专利名称：N×m数字可编程的光路由开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及。本发明总的涉及光信号的交换；具体地，涉及在光通信网络中发送的光信号的空间路由和光信号处理。
2．发明背景。在各种商业和军事应用中，光纤被使用作为传输光信号的物理媒体。随着信息的数据速率不断提高，用传统的电子交换系统来控制更高的带宽变得越来越困难。另外，需要在光和电信号之间进行的转换限制了数据格式和增加了费用。以高的“数据透明度”为特征的全光路由/交换技术可以将光信号从一个传输信道交换或传送到另一个传输信道，而同时让信号保持为光形式。
在光纤互联网中已开发了几种复接方案，包括时分复用(TDM)、波分复用(WDM)、和空分复用(SDM)。空分交换被认为是最重要的光纤路由方案之一。空分光子开关的主要应用是在光纤通信网、光学陀螺仪、光信号处理、和用于相控阵雷达系统的微波/毫米波信号传播。
很多种电磁场控制的光开关是市场上有售的。它们是基于机械、电-光、热-光、声-光、磁-光、和半导体技术。每种交换技术具有它自己的优点，但也有缺点。例如，机械开关是被最广泛使用的路由部件，以及提供非常低的插入损耗和串扰特性，但它们的交换时间限于毫秒量级。因为使用马达驱动的零件，所以它们也只有有限的寿命。另一方面，LiNbO3集成光开关提供纳秒(ns)级的交换时间。然而，LiNbO3集成光开关具有相对较大的插入损耗(5dB)、高的串扰(20dB)和极化相关性等缺点。
因此，正在继续努力开发具有较低的信道串扰、减小的与极化相关的损耗、和至少中等的重新配置速度的场控制的光开关。可以看到，当成功时，这些努力可以为光纤通信系统提供重要的部件。
3．问题的解决办法。本发明利用极化旋转器阵列和与极化相关的路由元件(例如，双折射元件或极化的波束分路器)的光网络来完成光路由结构，它在很宽的温度和波长的工作范围内提供与极化无关的和低串扰的交换。这种光开关保留以光形式交换的信号，以及保留它们的光特性。
发明概要本发明描述一种用于选择地从多个输入端口的任一端口路由光信号到多个输出端口的任一端口的光路由开关。在每个输入端口处的光信号被第一与极化相关的路由元件(例如，双折射元件或极化的波束分路器)空间分解成两个正交极化的波束。除此以外，光开关的网络沿着该光束对的光路径放置。每个光开关包括(1)可切换地控制输入光束的极化的极化旋转器，以使得按照器件的控制状态来将两个输出的波束或者是垂直极化或者是水平极化；以及(2)与极化相关的路由元件，它根据光束对的极化状态来空间地路由该光束对，以便提供物理移位。网络中对于每个输出端口的最后级由极化旋转器阵列组成，它改变至少一个光束的极化，以使得两个波束变成为正交极化的。最后，与极化相关的路由元件(例如，双折射元件)交截这两个正交极化波束和重新组合这两个波束以便在选择的输出端口输出。
附图简述结合附图将更容易了解本发明，其中
图1是按照本发明的1×2N光开关的方框图。
图2a和2b是按照本发明的、用于光路由开关的两个优选结构的方框图。
图3a到3d是基于图2b的、被设计在二维结构中的1×4路由开关的方框图。图3a到3d显示在开关的四个控制状态下将输入光能量耦合到每个选择的输出端口的光路径。
图4a到4d是基于图2a的、被设计在二维结构中的1×4路由开关的方框图。图4a到4d显示在开关的四个控制状态下将输入光能量耦合到每个选择的输出端口的光路径。
图5a到5d是基于图2a的、使用三维结构的1×4路由开关的方框图。图5a到5d显示在开关的四个控制状态下将输入光能量耦合到每个选择的输出端口的光路径。
图6a到6d是基于图2b的、使用三维结构的1×4路由开关的方框图。图6a到6d显示在开关的四个控制状态下将输入光能量耦合到每个选择的输出端口的光路径。
图7a到7d是使用三维结构的1×4路由开关的方框图，其中所有的双折射元件都具有相同的厚度。
图8是使用极化的波束分路器代替双折射元件的1×5路由开关的可选实施例的方框图。
图9是使用角极化波束分路器的树状结构的1×8路由开关的另一个实施例的方框图。
图10是使用极化的波束分路器的1×8路由开关的另一个可选实施例的方框图。
图11是使用角极化的波束分路器的1×4路由开关的另一个可选实施例的方框图。
图12是使用互相堆叠的一系列四个1×4路由开关的另一个可选实施例的方框图。
图13是把PBS与反射式棱镜组合的与极化相关的路由元件的可选实施例的截面图。
图14是使用极化的波束分路器的2×2路由开关的截面图。
图15是使用极化的波束分路器网络的2×2路由开关的可选实施例的截面图。
图16是使用极化的波束分路器的2×8路由开关的截面图。
图17是4×4路由开关的截面图。
图18是4×4路由开关的可选实施例的截面图。
图19是6×6路由开关的截面图。
