CN108345068A - 光开关和光交换系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种光开关和光交换系统，光开关的第一波导相对于衬底不可运动，第二波导相对于衬底不可运动，第三波导为弯曲波导，网状平板带动第三波导在电极的驱动下绕着转动轴相对于衬底转动；当网状平板带动第三波导运动到第一位置时，第三波导与第一波导和第二波导光学解耦，光开关处于直通态；当网状平板带动第三波导运动到第二位置时，网状平板位于与第一波导和第二波导不同的平面内，第三波导分别与第一波导和第二波导在垂直于衬底的平面内光学耦合，光开关处于下载态。本申请的光开关的可动的光波导能够在垂直于2个固定光波导的平面内与固定光波导耦合，从而控制光开关的状态，工艺简单并且可以减小光开关的损耗。
Description
技术领域
本申请涉及光通信领域，并且更具体地，涉及一种光开关和光交换系统。
背景技术
随着密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)技术在光通信系统和数据中心系统中的应用，全光交换已经成为能够满足日益增长的带宽需求的一种发展趋势。在DWDM系统中，不同的光波长承载不同的光信号，在同一条光纤中传输，可以实现大容量和低损耗的数据通信。光开关作为实现全光交换系统的关键器件，可以具有全光层的路由选择，波长选择，光交叉连接，自愈保护等功能。目前已经实现的光开关包括传统的机械结构光开关、基于微机电系统(MicroElectrical-Mechanical System，MEMS)的光开关、液晶光开关、波导型光开关和半导体光放大器光开关等。
传统的MEMS光开关通常基于静电驱动的微反射镜结构，具有插入损耗低、串扰小、消光比高、可扩展性好和控制简单等优点。多个MEMS光开关组成的光交换系统规模可达到1000端口以上。例如，M路输入光信号进入MEMS光开关组成的光交换系统，经过若干旋转到不同角度的微反射镜的反射重新排列顺序，从N个输出端口输出，实现光交换功能。但是，MEMS光开关的机械振动性和稳定性不好，并且微反射镜旋转速度慢，其切换速度通常只能达到毫秒量级，无法满足未来微秒级开关速度的需求。
波导型光开关通常依靠成熟的互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS)工艺在绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)平台或磷化铟平台上制备。硅材料的热光效应或等离子体色散效应可以使波导型光开关切换速度达到纳秒到微秒量级，并且波导型光开关体积小，集成度高，CMOS工艺可以使其实现低成本的量产。但是，光交换系统需要由若干级1×2或者2×2的波导型光开关通过光波导连接形成，光交换系统端口数越大，光开关级数就越多，光交换系统的插入损耗也越大。与MEMS光开关相比，现有的波导型光开关插入损耗、消光比、偏振敏感性、端口数量和控制难度等指标较差，尚未获得广泛的商用。
因此，实现微秒级切换速度、低插入损耗、大端口数和低成本的光交换系统是未来发展全光交换技术的重要部分。
发明内容
本申请提供一种光开关和光交换系统，该光开关和光交换系统制作工艺简单并且损耗小。
一方面，提供了一种光开关，所述光开关设置于衬底上，所述光开关包括第一波导、第二波导、固定在网状平板上的第三波导和用于驱动所述网状平板相对于所述衬底转动的电极，所述第一波导相对于所述衬底不可运动，所述第一波导具有第一输入端口IP1和第一输出端口OP1；所述第二波导相对于所述衬底不可运动，所述第二波导具有第二输出端口OP2，所述第一波导与所述第二波导位于与所述衬底平行的第一平面内；所述第三波导为弯曲波导且不位于所述第一平面内，所述网状平板在所述电极的驱动下绕着转动轴相对于所述衬底转动；其中，当所述网状平板带动所述第三波导运动到第一位置时，(1)所述第三波导与所述第一波导光学解耦，并且所述第三波导与所述第二波导光学解耦，(2)IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断；当所述网状平板带动所述第三波导运动到第二位置时，(1)所述网状平板位于与所述第一平面不同的第二平面内，所述第三波导与所述第一波导在垂直于所述衬底的平面内光学耦合，并且所述第三波导与所述第二波导在垂直于所述衬底的平面内光学耦合，(2)IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过所述第三波导光学导通。
该方面的光开关包括2个固定在衬底上的光波导，以及1个在网状平板的带动下相对于衬底可动的光波导，可动的光波导能够在垂直于2个固定光波导的平面内与固定光波导耦合，从而控制光开关的状态，工艺简单并且可以减小光开关的损耗。
其中，第三波导处于第一位置时光开关为关状态或者称为直通(Through)态，第三波导处于第二位置时光开关为开状态或者称为下载(Drop)态。
在一种可能的实现方式中，所述网状平板的第一端与所述电极连接，所述网状平板的第二端上固定有所述第三波导，所述第二端与所述第一端相对，所述转动轴位于所述第一端。
