电控全息光开关的制作方法

专利名称：电控全息光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及到电子控制的光开关器件领域，特别涉及到可应用到光纤通信系统中的光开关。
自由空间光子互连非常适合于实现并联通信系统，原因是并联数据通道之间的串扰很小，而且很容易实现三维传导和路由。为了减少通道的误比特率(BER)，必须把串扰降低到尽可能低的水平。在构建此类网络时，基本建构模块之一是高速光开关，如直通-交叉型开关。此类开关用作多级互连网络(MIN)的元件。MIN是一族开关数量最小的网络结构。
已经提出了多种光MIN结构建议，用于实现高带宽、低串扰的高度并联的通信通道，如J.W.Goodman,F.I.Leonberg,S.Y.Kung和R.A.Athale在期刊《Proceedings of IEEE》第72卷(1984)第850-866页发表的名为″Optical interconnection for VLSI systems(VLSI系统的光学互连)″的文章中所述。许多此类结构是静态光学互连，或者由光波导构成，例如S.Somekh,E.Garmire,A.Yarivin和R.G.Hunsperger在期刊《Applied Optics》第13卷第327-330页(1974)发表的名为″Channel optical wareguides and directioncoupling in GaAs-imbedded and ridged(通路光波导和GaAs埋置和带脊的方向耦合)″的文章中所述，或者由成像系统构成，如A.W.Lohman,W.Stork和G.Stucke在期刊《Applied Optics》第25卷第1530-1531页(1986)名为″Optical Perfect Shuffle″的文章中所述，或者由静态全息光学元件(HOE)构成，如R.K.Kostuk、J.W.Goodman和L.Hesslink在期刊《Applied Optics》第26卷第3947-3953页(1987)发表的名为″Design considerations forholographic optical interconnects(全息光互连的设计考虑)″的文章中所述。然而，动态光互连毫无疑问更有效，可以使源节点和目标节点之间的连接实现动态重构，如Abdellatif Marrakchi在由Marcel Dekker Inc公司出版的名为″Photonic Swithes andInterconnects(光开关和互连)″的文章中所述。
MIN的结构通常是静态互连样式的交错多层结构，如H.S.Stone在期刊《IEEE Transactions on Computing》第C-20卷第152-161(1971)中发表的名为″Parallel Processing with perfectshuffle(完全洗牌的并行处理)″的文章中所描述的完全洗牌结构(Perfect Shuffle)，后接一个基本开关组件阵列，称作直通-交叉型开关。在直通状态时它的两个输入信号与相应的输出端口直接相连，在交叉状态时输入信号在输出端口交叉了。
目前所用的普通光旁通-交叉开关利用一个偏振光分束器(PBS)与一个位于PBS输入端的偏振控制元件组合构成，偏振控制元件通常是液晶或铁电液晶，后者速度更快。然而，即使是铁电液晶也没有足够快的响应时间来满足目前通信交换的需求，当然也就肯定满足不了将来的需求。另外，PBS的另一个主要缺点是，开关的串扰水平对所传输的光信号或液晶调制器的偏振不稳定性非常敏感。结果，PBS交叉连接开关对调制器和整个系统的温度与环境的稳定性很敏感。
全息光学元件(HOE)和体全息图近年来被用于在光互连网络里对光线进行二维转向，尤其是在高度并联的计算机互连中。然而，此类系统，至少在采用体全息图的情形中，通常要么依赖多个固定的全息图，其中想要的一个用一个参考光束来重建，这个参考光束是通过其波长或入射方向来选择的，要么在每次转向之前立刻实时地重写所要的全息图。因此，此类全息图并不能直接电子交换，从而不能实现简单的系统结构和高速运行。
随着光纤通信系统中比特通过率的提高，已开发出了费效比更高的谱宽很窄的光源。这种光通信用激光的开发，使得用体(厚)全息图作为路由器件成为可能。因为此类全息图对光波长本来就非常敏感，在此之前它们还不适合于商业使用。现在使用厚全息图，就能在同一网络里塞进很多条路由，这样就可以进行三维转向。然而，到目前为止，基于以前的全息图工艺水平制作的光开关，因为它们不能直接电子交换，所以既没有表现出足够快的速度，串扰水平也不够低，无法应用于目前在用或在开发的光通信系统中。
