专利名称：单块晶体集成的2×2光开关阵列的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光开关，特别是一种单块晶体集成的2×2光开关阵列，是光互连网络的基本器件，应用于通信网、互联网、光计算及其它并行处理系统等领域。
背景技术：
随着人类社会信息化时代的临近，对通信的需求呈现加速增长的趋势，对通信网的带宽和容量提出了更高的要求。互连网络作为通信网、多处理机系统及其它并行处理结构的重要组成部分，需要能处理总量达几百、上千太比特秒的信息，规模越来越大，运行速度越来越高。但是较成熟的电子互连网络的发展已接近了电子速率的极限，其中所固有的RC参数、串话、响应速度慢等缺点限制了交换速率的提高。为了解决电子瓶颈的限制问题，同时考虑到光学互连网络具有高度并行、串扰小、高带宽等优点，人们正致力于发展各种光学互连网络以代替传统的电子互连网络。以2×2光开关为基础的开关阵列是互连网络的基本器件，它以不同形式级联可以构成各种光学互连网络，如Shuffle网络，Butterfly网络，Crossbar网络，Omega网络，Banyan网络等，它性能的好坏直接影响了整个互连网络的性能。
在先技术[1](参见JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，Masatyji Okuno，Kuniharu Kato，Ryo Nagase，Akira Himeno，Yasuji Ohmori，and Masao Kawachi，Silica-based 8×8 optical matrix switch integrating new switching units with largefabrication tolerance，Vol.17，No.5，1999，pp1192-1199.)是一种波导型开关阵列，它是将n个具有马赫-泽德尔干涉仪结构的波导型2×2光开关集成在一个衬底上。这类开关阵列光被束缚在波导中，大大限制了它的容量，而且开关速度较慢，在毫秒量级。
在先技术[2](参见APPLIED OPTICS，Ashok V.Krishnamoorthy，Fan Xu，Joseph E.Ford，and Yeshayahu Fainman，Polarization-controlled multistage switch based onpolarization-selective computer-generated holograms，Vol.36，No.5，1997，pp997-1010.)是一种全息型开关阵列，包括两个双折射计算全息(BCGH)和一个偏振旋转片，每个BCGH是由两个表面刻蚀图形相对而放的双折射基片组成。这类开关阵列信噪比小，衍射效率低，而且它的偏振旋转片一般是用液晶做的，速度较慢，在毫秒量级。
在先技术[3](参见APPLED OPTICS，Kazuo Hogari，Kazuhiro Noguchi，and TakaoMatsumoto，Two-dimensional multichannel optical switch，Vol.30，No.23，1991，pp3277-3278.)是由两个偏振控制器阵列和两块双折射晶片组成的。这种开关阵列串扰小，信噪比提高了，但其中偏振控制器阵列是用液晶来实现的，速度也在毫秒量级。
在先技术[4](参见APPLIED OPTICS，Ning Wang，Liren Liu and Yaozu Yin，Cantornetwork，control algorithm，two-dimensional compact structure and its opticalimplementation，Vol.34，No.35，Dec.1995，pp8176-8182.)是一种电光调制型开关阵列，由两块双折射晶体方解石和一块电光晶体铌酸锂(Z切)组成，铌酸锂晶体的X面上镀有n个条形电极对，作为n个2×2光开关的电光调制器。这种开关阵列在在先技术[3]的基础上，使速度提高到纳秒量级。
