CN107409247B - 光开关、光网络节点和光网络 - Google Patents

Abstract

提供了一种光开关。光开关包括第一光波导（10）、第二光波导（20）、第一光环谐振器（40）和第二光环谐振器（50）。第一光环谐振器（40）被布置在第一光波导（10）和第二光波导（20）之间，其中第一光环谐振器（40）能够将沿着第一光波导（10）在第一方向上传播的光信号耦合至第二光波导（20）使得光信号沿着第二光波导（20）在第二方向上传播。第二光环谐振器（50）被布置在第一光波导（10）和第二光波导（20）之间；其中第二光环谐振器（50）能够将沿着第一光波导（10）在第一方向上传播的光信号耦合至第二光波导（20）使得光信号沿着第二光波导（20）在与第二方向相反的第三方向上传播。还提供了一种光网络节点和一种光网络。

Description

光开关、光网络节点和光网络

技术领域

本发明涉及光开关、光网络节点和光网络。

背景技术

光网络通常被用于城域网络和核心网络中。然而，随着移动业务需求增加和无线接入网络的结构正在改变，现在也正在考虑光网络以供无线接入网络之用。

建议每个无线接入网络（RAN）包括地理上散布的多个远程无线电单元（RRU）以及位于集中位置处（例如在远离RRU中的每个RRU几公里的数据中心处）的基带处理单元的池。这个布置具有它允许计算资源的使用被优化的优势。光联网并且特别是波分复用（WDM）光联网被认为是用于将RRU连接到基带处理单元池的非常有前途的技术。

然而，在无线接入网络中使用WDM光网络的障碍是WDM网络使用基于波长选择切换设备（WSS）的光开关，所述WSS基于复杂的自由空间光学。这意味着WSS开关是昂贵的，具有大的空间占用（footprint）并且难以大量生产制造。这些对于与城域网络或核心网络相比具有更低的吞吐量和更短的节点间距离的无线接入网络来说是关键因素。

使用WSS设备的备选方案是使用固定波长分插设备（FOADM）。FOADM可以只包括薄膜滤波器的级联。然而，使用这种类型的光设备具有需要复杂的库存处理的劣势，因为在每个节点处需要具有分插波长的不同组合的FOADM。此外，因为FOADM是无源设备，所以例如如果光纤切断则它们无法被自动重新配置以提供光网络的恢复。

基于光环谐振器的光开关也已经被建议供光网络之用。例如，在A.W. Poon，L.Xianshu，X. Fang和C. Hui的“Cascaded Microresonator-Based Matrix Switch forSilicon On-Chip Optical Interconnection”，IEEE Proceeding 97，1216-1238（2009）中描述了使用光环谐振器的光开关。使用可以利用硅光子学来制造的这些光开关具有与其它类型的光开关相比这些设备可以具有更低的功耗、更高的小型化并且可以更容易以更低的成本来大量生产制造的优势。

发明内容

本发明旨在提供适于供诸如无线接入网络的光网络之用的改进的光开关。

根据本发明，提供了一种光开关。

光开关包括第一光波导、第二光波导、第一光环谐振器和第二光环谐振器。第一光环谐振器被布置在第一光波导和第二光波导之间，其中第一光环谐振器能够将沿着第一光波导在第一方向上传播的光信号耦合至第二光波导，使得光信号沿着第二光波导在第二方向上传播。第二光环谐振器被布置在第一光波导和第二光波导之间，其中第二光环谐振器能够将沿着第一光波导在第一方向上传播的光信号耦合至第二光波导，使得光信号沿着第二光波导在与第二方向相反的第三方向上传播。

应当注意，术语“第一”、“第二”和“第三”仅仅被用于命名目的。“第二”和“第三”方向可以备选地被称为通过第二光波导的“第一”和“第二”方向。

在本发明的实施例中，第一光波导和第二光波导中的至少一个具有弯曲外形，使得第二光环谐振器能够将沿着第一光波导在第一方向上传播的光信号耦合至第二光波导，使得光信号沿着第二光波导在与第二方向相反的第三方向上传播。

在本发明的实施例中，与第一光环谐振器相比，第二光环谐振器被放置在第一光波导或第二光波导的相反侧。

在本发明的某些实施例中，与第一光环谐振器相比，第二光环谐振器能够将沿着第一光波导在第一方向上传播的光信号在相反的旋转方向上耦合至第二光波导，据此光信号沿着第二光波导在与第二方向相反的第三方向上传播。

