CN107678097B - 光开关和光交换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光开关和光交换系统，该光开关包括第一波导、第二波导和可动波导，第一波导和第二波导相对于衬底不可移动，均位于第一平面内，且存在光学耦合关系；可动波导相对于衬底可以移动，可以与第一波导的第一输入部或第一输出部光学耦合；当可动波导处于第一位置时，与第一波导光学解耦，光开关处于关状态；当可动波导处于第二位置时，与第一输入部或第一输出部光学耦合，光开关处于开状态。本发明实施例的光开关通过改变可动波导的位置改变光信号的传输方向，不存在交叉的光波导，从而不会因为交叉引入损耗，并且在关状态下光信号不需经过耦合器，在开状态时光信号只需经过一个耦合器，又进一步减小了损耗。

Description

光开关和光交换系统
技术领域
本发明涉及光通信领域，并且更具体地，涉及一种光开关和光交换系统。
背景技术
随着密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)技术的发展,光纤通信链路中信息传输的速度和容量日益增长，对光通信网络(例如城域网、数据中心等)中信息交换速度和容量的需求也随之增长。全光交换系统成为光通信网络的发展趋势。光开关是实现全光交换系统的关键器件，它可以实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接、自愈保护等功能。目前的光开关主要包括传统的机械结构光开关、微电子机械系统(MicroElectrical-Mechanical System，MEMS)光开关、液晶光开关、波导型光开关和半导体光放大器光开关等。
传统的MEMS光开关通常基于静电致动的微反射镜结构，具有插入损耗低、串扰小、消光比高、可扩展性好和控制简单等优点，规模可达1000端口以上，但由于微反射镜旋转速度慢，这类光开关的切换速度通常只能达到毫秒量级，无法满足未来微秒级开关速度的需求。硅基波导型光开关由于其工艺与成熟的互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容，具有成本低、集成度高等优点，易于实现大规模光开关矩阵。利用硅材料的热光效应可以使光开关切换速度达到微秒量级，但硅材料的热光效应较弱，导致折射率变化较小，因此需要嵌入到马赫增德尔干涉仪(Mach-Zehnderinterferometers，MZI)结构中才能实现1×2或者2×2的光开关。大规模的光开关矩阵由光开关级联而成，而MZI结构的光开关在开和关两个状态都有较显著的损耗，且损耗会随着光开关矩阵的规模增大而迅速增长。硅基波导型光开关存在的插入损耗大的问题，限制了其应用。
因此，实现微秒级切换速度、低插入损耗、大端口数和低成本的光开关矩阵是未来发展全光交换技术的重要部分。
发明内容
本申请提供一种光开关和光交换系统，该光开关和光交换系统的切换速度快并且损耗低。
第一方面，本申请提供了一种光开关，所述光开关设置于衬底上，所述光开关包括第一波导、第二波导和可动波导，所述第一波导相对于所述衬底不可移动，所述第一波导包括第一输入部和第一输出部，所述第一波导的第一输入端口IP1位于所述第一输入部的一端，所述第一波导的第一输出端口OP1位于所述第一输出部的一端，所述第一输入部的另一端与所述第一输出部的另一端相连接；所述第二波导相对于所述衬底不可移动，所述第二波导包括第二输入部和第二输出部，所述第二波导的第二输入端口IP2位于所述第二输入部的一端，所述第二波导的第二输出端口OP2位于所述第二输出部的一端，所述第二输入部的另一端与所述第二输出部的另一端相连接，所述第一波导和所述第二波导均位于第一平面内，所述第一波导和所述第二波导存在光学耦合关系；所述可动波导相对于所述衬底可以移动；其中，当所述可动波导处于第一位置时，(1)所述可动波导与所述第一波导光学解耦，(2)IP1与OP2光学导通，IP2与OP1光学导通，并且IP1与OP1光学阻断，IP2与OP2光学阻断；当所述可动波导处于第二位置时，(1)所述可动波导与所述第一输入部或所述第一输出部光学耦合，(2)IP1与OP1光学导通，IP2与OP2光学导通，并且IP1与OP2光学阻断，IP2与OP1光学阻断。
其中，可动波导处于第一位置时光开关可以称为关(Through)状态，可动波导处于第二位置时光开关可以称为开(Drop)状态。
可选地，本申请第一方面的光开关的可动波导可以是MEMS光波导。
可选地，本申请第一方面的光开关中所述第一平面可以是与所述衬底平行的平面。
可选地，本申请第一方面的光开关中的第一波导和第二波导可以是V形的。
本申请的第一方面的光开关包括2个固定在衬底上的波导和1个相对于衬底可移动的可动波导，2个固定的波导之间存在光学耦合关系，通过改变可动波导与1个固定的波导的位置关系来改变光信号的传输方向，该光开关中不存在交叉的光波导，从而不会因为交叉引入损耗，并且光开关在关状态下光信号不需经过耦合器，在开状态时光信号只需经过一个耦合器，又进一步减小了损耗。
在第一方面的一种可能的实现方式中，当所述可动波导处于第一位置时，沿着光信号的传输方向，所述第一波导的有效折射率是逐渐变化的，所述第一输入部的有效折射率和所述第一输出部的有效折射率分别是逐渐变化的，所述第二波导的有效折射率是逐渐变化的，所述第二输入部的有效折射率和所述第二输出部的有效折射率分别是逐渐变化的。
