N×m數字可編程的光路由開關的製作方法
2023-10-28 18:10:32
專利名稱：N×m數字可編程的光路由開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及。本發明總的涉及光信號的交換；具體地，涉及在光通信網絡中發送的光信號的空間路由和光信號處理。
2．發明背景。在各種商業和軍事應用中，光纖被使用作為傳輸光信號的物理媒體。隨著信息的數據速率不斷提高，用傳統的電子交換系統來控制更高的帶寬變得越來越困難。另外，需要在光和電信號之間進行的轉換限制了數據格式和增加了費用。以高的「數據透明度」為特徵的全光路由/交換技術可以將光信號從一個傳輸信道交換或傳送到另一個傳輸信道，而同時讓信號保持為光形式。
在光纖網際網路中已開發了幾種復接方案，包括時分復用(TDM)、波分復用(WDM)、和空分復用(SDM)。空分交換被認為是最重要的光纖路由方案之一。空分光子開關的主要應用是在光纖通信網、光學陀螺儀、光信號處理、和用於相控陣雷達系統的微波/毫米波信號傳播。
很多種電磁場控制的光開關是市場上有售的。它們是基於機械、電-光、熱-光、聲-光、磁-光、和半導體技術。每種交換技術具有它自己的優點，但也有缺點。例如，機械開關是被最廣泛使用的路由部件，以及提供非常低的插入損耗和串擾特性，但它們的交換時間限於毫秒量級。因為使用馬達驅動的零件，所以它們也只有有限的壽命。另一方面，LiNbO3集成光開關提供納秒(ns)級的交換時間。然而，LiNbO3集成光開關具有相對較大的插入損耗(5dB)、高的串擾(20dB)和極化相關性等缺點。
因此，正在繼續努力開發具有較低的信道串擾、減小的與極化相關的損耗、和至少中等的重新配置速度的場控制的光開關。可以看到，當成功時，這些努力可以為光纖通信系統提供重要的部件。
3．問題的解決辦法。本發明利用極化旋轉器陣列和與極化相關的路由元件(例如，雙折射元件或極化的波束分路器)的光網絡來完成光路由結構，它在很寬的溫度和波長的工作範圍內提供與極化無關的和低串擾的交換。這種光開關保留以光形式交換的信號，以及保留它們的光特性。
發明概要本發明描述一種用於選擇地從多個輸入埠的任一埠路由光信號到多個輸出埠的任一埠的光路由開關。在每個輸入埠處的光信號被第一與極化相關的路由元件(例如，雙折射元件或極化的波束分路器)空間分解成兩個正交極化的波束。除此以外，光開關的網絡沿著該光束對的光路徑放置。每個光開關包括(1)可切換地控制輸入光束的極化的極化旋轉器，以使得按照器件的控制狀態來將兩個輸出的波束或者是垂直極化或者是水平極化；以及(2)與極化相關的路由元件，它根據光束對的極化狀態來空間地路由該光束對，以便提供物理移位。網絡中對於每個輸出埠的最後級由極化旋轉器陣列組成，它改變至少一個光束的極化，以使得兩個波束變成為正交極化的。最後，與極化相關的路由元件(例如，雙折射元件)交截這兩個正交極化波束和重新組合這兩個波束以便在選擇的輸出埠輸出。
附圖簡述結合附圖將更容易了解本發明，其中
圖1是按照本發明的1×2N光開關的方框圖。
圖2a和2b是按照本發明的、用於光路由開關的兩個優選結構的方框圖。
圖3a到3d是基於圖2b的、被設計在二維結構中的1×4路由開關的方框圖。圖3a到3d顯示在開關的四個控制狀態下將輸入光能量耦合到每個選擇的輸出埠的光路徑。
圖4a到4d是基於圖2a的、被設計在二維結構中的1×4路由開關的方框圖。圖4a到4d顯示在開關的四個控制狀態下將輸入光能量耦合到每個選擇的輸出埠的光路徑。
圖5a到5d是基於圖2a的、使用三維結構的1×4路由開關的方框圖。圖5a到5d顯示在開關的四個控制狀態下將輸入光能量耦合到每個選擇的輸出埠的光路徑。
圖6a到6d是基於圖2b的、使用三維結構的1×4路由開關的方框圖。圖6a到6d顯示在開關的四個控制狀態下將輸入光能量耦合到每個選擇的輸出埠的光路徑。
圖7a到7d是使用三維結構的1×4路由開關的方框圖，其中所有的雙折射元件都具有相同的厚度。
圖8是使用極化的波束分路器代替雙折射元件的1×5路由開關的可選實施例的方框圖。
圖9是使用角極化波束分路器的樹狀結構的1×8路由開關的另一個實施例的方框圖。
圖10是使用極化的波束分路器的1×8路由開關的另一個可選實施例的方框圖。
圖11是使用角極化的波束分路器的1×4路由開關的另一個可選實施例的方框圖。
圖12是使用互相堆疊的一系列四個1×4路由開關的另一個可選實施例的方框圖。
圖13是把PBS與反射式稜鏡組合的與極化相關的路由元件的可選實施例的截面圖。
圖14是使用極化的波束分路器的2×2路由開關的截面圖。
圖15是使用極化的波束分路器網絡的2×2路由開關的可選實施例的截面圖。
圖16是使用極化的波束分路器的2×8路由開關的截面圖。
圖17是4×4路由開關的截面圖。
