本發(fā)明屬于光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)交換技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高速光開關(guān)器件。

背景技術(shù)：

光交換技術(shù)作為全光網(wǎng)絡(luò)中的核心技術(shù)之一，在光傳送網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心中各種不同的交換原理與實現(xiàn)光交換的技術(shù)被廣泛的應(yīng)用。不同原理的光交換技術(shù)具有不同的特性，適用于不同的場合。光交換技術(shù)的核心是在光網(wǎng)絡(luò)鏈路的節(jié)點處，直接在光域內(nèi)將信號切換至不同的輸出端口，中間沒有光到電、電再到光的過程。在現(xiàn)有的光交換技術(shù)中，自由空間光交換技術(shù)以整個光通道作為交換粒度，具有可靠性高、交換速度快、交換粒度大等優(yōu)點，可極大地提高交換節(jié)點速度和容量。另外，自由空間光交換過程不受波導(dǎo)的約束，利用諸如透鏡，分束等全息光學元件的折射、衍射等效應(yīng)能改變光在空間的傳輸方向，使得光束從一個陣列平面尋徑到另一個陣列平面，從而實現(xiàn)不同端口之間的光交換。但是由于普通信號光束并不具備可區(qū)分性，所以現(xiàn)有的光交換技術(shù)必須將各路光在空間上分開進行處理，這也就嚴格限制了光交換端口的可拓展性和光交換端口空間密度的提升，這也與未來光交換要求支持更多的光交換端口、更高密度端口集成化是相互矛盾的。

基于光交換技術(shù)，對光開關(guān)的研究，隨著不同的器件材料、工作原理等被挖掘，現(xiàn)有商用的光開關(guān)呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的態(tài)勢。比較常見的如MEMs機械光開關(guān)，MEMs通常是在硅基上制造的微型可移動反射鏡，其大小在幾百微米到幾毫米范圍，一個單一的硅基片提供大量的反射鏡，并能被制作與封裝成陣列。而啟動這些反射鏡的技術(shù)往往包括電磁、靜電或者壓電等方法，這些反射鏡能從一個位置偏轉(zhuǎn)到另一個位置，從而實現(xiàn)對入射光束的方向控制，但是在較大的偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)進行控制是比較有難度的，現(xiàn)在則多用模擬數(shù)控反射鏡、萬向反射鏡或者三維反射鏡，每一路能實現(xiàn)無阻塞1×n的開關(guān)效應(yīng)，雖然MEMs開關(guān)技術(shù)具有潛力構(gòu)建大規(guī)模的光開關(guān)解決方案，但是其交換的速度一直局限在幾十毫秒量級，而對數(shù)據(jù)中心這種要求高速光交換的需求是遠遠不足夠的。同樣，現(xiàn)用于大數(shù)據(jù)中心的開關(guān)機制，主要是依賴于硅基液晶光調(diào)制，主要的器件基于硅基液晶作為動態(tài)衍射元件，根據(jù)自身的液晶元間隙，使用偏振效應(yīng)來實現(xiàn)開關(guān)功能。在適當設(shè)計的液晶元上外加電壓，就能使通過液晶元的光偏振而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或者不旋轉(zhuǎn)，然后結(jié)合利用無源偏振分束器和合束器就能形成偏振無關(guān)的光開關(guān)，但是其開關(guān)時間仍然在幾毫秒量級。這些重構(gòu)時間造成的光損失往往亟需縮減，這也是未來高速光領(lǐng)域開關(guān)的首要需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種高速光開關(guān)器件，旨在將輸入信號高速切換至指定的輸出端口，并實現(xiàn)光開關(guān)衍射效率的提升。

本發(fā)明提供了一種高速光開關(guān)器件，包括：N路輸入端口、數(shù)字微鏡器件DMD、閃耀光柵組和N路輸出端口；其中，所述DMD上分布有與N路平行輸入光束一一對應(yīng)的特定子區(qū)域；

所述N路輸入端口用于以預(yù)設(shè)角度產(chǎn)生N路平行光束照射到所述DMD上各自對應(yīng)的特定子區(qū)域以發(fā)生衍射，每一路衍射光束均被衍射為0、±1的級次分布；每一路輸入光束的衍射－1級經(jīng)過所述閃耀光柵組后同對應(yīng)的衍射+1級被傳輸?shù)剿鯪路輸出端口的預(yù)先指定輸出端口；

