行业中存在对大端口数光学开关的需要。这些开关通常被设计为单模，这些开关具有宽的光学带宽和大量输入和输出光纤。存在用于制造较小端口数开关(例如，2x2、4x4、8x8、16x16)的多种实用技术，但这些技术中的大多数在32x32或以上不能很好地扩展。具体地，包括但不限于损耗、串扰、和切换速度的感兴趣的性能参数开始变得更难实现。需要具有128x128端口或更高端口数的开关，其中损耗低并且切换速度比当前一代开关显著地更快。
大多数高端口数(例如，大于128)开关使用3dmems架构，其中使用2轴倾斜镜来将自由空间光束从一个输入端口引导到第二镜，然后第二镜将光束引导到第二输出端口。由于自由空间中固有的模态传播，这些开关难以在不牺牲切换时间的情况下扩展。这基本上是由于随着端口数的增加需要较大的光束从而镜也更大。
技术实现要素：
根据本文描述的主题的一个方面，光切换装置包括多个输入波导和多个输出波导。这些输入波导中的每个具有与其相关联并沿其延伸的第一多个1x2光学开关。这些输出波导中的每个具有与其相关联并沿其延伸的第二多个1x2光学开关。第一多个光学开关和第二多个光学开关中的光学开关中的每个可选择性地在第一状态和第二状态之间切换，使得在第一状态中，每个光学开关允许在与其相关联的输入或输出波导中传播的光不受干扰地继续通过其中传播，而不会遇到1x2开关中的相邻开关之间的任何介入模式扰动结构，并且在第二状态中，每个光学开关将光耦合入或耦合出与其相关联的输入或输出波导。当当两个光学开关都处于第二状态时，与输入波导中的每个相关联的第一多个光学开关中的每个光耦合到输出波导中的不同一个输出波导中的第二多个光学开关中的一个。
在一个特定实施方案中，1x2开关中的每个包括可移位光交叉引导部。当光交叉引导部与1x2开关中的每个分别相关联于的输入或输出波导相距第一距离时，该1x2开关处于第一状态，并且当光交叉引导部与1x2开关中的每个分别相关联于的输入或输出波导相距第二距离时，该1x2开关处于第二状态。致动器选择性地使可移位光交叉引导部移位，使得其距与其相关联的输入或输出波导的距离等于第一距离或第二距离。
附图说明
图1a示出了用于mxm光学开关的输入平台，以及图1b示出了用于mxm光学开关的输出平台。
图2示出了在图1a和图1b中示出的输入和输出平台上示出类型的单个输入或输出波导的平面图。
图3a和图3b是不对称1x2开关的截面图。
图4示出了用于支持偏振分集(polarizationdiversity)的mxm光学开关的输入平台。
具体实施方式
如下所述，提供了一种mxm光学开关，其包括输入光波导阵列和输出光波导阵列，所述输入光波导阵列和输出光波导阵列可以各自位于单个的平台上。一系列不对称1x2光学开关与每个输入波导集成。与任何给定波导相关联每个不对称1x2开关能够将在波导中传播的光切换到输出波导中的不同的一个。以这种方式，由输入波导接收的光输入信号能够被选择性地引导到任何输出波导。
图1a示出了用于mxm光学开关的输入平台。输入平台包括可以在公共衬底105上形成的输入光波导1101、1102、1103...1108(统称为“110”)的阵列。如图所示，在一些实施例中，波导110可以彼此平行，尽管不是在所有实施例中都需要如此。虽然在该示例中示出了8个输入光波导110，但是可以采用任何数量的输入光波导，其中每个输入波导与光学开关的一个输入端口相对应。因此，对于具有例如128个输入端口和输出端口的大规模光学开关，将存在128个输入光波导110。因此，更一般地，对于mxm光学开关，将存在m个输入光波导110。
一系列1x2不对称光学开关120沿着波导110中的每个定位。具体地，对于mxm光学开关，将存在m个1x2不对称开关120沿着每个波导110定位。如图1a所示，对于8x8光学开关，1x2开关12011、12012、12013...12018沿着波导1101定位，1x2开关12021、12022、12023…12028沿着波导1102定位，等。如下所述，1x2不对称开关120在以下意义上是不对称的：当处于第一状态时它们表现出低损耗，并且当处于第二状态时它们可能表现出显著更高的损耗。垂直耦合器130与每个1x2不对称开关120相关联。同样如下所述，当1x2开关处于其打开或接通状态时，由1x2开关接收的光将被引导到与其相关联的垂直耦合器130。垂直耦合器130将会反过来将光传递到位于输出波导平台上的另一个1x2开关上，这将在下面讨论。
