CN108732688B - 一种光开关芯片及其控制方法、光开关矩阵 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种光开关芯片及其控制方法、光开关矩阵，涉及光电技术领域，能够保证光开关芯片的开关响应速度。光开关芯片包括：第一器件层和第二器件层，所述第一器件层包括：第一转轨波导与第二总线波导，所述第二器件层包括：第二转轨波导与第一总线波导；其中，所述第一总线波导的延伸方向和第二总线波导的延伸方向垂直；所述第一转轨波导的第一端的延伸方向与所述第二总线波导的延伸方向垂直；所述第二转轨波导的第一端的延伸方向与所述第一总线波导的延伸方向垂直；所述第一转轨波导的第二端的延伸方向与所述第二总线波导的延伸方向成第一夹角；所述第二转轨波导的第二端的延伸方向与所述第一总线波导的延伸方向成第二夹角。

Description

一种光开关芯片及其控制方法、光开关矩阵

技术领域

本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种光开关芯片及其控制方法、光开关矩阵。

背景技术

光通信网络通常由起路由器作用的光开关矩阵连接光纤构建。现有技术中，光开关矩阵包含若干矩阵分布的光开关芯片。参照图1所示，光开关芯片包括总线光波导DG(buswaveguide)和转轨波导UG，其中转轨波导UG位于总线光波导DG上方。总线光波导DG包括纵向的总线光波导DG1和横向的总线光波导DG2，两者纵横交叉，纵向的总线光波导DG1和横向的总线光波导DG2分别设置在上下两个波导平面并且两个波导平面的距离能够保证纵向的总线光波导DG1和横向的总线光波导DG2在交叉处对光信号引入损耗。转轨波导UG形成90°的转向，其中转轨波导UG的一端与纵向的总线光波导DG1平行，转轨波导UG的另一端与横向的总线光波导DG2平行。

参照图2a所示，在平行的两个光波导中，令信号光从第一光波导G1的输入端口输入，当两个光波导相距较远的时候，信号光被第一光波导G1完全限制，因而不受第二光波导G2的任何影响，此时信号光从第一光波导G1的输出端口输出；参照图2b所示，当两个光波导的距离逐渐减小时，第二光波导G2对信号光的影响会越来越强，最后导致信号光被全部耦合到第二光波导G2中，此时，信号光从第二光波导G2的输出端口输出。

因此，当在光开关芯片不加电的时候，转轨波导UG对下层的总线光波导DG不形成任何影响，光开关芯片处于“直通态”；在加电的时候，上下层的波导之间产生电势差，这样由于“静电吸引力”的作用，上层的转轨波导UG的两臂被拉下来(其中90°转弯的部分是固定，不会上下移动)。此时，若信号光从横向的总线光波导输入，则横向的总线光波导中的光信号就会耦合到上层的转轨波导UG中，经过90°转向后，再耦合到纵向的总线光波导，这样光开关芯片就处于

“交叉态”。但是如图1所示，现有技术提供的方案中共需要三个波导平面实现即纵向的总线光波导DG1、横向的总线光波导DG2以及转轨波导UG分别位于不同的波导平面。这样的方案工艺复杂度较高，此外，如图1所示，由于纵向的总线光波导DG1和横向的总线光波导DG2分别设置在上下两个波导平面，因此从位于最高的波导平面上的转轨波导UG到最低平面上的横向的总线光波导DG2需要运动的距离大于转轨波导UG到纵向的总线光波导DG1需要运动的距离，转轨波导UG到纵向的总线光波导DG1需要运动的距离小于两者所在波导平面之间的距离，而转轨波导UG到最低平面上的横向的总线光波导DG2需要运动的距离小于两者所在波导平面之间的距离但是大于转轨波导UG到纵向的总线光波导DG1两者所在波导平面之间的距离，因此这种设计不利于光开关芯片的开关响应速度。

