40×40波長無阻塞光開關的製作方法

2023-05-30 15:53:16

專利名稱：40×40波長無阻塞光開關的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光纖通訊領域，特別是一種40×40波長無阻塞光開關，適用于波分復用的光通訊全光交叉連接網絡和光路切換的光開關系統。
背景技術：
隨著光傳送網向高速、大容量的方向發展，作為系統節點核心器件的開關元件，其性能的好壞成為決定節點性能和網絡性能的關鍵。不論是網絡的構造，還是網絡故障下的恢復，都需要光開關的智能控制。大容量、高速交換、透明、低損耗的光開關將在光網絡發展中起到更為重要的作用。
在先技術[1](參見JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，Vol.16，No.4，APRIL 1998，P650-655)提出一種波導型多信道波長選擇光開關，它把一個陣列波導光柵耦合器和四個熱光開關集成在同一矽片上。陣列波導光柵(AWG)製作工藝複雜，插入損耗比較大，波導的長度容易受外界溫度的影響。
在先技術[2](參見JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，Vol.16，No.8，AUGUST 1998，P1473-1481)提出一種自由空間多信道光開關，由液晶光調製器陣列和若干雙折射晶體級聯構成。該光開關對雙折射晶體的加工精度要求較高，且光開關的集成度不高，限制了向大規模方向發展。

發明內容
本實用新型要解決的問題在於克服先有技術的不足，提出一種基於鈮酸鋰晶體波長路由模塊的40×40波長無阻塞光開關，用於實現40個波長信道的無阻塞路由交換。具有結構簡單，設計新穎，運行可靠，穩定性高，不受環境幹擾，損耗低，響應速度快等優點。適於大容量、高速度光交換網絡發展的需要。
本實用新型40×40波長無阻塞光開關101是通過如下技術解決方案實現的光開關101包括四個信號輸入埠，分別輸入波分復用(WDM)光信號I1-I4，四個信號輸出埠，分別輸出WDM光信號O1-O4；光開關101還包括四塊鈮酸鋰晶體(LN)102-105，四個4×1光纖耦合器106-109，它們通過信號傳輸光纖交叉連接成一個波長路由模塊，用於實現不同光信號之間的波長交換路由；晶體102-105上分別集成了一個光波分解復用器(DMUX)和一個10×4電光開關矩陣(EOSM)；每個波分解復用器由集成在鈮酸鋰晶體上的10體光柵(HG)構成，利用體光柵的布拉格波長選擇特性實現了WDM信號的解復用；10×4電光開關矩陣由集成在鈮酸鋰晶體上的40個單元電光開關(cell)構成，利用單元電光開關的信號切換特性實現了解復用光信號的選擇和分組；單元電光開關由蒸鍍在鈮酸鋰晶體表面上的電極對和記錄在晶體中的體光柵兩部分構成，利用鈮酸鋰晶體的橫向電光效應和體光柵的布拉格衍射特性實現了對光信號的切換；利用鈮酸鋰晶體的光折變特性在晶體中記錄了體光柵，記錄光和讀出信號光及其衍射光同時滿足體光柵的布拉格衍射條件。


圖1給出40×40波長無阻塞光開關101的總體結構示意圖。
圖2給出40×40波長無阻塞光開關101的工作過程示意圖。
圖3給出光波分解復用器(DMUX-1)110的工作原理圖。
圖4給出電光開關矩陣EOSM-1(114)的工作過程示意圖。
圖5給出單元電光開關cell的工作原理示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖，詳細說明本實用新型裝置的具體實施方式
。
