專利名稱：多路對多路無阻塞機械光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種多路對多路(N×N)的無阻塞機械光開關(guān)，主要應(yīng)用于光纖通信全光交叉連接的多路輸入光束對多路輸出光束((N×N)的光開關(guān)系統(tǒng)，以及其他用于光路切換的光開關(guān)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代光纖通信技術(shù)正在向著全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方向發(fā)展。全光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷擴大，在一個結(jié)點中交換的光路數(shù)量，從幾路到數(shù)十路，到數(shù)百路，以至于大于1000路光纖。全光交叉連接(OXC)是組成不同規(guī)模全光網(wǎng)的關(guān)鍵器件，起著十分重要的作用。在自愈光網(wǎng)中，當光器件和光纜由于種種原因發(fā)生阻斷時，光開關(guān)是保證通信線路切換到保護環(huán)路的關(guān)鍵器件。在光器件的大批量生產(chǎn)和安裝中，也需要光開關(guān)切換光路，以提高器件和光路檢驗的效率。在許多光器件模塊和光端機子系統(tǒng)中，光開關(guān)是提高器件和機器性能，增加功能的必備元件。在光網(wǎng)系統(tǒng)中也需要光開關(guān)實時采集系統(tǒng)各處的運行信息，以便進行網(wǎng)絡(luò)管理監(jiān)控。
在各種光開關(guān)中，機械光開關(guān)技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)良。是現(xiàn)在通信系統(tǒng)中大量采用的光開光。為了降低成本、縮小體積、增加開關(guān)路數(shù)、提高速度等性能，機械光開關(guān)在技術(shù)上仍在不斷發(fā)展。尤其是在多路對多路的光開關(guān)，與一路對多路的光開關(guān)相比，動作單元的數(shù)量很大。N×N的光開關(guān)，就需要N2個動作單元。這就大大增加了器件的成本，降低了開關(guān)速率，還降低了可靠性。而且，要實現(xiàn)N×N光開關(guān)的嚴格無阻塞運行，需要采用十分復雜的結(jié)構(gòu)。一個N×N的光開關(guān)，有N！種不同的通路排列。對于較大的N，這是一個巨大的數(shù)字。在先技術(shù)[1](參見文獻IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS，Vol.10，No.6，June 1998，pp.810-812)報道，采用熱光控制波導馬赫—曾德干涉儀，實現(xiàn)了16×16嚴格無阻塞光開關(guān)。該器件十分復雜。而且，由于是干涉型的器件，對于工作波長有嚴格的要求，不是一個寬帶的開關(guān)。在先技術(shù)[2]，專利CN1257211A提出一種4×4光開關(guān)矩陣，可以實現(xiàn)無阻塞運行。但是需要采用16個直角棱鏡反射器和相應(yīng)的驅(qū)動器。在先技術(shù)[3]，專利ZL95195064采用樹形分路和單路門開關(guān)的方式，實現(xiàn)1×N光開關(guān)。再用1×N光開關(guān)，組合成N×N光開關(guān)。該器件從原理上看插入損耗很大，驅(qū)動單元數(shù)量很多。在實施中該種N×N機械光開關(guān)，還沒有發(fā)現(xiàn)能實現(xiàn)嚴格無阻塞、而驅(qū)動單元數(shù)小于N平方的技術(shù)方案。
上述在先技術(shù)中的機械光開關(guān)，一個反射鏡通常只能切換一路光束，只能實現(xiàn)1×2的光開關(guān)。其中采用的平面反射鏡，一般是在玻璃平板的一個表面上蒸鍍高反射膜制成的，如圖1所示。圖中表面01為高反面，表面02不鍍膜或鍍增透膜。這樣，在反射鏡插入光路后，光線會發(fā)生一定的位移。從光的折射定律，用圖1所示符號，可以得到光線的平移量為t=dsinα(1-cosαn2-sin2α)]]>在入射角為45度時，即α＝45°，t=d2(1-12n2-1)]]>設(shè)玻璃的折射率n＝1.5，玻璃板厚度d＝1mm，可以計算得到位移t為0.33mm。這對于一般光纖準直器輸出的約為0.5mm直徑的光束來說，是很大的偏離。