专利名称：切换光路的装置及方法
技术领域：
本发明属于光学系统控制装置及方法，特别是一种切换光路的装置及方法。
机械式的光学开关系理论上简单且便宜的实现途径，但受到许多限制。例如，Chang等人在美国专利第6,044,186号中提出一种光学切换开关及装置，其系将光信号输入端的光纤贴附(attach)在一切换构件上，利用该切换机构枢转于两位置之间，使输入光纤对准不同的输出光纤达到切换光信号的目的。此种途径必须移动光纤，需要高精确度的对准，而且其可靠性较差。
保持光纤不移动，而利用光学元件改变光路的方式具有较简单的优点。反射式的光学开关被提出，例如颁给Pan等人的美国专利第5,838,847号，其系使用可移动的反射元件摆放在光纤的尾端或移离光纤的尾端，以达到改变光路的目的。然而，使用反射式的切换元件对于角偏移(angular variation)非常敏感，不易达到快速且精准的切换，并且有许多光学开关无法以此种技术达成。
Lee在美国专利第6,088,166号中使用棱镜来平移光束从一光纤到另一光纤，这种切换方式系使光束经过棱镜的两次折射，具有简单且低廉的优点，不过作为光学开关元件的棱镜体积大，且重量重，不利于缩小装置的尺寸，亦不利于操纵该棱镜的机构(mechanism)设计，很难将其组以实现更多的输入/输出。而Li等人在美国专利第6,215,919号中则是使用楔形棱镜(wedgeprism)来旋转光束的方向，并配合适当摆设折射率渐变式透镜(gradient indexlens)以达到从一光纤切换到另一光纤的目的，此法可以缩减棱镜的尺寸及重量，但光路的控制变得复杂，需要高精确度的棱镜及光学对准，并且难以达到多输入/输出的目的。
本发明装置包括输入端、输出端、形成于输入端与输出端之间的自由空间光路及当置入输入端与输出端之间可将光束折射两次及全反射一次以形成切换光路的棱镜；本发明方法包括于输入端与输出端之间设置自由空间光路；于自由空间光路内移动棱镜；移离棱镜使输入端射入光经自由空间光路与输出端耦合；插入棱镜，输入端射入光经棱镜折射两次及反射一次形成的切换光路与输出端耦合。
其中棱镜系为楔形棱镜或等腰棱镜棱镜。
输出端包括由自由空间光路与输入端耦合的第一输出端及由切换光路与输入端耦合的第二输出端。
输入端包括由自由空间光路与输出端耦合的第一输入端及由切换光路与输出端耦合的第二输入端。
输入端包括第一输入端及第二输入端；输出端包括第一输出端及第二输出端；输入端的第一、二输入端分别由两自由空间光路与输出端的第一、二输出端耦合/分别由插入输入端与输出端之间的棱镜形成的两切换光路与输出端第二、一输出端耦合。
置于输入端与输出端之间的棱镜包括第一棱镜及与第一棱镜结合在一起的第二棱镜；第一、二棱镜分别将光束折射两次及全反射一次以形成两切换光路；输入端包括第一、二输入端；输出端包括分别由两自由空间光路与第一、二输入端耦合的第一、三输出端及分别由两切换光路与第一、二输入端耦合的第二、四输出端。
置于输入端与输出端之间的棱镜包括第一棱镜及与第一棱镜结合在一起的第二棱镜；第一、二棱镜分别将光束折射两次及全反射一次以形成两切换光路；输入端包括第一、二输入端；输出端包括分别由两自由空间光路与第一、二输入端耦合的第一、三输出端及分别由两切换光路与第一、二输入端耦合的第二、四输出端。
第一、二棱镜为楔形棱镜或等腰棱镜。
经切换光路使输入端的光束被导引他处而不到达输出端。
经切换光路使输入端的光束与第二输出端耦合。
于输入端与输出端之间设置两自由空间光路；步骤二中于两自由空间光路内移动棱镜；移离棱镜使第一、二输入端射入光分别经两自由空间光路与第一、二输出端耦合；插入棱镜，光束经棱镜折射两次及反射一次形成两切换光路；第一、二输入端分别经两切换光路与第二、一输出端耦合。
于自由空间光路内移动的棱镜包括第一、二棱镜；插入棱镜，输入端分别经第一、二棱镜折射两次及反射一次形成的第一、二切换光路与第一、二输出端耦合。
一种切换光路的装置，它包括多数输入端、多数输出端、多数分别设置于各输入端与输出端之间的自由空间光路及至少一当置入输入端与输出端之间可将光束折射两次及全反射一次以形成切换光路的棱镜。
