFA)、衰减器、光纤等器件和设备组成了全光网络。OXC交换的是全光信号，它在网络节点处，对指定波长进行互连，从而有效地利用波长资源，实现波长重用，也就是使用较少数量的波长，互连较大数量的网络节点。当光纤中断或业务失效时，OXC能够自动完成故障隔离、重新选择路由和网络重新配置等操作，使业务不中断，即它具有高速光信号的路由选择、网络恢复等功能。
目前市场上有基于液晶(LiquidCrystal,LC)和偏振分光器(PolarizationBeamSplitter,PBS)的OXC，如图1所示，主要由光准直器、分束器displacer、PBS阵列、LC阵列组成。光准直器用于输入和输出光，Displaycer用于将输入光转变为同一偏振光和将输出端偏振光耦合进光准直器，PBS用于分、合偏振光，LC用于控制光的偏振方向。通过控制LC阵列的电压来控制光在每一节点的偏振方向，从而实现将任意一束输入光传输到所要求的输出端口。该技术方案装配难度大、体积大、成本高。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于液晶光栅的光开关，通过可变偏振光栅实现光交叉互连，解决了现有技术基于LC和PBS的光交叉互连装配难度大、体积大、成本高的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种光交换装置，包括输入准直器、输出准直器，还包括：输入偏振分光器、输入四分之一波片、输出四分之一波片、输出偏振分光器和N×N液晶光栅阵列，其中，N为大于或等于2的整数；
所述输入偏振分光器置于所述输入准直器与所述输入四分之一波片之间，用于将来自所述输入准直器的输入光信号分成两个具有不同偏振方向的光信号，并将所述两个具有不同偏振方向的光信号输出至所述输入四分之一波片；
所述输入四分之一波片置于所述输入偏振分光器与所述N×N液晶光栅阵列之间，用于接收来自所述输入偏振分光器的所述两个具有不同偏振方向的光信号，并将所述两个具有不同偏振方向的光信号耦合成圆偏振光，将所述圆偏振光输出到所述N×N液晶光栅阵列；
所述N×N液晶光栅阵列置于所述输入四分之一波片与所述输出四分之一波片之间，用于通过N×N液晶光栅阵列中与所述输入四分之一波片对应的液晶光栅接收来自所述输入四分之一波片的所述圆偏振光，并将所述圆偏振光通过选定的传输路径输出至选定的输出四分之一波片；其中，所述选定的传输路径是通过设置N×N液晶光栅阵列中液晶光栅的电压来选择的；
所述输出四分之一波片置于所述N×N液晶光栅阵列与所述输出偏振分光器之间，用于将来自所述N×N液晶光栅阵列的圆偏振光分成两个具有不同偏振方向的光信号，并将所述两个具有不同偏振方向的光信号输出至所述输出偏振分光器；
所述输出偏振分光器置于所述输出四分之一波片与所述输出准直器之间，用于将来自所述输出四分之一波片的所述两个具有不同偏振方向的光信号耦合进所述输出准直器。
在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述N×N液晶光栅阵列中液晶光栅包括N×N可变偏振光栅、N×N可变偏振光栅/液晶片组合、N×N聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅组合、或N×N聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅/液晶片组合。
结合第一方面，或者第一种可能的实现方式中的任意一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，
对于N×N个可变偏振光栅中任一可变偏振光栅，当所述任一可变偏振光栅两端所加电压小于第一阈值电压时，所述任一可变偏振光栅中的液晶分子形成液晶光栅，对入射光进行衍射；当所述任一可变偏振光栅两端电压大于或等于第一阈值电压时，所述液晶分子向由所述任一可变偏振光栅两端电压造成的电场方向偏转，光栅效应消失；
在N×N可变偏振光栅中，不需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅两端电压被设置为大于或等于第一阈值电压；需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅两端电压被设置为小于第一阈值电压；其中，所述需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅为与所述输入四分之一波片对应并且与所述输出四分之一波片对应的可变偏振光栅，所述不需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅为N×N可变偏振光栅阵列中除所述需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅之外的可变偏振光栅。
结合第一方面第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅两端电压被设置为零。
结合第一方面第二种或第三种可能的实现方式中，在第四种可能的实现方式中，当所述任一可变偏振光栅两端所加电压小于第一阈值电压时，所述任一可变偏振光栅有0级、+1级和-1级三个衍射级次；入射的右旋圆偏振光被所述任一可变偏振光衍射到+1级，变成左旋圆偏振光；入射的左旋圆偏振光被所述任一可变偏振光衍射到-1级，变成右旋圆偏振光。
结合第一方面第二到第四种中任意一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，输出信号光的圆偏振态与输出串扰光的圆偏振态相反；其中，通过设置所述液晶片两端的电压来控制入射所述液晶片的光信号的偏振态。
