專利名稱：2×2波長選擇交叉連接器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信器件，特別涉及全光波分復(fù)用通信網(wǎng)絡(luò)中的光通信器件。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)通信網(wǎng)基于電子技術(shù)，由于電子器件的速率已經(jīng)越來越接近物理和技術(shù)上的極限，進(jìn)一步提高速率將使系統(tǒng)成本大大增加。要消除目前光纖傳輸網(wǎng)中由于存在光/電-電/光轉(zhuǎn)換而引起的電子瓶頸，其出路是采用寬帶、大容量、高速的波分復(fù)用全光通信技術(shù)。波分復(fù)用全光通信網(wǎng)絡(luò)中，不存在光—電—光轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配不同的光波波長，光波波長直接用于節(jié)點(diǎn)路由。光交叉連接器(OXC)無疑是這種全光波長路由網(wǎng)絡(luò)的核心器件。光交叉連接器中沒有波長轉(zhuǎn)換能力的稱為波長選擇交叉連接器(WSXC)，有波長轉(zhuǎn)換能力的稱為波長轉(zhuǎn)換交叉連接器(WIXC)。
艾利森電話股份有限公司T.奧古斯特松提出的專利公開號CN1307767A、名稱為“用于交換光波長的方法和波長選擇開關(guān)”的發(fā)明由多模干涉波導(dǎo)、波長選擇交叉結(jié)構(gòu)、相位控制元件以及連接波導(dǎo)構(gòu)成；T.奧古斯特松提出的專利公開號CN1249823A、名稱為“光學(xué)裝置”的發(fā)明由多模干涉波導(dǎo)、相位控制元件和布拉格光柵構(gòu)成。上述發(fā)明利用相位控制元件實(shí)現(xiàn)波長選擇，要求各相位控制元件的改變相位到相同的程度，屬于模擬控制方法，它在實(shí)現(xiàn)上較困難，要求對相位畸變的波長進(jìn)行相位補(bǔ)償，各相位控制元件相位改變的不匹配將嚴(yán)重影響器件的性能。其次，上述發(fā)明采用多模干涉(MMI)原理進(jìn)行分光，要求輸入光信號功率要在幾個輸出端進(jìn)行分配，導(dǎo)致光信號的功率減小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種2×2光波長選擇交叉連接器，目的在于簡化波長選擇控制，降低光信號功率的損耗，并有利于實(shí)現(xiàn)多端口、多波長選擇交叉連接器件的集成。
本發(fā)明的一種2×2光波長選擇交叉連接器，包括一個以特性相同的周期性布拉格光柵為兩臂的馬赫—曾德干涉儀，具有完全對稱結(jié)構(gòu)，其特征在于(1)其還包括上、下1×2光開關(guān)，上、下Y形合波器和一對相互交叉的光波導(dǎo)；所述上、下1×2光開關(guān)各具有一個光輸入端口、兩個光輸出端口和一個控制端口；所述上、下Y形合波器各具有一個光輸出端口和兩個光輸入端口；由特性相同的周期性布拉格光柵為兩臂的馬赫—曾德干涉儀有四個對稱的端口；(2)上1×2光開關(guān)的一個輸出端與馬赫—曾德干涉儀上耦合器的左端口相連，上1×2光開關(guān)的另一個輸出端通過光波導(dǎo)連接下Y形合波器的一個輸入端口；(3)下1×2光開關(guān)的一個輸出端與馬赫—曾德干涉儀下耦合器的左端口相連，下1×2光開關(guān)的另一個輸出端通過光波導(dǎo)連接上Y形合波器的一個輸入端口；(4)上Y形合波器的另一輸入端口與馬赫—曾德干涉儀上耦合器的右端口相連，下Y形合波器的另一輸入端口與馬赫—曾德干涉儀下耦合器的右端口相連；(5)上、下1×2光開關(guān)的輸入端口作為2×2波長選擇交叉連接器的兩個輸入端；上、下1×2光開關(guān)的控制端口作為2×2波長選擇交叉連接器的兩個控制信號輸入端；上、下Y形合波器的輸出端作為2×2波長選擇交叉連接器的兩個輸出端。
所述的2×2光波長選擇交叉連接器，其特征在于所述上、下1×2光開關(guān)的結(jié)構(gòu)及特性完全相同；所述上、下Y形合波器的結(jié)構(gòu)及特性完全相同；所述兩個相互交叉的光波導(dǎo)幾何尺寸和物理特性完全相同。
