CN2655281Y - 单块晶体集成的自由空间型纵横网络 - Google Patents

Abstract

一种单块晶体集成的自由空间型纵横网络，包括一块平行六面体晶体，在该晶体的光束输入面设有N(N≥3)路输入光路，光束输出面设有N路输出光路，每路输入光路上依次有输入光纤、准直器、起偏器；每路输出光路上有聚焦透镜、输出光纤，其特征在于在该晶体的第一电极面和第二电极面上集成了所有电极对，每对电极对相互平行，且电极的长度方向沿晶体的光轴方向，所有的电极对分为m级开关级，每一开关级中的电极对等距，距离为D，两个相邻开关级间的距离是ΔL。本实用新型将所有的光开关都集成在一块晶体上，并能实现N路输入和N路输出的Crossbar互连。本实用新型具有结构简单可靠、不易受环境影响、抗干扰能力强、插入损耗小、信噪比高和开关速度快等优点。

Description

单块晶体集成的自由空间型纵横网络

技术领域：

本实用新型涉及光学互连网络，特别是一种单块晶体集成的自由空间型纵横(Crossbar)网络，是一种最简单的光学互连网络，应用于通信网、光计算及其它并行处理系统等领域。

背景技术：

互连网络作为通信网、多处理机系统及其它并行处理结构的重要组成部分被大量研究，人们根据不同需要提出了各种有效的互连方式，如Shuffle网络，Butterfly网络，Crossbar网络，Omega网络，Banyan网络等，其中Crossbar网络是最简单最容易实现的。由于光学具有高度并行、大容量、高带宽等优点，人们正致力于用光学互连网络来代替传统的电子互连网络。Crossbar网络的实现，可以用集成光学的方法，也可以用自由空间光学即几何光学或物理光学的方法。

在先技术[1](参见JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，Masatyji Okuno，Kuniharu Kato，Ryo Nagase，Akira Himeno，Yasuji Ohmori，and Masao Kawachi，Silica-based 8×8 optical matrix switch integrating new switching units with largefabrication tolerance，Vol.17，No.5，1999，pp771-781.)是一种波导型Crossbar网络，它是利用集成光学将所有器件集成在一个衬底上。这种实现方式光被束缚在波导中，大大限制了网络的容量，而且速度较慢，在毫秒量级。

在先技术[2](参见OPTIK，W.stork，Optical crossbar，Vol.76，No.4，1987，pp173-175.)是由多个光束偏转器和透镜来实现的，其中每个光束偏转器又是由多个Wollaston棱镜和可控半波片组成。这种Crossbar网络分立元件较多，光束损耗较大，不易安装校准。

在先技术[3](参见APPLED OPTICS，Nadav Cohen，David Mendlovic，BruceLeibner，and Naim Konforti，Compact polarization-based all-optical interconnectionsystems with growth capability，Vol.37，No.23，1998，pp5479-5487.)是由方解石晶体、多个棱镜和可控铁电液晶来实现的。这种结构的Crossbar网络，光束经过的光学面多，插入损耗大，而且用液晶作开关，速度较慢，一般在毫秒到微秒量级。

在先技术[4](参见APPLIED OPTICS，Yaming Wu，Liren Liu，and Zhijiang Wang，Optical crossbar elements used for switching networks，Vol.33，No.2，1994，pp175-178.)是由多个可控半波片和双折射晶体来实现的。这种结构的Crossbar网络，结构紧凑，可集成堆栈，但分立元件较多，损耗较大。

总之，在先技术中，波导型的Crossbar网络光束被束缚在波导中，网络容量受到限制，而且速度慢。自由空间型Crossbar网络要实现两级开关级之间的互连需要多个分立元件，这在实际应用中，增大了光束的能量损耗，而且各器件不易安装校准，网络抗干扰能力差。

发明内容：

本实用新型要解决的问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种单块晶体集成的自由空间型纵横网络，以降低光束的能量损耗，器件应具有加工、安装和校准容易、整个网络结构紧凑、响应速度快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等特点。

