利用包括矩形像素的LCOS阵列的WSS的制作方法

利用包括矩形像素的lcos阵列的wss
技术领域
1.本技术涉及液晶装置，并且具体地涉及具有在正交轴上不同的像素间距的硅基液晶阵列。
2.本公开的实施方案特别适用于在光开关(诸如波长选择开关)中使用。然而，应当理解，本公开可适用于更广泛的背景和其他应用。
3.相关技术的描述
4.硅基液晶(lcos)装置是波长选择开关(wss)的最常用交换引擎之一。在wss装置中，支持要切换的通道的光纤沿着一个轴分离，并且光学系统被设计成使得lcos可以转向任何一根光纤。这称为端口切换。在正交轴上，光按频率进行色散，使得lcos可以独立地处理光谱的小区。这称为波长选择性。
5.为了实现端口切换和波长选择性，lcos的一个轴用于单独操纵单个波长通道，而像素的另一个轴用于在不同光纤之间切换波长通道。
6.装置的性能通常与像素阵列中包含的像素的数量成正比。例如，具有更多数量的像素的lcos装置允许在更多数量的光纤之间进行切换。具有更多数量的可用像素还可以提供另外的像素来执行改进的校准过程并且改进波长轴切换的粒度。
7.随着全球网络流量的量增加，越来越需要wss装置更好地执行并在更多数量的光纤之间切换。此外，正在开发包含多个wss装置的模块，所述多个wss装置利用单个通用lcos装置来执行切换。在这些更高性能装置中，在切换轴上需要更多数量的像素。此外，正在推动更宽的频率范围以增加光纤容量(例如，在单个wss中进入c+l波段两者)，这可能需要增加波长轴上的像素。
8.不幸的是，lcos装置上的像素的数量的增加增加了驱动电路的复杂性，增加了装置的整体功率消耗并且限制了可用的光机械设计空间。这进而增加了装置的制造成本和持续运营成本。
9.在整个说明书中对

背景技术：
的任何讨论都不应被视为承认这种技术是广为人知的或形成本领域公知常识的一部分。


技术实现要素：

10.在一个配置中，本文公开的硅基液晶(lcos)装置包括：硅衬底、一对电极和液晶层。所述一对电极包括上电极和下电极。所述下电极安装到所述硅衬底并且包括在第一维度和第二维度上延伸的像素的二维阵列。所述液晶层设置在所述上电极与所述下电极之间。所述液晶层被配置为能够通过提供到所述下电极的所述像素的驱动信号驱动为多个电状态。所述像素的轮廓是矩形的，所述轮廓在所述第一维度上比在所述第二维度上具有更长的侧边。所述二维阵列包括像素间距，所述像素间距在所述第一维度上比在所述第二维度上更大。
11.在另一个布置中，硅基液晶(lcos)装置包括设置在硅衬底上的可独立驱动的像素的二维阵列。跨阵列的第一维度上的像素的间距大于跨阵列的第二维度上的像素的间距。
12.在又一个布置中，硅基液晶(lcos)装置用于在一个或多个波长选择开关(wss)的多个光端口之间切换光通道。所述lcos装置包括硅衬底、一对电极和液晶层。所述一对电极包括上电极和下电极。所述下电极安装到所述硅衬底并且包括在第一维度和第二维度上延伸的像素的二维阵列。所述液晶层设置在所述上电极与所述下电极之间，并且被配置为能够通过提供到所述下电极的所述像素的驱动信号驱动为多个电状态。跨所述阵列的一个或两个维度上的所述像素的所述间距基于所述一个或多个wss装置的一个或多个特性来限定。
13.根据本公开的波长选择开关可以包含本文和上文公开的lcos装置。
14.公开了一种确定用于在一个或多个波长选择开关(wss)中使用的硅基液晶(lcos)装置的像素规格的方法。所述方法包括：确定所述定波长选择开关的光端口的数量和/或位置；计算在所述光端口之间切换所述光通道所需的切换角度范围；以及基于所计算的切换角度范围，确定所述lcos装置的切换轴的像素大小和像素的数量，其中所述lcos装置的所述像素是矩形的，并且具有基于所述切换轴的所述像素大小和像素的数量的矩形度程度。
附图说明
15.现将仅通过举例的方式并且参考附图来描述本公开的示例性实施方案，在附图中：
16.图1是lcos装置的分解透视截面图；
17.图2示出了lcos装置的像素化电极的平面图，其示出了像素的二维阵列；
18.图3示出了图2的像素化电极的截面图，其示出了六个矩形像素；
