光开关的制作方法

专利名称：光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种光开关，并且特别涉及到含多个输入、输出端口， 和在输入、输出端口之间影响开关效果的多个可位移光束操控装置的光 开关。
背景技术：
本发明相关的背景技术可以分为以下几类第一类现有技术中涉及到包含面向多个固定的输出端口的单个可位 移光束操控装置的光开关。有很多关于此类光开关的例子，美国专利 US6， 335, 993B1 (Takahashi)中，提供了固定在围绕中心轴旋转的转盘上 的单个可位移准直器；美国专利US4， 896， 935 (Lee)中，提供了可旋转以 指向 一 组径向伸展的准直器的单个可移动准直器；美国专利 US657, 339 (Fick)中，提供了一种单个可位移光纤，通过一维压电装置的 伸缩，上述光纤能在两个固定光纤所在的位置间弯曲。本类技术的其它 例子多为以下结构包含单个固定的输入端口和多个固定的输出端口 ， 一可位移的光学元件来获得开关的效果，例如日本专利 JP2004287124 (Nin Sensho)和加拿大专利CA2002386309 (Sun De-Gui)。在美国专利US2003/0072520 (Wu et al )， US5, 436, 986 (Tsai);和 曰本专利JP58072108 (Matsui)等中也提供了包括单个可位移光束操控 装置的光开关的例子。欧洲专利EP0496224A2也可以列入此类，它公开 一个双端口光开关，通过单个激励器的动作使其透镜产生位移，可位移 光束操控装置移动的同时透镜也同时发生移动。第二类现有技术4是供了多个输入、输出开关，激励器的数目等于端 口的总数。换句话说，此类光开关通常需要输入、输出端口的移动来达 到开关的效果。专利W001/50176 (Polatis), WO02/43432 (Arol)，美国 专利US6, 256， 429 (Ehrfeld et al), US6， 005, 998 (Lee)中，公开了每一 个端口至少有一个激励器。换句话说，如果总共有M+N个端口，至少应该有M+N个激励器来移动光学元件。美国专利US6, 859，120(Sweatt William et al)也公开了一种在光开关的输入、输出端两侧都使用激励 器的系统。
第三类现有光开关4支术中，采用了至少两个在输入、输出端口的固 定阵列间的可位移光学器件。例如，美国专利US6， 456， 751B1 (Bowers et al)公开了两个微激励的反射镜阵列的使用。此外，日本专利 JP2001350105公开了在一种多输入多输出的光开关中，采用了包括至少 两个可移动的棱镜的棱镜组，该棱镜组可以实现光束从一个端口切换到 另外一个端口 。该类开关同样需要至少有和其总端口数目相同的激励光 学元件。
第四类现有的光开关技术中，采用了和输入端口或者输出端口数目 相同的光束操控装置。美国专利US2002/0003919 (Morimoto)提供了包括 和输入端口数目相同的可倾斜的光束操控装置。但是，因为输入光束经 过所有反射镜呈扇形扩散，使损耗增加，导致不能够把光束完整的从输 入端口传输到输出端口。因此，光束操控装置基本上不能截取从输入端 口进入的完整光束，并随后将一个光束导向至输出端口通道当中。此外， 现有技术当中，可位移装置不能在基本上完整光束的截取位置上移入和 移出，它们仅能围绕某个点旋转，而不是在能够实现单独截取的位置上 移入或者移出。

发明内容
根据本发明的第 一 个主要的独立方面，本发明提供了 一种光开关， 其中包括N个输入端口； M个输出端口；多个在开关过程中进行位移的 可位移光束操:控装置；N大于等于3， M大于等于2;可位移装置的数目 基本上对应于N或者M;其中，在来自所述输入端口基本完整光束的截 取位置，所述的可位移装置能够实现移入或移出，并导向所述光束通过 一通道至所述^T出端口 。
