專利名稱：一種光學(xué)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)開關(guān)，特別涉及一種具有復(fù)數(shù)個(gè)輸入和輸出端口以及復(fù)數(shù)個(gè)實(shí)現(xiàn)輸入端口和輸出端口之間切換的可移動(dòng)的光學(xué)元件的光學(xué)開關(guān)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有三種不同類別的現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成了本發(fā)明的相關(guān)背景技術(shù)。
第一類別的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)開關(guān)包含了僅有的一個(gè)可移動(dòng)的元件面對(duì)復(fù)數(shù)個(gè)固定的輸出端口。該種類開關(guān)存在多個(gè)例子。如US6335993B1(Takahashi)中一個(gè)單獨(dú)的可移動(dòng)的準(zhǔn)直器被固定在一個(gè)圓盤上，所述圓盤圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)；US4896935(Lee)中一個(gè)單獨(dú)的可移動(dòng)的準(zhǔn)直器朝著一系列徑向延伸的準(zhǔn)直器可以旋轉(zhuǎn)至某一點(diǎn)；以及US657339(Fick)中一個(gè)單獨(dú)的可移動(dòng)的光纖，通過一個(gè)一維的壓電裝置的壓縮允許該光纖在兩個(gè)位置之間彎曲，在這兩個(gè)位置處設(shè)置有固定的光纖。該種類的其他例子可以用一個(gè)固定的輸入端口與多個(gè)固定的輸出端口以及一個(gè)可以通過移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的光學(xué)元件來獲得，如JP2004287124(Nin Sensho)和CA20022386309(Sun De-Gui)。
現(xiàn)有技術(shù)中的第二個(gè)類別公開了具有與端口總數(shù)相等的多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的多輸入和輸出開關(guān)。換句話說，這些經(jīng)常需要該輸入和該輸出端口的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的功能。WO01/50176(Polatis)和US6005998(Lee)均公開了每個(gè)端口具有至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置。換句話說，為了總共M+N個(gè)端口，需要提供至少M(fèi)+N個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置來移動(dòng)光學(xué)元件。US6859120(SweattWilliam et al)也公開了一種在一個(gè)光學(xué)開關(guān)的輸入側(cè)和輸出側(cè)都使用驅(qū)動(dòng)裝置的系統(tǒng)。
第三個(gè)類別的光開關(guān)基于在固定的輸入和輸出端口陣列之間使用了至少兩個(gè)可移動(dòng)的光學(xué)元件。例如，US6456751B1(Bowers et al)公開了使用反射鏡兩個(gè)微驅(qū)動(dòng)陣列。在JP2001350105中可以找到另一個(gè)例子，其中一系列的至少兩個(gè)可移動(dòng)棱鏡被考慮在多輸入和多輸出開關(guān)中從一個(gè)端口向另一個(gè)端口切換光束。這個(gè)種類的開關(guān)也需要至少與它的端口總數(shù)相同數(shù)量的驅(qū)動(dòng)光學(xué)元件。
由于大量的端口以及大量驅(qū)動(dòng)裝置的需要，這些開關(guān)需要了其實(shí)不必要的大量的昂貴的驅(qū)動(dòng)裝置，而這些裝置需要精確的控制。

發(fā)明內(nèi)容
作為較寬的獨(dú)立項(xiàng)，本發(fā)明提供了一種光學(xué)開關(guān)包括復(fù)數(shù)個(gè)輸入端口和復(fù)數(shù)個(gè)輸出端口；復(fù)數(shù)個(gè)可移動(dòng)的光學(xué)元件來引導(dǎo)光束從一個(gè)選定的輸入到一個(gè)選定的輸出；其中可移動(dòng)元件的數(shù)量相當(dāng)于輸入端口的數(shù)量或者輸出端口的數(shù)量。這種結(jié)構(gòu)具有特別的優(yōu)勢(shì)因?yàn)樗蟠鬁p少了多輸入和輸出端口光學(xué)開關(guān)所需要的驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)量。它使得光開關(guān)能夠制作地具有更大的緊湊性和成本效率。它所需要的控制系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，可移動(dòng)元件也更少。
作為本發(fā)明第一個(gè)較寬的獨(dú)立項(xiàng)的進(jìn)一步補(bǔ)充，所述的復(fù)數(shù)個(gè)輸入端口和所述復(fù)數(shù)個(gè)輸出端口位置被固定；以及所述開關(guān)包括一第一反射組合來從一個(gè)輸入端口捕捉一光束并且引導(dǎo)一光束至一第二反射組合，第二反射組合捕捉從所述第一反射組合射出的光束并且引導(dǎo)一光束到達(dá)一輸出端口；其中所述的反射組合之一為所述的可移動(dòng)光學(xué)元件，該可移動(dòng)光學(xué)元件與相應(yīng)的被固定的反射組合通訊，以及復(fù)數(shù)對(duì)第一和第二反射組合用來引導(dǎo)一光束從選定的輸入端口到一個(gè)選定的輸出端口。
