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CN104460020B - 光束处理器件、光束衰减切换器件及光波长选择开关系统 - Google Patents

光束处理器件、光束衰减切换器件及光波长选择开关系统 Download PDF

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CN104460020B
CN104460020B CN201410715002.9A CN201410715002A CN104460020B CN 104460020 B CN104460020 B CN 104460020B CN 201410715002 A CN201410715002 A CN 201410715002A CN 104460020 B CN104460020 B CN 104460020B
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Abstract

本发明公开了一种光束处理器件、光束衰减切换器件及光波长选择开关系统，本发明中光束处理器件中包括聚合物偏振光栅和四分之一波片阵列，通过聚合物偏振光栅和四分之一波片阵列可实现光束偏振状态的分离和调整。光束衰减切换器件包括可切换偏振光栅和光路角度调节器件，或者包括半波液晶片、四分之一波片、聚合物偏振光栅和光路角度调节器件。光波长选择开关系统包括上述光束处理器件和光束衰减切换器件，结构相对简单，装配也相对简单，并且聚合物偏振光栅、四分之一波片和可切换偏振光栅的制作工艺相对简单，故通过本发明实施例可简化制作工艺，降低成本，提高性能。

Description

光束处理器件、光束衰减切换器件及光波长选择开关系统
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及光束处理器件、光束衰减切换器件及光波长选择开关系统。
背景技术
对于光传输网络而言，可重构的光分插复用(Reconfigurable Optical Add/DropMultiplexer，ROADM)技术，可在光网络节点上实现波长切换和维度切换，能够灵活地扩大网络容量并减少运营成本，满足业务网路灵活调度的要求。
目前，ROADM中通常采用诸如光波长选择开关(Wavelength Selective Switch，WSS)系统中的光束处理器件对输入光束和输出光束进行偏振状态分离和调整处理。目前，光束处理器件一般采用如下方式对输入光束和输出光束进行处理：输入光束通过微透镜阵列(Micro Lens Array，MLA)进行整型，整型后的光通过渥拉斯顿棱镜后被分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光，该两束线偏振光相对于光轴沿不同方向分离，然后经过了一个双折射晶体进行相位补偿，最后，将其中一束线偏振光经过半波片后旋转90度，得到两束偏振方向互相平行的线偏振光。
上述为了实现光束偏振状态的分离和调整，采用渥拉斯顿棱镜、相位补偿片以及半波片来实现的方案，然而渥拉斯顿棱镜一般采用诸如研磨工艺得到，制作工艺复杂，并需要复杂的工艺把上述部件装配在一起，故使得光束处理器件的制作也相对较复杂、制作成本也相对较高。
发明内容
本发明实施例提供一种光束处理器件、光束衰减切换器件以及光波长选择开关系统，得到结构相对简单的光束处理器件，简化光束处理器件的制作工艺。
第一方面，提供一种光束处理器件，至少一个四分之一波片阵列，每个四分之一波片阵列对应至少一个聚合物偏振光栅，所述聚合物偏振光栅和所述四分之一波片阵列在光路传输路径上依次顺序排列，其中，
所述聚合物偏振光栅，将入射到所述聚合物偏振光栅表面的光束，分离为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
所述四分之一波片阵列，包括慢轴在不同方向上的至少两个四分之一波片，将经由所述聚合物偏振光栅分离得到的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，调整为相同偏振方向的线偏振光。
结合第一方面，在第一种实现方式中，每个四分之一波片阵列对应的聚合物偏振光栅的数量为一个；
所述每个四分之一波片阵列对应的一个聚合物偏振光栅，用于将入射到所述聚合物偏振光栅表面的光束分离为传输角度不同的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。
结合第一方面，在第二种实现方式中，每个四分之一波片阵列对应的聚合物偏振光栅的数量为两个；
所述每个四分之一波片阵列对应的两个聚合物偏振光栅，用于将入射到所述聚合物偏振光栅表面的光束分离为传输角度相同的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。
第二方面，提供一种光束衰减切换器件，包括可切换偏振光栅和光路角度调节器件，所述可切换偏振光栅和所述光路角度调节器件，在光路传输路径上依次顺序排列，其中，
所述可切换偏振光栅，用于在施加第一电压时，将入射光束衍射后改变所述入射光束的偏振状态和传输角度，在施加第二电压时，将入射光束衍射后不改变所述入射光束的偏振状态和传输角度，并在施加不同的电压下改变入射光束衍射到不同于原来传输角度的其它传输角度，对原来传输角度方向的光束进行衰减。
所述光路角度调节器件，用于将经过所述可切换偏振光栅后入射到所述光路角度调节器件的光束调节为不同的传输角度后输出。
结合第二方面，在第一种实现方式中，所述光路角度调节器件为硅基液晶或者微机电系统。
第三方面，提供一种光束衰减切换器件，包括在光路传输路径上依次排列的第一半波液晶片、第一四分之一波片、聚合物偏振光栅和光路角度调节器件，其中，
