專利名稱：偏振獨(dú)立非阻塞全光學(xué)式交換設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交換設(shè)備，特別地，涉及用于為光信號在多輸入和多輸出之間選擇路由的光交換設(shè)備。
背景技術(shù)：
光纖的應(yīng)用，特別是用于電信傳輸媒介，較之當(dāng)前的電信媒介(如銅纜)具有很多優(yōu)點(diǎn)。如，光纖可以支持較寬帶寬的信號，使得在一個(gè)給定的時(shí)間內(nèi)傳輸更大量的信息。而且，光纖發(fā)出很少或者不發(fā)出電磁或射頻輻射，因此，對環(huán)境的影響可以忽略不計(jì)。相反，光纖對于來自周圍環(huán)境的電磁和射頻輻射也相對地不敏感。因此，隨著諸如超大計(jì)算、電信和軍事C3I的應(yīng)用依賴于以日益提高的比特速率來路由數(shù)據(jù)的能力，基于光纖的通信一定會(huì)在全國及全世界的信息構(gòu)架中發(fā)揮重要作用。
考慮到可行性，上面提到的應(yīng)用必須包括一些用于可控地改向信號的裝置，或至少包括實(shí)現(xiàn)這些功能的部分裝置。很多電信應(yīng)用要求將來自于M條線路的輸入陣列中的一條線路的信號轉(zhuǎn)換到N條輸出線路陣列中的一條的輸出信號。電信轉(zhuǎn)換、傳輸和路由系統(tǒng)廣泛應(yīng)用多級互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(MIN)來實(shí)現(xiàn)這種功能。
在當(dāng)前的光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中，建設(shè)智能光網(wǎng)絡(luò)變得非常重要。在這些網(wǎng)絡(luò)中，所有的數(shù)據(jù)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理指令，很容易并快速地通過優(yōu)化路徑進(jìn)行傳輸。例如，如果一條路徑被阻止或不能正常工作，一個(gè)智能光網(wǎng)絡(luò)可以通過另一條路徑路由光信號。在這些智能光網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)關(guān)鍵部件就是全光學(xué)交換設(shè)備，也稱作光路由器。全光學(xué)交換/路由設(shè)備交叉連接不同的輸入和輸出光纖端口，甚至于連接不同波長的信道，以根據(jù)管理指令通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重新定向數(shù)據(jù)。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)要求，可以選出最佳的路由路徑以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸性能。
當(dāng)前的光交換設(shè)備可大致分為三類。第一類是基于微鏡技術(shù)的微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)(例如，美國專利6,097,859)，其中高級的光刻技術(shù)用于制作微鏡，其中微鏡可以通過施加電壓而移動(dòng)。構(gòu)造輸入光纖使光信號入射到微鏡上。通過控制加到鏡面上的電壓，入射光可能被重新定向到不同的輸出光纖以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出光纖之間的縱橫制連接。但是，由于MEMS類交換設(shè)備的基本操作是基于機(jī)械旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，交換速度會(huì)受到限制。當(dāng)前MEMS類設(shè)備的交換速度一般為10毫秒。而且，要求高精細(xì)度的校準(zhǔn)，因?yàn)橐稽c(diǎn)微小的不準(zhǔn)就會(huì)降低交換的性能。因此，在存在機(jī)械震蕩的環(huán)境中，MEMS類設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性可能會(huì)受到限制。
第二類光交換設(shè)備是基于氣泡的光交換設(shè)備(如，美國專利4,988,157)。氣泡的分布通過光路徑產(chǎn)生以實(shí)現(xiàn)完全內(nèi)反射，并且重新將光信號定向到不同的交換元件，最后到達(dá)不同的輸出光纖。氣泡可以通過一個(gè)電壓信號產(chǎn)生或消除，如脈沖。但是，由于氣泡型交換設(shè)備通常是使用油墨材料中的相位變化，交換速度也受到限制。而且，氣泡的產(chǎn)生和消除一般需要一個(gè)復(fù)雜的溫度控制系統(tǒng)，使得交換設(shè)備昂貴。
