CN102841410A - 一种多通道马达光开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道马达光开关，包括步进马达（10）、机械臂（15）、分度盘（13）、光斩波器（11），所述分度盘（13）与步进马达（10）固定，光斩波器（11）固定于分度盘（13）上，机械臂（15）固定于步进马达（10）的转子上，机械臂（15）前端固定有输入多芯准直器，分度盘（13）上分布有多个输出多芯准直器，所述输出多芯准直器中的纤芯数量同输入多芯准直器中的纤芯数量保持一致且光路对应对准；本发明结构的马达光开关是基于成熟技术平台，可同时兼容1*N，及M*N模式，可以在不增加产品体积，且机械结构与原输出通道数模块兼容的前提下，使输出端口数可大量扩展；通过增加输出多芯准直器个数及纤芯数，增加光开关的输出通道数，这样增强了光开关的可扩展性。

Description

一种多通道马达光开关

技术领域

本发明专利涉及一种马达光开关，特别是一种可兼容实现1*N、

及M*N的马达光开关，用于实现一路或数路光信号在多路输出间的同步切换，本发明属于光通信领域。

背景技术

光开关作为传统光器件，在光通信，光传感及光测试领域早有广泛的应用，如在光通信领域的光纤线路监控系统，当监控发现线路故障时，需通过光开关将网络传输信号，切换至备用通道。在传感领域，光开关与光时域反射设备搭配使用可使得时域反射仪同时监控多个通道。光测试领域的光开关则多用于多个待测件共用同一测试设备时。

目前商用的光开关，主要是早期的机械式光开关，及刚刚兴起的MEMS(Micro ElectroMechanical systems)光开关。

传统的机械式光开关由于其制作工艺相对简便，且成本低，有着广泛的应用。但其输出通道数多少于10路，如1*2，1*4，1*8等。这是因为更多输出端口的机械式光开关其成本，及体积等都将大大增加，如发明专利，公开号1564038A“1*N机械式光开关”。

另如美国专利，US 5629993“Compact optical switch”的马达式机械式光开关，虽较传统光开关可以有更多输出端口，但受限于其所描述的准直器所在圆形平面尺寸必须小于马达尺寸，不能实现较大的增幅，且即使没有这一限制，要增加或减少输出端口数的话，也必须更改原有机械结构及模块体积，不够灵活。

MEMS(Micro Electro Mechanical systems)光开关，虽不同于传统的机械式光开关，其具有体积更小，通道数更多的优点。但是其制作工艺相对复杂，光学参量依赖于芯片性能，如PDL（Polarization dependent loss）,WDL(Wavelength dependent loss)及通道间串扰等指标不易于控制，如美国专利，US 6445840B1“Micromachined optical switchingdevice”且MEMS芯片仅把持在少量国外厂商手中，不利于国内厂商形成规模化生产，商用。

发明内容

本发明专利的目的就是克服目前技术存在的问题及不足，提供一种输出端口数可大量扩展，结构紧凑，成本低廉，且易于商用的光开关。

本发明专利采用的技术方案是：

一种多通道马达光开关，包括步进马达、机械臂、分度盘、光斩波器，所述分度盘与步进马达固定，光斩波器固定于分度盘上，机械臂固定于步进马达的转子上，机械臂前端固定有输入多芯准直器，分度盘上分布有多个输出多芯准直器，所述输出多芯准直器中的纤芯数量同输入多芯准直器中的纤芯数量保持一致且光路对应对准。

所述输入多芯准直器输入端对应连接1*多路光开关的输出端，所述1*多路光开关输出端数量与所述输入多芯准直器的纤芯数量相同。

所述输入多芯准直器和输出阵列多芯准直器采用纤芯数可以是双芯或四芯。

所述分度盘上分布的多个输出多芯准直器之间的角距离相同，该角距离为步进马达的步距角的整数倍。

所述1*多光开关的切换时间小于步进马达的切换时间。

本发明的优点具体如下：

1、本发明产品是基于成熟技术平台，可同时兼容1*N，

及M*N模式，可以在不增加产品体积，且机械结构与原输出通道数模块兼容的前提下，使输出端口数可大量扩展；通过增加输出多芯准直器个数及纤芯数，增加光开关的输出通道数，这样增强了光开关的可扩展性；