所述第一半波液晶片，用于在不同的电压下，改变入射到所述半波液晶片表面的线偏振光的偏振方向；
所述第一四分之一波片，用于经由所述第一半波液晶片后得到的线偏振光调整为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；
所述聚合物偏振光栅，用于将经由所述第一四分之一波片后得到的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光分离为不同的传输角度；
所述光路角度调节器件，用于将经由所述聚合物偏振光栅分离得到的不同传输角度、并入射到所述光路角度调节器件表面的光，调节为不同的传输角度后反射输出，反射后的光依次经由所述聚合物偏振光栅、所述第一四分之一波片和所述第一半波液晶片后，变为偏振方向相同的线偏振光。
结合第三方面，在第一种实现方式中，所述光路角度调节器件为微机电系统。
结合第三方面，在第二种实现方式中，所述光路角度调节器件为硅基液晶，所述光束衰减切换器件还包括光路传输路径上顺序排列的第二四分之一波片和第二半波液晶片，所述第二四分之一波片和所述第二半波液晶片位于所述硅基液晶与所述聚合物偏振光栅之间，所述第二四分之一波片与所述聚合物偏振光栅相邻，所述第二半波液晶片与所述硅基液晶相邻，其中，
所述第二四分之一波片，用于将经由所述聚合物偏振光栅分离得到的不同传输角度的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，调整为线偏振光；
所述第二半波液晶片，用于将经由所述第二四分之一波片得到的线偏振光调整为具有相同偏振方向的线偏振光，并使入射到所述硅基液晶表面的线偏振光的偏振方向与所述硅基液晶的光轴方向一致；
所述硅基液晶，用于将经由所述第二半波液晶片调整后并入射到所述硅基液晶表面的线偏振光调节为不同的传输角度后反射输出，反射后的线偏振光依次经由所述第二半波液晶片、所述第二四分之一波片、所述聚合物偏振光栅、所述第一四分之一波片和所述第一半波液晶片后，变为偏振方向相同的线偏振光。
第四方面，提供一种光波长选择开关系统，包括光纤阵列、光束处理子系统、光路传输子系统和光路切换子系统，其中，
所述光纤阵列，用于向所述光束处理子系统发送至少一束输入光束，并接收所述光束处理子系统输出的至少一束输出光束；
所述光束处理子系统，包括第一方面或者第一方面的任一种实现方式涉及的光束处理器件，通过所述光束处理器件对所述输入光束或所述输出光束进行偏振状态分离和调整，得到具有相同偏振方向的线偏振光；
所述光路传输子系统，用于将经由所述光束处理子系统的光束处理器件处理后得到的具有相同偏振方向的线偏振光按照不同的角度衍射分开后，传输至所述光路切换子系统；
所述光路切换子系统，包括第二方面、第二方面的任一种实现方式、第三方面或者第三方面任一种实现方式涉及的所述的光束衰减切换器件，用于对所述光路传输子系统传输的光束进行角度改变来实现衰减和光路切换功能。
结合第四方面，在第一种实现方式中，所述光路传输子系统包括第一柱面镜、透射光栅和第二柱面镜，其中，
所述第二柱面镜的光轴与所述第一柱面镜的光轴互相垂直；
所述透射光栅位于所述第一柱面镜与所述第二柱面镜之间，且所述透射光栅与所述第二柱面镜之间的距离小于所述透射光栅与所述第一柱面镜之间的距离；
所述光束处理子系统的光束处理器件和所述光路切换子系统的光束衰减切换器件位于所述第一柱面镜和所述第二柱面镜的焦点位置处；
所述第一柱面镜，用于将经由所述光束处理子系统的光束处理器件处理后得到的具有相同偏振方向的线偏振光反射为在与第一柱面镜光轴垂直的平面上平行的线偏振光；
所述透射光栅，用于对所述第一柱面镜反射后得到的平行线偏振光按照不同的角度进行第一次衍射，并对经过所述第二柱面镜反射回的光束按照不同的角度进行第二次衍射；
所述第二柱面镜，用于将经过所述透射光栅进行第一次衍射后的光束反射为在与第二柱面镜光轴垂直的平面上平行的线偏振光，并使反射的平行线偏振光入射到所述透射光栅。
本发明实施例提供的光束处理器件、光束衰减切换器件及光波长选择开关系统中，光束处理器件中的光束处理器件包括聚合物偏振光栅和四分之一波片阵列，所述聚合物偏振光栅，将输入光束分离为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。所述四分之一波片阵列，将经由所述聚合物偏振光栅分离得到的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，调整为具有相同偏振方向的线偏振光，故本发明实施例中通过聚合物偏振光栅和四分之一波片阵列可实现光束偏振状态的分离和调整，相对采用渥拉斯顿棱镜、相位补偿片以及半波片构成的传统光束处理器件，结构相对简单，装配也相对简单，并且聚合物偏振光栅和四分之一波片的制作工艺相对渥拉斯顿棱镜的制作工艺也相对简单，故通过本发明实施例可简化光束处理器件的制作工艺。
附图说明
图1A-图1B为本发明实施例提供的光束处理器件的结构示意图；
图2A-图2D为本发明实施例提供的PPG的制作工艺过程示意图；
图3A-图3B为本发明实施例中PPG具有的特性示意图；
图4A和图4B为本发明实施例中QWPA排列示意图；
图5为本发明实施例中光束处理器件对光束进行处理的第一过程示意图；
图6为本发明实施例提供的光束处理器件对光束进行处理的第二过程示意图；
图7为本发明实施例提供的光束处理器件对光束进行处理的第三过程示意图；
图8为本发明实施例提供的光束处理器件对光束进行处理的第四过程示意图；
图9为本发明实施例提供的光学系统构成框图；
图10A-图10B为本发明实施例中光束传输子系统对光束进行处理的过程示意图；
图11A-图11B为本发明实施例提供的SPG的制作过程示意图；
图12A至图12C为本发明实施例提供的SPG具有的特性示意图；