在先技术[2]，[3]，[4]都是自由空间型，容量大，但分离元件较多，插入损耗大，抗干扰能力差。
发明内容
本实用新型的目的是为了克服上述在先技术中的不足，提供一种单块晶体集成的2×2光开关阵列，它应具有集成化结构、信噪比高、能量损耗小、速度快、抗干扰能力强和稳定可靠等特点。
本实用新型是在作者已发明的单块晶体2×2光开关(专利申请号02137601.8)结构的基础上的发展，它的基本思想是在一块晶体上集成有n个2×2光开关，实现有2n个输入和2n个输出的光开关阵列。
本实用新型具体的技术解决方案如下一种单块晶体集成的2×2光开关阵列的结构如图1、2所示，包括2n路输入光路，2n′路输出光路，每路输入光路上自左至右有输入光纤1，准直器2，起偏器3；每路输出光路上自左至右有聚焦透镜6，输出光纤7；在2n路输入光路和2n′路输出光路之间置有一块晶体4；在晶体的第一电极面403和第二电极面406上放置n对电极对5，每对电极对相互平行。所说的2n路输入光路是相互平行的垂直于晶体4的光束输入面401，或者是2n路输入光路相互不平行的不垂直于晶体4的光束输入面401。
晶体4是个平行六面体，几何尺寸为a×b×c，其中边长b大于边长a，边长a大于边长c，即b＞a＞c，a表示晶体的宽度，b表示晶体的长度，c表示晶体的厚度。其中a×c两个平行小面401、404分别为光束输入面401和光束输出面404。b×c两个平行面402、405分别为反射光束的第一反射面402和第二反射面405。a×b两个平行大面403、406是置放电极对5的面，分别为第一电极面403和第二电极面406，这两个面平行于晶体光轴，并与其它面垂直。晶体4的光轴方向O3O4与两反射面402、405法线之间的夹角θ＞sin-1(1/no)和θ＞sin-1(1/ne)，式中no为偏振光o光束在晶体4内的主折射率，ne为偏振光e光束在晶体4内的主折射率。
晶体4的宽度a是a＝n·T，式中n是晶体4内所集成的2×2光开关的个数，T是两个相邻的2×2光开关之间的间距。长度b是b＝4asinθtanθ+Hoe/cosθ或b＝[asin(γ-90°+θ)+nT]/cosθ，式中θ为晶体4的光轴方向O3O4与两反射面402、405法线之间的夹角，Hoe是一个2×2光开关两输入光路之间的距离，γ为晶体4的光束输入面401与第二反射面405之间的夹角(取锐角)。
晶体4的光束输入面401与第二反射面405之间的夹角γ是γ＝θ，或者是γ＝π-θ-αoβ，其中θ为晶体4的光轴方向O3O4与两反射面402、405法线之间的夹角，αoβ为偏振光o光在晶体4的光束输入面401上的折射角。
电极对5置放在第一电极面403和第二电极面406上，每对电极对相互平行，长度方向沿着晶体4的光轴方向O3O4，电极对5的长度L＝asinγ/cosθ，式中γ为晶体4的光束输入面401与第二反射面405之间的夹角，θ为晶体4的光轴方向O3O4与两反射面402、405法线之间的夹角。
本实用新型是针对专利单块晶体2×2光开关(申请号02137601.8)中，晶体的长度b是2h/sin2θ＜b＜5htgθ+hctgθ或者是htgθ+hctgγ＜b＜3htgθ-hctgγ，式中h为晶体4的第一反射面402与第二反射面405之间的距离(h＝asinγ)，即是说当晶体的宽度a一定时或晶体两个反射面之间的距离h一定时，晶体的长度b是个不定值，有一个较大的变化范围，因此我们通过调节晶体的长度b，可以在晶体宽度不变的情况下，使原来只集成一个2×2光开关的晶体能集成多个2×2光开关，从而构成一种以2×2光开关为基本单元器件的集成化的开关阵列。
所述的晶体4是具有横向电光调制性能的单轴或双轴晶体，如铌酸锂、钽酸锂等。