因此，如果采用這樣的反射鏡作為如圖2所示的2×2光開關(guān)(aa’Ab’和ab’b/a’兩種工作狀態(tài))的反射鏡，將引入很大的插入損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多路對多路(N×N)無阻塞機械光開關(guān)，含有N≥1個光路二度對稱的能夠相對光路運動的復合反射鏡1。復合反射鏡1含有形狀大小厚度完全相同，由透明材料構(gòu)成，相互平行重疊置放的第一子鏡101和第二子鏡102。第一子鏡101與第二子鏡102兩相對內(nèi)表面之間的一半上置有高反射薄膜103，兩相對內(nèi)表面的另一半是透明區(qū)域105。在兩相對內(nèi)表面之間均勻地置有折射率匹配膠層106。在第一子鏡101和第二子鏡102的兩外表面104、107上均鍍有增透薄膜。如圖3、圖4所示。
本發(fā)明為達到克服上述在先技術(shù)中存在的問題，提出如上所述的一種用于多路對多路無阻塞機械光開關(guān)的光路二度對稱的復合反射鏡1，如圖3、圖4和圖5所示的結(jié)構(gòu)。由此構(gòu)成多種N大于或等于1個的多路對多路(N×N)的機械光開關(guān)。
本發(fā)明的多路對多路無阻塞機械光開關(guān)，如上述的結(jié)構(gòu)，含有N大于或等于1個二度對稱的相對光路能夠運動的復合反射鏡1。復合反射鏡1含有二個形狀大小完全相同，由透明材料制成相當于由折射率匹配膠層106互相粘合的第一子鏡101和第二子鏡102。所說的第一、第二子鏡可以是平行平面鏡，如圖3所示；或者是三角形棱鏡，如圖4和圖5所示?；蛘呤瞧渌哂袑ΨQ性的鏡子均可。兩個相同的子鏡101和102相對兩平面的一半內(nèi)表面上分別鍍有面積大小相同的高反射薄膜，當兩子鏡101、102合在一起時構(gòu)成一高反射薄膜層103；或者其中第一子鏡101或第二子鏡102在兩相對平面的一半內(nèi)表面上鍍有高反射薄膜103。兩相同子鏡101和102相對兩平面的另一半內(nèi)表面是透明區(qū)域105。在圖3的復合反射鏡1的結(jié)構(gòu)中，第一子鏡101的鍍膜情況如圖3-3所示。在圖4的復合反射鏡1的結(jié)構(gòu)中，復合反射鏡1中的兩子鏡101、102間的高反射薄膜103的鍍膜情況與圖3-3所示相同。在圖5的復合反射鏡1的結(jié)構(gòu)中，高反射薄膜層103的鍍膜情況如圖5-3所示。兩子鏡101和102的外表面分別鍍有對所使用光源發(fā)射光束增透的增透薄膜104和107。兩子鏡101和102在兩相對平面內(nèi)表面之間用與構(gòu)成兩子鏡的透明材料的折射率相匹配的折射率匹配膠層106膠合。
所說的復合反射鏡1中的兩子鏡101和102的透明材料是透明的光學玻璃，或是透明的有機材料，或者是透明的晶體材料。
所說的兩子鏡101和102相對兩內(nèi)表面的一半表面上鍍有的高反射薄膜103是對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％的多層光學介質(zhì)薄膜。
本發(fā)明的復合反射鏡1的結(jié)構(gòu)和特點是(一)復合反射鏡由兩個同樣幾何形狀和尺寸的透明子鏡101和102粘合在一起構(gòu)成；粘合面是平行光學平面；高反射率薄膜103夾在該二個平面之間；復合反射鏡以該粘合面為對稱平面，具有鏡面對稱性；如圖3、圖4和圖5所示。(二)高反射薄膜103占有粘合光學平面的一半。如圖3-1所示。另一半的位置上透明區(qū)域105經(jīng)粘合后透明無反射。如圖3-2所示；(三)兩個相同子鏡101、102的外表面上104、107鍍有增透膜。由于高反射薄膜103的厚度十分小，通常情況下，其高反射薄膜厚度小于1微米，當復合反射鏡中有高反射薄膜103的部分進入光路或移出光路，而使光線被反射或透過時，二個出射光線的方向和位置都不變。如圖2所示。這一光路布局具有A-A和B-B兩個鏡象對稱面，輸入和輸出光線的走向具有二度鏡象對稱的特性。因而可以獲得在平行連接(Bar)，如圖2-1、圖3-1、圖4-1、和圖5-1所示，和交叉連接(Cross)，如圖2-2、圖3-2、圖4-2和圖5-2所示，二個狀態(tài)下具有同樣小的插入損耗。開關(guān)的切換方式，對于兩子鏡101和102為平面鏡的情況，復合反射鏡1作左右平動，就可以實現(xiàn)二種連接狀態(tài)，如圖3所示。對于兩子鏡101和102為三角形棱鏡、按圖4布局的情況。當復合反射鏡1以BB軸，或者以垂直于紙面的中心軸轉(zhuǎn)動180度時，可以實現(xiàn)平行和交叉二種連接狀態(tài)。對于兩子鏡101和102為三角形棱鏡、按圖5布局的情況，當復合反射鏡1沿垂直于紙面的方向平移時，可以實現(xiàn)平行和交叉二種連接狀態(tài)。
