光开关和光交换系统的制作方法

本发明涉及光通信领域，并且更具体地，涉及一种光开关和光交换系统。

背景技术：

随着密集波分复用(densewavelengthdivisionmultiplexing，dwdm)技术的发展,光纤通信链路中信息传输的速度和容量日益增长，对光通信网络(例如城域网、数据中心等)中信息交换速度和容量的需求也随之增长。全光交换系统成为光通信网络的发展趋势。光开关是实现全光交换系统的关键器件，它可以实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接、自愈保护等功能。目前的光开关主要包括传统的机械结构光开关、微电子机械系统(microelectrical-mechanicalsystem，mems)光开关、液晶光开关、波导型光开关和半导体光放大器光开关等。

传统的mems光开关通常基于静电致动的微反射镜结构，具有插入损耗低、串扰小、消光比高、可扩展性好和控制简单等优点，规模可达1000端口以上，但由于微反射镜旋转速度慢，这类光开关的切换速度通常只能达到毫秒量级，无法满足未来微秒级开关速度的需求。硅基波导型光开关由于其工艺与成熟的互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)工艺兼容，具有成本低、集成度高等优点，易于实现大规模光开关矩阵。利用硅材料的热光效应可以使光开关切换速度达到微秒量级，但硅材料的热光效应较弱，导致折射率变化较小，因此需要嵌入到马赫增德尔干涉仪(mach-zehnderinterferometers，mzi)结构中才能实现1×2或者2×2的光开关。大规模的光开关矩阵由光开关级联而成，而mzi结构的光开关在开和关两个状态都有较显著的损耗，且损耗会随着光开关矩阵的规模增大而迅速增长。硅基波导型光开关存在的插入损耗大的问题，限制了其应用。

因此，实现微秒级切换速度、低插入损耗、大端口数和低成本的光开关矩阵是未来发展全光交换技术的重要部分。

技术实现要素：

本申请提供一种光开关和光交换系统，该光开关和光交换系统的切换速度快并且损耗低。

第一方面，本申请提供了一种光开关，所述光开关设置于衬底上，所述光开关包括第一波导、第二波导、第一形变波导和第一致动器，所述第一波导相对于所述衬底不可移动，所述第一波导具有第一输入端口ip1和第一输出端口op1；所述第二波导相对于所述衬底不可移动，所述第二波导具有第二输出端口op2，所述第一波导和所述第二波导位于第一平面内；所述第一形变波导也位于所述第一平面内，所述第一形变波导的第一部分相对于所述衬底固定，所述第一部分以外的第二部分通过所述第一致动器控制可以发生形变；其中，当所述第一形变波导处于第一状态时，(1)所述第一形变波导与所述第一波导光学解耦，并且所述第一形变波导与所述第二波导光学解耦，(2)ip1与op1光学导通并且ip1与op2光学阻断；当所述第一形变波导处于第二状态时，(1)所述第一形变波导与所述第一波导光学耦合，并且所述第一形变波导与所述第二波导光学耦合，(2)ip1与op1光学阻断并且ip1与op2通过所述第一形变波导光学导通；所述第一状态为所述第一形变波导的自然状态或第一形变状态，所述第二状态为所述第一形变波导的自然状态或第二形变状态，并且所述第一状态和所述第二状态不同为自然状态。

其中，第一形变波导处于第一状态时光开关可以称为关(through)状态，第一形变波导处于第二状态时光开关可以称为开(drop)状态。

可选地，本申请第一方面的光开关的第一形变波导可以是mems光波导。

可选地，本申请第一方面的光开关中所述第一平面可以是与所述衬底平行的平面。

本申请的第一方面的光开关将第一形变波导的第一部分固定，其余部分利用光波导的韧性进行形变从而改变光开关的状态，可以降低致动器负载的重量，并且依靠形变改变光开关的状态可以提高光开关的切换速度，从而提高光开关的性能。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一部分包括位于所述第一形变波导的中间位置的第一固定点。在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一部分还包括位于所述第一形变波导的两端的第二固定点和第三固定点。根据系统要求、波导性能，光信号的模式、功率和致动器的致动原理等，固定点的数量不作限定。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一致动器与所述第一形变波导的所述第二部分之间通过悬臂梁连接。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一致动器为平行板状的电极。其中，一种具体的实现方式为所述第一形变波导接地，所述电极可施加电压，所述电极与所述第一形变波导间的电压差使所述第一形变波导发生形变。本可能的实现方式中，致动器由平行板状的电极控制第一形变波导与固定波导的间距，形成侧向的耦合器，较梳状静电致动器切换速度快，切换速度可以达到1微秒以内，可以进一步提高光开关的性能。

在第一方面的一种可能的实现方式中，第一波导和第二波导可以是交叉的。第一波导和第二波导可以均为直波导，第一形变波导可以为弯曲波导。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，第一波导和第二波导可以不交叉，第一波导和第二波导可以均为弯曲波导，第一形变波导可以为直波导。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述光开关为1×2光开关，所述第二部分包括第一输入部和第一输出部，当所述第一形变波导处于第二状态时，所述第一形变波导的所述第一输入部和所述第一波导形成第一耦合器，所述第一形变波导的所述第一输出部和所述第二波导形成第二耦合器。

