专利名称：采用压电双晶振子进行光路转换的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤通信。
目前，采用光纤进行声音和数据的长程传输已越来越普遍，对光纤所能携带的数据容量的要求也不断提高。如何更有效地利用现有光纤的带宽，提高传输效率是一个至关重要的问题，当前，较成功的方法是采用波长分隔多路传输(WDM)法，它可在同一条光纤上用多个不同波长的光波，独立地进行信息传输。随着WDM技术在网络通信中的广泛应用，对各种复杂的光路转换及路由设备的需求日益增多。这些光路转换的方法和设备的主要作用是，为确保信息能在不同的通信光路中成功快捷的转换传输，当某一路网络通信发生故障时，可及时将之转到其它的网络信道上去。网络通信路由器一方面要求其光路转换设备在数千次的转换操作中可重复稳定，另一方面当某一路通信出现故障时，路由设备应能迅速地将它转到其它备用通道上去，这种网络通信失败的补救要求光转换从长期未工作态向工作态转换时必须十分快捷。
本发明的目的在于要提供一种能确保信息能在不同的通信光路中重复、稳定、快捷转换传输的方法和设备。
本发明是这样实现的，采用压电双晶振子进行光路转换的方法是将信号光导引入一个至少由一个压电双晶振子构成的光纤开关、可换向的光路回转器、可逆的光道分离器、可自动切换的光路恢复开关、光纤旁路开关等光路转换设备，使信号光在传导、进入光通道、切换等过程中发生偏转；其中信号光的传导，具体步骤是(1)，将从一个可90°转向的光转子构成的光路回转器的一端口引入的一束信号光分离成一束复杂的子信号光；(2)，使用一个可90°转向的光转子构成的光路转换器使部分复杂子信号光的极性方向发生偏转；(3)，使已发生转向和未发生转向的复杂子信号光发射回来并倍增；(4)，使已发生转向或未发生转向的复杂子信号光合并成一束信号光，并将这束信号光从第二个端口传出。
其中，信号光进入不同光通道，具体步骤为(1)，使用包含可90°转向光转子的光纤开关，将信号光分离成复杂的子信号光；(2)，在不同的复杂的子信号光之间引入相位差；(3)，使不同的复杂的子信号光发生反射；(4)，使经反射的复杂子信号光复合。
其中，信号光的切换，具体步骤包括(1)，确定输出端通信线上存在断点；(2)，向可换向的光路回转器发射一电信号，将回转器上的光纤开关置于截取信号光的位置；(3)，使截取的信号光偏转到辅助通信线上。
一种采用压电双晶振子方法使信号光发生光路转换的设备，由压电双晶振子组成的光纤开关或由光纤开关与其它光学元件构成的信号光的输入输出机构连接组成。
其中，由压电双晶振子组成的单个光纤开关，包括一个由一种压电材料制成的悬臂，悬臂由相向的两表面和两端构成；具有至少一个与悬臂配套使用的电极，它给悬臂相向的上下两表面提供不同的电压；一个用于支撑与锁固悬臂的支座；一个与悬臂自由端相接的凸面触头；一个安装在悬臂自由端下表面上的用于信号光偏转的光学元件组；与悬臂上表面上凸形触头相接近的上磁块和与悬臂下表面上的凸形触头相接近的下磁块，其中所述的悬臂，由第一片压电片与第一片压电片平行相向相贴的第二片压电片组成；所述的电极，包括第一电极，位于第一与第二压电陶瓷片的中间；第二电极，位于第一压电陶瓷片上与第一电极相对的另一侧面上；第三电极，位于第二压电陶瓷片上与第一电极相对的另一侧面上；所述的光学元件，为可90°转向的光转子，例如三棱镜。
所述的光纤开关的悬臂上的触头，为装在悬臂自由端上表面的第一个半球形触头和安装在悬臂自由端下表面上的第二个半球形触头。
所述的光纤开关的悬臂上的可90°转向的光转子，为半波片。
其中，由压电双晶振子组成的复式光纤开关，由多个如权利要求8所述的单个光纤开关按并联或串联而成。
信号光的输入输出机构，包括一种可换向光路回转器，它的结构是由第一个双折射片；与第一个双折片配套使用的第二个双折片和至少一个可逆或非可逆的90°光转子相连；还有一个透镜，与至少一个可逆或非可逆的光转子及如权利要求8、9所述的光纤开关相连；与透镜相连的还有一块使复杂的子信号光经反射后倍增返回的镜片。
其中，信号光的输入输出机构，包括一种可逆的光道分离器，它的组成是第一个双折射片和第二个双折射片与第一、二个光转子相连；一个单个光纤开关，在第一、二个光转子及第一个双折射片相对一侧与第二双折射片相连；还有一个非线性光学干涉仪，安装在所述光纤开关及第二片双折射片相对一侧的透镜的焦平面上，在不同光通道之间引入相位差。
非线性干涉仪包括第一片与第二片光学玻璃，这两块玻璃之间形成一空腔，空腔内设有一个使通过不同光通道的信号光发生相移的相位偏离器；在两玻璃片的内表面涂覆一层能使信号光的通带宽化的光反射涂层；可逆的光道分离器中的非线性干涉仪在第一片与第二片光学玻璃形成的空腔内置有一块使通过不同光通道的信号发生相移的玻璃片。
可逆的光道分离器中的非线性干涉仪在第一片与第二片光学玻璃形成的空腔内，第一反射涂层位于第一片玻璃片内侧，第二反射涂层位于第二玻璃片内侧；位于空腔内使信号光产生延时的第一块玻璃片及位于空腔外使信号光产生延时的第二块玻璃片，通过第一次反射，第一次光延时和第二次光延时使分离通道中的一束信号光分离成两束，这两束信号光之间有非对称的交错通带。
