一种单边光开关的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有多个输入和输出端口的光开关，尤其涉及使用同一端口输入和输 出光信号，不区分输入端和输出端，能够实现任意两个端口双向通信的单边光开关。
【背景技术】
[0002] 随着数据通信的高速发展，通信节点的光纤数量激增，光纤之间的动态连接成为 下一代通信网络的迫切需求。大规模的光开关设备已逐渐被开发出来，其中如图la所示的 NxM光开关是目前较为典型的形式，它采用N个输入端口（101)和M个输出端口（102)，N与 M可相等也可不等，能够实现任意一个输入端口到任意一个输出端口的连接（通信），它需 要两个可变光束偏转器阵列（103和104)以补偿连接的位置和角度偏差，这种光开关在下 面的描述中称为双边光开关。
[0003] 然而，如图lb所示，这种传统的NxM双边光开关不能实现输入端口之间的连接 (如图中105到106)，也不能实现输出端口之间的连接（如图中107到108)。在实际使 用中，如图lc所示，多个光收发模块的发射端（Tx)连到双边光开关的输入端，多个光收发 模块的接收端（Rx)连到双边光开关的输出端，由于通信的双向性，某个输入端口 一如图 lc中的Txi(109)，与某个输出端口 如图lc中的Rxj(110)连接的同时，需要输出端口 对应的输入端口 如图lc中的Txj(111)与输入端口对应的输出端口 如图lc中的 Rxi(112)连接，以实现两个光收发模块的双向通信。因此，可以认为，由于通信的双向性，双 边光开关的容量有一半是浪费的。
[0004] 不区分输入端与输出端，能够实现任意两个端口连接的光开关称为单边光开关， 如端口数量为N，则称为N端口单边光开关。此种特性的光开关功能如图2a所示，当任意两 个端口连接，如第i端口与第j端口连接时，由于光路的可逆性，第i端口和第j端口既是 发射端口也是接收端口，图2a中记为TxiRxi(201)和TxjRxj(202)，实现两个端口的双向通 信，而无需额外的连接。因此，单边光开关需要的控制单元数量是双边光开关的一半，对于 减少体积和成本有重要价值。与每个端口连接的光收发模块可以是单波长单芯双向光收发 模块，也可以是普通双通道光收发模块配合一个光环形器使用。此外，单边光开关也可以当 作双边光开关使用，在这种情形下，与普通双边光开关不同的是，输入端和输出端可以连到 单边光开关的任何一个端口，也可以是任意的MxK配置，M为输入端口的数量，K为输出端口 的数量，M与K之和等于N。在许多应用场合中，可以重新配置的MxK给网络连接带来很大 的灵活性，因此，单边光开光在下一代光网络中有重要的应用价值。
[0005] 美国专利US7224861B2提出了一种利用N个lxN光开关实现N端口单边光开关的 方法，如图2b所示，单边光开关（203)每个lxN光开关（204)的N个端口与其它lxN光开 关的端口按一定规则连接：第i个lxN光开关的第j路光纤（或光路）与第j个lxN光开 关的第i路光纤（或光路）直接物理连接。当第i个lxN光开关切换到第j路时，第j个 lxN光开关切换到第i路，从而实现第i和第j端口的连接。一个特例是第i个lxN光开关 的第i路需与自已连接，可采用一个末端反射器（205)实现，利用此特例可实现第i端口的 自我检测。可以看到，光纤（光路）连接的数量是N~2/2,当N较小时，该方案简单直接，易 实现；当N大于141时，所需物理连接数量超过一万个，则很难实现。
[0006] 美国专利US6850662B1提出了一种利用N~2/2个反射镜矩阵实现N端口单边光开 关的方案，如图2c所示，需要第i端口（206)和第j端口（207)连接时，处于矩阵i行j列 的反射镜（208)和j行i列的反射镜（209)立起，使两端口的光路连接。该方案虽不需要 物理的连接，但当N较大时，反射镜的数量激增，带来控制的复杂性和成本的升高，以及可 靠性的降低。
[0007] 在现有技术中，另外一种实现N端口单边光开关的方案如图3a所不。多路光信号 经由一个具有N个单元的输入输出端口阵列（301)输入和输出，每路光信号与可变光束偏 转器阵列（302)的N个单元 对应。入射光信号经由任一个端口（306,称为输入端口） 输入，入射到可变光束偏转器阵列的对应单元（303)上，被其反射并选择性偏转后，到达一 个平面反射镜（305)，被反射至可变光束偏转器阵列（302)的任一个单元（304)上，光信号 再次被反射并选择性偏转，到达与该可变光束偏转器单元（304)对应的端口（307,称为输 出端口）输出。输入端口（306)所对应的可变光束偏转器（303)可选择不同的偏转角度， 从而使入射光信号到达与输出端口（307)所对应的可变光束偏转器阵列（302)的对应单元 (304);输出端口对应的可变光束偏转器单元（304)的偏转角度补偿了来自不同输入端口 的入射光信号的角度。同时由于光路的可逆性，一旦输入端口（306)与输出端口（307)建 立了连接，光信号可反向传输，即从输出端口（307)输入，从输入端口（306)输出，不再区分 输入端口和输出端口，实现两个端口的双向通信。