图20a和20b是2×2路由开关的可选实施例的两个控制状态的图。
图21是4×4路由开关的可选实施例的图。
图22是2×2路由开关的另一个可选实施例的图。
发明详述图1显示1×2N光路由开关的一般概念。光信号被通过输入端口500输入，以及经过双折射元件(或极化波束分离器)30。这个双折射元件30把光束分解成正交极化(例如，垂直和水平)的两个分量。由于双折射离散效应，两个波束也被第一双折射元件30在空间上分开。在图1上，细线表示一个极化状态，以及粗线表示第二个正交的极化。光束传送通过第一极化旋转器阵列100，它由交截这两个波束的两个子元件(或象素)组成。极化旋转器阵列100变换光束之一的极化，以使得两个波束在它们离开第一极化旋转器阵列100时具有相同的极化。
然后两个光束传送通过第二双折射元件301，由于双折射离散效应，该双折射元件根据光束的极化引导它们。在第二双折射元件301的输出端处，基于每个光束进入第二双折射元件301时的极化，每个光束都有两个可能的空间位置(被画成第二双折射元件301后面的细实线和细虚线)。两个波束然后传送到被分成两个子单元的另一个极化旋转器阵列900，如图1所示。根据在极化旋转器100和900中子单元的控制状态，离开第二极化旋转器阵列900的光束对可以具有两个不同的极化的任一个(例如，水平或垂直)以及具有两个可能的空间位置的任一个，这样，就导致极化和空间位置的四种可能的组合。
这四种组合通过使用第三双折射元件302而被空间地分开。更具体地，在第三双折射元件302的输入面处的极化和位置的四种可能的组合在它的输出面处由于双折射离散效应而被分开成四个可能的空间位置。
双折射元件与极化旋转器阵列的这种组合可以在沿着光轴串行地堆叠的、任何数目的级中被重复。在双折射元件301,302,…,30n-1,30n和极化旋转器900,901,…,90n-1,90n叉指式地放置在一起的N级的情况下(即，如图1所示的301/900,302/901,…,30n-1/90n-1，和30n/90n)，对于进入第一级的最初的波束对总共有2N个可能的输出位置。
最后的极化旋转器阵列90n把波束对变换回正交极化。这是通过在最后的极化旋转器阵列90n后面的细线和粗线表示的，其中细线代表一个极化，而粗线代表正交的极化。正交极化波束对被最后的双折射元件60组合，以及在2N个输出端口之一输出。
为了有助于使设计是容错的，双折射元件的厚度可以按几何级数变化，如图2a和2b所示。在图2a上，双折射元件具有L,L/2,…,L/2N-1和L/2N的厚度。相反，在图2b上次序倒过来，双折射元件具有L,2L,…,2N-1L和/2NL的厚度。工作原理总的是和图1所示的相同的。在波束通过每级时，双折射元件的厚度的这些变化有助于保持波束对的波束分离。总共2N个可能的波束位置在最后一级的出口面上输出(即，在双折射元件30n处)。所以，最后的极化控制器90n必须具有2N+1个象素，以使得2N个可能的波束对的每一对可以被变换成正交极化。图2a和2b所示的配置有助于提供足够的波束分离，以使得最后的极化旋转器阵列90n可以为每个可能的输出位置而象素化。这个装置然后可阻挡在2N+1个可能的波束位置的每个位置处的光泄漏，这些光如果通过会在不期望的输出端口处引起串扰。
替换地，图1、2a、和2b所示的实施例也可被看作为由一系列光开关级组成的二进制树结构。每级包括(a)极化旋转器阵列100、900、901等等，它选择地旋转输入波束对的极化，以使得两个波束具有由开关的控制状态确定的相同的极化；以及(b)双折射元件301、302等等，它选择地将波束对路由到由它们的极化所确定的选定的某个可能的输出波束位置。
具体地，从第一双折射元件30出去的正交极化的波束对被第一级100、301接收。此后，第N级从前一级接收处于2N-1个可能的输入波束位置中某个选定位置上的波束对，以及把该波束对引导到由该级的极化旋转器阵列中象素的控制状态确定的2N个可能的输出波束位置的任一个位置。最后的极化旋转器阵列旋转离开最后一级的波束对的极化，以使得波束是正交极化的，以及可以在选择的某个输出端口处由最后的双折射元件60组合。
1×4光路由开关的2-D(二维)设计。图3a到3d显示了光路由开关的二维设计。如以前那样，从输入端口500进入的光由第一双折射元件30分裂成两个正交极化。双折射元件30的光轴的取向相对于光束传播方向是倾斜的，以使得光输入被分解成一对正交极化的波束。第一极化旋转器阵列100被分成具有互补状态的两个子元件，即当一个是接通时另一个是关断的。这个安排使得两个光束在第一极化旋转器阵列100的出口面处变成为或者垂直或者水平极化。图3a到3d上的圆点和短平行线分别表示垂直极化和水平极化。