圖18是4×4路由開關的可選實施例的截面圖。
圖19是6×6路由開關的截面圖。
圖20a和20b是2×2路由開關的可選實施例的兩個控制狀態的圖。
圖21是4×4路由開關的可選實施例的圖。
圖22是2×2路由開關的另一個可選實施例的圖。
發明詳述圖1顯示1×2N光路由開關的一般概念。光信號被通過輸入埠500輸入，以及經過雙折射元件(或極化波束分離器)30。這個雙折射元件30把光束分解成正交極化(例如，垂直和水平)的兩個分量。由於雙折射離散效應，兩個波束也被第一雙折射元件30在空間上分開。在圖1上，細線表示一個極化狀態，以及粗線表示第二個正交的極化。光束傳送通過第一極化旋轉器陣列100，它由交截這兩個波束的兩個子元件(或象素)組成。極化旋轉器陣列100變換光束之一的極化，以使得兩個波束在它們離開第一極化旋轉器陣列100時具有相同的極化。
然後兩個光束傳送通過第二雙折射元件301，由於雙折射離散效應，該雙折射元件根據光束的極化引導它們。在第二雙折射元件301的輸出端處，基於每個光束進入第二雙折射元件301時的極化，每個光束都有兩個可能的空間位置(被畫成第二雙折射元件301後面的細實線和細虛線)。兩個波束然後傳送到被分成兩個子單元的另一個極化旋轉器陣列900，如圖1所示。根據在極化旋轉器100和900中子單元的控制狀態，離開第二極化旋轉器陣列900的光束對可以具有兩個不同的極化的任一個(例如，水平或垂直)以及具有兩個可能的空間位置的任一個，這樣，就導致極化和空間位置的四種可能的組合。
這四種組合通過使用第三雙折射元件302而被空間地分開。更具體地，在第三雙折射元件302的輸入面處的極化和位置的四種可能的組合在它的輸出面處由於雙折射離散效應而被分開成四個可能的空間位置。
雙折射元件與極化旋轉器陣列的這種組合可以在沿著光軸串行地堆疊的、任何數目的級中被重複。在雙折射元件301,302,…,30n-1,30n和極化旋轉器900,901,…,90n-1,90n叉指式地放置在一起的N級的情況下(即，如圖1所示的301/900,302/901,…,30n-1/90n-1，和30n/90n)，對於進入第一級的最初的波束對總共有2N個可能的輸出位置。
最後的極化旋轉器陣列90n把波束對變換回正交極化。這是通過在最後的極化旋轉器陣列90n後面的細線和粗線表示的，其中細線代表一個極化，而粗線代表正交的極化。正交極化波束對被最後的雙折射元件60組合，以及在2N個輸出埠之一輸出。
為了有助於使設計是容錯的，雙折射元件的厚度可以按幾何級數變化，如圖2a和2b所示。在圖2a上，雙折射元件具有L,L/2,…,L/2N-1和L/2N的厚度。相反，在圖2b上次序倒過來，雙折射元件具有L,2L,…,2N-1L和/2NL的厚度。工作原理總的是和圖1所示的相同的。在波束通過每級時，雙折射元件的厚度的這些變化有助於保持波束對的波束分離。總共2N個可能的波束位置在最後一級的出口面上輸出(即，在雙折射元件30n處)。所以，最後的極化控制器90n必須具有2N+1個象素，以使得2N個可能的波束對的每一對可以被變換成正交極化。圖2a和2b所示的配置有助於提供足夠的波束分離，以使得最後的極化旋轉器陣列90n可以為每個可能的輸出位置而象素化。這個裝置然後可阻擋在2N+1個可能的波束位置的每個位置處的光洩漏，這些光如果通過會在不期望的輸出埠處引起串擾。
替換地，圖1、2a、和2b所示的實施例也可被看作為由一系列光開關級組成的二進位樹結構。每級包括(a)極化旋轉器陣列100、900、901等等，它選擇地旋轉輸入波束對的極化，以使得兩個波束具有由開關的控制狀態確定的相同的極化；以及(b)雙折射元件301、302等等，它選擇地將波束對路由到由它們的極化所確定的選定的某個可能的輸出波束位置。
具體地，從第一雙折射元件30出去的正交極化的波束對被第一級100、301接收。此後，第N級從前一級接收處於2N-1個可能的輸入波束位置中某個選定位置上的波束對，以及把該波束對引導到由該級的極化旋轉器陣列中象素的控制狀態確定的2N個可能的輸出波束位置的任一個位置。最後的極化旋轉器陣列旋轉離開最後一級的波束對的極化，以使得波束是正交極化的，以及可以在選擇的某個輸出埠處由最後的雙折射元件60組合。
1×4光路由開關的2-D(二維)設計。圖3a到3d顯示了光路由開關的二維設計。如以前那樣，從輸入埠500進入的光由第一雙折射元件30分裂成兩個正交極化。雙折射元件30的光軸的取向相對於光束傳播方向是傾斜的，以使得光輸入被分解成一對正交極化的波束。第一極化旋轉器陣列100被分成具有互補狀態的兩個子元件，即當一個是接通時另一個是關斷的。這個安排使得兩個光束在第一極化旋轉器陣列100的出口面處變成為或者垂直或者水平極化。圖3a到3d上的圓點和短平行線分別表示垂直極化和水平極化。
