CN203965756U - 2×2全光路由器及其组成的n×n全光路由器 - Google Patents
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Abstract
一种2×2全光路由器及其组成的N×N全光路由器，包括若干偏振分束棱镜和若干电光晶体开关，每个偏振分束棱镜均设置有入射光口，其特征在于，每个偏振分束棱镜入射光口处均设置电光晶体开关，该电光晶体开关用于控制进入偏振分束棱镜入射光口的入射光束的偏振方向，从而通过偏振分束棱镜控制该光束的出射方向。本实用新型主要用于光通信网络中的光交换、光路由器件，可以快速有效的实现任意N×N端口的广义无阻塞连接，大大提高光通信网络中光路由的通信容量和响应速度。本实用新型中采用电光晶体开关实现光路选择，速度非常快，且具有极高的可靠性与稳定性。
Description
技术领域
本实用新型属于光通信技术领域，尤其涉及一种2×2全光路由器及其组成的N×N全光路由器。
背景技术
随着高速全光网络的发展，基于电子技术的网络方案缺点逐渐显现，由于受限于电子器件工作上限速率最大为40G，一般电子技术网络方案难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理，网络中还会出现带宽“瓶颈”。只有全光网络方案能提供高速、大容量的传输及处理能力，打破信息传输的“瓶颈”，可以在很长的时间内适应高速宽带业务的带宽需求。全光网络(全光通信网络)是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不需要经过光/电、电/光变换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内，因此，全光网络以其良好的透明性、兼容性和扩展性，成为下一代高速(超高速)宽带网络的首选。
目前机械式光开关主要为微机电型光开关，优点是插入损耗低，不受偏振和波长的影响，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有波导耦合型、声光调制型、液晶型、全息型、电光调制型等。其中非机械式光开关中波导耦合型响应速度较慢，不易实现三维互连；声光调制速度可达到微秒量级，但是不适合形成大型光交换矩阵，且损耗与波长有关；全息型光开关速度可达纳秒量级，但是制造工艺复杂。
先前技术[1](李志扬.适用于全光网络的M×N×K光开关阵列及其方法，发明专利，申请号:CN03127962.7.)所描述的光开关网络采用阵列波导干涉的方法。它能够在不影响其他波长的条件下单独把某一波长的光波从输入光波导中分离出来，并存在光缓存和光增益功能，但是阵列波导干涉的串扰较大，且速度较慢，不适合在高速、大容量的全光网络下应用。
先前技术[2](侯培培,宋哲,李旭东,张娟和刘立人.单块晶体集成的N×N纵横开关网络及其控制算法[J]，ACTAOPTICASINICA，2008,28(2).)中设计了一种单块晶体集成的N×N纵横开关(Crossbar)网络，可以实现任意输入输出通道之间的无阻塞连接。但是只能实现固定输入端与输出端的连接，不能实现全光路由中所需要的任意端口的无阻塞连接。
电光开关切换速度非常快，可达纳秒量级；由于纯固态结构，无活动部件， 其具有极高的可靠性与稳定性，方便拓展与集成，很容易组成多端口的光交换系统；另外还具有插入损耗低、串扰小、调制对比度高等特点，因此本实用新型利用LiNbO3晶体的电光效应和改进crossbar网络结构组成N×N全光路由器，可以有效匹配全光网络，实现高速、大容量的信息传输和处理。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型旨在提供一种能够匹配高速大容量全光网络的全光路由装置，能够实现任意N×N端口的同偏振光输出的网络互连，光路传输具有可逆性。系统有极高的可靠性与稳定性，方便拓展与集成，很容易组成多端口的光交换系统，另外还具有插入损耗低、串扰小、调制对比度高等特点。
技术方案：本实用新型中的2×2全光路由器包括若干偏振分束棱镜和若干电光晶体开关，每个偏振分束棱镜均设置有入射光口，每个偏振分束棱镜入射光口处均设置电光晶体开关，该电光晶体开关用于控制进入偏振分束棱镜入射光口的入射光束的偏振方向，从而通过偏振分束棱镜控制该光束的出射方向。