发明内容

本申请的实施例提供光学芯片及其控制方法、光开关矩阵，解决了光开关芯片的开关响应速度慢的问题。

为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供一种光开关芯片，包括：包括：第一器件层和第二器件层，所述第一器件层包括：第一转轨波导与第二总线波导，所述第二器件层包括：第二转轨波导与第一总线波导；其中，所述第一总线波导的延伸方向和第二总线波导的延伸方向垂直；所述第一转轨波导的第一端的延伸方向与所述第二总线波导的延伸方向垂直；所述第二转轨波导的第一端的延伸方向与所述第一总线波导的延伸方向垂直；所述第一转轨波导的第二端的延伸方向与所述第二总线波导的延伸方向成第一夹角；所述第二转轨波导的第二端的延伸方向与所述第一总线波导的延伸方向成第二夹角。上述为该光开关芯片的具体结构，基于上述结构，对第一转轨波导与第二总线波导施加第一电平，第二转轨波导与第一总线波导施加第二电平，第一电平和第二电平之差的绝对值小于或等于第一阈值时，光开关芯片处于直通态；第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于第二阈值时，第一转轨波导的第一端与第一总线波导的距离减小形成第一耦合器；第二转轨波导的第一端与第二总线波导的距离减小形成第二耦合器；第一转轨波导的第二端与第二转轨波导的第二端的距离减小形成第三耦合器，光开关芯片处于交叉态，第二阈值大于所述第一阈值。由于，第一转轨波导与第二总线波导位于同层，第二转轨波导与第一总线波导位于同层，因此相对于现有技术需要在三个光波导平面上实现的方案，本申请提供的方案仅需在两个光波导平面上即可实现，第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于第二阈值时，第一转轨波导的第一端与第一总线波导相互吸引使得距离减小形成第一耦合器；第二转轨波导的第一端与第二总线波导相互吸引使得距离减小形成第二耦合器；第一转轨波导的第二端与第二转轨波导的第二端相互吸引使得距离减小形成第三耦合器，光开关芯片处于交叉态，相对于现有技术，各个波导结构在垂直方向上有效移动的距离均不会超过两个层波导平面之间的距离，因此这种设计能够解决光开关芯片的开关响应速度慢的问题。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，还包括电极；所述电极与所述第一转轨波导以及所述第二总线波导形成电学连接，所述第二转轨波导以及所述第一总线波导与地形成电学连接；在电极的电平与地的电平之差的绝对值小于或等于第一阈值时，光开关芯片处于直通态；对电极施加预定电压，并且所述预定电压与所述地的电平之差的绝对值大于或等于第二阈值时，光开关芯片处于在交叉态。在该可能的实现方式中提供了一种向第一转轨波导、第二转轨波导、第一总线波以及第二总线波导施加电压的方式。

结合第一方面或上述任一一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，在交叉态，第一转轨波导的第一端朝向第一总线波导减小距离；第二转轨波导的第一端朝向第二总线波导减小距离；第一转轨波导的第二端朝向第二转轨波导的第二端减小距离，和/或,第二转轨波导的第二端朝向第一转轨波导的第二端减小距离。在该第二种可能的实现方式中提供了三种具体实现方式，方式一，第一转轨波导的第二端可移动，第二转轨波导的第二端固定，第一转轨波导的第二端朝向第二转轨波导的第二端减小距离；方式二，第一转轨波导的第二端可移动，第二转轨波导的第二端可移动，第一转轨波导的第二端与第二转轨波导的第二端相向移动减小距离；方式三，第一转轨波导的第二端固定，第二转轨波导的第二端可移动，第二转轨波导的第二端朝向第一转轨波导的第二端减小距离。

结合第一方面或上述任一一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，第一夹角与所述第二夹角之和为90°。示例性的，第一夹角与第二夹角相等。

结合第一方面或上述任一一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，在直通态时，光信号沿第一总线波导或第二总线波导传输；在交叉态时，光信号依次沿第一总线波导、第一转轨波导、第二转轨波导和第二总线波导传输，或者光信号依次沿第二总线波导、第二转轨波导、第一转轨波导和第一总线波导传输。

结合第一方面或上述任一一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，第一转轨波导的第一端的垂直投影位于第一总线波导上；第二转轨波导的第一端的垂直投影位于第二总线波导上；第一转轨波导的第二端的垂直投影位于第二转轨波导上；第二转轨波导的第二端的垂直投影位于第一转轨波导上。按照上述方式提供的光开关芯片的结构设计，可以使得第一转轨波导的第一端与第一总线波导之间减小最小的距离便可实现形成第一耦合器，同理，使得第二转轨波导的第一端与第二总线波导之间减小最小的距离便可实现形成第二耦合器；使得第一转轨波导的第二端与第二转轨波导的第二端之间减小最小的距离便可形成第三耦合器，从而使得光开关芯片在实现交叉态时有效减小第一电平与第二电平之间的电压差，降低能耗。

结合第一方面或上述任一一种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，在交叉态，第一耦合器为绝热耦合器或方向耦合器；第二耦合器为绝热耦合器或方向耦合器；第三耦合器为绝热耦合器或方向耦合器。

第二方面，提供一种上述第一方面任一光开关芯片的控制方法，包括：

向第一转轨波导与第二总线波导施加第一电平；向第二转轨波导与第一总线波导施加第二电平；控制第一电平和第二电平之差的绝对值小于或等于第一阈值，使得所述光开关芯片处于直通态，使得光开关芯片形成直通态；或者，控制第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于第二阈值，使得所述光开关芯片处于交叉态，使得光开关芯片形成交叉态。上文提供的方法所能达到的有益效果与上述光开关芯片的结构相关，因此，其所能达到的有益效果可参考上文光开关芯片以及下文具体实施方式中对应的方案的有益效果，此处不再赘述。

在一种可能的实现方式中，光开关芯片还包括电极时；控制第一电平和第二电平相等包括：将电极接地，其中，电极的电平与地的电平之差的绝对值小于或等于第一阈值；控制第一电平和第二电平不相等，包括对电极输入预定电压，并且预定电压与地的电平之差的绝对值大于或等于第二阈值。

第三方面，提供一种光开关矩阵，包括按照矩阵排列的上述第一方面提供的任一光开关芯片；其中，位于每一行的光开关芯片中，所有光开关芯片的第一总线波导连通，位于每一列的光开关芯片中所有光开关芯片的第二总线波导连通。上文提供的光开关矩阵所能达到的有益效果与上述光开关芯片的结构相关，因此，其所能达到的有益效果可参考上文光开关芯片以及下文具体实施方式中对应的方案的有益效果，此处不再赘述。