本实用新型与在先技术相比，本实用新型是利用晶体的双折射和双反射现象以及晶体的横向电光效应，只用一块晶体就实现了输入偏振偏转合束、输出偏振偏转分束和电光调制三种功能，使在一块晶体内能集成n个2×2光开关，实现有2n路输入和2n′路输出的集成化的开关阵列。本实用新型使用单块晶体的集成结构具有简单可靠，不易受环境影响，抗干扰能力强，插入损耗小，信噪比高，开关速度快等优点。
与使用多个单块晶体2×2光开关(申请号02137601.8)中所描述的2×2光开关叠加来构成开关阵列的方法相比，本实用新型的开关阵列大大降低了成本，而且其集成的开关个数越多成本越低。
图1是本实用新型实施例1的结构示意图，其2n路输入光束相互平行并垂直入射于晶体4光束输入面401。
图2是本实用新型实施例2的结构示意图，其2n路输入光束相互不平行并斜入射于晶体4光束输入面401。
具体实施方式
本实用新型有两种实施方式，一种是2n路输入光束相互平行并垂直入射于晶体4光束输入面401，如图1，另一种是2n路输入光束相互不平行并斜入射于晶体4光束输入面401，如图2。
实施例1是2n路输入光束相互平行并垂直入射于晶体4光束输入面401，如图1所示，其结构包括2n路输入光路，每路输入光路上自左至右有输入光纤1，准直器2，起偏器3；晶体4；放置在晶体4两个电极面403、406上的n对电极对5；2n′路输出光路，每路输出光路上自左至右有聚焦透镜6，输出光纤7。
晶体4是具有横向电光调制性能的单轴或双轴晶体，如铌酸锂、钽酸锂等，其形状是平行六面体，几何尺寸为a×b×c，其中b＞a＞c，a、b、c分别表示晶体的宽度、长度、厚度。晶体4上与光轴垂直的两个平行小面a×c分别为光束输入面401和光束输出面404。与光轴成90°-θ角的两个平行面b×c分别为第一反射面402和第二反射面405。与晶体光轴平行的两个大面a×b是摆放电极的面，分别称为第一电极面403和第二电极面406。光束输入面401、光束输出面404、两个反射面402、405是光学面。两个电极面与其它面垂直。晶体4的光轴方向O3O4与两反射面的法线成θ角，θ角应满足θ＞sin-1(1/no)，θ＞sin-1(1/ne)，使2n路光在晶体4内能发生全内反射，光束输入面401与第二反射面405的夹角为γ，γ＝θ。电极对5在晶体4的电极面上，长度方向沿晶体光轴方向O3O4，n对电极相互平行且等距，距离为T。2n路输入光相互平行，每个开关的两路输入光相距Hoe，开关间距是相邻电极对的距离为T，它也是相邻开关的第一输入光路间的距离，2n′路输出光相互平行，每个开关的两路输出光相距Hoe，2n路输入光和2n′路输出光均与输入面垂直。
每个开关的工作原理是一样的，下面以一个2×2光开关为例来描述它的原理。
1路输入光束是由1路输入光纤1出射的光信号经1路准直器2准直和1路起偏器3起偏为o光的准直光束，正交入射到晶体4上，经O2、O3、O4、O5点以θ角全内反射后成为2′路输出光，经2路聚焦透镜6聚焦到2′路输出光纤7，其中O3-O4点之间光束沿晶体光轴方向O3O4传播。2路输入光束是由2路输入光纤1出射的光信号经2路准直器2准直和2路起偏器3起偏为e光的准直光束，正交入射到晶体4上，经O1、O3、O4、O6点的全内双反射后成为1′路输出光，经1′路聚焦透镜6聚焦到1′路输出光纤7，其中O3-O4点之间光束沿晶体光轴方向O3O4传播，并与1路o光的路径重合。当电极对5上施加半波电压时，在O3-O4点之间传播的o偏振光将变为e偏振光，而e偏振光将变为o偏振光，这时1路o光将变为e光经O4、O6点全内双反射后从1′路输出，而2路e光将变为o光经O4、O5点全内反射后从2′路输出。光路过程为无电压时，1→2′、2→1′，加半波电压时，1→1′、2→2′。
在晶体4内O3、O4点e光相对于o光的偏离角δoe为tgδoe=sin2θcos2θ(no2-ne2)2no2sin2θ+cos2θ(ne2cos2θ+no2sin2θ),----(1)]]>电极长度L为L＝atanθ， (2)两入射光的距离Hoe为Hoe=asin2θ(no2-ne2)ne2ctgθ+no2tgθ,-----(3)]]>每个开关中相应的参数均相同。