所述的信号光的输入输出机构，还包括一个可自动切换的光路恢复开关，它包括一个可换向的光路回转器，一根与可换向的光回路转器的第三端口相连的探测器连线，一个通过探测器连线与光纤开关相连的光探测器，一根连接光探测器与可换向光路回转器的电线；所述的信号光的输入输出机构，还包括一种光纤旁路开关，它由一个如(2)所述的可换向的光路回转器，与回转器第三个端口相连的第一条光纤；与回转器第四个端口相连的第二条光纤组成。
本发明的采用压电双晶振子进行光路转换的方法和设备，可使来自可换向的光路转换器的信号光快速偏转、切换另一条光通道上去。它具有操作稳定可重复，对信号光的轻微拢动及失配敏感度低等优点。
以下附图和实施例将对本发明的技术特征作进一步说明
图1a为本发明的光开关100压电双晶振子的侧视图。
图1b为本发明的光开关100压电双晶振子的俯视图。
图1c为本发明的光开关150压电双晶振子的示意图。
图2a为本发明的光开关150压电双晶振子置于off位时的状态图。
图2b为本发明的光开关150压电双晶振子置于On位时的状态图。
图3a为本发明的光开关1×2型光纤开关300置于off位时状态图。
图3b为本发明的光开关1×2型光纤开关300置于on位时状态图。
图3c为本发明的光开关300中信号光或复合信号光通过棱镜时的光程示意图。
图3d为Φ2-Φ1与Φ1的关系图。
图4a为本发明的光开关180示意图。
图4b为本发明的光开关180处于“慢”光位置时的状态图。
图4c为本发明的光开关180处于“快”光位置时的状态图。
图5a为本发明的光开关1×4型光纤开关500示意图。
图5b为本发明的光开关1×4型光纤开关550示意图。
图6a为本发明的可换向光路回转器600的侧视图。
图6b为本发明的可换向光路回转器600的俯视图。
图6c为本发明的可换向光路回转器600光转子与差相延迟光纤开关位相关系及其它元件示意图。
图7为图6a、6b、中端口左侧示图。
图8为回转器600中90°换向光转子处于off状态或非回转状态下的断面图。
图9为回转器600中90°换向光转子处于on状态下或回转时各面位置的断面图。
图10a为本发明的四端光路回转器1000的运作示意图。
图10b为本发明的可换向光路回转器600的运作示意图。
图11a为本发明的可逆的光道分离器1100的侧视图。
图11b为本发明的可逆的光道分离器1100的俯视图。
图11c为本发明的光道分离器中90°转向光转子采用半波片时的示意图。
图12为可逆的光道分离器1100运作基本原理图。
图13为可逆的光道分离器1100运作基本原理图。
图14为可逆的光道分离器1100运作基本原理图。
图15为可逆的光道分离器1100运作基本原理图。
图16a为可逆的光道分离器1100处于运作第一态时的示意图。
图16b为可逆的光道分离器1100处于第二运作态时的示意图。
图17为可自动切换的的光路恢复开关1700示意图。
图18为旁路光纤开关示意图。
实施例1如图1a、1b所示，压电双晶振子100包括长条状的压电材料102a、102b，它们相互平行安装在支座104a和104b上，沿102a和102b的粘贴面插入一电极101a，而第二电极101b和第三电极101c则分布在与粘贴面相对应的102a-102b按上述方法构成的简单悬臂103，其一端103a安装紧固于支座104a和104b上，另一端为自由端103b，在自由端上、下分别安装了两块永久磁铁110a和110b，在103悬臂的自由端103b上安装一金属球形触头108，采用的材料主要为铁、钢、镍等，它们接受来自磁铁110a和110b的磁力吸引，最后还有一光学元件106，例如三棱镜，它被安装在悬臂103的自由端靠金属球触头处。
实施例2如图1c所示，压电双晶振子150中，单个的金属球108被两个半球108a和108b取代，它们分别安装在102a的自由端103b和102b的103b上，与上、下磁铁110a和110b相对。150的操作与100基本一致。
未工作时，悬臂103的自由端103b因受上、下磁铁的吸引力相等，可认为其处于亚稳平衡态，显然这种亚稳态会因103悬臂的轻微扰动而失稳，悬臂103将向上或向下偏转直到球体或半球体108与上或下磁铁相接触，这两个位置是一稳定平衡态。
在工作过程中，不同的电压沿电极面101a-101c被加到压电片102a和102b上，使它们产生压电伸缩而导致悬臂103产生弯曲。通常101b的电压恒定，101c接地，通过改变电极101a的信号电压，使施加于压电片102a和102b的电压发生变化。压电悬臂103的弯曲方向相应地由施加于101a电极上的信号电压的大小来控制。因悬臂紧固端103a被支座104a和104b所限制，所有的压电形变由自由端103b承受，从而使悬臂在两磁铁110a和110b之间偏转。采用这种方法，可精确、快速可重复地实现悬臂103的自由端103b偏转的双稳态控制。相应地使安装在自由端103b上的棱镜位置发生改变。如图2a所示，当器件150置于“off”位时，棱镜截不到信号光202。而当150向下置于“on”位时，棱镜106发生位移截取信号光202，并使之偏转(图2b)。
