CN1540886A - 适于全光网络的m×n×k光开关阵列及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于全光网络的M×N×K光开关阵列及其方法，它由许多对应于每一根输入光波导中的每一个光信道的1×(N+L)光开关阵列组成，该开关阵列的第一级采用基于阵列波导干涉器或波长选择器的光开关，它能够在不影响其他波长光波的条件下单独把某一波长光波从输入光波导中分离出来，并逐级输送到N根输出光波导，或L根缓冲光波导中的任一根，所有缓冲光波导形成环型通道，对应不同波长的1×(N+L)光开关阵列的所有序号相同的输出光波导连接到器件的序号相同的输出端口。该M×N×K光开关阵列可对M个输入光波导和N个输出光波导中的K个光波实现全光路由，并具有光缓存和光增益功能，其集成度高，可以采用光集成技术批量制造。

Description

适于全光网络的M×N×K光开关阵列及其方法

技术领域

本发明涉及集成光学领域，特别涉及一种适于全光网络的M×N×K光开关阵列，适用于做光通信网络中的光交换、光路由器件。

背景技术

光开关主要用于光纤通讯中光信道的开与关，光开关阵列可以实现光波在光信道之间的直接交换，是实现全光网络的核心器件。光开关可分为机械式和非机械式两大类。其中机械式光开关靠光纤或光学元件移动，使光路发生改变，实现光路的开与关。常见机械式光开关包括移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜、移动耦合器等种类。机械式光开关的优点是插入损耗低，不受偏振和波长影响，缺点是响应时间长，一般在毫秒量级，有的还存在回跳抖动和重复性较差等问题，特别是很难实现很大数目的光开关集成。非机械式光开关主要依靠电光效应、磁光效应、声光效应、热光效应等来改变波导折射率，使光路发生改变，实现光路的开与关。非机械式光开关的优点是响应时间短，可达到毫秒、毫微秒甚至更低量级，它们体积小，可以采用光集成技术实现较大数目的光开关集成。目前非机械式光开关主要包括采用平面光波导技术的基于方向耦合器(Directional Coupler)的光开关、基于波导形Mach-Zehnder干涉器的光开关、基于阵列波导光栅(Arrayed WaveguideGrating，AWG)的光开关、基于阵列波导干涉器(ArrayedWaveguide Interferometer，AWI)的光开关和基于波长选择器(Wavelength selector，WS)的光开关等。其中基于方向耦合器的光开关和基于波导形Mach-Zehnder干涉器的光开关波长分辨率低，例如基于方向耦合器的光开关基本只能用于单一波长网络，而基于波导形Mach-Zehnder干涉器的光开关也要求信道间隔在10nm以上，因此用基于方向耦合器的光开关和/或基于波导形Mach-Zehnder干涉器的光开关所构造的大型光开关阵列，它们要用于密集波分复用(DWDM)系统，必须与其他波分复用/解复用器联用，而且一个波长需要一块光开关芯片，系统复杂。在以它们为基本单元构造大型N×N光开关阵列时，一个基于方向耦合器的光开关或基于波导形Mach-Zehnder干涉器的光开关相当于一个2×2光开关，或者说相当于一个叉道口，这样从某一序号输入光波导输入的光波每经过一个叉道口，就可以向预定序号输出光波导靠近一个序号，在最坏的情况下，从1号输入光波导输入的光波通过N个叉道口后就可以到达N号输出光波导。因此一个上述N×N光开关阵列总共需要N²个2×2光开关。采用这种方法构造大型光开关阵列的好处是在同一块芯片上没有光波导交叉的情况，克服了光波导交叉时引起的互相串扰，坏处是结构固定，缺乏灵活性，不便于插入缓冲通道，也不便于实现光放大，因此光缓存与光放大这些光交换系统所必须的功能只能通过另外的专门器件实现，进一步增加了系统的复杂性与成本。另外基于AWG的1×N光开关阵列是在AWG的每个输出通道后串接一个光开关，由于从输入光波导过来的各个波长的光波被分散到N个输出通道中，这种开关是破坏性的，即要么让光信号通过，要么把它损耗掉，不便于传给下一级处理。同时由于AWG的各个输入通道的各个波长光波与输出光波导的对应关系固定，因此要用AWG实现光路由，必须进行波长转换，为每个通道的每个波长配备一个波长转换器，这个代价也非常大。而阵列波导干涉器(发明专利申请号：01114223.5，PCT申请号：PCT/CN02/000340)和波长选择器(发明专利申请号：03122029.0)是本发明人最近提出的两种新型光无源器件，如何用它们构造大型光开关阵列在已公开的文献中尚未具体提出。因此现有技术和文献尚未给出适于全光网络的、具有高波长选择性的、综合功能强的大型光开关阵列技术方案，因此也很难用一块芯片实现全光路由。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足之处，提供一种适于全光网络的、具有高波长选择性的、综合功能强的大型光开关阵列及其方法，它集成度高，可以兼具光缓存与光放大功能，可以采用光集成技术批量制造，解决用一块芯片实现全光路由的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种适于全光网络的M×N×K光开关阵列，它包括M根输入光波导，N根输出光波导，每根输入光波导中包含同样的K个不同波长的光波传输信道，对应于M根输入光波导中的每一根输入光波导中的每一个波长的光波传输信道都有一个工作波长与之相同的1×(N+L)光开关阵列，该开关阵列中N级光开关与输出光波导相连，L级光开关与缓冲光波导相连，该开关阵列的第一级采用基于阵列波导干涉器或波长选择器的光开关，所采用的基于阵列波导干涉器或波长选择器的光开关的波长分辨率足够高，应该保证能够在不影响其他波长光波的条件下单独把该波长光波从输入光波导中分离出来，该光开关阵列的后续各级采用具有同样工作波长的基于阵列波导干涉器和/或波长选择器和/或方向耦合器和/或波导型Mach-Zehnder干涉器的光开关，所有这些光开关可以彼此独立地开或关，上一级光开关的输出光波导与下一级光开关的输入光波导直接连通，使得由第一级光开关分离出的某一波长光波可以逐级输送到N根输出光波导中的任一根，或输送到L根缓冲光波导中的任一根，所有缓冲光波导分别直接在基片上形成环型通道，或者分别通过外接一段一定长度的光纤的方式形成环型通道；对应于同一根输入光波导中的不同波长的1×(N+L)光开关阵列沿该输入光波导长度方向依次排列；对应于所有不同输入光波导中的所有不同波长的1×(N+L)光开关阵列的所有序号相同的输出光波导连接到器件的序号相同的输出端口，途中不再经过对应于任何输入光波导中的任何波长的1×(N+L)光开关阵列；上述所有光波导和光开关阵列制作在同一块基片上或分别制作在两块平面基片上后再对准贴合成一个整体。

