专利名称：小型光开关及其切换方法
技术领域：
本发明涉及物理领域，尤其涉及光学元件，特别涉及光学通信领域内切换由光纤构成的光学传输线的装置和方法，具体的是一种小型光开关。
背景技术：
现有技术中，在光纤通讯方面广泛采用机械式光开关来实现光的切换。在机械式光开关里，机械光器件将光从输入光纤导向指定的输出光纤。现有的机械式光开关中通常利用移动光棱镜，或移动光纤本身等方式来实现光的切换，这使得光纤的相互准直性不易保证。为了使光的插入损耗控制在能接受的范围内，光开关中的各个光器件，必须精确地保持相互准直的位置。这对光路的高要求，随之增加了制造成本，降低了生产率，也限制了光开关对温度范围、振动强度等环境变化所能承受的能力。
发明内容
本发明所要解决的现有技术中的技术问题是由于现有技术中的机械式光开关是利用移动光棱镜，或移动光纤本身等方式来实现光的切换，所以使得光纤的相互准直性不易保证。为了使光的插入损耗控制在能接受的范围内，光开关中的各个光器件，必须精确地保持相互准直的位置。这对光路的高要求，随之增加了制造成本，降低了生产率，也限制了光开关对温度范围、振动强度等环境变化所能承受的能力。
本发明为解决现有技术中的上述技术问题所采用的技术方案是提供一种小型光开关。所述的这种小型光开关由一个第一光纤准直器、一个第二光纤准直器、一个第一平面反射镜和一个活动开关棱镜构成，所述的第一光纤准直器由一个第一双光纤准直器构成，所述的第一双光纤准直器中设置有一个第一输入光纤和一个第一输出光纤，所述的第二光纤准直器中至少设置有一个第二输出光纤，所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器的相对位置固定，其中，所述的活动开关棱镜具有一个第一停留位置和一个第二停留位置，所述的第一停留位置位于所述的第一输入光纤和第二输出光纤的光路之中，所述的第二停留位置位于所述的第一输入光纤的出射光路之外，所述的第一平面反射镜的反射面朝向所述的第一双光纤准直器，所述的第一平面反射镜与所述的第一双光纤准直器的相对位置固定，所述的第一平面反射镜的反射面位于所述的第一输入光纤的出射光路和所述的第一输出光纤的入射光路之中。
进一步的，所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器平行设置，方向相反，所述的活动开关棱镜的形状是平行四边体。
进一步的，所述的活动开关棱镜是平行六面体，所述的活动开关棱镜的两端面设置有反射面，所述的活动开关棱镜的侧面设置有两个相互平行的透射面。
进一步的，所述的反射面与相邻的所述的透射面呈45度角。
进一步的，所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器平行设置，方向相同，所述的活动开关棱镜的形状是对称梯形体。
进一步的，所述的活动开关棱镜是对称梯形六面体，所述的活动开关棱镜的截面呈对称梯形，所述的活动开关棱镜的四个侧面相互平行，所述的活动开关棱镜的两个端面设置有反射面，所述的活动开关棱镜的侧面设置有两个相互平行的透射面，所述的端面与相邻的端面呈45度角。
进一步的，所述的第一平面反射镜与所述的第一双光纤准直器的端面之间设置有间距。
进一步的，所述的间距符合以下的关系式S+(L/2+W/2)/n＝Dc，所述的S表示所述的第一双光纤准直器的端面与所述的活动开关棱镜的一个透射面的距离，所述的W表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴平行的方向上的宽度，所述的L表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴垂直的方向上的长度，所述的n表示所述的活动开关棱镜的材料折射率。
此外，进一步的，所述的第二光纤准直器也可由一个第二双光纤准直器构成，所述的第二双光纤准直器中设置有一个第二输出光纤和一个第二输入光纤，所述的活动开关棱镜具有一个第一停留位置和一个第二停留位置。所述的第一停留位置位于所述的第一输入光纤和第二输出光纤的光路之中。所述的第二停留位置位于所述的第一输入光纤和第二输出光纤的出射光路之外，在所述的第二双光纤准直器的端口一侧设置有一个第二平面反射镜，所述的第二平面反射镜的反射面朝向所述的第二双光纤准直器，所述的第二平面反射镜与所述的第二双光纤准直器的相对位置固定，所述的第二平面反射镜的反射面位于所述的第二输入光纤的出射光路和所述的第二输出光纤的入射光路之中。
进一步的，所述的第一输入光纤和所述的第一输出光纤平行设置在所述的第一双光纤准直器中，所述的第二输入光纤和所述的第二输出光纤平行设置在所述的第二双光纤准直器中。
进一步的，所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器平行设置，方向相反，所述的活动开关棱镜的形状是平行四边体。