由于所述第一耦合器，ip1与op1光学阻断；并且，由于所述第二耦合器，ip1与op2光学导通。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一耦合器可以设置为：沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器的第一波导的弯曲度变化小于第一阈值，所述第一耦合器的第一形变波导的第一输入部的弯曲度变化小于第二阈值。本可能的实现方式中，第一形变波导的第一输入部和第一波导尽量在直波导上进行耦合，由此可以减小耦合器处光信号的损耗。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述光开关为2×2光开关，所述第二波导还具有第二输入端口ip2，所述光开关还包括第二形变波导，所述第二形变波导的第三部分相对于所述衬底固定，所述第三部分以外的第四部分通过第二致动器控制可以发生形变；当所述第二形变波导处于第三状态时，(1)所述第二形变波导与所述第一波导光学解耦，并且所述第二形变波导与所述第二波导光学解耦，(2)ip2与op2光学导通并且ip2与op1光学阻断；当所述第二形变波导处于第四状态时，(1)所述第二形变波导与所述第一波导光学耦合，并且所述第二形变波导与所述第二波导光学耦合，(2)ip2与op2光学阻断并且ip2与op1通过所述第二形变波导光学导通；所述第三状态为所述第二形变波导的自然状态或第三形变状态，所述第四状态为所述第二形变波导的自然状态或第四形变状态，并且所述第三状态和所述第四状态不同为自然状态。

在第一方面的一种可能的实现方式中，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器的所述第一输入部的有效折射率逐渐增大，所述第二耦合器的所述第一输出部的有效折射率逐渐减小。具体实现可以是，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器的所述第一输入部的宽度逐渐增大，所述第二耦合器的所述第一输出部的宽度逐渐减小。波导有效折射率逐渐变化或宽度逐渐变化可以实现较宽的光谱范围的传输，使光信号更稳定，还可以增大耦合器的工艺容差，提高光开关的性能。

更进一步地，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器的所述第一波导的有效折射率可以逐渐减小，所述第二耦合器的所述第二波导的有效折射率可以逐渐增大。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述光开关还包括光功率监控器，所述光功率监控器用于监控所述第一波导、所述第二波导、ip1、op1和op2中的至少一种的光功率。本可能的实现方式中的光开关通过监控各元件中光信号的功率，可以根据光信号的功率估计控制波导的位置，从而更精确的控制控制波导的位置。

第二方面，本申请提供了一种光交换系统，所述光交换系统为m×n光开关矩阵，包括m×n个第一方面的相应的实现方式的光开关，所述光开关的所述第二波导还具有第二输入端口ip2，所述第一波导与所述第二波导是交叉的，每个所述光开关记为scij，其中，i取值1,2,…,m，j取值1,2,…,n，所述m×n个光开关被设置为：(1)ip1i,j与op1i,j-1光学耦合，(2)ip2i,j与op2i-1,j光学耦合，i取值2至m，j取值2至n。

在第二方面的一种可能的实现方式中，在ip1i,1和op2m,j之间存在至少一条路径仅包括一个所述第一形变波导处于第二状态的光开关，i取值1至m，j取值1至n。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述光开关为第一方面中还包括第二形变波导的光开关，在ip21,j和op1i,n之间存在至少一条路径仅包括一个所述第二形变波导处于第四状态的光开关。

第三方面，本申请提供了一种光交换系统，所述光交换系统为m×n光开关矩阵，包括m×n个第一方面的相应的实现方式的光开关，所述光开关的所述第二波导还具有第二输入端口ip2，所述第一波导与所述第二波导不交叉，每个所述光开关记为scij，其中，i取值1,2,…,m，j取值1,2,…,n，所述m×n个光开关被设置为：(1)ip1i,j与op2i,j-1光学耦合，(2)ip2i,j与op1i-1,j光学耦合，i取值2至m，j取值2至n。

在第三方面的一种可能的实现方式中，在ip1i,1和op1m,j之间存在至少一条路径仅包括一个所述第一形变波导处于第一状态的光开关，i取值1至m，j取值1至n。

在第三方面的一种可能的实现方式中，所述光开关为第一方面中还包括第二形变波导的光开关，在ip21,j和op2i,n之间存在至少一条路径仅包括一个所述第二形变波导处于第三状态的光开关。

第二方面和第三方面的光交换系统可以实现微秒级切换速度，具有低插入损耗、大端口数和低成本等优势。

应理解，波导x和波导y光学耦合(opticallycoupled)是指波导x与波导y相互靠近，使两个波导中的光场发生相互作用，从而在两个波导之间实现光能量的传递。波导x和波导y光学解耦(opticallydecoupled)是指波导x与波导y相互远离，使两个波导中的光场不发生相互作用，从而使两个波导之间不发生光能量的传递。当然不可避免地，波导x和波导y光学解耦时，两个波导中的光场还可能存在微弱的相互作用，以致可能会有少量的光能量以串扰的形式在两个波导之间传递，这样的串扰应该越小越好。

