CN104345395B

CN104345395B - N×n光学开关

Info

Publication number: CN104345395B
Application number: CN201410310763.6A
Authority: CN
Inventors: S.J.弗里斯肯
Original assignee: Finisar Corp
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2019-09-06
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: US9575259B2; CN104345395A; US20150331198A1

Abstract

本发明涉及N×N光学开关。本文描述的是用于在多个光纤之间切换光束的交叉连接型光学开关（例如1）的各种实施例。开关1包括四个输入/输出光纤库（3、5、7和9）。每个光纤库包括用于连接多至二十个光纤的连接器端口的阵列（11、13、15和17），以供投射输入光束和接收输出光束。每个光纤库还包括对应的微机电反射镜（MEM）的阵列（19、21、23和25），其被安置成接收输入光束并将光束导向至所连接的输出光纤。光学互连件（27）布置在MEM阵列之间。互连件27基于特定的MEM反射镜角度沿着第一MEM反射镜和第二MEM反射镜之间的预限定的轨道单独地操纵每个经导向的光束。

Description

N×N光学开关

技术领域

本发明涉及光学开关，并且特别地，涉及光学交叉连接开关。虽然本文将特别参照数据中心应用的情境中的交叉连接开关来描述一些实施例，但将领会的是，本发明不限于此类使用领域，而适用于更广泛的情境中，诸如数据中心之外的光学网络。

背景技术

贯穿说明书的背景技术的任何讨论决不应视为如下内容的许可：此类技术是广知的或者形成本领域的公知常识的部分。

随着诸如视频点播、移动数据和云计算之类的信息技术的持续发展，数据业务量快速增长。该数据通过位于世界各地的数据中心的网络来存储和路由。数据中心包括由开关或交叉连接件和路由电缆而互连的数据服务器的库，所有都被包含在安全的、温度受控的环境内。当前的数据中心和网络架构在跟上数据需求方面的该增长中常常面临困难，从而导致信息瓶颈。

使用光纤的数据路由是数据中心中的主要传送介质，这是因为其较高的数据速率能力、低损耗、低功率和减少的热消耗。光学网络内的光纤之间的切换通常由光学交叉连接开关（光学交叉连接件）来执行。然而，被用于外部光学网络中的常规的光学交叉连接件通常对于数据中心内的内部使用而言是不实用的，这是因为它们的大尺寸和高成本。光学交叉连接件的尺寸通常受开关中的准直光学器件和开关式反射镜的阵列的填充因子所限制。此外，交叉连接件的尺寸和成本通常随着输入和输出光纤端口数量的增加而按比例增加。

已知用于提供光学数据路由的其它技术，包括使用自由空间传播中的反射镜阵列的矩阵来导向光束。然而，光束具有大直径以允许在可容许的损耗水平的情况下跨自由空间的传播。另一种切换技术涉及使用压电式光束转向设备。该技术的示例被公开在标题为“Optical Switch”并且被分配给Polaris Limited的美国专利申请公开号2008/0253715中。这些设备实现了低损耗但不具有小的形状因子并且因此难以使其紧凑。波导和MEM铰链反射镜、以及“泡状”全内反射开关同样可用，但还未交付实用的结果。

存在对于在尺寸方面紧凑并且适于在诸如数据中心的环境中使用的改进的光学交叉连接件的需要。

发明内容

本发明的目的在于以其优选形式提供紧凑的、低成本的光学交叉连接件。

根据本发明的第一方面，提供有一种光学开关，包括：

a)多个输入光学端口，其至少在第一维度上空间地分离以供投射光束；

b)多个输出光学端口，其至少在第一维度上空间地分离以供接收光束；

c)多个转向元件，其配置为在第一维度上以预定角度沿着输入和输出光学端口之间的切换轨道选择性地转向光束；以及

d)角度到偏移转换单元，其被对称地安置在输入和输出光学端口之间并且被配置为将预定角度转换成对应的空间偏移，以供将光束导向到所选的光学端口中。

优选地，开关包括布置在转向元件之间的用于至少部分地限定切换轨道的光学互连件。

角度到偏移转换单元优选地包括具有第一维度上的光功率并且在光学互连件周围对称地布置的一对柱状透镜。

这对柱状透镜优选地限定复合透镜系统。复合透镜系统优选地具有焦距f，并且互连件被布置为离转向元件基本上f/2的距离。转向元件优选地包括被配置为以多个倾斜角度可机电地倾斜以供沿着切换轨道来导向光束的微机电反射镜（MEM）。

输入和输出光学端口优选地被设置成多个端口阵列，并且MEM可在第二维度上以与开关中的光学端口阵列的数量对应的多个倾斜角度倾斜。MEM反射镜优选地可在第一维度上以与每个端口阵列中的光学端口的数量对应的多个倾斜角度而倾斜。MEM反射镜在第二维度上的倾斜角度优选地将光束导向至从多个端口阵列所选的光学端口阵列，并且MEM反射镜在第一维度上的倾斜角度优选地选择空间偏移以将光束导向至所选的端口阵列内的所选的输出光学端口。

