专利名称：1×n数字可编程光学路由转换器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光信号转换；具体地说，涉及在光通信网络中传输的光信号的空间路由和光信号处理。
光纤在各种商业和军事应用中用作传输光信号的物理介质。随着信息数据速率不断提高，传统电子转换系统变得日益难以处理更宽的波段。此外，所需要的光电信号转换限制了数据格式，提高了成本。全-光学路由/转换技术的特征是高“数据透明性”，可以从一个传输信道到另一个传输信道转换或传输光信号，同时信号保持为光学形式。
在光纤光学互联网络中已经开发出几种多路复用方案，包括时分多路复用(TDM)、波分多路复用(WDM)和空分多路复用(SDM)。空分转换被认为是最重要的光纤光学路由方案之一。空分光子转换器主要应用于光纤光通信网络、光学陀螺仪、光信号处理以及为相控阵雷达系统分配微/毫米波信号。
各种电磁场控制光学转换器可以在市场上购买到。它们基于机械、电光、热光、声光、磁光和半导体技术。每种转换技术具有它本身的优点，但是也有缺点。例如，机械转换器是最广泛使用的路由元件，而且具有插入损耗和串扰非常低的特点，但是它们的转换时间限制在毫秒范围内。它们的寿命受到限制，由于使用了电动机驱动部件。另一方面，LiNbO3集成光学转换器的转换时间为纳秒级。然而，LiNbO3转换器具有插入损耗相对大(5dB)、串扰高(20dB)和偏振相关性的缺点。
因此，人们不断努力开发信道串扰低、低的偏振相关损耗、以及至少中等重构速度的磁场控制光学转换器。已经证实当这些努力成功时，可以提供光通信系统的关键部件。
本发明利用偏振旋转器阵列和偏振相关路由元件(例如双折射元件或偏振分光器)的光学网络实现光学路由结构，该结构在宽的工作温度和波长范围内提供偏振无关性和低串扰转换。这一光学转换器保持转换信号为光学形式并保持它们的光学特性。
本发明描述了用于把光信号从一个输入端口选择发送至多个输出端口中的任何一个的光学路由转换器。输入端口的光信号被第一偏振相关路由元件(例如双折射元件或偏振分光器)空间分解为两个正交的偏振光束。此外，光学转换器的网络沿着光束的光路设置。每个光学转换器包括(1)偏振旋转器，可转换控制输入光束偏振，以便两个出射光束根据装置的控制状态或者垂直或者水平偏振；以及(2)偏振相关旋转元件，它空间发送光束对以便根据它们的偏振状态提供物理位移。网络中每个输出端口的末级包括偏振旋转器阵列，该偏振旋转器阵列至少改变光束之一的偏振，以便两个光束变为正交偏振。最后，偏振相关旋转元件(例如双折射元件)接收两个正交偏振光束并组合它们，在选择的网络输出端口出射。
结合附图可以更容易理解本发明，其中
图1是根据本发明的1×2N光学转换器的方块图。
图2a和2b是根据本发明的光学路由转换器的两个最佳结构的方块图；图3a至3d是在根据图2b的2维结构中设计的1×4路由转换器的方块图。图3a至3d描述了在转换器的四个控制状态中耦合到每个选择输出端口的输入光能的光路。
图4a至4d是在根据图2a的2维结构中设计的1×4路由转换器的方块图。图4a至4d描述了在转换器的四个控制状态中耦合到每个选择输出端口的输入光能的光路。
图5a至5d是使用根据图2a的3维结构的1×4路由转换器的方块图。图5a至5d描述了在转换器的四个控制状态中耦合到每个选择输出端口的输入光能的光路。
图6a至6d是使用根据图2b的3维结构的1×4路由转换器的方块图。图6a至6d描述了在转换器的四个控制状态中耦合到每个选择输出端口的输入光能的光路。
图7a至7d是使用所有双折射元件的厚度都相同的3维结构的1×4路由转换器的方块图。
图8是使用偏振分光器代替双折射元件的1×5路由转换器的替换实施例的方块图。