还应理解，输入端口a与输出端口b光学导通是指在输入端口a和输出端口b之间建立了光信号的通路。当然不可避免地，当输入端口a与输出端口b光学导通时，可能会有少量的光以串扰的形式会从输出端口b以外的其他输出端口输出，或者，可能会有少量的串扰的形式的光会从输入端口a以外的其他输入端口传输到输出端口b，这样的串扰应该越小越好。

还应理解，输入端口a与输出端口b光学阻断是指输入端口a和输出端口b输出之间不存在光信号的通路。当然不可避免地，当输入端口a与输出端口b光学阻断时，可能会有少量串扰的形式的光从输入端口a传输到输出端口b，同样这样的串扰应该越小越好。

还应理解，有效折射率(effectiverefractiveindex)也可以称为等效折射率，可以记作neff，其中，neff＝β/(2π/λ)，β为波导中光场模式的传播常数，λ为光在真空中的波长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a和图1b分别为现有的光开关在关状态和开状态时的示意图。

图2为本发明一个实施例的光开关的结构的俯视图的示意性框图。

图3a为本发明一个实施例的光开关处于关状态的示意性框图；图3b为本发明一个实施例的光开关处于开状态的示意性框图。

图4a、图4b和图4c为本发明实施例的耦合器的结构的示意图。

图5a为本发明另一个实施例的光开关处于关状态的示意性框图；图5b为本发明另一个实施例的光开关处于开状态的示意性框图。

图6a为本发明另一个实施例的光开关处于关状态的示意性框图；图6b为本发明另一个实施例的光开关处于开状态的示意性框图。

图7a为本发明另一个实施例的光开关处于关状态的示意性框图；图7b为本发明另一个实施例的光开关处于开状态的示意性框图。

图8为本发明另一个实施例的光开关的结构的示意性框图。

图9a为本发明另一个实施例的光开关处于关状态的示意性框图；图9b为本发明另一个实施例的光开关处于开状态的示意性框图。

图10为本发明一个实施例的光交换系统的结构的示意性框图。

图11为本发明一个实施例的光交换系统的结构的示意性框图。

图12为本发明另一个实施例的光开关的结构的示意性框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

前文中提到要实现微秒级切换速度、低插入损耗的光开关矩阵，现有技术中提供了一种mems光开关。

图1a是一种现有的硅基mems光开关100的关(through)状态的俯视图，图1b是该光开关100的开(drop)状态的俯视图。该光开关100包括一个水平输入光波导110，一个垂直输出光波导120和一个弯曲光波导130。水平输入光波导110，垂直输出光波导120和弯曲光波导130位于同一平面内，水平输入光波导110与垂直输出光波导120垂直相交且固定不动。弯曲光波导130通过灵活悬挂梁140支撑，其两端靠近水平输入光波导110和垂直输出光波导120。悬挂梁140是硅材料的支撑臂，表面覆盖金属或体内重掺杂，两端固定连接电极160，用于传导静电。悬挂梁140的另一侧靠近电极170，电极170通过固定的硅纳米尺度臂与电极150连接，形成致动器。当电极150(或电极170)与电极160之间未施加偏置电压时，悬挂梁140未连接弯曲光波导130的一端与电极170之间没有静电吸引力，悬挂梁不发生形变，弯曲光波导130静止位于远离水平输入光波导110和垂直输出光波导120的位置，输入光信号沿着水平输入光波导110通过交叉波导，从水平输入光波导110的右端输出。当电极150(或电极170)与电极160之间施加偏置电压v时，悬挂梁140未连接弯曲光波导130的一端与电极170之间产生静电吸引力，间距减小导致悬挂梁140发生形变，悬挂梁带动弯曲光波导130向靠近水平输入光波导110和垂直输出光波导120的方向运动。当弯曲光波导130的两端与水平输入光波导110和垂直输出光波导120的间距缩小时，形成侧向耦合器，输入光信号通过水平输入光波导110耦合到弯曲光波导130，通过弯曲光波导130的另一端耦合到垂直输出光波导120的上端口输出，实现了光信号的切换。光开关100的切换时间可以达到微秒量级。

光开关100可以组成一种大端口数的光开关矩阵，光开关矩阵在每一个交叉节点处都存在一个光开关100。光开关矩阵可以实现多路输入光信号切换到任意下载端口(drop端口)或相应的直通端口(through端口)。

由于光开关100的结构中的侧向耦合器中水平输入光波导110与弯曲光波导130的间距以及垂直输出光波导120与弯曲光波导130的间距对施加在致动器上的电压十分敏感，并且考虑到光波导的机械振动本征频率，侧向耦合器的drop端口的输出光的强度可能会随着光波导间距的变化起伏不定，影响光开关性能。由于侧向耦合器是基于定向耦合器原理的，耦合器的耦合效率对波长敏感，因此光开关100的光学带宽较窄，限制了光开关100的应用场景。此外，为了控制侧向耦合器中水平输入光波导110与弯曲光波导130的间距以及垂直输出光波导120与弯曲光波导130的间距，光开关100采用梳状致动器，梳状致动器的电压变化过程会导致光开关切换速度下降，影响光开关性能，限制了光开关的应用场景。