這種設(shè)置具有特別的優(yōu)勢(shì)因?yàn)樗軌驅(qū)崿F(xiàn)從多個(gè)輸入和輸出系統(tǒng)中的切換功能，并且相對(duì)于每個(gè)端口都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的開關(guān)具有更大的緊湊性和成本效率的高質(zhì)量的開關(guān)性能。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，一個(gè)第一潛望鏡棱鏡來用于從一輸入端口捕捉一光束并引導(dǎo)一光束至一第二潛望鏡棱鏡，第二潛望鏡棱鏡捕捉從所述第一潛望鏡棱鏡射出的一光束并且引導(dǎo)一光束到達(dá)一個(gè)輸出端口；其中所述潛望鏡棱鏡之一是所述的移動(dòng)光學(xué)元件并與相應(yīng)的潛望鏡棱鏡通訊來引導(dǎo)一光束從一選定的輸入端口至一選定的輸出端口。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，所述的反射組合中的一個(gè)或兩個(gè)都是棱鏡。這樣具有特別的優(yōu)勢(shì)因?yàn)樗试S該開關(guān)的光學(xué)性能獨(dú)立于所述棱鏡的軸向和徑向定位。由于潛望鏡棱鏡的幾何特性，它也限定了最嚴(yán)格的系統(tǒng)中的公差角度在目前直接商業(yè)生產(chǎn)的棱鏡之內(nèi)。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，所述棱鏡是一種潛望鏡棱鏡。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，該輸入端口和/或該輸出端口制成各自的弧形并且所述的移動(dòng)是旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，同時(shí)該第一和第二反射組合沿著旋轉(zhuǎn)的軸線通訊。這使得非常精確的開關(guān)轉(zhuǎn)換能夠被實(shí)現(xiàn)。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，輸入端口和輸出端口的弧線是同心的。這樣減少了為了獲得精確的開關(guān)功能所需要的元件的數(shù)量。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，具有不同長(zhǎng)度的潛望鏡棱鏡的第一和第二反射組合對(duì)應(yīng)于輸入端口和輸出端口各自弧線的半徑。這樣避免了光不經(jīng)過該潛望鏡棱鏡裝置而直接從一輸入端口交叉到一個(gè)輸出端口來通訊。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，在開關(guān)期間向一個(gè)可移動(dòng)的反射組合提供移動(dòng)到一個(gè)位置的裝置，在該位置處，當(dāng)在移動(dòng)期間，所述的裝置不會(huì)干涉目標(biāo)開關(guān)端口以外的端口之間的通訊。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，一個(gè)或多個(gè)端口集成了一個(gè)棒狀透鏡，棒狀透鏡用至少兩個(gè)從透鏡向支撐結(jié)構(gòu)在棒狀透鏡縱軸的垂直方向上延伸的彎曲物支撐在彎曲固定架上，彎曲物的間隔放置以使得其相對(duì)支撐位置改變可以改變上述棒狀透鏡的位置。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，一個(gè)槽型棱鏡位于輸入端口和/或輸出端口的前面，這樣，就可以在開關(guān)中使用更多的輸入輸出端口。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，所述可移動(dòng)反射組合的移動(dòng)可以通過堆疊在一起的垂直于開關(guān)縱軸的多個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)將上述旋轉(zhuǎn)電機(jī)聯(lián)接到可移動(dòng)反射組合上，這樣，反射組合沿著開關(guān)的縱軸旋轉(zhuǎn)。這時(shí)的開關(guān)顯得比電機(jī)安裝在開關(guān)縱軸上時(shí)要緊湊。這樣的架構(gòu)將提高開關(guān)的整體緊湊性。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，所述多個(gè)輸入端固定在位置上，上述多個(gè)輸出端和上述輸入端之間進(jìn)行光通訊；所述開關(guān)包括第一反射器，用于接收從上述輸入端射入的光束并將這些光束導(dǎo)向輸出端；其中，整個(gè)或每個(gè)輸出端集成一個(gè)反射器，該反射器有一個(gè)光通道，該光通道允許光束通過所述反射器，并從上述輸出端射出，還可提供一種裝置，移動(dòng)所述反射器中的一個(gè)或兩個(gè)到光束被引導(dǎo)至一個(gè)或多個(gè)另外的輸出端口的位置，或者移到使一個(gè)進(jìn)入的光束可通過所述反射器上的通道射出的位置。
這也允許僅僅只有M個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，用于實(shí)現(xiàn)任意的輸入端和輸出端之間的切換。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，可以用一個(gè)二維壓電彎曲梁來移動(dòng)所述輸出反射器。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，除了上述可移動(dòng)端口之外，輸出端上集成了端口被動(dòng)陣列，這樣當(dāng)被動(dòng)陣列置于合適位置時(shí)，就可以捕捉任何一個(gè)沒有被輸出端口捕捉的光束。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，將一種衍射光柵應(yīng)用到所述開關(guān)中，這樣，開關(guān)就成為一個(gè)頻選開關(guān)。
