专利名称：双路2×2光开关及由其组成的4×4自由空间光开关的制作方法
技术领域：
本发明属于光通信器件，特别涉及全光通信网络的光无源器件。
背景技术：
随着全球通信业务量的飞速发展和通信服务类型的增加，高速大容量的宽带综合业务数字网已成为现代通信网络发展的必然趋势。电子信号处理速率上限约为10Gbit/s，基于电子技术的传统通信网，由于电子器件的速率已经越来越接近物理和技术上的极限，进一步提高速率将使系统成本大大增加，因此目前光纤传输网中存在由于光/电-电/光转换而引起的电子瓶颈，出路是采用宽带、大容量、高速的密集波分复用(DWDM)全光通信网。随着光纤通信干线网的建立，光纤到家(FTTH)的用户网是未来光通信网发展的方向，它对于克服目前电传输为主的用户网通信的瓶颈效应具有重要的意义。光通信网中需要大量的光无源器件，如光开关、光滤波器、密集波分复用器等。光开关作为新一代全光网络的关键器件，用于控制光纤传输通道中光信号的通、断，系统保护倒换，系统监测，实现全光联网光层面上的路由选择、波长选择、光交叉连接、光分插复用和自愈保护等功能。目前光开关的研究主要包括宏观尺度上的机械光开关，微电子机械光开关，磁光开光，电光开关，光波导光开关，液晶光开关，热光效应光开关和自由空间光开关等。美国CentralFlorida大学的N.A.Riza等人提出了一种与偏振无关的自由空间2×2双向光纤光开关结构，采用4块偏振分束棱镜，4块FLC偏振光开关及波片、全反镜等光学元件，用它构造的4×4自由空间光开关，所用光学元件多，结构复杂，光学调试困难。
发明内容
本发明提供一种双路2×2光开关及由其组成的4×4自由空间光开关，目的在于减少光开关所需的光学元件，实现结构紧凑，模块化，与偏振无关。
本发明一种双路2×2光开关，包括偏振分束棱镜，波片和全反镜，其特征为所述光开关光路上具有第一偏振分束组合棱镜PBS1、光偏振控制器列阵S1、第二偏振分束组合棱镜PBS2；第二偏振分束组合棱镜PBS2垂直侧面贴有一块λ/4波片QWP、与其相对的位置具有一块全反镜TR1；第二偏振分束组合棱镜PBS2水平侧面贴有两块λ/2波片HWP，其上分别置有一块直角组合棱镜RAP；第一偏振分束组合棱镜PBS1构成光输入端，第二偏振分束组合棱镜PBS2与λ/4波片QWP相对的垂直侧面构成光输出端。
所述的双路2×2光开关，所述第一偏振分束组合棱镜PBS1可以包括四块相贴的棱镜、其各自上下两个面为45°全反射面，棱镜和棱镜之间依次为偏振面PF、双面全反射面TR、偏振面PF；第二偏振分束组合棱镜PBS2由两块直角棱镜组成，其45°贴合面为偏振面PF。
所述的双路2×2光开关，所述光偏振控制器列阵S1可以由两块偏振控制单元并列构成，各偏振控制单元为铁电液晶光调制器或移动式λ/2波片列阵。
本发明一种4×4自由空间光开关，包括偏振分束棱镜，波片和全反镜，其特征为其由三个独立且完全相同的权利要求1、2或3所述的双路2×2光开关组成，每个双路2×2光开关构成单元模块，单元模块之间采用固定光纤通道形式连接，前一级单元模块光信号的输出，即为后一级单元模块光信号的输入，每一级单元模块的工作方式相同，其中各级单元模块的光偏振控制器列阵S1的各偏振控制单元可根据4×4光开关各通道光信号不同的交换开关需要，设置为不同的偏振控制状态。
本发明提出了一种新的双路2×2光开关结构，每个光开关模块仅需2个偏振分束棱镜，2块FLC偏振控制单元，光开关结构紧凑，光学元件少，与偏振无关；基于其的4×4自由空间光开关，模块化，亦与偏振无关。该器件可研制成各种类型的光纤全光交叉连接设备和光纤保护切换开关设备，可广泛应用于光通信领域。
图1为本发明双路2×2光开关单元模块的结构图；图2第一偏振分束组合棱镜PBS1的偏振分束光路及偏振态变化过程；图3第二偏振分束组合棱镜PBS2的偏振分束光路及偏振态变化过程；