图3a显示被配置来路由输入信号到输出端口501的光路由开关。在图3a上，第一极化旋转器阵列100被设置成把垂直极化波束旋转成水平极化，这样，两个光束在它们从第一极化旋转器阵列100出去时都具有水平极化。因为这些水平极化的波束在第二双折射元件40中是异常波，所以它们在第二双折射元件40中被重新引导向上。这两个波束然后进入具有两个子元件的第二极化旋转器阵列101。在图3a上，第二极化旋转器阵列101被设置成不提供极化旋转，以及光束保持它们的水平极化。波束然后进入第三双折射元件50，它具有的厚度是第二双折射元件40的两倍。这里再次地，因为波束在这个双折射元件50中是异常波，所以它们向上传播和在第三双折射元件50的最高层处出去。这两个波束在到达第三极化旋转器阵列102时仍保持有相同的极化。这个阵列102具有四对象素或子元件。如图3a所示，子元件之一被设置成把波束之一变换成垂直极化，这样，波束对再次变成为正交极化的。这两个正交波束由第四双折射元件60进行重新组合，以及在输出端口501处输出。
图3b显示被配置来把输入端口500耦合到输出端口503的开关。这里，第二极化旋转器阵列101的上面的子元件把两个波束的极化都旋转90°，这样它们的极化变成为垂直的。这两个垂直极化的波束在第三双折射元件50中被认为是寻常波。所以，没有发生偏移，并且波束直线行进通过第三双折射元件50。两个垂直极化波束被第三极化旋转器阵列102交截，它把其中一个波束变换成水平极化。结果的正交极化波束由第四双折射元件60进行重新组合，以及在输出端口503处输出。
图3c显示被配置来把输入端口500耦合到输出端口502的开关。这里，在第一极化旋转器阵列100中的子元件的控制状态是与图3a相反的，这样两个波束是垂直极化的。垂直极化的波束在第二双折射元件40中被认为是寻常波，所以，它们直线传播通过这个双折射元件40。第二极化旋转器阵列101被设置成把这两个波束的极化旋转90°，这样它们变成为水平极化的。这两个水平极化的波束在第三双折射元件50中被认为是异常波，所以，波束在双折射元件50中向上行进。两个波束都被第三极化旋转器阵列102交截，它把其中一个波束变换成垂直极化。结果的正交极化波束由第四双折射元件60进行重新组合，以及在输出端口502处输出。
图3d显示被配置来把输入端口500耦合到输出端口504的开关。这里，第二极化旋转器阵列101被设置成不提供极化旋转，这样，两个光束保持它们的垂直极化。这两个垂直极化的波束在第三双折射元件50中被认为是寻常波，所以，它们直线传播通过这个双折射元件50。这两个垂直极化的波束被第三极化旋转器阵列102交截，它把其中一个波束的极化变换成水平的。结果的正交波束由第四双折射元件60进行重新组合，以及在输出端口504处输出。
图4a到4d显示对于1×4光开关的另一个2-D实施例。这里，第二和第三双折射元件被颠倒，以使得较厚的元件更靠近输入端口500。当第一极化旋转器阵列100被配置成如图4a和4b所示时，它控制光束对的光路径，以使得它们根据第二极化旋转器阵列101的控制状态被引导到输出端口504(图4a)或输出端口503(图4b)。当第一极化旋转器阵列100被切换到它的互补控制状态时，如图4c和4d所示，光束对根据第二极化旋转器阵列101的控制状态被引导到输出端口502(图4c)或输出端口501(图4d)。最后的极化旋转器阵列102使其中一个波束的极化改变90°，以使得波束回到正交极化，然后，如前面讨论的，波束由最后的双折射元件60进行重新组合。
对于以上讨论的两种设计，应当记住两个设计考虑。第一，极化旋转器阵列中的每个子元件的接通和关断特性是被数字地控制的(例如，“1”是接通和“0”是关断)。第二，当N级双折射元件和极化旋转器阵列被串行放置时，总共有2N个输出端口。每级产生两个可能的输出方向。根据这些设计概念，可实现数字可编程的光路由开关。表1给出控制状态表。
本设计的另一个关键特性是它的容错。这可以通过考虑图3a-3d和4a-4d而更好地了解。在这两组图中，极化旋转器阵列被显示为填充和未填充方块，以分别表示每个子元件是极化旋转和非极化旋转。例如，在两个图上，最后的极化控制器102都具有四对子元件。每对中的子元件被控制成处于互补状态(即，当该对中的一个子元件被接通时，另一个子元件是关断的)。如图所示，四对子元件被安排成使得只有交截光束的那对子元件使它的上部子元件组用于垂直极化和它的下部子元件组用于水平极化。另三对被设置成互补状态，以使得能将任何泄漏的光能量的极化转成相反的极化，以及由此由双折射元件向错误的方向发送。例如，在图3a上，第三极化旋转器阵列102的八个象素从上到下被设置为接通、关断、关断、接通、接通、关断、接通、关断。如果我们比较图3b,3c,和3d上的象素，除了头两个象素以外，这种组合是这些控制状态的逆，所述控制状态即其中光束可被耦合到那三个端口的状态。这种阻挡确保在输出信道之间的低的串扰。
