CN210894900U - 一种基于液晶芯片的波长选择开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光通信领域，具体涉及一种基于液晶芯片的波长选择开关，包括由光路顺次连接的输入单元、偏振处理单元、交换单元、色散分光单元、光束选择单元和输出单元；交换单元包含偏振分光元件、半波片、反射镜和补偿片；光束选择单元包含至少一个衰减单元，每个衰减单元都存在至少一个相应的切换单元。本实用新型提供的波长选择开关可以高效、低成本、易实现的提供基于LC技术的WSS输出端口的扩展，并可以通过简单替换光束选择单元的元件实现对多种不同带宽的支持；还通过每个单元光学元件的选择，以及光路折叠等方式，简化了波长选择开关的结构，降低了波长选择开关的成本，减小了波长选择开关的体积。

Description

一种基于液晶芯片的波长选择开关

【技术领域】

本实用新型涉及光通信领域，特别是涉及一种基于液晶芯片的波长选择开关。

【背景技术】

随着社会对数据流量的需求呈现指数式增长，新一代的光通信网络必须满足高比特率的数据传输和大吞吐量的交换。可重构光分插复用器 (Reconfigurable OpticalAdd-Drop Multiplexing，简写为ROADM)是新一代光网络中的重要组成部分，其中波长选择开关(Wavelength Selective Switch，简写为WSS)是近年来发展最为迅速的ROADM的技术，起着尤其关键的作用。

目前实现WSS的主流技术有三种，分别为基于微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical System，简写为MEMS)，基于液晶(Liquid Crystal，简写为LC)技术，基于硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，简写为LCOS)芯片。基于MEMS技术的WSS结构简单、尺寸小，但可重复性较难保持以及不支持灵活带宽控制；基于LCOS芯片的WSS端口数多、支持灵活带宽控制，但目前芯片成本较高以及对芯片的控制程序十分复杂；基于LC技术的WSS具有系统结构简单、成本低、系统性能可靠等优点，但能扩展的端口数不及基于LCOS芯片的WSS。

鉴于此，如何克服该现有技术所存在的缺陷，避免目前基于LC技术的 WSS能扩展的端口数少的问题，是本技术领域亟待解决的问题。

【实用新型内容】

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供一种简单可行的多端口的波长选择开关，在保留了现有基于LC技术的WSS优点的基础上，解决了现有基于LC技术的WSS可扩展端口少的问题。

本实用新型实施例采用如下技术方案:

第一方面，本实用新型提供了一种基于液晶芯片的波长选择开关：包括由光路顺次连接的输入单元1、偏振处理单元2、交换单元3、扩束单元 4、色散分光单元5、光束整形单元6、光束选择单元7和输出单元8；交换单元3包含偏振分光元件31，半波片32、反射镜34和补偿片33，以便于将入射光分为多个偏振态相同、光程一致，且光路平行并保持一定距离的光束；色散分光单元5包含可将不同波长的光分离的元件；光束选择单元7 包含至少一个衰减单元71，每个衰减单元71都存在至少一个相应的切换单元72，以便于将不同波长的光进行选择。

优选的，半波片32和补偿片33位于偏振分光元件31的第一偏振态光束的出射光路上，反射镜34位于偏振分光元件31的第二偏振态光束的出射光路上，半波片32和反射镜34使得第一偏振态光束和第二偏振态光束偏振态相同、且光路平行并保持一定距离，补偿片33使得第一偏振态光束和第二偏振态光束光程一致。

优选的，衰减单元71由衰减型液晶和检偏器组成，切换单元72由切换型液晶和楔角片组成。

优选的，衰减单元71和切换单元72间通过胶水粘接。

优选的，波长选择开关包含至少一组相应的输入/输出单元，每组输入 /输出单元至少包含两个输入端口和多个输出端口。

优选的，输入单元1为准直器阵列，输出单元8为准直器阵列。

优选的，色散分光单元3具体为反射式光栅。

优选的，光束整形单元6包含第一光束整形器61和第二光束整形器63，光束经第一光束整形器61整形后，由第二光束整形器63聚焦。

优选的，光束整形单元6还包含光路转折单元62，以便于将光路进行折叠。

优选的，所述第一光束整形器61和第二光束整形器63具体为球面镜或柱面镜。

与现有技术相比，本实用新型提供的波长选择开关的交换单元基于光的偏振特性实现波长交换，将入射光分为多个不同波长的光束，再通过光束选择单元对不同光束的衰减和对电压的控制实现选择性地控制输出光的偏振态。通过在光束选择单元中设置多个切换单元对交换单元分光后的多个不同波长光束进行多路选择，提供高效、低成本、易实现的基于LC技术的WSS输出端口的扩展，并可以通过简单替换光束选择单元的元件实现对多种不同带宽的支持。

