CN105467628B - 一种混合集成电控液晶光开关阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合集成电控液晶光开关阵列，包括：被混合集成的电控液晶聚光微透镜阵列和电控液晶散光微透镜阵列，每单元液晶聚光微透镜与每单元液晶散光微透镜的光轴重合；在加电态下，聚光微透镜在不同均方幅度的电驱控信号作用下实施光束的可调焦聚光操作，散光微透镜在不同均方幅度的电驱控信号作用下实施光束的可控发散程度散光操作；在断电态下，液晶聚光微透镜与散光微透镜被转换为仅延迟光波相位的液晶相移板；液晶聚光微透镜与散光微透镜被断电后形成的液晶相移板构成光开关的开启态。本发明的混合集成电控液晶光开关阵列可完成电控光束通断操作，适用于波谱范围宽、波束强度变化范围大的光纤或光缆***。

Description

一种混合集成电控液晶光开关阵列

技术领域

本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种混合集成电控液晶光开关阵列。

背景技术

目前获得广泛应用的光纤通信技术，以光为信息载体，以光纤为传输媒介，通过在光纤中传输光波信号来输运语音、图像及数据信息。具有传输容量大和保密性好等特点，已成为全球最主要的有线通信手段。光开关是光纤通信***中的重要功能组件，具有一个或多个可供选择的传输窗口与通道，主要完成光纤或光缆间的光信号有序接入、通断与互联，以及对光传输链路中的光信号执行相互转接操作。迄今为止，光开关已成为光传输和光接口网络中的基础性功能组件。目前常用的光开关包括：(一)机械式光开关，(二)微机电(MEMS)光开关，(三)功能性光调制光开关等。表征光开关的关键性参数包括：***损耗、光信号回波损耗、光隔离度、光串扰以及消光比等。实用化光开关一般均具有成本和功耗相对较低、结构尺寸小、对光纤的光输运指标要求尽可能低等特征。应用显示，机械式光开关其***损耗相对较低，光隔离度较高，不受光束的偏振和波谱特性影响，性能指标已渐趋稳定，通常情况下其结构尺寸相对较大，多用于非通信光网中。得益于近些年微电子技术的快速发展，目前仍在持续进步的MEMS光开关，则主要用于光通路交换、光接续或光束定向投送链路中。其控光交换主要基于电磁驱动的微反射镜的***或定向倾斜来导引光束进入多向离散配置的输出波导或光纤中。通过密集排布多个独立受控微反射镜组，入射光束被导向特定方向，实现链路通断。***损耗相对较低，光隔离度和消光比较高，与出入端光纤或波导具有较高的耦合效能和微秒级的开关响应时间，易于封装，但存在一定程度的光串扰。典型的光(波导)调制光开关，目前多见于一些高端应用，其开关时间具有皮秒级的发展潜力，但***损耗、消光比、偏振损耗和串扰等仍无法同时获得优化。总之，针对不同的应用需求和经济承受能力，目前的光开关在如上所述的性能指标方面仍在进一步提升中。