实施例3如图3a和3b所示，为1×2型光纤开关300的偏转及安装示意图。图3a为150置于向上的“off”位时棱镜106不改变信号光光程示意图。而当150置于向下的“on”位时可使信号光发生偏转(图3b)。在图3a和3b中从信号光的输入光纤302发射的信号光或复合信号光经准直透镜303后变成平行光束进入棱镜106，如图3a所示。此时光纤开关300处于“off”位，光纤信号光或复合信号光202直线通过150位置，经透镜305a聚焦后从输出光纤304a处传出。而当300处于“on”位时，信号光202经过150时发生偏转，经透镜305b聚焦后将从输出光纤304b处传出。
图3c为本发明中信号光或复合信号光202通过棱镜106时的光程示意图。Φ1为入射角(入射方向与垂直入射面方向的夹角)，Φ2为出射角(信号光出射方向与出射面垂直方向的夹角)。
为确保发生轻微扰动或角度失配时，输出光程的最大稳定性入射方向与出射方向之间的夹角δ随入射角Φ1的变化应尽可能的小。当δ取最小值时，上述条件满足，而此时Φ1+Φ2也取最小值。简单的几何分析表明对典型的三棱镜当入射角满足Φ1＝Φ2时，可使δ最小。图3d为Φ2-Φ1与Φ1的关系图，Φ1＝Φ2时，δ最小。从而可使稳定性和重复性最好。
实施例4图4a所示为一差相延迟光纤开关180，它是基于压电双晶振子150的另一种光纤开关，在该器件中，采用光学半波片186取代三棱镜。当180处于“off”时，半波片186处于信号光或光束传输位置。而180处于“on”时，半波片发生位移，截取信号光或光束，使之处于某一特殊光程方向。180的其它操作同150。差相延迟光纤开关180还可构成更为复杂的光路转换设备，图4b和4c为差相延迟光纤开关180的半波片186分别处于“慢”光及“快”光位置时的示意图。图4b和4c中的椭圆分别代表平面极性光沿不同的极性面方向通过半波片186时的折射率。当半波片旋转90°时可使188a与188b的方向进行互换而不改变差相延迟开关180的其它操作。角度α190代表180从“off”态向“on”态转变时，半波片186发生的角度变化。当180处于“off”位时，“快”光188b或“慢”光188a方向与水平方向的夹角为β192。
图4b所示的结构中，半波片186的“慢”光188a及“快”光188b方向分别为水平与垂直方向。当180处于“on”位时，即半波片被置于截取信号光位置时，图4b所示的结构可使平面极性义的极性平面偏转45°。此时其“慢”光及“快”光方向与水平和垂直方向的夹角均为45°。而图4c中当180处于“on”位时，其“慢”光与“快”光方向与水平和垂直方向的夹角均为45°，通过回转可使平面极性光的极性面从水平方向转到垂直方向或相反。
实施例5如图5a和5b所示，500和550是两款1×4型的光纤开关。每个光纤开关中都包括多个级联的压电双晶振子。无论是并联的500还是串联的550中都包括一条输入光纤502及与之相接的准直透镜503和4条输出光纤504a-504d。每条输出光纤都分别与一个聚焦透镜相连。500和550倒过来使用时可转变成4×1型的光纤开关(4条输入光纤、一条输出光纤)。
在图5a所示的光纤开关500中，三组压电双晶振子150a-150c相近并行连接，使输入的光束沿直线或发生偏转，使之分别通过输出光纤505a-504d传出，而具体的光程由各压电双晶振子150a-150c所处的位置决定(“on”或“off”)。而550(图5b)采用的是两片压电双晶振子。
如图5a所示，从光纤502输入的信号光503准直透镜后变成平行的信号光或光束508，通过第一组压电双晶振子150a时，根据150a所处的位置是“off”还是“on”，将沿垂直方向506a或转向沿506b方向传出。而沿506a和506b方向的信号光进一步通过150b和150c，并根据150b和150c所处的位置，使信号光分别沿504a-504d的方向通过其附带的透镜聚焦后从输出光纤传出。
在1×4型的光纤开关550中，只用了两片压电双晶振子150d和150e，但150e中的三棱镜106e比105d中的106d要大，同理，信号光512通过150d后将沿直线方向501a传出或沿510b方向偏转。510a和510b的信号光通过150e时，将根据其所处状态“off”或“on”而使信号光垂直或偏向传播。同样经透镜聚焦后，沿输出光纤504a-504d传出。
图5a和5b所示的光纤开关通过并联或串联更多的压电双晶振子，可进一步构成更多通道的光路转换器。而采用单个光纤开关500或550亦可成功地实现信号光的偏转，并沿非平行方向传播，从而实现信号光的三维空间传输，进一步节约空间，增加使用的灵活性。550与500相比有使用元件少的优点，更利于设计制造，使结构更为紧凑，而500与550相比则不需更大尺寸的三棱镜。
实施例6
图6a和6b为光路回转器600的侧视图和俯视图。该回转器采用前述180差相延迟光纤开关，可使光路沿顺时针或逆时针方向旋转。图6a和6b中，615为光程密封套，而601、602、603和605是被615分隔密封的四个光路端口。通常它由光纤及其它信号光的输入输出设备(例如窗口)构成。
图7为图6a和6b中端口A601，B602，C603及D604左侧示图。从图6a和6b可见，在密封套的尾端每个端口安装有一个准直透镜(605-608)，使从这四个端口601-604发射的光与回转器600的主轴方向平行传播。