圖1是40×40波長無阻塞光開關101的總體結構示意圖。如圖1所示，本實用新型40×40波長無阻塞光開關101包括4個輸入波分復用(WDM)光信號(I1-I4)和四個輸出的波分復用(WDM)光信號(O1-O4)。每個輸入WDM光信號Im(m＝1，2，3，4)攜帶10個波長復用的信道(Im1，Im2，...，Im10)，其中光信號Imn(n＝1，2，...，10)的波長為λn；每個輸出的WDM光信號Oh(h＝1，2，3，4)也攜帶10個波長復用的信道(Oh1，Oh2，...，Oh10)，其中光信號Ohn(n＝1，2，...，10)的波長為λn。波長無阻塞光開關101還包括四塊規格相同的長方體鈮酸鋰晶體(LN)102-105，每塊晶體上分別集成了一個光波分解復用器(DMUX)和一個10×4電光開關矩陣(EOSM)；晶體102-105均包含一個信號輸入埠和四個信號輸出埠，其輸入、輸出信號分別通過光纖透鏡(FL)與相應的信號輸入、輸出光纖相連。光開關101還包括四個4×1光纖耦合器(FCP)106-109。所說的鈮酸鋰晶體102-105和4×1光纖耦合器106-109通過信號傳輸光纖交叉連接起來，構成一個波長路由模塊，從而實現了波長光信號之間的路由交換。40×40波長無阻塞光開關101能夠把任何一個輸入光信號Imn(m＝1，2，3，4；n＝1，2，...，10)傳送到光開關101四個信號輸出埠之一。為了避免衝突，任和兩個具有相同波長的輸入光信號不能傳送到同一個信號輸出埠中去，因而本實用新型裝置具有波長無阻塞特性。
圖2給出了40×40波長無阻塞光開關101的工作過程示意圖。如圖2所示，四個光波分解復用器(DMUX)110-113、四個10×4電光開關矩陣(EOSM)114-117和四個光纖耦合器(FC)106-109通過信號傳輸光纖交叉連接起來，構成一個波長路由模塊；4個輸入WDM光信號I1-I4通過波長路由模塊進行交換後變成四個輸出的WDM光信號O1-O4；波長路由模塊中光波分解復用器DMUX-m和電光開關矩陣EOSM-m集成在同一塊鈮酸鋰晶體LN-m上，其中m＝1，2，3，4。波長路由模塊的工作過程如下從光開關101的信號輸入埠輸入的WDM光信號Im(m＝1，2，3，4)首先通過光波分解復用器DMUX-m解復用，解復用後的10個單波長光信號Im1-Im10分別沿著不同的傳輸光路直接進入到電光開關矩陣EOSM-m中；通過控制電光開關矩陣EOSM-m的狀態，可以對輸入的10個解復用單波長光信號Im1-Im10進行波長路由選擇並重新組合成四個多信道光信號Gm1-Gm4，光信號Gm1-Gm4分別從電光開關矩陣EOSM-m的四個信號輸出埠進入相應的信號傳輸光纖；多信道光信號Gm1-Gm4分別通過相應的信號傳輸光纖傳送到光纖耦合器FCP-1-FCP-4中，每個光纖耦合器FCP-h(h＝1，2，3，4)接收從四個電光開關矩陣114-117傳輸來的多信道光信號G1h-G4h並將它們重新復用為WDM光信號Oh(h＝1，2，3，4)後輸出，Oh攜帶10個波長復用的信道(Oh1，Oh2，...，Oh10)且各個信道的光信號的波長各不相同，其中光信號Ohn(n＝1，2，...，10)的波長為λn。
這樣由鈮酸鋰晶體102-105和光纖耦合器106-109通過信號傳輸光纖交叉連接構成的波長路由模塊，可以實現WDM光信號的解復用，並能夠根據設計要求對光信號選擇、分組及重新組合。通過這個波長路由模塊，實現了40個信道的波長路由交換，輸入端能夠將任意一個輸入光信號Imn輸出到任意一個輸出端，從而實現了具有波長無阻塞特性的40×40光交換開關101。本實用新型裝置的結構比較簡單，它對波長交換具有靈活性。由於沒有可移動部件，因而其可靠性較高，抗環境幹擾強，插入損耗低。
圖3給出了光波分解復用器(DMUX-1)110的工作原理圖。集成在鈮酸鋰晶體LN-m(m＝1，2，3，4)上的光波分解復用器DMUX-m，其波長解復用功能是通過記錄在晶體上的體全息光柵的波長選擇作用實現的。下面結合光波分解復用器DMUX-1來說明。如圖3所示，規定晶體光軸c的取向沿著坐標z方向，WDM光信號的傳輸方向沿著坐標y方向，光場振動方向平行於坐標x方向。在鈮酸鋰晶體LN-1中記錄了10個體全息光柵HG1-HG10，它們等間距排列且位於平行於坐標y方向的同一直線上；體全息光柵HGi(i＝1，2，...，10)對沿著坐標y方向傳播、振動方向平行於坐標x方向的信號光I1i產生衍射，衍射光波沿晶體的光軸方向傳播且振動方向不變；體光柵HGi對不符合上述條件的信號光則是透明的。由於入射信號光I1i(i＝1，2，...，10)及其衍射光都是尋常偏振光，因而它們的波矢大小相同、方向相互垂直，根據布拉格衍射條件，體光柵HGi的波矢指向坐標(0，1，1)方向；由於信號光I11-I110的波長各不相同，因此體光柵HG1-HG10的波矢大小不同，但彼此差別不大。