CN101216603A - 一种集成多级二维光学微机电系统光开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成多级二维关学微机电系统光开关及实现光路径交换方法，该关开关的输入/输出端口数为N，N为2的整数倍，关开关中的微镜分为N级，从第1到第N从左到右依次排列，同一级两个微镜之间的距离为p，每相邻两级微镜之间的距离为p/2，每一奇数级具有N/2个双面镜，每一偶数级具有N/2－1个双面镜；所述双面镜具有开、关两种状态；在每一偶数级微镜中，距离第一个微镜的上方p处有固定的单面镜，距离第N/2－1个微镜的下方p处有固定的单面镜，所述单片镜为开状态，该方法通过对所述光开关中双面镜的状态设置实现从不同的端口输出。利用本发明增强了端口到端口的重复性并降低了光功率损耗、降低了光束扩散损耗。

Description

一种集成多级二维光学微机电系统光开关

技术领域

本发明涉及光学传输领域，具体涉及一种采用Spanke-Benes级间互连规则的集成多级二维光学微机电系统光开关。

背景技术

目前，光网络成为了骨干网数字传输的基础。通过在一根光纤里传输多路不同波长的低比特率光信号，波分复用(Wave DivisionMultiplexing，WDM)传输系统为我们提供了G比特/秒的传输带宽。将在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。具体地波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。

由于传统网络在光层缺乏可操作性，人们急需实现光域的优化、路由、保护、恢复功能，所以提出了光交叉连接(OXC)的概念，光交叉连接器相当于一个模块，它具有多个标准的光纤接口，它可以把输入端的任一光纤信号(或其各波长信号)可控制地连接到输出端的任一光纤(或其各波长)中去，并且这一过程是完全在光域中进行的。通过使用光交叉连接器，可以有效地解决现有数字交叉连接(DXC)设备中的电子瓶颈问题。

但是，波分复用系统要求光交叉连接器能在光域进行大规模的光交换，即支持大端口数的光纤/波长交换[C.Y.Li etc.“Using 2×2switching modules to build large 2-D MEMS optical switches，”in GlobalTelecommunications Conf，San Francisco，CA，Dec.2003，vol.5，pp.2798-2802]。在目前提出的建造光交叉连接器的光开关技术中，关学微机电系统(Optical MEMS)是建造大端口数光开关最有前途的技术之一，主要是由于其具有低损耗、低串话、偏振不敏感、波长不敏感、对比特率和数据格式透明，可以把光、电和机械结构集成在一块芯片上等固有优势[Xiaohua Ma and G.S.Kuo，“A novel integratedmultistage optical MEMS-mirror switch architecture design with shuffleBenes inter-stage connecting principle，”Opt.Commun.vol.242，no.1-3，pp.179-189，Nov.2004]。

光学微机电系统光开关通过转动微镜控制光信号的路由。目前提出的光学微机电系统光开关有两种：三维(3-D)光开关和二维(2-D)光开关。三维光开关中的微镜可以在三个空间维度上转动，并且可以停留在多个位置。一个N×N的三维光开关使用2N个微镜(N为整数，表示输入/输出的端口数)，每个微镜可以处于N个位置。当输入/输出端口N较大时，比如说，N大于32，三维光开关具有较小的光信号衰减。但是，多位置的微镜阵列增加了系统复杂性，对控制精度带来了极大的困难，因而影响了系统的可靠性、稳定性和成本[L.Y.Lin and E.L.Goldstein，“Opportunities and challenges for MEMS inlightwave communications，”IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron，vol.8，no.l，pp.163-172，Jan.-Feb.2002；L.Y.Lin，E.L.Goldstein and R.W.Tkach，“Free-Space micromachined optical switches for opticalnetworking，”IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron，vol.5，no.l，pp.4-9，Jan.-Feb.1999]。

二维光开关中的微镜只在两个空间维度上转动，并且仅有两个状态：“开”状态和“关”状态。显然，可以直接用数字电路实现这种二进制控制。二维光开关中的微镜可以安置在硅衬底上，光信号的传输路径与衬底平行。通常，二维光开关比三维光开关更加可靠和稳定，也更容易制作[P.De Dobbelaere，etc.“Advances in integrated 2DMEMS-based solutions for optical network applications，”IEEE Commun.Mag.vol.41，no.5，pp.S16-S23，May 2003；V.O.K.Li，C.Y.Li and P.K.A.Wai，“Alternative structures for two-dimensional MEMS opticalswitches，”OSA J.Optical Networks，vol.3，no.10，pp.742-757，Oct.2004]。然而，由于在微机电系统光开关内部，光信号是在自由空间中传输，在光传输路径上存在高斯光束扩散和光功率损耗。因此，目前商用的二维光开关的输入/输出端口数N(N为整数)最多为32个。由于光传输路径随着端口数N的增加而增加，为了保证一定的光束扩散损耗，微镜尺寸必须相应增长[L.Y.Lin，E.L.Goldstein and R.W.Tkach，“On the expandability of free-space micromachined optical crossconnects，”J.Lightw.Technol.vol.18，no.4，pp.482-489，Apr.2000]。

目前，许多二维光开关结构已经提出，它们具有不同的性能。总的来说，二维光开关有八个主要的性能参数：微镜数目、光路由算法的复杂度、光路径长度、反射次数、光功率损耗及端口到端口的可重复性、微镜半径、晶片尺寸和无阻塞性质。现在常用的二维关学开关结构有平行交叉结构、L形结构和重排Benes光开关结构。

1.平行交叉结构crossbar的二维光开关

平行交叉结构的二维光开关已经商用，图2说明了它的结构和操作机理。黑色的镜子1表示该镜子处于“开”状态，其余的镜子处于“关”状态。从输入端口I₁、I₂、I₃和I₄进来的光信号分别交换到输出端口O₄、O₂、O₃和O₁。N×N(N为整数，表示输入/输出端口数)结构的平行交叉光开关需要N²个微镜，其中，每个微镜为单面镜，具有“开”和“关”两个状态。每个镜子由其所处矩阵N×N(N为整数，表示输入/输出端口数)中的位置来标定。当位于(m，n；其中m、n为整数，表示位于矩阵N×N的第m行第n列)处的镜子处于“开”状态时，反射光束从第m个输入端口到输出到第n个端口。当镜子处于“关”状态时，对光束没有任何影响。在每行和每列中，在同一时间只有一个微镜处于“开”状态，因此，从输入端口到输出端口，光束只会被反射一次。在基于平行交叉结构的二维光开关中，光信号路由是唯一确定的，因此路由控制算法非常简单。此外，它还具有严格无阻塞的特性。

