专利名称：基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可调色散补偿器件。特别是涉及一种可以对密集波分复用系统中 的多个波长/通道的光信号进行色散补偿的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件。
背景技术：
随着互联网的高速发展，高速率的密集波分复用系统已经成为主流。系统速率的 不断增加提高了系统对色散补偿精度的要求，可重构网络的发展也要求色散补偿能够根据 线路情况动态的调整，所以可调色散补偿技术成为了一种必然趋势。单波长/通道的速率由早先的2. 5Gb/s已经提升到了现在的lOGb/s和40Gb/s，随 着速率的不断提升，色散对于系统的影响也变的更加的明显。由于色散容限与速率提升倍 数的平方成反比，当2. 5Gb/s的系统速率提升到lOGb/s和40Gb/s时，其色散容限只有原来 的1/16和1/256。也就是说若速率为2. 5Gb/s的系统的色散容限为900km，则速率提升到 10Gb/s和40Gb/s时，系统的色散容限就会降到56km和3. 5km。若仍采用固定的色散补偿 器件进行补偿，则需要储备大量的不同数值的固定色散补偿器件进行加减排列组合来满足 几十甚至几公里的色散补偿精度的需求，既增加了工程调试的复杂度又给系统带来了额外 的负担。若采用可调色散补偿器件，不仅可以满足几百公里色散量的需求，也可以满足零点 几公里的色散精度的需求，既减少了各种固定色散补偿器件的库存，也方便工程人员在系 统中进行调试。另外，随着网络结构的发展，可重构网络将成为未来的主流。可重构网络中波长/ 通道的重新分配会造成该波长/通道的色散发生突然的变化，传统的固定色散补偿器件对 此无能为力，只有依靠快速可调的色散补偿器件才能满足可重构网络的需求。在美国专利US7039261B2 “Etalon Based Compact Dispersion Module” 提及 了一种基于Etalon的空间型可调色散补偿器件，利用若干个偏振分束器(Polarization Beamsplitter, PBS)来实现几个Etalon的级联，利用温度控制来实现对Etalon标准具色 散的控制，实现了可调色散补偿的功能。但其结构复杂，需要多个PBS，并且需要通过温控来 进行色散调节，调节的时间很难满足通信系统中毫秒级的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，没有活动机械部件，性能稳 定，具有良好可靠性的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件。本发明所采用的技术方案是一种基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，是由 光纤准直器、起偏分束器、半波片、PMD补偿片、液晶阵列和全反射棱镜按光路依次排列设置 构成，实现对多个通道的可调色散补偿，其中，所述的光纤准直器包括有输入端准直器和接 收端准直器，所述的起偏分束器和半波片使入射到液晶阵列上的光为线偏光，且偏振方向 平行于光轴与入射信号光线构成的平面；所述的全反射棱镜消除由于调节液晶阵列而产生 的反射信号光线在液晶阵列表面的偏移；所述的PMD补偿片对经过起偏分束器和半波片的信号光进行PMD补偿。所述的多个通道是ITU-T指定中心波长的标准通道，或是器件工作范围内以任意 波长为中心波长的通道。所述的液晶阵列包括有相错且相互平行设置的第一液晶阵列和第二液晶阵列，所 述的第一液晶阵列和第二液晶阵列结构相同，都具有相同数量的液晶单元。所述的液晶单元包括有液晶单元前反射面、液晶单元后反射面以及位于液晶单元 前反射面和液晶单元后反射面之间的液晶层。不同液晶单元产生不同的色散补偿量，所述的色散补偿量是由液晶单元的表面反 射率、光轴方向和折射率来决定，所述色散补偿量的调节是通过改变光轴方向来实现。所述的每一液晶单元表面反射率是由在该液晶单元前反射面和液晶单元后反射 面镀上具有不同反射率且支持10度以上角度入射的膜系来决定。所述的液晶单元前反射面上镀有一层支持10度以上角度入射的半透半反膜；所 述的液晶单元后反射面上镀有一层支持10度以上角度入射的高反膜。所述的每一液晶单元表面光轴方向的改变是通过改变液晶单元上加载的电压来 实现。所述的每一液晶单元液晶层的折射率是由液晶单元上所加载的电压和所选择的 液晶材料来决定。该可调色散补偿器件的总色散补偿量是由每个液晶单元产生的色散补偿量累加 起来获得，累加的方式是光线依次经过2个平行的液晶阵列上的液晶单元互相反射，其中 每反射一次就完成一次色散补偿量的累加。本发明的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，具有如下特点1、利用液晶阵列实现色散控制；2、液晶阵列的响应速度在毫秒级，极大地的提高了器件响应速度；3、采用偏振无关的光路设计，减少了 PDL和PMD ；4、结构简单，没有活动机械部件，性能稳定，具有良好的可靠性。