在第二個(gè)較寬的獨(dú)立項(xiàng)中，本發(fā)明提供了一種驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置包含兩個(gè)連接到一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的二維壓電曲梁，這兩個(gè)梁共同作用在一個(gè)器件上以對(duì)該器件進(jìn)行定位。該裝置特別有助于在輸入輸出陣列中的準(zhǔn)直器安裝到開關(guān)之前，將準(zhǔn)直器精確放置到輸入輸出陣列上。
作為更進(jìn)一步的補(bǔ)充，正如第一個(gè)較寬的獨(dú)立項(xiàng)中定義的那樣，所述驅(qū)動(dòng)裝置適用于對(duì)光開關(guān)的輸入和/或輸出端口進(jìn)行定位。
在第三個(gè)較寬獨(dú)立項(xiàng)中，本發(fā)明提供了一種光學(xué)開關(guān)，所述光學(xué)開關(guān)包含復(fù)數(shù)個(gè)在應(yīng)用中固定在位置上的輸入端口和輸出端口；第一反射組合，用于捕捉從輸入端口射入的光束并引導(dǎo)一光束射向第二反射組合，第二反射組合用于捕捉從第一個(gè)反射組合中射出的光束并引導(dǎo)一光束射向輸出端；其中，所述反射組合中的一個(gè)是可移動(dòng)的，并可與其對(duì)應(yīng)的固定反射組合進(jìn)行光通訊時(shí)，復(fù)數(shù)對(duì)第一和第二反射組合用以引導(dǎo)光束從一選中的輸入端射向一個(gè)選中的輸出端口。
在第四個(gè)較寬的獨(dú)立項(xiàng)中，本發(fā)明提供了一種光學(xué)開關(guān)，所述光學(xué)開關(guān)包含復(fù)數(shù)個(gè)輸入端和復(fù)數(shù)個(gè)輸出端；第一潛望鏡棱鏡用于捕捉來自輸入端口的一射入光束并引導(dǎo)一光束射向第二潛望鏡棱鏡，第二潛望鏡棱鏡用于捕捉從所述第一潛望鏡棱鏡射出的光束，并引導(dǎo)一光束射向輸出端口；其中，所述潛望鏡棱鏡中的一個(gè)是可移動(dòng)的光學(xué)元件，并可與其對(duì)應(yīng)的潛望鏡棱鏡進(jìn)行光通訊，用以引導(dǎo)一光束從選中的輸入端口射向一選中的輸出端口。
在第五個(gè)較寬的獨(dú)立項(xiàng)中，本發(fā)明提供了一種光學(xué)開關(guān)，所述光學(xué)開關(guān)包含復(fù)數(shù)個(gè)在應(yīng)用中固定在位置上的輸入端口和復(fù)數(shù)個(gè)與上述輸入端口之間進(jìn)行光通訊的輸出端口，第一反射器用于接收來自所述輸入端的光束并引導(dǎo)所述光束射向所述輸出端口；其中，整個(gè)輸出端口或輸出端口中的每一個(gè)集成一個(gè)反射器，該反射器有一個(gè)光通道，使光束可以通過所述反射器并從所述輸出端射出，并且還提供一種裝置，可移動(dòng)上述反射器中的一個(gè)或兩個(gè)到光束被引導(dǎo)至一個(gè)或多個(gè)另外的輸出端口的位置或者移動(dòng)到使一個(gè)進(jìn)入的光束通過所述反射器上的通道射出的位置。


圖1所示的是本發(fā)明采用潛望棱鏡時(shí)的第一實(shí)施例開關(guān)的透視圖。
圖2所示的是本發(fā)明采用多對(duì)可移動(dòng)的潛望棱鏡時(shí)的更進(jìn)一步的實(shí)施例。
圖3所示的是用在光開關(guān)中的四軸驅(qū)動(dòng)裝置。
圖4所示的是用在1×16開關(guān)中的四軸驅(qū)動(dòng)裝置的平面圖。
圖5所示的是一個(gè)非對(duì)稱開關(guān)的平面圖。
圖6所示的是一個(gè)輸出可移動(dòng)的平面鏡和準(zhǔn)直器組合的平面圖。
圖7所示的是圖5中所示的非對(duì)稱開關(guān)的更進(jìn)一步的實(shí)施例，圖8所示的是一個(gè)滑動(dòng)開關(guān)的平面圖。
圖9所示的是有滑動(dòng)桿的開關(guān)的更進(jìn)一步的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1所示的是一個(gè)概念光開關(guān)1有24個(gè)輸入端口2和輸出端口3。在該實(shí)施例中，端口包含棒狀透鏡準(zhǔn)直器4，該準(zhǔn)直器和相應(yīng)的光纖連在一起。在使用時(shí)，輸入端口和輸出端口是固定的。實(shí)際上，在安裝時(shí)，為了得到精確的通過開關(guān)的光通訊通道，每個(gè)端口都是可以被調(diào)整的。每一個(gè)輸出端口3都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的固定的潛望棱鏡，分別是棱鏡5，6，7和8(在圖中只能看到棱鏡8的最下端)。像棱鏡6這樣的潛望棱鏡上有兩個(gè)斜面9和10，這兩個(gè)斜面用來反射光線，以改變光的傳播方向。潛望棱鏡可拉長(zhǎng)，他們的長(zhǎng)度是寬度的好幾倍。在本實(shí)施例中，固定的棱鏡大約是對(duì)應(yīng)的移動(dòng)棱鏡11，12，13，14，15等的一半長(zhǎng)。移動(dòng)棱鏡11通過一個(gè)懸掛臂17與步進(jìn)電機(jī)16連接在一起，懸掛臂17的延伸和步進(jìn)電機(jī)16的轉(zhuǎn)軸垂直，懸掛臂17和棱鏡的連接點(diǎn)大致位于棱鏡的中點(diǎn)。棱鏡11的半徑對(duì)應(yīng)于輸入端口弧的半徑，這樣就可以選擇任意的輸入端口。
移動(dòng)棱鏡的低端和它對(duì)應(yīng)的固定棱鏡相互交疊放置，形成光通道，光束透過移動(dòng)棱鏡進(jìn)入固定棱鏡，然后到輸出。選擇固定棱鏡的半徑以對(duì)應(yīng)于輸出端口弧的半徑，但是固定棱鏡的半徑和移動(dòng)棱鏡的半徑不同，以獲得更好的結(jié)構(gòu)緊湊性。
