CN113671770B - 一种光选择开关、节点装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供了一种光选择开关、节点装置，涉及光通信领域，用于改善WSS端口数量的增加，导致衍射光栅出射光束的最大偏转角度较大的问题。光选择开关包括N个输入端口、M个输出端口、输入被动偏转元件、输入主动偏转元件、输出被动偏转元件以及输出主动偏转元件。每个输入端口用于接收输入光。每个输出端口用于将待输出光从输出端口输出。输入被动偏转元件用于将输入光向中间输出端口对应方向偏转。输入主动偏转元件用于根据输入被动偏转元件的偏转，将输入光偏转至目标输出端口对应方向。输出被动偏转元件用于将待输出光向中间输出端口对应方向偏转。输出主动偏转元件用于根据输出被动偏转元件的偏转，将待输出光偏转至目标输出端口。

Description

一种光选择开关、节点装置
技术领域
本申请涉及光通信领域，尤其涉及一种光选择开关、节点装置。
背景技术
光网络正朝着大容量、低延时以及智能化的方向持续发展。光网络包括光网络节点和光通道。光通道，例如光纤用于传输光信号。光网络节点用于实现任意波长光信号的上下波、阻断和直通配置。光网络节点处设置的节点装置中设置有波长选择开关(wavelengthselective switch，WSS)。
WSS中设置有能够将入射光偏转至相应出射方向的衍射光栅。然而，随着WSS端口数目的不断扩展，衍射光栅出射光束的最大偏转角度也不断增大。这样会降低光束偏转的衍射效率和隔离度，最终导致WSS的插入损耗和端口串扰显著增加。
发明内容
本申请实施例提供一种光选择开关、节点装置，用于改善WSS端口数量的增加，导致衍射光栅出射光束的最大偏转角度较大的问题。
为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：
本申请实施例的一方面，提供一种光选择开关。该光选择开关包括N个输入端口、M个输出端口、输入主动偏转元件、输入被动偏转元件、输出主动偏转元件以及输出被动偏转元件。其中，N为大于或等于3的整数，M为大于或等于3的整数。每个输入端口用于接收输入光。每个输出端口用于将待输出光从输出端口输出。输入被动偏转元件用于将输入光向中间输出端口对应方向偏转。输入主动偏转元件用于根据输入被动偏转元件的偏转，将输入光偏转至目标输出端口对应方向。输出被动偏转元件用于将待输出光向中间输出端口对应方向偏转。输出主动偏转元件用于根据输出被动偏转元件的偏转，将待输出光偏转至目标输出端口。
综上所述，通过在光选择开关中设置输入被动偏转元件和输出被动偏转元件，可以对入射至输入被动偏转元件和输出被动偏转元件的一部分光信号向中间输出端口对应方向偏转。这样一来，可以减小输入主动偏转元件和输出主动偏转元件对入射光信号的偏转角度，从而可以提高输出端口接收到的光信号的功率，达到提高光选择开关的光束偏转衍射效率的目的。此外，由于输入主动偏转元件和输出主动偏转元件对入射光信号的偏转角度有所减小，因此可以提高不同输出端口之间传输的光信号的隔离度。
可选的，N个输入端口沿第一方向并排设置，输入被动偏转元件包括多个沿第一方向并排设置的第一棱镜结构。N个输入端口中，除中间输入端口以外的至少一个输入端口与第一棱镜结构一一对应。第一棱镜结构用于将输入光向所述中间输出端口对应方向偏转第一预倾角Δθ1。其中，沿第一方向，由输入被动偏转元件的边缘到中心，多个第一棱镜结构的第一预倾角Δθ1逐渐减小。这样一来，可以减小输入主动偏转元件对位于边缘位置的输入端口的最大偏转角度，与该输入主动偏转元件对位于中间位置的输入端口的最大偏转角度之间的差异。
可选的，第一棱镜结构包括直角三棱柱。直角三棱柱沿垂直于输入主动偏转元件的入光面的截面为直角三角形。直角三角形的斜边与输入主动偏转元件的入光面之间具有楔角α。楔角α的开口方向朝向输入被动偏转元件的中心。这样可以使得的入射至第一棱镜结构的光束经过斜面的各个部分后，该光束中不同波长光线的相位分布发生了变化，进而能够向中间输出端口对应方向偏转第一预倾角Δθ1。此外，沿第一方向，由输入被动偏转元件的边缘到中心，多个第一棱镜结构的楔角α逐渐减小，从而能够使得沿第一方向，由输入被动偏转元件的边缘到中心，多个第一棱镜结构的第一预倾角Δθ1逐渐减小。
可选的，当N为偶数时，第一预倾角Δθ1为：或者，第一预倾角Δθ1为：/>其中，k为N个输入端口中，第k个输入端口的序号；/>d为相邻两个输入端口之间的间距；L为输入被动偏转元件和输出被动偏转元件之间的光路距离。当N为奇数时，第一预倾角Δθ1为：/>从而能够使得沿第一方向，由输入被动偏转元件的边缘到中心，多个第一棱镜结构的第一预倾角Δθ1逐渐减小。
可选的，当N为偶数时，楔角α为： 或者，楔角α为：其中，n为第一棱镜结构的折射率；当N为奇数时，楔角α为：/>从而能够使得沿第一方向，由输入被动偏转元件的边缘到中心，多个第一棱镜结构的楔角α逐渐减小。
可选的，第一棱镜结构包括至少一组调光结构。每组调光结构对光信号的相位调制范围为0～2π。每组所述调光结构包括沿第一方向并排设置的多个四棱柱。任意一个棱镜结构的每组调光结构中，具有Q种高度等级的四棱柱。每种高度等级的四棱柱用于在相位调制范围中对光信号的一个相位进行调制。其中，2≤Q；Q为整数。沿第一方向，由输入被动偏转元件的边缘到中心，第一棱镜结构的调光结构中的多个四棱柱的高度变化率逐渐减小。四棱柱的高度方向与垂直于输入主动偏转元件的入光面的方向平行。四棱柱沿垂直于输入主动偏转元件的入光面的截面为矩形。这样可以使得的入射至第一棱镜结构的各个四棱柱后，该光束中不同波长光线的相位分布发生了变化，进而能够向中间输出端口对应方向偏转第一预倾角Δθ1。沿第一方向，由输入被动偏转元件的边缘到中心，第一棱镜结构的调光结构中的多个四棱柱的高度变化率逐渐减小，从而能够使得沿第一方向，由输入被动偏转元件的边缘到中心，多个第一棱镜结构的第一预倾角Δθ1逐渐减小。此外，通过调节四棱柱的高度的方式，调节第一棱镜结构的第一预倾角Δθ1更容易实现。从而能够减小第一棱镜结构的加工难度，并且使得输入被动偏转元件具有更好的机械强度和稳定性。
可选的，每个第一棱镜结构中四棱柱的数量相同。由于入射至每个第一棱镜结构上的光束的宽度大致相同，因此，为了简化制作工艺而制作宽度相同的四棱柱，每个第一棱镜结构中四棱柱的数量可以相同。当然，在本申请的另一些实施例中，各个第一棱镜结构中四棱柱的数量还可以不相同。
可选的，第一棱镜结构的调光结构中四棱柱的矩形横截面的任意一边的长度小于入射光信号的最小波长，从而可以更有效的对光信号的相位进行调节。
可选的，第一棱镜结构包括沿第二方向并排设置的S组超表面结构；每组超表面结构对光信号的相位调制范围为0～2π。第一棱镜结构沿第二方向覆盖的所有波长通道分为S个波段；每一组超表面结构对应一个波段；其中，S≥2，S为整数。每组超表面结构包括阵列排布的多个纳米微柱。沿第一方向相邻两个纳米微柱之间的间距小于超表面结构所对应的波段的中心波长。沿第一方向，由输入被动偏转元件的边缘到中心，同一个超表面结构中位于同一排的多个纳米微柱横截面的面积变化率逐渐减小，从而能够使得沿第一方向，由输入被动偏转元件的边缘到中心，多个第一棱镜结构的第一预倾角Δθ1逐渐减小。横截面与输入主动偏转元件的入光面平行。上述超表面结构中的多个纳米微柱可以形成亚波长结构，从能够根据入射光的波长对光信号进行偏转。此外，任意两个纳米微柱的高度相同，有利于输入被动偏转元件与其他光学元件的表面贴合或胶合。
可选的，沿第一方向，每个超表面结构中位于同一排的纳米微柱的数量相同。由于入射至每个第一棱镜结构上的光束的宽度大致相同，因此，为了简化制作工艺而制作横截面面积相同的纳米微柱，每个第一棱镜结构中纳米微柱的数量可以相同。当然，在本申请的另一些实施例中，各个第一棱镜结构中纳米微柱的数量还可以不相同。
可选的，输入光为波分复用的多路光。光选择开关还包括输入光栅元件和输出光栅元件。其中，输入光栅元件用于根据输入光的多个波长通道，将来自每个输入端口的输入光分出不同波长的光信号。输出光栅元件用于将一个或多个波长的待输出光复用到同一个输出端口。当然，在本申请的另一些实施例中，上述输入光栅元件和输出光栅元件还可以制作于同一个光栅元件中。
可选的，第一棱镜结构沿第二方向，覆盖来自第一棱镜结构对应的输入端口的输入光的所有波长通道。第二方向与所述第一方向相交。这样一来，第一棱镜结构可以对来自第一棱镜结构对应的输入端口的输入光中所有波长的光信号，向中间输出端口对应方向进行偏转。
可选的，M个输出端口沿所述第一方向并排设置，输出被动偏转元件包括多个沿第一方向并排设置的第二棱镜结构。M个输出端口中，除中间输出端口以外的至少一个输出端口与第二棱镜结构一一对应。第二棱镜结构用于将待输出光向中间输出端口对应方向偏转第二预倾角Δθ2。沿第一方向，由输出被动偏转元件的边缘到中心，多个第二棱镜结构的第二预倾角Δθ2逐渐减小。第二棱镜结构的技术效果与上述第一棱镜结构的技术效果同理可得，此处不再赘述。
可选的，输入端口的数量N与输出端口的数量M相同。与第k个输入端口对应的第一棱镜结构的第一预倾角Δθ1和与第k个输出端口对应的第二棱镜结构的第二预倾角Δθ2相等。其中，1≤k≤N，k为整数。在此情况下，输入被动偏转元件中的多个第一棱镜结构与输出被动偏转元件中的多个第二棱镜结构可以关于输入被动偏转元件和输出被动偏转元件之间光路的中心线镜像设置。
可选的，输入被动偏转元件设置于输入主动偏转元件的入光面。光选择开关还包括增透膜增透膜设置于输入被动偏转元件靠近输入主动偏转元件的一侧表面。增透膜可以提高光信号入射至输入主动偏转元件的效率。
可选的，输入被动偏转元件设置于输入主动偏转元件的入光面。输入主动偏转元件为液晶覆硅面板。液晶覆硅包括相对设置的硅基底和透明盖板，以及位于硅基底和透明盖板之间的液晶层。第一棱镜结构设置于透明盖板远离硅基底的一侧表面上。
可选的，当N为奇数时，N个输入端口中，至少第(N+1)/2个输入端口为中间输入端口；当N为偶数时，N个输入端口中，至少第N/2个以及第N/2+1个输入端口均为中间输入端口。当M为奇数时，M个输出端口中，至少第(M+1)/2个输出端口为中间输出端口；当M为偶数时，M个输出端口中，至少第M/2个以及第M/2+1个输出端口均为中间输出端口。
可选的，当时，第k个输入端口为中间输入端口。这样一来，输入被动偏转元件对应满足上述公式的第k个输入端口的位置可以不设置上述第一棱镜结构，使得的输入被动偏转元件对来自满足上述公式的第k个输入端口的第一预倾角Δθ1为0。当时，第k个输入端口为中间输出端口。同理输出被动偏转元件对应满足上述公式的第k个输出端口的位置可以不设置上述第二棱镜结构，使得的输出被动偏转元件对来自满足上述公式的第k个输出端口的第二预倾角Δθ2为0。