开关优选地包括具有第二维度上的光功率的第二对柱状透镜，以供通过第二维度上的光学互连件使输入光束准直。第二对柱状透镜中的每个透镜优选地具有是f的一半长度的焦距f₂（f₂=f/2）。

互连件优选地包括用于至少部分地限定切换轨道的多个反射性元件。互连件优选地包括分别限定互连件的第一和第二侧的两个可相对的面，所述第一和第二侧从开关的光轴垂直延伸。

光学端口阵列相对于光轴优选地布置在接口的第一或第二侧上。优选地，至少一个光学端口阵列被布置成离开光轴。优选地，针对光轴以一定角度来布置至少一个光学端口阵列。更优选地，至少一个光学端口阵列被布置成垂直于光轴。

开关优选地包括至少一个光学耦合设备，以供从被布置成离开光轴的端口阵列沿着光轴导向光束。至少一个耦合设备优选地包括反光镜。

每个端口阵列中的相邻端口优选地在第二维度上相对于彼此物理地偏移。

在一个实施例中，开关包括四个光学端口阵列。在另一个实施例中，开关包括六个光学端口阵列。每个光学端口阵列优选地包括20个光学端口。

MEM优选地被设置成对应的多个MEM阵列，并且每个MEM阵列优选地与对应的端口阵列相关联，每个MEM阵列包括用于端口阵列中的每个光学端口的MEM反射镜。

每个光学端口阵列的光学端口的第一子集优选地被配置用于输入来自光纤的光束，并且每个光学端口阵列的光学端口的第二子集优选地被配置用于将光束输出到光纤。

根据本发明的第二方面，提供有一种将一系列的光学输入连接到一系列的光学输出的光学交叉连接件，所述交叉连接件包括：

至少第一组输入/输出单元，其基本上位于第一水平面中；

至少第二组输入/输出单元，其基本上位于与第一水平面间隔开的第二水平面中；

输入/输出单元中的每个具有一系列的光学输入/输出端口；

角度到偏移转换单元，用于将一系列的角度投射信号转换为对应的平行偏移信号；

切换矩阵单元，具有一系列的输入区域和一系列的输出区域，每个区域被划分成延长的切换行，其中每个延长切换行从角度到偏移转换单元接收平行偏移信号并且利用预定的互连件将信号从第一切换行互连到第二切换行，从而互连跨不同水平面的延长切换行。

根据本发明的第三方面，提供有一种切换矩阵单元，包括：

至少第一和第二延长的输入区域，所述输入区域在基本上平行的平面上间隔开；每个输入区域进一步被划分成一系列的延长切换行，以及

光学互连件，其将延长切换行与预定的其它延长切换行互连。

光学互连件优选地提供输入到输入区域的光信号之间的完全交叉连接。

输入的光信号优选为基本上准直、基本上平行的输入光束。进入第一切换行的光信号优选地在第二延长切换行处输出。

切换矩阵单元优选地在空间上是可逆的，其中进入第二延长切换行的光信号在第一切换行处输出。

切换矩阵单元进一步优选地包括与第一延长输入区域相对的第三延长输入区域、与第二输入区域相对的第四延长输入区域，每个输入区域被划分成一系列的延长切换行，其中切换行彼此互连。

切换行的数量优选为四个并且延长输入区域的数量优选为两个。

贯穿本说明书，对“一个实施例”、“一些实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例所描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的各个地方中的短语“在一个实施例中”、“在一些实施例中”或“在实施例中”的出场未必都指代相同的实施例，但可以指代相同的实施例。此外，如将根据本公开而对本领域技术人员显而易见的那样，在一个或多个实施例中，特定的特征、结构或特性可以采用任何合适的方式来组合。

如本文所使用的，除非另有规定，为描述共同对象而使用次序性形容词“第一”、“第二”、“第三”等仅仅指示提及相似对象的不同实例，并且并不意在暗示如此描述的对象必须在时间上、空间上、排名方面或以任何其它方式采用给定的顺序。

在本文的以下权利要求书和描述中，术语“包含”、“包含有”或“其包含”中的任一者都是开放性术语，其意味着至少包括跟着的元件/特征，但不排除其它。因此，当在权利要求书中使用时，术语“包含”不应当解释为限于随后列出的器件或元件或步骤。例如，“包含A和B的设备”表达的范围不应当限于仅由元件A和B构成的设备。如本文所使用的术语“包括”或“其包括”或“它包括”中的任一者也是开放性术语，其同样意味着至少包括跟着该术语的元件/特征，但不排除其它。因此，包括与包含同义并且意味着包含。