当晶体4的宽度为a时，若两相邻2×2光开关的距离为T，则在晶体4内可集成n个这样的2×2光开关，n＝a/T， (4)晶体4的长度b为b＝4asinθtanθ+Hoe/cosθ。
(5)实施例2是2n路输入光束相互不平行并斜入射于晶体4光束输入面401，如图2所示，其结构同样包括2n路输入光路，每路输入光路上自左至右有输入光纤1，准直器2，起偏器3；晶体4；放置在晶体4两个电极面403、406上的n对电极对5；2n′路输出光路，每路输出光路上自左至右有聚焦透镜6，输出光纤7。
晶体4是具有横向电光调制性能的单轴或双轴晶体，如铌酸锂、钽酸锂等，其形状是平行六面体，几何尺寸为a×b×c，其中b＞a＞c，a、b、c分别表示晶体的宽度、长度、厚度。与光轴成90°-θ角的两个平行面b×c分别为第一反射面402和第二反射面405。与晶体光轴平行的两个大面a×b是摆放电极的面，分别称为第一电极面403和第二电极面406。其余两个平行小面a×c分别为光束输入面401和光束输出面404。光束输入面401、光束输出面404、两个反射面402、405是光学面。两个电极面与其它面垂直。晶体4的光轴方向O3O4与两反射面的法线成θ角，θ角应满足θ＞sin-1(1/no)，θ＞sin-1(1/ne)，使2n路光在晶体4内能发生全内反射，光束输入面401与第二反射面405的夹角为γ，γ＝π-θ-αoβ，其中αoβ为偏振光o光在晶体4的光束输入面401上的折射角。电极对5在晶体4的电极面上，长度方向沿晶体光轴方向O3O4，n对电极相互平行且等距，距离为T。每个2×2光开关的两个输入光路之间和两个输出光路之间均成Δoe角，各开关的第一输入(输出)光路相互平行，第二输入(输出)光路相互平行，开关间距是相邻电极对的距离为T，它近似等于相邻开关的第二输入光路间的距离。
每个开关的工作原理是一样的，下面以一个2×2光开关为例来描述它的原理。
1路输入光束是由1路输入光纤1出射的光信号经1路准直器2准直和1路起偏器3起偏为e光的准直光束，入射到晶体4上，经O1点双折射，O3、O4点全内双反射，再经O5点双折射后成为2′路输出光，经2′路聚焦透镜6聚焦到2′路输出光纤7，其中O3-O4点之间光束沿晶体光轴方向O3O4传播。2路输入光束是由2路输入光纤1出射的光信号经2路准直器2准直和2路起偏器3起偏为o光的准直光束，入射到晶体4上，经O2点折射，在O3、O4点以θ角全内反射，再经O6点折射后成为1′路输出光，经1路聚焦透镜6聚焦到1路输出光纤7，其中O3-O4点之间光束沿晶体光轴方向O3O4传播，并与1路e光的路径重合。当电极对5上施加半波电压时，在O3-O4点之间传播的o偏振光将变为e偏振光，而e偏振光将变为o偏振光，这时1路e光将变为o光经O4、O6点全内反射和折射后从1′路输出，而2路o光将变为e光经O4、O5点全内双反射和双折射后从2′路输出。光路过程为无电压时，1→2、2→1′，加半波电压时，1→1′、2→2′。
在晶体4内O3、O4点e光相对于o光的偏离角δoe为tgδoe=sin2θcos2θ(no2-ne2)2no2sin2θ+cos2θ(ne2cos2θ+no2sin2θ),----(6)]]>电极长度L为L＝asinγ/cosθ， (7)两入射光的中心光轴1112和2122之间的夹角Δoe为Δoe=sin-1(nosinαoβ)-sin-1(ne′sin{αoβ-tg-1[2(ne2cos2θ+no2sin2θ)(ne2-no2)sin2θ+2ne2ctgθ]+θ}),---(8)]]>ne′是e光的等效折射率，ne′=noneno2sin2(αe+θ)+ne2cos2(αe+θ),]]>αe是e光波矢与反射面法线的夹角，tanαe=2(ne2cos2θ+no2sin2θ)(ne2-no2)sin2θ+2ne2cotθ,]]>每个开关中相应的参数均相同。