在另一种可能的实现方式中，所述网状平板的第一端通过可导电的悬浮桥与所述电极连接，所述电极与所述网状平板的第二端相邻，所述第二端与所述第一端相对，所述网状平板的第一端上固定有所述第三波导，所述转动轴位于所述第一端。
在又一种可能的实现方式中，所述光开关还包括电极平板，所述网状平板与所述第一波导和所述第二波导电学连接，所述电极位于所述第一平面内且分别与所述第一波导和所述第二波导电学隔离，所述电极与所述电极平板电学连接，所述电极平板位于所述网状平板的下方，所述网状平板的第一端上固定有所述第三波导，所述转动轴位于所述第一端。
在一种可能的实现方式中，所述光开关还包括距离控制部件，所述距离控制部件位于所述衬底和所述网状平板之间，用于控制所述第三波导与所述第一波导和所述第二波导中的至少一个之间的距离。本可能的实现方式中，距离控制部件可以将第三波导与第一波导和第二波导的距离精确控制在绝热渐变型耦合器的最优工作点，使得光开关可以实现数字型控制。
在一种可能的实现方式中，所述距离控制部件可以设置在所述网状平板上。
在另一种可能的实现方式中，所述距离控制部件可以设置在所述衬底上。
在一种可能的实现方式中，所述第三波导包括输入部和输出部，当所述第三波导位于第二位置时，所述第三波导的所述输入部和所述第一波导在垂直于所述衬底的平面内形成第一耦合器，所述第三波导的所述输出部和所述第二波导在垂直于所述衬底的平面内形成第二耦合器。
在一种可能的实现方式中，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器中所述输入部具有第一有效折射率和第二有效折射率，所述第二耦合器中所述输出部具有第三有效折射率和第四有效折射率，所述第一有效折射率小于所述第二有效折射率，所述第三有效折射率大于所述第四有效折射率。
在一种可能的实现方式中，沿着光信号的传输方向所述第一耦合器中所述第一波导具有第五有效折射率和第六有效折射率，所述第二耦合器中所述第二波导具有第七有效折射率和第八有效折射率，所述第五有效折射率大于所述第六有效折射率，所述第七有效折射率小于所述第八有效折射率
其中，耦合器中波导的有效折射率渐变可以实现较宽的光谱范围的传输，使光信号更稳定，还可以增大耦合器的工艺容差，提高光开关的性能，使得光开关的工作波长范围可以超过100nm。
在一种可能的实现方式中，所述第一波导和所述第二波导为垂直相交的直波导，所述第三波导为曲率渐变型的弯曲波导，所述第三波导中光路从所述输入部的入端口到所述输出部的出端口完成90度转弯。
在一种可能的实现方式中，所述光开关还包括光功率监控器，所述光功率监控器用于监控所述第一波导和所述第二波导的光功率。光开关通过监控各元件中光信号的功率，可以根据光信号的功率估计第三波导的位置，从而更精确的控制第三波导的位置。
另一方面，提供了一种光交换系统，其特征在于，所述光交换系统为M×N光开关矩阵，包括M×N个根据权利要求1所述的光开关，所述光开关的所述第二波导还具有第二输入端口IP2，所述M×N个光开关被设置为：(1)IP1i,j与OP1i,j-1光学导通，其中，i取值1至M，j取值2至N；(2)IP2i,j与OP2i-1,j光学导通，其中，i取值2至M，j取值1至N。
该方面的光交换系统可以实现微秒级切换速度，具有低插入损耗、大端口数和低成本等优势。
在该方面的一种可能的实现方式中，在IP1i,1和OP2M,j之间存在一条路径仅包括一个所述第三波导处于第二位置的光开关，i取值1至M，j取值1至N。
附图说明
图1是一种光开关的直通态的示意图；图2是该光开关的下载态的示意图。
图3是图1和图2示出的光开关的立体图。
图4是图1和图2示出的光开关中绝热耦合器的示意图。
图5是CrossBar架构的光交换系统的光路切换的示意图。
图6是本申请一个实施例的光开关的立体图。
图7是本申请一个实施例的光开关的俯视图。
图8是本申请一个实施例的光开关的控制原理的示意图。
图9是图6和图7示出的光开关的直通态的原理示意图。
图10是图6和图7示出的光开关的下载态的原理示意图。
图11是本申请另一个实施例的光开关的立体图。
图12是本申请另一个实施例的光开关的俯视图。
图13是图11和图12示出的光开关的直通态的原理示意图。
图14是图11和图12示出的光开关的下载态的原理示意图。
图15是本申请又一个实施例的光开关的立体图。
图16是本申请又一个实施例的光开关的俯视图。
图17是图15和图16示出的光开关的直通态的原理示意图。
图18是图15和图16示出的光开关的下载态的原理示意图。
图19是本申请又一个实施例的光开关的立体图。
图20是本申请又一个实施例的光开关的俯视图。
图21是本申请一个实施例的距离控制部件在光开关的直通态的示意图。
图22是本申请一个实施例的距离控制部件在光开关的下载态的示意图。
图23为本申请一个实施例的光交换系统的结构的示意性框图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
首先，简单介绍本申请各实施例所涉及的名词。
光学耦合(optically coupled)：波导X和波导Y光学耦合是指波导X与波导Y相互靠近，使两个波导中的光场发生相互作用，从而在两个波导之间实现光能量的传递。
