專利名稱：1×n數(shù)字可編程光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光信號轉(zhuǎn)換；具體地說，涉及在光通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)墓庑盘柕目臻g路由和光信號處理。
光纖在各種商業(yè)和軍事應(yīng)用中用作傳輸光信號的物理介質(zhì)。隨著信息數(shù)據(jù)速率不斷提高，傳統(tǒng)電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變得日益難以處理更寬的波段。此外，所需要的光電信號轉(zhuǎn)換限制了數(shù)據(jù)格式，提高了成本。全-光學(xué)路由/轉(zhuǎn)換技術(shù)的特征是高“數(shù)據(jù)透明性”，可以從一個傳輸信道到另一個傳輸信道轉(zhuǎn)換或傳輸光信號，同時信號保持為光學(xué)形式。
在光纖光學(xué)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)開發(fā)出幾種多路復(fù)用方案，包括時分多路復(fù)用(TDM)、波分多路復(fù)用(WDM)和空分多路復(fù)用(SDM)。空分轉(zhuǎn)換被認(rèn)為是最重要的光纖光學(xué)路由方案之一?？辗止庾愚D(zhuǎn)換器主要應(yīng)用于光纖光通信網(wǎng)絡(luò)、光學(xué)陀螺儀、光信號處理以及為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)分配微/毫米波信號。
各種電磁場控制光學(xué)轉(zhuǎn)換器可以在市場上購買到。它們基于機械、電光、熱光、聲光、磁光和半導(dǎo)體技術(shù)。每種轉(zhuǎn)換技術(shù)具有它本身的優(yōu)點，但是也有缺點。例如，機械轉(zhuǎn)換器是最廣泛使用的路由元件，而且具有插入損耗和串?dāng)_非常低的特點，但是它們的轉(zhuǎn)換時間限制在毫秒范圍內(nèi)。它們的壽命受到限制，由于使用了電動機驅(qū)動部件。另一方面，LiNbO3集成光學(xué)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為納秒級。然而，LiNbO3轉(zhuǎn)換器具有插入損耗相對大(5dB)、串?dāng)_高(20dB)和偏振相關(guān)性的缺點。
因此，人們不斷努力開發(fā)信道串?dāng)_低、低的偏振相關(guān)損耗、以及至少中等重構(gòu)速度的磁場控制光學(xué)轉(zhuǎn)換器。已經(jīng)證實當(dāng)這些努力成功時，可以提供光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。
本發(fā)明利用偏振旋轉(zhuǎn)器陣列和偏振相關(guān)路由元件(例如雙折射元件或偏振分光器)的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)光學(xué)路由結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在寬的工作溫度和波長范圍內(nèi)提供偏振無關(guān)性和低串?dāng)_轉(zhuǎn)換。這一光學(xué)轉(zhuǎn)換器保持轉(zhuǎn)換信號為光學(xué)形式并保持它們的光學(xué)特性。
本發(fā)明描述了用于把光信號從一個輸入端口選擇發(fā)送至多個輸出端口中的任何一個的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器。輸入端口的光信號被第一偏振相關(guān)路由元件(例如雙折射元件或偏振分光器)空間分解為兩個正交的偏振光束。此外，光學(xué)轉(zhuǎn)換器的網(wǎng)絡(luò)沿著光束的光路設(shè)置。每個光學(xué)轉(zhuǎn)換器包括(1)偏振旋轉(zhuǎn)器，可轉(zhuǎn)換控制輸入光束偏振，以便兩個出射光束根據(jù)裝置的控制狀態(tài)或者垂直或者水平偏振；以及(2)偏振相關(guān)旋轉(zhuǎn)元件，它空間發(fā)送光束對以便根據(jù)它們的偏振狀態(tài)提供物理位移。網(wǎng)絡(luò)中每個輸出端口的末級包括偏振旋轉(zhuǎn)器陣列，該偏振旋轉(zhuǎn)器陣列至少改變光束之一的偏振，以便兩個光束變?yōu)檎黄瘛Ｗ詈?，偏振相關(guān)旋轉(zhuǎn)元件(例如雙折射元件)接收兩個正交偏振光束并組合它們，在選擇的網(wǎng)絡(luò)輸出端口出射。
結(jié)合附圖可以更容易理解本發(fā)明，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的1×2N光學(xué)轉(zhuǎn)換器的方塊圖。
圖2a和2b是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器的兩個最佳結(jié)構(gòu)的方塊圖；圖3a至3d是在根據(jù)圖2b的2維結(jié)構(gòu)中設(shè)計的1×4路由轉(zhuǎn)換器的方塊圖。圖3a至3d描述了在轉(zhuǎn)換器的四個控制狀態(tài)中耦合到每個選擇輸出端口的輸入光能的光路。
圖4a至4d是在根據(jù)圖2a的2維結(jié)構(gòu)中設(shè)計的1×4路由轉(zhuǎn)換器的方塊圖。圖4a至4d描述了在轉(zhuǎn)換器的四個控制狀態(tài)中耦合到每個選擇輸出端口的輸入光能的光路。
圖5a至5d是使用根據(jù)圖2a的3維結(jié)構(gòu)的1×4路由轉(zhuǎn)換器的方塊圖。圖5a至5d描述了在轉(zhuǎn)換器的四個控制狀態(tài)中耦合到每個選擇輸出端口的輸入光能的光路。
