專利名稱：可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光計(jì)算領(lǐng)域的光學(xué)互連技術(shù)，特別涉及到一種能夠?qū)崿F(xiàn)輸入端口和輸 出端口之間光信號(hào)任意單向傳輸和高速切換的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般采用基于銅導(dǎo)體的電信號(hào)互連技術(shù)，電互連具有工藝 成熟、成本低廉、連接簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，處理單元對(duì)通 信速度的要求日益提高，電信號(hào)的頻率已經(jīng)從MHz發(fā)展到GHz時(shí)代，傳統(tǒng)電信號(hào)傳輸?shù)母鞣N 局限逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，主要體現(xiàn)在以下方面1.帶寬限制從某種意義上講，導(dǎo)線是一個(gè)低通 濾波器，其有限帶寬會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的嚴(yán)重失真；2.時(shí)鐘歪斜邏輯時(shí)鐘信號(hào)無(wú)失真地傳輸是 數(shù)據(jù)正確處理的基礎(chǔ)，由于導(dǎo)線的有限帶寬會(huì)引起邏輯門輸入信號(hào)前沿的畸變，從而導(dǎo)致 其輸出誤碼；3.嚴(yán)重串話一段導(dǎo)線以超高頻傳輸信號(hào)時(shí)，由于輻射能量和傳輸頻率是高 次方的正比關(guān)系，所以在傳輸頻率高時(shí)，導(dǎo)線變成了鄰近導(dǎo)線的發(fā)射天線或接收天線，這種 嚴(yán)重的串話可能導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行；4.寄生效應(yīng)金屬線的電容和電感往往會(huì)造成誤 碼；5.易受電磁場(chǎng)的干擾；6.高功耗每30cm導(dǎo)線充電到IV所需能量相當(dāng)于一個(gè)電子邏 輯開(kāi)關(guān)能量的1000倍，由于在利用金屬導(dǎo)線傳輸信號(hào)時(shí)，每單位長(zhǎng)度線上均需充電到邏輯 電平，故需要較大能量，且隨著信號(hào)頻率的提高，功耗會(huì)急劇上升。為了解決高性能計(jì)算機(jī)中的信號(hào)傳輸問(wèn)題，人們提出了光互連的概念。1984年，國(guó) 際著名的光學(xué)專家、斯坦福大學(xué)的J. W. Goodman教授首次提出在超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)中 采用光互連技術(shù)(Proceedings of ThelEEE，vol. 72，no. 7，pp850_866)，此后光互連逐步走 向?qū)嵱?，尤其在長(zhǎng)距離光通信領(lǐng)域得到了很大發(fā)展。光互連是利用光的波粒二相性與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的 傳輸和交換的技術(shù)。它以光波作為載體來(lái)進(jìn)行信息傳輸，光波作為電磁波可以在非導(dǎo)電介 質(zhì)如自由空間、光學(xué)材料等中利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互交換來(lái)傳播，這是光互連和電互連在 物理機(jī)制上的根本不同。理論上講，光互連具有以下優(yōu)點(diǎn)1.極高的空間和時(shí)間帶寬由于自由空間具有 無(wú)色散的性質(zhì)，載波空間帶寬大約為ΙΟΟΤΗζ，空間和時(shí)間帶寬積可認(rèn)為是無(wú)窮大，信息傳 輸無(wú)失真；2.抗干擾光波的傳播遵循獨(dú)立傳播原理，多路光信息可以相互交叉而獨(dú)立無(wú) 干擾的傳遞信息，不受電磁場(chǎng)的干擾；3.互連數(shù)目大，互連密度高光互連系統(tǒng)通?？梢哉J(rèn) 為是物平面上的信息傳遞到像平面上相應(yīng)部分的光學(xué)系統(tǒng)，其互連總數(shù)理論上可達(dá)106 ； 4.無(wú)觸點(diǎn)互連光互連在互連的光邏輯開(kāi)關(guān)器件上無(wú)物理接觸點(diǎn)，可明顯提高其可靠性和 互連密度；5.等光程性光互連通道路徑的等光程性保證了各對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的等光程互連； 6.低功耗光波傳遞信息的機(jī)理是光量子阻抗變換，功耗極低，且不隨信號(hào)傳輸速率的增 高而增加。由于光互連技術(shù)以其明顯的優(yōu)點(diǎn)呈現(xiàn)出光明的應(yīng)用前景，因此成為各國(guó)研究的熱 點(diǎn)課題。