结合第一方面第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，
当任一液晶片所加电压小于第二阈值电压时，所述任一液晶片的输出光与所述任一液晶片的输入光偏振态一致；
当所述任一液晶片所加电压大于或等于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述任一液晶片，则所述任一液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述任一液晶片，则所述任一液晶片输出左旋圆偏振光。
结合第一方面第五种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，
当任一液晶片所加电压大于或等于第二阈值电压时，所述任一液晶片的输出光与所述液晶片的输入光偏振态一致；
当所述任一液晶片所加电压小于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述任一液晶片，则所述任一液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述任一液晶片，则所述任一液晶片输出左旋圆偏振光。
结合第一方面，或者第一种可能的实现方式中的任意一种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，任一聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅组合包括：第一聚合物偏振光栅、第一液晶片和第二聚合物偏振光栅；
所述第一聚合物偏振光栅与第二聚合物偏振光栅均为固定光栅；
若输入右旋圆偏振光，则被所述第一聚合物偏振光栅或第二聚合物偏振光栅衍射到+1级，输出左旋圆偏振光；若输入左旋圆偏振光，则被所述第一聚合物偏振光栅或第二聚合物偏振光栅衍射到-1级，输出右旋圆偏振光；
所述第一液晶片，用于通过设置所述第一液晶片两端的电压来控制入射所述液晶片的光信号的偏转。
结合第一方面第八种可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，
当所述第一液晶片所加电压大于或等于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述第一液晶片，则所述第一液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述第一液晶片，则所述第一液晶片输出左旋圆偏振光。
不需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片两端电压被设置为小于所述第二阈值电压；需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片两端电压被设置为大于或等于所述第二阈值电压；其中，所述需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片为与所述输入四分之一波片对应并且与所述输出四分之一波片对应的所述第一液晶片，所述不需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片为N×N个所述第一液晶片阵列中除所述需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片之外的第一液晶片。
结合第一方面第八种可能的实现方式，在第一十种可能的实现方式中，
当所述第一液晶片所加电压小于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述第一液晶片，则所述第一液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述第一液晶片，则所述第一液晶片输出左旋圆偏振光。
不需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片两端电压被设置为大于或等于所述第二阈值电压；需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片两端电压被设置为小于所述第二阈值电压；其中，所述需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片为与所述输入四分之一波片对应并且与所述输出四分之一波片对应的所述第一液晶片，所述不需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片为N×N个所述第一液晶片阵列中除所述需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片之外的第一液晶片。
结合第一方面第八种可能的实现方式，在第一十一种可能的实现方式中，输出信号光的圆偏振态与输出串扰光的圆偏振态相反；其中，通过设置所述第二液晶片两端的电压来控制入射所述第二液晶片的光信号的偏振态。
结合第一方面第一十一种可能的实现方式，在第一十二种可能的实现方式中，
当任一第二液晶片所加电压小于第二阈值电压时，所述任一第二液晶片的输出光与输入光偏振态一致；
当所述任一第二液晶片所加电压大于或等于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述任一第二液晶片，则所述任一第二液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述任一液晶片，则所述任一液晶片输出左旋圆偏振光。
