专利名称：光互连装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光互连装置，它能够在允许在光学干线网络内高速传送信号的WDM(波分多路复用)传输控制装置中改变光信号的路径，也就是不用将光信号转换成电信号，而直接将多个输入光信号转换、寻址和相互连接到多个输出光波导管。
在通过光纤电缆传送信号时，传统TDM(时分多路复用)系统只允许在一根光纤电缆上传送一种波长的信号。相反，WDM(波分多路复用)系统允许在一根光纤电缆上传送数个具有不同波长的光信号，因此允许使用已有的光纤电缆增加波带和大幅度提高线速度。在一种使用这种WDM技术的WDM传送装置中，要转换输入光信号的路径和输出光信号的路径，也就是快速相互连接这些路径，就必须包括一个光学开关，该光学开关能够直接对那些路径进行相互转换，而不必将输入光信号转换成电信号，然后再将电信号转换成输出光信号。
迄今为止，已经存在四种类型的这种光学开关。第一种称为“镜型开关”，其中有一个Si基片形成的小镜子可以转动或者垂直移动，能够使入射光以特定的角度反射从而改变其路径。第二种称为“平面光波导管型开关”，它使用一个具有一个交叉的波导管，其中嵌有一个加热器，该加热器加热以改变入射光的折射率，从而改变入射光的路径。第三种称为“泡型开关”，其中加热器由充满一种液体的槽取代，以便通过控制槽内气泡的产生来改变入射光的反射角度，从而改变其路径。第四种称为“机械型开关”，其中光纤电缆例如用电磁铁进行弯曲，从而改变入射光的路径。
在这些现有的光学开关中，“镜型开关”在该时刻被认为是规模最大的，因为它能够提供几百个信道。但是，这种要求小镜必须转动或垂直移动的开关强度不够。还有一个问题是其转换速度低，转换需要50毫秒。另一方面，“机械型开关”在较高的转换速度下也是可运行的，能够在大约10毫秒内转换，但是有一个问题是它只能够提供几个信道，因此除非是有限的小规模的使用，否则不能够使用。“平面光波导管型开关”和“泡型开关”在较高的转换速度下也是可运行的，可以在大约10毫秒内转换，并能够提供几十个信道。但是，采用这种要求具有一个加热器或充满液体的槽形成在基片内的结构，这些开关的强度或多或少还是不够。此外，尽管这些开关内不要求有机械运动，但是它们却或多或少需要一些机械元件，因此它们存在结构复杂的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种光互连装置，其特征在于它包括一个形成在位于M个输入光纤和N个输出光纤之间的波导管支撑基片内的多模式光波导管，所述多模式光波导管具有多个用于接收和引导所述输入光纤发出的光束通过的输入光波导管，和单一一个汇聚所述输入光波导管的输出光波导管；多个与所述多模式光波导管的所述输入光波导管相关联的电极装置；一个在光束进入所述多模式光波导管之前响应所述光束，探测所述光束携带的光信号的各个地址的光地址探测器；一个响应所述光地址探测器装置，给所述电极装置提供预定控制电压的电源，结合引导通过所述多模式光波导管的激光光束、用来分别产生对应于所测得的所述光信号地址的特定预选光斑图案；一个由例如光折射晶体、光聚合物或光折射聚合物等的记录介质构成的全息滤波器，其中形成有全息图，用于分别给对应所述光信号地址的所述光信号提供目标；以及一个在形成所述全息滤波器的记录介质内预先形成这种全息图的记录装置，所述记录装置包括一个提供统一模式的激光光束的激光器单元，以及数个校准和分裂激光光束的光学元件，包括一个透镜装置和一个分束器，以及一个光束反射镜。
本发明的光互连装置的特征还在于包括一种预先形成一种具有全息图的记录介质的装置，适合将输入光分配到目标地址，所述装置包括一个能够提供统一模式的激光光束的激光器单元，一个将激光器单元发出的激光光束校准成一个统一校准激光光束的透镜装置，一个将后面的激光光束分裂成两束激光光束的分束器，以及一个反射分束器分裂的两束激光光束中的一束激光的束反射镜，用来照射正变成一个全息滤波器的所述记录介质的一个区域。
本发明的光互连装置的特征还在于一种光学开关，该开关包括一个适于接收M个输入光纤输入的输入激光光束并分别具有多个相关电极装置的多模式光波导管，以及一个全息滤波器，该滤波器在多个区域内预先形成有多个不同光斑图案，它们分别依次与多个输出光纤相关联，从而给电极装置提供多个不同的控制电压Vi(其中i＝1，2，…，N)，在多模式光波导管内形成多个不同的光斑图案，一个所述形成的光斑图案与在所述全息滤波器一个区域内预先形成的所述光斑图案的一致，允许将所述形成一致光斑图案的所述输入激光光束选择性地转换、寻址或相互连接到一个与全息滤波器的所述一致区域相关联的所述输出光波导管。
本发明的光互连装置的特征还在于一种光学开关，它包括一个安装在另一个顶部的多个波导管支撑基片，它们对应于不同波长λi(其中i＝1，2，…，L)的光信号，其中所述每个波导管支撑基片都有多个电极对，有M个，每对电极相互并列布置，分别与同样多的M个光波导管中的一个交叉；及一个电源装置，用于分别给所述电极对提供不同的控制电压。
本发明的光互连装置的特征还在于一种光学开关，包括一个设置在开关输出侧的全息滤波器，多个设置在开关输入侧用于分别引导多束输入激光光束的光波导管，和多个与光波导管相关联的电极对，以及一个用于分别给电极对提供不同控制电压的电源，以便可以在各个波导管内形成与各个激光光束相关的不同光斑图案，在所述输入侧个别产生的不同光斑图案在开关所述输出侧处的全息滤波器内线性叠加在一起。优选地，所述全息滤波器具有分别在多个区域内预先形成的多个不同光斑图案，它们依次分别与多个输出光波导管相关联，因此所述形成的光斑图案与全息滤波器的所述区域内预先形成的光斑图案一致，能够使带有所述形成一致光斑图案的所述输入激光光束被选择性地转换、选址和相互连接到与全息滤波器的所述一致区域相关的输出光波导管。优选地，所述不同控制电压选自二元电压、模拟电压以及二元电压与模拟电压的组合电压。