进一步，本实用新型提供的波长选择开关还通过每个单元光学元件的选择，以及光路折叠等方式，简化了波长选择开关的结构，降低了波长选择开关的成本，减小了波长选择开关的体积。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的一种基于液晶芯片的波长选择开关的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的另一种基于液晶芯片的波长选择开关的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的基于液晶芯片的波长选择开关的交换单元结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的基于液晶芯片的波长选择开关的光束整形单元结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的基于液晶芯片的波长选择开关的光束选择单元结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型是一种特定功能系统的体系结构，因此在具体实施例中主要说明各结构模组的功能逻辑关系，并不对具体软件和硬件实施方式做限定。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本实用新型。

实施例1：

目前基于LC技术的WSS主要由准直器阵列、偏振转换单元、光路整形单元、衍射光栅以及液晶芯片组成。此类型WSS是基于光的偏振特性实现波长交换的功能，通过对芯片电压的控制选择性的控制输出光的偏振态。

本实施例中提供的基于液晶芯片的波长选择开关在目前WSS结构的基础上，在光路中加入了交换单元，并在原有2端口液晶芯片的基础上通过光束选择单元中衰减单元和多个切换单元的配合，实现了端口数量扩展的功能。

下面结合图1说明本实用新型基于液晶芯片的波长选择开关的具体结构：

本实施例提供的一种波长选择开关包括：输入单元1、偏振处理单元2、交换单元3、色散分光单元5、光束选择单元7和输出单元8。

在本实施例的具体应用场景中，为了保证更好的光学效果，在交换单元3和色散分光单元5之间增加扩束单元4，在色散分光单元5和光束选择单元7之间增加光束整形单元6。

如图2所示，待进行波长选择的入射光在上述功能单元中传播的过程如下：

入射光L0由输入单元1的入光口输入波长选择开关的光路成为L1；

L1由偏振处理单元2分为分成偏振态相互垂直，但传播路线相同的线偏振光束L2和L3。由于L1中存在不同波长，因此经过偏振处理单元2的出射光包含多束平行光束，每一束出射光中都包含偏振态互相垂直的一组 L2和L3；

L2和L3经交换单元3中的偏振分光元件31、半波片32和反射镜34 后，变为光路平行且有一定距离差的两束相同偏振态光束L4和L5；由于 L4相对于L5的光程较短，因此在半波片之后的L5光路上增加补偿片33，从而使L4和L5的光程一致；

L4和L5经准直并由扩束单元4扩束后成为光束L6和L7；

L6和L7经过色散分光单元5根据不同波长分为不同角度出射的L9-1、 L8-2……L8-M，M为入射光中需进行选择的波长数，色散分光单元5完成对入射光不同波长的初步分离；

L8-1至L8-M经光束整形单元6整形准直后成为光束L9-1至L9-M；

L9-1至L9-M进入光束选择单元7的衰减单元71，经衰减单元71对每一光束进行不同程度的衰减，产生具有相位差的不同波长的光束L10-1至 L10-M；L10-1至L10-M进入光束选择单元7的切换单元72，切换单元72 选择性的控制L10-1至L10-M中每一个光束的偏振态，将每光束耦合至输出单元8的每一输出端口；

输出单元8的输出端口对光束选择单元7选择的待输出波长的光束L11 进行输出。

通过上述步骤，入射光进入本实施例提供的波长选择开关光路，经不同结构单元分离，分为不同波长的光束，最终由光束选择单元7切换后输入待输出波长的出射光，实现波长选择及不同波长光束的选择性输出。

以下简单列举本实用新型的各结构单元可选用光学元件及组合方式，本领域技术人员可根据光学效果、系统体积、组合复杂度、成本、使用习惯等因素，根据本实施例的实现原理选择特性相同或相似的光学元件或组合方式进行实施，也可增加反射镜等通用光学元件对光路具体形状和结构单元的具体空间位置关系进行调整。