图9是使用成角度偏振分光器的树状结构的1×8路由转换器的另一实施例的方块图。
图10是使用偏振分光器的1×8路由转换器的另一替换实施例的方块图。
图11是使用成角度偏振分光器的1×4路由转换器的另一替换实施例的方块图。
图12是由四个1×4路由转换器彼此串联的另一替换实施例的方块图。
图13是结合PBS与反射棱镜的偏振相关路由元件的替换实施例的截面图。
图1示出了1×2N光学路由转换器的一般原理。光信号通过输入端口500输入并通过双折射元件(或偏振分光器)30。该双折射元件30把光束分解为两个正交偏振分量(例如水平和垂直方向)。由于双折射离散作用，两个光束也被第一双折射元件30空间分开。在图1中，细线表示一个偏振状态，粗线表示另一个正交偏振状态。光束通过第一阵列偏振旋转器100，该阵列包括截取两个光束的两个子元件(或象素)。偏振旋转器阵列100变换一个光束的偏振方向，以便当两个光束从第一偏振旋转器阵列100出射时具有相同的偏振方向。
然后两个光束通过第二双折射元件301，由于双折射离散作用，第二双折射元件301根据光束的偏振传播光束。在第二双折射元件301的输出端，对于每个光束根据它们入射到第二双折射元件301时的偏振状态，有两个可能的空间位置(表示为第二双折射元件301之后的细实线和细短划线)。然后两个光束通过另一偏振旋转器阵列900，偏振旋转器阵列900分为如图1所示的两个子元件。根据偏振旋转器100和900中子元件的控制状态，从第二偏振旋转器阵列900出射的一对光束可能具有两个不同偏振状态之一(例如水平或垂直)以及两个可能空间位置之一，从而产生偏振状态和空间位置的四种可能组合。
利用第三双折射元件302把这四种组合空间分离。具体地说，由于双折射离散作用，第三双折射元件302入射面上偏振状态和位置的四种可能组合在它的输出面上被分离为四个可能的空间位置。
双折射元件与偏振旋转器阵列的这种组合可以沿着光轴串联重复任意级。N级双折射元件301、302、…、30n-1、30n和偏振旋转器900、901、…、90n-1、90n数字互联在一起(即301/900、302/901、…、30n-1/90n-1以及30n/90n，如图1所示)，对于入射到第一级的一对原始光束可能总共有2N种可能输出位置。
最后的偏振旋转器阵列90n把光束对变换回正交偏振状态。这由最后的偏振旋转器阵列90n后面的细线和粗线表示，其中细线表示一个偏振状态，粗线表示正交偏振状态。正交偏振光束对被最后的双折射元件60组合并从2N个输出端口之一出射。
为了有助于确定设计误差容限，双折射元件的厚度可以几何级数变化，如图2a和2b所示。在图2a中，双折射元件的厚度为L、L/2、…、L/2N-1和L/2N。相反，在图2b中级数被反过来，双折射元件的厚度为L、2L、…、2N-1L和2NL。工作原理与图1所示的基本相同。当光束对通过每级时，双折射元件的这些厚度变化有助于当光束对通过每级时保持光束分离。在末级(即双折射元件30n)的出射平面上总共存在2N可能光束位置。因此，最后的偏振控制器90n必须具有2N+1个象素，以便2N个可能光束对中的每一个可以变换为正交偏振。图2a和2b所示的结构有助于提供足够的光束分离以便最后的偏振旋转器阵列90n可以对于可能输出位置中的每一个象素化。那么这一结构可以阻挡2N+1个可能光束位置中的每一个逸出光，逸出光如果通过，将在不希望的输出端口导致串扰。
另一方面，图1、2a和2b所示的实施例也可以视为由一系列光学转换级构成的二叉树结构。每一级包括(a)偏振旋转器阵列100、900、901等，选择性旋转输入光束对的偏振方向，以便两个光束具有由转换器控制状态确定的相同偏振状态；以及(b)双折射元件301、302等，选择旋转光束对至选择的一个可能输出光束位置，所述可能输出光束位置由它们的偏振状态确定。
