專利名稱：用于光纖開關(guān)的校準(zhǔn)和控制的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖交叉連接交換。
背景技術(shù)：
隨著光纖不斷地補(bǔ)充并代替作為電信網(wǎng)絡(luò)骨干的金屬導(dǎo)線，路由光信號的開關(guān)已變成明顯的瓶頸。傳輸系統(tǒng)移動(dòng)作為光學(xué)光子的信息，而交換、路由、復(fù)用和解復(fù)用光信號的交換系統(tǒng)和所謂的交叉連接結(jié)構(gòu)一般都是電子化的。電子交換要求在稱為光-電-光(OEO)轉(zhuǎn)換的過程中，光被轉(zhuǎn)換成電信號來穿過開關(guān)，然后被重新轉(zhuǎn)換成光，這個(gè)過程導(dǎo)致時(shí)間延遲和耗費(fèi)。
因此在電信工業(yè)中，對開發(fā)全光交換以避免必須多次OEO轉(zhuǎn)換有著很大的興趣。例如，如Bishop等人在《科學(xué)美國人》(ScienceAmerican)(2001年1月pp.88-94)中所描述的，提出了基于多種基礎(chǔ)技術(shù)的全光開關(guān)，包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的傾斜鏡面、熱光器件、由噴墨打印頭形成的氣泡和液晶?；贛EMS鏡面的光纖開關(guān)尤其有吸引力，因?yàn)樗鼈兛山Y(jié)合超大規(guī)模集成光路(very large scale integrated circuit)并能夠是魯棒的、長期使用的和可擴(kuò)充的。
例如，在Lin的美國專利5,960,132中所描述的一種光纖開關(guān)，包括鉸接MEMS鏡面的陣列，其中每個(gè)都可繞其樞軸在反射狀態(tài)和非反射狀態(tài)之間旋轉(zhuǎn)。需要一個(gè)有N2個(gè)這種鏡面的陣列來將由N個(gè)輸入光纖承載的信號從N個(gè)輸出光纖的一個(gè)切換到另一個(gè)。很不幸，對于大的N，N2的標(biāo)度會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜得無法管理的器件。
在以上所引的Bishop等人的文章以及Bishop等人在《PhotonicsSpectra》(2000年3月pp.167-169)中所描述的另一種光纖開關(guān)，包括位于單個(gè)表面上的MEMS鏡面陣列。每個(gè)鏡面獨(dú)立地傾斜，以將從輸入/輸出光纖接收的光引導(dǎo)到任一個(gè)其他的鏡面，并由此引導(dǎo)到任一個(gè)輸入/輸出光纖。這種光纖開關(guān)似乎不包括光學(xué)診斷，該光學(xué)診斷將使得能夠?qū)︾R面方向進(jìn)行主動(dòng)閉環(huán)光反饋控制或者允許檢測輸入的存在。
具有低插入損耗并能夠交叉連接大量輸入輸出光纖的光纖開關(guān)，將促進(jìn)光纖電信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了校準(zhǔn)和操作光開關(guān)的方法。對于包括第一端口、第二端口、第一鏡面和第二鏡面的光開關(guān)，一種根據(jù)本發(fā)明校準(zhǔn)所述光開關(guān)的方法，包括將第一光束引導(dǎo)到第一鏡面上以及將第二光束引導(dǎo)到第二鏡面上。所述方法還包括控制第一鏡面的方向，使得第一鏡面將第一控制光束反射到第一位置感應(yīng)檢測器上的預(yù)定位置，以及控制第二鏡面的方向，使得第二鏡面將第二控制光束反射到第二位置感應(yīng)檢測器上的預(yù)定位置。由此將從第一端口入射到第一鏡面上的第三光束(例如具有電信波長的)，引導(dǎo)到第二鏡面并從此引導(dǎo)到第二端口。所述方法還包括控制第一鏡面和第二鏡面的所述方向，以使耦合到第二端口中的第三光束的強(qiáng)度最大，以及記錄從第一和第二位置感應(yīng)檢測器提供的輸出所確定的信號。
在一種實(shí)現(xiàn)中，所述校準(zhǔn)方法還包括控制第一和第二鏡面的所述方向，以使例如來自第二端口的第三光束的反射最小。所述校準(zhǔn)方法還可包括將第三控制光束(第四光束)經(jīng)由第一鏡面和第二鏡面而引導(dǎo)到第三位置感應(yīng)檢測器上，以及記錄從由第三位置感應(yīng)檢測器提供的輸出所確定的信號。
這種校準(zhǔn)方法通常在制造處裝配光開關(guān)之后僅僅執(zhí)行一次，該方法允許隨后在現(xiàn)場中的交換操作中，很準(zhǔn)確地控制光開關(guān)中的鏡面。
一種根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例操作包括第一鏡面和第二鏡面的光開關(guān)的方法，包括將第一控制光束引導(dǎo)到第一鏡面上，并控制第一鏡面的方向，使得第一鏡面將第一控制光束的至少一部分反射到第一位置感應(yīng)檢測器上的預(yù)定位置。所述方法還包括將第二控制光束引導(dǎo)到第二鏡面上，并控制第二鏡面的方向，使得第二鏡面將第二控制光束的至少一部分反射到第二位置感應(yīng)檢測器上的預(yù)定位置。所述方法還包括將第三控制光束經(jīng)由第一鏡面而引導(dǎo)到第二鏡面，并控制第一鏡面、第二鏡面或者這兩者的方向，使得第三控制光束的至少一部分被引導(dǎo)到第三位置感應(yīng)檢測器上的預(yù)定位置。在一種實(shí)現(xiàn)中，第一和第二鏡面中至少一個(gè)的方向，以好于約0.005°的角度精度來控制。
在所述操作方法中所指的第一、第二和第三預(yù)定位置可由例如上述校準(zhǔn)方法來確定。
在所述操作方法中所利用的第一、第二和第三控制光束，與被路由通過光開關(guān)并被其切換的光束不同。因此，光開關(guān)中的鏡面可在信號(例如電信)光束被提供到光開關(guān)之前，就被對準(zhǔn)以將通過特定輸入端口輸入的這些信號光束耦合到特定輸出端口。而且，可以不對信號光束采樣就控制鏡面的方向，這樣就減小了光開關(guān)的插入損耗。
本發(fā)明還提供了這樣的光開關(guān)，其中使用控制光束和位置感應(yīng)檢測器來測量和控制鏡面的方向。在一個(gè)實(shí)施例中，光開關(guān)包括多個(gè)鏡面；光源，被定位以照明所述多個(gè)鏡面；多個(gè)位置感應(yīng)檢測器；和成像系統(tǒng)，被定位以將所述多個(gè)鏡面成像在與所述檢測器分開的像平面處。由所述檢測器提供的信號對應(yīng)于相應(yīng)的那些鏡面的方向。這種布置允許例如在大于約20°(約9位的準(zhǔn)確度)的范圍上以好于約0.04°的精度，來測量和控制所述多個(gè)鏡面的方向。
在另一個(gè)實(shí)施例中，光開關(guān)包括第一鏡面、第二鏡面、第一光源和位置感應(yīng)檢測器，所述位置感應(yīng)檢測器被定位以檢測由所述光源輸出、并被第一鏡面和第二鏡面兩者反射的光。由所述檢測器提供的信號，對應(yīng)于第一鏡面和第二鏡面的方向。這種布置允許例如在大于約0.15°(約5位的準(zhǔn)確度)的范圍上以好于約0.005°的精度，來測量和控制第一和第二鏡面的方向。如果所述光開關(guān)還如前一實(shí)施例所述的那樣，包括光源、成像系統(tǒng)和位置感應(yīng)檢測器，那么可以例如在大于約20°(約12位的準(zhǔn)確度)的范圍上以好于約0.005°的精度，來測量和控制鏡面的方向。
在另一個(gè)實(shí)施例中，光開關(guān)包括第一多個(gè)鏡面；第二多個(gè)鏡面；光源；和多個(gè)位置感應(yīng)檢測器，每個(gè)檢測器被定位以檢測由所述光源輸出、被第一多個(gè)鏡面中的一個(gè)反射、并被第二多個(gè)鏡面中的一個(gè)反射的光。由所述檢測器提供的信號，對應(yīng)于第一多個(gè)鏡面和第二多個(gè)鏡面的所述方向。在一種實(shí)現(xiàn)中，在大于約0.15°(約5位的準(zhǔn)確度)的范圍上以好于約0.005°的精度，來測量和控制第一和第二多個(gè)鏡面中鏡面的方向。如果所述光開關(guān)還如上所述的那樣，包括光源、成像系統(tǒng)和位置感應(yīng)檢測器，那么可以例如在大于約20°(約12位的準(zhǔn)確度)的范圍上以好于約0.005°的精度，來測量和控制鏡面的方向。
本發(fā)明實(shí)施例所提供的光開關(guān)中可獲得的對鏡面方向的高精度控制，減小了光開關(guān)的插入損耗。因此，可根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例控制光纖開關(guān)，來以小于例如約3分貝的插入損耗，將大于一千個(gè)的輸入端口交叉連接到大于一千個(gè)的輸出端口。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光開關(guān)的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的光開關(guān)的示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例包括輸入輸出傳感器的光開關(guān)的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例包括監(jiān)控信道的光開關(guān)的示意圖。
圖5是在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光開關(guān)中控制光束的光路示意圖。
圖6是在根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的光開關(guān)中控制光束的光路示意圖。
圖7是在根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的光開關(guān)中控制光束的光路示意圖。
圖8是在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光開關(guān)中參考光束的光路示意圖。
圖9是在根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的光開關(guān)中參考光束的光路示意圖。
圖10是在根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的光開關(guān)中參考光束的光路示意圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，示出由三個(gè)激光器所提供的光脈沖的相對時(shí)序的時(shí)序圖。