结合第一方面第一十一种可能的实现方式，在第一十三种可能的实现方式中，所述N×N个第二液晶片为电控双折射液晶
当任一第二液晶片所加电压大于第或等于二阈值电压时，所述任一第二液晶片的输出光与输入光偏振态一致；
当所述任一第二液晶片所加电压小于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述任一第二液晶片，则所述任一第二液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述任一第二液晶片，则所述任一第二液晶片输出左旋圆偏振光。
本发明实施例提供了一种基于液晶光栅的光交换装置，包括：输入准直器、输入偏振分光器、输入四分之一波片、N×N液晶光栅阵列、输出四分之一波片、输出偏振分光器、输出准直器。输入光经过输入偏振分光器和输入四分之一波片后变为圆偏振光。通过改变液晶光栅的电压来选择光的传输路径，输出至指定端口，经过输出四分之一波片和输出偏振分光器而耦合进输出准直器。进而实现N×N光交叉开关功能和光分插复用(Add/Drop)功能。通过设置液晶光栅的电压来选择光传输路径，简化了光交换装置,降低了成本，且器件尺寸小。下面通过具体实施例进行说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中一种光交换装置的结构示意图；
图2本发明实施例一中的一种基于液晶光栅的光交换装置的结构示意图；
图3是本发明实施例二的一种基于可变偏振光栅的光交换装置的具体结构示意图；
图4是可变偏振光栅液晶对准层的制备流程示意图；
图5是可变偏振光栅两端电压为0V时液晶分子排布示意图；
图6是可变偏振光栅两端电压大于第一阈值电压时液晶分子排布示意图；
图7是可变偏振光栅原理示意图；
图8是本发明实施例三的一种基于可变偏振光栅/液晶片的光交换装置的具体结构示意图；
图9是垂直排列VA型液晶片的原理示意图；
图10是可变偏振光栅/液晶组合原理示意图；
图11是本发明实施例四的一种基于聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅组合的光交换装置的具体结构示意图；
图12是聚合物偏振光栅的制作流程示意图；
图13是聚合物偏振光栅原理示意图；
图14是本发明实施例五的一种基于聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅/液晶片组合的光交换装置的具体结构示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于液晶光栅的光交换装置，包括：输入准直器、输入偏振分光器、输入四分之一波片、液晶光栅、输出四分之一波片、输出偏振分光器、输出准直器。输入光经过输入偏振分光器和输入四分之一波片后变为圆偏振光。通过改变液晶光栅的电压来选择光的传输路径，输出至指定端口，经过输出四分之一波片和输出偏振分光器而耦合进输出准直器。进而实现N×N光交叉开关功能和光分插复用(Add/Drop)功能。通过设置液晶光栅的电压来选择光传输路径，简化了光交换装置,降低了成本，且器件尺寸小。下面通过具体实施例进行说明。
实施例一
图2是本发明实施例一的一种基于液晶光栅的光交换装置的结构示意图。如图所示，本发明实施例中的基于液晶光栅的光交换装置，包括：输入准直器101、输入偏振分光器201、输入四分之一波片301、N×N液晶光栅4阵列、输出四分之一波片302、输出偏振分光器202、输出准直器102。其中，N为大于或等于2的整数。
输入准直器101，用于接收从光纤输入的光信号，输入准直器101是外围光信号的入射端口，光信号经过输入光纤进入到输入准直器101，输入准直器101把输入的光信号进行光束整形，使它们的束腰变大，发散角变小，从而使得这些输入的光信号能在自由空间内传输更远的距离。
输入偏振分光器201，置于输入准直器101与输入四分之一波片301之间，用于对来自输入准直器101的输入光信号分成具有两个不同偏振方向的光信号，并将所述两个具有不同偏振方向的光信号输出至输入四分之一波片301。偏振分光器201可以通过多种技术实现，例如通过双折射晶体、偏振多层膜、高分子膜、石英玻璃刻蚀等来实现。
输入四分之一波片301，置于输入偏振分光器201与液晶光栅4之间，用于接收来自偏振分光器201的所述两个具有不同偏振方向的光信号，并将其转化为圆偏振光，将圆偏振光输出至N×N液晶光栅4阵列。
N×N液晶光栅4阵列，置于输入四分之一波片301和输出四分之一波片302之间，用于通过N×N液晶光栅4阵列中与所述输入四分之一波片对应的液晶光栅接收来自输入四分之一波片301的圆偏振光，并将所述圆偏振光通过选定的传输路径输出至选定的输出四分之一波片302；其中，所述选定的传输路径是通过设置N×N液晶光栅4阵列中液晶光栅的电压来选择的。
输出四分之一波片302，置于N×N液晶光栅4阵列与输出偏振分光器202之间，用于接收来自N×N液晶光栅4阵列的圆偏振光，并将所述圆偏振光转化为两个具有不同偏振方向的光信号，将所述两个具有不同偏振方向的光信号输出至偏振分光器202。
输出偏振分光器202，置于输出四分之一波片302与输出准直器102之间，用于将来自输出四分之一波片302的所述两个具有不同偏振方向的光信号进行偏振耦合并输出至输出准直器102。输出偏振分光器202与输入偏振分光器201实现方式一样，在此不再赘述。
输出准直器102，用于接收输出偏振分光器202输出的光信号，将接收的光信号耦合到光纤中进行输出。
本发明实施例提供了一种基于液晶光栅的光交换装置，包括：输入准直器101、输入偏振分光器201、输入四分之一波片301、N×N液晶光栅4阵列、输出四分之一波片302、输出偏振分光器202、输出准直器102。通过改变液晶光栅的电压，来选择光信号的传输路径，使得光信号输出至选定输出端。这种光交换装置结构简单、尺寸小、成本低。