图13为本发明实施例提供的光束切换子系统对光束进行处理的第一过程示意图；
图14A和图14B为本发明实施例提供的光束切换子系统对光束进行处理的第二过程示意图；
图15A和图15B为本发明实施例提供的光束切换子系统对光束进行处理的第三过程示意图；
图16A和图16B为本发明实施例提供的LCOS角度调节示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1A所示为本发明实施例提供的光束处理器件的结构示意图，本发明实施例中提供的光束处理器件包括至少一个四分之一波片阵列，每个四分之一波片阵列对应至少一个聚合物偏振光栅，所述聚合物偏振光栅和所述四分之一波片阵列在光路传输路径上依次顺序排列，其中，
所述聚合物偏振光栅，将入射到所述聚合物偏振光栅表面的光束，分离为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；所述四分之一波片阵列，包括慢轴在不同方向上的至少两个四分之一波片，将经由所述聚合物偏振光栅分离得到的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，调整为相同偏振方向的线偏振光。
本发明实施例以下以光束处理器件对微透镜阵列整型后的光束进行处理为例进行说明，如图1B所示。
本发明实施例中，光束处理器件102与微透镜阵列101相邻。其中，光束处理器件102包括聚合物偏振光栅1021(Polymer Polarization Grating，PPG)和四分之一波片阵列1022(Quarter Wave Plate Array，QWPA)。微透镜阵列101、聚合物偏振光栅1021和四分之一波片阵列1022在光路传输路径上依次顺序排列。
本发明实施例中光束处理器件102包括的PPG1021可采用聚合物液晶干涉曝光的方式制作得到，如图2A至2D所示为本发明实施例提供的PPG的制作工艺过程示意图。
首先，在玻璃基板201上采用诸如涂覆的方式形成一层光定向聚合物材料202，如图2A所示。
其次，利用左旋紫外光和右旋紫外光203相干涉得到的光场，曝光定向聚合物材料202，如图2B所示。
再次，在图2B已曝光好的聚合物材料202上涂覆一层具有聚向性的液晶材料204，如图2C所示。
最后，利用均匀的紫外光205照射具有聚向性的液晶材料204，从而固化液晶材料204中的液晶分子排列，如图2D所示。
本发明实施例中光束处理器件102包括的QWPA1022也可采用聚合物液晶干涉曝光的方式制作得到，具体的制作工艺与制作PPG1021的过程近似，只是在进行定向聚合物材料202的曝光过程中需采用一束线偏振紫外光，并不是左旋紫外光和右旋紫外光。
本发明实施例中，PPG1021具有改变右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的偏振状态并改变传输角度的功能，如图3A和图3B所示，图3A中，右旋圆偏振光经由PPG后，会变成左旋圆偏振光。图3B中，左旋圆偏振光经由PPG后，会变成右旋圆偏振光。其中，右旋圆偏振光和左旋圆偏振光经由PPG后的传输角度变化，与PPG的制作条件有关，本发明实施例图3A中仅以右旋圆偏振光经由PPG后，会变成左旋圆偏振光向下射出，图3B中仅以左旋圆偏振光经由PPG后，会变成右旋圆偏振光向上出射为例进行说明。
本发明实施例中，QWPA1022相当于多个相同宽度、不同慢轴方向的四分之一波片依次排列，可以是左右排列，也可以是上下排列，如图4A和图4B所示，QWPA1022可将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，调整为具有相同偏振方向的线偏振光。
本发明实施例中PPG1021，与MLA101相邻，用于将MLA101整型后的光束分离为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。对光束进行整型即指改变光束的光斑大小。QWPA1022位于与PPG1021相邻的光路传输路径上，将经由PPG1021分离得到的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，调整为具有相同偏振方向的线偏振光。图5所示为本发明实施例中采用MLA101、PPG1021和QWPA1022对光束进行处理的过程示意图。如图5所示，输入的光束通过MLA101进行整型并通过PPG1021后，其中的右旋圆偏振光会变成左旋圆偏振光向下出射，而其中的左旋圆偏振光会变成右旋圆偏振光向上出射。经由PPG1021得到的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过QWPA 1022后，右旋圆偏振光和下左旋圆偏振分别经过慢轴在不同方向上的四分之一波片(Quarter Waveplate，QWP)，可得到具有相同偏振方向的线偏振光。
本发明实施例提供的光束处理器件中，通过PPG1021，将输入光束分离为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光并通过QWPA1022将经由PPG1021分离得到的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，调整为具有相同偏振方向的线偏振光，故本发明实施例中光束处理器件可通过PPG1021和QWPA1022实现光束偏振状态的分离和调整，相对采用渥拉斯顿棱镜、相位补偿片以及半波片构成的传统光束处理器件而言，结构相对简单，进而装配也相对简单。并且本发明实施例中，PPG1021和QWPA1022可采用聚合物液晶曝光的方式制作得到，采用的制作工艺相对渥拉斯顿棱镜的制作工艺也相对简单，故通过本发明实施例可简化光束处理器件的制作工艺。
