专利名称：构造成减少极化相关损失的液晶光学开关的制作方法
技术领域：
本发明的实施例总的涉及光学通信系统和部件，并且更具体地涉及基于液晶的光学开关和衰减器。
背景技术：
在光学通信系统中，有时候必须执行光信号的1x2切换，其中输入光束通过输入端口进入光学切换装置，并且被导向两个输出端口中的一个。还存在更复杂的光学切换方案，例如2x2、IxN和NxN光学开关，这些方案可以通过对多个1x2光学开关进行组合来实现。除了通过光学开关来路由信号之外，还需要光学通信系统中的信号衰减，例如在使用波分多路(WDM)的光学通信系统中。在这种光学系统中，信息由多个信道携载，每个信道均具有独特的波长。WDM允许在同一个光纤链路上同时传输来自不同源的数据，因为每个数据源都被分配了专用的信道。结果，产生了具有随着波长的数量或结合到WDM信号中的信道的数量增加而增加的总带宽的光学通信链路。这样，WDM技术使可用的光纤基础设施的使用最大化，使得通常需要多个光学链路或光纤的情况只需要仅仅一个光学链路或光纤。在实际中，WDM信号的不同波长信道一般在行进通过光学通信系统时经历不对称的损失，从而导致对于每个信道的不相等的强度。由于这些不相等的强度会折损WDM信号所承载的信号的完整性，所以在WDM系统中使用光学装置或光学装置的阵列来执行与波长无关的衰减，从而使WDM信号中所含的信道的相应强度相等。基于液晶(LC)的光学开关在本领域中公知地用于WDM信号中所含的信道的切换和衰减，并且在一些应用中提供了优于其他光学开关设计的显著优点，但是存在一个关于输入光束的极化状态的缺点。由于基于LC的光学开关依赖于旋转线性极化输入光的极化状态来执行切换功能，所以输入光束必须具有用于这种光学开关的单个已知极化状态以根据需要改变光束的光学路径。然而，在光纤上传送的光信号通常被随机地极化，即光信号具有S-和ρ-成分的随机叠加，并且每个极化成分必须由光学开关单独地处理。本领域已知的一种对于光束的LC切换管理光束的S-和ρ-极化成分的方法涉及利用双折射光学元件来执行极化“走离(walk-off) ”，以在空间上将光束分成S-和ρ-极化光束或成分。极化走离可以例如在光信号首次被引入到基于LC的光学开关中时执行，因为光信号离开输入光纤并且变成自由空间束。在双折射光学元件将光信号分成两个物理移位的S-极化和ρ-极化成分之后，这些成分中的一个的极化可以旋转90°，以匹配另一个的极化。这样，光信号被转化为一对紧密间隔地、具有相同的极化状态的平行的光束，并且这对光束可以被光学开关一起处理成具有已知极化状态的单个光束。然而，这种方法要求光信号是两个平行光束的形式，有时候跨越长的路径长度，这增加了劣化信号质量的大的极化相关损失(PDL)的可能性。此外，由于需要相对较大的光学组件在光信号离开光纤时执行极化走离，所以导致了光学开关的输入端口与输出端口之间的不期望的大间距，例如大约 Imm0
可替代地，基于LC的光学开关可以将光束分成S-极化和P-极化成分，然后单独管理每个成分的衰减和切换。然而，由于LC材料对S-极化和ρ-极化光的不同衰减性能， 这种方法能够导致显著的PDL。图1示出了 LC光衰减器关于入射S-极化和ρ-极化的光电性能，并且图1包括衰减曲线191和192。图100的横坐标表示施加于LC光衰减器的电压， 而图100的纵坐标表示所产生的正常入射在光衰减器上并且穿过光衰减器的光束的衰减。 衰减曲线191示出了 S-极化的光束的衰减，而衰减曲线192示出了 ρ-极化的光束的衰减。 如图所示，P-极化光的衰减曲线与S-极化光的衰减基本不同。因此，当光束的S-极化成分和P-极化成分都被LG光衰减器调节时，每个成分被衰减不同的量，因而产生PDL 193。例如，在施加电压Vo下，LC光衰减器使S-极化光衰减10dB，并使ρ-极化光衰减12dB，从而产生 2dB 的 PDL 193。尽管光信号的切换和衰减是本领域公知的，但这些操作中的每一种一般都由不同的光学设备来执行。在光学通信系统中使用一种用来执行切换的设备和另一种用来执行衰减的设备增加了系统的尺寸和复杂程度，使信号质量由于光学设备的失准而更可能减弱， 并且需要用来完成切换功能的第一独立控制信号和用来完成衰减功能的第二独立控制信号。因此，在本领域存在对在光学网络中使用的光学开关的需要，其中该光学网络具有最少量的部件和紧密地间隔开的输入和输出端口，并且能够执行具有S-极化光和P-极化光的任意组合的光信号的切换和低PDL衰减。
