CN1348108A - 集成光开关阵列 - Google Patents

Abstract

一种光学开关阵列,其中至少三个输入波导耦合到至少三个输出波导上。借助诸如y－汇接合路器等耦合器,经过中间波导和包括诸如1×2开关等耦合元件的开关机构,每个输入波导按相同的顺序与每个输出波导耦合。为了实现小型化,用于耦合到相同输入波导的耦合元件沿着输出波导做相互位移。

Description

集成光开关阵列

技术领域

本发明涉及光开关阵列，更加具体地，涉及几何形态特别小的光开关阵列，其中输入和输出的随机组合可明确地寻址。

背景技术

集成光开关是公知的技术，回顾该领域早期的状况，参看Lars Thylen的“Integrated Optics in LiNbO3：recent developments in devices fortelecommunication”Journal of Lightwave technology vol.6 no.6(June 1988)，pp 847-861。通过局部处理铌酸锂基板而增加折射率，由此在基板制作出波导。例如，通过将钛扩散到基板中，可局部增大铌酸锂的折射率。为了从一个波导向另一个波导中传递光，可以对其折射率的局部光电控制来使它们耦合。光电开关的公知实例包括定向耦合器，BOA耦合器，数字光开关以及x开关。根据施加到这类开关上的电压，光或者部分地或者全部地从输入波导传递到输出波导。

通过适当地组合波导和开关，可组成一个开关阵列，以在多个输出波导中转换自多个输入波导的光束。已知有许多的开关阵列几何形态。图1A是一种开关几何形态的概念化的表示：交叉形态。一组输入波导10与一组输出波导12交叉。在交叉点，2×2开关14使波导耦合起来。为了简单起见，图1A中仅仅表示了四路输入波导10和四路输出波导12。通常，输入波导10和输出波导12的数量等于2的乘方，实际最大达到32。

图1B示意性地表示了图1A开关阵列的实际布线图。开关14被表示为定向耦合器，其中波导的平行区段的侧翼被施加耦合电压的电极(未示出)所包围。要注意的是，输入波导10a直接引向输出波导12a，输入波导10b直接引向输出波导12b，输入波导10c直接引向输出波导12c，且输入波导10d直接引向输出波导12d。为了实现输入到输出的随机耦合，提供了三条辅助波导11a，11b和11c。波导10a-12a和10b-12b在开关14a中耦合。波导10b-12b和10c-12c在开关14b和14c中耦合。波导10c-12c和10d-12d在开关14d，14e和14f中耦合。波导10d-12d和11a在开关14g，14h，14i和14j中耦合。波导11a和11b在开关14k，14l和14m中耦合。波导11b和11c在开关14n和14o中耦合。要注意，开关14g，14k和14n实际上是1×2开关，开关14j，14m和14o实际上是2×1开关，而没有与图1A的最下面2×2开关14对应的开关。(1×2开关是一个输入被废弃的2×2开关；2×1开关是一个输出被废弃的2×2开关)

基于诸如图1A和1B交叉(crossbar)几何形态的开关阵列，可以用于将输入信号随机地转换到输出通道。来自任意输入通道的的信号可以被直接引向任意的输出通道，而且甚至是广播和多路传送模式中的多个输出通道。

尽管图1A和1B的交叉几何形态是概念性的简化了，已经发现，这种形态实际上不如另外两种形态，图2所示的树型，和图3所示的双交叉型。图2表示了具有四个输入波导20和四个输出波导22的树型分布。波导20引向1×2开关24的二叉树中。波导22从互补的2×1开关26二叉树中引出。二叉树的最高级分支由中间波导28连接。图3表示了有四个输入波导30和四个输出波导32的双交叉形态。每个输入波导30有横交的四个1×2开关34a，34b，34c和34d。每个输出波导32有横交(traverse)的四个2×1开关36a，36b，36c和36d。开关34余下的输出通过中间波导38分别连接到开关36的输入。要注意，原则上不一定需要开关34d和36a，因为波导30的输入可以直接引向开关36d，而输出波导32可以直接从开关36a出射；但实际上，已经发现所示的配置减低了串扰。

树型和双交叉型的几何结构比等效的交叉型几何结构需要更多开关。尽管如此，树型和双交叉型的几何结构还是有一些超过交叉型几何结构的优点：

1、树型和双交叉型几何结构具有比交叉型几何结构更低的最劣条件串扰。

2、一般地，通过交叉开关阵列从特定输入波导到特定输出波导的光路不是唯一的。因此，计算资源必须实时服务于交叉开关阵列的重新配置。在树型开关阵列或双交叉型开关阵列中，从特定输入波导到特定输出波导的光路是唯一的，所以是直接实时计算如何重置该开关阵列。

