CN107678098A - 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、第二波导和第一可动波导，第一波导和第二波导相对于衬底不可移动；第一波导与第二波导位于第一平面内，且第一波导与第二波导不相交；第一可动波导相对于衬底可以移动；其中，当第一可动波导处于第一位置时，第一可动波导与第一波导和第二波导光学解耦，光开关处于关状态；当第一可动波导处于第二位置时，第一可动波导与第一波导和第二波导光学耦合，光开关处于开状态。本发明实施例的光开关包括2个固定的不存在交叉的波导和1个可移动的第一可动波导，不会因为交叉引入损耗，并且光开关在两种状态下均是仅经过绝热耦合器或者仅经过弯曲波导，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、第二波导和第一可动波导，所述第一波导相对于所述衬底不可移动，所述第一波导具有第一输入端口IP1和第一输出端口OP1；所述第二波导相对于所述衬底不可移动，所述第二波导具有第二输出端口OP2，所述第一波导与所述第二波导位于第一平面内，且所述第一波导与所述第二波导不相交；所述第一可动波导相对于所述衬底可以移动；其中，当所述第一可动波导处于第一位置时，(1)所述第一可动波导与所述第一波导光学解耦，并且所述第一可动波导与所述第二波导光学解耦，(2)IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断；当所述第一可动波导处于第二位置时，(1)所述第一可动波导与所述第一波导光学耦合，并且所述第一可动波导与所述第二波导光学耦合，(2)IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过所述第一可动波导光学导通。
其中，第一可动波导处于第一位置时光开关可以称为关(Through)状态，第一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第一可动波导可以是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。
本申请的第一方面的光开关包括2个固定在衬底上的不存在交叉的波导和1个相对于衬底可移动的第一可动波导，从而不会因为交叉引入损耗，并且光开关在两种状态下均不需既经过耦合器又经过弯曲波导，而是仅经过耦合器或者仅经过弯曲波导，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，所述第一可动波导不位于所述第一平面内，所述第一可动波导相对于所述第一平面可以垂直移动或可以在垂直于所述第一平面的方向上发生形变。在本可能的实现方式中，第一可动波导垂直移动或在垂直于第一平面的方向上发生形变速度快，使得光开关的切换速度较快。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一可动波导位于所述第一平面内，所述第一可动波导可以在所述第一平面内以垂直于所述第一平面的转动轴为中心转动。本可能的实现方式中，第一可动波导与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。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一可动波导包括第一输入部和第一输出部，当所述第一可动波导处于第二位置时，所述第一可动波导的所述第一输入部和所述第一波导形成第一耦合器，所述第一可动波导的所述第一输出部和所述第二波导形成第二耦合器。
由于所述第一耦合器，IP1与OP1光学阻断；并且，由于所述第二耦合器，IP1与OP2光学导通。
其中，所述第一耦合器可以设置为：沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器内所述第一波导的弯曲度变化小于10°，所述第一耦合器内所述第一可动波导的所述第一输入部的弯曲度变化小于10°。本可能的实现方式中，第一可动波导的第一输入部和第一波导尽量在直波导上进行耦合，由此可以减小耦合器处光信号的损耗。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述光开关为1×2光开关，所述第一可动波导还包括连接部，用于连接所述第一输入部和所述第一输出部，所述光开关还包括支撑部件，用于与所述连接部连接以使得所述第一可动波导的中间部分相对于所述衬底是固定的，所述第一可动波导的两端可以相对于所述第一平面垂直移动。本可能的实现方式中，支撑部件使得第一可动波导更坚固，更易于由致动器控制。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述光开关为2×2光开关，所述第二波导还具有第二输入端口IP2，所述光开关还包括第二可动波导，所述第一可动波导和所述第二可动波导是交叉的，当所述第二可动波导处于第三位置时，(1)所述第二可动波导与所述第一波导光学解耦，并且所述第二可动波导与所述第二波导光学解耦，(2)IP2与OP2光学导通并且IP2与OP1光学阻断；当所述第二可动波导处于第四位置时，(1)所述第二可动波导与所述第一波导光学耦合，并且所述第二可动波导与所述第二波导光学耦合，(2)IP2与OP2光学阻断并且IP2与OP1通过所述第二可动波导光学导通。