这里再次地，这个实施例也可被看作为1×2光开关的树结构，该光开关接收从第一双折射元件30输出的波束对。树结构中的这两级都包括极化旋转器阵列100、101，它们选择地旋转波束对的极化，这样两个波束具有由控制状态确定的相同的极化，以及双折射元件40、50选择地使波束对按路由沿着由它们的极化确定的两条可选的光路径的任一路径发送。最后的极化旋转器阵列102旋转波束对的极化，以使得它们是正交极化的，以及最后的双折射元件60在想要的输出端口501-504处组合正交极化波束。
1×4光路由开关的3-D设计。图5a到5d显示了1×4光开关的三维结构。这里，第二和第三双折射元件40和50的取向相对于第一和第四双折射元件的取向成90°。来自输入端口500的光信号进入第一双折射元件30，并且被分裂成水平和垂直极化的分量。在以下的图上，平行于装置的基面的“双头”线表示水平极化，而垂直于基面的“双头”线表示垂直极化。
图5a显示被配置来将输入信号路由到输出端口501的光路由开关。在图5a上，极化旋转器100具有(接通，关断)的状态，它把水平极化的波束改变成垂直极化的。然后这两个光束在第一极化旋转器阵列100的出口处载送同一个垂直极化。在传送通过第二双折射元件40时这两个垂直极化的波束被认为是异常波，所以向上传播。第二极化旋转器阵列101交截这个波束对，但没有施加极化旋转，这样，两个波束都保持垂直极化。然后，波束进入第三双折射元件50和再次地向上传播。这两个垂直极化的波束传送通过第三极化旋转器阵列102，后者把其中一个波束的极化旋转90°，这样波束对再次变成为正交的。正交极化波束对由第四双折射元件60进行重新组合，以及在输出端口501处输出。
在图5b上，输入端口500被耦合到输出端口502。再次地，两个波束在经过第一极化旋转器阵列100以后形成相同的垂直极化，正如图5a的情况那样。波束向上传播，以及在第二双折射元件40的较高层输出。在图5b的情况下，第二极化旋转器阵列101被设置成“接通”，以及两个波束的极化都被旋转90度(即，两个波束变成为水平极化)。水平极化的波束在第三双折射元件50中被认为是寻常波，所以直线传播通过这个元件50。最后的极化旋转器阵列102交截这两个波束，以及把其中一个波束的极化旋转90度，这样，该波束对由第四双折射元件60进行重新组合，以及在输出端口502处输出。
在图5c上，输入端口500被耦合到输出端口503。第一极化旋转器阵列100的子元件从先前的两个状况被切换到互补状态。当波束对传送通过第一极化旋转器阵列100时，这就导致水平极化。因为两个波束在双折射元件40中被认为是寻常波，所以它们直线传播通过第二双折射元件40(在它的较低层)。两个波束的极化被第二极化旋转器阵列101旋转90度，这样，它们就变成为垂直极化。这些垂直极化的波束在第三双折射元件50中被认为是异常波，故向上传播。最后的极化旋转器阵列102交截这两个波束，以及把其中一个波束的极化旋转90度，这样，它们变成为正交极化的。波束由第四双折射元件60进行重新组合，以及在输出端口503处输出。
在图5d上，输入端口500被耦合到输出端口504。在这个情况中，第一极化旋转器阵列100被设置成与图5c相同的状态。当波束对传送通过第一极化旋转器阵列100时，这导致水平极化。因为它们在双折射元件40中被认为是寻常波，所以波束直线传播通过第二双折射元件40(在它的较低层)。在这个最后的控制状态下，极化控制器101被设置成不对光束施加极化旋转。水平极化的波束在第三双折射元件50中被认为是寻常波，以及直线传播通过这个元件50。最后的极化控制器102交截这两个波束，以及把其中一个波束的极化旋转90度。正交极化的波束通过第四双折射元件60进行重新组合，以及在输出端口504处输出。
图6a到6d显示了1×4路由开关的另一个三维设计。在这个例子中，第二和第三双折射元件的次序与图5a到5d相比被颠倒。这里，第一极化旋转器阵列100与第二双折射元件50相组合，以便确定波束是被引导到第一组输出端口501、503还是被引导到第二组输出端口502、504。第二极化旋转器阵列101和第三双折射元件40的组合确定波束是被引导到在第一组中的输出端口501还是503，或被引导到在第二组中的输出端口502还是504。
图7a到7d是按照本发明的1×4光路由开关的再一个三维实施例的图。所有的双折射元件具有相同的厚度。
从以上的设计可以看到，当交截光束对的极化旋转器被设置成正确的控制状态时这些路由开关是可工作的。所有的其它子元件可以任其浮动或被切换到任意控制状态。然而，为了保持路由开关的高性能和低的串扰，子元件或象素被细心地安排，以使得阻挡光泄漏到输出端口的总的效果最大化。例如，如图6a-6d所示，第三极化旋转器阵列102的象素被设置成与它们原先的状态互补。所以，来自不完全的极化旋转的任何不想要的光泄漏将被旋转到错误的极化，以及将不被耦合到输出端口，由此使得串扰最小化。
