CN104181640A - 一种基于液晶变焦透镜的光交换模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液晶变焦透镜的光交换装置，包括输入光纤准直器、液晶变焦柱面镜、第一透镜和输出光纤准直器；输入光纤准直器设置在第一透镜的光轴上，液晶变焦柱面镜离轴设置于第一透镜的前焦面上；输出光纤准直器离轴设置于第一透镜的出射光路侧；输入光纤准直器输出的光作为液晶变焦柱面镜的入射光，液晶变焦柱面镜的出射光作为第一透镜的入射光，第一透镜的出射光与光轴之间的距离通过调节施加在液晶变焦柱面镜上电场的大小改变液晶变焦柱面镜的出射光与第一透镜的光轴之间的夹角从而改变第一透镜的出射光与光轴之间的距离；本发明通过液晶变焦透镜与适当的光学系统设计，对输入光信号产生多个可选择的输出端口，实现光开关功能。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种基于液晶变焦透镜的光开关与波长选择开关。
背景技术
随着人们对通信带宽需求的增长和通信业务的日益复杂化，电信运营商对光通信网络配置的灵活性提出更高的要求，基于波分复用技术和可重构光分插复用技术的智能化光网络得到迅速发展。光开关与波长选择开关是光通信系统中的重要器件和模块，在智能化光网络中得到越来越普遍的应用。与电开关相比，光开关与波长选择开关不经过“光-电-光”转换，能够提高网络的可靠性与灵活性，是实现全光网络必需的器件。
光开关是一种具有一个或多个输入/输出端口的光器件，它可以在输入/输出端口之间实现光信号的线路交换，利用光开关可以在光网络中实现光交叉连接、线路自愈保护等功能。而波长选择开关也是一种具有一个或多个输入/输出端口的光器件，它可以在输入/输出端口之间实现波长粒度的线路交换，利用波长选择开关可以组成功能灵活的可重构光分插复用节点，对提高智能化光网络的性能至关重要。光开关和波长选择开关的区别在于，前者对光信号的交换是波长无关的，一个输入端口的所有光波长，只能同时交换到同一个输出端口中；后者对光信号的交换是波长相关的，一个输入端口的不同光波长，可以分别交换到不同输出端口中。
光开关的常用技术方案有机械式光开关、热光开关、磁光开关、电光开关、MEMS(微电机系统)光开关、波导型光开关等等，波长选择开关的常用技术方案有MEMS、LCOS(硅基液晶)、液晶等等。其中现有基于液晶技术的波长选择开关，它是通过一个液晶单元与一个双折射楔形棱镜相配合，通过液晶单元控制光束的偏振方向，让光束以o光或者e光通过双折射楔形棱镜，产生不同的偏转角度，再通过一定的光学系统设计，实现对光束输出端口的选择和交换。该方案的特点是，光信号通过一个液晶单元+双折射楔形棱镜组合结构，只能选择两个可能的输出端口，为了选择多个可能的输出端口(比如8个)，需要将3个这样的组合结构串联起来，因此器件的端口扩展性较差，难以实现大端口数的波长选择开关。
液晶材料具有一种电控双折射特性，通过外加电场可以改变液晶材料的折射率，据此可以制作变焦透镜，即可以通过外加电场对透镜进行调焦。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于液晶变焦透镜的光交换装置及光交换方法。
本发明提供的基于液晶变焦透镜的光交换装置，包括输入光纤准直器、液晶变焦柱面镜、第一透镜和输出光纤准直器；所述输入光纤准直器设置在所述第一透镜的光轴上，所述液晶变焦柱面镜离轴设置于所述第一透镜的前焦面上；所述输出光纤准直器离轴设置于所述第一透镜的出射光路侧；输入光纤准直器输出的光作为液晶变焦柱面镜的入射光，所述液晶变焦柱面镜的出射光作为所述第一透镜的入射光，所述第一透镜的出射光与光轴之间的距离通过调节施加在所述液晶变焦柱面镜上电场的大小改变所述液晶变焦柱面镜的出射光与所述第一透镜的光轴之间的夹角从而改变所述第一透镜的出射光与光轴之间的距离；其中，f1为第一透镜的焦距，f为液晶变焦柱面镜的焦距，d为液晶变焦柱面镜与第一透镜的光轴之间的距离。