具体而言，所述第二可动波导可以包括第二输入部和第二输出部，当所述第二可动波导处于第四位置时，所述第二可动波导的所述第二输入部和所 述第二波导形成第三耦合器，所述第二可动波导的所述第二输出部和所述第一波导形成第四耦合器。
由于所述第三耦合器，IP2与OP2光学阻断；并且，由于所述第四耦合器，IP2与OP1光学导通。
在第一方面的一种可能的实现方式中，2×2光开关中，所述第一可动波导包括第一输入部和第一输出部，所述第二可动波导包括第二输入部和第二输出部，所述光开关还包括交叉型的连接部，用于连接所述第一输入部、所述第一输出部、所述第二输入部和所述第二输出部，所述光开关还包括支撑部件，用于与所述连接部连接以使得所述第一可动波导的中间部分和所述第二可动波导的中间部分相对于所述衬底是固定的，所述第一可动波导的两端和所述第二可动波导的两端可以相对于所述第一平面垂直移动。本可能的实现方式中，支撑部件使得第一可动波导和第二可动波导更坚固，更易于由致动器控制。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述支撑部件是由硅薄膜制作成网状的部件。本可能的实现方式中，网状结构使得支撑部件刚度好，质量轻，容易加工。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一波导和所述第二波导均为弯曲波导，所述弯曲波导为圆弧型的光波导或曲率渐变型的光波导。本可能的实现方式中，圆弧型的光波导或曲率渐变型的光波导可以降低光信号在光波导中传输时的损耗。
在第一方面的一种可能的实现方式中，本申请第一方面的光开关中第一可动波导可以是直光波导。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述光开关还包括至少一个致动器，所述第一可动波导的位置由所述至少一个致动器控制，所述至少一个致动器与所述第一可动波导之间通过悬臂梁连接。该悬臂梁可以是弹簧。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一输入部和所述第一输出部为锥形光波导。本可能的实现方式中，锥形光波导形成绝热渐变耦合器，绝热渐变耦合器可以实现较宽的光谱范围的传输，使光信号更稳定，还可以增大耦合器的工艺容差，提高光开关的性能。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一输入部和所述第一输出部为脊形光波导。本可能的实现方式中，脊形的光波导一方面可以降低光信 号的传输损耗，另一方面可以增强结构的机械性能，从而提高光开关的性能。
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第一可动波导的位置，从而更精确的控制第一可动波导的位置。
第二方面，本申请提供了一种光交换系统，其特征在于，所述光交换系统为M×N光开关矩阵，包括M×N个第一方面的光开关，所述光开关的所述第二波导还具有第二输入端口IP2，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,j-1光学导通，(2)IP2i,j与OP1i-1,j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IP1i,1和OP1M,j之间存在至少一条路径仅包括一个所述第一可动波导处于第一位置的光开关，i取值1至M，j取值1至N。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述光开关为第一方面中还包括第二可动波导的光开关，在IP21,j和OP2i,N之间存在至少一条路径仅包括一个所述第二可动波导处于第三位置的光开关。
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。
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3为本发明一个实施例的光开关的结构的俯视的示意性框图。
图4A为本发明一个实施例的光开关处于关状态的立体的示意性框图；图4B为本发明一个实施例的光开关处于开状态的立体的示意性框图。
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6为本发明另一个实施例的光开关的结构的示意性框图。
图7为本发明另一个实施例的光开关的结构的示意性框图。
图8为本发明另一个实施例的光开关的结构的示意性框图。
图9为本发明另一个实施例的光开关的结构的示意性框图。
图10为本发明一个实施例的耦合器的结构的示意性框图。
图11为本发明另一个实施例的耦合器的结构的示意性框图。
图12A为本发明另一个实施例的光开关处于关状态的示意性框图；图12B为本发明另一个实施例的光开关处于开状态的示意性框图。
图13A为本发明另一个实施例的光开关处于关状态的示意性框图；图13B为本发明另一个实施例的光开关处于开状态的示意性框图。
图14为本发明一个实施例的光交换系统的结构的示意性框图。