具体地，当所述可动波导处于第一位置时，沿着光信号的传输方向，所述第一波导的有效折射率逐渐减小，所述第一输入部的有效折射率和所述第一输出部的有效折射率分别逐渐减小，所述第二波导的有效折射率逐渐增大，所述第二输入部的有效折射率和所述第二输出部的有效折射率分别逐渐增大；或者，当所述可动波导处于第一位置时，沿着光信号的传输方向，所述第一波导的有效折射率逐渐增大，所述第一输入部的有效折射率和所述第一输出部的有效折射率分别逐渐增大，所述第二波导的有效折射率逐渐减小，所述第二输入部的有效折射率和所述第二输出部的有效折射率分别逐渐减小。
在本可能的实现方式中，2个固定的波导的有效折射率是逐渐变化的，改变可动波导与第一波导的第一输入部的位置关系或改变可动波导与第一波导的第一输出部的位置关系，第一波导和可动波导作为一个整体的有效折射率相比于可动波导与第一波导光学解耦时的第一波导有效折射率发生变化，从而影响光信号的光场的分布，实现光开关的关状态与开状态之间的切换。
所述第一输入部与所述第一输出部的连接处的有效折射率可以与所述第二输入部与所述第二输出部的连接处的有效折射率相等。具体而言，可以通过改变波导的宽度来调节波导的有效折射率。此外，还可以通过波导的高度或材料来调节波导的有效折射率。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一输入部的第一输入端口IP1处具有第一宽度，所述第一输入部与所述第一输出部的连接处具有第二宽度，所述第一输出部的第一输出端口OP1处具有第三宽度；所述第二输入部的第二输入端口IP2处具有所述第三宽度，所述第二输入部与所述第二输出部的连接处具有第二宽度，所述第二输出部的第二输出端口OP2处具有第一宽度。
其中，所述第一宽度大于所述第二宽度，且所述第二宽度大于所述第三宽度；或所述第一宽度小于所述第二宽度，且所述第二宽度小于所述第三宽度。
在第一方面的一种可能的实现方式中，沿着光信号的传输方向，所述第一波导和所述第二波导的间距逐渐变小后又逐渐变大，所述第一波导和所述第二波导的间距最小处，所述第一输入部和所述第一输出部相连接，所述第二输入部和所述第二输出部相连接，所述第一输入部和所述第二输入部的间距逐渐变小，所述第一输出部和所述第二输出部的间距逐渐变大。
应理解，光信号在本申请的第一方面提供的光开关中传输时，光场的模式(也可以称为光模场)会发生演化。
该光开关各部件的有效折射率和间距的设计使得从光开关的IP1和IP2输入的光信号在关状态能分别从OP2和OP1输出，在开状态能分别从OP1和OP2输出。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述光开关还包括致动器，所述可动波导的位置由所述致动器控制。其中，所述致动器与所述可动波导之间可以通过悬臂梁连接；或者所述致动器可以由所述可动波导与平行板状的电极形成。本可能的实现方式中只包括1个致动器，致动器的数目少，使得制作成本、控制难度均大大下降。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述可动波导位于所述第一平面内，所述可动波导可以在所述第一平面内移动，以与所述第一输入部或所述第一输出部光学耦合。本可能的实现方式中，可动波导与2个固定的波导位于同一平面内，或者说位于同一层，制作工艺难度大大降低，可动波导在平面内移动，控制难度也大大下降。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述可动波导不位于所第一平面内，所述可动波导可以在垂直于所述第一平面的方向上移动，以与所述第一输入部或所述第一输出部光学耦合。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，可动波导可以位于与第一平面平行的第二平面内，可动波导可以在第二平面内移动到第一输入部或第一输出部的上方，以与第一输入部或第一输出部光学耦合。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，可动波导可以高于或低于第一波导和第二波导所在的第一平面，可动波导可以在垂直于第一平面的方向上移动到第一平面上方或下方，以与第一输入部或第一输出部光学耦合。
在第一方面的一种可能的实现方式中，沿着光信号的传输方向，所述可动波导的有效折射率是逐渐变化的。一种具体的实现中，沿着光信号的传输方向，所述可动波导的宽度可以是逐渐变化的。通过可动波导的有效折射率的逐渐变化使光信号的光模式的演化可以更加绝热，从而进一步降低开状态时光开关的损耗。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述光开关还包括光功率监控器，所述光功率监控器用于监控所述第一波导、所述第二波导、IP1、OP1、IP2和OP2中的至少一种的光功率。本可能的实现方式中的光开关通过监控各元件中光信号的功率，可以根据光信号的功率估计可动波导的位置，从而更精确的控制可动波导的位置。
第二方面，本申请提供了一种光交换系统，所述光交换系统为M×N光开关矩阵，包括M×N个第一方面所述的光开关，每个所述光开关记为SCij，其中，i取值1,2,…,M，j取值1,2,…,N，所述M×N个光开关被设置为：(1)IP1i,j与OP2i-1,j光学导通，(2)IP2i,j与OP1i,j-1光学导通，i取值2至M，j取值2至N。