本说明书中，定义图6a和6b中沿600主轴方向从左至右的方向为正方向。
密封套615的尾端与第一个双折射的出射片609相接，它的作用是将从端口601-604入射的每一个信号光线性地分离成两个极性的主信号光；一个最里面的和一个最外面的子信号光。
这种信号光的分离伴随光程的偏转或相消，从而导致反常光e光的产生。由端口A601和端口B602产生的最外面和最里面的子信号光分别由e-光和o-光构成，由端口D604产生的最外面和最里面的子信号光分别由o-光和e-光构成。
在密封套的相对一侧与第一个双折射片609相连的是两个光转子610和611。这两个光转子可使极性光平面方向旋转90°。在本实施例中，610和611均由半波片构成。光转子610的作用是使产生或到达端口A601和端口B602的最外面的子信号光发生偏转。而光转子611则使产生或到达端口C603和端口D604的最外面的子信号光发生偏转。
可逆光转子610和611的另一侧与第二个双折射片612相连，出射片612的厚度与方向根据端口与端口中心的距离来选定，使之对通过的光产生补偿作用。
第二个双折射片612的另一侧与一可逆光转子616及一非逆光转子617相连，如图6b所示。可逆光转子616只截取发自或达到端口A601和端口C603的所有子信号光，并使通过的子信号光的极性平面方向沿顺时针方向旋转45°。而非可逆光转子617只截取(偏转)发自或达到端口B602和端口D604的所有子信号光，并使之沿逆时针方向旋转45°。
可逆光转子616或非可逆光转子617的另一侧与一90°可换向的光转子618相连。90°光转子618可使产生或到达某二个端口的子信号光的极性面发生偏转，如图6b所示。当618与非可逆光转子617相连时，它仅使发自或到达端口B602和端口D604的所有子信号光的极性面发生偏转。而当618是与可逆光转子616相连时，则它只会使发自或到达端口A601和端口C603的子信号光的极性面发生偏转。
光转子616和617的另一侧与透镜613相连，而镜子614则安装在与616与618相对应的另一侧的透镜613的焦平面上。
90°换向光转子618有两种工作状态第一种状态可使发自或到达某两端口的极性光的平面方向旋转90°。而第二种状态则不会使这些子信号光发生偏转。在本实施例中90°换向光转子618由差相延迟光转子180的半波片186构成(图4a)。图6c为600光路回转器中光转子618与差相延迟光纤开关180位相关系及其它元件的示意图。在本实施例可换向的光路回转器600中，90°换向光转子618的第一和第二状态分别对应其非偏转和偏转态。而这两种状态由光纤开关180的稳定平衡态控制，此处包含光转子618的半波片的“快”光与“慢”光方向被分别设定为水平和垂直方向(或相反)。
回转器600的操作如图8和图9所示。图8和图9是6a及图6b中标记为各截面U-U，V-V，W-W，X-X和Y-Y处侧视图。图8为回转器600中90°换向光转子处于第一状态，即“off”或非回转态情况下的断面图。图9则为回转器600中90°换向光转子处于第二状态即“on”或回转态时各面位置的断面图。图8及9中标号圆中心代表子信号光在600中传输时各端口图相位置在各相应断面上的投影，不同大小的同心圆代表子信号光的叠加或共同传播，同心圆的大小没有明显的物理意义，各圆的“钩刺”代表各极性子信号光的极性面的方向。带二组“钩刺”的圆代表非极性或随机极性的不同线性极性方向的叠加。
每个断面(侧面)图上“十”代表透镜613中心沿平行于回转器主轴方向在各断面位置的投影。
在下述讨论中可以看到，由于回转器600中的镜面614的反射使同一子信号光在各断面出现两次，图8-9中，大写字母代表向前传输方向(沿主轴正方向)，而小写字母代表反传输方向(沿主轴负方向)。
信号光及其子信号光在可换向的光路回转器600处于第一状态时的传播如图8所示。从U-U面断面图800可见，从端口A601，B602，C603和D604发送的非极性光，经过605-608之一的某准直透镜后变成平行光束，通过第一双折射片609后分离成沿水平方向和垂直方向的两个极性子信号光。图8中，子信号光A810，B812，C814和D816代表分别从端口A601，B602，C603和D604处发射来的水平极性子信号光，而子信号光A’811，B’813，C’815和D’817代表分别从端口A601，B602，C603和D604处发射来的垂直方向的极性子信号光。值得一提的是，此“垂直”与“水平”的概念是相对的，并不意味着空间方向的水平与垂直。
通过第一双折射片609的四个垂直方向的子信号光A’811，B’813，C8’15和D’817为e-光(反常光)，因而其方向相对水平方向的极性子信号光方向810、812、814和816发生偏转。通过第一个双折射片609后，四个最外的子信号光A’811，B’813，C814和D816再通过90°换向光转子610或611使其极性面的方向旋转90°。因此，如图W-W’802所示，子信号光A’811，B’813的极性面方向从垂直方向转到水平方向，而子信号光C814和D816的极性面方向则从水平方向转到垂直方向。