圖3a顯示被配置來路由輸入信號到輸出埠501的光路由開關。在圖3a上，第一極化旋轉器陣列100被設置成把垂直極化波束旋轉成水平極化，這樣，兩個光束在它們從第一極化旋轉器陣列100出去時都具有水平極化。因為這些水平極化的波束在第二雙折射元件40中是異常波，所以它們在第二雙折射元件40中被重新引導向上。這兩個波束然後進入具有兩個子元件的第二極化旋轉器陣列101。在圖3a上，第二極化旋轉器陣列101被設置成不提供極化旋轉，以及光束保持它們的水平極化。波束然後進入第三雙折射元件50，它具有的厚度是第二雙折射元件40的兩倍。這裡再次地，因為波束在這個雙折射元件50中是異常波，所以它們向上傳播和在第三雙折射元件50的最高層處出去。這兩個波束在到達第三極化旋轉器陣列102時仍保持有相同的極化。這個陣列102具有四對象素或子元件。如圖3a所示，子元件之一被設置成把波束之一變換成垂直極化，這樣，波束對再次變成為正交極化的。這兩個正交波束由第四雙折射元件60進行重新組合，以及在輸出埠501處輸出。
圖3b顯示被配置來把輸入埠500耦合到輸出埠503的開關。這裡，第二極化旋轉器陣列101的上面的子元件把兩個波束的極化都旋轉90°，這樣它們的極化變成為垂直的。這兩個垂直極化的波束在第三雙折射元件50中被認為是尋常波。所以，沒有發生偏移，並且波束直線行進通過第三雙折射元件50。兩個垂直極化波束被第三極化旋轉器陣列102交截，它把其中一個波束變換成水平極化。結果的正交極化波束由第四雙折射元件60進行重新組合，以及在輸出埠503處輸出。
圖3c顯示被配置來把輸入埠500耦合到輸出埠502的開關。這裡，在第一極化旋轉器陣列100中的子元件的控制狀態是與圖3a相反的，這樣兩個波束是垂直極化的。垂直極化的波束在第二雙折射元件40中被認為是尋常波，所以，它們直線傳播通過這個雙折射元件40。第二極化旋轉器陣列101被設置成把這兩個波束的極化旋轉90°，這樣它們變成為水平極化的。這兩個水平極化的波束在第三雙折射元件50中被認為是異常波，所以，波束在雙折射元件50中向上行進。兩個波束都被第三極化旋轉器陣列102交截，它把其中一個波束變換成垂直極化。結果的正交極化波束由第四雙折射元件60進行重新組合，以及在輸出埠502處輸出。
圖3d顯示被配置來把輸入埠500耦合到輸出埠504的開關。這裡，第二極化旋轉器陣列101被設置成不提供極化旋轉，這樣，兩個光束保持它們的垂直極化。這兩個垂直極化的波束在第三雙折射元件50中被認為是尋常波，所以，它們直線傳播通過這個雙折射元件50。這兩個垂直極化的波束被第三極化旋轉器陣列102交截，它把其中一個波束的極化變換成水平的。結果的正交波束由第四雙折射元件60進行重新組合，以及在輸出埠504處輸出。
圖4a到4d顯示對於1×4光開關的另一個2-D實施例。這裡，第二和第三雙折射元件被顛倒，以使得較厚的元件更靠近輸入埠500。當第一極化旋轉器陣列100被配置成如圖4a和4b所示時，它控制光束對的光路徑，以使得它們根據第二極化旋轉器陣列101的控制狀態被引導到輸出埠504(圖4a)或輸出埠503(圖4b)。當第一極化旋轉器陣列100被切換到它的互補控制狀態時，如圖4c和4d所示，光束對根據第二極化旋轉器陣列101的控制狀態被引導到輸出埠502(圖4c)或輸出埠501(圖4d)。最後的極化旋轉器陣列102使其中一個波束的極化改變90°，以使得波束回到正交極化，然後，如前面討論的，波束由最後的雙折射元件60進行重新組合。
對於以上討論的兩種設計，應當記住兩個設計考慮。第一，極化旋轉器陣列中的每個子元件的接通和關斷特性是被數字地控制的(例如，「1」是接通和「0」是關斷)。第二，當N級雙折射元件和極化旋轉器陣列被串行放置時，總共有2N個輸出埠。每級產生兩個可能的輸出方向。根據這些設計概念，可實現數字可編程的光路由開關。表1給出控制狀態表。
本設計的另一個關鍵特性是它的容錯。這可以通過考慮圖3a-3d和4a-4d而更好地了解。在這兩組圖中，極化旋轉器陣列被顯示為填充和未填充方塊，以分別表示每個子元件是極化旋轉和非極化旋轉。例如，在兩個圖上，最後的極化控制器102都具有四對子元件。每對中的子元件被控制成處於互補狀態(即，當該對中的一個子元件被接通時，另一個子元件是關斷的)。如圖所示，四對子元件被安排成使得只有交截光束的那對子元件使它的上部子元件組用於垂直極化和它的下部子元件組用於水平極化。另三對被設置成互補狀態，以使得能將任何洩漏的光能量的極化轉成相反的極化，以及由此由雙折射元件向錯誤的方向發送。例如，在圖3a上，第三極化旋轉器陣列102的八個象素從上到下被設置為接通、關斷、關斷、接通、接通、關斷、接通、關斷。如果我們比較圖3b,3c,和3d上的象素，除了頭兩個象素以外，這種組合是這些控制狀態的逆，所述控制狀態即其中光束可被耦合到那三個埠的狀態。這種阻擋確保在輸出信道之間的低的串擾。