进一步地，所述若干偏振分束棱镜包括第一偏振分束棱镜(aI)、第二偏振分束棱镜(aII)、第三偏振分束棱镜(bI)、第四偏振分束棱镜(bII)、第五偏振分束棱镜(cI)、第六偏振分束棱镜(cII)、第七偏振分束棱镜(dI)、第八偏振分束棱镜(dII)；每个偏振分束棱镜均设置有入射光口、偏振反射光口和透射光口；其中，第一偏振分束棱镜(aI)的偏振反射光口与第二偏振分束棱镜(aII)的偏振反射光口相连通，第三偏振分束棱镜(bI)的偏振反射光口与第五偏振分束棱镜(cI)的偏振反射光口相连通，第五偏振分束棱镜(cI)的偏振反射光口与第六偏振分束棱镜(cII)的偏振反射光口相连通，第七偏振分束棱镜(dI)的偏振反射光口与第八偏振分束棱镜(dII)的偏振反射光口相连通；所述的2×2全光路由器还设置有第一光路输入/输出端、第二光路输入/输出端、第三光路输入/输出端和第四光路输入/输出端；第一偏振分束棱镜(aI)的入射光口与透射光口、第三偏振分束棱镜(bI)的入射光口与透射光口、第五偏振分束棱镜(cI)的透射光口和入射光口和第七偏振分束棱镜(dI)的透射光口和入射光口串联，该串联光路两端的光口分别为第一光路输入/输出端和第二光路输入/输出端；第二偏振分束棱镜(aII)的入射光口与透射光口、第四偏振分束棱镜(bII)的入射光口与透射光口、第六偏振分束棱镜(cII)的透射光口和入射光口和第八偏振分束棱镜(dII)的透射光口和入射光口串联，该串联光路两端的光口分别为第三光路输入/输出端和第四光路输入/输出端。
本实用新型中的电光晶体开关可以为铌酸锂晶体电光开关、磷酸二氢钾晶体 电光开关、磷酸二氘钾晶体电光开关或者钽酸锂晶体电光开关。
在本实用新型中，第一偏振分束棱镜的入射光口与透射光口、第三偏振分束棱镜的入射光口与透射光口、第五偏振分束棱镜的透射光口和入射光口和第七偏振分束棱镜的透射光口和入射光口串联指的是，第一偏振分束棱镜通过入射光口与透射光口、第三偏振分束棱镜通过入射光口与透射光口、第五偏振分束棱镜通过透射光口和入射光口和第七偏振分束棱镜通过透射光口和入射光口串联接入一个串联光路。这种串联只是描述了各个偏振分束棱镜的连接方向关系，各偏振分束棱镜并不一定是依次串联的连接关系。但是各偏振分束棱镜串联至光路中的极性方向必须严格遵守，亦即存在一个从光路一头到另一头的正方向，当通过第一偏振分束棱镜时，必须是先经过入射光口再到透射光口；当通过第三偏振分束棱镜时，必须是先经过入射光口再到透射光口；当通过第五偏振分束棱镜时，必须是先经过透射光口再到入射光口；当通过第七偏振分束棱镜时，必须是先经过透射光口再到入射光口。
对于第二偏振分束棱镜的入射光口与透射光口、第四偏振分束棱镜的入射光口与透射光口、第六偏振分束棱镜的透射光口和入射光口及第八偏振分束棱镜的透射光口和入射光口串联也遵循与上段类似的串联连接关系和极性连接关系。亦即存在沿着一个从光路一头到另一头的正方向，当通过第二偏振分束棱镜时，必须是先经过入射光口再到透射光口；当通过第四偏振分束棱镜时，必须是先经过入射光口再到透射光口；当通过第六偏振分束棱镜时，必须是先经过透射光口再到入射光口；当通过第八偏振分束棱镜时，必须是先经过透射光口再到入射光口。
具体各偏振分束棱镜各接口之间的连接可以通过设置各偏振分束棱镜的角度和位置关系使他们直接连接，也可以使用光纤等光导材料相互连接。
如前所述，因为各个偏振分数棱镜之间的连接次序并不重要，因此具体而言，有以下第一种实施方式。
适应该种实施方式的2×2全光路由器每个偏振分束棱镜的入射光口处还设置有电光晶体开关的一种具体设置方式为：包括设置在第一偏振分束棱镜入射口前的第一电光晶体开关，设置在第二偏振分束棱镜入射口前的第二电光晶体开关，设置在第三偏振分束棱镜入射光口与第一偏振分束棱镜透射光口之间的第三电光晶体开关，设置在第四偏振分束棱镜入射光口与第六偏振分束棱镜的入射光口之间的第五电光晶体开关，设置在第五偏振分束棱镜的入射光口与第七偏振分束棱镜透射光口之间的第五电光晶体开关，设置在第七偏振分束棱镜入射口前的第七电光晶体开关，设置在第八偏振分束棱镜入射口前的第六电光晶体开关。
如前所述，因为各个偏振分数棱镜之间的连接持续并不重要，因此具体而言， 有以下第二种实施方式。第一偏振分束棱镜的入射光口与透射光口、第三偏振分束棱镜的入射光口与透射光口、第五偏振分束棱镜的透射光口和入射光口和第七偏振分束棱镜的透射光口和入射光口之间串联的方式为：第七偏振分束棱镜的入射光口连接至第一偏振分束棱镜的入射光口，第一偏振分束棱镜的透射光口连接至第三偏振分束棱镜的入射光口，第三偏振分束棱镜的透射光口连接至第五偏振分束棱镜的透射光口；第二偏振分束棱镜的入射光口与透射光口、第四偏振分束棱镜的入射光口与透射光口、第六偏振分束棱镜的透射光口和入射光口和第八偏振分束棱镜的透射光口和入射光口的串联方式为：第八偏振分束棱镜的入射光口连接至第二偏振分束棱镜的入射光口，第二偏振分束棱镜的透射光口连接至第四偏振分束棱镜的透射光口，第四偏振分束棱镜的入射光口连接至第六偏振分束棱镜的入射光口。
适应该第二种实施方式的2×2全光路由器每个偏振分束棱镜的入射光口处还设置有电光晶体开关的另一种具体设置方式为：包括设置在第七偏振分束棱镜入射口与第一分偏振束棱镜入射口之间的第一电光晶体开关，设置在第八偏振分束棱镜入射口与第二偏振分束棱镜入射口之间的第二电光晶体开关，设置在第三偏振分束棱镜入射光口与第一偏振分束棱镜透射光口之间的第三电光晶体开关，设置在第四偏振分束棱镜入射光口与第六偏振分束棱镜的入射光口之间的第五电光晶体开关，设置在第五偏振分束棱镜的入射光口与第七偏振分束棱镜透射光口之间的第五电光晶体开关。