通过可逆光转子610和611后，所有的子信号光再通过第二双折射片612。四个垂直方向的子信号光C’815，D’817，C814和D816因是e-光，通过双折射片612时发生偏转，而水平方向的极性子信号光A’811，B’813，A810及B812为o-光，不发生偏转。双折射片612的方向和厚度使e-光通过双折射片的偏移刚好等于端口与端口中心之间的距离，从而使子信号光C’815和C814通过双折射片612后，刚好与子信号光A’811，A810相叠加，而子信号光D’817和D816则分别与B’813和B812相叠加。如图8中X-X’803所示。
从双折射片612射出后，各相互叠加的子信号光A’811和C’815，A810和C814，B’813和D’817以及B812和D816沿各自路径传输，其中两组子信号光A’811，C’815，以及A810和C814为从端口A和C产生的子信号光，通过45°可逆光转子616，其极性面方向相对传播方向沿顺时针方向旋转45°，而从端口B和D产生另两组子信号光B’813，D’817以及B812和D816，通过非可逆光转子617，其子信号光的极性面方向沿传播方向逆时针旋转45°。Y-Y’断面图804中的“钩刺”示出了各子信号光极性面的方向。
四组子信号光通过透镜613后在镜面614处聚焦，而镜面614使各子信号光发生反射，在回程中再通过光路回转器600。
Y-Y’的截面图示出了各组相互叠加的子信号光反回时进入可逆光转子616和非可逆光转子617前的图像位置，通过透镜613的聚焦和重准直后子信号光图像的位置发生了反转，因而再次进入616和617时的子信号光B812与D816和向前传播时的A’811，C’815的位置完全一样。同理，回程中的A810与C814，B’813与D’817及A’811，C’815分别对应向前传播时的子信号光对B’813与D’817与C814及B812与D816。
由于透镜613的反转特性，每组反回来的子信号光将进入回转器600的光转子一可逆光转子616或非逆光转子617。其中子信号光B812，B’813，D816和D’817通过可逆光转子616，因而其光线的极性面沿顺时针方向旋转45°。因为616为一可逆光转子。这些子信号光在回程中通过616时，从左侧方向看相当于沿回转器轴沿逆时针旋转了45°。而子信号光A810，A’811，C814和C’815将通过非可逆光的光转子617，因而其光线的极性面沿逆时针方向旋转45°(因617为非可逆的光转子，子信号光的极性面的回转方向总是沿逆时针方向)。因而通过光转子616或617或子信号光的极性方向都沿水平或垂直方向(如图X-X’806所示)。如果将回转器616置于其第一状态(“off”)时，在通过断面Y-Y’和X-X’时，光转子618将不引起子信号光极性面的回转。
在回程中通过第二个双折射片612时，垂直方向的极性子信号光B812，C814，B’813和C’815因是反常e-光而发生偏转。而水平方向的子信号光D816，A810，D’817和A’811是正常的o-光不发生偏转。因而，通过双折射片612后，原来相互叠加的子信号光发生分离。而子信号光B812，C814，B’813和C’815的偏转方向与正向传播时C’815，D’817，C814及D816方向一致。如图W-W’807所示。
从第二个双折射片612射出后，最外面的回程子信号光D816，A810，B812和C814以偏转e-光、而水平方向的极性子信号光D’817，A’811，B’813和C’815以非偏转o-光通过609。通过双折射片的回程中发生偏转的子信号光D816，A810，B812和C814与第一次正向传播的子信号光A’811，B’813，C’815和D’817的方向严格一致。因此，垂直和水平方向的极性子信号光A810和A’811，B812和B’813，C814和C’815，以及D816和D’817在准直透镜605-608位置复合，如图U-U809所示。因此，从图可见，原来从端口A，B，C，D产生的信号光被分别转换到端口B，C，D和A。在这种模式中，回转器600处于第一状态，即“off”状态，它使信号光沿顺时针方向旋转。
图9示出了可换向的回转器600出于其第二态，即“on”状态时的操作方式。这种状态下，可90°换向的光转子618使通过的信号光的极性平面方向发生90°旋转，如图9中903-904，905-906所示，从截面903到截面904时，子信号光B812，B’813，D816，D’817同时通过非可逆光转子617和90°换向光转子618，这四个子信号光的极性面方向在通过非可逆光转子617时先逆时针旋转45°。然后在通过光转子618时，再旋转90°，这两次旋转的总效果相当于子信号光B812，B813，D816和D’817从截面903传到904时沿顺时针方向旋转45°。而子信号光A810，A’811，C814和C’815如图8所示，在通过回转器616时只简单地沿顺时针方向旋转45°。
在通过截面Y-Y’905到达截面X-X’906时，子信号光A810，A’811，C814和C’815都通过可90°转向的光转子618，随后再通过非可逆光转子617。因此，这四个子信号光将在通过618是旋转90°，再在通过617时沿逆时针方向旋转45°，总的效果相当于沿顺时针方向旋转45°(如图6a-6b的左端看)。
