CN1222797C - 环绕光开关矩阵 - Google Patents

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Abstract

光开关矩阵(100)经开关组的M行(a-d)将N个输入波导(118)连接到M个输出波导(120)。开关组(112)的每行包括：一个具有一个输入端(140)和两个输出端的第一开关组，具有两个输入端和两个输出端的N-2个中间开关组(114)，和具有两个输入端和一个或两个输出端的最后开关组。每个第一或中间开关组的一个输出端被光耦合到同一行中的后续开关组的一个输入端，其它输出端通过不相互交叉的中间波导被光耦合到循环接续行的相应开关组的输入端。唯一例外是中间波导将最后行连接到第一行。这些中间波导与其它波导交叉。

Description

环绕光开关矩阵
技术领域
本发明涉及一种光开关矩阵，特别是一种改进的具有环绕结构的光开关矩阵。
背景技术
图1图示说明了本发明要改进的现有技术的光开关矩阵10。该光开关矩阵还作为现有技术公开在Okuyama等人的美国专利US4852958中。矩阵10将四个输入波导18经四行开关(a，b，c，d)连接到四个输出波导20。每行包括一个1×2开关12，两个2×2开关14和一个2×1组合器16。每个1×2开关12具有一个单输入端40和两个输出端：一个上输出端22和一个下输出端24。每个2×2开关具有两个输入端和两个输出端：一个上输入端26，一个下输入端28，一个上输出端30和一个下输出端32。每个2×1组合器具有两个输入端：一个上输入端34和一个下输入端36；和一个单输出端42。输入波导18连接相应的输入端40。输出波导20连接相应的输出端42。在每个行中，下输出端24和32通过中间波导38连接紧随其后的开关14或16的下输入端28和36；而上输出端22和30通过中间波导38连接循环接续的行中的相应开关14或16的上输入端26或34。循环接续是指连接布局好像是多个行平行于一个圆柱体的轴线制作在该圆柱体的圆周上：行b是行a的后继者，行c是行b的后继者，行d是行c的后继者，行a是行d的后继者。所以，例如，中间波导38将开关12d的上输出端22连接到开关14aa的上输入端26。在Okuyama等人的文献中，行a和d被显示为由交叉其它中间波导38的中间波导38连接。为了说明清楚起见，行a与d间的环绕连接在图1中由中间波导38上的圆圈端A，B和C代表，所述中间波导38将行d的输出端22和30连接到行a的输入端26和34。
2×2开关14的若干实施在现有技术中是公知的，包括，尤其是，定向耦合器开关和Mach-Zehnder干涉仪开关。2×2开关14可以处于两种状态之一：直通状态(也被称作“横号”状态或“＝”状态)，其中，经上输入端26进入开关14的光能通过上输出端30离开开关14，以及，经下输入端28进入开关14的光能通过下输出端32离开开关14；和交叉状态(也被称作“交叉”状态或“X”状态)，其中，经上输入端26进入开关14的光能通过下输出端32离开开关14，以及，经下输入端28进入开关14的光能通过上输出端30离开开关14。通过将电压施加到开关14的内部部件上，使开关14从一种状态切换到另一种状态。不施加开关电压时，开关14处于两种状态中的一种状态“OFF”。施加切换电压时，开关14处于两种状态中的另一种状态“ON”。因而，开关14的两种变型是可能的。在第一种变型中，当OFF时，开关14处于其＝状态；当ON时，开关14处于其X状态。在第二种变型中，当OFF时，开关14处于其X状态；当ON时，开关14处于其＝状态。在本发明的上下文中，优选选用开关14的第一种变型。
使2×2开关14变成1×2开关12，仅需要将输入端的一个做成闲置端，也就是，使该输入端断开。例如，如果下输入端28是闲置的，那么，上输入端26充当输入端40，上输出端30充当上输出端22，下输出端32充当下输出端24。在这样一个1×2开关12的优选变型中，当该开关12为OFF时，开关12处于＝状态，所以经输入端40进入的光能经上输出端22离去；当该开关12为ON时，开关12处于X状态，所以经输入端40进入的光能经下输出端24离去。作为选择，如果输入端26闲置，那么下输入端28充当输入端40。在该可替换的1×2开关12的优选变型中，当开关12为OFF时，开关12处于＝状态，所以经输入端40进入的光能经下输出端24离去；当该开关12为ON时，开关12处于X状态，所以经输入端40进入的光能经上输出端22离去。
2×1组合器16可以是无源的或者可以是有源的。使2×2开关14变成2×1有源组合器16，仅需要简单地将输出端之一做成闲置端，也就是使该输出端断开。例如，如果下输入端32是闲置的，那么，上输入端26充当上输入端34，下输入端28充当下输入端36，上输出端30充当输出端42。在下文中，有源2×1组合器通常被称作“2×1开关”。在这样一个2×1开关16的优选变型中，当该2×1开关16为OFF时，开关16处于＝状态，所以只有经上输入端34进入的光能通过输出端42离去；当该2×1开关16为ON时，开关16处于X状态，所以只有经下输入端36进入的光能通过输出端42离去。作为选择，如果上输出端30是闲置的，那么下输出端32充当输出端40。在该可替换的2×1开关16的优选变型中，当该2×1开关16为OFF时，开关16处于＝状态，所以只有经下输入端36进入的光能经输出端42离去；当该2×1开关16为ON时，开关16处于X状态，所以只有经上输入端34进入的光能经输出端42离去。尽管2×1组合器16被最简单地实施为无源组合器，比如y形接头组合器，但是本发明的优选2×1组合器是有源2×1组合器，因为无源2×1组合器具有固有衰耗，以及具有下面将要说明的第二个原因。
通过把适当的开关12和14置于ON和OFF，可以将任何输入波导1 8连接到任何输出波导20。例如，使1×2开关12成为具有闲置的下输入端的2×2开关，使1×2开关12和2×2开关14在OFF时处于它们的＝状态，以及在ON时处于它们的X状态；并且使2×1组合器16成为无源组合器。当所有开关12和14为OFF时，输入波导18a连接输出波导20d，输入波导18b连接输出波导20a，输入波导18c连接输出波导20b，输入波导18d连接输出波导20c。将开关12a置于ON，则把输入波导18a连接到输出波导20a。将开关14ba置于ON，则把输入波导18a连接到输出波导20b。将开关14cb置于ON，则把输入波导18a连接到输出波导20c。
通过使用有源2×1组合器16，可以配置光开关矩阵10，使输入波导18不连接任何输出波导20，除非开关12、14或16转换为ON。例如，使1×2开关12和2×2开关14成为上述那样；并且使2×1组合器16成为具有闲置的上输出端的2×2开关，在OFF时，该开关处于它们的＝状态，在ON时，该开关处于它们的X状态。现在，当所有的开关12和14为OFF时，开关16d必须转换到ON，以将输入波导18a连接到输出波导20d；开关16a必须转换到ON，以将输入波导18b连接到输出波导20a；开关16b必须转换到ON，以将输入波导18c连接到输出波导20b；开关16c必须转换到ON，以将输入波导18d连接到输出波导20c。
发明内容
