基于二维棱镜组的紧凑型矩阵光开关和光通信设备

本技术属于光纤通信领域，更具体地，涉及基于二维棱镜组的紧凑型矩阵光开关和光通信设备。

背景技术：

1、随着5g通信的推广应用和移动互联网的发展，网络流量迅速增长，作为互联网基础设施之一的数据中心，规模越来越大且业务越来越繁忙。数据中心继导入光纤互连技术之后，正在引入大规模矩阵光开关（>100×100端口）以提升访问效率。

2、近两年，为支撑人工智能的发展，人们正在大量建设算力中心，在算力中心的各个计算单元之间，需要通过大规模的矩阵光开关实时交换数据，以提升并行计算的效率。

3、大规模的矩阵光开关在数据中心和算力中心有着广泛的应用需求，实现大规模矩阵光开关的技术方案非常多，而具有实用前景技术方案只有三种：1）directlight技术，通过压电材料驱动两个微透镜阵列后面的光纤实现光路切换；2）3d mems技术，通过两个mems微镜阵列实现大规模的光路切换；3）硅基液晶（lcos）技术，通过两个纯相位调制的lcos芯片实现光束偏转和光路切换。第一种方案能实现大端口数的矩阵光开关，但驱动复杂且驱动电压高；第二种方案具有光路简单和损耗小的优点，但mems芯片成本高且成品率低。

4、第三种方案，控制光束偏转的lcos芯片一种全固态元件，整个矩阵光开关中没有任何机械动作件，因此具有可靠性高的优点。此外，lcos芯片比第一种方案中的压电驱动器和第二种方案中的mems芯片成本低得多，且驱动电压更低，驱动设计更简单。

5、如图1所示，lcos矩阵光开关通常由光学前端、lcos芯片、凹面反射镜、lcos芯片和光学后端五部分组成，在一个平面内构成w型光路。为了避免光学前端、凹面反射镜和光学后端之间的相互干涉，需要增大光束在两个lcos芯片上的入射角，造成光开关尺寸过大，且光束以大角度斜入射在lcos芯片上会降低衍射效率，增加光开关的损耗。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供基于二维棱镜组的紧凑型矩阵光开关和光通信设备，旨在解决现有矩阵光开关为平面w型光路造成光开关尺寸过大、衍射效率低造成光开关损耗大的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种基于二维棱镜组的紧凑型矩阵光开关，包括沿三维w型光路依次设置的光学前端、第一二维棱镜组、第一lcos芯片、凹面反射镜、第二二维棱镜组、第二lcos芯片和光学后端；

3、第一lcos芯片和第二lcos芯片均设置在凹面反射镜的焦面上，三者共同构成2f光学系统；

4、所述第一二维棱镜组与第二二维棱镜组结构一致，其中，第一二维棱镜组通过xz平面上的折射对光学前端各端口偏振分集后的两束相互平行线偏光施加xz平面内的额外偏转，通过yz平面上的折射对光学前端各端口偏振分集后的两束相互平行线偏光施加yz平面内的额外偏转，第二二维棱镜组通过xz平面上的折射对被凹面反射镜反射后的线偏光施加xz平面内的额外偏转，使其校正至相互平行，通过yz平面上的折射对被凹面反射镜反射后的线偏光施加yz平面内的额外偏转，使其与光学前端输出光平行；

5、在第一lcos芯片和第二lcos芯片均未加驱动电压的前提下，来自光学前端各端口偏振分集产生的两组平行光束依次经过第一二维棱镜组两个维度的折射、第一lcos芯片反射、凹面反射镜反射和第二二维棱镜组两个维度的折射后，分别入射于第二lcos芯片的上下半区的中心位置。