进一步的，所述的活动开关棱镜是平行六面体，所述的活动开关棱镜的两端面设置有反射面，所述的活动开关棱镜的侧面设置有两个相互平行的透射面。
进一步的，所述的反射面与相邻的所述的透射面呈45度角。
进一步的，所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器平行设置，方向相同，所述的活动开关棱镜的形状是对称梯形体。
进一步的，所述的活动开关棱镜是对称梯形六面体，所述的活动开关棱镜的截面呈对称梯形，所述的活动开关棱镜的四个侧面相互平行，所述的活动开关棱镜的两个端面设置有反射面，所述的活动开关棱镜的侧面设置有两个相互平行的透射面，所述的端面与相邻的端面呈45度角。
进一步的，所述的第一平面反射镜与所述的第一双光纤准直器的端面之间设置有间距。
进一步的，所述的间距符合以下的关系式S+(L/2+W/2)/n＝Dc，所述的S表示所述的第一双光纤准直器的端面与所述的活动开关棱镜的一个透射面的距离，所述的W表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴平行的方向上的宽度，所述的L表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴垂直的方向上的长度，所述的n表示所述的活动开关棱镜的材料折射率。
本发明还提供了一种根据本发明所述的小型光开关而采用的光切换方法，其中，所述的光切换方法中包括有一个将所述的活动开关棱镜设置于所述的第一停留位置的第一步骤，在所述的第一步骤中，将所述的活动开关棱镜设置于所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器之间的光路中，使用所述的活动开关棱镜，将从第一双光纤准直器中的一根输入光纤出射的光导向第双光纤准直器中的一根输出光纤，所述的光切换方法中还包括有一个将所述的活动开关棱镜移动到所述的第二停留位置的第二步骤，在所述的第二步骤中，将所述的活动开关棱镜移动到所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器之间的光路之外。
进一步的，所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器平行设置，方向相反，所述的活动开关棱镜的形状是平行四边体。
进一步的，所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器平行设置，方向相同。所述的活动开关棱镜的形状是对称梯形体。
进一步的，所述的第一平面反射镜与所述的第一双光纤准直器的端面之间设置有间距。
进一步的，所述的间距符合以下的关系式S+(L/2+W/2)/n＝Dc，所述的S表示所述的第一双光纤准直器的端面与所述的活动开关棱镜的一个透射面的距离，所述的W表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴平行的方向上的宽度，所述的L表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴垂直的方向上的长度，所述的n表示所述的活动开关棱镜的材料折射率。
此外，进一步的，所述的第二光纤准直器也可以采用一个第二双光纤准直器构成，所述的第二双光纤准直器中设置有一个第二输出光纤和一个第二输入光纤，所述的光切换方法中包括有一个将所述的活动开关棱镜设置于所述的第一停留位置的第一步骤，在所述的第一步骤中，将所述的活动开关棱镜设置于所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器之间的光路中，使用所述的活动开关棱镜，将从第一双光纤准直器中的一根输入光纤出射的光导向第二双光纤准直器中的一根输出光纤，将从第二双光纤准直器中的一根输入光纤出射的光导向第二双光纤准直器中的一根输出光纤，所述的光切换方法中还包括有一个将所述的活动开关棱镜移动到所述的第二停留位置的第二步骤，在所述的第二步骤中，将所述的活动开关棱镜移动到所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器之间的光路之外。
进一步的，所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器平行设置，方向相反，所述的活动开关棱镜的形状是平行四边体。
进一步的，所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器平行设置，方向相同，所述的活动开关棱镜的形状是对称梯形体。
进一步的，所述的第一平面反射镜与所述的第一双光纤准直器的端面之间设置有间距。