所述特定子區(qū)域加載有特定的全息圖，以調(diào)制每一路輸入光束的衍射+1級到預(yù)先指定的輸出端口；

所述閃耀光柵設(shè)置于預(yù)設(shè)位置，用于使經(jīng)過的衍射－1級光束與+1級方向上的光束重合，并耦合入輸出端口。

進一步地，當切換某一所述特定子區(qū)域中的全息圖時，照射至該特定子區(qū)域的輸入光束可傳輸至與所切換的全息圖相對應(yīng)的輸出端口。

進一步地，所述閃耀光柵組包括N×N片閃耀光柵，所述N×N片閃耀光柵均設(shè)置于衍射光束的－1級匹配的光束方向位置，而+1級次光束方向作為信道方向；

當將一路輸入光束切換到N路輸出端口中的任一指定輸出端口時，經(jīng)過衍射后，該路衍射光束的－1級次光束經(jīng)過N×N片閃耀光柵中對應(yīng)的1片閃耀光柵后，在空間上與+1級次方向上的光束重合，從而使信道方向上的能量疊加，重合點即為所述指定輸出端口的耦合點。

進一步地，所述高速光開關(guān)器件還包括：聚焦透鏡，所述聚焦透鏡置于所述DMD和所述閃耀光柵之間，用于對從所述DMD衍射輸出的衍射光束進行聚焦。

進一步地，所述高速光開關(guān)器件還包括N個平行的準直器，所述N個平行的準直器設(shè)置于所述N路輸入端口的位置，每一路光束經(jīng)過所述準直器后會變?yōu)槠叫泄馐鯪路平行光束平行。

進一步地，所述準直器孔徑為3mm。

進一步地，所述高速光開關(guān)器件還包括激光器、光耦合器，所述光耦合器通過N條光纖與所述N個準直器連接；

所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述光耦合器后被分為N路信號，所述N路信號經(jīng)過光纖被傳輸?shù)剿鯪個準直器。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本發(fā)明提供的一種高速光開關(guān)器件，將平行傳輸?shù)募す夤馐丈涞紻MD上加載有全息圖的特定子區(qū)域，激光光束經(jīng)過所述全息圖調(diào)制后，+1級次衍射光束作為信道被衍射到指定輸出端口；而－1級次衍射光束經(jīng)過閃耀光柵組后同對應(yīng)的衍射﹢1級次方向上的光束重合，能量發(fā)生疊加，并被傳輸?shù)剿鯪路輸出端口的預(yù)先指定輸出端口；本發(fā)明提供的技術(shù)，一方面，使用的DMD器件具有22KHz的切換頻率，切換速率是現(xiàn)有可用技術(shù)的百倍級，并能大大降低切換限制和切換過程中的數(shù)據(jù)丟失；另一方面，利用閃耀光柵組提升了DMD切換過程的衍射效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的高速光開關(guān)器件的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的2×2端口的高速光開關(guān)器件的示意圖；

圖3(a)是本發(fā)明實施例提供的高速光開關(guān)器件中的DMD的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(b)是本發(fā)明實施例提供的一路輸入光束經(jīng)過DMD衍射后的0、±1級次分布示意圖；

圖3(c)是本發(fā)明實施例提供的DMD經(jīng)拓展后的拓展參照示意圖；

圖4(a)是本發(fā)明實施例提供的閃耀光柵組的表面微結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4(b)是本發(fā)明實施例提供的由DMD衍射輸出的光束經(jīng)過所設(shè)計閃耀光柵的示意圖；

圖5(a)是本發(fā)明實施例提供的2×2端口的高速光開關(guān)切換過程示意圖；

圖5(b)是本發(fā)明實施例提供的2×2端口的高速光開關(guān)未加閃耀光柵時輸入1－輸出1、輸入1－輸出2、輸入2－輸出2、輸入2－輸出1時CCD上呈現(xiàn)的示意圖；

圖5(c)是本發(fā)明實施例提供的2×2端口的高速光開關(guān)加閃耀光柵時輸入1－輸出1、輸入1－輸出2、輸入2－輸出2、輸入2－輸出1時CCD上呈現(xiàn)的示意圖；