发明内容
本发明的一个或多个实施例提供了具有用来执行具有减少的PDL的光束的切换和衰减的结构的光学设备。该光学设备包括双折射移位器(displacer)和两个液晶LC结构。第一 LC结构用来调节光束的S-极化成分，而第二 LC结构用来调节光束的ρ-极化成分。每个LC结构都具有单独的控制电极，使得光束的S-极化成分和光束的P-极化成分能够被不同地调节，并且调节成以致PDL减少。该光学设备也可以构造成为用于处理多个输入光束的波长选择性开关，例如从波分多路光信号解复用的多个波长通道。根据本发明的一个实施例的光学设备包括双折射移位器，其设置在输入光束的光学路径中以及从输入光束的多个成分产生的多个输出光束的光学路径中；第一 LC结构， 其用于调节入射光的极化状态并且设置在输入光束和输出光束的P-极化成分的光学路径中，第一 LC结构具有多个LC单元和第一控制电极，第一控制电极对第一 LC结构的LC单元施加相同的控制信号；以及第二 LC结构，其用于调节入射光的极化状态并且设置在输入光束和输出光束的S-极化成分的光学路径中，第二 LC结构具有多个LC单元和第二控制电极，第二控制电极对第二 LC结构的LC单元施加相同的控制信号。第一 LC结构和第二 LC 结构能够分别利用第一控制电极和第二控制电极独立地控制。根据本发明的另一实施例的光学设备构造成通过独立地控制P-极化光成分和 S-极化光成分来减少极化相关的损失。光学设备包第一 LC结构和第二 LC结构，其中第一 LC结构用于调节入射光的极化状态并且设置在输入光束和从输入光束产生的输出光束的 P-极化成分的光学路径中，第一 LC结构具有多个LC单元和第一控制电极，第一控制电极对第一 LC结构的LC单元施加相同的控制信号，第二 LC结构用于调节入射光的极化状态并且设置在输入光束和输出光束的S-极化成分的光学路径中，第二 LC结构具有多个LC单元和第二控制电极，第二控制电极对第二 LC结构的LC单元施加相同的控制信号。由第一控制电极施加的控制信号不同于由第二控制电极施加的控制信号。根据本发明的实施例的波长选择性开关包括波长色散元件，其用于将输入光束分离成其波长成分；第一 LC结构，其用于调节入射光的极化状态并且设置在波长成分和从所述波长成分产生的输出光束的P-极化成分的光学路径中，第一 LC结构具有多个LC单元和第一控制电极，第一控制电极对第一 LC结构的LC单元施加相同的控制信号；以及第二 LC结构，其用于调节入射光的极化状态并且设置在波长成分和输出光束的S-极化成分的光学路径中，第二 LC结构具有多个LC单元和第二控制电极，第二控制电极对第二 LC结构的LC单元施加相同的控制信号。第一 LC结构和第二 LC结构能够分别利用第一控制电极和第二控制电极独立地控制。
为了能够更详细地理解本发明的上述特征操作的方式，可以通过参照实施例进行上面概述的本发明的更具体的描述，其中在附图中示出了一些实施例。然而应当注意，附图仅仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被认为限制了其范围，因为本发明可以允许其他等效实施例。图1示出了液晶(LC)光学衰减器对于入射S-极化光和P-极化光的光电性能。图2A示意性地示出了根据本发明的实施例的光学设备的截面图，该光学设备构造成以最少的PDL提供光信号的1x2切换和衰减。图2B、2C示出了根据本发明的实施例，当光学设备构造成将输入光束切换到输出端口时输入光束的S-和P-成分所采用的光学路径。图3是示出了根据本发明的实施例，在衰减输入光束的S-和P-成分时子像素的独立控制如何使极化相关损失(PDL)最小化的图形。图4A、4B示出了根据本发明的实施例，当构造成将输入光束切换到输出端口时LC 光束极化结构的示意性侧视图。图5示出了双折射组件的示意性侧视图。图6示出了根据本发明的实施例，构造有多个极化束分离器的光学设备的示意性侧视图。 图7A是根据本发明的实施例，执行WDM信号的1x2切换和衰减的波长选择性开关的示意性俯视图。图7B是根据本发明的实施例，执行WDM信号的1x2切换和衰减的波长选择性开关的示意性侧视图。图8示出了根据本发明的实施例，用于处理多个输入光束的LC束极化阵列的示意性截面图。为了清楚起见，在适用的情况下使用了相同的附图标记，以指代在多个图之间公共的相同元件。能够想到，一个实施例的特征可以结合到其他实施例中而无需进一步引用。