棱镜系为楔形棱镜或等腰棱镜棱镜。
一种切换光路的方法，它包括于多数输入端与多数输出端之间设置多数自由空间光路；于多数自由空间光路内移动至少一棱镜；移离棱镜使多数输入端射入光分别经多数自由空间光路与多数输出端耦合；插入棱镜，多数输入端经棱镜折射两次及反射一次形成的多数切换光路与多数输出端耦合。
一种切换光路的装置，它包括输入端、与输入端对应的多数输出端、设置于输入端与一输出端之间的自由空间光路及置入输入端与多数输出端之间可分别将光束折射两次及全反射一次以形成多数切换光路的多数棱镜。
多数棱镜系为楔形棱镜或等腰棱镜棱镜。
一种切换光路的方法，它包括于输入端与多数输出端之间设置自由空间光路；于自由空间光路安排多数棱镜；移离多数棱镜使输入端射入光经自由空间光路与一输出端耦合；将多数棱镜单独插入，操纵多数棱镜插入排列组合使光束经各棱镜折射两次及反射一次形成多数切换光路。
一种切换光路的装置，它包括输入端、输出端、形成于输入端与输出端之间的多数自由空间光路及当置入输入端与输出端之间可将光束折射两次及全反射一次以形成多数切换光路的棱镜；输入端为包含多数输入光纤的多光纤准直器；输出端为包含多数输出光纤的多光纤准直器。
棱镜系为楔形棱镜或等腰棱镜棱镜。
形成于输入端与输出端之间的两相交的自由空间光路形成约为0.5°-3°范围内的夹角。
由于本发明装置包括输入端、输出端、形成于输入端与输出端之间的自由空间光路及当置入输入端与输出端之间可将光束折射两次及全反射一次以形成切换光路的棱镜；本发明方法包括于输入端与输出端之间设置自由空间光路；于自由空间光路内移动棱镜；移离棱镜使输入端射入光经自由空间光路与输出端耦合；插入棱镜，输入端射入光经棱镜折射两次及反射一次形成的切换光路与输出端耦合。本发明在不移动光纤或光信号的输入/输出端的前提下，从输入端至输出端的光束经过棱镜的两次折射及一次全反射，于输入端与输出端之间形成切换的光路；当棱镜自该自由空间中移除时，从输入端至输出端的光束经过自由空间光路传输；因而达到改变光路的目的；本发明可应用于各种光开关装置；不仅体积小、重量轻、结构简单，而且价格低廉、控制稳定且达到多输入/输出，从而达到本发明目的。
图2、为本发明应用于2×2光交换器结构示意正视图(插入棱镜时)。
图3、为本发明应用于2×2光交换器结构示意正视图。
图4、为本发明应用于2×2光交换器结构示意正视图(插入棱镜时)。
图5、为本发明应用于开闭式光学开关结构示意正视图。
图6、为本发明应用于开闭式光学开关结构示意正视图(插入棱镜时)。
图7、为本发明应用于2×4光交换器结构示意正视图。
图8、为本发明应用于2×1光交换器结构示意正视图。
图9、为本发明应用于2×1光交换器结构示意正视图(插入棱镜时)。
图10、为本发明应用于3×6光交换器结构示意正视图。
图11、为本发明应用于1×4光交换器结构示意正视图。
图12、为本发明应用于1×4光交换器结构示意正视图(插入棱镜时)。
图13、为本发明应用于1×4光交换器结构示意正视图(插入棱镜时)。
图14、为本发明应用于1×4光交换器结构示意正视图(插入棱镜时)。
图15、为本发明应用于2×2光交换器结构示意正视图(使用双光纤准直器)。
图16、为本发明应用于2×2光交换器结构示意正视图(使用双光纤准直器、插入棱镜时)。
具体实施例方式
本发明的特点系利用不同的原理达到改变光路的目的。本发明的装置及方法包括于光信号的输入端与输出端之间安排自由空间光路及控制棱镜的位置介入或离开自由空间光路。当棱镜被插入自由空间光路中时，形成切换的光路，光束被棱镜折射两次及全反射一次，因而达到改变光路的目的。
下面将以许多不同型态的光交换器为例说明本发明的原理及操作。
实施例一本发明为2×2光交换器。如图1、图2所示，本发明包括第一、二光信号输入端10、12及第一、二光信号输出端14、16。第一、二输入端10、12及第一、二输出端14、16皆含有准直器(collimator)或准直透镜(collimatinglens)耦合在光纤尾端。第一、二输入端10、12及第一、二输出端14、16呈两对彼此平行的输入/输出。