第三種全光交換設(shè)備是偏振設(shè)備(如，Soref等人的美國專利4,516,837，Nicia的美國專利4,852,962，Pan的美國專利5,276,747以及Faris等人的美國專利申請No.09/342,422)。本段引用的美國專利和專利申請的內(nèi)容已經(jīng)通過引用被本文包括。這些包括基于液晶(LC)的光交換設(shè)備。這類全光交換設(shè)備比其他兩類光交換技術(shù)具有更大的優(yōu)勢。第一，由于偏振交換在交換功能中沒有運(yùn)動(dòng)的部件，所以它們一般具有良好的穩(wěn)定性。而且，由于偏振交換只依賴于交換過程中的活性材料的交換速度，它們一般具有高轉(zhuǎn)換速度。例如，一種利用絲狀液晶材料的交換，具有大約1毫秒的交換速度。一種利用鐵電液晶材料的交換可以具有大約為1微秒或更快的速度。偏振光交換中交換速度的提高只受到研制新型活性材料能力的限制。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，偏振交換設(shè)備一般具有簡單的外形和構(gòu)造，成本也相對低。因此，這種交換在光通信的研究和發(fā)展中變得越來越重要。
然而，偏振交換設(shè)備有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即，一般地它們要求入射光是偏振的。如果在交換之中或之前，使用傳統(tǒng)的吸附性起偏器，則至少損耗50％的入射光，如大約-3分貝。這不能被大多數(shù)應(yīng)用所接受，特別是，光經(jīng)常要被路由通過多個(gè)交換設(shè)備。既然傳統(tǒng)的光纖不能保持光的偏振狀態(tài)，在每一次交換之中或之前，都需要一個(gè)起偏器，導(dǎo)致了快速的累積損耗。雖然在偏振保持光纖技術(shù)上也有一些進(jìn)展(見美國專利4,904,052)，但是這些光纖通常不能在保持偏振光交換要求的純度的同時(shí)，保持偏振狀態(tài)。而且，偏振保持光纖通常比一般的光纖貴很多。一種解決方案是在每一個(gè)交換設(shè)備之前或之后使用一個(gè)光放大器，雖然這樣意味著龐大的設(shè)備和大大增加的成本。
因此，存在對于偏振獨(dú)立全光學(xué)交換設(shè)備的需求，這些設(shè)備同時(shí)是高速的、緊湊的和高容量的，對于所有輸入/輸出排列具有穩(wěn)定的信號光程長度。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種偏振獨(dú)立光連接設(shè)備(如，一種光交換器)，用于有選擇地在多個(gè)輸入和多個(gè)輸出之間連接多個(gè)光信號。這個(gè)實(shí)施例，包括多個(gè)光束分離元件，至少兩個(gè)相位轉(zhuǎn)換元件置于至少一個(gè)偏振光束分離元件的至少兩個(gè)相鄰的面上，以及多個(gè)反射鏡。本實(shí)施例還可以是M×N光連接設(shè)備，其中，多個(gè)偏振光束分離元件中的一個(gè)將來自多個(gè)輸入中的一個(gè)的未偏振的光分成兩個(gè)相互正交的部分，每一個(gè)部分都分別被路由通過設(shè)備。多個(gè)偏振光束分離元件中的另一個(gè)重新組合相互正交的部分成為一個(gè)未偏振的光束，并引導(dǎo)該光束到多個(gè)輸出中的一個(gè)。
本發(fā)明的另一方面是一個(gè)光連接系統(tǒng)，其中包括一個(gè)偏振獨(dú)立的光連接設(shè)備，用于在多個(gè)輸入和多個(gè)輸出之間有選擇地連接多個(gè)光信號。該設(shè)備包括至少一個(gè)偏振光束分離元件，至少兩個(gè)相位轉(zhuǎn)換元件置于至少一個(gè)偏振光束分離元件的至少兩個(gè)相鄰的面上，以及多個(gè)反射鏡。這個(gè)連接系統(tǒng)還包括一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀程序模塊，包含計(jì)算機(jī)可讀程序代碼，用于使一臺計(jì)算機(jī)有選擇地激活或無效相位轉(zhuǎn)換元件。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種用于構(gòu)造一種偏振獨(dú)立的光連接裝置的方法。該方法包括，提供多個(gè)偏振光束分離立方體和多個(gè)反射鏡，放置至少兩個(gè)相位轉(zhuǎn)換元件在多個(gè)偏振光束分離立方體中的至少一個(gè)的至少兩個(gè)相鄰的面上，在一個(gè)角落裝配所述多個(gè)偏振光束分離立方體使兩兩相交成一定角度；并根據(jù)所述多個(gè)偏振光束分離立方體安排所述多個(gè)反射鏡。
本發(fā)明的另一方面提供用于在多個(gè)輸入和多個(gè)輸出之間有選擇地連接多個(gè)未偏振的光信號的方法。該方法包括提供一個(gè)偏振光束分離元件，用于分離未偏振的電磁信號成為相互正交的部分；在每一個(gè)正交部分的路徑上，放置至少一個(gè)相位轉(zhuǎn)換元件，用于有選擇地開動(dòng)或停止至少一個(gè)相位轉(zhuǎn)換元件；提供另一個(gè)偏振光束分離元件，用于合并相互正交的部分成為一束未偏振的光束并引導(dǎo)該光束到多個(gè)輸出中的一個(gè)。