這裡再次地，這個實施例也可被看作為1×2光開關的樹結構，該光開關接收從第一雙折射元件30輸出的波束對。樹結構中的這兩級都包括極化旋轉器陣列100、101，它們選擇地旋轉波束對的極化，這樣兩個波束具有由控制狀態確定的相同的極化，以及雙折射元件40、50選擇地使波束對按路由沿著由它們的極化確定的兩條可選的光路徑的任一路徑發送。最後的極化旋轉器陣列102旋轉波束對的極化，以使得它們是正交極化的，以及最後的雙折射元件60在想要的輸出埠501-504處組合正交極化波束。
1×4光路由開關的3-D設計。圖5a到5d顯示了1×4光開關的三維結構。這裡，第二和第三雙折射元件40和50的取向相對於第一和第四雙折射元件的取向成90°。來自輸入埠500的光信號進入第一雙折射元件30，並且被分裂成水平和垂直極化的分量。在以下的圖上，平行於裝置的基面的「雙頭」線表示水平極化，而垂直於基面的「雙頭」線表示垂直極化。
圖5a顯示被配置來將輸入信號路由到輸出埠501的光路由開關。在圖5a上，極化旋轉器100具有(接通，關斷)的狀態，它把水平極化的波束改變成垂直極化的。然後這兩個光束在第一極化旋轉器陣列100的出口處載送同一個垂直極化。在傳送通過第二雙折射元件40時這兩個垂直極化的波束被認為是異常波，所以向上傳播。第二極化旋轉器陣列101交截這個波束對，但沒有施加極化旋轉，這樣，兩個波束都保持垂直極化。然後，波束進入第三雙折射元件50和再次地向上傳播。這兩個垂直極化的波束傳送通過第三極化旋轉器陣列102，後者把其中一個波束的極化旋轉90°，這樣波束對再次變成為正交的。正交極化波束對由第四雙折射元件60進行重新組合，以及在輸出埠501處輸出。
在圖5b上，輸入埠500被耦合到輸出埠502。再次地，兩個波束在經過第一極化旋轉器陣列100以後形成相同的垂直極化，正如圖5a的情況那樣。波束向上傳播，以及在第二雙折射元件40的較高層輸出。在圖5b的情況下，第二極化旋轉器陣列101被設置成「接通」，以及兩個波束的極化都被旋轉90度(即，兩個波束變成為水平極化)。水平極化的波束在第三雙折射元件50中被認為是尋常波，所以直線傳播通過這個元件50。最後的極化旋轉器陣列102交截這兩個波束，以及把其中一個波束的極化旋轉90度，這樣，該波束對由第四雙折射元件60進行重新組合，以及在輸出埠502處輸出。
在圖5c上，輸入埠500被耦合到輸出埠503。第一極化旋轉器陣列100的子元件從先前的兩個狀況被切換到互補狀態。當波束對傳送通過第一極化旋轉器陣列100時，這就導致水平極化。因為兩個波束在雙折射元件40中被認為是尋常波，所以它們直線傳播通過第二雙折射元件40(在它的較低層)。兩個波束的極化被第二極化旋轉器陣列101旋轉90度，這樣，它們就變成為垂直極化。這些垂直極化的波束在第三雙折射元件50中被認為是異常波，故向上傳播。最後的極化旋轉器陣列102交截這兩個波束，以及把其中一個波束的極化旋轉90度，這樣，它們變成為正交極化的。波束由第四雙折射元件60進行重新組合，以及在輸出埠503處輸出。
在圖5d上，輸入埠500被耦合到輸出埠504。在這個情況中，第一極化旋轉器陣列100被設置成與圖5c相同的狀態。當波束對傳送通過第一極化旋轉器陣列100時，這導致水平極化。因為它們在雙折射元件40中被認為是尋常波，所以波束直線傳播通過第二雙折射元件40(在它的較低層)。在這個最後的控制狀態下，極化控制器101被設置成不對光束施加極化旋轉。水平極化的波束在第三雙折射元件50中被認為是尋常波，以及直線傳播通過這個元件50。最後的極化控制器102交截這兩個波束，以及把其中一個波束的極化旋轉90度。正交極化的波束通過第四雙折射元件60進行重新組合，以及在輸出埠504處輸出。
圖6a到6d顯示了1×4路由開關的另一個三維設計。在這個例子中，第二和第三雙折射元件的次序與圖5a到5d相比被顛倒。這裡，第一極化旋轉器陣列100與第二雙折射元件50相組合，以便確定波束是被引導到第一組輸出埠501、503還是被引導到第二組輸出埠502、504。第二極化旋轉器陣列101和第三雙折射元件40的組合確定波束是被引導到在第一組中的輸出埠501還是503，或被引導到在第二組中的輸出埠502還是504。
圖7a到7d是按照本發明的1×4光路由開關的再一個三維實施例的圖。所有的雙折射元件具有相同的厚度。
從以上的設計可以看到，當交截光束對的極化旋轉器被設置成正確的控制狀態時這些路由開關是可工作的。所有的其它子元件可以任其浮動或被切換到任意控制狀態。然而，為了保持路由開關的高性能和低的串擾，子元件或象素被細心地安排，以使得阻擋光洩漏到輸出埠的總的效果最大化。例如，如圖6a-6d所示，第三極化旋轉器陣列102的象素被設置成與它們原先的狀態互補。所以，來自不完全的極化旋轉的任何不想要的光洩漏將被旋轉到錯誤的極化，以及將不被耦合到輸出埠，由此使得串擾最小化。
