3×3自由空间光路由器

摘要

一种3×3自由空间光路由器，构成包括6个光束通道、18个偏振分束器、19个光开关和19个电开关集成在一块电路控制板、上，每一个光开关的一端连电源，另一端通过一个相应的电开关接所述的电源的另一端，所有电开关的控制端通过数据线与所述的计算机的输出端连接。计算机通过对信号光偏振态的控制，可以实现6个通道中任意两通道之间的无阻塞连接。本发明具有结构简单、响应速度快、无阻塞、高速并行和大容量等优点，适用于各种光学互连网络。

权利要求

1.一种3×3自由空间光路由器，特征在于其构成包括6个光束通道、18个偏振分束器、19个光开关和19个电开关集成在一块电路控制板上，每一个光开关的一端连电源，另一端通过一个相应的电开关接所述的电源的另一端，所有电开关的控制端通过数据线与计算机的输出端连接，第1光束通道(1)与第4光束通道(4)在同一水平线上，第2光束通道(2)与第5光束通道(5)在同一水平线上，第3光束通道(3)与第6光束通道(6)在同一水平线上，沿第

1光束通道(1)进入的光束方向依次是第1光开关(k1)、第1偏振分束器(p1)、第6偏振分束器(p6)、第9光开关(k9)、第8偏振分束器(p8)、第10偏振分束器(p10)、第11光开关(k11)、第12偏振分束器(p12)、第16偏振分束器(p16)、第17光开关(k17)到达第4光束通道(4)，所述的第1偏振分束器(p1)、第8偏振分束器(p8)、第12偏振分束器(p12)的分束面与所述的第1光束通道(1)的光束成45°夹角，所述的第6偏振分束器(p6)、第10偏振分束器(p10)、第16偏振分束器(p16)的分束面与所述的第1光束通道(1)的光束成

135°夹角；

沿第2光束通道(2)进入的光束方向依次是第2光开关(k2)、第2偏振分束器(p2)、第6光开关(k6)、第4偏振分束器(p4)、第8光开关(k8)、第7偏振分束器(p7)，所述的第

2偏振分束器(p2)和第7偏振分束器(p7)的分束面与第2光束通道(2)的光束成135°夹角，所述的第4偏振分束器(p4)的分束面与第2光束通道(2)的光束成45°夹角；

沿第3光束通道(3)进入的光束方向依次是第3光开关(k3)、第3偏振分束器(p3)、第7光开关(k7)、第5偏振分束器(p5)、第9偏振分束器(p9)、第10光开关(k10)、第11偏振分束器(p11)、第15偏振分束器(p15)、第14光开关(k14)、第18偏振分束器(p18)和第19光开关(k19)到达第6光束通道(6)，所述的第9偏振分束器(p9)、第15偏振分束器(p15)和第18偏振分束器(p18)的分束面与第3光束通道(3)的光束成45°夹角，所述的第3偏振分束器(p3)、第5偏振分束器(p5)和第11偏振分束器(p11)的分束面与第3光束通道(3)的光束成135°夹角；

在所述的第1偏振分束器(p1)的反射光方向经第4光开关(k4)、第2偏振分束器(p2)、第5光开关(k5)入射所述的第3偏振分束器(p3)；

所述的第4偏振分束器(p4)的反射光束垂直入射到第5偏振分束器(p5)；

所述的第6偏振分束器(p6)的反射光束垂直入射到第7偏振分束器(p7)；

所述的第8偏振分束器(p8)的反射光束垂直入射到第9偏振分束器(p9)；

所述的第10偏振分束器(p10)的反射光束垂直入射到第11偏振分束器(p11)；

所述的第12偏振分束器(p12)的反射光束垂直入射到第13偏振分束器(p13)，经第

13偏振分束器(p13)的反射光束依次经过第12光开关(k12)、第14偏振分束器(p14)、第

13光开关(k13)、经第17偏振分束器(p17)的透射光束垂直入射并通过第18光开关(k18)后进入第5光束通道(5)；

所述的第13偏振分束器(p13)和第17偏振分束器(p17)的分束面与第5光束通道(5)的光束成135°夹角，所述的第14偏振分束器(p14)的分束面与第5光束通道(5)的光束成45°夹角；