本發(fā)明所能選擇交叉連接的光波長由構(gòu)成馬赫—曾德干涉儀兩臂的周期性布拉格光柵的中心波長決定，通過對1×2光開關(guān)的控制，可以實(shí)現(xiàn)對所選擇光波長的交叉連接，1×2光開關(guān)的控制信號只有“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)，可以將輸入的光信號選擇性的引入到其兩個輸出端口中的一個端口，屬于數(shù)字控制方法，并且不存在光信號功率在多個端口的分配。本發(fā)明可以通過多級網(wǎng)絡(luò)連接的方式實(shí)現(xiàn)多端口多波長的光波長選擇交叉連接器。一個非阻塞性的單波長2m×2m波長選擇交叉連接器可由(2m-1)2m-1個相同的本發(fā)明模塊通過2m-1級的多級網(wǎng)絡(luò)互連構(gòu)成；一個非阻塞性的N波長2m×2m波長選擇交叉連接器，可由N個不同波長的非阻塞性的單波長2m×2m波長選擇交叉連接器模塊串聯(lián)而成。多級互連網(wǎng)絡(luò)可采用Banyan或Benes等多級互連結(jié)構(gòu)。基于右混洗及左混洗互連網(wǎng)絡(luò)的波長選擇交叉連接器具有高度的模塊化結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)器件的集成。
本發(fā)明控制簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、高度模塊化、便于集成，對非控制光波的透明，可以通過互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多端口多波長擴(kuò)展。由本發(fā)明擴(kuò)展而成的多端口多波長選擇交叉連接器是波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)的核心器件。本發(fā)明所采用的各種器件均可用波導(dǎo)器件實(shí)現(xiàn)，易于實(shí)現(xiàn)集成，可用于光電印制線路板之間、光電芯片之間及芯片內(nèi)部各IP核之間的甚短距波分復(fù)用光互連網(wǎng)絡(luò)。


圖1.本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2基于右混洗網(wǎng)絡(luò)的4×4單波長選擇交叉連接器示意圖；圖3基于右混洗網(wǎng)絡(luò)的2×2四波長選擇交叉連接器示意圖；圖4基于右混洗網(wǎng)絡(luò)的4×4兩波長選擇交叉連接器示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由以下幾個部分連接構(gòu)成(1)上、下1×2光開關(guān)上1×2光開關(guān)20有一個輸入端口21、兩個輸出端口22、23和一個控制端口24；通過改變對控制端口24所施加的控制信號，可以實(shí)現(xiàn)輸入端口21與兩個輸出端口22、23中其中一個輸出端口的選擇性導(dǎo)通連接。下1×2光開關(guān)25有一個輸入端口26、兩個輸出端口27、28和一個控制端口29；通過改變對控制端口29所施加的控制信號，可以實(shí)現(xiàn)輸入端口26與兩個輸出端口27、28中其中一個輸出端口的選擇性導(dǎo)通連接。
(2)上、下Y形合波器上Y形合波器30有兩個輸入端口31、32和一個輸出端口33，兩個輸入端口中的光信號可以同時引到輸出端口。下Y形合波器34有兩個輸入端口35、36和一個輸出端口37。
(3)一對光波導(dǎo)4每個光波導(dǎo)4可以將一個端口引入的光信號傳遞到另一個端口。
(4)一個基于布拉格光柵的馬赫—曾德干涉儀1，具有二維對稱結(jié)構(gòu)。若將該基于布拉格光柵的馬赫—曾德干涉儀1水平或垂直等分，其中的一半是另一半的鏡像；該基于布拉格光柵的馬赫—曾德干涉儀1的兩臂上的周期性布拉格光柵11具有相同的中心波長及其它特性。該基于布拉格光柵的馬赫—曾德干涉儀1有四個端口，分別從兩個光耦合器引出。由馬赫—曾德干涉儀上耦合器12的左端口13引入的光波中波長在布拉格光柵11中心波長附近的光波被引到馬赫—曾德干涉儀上耦合器的右端口14，其它波長的光波被引到馬赫—曾德干涉儀下耦合器15的右端口17；由馬赫—曾德干涉儀下耦合器15的左端口16引入的光波中波長在布拉格光柵11中心波長附近的光波被引到馬赫—曾德干涉儀下耦合器15的右端口17，其它波長的光波被引到馬赫—曾德干涉儀上耦合器12的右端口14。