日本NTT公司相繼報(bào)道了 COSINE-I型、II型和III型高速光互連網(wǎng)絡(luò)系列，美國(guó)AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室相繼報(bào)道了第一代和第二代光學(xué)數(shù)字通信交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其他國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)如 StanfordUniversity、力口州理工、UCLA、Columbia Universit y> University of Texasat Austin、MIT、力口拿大 McGill University 等大學(xué)禾口 Luxtera、Intel、Sun、Cray 等公司，國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)如天津大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所和浙 江大學(xué)等都對(duì)此進(jìn)行了深入研究并提出了不同的光互連方案。根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，各種光互連方案基本上可以分為自由空間光互連和光波導(dǎo) 互連兩類。光波導(dǎo)互連是采用光纖或集成光學(xué)波導(dǎo)作為光束傳輸介質(zhì)，光束的傳輸方向由 傳輸介質(zhì)控制。自由空間光互連是通過(guò)光學(xué)器件轉(zhuǎn)折和控制在空間傳輸?shù)墓馐M(jìn)行互連。長(zhǎng)距離光纖通信技術(shù)的發(fā)展使得光纖用無(wú)源器件的性能得到了很大提高，包括耦 合器、分束器、復(fù)用/解復(fù)用器等，為光纖互連技術(shù)在高性能計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用提供了良好的 技術(shù)與器件基礎(chǔ)。由于光纖互連在機(jī)械連接方面具有導(dǎo)線連接的方便靈活、簡(jiǎn)單可靠的特 性，又具有光傳輸?shù)母咚俾?、高帶寬、雙向傳輸和多路復(fù)用等特性，因此在高性能計(jì)算機(jī)尤 其是機(jī)柜間的互連方面得到大量應(yīng)用。2006 年，OSA J. Optical Networks, vol. 3，no. 12，pp. 900-913 報(bào)道了 IBM 禾口 Corning公司聯(lián)合研制的基于光纖互連技術(shù)的光學(xué)共享內(nèi)存超級(jí)計(jì)算機(jī)互連系統(tǒng)(Optical Shared Memory SupercomputerInterconnect System, OSMOSIS)。它有 64 個(gè)輸入端 口禾口 64個(gè)輸出端口，采用半導(dǎo)體光放大器(SOA)與8個(gè)光纖上的8個(gè)波長(zhǎng)獲得64路的分發(fā)，實(shí) 現(xiàn)了一個(gè)廣播-選擇(B&S)數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)。在交換的過(guò)程中，首先通過(guò)高速的8 1光纖 選擇階段，接著通過(guò)每個(gè)輸出端口的高速8 1波長(zhǎng)選擇階段，這種結(jié)構(gòu)可以概括為解復(fù) 用-SOA-選擇-復(fù)用。但是它存在的問(wèn)題是交換和邏輯操作次數(shù)過(guò)多，系統(tǒng)采用了大量的 分束器、光放大器和復(fù)用/解復(fù)用器，成本昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易擴(kuò)容和升級(jí)。不同于光纖互連技術(shù)，自由空間光互連是利用各種折射、反射、衍射、投射和全息 光學(xué)元件等改變光在空間中的傳播。它的互連密度更高，接近光的衍射極限，不存在信道對(duì) 帶寬的限制；可以實(shí)現(xiàn)交叉互連和三維空間互連，能提供更多的管腳或端口數(shù)目；信號(hào)傳 輸過(guò)程中的衰減很低，并具有潛在的空間并行傳輸能力。自由空間光互連的實(shí)現(xiàn)手段包括 電控全息、衍射、MEMS微鏡陣列等。申請(qǐng)?zhí)枮?00610129883的中國(guó)專利報(bào)道了一種全息元件構(gòu)成的光互連網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)。它的組成部分包括輸入端口、根據(jù)輸入端口進(jìn)來(lái)的信號(hào)判斷它的目的地址并選擇后面 相應(yīng)的全息圖的控制器、裝有全息圖的全息元件和輸出端口。它采用全息圖的一個(gè)衍射通 道作為控制通道，并且在全息圖前增加了控制元件，可以選擇任意全息圖和全息圖的任意 衍射通道，實(shí)現(xiàn)了任意輸入端口到任意輸出端口的路由功能。