更进一步的，本发明实施例中PPG1021和QWPA1022的制作可在一块大的玻璃基板上实现，然后通过切割工艺得到所需大小的器件。比如所用的器件大小是2*5平方毫米，那么一片二英寸大小的方玻璃基板就可以制作出250片器件，因此单个元器件的成本就很便宜。
本发明实施例提供的光束处理器件可应用于需要对光束偏振状态进行调整的光学系统中，例如该光学系统可以是光波长选择开关系统。本发明实施例提供的光束处理器件可通过灵活调整光束处理器件102中PPG1021和QWPA1022的组合方式，以适用于不同的光学系统中。
本发明实施例中为实现将入射的光束分离调整为两束具有不同传输角度和相同偏振方向的线偏振光，可在光束处理器件102中采用一个PPG1021和一组QWPA1022，输入的光束经过PPG1021，可将输入的光束分离为传输角度不同的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，然后经过QWPA1022，可得到相同偏振方向的线偏振光，光束偏振态分离所在的平面与输入光纤和输出光纤所在的平面垂直，具体的结构构成，可参阅图5所示，其中，所用的QWPA采用如图4A所示的结构。
本发明实施例中光束处理器件中光纤的排列方向还可以与光束偏振状态分离所在的平面平行，如图6所示，此时，需要采用很多不同主轴方向QWPA来实现，即QWPA采用如图4B所示的结构。
本发明实施例中为实现将入射的光束分离调整为两束具有相同传输角度和相同偏振方向的线偏振光，可在每个光束处理器件102中采用两个PPG1021和一组QWPA1022，输入的光束经过第一个PPG1021，可将输入的光束分离为偏振角度不同的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，经过第一个PPG1021后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光再经过第二个PPG1021，可得到相互平行出射的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，经过第二个PPG1021后的相互平行出射的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光经过QWPA1022，可得到相同偏振方向的线偏振光，如图7所示。
图7中，光束偏振态分离所在的平面与输入光纤和输出光纤所在的平面垂直，所用的QWPA采用如图4A所示的结构。本发明实施例中光束处理器件中光纤的排列方向还可以与光束偏振状态分离所在的平面平行，如图8所示，需要采用很多不同主轴方向QWPA来实现，即QWPA采用如图4B所示的结构。
基于上述实施例提供的光束处理器件，本发明实施例还提供一种光波长选择开关系统900，该光波长选择开关系统900包括光束处理子系统901、光路传输子系统902和光路切换子系统903，当然该光波长选择开关系统900还包括光纤阵列904，如图9所示。
图9中，光纤阵列904，用于向光束处理子系统901发送至少一束输入光束，并接收光束处理子系统901输出的至少一束输出光束。光束处理子系统901包括上述实施例中涉及的光束处理器件，用于对光纤阵列904向光束处理子系统发送的至少一束输入光束进行偏振状态分离和调整，得到具有相同偏振方向的线偏振光。光路传输子系统902，用于将经由光束处理子系统901中的光束处理器件处理后得到的具有相同偏振方向的线偏振光按照不同的角度衍射分开后，传输至光路切换子系统903。光路切换子系统903，用于对光路传输子系统902传输的光束进行角度或者位置的变换以实现衰减和切换功能。
经由光路切换子系统903衰减和切换后的光束，按照光路可逆的过程，分别经由光路传输子系统902、光束处理子系统901进行处理，返回、并耦合后向作为输出端口的光纤阵列输出。
本发明实施例提供的光波长选择开关系统中，光束处理子系统901用于对输入光束和输出光束进行处理，光波长选择开关系统中的光纤阵列904作为输入端口和输出端口，向光束处理子系统901发送至少一束输入光束，并接收光束处理子系统901输出的至少一束输出光束。输入光束为经由光纤阵列输入端口向光学系统中发射的入射光束，输出光束为经过光学系统返回、并耦合后向输出端口输出的光束。本发明实施例中光束处理子系统901对输入光束进行偏振状态分离和调整，得到具有相同偏振方向的线偏振光的过程，可参阅图5所示的处理过程，在此不再赘述。对于输出光束，由于光路的可逆，对于从光学系统返回来的光束，可通过光束处理器件102中采用的PPG1021和QWPA1022合成后，耦合输出到光纤阵列的输出端口。
其次，本发明实施例在光路传输子系统902中可采用透射光栅、第一柱面镜和第二柱面镜，将经由光束处理子系统901的光束处理器件处理后得到的具有相同偏振方向的线偏振光按照不同的角度衍射分开。柱面镜可以看成是一种非轴对称的特殊非球面，它在与其光轴垂直的平面上可以提供发散或聚焦功能，而在与其光轴平行的平面上等同于一个平面。本发明实施例中透射光栅、第一柱面镜和第二柱面镜将具有相同偏振方向的线偏振光按照不同的角度衍射分开可采用如下方式：第一柱面镜的光轴与光纤阵列排列方向平行，第二柱面镜的光轴与第一柱面镜的光轴垂直。透射光栅位于第一柱面镜与第二柱面镜之间，且透射光栅与第二柱面镜之间的距离小于透射光栅与第一柱面镜之间的距离；第一柱面镜，用于将经由光束处理子系统901的光束处理器件处理后得到的具有相同偏振方向的线偏振光反射为在与第一柱面镜的光轴垂直的平面上平行的线偏振光；透射光栅，用于对第一柱面镜反射后得到的在与第一柱面镜的光轴垂直的平面上平行的线偏振光按照不同的角度进行第一次衍射，并对经过第二柱面镜反射回的光束按照不同的角度进行第二次衍射；第二柱面镜，用于将经过所述透射光栅进行第一次衍射后的光束反射为与第二柱面镜的光轴垂直的平面上平行的线偏振光，并使反射的平行线偏振光入射到所述透射光栅。本发明实施例中透射光栅可以使入射到其表面的各个波长的光束按照不同的角度衍射分开，而柱面镜除了光斑变换外，还可以对经过透射光栅衍射后的光束反射回透射光栅，使透射光栅对光束进行第二次衍射，从而使光束两次经过透射光栅，进而使光束分开的角度更大，进而可使得光学系统中用于传输光束的器件位置更紧凑，减少光学系统的整体大小，降低功耗。