进一步的，所述的间距符合以下的关系式S+(L/2+W/2)/n＝Dc，所述的S表示所述的第一双光纤准直器的端面与所述的活动开关棱镜的一个透射面的距离，所述的W表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴平行的方向上的宽度，所述的L表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴垂直的方向上的长度，所述的n表示所述的活动开关棱镜的材料折射率。
进一步的，本发明中所述的光纤准直器、双光纤准直器、光纤、平面反射镜和活动开关棱镜均可采用现有技术中的公知技术方案来制造，有关光纤准直器、双光纤准直器、光纤、平面反射镜和活动开关棱镜在现有技术中的公知技术方案已经为本领域的普通技术人员所熟知，所以在此不再赘述。
本发明的工作过程是当活动开关棱镜被移出准直器和平面反射镜的区域时，从第一双光纤准直器的两根光中之一根射出的光能被几乎完全地被第一平面反射镜反射到另一根光纤里。同样的，面对着第二双光纤准直器的第二平面反射镜将从第二双光纤准直器的两根光纤中之一根射出的光能几乎完全地反射到另一根里。
当活动开关棱镜被移入准直器和平面反射镜的区域时，活动开关棱镜的有两个平行的反射表面，它们与另两个平行的透射面的夹角为45°，同时，也与两个双光纤准直器的纵轴以45°相交。从第一双光纤准直器出射的光束被棱镜相截后，不再射到第一平面反射镜上。从第一双光纤准直器的上面一根光纤出射的光束通过活动开关棱镜的透射面进入活动开关棱镜，在活动开关棱镜内基本上沿着横轴方向传播，直到被活动开关棱镜的上反射面反射。于是，在活动开关棱镜的上、下两个反射面间传播的光束的方向基本上垂直于两个双光纤准直器的中心轴。通过活动开关棱镜的另一个透射面出射的光束进入第二双光纤准直器，然后被第二双光纤准直器的微透镜聚焦进入第二双光纤准直器的下面一根光纤。
相同的，从第一双光纤准直器的下面一根光纤出射的光束通过活动开关棱镜的透射面进入棱镜，被活动开关棱镜的上反射面反射后，在活动开关棱镜里沿着大体横向传播，直到被活动开关棱镜的下反射面反射。光束然后通过活动开关棱镜的下透射面从活动开关棱镜出射进入第二双光纤准直器。光束被第二双光纤准直器的微透镜聚焦后，进入第二双光纤准直器的上面一根光纤。
与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明适用于制造和使用1×2和2×2的光开关。可以提高1×2和2×2的光开关的准直性，同时光路调节的灵活性使棱镜的尺寸具有相当宽松的容差，可以降低棱镜的制造成本，而不影响光开关的质量。
图1是本发明的小型光开关的一个2×2的光开关的实例的一个状态示意图。
图2是本发明的小型光开关的一个实例的另一个状态示意图。
图3是本发明的小型光开关的一个实例的一个状态的等效光路图。
图4是是本发明的小型光开关的一个实例的另一个状态的等效光路图。
图5是本发明的小型光开关的一个实例的尺寸示意图。
图6是本发明的小型光开关的另一个实例的一个状态示意图。
图7是本发明的小型光开关的另一个实例的另一个状态示意图。
图8是本发明的小型光开关的另一个实例的一个状态的等效光路图。
图9是本发明的小型光开关的另一个实例的另一个状态的等效光路图。
图10是本发明的小型光开关的又一个实例的一个状态示意图。
图11是本发明的小型光开关的又一个实例的另一个状态示意图。
图12是本发明的小型光开关的又一个实例的一个状态的等效光路图。
图13是本发明的小型光开关的又一个实例的另一个状态的等效光路图。
图14是本发明的小型光开关的再一个实例的一个状态示意图。
图15是本发明的小型光开关的再一个实例的另一个状态示意图。
具体实施例方式如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14和图15所示，本发明一种小型光开关10，由第一双光纤准直器20、第二双光纤准直器30、一个第一平面反射镜50和一个活动开关棱镜80构成，所述的第一双光纤准直器20和第二双光纤准直器30呈圆柱形且平行设置，所述的光路切换器设置在所述的第一双光纤准直器20和第二双光纤准直器30之间的区域，所述的第一双光纤准直器20由光纤管22和微透镜23构成，所述的第二双光纤准直器30由光纤管32和微透镜34构成，所述的光纤管22里面设置有光纤26、28，所述的光纤管32里面设置有光纤36、38，所述的光路切换器由第一平面反射镜50、第二平面反射镜70和活动开关棱镜80构成，所述的第一平面反射镜50的反射面52与所述的第一双光纤准直器20对着并固定设置，所述的第二平面反射镜70的反射面72与所述的第二双光纤准直器30对着并固定设置，所述的活动开关棱镜80设置在所述的第一双光纤准直器20、第一平面反射镜50、第二双光纤准直器30和第二平面反射镜70所围成的空间中，所述的活动开关棱镜80为活动件，在所述的第一双光纤准直器的光纤管22中平行设置有两根光纤26、28，在所述的第二双光纤准直器的光纤管32中平行设置有两根光纤36、38，进一步的，在所述的第一双光纤准直器的光纤管22中平行设置有两根光纤26、28，在所述的第二双光纤准直器91