本申请实施例的另一方面，提供一种光选择开关，包括N个输入端口、M个输出端口、输入主动偏转元件、输出主动偏转元件。N为大于或等于3的整数，M为大于或等于3的整数。每个输入端口用于接收输入光。N个输入端口中，除中间输入端口以外的至少一个输入端口靠近光选择开关内侧的一端，向中间输入端口对应方向偏转。每个输出端口用于将待输出光从输出端口输出。M个输出端口中，除中间输出端口以外的至少一个输出端口靠近光选择开关内侧的一端，向中间输出端口对应方向偏转。主动偏转元件用于将输入光偏转至目标输出端口对应方向。输出主动偏转元件用于将待输出光偏转至目标输出端口。在此情况下，通过对光选择开关的部分输入端口和部分输出端口向中间端口的位置进行偏转，可以减小输入主动偏转元件和输出主动偏转元件对入射光信号的偏转角度，从而可以提高输出端口接收到的光信号的量，达到提高光选择开关的光束偏转衍射效率的目的。此外，由于输入主动偏转元件和输出主动偏转元件对入射光信号的偏转角度有所减小，因此可以提高不同输出端口之间传输的光信号的隔离度。
可选的，N个输入端口中，除中间输入端口以外的至少一个输入端口靠近光选择开关内侧的一端，向中间输入端口对应方向偏转第一预倾角Δθ1。其中，沿边缘的输入端口到中间输入端口的方向，第一预倾角Δθ1逐渐减小。这样一来，可以减小输入主动偏转元件对位于边缘位置的输入端口的最大偏转角度，与该输入主动偏转元件对位于中间位置的输入端口的最大偏转角度之间的差异。
可选的，输入端口的数量N与输出端口的数量M相同。第k个输入端口的第一预倾角Δθ1和第k个输出端口的第二预倾角Δθ2相等；其中，1≤k≤N，k为整数。在此情况下，输入被动偏转元件中的多个第一棱镜结构与输出被动偏转元件中的多个第二棱镜结构可以关于输入被动偏转元件和输出被动偏转元件之间光路的中心线镜像设置。
本申请实施例的又一方面，提供一种节点装置，包括如上所述的任意一种光选择开关。该节点装置具有与前述实施例提供的节点装置相同的技术效果，此处不再赘述。
附图说明
图1a为本申请实施例提供的一种光网络的结构示意图；
图1b为图1a中节点装置的一种结构示意图；
图2a为图1b中光选择开关的一种结构示意图；
图2b为图1b中光选择开关的另一种结构示意图；
图3a为图2a所示的光选择开关的一种光路示意图；
图3b为图2a所示的光选择开关的另一种光路示意图；
图3c为图2a所示的光选择开关的另一种光路示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种光选择开关的结构示意图；
图5为图3a中输入主动偏转元件的一种结构示意图；
图6为图3a中输入主动偏转元件和输入被动偏转元件的一种结构示意图；
图7a为本申请实施例提供的一种光选择开关的结构和光路示意图；
图7b为本申请实施例提供的一种光选择开关的结构和光路示意图；
图8a为图2a所示的光选择开关另一种光路示意图；
图8b为图3a中输入主动偏转元件和输入被动偏转元件的另一种结构示意图；
图8c为图3a中输入主动偏转元件和输入被动偏转元件的另一种结构示意图；
图9a为本申请实施例提供的光选择开关的一种光路示意图；
图9b为本申请实施例提供的光选择开关的另一种光路示意图；
图9c为本申请实施例提供的光选择开关的另一种光路示意图；
图9d为本申请实施例提供的光选择开关的另一种光路示意图；
图10a为本申请实施例提供的第一开关结构的一种光路示意图；
图10b为沿图10a的虚线D-D进行剖切得到的剖视图；
图10c为具有图10a所示的第一开关结构的WSS的一种光路示意图；
图11a为图10b中直角三棱柱的一种光路示意图；
图11b为图10b中直角三棱柱的另一种光路示意图；
图12a为本申请实施例提供的第一开关结构的另一种光路示意图；
图12b为沿图12a的虚线D-D进行剖切得到的一种剖视图；
图12c为沿图12a的虚线D-D进行剖切得到的另一种剖视图；
图13a为本申请实施例提供的输入被动偏转元件的一种结构示意图；
图13b为沿图13a的A向得到的一种结构示意图；
图13c为沿图13a的A向得到的另一种结构示意图；
图14a为本申请实施例提供的光选择开关的另一种结构示意图；
图14b为图14a的光选择开关的一种光路示意图；
图15为本申请实施例提供的光选择开关的另一种结构示意图。
附图标记：
01-光网络；10-节点装置；100-光选择开关；20-光栅元件；30-第一开关结构；40-第二开关结构；20a-输入光栅元件；20b-输出光栅元件；301-输入主动偏转元件；302-输入被动偏转元件；401-输出主动偏转元件；402-输出被动偏转元件；311-硅基底；312-透明盖板；313-液晶层；314-第一电极；315-第二电极；320-增透膜；51-第一棱镜结构；52-第二棱镜结构；50-承载板；510-四棱柱；511-调光结构；500-超表面结构；501-纳米微柱；60-平坦层；70-基材。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述方便，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本申请实施例中，“上”、“下”、“左”、“右”等方位术语可以包括但不限于相对附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语可以是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件附图所放置的方位的变化而相应地发生变化。
在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。
本申请提供一种节点装置10可以应用于如图1a所示的光网络01中。该光网络01可以应用于各种通信场景下。例如市话中继线、长途干线通信、全球通信网、各国的公共电信网。光网络01还可以用于电视信号的传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、公用天线系统(community antenna television，CATV)和光纤局域网等。
上述光网络01中可以包括多个节点装置10，该节点装置10之间通过光通道互相连接。其中一个节点装置10可以与任意个数的其它节点装置10连接。上述节点装置10可以为可重构光分插复用器(reconfigurable optical add-drop multiplexer，OADM)，或者，光交叉互连器(optical cross-connect，OXC)。在本申请的一些实施例中，如图1b所示，上述节点装置10可以包括多个光选择开关100，例如WSS，实现不同维度间的波长调度功能。光选择开关100具有可以将输入波长从任意输出端口输出的功能，从而可以使得上述节点装置10能够在任一端口对任意波长进行配置。
本申请实施例提供的光选择开关100的结构如图2a所示，包括N个输入端口(I1、I2、I3……IN)、M个输出端口(O1、O2、O3……OM)、第一开关结构30以及第二开关结构40。
上述N个输入端口(I1、I2、I3……IN)沿第一方向Y(也可以称为端口方向)并排设置。每个输入端口用于接收一路或多路光束作为输入光。该输入光具有沿如图2b所示的第二方向X(也可以称为波长方向)的多个波长通道(λ1、λ2、λ3……λJ)，每个波长通道可以用于通过一个波长或者一个波段的光信号。其中，N≥3，N为整数，J≥2，J为正整数。第一方向Y可以与第二方向X相交。在本申请的一些实施例中，第一方向Y可以与第二方向X正交。
这样一来，可以将不同波长的光信号混合在一起作为上述输入光，通过一个输入端口(I1、I2、I3……或IN)进行过传输，从而可以实现波分复用(wavelength divisionmultiplexing，WDM)技术，达到数据高速传播的目的。来自同一个输入端口的输入光中不同波长的光信号所承载的数字信号可以是相同的速率、相同的数据格式，也可以是不同的速率、不同数据格式。
此外，沿图2a所示的第一方向Y并排设置的N个输入端口(I1、I2、I3……IN)中，可以具有至少一个中间输入端口。在本申请的一些实施例中，当N为奇数时，N个输入端口(I1、I2、I3……IN)中，至少第(N+1)/2个输入端口可以为上述中间输入端口。例如，N＝3时，第2个输入端口I2为上述中间输入端口。或者，又例如，当该N＝5时，第3个输入端口I3为上述中间输入端口。
在本申请的另一些实施例中，当N为偶数时，N个输入端口(I1、I2、I3……IN)中，至少第N/2个以及第N/2+1个输入端口均为上述中间输入端口。例如，N＝4时，第2个输入端口I2和第3个输入端口I3为上述中间输入端口。或者，又例如，当该N＝6时，第3个输入端口I3和第4个输入端口I3为上述中间输入端口。
此外，如图2a所示，上述M个输出端口(O1、O2、O3……OM)可以沿第一方向Y并排设置。每个输出端口用于将待输出光从输出端口输出。同理可得，为了实现WDM技术，可以将不同波长的待输出光混合在一起，通过一个输出端口(O1、O2、O3……或OM)进行过传输。其中，M≥3，N、M在本申请的一些实施例中，N和M的数值可以相等，也可以不相同。
基于此，沿第一方向Y并排设置的M个输出端口(O1、O2、O3……OM)中，可以具有至少一个中间输出端口。在本申请的一些实施例中，当输出端口的数量M为奇数时，M个输出端口(O1、O2、O3……OM)中，至少第(M+1)/2个输出端口可以为上述中间输出端口。例如，M＝3时，第2个输出端口O2为上述中间输出端口。或者，又例如，当该M＝5时，第3个输出端口O3为上述中间输出端口。
在本申请的另一些实施例中，当M为偶数时，M个输出端口(O1、O2、O3……OM)中，至少第M/2个以及第M/2+1个输出端口均为上述中间输出端口。例如，M＝4时，第2个输出端口O2和第3个输出端口O3为上述中间输出端口。或者，又例如，当该M＝6时，第3个输出端口O3和第4个输出端口O3为上述中间输出端口。
在本申请的一些实施例中，N个输入端口(I1、I2、I3……IN)可以与M个输出端口(O1、O2、O3……OM)位于同一侧，且沿第一方向Y并排设置。本申请实施例部分附图中，为了方便光束传播路径的描述，将N个输入端口(I1、I2、I3……IN)可以与M个输出端口(O1、O2、O3……OM)分别设置于第一开关结构30、第二开关结构40的两侧进行说明。
此外，在上述输入光为波分复用的多路光的情况下，该光选择开关100还可以包括如图2a所示的输入光栅元件20a和输出光栅元件20b。输入光栅元件20a可以位于N个输入端口(I1、I2、I3……IN)与第一开关结构30之间。该输入光栅元件20a可以用于根据输入光的多个波长通道，将来自每个输入端口(I1、I2、I3……IN)的输入光，分出不同波长的光信号，并传输给第一开关结构30。
此外，输出光栅元件20b可以位于第二开关结构40和M个输出端口(O1、O2、O3……OM)之间。该输出光栅元件20b可以用于将一个或多个波长的待输出光复用到同一个输出端口(O1、O2、O3…或OM)。