附图说明

现在将仅以示例的方式参照附图来描述本发明的优选实施例，在所述附图中：

图1图示了根据第一实施例的光学开关的示意性平面视图；

图2图示了示出由于MEM反射镜的不同反射镜角度而产生的示例性光束轨道的供图1的开关中使用的光学互连件的侧视图；

图3图示了沿着图1的线A-B取得的图1的光学开关的示意性横截面图；

图4图示了图1的开关的透镜和光纤库的三个示意性侧视图，以及示例性光束轨道；

图5图示了根据第二实施例的具有在一百二十个光纤之间切换光束的能力的光学开关的示意性平面视图；以及

图6图示了供图5的开关中使用的光学互连件的侧视图。

具体实施方式

概述

参照图1，提供有一种用于在八十个光纤之间切换光束的交叉连接型光学开关1。开关1包括四个输入/输出光纤库3、5、7和9，以供使得能够实现光纤到开关1的连接。每个光纤库包括光纤连接器端口的阵列11、13、15和17，其包括用于连接多达二十个光纤（如箭头示意性地图示）的光纤v形槽阵列和微透镜，以供投射输入光束和接收输出光束。在图示的实施例中，光纤被分成两组十个光纤，其中一组被配置用于输入光束并且另一组被配置用于输出光束。为了简便起见，仅示出十二个光纤（六个输入光纤和六个输出光纤）。在其它实施例中，使用输入和输出光纤的不同设置，包括交替的输入和输出光纤。

每个光纤库3、5、7和9还包括采用微机电反射镜（MEM）阵列19、21、23和25的形式的对应的转向元件的阵列。安置MEM以接收从所连接的输入光纤输入的光束，并且以将输出光束导向回到所连接的输出光纤。光纤库被配置为接收具有250μm的光纤间隔（间距）的常规带状光纤。然而，在其它实施例中，光纤库被配置为接收具有其它间距的光纤的阵列或者配置为接收单独的光纤。每个MEM阵列包括二十个矩形MEM反射镜（再次，仅为了简便起见而示出十二个），并且每个反射镜与关联的光纤库中的对应的光纤相关联。在其它实施例中，开关1包括光纤和MEM反射镜的更多或更少的阵列，以及每库/阵列更多或者更少的光纤和MEM反射镜。

每个MEM阵列11、13、15和17的反射镜被配置为在两个维度上以预限定的倾斜角度可机电地倾斜，以在不同光纤库的或相同光纤库内的不同光纤之间路由光束。在第一维度（图1中的x-z平面）上，MEM反射镜以一定角度可倾斜，以将光束导向至预定的光纤库。（x-z平面中的）该切换轴将被称为“阵列切换轴”。在第二维度（图1中的y-z平面）上，MEM反射镜以一定角度可倾斜，以将光束导向至预定的光纤库内的特定光纤。（y-z平面中的）该切换轴将被称为“阵列内切换轴”。

由光束穿过的MEM反射镜之间的特定轨道部分地由布置在MEM阵列之间的光学互连件27所限定。互连件27基于特定的MEM反射镜角度沿着第一MEM反射镜和第二MEM反射镜之间的预限定的轨道单独地操纵每个经导向的光束。

MEM阵列

仍然参照图1，MEM反射镜在阵列切换轴和阵列内切换轴这二者上以多个预限定的倾斜角度可倾斜。MEM反射镜的机械倾斜控制由沿着相应的电控制线从控制系统29发送到每个反射镜的电控制信号来提供。特定角度被编码成使得其将光束导向至预定的光纤库并且然后导向至预定的光纤库内的特定光纤。在阵列切换轴上，经编码的预限定的切换角度的数量与开关中的光纤库的数量相等，尽管用于不同光纤库之间的MEM反射镜的特定倾斜角度可以不同。在开关1具有四个光纤库3、5、7和9的情况下，阵列切换轴上的反射镜倾斜角度的数量为四个。在阵列切换轴上的倾斜基于倾斜角度将光束沿着预定轨道导向至特定光纤库。也就是说，第一维度上的每个MEM反射镜角度将光束从关联的光纤引导至四个光纤库3、5、7和9之一，包括导向回到原始的光纤库。以示例的方式，以角度（3.5°，1.5°）倾斜MEM反射镜可以将光束导向至光纤库5中的阵列中的第五个光纤，而以角度（5.0°，3.0°）倾斜该反射镜可以将光束导向至光纤库7中的阵列中的第八个光纤。

在阵列内轴上，MEM反射镜以与每个光纤库中的光纤的数量对应的多个预限定的倾斜角度可倾斜。在开关1的情况下，角度的数量是二十个。在第二维度上的倾斜将光束沿着预定轨道导向至由第一维度上的反射镜倾斜所选的光纤库的预定光纤。以此方式，来自任何一个光纤的光束能够通过使MEM反射镜在两个维度上适当倾斜而被引导（address）到任何其它光纤。

开关1中的MEM反射镜基本上是矩形的并且被布置在阵列中，以使得它们的长边如钢琴键那样彼此邻近。矩形形状允许反射镜的紧密封装提供有效的高填充因子设计。将领会，开关1可与非矩形的MEM反射镜一起操作。然而，在后面这些实施例中，替代的MEM形状固有地导致较低的填充因子和总体较大尺度的开关。