使用极化的波束分路器的1×N路由开关。在先前讨论的实施例中，通过使用树结构得到光信号路由。在那些情况下，每个光交换级把光信号重新引导到两个可能的光路径中的任一个路径。在信号传播通过该开关时，N级会导致2N个可能的输出端口。相反，图8到12所示的以下的1×N开关的例子(其中N是任意数)显示了使用串联结构的开关。在这些开关中，极化的波束分路器(PBS)代替双折射元件被用作为与极化有关的路由元件。
极化的波束分路器(PBS)允许预定极化的光直接传送通过波束分路器，但正交极化的光在波束分路器内被反射或折射，以及沿着不同的光路径输出。这个路径典型地与第一波束差90度，如图8和10所示。
图8显示了1×5光开关的结构。在先前的例子中使用的双折射元件被极化的波束分路器801、802、803、和804代替。每个PBS与极化旋转器700、705、706和707相耦合，后者按照光开关的控制状态旋转波束对的极化。每对极化旋转器和PBS可被认为是1×2光开关级。例如，极化旋转器705控制波束对的极化状态使其为垂直的或水平的。以下的PBS 802或者把波束对路由到输出端口502，或者把它传送到下一级，以便进一步路由。在输入和输出端口处的极化分离和重新组合是与以前的相同的，即使用双折射元件30、601、602、603、604和605与双象素极化旋转器阵列700、701、702、703、704、和708相组合，以便正交极化控制。
由于PBS的典型的低的极化消光比，在图8所示的实施例中在每个输出端口501到505处使用一系列任选的极化器901、902、903、904、和905。这些高的消光比极化器(例如，Polarcor分色玻璃极化器具有10000∶1的极化消光比)纯化极化，以便减小串扰。然而，应当指出，开关不使用这些极化器也可以执行它的基本功能。
图10提供使用基于极化的波束分路器的两组交换级的1×8开关。每级由极化旋转器700、711-713和715-717与PBS 800-807相组合而组成，以便建立1×2光路由开关。第一PBS 800根据第一极化旋转器阵列700中的两个象素的控制状态把波束对路由到输出端口501-504或505-508。在这个1×8开关中的两组交换级的其余部分的运行类似于以上描述的和图8所显示的。
图11显示使用另一种类型的与极化相关的路由元件801、802、和803的1×4光路由开关，这些路由元件在输出端具有对于垂直和水平极化的偏移角度。这种类型的极化分离器801-803可被看作为双折射元件(即，平行的波束输出，高的消光比)与PBS(垂直的波束输出，低的消光比)的特性之间的折衷。它提供高的极化反差比，以及也以一个角度分开输出波束。
这个特性放松了在制造器件时的某些实际限制，例如在输出端口处装配Grinlens。如果1×8开关使用双折射元件构建以使得两个正交极化互相平行，则需要三个双折射元件分别具有d、2d、和4d的厚度。对于1.8mm的当前的Grinlens尺寸(它规定了在输出端口之间的最小距离)，第一双折射元件的最小厚度(d)是18mm。对于总计的7d(d+2d+4d)的厚度，这等于126mm。由于所有的其它部件被插入到器件中，总的最小光路径长度近似于大约130mm。这个长的耦合距离将造成大的插入损耗，以及很难制造。虽然这个问题可以通过在输出端使用偏转光的直角棱镜来解决，但这个方法进一步增加器件的花费和复杂性。PBS或夹角的波束分离器的使用可以放松这个耦合限制，因为输出角度进一步分开光路径，以使得不再需要夹角的波束分离器的尺寸的几何增加。这样的结果是更紧凑的具有更小损耗的开关。
图9是使用形成二进制树状结构的1×2交换级的网络的1×8光路由开关的例子。这里再次地，每级由极化旋转器100、101、102、103、104、105、106与角极化分离器801、802、803、804、805、806和807相组合而形成。像先前的实施例那样，输入波束由第一双折射元件30分离成一对正交极化波束。这些正交极化波束之一的极化由第一极化旋转器阵列100旋转90度，这样，两个波束具有的极化与由开关的控制状态确定的极化相同。波束对根据与每级有关的极化旋转器的控制状态被路由通过1×2交换级的网络。应当指出，第一极化旋转器阵列100具有两个象素，而其余的极化旋转器102到106只需要单个象素。在每个输出端口处，最后的极化旋转器阵列107-114把波束对转回到正交极化，这样它们可以由最后的双折射元件601-608进行组合。
图13是与极化相关的路由元件31的截面图，它可被使用来代替双折射元件30和60以把输入波束分离成正交极化的分量，或在输出端口处组合正交极化波束。这个与极化相关的路由元件31是PBS与反射式棱镜的组合。输入波束的垂直极化分量直接传送通过元件31。然而，输入波束的水平极化分量在PBS内被反射90度，以及被棱镜的反射面再次反射，以使得该水平极化波束平行于垂直极化波束、但又与垂直极化波束分开地射出。