现有技术分析中，设p为两个邻近镜子之间的距离，或叫做周期；发射/接收平面与距离其最近的镜子之间的距离是p/2。从图2中可知，输入端口I₁到输出端口O₄之间的连接通过最长的路径，为7p；而输入端口I₄到输出端口O₁通过最短的路径，为p。

现有技术已得出结论：对于N×N(N为整数，表示输入/输出端口数)平行交叉结构开关，最长的路径长度为(2N-1)p，而最短路径长度为p。可见，两个路径长度的差值为(2N-2)p。很明显，平行交叉结构光开关的端口到端口可重复性很差，也就是说，光束所经过的最长和最短光路径的差值很大，导致了在不同输出端口接收到的光信号功率极大的不一致。

2.L形结构L-switching的二维光开关

图3说明了L形光开关的结构和操作机理。黑色的镜子1是双面镜，其余的镜子是单面镜。整个光开关结构看上去像一个大写的字母L，相比平行交叉结构的二维光开关，它具有更好的性能。

一个N×N(N为整数，表示输入/输出端口数)的L形光开关需要N²/4个双面镜和N²/2个单面镜，即总共需要3N²/4个微镜。相比平行交叉结构光开关，L形光开关减少了25％的微镜。从输入到输出端口，光束只会被反射一或两次。

现有技术分析中，设p为两个邻近镜子之间的距离，或叫做周期；发射/接收平面与距离其最近的镜子之间的距离是p/2。如图2所示，从输入端口I₁到输出端口O₄或输入端口I₄到输出端口O₁之间的连接通过最长的路径，为5p；而从输入端口I₂到输出端口O₃通过最短的路径，为3p。

现有技术已得出结论：对于N×N(N为整数，表示输入/输出端口数)的L形光开关，最长的路径长度为(3N/2-1)p，而最短路径长度为(N/2+1)p，两个路径长度的差值为(N-2)p。相比平行交叉结构的二维光开关，L形二维光开关端口到端口的光功率衰减不一致性减少了62.5％。但是，当输入/输出端口数N很大时，L形光开关的端口到端口可重复性也很差。

尽管L形光开关节约了25％的微镜，但它付出的代价是成为可重构无阻塞(RNB)光开关，即建立任一空闲输入端口和任一空闲输出端口之间的点到点连接可能需要对已建立的连接进行重排。相比于传统的电处理网络，波分复用光网络中的开关规模比较小[Thomas E.Stern and K.Bala，Multiwavelength Optical Networks：A LayeredApproach，Addison-Wesley/Longman，Inc，Reading，MA，1999]。因此，重构的通路计算时间要远远小于在传统电处理网络中所需的时间。而且，在波分复用光网络中，一次连接所持续的时间很长，所以可接受的连接建立时间可以很长[V.O.K.Li，etc，“Alternative structures fortwo-dimensional MEMS optical switches，”OSA J.Optical Networks，vol.3，no.10，pp.742-757，Oct.200]。可见，可重构无阻塞光开关适用于光网络。

3.重排Benes形结构Shuffle-Benes的二维光开关

重排Benes形结构的二维光开关是基于最小2×2开关模块建造重排Benes的集成多级光开关，它也是可重构无阻塞光开关。图4是一个16×16的重排Benes集成多级二维光开关的结构和操作机理示意图。从输入端口I₁和I₂进来的光信号分别交换到输出端口O₁₅和O₁。

现有技术已得出结论：N×N(N为2的整数倍，表示输入/输出端口数)重排Benes光开关需要N(log₂N-1/2)块可动的双面镜和N(log₂N+1)/2-2块固定的单面镜，即总共需要(3Nlog₂N)/2-2个微镜；在重排Benes光开关结构中，从任一输入端口到任一输出端口，光信号走过的路径长度相等，为(N-1)p，因此，走不同路径的光信号衰减的不一致主要是由于反射次数的不同；在N×N(N为整数，表示输入/输出端口数)重排Benes光开关中，最多的反射次数与最少的反射次数之间的差值是4(log₂N-1)。但是，反射损耗很小(通常小于3％)，只有端口数目巨大的时候才需要考虑[L.Y.Lin，E.L.Goldstein and R.W.Tkach，“On the expandability of free-spacemicromachined optical cross connects，”J.Lightw.Technol.vol.18，no.4，pp.482-489，Apr.2000]。因此，重排Benes光开关具有较好的端口到端口的可重复性。

现有的这些二维光开关结构都存在或多或少的缺点。要么是端口到端口的可重复性差，要么是光功率损耗大且大量的光纤互连导致成本增高，要么是使用大量的可转动的凹面镜而导致复杂性和成本增加。而使用重排Benes级间互连规则的二维光开关结构虽然有一定优势，但仍然受到镜子和晶片尺寸的限制，其光功率损耗也有待进一步减小。

因此现在常用的二维光开关结构仍然受到镜子和晶片尺寸的限制，其光功率损耗也有待进一步减小。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用Spanke-Benes级间互连规则的集成多级二维光学微机电系统光开关，及使用光开关实现光传输路径交换的方法，它减少了镜子数量、缩短了最长光路经、减小了微镜尺寸和晶片尺寸，降低了光束扩散损耗，增强了端口到端口的重复性并降低了功率损耗。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种集成多级二维关学微机电系统光开关，所述关开关的输入/输出端口数为N，其中N为2的整数倍，同一级两个微镜之间的距离p，光开关的结构为：

第一个输入端口到第N个输入端口从上到下依次排列，第一个输入端口与第二个输入端口之间的距离为p，从第二个输入端口起，第n个的输入端口与第n+2个输入端口之间的距离为p，第n个输入端口与第n+1个输入端口处于同一位置，其中n为偶数，且n+2小于N，处于同一位置的第N-1、N-2个输入端口与第N个输入端口之间的距离为p；