图4λ/4波片QWP与全反镜TR组合的光路及偏振态变化过程；图5λ/2波片HWP与直角棱镜RAP组合的光路及偏振态变化过程；图6光偏振控制器列阵S1及偏振控制方法；图7为本发明双路2×2光开关单元模块的光路图；图8为本发明4×4光开关器件的总体结构图；图9为本发明4×4光开关的整体光路图。
具体实施例方式
图1为本发明双路2×2光开关单元模块的结构图；其包括第一偏振分束组合棱镜PBS1、光偏振控制器列阵S1、第二偏振分束组合棱镜PBS2；第二偏振分束组合棱镜PBS2垂直侧面贴有一块λ/4波片QWP、与其相对的位置具有一块全反镜TR1；第二偏振分束组合棱镜PBS2水平侧面贴有两块λ/2波片HWP，其上分别置有一块直角组合棱镜RAP。
图2为第一偏振分束组合棱镜PBS1的偏振分束光路及偏振态变化过程。第一偏振分束组合棱镜PBS1中两条45°斜线表示的偏振面PF，其作用是将入射的随机偏振光分解为P-偏振光分量和S-偏振光分量，P-偏振光分量透射输出，而S-偏振光分量经偏振面PF反射后改变90°输出。PBS1的上下两个45°斜面为全反射面，将光的方向改变90°输出。第一偏振分束组合棱镜PBS1中粗线表示的45°界面TR为双面全反射面，它分别反射TR面正反两个方向的入射光。输入的4路随机偏振光信号1、2、3、4以图示方式垂直入射到第一偏振分束组合棱镜PBS1上，随机偏振光信号1入射到PBS1后，经上反射面反射后垂直向下入射到偏振面PF上，经PF面偏振分束，其S-偏振光分量S1经偏振面PF反射后改变90°方向平行输出，其P-偏振光分量P1经偏振面PF透射后入射到双面全反射面TR上，经TR面反射后改变90°方向平行输出。随机偏振光信号2入射到PBS1后，经PF面偏振分束，其P-偏振光分量P2经偏振面PF透射后平行输出，并保持与输入光信号1的S-偏振光分量S1的输出方向重合。输入光信号2的S-偏振光分量S2经偏振面PF反射后改变90°方向垂直入射到双面全反射面TR上，经TR面反射后改变90°方向平行输出，并保持与输入光信号1的P-偏振光分量P1的输出方向重合。
输入的随机偏振光信号3和4经PBS1的下半部分输入PBS1中，其光束的偏振分束情况与随机偏振光信号1和2的偏振分束情况类似，输出PBS1后，输入光信号3的S-偏振光分量S3与输入光信号4的P-偏振光分量P4的输出方向重合；同样，输入光信号3的P-偏振光分量P3与输入光信号4的S-偏振光分量S4的输出方向重合。
图3为第二偏振分束组合棱镜PBS2的偏振分束光路及偏振态变化过程。第二偏振分束组合棱镜PBS2中的45°斜线表示的偏振面PF，其作用是将入射的随机偏振光分解为P-偏振光分量和S-偏振光分量，P-偏振光分量透射输出形成P偏振光，而S-偏振光分量经偏振面PF反射后改变90°输出形成S偏振光。
图4为λ/4波片QWP与全反镜TR组合的光路及偏振态变化过程；λ/4波片QWP具有改变相位的作用。它是将每次透过的光的偏振方向改变45°。信号光P-偏振态的光分量P偏振光透过λ/4波片QWP1后，经全反镜TR1反射后又重新折回，再次透过λ/4波片QWP1，由于P-偏振态的光分量来回透过λ/4波片QWP1两次，故其偏振方向改变了45°×2＝90°，则P-偏振态改变为S-偏振态输出S偏振光；同样，输入的S-偏振态的光分量S偏振光将变为P-偏振态输出P偏振光。即λ/4波片QWP1经两次透射后，可等效于一个λ/2波片的作用，用于P偏振光和S偏振光之间的变换。