本发明实施例以一束线偏振光为例进行说明，在与第一柱面镜的光轴垂直的平面上，如图10A所示，线偏振光首先遇到第一柱面镜1011，反射后变成在与第一柱面镜的光轴垂直的平面上的平行光，然后经过透射光栅1012和棱镜1013后各个波长按照不同角度衍射分开，被第二柱面镜1014反射回去，再次经过棱镜1013和透射光栅1012，使得各个波长分开的角度更大，再经过第一柱面镜1011反射后聚焦在光路切换子系统903中。然后经过光路切换子系统903将各波长的光束进行特定的角度设置，沿着另一路返回，耦合到相应的光纤阵列输出端口输出。在与第二柱面镜的光轴垂直的平面上，如图10B所示，线偏振光经过第一柱面镜1011，透射光栅1012和棱镜1013后到达第二柱面镜1014，反射后变成在与第二柱面镜的光轴垂直的平面上平行的光，然后再次经过棱镜1013，透射光栅1012和第一柱面镜1011，到达光路切换子系统903，根据相应的设置，不同波长的光以不同角度反射回来，再依次经过第一柱面镜1011，透射光栅1012，棱镜1013，第二柱面镜1014，棱镜1013，透射光栅1012和第一柱面镜1011后，耦合到光纤阵列的输出端口输出。
本发明实施例可在光路传输子系统902中采用透射光栅和柱面镜，可以使光束两次经过透射光栅，进而使得光束衍射后分开的角度加倍。以两个相邻50GHz间隔的光信号为例，假如这两个光信号在光路切换子系统中上分开的距离是一样的，由于光路切换子系统中分开的距离为焦距与分开角度之积，分开角度变大两倍，那么焦距就可以减少一倍，那就意味着整个系统的焦距就可以缩小一倍，由于整个系统的焦距变小了，光纤阵列到柱面镜的距离也随之变短，这样系统就变得更紧凑，并且可以通过采用更小的束腰来传输，进而得到更大的3dB光谱带宽。
需要说明的是，本发明实施例中图10A和图10B中，包括有棱镜1013，棱镜1013可以对不同波长的光进行补偿，以使经由光路传输子系统902后的光束可以聚焦到光路切换子系统的同一平面上，在实际应用中也可不设置该棱镜1013。
光路切换子系统903中一般采用光路角度调节器件，通过该光路角度调节器件对光束进行衰减，并将光束路由至设定的输出端口后耦合输出。光路角度调节器件，例如可以是硅基液晶(LCOS，Liquid Crystal on Silicon)、也可以是微机电系统(MEMS，MicroElectro Mechanical Systems)等，LCOS是通过产生不同周期的位相光栅来调节输出角度，而MEMS是直接通过调整不同微镜子的角度来调节输出角度。
目前，单独通过光路角度调节器件对光束进行衰减和切换的过程中，可能会使光束随机串扰到其它传输通道里，造成瞬间串扰。本发明实施例中可在光路角度调节器件前增加可切换偏振光栅(Switchable Polarization Grating，SPG)，方便地实现光路衰减，并克服瞬间串扰的问题。
本发明实施例中SPG可采用如下的制作过程进行制作：
首先，在两片玻璃基板1101上分别形成电极层1102和光敏聚合物材料1103，并把形成有电极层1102和光敏聚合物材料1103的两块玻璃基板封装在一起，中间预留空隙以用来注入液晶，如图11A所示。
其次，利用左旋紫外光和右旋紫外光1104相干涉得到的光场，曝光光敏聚合物材料1103并固化，然后把液晶1105注入到空隙里面，使得液晶分子根据聚合物材料的全息图形来进行排列，如图11B所示。
本发明实施例采用上述方法制作的SPG，根据其上被施加的电压的大小，可具有如图12A至12C所示的特性，当SPG被施加低电压时，SPG内部的液晶类似全息光栅，能够使入射的右旋圆偏振光变成左旋圆偏振光向下(或者向上，根据制作的条件而定)出射，如图12A所示，使得入射的左旋圆偏振光变成右旋圆偏振光向上(或者向下，根据制作的条件而定)出射，如图12B所示。当SPG被施加高电压时，内部的液晶分子排列会改变，全息光栅的效应消失，所有的光都沿着原来的方向直接透过去，且偏振方向不变,如图12C所示。
本发明实施例中在光路切换子系统903的光路角度调节器件前面增加SPG，经由SPG的光束，根据SPG上被施加的电压大小和输入光束的不同偏振状态会向不同的方向传输。当SPG加高电压时，输入光会按照原来的方向继续传输，而当SPG加低电压时，左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光会变成右旋圆偏振光或者左旋圆偏振光，并以相对较大的角度衍射到另一个方向，经光路角度调节器件反射后由于角度过大而无法耦合回光纤阵列的输出端口，从而完全损耗掉，如图13所示。换言之，本发明实施例中在光路角度调节器件前方采用SPG，可通过SPG来实现衰减，而光路角度调节器件仅仅用作光路切换，简化光路切换的控制过程。进一步的，本发明实施例中可在光路切换过程中，首先把SPG的衰减调到最大，然后再通过光路角度调节器件进行光路切换，待光路角度调节器件稳定后，将SPG的衰减调到所要求的指标，可以避免在光路切换过程中的瞬间串扰。