光学解耦(optically decoupled)：波导X和波导Y是指波导X与波导Y相互远离，使两个波导中的光场不发生相互作用，从而使两个波导之间不发生光能量的传递。当然不可避免地，波导X和波导Y光学解耦时，两个波导中的光场还可能存在微弱的相互作用，以致可能会有少量的光能量以串扰的形式在两个波导之间传递，这样的串扰应该越小越好。
光学导通：输入端口A与输出端口B光学导通是指在输入端口A和输出端口B之间建立了光信号的通路。当然不可避免地，当输入端口A与输出端口B光学导通时，可能会有少量的光以串扰的形式会从输出端口B以外的其他输出端口输出，或者，可能会有少量的串扰的形式的光会从输入端口A以外的其他输入端口传输到输出端口B，这样的串扰应该越小越好。
光学阻断：输入端口A与输出端口B光学阻断是指输入端口A和输出端口B输出之间不存在光信号的通路。当然不可避免地，当输入端口A与输出端口B光学阻断时，可能会有少量串扰的形式的光从输入端口A传输到输出端口B，同样这样的串扰应该越小越好。
有效折射率(effective refractive index)：也可以称为等效折射率，可以记作neff，其中，neff＝β/(2π/λ)，β为波导中光场模式的传播常数，λ为光在真空中的波长。
前文中提到要实现微秒级切换速度、低插入损耗、大端口数和低成本的光交换系统，现有技术中提供了采用微机电系统和硅基光波导混合技术的光开关，多个光开关能够构成CrossBar架构的光交换系统。
图1和图2分别为该光交换系统中一个光开关100的关状态也称为直通(Through)态，以及开状态也称为下载(Drop)态两种状态的示意图。该光开关矩阵中的光开关100基于硅基光波导技术，包括上下两层光波导，下层光波导包含固定在衬底110上的交叉的2个固定光波导(Through波导120与Drop波导130)，上层光波导包含1个相对于衬底110可垂直移动的转轨光波导140，转轨光波导140基于MEMS技术，采用静电驱动。
图3是图1和图2示出的光开关100的立体图。图3中示出了上层可垂直移动的转轨光波导(即转轨光波导140)，下层固定光波导(即Through波导120与Drop波导130)，悬浮桥和电极。从图3中可以看出，光开关100中包括一个垂直方向的平板电容驱动器，转轨光波导与平板电容驱动器连接。平板电容驱动器中位于上方的平板是可动的，其在外加电压产生的静电力的驱动下，作垂直方向运动，通过悬浮桥带动转轨光波导的两端作垂直方向运动。
如图1所示，光开关100在直通(Through)态时，平板电容驱动器未施加电压，转轨光波导140与2个固定光波导的垂直间距较大，不发生光学耦合，输入光沿着与Drop波导130垂直相交的Through波导120传输，输出光从Through波导120输出。光开关100处于直通(Through)态时，损耗为0.01dB量级。如图2所示，光开关100在下载(Drop)态时，平板电容驱动器施加电压，转轨光波导140垂直向下移动，与2个固定光波导的垂直间距变小，与两者均发生光学耦合，形成两个在垂直方向耦合的绝热耦合器(Adiabatic couplers)。其中，图4是图1和图2示出的光开关100中绝热耦合器的示意图。转轨光波导与固定光波导耦合形成绝热耦合器。输入光先通过第一个绝热耦合器(由Through波导和转轨光波导耦合形成)从Through波导耦合到转轨光波导140，再通过第二个绝热耦合器(由Drop波导和转轨光波导耦合形成)从转轨光波导140耦合到Drop波导130，输出光从Drop波导130输出。光开关100处于下载(Drop)态时，损耗为1dB量级。由于采用硅基光波导技术，其器件尺寸比传统的MEMS微镜大幅度降低，切换速度达到1微秒量级。
图1、图2和图3示出的光开关，转轨光波导的两端(输入端和输出端)分立地与平板电容驱动器连接，这样一个光开关中包含了两个驱动器，并且切换时需要对转轨光波导的两端同时控制，这增加了光开关制作与控制的难度。
除图1、图2和图3示出的光开关以外，现有的方案中还有一种光开关，包含固定在衬底上的交叉的2个固定光波导(Through波导与Drop波导)，以及1个相对于衬底可移动的转轨光波导。可移动的转轨光波导能够在2个固定光波导所在的平面内与固定光波导耦合，形成方向耦合器，从而控制光开关在Drop状态和Through状态之间进行切换。可移动的转轨光波导与固定光波导在同一水平面内形成耦合器，因为水平耦合要求光波导的宽度比较窄，这使得传输损耗较大，另一方面水平耦合时，可移动的转轨光波导的位置是随着静电驱动电压的变化连续可调的，光耦合效率随之震荡，无法实现数字型控制。
图5是CrossBar架构的光交换系统的光路切换的示意图。如图5所示，该光交换系统由M×N个光开关构成，形成M行N列矩阵，M×N个光开关分别位于每行和每列的交叉处，每行的N个光开关中的一个光开关的第一输出端口OP1与相邻的光开关的第一输入端口IP1相连接，每行的N个光开关中第一输入端口IP1不与其他光开关的第一输出端口OP1相连接的光开关的第一输入端口IP1为光交换系统的一个输入端口，每行的N个光开关中第一输出端口OP1不与其他光开关的第一输入端口IP1相连接的光开关的第一输出端口OP1为光交换系统的一个直通(Through)端口，每列的M个光开关中的一个光开关的第二输出端口OP2与相邻的光开关的第二输入端口IP2相连接，每列的M个光开关中第二输出端口OP2不与其他光开关的第二输入端口IP2相连接的光开关的第二输出端口OP2为光交换系统的一个下载(Drop)端口。