其中，所述液晶变焦柱面镜的出射光与所述第一透镜的光轴之间的夹角
其中，所述光交换装置还包括多个分别设置在所述第一透镜的出射光路上的输出光纤准直器阵列。
其中，所述光交换装置还包括光栅和第二透镜；所述第二透镜设置在输入光纤准直器与液晶变焦柱面镜之间，且所述第二透镜的光轴与第一透镜的光轴重合；所述光栅设置在所述第二透镜的前焦平面上；输入光纤准直器输出的光经过光栅后色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，再经过透镜后成为m路水平光；每一路水平光经过液晶变焦柱面镜后偏转一定的角度并入射至第一透镜上，由第一透镜输出m路光；通过调节施加在所述液晶变焦柱面镜上电场的大小改变液晶变焦柱面镜的折射率，使得所需波长的出射光通过输出光纤准直器输出，实现了波长选择开关的作用。
本发明还提供了一种基于液晶变焦透镜的光交换装置，包括输入光纤准直器、液晶变焦柱面镜、光栅、第二透镜、输出光纤准直器阵列和平面反射镜；所述输入光纤准直器设置在所述第二透镜的光轴上，光栅设置在第二透镜的前焦平面上，液晶变焦柱面镜设置在第二透镜的后焦平面上，平面反射镜设置在液晶变焦柱面镜的平面侧；输出光纤准直器阵列与所述输入光纤准直器处于同一个水平面设置；输入光纤准直器输出的光经过光栅后色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，再经过透镜后成为m路水平光；每一路水平光由液晶变焦柱面镜的凸面侧入射后由平面反射镜反射，再经过液晶变焦柱面镜后会偏转一定的角度并入射至第二透镜上，由第二透镜输出m路光；通过调节施加在所述液晶变焦柱面镜上电场的大小改变液晶变焦柱面镜的折射率，使得所需波长的出射光通过输出光纤准直器输出，实现了波长选择开关的作用。
本发明还提供了一种基于液晶变焦透镜的光交换装置，包括输入光纤准直器、液晶变焦柱面镜、光栅、第二透镜和输出光纤准直器阵列；在所述液晶变焦柱面镜的平面上镀有反射膜；所述输入光纤准直器设置在所述第二透镜的光轴上，光栅设置在第二透镜的前焦平面上，液晶变焦柱面镜设置在第二透镜的后焦平面上，输出光纤准直器阵列与所述输入光纤准直器处于同一个水平面设置；输入光纤准直器输出的光经过光栅后色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，再经过透镜后成为m路水平光；每一路水平光由液晶变焦柱面镜的凸面侧入射后，由于液晶变焦柱面镜的平面上镀有反射膜，会使光路反射，再经过液晶变焦柱面镜后会偏转一定的角度并入射至第二透镜上，由第二透镜输出m路光；通过调节施加在所述液晶变焦柱面镜上电场的大小改变液晶变焦柱面镜的折射率，使得所需波长的出射光通过输出光纤准直器输出，实现了波长选择开关的作用。
本发明提出一种基于液晶变焦透镜的光交换模块结构，通过液晶变焦透镜与适当的光学系统设计，对输入光信号产生多个可选择的输出端口，实现光开关功能。将变焦液晶透镜制成阵列式结构，输入的波分复用光信号中的不同波长，通过一个光栅色散展开在阵列的不同单元上，可以对每个波长的输出端口进行独立的控制，从而实现波长选择开关功能。
本发明提出的一种基于液晶变焦透镜的光交换模块，包括输入光纤准直器、液晶变焦柱面镜、透镜以及输出光纤准直器，液晶变焦柱面镜离轴置于透镜的前焦面上。来自输入光纤准直器的光首先经过液晶变焦柱面镜，透过电压可以调节液晶变焦柱面镜的折射率，从而控制光束偏转的角度。在光经过透镜后成为水平光输出。由电压可以控制光束是否进入输出光纤准直器，实现了光开关的功能。
附图说明