如此设置，可以较上一实施方式少使用两个电光晶体开关。
进一步地，当所述的电光晶体开关施加电压为零时，经过该电光晶体开关的出射光束与入射光束的偏振方向相同。
进一步地，当所述的电光晶体开关施加电压为零时，经过该电光晶体开关的出射光束与入射光束的偏振方向发生90°改变。
本实用新型还包括由上述的2×2全光路由器组成的N×N全光路由器，如图5所示，所述N为偶数，包括N2/2-N+1个所述的2×2全光路由器，依次编号为第i，j号2×2全光路由器i依次取遍1至N-1的所有正整数，当i取为奇数时，j依次取遍1至N/2的所有正整数，当i取为偶数时，j依次取遍1至N/2-1的所有正整数，其连接关系为：
1)当j取值为任意的1至N/2的正整数时，第1，j号2×2全光路由器连接至第1，j+1号2×2全光路由器，第N-1，j号2×2全光路由器连接至第N-1，j+1号2×2全光路由器；
2)当i取值为任意的1至N-1的偶数，j取值为任意的1至N/2-1的正整数时，第i，j号2×2全光路由器的四个端口分别连接至第i-1，j号2×2全光路由器、i-1，j+1号2×2全光路由器、第i+1，j号2×2全光路由器、第i+1，j+1号2×2全光路由器。
进一步地，所述N×N全光路由器还包括2N个N×N全光路由器光路输入/输出端，分别为当i取值为1至N-1任意奇数时，N/2个第i，1号2×2全光路由器的第一光路输入/输出端、N/2个第i，1号2×2全光路由器的第三光路输入/输出端、N/2个第i，N/2号2×2全光路由器的第二光路输入/输出端和N/2个第i，N/2号2×2全光路由器的第四光路输入/输出端。
本实用新型还包括由上述的2×2全光路由器组成的N×N全光路由器，如图6所示，所述N为奇数，包括(N2-N)/2个所述的2×2全光路由器，依次编号为第i，j号2×2全光路由器i依次取遍1至N-1的所有正整数，当i取为奇数时，j依次取遍1至(N+1)/2的所有正整数，当i取为偶数时，j依次取遍1至(N-1)/2的所有正整数，其连接关系为：
1)当j取值为任意的1至(N+1)/2的正整数时，第1，j号2×2全光路由器连接至第1，j+1号2×2全光路由器，第(N-1)/2，j号2×2全光路由器连接至第(N-1)/2，j+1号2×2全光路由器，第(N-1)/2，j号2×2全光路由器的两个端口分别连接至(N-3)/2，j号2×2全光路由器和(N-3)/2，j+1号2×2全光路由器；
2)当i取值为任意的1至N-3的偶数，j取值为任意的1至(N-1)/2的正整数时，第i，j号2×2全光路由器的四个端口分别连接至第i-1，j号2×2全光路由器、i-1，j+1号2×2全光路由器、第i+1，j号2×2全光路由器、第i+1，j+1号2×2全光路由器。
进一步地，所述N×N全光路由器还包括2N个N×N全光路由器光路输入/输出端，分别为当i取值为1至N-1任意奇数时，(N-1)/2个第i，1号2×2全光路由器的第一光路输入/输出端、(N-1)/2个第i，1号2×2全光路由器的第三光路输入/输出端、(N-1)/2个第i，(N+1)/2号2×2全光路由器的第二光路输入/输出端、(N-1)/2个第i，N/2号2×2全光路由器的第四光路输入/输出端、一个第N，1号全光路由器的第三光路输入/输出端和一个第N，(N+1)/2号全光路由器的第四光路输入/输出端。
电光晶体开关控制出射光束的偏振方向。比如典型的铌酸锂晶体电光开关的光轴c平行于入射光束方向，金属电极对称地加在铌酸锂晶体的两个相对侧面上，沿着铌酸锂晶体竖直方向施加横向半波电压Uπ。当铌酸锂晶体电光开关无外加电压时，出射光束与入射光束的偏振方向相同；当铌酸锂晶体电光开关施加半波电压时，出射光束与入射光束的偏振方向发生π的相位翻转(即由p光变为s光或者s光变为p光)。对于不同波长的入射光束，半波电压会随之发生改变，半波电压Uπ与入射波长λ之间满足关系：
其中d为竖直的晶体厚度，l为入射光束经过的晶体长度，γ22为铌酸锂晶体的电光系数，no为铌酸锂晶体的折射率。
偏振分束棱镜控制光束的出射方向：当入射光束为p光时，经过偏振分束棱镜后出射光束的方向不发生改变；当入射光束为s光时，经过偏振分束棱镜后出射光束的方向发生90°的改变。
偏振分光棱镜是在光学玻璃棱镜的体对角面上镀制多层介质膜,再将两块棱镜的分光面胶合起来,并在通光面上镀制增透膜,以降低光通过棱镜时的反射损耗。对于折射率不同的两种材料的交界面,可以找到一个入射角,使之满足布儒斯特角条件,在这样一个条件下,激光由棱镜左侧入射后,在右侧透射的光为p分量光(经过镀膜后使投射光中没有s分量)，在侧面反射的光为s分量光。偏振分束棱镜的膜系设计要求,必须选择折射率满足一定的关系的膜料和基底材料，使p光全透过,而s光全部反射。其中2×2全光路由器的第一、第三、第四、第八偏振分束棱镜与水平方向z轴正方向呈135°的夹角，第二、第五、第六、第七偏振分束棱镜与水平方向正方向呈45°的夹角。
