專利名稱：基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可調(diào)色散補(bǔ)償器件。特別是涉及一種可以對密集波分復(fù)用系統(tǒng)中 的多個波長/通道的光信號進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)幕谝壕ш嚵屑夹g(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件。
背景技術(shù)：
隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，高速率的密集波分復(fù)用系統(tǒng)已經(jīng)成為主流。系統(tǒng)速率的 不斷增加提高了系統(tǒng)對色散補(bǔ)償精度的要求，可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也要求色散補(bǔ)償能夠根據(jù) 線路情況動態(tài)的調(diào)整，所以可調(diào)色散補(bǔ)償技術(shù)成為了一種必然趨勢。單波長/通道的速率由早先的2. 5Gb/s已經(jīng)提升到了現(xiàn)在的lOGb/s和40Gb/s，隨 著速率的不斷提升，色散對于系統(tǒng)的影響也變的更加的明顯。由于色散容限與速率提升倍 數(shù)的平方成反比，當(dāng)2. 5Gb/s的系統(tǒng)速率提升到lOGb/s和40Gb/s時，其色散容限只有原來 的1/16和1/256。也就是說若速率為2. 5Gb/s的系統(tǒng)的色散容限為900km，則速率提升到 10Gb/s和40Gb/s時，系統(tǒng)的色散容限就會降到56km和3. 5km。若仍采用固定的色散補(bǔ)償 器件進(jìn)行補(bǔ)償，則需要儲備大量的不同數(shù)值的固定色散補(bǔ)償器件進(jìn)行加減排列組合來滿足 幾十甚至幾公里的色散補(bǔ)償精度的需求，既增加了工程調(diào)試的復(fù)雜度又給系統(tǒng)帶來了額外 的負(fù)擔(dān)。若采用可調(diào)色散補(bǔ)償器件，不僅可以滿足幾百公里色散量的需求，也可以滿足零點 幾公里的色散精度的需求，既減少了各種固定色散補(bǔ)償器件的庫存，也方便工程人員在系 統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試。另外，隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將成為未來的主流?？芍貥?gòu)網(wǎng)絡(luò)中波長/ 通道的重新分配會造成該波長/通道的色散發(fā)生突然的變化，傳統(tǒng)的固定色散補(bǔ)償器件對 此無能為力，只有依靠快速可調(diào)的色散補(bǔ)償器件才能滿足可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的需求。在美國專利US7039261B2 “Etalon Based Compact Dispersion Module” 提及 了一種基于Etalon的空間型可調(diào)色散補(bǔ)償器件，利用若干個偏振分束器(Polarization Beamsplitter, PBS)來實現(xiàn)幾個Etalon的級聯(lián)，利用溫度控制來實現(xiàn)對Etalon標(biāo)準(zhǔn)具色 散的控制，實現(xiàn)了可調(diào)色散補(bǔ)償?shù)墓δ?。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多個PBS，并且需要通過溫控來 進(jìn)行色散調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的時間很難滿足通信系統(tǒng)中毫秒級的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，沒有活動機(jī)械部件，性能穩(wěn) 定，具有良好可靠性的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，是由 光纖準(zhǔn)直器、起偏分束器、半波片、PMD補(bǔ)償片、液晶陣列和全反射棱鏡按光路依次排列設(shè)置 構(gòu)成，實現(xiàn)對多個通道的可調(diào)色散補(bǔ)償，其中，所述的光纖準(zhǔn)直器包括有輸入端準(zhǔn)直器和接 收端準(zhǔn)直器，所述的起偏分束器和半波片使入射到液晶陣列上的光為線偏光，且偏振方向 平行于光軸與入射信號光線構(gòu)成的平面；所述的全反射棱鏡消除由于調(diào)節(jié)液晶陣列而產(chǎn)生 的反射信號光線在液晶陣列表面的偏移；所述的PMD補(bǔ)償片對經(jīng)過起偏分束器和半波片的信號光進(jìn)行PMD補(bǔ)償。