具体实施方式
本发明的实施例构建一种以减少的极化相关损失(PDL)执行光束的1x2切换和衰减的光学切换设备，其中光束具有S-和P-极化光的任意组合。该光学切换设备将光束分离成S-和P-极化成分，并且使用第一液晶(LC)束极化结构和用于S-成分的切换和衰减的第一控制信号、以及第二液晶(LC)束极化结构和用于ρ-成分的切换和衰减的第二控制信号，使得每个极化成分被衰减基本相同的量。该光学设备包括双折射移位器、两个液晶(LC)束极化结构(每个结构均具有三个子像素)、以及极化分离和旋转组件。双折射移位器在成分被LC束极化结构调节之前将输入光束分离成S-和ρ-极化成分，并且在成分已经被LC束极化结构调节之后将输出光束的分离的S-和ρ-极化成分组合成单个输出光束。第一 LC束极化结构中的像素调节具有一个极化状态(例如，S-极化光)的输入和输出光束的成分，而第二 LC束极化结构中的像素调节具有另一个极化状态(例如，P-极化光)的输入和输出光束的成分。每个LC束极化结构均允许使用单个控制信号进行一个极化成分的1x2切换和衰减控制。通过使LC束极化结构扩展成这种结构的阵列，该光学切换设备能够构造成用于处理多个输入光束，如从波分多路(WDM)光信号解复用的多个波长通道。图2A示意性地示出了根据本发明的实施例的光学设备200的截面图，光学设备 200构造成以最少的PDL提供光信号的1x2切换和衰减。光学设备200包括双折射移位器 101、LC束极化结构102和104、以及极化分离和旋转组件120，它们全都如所示地被光耦合， 以用于输入光束171的处理，即切换和衰减。为了用作1x2光学开关，分别通过光学路径 P1、P2和P3将光学设备200光耦合到输入端口 131和输出端口 132、133。输入光束171、 输出光束172和173及其相应的S-和ρ-极化成分在光学设备200中的可能光学路径150 用箭头描绘。P-极化光用具有竖杠的箭头表示，而S-极化光用具有点的箭头表示。下面结合图2B、2C描绘在光学设备200的特定切换构造下(例如，输入光束从输入端口 131切换到输出端口 13 输入和输出光束行进的具体光学路径150。双折射移位器101可以是基于正交极化状态平移地偏转入射光束不同量的YVO4 水晶或其他双折射材料。双折射移位器101相对于输入光束171定位成使得一个极化状态 (在图2A-2C所示的实施例中为S-极化)的光穿过双折射移位器101而不发生显著的偏转，而相反极化状态(在图2A-2C所示的实施例中为ρ-极化)的光穿过双折射移位器101 且发生所示的偏转。结果，输入光束171的S-极化成分被导向LC束极化结构102，用于极化调节，而输入光束171的ρ-极化成分被导向LC束极化结构104，用于极化调节。下面描述LC束极化结构102、104所执行的极化调节。LC束极化结构102和104各自包括形成在两个透明板(为了清楚起见未示出)之间的三个LC子像素，这三个LC子像素利用本领域公知的技术被层压在一起，以形成LC子像素102A-102C和LC子像素104A-104C。在一个实施例中，LC束极化结构102和104制造成为单个LC结构，从而简化了光学设备200的部件的制造、装配以及光学对准。LC子像素102A-102C和LC子像素104A-104C含有LC材料，如扭转向列(TN)模式材料、电控双折射(ECB)模式材料等。LC束极化结构102还包括透明电极，该透明电极在每个LC子像素 102A-102F两端施加电势差，从而选择性地“关闭”或“开启”LC子像素102A-102F，即，将每个LC子像素设定成或者调制、或者不调制入射光的极性。对于扭转向列模式材料，大约0 伏的电势差产生90°的极性旋转，而大约5伏或更高的电势差产生0°的极性旋转。