對(duì)于所有可獲得的光連接來講，這種組合能夠得到一個(gè)固定的物品整體長(zhǎng)度。潛望棱鏡還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是嚴(yán)格的系統(tǒng)角度公差處于直接商業(yè)制造的棱鏡的公差范圍之內(nèi)。更大的優(yōu)點(diǎn)是，棱鏡的光學(xué)特性和棱鏡的徑向以及軸向定位無關(guān)。唯一的要求是棱鏡的旋轉(zhuǎn)軸需同心，這是一個(gè)嚴(yán)格的誤差要求，但是可以采用現(xiàn)有的商業(yè)應(yīng)用的定位齒輪頭來滿足公差要求。
一個(gè)可行的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可能需要有20步/周的速度，通過一個(gè)120∶1的高精度無縫隙齒輪頭，在不用微步進(jìn)的情況下獲得0.15°的步距。在半徑為12mm的棱鏡臂的末端，0.15°的步進(jìn)相當(dāng)于30μm的步進(jìn)距，這樣，系統(tǒng)就可以擁有良好的分辨率以及可接受的電機(jī)丟步。
本實(shí)施例中的輸入端口可以在一個(gè)半徑12mm的弧上間隔2mm集成24個(gè)準(zhǔn)直器。棱鏡的尺寸為1*1*13mm3，兩個(gè)端面是45°的斜面，這樣，在棱鏡內(nèi)就有一個(gè)12mm的光程。采用霍爾效應(yīng)傳感器和小磁鐵檢測(cè)，通過檢測(cè)棱鏡和磁鐵通過時(shí)的反向通量，就可以確定步進(jìn)零點(diǎn)。本發(fā)明還考慮了其他潛在可行的開關(guān)。比如，一個(gè)開關(guān)有一個(gè)輸入端口弧和一個(gè)輸出端口弧，輸入弧和輸出弧都集成了復(fù)數(shù)個(gè)的準(zhǔn)直器，輸入弧和輸出弧都可以支持很多準(zhǔn)直器端口。輸入端口和輸出端口都設(shè)計(jì)成在使用時(shí)只需要安裝一次。在輸入端口和輸出端口之間，有兩種不同的移動(dòng)開關(guān)器件。一種移動(dòng)開關(guān)器件由包含一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，該旋轉(zhuǎn)電機(jī)的軸可以以不同的角度定位精度來驅(qū)動(dòng)，該軸可以通過一個(gè)盤和移動(dòng)棱鏡連接在一起，該盤上有依照移動(dòng)棱鏡的尺寸并可容納移動(dòng)棱鏡的槽。在與棱鏡相反的徑向上，連接在盤子上的懸臂的末端有一塊磁鐵。一塊磁鐵可以構(gòu)成一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器的一部分，該霍爾效應(yīng)傳感器位于一個(gè)轉(zhuǎn)子的支撐桿件的下部。為了減少安裝時(shí)間和提高精確度，每一個(gè)旋轉(zhuǎn)棱鏡軸包含一個(gè)基于電感編碼或電容編碼印刷電路板之類的編碼裝置，而不是霍爾效應(yīng)傳感器組合。
旋轉(zhuǎn)棱鏡將光束轉(zhuǎn)到準(zhǔn)直器上的固定棱鏡。僅僅通過采用一個(gè)移動(dòng)棱鏡組合就可以建立起準(zhǔn)直器和對(duì)應(yīng)端口陣列的中心準(zhǔn)直器之間的光通道。本實(shí)施例中的中心準(zhǔn)直器在圖上沒有顯示出來，但其沿著棱鏡的旋轉(zhuǎn)軸精確定位。
適當(dāng)?shù)那闆r，伺服電機(jī)將取代圖中所示的步進(jìn)電機(jī)得到應(yīng)用。為了保留足夠的穿過開關(guān)的旋轉(zhuǎn)量，考慮使用效率低于50％齒輪頭或者在輸出端增加一個(gè)摩擦板或者在輸出端添加一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制的閘。如果需要更快的速度，可以采用直接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)(比如沒有齒輪頭，棱鏡直接連接在軸上)。還可考慮采用壓電盤式電機(jī)，該壓電盤式電機(jī)可以形成一個(gè)非常緊湊的驅(qū)動(dòng)器或者，作為備用方案，可以采用壓電-英寸(piezo-inch)蝸桿陣列來驅(qū)動(dòng)用于固定棱鏡的輪子或者圓盤的邊緣。
每個(gè)準(zhǔn)直器都被固定在一個(gè)圓環(huán)中，準(zhǔn)直器的前端被固定在第一個(gè)彎板內(nèi)，而準(zhǔn)直器的后端被固定在一個(gè)彎板內(nèi)。準(zhǔn)直器將會(huì)通過彎曲物上適當(dāng)位置上開的孔來固定。彎曲物被夾緊在一個(gè)中心環(huán)和前端一個(gè)可以移動(dòng)的環(huán)之間，而彎板被夾緊在一個(gè)中心環(huán)和尾部環(huán)之間。這些環(huán)通過螺紋機(jī)構(gòu)或者其他適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)被連接在一起。在彎板的最外上部，除了兩個(gè)附加的孔眼之外，每個(gè)彎板中還有一個(gè)圖案(cut-out)，該圖案可以用于調(diào)整準(zhǔn)直器相對(duì)于它的支撐結(jié)構(gòu)之間的位置以獲得通過開關(guān)的最好的光通道。
另一個(gè)可供選擇的開關(guān)包含一個(gè)和輸出陣列相連的輸入陣列。一個(gè)陣列的每一個(gè)準(zhǔn)直器都對(duì)應(yīng)一個(gè)與旋轉(zhuǎn)潛望棱鏡光連接的固定棱鏡，該旋轉(zhuǎn)潛望棱鏡有一個(gè)可選擇的半徑，以捕捉從另一個(gè)陣列的任意一個(gè)輸入準(zhǔn)直器射出的光束。由一連串棱鏡組成的槽型棱鏡對(duì)輸入陣列中的準(zhǔn)直器進(jìn)行隔行掃描，當(dāng)潛望棱鏡圍繞開關(guān)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，槽型棱鏡就可以捕捉從準(zhǔn)直器弧或者棱鏡弧出來的光束。單個(gè)可以移動(dòng)的潛望棱鏡圓盤可以通過齒輪結(jié)構(gòu)用安裝在圓盤側(cè)面的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，以獲得最大的系統(tǒng)緊湊性。