所述关开关中的微镜分为N级，第1级到第N级从左到右依次排列，每相邻两级微镜之间的距离为p/2，输入端口到第一级微镜之间的距离为p/2；

每一奇数级具有N/2个双面镜，依次分布在每两个相邻的且处于不同位置的输入端口之间的中间位置，每一偶数级具有N/2-1个双面镜，依次分布在奇数级微镜中每两个相邻微镜之间的中间位置；

所述双面镜具有开、关两种状态；

在每一偶数级微镜中，距离第一个微镜的上方p处有固定的单面镜，距离第N/2-1个微镜的下方p处有固定的单面镜，所述单片镜为开状态。

光信号以-45度角从奇数的输入端口入射，以45度角从偶数的输入端口入射。

输出端口与第N级微镜之间的距离为p/2。

用数字电路实现对所述微镜开状态和关状态的二进制控制。

所述奇数级和偶数级的双面镜为可移动双面镜，将所述可移动双面镜从光开关中移走表示关状态，所述双面镜分布在所述光开关中表示开状态。

一种使用所述光开关实现光传输路径交换的方法，该方法包括以下步骤：

(1)当光信号从输入端口传输到输出端口O₁传输时，从第一级到第N-o₁级的双面镜都处于平行状态，处于平行状态的双面镜对光信号具有反射作用，其中N为关开关的输入/输出端口数，o₁是输出端口O₁在输出端口中从上往下数所处的位置；

(2)从第N-o₁+1级到第N-1级的双面镜都设置为交叉状态，处于交叉状态的双面镜对光信号没有反射作用，光信号直接透过双面镜传输；

(3)根据从第N-1级的双面镜输出的光信号的方向和光信号所要到达的输出端口O₁，设置第N级的镜子状态；

(4)从关开关中把完成从输入端口到输出端口O₁的光传播路径上相应的交叉状态的双面镜移除；

(5)根据完成的光传播路径移动剩下的双面镜和固定的单面镜，更新输入/输出端口数N，所述更新即将端口数N减1；

(6)重复执行步骤1～5，执行的次数为N-3；

(7)根据光开关中剩下的微镜、光信号的输入方向、光信号所要到达的输出端口O₁设置第一级双面镜的状态，为交叉状态时将所述微镜移除；

该方法中光信号以-45度角从奇数的输入端口入射，以45度角从偶数的输入端口入射。

该方法中输出端口与第N级微镜之间的距离为p/2。

利用本发明的光开关和方法具有优点：节约了镜子数量、缩短了最长光路径、减小了微镜尺寸和晶片尺寸；降低了光束扩散损耗，增强了端口到端口的重复性并降低了功率损耗，而且还放松了制造工艺的限制。

附图说明

图1为本发明实施例4×4集成多级二维光学微机电系统光开关结构和操作机理示意图；

图2为现有技术中平行交叉二维光开关结构和操作机理示意图；

图3为现有技术中L形二维光开关结构和操作机理示意图；

图4为现有技术中16×16集成多级重排Benes光开关结构和操作机理示意图；

图5A为平面镜对高斯光束的反射作用示意图；

图5B为光开关中最长光路经的高斯光束模型示意图；

图6为16×16传统Spanke-Benes光开关结构和操作机理示意图；

图7为本发明实施例中16×16集成多级二维光学微机电系统光开关结构和操作机理示意图。

图8为不同输入/输出端口数下四种二维光开关结构所用微镜数据的比较图；

图9为不同输入/输出端口数下四种二维光开关结构中的最长路径长度比较图；

图10为不同输入/输出端口数下四种二维光开关结构中微镜半径的比较图；

图11不同输入/输出端口数下四种二维光开关结构中晶片尺寸的比较图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

由于集成多级二维关学微机电系统光开关可以分解成多个2×2光开关模块，所以本发明集成多级二维光学微机电系统光开关的输入输出端口数N为2的整数倍，如图7所示为本发明实施例1中16×16集成多级二维光学微机电系统光开关结构和操作机理示意图。其中光开关的输入/输出端口数为16，同一级两个临近镜子之间的距离即光开关的周期为p，本实施例中的光开关的结构为：

第一个输入端口到第16个输入端口从上到下依次排列，第一个输入端口与第二个输入端口之间的距离为p，从第二个输入端口起，第n个的输入端口与第n+2个输入端口之间的距离为p，其中n为偶数且n+2小于N，即第2个端口与第4个端口、第4个端口与第6个端口、第6个端口与第8个端口、第8个端口与第10个端口、第10个端口与第12个端口、第12个端口与第14个端口、第14个端口与第16个端口之间的距离分别为p；第n个输入端口与第n+1个输入端口处于同一位置，其中n为偶数且n+2小于N，即第2个端口与第3个端口、第4个端口与第5个端口、第6个端口与第7个端口、第8个端口与第9个端口、第10个端口与第11个端口、第12个端口与第13个端口、第14个端口与第15个端口分别处于同一位置；处于同一位置的第N-1个和第N-2个输入端口与第N个输入端口之间的距离为p，即处于同一位置的第14、15个端口与第16个端口之间的距离为p；

所述关开关中的微镜分为16级，从第1到第16从左到右依次排列，每相邻两级微镜之间的距离为p/2，输入端口到第一级微镜之间的距离为p/2；

每一奇数级的微镜具有N/2个即8个，依次分布在每两个相邻的、处于不同位置的输入端口之间的中间位置，每一偶数级的微镜具有N/2-1个即7个，依次分布在奇数级微镜中每两个相邻微镜之间的中间位置；

本实施例中的奇数级微镜和偶数级的微镜为可移动双面镜，双面镜具有两种状态，两种状态分别为开状态和关状态，可移动双面镜从光开关中移走表示关状态，双面镜分布在所述光开关中表示开状态；