图1为液晶的电光效应示意图。
图2为液晶变焦透镜示意图。
图3为基于液晶变焦透镜的光交换模块俯视图。
图4为基于液晶变焦透镜的多路光开关俯视图。
图5为基于液晶变焦透镜的波长选择开关的透射式结构俯视图。
图6为基于液晶变焦透镜的波长选择开关的透射式结构侧视图。
图7为基于液晶变焦透镜的波长选择开关的反射式结构俯视图。
图8为基于液晶变焦透镜的波长选择开关的反射式结构侧视图。
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。
本发明提出一种基于液晶变焦透镜的光交换模块结构，通过液晶变焦透镜与适当的光学系统设计，对输入光信号产生多个可选择的输出端口，实现光开关功能。将变焦液晶透镜制成阵列式结构，输入的波分复用光信号中的不同波长，通过一个光栅色散展开在阵列的不同单元上，可以对每个波长的输出端口进行独立的控制，从而实现波长选择开关功能。
本发明提出的一种基于液晶变焦透镜的光交换模块，包括输入光纤准直器、液晶变焦柱面镜、透镜以及输出光纤准直器，液晶变焦柱面镜离轴置于透镜的前焦面上。来自输入光纤准直器的光首先经过液晶变焦柱面镜，透过电压可以调节液晶变焦柱面镜的折射率，从而控制光束偏转的角度。在光经过透镜后成为水平光输出。由电压可以控制光束是否进入输出光纤准直器，实现了光开关的功能。
本发明提出的一种基于液晶变焦透镜的波长选择开关，在光开关的基础上加入了一个同轴的光栅与另一个透镜，光栅放在该透镜的前焦面上，并将输出光纤准直器改为准直器阵列。来自输入光纤准直器的光经过光栅后色散成不同波长的光，经过透镜成为多路水平光。再经过液晶变焦柱面镜后偏转一定的角度打到第二个透镜上，最后输出。通过电压调节液晶变焦柱面镜的折射率可以使所需波长进入任意的输出光纤准直器中，从而实现波长选择开关的作用。
本发明的主要思想是使用液晶材料做成透镜，由于液晶材料的电光特性，其折射率可以受所加电压调节，从而使透镜的焦距可调，进而实现光开关与波长选择开关的功能。
现结合附图对本发明做进一步描述：
如图1所示，在向列相液晶中，在外部电场驱动下，液晶分子指向矢与电场成夹角θ，此时会发生双折射现象。当非常光e光波法线与电场同向时，其折射率n2可用下式表示：其中no为寻常光o光的折射率，ne为e光在液晶分子指向矢垂直于电场方向时的折射率，而角θ取决于外加电场的大小，因此可以通过电场调节液晶材料的折射率。
如图2，基于液晶材料的电光效应，使用液晶材料做成平凸透镜，该透镜的折射率可以通过外加电场调节，从而改变透镜的焦距f，并且焦距连续可调。
参阅附图3，该基于液晶变焦透镜的光交换模块的具体实施例中，包括输入光纤准直器111、液晶变焦柱面镜112、第一透镜113以及输出光纤准直器114，液晶变焦柱面镜112离轴置于第一透镜113的前焦面上。来自输入光纤准直器111的光首先经过液晶变焦柱面镜112，通过电压可以调节液晶变焦柱面镜112的折射率，从而控制光束偏转的角度。在光经过第一透镜113后成为水平光输出。由外加电压可以控制光束是否进入输出光纤准直器114，实现了光开关的功能。
液晶材料具有一种电控双折射特性，通过外加电场可以改变液晶材料的折射率，据此可以制作变焦透镜，即可以通过外加电场对透镜进行调焦。因此在本发明实施例中，通过外加电场可以对液晶变焦柱面镜112的焦距f进行控制；参考图1，通过外加电场改变液晶指向矢的方位角θ，根据式(1)，液晶透镜的折射率改变，从而改变焦距。
液晶变焦柱面镜112离轴量为d，通过电压控制其焦距为f，则光束偏转角为：光束经过第一透镜113后出射高度为： 其中f1为第一透镜113的焦距。
从上式可以看到，通过电压改变液晶变焦柱面镜112的焦距f，可以控制输出光束的输出位置，从而控制光束是否进入输出光纤准直器114，这样就实现了光开关的功能。由于液晶变焦柱面镜112的焦距f连续可调，因此输出位置r也连续可变，本发明具有连续可调的优点。