圖12以流程示了校準(zhǔn)和對準(zhǔn)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光開關(guān)的方法。
圖13以流程示了操作根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光開關(guān)的方法。
圖14以流程示了重校準(zhǔn)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光開關(guān)的方法。
圖15以方框示了在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光開關(guān)中，鏡面陣列、光源和位置感應(yīng)檢測器之間的關(guān)系。
各個(gè)圖中類似的標(biāo)號指示各個(gè)實(shí)施例中相同的部件。圖中的尺度不一定是成比例的。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光纖交叉連接開關(guān)，將通過N個(gè)輸入端口中任一個(gè)輸入的光路由到P個(gè)輸出端口中任一個(gè)。在通過開關(guān)的典型光路中，通過輸入端口進(jìn)入開關(guān)的光，入射到第一個(gè)微機(jī)械鏡面二維陣列中相應(yīng)的第一微機(jī)械鏡面上。可在一定范圍的任意方向(dθ，d)內(nèi)定向的第一微機(jī)械鏡面，被傾斜來將光引導(dǎo)到第二個(gè)微機(jī)械鏡面二維陣列中的第二微機(jī)械鏡面上?？稍谝欢ǚ秶娜我夥较?dθ，d)內(nèi)定向的第二微機(jī)械鏡面，被傾斜來將光引導(dǎo)到相應(yīng)的輸出端口，而從該開關(guān)出來。
通過重定向第一微機(jī)械鏡面來將光引導(dǎo)到第二微鏡面陣列中的第三微機(jī)械鏡面，并將第三微機(jī)械鏡面定向來將光引導(dǎo)到其相應(yīng)的輸出端口，而可將光從其初始時(shí)被導(dǎo)向的輸出端口，切換到另一個(gè)輸出端口。提供控制系統(tǒng)來控制微機(jī)械鏡面的定向，從而完成交換。將描述多個(gè)實(shí)施例，其中通過反射來自微機(jī)械鏡面的光束(與那些路由穿過光纖開關(guān)并被其切換的光束分開)，并測量所反射的光束入射在位置感應(yīng)檢測器上的位置，來測量和控制各個(gè)微機(jī)械鏡面的定向。
盡管在以下所述實(shí)施例中輸入端口的數(shù)量等于輸出端口的數(shù)量(N＝P)，但在其他實(shí)施例中N＜P或者N＞P。
為解釋的方便，將參考以下來描述根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的光纖交叉連接開關(guān)2(圖1)作為輸入端口的N＝5個(gè)輸入光纖4a-4e，作為輸出端口的P＝N＝5個(gè)輸出光纖6a-6e，以及位于光路中輸入光纖4a-4e和輸出光纖6a-6e之間的、N＝5個(gè)各種其他光學(xué)元件和光束，如圖1所示。但是應(yīng)該理解，在根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例中，N和P兩者一般都大于約1000。例如在一個(gè)實(shí)施例中，N約為1200并且P＝N。
如在密集波分復(fù)用中常用的，每個(gè)輸入光纖都可承載具有多種波長的光。在一種實(shí)現(xiàn)中，輸入光纖所承載的光具有接近于約1310納米(nm)或約1550nm的波長。輸入光纖和輸出光纖例如是常用的Corning公司的SMF-28單模光纖，其具有約8微米(μm)的芯徑和約125微米的包層直徑。也可使用適合于光通信應(yīng)用的其他光纖。
參考圖1，N個(gè)輸入光纖4a-4e進(jìn)入輸入光纖塊8，其將它們各自的末端10a-10e嚴(yán)格地定位在塊8的表面12處的二維陣列中。表面12被拋光到例如比約300納米(nm)更好的平整度，以形成包括光纖末端10a-10e的平整表面。輸入光纖塊8將光纖末端10a-10e的位置和方向相對于光開關(guān)2中的其他光學(xué)元件固定，由此防止光纖末端10a-10e的移動(dòng)使得開關(guān)2不對準(zhǔn)。
在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，輸入光纖塊8包括硅板，N個(gè)基本平行的孔穿過該硅板，這些孔布置成例如具有約1毫米(mm)的水平和垂直間距的矩形陣列。在每個(gè)孔中插入輸入光纖4a-4e中對應(yīng)的一個(gè)。輸入光纖塊8的表面12被拋光來形成基本垂直于輸入光纖的平整表面，并包括它們的末端10a-10e。在表面12處，N個(gè)光纖末端形成例如如上所述的矩形陣列。例如對于N＝1200，該陣列可以是30×40的矩形陣列。在美國專利申請案卷號No.M-11501 US中更詳細(xì)地描述了輸入光纖塊8的各種實(shí)現(xiàn)，在此通過參考而被結(jié)合進(jìn)來。
由輸入光纖4a-4e所承載的光，分別被光纖末端10a-10e的纖芯輸出為發(fā)散光錐。小透鏡陣列14的N個(gè)小透鏡14a-14e分別收集光纖末端10a-10e輸出的光，并分別形成N個(gè)基本平行或弱聚焦的光束16a-16e。小透鏡陣列14與輸入光纖塊8相鄰，其中小透鏡14a-14e布置成與光纖末端10a-10e相匹配的圖案，使得小透鏡14a-14e定位成其光軸分別近似地位于光纖末端10a-10e的中心。
在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，小透鏡14a-14e具有約4mm的焦距、約1mm的直徑，并與輸入塊8的表面12隔開將近3mm。小透鏡陣列14由例如熔融石英、光學(xué)玻璃、硅、塑料或環(huán)氧樹脂形成。合適的小透鏡陣列可從例如以下公司得到馬薩諸塞州Cambridge的Adaptive Optics Associates公司、德國Saarbrucken的Advanced Micro Optical Systems股份有限公司、和紐約Rochester的Corning Rochester Photonics公司。
由小透鏡14a-14e形成的光束16a-16e入射到微鏡面陣列18上。微鏡面陣列18包括位于參考表面19之上的N個(gè)微鏡面18a-18e，其布置成對應(yīng)于光纖末端10a-10e和小透鏡14a-14e的圖案，例如矩形陣列。在沿著表面19平行于入射平面的方向上的微鏡面18a-18e的間距，與小透鏡14a-14e的對應(yīng)間距相比被拉長了，使得基本平行或弱聚焦的光束16a-16e分別近似中心地入射到微鏡面18a-18e上，所述入射平面由光束16a-16e中的一個(gè)和在該光束與表面19相交的點(diǎn)處垂直于表面19的軸確定?？刂葡到y(tǒng)20用經(jīng)由總線22傳輸?shù)碾娦盘柨梢栽谝欢ǚ秶娜我夥较?dθ，d)上控制微鏡面18a-18e相對于參考表面19的方向。
在一個(gè)實(shí)施例中，微鏡面陣列18是美國專利申請Serial No.09/779,189所描述的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)微鏡面陣列，在此通過參考而結(jié)合進(jìn)來。在本實(shí)施例中，微鏡面18a-18e是由結(jié)合到微鏡面陣列中的裝置所驅(qū)動(dòng)的、可自由旋轉(zhuǎn)的微機(jī)電鏡面，這些裝置例如是靜電、電磁、壓電或熱驅(qū)動(dòng)裝置。也可使用其他類型的微鏡面和微鏡面陣列?？刂葡到y(tǒng)20是例如美國專利申請案卷號No.M-11419 US和美國專利申請案卷號No.M-11502 US中所描述的光開關(guān)控制系統(tǒng)，這兩者在此都通過參考而結(jié)合進(jìn)來。
在一種實(shí)現(xiàn)中，光束16a-16e以通常相對于垂直于鏡面陣列參考表面19的軸所定義的小于約25°的入射角，入射到微鏡面陣列18上，因此光束16a-16e分別在微鏡面18a-18e上的覆蓋區(qū)(光束點(diǎn))接近圓形。在此實(shí)現(xiàn)中，各個(gè)微鏡面上光束的入射角可以例如從約15°變化到約35°。在其他實(shí)現(xiàn)中，光束可以例如約0°到約60°的入射角入射到微鏡面陣列18上。
微鏡面處的光束點(diǎn)可具有接近均勻的強(qiáng)度，或者例如沿徑向變化的強(qiáng)度。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，具有徑向變化強(qiáng)度的光束點(diǎn)直徑可根據(jù)強(qiáng)度分布的形式以標(biāo)準(zhǔn)方式確定。例如，具有徑向分布I(r)＝I(O)exp(-2(r/w)2)的高斯光束點(diǎn)的直徑一般取作2w。
在一種實(shí)現(xiàn)中，微鏡面處的光束點(diǎn)是直徑約0.6mm的近似圓形。小的、近似圓形的光束點(diǎn)允許使用小的、近似圓形的微鏡面18a-18e。這是有優(yōu)勢的，因?yàn)槲㈢R面越小，其慣性就越小并越容易移動(dòng)。此外，近似圓形的鏡面受到來自對其涂覆的任何涂層更均勻的應(yīng)力，因此比類似涂覆的基本非圓形的鏡面變形更小。微鏡面18a-18e是例如近似橢圓形的，其長軸和短軸分別約為1.0mm和0.9mm。
微鏡面18a-18e分別將入射光束反射到折鏡(fold mirror)24上。在一種實(shí)現(xiàn)中，折鏡24是常規(guī)的涂金的平面鏡，其在包括1310nm和1550nm的紅外波長處具有高反射率(＞98％)。這種常規(guī)的涂金鏡面可從許多商業(yè)來源獲得。在所圖示實(shí)施例的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，折鏡24是平面二色分光器，其對具有約600nm到約1000nm波長的入射光透射約30％到約70％，優(yōu)選地是約50％，并對具有約1200nm到約1700nm波長的入射紅外光反射大于約90％，優(yōu)選地是大于約98％。這種二色鏡可從許多商家得到。
通常選擇這樣一種二色分光器24的反射率，使得允許至少部分地將電信中所使用光的波長(例如1200nm到1700nm)，與下面描述的控制光束所使用的非電信波長的另一個(gè)范圍(例如600nm到1000nm)分離。在一些實(shí)施例中，這樣一種二色分光器24在控制光束所使用的非電信波長處的反射率是約5％到約95％。