因此，迫切需要一种快速、动态、串扰低的光开关来满足目前和将来光通信系统对交换的要求。
为此根据本发明的一个优选实施例，这里提供了一种以电控全息技术(EH)为基础的新颖通用开关。EH使体全息图的重建过程可以通过外加电场来控制。EH基于顺电相中的压控光折射效应，其中的光电效应是二次的。体全息图储存为顺电晶体中的空间电荷的空间分布，并可以通过向晶体施加电场来控制体全息图的重建。电场激活预存的全息图，全息图决定承载数据的光束的路由。
实现基于EH的器件，需要使用具有合适性能的光折射晶体，例如铌钽酸钾(KTN)、铌酸锶硼(SBN)，或者特别是铌钽酸钾锂(KLTN)，如美国专利No.5,614,129所描述的一样，掺有铜和钒的KLTN特别适合作为EH器件的介质。
EH器件可以很方便地用作多级互连网络(MIN)的构建模块。MIN由多个EH开关阵列组成，可以在一个或多个状态之间进行电子切换。在每种状态下不同的全息图组被激活，它可以将光束按照所需的三维(3D)方向引导到下一级。因此，这些开关包含了空间路由信息，从而避免了需要额外的级间光学元件。所以EH开关使很多互连结构的实现成为可能，并且尺寸紧凑，适合于实现大量节点。
另外，与普通的以光折射晶体为基础的传统全息存储元件不同，传统全息存储元件只能用可见光读、写，而基于KLTN和类似材料的EH器件可在红外光谱区运行，包括标准通信系统中常用的1.3μm和1.55μm的波长。
利用EH开关技术，可通过增加输入和输出端口的数量来增加基本的直通-交叉或交叉连接开关的路由容量。因而，根据本发明使用EH开关，可使得全存取MIN所需要的总开关数量大大减少，从而显著地减少系统的尺寸和费用。
根据本发明的另一个优选实施例，这里进一步提供了一种EH压控光开关，由顺电光折射材料组成，其中储存了一个全息图，利用外加电场来控制全息图的激活和重建。
根据本发明的另一个优选实施例，提供了一个由一种顺电光折射材料组成的光开关，其中存储了一个隐藏的全息图，通过外加电场可以控制该全息图的激活和重建。
根据本发明的又一个优选实施例，提供了一个上述光开关，其中全息图是通过对顺电光折射材料的折射率进行空间调制形成的。
根据本发明的又一个优选实施例，这里进一步提供了一个上述光开关，其中的全息图是通过对顺电光折射材料的折射率进行空间调制形成的，并且全息图的形式为至少包含一个光栅的光栅组。
根据本发明的又一个优选实施例，提供了一个上述光开关，其中顺电光折射材料的折射率空间调制是由二次电光效应产生的，顺电光折射材料里空间电荷的空间调制与外加电场共同导致了该电光效应。
另外，根据本发明的又一个优选实施例，这里提供了一个上述光开关，其中顺电光折射材料的折射率空间调制是由二次电光效应产生的，这个电光效应是由顺电光折射材料里低频介电常数的空间调制和外加电场共同产生的。
根据本发明的又一个优选实施例，这里更进一步提供了一个上述光开关，其中光折射材料为掺杂的铌钽酸钾锂晶体。
根据本发明的又一个优选实施例，这里还提供了一个上述光开关，其中电场是在光折射材料的两个相对的表面上施加的。
根据本发明的另一个优选实施例，这里提供了一种光开关，由至少两个顺电光折射晶体组成，每个晶体至少储存了一个全息图，全息图的重建由向每个晶体施加的电场来控制，这些晶体经过了排列处理，这样光束就可以连续通过它们。
根据本发明的另一个优选实施例，这里还提供了一种光开光，由至少两个顺电光折射晶体组成，其中每个晶体至少储存了一个隐藏的全息图，全息图的重建和激活由向晶体施加的电场控制，这些晶体经过了排列处理，这样光束就可以连续通过它们。
根据本发明的又一个优选实施例，这里也提供了一种光开光，由至少两个顺电光折射晶体组成，如上所述，其中这至少两个晶体中的每一个，按照其中贮存的至少一个全息图，衍射至少一个输入光束到一个预定的输出方向。
根据本发明的另一个优选实施例，这里提供了一种光开关，由至少两个顺电光折射晶体组成，如上所述，其中，根据给这至少两个光折射晶体中的每一个施加的电场，将入射光束切换到预定的输出方向。
根据本发明的另一个优选实施例，这里进一步提供了一种光开关，由至少两个顺电光折射晶体组成，如上所述，其中没有衍射的光要么被一个挡光器吸收，要么输入到一个检测器里。
