CN104345394A - 光开关和光开关阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光开关和光开关阵列。该光开关包括：双光纤准直器、单光纤准直器和可调微镜，可调微镜设置在双光纤准直器与单光纤准直器之间；双光纤准直器包括双光纤尾纤和第一微透镜，双光纤尾纤包括第一光纤和第二光纤；单光纤准直器包括单光纤尾纤和第二微透镜，单光纤尾纤包括第三光纤；在第一光纤为输入光纤、第二光纤为输出光纤、第三光纤为输出光纤的情况下，若可调微镜处于第一状态，则第一光纤输出的光信号入射至第三光纤，若可调微镜处于第二状态，则第一光纤输出的光信号反射至第二光纤。本实施例的光开关，能够有效减小光开关的体积，易于集成、对准和封装。

Description

光开关和光开关阵列

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光开关和光开关阵列。

背景技术

密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，简称DWDM）技术是利用单模光纤（Single Mode Fiber，简称SMF）的带宽及低损耗特性，采用多个波长作为光载波（optical carrier，简称OC），允许各载波信道在光纤（Fiber）中同时传输，大大提高了网络的通信容量。在DWDM系统中，传输光谱（例如，1525nm～1565nm）被分为等间隔的多个光载波信道，每个光载波信道对应单独的一个波长或频率。当传输数据时，用待传输的数据去调制光载波即可。

随着网络的交叉融合，网络中交换节点处的交换容量越来越大。举例而言，当有来自8个方向，假设每个方向只有一根光纤，且每个方向含有80个光载波信道的信息在某一节点处交换时，那么，有640个光载波需要在该节点进行交换。为了交换大容量的DWDM信号，在节点处需要配备大规模的光开关矩阵（也称为核心光开关）来完成波长级的交换。为了提高交换系统的可靠性和生存性，通常要为光开关矩阵提供备用的保护倒换路径，而保护倒换路径的必要性随着单波传输速率的提高而愈加重要，若传输速率增大，例如传输速率为100Gbit/s，一旦物理路径发生故障，1s的时间间隔内所造成的数据损失为10¹¹bit，该数据损失是巨大且不能接受的。

图1为现有1+1保护倒换路径方案的系统框图。如图1所示，输入光信号由3dB光纤分束器分成功率相等的两个部分分别进入光开关矩阵1和光开关矩阵2，在两个光开关矩阵对应的输出端口处分别有一个1×2光开关（虚线框部分）进行选择接收。一旦光开关矩阵1的某个物理路径发生故障，则1×2光开关将输出信号接收端口由光开关矩阵1的对应输出端口切换到光开关矩阵2的对应输出端口上，完成保护倒换路径的功能。举例而言，若光开关矩阵1设置的物理路径为光信号从该光开关矩阵1的输入端口1中输入、从该光开关矩阵1的输出端口4中输出，但光信号从该光开关矩阵1的输出端口2中输出，则该光开关矩阵1的物理路径故障，1×2光开关可以将光信号的输出端口切换到光开关矩阵2的输出端口4；或者若光开关矩阵1的输出端口4的耦合光器件故障，导致光信号以较小的光功率从该光开关矩阵1的输出端口4中输出，则不利于与该光开关矩阵1的输出端口4连接的系统的后续应用，1×2光开关也可以将光信号的输出端口切换到光开关矩阵2的输出端口4。当光开关矩阵的规模很大时，需要大量的1×2光开关，因此，1×2光开关体积小、能够集成成为了该1×2光开关能够应用到上述交换系统的关键因素。

现有一种1×2光开关阵列，采用机械式1×2光开关集成。由于机械式1×2光开关结构中加入了继电器，因此，机械式1×2光开关体积过大、难以封装、不易集成。即使只是集成10个机械式1×2光开关，该机械式1×2光开关阵列的体积也非常大，当需要配置几百个端口的1+1保护倒换路径时，需要集成大量的机械式1×2光开关，该机械式1×2光开关阵列的体积增长率无法接受。现有另一种1×2光开关阵列，采用旋转微镜式1×2光开关集成，由于机械式1×2光开关结构中加入了柱面透镜、倾斜基底，且对精度要求很高，因此，旋转微镜式1×2光开关结构复杂、工艺复杂、难以对准和封装，且掉电后无法保持原有的两条光路。采用该旋转微镜式1×2光开关集成的1×2光开关阵列，体积过大、难以对准和封装、不易集成。

综上所述，现有1×2光开关，存在集成后体积大、难以对准和封装的问题。

发明内容

技术问题

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，提供一种光开关和光开关阵列，以解决集成后体积大、难以对准和封装的问题。

解决方案

为了解决上述技术问题，在第一方面，本发明提供了一种光开关，包括：

双光纤准直器、单光纤准直器和可调微镜，所述可调微镜设置在所述双光纤准直器与所述单光纤准直器之间；

所述双光纤准直器包括双光纤尾纤和第一微透镜，所述双光纤尾纤包括第一光纤和第二光纤；

所述单光纤准直器包括单光纤尾纤和第二微透镜，所述单光纤尾纤包括第三光纤；

在所述第一光纤为输入光纤、所述第二光纤为输出光纤、所述第三光纤为输出光纤的情况下，若所述可调微镜处于第一状态，则所述第一光纤输出的光信号入射至所述第三光纤，若所述可调微镜处于第二状态，则所述第一光纤输出的光信号反射至所述第二光纤；