折鏡24將入射光束16a-16e反射到微鏡面陣列26上。微鏡面陣列26包括位于參考表面28之上的N個(gè)微鏡面26a-26e。微鏡面26a-26e相對于參考表面28的方向，可由控制系統(tǒng)20用經(jīng)由總線32傳輸?shù)碾娦盘柖謩e控制。在一種實(shí)現(xiàn)中，微鏡面陣列18和26基本相同。
微鏡面18a-18e中的每個(gè)都可控制，以將從輸入光纖塊8入射到其上的光束，經(jīng)由折鏡24反射到微鏡面26a-26e的任一個(gè)上。因此，控制系統(tǒng)20可控制微鏡面18a-18e的方向，以經(jīng)由折鏡24來將光束16a-16e中的任一個(gè)反射到微鏡面26a-26e的任一個(gè)的近似中心上。例如，盡管圖1示出了由微鏡面18a經(jīng)由折鏡24反射到微鏡面26a的光束16a，但光束16a也可由微鏡面18a經(jīng)由折鏡24反射到微鏡面26b-26e的任一個(gè)。因此，光束16a-16e不一定要在微鏡面陣列18和微鏡面陣列26之間相互基本平行。
控制系統(tǒng)20控制微鏡面26a-26e的方向，以將從微鏡面陣列18入射到其上的光束，分別反射到小透鏡陣列34的N個(gè)小透鏡34a-34e的近似中心上。圖1示出了微鏡面26a-26e將入射光束16a-16e分別反射到小透鏡34a-34e。但是應(yīng)該理解，微鏡面26a-26e中每一個(gè)特定微鏡面都被控制，以將入射到其上的光束16a-16e中的無論哪一個(gè)，反射到對應(yīng)于該特定微鏡面的小透鏡34a-34e。例如，微鏡面26a被控制來將入射到其上的光束16a-16e中的無論哪一個(gè)都反射到小透鏡34a。
微鏡面26a-26e以與小透鏡34a-34e的圖案相對應(yīng)的圖案定位于表面28之上，在一個(gè)方向上具有拉長的間距，使得光束16a-16e在鏡面陣列26和小透鏡陣列34之間基本平行或者弱聚焦。在一種實(shí)現(xiàn)中，光束16a-16e以通常相對于垂直于表面28的軸所定義的小于約25°的反射角，從鏡面陣列26反射到小透鏡陣列34。因此在本實(shí)現(xiàn)中，光束16a-16e在微鏡面26a-26e上的覆蓋區(qū)接近圓形，其光束點(diǎn)直徑例如約為0.6mm。在此實(shí)現(xiàn)中，光束從各個(gè)微鏡面的反射角可以例如從約15°變化到約35°。在其他實(shí)現(xiàn)中，光束以例如約0°到約60°的反射角從微鏡面陣列26反射。
小透鏡陣列34與輸出光纖塊38的表面36相鄰。小透鏡陣列34例如與小透鏡陣列14基本相同。
輸出光纖塊38將輸出光纖6a-6e的N個(gè)末端40a-40e嚴(yán)格地定位在表面36處的二維陣列中。表面36被拋光以形成包括光纖末端40a-40e的平整表面。輸出光纖塊38相對于光開關(guān)2中的其他光學(xué)元件固定光纖末端40a-40e的位置，由此防止光纖末端40a-40e的移動(dòng)使得開關(guān)2不對準(zhǔn)。輸出光纖塊38例如與輸入光纖塊8基本相同。
小透鏡34a-34e布置成與光纖末端40a-40e相匹配的圖案，使得小透鏡34a-34e定位成其光軸分別近似地位于光纖末端40a-40e的中心。小透鏡34a-34e將分別由微鏡面26a-26e反射的光束，分別聚焦到光纖末端40a-40e的纖芯，以完成從輸入端口到輸出端口的連接。
光纖開關(guān)2可以是對稱的。例如在一個(gè)對稱的實(shí)施例中，光纖塊8和38基本相同并相對于折鏡24對稱地定位，小透鏡陣列14和34基本相同并相對于折鏡24對稱地定位，并且鏡面陣列18和26基本相同并相對于折鏡24對稱地定位。在對稱實(shí)施例中，光束16a-16e的光路可以是基本對稱的，其中光束16a-16e在輸入光纖末端10a-10e和輸出光纖末端40a-40e的中間被近似聚焦。
例如在一個(gè)對稱實(shí)施例中，光束16a-16e在小透鏡陣列14和34處具有大約0.8mm的光束點(diǎn)直徑，在鏡面陣列18和26處具有大約0.6mm的光束點(diǎn)直徑，并在折鏡24處具有大約0.5mm的光束點(diǎn)直徑。這種對稱實(shí)施例允許光以最小的光學(xué)功率損耗通過光纖開關(guān)2雙向傳輸，即端口4a-4e或者端口6a-6e都可以是輸入端口。而且，對稱實(shí)施例比不對稱的實(shí)施例需要更少類型的部件，因此更容易并更便宜地制造。
一般將光纖開關(guān)2中光學(xué)元件的尺寸選擇成較小，以允許開關(guān)裝入例如小機(jī)柜空間中，并使得開關(guān)中的光學(xué)功率損耗最小。
圖1所示實(shí)施例中鏡面陣列18、折鏡24和鏡面陣列26的折疊構(gòu)形所產(chǎn)生的光束16a-16e的路徑，在光學(xué)上等價(jià)于這樣的不折疊構(gòu)形所產(chǎn)生的光束16a-16e的路徑，即其中鏡面陣列26的位置通過折鏡24的平面而映射，并且去掉折鏡24。例如，圖2示出了具有不折疊構(gòu)形的實(shí)施例，該構(gòu)形等價(jià)于圖1所示實(shí)施例的折疊構(gòu)形。在圖2所示的實(shí)施例中，微鏡面18a-18e中的每個(gè)都可控制，來將從輸入光纖塊8入射到其上的光束直接反射到微鏡面26a-26e的任一個(gè)。
在圖2所示的實(shí)施例中，鏡面陣列18和26的方向基本相互平行。這樣，在圖1所示的光學(xué)上等價(jià)的實(shí)施例中，鏡面陣列18和26的相對方向在光學(xué)上與基本平行是等價(jià)的。在鏡面陣列18和26基本平行的不折疊實(shí)施例中，以及在光學(xué)上等價(jià)的折疊實(shí)施例中，與具有其他光學(xué)構(gòu)形的實(shí)施例相比，減小了最大旋角(maximum swing angle)，微鏡面18a-18e和26a-26e中的任一個(gè)必須分別相對于表面19和28傾斜這樣的角度，以將光束16a-16e中的一個(gè)引導(dǎo)到輸出光纖6a-6e中的一個(gè)。例如在鏡面陣列18和26每個(gè)都包括約1200個(gè)鏡面的實(shí)現(xiàn)中，微鏡面18a-18e和26a-26e中的任一個(gè)必須傾斜的最大角度小于約10°。因此與需要更大旋角的構(gòu)形相比就減少了交換時(shí)間。而且，當(dāng)光束16a-16e中的一個(gè)被從輸出光纖6a-6e中的一個(gè)切換到另一個(gè)時(shí)，產(chǎn)生的最大光程差被相應(yīng)地減小到小于約1厘米。因此，光束16a-16e在例如鏡面陣列26和小透鏡陣列34處具有類似的發(fā)散和直徑，并由此經(jīng)歷類似的衰減。這樣，光束16a-16e之間的耦合損耗變化就較小。
光纖開關(guān)2還可包括分光器，其被布置來對通過輸入光纖4a-4e進(jìn)入光開關(guān)2的光進(jìn)行采樣。例如，這種采樣使得輸入光的強(qiáng)度可被監(jiān)控。參考圖3，在一個(gè)實(shí)施例中光纖開關(guān)2包括分光器42，其被布置來分別反射光束16a-16e的部分來形成N個(gè)光束44a-44e。在一種實(shí)現(xiàn)中，分光器42是由BK 7光學(xué)玻璃形成的立方體分光器，其所具有的電介質(zhì)涂層在約1200nm到約1700nm的紅外波長處的反射率約為2％。在另一種實(shí)現(xiàn)中，分光器42是由BK 7光學(xué)玻璃形成的二色立方體分光器，其所具有的電介質(zhì)涂層在約1200nm到約1700nm的紅外波長處的反射率約為2％，在約600nm到約1000nm的波長處的反射率約為40％到約60％，優(yōu)選的是50％。這種分光器可以從例如加利福尼亞Gardena的Harold JohnsonOptical Laboratories公司得到。合適的分光器涂層可從例如加利福尼亞Torrance的ZC&R Coatings For Optics公司得到。
光束44a-44e被用來提供恰當(dāng)光路的常規(guī)的90°棱鏡46(或者常規(guī)的鏡面)反射到常規(guī)的物鏡48。常規(guī)物鏡48收集光束44a-44e并將其分別引導(dǎo)到小透鏡陣列50的N個(gè)小透鏡50a-50e上。在一種實(shí)現(xiàn)中，物鏡48的焦距約為50mm，而小透鏡50a-50e的焦距大于約50mm。在此實(shí)現(xiàn)中物鏡48和小透鏡50a-50e組合的焦距小于約50mm。小透鏡陣列50是例如類似于小透鏡陣列14和34的小透鏡陣列，并可從相同來源得到。
小透鏡50a-50e將光束44a-44e聚焦到與小透鏡陣列50相鄰的輸入傳感器52上的N個(gè)分離的點(diǎn)上。至少有N個(gè)象素的輸入傳感器52檢測光束44a-44e中每個(gè)的強(qiáng)度，以監(jiān)控輸入光纖4a-4e的輸入信號水平。輸入傳感器52可經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供與所檢測強(qiáng)度對應(yīng)的電信號。這樣，輸入傳感器52允許對輸入光纖4a-4e中每個(gè)的輸入信號的存在和水平進(jìn)行檢測。在一種實(shí)現(xiàn)中，輸入傳感器52是可從新澤西普林斯頓的Sensors Unlimited公司得到的、具有128×128象素陣列的SU128-1.7RT型紅外照相機(jī)。
光纖開關(guān)2還可包括分光器，其被布置來對從光纖末端40a-40e或光纖塊38反射的光進(jìn)行采樣。這種采樣使得所反射光的強(qiáng)度可被監(jiān)控。所測量的反射強(qiáng)度可在用于對準(zhǔn)光纖開關(guān)2的方法中使用。例如在圖3所示的實(shí)施例中，光開關(guān)2包括分光器54，其被布置來從被輸出光纖塊38或者光纖末端40a-40e所反射的光束16a-16e的部分，形成N個(gè)光束56a-56e。分光器54例如與分光器42基本相同。光束56a-56e被用來提供恰當(dāng)光路的常規(guī)的90°棱鏡58(或者常規(guī)的鏡面)反射到常規(guī)的物鏡60。常規(guī)物鏡60收集光束56a-56e并將其分別引導(dǎo)到小透鏡陣列62的N個(gè)小透鏡62a-62e上。物鏡60和小透鏡陣列62例如分別與物鏡48和小透鏡陣列50基本相同。