根据本发明，这里提供了一种光开关矩阵，包括：(a)N个输入波导，其中N是大于2的整数；(b)M个输出波导，其中M是大于2的整数；(c)K行开关组，其中K是M和N中的较大者，包括：(i)具有至少一个输入端和两个输出端的第一开关组，(ii)具有两个输入端和至少一个输出端的最后开关组，和(iii)L-2个中间开关组，其中L是M和N中的较小者，每个中间开关组具有两个输入端和两个输出端；其中第一开关组的N个开关中每一个的至少一个输入端中的一个被光耦合到一个相应输入波导；最后开关组的M个开关中每一个的至少一个输出端的一个被光耦合到一个相应的输出波导；其中，对于每个行，对除了最后开关组的每个开关组来说，每个开关组的第一输出端经第一相应的中间波导被光耦合到每个行的后续开关组的输入端中的一个，第二输出端经第二相应中间波导被光耦合到循环接续行的开关组的输入端中的一个，其中所述循环接续行的所述开关组对应于所述每个行的所述后续开关组；其中，对于除了一个最后行的每个行：对于除了最后开关组的每个开关组来说，第一和第二中间波导彼此避开。
根据本发明，这里提供了一种光开关矩阵，包括：(a)N个输入波导，其中N是大于2的整数；(b)N个输出波导；和(c)N行开关组，所有的N行包括：(i)具有一个输入端和两个输出端的第一开关组，第一开关组的输入端被光耦合到相应的输入波导，(ii)具有两个输入端和一个输出端的倒数第二个开关组，最后行的倒数第二开关组的输出端被光耦合到一个相应的输出波导，和(iii)N-2个中间开关组，每个中间开关组具有至少一个输入端和两个输出端，最后N-1行的每一个的中间开关组和倒数第二开关组每一个具有两个输入端，前N-1行的最后N-2个的每个还包括：(iv)一个具有两个输入端和一个输出端的最后开关组，最后开关组的输出端被光耦合到一个相应输出波导，最后开关组的第一输入端被光耦合到每行的倒数第二开关组的输出端；其中前第一行的倒数第二开关组的输出端被光耦合到相应的输出波导；其中，对于每个行，对于从包括每行的第一开关组和每行的N-2个中间开关组的群中选出的每个开关组来说，每个开关组的第一输出端经一个第一相应中间波导光耦合到每个行的后续开关组的一个输入端；其中，对于前N-1行的每行，对于从包括每行的第一开关组和每行的N-2个中间开关组的群中选出的每个开关组来说，每个开关组的第二输出端经第二相应的中间波导光耦合到后续行的开关组的输入端中的一个，其中所述后续行的所述开关组对应于所述每个行的所述后续开关组；其中所述第一和第二中间波导彼此避开；其中，在最后行中，对于以在1到N-2之间的整数n为索引的前N-2个开关组的每一个，每个开关组的第二输出端被光耦合到第N-n行的最后开关组的第二输入端。
图2示出了本发明的光开关矩阵100。矩阵100经开关组112、114和116的四行(a，b，c，d)开关将四个输入波导118连接到四个输出波导120。每个开关组包括一个或多个开关，比如多个1×2开关，多个2×1组合器，或多个2×2开关。每行的第一(输入)开关组112是一个1×2开关。在矩阵100的最简单的优选实施例中，中间开关组114的每一个是2×2开关，但是其它配置可能是下述的结构。每行的最后(输出)开关组116是一个2×1开关。每个1×2开关112具有一个单输入端140和两个输出端，即一个上输出端122和一个下输出端124。每个中间开关组114具有两个输入端和两个输出端：即，一个上输入端126，一个下输入端128，一个上输出端130和一个下输出端132。每个2×1开关116具有两个输入端，即，一个上输入端134和一个下输入端136，并且具有单个输出端142。输入波导118连接相应的输入端140。输出波导120连接相应的输出端142。在每行中，上输出端122和130通过中间波导138连接紧接其后的后续开关组114或116的下输入端128和136；而下输出端124和132通过中间波导138连接循环接续行中的相应开关组114或116的上输入端126或134。与现有技术的矩阵10一样，循环接续行的连接是环绕连接行a和d，如图2中的中间波导138上的圆圈端A、B和C表示，该中间波导138将行d中的输出端124和132连接到行a中的输入端126和134。
诸如用作开关组112的1×2开关还被称作“有源1×2分光器”。
矩阵100中的中间波导138的较低角度行内交叉的缺乏给予矩阵100比矩阵10更低的损耗。如上所述，在Okuyama等人的专利中，现有技术的光开关矩阵10被图示为具有通过交叉其它中间波导38将行d连接到行a的中间波导38。本发明的范围包括一个具有相似的环绕连接的矩阵100的平面实施例，但是现在这样的一个矩阵100的实施例中仅有的中间波导138的交叉是涉及连接行a和d的中间波导138的交叉。这些交叉通常是高角度的，所以以低损耗为特征。所有其它中间波导138彼此避开。然而，最好是，连接行a和d的中间波导138与其它中间波导138根本不交叉，所以所有中间波导138彼此避开。实际是，连接行a和d的中间波导138以近似90度角度交叉输入波导118或者交叉输出波导120。同样，在被制作在具有合适的周期性边界条件的一个表面上，比如圆柱侧面上的矩阵100的一个实施例中，所有中间波导138彼此避开，并且不交叉输入波导118或输出波导120。作为另一个替代物，在单个公共平面上制作的矩阵100的一个实施例中，连接行a和行d的中间波导138高出该平面，所以不交叉任何其它波导。
如上所述，开关组116最好是有源的。如果开关组112是具有闲置的下输入端的2×2开关，使其被配置为：在它们的＝状态中为ON，使光能从输入端140传递到输出端122，在它们的X状态中为OFF，使光能从输入端140传递到输出端124；如果开关组114被配置为在它们的＝状态中为ON，使光能从输入端126传递到输出端130，和使光能从输入端128传递到输出端132，并且在它们的X状态中为OFF，使光能从输入端126传递到输出端132，和使光能从输入端128传递到输出端130；如果开关组116是具有闲置的下输出端的2×2开关，使其被配置为：在它们的＝状态中为ON，使光能从输入端134传递到输出端142，在它们的X状态中为OFF，使光能从输入端136传递到输出端142；然么，决定把哪个开关群转换到ON以实现输入波导118与输出波导120之间所需连接的算法就象现有技术那样简单。当所有开关组112和114为OFF时开始，把开关组116的一个开关转换到ON以将输入波导118连接到输入波导118进入的矩阵100的对角线另一端上的输出波导120：接通开关组116d，将输入波导118a连接到输出波导120d；接通开关组116a，将输入波导118b连接到输出波导120a；接通开关组116b，将输入波导118c连接到输出波导120b；接通开关组116c，将输入波导118d连接到输出波导120c。为了将输入波导118中的一个连接到不同的输出波导120上，只需把一个开关组112或114转换到ON而使所有开关组116为OFF就足以。例如，为了把输入波导118a连接到输出波导120a，可将开关组112a转换到ON；为了把输入波导118a连接到输出波导120b，可将开关组114ba转换到ON；为了把输入波导118a连接到输出波导120c，可将开关组114cb转换到ON。需要注意的是，在所有情况下，仅仅使一个开关组112、114或116转换到ON，就足以将任何一个输入波导118连接到任何一个输出波导120。从任何输入波导118进入矩阵100的光能沿着矩阵100的对角线传播，直至已经变成ON的开关组112、114或116将光能转到矩阵100的相应行。
