專利名稱：電控全息光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到電子控制的光開關(guān)器件領(lǐng)域，特別涉及到可應(yīng)用到光纖通信系統(tǒng)中的光開關(guān)。
自由空間光子互連非常適合于實現(xiàn)并聯(lián)通信系統(tǒng)，原因是并聯(lián)數(shù)據(jù)通道之間的串?dāng)_很小，而且很容易實現(xiàn)三維傳導(dǎo)和路由。為了減少通道的誤比特率(BER)，必須把串?dāng)_降低到盡可能低的水平。在構(gòu)建此類網(wǎng)絡(luò)時，基本建構(gòu)模塊之一是高速光開關(guān)，如直通-交叉型開關(guān)。此類開關(guān)用作多級互連網(wǎng)絡(luò)(MIN)的元件。MIN是一族開關(guān)數(shù)量最小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
已經(jīng)提出了多種光MIN結(jié)構(gòu)建議，用于實現(xiàn)高帶寬、低串?dāng)_的高度并聯(lián)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頁發(fā)表的名為″Optical interconnection for VLSI systems(VLSI系統(tǒng)的光學(xué)互連)″的文章中所述。許多此類結(jié)構(gòu)是靜態(tài)光學(xué)互連，或者由光波導(dǎo)構(gòu)成，例如S.Somekh,E.Garmire,A.Yarivin和R.G.Hunsperger在期刊《Applied Optics》第13卷第327-330頁(1974)發(fā)表的名為″Channel optical wareguides and directioncoupling in GaAs-imbedded and ridged(通路光波導(dǎo)和GaAs埋置和帶脊的方向耦合)″的文章中所述，或者由成像系統(tǒng)構(gòu)成，如A.W.Lohman,W.Stork和G.Stucke在期刊《Applied Optics》第25卷第1530-1531頁(1986)名為″Optical Perfect Shuffle″的文章中所述，或者由靜態(tài)全息光學(xué)元件(HOE)構(gòu)成，如R.K.Kostuk、J.W.Goodman和L.Hesslink在期刊《Applied Optics》第26卷第3947-3953頁(1987)發(fā)表的名為″Design considerations forholographic optical interconnects(全息光互連的設(shè)計考慮)″的文章中所述。然而，動態(tài)光互連毫無疑問更有效，可以使源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點之間的連接實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)，如Abdellatif Marrakchi在由Marcel Dekker Inc公司出版的名為″Photonic Swithes andInterconnects(光開關(guān)和互連)″的文章中所述。
MIN的結(jié)構(gòu)通常是靜態(tài)互連樣式的交錯多層結(jié)構(gòu)，如H.S.Stone在期刊《IEEE Transactions on Computing》第C-20卷第152-161(1971)中發(fā)表的名為″Parallel Processing with perfectshuffle(完全洗牌的并行處理)″的文章中所描述的完全洗牌結(jié)構(gòu)(Perfect Shuffle)，后接一個基本開關(guān)組件陣列，稱作直通-交叉型開關(guān)。在直通狀態(tài)時它的兩個輸入信號與相應(yīng)的輸出端口直接相連，在交叉狀態(tài)時輸入信號在輸出端口交叉了。
目前所用的普通光旁通-交叉開關(guān)利用一個偏振光分束器(PBS)與一個位于PBS輸入端的偏振控制元件組合構(gòu)成，偏振控制元件通常是液晶或鐵電液晶，后者速度更快。然而，即使是鐵電液晶也沒有足夠快的響應(yīng)時間來滿足目前通信交換的需求，當(dāng)然也就肯定滿足不了將來的需求。另外，PBS的另一個主要缺點是，開關(guān)的串?dāng)_水平對所傳輸?shù)墓庑盘柣蛞壕д{(diào)制器的偏振不穩(wěn)定性非常敏感。結(jié)果，PBS交叉連接開關(guān)對調(diào)制器和整個系統(tǒng)的溫度與環(huán)境的穩(wěn)定性很敏感。
全息光學(xué)元件(HOE)和體全息圖近年來被用于在光互連網(wǎng)絡(luò)里對光線進(jìn)行二維轉(zhuǎn)向，尤其是在高度并聯(lián)的計算機(jī)互連中。然而，此類系統(tǒng)，至少在采用體全息圖的情形中，通常要么依賴多個固定的全息圖，其中想要的一個用一個參考光束來重建，這個參考光束是通過其波長或入射方向來選擇的，要么在每次轉(zhuǎn)向之前立刻實時地重寫所要的全息圖。因此，此類全息圖并不能直接電子交換，從而不能實現(xiàn)簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和高速運行。
隨著光纖通信系統(tǒng)中比特通過率的提高，已開發(fā)出了費效比更高的譜寬很窄的光源。這種光通信用激光的開發(fā)，使得用體(厚)全息圖作為路由器件成為可能。因為此類全息圖對光波長本來就非常敏感，在此之前它們還不適合于商業(yè)使用?，F(xiàn)在使用厚全息圖，就能在同一網(wǎng)絡(luò)里塞進(jìn)很多條路由，這樣就可以進(jìn)行三維轉(zhuǎn)向。然而，到目前為止，基于以前的全息圖工藝水平制作的光開關(guān)，因為它們不能直接電子交換，所以既沒有表現(xiàn)出足夠快的速度，串?dāng)_水平也不夠低，無法應(yīng)用于目前在用或在開發(fā)的光通信系統(tǒng)中。