圖6為利用一個上述N＝1個復合反射鏡1構(gòu)成的2×2光開關(guān)2。它的工作過程是當復合反射鏡1中具有高反射薄膜103的區(qū)域移入光路時，實現(xiàn)a-a’和b-b’連接的平行工作狀態(tài)，如圖6-1。當復合反射鏡1中另一半透明區(qū)域105移入光路時，實現(xiàn)a-b’和b-a’連接的交叉工作狀態(tài)，如圖6-2所示。為了后面敘述的簡便，用圖6-3表示2×2光開關(guān)2的示意圖標。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)原理，可以構(gòu)造更多光路之間的互連開關(guān)。圖7為含有N＝3個復合反射鏡1的3×3無阻塞光開關(guān)3。其中用了3個相對光路可活動的復合反射鏡1和一個固定的高反射平面鏡301，如圖7-1所示。它的示意圖標如圖7-2所示。
圖8為一個由N＝4個復合反射鏡1構(gòu)成的開關(guān)矩陣4。它是一種局部無阻塞[2×4＋2×3]光開關(guān)4，如圖8-1所示。圖8-2為圖8-1的示意圖標中標記為[b-4×4]。它可以用作為一種無阻塞2×4交叉連接光開關(guān)。在一定場合下，它能夠滿足實際應(yīng)用要求。
圖9為另一種N＝6個復合反射鏡1的4×4無阻塞光開關(guān)5。其中用了6個可動的復合反射鏡1和二個固定反射鏡501、502。
圖10為本發(fā)明第二種4×4無阻塞光開關(guān)6的結(jié)構(gòu)。它由二個2×2開關(guān)和一個(b－4×4)開關(guān)矩陣4組合構(gòu)成。其中采用了N＝6個可動復合反射鏡1。
圖11為本發(fā)明第三種4×4無阻塞光開關(guān)7的結(jié)構(gòu)。它由六個2×2開關(guān)組合構(gòu)成。也是用了N＝6個能夠活動的復合反射鏡1。
依據(jù)上述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，可以進一步組合實現(xiàn)大于4個的N×N光開關(guān)。圖12為本發(fā)明提出的6×6無阻塞光開關(guān)8的結(jié)構(gòu)。它由2個3×3開關(guān)和6個2×2開關(guān)組合構(gòu)成。其中用了N＝12個復合反射鏡1。同樣地可以用2個4×4開關(guān)和8個2×2開關(guān)組合，構(gòu)成8×8無阻塞光開關(guān)9，如圖13所示。
本發(fā)明的多路對多路機械光開關(guān)與在先技術(shù)相比，具有的優(yōu)點是1、本發(fā)明中所使用的復合反射鏡1在兩子鏡101、102相對兩內(nèi)表面之間一半上置有厚度與光束線度相比可以忽略的高反射薄膜103，另一半105是透明區(qū)域，并且用折射率匹配膠層膠合，本發(fā)明的這種復合反射鏡可以被認為是一種兩子鏡之間無厚度的雙面反射鏡。本發(fā)明的復合反射鏡1可以在光路中運動，由于其二度鏡面對稱性，可以實現(xiàn)一件光學元件同時改變二個光路的作用。從而成倍地減少了機械光開關(guān)中動作元件的數(shù)量，并實現(xiàn)了嚴格無阻塞的光開關(guān)。
2、高反射薄膜層被密封在兩相同子鏡101和102之間的內(nèi)部，有利于保持其特性的穩(wěn)定性。
3、本發(fā)明的光開關(guān)切換作用是通過復合反射鏡1的平移起作用的。其動作只要求保持平行運動或轉(zhuǎn)動，對于平移距離沒有嚴格的控制要求，只要超過入射光束的寬度即可。比較容易控制。
4、本發(fā)明的光開關(guān)與在先技術(shù)中的光開關(guān)相比，可以實現(xiàn)多路對多路的嚴格無阻塞光開關(guān)矩陣。與在先技術(shù)中干涉型波導開關(guān)矩陣相比，沒有波長控制要求，具有寬帶特性。
5、本發(fā)明光開關(guān)大大減少開關(guān)運動部件和相應(yīng)驅(qū)動器的數(shù)量，而且光纖輸入輸出端口可以在正方形的四邊安排，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕， 節(jié)約材料和成本。


圖1、為在先技術(shù)中所采用的平面反射鏡折射引起的光路位移示意圖。