3、为了防止光功率的辐射损耗，光开关阵列的中间波导必须柔和地弯曲。在交叉几何结构的情况下，需要将开关布置成菱形图案，如图1A和1B所示。这比例如图3所示的双交叉开关矩形矩阵等的开关封装效率低。

发明内容

本发明提供了一种光开关阵列，包括：(a)至少三个输出波导；(b)第一组的至少三个输入波导；(c)对第一组的每个输入波导而言：对每个输出波导，都有一个组合元件将每个这样的输出波导与每个输入波导一一耦合；和(d)对第一组的每个输入波导而言，用于将所有输出波导耦合到每个输入波导的开关机构；输出波导，输入波导，组合元件和开关机构都基本布置在同一平面上；所有光波导相对于第一组输入波导都依次横向穿过同级的各个组合元件。

本发明提供了一种将信号从至少三个输入通道的至少之一切换到至少三个输出通道的至少之一的方法，其中每个输入通道仅向一个输出通道提供信号，该方法包括如下步骤：(a)提供光开关阵列，包括：(i)至少三个输出波导，每个输出波导唯一地与一个输出通道对应，(ii)至少三个输入波导，每个输入波导唯一地与一个输入通道对应，(iii)对于每个输入波导而言：对于每个输出波导都有一个组合元件将每个输出波导唯一地耦合到每个输入波导；(iv)对于每个输入波导而言：一个开关机构用于将所有输出波导耦合至每个输入波导，这些输出波导，输入波导，组合元件和开关机构基本上都布置在同一个平面上，所有输出波导依次分别与相对于输入波导而言同一级的组合元件相交；以及(b)对于与从其中要切换信号的输入通道相对应的每个输入波导而言：设定开关机构，以将至少一部分信号转换到对应于要切换信号所至的输出通道的输出波导中。

本发明提供了一种从至少三个输入通道中的至少一个向至少三个输出通道中的至少两个进行多路传输的方法，每个输出通道接收来自唯一一个输入通道的输入，该方法包括如下步骤：(a)提供光开关阵列，包括：(i)至少三个输入波导，每个输入波导唯一地与一个输入通道对应，(ii)至少三个输出波导，每个输出波导唯一地与一个输出通道对应，(iii)对应每个输入波导而言：每个输出波导都有一个组合元件将每个输出波导唯一地耦合到每个输入波导；和(iv)对每个输入波导而言：一个开关机构用于将所有输出波导耦合到每个输入波导，由此将对应于每一个输入波导的输入通道耦合至输出通道，这些输出波导，输入波导，组合元件和开关机构基本上都布置在同一个平面上，所有输出波导依次分别与相对于输入波导而言同一级的组合元件相交；以及(b)对于信号要从中多路发出的每一个输入通道而言：为其将要输入信号的至少两个输出通道的每一个，设定用于在每个输入通道与每个输出通道之间进行耦合的开关机构，以便仅将一部分信号转换到每个输出通道中。

我们发现，通过重新设置图3的双交叉型连接几何结构，可得到一种新的几何结构形式，它可以实现空间更紧凑的开关和交叉连接波导的配置。紧密几何结构是重要的因素，因为这可以在给定尺寸的基板上制作出更大的开关阵列(更多的输入和输出)。在一块基板上制作足够大的本发明开关阵列，这样的阵列其功能等效于需要两块(双交叉几何结构)或三块(树型几何结构)基板的现有技术开关阵列。

图4表示了本发明有四个输入波导40和四个输出波导42情况下的开关阵列几何结构。如图3的双交叉几何结构，每个输入波导40与四个1×2开关44相交，每个输出波导42与四个2×1开关46相交，且开关44的剩余输出端通过中间波导48连接到开关46的各个输入端。与图3的双交叉几何结构不同，开关46a都通过相同的输出波导42a交叉，开关46b都通过相同的输出波导42b交叉，开关46c都通过相同的输出波导42c交叉，且开关46d都通过相同的输出波导42d交叉，以使得所有输入波导40耦合到同一级输出波导42中：首先到输出波导42a，然后到输出波导42b，然后到输出波导42c，和最后到达输出波导42d。这使得中间波导48通向几何结构上相邻的特定输出波导42，与等效的双交叉开关阵列相比，本发明开关阵列的紧密度有相应提高。