实施例二
图3是本发明实施例二的一种基于可变偏振光栅的光交换装置的具体结构示意图。如图3所示，本发明实施例二的基于可变偏振光栅的光交换装置，包括：输入准直器101、输入偏振分光器201、输入四分之一波片301、N×N可变偏振光栅401阵列、输出四分之一波302、输出偏振分光器202、输出准直器102。其中：
输入准直器101，用于接收从光纤输入的光信号，把光纤输入的光信号进行光束整形，输出至输入偏振分光器201。具体已在上述图2本发明第一实施例中详述，在此不累述。
输入偏振分光器201，用于对来自输入准直器101的输入光信号分成两个具有不同偏振方向的光信号，并将所述具有两个不同偏振方向的光信号输出至输入四分之一波片301。具体已在上述图2本发明第一实施例中详述，在此不累述。
输入四分之一波片301，用于接收来自输入偏振分光器201的两个具有不同偏振方向的光信号，并将其转化为圆偏振光，将所述圆偏振光输出至N×N可变偏振光栅401阵列。
N×N可变偏振光栅401阵列置于输入四分之一波片301和输出四分之一波片302之间，用于接收来自输入四分之一波片301的圆偏振光，通过改变N×N可变偏振光栅401阵列的电压来选择光的传输路径，输出至选定的输出四分之一波片302。
在具体应用中，N×N可变偏振光栅401阵列中可变偏振光栅(SwitchablePolarizationGrating，SPG)的结构和制作工艺与传统液晶片(LiquidCrystal，LC)的制作很接近。主要差别在于液晶对准层的制作。Nematic(向列型)LC的对准层一般用尼龙布对玻璃表面的聚合物层刷擦而成或者用单光束曝光而成。如图4所示，SPG的液晶对准层则是由两束紫外相干偏振光对聚合物层曝光而成，如图4(b)上方的两列光束，其中一束光为右旋偏振光，而另一束为左旋偏振光。液晶对准层如图4包括玻璃基板，光取向层和电极，当液晶被注入两玻璃基板间后，液晶分子取向按曝光后在对准层形成的全息图样排列。如图5所示，在SPG两端不加电压时，液晶分子形成液晶光栅，可对入射光进行衍射。如图6所示，当SPG两端电压大于或等于第一阈值电压Vth时，液晶分子向电场方向偏转，光栅效应消失。其中，所述第一阈值电压由所选液晶分子以及可变偏振光栅的结构决定。
具体的，对于N×N个可变偏振光栅中任一可变偏振光栅，当所述任一可变偏振光栅两端所加电压小于第一阈值电压时，所述任一可变偏振光栅中的液晶分子形成液晶光栅，对入射光进行衍射；当所述任一可变偏振光栅两端电压大于或等于第一阈值电压时，所述液晶分子向由所述任一可变偏振光栅两端电压造成的电场方向偏转，光栅效应消失；
在N×N个可变偏振光栅中，不需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅两端电压被设置为大于或等于第一阈值电压；需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅两端电压被设置为小于第一阈值电压；其中，所述需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅为与所述输入四分之一波片对应并且与所述输出四分之一波片对应的可变偏振光栅，所述不需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅为N×N可变偏振光栅阵列中除所述需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅之外的可变偏振光栅。
SPG只有0级、+1级和-1级三个衍射级次。根据入射光的偏振态不同，偏振分光器和四分之一波片可以将入射光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，然后左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别被SPG衍射到±1级，如图7所示。具体的，当SPG两端电压大于或等于第一阈值电压Vth时，任何偏振态的入射光经过SPG后偏振态不变，传播方向不变；当SPG两端电压小于第一阈值电压Vth时，例如，V＝0V，右旋圆偏光被衍射到+1级，变成左旋圆偏光，左旋圆偏光被衍射到-1级，变成右旋圆偏光。
具体的，以4x4光交换装置为例，如图3所示，C1、C2、C3、C4端口为入射端口；O1、O2、O3、O4端口为输出端口；如要实现C1-O3，C2-O1，C3-O2，C4-O4交叉连接，需要按照表1设置SPG电压。例如，要实现C1-O3，只需将位于C1和O3交叉点的SPG加零电压，其余SPG加高电压，具体的，所述高电压大于或等于阈值电压Vth。这样，光从C1的准直器输入，通过两片SPG后传输方向不变，再经过第三片SPG(电压为0V)后被衍射而偏向O3，而后耦合进O3的准直器。从而实现了C1到O3的光传输。
表1实现C1-O3,C2-O1,C3-O2,C4-O4的SPG电压设置
表1 O1 O2 O3 O4
C4 ON ON ON OFF
C3 ON OFF ON ON
C2 OFF ON ON ON
C1 ON ON OFF ON
本4x4光交换装置具有光分插复用(Add-Drop)功能，如图3所示，A1、A2、A3、A4端口为插入端口，用于往光路中插入一个或多个波长；D1、D2、D3、D4端口为分出端口，用于从光路中分出一个或多个波长。例如，要实现C1-O2,C2-O3,C3-D3,C4-O1,A4-O4功能，其中，将C3送到Drop端口D3，同时将A4加入到输出端口O4，按表2设置SPG的电压即可实现。
