CN104570225B - 一种单边光开关 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种不区分输入端和输出端，能够实现任意两个端口双向通信，并可灵活配置的单边光开关。基本单元是一个光准直器阵列、一个可变光束偏转器阵列和一个反射会聚透镜组成，可充分利用可变光束偏转器的角度偏转范围。本发明在一维情况下提高光开关端口数量2倍，二维情况下提高光开关端口数量4倍，同时具有光学系统简单易制造、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及具有多个输入和输出端口的光开关，尤其涉及使用同一端口输入和输出光信号，不区分输入端和输出端，能够实现任意两个端口双向通信的单边光开关。
背景技术
随着数据通信的高速发展，通信节点的光纤数量激增，光纤之间的动态连接成为下一代通信网络的迫切需求。大规模的光开关设备已逐渐被开发出来，其中如图1a所示的NxM光开关是目前较为典型的形式，它采用N个输入端口(101)和M个输出端口(102)，N与M可相等也可不等，能够实现任意一个输入端口到任意一个输出端口的连接(通信)，它需要两个可变光束偏转器阵列(103和104)以补偿连接的位置和角度偏差，这种光开关在下面的描述中称为双边光开关。
然而，如图1b所示，这种传统的NxM双边光开关不能实现输入端口之间的连接(如图中105到106)，也不能实现输出端口之间的连接(如图中107到108)。在实际使用中，如图1c所示，多个光收发模块的发射端(Tx)连到双边光开关的输入端，多个光收发模块的接收端(Rx)连到双边光开关的输出端，由于通信的双向性，某个输入端口---如图1c中的Txi(109)，与某个输出端口---如图1c中的Rxj(110)连接的同时，需要输出端口对应的输入端口---如图1c中的Txj(111)与输入端口对应的输出端口---如图1c中的Rxi(112)连接，以实现两个光收发模块的双向通信。因此，可以认为，由于通信的双向性，双边光开关的容量有一半是浪费的。
不区分输入端与输出端，能够实现任意两个端口连接的光开关称为单边光开关，如端口数量为N，则称为N端口单边光开关。此种特性的光开关功能如图2a所示，当任意两个端口连接，如第i端口与第j端口连接时，由于光路的可逆性，第i端口和第j端口既是发射端口也是接收端口，图2a中记为TxiRxi(201)和TxjRxj(202)，实现两个端口的双向通信，而无需额外的连接。因此，单边光开关需要的控制单元数量是双边光开关的一半，对于减少体积和成本有重要价值。与每个端口连接的光收发模块可以是单波长单芯双向光收发模块，也可以是普通双通道光收发模块配合一个光环形器使用。此外，单边光开关也可以当作双边光开关使用，在这种情形下，与普通双边光开关不同的是，输入端和输出端可以连到单边光开关的任何一个端口，也可以是任意的MxK配置，M为输入端口的数量，K为输出端口的数量，M与K之和等于N。在许多应用场合中，可以重新配置的MxK给网络连接带来很大的灵活性，因此，单边光开光在下一代光网络中有重要的应用价值。
美国专利US7224861B2提出了一种利用N个1xN光开关实现N端口单边光开关的方法，如图2b所示，单边光开关(203)每个1xN光开关(204)的N个端口与其它1xN光开关的端口按一定规则连接：第i个1xN光开关的第j路光纤(或光路)与第j个1xN光开关的第i路光纤(或光路)直接物理连接。当第i个1xN光开关切换到第j路时，第j个1xN光开关切换到第i路，从而实现第i和第j端口的连接。一个特例是第i个1xN光开关的第i路需与自已连接，可采用一个末端反射器(205)实现，利用此特例可实现第i端口的自我检测。可以看到，光纤(光路)连接的数量是N^2/2，当N较小时，该方案简单直接，易实现；当N大于141时，所需物理连接数量超过一万个，则很难实现。