在一些实施例中，光纤库内的邻近的光纤连接在x轴上是偏移的，以向相邻光纤提供附加的端口隔离。在这些实施例中，MEM反射镜在阵列切换轴上的倾斜考虑到该偏移。

互连件

参照图2，图示有示出从MEM反射镜31的不同反射镜角度出现的示例性光束轨道的图1的互连件27的简化侧视图。互连件27包括用于接收光束并且将光束传送到光纤库3和7的第一面33，以及用于接收和传送来自光纤库5和9的光束的第二面35。

跨互连件27的面33和35而为发源自不同光纤库的光束分配指定区域。为了提供这种空间的分离，互连件27被划分成两个竖直区域：上部区域37和下部区域39，如图2中所图示的，它们在x维度上竖直地分离。此外，光纤库3和5相对于光纤库7和9竖直地偏移。这种竖直偏移能够在图3中观察到，图3图示了沿着图1的线A-B取得的开关1的水平横截面。

返回图2，上部区域37负责将光束耦合到和耦合自上部光纤库3和5。类似地，下部区域39负责将光束耦合到和耦合自下部光纤库7和9，所述下部光纤库7和9竖直地位移在库3和5的下部平面上。具体地，发源自库3的光束在上部区域37的第一面33处击中（strike）互连件27。类似地，退出上部区域37的第一面33的光束将被导向朝向光纤库5。在库5处发源和结束的光束击中上部区域37的面35并且从上部区域37的面35出现。在库7处发源和结束的光束击中下部区域39的面33并且从下部区域39的面33出现。最终，在库9处发源和结束的光束击中互连件27的下部区域39的面35并且从互连件27的下部区域39的面35出现。

为了限定面33和35之间的每个轨道，互连件27包括反射性元件（例如，41、42、44和46），其沿着预限定的路径将光束反射并导向通过互连件27。如图2中所示，由光束穿过的特定轨道依赖于MEM反射镜31的倾斜角度。虽然未示出，但反射镜31在阵列内切换轴（y-z维度）上的倾斜也改变光束通过互连件27的轨道。互连件27由四个延长的、竖直延伸的平行切换行30、32、34和36形成。诸如41的反射性元件安置在四个行中的每个内并且以不同角度定向，来以90°在其它方向上或者以180°背对光束自身而导向光束。行被划分成竖直地分开的平行输入区域，通过该区域反射性元件的矩阵限定切换路径或轨道，以供在开关1中的任何两个光纤之间耦合光束。

图2中的粗线图示了基于第一维度上的四个预限定的倾斜角度的从光纤库3的MEM反射镜31到开关1中的每个光纤库的光束的示例性轨道。

将领会，反射性元件的其它配置能够限定通过互连件27的不同轨道。特别地，将领会，反射性元件能够在x、y或z维度中的任一者上将光束导向通过互连件27。

从互连件27输出之后，与接收光纤对应的MEM反射镜倾斜以将入射光束耦合到对应的指定输出光纤中。将领会，所图示的轨道和反射性元件（诸如元件41）的配置仅为示例性的，并且轨道的数量和设置依赖于开关布局和光纤库的数量和位置。

开关布局和耦合光学器件

返回图1，图1的开关设计的核心是考虑尺寸和紧凑性。为了提供紧凑的开关设计，包括各种耦合光学器件。包括互连件27和MEM阵列19、21、23和25的各种元件安装在延伸在水平的阵列内切换平面中的基本上平面的公共衬底43上。在一个示例性实施例中，衬底43具有大约40×30×5mm的外部维度。除了支撑光学元件之外，衬底43包括电互连件以供向MEM反射镜供电并在控制系统29与MEM反射镜之间提供控制信号。

如图1和2中所示，被包括在耦合光学器件中的是多个导向元件45、47、49和51、耦合棱镜53、55、57和59、棱镜61、63、65和67、以及采用柱状透镜69、71、73、75、77和79的形式的光功率元件。以下描述了各种耦合光学器件的操作。

透镜69和71是具有曲率和阵列内轴上的光功率的柱体。透镜69和71具有相似的维度和性质，并且在互连件27周围对称地布置。透镜69和71的组合操作为开关1中的角度到偏移转换单元。特别地，透镜69和71一起充当复合傅里叶透镜，以将输入光束角度转换成阵列内轴上的对应空间偏移。光束的输入角度由对应的输入MEM反射镜的倾斜角度控制，并且传播通过透镜69和71这二者之后的对应空间偏移将光束导向至输出光纤的预定MEM反射镜上。在一些实施例中，透镜69和71被配置成还将光束垂直地导向至接口27上。