小透鏡62a-62e將光束56a-56e聚焦到與小透鏡陣列62相鄰的輸出傳感器64上的N個(gè)分離的點(diǎn)上。至少有N個(gè)象素的輸出傳感器64檢測光束56a-56e中每個(gè)的強(qiáng)度，并經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供相應(yīng)的電信號。光束56a-56e的強(qiáng)度分別取決于，由微鏡面26a-26e所反射的光束與輸入光纖末端40a-40e分別對準(zhǔn)的程度。例如，當(dāng)由微鏡面26a所反射的光束被小透鏡34a聚焦到光纖末端40a纖芯的近似中心時(shí)，光束56a的強(qiáng)度是局部極小值，而如果光束被引導(dǎo)為聚焦在光纖末端40a的包層上或者輸出光纖塊38上接近光纖末端40a處(包層和光纖塊比纖芯反射性更好)，則光束56a的強(qiáng)度增大。這樣，如果另外知道光束16a-16e完全對準(zhǔn)(從下面所討論的診斷)，那么極小的反射強(qiáng)度就證實(shí)在輸出光纖6a-6e上存在輸出信號。而且，如果相應(yīng)的輸出光纖斷裂了，那么反射光束的強(qiáng)度也會(huì)較高。這樣，輸出傳感器64允許輸出光纖的故障檢測。
在一個(gè)實(shí)施例中，N個(gè)輸入光纖中的Q個(gè)和P個(gè)輸出光纖中的Q個(gè)，是專用于監(jiān)控光開關(guān)2性能的監(jiān)控信道。例如在一種實(shí)現(xiàn)中，1200個(gè)輸入光纖中的9個(gè)和1200個(gè)輸出光纖中的9個(gè)是監(jiān)控信道。通常監(jiān)控信道近似均勻地分布在由輸入光纖塊8和輸出光纖塊38形成的光纖陣列中。例如，九個(gè)監(jiān)控信道可分布在輸入或輸出光纖的矩形陣列的四個(gè)角、四條邊和中心中。輸入和輸出監(jiān)控信道的空間分布不用匹配。
例如在圖4所示的實(shí)施例中，光纖4a和4e以及光纖6a和6e是監(jiān)控信道。當(dāng)然，也可為監(jiān)控信道作其他選擇。在此實(shí)施例中作為監(jiān)控光束的光束16a和16e分別從這樣的光來形成，這種光由激光器68a和68e輸出并分別由常規(guī)光纖耦合器66a和66e分別耦合到輸入光纖4a和4e。檢測器72a和72e分別由光纖耦合器66a和66e分別耦合到光纖4a和4e，以測量分別從激光器68a和68e耦合到這些光纖中的光的強(qiáng)度。檢測器72a和72e經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供與其所測量的光強(qiáng)對應(yīng)的電信號。
監(jiān)控光束16a和16e可用微鏡面18a、18e、26a和26e引導(dǎo)到(監(jiān)控信道)光纖6a和6e中的一個(gè)。檢測器78a和78e分別由常規(guī)光纖耦合器74a和74e分別耦合到光纖6a和6e，以檢測由激光器68a和68e中的一個(gè)輸出并耦合到這些光纖中的光的強(qiáng)度。檢測器78a和78e經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供與其所測量的光強(qiáng)對應(yīng)的電信號。
或者，監(jiān)控光束可分別從由激光器76a和76e所輸出的光來形成，激光器76a和76e分別由常規(guī)光纖耦合器74a和74e分別耦合到光纖6a和6e。檢測器80a和80e分別由光纖耦合器74a和74e分別耦合到光纖6a和6e，以測量分別從激光器76a和76e耦合到這些光纖中的光的強(qiáng)度。檢測器80a和80e經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供與其所測量的光強(qiáng)對應(yīng)的電信號。
使用激光器76a和76e所形成的監(jiān)控光束，可用微鏡面18a、18e、26a和26e引導(dǎo)到光纖4a和4e中的一個(gè)。檢測器70a和70e分別由常規(guī)光纖耦合器66a和66e分別耦合到光纖4a和4e，以檢測由激光器76a和76e中的一個(gè)輸出并耦合到這些光纖中的光的強(qiáng)度。檢測器70a和70e經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供與其所測量的光強(qiáng)對應(yīng)的電信號。
這樣，控制系統(tǒng)20可確定監(jiān)控光束在其穿過光開關(guān)2期間的衰減。這種衰減的測量被用在下面所討論的重校準(zhǔn)方法中。
激光器68a、68e、76a和76e例如是能夠在約1310nm或約1550nm的波長處工作的常規(guī)半導(dǎo)體激光二極管。檢測器70a、70e、72a、72e、78a、78e、80a和80e例如是能夠檢測激光器68a、68e、76a和76e所輸出的光的常規(guī)InGaAs光電二極管。
可以不用光束16a-16e就測量并控制鏡面18a-18e的方向。例如參考圖5，在一個(gè)實(shí)施例中，激光器82所輸出的具有約660nm的波長的、約300毫瓦(mW)的光，被透鏡組84準(zhǔn)直來形成光束86，并被常規(guī)的高反射鏡88反射到二色分光器24上。其他實(shí)施例可以使用例如在諸如810nm的其他非電信波長處工作的激光器。通常，選擇激光器的輸出功率來提供足夠的信噪比，以用于下述使用位置感應(yīng)檢測器的測量。光束86的大約50％被二色分光器24透射為光束86a，光束86a以足以照亮所有微鏡面18a-18e的束寬入射到鏡面陣列18上。下面參考圖6來描述被二色分光器24所反射的大約50％的光束86的路徑。激光器82例如是常規(guī)激光二極管。合適的激光二極管可從例如紐約Binghamton的Semiconductor LaserInternational公司和加利福尼亞San Jose的SDL公司得到。透鏡組84具有例如約80到約100毫米的焦距。
微鏡面18a-18e(圖5)將光束86a的部分反射來形成入射到二色分光器42上的N個(gè)控制光束90a-90e。二色分光器42將光束90a-90e反射到常規(guī)分光器92，常規(guī)分光器92將光束90a-90e中每個(gè)的約50％反射到透鏡組94。透鏡組94將光束90a-90e聚焦到小孔板96的N個(gè)小孔96a-96e上。小孔板96例如是由金屬片形成的，并厚約0.3mm。例如是直徑約0.5mm的圓形的小孔96a-96e，被排列成對應(yīng)于微鏡面18a-18e的圖案，例如間距約1mm的矩形陣列。光束90a-90e穿過去掉其衍射邊緣的小孔96a-96e，并入射到包括在位于小孔板96之后的位置感應(yīng)檢測器陣列98中的N個(gè)相應(yīng)的位置感應(yīng)檢測器98a-98e上。位置感應(yīng)檢測器98a-98e被排列成對應(yīng)于微鏡面18a-18e的圖案，例如間距約1mm的矩形陣列。
位置感應(yīng)檢測器陣列98例如是粘接到玻璃晶片的象限單元光電二極管(quadrant cell photodiode)的二維陣列。在一種實(shí)現(xiàn)中，通過在粘接到玻璃晶片之后鋸或切割該陣列，來將這些單元彼此電絕緣。合適的象限單元光電二極管陣列可從例如加利福尼亞Hawthorne的UDT Sensors公司和加利福尼亞Westlake Village的Pacific Silicon Sensor公司得到。
透鏡組94是常規(guī)的透鏡組，其被選擇成具有大體與鏡面陣列18的表面19重合的傾斜物平面，以及大體與小孔板96重合的傾斜像平面。透鏡組94以約1∶1的放大倍數(shù)將微鏡面18a-18e成像到小孔陣列96上。微鏡面18a-18e(特別是其質(zhì)心)在小孔陣列96處的像是不動(dòng)的，即當(dāng)微鏡面18a-18e相對于表面19有角位移(傾斜)時(shí)它們的像基本不動(dòng)。這些像在小孔板96處不動(dòng)，是因?yàn)閺耐哥R組94的物平面中的一點(diǎn)產(chǎn)生并穿過透鏡組94的所有光線，被近似聚焦到像平面中的對應(yīng)點(diǎn)。因此，微鏡面18a-18e的角位移，在不改變微鏡面18a-18e在小孔板96處成像的位置的情況下，改變了光束90a-90e穿過透鏡組94所走的路徑。但是，因?yàn)槲恢酶袘?yīng)檢測器陣列98位于透鏡組94的像平面之后，當(dāng)相應(yīng)的微鏡面有角位移時(shí)，微鏡面18a-18e在檢測器陣列98上的像在陣列98的平面中發(fā)生位移。因此，微鏡面18a-18e的方向可從分別由位置感應(yīng)檢測器98a-98e所測量的光束90a-90e的位置來確定。位置感應(yīng)檢測器98a-98e經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供指示光束90a-90e的位置的電信號。
隨著位置感應(yīng)檢測器陣列98和透鏡組94的像平面之間的間隔的增大，由于微鏡面18a-18e的角位移而產(chǎn)生的光束90a-90e在檢測器98a-98e上的線位移也增大。這樣，微鏡面18a-18e方向的測量范圍，可通過改變檢測器陣列98相對于小孔板96的位置來改變。在一種實(shí)現(xiàn)中，檢測器陣列98平行于透鏡組94的像平面(或小孔板96)并在其之后約0.5mm到約1mm，并且光束90a-90e在檢測器98a-98e處具有約0.5mm的光束點(diǎn)直徑。檢測器98a-98e每個(gè)都約1mm見方。在此實(shí)現(xiàn)中，相對于檢測器98a-98e中心約±0.25mm(不將光束點(diǎn)移出檢測器的最大值)的線位移，對應(yīng)于光束90a-90e約±20°的角位移以及微鏡面18a-18e約±10°的角位移。如果按通常地檢測器98a-98e的動(dòng)態(tài)范圍(由入射光功率確定)是12位，那么原則上可以用約0.01°(40°/4096)的精度來確定光束90a-90e的方向。但這樣的角度精度要求檢測器98a-98e分辨約0.12微米的線位移。實(shí)際中，通常以約0.08°的精度來確定光束90a-90e的方向，由此得到約9位的準(zhǔn)確度。因此，由檢測器98a-98e提供的電信號允許控制系統(tǒng)20以約0.04°(約9位的準(zhǔn)確度)的精度來控制微鏡面18a-18e的方向。
應(yīng)注意到可以約0.04°的精度來測量和控制微鏡面18a-18e的方向，而不用鏡面88、二色分光器42和分光器92，這些是用來為光束86a和90a-90e提供合適的光路的。
可以類似地不用光束16a-16e就測量和控制鏡面26a-26e的方向。例如參考圖6，在一個(gè)實(shí)施例中，如上所述參考圖5形成的光束86的大約50％，被二色分光器24反射到常規(guī)的高反射鏡99，高反射鏡99將其反射回二色分光器24。被鏡面99反射到二色分光器24上的大約50％的光，被折式分光器24透射為入射到鏡面陣列26上的光束86b。