在所述第一光纤为输出光纤、所述第二光纤为输入光纤、所述第三光纤为输入光纤的情况下，若所述可调微镜处于第一状态，则所述第三光纤输出的光信号入射至所述第一光纤，若所述可调微镜处于第二状态，则所述第二光纤输出的光信号反射至所述第一光纤。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述光开关还包括：

调节器，用于将所述可调微镜调整为所述第一状态，或将所述可调微镜调整为所述第二状态。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，

所述第一状态为水平状态或缩回状态，所述第二状态为垂直状态或伸出状态；

所述调节器用于控制所述可调微镜的转动或平移，将所述可调微镜转动为所述水平状态或平移为所述缩回状态，或者将所述可调微镜转动为所述垂直状态或平移为所述伸出状态。

结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式至第二种可能的实现方式中的任意一种实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述可调微镜为二维微机电系统微镜。

结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式至第三种可能的实现方式中的任意一种实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第一微透镜为自聚焦透镜或凸透镜；所述第二微透镜为所述自聚焦透镜或所述凸透镜。

结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式至第四种可能的实现方式中的任意一种实现方式，在第五种可能的实现方式中，

所述双光纤准直器还包括第一基底，所述第一基底用于固定所述第一光纤和所述第二光纤，所述第一光纤和所述第二光纤在所述第一基底上中心对称排列；

所述单光纤准直器还包括第二基底，所述第二基底用于固定所述第三光纤。

结合第一方面的第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述第一基底包括：槽口凹成V型或U型的板，或设置开孔的板；所述第二基底包括：槽口凹成V型或U型的板，或设置开孔的板。

结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式至第六种可能的实现方式中的任意一种实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述双光纤尾纤与所述第一微透镜之间存在一定间隙，所述单光纤尾纤与所述第二微透镜之间存在一定间隙。

结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式至第七种可能的实现方式中的任意一种实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述双光纤尾纤与所述第一微透镜具有预定斜角。

在第二方面，本发明提供了一种光开关阵列，包括至少两个相同结构的光开关；

所述光开关采用第一方面或第一方面的任意一种实现方式所述的光开关；

各个所述光开关的双光纤尾纤组成双光纤阵列；

各个所述光开关的第一微透镜组成第一微透镜阵列；

各个所述光开关的可调微镜组成可调微镜阵列；

各个所述光开关的单光纤尾纤组成单光纤阵列；

各个所述光开关的第二微透镜组成第二微透镜阵列。

有益效果

本发明实施例的光开关和光开关阵列，通过可调微镜切换光信号的传输路径，将双光纤尾纤和单光纤尾纤分别设置于可调微镜的两侧实现光信号的输入和输出，可调微镜体积小，能够有效减小光开关的体积，易于集成、对准和封装。在光开关掉电后可调微镜能够返回第一状态，光信号可以从输出光纤中输出，后续系统不会完全瘫痪。通过改变入射光和出射光，能够直接制作出双光纤尾纤包括第一光纤为输出光纤和第二光纤为输入光纤、单光纤尾纤包括第三光纤为输入光纤的光开关。能够根据光开关的耦合效率和制作成本灵活选取第一微透镜和第二微透镜。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1为现有1+1保护倒换路径方案的系统框图；

图2a～图2d为根据本发明一实施例的光开关的结构示意图；

图3a为根据本发明另一实施例的光开关的调节器的结构示意图；

图3b和图3c为根据本发明另一实施例的光开关的双光纤尾纤的排列方式示意图；

图4a和图4b为根据本发明又一实施例的光开关的结构示意图；

图5a和图5b为根据本发明再一实施例的光开关的结构示意图；以及

图6a～图6d为根据本发明一实施例的光开关阵列的结构示意图。

附图标记说明

100：双光纤准直器；        101：单光纤准直器；        102：可调微镜；

103：双光纤尾纤；          104：第一微透镜；          105：第一光纤；

106：第二光纤；            107：单光纤尾纤；          108：第二微透镜；

109：第三光纤；            110：调节器；              111：第一基底；

112：第二基底；            114：间隙；                117：间隙；

115：梳状电极；            116：折叠梁；              300：双光纤阵列；

301：第一微透镜阵列；      302：可调微镜阵列；        303：单光纤阵列；

304：第二微透镜阵列；      305：第一基底；            306：第二基底。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

实施例1

图2a～图2d为根据本发明一实施例的光开关的结构示意图。如图2a～图2d所示，该光开关包括：

双光纤准直器100、单光纤准直器101和可调微镜102，可调微镜102设置在双光纤准直器100与单光纤准直器101之间；

其中，双光纤准直器100可以包括双光纤尾纤103和第一微透镜104，双光纤尾纤103可以包括第一光纤105和第二光纤106；

单光纤准直器101可以包括单光纤尾纤107和第二微透镜108，单光纤尾纤107可以包括第三光纤109；

第一光纤105为输入光纤、第二光纤106为输出光纤、第三光纤109为输出光纤，若可调微镜102处于第一状态，则第一光纤105输出的光信号可以入射至第三光纤109；若可调微镜102处于第二状态，则第一光纤105输出的光信号可以反射至第二光纤106。