光波分解復用器(DMUX-1)110的工作過程如下WDM光信號I1沿著坐標y方向進入波分解復用器110中，到達體光柵HG1時光信號I11被衍射，衍射光波沿著晶體的光軸方向傳播，因而從多波長信號光波中分離出來；由於體光柵HG1對其它的信號光是透明的，因而剩餘的光信號I12-I110直接通過光柵HG1繼續傳播；同理，體光柵HG2-HG10分別對光信號I12-I110產生衍射，使它們順次從WDM光信號I1中分離出來；分離出來的10個單波長光信號I11-I110分別沿著平行於晶體光軸方向的不同光路傳播，最後進入集成在同一塊鈮酸鋰晶體上的電光開關矩陣中。
這樣，利用記錄在鈮酸鋰晶體中不同位置處的若干體光柵的波長選擇作用，可以把WDM光信號分解成在空間彼此上分開的單波長光信號，從而實現了WDM光信號的解復用。記錄體光柵對傳輸的光信號具有較低的插入損耗。
圖4給出了電光開關矩陣(EOSM-1)114的工作過程示意圖。集成在鈮酸鋰晶體LN-m(m＝1，2，3，4)上的電光開關矩陣EOSM-m，其波長選擇、分組功能是通過集成在晶體上的各個單元電光開關cell的信號切換作用實現的。下面結合電光開關矩陣(EOSM-1)114來說明。如圖4所示，仍取晶體光軸c的取向沿著坐標z方向，入射的單波光信號I1i(i＝1，2，...，10)平行於晶體光軸方向傳播。在鈮酸鋰晶體LN-1中集成了40個單元電光開關cell，它們排成一個10行4列電光開關矩陣EOSM-1(其外觀結構如圖1所示)，矩陣的行和列分別平行於晶體光軸和坐標y方向。位於電光開關矩陣第i(i＝1，2，...，10)行上的四個單元電光開關的結構和功能相同，均能夠對單波光信號I1i進行選擇、切換；位於電光開關矩陣任意一列上的第i(i＝1，2，...，10)個單元電光開關能夠對單波光信號I1i進行選擇、切換，對任何沿著坐標y方向傳輸的光信號則是透明的。電光開關矩陣EOSM-1的波長選擇與分組過程如下光信號I1i(i＝1，2，...，10)沿著平行於晶體光軸的光路進入電光開關矩陣114的第i行，由位於該行上的四個單元電光開關之一進行選擇、切換；光信號I1i到達第i行的第一個單元電光開關時，如果需要選擇，單元電光開關就把它切換到坐標y方向傳輸，如果不需要選擇，則光信號I1i直接通過第一個單元電光開關進入該行的下一個單元電光開關，依此類推；根據設計要求，在電光開關矩陣114第j(j＝1，2，3，4)列上有若干個單元電光開關cell選擇並切換相應的光信號，該列中被選擇的若干光信號沿著平行於坐標y方向的同一光路傳播，最終在電光開關矩陣114的第j個輸出埠處組合成一個多信道光信號G1j(j＝1，2，3，4)；10個輸入的解復用單波長光信號I11-I110在經過電光開關矩陣EOSM-1選擇、分組後，組合成四個多信道光信號G11-G14。
這樣，利用集成在鈮酸鋰晶體上的若干單元電光開關cell的信號切換作用，實現了對輸入的多個單波長光信號的選擇與分組，重新組合後的每個多信道光信號包含若干個單波長光信號。
圖5給出了單元電光開關cell的工作原理示意圖。集成在鈮酸鋰晶體LN-m(m＝1，2，3，4)上的單元電光開關，是利用鈮酸鋰晶體的橫向電光效應和體光柵的布拉格衍射特性來實現其信號切換功能的。如圖5所示，仍取晶體的光軸c平行於坐標z方向。單元電光開關cell包含蒸鍍在鈮酸鋰晶體表面上的電極對118和記錄在鈮酸鋰晶體中的體光柵119兩部分。電極對118對稱地加在鈮酸鋰晶體平行於坐標面yz的兩個相對側面上，用以對鈮酸鋰晶體沿著x方向施加橫向半波電壓；體光柵119對沿著晶體光軸方向傳播、波長為λn(n＝1，2，...，10)且光波振動方向平行於坐標y方向的光信號產生衍射，衍射光波沿著坐標y方向傳播且光波振動方向平行於光軸；體光柵119對不符合上述條件的信號光則是透明的。由於入射信號光Imn(m＝1，2，3，4；n＝1，2，...，10)是尋常偏振光而衍射的信號光是非常偏振光，因而二者波矢大小略有不同而方向相互垂直，根據體光柵的布拉格衍射條件，體光柵119的波矢指向稍微偏離坐標(0，1，-1)的方向；位於電光開關矩陣EOSM-m同一行上的各個單元電光開關中的體光柵，其波矢的空間取向和大小均相同；位於電光開關矩陣EOSM-m同一列上的各個單元電光開關中的體光柵，其光柵波矢的空間取向和大小各不相同但彼此差別不大。