所述的多個通道是ITU-T指定中心波長的標(biāo)準(zhǔn)通道，或是器件工作范圍內(nèi)以任意 波長為中心波長的通道。所述的液晶陣列包括有相錯且相互平行設(shè)置的第一液晶陣列和第二液晶陣列，所 述的第一液晶陣列和第二液晶陣列結(jié)構(gòu)相同，都具有相同數(shù)量的液晶單元。所述的液晶單元包括有液晶單元前反射面、液晶單元后反射面以及位于液晶單元 前反射面和液晶單元后反射面之間的液晶層。不同液晶單元產(chǎn)生不同的色散補(bǔ)償量，所述的色散補(bǔ)償量是由液晶單元的表面反 射率、光軸方向和折射率來決定，所述色散補(bǔ)償量的調(diào)節(jié)是通過改變光軸方向來實現(xiàn)。所述的每一液晶單元表面反射率是由在該液晶單元前反射面和液晶單元后反射 面鍍上具有不同反射率且支持10度以上角度入射的膜系來決定。所述的液晶單元前反射面上鍍有一層支持10度以上角度入射的半透半反膜；所 述的液晶單元后反射面上鍍有一層支持10度以上角度入射的高反膜。所述的每一液晶單元表面光軸方向的改變是通過改變液晶單元上加載的電壓來 實現(xiàn)。所述的每一液晶單元液晶層的折射率是由液晶單元上所加載的電壓和所選擇的 液晶材料來決定。該可調(diào)色散補(bǔ)償器件的總色散補(bǔ)償量是由每個液晶單元產(chǎn)生的色散補(bǔ)償量累加 起來獲得，累加的方式是光線依次經(jīng)過2個平行的液晶陣列上的液晶單元互相反射，其中 每反射一次就完成一次色散補(bǔ)償量的累加。本發(fā)明的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，具有如下特點1、利用液晶陣列實現(xiàn)色散控制；2、液晶陣列的響應(yīng)速度在毫秒級，極大地的提高了器件響應(yīng)速度；3、采用偏振無關(guān)的光路設(shè)計，減少了 PDL和PMD ；4、結(jié)構(gòu)簡單，沒有活動機(jī)械部件，性能穩(wěn)定，具有良好的可靠性。


圖1是本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)示意圖
其中(a)是正面視圖，(b)是俯視圖2是本發(fā)明液晶單元的構(gòu)成及工作示意圖
其中，(a)是液晶單元結(jié)構(gòu)示意圖，(b)是液晶單元光路示意圖3是不同電壓下色散曲線的偏移示意圖4是可調(diào)色散補(bǔ)償器件色散曲線示意圖
其中，(a)是控制色散補(bǔ)償量的曲線，(b)是控制色散補(bǔ)償量中心波長的曲線< 其中
11 輸入端準(zhǔn)直器12 起偏分束器
13:半波片14:PMD補(bǔ)償片
15 第一液晶陣列16 第二液晶陣列
17 全反射棱鏡18 接收端準(zhǔn)直器
21、22:第一液晶單元31 液晶單元前反射面33 :液晶層
23,24 第二液晶單元 32 液晶單元后反射面 34 入射信號光35、36 反射信號光
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件做出 詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，是由光纖準(zhǔn)直器 11、18、起偏分束器12、半波片13、PMD(偏振模色散)補(bǔ)償片14、液晶陣列15、16和全反 射棱鏡17按光路依次排列設(shè)置構(gòu)成，實現(xiàn)對多個通道的可調(diào)色散補(bǔ)償，所述的多個通道是 ITU-T指定的標(biāo)準(zhǔn)通道，或是器件工作范圍內(nèi)以任意波長為中心波長的通道。其中，所述的 光纖準(zhǔn)直器包括有輸入端準(zhǔn)直器11和接收端準(zhǔn)直器18，所述的起偏分束器12和半波片13 使入射到液晶陣列上的光為線偏光，且偏振方向平行于光軸與入射信號光線構(gòu)成的平面； 所述的全反射棱鏡17消除由于調(diào)節(jié)液晶陣列而產(chǎn)生的反射信號光線在液晶陣列表面的偏 移；所述的PMD補(bǔ)償片14對經(jīng)過起偏分束器12和半波片13的信號光進(jìn)行PMD補(bǔ)償。所述的液晶陣列包括有相錯且相互平行設(shè)置的第一液晶陣列15和第二液晶陣列 16，所述的第一液晶陣列15和第二液晶陣列16結(jié)構(gòu)相同，都具有相同數(shù)量的液晶單元。