所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列，对应于每个输入光波导中的每个波长的1×(N+L)光开关阵列的第一级始终处于常开状态。

所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列，对应于每个输入光波导中的每个波长的1×(N+L)光开关阵列的所有各级全部或部分采用基于阵列波导干涉器或波长选择器的光开关，所采用的基于阵列波导干涉器或波长选择器的光开关的波长分辨波应该足够高，能够保证在不影响其他波长光波的条件下单独把该波长光波从上一级输出光波导中分离出来；对应于同一输入光波导中的不同波长的1×(N+L)光开关阵列的相同序号的已经采用基于阵列波导干涉器或波长选择器的光开关的那一级光开关的输入光波导互相串接。

所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列，对应于每个输入光波导中的每个波长的1×(N+L)光开关阵列的L个缓冲光波导，当它们通过外接一段光纤方式形成环型通道时，所外接的一定长度的光纤可以全部或部分采用具有光增益功能的光纤，并采用正向和/或反向方式输入泵浦光。

所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列，所有光波导和光开关阵列制作在一块或两块平面基片的同一光波导层平面或不同的光波导层平面。

所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列，任意两根需要交叉的光波导分别制作在两个不同的光波导层平面。

除了上述适于全光网络的M×N×K光开关阵列，本发明同时还提供一种适于全光网络的M×N×K光开关阵列的方法，它包括四个步骤，第一步，通过对应于第一根输入光波导中的第一个波长光波的工作波长与之相同的1×(N+L)光开关阵列，在不影响其他波长光波的条件下单独把第一个波长光波从第一根输入光波导中分离出来，并一级一级地传给该1×(N+L)光开关阵列的后续各级，如果预定传给后续某一级，则打开该级及前面所有各级光开关，同时关闭下一级光开关；第二步，类似第一步，把第一根输入光波导中剩下的各个波长光波通过工作波长与之相同的1×(N+L)光开关阵列分别从第一根输入光波导中分离出来，并传给各自预定的某一级；第三步，类似第一步和第二步，把所有剩下输入光波导中的所有波长光波通过工作波长与之相同的1×(N+L)光开关阵列分别从相应的输入光波导中分离出来，并传给各自预定的某一级；上述三步同时进行；第四步，把从所有不同输入光波导的所有不同波长的1×(N+L)光开关阵列的所有序号相同的光开关输出的光波送到器件的序号相同的输出端口输出。

