專利名稱：磁吸附平面反射鏡光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)械光學(xué)開關(guān)，特別是一種高精度定位的磁吸附平面反射鏡光開關(guān)。
背景技術(shù)：
新一代全光網(wǎng)的核心技術(shù)是全光交換，光開關(guān)是全光交換中的關(guān)鍵器件，主要用來實(shí)現(xiàn)在全光層的路由選擇、光的交叉連接以及自愈保護(hù)等功能。在光學(xué)測量等方面也有大量應(yīng)用。就光開關(guān)的現(xiàn)狀而言，按照開關(guān)機(jī)理來分類，主要有機(jī)械光開關(guān)、熱光開關(guān)和電光開關(guān)。機(jī)械光開關(guān)在插損、隔離度、消光比和偏振敏感性方面相對其他類型光開關(guān)而言具有很好的性能。目前，與其他類型光開關(guān)相比較，商業(yè)化使用最多的是機(jī)械光開關(guān)。
機(jī)械光開關(guān)的控制方法，主要有PZT、靜電、步進(jìn)器、伺服系統(tǒng)和電磁等。電磁鐵驅(qū)動方式是一種比較理想的控制方式，其原理簡單，借鑒繼電器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁驅(qū)動的工作原理，在技術(shù)上比較成熟，成本低，結(jié)構(gòu)體積可以作成微型，驅(qū)動的電壓與電流相對較小，尤其適用于1×2，2×2等光開關(guān)路數(shù)較少的光路開關(guān)中。中國專利“寬帶單模4×4矩陣光開關(guān)”(專利號CN1257211A，公布日期2000年6月21日)，該矩陣光開關(guān)由多個(gè)單元光開關(guān)組成，每一個(gè)單元光開關(guān)通過磁保持繼電器推動反射直角棱鏡的上下運(yùn)動，使光路發(fā)生改變，采用全玻璃的滑槽限位板和高精度的剛性滾珠來實(shí)現(xiàn)限位，確保反射直角棱鏡的偏離精度。該光開關(guān)的缺點(diǎn)是限位機(jī)構(gòu)復(fù)雜，增加了安裝制造的難度，重復(fù)性較差(0.2dB)。又例中國專利“一種機(jī)械光開關(guān)”(專利號CN2446528Y，公布日期2001年9月5日)，該光開關(guān)的出射和入射光纖準(zhǔn)直器都在一端，在準(zhǔn)直器與固定反射鏡之間設(shè)置棱鏡，活動反射鏡設(shè)置在固定的棱鏡和固定的反射鏡之間，并固定在與集電器相連的連桿上，依靠軸承定位活動反射鏡的方法，通過集電器開關(guān)及相應(yīng)的轉(zhuǎn)動裝置實(shí)現(xiàn)活動反射鏡的運(yùn)動，從而改變光路，可實(shí)現(xiàn)多路光開關(guān)，這種光開關(guān)的不足之處是光束要通過棱鏡和反射鏡進(jìn)行耦合，產(chǎn)生的附加插入損耗較高，通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動平面反射鏡，對光路進(jìn)行切換，機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，重復(fù)性較差，而且沒有自鎖功能，功耗較高，形成多路光開關(guān)時(shí)，裝配也比較困難。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有機(jī)械光開關(guān)中存在的問題，提供一種磁吸附平面反射鏡光開關(guān)。