光控多波长选择光开关 【技术领域】
本发明涉及一种光控多波长选择光开关，属于光通信技术中的光子系统领域。
背景技术
近年来，电信网上的业务流量不断增长，要求网络能提供越来越宽的带宽。为了满足通信业务对带宽的需求，世界上许多国家采用密集波分复用(DWDM)技术对已铺设的光纤线路进行扩容，使一根光纤上可利用的带宽达到10Tbit/s左右，可以满足长期对传送网带宽的需求。然而，光通信网在各节点上的交换，当前还是采用光-电-光(OEO)技术。由于光/电转换器件响应时间及电子交叉互连(DXC)、上/下路(ADM)设备本身带宽的限制，形成了网络节点的电子速率“瓶颈”，克服电子“瓶颈”的办法是直接进行光信号处理，即建设全光通信网。
全光网的实现和光交换技术的发展都依赖于光器件的技术进步，光交换器件是下一代光纤通信网络的核心。光开关是光交换的核心器件，它在光网络中有许多应用场合。光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。光开关可使光路之间进行直接交换，避免了光-电-光的转换过程，不仅节省了费用，而且提高了系统的信噪比。由于光开关能使网络的交换功能直接在光层中完成，所以近年来国内外对光交换的核心器件——光开关的研究也十分活跃。根据控制信号，光开关总体上可分为非光控光开关和光控光开关两大类。由于非光控光开关须先将光信号转换成电信号才能对开关进行操作，对未来的全光网必然是一个瓶颈。为了克服电子“瓶颈”的限制，实现快速的光交换，对光控光开关地研究已成为开辟从光传输、电交换过渡到光传输、光交换新时代的重要研究领域。
目前光控光开关的技术主要有Mach-Zehnder型、平面反射型、克尔型、非线性光学环路镜(NOLM)等几种类型。上述几种结构的光开关虽然都实现了高速的光控光开关功能，但是有各自的缺陷，而且都是对所有波长的信号光实行开关作用，不具有波长选择性。具有波长选择性的光开关的相关报道和国内外专利不多。文献有1996年Journal of lightwave technology，Vol.14，No.6，pp.1005。由美国Case Western Reserve University的David A.Smith提出的基于声光效应的波长路由开关，其声波频率为175MHz，开关建立时间为6ms，调谐速度为10ms，边带抑止比为9.3dB，调谐范围为150～300nm，3dB带宽为1nm。开关速度慢和边带抑止比低是其实用化的局限性。相关专利3个，2001年，美国Optical Coating Laboratory的Michael A Scobey等人申请的美国专利US6,320,996，发明了“Wavelength Selective Optical Switch”(波长选择开关)，采用一种机械移动窄带滤光膜片方式，实现某一固定波长的选择，其他波长被反射。它的局限性是开关响应速度太低，另外，选择的波长是某一固定的波长。2001年，美国Tellium，Inc和Telcordia Technologies，Inc的Jayantilal Paterl，W.John Tomlinson，Janet Lehr Jackel发明的美国专利US6,327,019 “Dualliquid-crystal wavelength selective optical switch”(双液晶波长选择开关)，采用波长色散单元-光栅，极化色散单元Wollaston Prism(渥拉斯顿棱镜)及液晶极化调制器组成。由于采用液晶，其稳定性和响应速度较低。还有，国内专利CN1402032A“可调谐波长选择2×2光开关”采用的是电光效应与光学多次反射相干原理，实现波长选择，其控制信号仍然是电信号，正如前面提到的，这类非光控光开关须先将光信号转换成电信号才能对开关进行操作，对未来的全光网必然是一个瓶颈。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种易于实施的、具有波长选择性的、多信道同时作用的、插入损耗小的光控光开关，可用于高速的光分组交换或者光突发交换，提高交换矩阵的效率。
本发明提出的一种新型结构的光控多波长选择光开关，可实现k个波长同时被选择，k可以为1到N之间的任意值，N为一根光纤中同时传输的密集波分复用通道数，使得开关的效率得到提高，适合高速的光分组交换或者光突发交换。