根据本发明的另一个优选实施例，提供了一个包含了上述检测器的光开关，这种光开关是光交换网络的一部分，其中检测器用来读取通过开关的光学数据的地址头，这里地址头用于控制交换网络。
根据本发明的另一个优选实施例，提供了一个前述光开关，其中全息图在可见光波长范围内写入，并且在近红外波长范围重建。
另外，根据本发明的另一个优选实施例，可按照上述任一种实施例提供一种光开关，其中每个输入输出光束的任何方向都可以通过向每一个晶体写入合适的全息图来确定。
根据本发明的又一个优选实施例，进一步提供一种交换网络，它可能是一种多级网络，用于光通信系统，包含至少一个根据上述任一实施例实现的光开关。
根据本发明的再一个优选实施例，还提供了一种用于光通信系统的多级网络，象前一个实施例所说的一样，其中交换层和静态互连层是一体的。
本节及其本说明的其他章节提到的所有刊物、专利披露，以及在以上刊物、专利中引用的所有文档，这里都列入了参考文献中。
图例的简要说明从以下详细描述，结合图例，可以更容易地理解和认识本发明

图1(a)和1(b)说明了采用一个晶体的简单EH直通-交叉开关的实现情况。图1(a)和1(b)分别说明了该开关的两种可能的状态。开关的状态可通过改变施加的电压来改变。
图2(a)和2(b)说明了另一种采用两个串联和并列放置的晶体的EH开关器件。图2(a)和2(b)分别说明了该开关的两种可能状态。在这个开关中，通过翻转施加在两个晶体间的电压来改变该开关的状态。
图3(a)到3(c)示意说明了采用三个晶体的EH数字开关的实现情况，它可以支持四个节点之间的全访问连接。这三个图说明了此结构支持的三种可能的环行交换。通过向其中一个晶体施加电压来在三种交换中作出选择。
图4示意描述了用于在四节点EH直通-交叉开关的三个晶体中写入全息图的的光学系统。该系统用于开关的生产阶段，图例说明了写入系统的许多计算机控制元件，其目的是为了使过程快速及自动化，以利于大批量生产。
图5示意说明了用四节点数字EH交叉连接开关构建的交换网络结构。图中显示了该网络用1.2Gbit/s光纤通信链路连接四台PC机。
图6是一个大型MIN的示意图，由一个四节点EH数字开关阵列构成，在64个节点间提供全访问交换连接。图中显示该网络互连了64个工作在2.5Gb/s速率上的光纤数据通道。
图7显示了一个数字EH开关，它包括了用于读取通过该开关的光数据量的地址头的检测器，可保证数据交换到预定的目的地。
优选实施例的详述参照图1(a)和1(b)，它示意说明了简单EH旁通-交叉开关的两种状态，它是根据本发明的一个优选实施例来构成和工作的。该开关由一个包含单个预存光栅的光折射晶体10组成，电极12、14沉积在相对的两个表面上，光折射晶体可以是如KTN、SBN或特殊的KLTN。图1(a)显示了处于零状态的开关，这时光信号沿路径16无偏离地传送到输出端口18，另一个输入到端口20的信号，则无偏离地传送到端口22。给开关电极加上电压V1时，因空间调制的空间电荷场产生了晶体光折射率的空间调制11，这个空间电荷场是根据先前写入到晶体的体全息图所携带的信息建立的，这样就在晶体里有效地建立了一个衍射光栅。结果，开关状态反转，输入路径16上的光信号现在衍射到路径22，沿路径20传送的输入信号现在衍射到路径18。
EH开关运行的机制是以采用电压控制的光折射(PR)效应为基础的，如AJAgranat,V.Leyva和A.Yariv在期刊《Optics Letters》第14卷(1989)第1017-1019页名为“Voltage-controlledphotorefective effect in paraelectric(顺电材料中的压控光折射效应)K Ta1-xNbxO3:Cu,V”的文章里所描述的一样。PR效应使在晶体里存储光信息成为可能，它吸收光能后，会空间调制它的折射率。吸收的光可以将载流子从其陷阱里光致电离到导带(电子)或价带(空穴)。光致电离的载流子将传输并最终重新被俘获，形成一个与激发光照空间相关的空间电荷场，通过电光效应产生折射率的调制。这个机制是以相位全息的形式存储信息的基础，通过从适当的波长和角度加上重建(读取)光束，就可以有选择地恢复出信息。
