[发明专利]N×M数字可编程的光路由开关

说明书

                       发明背景

1．发明领域。本发明总的涉及光信号的交换；具体地，涉及在光通信网络中发送的光信号的空间路由和光信号处理。

2．发明背景。在各种商业和军事应用中，光纤被使用作为传输光信号的物理媒体。随着信息的数据速率不断提高，用传统的电子交换系统来控制更高的带宽变得越来越困难。另外，需要在光和电信号之间进行的转换限制了数据格式和增加了费用。以高的“数据透明度”为特征的全光路由/交换技术可以将光信号从一个传输信道交换或传送到另一个传输信道，而同时让信号保持为光形式。

在光纤互联网中已开发了几种复接方案，包括时分复用(TDM)、波分复用(WDM)、和空分复用(SDM)。空分交换被认为是最重要的光纤路由方案之一。空分光子开关的主要应用是在光纤通信网、光学陀螺仪、光信号处理、和用于相控阵雷达系统的微波/毫米波信号传播。

很多种电磁场控制的光开关是市场上有售的。它们是基于机械、电-光、热-光、声-光、磁-光、和半导体技术。每种交换技术具有它自己的优点，但也有缺点。例如，机械开关是被最广泛使用的路由部件，以及提供非常低的插入损耗和串扰特性，但它们的交换时间限于毫秒量级。因为使用马达驱动的零件，所以它们也只有有限的寿命。另一方面，LiNbO₃集成光开关提供纳秒(ns)级的交换时间。然而，LiNbO₃集成光开关具有相对较大的插入损耗(5dB)、高的串扰(20dB)和极化相关性等缺点。

因此，正在继续努力开发具有较低的信道串扰、减小的与极化相关的损耗、和至少中等的重新配置速度的场控制的光开关。可以看到，当成功时，这些努力可以为光纤通信系统提供重要的部件。

3．问题的解决办法。本发明利用极化旋转器阵列和与极化相关的路由元件(例如，双折射元件或极化的波束分路器)的光网络来完成光路由结构，它在很宽的温度和波长的工作范围内提供与极化无关的和低串扰的交换。这种光开关保留以光形式交换的信号，以及保留它们的光特性。

                  发明概要

本发明描述一种用于选择地从多个输入端口的任一端口路由光信号到多个输出端口的任一端口的光路由开关。在每个输入端口处的光信号被第一与极化相关的路由元件(例如，双折射元件或极化的波束分路器)空间分解成两个正交极化的波束。除此以外，光开关的网络沿着该光束对的光路径放置。每个光开关包括：(1)可切换地控制输入光束的极化的极化旋转器，以使得按照器件的控制状态来将两个输出的波束或者是垂直极化或者是水平极化；以及(2)与极化相关的路由元件，它根据光束对的极化状态来空间地路由该光束对，以便提供物理移位。网络中对于每个输出端口的最后级由极化旋转器阵列组成，它改变至少一个光束的极化，以使得两个波束变成为正交极化的。最后，与极化相关的路由元件(例如，双折射元件)交截这两个正交极化波束和重新组合这两个波束以便在选择的输出端口输出。

                   附图简述

结合附图将更容易了解本发明，其中：

图1是按照本发明的1×2^N光开关的方框图。

图2a和2b是按照本发明的、用于光路由开关的两个优选结构的方框图。

图3a到3d是基于图2b的、被设计在二维结构中的1×4路由开关的方框图。图3a到3d显示在开关的四个控制状态下将输入光能量耦合到每个选择的输出端口的光路径。

图4a到4d是基于图2a的、被设计在二维结构中的1×4路由开关的方框图。图4a到4d显示在开关的四个控制状态下将输入光能量耦合到每个选择的输出端口的光路径。

图5a到5d是基于图2a的、使用三维结构的1×4路由开关的方框图。图5a到5d显示在开关的四个控制状态下将输入光能量耦合到每个选择的输出端口的光路径。

图6a到6d是基于图2b的、使用三维结构的1×4路由开关的方框图。图6a到6d显示在开关的四个控制状态下将输入光能量耦合到每个选择的输出端口的光路径。

图7a到7d是使用三维结构的1×4路由开关的方框图，其中所有的双折射元件都具有相同的厚度。

图8是使用极化的波束分路器代替双折射元件的1×5路由开关的可选实施例的方框图。

图9是使用角极化波束分路器的树状结构的1×8路由开关的另一个实施例的方框图。

图10是使用极化的波束分路器的1×8路由开关的另一个可选实施例的方框图。