CN1070745A - 纵横制光切换开关 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种安装在波导结构上可用作光 网络中的切换器件的微型机械开关。该器件包括悬 在波导6中的空隙10上方的可单独偏移的元件2。 该可单独偏移元件有一可随该元件的动作上升或下 降的垂直的金属结构4附于其上。光闸的上升或下 降用于控制传播通过该波导的光。

Description

本发明涉及纵横制光切换开关，特别涉及用作纵横制切换开关的类似于可变形镜器件的结构。

对高速并行计算的需要业已带动了对用来控制信息流的高速可重组交换网络的需求。光传输提供必要的高速度以充分利用并行处理器的能力。可重组交换网络可以由可编程纵横制交换来实现。

纵横制切换开关可允许N个输入的任一个与M个输出的任一个连接，这可以由许多不同的方法来实现，其中之一是利用空间光调制器，例如可变形镜器件，将光从一光路反射到另一光路。光进入一端若未被调制就会传导出另一端。若可变形镜器件偏转，光或是反射回它的输入端或是切换到又一端作为输出。

连接在一起的这类切换开关的数目决定着所能达到的输入输出连接的可能组合的多少。每个切换开关都需要光束分离器与光束组合器，以及空间光调制器。这样形成的网络有些不够实用。另外在生产环境中制造这样一种网络是困难和费钱的。

本发明提供一种纵横制光交换结构，它所达到的目的和优点是显而易见的，并将在下文部分地展示。该结构包括一具有许多波导和许多附有垂直的金属结构、悬于这些波导中的接合部之上的金属元件的网络。接合部具有在其上蚀刻出的间隙。置于该波导结构中或下面的电极，当以电方式寻址时就对靠铰链悬挂的金属元件产生静电吸引。该金属元件绕其铰链偏向电极，从而降低垂直的金属结构，使它进入该波导的间隙。因此波导中的光由该金属结构引导或分束。

图1a和1b示出一金属光闸结构。

图1c示出一交叉的波导结构。

图2示出交叉波导结构的两个状态。

图3a和3b示出交叉点切换开关的变形。

图4示出交换网络的例子。

图5a-5d示出Y型分支切换开关。

图6示出1-对-4的分束器。

图7示出交换网络的另一个例子。

目前可用的可变形镜器件（DMD）对纵横制交换提供了前所未有的机遇。可以用作光切换器件的一种可变形镜器件包括靠一个或多个支柱悬于空气间隙上的金属元件，在空气间隙的底部有一电极。可以改变这制造过程，使金属元件有一纵向结构附在其下面，当该电极被电方式寻址时就朝电极向下偏移。结果是金属结构可迅速地上升和下降并容易使垂直的光闸定位以允许或阻止光的传输。

这些结构之一示于图1a中。金属元件2靠支柱8a和8b悬于波导6上。附在金属元件上的光闸结构4被示出悬挂在空气间隙的上方。这一可变形镜器件的实施例，由两个支柱支持该金属元件因而称作扭转梁。作为替代，光闸可附在靠一边支持的DMD上称作悬臂梁，或靠四边支持的称为挠曲梁。所有这些实施例都以相同的方式工作。

在图1b中说明光闸的工作。在扭转梁DMD中一般有两个通常置于毗邻空气间隙的位置上的寻址电极。这些电极的一些可能位置示于位置11a-11f中。当两电极之一被寻址，该金属元件向该电极倾斜，使由铰链9a和9b形成的横梁扭转。这样使金属光闸4伸进该波导空隙10中阻止光的传输。另一方面，该光阀可以制成在未被寻址的状态下是处于空隙中的，当对另一侧的电极寻址时，该金属元件离开该空隙而倾斜，该光闸就会移出该空隙而允许光的传输。为便于说明，将假定光闸在未被寻址或OFF状态时位于该空隙之外。

图1c中示出在光交换中该结构的应用。该交叉结构包括两输入端12和16，光闸空隙10以及两输出端14和18。角度20以及光阀空隙10的厚度可根据最大功率通过量而计算得出。在下面所有的实施例中，仅述及光闸空隙，而应该理解该空隙将由如上所述的器件装填。