图15为本发明另一个实施例的光开关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个固定光波导(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个固定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个固定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)状态时在两个绝热耦合器处需要经过多次模式变换，并且需要经过弯曲波导，导致损耗较大。
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300包括第一波导320、第二波导330和第一可动波导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具有第一输入端口IP1和第一输出端口OP1；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具有第二输出端口OP2，所述第一波导320与所述第二波导330位于第一平面内，且所述第一波导320与所述第二波导330不相交；所述第一可动波导340相对于所述衬底310可以移动。
其中，当所述第一可动波导340处于第一位置时，(1)所述第一可动波导340与所述第一波导320光学解耦，并且所述第一可动波导340与所述第二波导330光学解耦，(2)IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断；当所述第一可动波导340处于第二位置时，(1)所述第一可动波导340与所述第一波导320光学耦合，并且所述第一可动波导340与所述第二波导330光学耦合，(2)IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过所述第一可动波导340光学导通。
可选地，本发明实施例的第一可动波导可以是MEMS光波导。
可选地，可以认为，第一可动波导340处于第一位置时光开关为关(Through)状态，第一可动波导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个固定在衬底上的不存在交叉的波导和1个相对于衬底可移动的第一可动波导，从而不会因为交叉引入损耗，并且光开关在两种状态下均不需既经过耦合器又经过弯曲波导，而是仅经过耦合器或者仅经过弯曲波导，又进一步减小了损耗。
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。
可选地，第一可动波导340与第一波导320光学解耦，并且第一可动波导340与第二波导330光学解耦，可以是在调控第一可动波导340处于第一位置时同时达到的结果，不是分为两个步骤分别实现的。第一可动波导340与第一波导320光学耦合，并且第一可动波导340与第二波导330光学耦合也可以是同理，不再赘述。
还应理解，图3示出的衬底310、第一波导320、第二波导330和第一可动波导340的尺寸、形状，以及IP1、OP1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。本发明的图4A至图15的实施例为了简洁，省去衬底310未画出。第一波导320、第二波导330为固定波导，或者称不 可移动的波导；第一可动波导340和下文将提到的第二可动波导360为可动波导。
可选地，在一个实施例中，所述第一可动波导340可以不位于所述第一平面内，所述第一可动波导340相对于所述第一平面可以垂直移动或可以在垂直于所述第一平面的方向上发生形变。第一可动波导垂直移动或在垂直于第一平面的方向上发生形变速度快，使得光开关的切换速度较快。
具体而言，例如图3示出的光开关的第一可动波导340不位于第一波导320和第二波导330所在的第一平面内，而是位于平行于第一平面的第二平面。图3是光开关的俯视图。图4A和图4B是光开关的立体图，其中图中示出的光开关的第一波导320和第二波导330均为弯曲波导，第一可动波导340为直波导。应理解，第一波导320、第二波导330和第一可动波导340的形状并不限于此。
图4A是光开关在关(Through)状态的示意图。光开关在关(Through)状态即第一可动波导340处于第一位置，此时，如图4A第一可动波导340与第一波导320和第二波导330的距离为d1，第一可动波导340与第一波导320和第二波导330光学解耦。IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断。输入光从第一波导320的第一输入端口IP1输入，在第一波导320内传输，输出光从第一波导320的第一输出端口OP1输出。
图4B是光开关在开(Drop)状态的示意图。光开关在开(Drop)状态即第一可动波导340处于第二位置，此时，如图4B第一可动波导340与第一波导320和第二波导330的距离为d2，其中d1大于d2，第一可动波导340与第一波导320和第二波导330光学耦合。IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过第一可动波导340光学导通。输入光从第一波导320的第一输入端口IP1输入，由于第一可动波导340与第一波导320光学耦合，光信号被耦合至第一可动波导340内传输，又由于第一可动波导340与第二波导330光学耦合，光信号又被耦合至第二波导330内传输，最后输出光从第二波导330的第二输出端口OP2输出。