图5所示λ/2波片HWP1与直角棱镜RAP1组合的光路及偏振态变化过程，直角棱镜RAP1的作用是利用两个直角边的全反射，将入射的光束方向改变180°，横向移动一段距离后，反射回去。λ/2波片HWP1的作用是对于入射的S(或P)偏振光，通过半波片HWP后，其偏振方向改变90°，即S(或P)偏振光将变为P(或S)偏振光。λ/2波片HWP1与直角棱镜RAP1组合的光路及偏振态变化过程当P偏振光通过半波片HWP1后，P偏振光将变为S偏振光入射到直角棱镜RAP1上，经RAP1的两个直角边的全反射，将入射的光束方向改变180°，横向移动一段距离后，反射回去，仍以S偏振光输出。当S偏振光通过半波片HWP1后，S偏振光将变为P偏振光入射到直角棱镜RAP1上，经RAP1的两个直角边的全反射，将入射的光束方向改变180°，横向移动一段距离后，反射回去，仍以P偏振光输出。
图6所示光偏振控制器列阵S1及偏振控制方法；光偏振控制器列阵S1的作用是通过其上的各偏振控制单元S11、S12，控制通过各偏振控制单元的偏振光的偏振状态。通过改变偏振控制单元的控制状态，使输出的偏振光的偏振状态保持不变，设此时该偏振控制单元的控制状态记为“0”状态；或偏振态改变90°，设此时该偏振控制单元的控制状态记为“1”状态。其具体实现方式可采用铁电液晶光调制器或移动式λ/2波片列阵。如用λ/2波片作为偏振控制单元，则当λ/2波片插入光路时，通过λ/2波片的P偏振光(或S偏振光)将改变偏振方向，变为S偏振光(或P偏振光)输出；当将λ/2波片移出光路时，则通过该光路的P偏振光(或S偏振光)的偏振方向将不改变，仍为P偏振光(或S偏振光)输出，从而达到控制偏振光的偏振态的目的。
如用铁电液晶光调制器作为偏振控制单元，则当铁电液晶光调制器加上电场时，通过其液晶像元的偏振光的偏振状态将不发生改变，即P偏振光(或S偏振光)仍为P偏振光(或S偏振光)输出；当铁电液晶光调制器不加电场时，通过其液晶像元的偏振光的偏振状态将发生90°改变，即P偏振光(或S偏振光)变为S偏振光(或P偏振光)输出；即通过控制铁电液晶光调制器上各液晶像元的加电场状态，从而达到控制偏振光的偏振态的目的。
双路2×2光开关单元模块的光通道信号交换过程，如图7所示从4路输入光通道1、2、3、4输入的4路随机偏振光信号如图排列方式垂直于偏振分束组合棱镜PBS1入射到光学系统中，第一偏振分束组合棱镜PBS1中的两个界面PF均为偏振面，将每束入射光分为P-偏振光和S-偏振光分量。第一偏振分束组合棱镜PBS1中粗线表示的界面TR为双面全反射面，分别反射从不同方向入射到TR全反射面的光束。光通道信号1、2、3、4在第一偏振分束组合棱镜PBS1中的传输过程可参考图2。光信号1入射到PBS1后，经左端45°反射面反射后水平向右入射到偏振面PF上，经PF面偏振分束，其S-偏振光分量S1经偏振面PF反射后改变90°方向垂直向上由PBS1输出，其P-偏振光分量P1经偏振面PF透射后水平入射到双面全反射面TR上，经TR面反射后改变90°方向也垂直向上由PBS1输出。光信号2入射到PBS1后，经PF面偏振分束，其P-偏振光分量P2经偏振面PF透射后垂直向上由PBS1输出，并保持与输入光信号1的S-偏振光分量S1的输出方向重合。输入光信号2的S-偏振光分量S2经偏振面PF反射后改变90°方向水平入射到双面全反射面TR上，经TR面反射后改变90°方向也垂直向上由PBS1输出，并保持与输入光信号1的P-偏振光分量P1的输出方向重合。光信号3和4经PBS1的右半部分输入PBS1中，光信号3经TR45°反射面反射后水平向右入射到右端偏振面PF上，其光束的偏振分束情况与光信号1的偏振分束情况类似。同样，光信号4输入到PBS1后，其光束的偏振分束情况与光信号1的偏振分束情况类似。光信号3、4垂直向上输出PBS1后，输入光信号3的S-偏振光分量S3与输入光信号4的P-偏振光分量P4的输出方向重合，；输入光信号3的P-偏振光分量P3与输入光信号4的S-偏振光分量S4的输出方向重合。输出PBS1后，各通道的光信号偏振分量及重合情况可参考图2所示。
