CN1806189A - 一种改进的光束导引光学开关 - Google Patents
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Abstract
一种光学开关，包括与一个光学组件的输出阵列分离开的一个光学组件的输入阵列，用来导引发射光束的装置，和一个位于输入和输出之间的光学组件的附加阵列，其中所述光学组件附加阵列的光学组件节距小于光学组件输入和/或输出阵列的节距。
Description
技术领域
本发明涉及光学开关领域。
背景技术
传统的光学开关如不经过重新调整想要扩展是极度困难的。
3D光学开关典型的构造为两个相对设置的光束引导组件阵列，其中第一阵列的每一个元件能够指向第二阵列的任意选择的元件。光束引导组件的光学特性成为影响第一和第二阵列之间的工作距离的限制。
光束引导组件一般在阵列中具有充分的空间来适应它们各自的运动。一个特定的光束引导组件将会被限制其可完成的摆动，以得到一个可接受的稳定性和噪音水平。而增加特定的光束引导元件的摆动角度不是有效的手段，因为这有可能导致有害的噪音和不稳定性。
本发明的目的之一在于介绍一种方法或一系列方法，采用常规的开关构造块来增强开关的容量而不必在额外的角度内摆动、没有任何信号损失、无需与更高性能的透镜组合、无需在整体上重新调整开关。
本发明的目的尤其在于制造一种可以延展的开关，其不必与具有更大的工作节距的大型光学组件组合，无需构造引导装置来允许实现更大的摆动角度。
本发明的另一个特殊目的在于制造一种开关，其达到了原有技术中开关的功能以及同时充分利用传统光学路径之间的光学空间，以能够在不必扩展工作节距的情况下增加开关容量。
现有技术
以下为背景专利文件：
GB 2185589A(STC plc)
EP 1146386A8(国际商务机械公司)
EP 1146386(IBM)
发明内容
在本发明范围最宽的独立方面，本发明提供一种光学开关，包括一个在空间上与一个光学组件的输出阵列分离开的光学组件的输入阵列，用来导引发射光束的装置，和一个光学地位于输入和输出之间的光学组件的附加阵列，其中所述光学组件的附加阵列的光学组件节距(pitch)小于光学组件的输入和/或输出阵列节距(pitch)。
这种结构是非常先进的，因为它允许操作者增加光学开关的容量而无需增加输入或输出端口的占用区域。例如，如果一个16×16开关通过一个端口以传统的方式被增大，那么为了达到上述新端口，一个特定的准直器必将可移动至一个更大的程度。利用一个合适的阵列能够将准直器的所需摆动限制在最小，该阵列放置于端口之间以得到位于输入和输出端口之间的一个更长的路径长度。这种改进还可以避免必须完全地重新调整一个现有信号来增加开关的容量。该结构还具有可以使端口更加紧凑简洁的优点。
根据一个补充方面，该光学组件阵列位于互相交叉的光学路径中。放置光学组件于这些位置很好的提高了光学容量，并且阵列本身无需过于复杂。
进一步的，该光学组件阵列位于交叉的光学路径之间的带隙中。这样能够允许开关容量进一步增加。例如，可以在输入端口之间的任何带隙中充满附加端口。这将使结构更加紧凑简洁。
进一步的，该光学组件的附加阵列具有改善光束的主要功能，并被放置于输入和输出端口之间的空间，所述的改善光束使得在输入和输出阵列之间可达到的光程长度大于没有设置附加光学组件时可达到的光程长度。上述结构还具有的优点在于通过增加输入和输出阵列之间可达到的光学长度来增加开关的光学容量。
进一步的，光学组件的附加阵列实质上位于从光学组件的输入阵列开始或从光学组件的输出阵列开始的三分之一光程长度上，并且所述组件的节距实质上是光学组件的输入/输出阵列的节距的三分之一。上述结构具有显著的优点，因为其增加了特定开关的光学开关容量，而不必将阵列放置在开关的中心线上。
进一步的，如果所述的第一附加阵列位于从光学组件的输出开始的光程长度的三分之一上，一个第二附加光学组件阵列则位于从光学组件输入阵列开始的光程长度的三分之一上。利用多个阵列会在某些应用中具有特别的益处。
进一步的，所述光学组件附加阵列位于从光学组件输入阵列开始或从光学组件的输出阵列开始的光程长度的四分之一上，元件节距实质上是光学组件的输入或输出阵列的节距的四分之一。这作为一个更有益处的方法，能够用于例如不必使用一个单中心阵列的开关。
进一步的，所述光学组件附加阵列是一个反射阵列，能够增加光学开关容量，同时使得与所述阵列组合的开关的整体尺寸适合特定的标准设置。
进一步的，所述光学组件附加阵列是一个条纹反射镜，使得通过利用交叉点之间的带隙增加开关容量。尤其适用于多个分离的输入阵列作用于相同的条纹反射镜阵列。这可以使得在光开关中得到更大的致密性。