所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列的方法，如果不同输入光波导中的波长相同的光波需要同时从器件的同一输出端口输出，则只把其中一个送到该输出端口，把其他光波分别送入各自的缓冲环型通道分别延迟一段时间；如果该缓冲环型通道通过外接一段一定长度具有光增益功能的光纤的方式构成，则可把泵浦光耦合送入该光纤，在缓冲延时的同时进行光放大。

所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列的方法，如果对应于同一根输入光波导中的所有不同波长的1×(N+L)光开关阵列其所有各级或序号相同的那一级采用了波长选择性高的光开关，并且这些级的光开关的输入光波导已经互相串接成一根光波导，则可让某一波长光波沿该根光波导传播，并依次通过后续与之相连的工作波长与之不同的1×(N+L)光开关阵列，最后与该根光波导中其他不同波长的光波一道从器件的同一序号的输出端口输出。

本说明书中所用术语说明：(1)、光开关的开与关状态：光开关主要用于控制光通道的开与关，当与光开关工作波长一致的光波可以通过该光开关时，称该光开关处于开状态；反之，当与光开关工作波长一致的光波被阻断，不能通过该光开关时，称该光开关处于关状态。当对光开关不加任何控制时，如果它处于开状态，称该光开关为常开光开关；反之，如果它处于闭状态，称该光开关为常闭光开关。(2)、光开关的工作波长：对机械式光开关，它们一般没有波长选择性，任何波长光波都可以通过或被阻断。本说明书中所涉及的光开关的工作波长主要针对非机械式光开关，具体地说，主要针对基于阵列波导干涉器、波长选择器、方向耦合器和波导型Mach-Zender干涉器的光开关。对基于阵列波导干涉器和基于波长选择器的光开关，只有特定波长的光波才满足相长干涉条件或布喇格反射条件，能够被光开关从输入通道中取出来，并送到输出通道，该特定波长即为基于阵列波导干涉器或基于波长选择器的光开关的工作波长。对于基于方向耦合器和波导型Mach-Zender干涉器的光开关，波长在一定范围内的光波都能通过光开关，但只有特定波长的光波才能近似100％或损耗最小地通过光开关，称该特定波长为基于方向耦合器和波导型Mach-Zender干涉器的光开关的工作波长。(3)、光增益功能光纤：指在泵浦光激励下，光信号在其中通过时光信号强度能够得到增益放大的光纤，如掺饵、铁、镨等稀土元素的光纤。(4)、单个光开关的输出光波导与M×N×K光开关阵列的输出光波导：单个光开关有输入光波导和输出光波导，当光开关打开时，一定波长光波可以从其输入光波导输出到其输出光波导；由许多工作波长不同的单个光开关可以构造一个复杂的M×N×K光开关阵列器件，本说明书中把与该器件的输出端口相连的光波导称为器件的输出光波导，有时也称为器件的总输出光波导，它与单个光开关的输出光波导是两个不同层次上的概念，代表不同的光波导，尽管两者可以连接在一起。

本发明的基本原理是：综合利用阵列波导干涉器、波长选择器、方向耦合器和波导型Mach-Zender干涉器做基本构件，搭建适于全光网络的M×N×K光开关阵列，其中M是输入光波导的数目，N是输出入光波导的数目，K是每根输入光波导中所传输的不同波长的光信道数目。本发明通过四步来构造上述M×N×K光开关阵列，第一步，对第一根输入光波导中的第一个波长光波或信道，构造一个工作波长与之相同的1×(N+L)光开关阵列，该开关阵列至少包含L+N级光开关，其中，L是缓冲光波导数目，该1×(N+L)光开关阵列的作用是把第一根输入光波导中的第一个波长的光波在不影响其他波长光波的条件下单独地分离出来，并且根据需要把该波长光波输送到任一指定序号的输出光波导或在该输出光波导忙时，即已先被来自其他输入通道的同一波长的光波占有时，先把该波长光波输送到缓冲光波导，通过与该缓冲光波导相连的一定长度的环行通道进行缓冲延时；第二步，类似第一步，对第一根输入光波导中的所有剩下K-1个波长光波或信道，构造K-1个1×(N+L)光开关阵列；第三步，类似第一、二步，对剩下M-1根输入光波导中的所有波长光波，构造(M-1)×K个1×(N+L)光开关阵列；第四步，把分散在各个1×(N+L)光开关阵列中的所有序号相同的输出光波导与器件的相同序号的输出端口连接起来。按照上述四步搭建的光开关阵列，可以把M个输入光波导中的K个波长光波任意地路由到N个输出光波导，因此我们把它称之为M×N×K光开关阵列，以区别于通常不具备波长选择性的M×N光开关阵列，这里M和N同样分别代表输入光波导和输出入光波导的数目。在对上述技术方案进一步说明之前，下面先简单回顾一下方向耦合器、波长选择器、阵列波导干涉器和波导型Mach-Zehnder干涉器等基本构件的工作原理与特点。