19.图4是波长选择开关的示意图，其示出了入射到lcos装置的像素化电极上的光通道；
20.图5是确定lcos装置的像素规格的方法中的主要步骤的流程图；并且
21.图6是确定lcos装置的像素规格的替代方法中的主要步骤的流程图。
具体实施方式
22.首先查看装置概览，图1示出了硅基液晶(lcos)装置100。装置100也可以称为lcos光相位调制器，因为它调制在传播维度(z维度)上传播的入射光信号的相位。装置100包括硅衬底102和设置在一对相对电极106和108之间的液晶材料层104。第一或“上”电极106设置在液晶层104的上方。第二或“下”电极108安装到硅衬底102并且包括在第一(x)和第二(y)横向维度上跨装置100延伸的像素的二维阵列110。液晶层104被配置为可通过由电控制器112提供到下电极108的电压驱动信号驱动为多个电状态。
23.上电极106是透明的或部分透明的铟锡氧化物并且允许光信号传输进出装置100。下电极108是反射性的并且包括可单独控制的铝像素(例如114)的阵列110。下电极108的像素被电驱动用于跨上电极106与下电极108之间的液晶层104供应电势v，从而以预定配置驱动层104内的液晶。阵列110中的每个像素114可由电控制器112以多个预定电压水平中的一个预定电压水平单独驱动，以向入射光信号提供局部相位调制。像素114的电控制由通过硅衬底102到电控制器112的互连来提供。
24.层104内的液晶材料的预对准可由对准层118和120提供。层118和120包括沿着预
定方向对准以限定液晶材料的慢轴的多个小沟槽。
25.现转向本公开的矩形像素结构，图2示出了下电极108的平面图，其示出了像素的二维阵列110。如图所示，像素的轮廓是矩形的，其在x维度上比在y维度上具有更长的侧边。在一些实施方案中，像素在y维度上的长度介于5μm至7μm之间。在一些实施方案中，像素在x维度上的长度介于8μm至12μm之间。然而，应当理解，可以根据特定应用来实现具有其他矩形尺寸的像素。
26.中心像素区124用于光通道的有源切换。围绕中心像素区124的是裙边区(apron)126和垫圈区128。这些外部区通常不是像素化的和/或不可单独寻址的，因此，二维阵列110完全由中心像素区124限定。裙边区126是直接围绕中心有源像素区的区域，并且不包含可寻址像素的二维阵列。垫圈区128至少部分地围绕中心像素区124和裙边区126，并且将硅衬底102连接到上电极106。它可以物理地约束液晶材料。在一些实施方案中，可以包括多于一个的裙边区以执行不同的功能。在一些实施方案中，lcos装置100包括此处未示出的其他区或部件。
27.此外，二维阵列110包括在x维度上比在y维度上大的像素间距。在一些实施方案中，在x维度上的像素间距是在y维度上的像素间距的1.3倍至2.0倍。像素间距(也称为点间距)是阵列110中的像素之间沿着一个维度的距离。这在图3中示意性地示出，其示出了跨阵列110的两个x行和三个y列的六个像素。像素间距是从每个像素的中心测量的，并且包括像素的宽度加上像素之间的间隙。此间隙被限定为隔离相邻像素以减少串扰。通常使间隙尽可能小以最大化填充因子。间隙的大小受诸如像素之间的可允许电串扰水平和集成电路布局的因子限制。例如，像素之间的间隙可以是0.2μm。
28.对于给定lcos装置尺寸，这种矩形像素结构允许在y维度上比在x维度上实现更多数量的像素。然而，应当理解，在其他实施方案和应用中，对于给定lcos装置尺寸，可以在x维度上比在y维度上实现更多数量的像素。在诸如监视器、屏幕、电视机和投影仪的显示应用中，阵列110通常需要遵循标准显示格式(纵横比)以正确地显示内容。因此，在x维度上的像素与在y维度上的像素的比率被限制为行业设置的预定义值。然而，具有矩形像素阵列的lcos装置100的主要应用是针对波长选择开关(wss)装置或同时操作的多个wss装置。wss装置在系统的两个轴上具有本质上不同的光学要求，并且发明人已经认识到此特性可用于设计优化的lcos装置。
