專利名稱：使用折射光學(xué)器件的多路光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及用于光開關(guān)的光學(xué)技術(shù)。
背景技術(shù)：
在光學(xué)系統(tǒng)中使用機械式光開關(guān)，以在輸入光纖和一或多根輸出光纖之間切換光束。例如，在光通信系統(tǒng)中利用機械式光開關(guān)連接和斷開傳輸路徑，以按規(guī)定路線發(fā)送利用信息調(diào)制的光束。機械式光開關(guān)還可用于使光源(如激光)產(chǎn)生脈動，或利用調(diào)制的或未調(diào)制的光束實現(xiàn)其它功能。
一種類型的機械式光開關(guān)是1×2光開關(guān)，它在一個輸入端口和兩個輸出端口之間進行光切換。眾所周知，使用折射光學(xué)器件的1×2光開關(guān)是極其可靠的，具有小的插入損耗，并且易于制造。在授予Li等人的美國專利NO.6,215,919中描述了1×2光開關(guān)的一個例子，在這里引入了這個專利的內(nèi)容作為參照。在電信工業(yè)中廣泛使用1×2開關(guān)，例如用于保護切換和終端(tag)切換。1×2光開關(guān)還用于建造較大尺寸的開關(guān)，如1×4和1×8光開關(guān)。在某些情況下，應(yīng)用設(shè)計人員需要將多個1×2光開關(guān)集成在一起以減小功耗和/或所用的物理空間。

發(fā)明內(nèi)容
按照一個總體方面，本發(fā)明提供一種機械式光開關(guān)，它包括一端口、一第一透鏡元件、一自由光束路徑、和一光束導(dǎo)向元件。所說的端口適合于接納第一組光纖。第一透鏡元件有一個光軸，并且位于第一組光纖的前面。自由光束路徑將光束從第二組光纖耦合到第一透鏡元件，以使光束按照第一種耦合配置耦合到第一組光纖上。該光束導(dǎo)向元件被構(gòu)造成可以移入和移出該自由光束路徑。移動光束導(dǎo)向元件進入自由光束路徑，將使光束移動一個偏移量并使光束轉(zhuǎn)動一個角度，從而該使光束傳播到第一透鏡元件并且按第二種耦合配置耦合進入第一組光纖。
該機械式光開關(guān)的實施例可以包括一或多個下述特征。例如，第一組光纖可以包括兩或更多根光纖，第二組光纖可以包括兩或更多根光纖。
第一組光纖可以包括4根光纖，第二組光纖可以包括兩根光纖。該自由光束路徑可以包括在第二組光纖和第一組光纖的兩根光纖之間形成的兩條光束路徑。當(dāng)光束導(dǎo)向元件移動進入自由光束路徑的時候，這兩條光束路徑被移動到第一組光纖的兩個不同的光纖。
第一組光纖可以包括4根光纖，第二組光纖可以包括兩根光纖。該自由光束路徑可以包括在第二組光纖和第一組光纖之間形成的4條光束路徑。當(dāng)光束導(dǎo)向元件移動進入自由光束路徑的時候，移動4條光束路徑，以在第二組光纖的兩根光纖和第一組光纖的兩根不同的光纖之間形成兩條光束路徑。
該光束導(dǎo)向元件可以是具有第一面和第二面的楔形棱鏡，且光束在第一面進入楔形棱鏡，并且通過第二面射出楔形棱鏡。第一面可相對于機械式光開關(guān)的光軸以第一角度取向，且第二面可相對于第一面以第二角度取向。該自由光束路徑可以相對于機械式光開關(guān)的光軸傾斜一個角度。該第一透鏡元件可以是一梯度折射率透鏡。
該機械式光開關(guān)還可以包括一第二透鏡元件，它位于第二組光纖的前面，用于準(zhǔn)直光束。第二透鏡元件可以是梯度折射率透鏡。
該機械式光開關(guān)還可以包括機械致動器，機電致動器，磁致動器或壓電致動器，它們設(shè)計成能夠移動光束導(dǎo)向元件。
該光束導(dǎo)向元件可以是一個分段的楔形棱鏡，它包括第一分段和與第一分段相結(jié)合的第二分段。移動光束導(dǎo)向元件的第一分段進入自由光束路徑，可使光束偏移一個偏移量并使光束轉(zhuǎn)動一個角度，從而使光束傳播到第一透鏡元件且被按第二種耦合配置耦合到第一組光纖中。移動光束導(dǎo)向元件的第二分段進入自由光束路徑，將使光束移動一個第二偏移量并且使光束轉(zhuǎn)動一個第二角度，從而使光束傳播到第一透鏡元件且被按第三種耦合配置耦合到第一組光纖中。
第一分段可以包括第一輸入面和第一輸出面，第二分段可以包括第二輸入面和第二輸出面。第一輸入面可相對于第一透鏡元件的光軸的法線以第一角度取向，第一輸出面可以相對于第一輸入面傾斜一第二個角度，第二輸入面可相對于第一透鏡元件的光軸的法線以第三角度取向，第二輸出面可以相對于第二輸入面傾斜一第四個角度，第一角度和第三角度可以不同。
