专利名称：单块晶体2×2光开关的制作方法
技术领域：
本发明是一种单块晶体2×2光开关，是光交换网络系统的关键器件，应用于光互联网及光计算等领域。
背景技术：
光交换作为光通信网的主要组成部分，需要能处理总量达几百、上千太比特秒的信息。2×2光开关是光交换系统中最基本的单元器件，多个2×2光开关阵列以不同形式级联，可以构成各种光交换网络系统。2×2光开关交换网络也用于构成光互连多处理器计算机系统。
在先技术[1](参见Proceedings of the IEEE，Ming C.Wu，Micromachining foroptical and optoelectronic systems，Vol.85，No.11，1997，pp1835-1856.)利用微电机械系统(MEMS)，把高度抛光的反射镜与电的传动机械相连并垂直地安放在四个相交光纤的间隙中。机械传动装置可以控制反射镜插入间隙或不插入。当不插入反射镜时，两个光纤中的输入光分别从与它们相对的光纤中输出，表现为交叉输出；当插入反射镜时，两个光纤中的输入光分别从与它们相临的光纤中输出，表现为平行输出。这类器件的开关速度是毫秒量级，并且任何机械摩擦、磨损以及外部振动都可能使它的可靠性降低。
在先技术[2](参见IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，YasuhiroHida，Hidekatsu Onose，Saburo Imamura，Polymer waveguide thermooptic switchwith low electric power consumption at 1.3μm，Vol.5，No.7，1993，pp782-784.)是一种2×2硅衬底平面光波导开关器件，它具有马赫—曾德尔干涉仪(MZI)结构形式，包含两个3dB定向耦合器和两个长度相等的波导臂，每个臂上有铬(Cr)薄膜加热器。这种器件的交换原理是基于在硅介质内的热-电效应，平时偏压为零时，器件处于交叉连接状态，但在加热波导臂时，可切换到平行连接状态。这类器件的开关速度较慢，是毫秒量级(1～2ms)。
在先技术[3](参见IEICE TRANS.COMMUN，M.Yamaguchi，K.Yukimatsu，Recent free-space photonic switches，Vol.E77B，No.2，Feb.1994，pp128-138.)是利用两块方解石和一块液晶板来实现2×2光开关的。其原理是两束平行的正交偏振光(o光和e光)垂直入射到第一块方解石上，经液晶板从第二块方解石输出。液晶的作用是控制光束的偏振态，当偏振态旋转90°时，o光变成e光，e光变成o光，表现为平行输出；当偏振态旋转0°时，o光仍为o光，e光仍为e光，表现为交叉输出。液晶开关速度较慢，只能达到毫秒量级。
在先技术[4](参见APPLIED OPTICS，Ning Wang，Liren Liu and Yaozu Yin，Cantor network，control algorithm，two-dimensional compact structure and itsoptical implementation，Vol.34，No.35，Dec.1995，pp8176-8182.)是利用两块双折射晶体方解石和一块电光晶体铌酸锂(Z切)来实现2×2光开关的。其原理是两束平行的正交偏振光(o光和e光)垂直入射到第一块方解石上，经过双折射后合成一束光；这束光沿LiNbO3晶体光轴方向垂直入射到LiNbO3晶体上，当在X轴方向加半波电压时，两个偏振态的偏振方向分别旋转90°，使o光变成e光，e光变成o光，不加电压时，偏振方向不变；当这束光经过第二块方解石时，由于双折射又被分成两束正交偏振光平行输出。LiNbO3晶体的开关速度比较快，但是系统由三块晶体材料组成，两块偏振偏转器和一块电光调制器，光的损耗较大。