特别地，从第一双折射元件30出射的正交偏振光束对被第一级100、301接收。然后，第N级接收一个选自来自前一级的2N-1个可能输入光束位置之一上的光束对，并把该光束对传播到2N个可能输出光束位置中的任一位置，所述2N个可能输出光束位置由该状态的偏振旋转器阵列中的象素的控制状态确定。最后的偏振旋转器阵列旋转在最后一级出射的光束对的偏振状态，以便光束正交偏振，而且能够被最后的双折射元件60在选择的输出端口之一组合。
1×4光学路由转换器的2-D设计光学路由转换器的二维设计示于图3a至3d中。如前所述，通过输入端口500入射的光被第一双折射元件30分为两个正交偏振分量。双折射元件30的光轴相对于光束传播方向倾斜，以便输入光被分解为一对正交偏振光束。第一偏振旋转器阵列100分为状态互补的两个子元件，即当一个接通时，另一个关闭。这一结构使得两个光束在第一偏振旋转阵列100的出射面上变为垂直或水平偏振。图3a至3d中的圆点和短平行线分别表示垂直偏振分量和水平偏振分量。
图3a描绘设计成把输入信号发送至输出端口501的光学路由转换器。在图3a中，设置第一偏振转向器阵列100以便把垂直偏振光束旋转为水平偏振方向，使得当两个光束在第一偏振旋转器阵列100出射时它们的偏振方向水平。这些水平偏振光束在第二双折射元件40中被继续向上传播，因为它们在该双折射元件40中是非寻常波。然后两个光束进入具有两个子元件的第二偏振旋转器阵列101。在图3a中，第二偏振旋转器阵列101设置成不旋转偏振方向，光束保持它们的水平偏振方向。然后光束进入第三双折射元件50，第三双折射元件的厚度为第二双折射元件40的二倍。在这里光束再次向上传播并在第三双折射元件的最高处出射，因为它们在第三双折射元件50中是非寻常波。当两个光束到达第三偏振旋转器阵列102时，它们的偏振方向继续相同。阵列102具有四对象素或子元件。如图3a所示，子元件之一设置成把一个光束变换为垂直偏振，以便光束对再次变成正交偏振。这两个正交偏振光束被第四双折射元件60再次组合并在输出端口501出射。
图3b示出设计成把输入端口500耦合至输出端口503的转换器。这里，第二偏振旋转器阵列101的上部子元件把两个光束的偏振方向旋转90°，使得它们的偏振方向变为垂直。这两个垂直偏振光束在第三双折射元件50中被认为是寻常波。因此，不出现漂移，光束直线传播通过第三双折射元件50。两个垂直偏振光束入射到第三偏振旋转器阵列102，它把一个光束变换为水平偏振。产生的正交偏振光束被第四双折射元件60组合并在输出端口503出射。
图3c示出设计成把输入端口500耦合至输出端口502的转换器。这里，第一偏振旋转器阵列100的子元件的控制状态变换为与图3a相反，使得两个光束垂直偏振。垂直偏振光束在第二双折射元件40中被认为是寻常波，因此直线传播通过第二双折射元件40。第二偏振旋转器阵列101设置成两个光束的偏振方向旋转90°，使得它们变为水平偏振。这两个水平偏振光束在第三双折射元件50中被认为是非寻常波，因此在双折射元件50中向上传播。两个光束入射到第三偏振旋转器阵列102，它把一个光束变换为垂直偏振方向。产生的正交偏振光束被第四双折射元件60组合并在输出端口502出射。
图3d示出设计成把输入端口500耦合输出出端口504的转换器。这里，第二偏振旋转器阵列101设置成不旋转偏振方向，使得两个光束保持它们的垂直偏振方向。这两个垂直偏振光束在第三双折射元件50中被认为是寻常波，因此，直线传播通过该双折射元件50。两个垂直偏振光束入射到第三偏振旋转器阵列102，它把一个光束的偏振方向变换为水平。产生的正交偏振光束被第四双折射元件60组合并在输出端口504出射。