可以制造改進(jìn)的光學(xué)開關(guān)，該光學(xué)開關(guān)有大約24個(gè)輸入端口，和5個(gè)輸出端口進(jìn)行操作連接。端口集成一個(gè)與光纖連接的棒狀透鏡準(zhǔn)直器，該光纖通過兩個(gè)彎曲物支撐到一個(gè)環(huán)形支撐件上。每一個(gè)準(zhǔn)直器都被支撐到它對(duì)應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)上。每個(gè)出口都和一個(gè)潛望棱鏡有光學(xué)連接，潛望棱鏡被固定定位以捕捉從開關(guān)中心軸來的光束，并將這些光束反射至輸出端口。每一個(gè)固定棱鏡與可繞開關(guān)中心軸旋轉(zhuǎn)的移動(dòng)棱鏡一起動(dòng)作，以捕捉從任意輸入端口射出的光線。
潛望棱鏡可以和旋轉(zhuǎn)圓盤連接在一起。在旋轉(zhuǎn)圓盤的最外圍有很多小孔，在適當(dāng)?shù)奈恢每梢宰尮饩€通過。圓盤驅(qū)動(dòng)輪與圓盤嚙合，圓盤驅(qū)動(dòng)輪靠和步進(jìn)電機(jī)之類的旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸直接連接的渦輪驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪，渦輪和旋轉(zhuǎn)電機(jī)協(xié)同動(dòng)作。一個(gè)開關(guān)可以集成五個(gè)位移機(jī)構(gòu)，這些位移機(jī)構(gòu)通過一系列的縱向梁連接在一起。每一個(gè)環(huán)都包含很多投影孔眼，以允許適當(dāng)?shù)墓饩€通過。
這些開關(guān)可以采用模塊方式來制造。一個(gè)開關(guān)可以集成20個(gè)中間驅(qū)動(dòng)器而不是前面所述的5個(gè)驅(qū)動(dòng)器來構(gòu)建。每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器都集成一個(gè)固定圓盤，該圓盤和棱鏡連接在一起，用于捕捉從端口出來的光線，并引導(dǎo)光線通往中央開關(guān)軸。每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器還集成了一個(gè)可移動(dòng)圓盤，該圓盤上有第二個(gè)可移動(dòng)的棱鏡，可以引導(dǎo)光線通往一個(gè)端口。每個(gè)單個(gè)的驅(qū)動(dòng)器單元都和它相鄰的驅(qū)動(dòng)器或末端的支撐結(jié)構(gòu)連接在一起，形成一個(gè)互鎖關(guān)系，就像末端支撐單元的投影和驅(qū)動(dòng)器單元的投影嚙合在一起一樣。
此開關(guān)設(shè)計(jì)為擁有96端口*20端口。
圖2所示為一個(gè)可選擇的驅(qū)動(dòng)棱鏡對(duì)組合。在這個(gè)架構(gòu)中，兩個(gè)棱鏡關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)。只要軸88轉(zhuǎn)動(dòng)，棱鏡86和棱鏡87就會(huì)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。第二個(gè)棱鏡對(duì)分別是棱鏡89和棱鏡90，他們通過光學(xué)聯(lián)結(jié)物91連接在一起。該系統(tǒng)允許光線的偏轉(zhuǎn)，就像圖中所示的點(diǎn)劃線92和點(diǎn)劃線93那樣。
開關(guān)和濾波片中的類似于準(zhǔn)直器之類光學(xué)器件要求精確定位，以對(duì)光進(jìn)行有效的耦合。圖3展示了平行放置的兩個(gè)2維壓電驅(qū)動(dòng)器，壓電驅(qū)動(dòng)器梁94和壓電驅(qū)動(dòng)器梁95的應(yīng)用。這些驅(qū)動(dòng)器梁在他們的最末端支撐到任意的適當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)96和支撐結(jié)構(gòu)97。壓電驅(qū)動(dòng)器梁在他們的最前端98和99分別連接延伸桿100和101。延伸桿101通過它的包含有兩個(gè)已知種類的彎曲物的固定物103與準(zhǔn)直器102連接在一起。在一個(gè)可行的實(shí)施例中，每一個(gè)2D壓電驅(qū)動(dòng)器梁在長(zhǎng)度為31mm，在尖端的X方向和Y方向上有一個(gè)+/-125μm的位移。設(shè)計(jì)延伸桿100來驅(qū)動(dòng)光纖以獲得+/-375μm的位移。延伸桿101長(zhǎng)46mm，適合于驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)直器末端以在尖端位置獲得+/-500μm的位移。舉例來說，這樣的架構(gòu)可以獲得+/-0.2mm的位移和準(zhǔn)直器光纖末端周圍+/-0.3mm/10mm的徑向傾斜。在光程為130mm，在被動(dòng)準(zhǔn)直器組合上的100mm路徑長(zhǎng)度(2mrad，0.12°)內(nèi)有+/-200μm的定位精度的情況下，可以在X方向和Y方向獲得+/-4mm的覆蓋。這對(duì)于圖4所示的1*16開關(guān)是非常合適的。