按照另一個總體方面，本發(fā)明提供一種方法，用于在光纖之間形成的光束的第一種配置和光束的第二種配置之間進行切換。該方法包括形成一個自由光束路徑，并且移動一光束導(dǎo)向元件使其進入該自由光束路徑中。該自由光束路徑包括從一組輸入光纖通到第一組輸出光纖的光束的第一種配置。移動光束導(dǎo)向元件到自由光束路徑，可使光束偏移一個偏移量且使光束轉(zhuǎn)動一個角度，從而使光束被按第二種耦合配置耦合到第二組輸出光纖上。
該切換的實施例可以包括一或多個下述特征。該光束導(dǎo)向元件可移動進入自由光束路徑，以使光束移動一第二個偏移量并且轉(zhuǎn)動光束一第二個角度，從而使光束被按第三種耦合配置耦合到第三組輸出光纖上。移動光束導(dǎo)向元件進入自由光束路徑可以包括移動一楔形棱鏡。
移動光束導(dǎo)向元件還可以包括激勵機械致動器，機電致動器，磁致動器或壓電致動器，以移動該光束導(dǎo)向元件。
機械式光開關(guān)有許多顯著的優(yōu)點。例如，這種開關(guān)允許集成多個具有折射光學(xué)器件優(yōu)點的1×2光開關(guān)。
在附圖和下面的描述中將對本發(fā)明的一或多個實施例的細(xì)節(jié)進行說明。從說明的、附圖和權(quán)利要求書中，本發(fā)明的其它特征、目的、和優(yōu)點將是顯而易見的。


圖1是機械式光開關(guān)的光學(xué)元件的立體圖。
圖2是圖1中開關(guān)的光學(xué)部分的頂視平面圖，表示自由的和引導(dǎo)的光束路徑。
圖3A和3B是說明圖1中機械式光開關(guān)的操作的頂視平面圖。
圖4是實施楔形棱鏡的機械式光開關(guān)的等角投影圖。
圖5a是在自由光束狀態(tài)下兩組光纖之間的機械式光開關(guān)的側(cè)視透視圖，兩組光纖被按第一種耦合配置耦合。
圖5b表示圖5a中機械式光開關(guān)的側(cè)視圖，其中由楔形棱鏡中斷了自由光束路徑并且將光束路徑切換到第二耦合配置。
圖6a和6b分別表示圖5a中機械式光開關(guān)的側(cè)視圖和頂視圖，表示出單條光束路徑的具體細(xì)節(jié)。
圖7a表示一在自由光束狀態(tài)下的機械式光開關(guān)。
圖7b表示圖7a的機械式光開關(guān)，其中一個楔形棱鏡中斷了自由光束路徑并且在輸出光纖之間切換光束路徑。
圖8a-c是一具有多個面的楔形棱鏡的機械式光開關(guān)的一個附加的實施例的側(cè)視圖。
在各個附圖中，相同的標(biāo)號表示相同的元件。
詳細(xì)說明本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)的改進。下面的描述使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，其在專利申請文本及其要求中提供。本發(fā)明的各種改進對于本領(lǐng)域的普遍技術(shù)人員來說是顯而易見的，而且這里的一般原理可應(yīng)用于其它的實施例。因此，不希望將本發(fā)明限制在這里表述的實施例，而是要使本發(fā)明符合與這里描述的原理和特征一致的最廣泛的范圍。
將按照具有特定結(jié)構(gòu)的特定元件的特定的光開關(guān)來描述本發(fā)明。類似地，將按照具有特定關(guān)系，例如元件之間的距離或角度，的特定光開關(guān)元件來描述本發(fā)明。但是本領(lǐng)域的普遍技術(shù)人員容易認(rèn)識到，對于具有類似性質(zhì)的其它元件、其它結(jié)構(gòu)、和元件之間的其它關(guān)系，這種方法和系統(tǒng)都能有效地工作。
圖1表示機械式光開關(guān)10的光學(xué)元件的一種安排，其中配備有楔形棱鏡12形式的光束導(dǎo)向元件。此楔形棱鏡12可以由具有均勻折射率n的材料例如石英或玻璃構(gòu)成。位于楔形棱形12第一側(cè)60的是一與信號或輸入光纖16耦合的輸入端口14。該輸入端口14例如為一玻璃毛細(xì)管18，帶有供插入輸入光纖16的孔或者穴20。一例如梯度折射率(“GRIN”)透鏡的透鏡元件22位于毛細(xì)管18的前方。