图4a至4d示出1×4光学转换器的另一2-D实施例。这里，把第二和第三双折射元件掉换以便较厚元件靠近输入端口500。当第一偏振旋转器阵列100设计成如图4a至4d所示时，它控制光束对的光路，使得它们依赖于第二偏振旋转器阵列101的控制状态传播至输出端口504(图4a)或者输出端口503(图4b)。当第一偏振旋转器阵列100转换到它的互补控制状态时，如图4c和4d所示，光束对依赖于第二偏振旋转器阵列101的控制状态传播至输出端口502(图4c)或者输出端口501(图4d)。最后的偏振旋转器阵列102把一个光束的偏振状态变换90°使得光束变回到正交偏振状态，然后被最后的双折射元件60组合，如前所述。
对于上面公开的两种设计，脑子里必须想着两个设计思想。首先，偏振旋转器阵列中的每个子元件的接通和断开特性用数字方法控制(例如“1”是接通，“0”是断开)。其次，当N级双折射元件和偏振旋转器阵列串联设置时，总共有2N输出端口。每一级产生两个可能输出方向。根据这些设计原理，可以实现可数字编程的光学路由转换器。控制状态表示于表1中。
本设计的另一关键特征是它的误差容限。结合图3a-3d和4a-4d可以更好地理解这一点。在这两套图中，偏振旋转器阵列用实芯和空芯方块表示以便分别代表每个子元件有偏振转换和没有偏振转换。例如，两套图中最后的偏振控制器102具有四对子元件。每对中的子元件以互补状态控制(即，当一对中的一个子元件接通时，另一子元件断开)。如图所示，四对子元件排列成只有接收光束的一对的上部子元件设置成垂直偏振，它的下部子元件设置成水平偏振。其他三对设置成互补状态以便任何逸出光能的偏振状态变成相反的偏振状态，从而被双折射元件在非正确方向上发送。例如在图3a中，第三偏振旋转器阵列102的8个象素从上至下设置成接通、断开、断开、接通、接通、断开、接通、断开。我们如果比较图3b、3c和3d中的象素，除了前两个象素之外，这种组合是这些控制状态的反转，其中光束可以被耦合到另三个输出端口。这种阻挡确保输出信道之间串扰。
在这里，该实施例也可以视为1×2光学转换器的树状结构，所述1×2光学转换器接收从第一双折射元件30出射的光束对。两级树状结构包括偏振旋转器阵列100、101，它们选择旋转光束对的偏振方向，使得两束光具有由控制状态确定的相同偏振状态，以及双折射元件40、50，它们沿着由它们的偏振状态确定的两个选择光路之一选择旋转光束对。最后的偏振旋转器阵列102旋转光束对的偏振状态使得它们正交偏振，而最后的双折射元件60在希望的输出端口501-504组合正交偏振光束。
1×4光学路由转换器的3-D设计图5a至5d示出1×4光学路由转换器的三维结构。这里，第二和第三双折射元件40和50相对于第一和第四双折射元件定位为90°。来自输入端口500的光信号进入第一双折射元件30并被分成水平和垂直偏振分量。在后面的图中，平行于装置基准面的双箭头线表示水平偏振分量，而垂直于基准面的双箭头线表示垂直偏振分量。
图5a描绘的是设计成把输入信号发送至输出端口501的光学路由转换器。在图5a中，偏振转向器100具有状态(接通，断开)，把水平偏振光束变换为垂直偏振。那么两个光束在第一偏振旋转器阵列100出射时具有相同的垂直偏振方向。这两个垂直偏振光束在通过第二双折射元件40时被认为非寻常波，从而向上传播。第二偏振旋转器阵列101接收该光束对，但是不施加旋转，使得两光束保持垂直偏振。然后光束进入第三双折射元件50，并再次向上传播。两个垂直偏振分量通过第三偏振旋转器阵列102，第三偏振旋转器阵列102把两光束之一的偏振方向旋转90°，使得它们再次变成正交。正交偏振光束对被第四双折射元件60再次组合并在输出端口501出射。