29.在wss中，表示输入端口和输出端口的光纤在一个轴上分离，并且光学系统被设计成使得lcos可以转向任何一根光纤。在正交轴上，单个光通道可以色散成不同的波长/频率，使得所述通道在x维度上入射到装置100的不同像素区上。通道分离允许每个通道落在lcos的单独区域上，并且由lcos装置独立切换。这在图4中示意性地示出，其示意性地示出了具有两个输入公共端口402和404以及八个添加/拖放端口106-413的wss装置400。在大多数实际应用中，wss将具有更多数量的端口。在图4中，两排(121和123)光通道(例如125)通过色散元件416进行色散并且跨阵列110的x维度散布。每个通道表示用于携载光学编码信息的不同波段。
30.在中心像素区124内，阵列110的y维度用于在波长选择开关中的不同端口之间切换不同波长通道。光通道的光束通过光学器件(未示出)在y维度上伸长，使得它们入射到在该维度上的多个像素上。通过利用不同的电压信号控制沿着通道区的y维度的像素来执行
切换，以便对以相对于装置100的平面的给定角度反射它的波前施加相变。不同的预定义电压信号向各种波长通道提供不同的切换角度，以在wss装置的输入端口与输出端口之间切换通道。
31.两排(121和123)通道表示不同组的光端口或者等效地两个不同的wss装置，所述wss装置共享作为切换元件的公共装置110。一些wss装置仅包括单行波长通道，而其他wss装置可以包括多于两排波长通道。
32.发明人已经识别lcos装置的像素的形状和数量可以被定制以针对具有一定数量和布置的光端口和要切换的通道的数量的特定应用进行优化。首先，可以将像素的形状设计为矩形，以适应每个维度的特定要求。其次，可以确定每个维度上的像素的数量，以针对切换和通道操纵进行优化。
33.在一些实施方案中，像素的阵列110在x维度上包括1500个至1900个像素。在一些实施方案中，像素的阵列110在y维度上包括2500个至2700个像素。在一些实施方案中，像素的二维阵列被限定成使得其具有为非标准显示格式的纵横比(例如非标准纵横比)。标准显示格式与显示器(诸如电视机或计算机屏幕)的标准x:y纵横比有关。例如，标准显示格式包括16:9(例如1366x768或1920x1080像素)、3:2(例如2160x1440或2560x1700像素)和16:10(例如1280x800或1920x1200像素)。非标准显示格式是指超出业内已知和使用的那些纵横比或像素比的纵横比或像素比。
34.由于lcos装置100表示wss的主要开关元件，因此wss的几何形状和lcos特性(大小、像素的数量等)结合彼此进行设计。下面描述了为特定wss应用设计定制lcos装置的示例性过程。包含上述lcos装置100的wss是本公开的另一个方面。在一些实施方案中，单个lcos装置100可以用作多个wss装置的公共开关元件，其中不同wss装置使用lcso装置的不同像素区。
35.尽管参考wss应用进行了描述，但是应当理解，lcos装置100也可以在其他类型的光开关装置和显示装置(诸如屏幕、监视器、电视机和投影仪)中具有应用。
36.设计lcos装置的方法
37.现在参见图5，示出了确定用于wss(或同时使用的多个wss装置)的硅基液晶(lcos)装置100的规格的方法500。方法500包括，在步骤501处，确定wss的光端口的数量和/或位置。更广泛地说，此步骤可以包括确定实现lcos将用于的wss装置的规格所需的限制条件。例如，一种类型的装置包括具有60个(2x1x30)光纤端口的双wss，所述光纤端口以不大于127μm的间距设置，以满足开关轴上的8mm的装置大小限制。
38.方法500包括，在步骤501处，为wss装置限定光纤图和/或校准概念。这是限定wss的几何结构的视觉表示，包括端口将在wss中所处的位置。最初，光纤图可能是无量纲的，但对装置的光学和/或机械要求(诸如端口隔离和大小限制)的了解将为该图添加维度。