本发明的光控多波长选择光开关的总体结构分为三个部分：一个底座平台，固定在底座平台上的光路准直结构及核心半导体光学元件。光路准直结构部分包括两个信号光输入光纤准直器和两个信号光输出光纤准直器，以及一个控制光输入光纤准直器共五个光路准直器件。核心半导体光学元件由三个部分组成，中间是具有光折变效应的核心半导体材料，半导体材料两个平面严格平行，两侧分别由高反射介质膜层构成光学谐振腔。底座平台是整个光开关的基本平台，信号光的光纤准直器、控制光的光纤准直器以及核心半导体光学元件都固定在同一个底座平台上，核心半导体光学元件位于底座平台的中心。光路准直结构部分的两个信号光输入光纤准直器分别对准相对应的两个信号光输出光纤准直器，每一对信号光输入和输出光纤准直器的光轴严格同光路，两对信号光光纤准直器以底座平台的中心为基点互相垂直。控制光输入光纤准直器的光轴以底座平台中心为基点，与水平的信号光输入光纤准直器光轴的夹角范围在30～45度之间。核心半导体光学元件固定在底座平台的中心，其法线与水平的信号光输入光纤准直器光轴的夹角范围在10～45度之间。
本发明光控多波长选择光开关的核心光学元件采用一种具有光折变效应的半导体材料。电光晶体都具有光折变效应，例如铁电晶体LiNbO3、BaTiO3、LiTaO3、KnbO3、等铁电氧化物，顺电相晶体Bi12SiO20(BSO)、Bi12GeO20(BGO)、Bi12TiO20(BTO)等立方硅族氧化物以及GaAs、InP、CdTe等半导体材料。由于半导体光折变材料的电光系数相当小、而且半导体光折变材料的工作波长有很宽的选择余地，GaAs、InP和CdTe是近红外光波段工作的最合适材料，这对光通信来说十分重要，另外就光折变灵敏度而言，半导体材料也较高，InP和GaAs的光折变灵敏度要比BSO材料高两倍。因此本发明的核心光学元件选用的是具有光折变效应的半导体材料。在光学薄膜工艺方面，分别在核心半导体光学材料的两面镀有高反射介质膜，高反介质膜层是二氧化硅和二氧化钛分别按照四分之一工作波长光学厚度依次交替叠加形成，用于提高开关对波长的选择性能。通过对核心光学元件注入不同功率(毫瓦量级，几十～几百毫瓦)的控制光以改变其折射率大小以及通过改变半导体材料的厚度，从而实现具有多波长选择特性的光控光开关，提高开关的响应速度以及工作效率。
底座平台是整个开关的基本平台，由四个部分组成，包括石英基片，上表面的金属层和下表面的介质薄膜层以及金属三角侧板。石英基片采用国家标准JGS3石英材料，上表面的金属层用于光路结构中的两个信号光输入光纤准直器和两个信号光输出光纤准直器以及一个控制光输入光纤准直器与底座平台的激光焊接金属化固定，并有金属三角侧板加固。下表面的介质薄膜层是1060nm增透的介质薄膜，为了使用YAG激光器进行激光焊接金属化固定封装时降低入射激光的菲涅尔反射损失的能量。
本发明可用于光分组交换或者光突发交换系统，它具有如下优点：
·交换速度快。由于用光信号来控制，实现了高速的光控光开关。
·具有波长选择性。通过调节控制光的功率大小，可以实现对信号光的波长选择，使得某一波长或者某几个波长的光通过。
·具有扩展性。可同时选择多个波长，同时对多个信道进行路由交换作用，这将大大缩小光交换矩阵的规模。
·实现方法简单，稳定性好。由半导体材料和高反射介质膜形成光学谐振腔，受外界影响因素少，性能稳定。
【附图说明】
图1是本发明的光控多波长选择光开关的结构示意图。
图1中，1、2为两个信号光输入光纤准直器，3、4为两个信号光输出光纤准直器，5为控制光输入光纤准直器，6为核心半导体光学元件，7为底座平台。
图2是本发明中核心半导体光学元件的结构示意图。
图2中，核心半导体光学元件的中间是具有光折变效应的核心半导体材料层10，两侧分别是高反射介质膜层8和9。
图3为本发明的单波长选择开关的工作原理图。
其中，图3(a)是单波长选择开关选择波长λ1的工作原理示意图。
图3(b)是单波长选择开关选择波长λ2的工作原理示意图。
图3(c)是单波长选择开关选择波长λ3的工作原理示意图。
图3(d)是单波长选择开关选择波长λ4的工作原理示意图。
图3(e)是单波长选择开关选择零个波长的工作原理示意图。
图4为本发明的双波长选择开关的工作原理图。
其中，图4(a)是双波长选择开关选择波长λ1、λ2的工作原理示意图。
图4(b)是双波长选择开关选择波长λ1、λ3的工作原理示意图。
图4(c)是双波长选择开关选择波长λ1、λ4的工作原理示意图。
图4(d)是双波长选择开关选择波长λ2、λ3的工作原理示意图。
图4(e)是双波长选择开关选择波长λ2、λ4的工作原理示意图。
图4(f)是双波长选择开关选择波长λ3、λ4的工作原理示意图。