当可换向的光路回转器600处于第二状态，即“on”位时，与其处于“off”相比，子信号光810-817的极性平面方向将再旋转90°。对比图907、908和909与807、808和809可明显地看出它们之间相差90°。由于这附加的90°回转，子信号光在回程通过第二个双折射面时，正常光o-与非正常光e-光的位置发生互换。因而，600处于“on”位时，子信号光D816，A810，D’817和A’811在回程通过第二个双折射片612时，发生偏转(图9)，而在“off”位时，发生偏转的是子信号光B812，C814，B’813和C’815(图8)。总之，当可换向的光路回转器600处于其第二状态，即“on”位时可将端口A，B，C，D的信号光分别转换到端口D，A，B和C，即使光信号光发生了逆时针旋转。
图10a为四端光路回转器1000的运作示意图。在回转器1000中，从端口A1002输入的光将从端口B1004输出，从端口B1004输入的光将从端口C1006输出，从端口C1006输入的光将从端口D1008输出，从端口D1008输入的光将从端口A1002输出，这是一个顺时针运作过程。而图10b为可换向的光回转器600的运作示意图。它处于“off”位时，600沿顺时针方向使信号光发生回转，而它处于“on”位时，600沿“逆时针”方向使信号光发生回转。光路回转器600的“顺时针”或“逆时针”态由可90°转向的光转子618控制。当可90°转向的光转子618处于其“on”位时，回转器600按，逆时针”运作。当光转子618处于其“off”位时，回转器600按“顺时针”运作。当此处采用的可转向的光转子618为半波片差相光纤开关180时，回转器600可以一个毫秒的速率，实现上述两种回转状态的转换。
实施例7如图11a、11b所示，光道分离器1100中，大多数光学元件的型号及位置都与光路回转器600相同。因而标注方式与图6a、6b相似。不同的是光道分离器1100中没有可逆光转子616或非可逆光转子617，而采用一个非线性干涉仪1114取代了镜面614。与此同时，可90°转向的光转子采用了半波片差相延迟光纤开关180(图11c)非线性干涉仪1114具有下述特性，当被反射的信号光是多个线性的极性光交织组成的复杂光时，其中第二套光的极性平面方向在反射时发生90°转向。而与之交织的第一套光的极性平面方向在反射时极性方向不变。
在下面的讨论中，那些与非线性干涉仪相互作用，其极性方向偏转的光以“偶数”标记，不偏转的光以“奇数”标记。
与图8-9相类似，图12-15给出了可逆的光道分离器1100中信号光通过各截面时的位置和极性方向。图12和13分别为分离器1100处于其第一状态时，奇数光与偶数光信号光的传播状态图，而图14和15则分别为分离器1100处于第二状态时，奇数光与偶数光信号光的传播状态图。第二状态指其中的90°换向光转子618使极性光的极性平面发生转向的状态。
图12-15给出的分离器1100运作的基本原理与与图8-9示出的回转器600相似，因此，此处不再重复。不同的是，图12和13中因可90°转向的光转子618并未安装，因而横侧面图1203与1204，1205与1206(图12)，以及1303与1304，1305与1306(图13)是一样的。而图14和图15中则安装了可90°转向的光转子618，这从1403与1404，1405与1406(图14)，或1503与1504，1505与1506(图15)横侧面图上可明显看出这一差异。
还值得一提的是，在图13与15中，偶数信号光的极性面从1304到1305和从1504到1505时发生了90°回转。
图16a和图16b分别为可逆的光道分离器1100的两种运作示意图。如图16a所示。第一套不同波长的光及与之相对应的光通道的连接为从端口A到端口B和从端口C到端口D。第二套不同波长的光及与之相对应的光通道的连接为从端口A到端口D和从端口C到端口B。为了方便起见，前者称之为“奇数”光道，后者称之为偶数光道。
例如一套n个不同波长的λ1，λ2，λ3.......λn的光从光分离器1100(处于第一状态)的端口A输入时，第一套“奇数”光λ1，λ3.......λ5被传到端口B，而第二套“偶数”光λ2，λ4，λ6........则被转到端口D。相似地，当另一套n个不同波长的光λ1′，λ2′，λ3′.......λn′从分离器1100(第一状态)的端口C输入时，第一套“奇数”光λ1′，λ3′，λ5′被传到端口D，而第二套“偶数”光λ2′，λ4′，λ6′.......则被转到端口B。因此，当分离器1100处于第一状态时，从端口B输出的光包括从端口A传来的“奇数”光λ1，λ3，λ5.......和从端口C传输来的“偶数”光λ2′，λ4′，λ6′........。而从端口D输出的光包括从端口C传来的“奇数”光λ1′，λ3′，λ5′......和从端口A传来的“偶数”光λ2，λ4，λ6........该光道分离器还能以类似地操作方式反方向运作，即将端口B和D作输入端，而端口A和C作输出端，即可“可逆”操作。