表2实现C1-O2,C2-O3,C3-D3,C4-O1,A4-O4的SPG电压设置
表2 O1 O2 O3 O4
C4 OFF ON ON ON D4
C3 ON ON ON ON D3
C2 ON ON OFF ON D2
C1 ON OFF ON ON D1
A1 A2 A3 A4
输出四分之一波片302，用于接收来自N×N可变偏振光栅401阵列的光信号，并将其转化为两个具有不同偏振方向的光信号，将所述具有两个不同偏振方向的光信号输出至偏振分光器202。具体已在上述图2本发明第一实施例中详述，在此不累述。
输出偏振分光器202，用于接收来自所述具有两个不同偏振方向的光信号进行偏振耦合并输出至输出准直器102。输出偏振分光器202可以通过多种技术实现，例如通过双折射晶体、偏振多层膜、高分子膜、石英玻璃刻蚀等来实现。具体已在上述图2本发明第一实施例中详述，在此不累述。
输出准直器102，用于接收来自输出偏振分光器202的光信号，将接收的光信号耦合到光纤中进行输出。具体已在上述图2本发明第一实施例中详述，在此不累述。
本发明实施例提供了一种基于液晶光栅的光交换装置，包括：输入准直器101、输入偏振分光器201、输入四分之一波片301、N×N可变偏振光栅401阵列、输出四分之一波片302、输出偏振分光器202、输出准直器102。通过设置可变偏振光栅401的电压，来选择光信号的传输路径，使得光信号输出至选定输出端。这种光交换装置结构简单、尺寸小、成本低。
实施例三
图8是本发明实施例三的一种基于可变偏振光栅/液晶片的光交换装置的具体结构示意图。如图8所示，本发明实施例三的基于可变偏振光栅/液晶片的光交换装置，包括：输入准直器101、输入偏振分光器201、输入四分之一波片301、N×N可变偏振光栅401/液晶片402阵列、输出四分之一波片302、输出偏振分光器202、输出准直器102。
本实施例与实施例二方案类似，只是在每个可变偏振光栅401后增加了一个液晶片402，形成可变偏振光栅401/液晶片402组合。通过对N×N可变偏振光栅401/液晶片402阵列电压的控制，使串扰光的圆偏振态与信号光的圆偏振态相反。经过输出四分之一波片302后，串扰光的偏振态与信号光的偏振态垂直，从而被输出端的输出偏振分光器所阻断。这样，就可将信噪比大大的提高。
具体的，液晶片402在本实施例的光交换装置中主要是用来控制光的偏振态。可选的，液晶片的对准方法可以是电控双折射(ElectricallyControlledBirefringence，ECB)型或垂直排列(VerticalAlignment，VA)型。其中，ECB型液晶，V＜Vth2时，例如，V＝0V，为双折射晶体；V≥Vth2时，无双折射效应。VA型液晶，V＜Vth2时，例如，V＝0V，无双折射效应；V≥Vth2时，为双折射晶体。其中，Vth2为第二阈值电压，第二阈值电压Vth2由液晶片中液晶分子和液晶片的结构所决定。
以VA型为例，如图9所示，VA型液晶的工作原理是，当所加电压大于或等于第二阈值电压Vth2时，左旋圆偏振光输入，则输出为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光输入，则输出为左旋圆偏振光。当所加电压小于第二阈值电压时，例如V＝0V，输出光与输入光的偏振态一致。
如图10所示，光经SPG后，信号光和串扰光的偏振方向相同，因而，在实施例二中，来自其他SPG的串扰光(cross-talk)会耦合进信号光通道，从而降低信噪比。本发明实施例在SPG片后加一液晶片LC402，如图10，通过设置液晶片电压，可使串扰光的圆偏振态始终与信号光的圆偏振态相反。这样，经过输出四分之一波片后，串扰光的偏振态与信号光的偏振态垂直，从而被输出分光器所阻断。这样，就可将信噪比大大的提高。
同实施例二方案类似，N×N个可变偏振光栅与液晶片的组合可以实现N×N的光交叉功能，并具有Add/Drop的功能。通过设置可变偏振光栅和液晶片的电压来选择输出路径，进而实现光交叉功能和Add/Drop功能。具体已在上述图3本发明实施例二中详述，在此不累述。
本发明实施例提供了一种基于可变偏振光栅/液晶片的光交换装置，包括：输入准直器101、输入偏振分光器201、输入四分之一波片301、N×N可变偏振光栅401/液晶片402阵列、输出四分之一波片302、输出偏振分光器202、输出准直器102。通过设置N×N可变偏振光栅401/液晶片402阵列的电压，来选择光信号的传输路径，使得光信号输出至选定输出端。这种光交换装置结构简单、尺寸小、成本低；同时通过设置液晶片的电压，使串扰光的偏振态与信号光的偏振态垂直，从而被输出分光器所阻断。这样，就可将信噪比大大的提高。
实施例四
图11是本发明实施例四的一种基于聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅组合的光交换装置的结构示意图。如图11所示，本发明实施例四的基于聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅组合的光交换装置，包括：输入准直器101、输入偏振分光器201、输入四分之一波片301、N×N聚合物偏振光栅4031/液晶片402/聚合物偏振光栅4032阵列、输出四分之一波片302、输出偏振分光器202、输出准直器102。
本实施例与实施例二的方案类似，只是将可变偏振光栅401替换成聚合物偏振光栅4031/液晶片402/聚合物偏振光栅4032组合，其中，“/”表示“/”前后两个器件在光传输路径中为紧邻关系，即光信号经聚合物偏振光栅4031输出至液晶402，然后输出至聚合物偏振光栅4032。