在第二方面的一种可能的实现方式中，在IP11,j和OP1i,N之间存在至少一条路径中仅存在一个所述可动波导处于第二位置的光开关；在IP2i,1和OP2M,j之间存在至少一条路径中仅存在一个所述可动波导处于第二位置的光开关，i取值1至M，j取值1至N。
第二方面的光交换系统可以实现微秒级切换速度，具有低插入损耗、大端口数和低成本等优势。
应理解，波导X和波导Y光学耦合(optically coupled)是指波导X与波导Y相互靠近，使两个波导中的光场发生相互作用，从而在两个波导之间实现光能量的传递。波导X和波导Y光学解耦(optically decoupled)是指波导X与波导Y相互远离，使两个波导中的光场不发生相互作用，从而使两个波导之间不发生光能量的传递。当然不可避免地，波导X和波导Y光学解耦时，两个波导中的光场还可能存在微弱的相互作用，以致可能会有少量的光能量以串扰的形式在两个波导之间传递，这样的串扰应该越小越好。
还应理解，输入端口A与输出端口B光学导通是指在输入端口A和输出端口B之间建立了光信号的通路。当然不可避免地，当输入端口A与输出端口B光学导通时，可能会有少量的光以串扰的形式会从输出端口B以外的其他输出端口输出，或者，可能会有少量的串扰的形式的光会从输入端口A以外的其他输入端口传输到输出端口B，这样的串扰应该越小越好。
还应理解，输入端口A与输出端口B光学阻断是指输入端口A和输出端口B输出之间不存在光信号的通路。当然不可避免地，当输入端口A与输出端口B光学阻断时，可能会有少量串扰的形式的光从输入端口A传输到输出端口B，同样这样的串扰应该越小越好。
还应理解，有效折射率(effective refractive index)也可以称为等效折射率，可以记作neff，其中，neff＝β/(2π/λ)，β为波导中光场模式的传播常数，λ为光在真空中的波长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A和图1B分别为现有的光开关在关状态和开状态时的示意图。
图2为CrossBar架构的光开关矩阵的光路切换的示意图。
图3A和图3B分别为本发明一个实施例的光开关的结构的示意性框图。
图4A为本发明一个实施例的光开关处于关状态的示意性框图；图4B为本发明一个实施例的光开关处于开状态的示意性框图。
图5为本发明另一个实施例的光开关的结构的示意性框图。
图6A为光信号在本发明一个实施例的关状态的光开关中的模式变化；图6B为光信号在本发明一个实施例的开状态的光开关中模式变化。
图7为本发明一个实施例的光开关的可动波导的运动方式的的示意图。
图8A和图8B为本发明实施例的光开关的可动波导的运动方式的的示意图。
图9A和图9B为本发明实施例的光开关的可动波导的运动方式的的示意图。
图10A为本发明另一个实施例的光开关在关状态时结构的示意性框图；图10B为本发明另一个实施例的光开关在开状态时结构的示意性框图。
图11为本发明一个实施例的光交换系统的结构的示意性框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
前文中提到要实现微秒级切换速度、低插入损耗、大端口数和低成本的光开关矩阵，现有技术中提供了一种基于CrossBar架构的MEMS光开关矩阵。
图1A和图1B分别为该光开关矩阵中一个光开关100的关(Through)状态和开(Drop)状态两种状态的示意图。该光开关矩阵中的光开关100基于硅基光波导，包括上下两层光波导，下层光波导包含固定在衬底110上的交叉的2个总线光波导(Through波导120与Drop波导130)，上层光波导包含1个相对于衬底110可垂直移动的转轨光波导140，转轨光波导140采用静电致动。
如图1A所示，光开关100在关(Through)状态时，致动器未施加电压，转轨光波导140与2个总线光波导的垂直间距较大，不发生光学耦合，输入光沿着Through波导120传输并且与Drop波导130垂直相交，输出光从Through波导120输出。光开关100处于关(Through)状态时，损耗为0.01dB量级。如图1B所示，光开关100在开(Drop)状态时，致动器施加电压，转轨光波导140垂直向下移动，与2个总线光波导的垂直间距变小，与两者均发生光学耦合，形成两个在垂直方向耦合的绝热耦合器(Adiabatic couplers)。输入光先通过第一个绝热耦合器从Through波导耦合到转轨光波导140，再通过第二个绝热耦合器从转轨光波导140耦合到Drop波导130，输出光从Drop波导130输出。光开关100处于开(Drop)状态时，损耗为1dB量级。由于采用硅光技术，其器件尺寸比传统的MEMS微镜大幅度降低，切换速度达到1微秒量级。
图2为该CrossBar架构的MEMS光开关矩阵的光路切换的示意图。如图2所示，该光开关矩阵由M×N个光开关构成，形成M行N列矩阵，M×N个光开关分别位于每行和每列的交叉处，每行的N个光开关中的一个光开关的第一输出端口OP1与相邻的光开关的第一输入端口IP1相连接，每行的N个光开关中第一输入端口IP1不与其他光开关的第一输出端口OP1相连接的光开关的第一输入端口IP1为光开关矩阵的一个输入端口，每行的N个光开关中第一输出端口OP1不与其他光开关的第一输入端口IP1相连接的光开关的第一输出端口OP1为光开关矩阵的一个关(Through)端口，每列的M个光开关中的一个光开关的第二输出端口OP2与相邻的光开关的第二输入端口IP2相连接，每列的M个光开关中第二输出端口OP2不与其他光开关的第二输入端口IP2相连接的光开关的第二输出端口OP2为光开关矩阵的一个开(Drop)端口。