如图3的双交叉几何结构，严格地说，1×2开关44d与第一个2×1开关46不一定要通过输出波导42交叉，这样仅仅是为了降低串扰。共同悬而未决的美国专利申请09/085,369教导了一种类似的开关阵列几何结构，其中这些开关实际上都不存在。

在集成光学出现以前，Fulenwider，在美国专利3,871,743中描述了一种具有类似于本发明的拓扑结构的光开关阵列。与本发明不同，Fulenwider描述的具体实施例很不适于制作成集成的光学器件。对比之下，本发明的开关阵列易于制造成集成光学器件，尤其是在单板上，如Z-切割的铌酸锂基片。

图4为了说明的目的表示出1×2开关44和2×1开关46。更为一般地，本发明的范围包括，任何适合充当1×2开关44的开关元件，和任何适合充当2×1开关46的耦合元件。尤其是，无源y型汇接合路器可以代替2×1开关46。

应当清楚，在输入输出端交换的情况下，图4的开关阵列是可逆的。图4还解释了这种逆向开关阵列，标号40代表输出波导，标号42代表输入波导，标号44代表2×1开关，而标号46代表1×2开关。本发明的范围包括充当2×1开关44的任何适合的组合元件，和充当1×2开关46的任何适合的开关元件。尤其是，无源y型汇接合路器可以代替2×1开关44。

为了从与仅与相应输入波导关联的输入通道中，将信号切换到一或多个分别仅与相应输出波导关联的输出通道中，应当考虑输出波导。对于每个输出波导，设置用于耦合输入波导到对应的所需输入通道的开关元件，以将该通道中输入信号的适当部分转发到目标输出波导中。如果其他输入通道的信号要切换到另外的输出波导中，则设置与该目标输出波导对应的其他开关元件，使那些信号不转发地通过。

用可逆开关阵列切换信号很简单。为了从仅与一个相应输入波导关联的输入通道中，将信号切换到一或多个分别仅与相应输出波导关联的输出通道中，应当考虑输入波导。对于每个输入波导，设置用于将输入波导耦合所需输出波导的开关元件，以将该输入通道中输入信号的适当部分转发到每个所需的输出波导中，而该输入波导的所有其他开关元件被设置在导通状态。

附图说明

本文参考附图通过举例说明本发明，其中：

图1A(现有技术)表示一种交叉开关阵列的几何结构；

图1B(现有技术)是图1A交叉开关阵列路线图的示意图；

图2(现有技术)表示树型开关阵列的几何结构；

图3(现有技术)表示双交叉开关阵列的几何结构；

图4本发明开关阵列的几何结构；

图5A是本发明第一实施例开关阵列的示意图；

图5B是本发明第一实施例逆向开关阵列的示意图；

图6A和6B表示了另外的组合几何结构；

图7是本发明第二实施例开关阵列的示意图；

图8是本发明第三实施例开关阵列的示意图；

图9表示了在Z切割的铌酸锂晶体上的图5A实施例的优选路线图。

具体实施方式

本发明集成光学开关阵列的几何结构，使其可以比已知光学开关阵列更紧凑地制造出来。

参考附图及其说明，可以充分地理解本发明光学开关阵列的工作原理。

现在参考附图，图5A是本发明开关阵列的示意图，用于将输入波导140a，140b，140c和140d耦合到输出波导142a，142b，142c和142d。输入波导140a，用1×2开关144aa通过中间波导148aa和无源y汇接合路器146aa耦合到输出波导142a，用1×2开关144ab通过中间波导148ab和无源y汇接合路器146ab耦合到输出波导142b，用1×2开关144ac通过中间波导148ac和无源y汇接合路器146ac耦合到输出波导142c，并用1×2开关144ad通过中间波导148ad和无源y汇接合路器146ad耦合到输出波导142d。输入波导140b，用1×2开关144ba通过中间波导148ba和无源y汇接合路器146ba耦合到输出波导142a，用1×2开关144bb通过中间波导148bb和无源y汇接合路器146bb耦合到输出波导142b，用1×2开关144bc通过中间波导148bc和无源y汇接合路器146bc耦合到输出波导142c，并用1×2开关144bd通过中间波导148bd和无源y汇接合路器146bd耦合到输出波导142d。输入波导140c，用1×2开关144ca通过中间波导148ca和无源y汇接合路器146ca耦合到输出波导142a，用1×2开关144cb通过中间波导148cb和无源y汇接合路器146cb耦合到输出波导142b，用1×2开关144cc通过中间波导148cc和无源y汇接合路器146cc耦合到输出波导142c，并用1×2开关144cd通过中间波导148cd和无源y汇接合路器146cd耦合到输出波导142d。输入波导140d，用1×2开关144da通过中间波导148da和无源y汇接合路器146da耦合到输出波导142a，用1×2开关144db通过中间波导148db和无源y汇接合路器146db耦合到输出波导142b，用1×2开关144dc通过中间波导148dc和无源y汇接合路器146dc耦合到输出波导142c，并用1×2开关144dd通过中间波导148dd和无源y汇接合路器146dd耦合到输出波导142d。