因此，迫切需要一種快速、動態(tài)、串?dāng)_低的光開關(guān)來滿足目前和將來光通信系統(tǒng)對交換的要求。
為此根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，這里提供了一種以電控全息技術(shù)(EH)為基礎(chǔ)的新穎通用開關(guān)。EH使體全息圖的重建過程可以通過外加電場來控制。EH基于順電相中的壓控光折射效應(yīng)，其中的光電效應(yīng)是二次的。體全息圖儲存為順電晶體中的空間電荷的空間分布，并可以通過向晶體施加電場來控制體全息圖的重建。電場激活預(yù)存的全息圖，全息圖決定承載數(shù)據(jù)的光束的路由。
實現(xiàn)基于EH的器件，需要使用具有合適性能的光折射晶體，例如鈮鉭酸鉀(KTN)、鈮酸鍶硼(SBN)，或者特別是鈮鉭酸鉀鋰(KLTN)，如美國專利No.5,614,129所描述的一樣，摻有銅和釩的KLTN特別適合作為EH器件的介質(zhì)。
EH器件可以很方便地用作多級互連網(wǎng)絡(luò)(MIN)的構(gòu)建模塊。MIN由多個EH開關(guān)陣列組成，可以在一個或多個狀態(tài)之間進(jìn)行電子切換。在每種狀態(tài)下不同的全息圖組被激活，它可以將光束按照所需的三維(3D)方向引導(dǎo)到下一級。因此，這些開關(guān)包含了空間路由信息，從而避免了需要額外的級間光學(xué)元件。所以EH開關(guān)使很多互連結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)成為可能，并且尺寸緊湊，適合于實現(xiàn)大量節(jié)點。
另外，與普通的以光折射晶體為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)全息存儲元件不同，傳統(tǒng)全息存儲元件只能用可見光讀、寫，而基于KLTN和類似材料的EH器件可在紅外光譜區(qū)運行，包括標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)中常用的1.3μm和1.55μm的波長。
利用EH開關(guān)技術(shù)，可通過增加輸入和輸出端口的數(shù)量來增加基本的直通-交叉或交叉連接開關(guān)的路由容量。因而，根據(jù)本發(fā)明使用EH開關(guān)，可使得全存取MIN所需要的總開關(guān)數(shù)量大大減少，從而顯著地減少系統(tǒng)的尺寸和費用。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，這里進(jìn)一步提供了一種EH壓控光開關(guān)，由順電光折射材料組成，其中儲存了一個全息圖，利用外加電場來控制全息圖的激活和重建。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，提供了一個由一種順電光折射材料組成的光開關(guān)，其中存儲了一個隱藏的全息圖，通過外加電場可以控制該全息圖的激活和重建。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施例，提供了一個上述光開關(guān)，其中全息圖是通過對順電光折射材料的折射率進(jìn)行空間調(diào)制形成的。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施例，這里進(jìn)一步提供了一個上述光開關(guān)，其中的全息圖是通過對順電光折射材料的折射率進(jìn)行空間調(diào)制形成的，并且全息圖的形式為至少包含一個光柵的光柵組。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施例，提供了一個上述光開關(guān)，其中順電光折射材料的折射率空間調(diào)制是由二次電光效應(yīng)產(chǎn)生的，順電光折射材料里空間電荷的空間調(diào)制與外加電場共同導(dǎo)致了該電光效應(yīng)。
另外，根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施例，這里提供了一個上述光開關(guān)，其中順電光折射材料的折射率空間調(diào)制是由二次電光效應(yīng)產(chǎn)生的，這個電光效應(yīng)是由順電光折射材料里低頻介電常數(shù)的空間調(diào)制和外加電場共同產(chǎn)生的。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施例，這里更進(jìn)一步提供了一個上述光開關(guān)，其中光折射材料為摻雜的鈮鉭酸鉀鋰晶體。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施例，這里還提供了一個上述光開關(guān)，其中電場是在光折射材料的兩個相對的表面上施加的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，這里提供了一種光開關(guān)，由至少兩個順電光折射晶體組成，每個晶體至少儲存了一個全息圖，全息圖的重建由向每個晶體施加的電場來控制，這些晶體經(jīng)過了排列處理，這樣光束就可以連續(xù)通過它們。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，這里還提供了一種光開光，由至少兩個順電光折射晶體組成，其中每個晶體至少儲存了一個隱藏的全息圖，全息圖的重建和激活由向晶體施加的電場控制，這些晶體經(jīng)過了排列處理，這樣光束就可以連續(xù)通過它們。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施例，這里也提供了一種光開光，由至少兩個順電光折射晶體組成，如上所述，其中這至少兩個晶體中的每一個，按照其中貯存的至少一個全息圖，衍射至少一個輸入光束到一個預(yù)定的輸出方向。