CN109001881A - 一种液晶芯片和波长选择开关 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种液晶芯片和波长选择开关，其中液晶芯片包括衰减单元和切换单元阵列，衰减单元与切换单元阵列通过胶水粘接；切换单元阵列为由若干个切换单元构成的阵列，其中前一切换单元与后一切换单元通过胶水粘接；衰减单元用于调节光信号的衰减量，切换单元用于调节光信号的偏转角度。本发明实施例提供的一种液晶芯片和波长选择开关，通过胶水粘接构成液晶芯片，结构紧凑牢固，且内部不存在常规WSS核心芯片内部各组件之间的空气缝隙,杜绝了污染物进入芯片端面的问题，此外，通过胶水替代了常规WSS核心芯片内部各组件之间的空气缝隙，提高了缝隙折射率，有效减小了液晶芯片的厚度，提高了基于液晶芯片的WSS带宽指标。

Description

一种液晶芯片和波长选择开关
技术领域
本发明实施例涉及光通信技术领域，尤其涉及一种液晶芯片和波长选择开关。
背景技术
随着波分系统的发展，人们对系统的灵活性要求也越来越高，波长选择开关具有任意端口波长任意上下的功能，以及其精准的光功率衰减控制功能，成为了ROADM(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，可重构的光分插复用器)系统的关键器件，在智能光网络中获得了广泛的使用。
WSS器件由常规的光学耦合元件(准直器、透镜、光栅等)和核心的光学芯片组成，其中核心光学芯片为WSS器件的关键部分。目前，比较主流的WSS核心芯片实现方案有三种：微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)阵列反射镜方案、液晶(LiquidCrystal，LC)方案、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)方案。
当前基于液晶方案的WSS核心芯片，其内部各组件通常分别与底板粘接，各组件之间的空气缝隙较大，导致WSS核心芯片的体积难以压缩，此外由于存在污染物容易进入芯片端面的问题，WSS核心芯片的光学性能仍待提高。
发明内容
本发明实施例提供一种液晶芯片和波长选择开关，用以解决现有的WSS核心芯片存在的问题。
一方面，本发明实施例提供一种液晶芯片，包括衰减单元和切换单元阵列，衰减单元与切换单元阵列通过胶水粘接；
切换单元阵列为由若干个切换单元构成的阵列，其中前一切换单元与后一切换单元通过胶水粘接；
衰减单元用于调节光信号的衰减量，切换单元用于调节光信号的偏转角度。
另一方面，本发明实施例提供一种波长选择开关，输入端口、波长分离装置和至少一个输出端口；
其中，输入端口用于输入包含有不同波长的光信号的光束；
波长分离装置包括液晶芯片，波长分离装置用于从输入端口射出的光束中分离出至少一个光信号；
输出端口用于输出波长分离装置分离出的至少一个光信号。
本发明实施例提供的一种液晶芯片和波长选择开关，通过胶水粘接构成液晶芯片，结构紧凑牢固，且内部不存在常规WSS核心芯片内部各组件之间的空气缝隙,杜绝了污染物进入芯片端面的问题，此外，通过胶水替代了常规WSS核心芯片内部各组件之间的空气缝隙，提高了缝隙折射率，有效减小了液晶芯片的厚度，提高了基于液晶芯片的WSS带宽指标。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例的一种液晶芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种液晶芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种切换单元的光路示意图；
图4为本发明实施例的一种波长选择开关的结构示意图；
图5为本发明实施例的一种波长选择开关的纵向端口切换示意图；
图6为本发明实施例的一种波长选择开关的横向波长控制示意图；
附图标记说明：
101-衰减单元； 102-切换单元阵列； 103-切换单元；
104-胶水； 201-衰减液晶； 202-检偏器；
203-切换液晶； 204-双折射楔角片； 301-入射光信号；
