光束转向装置及光开关的制作方法

专利名称：光束转向装置及光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及光束转向装置，特别是光开关。
同步通讯系统的一个目的是传输实质上为调制的光辐射的通讯。此外，这种通讯系统需要越来越快捷的自我识别能力。
因此，光通讯系统需要可以在输入和输出之间发射光辐射的光开关组件，所发射的光辐射需与外部提供的发射信息相一致。
已经提出了一些光开关组件的不同配置，包括在光束中形成输入辐射的组件，以使输入辐射在空间上导向至选定的输出端口。对于较大数量输入和输出端口，我们需要提供不断增长的开关容量，这就导致了该组件尺寸、复杂性、功耗以及成本的增加。
本发明的目的是解决或改善某些或全部上述难点，特别是提供用于该组件中的一种改善的光束转向装置。
各种导向光束的方案已经被提出，典型的方案包括在输出光纤阵列中扫描输入光纤的运动；相对于准直透镜移动光纤以改变准直光束的角度和微型反射镜使其以选定的角度反射光束。
本发明的发明人已经获知决定能否在给定的开关体积中容纳大量端口的关键因素是单个光束转向装置在光束正交方向上的空间尺寸。一个适宜的几何开关有在Z方向上被光束偏转区分开的输入和输出端口两维阵列。那么装在一起的端口的密度就由每个端口的光束转向装置X和Y方向的尺寸决定。不幸的是，增加端口的数量并由此增加所需光束偏转的范围，从而导致操作每个端口所需的X和Y方向的距离的增加是许多现有技术结构的特征。
在许多电信应用中，可用于安装开关的体积是固定有限的。在其它应用中，紧凑设计有利于降低使用和生产的成本。
本发明的一个方面就是寻求用于光束转向的新途径以克服这个问题。
因而，本发明的一方面在于提供一种光束转向装置，包括一支撑结构；一准直仪；一与准直仪连接的沿Z轴的光纤；准直仪被限制在支撑结构上，以使其只能相对于一个或多个与Z轴正交的轴作摆动运动；和一个致动器以用于使准直仪摆动以便转向光束。
有利的是，准直仪通过一平衡环设置在支撑结构上。
通过摆动安装有平衡环的准直仪，可以在X和Y方向上尺寸非常紧凑的装置中获得大角度的光束偏转是容易理解的。
更大规模的开关的复杂难题是需要某些动态反馈的形式，以确保每束光束能十分精确地偏转到预期的目标端口。在普通的反馈技术中，被调制的光束自身采样，以检测光束是否在正确的输入和输出端口间传输。在这样的装置中，存在数据与路径控制信号流之间的串扰和增加开关中传输损耗的风险。为试图解决这种问题，前人已经提出了在数据调制光束旁边或周围安置辅助光束，和用安装在输出端口旁边或周围的探测器检测这些辅助光束以提供主光束位置的反馈。
由于这些辅助光束仍然是自然光，因而在滤波以提供主光束和辅助光束间的频率分离过程中，依然存在串扰的风险或传输损耗的风险。另外，在每束主光束旁边或周围安置辅助光束将大大地增加开关的X和Y尺寸(或者大大地减少在任何给定体积中容纳开关的容量)。
本发明的另一方面的目的正是克服或减少这些问题。
因而，本发明的另一发明点在于提供一种光束转向装置，包括一支撑结构；一准直仪；一与准直仪连接的沿Z轴的光纤；准直仪安装在支撑结构上，至少相对于与Z轴正交的X轴枢转地运动；一致动器用于使准直仪摆动以转向光束；和一角度位置传感器，提供用于在光束转向中，由致动器反馈的，指示准直仪关于X轴方向的信号。
直接测量准直仪的角位置为给光束位置提供反馈这个问题提供了一个独创性的解决方案。该方案中不存在光串扰的风险而且测量结构可以适用于高密度XY封装。
角位置传感器有分别对于准直仪和支撑结构的相互作用部件。位置传感器的那些部件通过电和/或磁相互作用，相互作用部件中的一个用于产生可以被其它相互作用部件感知的电或磁场。
另外，本发明在于一种光束转向装置，包括一个支撑结构；一个准直仪；一个与准直仪连接的沿Z轴的光纤；准直仪被安装在支撑结构上，至少相对于一个与Z轴正交的轴枢转地运动；一用于使准直仪摆动以转向光束的致动器；所述致动器包括一个细长的传感器，例如压电材料的圆柱形物体，沿所述Z轴安置。
光纤穿过传感器中的轴向孔便利地延伸，并且这种安置通常关于光纤对称。
本发明通过沿Z方向延伸传感器并且关于光纤对称地安置传感器，在该方面进一步减小了XY尺寸并且提高了光束转向装置的封装密度，以提供紧凑、高容量开关。
在本发明的优选方式中，致动器包括一个固态传感器，例如压电材料主体。传感器优选地是细长形状且沿Z轴方向延伸，传感器远离准直仪的一端被固定在支撑结构上，传感器邻近准直仪的一端，通过将致动器的驱动信号施加到传感器上，可以在X和Y轴方向上移动。传感器可以是中空的且与中心光纤同轴。
较好的，传感器在支撑结构与光纤之间作用，光纤作用于准直仪上用于移动准直仪。传感器可以通过杠杆作用，杠杆较好的采用与光纤同轴的中空圆柱体形式，杠杆沿Z轴延伸并且提供至少为2∶1，较好的为5∶1的传动比。该致动杠杆可以枢转地安装于支撑结构，例如通过平衡环。在本发明的一种形式中，致动器作用于光纤，并且光纤作用于准直仪以移动准直仪。
另一方面，本发明在于包括多个光束转向装置的光开关组件，每个光束转向装置与任何一个前述权利要求一致，光束转向装置有一个共同的支撑结构，较好的整体上为在包含Z轴的平面内延伸的板状形式，且有一对平坦的、平行的堆叠表面，沿与Z轴正交的堆叠轴相对紧密地排开。这些板状组件可以堆叠以形成光开关装置。由于每一个次组件(sub-assemblies)都可以在最后装配前测试，因此由许多次组件构建的开关简化了生产过程，并且能够快捷、简单地修理使用发生故障的单元。
发明的一种形式在于包括P到Q的光学开关，其中包括P光输入端口；P类的以任何上面形式限定的输入光束转向装置，并且每个都具有与各自的一个输入端口相连的光纤；Q光输出端口；Q类的任何上面形式限定的输出光束转向装置，并且每个都具有与各自的一个输出端口相连的光纤；光路径，在任何一个输入光束转换装置的准直仪及任何一个输出光束转换装置的准直仪之间传输光束；路径输入终端和路径控制器，用于响应路径输入终端接收的路径信息信号，为选定光束转向装置的致动器提供激励信号，这样转向各自的光束，以便光学地互相联接任何选定的输入端口与任何选定的输出端口。
较好的，光束转向装置设置成辐射状，这样，这些装置各自的光束中至少一些在静止条件下可在中心点相遇。
现在参照如下所示附图，仅通过实例描述本发明