具体地，在第一光纤105为输入光纤、第二光纤106为输出光纤、第三光纤109为输出光纤的情况下，如果第一状态为图2a所示的水平状态，第二状态为图2b所示的垂直状态。在可调微镜102处于水平状态时，光信号从第一光纤105入射，经过第一微透镜104准直为平行光信号，再经第二微透镜108汇聚入射至第三光纤109并输出例如输出给另一个光开关。在可调微镜102处于垂直状态时，光信号从第一光纤105入射，经过第一微透镜104准直为平行光信号，经过可调微镜102的全反射，再经过第一微透镜104汇聚入射至第二光纤106并输出例如输出给光开关矩阵。即：可以通过可调微镜102的工作状态来选择光信号输出的光纤端口例如第二光纤106或第三光纤109。

此外，在第一光纤105为输入光纤、第二光纤106为输出光纤、第三光纤109为输出光纤的情况下，如果第一状态为图2c所示的伸出状态，第二状态图2d所示的缩回状态。在可调微镜102处于缩回状态时，光信号从第一光纤105入射，经过第一微透镜104准直为平行光信号，再经第二微透镜108汇聚入射至第三光纤109并输出例如输出给另一个光开关。在可调微镜102处于伸出状态时，光信号从第一光纤105入射，经过第一微透镜104准直为平行光信号，经过可调微镜102的全反射，再经过第一微透镜104汇聚入射至第二光纤106并输出例如输出给光开关矩阵。即：可以通过可调微镜102的工作状态来选择光信号输出的光纤端口例如第二光纤106或第三光纤109。

在一种可能的实现方式中，如前所述的可调微镜102可以为二维微机电系统微镜（2D MEMS微镜）。

具体地，二维微机电系统微镜可以设置在半导体硅衬底上，该二维微机电系统微镜可以工作在两个状态，即第一状态和第二状态。其中，如图2a所示，二维微机电系统微镜工作在水平状态，即该二维微机电系统微镜没有受到驱动力作用，该二维微机电系统微镜平行于半导体硅衬底且处于关位置（off position），该二维微机电系统微镜对光开关的光信号没有影响，从第一光纤105进入的光信号直接从第三光纤109输出；如图2b所示，二维微机电系统微镜工作在垂直状态，即该二维微机电系统微镜受到驱动力作用，该二维微机电系统微镜垂直于半导体硅衬底且处于开位置（on position），该二维微机电系统微镜对光开关起到全反射光信号的作用，从第一光纤105进入的光信号经二维微机电系统微镜反射后从第二光纤106输出；如图2c所示，二维微机电系统微镜工作在伸出状态，即该二维微机电系统微镜受到驱动力作用，该二维微机电系统微镜进入工作位置，该二维微机电系统微镜对光开关起到全反射光信号的作用，从第一光纤105进入的光信号经二维微机电系统微镜反射后从第二光纤106输出；如图2d所示，二维微机电系统微镜工作在缩回状态，即该二维微机电系统微镜没有受到驱动力作用，该二维微机电系统微镜撤离工作位置，该二维微机电系统微镜对光开关的光信号没有影响，从第一光纤105进入的光信号直接从第三光纤109输出。

需要说明的是，尽管本实施例描述的是上述二维微机电系统微镜在受到驱动力作用时工作在上述第二状态（垂直状态或伸出状态）、在没有受到驱动力作用时工作在上述第一状态（水平状态或缩回状态），但本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此，事实上，上述二维微机电系统微镜也可以在受到驱动力作用时工作在上述第一状态（水平状态或缩回状态）、在没有受到驱动力作用时工作在上述第二状态（垂直状态或伸出状态）。

本实施例的光开关，通过可调微镜切换光信号的传输路径，将双光纤尾纤和单光纤尾纤分别设置于可调微镜的两侧实现光信号的输入和输出，可调微镜体积小，能够有效减小光开关的体积，易于集成、对准和封装。

实施例2

图3a为根据本发明另一实施例的光开关的调节器110的结构示意图，本实施例与上述实施例的区别在于：该光开关还可以包括：调节器110，用于将可调微镜102调整为第一状态，或将可调微镜102调整为第二状态。

在一种可能的实现方式中，如前所述的第一状态可以为水平状态或缩回状态，第二状态可以为垂直状态或伸出状态；其中，调节器110可以用于控制可调微镜102的转动或平移，可以将可调微镜102转动为水平状态或平移为缩回状态，或者可以将可调微镜102转动为垂直状态或平移为伸出状态。

具体地，光开关可以通过调节器110例如控制电极来控制可调微镜102的转动或平移，进而调整可调微镜102的工作状态。例如，参见图2a和图2b，调节器110可以控制可调微镜102由水平状态转动为垂直状态，或控制可调微镜102由垂直状态转动为水平状态；参见图2c和图2d，调节器110也可以控制可调微镜102由缩回状态平移为伸出状态，或控制可调微镜102由伸出状态平移为缩回状态。

