[发明专利]一种光开关矩阵及其路由控制方法

权利要求书

1.一种N×N光开关矩阵，由N×N个马赫增德尔干涉仪通过单模波导连接构成，N≥2，其特征在于：

所述马赫增德尔干涉仪包括第一波导(W1)、第二波导(W2)、前段金属薄膜(T1)、后段金属薄膜(T2)，所述第一波导(W1)和第二波导(W2)平行设置，自前而后依次形成前端3dB耦合器(C1)、后端3dB耦合器(C2)，所述第一波导(W1)位于前端3dB耦合器(C1)和后端3dB耦合器(C2)之间的部分依次包裹前段金属薄膜(T1)、后段金属薄膜(T2)，构成马赫增德尔干涉仪；第一波导(W1)、第二波导(W2)的首端分别作为马赫增德尔干涉仪的a输入端、b输入端，第一波导(W1)、第二波导(W2)的尾端分别作为马赫增德尔干涉仪的c输出端、d输出端；

前段金属薄膜(T1)、后段金属薄膜(T2)在第一波导(W1)上包裹长度相等，厚度相同，独立施加电压；

N×N个马赫增德尔干涉仪构成N行N列的N×N光开关矩阵，连接方式为：

(1)当N为奇数时，

j≤(N-1)/2时，

j＞(N-1)/2时，

(2)当N为偶数时，

j＜N/2时，

j＝N/2时，

j＞N/2时，

上述各表达式中，“＝”号表示互相连接，a_ij、b_ij、c_ij、d_ij分别表示光开关矩阵中第i行第j列的马赫增德尔干涉仪的a输入端、b输入端、c输出端、d输出端，行序号i＝1、2、…、N，列序号j＝1、2、…、N。

2.权利要求1所述N×N光开关矩阵的路由控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一、给出单个马赫增德尔干涉仪MZI的矩阵表达式：输出接口矩阵i为光开关矩阵的行序号，i＝1、2…N，j是光开关矩阵的列序号，j＝1、2…N；

A_ij、B_ij取值为1或0，分别表示对A_ij、B_ij取反；

a_ij、b_ij、c_ij、d_ij分别表示光开关矩阵中第i行、第j列的马赫增德尔干涉仪的a输入端、b输入端、c输出端、d输出端；

步骤二、计算传输矩阵S，S＝E_NF_(N-1)(N-1)E_N-1...E_j+1F_jjE_j...E₁,

其中E_j为第j级节点矩阵，互连矩阵F_jj为第j级节点矩阵和第j+1级节点矩阵间的连接矩阵；m为各级节点矩阵、互连矩阵以及传输矩阵S中矩阵单元的行序号，m＝1，2…，2N，n为矩阵单元的列序号，n＝1，2…，2N；

E₁为2N行N列矩阵，E₁的第m＝2i-1行、n＝i列的元素为A_i1，第m＝2i行、n＝i列的元素为B_i1，代表光开关矩阵中第i行、第1列的MZI；矩阵中空格元素为0；

E_j为2N行2N列矩阵，E_j的第m＝2i-1行、n＝2i-1列的元素为A_ij，第m＝2i-1行、n＝2i列的元素为m＝2i行、n＝2i-1列的元素为B_ij，m＝2i行、n＝2i列元素为代表光开关矩阵中第i行、第j列的MZI，j≠1、N；矩阵中空格元素为0；

E_N为N行2N列矩阵，E_N的第m＝i行、n＝2i-1列的元素为A_ij，第m＝i行、n＝2i列的元素为代表光开关矩阵第i行、第N列的MZI；矩阵中空格元素为0；

对于互连矩阵F_jj：

(1)当N为奇数时，

j≤(N-1)/2时，

当m≤N，第m行、第n＝2m-1列的元素为1；当m＞N时，第m行、第n＝2m-2N列的元素为1；矩阵中空格元素为0；

j＞(N-1)/2时，

当m为奇数时，第m行，第n＝(m+1)/2列的元素为1；当m为偶数时，第m行，第n＝N+m/2列元素为1；矩阵中空格元素为0；

(2)当N为偶数时，

j＜N/2时，

当m≤N，第m行、第n＝2m-1列的元素为1；当m＞N时，第m行、第n＝2m-2N列的元素为1；矩阵中空格元素为0；

j＝N/2时，

j＞N/2时，

当m为奇数时，第m行，第n＝(m+1)/2列的元素为1；当m为偶数时，第m行，第n＝N+m/2列元素为1；矩阵中空格元素为0；

将各级节点矩阵和互连矩阵代入传输矩阵S中：

S为N×N阶矩阵，s_mn是传输矩阵S中第m行、n列的矩阵单元，也是关于A_ij、B_ij表达式；

步骤三、将传输矩阵S代入下式：

(c_1Nc_2N…c_iN…c_NN)^T＝S×(a₁₁a₂₁...a_i1...a_N1)^T，

a_i1为光开关矩阵第i行、第1列MZI的a输入端；c_iN为光开关矩阵第i行、第N列MZI的c输出端，i＝1,2…N，

求得c_iN＝s_m1×a₁₁+s_m2×a₂₁+…s_mn×a_i1…+s_mN×a_N1，

m的值与c输出端的角标i的值相同，n的值与a输入端的角标i的值相同；

根据要求的传输路径，即哪个a_i1输入端的信号从哪个c_iN输出端输出，对应系数s_mn为1，否则为0，确定传输矩阵S每个矩阵单元s_mn的值；即可求出每个A_ij、B_ij的值，从而确定

M_ij即光开关矩阵单个马赫增德尔干涉仪的控制状态。