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，這里提供了一種光開關(guān)，由至少兩個順電光折射晶體組成，如上所述，其中，根據(jù)給這至少兩個光折射晶體中的每一個施加的電場，將入射光束切換到預(yù)定的輸出方向。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，這里進(jìn)一步提供了一種光開關(guān)，由至少兩個順電光折射晶體組成，如上所述，其中沒有衍射的光要么被一個擋光器吸收，要么輸入到一個檢測器里。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，提供了一個包含了上述檢測器的光開關(guān)，這種光開關(guān)是光交換網(wǎng)絡(luò)的一部分，其中檢測器用來讀取通過開關(guān)的光學(xué)數(shù)據(jù)的地址頭，這里地址頭用于控制交換網(wǎng)絡(luò)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，提供了一個前述光開關(guān)，其中全息圖在可見光波長范圍內(nèi)寫入，并且在近紅外波長范圍重建。
另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，可按照上述任一種實施例提供一種光開關(guān)，其中每個輸入輸出光束的任何方向都可以通過向每一個晶體寫入合適的全息圖來確定。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施例，進(jìn)一步提供一種交換網(wǎng)絡(luò)，它可能是一種多級網(wǎng)絡(luò)，用于光通信系統(tǒng)，包含至少一個根據(jù)上述任一實施例實現(xiàn)的光開關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的再一個優(yōu)選實施例，還提供了一種用于光通信系統(tǒng)的多級網(wǎng)絡(luò)，象前一個實施例所說的一樣，其中交換層和靜態(tài)互連層是一體的。
本節(jié)及其本說明的其他章節(jié)提到的所有刊物、專利披露，以及在以上刊物、專利中引用的所有文檔，這里都列入了參考文獻(xiàn)中。
圖例的簡要說明從以下詳細(xì)描述，結(jié)合圖例，可以更容易地理解和認(rèn)識本發(fā)明

圖1(a)和1(b)說明了采用一個晶體的簡單EH直通-交叉開關(guān)的實現(xiàn)情況。圖1(a)和1(b)分別說明了該開關(guān)的兩種可能的狀態(tài)。開關(guān)的狀態(tài)可通過改變施加的電壓來改變。
圖2(a)和2(b)說明了另一種采用兩個串聯(lián)和并列放置的晶體的EH開關(guān)器件。圖2(a)和2(b)分別說明了該開關(guān)的兩種可能狀態(tài)。在這個開關(guān)中，通過翻轉(zhuǎn)施加在兩個晶體間的電壓來改變該開關(guān)的狀態(tài)。
圖3(a)到3(c)示意說明了采用三個晶體的EH數(shù)字開關(guān)的實現(xiàn)情況，它可以支持四個節(jié)點之間的全訪問連接。這三個圖說明了此結(jié)構(gòu)支持的三種可能的環(huán)行交換。通過向其中一個晶體施加電壓來在三種交換中作出選擇。
圖4示意描述了用于在四節(jié)點EH直通-交叉開關(guān)的三個晶體中寫入全息圖的的光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于開關(guān)的生產(chǎn)階段，圖例說明了寫入系統(tǒng)的許多計算機(jī)控制元件，其目的是為了使過程快速及自動化，以利于大批量生產(chǎn)。
圖5示意說明了用四節(jié)點數(shù)字EH交叉連接開關(guān)構(gòu)建的交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖中顯示了該網(wǎng)絡(luò)用1.2Gbit/s光纖通信鏈路連接四臺PC機(jī)。
圖6是一個大型MIN的示意圖，由一個四節(jié)點EH數(shù)字開關(guān)陣列構(gòu)成，在64個節(jié)點間提供全訪問交換連接。圖中顯示該網(wǎng)絡(luò)互連了64個工作在2.5Gb/s速率上的光纖數(shù)據(jù)通道。
圖7顯示了一個數(shù)字EH開關(guān)，它包括了用于讀取通過該開關(guān)的光數(shù)據(jù)量的地址頭的檢測器，可保證數(shù)據(jù)交換到預(yù)定的目的地。
優(yōu)選實施例的詳述參照圖1(a)和1(b)，它示意說明了簡單EH旁通-交叉開關(guān)的兩種狀態(tài)，它是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例來構(gòu)成和工作的。該開關(guān)由一個包含單個預(yù)存光柵的光折射晶體10組成，電極12、14沉積在相對的兩個表面上，光折射晶體可以是如KTN、SBN或特殊的KLTN。圖1(a)顯示了處于零狀態(tài)的開關(guān)，這時光信號沿路徑16無偏離地傳送到輸出端口18，另一個輸入到端口20的信號，則無偏離地傳送到端口22。給開關(guān)電極加上電壓V1時，因空間調(diào)制的空間電荷場產(chǎn)生了晶體光折射率的空間調(diào)制11，這個空間電荷場是根據(jù)先前寫入到晶體的體全息圖所攜帶的信息建立的，這樣就在晶體里有效地建立了一個衍射光柵。結(jié)果，開關(guān)狀態(tài)反轉(zhuǎn)，輸入路徑16上的光信號現(xiàn)在衍射到路徑22，沿路徑20傳送的輸入信號現(xiàn)在衍射到路徑18。