附圖簡要說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的偏振獨(dú)立光交換器的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)中利用了一個(gè)偏振交換器和一個(gè)偏振合并器的偏振獨(dú)立光交換器的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明光交換器的2×2實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖4是圖3中2×2實(shí)施例的交換機(jī)制(a)非交換狀態(tài)(b)交換狀態(tài)。
圖5是本發(fā)明的光交換器的4×4實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖6是本發(fā)明的光交換器的8×8實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖7是4×4固態(tài)光交換器的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖8是包括本發(fā)明的N×N交換器的連接系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施例方式
圖3-4B顯示了根據(jù)本發(fā)明的思想設(shè)計(jì)的裝置。本發(fā)明可以以其最簡單的形式2×2全光學(xué)、偏振獨(dú)立交換器50為例進(jìn)行介紹。來自于輸入光纖A、B的未偏振的入射光在第一個(gè)元件處被分離成兩束成正交偏振方向的偏振光束。與一般的偏振交換器不同的是，這兩束光束被分別路由通過同一個(gè)交換設(shè)備的不同的路徑，在同一個(gè)交換器中最好具有相同的光程長度。然后這些光束在輸出光纖0，1附近的一個(gè)元件處被合并。如圖所示，這個(gè)實(shí)施例包括多個(gè)偏振光束分離器54，多個(gè)相位轉(zhuǎn)換器56以及多個(gè)反射鏡52，它們被構(gòu)造起來使得兩個(gè)分立輸入的A和B可以被耦合到兩個(gè)分立輸出的0、1的任何一種組合。這些元件還可以被按比例增大構(gòu)造以方便具有大量輸入、輸出的交換(如M×N)。圖5和圖6分別介紹了4×4和8×8交換器。
相比于傳統(tǒng)的偏振交換器，本發(fā)明可以具有很多優(yōu)點(diǎn)，如每秒太比特?cái)?shù)據(jù)率和高速交換，以方便光纖網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。而且，本發(fā)明的交換是偏振獨(dú)立的，因此，可以路由偏振或非偏振的光。既然輸入和輸出光都可以非偏振的，本發(fā)明的交換器可具有高的光效率(即，對于一個(gè)輸入起偏器，不存在損耗)，及相對于一般的偏振交換器具有最小的插入損耗。而且，本發(fā)明的交換器與現(xiàn)有技術(shù)的偏振獨(dú)立交換器相比，更小、更簡單。另外，本發(fā)明的交換器容易增大以便于可以連接大量的輸入和輸出(如N×N或M×N)。本發(fā)明的交換器可以被重新配置并且沒有阻塞(即，全光學(xué)信號路徑互相不交叉)。本發(fā)明的交換器還可以提供雙向的交換，可以很容易地被配置以提供成本相對低的光連接。與傳統(tǒng)的MEMS不同的是，本發(fā)明的技術(shù)比較的成熟，對環(huán)境干擾不敏感。本發(fā)明中的多個(gè)全光學(xué)信號路徑基本上具有相同的光程長度，這就提供了恒定的等待時(shí)間、衰減以及不失真的數(shù)據(jù)輸出。
在本發(fā)明中，術(shù)語“光學(xué)的”指一個(gè)設(shè)備，或通過一個(gè)適應(yīng)信道電磁能量的設(shè)備的路徑。相似地，術(shù)語“全光學(xué)的”指一個(gè)設(shè)備，或適應(yīng)于傳遞或信道電磁能量的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)沒有能量轉(zhuǎn)化為其他形式的信號，如電信號或電子信號。術(shù)語“電磁能量”、“電磁輻射”和“電磁信號”指電磁光譜內(nèi)的電磁波，電磁光譜從γ射線到無線電波，包括可見光。術(shù)語“透明的”指能夠允許一個(gè)光信號通過而不大量改變其偏振狀態(tài)或強(qiáng)度。而且，通過本發(fā)明，正交偏振狀態(tài)，不管它們是垂直的，或水平的，或左手圓周偏振(LH)或右手圓周偏振(RH)光，只簡單地表示成正交偏振狀態(tài)P1和P2。