的光纤管中设置有一根光纤96，更进一步的，所述的第一双光纤准直器20和第二双光纤准直器30以相反的方向设置，具体的，所述的第一双光纤准直器20和第二双光纤准直器120以相同的方向设置，进一步的，所述的活动开关棱镜80是平行六面体，所述的活动开关棱镜80的两端面设置有不透光的反射表面84和86，所述的活动开关棱镜80的侧面设置有两个相互平行的透射面82和88，具休的，所述的反射表面84与所述透射面88呈45度角，所述的反射表面86与所述透射面82呈45度角，进一步的，所述的活动开关棱镜280是对称梯形六面体，所述的活动开关棱镜280截面呈对称梯形，所述的活动开关棱镜280的四个侧面相互平行，所述的活动开关棱镜280的两个端面设置有不透光的反射表面，所述的活动开关棱镜280的侧面设置有两个相互平行的透射面，所述的端面与相邻的所述端面呈45度角，更进一步的，第一平面反射镜50保持与第一双光纤准直器20的端面相距Dc和活动开关棱镜80的尺寸决定于关系式S+(L/2+W/2)/n＝Dc，这里S是第一双光纤准直器20端面与活动开关棱镜80的左边一个透射面的距离，W是活动开关棱镜80在与第一双光纤准直器20纵向中心轴平行方向上的宽度，L是活动开关棱镜80在与第一双光纤准直器纵向中心轴垂直方向上的长度，n是活动开关棱镜80材料的折射率。当活动开关棱镜80被移出准直器20、30和平面反射镜50、70的区域时，从第一双光纤准直器20的两根光中之一根26射出的光束42能被几乎完全地被第一平面反射镜50反射为光束44进入另一根光纤28里，两根光束42、46的交点在第一平面反射镜50的反射面52上；同样的，面对着第二双光纤准直器30的第二平面反射镜70将从第二双光纤准直器30的两根光纤中之一根36射出的光束62几乎完全地反射为光束64进入另一根38里，两根光束62、64的交点在第二平面反射镜70的反射面72上。当活动开关棱镜80被移入准直器20、30和平面反射镜50、70的区域时，从第一双光纤准直器20出射的光束42、44被棱镜80相截后，不再射到第一平面反50射镜上。从第一双光纤准直器20的上面一根光纤26出射的光束通过活动开关棱镜80的透射面82进入活动开关棱镜80，在活动开关棱镜80内基本上沿着横轴方向传播，直到被活动开关棱镜80的上反射面84反射。于是，在活动开关棱镜80的上、下两个反射面84，86间传播的光束的方向基本上垂直于两个双光纤准直器20，30的中心轴。通过活动开关棱镜80的另一个透射面88出射的光束62进入第二双光纤准直器30。光束62然后被第二双光纤准直器30的微透镜34聚焦进入第二双光纤准直器30的下面一根光纤36。相同的，从第一双光纤准直器20的下面一根光纤28出射的光束44通过活动开关棱镜的透射面82进入活动开关棱镜80，被活动开关棱镜80的上反射面84反射后，在活动开关棱镜80里沿着大体横向传播，直到被活动开关棱镜80的下反射面86反射。光束64然后通过活动开关棱镜80的下透射面88从活动开关棱镜80出射进入第二双光纤准直器30。光束64被第二双光纤准直器30的微透镜34聚焦后，进入第二双光纤准直器的上面一根光纤38，在活动开关棱镜80内部传播的光束在活动开关棱镜80内相交于点90。
具体的，图1和图2分别图示了本发明的一个原型，2×2光开关10，的两个开关状态。光开关10中有第一个输入/输出双光纤光准直器20和第二个输入/输出双光纤光准直器30。准直器20包含了一个双光纤细管22，一个可靠安装的微透镜24，和两根光纤26，28。光纤26，28中的一根可以作为输入光纤，而另一根可作为输出光纤。细管22将光纤26，28保持为基本平行的走向。准直器30包含了一个双光纤细管32，一个可靠安装的微透镜34，和两根光纤36，38。光纤36，38中的一根可以作为输入光纤，而另一根可作为输出光纤。准直器20，30保持着与所定义的纵轴方向大致平行，并以相反的方向互相面对。两个准直器20，30的纵向中心轴在横方向偏移一定的距离，这个距离一般要大于每个准直器的孔径。第一反射镜50具有一个平面反射面52。反射面52对着准直器20。反射镜50经过调节被固定于一个位置，于是当光开关处于图1所示的开关状态时，从光纤26，28中之一根射出的光能被几乎完全地反射到另一根里。同样的，面对着准直器30的反射镜70具有平面反射面72。反射镜70经过调节被固定于一个位置，于是当光开关处于图1所示的开关状态时，从光纤36，38中之一根射出的光能被几乎完全地反射到另一根里。
如果光是由光纤26引入光开关10的，则从光纤26端面出射的发散光经微透镜24聚焦后，在离开准直器20时，变成几乎平行的准直光。这光束的中心线在图1和图2中由轨迹42表示。这光路是可逆的，如果一个准直的光束沿反方向顺着轨迹42射到微透镜24上，这束光将会通过光纤26向外传播。轨迹44表示相应于光纤28的准直光束的中心线。轨迹42，44相交的交叉点46位于反射镜50的表面。在光开关中，如果光束沿轨迹42入射，则被反射镜50反射而沿着轨迹44折回，光也可以逆向地沿轨迹44，42传播。相应于准直器30中的光纤36，38的光束中心线分别由轨迹62，64表示。这两轨迹相交于反射镜70表面的交叉点66。在光开关中，沿轨迹62入射的光束，被反射镜70反射而沿着轨迹64折回，或可逆而行。