相同的算法适用于矩阵100的可替换实施例，其中开关组114被配置为：在OFF时，总是将来自输入端128的光能传递到输出端130并将来自输入端126的光能传递到输出端132，在ON时，将来自输入端126的光能传递到输出端130。类似地，在矩阵100的另一个可替换实施例中，其中开关组112被配置为：在它们的＝状态中的OFF时，总是将来自输入端140的光能传递到输出端122，以及在它们的X状态的ON时，总是将来自输入端140的光能传递到输出端124；开关组114被配置为：在OFF时，总是将来自输入端126的光能传递到输出端132和将来自输入端128的光能传递到输出端130，以及在ON时，总是将来自输入端128的光能传递到输出端132；开关组116被配置为：在它们的＝状态中的OFF时，将来自输入端134的光能传递到输出端142，以及在它们的X状态的ON时，将来自输入端136的光能传递到输出端142；决定把哪个开关群转换成ON以实现输入波导118与输出波导120之间的预期连接的算法同样是简单的。当所有开关组112和114为OFF时，转换开关组116的一个开关为ON，将使一个相应的输入波导118连接到它的默认输出波导120：接通开关组116a，将使输入波导118a连接到输出波导120a；接通开关组116b，将使输入波导118b连接到输出波导120b；接通开关组116c，将使输入波导118c连接到输出波导120c；接通开关组116d，将使输入波导118d连接到输出波导120d。为了把输入波导118中的一个连接到不同的输出波导120上，仅需要将一个开关组112或114转换成ON，将所有开关组116设置为OFF。例如，为了把输入波导118a连接到输出波导120b，开关组114ab被转换到ON；为了把输入波导118a连接到输出波导120c，开关组114aa被转换到ON；为了把输入波导118a连接到输出波导120d，开关组112a被转换到ON。
如下文中更详细的举例说明，本发明的矩阵可以被配置成将一定数量的输入波导118连接到不同数量的输出波导120，这种配置实际上是通过以下方式实现的：沿着矩阵的对角线消除不需要的开关组112、114和116，以产生用于N个输入波导118和M个输出波导120的一个阵列，该阵列具有每个max(M，N)行的min(M，N)个开关组112、114和/或116。不过，需要注意的是，M和N在所有情况下必须大于2。
在矩阵100的可替换实施例中，每个开关组114包括一个有源1×2开关和一个2×1组合器。在一个这样的实施例中，2×1组合器的一个输入端充当，或者被光耦合到开关组114的上输入端126；1×2开关的输入端充当，或者被光耦合到开关组114的下输入端128；1×2开关的一个输出端充当，或者被光耦合到开关组114的上输出端130；2×1组合器的输出端充当，或者被光耦合到开关组114的下输出端132。在另一个这样的实施例中，1×2开关的输入端充当，或者被光耦合到开关组114的上输入端126；2×1组合器的一个输入端充当，或者被光耦合到开关组114的下输入端128；2×1组合器的输出端充当，或者被光耦合到开关组114的上输出端130；1×2开关的一个输出端充当，或者被光耦合到开关组114的下输出端132。在这两种情况下，1×2开关的剩余输出端被光耦合到2×1组合器的剩余输入端。
根据本发明的第二方面，通过向L＜N-1行(开始于倒数第二行并且向上工作)中添加另一个2×1开关组来增强一个N×N光开关矩阵，比如矩阵100。那么，将原先的“最后开关组”(在4×4矩阵100的情况下，是开关组116)看作“倒数第二”开关组。最后行的前L个开关组不是被光耦合到第一行的相应开关组，而是光耦合到相应的新近添加的“最后”开关组。
附图说明
下面参照附图仅通过实例说明本发明。
图1图示了现有技术的光开关矩阵；
图2图示了本发明的一个将四个输入波导连接到四个输出波导的光开关矩阵；
图3A图示了本发明的一个将三个输入波导连接到五个输出波导的光开关矩阵；
图3B图示了本发明的一个将五个输入波导连接到三个输出波导的光开关矩阵；
图4显示了基于作为中间开关组的2×2开关的本发明的16×16光开关矩阵的布局；
图5图示了基于一个有源1×2开关和一个2×1组合器的一个中间开关组；
图6图示了基于一个有源1×2开关和一个2×1组合器的另一个中间开关组；
图7显示了一个拓扑地等同于本发明的8×8光开关矩阵的2×2开关对的矩阵，该矩阵基于作为输入开关组的图8的开关组、作为中间开关组的具有有源2×1组合器的图5的开关组以及作为输出开关组的图9的开关组；
图8图示了基于一个有源1×2开关和一个有源2×1开关的输入开关组；
图9图示了基于一个有源1×2开关和一个有源2×1开关的输出开关组；
图10显示了本发明的16×16光开关矩阵的布局，该16×16光开关矩阵基于作为输入开关组的图8的开关组、作为中间开关组的图5的开关组以及作为输出开关组的图9的开关组；
图11显示了基于作为单个2×2开关的第一和最后开关组和作为2×2开关对的中间开关组的本发明的第二8×8光开关矩阵；
图12显示了基于一个是2×2开关对的开关组的本发明第三8×8光开关矩阵；
图13图示了根据本发明第二方面的将四个输入波导连接到四个输出波导的光开关矩阵。
具体实施方式
本发明是可以用来以无阻塞方式将来自输入波导的光信号切换到输出波导的光开关矩阵，具有较低的损耗和高消光比。
参照附图和说明可以更好地理解本发明的光开关矩阵的原理和工作过程。
再次参见附图，图3A显示了本发明的一个矩阵200，该矩阵经过三个开关组212、214和216的五个行(a，b，c，d，e)将三个输入波导218连接到五个输出波导220。每个1×2开关组212具有单个输入端240和两个输出端，即一个上输出端222和一个下输出端224。每个中间开关组214具有两个输入端和两个输出端：一个上输入端226，一个下输入端228，一个上输出端230和一个下输出端232。每个2×1最后开关组216a、216b和216e具有两个输入端，即一个上输入端234和一个下输入端236，以及单个输出端242。每个2×2最后开关组216c和216d具有两个输入端和两个输出端：一个上输入端244，一个下输入端246，一个上输出端248和一个下输出端250。每个中间开关组214在OFF时处于X状态，将上输入端226连接到下输出端232，将下输入端228连接到上输出端230；并且在ON时处于＝状态，将上输入端226连接到上输出端230，和将下输入端228连接到下输出端232。同样，每个2×2最后开关组216e和216d在OFF时处于X状态，将上输入端244连接到下输出端250，将下输入端246连接到上输出端248；并且在ON时处于＝状态，将上输入端244连接到上输出端248，和将下输入端246连接到下输出端250。输入波导218连接1×2开关组212a、212b和212c的相应输入端240。最好是，每个1×2开关组212是具有闲置的下输入端的2×2开关，在OFF时处于X状态，将输入端240连接到下输出端224；在ON时处于＝状态，将输入端240连接到上输出端222。同样，行a、b和e的最后开关组216的每个开关最好是具有一个闲置的下输出端的2×2开关，在OFF时处于X状态，将下输入端236连接到输出端242；并且在ON时处于＝状态，将上输入端234连接到输出端242。输出波导220a、220b和220e连接2×1最后开关组216a、216b和216e的相应输出端242。输出波导220c和220d连接2×2最后开关组216c和216d的相应上输出端248。在每一行中，上输出端222和230通过中间波导238连接到紧接其后的开关组214或216的下输入端228、236或246；而下输出端224、232和250通过中间波导238连接到循环接续行中的相应开关组214或216的上输入端226、234或244，或者对于1×2开关组212c和212d的下输出端224，连接到循环接续行中的相应开关组212的输入端240。与在矩阵100一样，对循环接续行的连接是环绕地连接行a和d，如图3A中的将行d中的输出端224和232连接到行a中的输入端226和234的中间波导238上的圆圈端A和B所示。