在图2所示的光开关矩阵的每条光路上，最多只有一个光开关处于损耗较大的开(Drop)状态，其余光开关均处于损耗很小的关(Through)状态。由此，在端口数较大时，该基于CrossBar架构的MEMS光开关矩阵的损耗比其他类型的硅基光开关的损耗要小得多，兼具了成本低、切换速度快、插入损耗低和端口数大等优点。
然而，一方面，图1A和图1B示出的光开关中位于下层的2个交叉的光波导在交叉处会引入损耗。另一方面，光开关在开(Drop)状态时需要经历两个绝热耦合器，这不仅增加了损耗，而且增加了致动器的数目和控制的难度。
针对上述问题，本发明实施例提供了一种微秒级、低插损的光开关300。如图3所示，所述光开关300设置于衬底310上，所述光开关包括第一波导320、第二波导330和可动波导340，所述第一波导320相对于所述衬底310不可移动，所述第一波导320包括第一输入部321和第一输出部322，所述第一波导320的第一输入端口IP1位于所述第一输入部321的一端，所述第一波导320的第一输出端口OP1位于所述第一输出部322的一端，所述第一输入部321的另一端与所述第一输出部322的另一端相连接；所述第二波导330相对于所述衬底310不可移动，所述第二波导330包括第二输入部331和第二输出部332，所述第二波导330的第二输入端口IP2位于所述第二输入部331的一端，所述第二波导330的第二输出端口OP2位于所述第二输出部332的一端，所述第二输入部331的另一端与所述第二输出部332的另一端相连接，所述第一波导320和所述第二波导330均位于第一平面内，所述第一波导320和所述第二波导330存在光学耦合关系；所述可动波导340相对于所述衬底310可以移动。
图3A所示的光开关的可动波导340可以与第一输出部322光学耦合。
图3B所示的光开关的可动波导340可以与第一输入部321光学耦合。
其中，当所述可动波导340处于第一位置时，(1)所述可动波导340与所述第一波导320光学解耦，(2)IP1与OP2光学导通，IP2与OP1光学导通，并且IP1与OP1光学阻断，IP2与OP2光学阻断；当所述可动波导340处于第二位置时，(1)所述可动波导340与所述第一输入部321或所述第一输出部322光学耦合，(2)IP1与OP1光学导通，IP2与OP2光学导通，并且IP1与OP2光学阻断，IP2与OP1光学阻断。
可选地，可以认为，可动波导340处于第一位置时光开关为关(Through)状态，可动波导340处于第二位置时光开关为开(Drop)状态。
可选地，本发明实施例的可动波导可以是MEMS光波导。
可选地，本发明实施例的中所述第一平面可以是与所述衬底310平行的平面。
本发明实施例的光开关包括2个固定在衬底上的波导和1个相对于衬底可移动的可动波导，2个固定的波导之间存在光学耦合关系，通过改变可动波导与1个固定的波导的位置关系来改变光信号的传输方向，本发明实施例的光开关中不存在交叉的光波导，从而不会因为交叉引入损耗，并且光开关在关状态下光信号不需经过耦合器，在开状态时光信号只需经过一个耦合器，又进一步减小了损耗。
可选地，本发明实施例的第一波导320和第二波导330可以是如图3A和图3B所示的V形的。第一波导320和第二波导330也可以是其他形状的，本发明实施例对此不作限定。
应理解，本发明实施例中，波导X和波导Y光学耦合(optically coupled)是指波导X与波导Y相互靠近，使两个波导中的光场发生相互作用，从而在两个波导之间实现光能量的传递。波导X和波导Y光学解耦(optically decoupled)是指波导X与波导Y相互远离，使两个波导中的光场不发生相互作用，从而使两个波导之间不发生光能量的传递。当然不可避免地，波导X和波导Y光学解耦时，两个波导中的光场还可能存在微弱的相互作用，以致可能会有少量的光能量以串扰的形式在两个波导之间传递，这样的串扰应该越小越好。
还应理解，输入端口A与输出端口B光学导通是指在输入端口A和输出端口B之间建立了光信号的通路。当然不可避免地，当输入端口A与输出端口B光学导通时，可能会有少量的光以串扰的形式会从输出端口B以外的其他输出端口输出，或者，可能会有少量的串扰的形式的光会从输入端口A以外的其他输入端口传输到输出端口B，这样的串扰应该越小越好。
还应理解，输入端口A与输出端口B光学阻断是指输入端口A和输出端口B输出之间不存在光信号的通路。当然不可避免地，当输入端口A与输出端口B光学阻断时，可能会有少量串扰的形式的光从输入端口A传输到输出端口B，同样这样的串扰应该越小越好。
还应理解，图3A和图3B示出的衬底310、第一波导320、第二波导330和可动波导340的尺寸、形状，以及IP1、OP1、IP2和OP2的位置和方向均为示意性的，不对本发明实施例造成限定。当IP1和IP2中只有一个输入端口使用时，光开关可以作为1×2光开关；当IP1和IP2均使用时，光开关作为2×2光开关.
