本申請屬于光纖通信領域，更具體地，涉及基于棱鏡組的大端口數(shù)矩陣光開關和光通信設備。

背景技術：

1、隨著5g通信的推廣應用和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡流量迅速增長，作為互聯(lián)網(wǎng)基礎設施之一的數(shù)據(jù)中心，規(guī)模越來越大且業(yè)務越來越繁忙。數(shù)據(jù)中心繼導入光纖互連技術之后，正在引入大規(guī)模矩陣光開關（>100×100端口）以提升訪問效率，其在數(shù)據(jù)中心和算力中心有著廣泛的應用需求。

2、實現(xiàn)大規(guī)模矩陣光開關的技術方案非常多，而具有實用前景技術方案只有三種：1）directlight技術，通過壓電材料驅(qū)動兩個微透鏡陣列后面的光纖實現(xiàn)光路切換；2）3dmems技術，通過兩個mems微鏡陣列實現(xiàn)大規(guī)模的光路切換；3）硅基液晶（lcos）技術，通過兩個純相位調(diào)制的lcos芯片實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)和光路切換。第一種方案能實現(xiàn)大端口數(shù)的矩陣開關，但驅(qū)動復雜且驅(qū)動電壓高；第二種方案具有光路簡單和損耗小的優(yōu)點，但mems芯片成本高且成品率低；第三種方案，控制光束偏轉(zhuǎn)的lcos芯片一種全固態(tài)元件，整個矩陣開關中沒有任何機械動作件，因此具有可靠性高的優(yōu)點。此外，lcos芯片比第一種方案中的壓電驅(qū)動器和第二種方案中的mems芯片成本低得多，且驅(qū)動電壓更低，驅(qū)動設計更簡單。

3、在lcos矩陣光開關中，lcos芯片通過衍射效應對光束進行偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)端口之間的光路切換。該方案的缺點是：lcos芯片對光束的偏轉(zhuǎn)角稍小（增大偏轉(zhuǎn)角會降低衍射效率，從而增加損耗），從而制約了矩陣光開關的端口數(shù)。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的缺陷，本申請的目的在于提供基于棱鏡組的大端口數(shù)矩陣光開關和光通信設備，旨在解決現(xiàn)有l(wèi)cos芯片對光束的偏轉(zhuǎn)角稍小制約了矩陣光開關的端口數(shù)的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，第一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N基于棱鏡組的大端口數(shù)矩陣光開關，包括沿平面w型光路依次設置的光學前端、第一棱鏡組、第一lcos芯片、凹面反射鏡、第二棱鏡組、第二lcos芯片和光學后端；

3、第一lcos芯片和第二lcos芯片均設置在凹面反射鏡的焦面上，三者共同構(gòu)成2f光學系統(tǒng)；

4、所述第一棱鏡組與第二棱鏡組結(jié)構(gòu)一致，前者通過xz平面上的折射對光學前端各端口偏振分集后的兩束相互平行線偏光施加額外偏轉(zhuǎn)，后者通過xz平面上的折射對被凹面反射鏡反射后的線偏光施加額外偏轉(zhuǎn)，使其校正至相互平行；

5、在第一lcos芯片和第二lcos芯片均未加驅(qū)動電壓的前提下，來自光學前端各端口偏振分集產(chǎn)生的兩組平行光束依次經(jīng)過第一棱鏡組折射、第一lcos芯片反射、凹面反射鏡反射和第二棱鏡組折射后，分別入射于第二lcos芯片的上下半?yún)^(qū)的中心位置。