第一輸出端口24和第二輸出端口26位于楔形棱鏡12的第二側(cè)61。玻璃毛細(xì)管28例如有兩個孔30、32，起輸出端口24、26的作用。第一光纖34插入孔30，第二光纖36插入孔32。光纖34和36是該機械式光開關(guān)10的輸出光纖。
透鏡元件38位于毛細(xì)管28與楔形棱鏡12之間，用于聚焦光到輸出光纖34、36的纖芯內(nèi)。透鏡元件38例如可以是梯度折射率透鏡。通常，對于兩個輸出光纖34、36只使用一個透鏡元件38，這樣做能夠減小光開關(guān)的尺寸和重量，并且能夠提供下面再進行討論的光學(xué)優(yōu)點。
在輸入光纖16和第一輸出光纖34之間限定一自由光束路徑40。該自由光束路徑40是，當(dāng)將楔形棱鏡12從這個路徑上除去的時候，光能夠在輸入光纖16和輸出光纖34之間傳播。并且可以這樣來移動楔形棱鏡12，在一個位置楔形棱鏡12與自由光束路徑40不交叉，而在第二個位置(即，切換位置或有效位置)楔形棱鏡12與自由光束路徑40交叉，產(chǎn)生一個導(dǎo)向光束路徑42。
現(xiàn)在具體參照附圖1和2，當(dāng)將楔形棱鏡12從自由光束路徑40上移出的時候，從輸入光纖16發(fā)出的光信號44從光纖端46耦合出去并由透鏡元件22準(zhǔn)直，從而沿自由光束路徑40傳播，如圖中虛線所示。自由光束路徑40相對于透鏡元件38的光軸傾斜一角度δ。因此，透鏡元件38以等于角度δ的入射角接收光信號44，并且將其聚焦到第一輸出光纖34的光纖芯中，由此將光信號44耦合到第一輸出光纖34上。
為了防止光信號44的逆反射，將玻璃毛細(xì)管的輸出面48和光纖端部46加工成斜面，例如在約6-10°之間。透鏡元件22的輸入面50是大約相同角度的反向斜面。以類似的方式，透鏡元件38的后面52和毛細(xì)管28的前面54、以及光纖34和36的光纖端部56和58也都加工成反向斜面。防止逆反射的方法在本領(lǐng)域內(nèi)是眾所周知的，并且可以在這里描述的任何機械式光開關(guān)中使用。
當(dāng)將楔形棱鏡12放置在自由光束路徑40中的時候，沿自由光束路徑40傳播的光信號44通過第一面60進入楔形棱鏡，并且通過第二面62射擊楔形棱鏡。于是，利用處在該有效位置的楔形棱鏡，光信號44沿自由光束路徑40只傳播到楔形棱鏡，然后沿導(dǎo)向光束路徑42傳播。在這個過程中，按照斯涅耳定律，光信號44在兩個面60和62上折射。
楔形棱鏡12的第一面60相對于透鏡元件38的光軸23的法線64以角度α取向。第二面62相對于第一面60傾斜一個角度β。楔形棱鏡12的其余的兩個面66、68未曾采用，因此可以平行，如圖所示。光信號44在楔形棱鏡12中發(fā)生折射，偏移了一個移動量70，而且轉(zhuǎn)動一個角度，從而使透鏡元件38將光信號44耦合到第二輸出光纖36內(nèi)。如圖所示，角度轉(zhuǎn)動等于2δ，而光信號44以角度-δ入射在透鏡元件38上。第二面62相對于第一面60傾斜的量即角度β，和偏移量70，是控制這個折射過程的兩個參數(shù)。
最好，楔形棱鏡12對于角度α的變化不要非常敏感，這個變化只能引起角度轉(zhuǎn)動有很小的變化。因此，角度α的變化只引起角度δ的很小的變化。
通過調(diào)節(jié)楔形棱鏡12沿y軸的位置來控制偏移量70。例如，沿正y方向移動楔形棱鏡，將縮短光信號44在楔形棱鏡12中的路徑，從而可以減小偏移量70。類似地，沿負(fù)y方向移動楔形棱鏡，將延長光信號44在楔形棱鏡12中的路徑，從而可以增加偏移量70。用這種方式控制偏移量70的優(yōu)點是允許有大的對準(zhǔn)容差。事實上，即使在組裝開關(guān)之后，通過調(diào)節(jié)楔形棱鏡12的y軸位置也能控制偏移量70。這使利用楔形棱鏡12的機械式光開關(guān)更容易組裝，并且在使用中更穩(wěn)定、更可靠，自然是有益的。
為了改進機械式光開關(guān)10的性能，可以將楔形棱鏡12設(shè)計成其在角度α、β、δ之間服從下面的關(guān)系式sin-1{n sin[sin-1[1/n sin(α-δ)]+β]}＝α+β+δ其中n是楔形棱鏡12的折射率。一般保持角度δ較小，例如，約等于或小于5°。這樣，角度α的變化一般將使角度δ的變化約為5％或以下。在這些情況下，楔形棱鏡12的光學(xué)對準(zhǔn)位置精度并不是很靈敏的。因此，影響楔形棱鏡12位置的機械的、熱的、或其它的擾動將不會明顯影響楔形棱鏡12從輸入光纖16向第二輸出光纖36引導(dǎo)和耦合光信號44的能力。這種對于機械擾動的不靈敏性進一步有益地增加了使用楔形棱鏡12的機械式光開關(guān)的穩(wěn)定性和可靠性。