如圖2(a)所示，所述的液晶單元包括有液晶單元前反射面31、液晶單元后反射面 32以及位于液晶單元前反射面31和液晶單元后反射面32之間的液晶層33。不同液晶單元產(chǎn)生不同的色散補(bǔ)償量，所述的色散補(bǔ)償量是由液晶單元的表面反 射率、光軸方向和折射率來決定，在工作時，色散補(bǔ)償量的調(diào)節(jié)是通過改變光軸方向來實 現(xiàn)。所述的每一液晶單元表面反射率是由在該液晶單元前反射面31和液晶單元后反射面 32鍍上具有不同反射率且支持10度以上角度入射的膜系來決定。所述的液晶單元前反射 面31上鍍有一層支持10度以上角度入射的半透半反膜；所述的液晶單元后反射面32上鍍 有一層支持10度以上角度入射的高反膜。所述的每一液晶單元表面光軸方向的改變是通 過改變液晶單元上加載的電壓來實現(xiàn)。所述的每一液晶單元液晶層的折射率是由液晶單元 上加載的電壓和所選擇的液晶材料來決定。該可調(diào)色散補(bǔ)償器件的總色散補(bǔ)償量是由每個液晶單元產(chǎn)生的色散補(bǔ)償量累加 起來獲得，累加的方式是光線依次經(jīng)過2個平行的液晶陣列上的液晶單元互相反射，其中 每反射一次就完成一次色散補(bǔ)償量的累加。本發(fā)明的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件的原理如下包含多個波長的信 號光在一根光纖中傳輸后進(jìn)入輸入端準(zhǔn)直器11，經(jīng)準(zhǔn)直的信號光被起偏分束器12分為兩 束線偏光，這兩束光的偏振態(tài)分別平行于XZ平面和yz平面。其中，平行于yz平面的信號 光在離開起偏分束器后經(jīng)過了一個半波片13，使得其偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90度并與平行于xz 平面的信號光偏振方向相同。這樣，在入射到2個平行的液晶陣列前，被起偏分束器2分開 的兩束信號光的偏振方向都與xz平面平行。同時沒有經(jīng)過半波片13的那一束信號光經(jīng)過 了一個PMD補(bǔ)償片14，這里PMD補(bǔ)償片可以是玻璃片。由于在經(jīng)過起偏分束器和半波片13 后，兩束偏振光經(jīng)過的光程是不一樣的，所以在這里需要對光程較短的那一束信號光進(jìn)行補(bǔ)償，使得兩束信號光在入射到液晶陣列之前光程差為0，以此減少PMD。兩束信號光首先入射到第一液晶陣列15的第一液晶單元21上，并被第一液晶單 元21反射到第二液晶陣列16的第一液晶單元22上，然后信號光再被第二液晶陣列16的 第一液晶單元22反射到第一液晶陣列15的第二液晶單元23上，以此類推，經(jīng)過在第一液 晶陣列15和第二液晶陣列16間的多次反射，最后兩束信號光被第二液晶陣列16的最后一 塊液晶單元反射出液晶陣列。從第二液晶陣列16反射出的兩束信號光經(jīng)過置于液晶陣列后面的全反射棱鏡17 的全反射再次入射到液晶陣列中，同樣經(jīng)過類似于上面在液晶陣列間的多次反射，最后兩 束信號光被第一液晶陣列15的第一液晶單元21原路反射出液晶陣列。曾經(jīng)經(jīng)過半波片13的一束信號光再次被液晶陣列反射到半波片13上，其偏振方 向再次旋轉(zhuǎn)了 90度并與yz平面平行。曾經(jīng)經(jīng)過PMD補(bǔ)償片14的一束信號光再次被液晶 陣列反射到PMD補(bǔ)償片14上，預(yù)先對光程進(jìn)行了補(bǔ)償。此時入射到起偏分束器的兩束信號 光都是線偏光，并且偏振方向互相垂直。經(jīng)過起偏分束器的合光，兩束偏振方向互相垂直的 信號光被合成了一束與入射信號光偏振態(tài)相同的信號光，然后經(jīng)過接收端準(zhǔn)直器18進(jìn)入 光纖。單個液晶單元的調(diào)節(jié)原理可以由以下方式來實現(xiàn)如圖2(a)所示，液晶單元前反 射面31鍍有一層支持10度以上大角度入射的半透半反膜，半透半反膜反射率的大小直接 影響到該液晶單元的色散補(bǔ)償量，這里反射率可以是20%。液晶單元后反射面32鍍有一層 支持10度以上大角度入射的高反膜，這層高反膜的反射率要盡量接近100%，這里可以是 99.5%。液晶單元的液晶層33中充滿了的液晶材料，這里可以是向列相液晶E44。當(dāng)加載 在液晶單元前反射面31和液晶單元后反射面32之間的電壓為V1時，液晶的光軸方向(長 軸方向)平行于反射面，此時入射信號光為34，反射信號光為35。當(dāng)加載在液晶單元前反 射面31和液晶單元后反射面32之間的電壓變?yōu)閂2時，由于電控雙折射效應(yīng)，液晶的光軸 方向(長軸方向)將繞y軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時入射信號光為34，反射信號光線變?yōu)榱?36。對于單個液晶陣列，其相位函數(shù)為ψ{τ, AOPL) = -2 arctan | ^―^ tan(— AOPL))
