22波长选择交叉连接器.pdf

2×2光波长选择交叉连接器，属于光通信器件，目的在于简化波长选择控制，降低光信号功率损耗，有利于实现多端口、多波长选择交叉连接器件的集成；本发明包括以特性相同的周期性布拉格光栅为两臂的马赫—曾德干涉仪，上、下1×2光开关，上、下Y形合波器和一对相互交叉的光波导，具有完全对称结构；上、下1×2光开关的输入端口作为本发明的两个输入端；上、下1×2光开关的控制端口作为本发明的两个控制信号输入端；上、下Y形合波器的输出端作为本发明的两个输出端。本发明控制简单、结构紧凑、高度模块化、可以通过互连网络进行多端口多波长扩展，所采用的各种器件均可用波导器件实现，易于实现集成，可用于甚短距波分复用光互连网络。

1.  一种2×2光波长选择交叉连接器，包括一个以特性相同的周期性布拉格光栅为两臂的马赫—曾德干涉仪，具有完全对称结构，其特征在于：(1)其还包括上、下1×2光开关，上、下Y形合波器和一对相互交叉的光波导；所述上、下1×2光开关各具有一个光输入端口、两个光输出端口和一个控制端口；所述上、下Y形合波器各具有一个光输出端口和两个光输入端口；由特性相同的周期性布拉格光栅为两臂的马赫—曾德干涉仪有四个对称的端口；(2)上1×2光开关的一个输出端与马赫—曾德干涉仪上耦合器的左端口相连，上1×2光开关的另一个输出端通过光波导连接下Y形合波器的一个输入端口；(3)下1×2光开关的一个输出端与马赫—曾德干涉仪下耦合器的左端口相连，下1×2光开关的另一个输出端通过光波导连接上Y形合波器的一个输入端口；(4)上Y形合波器的另一输入端口与马赫—曾德干涉仪上耦合器的右端口相连，下Y形合波器的另一输入端口与马赫—曾德干涉仪下耦合器的右端口相连；(5)上、下1×2光开关的输入端口作为2×2波长选择交叉连接器的两个输入端；上、下1×2光开关的控制端口作为2×2波长选择交叉连接器的两个控制信号输入端；上、下Y形合波器的输出端作为2×2波长选择交叉连接器的两个输出端。

2.  如权利要求1所述的2×2光波长选择交叉连接器，其特征在于：所述上、下1×2光开关的结构及特性完全相同；所述上、下Y形合波器的结构及特性完全相同；所述两个相互交叉的光波导几何尺寸和物理特性完全相同。

2×2波长选择交叉连接器
技术领域
本发明属于光通信器件，特别涉及全光波分复用通信网络中的光通信器件。
背景技术
传统通信网基于电子技术，由于电子器件的速率已经越来越接近物理和技术上的极限，进一步提高速率将使系统成本大大增加。要消除目前光纤传输网中由于存在光/电-电/光转换而引起的电子瓶颈，其出路是采用宽带、大容量、高速的波分复用全光通信技术。波分复用全光通信网络中，不存在光—电—光转换的环节，不同的网络节点分配不同的光波波长，光波波长直接用于节点路由。光交叉连接器(OXC)无疑是这种全光波长路由网络的核心器件。光交叉连接器中没有波长转换能力的称为波长选择交叉连接器(WSXC)，有波长转换能力的称为波长转换交叉连接器(WIXC)。
艾利森电话股份有限公司T.奥古斯特松提出的专利公开号CN1307767A、名称为“用于交换光波长的方法和波长选择开关”的发明由多模干涉波导、波长选择交叉结构、相位控制元件以及连接波导构成；T.奥古斯特松提出的专利公开号CN1249823A、名称为“光学装置”的发明由多模干涉波导、相位控制元件和布拉格光栅构成。上述发明利用相位控制元件实现波长选择，要求各相位控制元件的改变相位到相同的程度，属于模拟控制方法，它在实现上较困难，要求对相位畸变的波长进行相位补偿，各相位控制元件相位改变的不匹配将严重影响器件的性能。其次，上述发明采用多模干涉(MMI)原理进行分光，要求输入光信号功率要在几个输出端进行分配，导致光信号的功率减小。
发明内容
本发明提出一种2×2光波长选择交叉连接器，目的在于简化波长选择控制，降低光信号功率的损耗，并有利于实现多端口、多波长选择交叉连接器件的集成。