6、優(yōu)選地，所述第一棱鏡組和第一lcos芯片之間的距離取值范圍為[0,1mm]，第二棱鏡組和第二lcos芯片之間的距離取值范圍為[0,1mm]。

7、優(yōu)選地，所述大端口數(shù)矩陣光開關中，所述第一棱鏡組、第一lcos芯片和凹面反射鏡之間，需同時滿足以下兩個條件：

8、

9、

10、其中，為光學前端x方向端口行數(shù)，為第一lcos芯片上分配給單個端口的像素區(qū)域邊長，為第一lcos芯片的長度，為凹面反射鏡的焦距，為入射光與第一棱鏡組入射面法線的夾角，為出射光與第一棱鏡組出射面法線的夾角，為第一棱鏡組的折射率。

11、優(yōu)選地，所述第一棱鏡組由兩片相同的四棱鏡膠合而成，在側(cè)視角度下，所述四棱鏡為直角梯形，兩個四棱鏡的直角厚端對齊，構(gòu)成的第一棱鏡組為屋脊形。

12、優(yōu)選地，所述第一棱鏡組由兩片相同的三棱鏡構(gòu)成，在側(cè)視角度下，所述三棱鏡為直角三角形，兩個三棱鏡的薄端對齊，構(gòu)成的第一棱鏡組為v形。

13、優(yōu)選地，所述棱鏡組的最薄處的厚度不低于0.3mm。

14、優(yōu)選地，所述第一棱鏡組在俯視角度下為矩形，該矩形的長度比第一lcos芯片的長度大至少2mm，該矩形的寬度比第一lcos芯片的寬度大至少2mm。

15、優(yōu)選地，所述光學前端包括二維準直器陣列、偏振分光棱鏡、補償塊和半波片；其中，

16、二維準直器陣列包括多個端口，每個端口用于將光纖輸出端的小光斑發(fā)散光束變換成大光斑的準直光束，進入偏振分光棱鏡；

17、偏振分光棱鏡，用于透射p波，且用于反射s波，以將入射的一束隨機偏振光通過偏振分光后，得到兩束相互平行、偏振態(tài)正交的線偏光，其中一束光經(jīng)過補償塊補償兩束光的光程差、經(jīng)過半波片后偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，最終兩束光相互平行且偏振態(tài)相同，實現(xiàn)偏振分集。

18、優(yōu)選地，第一lcos芯片上對應區(qū)塊產(chǎn)生的x方向最大衍射偏轉(zhuǎn)角度，y方向最大衍射偏轉(zhuǎn)角度，其中，為凹面反射鏡的焦距，表示光學前端x方向端口行數(shù)，表示光學前端y方向端口列數(shù)，為第一lcos芯片上分配給單個端口的像素區(qū)域邊長，為光學前端的端口數(shù)，為第一lcos芯片上分配給單個端口的像素區(qū)域尺寸。

19、為實現(xiàn)上述目的，第二方面，本申請?zhí)峁┝艘环N光通信設備，包括如第一方面所述的大端口數(shù)矩陣光開關和電路控制板；所述電路控制板，用于為所述大端口數(shù)矩陣光開關中的第一lcos芯片和第二lcos芯片提供相位調(diào)控信號。

20、總體而言，通過本申請所構(gòu)思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益效果：

21、本申請?zhí)峁┮环N基于棱鏡組的大端口數(shù)矩陣光開關和光通信設備，通過在第一lcos芯片和第二lcos芯片前分別設置一個棱鏡組，第一lcos芯片前的棱鏡組通過xz平面上的折射對光學前端各端口偏振分集后的兩束相互平行線偏光施加額外偏轉(zhuǎn)，從而降低第一lcos芯片的偏轉(zhuǎn)角要求，第二lcos芯片前的棱鏡組通過xz平面上的折射對被凹面反射鏡反射后的線偏光施加額外偏轉(zhuǎn)，使其校正至相互平行，從而抵消前者施加的額外偏轉(zhuǎn)，降低第二lcos芯片的偏轉(zhuǎn)角要求，進一步增加衍射效率，減小矩陣開關的損耗。或者說，在lcos芯片的衍射偏轉(zhuǎn)角一定的情況下，這種光學設計，可以實現(xiàn)更多端口數(shù)的矩陣開關。