如图4，将图3光开关结构中的输出光纤准直器114改为光纤准直器阵列117，通过调节液晶变焦柱面镜112的焦距f，可以让光束进入光纤准直器阵列117中任一准直器中，实现了多路光开关的功能。
参阅附图5与图6，该基于液晶变焦透镜的波长选择开关的透射式结构的具体实施例中，在多路光开关的基础上加入了一个同轴的光栅115与另一个透镜116，光栅115放在该透镜116的前焦面上。来自输入光纤准直器111的光经过光栅115后色散成多路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2、λ3等等，经过第二透镜116后成为多路水平光。再经过液晶变焦柱面镜112后偏转一定的角度打到第一透镜113上，最后输出。通过电压调节液晶变焦柱面镜112的折射率可以使所需波长进入任意的输出光纤准直器中，从而实现波长选择开关的作用。
与光开关相同，光束经过第一透镜113后出射高度为：通过电压改变液晶变焦柱面镜112的焦距f，可以控制任意波长输出光束的输出位置d，从而控制任意波长的光束进入输出光纤准直器阵列117的任意一个输出光纤准直器中。
图7与图8为基于液晶变焦透镜的波长选择开关的反射式结构，与透射式结构不同的是在液晶变焦柱面镜112的后面加入了一个反射镜118或者在液晶变焦柱面镜112的平面上镀有反射膜，并且光栅115与液晶变焦柱面镜112分别处于透镜116的前后焦面上。来自输入光纤准直器111的光经过光栅115后色散成多路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4等等，经过透镜116后成为多路水平光。经过液晶变焦柱面镜112后会发生反射，再通过液晶变焦柱面镜112后偏转一定的角度入射至第二透镜116上，最后输出。通过电压调节液晶变焦柱面镜112的折射率可以使所需波长进入任意的输出光纤准直器中，从而实现波长选择开关的作用。
与透射式结构相比，反射式结构可以使得光路折叠，减小了器件尺寸。
在上述理论知识的基础上，本发明提出的基于液晶变焦透镜的光交换模块与波长选择开关结构，使用液晶材料做成透镜，利用液晶材料的电光特性实现液晶变焦透镜，基于该液晶变焦透镜实现光开关与波长选择开关的功能。
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 (6)
1.一种基于液晶变焦透镜的光交换装置，其特征在于，包括输入光纤准直器(111)、液晶变焦柱面镜(112)、第一透镜(113)和输出光纤准直器(114)；
所述输入光纤准直器(111)设置在所述第一透镜(113)的光轴上，所述液晶变焦柱面镜(112)离轴设置于所述第一透镜(113)的前焦面上；所述输出光纤准直器(114)离轴设置于所述第一透镜(113)的出射光路侧；
输入光纤准直器(111)输出的光作为液晶变焦柱面镜(112)的入射光，所述液晶变焦柱面镜(112)的出射光作为所述第一透镜(113)的入射光，所述第一透镜(113)的出射光与光轴之间的距离通过调节施加在所述液晶变焦柱面镜(112)上电场的大小改变所述液晶变焦柱面镜(112)的出射光与所述第一透镜(113)的光轴之间的夹角从而改变所述第一透镜(113)的出射光与光轴之间的距离；
其中，f1为第一透镜(113)的焦距，f为液晶变焦柱面镜(112)的焦距，d为液晶变焦柱面镜(112)与第一透镜(113)的光轴之间的距离。
2.如权利要求1所述的光交换装置，其特征在于，所述液晶变焦柱面镜(112)的出射光与所述第一透镜(113)的光轴之间的夹角
3.如权利要求1所述的光交换装置，其特征在于，所述光交换装置还包括多个分别设置在所述第一透镜(113)的出射光路上的输出光纤准直器阵列(117)。
