阅读说明：本技术 一种基于合成光学网格的双输入双输出光学开关 (Dual-input dual-output optical switch based on synthetic optical grid ) 是由 齐新元 代亚楠 温增润 王屹山 白晋涛 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于合成光学网格的双输入双输出光学开关,包括输入端口以及输出端口,还包括长光纤环路、短光纤环路、耦合器、第一相位调制器以及第二相位调制器；长光纤环路的长度大于短光纤环路的长度；长光纤环路以及短光纤环路通过耦合器连接；在长光纤环路和短光纤环路上分别设置有一个输出端口；在长光纤环路或短光纤环路上分别设置有一个输入端口；第一相位调制器设置在长光纤环路上,第二相位调制器设置在短光纤环路上；第一相位调制器设置的相位与第二相位调制器设置的相位相反；本发明提供的基于合成光学网格的双输入双输出光学开关,采用光纤环路实现双输入双输出的光开关,结构简单,易于集成,损耗小,开关灵活。(The invention provides a double-input double-output optical switch based on a synthetic optical grid, which comprises an input port, an output port, a long optical fiber loop, a short optical fiber loop, a coupler, a first phase modulator and a second phase modulator, wherein the long optical fiber loop is connected with the short optical fiber loop; the length of the long optical fiber loop is greater than that of the short optical fiber loop; the long optical fiber loop and the short optical fiber loop are connected through a coupler; the long optical fiber loop and the short optical fiber loop are respectively provided with an output port; an input port is respectively arranged on the long optical fiber loop or the short optical fiber loop; the first phase modulator is arranged on the long optical fiber loop, and the second phase modulator is arranged on the short optical fiber loop; the phase of the first phase modulator setting is opposite to the phase of the second phase modulator setting; the dual-input dual-output optical switch based on the synthetic optical grid, provided by the invention, adopts an optical fiber loop to realize the dual-input dual-output optical switch, and has the advantages of simple structure, easiness in integration, low loss and flexibility in switching.)

一种基于合成光学网格的双输入双输出光学开关

技术领域

本发明涉及光学开关，具体涉及一种基于合成光学网格的双输入双输出光学开关。

背景技术

随着科学技术的不断进步，通信网络的持续发展，传统的光开关都有各自的缺陷，已经不能满足各个领域的需求。如：机械式光开关，体积大而不易集成，响应速度慢；后来出现的微电子光开关，虽然可以很好的集成，但是插入损耗大，不稳定，响应速度也仅在微秒量级。

随着光子技术的不断发展，光学网格作为一种全新的全光平台出现在人们眼前，一般的全光光子晶格光开关，制备工艺复杂，成本高昂，而且大多都是单输入，单输出，不利于对光进行灵活调控。现有技术中全光光子晶格光开关只存在于光学波导里，制备工艺复杂，结构复杂，成本高昂，不利于对光信号灵活调控的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于合成光学网格的双输入双输出光学开关，用以解决现有技术中的双输入双输出光学开关结构复杂，不易灵活调控的技术问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于合成光学网格的双输入双输出光学开关，包括一对输入端口以及一对输出端口，还包括长光纤环路、短光纤环路、耦合器、第一相位调制器以及第二相位调制器；所述长光纤环路的长度大于所述短光纤环路的长度；

所述的长光纤环路以及短光纤环路通过耦合器连接；

在所述的长光纤环路和短光纤环路上分别设置有一个输入端口；

在所述的长光纤环路和短光纤环路上分别设置有一个输出端口；

所述的第一相位调制器设置在长光纤环路上，所述的第二相位调制器设置在短光纤环路上；

所述的第一相位调制器设置的相位与所述的第二相位调制器设置的相位相反。

进一步地，所述的耦合器为50/50耦合器；所述的耦合器的耦合系数为

进一步地，长光纤环路与短光纤环路之间的耦合效率为其中表示第一相位调制器设置的相位的值或第二相位调制器设置的相位的值，Q表示波矢的值，ω表示本征频率的值；其中，n表示光脉冲在长光纤环路或短光纤环路中的位置，n为大于等于0的整数，i为复数，m为整数。

进一步地，所述的长光纤环路以及短光纤环路均为不加增益或损耗的常规光纤环路。

进一步地，所述的长光纤环路与短光纤环路之间的长度差为ΔL＝2ΔT×C_f，其中ΔL表示长度差，单位为km；ΔT表示光在长光纤环路中传播时间与光在短光纤环路中传播时间之间的差，单位为s，C_f表示光在光纤中传播的速度。