具体地，以输入光1从图3A所示的光开关的IP1输入，输入光2从图3A所示的光开关的IP2输入为例进行说明。
如图4A所示，当所述可动波导340处于第一位置时，所述可动波导340与所述第一输出部322光学解耦(可动波导340不与第一输出部322光学耦合)，光开关处于关(Through)状态。IP1与OP2光学导通，IP2与OP1光学导通，并且IP1与OP1光学阻断，IP2与OP2光学阻断。输入光1经IP1输入，在第一波导320的第一输入部321中传输，继而进入第二波导330的第二输出部332中传输，从OP2输出输出光1。输入光2经IP2输入，在第二波导330的第二输入部331中传输，继而进入第一波导320的第一输出部322中传输，从OP1输出输出光2。
如图4B所示，当所述可动波导340处于第二位置时，所述可动波导340与所述第一输出部322光学耦合，光开关处于开(Drop)状态。IP1与OP1光学导通，IP2与OP2光学导通，并且IP1与OP2光学阻断，IP2与OP1光学阻断。输入光1经IP1输入，在第一波导320的第一输入部321中传输，继而进入第一波导320的第一输出部322中传输，从OP1输出输出光1。输入光2经IP2输入，在第二波导330的第二输入部331中传输，继而进入第二波导330的第二输出部332中传输，从OP2输出输出光2。
输入光1从图3B所示的光开关的IP1输入，输入光2从图3B所示的光开关的IP2输入，可动波导340处于不同的位置时，也有类似的结果，此处不再赘述。
可选地，在一个实施例中，2个固定的波导的有效折射率可以是逐渐变化的，改变可动波导与第一波导的第一输入部的位置关系或改变可动波导与第一波导的第一输出部的位置关系，第一波导和可动波导作为一个整体的有效折射率相比于可动波导与第一波导光学解耦时的第一波导有效折射率发生变化，从而影响光信号的光场的分布，实现光开关的关状态与开状态之间的切换。
在光开关的结构设计上可以遵循以下规律：当所述可动波导处于第一位置时，沿着光信号的传输方向，所述第一波导的有效折射率是逐渐变化的，所述第一输入部的有效折射率和所述第一输出部的有效折射率分别是逐渐变化的，所述第二波导的有效折射率是逐渐变化的，所述第二输入部的有效折射率和所述第二输出部的有效折射率分别是逐渐变化的。
具体地，可以是如下情况：当所述可动波导处于第一位置时(即当可动波导与第一波导光学解耦时)，沿着光信号的传输方向，所述第一波导的有效折射率逐渐减小，所述第一输入部的有效折射率和所述第一输出部的有效折射率分别逐渐减小，所述第二波导的有效折射率逐渐增大，所述第二输入部的有效折射率和所述第二输出部的有效折射率分别逐渐增大。在这种情况下，为了实现当可动波导340处于第一位置时，IP1与OP2光学导通，IP2与OP1光学导通，并且IP1与OP1光学阻断，IP2与OP2光学阻断，比较第一波导和第二波导的有效折射率可以满足：对于第一输入部321和第二输入部331，如图3A所示的b-b截面(以及第一输入部321和第二输入部331上的任意平行于b-b截面的截面)处，第一输入部321的有效折射率大于第二输入部331的有效折射率；对于第一输出部322和第二输出部332，如图3A所示的c-c截面(以及第一输出部322和第二输出部332上的任意平行于c-c截面的截面)处，第一输出部322的有效折射率小于第二输出部332的有效折射率。
或者，可以是如下情况：当所述可动波导处于第一位置时，沿着光信号的传输方向，所述第一波导的有效折射率逐渐增大，所述第一输入部的有效折射率和所述第一输出部的有效折射率分别逐渐增大，所述第二波导的有效折射率逐渐减小，所述第二输入部的有效折射率和所述第二输出部的有效折射率分别逐渐减小。在这种情况下，为了实现当可动波导340处于第一位置时，IP1与OP2光学导通，IP2与OP1光学导通，并且IP1与OP1光学阻断，IP2与OP2光学阻断，比较第一波导和第二波导的有效折射率可以满足：对于第一输入部321和第二输入部331，如图3B所示的d-d截面(以及第一输入部321和第二输入部331上的任意平行于d-d截面的截面)处，第一输入部321的有效折射率小于第二输入部331的有效折射率；对于第一输出部322和第二输出部332，如图3B所示的e-e截面(以及第一输出部322和第二输出部332上的任意平行于e-e截面的截面)处，第一输出部322的有效折射率大于第二输出部332的有效折射率。
应理解，本发明实施例中，可动波导340的作用是与第一波导光学耦合或光学解耦，控制可动波导和第一波导作为一个整体的有效折射率，而不是用于传输光信号。通过结构设计，可动波导与第一波导光学耦合时，应使尽量少的光模场扩展到可动波导340中，从而降低光信号的损耗。
还应理解，所述第一输入部321与所述第一输出部322的连接处的有效折射率可以与所述第二输入部331与所述第二输出部332的连接处的有效折射率相等。由此，可以使得第一波导320和第二波导330中的光信号可以顺利地进入彼此的波导中进行传输。
波导的有效折射率可以通过改变波导的横截面的结构(例如，宽度、高度、形状等)来调节。现有的光波导的横截面通常为矩形的，以通过改变波导的宽度来调节波导的有效折射率来进行说明。
应理解，有效折射率(effective refractive index)也可以称为等效折射率，可以记作neff，其中，neff＝β/(2π/λ)，β为波导中光场模式的传播常数，λ为光在真空中的波长。
本发明实施例的第一输入部321的第一输入端口IP1处可以具有第一宽度W1，所述第一输入部321与所述第一输出部322的连接处可以具有第二宽度W2，所述第一输出部321的第一输出端口OP1处可以具有第三宽度W3；所述第二输入部331的第二输入端口IP2处可以具有所述第三宽度W3，所述第二输入部331与所述第二输出部332的连接处可以具有第二宽度W2，所述第二输出部332的第二输出端口OP2处可以具有第一宽度W1。