图2表示光开关10的第二个开关状态。一个能移动的平行四边形棱镜80置于由准直器20，30和反射镜50，70所围的空间。如横面图2所示，棱镜80的形状为45°平行四边形。棱镜80有两个平行的反射表面84，86，它们与另两个平行的透射面82，88的夹角为45°，同时，也与准直器20，30的纵轴大体以45°相交。棱镜的透射面82，88互相平行，位于棱镜80的两侧。棱镜80固定于一个机械的切换装置，这个装置的功能是将棱镜80移入或移出由准直器20，30和反射镜50，70为界的区域。具有切换机制的装置可以是一个电磁器件，如电磁继电器。
在图2所示的光开关状态里，从准直器20，30出射的光束被棱镜80相截后，不再射到反射镜50，70上。从光纤26出射的光束沿着轨迹42通过透射面82进入棱镜80，被反射面84反射后，在棱镜80内基本上沿着横轴方向传播，直到被反射面84反射。于是，在棱镜的两个反射面84，86间传播的光束的方向基本上横向于准直器20，30的中心轴。通过透射面88从棱镜80出射的光束，沿着轨迹62而进入准直器30。光束然后被微透镜34聚焦进入光纤36。在如图2所示的光开关状态里，棱镜80建立了光纤26，36之间的光连接。而由光纤36出射的光束将由上述的途径，逆向地传播到光纤26。
相同的，从光纤28出射的光束沿着轨迹44通过透射面82进入棱镜80，被反射面84反射后，在棱镜80里沿着大体横向传播，直到被反射面86反射。光束然后通过透射面88从棱镜80出射，沿着轨迹64进入准直器30。光束被微透镜34聚焦后，进入光纤38。相应于光纤26，28的两光束，最理想的是在棱镜80的中心点90相交。中心点90是棱镜80的中心。轨迹42，44之间的夹角与轨迹62，64之间的夹角等同。
图3和图4是光开关的两个等效光路图，分别对应于图1和图2中本发明的光开关原型的两个开关状态。在图1和图3所表示的光开关状态中，光纤26与光纤28，以及光纤36与光纤38，分别实现光连接。而在图2和图4所表示的光开关状态中，光纤26与光纤36，以及光纤28与光纤38，分别实现光连接。
理想的棱镜80的透射面82，88镀有防反射(AR)膜。反射面84，86最好是具有高清洁度和高平坦度的光学平面。棱镜的材料选择则主要是根据它的折射率n。从光学材料内以入射角θ射入与空气的界面而满足全反射的条件是sinθ≥1/n [1]对于常用的光学材料BK7，它的折射率为n＝1.5，由方程[1]可以得出满足全反射的最小入射角为41.8°，完全适用于45°的平行四边形棱镜。还有许多其它光材料都可以用于棱镜80。
图5是光开关10的尺寸定义和标示。光准直器20的端面和反射镜50之间的距离为Dc，它等同于光准直器端面与交叉点90之间的距离。光准直器20的端面和棱镜80的前透射面之间的距离用S标示。棱镜80的长度和宽度分别用L和W表示。宽度W是棱镜在光准直器20，30的纵轴方向上的尺度，长度L是棱镜与光准直器20，30的纵轴垂直方向上的尺度。L和W的理想值的选择可以根据下列的公式而定S+(L/2+W/2)/n＝Dc [2]在本发明的一个原型里，棱镜80由BK7材料(n＝1.5)制成，尺寸为L＝5.5mm，W＝2mm。准直器20，30的交叉点距离Dc＝3mm。由方程[2]得出光准直器与棱镜的间隔为S＝0.5mm。
如果准直器20，30的光路交叉点90位于棱镜80的中心，则准直器的端面到光路交叉点90的距离应大约在几毫米到厘米的范围。在本发明的一个原型里，双光纤准直器采用了C-Lens作为微透镜，其端面到交叉点的距离大约为3毫米。与此形成对比的是，用常用的GRIN自聚焦透镜做成的双光纤准直器，其端面到交叉点的距离要小得多。如果光开关用这样的准直器，棱镜的尺寸将非常之小，以至于很难实现。
准直器20，30与棱镜80之间的距离不一定要相等，只要两者之和为2S，光开关性能没有任何影响。同时也观察到，两个光路耦合的双光纤准直器的光插入损耗，对它们之间的间隔距离，相对地不敏感。这种相对的不敏感性，使得制造中的光路调节有较大的宽容度，从而使光开关10的制造较为容易。
在光开关10的一个原型制作中，首先挑选一对双光纤准直器20，30，它们的交叉点距离或交叉角度基本等同。然后，将棱镜80置于图2所示的组态。调节准直器20，30，使通过棱镜80的光路具有最小的插入损耗，然后将它们固定在光开关的基板上，可以用焊接等方法。接着，将棱镜80从图2所示的光开关位置移开，分别调节反射镜50，70相对于准直器20，30的位置，使得每个准直器中在两根光纤之间传播的光的插入损耗最小。在另一个原型中，用了稍有不同的调节步骤。首先将准直器20和反射镜50的位置调准，使得准直器20的两光纤之间的光路的插入损耗最小，并且将其位置固定。然后调节棱镜80和准直器30，使两个准直器之间耦合的光路具有最小的插入损耗，并固定它们的位置。最后调节反射镜70相对于准直器30的位置，使得准直器30中两光纤之间的光路具有最小的插入损耗，并固定反射镜70的位置。