在方向耦合器中，输入光波导和输出光波导在一段耦合区内相隔很近地平行排列，因此一个光波导中的光波会逐步向另一个光波导转移。对某一波长的光波，如果它正好或近似满足相位匹配条件，即输入光波导和输出光波导的传播常数相等，则随着耦合区长度的变化，输出光波导中的光场强度呈正弦变化，在特定耦合长度，输入光波导中的光波可近似100％地耦合到输出光波导中。方向耦合器的特点是损耗小，可实现近似100％的耦合效率，器件尺寸小，工作区器件高度可小于20微米，但方向耦合器的波长分辨率差，基本只适应工作在单一波长。因此基于方向耦合器的光开关不适于做前述1×(N+L)光开关阵列的第一级，只能用于后续各级。

波长选择器是综合利用方向耦合器的光波场耦合原理和布喇格反射滤波原理构造的一种新的器件，它首先利用类似方向耦合器的耦合原理把一定波长分布范围内的光波从输入光波导中取出来，再利用布喇格反射滤波原理对所取出的波长进行严格筛选、分离，为了避免对其他波长光波造成严重影响，必要时还可把经过布喇格反射滤波筛选后剩下的光波再送回输入光波导。因为利用了布喇格反射滤波原理，波长选择器的波长分辨率非常高，但有一部分工作波长光波可能会反射回到输入光波导反向传播，因此多级波长选择器级连时可能对工作波长光波损耗较大，但对其他非工作波长光波损耗较小。波长选择器的波长分辨率主要取决于其所采用的周期波导的长度以及其折射率或尺寸结构等参数周期调制的幅度等，一般所采用的周期波导的长度越长，折射率或尺寸结构等参数周期调制的幅度越大，波长分辨率越高。另外器件尺寸小，其高度可做到30微米以内。因此基于波长选择器的光开关适于做前述1×(N+L)光开关阵列的第一级，做后续级时可能对工作波长光波损耗较大，但可通过光放大进行补偿。

阵列波导干涉器是采用多光束干涉的一种新型波导型干涉器，它包括一个输入光波导、一个输出光波导和一个耦合光波导阵列，该耦合光波导由许多根光波导组成，其中每根光波导从输入光波导侧面取出一小部分光波，并经过一定相移后，输送到输出光波导。由于经过耦合光波导中每根光波导耦合到输出光波导的光波的光程不同，只有一定波长的光波满足相长干涉条件，从输出光波导输出。阵列波导干涉器的特点是波长分辨率非常高，其耦合光波导阵列中包含的光波导数目越多，波长分辨率越高，相应地器件长度也跟着增大。阵列波导干涉器可以把工作波长光波充分选择、分离出来，但是器件尺寸一般较大，对较小尺寸阵列波导干涉器，由于可能会采用较小曲率光波导，一般模式损耗较大。因此在损耗和尺寸满足要求的条件下，基于阵列波导器的光开关既可做前述1×(N+L)光开关阵列的第一级，也可做后续各级。

波导型Mach-Zehnder干涉器采用双光路干涉原理，波长分辨率比阵列波导干涉器和波长选择器都要差，一般只能达到10nm。另外波导型Mach-Zehnder干涉器尺寸一般较小，损耗也不是特别大。因此基于波导型Mach-Zehnder干涉器的光开关一般只能做前述1×(N+L)光开关阵列的后续各级。

当采用阵列波导干涉器、波长选择器、方向耦合器和波导型Mach-Zehnder干涉器做光开关时，主要是通过一定方式来改变光波导的折射率或内部结构尺寸，从而改变器件的工作波长，实现对一定波长光波的开与关。经常被利用来控制光波导折射率的物理效应包括电光效应、热光效应、声光效应、硅基片材料的等离子体色散效应等，而通过热膨胀、压电伸缩等效应可改变器件内部尺寸结构。

