CN1209649C - 磁吸附平面反射镜光开关 - Google Patents

Abstract

一种磁吸附平面反射镜光开关，通过平移平面反射镜的方法实现对光路的切换。采用磁吸附平面反射镜高精度定位技术，在与平面反射镜的反射面相正交的方向上，施加永久磁场的磁作用力，使平面反射镜吸附在一个固定的参考平面上，确保平面反射镜的反射面无论是在动态过程中还是在静止状态始终在同一个平面上；采用推挽式电磁驱动的方式平移平面反射镜，使平面反射镜插入或抽出光路，实现光路的切换，形成1×2或2×2机械光开关。本光开关具有自锁功能、功耗低、开关时间短、定位精度高、重复性好、工作寿命长、并且结构简单和易于生产装配等特点。

Description

磁吸附平面反射镜光开关

技术领域：

本发明涉及机械光学开关，特别是一种高精度定位的磁吸附平面反射镜光开关。

背景技术：

新一代全光网的核心技术是全光交换，光开关是全光交换中的关键器件，主要用来实现在全光层的路由选择、光的交叉连接以及自愈保护等功能。在光学测量等方面也有大量应用。就光开关的现状而言，按照开关机理来分类，主要有机械光开关、热光开关和电光开关。机械光开关在插损、隔离度、消光比和偏振敏感性方面相对其他类型光开关而言具有很好的性能。目前，与其他类型光开关相比较，商业化使用最多的是机械光开关。

机械光开关的控制方法，主要有PZT、静电、步进器、伺服系统和电磁等。电磁铁驱动方式是一种比较理想的控制方式，其原理简单，借鉴继电器的机械结构和电磁驱动的工作原理，在技术上比较成熟，成本低，结构体积可以作成微型，驱动的电压与电流相对较小，尤其适用于1×2，2×2等光开关路数较少的光路开关中。中国专利“宽带单模4×4矩阵光开关”(专利号：CN1257211A，公布日期：2000年6月21日)，该矩阵光开关由多个单元光开关组成，每一个单元光开关通过磁保持继电器推动反射直角棱镜的上下运动，使光路发生改变，采用全玻璃的滑槽限位板和高精度的刚性滚珠来实现限位，确保反射直角棱镜的偏离精度。该光开关的缺点是限位机构复杂，增加了安装制造的难度，重复性较差(0.2dB)。又例：中国专利“一种机械光开关”(专利号：CN2446528Y，公布日期：2001年9月5日)，该光开关的出射和入射光纤准直器都在一端，在准直器与固定反射镜之间设置棱镜，活动反射镜设置在固定的棱镜和固定的反射镜之间，并固定在与集电器相连的连杆上，依靠轴承定位活动反射镜的方法，通过集电器开关及相应的转动装置实现活动反射镜的运动，从而改变光路，可实现多路光开关，这种光开关的不足之处是光束要通过棱镜和反射镜进行耦合，产生的附加插入损耗较高，通过传动机构驱动平面反射镜，对光路进行切换，机械结构较复杂，重复性较差，而且没有自锁功能，功耗较高，形成多路光开关时，装配也比较困难。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是克服上述现有机械光开关中存在的问题，提供一种磁吸附平面反射镜光开关。这种光开关中平面反射镜反射面的定位精度高，从而可实现高重复性的光路切换，而且结构简单，开关时间短，工作寿命长。

本发明的技术解决方案的技术构思是：采用磁吸附平面反射镜高精度定位技术，在与平面反射镜的反射面相正交方向上，施加磁作用力，把平面反射镜吸附在一个固定的参考平面上，使平面反射镜的反射面与固定参考平面相平行；通过电磁驱动的方式平移平面反射镜，使平面反射镜插入或抽出光路，实现光路的切换，形成1×2和2×2机械光开关；同时，平面反射镜镀的反射面镀上均匀的高反膜，反射面每一点的反射率具有一致性；平面反射镜与固定参考平面相接触的部分均采用大面积耐磨石英玻璃材料。

本发明的具体技术方案如下：

一种磁吸附平面反射镜光开关，包括基板、光路耦合、磁吸附保持和电磁驱动四部分：

电磁驱动部分，包括第一电磁线圈、第二电磁线圈、运动轴、第一限位块和第二限位块，第一电磁线圈和第二电磁线圈对称地固定在该基板上的两端，两线圈的中心线与基板的平面平行，运动轴贯穿在第一电磁线圈和第二电磁线圈骨架的中心线上，该运动轴的两端外分别设有第一限位块和第二限位块，以限定该运动轴的轴向行程；

磁吸附保持部分整体地位于上述第一电磁线圈和第二电磁线圈之间，其一软磁体固定在基板上，该软磁体靠运动轴的一侧的平面上胶贴一石英玻璃，一永磁体固定在运动轴上，该永磁体靠软磁体的表面胶贴一平面反射镜；