2、本发明产品结构紧凑、成本低廉、易于商用，相对于MEMS结构的光开关成本大大降低，且更加稳定，更加易于实现，并形成批量生产。

附图说明

图1、本发明专利实施例1结构示意图；

图2、本发明的内部结构示意图；

图3、本发明专利实施例1输入双芯准直器和输出双芯准直器光路示意图；

图4、本发明专利实施例2结构示意图；

图5、本发明专利实施例2输入四芯准直器和输出四芯准直器光路示意图；

图6、本发明专利光斩波器工作原理示意图；

图7、本发明专利实施例3、实施例4的结构示意图。

其中：

1、输入双芯准直器第一纤芯；    2、输入双芯准直器第二纤芯；

3、输出双芯准直器第一纤芯；    4、输出双芯准直器第二纤芯；

5-1、输入四芯准直器第一纤芯；  5-2、输入四芯准直器第二纤芯；

5-3、输入四芯准直器第三纤芯；  5-4、输入四芯准直器第四纤芯；

6-1、输出四芯准直器第一纤芯；  6-2、输出四芯准直器第二纤芯；

6-3、输出四芯准直器第三纤芯；  6-4、输出四芯准直器第四纤芯；

10、步进马达；                 11、光斩波器；

12、输出双芯准直器；           13、分度盘；

13-1：孔；                     14、输入双芯准直器；

14-1、输入双芯准直器第一光纤； 14-2、输入双芯准直器第二光纤；

15、机械臂；

16、1*2光开关；                16-1、1*2光开关公共端；

16-2、1*2光开关第一输出端口；  16-3、1*2光开关第二输出端口；

17、1*4光开关；                17-1、1*4光开关公共端；

17-2、1*4光开关第一输出端口；  17-3、1*4光开关第二输出端口；

18、输入四芯准直器；           18-1、输入四芯准直器第一光纤；

18-2、输入四芯准直器第二光纤；

19、输出四芯准直器；           20、挡光板；

21、轴承；                     30、玻璃管；

31、透镜；                     32、第一双芯毛细管；

33、第二双芯毛细管；           34、光源；

35、第一四芯毛细管；           36、第二四芯毛细管；

M：输入多芯准直器的纤芯数；

N：固定在分度盘上的输出多芯准直器数量；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明涉及一种基于步进马达，光学准直器，光斩波器等成熟技术平台，便于扩展输出通道数，且可兼容实现1*N，

及M*N的马达光开关。本发明马达光开关包括步进马达、机械臂、分度盘、光斩波器、输入多芯准直器、输出多芯准直器，外接1*多光开关等组成部分。所述步进马达为普通商用感应子式步进电机，可将电脉冲信号转变为角位移的开环控制元件，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。所选电机的步距角可视所述分度盘尺寸及其上固定的输出多芯准直器两两间距灵活选取。所选电机转矩可视所述机械臂及固定于其上的输入多芯准直器重量灵活选取。所述分度盘，固定于所述步进马达上，用于固定所述输出多芯准直器，其尺寸视所述输出多芯准直器的数量即光开关的输出通道数灵活选取。所述光斩波器可为普通商用电子元件，所述步进马达转动时，用于逻辑判断所述输入多芯准直器，与第一路输出多芯准直器的相对位置，即步进马达转动从所述光斩波器所处位置起，再走多少步可以使得所述输入多芯准直器与第一路输出多芯准直器实现光路耦合。所述输入多芯准直器为光纤通信常用光学元件，其纤芯数可为双芯，四芯等等，纤芯数目可视光开关输入通道及输出通道数灵活选择。所述输出多芯准直器，其纤芯数目与所述输入多芯准直器纤芯数相同，在分度盘上设置的输出多芯准直器的数量视光开关输出通道需求数量而灵活选择。所述外接1*多光开关为普通机械式光开关，可以为1*2、1*4等，其输出端口数量与所述输入多芯准直器纤芯数量相同，同步切换1*多光开关及步进马达，可以实现输入的一路光信号，在N路输出之间的切换，即1*N光开关，如去掉外接1*多光开关，并将一路输入光信号输入至一个输入多芯准直器的任意一路，即可实现一路光信号在路输出端口的输出，构成

光开关，M为输入多芯准直器的纤芯数。如果采用M路输入光信号对应输入至输入多芯准直器的各路，这样可以实现M路输入光信号的同步切换，构成M*N光开关。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例1：