[0008] 可以看到上述现有技术可实现N端口的单边光开关，并且所用可变光束偏转器的 单元数量与光开关的端口数量相同，相比传统的双边光开关节省了一半的光学元件。但该 方案有一个重要的缺点，即可变光束偏转器的偏转角度范围只有一半可以利用，以可变光 束偏转器为可旋转反射镜的情况为例，如图3b所示，当最外两个输入输出端口（308和309) 需要连接时，对应的两个可变光束偏转器单元（310和311)分别需要旋转+ 0和-0，可 以看到这两个单元可以利用的角度范围是（0, + 0)和（-0，〇)，只利用了可旋转角度范围 (_0，+0)的一半。可以证明，对于其它任意的连接，可变光束偏转器单元的角度利用范围 是（-0 + 5,+ 5)，8的取值范围为（〇, + 0 )，可利用角度范围也是一半。
[0009] 可利用偏转角度范围大小决定了可实现连接的端口数量，在可变光束偏转器阵列 和输入输出端口阵列为二维阵列的情况下（这是目前大规模光开关普遍采用的方式），一 半的角度利用范围意味着4倍的端口数量的降低。理论上，可以给与可变光束偏转器的每 个单元一定的偏置，即每个可变光束偏转器单元的偏转中心不同，以充分利用可变光束偏 转器偏转角度范围，但实际应用中极难实现。
[0010] 可以证明，针对图3a和图3b的方案，可实现的光开关端口数量N1由下式给出：
[0011]
【主权项】
1. 一种单边光开关，其特征在于，包含有： 一个输入输出端口阵列，包含有多个输入输出端口，用于输入和输出多路平行的准直 光信号； 一个基底，包含一个可变光束偏转器阵列，并具有一个中心； 一个反射会聚透镜，具有一个光轴和一个焦距。 所述可变光束偏转器阵列的每个单元与所述输入输出端口阵列的各个端口 一一对应， 其位置与对应端口的准直光信号到达所述基底的位置重合。 从所述输入输出端口阵列任一端口输入的光信号入射到所述可变光束偏转器阵列对 应的单元上，并被反射，产生选择性角度改变，到达所述反射会聚透镜，被所述反射会聚透 镜反射后，返回到所述可变光束偏转器阵列任一单元上，被反射并再次产生选择性角度改 变，到达所述输入输出端口阵列任一端口输出，实现任意两个端口的光路连接。 所述多路平行的准直光信号，在所述可变光束偏转器阵列各单元处于偏转中心状态 时，入射到所述可变光束偏转器阵列的对应单元上、被反射至所述反射会聚透镜、被反射会 聚透镜反射、再次到达所述可变光束偏转器阵列时，汇聚于所述可变光束偏转器阵列的中 心。
2. 根据权利要求1所述的一种单边光开关，其特征在于，所述输入输出端口阵列由多 个独立的光准直器单元组成。
3. 根据权利要求1所述的一种单边光开关，其特征在于，所述输入输出端口阵列由一 个光波导阵列和一个小透镜阵列组成。
4. 根据权利要求1所述的一种单边光开关，其特征在于，所述可变光束偏转器阵列由 一个反射镜阵列和一个微机械驱动器阵列组成。
5. 根据权利要求4所述的一种单边光开关，其特征在于，所述微机械驱动器阵列的驱 动方式为静电驱动、压电驱动、热驱动和电磁驱动中的一种。
6. 根据权利要求1所述的一种单边光开关，其特征在于，所述可变光束偏转器阵列是 一个位相型液晶光束偏转器阵列或硅基液晶光束偏转器阵列。
7. 根据权利要求1所述的一种单边光开关，其特征在于，所述输入输出端口阵列为一 维或二维排布，所述可变光束偏转器阵列可在一个或两个方向上对光信号进行偏转。
8. 根据权利要求7所述的一种单边光开关，其特征在于，所述二维排布方式为矩阵式 或蜂窝式排布。
9. 根据权利要求1-8所述的任一种单边光开关，其特征在于，所述反射会聚透镜的光 轴通过所述可变光束偏转器阵列的中心，其方向与所述准直光信号经所述基底平面反射后 的方向平行。
10. 根据权利要求1-8所述的任一种单边光开关，其特征在于，所述准直光信号是高斯 光束，具有一个束腰，所述可变光束偏转器阵列的中心位于所述多路准直光信号的束腰所 在平面上。
11. 根据权利要求10所述的一种单边光开关，其特征在于，所述反射会聚透镜到所述 基底的距离等于所述反射会聚透镜的焦距。
12. 根据权利要求11所述的一种单边光开关，其特征在于，所述反射会聚透镜的焦距 为所述准直光信号的束腰对应的瑞利长度。
13.根据权利要求1-8所述的任一种单边光开关，其特征在于，所述反射会聚透镜到所 述基底的距离等于所述反射会聚透镜的焦距。
【专利摘要】本发明提供了一种不区分输入端和输出端，能够实现任意两个端口双向通信，并可灵活配置的单边光开关。基本单元是一个光准直器阵列、一个可变光束偏转器阵列和一个反射会聚透镜组成，可充分利用可变光束偏转器的角度偏转范围。本发明在一维情况下提高光开关端口数量2倍，二维情况下提高光开关端口数量4倍，同时具有光学系统简单易制造、成本低的优点。
【IPC分类】G02B6-32, G02B6-35
【公开号】CN104570225
【申请号】CN201410851602
【发明人】陈波, 陈亮, 许辉杰, 赖泓基
【申请人】徐州旭海光电科技有限公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月22日