在本申请的一些实施例中，上述光选择开关100还可以包括设置于N个输入端口(I1、I2、I3……IN)与输入光栅元件20a之间的光线准直元件(图中未示出)。该光线准直元件可以使得来自N个输入端口(I1、I2、I3……IN)的输入光能够沿光栅元件20入光面的法线方向垂直入射至光栅元件20的入光面，从而使得光栅元件20可以更准确的对入射光进行分光。同理，上述光选择开关100还可以包括设置于输出光栅元件20b与M个输出端口(O1、O2、O3……OM)之间的上述光线准直元件。该光线准直元件的技术效果同上所述，此处不再赘述。
如图3a所示，第一开关结构30设置于输入光栅元件20a远离N个输入端口(I1、I2、I3……IN)的一侧。该第一开关结构30用于对来自输入光栅元件20a分出的不同波长的输入光进行相位调节，以根据需要将输入光偏转至目标输出端口对应的方向。在本申请的一些实施例中，上述第一开关结构30可以包括如图3a所示的输入主动偏转元件301和输入被动偏转元件302。
输入被动偏转元件302用于将上述输入光向中间输出端口对应方向偏转。以光选择开关100包括如图3a所示的3个(N＝3)输入端口，分别为I1、I2、I3，以及3个(M＝3)输出端口，分别为O1、O2、O3为例，上述中间输入端口为输入端口I2，中间输出端口为输出端口O2。在此情况下，输入被动偏转元件302用于将上述输入光向中间输出端口O2对应方向偏转。
需要说明的是，由于输入被动偏转元件302与M个输出端口之间还其他用于对光线进行偏转的元件，例如第二开关结构40，因此为了仅对输入被动偏转元件302的光线偏转作用进行说明，本申请实施例中，输入被动偏转元件302将输入光向中间输出端口的对应方向偏转可以是，输入被动偏转元件302将输入光向中间输出端口(例如输出端口O2)在第二开关结构40上垂直投影所在位置(例如图3a中的A点)的方向偏转。
此外，第一开关结构30中的输入主动偏转元件301用于根据输入被动偏转元件302的偏转，将上述输入光偏转至目标输出端口对应方向。这样一来，输入主动偏转元件301可以根据目标输出端口的位置以及输入被动偏转元件302的偏转角度，对上述输入光进行二次偏转，以使得经过二次偏转后的输入光能够偏转至目标输出端口对应方向。
需要说明的是，本申请实施例中，目标输出端口是指，根据光选择开关100中光信号传输的需要，将来自一输入端口的输入光，经过上述输入光栅元件20a、第一开关结构30后作为待输出光，再经过第二开关结构40以及输出光栅元件20b由一输出端口输出时，该输出端口为上述目标输出端口。
例如，图3a中，根据光选择开关100中光信号传输的需要，将来自一输入端口I1的输入光，经过上述输入光栅元件20a、第一开关结构30后作为待输出光，再经过第二开关结构40以及输出光栅元件20b由输出端口O3输出。此时，目标输出端口为该输出端口O3。此外，上述目标输出端口对应方向可以是，朝向目标输出端口(例如输出端口O3)在第二开关结构40上的垂直投影所在位置(例如图3a中的B点)的方向。
以下结合图3a对第一开关结构30中的输入主动偏转元件301和输入被动偏转元件302对输入光的偏转过程进行举例说明。
如图3a所示，输入被动偏转元件302可以将来自输入端口I1和输入端口I3的输入光经过输入光栅元件20a分出的光信号，均向中间输出端口O2对应方向(即均向A点)偏转。例如，输入被动偏转元件302可以将来自输入端口I1和输入端口I3的输入光经过输入光栅元件20a分出的光信号，分别向中间输出端口O2对应方向偏转一角度θ。
需要说明的是，当第一开关结构30和第二开关结构40之间的光信号传输的距离，即光路距离L远大于相邻两个输出端口的间距d时，上述角度θ会小于10°，例如5°左右。此时图3a中的角度θ可以满足公式：θ≈d/L。
由上述可知，来自输入端口I1和输入端口I3的输入光经过输入光栅元件20a分出的光信号，在未进入第一开关结构30之前，沿输入光栅元件20a入光面或出光面的法线方向，垂直于输入光栅元件20a的出光面出射。此外，当输入被动偏转元件302分别将来自输入端口I1和输入端口I3的输入光经过输入光栅元件20a分出的光信号，向中间输出端口O2的对应方向角度θ后，如图3a所示，来自输入端口I1的输入光经过输入光栅元件20a分出的光信号，在输入被动偏转元件302的偏转作用下，具有向下的角度θ。来自输入端口I3的输入光经过输入光栅元件20a分出的光信号，在输入被动偏转元件302的偏转作用下，具有向上的角度θ。
这样一来，当输入端口I1的输入光经过输入光栅元件20a、第一开关结构30、第二开关结构40以及输出光栅元件20b传输至输出端口O3时，由上述可知，输入被动偏转元件302可以将来自输入端口I1的输入光向中间输出端口O2的对应方向，向下偏转一角度θ。在此情况下，输入主动偏转元件301在将来自输入端口I1的输入光偏转至输出端口O3时，该输入主动偏转元件301只需要将来自输入端口I1的输入光再向下偏转角度θ即可。
此外，上述第二开关结构40设置于第一开关结构30和输出光栅元件20b之间。该第二开关结构40用于对待输出光进行相位调节，以根据需要将待输出光偏转至目标输出端口。在本申请的一些实施例中，上述第二开关结构40可以包括如图3a所示的输出主动偏转元件401和输出被动偏转元件402。
输出被动偏转元件402用于将上述待输出光向中间输出端口对应方向偏转。需要说明的是，由于输出被动偏转元件402与M个输出端口之间没有其他用于对光线进行偏转的元件，因此，输出被动偏转元件402对光线的偏转作用可以直接针对输出端口的位置进行说明。
在此情况下，本申请实施例中，输出被动偏转元件402将待输出光向中间输出端口对应方向偏转可以是，输出被动偏转元件402将待输出光向中间输出端口(例如图3a中的输出端口O2)所在位置的方向偏转。
此外，第二开关结构40中的输出主动偏转元件401用于根据上述输出被动偏转元件402的偏转，将待输出光偏转至目标输出端口。这样一来，输出主动偏转元件401可以根据目标输出端口以及输出被动偏转元件402的偏转角度，对上述待输出光进行二次偏转，以使得经过二次偏转后的待输出光能够偏转至目标输出端口。
以下结合图3a对第二开关结构40中的输出主动偏转元件401和输出被动偏转元件402对输入光的偏转过程进行举例说明。
以光选择开关100包括如图3a所示的3个(N＝3)输入端口，分别为I1、I2、I3，以及3个(M＝3)输出端口，分别为O1、O2、O3，上述中间输入端口为输入端口I2，中间输出端口为输出端口O2为例，输出被动偏转元件402可以对来自第一开关结构30的，需要经过输出光栅元件20b复用到目标输出端口，例如输出端口O1和输出端口O3的待输出光，向中间输出端口O2的对应方向偏转。
由上述可知，如图3a所示，当输入端口I1的输入光经过输入光栅元件20a、第一开关结构30后作为待输出光，再经过第二开关结构40以及输出光栅元件20b传输至输出端口O3的过程中，在第一开关结构30中的输入主动偏转元件301和输入被动偏转元件302的共同作用下，可以将来自输入端口I1的输入光向中间输出端口O2的对应方向，向下偏转一角度2θ。
在此情况下，如果不对第一开关结构30输出的光信号进行任何处理，该第一开关结构30输出的光信号如图3a所示，会沿点画线继续向下传输，从而无法到达输出端口O3。因此，为了使得第一开关结构30输出的光信号作为待输出光，再经过第二开关结构40和输出光栅元件20b后能够传输至输出端口O3，第二开关结构40中的输出被动偏转元件402可以对来自第一开关结构30的，需要经过输出光栅元件20b复用到输出端口O3的待输出光，向中间输出端口O2的对应方向偏转，即向上偏转角度θ。
此时，第二开关结构40中的输出主动偏转元件401根据输出被动偏转元件402的偏转，只需要对来自第一开关结构30的，需要经过输出光栅元件20b复用到输出端口O3的待输出光向目标输出端口O3偏转，即向上偏转角度θ即可，而无需向上偏转2θ。
上述是对输入端口I1的输入光经过输入光栅元件20a、第一开关结构30后作为待输出光，再经过第二开关结构40以及输出光栅元件20b传输至输出端口O3为例进行的说明。此外，当输入端口I1的输入光经过输入光栅元件20a、第一开关结构30后作为待输出光，再经过第二开关结构40以及输出光栅元件20b传输至输出端口O1时，输入被动偏转元件302可以将来自输入端口I1的输入光向中间输出端口O2的对应方向，向下偏转一角度θ。
在此情况下，输入主动偏转元件301根据输入被动偏转元件302的偏转，将来自输入端口I1的输入光偏转至目标输出端，即输出端口O1时，该输入主动偏转元件301只需要将来自输入端口I1的输入光再向上偏转一角度θ即可。
接下来，由上述可知，输出被动偏转元件402可以对来自第一开关结构30的，需要经过输出光栅元件20b复用到输出端口O1的待输出光，沿图3b所示的虚线向中间输出端口O2的对应方向偏转，即向下偏转一角度度θ。在此基础上，输出主动偏转元件401根据输出被动偏转元件402的偏转，可以将上述各个波长的待输出光向上偏转一角度θ，以将其偏转至目标输出端，即输出端口O1。
这样一来，在第二开关结构40中输出主动偏转元件401和输出被动偏转元件402的共同作用下，使得来自第一开关结构30的，需要经过输出光栅元件20b复用到输出端口O1的待输出光，偏转至该输出端口O1。
需要说明的是，输入端口I3与输入端口I2关于输入端口I1对称设置，因此，来自输入端口I3的输入光需要偏转至输出端口O1的过程，以及与来自输入端口I3的输入光需要偏转至输出端口O3的过程与来自输入端口I1的输入光的偏转过程同理的可得，此处不再赘述。此外，输入被动偏转元件302对来中间输入端口I2的，经过输入光栅元件20a分出的输入光不再进行偏转。输出被动偏转元件402对来自第一开关结构30的，需要经过输出光栅元件20b复用到中间输出端口O2的待输出光不再进行偏转。
综上所述，一方面，如图3c所示，来自输入端口I1的输入光在输入被动偏转元件302的偏转作用下，可以向中间输出端口O2的对应方向偏转角度θ。在此情况下，当来自输入端口I1的输入光需要偏转至作为目标输出端口的输出端口O1的对应方向时，输入主动偏转元件301可以对来自输入端口I1的输入光向上偏转一角度θ即可。此外，当来自输入端口I1的输入光需要偏转至输出端口O3时，输入主动偏转元件301对来自输入端口I1的输入光向下偏转角度θ即可。这样一来，即使输入端口I1和输出端口O3的不再同一水平方向，输入主动偏转元件301对光信号的偏转角都可以为θ。
在此情况下，如果未设置上述输入被动偏转元件302和输出被动偏转元件402，如图4所示，为了使得将来自输入端口I1的输入光需要偏转至作为目标输出端口的输出端口O3的对应方向时，输入主动偏转元件301需要对来自输入端口I1的输入光向下偏转角度2θ。因此，本申请相对于图4所示的方案而言，通过在光选择开关100中增加输入被动偏转元件302和输出被动偏转元件402，可以对入射至输入被动偏转元件302和输出被动偏转元件402的一部分光信号向中间输出端口O2的对应方向偏转。