在每一偶数级微镜中，距离第一个微镜的上方p处有固定的单面镜，距离第N/2-1个即第7个微镜的下方p处有固定的单面镜，所述单片镜为开状态。

本发明中输入输出端口数为N，光信号以-45度角从奇数的输入端口入射，以45度角从偶数的输入端口入射，光信号从第1、第2个输出端口以45度角出射，从第N、N-1个输出端以-45度角出射，剩下的输出端口光信号从第奇数个输出端口以45度角出射，第偶数个输出端口以-45度角出射。

本实施例中输出端口与第16级微镜之间的距离为p/2，输出端口第一个输出端口到第16个输出端口从上到下依次排列，本实施例中的光信号以-45度角从奇数的输入端口入射，以45度角从偶数的输入端口入射，光信号从第1、2、3、5、7、9、11、13个输出端口以45度角出射，光信号从第4、6、8、10、12、14、15、16个输出端口以-45度角出射。

图7中白色矩形为可移动双面镜，灰色矩形为固定单面镜，本实施例中通过设置光开关中双面镜的状态实现光传输路径的交换，具体方法如下：

(1)当光信号从输入端口传输到输出端口O₁传输时，从第一级到第N-o₁级的双面镜都处于平行状态，处于平行状态的双面镜对光信号具有反射作用，其中N为关开关的输入/输出端口数，o₁是输出端口O₁在输出端口中从上往下数所处的位置，由于输出端口O₁在输出端口中从上往下数所处的位置o₁为15，从第一级到第N-15级，即第一级的双面镜都设置为开状态；

(2)从第N-o₁+1级到第N-1级的双面镜都设置为交叉状态，处于交叉状态的双面镜对光信号没有反射作用，光信号直接透过双面镜传输，N为16，o₁为15，即将第2级到第15级的双面镜都设置为交叉状态；

(3)根据从第N-1级的双面镜输出的光信号的方向和光信号所要到达的输出端口O₁，设置第N级的镜子状态，图7中光信号从第15级出射后，若第16级双面镜为交叉状态，正好从第15个输出端口出射，因此第16级的双面镜为交叉状态；

(4)从关开关中把完成从输入端口到输出端口O₁的光传播路径上相应的交叉状态的双面镜移除，图7中虚线矩形表示交叉状态的双面镜，需要移除14块双面镜；

(5)根据完成的光传播路径移动剩下的双面镜和固定的单面镜，更新输入/输出端口数N，所述更新即将端口数N减1，即第一个输入端口不算入输入端口序列，第15个输出端口不算入输出端口序列；

(6)重复执行步骤1～5，执行的次数为N-3，即重复执行13次，会完成第2级到第16级的微镜状态设置；

(7)根据光开关中剩下的微镜、光信号的输入方向、光信号所要到达的输出端口设置第一级双面镜的状态，为交叉状态时将所述微镜移除。

该方法中最后得到的集成多级二维光学微机电系统光开关结构即为实现从指定输入端口的指定输出端口的光开关结构。

实施例2

图1所示为本发明实施4×4集成多级二维光学微机电系统光开关结构和操作机理示意图；其中光开关的输入/输出端口数为4，同一级两个临近镜子之间的距离即光开关的周期为p，本实施例中的光开关的结构为：

第一个输入端口到第4个输入端口从上到下依次排列，第一个输入端口与第二个输入端口之间的距离为p，从第二个输入端口起，第n个的输入端口与第n+2个输入端口之间的距离为p，其中n为偶数且n+2小于N，即第2个端口与第4个端口之间的距离分别为p；第n个输入端口与第n+1个输入端口处于同一位置，其中n为偶数且n+2小于N，即第2个端口与第3个端口处于同一位置；处于同一位置的第N-1个和第N-2个输入端口与第N个输入端口之间的距离为p，即处于同一位置的第2、3个端口与第4个端口之间的距离为p；

所述关开关中的微镜分为4级，从第1到第4从左到右依次排列，每相邻两级微镜之间的距离为p/2，输入端口到第一级微镜之间的距离为p/2；

每一奇数级的微镜具有N/2个，依次分布在每两个相邻的、处于不同位置的输入端口之间的中间位置，每一偶数级的微镜具有N/2-1个，依次分布在奇数级微镜中每两个相邻微镜之间的中间位置；

本实施例中的奇数级微镜和偶数级的微镜为可移动双面镜，双面镜具有两种状态，两种状态分别为开状态和关状态，可移动双面镜从光开关中移走表示关状态，双面镜分布在所述光开关中表示开状态；

在每一偶数级微镜中，距离第一个微镜的上方p处有固定的单面镜，距离第N/2-1个微镜的下方p处有固定的单面镜，所述单片镜为开状态。

本发明中输入输出端口数为N，光信号以-45度角从奇数的输入端口入射，以45度角从偶数的输入端口入射，光信号从第1、第2个输出端口以45度角出射，从第N、N-1个输出端以-45度角出射，剩下的输出端口光信号从第奇数个输出端口以45度角出射，第偶数个输出端口以-45度角出射。

本实施例中输出端口与第4级微镜之间的距离为p/2，输出端口第一个输出端口到第4个输出端口从上到下依次排列，本实施例中的光信号以-45度角从奇数的输入端口入射，以45度角从偶数的输入端口入射，光信号从第1、2个输出端口以45度角出射，光信号从第3、4个输出端口以-45度角出射。

图1给出了从4个输入端口到不同的4个输出端口的4！个状态，即从101～124光开关结构的24个状态图，下面给出得到其中113光开关结构的方法。

113光开关结构中，实现这样的光信号传输交换：

从第1输入端口入射的光信号从第3个输出端口以-45度角出射，从第2输入端口入射的光信号从第2个输出端口以45度角出射，从第3输入端口入射的光信号从第4个输出端口以-45度角出射，从第4输入端口入射的光信号从第1个输出端口以45度角出射。

具体方法为：

步骤1：设置光开关结构中的微镜，实现从第1输入端口入射的光信号从第3个输出端口以-45度角出射，其中输入输出端口数为4，出射光信号在输出端口中从上往下数所处的位置o₁为3，