本发明提出的M×N×K光开关阵列，根据上述基于阵列波导干涉器、波长选择器、方向耦合器和波导型Mach-Zehnder干涉器的光开关等基本构件的特点，首先在第一步对第一根输入光波导中的第一个波长光波构造一个工作波长与之相同的1×(N+L)光开关阵列时，选用波长分辨率高的阵列波导干涉器和/或波长选择器做第一级，这样可把第一个波长光波从第一根输入光波导中取出来，又不影响其他波长光波。接着该1×(N+L)光开关阵列的后续各级采用级连方式连接，即上一级的输出光波导直接连到下一级的输入光波导。这样如果前J级光开关皆处于开状态，而第J+1级处于关状态，则被第一级取出的第一波长光波会一级、一级往下传，一直传到第J级，此时由于第J+1级关闭，该光波就不会被第J+1级取走，因此会从第J根光波导输出，这第J根光波导可能是N根输出光波导或L根缓冲光波导中的某一根，这取决于它们的排列顺序。设置缓冲光波导的目的是存在这样一种情况，即同一时刻多个输入光波导中的同一波长的光波都需要从器件的同一输出端口输出，这时只能把它们其中一个送到该输出端口，而其它光波需进入各自的缓冲光波导分别等待一定时间，这些缓冲光波导通过外接一段光纤，或直接在基片上形成环型通道，只要其紧邻的下一级光开关不打开，光波就会在环型通道中转圈，每转一圈，就产生一段固定时延。当下一级光开关打开后，环型通道中的光波就会被下一级光开关取走，继续往下传，直到到达预定输出光波导。一般一个1×(N+L)光开关阵列只需要设置一个缓冲光波导。另外在1×(N+L)光开关阵列中，一个光波要到达预定输出光波导都必须先通过第一级，因此第一级必须始终处于开状态，为了简化结构，可把第一级做成常开状态，并在设计时省略其控制电极等结构。

在第二步中，对第一输入光波导中的所有剩下K-1个光波做类似第一步的同样处理，即为每一个波长的光波构造一个工作波长与之相同的1×(N+L)光开关阵列，这样可以把这些光波一一送入预定输出光波导。由于在两根光波导交叉时会互相产生串扰，因此为了减少或避免交叉，一般让对应同一根输入光波导中不同波长光波的所有K个1×(N+L)光开关阵列沿该输入光波导长度方向依次排列。

在第三步中，对所有剩下M-1个输入光波导中的所有K个光波做类似第一步和第二步的同样处理，即为每一个波长的光波构造一个1×(N+L)光开关阵列，这样可以把所有输入光波导中的所有光波一一送入预定的输出光波导。

第四步，由于在前述三步中各个1×(N+L)光开关阵列的输出光波导是彼此独立的，因此在第四步需要把各个1×(N+L)光开关阵列的相同序号的输出光波导接到器件的相同序号的输出端口，即器件的总输出光波导，途中不再经过对应于任何输入光波导中的任何波长的1×(N+L)光开关阵列，以免造成误操作。由于基片几何尺寸的限制，各个1×(N+L)光开关阵列的相同序号的输出光波导往往排列在不同行中，此时在对它们进行连接时，要跨越多个行，为了尽可能减少光波导相互交叉时的串扰，可以采用双层或更多层光波导技术，把需要垂直交叉的光波导制作在不同光波导层中，或把它们分别制作在两块平面基片上，然后对准贴合形成一个整体。相邻层的光波导在需要连接时可采用方向耦合器的耦合方式，即让它们上下对准排列，当它们之间的介质厚度间隔和平行排列的长度合适时，一根光波导中的一定波长的光波就会耦合转移到另一光波导中。