微鏡面26a-26e反射光束86b的部分，來形成入射到二色分光器54上的N個(gè)控制光束100a-100e。二色分光器54將光束100a-100e反射到常規(guī)的分光器102，分光器102將光束100a-100e中每個(gè)的約25％反射到透鏡組104。透鏡組104將光束100a-100e聚焦到小孔板106的N個(gè)小孔106a-106e。小孔板106例如與小孔板96基本相同。光束100a-100e穿過去掉其衍射邊緣的小孔106a-106e，并入射到在位于小孔板106之后的位置感應(yīng)檢測器陣列108中的N個(gè)相應(yīng)的位置感應(yīng)檢測器108a-108e上。位置感應(yīng)檢測器陣列108例如與位置感應(yīng)檢測器陣列98基本相同，并可從相同來源得到。位置感應(yīng)檢測器108a-108e被排列成對應(yīng)于微鏡面26a-26e圖案的圖案，例如間距約1mm的矩形陣列。
透鏡組104是常規(guī)的透鏡組，其被選擇成具有大體與鏡面陣列26的表面28重合的傾斜物平面，以及大體與小孔板106重合的傾斜像平面。透鏡組104以約1∶1的放大倍數(shù)將微鏡面26a-26e成像到小孔板106上。透鏡組104例如與透鏡組94基本相同。當(dāng)微鏡面26a-26e相對于表面28有角位移(傾斜)時(shí)，微鏡面26a-26e(特別是其質(zhì)心)在小孔陣列106處的像不動(dòng)。但是，當(dāng)相應(yīng)的微鏡面有角位移時(shí)，微鏡面26a-26e在檢測器陣列108上的像在陣列108的平面中發(fā)生位移。因此，微鏡面26a-26e的方向可從分別由位置感應(yīng)檢測器108a-108e所測量的光束100a-100e的位置來確定。位置感應(yīng)檢測器108a-108e經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供指示光束100a-100e的位置的電信號。
微鏡面26a-26e方向的測量范圍類似于微鏡面18a-18e方向的測量范圍來確定。具體而言，因?yàn)殡S著位置感應(yīng)檢測器陣列108和透鏡組104的像平面(或小孔板106)之間的間隔的增大，由于微鏡面26a-26e的角位移而產(chǎn)生的光束100a-100e在檢測器108a-108e上的線位移也增大，所以可通過改變檢測器陣列108相對于小孔板106的位置來改變微鏡面26a-26e方向的測量范圍。在一種實(shí)現(xiàn)中，檢測器陣列108平行于小孔板106并在其之后約0.5mm到約1mm，并且光束100a-100e在檢測器108a-108e處具有約0.5mm的光束點(diǎn)直徑，檢測器108a-108e每個(gè)都約1mm見方。在此實(shí)現(xiàn)中，相對于檢測器108a-108e中心約±0.25mm的線位移，對應(yīng)于光束100a-100e約±20°的角位移以及微鏡面26a-26e約±10°的角位移。如果檢測器108a-108e具有12位的動(dòng)態(tài)范圍，那么原則上可以用約0.01°的精度來確定光束100a-100e的方向。實(shí)際中，通常以約0.08°的精度來確定光束100a-100e的方向，由此得到約9位的準(zhǔn)確度。因此，由檢測器108a-108e提供的電信號允許控制系統(tǒng)20以約0.04°(約9位的準(zhǔn)確度)的精度來控制微鏡面26a-26e的方向。
應(yīng)注意到可以約0.04°的精度來測量和控制微鏡面26a-26e的方向，而不用鏡面88、鏡面99、二色分光器54和分光器102，這些是用來為光束86b和100a-100e提供合適的光路的。
由位置感應(yīng)檢測器98a-98e和108a-108e提供的電信號還允許控制系統(tǒng)20檢測出現(xiàn)故障的微鏡面。
微鏡面18a-18e和26a-26e的角位移也可用N個(gè)控制光束(不同于光束16a-16e)來測量和控制，這些控制光束中的每個(gè)都從微鏡面18a-18e中的一個(gè)和微鏡面26a-26e中的一個(gè)被反射。例如參考圖7，在一個(gè)實(shí)施例中，激光器110所輸出的具有約660nm的波長的、約30mW的光，被常規(guī)透鏡組112準(zhǔn)直來形成入射到小透鏡陣列116上的光束114。激光器110例如是與激光器82相似或相同的常規(guī)激光二極管。透鏡組112具有例如約80毫米到約100毫米的焦距。
小透鏡陣列116所包括的N個(gè)小透鏡116a-116e，被排列成對應(yīng)于微鏡面26a-26e圖案的圖案，例如間距約1mm的矩形陣列。例如，具有約100mm焦距的小透鏡116a-116e，從光束114的部分形成N個(gè)相應(yīng)的基本平行或弱聚焦的控制光束114a-114e，并將其聚焦成例如分別在小孔板118的小孔118a-118e處約0.16mm的直徑。小孔板118例如由金屬片形成，并厚約0.3mm。例如，是直徑約0.5mm的圓形的小孔118a-118e，被排列成與小透鏡116a-116e圖案相匹配的圖案。
光束114a-114e穿過將其空間濾波的小孔118a-118e，而分別入射到小透鏡陣列120的N個(gè)小透鏡120a-120e上并被其重新準(zhǔn)直。小透鏡120a-120e被排列成與小透鏡116a-116e圖案相匹配的圖案，并具有例如約77mm的焦距。小透鏡陣列116和120例如類似于小透鏡陣列14、34、50和62，并可從相同來源得到。
常規(guī)的90°棱鏡122將光束114a-114e反射到常規(guī)的分光器立方體102，分光器立方體102將光束114a-114e中每個(gè)的約75％透射到二色分光器54。二色分光器54將光束114a-114e分別反射到鏡面陣列26的微鏡面26a-26e。在二色分光器54和鏡面陣列26之間，光束114a-114e與光束16a-16e(圖3)基本平行。
如果微鏡面26a-26e被近似地定向，來如上所述地將輸入光纖4a-4e所承載的光引導(dǎo)到輸出光纖6a-6e，那么微鏡面26a-26e就經(jīng)由二色分光器24將光束114a-114e反射到微鏡面18a-18e。應(yīng)注意到，雖然圖7示出了光束114a-114e被分別引導(dǎo)到微鏡面18a-18e，但光束114a-114e中的每個(gè)都可被引導(dǎo)到微鏡面18a-18e中的任一個(gè)。
如果微鏡面18a-18e被近似地定向，來將輸入光纖4a-4e所承載的光引導(dǎo)到輸出光纖6a-6e，那么微鏡面18a-18e就將入射到其上的光束114a-114e中無論哪一個(gè)，作為與光束16a-16e(圖3)基本平行的基本平行或弱聚焦光束，而從鏡面陣列26反射到二色分光器42。二色分光器42將光束114a-114e反射到常規(guī)的分光器立方體92，分光器立方體92將光束114a-114e中每個(gè)的約50％透射到常規(guī)的90°棱鏡124。棱鏡124將光束114a-114e反射到常規(guī)的分光器立方體126，分光器立方體126將光束114a-114e中每個(gè)的約50％反射到常規(guī)的90°棱鏡128。棱鏡128將光束114a-114e反射到小透鏡陣列130上，小透鏡陣列130所包括的N個(gè)小透鏡130a-130e被排列成對應(yīng)于微鏡面18a-18e圖案的圖案，例如間距約1mm的矩形陣列。小透鏡陣列130例如類似于上述小透鏡陣列，并可從相同來源得到。
小透鏡130a-130e將光束114a-114e中分別被微鏡面18a-18e反射的特定光束，分別聚焦到位置感應(yīng)檢測器陣列134中的位置感應(yīng)檢測器134a-134e上，位置感應(yīng)檢測器陣列134大體位于小透鏡陣列130的焦平面處。位置感應(yīng)檢測器陣列134例如與位置感應(yīng)檢測器陣列98和108相似或相同，并可從相同來源得到。位置感應(yīng)檢測器134a-134e被排列成對應(yīng)于微鏡面18a-18e圖案的圖案，例如間距約1mm的矩形陣列。
當(dāng)鏡面陣列18和26中反射光束114a-114e的微鏡面有角位移時(shí)，光束114a-114e在檢測器陣列134的平面中有線位移。光束114a-114e中特定光束的線位移量約等于，將該光束聚焦到檢測器陣列134之上的小透鏡的焦距與該光束角位移的正切的乘積。這樣，如果反射光束的微鏡面中只有一個(gè)有角位移，那么可從該光束在檢測器陣列134上的線位移來確定該微鏡面的角位移。位置感應(yīng)檢測器134a-134e經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供指示光束114a-114e位置的電信號。
光束114a-114e角位移的測量范圍由光束在檢測器134a-134e處的直徑、檢測器134a-134e的尺寸和小透鏡130a-130e的焦距來確定。例如在一種實(shí)現(xiàn)中，小透鏡具有100mm的焦距，光束在檢測器陣列134處具有約0.5mm的光束點(diǎn)直徑，并且檢測器134a-134e約1mm見方。在此實(shí)現(xiàn)中，相對于檢測器中心約±0.25mm(不將光束點(diǎn)移出檢測器的最大值)的線位移，對應(yīng)于光束114a-114e約±0.15°的角位移。如果檢測器134a-134e具有5位的動(dòng)態(tài)范圍，這是容易達(dá)到的，那么可以用約0.01°(5位的準(zhǔn)確度)的精度來確定光束114a-114e的角位移。因此，可以使用由檢測器134a-134e以約0.005°的精度所作的測量，來控制微鏡面18a-18e和26a-26e的方向。這樣的角度精度要求檢測器134a-134e分辨約17微米的線位移。從而控制系統(tǒng)20可以用約12位的準(zhǔn)確度控制微鏡面18a-18e和26a-26e的方向，因?yàn)闄z測器98a-98e和108a-108e允許在約20°的范圍內(nèi)來控制微鏡面，而檢測器134a-134e允許以約0.005°的精度來控制微鏡面。
應(yīng)該注意到，可以以約0.005°的精度來測量和控制微鏡面18a-18e和26a-26e的角位移，而不用棱鏡122、分光器102、分光器92、棱鏡124、分光器126和棱鏡128，這些是用來為光束114a-114e提供合適的光路的。