图1是本发明的光路结构示意图
其中(a)是正面视图，(b)是俯视图2是本发明液晶单元的构成及工作示意图
其中，(a)是液晶单元结构示意图，(b)是液晶单元光路示意图3是不同电压下色散曲线的偏移示意图4是可调色散补偿器件色散曲线示意图
其中，(a)是控制色散补偿量的曲线，(b)是控制色散补偿量中心波长的曲线< 其中
11 输入端准直器12 起偏分束器
13:半波片14:PMD补偿片
15 第一液晶阵列16 第二液晶阵列
17 全反射棱镜18 接收端准直器
21、22:第一液晶单元31 液晶单元前反射面33 :液晶层
23,24 第二液晶单元 32 液晶单元后反射面 34 入射信号光35、36 反射信号光
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件做出 详细说明。如图1所示，本发明的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，是由光纤准直器 11、18、起偏分束器12、半波片13、PMD(偏振模色散)补偿片14、液晶阵列15、16和全反 射棱镜17按光路依次排列设置构成，实现对多个通道的可调色散补偿，所述的多个通道是 ITU-T指定的标准通道，或是器件工作范围内以任意波长为中心波长的通道。其中，所述的 光纤准直器包括有输入端准直器11和接收端准直器18，所述的起偏分束器12和半波片13 使入射到液晶阵列上的光为线偏光，且偏振方向平行于光轴与入射信号光线构成的平面； 所述的全反射棱镜17消除由于调节液晶阵列而产生的反射信号光线在液晶阵列表面的偏 移；所述的PMD补偿片14对经过起偏分束器12和半波片13的信号光进行PMD补偿。所述的液晶阵列包括有相错且相互平行设置的第一液晶阵列15和第二液晶阵列 16，所述的第一液晶阵列15和第二液晶阵列16结构相同，都具有相同数量的液晶单元。如图2(a)所示，所述的液晶单元包括有液晶单元前反射面31、液晶单元后反射面 32以及位于液晶单元前反射面31和液晶单元后反射面32之间的液晶层33。不同液晶单元产生不同的色散补偿量，所述的色散补偿量是由液晶单元的表面反 射率、光轴方向和折射率来决定，在工作时，色散补偿量的调节是通过改变光轴方向来实 现。所述的每一液晶单元表面反射率是由在该液晶单元前反射面31和液晶单元后反射面 32镀上具有不同反射率且支持10度以上角度入射的膜系来决定。所述的液晶单元前反射 面31上镀有一层支持10度以上角度入射的半透半反膜；所述的液晶单元后反射面32上镀 有一层支持10度以上角度入射的高反膜。所述的每一液晶单元表面光轴方向的改变是通 过改变液晶单元上加载的电压来实现。所述的每一液晶单元液晶层的折射率是由液晶单元 上加载的电压和所选择的液晶材料来决定。该可调色散补偿器件的总色散补偿量是由每个液晶单元产生的色散补偿量累加 起来获得，累加的方式是光线依次经过2个平行的液晶阵列上的液晶单元互相反射，其中 每反射一次就完成一次色散补偿量的累加。本发明的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件的原理如下包含多个波长的信 号光在一根光纤中传输后进入输入端准直器11，经准直的信号光被起偏分束器12分为两 束线偏光，这两束光的偏振态分别平行于XZ平面和yz平面。其中，平行于yz平面的信号 光在离开起偏分束器后经过了一个半波片13，使得其偏振方向旋转了 90度并与平行于xz 平面的信号光偏振方向相同。这样，在入射到2个平行的液晶阵列前，被起偏分束器2分开 的两束信号光的偏振方向都与xz平面平行。同时没有经过半波片13的那一束信号光经过 了一个PMD补偿片14，这里PMD补偿片可以是玻璃片。由于在经过起偏分束器和半波片13 后，两束偏振光经过的光程是不一样的，所以在这里需要对光程较短的那一束信号光进行补偿，使得两束信号光在入射到液晶阵列之前光程差为0，以此减少PMD。两束信号光首先入射到第一液晶阵列15的第一液晶单元21上，并被第一液晶单 元21反射到第二液晶阵列16的第一液晶单元22上，然后信号光再被第二液晶阵列16的 第一液晶单元22反射到第一液晶阵列15的第二液晶单元23上，以此类推，经过在第一液 晶阵列15和第二液晶阵列16间的多次反射，最后两束信号光被第二液晶阵列16的最后一 块液晶单元反射出液晶阵列。从第二液晶阵列16反射出的两束信号光经过置于液晶阵列后面的全反射棱镜17 的全反射再次入射到液晶阵列中，同样经过类似于上面在液晶阵列间的多次反射，最后两 束信号光被第一液晶阵列15的第一液晶单元21原路反射出液晶阵列。