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LC束极化结构102的透明电极包括单个竖直控制电极103和3个水平电极 106A-106C，并且可以从铟-锡氧化物(ITO)层图案化。类似地，LC束极化结构104的透明电极包括单个竖直控制电极105和3个水平电极106D-106F。透明电极覆盖有决定LC构型的缓冲聚酰亚胺层。水平电极106A-106F形成在一个透明板的表面上，并且分别定位成邻近LC子像素102A-102C和104A-104C，如图所示。竖直控制电极103形成在相对的透明板的表面上，并且定位成邻近LC子像素102A-102C，并且竖直控制电极105形成在相对的透明板的表面上且定位成邻近LC子像素104A-104C。通过调节入射光的极化状态，LC子像素 102A-102C和104A-104C使得光学设备200能够以最少的PDL执行具有s_和ρ-极化光的任意组合的输入光束171的1x2切换和衰减，如下面结合图2B、2C所描述的。对水平和竖直方向的参照仅仅用于说明的目的。本领域普通技术人员将认识到，光学设备200可以以任何方位构造，并且执行如此处所描述的1x2切换和衰减。极化分离和旋转组件120包括双折射元件121、四分之一波片122以及镜子123。 双折射元件121可与双折射移位器101基本相似，不同之处在于利用光轴定位成使得相对于双折射移位器101的偏转方案，对于入射光实现了相反的偏转方案。亦即，对于图2A-2C 所示的实施例，入射P-极化光以所示的偏转穿过双折射移位器121，并且S-极化光穿过双折射移位器121而不发生显著的偏转。四分之一波片122安装在镜子123上，其中镜子123 如图所示地反射入射光，并且当入射光两次穿过四分之一波片122时，四分之一波片122使入射光的极化状态偏转一共90°。可替代地，本领域普通技术人员能够想到用其他光学设备来代替镜子123，以将已经穿过LC束极化结构102和四分之一波片122的光往回朝向LC 束极化结构102和四分之一波片122重新引导，从而第二次通过。在操作中，光学设备200在线性极化输入束上执行1x2切换和低PDL衰减，其中输入束具有S-极化和ρ-极化成分的任意组合。作为1x2切换操作的一部分，光学设备200 能够构造成将输入束171从输入端口 131引导到输出端口 132(作为输出束172)，或者引导到输出端口 133(作为输出束173)。输出端口 132和133之间的输入束171的1x2切换和衰减通过将输入束171分离成S-和ρ-极化成分以及利用LC束极化结构102将S-成分的极化状态调节到期望的极化状态和利用LC束极化结构104将ρ-成分的极化状态调节到期望的极化状态来完成。为了在光学设备200衰减输入束171时最小化PDL，束171的s_成分和束171的ρ-成分可以被不同地调节(即，旋转不同的量)，在极化状态调节之后，可以通过基于成分的已调节极化状态沿相应的光学路径引导每个被分离且调节的极化成分以及重新组合这些成分以形成输出束来完成输入束171的1x2切换和衰减。下面结合图2B、 2C描述切换和衰减过程的极化调节和其他细节。本领域普通技术人员将认识到，尽管此处所描述的光学设备200的实施例是1x2光学开关，但光学设备200本质上是双向的，并且可以等效地作为2x1光学开关操作。当光学设备200作为2x1光学开关操作时，输入端口 131 用作输出端口，而输出端口 132、133用作输入端口。图2B示出了根据本发明的实施例，当光学设备200构造成将输入束171切换到输出端口 132时，输入束171的S-和ρ-成分所采取的光学路径。输入束171经由光学路径 Pl从输入端口 131被导向双折射移位器101。双折射移位器101将输入束171分离成两个成分17IA和171B，其中成分17IA是输入光束171的ρ-极化成分，而成分17IB是输入光束 171的S-极化成分。
首先描述成分171A的穿过光学设备200的路径。成分171如图所示被向下偏转， 离开双折射移位器101，然后穿过子像素104B。子像素104B根据需要调节成分171A的极化状态，使得成分171A随后被导向输出端132。在该实施例中，子像素104B被构造成使成分171A的极化状态旋转0° (由平行于成分171A的子像素104B中的线表示)。因此，成分 171A在离开子像素104B之后基本上保持ρ-极化。为此，在用于子像素104B的电极(即水平电极106E和竖直电极10 之间施加至少大约5V的电势差。子像素104B的LC材料两端的这种电势差确保了子像素104B的消光比小于大约40dB，也就是说，成分171A中的s_极化光在穿过子像素104B后的强度比成分171A中的ρ-极化光的强度在大小上大大约4个数量级。