每个1x2开关120可以基于不对称开关120的状态在两个方向中的一个方向上引导在与其相关联的输入波导110中传播的光。在称为直通状态的第一状态中，1x2开关使光在输入波导110中继续传播。也就是说，光基本上不受干扰沿着通过路径继续。在称为交叉状态的第二状态中，1x2开关120将光耦合出输入波导110，并将其引导到与该不对称1x2开关120相关联的垂直耦合器130。
1x2不对称开关120被设计成在第一或直通状态下具有非常低的损耗。因此，如果与给定输入波导110相关联的所有不对称1x2开关处于直通状态，则在该波导中传播的光将基本上不受干扰地通过该波导。例如，在一些实施例中，1x2不对称开关120在直通状态下可具有约0.0001db的损耗。如下所述，当1x2开关处于第二或交叉状态时，可以容许更大量的损耗。
图1b示出了用于上述8x8光学开关的输出平台。输出平台包括可以在公共衬底205上形成的输出光波导2101、2102、2103...2108(统称为“210”)的阵列。通常，在需要相同数量的波导和相同数量的1x2不对称光学开关的情况下，输出光波导210的阵列基本上与输入光波导110的阵列相同。即，类似于图1a中的输入波导平台，图1b的输出波导平台包括沿着波导110中的每个定位的一系列1x2不对称光学开关220。具体地，对于mxm光学开关，将存在m个1x2不对称开关220沿着每个波导210定位。如图1b所示，1x2开关22011、22012、22013...22018沿着波导2101定位，1x2开关22021、22022、22023...22028沿着波导2102定位等。不对称光学开关220类似于上述不对称光学开关110。与每个1x2不对称开关120相关联的垂直耦合器130中的每个还与1x2不对称开关220中的一个相关联。
在一个实施例中，输入波导平台和输出波导平台彼此堆叠或重叠，使得相对应的不对称1x2开关120和220(即，经由公共垂直耦合器130彼此光耦合的成对开关120和220)彼此对准。也就是说，输入波导平台和输出波导平台位于不同的平面中，其中不对称1x2开关120ij位于不对称开关220ji的上方(或下方)。因此，例如，不对称1x2开关12012位于不对称1x2开关22021的上方(或下方)，并且通过垂直耦合器13012彼此光耦合。作为另一示例，不对称1x2开关12032位于不对称1x2开关22023的上方(或下方)，并且通过垂直耦合器13032彼此光耦合。为了简化制造，成对的相对应开关120和220中的每个1x2开关可以直接位于彼此上方或下方，尽管这不是必须的。
如图1a和图1b所示，1x2光学开关中的每个可由控制器150选择性地寻址，用于将开关置于直通状态或交叉状态。在操作中，通过将相对应的不对称1x2开关120ij和220ji二者置于交叉状态下，传播通过输入波导110中的一个的光信号能够选择性地切换到输出波导中的一个。因此，例如，通过将不对称1x2开关12012和不对称1x2开关22021二者置于交叉状态，能够经由垂直耦合器13012将光信号从输入波导1101切换到输出波导2202。作为另一示例，通过将对称1x2开关12032和不对称1x2开关22023二者置于交叉状态，能够经由垂直耦合器13023将光信号从输入波导1103切换到输出波导2202。因此，以这种方式，通过将两个不对称1x2开关置于交叉状态下的适当选择的成对的相对应不对称1x2开关中，光信号能够从任何输入波导110切换到任何输出波导220。
应当注意的是，图1a和图1b中所示的输入和输出波导的布置仅作为示例。更一般地，输入波导和输出波导可以以任何方式布置的同时，光信号仅穿过(traverse)在直通状态下的其它1x2开关，该方式允许置于交叉状态下的相对应的成对1x2开关将光信号从任何输入波导110耦合到任何输出波导220。
如上所述，通过仅将每个波导中的单个不对称1x2开关置于交叉状态，能够将光信号从任何输入波导110切换到任何输出波导220。同时，每个波导中的所有其它不对称1x2开关都处于直通状态。因此，光信号通常穿过在直通状态下的多个不对称1x2开关，并且仅穿过交叉状态下的单个成对不对称1x2开关。因此，重要的是，不对称1x2开关在直通状态下表现出低损耗。另一方面，由于光信号仅穿过交叉状态下的单个成对不对称1x2开关，因此当不对称1x2开关处于交叉状态下时，能够容许明显更大的损耗量。
光学开关100中采用的不对称1x2开关130可以基于任何合适的技术。例如，在一个实施例中，可以采用机械致动型开关，将参照图3和图4描述这种开关的一个示例。将使用微机电(mems)设备作为致动器来说明此特定示例。