根据本发明的这些特征，提供了一种光互连装置，该装置没有机械驱动零件或元件，并且只用光学材料制成，该装置结构紧凑、成本低廉，作为一种结构简单、可靠性和经济性高的稳定装置，能够提供极高的转换速度。
在方法方面，本发明还提供一种将多个输入光波导管输入的多个输入光信号相互连接到多个输出光波导管的方法，该方法包括步骤a)制备一种全息滤波器，它在具有与所述多个出口光波导管分别相关的一组区域内具有一组预先形成的不同光斑的图案；b)传送输入光信号，每个信号由一束激光光束携带并分别通过多模式光波导管的多个输入通道，其中它们之上分别施加有不同的控制电压，分别形成与那些激光光束相关的不同光斑图案，及c)将通过所述多模式光波导管的各个输入通道之后又通过单一一个输出通道的激光光束引入所述全息滤波器内，其中在一个全息滤波器的所述区域内，所述形成的光斑图案与预先形成的光斑图案的一致使得与所述形成一致光斑图案有关的所述输入光信号能够被选择性地转换、寻址和相互连接到与全息滤波器所述一致区域相关的所述输出光波导管上。
所述预先形成的不同光斑图案专门以全息图的形式被预先记录在正要变成全息滤波器的记录介质上，优选通过a1)将统一模式的激光光束分裂成一个第一激光光束和一个第二激光光束，使这种第一激光光束通过分别施加一组不同控制电压的所述多模式光波导管的输入通道，形成多个光斑图案，每个图案都作为所述施加电压的函数，将通过所述多模式光波导管的多束第一激光光束汇集成单一一个多模式激光光束，该激光光束与所述多个不同光斑图案相关，并能够引起多模式激光光束与第二激光光束在一个所述记录介质连续区域处相交，使它们在此相互干涉，从而将所述不同光斑图案记录成一组在所述区域上的全息图形式的图案，及a2)连续重复步骤a1)，在所述多模式光波导管上施加不同组的不同控制电压，以全息图的形式依次在所述记录介质内的下一个区域连续记录得到的各组光斑图案，从而形成所述全息滤波器。
有利地，形成所述全息滤波器的所述记录介质由光折射晶体如LiNbO3、光聚合物或者光折射聚合物制成。
有利地，分别形成通过所述多模式光波导管的各个输入通道的所述不同光斑图案在进入所述全息滤波器之前在所述多模式光波导管的单一一个输出通道内线性叠加在一起。
根据电极形状，施加的所述电压可以是二元电压、模拟电压或者二元电压与模拟电压的组合电压。
根据本发明方法的这些特点，提供了一种可靠性和经济性高的方法，可以采用该方法制造一种结构紧凑、成本低廉的光学开关，作为一种结构简单、可靠性和经济性高的稳定装置，它能够提供极高的转换速度。
另一方面，本发明还提供一种将多个输入光波导管输入的多个输入信号相互连接到多个输出光波导管的光学开关，它包括一个具有多个输入通道的多模式光波导管，用于分别接收输入光波导管发出的激光光束携带的输入光信号；多个电极装置，每个装置都分别与所述多模式光波导管的每个入口通道相关联；一个电源装置，用于分别给所述电极装置提供不同的控制电压，以便分别形成与通过所述多模式光波导管入口通道的那些激光光束相关的不同光斑图案；所述多模式光波导管具有单一一个汇聚所述输入通道的输出通道，将所述激光光束转换成一束多模式激光光束，其中所述不同光斑图案线性叠加在一起；以及一个全息滤波器，用于接收所述不同光斑图案，对含有所述多模式光波导管发出的所述输入光信号的所述多模式激光束进行滤波，所述全息滤波器具有多个不同组的预先形成的不同光斑图案，每个图案都是全息图，并位于具有所述相关输出光波导管的滤波器的多个连续区域内，所述全息滤波器通过全息滤波器的一个所述区域，选择性地将所述输入光信号转换、寻址和相互连接到一个所述输出光波导管，其中与所述输入光信号相关的一个所述接收光斑图案与一个所述预先形成的光斑图案一致。
所述每组预先形成的不同光斑图案都是全息图形式的，预先记录在正变成全息滤波器的记录介质内，优选通过a1)将一束激光光束分裂成一个第一激光光束和一个第二激光光束，使这种第一激光光束通过分别施加一组不同控制电压的所述多模式光波导管的输入通道，形成多个光斑图案，各图案均为所施电压的函数，将通过所述多模式光波导管的多束第一激光光束通过所述多模式光波导管的单个输出通道，汇集成单一一个多模式激光光束，该激光光束具有相关的所述多个不同光斑图案，并能够引起多模式激光光束与第二激光光束在一个所述记录介质连续区域处相交，使它们在此相互干涉，从而将所述不同光斑图案记录成一组在所述一个区域上的全息图形式的图案，及a2)连续重复步骤a1)，在所述多模式光波导管上施加不同组的不同控制电压，以全息图的形式依次在所述记录介质内的下一个区域连续记录得到的依次各组光斑图案，从而形成所述全息滤波器。
有利地，构成所述全息滤波器波导管支承基片的所述记录介质由非线性光晶体或光聚合物构成。
根据本发明的这些特征，提供了一种光互连装置，该装置结构紧凑、成本低廉，作为一种结构简单、可靠性和经济性高的稳定装置，能够提供极高的转换速度。
另一方面，本发明还提供一种将多个输入光波导管输入的多个输入信号相互连接到多个输出光波导管的光学开关，它包括一个具有多个输入通道的多模式光波导管，用于分别接收输入光波导管发出的激光光束携带的输入光信号；多个电极装置，每个装置都分别与所述多模式光波导管的每个入口通道相关联；一个电源装置，分别用于给所述电极装置提供一组不同的控制电压，以便分别形成与通过所述多模式光波导管入口通道的那些激光光束相关的不同光斑图案；所述多模式光波导管具有单一一个汇聚所述输入通道的输出通道，将所述激光光束转换成一束多模式激光光束，其中所述不同光斑图案线性叠加在一起；一个全息滤波器，用于接收所述不同光斑图案，对含有所述多模式光波导管发出的所述输入光信号进行滤波，所述全息滤波器具有多个不同组的预先形成的不同光斑图案，每组图案都是全息图，并位于与所述相关输出光波导管的滤波器有关的多个连续区域内，所述全息滤波器通过全息滤波器的一个所述区域，选择性地将所述输入光信号转换、寻址和相互连接到一个所述输出光波导管，在所述区域，与所述输入光信号相关的一个所述接收光斑图案与一个所述预先形成的光斑图案一致；一组波导管支撑基片，它们一个安装在另一个顶部，数量与携带输入光信号的不同波长(λ1，λ2，…，λL)对应，所述每个波导管支撑基片内都形成有一个所述的多模式光波导管；以及一组全息滤波器板，它们一个安装在另一个顶部，数量与所述波导管支撑基片的数量对应，所述每个全息滤波器板均与所述全息滤波器共同构成，并分别附着在所述每个波导管支撑基片上，因此所述全息滤波器和所述波导管支撑基片内的所述多模式光波导管的单个输出通道以及附着在一起的所述全息滤波器板相互连通。该波导管支撑基片优选由光折射晶体如晶片形式的的LiNbO3或者具有几层聚合物层的Si基片构成。
