利用波导光栅基波长选择交换模块的光交换系统的制作方法

专利名称：利用波导光栅基波长选择交换模块的光交换系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光交换系统，具体涉及利用波导光栅基波长选择交换模块路由输入信号到所有可能输出组合的方法和设备。
背景技术：
当前的光交换和信号传输系统受限于没有波长区别或选择的整个谱光交换。由于缺乏波长选择，光开关必须频繁地与去复用器和复用器结合运行以实现路由有不同波长的光信号到不同的端口。这种要求导致更复杂的系统配置，更高的制造和维护成本，和较低的系统可靠性。因此，尽管光开关是有用的，但因为光信号完全是在光域中进行交换，并没有把它们转换到电域中，这种光开关的成本和尺寸在许多应用中是不切实际的。
因此，需要进一步改进光交换，因为它们是光纤网络的重要启动技术。在过去的波分复用(WDM)网络中，各别波长的插入，分出或交叉连接已涉及信号转换到电域中。开发应用范围从分插功能到大规模交叉连接的全光开关是有效光联网系统的关键。然而，由于当前的技术限制，利用光开关实现全光纤网络仍然是十分昂贵的。
当今开发的主要光交换技术是微机电系统(MEMS)，液晶，热光，全息图，声光，等等。在所有这些光交换技术中，由于其潜在的经济规模生产以及在各种应用范围内的可靠性，MEMS是最有前途的技术。其他的技术仍然处在试验阶段，因此，需要多年的开发研究才能变成可靠的商品。
正在研制开发或商品化的光MEMS开关结构有两种类型机械和微流技术。机械型MEMS基开关利用单个芯片上制成的小型化反射镜阵列。光信号是从这个微小反射镜上反射以改变传输信道。另一方面，微流型MEMS基开关没有活动反射镜。确切地说，它们依靠微型机械信道中的气泡运动。
机械型MEMS基开关根据反射镜的运动还可以分成两类二维(2D)开关和三维(3D)开关。在2D开关中，反射镜仅能执行双位操作，即，反射镜可以上下运动或左右运动。在3D开关中，通过沿多个轴的转体运动，反射镜可以呈现各种位置。这些产品(2D开关或3D开关)能够具有这样的优点，例如，具有优良光学性能，最小串音，以及改进集成度，可测性和可靠性的前景。然而，在这些开关中，光传播通过可能造成不平衡功率损耗的自由空间。此外，为了控制每个反射镜，要求多个电极连接到每个反射镜，这就增大了制造复杂性，特别是对于大规模机械型MEMS基开关。最后，对准和组装大规模开关也是十分困难的。
在许多制造商广泛采用上述微反射镜基方法以构造各自MEMS基光开关的同时，Agilent Technology，Inc.把它的微流技术与喷墨印刷技术相结合，开发了微流型MEMS基开关。在这些开关中，利用折射率匹配液体选取和交换波长。这种液体能够在第一正常条件下传输。为了使光从输入端重新定向到另一个输出端，热喷墨元件在输入波导与指定输出波导之间相交区的沟槽液体中产生气泡。这些开关的优点是，它们没有活动的机械部分，且与偏振方向无关。然而，还没有证明这种类型开关是完全可靠的。此外，这些开关在大规模开关的情况下往往产生插入损耗。
这两种类型MEMS基开关的共同缺点是，要求它们与外部去复用和再复用系统一起工作，为的是能在光联网系统中正确地运行。执行去复用和再复用功能的要求极大地增加系统配置的复杂性，从而大大提高光网络系统的制造成本，系统安装和维护成本。这两种类型MEMS基开关的另一个缺点是，现有技术交换系统不是波长选择开关。换句话说，该交换系统不能有选择地交换输入波导中的特定波长到指定的输出波导。简而言之，它们不是波长鉴别装置。
为了具有波长鉴别能力，人们已证明Bragg光栅具有极好的波长选择特性。Bragg光栅具有波长选择滤波器的性能，它反射窄波段的波长，而透射所有其他的波长。麻省理工学院(MIT)已研制成在平面光波导上构造Bragg光栅装置的技术。根据MIT报道，这些所谓的集成Bragg光栅与光纤Bragg光栅比较有许多优点。
所以，需要提供一种用于构造MEMS激励的高度集成波长选择开关的创新方法。理想的是，改进的光开关能够消除不平衡功率损耗，具有易于制造，低插入损耗和功率消耗，以及高可靠性的优点。