有益效果：本实用新型主要用于光通信网络中的光交换、光路由器件，可以快速有效的实现任意N×N端口的广义无阻塞连接，大大提高光通信网络中光路由的通信容量和响应速度。本实用新型中采用电光晶体开关实现光路选择，速度非常快，且具有极高的可靠性与稳定性。本实用新型采用自由空间结构，方便拓展与集成，很容易组成多端口的光交换系统。本实用新型中采用的电光晶体开关数目少，插入损耗低、串扰小。传统的光开关网络只能实现固定输入到固定输出的任意端口连接，与传统的光开关网络相比，本实用新型可以实现任意N×N端口同偏振光输出的连接，光路传输具有可逆性，应用更为自由、广泛。
附图说明
图1是本实用新型中一种2×2全光路由器实施例的示意图；
图2是本实用新型中一种2×2全光路由器实施例的示意图；
图3是本实用新型中电光偏转分束示意图；
图4是本实用新型中由一种2×2全光路由装置组成的3×3全光路由器示意图；
图5为本实用新型一种2N端口N×N全光路由器的结构框图；
图6为本实用新型一种2N端口N×N全光路由器的结构框图。
具体实施方式
实施例1
本实施例中使用的电光晶体开关为铌酸锂晶体电光开关。或者使用磷酸二氢钾晶体电光开关、磷酸二氘钾晶体电光开关或钽酸锂晶体电光开关均不影响本实用新型的实现。
请参阅图1，图1是本实用新型的一种2N端口全光路由器中的子结构2×2全光路由器的结构示意图。由图可见，2×2全光路由器其构成包括：
每个2×2全光路由器由8个偏振分束棱镜和7个LiNbO3晶体电光开关构成，2×2全光路由器中的光路I从左往右依次为第一电光晶体开关1、第一偏振分束棱镜aI、第三电光晶体开关3、第三偏振分束棱镜bI、第五偏振分束棱镜cI、第五电光晶体开关5、第七偏振分束棱镜dI、第七电光晶体开关7；光路II从左往右依次为第二电光晶体开关2、第二偏振分束棱镜aII、第四偏振分束棱镜bII、第四电光晶体开关4、第六偏振分束棱镜cII、第八偏振分束棱镜dII、第六电光晶体开关6。
图3是本实用新型中电光偏转分束示意图。电光晶体开关控制出射光束的偏振方向。铌酸锂晶体的光轴c平行于z方向。金属电极对称地加在铌酸锂晶体平行于坐标面yz的两个相对侧面上，沿着铌酸锂晶体x方向施加横向半波电压Uπ。当电光晶体开关无外加电压时，出射光束与入射光束的偏振方向相同；当电光晶体开关施加半波电压时，出射光束与入射光束的偏振方向发生π的相位翻转(即由p光变为s光或者s光变为p光)。对于不同波长的入射光束，半波电压会随之发生改变，半波电压Uπ与入射波长λ之间满足关系：
其中d为x向的晶体厚度，l为z向的晶体长度，γ22为铌酸锂晶体的电光系数，no为铌酸锂晶体的折射率。
偏振分束棱镜控制光束的出射方向：当入射光束为p光时，经过偏振分束棱镜后出射光束的方向不发生改变；当入射光束为s光时，经过偏振分束棱镜后出射光束的方向发生90°的改变，如图3所示。
偏振分光棱镜是在光学玻璃棱镜的体对角面上镀制多层介质膜,再将两块棱镜的分光面胶合起来,并在通光面上镀制增透膜,以降低光通过棱镜时的反射损耗。对于折射率不同的两种材料的交界面,可以找到一个入射角,使之满足布儒斯特角条件,在这样一个条件下,激光由棱镜左侧入射后,在右侧透射的光为p分量光(经过镀膜后使投射光中没有s分量)，在侧面反射的光为s分量光。偏振分束棱镜的膜系设计要求,必须选择折射率满足一定的关系的膜料和基底材料，使p光全透过,而s光全部反射。其中aI，bI，bII，dII偏振分束棱镜与水平方向z轴正方向呈135°的夹角，aII，cI，cII，dI偏振分束棱镜与水平方向正方向呈45°的夹角。
本实施例的工作过程为：
N×N全光路由器的基本单元为2×2全光路由器，本实施例中2×2全光路由器由8个偏振分束棱镜和7个LiNbO3晶体电光开关构成。电光晶体开关控制出射光束的偏振方向，偏振分束棱镜控制光束的出射方向。对于不同的电光晶体开关的通断组合，预设输入光为p光，2×2全光路由器有以下三种光路可逆的连接方式：
1.I路左端到II路左端，I路右端到II路右端，则实施方式为第一电光晶体开关1、第二电光晶体开关2，第六电光晶体开关6、第七电光晶体开关7施加半波电压，其余电光开关上的电压为0。
2.I路左端到I路右端，II路左端到II路右端，则实施方式为所有电光开关上的电压为0。
3.I路左端到II路右端，II路左端到I路右端，则实施方式为第三电光晶体开关3、第四电光晶体开关4、第五电光晶体开关5施加半波电压，其余电光开关上的电压为0。
若预设输入光为s光，2×2全光路由器也有以下三种光路可逆的连接方式：
1.I路左端到II路左端，I路右端到II路右端，则实施方式为所有电光开关上的电压为0。