為了將光信號44高精度地耦合到光纖34和36內(nèi)，可相對于光軸23傾斜輸入端口14。根據(jù)不同的情況來調(diào)節(jié)這個傾斜量，直到對于沿自由光束路徑40和導(dǎo)向光束路徑42傳播的光信號44獲得了最佳耦合效率為止。當(dāng)光纖34和36是單模光纖的時候，或者當(dāng)包括光纖16在內(nèi)的所有的光纖都是單模光纖時，這種調(diào)節(jié)很重要。
圖3A-B表示這個開關(guān)的光學(xué)元件的操作。圖3A表示在無效位置時的楔形棱鏡12，在所說的無效位置該楔形棱鏡12被沿z軸移出紙所在的平面。這由用點劃線畫出的楔形棱鏡12來表示。來自于光纖16的光信號44沿自由光束路徑40傳播，且被耦合到光纖34中。圖3B表示處在有效位置時的楔形棱鏡12。來自于光纖16的光信號44沿導(dǎo)向光束路徑42傳播且被耦合到光纖36內(nèi)。
楔形棱鏡12可以沿著任何方向從自由光束路徑40上移出。例如，可以沿著Z軸移動楔形棱鏡12，或者沿著y軸橫向移動它，直到它不再處在自由光束路徑40中時為止。如以上所述，可以利用楔形棱鏡12的位置沿y軸的微小橫向調(diào)節(jié)來控制偏移量70。
參見圖4，可以按照以上對于機械式光開關(guān)10給出的教導(dǎo)來制造機械式光開關(guān)73。機械式光開關(guān)73包括上述的光學(xué)元件，并且用相同的標(biāo)號代表相同的部件。機械式光開關(guān)73包括一用于安裝光學(xué)元件的外殼75。楔形棱鏡12位于一個機械平臺80上，并且使用一致動器85如螺線管在沿y軸的橫向方向移動該平臺80，以便調(diào)節(jié)偏移量70。該機械平臺80還有一個內(nèi)部機構(gòu)，用于沿Z軸移動楔形棱鏡12。具體來說，機械平臺80包括一個Z調(diào)節(jié)配置，以向下移動楔形棱鏡12并使其從自由光束路徑40中移出。機械平臺80能夠快速移動楔形棱鏡12進入和移出自由光束路徑40，以便在光纖34和36之間切換光信號44。致動器85以及用于機械平臺85的Z軸控制的機構(gòu)可以是任何合適的機械致動器、機電致動器、磁致動器或壓電致動器。例如，致動器85和Z調(diào)節(jié)配置可以是繼電器、螺線管、或驅(qū)動電機。
如上所述，機械式光開關(guān)可用于通過改變透鏡元件的位置在兩根光纖之間進行光切換。類似地，如以下所述，還可以通過改變透鏡元件位置按另種切換模式例如按2×2切換再次使用機械式光開關(guān)。例如，參見圖5a和5b，一個雙重的升/降(add/drop)2×2開關(guān)(開關(guān)100)包括第一組輸入光纖103和第二組輸出光纖104。第一組輸入光纖103包括四根信號或輸入光纖105。相對于開關(guān)100的側(cè)取向，輸入光纖105區(qū)分為包括兩根光纖105a和105b的前層以及包括兩根光纖105c和105d的后層。再次相對于開關(guān)100的側(cè)取向，第二組104包括4個輸出光纖110，這4個輸出光纖區(qū)分為包括兩根光纖110a和110b的前層以及包括兩根光纖110c和110d的后層。開關(guān)100還包括一個輸出端口和一個輸出端口(未示出)，它們都可以是玻璃毛細(xì)管的形式。如以上的圖1-4所示，光纖105和110都耦合到或安裝在毛細(xì)管中的相應(yīng)的孔或穴中(未示出)，為使附圖簡潔起見，在圖5a和5b中既沒有表示出端口，又沒有表示出毛細(xì)管。
開關(guān)100進一步包括第一透鏡元件115和第二透鏡元件120。每個透鏡元件的作用都是一個準(zhǔn)直器，使發(fā)散的或會聚的光線更接近平行。透鏡元件115、120例如可以是梯度折射率透鏡。用于改變光信號的光束路徑的楔形棱鏡125可以位于兩個透鏡元件115、120之間。楔形棱鏡125由具有均勻折射率n的材料例如石英或玻璃制成。當(dāng)在透鏡元件115、120之間沒有沒置楔形棱鏡125的時候，確定一自由光束路徑130。如圖5a所示，自由光束路徑130由第一耦合配置139構(gòu)成。第一耦合配置139由4個光信號132、134、136、138組成，這4個光信號是分別在光纖對105a-110d、105b-110c、105c-110b、105d-110a之間形成的。
