CN105511023B - 机械式光开关及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械式光开关及其控制方法，所述机械式光开关用于与输入光纤以及输出光纤连接，包括：输入光纤固定装置，所述输入光纤固定在所述输入光纤固定装置上，光纤驱动装置，所述光纤驱动装置与所述输入光纤固定装置相连，驱动所述输入光纤固定装置运动，使所述输入光纤沿第一方向运动到能够与所述输出光纤直接导通的位置，控制装置，控制所述光纤驱动装置的动作。

Description

机械式光开关及其控制方法

技术领域

本发明涉及光开关领域，更详细地说，本发明涉及一种机械式光开关及其控制方法。

背景技术

光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口的光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作。一般来说，光开关可分为机械式和非机械式两大类。

非机械式光开关包括通过电光效应、磁光效应、声光效应、热光效应等来改变波导折射率，使光路发生改变来进行光路切换的光开关器件，以及液晶光开关、气泡光开关和全息光开关。非机械式光开关的优点是开关时间短，便于光集成或光电集成。不足之处是插入损耗大，隔离度低，对温度变化较敏感，而且大多数是为通信网络设计，对应的是红外单波长和单模光纤输出，在许多与光谱检测相关的领域，需要能在很宽的波长范围内工作的光开关，如光谱分析检测应用，对光开关本身切换速度要求不高，但需要能在很宽的工作波长范围(从深紫外到红外)都有较一致响应且对温度变化不敏感的光开关器件，因此非机械式光开关的使用会受到限制。目前来说，更为广泛使用的是机械式光开关。

机械式光开关依赖于光学元件(如，棱镜)或光纤的移动，使光路发生改变，实现光束在不同通道间的转换。机械式光开关的优势在于隔离度高，受工作波长、偏振和温度等限制性因素的影响较小。现有技术还提出基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)的光开关，但是其内部结构较为复杂，因此在可靠性和重复性上有待提高。

典型的机械式光开关如专利文献1(CN2557967Y)所述，包括输入装置、具有多个输出光纤的输出装置、光路转换装置和驱动装置，其中光路转换装置包括棱镜，输入装置包括光纤和准直透镜，准直透镜将光束准直传输到光路转换装置，驱动装置驱动光路转换装置(棱镜)旋转，从而将输入光束传递给输出装置，棱镜的角度可以变化，以将不同的输入光束传递给输出装置。

从上述专利文献1可以看出，现有技术中的机械式光开关多采用使得棱镜转动的方式来实现光路切换，而且为了使得光束准直，准直器或者准直镜是不可或缺的部件。但是这样的构成至少会导致下述问题：与光纤衔接的准直器总会存在一定程度的像差(球差和色差),即使由一个点光源发出的球面波在经过任何真实透镜后也不能转变为绝对的平面波，并且光学玻璃在不同波长的折射率和吸收都不同，特别是由于大多数光学玻璃深紫外波长范围内会有较大的吸收使光束发生明显的衰减，光束的传输损失较大；在用驱动装置例如步进电机来驱动棱镜时，存在丢步、精度低等问题，而且较小的误差也会导致与棱镜联动的光束发生较大的偏差，而采用伺服电机等自身闭环设计的电机，又存在制造成本过高的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够在宽波段范围工作、低成本、高定位精度的机械式光开关。

本发明的技术方案1是一种机械式光开关，用于与输入光纤以及输出光纤连接，包括：输入光纤固定装置，所述输入光纤固定在所述输入光纤固定装置上；光纤驱动装置，所述光纤驱动装置与所述输入光纤固定装置相连，驱动所述输入光纤固定装置运动，使所述输入光纤沿第一方向运动到能够与所述输出光纤直接导通的位置，控制装置，控制所述光纤驱动装置的动作。

本发明的技术方案2中，所述机械式光开关还包括：定位装置，设置于所述输入光纤以及输出光纤，使得所述输入光纤与所述输出光纤能够在与所述第一方向垂直的第二方向上对准；定位装置驱动装置，所述定位装置驱动装置由所述控制装置控制，驱动所述定位装置，使得所述定位装置能够在与所述第二方向上运动；