图2中示出该交叉结构的两种状态。该图中仅示出了两个波导。当然可多于2个。当光经过12端进入该结构就沿箭矢22的方向传播。若该光闸空隙处于未被寻址的“OFF”状态时，光就沿箭矢24和26在14端传输出该交换结构，这就是横向状态（cross    state）。若对光闸空隙10下的电极寻址，该光闸下降使原来沿箭矢22传播的光从空隙中的光闸反射出去而沿箭矢28和30在18端传输出该结构，这即纵向状态（bar    state）。

图3a和3b是这种交叉点切换开关的变形。在该实施例中仅有一个输入端和两个输出端。光经34端进入切换开关而在箭矢36的方向上传播，当光阀空隙32打开，接着就在箭矢38的方向上传输出40端，该状态如图3a所示。图3b中该光闸空隙32被阻塞。光进入34端就从空隙32中的光闸反射出去指向箭矢42的方向并传输出44端。作为替代可通过在寻址电极上施加较低电压以部分地降低光闸，形成可变比例的分束器，通至40和44端的功率量取决于光束的多少被光闸所偏折。

图2、3a和3b中的结构可以连接形成一交换网络，如图4所示的4×4纵横制交换网络。这里采用上述两种结构的组合。包括46端、光闸空隙54和路径47a和49a的结构是图3a和3b中的一输入端、两输出端的结构。包括路径49a、45a、45b和45c，与光闸43的结构是图2的交叉波导结构。在该构造中从46、48、50或52的任一端进入的光可从58、64、70或72的任一端出去。

这可以由许多上升和下降的光闸的组合来实现。例如，进入46端的光可以如下所述地在58端输出。若光闸空隙54打开光就会通过路径47a。光随后从47a传播到47b到47c。让光闸空隙53打开，光就以路径47c的方向传播直到遇到阻塞着的光闸空隙56。光随后导向路径47d至47e和47f。让光闸空隙53b打开，光就射出58端。

光从46端到64端的传输可以类似地完成。在这种情况下，若光闸空隙54堵塞，进入46端的光就会导向49a。光沿路径49a的方向直线传输直到到达也被堵塞的光闸空隙60。光随后导向路径49b并在该方向接着传输直到抵达光闸空隙62，由于光闸空隙62处于堵塞状态，就沿路径49c偏折射出64端。

光能以传输到64端的相同方式导向70端。在这种情况下，在光沿路径49a传导后通过现在开着的光闸空隙60，并入射到阻塞的光闸空隙66，使光偏折沿路径51a至阻塞的光闸空隙68，而使光偏折沿路径51b至70端。最后，要使光从第四端72射出，阻塞的光闸空隙54会使光沿路径49a偏折，由于没有光闸空隙被阻塞因而使光直接射出72端。

图5a-5d中示出另一种一个输入端、两个输入端的构造。图5a中示出基本的结构。与两输出端之一跟输入端成一线不同，两输出端以夹角20偏置于输入端中轴的两边，该结构有两个光闸空隙，对光的方向提供更多的选择。图5a中，光进入74端并以箭矢76的方向传播。若光闸空隙78a和78b打开，光就分开以箭矢80a和80b的方向传播，分别从82和84端出射。光射出各端的比例可如上所述，通过调节使光闸下降的距离受到控制的电压来进行控制。

图5b中，光闸空隙78a堵塞而光闸空隙78b打开。光进入74端后，在箭矢76的方向上传播直到抵达堵塞的光闸空隙78a，同时光通过开着的光闸空隙78b并沿箭矢86射出84端。实际出射的光量还是由光闸空隙78b的阻塞量来控制。图5c中，示出与之相对的光闸形态。光闸空隙78a打开而光闸空隙78b堵塞。在这种情况下光进入74端并会导向路径88射出82端。最后当两个光阀空隙均堵塞，任何入射74端的光都被反射而没有光会射出82或84端的任一端。

图6中，另外两个Y型结构连接在一个Y型结构的两输出端上。这样光既可全部地从四个端中的任一端导出，也可分开到这四个端口构成1-对-4的分束器。光进入74端可以分束分别通过光闸空隙78a和78b，沿路径79a和81a传播至路径79b和81b。如果在上面的路径79b上90a和90b两个光闸空隙都打开，光又会分束沿路径79c和79d出射94和96端。如果在下面的路径81b上92a和92b两个光阀空隙也都打开，光又会分束沿路径81c和81d出射98和100端。另外，光可以全部地在任一端出射，或对所要降下的光闸进行适当的选择就可分开到任何两个或三个端口。