當(dāng)控制光束入射到位置感應(yīng)檢測器上時(shí)，由該檢測器向控制系統(tǒng)20提供的電信號可即時(shí)變化(漂移)，即使控制光束入射到該檢測器上的位置不改變，即控制光束不移動(dòng)。這樣，由位置感應(yīng)檢測器提供的電信號，可指示控制光束(以及反射其的微鏡面)的明顯運(yùn)動(dòng)，即使未發(fā)生這樣的運(yùn)動(dòng)，并由此在對這些微鏡面的方向的測量和控制中引入了誤差。這種檢測器漂移可由例如檢測器上的時(shí)變溫度梯度導(dǎo)致，這種梯度在檢測器響應(yīng)中產(chǎn)生時(shí)變空間梯度。
這種漂移的影響可通過使用多個(gè)參考束來減小，這些參考束中的每個(gè)都入射到位置感應(yīng)檢測器中對應(yīng)的一個(gè)的近似中心上。如果控制光束和參考光束是按時(shí)選通(脈沖)的并在時(shí)間上是交替的，那么位置感應(yīng)檢測器就可提供分開的電信號，這些電信號指示出參考和控制光束入射到檢測器上的位置。因?yàn)橛晌恢酶袘?yīng)檢測器響應(yīng)于控制和參考光束而提供的電信號相似地漂移，所以通過從響應(yīng)于控制束而提供的信號中減去響應(yīng)于參考束而提供的信號而生成的差信號，可以基本上沒有漂移。
于是，可用參考束來減小檢測器漂移對微鏡面18a-18e和26a-26e的測量和控制的影響。例如參考圖8，在一個(gè)實(shí)施例中，常規(guī)激光器136所輸出的具有約660nm的波長的、約30mW的光，被常規(guī)透鏡組138準(zhǔn)直來形成入射到常規(guī)分光器立方體126上的光束140。激光器136例如與激光器82和110相似或相同，并可從相同來源得到。
光束140的約50％被分光器126作為光束141透射到常規(guī)的90°棱鏡124，棱鏡124將光束141反射到常規(guī)的分光器立方體92。分光器立方體92將光束141的約50％反射到常規(guī)的高反射鏡144，高反射鏡144將其通過分光器92作為光束146回射到透鏡組94。鏡面144例如是分光器92的表面上的常規(guī)高反射金屬或者電介質(zhì)涂層。
透鏡組94將光束146引導(dǎo)到小孔陣列96之上。上面參考圖5已描述了透鏡組94和小孔陣列96。小孔陣列96的小孔96a-96e分別形成了N個(gè)參考光束146a-146e，其具有約0.5mm的光束點(diǎn)直徑，并分別入射到位置感應(yīng)檢測器陣列98的位置感應(yīng)檢測器98a-98e的近似中心上。位置感應(yīng)檢測器98a-98e經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供指示參考光束146a-146e(物理上不動(dòng)的)位置的電信號。
參考圖9，在一個(gè)實(shí)施例中，常規(guī)的分光器126將(如上參考圖8所述形成的)光束140的約50％反射到常規(guī)的高反射鏡142，高反射鏡142將其通過分光器126回射為入射到常規(guī)的90°棱鏡128上的光束148。鏡面142例如是分光器126的表面上的常規(guī)高反射金屬或者電介質(zhì)涂層。如上參考圖7所述的，棱鏡128將光束148反射到透鏡陣列130。小透鏡130a-130e分別形成了N個(gè)參考束148a-148e，并將其分別聚焦到位置感應(yīng)檢測器134a-134e的近似中心上。參考束148a-148e在檢測器134a-134e處具有例如約0.5mm的光束點(diǎn)直徑。位置感應(yīng)檢測器134a-134e經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供指示參考光束148a-148e(物理上不動(dòng)的)位置的電信號。
參考圖10，在一個(gè)實(shí)施例中，常規(guī)的分光器102將如上參考圖7所述形成的光束114a-114e的約25％，反射到常規(guī)的高反射鏡149。鏡面149例如是分光器102的表面上的常規(guī)高反射金屬或者電介質(zhì)涂層。鏡面149將入射到其上的光束114a-114e的部分作為參考光束150a-150e通過分光器102回射到常規(guī)透鏡組104。透鏡組104將參考光束150a-150e分別引導(dǎo)到小孔陣列106的小孔106a-106e上。上面已參考圖6描述了透鏡組104和小孔陣列106。參考光束150a-150e穿過小孔106a-106e，并分別以例如約0.5mm的光束點(diǎn)直徑，入射到位置感應(yīng)檢測器108a-108e的近似中心上。位置感應(yīng)檢測器108a-108e經(jīng)由總線53向控制系統(tǒng)20提供指示參考光束150a-150e(物理上不動(dòng)的)位置的電信號。
在一個(gè)實(shí)施例中，激光器82、110和136每個(gè)都以約10千赫(kHz)的重復(fù)速度，發(fā)射持續(xù)時(shí)間約33微秒(μs)的光脈沖。由激光器82、110和136所發(fā)射的三列光脈沖在時(shí)間上交替，以向每個(gè)位置感應(yīng)檢測器提供具有約10kHz重復(fù)速度的、參考束和控制束光脈沖的交替序列。因此，位置感應(yīng)檢測器每個(gè)都響應(yīng)于約10kHz重復(fù)速度的控制和參考光束，而提供電信號的交替序列。這使得微鏡面能夠被控制來在小于約10毫秒(ms)內(nèi)，將通過輸入光纖4a-4e中的一個(gè)輸入并在初始時(shí)被引導(dǎo)到輸出光纖6a-6e中的一個(gè)的光，切換到輸出光纖6a-6e中的另一個(gè)。
例如，參考圖11的時(shí)序圖，從其得到控制光束90a-90e(圖5)和100a-100e(圖6)的激光器82，以約100μs的間隔發(fā)射第一列光脈沖。從其得到控制光束114a-114e(圖7)和參考光束150a-150e(圖10)的激光器110，發(fā)射第二列光脈沖，第二列光脈沖相對于第一列光脈沖在時(shí)間上移位了約+33μs。從其得到參考光束146a-146e(圖8)和148a-148e(圖9)的激光器136，發(fā)射第三列光脈沖，第三列光脈沖相對于第一列脈沖在時(shí)間上移位了約+66μs。
在圖15的框圖中進(jìn)一步解釋光纖開關(guān)2的實(shí)施例中，微鏡面陣列18和26、位置感應(yīng)檢測器98、108和1 34、激光器82、110和136以及控制系統(tǒng)20之間的關(guān)系。應(yīng)該注意到，圖15中代表光束的各條虛線并未表示出詳細(xì)的光路。每個(gè)鏡面陣列都有與其相關(guān)聯(lián)的位置感應(yīng)檢測器陣列和控制光束源(例如激光器82)，這些控制光束被鏡面陣列中的鏡面引導(dǎo)到位置感應(yīng)檢測器，而不被其他陣列中的鏡面反射。這種布置使得能夠在大的角度范圍(例如大于約20°)上粗略地(例如好于約0.04°的精度)控制每個(gè)鏡面陣列中的鏡面的方向。雖然圖示實(shí)施例中的每個(gè)鏡面陣列，都有與其相關(guān)聯(lián)的單獨(dú)的位置感應(yīng)檢測器陣列以用于粗略的控制，但可以使用單個(gè)位置感應(yīng)檢測器，來檢測由鏡面陣列18和鏡面陣列26兩者引導(dǎo)到該檢測器的控制光束。
通過使用控制光束來實(shí)現(xiàn)對鏡面陣列中鏡面以及由光纖開關(guān)2所切換的光束的方向在更窄的角度范圍上的更好精度的控制(例如鏡面的方向精度好于約0.005°)，這些控制光束被一個(gè)鏡面陣列中的鏡面引導(dǎo)到另一個(gè)鏡面陣列上的鏡面，由此而引導(dǎo)到位置感應(yīng)檢測器陣列。在結(jié)合時(shí)，用于粗略和精細(xì)控制的布置允許在大的角度范圍上對鏡面方向的精細(xì)控制，例如在大于約20°的角度范圍上好于約0.005°的精度。
圖示實(shí)施例中，在例如要從輸入端口引導(dǎo)到輸出端口的電信光束的光路中，控制光束通過位于鏡面陣列之間的二色分光器24(圖1、5和6)被引導(dǎo)到鏡面陣列。鏡面陣列中的鏡面將控制光束經(jīng)由二色分光器42和54(圖1、5和6)引導(dǎo)到位置感應(yīng)檢測器陣列。但是在其他實(shí)施例中，控制光可經(jīng)由與二色分光器42和54類似定位的二色分光器，被引導(dǎo)到鏡面陣列。而且，鏡面陣列中的鏡面可將控制光束經(jīng)由與二色分光器24類似定位的二色分光器，引導(dǎo)到位置感應(yīng)檢測器陣列。
圖示實(shí)施例采樣了三個(gè)激光器來作為控制和參考光束源。其他實(shí)施例可采用多于或少于三個(gè)的光源來提供控制和參考光束。而且，由圖示實(shí)施例中的相同光源提供的控制和參考光束，在其他實(shí)施例中可由不同光源提供。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光纖開關(guān)，可用圖12的流程圖中概述的方法200來初始對準(zhǔn)。在步驟210中，位置感應(yīng)檢測器在其安裝到光纖開關(guān)中之前被校準(zhǔn)。具有與上述控制和參考束相似的波長、強(qiáng)度和直徑的準(zhǔn)直光束，被引導(dǎo)到位置感應(yīng)檢測器上。檢測器響應(yīng)所產(chǎn)生的電信號和光束入射到檢測器上的位置(例如用顯微鏡獨(dú)立測量的)，被記錄在校準(zhǔn)查找表中。校準(zhǔn)查找表存儲(chǔ)在例如控制系統(tǒng)20中。此過程重復(fù)大約N×P次(其中N和P分別是微鏡面陣列18和26中微鏡面的數(shù)量)，每次光束都入射到檢測器上不同的位置。
應(yīng)該注意到，步驟210中所準(zhǔn)備的校準(zhǔn)查找表對于基本相同的位置感應(yīng)檢測器陣列是基本相同的。因此，如果檢測器陣列基本相同就不必為每個(gè)位置感應(yīng)檢測器陣列98、108和134準(zhǔn)備單獨(dú)的查找表。而且，可以從用不同于光開關(guān)2中所包括的那些位置感應(yīng)檢測器陣列所做的測量(或者用幾個(gè)位置感應(yīng)檢測器陣列所做的平均測量)，來準(zhǔn)備校準(zhǔn)查找表。
在位置感應(yīng)檢測器被校準(zhǔn)之后，在步驟220中例如具有在電信中所使用波長的紅外光，通過輸入光纖4a-4e引入光開關(guān)2，以形成入射到微鏡面18a-18e上的光束16a-16e(圖1)。接著，在步驟230中，對應(yīng)于所期望的輸入光纖4a-4e到輸出光纖6a-6e的耦合，來選擇開關(guān)配置。