302-非寻常出射光； 303-寻常出射光； 401-输入端口；
402-波长分离装置； 403-输出端口； 501-起偏器；
502-第一横向扩束柱透镜； 503-第二横向扩束柱透镜； 504-光栅；
505-纵向切换柱透镜； 506-横向聚焦柱透镜； 507-液晶芯片；
508-反射镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
为了解决现有的基于液晶方案的WSS核心芯片各组件之间的空气缝隙较大，导致WSS核心芯片的体积难以压缩，以及由于存在污染物容易进入芯片端面导致的光学性能不高的问题，本发明实施例提供了一种用于波长选择开关的液晶芯片，图1为本发明实施例的一种液晶芯片的结构示意图，如图1所示，一种液晶芯片，包括衰减单元101和切换单元阵列102，衰减单元101与切换单元阵列102通过胶水104粘接；切换单元阵列102为由若干个切换单元103构成的阵列，其中前一切换单元103与后一切换单元103通过胶水104粘接；衰减单元101用于调节光信号的衰减量，切换单元103用于调节光信号的偏转角度。
具体地，液晶芯片用于调节光信号的衰减量和偏转角度，其中，液晶芯片包括用于调节光信号的衰减量的衰减单元101和若干个用于调节光信号的偏转角度的切换单元103。此处，切换单元阵列102由若干个切换单元103构成，切换单元阵列102中切换单元103的具体数量可根据实际应用场景和具体需求确定，本发明实施例对此不作具体限定。
针对液晶芯片的各个组件，即衰减单元101和切换单元阵列102中的每一切换单元103，通过胶水104对上述组件进行粘接，使得经过胶水104粘接后的各个组件构成一个整体，即液晶芯片。
本发明实施例中，通过胶水104粘接构成液晶芯片，结构紧凑牢固，且内部不存在常规WSS核心芯片内部各组件之间的空气缝隙,杜绝了污染物进入芯片端面的问题，此外，通过胶水104替代了常规WSS核心芯片内部各组件之间的空气缝隙，提高了缝隙折射率，有效减小了液晶芯片的厚度，提高了基于液晶芯片的WSS带宽指标。
基于上述实施例，图2为本发明实施例的一种液晶芯片的结构示意图，如图2所示，一种液晶芯片，衰减单元101包括衰减液晶201和检偏器202，每一切换单元103包括切换液晶203和双折射楔角片204；衰减单元101中，衰减液晶201与检偏器202通过胶水104粘接；任一切换单元103中，切换液晶203与双折射楔角片204通过胶水104粘接；切换单元阵列102中，前一切换单元103的双折射楔角片204与后一切换单元103的切换液晶203通过胶水104粘接；衰减单元101的检偏器202与切换单元阵列102中的首位切换单元103的切换液晶203通过胶水104粘接。
具体地，检偏器202是由偏振片所组合而成的，通常一道自然光通过后改变其偏振态，变成椭圆或圆偏振。如果光被偏极化，可用另一个偏极片试验出来。在偏振光通过此检偏器202时旋转检偏器202，可以改变透射光的功率密度，借此判断是否得到了所需要的偏振光。衰减单元101中，衰减液晶201用于调整入射光的偏振态，并与检偏器202配合从而实现对入射光的衰减量和功率的调节控制。需要说明的是，衰减单元101中，首先由衰减液晶201进行入射光的偏振态调整，随后经过检偏器202进行衰减。
衰减单元101输出的光信号通过胶水104进入切换单元103序列。切换单元103中，双折射楔角片204为采用双折射晶体构造的楔角片。切换液晶203用于调整光信号的偏振态，经过切换液晶203调整偏振态的光信号在双折射楔角片204的作用下，基于双折射楔角片204针对寻常光和非寻常光的两种折射率，光信号中的寻常光与非寻常光产生分离角，变成两束出射光。由此可知，一个切换单元103能将一束入射光转换为两束出射光，假设切换单元阵列102由n个切换单元103构成，则切换单元阵列102能将一束入射光转换为2n束出射光。
基于上述任一实施例，一种液晶芯片，胶水104的折射率处于双折射楔角片204折射率区间内；双折射楔角片204折射率区间通过双折射楔角片204的寻常光折射率和非寻常光折射率确定。