图1为本发明的光学开关组件主要部分示意图；图2为图1所示组件中光开关单元示意图；图3为图2的开关单元输入阵列构建示例图，图3采用了同样的致动器薄片堆叠；图4为安装在准直仪上的平衡环示意图；图5为图3中的一个薄片的示意图；图6与图5相似，为一改进的具有辐射状致动器阵列的薄片示意图；图7为图6的改进的薄片中输入和输出阵列方向的图示；图8为平衡环连同其准直仪以及与图3结构中每个致动器构件相连的光纤的示意图；图9为在图8中的准直仪周围设置的八片电容角度位置传感器的示意图；图10为图9所示四个电容板的角度位置传感器电路的示意图；图11为微加工的平衡环阵列的示意图；图12为图11中的平衡环中每个应变量规的位置示意图；图13为与图11中的平衡环共同使用的微加工的准直仪示意图；图14为驱动器的电极设置示意图；图15为图14的电极结构的截面图；图16为根据本发明另一实施例的光开关组件的透视图；图17为对图16的实施例的一种改进的局部视图；图18示出另一使用轴承的平衡环的实施例；图19示出另一激励杠杆的实施例；
图20为本发明又一实施例的概略图。
首先参看图1，图1为通常用10标注的光开关组件主要部分的示意图。组件10包括一个通过内部接口30与开关系统40连接的控制系统20。开关系统40包括用45表示的1024个光输入端口P1至P1024，以及用50表示的1024个光输出端口Q1至Q1024。控制系统20通过一个外部接口60与外部设备连接，例如与组件10结合的电信系统的管理设备。
设置输入和输出端口P、Q是为了接收来自外部设备(未示出)的单模光纤。
现在参照图2更详细地描述开关系统40的结构。
开关系统40包括一个输入阵列100，该阵列与输入端口P1至P1024进行光学连接；同时包含一个与输出端口Q1至Q1024光学连接的输出阵列110。输入和输出阵列100、110安装在开关系统40中，并且在空间上被偏转区域120分开。阵列100、110被刚性地固定在使他们精确稳定的相互对准的外壳中。单模光纤从输入端口P1至P1024连接到输入阵列100的相应输出。同样，单模光纤从输出端口Q1至Q1024连接到输出阵列110的相应输出。
在工作中，输入端口P处的光辐射输入沿着与它们相连的光纤传输到输入阵列中相应的输入光束转向装置(图2中未示出)。准直光束被光束转向装置转向进入偏转区域120。例如，所示系统40设置为在输入端口P1、P2、P3和P1024处接收光辐射并将辐射传输到输入阵列100，相应的准直辐射光束130、135、140和145则从输入阵列100分别输出。光束130、135、140和145穿过偏转区域120后，被输出阵列110中的输出光束转向装置(图2中未示出)接收。被输出光束转向装置接收的辐射直接去相应的输出端口Q1至Q1024。例如，光束130、135、140和145被接收在与输出端口Q1、Q1024、Q4和Q50分别相关联的输出阵列110的致动器中。这样，图2中所示开关系统40被设置为通过控制系统20分别建立从输入端口P1、P2、P3和P1024到输出端口Q1024、Q4、Q1和Q50的光学连接。
通过改变上述输入和输出致动器的转向方向，可以建立穿过开关系统40的其它光学路径。较好的情况是，输入和输出阵列100、110致动器的转向方向可以在控制系统20的控制下，改变通过响应控制系统20接收到的来自外部设备的指令。
在开关系统40中，输入和输出阵列100、110相隔的距离范围为140～180mm。准直辐射光束从输入阵列穿过直径范围为400～800μm的偏转区域120传播到输出阵列，或者如果系统40被反向操作，准直辐射光束从输出阵列穿过直径范围为400～800μm的偏转区域120传播到输入阵列。由图2可知，开关系统40中的光辐射路径是双向的，前面使用的术语“输入阵列”和“输出阵列”仅仅是为了清楚地描述该硬件。
在开关系统40中建立光路经的过程中，偏转区域120中传播的光束能精确地传到输出阵列110的接收孔中当然是至关重要的。作为控制系统20没有直接在偏转区域120中采样辐射光束的后果，组件10有效地依靠稳定保持其校准以提供可靠的光路经。
光学系统可以结合在区域120中以转向光束，在穿过偏转区域120时给转向光束附加导向。在图2中，例如，所示辐射光束152由与输入端口P1相连的光束转向装置以角度θ1射出，并传播至光杠杆150以形成角度为θ2的偏转光束154，角度θ2比角度θ1大，其比率与杠杆150的光学平衡系数一致。在图2中，光束154直接导向到与输出端口Q1022相连的致动器。
杠杆150的结合有利于与输入阵列100相连的致动器(对于特定的自然几何形状需要)以一更小范围的角度偏转辐射光束，以便可以将辐射导向至任何选定的输出端口Q。因此，要求组件10能够以约0.010°的高精度、在约+/-5°的误差范围内偏转转向那里的辐射光束，这表示每单位长度有0.05dB的额外损耗。
现在参照图3描述输入阵列100的构造。较好的情况是，输出阵列110以与输入阵列100大体上相似的方式构造。
阵列100包括32个光开关组件200.1至200.32，每个组件在一共同的支撑结构中包括32个相同的光束转向装置。这些组件200采用一般的扁平“薄片”(slice)的形式，具有平坦的平行堆叠表面。在输入阵列100中，32个薄片200以2维(2D)阵列的形式堆叠，用205指示。
以相似的薄片堆叠形式构造输入阵列100和输出阵列110的优点在于在组装前，每个薄片可以单独地构造和测试。此外，若其中一个薄片有故障，可以通过拆卸堆叠205，快捷、简便地替换一个或多个有故障的薄片。
每个薄片200均被较好地设计，以便通过32线带状光纤连接到各自的输入端口P，例如带状线(ribbon)208。每条优选的带状线208连接到与其相连的薄片200的背面。同样地，每个优选的薄片200具有沿相连带状电缆210相应的电联接传输。优选的带状电缆实际上以与带状光纤正交的方向连接到薄片200，以辅助薄片200的堆叠。较好的是，带状电缆线被设置为连接在另一侧以帮助薄片200的堆叠。
在工作中，薄片200接收来自各自输入端口P的光辐射并以转向的准直光的形式发射辐射，例如准直光束215、218。
由前面的叙述可知，薄片200不仅在阵列100中，而且在阵列110中基本上相似。所以可在生产和服务中节约成本。