在上述结构中，对于等于或大于3x2的光开关，仅需配置N或者M 个可位移装置，减少了所需激励器的数目，同时降低了获得的交叉开关 损耗，减少可位移部件同时可增强了系统的紧凑性，提高了成本效率。这些特点也使得控制系统大大简化。
在本发明的一个辅助方面，光束操控装置包括 一个第一反射组件， 其功能为截取从输入端口进入的光束，并将其导向至一个第二反射组件 上； 一个第二反射组件，其功能为截取从第一反射组件射出的光束，并 导向光束至一输出端口；其中，所述第一反射组件和第二反射组件都是 可以移动的。上述构造具有诸多优点，它能够在多输入多输出的系统中 实现高质量的切换；同时，与每一个端口都配置一激励器的系统相比， 这种结构具有更高的紧凑性。
在本发明的另一辅助方面，所述光束操控装置包括 一个第一反射 组件，其功能为截取从输入端口进入的光束，并导向光束至第二反射组 件上； 一个第二反射组件，其功能为截取从第一反射组件射出的光束， 并导向光束至一输出端口；其中，在切换过程中，所述第一反射组件是 可移动的，所述第二反射组件是固定的。这种结构进一步提高了切换的 精确性。
在本发明的另一辅助方面，多对第一和第二反射组件能够将光束从 指定的输入端口导向至指定的输出端口 。
在本发明的另一辅助方面，所述的可位移光束操控装置为一反射组 件，在第一种位移才莫式下，在使用过程中，所述反射组件在从第一输入 端口射出光的光路中是可伸缩的；在第二种位移模式下，所述的反射组 件可以移动到能够接收来自另 一个输入端口的光束的位置，在位移的过 程中，没有和在所述第一端口和所述另 一端口之间的其它输入端口发生 干扰。这样就避免了在切换过程中切断其它建立的通道，具有明显的优 势。因此，它允许切换是"无中断"的。
在本发明的另一辅助方面，输入端口按弧形排列；在上述第一种位 移模式下，所述反射组件能够大致径向伸缩；在上述第二种位移模式下， 所述反射组件在所述第一端口和所述另 一端口之间是可以旋转的。这种 结构避免了在可重复的、可靠的、精确的工作才莫式下已建立通道的中断。
在本发明的另一辅助方面，所述反射组件为潜望镜构件，这就保证
了切换的精确性和可靠性，同时，提高了系统的紧凑性。
在本发明的另一辅助方面，所述反射组件包括潜望棱镜，该潜望棱镜是能够获得所需光质量、并且在必要时能将其自身相对地直接置换的
体光学元件的一个实例；同时，使开关的标度范围容易得到提高。
在本发明的另一辅助方面，所述反射组件通过弯曲部件，呈辐射状 置于可旋转基座上。所述光开关进一步还包括激励器，该激励器能够使 所述潜望镜构件靠所述弯曲部件的弹力做径向位移。在改进的有效方法 中，就可以实现以激励器较小的位移获得反射组件相对较大的位移。
在本发明的另一辅助方面，激励器为一细长的压电激励器，所述压 电激励器一端与所述的基座相连，在其可位移的另一端通过弯曲部件与 所述的潜望镜构件相连。上述结构具有使光开关更加紧凑合理的优势。
在本发明的另 一辅助方面，为了限制所述潜望镜构件的位移范围， 所述潜望镜构件在所述基座上的两个支墩中间设置了 一个凸起。
在本发明的另一辅助方面，所述的反射组件为一潜望镜构件和相邻 的附属第二潜望镜构件，所述潜望镜构件包括上反射面，下反射面和中 间反射镜；所述附属第二潜望棱镜构件用于接收从所述第一潜望镜构件 反射来的光束。
在本发明的另 一辅助方面，所述的中间反射^:为一部分反射镜。 在本发明的另一辅助方面，所述的光开关包括两个潜望镜构件，其
中之一可以旋转，另外一个是固定的。
在本发明的另一辅助方面，所述的光开关包括一对潜望镜构件，其
中的每一个都是独立可旋转的，这样就提供比上述其它结构更大的灵活性。
在本发明的另 一辅助方面，所述可位移装置包括一个第一反射组件 和一个第二反射组件。所述第一反射组件包括一上反射面和一下反射面，
上反射面和下反射面相距第一距离；所述第二反射组件中也包括一上反 射面和一下反射面，上反射面和下反射面相距第二距离；第二距离小于