美国专利US6850662B1提出了一种利用N^2/2个反射镜矩阵实现N端口单边光开关的方案，如图2c所示，需要第i端口(206)和第j端口(207)连接时，处于矩阵i行j列的反射镜(208)和j行i列的反射镜(209)立起，使两端口的光路连接。该方案虽不需要物理的连接，但当N较大时，反射镜的数量激增，带来控制的复杂性和成本的升高，以及可靠性的降低。
在现有技术中，另外一种实现N端口单边光开关的方案如图3a所示。多路光信号经由一个具有N个单元的输入输出端口阵列(301)输入和输出，每路光信号与可变光束偏转器阵列(302)的N个单元一一对应。入射光信号经由任一个端口(306，称为输入端口)输入，入射到可变光束偏转器阵列的对应单元(303)上，被其反射并选择性偏转后，到达一个平面反射镜(305)，被反射至可变光束偏转器阵列(302)的任一个单元(304)上，光信号再次被反射并选择性偏转，到达与该可变光束偏转器单元(304)对应的端口(307，称为输出端口)输出。输入端口(306)所对应的可变光束偏转器(303)可选择不同的偏转角度，从而使入射光信号到达与输出端口(307)所对应的可变光束偏转器阵列(302)的对应单元(304)；输出端口对应的可变光束偏转器单元(304)的偏转角度补偿了来自不同输入端口的入射光信号的角度。同时由于光路的可逆性，一旦输入端口(306)与输出端口(307)建立了连接，光信号可反向传输，即从输出端口(307)输入，从输入端口(306)输出，不再区分输入端口和输出端口，实现两个端口的双向通信。
可以看到上述现有技术可实现N端口的单边光开关，并且所用可变光束偏转器的单元数量与光开关的端口数量相同，相比传统的双边光开关节省了一半的光学元件。但该方案有一个重要的缺点，即可变光束偏转器的偏转角度范围只有一半可以利用，以可变光束偏转器为可旋转反射镜的情况为例，如图3b所示，当最外两个输入输出端口(308和309)需要连接时，对应的两个可变光束偏转器单元(310和311)分别需要旋转+θ和-θ，可以看到这两个单元可以利用的角度范围是(0，+θ)和(-θ，0)，只利用了可旋转角度范围(-θ，+θ)的一半。可以证明，对于其它任意的连接，可变光束偏转器单元的角度利用范围是(-θ+δ，+δ)，δ的取值范围为(0，+θ)，可利用角度范围也是一半。
可利用偏转角度范围大小决定了可实现连接的端口数量，在可变光束偏转器阵列和输入输出端口阵列为二维阵列的情况下(这是目前大规模光开关普遍采用的方式)，一半的角度利用范围意味着4倍的端口数量的降低。理论上，可以给与可变光束偏转器的每个单元一定的偏置，即每个可变光束偏转器单元的偏转中心不同，以充分利用可变光束偏转器偏转角度范围，但实际应用中极难实现。
可以证明，针对图3a和图3b的方案，可实现的光开关端口数量N1由下式给出：
上述(1)式中R为基底(302)到平面反射镜(305)的距离，ω1为光信号在可变光束偏转器单元上的光斑大小，a为ω1与可变光束偏转器周期的比值，称为占空比。对于此方案，应注意高斯光束的束腰应放在平面反射镜(305)处，以获得最小的耦合损耗，因此ω1为高斯光束光斑大小而非束腰大小。
下一代光通信网络对光开关端口数量的需求与日俱增，迫切需要几百甚至上千端口数量的光开关，而传统的由低端口数量光开关拼接形成更大规模光开关的方法具有连接复杂、成本高昂、插入损耗大等缺点。因此，提高单个光开关端口的数量具有重要的价值。
综上所述，单边光开关和更大端口数量是下一代光网络对光开关的迫切需求，本发明根据这一需要，提供了一种具有大端口数量的单边光开关。
发明内容