举例而言，调节器110可以为控制电极，该控制电极上加载电压可以产生静电吸引力，也可以产生静电排斥力，以控制电极上加载电压可以产生静电吸引力为例说明。在第一光纤105为输入光纤、第二光纤106为输出光纤、第三光纤109为输出光纤的情况下，若可调微镜102工作在如图2a所示的水平状态的情况下，可以增大控制电极两端加载的电压，受控制电极产生的驱动力作用，可调微镜102开始转动，随着控制电极两端加载的电压的增大，可调微镜102转动的角度也逐渐增大，直至控制电极两端加载的电压超过一定的电压值例如22V时，可调微镜102转过90度达到稳态，此时可调微镜102就工作在如图2b所示的垂直状态，可调微镜102对光开关起到全反射光信号的作用，经第一光纤105输入的光信号经过第一微透镜104的作用，光信号的发散角会变小，并将光信号的束腰准直到可调微镜102的反射面上，光信号经可调微镜102反射后回到第一微透镜104，第一微透镜104将光信号耦合到第二光纤106并从第二光纤106输出。若可调微镜102工作在如图2b所示的垂直状态的情况下，控制电极两端加载的电压减小至阈值处例如15V时可调微镜102开始逆向转动，随着控制电极两端加载的电压的不断减小，可调微镜102逆向转动的角度不断增大，直至控制电极两端加载的电压降到一定的电压值例如5V以下时，可调微镜102逆向转过90度达到稳态，此时可调微镜102就工作在如图2a所示的水平状态，可调微镜102对光开关的光信号没有影响，经第一光纤105输入的光信号经过第一微透镜104的作用，光信号的发散角会变小，出射的光信号经过空间的传播入射到第二微透镜108的端面上，第二微透镜108将入射到其端面上的光信号聚焦到位于第二微透镜108的后焦点处的第三光纤109的尾纤端面，光信号经第二微透镜108耦合后从第三光纤109输出。

举例而言，如图3a所示，调节器110可以包括梳状电极115和梁（shuttle）116，该梳状电极115是采用离子深刻蚀的方法制作，该梳状电极115和梁116上加载电压可以产生静电吸引力，也可以产生静电排斥力，以梳状电极115和梁116上加载电压可以产生静电吸引力为例说明。在第一光纤105为输入光纤、第二光纤106为输出光纤、第三光纤109为输出光纤的情况下，若可调微镜102工作在如图2d所示的缩回状态的情况下，梳状电极115两端加载的电压逐渐增大，梳状电极115作用在梁116的驱动力逐渐增大，相应地，梁116的位移也随着驱动力的增大而增大，当梳状电极115两端加载的电压增大至某一电压值例如38V时，梁116驱动可调微镜102平移到工作位置，可调微镜102就工作在如图2c所示的伸出状态，可调微镜102对光开关起到全反射光信号的作用，从第一光纤105进入的光信号经可调微镜102反射后从第二光纤106输出，具体分析可以参照上述可调微镜102工作在垂直状态的情况下的分析。若可调微镜102工作在如图2c所示的伸出状态的情况下，梳状电极115两端加载的电压逐渐减小，梳状电极115作用在梁116的驱动力逐渐减小，相应地，梁116的位移也随着驱动力的减小而减小，直至梳状电极115两端加载的电压减小至某一电压值例如5V时，梁116驱动可调微镜102平移出工作位置，可调微镜102就工作在如图2d所示的缩回状态，可调微镜102对光开关的光信号没有影响，从第一光纤105进入的光信号直接从第三光纤109输出，具体分析可以参照上述可调微镜102工作在水平状态的情况下的分析。

需要说明的是，尽管本实施例描述的是上述调节器对可调微镜作用的静电力为静电吸引力，但本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此，事实上，上述调节器对可调微镜作用的静电力也可以为静电排斥力，也可以是其它形式的作用力，只要能够实现调节器调整可调微镜的工作状态即可。

此外，由于可调微镜102转动的角度或平移的位移受调节器110两端加载的电压控制，即：可调微镜102转动的角度或平移的位移与调节器110两端加载的电压之间存在非线性关系，例如可调微镜102由水平状态转动为垂直状态或可调微镜102由伸出状态平移为缩回状态，且可调微镜102转动的角度或平移的位移与调节器110两端加载的电压之间的迟滞效应，例如可调微镜102由垂直状态转动为水平状态或可调微镜102由伸出状态平移为缩回状态，需要调节器110两端加载的电压达到一定的电压值，才会转动/逆向转动90度或伸出到/缩回出工作位置。因此，调节器110两端加载的电压的较小变化不会影响可调微镜102的工作状态，可以降低对调节器110两端加载的电压的稳定性要求，相应地，采用该调节器110的光开关的通道（物理路径）稳定性更优越。

进一步地，光开关掉电后，可调微镜102仍然可以保持水平状态或缩回状态，则输入到与可调微镜102相连的后续系统中的光信号为光开关在水平状态或缩回状态下的输出光信号。举例而言，在第一光纤105为输入光纤、第二光纤106为输出光纤、第三光纤109为输出光纤的情况下，光开关掉电后，若可调微镜102保持水平状态或缩回状态，可调微镜102对光开关的光信号没有影响，从第一光纤105进入的光信号可以直接从第三光纤109输出。换言之，即使光开关突然掉电，光信号也可以从输出光纤中输出，后续系统不会完全瘫痪。