发明内容
本发明的2×2光开关为了克服上述在先技术中存在的不足，采用一块长平行六面体的晶体7，晶体7的中间位置上沿晶体光轴方向O3O4置放电极对，构成晶体内的电光调制区，从晶体的光束输入面至电光调制区是光束合束区，由电光调制区之后至光束输出面之间为光束分束区。所以用一块晶体完成了2×2的光开关作用。
本发明的2×2光开关的结构如图1、2所示，包括两路输入光路A、B和两路输出光路C、D。在第一路输入光路A上，自第一输入光纤1输出光束前进的方向上，与第一输入光纤1同中心光轴1112地依次置有第一输入准直器3和第一起偏器5；在第二路输入光路B上，自第二输入光纤2输出光束前进的方向上，与第二输入光纤2同中心光轴2122地依次置有第一输入准直器4和第一起偏器6；在第一输出光路C上，置有第一输出聚焦透镜9和置于第一输出聚焦透镜9焦点上的第一输出光纤11；在第二输出光路D上，置有第二输出聚焦透镜10和置于第二输出聚焦透镜10焦点上的第二输出光纤12；在第一输入光路A上的第一输入起偏器5和第二输入光路B上的第二输入起偏器6与第一输出光路C上的第一输出聚焦透镜9和第二输出光路D上的第二输出聚焦透镜10之间置有一块长平行六面体的晶体7。所说的两路输入光路A、B的中心光轴1112、2122是相互平行的垂直于晶体7的光束输入面701，或者是两路输入光路A、B的中心光轴1112、2122相互不平行的不垂直于晶体7的光束输入面701。
所说的长平行六面体的晶体7的几何尺寸为a×b×c，其中边长b大于边长a，边长a大于边长c，即b＞a＞c。其中a×c两个平行小面701、704分别为光束输入面701和光束输出面704。a×b两个平行大面703、706是置放电极对8的面，分别为第一电极面703和第二电极面706。b×c两个平行面702、705分别为反射光束的第一反射面702和第二反射面705。晶体7的光轴方向O3O4与两反射面702、705法线之间的夹角θ＞sin-1(1/no)和θ＞sin-1(1/ne)，式中no为偏振光o光束在晶体7内的折射率，ne为偏振光e光束在晶体7内的折射率。
所说的长平行六面体的晶体7的最长的边b是2h/sin2θ＜b＜5htgθ+hctgθ，或者是htgθ+hctgr＜b＜3htgθ-hctgγ，式中h为晶体7的第一反射面702与第二反射面705之间的距离，θ为晶体7的光轴方向O3O4与两反射面702、705法线之间的夹角，γ为晶体7的光束输入面701与第二反射面705之间的夹角。
所说的晶体7的光束输入面701与第二反射面705之间的夹角γ是γ＝θ，或者是γ＝π-θ-αoi，其中θ为晶体7的光轴方向O3O4与两反射面702、705法线之间的夹角，αoi为偏振光o光在晶体7的光束输入面701上o光束的中心光轴与光束输入面701法线之间在晶体7内的夹角。
所说的电极对8分别置放在第一电极面703和第二电极面706上，其长度方向是沿着晶体7的光轴方向O3O4，电极对8的长度L＝h/cosθ，式中h为晶体7的第一反射面702与第二反射面705之间的距离，θ为晶体7的光轴方向O3O4与两反射面702、705法线之间的夹角。
如上所述本发明的结构有两种情况，一种是两路光束中心光轴1112和2122相互平行垂直于晶体7的光束输入面701入射，如图1，另一种是两路光束中心光轴1112和2122相互不平行偏斜入射，如图2。
第一种是两输入光路中心光轴1112和2122相互平行，并垂直入射于晶体7的光束输入面701的结构。如图1所示，其结构包括第一输入光路A路第一输入光纤1，第二输入光路B路第二输入光纤2，A路第一输入准直器3，B路第二输入准直器4，A路第一输入起偏器5，B路第二输入起偏器6，晶体7，安置在晶体7两个平行大面即第一、第二电极面703、706上的电极对8，第一输出光路C路第一输出聚焦透镜9，第二输出光路D路第二输出聚焦透镜10，C路第一输出光纤11，D路第二输出光纤12。