成分171A进入双折射元件121并且被向上偏转，进入四分之一波片122，从镜子 123折射开，往回穿过四分之一波片122和双折射元件121，并且因此被导向子像素104A。 通过穿过四分之一波片122两次，成分171A的极化状态旋转90°，因此成分171A被转化成S-极化并且直接穿过双折射元件121而不被偏转。在离开极化分离和旋转组件120之后，成分171A进入子像素104A。在本实施例中，子像素104A构造成使成分171A的极化旋转90° (用垂直于成分171A的子像素104A中的线表示)。因此，成分171A在离开子像素 104A之后被转化成基本ρ-极化光。为此，在用于子像素104A的电极(即水平电极106D和竖直控制电极10 之间施加大约OV的电势差。成分171A被双折射移位器101向上偏转， 将成分171A与成分171B如图所示进行组合，以形成输出束172，输出束172沿光学路径P2 被引导。以相似的方式，成分171B——其为输入束171的s_极化成分——被导向穿过子像素102B和102A至光学路径P2，以便与成分171A再次组合并被导向输出端口 132。子像素102A-102C不构造成以与子像素104A-104C使成分171A的极化状态旋转相同的方式使成分171B的极化状态旋转。因此，施加在水平电极106A-106C与竖直电极103之间的电压不同于施加在水平电极106D-106F与竖直电极105之间的电压。S卩，在图2B所示的光学设备200的构造中，在用于子像素102A和102C的电极之间施加至少大约5V的电势差，并且在用于子像素102B的电极之间施加大约OV的电势差。已知在本领域中，在某些电压状态下，基于LC的光学开关具有次优的消光比，从而使充分的开关隔离成为问题。例如，在OV下，扭转向列LC材料可以具有仅仅-10至-15dB 的消光比。结果，在穿过这种LC之后，一开始具有单个极化状态的光可以离开LC，其中剩余量的光能具有相反的极化状态。如果在LC与不活动的输出端口之间存在方向性，则不期望的剩余光可能被不注意地导向不活动的输出端口，这是非常不理想的。光学设备200通过引导不期望的光能两次穿过LC束极化结构102或104避免了这种情况。在第二次穿过LC 束极化结构时，剩余束的极化状态被调节到能够随后被过滤或从不理想的光学路径被重新引导的极化状态。图2B示出了剩余束171C、171D的光学路径，其中剩余束171C、171D是分别穿过子像素102B、104B的成分171A、171B的附带结果。剩余束171C、171D由在分别穿过子像素 104BU02B之后分别存在于成分171A、171B中的少量s_极化和ρ-极化光构成。光学设备 200防止显著量的剩余束171C、171D进入不活动的输出端口 Ρ3，从而提供高消光比切换。例如，剩余束171C被双折射元件121从成分171Α中分离出，通过穿过四分之一波片122被转化成P-极化，并且被导向子像素104C。子像素104C被构造成使剩余束171C的极化状态旋转90°，在离开子像素104C之后将剩余束171C转化成基本S-极化。剩余束171C中的大部分光能然后被双折射移位器101沿衰减路径APl引导，并且不进入输出端口 133。在实际中，剩余束171C中的光能的一小部分(即，任何ρ-极化光)被双折射移位器101经由衰减路径AP2导向输出端口 133。由于子像素104B与子像素102A和102C —样在图2B所示的构造中具有小于_40dB的消光比，所以经由衰减路径AP2到达输出端口 133的不期望的光能的强度不显著。类似地，光学设备200将剩余束171D的光能导向衰减路径AP3，而不是导向输出端口 133。仅仅剩余束171D的S-极化部分沿衰减路径AP4被导向输出端口 133，而是与剩余束171C —样，S-极化部分已经被减少至少40dB并且不显著。图2C示出了根据本发明的实施例，当光学设备200被构造成将输入束171切换到输出端口 133时输入束171的S-和ρ-成分所采用的光学路径。在该构造中，成分171A和 171B以及剩余束171C、171D遵从不同的光学路径，因为子像素102A-102C和104A-104C与图2B所示的构造相比具有施加在两端的不同的电势差。当光学设备200构造成将输入束 171切换到输出端口 133时，在子像素102B、104A和104C两端施加至少大约5V的电势差， 使得穿过其中的极化光不改变极化状态。