使用極化的波束分路器的1×N路由開關。在先前討論的實施例中，通過使用樹結構得到光信號路由。在那些情況下，每個光交換級把光信號重新引導到兩個可能的光路徑中的任一個路徑。在信號傳播通過該開關時，N級會導致2N個可能的輸出埠。相反，圖8到12所示的以下的1×N開關的例子(其中N是任意數)顯示了使用串聯結構的開關。在這些開關中，極化的波束分路器(PBS)代替雙折射元件被用作為與極化有關的路由元件。
極化的波束分路器(PBS)允許預定極化的光直接傳送通過波束分路器，但正交極化的光在波束分路器內被反射或折射，以及沿著不同的光路徑輸出。這個路徑典型地與第一波束差90度，如圖8和10所示。
圖8顯示了1×5光開關的結構。在先前的例子中使用的雙折射元件被極化的波束分路器801、802、803、和804代替。每個PBS與極化旋轉器700、705、706和707相耦合，後者按照光開關的控制狀態旋轉波束對的極化。每對極化旋轉器和PBS可被認為是1×2光開關級。例如，極化旋轉器705控制波束對的極化狀態使其為垂直的或水平的。以下的PBS 802或者把波束對路由到輸出埠502，或者把它傳送到下一級，以便進一步路由。在輸入和輸出埠處的極化分離和重新組合是與以前的相同的，即使用雙折射元件30、601、602、603、604和605與雙象素極化旋轉器陣列700、701、702、703、704、和708相組合，以便正交極化控制。
由於PBS的典型的低的極化消光比，在圖8所示的實施例中在每個輸出埠501到505處使用一系列任選的極化器901、902、903、904、和905。這些高的消光比極化器(例如，Polarcor分色玻璃極化器具有10000∶1的極化消光比)純化極化，以便減小串擾。然而，應當指出，開關不使用這些極化器也可以執行它的基本功能。
圖10提供使用基於極化的波束分路器的兩組交換級的1×8開關。每級由極化旋轉器700、711-713和715-717與PBS 800-807相組合而組成，以便建立1×2光路由開關。第一PBS 800根據第一極化旋轉器陣列700中的兩個象素的控制狀態把波束對路由到輸出埠501-504或505-508。在這個1×8開關中的兩組交換級的其餘部分的運行類似於以上描述的和圖8所顯示的。
圖11顯示使用另一種類型的與極化相關的路由元件801、802、和803的1×4光路由開關，這些路由元件在輸出端具有對於垂直和水平極化的偏移角度。這種類型的極化分離器801-803可被看作為雙折射元件(即，平行的波束輸出，高的消光比)與PBS(垂直的波束輸出，低的消光比)的特性之間的折衷。它提供高的極化反差比，以及也以一個角度分開輸出波束。
這個特性放鬆了在製造器件時的某些實際限制，例如在輸出埠處裝配Grinlens。如果1×8開關使用雙折射元件構建以使得兩個正交極化互相平行，則需要三個雙折射元件分別具有d、2d、和4d的厚度。對於1.8mm的當前的Grinlens尺寸(它規定了在輸出埠之間的最小距離)，第一雙折射元件的最小厚度(d)是18mm。對於總計的7d(d+2d+4d)的厚度，這等於126mm。由於所有的其它部件被插入到器件中，總的最小光路徑長度近似於大約130mm。這個長的耦合距離將造成大的插入損耗，以及很難製造。雖然這個問題可以通過在輸出端使用偏轉光的直角稜鏡來解決，但這個方法進一步增加器件的花費和複雜性。PBS或夾角的波束分離器的使用可以放鬆這個耦合限制，因為輸出角度進一步分開光路徑，以使得不再需要夾角的波束分離器的尺寸的幾何增加。這樣的結果是更緊湊的具有更小損耗的開關。
圖9是使用形成二進位樹狀結構的1×2交換級的網絡的1×8光路由開關的例子。這裡再次地，每級由極化旋轉器100、101、102、103、104、105、106與角極化分離器801、802、803、804、805、806和807相組合而形成。像先前的實施例那樣，輸入波束由第一雙折射元件30分離成一對正交極化波束。這些正交極化波束之一的極化由第一極化旋轉器陣列100旋轉90度，這樣，兩個波束具有的極化與由開關的控制狀態確定的極化相同。波束對根據與每級有關的極化旋轉器的控制狀態被路由通過1×2交換級的網絡。應當指出，第一極化旋轉器陣列100具有兩個象素，而其餘的極化旋轉器102到106隻需要單個象素。在每個輸出埠處，最後的極化旋轉器陣列107-114把波束對轉回到正交極化，這樣它們可以由最後的雙折射元件601-608進行組合。
圖13是與極化相關的路由元件31的截面圖，它可被使用來代替雙折射元件30和60以把輸入波束分離成正交極化的分量，或在輸出埠處組合正交極化波束。這個與極化相關的路由元件31是PBS與反射式稜鏡的組合。輸入波束的垂直極化分量直接傳送通過元件31。然而，輸入波束的水平極化分量在PBS內被反射90度，以及被稜鏡的反射面再次反射，以使得該水平極化波束平行於垂直極化波束、但又與垂直極化波束分開地射出。