在具体实施本发明实施例的过程中，光路传输子系统传输至光路切换子系统的光束为线偏振光，故可通过两片QWP和一片SPG制作在一起实现本发明实施例上述对光束衰减的功能，如图13所示。输入光束经由QWP1301后到达SPG1302，经由SPG1302后，光束根据SPG上被施加的电压大小和输入光束的不同偏振状态会向不同的方向传输。当SPG加高电压时，输入光会按照原来的方向继续传输，而当SPG加低电压时，左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光会变成右旋圆偏振光或者左旋圆偏振光，并以相对较大的角度衍射到另一个方向，经光路角度调节器件反射后由于角度过大而无法耦合回光纤阵列的输出端口，即图13中无用的杂散光，而按照原来的方向继续传输的光束，到达光路角度调节器件1303后，经光路角度调节器件1303反射后，仍能够耦合回光纤阵列的输出端口，即图13中有用的信号光。
本发明实施例中光路角度调节器件1303可以是LCOS，也可以是MEMS。若光路角度调节器件1303为LCOS，应用本发明实施例，无需对LCOS采用复杂的控制算法，即可实现光路的切换过程。若光路角度调节器件为MEMS，应用本发明实施例，则无需采用两维的MEMS，通过采用一维的MEMS芯片就可以避免光路切换过程中的瞬间串扰问题，降低MEMS的加工难度，节约成本。
本发明实施例中也可增加光路切换子系统903的光束出射角度，以耦合到更多的光纤阵列的输出端口；也可用于提高光路切换子系统903的衍射效率。本发明实施例中可在光路切换子系统903中采用在光路传输路径上依次顺序排列的PPG、QWP、半波液晶片和光路角度调节器件。半波液晶片，用于在不同的电压下，改变入射到半波液晶片表面的线偏振光的偏振方向；QWP，用于经由半波液晶片后得到的的线偏振光调整为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；PPG，用于将经由四分之一波片后得到的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光分离为不同的传输角度并改变偏振状态；光路角度调节器件，用于将入射到其表面的光调节为不同的传输角度后反射输出，反射后的光依次经由PPG、QWP和半波液晶片后，变为偏振方向相同的线偏振光，并路由到光纤阵列的输出端口。
本发明实施例中光路角度调节器件可以是LCOS，也可以是MEMS。
若光路调节器件为LCOS，本发明实施例中还需在LCOS和PPG之间设置顺序排列的和第二半波液晶片，以适应LCOS对线偏振光的需求。第二QWP与PPG相邻，第二半波液晶片与LCOS相邻。第二QWP，用于将经由PPG分离得到的不同传输角度的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，调整为线偏振光；第二半波液晶片，用于将经由第二QWP得到的线偏振光调整为具有相同偏振方向的线偏振光，并使入射到LCOS的线偏振光的偏振方向与LCOS的光轴方向一致；LCOS，用于将经由第二半波液晶片调整后并入射到LCOS表面的线偏振光调节为不同的传输角度后反射输出，反射后的线偏振光依次经由第二半波液晶片、第二QWP、PPG、QWP和半波液晶片后，变为偏振方向相同的线偏振光。如图14A和图14B所示，输入光束通过半波液晶片1401和QWP1402后，变成左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，再经由PPG 1403向上或向下衍射后，变成右旋圆偏振光或左圆偏振旋光。经由PPG1403衍射后的右旋圆偏振光或左旋圆偏振光，经由QWP 1404后变成线偏振光，然后控制半波液晶片1405上施加不同的电压来改变线偏振光的偏振方向。到达光路角度调节器件1406表面的线偏振光被光路角度调节器件1406反射后，再经过半波液晶片1405，QWP 1404，PPG 1403，QWP 1402和半波液晶片1401后变成相同偏振方向的偏振光，返回光路传输子系统，最终路由到光纤阵列的输出端口。
若光路调节器件为MEMS，对光束的偏振状态无特殊要求，则无需再设置第二QWP和第二半波液晶片。
如图15A和图15B所示，输入光束通过半波液晶片1401和QWP1402后，变成左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，再经由PPG 1403向上或向下衍射后，变成右旋圆偏振光或左圆偏振旋光。经由PPG1403衍射后的右旋圆偏振光或左旋圆偏振光。到达MEMS1407表面的圆偏振光被MEMS1407反射后，再经过PPG 1403，QWP 1402和半波液晶片1401后变成相同偏振方向的偏振光，返回光路传输子系统，最终路由到光纤阵列的输出端口。
通过图14A、图14B、图15A和图15B可知，本发明实施例中在光路角度调节器件之前采用半波液晶片、QWP和PPG，可使光路切换子系统的最大出射角度增加一倍。例如图14A和图14B中，以LCOS作为光路角度调节器件，若要实现N角度范围的光路切换，首先由LCOS前面的半波液晶片、QWP和PPG将入射光束切换到设定角度，再由LCOS产生N/4角度范围切换后衍射回去，然后再由半波液晶片、QWP和PPG将入射光束切换到另一角度，并由LCOS产生同样的N/4角度范围切换。本发明实施例中可通过在LCOS中加载不同周期、不同变化方向的位相光栅，实现LOCS对光束衍射角度调节。例如采用图16A所示的方式可实现图14A所示的角度切换，采用图16B所示的方式可实现图14B所示的角度切换。故通过设计半波液晶片、QWP和PPG的衍射角度和LCOS的切换角度范围，可以实现将出射光束的最大角度范围提高为LCOS设定的最大衍射角度范围的2倍。同样的，图15A和图15B中，可以用同样的方法实现N/2角度范围切换。由此可见，本发明实施例提供的光路切换子系统可以在不增加LCOS的最大衍射角度范围的情况下增加光束的出射角度范围，从而增加输出端口或改善光路切换子系统的性能。