这样一来，可以减小输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401对入射光信号的偏转角度，从而可以提高输出端口接收到的光信号的量，达到提高光选择开关100，例如WSS的光束偏转衍射效率的目的。此外，由于输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401对入射光信号的偏转角度有所减小，因此可以提高不同输出端口之间传输的光信号的隔离度。
另一方面，光选择开关100的输入端口的数量N，以及输出端口的数量M均为3个的情况下，输入主动偏转元件301对输入光的最大偏转角度和输出主动偏转元件401对待输出光的最大偏转角均为角度θ。因此，不同输出端口接收到的光信号的误差相同，产生的信号损耗也相同，从而实现了端口插入损耗和端口串扰的均衡。这样一来，可以在光选择开关100的输出端连接放大器，采用同一放大倍数对不同端口输出光信号的误差进行统一补偿。
此外，上述输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401可以为反射型相位衍射光栅，例如液晶覆硅(liquid crystal on silicon，LCoS)面板、微机电系统(microelectro mechanical Systems，MEMS)，或者，数字微镜器件(digital micro-mirrordevice，DMD)。或者，该输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401可以为透射型相位衍射光栅，例如液晶面板。
对于透射型相位衍射光栅而言，光信号需要穿过该透射型相位衍射光栅才能够实现偏转，光信号在传播的过程中引起的光损耗较大。然而反射型相位衍射光栅是对入射光信号进行反射，并进行相位调节，因此光信号的利用率较高。
本申请对输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401的类型不做限定。当输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401为透射型相位衍射光栅时，本申请对输入主动偏转元件301与输入被动偏转元件302的相对位置，以及输出主动偏转元件401与输出被动偏转元件402的相对位置不做限定。
例如，图3a、图3b以及图3c中，输入主动偏转元件301相对于输入被动偏转元件302更远离输入端口。输出主动偏转元件401相对于输出被动偏转元件402更远离输出端口。当然，在本申请的另一些实施例中，输入主动偏转元件301相对于输入被动偏转元件302可以更靠近输入端口。输出主动偏转元件401相对于输出被动偏转元件402可以更靠近输出端口。
为了能够方便说明，以下均是以输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401为反射型相位衍射光栅，例如LCoS面板为例进行的说明。LCoS面板可以包括如图5所示的，硅基底311和透明盖板312，以及位于相对设置的硅基底311和透明盖板312之间的液晶层313。硅基底311上设置有阵列排布的像素(Pixel)电路。每个像素电路中设置有第一电极314。透明盖板312靠近硅基底311的一侧设置有第二电极315。
在此情况下，通过向第二电极315施加电压，并调节施加至不同像素电路中的第一电极314的电压，可以控制液晶层中与像素电路位置对应部分的液晶分子的偏转角度，从而使得经过液晶层的光信号能够发生偏转。该LCoS面板中的硅基底311可以对入射光信号进行反射。
基于此，在本申请的一些实施例中，如图6所示，上述输入被动偏转元件302可以设置于输入主动偏转元件301的入光面。例如，输入被动偏转元件302可以设置于输入主动偏转元件301中透明盖板312远离硅基底311的一侧。在此情况下，为了提高光信号入射至输入主动偏转元件301的效率，上述光选择开关100还包括增透膜320。该增透膜320设置于输入被动偏转元件302靠近输入主动偏转元件301的一侧。例如，可以将增透膜320贴附于输入被动偏转元件302靠近输入主动偏转元件301的一侧表面上，或者将增透膜320贴附于输入主动偏转元件301的透明盖板312远离硅基底311的一侧表面上。
同理，在输出主动偏转元件401也为反射型相位衍射光栅时，如图7a所示，输出被动偏转元件402可以设置于输出主动偏转元件401的入光面。输出被动偏转元件402与输出主动偏转元件401之间也可以设置上述增透膜320。
需要说明的是，当输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401为反射型相位衍射光栅时，图7a所示的光路更接近光选择开关100的实际光路。而图3a以及与图3a相似的附图是作为原理图对光线的偏转过程进行的说明，这些附图对输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401为透射型相位衍射光栅或者反射型相位衍射光栅不做限定。基于此，光选择开关100的光路图如图7a所示，可以看出，来自输入端口，例如输入端口I1的输入光，经过输入光栅元件20a后可以分出不同波长的光信号，并传输给第一开关结构30。来自输入光栅元件20a的光信号经过第一开关结构30中输入被动偏转元件302后，被输入主动偏转元件301反射，并再次由输入被动偏转元件302出射。在此情况下，输入被动偏转元件302和输入主动偏转元件301共同作用对来自输入光栅元件20a的输入光向中目标输出端的对应方向进行偏转，并将偏转后的光信号传输至第二开关结构40。
接下来，来自第一开关结构30的待输出光经过第二开关结构40中的输出被动偏转元件402后，被输出主动偏转元件401反射，并再次由输出被动偏转元件402出射。在此情况下，输出主动偏转元件401和输出被动偏转元件402共同作用对来自第一开关结构30的待输出光向目标输出端进行偏转，以使得偏转后的光线经过输出光栅元件20b后，被复用至上述目标输出端口，例如输出端口OM。
此外，在本申请的另一些实施例中，该光选择开关100中的输入光栅元件20a和输出光栅元件20b可以在物理结构上集成于一个如图7b所示的光栅元件20中，从而可以简化光选择开关100的结构，减小插入损耗。
由上述可知，输入被动偏转元件302和输出被动偏转元件402可以对一部分入射的输入光进行偏转，从而可以分别减小输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401对光线的最大偏转角度。以下对输入被动偏转元件302和输出被动偏转元件402的结构进行详细的举例说明。
在本申请的一些实施例中，如图8a所示，输入被动偏转元件302包括多个沿第一方向Y并排设置的第一棱镜结构51。上述N个输入端口中(I1、I2、I3……IN)，除中间输入端口以外的至少一个输入端口与第一棱镜结构51一一对应。例如，当光选择开关100包括3个(N＝3)输入端口，分别为I1、I2、I3时，除了中间输入端口I2以外，输入端口I1和输入端口I3分别对应一个第一棱镜结构51。
在输入光为波分复用的多路光的情况下，该第一棱镜结构51沿第二方向X，覆盖来自与第一棱镜结构51对应的输入端口的输入光的所有波长通道。例如，与输入端口I1对应的第一棱镜结构51可以沿第二方向X覆盖来自输入端口I1的输入光的所有波长通道。与输入端口I3对应的第一棱镜结构51可以沿第二方向X覆盖来自输入端口I3的输入光的所有波长通道。因此，第一棱镜结构51沿第二方向X的长度，取决于与该第一棱镜结构51所对应的输入端口传输输入光的波长通道的数量。
在本申请的一些实施例中，如图8b所示，上述输入被动偏转元件302还可以包括用于承载第一棱镜结构51的承载板50。承载板50可以直接与输入主动偏转元件301中的透明盖板312远离硅基底311的一侧表面相接触。其中，构成承载板50的材料可以为二氧化硅(SiO2)，其厚度可以为1mm左右。或者，承载板50与输入主动偏转元件301中的透明盖板312之间还可以设置有上述增透膜320。
或者，在本申请的另一些实施例中，如图8c所示，可以将上述第一棱镜结构51直接设置于输入主动偏转元件301中的透明盖板312远离硅基底311的一侧表面上。这样一来，输入主动偏转元件301可以与输入被动偏转元件302预先装配在一起，从而可以简化光选择开关100的光学元件结构、降低光路复杂程度、装调难度以及设备成本，提高设备的可靠性。
在此情况下，上述第一棱镜结构51可以用于对与其对应的输入端口的输入光经过输入光栅元件20a分出的光信号，向中间输出端口对应方向偏转第一预倾角△θ1。为了减小输入主动偏转元件301对位于边缘位置的输入端口，例如输入端口I1和输入端口I3的最大偏转角度，与该输入主动偏转元件301对位于中间位置的输入端口，例如中间输入端口I2最大偏转角度之间的差异，沿上述第一方向Y，由输入被动偏转元件302的边缘到中心，多个第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1逐渐减小。
此外，如图8a所示，输出被动偏转元件402可以包括多个沿第一方向Y并排设置的第二棱镜结构52。上述M个输出端口(O1、O2、O3……OM)中，除中间输出端口以外的至少一个输出端口与第二棱镜结构52一一对应。例如，当光选择开关100包括3个(M＝3)输出端口，分别为O1、O2、O3时，除了中间输出端口O2以外，输出端口O1和输出端口O3可以分别对应一个第二棱镜结构52。
同理，该第二棱镜结构52沿第二方向X，覆盖由与第二棱镜结构52对应的输出端口的待输出光的所有波长通道。例如，与输出端口O1对应的第二棱镜结构52可以沿第二方向X覆盖输出端口O1待输出光的所有波长通道。与输出端口O3对应的第二棱镜结构52可以沿第二方向X覆盖输出端口O3待输出光的所有波长通道。因此，第二棱镜结构52沿第二方向X的长度，取决于与该第二棱镜结构52所对应的输出端口待输出光的波长通道的数量。
上述输出被动偏转元件402还可以包括用于承载第二棱镜结构52的承载板50。承载板50的设置方式同理可得，此处不再赘述。或者，可以将上述第二棱镜结构52直接设置于输出主动偏转元件401中的透明盖板312远离硅基底311的一侧表面上。
在此情况下，上述第二棱镜结构52可以用于对来自第一开关结构30的待输出光进行偏转，以使得经过复用个光栅20b复用到与第二棱镜结构52相对应的输出端口的待输出光，向中间输出端口对应方向偏转第二预倾角△θ2。