具体而言，如图4B所示，本发明实施例中第一可动波导340可以包括第一输入部341和第一输出部342，当所述第一可动波导340处于第二位置时，所述第一可动波导340的所述第一输入部341和所述第一波导320形成第一耦合器，所述第一可动波导340的所述第一输出部342和所述第二波导 330形成第二耦合器。由于所述第一耦合器，IP1与OP1光学阻断；并且，由于所述第二耦合器，IP1与OP2光学导通。输入光从第一波导320的第一输入端口IP1输入，光信号被第一耦合器耦合至第一可动波导340的第一输入部341内传输，在第二耦合器处从第一可动波导340的第一输出部342被耦合至第二波导330内传输，最后输出光从第二波导330的第二输出端口OP2输出。
可选地，所述第一耦合器可以设置为：沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器内所述第一波导的弯曲度变化小于第一阈值，所述第一耦合器内所述第一可动波导的所述第一输入部的弯曲度变化小于第二阈值。即第一可动波导340的第一输入部341和第一波导320尽量在直波导上进行耦合，由此可以减小耦合器处光信号的损耗。第一阈值和第二阈值可以相等也可以不相等，其取值可以为5°、10°、15°或20°，具体数值可以根据系统要求、波导性能和光信号的模式、功率等确定，本发明实施例对此不作限定。同样地，第二耦合器也可以进行类似地设计，本发明实施例对此不作限定。
在本发明实施例中，如图5所示，所述光开关还可以包括至少一个致动器，所述第一可动波导的位置由所述至少一个致动器控制，所述至少一个致动器与所述第一可动波导之间通过悬臂梁连接。该悬臂梁可以为弹簧，也可以为其他弹性材料部件，还可以是不具有弹性的连接部件，本发明实施例对此也不作限定。
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第一可动波导运动。致动器可以是平行板静电致动器或者梳状静电致动器(如图7所示)，还可以是其它种类的致动器，本发明实施例对此不作限定。致动器设置的位置和个数也不限定。
图5所示的光开关，当致动器未施加电压时，致动器中的上下电极之间没有静电吸引力，上层的第一可动波导和下层的固定波导垂直间距较大(例如为d1)，光开关处于关状态，下层的固定波导的光信号不会耦合到上层的第一可动波导中，直接从下层固定波导的端口输出。当致动器被施加电压，致动器中的上下电极之间产生静电吸引力，并发生位移。致动器带动上层的第一可动波导运动到与下层的固定波导的垂直间距较小(例如为d2)的位置，光开关处于开状态，下层的固定波导的光信号耦合到上层的第一可动波导中传输，再从上层的第一可动波导中耦合回到下层的固定波导的端口输出。
可选地，如图5所示，第一可动波导340上可以没有支撑部件，致动器推动整个第一可动波导340相对于第一平面垂直移动。此时，致动器设置的位置和个数可以如图5所示的，在第一可动波导340的两端分别设置致动器。致动器也可以设置在其他位置，例如设置在第一可动波导340的中间，以推动整个第一可动波导340相对于第一平面垂直移动。
可选地，如图6所示，第一可动波导340还可以包括连接部343，用于连接所述第一输入部341和所述第一输出部342，所述光开关300还包括支撑部件350，用于与所述连接部343连接以使得所述第一可动波导340的中间部分相对于所述衬底310是固定的，所述第一可动波导340的两端可以相对于所述第一平面垂直移动。由此，致动器推动第一可动波导340的两端相对于第一平面垂直移动，而第一可动波导340的中间部分保持不动，使得第一可动波导340在垂直于所述第一平面的方向上发生形变。支撑部件使得第一可动波导更坚固，更易于由致动器控制。
应理解，本发明各实施例中，支撑部件350可以是如图7所示的由硅薄膜制作成网状的部件。网状结构使得支撑部件350刚度好，质量轻，容易加工。支撑部件350的位置和个数可以根据需求灵活设置，例如可以在第一可动波导340的中间位置设置如图6所示的一个支撑部件，也可以如图7所示的在相应的位置设置两个支撑部件，本发明实施例对支撑部件的具体形式不作限定。
上文对本发明实施例的1×2(1个输入端口2输出端口)的光开关进行了详细描述，下面着重描述本发明实施例的2×2(2个输入端口2输出端口)的光开关。
在上文描述的1×2光开关的结构的基础上，可以得到2×2光开关。如图8和图9所示，所述第二波导330还具有第二输入端口IP2，所述光开关还包括第二可动波导360，所述第一可动波导340和所述第二可动波导360是交叉的，当所述第二可动波导360处于第三位置时，(1)所述第二可动波导360与所述第一波导320光学解耦，并且所述第二可动波导360与所述第二波导330光学解耦，(2)IP2与OP2光学导通并且IP2与OP1光学阻断；当所述第二可动波导360处于第四位置时，(1)所述第二可动波导360与所述第一波导320光学耦合，并且所述第二可动波导360与所述第二波导330光学耦合，(2)IP2与OP2光学阻断并且IP2与OP1通过所述第二可动波导360光 学导通。