這里使用的“計(jì)算機(jī)”或“計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)”指任何計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)工作站、專用處理器、微處理器或?qū)Ｓ梦⒖刂破鳌?br> 參考圖1-7，現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的裝置、方法被清晰的描述出來。最近，公開了一些方法，用于得到一種偏振光交換設(shè)備，獨(dú)立于入射的偏振狀態(tài)。Mears等人的美國專利5,930,012公開了一種液晶空間光調(diào)節(jié)器，用于生成預(yù)設(shè)的偏振全息圖以實(shí)現(xiàn)偏振獨(dú)立交換。然而，由于低衍射光柵效率，Mears等人發(fā)明的設(shè)備中的損耗相對較高。Albert等人的美國專利6,111,633公開了一種設(shè)備，其中選出一個(gè)臨界的入射角以實(shí)現(xiàn)，在一種特定的交換狀態(tài)，在玻璃和液晶層之間的表面上P1和P2偏振光的全反射。然而，由于棱鏡材料和液晶材料存在嚴(yán)格的折射指數(shù)要求，能夠用于構(gòu)造這種設(shè)備的材料也受到了限制。而且，當(dāng)Albert等人的交換元件按比例增大至一個(gè)大型1×N或M×N交換設(shè)備時(shí)，不同信道中的損耗可能互不相同，有可能引起應(yīng)用困難或系統(tǒng)的復(fù)雜化。本段中所引用的Mears等人的或Albert等人的美國專利的內(nèi)容已經(jīng)通過引用被本文包括。
Baker等人的美國專利4,720,172，4,781,426，4,784,470，4,790,633以及4,792,212公開了一種設(shè)備，其中，非偏振光被一個(gè)無源LC層分成兩束正交偏振光束。Baker等人的美國專利的內(nèi)容已經(jīng)通過引用被本文包括。這兩光束通過一個(gè)有源LC層，在接近于輸出光纖的另一個(gè)無源的LC層合并在一起。然而，將Baker的2×2交換元件按比例增大到N×N交換設(shè)備，信號光束在每一個(gè)元件上被分離，又重新合并，這導(dǎo)致高插入損耗。
Bergland等人的美國專利5,317,658公開了一種裝置，包括一個(gè)偏振光束分離器11(圖1)，用于分離未偏振光成兩正交偏振的光束。Bergland等人的美國專利通過引用被本文包括。每一光束被引導(dǎo)進(jìn)入互不相同的交換設(shè)備(分別為12，14)，為特定的偏振狀態(tài)工作。每一單獨(dú)的光束被路由后，它們又通過一第二偏振光束分離器重新合并到選擇的輸出端口。圖1介紹了Bergland等人發(fā)明的設(shè)備的4×4實(shí)施例。如圖所示，需要兩個(gè)交換器(每一個(gè)用于光的一個(gè)偏振狀態(tài))，導(dǎo)致設(shè)備體積大而且成本高，特別是當(dāng)它按比例增大到大量的輸入和輸出(如，N×N)。
Wu在美國專利5,724,165中公開了一個(gè)裝置，其中一個(gè)偏振交換器被插入到輸入光纖的下行，一個(gè)偏振合并器被插入到輸出光纖的上行。Wu的美國專利的內(nèi)容通過引用被本文包括。本設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)在圖2中示出。一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換器22生成兩平行光束，具有幾乎相同的偏振，通過使用偏振光束分離器24和相位轉(zhuǎn)換器26。然后兩光束被同時(shí)路由通過交換設(shè)備。在輸出端口，一個(gè)偏振合并器28用于合并兩光束成為一個(gè)光束，被耦合入一光纖。由于該設(shè)備必須是兩光束平行，所以設(shè)備相對較大。
如上所述，本發(fā)明的交換器包括多個(gè)偏振光束分離器54，多個(gè)反射鏡52和多個(gè)相位轉(zhuǎn)換器56。參考圖3，一個(gè)2×2偏振獨(dú)立交換器50包括以上所述元件中的每個(gè)的兩個(gè)。一個(gè)普遍的偏振光束分離器分離入射光(一般為非偏振光)為兩正交偏振的部分(如，分成垂直的(s)和水平的(p)偏振狀態(tài))。商用的偏振光束分離器的例子包括那些由Melles Griot，16542 Millikan Avenue，Irvine，California或CVI光學(xué)技術(shù)有限公司，第二大道，Onchan，Isle ofMan IM3，4PA，英格蘭。雖然，偏振光束分離器54最好是采用偏振光束分離立方體(如圖所示)，但是偏振光束分離器可以是任何一種類型和結(jié)構(gòu)。而且，偏振光束分離器54可以利用任何類型的偏振元件。例如，偏振光束分離器54可以包括一個(gè)傳統(tǒng)的MacNiell型偏振反射器，一個(gè)膽甾型液晶層，或者一個(gè)無機(jī)的反射起偏器。這些設(shè)備以公知方式運(yùn)轉(zhuǎn)，有選擇地反射具有一個(gè)偏振狀態(tài)的光(如P1)，傳遞具有正交偏振狀態(tài)的光(P2)。