具体地，寻常光是指对于晶体的一切方向都具有相同的折射率，且在入射面内传播的光(o光)，非寻常光是指折射率随方向而变化，且不一定在入射面内传播的光(e光)。选择折射率在双折射楔角片204折射率区间内，且折射率与液晶芯片面板玻璃的折射率相近的胶水104，在入射光信号正入射(或近似正入射)到液晶芯片组合上时，按照菲涅尔公式计算出，胶水104和液晶芯片、楔角片的反射率分别为：
液晶芯片与胶水104的端面反射率Rl如下：
入射光信号为寻常光时，入射光信号由胶水104到双折射楔角片204的端面反射率Ro如下：
入射光信号为非寻常光时，入射光信号由胶水104到双折射楔角片204的端面反射率Re如下：
式中，nl为液晶芯片的端面折射率，ng为胶水104的折射率，no为双折射楔角片204的寻常光折射率，ne为双折射楔角片204的非寻常光折射率。
由于胶水104的折射率ng与液晶芯片的端面折射率相近nl，且介于双折射楔角片204的寻常光折射率no与非寻常光折射率ne之间，故上述三种反射率都很低。例如当ng＝1.55，nl＝1.52，no＝1.5，ne＝1.6时，液晶芯片与胶水104的端面反射率Rl、由胶水104到双折射楔角片204的端面寻常光反射率Ro以及由胶水104到双折射楔角片204的非寻常光端面反射率Re分别为0.0095％、0.0269％、0.0252％，相应的透过率则为99.9905％、99.9731％、99.9748％。
本发明实施例中，选取了折射率与双折射楔角片204折射率匹配的胶水104，提高了液晶芯片内部各组件的透过率，使得液晶芯片内部各组件无需镀膜即能够满足实际应用的透过率要求，降低了液晶芯片的制作成本。
基于上述任一实施例，一种液晶芯片，衰减液晶201为电控双折射型液晶，切换液晶203为扭曲向列型液晶。
此处，衰减单元101中，衰减液晶201为电控双折射型(Electrically ControlledBirefringence，ECB)液晶，通过设置ECB液晶的控制电压对入射光的双折射相位差进行调整。当相位差为0时，入射光经过ECB液晶后的偏振态不发生改变，若检偏器202透光轴方向与入射光的偏振方向平行，则此时相应通道光信号为零衰减，若检偏器202透光轴方向与入射光的偏振方向垂直，则相应通道光信号为block状态；当相位差为π时入射光经过ECB液晶后的偏振方向转90°(要求ECB的光轴方向与入射线偏振光的偏振方向成45°角)，若检偏器202透光轴方向与入射光的偏振方向平行，则此时相应通道光信号为block状态，若检偏器202透光轴方向与入射光的偏振方向垂直，则相应通道光信号为零衰减；当相位差在0～π范围内变化时，可实现对入射光信号不同程度的衰减。
切换单元103中，切换液晶203为扭曲向列型(Twisted Nematic，TN)液晶，通过设置TN液晶的控制电压对入射光的偏振态进行控制。图3为本发明实施例的一种切换单元103的光路示意图，如图3所示，在入射光信号301入射至切换液晶203时，其偏振态可由沿y轴方向转变为沿x轴方向或沿y轴方向两种情况。
基于上述任一实施例，一种液晶芯片，双折射楔角片204用于将入射光信号301分离成两束夹角如下式所示的光信号：
θ＝(ne-no)·α；
式中，θ为两束光信号的夹角，ne为双折射楔角片204的非寻常光折射率，no为双折射楔角片204的寻常光折射率，α为双折射楔角片204的楔角。
参考图3，双折射楔角片204的光轴沿x方向。对于经由切换液晶203输出的沿x轴方向的偏振光，经过双折射楔角片204时按照非寻常光进行计算，折射率为ne。对于经由切换液晶203输出的沿y轴方向的偏振光，经过双折射楔角片204时按照寻常光进行计算，折射率为no。在双折射楔角片204的楔角α的作用下，寻常光与非寻常光产生分离角，即图3中的夹角θ。
基于上述任一实施例，一种液晶芯片，检偏器202的透光轴方向与其入射光信号的偏振方向平行或垂直。若检偏器202的透光轴方向与入射光信号的偏振方向平行，则此时对应通道的光信号为零衰减，若检偏器202的透光轴方向与入射光信号的偏振方向垂直，则此时对应通道的光信号为block状态。