圖5(d)是本發(fā)明實施例提供的光開關(guān)器件未加閃耀光柵和加入閃耀光柵時，在輸出端口平面用CCD所接收的一路衍射光束的圖樣的對比示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的主要實現(xiàn)思想為：將N路并行傳輸?shù)臏手奔す庑盘柊搭A(yù)設(shè)角度照射到DMD鏡面面板上，每一束光束分別對應(yīng)DMD上預(yù)設(shè)的加載有全息圖的特定子區(qū)域，經(jīng)過全息圖被衍射到預(yù)先指定輸出端口對應(yīng)的區(qū)域并實現(xiàn)耦合；同時在耦合前端預(yù)設(shè)位置安置所設(shè)計的閃耀光柵，使得從DMD衍射輸出的±1級次在空間上疊加，從而實現(xiàn)該交換技術(shù)衍射效率的提升；并且，通過切換某一所述特定子區(qū)域中的全息圖，可使照射至該特定子區(qū)域的輸入光束傳輸至與所切換的全息圖相對應(yīng)的輸出端口。

下面具體介紹這種高速光開關(guān)器件，結(jié)合圖1所示，所述高速光開關(guān)器件包括：N路輸入端口(圖中僅畫出1路輸入端口作為示意)、數(shù)字微鏡器件DMD11、聚焦透鏡12、閃耀光柵組13(圖中僅畫出1片閃耀光柵作為示意)和N路輸出端口(圖中僅畫出1路輸出端口作為示意)；其中，所述DMD上分布有與N路平行輸入光束一一對應(yīng)的特定子區(qū)域。

從所述N路輸入端口輸入的N路平行光束按預(yù)設(shè)角度照射到所述DMD11上各自對應(yīng)的特定子區(qū)域后，發(fā)生衍射，每一路輸入光束均被衍射為0、±1的級次分布，并沿預(yù)設(shè)光路方向經(jīng)過所述聚焦透鏡12和閃耀光柵組13后被傳輸?shù)剿鯪路輸出端口中的預(yù)先指定輸出端口。

所述特定子區(qū)域加載有特定的全息圖，每一路輸入光束被與其對應(yīng)的所述特定的全息圖調(diào)制后，沿預(yù)設(shè)光路方向傳輸?shù)筋A(yù)先指定的輸出端口。

具體地，每一路輸入光束的衍射+1級被調(diào)制到預(yù)先指定的輸出端口，而每一路輸入光束的衍射－1級經(jīng)過所述閃耀光柵組后同對應(yīng)的衍射+1級被傳輸?shù)剿鲱A(yù)先指定輸出端口。

具體地，所述DMD11上分布的特定子區(qū)域與N路平行輸入光束一一對應(yīng)，通過切換所述特定子區(qū)域中的全息圖，能實現(xiàn)將與其對應(yīng)的輸入光束切換到所述N路輸出端口的任一指定輸出端口。

所述聚焦透鏡置于所述DMD和所述閃耀光柵之間，并位于從所述DMD衍射輸出的所有衍射光束的幾何中心位置，用于對所述衍射光束進行聚焦。

所述閃耀光柵13包括N×N片光柵，所述N×N片閃耀光柵均設(shè)置于衍射光束的－1級次光束方向位置，而+1級次光束方向作為信道方向；每一路衍射光束的－1級次光束經(jīng)過對應(yīng)的1片閃耀光柵后，在空間上與+1級次方向上的光束重合，從而使信道方向上的能量疊加，重合點即為輸出端口的耦合點，輸出端口連接光纖，從而將光束耦合入光纖。

需要說明的是，圖1中示出的是以+1級次方向上的光束作為信道方向，而閃耀光柵組13將－1級次光束疊加到+1級次方向上；事實上，也可以以－1級次方向上的光束作為信道方向，而閃耀光柵將+1級次光束疊加到－1級次方向上。

另外，將輸入光束按預(yù)設(shè)角度照射到DMD11上，原因是和DMD11本身的特性相關(guān)。通過實驗驗證，DMD11在運用其衍射效應(yīng)時，衍射效率隨入射角度的增加會有上升的趨勢，然而之所以標定預(yù)設(shè)角度，是因為入射角度達到較大值時，衍射光束的形態(tài)會出現(xiàn)較嚴重的畸變，在這里，我們所取的預(yù)設(shè)角度是兼顧衍射輸出效率及光束畸變度所取的一個較合理的小區(qū)間范圍。

下面舉一具體實施例介紹這種高速光開關(guān)器件，圖2為這種器件的光路示意圖，具體包括：激光器21、光耦合器22、2條光纖23、2個準直器24、DMD25、聚焦透鏡26和閃耀光柵組27；

