空间光调制器(SLM)在全光交换网络中的应用
点击量:128     发布日期:2021-03-17 17:02:12    作者:中科微星    来源:原创

空间光调制器(SLM)在全光交换网络中的应用

空间光调制器的基本知识

1. 空间光调制器简介

2. 液晶的简单介绍

3. 液晶空间光调制器强度调制

和相位调制原理概述

4. 硅上液晶(LCoS)的特点

广义上,空间光调制器是指这样的器件,在主动控制下,它可以通过调制光场的某个参量,例如通过调制光场的振幅,通过折射率调制相位,通过偏振面的旋转调制偏振态,或是实现非相干——相干光的转换,从而将一定的信息写入光波中,达到光波调制的目的。 它可以方便地将信息加载到一维或二维的光场中,利用光的宽带宽,多通道并行处理等优点对加载的信息进行快速处理。它是构成实时光学信息处理、光互连、光计算等系统的核心器件。被广泛地应用于自适应光学、光学滤波、光学神经网络等领域。

这些小单元可以单独地接收光学或电学的输入信号,并利用各种物理效应改变自身的光学特性(相位、振幅、强度、频率或偏振态等),从而实现对输入光波的空间调制或变换。习惯上,把这些独立小单元称为空间光调制器的“像素”,把控制像素的光(电)信号称为“写入光(电)信号”,把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”,经过空间光调制器后的出射的光波称为“输出光”。

图(1)空间光调制器示意图

而写入光或写入电信号应含有控制调制器各个像素的信息。把这些信号分别传送到相应像素位置上去的过程称为“寻址”(或“编址”)。如果采用写入光实现这一过程,称为光寻址;如果采用写入电信号时,则称为电寻址。

光寻址通常采用一个二维光强分布(如一幅图像)作为写入光,使其成像在空间光调制器的像素平面上,并使写入光的像素和空间光调制器的像素一一对应,从而实现寻址。光寻址时,所有像素的寻址同时完成,所以它是一种并行寻址。

电寻址

采用电寻址时,因为电信号是一个时间序列,原则上只能依次地输送到调制器的各个像素上去,所以电寻址是一种串行寻址方式。电寻址与光寻址相比有一些弱点,由于串行方式,使它的信号处理速度降低,由于电极几何尺寸和透过率的限制,其分辨率和填充系数(像素的通光面积与像素的总面积之比)都有所降低。但目前它是光信号处理和现代电子技术、特别是计算机——多媒体技术相结合,构成光电混合系统的有效方式,已得到广泛应用。

常见的空间光调制器的种类

采用电寻方式的有

• 薄膜晶体管液晶空间光调制器(Thin film transistor liquid crystal SLM)

• 磁光空间光调制器(magneto-optical SLM)

• 数字微反射镜器件(digital micromirror device)

采用光寻址方式的有

l 液晶光阀(liquid crystal light valve)

l 微通道板空间光调制器(microchannel SLM)。

液晶的简单介绍

液晶是介于完全规则状态和不规则状态之间的中间态物质。规则状态就是经常所说的晶体,而不规则状态通常指的是具有各向同性的液体。液晶则兼具了液体和晶体的特征,它可以像液体一样流动,但是在不同方向上表现出不同的物理特性,显示出类似晶体的性质。液晶物质一般都是由大的、近乎刚性的分子构成的,在某一方向上分子的线度要比其它两个方向上的线度大许多或者小许多,前一种情况呈现长形的分子,其分子结构类似于图(2)所示:后一种情况呈现扁平的分子,其结构如图(3)所示。

三种液晶相的示意图

近晶型液晶分子排列的特点:大体上呈层状排列,每层内的分子取向相互平行,或垂直于层面或与层面成一确定角度。 实验表明,在光谱范围内,近晶型液晶相当于一个正单轴晶体(n0>n )。

液晶分子的排列

• 向列型液晶分子的排列比较杂乱,不再分层,但分子取向大体一致。向列型液晶也具有类似于单轴晶体的光学性质。

• 胆甾型液晶分子也呈分层排列,每层内的分子指向大体一致,并平行于层面,但相邻层中分子取向依次转过一个角度,总体呈现螺旋结构。

• 目前空间光调制器中应用最多的是向列型液晶。

液晶空间光调制器强度调制和相位调制

如果把向列相液晶放入经过处理的盒中,盒子上下表面经过特点的定向处理,可以使得靠近盒子表面的液晶分子按照盒子所事先设定的方向排列,上下表面的定向方向相差90°,液晶可以看成是多层单轴晶体的堆叠,在弱扭曲的情况下,当入射线偏振光的振动方向与扭曲介质表面的局部光轴一致时,振动方向将锁定在光轴的方向上,随着光轴旋转,出射光波任然是线偏振光,振动方向与扭曲介质出射表面的光轴一致,这就是偏振光在扭曲介质中传播时的扭曲效应。