图2示出了分别作为波导110和210的图1a和图1b中示出的类型的单个输入或输出波导310的平面图。波导310用作不对称1x2开关300的固定直通引导部分。第二波导320用作不对称1x2开关300的可致动交叉引导部，其可在第一或“接通(on)”位置340和第二或“关断(off)位置350之间移动。当交叉引导部320处于接通位置340时，交叉引导部320充分靠近直通引导部310以将光从直通引导部耦合到交叉引导部320。同样，当交叉引导部320处于关断位置350时，交叉引导部320充分地远离直通引导部310，从而不会在直通引导部310中引起可测量的模式扰动。因此，当处于关断位置350时，光不在任何实质程度上在交叉引导部320和直通引导部310之间耦合。即，当交叉引导部310处于接通位置340时，不对称1x2开关300处于交叉状态，并且当交叉引导部310处于关断位置350时，不对称1x2开关300处于直通状态。
一个或多个止动部345可以被放置在直通引导部310和交叉引导部320之间，使得交叉引导部320在转换到接通位置340时落在止动部345上。以这种方式，当交叉引导部320处于接通位置340时，可以在直通引导部310和交叉引导部320之间保持一致的间隙。在一个实施例中，止动部345被固定到交叉引导部320。
图3a和图3b是图3的不对称1x2开关300的沿着线a-a’截取的截面图。如图所示，直通引导部310在支撑部405上延伸，支撑部405又位于平台412(例如，图1a或图1b中的衬底105或205)上。交叉引导部320的可看到的近端被悬挂在空间中的同时，交叉引导部320的远端被固定到位于平台412上的第二支撑部(未示出)。可横向移位的致动器415位于支撑部407上，支撑部407进而位于平台412上。可横向移位的致动器415邻近交叉引导部320的近端，并且可在第一方向(图3a和图3b中的左侧方向)上移动，使得其在交叉引导部320上施加横向力，交叉引导部32进行了到接通位置340的移位，如图3a所示。当可横向移位的致动器415被缩回时，交叉引导部320返回到图3b所示的位置，该位置与交叉引导部320的关断位置350相对应。
如前所述，在一个实施例中，可横向移位的致动器415是基于mems的致动器。在一个特定实施例中，基于mems的致动器可以是数字双态设备，其中一个状态与交叉引导部320的接通位置340相对应，而另一个状态与交叉引导部320的关断位置350相对应。基于mems的致动器415也可以是锁止的，其中图3(b)的关断位置是其中致动器415正常保持的锁止状态。以这种方式，不对称1x2开关中的一个中的故障将不会导致整个mxm光学开关300的完全故障。相反，mxm光学开关300将只是失去在一个特定输入和输出波导之间切换的能力，但是别的将保持操作。当然，在其它实施例中，致动器415可被锁止，使得交叉引导部210处于接通位置，或者可替选地，致动器415可被解锁。
当处于关断位置时，交叉引导部320和直通引导部310之间的距离应当足够大，使得在直通引导部310中不会引起可测量的光模式扰动。因此，当从关断位置350转换到接通位置340时，由致动器415在横向方向上行进的距离通常应当比模场半径大(例如，几个模场直径)。举例来说，在一个实施例中，对于具有模半径为约1微米的1微米芯的波导，当从关断位置转换到接通位置时，致动器415在横向方向上行进的距离可以为约3微米到5微米。同样，在一些实施例中，单独1x2开关的总尺寸在大约50微米或更小的量级上。
当然，替代基于mems的开关，1x2光学开关可以采用其它技术。例如，在一个实施例中，1x2光学开关可以是声光学开关。
图1a和图1b中示出的垂直耦合器130可以是任何合适类型的垂直耦合器，诸如用于不同波导之间的面外光耦合的垂直绝热耦合器。在一个特定示例中，垂直耦合器130可以是基于光栅的垂直耦合器，其中光栅被蚀刻到波导中。光栅至少部分衍射在波导中传播的光，使得光以某个衍射角耦合出波导平面并耦合到另一波导中。
在本发明的一些实施例中，光学开关的输入和输出平台可以由一个或多个平面光波回路(plc)形成。plc是包括在半导体衬底表面上集成的一个或多个单模或多模波导的光系统，其中波导通常与其它光部件(诸如，例如这里描述的1x2开关和垂直绝热耦合器)组合以提供复杂的光功能。更具体地说，波导通常被嵌入在光层内，该光层可以由在平面衬底上形成的缓冲层、包层、芯层、和封装层组成，该平面衬底通常由掺杂/未掺杂硅、linbo3、inp、gaas、和/或聚合物(包括热光和电光聚合物)形成。衬底可以用作用于其它易碎的波导的机械支撑部，并且如果需要，它还能够起到包层底部的作用。此外，它能够用作固定装置的向其附接光纤的部分，以便将输入/输出光纤的芯光耦合到波导的芯。