第一距离。这种结构允许输入和输出端口在多条线上排列，这样就可以 在一定的开关侧获得更多数量的端口 。
在本发明的另一辅助方面，所述端口按照多条弧的某段排列，其中， 至少有一条弧位于外弧之内。
在本发明的另一辅助方面，向内最末端的所述或每个输入端口均终止于一个光学元件，例如在切换过程中位置固定的准直器；向内最末端 的所述或每个输出端口均终止于一个光学元件，例如可被一种光束操控 装置移动的准直器。
在本发明的另一主要的独立方面，本发明提供了多个输入端口、多 个输出端口； 一个第一反射组件，用于捕捉来自输入端口的光束，并将 光束导向至一个第二反射组件，所述第二反射组件用于捕捉从所述第一 反射组件射出的光束，并将光束导向至输出端口。其中，所述的第一反 射组件是可以移动的，包括一个第一潜望镜构件和一个相邻的附属第二 潜望镜构件，所述第一潜望镜构件包括上反射面，下反射面和中间反射 镜；所述附属第二潜望镜构件用于接收从所述第一潜望镜构件反射来的 光束。
在本发明的另一辅助方面，所述的中间反射镜为一部分反射镜。 在本发明的另一主要的独立方面，本发明提供了一种光开关，其中 包括N个输入端口； M个输出端口；多个在开关过程中进行位移的可移 动光束操控装置，在切换过程中，光束才喿控装置移动而无需输入、输出 端口移动。N大于等于3， M大于等于2;其中，在来自所述输入端口的 基本完整光束的截取位置，所述的可位移装置能够实现移入或移出，并 导向所述光束通过一通道至所述输出端口 。


图la为可位移光束操控装置的前视图，其中输入端口的一部分位于 棱镜从相应端口的光路中移出的位置；
图lb为与图la相似的视图，其中棱镜位于截取由相应端口射出的 光束的位置；
图2a示出了光开关的一部分，包括一固定棱镜和一可移动棱镜，其 中可移动的棱镜位于其收缩的位置；
图2b示出了如图2a中所示可收缩的棱^i位于其截取位置；
图3示出了可位移的双棱镜光束才乘控装置，所述操控装置与两固定 棱镜配合运行；
图4为包括两个可位移光束才喿控装置光开关的局部^L图；图5为包括两个可位移光束操控装置光开关的局部视图，操控装置
中， 一个棱4竟要比另外一个短；
图6a为图2a所示光开关的功能性开关结构示意图6b为图2b所示光开关的功能性开关结构示意图7为如图4所示的具体实施例的功能性开关结构示意图8为在旋转棱镜对中间插入的固定棱镜的具体实施例的功能性开
关结构示意图9为如图5所示光开关的功能性开关结构示意图IO示出了光开关的另一个具体实施例，其中输入准直器固定，输
出准直器可移动。
具体实施例方式
图la示出了光束操控装置1，也是多个光束才喿控装置的其中之一。 光束操控装置1以前视图的形式示出，多个输入准直器2位于端口内部 的最末端。说明书中"输入端口"和"输出端口"两个术语经常可以互 换。因为开关是双向的，输入端口可以当作输入端口或者输出端口，这 依赖于端口的功能是输入还是输出。使用者可以根据需要来定义输入端 口和lt出端口。
为阐述清楚起见，"输入/输出"两术语在本文中不互换，此外，"端 口"的定义也被广义化，以便其能够包括最外侧和最内侧的部分。在某 些结构中，以下的情况是可能的最外侧的部分是固定的，而表现为准 直器形式的最内侧的部分是可移动的，如图IO所示的实施例。
输入端口 2在一段弧上按固定的间隔排列。在具体的实施例中，这 段弧可能是整圆。本发明同样包括以下的实施例为了容纳尽可能多的 端口，在光开关的特定侧面可以包括多个不同半径的弧或者圆。如箭头 3所示，光束#:控装置可以顺时针或者逆时针旋转。在适当情况下，光 束操控装置可以绕光开关的纵向中央轴101旋转，光束才喿控装置1的旋 转可以通过适当的驱动方式来实现，如采用步进电^/L。
步进电机或者其它合适的驱动装置传送旋转动作到基座4,基座4 带动潜望棱镜形式的反射组件5和压电激励器6转动。而示出的反射组件为潜望棱镜的形式，其他形式的反射系统也可以;故采用，例如由一系 列的反射镜组成的潜望镜。潜望棱镜5由上斜面7和下斜面8组成。