相位轉(zhuǎn)換器56可以用任何類型的電可控雙折射材料，一般是半波延遲器的形式。相位轉(zhuǎn)換器56可以是一個(gè)液晶單元，如具有90度螺旋(或270度超螺旋)的向列的液晶，均勻排列成向列的液晶或鐵電液晶。例如，當(dāng)上面的設(shè)備都沒有被施加電場時(shí)，當(dāng)一個(gè)具有入射在相位延遲器56的偏振P1的光束通過時(shí)，它被轉(zhuǎn)換成一個(gè)具有偏振P2的光束。當(dāng)一個(gè)預(yù)定的電勢施加到相位轉(zhuǎn)換器56上時(shí)，一個(gè)具有偏振P1(或P2)的光束通過時(shí)會(huì)保持它的偏振狀態(tài)。相反地，一個(gè)相位轉(zhuǎn)換器56可以被使用，以改變施加的電壓上的從P1到P2(或從P2到P1)的入射光，并允許一個(gè)偏振光在沒有施加場的時(shí)候不受影響的通過。在下文，當(dāng)相位轉(zhuǎn)換器56構(gòu)造成改變從P1或P2(或從P2到P1)的入射光的偏振狀態(tài)，它是指有源的或激活的。否則，它指非激活狀態(tài)或無效狀態(tài)。
參見圖4，交換設(shè)備50的操作如下所述。交換器50構(gòu)造成能接收在輸入A和B從光纖入射的非偏振光。要注意的是，因?yàn)楣饫w不保持光的偏振狀態(tài)，從一個(gè)光纖入射的光一般是非偏振的。入射在輸入端口A的非偏振光被光束分離器54A分成P1和P2兩個(gè)部分。一個(gè)部分(如P1)被反射到頂部的反射鏡52A，而另一部分(P2)投射到底部的反射鏡52B。在非交換狀態(tài)，相位轉(zhuǎn)換器56是非激活狀態(tài)的，兩束光都不受影響的通過。從反射鏡52A反射的光在偏振光束分離器54B被再次反射，而從反射鏡52B反射的光通過偏振光束分離器54B的偏振元件被傳遞。因此，這兩束光(P1和P2)在偏振光束分離器54B重新合并，并引導(dǎo)到輸出端口0。在交換狀態(tài)，相位轉(zhuǎn)換器被激活以便于偏振狀態(tài)P1的光束被轉(zhuǎn)換成偏振狀態(tài)P2，偏振狀態(tài)P2的光束被轉(zhuǎn)換成偏振狀態(tài)P1。從反射鏡52A反射的光被傳遞通過偏振光束分離器54B，而從反射鏡52B反射的光在偏振光束分離器54B被再次反射。兩束光(P1和P2)在偏振光束分離器54B處重新合并，并引導(dǎo)到輸出端口1。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)很容易的了解到一個(gè)相似的討論可用于在數(shù)據(jù)端口B入射的光。在非轉(zhuǎn)換狀態(tài)，光被引導(dǎo)到輸出端口1，而在轉(zhuǎn)換狀態(tài)，光被引導(dǎo)到輸出端口0。
圖5示出4×4交換器60。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，四個(gè)輸入A，B，C和D可以被路由到四個(gè)輸出0，1，2和3中的任何一個(gè)。交換器60與交換器50的工作方式相似，非偏振光被分成正交部分(P1和P2)，它們被分別路由通過設(shè)備，相位轉(zhuǎn)換器56用于改變路由路徑。當(dāng)相位轉(zhuǎn)換器56在轉(zhuǎn)換器60中全處于非激活狀態(tài)時(shí)，輸入A被路由到輸出0，輸入B到輸出2，輸入C到輸出1，輸入D到輸出3。為了得到其他的路由組合，一個(gè)或多個(gè)相位轉(zhuǎn)換器56被激活。例如，輸入B可以通過激活在上面和最右面的光束分離器61和62，路由到輸出0。輸入D可以通過激活在下面的和最右面的光束分離器63和64，路由到輸出1。相似地，通過激活或無效適當(dāng)?shù)南辔晦D(zhuǎn)換器56，輸入A，B，C和D中的任何一個(gè)可以被路由到輸出0，1，2和3的任何一個(gè)。
圖6示出8×8交換器70。在這種結(jié)構(gòu)中，八個(gè)A，B，C，D，E，F(xiàn)，G和H可以被路由到八個(gè)輸出0，1，2，3，4，5，6和7中的任何一個(gè)。交換器70與交換器50，60工作方式相似，非偏振光被分成正交部分(P1和P2)，被分別路由通過設(shè)備，相位轉(zhuǎn)換器56用于改變路由路徑。交換器70一般需要一個(gè)或多個(gè)相位轉(zhuǎn)換器56，為每一交換構(gòu)造被激活。例如，輸入A可以通過激活相位轉(zhuǎn)換器71和72，被路由到輸出0。輸入A，可以通過無效相位轉(zhuǎn)換器72和激活相位轉(zhuǎn)換器73，被重新路由到輸出7。輸入F可以通過激活相位轉(zhuǎn)換器74和75，被路由到輸出6。相似地，通過激活和無效適當(dāng)?shù)南辔晦D(zhuǎn)換器56，輸入A，B，C，D，E，F(xiàn)，G和H中的任何一個(gè)可以被路由到輸出0，1，2，3，4，5，6和7中的任何一個(gè)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以得知本發(fā)明的交換器，包括交換器60和70，可以使一個(gè)光信號可以通過任何一個(gè)輸入和輸出之間的一個(gè)或多個(gè)信號被路由。例如，交換器70中的輸入A，可以通過激活相位轉(zhuǎn)移器73，76，77和78被路由到輸出1。因此，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器可以被重新配置。