圖6a至6d是使用根據(jù)圖2b的3維結(jié)構(gòu)的1×4路由轉(zhuǎn)換器的方塊圖。圖6a至6d描述了在轉(zhuǎn)換器的四個控制狀態(tài)中耦合到每個選擇輸出端口的輸入光能的光路。
圖7a至7d是使用所有雙折射元件的厚度都相同的3維結(jié)構(gòu)的1×4路由轉(zhuǎn)換器的方塊圖。
圖8是使用偏振分光器代替雙折射元件的1×5路由轉(zhuǎn)換器的替換實施例的方塊圖。
圖9是使用成角度偏振分光器的樹狀結(jié)構(gòu)的1×8路由轉(zhuǎn)換器的另一實施例的方塊圖。
圖10是使用偏振分光器的1×8路由轉(zhuǎn)換器的另一替換實施例的方塊圖。
圖11是使用成角度偏振分光器的1×4路由轉(zhuǎn)換器的另一替換實施例的方塊圖。
圖12是由四個1×4路由轉(zhuǎn)換器彼此串聯(lián)的另一替換實施例的方塊圖。
圖13是結(jié)合PBS與反射棱鏡的偏振相關(guān)路由元件的替換實施例的截面圖。
圖1示出了1×2N光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器的一般原理。光信號通過輸入端口500輸入并通過雙折射元件(或偏振分光器)30。該雙折射元件30把光束分解為兩個正交偏振分量(例如水平和垂直方向)。由于雙折射離散作用，兩個光束也被第一雙折射元件30空間分開。在圖1中，細(xì)線表示一個偏振狀態(tài)，粗線表示另一個正交偏振狀態(tài)。光束通過第一陣列偏振旋轉(zhuǎn)器100，該陣列包括截取兩個光束的兩個子元件(或象素)。偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100變換一個光束的偏振方向，以便當(dāng)兩個光束從第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100出射時具有相同的偏振方向。
然后兩個光束通過第二雙折射元件301，由于雙折射離散作用，第二雙折射元件301根據(jù)光束的偏振傳播光束。在第二雙折射元件301的輸出端，對于每個光束根據(jù)它們?nèi)肷涞降诙p折射元件301時的偏振狀態(tài)，有兩個可能的空間位置(表示為第二雙折射元件301之后的細(xì)實線和細(xì)短劃線)。然后兩個光束通過另一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列900，偏振旋轉(zhuǎn)器陣列900分為如圖1所示的兩個子元件。根據(jù)偏振旋轉(zhuǎn)器100和900中子元件的控制狀態(tài)，從第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列900出射的一對光束可能具有兩個不同偏振狀態(tài)之一(例如水平或垂直)以及兩個可能空間位置之一，從而產(chǎn)生偏振狀態(tài)和空間位置的四種可能組合。
利用第三雙折射元件302把這四種組合空間分離。具體地說，由于雙折射離散作用，第三雙折射元件302入射面上偏振狀態(tài)和位置的四種可能組合在它的輸出面上被分離為四個可能的空間位置。
雙折射元件與偏振旋轉(zhuǎn)器陣列的這種組合可以沿著光軸串聯(lián)重復(fù)任意級。N級雙折射元件301、302、…、30n-1、30n和偏振旋轉(zhuǎn)器900、901、…、90n-1、90n數(shù)字互聯(lián)在一起(即301/900、302/901、…、30n-1/90n-1以及30n/90n，如圖1所示)，對于入射到第一級的一對原始光束可能總共有2N種可能輸出位置。
最后的偏振旋轉(zhuǎn)器陣列90n把光束對變換回正交偏振狀態(tài)。這由最后的偏振旋轉(zhuǎn)器陣列90n后面的細(xì)線和粗線表示，其中細(xì)線表示一個偏振狀態(tài)，粗線表示正交偏振狀態(tài)。正交偏振光束對被最后的雙折射元件60組合并從2N個輸出端口之一出射。
為了有助于確定設(shè)計誤差容限，雙折射元件的厚度可以幾何級數(shù)變化，如圖2a和2b所示。在圖2a中，雙折射元件的厚度為L、L/2、…、L/2N-1和L/2N。相反，在圖2b中級數(shù)被反過來，雙折射元件的厚度為L、2L、…、2N-1L和2NL。工作原理與圖1所示的基本相同。當(dāng)光束對通過每級時，雙折射元件的這些厚度變化有助于當(dāng)光束對通過每級時保持光束分離。在末級(即雙折射元件30n)的出射平面上總共存在2N可能光束位置。因此，最后的偏振控制器90n必須具有2N+1個象素，以便2N個可能光束對中的每一個可以變換為正交偏振。圖2a和2b所示的結(jié)構(gòu)有助于提供足夠的光束分離以便最后的偏振旋轉(zhuǎn)器陣列90n可以對于可能輸出位置中的每一個象素化。那么這一結(jié)構(gòu)可以阻擋2N+1個可能光束位置中的每一個逸出光，逸出光如果通過，將在不希望的輸出端口導(dǎo)致串?dāng)_。
另一方面，圖1、2a和2b所示的實施例也可以視為由一系列光學(xué)轉(zhuǎn)換級構(gòu)成的二叉樹結(jié)構(gòu)。每一級包括(a)偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100、900、901等，選擇性旋轉(zhuǎn)輸入光束對的偏振方向，以便兩個光束具有由轉(zhuǎn)換器控制狀態(tài)確定的相同偏振狀態(tài)；以及(b)雙折射元件301、302等，選擇旋轉(zhuǎn)光束對至選擇的一個可能輸出光束位置，所述可能輸出光束位置由它們的偏振狀態(tài)確定。
特別地，從第一雙折射元件30出射的正交偏振光束對被第一級100、301接收。然后，第N級接收一個選自來自前一級的2N-1個可能輸入光束位置之一上的光束對，并把該光束對傳播到2N個可能輸出光束位置中的任一位置，所述2N個可能輸出光束位置由該狀態(tài)的偏振旋轉(zhuǎn)器陣列中的象素的控制狀態(tài)確定。最后的偏振旋轉(zhuǎn)器陣列旋轉(zhuǎn)在最后一級出射的光束對的偏振狀態(tài)，以便光束正交偏振，而且能夠被最后的雙折射元件60在選擇的輸出端口之一組合。