在一种可能的实现方式中，参见图2a～图2d，如前所述的双光纤准直器100还可以包括第一基底111，第一基底111可以用于固定第一光纤105和第二光纤106，第一光纤105和第二光纤106可以在第一基底111上中心对称排列；单光纤准直器101还可以包括第二基底112，第二基底112可以用于固定第三光纤109。

具体地，双光纤准直器100可以通过双光纤尾纤103将第一光纤105和第二光纤106固定在第一基底111上，为了满足第一微透镜104对光信号的要求，第一光纤105和第二光纤106可以在第一基底111上以中心对称的方式排列。图3b和图3c为根据本发明另一实施例的光开关的双光纤尾纤的排列方式示意图。举例而言，第一光纤105和第二光纤106在第一基底111上可以以如图2a～图2d、图3b所示的上下对称的方式排列，也可以以如图3c所示的左右对称的方式排列，还可以以其它中心对称的方式排列，且经第一微透镜104的作用，可以有效提高光信号和光纤例如第一光纤105或第二光纤106的耦合效率。相应地，单光纤准直器101可以通过单光纤尾纤107将第三光纤109固定在第二基底112上，且经第二微透镜108的作用，也可以有效提高光信号和光纤例如第三光纤109的耦合效率。

在一种可能的实现方式中，如前所述的第一基底111可以包括：槽口凹成V型或U型的板如硅板或金属板，或设置开孔的板如硅板或金属板；第二基底112可以包括：槽口凹成V型或U型的板如硅板或金属板，或设置开孔的板如硅板或金属板。

在一种可能的实现方式中，如前所述的双光纤尾纤103与第一微透镜104之间可以存在一定间隙114，单光纤尾纤107与第二微透镜108之间可以存在一定间隙117。

具体地，双光纤尾纤103与第一微透镜104相互耦合的端面之间可以存在一定间隙114，单光纤尾纤107与第二微透镜108相互耦合的端面之间可以存在一定间隙117。由于第一微透镜104制作时，第一微透镜104的曲率半径会不可避免的存在一定的误差，会导致原本设定的间隙114的间距即后截距所对应的第一微透镜104的工作距离偏离设计值，为了弥补第一微透镜104的工作距离偏离，可以通过调节间隙114的间距来微调第一微透镜104的工作距离，即可以弥补第一微透镜104的工作距离偏离，进而可以提高光信号的耦合效率。举例而言，由于第一微透镜104的曲率半径固定时，一个间隙114的间距即后截距对应着一个工作距离，即：若第一微透镜104的曲率半径固定，则第一微透镜104的工作距离随着后截距的改变而改变；相应地，若第一微透镜104的曲率半径不固定，则第一微透镜104的工作距离随着曲率半径和后截距的改变而改变。在设计初期，以工作距离为设计目标，可以通过调节曲率半径的初始值和后截距的初始值来获得设定的工作距离。由于实际制作出的第一微透镜104的曲率半径不可避免的存在一定的误差，当制作出的第一微透镜104的曲率半径与设计的曲率半径初始值相比，存在一定的误差，例如稍偏离了或稍改变了，则可能会造成第一微透镜104的工作距离不符合设定的工作距离。为了弥补该缺陷，相应地，可以调节后截距，直至第一微透镜104的工作距离符合设定的工作距离。此外，在完成调节后截距之后，可以在间隙114中填充介质，例如树脂粘合胶、油、硅和石英等各种玻璃介质，也可以在间隙114中不填充任何介质，间隙114中可以直接是空气。若间隙114中填充了介质，则填充的上述的各种介质由于折射会对光信号的传播有一定的影响，且填充介质需要在间隙114的外围点胶，会对光信号有损耗，同时，由于填充的介质存在热胀冷缩，会导致固定不牢靠；相反地，若该间隙中直接是空气，则不会存在上述缺陷。同理，单光纤尾纤107与第二微透镜108之间也可以存在一定间隙117，具体可以参照上述双光纤尾纤103与第一微透镜104之间设定间隙114的分析。

在一种可能的实现方式中，如前所述的双光纤尾纤103与第一微透镜104具有预定斜角。

具体地，如图2a～2d所示，双光纤尾纤103与第一微透镜104之间具有预定斜角，即双光纤尾纤103的右端面可以是抛光成带有一定倾角例如8.00度的斜面，相应地，第一微透镜104的左端面也应该抛光成带有一定倾角例如8.00度的斜面。需要注意的是，尽管本发明实施例中，将双光纤尾纤103的右端面设置为具有一定斜角的斜面、第一微透镜104的左端面设置为具有一定斜角的斜面，但是本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此，事实上，还可以将双光纤尾纤103的右端面设置为平面、第一微透镜104的左端面也设置为平面。

此外，由于双光纤尾纤103的右端面设置为具有一定斜角的斜面、第一微透镜104的左端面设置为具有一定斜角的斜面，双光纤尾纤103的右端面与第一微透镜104的左端面匹配一致，即：双光纤尾纤103与第一微透镜104互相耦合的端面匹配一致，可以有效降低光信号的反射损耗。