相反地，在子像素102A、102C和104B两端施加大约OV的电势差，使得穿过其中的光的极化状态旋转90°。如图所示，成分171A和171B被组合到输出束173中并且被导向输出端口 133，并且剩余束171C、171D分别被沿着衰减路径 AP5、AP6 引导。根据本发明的实施例，光学设备200还执行输入束171的低PDL衰减。通过用LC 束极化结构102和104部分地调节输入束171的极化状态来实现输入束171的衰减，使得输入束171的光能的一部分被导向输出端口 132，并且输入束171的光能的剩余部分形成沿着衰减路径APl和AP3被引导的剩余束。在这种实施例中，施加在子像素102B和104B两端的电势差不再保持在OV或5V。 相反，电势差在0至5V之间变化，使得子像素104B和102B分别仅仅部分地调节成分171A、 171B的极化状态。这样，来自最终被导向期望的输出端口(S卩，输出端口 132)的输入束171 的光能的强度可以根据需要减小。结果，分配给剩余束171C、171D的光能的强度增加相应地增大。因此，随着输入束171被愈发地衰减，剩余束171C、171D得到衰减的光能。如上所述，剩余束171C、171D的几乎所有光能都分别沿着衰减路径AP1、AP3被引导，并且不进入不活动的输出端口，即输出端口 133。当衰减输入束171时，成分171A、171B中的每个均可被基本相等地衰减，以使PDL 最小化。为了基本相等地衰减成分171A、171B中的每个，对于用于输入束171的给定衰减水平，施加在子像素102B两端的电势差和施加在子像素104B两端的电势差不相同。相反，子像素102B和104B被独立地控制，使得LC材料对于入射ρ-极化光(即成分171Α)和s_极化光(即成分171B)的不同光电性能能够被补偿，以产生每个成分的相等衰减。图3是示出了根据本发明的实施例，当衰减成分171A、171B时子像素102B和104B 的独立控制如何使PDL最小化的图300。图300描绘了子像素102B和104B对于入射s_和 P-极化光的光电性能。图300的横坐标表示施加于子像素102B和104B的电势差，而图300 的纵坐标表示产生的正常入射在子像素102B和104B上并穿过子像素102B和104B的光束的衰减。衰减曲线391示出了穿过任一个子像素的S-极化光的衰减，而衰减曲线392示出了穿过任一个子像素的P-极化光的衰减。如图所示，在给定的施加电势差下，P-极化光的衰减与S-极化光的衰减基本不同。由于子像素102B和104B被独立地控制，所以能够在其两端各自施加不同的电势差，从而对穿过一个子像素的S-极化光和穿过另一个子像素的 P-极化光产生相同的衰减水平。例如，当对于输入束171的期望衰减水平为10dB，对子像素102B施加电势差V1■，并且对子像素104B施加电势差V1Q4B。如衰减曲线392所示，当向子像素104B施加电势差Vici4b时，被P-极化且穿过子像素104B的成分171A被衰减10dB。 类似地，如衰减曲线391所示，当向子像素102B施加电势差Vici2b时，被S-极化且穿过子像素102B的成分171B被衰减10dB。因此，子像素102B和104B的独立控制能够实现输入束 171的低PDL衰减。此外，子像素102B和104B的独立控制使得光学设备200能够补偿被来自其他源的输入束171造成的PDL，例如当输入束171是已经被衍射光栅从WDM信号在空间上解复用的光束时。表1总结了根据本发明的实施例，对于LC束极化结构102、104的一个电极偏压方案，通过该方案，可以在输出端口 132、133之间切换输入束171，和/或根据期望地进行衰减。如上所述的成分171B的1x2切换和衰减通过改变用于LC束极化结构102的控制信号来实现。类似地，成分171A的1x2切换和衰减通过改变用于LC束极化结构104的控制信号来实现。为了清楚起见，关于LC束极化结构102描述了表1的偏压方案，但其等同地适用于LC束极化结构104。根据该偏压方案，第一偏压被施加于水平电极106A和106C，具有相反极性的第二偏压被施加于水平电极106B，并且第三偏压被施加于竖直控制电极103，其中第三偏压是控制信号。该控制信号的范围可以在用于水平电极106A-106C的第一偏压和第二偏压之间的值内。