矩阵200的布局可以从类似于矩阵100的5×5矩阵的布局中得到，矩阵100具有五个1×2开关组112a至112e，十五个2×2中间开关组114aa至114ec和五个2×1开关组116a至116e，但是矩阵200删除了矩阵100中的1×2开关组112d和112e和从所删除的1×2开关组对角地和循环地向下扩展的所有开关组114和116，即，中间开关组114ea、114ab、114bc、114aa、114bb和114cc，以及2×1开关组116c和116d。中间开关组114ba变成了中间开关组214b，中间开关组114ca变成了中间开关组214c，中间开关组114da变成了1×2开关组212d，中间开关组114cb变成了2×2最后开关组216c，中间开关组114db变成了中间开关组214d，中间开关组114eb变成了1×2开关组212e，中间开关组114ac变成了中间开关组214a，中间开关组114dc变成了2×2最后开关组216d，以及中间开关组114ec变成了中间开关组214e。
图3B显示了通过三个开关组262、264和266的五行(a，b，c，d和e)将五个输入波导268连接到三个输出波导270的本发明的矩阵260。矩阵260的布局可以从矩阵200的布局得到，即，在图3A的平面上将矩阵200旋转180度，用输入波导268替代输出波导220，用输出波导270替代输入波导218，用第一开关组262替代最后开关组216，用最后开关组266替代第一开关组212，以及用中间开关组264替代中间开关组214。每个1×2第一开关组262a、262d和262e具有单个输入端290和两个输出端，即一个上输出端272和一个下输出端274。每个2×2第一开关组262b、262c具有两个输入端和两个输出端：一个上输入端294，一个下输入端296，一个上输出端298和一个下输出端300。每个中间开关组264具有两个输出端和两个输入端：一个上输入端276，一个下输入端278，一个上输出端280，一个下输出端282。每个2×1开关组266具有两个输入端，即一个上输入端280和一个下输入端286，和单个输出端292。每个中间开关组264在OFF时处于X状态，将上输入端276连接到下输出端282以及将下输入端278连接到上输出端280；以及当ON时处于＝状态，将上输入端276连接到上输出端280，以及将下输入端278连接到下输出端282。同样，每个2×2第一开关组262b和262c在OFF时处于X状态，将上输入端294连接到下输出端300以及将下输入端296连接到上输出端298；以及当ON时处于＝状态，将上输入端294连接到上输出端298，以及将下输入端296连接到下输出端300。输入波导268a、268d和268e连接1×2第一开关组262a、262d和262e的相应输入端290。输入波导268b和268c连接2×2第一开关组262b和262c的相应下输入端296。输出波导270连接2×1开关组266c、266d和266e的相应输出端292。最好是，行a、d和e的每个1×2第一开关组262是一个具有一个闲置的上输入端的2×2开关，当OFF时该开关处于X状态，将输入端290连接到上输出端272；以及，当ON时处于＝状态，将输入端290连接到下输出端274。同样，每个2×1开关组266最好是具有一个闲置的上输出端的2×2开关，当OFF时处于X状态，将上输入端284连接到输出端292；并且当ON时处于＝状态，将下输入端286连接到输出端292。在每行中，上输出端272、298和280通过中间波导288连接紧接其后的开关组264或266的下输入端278或286；而下输出端274、300和282通过中间波导288连接到循环接续行中的相应开关组262、264或266的上输入端294、276和284；以及，2×1开关组266a和266b的输出端292通过中间波导288连接到循环接续行中的相应的2×1开关组266的上输入端284。与矩阵100和200一样，对循环接续行的该连接环绕地连接行a和d，如图3B中的将行d中的输出端274和282连接到行a中的输入端276和284的中间波导288上的圆圈端A和B所示。
按照R.A.Spanke在“Architectures for guided-wave optical space switchingsystems”(IEEE Communications Vol.25 No.5，pp.42-48，May 1987)一文的定义，矩阵100、200和260的结构是广义不阻塞的。在这样一种将N个输入波导218连接到M个输出波导220的矩阵中，由配置为单个2×2开关的中间开关组214中的信号泄漏导致的累积串扰的最坏情形是Δ-10log10(N-1)dB，其中Δ是一个2×2开关中的信号泄漏。例如，如果Δ是30dB以及N＝16，那么，累积串扰是18dB。尽管这是一个相当高的串扰电平，但是它适合于在使用诸如波长带通滤波器的附加滤波器的情况下应用。该结构的一个优点是允许在给定基底上使用比较长的开关和大量输入和输出端。
图4示出了在4英寸圆柱形硅晶片150的圆凸面152上的，基于作为中间开关组114的2×2开关的16×16矩阵100的布局。在该布局中，将矩阵第一行连接到矩阵最后行的中间波导138与输入波导118交叉。实现从最后行到第一行的循环连接的15个单独的中间波导138由相应的罗马数字i至xv指示，其中这些中间波导138离开最后行，并且这些中间波导进入第一行。
在某些应用中，重要的是在输入波导118、218或268与输出端120、220或270之间具有高消光比。在这样一种情况下，基于作为中间开关组114、214和264的单个2×2开关的矩阵100、200和260的实施例的串扰是非常高的。因此，使用了基于两个或多个开关元件的中间开关组。这些中间开关组的各种实施例包括连接到2×1无源组合器或者2×1有源开关的1×2有源开关。尽管本发明的范围包括基于2×1无源组合器的中间开关组的实施例和基于有源2×1开关的中间开关组的实施例，但是具有有源2×1开关的实施例是最好的，因为具有有源2×1开关的实施例实现了所需的高消光比。
图5示出了一个这样的中间开关组314。中间开关组314以1×2有源开关312和2×1组合器316为基础。1×2开关312具有一个输入端340，一个上输出端322和一个下输出端324。2×1组合器316具有一个上输入端334，一个下输入端336和一个输出端342。开关组314本身具有一个上输入端326，一个下输入端328，一个上输出端330和一个下输出端332。内部波导338将2×1组合器316的上输入端334连接到开关组314的上输入端326，将1×2开关312的输入端340连接到开关组314的下输入端328，将1×2开关312的上输出端322连接到开关组314的上输出端330，并且将2×1组合器316的输出端342连接到开关组314的下输出端332。另一个内部波导338将1×2开关312的下输出端324连接到2×1组合器316的下输入端336。尽管通过使将2×1组合器316的上输入端334连接到开关组314的上输入端326的内部波导338与将1×2开关312的上输出端322连接到开关组314的上输出端330的内部波导交叉，引入了一个附加的波导交叉，但是这些内部波导338可以被配置为按照比较大角度交叉，从而最小化有关的损耗。