1×4光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器的2-D設(shè)計光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器的二維設(shè)計示于圖3a至3d中。如前所述，通過輸入端口500入射的光被第一雙折射元件30分為兩個正交偏振分量。雙折射元件30的光軸相對于光束傳播方向傾斜，以便輸入光被分解為一對正交偏振光束。第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100分為狀態(tài)互補的兩個子元件，即當(dāng)一個接通時，另一個關(guān)閉。這一結(jié)構(gòu)使得兩個光束在第一偏振旋轉(zhuǎn)陣列100的出射面上變?yōu)榇怪被蛩狡?。圖3a至3d中的圓點和短平行線分別表示垂直偏振分量和水平偏振分量。
圖3a描繪設(shè)計成把輸入信號發(fā)送至輸出端口501的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器。在圖3a中，設(shè)置第一偏振轉(zhuǎn)向器陣列100以便把垂直偏振光束旋轉(zhuǎn)為水平偏振方向，使得當(dāng)兩個光束在第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100出射時它們的偏振方向水平。這些水平偏振光束在第二雙折射元件40中被繼續(xù)向上傳播，因為它們在該雙折射元件40中是非尋常波。然后兩個光束進入具有兩個子元件的第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列101。在圖3a中，第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列101設(shè)置成不旋轉(zhuǎn)偏振方向，光束保持它們的水平偏振方向。然后光束進入第三雙折射元件50，第三雙折射元件的厚度為第二雙折射元件40的二倍。在這里光束再次向上傳播并在第三雙折射元件的最高處出射，因為它們在第三雙折射元件50中是非尋常波。當(dāng)兩個光束到達(dá)第三偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102時，它們的偏振方向繼續(xù)相同。陣列102具有四對象素或子元件。如圖3a所示，子元件之一設(shè)置成把一個光束變換為垂直偏振，以便光束對再次變成正交偏振。這兩個正交偏振光束被第四雙折射元件60再次組合并在輸出端口501出射。
圖3b示出設(shè)計成把輸入端口500耦合至輸出端口503的轉(zhuǎn)換器。這里，第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列101的上部子元件把兩個光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，使得它們的偏振方向變?yōu)榇怪薄＿@兩個垂直偏振光束在第三雙折射元件50中被認(rèn)為是尋常波。因此，不出現(xiàn)漂移，光束直線傳播通過第三雙折射元件50。兩個垂直偏振光束入射到第三偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102，它把一個光束變換為水平偏振。產(chǎn)生的正交偏振光束被第四雙折射元件60組合并在輸出端口503出射。
圖3c示出設(shè)計成把輸入端口500耦合至輸出端口502的轉(zhuǎn)換器。這里，第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100的子元件的控制狀態(tài)變換為與圖3a相反，使得兩個光束垂直偏振。垂直偏振光束在第二雙折射元件40中被認(rèn)為是尋常波，因此直線傳播通過第二雙折射元件40。第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列101設(shè)置成兩個光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，使得它們變?yōu)樗狡?。這兩個水平偏振光束在第三雙折射元件50中被認(rèn)為是非尋常波，因此在雙折射元件50中向上傳播。兩個光束入射到第三偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102，它把一個光束變換為垂直偏振方向。產(chǎn)生的正交偏振光束被第四雙折射元件60組合并在輸出端口502出射。
圖3d示出設(shè)計成把輸入端口500耦合輸出出端口504的轉(zhuǎn)換器。這里，第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列101設(shè)置成不旋轉(zhuǎn)偏振方向，使得兩個光束保持它們的垂直偏振方向。這兩個垂直偏振光束在第三雙折射元件50中被認(rèn)為是尋常波，因此，直線傳播通過該雙折射元件50。兩個垂直偏振光束入射到第三偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102，它把一個光束的偏振方向變換為水平。產(chǎn)生的正交偏振光束被第四雙折射元件60組合并在輸出端口504出射。