在此情况下，所述预先形成的每组不同光斑图案专门以全息图的形式被预先记录在正要变成全息滤波器的记录介质上，优选通过a1)使激光光束分裂成第一激光光束和第二激光光束，使第一激光光束通过分别施加一组不同控制电压的所述多模式光波导管的输入通道，形成多个光斑图案，个图案均为所施电压的函数，将通过所述多模式光波导管的多束第一激光光束通过所述多模式光波导管的单个输出通道，汇集成一个多模式激光光束，该激光光束具有相关的所述多个不同光斑图案，并能够引起多模式激光光束与第二激光光束在一个所述记录介质连续区域处相交，使它们在此相互干涉，从而将所述不同光斑图案记录成一组在所述一个区域上的全息图形式的图案，及a2)连续重复步骤a1)，在所述多模式光波导管上施加不同组的不同控制电压，以全息图的形式依次在所述记录介质内的下一个区域连续记录得到的依次各组光斑图案，从而形成所述全息滤波器。
有利地，该光学装置还包括第一组和第二组AWG(排列波导管线栅)型转换器，分别连接有第一和第二组光纤电缆，并且分别形成在各组AWG板内，所述每个第一和第二组AWG板并列布置，布置方向与一个叠置于另一个顶部的所述波导管支撑基片/全息滤波器板的安装方向呈横向，其中所述第一组AWG转换器在接收到所述第一组光纤电缆发出的混合波长也就是含有不同波长(λ1，λ2，…，λL)的多组输入光通信信号时，能够分别将它们转换成多组光信号，其中每组光信号都具有相同的波长(λ1，λ2，…，λL)以便进入每个所述波导管支撑基片内所述多模式光波导管的输入通道内，所述第二组AWG转换器在接收到所述每个全息滤波器板内所述全息滤波器发出的多组输出光信号时，其中每组输出光信号具有相同的波长(λ1，λ2，…，λL)，能够分别将它们转换成多组混合波长也就是具有不同波长(λ1，λ2，…，λL)的光信号，这些信号分别通过所述第二组光纤电缆输出。
有利地，该光学装置还包括第二组波导管支撑基片，它们一个安装在另一个顶部，数量与携带输入光信号的不同波长(λ1，λ2，…，λL)对应，所述每个波导管支撑基片内都形成有一个所述的多模式光波导管；及第二组全息滤波器板，它们一个安装在另一个顶部，数量与所述第二组波导管支撑基片的数量对应，所述每个全息滤波器板内形成有第二全息滤波器，并分别与所述每个波导管支撑基片相互附着，因此所述全息滤波器和所述第二组波导管支撑基片内的所述多模式光波导管以及附着在一起的所述全息滤波器板相互连通，其中所述第二组的AWG型转换器接收来自所述第二组的光纤的混合波长(λ1，λ2，…，λL)的多组输入光通信信号，分别将它们转换成多组光信号，其中每组光信号都具有相同的波长(λ1，λ2，…，λL)以便进入第二组的所述一个波导管支撑基片内的所述多模式光波导管的输入通道内，所述第一组内的AWG板接收来自所述第二组的所述一个全息滤波器板内全息滤波器的波长(λ1，λ2，…，λL)相同的多组输出光通信信号，分别将它们转换成混合波长的多组光信号，其中每组光信号都具有不同的波长(λ1，λ2，…，λL)，这些信号竟分别通过所述第一组的光纤电缆输出。采用上述构成，本发明的装置能够在第一和第二组光纤电缆之间双向工作。
根据本发明的这些特征，提供了一种光互连装置，该装置结构紧凑、成本低廉，作为一种结构简单、可靠性和经济性高的稳定装置，能够提供极高的转换速度。
多模式光波导管4的数量与不同的波长(λ1，λ2，…，λL)的数量相对应，他们每个都形成在一个波导管支撑薄基片或板3内，基片或板例如由非线性光折射晶体LiNbO3构成。基片3还可以是有几层聚合物的一种Si基片，能够产生电光效果。每个多模式光波导管4都有M个用于引导相同波长λ1的M个光信号的输入通道4in，如图所示，这些输入通道4in在波导管板3内汇聚成单一一个输出通道4out。每个输入通道4in都有一对布置在其两侧的电极(10，10a)，用于将电源8的电压施加在其一部分上，这样的形式对于形成通过它的光斑图案是最佳的。如图所示，电极对的一个电极10布置在每个输入通道4in之上，然后形成三角形或锯齿形的形状。如果在电极对上施加电压，那么通过电极10下面的输入通道4in的一束激光光束9a根据给定条件电光地产生一个特定光斑图案。这种光斑图案主要取决于电极10的结构，施加的电压和光波导管4的光学性能。因此，由于施加的电压的作用，能够形成一个特定的光斑图案。除非外部环境发生变化，否则产生的光斑图案不随时间变化。因此，该装置是一种结构简单、可靠性和经济性高的稳定装置。
图3是表示电光电极对10之间和每个与其对应的多模式波导管输入通道4之间的位置关系的横剖正视图，这样很容易理解他们是怎样形成的，以及怎样相互配置，其中反电极10a作为一个公用接地电极。图4是一幅平面图，展示出每一自光纤输入的激光束，怎样产生一个由电极10决定的特定光斑图案，通过多模式光波导管4的特定输入通道4in，且变成多模式的，通过多模式光波导管4的单一输出通道4out的该激光束被引入全息滤波器5，这样容易理解形成在多模式光波导管4的每个特定输入通道4in内的光斑图案，容易理解形成在多模式光波导管4的每个特定输入通道4in内的光斑图案怎样在多模式光波导管4的单个输出通道4out内怎样叠加在一起，然后又进入完成本发明光学开关的全息滤波器5内。