通过上述四步，就构成了一个完整的M×N×K光开关阵列。按照上述四步，搭建M×N×K光开关阵列时也有一些不方便的地方，主要是由于在前三步中各个1×(N+L)光开关阵列的输入、输出光波导彼此独立，没有互相串接，特别是同一行的序号相同的1×(N+L)光开关阵列的输入、输出光波导没有预先串接连成一根光波导，给第四步增加了额外难度。同一输入光波导的对应不同波长的1×(N+L)光开关阵列的序号相同的输入、输出光波导没有互相串接，是因为每个1×(N+L)光开关阵列，除第一级外，从缩小尺寸和降低损耗方面考虑，后续各级往往采用的是基于方向耦合器的光开关，它们没有波长选择性，这样，当某一波长的光波被与之对应的1×(N+L)光开关阵列输送到某一预定输出光波导输出后，可能在与之相连的后续1×(N+L)光开关阵列中进一步被误操作，传给后续输出光波导。为了使得同一输入光波导的对应不同波长的1×(N+L)光开关阵列的序号相同的输入、输出光波导能够互相串接，不被误操作，即保证某一波长的光波只被与之对应的1×(N+L)光开关阵列操作，而不被其他后续1×(N+L)光开关阵列操作，应该在这些1×(N+L)光开关的相应级或全部各级采用波长分辨率高的基于阵列波导干涉器和/或基于波长选择器的光开关。另外为了减小损耗，甚至实现光放大，可以设置多根缓冲光波导，即每隔数根输出光波导就设置一根缓冲光波导，这些缓冲光波导外接具有光增益功能的光纤，并通入正向或反向泵浦光，这样就可实现光放大，由于缓冲光波导与这些光纤形成环行通道，光波在这些环行通道中每转一圈就实现一次特定长度的延迟。

本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：

本发明所涉及的适于全光网络的M×N×K光开关阵列，波长分辨率高，集成度高，可用一块芯片对M个输入光波导和N个输出光波导中的K个波长光波实现全光路由，并具有光缓存和光增益功能。

附图说明

图1为本发明在包括4根输入光波导、4根输出光波导，每个输入光波导中有4个波长光波，且所有输入光波导的对应不同波长的1×(4+1)光开关阵列的第一级采用波长选择器，后续级采用方向耦合器，单根缓冲光波导直接在基片上形成环行通道时，所形成的4×4×4光开关阵列的实施例示意图。

图2为本发明在包括4根输入光波导、4根输出光波导，每个输入光波导中有4个波长光波，且所有输入光波导的对应不同波长的1×(4+1)光开关阵列的所有各级都采用波长选择器，单根缓冲光波导通过外接一定长度光纤形成环行通道时，所形成的4×4×4光开关阵列的实施例示意图。其中图2A为对应第i个输入光波导中的第j个波长光波的1×(4+1)光开关阵列及其外接光纤与泵浦光输入通道的详细示意图。

具体实施方式

在图1中，In1至In4为输入光波导，其中In2和In3未画出，Out1至Out4为器件的总输出光波导，In1至In4的每个输入光波导有λ1、λ2、λ3和λ4四个不同波长的光信道。U11为对应第一根输入光波导In1中波长为λ1的光波的1×(4+1)光开关阵列，它由S1、S2、S3、S4和S5五级光开关组成，U11的第一级S1采用基于波长选择器的光开关，它把波长为λ1的光波从第一根输入光波导In1中取出来，U11的后续4级，即S2至S5，采用基于方向耦合器的光开关。U11中的各级光开关互相串接，即序号为j的光开关Sj的输出光波导直接连到序号为j+1的光开关Sj+1的输入光波导。这样如果前j级光开关皆处于开状态，而第j+1级光开关处于关状态，则被第一级光开关S1取出的波长为λ1的光波会一级、一级往下传，一直传到第j级，此时由于第j+1级光开关Sj+1关闭，该光波就不会被Sj+1取走，因此会从第j根光波导输出，这第j根光波导可能是4根输出光波导中的某一根，也可能是缓冲光波导，这取决于它们的排列顺序，在图1中单根缓冲光波导，即第一级光开关S1的输出光波导排列在最前，而光开关S2至S5的4根输出光波导依次排列在后。同时单根缓冲光波导直接在基片上形成环型通道D11。在U11中设置缓冲环型通道D11的目的是存在这样一种情况，即输入光波导In2至In4中波长同样为λ1的光波在同一时刻也需要从器件的同一输出端口输出，这时只能让它们其中一个进入输出光波导，而其它的需进入各自的缓冲光波导分别等待不同的时间。由于U11的缓冲光波导直接在基片上形成一个环行通道D11，只要紧邻的下一级光开关S2不打开，光波就会在环型通道D11中转圈，每转一圈，就产生一段固定时延。当下一级光开关S2打开后，环型通道中的光波就会被下一级光开关取走，继续往下传，直到到达预定输出光波导。环行通道D11中的纵向光波导由于与输入光波导垂直交叉，因此制作在另外一层光波导中，用点线表示，D11中的纵向光波导和横向光波导之间的连接采用方向耦合器连接，即它们在一定长度内上下对准排列，该长度保证对波长为λ1的光波实现近似100％的耦合连接。