圖4a至4d示出1×4光學(xué)轉(zhuǎn)換器的另一2-D實施例。這里，把第二和第三雙折射元件掉換以便較厚元件靠近輸入端口500。當(dāng)?shù)谝黄裥D(zhuǎn)器陣列100設(shè)計成如圖4a至4d所示時，它控制光束對的光路，使得它們依賴于第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列101的控制狀態(tài)傳播至輸出端口504(圖4a)或者輸出端口503(圖4b)。當(dāng)?shù)谝黄裥D(zhuǎn)器陣列100轉(zhuǎn)換到它的互補控制狀態(tài)時，如圖4c和4d所示，光束對依賴于第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列101的控制狀態(tài)傳播至輸出端口502(圖4c)或者輸出端口501(圖4d)。最后的偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102把一個光束的偏振狀態(tài)變換90°使得光束變回到正交偏振狀態(tài)，然后被最后的雙折射元件60組合，如前所述。
對于上面公開的兩種設(shè)計，腦子里必須想著兩個設(shè)計思想。首先，偏振旋轉(zhuǎn)器陣列中的每個子元件的接通和斷開特性用數(shù)字方法控制(例如“1”是接通，“0”是斷開)。其次，當(dāng)N級雙折射元件和偏振旋轉(zhuǎn)器陣列串聯(lián)設(shè)置時，總共有2N輸出端口。每一級產(chǎn)生兩個可能輸出方向。根據(jù)這些設(shè)計原理，可以實現(xiàn)可數(shù)字編程的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器。控制狀態(tài)表示于表1中。
本設(shè)計的另一關(guān)鍵特征是它的誤差容限。結(jié)合圖3a-3d和4a-4d可以更好地理解這一點。在這兩套圖中，偏振旋轉(zhuǎn)器陣列用實芯和空芯方塊表示以便分別代表每個子元件有偏振轉(zhuǎn)換和沒有偏振轉(zhuǎn)換。例如，兩套圖中最后的偏振控制器102具有四對子元件。每對中的子元件以互補狀態(tài)控制(即，當(dāng)一對中的一個子元件接通時，另一子元件斷開)。如圖所示，四對子元件排列成只有接收光束的一對的上部子元件設(shè)置成垂直偏振，它的下部子元件設(shè)置成水平偏振。其他三對設(shè)置成互補狀態(tài)以便任何逸出光能的偏振狀態(tài)變成相反的偏振狀態(tài)，從而被雙折射元件在非正確方向上發(fā)送。例如在圖3a中，第三偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102的8個象素從上至下設(shè)置成接通、斷開、斷開、接通、接通、斷開、接通、斷開。我們?nèi)绻容^圖3b、3c和3d中的象素，除了前兩個象素之外，這種組合是這些控制狀態(tài)的反轉(zhuǎn)，其中光束可以被耦合到另三個輸出端口。這種阻擋確保輸出信道之間串?dāng)_。
在這里，該實施例也可以視為1×2光學(xué)轉(zhuǎn)換器的樹狀結(jié)構(gòu)，所述1×2光學(xué)轉(zhuǎn)換器接收從第一雙折射元件30出射的光束對。兩級樹狀結(jié)構(gòu)包括偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100、101，它們選擇旋轉(zhuǎn)光束對的偏振方向，使得兩束光具有由控制狀態(tài)確定的相同偏振狀態(tài)，以及雙折射元件40、50，它們沿著由它們的偏振狀態(tài)確定的兩個選擇光路之一選擇旋轉(zhuǎn)光束對。最后的偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102旋轉(zhuǎn)光束對的偏振狀態(tài)使得它們正交偏振，而最后的雙折射元件60在希望的輸出端口501-504組合正交偏振光束。
1×4光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器的3-D設(shè)計圖5a至5d示出1×4光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器的三維結(jié)構(gòu)。這里，第二和第三雙折射元件40和50相對于第一和第四雙折射元件定位為90°。來自輸入端口500的光信號進入第一雙折射元件30并被分成水平和垂直偏振分量。在后面的圖中，平行于裝置基準(zhǔn)面的雙箭頭線表示水平偏振分量，而垂直于基準(zhǔn)面的雙箭頭線表示垂直偏振分量。
圖5a描繪的是設(shè)計成把輸入信號發(fā)送至輸出端口501的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器。在圖5a中，偏振轉(zhuǎn)向器100具有狀態(tài)(接通，斷開)，把水平偏振光束變換為垂直偏振。那么兩個光束在第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100出射時具有相同的垂直偏振方向。這兩個垂直偏振光束在通過第二雙折射元件40時被認(rèn)為非尋常波，從而向上傳播。第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列101接收該光束對，但是不施加旋轉(zhuǎn)，使得兩光束保持垂直偏振。然后光束進入第三雙折射元件50，并再次向上傳播。兩個垂直偏振分量通過第三偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102，第三偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102把兩光束之一的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，使得它們再次變成正交。正交偏振光束對被第四雙折射元件60再次組合并在輸出端口501出射。