在水平电极和竖直控制电极13之间形成的电势差决定了每个LC像素调节线性极化光的入射束的方式。因此，在竖直控制电极103和水平电极106A之间形成的电势差决定了 LC束极化结构102中的LC子像素102A的极化效果。对于含有扭转向列(TN)模式LC 材料的LC像素，其两端的达到大约1. 2V的电势差将大部分线性极化光从S-极化转变为 P-极化，并且反之亦然。其两端具有大于大约4. OV的电势差的LC像素本质上不转变入射束的任何极化状态。结果，其两端具有大于大约1.2V至4. OV之间的电势差的LC像素以电势差的函数的形式部分地转变入射光的极化状态。表1呈现了产生的在成分171B和剩余束171D所穿过的每个子像素102A-102C两端产生的电势差(以V为单位)。产生的每个LC像素两端的电势差的值通过将施加于竖直控制电极103的偏压(在表1的第一行中给出，以V为单位)与施加于水平电极106A-106C 的偏压(在表1的第一列中给出，以V为单位)相互参引来确定。在表1总结的示例中， 分别通过水平电极106A和106C施加+6V的恒定偏压给子像素102A和102C。通过水平电极106B施加-6V的恒定偏压给子像素102B。施加于竖直控制电极103的偏压可以在+6V 与-6V之间变化。
权利要求
1.一种光学设备，包括双折射移位器，所述双折射移位器设置在输入束的光学路径和从所述输入束的成分产生的多个输出束的光学路径中；第一液晶结构，所述第一液晶结构用于调节入射光的极化状态并且设置在所述输入束和所述输出束的P-极化成分的光学路径中，所述第一液晶结构具有多个液晶单元以及向所述第一液晶结构的所述液晶单元施加相同的控制信号的第一控制电极；以及第二液晶结构，所述第二液晶结构用于调节入射光的极化状态并且设置在所述输入束和所述输出束的S-极化成分的光学路径中，所述第二液晶结构具有多个液晶单元以及向所述第二液晶结构的所述液晶单元施加相同的控制信号的第二控制电极，其中，所述第一液晶结构和所述第二液晶结构能够分别利用所述第一控制电极和所述第二控制电极被独立地控制。
2.根据权利要求1所述的光学设备，还包括第二双折射移位器，所述第二双折射移位器在所述输入束的成分已经经过所述第一液晶结构和所述第二液晶结构之后设置在所述输入束的成分的光学路径中，其中所述第二双折射移位器从所述输入束的成分产生多个输出束。
3.根据权利要求2所述的光学设备，还包括反射元件，所述反射元件设置在所述多个输出束的光学路径中，以重新引导所述多个输出束往回穿过所述第二双折射移位器、所述第一液晶结构、所述第二液晶结构以及所述第一双折射移位器。
4.根据权利要求3所述的光学设备，还包括设置在所述第二双折射移位器与所述反射元件之间的四分之一波片。
5.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一液晶结构包括被第一输出束穿过的第一液晶单元、被第一输入束成分穿过的第二液晶单元、以及被第二输出束穿过的第三液晶单元；以及所述第二液晶结构包括被第三输出束穿过的第四液晶单元、被第二输入束成分穿过的第五液晶单元、以及被第四输出束穿过的第六液晶单元。
6.根据权利要求5所述的光学设备，其中，所述第一输出束和所述第三输出束在所述第一双折射移位器中被组合，以形成输出束。
7.根据权利要求5所述的光学设备，其中，所述第二输出束和所述第四输出束在所述第一双折射移位器中被组合，以形成输出束。
8.一种光学设备，所述光学设备被构造成通过独立地控制P-极化光成分和S-极化光成分来减小极化相关的损失，所述光学设备包括第一液晶结构，所述第一液晶结构用于调节入射光的极化状态并且设置在输入束和从所述输入束产生的输出束的P-极化成分的光学路径中，所述第一液晶结构具有多个液晶单元以及向所述第一液晶结构的所述液晶单元施加相同的控制信号的第一控制电极；以及第二液晶结构，所述第二液晶结构用于调节入射光的极化状态并且设置在所述输入束和所述输出束的S-极化成分的光学路径中，所述第二液晶结构具有多个液晶单元以及向所述第二液晶结构的所述液晶单元施加相同的控制信号的第二控制电极，其中，由所述第一控制电极施加的控制信号不同于由所述第二控制电极施加的控制信号。