在图5b中，输入端口500被耦合至输出端口502。如同图5a的情况一样，在第一偏振旋转器阵列100之后产生相同的垂直偏振。光束向上传播并在第二双折射元件40的上部出射。在图5b的情况下，第二偏振旋转器阵列101设置成“接通”，两个光束的偏振方向被旋转90°(即两光束变为水平偏振)。水平偏振光束在第三双折射元件50中被认为是寻常波，因此直线传播通过该元件50。最后的偏振旋转器阵列102接收两光束，并把一个光束的偏振方向旋转90°，使得光束对被第四双折射元件60组合并在输出端口502出射。
图5c中输入端口500被耦合至输出端口503。第一偏振旋转器阵列100的子元件从前述两种情况的状态变换为互补状态。这样导致当光束对通过第一偏振旋转器阵列100时水平偏振。两个光束直线传播通过第二双折射元件40(在它的下部)，因为它们在第二双折射元件40中被认为是寻常波。两个光束的偏振方向被第二偏振旋转器阵列101旋转90°，使得它们变为垂直偏振。这两个垂直偏振光束在第三双折射元件50中被认为是非寻常波，并向上传播。最后的偏振旋转器阵列102接收两个光束，并把一个光束的偏振方向旋转90°，使得它们变为正交偏振。两光束被第四双折射元件60组合并在输出端口503出射。
在图5d中，输入端口500被耦合至输出端口504。在这种情况下，第一偏振旋转器阵列100设置成与图5c一样的控制状态。这样导致当光束对通过第一偏振旋转器阵列100时水平偏振。光束直线传播通过第二双折射元件40(在它的下部)，因为它们在第二双折射元件40中被认为是寻常波。在该最后控制状态，偏振控制器101设置成不旋转该光束的偏振方向。水平偏振光束在第三双折射元件50中被认为是寻常波，并直线传播通过该元件50。最后的偏振控制器102接收两光束，并把一个光束的偏振方向旋转90°。正交偏振光束被第四双折射元件60组合并在输出端口504出射。
图6a至6d示出1×4路由转换器的另一3-D实施例。在这种情况下，第二和第三双折射元件的次序相对于图5a至5d被颠倒。这里，第一偏振旋转器阵列100与第二双折射元件50结合确定光束被传播至第一系列输出端口501、503或第二系列输出端口502、504之一。第二偏振旋转器阵列101与第三双折射元件40结合确定光束被传播至第一系列的输出端口501或503之一，或第二系列的输出端口502或504之一。
图7a至7d是根据本发明的1×4光学路由转换器的另一3维实施例的简图。所有双折射元件的厚度相同。
从上面的设计可以理解到，当接收光束对的偏振旋转器设置在正确的控制状态时，这些路由转换器可以工作。所有其他子元件可以设置为悬浮或转换为任意控制状态。然而，为了路由转换器保持高性能和低串扰，精心设置子元件或象素以便光阻止光逸出到输出端口的总效果最大。例如，如图6a-6d所示，第三偏振旋转器阵列102的象素设置成与它们的初始状态互补。因此，来自不完全偏振旋转的任何不希望的光逸出将被旋转为错误的偏振方向，不耦合到输出端口，从而使串扰最小化。
利用偏振分光器的光学路由转换器在前面讨论的实施例中，通过使用树状结构实现光信号发送。在那些情况下，每个光学转换级把光信号重定向在两个可能光路之一。随着信号传播通过转换器，N级产生2N个可能输出端口。相反，后面图8至12中示出的1×N转换器(其中N为任意数)的例子描述了使用串联结构的转换器。在这些转换器中，使用偏振分光器(PBS)代替双折射元件作为偏振相关路由元件。
偏振分光器(PBS)允许预定偏振光直接通过分光器，而正交偏振光在分光器内反射或折射，并沿着分离的光路出射。该光路通常与第一光束成90°，如图8和10所示。