在圖5b中，輸入端口500被耦合至輸出端口502。如同圖5a的情況一樣，在第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100之后產(chǎn)生相同的垂直偏振。光束向上傳播并在第二雙折射元件40的上部出射。在圖5b的情況下，第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列101設(shè)置成“接通”，兩個光束的偏振方向被旋轉(zhuǎn)90°(即兩光束變?yōu)樗狡?。水平偏振光束在第三雙折射元件50中被認(rèn)為是尋常波，因此直線傳播通過該元件50。最后的偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102接收兩光束，并把一個光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，使得光束對被第四雙折射元件60組合并在輸出端口502出射。
圖5c中輸入端口500被耦合至輸出端口503。第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100的子元件從前述兩種情況的狀態(tài)變換為互補狀態(tài)。這樣導(dǎo)致當(dāng)光束對通過第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100時水平偏振。兩個光束直線傳播通過第二雙折射元件40(在它的下部)，因為它們在第二雙折射元件40中被認(rèn)為是尋常波。兩個光束的偏振方向被第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列101旋轉(zhuǎn)90°，使得它們變?yōu)榇怪逼?。這兩個垂直偏振光束在第三雙折射元件50中被認(rèn)為是非尋常波，并向上傳播。最后的偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102接收兩個光束，并把一個光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，使得它們變?yōu)檎黄?。兩光束被第四雙折射元件60組合并在輸出端口503出射。
在圖5d中，輸入端口500被耦合至輸出端口504。在這種情況下，第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100設(shè)置成與圖5c一樣的控制狀態(tài)。這樣導(dǎo)致當(dāng)光束對通過第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100時水平偏振。光束直線傳播通過第二雙折射元件40(在它的下部)，因為它們在第二雙折射元件40中被認(rèn)為是尋常波。在該最后控制狀態(tài)，偏振控制器101設(shè)置成不旋轉(zhuǎn)該光束的偏振方向。水平偏振光束在第三雙折射元件50中被認(rèn)為是尋常波，并直線傳播通過該元件50。最后的偏振控制器102接收兩光束，并把一個光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。正交偏振光束被第四雙折射元件60組合并在輸出端口504出射。
圖6a至6d示出1×4路由轉(zhuǎn)換器的另一3-D實施例。在這種情況下，第二和第三雙折射元件的次序相對于圖5a至5d被顛倒。這里，第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100與第二雙折射元件50結(jié)合確定光束被傳播至第一系列輸出端口501、503或第二系列輸出端口502、504之一。第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列101與第三雙折射元件40結(jié)合確定光束被傳播至第一系列的輸出端口501或503之一，或第二系列的輸出端口502或504之一。
圖7a至7d是根據(jù)本發(fā)明的1×4光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器的另一3維實施例的簡圖。所有雙折射元件的厚度相同。
從上面的設(shè)計可以理解到，當(dāng)接收光束對的偏振旋轉(zhuǎn)器設(shè)置在正確的控制狀態(tài)時，這些路由轉(zhuǎn)換器可以工作。所有其他子元件可以設(shè)置為懸浮或轉(zhuǎn)換為任意控制狀態(tài)。然而，為了路由轉(zhuǎn)換器保持高性能和低串?dāng)_，精心設(shè)置子元件或象素以便光阻止光逸出到輸出端口的總效果最大。例如，如圖6a-6d所示，第三偏振旋轉(zhuǎn)器陣列102的象素設(shè)置成與它們的初始狀態(tài)互補。因此，來自不完全偏振旋轉(zhuǎn)的任何不希望的光逸出將被旋轉(zhuǎn)為錯誤的偏振方向，不耦合到輸出端口，從而使串?dāng)_最小化。
利用偏振分光器的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器在前面討論的實施例中，通過使用樹狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光信號發(fā)送。在那些情況下，每個光學(xué)轉(zhuǎn)換級把光信號重定向在兩個可能光路之一。隨著信號傳播通過轉(zhuǎn)換器，N級產(chǎn)生2N個可能輸出端口。相反，后面圖8至12中示出的1×N轉(zhuǎn)換器(其中N為任意數(shù))的例子描述了使用串聯(lián)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器。在這些轉(zhuǎn)換器中，使用偏振分光器(PBS)代替雙折射元件作為偏振相關(guān)路由元件。
偏振分光器(PBS)允許預(yù)定偏振光直接通過分光器，而正交偏振光在分光器內(nèi)反射或折射，并沿著分離的光路出射。該光路通常與第一光束成90°，如圖8和10所示。