第四方面，提供一种上述第一方面任一光开关芯片的控制装置，包括：驱动模块，向所述第一转轨波导与所述第二总线波导施加第一电平；向所述第二转轨波导与所述第一总线波导施加第二电平；控制模块，用于控制所述驱动模块施加的所述第一电平和所述第二电平之差的绝对值小于或等于第一阈值，使得所述光开关芯片处于直通态；或者，控制所述驱动模块施加的所述第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于第二阈值，使得所述光开关芯片处于交叉态。一种可能的实施方式为：所述光开关芯片还包括电极时；所述控制单元具体用于将所述电极接地；或者，所述控制单元具体用于对所述电极输入预定电压。

第五方面，提供一种上述第一方面任一光开关芯片的控制装置，包括：处理器、存储器和总线；所述存储器用于存储计算机执行指令，所述处理器与所述存储器通过所述总线连接，当所述控制装置运行时，所述处理器执行所述存储器存储的所述计算机执行指令，以使所述控制装置执行第二方面提供的控制方法。

第六方面，提供一种计算机存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得所述计算机执行第二方面提供的控制方法。

第七方面，本申请还提供了一种计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述任一方面所述的方法。

可以理解地，上述提供的任一种光开关芯片的控制装置或计算机存储介质或计算机程序产品均用于执行上文所提供的对应的光开关芯片的控制方法，上文提供的方法所能达到的有益效果与上述光开关芯片的结构相关，因此，其所能达到的有益效果可参考上文光开关芯片以及下文具体实施方式中对应的方案的有益效果，此处不再赘述。

附图说明

图1为现有技术提供的一种光开关芯片的结构示意图；

图2a、2b为现有技术中光波导中光信号的耦合方式示意图；

图3为本申请的实施例提供的一种OXC的示意图；

图4为本申请的实施例提供的一种光开关矩阵的工作原理示意图；

图5为本申请的实施例提供的一种光开关芯片的功能端口示意图；

图6为本申请的实施例提供的一种光开关芯片的结构示意图；

图6a为本申请的实施例提供的一种光开关芯片的局部结构示意图一；

图6b为本申请的实施例提供的一种光开关芯片的局部结构示意图二；

图7为本申请的实施例提供的一种转轨波导的局部结构示意图；

图8为本申请的另一实施例提供的一种转轨波导的局部结构示意图；

图9为本申请的另一实施例提供的一种光开关芯片的结构示意图；

图10为本申请的实施例提供的第一转轨波导UG1的第一端UG1-1与第一总线波导G1的局部结构示意图一；

图11为本申请的实施例提供的第一转轨波导UG1的第一端UG1-1与第一总线波导G1的局部结构示意图二；

图12为本申请的实施例提供的一种耦合器的形成原理示意图一；

图13为本申请的实施例提供的另一种耦合器的形成原理示意图一；

图14为本申请的再一实施例提供的一种光开关芯片的结构示意图；

图15为本申请的实施例提供的如图14中的光开关芯片的截面AA’的结构示意图；

图16为本申请的实施例提供的如图14中的光开关芯片的截面BB’的结构示意图；

图17为本申请的实施例提供的如图14中的光开关芯片的截面CC’的结构示意图；

图18为本申请的实施例提供的如图14中的光开关芯片的截面DD’的结构示意图；

图19为本申请的实施例提供的如图14中的光开关芯片的截面EE’的结构示意图；

图20为本申请的实施例提供的如图14中的光开关芯片的截面FF’的结构示意图；

图21为本申请的另一实施例提供的如图14中的光开关芯片的截面CC’的结构示意图；

图22为本申请的另一实施例提供的如图14中的光开关芯片的截面EE’的结构示意图；

图23为本申请的实施例提供一种光开关芯片的控制装置的结构示意图；

图24为本申请的另一实施例提供一种光开关芯片的控制装置的结构示意图；

图25为本申请的又一实施例提供一种光开关芯片的控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请的实施例进行描述。

首先，对本文中涉及的相关术语进行简单介绍，以方便读者理解：

光开关矩阵：由矩阵排列的光开关芯片组成，包括多个输入端口和多个输出端口，其功能类似于路由器，可以实现任意某个输入端口到任意某个输出端口的连通；本申请主要是基于交叉-直通(Cross-bar)架构的光开关矩阵，其特点是由纵横交叉的总线波导组成。

光开关(Optical Switch,OS)芯片：是一种具有一个或多个可选择的传输窗口,可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件，根据光开关芯片的输入和输出端口数，可分为1×1、1×2、1×N、2×2、2×N、M×N等多种，在本申请中光开关芯片为1×2的光开关芯片。N^2个光开关芯片组成一个NxN光开关矩阵，每个光开关芯片具有两个状态：直通态(Bar state)和交叉态(Cross state)。直通态(Bar state)对应光开关芯片的直通状态，光沿直线传输；交叉态(Cross state)：对应光开关芯片的交叉状态，光转向90°。