(1)将第一级到第N-o₁级的双面镜都处于下位置，即平行状态，处于平行状态的双面镜对光信号具有反射作用，即第1级为平行状态；

(2)从第N-o₁+1级到第N-1级的双面镜都处于上位置，即为交叉状态，处于交叉状态的双面镜对光信号没有反射作用，光信号直接通过双面镜传输，即第2级到第3级为交叉状态；

(3)根据从第N-1级的双面镜输出的光信号的方向和光信号所要到达的输出端口，设置第N级的镜子状态，即根据从第3级的双面镜输出的光信号的方向和光信号要到达的输出端口3，设置第4级双面镜的状态，第4级双面镜设置为交叉状态时，光信号从第3个端口出射，因此第4级双面镜为交叉状态；

(4)从关开关中把完成从输入端口到输出端口O₁的光传播路径上相应的交叉状态的双面镜移除，其中完成该光传输路径的交叉状态的微镜为2个，一个为第3级的第一个微镜，一个为第4级的微镜；

(5)根据完成的光传播路径移动剩下的微镜，更新输入/输出端口数N，所述更新即将端口数N减1，即第1个输入端口不算入输入端口序列，第3个输出端口不算入输出端口序列，即本实施例中N更新后为3；

(3)重复执行步骤1～5，执行的次数为N-3，本实施例需要重复执行1次，一次为步骤2。

步骤2：设置光开关结构中的微镜，实现从第2输入端口入射的光信号从第2个输出端口以45度角出射，其中输入输出端口数N为3，出射光信号在输出端口中从上往下数所处的位置o₁为2，

(1)将第一级到第N-o₁级的双面镜都处于平行状态，处于平行状态的双面镜对光信号具有反射作用，即第1级为平行状态；

(2)从第N-o₁+1级到第N-1级的双面镜都处于上交叉状态，处于平行状态的双面镜对光信号没有反射作用，光信号直接通过双面镜传输，即第2级为交叉状态；

(3)根据从第N-1级的双面镜输出的光信号的方向和光信号所要到达的输出端口O₁，设置第N级的镜子状态，即根据从第2级的双面镜输出的光信号的方向和光信号要到达的输出端口2，设置第3级双面镜的状态，第3级中的微镜设置为平行状态时，光信号从第2个端口出射，因此第3级微镜为平行状态；

(4)从关开关中把完成从输入端口到输出端口2的光传播路径上相应的交叉状态的双面镜移除，其中完成该光传输路径的交叉状态的双面镜为1个，为第2级的双面镜，将其从光开关中移除；

重复执行完毕后根据光开关中剩下的微镜、光信号的输入方向、光信号所要到达的输出端口设置第一级双面镜的状态，为交叉状态时将所述微镜移除，该光开关结构中移除掉3块双面镜后还有3块双面镜，实现从第3输入端口入射的光信号从第4个输出端口以45度角出射的方法，若第1级的第1个双面镜设置为平行状态，会从第1个输出端口出射，因此将第1级的第1个双面镜设置为交叉状态，又因为完成从第1个输入端口到第4个输出端口的光路径经过该交叉状态的双面镜，将其移除；实现从第4输入端口入射的光信号从第1个输出端口以45度角出射的方法，完成该光传输路径的中间不经过双面镜，因此设置完毕。设置完成的光开关结构还剩2块双面镜，为开状态，即为图1中的光开关结构113。

利用该方法可以对光开关结构中的微镜数目进行设置，实现光开关结构101～124，该方法的思想是逐级设定，从第N级的微镜到第3级或第2级的微镜设定后，根据光信号的输入端口和出射端口设定第1级或第2级的微镜状态。利用该方法可以实现任意一种从不同输入端口到不同输出端口的光传输交换。

下面结合附图对本发明的效果进行对比分析

1.常用三种二维光开关与本发明关开关的光功率损耗

光信号在二维光开关中传输时，光功率的损耗由几个因素决定：高斯光束扩散，空气吸收，微镜角度的误调整，微镜反射损耗，微镜镜面的弯曲和光纤与光开关之间的耦合损耗。前四个因素跟光开关的端口数和光束经历的路径长度相关，后两个因素是常数，跟光开关的端口数无关。

为了简化分析，现有技术一般假设：1)因为在自由空间光开关中，插入损耗对微镜角度的误调整非常敏感，而使用精细工艺可以避免这种误调整。所以，首先假设不存在由微镜角度误调整所引起的插入损耗。2)如前所述，由于反射损耗通常小于3％，只有当端口数目巨大时才需要考虑。因此第二个假设是不存在反射损耗。3)由于设计时所使用的都是平面镜，而对自由空间微机电系统光开关来说，微镜镜面的弯曲极大的影响了光信号的耦合效应，所以应尽量使用曲率半径尽可能大的微镜。第三个假设是所有的镜子都有平滑的表面，也就是说，它们的曲率半径无穷大。因此，不存在由微镜的镜面弯曲所引起的光功率损耗。4)众所周知，模式匹配可以补偿光束扩散。当入射光束的模式与接收光纤的模式匹配时，耦合损耗为零。模式匹配时，光束的光腰(最小的光束半径称为光腰)位于最长光路径的中点处。第四个假设是不存在光纤与光开关之间的耦合损耗。此外，不考虑由空气吸收引起的功率损耗，因为吸收损耗并不是限制二维光开关端口数的决定性因素。

这样，现有技术分析中只考虑由高斯光束扩散所引起的光功率衰减。对于任意给定的光开关结构，从输入端口到输出端口，光信号总衰减L_total为[Luigi Savastano，etc，“Physical-parameter design in 2-DMEMS optical switches，”J.Lightw.Technol.vol.23，no.10，pp.3147-3155，Oct.2005]：

L_total＝L_Gauss+L_reflection+L_coupling    (1)

式(1)L_total表示光信号总衰减、L_Gauss表示高斯光束扩散所引起的光功率衰减、L_reflection表示反射所引起的光功率衰减、L_coupling表示光信号耦合所引起的光功率衰减。一般分析中假设L_reflection和L_coupling为零。