在输入光信号输出PBS1后，各路光路上均包含了来自两个不同输入光信号通道且偏振态不同的重合的偏振光分量。它们都入射到光偏振控制器列阵S1的各偏振控制单元S11、S12上，通过改变偏振控制单元的控制状态，来控制通过各偏振控制单元的偏振光分量的偏振状态，如图6所示。当偏振控制单元的控制状态为“0”状态时，通过该偏振控制单元的偏振光分量的偏振状态保持不变；而当偏振控制单元的控制状态为“1”状态时，通过该偏振控制单元的偏振光分量的偏振状态改变90°，即原来的P-偏振光变为S-偏振光，而S-偏振光变为P-偏振光。各路光路上的两个重合的不同光信号偏振光分量将以新的偏振态组合形式输出光偏振控制器列阵S1，并入射到第二偏振分束组合棱镜PBS2中。在第二偏振分束组合棱镜PBS2中，P-偏振光分量透射输出PBS2，仍为P偏振光分量，向上输入到λ/2波片HWP1与直角棱镜RAP1组合元件中；而S-偏振光分量经偏振面PF反射后改变90°输出PBS2，仍为S偏振光分量，向左入射到λ/4波片QWP1与全反镜TR1组合元件中。入射到λ/2波片HWP1与直角棱镜RAP1组合元件中的P偏振光分量，经λ/2波片HWP1与直角棱镜RAP1组合元件转换后，变为S偏振光分量，并由原来的光路移动到相邻的光路上，以S偏振光分量的形式重新入射到第二偏振分束组合棱镜PBS2中，并由PBS2的偏振面PF反射后改变90°由PBS2输出到2×2光开关的输出端口1’、2’、3’、4’中。同时，入射到λ/4波片QWP1与全反镜TR1组合元件中的S偏振光分量原路返回到第二偏振分束组合棱镜PBS2时，其光分量的偏振态由S偏振变为P偏振态，它们直接由PBS2透射输出到2×2光开关单元模块的输出端口1’、2’、3’、4’中，且来自同一输入光通道的光信号的P偏振光分量与由PBS2上方来的相同输入光通道的S偏振光分量相重合，同时输出到双路2×2光开关单元模块的同一输出端口中。如对输入光信号通道端口1的随机偏振光信号1，当光偏振控制器列阵S1的偏振控制单元S11的控制状态为“0”状态时，通过该偏振控制单元的输入光信号1的偏振光分量的偏振状态保持不变，则输入光信号1的P偏振光分量1P经过双路2×2光开关单元模块的光路为PBS1-S11-PBS2-RAP1-HWP-PBS2-输出端口1’(变为S偏振光分量1S’)；而输入光信号1的S偏振光分量1S经过2×2光开关单元模块的光路为PBS1-S11-PBS2-HWP-TR1-HWP-PBS2-输出端口1’(变为P偏振光分量1P’)。即输入光信号1的全部偏振光分量均重合后由输出端口1’输出，实现了输入、输出通道由1到1’的直通功能。当光偏振控制器列阵S1的偏振控制单元S11的控制状态为“1”状态时，通过该偏振控制单元的输入光信号1的偏振光分量的偏振状态将改变90°，此时输入光信号1的P偏振光分量1P经过2×2光开关单元模块的光路为PBS1-S11-PBS2-QWP-TR1-QWP-PBS2-输出端口2’(仍为P偏振光分量1P’)；。而输入光信号1的S偏振光分量1S经过2×2光开关单元模块的光路为PBS1-S11-PBS2-HWP-RAP1-PBS2-输出端口2’(仍为S偏振光分量1S’)，即输入光信号1的全部偏振光分量均重合后由输出端口2’输出，实现了输入、输出通道由1到2’的交换功能。同样，其它输入通道与输出通道的互连关系可由同样的分析得到。例如，当光偏振控制器列阵S1的偏振控制单元S11的控制状态为“1”状态，而偏振控制单元S12的控制状态为“0”状态时，由同样的分析可知，各输入光通道端口的光信号1、2、3、4分别由2×2光开关单元模块的输出光通道端口2’、1’、3’、4’输出。