本实用新型的技术构思是：将所有的开关器件都集成在一块晶体上，两级开关级之间的互连是利用了晶体的双折射和双反射原理，直接用晶体本身实现互连，不需要其它器件，从而将光束经过的光学面降至最少，以降低光束的能量损耗，实现器件加工、安装和校准容易，达到整个网络结构简单紧凑，响应速度快，抗干扰能力强，性能稳定可靠。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种单块晶体集成的自由空间型纵横网络，包括一块平行六面体晶体，在该晶体的光束输入面设有N(N≥3)路输入光路，光束输出面设有N路输出光路，每路输入光路上依次有输入光纤、准直器、起偏器；每路输出光路上有聚焦透镜、输出光纤，其特征在于在该晶体的第一电极面和第二电极面上集成了所有电极对，每对电极对相互平行，且电极的长度方向沿晶体的光轴方向，所有的电极对分为m级开关级，每一开关级中的电极对等距，距离为D，两个相邻开关级间的距离是ΔL。

所说的N路输入光路和N路输出光路相互平行且垂直于晶体的光束输入面和光束输出面，所有的电极对分为m级开关级，m＝2N-3，m为奇数的开关级包括N-1个开关，即N-1个电极对，每个开关都有两个输入和两个输出，一个为o偏振光，另一个为e偏振光，m为偶数的开关级包括N个开关，即N个电极对，第一个开关只有一个o偏振光输入和一个e偏振光输出，第N个开关只有一个e偏振光输入和一个o偏振光输出，其余开关均有两个输入和两个输出。

所说的N路输入光路和N路输出光路相互不平行且不垂直于晶体的光束输入面和光束输出面，所有的电极对分为m级开关级，m＝N-1，m为奇数的开关级包括N/2个电极对，每个开关都有两个输入和两个输出，一个为o偏振光，另一个为e偏振光，m为偶数的开关级包括N/2+1个电极对，第一个开关只有一个o偏振光输入和一个e偏振光输出，第N/2+1个开关只有一个e偏振光输入和一个o偏振光输出，其余开关均有两个输入和两个输出。

所说的晶体的光轴方向O₂O₃与两反射面法线之间的夹角θ＝30°左右为宜。

晶体4是个平行六面体，几何尺寸为a×b×c，其中边长b大于边长a，边长a大于边长c，即b＞a＞c，a表示晶体的宽度，b表示晶体的长度，c表示晶体的厚度。其中a×c两个平行小面4₀₁、4₀₄分别为光束输入面4₀₁和光束输出面4₀₄。b×c两个平行面4₀₂、4₀₅分别为反射光束的第一反射面4₀₂和第二反射面4₀₅。a×b两个平行大面4₀₃、4₀₆是置放电极对5的面，分别为第一电极面4₀₃和第二电极面4₀₆，这两个面平行于晶体光轴，并与其它面垂直。晶体4的光轴方向O₂O₃与两反射面4₀₂、4₀₅法线之间的夹角θ＞sin^-1(1/n_o)，式中n_o为偏振光o光束在晶体4内的主折射率。光束输入面4₀₁与第二反射面4₀₅的夹角γ是γ＝θ，或者是γ＝θ-α_oi，其中α_oi是o偏振光在晶体4内的入射角。

晶体4的宽度a是a＝L/tanθ，或者是a＝Lcosθ/sinγ，长度b是

$2(2N-4)L\sin \mathrm{\&theta;}+\frac{(2N-4)D}{\cos \mathrm{\&theta;}}+\frac{L}{\sin \mathrm{\&theta;}}<b<2(2N-2)L\sin \mathrm{\&theta;}+\frac{L}{\sin \mathrm{\&theta;}},$ 或者是