1×2有源开关312是具有一个闲置的下输入端的2×2开关，它被配置为：当OFF时处于＝状态，把来自输入端340的光能传递到上输出端322；并且，当ON时处于X状态，把来自输入端340的光能传递到下输出端324。因此，当OFF时，开关组314将来自下输入端328的光能传递到上输出端330；当ON时，开关组314将来自下输入端328的光能传递到下输出端332。如果2×1组合器316是无源的，那么开关组314总是把来自上输入端326的光能传递到下输出端332。如上所述，为了把矩阵100的输入波导118之一连接到其输出波导120之一，只需要把一个开关组112、114或116转换到ON，其中，矩阵100把开关组314用作中间开关组114并且使用在＝状态中为ON以及在X状态中为OFF的开关组112和116。
如果2×1组合器316是有源的，那么2×1组合器316是一个具有一个闲置的下输出端的2×2开关，它被配置为：当OFF时处于＝状态，把来自上输入端334的光能传递到输出端342；并且，当ON时处于X状态，把来自下输入端336的光能传递到输出端342。在此情况下，当1×2开关312和2×1开关316为OFF时，开关组314处于X状态，使进入上输入端326的光能经下输出端332离去，以及使进入下输入端328的光能经上输出端330离去。当1×2开关312和2×1开关316为ON时，开关组314处于一种改进的＝状态，使进入上输入端326的光能在2×1开关316的闲置的下输出端上丢失，并且使进入下输入端328的光能经下输出端316离去。如果开关312和316都为ON时认为开关组314为ON，以及如果开关312和316都为OFF时认为开关组314为OFF，那么，为了把矩阵100的输入波导118之一连接到其输出波导120之一，只需要把一个开关组112、114或116转换到ON，其中，矩阵100将开关组314用作中间开关组114并且使用在＝状态中为ON以及在X状态中为OFF的开关组112和116。
图6示出了基于一个1×2有源开关412和一个2×1组合器416的另一个中间开关组414。1×2开关412具有一个输入端440，一个上输出端422和一个下输出端424。2×1组合器416具有一个上输入端434，一个下输入端436和一个输出端442。开关组414本身具有一个上输入端426，一个下输入端428，一个上输出端430和一个下输出端432。内部波导438将2×1组合器416的下输入端436连接到开关组414的下输入端428，将1×2开关412的输入端440连接到开关组414的上输入端426，将1×2开关412的下输出端424连接到开关组414的下输出端432，将2×1组合器416的输出端442连接到开关组414的上输出端430。另一个内部波导438将1×2开关412的上输出端422连接到2×1组合器416的上输入端434。
1×2开关412是一个具有一个闲置的下输入端的2×2开关，它被配置为在＝状态中为ON，将来自输入端440的光能传递到上输出端422；并且在X状态为OFF，将来自输入端440的光能传递到下输出端424。因此，开关组414在OFF时，将来自上输入端426的光能传递到下输出端432；以及在ON时，将来自上输入端426的光能传递到上输出端430。如果2×1组合器416是无源的，那么开关组414总是把来自下输入端428的光能传递到上输出端430。如上所述，为了把矩阵100的输入波导118之一连接到其输出波导120之一，只需要把一个开关组112、114或116转换到ON，其中，矩阵100将开关组414用作中间开关组114并且使用在＝状态中为ON以及在X状态中为OFF的开关组112。
如果2×1组合器416是有源的，那么2×1组合器416是一个具有一个闲置的下输出端的2×2开关，它被配置为：当ON时处于＝状态，把来自上输入端434的光能传递到输出端442；并且，当OFF时处于X状态，把来自下输入端436的光能传递到输出端442。在此情况下，当1×2开关412和2×1开关416为OFF时，开关组414处于X状态，使进入上输入端426的光能经下输出端432离去，以及使进入下输入端428的光能经上输出端430离去。当1×2开关412和2×1开关416为ON时，开关组414处于一种改进的＝状态，使进入下输入端428的光能在2×1开关416闲置的下输出端上丢失，并且使进入上输入端426的光能经上输出端430离去。如果开关412和416都为ON时认为开关组414为ON，以及如果开关412和416都为OFF时认为开关组414为OFF，那么，为了把矩阵100的输入波导118之一连接到其输出波导120之一，只需要把一个开关组112、114或116转换到ON，其中，矩阵100将开关组414用作中间开关组114并且使用在＝状态中为ON以及在X状态中为OFF的开关组112和116。
在上述的矩阵100的工作结构中，通过把任何一个开关组112、114或116转换为ON，将输入波导118连接到输出波导120，其中，输入波导118馈入开关组112、114或116所处的矩阵100的对角线，输出波导120自开关组112、114或116所处的矩阵100的行出现。矩阵100还可以按照一个可逆操作结构配置，通过把任何一个开关组112、114或116转换为ON，将输入波导118连接到输出波导120，其中，输入波导118馈入开关组112、114或116所处的矩阵100的行，输出波导120自开关组112、114或116所处的矩阵100的对角线出现。例如，这种配置是这样实现的：把具有闲置的下端的多个2×2开关用作开关组112，该开关被配置为在＝状态为OFF，将来自输入端140的光能传递到输出端122，以及在X状态为ON，将来自输入端140的光能传递到输出端124；把具有闲置的下端的多个2×2开关用作开关组116，该开关被配置为在＝状态为OFF，将来自输入端134的光能传递到输出端142，以及在X状态为ON，将来自输入端136的光能传递到输出端142。开关组114按前述方式配置为在＝状态为ON，将来自输入端126的光能传递到输出端130并且将来自输出端128的光能传递到输出端132；以及在X状态为OFF，将来自输入端126的光能传递到输出端132以及将来自输入端128的光能传递到输出端130。
图7显示了多个2×2开关510的开关对502、504和506的一个矩阵500，该矩阵500根据第二操作配置将八个输入波导518连接到八个输出波导520。矩阵500拓扑地等同于矩阵100的8×8版本，使用了：如上所述的具有有源2×1组合器316的中间开关组314，替代1×2开关112的图8的输入开关组514，和替代2×1开关116的图9的输出开关组614。输入对502拓扑地等同于开关组514。中间对504拓扑地等同于开关组314。输出对506拓扑地等同于开关组614。
输入开关组514以一个1×2开关512和一个2×1开关516为基础。1×2开关512具有一个输入端540，一个上输出端522和一个下输出端524。2×1开关516具有一个闲置的上输入端534，一个下输入端536和一个输出端542。开关组514本身具有一个输入端526，一个上输出端530和一个下输出端532。内部波导538将1×2开关512的输入端540连接到开关组514的输入端526，将1×2开关512的上输出端522连接到开关组514的上输出端530，以及将2×1开关516的输出端524连接到开关组514的下输出端532。另一个内部波导538将1×2开关512的下输出端524连接到2×1开关516的下输入端536。