EH開關(guān)運行的機(jī)制是以采用電壓控制的光折射(PR)效應(yīng)為基礎(chǔ)的，如AJAgranat,V.Leyva和A.Yariv在期刊《Optics Letters》第14卷(1989)第1017-1019頁名為“Voltage-controlledphotorefective effect in paraelectric(順電材料中的壓控光折射效應(yīng))K Ta1-xNbxO3:Cu,V”的文章里所描述的一樣。PR效應(yīng)使在晶體里存儲光信息成為可能，它吸收光能后，會空間調(diào)制它的折射率。吸收的光可以將載流子從其陷阱里光致電離到導(dǎo)帶(電子)或價帶(空穴)。光致電離的載流子將傳輸并最終重新被俘獲，形成一個與激發(fā)光照空間相關(guān)的空間電荷場，通過電光效應(yīng)產(chǎn)生折射率的調(diào)制。這個機(jī)制是以相位全息的形式存儲信息的基礎(chǔ)，通過從適當(dāng)?shù)牟ㄩL和角度加上重建(讀取)光束，就可以有選擇地恢復(fù)出信息。
最近研究表明，通過引入低頻介電常數(shù)的空間調(diào)制，有可能在光折射晶體中引入偶極全息光柵。這種效應(yīng)在A.J.Agranat,M.Razvag和M.Balberg的″Dipolar holographic gratings induced by thephotorefractive process in potassium lithium tantalate nibateat the paraelectric phase(順電相的鉭鈮酸鋰鉀中的光折射過程誘發(fā)的雙極全息光柵)″一文中已有描述，該文發(fā)表在期刊《OpticalSociety of America》B第14卷第2043-2048頁(1997)上。
在順電相中，這些效應(yīng)的效率可在讀取(重建)階段通過向晶體施加外部電場來控制。
一般地，衍射效應(yīng)正比于折射率的局域化光致變化。在順電相中，電光效應(yīng)引起的折射率調(diào)制正比于極化強(qiáng)度的二次方，并可由下面的公式給出Δn(r)=(1/2)n03g[P(r)]2(1)這里的Δn(r)是引起的折射率變化，n0是折射率，g是二次電光系數(shù)，P是低頻極化強(qiáng)度。當(dāng)晶體中形成了一個空間電荷場Esc(r)時，它引起的折射率調(diào)制，以及對衍射的建設(shè)性貢獻(xiàn)可以由下式給出δ(Δn(r))=n03gε2E0Esc(r)(2)假定極化強(qiáng)度處于線性區(qū)P=εE，其中ε是介電常數(shù)，εo=εoεr，接近相變εr＞＞1,E0是外加電場。
因此，可以看出，只有在存在外加電場時承載信息的空間電荷場才能轉(zhuǎn)化成折射率調(diào)制。所以，二次電光效應(yīng)的應(yīng)用可以使得模擬控制信息重建的效率成為可能，這就是壓控PR效應(yīng)。
根據(jù)外加電場，存儲在順電相的平面相傳播全息圖的衍射效率可由下面公式求得η=sin2(πdλcosθn03gϵ2E0Esc)---(3)]]>其中d是晶體厚度，λ是光波長，θ是讀取光束和光柵等相面之間的角度，n0是折射率，g是有效二次電光效應(yīng)系數(shù)，ε是介電常數(shù)，E0是外加低頻場，Esc是當(dāng)在PR晶體里寫入全息圖時空間電荷場的幅度。
在等式(3)中假設(shè)(Ⅰ)滿足Bragg條件，即2∧n sinθ=λmat(4)此處的∧是周期光柵間距，n(=n0)是折射率，θ是讀取光束和光柵等相面之間的角度，λmat是光在材料內(nèi)的波長(Ⅱ)極化強(qiáng)度位于線性區(qū)(即P=εE),ε/ε0＞＞1；并且(Ⅲ)吸收可忽略。
從公式(3)中可看出，一旦在晶體中寫入了一個空間電荷場，就可以通過在全息圖的讀取階段施加外加電場E0來控制產(chǎn)生的衍射效應(yīng)。
雖然可以預(yù)計在外加電場為零的情況下衍射效應(yīng)會降至零，并且在晶體里只存在一個隱藏的全息圖。實際上，即使在零施加電場的情況下，雜散的非零內(nèi)部電場的存在必然會產(chǎn)生殘留的輕微的衍射效應(yīng)。
KLTN是一種設(shè)計用于在順電相工作的新型PR晶體，其中PR效應(yīng)用電壓控制。在美國專利No.5,614,129里已詳細(xì)地描述了該晶體的生產(chǎn)和制作方法，在這里列入了參考文獻(xiàn)中。用于本發(fā)明的優(yōu)選實施例的KLTN晶體的化學(xué)組成是K0.9945Li0.0055Nb0.35O3。這個成分通過電子顯微鏡分析和原子吸收測量得到。通過對介電常數(shù)的溫度依從關(guān)系的測量，測定出KLTN晶體的相變溫度是Tc=26℃。為了提高晶體的性能，寫入全息圖以前，晶體需要經(jīng)歷一個插樹還原過程，在2.1KV/cm外加電場下從40℃以0.5℃/分鐘的速度逐漸冷卻到10℃，然后又以同樣的速度上升到工作溫度。在工作時，晶體溫度維持在32℃，在順電相中，這個溫度高于相變點6℃。通過一個與晶體并置的恒定的熱電元件24來維持溫度，如圖1(a)所示。為簡便起見，這個元件在其余的圖里被省略了。
圖1(a)和1(b)所示的簡單EH開關(guān)實施例可用在許多MIN結(jié)構(gòu)里，以代替目前使用的鐵電或液晶偏振分束器(PBS)開關(guān)。象PBS開關(guān)一樣，EH開關(guān)可通過直接加在晶體上的電壓來控制，而不是在每一個開關(guān)的入口處旋轉(zhuǎn)光的偏振方向。EH開關(guān)的一個主要優(yōu)點是它的開關(guān)時間比以前的液晶元件的緩慢開關(guān)時間快多了，甚至比鐵電開關(guān)還快。根據(jù)本發(fā)明，測得的KLTN EH的開關(guān)時間為100納秒量級，但似乎這是測量設(shè)備的一個極限，實際的開關(guān)速度會更快。與目前用于自由空間光開關(guān)的其他開關(guān)技術(shù)相比，如上面提到的LCD器件，這樣的開關(guān)時間是很短的。很短的開關(guān)時間是KLTN EH開關(guān)的主要優(yōu)點，這個優(yōu)點使此項技術(shù)很適合用在交換網(wǎng)絡(luò)里。這樣的開關(guān)時間很顯然適合于電路交換應(yīng)用，甚至接近支持包交換所需的速度。