$2(N-2)L\sin \mathrm{\&theta;}+\frac{(N-2)D}{\cos \mathrm{\&theta;}}+(\frac{L\cos \mathrm{\&theta;}}{\tan \mathrm{\&gamma;}}-L\sin \mathrm{\&theta;})<b<2(N-1)L\sin \mathrm{\&theta;}+L\sin \mathrm{\&theta;}+\frac{L\cos \mathrm{\&theta;}}{\tan \mathrm{\&gamma;}},$ 式中L是晶体4光轴方向的长度，也是电极的长度，θ为晶体4的光轴方向O₂O₃与两反射面4₀₂、4₀₅法线之间的夹角，γ是晶体4光束输入面4₀₁与第二反射面4₀₅的夹角，D是两路相邻输入光路的距离。

电极对5置放在第一电极面4₀₃和第二电极面4₀₆上，每对电极对相互平行，长度方向沿着晶体4的光轴方向O₂O₃。对于N×N的Crossbar网络共需要m级开关级，m＝2N-3，或者m＝N-1。每一级开关级中相邻两个电极对的距离是D，相邻两个开关级间的距离是ΔL。

本实用新型的实现主要应用的是晶体的双折射和双反射原理，因此o偏振光沿光轴传播时，经过反射面后以θ角反射，而e偏振光沿光轴传播时，经过反射面后以偏离o光δ角方向反射，e偏振光与o偏振光的偏离角δ为：

$\mathrm{tg\&delta;}=\frac{\sin 2\mathrm{\&theta;}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}(n_o^2-n_e^2)}{{2n}_o^2{\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\cos 2\mathrm{\&theta;}(n_e^2{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+n_o^2{\sin }^2\mathrm{\&theta;})},-------\left(1\right)$

其中n_o和n_e分别表示o偏振光和e偏振光在晶体内的主折射率。相邻两级开关级的距离ΔL为

         ΔL＝Lsin 2θ，                                       (2)相邻两路输入光路的距离D为

         D＝Lcos²θ·[tan(θ+δ)-tanθ]。                      (3)

在实际应用中，为了便于安装，希望D越大越好，为了减小晶体的尺寸，又希望ΔL越小越好。以铌酸锂LiNbO₃晶体(入射光波长λ＝0.6328μm，n_o＝2.2864，n_e＝2.2024，θ＞26°)为例，图3-1、图3-2分别给出相邻两路输入光路的距离D以及相邻两级开关级的距离ΔL和光轴于晶体反射面法线的夹角θ之间的关系曲线，图中表明D随着θ的增大先略增大后迅速减小，在θ≈30°时有最大值，而ΔL随θ的增大先增大后减小，在θ≈45°时有最大值，所以选择θ＝30°左右为宜。

与在先技术相比，本实用新型是利用晶体的双折射和双反射现象以及晶体的横向电光效应，将所有的光开关都集成在一块晶体上，并使它们的排列能实现N路输入和N路输出的Crossbar互连。本实用新型使用单块晶体的集成结构具有简单可靠，不易受环境影响，抗干扰能力强，插入损耗小，信噪比高，开关速度快等优点。

附图说明：

图1是本实用新型中第一种实施方式的Crossbar网络结构示意图，其N路输入光束和N路输出光束相互平行并垂直于晶体4光束输入面4₀₁和晶体4的光束输出面4₀₄。

图2是本实用新型中第二种实施方式的Crossbar网络结构示意图，其N路输入光束和N路输出光束相互不平行并不垂直于晶体4光束输入面4₀₁和晶体4的光束输出面4₀₄。

图3是本实用新型中一些参数变化的曲线，图3-1是D/L随θ变化的曲线，图3-2是ΔL/L随θ变化的曲线。

图4是第一种实施方式中3×3的Crossbar网络的工作示意图。

具体实施方式：

本实用新型有两种实施方式，一种是N路输入光束相互平行并垂直入射于晶体4的光束输入面4₀₁，如图1，另一种是N路输入光束相互不平行并斜入射于晶体的4光束输入面4₀₁，如图2。

第一种实施方式是N路输入光束相互平行并垂直入射于晶体4的光束输入面4₀₁，如图1所示，其结构包括N路输入光路，每路输入光路上自左至右有输入光纤1，准直器2，起偏器3；晶体4；放置在晶体4两个电极面4₀₃、4₀₆上的m级电极对5；N路输出光路，每路输出光路上自左至右有聚焦透镜6，输出光纤7。

