一种高速光开关器件的制作方法

本发明属于光网络节点数据交换技术领域，尤其涉及一种高速光开关器件。

背景技术：

光交换技术作为全光网络中的核心技术之一，在光传送网与数据中心中各种不同的交换原理与实现光交换的技术被广泛的应用。不同原理的光交换技术具有不同的特性，适用于不同的场合。光交换技术的核心是在光网络链路的节点处，直接在光域内将信号切换至不同的输出端口，中间没有光到电、电再到光的过程。在现有的光交换技术中，自由空间光交换技术以整个光通道作为交换粒度，具有可靠性高、交换速度快、交换粒度大等优点，可极大地提高交换节点速度和容量。另外，自由空间光交换过程不受波导的约束，利用诸如透镜，分束等全息光学元件的折射、衍射等效应能改变光在空间的传输方向，使得光束从一个阵列平面寻径到另一个阵列平面，从而实现不同端口之间的光交换。但是由于普通信号光束并不具备可区分性，所以现有的光交换技术必须将各路光在空间上分开进行处理，这也就严格限制了光交换端口的可拓展性和光交换端口空间密度的提升，这也与未来光交换要求支持更多的光交换端口、更高密度端口集成化是相互矛盾的。

基于光交换技术，对光开关的研究，随着不同的器件材料、工作原理等被挖掘，现有商用的光开关呈现出多元化发展的态势。比较常见的如MEMs机械光开关，MEMs通常是在硅基上制造的微型可移动反射镜，其大小在几百微米到几毫米范围，一个单一的硅基片提供大量的反射镜，并能被制作与封装成阵列。而启动这些反射镜的技术往往包括电磁、静电或者压电等方法，这些反射镜能从一个位置偏转到另一个位置，从而实现对入射光束的方向控制，但是在较大的偏转范围内进行控制是比较有难度的，现在则多用模拟数控反射镜、万向反射镜或者三维反射镜，每一路能实现无阻塞1×n的开关效应，虽然MEMs开关技术具有潜力构建大规模的光开关解决方案，但是其交换的速度一直局限在几十毫秒量级，而对数据中心这种要求高速光交换的需求是远远不足够的。同样，现用于大数据中心的开关机制，主要是依赖于硅基液晶光调制，主要的器件基于硅基液晶作为动态衍射元件，根据自身的液晶元间隙，使用偏振效应来实现开关功能。在适当设计的液晶元上外加电压，就能使通过液晶元的光偏振而产生旋转或者不旋转，然后结合利用无源偏振分束器和合束器就能形成偏振无关的光开关，但是其开关时间仍然在几毫秒量级。这些重构时间造成的光损失往往亟需缩减，这也是未来高速光领域开关的首要需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高速光开关器件，旨在将输入信号高速切换至指定的输出端口，并实现光开关衍射效率的提升。

本发明提供了一种高速光开关器件，包括：N路输入端口、数字微镜器件DMD、闪耀光栅组和N路输出端口；其中，所述DMD上分布有与N路平行输入光束一一对应的特定子区域；

所述N路输入端口用于以预设角度产生N路平行光束照射到所述DMD上各自对应的特定子区域以发生衍射，每一路衍射光束均被衍射为0、±1的级次分布；每一路输入光束的衍射－1级经过所述闪耀光栅组后同对应的衍射+1级被传输到所述N路输出端口的预先指定输出端口；

所述特定子区域加载有特定的全息图，以调制每一路输入光束的衍射+1级到预先指定的输出端口；

所述闪耀光栅设置于预设位置，用于使经过的衍射－1级光束与+1级方向上的光束重合，并耦合入输出端口。

进一步地，当切换某一所述特定子区域中的全息图时，照射至该特定子区域的输入光束可传输至与所切换的全息图相对应的输出端口。

进一步地，所述闪耀光栅组包括N×N片闪耀光栅，所述N×N片闪耀光栅均设置于衍射光束的－1级匹配的光束方向位置，而+1级次光束方向作为信道方向；

当将一路输入光束切换到N路输出端口中的任一指定输出端口时，经过衍射后，该路衍射光束的－1级次光束经过N×N片闪耀光栅中对应的1片闪耀光栅后，在空间上与+1级次方向上的光束重合，从而使信道方向上的能量叠加，重合点即为所述指定输出端口的耦合点。