圖8示出1×5光學(xué)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。前面例子中使用的雙折射元件被偏振分光器801、802、803和804代替。每個PBS與偏振旋轉(zhuǎn)器700、705、706和707耦合，這些偏振旋轉(zhuǎn)器根據(jù)光學(xué)轉(zhuǎn)換器的控制狀態(tài)旋轉(zhuǎn)光束對的偏振方向。每對偏振旋轉(zhuǎn)器和PBS可以看作1×2光學(xué)轉(zhuǎn)換級。例如，偏振旋轉(zhuǎn)器705控制光束對的偏振狀態(tài)為垂直或水平。后面的PBS 802或者把光束對發(fā)送至輸出端口502或者通過它至下一級以便進一步發(fā)送。在輸入輸出端口的偏振發(fā)光和再組合與前面相同，利用雙折射元件30、601、602、603、604和605與雙象素偏振旋轉(zhuǎn)器陣列700、701、702、703、704和708結(jié)合，用于正交偏振控制。
由于PBS的典型偏振消光比低，在圖8所示的實施例中在輸出端口501至505中的每一個上使用一系列任選的偏振器901、902、903、904和905。這些高消光比偏振器(例如偏振消光比為10000∶1的Palarcor二向色玻璃偏振器)純化偏振以便減少串?dāng)_。然而應(yīng)該注意，不使用這些偏振器轉(zhuǎn)換器能夠完成它的基本功能。
圖10給出使用基于偏振分光器的兩個串聯(lián)轉(zhuǎn)換級的1×8轉(zhuǎn)換器的例子。每級包括偏振旋轉(zhuǎn)器700、711-713以及715-717與PBS 800-807結(jié)合構(gòu)成1×2級光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器。根據(jù)第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列700中兩個象素的控制狀態(tài)，第一PBS 800把光束對發(fā)送至輸出端口501-504或505-508之一。該1×8轉(zhuǎn)換器中的兩個串聯(lián)級中其余部分的操作與上面討論和圖8所示的類似。
圖11描繪了利用另一類型偏振相關(guān)路由元件801、802和803的1×4光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，所述偏振相關(guān)路由元件801、802和803在輸出端對于垂直和水平偏振分量具有離散角?？梢哉J(rèn)為這一類型偏振分光器801-803是在雙折射元件(即平行光束輸出、高消光比)和PBS(垂直光束輸出、低消光比)性能之間的折衷。它提供高偏振對比度，并以一定角度分離輸出光束。
這一特征放寬了制造該裝置中的一些實際限制，例如輸出端口格林透鏡的包裝。如果使用雙折射元件制造1×8轉(zhuǎn)換器，以便兩個正交偏振分量互相平行，則需要三個厚度分別為d、2d和4d的雙折射元件。對于目前格林透鏡尺寸1.8mm(該尺寸限定輸出端口之間的最小距離)，第一雙折射元件的最小厚度(d)為18mm。總厚度為7d(d+2d+4d)，等于126mm。對于所有其他元件插入裝置中，那么總最小光路長度大約為130mm數(shù)量級。這一長耦合距離將產(chǎn)生大的插入損耗，并且難以制造。雖然可以通過使用直角棱鏡在輸出端反射光束解決這一問題，但是這一方法進一步提高了裝置成本和復(fù)雜程度。使用PBS或直角分光器可以放寬這一耦合限制，因為輸出角進一步分離光路，使得不再需要直角光束分離器的尺寸呈幾何遞增。結(jié)果轉(zhuǎn)換器更加緊湊而且成本低。
圖9是使用形成二叉樹結(jié)構(gòu)的1×2轉(zhuǎn)換級網(wǎng)絡(luò)的1×8光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器的例子。這里，每一級包括偏振旋轉(zhuǎn)器100、101、102、103、104、105、106與有一定角度的偏振分離器801、802、803、804、805、806和807結(jié)合。輸入光束被第一雙折射元件30分為一對正交偏振光束，如同前面的實施例一樣。這些正交偏振光束之一的偏振方向被第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100旋轉(zhuǎn)90°，使得兩光束具有相同的偏振方向，如同轉(zhuǎn)換器的控制狀態(tài)所確定的一樣。根據(jù)與每級相關(guān)的偏振旋轉(zhuǎn)器的控制狀態(tài)，發(fā)送光束對通過1×2轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)該注意第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列100具有兩個象素，而其余偏振旋轉(zhuǎn)器102至106只需要一個象素。在每個輸出端口，最后的偏振旋轉(zhuǎn)器陣列107-114把光束對變回正交偏振，使得它們可以被最后的雙折射元件601-608組合。
圖12描繪了一個實施例，其中四個1×4轉(zhuǎn)換器彼此平行疊放在一起。在一個使用N×N結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，總共需要2N個1×N模塊。在4×4的情況下，需要8個1×4轉(zhuǎn)換模塊。對于圖12所示的4級結(jié)構(gòu)，兩套這些裝置足以構(gòu)成4×4縱橫制轉(zhuǎn)換器。從材料成本角度看，因為除了在一個方向上尺寸增加以外，轉(zhuǎn)換器中的光學(xué)元件都一樣，所以材料成本實際上保持不變。這樣隨著級數(shù)的增加大大降低每級的平均材料成本。