曾经经过半波片13的一束信号光再次被液晶阵列反射到半波片13上，其偏振方 向再次旋转了 90度并与yz平面平行。曾经经过PMD补偿片14的一束信号光再次被液晶 阵列反射到PMD补偿片14上，预先对光程进行了补偿。此时入射到起偏分束器的两束信号 光都是线偏光，并且偏振方向互相垂直。经过起偏分束器的合光，两束偏振方向互相垂直的 信号光被合成了一束与入射信号光偏振态相同的信号光，然后经过接收端准直器18进入 光纤。单个液晶单元的调节原理可以由以下方式来实现如图2(a)所示，液晶单元前反 射面31镀有一层支持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 影响到该液晶单元的色散补偿量，这里反射率可以是20%。液晶单元后反射面32镀有一层 支持10度以上大角度入射的高反膜，这层高反膜的反射率要尽量接近100%，这里可以是 99.5%。液晶单元的液晶层33中充满了的液晶材料，这里可以是向列相液晶E44。当加载 在液晶单元前反射面31和液晶单元后反射面32之间的电压为V1时，液晶的光轴方向(长 轴方向)平行于反射面，此时入射信号光为34，反射信号光为35。当加载在液晶单元前反 射面31和液晶单元后反射面32之间的电压变为V2时，由于电控双折射效应，液晶的光轴 方向(长轴方向)将绕y轴发生偏转，此时入射信号光为34，反射信号光线变为了 36。对于单个液晶阵列，其相位函数为ψ{τ, AOPL) = -2 arctan | ^―^ tan(— AOPL))
+ r A J其中r为液晶前反射面的反射系数，AOPL为两个反射面之间的光程差液晶单元
的时延函数为
Γ ψ(Γ,ΑΟΡΣ)τ = --
ω液晶单元的色散函数为
Γ μ τ /L2 dy/{r,M)PL)D = — =---^^-
λ 2πε λ其中光程差AOPL = nd cos( θ )+η' dcos( θ ')可见，液晶单元的色散主要取决于液晶单元前反射面的反射系数r，液晶材料的有 效折射率η和η’，液晶单元的腔长d和光线角度θ和Θ’。由于液晶是一种各向异性的物 质，所以光在液晶中传播会发生双折射现象。由于有双折射现象的存在，当液晶的光轴方向发生改变时，液晶中的非常光的角度θ和有效折射率η都将发生变化。如图2(b)所示，当入射信号光34入射到液晶单元上时，由于入射信号光34的 偏振方向平行于xz平面，对液晶单元来说入射信号光34就是非常光，当加载在液晶单 元上的电压为V1时，液晶的光轴与ζ轴平行，此时从第一反射面到第二反射面方向的非 常光有效折射率为η”光线角度为θ 从第二反射面到第一反射面方向的非常光有效折 射率为η2，光线角度为θ 2，所以光程差为Δ OPL = nidcoS( Q1Hn2Clcos ( θ 2)。当加载在 液晶单元的电压由V1变为V2时，由于液晶的光轴绕y轴旋转了一个角度，此时从第一反 射面到第二反射面方向的非常光有效折射率为η/，光线角度为θ/，从第二反射面到 第一反射面方向的非常光有效折射率为η2’，光线角度为θ2’，所以光程差为AOPL = H1 ‘ dcos(6 / )+n2' dcos(0 2’ )。可见通过改变加载在液晶单元上的电压来改变液晶单元 的光轴方向，就可以改变光程差ΔΟΡ ，从而实现对液晶单元色散的控制。如图3所示，当加 载在液晶阵列的电压分别为V1, V2时，色散曲线发生了偏移。每当信号光在一个液晶单元上反射一次，其色散就被该液晶单元补偿一次，当信 号光顺序依次经过2个液晶阵列上液晶单元的反射，其被补偿的色散就相当全部液晶单元 产生的色散之和。若每个液晶单元都加上一个指定的电压，就可以控制全部的液晶单元产 生一个指定的色散补偿曲线，并且这个色散补偿曲线的形状可以变化，位置也可以偏移，这 样就实现了任意中心波长的可调色散补偿功能。如图4所示，多个液晶单元组合出的色散 补偿曲线，其中(a)是控制色散补偿量的曲线，(b)是控制色散补偿量中心波长的曲线。如图2所示，在通过电压改变色散的同时，由于非常光光线角度θ的改变，本来经 过液晶单元反射的反射信号光35变为了 36，使得反射信号光斑位置产生了一个偏移，并且 经过多次反射后，这个偏移经过叠加越来越大，并且会随着加载在液晶单元的电压变化而 变化。为了消除这个偏移，可以在液晶阵列的后面加一个反射装置，这里该反射装置可以是 全反射棱镜17。全反射棱镜使得反射出液晶阵列的信号光以同样的方向返回液晶阵列，由 于信号光原路返回，偏移被消除，如图1(a)所示。同时，这个反射装置还使信号光在y方向 上产生了一个平移，经过平移后的信号光在经过2个液晶阵列的反射和起偏分束器的合光 后入射到接收端准直器，如图1(b)所示。
权利要求