图5是一幅示意图，表示怎样设置光学系统来制造用于本发明的光互连装置的全息滤波器5。这里制造了全息滤波器5，以便在该装置中结合光转换功能。为此，提供了一种光学系统，该系统包括一个激光器单元6，一个透镜7a，一个分束器7b，以及一个安装于一个镜驱动单元7d上的反射镜7c，该镜驱动单元用于平行于全息滤波器5双向推动反射镜7c，在形成全息滤波器5的记录材料内完成和记录全息图。由于在光互连装置开始工作之前在该系统内进行操作，因此形成和记录全息图所需要的时间无论如何也不影响用光互连装置进行的光通信的转换速度。为此，该方法中使用的激光器单元6不必具有很高的输出功率，形成全息滤波器5的记录介质不必很灵敏。因此，本发明的特点是经济效率很高，并且全息滤波器5的材料可以有很多选择。
下面将参照图5描述本发明另一个实施例，其中的光学系统用于制造本发明的相互连接装置的全息滤波器5。在制造全息滤波器5的方法步骤中，一幅全息图被记录在一种例如含有光折射晶体、光聚合物或光折射聚合物的用于形成全息滤波器5的记录介质内。为此，由一个分束器7b将激光器单元6传送和透镜7a校准为固定统一直径的光通信带内一种波长的激光光束9分裂成用来照射记录介质的第一和第二校准光束9a和9b。每个通过透镜组7e的第一校准光束9a直接通过输入光纤1被输入多模式波导管4的一个输入通道4in内，最后到达形成全息滤波器5的记录介质。第二校准光束9b由安装于可平行于全息滤波器5移动的镜驱动单元7d的反射镜7c反射，驱动单元7d用于确定反射镜7c的位置，以便反射的第二光束9b入射在用于照射形成全息滤波器5的记录介质的特定区域。这样，由单个光源分裂形成的和沿两个不同光学路径前进的第一和第二光束9a和9b在记录介质的这样一个特定区域内相交并相互干涉，从而形成一幅全息图。因此，本发明的相互连接装置所需的一组全息图能够被预先记录在全息滤波器5内。
下面将进一步详细描述在形成全息滤波器5的记录介质内记录这种全息图的技术。在光折射材料中形成各种光斑图案的基础技术是电极10的具体形状和其子元件的具体数量，以及施加在电极10上用于确定一个具体光斑图案的具体电压V。此外，要建立转换条件，直到在光折射材料内形成一组这样的彼此间隔一定距离的全息图。按照这种方式形成全息滤波器5能够允许选择性地确定输出光路。由于全息图的形成不是在上述通信过程中完成的，因此对他们的形成或消除没有临时限制。
一旦按照这种方式形成全息滤波器5，那么只需要简单地从光互连装置的通信系统中拆除激光器单元6、透镜系统7a、分束器7b、反射镜7c和镜驱动元件7d，而将其其余的零件或部件保持不动。这样就使该装置成为一种结构简单、容易维修和更加经济的系统。
下面将接着描述构成本发明的光互连装置核心的转换功能。其基本原理是在任何输入光斑图案和任何存储于全息图中的光斑图案之间的图案匹配与不匹配。这由下面的交叉相关函数给出Ci，j＝Pi×Pj其中Pi是第i个光斑图案，Pj是第j个存储光斑图案，其中i＝1，2，…，N，j＝1，2，…，N。由于统计正交性，如果Pi＝Pj那么Pi和Pj之间的统计相关系数Ci，j变为1(最大)，否则为0(最小)。这意味着如果Pi＝Pj，那么可以选择性地将第i个输入相互连接到与输入光斑图案Pi一致有关的第j个光斑图案Pj的第j个输出上。
图6表示制造这种全息滤波器采用的原理示意图。第一全息图H1可以如下地记录在正变成全息滤波器5的记录介质上参照图6，例如假定在多模式光波导管4内，由施加电压为V11的通过第一输入波导管通道4in的激光光束携带的输入光信号I1形成第一光斑图案，由施加电压为V12的通过第二输入波导管通道4in的激光光束携带的输入光信号I2形成第二光斑图案，以此类推，由施加电压为V1M的通过第M输入波导管通道4in的激光光束携带的输入光信号I1M形成第M光斑图案。这M个光斑图案分别由SI1，V12，…，SIM，V1M表示，他们在多模式波导管4的单个输出波导管通道4out中耦合在一起，然后以多模式光斑图案S1＝SI1，V11+SI2，V12，…，SIM，V1M的形式进入记录介质5。那些输入信号I1，I2，…，IM中的每一个都是一个激光器单元6发出的一束激光光束9a携带的光信号，其中光束由分束器7b分裂，并通过施加了相关电压的多模式波导管4的输入波导管通道4in。因此，携带组合光斑图案S1＝SI1， V11+SI2，V12，…，SIM，V1M的多模式光在形成H1＝(SI1，V11+SI2，V12，…，SIM，V1M)*R1形式的全息图H1的记录介质的一个H1区域内，与作为分裂配对物的激光器单元6发出的一束参考光R1相交或者相干涉。第二全息图H2同样形成在记录介质5上与第一全息图区域相邻的第二全息图区域。在此情况下，假定给第一、第二、…第M输入光信号I1、I2、…IM的输入通道4in1，4in2，…4inM分别施加电压V21，V22，…V2M。那么就能够看到获得了所示的S2＝SI2，V21+SI2，V22，…，SIM，V2M形式的多模式光斑图案且第二全息图继而为H2＝(SI2，V21+SI2，V22，…，SIM，V2M)*R1。按照这种方式，在形成全息滤波器5的记录介质内就形成和记录了所需的数量为N的一组全息图。
图7表示将输入光信号选择性地光转换为所需输出的衍射原理图。假定分别在输入光信号I1和I2的单一模式波导管4in和4out的电极10和10a上施加电压V21和V12。那么可以看到该多模式光的多模式光斑图案采用S＝SI1，V21+SI2，V12+…，的形式进入具有第一和第二全息图H1＝(SI1，V11+SI1，V12…，SIM，V1M)*R1以及H2＝(SI2，V21+SI2，V22…，SIM，V2M)*R1的全息滤波器5中，结果，多模式光中的输入信号成分I1和I2通过全息滤波器5内的第二和第一全息图H2，H1被滤除，因此本转换成分别与第二和第一全息图H2和H1有关的输出光波导管O2和O1。也就是说，通过记录全息图的全息滤波器5的多模式光在使用上述相交系数的区域被衍射，从而允许其衍射信号成分选择性地转换成分别与这些区域有关的输出波导管。因此，对与输入光信号的多模式光波导管4的输入通道4in有关的电极(10，10a)上的电压进行控制，在采用那些控制电压形成光斑图案时，就能够从与记录全息图有关的输出波导管中选出这些光信号。在此情况下，每个电压可以以二元形式即ON(1)和OFF(0)的形式、模拟形式或者二元与模拟的组合形式提供。