晶体4是具有横向电光调制性能的单轴或双轴晶体，如铌酸锂、钽酸锂等，其形状是平行六面体，几何尺寸为a×b×c，其中b＞a＞c，a、b、c分别表示晶体的宽度、长度、厚度。其中晶体4的宽度a为a＝L/tanθ，长度b为 $2(2N-4)L\sin \mathrm{\&theta;}+\frac{(2N-4)D}{\cos \mathrm{\&theta;}}+\frac{L}{\sin \mathrm{\&theta;}}<b<2(2N-2)L\sin \mathrm{\&theta;}+\frac{L}{\sin \mathrm{\&theta;}}.$ 晶体4上与光轴垂直的两个平行小面a×c分别为光束输入面4₀₁和光束输出面4₀₄。与光轴成90°-θ角的两个平行面b×c分别为第一反射面4₀₂和第二反射面4₀₅。与晶体光轴平行的两个大面a×b是摆放电极的面，分别称为第一电极面4₀₃和第二电极面4₀₆。光束输入面4₀₁、光束输出面4₀₄、两个反射面4₀₂、4₀₅是光学面。两个电极面与其它面垂直。晶体4的光轴方向O₂O₃与两反射面的法线成θ角，θ角应满足θ＞sin^-1(1/n_o)，使N路输入光在晶体4内能发生全内反射，光束输入面4₀₁与第二反射面4₀₅的夹角为γ，γ＝θ。电极对5在晶体4的电极面上，长度方向沿晶体光轴方向O₂O₃，对于N×N的Crossbar网络需要m级开关级，m＝2N-3，m为奇数的开关级包括N-1个开关，即N-1个电极对，m为偶数的开关级包括N个开关，即N个电极对，所有电极对相互平行，每一级开关级中的电极对等距，距离为D，两个相邻开关级间的距离是ΔL。N路输入光路和N路输出光路相互平行且等距，距离为D，它们均与输入面和输出面垂直，第一路输入光起偏为e偏振，第N路输入光起偏为o偏振，其余路输入光可以起偏为o偏振也可以起偏为e偏振。

Crossbar网络可以实现任意一个输入光路与任意一个输出光路之间的互连。输入光路个数N不同，网络需要的开关数也不同，如3×3的Crossbar网络，需要3级开关级，5×5的Crossbar网络，需要7级开关级，10×10的Crossbar网络，需要17级开关级，依此类推，按照m＝2N-3递增。本实用新型中每个光开关的工作原理请参阅专利“单块晶体2×2光开关”(申请号：02137601.8)，这里不再重述。本实用新型中每路输入光到达一路输出光路的原理是一样的，下面以3×3的Crossbar网络中的第二路输入光分别到第一、二、三路输出光路为例加以说明。