如图1所示，第一输入端10与第一输出端14之间分别形成自由空间光路18；第二输入端12与第二输出端16之间形成另一自由空间光路20。切换前，来自第一输入端10的光信号被耦合进入第一输出端14，第二输入端12的光信号被耦合进入第二输出端16，此两光束彼此平行。
如图2所示，当棱镜22被插入光信号第一、二输入端10、12及第一、二输出端14、16之间进行切换时，两自由空间光路18、20即被改变为切换光路24、26；来自第一输入端10的光束经过棱镜22的两次折射及一次全反射而耦合进入第二输出端16；来自第二输入端12的光束经过棱镜22的两次折射及一次全反射而耦合进入第一输出端14中，即藉由棱镜22的插入，使第一、二输入端10、12与第一、二输出端14、16之间的自由空间光路18、20改变为切换光路24、26。
棱镜22系为楔形棱镜或等腰棱镜，其具有平行于入射光方向的底边23及对称的两斜边25、27。斜边25、27的表面可以镀膜，以减少入射光的反射及降低极化相关损失(Polarization-Dependent Loss；PDL)。当棱镜22被插入两自由空间光路18、20后，两束互相平行的入射光系平行且对称于棱镜22的光轴(optical axis)入射至棱镜22中，经过棱镜22的两次折射及一次全反射后，形成两束互相平行的出射光，此两束互相平行的出射光系平行且对称于棱镜22的光轴，但位置与两束互相平行的入射光相反。即藉由改变棱镜22的位置即可控制两光束的行进路径呈如图1所示的直进状；或如图2所示的交叉状，从而达到切换光路的功能。
若将棱镜22的局部施予发黑处理，则本发明成为2×2阻断式光交换器。
实施例二本发明为1×2光交换器。如图3、图4所示，本发明包括光信号输入端28及与输入端28对应设置的光信号第一、二输出端30、32，平行的第一、二输出端30、32中的第一输出端30与输入端28对准。
如图3所示，切换前，输入端28与对准输入端28的第一输出端30之间形成自由空间光路34，入射光从输入端28耦合至第一输出端30中。如图4所示，当棱镜36被插入光信号输入端28及第一、二输出端30、32之间进行切换时，自由空间光路34即被改变为切换光路38，入射光从输入端28以平行于棱镜36光轴方向进入棱镜36中，经过棱镜36的两次折射及一次全反射形成出射光，并耦合进入第二输出端32。
实施例三本发明为开闭式光学开关。如图5、图6所示，本发明包括彼此对准的光信号输入端40及输出端42。如图5所示，开启状态(on state)时，输入端40与输出端42之间形成自由空间光路44，光束直接从输入端40耦合至输出端42。如图6所示，当棱镜46被插入光信号输入端40及输出端42之间进行光路切换的关闭状态(off state)时，形成切换光路48，入射光从输入端40进入棱镜46，经过棱镜46的两次折射及一次全反射形成出射光被导引至他处，而不再耦合至输出端42。
实施例四本发明为2×4光交换器。如图7所示，本发明系组合两个1×2光交换器，两棱镜96、98底板分别镀上反射膜后胶合在一起。本发明包括光信号第一、二输入端84、86及第一、二、三、四输入端88、90、92、94。
当棱镜96、98未被插入的切换前，两入射光分别从第一、二输入端84、86经两自由空间光路100、102耦合至第一、三输出端88、92。
当棱镜96、98被插入光信号第一、二输入端84、86及第一、二、三、四输出端88、90、92、94之间进行切换时，自由空间光路100、102即被改变为切换光路104、106；两入射光分别自第一、二输入端84、86平行于两棱镜96、98的光轴入射且经过两棱镜96、98的两次折射及一次全反射沿两切换光路104、106耦合至第二、四输出端90、94中。依此方式，结合多个棱镜，可以获得更多输入/输出埠的光交换器。