棱镜的上部由支撑臂9和一系列的弯曲部件(如弯曲部件10和11 )， 连接到基座4上。棱镜5和弯曲部件之间留有一定的空隙以允许棱镜做 径向位移。
在棱镜5的下部，支撑臂12用以保护棱镜，弹性板13将动作传输 部件14和支撑臂12连接起来。动作传输部件是棒或者平板，而且相对 于弹性板13来讲，应该是刚性的。动作传输部件14通过另外一个弹性 部件15连接到基座4的下部。压电激励器6的自由端连接到板17,在 板17和动作传输构件14之间，放入衬垫块16。
压电激励器是由压电材料和电极板构成的交叠层组成的一个整体。 相关的例子可以从申请者以前的专利。>开号WO2002103816 )中找到， 并可作为参考。在上述专利中，提供了二维的压电激励器，而在本实施 例中，应该更倾向于采用一维的压电激励器。
连接线18和19用来驱动压电激励器沿图la和图lb上的箭头20和 21的方向移动。压电激励器的连接线18和19必须足够的灵活，以配合 基座4的旋转。这可以通过一对支持基座旋转的电学绝缘轴承来实现。 此外，连接线的一端还可以通过支持棱镜的消隙弹簧或其他的方法，如 软电线或滑动环来实现。
当被激励时，依照施加在连接线上电压的极性，压电激励器沿箭头 21或20的方向弯曲。由于衬垫块16提供的间隔，就可以得到如图沿箭 头22和23方向的向上或者向下的放大动作。
从图lb可以看出，当压电激励器向其基座4的侧面弯曲时，棱镜上 升，进入到在某种程度上截取光路的位置，在该位置上就可以接收到由 端口 24射出的基本完整光束。由于上斜面7的角度，捕捉的光束被传输 到下斜面8，而后光束被进一步反射到引导光束进入特定输出端口的反 射组件。
棱镜的侧面的凸起为一个端头止挡25，无论当由于压电激励器的作 用，棱镜上升或者下降时，该端头止挡都会倚靠在两个支墩26和27上， 端头止挡12限定了光束的正确位置，在该位置，光束从输入列8射出，而后传输至光开关的中心轴101。它同时避免了当棱镜按照图la所示方 向位移时，超出规定的范围。这样就保证了压电激励器可以用相对简单 的开/关电压控制，而不用在棱镜的位置处使用专门的伺服控制。
图2b示出了棱镜5位于靠上位置时，光开关的简化表示。此时，棱 镜5耦合由输入准直器28进入的光至光开关的中心轴29,而后通过固 定棱镜30进入输出准直器31。作为对比，图2a示出了棱镜5从能够截 取从输入或者输出准直器射出的光路位置收回的一个实施例。在图2a所 示的位置，在定位于截取从光开关的其他端口射出的光束的位置之前， 棱镜5可以自由的如箭头32或者33的方向旋转至合适的半径。
本实施例示出了由一可移动的棱镜和固定棱镜组成的成对光学组件 的使用，本发明还包括两个可移动棱镜组成的棱镜对的使用。为了至少 在光开关的 一侧实现端口的紧凑，本发明中所采用棱镜还可以是不同长 度的。此外，在本发明中，棱镜对的数目基本上等于输入或者输出端口 的数目。
图3示出了光开关另一实施例，其不同之处在于，从固定的准直器 32和33两个方向进入的光能够被惯用的移动双棱镜构件34所捕获。双 棱镜构件34允许接收的光独立的连接到输出准直器35和36,这个双棱 镜系统包括一个第一潜望棱镜37和一个第二潜望棱镜38,第二潜望镜 38与第一潜望棱镜37沿纵向轴39对称放置。棱镜37不同于棱镜38, 它包括在上表面41和下表面42之间的一斜面40，斜面40可以是一全 反射镜，例如一个波长距离或者更长的气隙，或者镀金属或介电材料的 表面，斜面40也可以是一个部分反射镜。当斜面40为部分反射镜时， 光开关允许部分的光在准直器33和32之间传播，同时，当光束由准直 器32射向准直器33时，就会有部分光射向准直器36;而当光束由准直 器33射向准直器32时，就会有部分光射向准直器35。在生产当中，双 棱镜装置的元件可以由两块平行的玻璃板( 一厚一薄)由涂层粘结而成， 而后再沿45度角切成薄板。与此类似，棱镜38被做成厚板。它们粘结 在一起，最后被切成如图3所示的完整的部件。