圖13是偏振相關(guān)路由元件31的截面圖，該路由元件31可以用于代替雙折射元件30和60，把輸入光束分為正交偏振分量，或者在輸出端口組合正交偏振分量。該偏振相關(guān)路由元件31是PBS與反射棱鏡的組合。輸入光束的垂直偏振分量直接通過元件31。然而，輸入光束的水平偏振分量在PBS內(nèi)被反射90°，并被棱鏡的反射表面第二次反射，使得水平偏振光束與垂直偏振光束平行出射，但是與垂直偏振光束分開。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)與偏振無關(guān)工作；(2)信道之間串?dāng)_低；(3)低插入損耗；(4)在寬波段范圍內(nèi)工作；(5)工作溫度范圍寬；(6)當(dāng)使用不同的偏振轉(zhuǎn)換器時轉(zhuǎn)換速率從毫秒級到納秒級變化；以及(7)允許把多個轉(zhuǎn)換器疊放在一起的可縮放結(jié)構(gòu)(M×N)。這些轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)最好用液晶偏振轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，由于液晶偏振轉(zhuǎn)換器的空間光調(diào)制特性。在這種情況下，可以在每級使用象素化調(diào)制器控制光束對。可以把一個大方陣制造在一個結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生大尺寸的M×N光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器。
上面公開的內(nèi)容提出了本發(fā)明的許多實施例。在本發(fā)明的教導(dǎo)下可以實現(xiàn)其他沒有詳細(xì)提出的結(jié)構(gòu)或?qū)嵤├缤竺鏅?quán)利要求書所提出的一樣。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，把輸入光束傳播到多個輸出端口中由指定控制狀態(tài)確定的任何一個，該轉(zhuǎn)換器包括接收輸入光束的輸入端口；第一偏振相關(guān)路由元件，把所述輸入光束分為一對正交偏振光束；以及光學(xué)轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)，接收從所述第一偏振相關(guān)路由元件出射的所述光束并具有多個輸出端口，其中所述光學(xué)轉(zhuǎn)換器包括(a)偏振旋轉(zhuǎn)器裝置，用于選擇性旋轉(zhuǎn)至少所述光束對之一的偏振方向，使得兩個光束具有由所述控制狀態(tài)確定的相同的偏振方向；以及(b)偏振相關(guān)路由元件，沿著由光束的偏振方向確定的兩個選擇光路之一選擇性發(fā)送從所述偏振旋轉(zhuǎn)器裝置出射的所述光束；其中所述輸出端口包括(a)偏振旋轉(zhuǎn)器裝置，用于旋轉(zhuǎn)所述光束的偏振方向，使得所述光束正交偏振；以及(b)偏振相關(guān)路由元件，用于在所說輸出端口組合所述正交偏振光束。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述偏振相關(guān)路由元件包括雙折射元件。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述偏振相關(guān)路由元件包括偏振分光器。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述偏振相關(guān)路由元件包括偏振分光器和反射棱鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述光學(xué)轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)包括二叉樹結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述光學(xué)轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)包括1×2光學(xué)轉(zhuǎn)換器。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)器裝置包括液晶偏振旋轉(zhuǎn)器。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述液晶偏振旋轉(zhuǎn)器具有多個象素。
9.一種光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，把輸入光束傳播到多個輸出端口中由指定控制狀態(tài)確定的任何一個，該轉(zhuǎn)換器包括接收輸入光束的輸入端口；第一偏振相關(guān)路由元件，把所述輸入光束分為一對正交偏振光束；串聯(lián)的多級光學(xué)轉(zhuǎn)換器，其中第一級從所述第一偏振相關(guān)路由元件接收所述正交偏振光束，第N級接收來自前一級的位于選自2N-1個可能輸入光束位置的之一上的光束對，并把所述光束對傳播至2N個可能光束輸出位置中的任意一個位置上，所述光學(xué)轉(zhuǎn)換級具有(a)偏振旋轉(zhuǎn)器陣列，用于選擇性旋轉(zhuǎn)所述輸入光束對的偏振方向，使得兩個光束具有由所述控制狀態(tài)確定的相同的偏振方向；以及(b)偏振相關(guān)路由元件，把所述光束對選擇發(fā)送至由它們的偏振方向確定的所述可能輸出光束位置中的一個選定位置上；最后的偏振旋轉(zhuǎn)器陣列，用于旋轉(zhuǎn)從所述最后的串聯(lián)級出射的光束對的偏振方向，使得所述光束正交偏振；以及最后的偏振相關(guān)路由元件，用于在一個選定的所述輸出端口組合所述正交偏振光束。
10.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述偏振相關(guān)路由元件包括雙折射元件。
11.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述偏振相關(guān)路由元件包括偏振分光器和反射棱鏡。