如上所述，本發(fā)明的交換器可以按比例增大以適應(yīng)更多數(shù)目的輸入和輸出信道。例如，16×16，24×24，32×32，48×48和64×64等的偏振獨(dú)立全光學(xué)連接，可以通過合并多個(gè)偏振光束分離器54，相位轉(zhuǎn)換器56和反射鏡52，容易地被構(gòu)造。本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器可以使用不同的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，如，F(xiàn)aris等人的美國專利申請No.09/342,422中公開的那些結(jié)構(gòu)。而且，具有M×N結(jié)構(gòu)的不對稱的連接，如4×8，24×64，1×16，16×12等，可以通過合并多個(gè)以上提到的元件，很容易地構(gòu)造。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易地了解到本發(fā)明的交換器(如，8×8交換器)可以被裝備成多種配置中的任何一種。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，還可以了解到本發(fā)明的交換器可以被裝配成雙向的(如，輸入A，B，C和D，......M可以用于輸出，而輸出0，1，2，3，......N可以被用于輸入)。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器可以以合適的方式制造。在一種構(gòu)造中，設(shè)計(jì)的為了方便生產(chǎn)，這里公開的交換器可以包括三個(gè)主要元件中的一個(gè)的多個(gè)(i)偏振光束分離立方體，(ii)反射鏡，和(iii)偏振光束分離立方體，包括位于兩個(gè)相鄰面中每一個(gè)上的相位轉(zhuǎn)換元件。這三個(gè)部分可以分別被構(gòu)造，然后像在方格盤上一樣裝配在一起得到適合的光連接設(shè)計(jì)構(gòu)造的式樣(例如圖3-6中所示的2×2，4×4和8×8構(gòu)造)。
在另外一種方便生產(chǎn)的構(gòu)造中，本發(fā)明的光轉(zhuǎn)換器可以是固態(tài)連接設(shè)備80，它包括多個(gè)基本上全固態(tài)電磁信號路徑。交換器80的一個(gè)4×4結(jié)構(gòu)如圖7所示。交換器80包括多個(gè)下述四種主要元件中的一種；(i)偏振光束分離立方體52，(ii)偏振光束分離立方體，包括置于兩個(gè)相鄰面82每一個(gè)上的相位轉(zhuǎn)換元件，(iii)一個(gè)反射鏡84，包括一個(gè)具有反射膜的透明的立方體，以及(iv)透明的立方體86(如，玻璃)。這些部分可以被分別構(gòu)造，然后像在方格盤上一樣裝配在一起得到任何期望的光設(shè)計(jì)構(gòu)造的式樣一樣(如M×N)。一般地，偏振光束分離立方體52被角對角地裝配在一起，而透明的立方體86和偏振光束分離立方體52被面對面地裝配在一起。對于具有基本全固態(tài)信號路徑的交換器(如交換器80)，一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以大量地減少由于折射系數(shù)改變引起界面反射(如空氣/水的界面)帶來的菲涅耳損耗。指數(shù)匹配器可以降低菲涅耳損耗。交換器80的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它可以大大地減少插入損耗。交換器80還可以抵抗機(jī)械震動(dòng)。
參考圖8，任何一個(gè)前面提到的交換器50，60，70和80等，可以被包含在連接系統(tǒng)100中。如圖所示，優(yōu)選地，連接系統(tǒng)100是一個(gè)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，包括一個(gè)程序模塊110，它包括一個(gè)具有計(jì)算機(jī)可讀程序代碼或指令的計(jì)算機(jī)可用媒介。程序代碼包括任何上面討論過的路由算法。程序模塊置于與控制器112的通信中，適于以常規(guī)方式操作以通過一個(gè)計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)(未示出)控制對程序模塊110的存取?？刂破?12置于與驅(qū)動(dòng)器114的通信中，以常規(guī)方式操作以于交換器接口。驅(qū)動(dòng)器114可以包含一個(gè)硬件設(shè)備，或，優(yōu)選地，可以作為一個(gè)軟件模塊，被一個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)。因此，程序模塊110，控制器112和驅(qū)動(dòng)器114包括控制裝置，適于操作N×N交換器以在每一個(gè)輸入和輸出端口路由信號，象上面討論過的一樣。