最近研究表明，通过引入低频介电常数的空间调制，有可能在光折射晶体中引入偶极全息光栅。这种效应在A.J.Agranat,M.Razvag和M.Balberg的″Dipolar holographic gratings induced by thephotorefractive process in potassium lithium tantalate nibateat the paraelectric phase(顺电相的钽铌酸锂钾中的光折射过程诱发的双极全息光栅)″一文中已有描述，该文发表在期刊《OpticalSociety of America》B第14卷第2043-2048页(1997)上。
在顺电相中，这些效应的效率可在读取(重建)阶段通过向晶体施加外部电场来控制。
一般地，衍射效应正比于折射率的局域化光致变化。在顺电相中，电光效应引起的折射率调制正比于极化强度的二次方，并可由下面的公式给出Δn(r)=(1/2)n03g[P(r)]2(1)这里的Δn(r)是引起的折射率变化，n0是折射率，g是二次电光系数，P是低频极化强度。当晶体中形成了一个空间电荷场Esc(r)时，它引起的折射率调制，以及对衍射的建设性贡献可以由下式给出δ(Δn(r))=n03gε2E0Esc(r)(2)假定极化强度处于线性区P=εE，其中ε是介电常数，εo=εoεr，接近相变εr＞＞1,E0是外加电场。
因此，可以看出，只有在存在外加电场时承载信息的空间电荷场才能转化成折射率调制。所以，二次电光效应的应用可以使得模拟控制信息重建的效率成为可能，这就是压控PR效应。
根据外加电场，存储在顺电相的平面相传播全息图的衍射效率可由下面公式求得η=sin2(πdλcosθn03gϵ2E0Esc)---(3)]]>其中d是晶体厚度，λ是光波长，θ是读取光束和光栅等相面之间的角度，n0是折射率，g是有效二次电光效应系数，ε是介电常数，E0是外加低频场，Esc是当在PR晶体里写入全息图时空间电荷场的幅度。
在等式(3)中假设(Ⅰ)满足Bragg条件，即2∧n sinθ=λmat(4)此处的∧是周期光栅间距，n(=n0)是折射率，θ是读取光束和光栅等相面之间的角度，λmat是光在材料内的波长(Ⅱ)极化强度位于线性区(即P=εE),ε/ε0＞＞1；并且(Ⅲ)吸收可忽略。
从公式(3)中可看出，一旦在晶体中写入了一个空间电荷场，就可以通过在全息图的读取阶段施加外加电场E0来控制产生的衍射效应。
虽然可以预计在外加电场为零的情况下衍射效应会降至零，并且在晶体里只存在一个隐藏的全息图。实际上，即使在零施加电场的情况下，杂散的非零内部电场的存在必然会产生残留的轻微的衍射效应。
KLTN是一种设计用于在顺电相工作的新型PR晶体，其中PR效应用电压控制。在美国专利No.5,614,129里已详细地描述了该晶体的生产和制作方法，在这里列入了参考文献中。用于本发明的优选实施例的KLTN晶体的化学组成是K0.9945Li0.0055Nb0.35O3。这个成分通过电子显微镜分析和原子吸收测量得到。通过对介电常数的温度依从关系的测量，测定出KLTN晶体的相变温度是Tc=26℃。为了提高晶体的性能，写入全息图以前，晶体需要经历一个插树还原过程，在2.1KV/cm外加电场下从40℃以0.5℃/分钟的速度逐渐冷却到10℃，然后又以同样的速度上升到工作温度。在工作时，晶体温度维持在32℃，在顺电相中，这个温度高于相变点6℃。通过一个与晶体并置的恒定的热电元件24来维持温度，如图1(a)所示。为简便起见，这个元件在其余的图里被省略了。
图1(a)和1(b)所示的简单EH开关实施例可用在许多MIN结构里，以代替目前使用的铁电或液晶偏振分束器(PBS)开关。象PBS开关一样，EH开关可通过直接加在晶体上的电压来控制，而不是在每一个开关的入口处旋转光的偏振方向。EH开关的一个主要优点是它的开关时间比以前的液晶元件的缓慢开关时间快多了，甚至比铁电开关还快。根据本发明，测得的KLTN EH的开关时间为100纳秒量级，但似乎这是测量设备的一个极限，实际的开关速度会更快。与目前用于自由空间光开关的其他开关技术相比，如上面提到的LCD器件，这样的开关时间是很短的。很短的开关时间是KLTN EH开关的主要优点，这个优点使此项技术很适合用在交换网络里。这样的开关时间很显然适合于电路交换应用，甚至接近支持包交换所需的速度。
然而，像PBS开关一样，这种简单EH旁通-交叉开关遇到了同样的问题，就是串扰水平对输入光的偏振误差非常敏感。在EH开关里，由于两个不同偏振的二次电光效应系数不同，衍射效应的偏振相关性会产生串扰。简单EH开关结构的另一个缺点是，为了消除串扰，需要尽可能达到厚全息图的100％的效率。因为，如果只达到99.9％的效率，没有衍射直接传输的0.1％光会导致30dB的串扰指数。因为衍射效率是作用参数的函数，例如电场，也是晶体特性的函数，晶体特性取决于环境条件，完全达到100％的效率最高点很困难，因此串扰水平对环境和作用条件很敏感。需要说明的是，在这两种结构中，串扰的偏振敏感性可通过闭环控制系统来解决，但这会使系统复杂化，而且很显然会相当昂贵。