基于此，为了减小输出主动偏转元件401对位于边缘位置的输出端口，例如输出端口O1和输出端口O3最大偏转角度，与该输出主动偏转元件401对位于中间位置的输出端口，例如中间输出端口O2最大偏转角度之间的差异，沿上述第一方向Y，由输出被动偏转元件402的边缘到中心，多个第二棱镜结构52的第二预倾角△θ2逐渐减小。
在本申请的一些实施例中，上述输入端口的数量N与输出端口的数量M可以相同。在此情况下，与第k个输入端口Ik对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1和与第k个输出端口Ok对应的第二棱镜结构的第二预倾角△θ2相等，其中，1≤k≤N。
以下以输入端口的数量N与输出端口的数量M相同为例，对输入被动偏转元件302中的多个第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1，以及输出被动偏转元件402中的多个第二棱镜结构52的第二预倾角△θ2的设置方式进行举例说明。
在本申请的一些实施例中，当N为奇数时，第一预倾角△θ1满足以下公式(1)：
当N为偶数时，第一预倾角△θ1满足以下公式(2)：
或者，当N为偶数时，第一预倾角△θ1满足以下公式(3)：
其中，k为N个输入端口中，第k个输入端口的序号，所以k为整数。由上述可知，当角度θ小于10°，例如5°左右时，θ≈d/L。其中，d为相邻两个输入端口之间的间距。L为第一开关结构30和第二开关结构40之间的光路距离L。
例如，如图9a所示，当N＝3时，采用上述公式(1)可以得出：第一个输入端口I1对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝θ；第二个输入端口I2对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝0；第三个输入端口I3对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝θ。
由上述可知，第k个输入端口Ik对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1和与第k个输出端口Ok对应的第二棱镜结构的第二预倾角△θ2相等，因此第一个输出端口O1对应的第二棱镜结构52的第二预倾角△θ2＝θ；第二个输出端口O2对应的第二棱镜结构52的第二预倾角△θ2＝0；第三个输出端口O3对应的第二棱镜结构52的第二预倾角△θ2＝θ。
或者，如图9b所示，当N＝5时，采用上述公式(1)可以得出：第一个输入端口I1对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝2θ。在此情况下，当来自输入端口I1的输入光需要偏转至作为目标输出端口的输出端口O5时，输入主动偏转元件301只需要根据第一棱镜结构51的偏转角度，将来自输入端口I1的输入光向作为目标输出端口的输出端口O5偏转角度近似为2θ即可。这样一来，该输入主动偏转元件301的最大偏转角度为2θ，就可以将来自输入端口I1的输入光需要偏转至输出端口O5。
基于此，如果不设置第二开关结构40，经过与输入主动偏转元件301以及输入端口I1对应的第一棱镜结构51的共同偏转作用下，来自输入端口I1的输入光会沿着图9a所示的虚线方向继续传播，而无法到达输出端口O5。然而本申请实施例中，由上述可知，输出被动偏转元件402中的与第五个输出端口O5对应的第二棱镜结构52的第二预倾角△θ2与第五个输入端口I5对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1相同，均为角度2θ。所以第二棱镜结构52可以将来自输入端口I1的，且经过输入主动偏转元件301、输入被动偏转元件302的光线向上偏转角度2θ。在此情况下，输出主动偏转元件401需要根据输出被动偏转元件402中第二棱镜结构52的偏转，对该光线向目标输出端口O5偏转，即向上偏转角度2θ即可，而无需向上偏转4θ。
此外，第二个输入端口I2对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝θ；第三个输入端口I3对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝0；第四个输入端口I4对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝θ；第五个输入端口I5对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝2θ。由上述可知，此时第一开关结构30中的输入主动偏转元件301的最大偏转角为2θ。与第k个输出端口Ok对应的第二棱镜结构的第二预倾角△θ2的设置方式同上所述，此处不再赘述。同理可得，此时第二开关结构40中的输出主动偏转元件401的最大偏转角为2θ。
或者，又例如，如图9c所示，当N＝4时，采用上述公式(2)和公式(3)可以得出：第一个输入端口I1对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝θ；第二个输入端口I2对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝0；第三个输入端口I3对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝0；第四个输入端口I4对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝θ。同理可得，第一开关结构30中的输入主动偏转元件301的最大偏转角为2θ。此外，与第k个输出端口Ok对应的第二棱镜结构的第二预倾角△θ2的设置方式同上所述，此处不再赘述。同理可得，此时第二开关结构40中的输出主动偏转元件401的最大偏转角为2θ。
或者，又例如，如图9d所示，当N＝6时，采用上述公式(2)和公式(3)可以得出：第一个输入端口I1对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝2θ；第二个输入端口I2对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝θ；第三个输入端口I3对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝0；第四个输入端口I4对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝0；第五个输入端口I5对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝θ；第六个输入端口I6对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1＝2θ。同理可得，第一开关结构30中的输入主动偏转元件301的最大偏转角为3θ。与第k个输出端口Ok对应的第二棱镜结构的第二预倾角△θ2的设置方式同上所述，此处不再赘述。同理可得，此时第二开关结构40中的输出主动偏转元件401的最大偏转角为3θ。
以下对上述第一棱镜结构51的具体结构进行说明。在本申请实施例中，如图10a所示，上述第一棱镜结构51包括长条型的直角三棱柱。该长条型的直角三棱柱沿第一方向X的长度覆盖与该直角三棱柱所对应的输入端口的所有波长通道。构成该直角三棱柱的材料可以为SiO2、二氧化钛(TiO2)、硅(Si)中的至少一种，本申请对构成直角三棱柱的材料不做限定。
如图10b(沿图10a中D-D进行剖切得到的剖视图)所示，该直角三棱柱沿垂直于输入主动偏转元件301的入光面的截面为直角三角形。该直角三角形的斜边与输入主动偏转元件301的入光面之间具有楔角，例如楔角α0，或者楔角α1。
在此情况下，如图10c所示，为了能够使得第一棱镜结构51可以对与其对应的输入端口经过输入光栅元件20a分出的输入光，向中间输出端口对应方向偏转第一预倾角△θ1，该楔角α的开口方向朝向输入被动偏转元件302的中心。这样可以使得的入射至第一棱镜结构51的入射光经过斜面的各个部分后，该入射光中不同波长光线的相位分布发生了变化，进而能够向中间输出端口对应方向偏转第一预倾角△θ1。此外，为了使得沿上述第一方向Y，由输入被动偏转元件302的边缘到中心，多个第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1逐渐减小。沿上述第一方向Y，由输入被动偏转元件302的边缘到中心，多个第一棱镜结构51的楔角α逐渐减小。例如，图10b中，楔角α1小于楔角α0。
需要说明的是，输入被动偏转元件302的中心所在的位置，可以为N个输入端口中的中间输入端口在该输入被动偏转元件302的垂直投影所在的位置。同理输出被动偏转元件402的中心所在的位置，可以为M个输出端口中的中间输出端口在该输出被动偏转元件402的垂直投影所在的位置。
以下对输入被动偏转元件302中，各个第一棱镜结构51的楔角α的设置方式进行说明。由上述可知，如图11a所示，第一棱镜结构51沿垂直于输入主动偏转元件301的入光面的截面为直角三角形。该直角三角形的斜边与输入主动偏转元件301的入光面之间具有楔角α。此外，输入主动偏转元件301为反射型相位光栅，因此，入射至第一棱镜结构51的光束，会在图11a所示的直角三角形的底边进行反射。
在此情况下，如图11a所示，光束从上述直角三角形的斜边入射，该光束作为入射光与直角三角形的底边的法线AA之间具有夹角θi。夹角θi可以称为光束的入射角。接下来，入射光在第一棱镜结构51内发生折射，如图11b所示入射光的折射角β为入射光与斜边的法线BB之间的夹角。
接下来，入射至直角三角形底边的光束，经过底边的反射后，再次从直角三角形的斜边折射。此时，如图11a所示，出射光线与直角三角形的底边的法线AA之间具有夹角θo。夹角θo可以称为光束的出射角。此外，如图11b所示，出射光线与斜边的法线BB之间的夹角，为出射光的折射角γ。在此情况下，该第一棱镜结构51对光线进行偏转的第一预倾角△θ1为光束的出射角θo与光束的入射角θi的差值，即第一预倾角△θ1＝θo-θi。
在此情况下，根据光的折射定律(Snell定律)和几何关系，可以得出以下公式(4)～公式(6)：
sin(θi–α)＝n sinβ (4)
n sin(2α+β)＝sinγ (5)
γ–α＝θo (6)
其中，第一棱镜结构51的折射率为n。接下来，由上述公式(4)～公式(6)可以得出以下第一棱镜结构51的楔角α与上述第一预倾角△θ1的关系式(7)：
α≈△θ1/(2(n-1)) (7)
基于此，将上述公式(1)代入至公式(7)中，可以计算出当N为奇数时，楔角α满足以下公式(8)：
将上述公式(2)代入至公式(7)中，可以计算出当N为偶数时，第一预倾角△θ1满足以下公式(9)：