然而，像PBS開關(guān)一樣，這種簡單EH旁通-交叉開關(guān)遇到了同樣的問題，就是串?dāng)_水平對輸入光的偏振誤差非常敏感。在EH開關(guān)里，由于兩個不同偏振的二次電光效應(yīng)系數(shù)不同，衍射效應(yīng)的偏振相關(guān)性會產(chǎn)生串?dāng)_。簡單EH開關(guān)結(jié)構(gòu)的另一個缺點是，為了消除串?dāng)_，需要盡可能達(dá)到厚全息圖的100％的效率。因為，如果只達(dá)到99.9％的效率，沒有衍射直接傳輸?shù)?.1％光會導(dǎo)致30dB的串?dāng)_指數(shù)。因為衍射效率是作用參數(shù)的函數(shù)，例如電場，也是晶體特性的函數(shù)，晶體特性取決于環(huán)境條件，完全達(dá)到100％的效率最高點很困難，因此串?dāng)_水平對環(huán)境和作用條件很敏感。需要說明的是，在這兩種結(jié)構(gòu)中，串?dāng)_的偏振敏感性可通過閉環(huán)控制系統(tǒng)來解決，但這會使系統(tǒng)復(fù)雜化，而且很顯然會相當(dāng)昂貴。
圖2(a)和(b)是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例構(gòu)建并工作的EH開關(guān)設(shè)備示意圖，它克服了在第一個實施例中描述的簡單EH開關(guān)的上述串?dāng)_問題。圖2(a)說明了開關(guān)的一種狀態(tài)，2(b)說明了另一種狀態(tài)。在這個開關(guān)器件中，兩個KLTN晶體30、34被串聯(lián)和并列配置。每一個晶體有自己獨立的一組電極，晶體30的電極為32、34，晶體40的電極為42、44，這樣電場可獨立地施加到每個晶體上。每個晶體包含一組不同的全息圖，當(dāng)開啟時，這些全息圖將產(chǎn)生一組預(yù)定的衍射連接。通過向第一個晶體施加電壓，寫入在該晶體里的一組連接就被選擇了；通過向第二個晶體施加電壓，則寫入在這個晶體里的一組連接就被選擇了。結(jié)果，每個晶體將對所有輸入光束進(jìn)行一種交換。這個交換由寫在晶體里的全息圖組定義，并且因為這些全息圖是厚全息圖，Bragg條件將避免每條路由所需的全息圖影響其他路由。
因此，因為光束的任意方向可以編入每一個晶體內(nèi)，這種開關(guān)結(jié)構(gòu)能將交換層與靜態(tài)互連層在MIN的結(jié)構(gòu)中結(jié)合成一個整體。這個特性可以節(jié)省MIN級間的光元件，這些級間光元件是以前MIN結(jié)構(gòu)所必須的，并且這個特性允許引入多種多級結(jié)構(gòu)，即使是大量節(jié)點尺寸也很緊湊。這使構(gòu)建全新的一族MIN結(jié)構(gòu)成為可能，它們緊湊、靈活、費效比好，這是早期的開關(guān)技術(shù)至今無法達(dá)到的。
正如前面提到的，需要一個元件來將晶體保持在一個穩(wěn)定的、稍高于相變點的溫度，如在圖1(a)所示，但為了簡便起見在圖中被省略了。
在工作時，如圖2(a)所示，當(dāng)開關(guān)處于第一種狀態(tài)，給晶體30施加電壓V1，給晶體40施加電壓V0，結(jié)果端口50的輸入信號會衍射到端口52，端口54的輸入信號會衍射到端口56。當(dāng)開關(guān)切換到另一種狀態(tài)，如在圖2(b)所示，翻轉(zhuǎn)施加在兩個晶體上的電壓，給晶體40施加電壓V1，給晶體30施加電壓V0，結(jié)果端口50的輸入信號會衍射到端口56，端口54的輸入信號會衍射到端口52。所以很顯然此器件具有直通-交叉開關(guān)的功能，就象圖1所說明的那樣。
然而，圖2(a)和(b)所示的實施例中，在交換功能中非衍射光不起作用，因為來自兩個輸入端的信號在第一或第二個晶體中都會衍射。非衍射光只不過被擋光器62吸收并消除了。因此，偏振的改變、環(huán)境條件中的改變或外加電壓的改變，都不會導(dǎo)致串?dāng)_的增加，只會導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸?shù)囊稽c點改變，原因是擋光器62導(dǎo)致了信號的一點微小改變。另外，因為開關(guān)的狀態(tài)只決定于電壓所作用的晶體，并不需要達(dá)到100％的衍射效率，因此對外加電壓一點也不敏感。這些特性使本發(fā)明的此種實施例更加健壯，無論是對環(huán)境和還是對工作條件。這個實施例可以描述為EH開關(guān)的一種數(shù)字化模式，而圖1(a)和1(b)所示的簡單EH開關(guān)可以看作是工作在一種模擬模式下。所有此類系統(tǒng)，數(shù)字化運行對工作條件具有更大的容忍度，并且對串?dāng)_具有更強(qiáng)的抵抗力。最后，數(shù)字EH開關(guān)可構(gòu)建為多種狀態(tài)，只要將許多個晶體串聯(lián)，每一個晶體各自有一組連接狀態(tài)，后面將會繼續(xù)討論，從而大大減少了MIN所需的開關(guān)數(shù)量。
通過給圖2(a)和2(b)所示的兩個晶體串聯(lián)更多的晶體，向每個晶體寫入更多的全息圖，單個開關(guān)模塊可以處理的路由數(shù)可以顯著地增加。參考圖3(a)到3(c)，其中示意顯示了一個數(shù)字化EH開關(guān)70，它是根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例構(gòu)建和工作的。這種開關(guān)模塊利用三個晶體72、73、74，連接了四個節(jié)點，分別標(biāo)為1到4。圖3(a)的每一個晶體包含四個不同的光柵，在同一個晶體上構(gòu)成角度復(fù)用。這種結(jié)構(gòu)包含支持四個節(jié)點的全訪問連接所需的最少數(shù)量的晶體。這意味著每個節(jié)點都可連接其它任何節(jié)點，但并不是全部的置換都是可行的。這種實施例支持的交換選為三個環(huán)行置換，如圖3(a)到3(c)所示。每個晶體包含一個所需的置換，它是通過在那個晶體里4個預(yù)先存儲的全息圖來實現(xiàn)的。4個全息圖的每一個都存儲了，這樣就根據(jù)所需的置換，將光從其中一個源點引導(dǎo)到各自的檢測器。