這種光開關(guān)中平面反射鏡反射面的定位精度高，從而可實(shí)現(xiàn)高重復(fù)性的光路切換，而且結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)時(shí)間短，工作壽命長。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案的技術(shù)構(gòu)思是采用磁吸附平面反射鏡高精度定位技術(shù)，在與平面反射鏡的反射面相正交方向上，施加磁作用力，把平面反射鏡吸附在一個(gè)固定的參考平面上，使平面反射鏡的反射面與固定參考平面相平行；通過電磁驅(qū)動的方式平移平面反射鏡，使平面反射鏡插入或抽出光路，實(shí)現(xiàn)光路的切換，形成1×2和2×2機(jī)械光開關(guān)；同時(shí)，平面反射鏡鍍的反射面鍍上均勻的高反膜，反射面每一點(diǎn)的反射率具有一致性；平面反射鏡與固定參考平面相接觸的部分均采用大面積耐磨石英玻璃材料。
本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案如下一種磁吸附平面反射鏡光開關(guān)，包括基板、光路耦合、磁吸附保持和電磁驅(qū)動四部分電磁驅(qū)動部分，包括第一電磁線圈、第二電磁線圈、運(yùn)動軸、第一限位塊和第二限位塊，第一電磁線圈和第二電磁線圈對稱地固定在該基板上的兩端，兩線圈的中心線與基板的平面平行，運(yùn)動軸貫穿在第一電磁線圈和第二電磁線圈骨架的中心線上，該運(yùn)動軸的兩端外分別設(shè)有第一限位塊和第二限位塊，以限定該運(yùn)動軸的軸向行程。
磁吸附保持部分整體地位于上述第一電磁線圈和第二電磁線圈之間，其一軟磁體固定在基板上，該軟磁體靠近運(yùn)動軸的一側(cè)的平面上膠貼一石英玻璃，一永磁體固定在運(yùn)動軸上，該永磁體靠近軟磁體的表面膠貼一平面反射鏡。
所述的光路耦合部分，包括第一光纖準(zhǔn)直器，第二光纖準(zhǔn)直器，第三光纖準(zhǔn)直器和平面反射鏡組成，該反射鏡的表面鍍有均勻的第一高反膜。第一光纖準(zhǔn)直器，第二光纖準(zhǔn)直器和第三光纖準(zhǔn)直器的光軸是在與該平面反射鏡的反射面相垂直的同一平面上，而且第一光纖準(zhǔn)直器與第三光纖準(zhǔn)直器的光軸重合，并與第二光纖準(zhǔn)直器的光軸垂直，平面反射鏡的反射面處于上述三個(gè)光纖準(zhǔn)直器的光軸的交叉點(diǎn)上。
所述的光路耦合部分還設(shè)有第四光纖準(zhǔn)直器，所有光纖準(zhǔn)直器成十字對稱分布，光軸都處于與平面反射鏡6的反射面相垂直的同一平面上，即第一光纖準(zhǔn)直器與第三光纖準(zhǔn)直器的光軸重合，并與第二光纖準(zhǔn)直器和第四光纖準(zhǔn)直器的光軸垂直，該平面反射鏡的反射面處于上述四個(gè)光纖準(zhǔn)直器的光軸的交叉點(diǎn)上。該平面反射鏡是等厚平板石英玻璃，其一面的一半面積鍍高反膜，另一半面積鍍增透膜，其另一面全部面積鍍增透膜。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)可以歸納如下一方面保證平面反射鏡的反射面，無論是在運(yùn)動還是在靜止的情況下始終處于一個(gè)平面上，在每一次光路切換過程中，雖然入射光線有可能在平面反射鏡的反射面的不同位置上反射，但入射光線與平面反射鏡的反射面之間的夾角基本保持不變，具有很高的重復(fù)性，小于0.02dB，有效的避免了由于平面反射鏡的反射面的位置變化，產(chǎn)生的光路軸向耦合的偏差，所導(dǎo)致較差的重復(fù)性；一方面施加在平面反射鏡的反射面相正交方向上磁作用力，同樣可以起到磁保持作用，靜止時(shí)，不需要消耗功率，平面反射鏡就可以緊緊地吸附在固定的參考平面上。另一個(gè)方面，平面反射鏡與固定參考平面采用耐磨材料，不易磨損，而且是面接觸，平面的磨損只會產(chǎn)生光路橫向耦合的偏差，在一定的偏差范圍(±10um)內(nèi)，對重復(fù)性不會產(chǎn)生影響。