有利地，本发明的实施例提供了能够将光信号从第一光波导切换到第二光波导以沿着第二光波导在第一方向或者与第一方向相反的第二方向上传播的光开关。这个功能性可以例如在光网络中是有利的，以便于如果光链路故障发生则提供恢复。然而，这种类型的光开关在其它的应用中也可以是有利的。

此外，与针对这样的光开关的其它设计相比，本发明的实施例具有它们可以减少光开关所需要的功率量以及光开关的尺寸的益处。具体地，光开关的布置有利地意味着只需要两个光环谐振器和两个光波导来实现光开关。因此，与具有类似功能性的其它光开关相比，所述光开关可以是以更低的成本和更高的产量可大量生产制造的。

在本发明的优选实施例中，第一光环谐振器可以具有其中它被配置成将沿着第一光波导在第一方向上传播的光信号耦合至第二光波导的活动状态和其中它被配置成不耦合光信号的不活动状态。光开关可以进一步包括被配置成响应于控制信号而促使第一光环谐振器在活动状态和不活动状态之间切换的第一控制元件。因此，有利地，光开关可以是自动可重新配置的。

第一控制元件可以例如包括可操作用来改变第一光环谐振器的温度的加热元件。

在本发明的优选实施例中，第二光环谐振器被设置在沿着第一光波导在第一方向上的第一光环谐振器的下游。

可选地，在本发明的某些实施例中，第二光环谐振器可以具有其中它被配置成将沿着第一光波导在第一方向上传播的光信号耦合至第二光波导的活动状态和其中它被配置成不耦合光信号的不活动状态。光开关可以进一步包括被配置成响应于控制信号而促使第二光环谐振器在活动状态和不活动状态之间切换的第二控制元件。

此外，在这种情况下，光开关可以包括被配置成根据第一光环谐振器在它的活动状态和不活动状态之间的切换来促使第二光环谐振器在它的活动状态和不活动状态之间切换的控制电路系统。

第二控制元件可以包括可操作用来改变第二光环谐振器的温度的加热元件。

在本发明的实施例中，第一光波导包括输入端，所述输入端用于接收光信号以沿着第一光波导在第一方向上传播。

在本发明的实施例中，第二光波导具有用于输出沿着第二光波导在第二方向上传播的光信号的第一输出端和用于输出沿着第二光波导在第三方向上传播的光信号的第二输出端。

第一输出端可以与第二输出端分隔开。例如，第一输出端可以被设置在第二光波导的第一末端处，并且第二输出端可以被设置在第二光波导的相反末端处。

备选地，第一输出端和第二输出端可以包括沿着第二光波导的中间位置处的公共输出端。

在这种情况下，光开关可以进一步包括第三光波导和第三光环谐振器。第三光环谐振器被布置在公共输出端处的第二光波导和第三光波导之间。第三光环谐振器能够将沿着第二光波导在第二方向上传播的光信号耦合至第三光波导，使得光信号沿着第三光波导在第四方向上传播。第三光环谐振器还能够将沿着第二光波导在第三方向上传播的光信号耦合至第三光波导，使得光信号沿着第三光波导在与第四方向相反的第五方向上传播。

在本发明的优选实施例中，光开关由半导体材料制成。

根据本发明，还提供了一种包括光开关的光网络节点。还提供了一种包括光开关的光网络。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的光开关的图示；

图2是根据本发明的第二实施例的光开关的图示；

图3是根据本发明的第三实施例的光开关的图示；

图4说明了光网络节点；以及

图5说明了光网络。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一实施例的光开关1的图示。

光开关1包括第一光波导10。在这个示例中，如由箭头所指示的，第一光波导10具有输入端12，所述输入端12适于接收光信号以通过第一光波导10在第一方向上传播。在这个示例中，输入端12以端口的形式被设置在第一光波导10的一个末端处。然而，应当意识到，输入端12可以备选地被设置成与第一光波导10的所述末端分隔开。例如，可以通过光环谐振器将光信号从另一个光波导耦合至第一光波导。

光开关1还包括第二光波导20。在这个示例中，第二光波导20包括适于输出通过第二光波导20在第一方向上传播的光信号的第一输出端22。这个“第一”方向将被称为“第二”方向以便避免与就第一光波导而言所涉及的“第一”方向的混淆。第二光波导20还包括适于输出通过第二光波导20在第二方向上传播的光信号的第二输出端24，所述第二方向从现在开始将被称为“第三”方向。这个“第三”方向与所述“第二”方向相反。在这个示例中，第一输出端22与第二输出端24分隔开，并且每个输出端22、24以端口的形式被设置在第二光波导20的相应末端。