楔形棱鏡125可按如下方式移動在第一位置時，它不位于自由光束路徑130中(圖5a)，但在第二位置時，它位于自由光束路徑130中(圖5b)(即，有效位置)。楔形棱鏡125位于有效位置時形成一個導(dǎo)向光束路徑140，其具有使光信號在兩個透鏡元件115、120之間通過的第二種耦合配置141。第二種耦合配置141由在成對的光纖105a-110b和105b-110a之間形成的兩個光信號組成。如下面將要較為詳細(xì)討論的那樣，光信號132、134、136和138進入楔形棱鏡125，會聚并產(chǎn)生射出楔形棱鏡125的光信號142和144。像這樣，沒有從透鏡元件120到光纖11Oc和110d的輸出?？傊?，當(dāng)將楔形棱鏡12放置在自由光束路徑130內(nèi)(即，有效位置)的時候，沿自由光束路徑130傳播的4條光束路徑通過第一面145進入楔形棱鏡125并且通過第二面150射出楔形棱鏡125。借助于處在有效位置的楔形棱鏡125，四個光信號132、134、136、138只沿自由光束路徑130傳播到達楔形棱鏡125，然后通過楔形棱鏡125傳播并且沿導(dǎo)向光束路徑140到達透鏡元件120。在這個過程中，4個光信號132、134、136、138都按斯涅耳定律在兩個面145和150處折射，只向兩根光纖110a和110b產(chǎn)生輸出光信號。
參見圖6a和6b，楔形棱鏡125的第一面145相對于透鏡元件120的光軸165的法線160以一角度α取向。第二面150相對于第一面145傾斜角度β。楔形棱鏡125的其余的一對面170、175未曾使用，因此可以平行，如圖所示。光信號132、134在楔形棱鏡125中被折射，并且經(jīng)受偏移一個偏移量180和轉(zhuǎn)動一個角度，從而使透鏡元件120將光信號132和光信號134的組合耦合到第二光纖110b內(nèi)。(為簡潔起見，圖中沒有示出光束134和142，但對應(yīng)的角度是相同的。)在這種情況下，角度轉(zhuǎn)動等于2δ，光信號144以角度-δ入射在透鏡元件120上。這個折射過程的參數(shù)控制與第二面150相對于第一面145傾斜的量即角度β以及偏移量180有關(guān)。
對于楔形棱鏡125，角度α的變化只引起角度δ的很小的變化。通過調(diào)節(jié)楔形棱鏡125沿y軸的位置控制偏移量180。通過沿正y方向移動楔形棱鏡，縮短光信號132在楔形棱鏡125中的路徑，可以減小偏移量180。通過沿負(fù)y方向移動楔形棱鏡，延長光信號132在楔形棱鏡125中的路徑，可以增加偏移量180。按照這種方式控制偏移量180的優(yōu)點是，可以允許大的對準(zhǔn)容差。事實上，即使開關(guān)組裝之后，也能通過調(diào)節(jié)楔形棱鏡125的y位置控制偏移量180。這就使利用楔形棱鏡125的光開關(guān)容易組裝，并可以更加穩(wěn)定和可靠地操作。
參見附圖7a和7b，圖中表示為1×2光開關(guān)的機械式光開關(guān)200包括第一組信號光纖或輸入光纖205、第二組輸出光纖210、第一透鏡元件215、第二透鏡元件220和楔形棱鏡225。第一組光纖205包括由兩個信號光纖或輸入光纖230a和230b組成的陣列。第二組光纖210包括由4個輸出光纖235a、235b、235c、235d組成的陣列。在一個實施例中，輸出陣列的節(jié)距是輸入陣列的節(jié)距的一半距。因此，輸出光纖的數(shù)目是輸入光纖數(shù)目的兩倍。
開關(guān)200還包括一個輸入端口和一個輸出端口，如以上所述，它們二者都可以是玻璃毛細(xì)管的形式，但為了簡化附圖沒有表示出來。如以上圖1-4所述，輸入光纖230a、230b和輸出光纖235a、235b、235c、235d都耦合或安裝在毛細(xì)管中的對應(yīng)的孔或穴中。
按照上述方式，每個透鏡元件215，220的作用都是一個準(zhǔn)直器，使發(fā)散的或會聚的光線更接近平行。透鏡元件215、220例如可以是梯度折射率透鏡。用于改變光信號的光束路徑的楔形棱鏡225可以位于兩個透鏡元件215、220之間。如上所述，楔形棱鏡225由具有均勻折射率n的材料制成。當(dāng)在透鏡元件215、220之間沒有設(shè)置楔形棱鏡225的時候，確定一自由光束路徑240。如圖7a所示，自由光束路徑240由第一種耦合配置245構(gòu)成，第一耦合配置245由2個光信號250、255限定，這2個光信號是分別在光纖對230a-235d、230b-235b之間形成的。因此，在第一耦合配置245中，沒有從楔形棱鏡225和第二透鏡元件220耦合到光纖235a和235c的光信號輸入進來。