总线波导(Bus waveguide)：cross-bar架构的光开关矩阵中横向或者纵向的传输线。

波导：就是能将光束缚在其中进行稳定的传输的管道，波导必须满足芯层折射率大于包层折射率的要求。

下面结合附图对本申请提供的技术方案进行介绍。

光通信网络搭建中通常需要使用到光开关矩阵对传输信号的光纤进行连接以实现数据传输的功能，示例性，通信网络的基本功能之一是将不同来源的信号发送到指定的目的地去，如图3所示，用户1的信号从端口1输入，需要从端口14输出去向目的地；用户2的信号从端口7输入，需要从端口11输出去向目的地。实现这样一种路由功能的单元称为OXC(optical cross-connect，光交叉连接)，它的核心器件是光开关矩阵。

光开关矩阵，包括按照矩阵排列的光开关芯片。如图4所示，一种光开关矩阵的架构被称为cross-bar架构，它的主要思想是：在总线光波导纵横交叉的点上，存在两种状态：“bar状态”即直通态，此时光信号沿所在总线光波导按直线方式继续往前传；“cross状态”即交叉态，此时光信号转向90°由与所在总线光波导垂直的光波导输出。图4中，示出Inputports输入端口，输出端口包括Drop Ports下插端口和Through Ports直通端口。本申请就是应用在cross-bar架构中的这个关键的“交叉点”上，这个交叉点亦称为“光开关芯片”，如图5所示，光开关芯片包括两个状态：直通态和交叉态。直通态时，光信号从输入端口输入从直通端口输出，交叉态时光信号从输入端口输入从下插端口输出，结合图4所示，光开关芯片K1、K2和K3为交叉态，则光信号1从输入端口1输入从下插端口2输出；光信号2从输入端口2输入从直通端口2输出；光信号3从输入端口3输入从下插端口n输出；光信号n从输入端口n输入从下插端口1输出；可以看出，通过控制每一个交叉点的状态，能够实现任意输入到任意输出端口的路由。

参照图6所示，本申请的实施例提供的光开关芯片K的具体结构，包括：第一器件层C1和第二器件层C2，第一器件层C1包括：第一转轨波导UG1与第二总线波导G2，第二器件层C2包括：第二转轨波导UG2与第一总线波导G1；其中，第一总线波导G1的延伸方向和第二总线波导G2的延伸方向垂直；第一转轨波导UG1的第一端UG1-1的延伸方向与第二总线波导G2的延伸方向垂直；第二转轨波导UG2的第一端UG2-1的延伸方向与第一总线波导G1的延伸方向垂直；第一转轨波导UG1的第二端UG1-2的延伸方向与第二总线波导G2的延伸方向成第一夹角α；第二转轨波导UG2的第二端UG2-2的延伸方向与第一总线波导G1的延伸方向成第二夹角β。第一转轨波导UG1与第二总线波导G2位于同层(如图6a所示)，第二转轨波导UG2与第一总线波导G1位于同层(如图6b所示)。

示例性的，第一夹角与第二夹角之和为90°，一种优选方式为：第一夹角与第二夹角相等。参照图7所示，第一夹角与第二夹角相等，第一夹角α＝45°、第二夹角β＝45°，如图8所示，第一夹角与第二夹角不相等，第一夹角α＝60°、第二夹角β＝30°。

基于上述的光开关芯片的结构，第一转轨波导UG1与第二总线波导G2施加第一电平，第二转轨波导UG2与第一总线波导G2施加第二电平；第一电平和第二电平之差的绝对值小于或等于或等于第一阈值时，光开关芯片处于直通态，示例性的，上述方案中第一阈值足够小，使得第一转轨波导UG1的第一端与第一总线波导G1之间、第二转轨波导UG2的第一端与第二总线波导G2之间以及第一转轨波导UG1的第二端与第二转轨波导UG2的第二端之间不会产生相互吸引力，或者产生的相互吸引力不足使得其两两之间产生相互耦合，一种示例为第一阈值为0；第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于或等于第二阈值时，第一转轨波导UG1的第一端与第一总线波导G1的距离减小形成第一耦合器；第二转轨波导UG2的第一端与第二总线波导G2的距离减小形成第二耦合器；第一转轨波导UG1的第二端与第二转轨波导UG2的第二端的距离减小形成第三耦合器，光开关芯片处于交叉态，示例性的，上述方案中第一阈值足够大，使得第一转轨波导UG1的第一端与第一总线波导G1之间、第二转轨波导UG2的第一端与第二总线波导G2之间以及第一转轨波导UG1的第二端与第二转轨波导UG2的第二端之间产生相互吸引力使得其两两之间的距离减小以产生相互耦合，一种示例为第二阈值大于第一阈值。

其中，在在直通态时，光信号沿第一总线波导或第二总线波导传输；在交叉态时，光信号依次沿第一总线波导、第一转轨波导、第二转轨波导和第二总线波导传输，光信号依次沿第二总线波导、第二转轨波导、第一转轨波导和第一总线波导传输。

其中，图6中，第一转轨波导UG1与第二总线波导G2位于下层，第二转轨波导UG2与第一总线波导G1位于上层，这只是一种示例，第一转轨波导UG1与第二总线波导G2位于上层，第二转轨波导UG2与第一总线波导G1位于下层也是可以的。

