CN1444070A - 一种高速可扩展的光开关 - Google Patents

Abstract

本发明为光开关和光节点属光通信技术领域。本发明为光通信和全光网络(AON)提供高速大规模光开关(矩阵)和高速光节点。光开关主要利用某些材料的电光效应：当光沿着材料的某个物理特性的方向入射时，由于材料对光的折射率是随外加电场的改变而改变，从而改变光从材料中透射出的位置来实现光开关功能。同时利用光的全折射原理，避免了入射光的反射损耗。以该光开关为基础的光节点不仅可实现波长路由，而且可实现光时隙交换、路由，同时交换速率高、可扩展性强。总之，可实现空分、波分、时分方式光节点，是光通信网和全光网络(AON)的核心设备。

Description

一种高速可扩展的光开关

本发明属光通信技术领域。

本发明的主要用途是为光通信提供高速大规模光开关(矩阵)和高速光节点。

光节点是光通信网的核心设备，完成光信号交换、路由等功能，它主要包括光交换、光路由、光交叉连接节点(OXC)、光分插复用节点(OADM)和混合节点等。光开关(矩阵)是光节点的关键功能模块，完成光传输路线的改变转换功能。目前的光开关(矩阵)，或者可以大规模扩展而速率有限，或者速率高但不能大规模扩展，光节点受光开关(矩阵)技术的限制，只能实现波长交换、路由功能。

本发明的目的是实现高速大规模光开关(矩阵)和高速光节点，该光节点不仅可实现波长交换、路由，可实现空分、波分、时分方式，同时交换速率高、可扩展，能与光传输系统很好配合构成全光网。

高速大规模光开关(矩阵)，是高速光节点的关键组成部分，它有多种结构形式，如M×N(M、N为正整数)光开关。

以该光开关为基础，与其它器件结合可实现空分、波分、时分方式高速光节点、光交换和光路由。如网络中间节点有OADM，包括波长上下——光波长分插复用器，同一波长中某时隙的上下——全光数字时隙分插复用器；OXC：包括波长交叉连接——光波长交叉连接器，同一波长中某时隙的交叉连接——全光数字时隙交叉连接器；全光交换：包括波长交换——波长交换器，同一波长中某时隙的交换——光时隙交换器；多路光开关——具有多路传输功能，可构成分送耦合开关，既可将多个输入波长耦合到一个输出端，也可将一个输入波长广播发送到多个输出端。网络终端节点功能有光时分复用/解复用器等。

光开关原理：所采用的材料特性要求：在电场作用下，当所加电场大小改变时，该材料对光的折射率发生改变，并且随电场改变折射率改变的响应时间要小于1毫秒。基本原理是在对该材料所加的电场固定时，折射率固定，当入射光以一定的入射角入射该材料某点时(要求入射光、入射角度、入射位置符合该光在该材料中传输时，其折射率随外加电场的改变而改变)，光在材料内有固定的传输路线，从材料中出光位置也是固定的，当材料所加的电场改变时，折射率也改变，光在材料内的传输路线相应改变，从材料中出光位置也随之改变。这里特别指出的是单轴晶体，如LiTaO₃、LiNbO₃晶体。以下实例将结合附图并以六角系单轴负晶体LiNbO₃晶体为所选材料设计实现光开关对本发明的应用做进一步的说明。

实施例：首先说明利用LiNbO₃晶体来实现当入射光以一定的入射角入射LiNbO₃晶体的某点时从晶体出射的光位置随外加信号电压改变而改变的功能原理。把LiNbO₃晶体设计成长方体(平行六面体)，主光轴z轴平行于4个棱(A₁A₂、B₁B₂、C₁C₂、D₁D₂)，垂直于前后两个面(A₁B₁C₁D₁、A₂B₂C₂D₂)，见图1。外加电场只有E_z分量，也垂直面A₁B₁C₁D₁、A₂B₂C₂D₂，两电极面板(如用钛扩散工艺做成电极)分别在面A₁B₁C₁D₁、A₂B₂C₂D₂上并覆盖整个面，两电极距离(即LiNbO₃晶体厚度A₁A₂)为d，所加电压为V，则E_z＝V/d。设加电场之前晶体对o光的折射率分别为n₀。

入射光入射到C₁C₂D₁D₂面上的C点，入射角为α，入射光为平面偏振光，偏振光偏振方向与面A₁B₁C₁D₁、A₂B₂C₂D₂平行，即没有与主光轴z轴平行的分量，这时只有o光。 $n=n_o+\mathrm{\Δ}{n}_o=n_o-\frac{1}{2}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{13}{E}_z=n_o-\frac{1}{2}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{13}\·\frac{V}{d}-----\left(1\right)$

