专利名称：多路输入输出光束的机械光开关的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种多路输入输出光束(N×N)的机械光开关，主要应用于光纤通信全光交叉连接的多路输入光束对多路输出光束((N×N)的光开关系统，以及其他用于光路切换的光开关系统。
背景技术：
现代光纤通信技术正在向着全光网络系统方向发展。全光网络的规模不断扩大，在一个结点中交换的光路数量，从几路到数十路，到数百路，以至于大于1000路光纤。全光交叉连接(OXC)是组成不同规模全光网的关键器件，起着十分重要的作用。在自愈光网中，当光器件和光缆由于种种原因发生阻断时，光开关是保证通信线路切换到保护环路的关键器件。在光器件的大批量生产和安装中，也需要光开关切换光路，以提高器件和光路检验的效率。在许多光器件模块和光端机子系统中，光开关是提高器件和机器性能，增加功能的必备元件。在光网系统中也需要光开关实时采集系统各处的运行信息，以便进行网络管理监控。
在各种光开关中，机械光开关技术成熟、稳定可靠、性能优良。是现在通信系统中大量采用的光开光。为了降低成本、缩小体积、增加开关路数、提高速度等性能，机械光开关在技术上仍在不断发展。尤其是在多路输入输出光束也称为多路对多路(以下简称为N×N)的光开关，与一路对多路的光开关相比，动作单元的数量很大。N×N的光开关，就需要N2个动作单元。这就大大增加了器件的成本，降低了开关速率，还降低了可靠性。而且，要实现N×N光开关的严格无阻塞运行，需要采用十分复杂的结构。一个N×N的光开关，有N！种不同的通路排列。对于较大的N，这是一个巨大的数字。在先技术[1](参见文献IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，Vol.10，No.6，June 1998，pp.810-812)报道，采用热光控制波导马赫—曾德干涉仪，实现了16×16严格无阻塞光开关。该器件十分复杂。而且，由于是干涉型的器件，对于工作波长有严格的要求，不是一个宽带的开关。在先技术[2]，专利CN1257211A提出一种4×4光开关矩阵，可以实现无阻塞运行。但是需要采用16个直角棱镜反射器和相应的驱动器。在先技术[3]，专利ZL95195064采用树形分路和单路门开关的方式，实现1×N光开关。再用1×N光开关，组合成N×N光开关。该器件从原理上看插入损耗很大，驱动单元数量很多。在实施中该种N×N机械光开关，还没有发现能实现严格无阻塞、而驱动单元数小于N平方的技术方案。
上述在先技术中的机械光开关，一个反射镜通常只能切换一路光束，只能实现1×2的光开关。其中采用的平面反射镜，一般是在玻璃平板的一个表面上蒸镀高反射膜制成的，如图1所示。图中表面01为高反面，表面02不镀膜或镀增透膜。这样，在反射镜插入光路后，光线会发生一定的位移。从光的折射定律，用图1所示符号，可以得到光线的平移量为t=dsinα(1-cosαn2-sin2α)]]>在入射角为45度时，即α＝45°，t=d2(1-12n2-1)]]>设玻璃的折射率n＝1.5，玻璃板厚度d＝1mm，可以计算得到位移t为0.33mm。这对于一般光纤准直器输出的约为0.5mm直径的光束来说，是很大的偏离。因此，如果采用这样的反射镜作为如图2所示的2×2光开关(aa’/bb’和ab’/ba’两种工作状态)的反射镜，将引入很大的插入损耗。
发明内容
本实用新型的多路输入输出光束(N×N)的机械光开关，含有N≥1个光路二度对称的能够相对光路运动的复合反射镜1。复合反射镜1含有形状大小厚度完全相同，由透明材料构成，相互平行重叠置放的第一子镜101和第二子镜102。第一子镜101与第二子镜102两相对内表面之间的一半上置有高反射薄膜103，两相对内表面的另一半是透明区域105。在两相对内表面之间均匀地置有折射率匹配胶层106。在第一子镜101和第二子镜102的两外表面104、107上均镀有增透薄膜。如图3、图4所示。
本实用新型为达到克服上述在先技术中存在的问题，提出如上所述的一种用于多路对多路无阻塞机械光开关的光路二度对称的复合反射镜1，如图3、图4和图5所示的结构。由此构成多种N大于或等于1个的多路对多路(N×N)的机械光开关。