图2(a)和(b)是根据本发明的另一个实施例构建并工作的EH开关设备示意图，它克服了在第一个实施例中描述的简单EH开关的上述串扰问题。图2(a)说明了开关的一种状态，2(b)说明了另一种状态。在这个开关器件中，两个KLTN晶体30、34被串联和并列配置。每一个晶体有自己独立的一组电极，晶体30的电极为32、34，晶体40的电极为42、44，这样电场可独立地施加到每个晶体上。每个晶体包含一组不同的全息图，当开启时，这些全息图将产生一组预定的衍射连接。通过向第一个晶体施加电压，写入在该晶体里的一组连接就被选择了；通过向第二个晶体施加电压，则写入在这个晶体里的一组连接就被选择了。结果，每个晶体将对所有输入光束进行一种交换。这个交换由写在晶体里的全息图组定义，并且因为这些全息图是厚全息图，Bragg条件将避免每条路由所需的全息图影响其他路由。
因此，因为光束的任意方向可以编入每一个晶体内，这种开关结构能将交换层与静态互连层在MIN的结构中结合成一个整体。这个特性可以节省MIN级间的光元件，这些级间光元件是以前MIN结构所必须的，并且这个特性允许引入多种多级结构，即使是大量节点尺寸也很紧凑。这使构建全新的一族MIN结构成为可能，它们紧凑、灵活、费效比好，这是早期的开关技术至今无法达到的。
正如前面提到的，需要一个元件来将晶体保持在一个稳定的、稍高于相变点的温度，如在图1(a)所示，但为了简便起见在图中被省略了。
在工作时，如图2(a)所示，当开关处于第一种状态，给晶体30施加电压V1，给晶体40施加电压V0，结果端口50的输入信号会衍射到端口52，端口54的输入信号会衍射到端口56。当开关切换到另一种状态，如在图2(b)所示，翻转施加在两个晶体上的电压，给晶体40施加电压V1，给晶体30施加电压V0，结果端口50的输入信号会衍射到端口56，端口54的输入信号会衍射到端口52。所以很显然此器件具有直通-交叉开关的功能，就象图1所说明的那样。
然而，图2(a)和(b)所示的实施例中，在交换功能中非衍射光不起作用，因为来自两个输入端的信号在第一或第二个晶体中都会衍射。非衍射光只不过被挡光器62吸收并消除了。因此，偏振的改变、环境条件中的改变或外加电压的改变，都不会导致串扰的增加，只会导致系统传输的一点点改变，原因是挡光器62导致了信号的一点微小改变。另外，因为开关的状态只决定于电压所作用的晶体，并不需要达到100％的衍射效率，因此对外加电压一点也不敏感。这些特性使本发明的此种实施例更加健壮，无论是对环境和还是对工作条件。这个实施例可以描述为EH开关的一种数字化模式，而图1(a)和1(b)所示的简单EH开关可以看作是工作在一种模拟模式下。所有此类系统，数字化运行对工作条件具有更大的容忍度，并且对串扰具有更强的抵抗力。最后，数字EH开关可构建为多种状态，只要将许多个晶体串联，每一个晶体各自有一组连接状态，后面将会继续讨论，从而大大减少了MIN所需的开关数量。
通过给图2(a)和2(b)所示的两个晶体串联更多的晶体，向每个晶体写入更多的全息图，单个开关模块可以处理的路由数可以显著地增加。参考图3(a)到3(c)，其中示意显示了一个数字化EH开关70，它是根据本发明的又一个实施例构建和工作的。这种开关模块利用三个晶体72、73、74，连接了四个节点，分别标为1到4。图3(a)的每一个晶体包含四个不同的光栅，在同一个晶体上构成角度复用。这种结构包含支持四个节点的全访问连接所需的最少数量的晶体。这意味着每个节点都可连接其它任何节点，但并不是全部的置换都是可行的。这种实施例支持的交换选为三个环行置换，如图3(a)到3(c)所示。每个晶体包含一个所需的置换，它是通过在那个晶体里4个预先存储的全息图来实现的。4个全息图的每一个都存储了，这样就根据所需的置换，将光从其中一个源点引导到各自的检测器。
在开关的工作中，通过向相应的晶体施加电压来选择所需的置换。当向晶体施加电压时，所有四个存储在该晶体里的全息图都被开启，所有四个光束并行地进行路由选择，到达它们预定的目标。例如，在图3(a)中，晶体72里的四个全息图被激活，将数据并行、独占地传送，从节点1到2，从节点2到节点3，从节点3到节点4，从节点4到节点1。图3(b)到3(c)显示了该开关模块所选择的环状并行路由方案。通过给开关增加更多的晶体，可能的置换数量可以增加，超过最小值。