晶体7是具有横向电光调制性能的单轴或双轴晶体，如铌酸锂、钽酸锂等，其形状是平行六面体，几何尺寸为a×b×c，其中b＞a＞c。晶体7上与晶体光轴平行的两个大面a×b是摆放电极的面，分别称为第一电极面703和第二电极面706。与光轴垂直的两个平行小面a×c分别为光束输入面701和光束输出面704。与晶体7光轴成90°-θ角的两个面b×c分别为第一反射面702和第二反射面705。光束输入面701、光束输出面704、两个反射面702、705是光学面。晶体7的光轴方向O3O4与两反射面的法线成θ角，θ角应满足θ＞sin-1(1/no)，θ＞sin-1(1/ne)，使两路光在晶体7内能发生全内反射，光束输入面701与第二反射面705的夹角为γ，γ＝θ，两个反射面之间的距离为h。电极对8在晶体7的电极面上居中放置，长度方向沿晶体光轴方向O3O4。A路光与B路光平行，相距Hoe，C路光与D路光平行，相距Hoe，A、B、C、D路光均与输入面垂直。
A路输入光束是由A路第一输入光纤1出射的光信号经A路第一输入准直器3准直和A路第一输入起偏器5起偏为o光的准直光束，正交入射到晶体7上，经O2、O3、O4、O5点以θ角全内反射后成为D路光，经D路第二输出聚焦透镜10聚焦到D路第二输出光纤12，其中O3-O4点之间光束沿晶体光轴方向O3O4传播。B路输入光束是由B路第二输入光纤2出射的光信号经B路第二输入准直器4准直和B路第二输入起偏器6起偏为e光的准直光束，正交入射到晶体7上，经O1、O3、O4、O6点的双折射反射后成为C路光，经C路第一输出聚焦透镜9聚焦到C路第一输出光纤11，其中O3-O4点之间光束沿晶体光轴方向O3O4传播，并与A路o光的路径重合。当电极对8上施加半波电压时，在O3-O4点之间传播的o偏振光将变为e偏振光，而e偏振光将变为o偏振光，这时A路o光将变为e光经O4、O6点双折射反射后从C路输出，而B路e光将变为o光经O4、O5点全内反射后从D路输出。光路过程为无电压时，A→D、B→C，加半波电压时，A→C、B→D，即2×2光开关。
晶体7的长边b为2h/sinθ＜b＜5htgθ+hctgθ (1)在晶体7内O3、O4点e光相对于o光的偏离角δoe为tgδoe=sin2θcos2θ(no2-ne2)2no2sin2θ+cos2θ(ne2cos2θ+sin2θ),----(2)]]>最大可能电极长度L为L＝h/cosθ， (3)两入射光的距离Hoe为Hoe=2h(no2-ne2)cosθne2ctgθ+no2tgθ,---(4)]]>在这第一种结构中，要求Hoe尽可能大以便安装容易，同时希望L愈长以降低半波电压。以铌酸锂LiNbO3晶体(入射光波长λ＝0.6328μm，no＝2.2864，ne＝2.2024)为例，图3-1、图3-2分别给出了两入射光束中心光轴之间的距离Hoe和可能电极长度L与θ角的关系曲线，表明θ角越小，两入射光的距离Hoe越大，但可能电极长度L越小，随着θ角增大Hoe减小比较快，而L是缓慢增大，所以通常情况下选择40°＜θ＜60°比较适宜。
第二种是两输入光路A、B的中心光轴1112和2122相互不平行，不垂直入射于晶体7的光束输入面701的结构。如图2所示，其结构同样是包括A路第一输入光纤1，B路第二输入光纤2，A路第一输入准直器3，B路第二输入准直器4，A路第一输入起偏器5，B路第二输入起偏器6，晶体7，安置在晶体7两个平行面上的电极对8，C路第一输出聚焦透镜9，D路第二输出聚焦透镜10，C路第一输出光纤11，D路第二输出光纤12。
晶体7是具有横向电光调制性能的单轴或双轴晶体，如铌酸锂、钽酸锂等，其形状是平行六面体，几何尺寸为a×b×c，其中b＞a＞c。晶体7上与晶体光轴平行的两个面a×b是摆放电极的面，分别称为第一电极面703和第二电极面706。与晶体7光轴成90°-θ角的两个面分别为第一反射面702和第二反射面705。其余两个面分别为光束输入面701和光束输出面704。光束输入面701、光束输出面704和两个反射面702、705是光学面。晶体7的光轴方向O3O4与反射面的法线成θ角，θ角应满足θ＞sin-1(1/no)，θ＞sin-1(1/ne)，使两路光在晶体内能发生全内反射，光束输入面701与第二反射面705的夹角为γ，γ＝π-θ-αoi，其中αoi是在晶体7内O1点上o光与光束输入面701法线的夹角，两个反射面之间的距离为h。电极对8在晶体7的电极面上居中放置，长度方向沿晶体光轴方向O3O4。A路光中心光轴1112与B路光中心光轴2122成Δoe角，A路光与B路光在晶体7的光束输入面701上的距离为Hoe，C路光与D路光成Δoe角，C路光与D路光在晶体7的光束输出面704上的距离为Hoe。
A路输入光束是由A路第一输入光纤1出射的光信号经A路第一输入准直器3准直和A路第一输入起偏器5起偏为o光的准直光束，入射到晶体7上，经O1点折射，在O3、O4点以θ角全内反射，再经O6点折射后成为D路光，经D路第二输出聚焦透镜10聚焦到D路第二输出光纤12，其中O3-O4点之间光束沿晶体光轴方向O3O4传播。B路输入光束是由B路第二输入光纤2出射的光信号经B路第二输入准直器4准直和B路第二输入起偏器6起偏为e光的准直光束，入射到晶体7上，经O2点双折射，O3、O4点双折射反射，再经O5点双折射后成为C路光，经C路第一输出聚焦透镜9聚焦到C路第一输出光纤11，其中O3-O4点之间光束沿晶体光轴方向O3O4传播，并与A路o光的路径重合。当电极对8上施加半波电压时，在O3-O4点之间传播的o偏振光将变为e偏振光，而e偏振光将变为o偏振光，这时A路o光将变为e光经O4、O5点双折射反射和双折射后从C路输出，而B路e光将变为o光经O4、O6点全内反射和折射后从D路输出。光路过程为无电压时，A→D、B→C，加半波电压时，A→C、B→D，即2×2光开关。
晶体7的长边b为htgθ+hctgγ＜b＜3htgθ-hctgγ，(5)在晶体7内O3、O4点e光相对于o光的偏离角δoe为tgδoe=sin2θcos2θ(no2-ne2)2no2sin2θ+cos2θ(ne2cos2θ+no2sin2θ),---(6)]]>最大可能电极长度L为L＝h/cosθ，(7)两入射光的中心光轴1112和2122之间的夹角Δoe为Δoe=sin-1(nosinαoi)-sin-1(n′esin{αoi-tg-1[2(ne2cos2θ+no2sin2θ)(ne2-no2)sin2θ+2ne2ctgθ+θ}),----(8)]]>ne′是e光的等效折射率，ne′=noneno2sin2(αe+θ)+ne2cos2(αe+θ),]]>A路光在晶体7光束输入面701上的入射点O1与B路光在晶体7光束输入面701上的入射点O2的距离Hoe为Hoe=b-hctgγ-htgθ2sinγ[tgαoi-tg(αoi-δ)].---(9)]]>在这第二种结构中，要求两路入射光的中心光轴1112和2122之间的夹角Δoe尽可能大以便安装容易，同时希望电极长度L愈长以降低半波电压。以铌酸锂LiNbO3晶体(入射光波长λ＝0.6328μm，no＝2.2864，ne＝2.2024)为例，图4-1是两路入射光中心光轴1112和2122的夹角Δoe与θ角和αoi角的关系曲线，图4-2是可能电极长度L与θ角的关系曲线，可见两入射光中心光轴1112和2122的夹角Δoe随|αoi|的增大而增大，在αoi＝0°时有最小值，同时在θ≈55°时有最大值，考虑到|αoi|越大菲涅耳反射越强，损失越大，同时兼顾L的大小，通常情况下选择50°＜θ＜75°，0°＜αoi＜5°比较适宜。
与在先技术相比在先技术[1]是机械型开关，利用反射镜控制开关，速度较慢，仅为毫秒量级。在先技术[2]是平面波导型开关，利用硅介质的热-电效应控制开关，速度较慢，也仅为毫秒量级。在先技术[3]是用两块偏振偏转器和一块偏振控制器液晶板来实现开关的，液晶速度较慢，只能达到毫秒量级。本发明如上所述，是利用晶体的电光效应，用电光调制控制开关，速度快，能达到纳秒量级。在先技术[4]是用两块偏振偏转器和一块电光调制器来实现开关的，虽然其速度也可达到纳秒量级，但其整个系统是由三块晶体材料组成，易受环境影响，抗干扰能力较差。本发明只用一块晶体就实现了输入偏振偏转合束、输出偏振偏转分束和电光调制三种功能，受环境影响较小，稳定可靠，插入损耗小。本发明根据晶体的双折射原理和光束沿晶体光轴传播的横向电光调制原理提供的2×2光开关，其特点是在一块晶体内集成了2×2光开关所需的各种基本性能。本发明使用单块晶体的集成结构具有简单可靠，不易受环境影响，抗干扰能力强，插入损耗小，开关速度快的优点。第一种结构两路入射光和出射光均是平行的，有利于多个2×2光开关的级联，第二种结构晶体的纵横比可以很小，因此半波电压较低。
图1是本发明中第一种结构两路入射光中心光轴1112和2122相互平行并垂直于晶体7光束输入面701入射的结构示意图。
图2是本发明中第二种结构两路入射光中心光轴1112和2122相互不平行斜入射于晶体7光束输入面701的结构示意图。
图3是图1第一种结构的参数变化曲线，图3-1是Hoe/h随θ角变化的曲线；图3-2是L/h随θ角变化的曲线。
图4是图2第二种结构的参数变化曲线，图4-1是Δoe角随θ角和αoi角变化的曲线；图4-2是αoi＝0°时L/h随θ角变化的曲线。
具体实施例方式对于第一、第二两种结构，晶体7均选取铌酸锂LiNbO3，令晶体7的光轴为坐标z轴，边c的方向为坐标x轴，当在x方向加电压，而光沿z方向传播时，垂直z轴的光率体的截面由圆变成椭圆，椭圆截面主轴转动45°，所以当电压达到半波电压时，可使沿x(或y)轴的偏振光偏振方向旋转90°，满足设计的需要。当入射光波长为632.8nm时，LiNbO3晶体的两个主折射率为no＝2.2864，ne＝2.2024。
例1如图1所示的结构。晶体7的尺寸为9×4×0.2cm3，光束输入面701与第二反射面705的夹角γ＝θ＝40°，两入射光的中心光轴1112和2122之间的距离Hoe＝0.15cm，电极长度L＝3.4cm，半波电压V1/2＝235V(纵横比为1∶17)。
例2如图2所示的结构。晶体尺寸为7.4×1.5×0.2cm3，光束输入面701与第二反射面705的夹角γ＝110°，θ＝70°，A路光垂直入射(αoi＝0°)，两入射光中心光轴1112和2122之间的夹角Δoe＝5.4°，两入射光在光束输入面701上的距离Hoe＝0.01cm，电极长度L＝4.1cm，半波电压V1/2＝195V(纵横比为1∶20.5)。
权利要求
1.一种单块晶体2×2光开关，包括两路输入光路(A、B)和两路输出光路(C、D)，在第一路输入光路(A)上，自第一输入光纤(1)输出光束前进的方向上，与第一输入光纤(1)同中心光轴(1112)地依次置有第一输入准直器(3)和第一起偏器(5)；在第二路输入光路(B)上，自第二输入光纤(2)输出光束前进的方向上，与第二输入光纤(2)同中心光轴(2122)地依次置有第一输入准直器(4)和第一起偏器(6)；在第一输出光路(C)上，置有第一输出聚焦透镜(9)和置于第一输出聚焦透镜(9)焦点上的第一输出光纤(11)；在第二输出光路(D)上，置有第二输出聚焦透镜(10)和置于第二输出聚