在具体应用中，聚合物偏振光栅(PolymerPolarizationGrating，PPG)的制作工艺流程如图12所示，首先将光敏聚合物材料(光取向材料)涂在玻璃基板上(如图12(a)所示)，然后用两束相干光对其曝光而形成全息图(如图12(b)所示)，再将可聚合物液晶涂在光敏层上(如图12(c)所示)，然后用均匀UV光对可聚合液晶曝光，从而将其固化，这时液晶分子依照光敏层的全息图型排布而形成一固定光栅(如图12(d)所示)。
PPG为固定光栅，所以不能通过加电压来改变其性能。如图13所示，右旋圆偏光被衍射到+1级，变成左旋圆偏光，左旋圆偏光被衍射到-1级，变成右旋圆偏光。因此PPG只有两个光输出方向。
液晶片402，用于通过设置液晶片402两端的电压来控制入射液晶片402的光信号的偏转。
可选的，液晶片402可以为ECB型液晶、或VA型液晶，ECB型液晶和VA型液晶的原理，具体已在上述图8本发明实施例三中详述，在此不累述。
N×N个PPG/LC/PPG组合可以实现N×N的光交叉开关功能。具体的，以4×4个PPG/LC/PPG组合为例，如图11所示，其中液晶片为VA型液晶，也可使用ECB型液晶。当液晶片所加电压大于或等于第二阈值时，改变光的偏振方向，从而出射光发生偏转。而当液晶片所加电压小于第二阈值电压时，具体的，所加电压V＝0V，不改变光的偏振方向，从而出射光与光轴平行。这样，通过设置液晶片的电压，就可实现4×4光交叉开关功能和Add/Drop功能。
可选的，液晶片402为VA型液晶片，则：
不需要对入射光进行偏转的液晶片402两端电压被设置为小于第二阈值电压；需要对入射光进行偏转的液晶片402两端电压被设置为大于或等于第二阈值电压；其中，所述需要对入射光进行偏转的液晶片402为与输入四分之一波片301对应并且与输出四分之一波片302对应的液晶片，所述不需要对入射光进行偏转的液晶片402为N×N个液晶片402阵列中除所述需要对入射光进行偏转的液晶片402之外的液晶片402。
可选的，液晶片402为ECB型液晶片，则：
不需要对入射光进行偏转的液晶片402两端电压被设置为大于或等于第二阈值电压；需要对入射光进行偏转的液晶片402两端电压被设置为小于第二阈值电压；其中，所述需要对入射光进行偏转的液晶片402为与输入四分之一波片301对应并且与输出四分之一波片302对应的液晶片，所述不需要对入射光进行偏转的液晶片402为N×N个液晶片402阵列中除所述需要对入射光进行偏转的液晶片402之外的液晶片。
如图11所示4×4个PPG/LC/PPG组合，C1、C2、C3、C4端口为入射端口；O1、O2、O3、O4端口为输出端口；只需要按照表3设置液晶片电压，就可以实现C1-O3，C2-O1，C3-O2，C4-O4的交叉连接。
表3实现C1-O3,C2-O1,C3-O2,C4-O4的LC阵列的电压设置
表3 O1 O2 O3 O4
C4 OFF OFF OFF ON
C3 OFF ON OFF OFF
C2 ON OFF OFF OFF
C1 OFF OFF ON OFF
本系统可同时实现光交叉开关功能和Add/Drop功能，如图11所示，A1、A2、A3、A4端口为插入端口，用于往光路中插入一个或多个波长；D1、D2、D3、D4端口为分出端口，用于从光路中分出一个或多个波长；关于各端口功能具体实施例二中有详细描述，在此不再赘述。例如，要实现C1-O3，C2-O4，C3-D3，C4-O2，A1-O1，可按照表3设置LC阵列的电压。
表3实现C1-O3,C2-O4,C3-D3,C4-O2,A1-O1的LC阵列的电压设置
表4 O1 O2 O3 O4
C4 OFF ON OFF OFF D4
C3 OFF OFF OFF OFF D3
C2 OFF OFF OFF ON D2
C1 OFF OFF ON OFF D1
A1 A2 A3 A4
本发明实施例提供了一种基于聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅的光交换装置，包括：输入准直器101、输入偏振分光器201、输入四分之一波片301、PPG4031/LC402/PPG4032、输出四分之一波片302、输出偏振分光器202、输出准直器102。通过设置液晶片402的电压，来选择光信号的传输路径，使得光信号输出至选定输出端。这种光交换装置结构简单、尺寸小、成本低。
实施例五
图14是本发明实施例五的一种基于PPG/LC/PPG/LC的光交换装置的结构示意图，如图14所示，本发明实施例五的基于PPG/LC/PPG/LC的光交换装置，包括：输入准直器101、输入偏振分光器201、输入四分之一波片301、N×NPPG4031/LC4021/PPG4032/LC4022阵列、输出四分之一波片302、输出偏振分光器202、输出准直器102。
本实施例与实施例四方案类似，只是在每个聚合物偏振光栅4031/液晶片4021/聚合物偏振光栅4032后增加了一个液晶片4022，形成聚合物偏振光栅4031/液晶4021/聚合物偏振光栅4032/液晶4022组合。
可选的，液晶片可以选择VA型，也可以选择ECB型液晶，关于VA型液晶和ECB型液晶的工作原理在实施例三中有详细描述，在此不再赘述。抑制串扰光的原理和实施例三类似，使串扰光的偏振方向与信号光的偏振方向相反，从而被输出端的偏振分光器202拦截。因此，系统的信噪比可大大提高。
本发明实施例提供了一种基于可变偏振光栅/液晶片的光交换装置，包括：输入准直器101、输入偏振分光器201、输入四分之一波片301、N×NPPG4031/LC4021/PPG4032/LC4022阵列、输出四分之一波片302、输出偏振分光器202、输出准直器102。通过设置LC4021的电压，来选择光信号的传输路径，使得光信号输出至选定输出端。这种光交换装置结构简单、尺寸小、成本低；同时通过设置LC4022的电压，使串扰光的偏振态与信号光的偏振态垂直，从而被输出分光器所阻断。这样，就可将信噪比大大的提高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种光交换装置，包括输入准直器、输出准直器，其特征在于，还包括：输入偏振分光器、输入四分之一波片、输出四分之一波片、输出偏振分光器和N×N液晶光栅阵列，其中，N为大于或等于2的整数；