目前高速光通信系统采用的波长在近红外区，特别是在1.3μm和1.5μm波段。因此，厚全息图应能在这些波长范围被重建，开关将会应用在这些波长，尽管全息图是在λw=532nm波长存储的，因为在这个波长上材料有足够的敏感度来完成有效的存储。另外，使用红外重建光束不会影响已有的空间电荷场分布，因为在这些波长上光致敏感性微不足道。这种属性省掉了一个固定过程，这对光折射晶体来说技术上还没有开发出来。
波长的这一变化决定了写入光束的角度，以让记录光栅Bragg条件符合所需的重建角度。如果需要一个光栅将一束波长为λr的准直光束角度从θr1路由到θr2(所有的角度指与晶体表面法线所成的角度)，那么波长为λw的两束写光束的夹角可由下面公式求得θw1,2=θr1+θr22±sin-1(λwλrsin(θr1-θr22))---(5)]]>正如式(4)所定义的，这个关系式从厚全息图的Bragg条件推导出。公式(5)是对对称或小角度传输全息图情形的修正。一般情况下，应考虑到由于Snell法则引起的晶体入射光束方向的变化。那么在一般情况下波长为λw的两束光的夹角可由下面公式求得 在进行少量的置换时，不同晶体的全息图共享重建入射或出射角度。但是，因为在写入阶段使用不同波长，对于每个晶体来说写入角度将是唯一的。这样，写入系统必须能够用角度连续和精确可调的两束相干光对晶体曝光。
根据上面公式(5)和(6)给定的条件，图4显示了用于在晶体中写入全息图的光学系统。此系统只用于开关的生产阶段。在开关里的全息图优化之后，它们可保持特别长的时间，不会有明显的擦除迹象。
根据前面所述的结构，由三个KLTN晶体80,82,84组成开关。这三个晶体分别安装在由三台微机控制的线性基座上(85,86,87)，图中箭头示意地说明了晶体的运动。这些基座用于把每个晶体滑进或滑出写入光束，以让每个晶体分别写入各自特有的全息图。这三个线性基座封装在一个热电加热/冷却器92上，使温度保持恒定。根据本发明的这一种实施例，开关模块使用的晶体尺寸为3mm×3mm×3mm，并沿[100]晶格方向切割。在垂直于光学轴线的水平面上溅射两个金电极，用于施加电压。用微型钳子将晶体夹住，以便于方便而快捷地更换晶体。钳子与电极导通，但要用小陶瓷片与线性基座隔离开，以便在晶体上施加高电压时不会短路。陶瓷片要提供了良好的热接触，以利于保持晶体的温度。高压电源88由中心计算机90发出的命令控制。这台计算机也控制可动基座。
由于KLTN晶体折射率高(n=2.1)，需要进行消反射镀膜。一般使用MgF2或SiO2半波层消反射镀膜。在光波长为λr=1.3μm、与镀膜表面法线夹角为10℃的情况下，这两种镀膜可将反射率从12％减少到0.2％。
在写入时，从倍频、激光二极管泵浦的Nd:YaG激光器100发出的光通过由计算机控制的快门102，由分束镜104分成两束垂直偏振的平面波束，每束大约为20mW。这两束光用于在每个晶体上写入平面相位传输全息图。每束光从安装在由计算机控制的旋转基座106、108上的镜子上反射(具有0.005℃的精确度)到各自的4f成像系统110、102，其中的每一个都将其镜子成像到晶体上。因此，镜子的旋转相应地改变了光束入射到晶体上的入射角。4f成像系统是保持光束准直所必需的。每个4f成像系统由两个对称3″焦距的双透镜114、118和115、118组成。用一个50/50的平面分束镜116把两束光在4f成像系统的中间合并，这个分束镜放置的位置使4f成像系统的第二个镜头118为两个4f系统共用，由两束光共享。通过旋转安装在旋转基座上的镜子，这样的结构允许两束光在±10℃的范围内任意设定角度。为了达到厚全息图要求的高角度精确度，要通过一个校准程序来减少镜头的失真畸变。因为系统的所有运动部件都由计算机控制，利用校准结果建立一个角度速查表，用来补偿角度失真。另外，写入过程的所有元件的计算机控制使得写入过程快速而自动化，便于大批量生产开关。
通过将两个其他的晶体滑出光束的路径来分别写入晶体，这样光不会擦除写在上面的全息图。图4描绘的情形中，中间的晶体84被写入，同时其他两个晶体80、84滑出光束线路。每个晶体上的四个角度复用的全息图依次写入。镜子的转动角度和每个连续全息图的曝光周期都是计算机控制的，用一个递归计划方案来保持所写入的全息图全体具有恒定的效率。对于所采用的晶体尺寸，全息图是在一个恒定的2.1KV/cm外加电场下写入的。