使用极化的波束分路器的N×M路由开关。图8到11所示的、本发明的实施例是具有单个输入端口和N个输出端口的1×N路由开关。这个概念可被扩展来建立具有任意数目的输入和输出端口的光路由开关。
图12显示一个实施方案，其中四个1×4开关并行地互相堆叠。在一个使用N×N结构的网络应用中，需要总共2N个1×N模块。在4×4的例子中，需要8个1×4交换模块。对于图12所示的四层结构，这些器件中的两个便足够构建4×4纵横式开关。从材料消耗来看，因为开关中的光部件除了在一维上增加尺寸以外是相同的，所以材料消耗基本保持不变。随着层的数目增加，这快速地减小每层的平均材料消耗。
图14是使用单个PBS 800的2×2路由开关的替换例的截面图。两个输入端口500、501包括双折射元件600、601，它把输入波束空间地分离成一对正交极化波束。极化旋转器阵列700和701旋转至少一个波束的极化，以使得两个波束都是水平极化或垂直极化，这由开关的控制状态确定。根据它们的极化，波束或者直接通过PBS传送到相对的输出端口502或503，或者被反射90°到另一个输出端口503或502。两个输出端口502、503包括极化旋转器阵列702、703，它把波束对转回到正交极化。最后的双折射元件602、603在输出端口502、503处组合正交极化的波束对。
图15是2×2路由开关的可选实施例的截面图，它把图14所示的实施例的基本概念扩展到极化的波束分路器800、801、802、和803的二维网络。每个极化器901、902、903、和904可以按照开关的控制状态被外部控制，以便调整进入到极化的波束分路器801、802和803的波束对的极化。进入到初始的PBS 800的波束对的极化由极化旋转器阵列700和701控制。像前面那样，两个输出端口502、503都包括把波束对转回到正交极化的极化旋转器阵列702、703和在输出端口502、503处组合正交极化的波束对的最后的双折射元件602、603。
图16是2×8路由开关的截面图，它使用类似于图10所示的1×8路由开关的串联结构的多个极化的波束分路器800到807。第二输入端口被加到初始PBS 800，它以与图14和15所示的实施例相同的方式起作用。
图17是使用16个极化的波束分路器801、802、803等的二维网络或阵列的4×4路由开关的截面图。像前面那样，每个输入端口501到504包括双折射元件601-604(它把输入波束空间地分离成一对正交极化波束)和极化旋转器阵列701-704，后者旋转至少一个波束的极化，以使得两个波束都是水平极化或垂直极化，这由开关的控制状态确定。波束对然后进入极化的波束分路器的网络，在其中通过控制与每个极化的波束分路器801、802、803等相关的、适当的极化旋转器阵列701-704和极化器901、902、903等的状态，而将波束对路由到希望的输出端口505-508。每个输出端口包括把波束对转回到正交极化的极化旋转器阵列705-708和在输出端口处组合正交极化的波束对的最后的双折射元件602、603。
图18是4×4路由开关的可选实施例的截面图。四个输入端口501到504和输出端口505到508的位置相对于极化的波束分路器801,802,803等的4×4网络被移位。然而，这个实施例的功能基本上是与图17所示的4×4路由开关相同的。
图19是使用极化的波束分路器801、802、803等的4×4网络的6×6路由开关的截面图。极化的波束分路器的4×4阵列可以支持最多到16个输入/输出端口的最大值。然而，当输入/输出端口的数目增加时，波束路径的隔离和重叠变成为问题。这个实施例使用全部16个端口，但从两个端口处出去的波束(见双折射元件621和622)被作为输入而路由到另两个端口(见双折射元件623和624)，然后可被引导到任意的输出端口507到512，如前面讨论的。这种结构有助于减小PBS和极化器的数目，由此降低制造成本。
图20a和20b是使用PBS 801、802、803、和804的2×2网络的2×2路由开关的可选实施例的两个控制状态的图。两个输入端口包括双折射元件601、602(它把输入波束空间地分离成一对正交极化波束)和极化旋转器阵列701、702，后者旋转至少一个波束的极化，以使得两个波束都是水平极化或垂直极化，这由开关的控制状态确定。波束对然后进入PBS 801-804的网络，由此它们被路由到想要的输出端口。两个输出端口都包括把波束对转回到正交极化的极化旋转器阵列703、704和在输出端口处组合正交极化的波束对的最后的双折射元件603、604。图20a显示路由开关的第一控制状态，其中与两个输入端口有关的极化旋转器阵列701和702改变输入波束对的极化，以使得它们直接传送到PBS 801和802。相反，图20b显示第二控制状态，其中极化旋转器阵列701和702改变波束对的极化，以使得它们在PBS 801和802内被反射90°。波束对也在PBS 804和803内被反射90°，以把波束对路由到与图20a所示的相对的输出端口组。