当晶体4的宽度为a时，若两相邻2×2光开关的距离为T，则在晶体4内可集成n个这样的2×2光开关，n＝a/T， (9)晶体4的长边b为 每个开关的两路输入光在晶体4的光束输入面401上的入射点O1、O2之间的距离Hoen为Hoen=[T2cosθ+(n-1)Tcosθ]sinγ[tan(δoe+αoβ)-tanαoβ],n=1,2······.(11)]]>
权利要求1.一种单块晶体集成的2×2光开关阵列，其特征在于它包括2n路输入光路，2n′路输出光路，在2n路输入光路和2n′路输出光路之间置有一块晶体(4)，每一路输入光路上依次有输入光纤(1)、准直器(2)、起偏器(3)；每一路输出光路上依次有聚焦透镜(6)、输出光纤(7)，在晶体(4)的第一电极面(403)和第二电极面(406)上放置n对电极对(5)，每对电极对相互平行，所说的2n路输入光路是相互平行且垂直于晶体(4)的光束输入面(401)。
2.根据权利要求1所述的单块晶体集成的2×2光开关阵列，其特征在于所述的2n路输入光路相互不平行且不垂直于晶体(4)的光束输入面(401)。
3.根据权利要求1所述的单块晶体集成的2×2光开关阵列，其特征在于所述的晶体(4)是个平行六面体，其中边长b大于边长a，边长a大于边长c，即b＞a＞c，a表示晶体的宽度，b表示晶体的长度，c表示晶体的厚度，其中a×c两个平行小面(401)、(404)分别为光束输入面和光束输出面，b×c两个平行面分别为反射光束的第一反射面(402)和第二反射面(405)，a×b两个平行大面是置放电极对(5)的面，分别为第一电极面(403)和第二电极面(406)，这两个面平行于晶体光轴，并与其它面垂直，晶体(4)的光轴方向O3O4与两反射面(402、405)法线之间的夹角θ＞sin-1(1/no)和θ＞sin-1(1/ne)，式中no为偏振光o光束在晶体(4)内的主折射率，ne为偏振光e光束在晶体(4)内的主折射率，晶体(4)的宽度a是α＝n·T，式中n是晶体(4)内所集成的2×2光开关的个数，T是两个相邻的2×2光开关之间的间距，长度b是b＝4αsinθtanθ+Hoe/cosθ或b＝[αsin(γ-90°+θ)+nT]/cosθ，Hoe是一个2×2光开关两输入光路之间的距离，γ为晶体(4)的光束输入面(401)与第二反射面(405)之间的夹角(取锐角)，晶体(4)的光束输入面(401)与第二反射面(405)之间的夹角γ是γ＝θ，或者是γ＝π-θ-αoβ，其中αoβ为偏振光o光在晶体4的光束输入面(401)上的折射角。
4.根据权利要求1或2或3所述的单块晶体集成的2×2光开关阵列，其特征在于所述的电极对(5)置放在第一电极面403和第二电极面406上，每对电极对相互平行，长度方向沿着晶体(4)的光轴方向O3O4，电极对(5)的长度L＝αsinγ/cosθ。
5.根据权利要求1或2或3所述的单块晶体集成的2×2光开关阵列，其特征在于所述的晶体(4)是具有横向电光调制性能的单轴或双轴晶体，如铌酸锂、钽酸锂。
专利摘要一种单块晶体集成的2×2光开关阵列，其特点是它包括2n路输入光路，2n′路输出光路，在2n路输入光路和2n′路输出光路之间置有一块晶体，每一路输入光路上依次有输入光纤、准直器、起偏器；每一路输出光路上依次有聚焦透镜、输出光纤，在晶体的第一电极面和第二电极面上放置n对电极对，每对电极对相互平行，所说的2n路输入光路是相互平行且垂直于晶体的光束输入面，或者是2n路输入光路相互不平行的不垂直于晶体4的光束输入面401。本实用新型在一块晶体内能集成n个2×2光开关，实现有2n路输入和2n′路输出的集成化的开关阵列。本实用新型使用单块晶体的集成结构具有简单可靠、不易受环境影响、抗干扰能力强、插入损耗小、信噪比高和开关速度快等优点。
文档编号H04B10/12GK2638094SQ0325583
公开日2004年9月1日 申请日期2003年7月22日 优先权日2003年7月22日
发明者宋哲, 刘立人, 任海霞, 刘德安, 栾竹, 祖继锋, 周煜 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所