使用極化的波束分路器的N×M路由開關。圖8到11所示的、本發明的實施例是具有單個輸入埠和N個輸出埠的1×N路由開關。這個概念可被擴展來建立具有任意數目的輸入和輸出埠的光路由開關。
圖12顯示一個實施方案，其中四個1×4開關並行地互相堆疊。在一個使用N×N結構的網絡應用中，需要總共2N個1×N模塊。在4×4的例子中，需要8個1×4交換模塊。對於圖12所示的四層結構，這些器件中的兩個便足夠構建4×4縱橫式開關。從材料消耗來看，因為開關中的光部件除了在一維上增加尺寸以外是相同的，所以材料消耗基本保持不變。隨著層的數目增加，這快速地減小每層的平均材料消耗。
圖14是使用單個PBS 800的2×2路由開關的替換例的截面圖。兩個輸入埠500、501包括雙折射元件600、601，它把輸入波束空間地分離成一對正交極化波束。極化旋轉器陣列700和701旋轉至少一個波束的極化，以使得兩個波束都是水平極化或垂直極化，這由開關的控制狀態確定。根據它們的極化，波束或者直接通過PBS傳送到相對的輸出埠502或503，或者被反射90°到另一個輸出埠503或502。兩個輸出埠502、503包括極化旋轉器陣列702、703，它把波束對轉回到正交極化。最後的雙折射元件602、603在輸出埠502、503處組合正交極化的波束對。
圖15是2×2路由開關的可選實施例的截面圖，它把圖14所示的實施例的基本概念擴展到極化的波束分路器800、801、802、和803的二維網絡。每個極化器901、902、903、和904可以按照開關的控制狀態被外部控制，以便調整進入到極化的波束分路器801、802和803的波束對的極化。進入到初始的PBS 800的波束對的極化由極化旋轉器陣列700和701控制。像前面那樣，兩個輸出埠502、503都包括把波束對轉回到正交極化的極化旋轉器陣列702、703和在輸出埠502、503處組合正交極化的波束對的最後的雙折射元件602、603。
圖16是2×8路由開關的截面圖，它使用類似於圖10所示的1×8路由開關的串聯結構的多個極化的波束分路器800到807。第二輸入埠被加到初始PBS 800，它以與圖14和15所示的實施例相同的方式起作用。
圖17是使用16個極化的波束分路器801、802、803等的二維網絡或陣列的4×4路由開關的截面圖。像前面那樣，每個輸入埠501到504包括雙折射元件601-604(它把輸入波束空間地分離成一對正交極化波束)和極化旋轉器陣列701-704，後者旋轉至少一個波束的極化，以使得兩個波束都是水平極化或垂直極化，這由開關的控制狀態確定。波束對然後進入極化的波束分路器的網絡，在其中通過控制與每個極化的波束分路器801、802、803等相關的、適當的極化旋轉器陣列701-704和極化器901、902、903等的狀態，而將波束對路由到希望的輸出埠505-508。每個輸出埠包括把波束對轉回到正交極化的極化旋轉器陣列705-708和在輸出埠處組合正交極化的波束對的最後的雙折射元件602、603。
圖18是4×4路由開關的可選實施例的截面圖。四個輸入埠501到504和輸出埠505到508的位置相對於極化的波束分路器801,802,803等的4×4網絡被移位。然而，這個實施例的功能基本上是與圖17所示的4×4路由開關相同的。
圖19是使用極化的波束分路器801、802、803等的4×4網絡的6×6路由開關的截面圖。極化的波束分路器的4×4陣列可以支持最多到16個輸入/輸出埠的最大值。然而，當輸入/輸出埠的數目增加時，波束路徑的隔離和重疊變成為問題。這個實施例使用全部16個埠，但從兩個埠處出去的波束(見雙折射元件621和622)被作為輸入而路由到另兩個埠(見雙折射元件623和624)，然後可被引導到任意的輸出埠507到512，如前面討論的。這種結構有助於減小PBS和極化器的數目，由此降低製造成本。
圖20a和20b是使用PBS 801、802、803、和804的2×2網絡的2×2路由開關的可選實施例的兩個控制狀態的圖。兩個輸入埠包括雙折射元件601、602(它把輸入波束空間地分離成一對正交極化波束)和極化旋轉器陣列701、702，後者旋轉至少一個波束的極化，以使得兩個波束都是水平極化或垂直極化，這由開關的控制狀態確定。波束對然後進入PBS 801-804的網絡，由此它們被路由到想要的輸出埠。兩個輸出埠都包括把波束對轉回到正交極化的極化旋轉器陣列703、704和在輸出埠處組合正交極化的波束對的最後的雙折射元件603、604。圖20a顯示路由開關的第一控制狀態，其中與兩個輸入埠有關的極化旋轉器陣列701和702改變輸入波束對的極化，以使得它們直接傳送到PBS 801和802。相反，圖20b顯示第二控制狀態，其中極化旋轉器陣列701和702改變波束對的極化，以使得它們在PBS 801和802內被反射90°。波束對也在PBS 804和803內被反射90°，以把波束對路由到與圖20a所示的相對的輸出埠組。