激光器21經(jīng)過一分N的光耦合器22被分為N路信號(這里的N路信號且設(shè)為兩路，也可以根據(jù)實際需要進行拓展，并根據(jù)實際需要可加載WDM等的初級與高級調(diào)制信號)，這兩路信號經(jīng)過不同長度的光纖23后連接孔徑為3mm的準直器24，產(chǎn)生兩路平行傳輸?shù)男盘?，在自由空間傳輸0.5m(實際用于數(shù)據(jù)中心機柜之間的光開關(guān)輸入與輸出端口已集成化，間距很小，這里0.5m是依據(jù)適合實驗的條件而設(shè)定的)后照射在DMD25的鏡面面板上；具體地，每一路光束分別與DMD25上預(yù)設(shè)的加載有計算全息圖的特定子區(qū)域一一對應(yīng)。經(jīng)過DMD25所加載全息圖的強度調(diào)制，每一路入射光束均被衍射為0、±1的級次分布(圖2中未示出0、±1的級次分布情況)，并沿預(yù)設(shè)光路方向傳輸，經(jīng)過聚焦透鏡26聚焦后，再經(jīng)過設(shè)計加工的閃耀光柵組27，使－1級次光束在空間上與+1級次方向上的光束重合，從而使信道方向上的能量疊加，重合點即為輸出端口的耦合點。圖2中在輸出端口的位置可以安置一個CCD相機，用來觀測輸出端口面的成像情況。

進一步地，對某一路入射光束所對應(yīng)的DMD25鏡面面板特定子區(qū)域計算全息圖的切換，能實現(xiàn)將照射至該特定子區(qū)域的入射光束傳輸至與所切換的計算全息圖相對應(yīng)的輸出端口，即某一路入射光束并不是只能輸出到一個輸出端口，而是由該路入射光束對應(yīng)的特定子區(qū)域的計算全息圖決定。

下面具體解釋這種切換機制：DMD25上加載的全息圖可通過設(shè)置全息圖的設(shè)計參數(shù)任意調(diào)控L和兩個參數(shù)(L為全息圖的設(shè)置周期，為全息圖的設(shè)置幅角)，也就是說一幅全息圖對應(yīng)一組(L，)。那么切換中的四種狀態(tài)輸入1－輸出1(即從輸入端口1輸入的入射光束被切換到輸出端口1)、輸入1－輸出2、輸入2－輸出2、輸入2－輸出1分別對應(yīng)的參數(shù)為(L1，)、(L2，)(L3，)(L4，)。DMD25就是通過全息圖的切換來實現(xiàn)輸入1－輸出1、輸入1－輸出2、輸入2－輸出2、輸入2－輸出1的切換的，這個是切換的機制。

下面具體介紹高速光開關(guān)器件中的DMD25，所述DMD25為基于微機電系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro Mechanical System)的理念和大規(guī)模集成電路技術(shù)設(shè)計出來的，構(gòu)思極為巧妙。DMD25誕生后曾用于相關(guān)識別，但1996年以來，DMD25主要的應(yīng)用為投影顯示，稱為數(shù)字投影顯示DLP(Digital Projection Display)，包括前向投影機和高清電視。由于信息處理的全過程是數(shù)字化的，故稱之為數(shù)字光處理。如圖3(a)，DMD25的結(jié)構(gòu)基底是硅，用大規(guī)模集成電路的技術(shù)，在硅片上制出RAM，每一個存儲器有兩條尋址電極兩個支撐柱，通過鉸鏈安裝一個微型反射鏡，恰似“蹺蹺板”的結(jié)構(gòu)。每個微反射鏡都能將光線從兩個方向反射出去，實際反射方向則視底層記憶晶胞的狀態(tài)而定；當記憶晶胞處于「ON」狀態(tài)時，反射鏡會旋轉(zhuǎn)至+12度，若記憶晶胞處于「OFF」狀態(tài)，反射鏡會旋轉(zhuǎn)至-12度，另外，未加尋址信號反射鏡則對應(yīng)0度，也就是DMD25每個單元都有三個穩(wěn)態(tài)：+12度、-12度、0度。巧妙的構(gòu)思加上集成電路的制造工藝，確保DMD25在分辨率、亮度、反差、灰階等主要指標上都達到了顯示技術(shù)的最高水平。因此DMD數(shù)字投影技術(shù)具有以下特點：高分辨率、高亮度、對比度、灰階及色保真度、可靠性高(響應(yīng)時間短)。這些重要的指標也為DMD25應(yīng)用于數(shù)字投影方面奠定了基礎(chǔ)。