所述的第14偏振分束器(p14)的反射光束垂直入射到第15偏振分束器(p15)；

经第16偏振分束器(p16)的反射光束依次垂直入射到第15光开关(k15)、第17偏振分束器(p17)、第16光开关(k16)和第18偏振分束器(p18)。

说明书

3×3自由空间光路由器

技术领域

[0001] 本发明涉及光路由器，特别是一种3×3自由空间型光路由器，能快速的实现6个通道中任意两通道之间的同时无阻塞连接。适用于各种光学互连网络及空间激光通信。

背景技术

[0002] 具有快速交换能力的大带宽光学互连和光交换技术在计算机和光通信系统中有巨大的应用前景，因此成为信息光学研究发展的前沿和热点。光学互连网络是从电子互连网络引申、发展而来，由光互连及光开关阵列实现网络的拓扑结构。由于电子电路带宽“瓶颈”，限制了网络节点的吞吐量，因此光开关对于光网络的功能实现至关重要。光开关可以实现信号光路由控制和光交换，取代以电子为载体的器件或系统，摒弃电光交换，实现光信号的全光转换。自由空间光学主要是用几何光学和物理光学来实现，它可以充分发挥光束高带宽大容量的特点，并能自由实现空间三维光互连。

[0003] 现有光开关方案中，信号光依次通过各级模块，在各级相位型空间光调制器的控制下,完成最终的交换输出，可以实现任意输入端口到任意输出端口的无阻塞光交换。参阅文献(1)罗风光，曹明翠，谢胡，周新军，罗志祥，徐军，4×4自由空间光开关结构及其矩阵分析。文献(2)杨俊波，苏显渝，与偏振无关双向2×2和4×4自由空间光开关。但不能实现光信号在输入-输入端口，输出-输出端口间的交换，即不能实现完整的路由控制功能。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种3×3自由空间光路由器，该空间光路由器在计算机的控制下，可以实现6个通道的任意两通道无阻塞连接。具有高速并行、大容量、无阻塞、结构简单紧凑、损耗小等特点。

[0005] 本发明的技术解决方案如下：

[0006] 一种3×3自由空间光路由器，特点在于其构成包括6个光束通道、具有相同结构的19个光开关，具有相同结构的18偏振分束器，具有相同结构的19个电开关、一块电路控制板、一个电源和一台计算机，上述元部件的位置关系如下：

[0007] 第1光束通道与第4通道光束在同一水平线上，第2光束通道与第5通道光束在同一水平线上，第3光束通道与第6通道光束在同一水平线上，沿第1光束通道进入的光束方向依次是第1光开关、第1偏振分束器、第6偏振分束器)、第9光开关、第8偏振分束器、第10偏振分束器、第11光开关、第12偏振分束器、第16偏振分束器、第17光开关到达第4光束通道，所述的第1偏振分束器、第8偏振分束器、第12偏振分束器的分束面与所述的第1通道光束成45°夹角，所述的第6偏振分束器、第10偏振分束器、第16偏振分束器的分束面与所述的第1通道光束成135°夹角；

[0008] 沿第2光束通道进入的光束方向依次是第2光开关、第2偏振分束器、第6光开关、第4偏振分束器、第8光开关、第7偏振分束器，所述的第2偏振分束器和第7偏振分束器的分束面与第2光束通道的光束成成135°夹角，所述的第4偏振分束器的分束面与第2光束通道的光束成45°夹角；

[0009] 沿第3光束通道进入的光束方向依次是第3光开关、第3偏振分束器、第7光开关、第5偏振分束器、第9偏振分束器、第10光开关、第11偏振分束器、第15偏振分束器、第14光开关、第18偏振分束器和第19光开关到达第6光束通道，所述的第9偏振分束器、第15偏振分束器和第18偏振分束器的分束面与第3光束通道的光束成45°夹角，所述的第3偏振分束器、第5偏振分束器和第11偏振分束器的分束面与第3光束通道的光束成135°夹角；