4.如权利要求3所述的光交换装置，其特征在于，所述光交换装置还包括光栅(115)和第二透镜(116)；
所述第二透镜(116)设置在输入光纤准直器(111)与液晶变焦柱面镜(112)之间，且所述第二透镜(116)的光轴与第一透镜(113)的光轴重合；
所述光栅(115)设置在所述第二透镜(116)的前焦平面上；
输入光纤准直器(111)输出的光经过光栅(115)后色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，再经过透镜(116)后成为m路水平光；每一路水平光经过液晶变焦柱面镜(112)后偏转一定的角度并入射至第一透镜(113)上，由第一透镜(113)输出m路光；通过调节施加在所述液晶变焦柱面镜(112)上电场的大小改变液晶变焦柱面镜(112)的折射率，使得所需波长的出射光通过输出光纤准直器输出，实现了波长选择开关的作用。
5.一种基于液晶变焦透镜的光交换装置，其特征在于，包括输入光纤准直器(111)、液晶变焦柱面镜(112)、光栅(115)、第二透镜(116)、输出光纤准直器阵列(117)和平面反射镜(118)；
所述输入光纤准直器(111)设置在所述第二透镜(116)的光轴上，光栅(115)设置在第二透镜(116)的前焦平面上，液晶变焦柱面镜(112)设置在第二透镜(116)的后焦平面上，平面反射镜(118)设置在液晶变焦柱面镜(112)的平面侧；输出光纤准直器阵列(117)与所述输入光纤准直器(111)处于同一个水平面设置；
输入光纤准直器(111)输出的光经过光栅(115)后色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，再经过透镜(116)后成为m路水平光；每一路水平光由液晶变焦柱面镜(112)的凸面侧入射后由平面反射镜(118)反射，再经过液晶变焦柱面镜(112)后会偏转一定的角度并入射至第二透镜(116)上，由第二透镜(116)输出m路光；通过调节施加在所述液晶变焦柱面镜(112)上电场的大小改变液晶变焦柱面镜(112)的折射率，使得所需波长的出射光通过输出光纤准直器输出，实现了波长选择开关的作用。
6.一种基于液晶变焦透镜的光交换装置，其特征在于，包括输入光纤准直器(111)、液晶变焦柱面镜(112)、光栅(115)、第二透镜(116)和输出光纤准直器阵列(117)；在所述液晶变焦柱面镜(112)的平面上镀有反射膜；
所述输入光纤准直器(111)设置在所述第二透镜(116)的光轴上，光栅(115)设置在第二透镜(116)的前焦平面上，液晶变焦柱面镜(112)设置在第二透镜(116)的后焦平面上，输出光纤准直器阵列(117)与所述输入光纤准直器(111)处于同一个水平面设置；
输入光纤准直器(111)输出的光经过光栅(115)后色散成m路不同波长的光，其波长分别为λ1、λ2……λm，再经过透镜(116)后成为m路水平光；每一路水平光由液晶变焦柱面镜(112)的凸面侧入射后，由于液晶变焦柱面镜(112)的平面上镀有反射膜，会使光路反射，再经过液晶变焦柱面镜(112)后会偏转一定的角度并入射至第二透镜(116)上，由第二透镜(116)输出m路光；通过调节施加在所述液晶变焦柱面镜(112)上电场的大小改变液晶变焦柱面镜(112)的折射率，使得所需波长的出射光通过输出光纤准直器输出，实现了波长选择开关的作用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170208 Termination date: 20210825 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |