专利名称：40×40波长无阻塞光开关的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤通讯领域，特别是一种40×40波长无阻塞光开关，适用于波分复用的光通讯全光交叉连接网络和光路切换的光开关系统。
背景技术：
随着光传送网向高速、大容量的方向发展，作为系统节点核心器件的开关元件，其性能的好坏成为决定节点性能和网络性能的关键。不论是网络的构造，还是网络故障下的恢复，都需要光开关的智能控制。大容量、高速交换、透明、低损耗的光开关将在光网络发展中起到更为重要的作用。
在先技术[1](参见JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，Vol.16，No.4，APRIL 1998，P650-655)提出一种波导型多信道波长选择光开关，它把一个阵列波导光栅耦合器和四个热光开关集成在同一硅片上。阵列波导光栅(AWG)制作工艺复杂，插入损耗比较大，波导的长度容易受外界温度的影响。
在先技术[2](参见JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，Vol.16，No.8，AUGUST 1998，P1473-1481)提出一种自由空间多信道光开关，由液晶光调制器阵列和若干双折射晶体级联构成。该光开关对双折射晶体的加工精度要求较高，且光开关的集成度不高，限制了向大规模方向发展。
发明内容
本发明要解决的问题在于克服先有技术的不足，提出一种基于铌酸锂晶体波长路由模块的40×40波长无阻塞光开关，用于实现40个波长信道的无阻塞路由交换。具有结构简单，设计新颖，运行可靠，稳定性高，不受环境干扰，损耗低，响应速度快等优点。适于大容量、高速度光交换网络发展的需要。
本发明40×40波长无阻塞光开关101是通过如下技术解决方案实现的光开关101包括四个信号输入端口，分别输入波分复用(WDM)光信号I1-I4，四个信号输出端口，分别输出WDM光信号O1-O4；光开关101还包括四块铌酸锂晶体(LN)102-105，四个4×1光纤耦合器106-109，它们通过信号传输光纤交叉连接成一个波长路由模块，用于实现不同光信号之间的波长交换路由；晶体102-105上分别集成了一个光波分解复用器(DMUX)和一个10×4电光开关矩阵(EOSM)；每个波分解复用器由集成在铌酸锂晶体上的10体光栅(HG)构成，利用体光栅的布拉格波长选择特性实现了WDM信号的解复用；10×4电光开关矩阵由集成在铌酸锂晶体上的40个单元电光开关(cell)构成，利用单元电光开关的信号切换特性实现了解复用光信号的选择和分组；单元电光开关由蒸镀在铌酸锂晶体表面上的电极对和记录在晶体中的体光栅两部分构成，利用铌酸锂晶体的横向电光效应和体光栅的布拉格衍射特性实现了对光信号的切换；利用铌酸锂晶体的光折变特性在晶体中记录了体光栅，记录光和读出信号光及其衍射光同时满足体光栅的布拉格衍射条件。
图1给出40×40波长无阻塞光开关101的总体结构示意图。
图2给出40×40波长无阻塞光开关101的工作过程示意图。
图3给出光波分解复用器(DMUX-1)110的工作原理图。
图4给出电光开关矩阵EOSM-1(114)的工作过程示意图。
图5给出单元电光开关cell的工作原理示意图。
具体实施例方式
下面结合附图，详细说明本发明装置的具体实施方式
。
图1是40×40波长无阻塞光开关101的总体结构示意图。如图1所示，本发明40×40波长无阻塞光开关101包括4个输入波分复用(WDM)光信号(I1-I4)和四个输出的波分复用(WDM)光信号(O1-O4)。每个输入WDM光信号Im(m＝1，2，3，4)携带10个波长复用的信道(Im1，Im2，...，Im10)，其中光信号Imn(n＝1，2，...，10)的波长为λn；每个输出的WDM光信号Oh(h＝1，2，3，4)也携带10个波长复用的信道(Oh1，Oh2，...，Oh10)，其中光信号Ohn(n＝1，2，...，10)的波长为λn。波长无阻塞光开关101还包括四块规格相同的长方体铌酸锂晶体(LN)102-105，每块晶体上分别集成了一个光波分解复用器(DMUX)和一个10×4电光开关矩阵(EOSM)；晶体102-105均包含一个信号输入端口和四个信号输出端口，其输入、输出信号分别通过光纤透镜(FL)与相应的信号输入、输出光纤相连。光开关101还包括四个4×1光纤耦合器(FCP)106-109。所说的铌酸锂晶体102一105和4×1光纤耦合器106-109通过信号传输光纤交叉连接起来，构成一个波长路由模块，从而实现了波长光信号之间的路由交换。40×40波长无阻塞光开关101能够把任何一个输入光信号Imn(m＝1，2，3，4；n＝1，2，...，10)传送到光开关101四个信号输出端口之一。为了避免冲突，任和两个具有相同波长的输入光信号不能传送到同一个信号输出端口中去，因而本发明装置具有波长无阻塞特性。
图2给出了40×40波长无阻塞光开关101的工作过程示意图。如图2所示，四个光波分解复用器(DMUX)110-113、四个10×4电光开关矩阵(EOSM)114-117和四个光纤耦合器(FC)106-109通过信号传输光纤交叉连接起来，构成一个波长路由模块；4个输入WDM光信号I1-I4通过波长路由模块进行交换后变成四个输出的WDM光信号O1-O4；波长路由模块中光波分解复用器DMUX-m和电光开关矩阵EOSM-m集成在同一块铌酸锂晶体LN-m上，其中m＝1，2，3，4。波长路由模块的工作过程如下从光开关101的信号输入端口输入的WDM光信号Im(m＝1，2，3，4)首先通过光波分解复用器DMUX-m解复用，解复用后的10个单波长光信号Im1-Im10分别沿着不同的传输光路直接进入到电光开关矩阵EOSM-m中；通过控制电光开关矩阵EOSM-m的状态，可以对输入的10个解复用单波长光信号Im1-Im10进行波长路由选择并重新组合成四个多信道光信号Gm1-Gm4，光信号Gm1-Gm4分别从电光开关矩阵EOSM-m的四个信号输出端口进入相应的信号传输光纤；多信道光信号Gm1-Gm4分别通过相应的信号传输光纤传送到光纤耦合器FCP-1-FCP-4中，每个光纤耦合器FCP-h(h＝1，2，3，4)接收从四个电光开关矩阵114-117传输来的多信道光信号G1h-G4h并将它们重新复用为WDM光信号Oh(h＝1，2，3，4)后输出，Oh携带10个波长复用的信道(Oh1，Oh2，...，Oh10)且各个信道的光信号的波长各不相同，其中光信号Ohn(n＝1，2，...，10)的波长为λn。
这样由铌酸锂晶体102-105和光纤耦合器106-109通过信号传输光纤交叉连接构成的波长路由模块，可以实现WDM光信号的解复用，并能够根据设计要求对光信号选择、分组及重新组合。通过这个波长路由模块，实现了40个信道的波长路由交换，输入端能够将任意一个输入光信号Imn输出到任意一个输出端，从而实现了具有波长无阻塞特性的40×40光交换开关101。本发明装置的结构比较简单，它对波长交换具有灵活性。由于没有可移动部件，因而其可靠性较高，抗环境干扰强，插入损耗低。
图3给出了光波分解复用器(DMUX-1)110的工作原理图。集成在铌酸锂晶体LN-m(m＝1，2，3，4)上的光波分解复用器DMUX-m，其波长解复用功能是通过记录在晶体上的体全息光栅的波长选择作用实现的。下面结合光波分解复用器DMUX-1来说明。如图3所示，规定晶体光轴c的取向沿着坐标z方向，WDM光信号的传输方向沿着坐标y方向，光场振动方向平行于坐标x方向。在铌酸锂晶体LN-1中记录了10个体全息光栅HG1-HG10，它们等间距排列且位于平行于坐标y方向的同一直线上；体全息光栅HGi(i＝1，2，...，10)对沿着坐标y方向传播、振动方向平行于坐标x方向的信号光I1i产生衍射，衍射光波沿晶体的光轴方向传播且振动方向不变；体光栅HGi对不符合上述条件的信号光则是透明的。由于入射信号光I1i(i＝1，2，...，10)及其衍射光都是寻常偏振光，因而它们的波矢大小相同、方向相互垂直，根据布拉格衍射条件，体光栅HGi的波矢指向坐标(0，1，1)方向；由于信号光I11-I110的波长各不相同，因此体光栅HG1-HG10的波矢大小不同，但彼此差别不大。光波分解复用器(DMUX-1)110的工作过程如下WDM光信号I1沿着坐标y方向进入波分解复用器110中，到达体光栅HG1时光信号I11被衍射，衍射光波沿着晶体的光轴方向传播，因而从多波长信号光波中分离出来；由于体光栅HG1对其它的信号光是透明的，因而剩余的光信号I12-I110直接通过光栅HG1继续传播；同理，体光栅HG2-HG10分别对光信号I12-I110产生衍射，使它们顺次从WDM光信号I1中分离出来；分离出来的10个单波长光信号I11-I110分别沿着平行于晶体光轴方向的不同光路传播，最后进入集成在同一块铌酸锂晶体上的电光开关矩阵中。
这样，利用记录在铌酸锂晶体中不同位置处的若干体光栅的波长选择作用，可以把WDM光信号分解成在空间彼此上分开的单波长光信号，从而实现了WDM光信号的解复用。记录体光栅对传输的光信号具有较低的插入损耗。
图4给出了电光开关矩阵(EOSM-1)114的工作过程示意图。集成在铌酸锂晶体LN-m(m＝1，2，3，4)上的电光开关矩阵EOSM-m，其波长选择、分组功能是通过集成在晶体上的各个单元电光开关cell的信号切换作用实现的。下面结合电光开关矩阵(EOSM-1)114来说明。如图4所示，仍取晶体光轴c的取向沿着坐标z方向，入射的单波光信号I1i(i＝1，2，...，10)平行于晶体光轴方向传播。在铌酸锂晶体LN-1中集成了40个单元电光开关cell，它们排成一个10行4列电光开关矩阵EOSM-1(其外观结构如图1所示)，矩阵的行和列分别平行于晶体光轴和坐标y方向。位于电光开关矩阵第i(i＝1，2，...，10)行上的四个单元电光开关的结构和功能相同，均能够对单波光信号I1i进行选择、切换；位于电光开关矩阵任意一列上的第i(i＝1，2，...，10)个单元电光开关能够对单波光信号I1i进行选择、切换，对任何沿着坐标y方向传输的光信号则是透明的。电光开关矩阵EOSM-1的波长选择与分组过程如下光信号I1i(i＝1，2，...，10)沿着平行于晶体光轴的光路进入电光开关矩阵114的第i行，由位于该行上的四个单元电光开关之一进行选择、切换；光信号I1i到达第i行的第一个单元电光开关时，如果需要选择，单元电光开关就把它切换到坐标y方向传输，如果不需要选择，则光信号I1i直接通过第一个单元电光开关进入该行的下一个单元电光开关，依此类推；根据设计要求，在电光开关矩阵114第j(j＝1，2，3，4)列上有若干个单元电光开关cell选择并切换相应的光信号，该列中被选择的若干光信号沿着平行于坐标y方向的同一光路传播，最终在电光开关矩阵114的第j个输出端口处组合成一个多信道光信号G1j(j＝1，2，3，4)；10个输入的解复用单波长光信号I11-I110在经过电光开关矩阵EOSM-1选择、分组后，组合成四个多信道光信号G11-G14。
这样，利用集成在铌酸锂晶体上的若干单元电光开关cell的信号切换作用，实现了对输入的多个单波长光信号的选择与分组，重新组合后的每个多信道光信号包含若干个单波长光信号。
图5给出了单元电光开关cell的工作原理示意图。集成在铌酸锂晶体LN-m(m＝1，2，3，4)上的单元电光开关，是利用铌酸锂晶体的横向电光效应和体光栅的布拉格衍射特性来实现其信号切换功能的。如图5所示，仍取晶体的光轴c平行于坐标z方向。单元电光开关cell包含蒸镀在铌酸锂晶体表面上的电极对118和记录在铌酸锂晶体中的体光栅119两部分。电极对118对称地加在铌酸锂晶体平行于坐标面yz的两个相对侧面上，用以对铌酸锂晶体沿着x方向施加横向半波电压；体光栅119对沿着晶体光轴方向传播、波长为λn(n＝1，2，...，10)且光波振动方向平行于坐标y方向的光信号产生衍射，衍射光波沿着坐标y方向传播且光波振动方向平行于光轴；体光栅119对不符合上述条件的信号光则是透明的。由于入射信号光Imn(m＝1，2，3，4；n＝1，2，...，10)是寻常偏振光而衍射的信号光是非常偏振光，因而二者波矢大小略有不同而方向相互垂直，根据体光栅的布拉格衍射条件，体光栅119的波矢指向稍微偏离坐标(0，1，-1)的方向；位于电光开关矩阵EOSM-m同一行上的各个单元电光开关中的体光栅，其波矢的空间取向和大小均相同；位于电光开关矩阵EOSM-m同一列上的各个单元电光开关中的体光栅，其光栅波矢的空间取向和大小各不相同但彼此差别不大。单元电光开关cell的电光偏转过程如下波长为λn(n＝1，2，...，10)、振动方向平行于坐标x方向的信号光Imn沿着晶体光轴方向进入单元电光开关cell，如果电极对118不加横向半波电压，则光信号Imn到达体光栅119时振动方向不变，因而直接通过光栅继续沿着晶体光轴方向传输，记作Imn(o)，这对应单元电光开关的直通状态；如果电极对118对铌酸锂晶体加横向半波电压，由于铌酸锂晶体的横向电光效应而使得其感应主轴绕转动了45°，光信号Imn到达体光栅119时振动方向变为平行于坐标y方向，此时体光栅119对光信号Imn产生衍射，衍射后的信号光沿着坐标y方向传播且振动方向平行于晶体的光轴，记作Imn(e)，这对应单元电光开关的切换状态。
可见，利用铌酸锂晶体的横向电光效应和体光栅的布拉格衍射特性实现了单元电光开关单元cell的信号切换作用。单元电光开关具有纳秒级的交换速度和低损耗特性，其体积较小，容易大规模集成为大型的电光开关矩阵。因此适应于高速、大容量光传送网发展的需求。
本发明装置的具体实施例晶体102-105是经高温氧化处理的LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu单晶，晶体加工成长、宽、厚分别为60mm、42mm和1mm的长方体；四块晶体的规格相同，它们的光轴取向均沿着长度方向；晶体102-105的所有表面都进行了光学抛光。
单元电光开关(cell)的规格为10×2×1mm3，其中蒸镀电极的长度、宽度分别为5mm、2mm；40个单元电光开关在铌酸锂晶体上排列成一个10×4的电光开关矩阵EOSM，矩阵相邻两行之间的间距为2mm，相邻两列之间的间距也为2mm，电光开关矩阵EOSM的规格为50×42×1mm3。
光波分解复用器(DMUX)的规格为10×42×1mm3，其中记录的各个体光栅等间距排列，第i(i＝1，2，...10)个体光栅HGi位于集在同一块铌酸锂晶体上的电光开关矩阵(EOSM)的第i行上。
在双掺杂铌酸锂晶体102-105中记录体全息光栅，均采用双中心光固定非挥发性全息记录法。用波长为632.8nm的红光作为记录光，用波长为365nm的紫外光作为敏化光。由于光通讯波段的信号光对铌酸锂晶体不敏感，因而通过光栅衍射时不会对体光栅产生擦除。体光栅的波矢、记录双红光的波矢、信号光及其衍射光的波矢之间同时满足体光栅的布拉格匹配条件。
权利要求
1.一种40×40波长无阻塞光开关(101)，包括四个信号输入端口(I1-I4)，四个信号输出端口(O1-O4)；其特征在于四块规格相同的铌酸锂晶体(102-105)和四个4×1光纤耦合器(106-109)，它们通过信号传输光纤交叉连接成一个波长路由模块；每一块晶体(102-105)上分别集成了一个光波分解复用器(DMUX)和一个10×4电光开关矩阵(EOSM)；每个波分解复用器(DMUX)由集成在铌酸锂晶体上的10体光栅(HG)构成，；10×4电光开关矩阵由集成在铌酸锂晶体上的40个单元电光开关构成，每一块晶体(102-105)上均包含一个信号输入端口(I1-I4)和四个输出端口(O1-O4)，其输入输出信号分别通过光纤透镜(FL)与相应的信号输入、输出光纤相连。
2.根据权利要求1所述的40×40波长无阻塞光开关，其特征在于所述的单元电光开关由蒸镀在铌酸锂晶体表面上的电极对和记录在晶体中的体光栅(HG)两部分构成。
全文摘要
本发明涉及一种40×40波长无阻塞光开关，包括四块双掺杂铌酸锂晶体和四个光纤耦合器，它们通过信号传输光纤连接构成一个波长路由模块，在每块铌酸锂晶体上集成了一个光波分解复用器和一个10×4电光开关矩阵。本发明装置实现了40个波长信道的无阻塞路由交换。本发明具有结构简单、运行可靠、不受环境干扰、插入损耗低和响应速度快等优点。适于大容量、高速度光网络发展的需要。
文档编号G02F1/03GK1442727SQ0311634
公开日2003年9月17日 申请日期2003年4月11日 优先权日2003年4月11日
发明者董前民, 刘立人, 刘德安, 祖继锋, 栾竹, 张娟, 宋哲 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所