楔形棱鏡125可按如下方式移動在第一位置時它不位于自由光束路徑240中(圖7a)，但在第二位置它位于自由光束路徑240中(圖7b)(即，有效位置)。楔形棱鏡225位于有效位置，將產(chǎn)生一個導(dǎo)向光束路徑260，導(dǎo)向光束路徑260具有第二種耦合配置265。第二耦合配置265由在成對的光纖230a-235c和230b-235a之間形成的兩個光信號限定。光信號250、255進入楔形棱鏡225，并且光信號270和275射出楔形棱鏡225。像這樣，在第二耦合配置中，沒有從楔形棱鏡225和第二透鏡元件220耦合到光纖235b和235d的光信號輸入?？傊?，當(dāng)將楔形棱鏡225放置在自由光束路徑240內(nèi)(即，有效位置)的時候，沿自由光束路徑240傳播的2個光信號通過第一面280進入楔形棱鏡225，并且通過第二面285射出楔形棱鏡225。借助在有效位置的楔形棱鏡225，兩個光信號250、255只沿自由光束路徑240傳播到達楔形棱鏡225，然后通過楔形棱鏡225傳播并沿導(dǎo)向光束路徑260到達透鏡元件220。在這個過程中，2個光信號250、255都按照斯涅耳定律在兩個面280和285處折射。折射使在輸出陣列上的焦點移動以輸出陣列的一個節(jié)距。
雖然圖7a和7b表示的是兩根輸入光纖和4根輸出光纖，然而輸入光纖的數(shù)目可以大于或小于2根，輸出光纖的數(shù)目可以大于或小于4根。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的一系列實施例。然而，應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的情況下可以進行各種各樣的改進。例如，機械式開關(guān)不必一定要有兩個透鏡元件。類似地，參見附圖8a-c，可以制造機械式開關(guān)300使其包括一個分段的楔形棱鏡。例如，機械式開關(guān)300包括第一組信號光纖或輸入光纖305、第二組輸出光纖310、第一透鏡元件315、第二透鏡元件320和一個分段的楔形棱鏡325。第一組305包括由兩個信號光纖或輸入光纖330a和330b組成的陣列。第二組310包括由6個輸出光纖335a、335b、335c、335d、335e、335f組成的陣列。在這個實施方案中，輸出陣列的節(jié)距是輸入陣列的節(jié)距的1/3。因此，輸出光纖的數(shù)目是輸入光纖的數(shù)目的3倍。
該分段楔形棱鏡325包括第一分段336和與第一分段336結(jié)合的第二分段337。第一分段336包括輸入面340和輸出面345，第二分段337包括輸入面350和輸出面355。輸入面340的取向方向為相對于透鏡元件320的光軸365的法線360成角度α1。輸出面345相對于輸入面340傾斜一個角度β1。類似地，輸入面350的取向方向為相對于透鏡元件320的光軸365的法線360成角度α2。輸出面355相對于輸入面350傾斜一個角度β2。
該分段楔形棱鏡325可以位于3個位置，根據(jù)這3個位置，如果在任何一個位置的話，則將分段位于3個自由光束路徑。具體來說，棱鏡325可以完全脫離光束路徑；該棱鏡可以在光束路徑內(nèi)以使光信號接觸第一分段336的輸入面340；該棱鏡可以在光束路徑內(nèi)使光信號接觸第二分段337的輸入面350。以此方式，可以利用開關(guān)300通過在下述光纖組之間的切換實現(xiàn)在輸出光纖組之間的切換(a)當(dāng)移除楔形棱鏡325時的第一組光纖330a-335f和330b-335c；(b)當(dāng)光信號接觸輸入面340時(即第一棱鏡位置366)的第二組光纖330a-335e和330b-335b；(c)當(dāng)光信號接觸輸入面350時(即第二棱鏡位置367)的第三組光纖330a-335d和330b-335c。