图16b为可逆的光道分离器1100处于其第二状态位时的运作图，在这种状态下，从端口B输出的光包括从端口A传来的“偶数”光λ2，λ4，λ6.......和从端口C传来的奇数光λ1′，λ3′，λ5′.......；而从端口D输出的光包括从端口C传来的“偶数”光λ2′，λ4′，λ6′.......和从窗口A传来的奇数光λ1，λ3，λ5...。
可逆的光道分离器1100的运作方式由可90°转向的光转子618控制。当可90°转向的光转子618处于“on”位时，它使通过的平面极性光的极性方向发生90°回转，即此时光分离器1100处于第二状态，而当光转子618处于“off”位时，极性光的极性方向不转向，即光道分离器1100处于其第一状态。当可90°转向的光转子采用的是半波差相延迟光纤开关180时，可使光道分离器1100以接近一个毫秒的速率进行上述两种状态的转换。
实施例8如图17所示，为一种可自动切换的光路恢复开关1700，这种开关中采用了可换向光路回转器600，它通过端口A，B，C，D方便地与输入通信线1702、输出通信线1704、辅助通信线1710和探测器连线1708相连。探测器连线的另一端与光探测器1712相连。而探测器1712通过电路或电线1714与回转器600中的可90°换向的光转子618相连(图中未示)。在通常的运作情况下，自动切换光路恢复开关1700中的回转器600处于“off”位，因而从输入线1702通过端口A输入的信号光经顺时针方向回转后，将通过端口B从输出线1704输出，在这种情况下，辅助通信线1710不起作用，无信号光传到光探测器1712。
假如在输出通信线1704中某处存在断点，由于在恢复开关1700与光路断点之间没有光绝缘，因而信号光将从断点返回，通过1704回到回转器600，这些返回的信号光或其它信号光将通过端口B输入到回转器600中，因为回转器600在返回的信号光输入时处于“off”状态，因而这些返回的信号光将沿“顺时针”方向回转到端口C，再通过光纤1708传到光探测器1712。当光探测器1712探测到这些返回的信号光后，它通过1714发送一个电信号，使可90°转向的光转子618切换到“on”态，从而使回转器600处于“on”态。通过这一转换，从通信线1702通过端口A输入的光线将沿逆时针方向被转到端口D和辅助通信线1710。这样恢复开关能自动地将从1704断点处的信号光换到辅助线1710上。
实施例9图18为本发明的实施例一种旁路光纤开关的示意图。采用这种旁路开关可方便地在通信线路中插入或绕过网络组件1812。这种光纤开关1800中采用了一个可换向的光回转器600，它通过端口A与输入线1802相连，通过端口B与输出线1804相连通过端口C和D与光路1808与1810相连。而1808与1810与网络组件1812相连，此网络组件可能包括一个或多个光或光电器件，如光滤波器、光衰减器、光放大器、光增/减器、分散补偿器、转换器、波长偏移器等。
当处于其第一状态，即“off”时，光纤开关1800中的回转器600交来自输入线1802通过端口A传入的信号光沿“顺时针”方向引入到端口B，再从输出线1804传出。这种方式下，这些信号光完全绕过了网络组件1812。处于第二状态即“on”态时，从输入线1802通过端口A传入回转器600的信号光将沿逆时针方向被转到端口D，再通过光连接线1810接到网络组件1812上，1812对某一或某几种信号光条件发生响应，并对来自1810的信号光进行加减，限制、调制后再进入连接线1808，因而从网络组元1812输出的信号光不一定与从1810输入的信号光相同。通过1808从网络组元1812输出的信号光再被传送到端口C，再通过回转器600将之转到端口B，从输出线1804传出。采用这种方式，在一个毫秒内可按需要让信号光接入或绕过网络组件1812。
总之，本发明揭示了一种采用压电双晶振子进行光路转换的方法和设备。这些光路转换器件包括采用单一机电耦合器件设计的1×2型的光纤开关及由单个光纤开关通过级联构成的多路L×N型复式光纤开关；一种可换向的光路回转器；一种可逆的光道分离器，一种光路恢复开关和一种旁路光纤开关。根据本发明制得的这些光学器件具有性能稳定，可反复操作，与其它机械开关相比，转换速率高，对轻微的扰动和光失配敏感度低的优点。本发明设计的这些光器件结构紧凑，因面通过级联可组成更复杂的光器件，并允许光束或信号光在多元空间沿轴向偏转传播。
权利要求
1，一种采用压电双晶振子进行光路转换的方法，其特征在于将信号光导引入一个至少由一个压电双晶振子构成的光纤开关、可换向的光路回转器、可逆的光道分离器、可自动切换的光路恢复开关、光纤旁路开关等光路转换设备，使信号光在传导、进入光通道、切换等过程中发生偏转换向；
2，根据权利要求1所述的采用压电双晶振子进行光路转换的方法，其特征在于其中信号光的传导，具体步骤是(1)，将从一个可90°转向的光转子构成的光路回转器的一端口引入的一束信号光分离成一束复杂的子信号光；(2)，使用一个可90°转向的光转子构成的光路转换器使部分复杂子信号光的极性方向发生偏转；(3)，使已发生转向和未发生转向的复杂子信号光反射回来并倍增；(4)，使已发生转向或未发生转向的复杂子信号光合并成一束信号光，并将这束信号光从第二个端口传出。