在图5所示的光交换系统的每条光路上，最多只有一个光开关处于损耗较大的下载(Drop)态，其余光开关均处于损耗较小的直通(Through)态。由此，在端口数较大时，该基于CrossBar架构的光交换系统的损耗比其他类型的硅基光开关的损耗要小得多，兼具了成本低、切换速度快、插入损耗低和端口数大等优点。
针对上述问题，本申请实施例提供了一种微秒级、低插损的光开关200。图6是本申请一个实施例的光开关200的立体图。图7是本申请一个实施例的光开关200的俯视图。如图6和图7所示，光开关200设置于衬底210上，光开关200包括第一波导220、第二波导230、固定在网状平板240上的第三波导250和用于驱动网状平板240相对于衬底210转动的电极260，第一波导220相对于衬底210不可运动，第一波导220具有第一输入端口IP1和第一输出端口OP1；第二波导230相对于衬底210不可运动，第二波导230具有第二输出端口OP2，第一波导220与第二波导220位于与衬底210平行的第一平面内；第三波导250为弯曲波导且不位于第一平面内，网状平板240在电极260的驱动下绕着转动轴相对于衬底210转动。
其中，当网状平板240带动第三波导250运动到第一位置时，(1)第三波导250与第一波导220光学解耦，并且第三波导250与第二波导230光学解耦，(2)IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断；当网状平板240带动第三波导250运动到第二位置时，(1)网状平板240位于与第一平面不同的第二平面内，第三波导250与第一波导220在垂直于衬底210的平面内光学耦合，并且第三波导250与第二波导230在垂直于衬底210的平面内光学耦合，(2)IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过第三波导250光学导通。
应理解，在本申请实施例中，网状平板240在电极260的驱动下绕着转动轴相对于衬底210转动是指，网状平板240在电极260的驱动下能够绕着转动轴相对于衬底210转动，并不限定网状平板240一直绕着转动轴相对于衬底210转动。
可选地，本申请实施例的第三波导250可以是MEMS光波导，即第三波导250可以是通过MEMS技术控制的可动光波导。
可选地，可以认为，第三波导250处于第一位置时光开关为关状态或者称为直通(Through)态，第三波导250处于第二位置时光开关为开状态或者称为下载(Drop)态。
可选地，本申请实施例的中所述第一平面可以是与衬底210平行的平面。衬底210可以是硅基的。
可选地，本申请实施例的电极260可以是金属电极。本申请实施例的网状平板240也可以是金属的。
本申请实施例的光开关包括2个固定在衬底上的光波导，以及1个在网状平板的带动下相对于衬底可动的光波导，可动的光波导能够在垂直于2个固定光波导的平面内与固定光波导耦合，从而控制光开关的状态，工艺简单并且可以减小光开关的损耗。
第三波导250与第一波导220光学解耦，并且第三波导250与第二波导230光学解耦，可以是在调控第三波导250处于第一位置时同时达到的结果，不是分为两个步骤分别实现的。第三波导250与第一波导220光学耦合，并且第三波导250与第二波导230光学耦合也可以是同理，此处不再赘述。
应理解，图6和图7示出的衬底210、第一波导220、第二波导230、网状平板240和第三波导250的尺寸、形状，以及IP1、OP1和OP2的位置和方向均为示意性的，不对本申请实施例造成限定。第一波导220、第二波导230为固定光波导，或者称不可移动的光波导；第三波导250在网状平板240的带动下可以移动，称为可动光波导。
可选地，所述第一波导220和所述第二波导230可以为垂直相交的直波导，第三波导250可以为曲率渐变型的弯曲波导，第三波导250中的光路从所述输入部的入端口到所述输出部的出端口完成90度转弯。这种结构有利于由多个光开关形成CrossBar架构的光交换系统，但本申请实施例不对各光波导的形状进行限定。
下面介绍本申请实施例的光开关的控制原理。本申请实施例的光开关200的电极260与网状平板240连接，网状平板240与底层的衬底210形成平板电容驱动器。网状平板240在电压驱动下绕着转动轴相对于衬底210转动，可以带动其上的第三波导250运动。图8是本申请一个实施例的光开关的控制原理的示意图。如图8所示，衬底210为硅基衬底，其上可以固定有电极260(电极260为金属电极)，中间通过可以通过二氧化硅(SiO2)和硅(Si)连接。当电极260和底层的衬底210之间的外加电压差V＝0时，由于电极260与网状平板240(网状平板240为金属平板)连接处的金属应力原因，网状平板240绕连接处的固定轴，向上翘起，导致固定在网状平板240上的第三波导250位置高于第一波导220和第二波导230所在的第一平面，此时可动光波导与固定光波导的间距较大，处于光学解耦状态，光信号的路由状态为直通态。光信号从第一输入端口IP1输入，通过第一波导220，从直通(Through)端口即第一输出端口OP1输出。当电极260和底层的衬底210之间施加一定的电压差V＝V0(V0＞0)时，网状平板240与衬底210之间产生静电吸引力，平板电容驱动器的可动的网状平板240绕固定轴从上向下转动，带动可动光波导靠近固定光波导，两者间的间距减小，最终达到耦合状态，光信号的路由状态为下载态。即光信号从第一输入端口IP1输入，通过第一耦合器和第二耦合器，从下载(Drop)端口即第二输出端口OP2输出。