當(dāng)棱鏡325位于第一位置366時，來自輸入光纖330b的光信號370在分段的楔形棱鏡中發(fā)生折射，并且偏移了一個偏移量375，而且發(fā)生了轉(zhuǎn)動，從而使光信號耦合到輸出光纖335b中。當(dāng)楔形棱鏡325位于第二位置367時，來自于輸入光纖330b的光信號370在分段楔形棱鏡中發(fā)生折射，并且偏移了一個偏移量380，而且發(fā)生了轉(zhuǎn)動，從而使光信號耦合到輸出光纖335a中。對于來自輸入光纖330a的光信號發(fā)生了類似的偏移，從而使光信號耦合到輸出光纖335e和335d中。還可以使用附加的分段、輸入面和輸出面，并且可以改變這些面的角度從而控制輸出光纖的輸出。如上所述，可以構(gòu)成一個移動機構(gòu)以便在3個位置之間移動分段楔形棱鏡325。例如，移動機構(gòu)可以是以下所述的機構(gòu)中的一個或多個機械致動器、機電致動器、磁致動器和壓電致動器。
因此，在不脫離所附權(quán)利要求書的構(gòu)思和范圍的條件下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以進行許多改進。
權(quán)利要求
1.一種機械式光開關(guān)，包括一端口，適于接納第一組光纖；一第一透鏡元件，它具有一光軸，并且位于第一組光纖的前面；一自由光束路徑，它將光束從第二組光纖耦合到第一透鏡元件，從而使光束被按第一種耦合配置耦合到第一組光纖上；和一光束導(dǎo)向元件，其被構(gòu)成為可以移入和移出自由光束路徑，其中移動光束導(dǎo)向元件進入自由光束路徑，以使該光束偏移一偏移量且使該光束轉(zhuǎn)動一角度，從而使光束傳播到第一透鏡元件，并且被按第二種耦合配置耦合到第一組光纖中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，其中第一組光纖包括兩或更多根光纖，并且第二組光纖包括兩或更多根光纖。
3，根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，其中第一組光纖包括4根光纖，第二組光纖包括兩根光纖，該自由光束路徑包括在第二組光纖和第一組光纖的兩根光纖之間形成的兩條光束路徑，并且當(dāng)該光束導(dǎo)向元件移動進入自由光束路徑的時候，兩條光束路徑移動到第一組光纖的兩個不同的光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，其中第一組光纖包括4根光纖，第二組光纖包括兩根光纖，該自由光束路徑包括在第二組光纖和第一組光纖之間形成的4條光束路徑，并且當(dāng)該光束導(dǎo)向元件移動進入自由光束路徑的時候，4條光束路徑移動，從而在第二組光纖中的兩根光纖和第一組光纖的兩個不同的光纖之間形成兩條光束路徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，其中該光束導(dǎo)向元件包括一具有第一面和第二面的楔形棱鏡，光信號在第一面進入楔形棱鏡并且通過第二面射出楔形棱鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機械式光開關(guān)，其中第一面被相對于機械式光開關(guān)的光軸的法線以第一角度取向，并且第二面被相對于第一面以第二角度取向。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，其中該自由光束路徑被相對于機械式光開關(guān)的光軸傾斜一定角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，其中第一透鏡元件包括梯度折射率透鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，進一步包括一位于第二光纖前面的第二透鏡元件，用于準(zhǔn)直光束。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的機械式光開關(guān)，其中第二透鏡元件包括梯度折射率透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，進一步包括一被成形來移動光束導(dǎo)向元件的機械致動器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，進一步包括一被成形來移動光束導(dǎo)向元件的機電致動器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，進一步包括一被成形來移動光束導(dǎo)向元件的磁致動器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