进一步地，所述高速光开关器件还包括：聚焦透镜，所述聚焦透镜置于所述DMD和所述闪耀光栅之间，用于对从所述DMD衍射输出的衍射光束进行聚焦。

进一步地，所述高速光开关器件还包括N个平行的准直器，所述N个平行的准直器设置于所述N路输入端口的位置，每一路光束经过所述准直器后会变为平行光束，所述N路平行光束平行。

进一步地，所述准直器孔径为3mm。

进一步地，所述高速光开关器件还包括激光器、光耦合器，所述光耦合器通过N条光纤与所述N个准直器连接；

所述激光器发出的激光经过所述光耦合器后被分为N路信号，所述N路信号经过光纤被传输到所述N个准直器。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种高速光开关器件，将平行传输的激光光束照射到DMD上加载有全息图的特定子区域，激光光束经过所述全息图调制后，+1级次衍射光束作为信道被衍射到指定输出端口；而－1级次衍射光束经过闪耀光栅组后同对应的衍射﹢1级次方向上的光束重合，能量发生叠加，并被传输到所述N路输出端口的预先指定输出端口；本发明提供的技术，一方面，使用的DMD器件具有22KHz的切换频率，切换速率是现有可用技术的百倍级，并能大大降低切换限制和切换过程中的数据丢失；另一方面，利用闪耀光栅组提升了DMD切换过程的衍射效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高速光开关器件的原理示意图；

图2是本发明实施例提供的2×2端口的高速光开关器件的示意图；

图3(a)是本发明实施例提供的高速光开关器件中的DMD的结构示意图；

图3(b)是本发明实施例提供的一路输入光束经过DMD衍射后的0、±1级次分布示意图；

图3(c)是本发明实施例提供的DMD经拓展后的拓展参照示意图；

图4(a)是本发明实施例提供的闪耀光栅组的表面微结构示意图；

图4(b)是本发明实施例提供的由DMD衍射输出的光束经过所设计闪耀光栅的示意图；

图5(a)是本发明实施例提供的2×2端口的高速光开关切换过程示意图；

图5(b)是本发明实施例提供的2×2端口的高速光开关未加闪耀光栅时输入1－输出1、输入1－输出2、输入2－输出2、输入2－输出1时CCD上呈现的示意图；

图5(c)是本发明实施例提供的2×2端口的高速光开关加闪耀光栅时输入1－输出1、输入1－输出2、输入2－输出2、输入2－输出1时CCD上呈现的示意图；

图5(d)是本发明实施例提供的光开关器件未加闪耀光栅和加入闪耀光栅时，在输出端口平面用CCD所接收的一路衍射光束的图样的对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的主要实现思想为：将N路并行传输的准直激光信号按预设角度照射到DMD镜面面板上，每一束光束分别对应DMD上预设的加载有全息图的特定子区域，经过全息图被衍射到预先指定输出端口对应的区域并实现耦合；同时在耦合前端预设位置安置所设计的闪耀光栅，使得从DMD衍射输出的±1级次在空间上叠加，从而实现该交换技术衍射效率的提升；并且，通过切换某一所述特定子区域中的全息图，可使照射至该特定子区域的输入光束传输至与所切换的全息图相对应的输出端口。

下面具体介绍这种高速光开关器件，结合图1所示，所述高速光开关器件包括：N路输入端口(图中仅画出1路输入端口作为示意)、数字微镜器件DMD11、聚焦透镜12、闪耀光栅组13(图中仅画出1片闪耀光栅作为示意)和N路输出端口(图中仅画出1路输出端口作为示意)；其中，所述DMD上分布有与N路平行输入光束一一对应的特定子区域。

从所述N路输入端口输入的N路平行光束按预设角度照射到所述DMD11上各自对应的特定子区域后，发生衍射，每一路输入光束均被衍射为0、±1的级次分布，并沿预设光路方向经过所述聚焦透镜12和闪耀光栅组13后被传输到所述N路输出端口中的预先指定输出端口。

所述特定子区域加载有特定的全息图，每一路输入光束被与其对应的所述特定的全息图调制后，沿预设光路方向传输到预先指定的输出端口。

具体地，每一路输入光束的衍射+1级被调制到预先指定的输出端口，而每一路输入光束的衍射－1级经过所述闪耀光栅组后同对应的衍射+1级被传输到所述预先指定输出端口。

具体地，所述DMD11上分布的特定子区域与N路平行输入光束一一对应，通过切换所述特定子区域中的全息图，能实现将与其对应的输入光束切换到所述N路输出端口的任一指定输出端口。