图4示出了光路中两块棱镜都是可以独立旋转的实施例，此时，棱 镜43和44具有相同的有效长度。图5示出了包括多对不同长度的棱镜45和46的光开关，其中，在 开关的两侧，都能够提供多个环，如环47和48。
图6a和图6b分别为如图2a和图2b所示光开关的功能开关结构示 意图。在图6b中，棱镜5被移动至能够截取由端口 28射出的光束的位 置，而后再通过固定棱镜30射到输出端口 31。如果截取没有发生，例 如端口 50所示，光束没有被棱镜5所截取，而是通过光开关，射至输出 端口51。当棱镜5扫描光束时，随着棱镜5的旋转，开关52a至52e可 能被触发。旋转棱镜5收缩会产生以下的效果棱镜在旋转时不再通过 光束，因此使隐含的寄生开关集52a至52e (图6a )失去功能。
图7为如图4所示光开关的功能开关结构示意图。与此类似，图8 是为了得到额外的输出端口 61、 62、 63、 64,在旋转棱镜对之间插入固 定棱镜的功能开关结构示意图。
图9为如图5所示光开关的功能开关结构示意图。这种结构在功能 上等效于两个如图6b所示的光开关通过他们主要的输出接口 31和65连 接起来后所形成的光开关。
图IO示出了具有3个输入端口 (301， 302和303 )和2个输出端口 (311和312)的光开关结构的具体实施例。在该实施例中，输入端口在 其最内侧位置上并入准直器，该准直器能够引导进入开关内的光通过空 隙304射向输出准直器(例如311和312),光束梯:控装置上下移动以进 入和移出与输入准直器在一条直线上的位置，使由该准直器进入的光线 基本上能全部被截取准直器收到。
权利要求
1. 一种光开关，其包括N个输入端口，M个输出端口；多个可位移光束操控装置，在开关的过程中，该装置可以产生位移；N大于等于3，M大于等于2；所述多个可位移装置的数目对应于N或者M；其特征在于，在来自所述输入端口基本完整光束的截取位置，所述的可位移装置能够实现移入或移出，并导向所述光束通过一通道至所述输出端口。
2. 根据权利要求l所述的光开关，其特征在于，所述光束操控装 置包括 一个第一反射组件，截取来自一输入端口的光束，并将光束导 向至一个第二反射组件，所述第二反射组件截取从第一反射组件射出的 光束，并将光束导向至一个输出端口；其特征在于，所述第一反射组件 和第二反射组件均可移动。
3. 根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光束操控装 置包括 一个第一反射组件，截取来自一输入端口光束，并将光束导向 至一个第二反射组件，所述第二反射组件截取从第一反射组件射出的光 束，并将光束导向至一个输出端口；其特征在于，在开关的过程中，所 述的第 一反射组件是可移动的，所述的第二反射组件是固定的。
4. 根据前述任一权利要求所述的光开关，其特征在于，多对第一 和第二反射组件能够将光束从一个指定的输入端口导向至一个指定的输 出端口。
5. 根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述的可位移光 束操控装置为一反射组件，在第一种位移模式下，在使用过程中，所述 反射组件在从第 一输入端口射出光束的光路中是可以伸缩的；在第二种 位移^t式下，所述的反射组件可以移动到能够接收来自另 一输入端口的 光束的位置，在其位移的过程中，不会和位于所述第一端口和所述另一 端口之间的其它输入端口发生干扰。
6. 根据权利要求5所述的光开关，其特征在于，所述输入端口按 弧形排列；所述反射组件在所述第一种位移模式下，是可以径向伸缩的， 在所述第二种位移^^莫式下，所述反射组件在所述第 一端口和所述另 一端 口之间可以旋转。
7. 根据前述任一权利要求所述的光开关，其特征在于，所述反射 组件为一潜望镜构件。