综上所述，现有的主流光开关技术在应对目前高强度大数据输运光束方面仍存在缺陷,主要表现在以下方面：(一)机械式光开关其毫秒级的开关时间过长，***损耗仍显大，隔离度不足；(二)MEMS光开关由于需要通过微功能结构的机械移动来调节束传输，存在机械移动惯性所引发的开关动作相对迟缓、周期长、***损耗仍未达到理想情况、隔离度仍显不足等问题；(三)常规电光开关一般通过利用材料的电光或电吸收效应，在电场作用下改变其折射率、光束相位或偏振态，基于光干涉、衍射或偏振等改变光强或弯折光路，光学结构和参数的调变与固化复杂，操控难度相对较大，不同类型的开关参数参差不齐，难以统筹兼顾且成本较高；(四)定向耦合型光开关一般通过耦合波导实现光功率的周期性转换，诸如典型的M-Z型干涉式及波导型M-Z干涉式光开关，其结构和配置复杂，控制和变动因素多以及存在成本方面的问题；(五)偏振调制型光开关，主要针对偏振度较高的传输波场，包括常规的液晶偏振光开关等；(六)典型的热光开关基于热效应所导致的介质物性温度依赖关系，使传输介质折射率变化及延迟光相位，具有较大热惯性，常用于稳态或缓变场合；(七)典型的声光开关基于声波在材料中的机械应变使其折射率产生周期性变化来形成布拉格光栅从而衍射特定波长波束，鉴于声波的低频特性主要用于长波长的束通断操作。总之，发展适用于较强束传输功率，结构小/微型化，***损耗低、光隔离度和消光比高，价格相对低廉的光开关架构，仍是目前进一步发展光开关技术的热点和难点问题，受到广泛关注和重视。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种混合集成电控液晶光开关阵列，其目的在于，通过顺序加载电驱控信号所形成的液晶聚光微透镜阵列及液晶散光微透镜阵列分别与液晶相移板所形成的开启态与关闭态，完成不同强度光束其传输通道的电控开启与关闭，此外，本发明的阵列具有所适用的波谱范围宽，波束强度可变动范围大，易与光纤或光缆耦合等优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种混合集成电控液晶光开关阵列，包括电控液晶聚光微透镜阵列和电控液晶散光微透镜阵列，液晶聚光微透镜阵列在不同均方幅度的电驱控信号作用下对入射光束实施可调焦聚光操作，它在断电态下为延迟光波相位的液晶相移板；液晶散光微透镜阵列在不同均方幅度的电驱控信号作用下对入射光束实施可控发散程度的散光操作，它在断电态下为延迟光波相位的液晶相移板；电控液晶聚光微透镜阵列与液晶散光微透镜阵列被断电后转换成的液晶相移板形成光开关的开启态，电控液晶散光微透镜阵列与液晶聚光微透镜阵列被断电后转换成的液晶相移板形成光开关的关闭态；通过分别电控调变液晶聚光微透镜阵列及液晶散光微透镜阵列的聚光和散光效能，完成不同强度波束其传输通路的开启与关闭切换。

优选地，所述电控液晶聚光微透镜阵列和所述电控液晶散光微透镜阵列均为M×N元，其中，M、N均为大于1的整数；各单元液晶聚光微透镜和液晶散光微透镜的填充系数均低于40％，即每单元液晶微透镜仅将投射到其光轴周围的光束执行汇聚或发散操作的光作用区域面积占微透镜光入射面积的比值低于40％。

优选地，所述电控液晶聚光微透镜由封装在顶面微孔形电极与底面公共电极间的微米级厚度液晶材料构成，所述电控液晶散光微透镜由封装在顶面公共电极与底面环微孔形电极间的微米级厚度液晶材料构成，微孔、环微孔及面电极的中心垂线与与所对应的液晶聚光微透镜和液晶散光微透镜的光轴重合。

优选地，所述由电控液晶聚光微透镜阵列和电控液晶散光微透镜阵列混合集成构成的电控液晶光开关阵列也为M×N元。

优选地，还包括陶瓷外壳，其中，所述电控液晶聚光微透镜阵列位于所述电控液晶散光微透镜阵列的前方并同轴顺序置于陶瓷外壳内，每单元液晶聚光微透镜与每单元液晶散光微透镜的光轴重合；所述电控液晶聚光微透镜阵列的光入射面通过所述陶瓷外壳的正面开孔裸露在外，所述电控液晶散光微透镜阵列的光出射面通过所述陶瓷外壳的背面开孔裸露在外。

优选地，所述电控液晶聚光微透镜阵列上设有第一端口和第一指示灯，所述第一端口用于接入外部设备向所述液晶聚光微透镜阵列输入的电驱控信号，所述第一指示灯用于指示所述电控液晶聚光微透镜阵列是否处在正常的电驱控信号输入状态；

优选地，所述电控液晶散光微透镜阵列上设有第二端口和第二指示灯，所述第二端口用于接入外部设备向所述液晶散光微透镜阵列输入的电驱控信号，所述第二指示灯用于指示所述电控液晶散光微透镜阵列是否处在正常的电驱控信号输入状态。