在详细描述每个薄片200的结构、功能以及其容纳的光束转向装置之前，参照图4，用更普通的术语讨论该实施例的关键特征是非常有帮助的。
所示光纤38接合到准直仪40。准直仪40可以广泛采用各种形式，并且可以采用多种不同的方法与光纤接合，这对本领域技术人员来说是显而易见的。当然，可以买到与准直仪一体的光纤。准直仪可以用将光纤端部成形于透镜的方法形成。
光纤和准直仪一体的一个非常重要的优点在于与光纤和准直仪分离的装置相比，特别是与依靠光纤和准直仪的相对位置进行光束转向的装置相比，更多地减少了光损耗。
图4所示的关键特征是准直仪安装在平衡环42中。安装的平衡环(在图中概略地描绘)允许准直仪与Z轴正交的X和Y轴摆动，其中Z轴作为准直仪的光束形成轴。准直仪的位移运动被有效地限制了。
通过将准直仪40安装在允许准直仪关于其中心点枢转(如图5所示)的平衡型固定件42，和通过在光纤末端准直仪的角度摆动来转向光束，从而获得其有效改进。与以前平移光纤末端的装置相比，每根光纤周围的工作体积大大地减少。与通过相对于光纤移动准直仪的现有技术来实现偏转相比可以更好地实现自然光束的偏转。本发明在这个方面避免了光纤和准直仪相分离装置固有的光学损耗。
现在回过头直接参照更详细地描绘薄片200.1的图5来描述薄片200。薄片200.1包括给32路光束转向装置的平行阵列提供支撑结构的外壳300，例如图中的305。光束转向装置305包括沿Z轴方向延伸的细长的致动器310。致动器310的第一端刚性地安装在外壳300中，而第二端可以相对于外壳自由地移动。截头圆锥形的杠杆320可刚性的自致动器的第二端延伸。致动器构件310是一包括多层散布有电极层的压电材料层堆叠的层压制件。较好的压电材料层是由PZT陶瓷极化，从而使施加于电极层的适当的致动信号能导致致动器310在X和Y方向(如图5所示)伸缩。电极层可以是银、铝或者更理想的铂，容许更高的烘烤温度，当然也可以选用其它材料。这些电极层采用交错平行连接，从而使通过电极加到压电层的调制偏压(通常为+/-45伏特)可以有效地产生所需电场。这种压电层制件的设计为其它各个领域熟知。
当构件310伸缩时，致动器构件310的第二端实际上可无限制地自由移动。较好的致动器310具有矩形横截面并且长度范围为20～40mm，更好的为25～30mm，同时侧面宽约1.8mm。致动器310有一个轴向孔以容纳光纤315。
致动器杠杆320也是中空的，同样是为了容纳光纤315。锥形的致动器杠杆320选择中空，就要求其制造材料(例如碳素纤维)和材料的厚度具有高硬度和低质量，目的在于尽可能高地补偿其弯曲模式谐振频率，也就是它们的一次本征频率(first-order Eigenmode frequency)。较好的致动器杠杆320长度范围为25～75mm，当然，更好的长度实际上可达到60mm。
薄片200的每个光束转向装置由与其连接的光纤提供致动器的光学端口与相关联的准直仪的耦合。例如，带有光纤315的致动器305，其第一端连接到与致动器305相关联的光端口Pn(其中n为整数)且其第二端连接到准直仪340。光纤315经过致动器构件310的轴向孔，并穿过致动器杠杆320中心区域的孔。光纤315延伸超出致动器杠杆320的一段暴露区域350大约2mm，最后终止在管状准直仪340的第一端。较好的光纤315通过熔焊与准直仪40联接；作为熔焊的另一个选择，实际上光学透明的紫外(UV)辐射可愈性粘合剂可以用于将光纤315粘合于准直仪340。
光纤315优选单模光纤(如康宁公司的SMF-28)，其外径包括其丙烯酸原始涂层基本上为250μm。(10μm的纤芯，125μm直径的玻璃包层)或者采用更薄聚酰胺涂层的外径为160μm的光纤(朗讯)，具有光纤硬度对温度依赖性较小和采用这种方法能使致动器的孔更小的优点。更好的是金刚石涂层光纤(3M公司)，外径(OD)为127μm且具有稳定的机械特性。较好的情况是，一根长度不间断的光纤连接与致动器305相关联的光端口Pn和致动器305的准直仪340；使用这种长度不间断光纤对于减小光插入损耗是很重要的。
与薄片200的致动器相关联的准直仪设置成线性阵列360，每个准直仪通过相连的平衡环365支撑在外壳300中，如图4所示形式。这样，准直仪被平衡环限制在正交轴X和Y方向枢转以转向入射光束，通过平衡环实际上防止了准直仪的测向平移，并且只允许少量必须的Z轴移动，以适应基板300与致动器/杠杆组件(310/320)之间由热造成的长度变化；以及在更大的偏转角度时，避免致动器杠杆与准直仪联接的二次缩短。
在工作中，PZT致动器310的伸缩导致其自由端以及那里的致动器杠杆320在XY平面移动。这一位移被杠杆的传动比(mechanicaladvantage)放大，穿过杠杆窄端与准直仪之间暴露光纤的小段区域350传送到准直仪。这样，准直仪可以在关于X和Y枢转轴所需精确的角度范围内摆动。
应当指出，在光束转向的过程中，致动器作用于光纤，光纤作用于准直仪。这种方式有很多优点。首先，它保持了致动器和致动器杠杆的轴向对称，致动器和致动器杠杆都是同轴的，且关于光纤和准直仪的Z轴圆柱对称。这种对称分布所需结构是对2D阵列光束空间最有效的方式。这种对称在消除由密集封装的机械部件被高频激励所带来的问题——振荡和谐波中也非常有益。除特别为此目的设计的平衡环和光纤自身以外，另一个用光纤作为与准直仪的“驱动联接”的优点是所有对准直仪关键动态性能的影响都被消除。
较好的情况是，当准直仪340在离轴方向转向时，光纤315在暴露区域350弯曲。
以下简要地总结薄片200.1的工作过程。
来自外部设备(未示出)的输入光辐射被各个输入端口(例如Pn)接收并且沿着相连的光纤被引导至相应的准直仪340，从准直仪340输出基本上准直的辐射光束370。来自控制系统20的致动信号施加在致动器310上以引起致动器310的伸缩，致动器杠杆320提供这一伸缩至少是2∶1、较好的是5∶1的传送比。该伸缩导致光纤315在暴露区域350弯曲并且由此导致准直仪340在其平衡环365中倾斜。这样，通过致动器构件310及其连接的间隔构件320的伸缩，提供光束370转向方向的相应变化。
如后面将要描述的，每个薄片200的部件可以以硅机械加工组件的形式实现，这样的组件可以参考该技术领域的发明如MEM组件。例如，尽管前面描述的致动器杠杆320由碳素纤维材料制成，但是作为一种选择，它可以由微机械加工硅或微机械加工金刚石制成。单晶硅是一种优良的轻质材料，显示出近乎完美的弹性特性，并且不容易由于表面缺少颗粒而加工硬化。致动器杠杆320的微加工将在后面描述。