光开关1进一步包括布置在第一光波导10和第二光波导20之间的第一光环谐振器40。在这个示例中，第一光环谐振器40被布置在第一光波导10的第一侧和第二光波导20的第一侧之间。第一光环谐振器40被布置，使得它能够将从输入端12沿着第一光波导10（即在第一方向上）传播的光信号耦合至第二光波导20。具体地，正如图1a中所说明的，在这个示例中，当第一光环谐振器40将光信号耦合至第二光波导20时，光信号环绕第一光环谐振器40在顺时针方向上传播。然后通过第一光环谐振器40将光信号耦合至第二光波导20，以便通过第二光波导20在“第二”方向上传播到第一输出端22。

光开关进一步包括第二光环谐振器50。这个光环谐振器50也被设置在第一光波导10和第二光波导20之间。然而，在这个示例中，与第一光环谐振器40相比，第二光环谐振器50被布置在第二光波导20的相反侧。第二光环谐振器50被设置在第一光波导10的第一侧和第二光波导20的第二侧之间。以弯曲外形来设置第一光波导10（即第一光波导10的至少一部分是弯曲的），使得可以实现这个布置。

正如在图1b中说明的，第二光环谐振器50因此能够将从输入端12通过第一光波导10传播（即在第一方向上传播）的光信号耦合至第二光波导20，以在与“第二”方向相反的“第三”方向上朝向第二输出端24传播。注意，当来自输入端12的光信号通过第二光环谐振器50被耦合时，在被耦合至第二光波导20以在“第三”方向上传播之前，光信号还环绕第二光环谐振器50在顺时针方向上传播。

在这个示例中，第二光环谐振器50被设置在第一光环谐振器40的下游。因此，如果光信号没有通过第一光环谐振器50被耦合的话，第二光环谐振器50可以只将来自输入端12的光信号耦合至第二光波导20。

在这个示例中，如上所述，第一光环谐振器40具有其中它被配置成将从输入端12沿着第一光波导传播的光信号耦合至第二光波导的活动状态。在这个状态下，第一光环谐振器40可以被说成是与光信号的波长处于谐振。第一光环谐振器40还具有其中它被配置成不耦合光信号的不活动状态。在这个状态下，第一光环谐振器40可以被说成是被设定为关于光信号的波长失谐。

在这个示例中，光开关1进一步包括被配置成响应于控制信号而促使第一光环谐振器40在活动状态和不活动状态之间切换的第一控制元件42。这个第一控制元件42可以是被布置例如在第一光环谐振器40上方以便可操作用来改变第一光环谐振器40的温度的加热器。这允许第一控制元件42改变第一光环谐振器40的折射率并且因此改变它的谐振。

在这个示例中，第二光环谐振器50也具有其中它被配置成将沿着第一光波导在第一方向上传播的光信号耦合至第二光波导的活动状态和其中它被配置成不耦合光信号的不活动状态。如上，在相应的状态下，第二光环谐振器50可以被说成是关于光信号的波长处于谐振或者失谐。

在这个示例中，光开关1进一步包括被配置成响应于控制信号而促使第二光环谐振器50在活动状态和不活动状态之间切换的第二控制元件52。再次，第二控制元件52可以包括例如布置在第二光环谐振器50上方的、可操作用来改变第一光环谐振器的温度并且因此改变它的谐振的加热元件。

在这个示例中，光开关1包括被配置成根据第一光环谐振器40在它的活动状态和不活动状态之间的切换来促使第二光环谐振器50在它的活动状态和不活动状态之间切换的控制电路系统（未示出）。当第一光环谐振器40被设定到它的活动状态时，第二光环谐振器被设定到它的不活动状态（并且反之亦然）。可以看到，这个协调在本发明的这个第一实施例中是必要的，因为第二光环谐振器50相对于第二光波导30被设置在“第二”方向上的第一光环谐振器40的下游。因此，如果第二光环谐振器50没有被断开，当第一光环谐振器40将光信号耦合至第二光波导20时，第二光环谐振器50可以耦合光信号并且因此阻止从第二输出端24的它的输出。然而，应当意识到，如果第二光环谐振器50在第一光环谐振器40的另一侧上，则能够切断第二光环谐振器50以及至少与第一光环谐振器40同步将不是必要的。

图2示出了体现本发明的光开关2的另外示例。光开关1、2是类似的，并且相同的附图标记在图2中被用于相似的部分。与上述的第一实施例相比的这个第二实施例的主要差别如下：

首先，第一和第二光环谐振器40、50被设置在第一光波导10的相反两侧上，而不是被设置在第二光波导20的相应侧上。在这个示例中，这通过以弯曲外形并且具体地以类似环外形的第一光波导10来实现。