采用输入输出端口阵列(即输入和输出共用一个端口)、可变光束偏转器阵列和一个平面反射镜实现单边光开关具有光学元件少，光路简单明快的特点，但只能利用可变光束偏转器可偏转角度范围的一半。本发明的思路是，在输入输出端使用同轴的光准直器阵列，输入和输出多路平行的准直光信号，并使每路准直光信号入射到可变光束偏转器阵列的对应单元上。用反射会聚透镜代替平面反射镜，从而完全利用可变光束偏转器单元的偏转角度范围，在一维情况下，使单边光开关的端口数量提高2倍，在二维情况下，使单边光开关的端口数量提高4倍。
如图4所示，本发明提供的一种单边光开关(400)，其特征在于，包含：
1.一个输入输出端口阵列(401)，包含有多个输入输出端口，用于输入和输出多路平行的准直光信号(406)；
2.一个基底(402)，包含一个可变光束偏转器阵列(403)，并具有一个中心(404)；
3.一个反射会聚透镜(405)，具有一个光轴(409)和一个焦距f。
可变光束偏转器阵列(403)每个单元与输入输出端口阵列(401)的各个端口一一对应，其位置与对应端口的准直光信号到达基底(402)的位置重合。
从输入输出端口阵列(401)任一端口输入的准直光信号入射到可变光束偏转器阵列(403)对应的单元上，并被反射，产生选择性角度改变，到达反射会聚透镜(405)，被反射会聚透镜(405)反射后，返回到可变光束偏转器阵列(403)任一单元上，被反射并再次产生选择性角度改变，到达输入输出端口阵列(401)的任一端口输出，实现任意两个端口的光路连接。
多路光信号(406)是平行的准直光信号，在可变光束偏转器阵列(403)各单元处于偏转中心状态的情况下，入射到可变光束偏转器阵列(403)的对应单元上、被反射至反射会聚透镜(405)、被反射会聚透镜(405)反射、再次到达可变光束偏转器阵列(403)时，多路光信号(406)汇聚于可变光束偏转器阵列(403)的中心(404)。当可变光束偏转器产生角度偏转时，其角度范围覆盖输入输出端口阵列(401)的所有端口，从而每个可变光束偏转器单元的偏转角度范围得到充分利用。
反射会聚透镜(405)的光轴(409)通过可变光束偏转器阵列(403)的中心(404)，光轴(409)的方向与入射准直光信号(406)经基底平面(402)反射后的方向平行，即光轴(409)与准直光信号(406)的方向相对于基底(402)的法线(410)成镜像对称。优选地，基底(402)与反射会聚透镜(405)的距离RL(407)等于反射会聚透镜(405)的焦距f。
准直光信号可以是多模的也可以是单模的，在单模情况下，多路准直光信号(406)具有高斯光束的特性，并具有相同的束腰ω，为使任意两个输入输出端口的连接具有最低的插入损耗，输入输出端口阵列(401)的中心光信号的束腰应设在可变光束偏转器阵列(403)的中心处(404)，并使基底(402)到反射会聚透镜(405)的距离RL(407)为束腰ω所对应的瑞利长度，设光信号的波长为λ，瑞利长度由下式表示：
由于基底(402)的法线(410)并不与准直光信号(406)的方向平行，当中心光信号的束腰ω处在可变光束偏转器阵列(403)的中心(404)处时，其它端口的光信号的束腰并不在对应的可变光束偏转器单元上，但从镜像光学的角度看，多路光信号的所有束腰都在与反射会聚透镜(405)的光轴(409)垂直的平面(412)上，由于该平面到反射会聚透镜(405)的距离设为反射会聚透镜(405)的焦距f，该平面(412)即为反射会聚透镜(405)的焦平面，同时由于焦距f设为与束腰ω所对应的瑞利长度，多路光信号经反射会聚透镜(405)反射后再次到达焦平面(412)时的束腰大小不变，从而消除了束腰大小不匹配引入的耦合损耗。
输入输出端口阵列(401)到基底(402)的距离为L(408)，L的最低要求是输入输出端口阵列(401)不会阻挡由可变光束偏转器阵列(403)和反射会聚透镜(405)的反射光信号。
输入输出端口阵列如图5a所示可以是通过拼接多个独立的同轴光准直器(502)而成，也可以是如图5b所示由一个光波导(光纤)阵列(503)和一个小透镜阵列(504)组合而成。