1×2开关512是具有一个闲置的下输入端的2×2开关，它被配置为当OFF时处于＝状态，将来自输入端540的光能传递到上输出端522；并且当ON时处于X状态，将来自输入端540的光能传递到下输出端524。2×1开关516是具有一个闲置的下输出端的2×2开关，被配置为当OFF时处于＝状态，如果上输入端534不闲置，则将来自上输入端534的光能传递到输出端542；并且当ON时处于X状态，将来自下输入端536的光能传递到输出端542。当1×2开关512和2×1开关516为OFF时，认为开关组514为OFF，所以经输入端526进入开关组514的光能经上输出端530离开开关组514。当1×2开关512和2×1开关516为ON时，认为开关组514为ON，所以经输入端526进入开关组514的光能经下输出端532离开开关组514。
输出开关组614以一个1×2开关612和一个2×1开关616为基础。1×2开关612具有一个输入端640，一个闲置的上输出端622和一个下输出端624。2×1开关616具有一个上输入端634，一个下输入端636和一个输出端642。开关组614本身具有一个上输入端626，一个下输入端628和一个输出端630。内部波导638将1×2开关612的输入端640连接到开关组614的下输入端628，将2×1开关616的上输入端634连接到开关组614的上输入端626，以及将2×1开关616的输出端642连接到开关组614的输出端630。另一个内部波导638将1×2开关612的下输出端624连接到2×1开关616的下输入端636。
1×2开关612是具有一个闲置的下输入端的2×2开关，被配置为当OFF时处于＝状态，如果上输入端622不闲置，则将来自输入端640的光能传递到上输出端622；并且当ON时处于X状态，将来自输入端640的光能传递到下输出端624。2×1开关616是具有一个闲置的下输出端的2×2开关，被配置为当OFF时处于＝状态，将来自上输入端634的光能传递到输出端642；并且当ON时处于X状态，将来自下输入端636的光能传递到输出端642。当1×2开关612和2×1开关616为OFF时，认为开关组614为OFF，所以经上输入端626进入开关组614的光能经输出端630离开开关组614，并且经下输入端628进入开关组614的光能在1×2开关612的闲置上输出端622丢失。当1×2开关612和2×1开关616为ON时，认为开关组614为ON，所以经上输入端626进入开关组614的光能在2×1开关616闲置的下输出端丢失，并且经下输入端628进入开关组614的光能经输出端630离开开关组614。
在具有有源2×1开关316的开关组314被用作中间开关组114或214的矩阵100或200的实施例中，其中开关组514被用作输入开关组112或212，开关组614被用作输出开关组116或216，加到信号上的任何噪声必须横越两个闭合(closed)开关。因此，在这样一种将N个输入波导连接到M个输出波导的矩阵中的最坏情形的累积串扰是2Δ-10log10(N-1)dB，其中Δ是开关312或316之一中的信号泄漏。例如，如果Δ是30dB以及N＝16，那么，累积串扰是48dB。该结构还具有的一个优点是开关的OFF状态是不对称的，所以对产品公差比较不敏感。
图10显示了在4英寸圆柱形硅晶片500的圆凸面552上的16×16矩阵500的一个布局。与图4的布局一样，将矩阵的第一行连接到矩阵的最后行的中间波导548与输入波导518交叉；实现从最后行到第一行循环连接的15个单独的中间波导548由相应的罗马数字i至xv指示，其中这些中间波导548从最后行离开，并且这些中间波导548进入第一行。为了清楚地说明，图10中仅显示了其中一些2×2开关510。
图11显示了将八个输入波导718连接到八个输出波导720的开关组712、714和716的一个矩阵700。第一开关组712是2×2开关，其上输入端是闲置的，并且被配置为当OFF时处于＝状态，当ON时处于X状态。同样，最后开关组716是2×2开关，其上输出端是闲置的，并且被配置为当OFF时处于＝状态，当ON时处于X状态。每个中间开关组714包括根据图6的开关组414的拓扑连接的两个2×2开关702和706。中间开关组714是具有2×1开关416的开关组414的实施例，具有以下改进：1×2开关412现在是其上输入端闲置的2×2开关702，2×1开关416现在是其上输出端闲置的2×2开关706，并且开关702和706是当OFF时处于＝状态和当ON时处于X状态。拓扑地，矩阵700相当于矩阵100的8×8版本。矩阵700根据矩阵100的第一工作配置操作：从任何输入波导718进入矩阵700的光能沿矩阵700的对角线传播直至被一个ON开关组712、714或716转向到矩阵700的一个行。如以前一样，为了把来自任何一个输入波导718的光能传送到任何一个输出波导720，仅需要把一个开关组712、714或716转换为ON，而使所有其它开关组保持OFF。
图12显示了将八个输入波导818连接到八个输出波导820的开关组802、804和806的矩阵800。每个第一开关组802包括两个2×2开关，一个是具有一个闲置的上输入端的2×2开关812，另一个是具有一个闲置的下输入端和一个闲置的上输出端的2×2开关822。每个中间开关组804包括两个2×2开关，一个是具有一个闲置的上输入端的2×2开关814，另一个是具有一个闲置的上输出端的2×2开关824。每个最后开关组806包括两个2×2开关，一个是具有一个闲置的上输入端的2×2开关816，另一个是具有一个闲置的上输出端的2×2开关826。矩阵800的拓扑与矩阵700的拓扑相似，所以与矩阵700一样，矩阵800拓扑地等同于矩阵100的8×8版本。矩阵700与矩阵800之间的原理性差别是：在矩阵700中，每个第一开关组712和每个最后开关组716包括单个2×2开关，而在矩阵800中，每个第一开关组802和每个最后开关组806包括两个2×2开关。开关812的下输入端充当开关组802的输入端。开关812的下输出端充当开关组502的下输出端。开关822的下输出端充当开关组502的上输出端。开关812的上输出端通过内部波导832光耦合到开关822的上输入端。开关816的上输入端充当开关组806的上输入端。开关826的下输入端充当开关组806的下输入端。开关826的下输出端充当开关组806的输出端。开关816的上输出端通过内部波导836光耦合到开关826的上输入端。
开关814的下输入端充当开关组804的上输入端。开关824的下输入端充当开关组804的下输入端。开关814的下输出端充当开关组804的下输出端。开关824的下输出端充当开关组804的上输出端。开关814的上输出端通过内部波导834光耦合到开关824的上输入端。
所有开关812、822、814、824、816和826被配置为当OFF时处于＝状态和当ON时处于X状态。当其开关812和822都为OFF时，认为第一开关组802为OFF，而当其开关812和822都为ON时，认为第一开关组802为ON。当其开关814和824都为OFF时，认为中间开关组804为OFF，而当其开关814和824都为ON时，认为中间开关组804为ON。当其开关816和826都为OFF时，认为最后开关组806为OFF，而当其开关816和826都为ON时，认为最后开关组806为ON。经任何输入波导818进入矩阵800的光能沿矩阵800的对角线传播，直至通过ON开关组802、804或806转向到矩阵100的一个行。为了把光能从任何一个输入波导818传送到任何一个输出波导820，仅需要把一个开关组802、804或806转换为ON，而使所有其他开关组保持OFF。