1.一种基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，其特征在于，是由光纤准直器、起偏分 束器(12)、半波片(13)、PMD补偿片(14)、液晶阵列(15,16)和全反射棱镜(17)按光路依 次排列设置构成，实现对多个通道的可调色散补偿，其中，所述的光纤准直器包括有输入端 准直器(11)和接收端准直器(18)，所述的起偏分束器(1 和半波片(1 使入射到液晶阵 列上的光为线偏光，且偏振方向平行于光轴与入射信号光线构成的平面；所述的全反射棱 镜(17)消除由于调节液晶阵列而产生的反射信号光线在液晶阵列表面的偏移；所述的PMD 补偿片(14)对经过起偏分束器(1 和半波片(1 的信号光进行PMD补偿。
2.根据权利要求1所述的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，其特征在于，所述 的多个通道是ITU-T指定中心波长的标准通道，或是器件工作范围内以 任意波长为中心波 长的通道。
3.根据权利要求1所述的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，其特征在于，所述 的液晶阵列包括有相错且相互平行设置的第一液晶阵列(1 和第二液晶阵列(16)，所述 的第一液晶阵列(15)和第二液晶阵列(16)结构相同，都具有相同数量的液晶单元。
4.根据权利要求3所述的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，其特征在于，所述 的液晶单元包括有液晶单元前反射面(31)、液晶单元后反射面(32)以及位于液晶单元前 反射面(31)和液晶单元后反射面(32)之间的液晶层(33)。
5.根据权利要求3所述的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，其特征在于，不同 液晶单元产生不同的色散补偿量，所述的色散补偿量是由液晶单元的表面反射率、光轴方 向和折射率来决定，所述色散补偿量的调节是通过改变光轴方向来实现。
6.根据权利要求5所述的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，其特征在于，所述 的每一液晶单元表面反射率是由在该液晶单元前反射面(31)和液晶单元后反射面(32)镀 上具有不同反射率且支持10度以上角度入射的膜系来决定。
7.根据权利要求6所述的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，其特征在于，所述 的液晶单元前反射面(31)上镀有一层支持10度以上角度入射的半透半反膜；所述的液晶 单元后反射面(3 上镀有一层支持10度以上角度入射的高反膜。
8.根据权利要求5所述的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，其特征在于，所述 的每一液晶单元表面光轴方向的改变是通过改变液晶单元上加载的电压来实现。
9.根据权利要求5所述的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，其特征在于，所述 的每一液晶单元液晶层的折射率是由液晶单元上所加载的电压和所选择的液晶材料来决 定。
10.根据权利要求3所述的基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，其特征在于，该可 调色散补偿器件的总色散补偿量是由每个液晶单元产生的色散补偿量累加起来获得，累加 的方式是光线依次经过2个平行的液晶阵列上的液晶单元互相反射，其中每反射一次就完 成一次色散补偿量的累加。
全文摘要
一种基于液晶阵列技术的可调色散补偿器件，是由光纤准直器、起偏分束器、半波片、PMD补偿片、液晶阵列和全反射棱镜按光路依次排列设置构成，实现对多个通道的可调色散补偿，所述的光纤准直器包括有输入端准直器和接收端准直器，所述的起偏分束器和半波片使入射到液晶阵列上的光为线偏光，且偏振方向平行于光轴与入射信号光线构成的平面；所述的全反射棱镜消除由于调节液晶阵列而产生的反射信号光线在液晶阵列表面的偏移；所述的PMD补偿片对经过起偏分束器和半波片的信号光进行PMD补偿。本发明利用液晶阵列实现色散控制；极大地的提高了器件响应速度；减少了PDL和PMD；结构简单，没有活动机械部件，性能稳定，具有良好的可靠性。
文档编号H04B10/18GK102096217SQ201010574610
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者喻杰奎, 张博, 张鹏, 汤学胜, 王敏, 肖清明, 陈建宇 申请人:武汉光迅科技股份有限公司