应当注意，这个布置意味着第二光环谐振器50能够耦合来自输入端12的光信号，使得与第一光环谐振器50相比，光信号环绕第二光环谐振器40在相反的旋转方向上传播。具体地，如在图2a中示出的，在这个示例中，当第一光环谐振器40耦合来自输入端12的光信号时，光信号环绕第一光环谐振器40在逆时针方向上传播。另一方面，如在图2b示出的，当第二光环谐振器50耦合来自输入端12的光信号时，光信号环绕第二光环谐振器50在顺时针方向上传播。

再者，在这个示例中，第一光环谐振器40包括如上所述的被配置成在其中第一光环谐振器40被配置成耦合来自输入端12的光信号的活动状态（在图2a中示出的）和其中第一光环谐振器40被配置成不耦合光信号的不活动状态（在图2b中示出的）之间切换第一光环谐振器40的控制元件42。如果光信号没有被第一光环谐振器40耦合，则第二光环谐振器50可以将光信号耦合至第二光波导20。应当注意，在这个实施例中，光开关2不需要（即使可选地可以）包括如上所述的在活动和不活动状态之间切换第二光谐振器50的第二控制元件52。

其次，在这个实施例中，第一输出端22和第二输出端24未被分隔开，但是被设置于沿着第二光波导20在第一光环谐振器40和第二光环谐振器50中间的公共输出端26处。

在这个示例中，光开关2进一步包括第三光波导30和第三光环谐振器60。这个第三光环谐振器60被布置在公共输出端26处的第二光波导和第三光波导30之间。这意味着，如在图2a中示出的，第三光环谐振器60能够将沿着第二光波导20在第二方向上传播的光信号耦合至第三光波导30，使得光信号沿着第三光波导30在第四方向上传播。这还意味着，如在图2b中示出的，第三光环谐振器60还能够将沿着第二光波导20在第三方向上传播的光信号耦合至第三光波导30，使得光信号沿着第三光波导30在与第四方向相反的第五方向上传播。

第三光波导30可以包括例如在第三光波导30的两末端处的第三输出端32和第四输出端34。

图3示出了根据本发明的第三实施例的光开关3的另外示例。再次，就相似的部件而言使用了相同的附图标记。这个实施例与第二实施例相同，除了与第一光环谐振器40相比将第二光环谐振器50设置在第二光波导20（而不是第一光波导10）的相反侧。并且，与第一实施例不同，是第二光波导20以弯曲外形（具体地类似环外形）被设置以便实现这个布置。进一步注意到，在这个示例中，光信号将环绕第一光环谐振器40和第二光环谐振器50在相同的旋转方向上（在这个示例中，在顺时针方向上）传播。

光开关1、2、3中的每个光开关可以由半导体材料（例如硅）制成。此外，应当意识到，光开关1、2、3可以是集成电路和或更大的光开关的一部分。可以例如在芯片上形成光开关1、2、3。

图4示出了适合供光通信网络之用的光节点400的示例。这个节点400可以包括自此可以通过光链路将节点连接到其它节点的多个输出端口。在这个示例中，示出了东端口410和西端口420。节点400还包括如上面关于图1至3所描述的一个或多个光开关1、2、3。例如，关于第一实施例，光开关1的第一和第二输出端口22、24可以分别被耦合至东和西端口410、420。例如，关于第二和第三实施例，光开关2、3的第三和第四端口32、34可以分别被耦合至东和西端口410、420。

因此，有利地，体现本发明的光开关可以被用来如果光链路中的一个光链路上故障的话提供节点400的恢复。例如，光开关可以被用来将光信号的输出从例如东端口切换到西端口410。在示出了这样的恢复之前和之后的、包括通过多个光链路510被连接的多个节点400的光网络500的图5A和图5B中说明了这个功能性。在示例中，网络500具有环形拓扑，并且如果光信号从东端口被输出，它环绕环形在逆时针方向上传播，并且如果光信号从西端口被输出，它环绕环形在顺时针方向上传播。然而，正如本领域技术人员将会理解的，其它拓扑是可行的。

因此，将会意识到，本发明的实施例在光网络方面并且特别是在无线接入网络方面是特别有利的。然而，本发明的实施例在其它应用中也可以是有利的。本发明的实施例具有以比其它光开关更成本有效、功率有效和空间有效的方式提供能够切换光信号以通过光波导在第一方向或者与第一方向相反的第二方向上传播的光开关的优势。

Claims (18)