本发明实施例中光路角度调节器件可以是LCOS，也可以是MEMS。若光路角度调节器件为LCOS，应用本发明实施例，假如在输出端口数保持不变的情况下，那LCOS的衍射角度就可以减少一倍，使得LCOS的相位光栅周期增加一倍，从而可以使得光栅相位的变化更平滑，提高衍射效率。若光路角度调节器件为MEMS，应用本发明实施例，假如在输出端口数保持不变的情况下，可使得MEMS的旋转角度减少一倍，从而降低MEMS的驱动电压，简化驱动电路设计，并降低成本。
本发明实施例提供的光波长选择开关系统900，在光束处理子系统中采用PPG和QWPA，相对传统采用渥拉斯顿棱镜、相位补偿片以及半波片而言，能够较容易的实现光束偏振状态的分离和调整，并且PPG和QWPA的制作工艺简单，使得光束处理子系统中的光束处理器件的装配和制作也相对简单。
光波长选择开关系统900，在光束传输子系统中采用透射光栅和柱面镜，使得光束可两次经过透射光栅，能够降低光波长选择开关光学系统的焦距，由于整个系统的焦距变小了，使得光波长选择开关系统更加紧凑，并可以通过采用更小的束腰来进行传输，进而得到更大的3dB光谱带宽。光波长选择开关系统900，在光束切换子系统中采用SPG可较方便的实现衰减，并能够解决瞬间串扰的问题。光波长选择开关系统900，在光束切换子系统中采用PPG、QWP、和半波液晶片，增加光路切换子系统903路由后的光束出射角度，以耦合到更多的光纤阵列的输出端口，提高衍射效率。
本发明实施例还提供了一种光束衰减切换器件，包括在光路传输路径上依次顺序排列的SPG和光路角度调节器件，其中，
SPG，用于在施加第一电压时，将入射光束衍射后改变光束的偏振状态和传输角度，在施加第二电压时，不改变光束的偏振状态和传输角度，并在施加不同的电压下改变光束衍射到不同于原来传输角度的其它传输角度的能量大小，对原来传输角度方向的光束进行衰减。例如本发明实施例中可在零电压或低电压时，将入射光束衍射后改变光束的偏振状态和传输角度(±1级)；在施加高电电压时，不改变光束的传输角度(0级)和偏振方向；施加不同的电压可控制光束衍射到±1级，从而实现对0级光束的不同衰减。
光路角度调节器件，用于将经过SPG后入射到光路角度调节器件的光束调节为不同的传输角度后输出。
本发明实施例提供的光束衰减切换器件，包括光路角度调节器件和SPG，在光路角度调节器件前方采用SPG，可通过SPG来实现衰减，而光路角度调节器件仅仅用作光路切换，简化光路切换的控制过程。进一步的，本发明实施例中可在光路切换过程中，首先把SPG的衰减调到最大，然后再通过光路角度调节器件进行光路切换，待光路角度调节器件稳定后，将SPG的衰减调到所要求的指标，可以避免在光路切换过程中的瞬间串扰。
本发明实施例中光路角度调节器件为LCOS或者MEMS。若光路角度调节器件为LCOS，应用本发明实施例，无需对LCOS采用复杂的控制算法，即可实现光路的切换过程。若光路角度调节器件为MEMS，应用本发明实施例，则无需采用两维的MEMS，通过采用一维的MEMS芯片就可以避免光路切换过程中的瞬间串扰问题，降低MEMS的加工难度，节约成本。
本发明实施例提供的光束衰减切换器件可应用于各种光学系统，例如光波长选择开关系统，对于本发明实施例提供的光束衰减切换器件描述不够详尽的地方，可参阅图13及相关实施例的描述，在此不再赘述。
本发明实施例还提供一种光束衰减切换器件，包括在光路传输路径上依次顺序排列的第一半波液晶片、第一QWP、PPG和光路角度调节器件，其中，
第一半波液晶片，用于在不同的电压下，改变入射到所述半波液晶片表面的线偏振光的偏振方向。
第一QWP，用于经由第一半波液晶片后得到的的线偏振光调整为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。
PPG，用于将经由第一QWP后得到的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光分离为不同的传输角度。
光路角度调节器件，用于将入射到其表面的线偏振光调节为不同的传输角度后反射输出，反射后的线偏振光依次经由PPG、第一QWP和第一半波液晶片后，变为偏振方向相同的线偏振光。
本发明实施例中光路角度调节器件可以为MEMS，也可以为LCOS。
本发明实施例中若光路角度调节器件为LCOS，光束衰减切换器件还包括光路传输路径上顺序排列的第二QWP和第二半波液晶片，第二QWP和第二半波液晶片位于所述LCOS与所述PPG之间，第二QWP与PPG相邻，第二半波液晶片与所述LCOS相邻，其中，
第二QWP，用于将经由PPG分离得到的不同传输角度的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，调整为线偏振光。
第二半波液晶片，用于将经由第二QWP得到的线偏振光调整为具有相同偏振方向的线偏振光，并使入射到LCOS表面的线偏振光的偏振方向与所述LCOS的光轴方向一致。
LCOS，用于将经由第二半波液晶片调整后并入射到LCOS表面的线偏振光调节为不同的传输角度后反射输出，反射后的线偏振光依次经由第二半波液晶片、第二QWP、PPG、第一QWP和第一半波液晶片后，变为偏振方向相同的线偏振光。
本发明实施例提供的光束衰减切换器件，在光路角度调节器件之前采用半波液晶片、QWP和PPG，可使光路切换子系统的出射角度增加一倍，这样就可以耦合到更多的输出端口。
本发明实施例中光路角度调节器件可以是LCOS，也可以是MEMS。若光路角度调节器件为LCOS，应用本发明实施例，假如在输出端口数保持不变的情况下，那LCOS的衍射角度就可以减少一倍，使得LCOS的相位光栅周期增加一倍，从而可以使得光栅相位的变化更平滑，提高衍射效率。若光路角度调节器件为MEMS，应用本发明实施例，假如在输出端口数保持不变的情况下，可使得MEMS的旋转角度减少一倍，从而降低MEMS的驱动电压，简化驱动电路设计，并降低成本。
本发明实施例提供的光束衰减切换器件可应用于各种光学系统，例如光波长选择开关系统，对于本发明实施例提供的光束衰减切换器件描述不够详尽的地方，可参阅图14A、图14B、图15A和图15B及相关实施例的描述，在此不再赘述。