再参见
图1，因此提供了一种光地址探测器14，它响应于由分色镜13反射的数量为M的输入光束，用于分别探测这些输入光束携带的光信号的各个地址。该光地址探测器14连接电源8，是由电源8提供的对应于这些信号地址的电压分别输入到通过多模式光波导管4的数量为M的输入通道4in的光束上。其中光信号的每个地址或目标在这里都由一个特定的光斑图案代表，因此要求一个特定的电压，用于产生一种与存储在全息滤波器5的特定全息图内的特定光斑图案一致的光斑图案，也就是信号目标或输出。
本发明提供了一种将多个输入光波导管输入的多个输入信号相互连接到多个输出光波导管的光学开关包括一种光学开关。该光学开关包括多个具有多个输入通道4in和单一一个汇聚输入通道4in的输出通道4out的多模式光波导管4，输入通道4in用于分别接收输入光波导管发出的激光光束(9a)携带的输入光信号。多个电极装置(10，10a)，每个装置都分别与所述多模式光波导管4的每个入口通道4in相关联。一个电源装置8，用于分别给所述电极装置(10，10a)提供不同的控制电压(V1，V2，V3…)，以便分别形成与通过所述多模式光波导管4入口通道4in的那些激光光束相关的不同光斑图案。激光光束(9a)在多模式光波导管的单一一个输出通道4out转换成一束多模式激光光束，其中不同的光斑图案线性叠加成一个多模式光斑图案。此外，还包括一个全息滤波器5，该滤波器用于接收该含有不同光斑图案的多模式光斑图案，对含有来自多模式光波导管4的输入光信号的多模式激光光束进行滤波，该全息滤波器5含有多个预先形成的多模式光斑图案，每个图案H1，H2，…HN都是全息图，并位于具有所述相关输出光波导管的滤波器的多个连续区域内，所述全息滤波器5通过全息滤波器的一个所述区域，选择性地将所述输入光信号转换、寻址和相互连接到一个所述输出光波导管，其中在该区域内与所述输入光信号相关的一个所述接收光斑图案与一个所述预先形成的光斑图案一致。
优选地，该光学装置还包括一组波导管支撑基片3，它们一个安装在另一个顶部，数量与携带输入光信号的不同波长(λ1，λ2，…，λL)对应，所述每个波导管支撑基片3内都形成有一个所述的多模式光波导管4，该波导管4包括一个输出通道4out和汇聚成该单一一个输出通道4out的多个输入通道4in；及一组全息滤波器板，它们一个安装在另一个顶部，数量与所述波导管支撑基片3的数量对应。每个全息滤波器板内形成有一个全息滤波器5，并分别附着在每个波导管支撑基片3上，因此所述全息滤波器5和波导管支撑基片3内的多模式光波导管4’以及附着在一起的所述全息滤波器板相互连通。
上述光学开关如图1和8所示可以连接在分别连接有第一和第二组光纤电缆的第一组和第二组AWG(排列波导管线栅)型耦合器/分频器(转换器)12，12’之间。这些AWG型转换器分别形成在各组AWG板内，每组AWG板并列布置，布置方向与一个叠置于另一个顶部的所述波导管支撑基片/全息滤波器板的安装方向呈横向。因此第一组AWG转换器12在接收到第一组光纤电缆发出的混合波长也就是含有不同波长(λ1，λ2，…，λL)的多组输入光通信信号时，能够分别将它们转换成多组光信号，其中每组光信号都具有相同的波长(λ1，λ2，…，λL)，以便进入每个波导管支撑基片3内所述多模式光波导管4的输入通道4in内，第二组AWG转换器12’在接收到每个全息滤波器板内所述全息滤波器5发出的波长(λ1，λ2，…，λL)相同的多组输出光信号时，能够分别将它们转换成多组混合波长也就是具有不同波长(λ1，λ2，…，λL)的光信号，这些信号分别通过所述第二组光纤电缆输出。
因此，如图1所示，在第一和第二组AWG(排列波导管线栅)型耦合器/分频器(转换器)12，12’之间还可以优选设置有另一个或第二个光学开关，该光学开关包括第二组波导管支撑基片3，它们一个安装在另一个顶部，数量与携带输入光信号的不同波长(λ1，λ2，…，λL)对应。第二组波导管支撑基片3与第一组波导管支撑基片一样，每个波导管支撑基片内都形成有一个多模式光波导管4，该波导管4包括一组汇聚成单一一个输出通道4out的输入通道4in。还包括第二组全息滤波器板，它们一个安装在另一个顶部，数量与波导管支撑基片3的数量对应，这些全息滤波器板与第一组全息滤波器板相同，其中每个全息滤波器板内形成有一个全息滤波器5，并分别附着在每个波导管支撑基片3上，因此全息滤波器5和第二组波导管支撑基片内的多模式光波导管4以及附着在一起的第二组全息滤波器板相互连通。因此，第二组的AWG型转换器12’接收来自所述第二组的光缆的混合波长(λ1，λ2，…，λL)的多组输入光通信信号，分别将它们转换成每组光信号都具有相同波长(λ1，λ2，…，λL)的多组光信号，以便进入第二组的所述一个波导管支撑基片3内的所述多模式光波导管4的输入通道4in内，第一组12内的AWG板接收来自所述第二组的所述一个全息滤波器板内全息滤波器5的波长(λ1，λ2，…，λL)相同的多组输出光通信信号，分别将它们转换成混合波长的多组光信号，其中每组光信号都具有不同的波长(λ1，λ2，…，λL)，这些信号分别通过所述第一组的光纤电缆输出。采用上述构成，本发明的装置能够双向工作。