波导140和142，以及1×2开关144和y型汇接合路器146是用标准工艺制造的，如在Z切割铌酸锂基体表面上，尤其是在单平板上。因此，以下某些中间波导与一个以外的全部的输入波导交叉(intersect)。具体说来，中间波导148ba在交点150ba处与输入波导140a交叉；中间波导148ca在交点150ca处与输入波导140a交叉且在交点150ca’与输入波导140b交叉；中间波导148da在交点150da处与输入波导140a交叉，在交点150da’与输入波导140b交叉并且在交点150da”与输入波导140c交叉；中间波导148bb在交点150bb处与输入波导140a交叉；中间波导148cb在交点150cb处与输入波导140a交叉并且在交点150cb’与输入波导140b交叉；中间波导148db在交点150db处与输入波导140a交叉，在交点150db’与输入波导140b交叉并且在交点150db”与输入波导140c交叉；中间波导148bc在交点150bc处与输入波导140a交叉；中间波导148cc在交点150cc处与输入波导140a交叉且在交点150cc’与输入波导140b交叉；中间波导148dc在交点150dc处与输入波导140a交叉，在交点150dc’与输入波导140b交叉并且在交点150dc”与输入波导140c交叉。

1×2开关144是一个用于耦合输入波导140与输出波导142的开关元件示例。本发明的范围包括所有这类的开关元件。图2中所示的特定1×2开关144是定向耦合器。为了简单起见，定向耦合器144的电极未表示出来。在现有技术开关阵列中所用的任何适合的1×2开关，包括BOA耦合器，数字光学开光和x开关，都可以用作1×2开关144。

无源Y型汇接合路器146是一个用于耦合输入波导140与输出波导142的耦合器元件示例。在本文中所用的“开关元件”与“耦合器元件”之间的差别是，耦合元件可以是无源或有源的，而开关元件必须是有源的。在图4中，用于耦合输入波导与输出波导的耦合元件46是有源耦合元件，具体为2×1开关。与在1×2开关44和144中的一样，这些2×1开关可以是任何适合的2×1开关，包括定向耦合器，BOA耦合器，数字光学开关和x开关。

无源耦合器146比有源耦合器46优越之处在于，在采用无源耦合器146的光学开关中需要的寻址有源器件，比用有源耦合器46的光学开关中的要少。有源耦合器46比无源耦合器146优越之处在于，无源耦合器146需要对几何结构进行精心设计，以防止输入的一部分辐射损耗在二次模中；而有源耦合器46在其关断状态下通过有源地阻断从相应中间波导48进入的信号来降低串扰。

在有N个输入波导40或140和M个输入波导42或142的一般情况下，本发明的开关阵列包括NM开关元件44或144，NM个耦合元件46或146，和N(N-1)M/2个交点28。

为了将来自输入波导40或140的信号充分地切换到输出波导42或142中，而损耗最小，图4和5A光学开关的实际方案必须服从于某些几何结构上的限制。这些限制因素取决于所使用的光波长。对通常所用的波长1550nm，有下列限制：除了耦合到开关元件44或144或耦合元件46或146中，波导40，42，140，142应当至少分隔开0.5mm。1×2开关44和144与2×1开关46通常有5mm至7mm的长度。1×2开关的平行列，如包括开关44a的列和包括开关44b的列，应当至少分隔开大约1mm。交点150处的交叉角应当是这样的，输入波导140与中间波导148在交点处150不发生耦合。中间波导48和148弯曲部分的曲率半径，以及如果输入和输出波导40，42，104，142有弯曲时的曲率半径，应当至少25mm，且更适宜为至少30mm。在这些几何结构限制之内，可以在Z切割的4”直径的铌酸锂晶体表面上安置32个之多的输入波导40或140和32个之多的输出波导42或142。