针对上述问题，本发明实施例提供了一种微秒级、低插损的光开关200。如图2所示，光开关200设置于衬底210上，所述光开关200包括第一波导220、第二波导230、第一形变波导240和第一致动器250，所述第一波导220相对于所述衬底210不可移动，所述第一波导220具有第一输入端口ip1和第一输出端口op1；所述第二波导230相对于所述衬底210不可移动，所述第二波导230具有第二输出端口op2，所述第一波导220和所述第二波导230位于第一平面内；所述第一形变波导240也位于所述第一平面内，所述第一形变波导240的第一部分241相对于所述衬底210固定，所述第一部分241以外的第二部分242通过所述第一致动器250控制可以发生形变。

其中，当所述第一形变波导240处于第一状态时，(1)所述第一形变波导240与所述第一波导220光学解耦，并且所述第一形变波导240与所述第二波导230光学解耦，(2)ip1与op1光学导通并且ip1与op2光学阻断；当所述第一形变波导240处于第二状态时，(1)所述第一形变波导240与所述第一波导220光学耦合，并且所述第一形变波导240与所述第二波导230光学耦合，(2)ip1与op1光学阻断并且ip1与op2通过所述第一形变波导240光学导通。所述第一状态为所述第一形变波导240的自然状态或第一形变状态，所述第二状态为所述第一形变波导240的自然状态或第二形变状态，并且所述第一状态和所述第二状态不同为自然状态。

可以认为，第一形变波导240处于第一状态时光开关为关(through)状态，第一形变波导240处于第二状态时光开关为开(drop)状态。

可选地，本发明实施例的光开关的第一形变波导可以是mems光波导。

可选地，本发明实施例的中所述第一平面可以是与所述衬底210平行的平面。

应理解，图2示出的衬底210、第一波导220、第二波导230和第一形变波导240的尺寸、形状，第一致动器250的个数、位置以及ip1、op1和op2的位置和方向均为示意性的，不对本发明实施例造成限定。本发明的图3a至图12的实施例为了简洁，省去衬底210未画出。第一波导220、第二波导230为不可移动的波导，或者称固定的波导；第一形变波导240和下文将提到的第二形变波导260为可形变的波导。

本发明实施例的光开关将第一形变波导的第一部分固定，其余部分利用光波导的韧性进行形变从而改变光开关的状态，可以降低致动器负载的重量，并且依靠形变改变光开关的状态可以提高光开关的切换速度，从而提高光开关的性能。

本发明实施例的光开关不是通过光波导的机械运动改变光开关的状态，而是通过形变改变光开关的状态。

应理解，本发明实施例中，光开关的第一形变波导的第一状态可以对应于第一形变波导的自然状态，第一形变波导的第二状态可以对应于第一形变波导形变后的状态；或者光开关的第一形变波导的第一状态可以对应于第一形变波导形变后的状态，第一形变波导的第二状态可以对应于第一形变波导的自然状态；或者光开关的第一形变波导的第一状态和第二状态可以分别对应于第一形变波导不同程度的形变后的状态(第一形变状态和第二形变状态)，本发明实施例对此不作限定。

或者，光开关的关状态可以对应于第一形变波导的自然状态，开状态可以对应于第一形变波导形变后的状态；或者光开关的关状态可以对应于第一形变波导形变后的状态，开状态可以对应于第一形变波导的自然状态；或者光开关的关状态和开状态可以分别对应于第一形变波导不同程度的形变后的状态(第一形变状态和第二形变状态)，本发明实施例对此不作限定。

本发明实施例中，自然状态是相对于形变后的状态而言的，是指波导不受致动器的致动信号作用时所处的状态。

应理解，本发明实施例中，波导x和波导y光学耦合(opticallycoupled)是指波导x与波导y相互靠近，使两个波导中的光场发生相互作用，从而在两个波导之间实现光能量的传递。波导x和波导y光学解耦(opticallydecoupled)是指波导x与波导y相互远离，使两个波导中的光场不发生相互作用，从而使两个波导之间不发生光能量的传递。当然不可避免地，波导x和波导y光学解耦时，两个波导中的光场还可能存在微弱的相互作用，以致可能会有少量的光能量以串扰的形式在两个波导之间传递，这样的串扰应该越小越好。

还应理解，输入端口a与输出端口b光学导通是指在输入端口a和输出端口b之间建立了光信号的通路。当然不可避免地，当输入端口a与输出端口b光学导通时，可能会有少量的光以串扰的形式会从输出端口b以外的其他输出端口输出，或者，可能会有少量的串扰的形式的光会从输入端口a以外的其他输入端口传输到输出端口b，这样的串扰应该越小越好。

还应理解，输入端口a与输出端口b光学阻断是指输入端口a和输出端口b输出之间不存在光信号的通路。当然不可避免地，当输入端口a与输出端口b光学阻断时，可能会有少量串扰的形式的光从输入端口a传输到输出端口b，同样这样的串扰应该越小越好。

可选地，第一形变波导240与第一波导220光学解耦，并且第一形变波导240与第二波导230光学解耦，可以是在调控第一形变波导240处于第一位置时同时达到的结果，不是分为两个步骤分别实现的。第一形变波导240与第一波导220光学耦合，并且第一形变波导240与第二波导230光学耦合也可以是同理，不再赘述。