当前的光交换系统有严重缺点和实际限制。一个例子是美国专利号6,253,000中公开的光交换系统，其中的基本构件是传统的多端口耦合器。这种类型交换系统的缺点包括(1)按比例增大矩阵需要大量的耦合器，和(2)信号在各个输入端口的插入损耗相差悬殊。类似的例子是在美国专利号6,208,778中描述的。所以，需要提供一种波长智能光开关，它能够路由各种输入波长，还能够以相对简单和灵活的结构按比例增大。一旦得到充分开发，它们是光通信网络中所用各种模块的基本构件。

发明内容
本发明公开用于构造光交换系统的方法和设备。与已知的方法比较，这些方法和设备极大地简化大规模光开关的结构。这些方法和设备还具有配置灵活性，模块结构，恒定的信号损失，和要求最小数目交换单元的优点。光交换系统是基于光交换模块构造的-它是本发明的另一个实施例。交换系统包括M×N个交换模块，而交换模块又包括一个二维波导阵列和若干个波导光栅基波长选择开关。
光交换模块的应用是非常灵活的。它可用作矩阵开关，去复用器，或再复用器。利用光交换模块具有的波长选择路由能力，本发明公开的光交换系统要求相对少量的交换单元以扩充成超大规模交换系统。这种光交换系统还消除不平衡功率损耗，简化制造和组装过程，降低插入损耗和功率消耗，以及进一步提高总体可靠性。按照本发明，利用该方法制造的交换系统固有地完成去复用和再复用功能。所以，在一个实施例中，制造光交换功能块不需要外部去复用器和复杂的再复用器。大大减小光开关的尺寸和成本。


参照以下的附图可以更好地理解本发明。附图内的部件不一定是按比例画出的，重点是清楚地说明本发明的原理。
图1A说明Bragg光栅基波长选择光开关的耦合原理，它在本发明中作为交换单元；图1B是Bragg光栅基波长选择光开关的运行和功能图；图2A和2B是本发明波长选择光交换模块的示意图；图3A和3B说明本发明光交换系统的串行配置方案；和图4A，4B和4C说明本发明另一个实施例中光交换系统的并行配置方案。
具体实施例方式
在以下的描述中给出许多具体的细节，例如，各种系统元件的标识，为的是充分地理解本发明的各个实施例。然而，本领域专业人员知道，本发明可以在没有一个或多个上述具体细节或利用其他的方法，部件，材料等的条件下实现。在其他的实例中，没有详细地展示或描述熟知的结构，材料或运行，为的是避免掩盖本发明各个实施例的特征。
在本说明书中提到“一个实施例”或“实施例”的意思是，结合该实施例描述的具体特征，结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中各处出现的词语“一个实施例”或“实施例”不必是指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以按照任何合适的方式组合这些具体的特征，结构或特性。
在共同转让和共同未决的美国专利申请序号60/338,927中描述MEMS激励的高度集成波长智能开关，其标题为“WAVEGUIDEGRATING-BASED WAVELENGTH SELECTIVE SWITCHACTUATED BY MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM”，作者为Zhang等人，全文合并在此供参考。该开关是利用平面光波电路(PLC)和MEMS技术在硅基片上制作的。交换动作是基于静电弯曲具有内部集成Bragg光栅的一部分波导。具有集成Bragg光栅的波导称之为“桥式波导”，其功能是作为交换元件。当静电弯曲桥式波导到足够接近输入波导时，满足Bragg相位匹配条件的波长耦合到桥式波导。选取的波长通过桥式波导被引导到所需的输出波导。随着开发这种强功能的光交换单元，实际的光交换系统是切实可行的。以下的内容描述利用这种类型光交换单元构造的光学系统。
图1A表示第一波导WG-1与耦合波导WG-C之间的耦合。耦合波导在与第一波导WG-1耦合的部分上有反射型Bragg光栅。波长λ1，λ2，λ3，...，λi，...，λn代表的复用信道光信号在第一波导WG-1中传输。在波长选择Bragg光栅与耦合波导WG-C耦合的耦合部分，波长λi的光信号反射到耦合波导WG-C，而其余部分λ1，λ2，λ3，...，λi-1，λi+1，...，λn的光信号保持沿第一波导WG-1的原始传输路径。