进一步地，所述的长光纤环路的长度为4+0.01km；所述的短光纤环路的长度为4-0.01km。

本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

1、本发明提供的基于合成光学网格的双输入双输出光学开关，采用光纤环路实现双输入双输出的光开关，结构简单，易于集成，损耗小，开关灵活；

2、本发明提供的基于合成光学网格的双输入双输出光学开关，设置耦合器耦合系数为提高了光开关控制的灵活性以及便捷性；

3、本发明提供的基于合成光学网格的双输入双输出光学开关，提供了光开关中两个光纤环路之间的耦合效率，在不同的参数条件下，耦合系数不同，表现在两个光纤环路里的光强输出也不一样，提高了光开关控制的便捷性，能够确定在光纤环路在任何时候的光强度值；

4、本发明提供的基于合成光学网格的双输入双输出光学开关，采用常规光纤环路，提高光开关的经济性。

附图说明

图1是本发明提供的双输入双输出光学开关的结构示意图；

图2是本发明提供的双输入双输出光学开关的结构展开图；

图3是本发明的光纤耦合效率关系示意图；

图4是本发明提供的一个实施例中输入端口设置在长光纤环时，输出光强的分布示意图；

图5是本发明提供的一个实施例中输入端口设置在短光纤环时，输出光强的分布示意图。

图中标号表示：1-第一输入端口，2-第一输出端口，3-第二输入端口，4-第二输出端口，5-长光纤环路，6-短光纤环路，7-耦合器，8-第一相位调制器，9-第二相位调制器，10-输入耦合器，11-输出耦合器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以便本领域的技术人员更好的理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

以下对本发明涉及的定义或概念内涵做以说明：

光学开关：光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口、可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。

双输入双输出光学开关：光从两个输入端进入，通过调整光强光纤环路：光纤通过耦合器连接成环形。

耦合器：又称分歧器、连接器、适配器，是用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，属于光被动元件领域。

相位调制器：相位调制器是使光的相位按一定规律变化的光调制器。

耦合系数：光纤连接在一起后分给每个光纤分光强度的实际的互感(绝对值)与其最大极限值之比定义为耦合系数。两个光纤的耦合比值为cos²β/sos²β，此时β为光纤耦合系数。

耦合效率：两个光纤环路里的光强度比定义为耦合效率。

波矢：波矢是一种表示波的矢量的方法。波矢是一个矢量，其大小表示角波数，其方向表示波传播的方向。

在本实施例中公开了一种基于合成光学网格的双输入双输出光学开关，包括一对输入端口以及一对输出端口，还包括长光纤环路5、短光纤环路6、耦合器7、第一相位调制器8以及第二相位调制器9；

长光纤环路5以及短光纤环路6通过耦合器7连接；

在长光纤环路5和短光纤环路6上分别设置有一个输出端口；

在长光纤环路5和短光纤环路6上分别设置有一个输入端口；

第一相位调制器8设置在长光纤环路5上，第二相位调制器9设置在短光纤环路6上；

第一相位调制器8设置的相位与第二相位调制器9设置的相位相反；

长光纤环路5的长度大于短光纤环路6的长度。

在本实施例中提供的双输入双输出光学开关如图1所示，包括两个输入端口和两个输出端口；在本实施例中两个输入端口包括第一输入端口1以及第二输入端口3，两个输出端口包括第一输出端口2以及第二输出端口4；其中，如图1所示第一输入端口1和第一输出端口2设置在耦合器7前的长光纤环路5上；第二输入端口3和第二输出端口4设置在耦合器7后的短光纤环路6上。

在本实施例中提供的双输入双输出光学开关相比于现有技术中的光学开关，采用一对光纤环路进行耦合实现；由于市场上现有的光学开关中采用的光纤为线型光纤，而在本申请中采用一对光纤环路耦合，形成一组光纤环路，使得光能够在这组光纤环路中一直循环，一直耦合，从而可以实现改变控制参数来改变耦合效率以实现光开关的效果。

在本实施例中，如图1所示，在每个输入端口上均设置有输入耦合器10，目的是将光输入进来；在每个输出端口上均设置有输出耦合器11，目的是将光输出；

在本实施例中，采用耦合器7来连接两个光纤环路。

在本实施例中，设置了相位调制器来调节光波的相位。在这个光开关中，需要通过调节相位调制器，来满足耦合效率为最值的条件，进而实现光开关断开/接通。

第一输入端口1上设置的输入耦合器10用来在光开关中，将输入信号耦合到较长光波传播介质中。

第一输出端口2上设置的输出耦合器11用来在光开关中，将较长光波传输介质中输出信号耦合输出端。

第二输入端口3上设置的输入耦合器10用来在光开关中，将输入信号耦合到较短光波传播介质中。

第二输出断口4上设置的输出耦合器11用来在光开关中，将较短光波传输介质中输出信号耦合输出端。

长光纤环路5用来在光开关中光波传输的较长传播介质。

短光纤环路6用来在光开关中光波传输的较短传播介质。

耦合器7用来在光开关中，将在两个传播介质中的光波耦合在一起，从而实现光波在两个光纤环路中循环。

第一相位调制器8用来在光开关中对在较长传播介质的光波进行相位调制，从而改变耦合效率以实现光开关的效果。

第二相位调制器9用来在光开关中，对在较短传播介质的光波进行相位调制，从而改变耦合效率以实现光开关的效果。

在本实施例中，为了对光纤环路里面的光波进行调控，从而能够实现光开关的作用，利用相位调制器将长光纤环路中光波的相位与短光纤环路中的光波的相位设置为相反。

在本实施例中提供的双输入双输出光学开关，如图4-5所示，在图4、5中，长环代表长光纤环路，短环代表短光纤环路，在相位波矢Q＝π情况下，第一输入端口1和第二输入端口3输入光时，两个光纤环路里都有光，说明两个输出端口应该有相同的开关状态——两个输出端口都呈打开状态；