可以理解的是上述的延伸方向指与光信号在波导中的传播方向平行的方向，例如：对于总线波导，由于其为直线波导其延伸方向可以是两个方向，但两个方向均与其所约束的光信号的传输方向平行；而转轨波导的某一端的延伸方向指该某一端在结构上的朝向或指向，并且转轨波导的某一端的延伸方也是与光信号在转轨波导的某一端中的传播方向平行的。因此采用光信号的传输方向，或者结构上的指向、朝向等名词限定波导的延伸方向的均在本申请的保护范围内。

由于，第一转轨波导与第二总线波导位于同层，第二转轨波导与第一总线波导位于同层，因此相对于现有技术需要在三个光波导平面上实现的方案，本申请提供的方案仅需在两个光波导平面上即可实现，第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于第二阈值时，第一转轨波导的第一端与第一总线波导相互吸引使得的距离减小形成第一耦合器；第二转轨波导的第一端与第二总线波导相互吸引使得的距离减小形成第二耦合器；第一转轨波导的第二端与第二转轨波导相互吸引使得的第二端的距离减小形成第三耦合器，光开关芯片处于交叉态，相对于现有技术，各个波导结构在垂直方向上有效移动的距离均不会超过两个层波导平面之间的距离，因此这种设计能够解决光开关芯片的开关响应速度慢的问题。

如图9所示，为对上述的各个波导结构施加电平，光开关芯片还包括电极P；

电极P与第一转轨波导UG1以及第二总线波导G2形成电学连接，第二转轨波导UG2以及第一总线波导G1与地形成电学连接；在电极P的电平与地的电平之差的绝对值小于或等于第一阈值时，光开关芯片处于直通态，一种示例为电极P的电平与地的电平相等；对电极施加预定电压时，并预定电压与地的电平之差的绝对值大于或等于第二阈值，光开关芯片处于在交叉态。在若干个光开关芯片组成一个光开关矩阵的时候，每个光开关芯片都需要一个电极，在图9中，提供的2×2的光开关矩阵中包含4个光开关芯片，这样就需要4个电极。加载电压的方式比较简单：下层所有波导结构(bus waveguide和转轨波导)连接为电势一，上层所有波导结构连接为电势二。电势一和电势二之间具有一定的电势差，这样在加电的时候，就会在上下层波导结构重合的位置产生吸引力，从而引起位移。在下图中，所有下层波导结构直接接地，为电势一；上层波导结构由电极供电，为电势二。也可以反过来，所有上层波导结构直接接地，上层波导结构由电极供电。需要说明的是，上述的电学连接并非指电极或地与目标波导的直接连接，而是指电极或地与目标波导外围的导电材料(例如多晶硅)的直接连接从而实现对目标波导施加一定电压信号，使得上下层波导结构重合的位置产生吸引力。

为形成上述的第一耦合器，在交叉态，第一转轨波导的第一端朝向第一总线波导减小距离；为形成上述的第二耦合器，在交叉态，第二转轨波导的第一端朝向第二总线波导减小距离。

其中两条总线波导均是固定不可动的，因此第一总线波导G1和第二总线波导G2之间具有足够大的间隔，互相不发生任何影响，光信号在第一总线波导G1和第二总线波导G2交叉点沿原有的传播方向继续传播，该交叉点处不带来额外的损耗或串扰。

而在第一电平和第二电平相等时，第一转轨波导的第一端与第一总线波导之间具有足够大的间隔，第二转轨波导的第一端与第二总线波导之间具有足够大的间隔，因此不对总线波导中的光信号产生影响；而在第一电平和第二电平不相等时，光开关芯片进入交叉态，第一转轨波导的第一端与第一总线波导相互吸引，由于第一总线波导固定，因此第一转轨波导的第一端朝向第一总线波导减小距离，形成上述的第一耦合器；第二转轨波导的第一端与第二总线波导相互吸引，由于第二总线波导固定，因此第二转轨波导的第一端朝向第二总线波导减小距离，形成上述的第二耦合器。以第一转轨波导的第一端与第一总线波导为例，参照图10所示，在第一电平和第二电平之差的绝对值小于或等于或等于第一阈值时，第一转轨波导UG1的第一端UG1-1与第一总线波导G1相距较远，参照图11所示，在第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于或等于第二阈值时，第一转轨波导UG1的第一端UG1-1朝向第一总线波导G1减小距离两者相距较近，形成第一耦合器；第二耦合器的形成原理类似这里不再赘述。

第三耦合器的形成有如下三种方式：

方式一：第二转轨波导的第二端固定，第一转轨波导的第二端朝向第二转轨波导的第二端减小距离，形成第三耦合器；

方式二：第一转轨波导的第二端固定，第二转轨波导的第二端朝向第一转轨波导的第二端减小距离，形成第三耦合器；

方式三：第一转轨波导的第二端朝向第二转轨波导的第二端减小距离，并且第二转轨波导的第二端朝向第一转轨波导的第二端减小距离，形成第三耦合器。

为保证光开关芯片的响应速度，则需要尽可能使得转轨波导中可移动部分的结构与对侧共同形成耦合器的结构正对，例如：第一转轨波导的第一端的垂直投影位于第一总线波导上；第二转轨波导的第一端的垂直投影位于第二总线波导上；第一转轨波导的第二端的垂直投影位于第二转轨波导上；第二转轨波导的第二端的垂直投影位于第一转轨波导上。这样转轨波导中可移动部分的结构与对侧共同形成耦合器的结构相互吸引时，仅在垂直方向上移动最短距离即可形成耦合器，降低了施加第一电平和第二电平造成的能耗。