也可以通過(guò)控制器路由到所 有的全息元件中，選擇所有的衍射通道，所以該互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有任意輸入端口的組播功 能。該互連結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展和重構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)?；ミB網(wǎng)絡(luò)。其不足之處在于 對(duì)全息元件進(jìn)行控制時(shí)需要施加較高的電壓，甚至達(dá)到千瓦以上，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了較大 的困難。2000年P(guān)roc. SPIE，vol.4178，pp320報(bào)道了 Lucent公司研制的可用于大規(guī)模 光互連的 Microstar 微鏡陣列技術(shù)。2001 年的 LEOS SummerTopical Meet ings[C], Copper Mountain, CO, pp43 報(bào)道了 Lucent 公司利用該技術(shù)制作的 1296x1296 端口的 Wave LambdaRouter光交換系統(tǒng)，其單端口傳輸容量為1.6Tb/s (單纖復(fù)用40個(gè)信道，每路信道傳送40Gb/s信號(hào))，具有無(wú)阻塞特性，插入損耗為5. IdB,串?dāng)_最壞情況為_(kāi)38dB，使光開(kāi)關(guān) 的交換容量達(dá)到了一個(gè)新的數(shù)量級(jí)。OMM和Xeros公司也報(bào)道了類似產(chǎn)品。這類利用MEMS 微鏡陣列進(jìn)行自由空間光交換的不足之處在于MEMS的制作工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且開(kāi)關(guān)速 度被限制在毫秒量級(jí)，無(wú)法進(jìn)行光信號(hào)的高速切換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對(duì)以上幾種光纖互連和自由空間光互連方案的不足，提供 一種可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸入端口和輸出端口之間光信號(hào)的 任意單向傳輸和高速切換，并提出相應(yīng)的升級(jí)和擴(kuò)容方案。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明提供一種可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，其特征在于，包 括一陣列光源，其可接收數(shù)據(jù)輸入；一二維光開(kāi)關(guān)陣列；一前光學(xué)系統(tǒng)，該前光學(xué)系統(tǒng)位于陣列光源與二維光開(kāi)關(guān)陣列之間；一陣列探測(cè)器，用于數(shù)據(jù)輸出；一后光學(xué)系統(tǒng)，該后光學(xué)系統(tǒng)位于二維光開(kāi)關(guān)陣列與陣列探測(cè)器之間；上述陣列光源、前光學(xué)系統(tǒng)、二維光開(kāi)關(guān)陣列、后光學(xué)系統(tǒng)和陣列探測(cè)器位于同一 光路上。其中陣列光源是發(fā)光二極管、垂直腔表面發(fā)射激光二極管或半導(dǎo)體DFB激光器； 或是以上多個(gè)分立光源的組合，其中的單個(gè)分立光源分別與陣列光源中的單根光纖耦合在 一起，組成陣列光源。其中陣列探測(cè)器是PIN探測(cè)器、APD探測(cè)器、MSM探測(cè)器或光電倍增管；或是以上 多個(gè)分立探測(cè)器的組合，其中的單個(gè)分立探測(cè)器分別與陣列探測(cè)器中的單根光纖耦合在一 起，組成陣列探測(cè)器。其中二維光開(kāi)關(guān)陣列是液晶空間光調(diào)制器或是多量子阱空間光調(diào)制器。其中前光學(xué)系統(tǒng)包括三個(gè)球面透鏡和一個(gè)柱透鏡的組合，該柱透鏡位于球面透鏡 之后，且該柱透鏡為垂直放置。其中后光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)球面透鏡和一個(gè)柱透鏡的組合，該柱透鏡位于球面透鏡 之前，且該柱透鏡為水平放置。其中陣列光源的端口的數(shù)目為1 XN，二維光開(kāi)關(guān)陣列的端口的數(shù)目為NXN，陣列 探測(cè)器的端口的數(shù)目為NXl，其中N =正整數(shù)。