图1B说明光开关的运行和功能。如图1B所示，从WG-1传输的复用光信号被波长选择地反射到λi光传输的耦合波导WG-C。然后，传输到耦合波导WG-C的反射信号λi再次反射并传输到第二波导WG-2。交换动作是基于静电移动WG-C接近或离开WG-1和WG-2。当静电弯曲耦合波导WG-C到足够接近WG-1和WG-2时，满足Bragg相位匹配条件的波长从WG-1耦合到WG-2。然后，选取的波长通过WG-C被引导到WG-2。
利用平面光波电路(PLC)和MEMS技术，可以在硅基片上制作图1B中所描述的开关。这些多个交换单元可以制作和集成到相同的基片上。所以，基于这些开关，可以制作小型光交换系统。图2A和2B表示基于单个光交换模块10的简单光交换系统。
图2A表示利用4×5(4列和5行的矩阵)光交换模块10的二维波长选择交换系统的功能示意图。在主输入端口110(0)上有4个输入信号λ1，λ2，λ3和λ4和有4个输出端口，这个系统的功能是作为4×4开关。然而，可以理解，根据特定系统的要求，可以制成任意大小的开关。光信号交换模块10包括水平波导110(i)和垂直波导120(j)的二维波导阵列，其中i＝0，1，2，3，4，和j＝1，2，3，4。水平波导110(0)是输入波导，用于接收包括4个复用波长λ1，λ2，λ3和λ4的输入光信号。最好是，不要求去复用(DEMUX)该复用光信号。水平波导110(i)和垂直波导互相相交，从而形成波长选择光栅基开关130(i，j)配置的多个波长选择交换相交区，其中i＝0，1，2，3，4，和j＝1，2，3，4。光栅基开关130(i，j)配置在水平波导110(i)与垂直波导120(j)之间的每个交换相交区。
仍然参照图2A，其中输入波导110(0)接收用λ1，λ2，λ3和λ4代表的多信道光信号。然后，输入光信号被波长选择光栅开关130(0，j)波长选择地交换到垂直波导120(j)，每个垂直波导传输特定波长λj的光信号，其中j＝1，2，3，4。可以有选择地激励波导110(i)与波导120(j)相交区上配置的波长选择光栅开关130(i，j)。以下更详细地描述激励光栅开关的方法和装置。有选择地激励光栅开关130(i，j)以交换特定波长或波长组合的光信号到作为输出波导的每个水平波导110(i)输出端，其中i＝1，2，3，4。例如，图2A表示光栅开关130(4，1)，130(2，2)，130(3，3)和130(4，4)被激励。通过激励这些光栅开关，波导110(2)上的输出信号是波长为λ2的信号。波导110(3)上的输出信号是波长为λ3的信号。波导110(4)上的输出信号是波长为λ1和λ4的信号。
通过有选择地激励光栅开关130(i，j)，给光开关操作员提供交替激励光栅开关不同组合的高度灵活性，在不要求再复用(REMUX)过程的条件下，可以产生不同波长组合的输出信号。
除了通过不同的输出波导组合有选择地交换不同波长光信号的灵活性以外，波长选择光交换模块10还有用于连接到剩余信号检测器170(j)的光端口，其中j＝1，2，3，4。还有一个用于连接到剩余输入信号检测器175的光端口。如图2A所示，剩余信号检测器配置在垂直波导120(j)的终端和输入水平波导110(0)的终端。剩余信号检测器通常用于检测工作条件以确定交换操作的功能和剩余信号的信号电平。
按照以上的描述，这个交换系统包括标记为波导WG(0)的输入波导，例如，110(0)，用于接收复用光信号，它包括通过λ1，λ2，λ3，...，λi，...，λn代表的多个波长信道传输的光信号，其中N是正整数，输入波导是沿第一方向扩展。交换系统还包括一个二维波导阵列，包括沿基本平行于输入波导WG(0)的第一方向扩展的多个第一方向波导WG(i)，i＝1，2，3，...，M，其中M是正整数，和沿基本垂直于第一方向的多个第二方向波导WG′(j)，j＝1，2，3，...，N，多个第二方向波导与输入波导和每个第一方向波导WG(i)，i＝1，2，3，...，M相交，从而形成(M+1)×N个相交区。交换系统还包括多个波长选择光栅开关SW(i，j)，其中i＝1，2，3，...，M和j＝1，2，3，...，N，每个光栅开关配置在(M+1)×N个相交区中的一个相交区上，用于有选择地传输波长为λi的光信号到波导WG′(j)和有选择地传输预定波长组合的光信号到至少一个波导WG(i)，i＝1，2，3，...，M。