39.在步骤502处，计算在光端口之间切换光通道所需的切换角度范围。这包括确定在wss中的角度分离最大的端口之间进行切换所需的最高切换角度。如图4所示，不同的切换路径需要不同的切换角度。要实现更大的切换角度需要缩短相位重置之间的距离。为了防止光损耗增加，必须保持每相位重置一定数量的像素，并因此需要y维度上的更多像素。因此，y维度上的最小数量的像素与wss的最大切换角度成正比。在这个阶段，需要结合对wss的了解；诸如大小限制的机械考虑因素将导致lcos的最大的大小，并且诸如端口隔离的光
学考虑因素将导致系统焦距；当与步骤501一起考虑时，这将导致wss所需的切换角度范围。
40.在一些实施方案中，最严格的限制条件不是装置内的最大整体切换角度，而是公共端口与分插端口之间的最大切换角度。公共端口被视为最重要的端口，因为它们携载所有的光通道。
41.此外，如果wss装置是如图4所示的双型开关装置，则需要两排波长通道。这使y维度所需的像素的数量增加了一倍。因此，在y维度上所需的像素的最小数量也取决于利用lcos装置的开关装置的数量。除了双型装置之外，四型装置也是可能的，其中四个wss装置共享一个公共lcos装置。
42.在步骤503处，应结合wss的更多光学和机械要求；光学要求，诸如wss的频率范围和每个通道的带宽。此外，还需要考虑机械限制条件，诸如lcos的最大的大小。在一些实施方案中，这包括确定要由wss切换的总光通道的带宽。例如，wss可以被配置为跨c波段的跨度切换通道，c波段在1530nm与1565nm范围之间覆盖约5.0thz的带宽。机械限制条件将限定波长轴上的最大lcos大小，对于此示例，其可为20mm。
43.步骤503还可以包括确定要应用于光通道的任何通道整形(例如，每个通道的光束的宽度)，以及每通道需要什么调整和校准。例如，波长轴上的粒度(即像素/频率范围)将影响通道居中的频率准确度和宽度。
44.在步骤504处，基于所计算的切换角度范围，确定lcos装置100的切换(y)轴的最小像素大小和像素的数量以实现该切换。在一些实施方案中，步骤504包括确定lcos装置或wss装置的总体大小限制条件。步骤504还可以包括应用lcos装置或wss装置的目标功率消耗限制条件。在一些实施方案中，此目标功率消耗可以基于一个或多个wss装置的期望帧速率、数据速率和像素分辨率。
45.最后，在步骤505处，确定垂直于切换轴的色散(x)轴上的最小像素大小和像素的最小数量。此计算是基于切换轴上的最小所需像素，并且考虑了像素的总数量和/或可用功率消耗。
46.另外的限制条件也可以应用于设计过程。这些包括装置的最大电功率消耗，例如1w功率消耗。功率消耗与lcos装置中的像素的数量成正比，其中像素的数量越高的装置消耗的功率越多。其他限制条件包括期望帧速率、数据速率或像素级分辨率。
47.所应用的另一个限制条件可以是wss装置的总体物理维度。通常需要像wss的光学装置装配到标准化的光学机架单元中。这种大小限制条件通常是由客户要求的。这些要求可用于限定称作光学装置的总“光阑”的内容，其限定物理限制条件的过滤版本。
48.在下文包括lcos像素规格的示例性计算。
49.输入：
50.·
wss要求
51.ο2x1x30个端口
52.ο光学器件的8mm机械高度余量，驱动127μm光纤间距
53.ο5db插入损耗
54.ο30db端口隔离
55.οc波段的频率窗口(5.0thz)
56.·
最大lcos y维度为8mm。
57.·
最大lcos x维度为20mm。
58.·
0.5像素/ghz，以满足wss光带宽设置要求。
59.·
最大电功率消耗为1w。
60.这些因素组合来限定lcos的最大切换角度和大小。为了在此传播长度上在外部端口上保持每相位重置最小6个像素(作为每相位重置示例性最小数量的像素)：
61.切换轴上的像素大小《6.2μm(或对于此，6um)。
62.像素电路的所需大小可能会对像素面积施加限制。例如，此像素面积可以被限制为50μm2或更大。为了保持》50μm2像素面积：
63.色散轴上的像素大小必须》8.4μm。
64.为了跨5.0thz c波段满足期望通道性能，通道应基于0.3个像素每ghz进行色散。这些数字可以根据各种wss/lcos组合通过实验确定。
65.在切换轴上：
66.8mm(以6μm每像素)在切换(y)维度上提供1,333个像素。