实施例五本发明为2×1光交换器。如图8、图9所示，本发明包括光信号第一、二输入端110、112及与第一输入端110对准设置的光信号输出端114。
如图8所示，切换前，与输出端114对准的第一输入端110与输出端114之间形成自由空间光路116，入射光从第一输入端110耦合至输出端114中。如图9所示，当棱镜118被插入光信号第一、二输入端110、112及输出端114之间进行切换时，形成切换光路120，此时第二输入端112的入射光以平行于棱镜118光轴方向进入棱镜118中，经过棱镜118的两次折射及一次全反射形成出射光，并耦合进入输出端114。
实施例六本发明为3×6光交换器。如图10所示，本发明包括平行于棱镜146光轴排列的光信号第一、二、三输入端122、124、126及第一、二、三、四、五、六输出端128、130、132、134、136、138。第一、三、五输出端128、132、136分别与第一、二、三输入端122、124、126对准。当棱镜146未被插入的切换前，三入射光分别从第一、二、三输入端122、124、126经三个自由空间光路140、142、144耦合至第一、三、五输出端128、132、136。
当棱镜146被插入光信号第一、二、三输入端与第一、二、三、四、五、六输出端之间进行切换时，三个自由空间光路140、142、144被改变为切换光路148、150、152；三入射光分别自第一、二、三输入端平行于棱镜146的光轴入射且经过棱镜146的两次折射及一次全反射沿三切换光路148、150、152耦合至第二、四、六输出端130、134、138中。
实施例七本发明为1×2光交换器。如图11、图12所示，本发明包括光信号输入端154及与输入端154对应并平行设置的光信号第一、二、三、四输出端156、158、160、162，第一输出端156与输入端154对准。
如图11所示，切换前，输入端154与对准输入端154的第一输出端156之间形成自由空间光路164，入射光从输入端154耦合至与其对准的第一输出端156中。
如图12所示，当以镀上反射膜表面胶合在一起的第一、二棱镜166、168被插入光信号输入端164与第一、二、三、四输出端156、158、160、162之间进行切换时，自由空间光路164即被改变形成第一切换光路170，入射光从输入端154以平行于第一棱镜166光轴方向进入第一棱镜166中，经过第一棱镜166的两次折射及一次全反射形成出射光，并耦合进入第二输出端158。
如图13所示，当第三棱镜172被插入光信号输入端154与第一、二、三、四输出端156、158、160、162之间进行切换时，自由空间光路164即被改变形成第二切换光路174，入射光从输入端154以平行于第三棱镜172光轴方向进入第三棱镜172中，经过第三棱镜172的两次折射及一次全反射形成出射光，并耦合进入第三输出端160。
如图14所示，将第一、二、三棱镜166、168、172皆插入光信号输入端154与第一、二、三、四输出端156、158、160、162之间进行切换时，自由空间光路164即被改变形成第三切换光路176，入射光从输入端154以平行于第三、二棱镜172、168光轴方向依序进行第三、二棱镜172、168中，经过第三、二棱镜172、168的两次折射及一次全反射形成的出射光，并耦合进入第四输出端162，即被切换至第四输出端162。依此方式，可实现更多的光交换器。
实施例八本发明为2×2光交换器。如图15、图16所示，本发明包括光信号输入端178及光信号输出端184。输入端178为使用包含第一、二输入光纤180、182的双光纤准直器。输出端184为使用包含第一、二输出光纤186、188的双光纤准直器。
输入端178与输出端184之间形成夹角约为0.5°-3°的两相交的自由空间光路190、192，并使第一、二输入光纤180、182经相交的两自由空间光路190、192与第二、一输出光纤188、186耦合。为表达清楚，在图15、图16中两自由空间光路190、192端点间的距离及夹角被夸大了。此类多光纤准直器可参考颁给Pan的美国专利第6,249,625号专利。