此外上述耦合器可以为绝热耦合器或方向耦合器，具体的，在交叉态，第一耦合器为绝热耦合器或方向耦合器第二耦合器为绝热耦合器或方向耦合器；第三耦合器为绝热耦合器或方向耦合器。绝热耦合器或方向耦合器都可以实现光信号从一个光波导完全耦合到另一个光波导中的功能，差别在于：方向耦合器的带宽较小，对两个波导之间间隔的要求更小。因此，本申请的实施例优选采用绝热耦合器方案。绝热耦合器的结构特点就是一个波导是直波导，另一个是倒锥形(或倒三角形)波导，以第一转轨波导UG1的第一端UG1-1与第一总线波导G1为例，如图12所示，分别示出了在电极接地和加电情况下的示意图，其中由于总线波导的形状是固定采用直波导的方式，因此在采用绝热耦合器方案时，转轨波导的两端通常设置为倒锥形(或倒三角形)波导。方向耦合器的特点是两个波导均为直波导，如图13所示，以第一转轨波导UG1的第一端UG1-1与第一总线波导G1为例，分别示出了在电极接地和加电情况下的示意图。

其中，上述光开关芯片可以在SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)片上进行材料生长，并刻蚀形成，通常使用标准CMOS

(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)工艺进行制作。

其中对于光开关芯片的具体结构，参考图14进行具体说明，

其中，参照图15所示，提供图14中截面AA’的具体结构,从上到下依次包括：上覆盖层S1、第一总线波导G1、隔离层S2、第二总线波导G2、下覆盖层S3和衬底S4，其中上覆盖层S1材料可以为硅的氮化物或氧化物，如氮化硅、氧化硅；第一总线波导G1和第二总线波导G2材料可以为硅，如单晶硅或多晶硅；隔离层S2材料可以为硅的氮化物或氧化物，如氮化硅、氧化硅；下覆盖层S3材料可以为硅的氮化物或氧化物，如氮化硅、氧化硅；衬底S4材料可以为硅，如本征硅。

参照图16所示，图14中截面BB’,从上到下依次包括：第二转轨波导UG2的第一端UG2-1、第二总线波导G2、下覆盖层S3和衬底S4，其中第二转轨波导UG2的第一端UG2-1和第二总线波导G2之间镂空，并且第二转轨波导UG2的第一端UG2-1上方的上覆盖层S1镂空，这样第二转轨波导UG2的第一端UG2-1形成自由端可以在垂直方向上自由移动，以在电极加电的情况下与第二总线波导G2形成耦合器。

参照图17所示，图14中截面CC’,从下到上依次包括：上覆盖层S1、第二转轨波导UG2、隔离层S2、下覆盖层S3和衬底S4。

参照图18所示，中截面DD’,从上到下依次包括：第二转轨波导UG2的第二端UG2-2、第一转轨波导UG1的第二端UG1-2和衬底S4，其中第二转轨波导UG2的第一端UG2-2和第一转轨波导UG1的第二端UG1-2之间镂空，并且第二转轨波导UG2的第二端UG2-2上方的上覆盖层S1镂空，第一转轨波导UG1的第二端UG1-2下方的下覆盖层S3镂空；这样第二转轨波导UG2的第二端UG2-2形成自由端可以在垂直方向上自由移动，第一转轨波导UG1的第二端UG1-2形成自由端可以在垂直方向上自由移动以在电极加电的情况下，两者形成耦合器。当然，在该方案中也可保留第二转轨波导UG2的第二端UG2-2上方的上覆盖层S1，或者保留第一转轨波导UG1的第二端UG1-2下方的下覆盖层S3，这样在电极加电时第二转轨波导UG2的第二端UG2-2或者第一转轨波导UG1的第二端UG1-2中之一可以向对侧移动也可以形成耦合器。

参照图19所示，中截面EE’,从上到下依次包括：上覆盖层S1、隔离层S2、第一转轨波导UG1、下覆盖层S3和衬底S4。

参照图20所示，中截面FF’,从上到下依次包括：上覆盖层S1、第一总线波导G1、第一转轨波导UG1的第一端GU1-1和衬底S4，其中第一转轨波导UG1的第一端GU1-1和第一总线波导G1之间镂空，并且第一转轨波导UG1的第一端GU1-1下方的下覆盖层S3镂空，这样第一转轨波导UG1的第一端GU1-1形成自由端可以在垂直方向上自由移动，以在电极加电的情况下与第一总线波导G1形成耦合器。