现在参照图5，其中显示了一个网络结构，它是用根据本发明的另一个实施例实现的数字化EH直通-交叉开关构建和工作的。在这个实施例里，该网络用1.2Gbit/s的光纤通信链路120连接4台PC机。每台计算机有一条PCI总线通信(逻辑分析器)板122，作为计算机和收发器的接口。光收发器用一个BCT 15T模块作为发射机124，用一个BCT 15R作为接收机126。这些模块由美国佛罗里达州B.C.P.Inc.of Melbourne公司制造。BCT 15T模块将16×60Mbit/s通道多路复用成单一的1.2Gbit/s通道，调制一个波长为λr=1.55μm的带尾纤的DPB激光器。这个激光器安装在电路板上，但没在图5里标出。BCT15R模块由一个带尾纤的1.2Gbit/s接收器和一个具有16×60Mbit/s输出通道的解复用器组成。这样每台计算机用2根光纤与交叉连接开关128相连，单模光纤130把光传送进开关，一根50/125多模光纤从开关中接收光信号。需要用准直透镜在开关端口和光纤之间进行耦合，为简便起见图中没有说明。为了保持最佳的全息效率，发射机光纤最好采用保偏光纤。
这个开关用第五台具有D/A板的计算机134控制。该D/A板的模拟输出控制一个包含三个高压、高速半导体开关的交换模块136，将来自电源138的±700V电压切换至开关140的三个晶体中的每一个。
此数字EH开关结构的一个重要优点是，能够实现一个对k个通道进行路由选择的开关，而不仅仅是简单模拟EH开关的k=2通道。当开关置入MIN时可利用这一特性。在一个全访问MIN中，最小层数可由下面公式求得L=logkN(7)其中N为节点数。在一个全访问MIN所需的总开关数最小值可由下面公式求得S=NkL=NklogkN---(8)]]>因此可以看到，层数和所需开关的总数随k戏剧性地减少。另外，根据需求量和要求的费用，k可以用来调整网络可以实现的可能置换数或自由度数。
一个能处理k条路由的数字化EH开关，可以由m个相邻的晶体组成，每个晶体包含k个全息图。m个晶体中的每一个实现k个路由所需的m个置换中的一个。在单个k路由开关里所需的晶体数m的条件是m≥k，这是公式(7)和(8)所描述的MIN最小开关数条件的一部分。假如m＜k,MIN就不是全访问的。假如m=k，用最少量的开关就可实现全访问MIN，其中利用公式(8)，整个网络需要的晶体数为ncrystals=N logkN(9)这个数量是一个评价系统复杂性和成本的品质因数。
通过增加m从而满足m＞k，可以增加额外的自由度和可能的置换。公式(9)表明随k的增加，系统的成本会很快地降低。因此，最大的k可得到最低的成本。k的最大值受限于写在晶体上的k个全息图中每一个的效率，因为每个单独的全息图的效率按照所储存的全息图数量k的平方降低。因此，应依照可接受的系统成本与性能比选择折中的k值。
图6是一个大规模MIN的示意图，根据本发明的另一个实施例建构与运行，用一个4节点数字EH开关阵列150建成，在64节点间提供全访问交换连接。用来连接这个MIN中各个开关模块的特殊结构为Banyan网络。所示的网络互连了64个工作速率为2.5Gbit/sec的光纤数据通道，这是目前高速光通信系统的典型速率。
交换网络的控制和管理通常分为两个主要方式——集中式和分布式。MIN基本上属于集中式控制这一类，这本身更复杂和有限。然而，通过将一些EH MIN模块组合在一起，形成一个大型交叉连接网络，可以实现路由的一种分布式控制。
交叉连接结构的一个主要问题是存取时间，它依赖于所采用的网络管理方法。除了EH开关本身的开关时间，一个对存取时间有贡献的因素是节点用来发送所需地址的方式和协议。较好的方法是给光通道上的每组数据发送一个分组头，其中包括了地址，与系统使用的类似，例如在ATM中。这种方法需要在系统输入端发送一束抽样光到光检测器。在上面建议的数字EH开关结构的优选实施例里，为了减少串扰，非衍射光被阻挡和消除。如果挡光器被光检测器所代替，象分组头这样的通信信息就可以读取并用来控制开关的交换状态。
图7显示了根据本发明的另一个优选实施例提出的一个数字EH开关，包括一个检测器152，它用于读取通过开关的光数据分组的地址头。地址头信息传送到一个处理单元154，用来为交换网络提供正确的控制信号，以保证数据转换到预定的目的地。其它的组件与图2(a)和2(b)一样。