输入单元1选用准直器阵列，至少包含两个输入端口，用于对入射光准直，保证光路准确。具体的，准直器阵列中的准直器均为单芯光纤准直器，每一输入端口仅输入一路光信号。

偏振处理单元2，用于调节输入光束的偏振态，将输入光束分成两束偏振态相互垂直的线偏振光束。具体的，偏振处理单元可由偏振分束器实现。

交换单元3主要元件为偏振分光元件31，用于将偏振处理单元分离后的两种不同偏振态的线偏振光束的光路进行分离。具体的，偏振分光元件 31可选用偏振分束棱镜(Polarization Beam Splitrer，简写为PBS)。为了使分离的两种不同偏振态的线偏振光束的偏振态一致，且能够保持一定的距离差平行传播，如图3所示，交换单元3中还包含半波片32、反射镜34和补偿片33，半波片32和补偿片33位于偏振分光元件31分光后的第一偏振态光束L4的光路上，反射镜34位于偏振分光元件31分光后的第二偏振态光束L5的光路上，在本实施例提供的具体应用场景中，第一偏振态光束L4为P偏振态，第二偏振态光束L5为S偏振态，L4经过半波片32 转换为S偏振态,L5经过反射镜34后与L4平行传播，并使得L4和L5在入射方向产生高度差，最终使得L4和L5偏振态相同，且光路平行并保持一定距离。L4从半波片32出射时再经过补偿片33，使得L4和L5的光程一致，以减少系统像差。

扩束单元4用于对经交换单元3分离的光束进行扩束。通常可使用棱镜组或柱面镜组进行扩束，在本实施例中，为避免使用柱面镜给系统引入像差和调试光路的简单性，采用棱镜组的方式组成扩束单元4。棱镜作为扩束系统具有结构简单、加工方便、成本较低等优点，调试光路也更为简单，棱镜组在对光束扩束的同时保证了光线经过扩束单元后入射方向不变。本实施例中光束均从棱镜斜角边入射，以与直角边垂直出射。具体的，扩束单元4由棱镜组组成，棱镜组均由直角棱镜构成，光束经过单个棱镜时，扩束比为

其中α为棱镜顶角，i₁为入射角，i₁＝arc(nsinα)，n为棱镜材料的折射率。当棱镜材料和顶角确定时，扩束单元的扩束倍数只与入射角相关。

色散分光单元5用于将扩束单元4扩束后的各个波长的光按一定角度分开。色散分光单元5由可由棱镜光谱仪、干涉滤光片或光栅等可将不同波长的光分离的元件组成。具体的，为了便于调试、简化光路、降低成本，本实施例选用反射式光栅实现。

光束整形单元6用于将分离后的不同波长的光束准直，减少发散角。在本实施例中，光束整形单元6为透镜组，透镜组中的透镜可以为球面镜也可以为柱面镜，主要由系统中所需的焦距以及光路的大小决定，若对系统大小有特殊需求，亦可加入反射镜，对光路进行折叠，压缩系统大小。如图4所示，射入光束整形单元中的入射光经第一整形单元61整形后，经过光路转折单元62发生光路的转折，再经过第二光束整形单元63发生聚焦。具体的，第一整形单元61为双胶合透镜，光路转折单元62为两个相同的反射镜，第二光束整形来源63为柱面镜。为了进一步对光路折叠，进一步压缩系统大小或适应不同形状的光路，光路转折单元62也可采用多个反射镜组成的反射镜组。