取决于其电极上所加的电压，1×2开关44或144和2×1开关46可以处于直线通过状态，其中，开关的两个通道未耦合；以及跨过状态，在这个状态两个通道交换信号，和任何中间状态，以部分地交换信号。一般地，采取直通向来选则开关配置，以实现从输入波导40或140到输出波导42或142的信号任意所需开关方案。通过顺序考虑所需的输出波导42或142，利用每个输出通道仅仅接收一个输入通道输入的信号这一事实，来选择开关配置。对于每个输出波导42或142，把所需输入波导40或140耦合到目标输出波导42或142的开关44或144设置到这样的状态，输入信号的所需部分转发到目标输出波导142中，而且如果需要，将耦合到目标输出波导42或142上的一些或全部的其余开关44或144设定为直线通过状态。这可用于每个输入通道的信号进切换到一个输出通道中的普通切换，和来自一个输入通道的信号被分路到两个或更多通道的多路传送中。多路传送的一个重要特殊情况是广播，在其中，仅仅来自一个输入通道的信号分布在所有输出通道中。

例如，用图5A的实施例，和有波导140a和142a的通道a，有140b和142b的通道b，以及有140c和142c的通道c，假定需要将来自于通道a的输入信号定向输出到通道b，将来自于通道b的输入信号定向输出到通道c，且将来自于通道c的输入信号定向输出到通道a。在耦合到输出波导142a的开关144的最左列中，开关144ca设定为跨过状态，而开关144aa和144ba设定为直线通过状态。在耦合到输出波导142b的开关144下一列中，开关144ab设定为跨过状态，而开关144bb设定为直线通过状态。开关144cb的状态是任意的，因为通道c上全部输入的信号要被开关144ca转发到通道a中。最后，耦合到输出波导142c的在开关144下一个列中，开关144bc设定为跨过状态。其余开关144的状态任意。

与之相似，为了将来自通道a的信号均恒地多路发送到所有三个输出通道中，开关144aa设定为将输入信号的三分之一转发，开关144ab设定为将输入信号的二分之一转发，而开关144ac设定为全部跨过的状态。其余开关144的状态任意。

应当注意，在该场镜中，Fulenwider所用的由输入光栅和声光控制器组成的开关，仅仅是直线通过状态和跨过状态的。多路发送所必需的将来自一个通道的信号部分地转发到另一个通道，需要用更多的现代化的开关，如本发明所用的集成光开关。

如上所述，本发明的开关阵列是可逆的。图5B表示了本发明的逆向开关。图5B的开关阵列从拓扑学角度讲与图5A的开关阵列是相同的。用标号140’a，140’b，140’c和140’d表示输出波导，标号142’a，142’b，142’c和142’d表示输入波导，标号144’aa至144’dd表示无源y型汇接合路器，标号146’aa至146’dd表示1×2开关，且标号148’aa至148’dd表示中间波导。为了将通道a的输入信号定向输出到通道b，将来自于通道b的输入信号定向输出到通道c，且将来自于通道c的输入信号定向输出到通道d，开关146’ba，146’cb和146’ac设定为跨过状态，开关146’ca，146’da，146’db，146’bc，146’cc和146’dc设定在直线通过状态，而所有其他开关146’的状态任意。为了从通道a均衡地向所有三个通道多路发送信号，将开关146’da设定为直线通过状态，开关146’ca设定为转发三分之一输入信号，开关146’ba设定为转发二分之一输入信号，开关146’aa设定为完全跨过状态，且所有其他开关146’的状态任意。

有源耦合器46a共同构成一个用于将输入波导40耦合到输出波导42a的组合几何结构。同样地，无源耦合器146aa，146ba，146ca和146da共同构成一个用于将输入波导140耦合到输出波导142a中的组合几何结构。与之类似，有源耦合器46b共同构成一个用于将输入波导40耦合到输出波导42b的组合几何结构；有源耦合器46c共同构成一个用于将输入波导40耦合到输出波导42c的组合几何结构；且有源耦合器46d共同构成一个用于将输入波导40耦合到输出波导42d的组合几何结构。同样地，无源耦合器146ab，146bb，146cb和146db共同构成一个用于将输入波导140耦合到输出波导142b中的组合几何结构；无源耦合器146ac，146bc，146cc和146dc共同构成一个用于将输入波导140耦合到输出波导142c中的组合几何结构；无源耦合器146ad，146bd，146cd和146dd共同构成一个用于将输入波导140耦合到输出波导142d中的组合几何结构。图6A和6B表示了另外的组合几何结构。

图6A表示了四个中间波导148在输出波导142的输入端143处合并为一个无源漏斗形几何结构152。漏斗几何结构152必须进行几何结构设计，以使由于漏斗颈处出现高次模而导致的损耗最小化。