光开关的端口数量N由可变光束偏转器(403)的角度偏转范围(记为±θ)、基底(402)到反射会聚透镜(405)的距离RL(407)、以及可变光束偏转器驱动器的噪声水平决定。对于给定的驱动器噪声水平，在二维矩阵式排布方式下，端口数量N2由下式给出：
上述(3)式中的a为光信号束腰ω与可变光束偏转器周期的比值，一般为0.15到0.25之间。如果取a为0.25，RL取100毫米，θ取2.5度，ω取0.218毫米，由(3)式可算出光开关端口数量为400。
为了比较本发明提供的单边光开关可实现的端口数量与图3a和图3b所示的现有技术可实现的端口数量，需要比较(1)式和(3)式。初看两者有相同的表达式，在束腰ω和ω1相同、RL与R相同、占空比a相同时，(1)式和(3)会得到相同的端口数量。一方面这似乎可以从图4所示的反射会聚透镜(405)的特性理解，设可变光束偏转器角度偏转一个角度β，光信号经过反射会聚透镜(405)反射后，在焦平面(412)上覆盖的宽度为tan(2β)·RL；而对同样的β，图3a和图3b所示的现有技术，光信号经平面镜(305)反射后，覆盖的宽度为2tan(2β).R，在RL与R相等时，将比本发明提供的光开关端口数量大两倍，但考虑到图3a和图3b所示的现有技术角度偏转范围利用率只有(-θ，+θ)的一半，两个因素抵消，导致端口数量的表达式(2)和(3)表观一致。
以上分析从一个侧面比较了本发明提供的单边光开关端口数量与现有技术的比较，有一定的参考意义，是在RL与R相等的前提下得到的，以下分析可以看到这个，这个前提并不正确。
原则上图3a和图3b所示的现有技术可以不断提高平面反射镜(305)到基底(302)的距离---式(1)中的R，以不断提高光开关的端口数量；本发明提供的光开关也可以不断提高反射会聚透镜(405)到基底(402)的距离---式(3)中的RL，以不断提高光开关的端口数量。RL和R相等并不能作为衡量可实现光开关端口数量的条件。真正的限制条件是光开关对噪声的容忍度，在可变光束偏转器为可旋转反射镜的情况下，表现为噪声引起的一对可旋转反射镜旋转角度的微小变化引入的插入损耗的增加量。
可以证明，设可旋转反射镜偏转角度的微小变化量为Δβ，对图3a和图3b所示的现有技术，引入的耦合损耗IL1(dB)为：
对本发明提供的光开关，引入的耦合损耗IL2(dB)为：
比较式(4)和式(5)，可以看到可旋转反射镜阵列参数(a、±θ、Δβ)相同的情况下，如果端口数量相同(即N1＝N2)，则本发明提供的光开关产生的耦合损耗比图3a和图3b所示的现有技术产生的耦合损耗小4倍；同理，在耦合损耗相同的情况下(即IL1＝IL2)，则本发明提供的光开关的端口数量N2可比图3a和图3b所示的现有技术的端口数量N1大4倍。
输入输出端口阵列(401)和可变光束偏转器阵列(403)可以是一维排布的也可以是二维排布的，优选二维排布的方式，可使光开关的端口数量相对一维排布成平方关系增加。针对二维排布方式，可变光束偏转器阵列(403)的每个单元需在两个方向上产生角度偏转，排布方式可以是如图6a所示的矩阵式排布，也可以是图6b所示的蜂窝式排布，其它具有一定中心对称性的排布方式也是可以的。
可变光束偏转器的驱动方式优选具有较高集成度和占空比的微机械驱动，驱动方式可以是静电驱动、压电驱动、热驱动和电磁驱动。
一般微机械驱动的可变光束偏转器响应速度在毫秒量级，对光开关的开关速度要求快于毫秒的应用情况，可选择基于液晶或硅基液晶的相位型可变光束偏转器。
综上所述，本发明提供的单边光开关，可以实现任意两个端口的光路连接，不再需要区分输入和输出端口，具有很大的灵活性。同时通过引入平行的准直光信号和反射会聚透镜，可充分利用可变光束偏转器的角度偏转范围，在一维情况下提高光开关端口数量2倍，二维情况下提高光开关端口数量4倍。本发明提供的单边光开关还具有光学系统简单，成本低的特点。