同样，阵列360中的平衡环可以类似地在硅基材料系统中微加工，例如，由硅氮化物或金刚石基体加工。平衡环365的微加工将在后面描述。
薄片200中的致动器310可以作为独立的产品制造并装配到薄片200中。或者，薄片200的驱动构件可以制造成整体的梳状组件。
现在参照的图6是薄片200的改进形式，其组件采用与图5相同的参考数字加′。在改进的薄片300′中，致动器310′设置为不相互平行，而是一个放射状阵列。如图7所示，输入阵列的每个薄片200′中致动器的纵轴基本上指向输出阵列110′中相对薄片200′的中心致动器。
在这种改进中，准直仪用于将未偏转辐射瞄准相对阵列的中心光纤。这样的设置减少了偏转区域120′中对来自光学系统附加偏转的需求。改进结构的另一个优点是准直仪移动更小的角度范围就可以满足使来自任何可能的输入端口的光束转向到任何可能的输出端口。
在改进的薄片200′中，致动器仍然可以制造成整体的梳状结构，现在需要多个成角度的锯齿切割以确定致动器的辐射状阵。
现在参见图8来描述支撑每个准直仪340(或340′)的平衡环的一个优选形式。
图8所示为准直仪340在其中心区域与其平衡环550的连接。准直仪340基本上是圆柱形的分级检索(graded index)光学部件(或者末端带有折射透镜的平面玻璃)，在工作中，其第一端形成准直辐射光束，第二端熔焊有光纤315。(例如Lightpath公司、Albuquerque公司供应的)。如果需要，在熔焊时可以提供应变消除；这种应变消除包括在准直仪340的第二末端和光纤315采用弯月形粘合，例如，美国Norland公司基本上透明的UV可愈性光学等级的粘合剂，或者在准直仪的第二末端部分地凹进给光纤315提供更多的机械支撑。
平衡环550是采用光刻及金属电镀技术形成的扁平的金属结构。较好的平衡环550由镍制成。平衡环包括中心基本上四方形的平面区域560，其中心圆孔用于容纳准直仪340。在区域560一边缘，相对的拐角处凸出两个耳状物562a、562b，耳状物562a、562b实际上与中心区域560在同一平面内。中心区域560和耳状物562a、562b的厚度范围通常为60μm～140μm，当然较好的是100μm厚。与耳状物562a、562b相连的分别是第一和第二伸缩构件570a、570b，如图所示。较好的是第一和第二伸缩构件570a、570b厚为10μm～30μm，更好的厚基本上为20μm，并且宽为80μm～300μm，更好的宽基本上为200μm。第一和第二伸缩构件570a、570b每个基本上约1.5mm长。此外，较好的伸缩构件570a、570b平行并且在中心区域560的平面内。伸缩构件570a、570b远离耳状物562a、562b的一端连接到容纳构件570、耳状物562和中心区域560的中空的矩形框架580。框架580标称为与中心区域560在同一平面。框架580较好的厚为60μm～140μm，更好的厚为100μm，并且框架边缘宽度标称范围为100μm～300μm，较好的宽为基本上200μm。框架580四周边缘标称为在框架580四周边缘处与上述中心区域560的四周边缘正交，在其边缘相对的拐角处有两个耳状物582a、582b。耳状物582a、582b标称为与中心区域560在同一平面。第三和第四伸缩构件590a、590b延伸自耳状物582a、582b，分别在其远离耳状物582a、582b的一端与机械底板平面区域600连接。底板平面区域600及伸缩构件590a、590b标称为与中心区域560在同一平面。第三和第四伸缩构件590a、590b有与第一和第二伸缩构件570a、570b正交的纵轴。较好的伸缩构件590a、590b与构件570a、570b相同。
伸缩构件570a、570b、590a、590b厚度比其宽度更薄，因而基本上可以抵抗当准直仪340由于光纤315的位移而转向时中心区域560相对于机械底板平面600横向位移。伸缩构件570a、570b、590a、590b在如图8所示的Z轴方向很容易弯曲。第一和第二伸缩构件570a、570b可在Z方向伸缩，从而允许准直仪340在X方向旋转。第三和第四伸缩构件590a、590b在Z方向伸缩，从而允许准直仪340在Y方向旋转。伸缩构件的中心理想地位于X和Y轴穿过准直仪的中心位置。
虽然平衡环550被描述为由金属或金属合金制成，在某些应用中较好的由单晶体材料例如硅或者由机械性能出众且比金属更稳定的氮化硅微机械加工而成。这种稳定性的提高归因于在单晶硅和氮化硅中基本上不出现表面颗粒。其它材料也可以用来制造平衡环550，例如碳化硅或者单晶金刚石。平衡环550的微加工形式将在后面更详细地描述。
较好的情况是，在开关系统40中的准直辐射光束必须具有高精确度地转向，通常在紧凑结构1024到1024的光开关中指示精度约为0.01°。此外，这一精度通常需要保持相当一段时间，以及需历经没有全部被开关外壳和装配排除的重大环境变化的影响。
与本发明各方面一致，采用固态传感器、关于光纤放射状对称的致动器装置、摆动的准直仪和通过弯曲或伸缩工作的平衡环都对本质上提高的精度、稳定性和偏移阻力有贡献。周期性地重新校准致动信号需要用输出阵列中特定的准直仪，可辅助调准在输入阵列中特定的准直仪。然而，在多数要求高的应用中，很可能仍然需要光束转向过程中某些形式的动态反馈。
一种准直光束方向最可靠的指示是准直仪的角方向，如通过监测准直仪340相对于外壳300的角方向。这具有不需要光束自己采样并且不需要追迹主光束方向作为位置反馈二次光束的重要优点。这些现有的技术方法在能够实现高精确度的同时，承担着衰减或污染主光束的风险，除非在光学路径中包含复杂且空间耗损(space-consuming)的设计特征。
因此，为了提高开关系统40中准直光束的转向精度，本发明的实施例采用反馈环从准直仪的瞬时角位置采集信息，以得到实现所需光束偏转所必需的致动器信号。准直仪的角方向可以用各种类型的传感器检测。特别优选的电容传感器具有以下传感特性a) 基本上不随温度变化，从而保持空间稳定性且激励信号的振幅和频率保持不变；b) 能够多路复以简化电路互连。