在步驟230之后，在步驟240中控制系統(tǒng)20近似地對準(zhǔn)微鏡面18a-18e，以將光束16a-16e引導(dǎo)到微鏡面26a-26e中與所選開關(guān)配置一致的特定微鏡面。控制系統(tǒng)20通過這樣來完成該步驟，即通過使用校準(zhǔn)查找表中的信息來控制微鏡面18a-18e，以將控制光束90a-90e引導(dǎo)到位置感應(yīng)檢測器98a-98e上與微鏡面18a-18e的所需方向相對應(yīng)的預(yù)定位置(圖5)。微鏡面18a-18e將光束16a-16e引導(dǎo)到微鏡面26a-26e中特定微鏡面的所需方向，可從光開關(guān)2的已知幾何構(gòu)造計(jì)算出來。
接著，在步驟250中控制系統(tǒng)20近似地對準(zhǔn)微鏡面26a-26e，以將光束16a-16e中入射到其上的任何光束分別引導(dǎo)到小透鏡34a-34e，并由此近似地引導(dǎo)到光纖末端40a-40e(圖1)?？刂葡到y(tǒng)20通過這樣來完成該步驟，即通過使用校準(zhǔn)查找表中的信息來控制微鏡面26a-26e，以將控制光束100a-100e引導(dǎo)到，位置感應(yīng)檢測器108a-108e上與微鏡面26a-26e的所需方向相對應(yīng)的位置(圖6)。微鏡面26a-26e的所需方向可從光開關(guān)2的已知幾何構(gòu)造和微鏡面18a-18e的已知方向計(jì)算出來。
通常，在執(zhí)行步驟250之后，控制光束114a-114e中的每個(gè)將入射到位置感應(yīng)檢測器134a-134e中相應(yīng)的一個(gè)上(圖7)。但是，光束16a-16e可能對準(zhǔn)得很不夠，使得小透鏡34a-34e不一定將入射到其上的光束16a-16e的特定光束分別聚焦到光纖末端40a-40e的纖芯上。
在步驟250之后，在步驟260中控制系統(tǒng)20控制微鏡面26a-26e或微鏡面18a-18e以使光束56a-56e的強(qiáng)度最小，光束56a-56e分別被光纖末端40a-40e或者光纖塊38的相鄰區(qū)域反射，并被輸出傳感器64檢測到(圖3)。最小強(qiáng)度的反射可以通過這樣來找到，例如將光束16a-16e光柵掃描過其在步驟250中被近似引導(dǎo)到的特定光纖末端。作為此最小化過程的結(jié)果，光束16a-16e被聚焦到其所入射的光纖末端的纖芯上。這樣，在步驟260之后，光束16a-16e每個(gè)中的至少一部分光被耦合到輸出光纖6a-6e中各光束16a-16e被引導(dǎo)到的輸出光纖6a-6e的特定光纖中。
接著在步驟270中，控制系統(tǒng)20通過改變微鏡面18a-18e和微鏡面26a-26e的方向而使耦合到光纖6a-6e中的光的強(qiáng)度最大，來細(xì)調(diào)光束16a-16e的對準(zhǔn)。例如，可通過反復(fù)地改變微鏡面26a的方向和微鏡面18a-18e中反射出入射到光纖6a上光束的那個(gè)微鏡面的方向，而最大化耦合到輸出光纖6a中的光的強(qiáng)度。耦合到輸出光纖中的光的強(qiáng)度，可用例如臨時(shí)光耦合到輸出光纖的常規(guī)的InGaAs光電二極管來測量。作為此最大化過程的結(jié)果，光束16a-16e近似地在反射它們的微鏡面的中心上，并近似地在它們所聚焦到的輸出光纖的纖芯中心上。
接著在步驟280中，控制系統(tǒng)20計(jì)算由位置感應(yīng)檢測器98a-98e、108a-108e和134a-134e響應(yīng)于控制和參考光束而提供的電信號之間的差，并將其記錄在對準(zhǔn)查找表中。這些差信號代表位置感應(yīng)檢測器上的位置，并對應(yīng)于光束16a-16e的優(yōu)化對準(zhǔn)。在步驟280之后，在步驟290處控制系統(tǒng)20確定是否已對輸入端口到輸出端口的所有可能連接，都進(jìn)行了步驟240到280。如果不是，則控制系統(tǒng)20返回到步驟230。
方法200是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光纖開關(guān)可被初始對準(zhǔn)和校準(zhǔn)的幾種方法中的一種。在美國專利申請案卷號No.M-11419 US中，描述了可另外使用的或者代替方法200使用的其他合適的方法。
在初始對準(zhǔn)和校準(zhǔn)之后，控制系統(tǒng)20可用在圖13的流程圖中概述的方法300，來操作根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光開關(guān)。在步驟310中，控制系統(tǒng)20選擇與所期望的輸入光纖4a-4e到輸出光纖6a-6e的耦合相對應(yīng)的開關(guān)配置。接著在步驟320中，控制系統(tǒng)20從對準(zhǔn)查找表中檢索出與所選開關(guān)配置的優(yōu)化對準(zhǔn)相對應(yīng)的差信號(位置感應(yīng)檢測器上的位置)。
在步驟320之后，在步驟330中控制系統(tǒng)20對準(zhǔn)微鏡面18a-18e，以將控制光束90a-90e引導(dǎo)到位置感應(yīng)檢測器98a-98e上與所選開關(guān)配置相對應(yīng)的預(yù)定位置。控制系統(tǒng)20通過這樣來完成該步驟，例如通過控制微鏡面18a-18e，使得檢測器98a-98e響應(yīng)于控制和參考光束而提供的電信號之間的差，復(fù)現(xiàn)在步驟320中檢索到的差信號?？刂葡到y(tǒng)20還對準(zhǔn)微鏡面26a-26e，以將控制光束100a-100e引導(dǎo)到位置感應(yīng)檢測器108a-108e上與所選開關(guān)配置相對應(yīng)的預(yù)定位置?？刂葡到y(tǒng)20通過這樣來完成該步驟，例如通過控制微鏡面26a-26e，使得檢測器108a-108e響應(yīng)于控制和參考光束而提供的電信號之間的差，復(fù)現(xiàn)在步驟320中檢索到的差信號。
接著在步驟350中，控制系統(tǒng)20對準(zhǔn)微鏡面18a-18e或者微鏡面26a-26e，以將控制光束114a-114e引導(dǎo)到位置感應(yīng)檢測器134a-134e上與所選開關(guān)配置相對應(yīng)的預(yù)定位置?？刂葡到y(tǒng)20通過這樣來完成該步驟，例如控制微鏡面18a-18e或者微鏡面26a-26e，使得檢測器134a-134e響應(yīng)于控制和參考光束而提供的電信號之間的差，復(fù)現(xiàn)在步驟320中檢索到的差信號?？刂葡到y(tǒng)20從步驟350返回到步驟310。
方法300不要求在光開關(guān)2中存在光束16a-16e。這樣，控制系統(tǒng)20可確定微鏡面18a-18e和26a-26e被對準(zhǔn)，來將輸入光纖4a-4e中特定光纖所輸出的光耦合到輸出光纖6a-6e中的特定光纖，即使這個(gè)輸入光纖并未承載光。換言之，控制系統(tǒng)20可提供暗光纖確認(rèn)(dark fiberconfirmation)。在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟350之后控制系統(tǒng)20向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器發(fā)送信號，例如指示已建立了輸入端口和輸出端口之間的特定連接。此信號可在光被引入到輸入端口之前發(fā)送。
光開關(guān)2中各個(gè)光學(xué)元件的相對位置可以隨時(shí)間改變。這種改變可以是由于例如由溫度的變化而引起的膨脹或收縮，或者由于振動(dòng)。這樣，有時(shí)將光開關(guān)2重對準(zhǔn)和重校準(zhǔn)可能是有益的。光開關(guān)2可以用在圖14的流程圖中概述的重校準(zhǔn)方法400來重對準(zhǔn)和重校準(zhǔn)。在步驟410中，控制系統(tǒng)20選擇與所期望的監(jiān)控信道4a和4e到監(jiān)控信道6a和6e的耦合相對應(yīng)的開關(guān)配置(圖4)。接著在步驟420中，控制系統(tǒng)20執(zhí)行方法300的步驟來建立所選擇的監(jiān)控信道之間的連接。
接著在步驟430中，控制系統(tǒng)20通過改變微鏡面18a、18e、26a和26e的方向，而使監(jiān)控束在其穿過光開關(guān)2期間的衰減最小，來細(xì)調(diào)監(jiān)控光束16a和16e的對準(zhǔn)。在步驟430之后，在步驟440中控制系統(tǒng)20計(jì)算并存儲(chǔ)由位置感應(yīng)檢測器98a、98e、108a、108e、134a和134e響應(yīng)于控制和參考束而提供的電信號之間的差。這些差信號代表位置感應(yīng)檢測器上的位置，并對應(yīng)于監(jiān)控光束16a和16e的重優(yōu)化的對準(zhǔn)。
接著在步驟450中，控制系統(tǒng)20確定是否已對所有監(jiān)控信道的耦合連接，都進(jìn)行了步驟420到440。如果不是，則控制系統(tǒng)20返回到步驟410。
如果已對所有監(jiān)控信道連接都進(jìn)行了步驟420到440，那么在步驟460中控制系統(tǒng)20就確定以下兩者之間的系統(tǒng)漂移在步驟440處存儲(chǔ)的差信號；以及在光開關(guān)的初始對準(zhǔn)和校準(zhǔn)(例如出廠校準(zhǔn))期間存儲(chǔ)在對準(zhǔn)查找表中的相應(yīng)差信號。接著在步驟470中，控制系統(tǒng)20從在步驟460中所確定的漂移，來計(jì)算對在光開關(guān)的初始對準(zhǔn)和校準(zhǔn)期間所存儲(chǔ)的所有差信號的校正項(xiàng)?？刂葡到y(tǒng)20在執(zhí)行方法300時(shí)所使用的差信號，是這些校正項(xiàng)與在光開關(guān)的初始對準(zhǔn)和校準(zhǔn)期間所存儲(chǔ)的差信號的組合。接著在步驟480中，控制系統(tǒng)20將校正項(xiàng)存儲(chǔ)在對準(zhǔn)查找表中。
在美國專利申請案卷號No.M-11419 US中，描述了方法400的變化以及更詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光纖開關(guān)2，通常以小于約3分貝的插入損耗來工作。換言之，由輸入光纖4a-4e中的一個(gè)所承載的光信號的功率，在穿過光纖開關(guān)2進(jìn)入輸出光纖6a-6e中一個(gè)光纖的期間，通常衰減了小于約3分貝。這樣低的插入損耗部分是因?yàn)?，可以在不對輸入光纖所承載的光進(jìn)行采樣的情況下，測量并控制微鏡面18a-18e和26a-26e的方向。此外，光束16a-16e的對準(zhǔn)的控制精度，使得光束有效地耦合到輸出光纖中。而且，光纖開關(guān)2在物理上可以是緊湊的。因此，光束16a-16e穿過光纖開關(guān)2的光路長度通常小于約360mm。因此，光束16a-16e的直徑一直較小，于是由于衍射的損耗就較低。