本实用新型的多路对多路的机械光开关，如上述的结构，含有N大于或等于1个二度对称的相对光路能够运动的复合反射镜1。复合反射镜1含有二个形状大小完全相同，由透明材料制成相当于由折射率匹配胶层106互相粘合的第一子镜101和第二子镜102。所说的第一、第二子镜可以是平行平面镜，如图3所示；或者是三角形棱镜，如图4和图5所示。或者是其它具有对称性的镜子均可。两个相同的子镜101和102相对两平面的一半内表面上分别镀有面积大小相同的高反射薄膜，当两子镜101、102合在一起时构成一高反射薄膜层103；或者其中第一子镜101或第二子镜102在两相对平面的一半内表面上镀有高反射薄膜103。两相同子镜101和102相对两平面的另一半内表面是透明区域105。在图3的复合反射镜1的结构中，第一子镜101的镀膜情况如图3-3所示。在图4的复合反射镜1的结构中，复合反射镜1中的两子镜101、102间的高反射薄膜103的镀膜情况与图3-3所示相同。在图5的复合反射镜1的结构中，高反射薄膜层103的镀膜情况如图5-3所示。两子镜101和102的外表面分别镀有对所使用光源发射光束增透的增透薄膜104和107。两子镜101和102在两相对平面内表面之间用与构成两子镜的透明材料的折射率相匹配的折射率匹配胶层106胶合。
所说的复合反射镜1中的两子镜101和102的透明材料是透明的光学玻璃，或是透明的有机材料，或者是透明的晶体材料。
所说的两子镜101和102相对两内表面的一半表面上镀有的高反射薄膜103是对所使用光源光束具有反射率大于90％的薄膜、也可以是接近100％的多层光学介质薄膜。
本实用新型的复合反射镜1的结构和特点是(一)复合反射镜由两个同样几何形状和尺寸的透明子镜101和102粘合在一起构成；粘合面是平行光学平面；高反射率薄膜103夹在该二个平面之间；复合反射镜以该粘合面为对称平面，具有镜面对称性；如图3、图4和图5所示。(二)高反射薄膜103占有粘合光学平面的一半。如图3-1所示。另一半的位置上透明区域105经粘合后透明无反射。如图3-2所示；(三)两个相同子镜101、102的外表面上104、107镀有增透膜。由于高反射薄膜103的厚度十分小，通常情况下，其高反射薄膜厚度小于1微米，当复合反射镜中有高反射薄膜103的部分进入光路或移出光路，而使光线被反射或透过时，二个出射光线的方向和位置都不变。如图2所示。这一光路布局具有A-A和B-B两个镜象对称面，输入和输出光线的走向具有二度镜象对称的特性。因而可以获得在平行连接(Bar)，如图2-1、图3-1、图4-1、和图5-1所示，和交叉连接(Cross)，如图2-2、图3-2、图4-2和图5-2所示，二个状态下具有同样小的插入损耗。开关的切换方式，对于两子镜101和102为平面镜的情况，复合反射镜1作左右平动，就可以实现二种连接状态，如图3所示。对于两子镜101和102为三角形棱镜、按图4布局的情况。当复合反射镜1以BB轴，或者以垂直于纸面的中心轴转动180度时，可以实现平行和交叉二种连接状态。对于两子镜101和102为三角形棱镜、按图5布局的情况，当复合反射镜1沿垂直于纸面的方向平移时，可以实现平行和交叉二种连接状态。
图6为利用一个上述N＝1个复合反射镜1构成的2×2光开关2。它的工作过程是当复合反射镜1中具有高反射薄膜103的区域移入光路时，实现a-a’和b-b’连接的平行工作状态，如图6-1。当复合反射镜1中另一半透明区域105移入光路时，实现a-b’和b-a’连接的交叉工作状态，如图6-2所示。为了后面叙述的简便，用图6-3表示2×2光开关2的示意图标。
根据上述结构原理，可以构造更多光路之间的互连开关。图7为含有N＝3个复合反射镜1的3×3无阻塞光开关3。其中用了3个相对光路可活动的复合反射镜1和一个固定的高反射平面镜301，如图7-1所示。它的示意图标如图7-2所示。
图8为一个由N＝4个复合反射镜1构成的开关矩阵4。它是一种局部无阻塞[2×4+2×3]光开关4，如图8-1所示。图8-2为图8-1的示意图标中标记为[b-4×4]。它可以用作为一种无阻塞2×4交叉连接光开关。在一定场合下，它能够满足实际应用要求。
图9为另一种N＝6个复合反射镜1的4×4无阻塞光开关5。其中用了6个可动的复合反射镜1和二个固定反射镜501、502。
图10为本实用新型第二种4×4无阻塞光开关6的结构。它由二个2×2开关和一个(b-4×4)开关矩阵4组合构成。其中采用了N＝6个可动复合反射镜1。
