[发明专利]电控全息光开关

说明书

本发明涉及到电子控制的光开关器件领域，特别涉及到可应用到光纤通信系统中的光开关。

发明的背景

快速多维开关是高速数据通信系统、多媒体业务或高性能并联计算机中的基本构建模块。然而，依靠电子方式实现此类开关已接近其固有限制。很明显，现有的电子开关技术不可能满足新兴的宽带通信应用的要求。而且，电子开关无法直接集成到光纤通信系统里，而光纤通信系统正日益成为主要的通信技术。开关器件的光学实现方法有几个固有的优点是电子实现方法所不具备的。

自由空间光子互连非常适合于实现并联通信系统，原因是并联数据通道之间的串扰很小，而且很容易实现三维传导和路由。为了减少通道的误比特率(BER)，必须把串扰降低到尽可能低的水平。在构建此类网络时，基本建构模块之一是高速光开关，如直通-交叉型开关。此类开关用作多级互连网络(MIN)的元件。MIN是一族开关数量最小的网络结构。

已经提出了多种光MIN结构建议，用于实现高带宽、低串扰的高度并联的通信通道，如J.W.Goodman,F.I.Leonberg,S.Y.Kung和R.A.Athale在期刊《Proceedings of IEEE》第72卷(1984)第850-866页发表的名为″Optical interconnection for VLSI systems(VLSI系统的光学互连)″的文章中所述。许多此类结构是静态光学互连，或者由光波导构成，例如S.Somekh,E.Garmire,A.Yarivin和R.G.Hunsperger在期刊《Applied Optics》第13卷第327-330页(1974)发表的名为″Channel optical wareguides and directioncoupling in GaAs-imbedded and ridged(通路光波导和GaAs埋置和带脊的方向耦合)″的文章中所述，或者由成像系统构成，如A.W.Lohman,W.Stork和G.Stucke在期刊《Applied Optics》第25卷第1530-1531页(1986)名为″Optical Perfect Shuffle″的文章中所述，或者由静态全息光学元件(HOE)构成，如R.K.Kostuk、J.W.Goodman和L.Hesslink在期刊《Applied Optics》第26卷第3947-3953页(1987)发表的名为″Design considerations forholographic optical interconnects(全息光互连的设计考虑)″的文章中所述。然而，动态光互连毫无疑问更有效，可以使源节点和目标节点之间的连接实现动态重构，如Abdellatif Marrakchi在由Marcel Dekker Inc公司出版的名为″Photonic Swithes andInterconnects(光开关和互连)″的文章中所述。

MIN的结构通常是静态互连样式的交错多层结构，如H.S.Stone在期刊《IEEE Transactions on Computing》第C-20卷第152-161(1971)中发表的名为″Parallel Processing with perfectshuffle(完全洗牌的并行处理)″的文章中所描述的完全洗牌结构(Perfect Shuffle)，后接一个基本开关组件阵列，称作直通-交叉型开关。在直通状态时它的两个输入信号与相应的输出端口直接相连，在交叉状态时输入信号在输出端口交叉了。

目前所用的普通光旁通-交叉开关利用一个偏振光分束器(PBS)与一个位于PBS输入端的偏振控制元件组合构成，偏振控制元件通常是液晶或铁电液晶，后者速度更快。然而，即使是铁电液晶也没有足够快的响应时间来满足目前通信交换的需求，当然也就肯定满足不了将来的需求。另外，PBS的另一个主要缺点是，开关的串扰水平对所传输的光信号或液晶调制器的偏振不稳定性非常敏感。结果，PBS交叉连接开关对调制器和整个系统的温度与环境的稳定性很敏感。

全息光学元件(HOE)和体全息图近年来被用于在光互连网络里对光线进行二维转向，尤其是在高度并联的计算机互连中。然而，此类系统，至少在采用体全息图的情形中，通常要么依赖多个固定的全息图，其中想要的一个用一个参考光束来重建，这个参考光束是通过其波长或入射方向来选择的，要么在每次转向之前立刻实时地重写所要的全息图。因此，此类全息图并不能直接电子交换，从而不能实现简单的系统结构和高速运行。