当然，参照第三耦合器的三种形成方式，转轨波导的固定方式有多种，例如：转轨波导可以在第一端和第二端连接处(即转轨波导的)中部固定，即利用截面CC’截面EE’中的隔离层固定；当然在按照方式一形成第三耦合器时可以将第二转轨波导的第二端固定，即在第二转轨波导的第二端位置固定第二转轨波导。当然只要工艺允许，可以采用任一方式对转轨波导进行固定。利用截面CC’截面EE’中隔离层固定时，对隔离层的形式不作限定，如可以为上述图17或19所示的整层隔离层，也可以如图21所示，截面CC’的隔离层部分替换为两个柱状隔离柱S2-1和S2-2，截面EE’也可采用如图22所示的结构，这里不再赘述。其中在上述实施例对波导的类型不做限制，例如矩形波导或脊型波导，但是由于脊型波导相对矩形波导传输损耗更低，因此中各个实施例中提供的附图中，各个波导均采用脊型波导为例进行说明，例如图15-22中，波导G1、G2、UG1和UG2的截面均为脊型波导截面。

本申请提供一种上述的光开关芯片的控制方法，包括：

101、向第一转轨波导与第二总线波导施加第一电平；

102、向第二转轨波导与第一总线波导施加第二电平；

103、控制第一电平和第二电平之差的绝对值小于或等于第一阈值，使得光开关芯片处于直通态；

104、控制第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于第二阈值，使得光开关芯片处于交叉态。

其中步骤103和104是选择性执行，此外，提供一种示例，光开关芯片还包括电极时；控制第一电平和第二电平之差的绝对值小于或等于第一阈值包括：将电极接地，其中，电极的电平与地的电平之差的绝对值小于或等于第一阈值；控制第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于第二阈值，包括对电极输入预定电压，并且预定电压与地的电平之差的绝对值大于或等于第二阈值。

上文提供的光开关芯片的控制方法所能达到的有益效果与上述光开关芯片的结构相关，因此，其所能达到的有益效果可参考上文光开关芯片以及光开关芯片对应的具体实施方式中对应的方案的有益效果，此处不再赘述。

本申请的实施例提供一种光开关芯片的控制装置，用于执行上述光开关芯片的控制方法。本申请实施例可以根据上述方法示例对光开关芯片的控制方法进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本申请实施例中对模块的划分是示意性的，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。

在采用对应各个功能划分各个功能模块的情况下，图23示出了上述实施例中所涉及的光开关芯片的控制装置230的一种可能的结构示意图，光开关芯片的控制装置230包括：驱动模块2311、控制模块2312。驱动模块2311用于支持光开关芯片的控制装置执行步骤101、102；控制模块2312用于支持光开关芯片的控制装置执行步骤103、104。其中，上述方法实施例涉及的各步骤的所有相关内容均可以援引到对应功能模块的功能描述，在此不再赘述。

在采用集成的单元的情况下，图24示出了上述实施例中所涉及的光开关芯片的控制装置240的一种可能的结构示意图。光开关芯片的控制装置240包括：接口单元2411、处理单元2412和存储单元2413。处理单元2412用于对光开关芯片的控制装置的动作进行控制管理，例如，处理单元2412用于支持光开关芯片的控制装置执行上述方法中的过程103、104；接口单元2411用于支持光开关芯片的控制装置执行上述方法中的101、102。此外接口单元2411可以包含或本身为一种实体结构，与电极连接。存储单元2413，用于存储光开关芯片的控制装置的程序代码和数据。

其中，处理单元2412可以是处理器或控制器，例如可以是中央处理器(centralprocessing unit，CPU)，通用处理器，数字信号处理器(digital signal processor，DSP)，专用集成电路

(application-specific integrated circuit，ASIC)，现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。所述处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等等。接口单元2411可以是通信接口等。存储单元2413可以是存储器。

当处理单元2412为处理器，接口单元2411为接口电路，存储单元2413为存储器时，本申请实施例所涉及的光开关芯片的控制装置可以为如下所述的光开关芯片的控制装置。

参照图25所示，该光开关芯片的控制装置250，包括：处理器2501、存储器2502、总线2503和接口电路2504；存储器2502用于存储计算机执行指令，接口电路2504、处理器2501与存储器2502通过总线2503连接，当光开关芯片的控制装置运行时，处理器2501执行存储器2502存储的计算机执行指令，以使光开关芯片的控制装置执行如上述的设备识别方法。总线2503可以是外设部件互连标准(peripheral component

interconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，EISA)总线等。总线2503可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图25中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

本申请实施例还提供一种存储介质，该存储介质可以包括存储器2502。

由于本申请实施例提供的光开关芯片的控制装置可用于执行上述设备识别方法，因此其所能获得的技术效果可参考上述方法实施例，本申请实施例在此不再赘述。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件程序实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式来实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或者数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可以用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)，光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本申请进行了描述，显而易见的，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本申请的示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种光开关芯片，其特征在于，包括：第一器件层和第二器件层，所述第一器件层包括：第一转轨波导与第二总线波导，所述第二器件层包括：第二转轨波导与第一总线波导；

其中，所述第一总线波导的延伸方向和第二总线波导的延伸方向垂直；所述第一转轨波导的第一端的延伸方向与所述第二总线波导的延伸方向垂直；所述第二转轨波导的第一端的延伸方向与所述第一总线波导的延伸方向垂直；