图8示出1×5光学转换器的结构。前面例子中使用的双折射元件被偏振分光器801、802、803和804代替。每个PBS与偏振旋转器700、705、706和707耦合，这些偏振旋转器根据光学转换器的控制状态旋转光束对的偏振方向。每对偏振旋转器和PBS可以看作1×2光学转换级。例如，偏振旋转器705控制光束对的偏振状态为垂直或水平。后面的PBS 802或者把光束对发送至输出端口502或者通过它至下一级以便进一步发送。在输入输出端口的偏振发光和再组合与前面相同，利用双折射元件30、601、602、603、604和605与双象素偏振旋转器阵列700、701、702、703、704和708结合，用于正交偏振控制。
由于PBS的典型偏振消光比低，在图8所示的实施例中在输出端口501至505中的每一个上使用一系列任选的偏振器901、902、903、904和905。这些高消光比偏振器(例如偏振消光比为10000∶1的Palarcor二向色玻璃偏振器)纯化偏振以便减少串扰。然而应该注意，不使用这些偏振器转换器能够完成它的基本功能。
图10给出使用基于偏振分光器的两个串联转换级的1×8转换器的例子。每级包括偏振旋转器700、711-713以及715-717与PBS 800-807结合构成1×2级光学路由转换器。根据第一偏振旋转器阵列700中两个象素的控制状态，第一PBS 800把光束对发送至输出端口501-504或505-508之一。该1×8转换器中的两个串联级中其余部分的操作与上面讨论和图8所示的类似。
图11描绘了利用另一类型偏振相关路由元件801、802和803的1×4光学路由转换器，所述偏振相关路由元件801、802和803在输出端对于垂直和水平偏振分量具有离散角。可以认为这一类型偏振分光器801-803是在双折射元件(即平行光束输出、高消光比)和PBS(垂直光束输出、低消光比)性能之间的折衷。它提供高偏振对比度，并以一定角度分离输出光束。
这一特征放宽了制造该装置中的一些实际限制，例如输出端口格林透镜的包装。如果使用双折射元件制造1×8转换器，以便两个正交偏振分量互相平行，则需要三个厚度分别为d、2d和4d的双折射元件。对于目前格林透镜尺寸1.8mm(该尺寸限定输出端口之间的最小距离)，第一双折射元件的最小厚度(d)为18mm。总厚度为7d(d+2d+4d)，等于126mm。对于所有其他元件插入装置中，那么总最小光路长度大约为130mm数量级。这一长耦合距离将产生大的插入损耗，并且难以制造。虽然可以通过使用直角棱镜在输出端反射光束解决这一问题，但是这一方法进一步提高了装置成本和复杂程度。使用PBS或直角分光器可以放宽这一耦合限制，因为输出角进一步分离光路，使得不再需要直角光束分离器的尺寸呈几何递增。结果转换器更加紧凑而且成本低。
图9是使用形成二叉树结构的1×2转换级网络的1×8光学路由转换器的例子。这里，每一级包括偏振旋转器100、101、102、103、104、105、106与有一定角度的偏振分离器801、802、803、804、805、806和807结合。输入光束被第一双折射元件30分为一对正交偏振光束，如同前面的实施例一样。这些正交偏振光束之一的偏振方向被第一偏振旋转器阵列100旋转90°，使得两光束具有相同的偏振方向，如同转换器的控制状态所确定的一样。根据与每级相关的偏振旋转器的控制状态，发送光束对通过1×2转换网络。应该注意第一偏振旋转器阵列100具有两个象素，而其余偏振旋转器102至106只需要一个象素。在每个输出端口，最后的偏振旋转器阵列107-114把光束对变回正交偏振，使得它们可以被最后的双折射元件601-608组合。
图12描绘了一个实施例，其中四个1×4转换器彼此平行叠放在一起。在一个使用N×N结构的网络应用中，总共需要2N个1×N模块。在4×4的情况下，需要8个1×4转换模块。对于图12所示的4级结构，两套这些装置足以构成4×4纵横制转换器。从材料成本角度看，因为除了在一个方向上尺寸增加以外，转换器中的光学元件都一样，所以材料成本实际上保持不变。这样随着级数的增加大大降低每级的平均材料成本。