3×3的Crossbar网络需要3级开关级，第1、3级开关级各有两个电极对，第2级开关级有3个电极对，如图3所示。若第二路输入光束被起偏为o偏振，则经O₁点全内反射后到达C₁₁点，若第一级开关级的第一个电极对不加电压，则2路光经C₁₂点全内反射后到达C₃₁，若第二级开关级的第一个电极对加半波电压，则2路光变成e偏振，经C₃₂点全内反射后到达C₆₁，若第三级开关级的第一个电极加半波电压，则2路光又变成o偏振，经C₆₂、O₂点全内反射后从第一路输出光路输出；若第三级开关级的第一个电极不加电压，则2路光仍为e偏振，经C₆₂、O₃点全内反射后从第二路输出光路输出；2路光经O₁点全内反射到达C₁₁点后，若第一级开关级的第一个电极对加半波电压，则2路光变成e偏振，经C₁₂点全内反射后到达C₄₁点，若第二级开关级的第二个电极对不加电压，2路光的偏振态不变，因此2路光经C₄₂点全内反射后到达C₇₁点，若第三级开关级的第二个电极对不加电压，则2路光仍为e偏振，经C₇₂、O₄点全内反射后从第三路输出光路输出。若第二路输入光束被起偏为e偏振，则经O₁点全内反射后到达C₂₁点，若第一级开关级的第二个电极加半波电压，则2路光变为o偏振，经C₂₂点全内反射后到达C₄₁点，若第二级开关级的级二个电极不加电压，则2路光偏振态不变，经C₄₂点全内反射后到达C₆₁点，若第三级开关级的第一个电极不加电压，则2路光经C₆₂、O₂点全内反射后从第一路输出光路输出；若第三级开关级的第一个电极加半波电压，则2路光又变成e偏振，经C₆₂、O₃点全内反射后从第二路输出光路输出；当2路光则经O₁点全内反射到达C₂₁点后，若第一级开关级的第二个电极对不加电压，则2路光偏振态不变，经C₂₂点全内反射后到达C₅₁点，若第二级开关级的第三个电极对加半波电压，则2路光变成o偏振，经C₅₂点全内反射后到达C₇₁点，若第三级开关级的第二个电极对加半波电压，则2路光又变成e偏振，经C₇₂、O₄点全内反射后从第三路输出光路输出。每路输入光到达任意一个输出光路的路径不是唯一的，以上叙述的只是其中一种。

第二种实施方式是N路输入光束相互不平行并斜入射于晶体4光束输入面4₀₁。开关级数按照m＝N-1递增。这种实施方式中光开关的工作原理请参阅专利“单块晶体2×2光开关”(申请号：02137601.8)，输入光路到达输出光路的原理与第一种实施方式一样，因此这里不再叙述这种Crossbar网络实施方式的结构和原理，只给出结构示意图，如图2。

Claims (4)

1、一种单块晶体集成的自由空间型纵横网络，包括一块平行六面体晶体(4)，在该晶体的光束输入面(4₀₁)设有N(N≥3)路输入光路，光束输出面(4₀₄)设有N路输出光路，每路输入光路上依次有输入光纤(1)、准直器(2)、起偏器(3)；每路输出光路上有聚焦透镜(6)、输出光纤(7)，其特征在于在该晶体(4)的第一电极面(4₀₃)和第二电极面(4₀₆)上集成了所有电极对(5)，每对电极对(5)相互平行，且电极的长度方向沿晶体(4)的光轴方向，所有的电极对(5)分为m级开关级，每一开关级中的电极对等距，距离为D，两个相邻开关级间的距离是ΔL。

2、根据权利要求1所述的单块晶体集成的自由空间型纵横网络，其特征在于所说的N路输入光路和N路输出光路相互平行且垂直于晶体(4)的光束输入面(4₀₁)和光束输出面(4₀₄)，所有的电极对(5)分为m级开关级，m＝2N-3，m为奇数的开关级包括N-1个开关，即N-1个电极对，每个开关都有两个输入和两个输出，一个为o偏振光，另一个为e偏振光，m为偶数的开关级包括N个开关，即N个电极对，第一个开关只有一个o偏振光输入和一个e偏振光输出，第N个开关只有一个e偏振光输入和一个o偏振光输出，其余开关均有两个输入和两个输出。

3、根据权利要求1所述的单块晶体集成的自由空间型纵横网络，其特征在于所说的N路输入光路和N路输出光路相互不平行且不垂直于晶体(4)的光束输入面(4₀₁)和光束输出面(4₀₄)，所有的电极对(5)分为m级开关级，m＝N-1，m为奇数的开关级包括N/2个电极对，每个开关都有两个输入和两个输出，一个为o偏振光，另一个为e偏振光，m为偶数的开关级包括N/2+1个电极对，第一个开关只有一个o偏振光输入和一个e偏振光输出，第N/2+1个开关只有一个e偏振光输入和一个o偏振光输出，其余开关均有两个输入和两个输出。

4、根据权利要求1所述的单块晶体集成的自由空间型纵横网络，其特征在于所说的晶体(4)的光轴方向O₂O₃与两反射面(4₀₂、4₀₅)法线之间的夹角θ＝30°。

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