本发明的技术方案3中，所述定位装置由分别设置于所述输入光纤以及输出光纤的凸出部以及凹进部构成，所述凸出部和所述凹进部能够以相互紧贴的方式结合。

本发明的技术方案4中，所述光纤驱动装置包括归零装置，所述归零装置对所述输入光纤固定装置进行归零。

本发明的技术方案5中，所述输入光纤是1路或N路输入光纤，所述输出光纤是1路或N路输出光纤。

本发明的技术方案6中，所述光纤驱动装置是步进电机。

本发明的技术方案7中，所述定位装置驱动装置是电磁铁、液压装置或者气压装置中的任一种。

本发明的技术方案8中，所述输入光纤固定装置包括固定部件与限位部件。

本发明的技术方案9是一种机械式光开关的控制方法，包括如下步骤：将输入光纤固定在输入光纤固定装置上，驱动装置驱动所述输入光纤固定装置运动，使所述输入光纤沿第一方向运动到能够与输出光纤直接导通的位置，定位装置驱动装置驱动定位装置，使得所述定位装置能够在与所述第一方向垂直的第二方向上运动，使得所述输入光纤与所述输出光纤能够在与所述第一方向垂直的第二方向上对准。

本发明的技术方案10中，光纤驱动装置驱动所述输入光纤固定装置运动这一步骤包括：光纤驱动装置驱动所述输入光纤固定装置到达所述归零装置，所述归零装置对所述输入光纤固定装置进行零点定位。

发明效果

(1)根据本发明的技术方案，光纤驱动装置与输入光纤固定装置相连，驱动所述输入光纤固定装置运动，使所述输入光纤沿第一方向运动到能够与所述输出光纤直接导通的位置，从而使得输入光纤与输出光纤可以直接导通而无需准直器，从而避免了因准直器带来的像差损失，特别是因准直器带来的在深紫外波长范围的光衰减。

(2)根据本发明的技术方案，机械式光开关还包括：定位装置和定位装置驱动装置，使得所述输入光纤与所述输出光纤能够在与所述第一方向垂直的第二方向上对准。因此，使得输入光纤在第一方向与第二方向上都进行运动，利用复合运动使得输入光纤与输出光纤的对准更精确，输入光纤与输出光纤可以直接导通且基本上没有光损失。此外，因为输入光纤与输出光纤利用定位装置能够牢固地锁定，即使在第一方向上有略微的偏差，也能够利用第二方向上的运动加以修正，因此对于光纤驱动装置的精度要求不高，无需使用伺服电机。

(3)根据本发明的技术方案，所述定位装置由分别设置于所述输入光纤以及输出光纤的凸出部以及凹进部构成，所述凸出部和所述凹进部能够以相互紧贴的方式结合。因此，利用凹凸配合这样的简洁结构实现了锁定，获得了结构简化的技术效果。

(4)根据本发明的技术方案，机械式光开关还包括：归零装置，所述归零装置对所述输入光纤固定装置进行归零。因此，实现更为准确的步数控制，即使断电后，也能够保证电机移动到不同通道的大致步数。

附图说明

图1是本发明的实施例1的机械式光开关的结构示意图。

图2是图1的机械式光开关中定位装置的动作状态示意图。

图3是该定位装置的示意图。

图4是图1的机械式光开关的动作示意图，图4a是输入光纤1动作前的光开关示意图，图4b是输入光纤1运动到与某一输出光纤对准的位置时的光开关示意图。

图5是本发明的实施例2的机械式光开关的主视图。

图6是图5所示的机械式光开关的后视图。

图7是图6的光开关移除后面板和步进电机后的内部结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1示意性地示出了本发明的实施例1的机械式光开关的结构。机械式光开关与输入光纤1以及输出光纤3连接，至少包括：输入光纤固定装置9、光纤驱动装置5、控制装置8、定位装置、定位装置驱动装置7。

控制装置8在本实施例中为控制电路板，用于控制下述的光纤驱动装置5以及定位装置驱动装置7的动作。

输入光纤固定装置9如图1所示，包括带有孔的固定部件10以及与该固定部件10配合的限位部件11，输入光纤1通过该固定部件10的孔以与输出光纤连接，该限位部件11带有近似长方形的开口，使得所述固定部件10能够在该开口中运动，输入光纤1固定于该输入光纤固定装置9且与该输入光纤固定装置9联动，沿第一方向运动到能够与所述输出光纤3直接导通的位置，“第一方向”是指与所述限位部件11的开口平行的方向、即从图1看去时的长度方向。输入光纤固定装置9的具体构成并不限于上述实施方式，只要能够固定并带动输入光纤1运动，可以为任意的结构。输出光纤3也可与某一固定装置连接，以获得更准确的定位。