特別地，DMD25上依據(jù)設(shè)計加載的計算全息圖，使得每一束入射光照射到對應(yīng)DMD25上特定的子區(qū)域后以衍射的形式按預(yù)設(shè)光路方向輸出到指定區(qū)域，衍射過程如3(b)所示，入射光束經(jīng)過特定的子區(qū)域后被衍射為0、±1的級次分布；具體地，DMD25所加載的計算全息圖是依據(jù)Gerchberg–Saxton迭代算法所編寫的二值化振幅調(diào)制程序，加載到DMD25存儲器上以控制DMD25上微鏡陣列的開合與排布實現(xiàn)周期、角度的調(diào)制，從而使得入射光按預(yù)設(shè)的方向衍射輸出。這里我們主要利用的是衍射輸出的1級光束。

特別地，DMD25所加載的計算全息圖子區(qū)域是依據(jù)入射光的排布而分區(qū)的，即入射光束與子區(qū)域一一對應(yīng)，所以具備極佳的拓展性，具體的拓展可參照圖3(c)所示。

下面具體介紹高速光開關(guān)器件中的閃耀光柵組27，圖4(a)為所設(shè)計閃耀光柵表面微結(jié)構(gòu)，所述閃耀光柵為二元光學器件，所述二元光學器件是基于計算機輔助設(shè)計和微米級加工技術(shù)制成的器件，具有重量輕、易復(fù)制、造價低等特點，并能實現(xiàn)傳統(tǒng)光學難以完成的微小、陣列、集成及任意波面變換等新功能。具體地，本發(fā)明實施例提供的閃耀光柵為八臺階式閃耀光柵，光源波長λ＝1550nm，閃耀光柵組27所用的加工材料的折射率n＝1.675，實際閃耀角為θ，對于二元光學微浮雕閃耀光柵基于衍射特性的閃耀輸出。實施例中閃耀光柵組分為四個片區(qū)，分別為片區(qū)1、片區(qū)2、片區(qū)3、片區(qū)4，每一個片區(qū)均是一個邊長為2mm的正方形。由(n－1)d＝λ，Tsinθ＝λ，經(jīng)過計算得到所加工的閃耀光柵的刻蝕深度d1＝d2＝d3＝d4＝2.3μm，光柵周期T1＝T2＝20.20μm，T3＝T4＝14.33μm。如圖4(b)所示，為DMD衍射輸出的光束經(jīng)過所設(shè)計閃耀光柵的示意圖，具體地，－1級次光束經(jīng)過光柵閃耀后在空間上與+1級次重合，而重合點正是輸出端的耦合點。

圖5(a)為本發(fā)明提供實施例的2×2端口的每一種切換過程狀態(tài)的示意圖；閃耀光柵效果測試得到驗證，圖5(b)和圖5(c)為輸出端口平面上用CCD接收到的圖樣。其中圖5(b)的(1)、(2)、(3)、(4)分別表示未加閃耀光柵時輸入1－輸出1、輸入1－輸出2、輸入2－輸出2、輸入2－輸出1時CCD上呈現(xiàn)的圖樣；圖5(c)的(1)、(2)、(3)、(4)分別表示加閃耀光柵時輸入1－輸出1、輸入1－輸出2、輸入2－輸出2、輸入2－輸出1時CCD上呈現(xiàn)的圖樣。圖中的圓圈區(qū)則為切換所選的信道區(qū)域。特別地，圖5(b)也表明了所選信道分別與每束入射光經(jīng)過DMD衍射后的+1級次的對應(yīng)情況。而圖5(c)也表明了-1級次經(jīng)過對應(yīng)設(shè)計的閃耀光柵組后和+1級在輸出端口平面疊加的情況；具體地，已有實驗結(jié)果表明，這種閃耀光柵組在設(shè)計上是實際可行的，如圖5(d)所示，為未加閃耀光柵組和加閃耀光柵組時，CCD所接收的一路衍射光束的圖樣；對比可以看出，衍射光束經(jīng)過閃耀光柵后，在+1級次光束處能量發(fā)生疊加的情況并可以直觀的看出能量是有顯著增強的，通過具體能量測試，閃耀光柵組的設(shè)計能提高每一切換狀態(tài)下耦合能量約2db。

本發(fā)明提供的高速光開關(guān)器件，一方面，使用的DMD器件具有22KHz的切換頻率，切換速率是現(xiàn)有可用技術(shù)的百倍級，并能大大降低切換限制和切換過程中的數(shù)據(jù)丟失；另一方面，利用所設(shè)計的微浮雕閃耀光柵，一定程度上提升了DMD切換過程的衍射效率，為數(shù)據(jù)中心和光網(wǎng)絡(luò)對高速可拓展線路切換的巨大需求提供了可行方案。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。