图9是图6和图7示出的光开关200的直通态的原理示意图。直通态时，电极260和底层的衬底210之间的外加电压差V＝0，网状平板240向上翘起，上层的第三波导250与下层的第一波导220和第二波导230具有一定的初始距离(一般在1微米左右)，第三波导250分别与第一波导220和第二波导230光学解耦，IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断。
图10是图6和图7示出的光开关200的下载态的原理示意图。下载态时，电极260和底层的衬底210之间的外加电压差V＝V0，网状平板240在静电吸引力的作用下绕固定轴从上向下转动，上层的第三波导250落到下层的第一波导220上方，且上层的第三波导250落到下层的第二波导230的上方，第三波导250分别与第一波导220和第二波导230在垂直于衬底210的平面内光学耦合，形成第一耦合器和第二耦合器，IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过第三波导250光学导通。
图6和图7示出的光开关200中，网状平板240的第一端与电极260连接，网状平板240的第二端上固定有第三波导250，其中，第二端与第一端相对，转动轴位于第一端。图6和图7示出的光开关200的网状平板240不覆盖第一波导220和第二波导230的交叉处。
除此之外，本申请实施例还提供了另外一种光开关，如图11和图12所示，其中图11是立体图，图12是俯视图。图11和图12示出的光开关200，也同样满足，网状平板240的第一端与电极260连接，网状平板240的与第一端相对的第二端上固定有第三波导250，转动轴位于第一端。但是，与图6和图7示出的光开关200不同的是，图11和图12示出的光开关200的网状平板240覆盖第一波导220和第二波导230的交叉处。
图13是图11和图12示出的光开关200的直通态的原理示意图。直通态时，电极260和底层的衬底210之间的外加电压差V＝0，网状平板240向上翘起，上层的第三波导250与下层的第一波导220和第二波导230具有一定的初始距离(一般在1微米左右)，第三波导250分别与第一波导220和第二波导230光学解耦，IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断。
图14是图11和图12示出的光开关200的下载态的原理示意图。下载态时，电极260和底层的衬底210之间的外加电压差V＝V0，网状平板240在静电吸引力的作用下绕固定轴(与电极260连接的第一端)从上向下转动，上层的第三波导250落到下层的第一波导220上方，且上层的第三波导250落到下层的第二波导230的上方，第三波导250分别与第一波导220和第二波导230在垂直于衬底210的平面内光学耦合，形成第一耦合器和第二耦合器，IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过第三波导250光学导通。
本申请实施例还提供了另外一种光开关，如图15和图16所示，其中图15是立体图，图16是俯视图。图15和图16示出的光开关200，网状平板240的第一端通过可导电的悬浮桥280与电极260连接，电极260与网状平板240的第二端相邻，其中，第二端与第一端相对，网状平板240的第一端上固定有第三波导250，转动轴位于第一端。
应理解，该悬浮桥可以为弹簧，也可以为其他弹性材料部件，还可以是不具有弹性的连接部件，本申请实施例对此也不作限定。
还应理解，为使网状平板240绕着第一端处转动，可以通过如图15和图16所示的固定部件290对网状平板240的第一端进行固定，使得第一端固定不动，第二端成为可以绕转动轴相对衬底210转动的自由端。
图17是图15和图16示出的光开关200的直通态的原理示意图。直通态时，电极260和底层的衬底210之间的外加电压差V＝0，网状平板240向上翘起，上层的第三波导250与下层的第一波导220和第二波导230具有一定的初始距离(一般在1微米左右)，第三波导250分别与第一波导220和第二波导230光学解耦，IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断。
图18是图15和图16示出的光开关200的下载态的原理示意图。下载态时，电极260和底层的衬底210之间的外加电压差V＝V0，网状平板240在静电吸引力的作用下绕固定轴(固定有第三波导250的第一端)从上向下转动，上层的第三波导250落到下层的第一波导220上方，且上层的第三波导250落到下层的第二波导230的上方，第三波导250分别与第一波导220和第二波导230在垂直于衬底210的平面内光学耦合，形成第一耦合器和第二耦合器，IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过第三波导250光学导通。