本发明的一种2×2光波长选择交叉连接器，包括一个以特性相同的周期性布拉格光栅为两臂的马赫—曾德干涉仪，具有完全对称结构，其特征在于：(1)其还包括上、下1×2光开关，上、下Y形合波器和一对相互交叉的光波导；所述上、下1×2光开关各具有一个光输入端口、两个光输出端口和一个控制端口；所述上、下Y形合波器各具有一个光输出端口和两个光输入端口；由特性相同的周期性布拉格光栅为两臂的马赫—曾德干涉仪有四个对称的端口；(2)上1×2光开关的一个输出端与马赫—曾德干涉仪上耦合器的左端口相连，上1×2光开关的另一个输出端通过光波导连接下Y形合波器的一个输入端口；(3)下1×2光开关的一个输出端与马赫—曾德干涉仪下耦合器的左端口相连，下1×2光开关的另一个输出端通过光波导连接上Y形合波器的一个输入端口；(4)上Y形合波器的另一输入端口与马赫—曾德干涉仪上耦合器的右端口相连，下Y形合波器的另一输入端口与马赫—曾德干涉仪下耦合器的右端口相连；(5)上、下1×2光开关的输入端口作为2×2波长选择交叉连接器的两个输入端；上、下1×2光开关的控制端口作为2×2波长选择交叉连接器的两个控制信号输入端；上、下Y形合波器的输出端作为2×2波长选择交叉连接器的两个输出端。
所述的2×2光波长选择交叉连接器，其特征在于：所述上、下1×2光开关的结构及特性完全相同；所述上、下Y形合波器的结构及特性完全相同；所述两个相互交叉的光波导几何尺寸和物理特性完全相同。
本发明所能选择交叉连接的光波长由构成马赫—曾德干涉仪两臂的周期性布拉格光栅的中心波长决定，通过对1×2光开关的控制，可以实现对所选择光波长的交叉连接，1×2光开关的控制信号只有“开”和“关”两种状态，可以将输入的光信号选择性的引入到其两个输出端口中的一个端口，属于数字控制方法，并且不存在光信号功率在多个端口的分配。本发明可以通过多级网络连接的方式实现多端口多波长的光波长选择交叉连接器。一个非阻塞性的单波长2^m×2^m波长选择交叉连接器可由(2m-1)2^m-1个相同的本发明模块通过2m-1级的多级网络互连构成；一个非阻塞性的N波长2^m×2^m波长选择交叉连接器，可由N个不同波长的非阻塞性的单波长2^m×2^m波长选择交叉连接器模块串联而成。多级互连网络可采用Banyan或Benes等多级互连结构。基于右混洗及左混洗互连网络的波长选择交叉连接器具有高度的模块化结构，便于实现器件的集成。
本发明控制简单、结构紧凑、高度模块化、便于集成，对非控制光波的透明，可以通过互连网络进行多端口多波长扩展。由本发明扩展而成的多端口多波长选择交叉连接器是波分复用光网络的核心器件。本发明所采用的各种器件均可用波导器件实现，易于实现集成，可用于光电印制线路板之间、光电芯片之间及芯片内部各IP核之间的甚短距波分复用光互连网络。
附图说明
图1.本发明结构示意图；
图2基于右混洗网络的4×4单波长选择交叉连接器示意图；
图3基于右混洗网络的2×2四波长选择交叉连接器示意图；
图4基于右混洗网络的4×4两波长选择交叉连接器示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由以下几个部分连接构成：
(1)上、下1×2光开关：上1×2光开关20有一个输入端口21、两个输出端口22、23和一个控制端口24；通过改变对控制端口24所施加的控制信号，可以实现输入端口21与两个输出端口22、23中其中一个输出端口的选择性导通连接。下1×2光开关25有一个输入端口26、两个输出端口27、28和一个控制端口29；通过改变对控制端口29所施加的控制信号，可以实现输入端口26与两个输出端口27、28中其中一个输出端口的选择性导通连接。
(2)上、下Y形合波器：上Y形合波器30有两个输入端口31、32和一个输出端口33，两个输入端口中的光信号可以同时引到输出端口。下Y形合波器34有两个输入端口35、36和一个输出端口37。
(3)一对光波导4：每个光波导4可以将一个端口引入的光信号传递到另一个端口。
