基于弧形波导全光开关的开关阵列

摘要

一种基于弧形波导全光开关的开关阵列,采用基于克尔效应的弧形波导全光开关作为开关单元,构成n×n开关阵列,开关阵列具有n个输入端口,n个输出端口,n取值为2的整数次方,开关单元之间的连接波导形状采用传统的混洗shuffle连接方式。每个开关单元具有不同的可调节的开关特性。本发明开关构成简单,制作成本低,开关速度快,适合现代高速通信系统。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种光开关阵列，特别涉及一种基于弧形波导全光开关的开关阵列，利用输入光的光强来进行开关控制，属于光学技术领域。

背景技术：

光纤通信越来越引起人们的注意。随着通信容量的剧增，电子器件难以适应高速，大容量的通信需求。只有采用光交换技术才能解决这个问题，光开关阵列是组成光交换部件的重要器件。光开关阵列可以分为机械式光开关阵列和波导式光开关阵列，波导式光开关阵列具有比机械式开关阵列更快的开关速度，通常用在高速光通信系统中。其中构成波导式光开关阵列多为电光或者热光全光开关，如1994年H.Okayama等在1994年7月刊(Vol.30，No.14 pp1128-1129)的Electronics Letter报道的利用铌酸锂电光开关构成的光开关阵列，以及R.Moosburger等在1998年美国光通信会议Technical Digest OFC’98中报道的由热光效应开关组成的光开关阵列。这些开关阵列利用外加控制电路通过热光，电光效应来改变波导折射率从而达到开光的目的，这些外部控制需要在制作波导的同时制作电极，加热器等，从而使制作工艺更加复杂，制作成本上升。另外，这些开关阵列热光、电光效应的响应量级仅仅为纳秒量级，不能胜任更高速率的开关。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新的基于弧形波导全光开关的开关阵列，以光强控制开关取向，简化制作工艺，同时能胜任更快开关速率的应用场合。

为实现这样的目的，本发明技术方案中，采用基于克尔效应的弧形波导全光开关(基于光克尔效应的弧形波导全光开关，中国专利公开号CN1305114A)作为开关单元，代替传统的热光、电光开关单元，构成n×n开关阵列。开关阵列具有n个输入端口，n个输出端口，n取值为2的整数次方。开关单元之间的连接波导形状采用传统的混洗(shuffle)连接方式。

弧形波导全光开关有两个输入端口，两个输出端口，构成开关的形状为两个靠近或者交叠的弧形。构成交换阵列的不同开关单元的两个弧形波导之间的距离可以不一样，这样可以使不同的开关单元据有不同的开关特性，其参数具体选用根据需要而定。

弧形波导全光开关的开关特性具有显著的数值化特性，而且其开关特性可以通过改变参数来进行调节，这些特点使其尤其适合构成光开关阵列。由于每个弧形波导全光开关仍然是2×2光开关，它可以构成任何电光、热光开关构成的开关阵列类型。

基于克尔效应的波导型开关是通过光束的强度改变折射率来进行开关控制，它所需要的控制信息来自光束本身，而不再需要通过外加电场来改变波导折射率来控制开或者关。因此，本发明与传统波导型开关阵列相比，具有以下有益效果：

1.开关速度快，通常为非秒(10^-15秒)量级，适合现代高速通信系统，不仅能够用在网络保护，光分叉复用，包交换系统中，而且能够用在未来超高速系统如光时分复用系统(OTDM)中。

2.由于通过光束本身携带的光强进行开关控制，所以开关构成简单，不需要热光、电光开关阵列所需要的复杂的控制电路。

3.波导制作简单，生产成本低，成品率高。热光、电关开关阵列除了制作出波导以外，还需要制作电极，而本发明的开关阵列不需要。

4.使用广泛，除了能组成banyan网络，也可以构成关开关阵列的任何其他形式。

图面说明：

图1为本发明4×4banyan交换阵列结构示意图。

如图所示，由4个弧形波导全光开关单元(9，10，11，12)构成4×4开关阵列，其中1，2，3，4为输入端口，5，6，7，8为输出端口。

图2为图1中四个开关单元的开关特性曲线。

其中：

(a)9号开关单元的开关特性曲线。

(b)10号开关单元的开关特性曲线。

(c)11号开关单元的开关特性曲线。

(d)12号开关单元的开关特性曲线。

具体实施方式：

以下通过本发明用克尔效应弧形波导光开关构成的4×4banyan交换网络，来详细论述这种光开关阵列的工作原理。

图1的4×4的banyan交换阵列，其构成单元9，10，11，12均为弧形波导全光开关。每个弧形波导全光开关有两个输入端口和两个输出端口，开关的形状为两个靠近的弧形。

假设光从端口1输入，从端口1’输出时输出为1称为直通状态，从端口2’输出时为0，称为交叉状态。当然由于弧形波导全光开关具有对称性，光从2输入时，从端口2’输出时输出为1(直通状态)，从端口1’输出时为0(交叉状态)。

构成的开关阵列有四个输入端口1，2，3，4，四个输出端口5，6，7，8。为了达到4×4开关的目的，需要调整9，10，11，12四个开关单元的结构参数，使其开关特性分别具有图2(a)，2(b)，2(c)，2(d)所示的输出特性曲线。即要求输入光功率在0～P1之间时，9，10，11号开关单元出于直通状态，12号开关单元处于交叉状态。输入光功率在P1～P2之间时，9，11，12号开关单元处于直通状态，10号开关单元处于交叉状态。输入功率在P2～P3单元之间，12号开关单元处直通状态，9，10，11号开关单元处于交叉状态。输入功率在P3～P4时，10号开关单元处于直通状态，9，11，12号开关单元出于交叉状态。整个4×4开关阵列的开关特性可以从具有2(a)，2(b)，2(c)，2(d)得出。从图2中可以看出，当输入光功率为0～P1时，从四个不同的端口输入可以到达不同的输出端，当其输入功率分别为P1～P2，P2～P3，P3～P4时，也可以达到使不同端口的输入光到达不同的输出端口。对于到达不同端口的光束，通过控制其光功率，就能使其从不同的输出端口输出，从而达到了4×4开关阵列的目的。