本申请实施例还提供了另外一种光开关，如图19和图20所示，其中图19是立体图，图20是俯视图。图19和图20示出的光开关200还包括电极平板295，网状平板240与第一波导220和第二波导230电学连接，电极260位于第一平面内且分别与第一波导220和第二波导230电学隔离，电极260与电极平板295电学连接，电极平板295位于网状平板240的下方，网状平板240的第一端上固定有第三波导250，转动轴位于第一端。
应理解，为使网状平板240绕着第一端处转动，可以通过如图19和图20所示的固定部件290对网状平板240的第一端进行固定，使得第一端固定不动，第二端成为可以绕转动轴相对衬底210转动的自由端。此外，网状平板240通过固定部件290向下挖通孔与下层波导(第一波导220和第二波导230)电学连接起来，使得其电势与衬底210相等。电极平板295与电极260电学连接，其电势与电极260相等。由此，网状平板240和电极平板295形成平板电容驱动器。电极260与第一波导220和第二波导230之间可以设置有间隙，从而使得电极260分别与第一波导220和第二波导230电学隔离。
直通态时，电极260和底层的衬底210之间的外加电压差V＝0，即网状平板240和电极平板295形成的平板电容驱动器的电压差V＝0，网状平板240向上翘起，上层的第三波导250与下层的第一波导220和第二波导230具有一定的初始距离(一般在1微米左右)，第三波导250分别与第一波导220和第二波导230光学解耦，IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断。
下载态时，电极260和底层的衬底210之间的外加电压差V＝V0，即网状平板240和电极平板295形成的平板电容驱动器的电压差V＝V0，网状平板240在静电吸引力的作用下绕固定轴(固定有第三波导250的第一端)从上向下转动，上层的第三波导250落到下层的第一波导220上方，且上层的第三波导250落到下层的第二波导230的上方，第三波导250分别与第一波导220和第二波导230在垂直于衬底210的平面内光学耦合，形成第一耦合器和第二耦合器，IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过第三波导250光学导通。
可选地，本申请实施例的光开关200还包括距离控制部件270，距离控制部件270位于衬底210和网状平板240之间，用于控制第三波导250与第一波导220和第二波导230中的至少一个之间的距离。在图6和图7，以及图9至图20中任一个附图示出的实施例中，距离控制部件270设置在网状平板240上。在另外一个实施例中，图21和图22示出了另外一种距离控制部件分别在光开关的直通态和下载态的示意图。图21和图22示出的距离控制部件270设置在衬底210上。距离控制部件可以将第三波导与第一波导和第二波导的距离精确控制在绝热渐变型耦合器的最优工作点，使得光开关可以实现数字型控制。
可选地，本申请实施例中，第三波导250包括可以包括输入部和输出部，当第三波导250位于第二位置时，第三波导250的输入部和第一波导220在垂直于衬底210的平面内形成第一耦合器，第三波导250的输出部和第二波导230在垂直于衬底210的平面内形成第二耦合器。由于所述第一耦合器，IP1与OP1光学阻断；并且，由于所述第二耦合器，IP1与OP2光学导通。输入光从第一波导220的第一输入端口IP1输入，光信号被第一耦合器耦合至第三波导250的输入部内传输，在第二耦合器处从第三波导250的输出部被耦合至第二波导230内传输，最后输出光从第二波导230的第二输出端口OP2输出。
可选地，所述第一耦合器可以设置为：沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器内所述第一波导的弯曲度变化小于第一阈值，所述第一耦合器内所述第三波导的所述输入部的弯曲度变化小于第二阈值。即第三波导250的输入部和第一波导220尽量在直波导上进行耦合，由此可以减小耦合器处光信号的损耗。第一阈值和第二阈值可以相等也可以不相等，其取值可以为5°、10°、15°或20°，具体数值可以根据系统要求、波导性能和光信号的模式、功率等确定，本申请实施例对此不作限定。同样地，第二耦合器也可以进行类似地设计，本申请实施例对此不作限定。
可选地，在本申请实施例中，沿着光信号的传输方向，第一耦合器中输入部的有效折射率和/或第一波导的有效折射率可以是逐渐变化的，第二耦合器中输出部的有效折射率和/或第二波导的有效折射率可以是逐渐变化的。由此，使得第一耦合器和第二耦合器称为绝热渐变耦合器。
具体而言，波导的有效折射率可以通过改变波导的横截面的结构(例如，宽度、高度、形状等)来调节，也可以通过改变波导的材料成分来调节，本申请实施例对此不作限定。现有的光波导的横截面通常为矩形的，可以通过改变波导的宽度来调节波导的有效折射率。例如，沿着光信号的传输方向，第一耦合器中输入部的宽度和/或第一波导的宽度可以是逐渐变化的，第二耦合器中输出部的宽度和/或第二波导的宽度可以是逐渐变化的。