所述第一转轨波导的第二端的延伸方向与所述第二总线波导的延伸方向成第一夹角；所述第二转轨波导的第二端的延伸方向与所述第一总线波导的延伸方向成第二夹角；

所述第一转轨波导与所述第二总线波导施加第一电平，所述第二转轨波导与所述第一总线波导施加第二电平；

所述第一电平和第二电平之差的绝对值小于或等于第一阈值时，所述光开关芯片处于直通态；

所述第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于第二阈值时，所述第一转轨波导的第一端与所述第一总线波导的距离减小形成第一耦合器；所述第二转轨波导的第一端与所述第二总线波导的距离减小形成第二耦合器；所述第一转轨波导的第二端与所述第二转轨波导的第二端的距离减小形成第三耦合器，所述光开关芯片处于交叉态；其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。

2.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，还包括电极；

所述电极与所述第一转轨波导以及所述第二总线波导形成电学连接，所述第二转轨波导以及所述第一总线波导与地形成电学连接；

在所述电极的电平与所述地的电平之差的绝对值小于或等于所述第一阈值时，所述光开关芯片处于直通态；

对所述电极施加预定电压，并且所述预定电压与所述地的电平之差的绝对值大于或等于所述第二阈值时，所述光开关芯片处于交叉态。

3.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，在交叉态，所述第一转轨波导的第一端朝向所述第一总线波导减小距离；所述第二转轨波导的第一端朝向所述第二总线波导减小距离；

所述第一转轨波导的第二端朝向所述第二转轨波导的第二端减小距离，和/或,所述第二转轨波导的第二端朝向所述第一转轨波导的第二端减小距离。

4.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角之和为90°。

5.根据权利要求4所述的光开关芯片，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角相等。

6.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，在直通态时，光信号沿所述第一总线波导或第二总线波导传输；

在交叉态时，光信号依次沿所述第一总线波导、所述第一转轨波导、所述第二转轨波导和所述第二总线波导传输，或者光信号依次沿所述第二总线波导、所述第二转轨波导、所述第一转轨波导和所述第一总线波导传输。

7.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，

所述第一转轨波导的第一端的垂直投影位于所述第一总线波导上；

所述第二转轨波导的第一端的垂直投影位于所述第二总线波导上；

所述第一转轨波导的第二端的垂直投影位于所述第二转轨波导上；

所述第二转轨波导的第二端的垂直投影位于所述第一转轨波导上。

8.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，

在交叉态，所述第一耦合器为绝热耦合器或方向耦合器；所述第二耦合器为绝热耦合器或方向耦合器；所述第三耦合器为绝热耦合器或方向耦合器。

9.一种光开关芯片的控制方法，其特征在于，所述光开关芯片为如权利要求1-8任一项所述的光开关芯片，所述方法包括：

向所述第一转轨波导与所述第二总线波导施加第一电平；

向所述第二转轨波导与所述第一总线波导施加第二电平；

控制所述第一电平和第二电平之差的绝对值小于或等于第一阈值，使得所述光开关芯片处于直通态；

或者，控制所述第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于第二阈值，使得所述光开关芯片处于交叉态；其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光开关芯片还包括电极；所述控制所述第一电平和第二电平之差的绝对值小于或等于第一阈值包括：

将所述电极接地，其中，所述电极的电平与所述地的电平之差的绝对值小于或等于所述第一阈值；

所述控制所述第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于第二阈值，包括对所述电极输入预定电压，并且所述预定电压与所述地的电平之差的绝对值大于或等于所述第二阈值。

11.一种光开关矩阵，其特征在于，包括按照矩阵排列的如权利要求1-8任一项所述的光开关芯片；

其中，位于每一行的光开关芯片中，所有光开关芯片的第一总线波导连通，位于每一列的光开关芯片中所有光开关芯片的第二总线波导连通。

12.一种光开关芯片的控制装置，其特征在于，所述光开关芯片为如权利要求1-8任一项所述的光开关芯片，所述控制装置包括：

驱动模块，向所述第一转轨波导与所述第二总线波导施加第一电平；向所述第二转轨波导与所述第一总线波导施加第二电平；

控制模块，用于控制所述驱动模块施加的所述第一电平和所述第二电平之差的绝对值小于或等于第一阈值，使得所述光开关芯片处于直通态；或者，控制所述驱动模块施加的所述第一电平和第二电平之差的绝对值大于或等于第二阈值，使得所述光开关芯片处于交叉态，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。

13.根据权利要求12所述的控制装置，其特征在于，所述光开关芯片还包括电极；所述控制模块具体用于将所述电极接地，其中，所述电极的电平与所述地的电平之差的绝对值小于或等于所述第一阈值；或者，所述控制模块具体用于对所述电极输入预定电压，并且所述预定电压与所述地的电平之差的绝对值大于或等于所述第二阈值。

14.一种光开关芯片的控制装置，其特征在于，所述光开关芯片为如权利要求1-8任一项所述的光开关芯片，所述控制装置包括：处理器、存储器和总线；所述存储器用于存储计算机执行指令，所述处理器与所述存储器通过所述总线连接，当所述控制装置运行时，所述处理器执行所述存储器存储的所述计算机执行指令，以使所述控制装置执行如权利要求9或10所述的控制方法。

15.一种计算机存储介质，其特征在于，包括指令，当其在计算机上运行时，使得所述计算机执行如权利要求9或10所述的控制方法。

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