3，根据权利要求1所述的采用压电双晶振子进行光路转换的方法，其特征在于其中信号光进入不同光通道，具体步骤为(1)，使用包含可90°转向光转子的光纤开关，将信号光分离成复杂的子信号光；(2)，在不同的复杂的子信号光之间引入相差；(3)，使不同的复杂的子信号光发生反射；(4)，使经反射的复杂子信号光复合。
4，根据权利要求1所述的采用压电双晶振子进行光路转换的方法，其特征在于其中信号光的切换，具体步骤包括(1)，确定输出端通信线上存在断点；(2)，向可换向的光路回转器发射一电信号，将回转器上的光纤开关置于截取信号光的位置；(3)，使截取的信号光偏转到辅助通信线上。
5，一种采用压电双晶振子方法使信号光发生光路转换的设备，其特征在于由压电双晶振子组成的光纤开关或由光纤开关与其它光学元件构成的信号光的输入输出机构连接组成。
6，根据权利要求5所述的光路转换设备，其特征在于其中，由压电双晶振子组成的单个光纤开关，包括一个由一种压电材料制成的悬臂，悬臂由相向的两表面和两端构成；具有至少一个与悬臂配套使用的电极，它给悬臂相向的上下两表面提供不同的电压；一个用于支撑与锁固悬臂的支座；一个与悬臂自由端相接的凸面触头；一个安装在悬臂自由端下表面上的用于信号光偏转的光学元件组；与悬臂上表面上凸形触头相接近的上磁块和与悬臂下表面上的凸形触头相接近的下磁块，其中所述的悬臂，由第一片压电片与第一片压电片平行相向相贴的第二片压电片组成；所述的电极，包括第一电极， 位于第一与第二压电陶瓷片的中间；第二电极，位于第一压电陶瓷片上与第一电极相对的另一侧面上；第三电极，位于第二压电陶瓷片上与第一电极相对的另一侧面上；所述的光学元件，为可90°转向的光转子，例如三棱镜。
7，根据权利要求5、6所述的光路转换设备，其特征在于所述的光纤开关的悬臂上的触头，为装在悬臂自由端上表面的第一个半球形触头和安装在悬臂自由端下表面上的第二个半球形触头。
8，根据权利要求7所述的光路转换设备，其特征在于所述的光纤开关的悬臂上的可90°转向的光转子，为半波片。
9，根据权利要求5所述的光路转换设备，其特征在于其中，由压电双晶振子组成的复式光纤开关，由多个如权利要求8所述的单个光纤开关按并联或串联而成。
10，根据权利要求5所述的光路转换设备，其特征在于信号光的输入输出机构，包括一种可换向光路回转器，它的结构是由第一个双折射片；与第一个双折片配套使用的第二个双折片和至少一个可逆或非可逆的90°光转子相连；还有一个透镜，与至少一个可逆或非可逆的光转子及如权利要求8、9所述的光纤开关相连；与透镜相连的还有一块使复杂的子信号光经反射后倍增返回的镜片。
11，根据权利要求5所述的光路转换设备，其特征在于其输入输出机构，包括一种可逆的光道分离器，它的组成是第一个双折射片和第二个双折射片与第一、二个光转子相连；一个单个光纤开关，在第一、二个光转子及第一个双折射片相对一侧与第二双折射片相连；还有一个非线性光学干涉仪，安装在所述光纤开关及第二片双折射片相对一侧的透镜的焦平面上，在不同光通道之间引入相位差。非线性干涉仪包括第一片与第二片光学玻璃，这两块玻璃之间形成一空腔，空腔内设有一个使通过不同光通道的信号光发生相移的相位偏离器；在两玻璃片的内表面涂覆一层能使信号光的通带宽化的光反射涂层；
12，根据权利要求11所述的光路转换设备，其特征在于可逆的光道分离器中的非线性干涉仪在第一片与第二片光学玻璃形成的空腔内置有一块使通过不同光通道的信号发生相移的玻璃片。
13，根据权利要求12所述的光路转换设备，其特征在于可逆的光道分离器中的非线性干涉仪在第一片与第二片光学玻璃形成的空腔内，第一反射涂层位于第一片玻璃片内侧，第二反射涂层位于第二玻璃片内侧；位于空腔内使信号光产生延时的第一块玻璃片及位于空腔外使信号光产生延时的第二块玻璃片，通过第一次反射，第一次光延时和第二次光延时使分离通道中的一束信号光分离成两束，这两束信号光之间有非对称的交错通带。
14，根据权利要求5所述的光路转换设备，其特征在于信号光的输入输出机构，还包括一个可自动切换的光路恢复开关，它包括一个如权利要求10所述的可换向的光路回转器，一根与可换向的光路回转器的第三端口相连的探测器连线，一个通过探测器连线与光纤开关相连的光探测器，一根连接光探测器与可换向光路回转器的电线；
15，根据权利要求5所述的光路转换设备，其特征在于所述的信号光的输入输出机构，还包括一种光纤旁路开关，它由一个如权利要求10所述的可换向的光路回转器，与回转器第三个端口相连的第一条光纤；与回转器第四个端口相连的第二条光纤组成。
全文摘要
本发明涉及光纤通信,包括:通过光路转换设备包括光纤开关,可换向的光路回转器和可逆的光道分离器等设备对信号光进行转换、传导、切换,信号光转换,其步骤是将信号光导引入一个至少由一个压电双晶振子构成的光路转换器,通过该光路转换器使信号光发生偏转、换向。它具有操作稳定可重复,转换速度快,对信号光的轻微拢动及失配敏感度低等优点。
文档编号H04B10/12GK1289191SQ0011947
公开日2001年3月28日 申请日期2000年7月19日 优先权日2000年7月19日
发明者陈伟成, 李毅, 李承恩, 贺连星, 傅敏礼, 倪焕尧, 鲍军 申请人:上海联能科技有限公司