入射光的入射平面与光轴垂直，设n为加电场后的o光折射率，则n与在纸面内的入射光方向无关，并满足折射定律，这时n只与E_z有关，即

其中γ₁₃为电光系数，入射角α不变。当所加电压V变化时，折射率n随之变化。据折射定律有n₀sinα＝nsinβ，因此，折射角β随n的变化而改变，出射光位置B随β变化，实现从晶体出射的光位置随外加信号电压改变而改变的功能。

基于以上原理，把LiNbO₃晶体设计成如图2所示的结构来实现光开关功能。其中LN为LiNbO₃晶体。

LiNbO₃晶体实现光信号路由选择定位功能，两电极板平行纸面，所夹的LiNbO₃晶体的设计如图1所示。入射光首先通过LiNbO₃晶体，在特定信号电压的控制下，光以一定折射角通过LiNbO₃晶体，到达特定的输出端口并进入光纤中传输。其中电极及LiNbO₃晶体设计如图1，要求入射光为TE模的光、入射角大于等于布鲁斯特角以及光偏振方向与纸面平行。

设共有N个输出端口，设未加电压时输出的端口为第一个端口，则第i个输出端口对应的电压为： $V_i=\frac{2d}{n_o^3{\mathrm{\γ}}_{13}}(n_o-n_0\sin \mathrm{\α}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{AC}}{P_0{P}_i}\cos \mathrm{\α}\right)}^2+1})-----\left(2\right)$ 即加此电压后，光信号在第i个输出端口输出，要求输出端口要严格对准光的输出方向和位置，目的是把输出光功率全部耦合进输出端口，这样就可由外加开关信号通过控制电压来实现1×N光开关功能。注：n₀为空气折射率，n₀为加电场之前晶体对o光的折射率，定义是不同的

Claims (8)

1、光开关和光节点，其特征是利用特定材料加电压后对光的折射率发生改变的特性，对材料所加的电场固定时，折射率固定。当入射光以大于布鲁斯特角入射时，在忽略材料损耗时，反射能量为零，也就是说全折射。当入射光以大于最大的布鲁斯特角入射该材料时，光在材料内有固定的传输路线，从材料中出光位置也是固定的，而且没有反射光。当材料所加的电场改变时，折射率也改变，光在材料内的传输路线相应改变，从材料中出光位置也随之改变，利用这种材料实现入射光随外加信号电压的改变而改变从材料中出光位置，从而实现光开关功能的各种实现方法，以及在此基础上制作的各种光器件及以此光器件扩展的各种光器件、光设备等。

2、如权利要求1所述的特定材料，其特征在于所说的材料在电场作用下，当所加电场大小改变时，该材料对光的折射率发生改变，并且随电场改变折射率改变的响应时间要小于1毫秒。

3、如权利要求1所述的特定材料，其特征是：此材料为单轴晶体，特别是利用LiTaO₃、LiNbO₃等单轴晶体实现光开关。

4、如权利要求1所述的入射光、入射角、入射位置，其特征在于它们符合该光在该材料中传输时，其折射率随外加电场的改变而改变，其规律符合权利要求1所述的规律。

5、如权利要求1所述的实现方法和如权利要求2所述的材料的设计，其特征在于所说的方法和设计有多种。如把权利要求3所述的特定材料LiNbO₃晶体设计，其特征在于所说的材料设计成长方体(平行六面体A₁B₁CD₁A₂B₂C₂D₂)，主光轴z轴平行于4个棱(A₁A₂、B₁B₂、C₁C₂、D₁D₂)，垂直于前后两个面(A₁B₁C₁D₁、A₂B₂C₂D₂)。两电极面板(如用钛扩散工艺做成电极)分别在面A₁B₁C₁D₁、A₂B₂C₂D₂上并平行它们，两电极距离为d。如权利要求1所述的入射光入射到C₁C₂D₁D₂面上的如权利要求1所述的条件，入射光为线偏振光，偏振方向在与主光轴z轴垂直平面内，如权利要求1所述的入射角为α。该光开关共有1个输入端口，N个输出端口(N为正整数)，当要求光从第i个输出端口输出时，加在电极上的电压为(其中n₀为加电场之前晶体对o光的折射率，n₀为光输入、输出晶体位置晶体外的折射率，γ₁₃为电光系数，BC为第1个和第N个输出端口的最短距离，h为A₁C₁长度。)：

6、如权利要求5所述的设计，光开关信号可以通过控制电压来实现1×N光开关功能。

7、如权利要求5所述的输入端口要保证入射光、入射角、入射位置符合权利要求4及权利要求5的要求。如权利要求5所述的输出端口要严格对准光从晶体输出方向和位置，目的是把输出光功率耦合进输出端口。

8、利用如权利要求1所述的各种光器件、光设备，如M×N(M、N为正整数)光开关、光交换、OXC、OADM等空分、波分、时分光节点等。

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