或者，将上述公式(3)代入至公式(7)中，可以计算出当N为偶数时，第一预倾角△θ1满足以下公式(10)：
由上述可知，输入被动偏转元件302可以对来自N个输入端口(I1、I2、I3……IN)中，除中间输入端口以外的至少一个输入端口的，经过输入光栅元件20a分出的输入光，向中间输出端口对应方向偏转。因此，输入被动偏转元件302与中间输入端口对应位置处的第一预倾角△θ1为0。在此情况下，该输入被动偏转元件302在对应中间输入端口的位置，可以不用设置上述第一棱镜结构51。从而可以使得输入被动偏转元件302中与中间输入端口对应的位置，对来自中间输入端口的光线不进行偏转。
上述是以当N为奇数时，N个输入端口(I1、I2、I3……IN)中，第(N+1)/2个输入端口为上述中间输入端口。当N为偶数时，N个输入端口(I1、I2、I3……IN)中，第N/2个以及第N/2+1个输入端口均为上述中间输入端口为例进行的说明。在此情况下，由公式(8)～公式(9)可以得出，当N为奇数时，例如，当该N＝5时，第3个输入端口I3为上述中间输入端口，输入被动偏转元件302在对应中间输入端口I3的位置，可以不用设置上述第一棱镜结构51。
此外，输入被动偏转元件302中与分别位于中间输入端口I3两侧的，且中间输入端口I3相邻的输入端口I2和输入端口I4所对应的第一棱镜结构51的楔角α很小，接近于0。由于制作楔角α接近于0的第一棱镜结构51的工艺精度较高，难度较大，因此为了简化制作工艺，降低制作难度，可以在输入被动偏转元件302对应输入端口I2和输入端口I4的位置也不设置上述第一棱镜结构51。
在此情况下，上述中间输入端口除了包括当N为奇数时，N个输入端口(I1、I2、I3……IN)中，第(N+1)/2个输入端口为上述中间输入端口，当N为偶数时，N个输入端口(I1、I2、I3……IN)中，第N/2个以及第N/2+1个输入端口以外，还可以包括满足以下公式(11)的第k个输入端口。
这样一来，输入被动偏转元件302对应满足公式(11)的第k个输入端口的位置可以不设置上述第一棱镜结构51，使得的输入被动偏转元件302对来自满足公式(11)的第k个输入端口的第一预倾角△θ1为0。
由上述可知，在输入端口的数量N与输出端口的数量M相同的情况下，输入被动偏转元件302中与第k个输入端口Ik对应的第一棱镜结构51的第一预倾角△θ1，和输出被动偏转元件402中与第k个输出端口Ok对应的第二棱镜结构52的第二预倾角△θ2相等，因此输入被动偏转元件302中与第k个输入端口Ik对应的第一棱镜结构51的楔角α，和输出被动偏转元件402中与第k个输出端口Ok对应的第二棱镜结构52的楔角α也相同。在此情况下，输入被动偏转元件302中的多个第一棱镜结构51与输出被动偏转元件402中的多个第二棱镜结构52可以关于输入被动偏转元件302和输出被动偏转元件402之间光路的中心线(与光路方向垂直)镜像设置。
因此，上述输出输入端口除了包括当M为奇数时，M个输出端口(O1、O2、O3……ON)中，第(M+1)/2个输出端口为上述中间输出端口，当M为偶数时，M个输出端口(O1、O2、O3……ON)中，第M/2个以及第M/2+1个输出端口以外，还可以包括满足以下公式(12)的第k个输出端口。
这样一来，输出被动偏转元件402对应满足公式(12)的第k个输出端口的位置可以不设置上述第二棱镜结构52，使得的输出被动偏转元件402对来自满足公式(12)的第k个输出端口的第二预倾角△θ2为0。此外，输出被动偏转元件402中与非中间输出端口对应的第二棱镜结构52的楔角α的计算过程同理可得，此处不再赘述。
需要说明的是，上述是以光选择开关100中输入端口的数量N与输出端口的数量M相同的情况对输入被动偏转元件302和输出被动偏转元件402的结构进行的说明。在本申请的另一些实施例中，光选择开关100中输入端口的数量N与输出端口的数量M不同。在此情况下，输出被动偏转元件402中各个第二棱镜结构52的楔角α，需要根据输出端口的数量M和位置单独进行设置，设置过程与输入被动偏转元件302中第一棱镜结构51的楔角α的设置方式同理可得，此处不再赘述。
在本申请的另一些实施例中，输入被动偏转元件302可以包括多个沿第一方向Y并排设置的第一棱镜结构51。上述N个输入端口中(I1、I2、I3……IN)，除中间输入端口以外的至少一个输入端口与第一棱镜结构51一一对应。输出被动偏转元件402可以包括多个沿第一方向Y并排设置的第二棱镜结构52。上述M个输出端口(O1、O2、O3……OM)中，除中间输出端口以外的至少一个输出端口与第二棱镜结构52一一对应。
与前述示例不同之处在于，第一棱镜结构51包括至少一组如图12a所示的调光结构511。每组调光结构511对光信号的相位调制范围可以为0～2π。在此情况下，每组调光结构511可以包括沿第一方向Y并排设置的多个四棱柱510。如图12b(沿图12a中的虚线D-D进行剖切得到的剖视图)所示，四棱柱510沿垂直于输入主动偏转元件301的入光面的截面为矩形。该矩形任意一边的长度可以小于入射光信号的最小波长。例如，当与该矩形所在的第一棱镜结构51对应的输入端口的光信号的最小波长为1.5μm时，上述矩形的面积可以为1μm×1μm，从而可以有效的对光信号的相位进行调节。
此外，为了使得第一棱镜结构51沿如图12a第二方向X，覆盖来自与第一棱镜结构51对应的输入端口I的光束的所有波长通道，同一个第一棱镜结构51中的多个条状的四棱柱510沿第一方向X的长度，均覆盖与该第一棱镜结构51所对应的输入端口的所有波长通道。其中，构成上述四棱柱510的材料可以为SiO2、TiO2、Si中的至少一种，本申请对构成该四棱柱510的材料不进行限定。
在此基础上，为了使得每组调光结构511对光信号的相位调制范围为0～2π，任意一个第一棱镜结构(例如，图12b中的第一棱镜结构51a或第一棱镜结构51b)的每组调光结构511中的多个(例如20个)四棱柱中，可以具有Q种高度等级的四棱柱。其中，2≤Q；Q为整数。每种高度等级的四棱柱可以用于在上述相位调制范围(例如，0～2π)中，对光信号的一个相位进行调制。其中，四棱柱的高度方向与垂直于输入主动偏转元件301的入光面的方向平行。
示例的，如图12b所示，任意一个第一棱镜结构(例如，图12b中的第一棱镜结构51a或第一棱镜结构51b)的每个调光结构511中，可以具有8(例如，Q＝8)种高度等级不同的四棱柱，该8种高度等级分别为0×δh、1×δh、…、7×δh。其中，δh为最小阶梯间隔。具有上述该8种高度等级0×δh、1×δh、…、7×δh的四棱柱可以在上述相位调制范围(例如，0～2π)中，分别用于对光信号的0π、1/8π、…、7/8π相位进行调制。
在此情况下，第一棱镜结构(例如，图12b中的第一棱镜结构51a或第一棱镜结构51b)的每组调光结构511中，四棱柱的高度等级的数量Q越大，该第一棱镜结构对光信号进行相位调调节的精度越高。此处仅是以Q＝8进行的举例说明，还可以根据相位调节精度的要求，对Q数值的大小进行设定来选取第一棱镜结构51中四棱柱的高度和其矩形截面任意一边长度，从而实现最优的衍射效率。
如图12b所示，第一棱镜结构51a的调光结构511中，采用了Q个(例如Q＝8)高度等级的四棱柱。与该第一棱镜结构51a相邻，且靠近输入被动偏转元件302中心的第一棱镜结构51b的调光结构511中，只采用了Q(例如Q＝8)高度等级中的4个高度等级的四棱柱。其中，调光结构511中能够用到的高度等级的数量小于Q，本申请对每个调光结构511中，能够用到的高度等级的数量不做限定。
在此基础上，为了实现沿第一方向Y，由输入被动偏转元件302的边缘到中心，多个第一棱镜结构51的第一预倾角Δθ1逐渐减小，沿第一方向Y，由输入被动偏转元件302的边缘到中心，如图12b所示，第一棱镜结构的调光结构511中多个四棱柱的高度变化率逐渐减小，从而使上述多个四棱柱的高度变化率与第一预倾角Δθ1呈正比。
例如，图12b中，第一棱镜结构51a的调光结构511中多个高度不同的四棱柱，其高度变化可以为平均每个棱柱增加δh。与该第一棱镜结构51相邻，且靠近输入被动偏转元件302中心的第一棱镜结构51b中的调光结构511中多个高度不同的四棱柱，其高度变化可以为平均每个棱柱增加0.5×δh。
此外，由于入射至每个第一棱镜结构51上的光束的宽度(与第一方向Y平行)大致相同，因此，为了简化制作工艺而制作宽度(与第一方向Y平行)相同的四棱柱，每个第一棱镜结构51中四棱柱的数量可以相同。当然，在本申请的另一些实施例中，各个第一棱镜结构51中四棱柱的数量还可以不相同。
在此情况下，可以使得本示例中第一棱镜结构51中有至少一个调光结构511中的各个四棱柱构成具有阶梯面的结构，其可以实现对光信号的波前相位调制与前述示例中，对应相同输入端口I的一个条型三棱柱相同。在设计和制作第一棱镜结构51的过程中，为了能够达到前述示例相同的波前相位调制，相应地，可以在本示例的第一棱镜结构51中，对应与条型三棱柱的相同位置，第一棱镜结构51的调光结构511中四棱柱的阶梯高度H可以满足一下公式：
H＝[{L/λ}×8]×δh (13)；
其中，公式(13)中的数学符号“[]”表示括号内的算式计算结果取整数；数学符号“{}”表示括号内的算式计算结果取小数；L为光信号从入射至出射完整通过第一棱镜结构51的调光结构511中四棱柱的光程差；λ为上述光信号的波长。
需要说明的是，图12a和图12b中均是以第一棱镜结构51包括一组调光结构511为例进行的说明。在本申请的另一些实施例中，当第一棱镜结构51需要的相位调制范围为0～w×π时，其中w为实数且w>2，如图12c所示，第一棱镜结构51可以包括一组以上的调光结构511，每组调光结构511的相位调制范围为0～2π。
示例的，如图12c所示，边缘位置处的第一棱镜结构51a的每个调光结构511中，只采用了Q(例如Q＝8)高度等级中的4个高度等级的四棱柱。与该第一棱镜结构51相邻，且靠近输入被动偏转元件302中心的第一棱镜结构51b的调光结构511中，采用了Q(例如Q＝8)个高度等级的四棱柱。
综上所述，本示例中，每个第一棱镜结构51中的调光结构511可以包括多个条形的四棱柱510。在此情况下，每个四棱柱510远离输入主动偏转元件301的表面均为平面。当需要调整个第一棱镜结构51的第一预倾角Δθ1时，只需要调节该第一棱镜结构51中四棱柱510的高度，使得本示例和前述示例中，对应同一输入端口I的第一棱镜结构51，实现的波前相位与前述示例的一个条型三棱柱相同。
然而，当第一棱镜结构51楔角α发生微小变化时，相对于前述示例中调节直角三棱柱斜面的倾角而言，本示例中通过调节四棱柱510的高度的方式，制作过程中更容易实现。从而能够减小第一棱镜结构51的加工难度，并且使得输入被动偏转元件302具有更好的机械强度和稳定性。