2.I路左端到I路右端，II路左端到II路右端，则实施方式为第一电光晶体开关1、第七电光晶体开关7，第二电光晶体开关2、第六电光晶体开关6施加半波电压，其余电光开关上的电压为0。
3.I路左端到II路右端，II路左端到I路右端，则实施方式为第一电光晶体开关1、第二电光晶体开关2、第三电光晶体开关3、第四电光晶体开关4、第五电光晶体开关5、第六电光晶体开关6、第七电光晶体开关7均施加半波电压。
无论预输入光为p光还是s光，上述三种连接方式光路反向传输效果一样，相应的电光开关工作状态相同。因此只要控制每个电光晶体开关的电压施加与否，即可实现每个2×2全光路由器的三种光路连接方式的转换，最终实现对于任意指定的N×N端口的光路互连。
实施例2
本实施例中使用的电光晶体开关为磷酸二氘钾晶体电光开关。
请参阅图2，图2是本实用新型的一种2N端口全光路由器中的子结构2×2全光路由器的结构示意图。由图可见，2×2全光路由器其构成包括：
每个2×2全光路由器由8个偏振分束棱镜和5个磷酸二氘钾晶体电光开关构成，2×2全光路由器中的光路I从左往右依次为第七偏振分束棱镜dI、第一电光晶体开关1、第一偏振分束棱镜aI、第三电光晶体开关3、第三偏振分束棱镜bI、第五偏振分束棱镜cI、第五电光晶体开关5；光路II从左往右依次为第八偏振分束棱镜dII、第二电光晶体开关2、第二偏振分束棱镜aII、第四偏振分束棱镜bII、第四电光晶体开关4、第六偏振分束棱镜cII。
本实施例的工作过程为：
N×N全光路由器的基本单元为2×2全光路由器，本实施例中2×2全光路由器由8个偏振分束棱镜和5个磷酸二氘钾晶体电光开关构成。电光晶体开关控制出射光束的偏振方向，偏振分束棱镜控制光束的出射方向。对于不同的电光晶体开关的通断组合，预设输入光为p光，2×2全光路由器有以下三种光路可逆的连接方式：
1.I路左端到II路左端，I路右端到II路右端，则实施方式为第一电光晶体开关1和第二电光晶体开关2施加半波电压，其余电光开关上的电压为0。
2.I路左端到I路右端，II路左端到II路右端，则实施方式为所有电光开关上的电压为0。
3.I路左端到II路右端，II路左端到I路右端，则实施方式为第三电光晶体开关3、第四电光晶体开关4、第五电光晶体开关5施加半波电压，其余电光开关上的电压为0。
上述三种连接方式光路反向传输效果一样，相应的电光开关工作状态相同。因此只要控制每个电光晶体开关的电压施加与否，即可实现每个2×2全光路由器的三种光路连接方式的转换，最终实现对于任意指定的N×N端口的光路互连。
实施例3
本实施例中使用的电光晶体开关为铌酸锂晶体电光开关。
下面以实现任意3×3端口的光路互连的全光路由器的实施例对本实用新型做详细分析说明：
本实施例中指定A到C端口，B到F端口，E到D端口的光路互连，具体参考图4，任意3×3光路互连的全光路由器示意图。
当A端口输入信号光(预设为p光)时，经过1号电光晶体开关无施加电压，入射到aI偏振分束棱镜发生透射，出射光到3号电光晶体开关施加半波电压变为s光，到bI，bII偏振分束棱镜发生发射，进入施加半波电压的4号电光晶体开关变为p光，然后依次经过cII偏振分束棱镜、dII偏振分束棱镜、无施加电压的6号电光晶体开关、M1反射镜、无施加电压的14号电光晶体开关、hI偏振分束棱镜、无施加电压的12号电光晶体开关、gI偏振分束棱镜、fI偏振分束棱镜、无施加电压的10号电光晶体开关、eI偏振分束棱镜、无施加电压的8号电光晶体开关、M3反射镜进入到C端口；
当B端口输入信号光(预设为p光)时，经过2号电光晶体开关无施加电压，入射到aII偏振分束棱镜、bII偏振分束棱镜发生透射，出射光到4号电光晶体开关施加半波电压变为s光，到cI，cII偏振分束棱镜发生发射，进入施加半波电压的5号电光晶体开关变为p光，然后依次经过dI偏振分束棱镜、无施加电压的7号电光晶体开关、无施加电压的20号电光晶体开关、iII偏振分束棱镜、jII偏振分 束棱镜、无施加电压的18号电光晶体开关、kII偏振分束棱镜、lII偏振分束棱镜、无施加电压的16号电光晶体开关进入到F端口；
当E端口输入信号光(预设为p光)时，依次经过无施加电压的15号电光晶体开关、lI偏振分束棱镜、无施加电压的17号电光晶体开关、kI偏振分束棱镜、jI偏振分束棱镜、无施加电压的19号电光晶体开关、iI偏振分束棱镜、无施加电压的21号电光晶体开关、M2反射镜、无施加电压的13号电光晶体开关、hII偏振分束棱镜、gII偏振分束棱镜、无施加电压的11号电光晶体开关、fII偏振分束棱镜、eII偏振分束棱镜、无施加电压的9号电光晶体开关、M4反射镜进入到D端口。具体各端口的光路互联所对应的各电光开光状态如下表所示：
| 光路选择 | 1-7号电光开光 | 8-14号电光开光 | 15-21号电光开光 |
| A→C,B→F,E→D | 0011100 | 0000000 | 0000000 |