与偏振无关的4×4光纤光开关，采用自由空间光互连结构，选用少量的光学元件和模块化结构，其光开关器件的总体结构图如图8所示。整个4×4光开关结构由三个完全相同的如图1所示的双路2×2光开关单元模块A、B、C组成，模块之间采用光纤列阵固定连接方式实现光信号通道转换。输入的4路光信号经单元模块A的第一偏振分束组合棱镜PBS1进入光学系统，第一偏振分束组合棱镜PBS1中的两个界面PF均为偏振面，将入射光分为平行于入射面的P-偏振光和垂直于入射面的S-偏振光分量。第一偏振分束组合棱镜PBS1中粗线表示的界面TR为双面全反射面，它分别反射TR面正反两个方向的入射光。输入端口1，2的水平光分量只能经PBS1中的反射界面TR反射后向上传输；而输入端口3的所有光分量都将由PBS1中的反射界面TR反射后，向右水平传输到偏振面PF上，由偏振面PF分为P-偏振光和S-偏振光分量。光偏振控制器列阵S1中的S11、S12分别为偏振光开关单元，用于控制入射光的偏振状态。通过控制A、B、C各单元模块的偏振光开关单元不同的开关状态，可实现4路输入光信号1、2、3、4到4路输出信号通道1’、2’、3’、4’输出的交换开关矩阵功能。每个偏振光开关单元S11、S12均具有两种偏振控制状态“0”和“1”。即当S11或S12取偏振控制状态“0”时，此时通过该偏振光开关单元的信号光的偏振状态保持不变；而当S11或S12取偏振控制状态“1”时，此时通过该偏振光开关单元的信号光的偏振状态改变90°，即原来为P-偏振光的变为S-偏振光输出；同样，原来为S-偏振光的变为P-偏振光输出。
为实现4×4光开关的无阻塞输出方式，需要有4！＝24种不同的输出排列方式。由于4×4光开关一个单元模块只能有4种不同的输入、输出光信号通道的对应方式，即各输入光通道端口的光信号(1、2、3、4)分别由输出光通道端口输出的排列方式有(1’、2’、3’、4’)；(1’、2，、4’、3’)；(2’、1’、3’、4’)；(2’、1’、4’、3’)。因此，为实现无阻塞的4×4光开关功能，我们设计将3个完全相同的4×4光开关单元模块级连起来，中间用固定光纤连接形式过渡。其整体光路图如图9所示。各光开关单元模块相对独立，前一光开关单元模块的输出，即为后一光开关单元模块的输入，各光开关单元模块的工作机理完全一样。通过控制各光偏振控制器列阵S1、S2、S3的各偏振控制单元S11、S12、S21、S22、S31和S33的偏振控制状态，可以实现输入光信号通道的光信号1、2、3、4到输出光通道端口1’、2’、3’、4’的任意排列方式的输出，实现无阻塞4×4光交换开关功能。例如，若要实现输入光信号通道的光信号1、2、3、4分别由输出光通道端口4’、1’、3’、2’输出，则此时各偏振控制单元S11、S12、S21、S22、S31和S32的偏振控制状态分别为0、1、1、0、1和1。此时输入光信号1的P偏振光分量1P经过4×4光开关各单元模块的光路为PBS1-S11-PBS2-RAP1-HWP1-PBS2-PBS3-S21-PBS4-HWP2-RAP2-PBS4-PBS5-S32-PBS6-HWP3-RAP3-PBS6-输出端口4’输出(变为S偏振光分量1S’)；而输入光信号1的S偏振光分量1S经过4×4光开关各单元模块的光路为PBS1-S11-PBS2-QWP1-TR1-QWP1-PBS2-PBS3-S21-PBS4-QWP2-TR2-QWP2-PBS4-PBS5-S32-PBS6-QWP3-TR3-QWP3-PBS6-输出端口4’输出(变为P偏振光分量1P’)，即输入光信号1的全部偏振光分量均重合后由4×4光开关输出端口4’输出1-4’。