以1*64马达光开关为实施例，如图1和图2所示，包括步进马达10、机械臂15、分度盘13、光斩波器11、输入双芯准直器14、输出双芯准直器12，其中步进马达10与分度盘13、机械臂15、光斩波器11、挡光板20、轴承21整体装配，光斩波器11包括光源34，分度盘13与步进马达10前端面固定，并不随步进马达转动而有位移，光斩波器11固定于分度盘13上部相应位置，机械臂15固定于步进马达10的转子上，而输入双芯准直器14固定于机械臂15前端，输入双芯准直器14可以随步进马达10转动而同步转动。挡光板20亦固定于步进马达10的转子上，并随步进马达10转动而同步转动，控制步进马达10转动。分度盘13上分布有32个孔，这32个孔间的角距离相同，且这一角距离是步进马达10的步距角的L倍，L为整数。分度盘13上分布的孔中均设置有输出多芯准直器12。输入双芯准直器14连接有1*2光开关16，其中输出双芯准直器14输入光纤中输出双芯准直器第一光纤14-1、输出双芯准直器第二光纤14-2同1*2光开关16两输出端口即1*2光开关第一输出端口16-2，1*2光开关第二输出端口16-3对应相连接。

本实施例中，分度盘13上分布的孔中设置输出双芯准直器12的过程如下：如图2所示,当切换步进马达10，输入双芯准直器14转动到与分度盘13上分布第一个的孔13-1位置对应时，在孔13-1中插入一个输出双芯准直器12，并调整输出双芯准直器12位置，使得输入双芯准直器14与其实现光学耦合后，将输出双芯准直器12固定于分度盘13的这个孔中，后依此类推，按照同样的方法将所有分度盘13的32个孔中均固定好一个输出双芯准直器。

如图3所示，以在输入双芯准直器14与分度盘上分布的第一路的输出双芯准直器12的耦合过程为实施例，输入双芯准直器14已经是固定不动的，其结构中包括透镜31，用于实现光路准直，第一双芯毛细管32用于将光纤插入其中，并固定于所需位置。玻璃管30用于将透镜31和第一双芯毛细管32粘接为一个整体，输入双芯准直器第一光纤14-1、输入双芯准直器第二光纤14-2插入到第一双芯毛细管32中并固定，并分别对应于第一双芯毛细管32端面处的输入双芯准直器第一纤芯1、输入双芯准直器第二纤芯2位置，第一路的输出双芯准直器12与输入双芯准直器14的结构及各部件尺寸等完全一致，包括第二双芯毛细管33，第二双芯毛细管33端面处的输出双芯准直器第一纤芯3、输出双芯准直器第二纤芯4的位置及纤芯之间的距离需与第一双芯毛细管32的输入双芯准直器第一纤芯1、输入双芯准直器第二纤芯2的位置及之间的距离完全一致。调整分度盘上的第一路的输出双芯准直器12位置，使得输入双芯准直器第一纤芯1与输出双芯准直器第一纤芯3，输入双芯准直器第二纤芯2与输出双芯准直器第二纤芯4对应实现光路耦合后，固定第一路的输出双芯准直器12于分度盘13上，同样操作，使分度盘孔剩余孔中的输出双芯准直器均同输入双芯准直器14的纤芯相耦合。

本发明实施例1实现功能的具体过程如下：光信号通过外接1*2光开关16的1*2光开关公共端16-1输入，切换外接1*2光开关16输出端口至1*2光开关第一输出端口16-2，则光信号自1*2光开关第一输出端口16-2输出，并进入输入双芯准直器14的输入双芯准直器第一光纤14-1，这样光信号从输入双芯准直器第一纤芯1输出至对应耦合的第一路的输出双芯准直器12，因输入双芯准直器第一纤芯1与输出双芯准直器第一纤芯3光路耦合，故光信号由第一路的输出双芯准直器12的输出双芯准直器第一纤芯3输出；同理当切换外接1*2光开关16输出端口至1*2光开关第二输出端口16-3时，光信号从输入双芯准直器第二纤芯2输出至对应耦合的第一路的输出双芯准直器12，光信号再由第一路的输出双芯准直器12的输出双芯准直器第二纤芯4对应的光纤输出；当切换外接1*2光开关16输出端口的1*2光开关第一输出端口16-2，并同时切换步进马达10时，使得输入双芯准直器14与分度盘13上设置的其它任意孔中的输出双芯准直器对应耦合，则光信号从输入双芯准直器14的输入双芯准直器第一纤芯1输出至这个输出双芯准直器12的对应纤芯，并由其对应光纤输出；同样的，当切换外接1*2光开关16输出端口至1*2光开关第二输出端口16-3，并同时切换步进马达10时，使得输入双芯准直器14与分度盘13上设置的其它任意孔中的输出双芯准直器12对应耦合，则光信号从输入双芯准直器第二纤芯2输出至双芯准直器12的对应纤芯，以依次类推，可以实现输入光信号在64路输出端口间的切换。