在自由空间中，激光光束是高斯光束。如图5A所示的平面镜对高斯光束的反射作用示意图，平面镜只改变光束传播的方向而不改变它的曲率。图5B所示为光开关中最长路径的高斯光束模型图，该图说明了光束从输入光纤到输出光纤经过最长路径的传播过程。传输距离的坐标“0”点位于光路径的中点，输入端口到坐标“0”的距离是D，即最长光路径的一半。经坐标“z”处半径为R的微镜所反射的光功率与入射光功率的比值如下[B.E.A.Saleh and M.C.Teich，Fundamentals of Photonics，New York：Wiley，1991]：

$1-\exp [-\frac{2R^2}{{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)}]---\left(2\right)$

其中，R为微镜的半径，ω(z)是在坐标“z”处的光束半径，可以由下式描述：

$\mathrm{\ω}\left(z\right)={\mathrm{\ω}}_0{[1+{\left(\frac{z}{z_0}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}.---\left(3\right)$

其中，ω₀为坐标“0”处的光束半径，即ω_0＝ω(z)|_z＝0，它是最小的光束半径，称为光腰。z为坐标，z₀是瑞利范围，是光束半径由最小值增长到最小值的倍时所经历的路径长度，即ω(z₀)＝ω₀(其中ω(z₀)表示坐标为“z₀”处的光束半径)。最小的光束半径ω₀和瑞利范围Z₀的关系如下：

${\mathrm{\ω}}_0={\left(\frac{\mathrm{\λ}{z}_0}{\mathrm{\π}}\right)}^{1/2},---\left(4\right)$

其中，λ是光信号波长。由半径为1.5ω(z)(其中ω(z)表示坐标为“z”处的光束半径)的微镜在坐标“z”处反射的光功率大概为入射光功率的99％，也就是说，如果令微镜半径R＝1.5ω(z)，光功率损耗为1％。

为了使光功率损耗最小，现有技术中选择微镜半径R＝1.5ω(D)(D最长光路径的一半，ω(D)表示在坐标为“D”处的光束半径)。假设镜面反射率为97％，则由微镜引起的光功率损耗约为4％。为了最小化微镜尺寸，我们需要减小ω(D)。

使用模式匹配可得，在最长光路径的一半D与瑞利范围Z₀相等时，由式(4)得出在坐标“z₀”处取ω(D)的最小值，为

(其中λ是光信号波长)。除了ω(D)的限制，制造限制也决定D的大小。由于制造限制，周期(即两个邻近微镜之间的距离)p取(3R+800)μm(R为微镜的半径)，即p＝(9ω(D)/2+800)μm。否则，如果镜子之间的距离太近，作出的微镜阵列的成品率不高。

现有技术基于以上分析求出三种常用二维光开关的功率损耗详细介绍如下：

1.1平行交叉结构

D_crossbar＝(1/2)(2N-1)p.    (5)

式中，D_crossbar为在平行交叉结构的二维光开关中的最长光路径的一半，N为输入/输出端口数，p为两个邻近微镜之间的距离。因为p＝(9ω(D)/2+800)μm，当光开关端口数较大时，D_crossbar正比于ω_crossbar(D_crossbar)(其中ω_crossbar(D_crossbar)为在坐标为“D_crossbar”处的光束半径)。根据式(5)令D_crossbar＝(N-1/2)kω_crossbar(D_crossbar)，其中k＝9/2，可得：

ω_crossbar(D_crossbar)＝2(N-1/2)k(λ/π)，    (6)

R_crossbar＝1.5ω_crossbar(D_crossbar)＝3(N-1/2)k(λ/π)，    (7)

D_crossbar＝2(N-1/2)²k²(λ/π)，    (8)

substrate_size_crossbar＝N²p²＝4N²(N-1/2)²k⁴(λ/π)².    (9)

以上式中，N为输入/输出端口数，k＝9/2，λ是光信号波长，R_crossbar为微镜的半径，substrate_size_crossbar为晶片的尺寸。

以上式子表明，随着输入/输出端口数N的增加，微镜半径成正比增长；而所需晶片尺寸成N⁴增长。否则，高斯光束扩散效应将会导致巨大的光功率损耗。因此，平行交叉结构不适合用来制作大端口数光开关。

1.2 L形光开关结构

D_L-switching＝(1/2)(3N/2-1)p.    (10)

式(10)中，D_L-switching为L形结构的二维光开关中的最长光路径的一半，N为输入/输出端口数，p为两个邻近微镜之间的距离。因为前面所述的p＝(9ω(D)/2+800)μm，同理，当光开关端口数较大时，D_L-switching正比于ω_L-switching(D_L-switching)(其中ω_L-switching(D_L-switching)表示在坐标为“D_L-switching”处的光束半径)。根据式(10)，该比例关系为D_L-switching＝(3N/4-1/2)kω_L-switching(D_L-switching)，其中k＝9/2，因为p＝(9ω(D)/2+800)μm，可得：

ω_L-switching(D_L-switching)＝(3/2)(N-2/3)k，    (11)

R_L-switching＝1.5ω_L-switching(D_L-switching)＝(9/4)(N-2/3)k(λ/π)，    (12)

D_L-switching＝(9/8)(N-2/3)²k²(λ/π)，    (13)

substrate_size_L-switching＝(3/4)N²p²＝(27/16)N²(N-2/3)²k⁴(λ/π)²  (14)

以上式中，N为输入/输出端口数，k＝9/2，λ是光信号波长，R_L-switching为微镜的半径，substrate_size_L-switching为晶片的尺寸。

以上式子表明，随着输入/输出端口数N的增加，微镜半径成正比增长；而所需晶片尺寸成N⁴增长。否则，高斯光束扩散效应将会导致巨大的光功率损耗。因此，L形结构不适合用来制作大端口数光开关。

1.3重排Benes光开关结构

$D_{\mathrm{Shuffle}-\mathrm{Benes}}=\frac{\sqrt{2}}{2}(N-1)p.---\left(15\right)$