现在，参照图10和11对图8中所示的电容传感器及其相关的用于确定准直仪340角位置的传感电路进行描述。图9所示为带有与其相连的平衡环550的准直仪340，四个电容板用“a1”“b1”“c1”“d1”表示，实际上关于准直仪的一个轴向端对称均分安置，并且另四个电容板用“a2”“b2”“c2”“d2”表示，事实上关于准直仪的另一个轴向端对称均分安置。
两组电容板“1”“2”是完全相同的，下面仅描述一组。
如图所示，电容板“a1”和“b1”平行，准直仪340基本上等距离地安置在其间。同样地，电容板“c1”和“d1”平行，准直仪340基本上等距离地安置在其间。电容板“c1”、“d1”与电容板“a1”、“b1”正交地安装。电容板“a1”、“b1”设置为检测准直仪340相应端如图9所示X方向的位移。电容板“c1”、“d1”设置为检测准直仪340相应端如图9所示Y方向的位移。
通过使用“1”和“2”两组电容板，可以测定准直仪两端的XY位置并由此测定准直仪对X和Y轴的角度。位置测定可以通过检验平衡环整体对两端独立地进行；或者更简便地通过交叉连接组1和2的电极(例如，c2到d1、d2到c1、b2到a1和a2到b1)进行。在另一个装置中，依靠平衡环制约准直仪关于X和Y轴精确地旋转(在所需的测量精度内没有位移)，并且准直仪对X和Y轴的角度由准直仪一端测定的XY位置来推断。
准直仪340和每个电容板间产生的电容C可以由公式1近似地计算C＝ε0εrAeff/d 公式1式中ε0＝自由空间的绝对介电常数(8.854×10-12F/m)；εr＝电容板与准直仪340间介质的相对介电常数(即空气或干氮，εr＝1.00)；Aeff＝有效界面面积(近似等于电容板表面正对准直仪的面积的一半)；d＝准直仪340与电容板之间间隙的距离。
在一个实施例中，电容板“a1”和“b1”通过电荷放大器分别连接到第一微分放大器(未示出)的非转换及转换输入以提供相应的输出信号。同样地，电容板“c1”和“d1”通过电荷放大器连接到第二微分放大器(未示出)的非转换及转换输入以提供相应的输出信号。
准直仪340提供一电极涂层。可以是形成准直仪结构一部分的金属包层或者是专用电极装置。连接610用来使准直仪电极方便地穿过平衡环550，如在一个实施例中，准直仪被振幅为VE的正弦激励所激励。这样，Vx和Vy由公式2和公式3确定VX＝(VEε0εrAeff/Cf)[(da-db)/(dadb)] 公式2VY＝(VEε0εrAeff/Cf)[(dc-dd)/(dcdd)] 公式3式中da＝准直仪340到电容板“a1”的距离；db＝准直仪340到电容板“b1”的距离；dc＝准直仪340到电容板“c1”的距离；dd＝准直仪340到电容板“d1”的距离。
当激励信号基本上是正弦信号时，例如频率范围为20KHZ～100KHZ的正弦信号，优选地为50KHZ。输出信号Vx和Vy也是频率与激励信号相似的正弦信号。
由公式2和3可知，当准直仪与电容板“a1”“b1”“c1”“d1”等距离安置时Vx和Vy基本上是零振幅。
对于准直仪340由中心位置离轴的小角度偏转，公式2和3表明可实现准直仪340位置的近似线性测量。对于更大的偏转，传感器变成非线性的，但当测量电压仍然在耦合位置时是完全可以使用的。
在工作中，控制系统20从外部设备接收路径指示，并查阅已存储的将光端口与准直仪的转向角度相联系的校准表格，从而确定组件10中每个致动器与要连接的端口相联系所需的VX和VY值。控制系统20继续激励其致动器构件310直到达到致动器所需的VX和VY值。这种反复的过程可以从校准过程中与每个所需准直仪角度相关联的初始X和Y致动信号开始。
另一个可选择且较好的检测方法同样是使用一或两组图9所示电容板，现参照图10进行描述。
在此装置中，电容板a、b、c和d被激励并且由准直仪电极穿过末端610获得测量信号。可以使用如前所述的单组电极或两组交叉连接平衡环任一边的电极。产生如图10所示的四个方波阳极激励信号(square-wave plate excitation)。信号I和Q是正交的，并且还可以获得它们各自的反向形式。将这些信号不是直接地，而是通过一个联动开关装置620和一组D触发器630施加于电容板。开关装置有两种状态第一状态是将四个不同的驱动信号连接到各自触发器的D输入，第二状态即校准状态，是将单个驱动信号I连接到全部四个触发器。通过触发器进行的重新定时操作用于提高I和Q信号间相位精度，较好的在10-4弧度(radians)之内。触发器用4f定时，其中f为激励频率。
准直仪信号通过末端610和一个简单的放大级630连接到精密(优选地12位)ADC。数字输出通过连接到数字信号处理器(DSP)进行处理。该电路的一个重要特征是ADC和触发器通过同一个接地极和电压参考极工作。采用低阻抗和极对极驱动的触发器输出也是非常重要的。
DSP产生一个信号，真实的和虚构的组件分别与X和Y位置相对应S＝Average[(1-3)+i(2-4)] 公式4其中，1、2、3、4代表连续时间采样，平均(Average)可以是任意适当的间隔。
信号在开关装置620的“测量”和“校准”两状态期间产生，其相对值给出一位置值Position＝S测量/S校准公式5对于放大器灵敏度变化、电解和电压漂移中的变化，该技术提供了出色的稳定性。
自检或校准装置可以由另外的“虚拟”准直仪提供，该准直仪具有与上面描述准直仪相同的检测装置，但是以预先规定的角度方向刚性地安装在外壳中。
现在描述一个改进的平衡环结构。
图11是采用微机械加工技术(MEMs)制造平衡环550的线性阵列图，阵列整体用900表示。平衡环的伸缩构件570a、570b、590a、590b基本上由氮化硅基体制造，但连接到伸缩构件的区域则由氮化硅和多层硅组合物制造。阵列900中较好的的平衡环550与图8中所示的平衡环550有基本相似的尺寸。中心区域560包括一个由外延生长形成的平凸透镜910以便形成一个准直仪结合在阵列900中。另外，图11中的中心区域560包括一个代替透镜910的微机械加工的圆孔，用于容纳上面描述的圆柱形的准直仪。
制造阵列900包括以下步骤(a)提供一个硅晶片基体；(b)在基体上用气相沉积法生长或沉积一氮化硅层；(c)在邻近伸缩构件570a、570b、590a、590b形成处选择性地刻蚀掉硅基片；(d)描绘空间区域呈现出框架580、伸缩构件570a、570b、590a、590b和所限定平衡环550的中心区域560，这种较好的描绘包括采用磁性包含等离子体提高刻蚀各向异性的反应离子刻蚀。