圖2、為本發(fā)明光開關(guān)采用N＝1個復合反射鏡1的2×2機械光開關(guān)的基本示意圖。其中圖2-1為復合反射鏡1中具有高反射薄膜的一半?yún)^(qū)域103進入光路時，獲得平行連接(Bar)的光路示意圖。圖2-2為復合反射鏡1中沒有高反射薄膜的一半透明區(qū)域105進入光路時，獲得交叉連接(Cross)的光路示意圖。
圖3、為本發(fā)明光開關(guān)中復合反射鏡1的結(jié)構(gòu)及其光路示意圖。圖3-1為平行連接和圖3-2為交叉連接的正視圖。圖3-3為圖3-1和圖3-2的AA面剖視示意圖。
圖4、為本發(fā)明光開關(guān)中復合反射鏡1的結(jié)構(gòu)及其光路示意圖。其中兩子鏡101、102為一對相同尺寸的三角形棱鏡。當復合反射鏡1以BB軸，或者以垂直于紙面的中心軸轉(zhuǎn)動180度時，可以實現(xiàn)圖4-1的平行連接和圖4-2的交叉連接二種連接狀態(tài)。
圖5、為本發(fā)明光開關(guān)中復合反射鏡1的結(jié)構(gòu)及其光路示意圖。其中兩子鏡101、102為一對相同尺寸的三角形棱鏡。當復合反射鏡1沿垂直于紙面的方向平移時，可以實現(xiàn)圖5-1的平行和圖5-2的交叉二種連接狀態(tài)。圖5-3為子鏡101與子鏡102分開，內(nèi)表面上一半為高反射薄膜103，另一半為透明區(qū)域105的示意圖。
圖6、為本發(fā)明光開關(guān)中采用N＝1個復合反射鏡的2×2機械光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。圖6-1為復合反射鏡1中有高反射薄膜103的一半?yún)^(qū)域進入光路，獲得平行連接的示意圖。圖6-2為復合反射鏡1中沒有高反射薄膜的一半透明區(qū)域105進入光路，獲得交叉連接的示意圖。圖6-3為2×2光開關(guān)的示意圖標。
圖7、為本發(fā)明光開關(guān)中采用N＝3個復合反射鏡的3×3無阻塞光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖7-1為含3個復合反射鏡1和一個平面反射鏡301的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7-2為3×3光開關(guān)的示意圖標。
圖8、為本發(fā)明光開關(guān)中采用N＝4個復合反射鏡的4×4局部無阻塞光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖8-1為含4個含復合反射鏡結(jié)構(gòu)的示意圖，圖8-2為4×4局部無阻塞光開關(guān)的示意圖標。
圖9、為本發(fā)明光開關(guān)中采用N＝6個復合反射鏡的4×4無阻塞光開關(guān)第一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10、為本發(fā)明光開關(guān)中采用N＝6個復合反射鏡的4×4無阻塞光開關(guān)第二種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11、為本發(fā)明光開關(guān)中采用N＝6個復合反射鏡的4×4無阻塞光開關(guān)第三種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12、為本發(fā)明光開關(guān)中采用N＝12個復合反射鏡的6×6無阻塞光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖13、為本發(fā)明光開關(guān)中采用N＝16個復合反射鏡的8×8無阻塞光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖14、為本發(fā)明光開關(guān)中采用N＝1個復合反射鏡的2×2光開關(guān)的實施例示意圖。
具體實施例方式圖14所示的結(jié)構(gòu)是本發(fā)明具體實施方式
的一個例子。其中采用了N＝1個本發(fā)明的復合反射鏡1，實現(xiàn)2×2機械光開關(guān)結(jié)構(gòu)。復合反射鏡1中兩相同子鏡101和102，是二片完全相同的牌號為K9的光學平行平面鏡。兩子鏡101和102的兩相對內(nèi)表面之間的高反射薄膜103采用反射率大于95％的金膜?；蛘卟捎勉y膜、或鋁膜、或多層介質(zhì)膜。高反射薄膜的厚度為0.2微米，分別蒸鍍在兩子鏡101和102相對內(nèi)表面的一半上。兩子鏡101和102在相對兩內(nèi)表面之間的折射率匹配膠層106是用折射率匹配的加拿大樹脂膠。膠合時保持兩子鏡101、102上的高反射薄膜互相對齊。兩子鏡101和102的二個外表面104和107，對于1550納米工作波段和45度入射角，蒸鍍增透膜，以消除在該兩表面上產(chǎn)生的額外反射。