以上器件的端口連接情況為上1×2光開關(guān)20的一個輸出端22與馬赫—曾德干涉儀上耦合器12的左端口13相連，上1×2光開關(guān)20的另一個輸出端23通過光波導(dǎo)4連接下Y形合波器34的一個輸入端口36，下1×2光開關(guān)25的一個輸出端27與馬赫—曾德干涉儀下耦合器15的左端口16相連，下1×2光開關(guān)25的另一個輸出端28通過光波導(dǎo)4連接上Y形合波器30的一個輸入端口32，上Y形合波器30的另一輸入端口31與馬赫—曾德干涉儀上耦合器12的右端口14相連，下Y形合波器34的另一輸入端口35與馬赫—曾德干涉儀下耦合器15的右端口17相連，上、下1×2光開關(guān)的輸入端口21、26做為2×2波長選擇交叉連接器的兩個輸入端；上、下1×2光開關(guān)的控制端口24、29做為2×2波長選擇交叉連接器的兩個控制信號輸入端；上、下Y形合波器的輸出端33、37做為2×2波長選擇交叉連接器的兩個輸出端。
為便于描述本發(fā)明的工作原理，特作如下約定(1)端口標(biāo)號I1表示本發(fā)明的上輸入端口，I2表示下輸入端口，O1表示上輸出端口，O2表示下輸出端口；同時，I1、I2、O1、O2還表示對應(yīng)端口所存在的光波波長的集合。
(2)本發(fā)明的上、下1×2光開關(guān)用同一控制信號K控制。控制信號K為數(shù)字信號，具有“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)控制信號為“開”時，記為K，上1×2光開關(guān)的輸入端引入的光波信號經(jīng)光波導(dǎo)引到下Y形合波器的輸出端，下1×2光開關(guān)的輸入端引入的光波信號經(jīng)光波導(dǎo)引到上Y形合波器的輸出端；1×2光開關(guān)的控制信號為“關(guān)”時，記為K，此時上1×2光開關(guān)的輸入端引入的光波信號中波長在布拉格光柵中心波長附近的光波被引到上Y形合波器的輸出端，其它波長的光波被引到下Y形合波器的輸出端，下1×2光開關(guān)的輸入端引入的光波信號中波長在布拉格光柵中心波長附近的光波被引到下Y形合波器的輸出端，其它波長的光波被引到上Y形合波器的輸出端。
(3)馬赫—曾德干涉儀的兩臂的周期性布拉格光柵的中心波長為λm，m為正整數(shù)，用于指示和區(qū)分不同的波長。
在上述約定的情況下，本發(fā)明可用如下關(guān)系式進(jìn)行描述O1O2=K‾KKK‾I1∩{λm}I2∩{λm}+0110I1\(I1∩{λm})I2\(I2∩{λm)---(1)]]>通過對2×2矩陣 進(jìn)行配置，可以實(shí)現(xiàn)對所選擇的波長λm進(jìn)行輸出端口的切換；2×2矩陣 表示對輸入端口中光波波長在布拉格光柵中心波長附近的光波進(jìn)行篩選后所剩的光波的去向；本發(fā)明無法對非交換波長進(jìn)行通道切換控制，只能對兩輸入端光波中非切換波長進(jìn)行通道交叉。
2×1矩陣 表示對輸入端口中光波波長在布拉格光柵中心波長附近的光波進(jìn)行篩選；2×1矩陣 表示對輸入端口中光波波長在布拉格光柵中心波長附近的光波進(jìn)行篩選后所剩的光波。
式(1)對本發(fā)明的工作原理進(jìn)行了完整的描述。它表明，不論上、下1×2光開關(guān)的狀態(tài)如何，本發(fā)明將輸入端I1引入光波的非切換波長I1\(I1∩{λm})引到輸出端O2，將輸入端I2引入光波的非切換波長I2\(I2∩{λm})引到輸出端O1；當(dāng)開關(guān)控制信號為“開”時，本發(fā)明將輸入端I1引入光波的切換波長I1∩{λm}引到輸出端O2，將輸入端I2引入光波的切換波長I2∩{λm}引到輸出端O1；當(dāng)開關(guān)控制信號為“關(guān)”時，本發(fā)明將輸入端I1引入光波的交換波長I1∩{λm}引到輸出端O1，將輸入端I2引入光波的交換波長I2∩{λm}引到輸出端O2。