(4)一个基于布拉格光栅的马赫—曾德干涉仪1，具有二维对称结构。若将该基于布拉格光栅的马赫—曾德干涉仪1水平或垂直等分，其中的一半是另一半的镜像；该基于布拉格光栅的马赫—曾德干涉仪1的两臂上的周期性布拉格光栅11具有相同的中心波长及其它特性。该基于布拉格光栅的马赫—曾德干涉仪1有四个端口，分别从两个光耦合器引出。由马赫—曾德干涉仪上耦合器12的左端口13引入的光波中波长在布拉格光栅11中心波长附近的光波被引到马赫—曾德干涉仪上耦合器的右端口14，其它波长的光波被引到马赫—曾德干涉仪下耦合器15的右端口17；由马赫—曾德干涉仪下耦合器15的左端口16引入的光波中波长在布拉格光栅11中心波长附近的光波被引到马赫—曾德干涉仪下耦合器15的右端口17，其它波长的光波被引到马赫—曾德干涉仪上耦合器12的右端口14。
以上器件的端口连接情况为：上1×2光开关20的一个输出端22与马赫—曾德干涉仪上耦合器12的左端口13相连，上1×2光开关20的另一个输出端23通过光波导4连接下Y形合波器34的一个输入端口36，下1×2光开关25的一个输出端27与马赫—曾德干涉仪下耦合器15的左端口16相连，下1×2光开关25的另一个输出端28通过光波导4连接上Y形合波器30的一个输入端口32，上Y形合波器30的另一输入端口31与马赫—曾德干涉仪上耦合器12的右端口14相连，下Y形合波器34的另一输入端口35与马赫—曾德干涉仪下耦合器15的右端口17相连，上、下1×2光开关的输入端口21、26做为2×2波长选择交叉连接器的两个输入端；上、下1×2光开关的控制端口24、29做为2×2波长选择交叉连接器的两个控制信号输入端；上、下Y形合波器的输出端33、37做为2×2波长选择交叉连接器的两个输出端。
为便于描述本发明的工作原理，特作如下约定：
(1)端口标号：I₁表示本发明的上输入端口，I₂表示下输入端口，O₁表示上输出端口，O₂表示下输出端口；同时，I₁、I₂、O₁、O₂还表示对应端口所存在的光波波长的集合。
(2)本发明的上、下1×2光开关用同一控制信号K控制。控制信号K为数字信号，具有“开”和“关”两种状态：控制信号为“开”时，记为K，上1×2光开关的输入端引入的光波信号经光波导引到下Y形合波器的输出端，下1×2光开关的输入端引入的光波信号经光波导引到上Y形合波器的输出端；1×2光开关的控制信号为“关”时，记为K，此时上1×2光开关的输入端引入的光波信号中波长在布拉格光栅中心波长附近的光波被引到上Y形合波器的输出端，其它波长的光波被引到下Y形合波器的输出端，下1×2光开关的输入端引入的光波信号中波长在布拉格光栅中心波长附近的光波被引到下Y形合波器的输出端，其它波长的光波被引到上Y形合波器的输出端。
(3)马赫—曾德干涉仪的两臂的周期性布拉格光栅的中心波长为λ_m，m为正整数，用于指示和区分不同的波长。
在上述约定的情况下，本发明可用如下关系式进行描述：
O 1 O 2 = K ‾ K K K ‾ I 1 ∩ { λ m } I 2 ∩ { λ m } + 0 1 1 0 I 1 \ ( I 1 ∩ { λ m } ) I 2 \ ( I 2 ∩ { λ m ) - - - ( 1 ) ]]>
通过对2×2矩阵进行配置，可以实现对所选择的波长λ_m进行输出端口的切换；2×2矩阵表示对输入端口中光波波长在布拉格光栅中心波长附近的光波进行筛选后所剩的光波的去向；本发明无法对非交换波长进行通道切换控制，只能对两输入端光波中非切换波长进行通道交叉。
2×1矩阵表示对输入端口中光波波长在布拉格光栅中心波长附近的光波进行筛选；2×1矩阵表示对输入端口中光波波长在布拉格光栅中心波长附近的光波进行筛选后所剩的光波。
式(1)对本发明的工作原理进行了完整的描述。它表明，不论上、下1×2光开关的状态如何，本发明将输入端I₁引入光波的非切换波长I₁\(I₁∩{λ_m})引到输出端O₂，将输入端I₂引入光波的非切换波长I₂\(I₂∩{λ_m})引到输出端O₁；当开关控制信号为“开”时，本发明将输入端I₁引入光波的切换波长I₁∩{λ_m}引到输出端O₂，将输入端I₂引入光波的切换波长I₂∩{λ_m}引到输出端O₁；当开关控制信号为“关”时，本发明将输入端I₁引入光波的交换波长I₁∩{λ_m}引到输出端O₁，将输入端I₂引入光波的交换波长I₂∩{λ_m}引到输出端O₂。