由于本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，因此與背景技術(shù)相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)1、采用了自由空間的光學(xué)互連，相比光纖互連，該方案的互連密度更高，不存在信 道對(duì)帶寬的限制；2、光信號(hào)在自由空間傳輸過(guò)程中的衰減很低，減少了不必要的能量損失；3、在光學(xué)成像和會(huì)聚系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，沒(méi)有管腳限制，可以提供更多的端口數(shù) 目；4、輸入和輸出端口之間的連通和切換由二維開(kāi)關(guān)陣列控制，易于實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入端口和多個(gè)輸出端口之間信號(hào)傳輸通道的重構(gòu)，控制操作次數(shù)降低，邏輯層次簡(jiǎn)單；5、系統(tǒng)的組成器件只包括必要的輸入光源陣列、輸出探測(cè)器陣列以及用于傳輸控制的二維開(kāi)關(guān)陣列，前后光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜度降低，元件數(shù)目減少；6、采用液晶空間光調(diào)制器或多量子阱空間光調(diào)制器作為二維開(kāi)關(guān)陣列，開(kāi)關(guān)速度 達(dá)到微秒量級(jí)，可實(shí)現(xiàn)輸入和輸出端口之間光學(xué)信號(hào)傳輸?shù)母咚賱?dòng)態(tài)切換；7、如果在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中預(yù)留出冗余接口，并采用相應(yīng)維數(shù)的二維光開(kāi)關(guān) 陣列，則當(dāng)所需端口數(shù)目增加的時(shí)候，直接更換單元數(shù)目更大的光源陣列和探測(cè)器陣列即 可，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)容和升級(jí)；8、整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝調(diào)方便，價(jià)格相對(duì)較低，便于標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；a(chǎn)，具有 很好的實(shí)用性；


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，其 中圖1是本發(fā)明的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)的具體實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)的具體實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)的具體實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明為一種可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，包括一陣列光源101，其可接收數(shù)據(jù)輸入，該陣列光源101是發(fā)光二極管、垂直腔表面 發(fā)射激光二極管或半導(dǎo)體DFB激光器；或是以上多個(gè)分立光源的組合，其中的單個(gè)分立光 源分別與陣列光源101中的單根光纖耦合在一起，組成陣列光源；—二維光開(kāi)關(guān)陣列103，該二維光開(kāi)關(guān)陣列103是液晶空間光調(diào)制器或是多量子 阱空間光調(diào)制器；一前光學(xué)系統(tǒng)102，該前光學(xué)系統(tǒng)102位于陣列光源101與二維光開(kāi)關(guān)陣列103之 間，該前光學(xué)系統(tǒng)102包括三個(gè)球面透鏡和一個(gè)柱透鏡的組合，該柱透鏡位于球面透鏡之 后，且該柱透鏡為垂直放置；一陣列探測(cè)器105，用于數(shù)據(jù)輸出，該陣列探測(cè)器105是PIN探測(cè)器、APD探測(cè)器、 MSM探測(cè)器或光電倍增管；或是以上多個(gè)分立探測(cè)器的組合，其中的單個(gè)分立探測(cè)器分別 與陣列探測(cè)器105中的單根光纖耦合在一起，組成陣列探測(cè)器；一后光學(xué)系統(tǒng)104，該后光學(xué)系統(tǒng)104位于二維光開(kāi)關(guān)陣列103與陣列探測(cè)器105 之間，該后光學(xué)系統(tǒng)104包括一個(gè)球面透鏡和一個(gè)柱透鏡的組合，該柱透鏡位于球面透鏡 之前，且該柱透鏡為水平放置；上述陣列光源101、前光學(xué)系統(tǒng)102、二維光開(kāi)關(guān)陣列103、后光學(xué)系統(tǒng)104和陣列 探測(cè)器105位于同一光路上。所述的該陣列光源101的端口的數(shù)目為1XN，二維光開(kāi)關(guān)陣列103的端口的數(shù)目 為NXN，陣列探測(cè)器105的端口的數(shù)目為NX 1，其中N =正整數(shù)。