图2B是利用相同光交换模块10构成的另一种光开关示意图。光交换模块10的基本配置和波长选择交换操作与图2A中描述的相同，不同的是，4个波长0λ1，0λ2，0λ3和0λ4代表的附加光信号是从对应的水平波导110(j)输入，其中i＝1，2，3，4。通过接通或关断这些交换单元，主输入信号λ1，λ2，λ3和λ4可以与那些传输通过的信号0λ1，0λ2，0λ3和0λ4进行交换和组合。这个简单的光交换系统展示光交换模块的功能灵活性。
为了按比例增大光交换系统的规模，在较大的光交换系统可以利用两个或多个光交换模块。图3A表示构造较大光交换系统的配置。在这个配置中，给定光交换模块的每个输出端口连接到下一个光交换模块的允许输入端。这种连接称之为串联。图3A所示每个光交换模块完成类似于图2A和2B中所描述的光交换模块10功能。利用这种串联型连接，可以容易地扩展光交换系统。
图3B表示这种配置的一个实施方案例子。这个光交换系统3包括两个光交换模块30，其功能是4×2开关。利用图3B所示的ON-OFF设置，可以看出，能够随机选取输入端1上的输入信号1λ1，1λ2，1λ3和1λ4和输入端2上的输入信号2λ1，2λ2，2λ3和2λ4，并把它们组合到输出端1和输出端2。这个光交换系统3清楚地展示本发明配置的灵活性和简单性。
图4A表示构造较大光交换系统的另一种按比例增大配置。这种连接称之为并联。在这个配置中，给定光交换模块的每个输出端口连接到特定输出组合器的输入端口。这种配置是连接所有光交换模块中所有第一输出端到输出组合器1，连接所有光交换模块中所有第二输出端到输出组合器2，等等。同样，图4A所示的每个光交换模块完成类似于图2A和2B中所描述的光交换模块10功能。输出组合器的功能是复用器，因此，具有合适规模的本发明光交换模块可用于完成复用器的功能。
图4B表示这种配置的实施方案例子。这个光交换系统4包括功能为4×2开关的两个光交换模块30和功能为复用器的两个输出组合器35。利用图4B所示的ON-OFF设置，可以看出，能够随机选取输入端1上的输入信号1λ1，1λ2，1λ3和1λ4和输入端2上的输入信号2λ1，2λ2，2λ3和2λ4，并把它们组合到输出端1和输出端2。这种配置的主要优点是，任何输入信号可以准确地通过其波长为“ON”的两个开关，从而保持每个信号的插入损耗近似相等，它与光交换系统的规模无关。由于所有输入信号有较短的光程，其功率损耗也较低。
图4C表示图4B描述的并行型例子的完整实施方案。在这个实施方案中，相同的光交换模块30用作输出组合器。利用一种类型光交换模块的这个实施方案展示制造简单和配置灵活的另一个优点。
虽然本发明的描述是利用给出的优选实施例，但是应当明白，这些公开的内容不应当解释成局限性。在阅读了以上公开的内容之后，本领域专业人员显然知道各种变化和改进。因此，所附的权利要求书应当解释成覆盖本发明精神和范围内所有的变化和改进。
权利要求
1.一种光波长选择交换系统，包括连接在一起的多个光波长选择交换模块，其中至少两个所述波长选择交换模块包括(a)波导阵列，包括多个第一方向波导，沿第一方向扩展，所述多个第一方向波导中的一个波导是传输有多个波长的光信号的输入波导，以及多个第二方向波导，与所述输入波导和至少一个所述第一方向波导相交而形成多个相交区；和(b)在所述多个相交区的至少一个上配置的多个波长选择光栅基开关。
2.按照权利要求1的系统，其中所述相交区上配置的所述波长选择光栅开关有选择地交换所述多个波长信道中的一个波长信道到所述第二方向波导，以及有选择地传输所述多个波长信道中的其余波长信道。
3.按照权利要求1的系统，其中所述波长选择光栅开关包括有周期性的Bragg光栅，它适用于从所述第一方向波导交换所述多个波长信道中的所述一个波长信道到所述第二方向波导。
4.按照权利要求1的系统，其中所述波长选择光栅开关可以接合和脱离所述输入波导和所述第二方向波导。
5.按照权利要求1的系统，其中所述第一波导和所述第二波导基本上互相垂直。
6.按照权利要求1的系统，其中所述波长选择交换模块互相串联。
7.按照权利要求1的系统，其中所述波长选择交换模块互相并联。