如图15所示，切换前，来自输入端178第一输入光纤180的光信号被耦合进入输出端184第二输出光纤188；而输入端178第二输入光纤182的光信号被耦合进入输出端184第一输出光纤186，此两光束彼此交错。
如图16所示，当棱镜194被插入光信号输入端178与输出端184之间进行切换时，两自由空间光路190、192即被改变形成切换光路196、198；来自输入端178第一、二输入光纤180、182的光束经过棱镜194的两次折射及一次全反射分别耦合进入输出端184第一、二输出光纤186、188中，藉由棱镜194的插入，使输入端178第一、二输入光纤180、182与输出端184第一、二输出光纤186、188之间的自由空间光路190、192改变为切换光路196、198。本实施例与使用单光纤准直器的第一实施例相较，可以减少准直器的数量，而且可以缩小输入端与输出端之间的间距，减少棱镜的高度及长度，因此整体装置的体积及重量皆可减少。
如上所述，本发明提供了用来切换不同的光路以控制光束行进的光路径的装置及方法，在不移动光纤或光信号的输入/输出端的前提下达到切换光路的功能。
本发明包括光信号输入端及输出端，输入端及输出端之间形成自由空间光路(free space optical path)，可移动的棱镜相对被插入自由空间光路中或自该空间光路中移除，藉以控制光束在该输入端及输出端之间行进的光路径。当棱镜被插入自由空间光路中时，从输入端至输出端的光束经过棱镜的两次折射及一次全反射，于输入端与输出端之间形成切换的光路(switched opticalpath)。当棱镜自该自由空间中移除时，从输入端至输出端的光束经过自由空间光路传输。
棱镜为楔形棱镜(dove prism)或等腰棱镜isosceles prism)，以便缩减光开关元件的体积及重量。
本发明可应用于各种光开关装置，例如1×2光交换器2×1光交换器、2×2光交换器、2×2阻断式光开关(blocking optical switch)及开闭式光学开关(on-off optical switch)，或堆叠多个棱镜形成更多输入/输出埠(I/Oport)的光交换器，例如1×4光交换器及2×4光交换器。
权利要求
1.一种切换光路的装置，其特征在于它包括输入端、输出端、形成于输入端与输出端之间的自由空间光路及当置入输入端与输出端之间可将光束折射两次及全反射一次以形成切换光路的棱镜。
2.根据权利要求1所述的切换光路的装置，其特征在于所述的棱镜系为楔形棱镜或等腰棱镜棱镜。
3.根据权利要求1所述的切换光路的装置，其特征在于所述的输出端包括由自由空间光路与输入端耦合的第一输出端及由切换光路与输入端耦合的第二输出端。
4.根据权利要求1所述的切换光路的装置，其特征在于所述的输入端包括由自由空间光路与输出端耦合的第一输入端及由切换光路与输出端耦合的第二输入端。
5.根据权利要求1所述的切换光路的装置，其特征在于所述的输入端包括第一输入端及第二输入端；输出端包括第一输出端及第二输出端；输入端的第一、二输入端分别由两自由空间光路与输出端的第一、二输出端耦合/分别由插入输入端与输出端之间的棱镜形成的两切换光路与输出端第二、一输出端耦合。
6.根据权利要求3所述的切换光路的装置，其特征在于所述的置于输入端与输出端之间的棱镜包括第一棱镜及与第一棱镜结合在一起的第二棱镜；第一、二棱镜分别将光束折射两次及全反射一次以形成两切换光路；输入端包括第一、二输入端；输出端包括分别由两自由空间光路与第一、二输入端耦合的第一、三输出端及分别由两切换光路与第一、二输入端耦合的第二、四输出端。
7.根据权利要求1所述的切换光路的装置，其特征在于所述的置于输入端与输出端之间的棱镜包括第一棱镜及与第一棱镜结合在一起的第二棱镜；第一、二棱镜分别将光束折射两次及全反射一次以形成两切换光路；输入端包括第一、二输入端；输出端包括分别由两自由空间光路与第一、二输入端耦合的第一、三输出端及分别由两切换光路与第一、二输入端耦合的第二、四输出端。