基于上述任一实施例，图4为本发明实施例的一种波长选择开关的结构示意图，如图4所示，一种基于液晶芯片的波长选择开关，包括输入端口401、波长分离装置402和至少一个输出端口403；其中，输入端口401用于输入包含有不同波长的光信号的光束；波长分离装置402包括上述任一实施例中的液晶芯片，波长分离装置402用于从输入端口401射出的光束中分离出至少一个光信号；输出端口403用于输出波长分离装置402分离出的至少一个光信号。
具体地，输入端口401可以由光纤形成，包含具有不同波长的多个光信号的光束。光束可以经由输入端口401入射到波长分离装置402中。
波长分离装置402包括液晶芯片，波长分离装置402可以通过液晶芯片从光束中分离中至少一个光信号，即可以从光束中分离出一个光信号或多个光信号。如上文所述，液晶芯片包括通过胶水104粘接的衰减单元101和切换单元阵列102，其中衰减单元101用于调节光信号的衰减量，切换单元阵列102用于调节光信号的偏转角度。因而液晶芯片可以对光束中的至少一个光信号的偏转量进行调整，使得所述至少一个光信号与光束中的其他光信号的偏转量不同，将所述至少一个光信号分离出来。
至少一个输出端口403接收由波长分离装置402分离的至少一个光信号，并且输出所接收的光信号。也就是说，输出端口403的数量与波长分离装置402分离的光信号的数量相等，从而每个输出端口403接收并输出一个光信号。输出端口403可以由光纤形成。
本发明实施例中，基于通过胶水104粘接构成的液晶芯片构建波长选择开关，通过胶水104替代了常规WSS核心芯片内部各组件之间的空气缝隙，提高了缝隙折射率，有效减小了液晶芯片的厚度，提高了基于液晶芯片的波长选择开关的带宽指标。
基于上述任一实施例，一种波长选择开关，波长分离装置402还包括起偏装置、扩束装置、分光装置、聚焦装置和反射装置；其中，起偏装置用于将从输入端口401射出的光束转换为线偏振光；扩束装置用于将线偏振光进行扩束；分光装置用于将经过扩束装置扩束的线偏振光分光成按波长分布的通道光信号；聚焦装置用于将通道光信号聚焦到液晶芯片；液晶芯片用于对通道光信号进行衰减和角度偏转，输出端口403信号光；反射装置用于反射端口信号光至对应的输出端口403。
基于上述任一实施例，一种波长选择开关，输入端口401上设置有准直装置，准直装置用于对光束进行准直。
为了更好地理解与应用本发明提出的一种波长选择开关，本发明进行以下示例，且本发明不仅局限于以下示例。
图5为本发明实施例的一种波长选择开关的纵向端口切换示意图，图6为本发明实施例的一种波长选择开关的横向波长控制示意图，如图5、图6所示，一种波长选择开关，包括输入端口401、波长分离装置402和至少一个输出端口403，其中，输入端口401上设置有准直装置，波长分离装置402包括起偏装置、扩束装置、分光装置、聚焦装置、液晶芯片507和反射装置。本示例中，起偏装置为起偏器501，扩束装置包括第一横向扩束柱透镜502和第二横向扩束柱透镜503，分光装置为光栅504，聚焦装置包括纵向切换柱透镜505和横向聚焦柱透镜506，液晶芯片507包括通过胶水104粘接的衰减单元101和切换单元阵列102，反射装置为反射镜508。
如图5所示，当包含有不同波长的光信号的光束由装设有准直装置的输入端口401出射后，经起偏器501后，分成两束偏振态互相垂直的线偏振光(沿x方向的0°线偏振光和沿y方向的90°线偏振光)，其中一束经45°半波片后，偏振态旋转90°，与另一束偏振态一致，再经由纵向切换透镜，聚焦至反射镜508上，由液晶芯片507来控制光束的偏转方向，使其可以回到对应的输出端口403。其中，第一横向扩束柱透镜502、第二横向扩束柱透镜503和横向聚焦柱透镜506均为横向的柱透镜，不改变光线的方向，光栅504的刻线方向为横向，对纵向光线不产生影响。
如图6所示，当包含有不同波长的光信号的光束由装设有准直装置的输入端口401出射后，经起偏器501后，分成两束偏振态互相垂直的线偏振光(沿x方向的0°线偏振光和沿y方向的90°线偏振光)，其中一束经45°半波片后，偏振态旋转90°，与另一束偏振态一致，在考虑横向光束传输特性时，这两束光是一样的，因此此处仅分析一束光的传输特性。光束经过第一横向扩束柱透镜502、第二横向扩束柱透镜503构成的扩束装置进行扩束后，再经光栅504进行分光，使得不同波长的光信号在横向产生角度分离，然后由纵向切换柱透镜505横向聚焦柱透镜506将各波长聚焦到液晶芯片507的不同区域，由液晶芯片507对不同波长分别进行端口切换、功率衰减控制，最后由反射镜508将各波长沿光路反射回各自对应的端口。