在前面討論過的本發(fā)明的不同方面只是一些例子。本領(lǐng)域人員可以通過所述的實(shí)施例得到別的類似的方法和方案，所有這些類似的方法和方案都屬于本發(fā)明的領(lǐng)域，應(yīng)該被本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種偏振獨(dú)立光學(xué)連接設(shè)備，用于有選擇地在多個(gè)輸入和多個(gè)輸出之間連接多個(gè)電磁信號，該連接設(shè)備包括多個(gè)偏振光束分離元件；至少兩個(gè)可有選擇地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的相位轉(zhuǎn)換元件，置于所述多個(gè)偏振光束分離元件中的至少一個(gè)的至少兩個(gè)相鄰的面上；以及多個(gè)反射鏡，與所述多個(gè)偏振光束分離元件協(xié)同工作。
2.權(quán)利要求1所述的光連接設(shè)備，還包括多個(gè)全光學(xué)信號路徑，在所述的多個(gè)輸入和所述的多個(gè)輸出之間延展。
3.權(quán)利要求2所述的光連接設(shè)備，其中每一個(gè)所述的多個(gè)全光學(xué)信號路徑都具有基本上相同的光程長度。
4.權(quán)利要求2所述的光連接設(shè)備，其中每一個(gè)所述的多個(gè)全光學(xué)信號路徑都具有基本上相同的馳豫。
5.權(quán)利要求2所述的光連接設(shè)備，其中每一個(gè)所述的多個(gè)全光學(xué)信號路徑互相提供基本上相同的衰減。
6.權(quán)利要求2所述的光連接設(shè)備，其中所述的多個(gè)全光學(xué)信號路徑的每一個(gè)基本上互相獨(dú)立。
7.權(quán)利要求1所述的光連接設(shè)備，其中所述的多個(gè)偏振光束分離元件中的一個(gè)分離來自于多個(gè)輸入中的一個(gè)非偏振光成為兩個(gè)相互正交的部分，每一個(gè)正交部分被單獨(dú)地路由通過所述設(shè)備，而所述的多個(gè)偏振光束分離元件中的另一個(gè)重新合并所述的正交部分成為一個(gè)非偏振光束，并引導(dǎo)該光束到所述多個(gè)輸出中的一個(gè)。
8.權(quán)利要求7所述的光連接設(shè)備，被構(gòu)造成一個(gè)M×N的交換設(shè)備，其中M是所述多個(gè)輸入的數(shù)目，N是所述多個(gè)輸出的數(shù)目。
9.權(quán)利要求8所述的光連接設(shè)備，其中M和N是從2到256的偶數(shù)。
10.權(quán)利要求9所述的光連接設(shè)備，其中M和N是由2，4，8，12，16，24，32，48，64，96和128組成的組中的成員。
11.權(quán)利要求8所述的光連接設(shè)備，其中M是1。
12.權(quán)利要求8所述的光連接設(shè)備，其中M等于N。
13.權(quán)利要求8所述的光連接設(shè)備是一個(gè)雙向設(shè)備。
14.權(quán)利要求1所述的光連接設(shè)備，其中所述的多個(gè)偏振光束分離元件是多個(gè)偏振光束分離立方體。
15.權(quán)利要求14所述的光連接設(shè)備，其中所述的多個(gè)偏振光束分離立方體被角對角地裝配到一起。
16.權(quán)利要求15所述的光連接設(shè)備，其中每一個(gè)所述的多個(gè)反射鏡包括一個(gè)透明的立方體和置于其中的一個(gè)反射層。
17.權(quán)利要求16所述的光連接設(shè)備，還包括多個(gè)透明的立方體。
18.權(quán)利要求17所述的光連接設(shè)備，其中所述透明的立方體被置于一表面，與所述多個(gè)光束分離立方體面對齊。
19.權(quán)利要求17所述的光連接設(shè)備，還包括多個(gè)基本上是全固態(tài)的信號路徑。
20.權(quán)利要求1所述的光連接設(shè)備，其中所述的多個(gè)偏振光束分離元件的每一個(gè)包括一個(gè)反射起偏器。
21.權(quán)利要求20的光連接設(shè)備，其中所述反射起偏器是個(gè)膽甾型液晶偏振層。
22.權(quán)利要求20的光連接設(shè)備，其中所述反射起偏器是一個(gè)MacNeill型反射起偏器。
23.權(quán)利要求20的光連接設(shè)備，其中所述的反射起偏器是一個(gè)無機(jī)反射起偏器。
24.權(quán)利要求1的光連接設(shè)備，其中所述的多個(gè)相位轉(zhuǎn)換元件中的每一個(gè)包括一液晶材料。
25.權(quán)利要求24中的光連接設(shè)備，其中所述的液晶材料是一雙絞向列的液晶。