图7中，图5a-5d中的Y型结构被连接在具有图2中的交叉结构的网络中。适当地选择许多可能的光闸组合中的某一种，入射到102，104，106或108中任一端的光，也可从116，122，128或132中任一端导出。另外，光可以在任意两端或三端，或是四端间分束。例如，光进入102端可选择光闸空隙110a阻塞而让光闸空隙110b开着以导向路径109a。这样光在与路径109a相同的方向上传播直到其到达下一个阻塞的光闸空隙112，它会使光在路径109b上传播。光会一直在109b方向上直到它入射到被放下的阻塞的光闸空隙114a而通过打开的光闸空隙114b传播出116端。

类似地，光也可以引导至122端输出，若按照上面所述的起始部分直到光闸空隙112，光闸空隙112打开允许光继续在路径109a的方向上直到其到达阻塞的光闸空隙118使光导向路径111。尔后光会传播到阻塞的光阀空隙120a，使其偏折通过开着的光闸空隙120b从122端出去。要使光导出128端，可让光闸空隙118开着而选定光闸空隙124（堵塞）。这就会使光沿路径113导向阻塞的光闸空隙126a，通过开着的光阀空隙126b而从128端出射。最后可以让在光闸空隙110a和130b之间的所有光闸空隙处于开位置而阻塞住光闸空隙130b，光就会从132端导出。还可以沿许多不同的路径引导以达到相同的结果，但上面的叙述是用以说明该网络的适应性。另外空隙也可直接横在输入的波导端口上而设置，以允许各端的单独控制。

这类器件的优点是很多的。如上面详述的，它们在光传导上可有许多不同的可能性。它可进行整体的制造。在一基底上在预定的各位置上形成多个电极，之后在电极的上方形成波导壳体和内芯。随后在该波导结构的顶部覆盖一层有机隔层并成型。接着金属被淀积、构图并蚀刻来形成金属元件、铰链和光闸。最后去除有机隔层以允许金属元件活动自如。成品结构具有位于波导中所形成的空隙的上方的金属光闸，与在金属元件下面以允许对其寻址的电极。

由于这些制造方法，因而它们比起以前的光切换开关更为便宜，更小和更快。使镜子偏移的切换时间近10μsec。这使得重组的时间极为短暂。制造的相对容易使得生产率得以提高和浪费的资源减少。

尽管至此的说明只是交换器件的一个特定的实施例，但这类特定的说明除了后面提出的权利要求书外，并不意味着是用来限定本发明的范围的。

Claims (8)

1、一种切换器件，其特征在于包括：

a.基底

b.在所述基底上的波导结构，包括至少一个输入端和一个输出端，所述波导结构在所述波导中在所述输入端和所述输出端之间至少有一个空隙；

c.位于所述空隙上面悬在至少一个铰链上的金属元件，所述金属元件还包括附于所述金属元件下面的垂直的金属结构；

d.至少一个位于所述空隙邻近位置的电极，对它可实行电方式寻址使所述金属元件和垂直的金属结构偏移。

2、如权利要求1所述的切换器件，其特征在于所述波导结构有两个输入端和两个输出端，当光进入任一所述输入端时所述垂直的金属结构可决定所述光从哪一个输出端出射。

3、如权利要求1所述的切换器件，其特征在于所述波导结构有一个输入端和两个输出端，而所述输出端之一在与所述输入端相同的轴上。

4、如权利要求1所述的切换器件，其特征在于所述波导结构有一个输入端和两个输出端，所述两个输出端都偏离所述输入端的轴，与该轴成一定的夹角。

5、一种切换器件，其特征在于包括：

a.基底

b.在所述基底上的波导结构，包括至少一个输入端和一个输出端，所述波导结构在所述波导中在所述输入端和所述输出端之间至少有一个空隙;

c.位于靠近所述空隙附近连接于至少一个铰链上的可受静电吸引的元件，所述反射性元件还包括附在所述反射性元件上的反射性结构;和

d.至少一个位于所述空隙邻近位置的电极，对它可实行电方式寻址，使所述可用静电方式偏移的元件和所述反射性结构发生偏移。

6、如权利要求5所述的切换器件，其特征在于所述反射性结构连接在所述可用静电方式偏移的元件的下面。

7、如权利要求5所述的切换器件，其特征在于所述反射性结构由金属构成。

8、如权利要求5所述的切换器件，其特征在于所述可用静电方式偏移的元件由金属构成。

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