以下結(jié)合附圖說明本實(shí)用新型。


圖1為本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)主視圖。
圖2為本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)正視圖。
圖3為本實(shí)用新型的磁吸附保持部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本實(shí)用新型的1×2。機(jī)械光開關(guān)實(shí)施例示意圖圖5為本實(shí)用新型的2×2機(jī)械光開關(guān)實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施方式
先請參閱圖1和圖2，本實(shí)用新型磁吸附平面反射鏡光開關(guān)，包括基板、光路耦合、磁吸附保持和電磁驅(qū)動四個(gè)部分。光路耦合部分由第一光纖準(zhǔn)直器8、第二光纖準(zhǔn)直器9、第三光纖準(zhǔn)直器10和平面反射鏡6組成；磁吸附保持部分，包括固定的軟磁體7、石英玻璃13和可動的永磁體5；電磁驅(qū)動部分包括第一電磁線圈2、第二電磁線圈3、運(yùn)動軸4、第一限位塊11和第二限位塊12。后三個(gè)部分都固定在基板1上，基板1采用超硬鋁材料制成。
如圖2所示，電磁驅(qū)動部分的第一電磁線圈2和第二電磁線圈3對稱地固定在基板1的兩端，兩線圈骨架的中心線與基板1的平面平行，兩個(gè)骨架起到支撐運(yùn)動軸4的作用。運(yùn)動軸4貫穿于第一電磁線圈2和第二電磁線圈3骨架的中心，運(yùn)動軸4采用永久磁性材料(釹鐵硼)，第一電磁線圈2和第二電磁線圈3的電連接方式可以是并聯(lián)或串聯(lián)，正負(fù)驅(qū)動脈沖通過兩個(gè)電磁線圈，產(chǎn)生方向交替變化的電磁場與運(yùn)動軸4的永久磁場相互作用推動運(yùn)動軸4沿兩個(gè)電磁線圈的骨架中心線往返運(yùn)動，通過第一限位塊11和第二限位塊12限制運(yùn)動軸4的運(yùn)動空間，起到調(diào)節(jié)平面反射鏡6的平移行程的作用。磁吸附保持部分整體地處于第一電磁線圈2和第二電磁線圈3之間。
如圖3所示，磁吸附保持部分的軟磁體7固定在基板1上，靠近運(yùn)動軸4的一側(cè)的平面上膠貼石英玻璃13，可動永久磁體5采用永久磁性釹鐵硼材料制成，整體固定在運(yùn)動軸4上，靠近軟磁體7的表面膠貼平面反射鏡6，這樣，平面反射鏡6依靠永久磁體5與軟磁體7之間的磁作用力，吸附在石英玻璃13上，運(yùn)動軸4的動作可以使平面反射鏡6的反射面始終在平面反射鏡6與石英玻璃13相接觸的平面內(nèi)平移，實(shí)現(xiàn)平面反射鏡6反射面的高精度定位，保證光路切換的高重復(fù)性。通過電磁驅(qū)動方式控制平面反射鏡插入光路或從光路中抽出，形成1×2機(jī)械光開關(guān)。
本實(shí)用新型特點(diǎn)顯著采用磁吸附平面反射鏡的方法，不需要精密機(jī)械加工部件，整體結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動功耗小，具有自鎖功能，重復(fù)性高，工作壽命長；采用磁吸附平面反射鏡1×2和2×2機(jī)械光開關(guān)的性能可以達(dá)到開關(guān)時(shí)間＜5ms，壽命(光路切換次數(shù))＞107次，重復(fù)性＜0.02dB，插入損耗＜0.6dB。