如果准直仪透镜结构一体成形于阵列900中，另外的沉积步骤包含在上述步骤(b)和(c)之间以形成这样的透镜结构。
与制造步骤(a)到(d)联系在一起的是在半导体制造领域中公知的光刻步骤、抗沉步骤、抗生长步骤和模板掩模成形步骤。阵列900的微加工还可以在其它材料中进行，例如单晶金刚石。
当平衡环550为微加工而成，这种微加工可以包括应变量规(straingauges)，用于测量由伸缩构件570a、570b、590a、590b引起的应力。这种应变量规测量可以另外或者代替进行，使用图10所示的电容位置检测。较好的应变量规由外延生长掺杂多晶硅形成，该材料能够提供约为3的量规因数，或者由外延生长掺杂单晶硅形成，该材料具有对于某些结晶方向接近几百的量规因数。
在操作中，应变量规可用于(a)测量在阵列900中与平衡环相连的准直仪的转向方向；和/或(b)测量平衡环550在Z轴的位移，并且当出现Z轴位移超出时，警告潜在的将要发生的平衡环故障；和/或(c)通过反馈环激励同时装有Z轴方向作用的致动器构件，有效地将准直仪在Z轴方向的位移减小到零。
图12所示为完整的微加工形式的包括其应变量规平衡环550。第三和第四伸缩构件590a、590b包括分别沿其长度放置的应变量规920、930。同样地，第一和第二伸缩构件570a、570b包括分别沿其长度放置的应变量规940、950。在框架580上包括有提供温度测量以补偿应变量规920至950随温度变化的阻抗的第一和第二补偿量规960、970。如果需要，量规920至970可以以惠斯通电桥(Wheatstone-type bridge)的形式连接；或者，量规920至970可以分别相连并分别由控制系统20讯问。电连接从应变量规沿着所需的伸缩构件传输，如图18所示。电连接最后由阵列900周边的接触焊点确定路线。当量规920至950基本上与其相连的伸缩构件一样长时，它们主要用于测量其伸缩构件的弯曲并由此产生与其相连的准直仪的角度转向。相反地，如果量规920至950制成比其相应的伸缩构件短很多时，它们可以用于产生对准直仪Z轴方向位移和准直仪转向角度都敏感的测量信号。
如果需要，图11所示的微加工的平衡环550中可以包括短的和长的应变量规的组合体，其混合信号分别提供Z轴测量和准直仪角度信息。
图11和12中的在微加工平衡环550中的微加工准直仪，其横截视图见图13。在暴露区域350的光纤315被熔焊在一块本质上光学透明的玻璃1000的第一表面的905处，玻璃块1000还包括与第一表面平行的第二表面。在装配阵列900的过程中，玻璃块1000的第二表面被粘合到中心区域560的下面，例如可使用基本上透明的UV可愈性光学粘合剂。图13中，在中心区域560的上表面，有一个外延形成的平凸透镜910。如果需要，激光或离子铣可应用于修整透镜的光学特性，从而透镜910能够形成精确的准直辐射光束。
现在参照图14描述一压电致动装置的实例。
图14所示为方形横截面并具有容纳光纤315的轴向孔(同样为方形横截面)的圆柱压电致动器310。电极安置在压电材料主体中，如图14所示。四个电极用“上”、“下”、“左”、“右”表示。如果只有“上”被激励，图14中所示的致动器上部将收缩并且整个致动器将朝收缩部分弯曲，从而将光纤位置沿X轴向上移动。在其各自的方向上同样机理可应用于“下”、“左”、“右”中的每一个。电极通过图14中分别对应于电极“上”、“左”、“右”、“下”的输入U、L、R、D被激励。为获得更容易的电极构成，电极输入都安置在致动器的同一侧。在本实施例中，有四个激励压电致动器的电极。在这种情况下，电极延伸于致动器整个长度，或者电极仅激励致动器的一部分。
一特殊的并且是优选的单片型压电陶瓷块状传感器示于图15中；它可通过在整体电极上放置压电陶瓷材料层制成。
由图可以看出，在邻近致动器结构顶部有交替的电极层A和B，沿压电陶瓷块的宽度方向延伸。在邻近致动器结构底部有类似的交替的电极层E和B。所有的B层都接地，将电压施加于A或E，将分别导致向上或向下的位移。在此方案中，驱动电压是单极的并且极化作用被调准为与作用范围平行，从而使压电材料以收缩模式反应。
在压电陶瓷块的中心区域是交替的电极层C和D。D层沿压电陶瓷块的宽度延伸，同时，C电极被分成左和右两组。施加电压到C电极中适当的一组将产生左或右的偏转。
现参照图16所示来描述本发明一个较好的光开关组件的实施例。该实施例利用了前面已经描述的特殊的元件和特征。
如图16示出的一块支撑板1700，在其上切割出四条放射会聚的槽1702，每个槽容纳一个光束转向装置，整体用1704表示。实际的光纤在图16中未示出，但是其位置可以从各自虚线1706所示的光束路径中识别。
伸长的压电致动器1708位于各自的槽中，一端通过压板1710压在支撑板上。在压板区域，压电致动器用于支承外部与内部驱动电极连接的接线柱。从每个压电致动器1708的自由端，伸出一比致动器自身长的圆形中空圆柱状杠杆1712。该杠杆的外径从邻近致动器处相对较大的直径到其自由端相对较小的直径呈阶梯状。该杠杆可以由各种金属或复合材料制成。
在槽1702远离压板1710端，安置有提供精密安装各自的平衡环1720的U形沟1718。这些平衡环1720及相连的准直仪1722可以采用前面描述的任何形式。
感应棒1724通过柱1726与支撑板1700隔开，并且有一系列容纳各自准直仪1722的自由端的孔1728。安装在每个孔1728内的是图9中的电容传感电极a、b、c和d。
图16结构中的一个改进结构示于图17中。改进的目的是提高该机构对机械震动和振动的抵抗能力。
在该改进中，致动器1708′的一端同样压紧到所示支撑板1700′上。光纤1705同样穿过致动器1708′及杠杆1712′至准直仪和平衡环装置1720′/1722′，这些没有变化。然而，杠杆1712′没有装在致动器上，而作为替代是通过平衡环1750装在支撑板1700′上。这个新的平衡环为了方便可以采用与准直仪平衡环1720相同的形式，其伸缩元件尺寸最宽为400μm，最短为600μm并且框架580适当地做硬。
在工作中，致动器1708′自由端的伸缩位移通过光纤1705传输到杠杆1712′的端面。伸缩的没有被支撑的光纤长度为0.5～1.5mm，较好的为0.6mm。杠杆面向准直仪的一端然后向相反方向移动，通过杠杆的传动比放大该位移，在该例中传动比近似为4∶1。