图6和图7分别图示了本发明的另一个原型，1×2光开关110，的第一和第二开关状态。图8和图9是光开关的两个等效光路图，分别对应于图6和图7中光开关的两个开关状态。光开关110与图1和图2表示的光开关的不同之处在于，光开关110用一个单光纤准直器91代替了双光纤准直器30。另外光开关110不含有面对于准直器91的反射镜。在棱镜80在光路之外的状态中，与前述的情形相似，由光纤26出射的光经反射镜50被导向光纤28。当棱镜80插入光路时，从光纤26射出的光，沿着图7所示的轨迹92，经棱镜80，被导向光纤96。
图10和图11分别图示了本发明的另一个原型，上下路(add-drop)光开关210，的第一和第二开关状态。图12和图13是光开关的两个等效光路图，分别对应于图10和图11中光开关的两个开关状态。上下路光开关210与图1和图2表示的2×2光开关的不同之处在于，光开关210不含有面对于双光纤准直器30的反射镜，从而光纤36，38在任何状态中，没有相互间的光连接。光纤36，38可以分别用于上路(add)和下路(drop)的端口。
图14和图15分别图示了本发明的另一个原型，单边出光纤的2×2光开关310，的第一和第二开关状态。光开关310包含两个大体平行的双光纤准直器20，120，他们并排相放，朝着同一方向。准直器120有两根光纤226，228，它们的出纤方向与光纤26，28相同。除了反射镜50外，还有平面反射镜150，其反射面152面对准直器120。反射镜150与反射镜50大体处于同一平面。图15中，一个能移动的对称梯形体棱镜(Dove Prism)280被安置在准直器10，120和反射镜50，150之间，它的前透射面向对于准直器20，120。从图15的横截面中，可以看到棱镜280有个45°对称梯形的形状，它的底面相对着两个准直器20，120。在图14中，棱镜280已被移出光开关310的光路，而图15中，棱镜280在准直器20，120之间的光路中。就像图6和图7和图10和图11对2×2光开关的变型一样，类似图14和图15所示的单边出光纤的光开关的梯形棱镜结构，也可以用于1×2或上下路(add-drop)光开关。
图14和图15所示的这种单边出纤的梯形棱镜结构，比起两边出纤的平行四边形棱镜结构，比较更容易受棱镜绕y-轴微扰动的影响。为了减少这种扰动，梯形棱镜280可以安装在一个能限制棱镜绕y-轴转动的装置。例如，平行四边形棱镜可以固定在一个摇臂上，摇臂的另一端安装在无晃动的轴承上。
前面所述的较佳方案的光开关结构和光开关方法提供了高质量的输出光束，即使在光开关经受温度的改变和振动时，也具有相当的稳定性。这是因为上述的平行四边形棱镜的输出光束，在光束的平动飘移和方向变化方面，受棱镜本身的位置和定向的影响相对很小。对于一个理想的平行四边形棱镜，不管棱镜是否有平移或绕其中心位置的转动，其输出光束和输入光束，永远保持平行。而棱镜的角扰动引起的输出光束的平移变化也相对较小。棱镜输出光束的角度稳定性尤其的重要，因为当光束被准直器接收而光路稍微偏移准直时，光束方向性偏移而造成插入损耗的增加，大大高于光束平行偏移造成的影响。在图1和图2所示的光开关原型样品中，输出光强度的开关重复性，达到了0.02dB。
由于用了双光纤准直器，光开关具有相对紧凑和稳定的结构。两个面对准直器的反射镜提供了足够的调节光路的自由度，使每个光路能被几乎独立地逐步调节，以达到最小的插入损耗。在图1和图2所示的系统中，所有通路低于0.4dB的插入损耗，能比较容易地达到。在最佳的原型中，光路调节的灵活性使棱镜的尺寸具有相当宽松的容差，于是可以降低棱镜的制造成本，而不影响光开关的质量。
对于一个熟悉本领域的专家而言显然的是，以上的原型可以有的许多其它的形态，均在本发明的范畴内。
权利要求
1.一种小型光开关，由一个第一光纤准直器、一个第二光纤准直器、一个第一平面反射镜和一个活动开关棱镜构成，所述的第一光纤准直器由一个第一双光纤准直器构成，所述的第一双光纤准直器中设置有一个第一输入光纤和一个第一输出光纤，所述的第二光纤准直器中至少设置有一个第二输出光纤，所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器的相对位置固定，其特征在于所述的活动开关棱镜具有一个第一停留位置和一个第二停留位置，所述的第一停留位置位于所述的第一输入光纤和第二输出光纤的光路之中，所述的第二停留位置位于所述的第一输入光纤的出射光路之外，所述的第一平面反射镜的反射面朝向所述的第一双光纤准直器，所述的第一平面反射镜与所述的第一双光纤准直器的相对位置固定，所述的第一平面反射镜的反射面位于所述的第一输入光纤的出射光路和所述的第一输出光纤的入射光路之中。