具体而言，所述第二可动波导360可以包括第二输入部361和第二输出部362，光信号在所述第一输入部341到所述第一输出部342的路径中传输和光信号在所述第二输入部361到所述第二输出部362的路径中传输是交叉的，当所述第二可动波导360处于第三位置时，IP2与OP2光学导通并且IP2与OP1光学阻断；当所述第二可动波导360处于第四位置时，所述第二可动波导360的所述第二输入部361和所述第二波导330形成第三耦合器，所述第二可动波导360的所述第二输出部361和所述第一波导320形成第四耦合器。由于所述第三耦合器，IP2与OP2光学阻断；并且，由于所述第四耦合器，IP2与OP1光学导通。
该2×2光开关中第一可动波导340和第二可动波导360可以是垂直交叉的，也可以不是垂直的，本发明实施例对此不作限定。
光开关在关(Through)状态即第一可动波导340处于第一位置且第二可动波导360处于第三位置时，第一可动波导340与第一波导320和第二波导330的距离较远，第一可动波导340与第一波导320和第二波导330光学解耦；同样地，第二可动波导360与第一波导320和第二波导330光学解耦。IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断，IP2与OP2光学导通并且IP2与OP1光学阻断。输入光1从第一波导320的第一输入端口IP1输入，在第一波导320内传输，输出光1从第一波导320的第一输出端口OP2输出。输入光2从第二波导330的第二输入端口IP2输入，在第二波导330内传输，输出光2从第二波导330的第二输出端口OP2输出。
光开关在开(Drop)状态即第一可动波导340处于第二位置且第二可动波导360处于第四位置时，第一可动波导340与第一波导320和第二波导330的距离较近，第一可动波导340与第一波导320和第二波导330光学耦合；同样地，第二可动波导360与第一波导320和第二波导330光学耦合。IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过第一可动波导340光学导通，IP2与OP2光学阻断并且IP2与OP1通过第二可动波导360光学导通。输入光1从第一波导320的第一输入端口IP1输入，由于第一可动波导340与第一波导320光学耦合，光信号1被耦合至第一可动波导340内传输，又由于第一可动波导340与第二波导330光学耦合，光信号1又被耦合至第二波导330内传输，最后输出光1从第二波导330的第二输出端口OP2输出。类似地，输入光2 从第二波导330的第二输入端口IP2输入，输出光2从第一波导320的第一输出端口OP1输出。并且与1×2光开关类似地，IP2与OP2是由于所述第三耦合器光学阻断的，并且IP2与OP1是由于所述第四耦合器光学导通的，此处不再赘述。
可选地，如图8和图9所示2×2光开关中光开关还可以包括交叉型的连接部370，用于连接所述第一输入部341、所述第一输出部342、所述第二输入部361、所述第二输出部362，所述光开关还包括支撑部件350，用于与所述连接部370连接以使得所述第一可动波导340的中间部分和所述第二可动波导360的中间部分相对于所述衬底310是固定的，所述第一可动波导340的两端和所述第二可动波导360的两端可以相对于所述第一平面垂直移动。同理，由此，致动器推动第一可动波导340的两端和所述第二可动波导360的两端相对于第一平面垂直移动，而第一可动波导340的中间部分和所述第二可动波导360的中间部分保持不动，使得第一可动波导340和所述第二可动波导360在垂直于所述第一平面的方向上发生形变。
可选地，2×2光开关也可以不包括支撑部件，本发明实施例对此不作限定。
本发明实施例中的耦合器(包括第一耦合器至第四耦合器)可以是方向耦合器或者绝热渐变耦合器。对于方向耦合器，第一可动波导和固定波导在耦合部分的宽度通常是相等的。对于绝热渐变耦合器，通常上层波导的高度或宽度，或上层波导与下层波导之间的间距可以是沿着光信号的传输方向渐变的。例如，图10所示的耦合器，沿着光信号的传输方向，上层波导由宽度w1高度h1逐渐变化为宽度w2高度h2，其中w1<w2，h1>h2。即上层波导为锥形的波导，可以对应于前文的第一输入部341、第一输出部342、第二输入部361和第二输出部362。下层波导为条形的波导，对应于前文的第一波导320和第二波导330的相应部分。绝热渐变耦合器可以实现较宽的光谱范围的传输，使光信号更稳定，还可以增大耦合器的工艺容差，提高光开关的性能。
在绝热渐变耦合器的基础上，还可以进一步改进上层波导和下层波导的形状。改进的上层波导和下层波导可以是如图11所示的脊形的光波导。脊形的光波导一方面可以降低光信号的传输损耗，另一方面可以增强结构的机械性能，从而提高光开关的性能。
可选地，在本发明的另一个实施例中，所述第一可动波导340位于所述第一平面内，所述第一可动波导340可以在所述第一平面内以垂直于所述第一平面的转动轴为中心转动。本发明实施例中，第一可动波导与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。