9.根据权利要求8所述的光学设备，还包括第一双折射移位器，所述第一双折射移位器设置在所述输入束的光学路径和所述输出束的S-极化成分和ρ-极化成分的光学路径中；以及第二双折射移位器，所述第二双折射移位器在所述输入束的S-极化成分和P-极化成分已经经过所述第一液晶结构和所述第二液晶结构之后设置在所述输入束的S-极化成分和P-极化成分的光学路径中，其中所述第二双折射移位器从所述输入束的S-极化成分和 P-极化成分产生输出束。
10.根据权利要求9所述的光学设备，还包括反射元件，所述反射元件设置在所述多个输出束的光学路径中，以重新引导所述多个输出束往回穿过所述第二双折射移位器、所述第一液晶结构、所述第二液晶结构以及所述第一双折射移位器。
11.根据权利要求10所述的光学设备，还包括设置在所述第二双折射移位器与所述反射元件之间的四分之一波片。
12.根据权利要求8所述的光学设备，其中所述第一液晶结构包括被第一输出束穿过的第一液晶单元、被第一输入束成分穿过的第二液晶单元、以及被第二输出束穿过的第三液晶单元；以及所述第二液晶结构包括被第三输出束穿过的第四液晶单元、被第二输入束成分穿过的第五液晶单元、以及被第四输出束穿过的第六液晶单元。
13.根据权利要求12所述的光学设备，其中，所述第一输出束和所述第三输出束被组合以形成输出束。
14.根据权利要求12所述的光学设备，其中，所述第二输出束和所述第四输出束被组合以形成输出束。
15.一种波长选择性开关，包括波长色散元件，所述波长色散元件用于将输入光束分离成其波长成分；第一液晶结构，所述第一液晶结构用于调节入射光的极化状态并且设置在所述波长成分和从所述波长成分产生的输出光束的P-极化成分的光学路径中，第一液晶结构具有多个液晶单元和第一控制电极，第一控制电极对第一液晶结构的液晶单元施加相同的控制信号；以及第二液晶结构，所述第二液晶结构用于调节入射光的极化状态并且设置在所述波长成分和所述输出光束的S-极化成分的光学路径中，所述第二液晶结构具有多个液晶单元和第二控制电极，所述第二控制电极对所述第二液晶结构的液晶单元施加相同的控制信号，其中，所述第一液晶结构和所述第二液晶结构能够分别利用所述第一控制电极和所述第二控制电极被独立地控制。
16.根据权利要求15所述的波长选择性开关，还包括第一双折射移位器，所述第一双折射移位器设置在所述波长成分的光学路径和所述输出束的S-极化成分和ρ-极化成分的光学路径中；以及第二双折射移位器，所述第二双折射移位器在所述波长成分的S-极化成分和P-极化成分已经经过所述第一液晶结构和所述第二液晶结构之后设置在所述波长成分的S-极化成分和P-极化成分的光学路径中，其中所述第二双折射移位器从所述波长成分的S-极化成分和P-极化成分产生输出束。
17.根据权利要求16所述的波长选择性开关，还包括反射元件，所述反射元件设置在所述输出束的光学路径中，以重新引导所述输出束往回穿过所述第二双折射移位器、所述第一液晶结构、所述第二液晶结构以及所述第一双折射移位器。
18.根据权利要求17所述的波长选择性开关，还包括设置在所述第二双折射移位器与所述反射元件之间的四分之一波片。
19.根据权利要求15所述的波长选择性开关，其中，所述第一液晶结构的液晶单元布置成三行，每行均具有多个液晶单元，并且所述第二液晶结构的液晶单元布置成三行，每行均具有多个液晶单元。
20.根据权利要求19所述的波长选择性开关，其中，所述第一液晶结构包括用于所述三行液晶单元中的每个的单独的偏压电极，并且所述第二液晶结构包括用于所述三行液晶单元中的每个的单独的偏压电极。
全文摘要
一种光学设备，具有以减小的极化相关损失(PDL)执行光束的切换和衰减的结构。所述光学设备包括双折射移位器和两个液晶结构。第一液晶结构用来调节光束的s-极化成分，而第二液晶结构用来调节光束的p-极化成分。每个液晶结构均具有单独的控制电极，使得光束的s-极化成分和光束的p-极化成分能够被不同地调节，并且被调节成减小PDL。所述光学设备可以构造成用于处理多个输入光束，例如从波分多路(WDM)光信号解复用的多个波长通道。
文档编号G01J4/00GK102460094SQ201080030183
公开日2012年5月16日 申请日期2010年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者C·林, R·孙, R·王, X·岳 申请人:奥兰若(北美)有限公司