在制作输入被动偏转元件302的过程中，可以在一主要由SiO2的承载板50上可以通过光刻工艺制作上述条型四棱柱510。或者，还可以借助微纳加工设备，在输入主动偏转元件301中的透明盖板312远离硅基底311的一侧表面上，采用精确对准的方式制作上述条型四棱柱510。
此外，在输入端口的数量N与输出端口的数量M相同的情况下，输入被动偏转元件302中与第k个输入端口Ik对应的第一棱镜结构51的调光结构511中四棱柱的尺寸和分布，和输出被动偏转元件402中与第k个输出端口Ok对应的第二棱镜结构52的调光结构511中四棱柱的尺寸和分布相同，第二棱镜结构52的设置方式同上所述，此处不再赘述。
在输入端口的数量N与输出端口的数量M不相同的情况下，输出被动偏转元件402中各个第二棱镜结构52的调光结构511中四棱柱的尺寸和分布，需要根据输出端口的数量M和位置单独进行设置，设置过程与输入被动偏转元件302中第一棱镜结构51的调光结构511的设置方式同理可得，此处不再赘述。
在本申请的另一些实施例中，输入被动偏转元件302可以包括多个沿第一方向Y并排设置的第一棱镜结构51。上述N个输入端口中(I1、I2、I3……IN)，除中间输入端口以外的至少一个输入端口与第一棱镜结构51一一对应。输出被动偏转元件402可以包括多个沿第一方向Y并排设置的第二棱镜结构52。上述M个输出端口(O1、O2、O3……OM)中，除中间输出端口以外的至少一个输出端口与第二棱镜结构52一一对应。
与前述示例的不同之处在于，如图13a所示，上述第一棱镜结构51包括沿第二方向X并排设置的S组超表面结构500。每组超表面结构500对光信号的相位调制范围为0～2π。第一棱镜结构51沿第二方向X覆盖的所有波长通道分为S个波段。每一组超表面结构500对应一个波段。其中，S≥2，S为整数。沿第二方向X，每组超表面结构500的长度B越小，该超表面结构500对应的波段的长度越小，上述S的数量越多。
例如，当第一棱镜结构51沿第二方向X覆盖有60个波长通道时，超表面结构500a可以对应0～20号波长。该超表面结构500a能够将波长在0～20号波长范围内的光信号，向中间输出端口对应方向偏转第一预倾角△θ1。超表面结构500b可以对应21～40号波长。该超表面结构500b能够将波长在21～40号波长范围内的光信号，向中间输出端口对应方向偏转第一预倾角△θ1。超表面结构500b可以对应41～60号波长。该超表面结构500c能够将波长在41～60号波长范围内的光信号，向中间输出端口对应方向偏转第一预倾角△θ1。
每组上述超表面结构500可以包括多个阵列排布的纳米微柱501。构成该纳米微柱501的材料可以为Si，本申请对构成纳米微柱501的材料不做限定。沿第一方向Y，相邻两个纳米微柱501之间的间距P可以小于该超表面结构500所对应的波段的中心波长。例如，超表面结构500b中相邻两个纳米微柱501之间的间距P(例如，500nm左右)，小于该超表面结构500b所对应的波段21～40号波长的中心波长，即30号波长(例如1550nm左右)。上述间距P越小，该第一棱镜结构51对光信号进行相位调调节的精度越高。
此外，沿第一方向Y，由输入被动偏转元件302的边缘到中心，各个超表面结构500中位于同一排的纳米微柱501横截面的面积变化率逐渐减小，从而使得上述纳米微柱501横截面的面积变化与第一预倾角△θ1呈正比。例如，沿第一方向Y，由输入被动偏转元件302的边缘到中心，超表面结构500a中横截面面积的平均变化率，大于超表面结构500d中横截面面积的平均变化率。其中，上述横截面与输入主动偏转元件301的入光面(即图13a中的XOY表面)平行。
需要说明的是，图13a中均是以第一棱镜结构51沿第一方向Y包括一组表面结构500为例进行的说明。在本申请的另一些实施例中，当第一棱镜结构51需要的相位调制范围为0～w×π时，其中w为实数且w>2，第一棱镜结构51沿第一方向Y可以包括一组以上表面结构500，每组表面结构500的相位调制范围为0～2π。
此外，由于入射至每个第一棱镜结构51上的光束的宽度(与第一方向Y平行)大致相同，因此，为了简化制作工艺而制作横截面面积相同的纳米微柱501，每个第一棱镜结构51中纳米微柱501的数量可以相同。当然，在本申请的另一些实施例中，各个第一棱镜结构51中纳米微柱501的数量还可以不相同。
本示例中，第一棱镜结构51的超表面结构500中多个横截面面积不同的纳米微柱501，实现的波前相位与前述示例的一个条型三棱柱相同。此外，如图13b(沿图13a的A向得到的视图)所示，每个第一棱镜结构51中纳米微柱501的高度相同，从而可以使得输入被动偏转元件302远离输入主动偏转元件301的一侧表面趋于平整，有利于输入被动偏转元件302与其他光学元件的表面贴合或胶合。相邻两个纳米微柱501之间可以填充空气，或者如图13c所示，在相邻两个纳米微柱501之间填充由有机材料构成的平坦层60。
在制作输入被动偏转元件302的过程中，可以在一主要由SiO2的承载板50上可以通过光刻工艺，或者纳米压印工艺制作上述周期性排布的纳米微柱501。或者，还可以借助微纳加工设备，在输入主动偏转元件301中的透明盖板312远离硅基底311的一侧表面上，采用精确对准的方式制作上述周期性排布的纳米微柱501。
此外，输入被动偏转元件302中不同位置的第一棱镜结构51中的超表面结构的制作过程同上所述，此处不再对赘述。此外，在输入端口的数量N与输出端口的数量M相同的情况下，输入被动偏转元件302中与第k个输入端口Ik对应的第一棱镜结构51的超表面结构500中纳米微柱501的分布，和输出被动偏转元件402中与第k个输出端口Ok对应的第二棱镜结构52的超表面结构500中纳米微柱501的分布相同。
在输入端口的数量N与输出端口的数量M不相同的情况下，输出被动偏转元件402中各个第二棱镜结构52的超表面结构中纳米微柱501的分布，需要根据输出端口的数量M和位置单独进行设置，设置过程与输入被动偏转元件302中第一棱镜结构51的超表面结构中纳米微柱501的分布设置方式同理可得，此处不再赘述。
本申请实施例提供另一种光选择开关100，如图14a所示，该光选择开关100可以包括N(例如N＝3)个输入端口(I1、I2、I3)、M(例如M＝3)个输出端口(O1、O2、O3)、输入光栅元件20a和输出光栅元件20b、输入主动偏转元件301以及输出主动偏转元件401。
同上所述，N(例如N＝3)个输入端口(I1、I2、I3)沿第一方向Y并排设置。每个输入端口用于接收一路或多路光束作为输入光。沿第一方向Y，N(例如N＝3)个输入端口(I1、I2、I3)中，位于中间位置的至少一个输入端口可以为中间输入端口，例如中间输入端口I2。
此外，M(例如M＝3)个输出端口(O1、O2、O3)可以沿第一方向Y并排设置。每个输出端口用于将待输出光从输出端口输出。沿第一方向Y，M(例如M＝3)个输出端口(O1、O2、O3)中，位于中间位置的至少一个输出端口可以为中间输出端口，例如输出端口O3。
输入端口(I1、I2、I3)输出的光线经过输入光栅元件20a后，该输入光栅元件20a可以将来自每个输入端口的输入光，根据多个波长通道分出不同波长的光信号。此外，输入主动偏转元件301可以如图14a所示为上述反射型衍射光栅，可以对来自输入光栅元件20a的输入光进行相位调节，将输入光偏转至目标输出端口对应方向，然后反射至输出主动偏转元件401。该输出主动偏转元件401也可以为上述反射型衍射光栅，从而能够对来自输入主动偏转元件301的待输出光进行相位调节，并将待输出光偏转至目标输出端口。然后反射至输出光栅元件20b。该输出光栅元件20b可以将一个或多个波长的光信号复用到同一个输出端口(O1、O2或O3)。
其中，输入光栅元件20a、输出光栅元件20b、输入主动偏转元件301以及输出主动偏转元件401的功能以及结构同上所述，此处不再赘述。
与上述实施例提供的光选择开关100不同之处在于，图14a所示的光选择开关100中无需设置输入被动偏转元件302和输出被动偏转元件402。此外，N个输入端口中，除中间输入端口以外的至少一个输入端口光选择开关100内侧的一端，即靠近输入光栅元件20a的一端，向中间输入端口对应方向偏转。例如当N＝3时，输入端口I1和输入端口I3靠近输入光栅元件20a的一端，向中间输入端口I2对应方向偏转。
此外，M个输出端口中，除中间输出端口以外的至少一个输出端口靠近光选择开关内侧的一端，即输出光栅元件20b的一端，向中间输出端口对应方向偏转。例如当M＝3时，输出端口O1和输出端口O3靠近输出光栅元件20b的一端，向中间输出端口O2对应方向偏转。
在本申请的一些实施例中，如图14b所示，N(例如N＝3)个输入端口(I1、I2、I3)中，除中间输入端口I2以外，输入端口I1和输入端口I3靠近输入光栅元件20a的一端，向中间输入端口I2对应方向偏转第一预倾角△θ1。
例如，输入端口I1靠近输入光栅元件20a的一端，向中间输入端口I2对应方向(向下)偏转第一预倾角△θ1。输入端口I2靠近输入光栅元件20a的一端，向中间输入端口I2对应方向(向上)偏转第一预倾角△θ1。
在此情况下，当来自输入端口I1的输入光需要偏转至输出端口O1时，输入主动偏转元件301对来自输入端口I1的输入光向上偏转第一预倾角△θ1即可。此外，当来自输入端口I1的输入光需要偏转至输出端口O3时，输入主动偏转元件301对来自输入端口I1的输入光向下偏转第一预倾角△θ1即可。此时，输入主动偏转元件301的最大偏转角度为第一预倾角△θ1。参考上述公式(1)～公式(3)，可以根据输入端口的序号计算出该输入端口的第一预倾角△θ1。例如，图14b中的输入端口I1和输入端口I3的第一预倾角△θ1为θ。
这样一来，即使输入端口I1和输出端口O3的不再同一水平方向，输入主动偏转元件301对光信号的偏转角都可以为第一预倾角△θ1(△θ1＝θ)。由上述可知，当θ小于10°，例如5°左右时，θ≈d/L。d为相邻两个输入端口的光束分别入射至输入主动偏转元件301时，形成的光斑的距离。L为输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401之间的光信号传输的距离。
此外，当来自输入端口I1的输入光需要偏转至输出端口O3时，如果输出主动偏转元件401对输入主动偏转元件301输出的光线不进行任何处理，经过输出主动偏转元件401的光线如图14b所示，会沿点画线继续向下传输，从而无法到达输出端口O3。但是本实施例中，由于输出端口O3靠近输出光栅元件的一端，向中间输出端口O2对应方向(向上)偏转第二预倾角△θ2。
其中，输入端口的数量N与输出端口的数量M的情况下，与第k个输入端口Ik的第一预倾角△θ1和与第k个输出端口Ok的第二预倾角△θ2相等。例如，图14b中的输出端口O1和输出端口O3的第二预倾角△θ2为θ。此时，输出主动偏转元件401只需要对来自输入主动偏转元件301的光信号向上偏转θ，就可以将该光信号传输至输出端口O3。在此情况下，输出主动偏转元件401的最大偏转角为θ。