图11为本实用新型第三种4×4无阻塞光开关7的结构。它由六个2×2开关组合构成。也是用了N＝6个能够活动的复合反射镜1。
依据上述本实用新型的结构基础，可以进一步组合实现大于4个的N×N光开关。图12为本实用新型提出的6×6无阻塞光开关8的结构。它由2个3×3开关和6个2×2开关组合构成。其中用了N＝12个复合反射镜1。同样地可以用2个4×4开关和8个2×2开关组合，构成8×8无阻塞光开关9，如图13所示。
本实用新型的多路输入输出光束的机械光开关与在先技术相比，具有的优点是1、本实用新型中所使用的复合反射镜1在两子镜101、102相对两内表面之间一半上置有厚度与光束线度相比可以忽略的高反射薄膜103，另一半105是透明区域，并且用折射率匹配胶层胶合，本实用新型的这种复合反射镜可以被认为是一种两子镜之间无厚度的双面反射镜。本实用新型的复合反射镜1可以在光路中运动，由于其二度镜面对称性，可以实现一件光学元件同时改变二个光路的作用。从而成倍地减少了机械光开关中动作元件的数量，并实现了严格无阻塞的光开关。
2、高反射薄膜层被密封在两相同子镜101和102之间的内部，有利于保持其特性的稳定性。
3、本实用新型的光开关切换作用是通过复合反射镜1的平移起作用的。其动作只要求保持平行运动或转动，对于平移距离没有严格的控制要求，只要超过入射光束的宽度即可。比较容易控制。
4、本实用新型的光开关与在先技术中的光开关相比，可以实现多路对多路的严格无阻塞光开关矩阵。与在先技术中干涉型波导开关矩阵相比，没有波长控制要求，具有宽带特性。
5、本实用新型光开关大大减少开关运动部件和相应驱动器的数量，而且光纤输入输出端口可以在正方形的四边安排，结构紧凑，体积小，重量轻，节约材料和成本。
图1、为在先技术中所采用的平面反射镜折射引起的光路位移示意图。
图2、为本实用新型光开关采用N＝1个复合反射镜1的2×2机械光开关的基本示意图。其中图2-1为复合反射镜1中具有高反射薄膜的一半区域103进入光路时，获得平行连接(Bar)的光路示意图。图2-2为复合反射镜1中没有高反射薄膜的一半透明区域105进入光路时，获得交叉连接(Cross)的光路示意图。
图3、为本实用新型光开关中复合反射镜1的结构及其光路示意图。图3-1为平行连接和图3-2为交叉连接的正视图。图3-3为图3-1和图3-2的AA面剖视示意图。
图4、为本实用新型光开关中复合反射镜1的结构及其光路示意图。其中两子镜101、102为一对相同尺寸的三角形棱镜。当复合反射镜1以BB轴，或者以垂直于纸面的中心轴转动180度时，可以实现图4-1的平行连接和图4-2的交叉连接二种连接状态。
图5、为本实用新型光开关中复合反射镜1的结构及其光路示意图。其中两子镜101、102为一对相同尺寸的三角形棱镜。当复合反射镜1沿垂直于纸面的方向平移时，可以实现图5-1的平行和图5-2的交叉二种连接状态。图5-3为子镜101与子镜102分开，内表面上一半为高反射薄膜103，另一半为透明区域105的示意图。
图6、为本实用新型光开关中采用N＝1个复合反射镜的2×2机械光开关结构示意图。图6-1为复合反射镜1中有高反射薄膜103的一半区域进入光路，获得平行连接的示意图。图6-2为复合反射镜1中没有高反射薄膜的一半透明区域105进入光路，获得交叉连接的示意图。图6-3为2×2光开关的示意图标。
图7、为本实用新型光开关中采用N＝3个复合反射镜的3×3无阻塞光开关结构示意图。其中图7-1为含3个复合反射镜1和一个平面反射镜301的结构示意图，图7-2为3×3光开关的示意图标。
图8、为本实用新型光开关中采用N＝4个复合反射镜的4×4局部无阻塞光开关结构示意图。其中图8-1为含4个含复合反射镜结构的示意图，图8-2为4×4局部无阻塞光开关的示意图标。
图9、为本实用新型光开关中采用N＝6个复合反射镜的4×4无阻塞光开关第一种结构示意图。
图10、为本实用新型光开关中采用N＝6个复合反射镜的4×4无阻塞光开关第二种结构示意图。
图11、为本实用新型光开关中采用N＝6个复合反射镜的4×4无阻塞光开关第三种结构示意图。
图12、为本实用新型光开关中采用N＝12个复合反射镜的6×6无阻塞光开关结构示意图。
图13、为本实用新型光开关中采用N＝16个复合反射镜的8×8无阻塞光开关结构示意图。