復合反射鏡1通過連接件14固定在活動軸12上?；顒虞S在線圈11的電磁力推動下，實現(xiàn)左右平移，從而帶動復合反射鏡在光路中移動。該活動軸12通過永磁體16的作用，具有自保持的性能。輸入和輸出共四根光纖準直器17固定在開關(guān)的支架15上。仔細調(diào)整其位置，使光束在水平面上互相垂直，并調(diào)整到以復合反射鏡1為中心。各部件均固定在底板13上。復合反射鏡1在光路中移動，兩路輸入光及兩路輸出光分別通過四根光纖準直器17輸入或輸出，達到平行連接或交叉連接的作用。
權(quán)利要求
1.一種多路對多路無阻塞機械光開關(guān)，其特征在于含有N≥1個光路二度對稱的能夠相對光路運動的復合反射鏡(1)，復合反射鏡(1)含有形狀大小厚度完全相同，由透明材料構(gòu)成，相互平行重疊置放的第一子鏡(101)和第二子鏡(102)，第一子鏡(101)與第二子鏡(102)兩相對內(nèi)表面之間的一半上置有高反射薄膜(103)，兩相對內(nèi)表面的另一半是透明區(qū)域(105)，在兩相對內(nèi)表面之間均勻地置有折射率匹配膠層(106)，在第一子鏡(101)和第二子鏡(102)的兩外表面(104、107)上均鍍有增透薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路對多路無阻塞機械光開關(guān)，其特征在于所說的第一子鏡(101)和第二子鏡(102)是具有對稱性的平行平面鏡，或者是三角形棱鏡，或者是梯形棱鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路對多路無阻塞機械光開關(guān)，其特征在于第一子鏡(101)和第二子鏡(102)兩相對內(nèi)表面之間的一半上置有的高反射薄膜(103)是鍍在第一子鏡(101)相對于第二子鏡(102)內(nèi)表面的一半表面上；或者是鍍在第二子鏡(102)相對于第一子鏡(101)內(nèi)表面的一半表面上，或者是分別鍍在第一子鏡(101)和第二子鏡(102)兩相對內(nèi)表面的一半表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的多路對多路無阻塞機械光開關(guān)，其特征在于第一子鏡(101)和第二子鏡(102)兩相對內(nèi)表面之間的一半上置有的高反射薄膜(103)是對所使用光源發(fā)射的光束具有反射率大于90％的薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路對多路無阻塞機械光開關(guān)，其特征在于所說的構(gòu)成復合反射鏡(1)中的第一子鏡(101)和第二子鏡(102)的透明材料是透明的光學玻璃，或者是透明的有機材料，或者是透明的晶體。
全文摘要
一種多路對多路無阻塞機械光開關(guān),主要應(yīng)用于光纖通信全光交叉連接和光路切換的光開關(guān)系統(tǒng)。含有N大于或等于一個光路二度對稱的能夠運動的復合反射鏡。復合反射鏡含有形狀大小厚度完全相同、由透明材料構(gòu)成、相互平行重疊置放的兩塊子鏡。兩子鏡可以是平行平面鏡,或者是三角形棱鏡,或者是梯形棱鏡,或者是其他具有對稱性的鏡子。兩子鏡相對兩內(nèi)表面的一半表面上置有高反射薄膜,另一半表面是透明區(qū)域。相對兩內(nèi)表面之間有折射率匹配膠層。兩子鏡的外表面上鍍有增透薄膜。與在先技術(shù)比,本發(fā)明實現(xiàn)了用一個復合反射鏡的運動同時改變兩個光路的作用。成倍地減少了動作單元的數(shù)量。不僅達到了多路對多路嚴格無阻塞光開關(guān)的目的,而且具有寬帶特性,結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,重量輕,節(jié)約了材料和成本。
文檔編號G02B6/35GK1338650SQ0112691
公開日2002年3月6日 申請日期2001年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月28日
發(fā)明者方祖捷, 陳高庭, 董作人, 蔡海文 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所