8.一种光波长选择交换系统，包括连接在一起的多个光波长选择交换模块，其中至少两个所述连接的波长选择交换模块中的每个模块包括(a)二维波导阵列，包括多个第一方向波导WG(i)，i＝1，2，3，...，M，沿基本平行于输入波导WG(0)的第一方向扩展，以及多个第二方向波导WG′(j)，j＝1，2，3，...，N，沿基本垂直于所述第一方向的第二方向扩展，并且与所述输入波导和每个所述第一方向波导WG(i)相交而形成(M+1)×N个相交区；和(b)多个波长选择光栅交换装置SW(i，j)，其中i＝1，2，3，...，M和j＝1，2，3，...，N，每个光栅交换装置配置在所述(M+1)×N个相交区中的一个相交区上，用于有选择地交换选取的光信号到第二方向波导WG′(j)以及有选择地传输不同波长的其他光信号。
9.按照权利要求8的系统，其中所述多个波长选择光栅交换装置SW(i，j)中的每个装置是Bragg光栅，用于波长选择地从第一方向波导WG(i)传输所述Bragg光栅的中心波长光信号到与所述第一方向波导WG(i)相交的第二方向波导WG′(j)。
10.一种用于波长选择光交换的方法，包括连接第一波长选择交换模块中至少一个输出端口到第二波长选择交换模块中至少一个输入端口，所述波长选择交换模块包括(a)波导阵列，包括沿第一方向扩展的多个第一方向波导，所述多个第一方向波导中的一个波导是输入端口，以及多个第二方向波导，与所述输入端口和所述第一方向波导中至少一个波导相交而形成多个相交区；和(b)所述多个相交区中至少一个相交区上配置的多个波长选择光栅交换装置；和连接复用输入光信号到至少一个波长选择交换模块中的至少一个输入端口。
11.一种用于构造波长选择光交换系统的方法，包括连接复用光信号到至少一个波长选择交换模块中的至少一个输入端口，所述波长选择交换模块有N个输出端口；连接每个光开关的第一输出端口到第一输出求和模块的输入端口；连接每个光开关的第二输出端口到第二输出求和模块的输入端口；在每个波长选择交换模块的第N个输出端口连接到第N个输出求和模块的输入端口之前继续连接。
12.一种用于波长选择光交换的方法，包括提供复用输入光信号到至少两个波长选择交换模块的输入端口，所述波长选择交换模块包含所述输入端口和至少两个输出端口；提供每个波长选择交换模块的第一所述输出端口到第一输出求和模块的输入端口；和提供每个波长选择交换模块的第二所述输出端口到第二输出求和模块的输入端口。
13.按照权利要求12的方法，还包括在每个光开关中最后输出端口连接到倒数第二个输出求和模块的输入端口之前继续连接。
14.一种波长选择交换模块，包括(a)波导阵列，包括沿第一方向扩展的多个第一方向波导，所述多个第一方向波导中的一个波导是传输有多个波长光信号的输入波导，以及多个第二方向波导，与所述输入波导和至少一个所述第一方向波导相交而形成多个相交区；和(b)所述多个相交区上配置的波长选择光栅开关。
15.按照权利要求14的方法，其中所述相交区上配置的所述波长选择光栅开关有选择地交换所述多个波长信道中的一个波长信道到所述第二方向波导，以及有选择地传输所述多个波长信道中的其余波长信道。
16.按照权利要求15的方法，其中所述波长选择光栅开关包括有周期性的Bragg光栅，它适用于从所述第一方向波导交换所述多个波长信道中的一个波长信道到所述第二方向波导。
17.按照权利要求14的方法，其中所述波长选择光栅开关可以接合和脱离所述输入波导和所述第二方向波导。
18.按照权利要求14的方法，其中所述第一波导和所述第二波导基本上互相垂直。
全文摘要
本发明公开用于构造光交换系统的方法和设备，在该系统中可以路由任何输入光信号到任何输出端口。该方法和设备具有配置灵活性，模块结构，恒定的信号损失，和要求最小数目交换单元的优点。光交换系统包括M×N个交换模块(10)。交换模块(10)包括一个二维波导阵列和若干个波导光栅基波长选择开关(130)。利用交换模块提供的波长选择路由能力，该光交换系统要求相对少量的交换单元以扩展成超大规模交换系统。
文档编号G02B6/35GK1751254SQ02820904
公开日2006年3月22日 申请日期2002年10月18日 优先权日2002年10月18日
发明者张建军, 林裴清, 陈金亮, 许明 申请人:集成光通信公司