表中“1”代表对应电光开光施加半波电压，“0”代表电光开关不施加电压。实际上该结构具有光路可逆性，对于上述逆过程，相应的电光开光工作状态相同，如下表所示：
| 光路选择 | 1-7号电光开光 | 8-14号电光开光 | 15-21号电光开光 |
| C→A,F→B,D→E | 0011100 | 0000000 | 0000000 |
实现任意3×3端口的光路互连的电光晶体开关的任意端口光路可逆互联的各电光晶体开关对应状态如下表所示：
实际应用中电光开关的通断选择可以通过相应算法或查表决定。
所述的电光晶体开关、偏振分束棱镜均为成熟产品或技术，可以购买或委托制造。
实施例4
本实施例为2×2全光路由器组成的N×N全光路由器，如图5所示，所述N为偶数，包括N2/2-N+1个所述的2×2全光路由器，依次编号为第i，j号2×2全光路由器i依次取遍1至N-1的所有正整数，当i取为奇数时，j依次取遍1至N/2的所有正整数，当i取为偶数时，j依次取遍1至N/2-1的所有正整数，其连接关系为：
1)当j取值为任意的1至N/2的正整数时，第1，j号2×2全光路由器连接至第1，j+1号2×2全光路由器，第N-1，j号2×2全光路由器连接至第N-1，j+1号2×2全光路由器；
2)当i取值为任意的1至N-1的偶数，j取值为任意的1至N/2-1的正整数时，第i，j号2×2全光路由器的四个端口分别连接至第i-1，j号2×2全光路由器、i-1，j+1号2×2全光路由器、第i+1，j号2×2全光路由器、第i+1，j+1号2×2全光路由器。
所述N×N全光路由器还包括2N个N×N全光路由器光路输入/输出端，分别为当i取值为1至N-1任意奇数时，N/2个第i，1号2×2全光路由器的第一光路输入/输出端、N/2个第i，1号2×2全光路由器的第三光路输入/输出端、N/2个第i，N/2号2×2全光路由器的第二光路输入/输出端和N/2个第i，N/2号2×2全光路由器的第四光路输入/输出端。
当N较大时，为了得到任意端口光路可逆互联的各电光晶体开关对应状态对应表，采用如下步骤：
1)取遍所有各个电光晶体开关的可能组合(从二进制数0000……0000到1111……1111取遍，该二进制数的位数为该N×N全光路由器的电光晶体开光数)，并记录该组合和采用该组合时，各个端口光路可逆互联情况；
2)将步骤1)得到的数据，分类整理各个端口光路可逆互联情况相对应的电光晶体开关开关状态，得到任意端口光路可逆互联的各电光晶体开关对应状态对应表。
实施例5
本实施例为2×2全光路由器组成的N×N全光路由器，如图6所示，所述N为奇数，包括(N2-N)/2个所述的2×2全光路由器，依次编号为第i，j号2×2全光路由器i依次取遍1至N-1的所有正整数，当i取为奇数时，j依次取遍1至(N+1)/2的所有正整数，当i取为偶数时，j依次取遍1至(N-1)/2的所有正整数，其连接关系为：
1)当j取值为任意的1至(N+1)/2的正整数时，第1，j号2×2全光路由器连接至第1，j+1号2×2全光路由器，第(N-1)/2，j号2×2全光路由器连接至第(N-1)/2，j+1号2×2全光路由器，第(N-1)/2，j号2×2全光路由器的两个端口分别连接至(N-3)/2，j号2×2全光路由器和(N-3)/2，j+1号2×2全光路由器；
2)当i取值为任意的1至N-3的偶数，j取值为任意的1至(N-1)/2的正整数时，第i，j号2×2全光路由器的四个端口分别连接至第i-1，j号2×2全光路由器、i-1，j+1号2×2全光路由器、第i+1，j号2×2全光路由器、第i+1，j+1号2×2全光路由器。
所述N×N全光路由器还包括2N个N×N全光路由器光路输入/输出端，分别为当i取值为1至N-1任意奇数时，(N-1)/2个第i，1号2×2全光路由器的第一光路输入/输出端、(N-1)/2个第i，1号2×2全光路由器的第三光路输入/输出端、(N-1)/2个第i，(N+1)/2号2×2全光路由器的第二光路输入/输出端、(N-1)/2个第i，N/2号2×2全光路由器的第四光路输入/输出端、一个第N，1号全光路由器的第三光路输入/输出端和一个第N，(N+1)/2号全光路由器的第四光路输入/输出端。
当N较大时，为了得到任意端口光路可逆互联的各电光晶体开关对应状态对应表，采用如下步骤：
1)取遍所有各个电光晶体开关的可能组合(从二进制数0000……0000到1111……1111取遍，该二进制数的位数为该N×N全光路由器的电光晶体开光 数)，并记录该组合和采用该组合时，各个端口光路可逆互联情况；
2)将步骤1)得到的数据，分类整理各个端口光路可逆互联情况相对应的电光晶体开关开关状态，得到任意端口光路可逆互联的各电光晶体开关对应状态对应表。
Claims (13)
1.一种2×2全光路由器，包括若干偏振分束棱镜和若干电光晶体开关，每个偏振分束棱镜均设置有入射光口，其特征在于，每个偏振分束棱镜入射光口处均设置电光晶体开关，该电光晶体开关用于控制进入偏振分束棱镜入射光口的入射光束的偏振方向，从而通过偏振分束棱镜控制该光束的出射方向。