26.權(quán)利要求25的光連接設(shè)備，其中所述的液晶材料是一90度旋轉(zhuǎn)的向列的液晶。
27.權(quán)利要求24的光連接設(shè)備，其中所述液晶材料是一鐵電液晶。
28.權(quán)利要求1的光連接設(shè)備，其中所述多個(gè)相位轉(zhuǎn)換元件中的每一個(gè)包括一雙折射材料。
29.權(quán)利要求1的光連接設(shè)備，其中所述多個(gè)相位轉(zhuǎn)換元件具有少于0.001秒的相位轉(zhuǎn)換時(shí)間。
30.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述多個(gè)反射鏡包括一個(gè)高反射率的銀涂層。
31.一種光連接系統(tǒng)，包括一種偏振獨(dú)立光學(xué)連接設(shè)備，用于有選擇地在多個(gè)輸入和多個(gè)輸出之間連接多個(gè)電磁信號，該連接設(shè)備包括(i)至少一個(gè)偏振光束分離元件；(ii)至少一個(gè)偏振光束分離元件，該元件包括一個(gè)可有選擇地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的相位轉(zhuǎn)換元件置于所述偏振光束分離元件中的至少兩個(gè)相鄰的面上；以及(iii)多個(gè)反射鏡；一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀程序模塊，其內(nèi)部具有一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀程序代碼，使計(jì)算機(jī)能有選擇地驅(qū)動(dòng)或關(guān)閉所述相位轉(zhuǎn)換元件。
32.權(quán)利要求31的連接系統(tǒng)，還包括置于與所述程序模塊和所述光連接設(shè)備協(xié)同工作以進(jìn)行所述的有選擇的驅(qū)動(dòng)或關(guān)閉。
33.權(quán)利要求32的連接系統(tǒng)，還包括一個(gè)控制器，與所述程序模塊和所述驅(qū)動(dòng)器協(xié)同工作以控制所述程序模塊和所述驅(qū)動(dòng)器的協(xié)同工作。
34.一種方法，用于構(gòu)造一個(gè)偏振獨(dú)立光連接設(shè)備，包括提供多個(gè)偏振光束分離立方體和多個(gè)反射鏡；放置至少兩個(gè)可有選擇地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的相位轉(zhuǎn)換元件在所述的多個(gè)偏振光束分離立方體的至少一個(gè)的至少兩個(gè)相鄰的面上；角對角地裝配所述多個(gè)偏振光束分離立方體；以及安排多個(gè)所述的反射鏡與所述的多個(gè)偏振光束分離立方體協(xié)同工作。
35.權(quán)利要求34的方法，其中，還包括安排多個(gè)透明的立方體在一個(gè)表面上，與所述多個(gè)偏振光束分離立方體面對齊。
36.一種方法，用于有選擇地在多個(gè)輸入和多個(gè)輸出之間，連接多個(gè)非偏振電磁信號，包括提供一個(gè)偏振光束分離元件，用于分離所述非偏振電磁信號成為相互正交的部分；放置至少一個(gè)可有選擇地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的相位轉(zhuǎn)換元件在所述的正交部分的每一個(gè)路徑中；有選擇地驅(qū)動(dòng)和關(guān)閉所述至少一個(gè)相位轉(zhuǎn)換元件；以及提供另外一個(gè)偏振光束分離元件，用于重新合并相互正交的部分成為一個(gè)非偏振光束，并引導(dǎo)該光束到所述的多個(gè)輸出中的一個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明包括一種偏振獨(dú)立光連接設(shè)備，用于在多個(gè)輸入和多個(gè)輸出之間有選擇地連接多個(gè)光信號。相比于傳統(tǒng)的偏振交換器，本發(fā)明具有很多優(yōu)點(diǎn)，如每秒太比特的數(shù)據(jù)速率和高速交換，以輔助在光纖網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。而且，本發(fā)明的交換器是偏振獨(dú)立的，因此，可以路由偏振光或非偏振光。既然輸入和輸出可以是非偏振的，與一般的偏振交換器相比，本發(fā)明的交換器可以具有高的光效率(即，對于一個(gè)輸入起偏器沒有損耗)和最小的插入損失。
文檔編號G02F1/29GK1509582SQ02809780
公開日2004年6月30日 申請日期2002年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月13日
發(fā)明者何戰(zhàn), 格雷戈里·J·哈姆林, 塞爾西奧·梅爾特慶, 薩迪克·M·法里斯, M 法里斯, 何 戰(zhàn), 奧 梅爾特慶, 里 J 哈姆林 申請人:瑞威歐公司