图6B表示了用平面透镜154耦合到输出波导144输入端143的四个中间波导148。通过质子交换而局部提高铌酸锂折射率的方法，可以在铌酸锂基片上制造出平面透镜154。平面透镜154被表示为折射率透镜。平面透镜154还可以是菲涅耳透镜。

与之相似，1×2开关146’aa，146’ba，146’ca和146’da共同构成了一个用于将输入波导142’a耦合到输出波导140的开关机构；1×2开关146’ab，146’bb，146’cb和146’db共同构成一个用于将输入波导142’b耦合到输出波导140的开关机构；1×2开关146’ac，146’bc，146’cc和146’dc共同构成一个用于将输入波导142’c耦合到输出波导140的开关机构；以及1×2开关146’ad，146’bd，146’cd和146’dd共同构成一个用于将输入波导142’d耦合到输出波导140的开关机构。

图5A表示了本发明的另一个特征，即本发明提高了本发明光学开关小型化程度，尤其是当大大多于如图5A所示仅4个的输入波导被耦合到大大多于图5A所示仅仅4个的输出波导142时。具体地讲，将输入波导140耦合到输出特定波导142的开关元件144，沿着输入波导140彼此相互移位；如图5A所示的，开关元件144aa移到开关元件144ab的右方；开关元件144ab移到开关元件144ac的右方；开关元件144ac移到开关元件144ad的右方。将输入波导140耦合到输出波导142b的开关元件144ab，144bb，144cb和144db，将输入波导140耦合到输出波导142c的开关元件144ac，144bc，144cc和144dc，和将输入波导140耦合到输出波导142d的开关元件144ad，144bd，144cd和144dd，以相同的方式沿着与其相应的输入波导140彼此相互移位。在有大量输入波导140和输出波导142的情况下，这种相互移位，使得用于将最后的(图5A中最下面的)输入波导140耦合到输出波导142之一的(如输出波导142a)中间波导150，与用于将输入波导(例如输入波导140a和140b)中的第一(图5A中的最上面的)耦合到下一个输出波导(如输出波导142b)的中间波导150之间避免发生交叉。应当清楚，波导交叉的数量限制到本发明几何结构所需的最小交叉数量N(N-1)M/2个，可减小输入输出通道间的串扰。当然，开关144ad，144bd，144cb和144dd的相互移位不是严格必须的，因为没有最后输出波导142d之后“下一个输出波导”了。

图5A还表示了用来耦合到相同输出波导142的开关元件144的相互移位，也使得导向波导142的中间波导148引导到比其他情况所允许的更为彼此靠近地分布。这些开关元件144相互移位的上限，由恰使为平行的波导140或142防止串扰隔开一个最小距离的限制来设定，所以，导向相同的这些输出波导142的平行波导148也必须隔开一个最小距离，以防止串扰。

图7是本发明第二实施例光学开关阵列的示意图，它用于将三个输入波导240耦合到六个输出波导242。每个输入波导240都通过分束开关耦合到一个相应的平行辅助波导241上。输入波导240，用开关元件244a通过中间波导248a和耦合元件246a耦合到输出波导242a；用开关元件244b通过中间波导248b和耦合元件246b耦合到输出波导242b；并用开关元件244c通过中间波导248c和耦合元件246c耦合到输出波导242c。辅助波导241，用开关244d通过中间波导248d和耦合元件246d耦合到输出波导242d；用开关244e通过中间波导248e和耦合元件246e耦合到输出波导242e；用开关244f通过中间波导248f和耦合元件246f耦合到输出波导242f。与图5A实施例中的相同，开关元件244a沿着输入波导240相互移位，开关元件244b和开关元件244c也一样。与之相似，开关元件244d沿着辅助波导241相互移位，开关元件244e和开关元件244f也一样。图7的配置可以提高小型化程度，因为两组中间波导248和输出波导242在输入波导240的相对两侧从输入波导240分开。由于一些中间波导248d，248e和248f交叉了一些一些中间波导248a，248b和248c，故在图7的实施例中交点比图5A的等效的实施例要多；但是，这没有明显地增加交叉耦合，因为中间波导248的相互交叉角大约是中间波导248与输入波导240和辅助波导241交叉角的两倍。