[0010] 在所述的第1偏振分束器的反射光方向经第4光开关、第2偏振分束器、第5光开关入射所述的第3偏振分束器；

[0011] 所述的第4偏振分束器的反射光束垂直入射到第5偏振分束器；

[0012] 所述的第6偏振分束器的反射光束垂直入射到第7偏振分束器；

[0013] 所述的第8偏振分束器的反射光束垂直入射到第9偏振分束器；

[0014] 所述的第10偏振分束器的反射光束垂直入射到第11偏振分束器；

[0015] 所述的第12偏振分束器的反射光束垂直入射到第13偏振分束器，经第13偏振分束器的反射光束依次经过第12光开关、第14偏振分束器、第13光开关、经第17偏振分束器的透射光束垂直入射并通过第18光开关后进入第5光束通道；

[0016] 所述的第13偏振分束器和第17偏振分束器的分束面与第5光束通道的光束成135°夹角，所述的第14偏振分束器的分束面的分束面与第5光束通道的光束成45°夹角；

[0017] 所述的第14偏振分束器的反射光束垂直入射到第15偏振分束器；

[0018] 经第16偏振分束器的反射光束依次垂直入射到第15光开关、第17偏振分束器、第16光开关和第18偏振分束器；

[0019] 上述元部件都集成在所述的电路控制板上，每一个光开关的一端与所述的电源相连，另一端通过一个相应的电开关接所述的电源的另一端，所有电开关的控制端通过数据线与所述的计算机的输出端连接。

[0020] 本发明3×3自由空间光路由器的工作情况如下：

[0021] 初始状态，所有开关均断开。首先确定需要连接的通道，输入计算机，计算机按程序根据连接的通道确定流经的光开关及对应流经光开关的状态，根据流经光开关的状态通过命令设置其对应的电开关的通断，实现通道的连接。只根据程序设定流经开关，对于未流经开关保持断开状态。

[0022] 本发明的技术效果如下：

[0023] 本发明是一种3×3自由空间光路由器，通过计算机对光开关的控制，实现了6个通道任意两通道同时连接无阻塞。本发明具有光开关矩阵的路由控制功能，能够实现光网络的动态路由。具有大容量、无阻塞，响应速度快，结构简单，能量损耗低，易安装等优点，适用于各种光学互连网络。

附图说明

[0024] 图1是本发明3×3自由空间光路由器的光路结构示意图。

[0025] 图2是本发明3×3自由空间光路由器的电结构示意图。

[0026] 图3是本发明3×3自由空间光路由器的工作流程图

具体实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明的3×3自由空间光路由器作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0028] 请参阅图1和图2，图1是本发明3×3自由空间光路由器的光路结构示意图，图2是本发明3×3自由空间光路由器的电结构示意图，由图可见，本发明3×3自由空间光路由器，构成包括6个光束通道、具有相同结构的19个光开关，具有相同结构的18偏振分束器，具有相同结构的19个电开关、一块电路控制板7、一个电源和一台计算机，上述元部件的位置关系如下：

[0029] 第1光束通道1与第4通道光束4在同一水平线上，第2光束通道2与第5通道光束5在同一水平线上，第3光束通道3与第6通道光束6在同一水平线上，沿第1光束通道1进入的光束方向依次是第1光开关k1、第1偏振分束器p1、第6偏振分束器p6、第9光开关k9、第8偏振分束器p8、第10偏振分束器p10、第11光开关k11、第12偏振分束器p12、第16偏振分束器p16、第17光开关k17到达第4光束通道4，所述的第1偏振分束器p1、第8偏振分束器p8、第12偏振分束器p12的分束面与所述的第1光束通道的光束成45°夹角，所述的第6偏振分束器p6、第10偏振分束器p10、第16偏振分束器p16的分束面与所述的第1光束通道的光束成135°夹角；