具体可以如图12A和图12B所示，图12A为光开关的关(Through)状态，图12B为光开关的开(Drop)状态。关(Through)状态到开(Drop)状态，第一可动波导340可以在致动器的控制下由与第一波导320和第二波导330光学解耦的第一位置，在第一平面内转动到与第一波导320和第二波导330光学耦合的第二位置。第一可动波导340的中间部分可以有支撑部件对第一可动波导340进行固定，以保证光开关的可靠性，并且该支撑部件应为转动轴，使得第一可动波导340能够以转动轴为中心轴发生转动。
图13A和图13B分别为第一可动波导340和第二可动波导360的移动方式为转动的2×2光开关的关状态和开状态的示意图。第一可动波导340和第二可动波导360依靠与两个固定的波导之间的电压差作为转动的驱动力。具体可以如图13B，第一波导320和第二波导330分别接地，第一可动波导340和第二可动波导360上加电压V，由于电压差第一可动波导340和第二可动波导360以支撑部件350为转动轴转动，第一可动波导340的两端和第二可动波导360的两端分别与第一波导320和第二波导330的相应部分靠近形成耦合器，从而使光开关切换到开状态。光信号的传输路径与前文中的描述类似，此处再进行赘述。
在本发明各实施例中，第一波导320和第二波导330可以为弯曲波导，所述弯曲波导为圆弧型的光波导或曲率渐变型的光波导，由此可以降低光信号在光波导中传输时的损耗。第一波导320和第二波导还可以为其他形状的光波导，本发明实施例对此不作限定。当第一波导320和第二波导330为弯曲波导时，第一可动波导340可以为直波导或接近直线型的波导，本发明实施例对此不作限定。
在本发明各实施例中，所述光开关还可以包括光功率监控器，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第一可动波导340的位置，从而更精确的控制第一可动波导340的位置。
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个光开关，每个光开关可以是图3至图7或图12A和图12B所示的光开关(这些光开关的第二波导230还具有第二输入端口IP2)，还可以是图8、图9以及图13A和图13B所示的2×2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,j-1光学导通，(2)IP2i,j与OP1i-1,j光学导通，i取值2至M，j取值2至N。
其中，在IP1i,1和OP1M,j之间存在至少一条路径仅包括一个所述第一可动波导处于第一位置的光开关。或者说，在IP1i,1和OP1M,j之间存在至少一条路径仅包括一个第一波导。
当矩阵中的光开关为如图8、图9以及图13A和图13B所示的2×2光开关时，在IP1i,1和OP1M,j之间存在至少一条路径仅包括一个所述第一可动波导处于第一位置的光开关，并且在IP21,j和OP2i,N之间存在至少一条路径仅包括一个所述第二可动波导处于第三位置的光开关。或者说，在IP1i,1和OP1M,j之间存在至少一条路径仅包括一个第一波导，并且在IP21,j和OP2i,N之间存在至少一条路径仅包括一个第二波导，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14所示。例如，在IP22,1和OP1M,N之间存在至少一条路径(例如SC21至SC22至SC2N至SC3N至SCMN)中仅包括一个第一可动波导处于第一位置的光开关SC2N，或者说光路中仅包括一个第一波导(SC2N的第一波导)。
再如，在IP21,1和OP21,N之间存在至少一条路径(例如SC11至SC12至SC1N)中仅包括一个第二可动波导处于第三位置的光开关SC11，或者说光路中仅包括一个第二波导(SC11的第二波导)。
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14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。
前文各图示出的光开关的中第一波导和第二波导均为弯曲波导，第一波导和第二波导也可以为其他形状的光波导，例如可以为图15所示的直波导。 如图15所示，第一波导320和第二波导330为相互不相交的两个直波导。第一可动波导340可以为如图15所示的具有弯曲部分和直型部分的波导。第一可动波导340可以不位于所述第一平面内，第一可动波导340相对于所述第一平面可以垂直移动或可以在垂直于所述第一平面的方向上发生形变，从而分别与第一波导320和第二波导330光学解耦或光学耦合，以控制光开关的关状态和开状态。
图15中以具体的一种例子示出了致动器、连接致动器和可动波导的弹簧以及可动波导和固定波导光学耦合时形成的第一耦合器和第二耦合器。应理解，以上各部件均为示例而非限定。
除此以外，第一波导320和第二波导330为相互不相交的两个直波导。第一可动波导340可以位于所述第一平面内，所述第一可动波导340可以在所述第一平面内平动，光开关的具体原理与前文的描述类似，此处不再赘述。
由图15示出的1×2光开关基于前文中提到的类似的扩展方式可以得到2×2光开关。该2×2光开关以及与之类似的固定波导为直波导的光开关在形成光开关矩阵时，需额外增加弯曲的光波导接合以形成CrossBar结构。
应理解，本文中涉及的第一、第二、第三、第四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，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。