图8是本发明光学开关阵列第三实施例的局部示意图，它用于将三个输入波导340耦合到六个输出波导(未示出)。每个输入波导340都通过50％耦合器343和100％反射器350耦合到一个相应的平行辅助波导341上。实际上，每个辅助波导341是相应输入波导340在反方向上的延伸，因为进入到入射波导340并到达50％耦合器343的一半光被耦合到相应的辅助波导341中，而余下的一半光经反射器350反射之后由相应的50％耦合器343耦合到相应的辅助波导341中。输入波导340，用开关元件344a通过中间波导348a耦合到第一输出波导中；用开关元件344b通过中间波导348b耦合到第二输出波导中；并且用开关元件344c通过中间波导348c耦合到第三输出波导中。辅助波导341，用开关元件344d通过中间波导348d耦合到第四输出波导中；用开关元件344e通过中间波导348e耦合到第五输出波导中；且用开关元件344f通过中间波导348f耦合到第六输出波导中。与图5A和7的实施例一样，开关元件344a沿着输入波导340相互移位，开关元件334b和开关元件344c也一样。与7的实施例一样，开关元件344d沿着辅助波导341相互移位，开关元件334e和开关元件344f也一样。为了简化说明，输出波导和将中间波导348耦合到其上的耦合元件没有表示出来。图8的配置可以提高小型化程度，因为两组中间波导348和输出波导242在相反的方向上从输入波导340分开。

如果将图8的实施例制作在Z切割的铌酸锂基体表面上，则通过在垂直于波导340和341的平坦抛光表面上沉积金属涂层，或在该平坦抛光的表面沉积一组对应于所切换的光波长的介质层，或将反射器机械粘到该平坦抛光的表面上，可形成反射器350。

图9表示了Z切割的铌酸锂晶体200的表面202上的图5A实施例的优选路线图，它用于将12个输入波导140耦合到12个输出波导142中。光通过垂直于输入波导140刻蚀的表面204入射到输入波导140。光通过垂直于输出波导142刻蚀的表面206从输出波导142输出。波导140和142是弯曲的，曲率半径约为35mm。如果波导140和142是直的，如图5A所示，输入波导必须分离开大约0.7mm，以确保中间波导148在交点150与输入波导140以至少11.5°的最小角度θ交叉，来使串扰减至最小。图9中的弯曲波导140和142，可使输入波导140仅仅分离开大约0.35mm，而同时仍以至少11.5°的θ角与中间波导148交叉。

上文所给的表示几何结构的参数，都是制作在铌酸锂基片上的本发明光学开关阵列的。本领域的普通技术人员应当知道，如何将本发明应用在其他基片上，如聚合物基片和石英/硅基片。尤其是，本领域的普通技术人员应当知道与这些基片有关的几何结构限制。

尽管用有限的实施例描述了本发明，但是显然，本发明可以产生出许多变化、改进和其他应用。

Claims (18)

1.一种光学开关阵列，包括：

(a)至少三个输出波导；

(b)第一组至少三个输入波导；

(c)对所述第一组的每个所述输入波导：

对每个所述输出波导，一个组合元件将所述每个输出波导仅耦合到所述的每个输入波导；以及

(d)对于所述第一组的每个所述输入波导，一个开关机构用于将所有的所述输出波导耦合到所述每个输入波导；

所述输出波导，所述输入波导，所述组合元件和所述开关机构都基本安置在一个共同平面内；所有所述输出波导以与相对于所述第一组的所述输入波导而言相同的级连续地横交各自的所述组合元件。

2.权利要求1的光学开关阵列，进一步包括：

(e)对所述第一组的每个所述输入波导：

对每个所述输出波导，用于将每个所述输出波导耦合到所述每个输入波导的组合元件被一个中间波导连接到所述开关机构上；

所有所述的中间波导基本安置在所述的共同平面内。

3.权利要求2的光学开关阵列，其中每个所述的中间波导与至少一个所述输出波导交叉。

4.权利要求3的光学开关阵列，其中所述至少一个输出波导中被每个所述中间波导交叉的一个是所述第一输出波导。

5.权利要求2的光学开关阵列，其中所述输出波导基本是平行的，且其中对所述第一组中的每个所述输入波导，用于将所述输出波导耦合到每个所述输入波导中的所述组合元件沿着所述输出波导被相互移位。

6.权利要求5的光学开关阵列，其中所述的相互移位是这样的，对于除所述第一组的最后一个所述输入波导之外的所述第一组的每个所述输入波导，用于将最后一个所述输出波导耦合到所述每个输入波导的所述中间波导，无效了将第一所述输出波导耦合到所述第一组的下一个所述输入波导的所述中间波导。