在開關(guān)的工作中，通過向相應(yīng)的晶體施加電壓來選擇所需的置換。當(dāng)向晶體施加電壓時，所有四個存儲在該晶體里的全息圖都被開啟，所有四個光束并行地進(jìn)行路由選擇，到達(dá)它們預(yù)定的目標(biāo)。例如，在圖3(a)中，晶體72里的四個全息圖被激活，將數(shù)據(jù)并行、獨占地傳送，從節(jié)點1到2，從節(jié)點2到節(jié)點3，從節(jié)點3到節(jié)點4，從節(jié)點4到節(jié)點1。圖3(b)到3(c)顯示了該開關(guān)模塊所選擇的環(huán)狀并行路由方案。通過給開關(guān)增加更多的晶體，可能的置換數(shù)量可以增加，超過最小值。
目前高速光通信系統(tǒng)采用的波長在近紅外區(qū)，特別是在1.3μm和1.5μm波段。因此，厚全息圖應(yīng)能在這些波長范圍被重建，開關(guān)將會應(yīng)用在這些波長，盡管全息圖是在λw=532nm波長存儲的，因為在這個波長上材料有足夠的敏感度來完成有效的存儲。另外，使用紅外重建光束不會影響已有的空間電荷場分布，因為在這些波長上光致敏感性微不足道。這種屬性省掉了一個固定過程，這對光折射晶體來說技術(shù)上還沒有開發(fā)出來。
波長的這一變化決定了寫入光束的角度，以讓記錄光柵Bragg條件符合所需的重建角度。如果需要一個光柵將一束波長為λr的準(zhǔn)直光束角度從θr1路由到θr2(所有的角度指與晶體表面法線所成的角度)，那么波長為λw的兩束寫光束的夾角可由下面公式求得θw1,2=θr1+θr22±sin-1(λwλrsin(θr1-θr22))---(5)]]>正如式(4)所定義的，這個關(guān)系式從厚全息圖的Bragg條件推導(dǎo)出。公式(5)是對對稱或小角度傳輸全息圖情形的修正。一般情況下，應(yīng)考慮到由于Snell法則引起的晶體入射光束方向的變化。那么在一般情況下波長為λw的兩束光的夾角可由下面公式求得 在進(jìn)行少量的置換時，不同晶體的全息圖共享重建入射或出射角度。但是，因為在寫入階段使用不同波長，對于每個晶體來說寫入角度將是唯一的。這樣，寫入系統(tǒng)必須能夠用角度連續(xù)和精確可調(diào)的兩束相干光對晶體曝光。
根據(jù)上面公式(5)和(6)給定的條件，圖4顯示了用于在晶體中寫入全息圖的光學(xué)系統(tǒng)。此系統(tǒng)只用于開關(guān)的生產(chǎn)階段。在開關(guān)里的全息圖優(yōu)化之后，它們可保持特別長的時間，不會有明顯的擦除跡象。
根據(jù)前面所述的結(jié)構(gòu)，由三個KLTN晶體80,82,84組成開關(guān)。這三個晶體分別安裝在由三臺微機(jī)控制的線性基座上(85,86,87)，圖中箭頭示意地說明了晶體的運動。這些基座用于把每個晶體滑進(jìn)或滑出寫入光束，以讓每個晶體分別寫入各自特有的全息圖。這三個線性基座封裝在一個熱電加熱/冷卻器92上，使溫度保持恒定。根據(jù)本發(fā)明的這一種實施例，開關(guān)模塊使用的晶體尺寸為3mm×3mm×3mm，并沿[100]晶格方向切割。在垂直于光學(xué)軸線的水平面上濺射兩個金電極，用于施加電壓。用微型鉗子將晶體夾住，以便于方便而快捷地更換晶體。鉗子與電極導(dǎo)通，但要用小陶瓷片與線性基座隔離開，以便在晶體上施加高電壓時不會短路。陶瓷片要提供了良好的熱接觸，以利于保持晶體的溫度。高壓電源88由中心計算機(jī)90發(fā)出的命令控制。這臺計算機(jī)也控制可動基座。
由于KLTN晶體折射率高(n=2.1)，需要進(jìn)行消反射鍍膜。一般使用MgF2或SiO2半波層消反射鍍膜。在光波長為λr=1.3μm、與鍍膜表面法線夾角為10℃的情況下，這兩種鍍膜可將反射率從12％減少到0.2％。
在寫入時，從倍頻、激光二極管泵浦的Nd:YaG激光器100發(fā)出的光通過由計算機(jī)控制的快門102，由分束鏡104分成兩束垂直偏振的平面波束，每束大約為20mW。這兩束光用于在每個晶體上寫入平面相位傳輸全息圖。每束光從安裝在由計算機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)基座106、108上的鏡子上反射(具有0.005℃的精確度)到各自的4f成像系統(tǒng)110、102，其中的每一個都將其鏡子成像到晶體上。因此，鏡子的旋轉(zhuǎn)相應(yīng)地改變了光束入射到晶體上的入射角。4f成像系統(tǒng)是保持光束準(zhǔn)直所必需的。每個4f成像系統(tǒng)由兩個對稱3″焦距的雙透鏡114、118和115、118組成。用一個50/50的平面分束鏡116把兩束光在4f成像系統(tǒng)的中間合并，這個分束鏡放置的位置使4f成像系統(tǒng)的第二個鏡頭118為兩個4f系統(tǒng)共用，由兩束光共享。通過旋轉(zhuǎn)安裝在旋轉(zhuǎn)基座上的鏡子，這樣的結(jié)構(gòu)允許兩束光在±10℃的范圍內(nèi)任意設(shè)定角度。為了達(dá)到厚全息圖要求的高角度精確度，要通過一個校準(zhǔn)程序來減少鏡頭的失真畸變。因為系統(tǒng)的所有運動部件都由計算機(jī)控制，利用校準(zhǔn)結(jié)果建立一個角度速查表，用來補(bǔ)償角度失真。另外，寫入過程的所有元件的計算機(jī)控制使得寫入過程快速而自動化，便于大批量生產(chǎn)開關(guān)。
通過將兩個其他的晶體滑出光束的路徑來分別寫入晶體，這樣光不會擦除寫在上面的全息圖。圖4描繪的情形中，中間的晶體84被寫入，同時其他兩個晶體80、84滑出光束線路。每個晶體上的四個角度復(fù)用的全息圖依次寫入。鏡子的轉(zhuǎn)動角度和每個連續(xù)全息圖的曝光周期都是計算機(jī)控制的，用一個遞歸計劃方案來保持所寫入的全息圖全體具有恒定的效率。對于所采用的晶體尺寸，全息圖是在一個恒定的2.1KV/cm外加電場下寫入的。