图14、为本实用新型光开关中采用N＝1个复合反射镜的2×2光开关的
具体实施方式
图14所示的结构是本实用新型具体实施方式
的一个例子。其中采用了N＝1个本实用新型的复合反射镜1，实现2×2机械光开关结构。复合反射镜1中两相同子镜101和102，是二片完全相同的牌号为K9的光学平行平面镜。两子镜101和102的两相对内表面之间的高反射薄膜103采用反射率大于95％的金膜。或者采用银膜、或铝膜、或多层介质膜。高反射薄膜的厚度为0.2微米，分别蒸镀在两子镜101和102相对内表面的一半上。两子镜101和102在相对两内表面之间的折射率匹配胶层106是用折射率匹配的加拿大树脂胶。胶合时保持两子镜101、102上的高反射薄膜互相对齐。两子镜101和102的二个外表面104和107，对于1550纳米工作波段和45度入射角，蒸镀增透膜，以消除在该两表面上产生的额外反射。
复合反射镜1通过连接件14固定在活动轴12上。活动轴在线圈11的电磁力推动下，实现左右平移，从而带动复合反射镜在光路中移动。该活动轴12通过永磁体16的作用，具有自保持的性能。输入和输出共四根光纤准直器17固定在开关的支架15上。仔细调整其位置，使光束在水平面上互相垂直，并调整到以复合反射镜1为中心。各部件均固定在底板13上。复合反射镜1在光路中移动，两路输入光及两路输出光分别通过四根光纤准直器17输入或输出，达到平行连接或交叉连接的作用。
权利要求1.一种多路输入输出光束的机械光开关，其特征在于含有N≥1个光路二度对称的能够相对光路运动的复合反射镜(1)，复合反射镜(1)含有形状大小厚度完全相同，由透明材料构成，相互平行重叠置放的第一子镜(101)和第二子镜(102)，第一子镜(101)与第二子镜(102)两相对内表面之间的一半上置有高反射薄膜(103)，两相对内表面的另一半是透明区域(105)，在两相对内表面之间均匀地置有折射率匹配胶层(106)，在第一子镜(101)和第二子镜(102)的两外表面(104、107)上均镀有增透薄膜。
2.根据权利要求1所述的多路输入输出光束的机械光开关，其特征在于所说的第一子镜(101)和第二子镜(102)是具有对称性的平行平面镜，或者是三角形棱镜，或者是梯形棱镜。
3.根据权利要求1所述的多路输入输出光束的机械光开关，其特征在于第一子镜(101)和第二子镜(102)两相对内表面之间的一半上置有的高反射薄膜(103)是镀在第一子镜(101)相对于第二子镜(102)内表面的一半表面上；或者是镀在第二子镜(102)相对于第一子镜(101)内表面的一半表面上，或者是分别镀在第一子镜(101)和第二子镜(102)两相对内表面的一半表面上。
4.根据权利要求1或3所述的多路输入输出光束的机械光开关，其特征在于第一子镜(101)和第二子镜(102)两相对内表面之间的一半上置有的高反射薄膜(103)是对所使用光源发射的光束具有反射率大于90％的薄膜。
5.根据权利要求1所述的多路输入输出光束的机械光开关，其特征在于所说的构成复合反射镜(1)中的第一子镜(101)和第二子镜(102)的透明材料是透明的光学玻璃，或者是透明的有机材料，或者是透明的晶体。
专利摘要一种多路输入输出光束的机械光开关,主要应用于光纤通信全光交叉连接和光路切换的光开关系统。含有N大于或等于一个光路二度对称的能够运动的复合反射镜。复合反射镜含有形状大小厚度完全相同、由透明材料构成、相互平行重叠置放的两块子镜。两子镜可以是平行平面镜,或者是三角形棱镜,或者是梯形棱镜,或者是其他具有对称性的镜子。两子镜相对两内表面的一半表面上置有高反射薄膜,另一半表面是透明区域。相对两内表面之间有折射率匹配胶层。两子镜的外表面上镀有增透薄膜。与在先技术比,本实用新型实现了用一个复合反射镜的运动同时改变两个光路的作用。成倍地减少了动作单元的数量。不仅达到了多路输入输出光束严格无阻塞光开关的目的,而且具有宽带特性,结构紧凑,体积小,重量轻,节约了材料和成本。
文档编号G02B6/35GK2507021SQ0125500
公开日2002年8月21日 申请日期2001年11月30日 优先权日2001年11月30日
发明者方祖捷, 陈高庭, 董作人, 蔡海文 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所