附图说明
图1a现有技术，传统的双边光开关
图1b现有技术，传统的双边光开关不能实现输入或输出端口之间的连接
图1c现有技术，传统的双边光开关需要两个连接以实现双向通信
图2a单边光开关的功能图
图2b现有技术，通过连接N个1xN光开关实现N端口单边光开关
图2c现有技术，通过矩阵反射镜实现N端口单边光开关
图3a现有技术，一种单边光开关
图3b现有技术，可变光束偏转器的偏旋角度范围只利用了一半
图4本发明提供的单边光开关
图5a本发明提供的单边光开关中的输入输出端口阵列的第一种实现方式
图5b本发明提供的单边光开关中的输入输出端口阵列的第二种实现方式
图6a本发明提供的单边光开关中的输入输出端口阵列的第一种排布方式
图6b本发明提供的单边光开关中的输入输出端口阵列的第二种排布方式
图7本发明提供的单边光开关中的第一个实施例
图8本发明提供的单边光开关中的第二个实施例
具体实施方式
[实施例1]
如图7所示，本发明提供的单边光开关的一个实施例(700)，包含：
1.一个输入输出端口阵列(701)，包含有多个输入输出端口，由多个独立的光准直器按矩阵式排布方式组成，用于输入和输出多路平行的准直光信号(706)；
2.一个基底(702)，包含一个可变光束偏转器阵列(703)，并具有一个中心(704)；
3.一个反射会聚透镜(705)，具有一个光轴(709)和一个焦距f。
可变光束偏转器阵列(703)由微机械驱动的可旋转反射镜阵列组成，驱动方式为静电驱动，可在两个方向上产生角度偏转。可旋转反射镜阵列(703)每个单元与输入输出端口阵列(701)的各个端口一一对应，其位置与对应端口的准直光信号达到基底(702)的位置重合。
从输入输出端口阵列(701)任一端口输入的准直光信号入射到可变光束偏转器阵列(703)对应的单元上，并被反射，产生选择性角度改变，到达反射会聚透镜(705)，被反射会聚透镜(705)反射后，返回到可变光束偏转器阵列(703)任一单元上，被反射并再次产生选择性角度改变，到达输入输出端口阵列(701)的任一端口输出，实现任意两个端口的光路连接。
多路光信号(706)是平行的准直光信号，在可变光束偏转器阵列(703)各单元处于偏转中心状态的情况下，入射到可变光束偏转器阵列(703)的对应单元上、被反射至反射会聚透镜(705)、被反射会聚透镜(705)反射、再次到达可变光束偏转器阵列(703)时，汇聚于可变光束偏转器阵列(703)的中心(704)。当可变光束偏转器产生角度偏转时，其角度范围覆盖输入输出端口阵列(701)的所有端口，从而每个可变光束偏转器单元的偏转角度范围得到充分利用。
反射会聚透镜(705)的光轴(709)通过可变光束偏转器阵列(703)的中心(704)，光轴(709)的方向与入射准直光信号(706)经基底平面(702)反射后的方向平行，即光轴(709)与准直光信号(706)的方向相对于基底法线(710)成镜像对称。基底(702)与反射会聚透镜(705)的距离(707)等于反射会聚透镜(705)的焦距f。
多路准直光信号是单模高斯光束，并有相同的束腰ω，为使任意两个输入输出端口的连接具有最低的插入损耗，输入输出端口阵列(701)的中心光信号的束腰设在可变光束偏转器阵列(703)的中心处(704)，并使反射会聚透镜(705)的焦距(707)为束腰ω所对应的瑞利长度，设光信号的波长为λ，焦距由下式表示：
光开关的端口数量N由可变光束偏转器(703)的角度旋转范围(记为±θ)、反射会聚透镜(705)的焦距f(707)、以及可变光束偏转器驱动器的噪声水平决定。对于给定的驱动器噪声水平，端口数量N由下式给出：
上述(7)式中的a为光信号束腰ω与可变光束偏转器周期的比值，取a为0.25；焦距f取100毫米，θ取2.5度，ω取0.218毫米，由(7)式可算出光开关端口数量为400。