可选地，本发明一个实施例中，如图5所示，三个宽度可以设置为：所述第一宽度W1大于所述第二宽度W2，且所述第二宽度W2大于所述第三宽度W3。
可选地，本发明另一个实施例中，三个宽度还可以设置为：所述第一宽度W1小于所述第二宽度W2，且所述第二宽度W2小于所述第三宽度W3。
波导的有效折射率也可以通过可动波导的材料来调节，或者通过其他的方法来调节，本发明实施例对此不作限定。
下面举例对图4B所示的可动波导340处于第二位置的光开关的相关部分的有效折射率进行详细说明。
可动波导340处于第二位置时，可动波导340和第一输出部322光学耦合。为了实现当可动波导340处于第二位置时，IP1与OP1光学导通，IP2与OP2光学导通，并且IP1与OP2光学阻断，IP2与OP1光学阻断，第一输出部322和可动波导340作为一个整体的有效折射率与第二输出部332的有效折射率可以满足：如图4B所示的f-f截面(以及第一输出部322和第二输出部332上的任意平行于f-f截面的截面)处，第一输出部322和可动波导340作为一个整体的有效折射率大于第二输出部332的有效折射率。
其中，沿着光信号的传输方向，第一输出部322和可动波导340作为一个整体的有效折射率可以是渐变的，例如可以是逐渐增大的或是逐渐减小的，也可以是保持不变的，还可以是不规则变化的，本发明实施例对此不作限定。
对于可动波导340能够与第一输入部321光学耦合的图3B所示的光开关而言，可动波导340处于第二位置时，相关部分的有效折射率需满足的条件，原理与图4B所示的光开关的原理类似，此处不再赘述。
可选地，为了实现光开关的关状态与开状态之间的切换，可以如图3A、图3B、图4A、图4B和图5的设计，沿着光信号的传输方向，所述第一波导和所述第二波导的间距逐渐变小后又逐渐变大，所述第一波导和所述第二波导的间距最小处，所述第一输入部和所述第一输出部相连接，所述第二输入部和所述第二输出部相连接，所述第一输入部和所述第二输入部的间距逐渐变小，所述第一输出部和所述第二输出部的间距逐渐变大。
该光开关各部件的有效折射率和间距的设计使得从光开关的IP1和IP2输入的光信号在关状态能分别从OP2和OP1输出，在开状态能分别从OP1和OP2输出。
所述光开关还可以包括致动器，所述可动波导的位置由所述致动器控制，如图5所示。
具体而言，致动器可以是由电场、磁场、光场或热场等激励的，致动器在上述激励下带动可动波导运动。所述致动器与所述可动波导之间可以通过悬臂梁连接。该悬臂梁可以为弹簧，还可以为其他弹性材料部件，本发明实施例对此不作限定。
或者，所述致动器由所述可动波导与平行板状的电极形成。在一个具体的例子中，可以将可动波导340接地，可以由电压装置在平行板状的电极上加电压，利用电压差控制可动波导340的位置。当不对电极加电压的时，电极不吸引可动波导340，使得可动波导340与第一波导320耦合，使光开关处于关状态；当对电极加电压的时，电极吸引可动波导340，使得可动波导340与第一波导320解耦，使光开关处于开状态。当然，由所述可动波导与平行板状的电极形成的致动器还可以有其他的形式。
应理解，还可以直接将可动波导340和第一波导320中的一个接地，另外一个由电压装置控制其电压，利用电压差控制可动波导340的位置，本发明实施例对致动器的具体形式不作限定。
应理解，光信号在本发明实施例的光开关中传输时，光场的模式(也可以称为光模场)会发生演化。这里的演化通常是指绝热演化(adiabatic evolution)。如图6A所示，在输入端口处，第一波导320的第一输入部321的宽度W1大于第二波导330的第二输入部331的宽度W3，因而第一波导320在第一输入端口IP1处的等效折射率大于第二波导330在第二输入端口IP2处的等效折射率。从第一波导320输入的输入光1激发对称模式(基模)，从第二波导330输入的输入光2激发反对称模式(一阶模)。在第一输入部321和第二输入部331，两个波导之间距离逐渐变小，光学耦合逐步增强，第一输入部321的宽度逐渐变小，同时第二输入部331的宽度逐渐变大，基模和一阶模的光场从分别局限于第一波导320和第二波导330逐步向第二波导330和第一波导320中转移。至第一输入部321和第二输入部331的末端，两个波导的宽度相等，基模和一阶模的光场均等分布到两个波导中。在第一输出部322和第二输出部332，可动波导远离第一输出部322，两者不存在耦合关系，第一波导320的宽度继续变小，同时第二波导330的宽度继续变大，基模和一阶模的光场分别继续向第二波导330和第一波导320中转移。在第一输出部322和第二输出部332的末端，基模和一阶模的光场分别局限于第二波导330和第一波导320中。这样，光信号从某一个波导耦合到另一个波导，可以称光开光此时的状态为关(Through)状态。经仿真计算，关(Through)状态时耦合损耗很小，约为0.01dB量级。
如图6B所示，对致动器加电，可使可动波导靠近第一波导320的第一输出部322，改变光开关的输出区域的折射率分布，使输出区域第一波导320的有效折射率上升达到0.01至0.1量级，基模和一阶模的光场逐步返回第一波导320和第二波导330中，从而实现光路的切换，可以称光开光此时的状态为开(Drop)状态。经仿真计算，开(Drop)状态的损耗约为0.1dB量级。
本发明实施例中只包括1个致动器，致动器的数目少，使得制作成本、控制难度均大大下降。
可选地，作为一个实施例，所述可动波导位于所述第一平面内，所述可动波导可以在所述第一平面内移动，以与所述第一输入部或所述第一输出部光学耦合。