圖21是4×4路由開關的可選實施例的圖，它利用PBS 801-808和極化器901-911的網絡把波束對從每個輸入埠路由到想要的輸出埠。像前面那樣，每個輸入埠包括雙折射元件601-604(它把輸入波束空間地分離成一對正交極化波束)和極化旋轉器陣列701-704，後者旋轉至少一個波束的極化，以使得兩個波束都是水平極化或垂直極化，這由開關的控制狀態確定。來自每個輸入埠的波束對然後進入PBS 801-808和極化器901-911的網絡，由此它們通過控制適當的極化旋轉器陣列701-704和極化器901-911的狀態而被路由到想要的輸出埠508。每個輸出埠包括把波束對轉回到正交極化的極化旋轉器陣列705-708和在輸出埠處組合正交極化的波束對的最後的雙折射元件605-608。
使用直角稜鏡的N×M路由開關。圖22a和22b是使用直角稜鏡對223和224的2×2路由開關的可選實施例的兩個狀態的兩個側視圖以及圖22c和22d是其頂視圖。在圖22a和22c所示的第一控制狀態中，來自輸入埠501的輸入波束被路由到輸出埠500，來自輸入埠502的輸入波束被路由到輸出埠503。在圖22b和22d所示的第二控制狀態中，來自輸入埠501的輸入波束被路由到輸出埠503，來自輸入埠502的輸入波束被路由到輸出埠500。這裡再次地，雙折射元件30、60與輸入埠501、502和輸出埠503、504相聯繫。這些雙折射元件30、60把來自任一個輸入埠的輸入波束空間地分離成一對正交極化波束。極化旋轉器陣列221或226旋轉至少其中一個波束的極化，以使得兩個波束都是水平極化或垂直極化，這由開關的控制狀態確定。波束對然後進入第二雙折射元件222或225，它根據波束對的極化，或者允許波束對直接傳送通過在同一個水平面上的第二雙折射元件222、225(如圖22a和22c所示)，或向上引導波束對到第二垂直面(如圖22b和22d所示)。
在如圖22a和22c所示的第一控制狀態下，波束對在直角稜鏡223或224內反射兩次，如圖22c所示，由此被引導回到相鄰的輸出埠500或503。與每個輸出埠500或503有關的極化旋轉器陣列220或227把波束對轉回到正交極化，以及雙折射元件30或60在輸出埠處組合正交極化的波束對。
在如圖22b和22d所示的第二控制狀態下，第二雙折射元件222或225向上引導波束對到第二垂直面，以使得它們在稜鏡223和224的上方通過並直接到達在器件的相對一側的第二雙折射元件222或225。第二雙折射元件222、225由于波束對的極化把它們返回到較低的垂直面。像前面那樣，與每個輸出埠500或503有關的極化旋轉器陣列220或227把波束對轉回到正交極化，以及雙折射元件30或60在輸出埠處組合正交極化的波束對。
本發明具有以下優點(1)與極化無關的運行；(2)低的信道間串擾；(3)低的插入損耗；(4)在寬的波長範圍內運行；(5)寬的溫度工作範圍；(6)當使用不同的極化變換器時交換速度可從毫秒變化到納秒；以及(7)可升級的結構(M×N)，它允許多個開關被堆疊在一起。因為液晶極化旋轉器的空間光調製特性，這些開關結構最好用液晶極化旋轉器實施。在這樣的例子中，象素化的調製器可以在每一級中被使用來控制波束對。大的矩陣可被製做在一個結構中，這樣便可產生大型的N×M光路由開關。
以上的揭示內容闡述了本發明的多個實施例。沒有被精確闡述的其它的安排或實施例，可以在本發明的教導下以及如以下的權利要求所闡述的實施。
權利要求
1．一種把多個輸入埠的任一埠處的輸入波束引導到由特定的控制狀態確定的多個輸出埠的任一埠的光路由開關，所述開關包括接收輸入波束的多個輸入埠，每個輸入埠具有第一與極化相關的路由元件，它把所述輸入波束分離成一對正交極化波束；以及光開關的網絡，它接收從每個所述輸入埠的所述第一與極化相關的路由元件輸出的所述波束，以及具有多個輸出埠，其中至少一個所述光開關包括(a)極化旋轉器裝置，用於選擇地旋轉所述波束對中至少一個波束的極化，以使得兩個波束具有由所述控制狀態確定的相同的極化；以及(b)與極化相關的路由元件，它選擇地使從所述極化旋轉器裝置輸出的所述波束對按路由沿著由它們的極化決定的兩個不同的光路徑的任一個路徑發送；其中所述輸出埠包括(a)極化旋轉器裝置，用於旋轉所述波束對的極化，以使得所述波束是正交極化的；以及(b)最後的與極化相關的路由元件，它在所述輸出埠處組合所述正交極化的波束。
2．權利要求1的光路由開關，其特徵在於，其中所述與極化相關的路由元件包括雙折射元件。
3．權利要求1的光路由開關，其特徵在於，其中所述與極化相關的路由元件包括極化的波束分路器。