焦透镜(10)焦点上的第二输出光纤(12)；其特征在于在第一输入光路(A)上的第一输入起偏器(5)和第二输入光路(B)上的第二输入起偏器(6)与第一输出光路(C)上的第一输出聚焦透镜(9)和第二输出光路(D)上的第二输出聚焦透镜(10)之间置有一块长平行六面体的晶体(7)，所说的两路输入光路(A、B)的中心光轴(1112、2122)是相互平行的垂直于晶体(7)的光束输入面(701)，或者是两路输入光路(A、B)的中心光轴(1112、2122)相互不平行的不垂直于晶体(7)的光束输入面(701)。
2.根据权利要求1所述的单块晶体2×2光开关，其特征在于所说的长平行六面体的晶体(7)的几何尺寸为a×b×c，其中边长b大于边长a，边长a大于边长c，即b＞a＞c；其中a×c两个平行小面(701、704)分别为光束输入面(701)和光束输出面(704)，a×b两个平行大面(703、706)是置放电极对(8)的面，分别为第一电极面(703)和第二电极面(706)，b×c两个平行面(702、705)分别为反射光束的第一反射面(702)和第二反射面(705)；晶体(7)的光轴方向(O3O4)与两反射面(702、705)法线之间的夹角θ＞sin-1(1/no)和θ＞sin-1(1/ne)，式中no为偏振光o光束在晶体(7)内的折射率，ne为偏振光e光束在晶体(7)内的折射率。
3.根据权利要求1或2所述的单块晶体2×2光开关，其特征在于所说的长平行六面体的晶体(7)的最长的边b是2h/sin2θ＜b＜5htgθ+hctgθ，或者是htgθ+hctgr＜b＜3htgθ-hctgγ，式中h为晶体(7)的第一反射面(702)与第二反射面(705)之间的距离，θ为晶体(7)的光轴方向(O3O4)与两反射面(702、705)法线之间的夹角，γ为晶体(7)的光束输入面(701)与第二反射面(705)之间的夹角。
4.根据权利要求3所述的单块晶体2×2光开关，其特征在于所说的晶体(7)的光束输入面(701)与第二反射面(705)之间的夹角γ是γ＝θ，或者是γ＝π-θ-αoi，其中θ为晶体(7)的光轴方向(O3O4)与两反射面(702、705)法线之间的夹角，αoi为偏振光o光在晶体(7)的光束输入面(701)上o光束的中心光轴与光束输入面(701)法线之间在晶体(7)内的夹角。
5.根据权利要求2所述的单块晶体2×2光开关，其特征在于所说的电极对(8)分别置放在第一电极面(703)和第二电极面(706)上，其长度方向是沿着晶体(7)的光轴方向(O3O4)，电极对(8)的长度L＝h/cosθ，式中h为晶体(7)的第一反射面(702)与第二反射面(705)之间的距离，θ角为晶体(7)的光轴方向(O3O4)与两反射面(702、705)法线之间的夹角。
全文摘要
一种单块晶体2×2光开关，适用于光互联网和光计算等领域。关键的结构是采用一块长平行六面体的晶体，沿着晶体光轴的方向在晶体的长平行六面体的中间位置上置有一对电极，构成晶体中间部位的电光调制区。由晶体的光束输入面至中间部位的电光调制区是光束合束区，由电光调制区之后至晶体的光束输出面是光束分束区。所以一块晶体实现了输入光束偏振偏转合束、输出光束偏振偏转分束和电光调制的三种功能。一块晶体内集成了2×2光开关所需要的基本性能。与在先技术相比，本发明结构简单，不易受环境影响，抗干扰能力强，插入损耗小，开关速度快，能够达到纳秒级。
文档编号G02F1/03GK1405603SQ0213760
公开日2003年3月26日 申请日期2002年10月24日 优先权日2002年10月24日
发明者刘立人, 宋哲, 任海霞, 周常河, 刘德安, 任立勇, 董前民, 张娟 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所