本發(fā)明的多端口擴(kuò)展利用多級互連網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的多端口擴(kuò)展。2m×2m單波長非阻塞性選擇交叉連接器可由(2m-1)2m-1個相同的本發(fā)明模塊通過2m-1級的多級網(wǎng)絡(luò)互連構(gòu)成。m為正整數(shù)。多級互連網(wǎng)絡(luò)可采用Banyan，Benes等多級互連結(jié)構(gòu)。其中右混洗，左混洗的多級互連結(jié)構(gòu)使得每一級具有相同的結(jié)構(gòu)。該特性使得2m×2m單波長非阻塞性選擇交叉連接器更具有模塊化的結(jié)構(gòu)。圖2為基于右混洗互連網(wǎng)絡(luò)的非阻塞性4×4單波長選擇交叉連接器結(jié)構(gòu)圖，其工作原理的數(shù)學(xué)描述為O1O2O3O4=K13K12K11K13K‾12K21K13K12K‾11K13K‾12K‾21K‾13K12K11K‾13K‾12K21K‾13K12K‾11K‾13K‾12K‾21K23K‾12K11K23K12K21K23K‾12K‾11K23K12K‾21K‾23K‾12K11K‾23K12K21K‾23K‾12K‾11K‾23K12K‾21(I1∩{λm})(I2∩{λm})(I3∩{λm})(I4∩{λm})]]>+K‾13K22K‾11K‾13K‾22K‾21K‾13K22K11K‾13K‾22K21K13K22K‾11K13K‾22K‾21K13K22K11K13K‾22K21K‾23K‾22K‾11K‾23K22K‾21K‾23K‾22K11K‾23K22K21K23K‾22K‾11K23K22K‾21K23K‾22K11K23K22K21(I1∩{λm})(I2∩{λm})(I3∩{λm})(I4∩{λm})]]>+1000001001000001I1\(I1∩{λm})I2\(I2∩{λm})I3\(I3∩{λm})I4\(I4∩{λm})]]>本發(fā)明的多波長擴(kuò)展將N個中心波長不同的布拉格光柵構(gòu)成2×2單波長選擇交叉連接器串聯(lián)起來即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的N波長擴(kuò)展。N為正整數(shù)。圖3為基于右混洗互連網(wǎng)絡(luò)的非阻塞性2×2四波長選擇交叉連接器結(jié)構(gòu)示意圖，其工作原理的可描述為
O1O2=K1K‾1K‾1K1I1∩{λ1}I2∩{λ1}+K2K‾2K‾2K2I1∩{λ2}I2∩{λ2}+K3K‾3K‾3K3I1∩{λ3}I2∩{λ3}]]>+K4K‾4K‾4K4I1∩{λ4}I2∩{λ4}+1001I1\(I1∩{λ1,λ2,λ3,λ4})I2\(I2∩{λ1,λ2,λ3,λ4})]]>本發(fā)明的多端口多波長擴(kuò)展將N個中心波長不同的布拉格光柵構(gòu)成2m×2m波長選擇交叉連接器串聯(lián)起來即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的N波長2m×2m端口擴(kuò)展，m，N為正整數(shù)。圖4為基于右混洗互連網(wǎng)絡(luò)的非阻塞性4×4兩波長選擇交叉連接器結(jié)構(gòu)示意圖，其工作原理可描述為O1O2O3O4=K16K15K14K16K‾15K24K16K15K‾14K16K‾15K‾24K‾16K15K14K‾16K‾15K24K‾16K15K‾14K‾16K‾15K‾24K26K‾15K14K26K15K24K26K‾15K‾14K26K15K‾24K‾26K‾15K14K‾26K15K24K‾26K‾15K‾14K‾26K15K‾24(I1∩{λ2})(I2∩{λ2})(I3∩{λ2})(I4∩{λ2})]]>+K‾16K25K‾14K‾16K‾25K‾24K‾16K25K14K‾16K‾25K24K16K25K‾14K16K‾25K‾24K16K25K14K16K‾25K24K‾26K‾25K‾14K‾26K25K‾24K‾26K‾25K14K‾26K25K24K26K‾25K‾14K26K25K‾24K26K‾25K14K26K25K24(I1∩{λ2})(I2∩{λ2})(I3∩{λ2})(I4∩{λ2})]]>+K13K12K11K13K‾12K21K13K12K‾11K13K‾12K‾21K23K‾12K11K23K12K21K23