可选地，如图2所示，在本发明一个实施例中，第一波导220和第二波导230可以均为直波导，第一形变波导240可以为弯曲波导。第一波导220和第二波导可以是交叉的，优选地，第一波导220和第二波导可以是垂直交叉的。

可选地，对于第一形变波导240，所述第一部分241可以包括位于所述第一形变波导240的中间位置的第一固定点241-a，如图2所示。应理解，中间位置是指第一形变波导240中部的一个范围。在第一形变波导240中部的该范围内可以包括一个第一固定点241-a。这样可以保证第一形变波导240不会相对于衬底210移动，当第一致动器250作用于其上时，第一形变波导240发生形变。此外，在第一形变波导240中部的该范围内可以包括位于该范围的两端的两个第一固定点。应理解，由于当前光开关的制作工艺多为基于腐蚀技术的工艺，因此在第一形变波导240的中间位置设置一个第一固定点241-a，工艺较为简单。

进一步地，根据系统要求、波导性能，光信号的模式、功率和致动器的致动原理等，所述第一部分241还可以包括位于所述第一形变波导240的两端的第二固定点241-b和第三固定点241-c，如图6a和图6b所示。

可选地，作为本发明一个实施例，所述第一致动器250与所述第一形变波导240的所述第二部分之间可以通过悬臂梁连接，如图2、图3a和图3b所示。第一致动器250在外加激励下，例如电场、磁场、光场或热场等激励下，通过悬臂梁带动第一形变波导240发生形变，相对于不可移动的波导产生位移，例如，第一致动器250可以是梳状静电致动器。本发明实施例对致动器设置的位置和个数不作限定。该悬臂梁可以为弹簧，也可以为其他弹性材料部件，还可以是不具有弹性的连接部件，本发明实施例对此也不作限定。本发明中，第一致动器250不限于上述形式，第一致动器250与第一形变波导240的关系也不限于上述连接形式，其他形式将在下文中描述。

图3a是图2所示的光开关在关(through)状态的示意图，第一致动器250的悬臂梁带动第一形变波导240两端形变为与第一波导220输入的一侧和第二波导230输出的一侧最小间距为d1的位置，第一形变波导240与两个不可移动的波导距离较远无法产生光耦合，此时第一形变波导240处于第一状态(图3a示出的第一状态为第一形变波导240形变后的第一形变状态)，光开关处于关(through)状态。ip1与op1光学导通并且ip1与op2光学阻断。输入光从第一波导220的第一输入端口ip1输入，在第一波导220内传输，输出光从第一波导220的第一输出端口op1输出。

图3b是图2所示的光开关在开(drop)状态的示意图，第一致动器250不工作，第一形变波导240为自然状态，第一形变波导240与第一波导220输入的一侧和第二波导230输出的一侧最小间距为d2的位置，其中d1大于d2，第一形变波导240与两个不可移动的波导产生光耦合，此时第一形变波导240处于第二状态(图3b示出的第二状态为第一形变波导240的自然状态)，光开关处于开(drop)状态。ip1与op1光学阻断并且ip1与op2通过所述第一形变波导240光学导通。输入光从第一波导220的第一输入端口ip1输入，由于第一形变波导240与第一波导220光学耦合，光信号被耦合至第一形变波导240内传输，又由于第一形变波导240与第二波导230光学耦合，光信号又被耦合至第二波导230内传输，最后输出光从第二波导230的第二输出端口op2输出。

具体而言，如图3b所示，本发明实施例中第一形变波导240的第二部分242可以包括第一输入部242-a和第一输出部242-b，当所述第一形变波导240处于第二状态时，所述第一形变波导240的所述第一输入部242-a和所述第一波导220形成第一耦合器，所述第一形变波导240的所述第一输出部242-b和所述第二波导230形成第二耦合器。由于所述第一耦合器，ip1与op1光学阻断；并且，由于所述第二耦合器，ip1与op2光学导通。输入光从第一波导220的第一输入端口ip1输入，光信号被第一耦合器耦合至第一形变波导240的第一输入部242-a内传输，在第二耦合器处从第一形变波导240的第一输出部242-b被耦合至第二波导230内传输，最后输出光从第二波导230的第二输出端口op2输出。

应理解，图3a示出的第一状态为第一形变波导240形变后的第一形变状态，图3b示出的第二状态为第一形变波导240的自然状态，这只是示例性的。如前文所述，也可以是如下情况，第一状态为第一形变波导240的自然状态，第二状态为第一形变波导240的形变后的第二形变状态；或者是，第一状态为第一形变波导240形变后的第一形变状态，第二状态为第一形变波导240的形变后的第二形变状态，此处不再赘述。

可选地，所述第一耦合器可以设置为：沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器的第一波导的弯曲度变化小于第一阈值，所述第一耦合器的第一形变波导的第一输入部的弯曲度变化小于第二阈值。即第一形变波导240的第一输入部242-a和第一波导220尽量在直波导上进行耦合，由此可以减小耦合器处光信号的损耗。第一阈值和第二阈值可以相等也可以不相等，其取值可以为5°、10°、15°或20°，具体数值可以根据系统要求、波导性能和光信号的模式、功率等确定，本发明实施例对此不作限定。同样地，第二耦合器也可以进行类似地设计，本发明实施例对此不作限定。