圖2所示為本發(fā)明中二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)的具體實(shí)施例一的示意圖。陣列 光源201中任一單元發(fā)出的光束202以一定的出射角到達(dá)前光學(xué)系統(tǒng)中的圓透鏡203，在圓 透鏡203和柱透鏡204的共同作用下，從陣列光源201中任一單元發(fā)出的光束202被擴(kuò)展 開(kāi)來(lái)并布滿二維光開(kāi)關(guān)陣列205上對(duì)應(yīng)的一整列。二維光開(kāi)關(guān)陣列205上的每一整列對(duì)應(yīng) 來(lái)自陣列光源201中同一個(gè)光源輸出的信號(hào)，每一整行上的各個(gè)像素則對(duì)應(yīng)來(lái)自陣列光源 201中各個(gè)不同光源輸出的信號(hào)。通過(guò)控制二維光開(kāi)關(guān)陣列上每個(gè)像素的透過(guò)率為“1”和 “0”，可以控制該像素上光信號(hào)為“通過(guò)”或“關(guān)斷”。經(jīng)過(guò)二維光開(kāi)關(guān)陣列205調(diào)制后的光 束206到達(dá)后光學(xué)系統(tǒng)中的柱透鏡207，經(jīng)過(guò)柱透鏡207和圓透鏡208的共同作用，二維光 開(kāi)關(guān)陣列205上某一整行發(fā)出的光束被會(huì)聚成面積較小的光斑，并以一定的角度照射到陣 列探測(cè)器209上對(duì)應(yīng)的一個(gè)單元，這樣陣列探測(cè)器209上每個(gè)單元接收到的光信號(hào)包括來(lái) 自陣列光源201中各個(gè)不同光源輸出的信號(hào)。通過(guò)控制二維光開(kāi)關(guān)陣列205上每個(gè)像素的 透過(guò)率在“1”和“0”之間切換，可以實(shí) 現(xiàn)多個(gè)輸入端口 201和多個(gè)輸出端口 209之間的多 對(duì)多、多對(duì)一和一對(duì)多等形式的信號(hào)傳輸。圖3所示為本發(fā)明中二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)的具體實(shí)施例二的示意圖。多個(gè) 分立光源301與光纖陣列303中的多個(gè)單根光纖302耦合成光纖陣列光源，光纖陣列303 的出口陣列處出光構(gòu)成陣列光源。單個(gè)分立光源301為帶尾纖的半導(dǎo)體DFB激光器，每個(gè) 激光器對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)輸入端口。從光纖陣列303的出口陣列處發(fā)出的光束304在前光學(xué)系 統(tǒng)中的圓透鏡305和柱透鏡306的共同作用下被擴(kuò)展開(kāi)并布滿二維光開(kāi)關(guān)陣列307的每一 整列。經(jīng)過(guò)各個(gè)像素的調(diào)制后，二維光開(kāi)關(guān)陣列307上的每一整行對(duì)應(yīng)的光束308在后光 學(xué)系統(tǒng)中的圓透鏡305和柱透鏡306的共同作用下被會(huì)聚成面積較小的一個(gè)光斑，照射到 光纖陣列311上對(duì)應(yīng)的一個(gè)光纖端口處，然后通過(guò)該端口連接的單根光纖進(jìn)入分立探測(cè)器 313并輸出信號(hào)。通過(guò)控制二維光開(kāi)關(guān)陣列307上每個(gè)像素的透過(guò)率在“1”和“0”之間切 換，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)分立的輸入端口 301和多個(gè)分立的輸出端口 313之間的多對(duì)多、多對(duì)一和 一對(duì)多等形式的信號(hào)傳輸。圖4所示為本發(fā)明中二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)的具體實(shí)施例三的示意圖。在對(duì) 前后光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，除了系統(tǒng)本身的端口 401外，預(yù)留出陣列光源的冗余接口 402、二維光開(kāi)關(guān)陣列在垂直于陣列光源401分布方向的整列冗余接口 405和在平行于陣列 光源401分布方向的整行冗余接口 407以及陣列探測(cè)器的冗余接口 410。在系統(tǒng)升級(jí)之前， 陣列光源401中任一單元發(fā)出的信號(hào)光束403以一定的角度出射，在前光學(xué)系統(tǒng)的作用下 擴(kuò)展開(kāi)來(lái)并布滿二維光開(kāi)關(guān)陣列上對(duì)應(yīng)的一整列404。經(jīng)過(guò)各個(gè)像素的調(diào)制，從二維光開(kāi)關(guān) 陣列任一整行406出射的光束408在后光學(xué)系統(tǒng)的作用下會(huì)聚成面積較小的光斑，并以一 定的角度照射到陣列探測(cè)器409上對(duì)應(yīng)的一個(gè)單元。