所述聚焦透镜置于所述DMD和所述闪耀光栅之间，并位于从所述DMD衍射输出的所有衍射光束的几何中心位置，用于对所述衍射光束进行聚焦。

所述闪耀光栅13包括N×N片光栅，所述N×N片闪耀光栅均设置于衍射光束的－1级次光束方向位置，而+1级次光束方向作为信道方向；每一路衍射光束的－1级次光束经过对应的1片闪耀光栅后，在空间上与+1级次方向上的光束重合，从而使信道方向上的能量叠加，重合点即为输出端口的耦合点，输出端口连接光纤，从而将光束耦合入光纤。

需要说明的是，图1中示出的是以+1级次方向上的光束作为信道方向，而闪耀光栅组13将－1级次光束叠加到+1级次方向上；事实上，也可以以－1级次方向上的光束作为信道方向，而闪耀光栅将+1级次光束叠加到－1级次方向上。

另外，将输入光束按预设角度照射到DMD11上，原因是和DMD11本身的特性相关。通过实验验证，DMD11在运用其衍射效应时，衍射效率随入射角度的增加会有上升的趋势，然而之所以标定预设角度，是因为入射角度达到较大值时，衍射光束的形态会出现较严重的畸变，在这里，我们所取的预设角度是兼顾衍射输出效率及光束畸变度所取的一个较合理的小区间范围。

下面举一具体实施例介绍这种高速光开关器件，图2为这种器件的光路示意图，具体包括：激光器21、光耦合器22、2条光纤23、2个准直器24、DMD25、聚焦透镜26和闪耀光栅组27；

激光器21经过一分N的光耦合器22被分为N路信号(这里的N路信号且设为两路，也可以根据实际需要进行拓展，并根据实际需要可加载WDM等的初级与高级调制信号)，这两路信号经过不同长度的光纤23后连接孔径为3mm的准直器24，产生两路平行传输的信号，在自由空间传输0.5m(实际用于数据中心机柜之间的光开关输入与输出端口已集成化，间距很小，这里0.5m是依据适合实验的条件而设定的)后照射在DMD25的镜面面板上；具体地，每一路光束分别与DMD25上预设的加载有计算全息图的特定子区域一一对应。经过DMD25所加载全息图的强度调制，每一路入射光束均被衍射为0、±1的级次分布(图2中未示出0、±1的级次分布情况)，并沿预设光路方向传输，经过聚焦透镜26聚焦后，再经过设计加工的闪耀光栅组27，使－1级次光束在空间上与+1级次方向上的光束重合，从而使信道方向上的能量叠加，重合点即为输出端口的耦合点。图2中在输出端口的位置可以安置一个CCD相机，用来观测输出端口面的成像情况。

进一步地，对某一路入射光束所对应的DMD25镜面面板特定子区域计算全息图的切换，能实现将照射至该特定子区域的入射光束传输至与所切换的计算全息图相对应的输出端口，即某一路入射光束并不是只能输出到一个输出端口，而是由该路入射光束对应的特定子区域的计算全息图决定。

下面具体解释这种切换机制：DMD25上加载的全息图可通过设置全息图的设计参数任意调控L和两个参数(L为全息图的设置周期，为全息图的设置幅角)，也就是说一幅全息图对应一组(L，)。那么切换中的四种状态输入1－输出1(即从输入端口1输入的入射光束被切换到输出端口1)、输入1－输出2、输入2－输出2、输入2－输出1分别对应的参数为(L1，)、(L2，)(L3，)(L4，)。DMD25就是通过全息图的切换来实现输入1－输出1、输入1－输出2、输入2－输出2、输入2－输出1的切换的，这个是切换的机制。

下面具体介绍高速光开关器件中的DMD25，所述DMD25为基于微机电系统MEMS(Micro-Electro Mechanical System)的理念和大规模集成电路技术设计出来的，构思极为巧妙。DMD25诞生后曾用于相关识别，但1996年以来，DMD25主要的应用为投影显示，称为数字投影显示DLP(Digital Projection Display)，包括前向投影机和高清电视。由于信息处理的全过程是数字化的，故称之为数字光处理。如图3(a)，DMD25的结构基底是硅，用大规模集成电路的技术，在硅片上制出RAM，每一个存储器有两条寻址电极两个支撑柱，通过铰链安装一个微型反射镜，恰似“跷跷板”的结构。每个微反射镜都能将光线从两个方向反射出去，实际反射方向则视底层记忆晶胞的状态而定；当记忆晶胞处于「ON」状态时，反射镜会旋转至+12度，若记忆晶胞处于「OFF」状态，反射镜会旋转至-12度，另外，未加寻址信号反射镜则对应0度，也就是DMD25每个单元都有三个稳态：+12度、-12度、0度。巧妙的构思加上集成电路的制造工艺，确保DMD25在分辨率、亮度、反差、灰阶等主要指标上都达到了显示技术的最高水平。因此DMD数字投影技术具有以下特点：高分辨率、高亮度、对比度、灰阶及色保真度、可靠性高(响应时间短)。这些重要的指标也为DMD25应用于数字投影方面奠定了基础。