图21是4×4路由开关的可选实施例的图，它利用PBS 801-808和极化器901-911的网络把波束对从每个输入端口路由到想要的输出端口。像前面那样，每个输入端口包括双折射元件601-604(它把输入波束空间地分离成一对正交极化波束)和极化旋转器阵列701-704，后者旋转至少一个波束的极化，以使得两个波束都是水平极化或垂直极化，这由开关的控制状态确定。来自每个输入端口的波束对然后进入PBS 801-808和极化器901-911的网络，由此它们通过控制适当的极化旋转器阵列701-704和极化器901-911的状态而被路由到想要的输出端口508。每个输出端口包括把波束对转回到正交极化的极化旋转器阵列705-708和在输出端口处组合正交极化的波束对的最后的双折射元件605-608。
使用直角棱镜的N×M路由开关。图22a和22b是使用直角棱镜对223和224的2×2路由开关的可选实施例的两个状态的两个侧视图以及图22c和22d是其顶视图。在图22a和22c所示的第一控制状态中，来自输入端口501的输入波束被路由到输出端口500，来自输入端口502的输入波束被路由到输出端口503。在图22b和22d所示的第二控制状态中，来自输入端口501的输入波束被路由到输出端口503，来自输入端口502的输入波束被路由到输出端口500。这里再次地，双折射元件30、60与输入端口501、502和输出端口503、504相联系。这些双折射元件30、60把来自任一个输入端口的输入波束空间地分离成一对正交极化波束。极化旋转器阵列221或226旋转至少其中一个波束的极化，以使得两个波束都是水平极化或垂直极化，这由开关的控制状态确定。波束对然后进入第二双折射元件222或225，它根据波束对的极化，或者允许波束对直接传送通过在同一个水平面上的第二双折射元件222、225(如图22a和22c所示)，或向上引导波束对到第二垂直面(如图22b和22d所示)。
在如图22a和22c所示的第一控制状态下，波束对在直角棱镜223或224内反射两次，如图22c所示，由此被引导回到相邻的输出端口500或503。与每个输出端口500或503有关的极化旋转器阵列220或227把波束对转回到正交极化，以及双折射元件30或60在输出端口处组合正交极化的波束对。
在如图22b和22d所示的第二控制状态下，第二双折射元件222或225向上引导波束对到第二垂直面，以使得它们在棱镜223和224的上方通过并直接到达在器件的相对一侧的第二双折射元件222或225。第二双折射元件222、225由于波束对的极化把它们返回到较低的垂直面。像前面那样，与每个输出端口500或503有关的极化旋转器阵列220或227把波束对转回到正交极化，以及双折射元件30或60在输出端口处组合正交极化的波束对。
本发明具有以下优点(1)与极化无关的运行；(2)低的信道间串扰；(3)低的插入损耗；(4)在宽的波长范围内运行；(5)宽的温度工作范围；(6)当使用不同的极化变换器时交换速度可从毫秒变化到纳秒；以及(7)可升级的结构(M×N)，它允许多个开关被堆叠在一起。因为液晶极化旋转器的空间光调制特性，这些开关结构最好用液晶极化旋转器实施。在这样的例子中，象素化的调制器可以在每一级中被使用来控制波束对。大的矩阵可被制做在一个结构中，这样便可产生大型的N×M光路由开关。
以上的揭示内容阐述了本发明的多个实施例。没有被精确阐述的其它的安排或实施例，可以在本发明的教导下以及如以下的权利要求所阐述的实施。
权利要求
1．一种把多个输入端口的任一端口处的输入波束引导到由特定的控制状态确定的多个输出端口的任一端口的光路由开关，所述开关包括接收输入波束的多个输入端口，每个输入端口具有第一与极化相关的路由元件，它把所述输入波束分离成一对正交极化波束；以及光开关的网络，它接收从每个所述输入端口的所述第一与极化相关的路由元件输出的所述波束，以及具有多个输出端口，其中至少一个所述光开关包括(a)极化旋转器装置，用于选择地旋转所述波束对中至少一个波束的极化，以使得两个波束具有由所述控制状态确定的相同的极化；以及(b)与极化相关的路由元件，它选择地使从所述极化旋转器装置输出的所述波束对按路由沿着由它们的极化决定的两个不同的光路径的任一个路径发送；其中所述输出端口包括(a)极化旋转器装置，用于旋转所述波束对的极化，以使得所述波束是正交极化的；以及(b)最后的与极化相关的路由元件，它在所述输出端口处组合所述正交极化的波束。
2．权利要求1的光路由开关，其特征在于，其中所述与极化相关的路由元件包括双折射元件。
3．权利要求1的光路由开关，其特征在于，其中所述与极化相关的路由元件包括极化的波束分路器。