优选地，所述在陶瓷外壳的上右两个侧面结合部靠近光出射面的上侧面一端设有一个小三角形符号，用以指示光开关的光出射面位置。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、基于电驱控信号控制光传输通路的通断，具有电子学控制方式灵活多样，易与其他光学、光电或电子学结构耦合的优点；

2、由于对偏振或非偏振光束均具有调变作用，具有波束的偏振适应性好的特点；

3、由于通过功能化薄膜液晶执行光束的电控弯折，具有适应于较宽波谱以及较大束强度变动范围的特点；

4、开关的微型化的集成结构及平面端面展现较好的结构适应性，可以灵活***光路中或整合进光学链路中；

5、制作成本低，价格相对低廉。

附图说明

图1是本发明实施例的一种混合集成电控液晶光开关阵列的正面(光入射面)结构示意图；

图2是本发明实施例的一种混合集成电控液晶光开关阵列的背面(光出射面)结构示意图；

图3是本发明实施例的一种混合集成电控液晶光开关阵列的工作原理图；

图4是本发明实施例的一种混合集成电控液晶光开关阵列的光纤束耦合与光束通道通断示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-陶瓷外壳，2-第一端口，3-第一指示灯，4-第二端口，5-第二指示灯，6-光出射面指示符号，7-光入射面，8-光出射面。

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。此外，下面所描述的本发明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。

图1是本发明实施例的一种混合集成电控液晶光开关阵列的正面(光入射面)结构示意图，图2是本发明实施例的一种混合集成电控液晶光开关阵列的背面(光出射面)结构示意图。如图所示，电控液晶聚光微透镜阵列和电控液晶散光微透镜阵列被同光轴混合集成后置于陶瓷外壳1内，其中，电控液晶聚光微透镜阵列位于电控液晶散光微透镜阵列的前方，电控液晶聚光微透镜阵列的光入射面通过陶瓷外壳1的正面开孔裸露在外，电控液晶散光微透镜阵列的光出射面通过陶瓷外壳1的背面开孔裸露在外。

图3是本发明实施例的一种混合集成电控液晶光开关阵列的工作原理图。如图所示，通过混合集成上下两层液晶微光学结构形成光开关的基本功能单元。上层液晶微光学结构由封装在顶面微孔形电极与底面公共电极间的微米级厚度液晶材料构成，下层液晶微光学结构由封装在顶面公共电极与底面环微孔形电极间的微米级厚度液晶材料构成，微孔和环微孔的中心垂线与与所对应的液晶聚光微透镜和液晶散光微透镜的光轴重合。电控液晶聚光微透镜阵列在不同均方幅度的电驱控信号作用下对入射光束实施可调焦聚光操作，它在断电态下为延迟光波相位的液晶相移板；电控液晶散光微透镜阵列在不同均方幅度的电驱控信号作用下对入射光束实施可控发散程度的散光操作，它在断电态下为延迟光波相位的液晶相移板；电控液晶聚光微透镜阵列与液晶散光微透镜阵列断电后被转换成的液晶相移板形成光开关的开启态，电控液晶散光微透镜阵列与液晶聚光微透镜阵列断电被转换成的液晶相移板形成光开关的关闭态；通过分别调变电控液晶聚光微透镜阵列和电控液晶散光微透镜阵列的聚光和散光效能，完成不同强度波束其传输通路的电控开启与关闭切换。

电控液晶聚光微透镜阵列和电控液晶散光微透镜阵列均为M×N元，其中，M、N均为大于1的整数。由电控液晶聚光微透镜阵列和电控液晶散光微透镜阵列混合集成构成的电控液晶光开关阵列也为M×N元。例如，电控液晶聚光微透镜阵列、电控液晶散光微透镜阵列或电控液晶光开关阵列可以是3×3元、4×4、3×4元甚至更大规模阵列。电控液晶光开关阵列被放置在两根光纤或两个光纤簇间，完成光纤对或光纤簇间的光束传输通路的接通或切断操作；每单元电控液晶光开关在其光入射面与光出射面上与每根接入光纤同光轴耦合，完成光波在光纤间中的接续传输或通路切断。图中用常规曲面轮廓的折射聚光和折射散光微透镜来等效显示电控液晶聚光微透镜和电控液晶散光微透镜的光束弯折情况。