如图6所示，为了自动判断在步进马达10掉电后上电时，走多少步输入双芯准直器14可以与分度盘13上第一路的孔13-1对准，使得输入双芯准直器14与第一路的输出双芯准直器12耦合，我们采用光斩波器11来判断步进马达10的逻辑位置，顺时针转动步进马达10，挡光片20随其一起转动，当其到达临界位置，即挡光片20刚好挡住了光斩波器11上光源34的输出光，而步进马达10转动的前一步还没有挡住光斩波器11上光源34的输出光。记录这一临界位置距离输入双芯准直器14与分度盘13第一路的孔13-1对准的位置步进马达10所需走的步数T，当步进马达10断电后，再次上电时，顺时针转动步进马达10，再次找到这一临界位置后，步进马达10继续走T步，到达输入双芯准直器14与分度盘13第一路的孔13-1对准的位置，后再走L步到达输入双芯准直器14与分度盘13下一路的孔对准的位置，L为分度盘13上相邻孔之间的角间距与步进马达10的步距角相除所得的整数，以此类推，可实现再次上电后，该1*64马达光开关的正常工作。

本发明中的输入多芯准直器和输出多芯准直器，可同为双芯准直器、四芯准直器等等，分度盘13上分布的孔数，亦可扩展至任意路，且满足孔间角距为步进马达10步距角的整数倍即可，这个整数与前述的L相等。采用这些技术手段，就可以实现对本发明马达光开关输出通道数的随意扩展。在步进马达10的指标允许范围内，可以调节其工作脉冲频率，实现对光开光切换时间的灵活调节。

实施例2

与实施例1不同的是，如图4所示，将实施例1中，外接1*2光开关16，输入双芯准直器14，输出双芯准直器12分别替换为，外接1*4光开关17，输入四芯准直器18，输出四芯准直器19，其余结构不变。

如图5所示，以在输入四芯准直器18与分度盘上分布第一路的输出四芯准直器19的耦合过程为实施例，输入四芯准直器18已经是固定不动的，其结构中第一四芯毛细管35用于将光纤插入其中，插入光纤分别对应于第一四芯毛细管35端面处的输入四芯准直器第一纤芯5-1、输入四芯准直器第二纤芯5-2、输入四芯准直器第三纤芯5-3、输入四芯准直器第四纤芯5-4的位置，第一路的输出四芯准直器19与输入四芯准直器18的结构及各部件尺寸等完全一致，包括第二四芯毛细管36，第二四芯毛细管36端面处的输出四芯准直器第一纤芯6-1、输出四芯准直器第二纤芯6-2、输出四芯准直器第三纤芯6-3、输出四芯准直器第四纤芯6-4的位置及纤芯之间的距离需与第一四芯毛细管35的输入四芯准直器第一纤芯5-1、输入四芯准直器第二纤芯5-2、输入四芯准直器第三纤芯5-3、输入四芯准直器第四纤芯5-4的位置及之间的距离完全一致。调整分度盘上的这个输出四芯准直器19位置，使得输入四芯准直器第一纤芯5-1与输出四芯准直器第三纤芯6-3，输入四芯准直器第二纤芯5-2与输出四芯准直器第四纤芯6-4，输入四芯准直器第三纤芯5-3与输出四芯准直器第一纤芯6-1，输入四芯准直器第四纤芯5-4与输出四芯准直器第二纤芯6-2对应实现光路耦合后，固定这个输出四芯准直器19于分度盘13上，同样操作，使分度盘孔剩余孔中的输出四芯准直器均同输入四芯准直器的纤芯相耦合。