具体地，单光纤尾纤107与第二微透镜108互相耦合的端面也应该和上述双光纤尾纤103与第一微透镜104互相耦合的端面一样匹配一致，如图2a～2d所示，单光纤尾纤107的左端面设置为平面，相应地，第一微透镜104的右端面也应该设置为平面。需要注意的是，尽管本发明实施例中，将单光纤尾纤107的左端面设置为平面、第二微透镜108的右端面也设置为平面，但是本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此，事实上，还可以将单光纤尾纤107的左端面设置为具有一定斜角例如8.00度的斜面、第二微透镜108的右端面设置为具有一定斜角例如8.00度的斜面。

本实施例的光开关，通过可调微镜切换光信号的传输路径，将双光纤尾纤和单光纤尾纤分别设置于可调微镜的两侧实现光信号的输入和输出，可调微镜体积小，能够有效减小光开关的体积，易于集成、对准和封装。在光开关掉电后可调微镜能够返回第一状态，光信号可以从输出光纤中输出，后续系统不会完全瘫痪。

实施例3

图4a和图4b为根据本发明又一实施例的光开关的结构示意图。图4a、图4b中与图2a～图2d标号相同的组件具有相同的功能，为简明起见，省略对这些组件的详细说明。

与图2a、图2b所示的光开关相比，区别在于，图4a、图4b所示的光开关的第一光纤105为输出光纤、第二光纤106为输入光纤、第三光纤109为输入光纤，若可调微镜102处于第一状态，则第三光纤109输出的光信号入射至第一光纤105；若可调微镜102处于第二状态，则第二光纤106输出的光信号反射至第一光纤105。

举例而言，在第一光纤105为输出光纤、第二光纤106为输入光纤、第三光纤109为输入光纤的情况下，若可移动微镜102工作在如图4a所示的水平状态，根据高斯光束的可逆性，从第三光纤109进入的光信号将经过第二微透镜108、第一微透镜104进入第一光纤105并输出，而由于第三光纤109与第二光纤106的横向位置的错位，使得从第二光纤106进入的光信号并不能耦合进第三光纤109，所以也不会对第三光纤109中的光信号造成影响。相应地，若可移动微镜102工作在如图4b所示的垂直状态，从第二光纤106进入的光信号经第一微透镜104出射至可移动微镜102的反射面，可移动微镜102全反射后的光信号经第一微透镜104聚焦至第一光纤105并输出，而由于第三光纤109输入的光信号尽管入射到了可移动微镜102上，但可移动微镜102只有在反射面才镀有反射膜，非反射面对光信号是吸收作用的，使得从第三光纤109输入的光信号并不会反射回第三光纤109，所以也不会对第三光纤109中的光信号造成影响。

需要说明的是，本实施例也可以将上述实施例1中的图2c、图2d所示的光开关中的第一光纤105作为输出光纤、第二光纤106作为输入光纤、第三光纤109作为输入光纤。

本实施例的光开关，通过可调微镜切换光信号的传输路径，将双光纤尾纤和单光纤尾纤分别设置于可调微镜的两侧实现光信号的输入和输出，可调微镜体积小，能够有效减小光开关的体积，易于集成、对准和封装。在光开关掉电后可调微镜能够返回第一状态，光信号可以从输出光纤中输出，后续系统不会完全瘫痪。通过改变入射光和出射光，能够直接制作出双光纤尾纤包括第一光纤为输出光纤和第二光纤为输入光纤、单光纤尾纤包括第三光纤为输入光纤的光开关。

实施例4

图5a和图5b为根据本发明再一实施例的光开关的结构示意图。图5a和图5b中与图2a～图2d、图4a和图4b标号相同的组件具有相同的功能，为简明起见，省略对这些组件的详细说明。

如图5a和图5b所示，图5a和图5b所示的光开关：第一微透镜104可以为自聚焦透镜或凸透镜；第二微透镜108可以为自聚焦透镜或凸透镜。

举例而言，第一微透镜104可以为如图2a～图2d所示的自聚焦透镜（Grin-lens，亦称为渐变折射率透镜），第二微透镜108也可以为如图2a～图2d所示的自聚焦透镜。由于自聚焦透镜的折射率的分布沿径向逐渐减小，从而可以使出射光信号被平滑且连续的汇聚，提高光源与光纤的耦合效率，可以增大光信号的束腰半径、减少光信号的发散角、增加光信号的耦合距离。

举例而言，第一微透镜104可以为如图5a所示的凸透镜（C-lens），第二微透镜108也可以为如图5a所示的凸透镜。若要求第一微透镜104和第二微透镜108表面到可调微镜102表面的工作距离较长或较灵活可调，则第一微透镜104和第二微透镜108可以采用凸透镜，这样可以为可调微镜102的制作提供更大的设计制作空间。