可选地，在本发明实施例中，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器的所述第一输入部的有效折射率和/或所述第一波导的有效折射率可以是逐渐变化的，所述第二耦合器的所述第一输出部的有效折射率和/或所述第二波导的有效折射率可以是逐渐变化的。

应理解，有效折射率(effectiverefractiveindex)也可以称为等效折射率，可以记作neff，其中，neff＝β/(2π/λ)，β为波导中光场模式的传播常数，λ为光在真空中的波长。

具体而言，波导的有效折射率可以通过改变波导的横截面的结构(例如，宽度、高度、形状等)来调节。现有的光波导的横截面通常为矩形的，可以通过改变波导的宽度来调节波导的有效折射率。例如，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器的所述第一输入部的宽度和/或所述第一波导的宽度可以是逐渐变化的，所述第二耦合器的所述第一输出部的宽度和/或所述第二波导的宽度可以是逐渐变化的。

图4a和图4b示出的耦合器沿着光信号的传输方向，第一形变波导的输入部或输出部的宽度是逐渐变化的，第一波导和第二波导的宽度为固定不变的宽度。可选地，作为一个实施例，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器的所述第一输入部的有效折射率逐渐增大，所述第二耦合器的所述第一输出部的有效折射率逐渐减小。对应地，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器的所述第一输入部的宽度逐渐增大，所述第二耦合器的所述第一输出部的宽度逐渐减小。

其中，图4a示出的耦合器中第一形变波导的输入部或输出部是由直波导构成的；图4b示出的耦合器中第一形变波导的输入部或输出部是由圆弧型的波导与直波导连接构成的。图4b的示例中，进入耦合器处和离开耦合器处，第一形变波导的输入部或输出部均有一个圆弧型的波导，圆弧的半径分别为r1和r2。应理解，图4b仅是示意性的，第一形变波导的输入部或输出部，可以仅在进入耦合器处有圆弧(半径为r1)型的波导，或者仅在离开耦合器处有圆弧(半径为r2)型的波导，本发明实施例对此不作限定。

图4c示出的耦合器沿着光信号的传输方向，第一形变波导的输入部或输出部的宽度是逐渐变化的，不可移动的波导的宽度也是逐渐变化的。图4a至图4c中输入部或输出部的宽度是逐渐增大的，图4c中不可移动的波导的宽度是逐渐减小的。当然，对于不同模式的光信号，输入部或输出部的宽度也可以是逐渐减小，不可移动的波导的宽度是逐渐增大的，本发明实施例对此不作限定。可选地，作为一个实施例，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器的所述第一输入部的有效折射率逐渐增大，所述第二耦合器的所述第一输出部的有效折射率逐渐减小；所述第一耦合器的所述第一波导的有效折射率逐渐减小，所述第二耦合器的所述第二波导的有效折射率逐渐增大。对应地，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器的所述第一输入部的宽度逐渐增大，所述第二耦合器的所述第一输出部的宽度逐渐减小；所述第一耦合器的所述第一波导的宽度逐渐减小，所述第二耦合器的所述第二波导的宽度逐渐增大。

图4a至图4c中波导的宽度仅是示意性的，不是对本发明实施例的限定。耦合器中波导宽度渐变可以实现较宽的光谱范围的传输，使光信号更稳定，还可以增大耦合器的工艺容差，提高光开关的性能。

可选地，作为本发明另一个实施例，所述第一致动器250为平行板状的电极。该类型的致动器可以称为平行板静电致动器。一种具体的实现方式为所述第一形变波导240接地，所述电极可施加电压，所述电极与所述第一形变波导间的电压差使所述第一形变波导240发生形变。具体如图5a和图5b所示，可以将第一形变波导240接地，在与第一形变波导240的两端靠近的平行板状的电极上可以加电压。当电极上不加电压时，为图5b的开状态，第一形变波导240的两端分别与第一波导220和第二波导230靠近形成第一耦合器和第二耦合器。当由开状态切换到关状态时，在电极上加电压v，由于电压差第一形变波导240发生形变，第一形变波导240的两端分别与电极靠近，第一形变波导240的两端分别与第一波导220和第二波导230光学解耦，从而使光开关切换到如图5a所示的关状态。光信号的传输路径与前文中的描述类似，此处不再进行赘述。

本发明实施例的致动器由平行板状的电极控制第一形变波导与固定波导的间距，形成侧向的耦合器，较梳状静电致动器切换速度快，切换速度可以达到1微秒以内，可以进一步提高光开关的性能。

下面再来讨论图6a和图6b所示的光开关。如图6a和图6b所示，所述第一形变波导240中相对于所述衬底210固定的第一部分241还可以包括位于所述第一形变波导240的两端的第二固定点241-b和第三固定点241-c，共包括第一固定点241-a、第二固定点241-b和第三固定点241-c。6a和图6b分别示出了光开关的关状态和开状态，两种状态下光信号的传输分别与3a和图3b类似，为了简洁，此处不再进行赘述。

可选地，本发明一个实施例中，如图7a和图7b所示的1×2光开关，第一波导220和第二波导230可以均为弯曲波导，第一形变波导240可以为直波导，并且第一波导220和第二波导230不交叉。图7a和图7b分别为光开关的关状态和开状态。