位置和角度傳感可以通過像圖中所示的104那樣的傳感器板上的一組8個(gè)電極來完成，他們由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的分離信號(hào)激勵(lì)。準(zhǔn)直器尖端通過的孔的四周的四個(gè)電極和另外四個(gè)位于和金屬平板傳感器環(huán)對(duì)面放置的傳感器板的平坦區(qū)域上的電極耦合到準(zhǔn)直器上，這樣可以放大傳感器輸出。本發(fā)明還考慮采用圖3中所示的兩個(gè)一組的二維壓電驅(qū)動(dòng)器，作為工具來調(diào)整本發(fā)明之前或者是正在使用的那些開關(guān)中的準(zhǔn)直器的位置。這樣一對(duì)二維壓電驅(qū)動(dòng)器完全可以繼續(xù)調(diào)諧每個(gè)輸入輸出環(huán)固定端口的位置。
圖5，圖6，圖7展示了更進(jìn)一步的緊湊型M*N開關(guān)的實(shí)施例，在這些開關(guān)中，對(duì)于輸入輸出端的M+N個(gè)準(zhǔn)直器，只有M個(gè)驅(qū)動(dòng)器。
開關(guān)105有16輸入/輸出端口106，每一個(gè)端口都有它自己的準(zhǔn)直器和光纖。這些端口組成了一個(gè)被動(dòng)陣列部件。從被動(dòng)陣列射出的光線通過一個(gè)將光線聚焦到固定面鏡108上的透鏡107。固定面鏡雖然在圖中顯示為一個(gè)凹面鏡，但實(shí)際上它是一個(gè)平面鏡。固定面鏡108將光線偏轉(zhuǎn)至圖中所示的凹面鏡109上，這樣，2D壓電驅(qū)動(dòng)器110能夠定位在凹面鏡(在凹面鏡后面有瞄準(zhǔn)光纖)上未金屬化的孔111，以截取它從平面鏡接收到的任意光束。如果沒有光束直接射到孔內(nèi)的準(zhǔn)直器板上，這些光束將改變方向，射向固定平面鏡至下一個(gè)凹面鏡。光束在反射回來后在固定平面鏡和凹面鏡之間往復(fù)，如果充分定位，光束肯定會(huì)被其中的一個(gè)孔接收到。一種更進(jìn)一步的固定準(zhǔn)直器陣列和最后一個(gè)凹面鏡112或者固定平面鏡之間形成光通道，以接收沒有進(jìn)入任何一個(gè)孔內(nèi)的光束。凹透鏡/光纖組合安裝在已知類型的二維壓電驅(qū)動(dòng)器末端，該壓電驅(qū)動(dòng)器有效地圍繞驅(qū)動(dòng)器中心旋轉(zhuǎn)凹透鏡/光纖組合。鏡子的球形表面中心定位在該旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，使從凹透鏡反射回來的光束的光路和被開關(guān)接收的光束的光路之間互不影響。一個(gè)二維感性傳感器陣列113用來感知光學(xué)器件的位置，并和控制電路114形成至壓電驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)反饋環(huán)，這樣，用戶可以選擇理想的開關(guān)設(shè)置。固定面鏡108是一個(gè)焦距長(zhǎng)度和移動(dòng)面鏡111焦距相等的凹面鏡陣列。圖中所示的單模(SMF28，1550nm)光纖4*16開關(guān)。驅(qū)動(dòng)器梁31mm長(zhǎng)，橫截面積為1.5mm2，固定面鏡和移動(dòng)面鏡之間的光程是15.5mm。光束在位于面鏡之間中心點(diǎn)的腰部有一個(gè)7.75mm的瑞利長(zhǎng)度，而在面鏡上有一個(gè)80μm的高斯光束直徑。在面鏡上，像的分離度是160μm。驅(qū)動(dòng)器末端的位移能力是+/-240b。移動(dòng)面鏡上空孔面積是160μm2，而孔的總面積是1.3mm2。光束面鏡/驅(qū)動(dòng)器斜度是2mm。為了得到有效的凹透鏡和沒有涂層的面鏡厚度，對(duì)輸出準(zhǔn)直器的波前進(jìn)行調(diào)整。準(zhǔn)直器陣列106有一個(gè)0.25mm的斜度，并和第一個(gè)固定鏡透鏡有一個(gè)25mm的距離，光束直徑是125μm.。透鏡107是一個(gè)聚光能力非常強(qiáng)的透鏡，焦距是24mm。
本發(fā)明還設(shè)想采用傳統(tǒng)的一維壓電驅(qū)動(dòng)器和傳感器來構(gòu)建一維被動(dòng)校直準(zhǔn)直器陣列。本發(fā)明還設(shè)想采用有輸出準(zhǔn)直器被動(dòng)陣列的固定面鏡來采集沒有交換到驅(qū)動(dòng)端口的光束。在需要的情況下，殘留的光束在陣列末端通過開關(guān)被反射回輸入準(zhǔn)直器。
本發(fā)明還考慮采用凹面鏡/準(zhǔn)直器組合，該凹面鏡/準(zhǔn)直器組合是固定的，而固定面鏡的凹面鏡器件可以單獨(dú)的傾斜。這要求準(zhǔn)直器周圍的面鏡有足夠多的孔，在面鏡中心的輸出光纖在陣列影像上時(shí)，可以反射整個(gè)陣列影像。這還要求，如果同樣輸出維持在沒有交換的端口上時(shí)，調(diào)整傾斜面鏡器件，以保證以前傾斜面鏡的運(yùn)動(dòng)的正確性。固定面鏡可以用一個(gè)同樣的驅(qū)動(dòng)面鏡和輸出光纖組合來取代。
可以用一維的一個(gè)或多個(gè)后面有衍射器件和合適光學(xué)器件的準(zhǔn)直器垂直陣列來取代被動(dòng)準(zhǔn)直器陣列，這樣光束匯聚在固定面鏡的同一個(gè)凹面器件上。這樣，系統(tǒng)就可以從大量的光束中采集需要的波長(zhǎng)了。在使用非色散開關(guān)時(shí)，一個(gè)相似的(光學(xué)/色散器件準(zhǔn)直器)組合和開關(guān)的末端連接在一起，用來采集沒有被使用的光束，并將它們傳回光纖。另外，用一個(gè)反射器件將光束傳回開關(guān)，重新利用衍射光柵和光學(xué)器件，將沒有轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)傳回光纖。
圖6展示了光纖準(zhǔn)直器115和面鏡116的組合。圖7分別展示了背對(duì)背的驅(qū)動(dòng)器側(cè)面示意圖。在這種架構(gòu)中，第一個(gè)壓電梁117和面鏡118連接在一起，而第二個(gè)壓電梁119和第二個(gè)面鏡120連接在一起。在使用中，只要調(diào)整了面鏡的位置，開關(guān)選擇的光束就可以通過孔121，而剩余的光束反射至面鏡118或者它的孔122。