特别地，DMD25上依据设计加载的计算全息图，使得每一束入射光照射到对应DMD25上特定的子区域后以衍射的形式按预设光路方向输出到指定区域，衍射过程如3(b)所示，入射光束经过特定的子区域后被衍射为0、±1的级次分布；具体地，DMD25所加载的计算全息图是依据Gerchberg–Saxton迭代算法所编写的二值化振幅调制程序，加载到DMD25存储器上以控制DMD25上微镜阵列的开合与排布实现周期、角度的调制，从而使得入射光按预设的方向衍射输出。这里我们主要利用的是衍射输出的1级光束。

特别地，DMD25所加载的计算全息图子区域是依据入射光的排布而分区的，即入射光束与子区域一一对应，所以具备极佳的拓展性，具体的拓展可参照图3(c)所示。

下面具体介绍高速光开关器件中的闪耀光栅组27，图4(a)为所设计闪耀光栅表面微结构，所述闪耀光栅为二元光学器件，所述二元光学器件是基于计算机辅助设计和微米级加工技术制成的器件，具有重量轻、易复制、造价低等特点，并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能。具体地，本发明实施例提供的闪耀光栅为八台阶式闪耀光栅，光源波长λ＝1550nm，闪耀光栅组27所用的加工材料的折射率n＝1.675，实际闪耀角为θ，对于二元光学微浮雕闪耀光栅基于衍射特性的闪耀输出。实施例中闪耀光栅组分为四个片区，分别为片区1、片区2、片区3、片区4，每一个片区均是一个边长为2mm的正方形。由(n－1)d＝λ，Tsinθ＝λ，经过计算得到所加工的闪耀光栅的刻蚀深度d1＝d2＝d3＝d4＝2.3μm，光栅周期T1＝T2＝20.20μm，T3＝T4＝14.33μm。如图4(b)所示，为DMD衍射输出的光束经过所设计闪耀光栅的示意图，具体地，－1级次光束经过光栅闪耀后在空间上与+1级次重合，而重合点正是输出端的耦合点。

图5(a)为本发明提供实施例的2×2端口的每一种切换过程状态的示意图；闪耀光栅效果测试得到验证，图5(b)和图5(c)为输出端口平面上用CCD接收到的图样。其中图5(b)的(1)、(2)、(3)、(4)分别表示未加闪耀光栅时输入1－输出1、输入1－输出2、输入2－输出2、输入2－输出1时CCD上呈现的图样；图5(c)的(1)、(2)、(3)、(4)分别表示加闪耀光栅时输入1－输出1、输入1－输出2、输入2－输出2、输入2－输出1时CCD上呈现的图样。图中的圆圈区则为切换所选的信道区域。特别地，图5(b)也表明了所选信道分别与每束入射光经过DMD衍射后的+1级次的对应情况。而图5(c)也表明了-1级次经过对应设计的闪耀光栅组后和+1级在输出端口平面叠加的情况；具体地，已有实验结果表明，这种闪耀光栅组在设计上是实际可行的，如图5(d)所示，为未加闪耀光栅组和加闪耀光栅组时，CCD所接收的一路衍射光束的图样；对比可以看出，衍射光束经过闪耀光栅后，在+1级次光束处能量发生叠加的情况并可以直观的看出能量是有显著增强的，通过具体能量测试，闪耀光栅组的设计能提高每一切换状态下耦合能量约2db。

本发明提供的高速光开关器件，一方面，使用的DMD器件具有22KHz的切换频率，切换速率是现有可用技术的百倍级，并能大大降低切换限制和切换过程中的数据丢失；另一方面，利用所设计的微浮雕闪耀光栅，一定程度上提升了DMD切换过程的衍射效率，为数据中心和光网络对高速可拓展线路切换的巨大需求提供了可行方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。