图7a和图7b所示的光开关的致动器可以认为是不可移动的波导和第一变形波导与电压装置共同构成的。具体而言，可以将第一波导220和第二波导230接地，可以由电压装置控制在第一形变波导240上加电压。例如图7a所示为不对第一形变波导240加电压的状态，第一形变波导240不与第一波导220和第二波导耦合，使光开关处于关状态；图7b所示为对第一形变波导240加电压的状态，第一形变波导240在电压差的作用下与第一波导220和第二波导耦合，使光开关处于开状态。

应理解，也可以通过其他原理的致动器，例如平行板静电致动器，使得对第一形变波导240加电压时，第一形变波导240不与第一波导220和第二波导耦合，光开关处于关状态；不对第一形变波导240加电压时，第一形变波导240与第一波导220和第二波导耦合，光开关处于开状态，本发明实施例对具体的致动方式不作限定。

以上是对1×2光开关的描述，下面描述2×2光开关。2×2光开关在1×2光开关的基础上，所述第二波导230还具有第二输入端口ip2，所述光开关还包括第二形变波导260，所述第二形变波导260的第三部分相对于所述衬底210固定，所述第三部分以外的第四部分通过第二致动器270控制可以发生形变；当所述第二形变波导260处于第三状态时，(1)所述第二形变波导260与所述第一波导220光学解耦，并且所述第二形变波导260与所述第二波导230光学解耦，(2)ip2与op2光学导通并且ip2与op1光学阻断；当所述第二形变波导260处于第四状态时，(1)所述第二形变波导260与所述第一波导220光学耦合，并且所述第二形变波导260与所述第二波导230光学耦合，(2)ip2与op2光学阻断并且ip2与op1通过所述第二形变波导260光学导通。2×2光开关与1×2光开关的关状态和开状态的原理类似，此处不再赘述。如图8所示的2×2光开关是基于图2至图6b的1×2光开关的基础上的。

在图7a和图7b的1×2光开关的基础上，本发明实施例还提供2×2光开关，如图9a和图9b所示。所述光开关除包括第一波导220、第二波导230、第一形变波导240和第一致动器250(图中为靠近第一形变波导240的第二部分的第一输入部242-a和第一输出部242-b的两个电极)以外，所述第二波导230还具有第二输入端口ip2，光开关还包括第二形变波导260，第二形变波导260的第三部分261(图中与第一形变波导240的第一部分241的位置重合)相对于所述衬底210固定。第二形变波导260的第三部分261以外的第四部分(图中包括第二输入部262-a和第二输出部262-b)通过第二致动器(图中为靠近第二形变波导260的第二部分的第一输入部242-a和第一输出部242-b的两个电极)控制可以发生形变。

当所述第二形变波导260处于第三状态时，(1)所述第二形变波导260与所述第一波导220光学解耦，并且所述第二形变波导260与所述第二波导230光学解耦，(2)ip2与op2光学导通并且ip2与op1光学阻断；当所述第二形变波导260处于第四状态时，(1)所述第二形变波导260与所述第一波导220光学耦合，并且所述第二形变波导260与所述第二波导230光学耦合，(2)ip2与op2光学阻断并且ip2与op1通过所述第二形变波导260光学导通。与第一状态和第二状态类似地，所述第三状态为所述第二形变波导的自然状态或第三形变状态，所述第四状态为所述第二形变波导的自然状态或第四形变状态，并且所述第三状态和所述第四状态不同为自然状态。

图9a和图9b所示的2×2光开关，第一形变波导240和第二形变波导260是交叉的，即光信号在所述第一形变波导240和第二形变波导260中的路径中传输是交叉的。

具体地，当所述第二形变波导260处于第三状态时，ip2与op2光学耦合并且ip2与op1光学解耦；当所述第二形变波导260处于第四状态时，所述第二形变波导260的第二输入部262-a和所述第二波导230形成第三耦合器，所述第二形变波导260的所述第二输出部262-b和所述第一波导220形成第四耦合器。由于所述第三耦合器，ip2与op2光学阻断，并且由于所述第四耦合器，ip2与op1光学导通。图9a和图9b分别为光开关的关状态和开状态。

应理解，图9a和图9b的光开关的第一致动器为平行板静电致动器，由多个电极和第一形变波导(接地)的相应部分组成，为清楚，图9b中未示出电极。第一致动器使得对可形变的波导加电压时，可形变的波导不与不可移动的波导耦合，光开关处于关状态；不对可形变的波导加电压时，可形变的波导与不可移动的波导耦合，光开关处于开状态，本发明实施例对具体的致动方式不作限定。

基于本发明实施例的光开关，本发明还提供了一种光交换系统，所述光交换系统为m×n光开关矩阵，包括m×n个光开关，每个光开关可以是图2至图6b所示的光开关(这些光开关的第二波导230还具有第二输入端口ip2)，还可以是图8所示的2×2光开关。每个光开关的所述第一波导220与所述第二波导230是交叉的，每个所述光开关记为scij，其中，i取值1,2,…,m，j取值1,2,…,n，所述m×n个光开关被设置为：(1)ip1i,j与op1i,j-1光学耦合，(2)ip2i,j与op2i-1,j光学耦合，i取值2至m，j取值2至n。