K‾12K‾11K23K12K‾21K‾13K12K11K‾13K‾12K21K‾13K12K‾11K‾13K‾12K‾21K‾23K‾12K11K‾23K12K21K‾23K‾12K‾11K‾23K12K‾21(I1∩{λ1})(I2∩{λ1})(I3∩{λ1})(I4∩{λ1})]]>+K‾13K22K‾11K‾13K‾22K‾21K‾13K22K11K‾13K‾22K21K‾23K‾22K‾11K‾23K22K‾21K‾23K‾22K11K‾23K22K21K13K22K‾11K13K‾22K‾21K13K22K11K13K‾22K21K23K‾22K‾11K23K22K‾21K23K‾22K11K23K22K21(I1∩{λ1})(I2∩{λ1})(I3∩{λ1})(I4∩{λ1})]]>+1000010000100001I1\(I1∩{λ1,λ2})I2\(I2∩{λ1,λ2})I3\(I3∩{λ1,λ2})I4\(I4∩{λ1,λ2})]]>
權(quán)利要求
1.一種2×2光波長選擇交叉連接器，包括一個以特性相同的周期性布拉格光柵為兩臂的馬赫—曾德干涉儀，具有完全對稱結(jié)構(gòu)，其特征在于(1)其還包括上、下1×2光開關(guān)，上、下Y形合波器和一對相互交叉的光波導(dǎo)；所述上、下1×2光開關(guān)各具有一個光輸入端口、兩個光輸出端口和一個控制端口；所述上、下Y形合波器各具有一個光輸出端口和兩個光輸入端口；由特性相同的周期性布拉格光柵為兩臂的馬赫—曾德干涉儀有四個對稱的端口；(2)上1×2光開關(guān)的一個輸出端與馬赫—曾德干涉儀上耦合器的左端口相連，上1×2光開關(guān)的另一個輸出端通過光波導(dǎo)連接下Y形合波器的一個輸入端口；(3)下1×2光開關(guān)的一個輸出端與馬赫—曾德干涉儀下耦合器的左端口相連，下1×2光開關(guān)的另一個輸出端通過光波導(dǎo)連接上Y形合波器的一個輸入端口；(4)上Y形合波器的另一輸入端口與馬赫—曾德干涉儀上耦合器的右端口相連，下Y形合波器的另一輸入端口與馬赫—曾德干涉儀下耦合器的右端口相連；(5)上、下1×2光開關(guān)的輸入端口作為2×2波長選擇交叉連接器的兩個輸入端；上、下1×2光開關(guān)的控制端口作為2×2波長選擇交叉連接器的兩個控制信號輸入端；上、下Y形合波器的輸出端作為2×2波長選擇交叉連接器的兩個輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的2×2光波長選擇交叉連接器，其特征在于所述上、下1×2光開關(guān)的結(jié)構(gòu)及特性完全相同；所述上、下Y形合波器的結(jié)構(gòu)及特性完全相同；所述兩個相互交叉的光波導(dǎo)幾何尺寸和物理特性完全相同。
全文摘要
2×2光波長選擇交叉連接器，屬于光通信器件，目的在于簡化波長選擇控制，降低光信號功率損耗，有利于實(shí)現(xiàn)多端口、多波長選擇交叉連接器件的集成；本發(fā)明包括以特性相同的周期性布拉格光柵為兩臂的馬赫—曾德干涉儀，上、下1×2光開關(guān)，上、下Y形合波器和一對相互交叉的光波導(dǎo)，具有完全對稱結(jié)構(gòu)；上、下1×2光開關(guān)的輸入端口作為本發(fā)明的兩個輸入端；上、下1×2光開關(guān)的控制端口作為本發(fā)明的兩個控制信號輸入端；上、下Y形合波器的輸出端作為本發(fā)明的兩個輸出端。本發(fā)明控制簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、高度模塊化、可以通過互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多端口多波長擴(kuò)展，所采用的各種器件均可用波導(dǎo)器件實(shí)現(xiàn)，易于實(shí)現(xiàn)集成，可用于甚短距波分復(fù)用光互連網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號H04Q11/00GK101051163SQ20071005220
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者馮勇華, 羅風(fēng)光, 曹明翠 申請人:華中科技大學(xué)