單元電光開關cell的電光偏轉過程如下波長為λn(n＝1，2，...，10)、振動方向平行於坐標x方向的信號光Imn沿著晶體光軸方向進入單元電光開關cell，如果電極對118不加橫向半波電壓，則光信號Imn到達體光柵119時振動方向不變，因而直接通過光柵繼續沿著晶體光軸方向傳輸，記作Imn(o)，這對應單元電光開關的直通狀態；如果電極對118對鈮酸鋰晶體加橫向半波電壓，由於鈮酸鋰晶體的橫向電光效應而使得其感應主軸繞轉動了45°，光信號Imn到達體光柵119時振動方向變為平行於坐標y方向，此時體光柵119對光信號Imn產生衍射，衍射後的信號光沿著坐標y方向傳播且振動方向平行於晶體的光軸，記作Imn(e)，這對應單元電光開關的切換狀態。
可見，利用鈮酸鋰晶體的橫向電光效應和體光柵的布拉格衍射特性實現了單元電光開關單元cell的信號切換作用。單元電光開關具有納秒級的交換速度和低損耗特性，其體積較小，容易大規模集成為大型的電光開關矩陣。因此適應於高速、大容量光傳送網發展的需求。
本實用新型裝置的具體實施例晶體102-105是經高溫氧化處理的LiNbO3∶Fe∶Mn或LiNbO3∶Ce∶Cu單晶，晶體加工成長、寬、厚分別為60mm、42mm和1mm的長方體；四塊晶體的規格相同，它們的光軸取向均沿著長度方向；晶體102-105的所有表面都進行了光學拋光。
單元電光開關(cell)的規格為10×2×1mm3，其中蒸鍍電極的長度、寬度分別為5mm、2mm；40個單元電光開關在鈮酸鋰晶體上排列成一個10×4的電光開關矩陣EOSM，矩陣相鄰兩行之間的間距為2mm，相鄰兩列之間的間距也為2mm，電光開關矩陣EOSM的規格為50×42×1mm3。
光波分解復用器(DMUX)的規格為10×42×1mm3，其中記錄的各個體光柵等間距排列，第i(i＝1，2，...10)個體光柵HGi位於集在同一塊鈮酸鋰晶體上的電光開關矩陣(EOSM)的第i行上。
在雙摻雜鈮酸鋰晶體102-105中記錄體全息光柵，均採用雙中心光固定非揮發性全息記錄法。用波長為632.8nm的紅光作為記錄光，用波長為365nm的紫外光作為敏化光。由於光通訊波段的信號光對鈮酸鋰晶體不敏感，因而通過光柵衍射時不會對體光柵產生擦除。體光柵的波矢、記錄雙紅光的波矢、信號光及其衍射光的波矢之間同時滿足體光柵的布拉格匹配條件。
權利要求1.一種40×40波長無阻塞光開關(101)，包括四個信號輸入埠(I1-I4)，四個信號輸出埠(O1-O4)；其特徵在於四塊規格相同的鈮酸鋰晶體(102-105)和四個4×1光纖耦合器(106-109)，它們通過信號傳輸光纖交叉連接成一個波長路由模塊；每一塊晶體(102-105)上分別集成了一個光波分解復用器(DMUX)和一個10×4電光開關矩陣(EOSM)；每個波分解復用器(DMUX)由集成在鈮酸鋰晶體上的10體光柵(HG)構成，；10×4電光開關矩陣由集成在鈮酸鋰晶體上的40個單元電光開關構成，每一塊晶體(102-105)上均包含一個信號輸入埠(I1-I4)和四個輸出埠(O1-O4)，其輸入輸出信號分別通過光纖透鏡(FL)與相應的信號輸入、輸出光纖相連。
2.根據權利要求1所述的40×40波長無阻塞光開關，其特徵在於所述的單元電光開關由蒸鍍在鈮酸鋰晶體表面上的電極對和記錄在晶體中的體光柵(HG)兩部分構成。
專利摘要本實用新型涉及一種40×40波長無阻塞光開關，包括四塊雙摻雜鈮酸鋰晶體和四個光纖耦合器，它們通過信號傳輸光纖連接構成一個波長路由模塊，在每塊鈮酸鋰晶體上集成了一個光波分解復用器和一個10×4電光開關矩陣。本實用新型裝置實現了40個波長信道的無阻塞路由交換。本實用新型具有結構簡單、運行可靠、不受環境幹擾、插入損耗低和響應速度快等優點。適於大容量、高速度光網絡發展的需要。
文檔編號G02B6/26GK2611937SQ0323026
公開日2004年4月14日 申請日期2003年4月11日 優先權日2003年4月11日
發明者董前民, 劉立人, 劉德安, 祖繼鋒, 欒竹, 張娟, 宋哲 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所