8. 根据权利要求7所述的光开关，其特征在于，所述的反射组件 包括一潜望棱镜。
9. 根据前述任一权利要求所述的光开关，其特征在于，所述反射 组件通过弯曲部件，呈辐射状安装于可旋转基座上，所述光开关进一步 还包括一激励器，激励器能够使所述潜望镜构件靠所述弯曲部件的弹力 做径向位移。
10. 根据权利要求9所述的光开关，其特征在于，所述激励器为一 细长的压电激励器，所述压电激励器一端与所述的基座相连，其可位移 的另一端与所述的潜望镜构件通过弯曲部件相连。
11. 根据前述任一权利要求所述的光开关，其特征在于，为了限制 所述潜望镜装置的位移，所述潜望镜装置在所述基座上的两个支墩中间 设置一凸起。
12. 根据前述任一权利要求所述的光开关，其特征在于，所述的反 射组件为一潜望镜构件和相邻的附属第二潜望镜构件，所述潜望镜构件 包括一个上反射面， 一个下反射面和一个中间反射镜；所述附属第二潜 望镜构件用于接收从所述第一潜望镜构件反射来的光束。
13. 根据权利要求12所述的光开关，其特征在于，所述的中间反 射镜为一部分反射镜。
14. 根据权利要求7所述的光开关，其特征在于，所述的光开关包 括两个潜望镜构件，其中之一可以旋转，另外一个则是固定的。
15. 根据权利要求7所述的光开关，其特征在于，所述的光开关包 括两个可以独立旋转的潜望镜构件。
16. 根据前述任一权利要求所述的光开关，其特征在于，所述可位 移装置包括一个第一反射组件和一个第二反射组件，所述第一反射组件 包括一上反射面和一下反射面，其中上反射面和下反射面相隔第 一距离； 所述第二反射组件包括一上反射面和一下反射面，其中上反射面和下反 射面相隔第二距离，所述第二距离小于所述第一距离。
17. 根据前述任一权利要求所述的光开关，其特征在于，所述端口按照多条弧的某段进行排列，其中至少有一条弧位于外弧之内。
18. 根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，向内最末端的所 述或每个输入端口均终止于一个光学元件，例如在切换过程中固定的准 直器；向内最末端的所述或每个输出端口均终止于一个光学元件，例如 可被一种光束操控装置移位的准直器。
19. 一种光开关，其包括多个输入端口、多个输出端口； 一个第一 反射组件，用于捕捉来自一输入端口的光束，并将光束导向至一第二反 射组件，所述第二反射组件用于捕捉从所述第一反射组件射出的光束， 并将光束导向至一输出端口；其特征在于，所述的第一反射组件是可以 移动的，包括一个第一潜望镜构件和相邻的附属第二潜望镜构件，所述 第一潜望镜构件包括一个上反射面， 一个下反射面和一个中间反射镜； 所述附属第二潜望镜构件用于接收从所述第一潜望镜构件反射来的光 束。
20. 根据权利要求19所述的光开关，其特征在于，所述的中间反 射镜为一部分反射镜。
21. —种光开关，其中包括N个输入端口； M个输出端口；多个 可位移光束操控装置，在切换过程中，所述光束操控装置移动而无需移 动所述端口； N大于等于3， M大于等于2;其特征在于，在来自所述输 入端口基本完整光束的截取位置，所述的可位移装置能够实现移入或移出，并导向所述光束通过一通道至所述输出端口。
22. —种在上文中以任何恰当的文字和/或图形的组合描述和/或 图示说明的光开关。
全文摘要
一种光开关，其包括N个输入端口，M个输出端口；多个可位移光束操控装置，在开关的过程中，该装置可以产生位移；N大于等于3，M大于等于2；所述多个可位移装置的数目大体上对应于N或者M；其中，在来自所述输入端口基本完整光束的截取位置，所述的可位移装置能够实现移入或移出，并导向所述光束通过一通道至所述输出端口。
文档编号G02B6/35GK101305306SQ200680041589
公开日2008年11月12日 申请日期2006年9月14日 优先权日2005年9月14日
发明者安德鲁·尼古拉斯·达姆 申请人:保乐提斯有限公司