4．權利要求1的光路由開關，其特徵在於，其中所述與極化相關的路由元件包括極化的波束分路器和反射式稜鏡。
5．權利要求1的光路由開關，其特徵在於，其中所述光開關網絡包括二進位樹結構。
6．權利要求1的光路由開關，其特徵在於，其中所述光開關網絡包括一個1×2光開關。
7．權利要求1的光路由開關，其特徵在於，其中所述極化旋轉器裝置包括液晶極化旋轉器。
8．權利要求7的光路由開關，其特徵在於，其中所述液晶極化旋轉器包括多個象素。
9．一種把多個輸入埠的任一埠處的輸入波束引導到由特定的控制狀態確定的多個輸出埠的任一埠的光路由開關，所述開關包括接收輸入波束的多個輸入埠，每個輸入埠具有(a)第一與極化相關的路由元件，它把所述輸入波束分離成一對正交極化波束；以及(b)第一極化旋轉器陣列，它選擇地旋轉所述波束對中至少一個波束的極化，以使得兩個波束具有由所述控制狀態確定的相同的極化；以及與極化相關的路由裝置，用於使從輸入埠的所述第一極化旋轉器陣列輸出的所述波束對按路由沿著由所述控制狀態決定的多個不同的光路徑的任一個路徑發送；以及多個輸出埠，用於選擇地接收從所述與極化相關的路由裝置輸出的所述波束對，每個輸出埠具有(a)最後的極化旋轉器陣列，它選擇地旋轉所述波束對中至少一個波束的極化，以使得所述波束是正交極化的；以及(b)最後的與極化相關的路由元件，它組合所述正交極化的波束。
10．權利要求9的光路由開關，其特徵在於，其中所述與極化相關的路由裝置包括極化的波束分路器。
11．權利要求9的光路由開關，其特徵在於，其中所述與極化相關的路由裝置包括雙折射元件。
12．權利要求9的光路由開關，其特徵在於，其中所述與極化相關的路由裝置包括以下器件的網絡極化的波束分路器，它選擇地使從一個輸入埠的所述第一極化旋轉器陣列輸出的所述波束對按路由沿著由所述波束對的極化決定的多個不同的光路徑的任一個路徑發送；以及極化旋轉器裝置，用於按所述控制狀態所確定的那樣，選擇地旋轉進入所述極化的波束分路器的所述波束對的極化。
13．權利要求12的光路由開關，其特徵在於，其中所述極化的波束分路器網絡包括極化的波束分路器的二維陣列。
14．權利要求9的光路由開關，其特徵在於，其中所述極化旋轉器裝置包括液晶極化旋轉器。
15．權利要求9的光路由開關，其特徵在於，其中所述極化旋轉器陣列包括具有多個象素的液晶極化旋轉器。
16．權利要求9的光路由開關，其特徵在於，其中所述與極化相關的路由裝置包括1×2光開關網絡。
17．權利要求9的光路由開關，其特徵在於，其中所述與極化相關的路由裝置包括以二進位樹結構排列的光開關的網絡。
18．包括多個級聯的級的光路由開關，其中每級在相應數目的輸入埠處接收一個或多個光信號，和響應於被加到每級的控制信號，可切換地路由光信號到多個輸出埠的任一埠，以及其中至少一個所述的級包括接收輸入波束的多個輸入埠，每個輸入埠具有第一與極化相關的路由元件，它把所述輸入波束分離成一對正交極化波束；以及光開關網絡，它接收從每個所述輸入埠的所述第一與極化相關的路由元件輸出的所述波束，以及具有多個輸出埠，其中至少一個所述光開關包括(a)極化旋轉器裝置，用於選擇地旋轉所述波束對中至少一個波束，以使得兩個波束具有由所述控制狀態確定的相同的極化；以及(b)與極化相關的路由元件，它選擇地使從所述極化旋轉器裝置輸出的所述波束對按路由沿著由它們的極化決定的多個可能的光路徑的任一個路徑發送；其中所述輸出埠包括(a)極化旋轉器裝置，用於旋轉所述波束對的極化，以使得所述波束是正交極化的；以及(b)最後的與極化相關的路由元件，它在所述輸出埠處組合所述正交極化的波束。
19．權利要求18的光路由開關，其特徵在於，其中所述光開關網絡包括1×2光開關網絡。
20．權利要求18的光路由開關，其特徵在於，其中所述的級包括二進位樹結構。
全文摘要
光路由開關在很寬的溫度和波長的工作範圍內提供在任何輸入埠(500,501)與任何輸出埠之間的與極化無關的、低的串擾。在每個輸入埠(500,501)處的光信號被第一與極化相關的路由元件(30)空間分解成兩個正交極化的波束。這個波束被路由通過光開關,每個光開關包括:(1)可切換地控制的極化旋轉器(100),以使得按照器件的控制狀態來將兩個輸出的波束或者是垂直極化或者是水平極化;和(2)與極化相關的路由元件,它根據極化來路由波束。這些波束然後被輸入到極化旋轉器陣列,後者改變至少一個光束的極化,以使得兩個波束變成為正交極化的。與極化相關的路由元件(60)交截這兩個正交極化波束和重新組合這兩個波束以便在選擇的輸出埠輸出。
文檔編號G02B6/34GK1306709SQ99807655
公開日2001年8月1日 申請日期1999年4月16日 優先權日1998年4月21日
發明者K·－Y·吳, J·－Y·劉 申請人:喬拉姆技術公司