本发明的多端口扩展：
利用多级互连网络可以实现本发明的多端口扩展。2^m×2^m单波长非阻塞性选择交叉连接器可由(2m-1)2^m-1个相同的本发明模块通过2m-1级的多级网络互连构成。m为正整数。多级互连网络可采用Banyan，Benes等多级互连结构。其中右混洗，左混洗的多级互连结构使得每一级具有相同的结构。该特性使得2^m×2^m单波长非阻塞性选择交叉连接器更具有模块化的结构。图2为基于右混洗互连网络的非阻塞性4×4单波长选择交叉连接器结构图，其工作原理的数学描述为：
O 1 O 2 O 3 O 4 = K 13 K 12 K 11 K 13 K ‾ 12 K 21 K 13 K 12 K ‾ 11 K 13 K ‾ 12 K ‾ 21 K ‾ 13 K 12 K 11 K ‾ 13 K ‾ 12 K 21 K ‾ 13 K 12 K ‾ 11 K ‾ 13 K ‾ 12 K ‾ 21 K 23 K ‾ 12 K 11 K 23 K 12 K 21 K 23 K ‾ 12 K ‾ 11 K 23 K 12 K ‾ 21 K ‾ 23 K ‾ 12 K 11 K ‾ 23 K 12 K 21 K ‾ 23 K ‾ 12 K ‾ 11 K ‾ 23 K 12 K ‾ 21 ( I 1 ∩ { λ m } ) ( I 2 ∩ { λ m } ) ( I 3 ∩ { λ m } ) ( I 4 ∩ { λ m } ) ]]>
+ K ‾ 13 K 22 K ‾ 11 K ‾ 13 K ‾ 22 K ‾ 21 K ‾ 13 K 22 K 11 K ‾ 13 K ‾ 22 K 21 K 13 K 22 K ‾ 11 K 13 K ‾ 22 K ‾ 21 K 13 K 22 K 11 K 13 K ‾ 22 K 21 K ‾ 23 K ‾ 22 K ‾ 11 K ‾ 23 K 22 K ‾ 21 K ‾ 23 K ‾ 22 K 11 K ‾ 23 K 22 K 21 K 23 K ‾ 22 K ‾ 11 K 23 K 22 K ‾ 21 K 23 K ‾ 22 K 11 K 23 K 22 K 21 ( I 1 ∩ { λ m } ) ( I 2 ∩ { λ m } ) ( I 3 ∩ { λ m } ) ( I 4 ∩ { λ m } ) ]]>
+ 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 I 1 \ ( I 1 ∩ { λ m } ) I 2 \ ( I 2 ∩ { λ m } ) I 3 \ ( I 3 ∩ { λ m } ) I 4 \ ( I 4 ∩ { λ m } ) ]]>
本发明的多波长扩展：
将N个中心波长不同的布拉格光栅构成2×2单波长选择交叉连接器串联起来即可实现本发明的N波长扩展。N为正整数。图3为基于右混洗互连网络的非阻塞性2×2四波长选择交叉连接器结构示意图，其工作原理的可描述为：
O 1 O 2 = K 1 K ‾ 1 K ‾ 1 K 1 I 1 ∩ { λ 1 } I 2 ∩ { λ 1 } + K 2 K ‾ 2 K ‾ 2 K 2 I 1 ∩ { λ 2 } I 2 ∩ { λ 2 } + K 3 K ‾ 3 K ‾ 3 K 3 I 1 ∩ { λ 3 } I 2 ∩ { λ 3 } ]]>
+ K 4 K ‾ 4 K ‾ 4 K 4 I 1 ∩ { λ 4 } I 2 ∩ { λ 4 } + 1 0 0 1 I 1 \ ( I 1 ∩ { λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 } ) I 2 \ ( I 2 ∩ { λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 } ) ]]>
本发明的多端口多波长扩展：