如图2中最佳显示的，透镜73、75、77和79是具有曲率和阵列切换轴上的光功率的柱体，并且用来使输入光束在阵列切换轴上准直通过互连件27。透镜73与传播到和传播自光纤库3的光束相关联，并且位于离库3的MEM反射镜大约一个焦距。类似地，透镜75与传播到和传播自光纤库5的光束相关联，并且位于离库5的MEM反射镜大约一个焦距。通过互连件27，光束在阵列切换轴上聚焦并且在阵列内切换轴上准直。

在一些实施例中，除了使得能够实现角度到偏移的切换之外，透镜69和71还用来将光束的半径界定并且甚至重新成形为预限定的参数。在一个实施例中，透镜69和71将光束界定到大约85μm的半径，以供传播通过互连件27。在其它实施例中，透镜69和71被配置成将光束界定到其它半径。

透镜69和71均优选地具有大约29.2mm的焦距。在开关1中，透镜形成透镜对或复合透镜系统，并且透镜系统透镜对在阵列内切换轴上的组合的焦度提供了大约14.6mm的有效焦距。这允许光纤库与互连件27之间的路径长度为大约15mm，并且开关1的总长度（在z维度上）被限于大约40mm。开关1的宽度（在y维度上）小于其长度（大约30mm），这是因为在z和y维度之间由棱镜65和67来划分到光纤库7和9的光束路径。

透镜73、75、77和79均具有大约14.6mm的有效焦距并且充当为对称对，原因在于在从互连件27出现之后首先通过一个透镜的光束首先被准直然后被第二透镜聚焦以供传播到输出光纤阵列。如图3中所示，透镜73和75、以及透镜77和79位于竖直分离的光学平面或层上。这允许光纤库间隔得更紧密以提供更紧凑的开关设计。每个光学平面的高度（在x维度上）为大约2mm，并且开关1的总高度为大约5mm。

将领会，在其它实施例中，开关1能够在尺寸上按比例放大或缩小，从而具有更大或更小的物理维度。还将领会，在其它实施例中，开关1包括其它光功率元件，诸如执行与透镜69、71、73、75、77和79等价功能的曲面镜。

设备的操作

现在将参照图1中示出的示例性切换路径81和83来描述开关1的操作。切换路径81在示例性光纤85和87之间切换光束。切换路径83在示例性光纤89和91之间切换光束。将领会，光束能够类似地被导向通过其它路径，以在连接到开关1的其它光纤之间单独地切换光束。

首先跟着路径81，光束从光纤85出现，穿过阵列11的对应连接器端口和微透镜并且入射到阵列19中的对应MEM反射镜93上。反射镜93由控制信号预配置成基于所期望的输出光纤库和该库中的输出光纤的位置来在第一和第二维度上以预定角度倾斜。控制信号从电耦合到开关的控制系统29发送，并且通过衬底43中的电互连件到每个MEM反射镜。响应于切换输入请求（并且在光束到达MSM反射镜之前），控制系统29访问与MEM反射镜93对应的查找表，提取所需的倾斜数据并且将控制信号发送到反射镜93，以在第一和第二维度这二者上倾斜反射镜，以将光束引导至指定的输出光纤87。控制系统29可访问用于开关1中的每个其它MEM反射镜的类似查找表。在一些实施例中，控制系统29是直接连接到开关1的本地处理器。在其它实施例中，控制系统29包括通过以太网电缆、USB电缆、Wi-Fi或其它通信介质和协议连接到外部处理器或计算机的本地微控制器。在后面这些实施例中，微处理器被配置成执行从处理器或计算机接收到的控制指令。

现在参照图3，MEM反射镜位于衬底43上并且竖直地面对。因此，对MEM反射镜在阵列切换轴和阵列内切换轴上倾斜的提及分别指的是x-z和y-z平面中的光束轨道中的结果所得的改变。为了使来自光纤85的水平传播光束竖直地转移到MEM反射镜93上，光束入射到位于反射镜93之上的导向元件45上。导向元件45沿着光纤库5的长度延伸以供使得能够实现向和从库中的每个光纤的光束的导向。导向元件在横截面上是三角形的，并且包括用于将光束向下导向至反射镜93上的第一成角度表面95和用于导向从水平维度上的反射镜93向上反射的光束的第二成角度表面97。对应的导向元件被包括在开关1的每个光纤库中。

如图1中最佳示出的，在从光纤库3出现之后，光束被传送通过玻璃耦合棱镜53，其在阵列内切换维度上调整光束的轨道以供耦合通过光学系统。耦合棱镜53还校正返回到光纤库3的光束的轨道，以使得它们与对应的输出光纤对齐地返回。对应的耦合棱镜55、57和59与开关1中的其它光纤库相关联。

跟着路径81的光束接下来通过由玻璃材料形成的棱镜61。为了将光束正确地转向到库3中的光纤以及使开关1中的各个切换路径的路径长度匹配的目的，而包括棱镜61。导向至光纤库3或者从光纤库3导向的所有光束必须通过棱镜61。光纤库5、7和9均具有对应的棱镜63、65和67，其执行与棱镜61类似的功能。然而，如以下将描述的，棱镜65和67还使来自离轴的光纤库7和9的光束改方向。