式(15)中，为D_{Shuffle-Benes}为重排Benes结构的二维光开关中的最长光路径的一半，N为输入/输出端口数，p为两个邻近微镜之间的距离。因为前面所述的p＝(9ω(D)/2+800)μm，同理，当光开关端口数较大时，D_{Shuffle-Benes}正比于ω_{Shuffle-Benes}(D_{Shuffle-Benes})(其中ω_{Shuffle-Benes}(D_{Shuffle-Benes})表示在坐标为“D_{Shuffle-Benes}”处的光束半径)。根据上式，该比例关系为D_{Shuffle-Benes}＝0.5(N-1)kω_{Shuffle-Benes}(D_{Shuffle-Benes})，其中k＝9/2，因为p＝(9ω(D)/2+800)μm，可得：

ω_{Shuffle-Benes}(D_{Shuffle-Benes})＝(N-1)k(λ/π)，    (16)

$R_{\mathrm{Shuffle}-\mathrm{Benes}}=1.5{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Shuffle}-\mathrm{Benes}}\left(D_{\mathrm{Shuffle}-\mathrm{Benes}}\right)=\frac{3\sqrt{2}}{2}(N-1)k(\mathrm{\λ}/\mathrm{\π}),---\left(17\right)$

D_{Shuffle-Benes}＝(N-1)²k²(λ/π)，    (18)

substrate_size_{Shuffle-Benes}＝(3/4)N(N-1)p²＝(3/2)N(N-1)³k⁴(λ/π)  (19)

以上式中，N为输入/输出端口数，k＝9/2，λ是光信号波长，R_{Shuffle-Benes}为微镜的半径，substrate_size_{Shuffle-Benes}为晶片的尺寸。

以上式子表明，随着输入/输出端口数N的增加，微镜半径成正比增长；而所需晶片尺寸成N⁴增长。否则，高斯光束扩散效应将会导致巨大的光功率损耗。因此，重排Benes结构不适合用来制作大端口数光开关。

1.4本发明的集成多级光学微机电系统二维光开关结构

从前述讨论可知，N×N Spanke-Benes关学开关结构，现有技术中Spanke-Benes结构的名称取自两位发明作者的名称，该光学结构的特点为平面结构、重组排非阻断结构，这里不再详述，其中N为2的整数倍，表示输入/输出端口数，集成多级2-D MEMS光开关需要N(N-1)/2个可移动的双面镜和N-2个固定的单面镜，即总共需要N(N+1)/2-2个微镜。图8对传统平行交叉结构、L形结构、重排Benes结构和Spanke-Benes结构光开关中所用的微镜总数进行了比较。结果表明，相比于传统的平行交叉结构和L形结构，我们提出的Spanke-Benes结构分别节约了50％和33.3％的微镜。但相比于重排Benes结构，我们提出的结构使用了更多的微镜。

高斯光束扩散效应引起的光功率损耗与光束所走的路径的长度紧密相关，因此减少光束扩散影响的关键是缩短其在自由空间中的传播距离。为了计算Spanke-Benes结构光开关中的自由空间传播长度，图7中两级之间的距离为p/2，p为两个邻近微镜之间的距离。我们得到最长光路径为(N+1)p/2。因此，N×N的Spanke-Benes光开关中的路径长度为：

$D_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}=\frac{\sqrt{2}}{4}(N+1)p.---\left(20\right)$

同理，因为前面所述的p＝(9ω(D)/2+800)μm，当光开关端口数较大时，路径长度D_Spanke-Benes正比于ω_Spanke-Benes(D_Spanke-Benes)(其中ω_Spanke-Benes(D_Spanke-Benes)表示在坐标为“D_{Shuffle-Benes}”处的光束半径)。根据上式，该比例关系为 $D_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}=\frac{\sqrt{2}}{4}(N+1)k{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}\left(D_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}\right),$ 其中k＝9/2，因为p＝(9ω(D)/2+800)μm，可得：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}\left(D_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}\right)=\sqrt{2\mathrm{\λ}{D}_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}/\mathrm{\π}}=\frac{\sqrt{2}}{2}(N+1)k(\mathrm{\λ}/\mathrm{\π}),---\left(21\right)$

$D_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}=\frac{\sqrt{2}}{4}(N+1)k\left[\frac{\sqrt{2}}{2}(N+1)k(\mathrm{\λ}/\mathrm{\π})\right]=(1/4){(N+1)}^2{k}^2(\mathrm{\λ}/\mathrm{\π}).$

$=\frac{\sqrt{2}}{4}(N+1)k\left[\frac{\sqrt{2}}{2}(N+1)k(\mathrm{\λ}/\mathrm{\π})\right]=(1/4){(N+1)}^2{k}^2(\mathrm{\λ}/\mathrm{\π})---\left(22\right)$

以上式中，N为输入/输出端口数，k＝9/2，λ是光信号波长。

图9对传统平行交叉结构、L形结构、重排Benes结构和Spanke-Benes结构光开关中的光束传播的最长路径进行了比较(设λ＝1.55μm)。结果表明，相比于传统的平行交叉结构、L形结构和重排Benes结构，我们提出的Spanke-Benes结构分别缩短了87.5％、77.8％和75％的最长光路径。而且，沿不同光路径传播的光束经过的路径长度相等，因此，端口与端口间的光功率衰减不一致仅跟不同的反射次数相关。光束经过N×N Spanke-Benes，最大反射次数与最小反射次数相差N次，所导致的最大光功率损耗不一致为：

DL_reflection＝N×(loss due to one-time mirror reflection).    (23)

由前面的叙述可知，Spanke-Benes光开关结构具有很好的端口到端口可重复性。

接下来我们讨论微镜尺寸与晶片尺寸。根据前面的分析，可得：

$R_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}=1.5{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}\left(D_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}\right)=\frac{3\sqrt{2}}{4}(N+1)k(\mathrm{\λ}/\mathrm{\π}),---\left(24\right)$

${\mathrm{substrate}\_\mathrm{size}}_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}=(1/4)(N+1)(N+2)p^2$

$=(1/4)(N+1)(N+2)k^2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}^2\left(D_{\mathrm{Spanke}-\mathrm{Benes}}\right)$

$=(1/8){(N+1)}^3(N+2)k^4{(\mathrm{\λ}/\mathrm{\π})}^2.---\left(25\right)$

以上式中，N为输入/输出端口数，k＝9/2，λ是光信号波长，R_Spanke-Benes为微镜的半径，substrate-size_Spanke-Benes为晶片的尺寸。