图13是偏振相关路由元件31的截面图，该路由元件31可以用于代替双折射元件30和60，把输入光束分为正交偏振分量，或者在输出端口组合正交偏振分量。该偏振相关路由元件31是PBS与反射棱镜的组合。输入光束的垂直偏振分量直接通过元件31。然而，输入光束的水平偏振分量在PBS内被反射90°，并被棱镜的反射表面第二次反射，使得水平偏振光束与垂直偏振光束平行出射，但是与垂直偏振光束分开。
本发明具有如下优点(1)与偏振无关工作；(2)信道之间串扰低；(3)低插入损耗；(4)在宽波段范围内工作；(5)工作温度范围宽；(6)当使用不同的偏振转换器时转换速率从毫秒级到纳秒级变化；以及(7)允许把多个转换器叠放在一起的可缩放结构(M×N)。这些转换器结构最好用液晶偏振转换器实现，由于液晶偏振转换器的空间光调制特性。在这种情况下，可以在每级使用象素化调制器控制光束对。可以把一个大方阵制造在一个结构中，产生大尺寸的M×N光学路由转换器。
上面公开的内容提出了本发明的许多实施例。在本发明的教导下可以实现其他没有详细提出的结构或实施例，如同后面权利要求书所提出的一样。
权利要求
1.一种光学路由转换器，把输入光束传播到多个输出端口中由指定控制状态确定的任何一个，该转换器包括接收输入光束的输入端口；第一偏振相关路由元件，把所述输入光束分为一对正交偏振光束；以及光学转换器网络，接收从所述第一偏振相关路由元件出射的所述光束并具有多个输出端口，其中所述光学转换器包括(a)偏振旋转器装置，用于选择性旋转至少所述光束对之一的偏振方向，使得两个光束具有由所述控制状态确定的相同的偏振方向；以及(b)偏振相关路由元件，沿着由光束的偏振方向确定的两个选择光路之一选择性发送从所述偏振旋转器装置出射的所述光束；其中所述输出端口包括(a)偏振旋转器装置，用于旋转所述光束的偏振方向，使得所述光束正交偏振；以及(b)偏振相关路由元件，用于在所说输出端口组合所述正交偏振光束。
2.如权利要求1所述的光学路由转换器，其中所述偏振相关路由元件包括双折射元件。
3.如权利要求1所述的光学路由转换器，其中所述偏振相关路由元件包括偏振分光器。
4.如权利要求1所述的光学路由转换器，其中所述偏振相关路由元件包括偏振分光器和反射棱镜。
5.如权利要求1所述的光学路由转换器，其中所述光学转换器网络包括二叉树结构。
6.如权利要求1所述的光学路由转换器，其中所述光学转换器网络包括1×2光学转换器。
7.如权利要求1所述的光学路由转换器，其中所述偏振旋转器装置包括液晶偏振旋转器。
8.如权利要求7所述的光学路由转换器，其中所述液晶偏振旋转器具有多个象素。
9.一种光学路由转换器，把输入光束传播到多个输出端口中由指定控制状态确定的任何一个，该转换器包括接收输入光束的输入端口；第一偏振相关路由元件，把所述输入光束分为一对正交偏振光束；串联的多级光学转换器，其中第一级从所述第一偏振相关路由元件接收所述正交偏振光束，第N级接收来自前一级的位于选自2N-1个可能输入光束位置的之一上的光束对，并把所述光束对传播至2N个可能光束输出位置中的任意一个位置上，所述光学转换级具有(a)偏振旋转器阵列，用于选择性旋转所述输入光束对的偏振方向，使得两个光束具有由所述控制状态确定的相同的偏振方向；以及(b)偏振相关路由元件，把所述光束对选择发送至由它们的偏振方向确定的所述可能输出光束位置中的一个选定位置上；最后的偏振旋转器阵列，用于旋转从所述最后的串联级出射的光束对的偏振方向，使得所述光束正交偏振；以及最后的偏振相关路由元件，用于在一个选定的所述输出端口组合所述正交偏振光束。
10.如权利要求9所述的光学路由转换器，其中所述偏振相关路由元件包括双折射元件。