現(xiàn)在參照圖5，其中顯示了一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它是用根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例實現(xiàn)的數(shù)字化EH直通-交叉開關(guān)構(gòu)建和工作的。在這個實施例里，該網(wǎng)絡(luò)用1.2Gbit/s的光纖通信鏈路120連接4臺PC機(jī)。每臺計算機(jī)有一條PCI總線通信(邏輯分析器)板122，作為計算機(jī)和收發(fā)器的接口。光收發(fā)器用一個BCT 15T模塊作為發(fā)射機(jī)124，用一個BCT 15R作為接收機(jī)126。這些模塊由美國佛羅里達(dá)州B.C.P.Inc.of Melbourne公司制造。BCT 15T模塊將16×60Mbit/s通道多路復(fù)用成單一的1.2Gbit/s通道，調(diào)制一個波長為λr=1.55μm的帶尾纖的DPB激光器。這個激光器安裝在電路板上，但沒在圖5里標(biāo)出。BCT15R模塊由一個帶尾纖的1.2Gbit/s接收器和一個具有16×60Mbit/s輸出通道的解復(fù)用器組成。這樣每臺計算機(jī)用2根光纖與交叉連接開關(guān)128相連，單模光纖130把光傳送進(jìn)開關(guān)，一根50/125多模光纖從開關(guān)中接收光信號。需要用準(zhǔn)直透鏡在開關(guān)端口和光纖之間進(jìn)行耦合，為簡便起見圖中沒有說明。為了保持最佳的全息效率，發(fā)射機(jī)光纖最好采用保偏光纖。
這個開關(guān)用第五臺具有D/A板的計算機(jī)134控制。該D/A板的模擬輸出控制一個包含三個高壓、高速半導(dǎo)體開關(guān)的交換模塊136，將來自電源138的±700V電壓切換至開關(guān)140的三個晶體中的每一個。
此數(shù)字EH開關(guān)結(jié)構(gòu)的一個重要優(yōu)點是，能夠?qū)崿F(xiàn)一個對k個通道進(jìn)行路由選擇的開關(guān)，而不僅僅是簡單模擬EH開關(guān)的k=2通道。當(dāng)開關(guān)置入MIN時可利用這一特性。在一個全訪問MIN中，最小層數(shù)可由下面公式求得L=logkN(7)其中N為節(jié)點數(shù)。在一個全訪問MIN所需的總開關(guān)數(shù)最小值可由下面公式求得S=NkL=NklogkN---(8)]]>因此可以看到，層數(shù)和所需開關(guān)的總數(shù)隨k戲劇性地減少。另外，根據(jù)需求量和要求的費用，k可以用來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)的可能置換數(shù)或自由度數(shù)。
一個能處理k條路由的數(shù)字化EH開關(guān)，可以由m個相鄰的晶體組成，每個晶體包含k個全息圖。m個晶體中的每一個實現(xiàn)k個路由所需的m個置換中的一個。在單個k路由開關(guān)里所需的晶體數(shù)m的條件是m≥k，這是公式(7)和(8)所描述的MIN最小開關(guān)數(shù)條件的一部分。假如m＜k,MIN就不是全訪問的。假如m=k，用最少量的開關(guān)就可實現(xiàn)全訪問MIN，其中利用公式(8)，整個網(wǎng)絡(luò)需要的晶體數(shù)為ncrystals=N logkN(9)這個數(shù)量是一個評價系統(tǒng)復(fù)雜性和成本的品質(zhì)因數(shù)。
通過增加m從而滿足m＞k，可以增加額外的自由度和可能的置換。公式(9)表明隨k的增加，系統(tǒng)的成本會很快地降低。因此，最大的k可得到最低的成本。k的最大值受限于寫在晶體上的k個全息圖中每一個的效率，因為每個單獨的全息圖的效率按照所儲存的全息圖數(shù)量k的平方降低。因此，應(yīng)依照可接受的系統(tǒng)成本與性能比選擇折中的k值。
圖6是一個大規(guī)模MIN的示意圖，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例建構(gòu)與運行，用一個4節(jié)點數(shù)字EH開關(guān)陣列150建成，在64節(jié)點間提供全訪問交換連接。用來連接這個MIN中各個開關(guān)模塊的特殊結(jié)構(gòu)為Banyan網(wǎng)絡(luò)。所示的網(wǎng)絡(luò)互連了64個工作速率為2.5Gbit/sec的光纖數(shù)據(jù)通道，這是目前高速光通信系統(tǒng)的典型速率。
交換網(wǎng)絡(luò)的控制和管理通常分為兩個主要方式——集中式和分布式。MIN基本上屬于集中式控制這一類，這本身更復(fù)雜和有限。然而，通過將一些EH MIN模塊組合在一起，形成一個大型交叉連接網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)路由的一種分布式控制。
交叉連接結(jié)構(gòu)的一個主要問題是存取時間，它依賴于所采用的網(wǎng)絡(luò)管理方法。除了EH開關(guān)本身的開關(guān)時間，一個對存取時間有貢獻(xiàn)的因素是節(jié)點用來發(fā)送所需地址的方式和協(xié)議。較好的方法是給光通道上的每組數(shù)據(jù)發(fā)送一個分組頭，其中包括了地址，與系統(tǒng)使用的類似，例如在ATM中。這種方法需要在系統(tǒng)輸入端發(fā)送一束抽樣光到光檢測器。在上面建議的數(shù)字EH開關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實施例里，為了減少串?dāng)_，非衍射光被阻擋和消除。如果擋光器被光檢測器所代替，象分組頭這樣的通信信息就可以讀取并用來控制開關(guān)的交換狀態(tài)。
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例提出的一個數(shù)字EH開關(guān)，包括一個檢測器152，它用于讀取通過開關(guān)的光數(shù)據(jù)分組的地址頭。地址頭信息傳送到一個處理單元154，用來為交換網(wǎng)絡(luò)提供正確的控制信號，以保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到預(yù)定的目的地。其它的組件與圖2(a)和2(b)一樣。