对于可旋转反射镜偏转角度的微小变化量Δβ，本实施例提供的光开关引入的耦合损耗IL(dB)为：
在取端口数量为400，驱动器的噪声引起的Δβ取0.02度，得到耦合损耗约为0.88dB。
[实施例2]
本发明提供的单边光开关的一个实施例(800)如图8所示。
与实施例1类似，只是将图7中所示的输入输出端口阵列(701)用图5b所示的光准直器阵列(在图8中对应为801)代替，它是由一个小透镜阵列(802)和一个光纤阵列(803)组成。光纤阵列(803)的每根光纤与小透镜阵列(802)的各个小透镜单元一一对应，且相对位置一致，产生多路平行的准直光信号(806)。在本实施例中，光纤阵列(803)、小透镜阵列(802)、可变光束偏转器阵列(803)按蜂窝状排布。其余特性与实施例1相同。
Claims (12)
1.一种单边光开关，其特征在于，包含有：
一个输入输出端口阵列，包含有多个输入输出端口，用于输入和输出多路平行的准直光信号；
一个基底，包含一个可变光束偏转器阵列，并具有一个中心；
一个反射会聚透镜，具有一个光轴和一个焦距；
所述可变光束偏转器阵列的每个单元与所述输入输出端口阵列的各个端口一一对应，其位置与对应端口的准直光信号到达所述基底的位置重合；其中，所述可变光束偏转器阵列由可旋转反射镜阵列组成；
从所述输入输出端口阵列任一端口输入的光信号入射到所述可变光束偏转器阵列对应的单元上，并被反射，产生选择性角度改变，到达所述反射会聚透镜，被所述反射会聚透镜反射后，返回到所述可变光束偏转器阵列任一单元上，被反射并再次产生选择性角度改变，到达所述输入输出端口阵列任一端口输出，实现任意两个端口的光路连接；
所述多路平行的准直光信号，在所述可变光束偏转器阵列各单元处于偏转中心状态时，入射到所述可变光束偏转器阵列的对应单元上、被反射至所述反射会聚透镜、被反射会聚透镜反射、再次到达所述可变光束偏转器阵列时，汇聚于所述可变光束偏转器阵列的中心；
所述反射会聚透镜的光轴通过所述可变光束偏转器阵列的中心，其方向与所述准直光信号经所述基底平面反射后的方向平行。
2.根据权利要求1所述的一种单边光开关，其特征在于，所述输入输出端口阵列由多个独立的光准直器单元组成。
3.根据权利要求1所述的一种单边光开关，其特征在于，所述输入输出端口阵列由一个光波导阵列和一个小透镜阵列组成。
4.根据权利要求1所述的一种单边光开关，其特征在于，所述可变光束偏转器阵列由一个反射镜阵列和一个微机械驱动器阵列组成。
5.根据权利要求4所述的一种单边光开关，其特征在于，所述微机械驱动器阵列的驱动方式为静电驱动、压电驱动、热驱动和电磁驱动中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种单边光开关，其特征在于，所述可变光束偏转器阵列是一个位相型液晶光束偏转器阵列或硅基液晶光束偏转器阵列。
7.根据权利要求1所述的一种单边光开关，其特征在于，所述输入输出端口阵列为一维或二维排布，所述可变光束偏转器阵列可在一个或两个方向上对光信号进行偏转。
8.根据权利要求7所述的一种单边光开关，其特征在于，所述二维排布方式为矩阵式或蜂窝式排布。
9.根据权利要求1-8所述的任一种单边光开关，其特征在于，所述准直光信号是高斯光束，具有一个束腰，所述可变光束偏转器阵列的中心位于所述多路准直光信号的束腰所在平面上。
10.根据权利要求9所述的一种单边光开关，其特征在于，所述反射会聚透镜到所述基底的距离等于所述反射会聚透镜的焦距。
11.根据权利要求10所述的一种单边光开关，其特征在于，所述反射会聚透镜的焦距为所述准直光信号的束腰对应的瑞利长度。
12.根据权利要求1-8所述的任一种单边光开关，其特征在于，所述反射会聚透镜到所述基底的距离等于所述反射会聚透镜的焦距。
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