2.根据权利要求1所述的2×2全光路由器，其特征在于，所述若干偏振分束棱镜包括第一偏振分束棱镜(aI)、第二偏振分束棱镜(aII)、第三偏振分束棱镜(bI)、第四偏振分束棱镜(bII)、第五偏振分束棱镜(cI)、第六偏振分束棱镜(cII)、第七偏振分束棱镜(dI)、第八偏振分束棱镜(dII)；每个偏振分束棱镜均设置有入射光口、偏振反射光口和透射光口；其中，第一偏振分束棱镜(aI)的偏振反射光口与第二偏振分束棱镜(aII)的偏振反射光口相连通，第三偏振分束棱镜(bI)的偏振反射光口与第五偏振分束棱镜(cI)的偏振反射光口相连通，第五偏振分束棱镜(cI)的偏振反射光口与第六偏振分束棱镜(cII)的偏振反射光口相连通，第七偏振分束棱镜(dI)的偏振反射光口与第八偏振分束棱镜(dII)的偏振反射光口相连通；所述的2×2全光路由器还设置有第一光路输入/输出端、第二光路输入/输出端、第三光路输入/输出端和第四光路输入/输出端；第一偏振分束棱镜(aI)的入射光口与透射光口、第三偏振分束棱镜(bI)的入射光口与透射光口、第五偏振分束棱镜(cI)的透射光口和入射光口和第七偏振分束棱镜(dI)的透射光口和入射光口串联，该串联光路两端的光口分别为第一光路输入/输出端和第二光路输入/输出端；第二偏振分束棱镜(aII)的入射光口与透射光口、第四偏振分束棱镜(bII)的入射光口与透射光口、第六偏振分束棱镜(cII)的透射光口和入射光口和第八偏振分束棱镜(dII)的透射光口和入射光口串联，该串联光路两端的光口分别为第三光路输入/输出端和第四光路输入/输出端。
3.根据权利要求2所述的2×2全光路由器，其特征在于，第一偏振分束棱镜(aI)的入射光口与透射光口、第三偏振分束棱镜(bI)的入射光口与透射光口、第五偏振分束棱镜(cI)的透射光口和入射光口和第七偏振分束棱镜(dI)的透射光口和入射光口之间串联的方式为：第一偏振分束棱镜(aI)的透射光口连接至第三偏振分束棱镜(bI)的入射光口，第三偏振分束棱镜(bI)的透射光口连接至第五偏振分束棱镜(cI)的透射光口，第五振分束棱镜的入射光口连接 至第七振分束棱镜的透射光口；第二偏振分束棱镜(aII)的入射光口与透射光口、第四偏振分束棱镜(bII)的入射光口与透射光口、第六偏振分束棱镜(cII)的透射光口和入射光口和第八偏振分束棱镜(dII)的透射光口和入射光口的串联方式为：第二偏振分束棱镜(aII)的透射光口连接至第四偏振分束棱镜(bII)的透射光口，第四偏振分束棱镜(bII)的入射光口连接至第六偏振分束棱镜(cII)的入射光口，第六偏振分束棱镜(cII)的透射光口连接至第八偏振分束棱镜(dII)的透射光口。
4.根据权利要求3所述的2×2全光路由器，其特征在于，所述2×2全光路由器每个偏振分束棱镜的入射光口处还设置有电光晶体开关的设置方式为：包括设置在第一偏振分束棱镜(aI)入射口前的第一电光晶体开关(1)，设置在第二偏振分束棱镜(aII)入射口前的第二电光晶体开关(2)，设置在第三偏振分束棱镜(bI)入射光口与第一偏振分束棱镜(aI)透射光口之间的第三电光晶体开关(3)，设置在第四偏振分束棱镜(bII)入射光口与第六偏振分束棱镜(cII)的入射光口之间的第四电光晶体开关(4)，设置在第五偏振分束棱镜(cI)的入射光口与第七偏振分束棱镜(dI)透射光口之间的第五电光晶体开关(5)，设置在第七偏振分束棱镜(dI)入射口前的第七电光晶体开关(7)，设置在第八偏振分束棱镜(dII)入射口前的第六电光晶体开关(6)。
5.根据权利要求2所述的2×2全光路由器，其特征在于，第一偏振分束棱镜(aI)的入射光口与透射光口、第三偏振分束棱镜(bI)的入射光口与透射光口、第五偏振分束棱镜(cI)的透射光口和入射光口和第七偏振分束棱镜(dI)的透射光口和入射光口之间串联的方式为：第七偏振分束棱镜(dI)的入射光口连接至第一偏振分束棱镜(aI)的入射光口，第一偏振分束棱镜(aI)的透射光口连接至第三偏振分束棱镜(bI)的入射光口，第三偏振分束棱镜(bI)的透射光口连接至第五偏振分束棱镜(cI)的透射光口；第二偏振分束棱镜(aII)的入射光口与透射光口、第四偏振分束棱镜(bII)的入射光口与透射光口、第六偏振分束棱镜(cII)的透射光口和入射光口和第八偏振分束棱镜(dII)的透射光口和入射光口的串联方式为：第八偏振分束棱镜(dII)的入射光口连接至第二偏振分束棱镜(aII)的入射光口，第二偏振分束棱镜(aII)的透射光口连接至第四偏振分束棱镜(bII)的透射光口，第四偏振分束棱镜(bII)的入射光口连 接至第六偏振分束棱镜(cII)的入射光口。