如圖4所示，光路耦合部分的如圖4a所示的平面反射鏡6的表面鍍有均勻的第一高反膜14，如圖4b和圖4c所示的第一光纖準(zhǔn)直器8，第二光纖準(zhǔn)直器9和第三光纖準(zhǔn)直器10的光軸是在與平面反射鏡6的反射面相垂直的同一平面上，其中第一光纖準(zhǔn)直器8與第三光纖準(zhǔn)直器10的光軸重合，并與第二光纖準(zhǔn)直器9的光軸垂直，平面反射鏡6的反射面處于三個(gè)光纖準(zhǔn)直器的光軸的交叉點(diǎn)上，第一光纖準(zhǔn)直器8的光路以45°入射角入射到平面反射鏡6的反射面上。如圖4b所示，平面反射鏡6插入光路時(shí)，第一光纖準(zhǔn)直器8的入射光經(jīng)反射到第二光纖準(zhǔn)直器9；如圖4c所示，平面反射鏡6抽出光路時(shí)，第一光纖準(zhǔn)直器8的入射光直接入射到第三光纖準(zhǔn)直器10。
正負(fù)脈沖電流通過第一電磁線圈2和第二電磁線圈3，在電磁線圈中產(chǎn)生的磁場與運(yùn)動軸4永久磁性材料(釹鐵硼)的磁場相互作用，產(chǎn)生軸向推動力，推動運(yùn)動軸4，平移平面反射鏡6插入或抽出三個(gè)光纖準(zhǔn)直器的光路，實(shí)現(xiàn)光路的切換，形成1×2機(jī)械光開關(guān)。
圖5是本實(shí)用新型2×2光開關(guān)實(shí)施的示意圖。如圖5d所示，平面反射鏡6插入光路時(shí)，實(shí)現(xiàn)光路的平行輸出，第一光纖準(zhǔn)直器8和第四光纖準(zhǔn)直器16的入射光分別經(jīng)平面反射鏡6反射到第二光纖準(zhǔn)直器9和第三光纖準(zhǔn)直器10；如圖5c所示，平面反射鏡6抽出光路時(shí)，實(shí)現(xiàn)光路的交叉輸出，第一光纖準(zhǔn)直器8和第四光纖準(zhǔn)直器16的入射光分別經(jīng)平面反射鏡6折射到第三光纖準(zhǔn)直器10和第二光纖準(zhǔn)直器9。平面反射鏡6采用厚度相等的平板石英玻璃，如圖5a所示在同一平面的一半面積上鍍有均勻的第二高反膜20，另一半面積上鍍有第一增透膜21，如圖5b所示在平板石英玻璃的另一個(gè)面的全部面積上鍍有第二增透膜22，這可保證平面反射鏡6插入或抽出光路時(shí)，都不會由于平面反射鏡的厚度原因，產(chǎn)生光纖準(zhǔn)直器光路對準(zhǔn)偏差，從而造成附加的插入損耗。采用如圖5所示的平面反射鏡6的光路耦合部分，替代1×2機(jī)械光開關(guān)的如圖4所示的平面反射鏡6和光路耦合部分，即形成2×2機(jī)械光開關(guān)。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)顯著采用磁吸附平面反射鏡的方法，不需要精密機(jī)械加工部件，整體結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動功耗小，具有自鎖功能，重復(fù)性高，工作壽命長；采用磁吸附平面反射鏡1×2和2×2機(jī)械光開關(guān)的性能可以達(dá)到開關(guān)時(shí)間＜5ms，壽命(光路切換次數(shù))＞107次，重復(fù)性＜0.02dB，插入損耗＜0.6dB。