具体而言，图5的a-a截面图可以如图7所示，可动波导340与第一波导320和第二波导330位于同一平面内(即第一平面)，可动波导340可以在致动器的控制下在第一平面内移动，其中可以如图7所示平移，也可以以其他方式移动，以与第一输入部321或所述第一输出部322光学耦合。本发明实施例中，可动波导与2个固定的波导位于同一平面内，或者说位于同一层，制作工艺难度大大降低，可动波导在平面内移动，控制难度也大大下降。
可选地，作为另一个实施例，所述可动波导不位于所第一平面内，所述可动波导可以在垂直于所述第一平面的方向上移动，以与所述第一输入部或所述第一输出部光学耦合。
一种可能的实现是，所述可动波导还可以不位于所述第一平面内，所述可动波导可以在垂直于所述第一平面的方向上移动到所述第一平面内，以与第一输入部或第一输出部光学耦合。
具体而言，图5的a-a截面图可以如图8A所示，在关(Through)状态，可动波导340高于第一波导320和第二波导330所在的第一平面。可动波导340可以如图8A所示在垂直于第一平面的方向上移动到第一平面内，以与第一输入部321或第一输出部322光学耦合，达到开(Drop)状态。
或者，或图5的a-a截面图可以如图8B所示，在关(Through)状态，可动波导340低于第一波导320和第二波导330所在的第一平面。可动波导340可以如图8B所示在垂直于第一平面的方向上移动到第一平面内，以与第一输入部321或第一输出部322光学耦合，达到开(Drop)状态。
另一种可能的实现中，图5的a-a截面图还可以如图9A和图9B。如图9A所示，在关(Through)状态，可动波导340可以位于与第一平面平行的第二平面内。可动波导340可以如图9A所示在第二平面内移动到第一输入部321或第一输出部322的上方，以与第一输入部321或第一输出部322光学耦合，达到开(Drop)状态。
如图9B所示，在关(Through)状态，可动波导340可以高于或低于第一波导320和第二波导330所在的第一平面。可动波导340可以如图9B所示在垂直于第一平面的方向上移动到第一平面上方或下方，以与第一输入部321或第一输出部322光学耦合，达到开(Drop)状态。
可动波导和两个固定波导的相互位置还可以有除图7至图9B以外的其他的形式，可动波导还可以有除图7至图9B以外的其他的运动方式，本发明实施例对此不作限定。
可选地，作为一个实施例，沿着光信号的传输方向，所述可动波导的有效折射率可以是逐渐变化的。在一个具体的例子中，沿着光信号的传输方向，所述可动波导的宽度可以是逐渐变化的。
具体如图10A和图10B所示，沿着光信号的传输方向，可动波导340的宽度是逐渐变化的。通过可动波导340的有效折射率的渐变使光信号的光模式的演化可以更加绝热，从而进一步降低开(Drop)状态时光开关的损耗。优选地，沿着光信号的传输方向，第一输出部322和可动波导340作为一个整体的有效折射率可以是逐渐增大的。
可选地，作为一个实施例，本发明实施例的光开关还可以包括光功率监控器，该光功率监控器用于监控所述第一波导、所述第二波导、IP1、OP1、IP2和OP2中的至少一种的光功率。本发明实施例的光开关通过监控各元件中光信号的功率，可以根据光信号的功率估计可动波导340的位置，从而更精确的控制可动波导340的位置。
应理解，本发明的图5至图10A和图10B的实施例为了简洁，省去衬底310未画出。
基于本发明实施例的光开关，本发明还提供了一种光交换系统，所述光交换系统为M×N光开关矩阵，包括M×N个上文所描述的光开关，每个所述光开关记为SCij，其中，i取值1,2,…,M，j取值1,2,…,N，所述M×N个光开关被设置为：(1)IP1i,j与OP2i-1,j光学导通，(2)IP2i,j与OP1i,j-1光学导通，i取值2至M，j取值2至N。
其中，在IP11,j和OP1i,N之间存在至少一条路径中仅存在一个所述可动波导处于第二位置的光开关；在IP2i,1和OP2M,j之间存在至少一条路径中仅存在一个所述可动波导处于第二位置的光开关，i取值1至M，j取值1至N。
或者说，在IP11,j和OP1i,N之间存在至少一条路径中仅存在一个所述可动波导与所述第一输入部或所述第一输出部光学耦合；在IP2i,1和OP2M,j之间存在至少一条路径中仅存在一个所述可动波导与所述第一输入部或所述第一输出部光学耦合，i取值1至M，j取值1至N。
具体地，M×N光开关矩阵的各光开关的连接关系可以如图11所示。例如，在IP11,1和OP11,N之间存在至少一条路径(例如SC11至SC12至SC1N)仅存在一个所述可动波导处于第二位置的光开关(SC11)。或者说，在IP11,1和OP11,N之间存在至少一条路径(例如SC11至SC12至SC1N)中仅存在一个光开关的可动波导(SC11的可动波导)与SC11的所述第一输入部或所述SC11的第一输出部光学耦合。
再如，在IP22,1和OP2M,N之间存在至少一条路径(例如SC21至SC22至SC2N至SC3N至SCMN)仅存在一个所述可动波导处于第二位置的光开关(SC2N)。或者说，在IP11,1和OP11,N之间存在至少一条路径(例如SC21至SC22至SC2N至SC3N至SCMN)中仅存在一个光开关的可动波导(SC2N的可动波导)与SC2N的所述第一输入部或SC2N的所述第一输出部光学耦合。
本发明实施例的光交换系统可以实现微秒级切换速度，具有低插入损耗、大端口数和低成本等优势。
应注意的是，基于本发明实施例的光开关，可以连接形成具有其他变形的连接关系的光交换系统。例如变换图11中的光交换系统的输入端口和输出端口的方向，可以通过将光开关的连接关系作出相应的变化来实现，此处不进行赘述。