圖8以開關(guān)123的形式展示了本發(fā)明的一個(gè)更進(jìn)一步的實(shí)施例。開關(guān)123有五個(gè)輸入端124和3個(gè)輸出端125，滑塊126，127，128分別用來保護(hù)位于一端的準(zhǔn)直器129，130，131。通過滑塊驅(qū)動(dòng)M1，M2和M3的驅(qū)動(dòng)，這些準(zhǔn)直器和他們各自的滑塊一起移動(dòng)。需要對(duì)光纖進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚员ＷC這三個(gè)輸出準(zhǔn)直器的移動(dòng)。每個(gè)滑塊都包含棱鏡132，133和134。這些棱鏡都有一個(gè)棱面135，用于將從輸入準(zhǔn)直器來的光束反射至129這樣的輸出準(zhǔn)直器。依靠這些棱鏡的定位，任何從輸入準(zhǔn)直器射出的光線都會(huì)被捕捉到，并被轉(zhuǎn)至合適的輸出準(zhǔn)直器。
圖9a，圖9b，圖9c，和圖9d分別展示了本發(fā)明的一個(gè)可選擇的實(shí)施例的相應(yīng)視圖。該實(shí)施例有兩個(gè)固定于線性滑塊上的準(zhǔn)直器陣列136和137。準(zhǔn)直器陣列137面對(duì)準(zhǔn)直器陣列136，這兩個(gè)準(zhǔn)直器陣列在相對(duì)于彼此的正確的角度方向上線性滑動(dòng)。這樣，在端口1和端口4之間就可以建立光連接，端口4和端口5之間建立光連接，端口3和端口6之間建立光連接(見圖9c)。可以調(diào)整不同準(zhǔn)直器的位置，這樣，比如，在端口1和端口5之間就可以建立光連接，端口2和端口4之間建立光連接，端口3和端口6之間建立光連接(見圖9c)。這樣的架構(gòu)可以在任意的輸入和輸出端口之間建立光連接，而可以避免在開關(guān)的重新架構(gòu)過程中堵塞光路。這樣還可以在輸入和輸出準(zhǔn)直器之間實(shí)現(xiàn)零光程。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)開關(guān)包括復(fù)數(shù)個(gè)輸入端口和復(fù)數(shù)個(gè)輸出端口；復(fù)數(shù)個(gè)可移動(dòng)的光學(xué)元件以引導(dǎo)光束從一個(gè)選定的輸入到一個(gè)選定的輸出；其特征在于可移動(dòng)元件的數(shù)量與輸入端口的數(shù)量或者輸出端口的數(shù)量相對(duì)應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述的復(fù)數(shù)個(gè)輸入端口和復(fù)數(shù)個(gè)輸出端口位置固定；所述開關(guān)包括一第一反射組合從一個(gè)輸入端口捕捉一光束并且引導(dǎo)一光束至一第二反射組合，所述第二反射組合捕捉從所述第一反射組合射出的光束并且引導(dǎo)一光束到達(dá)一輸出端口；其中所述的反射組合之一為所述的可移動(dòng)光學(xué)元件，該可移動(dòng)光學(xué)元件與相應(yīng)的固定的反射組合通訊，并且提供復(fù)數(shù)對(duì)第一和第二反射組合用以引導(dǎo)一光束從一選定的輸入端口至一選定的輸出端口。
3.如權(quán)利要求1所述光學(xué)開關(guān)，包括一個(gè)第一潛望鏡棱鏡用以從輸入端口捕捉一光束并引導(dǎo)一光束至一第二潛望鏡棱鏡，所述第二潛望鏡棱鏡捕捉從所述第一潛望鏡棱鏡射出的一光束并且引導(dǎo)一光束到達(dá)一個(gè)輸出端口；其特征在于所述潛望鏡棱鏡之一是所述的可移動(dòng)光學(xué)元件，與其相應(yīng)的潛望鏡棱鏡通訊以引導(dǎo)一光束從一選定的輸入端口至一選定的輸出端口。
4.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述的反射組合之一或兩個(gè)都是棱鏡。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述棱鏡是一種潛望鏡棱鏡。
6.如權(quán)利要求2及之后所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述輸入端口和/或輸出端口制成各自的弧形，并且所述的移動(dòng)為旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，且所述第一和第二反射組合沿著旋轉(zhuǎn)的軸線通訊。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述輸入端口和輸出端口的弧線是同心的。
8.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述第一和第二反射組合都是具有不同長(zhǎng)度的潛望鏡棱鏡，所述長(zhǎng)度分別與輸入端口和輸出端口弧線的半徑相對(duì)應(yīng)。
9.如權(quán)利要求2及之后所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于開關(guān)期間向一個(gè)可移動(dòng)的反射組合提供可將其移動(dòng)到某一個(gè)位置的裝置，在該位置處，當(dāng)在移動(dòng)期間，所述組合不會(huì)干涉目標(biāo)開關(guān)端口以外的端口之間的通訊。
10.如權(quán)利要求2及之后所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于一個(gè)或多個(gè)端口集成了一個(gè)棒狀透鏡，所述棒狀透鏡用至少兩個(gè)從透鏡向支撐結(jié)構(gòu)在棒狀透鏡縱軸的垂直方向上延伸的彎曲物支撐在彎曲固定架上，彎曲物的間隔放置以使得其相對(duì)支撐位置改變可以改變上述棒狀透鏡的位置。