在相位波矢Q＝0情况下，从第一输入端口1输入光时，只有第一输出端口2有光，从第二输入端口3输入光时，只有第二输出端口4有光，说明此时光从第一输入端口1和第二输入端口3输入时，光开关有不同的开关状态——只有一个输出端口都呈打开状态，实现了双端口输入/输出的光开关。

可选地，耦合器7为50/50耦合器；耦合器7的耦合系数为

在本实施例中，选择50/50的耦合器是因为在该耦合器下，光波在经过耦合器时可以1:1的分布在两个光纤里，不会因为耦合器对光波在两个光纤环路里的光波强度产生影响；50/50的耦合器的耦合系数就是

可选地，长光纤环路5与短光纤环路6之间的耦合效率为其中表示第一相位调制器8设置的相位的值或第二相位调制器9设置的相位的值，Q表示波矢的值，ω表示本征频率的值；其中，n表示光脉冲在长光纤环路或短光纤环路中的位置，n为大于等于0的整数，i为复数，m为整数。

在本实施例中，当光从第一输入端口1进入时(即，光从设置在长光纤环路上的输入端口输入时)，m为偶数；当光从第二输入端口3进入时(即，光从设置在短光纤环路上的输入端口输入时)，m为奇数。

当时，如图3所示，耦合效率曲线均随着波矢Q的改变而改变。在Q＝0情况下，耦合效率为0，当光波长光纤环路(短光纤环路)入射时，说明光能量全部局域在长光纤环路(短光纤环路)，短光纤环路(长光纤环路)里没有光传输，说明此时位于短光纤环路(长光纤环路)的开关是断开的。在Q＝π时，耦合效率为1，说明此时光能量均匀的分布在两个光纤环路里，说明两个输出应该有相同的开关状态。

可选地，长光纤环路以及短光纤环路均为不加增益或损耗的常规光纤环路。

在本发明中，为了简化计算，不加增益和损耗，增益和损耗对光开关没有影响。

可选地，长光纤环路与短光纤环路之间的长度差为ΔL＝2ΔT×C_f，其中ΔL表示长度差，单位为km；ΔT表示光在长光纤环路中传播时间与光在短光纤环路中传播时间之间的差，单位为s，C_f表示光在光纤中传播的速度。

本发明中所提出的双输入双输出光学开关可以利用长度略有不同的两个光纤环路通过耦合器连接制作。两个光纤环路长度满足(2ΔT＝ΔL/c_F)。这里取长光纤环路(L₁≈(4+0.01)公里),短光纤环路(L₂≈(4-0.01)公里)。来自长环路的入射脉冲在光纤耦合器处分成两个较小的脉冲，它们以短环路和长环路传播，类似于在耦合器金字塔中左右传播的脉冲。每次往返后，脉冲再次到达耦合器，然后又被耦合器分开。脉冲的每次往返等效于时间步长m，位置n由长循环和短循环的往返时间之差定义。因此，整个系统就像一个集总耦合的波导阵列中的光动力学，图2是光波在光纤环路中传输的展开图，光波在长环中入射，经过耦合器后，分开成在长环和短环中传输的两束光波。在长环路光纤环的光波到达再一次耦合器的时间比在短环路到达耦合器的时间长。所以我们通过设置光纤环长度，可以使在短环路传输的光波到达耦合器时，在长环路传播的上一时刻的光波也到达耦合器，它们进行耦合，循环下去。就可以展开成图2的网格，上面的圆圈表示添加相位，相位的值对应下面的函数图形。

优选地，长光纤环路的长度为4+0.01km；短光纤环路的长度为4-0.01km。

在本实施例中光纤环路两个相位波矢Q＝0和π。数值模拟结果如图4，5所示，在Q＝0情况下，在如图1所示的光开关中，光在第一输入端口1输入会在第一输出端口2得到全部输出信号，第二输出端口4呈关闭状态；光在第二输入端口3输入会在第二输出端口4得到全部输出信号，第一输出端口2呈关闭状态；在Q＝π情况下，光分别从第一输入端口1以及第二输入端口3端口输入都能从第一输出端口2和第二输出端口4输出，而且光强是均匀分布在两个输出端口，从而实现了光开关的功能。