11.如权利要求9所述的光学路由转换器，其中所述偏振相关路由元件包括偏振分光器和反射棱镜。
12.如权利要求9所述的光学路由转换器，其中所述偏振旋转器装置包括液晶偏振旋转器。
13.如权利要求12所述的光学路由转换器，其中所述液晶偏振旋转器具有多个象素。
14.一种光学路由转换器，把输入光束传播到多个输出端口中由指定控制状态确定的任何一个，该转换器包括接收输入光束的输入端口；第一偏振相关路由元件，把所述输入光束分为一对正交偏振光束；以及1×2光学转换器网络，接收从所述双折射元件出射的所述光束并具有多个输出端口，其中所述光学转换器包括(a)偏振旋转器装置，用于选择性旋转至少所述光束对之一的偏振方向，使得两个光束具有由所述控制状态确定的相同的偏振方向；以及(b)偏振分光器，把从所述偏振旋转器装置出射的光束沿着由它们的偏振状态确定的两个选择光路之一选择发送；其中所述输出端口包括(a)偏振旋转器装置，用于旋转所述光束的偏振方向，使得所述光束正交偏振；以及(b)最后的偏振相关路由元件，用于在所述输出端口组合所述正交偏振光束。
15.如权利要求14所述的光学路由转换器，其中所述偏振旋转器装置包括液晶偏振旋转器。
16.如权利要求14所述的光学路由转换器，其中所述偏振相关路由元件包括双折射元件。
17.如权利要求14所述的光学路由转换器，其中所述光学转换器网络包括二叉树结构。
18.一种光学路由转换器，把输入光束传播到多个输出端口中由指定控制状态确定的任何一个，该转换器包括接收输入光束的输入端口；第一偏振相关路由元件，把所述输入光束分为一对正交偏振光束；第一偏振旋转器阵列，具有两个象素，用于选择性旋转所述光束对之一的偏振方向，使得两个光束具有由所述控制状态确定的相同的偏振方向；以及第一偏振相关路由元件，把从所述偏振旋转器装置出射的所述光束对沿着由它们的偏振状态确定的两个选择光路之一发送；1×2光学转换器网络，接收从所述第一偏振相关路由元件出射的所述光束并具有多个输出端口，其中所述光学转换器包括(a)偏振旋转器装置，用于选择性旋转所述光束对的偏振方向，使得两个光束具有由所述控制状态确定的相同的偏振方向；以及(b)偏振分光器，把从所述偏振旋转器装置出射的光束对沿着由它们的偏振状态确定的两个选择光路之一选择发送；其中所述输出端口包括(a)最后的偏振旋转器装置，用于旋转所述光束的偏振方向，使得所述光束正交偏振；以及(b)最后的偏振相关路由元件，用于在所述输出端口组合所述正交偏振光束。
19.如权利要求18所述的光学路由转换器，其中所述偏振旋转器装置包括液晶偏振旋转器。
20.如权利要求18所述的光学路由转换器，其中所述1×2光学转换器网络包括二叉树结构。
全文摘要
光学路由转换器在宽工作温度和波段范围内,在光学输入端口(500)和多个输出端口之间进行与偏振无关低串扰转换。输入端口(500)上的光信号被第一偏振相关路由元件(例如双折射元件或偏振分光器)(30)空间分解为两个正交的偏振光束。此外,光学转换器网络沿着光束的光路设置。每个光学转换器包括:(1)偏振旋转器(100),可转换控制输入光束偏振,以便两个出射光束根据装置的控制状态或者垂直或者水平偏振;以及(2)偏振相关路由元件(301),它空间发送光束对以便根据它们的偏振状态提供物理位移。网络中每个输出端口的末级包括偏振旋转器(90n)阵列,该偏振旋转器阵列至少改变光束之一的偏振,以便两个光束变为正交偏振。最后,偏振相关路由元件(例如双折射元件)(60)接收两个正交偏振光束并组合它们,在选择的网络输出端口出射。
文档编号G02F1/13GK1259247SQ98805710
公开日2000年7月5日 申请日期1998年3月30日 优先权日1997年4月2日
发明者伍光义, 刘建羽 申请人:乔拉姆技术公司