11.如權(quán)利要求2及之后所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于一個(gè)槽型棱鏡位于所述輸入端口和/或所述輸出端口的前面。
12.如權(quán)利要求2及之后所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述可移動(dòng)反射組合的移動(dòng)可以通過垂直堆疊于開關(guān)縱軸的復(fù)數(shù)個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，且用一個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)將所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接到所述可移動(dòng)反射組合上，以便所述反射組合沿開關(guān)的縱軸旋轉(zhuǎn)。
13.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述復(fù)數(shù)個(gè)輸入端固定在其位置上，所述復(fù)數(shù)個(gè)輸出端與所述輸入端之間進(jìn)行光通訊；所述開關(guān)包括一個(gè)第一反射器，用于接收來自所述輸入端光束，并引導(dǎo)這些光束至所述輸出端；其中，整個(gè)或每個(gè)輸出端也集成一個(gè)反射器，該反射器有一個(gè)光通道，所述光通道允許一光束通過所述反射器，并從上述輸出端射出，還可提供一種裝置，可移動(dòng)所述反射器中的一個(gè)或兩個(gè)到光束可被引導(dǎo)至一個(gè)或多個(gè)另外的輸出端口的位置，或者到使一個(gè)進(jìn)入的光束可通過所述反射器上的通道射出的位置。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述輸出端反射器由一個(gè)二維壓電彎曲梁來移動(dòng)。
15.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于除所述可移動(dòng)端口之外，輸出端上集成了一端口被動(dòng)陣列。
16.如權(quán)利要求13及之后任意一項(xiàng)所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述開關(guān)還包括一衍射光柵。
17.一種驅(qū)動(dòng)裝置，包括兩個(gè)連接到一支撐結(jié)構(gòu)的二維壓電彎曲梁；其特征在于所述梁共同作用于一個(gè)器件上以對(duì)該器件進(jìn)行定位。
18.如權(quán)利要求17所述的驅(qū)動(dòng)裝置，適用于對(duì)如權(quán)利要求1中所述的光開關(guān)的輸入和/或輸出端口進(jìn)行定位。
19.一種光學(xué)開關(guān)，參考上文中所描述的內(nèi)容和/或用附帶的正文和/或附圖的任意恰當(dāng)組合來說明。
20.一種驅(qū)動(dòng)裝置，參考上文中所描述的內(nèi)容和/或用附帶的正文和/或附圖的任意恰當(dāng)組合來說明。
21.一種光學(xué)開關(guān)，包括復(fù)數(shù)個(gè)在應(yīng)用中固定在位置上的輸入端口和輸出端口；一第一反射組合，用于捕捉來自輸入端口的光束并引導(dǎo)一光束射向一第二反射組合，所述第二反射組合捕捉從第一反射組合中射出的光束并引導(dǎo)一光束射向輸出端；其特征在于，所述反射組合中的一個(gè)是可移動(dòng)的，同時(shí)與其相對(duì)應(yīng)的固定反射組合進(jìn)行通訊，并且有復(fù)數(shù)對(duì)第一和第二反射組合以引導(dǎo)一光束從一選中的輸入端口射向一個(gè)選中的輸出端口。
22.一種光學(xué)開關(guān)，包括復(fù)數(shù)個(gè)輸入端和復(fù)數(shù)個(gè)輸出端；一個(gè)第一潛望鏡棱鏡用于捕捉來自輸入端口的一光束并引導(dǎo)一光束射向一第二潛望鏡棱鏡，所述第二潛望鏡棱鏡用于捕捉從所述第一潛望鏡棱鏡射出的光束，并引導(dǎo)一光束射向輸出端口；其特征在于，所述潛望鏡棱鏡中的一個(gè)是可移動(dòng)的光學(xué)器件，并與其相對(duì)應(yīng)的潛望鏡棱鏡進(jìn)行光通訊，以引導(dǎo)一光束從選中的輸入端口射向一個(gè)選中的輸出端口。
23.一種光學(xué)開關(guān)，包括復(fù)數(shù)個(gè)在應(yīng)用中固定在位置上的輸入端口和復(fù)數(shù)個(gè)與所述輸入端口之間進(jìn)行光通訊的輸出端口；一個(gè)第一反射器用于接收來自所述輸入端的光束并引導(dǎo)這些光束射向所述輸出端口；其特征在于，整個(gè)輸出端口或輸出端口中的每一個(gè)也集成一個(gè)反射器，該反射器有一個(gè)光通道，使光束可以通過所述反射器并從所述輸出端射出，并且還提供一種裝置，可移動(dòng)上述反射器中的一個(gè)或兩個(gè)到光束可被引導(dǎo)至一個(gè)或多個(gè)另外的輸出端口的位置或者移動(dòng)到可使一個(gè)進(jìn)入的光束通過所述反射器上的通道射出的位置。
全文摘要
一種光學(xué)開關(guān)包括復(fù)數(shù)個(gè)輸入端口和復(fù)數(shù)個(gè)輸出端口；復(fù)數(shù)個(gè)可移動(dòng)的光學(xué)元件來引導(dǎo)光束從一個(gè)選定的輸入到一個(gè)選定的輸出；其中可移動(dòng)元件的數(shù)量相當(dāng)于輸入端口的數(shù)量或者輸出端口的數(shù)量。
文檔編號(hào)G02B6/35GK101014892SQ200580030318
公開日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
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