图4是本发明实施例的一种混合集成电控液晶光开关阵列与光纤簇耦合实现光路接通和关闭的示意图。如图所示，6×6路的上下光纤簇分别与6×6路的光开光耦合，此时上下端光纤簇中的各对应光纤与相应的光开关同光轴布设。在光路接通态下，顶端光纤中的光束被导入底端光纤中；在光路关闭态下，顶端光纤中的光束被电控液晶散光微透镜发散掉而无法进入底端光纤中。

在电控液晶聚光微透镜阵列上设有第一端口2、第一指示灯3，其中，第一端口2用于输入在液晶结构上所加载的电驱控信号，第一指示灯3用以显示电驱控信号是否被有效接入，电驱控信号被正常接入，则第一指示灯3闪烁，否则熄灭；在电控液晶散光微透镜阵列上设有第二端口4、第二指示灯5，其中，第二端口4用于输入在液晶结构上所加载的电驱控信号，第二指示灯5用以显示电驱控信号是否被有效接入，电驱控信号被正常接入，则第二指示灯5闪烁，否则熄灭。

上述第一端口2、第二端口4、第一指示灯3,第二指示灯5均通过陶瓷外壳1的＝侧面开孔裸露在外。

下面结合图1、图2和图3说明本发明实施例的一种混合集成电控液晶光开关阵列的工作过程。

首先用并行信号线连接第一端口2和第二端口4。通过并行信号线由第一端口2及第二端口4送入液晶结构的电驱控信号，此时第一指示灯3和第二指示灯5接通闪烁，自检通过后第一指示灯3和第二指示灯5熄灭，电控液晶光开关中的液晶微光学结构进入工作状态。

通过信号线由第一端口2送入电驱控信号，驱控液晶微光学结构呈现为汇聚光束的电控液晶聚光微透镜阵列，此时第一指示灯3接通闪烁，与此同时，加载在第二端口4上的驱控液晶微光学结构的信号被切断，液晶微光学结构被转换为延迟光波的液晶相移板，电控液晶光开关开始进行前后纤光束间的光通路接通操作。通过信号线由第二端口4送入电驱控信号，驱控液晶微光学结构呈现为发散光束的电控液晶散光微透镜阵列，此时第二指示灯5接通闪烁，与此同时，加载在第一端口2上的驱控液晶微光学结构的信号被切断，液晶微光学结构被转换为延迟光波的液晶相移板，光开关开始进行前后纤光束间的光通路关闭操作。

如图3所示，单元混合集成电控液晶光开关由置于电控液晶散光微透镜顶端的电控液晶聚光微透镜执行入射光束的聚光操作，汇聚光束通过被断电后已由液晶散光微透镜转换为液晶相移板的液晶微光学结构中通过，完成电控液晶光开关的光束传输通路开启操作；将加载在电控液晶聚光微透镜上的电驱控信号去除后，液晶聚光微透镜被转换为液晶相移板，与此同时，底端的液晶结构被恢复加电而转换成电控液晶散光微透镜；由顶端入射的光束穿过液晶相移板后进入底端的电控液晶散光微透镜，由于被发散而无法进入在电控液晶散光微透镜的光出射端所耦合的光纤芯层中，从而完成光传输通路的关闭操作。

本发明的混合集成电控液晶光开关阵列采用电控液晶聚光微透镜阵列与电控液晶散光微透镜阵列被混合集成的方式，执行与光纤或光纤簇耦合联接。通过对液晶微光学结构进行有序加电和断电操作，进行光束传输通路的开启与关闭操作。具有对传输光波的偏振适应性好，适用于宽波谱范围以及波束强度变动范围大的光纤或光缆间的电控开闭的特点。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过将电控液晶聚光微透镜阵列和电控液晶散光微透镜阵列混合集成，并对液晶微透镜阵列进行有序加电或断电来执行光开关操作；在电驱控信号激励下构建的液晶聚光和散光微透镜阵列，在断电态下被转换为液晶相移板；电控液晶微透镜阵列与液晶相移板耦合形成光开关的控光执行机构，实现阵列化光通路的开通和切断。上述开关体制具有基于电驱控信号执行光传输通路的通断切换，适用于波谱范围宽、波束强度变动范围大的光纤或光缆***。液晶聚光或散光微透镜的阵列规模越大，光开关所能耦合的光纤数量越大。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种混合集成电控液晶光开关阵列，包括电控液晶聚光微透镜阵列和电控液晶散光微透镜阵列，其特征在于，