光纤驱动装置5在本实施例中为步进电机，也可以为伺服电机。所述光纤驱动装置5利用皮带与输入光纤固定装置9相连，所述输入光纤固定装置9固定在皮带上而在所述光纤驱动装置5的驱动下运动。定位装置如图2、3所示，在本实施例中由分别设置于所述输入光纤以及输出光纤的凸出部2以及凹进部4构成，所述凸出部2和所述凹进部4能够以相互紧贴的方式结合。举例来说，所述凸出部可以为呈大致圆筒形地凸出的部件，所述凹进部可以为有底圆筒形部件，两者可以相互紧密配合。当然，所述凸出部和所述凹进部并不限于上述例子，只要能够通过形状和尺寸的互相匹配、从而实现相互卡扣连接、以实现输入光纤与输出光纤的锁定，则可以为任意形状，例如销槽配合等。在本实施例中，凸出部设置在输入光纤1，凹进部设置在输出光纤3，但两者的设置位置是可以互换的。在本实施例中，凸出部与凹进部的外周面上设有螺纹，通过旋入的方式与光纤接口的螺纹配合。凸出部、凹进部与输入光纤或输出光纤的结合方式不限于螺纹接合，也可以采用直接结合的方式。

定位装置驱动装置7在本实施例中为电磁铁、液压装置或者气压装置中的任一种，由所述控制装置8控制，与限位部件11连接，使得能够驱动定位装置在与所述第一方向垂直的第二方向(从图1看去时的宽度方向)上运动。当然，第一方向也可与第二方向不是完全垂直，而是大致垂直。

所述控制装置8包括归零装置12，所述归零装置对所述输入光纤固定装置9进行归零(位置清零。所述归零装置11在本实施例中可以由光电、电触、机械触动开关构成，但不限于此，当然也可以通过电机堵转或其它方式实现。

另外，所述输入光纤1可以是1路或N路输入光纤，所述输出光纤3可以是1路或N路输出光纤。输入光纤1与输出光纤3的数量并没有特别限定。

另外，归零装置并不是必须的，在对精度要求不高等情况下，也可根据需要不设置归零装置。

下面对本发明的实施例1的机械式光开关的动作进行说明。

本实施例给出的是一个1×6通道的光开关。输入光纤1为1路光纤，输出光纤3为6路光纤。

利用该光开关开始光路连接时，输入光纤固定装置9可位于任意位置，首先，在控制装置8的控制下，光纤驱动装置5驱动输入光纤固定装置9运动，使得固定部件10在限位部件11的开口中运动，移动到归零装置12，触发了零位开关，这时控制装置8把此位置的电机步数定为0，之后根据每个输出光纤3的通道与零位之间的距离，就可以通过电机运转相应步数到达每个通道，需要注意的是，进行完一次通道切换后，在不断电的情况下，不需要再次回零位，就可以直接根据步数差切换到另一个通道，例如在输入光纤固定装置9到达某一输出光纤3的通道，则定位装置驱动装置7动作，带动限位部件11动作，从而驱动定位装置的凸出部2和凹进部4在第二方向上以相互接近的方式运动，使得定位装置的凸出部2和凹进部4卡合固定，由此实现了输入光纤1与输出光纤3的对准及直接导通。在输入光纤1要与另外一个输出光纤3导通时，定位装置驱动装置7动作，带动限位部件11动作，解除定位装置的凸出部和凹进部的结合，两者成为不接触的状态，然后无需回到零位，可以直接根据步数差切换到另一个通道，之后定位装置驱动装置7再次动作，使得定位装置的凸出部和凹进部卡合固定，由此实现了输入光纤1与另一个输出光纤3的直接导通。

虽然步进电机会发生丢步、失步，但是由于采用定位装置在第二方向上使得输入光纤和输出光纤牢固固定并且精确对准的方式，所以对精度要求不高，最后可以通过定位装置来精确定位。