在穿过棱镜61之后，光束通过透镜69，其位于离每个光纤库中的MEM反射镜大约一半透镜69和71（每个具有的焦距）的焦距的距离处。更具体地，互连件27位于离每个光纤库的MEM反射镜大约一半透镜69和71的焦距，并且透镜69和71紧密接近于互连件27。透镜69和透镜71的组合焦度限定大约14.6mm的有效焦距，并且透镜用来将阵列内切换轴（图1中的y-z平面）上的光束的角度轨道转换为该轴上的空间偏移（角度到偏移转换）。在其中光束轨道从互连件27反射回的情况中，光束再次通过相同的透镜，从而提供与通过两个透镜等价的二次通过功能。因此，光学路径是独立于光束轨道而对称的。

透镜69和71的操作是开关1的操作的核心并且参照图4而描述，图4示意性地图示了光纤库3和5之间的示例性轨道。为了简便起见，除了透镜69和71以及涉及光纤库3和5的那些之外，在图4中省略了开关1的所有光学元件。将领会，透镜的等价功能在其它光纤库之间发生。

实际上，MEM反射镜在阵列内切换轴上的倾斜角度限定光束将被导向至的指定阵列内的特定光纤。此外，引导特定输出光纤的倾斜角度对于阵列中的每个MEM反射镜而言是共同的，而独立于输入光纤在阵列中的位置。这在图4的画板A)到C)中图示。在画板A)中，来自库3中的六个不同输入光纤的光束被导向至库5中的单个输出光纤98。为了完成此，每个MEM反射镜被设为针对光纤98的倾斜角度。类似地，在画板B)中，来自库3中的相同六个输入光纤的光束被导向至库5中的第二输出光纤100。在该情况下，每个MEM反射镜被设为针对光纤100的倾斜角度。最后，在画板C)中，来自库3中的相同六个输入光纤的光束被导向至库5中的三个不同输出光纤；光纤98、100和第三输出光纤102。光纤102具有关联的MEM反射镜倾斜角度。在画板C)中，由三个不同开关角度所限定的轨道利用不同的线条式样来指定。如所示出的，三个开关角度、和转移到三个相异的输出光纤。

在相应输出光纤处，输出MEM反射镜被配置成以对应的倾斜角度倾斜，以高效地将光束垂直耦合到关联的输出光纤中。在切换过程中，透镜69和71以及MEM反射镜一起形成开关1的主要切换元件。可倾斜MEM反射镜的电子控制将切换角度强加到光束上，并且透镜69和71的光功率将该切换角度转换为空间偏移。将领会，该切换过程甚至能够在不具有互连件27的情况下执行，并且开关1的实施例存在于不需要互连件27的情况下。

如图2和3中所示，在入射到互连件27上之前，光束通过另外的透镜73。透镜73用来使光束在阵列切换维度（图1中的x-z平面）上准直，以供以小的束腰传播通过互连件27。如图2中所图示的，被导向至光纤库5的光束沿着预定路径通过互连件27。在所图示的实施例中，路径是直的。然而，在其它实施例中，路径可以包括由于互连件27内的反射性元件（诸如元件41、42、44或46）的一个或多个改方向。

因为光束发源自光纤库3，所以它在左面33的上部区域37中击中互连件27。光束被导向至光纤库5，因此它在右面35的上部区域37中退出互连件。如图1中所示，在退出互连件27之后，沿着路径81行进的光束通过透镜75和透镜71、棱镜63和耦合棱镜55以及导向元件47，它们执行与以上描述的等价元件类似的对称功能。在由控制系统29以预限定的倾斜角度来设定以使得将光束导向至输出光纤87中的对应的MEM反射镜99处，接收光束。

沿着切换路径83的开关的操作与关于切换路径81所描述的操作很大程度上类似。然而，存在以下描述的一些差别。

再次参照图1，为了提供紧凑的开关设计，光纤库7和9被布置成垂直于互连件27的面33和35。此外，如图3中所示，光纤库7和9与光纤库3和5竖直地偏移，其中棱镜65和67分别直接布置在棱镜61和63之下。为了确保传到或传自光纤库7和9的光束被正确地导向通过互连件27，棱镜65和67包括相应的导向表面101和103。表面101和103均以45°与相应的光纤库和互连件27成角度，并且包括反射性涂层，以供将从光纤库7和9出现的光束分别导向到互连件27上，并且类似地以供将来自互连件27的光束导向至光纤库7和9。

在其它实施例中，光纤库7和9沿着z轴位于光纤库3和5下方。在这些实施例中，导向表面101和103在x-z平面中以45°成角度，以竖直地沿着z轴导向光束。

如图2中所示，传播到或传播自下部光纤库7或9的光束被导向通过互连件27的下部区域39。因此，沿着路径83传播的光束在右面35的下部区域39处进入互连件，并且在左面33的下部区域39处退出。切换路径83中的其它光学元件如以上关于路径81所描述的那样操作。