应理解，本文中涉及的第一、第二和第三以及各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本发明实施例的范围。
应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
还应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种光开关，其特征在于，所述光开关设置于衬底上，所述光开关包括第一波导、第二波导和可动波导，
所述第一波导相对于所述衬底不可移动，所述第一波导包括第一输入部和第一输出部，所述第一波导的第一输入端口IP1位于所述第一输入部的一端，所述第一波导的第一输出端口OP1位于所述第一输出部的一端，所述第一输入部的另一端与所述第一输出部的另一端相连接；
所述第二波导相对于所述衬底不可移动，所述第二波导包括第二输入部和第二输出部，所述第二波导的第二输入端口IP2位于所述第二输入部的一端，所述第二波导的第二输出端口OP2位于所述第二输出部的一端，所述第二输入部的另一端与所述第二输出部的另一端相连接，所述第一波导和所述第二波导均位于第一平面内，所述第一波导和所述第二波导存在光学耦合关系；
所述可动波导相对于所述衬底可以移动；
其中，当所述可动波导处于第一位置时，(1)所述可动波导与所述第一波导光学解耦，(2)IP1与OP2光学导通，IP2与OP1光学导通，并且IP1与OP1光学阻断，IP2与OP2光学阻断；
当所述可动波导处于第二位置时，(1)所述可动波导与所述第一输入部或所述第一输出部光学耦合，(2)IP1与OP1光学导通，IP2与OP2光学导通，并且IP1与OP2光学阻断，IP2与OP1光学阻断。
2.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，当所述可动波导处于第一位置时，沿着光信号的传输方向，所述第一波导的有效折射率逐渐减小，所述第一输入部的有效折射率和所述第一输出部的有效折射率分别逐渐减小，所述第二波导的有效折射率逐渐增大，所述第二输入部的有效折射率和所述第二输出部的有效折射率分别逐渐增大；或者，
当所述可动波导处于第一位置时，沿着光信号的传输方向，所述第一波导的有效折射率逐渐增大，所述第一输入部的有效折射率和所述第一输出部的有效折射率分别逐渐增大，所述第二波导的有效折射率逐渐减小，所述第二输入部的有效折射率和所述第二输出部的有效折射率分别逐渐减小。
3.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，沿着光信号的传输方向，所述第一波导和所述第二波导的间距逐渐变小后又逐渐变大，所述第一波导和所述第二波导的间距最小处所述第一输入部和所述第一输出部相连接，所述第二输入部和所述第二输出部相连接，所述第一输入部和所述第二输入部的间距逐渐变小，所述第一输出部和所述第二输出部的间距逐渐变大。
4.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，所述可动波导位于所述第一平面内，所述可动波导可以在所述第一平面内移动，以与所述第一输入部或所述第一输出部光学耦合。
5.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，所述可动波导不位于所第一平面内，所述可动波导可以在垂直于所述第一平面的方向上移动，以与所述第一输入部或所述第一输出部光学耦合。
6.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，所述第一输入部与所述第一输出部的连接处的有效折射率与所述第二输入部与所述第二输出部的连接处的有效折射率相等。
7.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，沿着光信号的传输方向，所述可动波导的有效折射率是逐渐变化的。
8.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，沿着光信号的传输方向，所述可动波导的宽度是逐渐变化的。
9.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，所述光开关还包括致动器，所述可动波导的位置由所述致动器控制。
10.根据权利要求9所述的光开关，其特征在于，所述致动器与所述可动波导之间通过悬臂梁连接；或者
所述致动器为平行板状的电极。
11.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，所述光开关还包括光功率监控器，所述光功率监控器用于监控所述第一波导、所述第二波导、IP1、OP1、IP2和OP2中的至少一种的光功率。
12.一种光交换系统，其特征在于，所述光交换系统为M×N光开关矩阵，包括M×N个根据权利要求1至11中任一项所述的光开关，每个所述光开关记为SCij，其中，i取值1,2,…,M，j取值1,2,…,N，所述M×N个光开关被设置为：(1)IP1i,j与OP2i-1,j光学导通，(2)IP2i,j与OP1i,j-1光学导通，i取值2至M，j取值2至N。
13.根据权利要求12所述的光交换系统，其特征在于，在IP11,j和OP1i,N之间存在至少一条路径中仅存在一个所述可动波导处于第二位置的光开关；
在IP2i,1和OP2M,j之间存在至少一条路径中仅存在一个所述可动波导处于第二位置的光开关，i取值1至M，j取值1至N。
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