如上所述，本发明提供了一种结构非常紧凑、转换速度非常高和成本低廉的光学开关。该光学开关能够将输入光纤相互连接到输出光纤上，能够以极高的转换速度在输入和输出光纤之间相互连接数量为M×N×L(其中M和N分别是输入和输出光纤的数量，L是波长数量)的光信号，该转换速度通过根据需要使用电光效应形成和转换光斑图案和简单地使输入光信号通过具有预先形成的全息滤波器的光学开关获得。光学开关内预先形成的全息滤波器的有利优点在于在其工作时，其工作过程或预先在记录介质内记录全息图的过程绝对不影响光学开关的转换操作。可以置备和存储对应于需求光斑图案组数的各组全息图的大量全息滤波器。因此，该光学开关可以携带几百到几千个信道，足以满足超大规模WDM传送系统的需求。该光学开关还非常紧凑，总尺寸例如为6.5cm×6.5cm×2.5cm。该光学开关的转换速度高达一次转换的时间周期短到1-2毫秒，因此它能够迅速向前发展，建立下一代光电子网络。
尽管这里已经参照特定的实施例描述了本发明，但是，本领域的普通技术人员还很容易想到很多种变化，对其进行删除和增加，但是这些变化都不超出本发明的本质范围。因此，应该理解，本发明不限于上述特殊实施例，而是包括所附权利要求书中涉及的所有可能的实施例和所有等效替换。
权利要求
1.一种光互连装置，其特征在于它包括一个形成在位于M个输入光纤(1)和N个输出光纤(2)之间的波导管支撑基片(3)内的多模式光波导管(4，4’)，所述多模式光波导管具有多个用于分别接收和引导所述输入光纤(1)发出的光束通过的输入光波导管(4)，和单一一个汇聚所述输入光波导管(4)的输出光波导管(4’)；多个分别与所述多模式光波导管的所述输入光波导管(4)相关联的电极装置(10，10a)；一个在光束进入所述多模式光波导管(4，4’)之前响应所述光束，探测所述光束携带的光信号的各个地址的光地址探测器装置(14)；一个响应所述光地址探测器装置(14)，给所述电极装置(10，10a)提供预定控制电压(V1，V2，…，VN)的电源(8)，用来分别产生与所述被引导通过所述多模式光波导管(4，4’)的激光光束有关的、对应于所述光信号探测地址特定预选光斑图案；一个由记录介质如光折射晶体、光聚合物或光折射聚合物构成的全息滤波器(5)，其中形成有多个全息图(H1，H2，…，HN)，用于分别给对应所述光信号地址的所述光信号提供目标；以及一个在形成所述全息滤波器(5)的记录介质内预先形成这种全息图的记录装置，所述记录装置包括一个提供统一模式的激光光束的激光器单元(6)，以及数个校准和分裂激光光束的光学元件，包括一个透镜装置(7a)和一个分束器(7b)，以及一个光束反射镜(7c)。
2.一种光互连装置，其特征还在于包括一种预先形成一种具有全息图(H1，H2，…，HN)的记录介质的装置，适合将输入光应用到目标地址，所述装置包括一个能够提供统一模式的激光光束(9)的激光器单元(6)，一个将激光器单元(6)发出的激光光束(9)校准成一个统一校准激光光束的透镜装置(7a)，一个将后面的激光光束分裂成两束激光光束(9a，9b)的分束器(7b)，以及一个反射分束器(7b)分裂的两束校准激光光束中的一束激光(9b)的束反射镜(7c)，用来照射正变成一个全息滤波器(5)的所述记录介质的一个区域。
3.一种光互连装置，其特征在于一种光学开关，该开关包括一个适于接收M个输入光纤(1)输入的输入激光光束(9a)的多模式光波导管(4，4’)，并分别具有多个相关的电极装置(10)，以及一个全息滤波器(5)，该滤波器在多个区域内分别预先形成有多个不同光斑图案，它们分别依次与多个输出光纤(2)相关联，从而给电极装置(10)提供多个不同的控制电压Vi(其中i＝1，2，…，N)，在多模式光波导管(4，4’)内形成多个不同的光斑图案，一个所述形成的光斑图案与在所述全息滤波器(5)一个区域内预先形成的所述光斑图案的一致，允许将所述形成一致光斑图案的所述输入激光光束(9a)选择性地转换、寻址或相互连接到一个与全息滤波器(5)的所述一致区域相关联的所述输出光纤(2)。
4.一种光互连装置，其特征在于一种光学开关，它包括一个安装在另一个顶部的多个波导管支撑基片(3)，它们对应于不同波长λi(其中i＝1，2，…，L)的光信号，其中所述每个波导管支撑基片(3)都有多个电极对(10，10a)，有M个，每对电极(10，10a)相互并列布置，分别与同样多的M个光波导管(4，4’)中的一个交叉，及一个分别给所述电极对提供不同的控制电压的电源装置(8)，用于分别给所述电极对提供不同的控制电压。
5.一种光互连装置，其特征在于一种光学开关，包括一个设置在开关输出侧的全息滤波器(5)，多个设置在开关输入侧用于分别引导多束输入激光光束(9a)的光波导管(4)，多个与光波导管(4)相关联的电极对(10，10a)，以及一个用于分别给电极对(10，10a)提供不同控制电压的电源(8)，以便可以在各个波导管(4)内形成与各个激光光束(9a)相关的不同光斑图案，在所述输入侧个别产生的不同光斑图案在开关所述输出侧处的全息滤波器(5)内线性叠加在一起。
6.如权利要求5所述的光互连装置，其特征在于所述全息滤波器(5)有分别在多个区域内预先形成的多个不同光斑图案，它们依次分别与多个输出光波导管相关联，因此所述形成的光斑图案与全息滤波器(5)的所述区域内预先形成的光斑图案一致，能够与所述形成的一致的光斑图案有关的所述输入激光光束(9a)被选择性地转换、选址和相互连接到与全息滤波器的所述一致区域相关的输出光波导管(2)。
7.如权利要求5或6所述的光互连装置，其特征在于所述不同控制电压选自二元电压、模拟电压以及二元电压与模拟电压的组合电压。