此外，自聚焦透镜和凸透镜这两种透镜的不同之处在于：自聚焦透镜需要通过调整微透镜的材料的组成才能调整其焦距，而调整材料的组成是比较困难的，因此，一般情况下，自聚焦透镜只有几种固定焦距，通过化学沉积、离子交换等方法形成，制作工艺复杂、不成熟且有难度，研发与制作具有新型焦距的自聚焦透镜需要耗费较多的时间，同时，其制作的成本也是比较昂贵的；而凸透镜需要通过调整凸面的曲率半径来调整其焦距，可以通过改变制作中的光刻掩膜板的形状来调整凸透镜的焦距，因此，凸透镜的焦距的可调整的范围比自聚焦透镜的焦距的可调整的范围大，可以在较大的范围内比较灵活的调整凸透镜的焦距；另外掩膜板的制作工艺成熟，制作具有新型焦距的凸透镜方便、高效，这就使得凸透镜比自聚焦透镜更容易获得，在大规模制作时，凸透镜的制作成本比自聚焦透镜的制作成本低。

举例而言，第一微透镜104还可以为如图5b所示的自聚焦透镜，第二微透镜108还可以为如图5b所示的凸透镜。自聚焦透镜的焦点是对应每个光源的，换言之，每个输入光纤分别对应一个焦点例如自聚焦透镜有2个入射光纤，则自聚焦透镜有2个焦点，自聚焦透镜的焦点与输入光纤之间的间距无关，而对于采用凸透镜的光开关，为了提高与双光纤阵列的耦合效率，需要双光纤阵列中对应的光纤尾纤尽量排列紧密，距离凸透镜的中心点（凸透镜的后焦点）越近越好。因此，采用自聚焦透镜的光开关，可以有效提高与双光纤阵列的耦合效率，而采用凸透镜可以有效降低光开关的制作成本。故而，图5b中的光开关是对耦合效率和制作成本的折中方案，只要满足自聚焦透镜和凸透镜的传输矩阵对称即可。本实施例中的光开关的工作原理和上述实施例1～实施例3中的光开关的工作原理相同，具体可以参见实施例1～实施例3的光开关的相关描述。

本实施例的光开关，通过可调微镜切换光信号的传输路径，将双光纤尾纤和单光纤尾纤分别设置于可调微镜的两侧实现光信号的输入和输出，可调微镜体积小，能够有效减小光开关的体积，易于集成、对准和封装。在光开关掉电后可调微镜能够返回第一状态，光信号可以从输出光纤中输出，后续系统不会完全瘫痪。通过改变入射光和出射光，能够直接制作出双光纤尾纤包括第一光纤为输出光纤和第二光纤为输入光纤、单光纤尾纤包括第三光纤为输入光纤的光开关。能够根据光开关的耦合效率和制作成本灵活选取第一微透镜和第二微透镜。

实施例5

图6a～图6d为根据本发明一实施例的光开关阵列的结构示意图，如图6a～图6d所示，该光开关阵列包括至少两个相同结构的光开关；

光开关采用上述实施例1～实施例4中任一个实施例中的光开关；

各个光开关的双光纤尾纤组成双光纤阵列300；

各个光开关的第一微透镜组成第一微透镜阵列301；

各个光开关的可调微镜组成可调微镜阵列302；

各个光开关的单光纤尾纤组成单光纤阵列303；

各个光开关的第二微透镜组成第二微透镜阵列304。

具体地，如图6a～图6d所示，双光纤阵列300与第一微透镜阵列301之间互相耦合的端面可以为平面，单光纤阵列303与第二微透镜阵列304之间互相耦合的端面可以为平面，可以采用第一基底305或第二基底306作为定位基底固定双/单光纤尾纤并形成双/单光纤阵列300，第一基底305或第二基底306可以为槽口凹成V型或U型的板如硅板或金属板，也可以为设置开孔的板如硅板或金属板。设置在半导体硅衬底上的可调微镜阵列302的设置过程与设置在半导体硅衬底上的可调微镜102的设置过程相同，在生产光开关阵列时，可以不改变可调微镜的工艺条件，能够有效简化光开关阵列的生产工艺。光开关阵列中的单个光开关是独立工作、互不影响的，光开关阵列中的单个光开关的工作原理与光开关的工作原理是相同的，具体可以参见上述实施例1～实施例4的光开关的相关描述。

举例而言，第一微透镜阵列301和第二微透镜阵列304中的微透镜可以选择如图6a～图6b所示的自聚焦透镜阵列，由于自聚焦透镜的端面是平面的，便于光学加工，若采用该自聚焦透镜形成微透镜阵列例如第一微透镜阵列301或第二微透镜阵列304，可以不进行进一步的加工就可以直接使用整块的自聚焦透镜。

此外，自聚焦透镜可以有很多个焦点，其焦点的位置不固定，仅与光纤相对于自聚焦透镜平面的位置有关，即每个输入光纤分别对应一个焦点，则在制作双光纤阵列300时，可以不用严格要求第一光纤和第二光纤的摆放位置，降低了这两个光纤的摆放位置的精确度对耦合效率的影响，相应地，也降低了光开关阵列的对准和封装难度。

举例而言，第一微透镜阵列301和第二微透镜阵列304中的微透镜也可以选择如图6c所示的凸透镜阵列。为了提高第一微透镜阵列301与双光纤阵列300的耦合效率，需要双光纤阵列300中对应的光纤尾纤尽量排列紧密，距离凸透镜的中心点（凸透镜的后焦点）越近越好。