4．权利要求1的光路由开关，其特征在于，其中所述与极化相关的路由元件包括极化的波束分路器和反射式棱镜。
5．权利要求1的光路由开关，其特征在于，其中所述光开关网络包括二进制树结构。
6．权利要求1的光路由开关，其特征在于，其中所述光开关网络包括一个1×2光开关。
7．权利要求1的光路由开关，其特征在于，其中所述极化旋转器装置包括液晶极化旋转器。
8．权利要求7的光路由开关，其特征在于，其中所述液晶极化旋转器包括多个象素。
9．一种把多个输入端口的任一端口处的输入波束引导到由特定的控制状态确定的多个输出端口的任一端口的光路由开关，所述开关包括接收输入波束的多个输入端口，每个输入端口具有(a)第一与极化相关的路由元件，它把所述输入波束分离成一对正交极化波束；以及(b)第一极化旋转器阵列，它选择地旋转所述波束对中至少一个波束的极化，以使得两个波束具有由所述控制状态确定的相同的极化；以及与极化相关的路由装置，用于使从输入端口的所述第一极化旋转器阵列输出的所述波束对按路由沿着由所述控制状态决定的多个不同的光路径的任一个路径发送；以及多个输出端口，用于选择地接收从所述与极化相关的路由装置输出的所述波束对，每个输出端口具有(a)最后的极化旋转器阵列，它选择地旋转所述波束对中至少一个波束的极化，以使得所述波束是正交极化的；以及(b)最后的与极化相关的路由元件，它组合所述正交极化的波束。
10．权利要求9的光路由开关，其特征在于，其中所述与极化相关的路由装置包括极化的波束分路器。
11．权利要求9的光路由开关，其特征在于，其中所述与极化相关的路由装置包括双折射元件。
12．权利要求9的光路由开关，其特征在于，其中所述与极化相关的路由装置包括以下器件的网络极化的波束分路器，它选择地使从一个输入端口的所述第一极化旋转器阵列输出的所述波束对按路由沿着由所述波束对的极化决定的多个不同的光路径的任一个路径发送；以及极化旋转器装置，用于按所述控制状态所确定的那样，选择地旋转进入所述极化的波束分路器的所述波束对的极化。
13．权利要求12的光路由开关，其特征在于，其中所述极化的波束分路器网络包括极化的波束分路器的二维阵列。
14．权利要求9的光路由开关，其特征在于，其中所述极化旋转器装置包括液晶极化旋转器。
15．权利要求9的光路由开关，其特征在于，其中所述极化旋转器阵列包括具有多个象素的液晶极化旋转器。
16．权利要求9的光路由开关，其特征在于，其中所述与极化相关的路由装置包括1×2光开关网络。
17．权利要求9的光路由开关，其特征在于，其中所述与极化相关的路由装置包括以二进制树结构排列的光开关的网络。
18．包括多个级联的级的光路由开关，其中每级在相应数目的输入端口处接收一个或多个光信号，和响应于被加到每级的控制信号，可切换地路由光信号到多个输出端口的任一端口，以及其中至少一个所述的级包括接收输入波束的多个输入端口，每个输入端口具有第一与极化相关的路由元件，它把所述输入波束分离成一对正交极化波束；以及光开关网络，它接收从每个所述输入端口的所述第一与极化相关的路由元件输出的所述波束，以及具有多个输出端口，其中至少一个所述光开关包括(a)极化旋转器装置，用于选择地旋转所述波束对中至少一个波束，以使得两个波束具有由所述控制状态确定的相同的极化；以及(b)与极化相关的路由元件，它选择地使从所述极化旋转器装置输出的所述波束对按路由沿着由它们的极化决定的多个可能的光路径的任一个路径发送；其中所述输出端口包括(a)极化旋转器装置，用于旋转所述波束对的极化，以使得所述波束是正交极化的；以及(b)最后的与极化相关的路由元件，它在所述输出端口处组合所述正交极化的波束。
19．权利要求18的光路由开关，其特征在于，其中所述光开关网络包括1×2光开关网络。
20．权利要求18的光路由开关，其特征在于，其中所述的级包括二进制树结构。
全文摘要
光路由开关在很宽的温度和波长的工作范围内提供在任何输入端口(500,501)与任何输出端口之间的与极化无关的、低的串扰。在每个输入端口(500,501)处的光信号被第一与极化相关的路由元件(30)空间分解成两个正交极化的波束。这个波束被路由通过光开关,每个光开关包括:(1)可切换地控制的极化旋转器(100),以使得按照器件的控制状态来将两个输出的波束或者是垂直极化或者是水平极化;和(2)与极化相关的路由元件,它根据极化来路由波束。这些波束然后被输入到极化旋转器阵列,后者改变至少一个光束的极化,以使得两个波束变成为正交极化的。与极化相关的路由元件(60)交截这两个正交极化波束和重新组合这两个波束以便在选择的输出端口输出。
文档编号G02B6/34GK1306709SQ99807655
公开日2001年8月1日 申请日期1999年4月16日 优先权日1998年4月21日
发明者K·－Y·吴, J·－Y·刘 申请人:乔拉姆技术公司