具体地，在本申请实施例中，沿着光信号的传输方向，第一耦合器中输入部具有第一有效折射率和第二有效折射率，第二耦合器中输出部具有第三有效折射率和第四有效折射率，第一有效折射率小于第二有效折射率，第三有效折射率大于第四有效折射率。换而言之，沿着光信号的传输方向，第一耦合器中输入部的有效折射率可以逐渐增大，第二耦合器中输出部的有效折射率可以逐渐减小。
具体地，在本申请实施例中，沿着光信号的传输方向，第一耦合器中第一波导具有第五有效折射率和第六有效折射率，第二耦合器中第二波导具有第七有效折射率和第八有效折射率，第五有效折射率大于第六有效折射率，第七有效折射率小于第八有效折射率。换而言之，沿着光信号的传输方向，第一耦合器中第一波导的有效折射率可以逐渐减小，第二耦合器中第二波导的有效折射率可以逐渐增大。
在一个具体的例子中，沿着光信号的传输方向，第三波导的输入部或输出部的宽度是逐渐变化的，例如，输入部的宽度逐渐增大，输出部的宽度逐渐减小，第一波导和第二波导的宽度为固定不变的宽度。在另一个具体的例子中，沿着光信号的传输方向，第三波导的输入部或输出部的宽度是逐渐变化的，例如，输入部的宽度逐渐增大，输出部的宽度逐渐减小，不可移动的波导的宽度也是逐渐变化的，例如，第一波导的宽度逐渐减小，第二波导的宽度逐渐增大。耦合器中波导的有效折射率渐变可以实现较宽的光谱范围的传输，使光信号更稳定，还可以增大耦合器的工艺容差，提高光开关的性能，使得光开关的工作波长范围可以超过100nm。
在绝热渐变耦合器的基础上，还可以进一步改进第一波导、第二波导和第三波导的形状。改进的第一波导、第二波导和第三波导可以是脊形的光波导。脊形的光波导一方面可以降低光信号的传输损耗，另一方面可以增强结构的机械性能，从而提高光开关的性能。当然，第一波导、第二波导和第三波导也可以是矩形的光波导，本申请实施例对此不作限定。
上文对本申请实施例的1×2(1个输入端口2输出端口)的光开关进行了详细描述，下面着重描述本申请实施例的2×2(2个输入端口2输出端口)的光开关。
在上文描述的1×2光开关的结构的基础上，可以得到2×2光开关。如图6和图7，以及图9至图20所示，第二波导230还具有第二输入端口IP2，光开关还包括固定在另一网状平板上的第四波导，和用于驱动该另一网状平板相对于衬底转动的另一电极，第四波导也是弯曲波导且不位于第一平面内。另一网状平板能够在另一电极的驱动下绕着转动轴相对于衬底转动。当另一网状平板带动第四波导运动到第三位置时，(1)第四波导与第一波导光学解耦，并且第四波导与第二波导光学解耦，(2)IP2与OP2光学导通并且IP2与OP1光学阻断；当另一网状平板带动第四波导运动到第四位置时，(1)第四波导与第一波导光学耦合，并且第四波导与第二波导光学耦合，(2)IP2与OP2光学阻断并且IP2与OP1通过第四波导光学导通。
在本申请各实施例中，第三波导可以为弯曲波导，所述弯曲波导为圆弧型的光波导或曲率渐变型的光波导，由此可以降低光信号在光波导中传输时的损耗。第三波导还可以为其他形状的光波导，本申请实施例对此不作限定。
可选地，在本申请实施例中，所述光开关还可以包括光功率监控器，所述光功率监控器用于监控所述第一波导和所述第二波导的光功率。其中，所述光功率监控器可以用于监控所述第一波导和/或所述第二波导本身的光功率，也可以用于监控IP1、OP1和OP2的光功率。本申请实施例的光开关通过监控各元件中光信号的功率，可以根据光信号的功率估计第三波导的位置，从而更精确的控制第三波导的位置。
基于本申请实施例的光开关，本申请还提供了一种光交换系统，所述光交换系统为M×N光开关矩阵，包括M×N个光开关，每个光开关可以是图6至图20所示的光开关(这些光开关的第二波导230还具有第二输入端口IP2)。每个所述光开关可以记为SCij，其中，i取值1,2,…,M，j取值1,2,…,N，所述M×N个光开关被设置为：(1)IP1i,j与OP1i,j-1光学导通，其中，i取值1至M，j取值2至N；(2)IP2i,j与OP2i-1,j光学导通，其中，i取值2至M，j取值1至N。
其中，在IP1i,1和OP2M,j之间存在一条路径仅包括一个所述第三波导处于第二位置的光开关，i取值1至M，j取值1至N。或者说，在IP1i,1和OP2M,j之间存在至少一条路径仅包括一个第三波导。
在IP1i,1和OP2M,j之间存在一条路径仅包括一个所述第三波导处于第二位置的光开关，i取值1至M，j取值1至N。
具体地，M×N光开关矩阵的各光开关的连接关系可以如图23所示。例如，在IP11,1和OP2M,N之间存在至少一条路径(例如SC11至SC1N至SCMN)中仅包括一个第三波导处于第二状态的光开关SC1N，或者说光路中仅包括一个第三波导(SC1N的第三波导)。
本申请实施例的光交换系统可以实现微秒级切换速度，具有低插入损耗、大端口数和低成本等优势。
应注意的是，基于本申请实施例的光开关，可以连接形成具有其他变形的连接关系的光交换系统。例如变换图23中的光交换系统的输入端口和输出端口的方向，可以通过将光开关的连接关系作出相应的变化来实现，此处不进行赘述。
应理解，本文中涉及的第一、第二、第三、第四以及各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请实施例的范围。
