[发明专利]自由空间光学互连网络与输入接口

说明书

本发明为一种光学互连网络和构成该网络的光学系统，可用于光互连并行处理计算机和光通讯领域。

自由空间光学多级互连网络是发展运算速度为百、千亿次乃至万亿次光互连并行处理高性能计算机和宽带综合业务数字通讯网的关键设备系统之一，是各国极为关注的间题。美国AT&TBELL实验室于1991年11月提出了采用全交叉互连网络的自由空间光学交换网络系统，见美国专利U.Spatent 5,00077,483，该网络系统是由偏光棱镜、棱镜光栅、透镜组成，系统复杂，难于调整，体积大，互连数和互连密度低。1993年Ap-plled Optics,Vol.32,No.26,PP5152报导了第一代自由空间光学交换网络系统，1994年A pplied Optics,Vol.33,No.8,PP1601报导了第二代自由空间光学交换网络系统。第一、二代自由空间光学交换网络都是采用榕树(Banyan)网络，由节点级和互连级组成，实现该网络的光学系统中节点级以对称自电光效应S-SEED灵巧象元FET-SEED作为光开关节点列阵器件，互连级包括半导体激光准直、纠形、输入泵浦光系统，对称离轴光学4F成像系统，光轴纠正和时钟偏置光束列阵泵浦系统，该网络是在4F光学成像系统中用一片1×3二元位相光栅实现其互连函数，网络光学系统简单，互连数和互连密度大，但该互连网络具有以下三个缺点：(1)1×3二元位相光栅将传输信息的输入光学载波通道中每一条分为三条光学载波信道，由于网络节点级中每个节点的扇入为2，因此，仅有2/3的光学载波信道构成榕树网络传输数据信息，1/3的光学载波信道完全无用，浪费了1/3的光功率，导致系统的传输率降低。(2)为了使1/3完全无用的光学信道不引起串活，在光开关节点列阵器件上要多没置1/3的窗口，吸收这些完全无用的光学载波信道的光功率，故光开关节点列阵器件的窗口多、结构复杂，影响传输率提高。(3)自由空间榕树多级网络系统由于每级互连函数不同，故每一级光学硬件也不相同，光学调整相对复杂。

本发明的目的在于提高光学互连网络系统中光学载波信道的利用率，降低光功率损耗，提高传输效率、简化光开关节点器件的复杂性，简化系统结构。本发明提出一种新颖的自由空间光学多级互连网络拓扑结构，并提供了在4F成像系统中用一片1×2二元位相计算光栅实现互连函数的技术手段。为了减少互连级数，本发明在输入端口和光学互连网络之间提出了扇出为4的输入接口及其光学实现手段。实现本发明目的，由节点级和互连级组成的自由空间光学互连网络，节点级上节点扇入和扇出为2，节点级之间的互连关系为：其中K为网络输入端口序号，K′为网络输出端口序号，取值为0,1,2,…,N-1；输入端口光束点阵数目N为2～1000。

构成所述自由空间光学互连网络的光学系统，其节点级以灵巧象元FET-SEED或CMOS-SEED作为光开关节点列阵器件，互连级包括半导体激光准直、纠形、输入泵浦光系统，对称离轴光学4F成像系统、级联系统，光轴纠正光楔和时钟偏置光束列阵泵浦系统，其特征在于：

(1)所述级联系统包括置于对称离轴光学4F成像系统光阑平面上的1×2二元位相计算全息光栅以及对称离轴光学4F成像系统光阑平面和输出透镜之间的光学组合件，

(2)所述级联系统的1×2二元位相计算全息光栅为条纹状光栅，其光栅周期常数为P，光栅位相深度为D， P = 2 Fλ Nd 0 , D = λ 2 ( n - 1 ) ]]>其中N为输入端口光束点阵数，输入端口相邻两光点间距d₀为5um-2000um，对称离轴光学4F成像系统透镜焦距F为5mm-50mm，入射光波长λ为0.2um-20um,n为光栅材料折射率。