需要说明的是，本发明实施例中上述描述以及附图中所示的诸如入射光束以及经过相关器件处理后的光束等，都以一束光束为例进行说明，仅是为了图示和描述方便，本发明实施例并不限定光束的数量，本发明实施例中涉及的光束应为至少一束，而对于涉及传输角度相同或者不同，偏振方向相同或者不同的光束的数量应为至少两束。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种光束衰减切换器件，其特征在于，包括可切换偏振光栅和光路角度调节器件，所述可切换偏振光栅和所述光路角度调节器件，在光路传输路径上依次顺序排列，其中，
所述可切换偏振光栅，用于在施加第一电压时，将入射光束衍射后改变所述入射光束的偏振状态和传输角度，在施加第二电压时，将入射光束衍射后不改变所述入射光束的偏振状态和传输角度，并在施加不同的电压下改变入射光束衍射到不同于原来传输角度的其它传输角度，对原来传输角度方向的光束进行衰减；
所述光路角度调节器件，用于将经过所述可切换偏振光栅后入射到所述光路角度调节器件的光束反射为不同的传输角度后输出。
2.如权利要求1所述的光束衰减切换器件，其特征在于，所述光路角度调节器件为硅基液晶或者微机电系统。
3.一种光束衰减切换器件，其特征在于，包括在光路传输路径上依次排列的第一半波液晶片、第一四分之一波片、聚合物偏振光栅和光路角度调节器件，其中，
所述第一半波液晶片，用于在不同的电压下，改变入射到所述半波液晶片表面的线偏振光的偏振方向；
所述第一四分之一波片，用于经由所述第一半波液晶片后得到的线偏振光调整为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；
所述聚合物偏振光栅，用于将经由所述第一四分之一波片后得到的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光分离为不同的传输角度；
所述光路角度调节器件，用于将经由所述聚合物偏振光栅分离得到的不同传输角度、并入射到所述光路角度调节器件表面的光，调节为不同的传输角度后反射输出，反射后的光依次经由所述聚合物偏振光栅、所述第一四分之一波片和所述第一半波液晶片后，变为偏振方向相同的线偏振光。
4.如权利要求3所述的光束衰减切换器件，其特征在于，所述光路角度调节器件为微机电系统。
5.如权利要求3所述的光束衰减切换器件，其特征在于，所述光路角度调节器件为硅基液晶，所述光束衰减切换器件还包括光路传输路径上顺序排列的第二四分之一波片和第二半波液晶片，所述第二四分之一波片和所述第二半波液晶片位于所述硅基液晶与所述聚合物偏振光栅之间，所述第二四分之一波片与所述聚合物偏振光栅相邻，所述第二半波液晶片与所述硅基液晶相邻，其中，
所述第二四分之一波片，用于将经由所述聚合物偏振光栅分离得到的不同传输角度的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，调整为线偏振光；
所述第二半波液晶片，用于将经由所述第二四分之一波片得到的线偏振光调整为具有相同偏振方向的线偏振光，并使入射到所述硅基液晶表面的线偏振光的偏振方向与所述硅基液晶的光轴方向一致；
所述硅基液晶，用于将经由所述第二半波液晶片调整后并入射到所述硅基液晶表面的线偏振光调节为不同的传输角度后反射输出，反射后的线偏振光依次经由所述第二半波液晶片、所述第二四分之一波片、所述聚合物偏振光栅、所述第一四分之一波片和所述第一半波液晶片后，变为偏振方向相同的线偏振光。
6.一种光波长选择开关系统，其特征在于，包括光纤阵列、光束处理子系统、光路传输子系统和光路切换子系统，其中，
所述光纤阵列，用于向所述光束处理子系统发送至少一束输入光束，并接收所述光束处理子系统输出的至少一束输出光束；
所述光束处理子系统，包括光束处理器件，通过所述光束处理器件对所述输入光束或所述输出光束进行偏振状态分离和调整，得到具有相同偏振方向的线偏振光，其中，所述光束处理器件包括至少一个四分之一波片阵列，每个四分之一波片阵列对应至少一个聚合物偏振光栅，所述聚合物偏振光栅和所述四分之一波片阵列在光路传输路径上依次顺序排列，所述四分之一波片阵列，包括慢轴在不同方向上的至少两个四分之一波片；
所述光路传输子系统，用于将经由所述光束处理子系统的光束处理器件处理后得到的具有相同偏振方向的线偏振光按照不同的角度衍射分开后，传输至所述光路切换子系统；
所述光路切换子系统，包括权利要求1至5任一项所述的光束衰减切换器件，用于对所述光路传输子系统传输的光束进行角度改变来实现衰减和光路切换功能。
7.如权利要求6所述的光波长选择开关系统，其特征在于，所述光路传输子系统包括第一柱面镜、透射光栅和第二柱面镜，其中，
所述第二柱面镜的光轴与所述第一柱面镜的光轴互相垂直；
所述透射光栅位于所述第一柱面镜与所述第二柱面镜之间，且所述透射光栅与所述第二柱面镜之间的距离小于所述透射光栅与所述第一柱面镜之间的距离；
所述光束处理子系统的光束处理器件是位于所述第一柱面镜的焦点位置处，所述光路切换子系统的光束衰减切换器件是位于所述第二柱面镜的焦点位置处；
所述第一柱面镜，用于将经由所述光束处理子系统的光束处理器件处理后得到的具有相同偏振方向的线偏振光反射为在与第一柱面镜光轴垂直的平面上平行的线偏振光；
所述透射光栅，用于对所述第一柱面镜反射后得到的平行线偏振光按照不同的角度进行第一次衍射，并对经过所述第二柱面镜反射回的光束按照不同的角度进行第二次衍射；
所述第二柱面镜，用于将经过所述透射光栅进行第一次衍射后的光束反射为在与第二柱面镜光轴垂直的平面上平行的线偏振光，并使反射的平行线偏振光入射到所述透射光栅。
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