12.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)器裝置包括液晶偏振旋轉(zhuǎn)器。
13.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述液晶偏振旋轉(zhuǎn)器具有多個象素。
14.一種光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，把輸入光束傳播到多個輸出端口中由指定控制狀態(tài)確定的任何一個，該轉(zhuǎn)換器包括接收輸入光束的輸入端口；第一偏振相關(guān)路由元件，把所述輸入光束分為一對正交偏振光束；以及1×2光學(xué)轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)，接收從所述雙折射元件出射的所述光束并具有多個輸出端口，其中所述光學(xué)轉(zhuǎn)換器包括(a)偏振旋轉(zhuǎn)器裝置，用于選擇性旋轉(zhuǎn)至少所述光束對之一的偏振方向，使得兩個光束具有由所述控制狀態(tài)確定的相同的偏振方向；以及(b)偏振分光器，把從所述偏振旋轉(zhuǎn)器裝置出射的光束沿著由它們的偏振狀態(tài)確定的兩個選擇光路之一選擇發(fā)送；其中所述輸出端口包括(a)偏振旋轉(zhuǎn)器裝置，用于旋轉(zhuǎn)所述光束的偏振方向，使得所述光束正交偏振；以及(b)最后的偏振相關(guān)路由元件，用于在所述輸出端口組合所述正交偏振光束。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)器裝置包括液晶偏振旋轉(zhuǎn)器。
16.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述偏振相關(guān)路由元件包括雙折射元件。
17.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述光學(xué)轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)包括二叉樹結(jié)構(gòu)。
18.一種光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，把輸入光束傳播到多個輸出端口中由指定控制狀態(tài)確定的任何一個，該轉(zhuǎn)換器包括接收輸入光束的輸入端口；第一偏振相關(guān)路由元件，把所述輸入光束分為一對正交偏振光束；第一偏振旋轉(zhuǎn)器陣列，具有兩個象素，用于選擇性旋轉(zhuǎn)所述光束對之一的偏振方向，使得兩個光束具有由所述控制狀態(tài)確定的相同的偏振方向；以及第一偏振相關(guān)路由元件，把從所述偏振旋轉(zhuǎn)器裝置出射的所述光束對沿著由它們的偏振狀態(tài)確定的兩個選擇光路之一發(fā)送；1×2光學(xué)轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)，接收從所述第一偏振相關(guān)路由元件出射的所述光束并具有多個輸出端口，其中所述光學(xué)轉(zhuǎn)換器包括(a)偏振旋轉(zhuǎn)器裝置，用于選擇性旋轉(zhuǎn)所述光束對的偏振方向，使得兩個光束具有由所述控制狀態(tài)確定的相同的偏振方向；以及(b)偏振分光器，把從所述偏振旋轉(zhuǎn)器裝置出射的光束對沿著由它們的偏振狀態(tài)確定的兩個選擇光路之一選擇發(fā)送；其中所述輸出端口包括(a)最后的偏振旋轉(zhuǎn)器裝置，用于旋轉(zhuǎn)所述光束的偏振方向，使得所述光束正交偏振；以及(b)最后的偏振相關(guān)路由元件，用于在所述輸出端口組合所述正交偏振光束。
19.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)器裝置包括液晶偏振旋轉(zhuǎn)器。
20.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器，其中所述1×2光學(xué)轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)包括二叉樹結(jié)構(gòu)。
全文摘要
光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器在寬工作溫度和波段范圍內(nèi),在光學(xué)輸入端口(500)和多個輸出端口之間進行與偏振無關(guān)低串?dāng)_轉(zhuǎn)換。輸入端口(500)上的光信號被第一偏振相關(guān)路由元件(例如雙折射元件或偏振分光器)(30)空間分解為兩個正交的偏振光束。此外,光學(xué)轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)沿著光束的光路設(shè)置。每個光學(xué)轉(zhuǎn)換器包括:(1)偏振旋轉(zhuǎn)器(100),可轉(zhuǎn)換控制輸入光束偏振,以便兩個出射光束根據(jù)裝置的控制狀態(tài)或者垂直或者水平偏振;以及(2)偏振相關(guān)路由元件(301),它空間發(fā)送光束對以便根據(jù)它們的偏振狀態(tài)提供物理位移。網(wǎng)絡(luò)中每個輸出端口的末級包括偏振旋轉(zhuǎn)器(90n)陣列,該偏振旋轉(zhuǎn)器陣列至少改變光束之一的偏振,以便兩個光束變?yōu)檎黄?。最?偏振相關(guān)路由元件(例如雙折射元件)(60)接收兩個正交偏振光束并組合它們,在選擇的網(wǎng)絡(luò)輸出端口出射。
文檔編號G02F1/13GK1259247SQ98805710
公開日2000年7月5日 申請日期1998年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月2日
發(fā)明者伍光義, 劉建羽 申請人:喬拉姆技術(shù)公司