本发明实施例2实现功能的具体过程如下：光信号通过外接1*4光开关17的1*4光开关公共端17-1输入，切换外接1*4光开关17输出端口至1*4光开关第一输出端口17-2，则光信号自1*4光开关第一输出端口17-2输出，并进入输入四芯准直器18的输入四芯准直器第一光纤18-1，光信号从输入四芯准直器第一光纤18-1对应的纤芯输出至其对应耦合的输出四芯准直器纤芯，此时输入四芯准直器第一光纤18-1对应于输入四芯准直器第一纤芯5-1，因输入四芯准直器第一纤芯5-1与输出四芯准直器第三纤芯6-3光路耦合，故光信号由第一路的输出四芯准直器19的输出四芯准直器第三纤芯6-3对应的光纤输出；同理当切换外接1*4光开关17输出端口至1*4光开关第二输出端口17-3时，光信号从输入四芯准直器第二纤芯5-2输出至对应耦合的输出四芯准直器纤芯即输出四芯准直器第四纤芯6-4，光信号由第一路的输出四芯准直器19的输出四芯准直器第四纤芯6-4对应的光纤输出；依次类推可实现光信号在第一路的输出四芯准直器19的四个纤芯对应光纤间的切换，与实施例1类似，切换步进马达10，使得输入四芯准直器18与其他任意的输出四芯准直器19对应耦合，并同步切换外接1*4光开关17，可以实现输入光信号在128路输出端口间的切换。

实施例3

如图7所示，本实施例3以马达光开关为实施例，相对于实施例1，输入双芯准直器14不外接1*2光开关16，输入光信号直接到达输入双芯准直器14的两个输入端中的任意一个端口，即输入双芯准直器第一光纤14-1或者输入双芯准直器第二光纤14-2。当光信号输入输入双芯准直器第一光纤14-1时，按照与实施例1同样的方法，当转动步进马达10，使得输入双芯准直器14选择与分度盘13上分布的第一路的输出双芯准直器12耦合时，则输入光信号通过这个输出双芯准直器12上的输出双芯准直器第一纤芯3输出，依次类推，本实施例可以实现一路输入光信号在32个输出端口间的切换。

实施例4

如图7所示，相对于实施例1，也是输入双芯准直器14不外接1*2光开关16，输入双芯准直器14的两个输入端即输入双芯准直器第一光纤14-1、输入双芯准直器第二光纤14-2均有光信号输入。按照与实施例1同样的方法，当转动步进马达10使得输入双芯准直器14与分度盘上的第一路的输出双芯准直器12耦合，则两路输入光信号同时于第一路的输出双芯准直器12的输出双芯准直器第一纤芯3、输出双芯准直器第二纤芯4对应的光纤输出。依次类推，本实施例可实现两路输入光信号在64路输出端口的同步切换。

以上实施例中，外接1*2光开关16，1*4光开关17的切换时间，应快于步进马达的切换时间。在这一前提下，灵活调节步进马达10的工作频率，并同步切换步进马达10与外接1*2光开关16或1*4光开关17，可实现光开关切换时间的灵活调节。

本发明可以通过对马达工作频率的调节，灵活调节光开关的切换时间，而传统的机械式光开关及MEMS光开关切换时间，一旦选定了所使用的机械切换装置及MEMS 芯片，光开关切换时间就固定不变了。本发明马达光开关可以应用于光通信、光传感、光学测试等各个光学相关产业。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多通道马达光开关，包括步进马达（10）、机械臂（15）、分度盘（13）、光斩波器（11），其特征在于：所述分度盘（13）与步进马达（10）固定，光斩波器（11）固定于分度盘（13）上，机械臂（15）固定于步进马达（10）的转子上，机械臂（15）前端固定有输入多芯准直器，分度盘（13）上分布有多个输出多芯准直器，所述输出多芯准直器中的纤芯数量同输入多芯准直器中的纤芯数量保持一致且光路对应对准。

2.如权利要求1所述的一种多通道马达光开关，其特征在于：所述输入多芯准直器输入端对应连接1*多路光开关的输出端，所述1*多路光开关输出端数量与所述输入多芯准直器的纤芯数量相同。

3.如权利要求1或2所述的一种多通道马达光开关，其特征在于：所述输入多芯准直器和输出阵列多芯准直器采用纤芯数可以是双芯或四芯。

4.如权利要求1或2或3所述的一种多通道马达光开关，其特征在于：所述分度盘（13）上分布的多个输出多芯准直器之间的角距离相同，该角距离为步进马达（10）的步距角的整数倍。

5.如权利要求4所述的一种多通道马达光开关，其特征在于：所述1*多光开关的切换时间小于步进马达（10）的切换时间。

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