6.根据权利要求5所述的2×2全光路由器，其特征在于，所述2×2全光路由器每个偏振分束棱镜的入射光口处还设置有电光晶体开关的设置方式为：包括设置在第七偏振分束棱镜(dI)入射口与第一分偏振束棱镜入射口之间的第一电光晶体开关(1)，设置在第八偏振分束棱镜(dII)入射口与第二偏振分束棱镜(aII)入射口之间的第二电光晶体开关(2)，设置在第三偏振分束棱镜(bI)入射光口与第一偏振分束棱镜(aI)透射光口之间的第三电光晶体开关(3)，设置在第四偏振分束棱镜(bII)入射光口与第六偏振分束棱镜(cII)的入射光口之间的第四电光晶体开关(4)，设置在第五偏振分束棱镜(cI)的入射光口与第七偏振分束棱镜(dI)透射光口之间的第五电光晶体开关(5)。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的2×2全光路由器，其特征在于，当所述的电光晶体开关施加电压为零时，经过该电光晶体开关的出射光束与入射光束的偏振方向相同。
8.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的2×2全光路由器，其特征在于，当所述的电光晶体开关施加相应的半波电压时，经过该电光晶体开关的出射光束与入射光束的偏振方向发生90°改变。
9.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的2×2全光路由器，其特征在于，所述的电光晶体开关为铌酸锂晶体电光开关、磷酸二氢钾晶体电光开关、磷酸二氘钾晶体电光开关或者钽酸锂晶体电光开关。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的2×2全光路由器组成的N×N全光路由器，其特征在于，所述N为偶数，包括N2/2-N+1个所述的2×2全光路由器，依次编号为第i，j号2×2全光路由器i依次取遍1至N-1的所有正整数，当i取为奇数时，j依次取遍1至N/2的所有正整数，当i取为偶数时，j依次取遍1至N/2-1的所有正整数，其连接关系为：
1)当j取值为任意的1至N/2的正整数时，第1，j号2×2全光路由器连接至第1，j+1号2×2全光路由器，第N-1，j号2×2全光路由器连接至第N-1，j+1号2×2全光路由器；
2)当i取值为任意的1至N-1的偶数，j取值为任意的1至N/2-1的正整数 时，第i，j号2×2全光路由器的四个端口分别连接至第i-1，j号2×2全光路由器、i-1，j+1号2×2全光路由器、第i+1，j号2×2全光路由器、第i+1，j+1号2×2全光路由器。
11.根据权利要求10所述的N×N全光路由器，其特征在于，所述N×N全光路由器还包括2N个N×N全光路由器光路输入/输出端，分别为当i取值为1至N-1任意奇数时，N/2个第i，1号2×2全光路由器的第一光路输入/输出端、N/2个第i，1号2×2全光路由器的第三光路输入/输出端、N/2个第i，N/2号2×2全光路由器的第二光路输入/输出端和N/2个第i，N/2号2×2全光路由器的第四光路输入/输出端。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的2×2全光路由器组成的N×N全光路由器，其特征在于，所述N为奇数，包括(N2-N)/2个所述的2×2全光路由器，依次编号为第i，j号2×2全光路由器i依次取遍1至N-1的所有正整数，当i取为奇数时，j依次取遍1至(N+1)/2的所有正整数，当i取为偶数时，j依次取遍1至(N-1)/2的所有正整数，其连接关系为：
1)当j取值为任意的1至(N+1)/2的正整数时，第1，j号2×2全光路由器连接至第1，j+1号2×2全光路由器，第(N-1)/2，j号2×2全光路由器连接至第(N-1)/2，j+1号2×2全光路由器，第(N-1)/2，j号2×2全光路由器的两个端口分别连接至(N-3)/2，j号2×2全光路由器和(N-3)/2，j+1号2×2全光路由器；
2)当i取值为任意的1至N-3的偶数，j取值为任意的1至(N-1)/2的正整数时，第i，j号2×2全光路由器的四个端口分别连接至第i-1，j号2×2全光路由器、i-1，j+1号2×2全光路由器、第i+1，j号2×2全光路由器、第i+1，j+1号2×2全光路由器。
13.根据权利要求12所述的N×N全光路由器，其特征在于，所述N×N全光路由器还包括2N个N×N全光路由器光路输入/输出端，分别为当i取值为1至N-1任意奇数时，(N-1)/2个第i，1号2×2全光路由器的第一光路输入/输出端、(N-1)/2个第i，1号2×2全光路由器的第三光路输入/输出端、(N-1)/2个第i，(N+1)/2号2×2全光路由器的第二光路输入/输出端、(N-1)/2个第i，N/2号2×2全光路由器的第四光路输入/输出端、一个第N，1号全光路由器的第三光路输入/输出端和一个第N，(N+1)/2号全光路由器的第四光路输入/ 输出端。
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