所述输入偏振分光器置于所述输入准直器与所述输入四分之一波片之间，用于将来自所述输入准直器的输入光信号分成两个具有不同偏振方向的光信号，并将所述两个具有不同偏振方向的光信号输出至所述输入四分之一波片；
所述输入四分之一波片置于所述输入偏振分光器与所述N×N液晶光栅阵列之间，用于接收来自所述输入偏振分光器的所述两个具有不同偏振方向的光信号，并将所述两个具有不同偏振方向的光信号耦合成圆偏振光，将所述圆偏振光输出到所述N×N液晶光栅阵列；
所述N×N液晶光栅阵列置于所述输入四分之一波片与所述输出四分之一波片之间，用于通过N×N液晶光栅阵列中与所述输入四分之一波片对应的液晶光栅接收来自所述输入四分之一波片的所述圆偏振光，并将所述圆偏振光通过选定的传输路径输出至选定的输出四分之一波片；其中，所述选定的传输路径是通过设置N×N液晶光栅阵列中液晶光栅的电压来选择的；
所述输出四分之一波片置于所述N×N液晶光栅阵列与所述输出偏振分光器之间，用于将来自所述N×N液晶光栅阵列的圆偏振光分成两个具有不同偏振方向的光信号，并将所述两个具有不同偏振方向的光信号输出至所述输出偏振分光器；
所述输出偏振分光器置于所述输出四分之一波片与所述输出准直器之间，用于将来自所述输出四分之一波片的所述两个具有不同偏振方向的光信号耦合进所述输出准直器。
2.如权利要求1所述的光交换装置，其特征在于，所述N×N液晶光栅阵列中液晶光栅包括N×N可变偏振光栅、N×N可变偏振光栅/液晶片组合、N×N聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅组合、或N×N聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅/液晶片组合。
3.如权利要求1或2所述的光交换装置，其特征在于，所述N×N液晶光栅阵列中液晶光栅包括N×N个可变偏振光栅；
对于N×N个可变偏振光栅中任一可变偏振光栅，当所述任一可变偏振光栅两端所加电压小于第一阈值电压时，所述任一可变偏振光栅中的液晶分子形成液晶光栅，对入射光进行衍射；当所述任一可变偏振光栅两端电压大于或等于第一阈值电压时，所述液晶分子向由所述任一可变偏振光栅两端电压造成的电场方向偏转，光栅效应消失；
在N×N可变偏振光栅中，不需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅两端电压被设置为大于或等于第一阈值电压；需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅两端电压被设置为小于第一阈值电压；其中，所述需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅为与所述输入四分之一波片对应并且与所述输出四分之一波片对应的可变偏振光栅，所述不需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅为N×N可变偏振光栅阵列中除所述需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅之外的可变偏振光栅。
4.如权利要求3所述的光交换装置，其特征在于，所述需要对入射光进行偏转的可变偏振光栅两端电压被设置为零。
5.如权利要求3或4所述的光交换装置，其特征在于，当所述任一可变偏振光栅两端所加电压小于第一阈值电压时，所述任一可变偏振光栅有0级、+1级和-1级三个衍射级次；入射的右旋圆偏振光被所述任一可变偏振光衍射到+1级，变成左旋圆偏振光；入射的左旋圆偏振光被所述任一可变偏振光衍射到-1级，变成右旋圆偏振光。
6.如权利要求3-5中任一项所述的光交换装置，其特征在于，所述N×N液晶光栅阵列中光栅液晶还包括N×N个液晶片，每个液晶片与每个可变偏振光栅一一对应形成一个可变偏振光栅/液晶片组合，每个液晶片用于控制入射所述液晶片的光信号的偏振态，使得来自与该液晶片对应的可变偏振光栅的信号光和串扰光经过所述液晶片后，输出信号光的圆偏振态与输出串扰光的圆偏振态相反；其中，通过设置所述液晶片两端的电压来控制入射所述液晶片的光信号的偏振态。
7.如权利要求6所述的光交换装置，其特征在于，所述N×N个液晶片为垂直排列型液晶，
当任一液晶片所加电压小于第二阈值电压时，所述任一液晶片的输出光与所述任一液晶片的输入光偏振态一致；
当所述任一液晶片所加电压大于或等于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述任一液晶片，则所述任一液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述任一液晶片，则所述任一液晶片输出左旋圆偏振光。
8.如权利要求6所述的光交换装置，其特征在于，所述N×N个液晶片为电控双折射型液晶，
当任一液晶片所加电压大于或等于第二阈值电压时，所述任一液晶片的输出光与所述液晶片的输入光偏振态一致；
当所述任一液晶片所加电压小于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述任一液晶片，则所述任一液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述任一液晶片，则所述任一液晶片输出左旋圆偏振光。