2.如权利要求1所述的小型光开关，其特征在于所述的第二光纤准直器由一个第二双光纤准直器构成，所述的第二双光纤准直器中设置有一个第二输出光纤和一个第二输入光纤，所述的活动开关棱镜具有一个第一停留位置和一个第二停留位置，所述的第一停留位置位于所述的第一输入光纤和第二输出光纤的光路之中，所述的第二停留位置位于所述的第一输入光纤和第二输出光纤的出射光路之外，在所述的第二双光纤准直器的端口一侧设置有一个第二平面反射镜，所述的第二平面反射镜的反射面朝向所述的第二双光纤准直器，所述的第二平面反射镜与所述的第二双光纤准直器的相对位置固定，所述的第二平面反射镜的反射面位于所述的第二输入光纤的出射光路和所述的第二输出光纤的入射光路之中。
3.如权利要求1所述的小型光开关，其特征在于所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器平行设置，方向相反，所述的活动开关棱镜的形状是平行四边体。
4.如权利要求3所述的小型光开关，其特征在于所述的活动开关棱镜是平行六面体，所述的活动开关棱镜的两端面设置有反射面，所述的活动开关棱镜的侧面设置有两个相互平行的透射面。
5.如权利要求4所述的小型光开关，其特征在于所述的反射面与相邻的所述的透射面呈45度角。
6.如权利要求1所述的小型光开关，其特征在于所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器平行设置，方向相同，所述的活动开关棱镜的形状是对称梯形体。
7.如权利要求6所述的小型光开关，其特征在于所述的活动开关棱镜是对称梯形六面体，所述的活动开关棱镜的截面呈对称梯形，所述的活动开关棱镜的四个侧面相互平行，所述的活动开关棱镜的两个端面设置有反射面，所述的活动开关棱镜的侧面设置有两个相互平行的透射面，所述的端面与相邻的端面呈45度角。
8.如权利要求1所述的小型光开关，其特征在于所述的第一平面反射镜与所述的第一双光纤准直器的端面之间设置有间距。
9.如权利要求8所述的小型光开关，其特征在于所述的间距符合以下的关系式S+(L/2+W/2)/n＝Dc，所述的S表示所述的第一双光纤准直器的端面与所述的活动开关棱镜的一个透射面的距离，所述的W表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴平行的方向上的宽度，所述的L表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴垂直的方向上的长度，所述的n表示所述的活动开关棱镜的材料折射率。
10.如权利要求2所述的小型光开关，其特征在于所述的第一输入光纤和所述的第一输出光纤平行设置在所述的第一双光纤准直器中，所述的第二输入光纤和所述的第二输出光纤平行设置在所述的第二双光纤准直器中。
11.如权利要求2所述的小型光开关，其特征在于所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器平行设置，方向相反，所述的活动开关棱镜的形状是平行四边体。
12.如权利要求11所述的小型光开关，其特征在于所述的活动开关棱镜是平行六面体，所述的活动开关棱镜的两端面设置有反射面，所述的活动开关棱镜的侧面设置有两个相互平行的透射面。
13.如权利要求12所述的小型光开关，其特征在于所述的反射面与相邻的所述的透射面呈45度角。
14.如权利要求2所述的小型光开关，其特征在于所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器平行设置，方向相同，所述的活动开关棱镜的形状是对称梯形体。
15.如权利要求14所述的小型光开关其特征在于所述的活动开关棱镜是对称梯形六面体，所述的活动开关棱镜的截面呈对称梯形，所述的活动开关棱镜的四个侧面相互平行，所述的活动开关棱镜的两个端面设置有反射面，所述的活动开关棱镜的侧面设置有两个相互平行的透射面，所述的端面与相邻的端面呈45度角。
16.如权利要求2所述的小型光开关，其特征在于所述的第一平面反射镜与所述的第一双光纤准直器的端面之间设置有间距。
17.如权利要求16所述的小型光开关，其特征在于所述的间距符合以下的关系式S+(L/2+W/2)/n＝Dc，所述的S表示所述的第一双光纤准直器的端面与所述的活动开关棱镜的一个透射面的距离，所述的W表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴平行的方向上的宽度，所述的L表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴垂直的方向上的长度，所述的n表示所述的活动开关棱镜的材料折射率。