+ r A J其中r為液晶前反射面的反射系數(shù)，AOPL為兩個反射面之間的光程差液晶單元
的時延函數(shù)為
Γ ψ(Γ,ΑΟΡΣ)τ = --
ω液晶單元的色散函數(shù)為
Γ μ τ /L2 dy/{r,M)PL)D = — =---^^-
λ 2πε λ其中光程差A(yù)OPL = nd cos( θ )+η' dcos( θ ')可見，液晶單元的色散主要取決于液晶單元前反射面的反射系數(shù)r，液晶材料的有 效折射率η和η’，液晶單元的腔長d和光線角度θ和Θ’。由于液晶是一種各向異性的物 質(zhì)，所以光在液晶中傳播會發(fā)生雙折射現(xiàn)象。由于有雙折射現(xiàn)象的存在，當(dāng)液晶的光軸方向發(fā)生改變時，液晶中的非常光的角度θ和有效折射率η都將發(fā)生變化。如圖2(b)所示，當(dāng)入射信號光34入射到液晶單元上時，由于入射信號光34的 偏振方向平行于xz平面，對液晶單元來說入射信號光34就是非常光，當(dāng)加載在液晶單 元上的電壓為V1時，液晶的光軸與ζ軸平行，此時從第一反射面到第二反射面方向的非 常光有效折射率為η”光線角度為θ 從第二反射面到第一反射面方向的非常光有效折 射率為η2，光線角度為θ 2，所以光程差為Δ OPL = nidcoS( Q1Hn2Clcos ( θ 2)。當(dāng)加載在 液晶單元的電壓由V1變?yōu)閂2時，由于液晶的光軸繞y軸旋轉(zhuǎn)了一個角度，此時從第一反 射面到第二反射面方向的非常光有效折射率為η/，光線角度為θ/，從第二反射面到 第一反射面方向的非常光有效折射率為η2’，光線角度為θ2’，所以光程差為AOPL = H1 ‘ dcos(6 / )+n2' dcos(0 2’ )?？梢娡ㄟ^改變加載在液晶單元上的電壓來改變液晶單元 的光軸方向，就可以改變光程差ΔΟΡ ，從而實現(xiàn)對液晶單元色散的控制。如圖3所示，當(dāng)加 載在液晶陣列的電壓分別為V1, V2時，色散曲線發(fā)生了偏移。每當(dāng)信號光在一個液晶單元上反射一次，其色散就被該液晶單元補(bǔ)償一次，當(dāng)信 號光順序依次經(jīng)過2個液晶陣列上液晶單元的反射，其被補(bǔ)償?shù)纳⒕拖喈?dāng)全部液晶單元 產(chǎn)生的色散之和。若每個液晶單元都加上一個指定的電壓，就可以控制全部的液晶單元產(chǎn) 生一個指定的色散補(bǔ)償曲線，并且這個色散補(bǔ)償曲線的形狀可以變化，位置也可以偏移，這 樣就實現(xiàn)了任意中心波長的可調(diào)色散補(bǔ)償功能。如圖4所示，多個液晶單元組合出的色散 補(bǔ)償曲線，其中(a)是控制色散補(bǔ)償量的曲線，(b)是控制色散補(bǔ)償量中心波長的曲線。如圖2所示，在通過電壓改變色散的同時，由于非常光光線角度θ的改變，本來經(jīng) 過液晶單元反射的反射信號光35變?yōu)榱?36，使得反射信號光斑位置產(chǎn)生了一個偏移，并且 經(jīng)過多次反射后，這個偏移經(jīng)過疊加越來越大，并且會隨著加載在液晶單元的電壓變化而 變化。為了消除這個偏移，可以在液晶陣列的后面加一個反射裝置，這里該反射裝置可以是 全反射棱鏡17。全反射棱鏡使得反射出液晶陣列的信號光以同樣的方向返回液晶陣列，由 于信號光原路返回，偏移被消除，如圖1(a)所示。同時，這個反射裝置還使信號光在y方向 上產(chǎn)生了一個平移，經(jīng)過平移后的信號光在經(jīng)過2個液晶陣列的反射和起偏分束器的合光 后入射到接收端準(zhǔn)直器，如圖1(b)所示。
權(quán)利要求