举例而言，第一微透镜阵列301中的微透镜还可以选择如图6d所示的自聚焦透镜阵列，第二微透镜阵列304中的微透镜还可以选择如图6d所示的凸透镜阵列。综合考虑耦合效率和制作成本，可以选择第一微透镜阵列301中的微透镜为自聚焦透镜、第二微透镜阵列304中的微透镜为凸透镜。

进一步地，光开关阵列的封装过程是光开关阵列的各个组成部分例如双光纤阵列300、第一微透镜阵列301、可调微镜阵列302等分别制作完成后，将阵列形式的组成部分进行统一的对准，再进行整体的封装。不需要对光开关的各个组成部分分别对准，集成为光开关阵列时，再依次对准，因此，本发明实施例的光开关易于对准和封装。同时，由于双光纤阵列300与单光纤阵列303分别位于可调微镜阵列302的两侧，可以有效减小光开关阵列的体积。

此外，需要注意的是，尽管本实施例如图6a～图6d所示的是双光纤阵列包括第一光纤105为输入光纤和第二光纤106为输出光纤、单光纤阵列包括第三光纤109为输出光纤的光开关阵列，但本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此，事实上，本发明也可以是双光纤阵列包括第一光纤105为输出光纤和第二光纤106为输入光纤、单光纤阵列包括第三光纤109为输入光纤的光开关阵列，具体可以参见上述实施例3的光开关的相关描述。

本实施例的光开关阵列，通过可调微镜阵列切换光信号的传输路径，将双光纤阵列和单光纤阵列分别设置于可调微镜阵列的两侧实现光信号的输入和输出，可调微镜阵列体积小，能够有效减小光开关阵列的体积，易于集成、对准和封装。在光开关阵列掉电后可调微镜阵列能够返回第一状态，光信号可以从输出光纤中输出，后续系统不会完全瘫痪。通过改变入射光和出射光，能够直接制作出双光纤阵列包括第一光纤为输出光纤和第二光纤为输入光纤、单光纤阵列包括第三光纤为输入光纤的光开关阵列。能够根据光开关阵列的耦合效率和制作成本灵活选取第一微透镜阵列和第二微透镜阵列。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光开关，其特征在于，包括：

双光纤准直器、单光纤准直器和可调微镜，所述可调微镜设置在所述双光纤准直器与所述单光纤准直器之间；

所述双光纤准直器包括双光纤尾纤和第一微透镜，所述双光纤尾纤包括第一光纤和第二光纤；

所述单光纤准直器包括单光纤尾纤和第二微透镜，所述单光纤尾纤包括第三光纤；

在所述第一光纤为输入光纤、所述第二光纤为输出光纤、所述第三光纤为输出光纤的情况下，若所述可调微镜处于第一状态，则所述第一光纤输出的光信号入射至所述第三光纤，若所述可调微镜处于第二状态，则所述第一光纤输出的光信号反射至所述第二光纤；

在所述第一光纤为输出光纤、所述第二光纤为输入光纤、所述第三光纤为输入光纤的情况下，若所述可调微镜处于第一状态，则所述第三光纤输出的光信号入射至所述第一光纤，若所述可调微镜处于第二状态，则所述第二光纤输出的光信号反射至所述第一光纤。

2.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，还包括：

调节器，用于将所述可调微镜调整为所述第一状态，或将所述可调微镜调整为所述第二状态。

3.根据权利要求2所述的光开关，其特征在于：

所述第一状态为水平状态或缩回状态，所述第二状态为垂直状态或伸出状态；

所述调节器用于控制所述可调微镜的转动或平移，将所述可调微镜转动为所述水平状态或平移为所述缩回状态，或者将所述可调微镜转动为所述垂直状态或平移为所述伸出状态。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光开关，其特征在于，所述可调微镜为二维微机电系统微镜。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光开关，其特征在于，

所述第一微透镜为自聚焦透镜或凸透镜；所述第二微透镜为所述自聚焦透镜或所述凸透镜。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光开关，其特征在于，

所述双光纤准直器还包括第一基底，所述第一基底用于固定所述第一光纤和所述第二光纤，所述第一光纤和所述第二光纤在所述第一基底上中心对称排列；

所述单光纤准直器还包括第二基底，所述第二基底用于固定所述第三光纤。

7.根据权利要求6所述的光开关，其特征在于，所述第一基底包括：槽口凹成V型或U型的板，或设置开孔的板；所述第二基底包括：槽口凹成V型或U型的板，或设置开孔的板。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光开关，其特征在于，所述双光纤尾纤与所述第一微透镜之间存在一定间隙，所述单光纤尾纤与所述第二微透镜之间存在一定间隙。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的光开关，其特征在于，所述双光纤尾纤与所述第一微透镜具有预定斜角。

10.一种光开关阵列，其特征在于，包括至少两个相同结构的光开关；

所述光开关采用如权利要求1至9中任一项所述的光开关；

各个所述光开关的双光纤尾纤组成双光纤阵列；

各个所述光开关的第一微透镜组成第一微透镜阵列；

各个所述光开关的可调微镜组成可调微镜阵列；

各个所述光开关的单光纤尾纤组成单光纤阵列；

各个所述光开关的第二微透镜组成第二微透镜阵列。