图4(g)是双波长选择开关选择零个波长的工作原理示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图1所示，本发明的光控多波长选择光开关的总体结构分为三个部分：光路准直结构(1～5)、核心半导体光学元件6和底座平台7。光路准直结构部分包括两个信号光输入光纤准直器1、2和两个信号光输出光纤准直器3、4，以及控制光输入光纤准直器5五个光路准直器件。每一对信号光输入和输出光纤准直器的光轴严格同光路，两对信号光光纤准直器以底座平台7的中心为基点互相垂直。控制光输入光纤准直器5以底座平台7的中心为基点，与水平的信号光输入光纤准直器1的夹角范围在30～45度之间，核心半导体光学元件6位于底座平台7的中心，其法线与水平的信号光输入光纤准直器1的光轴夹角固定，范围在10～45度之间。
信号光输入光纤准直器1出射光路穿过核心半导体光学元件6，部分波长的信号光被选择入射到相对的信号光输出光纤准直器3，其余波长的信号光入射到另一信号光输出光纤准直器4；同时，另一信号光输入光纤准直器2出射光路穿过核心半导体光学元件6，部分波长的信号光入射到相对的信号光输出光纤准直器4，其余波长的信号光入射到另一信号光输出光纤准直器3。底座平台7是整个光开关的基本平台，信号光的光纤准直器1～4、控制光的光纤准直器5以及核心半导体光学元件6都固定在同一个底座平台7上。
图2是本发明中的核心半导体光学元件6的结构示意图。
如图2所示，核心半导体光学元件6由三个部分组成，中间是具有光折变效应的核心半导体材料层10，半导体材料层10的两个平面严格平行，厚度为10-1mm量级，两侧分别是高反射介质膜层8和9，是通过真空蒸发将两种材料二氧化硅和二氧化钛分别按照四分之一工作波长光学厚度依次交替叠加而成，层数均为20层，构成光学谐振腔。
本发明的光控多波长选择光开关采用一种具有光折变效应的半导体材料10，通过控制光输入光纤准直器5对其注入不同功率(毫瓦量级，几十到几百毫瓦)的控制光以改变核心半导体材料10的折射率大小以及通过改变半导体材料10的厚度，从而实现具有多波长选择特性的光控光开关，提高开关的响应速度以及工作效率。在光学薄膜工艺方面，分别在核心半导体光学材料10的两面镀有高反射介质膜8和9，提高开关对波长的选择性能。
图3是本发明的单波长选择开关的工作原理图。如图3所示，本发明的波长选择工作原理如下：信号光输入光纤准直器输入N(图中N＝4)个波长的信号光11、12、13、14，波长分别为λ1、λ2、λ3和λ4。
图3(a)是开关选择单个波长λ1状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光11、12、13、14中的11(对应波长λ1)被选择进入信号光输出光纤准直器3，其他波长的信号光12、13、14(分别对应波长λ2、λ3、λ4)进入信号光输出光纤准直器4。波长选择是通过核心半导体光学元件6实现的。在图3(a)中，核心半导体光学元件6选择λ1透过，其他波长(λ2、λ3和λ4)的信号光均被反射。同样原理，通过控制光输入光纤准直器5向核心半导体光学元件6注入不同功率的控制光，改变半导体材料10的折射率，可以实现对其他波长的选择性通过。
图3(b)是开关选择单个波长λ2状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光11、12、13、14中的12(对应波长λ2)被选择进入信号光输出光纤准直器3，其他波长的信号光11、13、14(分别对应波长λ1、λ3、λ4)进入信号光输出光纤准直器4。
图3(c)是开关选单个波长λ3状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光11、12、13、14中的13(对应波长λ3)被选择进入信号光输出光纤准直器3，其他波长的信号光11、12、14(分别对应波长λ1、λ2、λ4)进入信号光输出光纤准直器4。
图3(d)是开关选单个波长λ4状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光11、12、13、14中的14(对应波长λ4)被选择进入信号光输出光纤准直器3，其他波长的信号光11、12、13(分别对应波长λ1、λ2、λ3)进入信号光输出光纤准直器4。
图3(e)是开关选择零个波长状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光11、12、13、14中没有波长被选择进入信号光输出光纤准直器3，所以波长的信号光11、12、13、14(分别对应波长λ1、λ2、λ3、λ4)都进入信号光输出光纤准直器4。