9.如权利要求1或2所述的光交换装置，其特征在于，所述N×N液晶光栅阵列中液晶光栅包括N×N聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅组合，任一聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅组合包括：第一聚合物偏振光栅、第一液晶片和第二聚合物偏振光栅；
所述第一聚合物偏振光栅与第二聚合物偏振光栅均为固定光栅；
若输入右旋圆偏振光，则被所述第一聚合物偏振光栅或第二聚合物偏振光栅衍射到+1级，输出左旋圆偏振光；若输入左旋圆偏振光，则被所述第一聚合物偏振光栅或第二聚合物偏振光栅衍射到-1级，输出右旋圆偏振光；
所述第一液晶片，用于通过设置所述第一液晶片两端的电压来控制入射所述液晶片的光信号的偏转。
10.如权利要求9所述的光交换装置，其特征在于，所述第一液晶片为垂直排列液晶，当所述第一液晶片所加电压小于第二阈值电压时，所述第一液晶片的输出光与输入光偏振态一致；
当所述第一液晶片所加电压大于或等于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述第一液晶片，则所述第一液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述第一液晶片，则所述第一液晶片输出左旋圆偏振光；
不需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片两端电压被设置为小于所述第二阈值电压；需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片两端电压被设置为大于或等于所述第二阈值电压；其中，所述需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片为与所述输入四分之一波片对应并且与所述输出四分之一波片对应的所述第一液晶片，所述不需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片为N×N个所述第一液晶片阵列中除所述需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片之外的第一液晶片。
11.如权利要求9所述的光交换装置，其特征在于，所述第一液晶片为电控双折射液晶，当所述第一液晶片所加电压大于或等于第二阈值电压时，所述第一液晶片的输出光与输入光偏振态一致；
当所述第一液晶片所加电压小于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述第一液晶片，则所述第一液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述第一液晶片，则所述第一液晶片输出左旋圆偏振光；
不需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片两端电压被设置为大于或等于所述第二阈值电压；需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片两端电压被设置为小于所述第二阈值电压；其中，所述需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片为与所述输入四分之一波片对应并且与所述输出四分之一波片对应的所述第一液晶片，所述不需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片为N×N个所述第一液晶片阵列中除所述需要对入射光进行偏转的所述第一液晶片之外的第一液晶片。
12.如权利要求9所述的光交换装置，其特征在于，所述N×N液晶光栅阵列中液晶光栅还包括N×N个第二液晶片，每个第二液晶片与每个聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅组合形成一个聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅/液晶片组合，每个第二液晶片用于控制入射所述第二液晶片的光信号的偏振态，使得来自与该第二液晶片对应的聚合物偏振光栅/液晶片/聚合物偏振光栅的信号光和串扰光经过所述第二液晶片后，输出信号光的圆偏振态与输出串扰光的圆偏振态相反；其中，通过设置所述第二液晶片两端的电压来控制入射所述第二液晶片的光信号的偏振态。
13.如权利要求12所述的光交换装置，其特征在于，所述N×N个第二液晶片为垂直排列液晶，
当任一第二液晶片所加电压小于第二阈值电压时，所述任一第二液晶片的输出光与输入光偏振态一致；
当所述任一第二液晶片所加电压大于或等于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述任一第二液晶片，则所述任一第二液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述任一液晶片，则所述任一液晶片输出左旋圆偏振光。
14.如权利要求12所述的光交换装置，其特征在于，所述N×N个第二液晶片为电控双折射液晶
当任一第二液晶片所加电压大于第或等于二阈值电压时，所述任一第二液晶片的输出光与输入光偏振态一致；
当所述任一第二液晶片所加电压小于第二阈值电压时，
若左旋圆偏振光输入所述任一第二液晶片，则所述任一第二液晶片输出右旋圆偏振光；
若右旋圆偏振光输入所述任一第二液晶片，则所述任一第二液晶片输出左旋圆偏振光。
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