數(shù)字化EH開關(guān)與WDM技術(shù)的結(jié)合可以顯著地擴(kuò)展可能的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)性能。由于厚全息圖的高選擇性，可在同樣的開關(guān)里為額外的波長增加額外的全息圖。這些全息圖可引導(dǎo)不同的波長到任意方向。因此，WDM通道的每一波長可動態(tài)地路由通過MIN里的不同路徑，發(fā)送到其它任何節(jié)點。一個誘人的選擇是使用可調(diào)波長激光二極管的波長變化，這種激光器可在1納秒內(nèi)轉(zhuǎn)換波長，利用一組有限的連接可以實現(xiàn)一個很快的交叉連接開關(guān)，這些連接本身只能利用EH效應(yīng)很慢地(100納秒)改變。
對本行業(yè)熟識的人士可以理解的是，本發(fā)明不限于上述專門描述和說明的那些內(nèi)容。本發(fā)明的范圍更應(yīng)當(dāng)包含上述各種特性的組合和部分組合，以及對本行業(yè)熟識的人士閱讀上述描述后可以作出的、同時又不在以前技術(shù)之中的變化和修改。
權(quán)利要求
1．由順電(paraelectric)光折射材料組成的一種光開關(guān)，在其中儲存有一個全息圖，全息圖的重建用外加電場來控制。
2．由順電光折射材料組成的一種光開關(guān)，在其中儲存有一個隱藏的全息圖，全息圖的激活和重建用外加電場來控制。
3．上述兩點權(quán)利要求中任意一個所述的一種光開關(guān)，以及其中上述全息圖由上述順電光折射材料的折射率空間調(diào)制形成。
4．權(quán)利要求3所述的一種光開關(guān)，以及其中上述全息圖以一組包含至少一個的光柵形式存在。
5．權(quán)利要求3和4之一所述的一種光開關(guān)，其中所述順電光折射材料的折射率空間調(diào)制由二次電光效應(yīng)引起，該二次電光效應(yīng)由所述順電光折射材料中空間調(diào)制的空間電荷與一個外加電場的共同作用產(chǎn)生。
6．權(quán)利要求3和4之一所述的一種光開關(guān)，其中所述順電光折射材料的折射率空間調(diào)制由二次電光效應(yīng)引起，該二次電光效應(yīng)由所述順電光折射材料中低頻介電常數(shù)的空間調(diào)制與一個外加電場的共同作用產(chǎn)生。
7．上述權(quán)利要求中任何一個所述的一種光開關(guān)，其中的光折射材料是摻雜鈮鉭酸鉀鋰晶體。
8．上述權(quán)利要求中任何一個所述的一種光開關(guān)，其中所述的電場通過在所述的光折射材料的兩個相對表面上的電極來施加。
9．由至少兩個順電光折射晶體組成的一種光開關(guān)，其中每個晶體中儲存至少一個全息圖，其重建通過向每個所述的晶體施加一個電場來控制，所述的晶體布置成可讓一束光束串行穿過。
10．由至少兩個順電光折射晶體組成的一種光開關(guān)，其中每個晶體中儲存至少一個隱藏的全息圖，其激活和重建通過向每個所述的晶體施加一個電場來控制，所述的晶體布置成可以讓一束光束串行穿過。
11．權(quán)利要求9和10中任一個所述的一種光開關(guān)，其中所述的至少兩個光折射晶體的每一個都按照儲存其中的至少一個全息圖，衍射至少一束輸入光束到預(yù)選的輸出方向。
12．權(quán)利要求9到11中任一個所述的一種光開關(guān)，其中所述的輸入光束可根據(jù)向所述至少兩個光折射晶體中的每一個施加的電場來切換到一個預(yù)選的輸出方向。
13．權(quán)利要求9到12中任一個所述的一種光開關(guān)，其中非衍射光被一個擋光器吸收。
14．權(quán)利要求9到12中任一個所述的一種光開關(guān)，其中非衍射光被輸入到一個檢測器里。
15．權(quán)利要14所述的一種光開關(guān)，其中所述的光開關(guān)是一個光交換網(wǎng)絡(luò)的一部分，以及其中所述的檢測器用來讀取穿過所述光開關(guān)的光數(shù)據(jù)的地址頭。
16．權(quán)利要15所述的一種光開關(guān)，其中所述的地址頭用于控制所述的交換網(wǎng)絡(luò)。
17．上述權(quán)利要求中任何一個所述的一種光開關(guān)，其中的全息圖在可見光波長寫入，在近紅外波長重建。
18．上述權(quán)利要求中任何一個所述的一種光開關(guān)，其中每一輸入和輸出光束的任意方向可通過向每一個晶體寫入一組適當(dāng)?shù)娜D來確定。
19．用于光通信系統(tǒng)的一種交換網(wǎng)絡(luò)，包含至少一個上述任意一個權(quán)利要求所述的光開關(guān)。
20．權(quán)利要求19所述的用于光通信系統(tǒng)的一種交換網(wǎng)絡(luò)，其中所述的網(wǎng)絡(luò)是多級網(wǎng)絡(luò)。
21．權(quán)利要求19和20中任一個所述的用于光通信系統(tǒng)的一種交換網(wǎng)絡(luò)，其中交換層和靜態(tài)互連層是一體的。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種光開關(guān)，包含一個順電光折射材料(10)，其中存儲了一個全息圖(24)，可能是一個隱藏的全息圖，全息圖的重建、或激活與重建由一個外加電場(12,14)來控制。全息圖通過順電光折射材料的折射率調(diào)制形成，這種調(diào)制是由二次電光效應(yīng)引起的，二次電光效應(yīng)由順電光折射材料中空間調(diào)制的空間電荷與一個外加電場的共同作用產(chǎn)生的。這種光開關(guān)可以用于一個交換網(wǎng)絡(luò)，例如光通信的多級網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號G03H1/02GK1318158SQ99810635
公開日2001年10月17日 申請日期1999年7月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月6日
發(fā)明者A·J·阿格拉納特, B·佩薩克, L·R·羅格爾 申請人:耶路撒冷希伯來大學(xué)伊森姆研究發(fā)展公司