进一步采用与U11类似结构，为第一根输入光波导In1中其他波长分别为λ2、λ3和λ4的光波分别设置1×(4+1)光开关阵列U12、U13和U14，图1中除U11外，还画出了U14。再进一步，与上述两步类似，为输入光波导In2、In3和In4中的波长分别为λ1、λ2、λ3和λ4的光波分别设置1×(4+1)光开关阵列，图1中画出了U41和U44。在图1中Uij和Dij分别表示对应第i个输入光波导中的波长为λj的光波的1×(4+1)光开关阵列及其缓冲光波导环行通道。

然后，把对应所有输入光波导中的波长为λ1的光波的1×(4+1)光开关阵列的相同序号的输出光波导通过圆弧型光波导实现90度转弯后，分别直接连接到器件的总输出光波导Out1、Out2、Out3和Out4，途中不再经过对应于任何输入光波导中的任何波长的1×(N+L)光开关阵列，以免造成误操作。由于列向光波导可能与横向光波导垂直交叉，为了避免它们之间互相串扰，把所有列向光波导制作在另外的光波导层，图1中用点线表示制作在其他层的光波导。同样两层光波导之间通过类似方向耦合器的方式耦合连接。最后把对应其他波长分别为λ2、λ3、和λ4的光波的1×(4+1)光开关阵列的相同序号的输出光波导做类似处理，即把它们也分别直接连接到器件的总输出光波导Out1、Out2、Out3和Out4，这样就构成了一个完整的可以实现全光路由的4×4×4光开关阵列。

在图2中，In1至In4为输入光波导，其中In2和In3未画出，Out1至Out4为器件的总输出光波导，In1至In4的每个输入光波导有λ1、λ2、λ3和λ4四个不同波长的光信道。Uij为对应第i个输入光波导Ini中波长为λj的光波的1×(4+1)光开关阵列，与图1中实施例不同的是，1×(4+1)光开关阵列Uij的所有各级全部采用工作波长为λj的基于波长选择器的光开关，它只把波长为λj的光波从输入光波导中取出来，对其他波长基本无影响，因此同一输入光波导的对应所有不同波长光波的1×(4+1)光开关阵列的相同序号的输出光波导可以先互相串接成一根光波导，然后分别通过圆弧型光波导实现90度转弯后与处于基片W1两侧的器件的器件的总输出光波导Out1、Out3和Out2、Out4相连，这样大大简化器件结构。与图1中实施例一样，在图2中也用点线表示制作在其他层的列向光波导。在图2中，同一输入光波导的对应所有不同波长光波的1×(4+1)光开关阵列的缓冲光波导互相串接成一根光波导，并通过外接一段具有光增益功能的光纤的方式组成环行通道，需要缓冲延时的光波λDelay送入光纤中转一圈后再回到同一缓冲光波导，图2中未详细画出，另见图2A，图2A是图2中单个Uij的放大图。从图2A可以看出，Uij还包含一个泵浦光输入光波导Pλi，它把泵浦光λP通过Y型结输入缓冲光波导Di，再送入具有光增益功能的光纤Fi，对其进行正向泵浦激励。采用正向泵浦光激励的好处是避免波长为λj的信号光反向进入反向泵浦光输入通道与缓冲光波导的Y型结，造成额外损耗。在图2中所有光波导和所有1×(4+1)光开关阵列制作在基片W1上。

Claims (9)

1.一种适于全光网络的M×N×K光开关阵列，它包括M根输入光波导，N根输出光波导，每根输入光波导中包含同样的K个不同波长的光波传输信道，对应于M根输入光波导中的每一根输入光波导中的每一个波长的光波传输信道都有一个工作波长与之相同的1×(N+L)光开关阵列，该开关阵列中N级光开关与输出光波导相连，L级光开关与缓冲光波导相连，该开关阵列的第一级采用基于阵列波导干涉器或波长选择器的光开关，所采用的基于阵列波导干涉器或波长选择器的光开关的波长分辨率足够高，应该保证能够在不影响其他波长光波的条件下单独把该波长光波从输入光波导中分离出来，该光开关阵列的后续各级采用具有同样工作波长的基于阵列波导干涉器和/或波长选择器和/或方向耦合器和/或波导型Mach-Zehnder干涉器的光开关，所有这些光开关可以彼此独立地开或关，上一级光开关的输出光波导与下一级光开关的输入光波导直接连通，使得由第一级光开关分离出的某一波长光波可以逐级输送到N根输出光波导中的任一根，或输送到L根缓冲光波导中的任一根，所有缓冲光波导分别直接在基片上形成环型通道，或者分别通过外接一段一定长度的光纤的方式形成环型通道；