上述开关对单个波长的选择性可以用排列组合式来表示，输入N个波长的信号光中有一个波长被选择透过，其他(N-1)个波长被反射进入另一个输出端口。单波长选择开关的状态数总计为5个：CN1+1=5(N=4),]]>CN1表示N选1。
图4是本发明的双波长选择开关的工作原理图。如图4所示，本发明的双波长选择工作原理如下：信号光输入光纤准直器输入N(图中N＝4)个波长的信号光21、22、23、24，波长分别为λ1、λ2、λ3和λ4。
图4(a)是开关选择波长λ1、λ2状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光21、22、23、24中的21和22(对应波长λ1和λ2)被选择进入信号光输出光纤准直器3，其他波长的信号光23、24(分别对应波长λ3、λ4)进入信号光输出光纤准直器4。同样原理，通过对核心半导体元件6的控制，可以实现对其他波长组合的选择性通过。
图4(b)是开关选择波长λ1、λ3状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光21、22、23、24中的21和23(对应波长λ1和λ3)被选择进入信号光输出光纤准直器3，其他波长的信号光22、24(分别对应波长λ2、λ4)进入信号光输出光纤准直器4。
图4(c)是开关选择波长λ1、λ4状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光21、22、23、24中的21和24(对应波长λ1和λ4)被选择进入信号光输出光纤准直器3，其他波长的信号光22、23(分别对应波长λ2、λ3)进入信号光输出光纤准直器4。
图4(d)是开关选择波长λ2、λ3状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光21、22、23、24中的22和23(对应波长λ2和λ3)被选择进入信号光输出光纤准直器3，其他波长的信号光21、24(分别对应波长λ1、λ4)进入信号光输出光纤准直器4。
图4(e)是开关选择波长λ2、λ4状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光21、22、23、24中的22和24(对应波长λ1和λ2)被选择进入信号光输出光纤准直器3，其他波长的信号光21、23(分别对应波长λ1、λ3)进入信号光输出光纤准直器4。
图4(f)是开关选择波长λ3、λ4状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光21、22、23、24中的23和24(对应波长λ3和λ4)被选择进入信号光输出光纤准直器3，其他波长的信号光21、22(分别对应波长λ1、λ2)进入信号光输出光纤准直器4。
图4(g)是开关选择零个波长状态。信号光输入光纤准直器中的N(N＝4)个波长的信号光21、22、23、24中的没有波长被选择进入信号光输出光纤准直器3，所有波长的信号光21、22、23、24(分别对应波长λ1、λ2、λ3、λ4)都进入信号光输出光纤准直器4。
上述开关对两个波长的选择性可以用排列组合式来表示，输入N个波长的信号光中有两个波长被同时选择透过，其他(N-2)个波长被反射进入另一个输出端口。单波长选择开关的状态数总计为5个：CN2+1=7(N=4),]]>CN2表示N选2。
依次类推，对于多波长选择开关，N个输入信号光波长中同时选择通过k个波长，其他(N-k)个波长的信号光被反射，从而实现光控多波长选择开关。其开关状态数总计为：其中CNk表示N选k。
具体实施例：
本发明光控波长选择开关的关键是核心光学元件的设计加工与组合件的对光封装以及控制光功率大小的控制。在本发明的一个实施例中，光控波长选择开关的核心半导体光学元件采用的是具有光折变效应的半导体材料磷化铟(InP)，膜厚0.27mm，其红外的折射率为n＝3.075，反射损耗单面约为LR＝1.3dB，双面则约为LR＝2.6dB。控制光采用的是波长范围在730～987nm之间的任一波长的激光，其对半导体材料的控制作用与波长无关，只与功率大小有关。具体参数如下： 参数 最大值 条件 工作波段 1500～1600nm 可以在任意波长 开关插入损耗 5.8dB 对所有波长 响应时间 小于100ps 半波带宽 0.4nm 最大波长调谐偏移 1.75nm控制光功率为240mW单纤同时工作通道数 3通道波长间隔为0.8nm