所述的光路耦合部分，包括第一光纤准直器，第二光纤准直器，第三光纤准直器和平面反射镜组成，该平面反射镜的表面镀有均匀的第一高反膜，第一光纤准直器，第二光纤准直器和第三光纤准直器的光轴是在与该平面反射镜的第一高反膜相垂直的同一平面上，而且第一光纤准直器与第三光纤准直器的光轴重合，并与第二光纤准直器的光轴垂直，平面反射镜的第一高反膜处于上述三个光纤准直器的光轴的交叉点上。

所述的光路耦合部分还设有第四光纤准直器，所有光纤准直器的光轴都处于与平面反射镜6的反射面相垂直的同一平面上，即第一光纤准直器与第三光纤准直器的光轴重合，并与第二光纤准直器和第四光纤准直器的光轴垂直，该平面反射镜的第二高反膜处于上述四个光纤准直器的光轴的交叉点上。该平面反射镜是等厚平板石英玻璃，其一面的一半面积镀第二高反膜，另一半面积镀第一增透膜，其另一面全部面积镀第二增透膜。

本发明的优点可以归纳如下：

一方面保证平面反射镜的反射面，无论是在运动还是在静止的情况下始终处于一个平面上，在每一次光路切换过程中，虽然入射光线有可能在平面反射镜的反射面的不同位置上反射，但入射光线与平面反射镜的反射面之间的夹角基本保持不变，具有很高的重复性，小于0.02dB，有效的避免了由于平面反射镜的反射面的位置变化，产生的光路轴向耦合的偏差，所导致较差的重复性；一方面施加在平面反射镜的反射面相正交方向上磁作用力，同样可以起到磁保持作用，静止时，不需要消耗功率，平面反射镜就可以紧紧地吸附在固定的参考平面上。另一个方面，平面反射镜与固定参考平面采用耐磨材料，不易磨损，而且是面接触，平面的磨损只会产生光路横向耦合的偏差，在一定的偏差范围(±10um)内，对重复性不会产生影响。

以下结合附图说明本发明。

附图说明：

图1为本发明的总体结构主视图。

图2为本发明的总体结构正视图。

图3为本发明的磁吸附保持部分的结构示意图。

图4为本发明的1×2。机械光开关实施例示意图

图5为本发明的2×2机械光开关实施例示意图。

具体实施方式：

先请参阅图1和图2，本发明磁吸附平面反射镜光开关，包括基板、光路耦合、磁吸附保持和电磁驱动四个部分。光路耦合部分由第一光纤准直器8、第二光纤准直器9、第三光纤准直器10和平面反射镜6组成；磁吸附保持部分，包括固定的软磁体7、石英玻璃13和可动的永磁体5；电磁驱动部分包括第一电磁线圈2、第二电磁线圈3、运动轴4、第一限位块11和第二限位块12。后三个部分都固定在基板1上，基板1采用超硬铝材料制成。

如图2所示，电磁驱动部分的第一电磁线圈2和第二电磁线圈3对称地固定在基板1的两端，两线圈骨架的中心线与基板1的平面平行，两个骨架起到支撑运动轴4的作用。运动轴4贯穿于第一电磁线圈2和第二电磁线圈3骨架的中心，运动轴4采用永久磁性材料(钕铁硼)，第一电磁线圈2和第二电磁线圈3的电连接方式可以是并联或串联，正负驱动脉冲通过两个电磁线圈，产生方向交替变化的电磁场与运动轴4的永久磁场相互作用推动运动轴4沿两个电磁线圈的骨架中心线往返运动，通过第一限位块11和第二限位块12限制运动轴4的运动空间，起到调节平面反射镜6的平移行程的作用。磁吸附保持部分整体地处于第一电磁线圈2和第二电磁线圈3之间。

如图3所示，磁吸附保持部分的软磁体7固定在基板1上，靠运动轴4的一侧的平面上胶贴石英玻璃13，可动永久磁体5采用永久磁性钕铁硼材料制成，整体固定在运动轴4上，靠软磁体7的表面胶贴平面反射镜6，这样，平面反射镜6依靠永久磁体5与软磁体7之间的磁作用力，吸附在石英玻璃13上，运动轴4的动作可以使平面反射镜6的第一高反膜14始终在平面反射镜6与石英玻璃13相接触的平面内平移，实现平面反射镜6第一高反膜14的高精度定位，保证光路切换的高重复性。通过电磁驱动方式控制平面反射镜插入光路或从光路中抽出，形成1×2械光开关。

本发明特点显著：采用磁吸附平面反射镜的方法，不需要精密机械加工部件，整体结构简单，驱动功耗小，具有自锁功能，重复性高，工作寿命长；采用磁吸附平面反射镜1×2和2×2机械光开关的性能可以达到：开关时间＜5ms，寿命(光路切换次数)＞107次，重复性＜0.02dB，插入损耗＜0.6dB。