7.权利要求5的光学开关阵列，其中所述的相互移位是这样的，所述第一组的每个所述输入波导及对于除最后一个所述输出波导之外的每个所述输出波导，用于将每个所述输出波导耦合到所述每个输入波导的所述中间波导，无效了将下一个所述输出波导耦合到所述每个输入波导的所述中间波导。

8.权利要求1的光学开关阵列，其中所述的输出波导是基本平行的，且其中对于所述第一组的每个所述输入波导，用于将所述输出波导耦合到每个所述输入波导的所述组合元件沿着所述输出波导相互移位。

9.权利要求1的光学开关阵列，其中所述的开关元件是1×2开关。

10.权利要求9的光学开关阵列，其中每个所述1×2开关是从下述一组中选出的：定向耦合器，BOA耦合器，数字光学开关和X开关。

11.权利要求1的光学开关阵列，其中所述的组合元件是y-汇接组合器。

12.权利要求11的光学开关阵列，其中所述的y-汇接组合器是无源的。

13.权利要求11的光学开关阵列，其中至少一个所述的y-汇接组合器是有源的。

14.权利要求13的光学开关阵列，其中所述至少一个有源y-汇接组合器是从下列一组中选出的：定向耦合器，BOA耦合器，数字光学耦合器和x-开关。

15.一种用于将信号从至少三个输入通道中的至少一个通道切换到至少三个输出通道中的至少一个通道的方法，每个输入通道仅给一个输出通道提供信号，该方法包括如下步骤：

(a)提供一个光学开关阵列，包含：

(i.)至少三个输出波导，每个所述输出波导唯一的对应一个输出通道，

(ii.)至少三个输入波导，每个所述输入波导唯一的对应一个输入通道，

(iii.)对每个所述输入波导：

对每个所述输出波导，一个组合元件仅将每个所述输出波导耦合到所述每个输入波导，及

(iv.)对每个所述输入波导，一个开关机构用于将所有所述输出波导耦合到所述每个输入波导中，

所述输出波导，所述输入波导，所述组合元件和所述开关机构都基本安置在一个共同平面内，所有所述输出波导以与相对于所述输入波导而言相同的级连续地横交各自的所述组合元件；及

(b)对于与一个要从其中切换出信号的输入通道相对应的每个所述输入波导：设定所述开关机构，以将至少一部分所述信号转发到与所述信号要切入到其中的输出通道相对应的所述输出波导中。

16.权利要求15的方法，其中对每个所述输入波导，所述开关机构包括，对每个所述输出波导，有一个用于将所述每个输入波导耦合到所述每个输出波导的开关元件，该方法进一步包括：

(c)对于与一个要从其中切换出信号的输入通道相对应的每个所述输入波导，将至少一个所述开关元件设定为直线通过状态，该开关元件用于将所述每个输入波导耦合到除与一个所述信号要切入到其中的输出通道相对应的所述输出波导之外的一个输出波导。

17.一种用于从至少三个输入通道中的至少一个通道向至少三个输出通道中的至少两个通道多路发送的方法，每个输出通道仅从一个输入接收输入信号，包括如下步骤：

(a)提供一个光学开关阵列，包含：

(i.)至少三个输入波导，每个所述输入波导唯一的对应一个输入通道，

(ii.)至少三个输出波导，每个所述输出波导唯一的对应一个输出通道，

(iii.)对每个所述输入波导：

对每个所述输出波导，有一个组合元件仅将每个所述输出波导耦合到所述每个输入波导，且

(iv.)对每个所述输入波导，有一个开关机构用于将所有所述输出波导耦合到所述每个输入波导中，从而将对应于所述每个输入波导的输入通道耦合到输出通道中，

所述输入波导，所述输出波导，所述组合元件和所述开关机构都基本安置在一个共同平面内，所有所述输出波导以与相对于所述输入波导而言相同的级连续地横交各自的所述组合元件；及

(b)对于每个要从其中多路发送出信号的输入通道：

对将要接收所述信号的至少两个输出通道的每一个，设定所述开关机构，用于将所述每个输入通道耦合到所述每个输出通道，以将仅一部分所述信号转发到所述每个输出通道。

18.权利要求17的方法，其中对每个所述输入波导，所述开关机构包括，对每个所述输出波导，有一个用于将所述每个输入波导耦合到所述每个输出波导的开关元件，该方法进一步包括：

(c)对将要从其中多路发送出信号的每个输入通道，将至少一个所述开关元件设定为直线通过状态，该开关元件用于将所述每个输入通道耦合到一个与除至少两个将要接收所述信号的输出通道之外的一个输出通道对应的输出波导中。

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