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。
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、第二波导和第一可动波导，
所述第一波导相对于所述衬底不可移动，所述第一波导具有第一输入端口IP1和第一输出端口OP1；
所述第二波导相对于所述衬底不可移动，所述第二波导具有第二输出端口OP2，所述第一波导与所述第二波导位于第一平面内，且所述第一波导与所述第二波导不相交；
所述第一可动波导相对于所述衬底可以移动；
其中，当所述第一可动波导处于第一位置时，(1)所述第一可动波导与所述第一波导光学解耦，并且所述第一可动波导与所述第二波导光学解耦，(2)IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断；
当所述第一可动波导处于第二位置时，(1)所述第一可动波导与所述第一波导光学耦合，并且所述第一可动波导与所述第二波导光学耦合，(2)IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过所述第一可动波导光学导通。
2.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述第一可动波导不位于所述第一平面内，所述第一可动波导相对于所述第一平面可以垂直移动或可以在垂直于所述第一平面的方向上发生形变。
3.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述第一可动波导位于所述第一平面内，所述第一可动波导可以在所述第一平面内以垂直于所述第一平面的转动轴为中心转动。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光开关，其特征在于，所述第一可动波导包括第一输入部和第一输出部，当所述第一可动波导处于第二位置时，所述第一可动波导的所述第一输入部和所述第一波导形成第一耦合器，所述第一可动波导的所述第一输出部和所述第二波导形成第二耦合器。
5.根据权利要求4所述的光开关，其特征在于，所述第一可动波导还包括连接部，用于连接所述第一输入部和所述第一输出部，所述光开关还包括支撑部件，用于与所述连接部连接以使得所述第一可动波导的中间部分相对于所述衬底是固定的，所述第一可动波导的两端可以相对于所述第一平面垂直移动。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光开关，其特征在于，所述第二波导还具有第二输入端口IP2，所述光开关还包括第二可动波导，所述第一可动波导和所述第二可动波导是交叉的，
当所述第二可动波导处于第三位置时，(1)所述第二可动波导与所述第一波导光学解耦，并且所述第二可动波导与所述第二波导光学解耦，(2)IP2与OP2光学导通并且IP2与OP1光学阻断；
当所述第二可动波导处于第四位置时，(1)所述第二可动波导与所述第一波导光学耦合，并且所述第二可动波导与所述第二波导光学耦合，(2)IP2与OP2光学阻断并且IP2与OP1通过所述第二可动波导光学导通。
7.根据权利要求6所述的光开关，其特征在于，所述第一可动波导包括第一输入部和第一输出部，所述第二可动波导包括第二输入部和第二输出部，所述光开关还包括交叉型的连接部，用于连接所述第一输入部、所述第一输出部、所述第二输入部和所述第二输出部，所述光开关还包括支撑部件，用于与所述连接部连接以使得所述第一可动波导的中间部分和所述第二可动波导的中间部分相对于所述衬底是固定的，所述第一可动波导的两端和所述第二可动波导的两端可以相对于所述第一平面垂直移动。
8.根据权利要求5或7所述的光开关，其特征在于，所述支撑部件是由硅薄膜制作成网状的部件。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光开关，其特征在于，所述第一波导和所述第二波导均为弯曲波导，所述弯曲波导为圆弧型的光波导或曲率渐变型的光波导。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光开关，其特征在于，所述光开关还包括至少一个致动器，所述第一可动波导的位置由所述至少一个致动器控制，所述至少一个致动器与所述第一可动波导之间通过悬臂梁连接。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光开关，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所述的光开关，所述光开关的所述第二波导还具有第二输入端口IP2，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,j-1光学导通，(2)IP2i,j与OP1i-1,j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IP1i,1和OP1M,j之间存在至少一条路径仅包括一个所述第一可动波导处于第一位置的光开关，i取值1至M，j取值1至N。
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