[0030] 沿第2光束通道2进入的光束方向依次是第2光开关k2、第2偏振分束器p2、第6光开关k6、第4偏振分束器p4、第8光开关k8、第7偏振分束器p7，所述的第2偏振分束器p2和第7偏振分束器p7的分束面与第2光束通道2的光束成成135°夹角，所述的第4偏振分束器p4的分束面与第2光束通道2的光束成45°夹角；

[0031] 沿第3光束通道3进入的光束方向依次是第3光开关k3、第3偏振分束器p3、第7光开关k7、第5偏振分束器p5、第9偏振分束器p9、第10光开关k10、第11偏振分束器p11、第15偏振分束器p15、第14光开关k14、第18偏振分束器p18和第19光开关k19到达第6光束通道6，所述的第9偏振分束器p9、第15偏振分束器p15和第18偏振分束器p18的分束面与第3光束通道3的光束成45°夹角，所述的第3偏振分束器p3、第5偏振分束器p5和第11偏振分束器p11的分束面与第3光束通道3的光束成135°夹角；

[0032] 在所述的第1偏振分束器p1的反射光方向经第4光开关k4、第2偏振分束器p2、第5光开关k5入射所述的第3偏振分束器p3；

[0033] 所述的第4偏振分束器p4的反射光束垂直入射到第5偏振分束器p5；

[0034] 所述的第6偏振分束器p6的反射光束垂直入射到第7偏振分束器p7；

[0035] 所述的第8偏振分束器p8的反射光束垂直入射到第9偏振分束器p9；

[0036] 所述的第10偏振分束器p10的反射光束垂直入射到第11偏振分束器p11；

[0037] 所述的第12偏振分束器p12的反射光束垂直入射到第13偏振分束器p13，经第13偏振分束器p13的反射光束依次经过第12光开关k12、第14偏振分束器p14、第13光开关k13、经第17偏振分束器p17的透射光束垂直入射并通过第18光开关k18后进入第5光束通道5；

[0038] 所述的第13偏振分束器p13和第17偏振分束器p17的分束面与第5光束通道5的光束成135°夹角，所述的第14偏振分束器p14的分束面与第5光束通道5的光束成
45°夹角；

[0039] 所述的第14偏振分束器p14的反射光束垂直入射到第15偏振分束器p15；

[0040] 经第16偏振分束器p16的反射光束依次垂直入射到第15光开关k15、第17偏振分束器p17、第16光开关k16和第18偏振分束器p18；

[0041] 上述元部件都集成在所述的电路控制板7上，每一个光开关的一端连电源，另一端通过一个相应的电开关接所述的电源的另一端，所有电开关的控制端通过数据线与所述的计算机的输出端连接。

[0042] 图1为本发明的研制实施的示意图，信号光束可以是高斯光束或平面波，以第1光束通道1与第2光束通道2连接，同时第3光束通道3与第5光束通道5连接，第4光束通道4与第6光束通道6连接为例进行说明。

[0043] 从第1光束通道1入射的信号光垂直入射到第1光开关k1，通过对第1光开关k1加半波电压实现对光束偏振态调制，使信号偏振态为S偏振，经第1偏振分束器p1反射后，入射到第4光开关k4，对第4光开关k4的半波电压控制，使信号光偏振态保持S偏振，经第2偏振分束器p2反射后，经第2光开关k2到达第2光束通道2。

[0044] 从第3光束通道3入射的信号垂直入射到第3光开关k3，通过对第3光开关k3加半波电压实现对光束偏振态调制，使信号光偏振态为P偏振，经第3偏振分束器p3透射后，入射到第7光开关k7，通过对第7光开关k7的半波电压控制，使信号光偏振态保持P偏振，依次经第5偏振分束器p5和第9偏振分束器p9透射入射到第10光开关k10，通过对第10光开关k10加半波电压，使信号光偏振态为S偏振，经第11偏振分束器p11反射后垂直入射到第10偏振分束器p10，经第10偏振分束器p10反射后入射第11光开关k11，对第11光开关k11的半波电压控制，使信号光偏振态保持S偏振，依次经第12偏振分束器p12和第13偏振分束器p13反射后，入射到第12光开关k12，经第12光开关k12对信号光偏振态的控制，使信号光偏振态旋转为P偏振，P偏振信号光依次经第14偏振分束器p14、第13光开关k13、第17偏振分束器p17、第18光开关k18透射，到达第5光束通道5。