图13示出了本发明的一个可替代的光开关矩阵1100。如同矩阵100，矩阵1100将四个输入波导1118经过开关组1112、1114、1116和1166的四行(a，b，c，d)连接到四个输出波导1120。如同开关组112，每行的第一(输入)开关组1112是一个有源1×2开关。在行a中，中间开关组1114也是有源开关。在其它行中，中间开关组1114如同开关组114，或者是单个2×2开关或者是两个或多个开关的组合，如上文中的矩阵100、200和500的详细说明那样。在每行中，中间开关组1114的后面是有源2×1开关1116。在四行中的两行中，具体说是在行b和c中，有源2×1开关1116的后面是另外的有源2×1开关1166。由于开关组1116在它们的相应行中可以跟随或者不跟随有更多开关组，因此开关组1116这里被称作“倒数第二”开关组，而仅把开关组1166称作“最后”开关组。
每个1×2开关1112具有单个输入端1140和两个输出端，即，一个上输出端1122和一个下输出端1124。行a的每个中间开关组1114具有单个输入端1127；行b、c和d的每个中间开关组1114具有两个输入端：一个上输入端1126和一个下输入端1128。每个中间开关组1114具有两个输出端：一个上输出端1130和一个下输出端1132。每个2×1开关1116具有两个输入端，即，一个上输入端1134和一个下输入端1136，以及单个输出端1142。每个2×1开关1166具有两个输入端，即，一个上输入端1174和一个下输入端1176，以及单个输出端1182。输入波导1118被连接到相应的输入端1140。输出波导1120被连接到它们的相应行中的最右开关组的对应输出端：行a和d中的输出端1142，行b和c中的输出端1182。在行a中，上输出端1122和1130通过中间波导1138连接到紧接其后的开关组的输入端：输入端1127或开关组1116a的下输入端1136。在其它行中，上输出端1122和1130通过中间波导1138连接到紧接其后的开关组1114或1116的下输入端1128和1136。在前三行中，下输出端1124和1132通过中间波导1138连接到后续行的相应开关组1114或1116的上输入端1126或1134。在行d中，只有中间开关组1114db的下输出端1132通过中间波导1138连接到循环接续行a的上输入端(1134)。其它两个下输出端通过中间波导1138连接到行b和c的最后开关组1166的相应上输入端1174。最后开关组1166的下输入端1176通过中间波导1138连接到它们的相应行的倒数第二开关组1116的输出端1142。
使开关组1112为具有闲置的上输入端的2×2开关，该开关组被配置为在它们的＝状态中为ON，将光能从输入端1140传递到输出端1124，并且在它们的X状态中为OFF，将光能从输入端1140传递到输出端1122。使开关组1114aa和1114ab为具有闲置的上输入端的2×2开关，该开关组被配置为在它们的＝状态中为ON，将光能从输入端1127传递到输出端1132，并且在它们的X状态中为OFF，将光能从输入端1127传递到输出端1130。使剩余的中间开关组1114配置为在它们的＝状态中为ON，将光能从输入端1126传递到输出端1130和将光能从输入端1128传递到输出端1132，并且在它们的X状态中为OFF，将光能从输入端1126传递到输出端1132和将光能从输入端1128传递到输出端1130。使开关组1116和1166为具有闲置的上输出端的2×2开关，该开关组被配置为在它们的＝状态中为ON，将光能从输入端1136或1176传递到输出端1142或1182，并且在它们的X状态中为OFF，将光能从输入端1134或1174传递到输出端1142或1182。然后，经任何输入波导进入矩阵1100的光能沿矩阵1100的一个行传播，直至被一个ON开关组1112、1114或1116转向到矩阵1100的对角线。下表显示了哪个开关组必须转换到ON，以实现输入波导118与输出波导120之间的预期连接。
 1118a  1118b  1118c  1118d
 1120a1120b1120c1120d  1116a1114ab，1166b1114aa，1166c1112a  1112b1116b，1166b1114bb，1166c1114ba  1114ca1112c1116c，1166c1114cb  1114db1114da1112d1116d
和总是需要一个开关被转换到ON的矩阵100的开关算法不同，矩阵1100的开关算法某些时候需要两个开关被转换到ON。矩阵1100比矩阵100更有利，矩阵100中的所有连接横越四个开关组，但矩阵1100中的某些连接横越的开关组则少于四个。具体地说，从输入波导1118d到输出波导1120c的连接仅横越两个开关组(1112d和1166c)，从输入波导1118c到输出波导1120b的连接仅横越三个开关组(1112c，1114da和1166b)，从输入波导1118d到输出波导1118b的连接仅横越三个开关组(1112d，1114da和1166b)。
通常，在将N个输入波导连接到N个输出波导的诸如矩阵1100的光开关矩阵中，存在具有第一、中间、倒数第二和最后开关组的L＜N-1行，以及仅具有第一、中间和倒数第二开关组的N-L行。具体地说，前N-L-1行和最后行仅具有第一、中间和倒数第二开关组，剩余的行具有所有的四种类型的开关组。最后行的前L个开关组的下输出端按相反的次序光耦合最后开关组的上输入端：最后行的第一开关组的下输出端被光耦合到倒数第二行的最后开关组的上输入端，最后行的第一中间开关组的下输出端被光耦合到倒数第三行的最后开关组的上输入端，最后行的第二中间开关组的下输出端被光耦合到倒数第四行的最后开关组的上输入端，如此，等等。
尽管已经结合有限数量的实施例说明了本发明，但是本领域的熟练技术人员将会意识到可以作出本发明的许多变化、修改和其它应用。

Claims (29)

1.一种光开关矩阵，包括：
(a)N个输入波导，其中N是大于2的整数；
(b)M个输出波导，其中M是大于2的整数；
(c)K行的开关组，其中K是M和N中的较大者，包括：
(i)具有至少一个输入端和两个输出端的第一所述开关组，
(ii)具有两个输入端和至少一个输出端的最后所述开关组，和
(iii)L-2个中间所述开关组，其中L是M和N中的较小者，每个所述中间开关组具有两个输入端和两个输出端；
其中所述第一开关组的N个开关中每一个的所述至少一个输入端中的一个被光耦合到一个相应所述输入波导；
其中所述最后开关组的M个开关中每一个的所述至少一个输出端的一个被光耦合到一个相应的所述输出波导；
其中，对于每个所述行，对于除了所述最后开关组外的每个所述开关组来说，所述每个开关组的第一所述输出端经第一相应的中间波导光耦合到所述每个行的一个后续所述开关组的所述输入端中的一个，以及第二所述输出端经第二相应中间波导被光耦合到一个循环接续的所述行的所述开关组的所述输入端中的一个，其中所述循环接续行的所述开关组对应于所述每个行的所述后续开关组；和
其中，对于除了一个最后所述行外的每个所述行：对于除了所述最后开关组外的每个所述开关组，所述第一和第二中间波导彼此避开。
2、根据权利要求1所述的光开关矩阵，其中M大于N，其中N个所述最后开关组中的每一个只有一个所述输出端，M-N个所述最后开关组中的每一个具有两个所述输出端，所述M-N个最后开关组之每个的所述两个输出端之一经相应的中间波导光耦合到循环接续行的所述最后开关组的所述输入端中的一个。
3、根据权利要求2所述的光开关矩阵，其中具有所述仅一个输出端的所述N个最后开关组之每个包括2×1组合器。
4、根据权利要求1所述的光开关矩阵，其中N大于M，其中M个所述第一开关组中的每一个只有一个所述输入端，N-M个所述第一开关组中的每一个具有两个所述输入端，所述N-M个第一开关组之每个的所述两个输入端之一经相应的中间波导被光耦合到循环在前行的所述第一开关组的一个所述输出端。