图10和图11分别对四种不同光开关结构的微镜尺寸和晶片尺寸进行了比较。结果表明，相比于传统的平行交叉结构、L形结构和重排Benes结构，我们提出的spanke-Benes结构分别缩小了65％、52％和50％的微镜半径，且晶片尺寸分别缩小了90％、92％和91％。

表1给出了这四种结构的比较结果。

表1

	平行交叉结构	L形开关结构	重排Benes结构	Spanke-Benes结构
					可动微镜数目	N2	3N2/4	N(log2N-1/2)	N(N-1)/2
固定微镜数目	0	0	N(log2N+1)/2-2	N-2
					微镜半径(μm)(a)	3(N-1/2)k(λ/π)	(9/4)(N-2/3)k(λ/π)	(3(2)1/2)(N-1)k(λ/π)	(3(2)1/2/4)(N+1)k(λ/π)
微镜类型	平面镜，单面	平面镜，单面和双面	平面镜，单面和双面	平面镜，单面和双面
					最长光路径长度(μm)(a)	2(N-1/2)2k2(2λ/π)	(9/4)(N-2/3)2k2(λ/π)	2(N-1)2k2(λ/π)	(1/2)(N+1)2k2(λ/π)
最长光路径与最短光路径之差(μm)(a)	2(N-1/2)(N-1)k2(2λ/π)	(3/2)(N-2/3)(N-2)k2(λ/π)	0	0
					光信号路由复杂性	O(N)	O(N2)	O(Nlog2N)	O(N2)
晶片尺寸(μm2)(a)	N2(N-1/2)2k4(2λ/π)2	(27/16)N2(N-2/3)2k4(λ/π)2	(3/2)N(N-1)3k4(λ/π)2	(1/8)(N-1)3(N+2)k4(λ/π)2
					无阻塞属性	严格无阻塞(SNB)	可重构无阻塞(RNB)	可重构无阻塞(RNB)	可重构无阻塞(RNB)

相比于传统的平行交叉结构、L形结构光开关，本发明的Spanke-Benes多级2-D MEMS光开关使用的微镜数目大大减少。这种新型的光开关结构与传统的平行交叉结构、L形结构和重排Benes结构相比，不仅具有优良的光功率损耗性能，而且具有更好的端口到端口的可重复性性能。除此之外，这种结构大幅度的减少了最长光路径、微镜半径和晶片尺寸。因此，这种结构非常适合于建造大端口数的2-D MEMS光开关。

虽然本发明是具体结合一个优选实施例示出和说明的，但熟悉该技术领域的人员可以理解，其中无论在形式上还是在细节上都可以做出各种改变，这并不背离本发明的精神实质和专利保护范围。

Claims (8)

1.一种集成多级二维关学微机电系统光开关，所述关开关的输入/输出端口数为N，其中N为2的整数倍，同一级两个微镜之间的距离p，其特征在于：

第一个输入端口到第N个输入端口从上到下依次排列，第一个输入端口与第二个输入端口之间的距离为p，从第二个输入端口起，第n个的输入端口与第n+2个输入端口之间的距离为p，第n个输入端口与第n+1个输入端口处于同一位置，其中n为偶数，且n+2小于N，处于同一位置的第N-1、N-2个输入端口与第N个输入端口之间的距离为p；

所述关开关中的微镜分为N级，第1级到第N级从左到右依次排列，每相邻两级微镜之间的距离为p/2，输入端口到第一级微镜之间的距离为p/2；

每一奇数级具有N/2个双面镜，依次分布在每两个相邻的且处于不同位置的输入端口之间的中间位置，每一偶数级具有N/2-1个双面镜，依次分布在奇数级微镜中每两个相邻微镜之间的中间位置；

所述双面镜具有开、关两种状态；

在每一偶数级微镜中，距离第一个微镜的上方p处有固定的单面镜，距离第N/2-1个微镜的下方p处有固定的单面镜，所述单片镜为开状态。

2.如权利要求1所述的集成多级二维光学微机电系统，其特征在于光信号以-45度角从奇数的输入端口入射，以45度角从偶数的输入端口入射。

3.如权利要求1所述的集成多级二维光学微机电系统，其特征在于输出端口与第N级微镜之间的距离为p/2。

4.如权利要求1所述的集成多级二维光学微机电系统，其特征在于用数字电路实现对所述微镜开状态和关状态的二进制控制。

5.如权利要求1所述的集成多级二维关学微机电系统光开关，其特征在于，所述奇数级和偶数级的双面镜为可移动双面镜，将所述可移动双面镜从光开关中移走表示关状态，所述双面镜分布在所述光开关中表示开状态。

6.一种使用如权利要求1所述光开关实现光传输路径交换的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)当光信号从输入端口传输到输出端口O₁传输时，从第一级到第N-o₁级的双面镜都处于平行状态，处于平行状态的双面镜对光信号具有反射作用，其中N为关开关的输入/输出端口数，o₁是输出端口O₁在输出端口中从上往下数所处的位置；

(2)从第N-o₁+1级到第N-1级的双面镜都设置为交叉状态，处于交叉状态的双面镜对光信号没有反射作用，光信号直接透过双面镜传输；

(3)根据从第N-1级的双面镜输出的光信号的方向和光信号所要到达的输出端口O₁，设置第N级的镜子状态；

(4)从关开关中把完成从输入端口到输出端口O₁的光传播路径上相应的交叉状态的双面镜移除；

(5)根据完成的光传播路径移动剩下的双面镜和固定的单面镜，更新输入/输出端口数N，所述更新即将端口数N减1；

(6)重复执行步骤1～5，执行的次数为N-3；

(7)根据光开关中剩下的微镜、光信号的输入方向、光信号所要到达的输出端口O₁设置第一级双面镜的状态，为交叉状态时将所述微镜移除。

7.如权利要求6所述光开关实现光传输路径交换的方法，其特征在于，光信号以-45度角从奇数的输入端口入射，以45度角从偶数的输入端口入射。

8.如权利要求6所述光开关实现光传输路径交换的方法，其特征在于，输出端口与第N级微镜之间的距离为p/2。

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