18.一种根据权利要求1所述的小型光开关所采用的光切换方法，其特征在于所述的光切换方法中包括有一个将所述的活动开关棱镜设置于所述的第一停留位置的第一步骤，在所述的第一步骤中，将所述的活动开关棱镜设置于所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器之间的光路中，使用所述的活动开关棱镜，将从第一双光纤准直器中的一根输入光纤出射的光导向第双光纤准直器中的一根输出光纤，所述的光切换方法中还包括有一个将所述的活动开关棱镜移动到所述的第二停留位置的第二步骤，在所述的第二步骤中，将所述的活动开关棱镜移动到所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器之间的光路之外。
19.如权利要求18所述的光切换方法，其特征在于所述的第二光纤准直器由一个第二双光纤准直器构成，所述的第二双光纤准直器中设置有一个第二输出光纤和一个第二输入光纤，所述的光切换方法中包括有一个将所述的活动开关棱镜设置于所述的第一停留位置的第一步骤，在所述的第一步骤中，将所述的活动开关棱镜设置于所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器之间的光路中，使用所述的活动开关棱镜，将从第一双光纤准直器中的一根输入光纤出射的光导向第二双光纤准直器中的一根输出光纤，将从第二双光纤准直器中的一根输入光纤出射的光导向第二双光纤准直器中的一根输出光纤，所述的光切换方法中还包括有一个将所述的活动开关棱镜移动到所述的第二停留位置的第二步骤，在所述的第二步骤中，将所述的活动开关棱镜移动到所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器之间的光路之外。
20.如权利要求18所述的光切换方法，其特征在于所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器平行设置，方向相反，所述的活动开关棱镜的形状是平行四边体。
21.如权利要求18所述的光切换方法，其特征在于所述的第一双光纤准直器和第二光纤准直器平行设置，方向相同，所述的活动开关棱镜的形状是对称梯形体。
22.如权利要求18所述的光切换方法，其特征在于所述的第一平面反射镜与所述的第一双光纤准直器的端面之间设置有间距。
23.如权利要求22所述的光切换方法，其特征在于所述的间距符合以下的关系式S+(L/2+W/2)/n＝Dc，所述的S表示所述的第一双光纤准直器的端面与所述的活动开关棱镜的一个透射面的距离，所述的W表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴平行的方向上的宽度，所述的L表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴垂直的方向上的长度，所述的n表示所述的活动开关棱镜的材料折射率。
24.如权利要求19所述的光切换方法、其特征在于所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器平行设置，方向相反，所述的活动开关棱镜的形状是平行四边体。
25.如权利要求19所述的光切换方法，其特征在于所述的第一双光纤准直器和第二双光纤准直器平行设置，方向相同，所述的活动开关棱镜的形状是对称梯形体。
26.如权利要求19所述的光切换方法，其特征在于所述的第一平面反射镜与所述的第一双光纤准直器的端面之间设置有间距。
27.如权利要求26所述的光切换方法，其特征在于所述的间距符合以下的关系式S+(L/2+W/2)/n＝Dc，所述的S表示所述的第一双光纤准直器的端面与所述的活动开关棱镜的一个透射面的距离，所述的W表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴平行的方向上的宽度，所述的L表示所述的活动开关棱镜在与所述的第一双光纤准直器的纵向中心轴垂直的方向上的长度，所述的n表示所述的活动开关棱镜的材料折射率。
全文摘要
一种小型光开关由一个双光纤准直器、一个光纤准直器、平面反射镜和活动开关棱镜构成，活动开关棱镜具有一个第一停留位置和第二停留位置，第一停留位置位于第一输入光纤和第二输出光纤的光路中，第二停留位置位于第一输入光纤的出射光路之外，平面反射镜的反射面朝向第一双光纤准直器并与第一双光纤准直器的相对位置固定，其反射面位于第一输入光纤的出射光路和第一输出光纤的入射光路之中。将活动开关棱镜在第一停留位置和第二停留位置之间切换，可将从第一双光纤准直器中输入光纤出射的光导向第二光纤准直器的输出光纤，并可使第一双光纤准直器中输入光纤出射的光反射到该准直器的另一光纤中。本发明提高了光纤开关的准直性，降低了制造成本。
文档编号G02B6/35GK1704781SQ20041002476
公开日2005年12月7日 申请日期2004年5月28日 优先权日2004年5月28日
发明者方祖云, 沈思宇, 王建华 申请人:翔光(上海)光通讯器材有限公司