通過(guò)調(diào)整二維光開(kāi)關(guān)陣列上每個(gè)像素 的透過(guò)率控制信號(hào)傳輸?shù)摹巴ㄟ^(guò)”和“關(guān)斷”，就可以實(shí)現(xiàn)輸入端口 401和輸出端口 409之間 的多對(duì)多、多對(duì)一和一對(duì)多等形式的信號(hào)傳輸。當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)的時(shí)候，前后光學(xué)系統(tǒng)和 二維光開(kāi)關(guān)陣列無(wú)需改變，直接在陣列光源預(yù)留的冗余接口 402處增加光源單元，在陣列 探測(cè)器預(yù)留的冗余接口 410處增加新的探測(cè)器單元，或在保持端口位置不變的情況下，直 接更換單元數(shù)目更大的陣列光源和陣列探測(cè)器，即可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)容和升級(jí)。本發(fā)明為一種可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，以端口數(shù)目=16為 例，本發(fā)明包括IX 16陣列光源、16X16 二維光開(kāi)關(guān)陣列、16X1陣列探測(cè)器及相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)等。其中16X16 二維光開(kāi)關(guān)陣列可以是液晶空間光調(diào)制器，也可以是多量子阱空間光 調(diào)制器。包含16個(gè)單元的陣列光源和陣列探測(cè)器可以是多個(gè)光源或光探測(cè)器集成在一起 的，也可以是多個(gè)分立光探測(cè)器通過(guò)光纖連接成陣。以二維光開(kāi)關(guān)陣列為界，光學(xué)系統(tǒng)分為 前光學(xué)系統(tǒng)和后光學(xué)系統(tǒng)，二者都是包括球面透鏡和柱透鏡在內(nèi)的多個(gè)透鏡的組合。通過(guò)數(shù)據(jù)輸入端的電路控制IX 16陣列光源上的16個(gè)單個(gè)光源的光強(qiáng)將要傳輸 的信號(hào)并行輸入。1X16陣列光源通過(guò)前光學(xué)系統(tǒng)成像于16X16 二維光開(kāi)關(guān)陣列，使從 1 χ 16陣列光源上任一單個(gè)光源的光被擴(kuò)展開(kāi)并布滿具有16X 16個(gè)像素的二維光開(kāi)關(guān)陣 列上的某一整列。通過(guò)調(diào)整二維光開(kāi)關(guān)陣列的16X16個(gè)像素的透過(guò)率為“1” “0”，可以控 制經(jīng)過(guò)該像素的光信號(hào)傳輸通道是“連通”“關(guān)斷”。將經(jīng)過(guò)16X16 二維光開(kāi)關(guān)陣列的某一 整行的16路光束經(jīng)過(guò)后光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚到對(duì)應(yīng)的16X1陣列探測(cè)器上的一個(gè)光探測(cè)器單元 上，二維光開(kāi)關(guān)陣列的16行對(duì)應(yīng)陣列探測(cè)器的16個(gè)探測(cè)單元并分別輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了 16 路輸入端口和16路輸出端口之間的光信號(hào)傳輸。在16X16 二維光開(kāi)關(guān)陣列的全部像素均為“1”的狀態(tài)下，每個(gè)探測(cè)器單元上接 收到的光束都包含了來(lái)自陣列光源上的16個(gè)單個(gè)光源上的光信號(hào)。如果將16X16 二維 光開(kāi)關(guān)陣列上的某一整列的透過(guò)率設(shè)置為“1”，其余各列均設(shè)置為“0”，則該系統(tǒng)的作用是 將一個(gè)光源發(fā)出來(lái)的信號(hào)傳輸?shù)?6個(gè)探測(cè)器上，實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多的廣播功能；如果將16X16 二維光開(kāi)關(guān)陣列上的某一整行的透過(guò)率設(shè)置為“ 1”，其余各行均設(shè)置為“0”，則該系統(tǒng)的作 用是將16個(gè)光源發(fā)出來(lái)的信號(hào)傳輸?shù)酵粋€(gè)探測(cè)器上，實(shí)現(xiàn)了多對(duì)一的傳輸功能；如果將 16X16 二維光開(kāi)關(guān)陣列上的16X 16個(gè)像素的透過(guò)率全部設(shè)置為“ 1 ”，則該系統(tǒng)的作用是將 16個(gè)光源發(fā)出來(lái)的信號(hào)傳輸?shù)?6個(gè)探測(cè)器上，實(shí)現(xiàn)了多對(duì)多的組播功能。這樣，通過(guò)控制 16X16 二維光開(kāi)關(guān)陣列上各個(gè)像素的透過(guò)率，即可實(shí)現(xiàn)16路輸入端口和16路輸出端口之 間的信號(hào)傳輸和切換。