液晶盒子中液晶的分子指向矢排列从上到下逐渐旋转,直至下表面,刚好和下表面的定向方向一致。盒子的结构如右图所示。如果没有施加电场的时候,经过液晶盒子的线偏振光的偏振面将随着液晶光轴的方向旋转,从而能够顺利通过液晶盒子和偏振片构成的系统形成开态。

当在液晶盒上通过透明电极加上纵向的电压时,情况会变得复杂起来。液晶的长形分子作为电偶级子,将趋向平行或垂直于施加电场的方向重新排列,靠近定向层的分子由于受到锚定作用而受电场的影响较小,中间层的分子受电场影响最大,这样在一定程度上抵消了扭曲效应。

如果电压足够大那么除了非常靠近定向层的液晶分子外,其余的分子都按电场的方向排列,此时的液晶相当于各向同性的介质。这样当光通过液晶盒子时光的偏振面就不会发生扭转,因而也通不过盒子而形成了关态。

上面介绍的光学调制方式其实是通过控制液晶盒子的透过率来达到光调制的目的,也就是强度调制。利用液晶电视很容易实现强度调制的目的。但是在外加电场不够大的时候,透过率并不是只有开和关两种状态,而是有一个逐渐变化的过程。同时这个强度变化的过程也伴随着相位的调制。当施加不同的电压时,液晶的分子和电场之间会有不同的夹角,

上面介绍的光学调制方式其实是通过控制液晶盒子的透过率来达到光调制的目的,也就是强度调制。利用液晶电视很容易实现强度调制的目的。但是在外加电场不够大的时候,透过率并不是只有开和关两种状态,而是有一个逐渐变化的过程。同时这个强度变化的过程也伴随着相位的调制。当施加不同的电压时,液晶的分子和电场之间会有不同的夹角,

即液晶分子的指向矢和入射光的偏振方向形成一定的夹角从而改变了液晶的有效折射率来改变光经过的光程的大小,达到相位调制的目的。但是在一般情况下,这种相位调制的同时也伴随着透过率的调制。

硅上液晶(LCoS)的发展历程

80年代初,Snell等人发明了 -Si TFT技术,他们借助于半导体平面集成技术,在玻璃基板上成功制备了非晶硅材料的薄膜晶体管,并结合液晶显示技术发展了 -Si TFT-LCD技术,最终在90年代初日本率先实现了 -Si TFT液晶显示器产业。但是受到 -Si载流子迁移率低的限制,不适合制作高分辨率的器件。

随后人们开发了低温多晶硅(p-SiTFT-LCD技术,这种新型技术可以实现高于200ppi的分辨率,并能和周边的驱动电路集成在一起,提高了液晶器件的紧凑性和集成度,有效地减小了液晶器件的体积,降低了制作成本,提高了液晶器件的可靠性。后来人们为了进一步减小器件的体积,增加器件的集成度,将上述器件的玻璃基板换成了单晶硅基板,从而发展出了LCoS技术。

硅上液晶(LCoS)的特点

• 首先采用单晶硅基底可以利用成熟的大规模或超大规模集成电路技术,将周边电路大部分集成在单晶硅基底上,这样不但大大提高了器件的集成度,增加了器件的可靠性,还采用了成熟的技术,可以在现在的IC生产线上大规模的投入商业生产。

• 其次,单晶硅具有较高的载流子迁移效率,因此能够集成高密度开关矩阵,实现更高密的像素显示。再者,液晶的驱动电路在像素的背后集成而不像TFT一样在像素中间生长,因此能够实现更高的开口率,LCoS能够实现>90%的开口率,远远高于一般TFT器件的35%的开口率,提高了光能利用率,并有利于实现更小尺寸的液晶器件。