8.根据权利要求7所述的切换光路的装置，其特征在于所述的第一、二棱镜为楔形棱镜或等腰棱镜。
9.一种切换光路的方法，其特征在于它包括如下步骤步骤一于输入端与输出端之间设置自由空间光路；步骤二于自由空间光路内移动棱镜；移离棱镜使输入端射入光经自由空间光路与输出端耦合；插入棱镜，输入端射入光经棱镜折射两次及反射一次形成的切换光路与输出端耦合。
10.根据权利要求9所述的切换光路的方法，其特征在于所述的步骤二经切换光路使输入端的光束被导引他处而不到达输出端。
11.根据权利要求9所述的切换光路的方法，其特征在于所述的步骤二经切换光路使输入端的光束与第二输出端耦合。
12.根据权利要求9所述的切换光路的方法，其特征在于所述的步骤一中于输入端与输出端之间设置两自由空间光路；步骤二中于两自由空间光路内移动棱镜；移离棱镜使第一、二输入端射入光分别经两自由空间光路与第一、二输出端耦合；插入棱镜，光束经棱镜折射两次及反射一次形成两切换光路；第一、二输入端分别经两切换光路与第二、一输出端耦合。
13.根据权利要求9所述的切换光路的方法，其特征在于所述的步骤二中于自由空间光路内移动的棱镜包括第一、二棱镜；插入棱镜，输入端分别经第一、二棱镜折射两次及反射一次形成的第一、二切换光路与第一、二输出端耦合。
14.一种切换光路的装置，其特征在于它包括多数输入端、多数输出端、多数分别设置于各输入端与输出端之间的自由空间光路及至少一当置入输入端与输出端之间可将光束折射两次及全反射一次以形成切换光路的棱镜。
15.根据权利要求14所述的切换光路的装置，其特征在于所述的棱镜系为楔形棱镜或等腰棱镜棱镜。
16.一种切换光路的方法，其特征在于它包括如下步骤步骤一于多数输入端与多数输出端之间设置多数自由空间光路；步骤二于多数自由空间光路内移动至少一棱镜；移离棱镜使多数输入端射入光分别经多数自由空间光路与多数输出端耦合；插入棱镜，多数输入端经棱镜折射两次及反射一次形成的多数切换光路与多数输出端耦合。
17.一种切换光路的装置，其特征在于它包括输入端、与输入端对应的多数输出端、设置于输入端与一输出端之间的自由空间光路及置入输入端与多数输出端之间可分别将光束折射两次及全反射一次以形成多数切换光路的多数棱镜。
18.根据权利要求17所述的切换光路的装置，其特征在于所述的多数棱镜系为楔形棱镜或等腰棱镜棱镜。
19.一种切换光路的方法，其特征在于它包括如下步骤步骤一于输入端与多数输出端之间设置自由空间光路；步骤二于自由空间光路安排多数棱镜；移离多数棱镜使输入端射入光经自由空间光路与一输出端耦合；将多数棱镜单独插入，操纵多数棱镜插入排列组合使光束经各棱镜折射两次及反射一次形成多数切换光路。
20.一种切换光路的装置，其特征在于它包括输入端、输出端、形成于输入端与输出端之间的多数自由空间光路及当置入输入端与输出端之间可将光束折射两次及全反射一次以形成多数切换光路的棱镜；输入端为包含多数输入光纤的多光纤准直器；输出端为包含多数输出光纤的多光纤准直器。
21.根据权利要求19所述的切换光路的装置，其特征在于所述的棱镜系为楔形棱镜或等腰棱镜棱镜。
22.根据权利要求19所述的切换光路的装置，其特征在于所述的形成于输入端与输出端之间的两相交的自由空间光路形成约为0.5°-3°范围内的夹角。
全文摘要
一种切换光路的装置及方法。为提供一种体积小、重量轻、结构简单、价格低廉、控制稳定且达到多输入/输出的光学系统控制装置及方法，提出本发明，本发明装置包括输入端、输出端、形成于输入端与输出端之间的自由空间光路及当置入输入端与输出端之间可将光束折射两次及全反射一次以形成切换光路的棱镜；本发明方法包括于输入端与输出端之间设置自由空间光路；于自由空间光路内移动棱镜；移离棱镜使输入端射入光经自由空间光路与输出端耦合；插入棱镜，输入端射入光经棱镜折射两次及反射一次形成的切换光路与输出端耦合。
文档编号G02B6/26GK1405589SQ0114175
公开日2003年3月26日 申请日期2001年9月17日 优先权日2001年9月17日
发明者陈贞夙 申请人:东盈光电科技股份有限公司