数字化EH开关与WDM技术的结合可以显著地扩展可能的结构，改进性能。由于厚全息图的高选择性，可在同样的开关里为额外的波长增加额外的全息图。这些全息图可引导不同的波长到任意方向。因此，WDM通道的每一波长可动态地路由通过MIN里的不同路径，发送到其它任何节点。一个诱人的选择是使用可调波长激光二极管的波长变化，这种激光器可在1纳秒内转换波长，利用一组有限的连接可以实现一个很快的交叉连接开关，这些连接本身只能利用EH效应很慢地(100纳秒)改变。
对本行业熟识的人士可以理解的是，本发明不限于上述专门描述和说明的那些内容。本发明的范围更应当包含上述各种特性的组合和部分组合，以及对本行业熟识的人士阅读上述描述后可以作出的、同时又不在以前技术之中的变化和修改。
权利要求
1．由顺电(paraelectric)光折射材料组成的一种光开关，在其中储存有一个全息图，全息图的重建用外加电场来控制。
2．由顺电光折射材料组成的一种光开关，在其中储存有一个隐藏的全息图，全息图的激活和重建用外加电场来控制。
3．上述两点权利要求中任意一个所述的一种光开关，以及其中上述全息图由上述顺电光折射材料的折射率空间调制形成。
4．权利要求3所述的一种光开关，以及其中上述全息图以一组包含至少一个的光栅形式存在。
5．权利要求3和4之一所述的一种光开关，其中所述顺电光折射材料的折射率空间调制由二次电光效应引起，该二次电光效应由所述顺电光折射材料中空间调制的空间电荷与一个外加电场的共同作用产生。
6．权利要求3和4之一所述的一种光开关，其中所述顺电光折射材料的折射率空间调制由二次电光效应引起，该二次电光效应由所述顺电光折射材料中低频介电常数的空间调制与一个外加电场的共同作用产生。
7．上述权利要求中任何一个所述的一种光开关，其中的光折射材料是掺杂铌钽酸钾锂晶体。
8．上述权利要求中任何一个所述的一种光开关，其中所述的电场通过在所述的光折射材料的两个相对表面上的电极来施加。
9．由至少两个顺电光折射晶体组成的一种光开关，其中每个晶体中储存至少一个全息图，其重建通过向每个所述的晶体施加一个电场来控制，所述的晶体布置成可让一束光束串行穿过。
10．由至少两个顺电光折射晶体组成的一种光开关，其中每个晶体中储存至少一个隐藏的全息图，其激活和重建通过向每个所述的晶体施加一个电场来控制，所述的晶体布置成可以让一束光束串行穿过。
11．权利要求9和10中任一个所述的一种光开关，其中所述的至少两个光折射晶体的每一个都按照储存其中的至少一个全息图，衍射至少一束输入光束到预选的输出方向。
12．权利要求9到11中任一个所述的一种光开关，其中所述的输入光束可根据向所述至少两个光折射晶体中的每一个施加的电场来切换到一个预选的输出方向。
13．权利要求9到12中任一个所述的一种光开关，其中非衍射光被一个挡光器吸收。
14．权利要求9到12中任一个所述的一种光开关，其中非衍射光被输入到一个检测器里。
15．权利要14所述的一种光开关，其中所述的光开关是一个光交换网络的一部分，以及其中所述的检测器用来读取穿过所述光开关的光数据的地址头。
16．权利要15所述的一种光开关，其中所述的地址头用于控制所述的交换网络。
17．上述权利要求中任何一个所述的一种光开关，其中的全息图在可见光波长写入，在近红外波长重建。
18．上述权利要求中任何一个所述的一种光开关，其中每一输入和输出光束的任意方向可通过向每一个晶体写入一组适当的全息图来确定。
19．用于光通信系统的一种交换网络，包含至少一个上述任意一个权利要求所述的光开关。
20．权利要求19所述的用于光通信系统的一种交换网络，其中所述的网络是多级网络。
21．权利要求19和20中任一个所述的用于光通信系统的一种交换网络，其中交换层和静态互连层是一体的。
全文摘要
本发明涉及到一种光开关，包含一个顺电光折射材料(10)，其中存储了一个全息图(24)，可能是一个隐藏的全息图，全息图的重建、或激活与重建由一个外加电场(12,14)来控制。全息图通过顺电光折射材料的折射率调制形成，这种调制是由二次电光效应引起的，二次电光效应由顺电光折射材料中空间调制的空间电荷与一个外加电场的共同作用产生的。这种光开关可以用于一个交换网络，例如光通信的多级网络。
文档编号G03H1/02GK1318158SQ99810635
公开日2001年10月17日 申请日期1999年7月6日 优先权日1998年7月6日
发明者A·J·阿格拉纳特, B·佩萨克, L·R·罗格尔 申请人:耶路撒冷希伯来大学伊森姆研究发展公司