应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (14)
1.一种光开关，其特征在于，所述光开关设置于衬底上，所述光开关包括第一波导、第二波导、固定在网状平板上的第三波导和用于驱动所述网状平板相对于所述衬底转动的电极，
所述第一波导相对于所述衬底不可运动，所述第一波导具有第一输入端口IP1和第一输出端口OP1；
所述第二波导相对于所述衬底不可运动，所述第二波导具有第二输出端口OP2，所述第一波导与所述第二波导位于与所述衬底平行的第一平面内；
所述第三波导为弯曲波导且不位于所述第一平面内，所述网状平板在所述电极的驱动下绕着转动轴相对于所述衬底转动；
其中，当所述网状平板带动所述第三波导运动到第一位置时，(1)所述第三波导与所述第一波导光学解耦，并且所述第三波导与所述第二波导光学解耦，(2)IP1与OP1光学导通并且IP1与OP2光学阻断；
当所述网状平板带动所述第三波导运动到第二位置时，(1)所述网状平板位于与所述第一平面不同的第二平面内，所述第三波导与所述第一波导在垂直于所述衬底的平面内光学耦合，并且所述第三波导与所述第二波导在垂直于所述衬底的平面内光学耦合，(2)IP1与OP1光学阻断并且IP1与OP2通过所述第三波导光学导通。
2.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述网状平板的第一端与所述电极连接，所述网状平板第二端上固定有所述第三波导，所述第二端与所述第一端相对，所述转动轴位于所述第一端。
3.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述网状平板的第一端通过可导电的悬浮桥与所述电极连接，所述电极与所述网状平板的第二端相邻，所述第二端与所述第一端相对，所述网状平板的第一端上固定有所述第三波导，所述转动轴位于所述第一端。
4.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光开关还包括电极平板，所述网状平板与所述第一波导和所述第二波导电学连接，所述电极位于所述第一平面内且分别与所述第一波导和所述第二波导电学隔离，所述电极与所述电极平板电学连接，所述电极平板位于所述网状平板的下方，所述网状平板的第一端上固定有所述第三波导，所述转动轴位于所述第一端。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光开关，其特征在于，所述光开关还包括距离控制部件，所述距离控制部件位于所述衬底和所述网状平板之间，用于控制所述第三波导与所述第一波导和所述第二波导中的至少一个之间的距离。
6.根据权利要求5所述的光开关，其特征在于，所述距离控制部件设置在所述网状平板上。
7.根据权利要求5所述的光开关，其特征在于，所述距离控制部件设置在所述衬底上。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的光开关，其特征在于，所述第三波导包括输入部和输出部，当所述第三波导位于第二位置时，所述第三波导的所述输入部和所述第一波导在垂直于所述衬底的平面内形成第一耦合器，所述第三波导的所述输出部和所述第二波导在垂直于所述衬底的平面内形成第二耦合器。
9.根据权利要求8所述的光开关，其特征在于，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器中所述输入部具有第一有效折射率和第二有效折射率，所述第二耦合器中所述输出部具有第三有效折射率和第四有效折射率，所述第一有效折射率小于所述第二有效折射率，所述第三有效折射率大于所述第四有效折射率。
10.根据权利要求8所述的光开关，其特征在于，沿着光信号的传输方向，所述第一耦合器中所述第一波导具有第五有效折射率和第六有效折射率，所述第二耦合器中所述第二波导具有第七有效折射率和第八有效折射率，所述第五有效折射率大于所述第六有效折射率，所述第七有效折射率小于所述第八有效折射率。
11.根据权利要求8所述的光开关，其特征在于，所述第一波导和所述第二波导为垂直相交的直波导，所述第三波导为曲率渐变型的弯曲波导，所述第三波导中光路从所述输入部的入端口到所述输出部的出端口完成90度转弯。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的光开关，其特征在于，所述光开关还包括光功率监控器，所述光功率监控器用于监控所述第一波导和所述第二波导的光功率。
13.一种光交换系统，其特征在于，所述光交换系统为M×N光开关矩阵，包括M×N个根据权利要求1至12中任一项所述的光开关，所述光开关的所述第二波导还具有第二输入端口IP2，所述M×N个光开关被设置为：(1)IP1i,j与OP1i,j-1光学导通，其中，i取值1至M，j取值2至N；(2)IP2i,j与OP2i-1,j光学导通，其中，i取值2至M，j取值1至N。
14.根据权利要求13所述的光交换系统，其特征在于，在IP1i,1和OP2M,j之间存在一条路径仅包括一个所述第三波导处于第二位置的光开关，i取值1至M，j取值1至N。
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