技術特征：

1.一種基于棱鏡組的大端口數(shù)矩陣光開關，其特征在于，包括沿平面w型光路依次設置的光學前端、第一棱鏡組、第一lcos芯片、凹面反射鏡、第二棱鏡組、第二lcos芯片和光學后端；

2.如權利要求1所述的大端口數(shù)矩陣光開關，其特征在于，所述第一棱鏡組和第一lcos芯片之間的距離取值范圍為[0,1mm]，第二棱鏡組和第二lcos芯片之間的距離取值范圍為[0,1mm]。

3.如權利要求1所述的大端口數(shù)矩陣光開關，其特征在于，所述大端口數(shù)矩陣光開關中，所述第一棱鏡組、第一lcos芯片和凹面反射鏡之間，需同時滿足以下兩個條件：

4.如權利要求3所述的大端口數(shù)矩陣光開關，其特征在于，所述第一棱鏡組由兩片相同的四棱鏡膠合而成，在側(cè)視角度下，所述四棱鏡為直角梯形，兩個四棱鏡的直角厚端對齊，構(gòu)成的第一棱鏡組為屋脊形。

5.如權利要求3所述的大端口數(shù)矩陣光開關，其特征在于，所述第一棱鏡組由兩片相同的三棱鏡構(gòu)成，在側(cè)視角度下，所述三棱鏡為直角三角形，兩個三棱鏡的薄端對齊，構(gòu)成的第一棱鏡組為v形。

6.如權利要求1所述的大端口數(shù)矩陣光開關，其特征在于，所述棱鏡組的最薄處的厚度不低于0.3mm。

7.如權利要求1所述的大端口數(shù)矩陣光開關，其特征在于，所述第一棱鏡組在俯視角度下為矩形，該矩形的長度比第一lcos芯片的長度大至少2mm，該矩形的寬度比第一lcos芯片的寬度大至少2mm。

8.如權利要求1所述的大端口數(shù)矩陣光開關，其特征在于，所述光學前端包括二維準直器陣列、偏振分光棱鏡、補償塊和半波片；其中，

9.如權利要求1所述的大端口數(shù)矩陣光開關，其特征在于，第一lcos芯片上對應區(qū)塊產(chǎn)生的x方向最大衍射偏轉(zhuǎn)角度，y方向最大衍射偏轉(zhuǎn)角度，其中，為凹面反射鏡的焦距，表示光學前端x方向端口行數(shù)，表示光學前端y方向端口列數(shù)，為第一lcos芯片上分配給單個端口的像素區(qū)域邊長。

10.一種光通信設備，其特征在于，包括如權利要求1至9任意一項所述的大端口數(shù)矩陣光開關和電路控制板；

技術總結(jié)
本申請屬于光纖通信領域，具體公開了基于棱鏡組的大端口數(shù)矩陣光開關和光通信設備。通過本申請，在第一LCOS芯片和第二LCOS芯片前分別設置一個棱鏡組，第一LCOS芯片前的棱鏡組通過xz平面上的折射對光學前端各端口偏振分集后的兩束相互平行線偏光施加額外偏轉(zhuǎn)，從而降低第一LCOS芯片的偏轉(zhuǎn)角要求，第二LCOS芯片前的棱鏡組通過xz平面上的折射對被凹面反射鏡反射后的線偏光施加額外偏轉(zhuǎn)，使其校正至相互平行，從而抵消前者施加的額外偏轉(zhuǎn)，降低第二LCOS芯片的偏轉(zhuǎn)角要求，進一步增加衍射效率，減小矩陣開關的損耗。或者說，在LCOS芯片的衍射偏轉(zhuǎn)角一定的情況下，這種光學設計，可以實現(xiàn)更多端口數(shù)的矩陣開關。

技術研發(fā)人員：萬助軍,葛柯廷
受保護的技術使用者：華中科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/26