雖然參照上述實(shí)施例詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解本發(fā)明并不限于所公開(kāi) 的實(shí)施例，對(duì)于本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可對(duì)其形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變，如修改前后 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、在二維光開(kāi)關(guān)陣列中選擇其他的透過(guò)率具體數(shù)值和調(diào)制方式、在光學(xué)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)改變輸入或輸出端口的數(shù)目等。本發(fā)明意欲涵蓋所附權(quán)利要求書(shū)的精神 和范圍內(nèi)的各種變形，以上修改細(xì)節(jié)也在本說(shuō)明書(shū)解釋的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，其特征在于，包括一陣列光源，其可接收數(shù)據(jù)輸入；一二維光開(kāi)關(guān)陣列；一前光學(xué)系統(tǒng)，該前光學(xué)系統(tǒng)位于陣列光源與二維光開(kāi)關(guān)陣列之間；一陣列探測(cè)器，用于數(shù)據(jù)輸出；一后光學(xué)系統(tǒng)，該后光學(xué)系統(tǒng)位于二維光開(kāi)關(guān)陣列與陣列探測(cè)器之間；上述陣列光源、前光學(xué)系統(tǒng)、二維光開(kāi)關(guān)陣列、后光學(xué)系統(tǒng)和陣列探測(cè)器位于同一光路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，其特征在于， 其中陣列光源是發(fā)光二極管、垂直腔表面發(fā)射激光二極管或半導(dǎo)體DFB激光器；或是以上 多個(gè)分立光源的組合，其中的單個(gè)分立光源分別與陣列光源中的單根光纖耦合在一起，組 成陣列光源。
3 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，其特征在于， 其中陣列探測(cè)器是PIN探測(cè)器、APD探測(cè)器、MSM探測(cè)器或光電倍增管；或是以上多個(gè)分立 探測(cè)器的組合，其中的單個(gè)分立探測(cè)器分別與陣列探測(cè)器中的單根光纖耦合在一起，組成 陣列探測(cè)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，其特征在于， 其中二維光開(kāi)關(guān)陣列是液晶空間光調(diào)制器或是多量子阱空間光調(diào)制器。
5 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，其特征在于， 其中前光學(xué)系統(tǒng)包括三個(gè)球面透鏡和一個(gè)柱透鏡的組合，該柱透鏡位于球面透鏡之后，且 該柱透鏡為垂直放置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，其特征在于， 其中后光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)球面透鏡和一個(gè)柱透鏡的組合，該柱透鏡位于球面透鏡之前，且 該柱透鏡為水平放置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，其特征在于， 其中陣列光源的端口的數(shù)目為ι χN，二維光開(kāi)關(guān)陣列的端口的數(shù)目為NXN，陣列探測(cè)器的 端口的數(shù)目為NX 1，其中N=正整數(shù)。
全文摘要
一種可擴(kuò)展和重構(gòu)的二維自由空間光學(xué)互連系統(tǒng)，其特征在于，包括一陣列光源，其可接收數(shù)據(jù)輸入；一二維光開(kāi)關(guān)陣列；一前光學(xué)系統(tǒng)，該前光學(xué)系統(tǒng)位于陣列光源與二維光開(kāi)關(guān)陣列之間；一陣列探測(cè)器，用于數(shù)據(jù)輸出；一后光學(xué)系統(tǒng)，該后光學(xué)系統(tǒng)位于二維光開(kāi)關(guān)陣列與陣列探測(cè)器之間；上述陣列光源、前光學(xué)系統(tǒng)、二維光開(kāi)關(guān)陣列、后光學(xué)系統(tǒng)和陣列探測(cè)器位于同一光路上。
文檔編號(hào)H04B10/00GK101813808SQ20091007856
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者劉育梁, 張磊, 楊林, 王桐, 陳平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所