1.一種基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，其特征在于，是由光纖準(zhǔn)直器、起偏分 束器(12)、半波片(13)、PMD補(bǔ)償片(14)、液晶陣列(15,16)和全反射棱鏡(17)按光路依 次排列設(shè)置構(gòu)成，實現(xiàn)對多個通道的可調(diào)色散補(bǔ)償，其中，所述的光纖準(zhǔn)直器包括有輸入端 準(zhǔn)直器(11)和接收端準(zhǔn)直器(18)，所述的起偏分束器(1 和半波片(1 使入射到液晶陣 列上的光為線偏光，且偏振方向平行于光軸與入射信號光線構(gòu)成的平面；所述的全反射棱 鏡(17)消除由于調(diào)節(jié)液晶陣列而產(chǎn)生的反射信號光線在液晶陣列表面的偏移；所述的PMD 補(bǔ)償片(14)對經(jīng)過起偏分束器(1 和半波片(1 的信號光進(jìn)行PMD補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，其特征在于，所述 的多個通道是ITU-T指定中心波長的標(biāo)準(zhǔn)通道，或是器件工作范圍內(nèi)以 任意波長為中心波 長的通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，其特征在于，所述 的液晶陣列包括有相錯且相互平行設(shè)置的第一液晶陣列(1 和第二液晶陣列(16)，所述 的第一液晶陣列(15)和第二液晶陣列(16)結(jié)構(gòu)相同，都具有相同數(shù)量的液晶單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，其特征在于，所述 的液晶單元包括有液晶單元前反射面(31)、液晶單元后反射面(32)以及位于液晶單元前 反射面(31)和液晶單元后反射面(32)之間的液晶層(33)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，其特征在于，不同 液晶單元產(chǎn)生不同的色散補(bǔ)償量，所述的色散補(bǔ)償量是由液晶單元的表面反射率、光軸方 向和折射率來決定，所述色散補(bǔ)償量的調(diào)節(jié)是通過改變光軸方向來實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，其特征在于，所述 的每一液晶單元表面反射率是由在該液晶單元前反射面(31)和液晶單元后反射面(32)鍍 上具有不同反射率且支持10度以上角度入射的膜系來決定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，其特征在于，所述 的液晶單元前反射面(31)上鍍有一層支持10度以上角度入射的半透半反膜；所述的液晶 單元后反射面(3 上鍍有一層支持10度以上角度入射的高反膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，其特征在于，所述 的每一液晶單元表面光軸方向的改變是通過改變液晶單元上加載的電壓來實現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，其特征在于，所述 的每一液晶單元液晶層的折射率是由液晶單元上所加載的電壓和所選擇的液晶材料來決 定。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，其特征在于，該可 調(diào)色散補(bǔ)償器件的總色散補(bǔ)償量是由每個液晶單元產(chǎn)生的色散補(bǔ)償量累加起來獲得，累加 的方式是光線依次經(jīng)過2個平行的液晶陣列上的液晶單元互相反射，其中每反射一次就完 成一次色散補(bǔ)償量的累加。
全文摘要
一種基于液晶陣列技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器件，是由光纖準(zhǔn)直器、起偏分束器、半波片、PMD補(bǔ)償片、液晶陣列和全反射棱鏡按光路依次排列設(shè)置構(gòu)成，實現(xiàn)對多個通道的可調(diào)色散補(bǔ)償，所述的光纖準(zhǔn)直器包括有輸入端準(zhǔn)直器和接收端準(zhǔn)直器，所述的起偏分束器和半波片使入射到液晶陣列上的光為線偏光，且偏振方向平行于光軸與入射信號光線構(gòu)成的平面；所述的全反射棱鏡消除由于調(diào)節(jié)液晶陣列而產(chǎn)生的反射信號光線在液晶陣列表面的偏移；所述的PMD補(bǔ)償片對經(jīng)過起偏分束器和半波片的信號光進(jìn)行PMD補(bǔ)償。本發(fā)明利用液晶陣列實現(xiàn)色散控制；極大地的提高了器件響應(yīng)速度；減少了PDL和PMD；結(jié)構(gòu)簡單，沒有活動機(jī)械部件，性能穩(wěn)定，具有良好的可靠性。
文檔編號H04B10/18GK102096217SQ201010574610
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者喻杰奎, 張博, 張鵬, 湯學(xué)勝, 王敏, 肖清明, 陳建宇 申請人:武漢光迅科技股份有限公司