1.一种光开关，包括：

第一光波导；

第二光波导；

布置在所述第一光波导和所述第二光波导之间的第一光环谐振器，其中所述第一光环谐振器能够将沿着所述第一光波导在第一方向上传播的光信号耦合至所述第二光波导，使得所述光信号沿着所述第二光波导在第二方向上传播；以及

布置在所述第一光波导和所述第二光波导之间的第二光环谐振器；其中所述第二光环谐振器能够将沿着所述第一光波导在所述第一方向上传播的光信号耦合至所述第二光波导，使得所述光信号沿着所述第二光波导在与所述第二方向相反的第三方向上传播，

其中所述第二光环谐振器被设置在沿着所述第一光波导在所述第一方向上的所述第一光环谐振器的下游。

2.根据权利要求1所述的光开关，其中所述第一光波导和所述第二光波导中的至少一个具有弯曲外形，使得所述第二光环谐振器能够将沿着所述第一光波导在所述第一方向上传播的光信号耦合至所述第二光波导，使得所述光信号沿着所述第二光波导在与所述第二方向相反的第三方向上传播。

3.根据权利要求1或2所述的光开关，其中与所述第一光环谐振器相比，所述第二光环谐振器被放置在所述第一光波导或者所述第二光波导的相反侧。

4.根据权利要求1或2所述的光开关，其中与所述第一光环谐振器相比，所述第二光环谐振器能够将沿着所述第一光波导在所述第一方向上传播的光信号在相反的旋转方向上耦合至所述第二光波导，据此所述光信号沿着所述第二光波导在与所述第二方向相反的第三方向上传播。

5.根据权利要求1或2所述的光开关，其中所述第一光环谐振器具有其中它被配置成将沿着所述第一光波导在所述第一方向上传播的光信号耦合至所述第二光波导的活动状态和其中它被配置成不耦合所述光信号的不活动状态，

所述光开关进一步包括被配置成响应于控制信号而促使所述第一光环谐振器在所述活动状态和所述不活动状态之间切换的第一控制元件。

6.根据权利要求5所述的光开关，其中所述第一控制元件包括能够操作用来改变所述第一光环谐振器的温度的加热元件。

7.根据权利要求5所述的光开关，其中所述第二光环谐振器具有其中它被配置成将沿着所述第一光波导在所述第一方向上传播的光信号耦合至所述第二光波导的活动状态和其中它被配置成不耦合所述光信号的不活动状态，

所述光开关进一步包括被配置成响应于控制信号而促使所述第二光环谐振器在所述活动状态和所述不活动状态之间切换的第二控制元件。

8.根据权利要求7所述的光开关，进一步包括被配置成根据所述第一光环谐振器在它的活动状态和不活动状态之间的所述切换来促使所述第二光环谐振器在它的活动状态和不活动状态之间切换的控制电路系统。

9.根据权利要求7所述的光开关，其中所述第二控制元件包括能够操作用来改变所述第二光环谐振器的温度的加热元件。

10.根据权利要求1或2所述的光开关，其中所述第一光波导包括输入端，所述输入端用于接收光信号以沿着所述第一光波导在所述第一方向上传播。

11.根据权利要求1或2所述的光开关，其中所述第二光波导具有用于输出沿着所述第二光波导在所述第二方向上传播的光信号的第一输出端和用于输出沿着所述第二光波导在所述第三方向上传播的光信号的第二输出端。

12.根据权利要求11所述的光开关，其中所述第一输出端与所述第二输出端分隔开。

13.根据权利要求12所述的光开关，其中所述第一输出端被设置在所述第二光波导的第一末端处，并且所述第二输出端被设置在所述第二光波导的相反末端处。

14.根据权利要求11所述的光开关，其中所述第一输出端和所述第二输出端包括在沿着所述第二光波导的中间位置处的公共输出端。

15.根据权利要求14所述的光开关，进一步包括第三光波导以及布置在所述公共输出端处的所述第二光波导和所述第三光波导之间的第三光环谐振器，

其中所述第三光环谐振器能够将沿着所述第二光波导在所述第二方向上传播的光信号耦合至所述第三光波导，使得所述光信号沿着所述第三光波导在第四方向上传播，并且其中所述第三光环谐振器能够将沿着所述第二光波导在所述第三方向上传播的光信号耦合至所述第三光波导，使得所述光信号沿着所述第三光波导在与所述第四方向相反的第五方向上传播。

16.根据权利要求1或2所述的光开关，其中所述光开关由半导体材料制成。

17.一种光网络节点，包括根据权利要求1至16中的任一项所述的光开关。

18.一种光网络，包括根据权利要求1至16中的任一项所述的光开关。

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