6、优选地，紧凑型矩阵光开关中，所述第一二维棱镜组、第一lcos芯片和凹面反射镜之间，需同时满足以下四个条件：

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11、其中，为光学前端x方向端口行数，为第一lcos芯片上分配给单个端口的像素区域边长，为第一lcos芯片的长度，为凹面反射镜的焦距，为入射光与第一二维棱镜组入射面法线在x方向的夹角，为出射光与第一二维棱镜组出射面法线在x方向的夹角，为第一二维棱镜组的折射率，为凹面反射镜与光学前端进行折叠时需要折叠的长度，为入射光与第一二维棱镜组入射面法线在y方向的夹角，为出射光与第一二维棱镜组出射面法线在y方向的夹角。

12、优选地，所述第一二维棱镜组均为一体式结构，其侧视角度为屋脊棱镜，俯视角度为楔形棱镜；或者，其侧视角度为两片相同的三棱镜薄端对齐，俯视角度为楔形棱镜。

13、优选地，所述第一二维棱镜组均由两片一维棱镜组合而成，其中一片的侧视角度为屋脊棱镜，俯视角度为平板玻璃，另一片的侧视角度为平板玻璃，俯视角度为楔形棱镜；或者，其中一片的侧视角度为两片相同的三棱镜薄端对齐，俯视角度为平板玻璃，另一片的侧视角度为平板玻璃，俯视角度为楔形棱镜。

14、优选地，所述第一二维棱镜组均为一体式结构，其俯视角度为楔形棱镜，侧视角度为两片楔角不同的四棱镜厚端对齐薄端。

15、优选地，所述第一二维棱镜组均由两片一维棱镜组合而成，其中的一片侧视角度为屋脊棱镜，俯视角度为平板玻璃，另一片的侧视角度为楔形棱镜，俯视角度为楔形棱镜；或者，其中一片的侧视角度为两片相同的三棱镜薄端对齐，俯视角度为平板玻璃，另一片的侧视角度为楔形棱镜，俯视角度为楔形棱镜。

16、优选地，光学前端和光学后端并列设置，并合并成一个光学前端。

17、优选地，两个lcos芯片并列设置，并合并成一个lcos芯片。

18、优选地，第一lcos芯片上对应区块产生的x方向最大衍射偏转角度，y方向最大衍射偏转角度，其中，为凹面反射镜的焦距，表示光学前端x方向端口行数，表示光学前端y方向端口列数，为第一lcos芯片上分配给单个端口的像素区域边长，为光学前端的端口数，为第一lcos芯片上分配给单个端口的像素区域尺寸。

19、为实现上述目的，第二方面，本技术提供了一种光通信设备，包括如第一方面所述的紧凑型矩阵光开关和电路控制板；所述电路控制板用于为所述紧凑型矩阵光开关中的第一lcos芯片和第二lcos芯片提供相位调控信号。

20、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

21、本技术提供一种基于二维棱镜组的紧凑型矩阵光开关和光通信设备，通过在两个lcos芯片前面各设置一个二维棱镜组，二维棱镜同时具有x方向上的楔角和y方向上的楔角，可对光束产生两个维度的折射，第一二维棱镜组通过xz平面上的折射对光学前端各端口偏振分集后的两束相互平行线偏光施加xz平面内的额外偏转，以降低第一lcos芯片的偏转角要求，第二二维棱镜组通过xz平面上的折射对被凹面反射镜反射后的线偏光施加xz平面内的额外偏转，使其校正至相互平行，抵消前者施加的额外偏转，以降低第二lcos芯片的偏转角要求，光束在lcos芯片上的入射角度减小，衍射效率增加，从而减小矩阵光开关的损耗；第一二维棱镜组通过yz平面上的折射对光学前端各端口偏振分集后的两束相互平行线偏光施加yz平面内的额外偏转，第二二维棱镜组通过yz平面上的折射对被凹面反射镜反射后的线偏光施加yz平面内的额外偏转，使其与光学前端输出光平行，两者相配合将矩阵开关的整个光路由平面结构折叠成三维结构，光开关的结构更加紧凑。