67.对于功率限制条件，总期望像素为2.4兆像素。因此，色散轴上的最大像素数可以是：
[0068][0069]
这符合上述0.3个像素每ghz的要求。
[0070]
然后，最大色散轴像素大小可以是：
[0071]
20mm/1800像素＝11.1μm。
[0072]
这大于保持像素面积的最小值8.4μm。
[0073]
最终的lcos像素大小和数量被确定为：
[0074]
py＝6.0μm
[0075]
px＝10.0μm
[0076]
ny＝1,340
[0077]
nx＝1,600
[0078]
像素的数量＝2.144mpx
[0079]
像素面积＝60μm2[0080]
请注意，将使用方形像素间距的替代设计会对此设计产生问题。像素面积将不会实现足够的空间以用于像素电路(以6μm
×
6μm像素)，或者将不存在充分的空间以用于切换轴上所需的像素的数量(以10μm
×
10μm像素)。
[0081]
在一些实施方案中，方法500可以仅针对切换(y)轴执行，而色散(x)轴上的像素不变。在这些实施方案中，仅执行步骤501、502和504。
[0082]
在一些实施方案中，两个不同轴的所需最小像素可以独立地确定并且组合以确定所需像素大小和间距。在图6中示出此用于确定lcos像素规格的替代方法600。第一设计过程601仅与切换(y)轴相关地执行。这涉及在步骤602处限定要与lcos一起使用的wss产品，并且在步骤603处确定用于所述类型的wss产品的光纤图和校准概念。这些步骤等同于方法500的步骤501。在步骤604处，确定最差情况切换角度。此步骤等同于方法500的步骤502。在步骤605处，计算切换轴的像素的最小数量。这在方法500的步骤504中执行。
[0083]
设计过程601的输出是lcos的切换轴上所需的像素的最小数量。单独地，第二设计过程606与色散(x)轴相关地执行。在步骤607处，限定要与lcos一起使用的wss产品。此步骤可以与步骤602相同，或者与步骤602结合地执行。在步骤608处，确定最差情况通道形状规格。这些是实现高效切换的最低要求，并且考虑了诸如通道串扰、通道数量和传输带宽(例如c波段)的因素。在步骤609处，确定色散轴上的像素的最小数量。
[0084]
在步骤710处组合来自设计过程601和606的输出并且在步骤711处将输出用于像素维度计算中。此像素维度计算步骤计算切换轴和色散轴上的最小所需像素维度，并且考虑其他限制条件。这些其他限制条件包括机械限制条件，诸如在步骤712处确定的最大允许切换光阑和在步骤713处确定的最大允许色散光阑。在步骤714处组合这些步骤以确定x维度和y维度上的总lcos大小。这些维度被馈送到像素维度计算步骤711。此外，在步骤715处，将像素面积要求(通常由lcos制造商指定)馈送到像素维度计算步骤711。最后，在步骤716处，将lcos电功率限制条件输入到像素维度计算步骤711。
[0085]
在应用所有这些限制条件的情况下，可以计算出适当的像素形状(x轴和y轴上的维度)和两个轴上的间距。大多数应用中的最佳结果是矩形像素设计，其中色散轴上的像素宽度长于切换轴上的像素高度。此外，切换轴上的间距高于色散轴上的间距。这些设计参数被提供到lcos制造商，以用于制造期望优化装置。
[0086]
方法500和600实现限定lcos装置100，其中跨阵列的一个或两个维度上的像素的间距基于wss装置的一个或多个特性来限定。像素的形状也可以基于wss装置的一个或多个特性来限定。wss装置的特性包括：
[0087]
wss中的光端口的数量和/或位置；
[0088]
wss装置的总体大小；
[0089]
wss装置的目标功率消耗值；
[0090]
光通道的数量；和/或
[0091]
要由wss切换的总光通道的带宽。
[0092]
允许像素明显移动远离“正方形”允许平衡像素和热限制条件，同时仍然能够满足光学性能。
[0093]
本文描述的实施方案旨在涵盖本公开的任何修改或变化。尽管已经根据特定示例性实施方案描述和解释了本公开，但是本领域技术人员将认识到可以容易地设想在本公开的范围内的另外的实施方案。