所述电控液晶聚光微透镜阵列由封装在顶面微孔形电极与底面公共电极间的微米级厚度液晶材料构成，所述电控液晶散光微透镜阵列由封装在顶面公共电极与底面环微孔形电极间的微米级厚度液晶材料构成，微孔和环微孔的中心垂线与所对应的液晶聚光微透镜和液晶散光微透镜的光轴重合，其中，所述电控液晶聚光微透镜阵列的底面公共电极与所述电控液晶散光微透镜阵列的顶面公共电极不连接，所述电控液晶聚光微透镜阵列和所述电控液晶散光微透镜阵列分别独立加电；

所述电控液晶聚光微透镜阵列在不同均方幅度的电驱控信号作用下实施入射光束的可调焦聚光操作；

所述电控液晶聚光微透镜阵列在断电态下被转换为延迟光波相位的液晶相移板；

所述电控液晶散光微透镜阵列在不同均方幅度的电驱控信号作用下实施入射光束的可控发散程度散光操作；

所述电控液晶散光微透镜阵列在断电态下被转换为延迟光波相位的液晶相移板；

所述电控液晶聚光微透镜与所述液晶散光微透镜断电后被转换成的液晶相移板形成光开关的开启态；

所述电控液晶散光微透镜与所述液晶聚光微透镜断电后被转换成的液晶相移板形成光开关的关闭态。

2.如权利要求1所述的混合集成电控液晶光开关阵列，其特征在于，通过分别调变所述电控液晶聚光微透镜阵列和所述电控液晶散光微透镜阵列的聚光和散光效能，完成不同强度光束的电控开启与关闭切换。

3.如权利要求1所述的混合集成电控液晶光开关阵列，其特征在于，所述电控液晶聚光微透镜阵列和所述电控液晶散光微透镜阵列均为M×N元，其中，M、N均为大于1的整数，各单元电控液晶聚光微透镜和电控液晶散光微透镜的填充系数低于40％。

4.如权利要求要求1中所述的混合集成电控液晶光开关阵列，其特征在于，由电控液晶聚光微透镜阵列和电控液晶散光微透镜阵列混合集成构成的电控液晶光开关阵列也为M×N元。

5.如权利要求1至4中任一项所述的混合集成电控液晶光开关阵列，其特征在于，还包括陶瓷外壳；其中，

所述电控液晶聚光微透镜阵列和所述电控液晶散光微透镜阵列同光轴顺序置于陶瓷外壳内，其中，所述电控液晶聚光微透镜阵列位于所述电控液晶散光微透镜阵列的前方，且每单元电控液晶聚光微透镜与每单元电控液晶散光微透镜的光轴重合，所述电控液晶聚光微透镜阵列的光入射面通过所述陶瓷外壳的正面开孔裸露在外，所述电控液晶散光微透镜阵列的光出射面通过所述陶瓷外壳的背面开孔裸露在外。

6.如权利要求5中所述的混合集成电控液晶光开关阵列，其特征在于，所述电控液晶聚光微透镜阵列上设有第一端口、第一指示灯，所述电控液晶散光微透镜阵列上设有第二端口和第二指示灯；

所述第一端口用于接入外部设备向所述液晶聚光微透镜阵列输入的电驱控信号；

所述第一指示灯用于指示所述液晶聚光微透镜阵列是否处在正常的电驱控信号输入状态；

所述第二端口用于接入外部设备向所述液晶散光微透镜阵列输入的电驱控信号；

所述第二指示灯用于指示所述液晶散光微透镜阵列是否处在正常的电驱控信号输入状态。

7.如权利要求6所述的混合集成电控液晶光开关阵列，其特征在于，在陶瓷外壳的上右两个侧面结合部靠近光出射面的上侧面一端设有一个小三角形符号，用以指示光开关的光出面位置。