输入光信号2的P偏振光分量2P经过4×4光开关各单元模块的光路为PBS1-S11-PBS2-HWP1-RAP1-PBS2-PBS3-S22-PBS4-QWP2-TR2-QWP2-PBS4-PBS5-S31-PBS6-QWP3-TR3-QWP3-PBS6-输出端口1’输出(仍为P偏振光分量1P’)；输入光信号2的S偏振光分量2S经过4×4光开关各单元模块的光路为PBS1-S11-PBS2-QWP1-TR1-QWP1-PBS2-PBS3-S22-PBS4-RAP2-HWP2-PBS4-PBS5-S31-PBS6-RAP3-HWP3-PBS6-输出端口1’输出(仍为S偏振光分量1S’)，即输入光信号2的全部偏振光分量均重合后由4×4光开关输出端口1’输出2-1’。同样可以得到输入光信号3的全部偏振光分量均重合后由4×4光开关输出端口3’输出3-3’。输入光信号4的全部偏振光分量均重合后由4×4光开关输出端口2’输出4-2’。即实现了4×4光开关输入、输出通道的交换开关方式1-4’、2-1’、3-3’、4-2’。对于其它4×4光开关输入、输出通道的交换开关方式，可采用同样的分析方法，此处不再累述。
综上所述，采用本方案提出的4×4自由空间光开关结构，可以方便的实现4路输入光通道的光信号到任意4路输出光通道的交换输出功能，从而实现与偏振无关的无阻塞4×4光开关功能。
权利要求
1.一种双路2×2光开关，包括偏振分束棱镜，波片和全反镜，其特征为所述光开关光路上具有第一偏振分束组合棱镜PBS1、光偏振控制器列阵S1、第二偏振分束组合棱镜PBS2；第二偏振分束组合棱镜PBS2垂直侧面贴有一块λ/4波片QWP、与其相对的位置具有一块全反镜TR1；第二偏振分束组合棱镜PBS2水平侧面贴有两块λ/2波片HWP，其上分别置有一块直角组合棱镜RAP；第一偏振分束组合棱镜PBS1构成光输入端，第二偏振分束组合棱镜PBS2与λ/4波片QWP相对的垂直侧面构成光输出端。
2.如权利要求1所述的双路2×2光开关，其特征为所述第一偏振分束组合棱镜PBS1包括四块相贴的棱镜、其各自上下两个面为45°全反射面，棱镜和棱镜之间依次为偏振面PF、双面全反射面TR、偏振面PF；第二偏振分束组合棱镜PBS2由两块直角棱镜组成，其45°贴合面为偏振面PF。
3.如权利要求1或2所述的双路2×2光开关，其特征为所述光偏振控制器列阵S1由两块偏振控制单元并列构成，各偏振控制单元为铁电液晶光调制器或移动式λ/2波片列阵。
4.一种4×4自由空间光开关，包括偏振分束棱镜，波片和全反镜，其特征为其由三个独立且完全相同的权利要求1、2或3所述的双路2×2光开关组成，每个双路2×2光开关构成单元模块，单元模块之间采用固定光纤通道形式连接，前一级单元模块光信号的输出，即为后一级单元模块光信号的输入，每一级单元模块的工作方式相同，其中各级单元模块的光偏振控制器列阵S1的各偏振控制单元可根据4×4光开关各通道光信号不同的交换开关需要，设置为不同的偏振控制状态。
全文摘要
双路2×2光开关及由其组成的4×4自由空间光开关，属于光通信器件，特别涉及全光通信网络的光无源器件，目的在于减少光开关所需的光学元件，实现结构紧凑，模块化，与偏振无关。该双路2×2光开关仅由偏振分束组合棱镜，λ/4波片，λ/2波片，直角棱镜，全反镜和偏振光调制器组成，该4×4光开关具有光模块化结构，对光信号的控制与输入光束的偏振态无关。所有的输出端口可以和输入端口无阻塞地互连交换。本发明具有光学元件少，结构紧凑，模块化，与偏振无关的特点。该器件可研制成各种类型的光纤全光交叉连接设备和光纤保护切换开关设备，可广泛应用于光通信领域。
文档编号G02B26/08GK1588162SQ20041006087
公开日2005年3月2日 申请日期2004年9月17日 优先权日2004年9月17日
发明者罗风光, 曹明翠, 周新军, 罗志祥, 徐军 申请人:华中科技大学