8.一种将多个输入光波导管输入的多个输入光信号相互连接到多个输出光波导管的方法，其特征在于，该方法包括步骤a)制备一种全息滤波器，它在具有分别相关的所述多个出口光波导管的一组区域内具有一组预先形成的不同光斑的图案；b)传送输入光信号，每个信号由一束激光光束携带并分别通过多模式光波导管的多个输入通道，其中它们之上分别施加有不同的控制电压，以分别形成与那些激光光束相关的不同光斑图案，以及c)将通过所述多模式光波导管的各个输入通道之后又通过单一一个输出通道的激光光束引入所述全息滤波器内，其中在一个全息滤波器的所述区域内，所述形成的光斑图案与预先形成的光斑图案的一致，使得与所述形成一致光斑图案有关的所述输入光信号能够被选择性地转换、寻址和相互连接到与全息滤波器所述一致区域相关的所述输出光波导管上。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，其中所述预先形成的不同光斑图案以全息图的形式通过以下步骤被预先记录在正要变成全息滤波器的记录介质上a1)将统一模式的激光光束分裂成一个第一激光光束和一个第二激光光束，使这种第一激光光束通过分别施加一组不同控制电压的所述多模式光波导管的输入通道，形成多个光斑图案，每个图案都作为所述施加电压的函数，将通过所述多模式光波导管的多束第一激光光束汇集成单一一个多模式激光光束，该激光光束具有相关的所述多个不同光斑图案，并能够引起多模式激光光束与第二激光光束在一个所述记录介质连续区域处相交，使它们在此相互干涉，从而将所述不同光斑图案记录成一组在所述区域上的全息图形式的图案，以及a2)连续重复步骤a1)，在所述多模式光波导管上施加不同组的不同控制电压，以全息图的形式依次在所述记录介质内的下一个区域连续记录得到的各组光斑图案，从而形成所述全息滤波器。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，其中形成所述全息滤波器的所述记录介质的材料选自光折射晶体、光聚合物或者光折射聚合物。
11.如权利要求8或9的方法，其特征在于，其中分别形成通过所述多模式光波导管的各个输入通道的分别形成的所述不同光斑图案在进入所述全息滤波器之前，在所述多模式光波导管的单一一个输出通道内线性叠加在一起。
12.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，其中所述电压是二元电压。
13.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，其中所述电压是模拟电压。
14.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，其中所述电压是二元电压和模拟电压的组合电压。
15.一种将多个输入光波导管输入的多个输入信号相互连接到多个输出光波导管的光学开关，其特征在于，它包括一个具有多个输入通道的多模式光波导管，用于分别接收输入光波导管发出的激光光束携带的输入光信号；多个电极装置，每个装置都分别与所述多模式光波导管的每个入口通道相关联；一个电源装置，用于分别给所述电极装置提供不同的控制电压，以便分别形成与通过所述多模式光波导管入口通道的那些激光光束相关的不同光斑图案；所述多模式光波导管具有单一一个汇聚所述输入通道的输出通道，将所述激光光束转换成一束多模式激光光束，且其中所述不同光斑图案线性叠加在一起；以及一个全息滤波器，用于接收所述不同光斑图案，对含有所述多模式光波导管发出的所述输入光信号进行滤波，所述全息滤波器具有多个不同组的预先形成的不同光斑图案，每个图案都是全息图，并位于具有所述相关输出光波导管的滤波器的多个连续区域内，所述全息滤波器通过全息滤波器的一个所述区域，选择性地将所述输入光信号转换、寻址和相互连接到一个所述输出光波导管，其中与所述输入光信号相关的一个所述接收光斑图案与一个所述预先形成的光斑图案一致。
16.如权利要求15所述的光学开关，其特征在于，其中所述每组预先形成的不同光斑图案都是全息图形式的，通过以下步骤预先记录在正变成全息滤波器的记录介质内a1)将一束激光光束分裂成一个第一激光光束和一个第二激光光束，使这种第一激光光束通过分别被施加一组不同控制电压的所述多模式光波导管的输入通道，形成多个光斑图案，每个图案是所施电压的函数，将通过所述多模式光波导管的单一输出通道的多束第一激光光束汇集成一个多模式激光光束，该激光光束具有相关的所述多个不同光斑图案，并能够引起多模式激光光束与第二激光光束在一个所述记录介质连续区域处相交，使它们在此相互干涉，从而将所述不同光斑图案记录成一组在所述一个区域上的全息图形式的图案，以及a2)连续重复步骤a1)，在所述多模式光波导管的输出通道上施加不同组的不同控制电压，以全息图的形式依次在所述记录介质内的下一个区域连续记录得到的依次各组光斑图案，从而形成所述全息滤波器。
17.一种将多个输入光波导管输入的多个输入信号相互连接到多个输出光波导管的光学开关，其特征在于，它包括一个具有多个输入通道的多模式光波导管，用于分别接收输入光波导管发出的激光光束携带的输入光信号；多个电极装置，每个装置都分别与所述多模式光波导管的每个入口通道相关联；一个电源装置，分别用于给所述电极装置提供一组不同的控制电压，以便分别形成与通过所述多模式光波导管入口通道的那些激光光束相关的不同光斑图案；所述多模式光波导管具有单一一个汇聚所述输入通道的输出通道，将所述激光光束转换成一束多模式激光光束，且其中所述不同光斑图案线性叠加在一起；一个全息滤波器，用于接收所述不同光斑图案，对含有所述多模式光波导管发出的所述输入光信号进行滤波，所述全息滤波器具有多个不同组的预先形成的不同光斑图案，每组图案都是全息图，并位于具有所述相关输出光波导管的滤波器的多个连续区域内，所述全息滤波器通过全息滤波器的一个所述区域，选择性地将所述输入光信号转换、寻址和相互连接到一个所述输出光波导管，其中与所述输入光信号相关的一个所述接收光斑图案与一个所述预先形成的光斑图案一致；一组波导管支撑基片，它们一个安装在另一个顶部，数量与携带输入光信号的不同波长(λ1，λ2，…，λL)对应，所述每个波导管支撑基片内都形成有一个所述的多模式光波导管；以及一组全息滤波器板，它们一个安装在另一个顶部，数量与所述波导管支撑基片的数量对应，所述每个全息滤波器板内形成有所述全息滤波器，并分别附着在所述每个波导管支撑基片上，因此所述全息滤波器和所述波导管支撑基片内所述多模式光波导管的单个输出通道以及附着在一起的所述全息滤波器板相互连通。