在此情况下，通过对光选择开关100的部分输入端口和部分输出端口向中间端口的位置进行偏转，可以减小输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401对入射光信号的偏转角度，从而可以提高输出端口接收到的光信号的量，达到提高光选择开关100的光束偏转衍射效率的目的。此外，由于输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401对入射光信号的偏转角度有所减小，因此可以提高不同输出端口之间传输的光信号的隔离度。
另一方面，光选择开关100的输入端口的数量N，以及输出端口的数量M均为3个的情况下，输入主动偏转元件301和输出主动偏转元件401对输入光信号的最大偏转角均为角度θ，因此，不同输出端口接收到的光信号的误差相同，产生的信号损耗也相同，从而实现了端口插入损耗和端口串扰的均衡。这样一来，可以在光选择开关100的输出端连接放大器，采用同一放大倍数对不同端口输出光信号的误差进行统一补偿。
需要说明的是，上述是以输入端口的数量N和输出端口的数量M均为3为例进行的说明。当输入端口的数量N和输出端口的数量M发生变化时，中间输入端口和中间输出端口的设置方式同上所述。
此外，当输入端口的数量N大于3时，沿边缘的输入端口到中间输入端口的方向，第一预倾角△θ1逐渐减小。例如当N＝5时，输入端口I1的第一预倾角△θ1、输入端口I2的第一预倾角△θ1逐渐减小；输入端口I5的第一预倾角△θ1、输入端口I4的第一预倾角△θ1逐渐减小。当输出端口的数量M大于3时，例如M＝5时，中间输出端口以外的输出端口的偏转方式同上所述，此处不再赘述。
此外，当光选择开关中输入端口的数量N与输出端口的数量M的此情况下，中间输出端口以外的输出端口的偏转方式，需要根据输出端口的数量M和位置单独进行设置，设置过程与中间输入端口以外的输入端口的偏转方式同理可得，此处不再赘述。
在此基础上，为了能够形成发生偏转的输入端口，例如图15所示的输入端口I1和输入端口I3，以及发生偏转的输出端口，例如输出端口O1以及输出端口O3，上述输入端口和输出端口可以为光纤。构成光纤的材料可以包括绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)、氮化硅(SiN)、SiO2、塑料等对所使用工作波长具有低损耗的材质。
在此情况下，在本申请的一些实施例中，可以将具有一定偏转角度的光线构成的输入端口或者输出端口，胶合于图15所示的基材70中。或者，在本申请的另一些实施例中，可以在如图15所示的基材上预先制作与输入端口和输出端口偏转方向相同的卡槽，然后，将上述光线固定于卡槽内，从而实现对光纤的排列和固定。其中，构成上述基材70的材料可以包括塑料、硅片、陶瓷板等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种光选择开关，其特征在于，包括：
N个输入端口，每个输入端口用于接收输入光，其中，N为大于或等于3的整数；
M个输出端口，每个输出端口用于将待输出光从所述输出端口输出，其中，M为大于或等于3的整数；
输入被动偏转元件，用于将所述输入光向中间输出端口对应方向偏转；
输入主动偏转元件，用于根据所述输入被动偏转元件的偏转，将所述输入光偏转至目标输出端口对应方向；
输出被动偏转元件，用于将所述待输出光向所述中间输出端口对应方向偏转；
输出主动偏转元件，用于根据所述输出被动偏转元件的偏转，将所述待输出光偏转至目标输出端口；
所述N个输入端口沿第一方向并排设置，所述输入被动偏转元件包括多个沿所述第一方向并排设置的第一棱镜结构；所述N个输入端口中，除中间输入端口以外的至少一个输入端口与所述第一棱镜结构一一对应；
所述第一棱镜结构用于将所述输入光向所述中间输出端口对应方向偏转第一预倾角△θ1；沿所述第一方向，由所述输入被动偏转元件的边缘到中心，多个所述第一棱镜结构的第一预倾角△θ1逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的光选择开关，其特征在于，所述第一棱镜结构包括直角三棱柱；所述直角三棱柱沿垂直于所述输入主动偏转元件的入光面的截面为直角三角形；所述直角三角形的斜边与所述输入主动偏转元件的入光面之间具有楔角α；所述楔角α的开口方向朝向所述输入被动偏转元件的中心；
沿所述第一方向，由所述输入被动偏转元件的边缘到中心，多个所述第一棱镜结构的楔角α逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的光选择开关，其特征在于，
当N为偶数时，第一预倾角△θ1为：或者，第一预倾角△θ1为：△θ1＝
其中，k为所述N个输入端口中，第k个输入端口的序号；d为相邻两个输入端口之间的间距；L为所述输入主动偏转元件和所述输出主动偏转元件之间的光路距离；
当N为奇数时，第一预倾角△θ1为：
4.根据权利要求3所述的光选择开关，其特征在于，
当N为偶数时，所述楔角α为：或者，所述楔角α为：/> 其中，n为所述第一棱镜结构的折射率；
当N为奇数时，所述楔角α为：
5.根据权利要求1所述的光选择开关，其特征在于，所述第一棱镜结构包括至少一组调光结构；每组所述调光结构对光信号的相位调制范围为0～2π；
每组所述调光结构包括沿所述第一方向并排设置的多个四棱柱；任意一个所述棱镜结构的每组所述调光结构中，具有Q种高度等级的四棱柱；每种高度等级的四棱柱用于在所述相位调制范围中对所述光信号的一个相位进行调制；其中，2≤Q；Q为整数；沿所述第一方向，由所述输入被动偏转元件的边缘到中心，所述第一棱镜结构的调光结构中的所述多个四棱柱的高度变化率逐渐减小；
所述四棱柱的高度方向与垂直于所述输入主动偏转元件的入光面的方向平行；所述四棱柱沿垂直于所述输入主动偏转元件的入光面的截面为矩形。
6.根据权利要求5所述的光选择开关，其特征在于，每个所述第一棱镜结构中所述四棱柱的数量相同。
7.根据权利要求5所述的光选择开关，其特征在于，所述矩形的任意一边的长度小于入射光信号的最小波长。
8.根据权利要求1所述的光选择开关，其特征在于，所述第一棱镜结构包括沿第二方向并排设置的S组超表面结构；所述第二方向与所述第一方向相交；每组所述超表面结构对光信号的相位调制范围为0～2π；
所述第一棱镜结构沿所述第二方向覆盖的所有波长通道分为S个波段；每一组所述超表面结构对应一个所述波段；其中，S≥2，S为整数；
每组所述超表面结构包括阵列排布的多个纳米微柱；沿所述第一方向相邻两个所述纳米微柱之间的间距小于所述超表面结构所对应的所述波段的中心波长；
沿所述第一方向，由所述输入被动偏转元件的边缘到中心，每个超表面结构中位于同一排的多个纳米微柱的横截面的面积变化率逐渐减小；所述横截面与所述输入主动偏转元件的入光面平行。
9.根据权利要求8所述的光选择开关，其特征在于，沿所述第一方向，每个超表面结构中位于同一排的所述纳米微柱的数量相同。
10.根据权利要求1-9任一项所述的光选择开关，其特征在于，所述输入光为波分复用的多路光；所述光选择开关还包括：
输入光栅元件，用于根据所述输入光的多个波长通道，将来自每个所述输入端口的输入光分出不同波长的光信号；
输出光栅元件，用于将一个或多个波长的待输出光复用到同一个所述输出端口。
11.根据权利要求10所述的光选择开关，其特征在于，所述第一棱镜结构沿第二方向，覆盖来自所述第一棱镜结构对应的输入端口的输入光的所有波长通道；所述第二方向与所述第一方向相交。
12.根据权利要求1-10任一项所述的光选择开关，其特征在于，
所述M个输出端口沿所述第一方向并排设置，所述输出被动偏转元件包括多个沿第一方向并排设置的第二棱镜结构；所述M个输出端口中，除所述中间输出端口以外的至少一个输出端口与所述第二棱镜结构一一对应；
所述第二棱镜结构用于将所述待输出光向所述中间输出端口对应方向偏转第二预倾角△θ2；沿所述第一方向，由所述输出被动偏转元件的边缘到中心，多个所述第二棱镜结构的第二预倾角△θ2逐渐减小。
13.根据权利要求12所述的光选择开关，其特征在于，所述输入端口的数量N与所述输出端口的数量M相同；与第k个输入端口对应的第一棱镜结构的第一预倾角△θ1和与第k个输出端口对应的第二棱镜结构的第二预倾角△θ2相等；其中，1≤k≤N，k为整数。
14.根据权利要求1所述的光选择开关，其特征在于，所述输入被动偏转元件设置于所述输入主动偏转元件的入光面；
所述光选择开关还包括增透膜；所述增透膜设置于所述输入被动偏转元件靠近所述输入主动偏转元件的一侧表面。
15.根据权利要求1所述的光选择开关，其特征在于，所述输入被动偏转元件设置于所述输入主动偏转元件的入光面；
所述输入主动偏转元件为液晶覆硅面板；所述液晶覆硅包括相对设置的硅基底和透明盖板，以及位于所述硅基底和所述透明盖板之间的液晶层；
所述第一棱镜结构设置于所述透明盖板远离所述硅基底的一侧表面上。
16.根据权利要求1所述的光选择开关，其特征在于，
当N为奇数时，所述N个输入端口中，至少第(N+1)/2个输入端口为所述中间输入端口；当N为偶数时，所述N个输入端口中，至少第N/2个以及第N/2+1个输入端口均为所述中间输入端口；
当M为奇数时，所述M个输出端口中，至少第(M+1)/2个输出端口为所述中间输出端口；当M为偶数时，所述M个输出端口中，至少第M/2个以及第M/2+1个输出端口均为所述中间输出端口。
17.根据权利要求16所述的光选择开关，其特征在于，
当时，第k个输入端口为所述中间输入端口；
当时，第k个输入端口为所述中间输出端口。
18.一种光选择开关，其特征在于，包括：
N个输入端口，每个输入端口用于接收输入光，其中，N为大于或等于3的整数；所述N个输入端口中，除中间输入端口以外的至少一个输入端口靠近所述光选择开关内侧的一端，向所述中间输入端口对应方向偏转；
M个输出端口，每个输出端口用于将待输出光从所述输出端口输出，其中，M为大于或等于3的整数；所述M个输出端口中，除中间输出端口以外的至少一个输出端口靠近所述光选择开关内侧的一端，向所述中间输出端口对应方向偏转；
输入主动偏转元件，用于将所述输入光偏转至目标输出端口对应方向；
输出主动偏转元件，用于将所述待输出光偏转至目标输出端口；
所述N个输入端口中，除所述中间输入端口以外的至少一个输入端口靠近所述光选择开关内侧的一端，向所述中间输入端口对应方向偏转第一预倾角△θ1；其中，沿边缘的输入端口到所述中间输入端口的方向，所述第一预倾角△θ1逐渐减小；
所述输入端口的数量N与所述输出端口的数量M相同；第k个输入端口的第一预倾角△θ1和第k个输出端口的第二预倾角△θ2相等；其中，1≤k≤N，k为整数。
19.一种节点装置，其特征在于，包括如权利要求1-17任一项所述的光选择开关，或包括如权利要求18所述的光选择开关。
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