，進一步包括一被成形來移動光束導(dǎo)向元件的壓電致動器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式光開關(guān)，其中該光束導(dǎo)向元件包括一分段的楔形棱鏡，該分段楔形棱鏡包括第一分段和與第一分段結(jié)合的第二分段，其中移動該光束導(dǎo)向元件的第一分段進入自由光束路徑，以偏移光束一偏移量，而且轉(zhuǎn)動光束一角度，從而使該光束傳播到第一透鏡元件且被按第二種耦合配置耦合到第一組光纖中；并且移動光束導(dǎo)向元件的第二分段進入自由光束路徑，以偏移光束一第二偏移量而且轉(zhuǎn)動光束一第二角度，從而使該光束傳播到第一透鏡元件并且被按第三種耦合配置耦合到第一組光纖中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的機械式光開關(guān)，其中第一分段包括第一輸入面和第一輸出面，第二分段包括第二輸入面和第二輸出面，并且第一輸入面的取向為相對于第一透鏡元件的光軸的法線成第一角度，并且第一輸出面相對于第一輸入面傾斜一第二角度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的機械式光開關(guān)，其中第二輸入面的取向為相對于第一透鏡元件的光軸的法線成第三角度，并且第二輸出面相對于第二輸入面傾斜一第四角度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的機械式光開關(guān)，其中第一角度與第三角度不同。
19.一種在光纖之間形成的第一種光束配置和第二種光束配置之間進行切換的方法，所說方法包括如下步驟形成一自由光束路徑，其中該自由光束路徑包括從一組輸入光纖到第一組輸出光纖的第一種光束配置；并且移動光束導(dǎo)向元件使其進入自由光束路徑，其中移動該光束導(dǎo)向元件進入自由光束路徑，以使光束偏移一偏移量并且使光束轉(zhuǎn)動一角度，從而使該光束被按第二種耦合配置耦合到第二組輸出光纖上。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進一步包括如下步驟，進一步移動該光束導(dǎo)向元件使其進入自由光束路徑，以使光束偏移一第二偏移量并且使光束轉(zhuǎn)動一第二角度，從而使該光束被按第三種耦合配置耦合到第三組輸出光纖上。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中移動光束導(dǎo)向元件進入自由光束路徑包括移動一楔形棱鏡。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中移動光束導(dǎo)向元件還包括激勵一機械致動器以便移動該光束導(dǎo)向元件。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中移動光束導(dǎo)向元件還包括激勵一機電致動器以便移動該光束導(dǎo)向元件。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中移動光束導(dǎo)向元件還包括激勵一磁致動器以便移動光該束導(dǎo)向元件。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中移動光束導(dǎo)向元件還包括激勵一壓電致動器以便移動該光束導(dǎo)向元件。
全文摘要
一種機械式光開關(guān)，包括一端口、一第一透鏡元件、一自由光束路徑和一光束導(dǎo)向元件。該端口適于接納第一組光纖。第一透鏡元件具有一光軸并且位于第一組光纖的前面。該自由光束路徑將光束從第二組光纖耦合到第一透鏡元件纖，從而使該光束被按第一種耦合配置耦合到第一組光纖上。該光束導(dǎo)向元件用于移動進入和移出自由光束路徑。移動光束導(dǎo)向元件進入自由光束路徑，以使光束偏移一偏移量并且使光束轉(zhuǎn)動一角度，從而使該光束傳播到第一透鏡元件并且被按第二種耦合配置耦合到第一組光纖中。
文檔編號G02B6/35GK1469143SQ03145439
公開日2004年1月21日 申請日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月31日
發(fā)明者李世芳, 邵慶 申請人:奧普林克通信公司