在有X或Y方向的外部脉冲的情况下，杠杆1712′比前面描述的悬臂装置具有更强的抵抗不必要位移的能力。事实上，使用优选尺寸外形，从而使致动器末端产生向下移动趋势的第一惯性力(frist order theinertial force)被使杠杆1712′的准直仪端向下移动的力平衡(当致动增益采用4∶1时)。这种平衡可以通过调整平衡环1750和致动器的准直仪端1712′间的配重来调整。
杠杆1712′(和杠杆1712)可以由不锈钢管(例如壁厚0.2mm的1.25mm管)制成或者使用各种技术制成，包括微加工。
在方便地使用光纤传输致动器和杠杆间的位移的同时，也可以选择伸缩或其它连接。
前面的实施例通常使用平衡环的形式，通过优选的、以整体板结构形成的元件的弯曲或伸缩运动获得所需的准直仪的XY摆动运动。这种平衡环的形式具有很多优点，特别是它的长期可靠性。当然选择其它安装准直仪的装置也是可以的。
另一安装准直仪的例子示于图18中。图中，装置整体用1200表示，包括一个套管1210，该套管与三个安装于在套管1210中形成的相应的孔中的蓝宝石球轴承结合在一起。优选地，每个轴承外径范围为150μm～500μm，更优选地，基本上为200μm。如图所示轴承等间距地围绕准直仪340，并且保持以较小的压力压在准直仪1230上的圆柱形表面上。套管1210轻微地靠着轴承(弹性可变形的)以提供这样的压力。当致动力通过光纤1240的方式施加时，准直仪1230能够在装置1200中倾斜。此外，准直仪340滑动地保持在两个球轴承之间。在工作中，准直仪1230关于轴承在Z轴稍微地滑动，以获得更大的倾斜角，这种滑动很容易地被装置1220适应并且基本上不会引起其特性的改变。
如果需要，套管1210可以延伸到以支撑为检测准直仪340倾斜角度的电容传感器板；或者可以使用图9中示出的四板或八板电容传感装置。
使用与光纤同轴的致动器杠杆具有很多重要的优点，涉及保持前面讨论的轴向对称，也可以采用另一装置。
现在参照图19描述这个可选择的装置。
图19所示为安装于平衡环中的准直仪2000的细节放大图，平衡环由伸缩元件2002和2004示意性地表示。准直仪2000和前面一样直接连接到光纤2006。
在这个装置中，致动器杠杆以锥形元件2008的形式通过伸缩连接支板2010直接与准直仪2000连接。致动器杠杆可以刚性地与致动器连接或者枢转安装于支撑结构上，如前面实施例的描述。
在图19的装置中，准直仪摆动然后产生作为直接后果的致动器的位移，而不是通过中介物光纤产生的。
使用平衡环或其它方法以产生准直仪在X和Y方向的摆动，而没有X和Y方向的位移，Z方向的位移最小或没有前面已经详细地描述，并已阐明了其优点。在某些应用中，一维光束偏转就能满足，平衡环只需关于X轴摆动。在某些要求较少的应用中，适合用没有安装平衡环但仍具有本发明其它优点的准直仪。
该装置在图20中示出。
图20所示为带孔的支撑板2100，其中每个孔容纳一圆柱形压电致动器2102。致动器为中空的且与中心光纤2104同轴。每根光纤终止在准直仪中，图20中较好地说明了可两种可供选择的准直仪形式，这两种形式都可用于本发明的任何实施例。一个准直仪2106采用前面描述的准直透镜与光纤分离、以最小传输损耗的方式与光纤粘合的形式；另一个准直仪2108采用透镜与光纤通过适当的形状或光纤末端的处理整体成形的方式。
致动器2100可以采用前面描述的形式，致动信号引起致动器的伸缩，其无支撑末端的准直仪2106或2108在XY方向上移动。连接压电电极的一端用2110表示。
电容或其它如上所述的位置传感装置可用于图20的结构中。例如，图16所示的感应棒，可设置在准直仪2106或2108周围。
本发明已经通过实例进行了描述，各种广泛的、进一步的改进也属于所附权利要求的范畴。已经描述了许多不同特征，这些特征的某些组合已经给出实例。这些特征的其它组合也是有用的，并且在此披露所有组合。
在此披露的有关生产和某些实施例的用途的有效信息可以在WO01/50176中找到，可以直接参考。WO01/50176披露的相关信息也可作为参考。
除作为实例描述的各种形式的角位置传感器外，仍存在许多种可供选择的形式。因而，在描述准直仪电极和感应板使用的同时，还有其它分别对应于准直仪和支撑结构的安装部件。因此，准直仪电极结构可以相应地描述或者提供作为相对于准直仪安装的元件。
位置传感器的各部分可以磁相互作用而不是电相互作用；这样，相互作用的一个部件可以产生一个别的相互作用部件感应的磁场。较好的，对于整个开关阵列，每个准直仪上至少有一个携带的线圈能感应磁场，或由两、三个线圈对共同作用建立感应的磁场。
为了提高对震动和机械振动的抵抗能力，上面已经描述了另一个涉及与致动器杠杆有关的动态振动改进部件。在某些应用中可能不需要致动器杠杆，致动器穿过光纤自身媒介直接连接到准直仪。在这样的装置中，类似的动态振动效果可以通过平衡环前移准直仪来实现，以便准直仪上有很长一段距离位于准直仪平面外。这样，准直仪位于准直仪“外面”部分的惯性力矩就平衡了位于准直仪“里面”部分与致动器有效相互连接的惯性力矩。
权利要求
1.一种光束转向装置，包括一支撑结构；一准直仪；一与准直仪连接的沿Z轴的光纤；准直仪被限制在支撑结构上，以使其只能相对于一个或多个与Z轴正交的轴作摆动运动；和一个致动器以用于使准直仪摆动以便转向光束。
2.根据权利要求1的光束转向装置，其特征在于所述的准直仪安装在支撑结构上用于在正交的X和Y轴方向上摆动。
3.一种光束转向装置，包括一支撑结构；一准直仪；一与准直仪连接的沿Z轴的光纤；准直仪安装在支撑结构上，至少相对于一个与Z轴正交的X轴枢转地运动；和一致动器用于使准直仪摆动以转向光束；和一角度位置传感器，提供用于在光束转向中，由致动器反馈的，指示准直仪关于X轴方向的信号。
4.根据权利要求3的光束转向装置，其特征在于所述的角度位置传感器有分别对于准直仪和支撑结构相互作用的部件。
5.根据权利要求3或4的光束转向装置，其特征在于所述的准直仪被限制为只能关于一个或多个与Z轴正交的轴作摆动运动。
6.根据权利要求3至5中任一项的光束转向装置，其特征在于所述的位置传感器各个部件通过电和/或磁相互作用。