对于使用硅来制造平面光波回路需要的制造技术是众所周知的。例如，可以使用标准半导体制造技术来制造平面光波回路。因此，平面光波回路的制造能够使用标准单片半导体制造技术来完成，包括化学气相沉积技术、物理气相沉积或溅射技术、蒸镀技术、旋涂沉积技术、光刻、湿蚀刻或干蚀刻技术等。通常参照沉积中使用的制造设备和材料来选择特定的制造技术。因此，如本领域普通技术人员将认识到的是，本文中公开的开关可以结合许多技术和材料来制造。
同样，在本发明的一些实施例中，光学开关的输入和输出平台可以由一个或多个光子集成回路(pic)形成。pic类似于平面光波回路，除了平面光波回路通常仅包括无源部件之外，然而光子集成回路通常还包括有源光集成设备，例如激光器、光放大器、调制器等。
在一些实施例中，图1a和图1b中示出的输入和输出平台可以彼此单片地集成。然而，在其它实施例中，输入平台和输出平台可以使用任何合适的技术彼此堆叠并混合附接。
在一些实施例中，输入和输出平台中的输入和输出波导可以仅支持单个偏振状态。在这些实施例中，偏振分集可以通过为每个输入和输出波导提供成对波导来实现，其中该对波导中的每个波导支持不同的偏振状态。这在图4中对于图1a的输入平台示出。如图所示，每个输入现在包括成对波导110和160。到每个成对波导110和160的输入包括偏振分离器140，该偏振分离器140分离入射光，使得单个偏振状态传输通过波导110和160中的每个。偏振旋转器155旋转波导160中的光的偏振状态，使得其具有与波导110中的光相同的偏振状态。如图1a所示，波导110具有沿其定位的一系列1x2光学开关120，并且1x2光学开关120中的每个与一个垂直耦合器130相关联。同样，波导160具有沿其定位的一系列1x2光学开关170，并且1x2光学开关170中的每个与一个垂直耦合器180相关联。输出平台可以以类似于图4所示的方式被构造，用于以实现偏振分集的输入平台。
使用上述类型的切换架构能得到许多优点。例如，因为在上述实施例中没有沿着相邻1x2开关之间的输入或输出波导的任何定位的介入模式扰动结构(interveningmodeperturbingstructures)(例如，诸如光栅或分接头的光元件、波导交叉、材料或掺杂剂变化、金属化结构、波导尺寸变化、折射率分布变化)，所以给定波长下的波导损耗仅取决于相邻1x2开关之间的波导的长度或随相邻1x2开关之间的波导的长度成比例变化。同样，符合这种架构的开关中的光损耗不随输入或输出端口的数量成比例变化，而仅随由波导的总长度确定的开关的总物理尺寸成比例变化。
因此，举例来说，在当前可用的低损耗空气包层波导中产生的光损耗可以在大约0.5db/cm到2db/cm的范围内。因此，对于采用这种波导并且具有96个输入端口和96个输出端口的光学开关，并且假设每个波导在长度上为5mm，则波导中产生的光损耗将高达约0.5db。同样，对于具有1000个输入端口和1000个输出端口的光学开关，并且假设每个波导的长度为50mm，则波导中产生的光损耗将高达约5db。
应当注意的是，在一些实施例中，可以存在沿着输入和/或输出波导中的一个或多个定位的介入结构，这提供了该(一个或多个)介入结构能够被致动到不扰动在沿其定位的波导的介入结构中行进的光的模式的状态中。任何这样的介入结构应当在非扰动状态下造成不大于由1x2光学开关引起的光损耗的光损耗。例如，如果1x2光学开关在直通状态下具有约0.001db的损耗，则任何介入结构在其非扰动状态下也应当具有不大于且优选小于0.001db的损耗。
在又一实施例中，上述类型的一个或多个附加的1x2光学开关可以沿着输入和/或输出波导中的一个或多个定位。这些开关可以用于不同于将光从输入端口切换到输出端口的目的。例如，当其处于交叉状态时，这些附加的1x2开关可以将光引导到光检测器(例如，光电二极管)，从而执行光监视功能。在一个特定实施例中，这样的1x2光学开关和光检测器对可以在用于将光从输入波导切换到输出波导的每个成对相邻1x2光学开关之间沿着输入和/或输出波导定位。以这种方式，在光穿过处于直通状态时的1x2光学开关中的任何之后，可以在沿着波导的任何点处执行光监视。
尽管已经用特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求中定义的主题不必限于上述特定特征或动作。相反，上述具体特征和动作被公开为实施权利要求的示例形式。