權(quán)利要求1.一種磁吸附平面反射鏡光開關(guān)，其特征在于其構(gòu)成是1)基板(1)；2)電磁驅(qū)動部分，包括第一電磁線圈(2)，第二電磁線圈(3)，運(yùn)動軸(4)，第一限位塊(11)和第二限位塊(12)，第一電磁線圈(2)和第二電磁線圈(3)對稱地固定在該基板(1)上的兩端，兩線圈(2，3)中心線與基板(1)的平面平行，運(yùn)動軸(4)貫穿在第一電磁線圈(2)和第二電磁線圈(3)骨架的中心線，該運(yùn)動軸(4)的兩端分別設(shè)有第一限位塊(11)和第二限位塊(12)，以限定運(yùn)動軸的軸向行程；3)磁吸附保持部分整體地位于上述第一電磁線圈(2)和第二電磁線圈(3)之間，其軟磁體(7)固定在基板(1)上，該軟磁體(7)靠近運(yùn)動軸(4)的一側(cè)的平面上膠貼一石英玻璃(13)，一永磁體(5)固定在運(yùn)動軸(4)上，該永磁體(5)靠近軟磁體(7)的表面膠貼一平面反射鏡(6)；4)光路耦合部分，包括第一光纖準(zhǔn)直器(8)、第二光纖準(zhǔn)直器(9)、第三光纖準(zhǔn)直器(10)和平面反射鏡(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁吸附平面反射鏡光開關(guān)，其特征在于所述的光路耦合部分由第一光纖準(zhǔn)直器(8)、第二光纖準(zhǔn)直器(9)、第三光纖準(zhǔn)直器(10)和平面反射鏡(6)組成，該反射鏡(6)的表面鍍有均勻的第一高反膜(14)，第一光纖準(zhǔn)直器(8)、第二光纖準(zhǔn)直器(9)和第三光纖準(zhǔn)直器(10)的光軸處于與該平面反射鏡(6)的反射面相垂直的同一平面上，而且第一光纖準(zhǔn)直器(8)與第三光纖準(zhǔn)直器(10)的光軸重合，并與第二光纖準(zhǔn)直器(9)的光軸垂直，平面反射鏡(6)的反射面(14)處于上述三個(gè)光纖準(zhǔn)直器的光軸的交叉點(diǎn)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁吸附平面反射鏡開關(guān)，其特征在于所述的光路耦合部分還設(shè)有第四光纖準(zhǔn)直器(16)，所有光纖準(zhǔn)直器成十字對稱分布，光軸都處于與平面反射鏡(6)的反射面相垂直的同一平面上，即第一光纖準(zhǔn)直器(8)與第三光纖準(zhǔn)直器(10)的光軸重合，并與第二光纖準(zhǔn)直器(9)和第四光纖準(zhǔn)直器(16)的光軸垂直，該平面反射鏡(6)的反射面處于上述四個(gè)光纖準(zhǔn)直器的光軸的交叉點(diǎn)上，所述的平面反射鏡(6)是等厚平板石英玻璃，其一面的一半面積鍍高反膜(20)，另一半面積鍍增透膜(21)，其另一面全部面積鍍增透膜(22)。
專利摘要一種磁吸附平面反射鏡光開關(guān)，包括基板、電磁驅(qū)動、磁吸附保持和光路耦合四部分，電磁驅(qū)動部分的構(gòu)成是第一電磁線圈和第二電磁線圈對稱地固定在該基板上的兩端，該兩線圈中心線與基板的平面平行，運(yùn)動軸貫穿于第一電磁線圈和第二電磁線圈骨架的中心線，該運(yùn)動軸的兩端分別設(shè)有第一限位塊和第二限位塊；磁吸附保持部分整體地位于上述第一電磁線圈和第二電磁線圈之間，其軟磁體固定在基板上，該軟磁體靠近運(yùn)動軸的一側(cè)的平面上膠貼一石英玻璃，一永磁體固定在運(yùn)動軸上，該永磁體靠近軟磁體的表面膠貼一平面反射鏡；光路耦合部分包括第一光纖準(zhǔn)直器、第二光纖準(zhǔn)直器、第三光纖準(zhǔn)直器和平面反射鏡。本實(shí)用新型用于光路的切換。
文檔編號G02B6/35GK2638079SQ0322808
公開日2004年9月1日 申請日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月10日
發(fā)明者董作人, 陳高庭, 方祖捷, 耿建新 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所