• 空间光调制器在光网络中主要是用于全光网络的光交换和光互连。光交叉互连设备主要用于骨干网中,完成任一光纤中的某个波长信号到其它光纤的传送连接。

• 光交换技术是指,不经过任何光/电转换,直接在光域上完成输入端到输出端的信息交换。光交换的优点:提高了交换节点的吞吐量、降低了交换节点成本、以及良好的升级能力。

光交叉互连(OXC)定义

WDM光网络要求光节点具备交换功能,来自不同光纤通道的信号或同一光纤的不同波长通道的信号根据实际情况需要直通或交换通道进行传输,这一功能叫做光的交叉连接(Optical Cross Connection,简称OXC) 。OXC的主要功能是完成光通道的交叉连接,同时还具备本地的上下路功能。

OXC节点的交叉互连原理

• 在图(7)中,用户通道1,3的信号需要在用户通道3’,1’中传输,而通道2的信号需要直通。

OXC节点的交叉互连原理

• 在图(8)中,用户通道1中波长为的信号需要交换到通道2’中进行传输,用户通道2中波长为信号需要交换到通道1’中进行传输,其余的信号需要在原通道中传输,即直通。上述交叉连接功能就是由OXC节点来实现的。

OXC的光交换中有两种基本交换机制:空间交换和波长交换。实现空间交换的器件有各种类型的光开关,它们在空间域上完成通信信道之间的交换。实现波长交换的器件是指各种类型的波长交换器,它们将信号从一个波长转换到另一个波长,即实现波长域上的交换。

光交换模块中还广泛使用波长选择器(如各种类型的可调谐光滤波器和解复用器),它实现对WDM信号中一个或多个波长信号的选择,并滤掉其它波长的信号。这些器件的不同组合可以构成不同结构的OXC。目前已提出的OXC结构很多,大致分为两大类:一类是基于空间交换的OXC结构,另一类是基于波长交换的OXC结构。

基于空间交换的OXC结构

空间交换结构主要包括:

• 基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对、

• 基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器、

• 基于分送耦合开关、

• 基于平行波长开关的OXC结构。

这些不同结构的OXC具有不同的特点,但其核心部分——交换功能都是由不同的空间光开关来完成的。

基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的两种典型的OXC结构如下图所示:

在上图中,波分解复用器将链路中的WDM信号在空间上分开,空间光开关矩阵在空间上实现交换。完成空间交换后各波长信号直接经波分复用器复用到输出链路中。结构(a)中只能实现一个输入光信号被唯一地交叉连接到一条输出光通道中,而不能被广播发送到多条输出光通道中,它不具备广播发送能力。另外,这种结构无波长交换器,只能支持波长通道,并不支持虚波长通道。

结构(b)中,MN X MN开关矩阵可以实现 MN X MN无阻塞交换,任一输入链路中的任一波长都可以根据需要交换到任一输出链路中的任一波长,它支持虚波长通道。此外,它与结构(a)一样,也不具备广播发送能力。

空间光调制器用作光开关矩阵的原理

空间光交换是由空间光开关矩阵来完成的,用可动态控制的空间光调制器作为空间光开关矩阵。空间光调制器的主要组成部分有液晶屏和控制器,液晶屏上的像素相当于光开关器件。下面以一个简单的OXC结构说明空间光调制器作为空间光开关矩阵的技术原理。

如上图所示,用户信号分别用红、绿、蓝三个可见点光源来表示,分别代表WDM信号中已被解复用的三个信号。利用柱面透镜将用户信号发散的球迷波转换成准直的平面波,并让它们同时照射到空间光调制器上。空间光调制器上光信号分布如下图所示:

空间光调制器后面的柱面透镜将传输过来的平面波转换为水平方向汇聚的柱面波,因此在不同水平位置上的光波将汇聚到输出端面的不同位置上。

如上面图(a)和图(b)所示,当a行开关(像素)打开而其它开关全部关闭时,即仅(a,1),(a,2),(a,3)为开状态时,(a,1),(a,2),(a,3)处透过的光信号经柱面透镜后将重合于A处,从而实现了从多点到一点的连接。当仅(a,2)打开时,A处只能接收到信号2的信号而收不到1,3的信号,从而实现了点到点的连接。

同理,b或c行信号如果在相应像素开关打开的情况下,光信号经柱面透镜后将到达接收端上的另一位置B或C。可见,只要控制空间光调制器就可使输入端面上的红、绿、蓝三路光信号交换在接收端上的不同光线上,从而实现了光的交叉互连。

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