[0045] 从第4光束输出通道4输入的信号光垂直入射到第17光开关k17，通过对第17光开关k17加半波电压实现对光束偏振态调制，使信号光偏振态为S偏振，经第16偏振分束器p16反射后，入射到第15光开关k15，通过对第15光开关k15加半波电压，使信号光偏振态旋转为P偏振，经第17偏振分束器p17透射后，入射到第16光开关k16，通过对第16光开关k16加半波电压，使信号光偏振态旋转为S偏振，经第18偏振分束器p18反射后入射到第19光开关k19，到达第6光束通道6。

[0046] 以上仅为6个通道任意两通道连接的一种组合，本发明通过对各光开关施加半波电压，选择任意两通道为输入输出通道，可以实现同时连接无阻塞。本发明共有15种连接方式，每一种连接方式对应的开关控制状态列表如下：

[0047] 为了简化表述，表中：Ti－第i光束通道；Ki－第i光开关K；pi－第i偏振分束器，对应开关状态：对开关加半波电压记为1，不加半波电压记为0。

[0048] 1、T1与T2连接，同时T3与T4连接，T5与T6连接：

[0049]

[0050] 2.T1与T2连接，同时T3与T5连接，T6与T4连接：

[0051]

[0052] 3.T1与T2连接，同时T3与T6连接，T4与T5连接：

[0053]

[0054] 4.T1与T2连接，同时T2与T4连接，T5与T1与T6连接：

[0055]

[0056] 5.T1与T3连接，同时T2与T5连接，T4与T6连接：

[0057]

[0058] 6.T1与T3连接，同时T2与T6连接，T4与T5连接：

[0059]

[0060] 7.T1与T4连接，同时T2与T3连接，T5与T6连接：

[0061]

[0062] 8.T1与T4连接，同时T2与T5连接，T3与T6连接：

[0063]

[0064] 9.T1与T4连接，同时T2与T6连接，T3与T5连接：

[0065]

[0066] 10.T1与T5连接，同时T2与T3连接，T4与T6连接：

[0067]

[0068] 11.T1与T5连接，同时T2与T4连接，T3与T6连接：

[0069]

[0070] 12.T1与T5连接，同时T2与T6连接，T3与T4连接：

[0071]

[0072] 13.T1与T6连接，同时T2与T3连接，T4与T5连接：

[0073]

[0074] 14.T1与T6连接，同时T2与T4连接，T3与T5连接：

[0075]

[0076] 15.T1与T6连接，同时T2与T5连接，T3与T4连接：

[0077]

[0078] 本实施例中的光束直径2mm。所述的偏振分束器结构尺寸完全相同为5mm×5mm×5mm。光开关尺寸完全相同为3mm×3mm×30mm。波片尺寸相同为2mm厚的直径
10mm。

[0079] 本发明3×3自由空间光路由器的工作情况如下：

[0080] 初始状态，所有开关均断开。首先确定需要连接的通道输入计算机，所述的计算机按程序根据连接的通道确定流经的光开关及对应流经光开关的状态，根据流经光开关的状态通过命令设置相应的电开关的通断，实现通道的连接。具体流程图如图3所示。

[0081] 实验表明，本发明3×3自由空间光路由器，通过计算机对光开关的控制，可实现6个通道任意两通道同时连接无阻塞。本发明具有光开关矩阵的路由控制功能，能够实现光网络的动态路由。具有大容量、无阻塞，响应速度快，结构简单，能量损耗低，易安装等优点，适用于各种光学互连网络。