光束选择单元7对已分离的不同波长光束进行选择输出，处理经过光束选择单元7的入射光束，对入射光束的相位进行调整，控制偏转光束的角度，使得入射光束内不同波长的光发生反射，并在不同高度的平面内沿原光路返回，最后耦合至由准直器组成的不同输出端口。具体的，光束选择单元7包含衰减单元71和切换单元72，衰减单元用于控制光信号的衰减，切换单元用于控制光信号的偏转角度。为了减少液晶芯片厚度，同时提高了芯片的洁净度，简化加工流程，降低加工成本，衰减单元71和相应的切换单元72间通过胶水粘接。具体的，所述的衰减单元71由衰减型液晶和检偏器组成，衰减型液晶即电控双折射型(Eelectrically Controlled Birefringence，简写为ECB)液晶，检偏器可使用偏振片实现；切换单元 72由切换型液晶和楔角片组成，切换型液晶即曲向列型(Twisted Nematic，简写为TN)液晶，楔角片可用于将入射光束改变传播方向。本实施例中的衰减型液晶、检偏器、切换型液晶、楔角片都可根据光学需要、尺寸等选用本领域技术人员常用的型号进行实现。不同波长的入射光束先通过衰减单元71，由ECB型液晶不同的电压的产生不同的相位差，实现对入射光信号不同程度的衰减；再通过切换单元72，由TN型液晶不同的电压产生不同的偏振态，最终选择输出所需波长的光束。由于交换单元3中，入射光已被分成两路不同光束，如图图5中A所示，输出端口为2时只需一个衰减单元和一个切换单元，如图5中B所示，输入出端口为4时需要一个衰减单元和两个切换单元。因此，可通过增加衰减单元和切换单元的数量，扩展波长选择开关的端口数量，解决基于LC技术的WSS能扩展的端口少的问题。

本实施例提供的基于液晶芯片的波长选择开关，通过交换单元和光束选择单元的配合实现了WSS的端口扩展，通过各结构单元光学元件的选择和组合提供了一种高效、低成本、易实现、小体积的多端口波长选择开关。

Claims (10)

1.一种基于液晶芯片的波长选择开关，其特征在于：包括由光路顺次连接的输入单元(1)、偏振处理单元(2)、交换单元(3)、色散分光单元(5)、光束选择单元(7)和输出单元(8)；

所述交换单元(3)包含偏振分光元件(31)，半波片(32)、反射镜(34)和补偿片(33)，以便于将入射光分为多个偏振态相同、光程一致，且光路平行并保持一定距离的光束；

所述色散分光单元(5)包含可将不同波长的光分离的元件；

所述光束选择单元(7)包含至少一个衰减单元(71)，每个衰减单元(71)都存在至少一个相应的切换单元(72)，以便于将不同波长的光进行选择。

2.根据权利要求1所述基于液晶芯片的波长选择开关，其特征在于：所述半波片(32)和补偿片(33)位于偏振分光元件(31)的第一偏振态光束的出射光路上，所述反射镜(34)位于偏振分光元件(31)的第二偏振态光束的出射光路上，所述半波片(32)和反射镜(34)使得第一偏振态光束和第二偏振态光束偏振态相同、且光路平行并保持一定距离，所述补偿片(33)使得第一偏振态光束和第二偏振态光束光程一致。

3.根据权利要求1所述基于液晶芯片的波长选择开关，其特征在于：所述衰减单元(71)由衰减型液晶和检偏器组成，所述切换单元(72)由切换型液晶和楔角片组成。

4.根据权利要求1或3所述基于液晶芯片的波长选择开关，其特征在于：所述衰减单元(71)和切换单元(72)间通过胶水粘接。

5.根据权利要求1所述基于液晶芯片的波长选择开关，其特征在于：所述波长选择开关包含至少一组相应的输入/输出单元，每组输入/输出单元至少包含两个输入端口和多个输出端口。

6.根据权利要求5所述基于液晶芯片的波长选择开关，其特征在于：所述输入单元(1)为准直器阵列，所述输出单元(8)为准直器阵列。

7.根据权利要求1所述基于液晶芯片的波长选择开关，其特征在于：所述色散分光单元(5)具体为反射式光栅。

8.根据权利要求1所述基于液晶芯片的波长选择开关，其特征在于：所述波长选择开光还包括光束整形单元(6)，所述光束整形单元(6)包含第一光束整形器(61)和第二光束整形器(63)，光束经第一光束整形器(61)整形后，由第二光束整形器(63)聚焦。

9.根据权利要求8所述基于液晶芯片的波长选择开关，其特征在于：所述光束整形单元(6)还包含光路转折单元(62)，所述光路转折单元(62)位于第一光束整形器(61)和第二光束整形器(63)光路之间，以便于将光路进行折叠。

10.根据权利要求8或9所述基于液晶芯片的波长选择开关，其特征在于：所述第一光束整形器(61)和第二光束整形器(63)具体为球面镜或柱面镜。

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