因此将领会，对应的切换路径在连接到开关1中的任何光纤库的任何两个光纤之间是可能的。

120×120光纤实施例

将领会，开关1的配置能够升级或降级以包括在更多或更少的光纤之间切换的能力。现在参照图5，图示有具有在一百二十个光纤之间切换光束的能力的光学开关105的第二实施例。在图5中，开关1的对应特征被指定相同的附图标记。采用两个附加光纤库107和109来提供优于开关1的开关105的附加的光纤切换能力，其每个包括连接二十个光纤的能力。为了引导两个附加的光纤库107和109，每个MEM反射镜可电控制以在阵列切换维度上以六个角度倾斜；针对存在于开关105中的六个光纤库的每个以一个角度。光纤库107和109包括相应的连接器端口阵列18和20，以及MEM反射镜阵列26和28。

光纤库107和109位于被竖直地布置在光纤库7和9之下的开关105的第三水平面或层中。导向元件111和113、耦合棱镜115和117、以及棱镜119和121也布置在具有光纤库107和109的下层上。像棱镜65和67一样，棱镜119和121包括相应的反射性导向表面123和125，以供在光纤库107和109与互连件27之间导向光束。针对z轴以45°来布置表面123和125，并且所述表面123和125垂直于表面101和103。

现在参照图6，图示有用于在开关105中使用的互连件126的侧视图。互连件126包括三个竖直分离的区域：如开关1的互连件27中的区域37和39；以及位于具有光纤库107和109的第三水平面上的下部区域127。与区域37和39一样，区域127在区域的每一侧上具有对应的一对柱状透镜129和131。如所示的，每个区域负责将光束导向到或导向自不同的光纤库。与图2的互连件27一样，区域37和39将光束导向至光纤库3、5、7和9。区域127将光束导向到和导向自光纤库107和109。在图6中示出从光纤库107到每个其它光纤库的示例性光束路径。

开关105的维度稍微大于开关1的维度。特别地，开关105具有比开关1大的宽度和高度厚度，这是由于位于第三水平面上的光纤库107和109的添加。此外，互连件27包括更多的层以考虑附加的切换路径。这增加了互连件27的长度并且还增加了开关105的总长度。即使具有这些增加的空间要求，但在一些实施例中，开关105也能够利用大约50mm乘40mm乘8mm的总维度（长度、宽度、高度）来构造。

考虑开关1和105（其为透射模式开关）的对称设计，将领会能够构造等价的反射模式开关。一些反射模式实施例通过利用反射性互连件取代透射性互连件来构造。其它反射模式实施例通过利用等价的曲面反射镜取代角度到偏移转换透镜69和71来构造。

波长选择性开关应用

虽然关于光学交叉连接件来描述，但将领会，以上所描述的开关也适用于具有一些修改的波长选择性开关（WSS）型设备。在一些WSS型实施例中，开关中的每个光纤库包括用于从输入光束空间地分散波长通道的分散元件。在一些WSS实施例中，多于一个MEM反射镜被分派给每个光纤，以供同时且独立地将来自单个光纤的多个分散的波长通道路由通过开关。

结论

将领会，以上公开提供了一种在尺寸方面紧凑并且适于在数据中心中使用的改进的光学交叉连接型开关。紧凑的光学交叉连接开关能够被用于在数据中心内路由，从而提供与全光切换相关联的高带宽优点。在提供一百二十个光纤之间的切换的一个实施例中，开关具有大约30mm乘15mm乘4mm的维度。

本公开的光学交叉连接件提供了在尺寸、成本和稳定性方面优于当前可用的已知设备的优点。特别地，开关设计允许使用常规元件，诸如在间隔上与WSS设备中普遍可用和采用的带状光纤（250微米）和MEM反射镜一致的光纤v形槽阵列和微透镜阵列。同时，开关布局基本上降低了阵列和光纤之间的开关角度要求。另外，光学路径包括限定使切换的效率最大化的模式分布的透镜。

MEM反射镜切换与对称的角度到偏移转换单元（透镜69和71）的组合提供了大量的光纤端口之间的光束的灵活高效切换。利用功能元件的这种设置，能够实现具有不同光纤计数和配置的开关的多种其它紧凑设计。特别地，光纤库能够在角度到偏移转换单元周围布置在x，y和z轴上的不同位置处，并且通过该单元与相对简单的耦合光学器件和MEM反射镜耦合。在简单设计中，能够忽略光学互连件并且切换仅发生在一个轴上。

解释

贯穿本说明书，术语“元件”的使用意图意指单个单元式组件或者组合以执行特定功能或目的的组件集合中的任一者。

应领会，在本发明的示例性实施例的以上描述中，为了简化本公开内容和帮助理解各个创造性方面中的一个或多个的目的，本发明的各个特征有时在单个实施例、图或其描述中分组在一起。然而，这种公开方法不解释为反映以下意图：所要求保护的发明需要比每个权利要求书中明确记载的特征更多的特征。更确切地，如以下权利要求书所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，跟着具体实施方式的权利要求书由此明确地并入到本具体实施方式中，其中每个权利要求书作为本发明的单独实施例自成一体。