对应于同一根输入光波导中的不同波长的1×(N+L)光开关阵列沿该输入光波导长度方向依次排列；

对应于所有不同输入光波导中的所有不同波长的1×(N+L)光开关阵列的所有序号相同的输出光波导连接到器件的序号相同的输出端口，途中不再经过对应于任何输入光波导中的任何波长的1×(N+L)光开关阵列；

上述所有光波导和光开关阵列制作在同一块基片上或分别制作在两块平面基片上后再对准贴合成一个整体。

2.根据权利要求1所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列，其特征在于，对应于每个输入光波导中的每个波长的1×(N+L)光开关阵列的第一级始终处于常开状态。

3.根据权利要求1所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列，其特征在于，对应于每个输入光波导中的每个波长的1×(N+L)光开关阵列的所有各级全部或部分采用基于阵列波导干涉器或波长选择器的光开关，所采用的基于阵列波导干涉器或波长选择器的光开关的波长分辨波应该足够高，能够保证在不影响其他波长光波的条件下单独把该波长光波从上一级输出光波导中分离出来；对应于同一输入光波导中的不同波长的1×(N+L)光开关阵列的相同序号的已经采用基于阵列波导干涉器或波长选择器的光开关的那一级光开关的输入光波导互相串接。

4.根据权利要求1所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列，其特征在于，对应于每个输入光波导中的每个波长的1×(N+L)光开关阵列的L个缓冲光波导，当它们通过外接一段光纤方式形成环型通道时，所外接的一定长度的光纤可以全部或部分采用具有光增益功能的光纤，并采用正向和/或反向方式输入泵浦光。

5.根据权利要求1所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列，其特征在于，所有光波导和光开关阵列制作在一块或两块平面基片的同一光波导层平面或不同的光波导层平面。

6.根据权利要求5所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列，其特征在于，任意两根需要交叉的光波导分别制作在两个不同的光波导层平面。

7.一种适于全光网络的M×N×K光开关阵列的方法，它包括四个步骤，第一步，通过对应于第一根输入光波导中的第一个波长光波的工作波长与之相同的1×(N+L)光开关阵列，在不影响其他波长光波的条件下单独把第一个波长光波从第一根输入光波导中分离出来，并一级一级地传给该1×(N+L)光开关阵列的后续各级，如果预定传给后续某一级，则打开该级及前面所有各级光开关，同时关闭下一级光开关；第二步，类似第一步，把第一根输入光波导中剩下的各个波长光波通过工作波长与之相同的1×(N+L)光开关阵列分别从第一根输入光波导中分离出来，并传给各自预定的某一级；第三步，类似第一步和第二步，把所有剩下输入光波导中的所有波长光波通过工作波长与之相同的1×(N+L)光开关阵列分别从相应的输入光波导中分离出来，并传给各自预定的某一级；上述三步可同时进行；第四步，把从所有不同输入光波导的所有不同波长的1×(N+L)光开关阵列的所有序号相同的光开关输出的光波送到器件的序号相同的输出端口输出。

8.根据权利要求7所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列的方法，其特征在于，如果不同输入光波导中的波长相同的光波需要同时从器件的同一输出端口输出，则只把其中一个送到该输出端口，把其他光波分别送入各自的缓冲环型通道分别延迟一段时间；如果该缓冲环型通道通过外接一段一定长度具有光增益功能的光纤的方式构成，则可把泵浦光耦合送入该光纤，在缓冲延时的同时进行光放大。

9.根据权利要求7所述的适于全光网络的M×N×K光开关阵列的方法，其特征在于，如果对应于同一根输入光波导中的所有不同波长的1×(N+L)光开关阵列其所有各级或序号相同的那一级采用了波长选择性高的光开关，并且这些级的光开关的输入光波导已经互相串接成一根光波导，则可让某一波长光波沿该根光波导传播，并依次通过后续与之相连的工作波长与之不同的1×(N+L)光开关阵列，最后与该根光波导中其他不同波长的光波一道从器件的同一序号的输出端口输出。

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