雖然用具體實(shí)施例解釋了本發(fā)明，但本發(fā)明意于包括落在所附權(quán)利要求的技術(shù)構(gòu)思之內(nèi)的所有變化和修改方案。
權(quán)利要求
1.一種光開關(guān)，包括多個(gè)鏡面；第一光源，被定位以照明所述多個(gè)鏡面；多個(gè)位置感應(yīng)檢測器；和成像系統(tǒng)，被定位以將所述多個(gè)鏡面成像在與所述檢測器分開的像平面處；其中由所述檢測器提供的信號，對應(yīng)于所述鏡面中相應(yīng)鏡面的方向。
2.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)，其中所述第一光源是激光器。
3.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)，其中所述多個(gè)鏡面位于相對于所述成像系統(tǒng)的光軸傾斜的表面上。
4.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)，其中所述多個(gè)檢測器被布置成相對于所述成像系統(tǒng)的光軸傾斜的、基本呈平面的陣列。
5.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)，還包括包含了多個(gè)小孔的小孔板，其中所述成像系統(tǒng)將所述多個(gè)鏡面近似成像在所述小孔中相應(yīng)的小孔處。
6.如權(quán)利要求5所述的光開關(guān)，其中所述多個(gè)檢測器被布置成基本呈平面的陣列，并且所述小孔板基本平行于所述陣列，并與所述陣列分開約0.5到約1.0毫米。
7.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)，還包括控制器，所述控制器響應(yīng)于所述信號來控制所述鏡面的所述方向。
8.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)，還包括第二光源，所述第二光源被定位以輸出入射到所述檢測器上的光。
9.如權(quán)利要求8所述的光開關(guān)，其中所述第一光源和所述第二光源每個(gè)都輸出光脈沖，使得由所述第一光源輸出的光脈沖在所述檢測器處與所述第二光源輸出的光脈沖在時(shí)間上基本不重疊。
10.一種光開關(guān)，包括第一鏡面；第二鏡面；第一光源；和位置感應(yīng)檢測器，被定位以檢測由所述光源輸出、并被所述第一鏡面和所述第二鏡面兩者反射的光；其中由所述檢測器提供的信號對應(yīng)于所述第一鏡面和所述第二鏡面的所述方向。
11.如權(quán)利要求10所述的光開關(guān)，其中所述第一光源包括激光器。
12.如權(quán)利要求10所述的光開關(guān)，還包括控制器，所述控制器響應(yīng)于所述信號來控制所述第一鏡面和所述第二鏡面的所述方向。
13.如權(quán)利要求10所述的光開關(guān)，還包括第二光源，所述第二光源被定位以輸出入射到所述檢測器上的光。
14.如權(quán)利要求10所述的光開關(guān)，其中所述第一光源和所述第二光源每個(gè)都輸出光脈沖，使得由所述第一光源輸出的光脈沖在所述檢測器處與所述第二光源輸出的光脈沖在時(shí)間上基本不重疊。
15.一種光開關(guān)，包括第一多個(gè)鏡面；第二多個(gè)鏡面；光源；和多個(gè)位置感應(yīng)檢測器，每個(gè)檢測器被定位以檢測由所述光源輸出、被所述第一多個(gè)鏡面中的一個(gè)所反射、并被所述第二多個(gè)鏡面中的一個(gè)所反射的光；其中由所述檢測器提供的信號對應(yīng)于所述第一多個(gè)鏡面和所述第二多個(gè)鏡面的所述方向。
16.如權(quán)利要求15所述的光開關(guān)，其中所述第一多個(gè)鏡面位于第一表面上，所述第二多個(gè)鏡面位于第二表面上。
17.如權(quán)利要求15所述的光開關(guān)，其中所述光源輸出多束光，每束光入射到所述第一多個(gè)鏡面中相應(yīng)的一個(gè)鏡面上。
18.如權(quán)利要求15所述的光開關(guān)，其中所述光源包括激光器。
19.如權(quán)利要求15所述的光開關(guān)，還包括多個(gè)透鏡，每個(gè)透鏡被定位以將光聚焦到所述檢測器中相應(yīng)的一個(gè)檢測器上。
20.如權(quán)利要求15所述的光開關(guān)，還包括控制器，所述控制器響應(yīng)于所述信號來控制所述第一多個(gè)鏡面和所述第二多個(gè)鏡面的所述方向。
21.如權(quán)利要求15所述的光開關(guān)，還包括第二光源，所述第二光源被定位以輸出入射到所述檢測器上的光。
22.如權(quán)利要求15所述的光開關(guān)，其中所述第一光源和所述第二光源每個(gè)都輸出光脈沖，使得由所述第一光源輸出的光脈沖在所述檢測器處與所述第二光源輸出的光脈沖在時(shí)間上基本不重疊。
23.一種校準(zhǔn)光開關(guān)的方法，所述光開關(guān)包括第一端口、第二端口、第一鏡面和第二鏡面，所述方法包括將第一光束引導(dǎo)到所述第一鏡面上；將第二光束引導(dǎo)到所述第二鏡面上；控制所述第一鏡面的方向，使得所述第一鏡面將所述第一光束反射到第一位置感應(yīng)檢測器上的預(yù)定位置，由此將從所述第一端口入射到所述第一鏡面上的第三光束引導(dǎo)到所述第二鏡面；控制所述第二鏡面的方向，使得所述第二鏡面將所述第二光束反射到第二位置感應(yīng)檢測器上的預(yù)定位置，由此將所述第三光束引導(dǎo)到所述第二端口；控制所述第一鏡面的所述方向和所述第二鏡面的所述方向，以使耦合到所述第二端口中的所述第三光束的強(qiáng)度最大；以及記錄從所述第一和所述第二位置感應(yīng)檢測器的輸出所確定的信號。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括控制所述第一鏡面的所述方向和所述第二鏡面的所述方向，以使所述第三光束的反射最小。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括將第四光束經(jīng)由所述第一鏡面和所述第二鏡面而引導(dǎo)到第三位置感應(yīng)檢測器上；以及記錄從所述第三位置感應(yīng)檢測器的輸出所確定的信號。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括記錄由位置感應(yīng)檢測器響應(yīng)于另一光束而提供的信號，所述位置感應(yīng)檢測器具有與所述第一和所述第二位置感應(yīng)檢測器中的一個(gè)相同的類型；以及記錄所述另一光束入射到所述位置感應(yīng)檢測器上的位置。
27.一種操作光開關(guān)的方法，所述光開關(guān)包括第一鏡面和第二鏡面，所述方法包括將第一光束引導(dǎo)到所述第一鏡面上；控制所述第一鏡面的方向，使得所述第一鏡面將所述第一光束的至少一部分反射到第一位置感應(yīng)檢測器上的預(yù)定位置；將第二光束引導(dǎo)到所述第二鏡面上；控制所述第二鏡面的方向，使得所述第二鏡面將所述第二光束的至少一部分反射到第二位置感應(yīng)檢測器上的預(yù)定位置；將第三光束經(jīng)由所述第一鏡面而引導(dǎo)到所述第二鏡面上；以及控制所述第一鏡面和所述第二鏡面中至少一個(gè)的方向，使得所述第三光束的至少一部分被引導(dǎo)到第三位置感應(yīng)檢測器上的預(yù)定位置。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述第一和所述第二鏡面中至少一個(gè)的方向，以好于約0.005°的角度精度來控制。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中從所述第一位置感應(yīng)檢測器的輸出所確定的信號，基本復(fù)現(xiàn)從所述第一位置感應(yīng)檢測器先前的輸出所確定的信號。
30.如權(quán)利要求27所述的方法，其中從所述第三位置感應(yīng)檢測器的輸出所確定的信號，基本復(fù)現(xiàn)從所述第三位置感應(yīng)檢測器先前的輸出所確定的信號。
31.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括從查詢表中檢索從所述第一位置感應(yīng)檢測器的輸出所確定的信號。
32.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括從查詢表中檢索從所述第三位置感應(yīng)檢測器的輸出所確定的信號。
33.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述光開關(guān)包括第一端口和第二端口，所述方法還包括發(fā)送信號，所述信號指示所述第一和所述第二鏡面被定向來將第四光束從所述第一端口引導(dǎo)到所述第二端口，所述發(fā)送步驟在所述第四光束被引入所述光開關(guān)中之前發(fā)生。
34.如權(quán)利要求27所述的方法，其中由所述第三位置感應(yīng)檢測器提供的信號對應(yīng)于所述第一鏡面和所述第二鏡面的所述方向，這種對應(yīng)中所述方向的精度，比來自所述第一位置感應(yīng)檢測器的信號與所述第一鏡面的所述方向的對應(yīng)更高。
全文摘要
本發(fā)明公開了校準(zhǔn)和操作光開關(guān)的方法以及多種光開關(guān)，在所述光開關(guān)中使用控制光束和位置感應(yīng)檢測器來測量和控制鏡面的方向。本發(fā)明可提供對光開關(guān)中多個(gè)鏡面的高精度控制，并由此允許所述光開關(guān)以低的插入損耗，將大量的輸入和輸出端口交叉連接起來。
文檔編號G02B6/35GK1575429SQ02821268
公開日2005年2月2日 申請日期2002年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月24日
發(fā)明者程中·黃, 史蒂文·賽義德·納西里, 蘭德爾·布里安·斯普拉格, 亞歷克斯·哈威特, 德米特里·瓦西里·巴金, 雅努什·布爾澤卡 申請人:英特爾公司