5、根据权利要求4所述的光开关矩阵，其中具有所述仅一个输入端的所述M个第一开关组之每个包括有源1×2分光器。
6、根据权利要求1所述的光开关矩阵，其中M等于N，其中所述最后开关组之每个包括2×1组合器。
7、根据权利要求1所述的光开关矩阵，其中每个所述第一开关组包括单个有源1×2分光器。
8、根据权利要求1所述的光开关矩阵，其中每个所述中间开关组包括单个2×2开关。
9、根据权利要求1所述的光开关矩阵，其中每个所述中间开关组包括：
(i)具有一个输入端和两个输出端的有源1×2分光器；和
(ii)具有两个输入端和一个输出端的2×1组合器；
所述每个中间开关的所述1×2分光器的所述两个输出端中的第一个被光耦合到所述每个中间开关组的所述2×1组合器的所述两个输入端中的第一个。
10、根据权利要求9所述的光开关矩阵，其中所述2×1组合器是有源的。
11、根据权利要求9所述的光开关矩阵，其中所述每个中间开关组的第一所述输出端被光耦合到所述1×2分光器的第二所述输出端，所述每个中间开关组的第二所述输出端被光耦合到所述2×1组合器的所述输出端。
12、根据权利要求11所述的光开关矩阵，其中所述每个中间开关组是除所述最后开关组以外的每个所述开关组中的一个的接续开关组，与除所述最后开关组以外的所述一个开关组的所述第一输出端光耦合的所述每个中间开关组的所述一个输入端被光耦合到所述1×2分光器的所述输入端，以及与所述循环在前行的所述开关组的所述第二输出端光耦合的所述每个中间开关组的所述一个输入端被光耦合到所述2×1组合器的所述两个输入端的第二个，其中所述循环在前行的所述开关组对应于所述最后开关组以外的所述每个开关组。
13、根据权利要求9所述的光开关矩阵，其中所述每个中间开关组的第一所述输出端被光耦合到所述2×1组合器的所述输出端，所述每个中间开关组的第二所述输出端被光耦合到所述1×2分光器的所述两个输出端的第二个。
14、根据权利要求13所述的光开关矩阵，其中所述每个中间开关组是除所述最后开关组以外的每个所述开关组中的一个的接续开关组，与除所述最后开关组以外的所述一个开关组的所述第一输出端光耦合的所述每个中间开关组的所述一个输入端被光耦合到所述2×1组合器的所述两个输入端的第二个，以及与所述循环在前行的所述开关组的所述第二输出端光耦合的所述每个中间开关组的所述一个输入端被光耦合到所述1×2分光器的所述输入端，其中所述循环在前行的所述开关组对应于所述最后开关组以外的所述每个开关组。
15、根据权利要求1所述的光开关矩阵，其中每个所述第一开关组包括：
(i)具有一个输入端和两个输出端的有源1×2分光器；和
(ii)具有两个输入端和一个输出端的2×1组合器；
所述每个第一开关组的所述1×2分光器的所述两个输出端的第一个被光耦合到所述每个第一开关组的所述2×1组合器的所述两个输入端的第一个，以及所述每个第一开关组的所述2×1组合器的所述两个输入端的第二个是闲置的。
16、根据权利要求15所述的光开关矩阵，其中所述2×1组合器是有源的。
17、根据权利要求15所述的光开关矩阵，其中所述每个第一开关组的所述输入端被光耦合到其所述1×2分光器的所述输入端，其中所述每个第一开关组的第一所述输出端被光耦合到其所述1×2分光器的所述输出端的第二个，以及其中所述每个第一开关组的第二所述输出端被光耦合到其所述2×1组合器的所述输出端。
18、根据权利要求1所述的光开关矩阵，其中N个所述最后开关组的每一个包括：
(i)具有一个输入端和两个输出端的有源1×2分光器；和
(ii)具有两个输入端和一个输出端的2×1组合器；
所述每个最后开关组的所述1×2分光器的所述两个输出端的第一个被光耦合到所述每个最后开关组的所述2×1组合器的所述两个输入端的第一个，以及所述每个最后开关组的所述1×2分光器的所述两个输出端的第二个是闲置的。
19、根据权利要求18所述的光开关矩阵，其中所述2×1组合器是有源的。
20、根据权利要求18所述的光开关矩阵，其中所述每个最后开关组的第一所述输入端被光耦合到其所述1×2分光器的所述输入端，其中所述每个最后开关组的第二所述输入端被光耦合到其所述2×1组合器的所述输入端的第二个，以及其中所述每个最后开关组的所述输出端被光耦合到其所述2×1组合器的所述输出端。
21、根据权利要求1所述的光开关矩阵，其中对于每个所述行，对于除所述最后开关组外的所述每个开关组，所述每个开关组的所述第一输出端通过单个所述第一相应中间波导被光耦合到所述后续开关组的所述一个输入端，所述第二输出端通过单个所述第二相应中间波导被光耦合到所述循环接续行的所述开关组的所述一个输入端，其中所述循环接续行的所述开关组对应于所述每个行的所述后续开关组。
22、根据权利要求1所述的光开关矩阵，其中所有所述中间波导彼此避开。
23、根据权利要求22所述的光开关矩阵，其中所述矩阵被制作在圆柱形基底的一个表面上。
24、根据权利要求22所述的光开关矩阵，其中所述矩阵被制作在圆柱形基底的一个侧面上。
25、根据权利要求22所述的光开关矩阵，其中，对于所述行中的一行，将所述一行连接到其所述循环接续行的所述第二中间波导与所述输入波导交叉。
26、根据权利要求22所述的光开关矩阵，其中，对于所述行中的一行，将所述一行连接到其所述循环接续行的所述第二中间波导与所述输出波导交叉。
27、根据权利要求22所述的光开关矩阵，其中所有所述波导彼此避开。
28、一种光开关矩阵，包括：
(a)N个输入波导，其中N是大于2的整数；
(b)N个输出波导；和
(c)N行的开关组，所有N个所述行包括：
(i)具有一个输入端和两个输出端的第一所述开关组，所述第一开关组的所述输入端被光耦合到相应的所述输入波导，
(ii)具有两个输入端和一个输出端的倒数第二个所述开关组，最后所述行的所述倒数第二开关组的所述输出端被光耦合到一个相应的所述输出波导，和
(iii)N-2个中间所述开关组，每个所述中间开关组具有至少一个输入端和两个输出端，
最后N-1个所述行的每一个的所述中间开关组和所述倒数第二开关组每一个具有两个输入端，前N-1个所述行的最后N-2个行的每行还包括：
(iv)一个具有两个输入端和一个输出端的最后开关组，所述最后开关组的所述输出端被光耦合到一个相应的所述输出波导，所述最后开关组的第一所述输入端被光耦合到所述每行的所述倒数第二开关组的所述输出端；
其中所述行的第一行的所述倒数第二开关组的所述输出端被光耦合到相应的所述输出波导；
其中，对于每个所述行，对于从由所述每行的所述第一开关组和所述每行的所述N-2个中间开关组组成的群中选出的每个所述开关组，所述每个开关组的第一所述输出端经一个第一相应中间波导被光耦合到所述每个行的一个后续所述开关组的一个所述输入端；
其中，对于所述前N-1行中的每行，对于从由所述每行的所述第一开关组和所述每行的所述N-2个中间开关组组成的群中选出的每个所述开关组，所述每个开关组的第二所述输出端经第二相应的中间波导被光耦合到后续行的所述开关组的所述输入端中的一个，其中所述后续行的所述开关组对应于所述每个行的所述后续开关组；
其中所述第一和第二中间波导彼此避开；和
其中，在所述最后行中，对于以在1到N-2之间的整数n为索引的前N-2个所述开关组中的每一个，所述每个开关组的第二所述输出端被光耦合到所述第N-n行的所述最后开关组的第二所述输入端。
29、根据权利要求28所述的光开关矩阵，其中在所述最后行中，最后的所述中间开关组的第二所述输出端经过第三相应中间波导被光耦合到第一所述行的所述最后开关的一个所述输入端。
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