本发明的机械式光开关可以由壳体覆盖，壳体的形状没有特别限定。

实施例2

图5、图6、图7示出了本发明的机械式光开关的另一实施例。本实施例是一个1×6通道的光开关。

在图5中，前面板21上沿半圆弧等角间距固定了6个输出光纤固定装置22。在图5中从右向左分别是输出光纤通道1至6号。通过四个固定螺孔23固定前面板21和后面板24。输入光纤固定装置25固定在转动盘26上。光纤驱动装置29在本实施例中为步进电机，当然也可以为伺服电机，通过轴和扭簧28连接并带动转动盘26转动。控制装置20固定在前面板21上，并被后面板24覆盖。后面板24上开有两个槽口，使控制装置20上的两个针座31露在外面便于与其他线路连接。零点定位装置32固定在控制装置20的左上角，其位置只要能够实现零点定位，则不限于控制装置20的左上角，没有特别限定。

在实施例2中没有设置定位装置，但是根据需要，也可在所述光开关的内部、在输入光纤和输出光纤上设置定位装置以实现更好的连接。

下面对本发明的实施例2的机械式光开关的动作进行说明。

利用该光开关开始光路连接时，输入光纤固定装置25可位于任意位置，首先，在控制装置20的控制下，光纤驱动装置29驱动输入光纤固定装置25运动，移动到零点定位装置32，触发了零位开关，这时控制装置20把此位置的电机步数定为0，之后根据每个输出光纤的通道与零位之间的距离，就可以通过电机运转相应步数到达每个通道，由此实现了输入光纤与输出光纤的直接导通，在输入光纤要与另外一个输出光纤导通时，输入光纤固定装置25先转动到零位，然后根据预先存储的相应通道与零位之间的电机步数差，通过电路控制走过相应步数，就可以准确地切换到相应通道，由此实现了输入光纤与另一个输出光纤的直接导通。

由于每次通道切换都会先通过零点定位，所以不会出现失步、丢步，影响器件重复性能。

零点定位开关由机械零位开关或者电极接触零位开关来实现，当电机运转到零点位置时，转动盘通过撞击或者电极通电开启零位开关。电路设定此位置为机械零位，即电机绝对运转步数为零。适用于本发明的零点定位开关的结构，包括并不局限于以上所述的两种零点定位结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，但是本发明并不限于上述实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也在本发明的范畴之内。因此，在不脱离本发明精神和范围下所做的均等变换和修改都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种机械式光开关，用于与输入光纤以及输出光纤连接，其特征在于，包括：

输入光纤固定装置，所述输入光纤固定在所述输入光纤固定装置上，

光纤驱动装置，所述光纤驱动装置与所述输入光纤固定装置相连，驱动所述输入光纤固定装置运动，使所述输入光纤沿第一方向运动到能够与所述输出光纤直接导通的位置，

控制装置，控制所述光纤驱动装置的动作，所述控制装置包括归零装置，所述归零装置对所述输入光纤固定装置进行归零；

定位装置，设置于所述输入光纤以及输出光纤，使得所述输入光纤与所述输出光纤能够在与所述第一方向垂直的第二方向上对准，所述定位装置由分别设置于所述输入光纤以及输出光纤的凸出部以及凹进部构成，所述凸出部和所述凹进部能够以相互紧贴的方式结合；

定位装置驱动装置，所述定位装置驱动装置由所述控制装置控制，驱动所述定位装置，使得所述定位装置能够在与所述第一方向垂直的第二方向上运动,

所述输入光纤固定装置包括带有孔的固定部件以及与该固定部件配合的限位部件,所述输入光纤通过该固定部件的孔以与所述输出光纤连接，该限位部件带有长方形的开口，使得所述固定部件能够在该开口中运动。

2.如权利要求1所述的机械式光开关，其特征在于，所述输入光纤是1路或N路输入光纤，所述输出光纤是1路或N路输出光纤。

3.如权利要求1或2所述的机械式光开关，其特征在于，所述光纤驱动装置是步进电机。

4.如权利要求1或2所述的机械式光开关，其特征在于，所述定位装置驱动装置是电磁铁、液压装置或者气压装置中的任一种。

5.一种如权利要求1所述的机械式光开关的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

将输入光纤固定在输入光纤固定装置上，

光纤驱动装置驱动所述输入光纤固定装置到达所述归零装置，所述归零装置对所述输入光纤固定装置进行归零，

光纤驱动装置驱动所述输入光纤固定装置运动，使所述输入光纤沿第一方向运动到能够与输出光纤直接导通的位置，

定位装置驱动装置驱动定位装置，使得所述定位装置能够在与所述第一方向垂直的第二方向上运动，使得所述输入光纤与所述输出光纤能够在与所述第一方向垂直的第二方向上对准。