此外，尽管本文描述的一些实施例包括在其它实施例中包括的一些而非其它特征，但如将由本领域技术人员所理解的，不同实施例的特征的组合意在处于本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在以下权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何能够采用任何组合来使用。

在本文提供的描述中，阐述了许多特定细节。然而，要理解，本发明的实施例可以在不具有这些特定细节的情况下实施。在其它实例中，未详细示出已知的方法、结构和技术以免使本描述的理解晦涩难懂。

类似地，要注意，当在权利要求书中使用时，术语“耦合”不应当解释为仅限于直接连接。可以使用术语“耦合”和“连接”及其衍生词。应当理解，这些术语不意为彼此的同义词。因此，表达“设备A耦合到设备B”的范围不应限于其中设备A的输出直接连接到设备B的输入的设备或系统。这意味着在A的输出和B的输入之间存在路径，所述路径可以是包括其它设备或器件的路径。“耦合”可以意味着两个或更多的元件直接地物理、电学或光学接触，或者两个或更多的元件彼此不直接接触但又仍然彼此合作或交互。

因此，尽管已经描述了被视为本发明的优选实施例的内容，但本领域技术人员将认识到：在不背离本发明的精神的情况下，可以对其做出其它和进一步的修改，并且意图要求所有此类改变和修改都落入本发明的范围内。例如，以上给出的任何公式仅是可以被使用的过程的表示。可以从框图添加或删除功能性，并且操作可以在功能框之间互换。可以对本发明的范围内描述的方法添加或删除步骤。

Claims

1.一种光学交叉连接件，其将一系列的光学输入端口连接到一系列的光学输出端口，所述交叉连接件包括；

至少第一组输入/输出端口阵列，其位于至少第一水平维度上的空间上分离的位置处；

每个输入/输出端口阵列具有被水平地布置并且被配置成投射或接收光信号的一系列的光学输入/输出端口；

多个转向元件，其被配置成沿着输入和输出端口之间的切换轨道选择性地转向光信号，这通过以预定的阵列间角度竖直地倾斜来选择期望的输入/输出端口阵列并且通过以预定的阵列内角度水平地倾斜来选择期望的输入/输出端口阵列内的期望的输入/输出端口；

角度到偏移转换单元，用于将以水平阵列内角度传播的光信号转换成水平维度上的对应空间偏移信号；以及

光学互连件，其具有一系列的输入/输出区域，每个输入/输出区域特定于对应的输入/输出端口阵列并且输入/输出区域被竖直地划分成延长切换行，每个输入/输出区域接收来自角度到偏移转换单元的空间偏移信号并且利用基于空间偏移信号的阵列间角度互连输入/输出区域的预定互连件来光学地将每个空间偏移信号从第一输入/输出区域互连到第二输入/输出区域。

2.根据权利要求1所述的光学交叉连接件，其中角度到偏移转换单元包括具有第一维度上的光功率并且在光学互连件周围对称地布置的一对柱状透镜。

3.根据权利要求2所述的光学交叉连接件，其中该对柱状透镜限定复合透镜系统。

4.根据权利要求3所述的光学交叉连接件，其中复合透镜系统的每个柱状透镜具有焦距f，并且光学互连件被布置为离多个转向元件基本上f/2的距离。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学交叉连接件，其中多个转向元件包括微机电反射镜（MEM），其配置成在两个维度上可机电地倾斜。

6.根据权利要求5所述的光学交叉连接件，其中阵列间角度的数量对应于交叉连接件中的输入/输出端口阵列的数量。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的光学交叉连接件，其中阵列内角度的数量对应于每个输入/输出端口阵列内的光学输入/输出端口的数量。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的光学交叉连接件，其中输入/输出端口阵列的第一子集沿着第一水平面布置，并且输入/输出端口阵列的第二子集沿着与第一水平面竖直地分离的第二水平面布置。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的光学交叉连接件，其中至少输入/输出端口阵列的子集相对于彼此成角度布置。

10.根据权利要求9所述的光学交叉连接件，其中第一组输入/输出端口阵列沿着主轴布置，并且第二组输入/输出端口阵列沿着相对于主轴成一定角度的副轴布置。

11.根据权利要求10所述的光学交叉连接件，包括用于在主轴和副轴之间导向光信号的至少一个光学耦合设备。

12.根据权利要求11所述的光学交叉连接件，其中至少一个耦合设备包括反光镜。

13.根据权利要求2至4中任一项所述的光学交叉连接件，包括一对准直透镜，其在切换矩阵单元周围布置并且具有第二维度上的光功率以用于将光信号准直到光学互连件上。

14.根据权利要求13所述的光学交叉连接件，其中该对准直透镜与柱状透镜分离。