如图4所示，光路耦合部分的如图4a所示的平面反射镜6的表面镀有均匀的第一高反膜14，如图4b和图4c所示的第一光纤准直器8，第二光纤准直器9和第三光纤准直器10的光轴是在与平面反射镜6的第一高反膜14相垂直的同一平面上，其中第一光纤准直器8与第三光纤准直器10的光轴重合，并与第二光纤准直器9的光轴垂直，平面反射镜6的第一高反膜14处于三个光纤准直器的光轴的交叉点上，第一光纤准直器8的光路以450入射角入射到平面反射镜6的第一高反膜14上。如图4b所示，平面反射镜6插入光路时，第一光纤准直器8的入射光经反射到第二光纤准直器9；如图4c所示，平面反射镜6抽出光路时，第一光纤准直器8的入射光直接入射到第三光纤准直器10。

正负脉冲电流通过第一电磁线圈2和第二电磁线圈3，在电磁线圈中产生的磁场与运动轴4永久磁性材料(钕铁硼)的磁场相互作用，产生轴向推动力，推动运动轴4，平移平面反射镜6插入或抽出三个光纤准直器的光路，实现光路的切换，形成1×2机械光开关。

图5是本发明2×2光开关实施的示意图。如图5d所示，平面反射镜6插入光路时，实现光路的平行输出，第一光纤准直器8和第四光纤准直器16的入射光分别经平面反射镜6反射到第二光纤准直器9和第三光纤准直器10；如图5c所示，平面反射镜6抽出光路时，实现光路的交叉输出，第一光纤准直器8和第四光纤准直器16的入射光分别经平面反射镜6折射到第三光纤准直器10和第二光纤准直器9。平面反射镜6采用厚度相等的平板石英玻璃，如图5a所示在同一平面的一半面积上镀有均匀的第二高反膜20，另一半面积上镀有第一增透膜21，如图5b所示在平板石英玻璃的另一个面的全部面积上镀有第二增透膜22，这可保证平面反射镜6插入或抽出光路时，都不会由于平面反射镜的厚度原因，产生光纤准直器光路对准偏差，从而造成附加的插入损耗。采用如图5所示的平面反射镜6的光路耦合部分，替代1×2机械光开关的如图4所示的平面反射镜6和光路耦合部分，即形成2×2机械光开关。

本发明的特点显著：采用磁吸附平面反射镜的方法，不需要精密机械加工部件，整体结构简单，驱动功耗小，具有自锁功能，重复性高，工作寿命长；采用磁吸附平面反射镜1×2和2×2机械光开关的性能可以达到：开关时间＜5ms，寿命(光路切换次数)＞107次，重复性＜0.02dB，插入损耗＜0.6dB。

Claims (2)

1、一种磁吸附平面反射镜光开关，其特征在于其构成是：

1)基板(1)；

2)电磁驱动部分，包括第一电磁线圈(2)，第二电磁线圈(3)，运动轴(4)，第一限位块(11)和第二限位块(12)，第一电磁线圈(2)和第二电磁线圈(3)对称地固定在该基板(1)上的两端，两线圈(2，3)中心线与基板(1)的平面平行，运动轴(4)贯穿在第一电磁线圈(2)和第二电磁线圈(3)骨架的中心线上，该运动轴(4)的两端分别设有第一限位块(11)和第二限位块(12)，以限定运动轴的轴向行程；

3)磁吸附保持部分整体地位于上述第一电磁线圈(2)和第二电磁线圈(3)之间，其软磁体(7)固定在基板(1)上，该软磁体(7)靠运动轴(4)的一侧的平面上胶贴一石英玻璃(13)，一永磁体(5)固定在运动轴(4)上，该永磁体(5)靠软磁体(7)的表面胶贴一平面反射镜(6)；

4)光路耦合部分由第一光纤准直器(8)、第二光纤准直器(9)、第三光纤准直器(10)和平面反射镜(6)组成，该平面反射镜(6)的表面镀有均匀的第一高反膜(14)，第一光纤准直器(8)、第二光纤准直器(9)和第三光纤准直器(10)的光轴处于与该平面反射镜(6)的反射面相垂直的同一平面上，而且第一光纤准直器(8)与第三光纤准直器(10)的光轴重合，并与第二光纤准直器(9)的光轴垂直，平面反射镜(6)的第一高反膜(14)处于上述三个光纤准直器的光轴的交叉点上。

2、根据权利要求1所述的磁吸附平面反射镜光开关，其特征在于所述的光路耦合部分还设有第四光纤准直器(16)，所有光纤准直器的光轴都处于与平面反射镜(6)的第一高反膜(14)相垂直的同一平面上，且第一光纤准直器(8)与第三光纤准直器(10)的光轴重合，并与第二光纤准直器(9)和第四光纤准直器(16)的光轴垂直，该平面反射镜(6)的第一高反膜(14)处于上述四个光纤准直器的光轴的交叉点上，所述的平面反射镜(6)是等厚平板石英玻璃，其一面的一半面积镀第二高反膜(20)，另一半面积镀第一增透膜(21)，其另一面全部面积镀第二增透膜(22)。

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