将N个中心波长不同的布拉格光栅构成2^m×2^m波长选择交叉连接器串联起来即可实现本发明的N波长2^m×2^m端口扩展，m，N为正整数。图4为基于右混洗互连网络的非阻塞性4×4两波长选择交叉连接器结构示意图，其工作原理可描述为：
O 1 O 2 O 3 O 4 = K 16 K 15 K 14 K 16 K ‾ 15 K 24 K 16 K 15 K ‾ 14 K 16 K ‾ 15 K ‾ 24 K ‾ 16 K 15 K 14 K ‾ 16 K ‾ 15 K 24 K ‾ 16 K 15 K ‾ 14 K ‾ 16 K ‾ 15 K ‾ 24 K 26 K ‾ 15 K 14 K 26 K 15 K 24 K 26 K ‾ 15 K ‾ 14 K 26 K 15 K ‾ 24 K ‾ 26 K ‾ 15 K 14 K ‾ 26 K 15 K 24 K ‾ 26 K ‾ 15 K ‾ 14 K ‾ 26 K 15 K ‾ 24 ( I 1 ∩ { λ 2 } ) ( I 2 ∩ { λ 2 } ) ( I 3 ∩ { λ 2 } ) ( I 4 ∩ { λ 2 } ) ]]>
+ K ‾ 16 K 25 K ‾ 14 K ‾ 16 K ‾ 25 K ‾ 24 K ‾ 16 K 25 K 14 K ‾ 16 K ‾ 25 K 24 K 16 K 25 K ‾ 14 K 16 K ‾ 25 K ‾ 24 K 16 K 25 K 14 K 16 K ‾ 25 K 24 K ‾ 26 K ‾ 25 K ‾ 14 K ‾ 26 K 25 K ‾ 24 K ‾ 26 K ‾ 25 K 14 K ‾ 26 K 25 K 24 K 26 K ‾ 25 K ‾ 14 K 26 K 25 K ‾ 24 K 26 K ‾ 25 K 14 K 26 K 25 K 24 ( I 1 ∩ { λ 2 } ) ( I 2 ∩ { λ 2 } ) ( I 3 ∩ { λ 2 } ) ( I 4 ∩ { λ 2 } ) ]]>
+ K 13 K 12 K 11 K 13 K ‾ 12 K 21 K 13 K 12 K ‾ 11 K 13 K ‾ 12 K ‾ 21 K 23 K ‾ 12 K 11 K 23 K 12 K 21 K 23 K ‾ 12 K ‾ 11 K 23 K 12 K ‾ 21 K ‾ 13 K 12 K 11 K ‾ 13 K ‾ 12 K 21 K ‾ 13 K 12 K ‾ 11 K ‾ 13 K ‾ 12 K ‾ 21 K ‾ 23 K ‾ 12 K 11 K ‾ 23 K 12 K 21 K ‾ 23 K ‾ 12 K ‾ 11 K ‾ 23 K 12 K ‾ 21 ( I 1 ∩ { λ 1 } ) ( I 2 ∩ { λ 1 } ) ( I 3 ∩ { λ 1 } ) ( I 4 ∩ { λ 1 } ) ]]>
+ K ‾ 13 K 22 K ‾ 11 K ‾ 13 K ‾ 22 K ‾ 21 K ‾ 13 K 22 K 11 K ‾ 13 K ‾ 22 K 21 K ‾ 23 K ‾ 22 K ‾ 11 K ‾ 23 K 22 K ‾ 21 K ‾ 23 K ‾ 22 K 11 K ‾ 23 K 22 K 21 K 13 K 22 K ‾ 11 K 13 K ‾ 22 K ‾ 21 K 13 K 22 K 11 K 13 K ‾ 22 K 21 K 23 K ‾ 22 K ‾ 11 K 23 K 22 K ‾ 21 K 23 K ‾ 22 K 11 K 23 K 22 K 21 ( I 1 ∩ { λ 1 } ) ( I 2 ∩ { λ 1 } ) ( I 3 ∩ { λ 1 } ) ( I 4 ∩ { λ 1 } ) ]]>
+ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 I 1 \ ( I 1 ∩ { λ 1 , λ 2 } ) I 2 \ ( I 2 ∩ { λ 1 , λ 2 } ) I 3 \ ( I 3 ∩ { λ 1 , λ 2 } ) I 4 \ ( I 4 ∩ { λ 1 , λ 2 } ) ]]>