18.如权利要求17的光学装置，其特征在于，其中所述波导管支撑基片和全息滤波器板都由LiNbO3构成。
19.如权利要求17的光学装置，其特征在于，还包括第一组和第二组AWG(排列波导管线栅)型转换器，分别连接有第一和第二组光纤电缆，并且分别形成在各组AWG板内，所述每个第一和第二组AWG板并列布置，布置方向横向于一个叠置于另一个顶部的所述波导管支撑基片/全息滤波器板的安装方向，其中所述第一组AWG转换器在接收到所述第一组光纤电缆发出的混合波长也就是含有不同波长(λ1，λ2，…，λL)的多组输入光通信信号时，能够分别将它们转换成多组光信号，其中每组光信号都具有相同的波长(λ1，λ2，…，λL)以便进入每个所述波导管支撑基片内所述多模式光波导管的输入通道内，及所述第二组AWG转换器在接收到所述每个全息滤波器板内的所述全息滤波器发出的多组输出光信号时，其中每组输出光信号具有相同的波长(λ1，λ2，…，λL)，能够分别将它们转换成多组混合波长也就是具有不同波长(λ1，λ2，…，λL)的光信号，这些信号分别通过所述第二组光纤电缆输出。
20.如权利要求19的光学装置，其特征在于，还包括第二组波导管支撑基片，它们一个安装在另一个顶部，数量与携带输入光信号的不同波长(λ1，λ2，…，λL)对应，所述每个第二组波导管支撑基片内都形成有一个所述的多模式光波导管；及第二组全息滤波器板，它们一个安装在另一个顶部，数量与所述波导管支撑基片的数量对应，所述每个全息滤波器板内形成有所述全息滤波器，并分别附着在所述每个波导管支撑基片上，因此所述全息滤波器和所述波导管支撑基片内所述多模式光波导管以及附着在一起的所述全息滤波器板相互连通，其中所述第二组的AWG型转换器接收来自所述第二组的光纤电缆的混合波长(λ1，λ2，…，λL)的多组输入光通信信号，分别将它们转换成多组光信号，其中每组光信号都具有相同的波长(λ1，λ2，…，λL)以便进入第二组的所述一个波导管支撑基片内的所述多模式光波导管的输入通道内，及所述第一组内的AWG型转换器接收来自所述第二组的所述一个全息滤波器板内的全息滤波器的波长(λ1，λ2，…，λL)相同的多组输出光通信信号，分别将它们转换成混合波长的多组光信号，其中每组光信号都具有不同的波长(λ1，λ2，…，λL)，这些信号分别通过所述第一组的光纤电缆输出。
21.如权利要求20所述的光学装置，其特征在于，其中所述波导管支撑基片和全息滤波器板都由LiNbO3构成。
22.如权利要求17所述的光学装置，其特征在于，其中所述预先形成的每组不同光斑图案专门以全息图的形式被预先记录在正要变成全息滤波器的记录介质上，优选通过a1)使激光光束分裂成第一激光光束和第二激光光束，使第一激光光束通过分别被施加一组不同控制电压的所述多模式光波导管的输入通道，形成多个光斑图案，每个图案是所施电压的函数，将通过所述多模式光波导管的单个输出通道的多束第一激光光束汇集成一个多模式激光光束，该激光光束具有相关的所述多个不同光斑图案，并能够引起多模式激光光束与第二激光光束在一个所述记录介质连续区域处相交，使它们在此相互干涉，从而将所述不同光斑图案记录成一组在所述一个区域上的全息图形式的图案，及a2)连续重复步骤a1)，在所述多模式光波导管的输入通道上施加不同组的不同控制电压，以全息图的形式依次在所述记录介质内的下一个区域连续记录得到的依次各组光斑图案，从而形成所述全息滤波器。
23.如权利要求17所述的光学装置，其特征在于，还包括一个在光束进入所述多模式光波导管的输入通道之前响应所述光束，探测所述光束携带的光信号的各个地址的光地址探测器，其中所述电源装置响应探测的光信号地址，适合给所述电极装置提供预定控制电压的电源，用来分别产生与引导通过所述多模式光波导管的输入通道的激光光束有关的、对应于所述光信号探测地址特定预选光斑图案，所述特定光斑图案与所述全息滤波器内每个全息图的所述预先形成的光斑图案相互关联。
24.如权利要求15所述的光学装置，其特征在于，还包括一个在光束进入所述多模式光波导管的输入通道之前响应所述光束，探测所述光束携带的光信号的各个地址的光地址探测器，其中所述电源装置响应探测的光信号地址，适合给所述电极装置提供预定控制电压的电源，用来分别产生与引导通过所述多模式光波导管的输入通道的激光光束有关的、对应于所述光信号探测地址特定预选光斑图案，所述特定光斑图案与所述全息滤波器内每个全息图的所述预先形成的光斑图案相互关联。
25.一种将多个输入光波导管输入的多个输入光信号相互连接到多个输出光波导管的方法，其特征在于，该方法包括步骤a)制备一种具有一系列全息图的全息滤波器，它在具有分别相关的所述多个出口光波导管的一组区域内具有一组预先形成的不同光斑的图案；b)探测激光光束携带的输入光信号的各个地址；c)通过使这些激光光束通过设置有多个电极装置的所述输入通道，引导激光光束分别通过具有多个输入通道和单一一个输出通道的多模式波导管，同时在所述电极装置上施加预选控制电压，用来分别产生与引导通过所述多模式光波导管的输入通道的激光光束有关的、对应于所述光信号探测地址特定预选光斑图案，d)将通过所述多模式光波导管的各个输入通道之后又通过单一一个输出通道的激光光束引入所述全息滤波器内，其中所述特定光斑图案与所述全息滤波器内每个全息图的所述预先形成的光斑图案相互关联。
全文摘要
本方面公开了一种用于将来自输入光缆的光信号相互连接到输出光缆的光学开关，利用一个具有一组预先形成的不同光斑图案的全息滤波器(5)，其中每个图案都是全息图(H
文档编号G02B5/32GK1449150SQ03121599
公开日2003年10月15日 申请日期2003年4月1日 优先权日2002年4月1日
发明者杉山晃也, 井上光辉, 申东鹤, 益田齐 申请人:天马网络株式会社, 株式会社T.S.光子