7.根据权利要求6的光束转向装置，其特征在于所述的相互作用部件中的一个部件用于产生其它相互作用部件感应的电场。
8.根据权利要求7的光束转向装置，其特征在于所述的相互作用部件中的一个部件包括至少一个安装于准直仪上的电极。
9.根据权利要求6的光束转向装置，其特征在于所述的相互作用部件中的一个部件用于产生一个其它相互作用部件感应的磁场。
10.根据权利要求9的光束转向装置，其特征在于所述的相互作用部件中的另一个部件包括至少一个安装于准直仪上的线圈。
11.根据前述任一权利要求的光束转向装置，其特征在于所述的准直仪通过一平衡环安装于支撑结构上。
12.根据权利要求11的光束转向装置，其特征在于所述的平衡环的各个元件作为角度位置传感器的一部分相互作用，提供用于在光束转向中，由致动器反馈的，指示准直仪关于X轴方向的信号。
13.根据权利要求11的光束转向装置，其特征在于所述的准直仪的摆动是通过平衡环的弯曲运动来提供的。
14.根据权利要求13的光束转向装置，其特征在于至少一个在平衡环弯曲区域中的应变量规用作角度传感器，提供用于在光束转向中，由致动器反馈的，指示准直仪关于X轴方向的信号。
15.根据权利要求11至14中任一项的光束转向装置，其特征在于所述的平衡环包括一相对于支撑结构固定安装的支撑元件；一固定于准直仪上的准直元件；以及一个或多个与支撑元件和准直元件相互连接的伸缩元件。
16.根据权利要求15的光束转向装置，其特征在于所述的支撑元件、准直元件和/或每个伸缩元件由一共同的整体坯体形成。
17.根据权利要求16的光束转向装置，其特征在于所述的整体坯体包括一扁平的平衡板。
18.根据前述任一权利要求的光束转向装置，其特征在于所述的致动器包括一固态传感器。
19.根据权利要求18的光束转向装置，其特征在于所述的致动器是中空的并且安置在光纤周围。
20.根据权利要求19的光束转向装置，其特征在于所述的致动器关于光纤轴向对称。
21.根据权利要求18至20中任一项的光束转向装置，其特征在于所述的传感器是细长形的且沿Z轴方向延伸，传感器远离准直仪的一端固定在支撑结构上，传感器邻近准直仪的一端，通过将致动器的驱动信号施加到传感器上而在X和Y轴方向可以移动。
22.根据权利要求18至21中任一项的光束转向装置，其特征在于所述的致动器包括一压电材料的物体。
23.根据权利要求22的光束转向装置，其特征在于所述的致动器包括一电极层和压电材料层交错的层压制件。
24.根据前述任一权利要求的光束转向装置，其特征在于所述的致动器通过一伸缩连接与准直仪连接。
25.根据前述任一权利要求的光束转向装置，其特征在于所述的致动器作用于致动杠杆的一端，致动杠杆的另一端作用于准直仪，致动杠杆提供至少2∶1，较好的5∶1的传动比。
26.根据权利要求25的光束转向装置，其特征在于所述的致动杠杆的另一端通过一伸缩连接与准直仪连接。
27.根据权利要求25或26的光束转向装置，其特征在于所述的致动杠杆枢转地安装在支撑结构上。
28.根据权利要求27的光束转向装置，其特征在于所述的安装的致动杠杆做枢转轴枢转运动，该枢转轴分别平行于X和Y轴。
29.根据权利要求27或28的光束转向装置，其特征在于所述的致动杠杆安装在一个平衡环上。
30.根据权利要求25或26的光束转向装置，其特征在于所述的致动杠杆与致动器刚性联接。
31.根据前述任一权利要求的光束转向装置，其特征在于所述的致动器作用于光纤且光纤作用于准直仪，用于使准直仪摆动。
32.一种光束转向装置，包括一支撑结构；一准直仪；一与准直仪连接的沿Z轴的光纤；准直仪的安装要使其相对于支撑结构做至少关于与Z轴正交的X轴的枢转运动；一致动器用于使准直仪摆动以转向光束；其中，致动器包括一细长且在Z轴方向延伸的传感器。
33.根据权利要求33的光束转向装置，其特征在于所述的传感器包括一压电材料的物体。
34.根据权利要求32或33的光束转向装置，其特征在于所述的传感器是圆柱形的。
35.根据权利要求32至34中任一项的光束转向装置，其特征在于光纤在传感器中通过一轴孔延伸。
36.根据权利要求32至35中任一项的光束转向装置，其特征在于传感器在支撑结构与光纤之间作用，光纤作用于准直仪上用于使准直仪摆动。
37.根据权利要求32至36中任一项的光束转向装置，其特征在于传感器通过沿Z轴延伸的杠杆作用，且提供至少2∶1、较好的为5∶1的传动比。
38.根据权利要求37的光束转向装置，其特征在于所述的杠杆采用与光纤同轴的中空圆柱的形式。
39.一光开关部件，包括多个根据前述任何一项权利要求的光束转向装置，光束转向装置具有共同的支撑结构。
40.根据权利要求39的光开关部件，通常采用在一包含Z轴的平面内延伸的板的形式，并且具有一对平坦的平行堆叠表面，沿与Z轴正交的堆叠轴相对紧密地排开。
41.一光开关组件，根据权利要求39或40包括至少一个单独可拆装部件的堆叠。
42.一P到Q光开关，包括P光输入端口；P类的输入光束转向装置，每个都是根据权利要求1至35中任一项的光束转向装置，并且每个都具有与各自的一个输入端口相连的光纤；Q光输出端口；Q类的输出光束转向装置，每个都是根据权利要求1至38中任一项的光束转向装置，并且每个都具有与各自的一个输出端口相连的光纤；一光路径在任何一个输入光束转换装置的准直仪及任何一个输出光束转换装置的准直仪之间传输光束；一路径输入终端和一路径控制器，用于响应路径输入终端接收的路径信息信号，为选定光束转向装置的致动器提供激励信号，这样转向各自的光束，以便光学地互相联接任何选定的输入端口与任何选定的输出端口。
43.根据权利要求42的光开关，其特征在于光束转向装置安置成放射状，从而，这些装置各自的光束中至少一些在静止条件下可在中心点相遇。
44.根据权利要求42或43的光开关，其特征在于光路径包括光束的偏转光学部件。
全文摘要
为了在光开关中转向光束，沿Z轴连接有一光纤的准直仪安装在一平衡环中，用于实现准直仪关于X和Y轴的摆动运动。一压电致动器沿Z轴延伸，并且关于光纤对称。在准直仪上的角度位置传感器提供反馈以用于转向光束。
文档编号G02B6/35GK1478213SQ01819928
公开日2004年2月25日 申请日期2001年12月4日 优先权日2000年12月4日
发明者安德鲁·尼古拉斯·达姆, 安德鲁 尼古拉斯 达姆 申请人:保乐提斯有限公司