其中，在ip1i,1和op2m,j之间存在至少一条路径仅包括一个所述第一形变波导处于第二状态的光开关。或者说，在ip1i,1和op2m,j之间存在至少一条路径仅包括一个第一形变波导。

当矩阵中的光开关为如图8所示的2×2光开关时，在ip1i,1和op2m,j之间存在至少一条路径仅包括一个所述第一形变波导处于第二状态的光开关，并且在ip21,j和op1i,n之间存在至少一条路径仅包括一个所述第二形变波导处于第四状态的光开关。或者说，在ip1i,1和op2m,j之间存在至少一条路径仅包括一个第一形变波导，并且在ip21,j和op1i,n之间存在至少一条路径仅包括一个第二形变波导，i取值1至m，j取值1至n。

具体地，m×n光开关矩阵的各光开关的连接关系可以如图10所示。例如，在ip22,1和op1m,n之间存在至少一条路径(例如sc21至sc22至sc2n至sc3n至scmn)中仅包括一个第一形变波导处于第二状态的光开关sc2n，或者说光路中仅包括一个第一形变波导(sc2n的第一形变波导)。

再如，矩阵中的光开关为2×2光开关时，在ip21,1和op21,n之间存在至少一条路径(例如sc11至sc12至sc1n)中仅包括一个第二形变波导处于第四状态的光开关sc11，或者说光路中仅包括一个第二形变波导(sc11的第二形变波导)。

基于本发明实施例的光开关，本发明还提供了一种光交换系统，所述光交换系统为m×n光开关矩阵，包括m×n个上述7a和图7b的光开关(这些光开关的第二波导230还具有第二输入端口ip2)，还可以是图9a和图9b所示的2×2光开关。每个所述光开关记为scij，其中，i取值1,2,…,m，j取值1,2,…,n，所述m×n个光开关被设置为：(1)ip1i,j与op2i,j-1光学导通，(2)ip2i,j与op1i-1,j光学导通，i取值2至m，j取值2至n。

其中，在ip1i,1和op1m,j之间存在至少一条路径仅包括一个所述第一形变波导处于第一状态的光开关。或者说，在ip1i,1和op1m,j之间存在至少一条路径仅包括一个第一波导。

当矩阵中的光开关为如图9a或图9b所示的2×2光开关时，在ip1i,1和op1m,j之间存在至少一条路径仅包括一个所述第一形变波导处于第一状态的光开关，并且在ip21,j和op2i,n之间存在至少一条路径仅包括一个所述第二形变波导处于第三状态的光开关。或者说，在ip1i,1和op1m,j之间存在至少一条路径仅包括一个第一波导，并且在ip21,j和op2i,n之间存在至少一条路径仅包括一个第二波导，i取值1至m，j取值1至n。

具体地，m×n光开关矩阵的各光开关的连接关系可以如图11所示。例如，在ip12,1和op1m,n之间存在至少一条路径(例如sc21至sc22至sc2n至sc3n至scmn)中仅包括一个第一形变波导处于第一状态的光开关sc2n，或者说光路中仅包括一个第一波导(sc2n的第一波导)。

再如，在ip21,1和op21,n之间存在至少一条路径(例如sc11至sc12至sc1n)中仅包括一个第二形变波导处于第三状态的光开关sc11，或者说光路中仅包括一个第二波导(sc11的第二波导)。

应注意的是，基于本发明实施例的光开关，可以连接形成具有其他变形的连接关系的光交换系统。例如变换图8或图11中的光交换系统的输入端口和输出端口的方向，可以通过将光开关的连接关系作出相应的变化来实现，此处不进行赘述。本发明实施例的两种光交换系统可以实现微秒级切换速度，具有低插入损耗、大端口数和低成本等优势。

在本发明各实施例中，所述光开关还可以包括光功率监控器，所述光功率监控器用于监控所述第一波导、所述第二波导、ip1、op1和op2中的至少一种的光功率。本发明实施例的光开关通过监控各元件中光信号的功率，可以根据光信号的功率估计第一形变波导240的位置，从而更精确的控制第一形变波导240的位置。

前文各图示出的光开关的中第一波导和第二波导为交叉的直光波导，或者第一波导和第二波导为不交叉的弯曲光波导，第一波导和第二波导也可以为其他形状的光波导，例如可以为图12所示的直光波导。如图12所示，第一波导220和第二波导230为相互不相交的两个直光波导。第一形变波导240可以为如图12所示的具有弯曲部分和直型部分的光波导。第一形变波导240的直型部分可以在致动器250的控制下发生形变，从而分别与第一波导220和第二波导230光学解耦或光学耦合，以控制光开关的关状态和开状态。

由图12示出的1×2光开关基于前文中提到的类似的扩展方式可以得到2×2光开关。该2×2光开关以及与之类似的不可移动的波导为不交叉的直光波导的光开关在形成光开关矩阵时，需额外增加弯曲的光波导接合以形成crossbar结构。

应理解，本文中涉及的第一、第二、第三、第四以及各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本发明实施例的范围。

应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。