本示例中，基于通过胶水104粘接构成的液晶芯片507构建波长选择开关，通过胶水104替代了常规WSS核心芯片内部各组件之间的空气缝隙，提高了缝隙折射率，有效减小了液晶芯片507的厚度，提高了基于液晶芯片507的波长选择开关的带宽指标。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种液晶芯片，其特征在于，包括衰减单元和切换单元阵列，所述衰减单元与所述切换单元阵列通过胶水粘接；
所述切换单元阵列为由若干个切换单元构成的阵列，其中前一所述切换单元与后一所述切换单元通过胶水粘接；
所述衰减单元用于调节光信号的衰减量，所述切换单元用于调节所述光信号的偏转角度。
2.根据权利要求1所述的液晶芯片，其特征在于，所述衰减单元包括衰减液晶和检偏器，每一所述切换单元包括切换液晶和双折射楔角片；
所述衰减单元中，所述衰减液晶与所述检偏器通过胶水粘接；
任一所述切换单元中，所述切换液晶与所述双折射楔角片通过胶水粘接；
所述切换单元阵列中，前一所述切换单元的所述双折射楔角片与后一所述切换单元的所述切换液晶通过胶水粘接；
所述衰减单元的检偏器与所述切换单元阵列中的首位切换单元的所述切换液晶通过胶水粘接。
3.根据权利要求2所述的液晶芯片，其特征在于，所述胶水的折射率处于双折射楔角片的双折射率区间内；所述双折射楔角片折射率区间通过所述双折射楔角片的寻常光折射率和非寻常光折射率确定。
4.根据权利要求3所述的液晶芯片，其特征在于，当光信号正入射到所述液晶芯片时，所述液晶芯片与所述胶水的端面反射率Rl如下：
当所述光信号为寻常光时，所述光信号由所述胶水到所述双折射楔角片的端面反射率Ro如下：
当所述光信号为非寻常光时，所述光信号由所述胶水到所述双折射楔角片的端面反射率Re如下：
式中，nl为所述液晶芯片的端面折射率，ng为所述胶水的折射率，no为所述双折射楔角片的寻常光折射率，ne为所述双折射楔角片的非寻常光折射率。
5.根据权利要求2所述的液晶芯片，其特征在于，所述衰减液晶为电控双折射型液晶，所述切换液晶为扭曲向列型液晶。
6.根据权利要求2所述的液晶芯片，其特征在于，所述双折射楔角片用于将入射的光信号分离成两束夹角如下式所示的光信号：
θ＝(ne-no)·α；
式中，θ为两束光信号的夹角，ne为所述双折射楔角片的非寻常光折射率，no为所述双折射楔角片的寻常光折射率，α为所述双折射楔角片的楔角。
7.根据权利要求2所述的液晶芯片，其特征在于，所述检偏器的透光轴方向与其入射的光信号的偏振方向平行或垂直。
8.一种波长选择开关，其特征在于，包括输入端口、波长分离装置和至少一个输出端口；
其中，所述输入端口用于输入包含有不同波长的光信号的光束；
所述波长分离装置包括权利要求1至5中任一权利要求所述的液晶芯片，所述波长分离装置用于从所述输入端口射出的所述光束中分离出至少一个光信号；
所述输出端口用于输出所述波长分离装置分离出的至少一个光信号。
9.根据权利要求8所述的波长选择开关，其特征在于，所述波长分离装置还包括起偏装置、扩束装置、分光装置、聚焦装置和反射装置；
其中，所述起偏装置用于将从所述输入端口射出的所述光束转换为线偏振光；
所述扩束装置用于将所述线偏振光进行扩束；
所述分光装置用于将经过所述扩束装置扩束的所述线偏振光分光成按波长分布的通道光信号；
所述聚焦装置用于将所述通道光信号聚焦到所述液晶芯片；
所述液晶芯片用于对所述通道光信号进行衰减和角度偏转，输出端口信号光；
所述反射装置用于反射所述端口信号光至对应的所述输出端口。
10.根据权利要求8所述的波长选择开关，其特征在于，所述输入端口上设置有准直装置，所述准直装置用于对所述光束进行准直。
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