进一步的，所述光学组件阵列是一个小透镜阵列。使得这种结构能够在每个区域达到更多的端口数量。
进一步的，所述光学组件阵列由条纹反射镜、小透镜和反射元件之中至少任意两个的组合构成。
进一步的，发射光被输入和/或输出至/从所述开关经由准直器至一个倾斜反射镜阵列上。使得开关结构能够扩展至更多端口数量，同时还使得所述开关对于特定的端口数量具有更低规格的电子装置，而这在现有技术中是很典型的。
进一步的，所述输入阵列与准直器组合使用，该准直器适于在一个特定节距内，以摆动的方式移动，所述光学组件附加阵列的光学节距(pitch)实质上是准直器的节距(pitch)的一半，并且该光学组件的附加阵列实质上位于输入和输出阵列之间的一半位置上。上述结构使得开关可在最小摆动角度内发生，使得开关在循环工作中，减少机械磨损现象。
进一步的，所述输入阵列与准直器组合使用，该准直器适于在一个特定节距内，以摆动的方式移动，所述光学元件附加阵列的光学节距实质上是准直器的节距的三分之一，并且该光学元件附加阵列实质上位于输入和输出阵列之间的三分之一位置上。上述形式对于一个特定的开关容量减少了必要的准直器摆动。
进一步的，所述输入阵列与准直器组合使用，该准直器适于在一个特定节距内，以摆动的方式移动，所述光学组件附加阵列的光学节距实质上是准直器的节距的四分之一，并且该光学元件附加阵列实质上位于输入和输出阵列之间的四分之一位置上。可以在不减少开关容量的情况下减少必要的准直器摆动。
附图说明
图1(a)表示现有技术中的一种标准的2×2转换光学开关。
图1(b)表示图1(c)中的阵列的平面图。
图1(c)表示一种16×16光学开关的侧视图，该开关是具有四个输入和四个输出以及一个小透镜改善阵列的四行(four rows)开关。
图2表示根据本发明的一种反射光学开关。
图3表示根据本发明的一种具有倾斜反射镜的光学开关。
图4表示一种不带有本发明光学阵列的光学开关的性能结果。
图5表示一种带有本发明光学阵列的光学开关的性能结果。
图6表示一种具有条纹反射镜阵列的光学开关。
图7表示一种具有条纹反射镜阵列的光学开关的改进实施例。
具体实施方式
图1a表示一个具有两个输入端口2和3以及两个输出端口4和5的标准形式的光学开关1。在输入和输出端口之间的画线6表示可能的互相连接，每一个端口可以具有一个准直器7，该准直器放置于一个底座8上，该底座可以移动准直器来实现开关操作。
图1c表示一个具有小透镜组10的阵列9，该小透镜组10沿着一个开关的中心区域放置，上述开关一般用11表示。该开关为在每一边具有四个端口的4行开关。
从图1a或1c可以看出，如果在两阵列(一维线性或者是2d)之间所有互相连接的线均画出来，那么在大部分点上是沿着所述阵列之间的轴，会存在阵列区域上的光束分散，但是在某个位置，尤其是中心，只存在通过光束的有限数量的点。本发明的目的是将一个光学组件阵列放置在光束能够互相交叉的那些点上。
如图1b所述，阵列9可以由小透镜组10构成，能够被设置以改善光束，使其依相同的准直器提供更长的工作距离(工作距离中的最大增益由光束直径设定，该直径接近于阵列节距)。上述限制使得路径等于原始开关的路径的四倍，并可以为2D阵列提供一个端口数量上的16重增加。所述元件能够由需要的结构决定折射或反射。
图1c所示的阵列节距恰好是光学中心点的节距的一半。光学中心点位于支撑准直器的底座或弯曲部分(flextures)处。当输入端口用MEMs时，上述光学中心点则位于反射镜上。
对于图1b所示的2D阵列，水平节距是水平光学中心节距(pivotpitch)的一半，垂直节距是垂直光学中心节距的一半。
图2显示了一种被称作倾斜的反射系统，其中第一组摆动准直器用于输入光束至反射阵列，该反射阵列反射光束至位于第一组下面的第二组摆动准直器。该反射系统使开关能够交迭。
图2所示特别的开关一般用12表示，该开关中，第一和第二组准直器阵列的所有中心点(如标记13)，都在一条直线上排列，简化了设计和结构。反射阵列14的节距设置为中心节距的一半。
图3示出了第一和第二组准直器阵列并分别标记15和16，从准直器15射出的光束传输到第一倾斜反射镜阵列17，该反射镜反射光束到反射阵列18，然后至第二倾斜反射镜阵列19，最后到达准直器16。准直器放置在与反射阵列相同的平面内。图3所示的开关为一个如图所示的具有四行的16×16 MEMs开关。
本发明的方法允许任何开关结构根据最大预期串扰调整其准直器间隔，而与其它操作考虑无关，这避免了使得准直器离得更远。在单模系统中，凹面小透镜的曲率半径只需被设置为与到达小透镜的高斯光束的曲率半径相匹配。如果一个折射阵列用于光传输，那么小透镜组的焦距与凹面镜的高斯光束的1/2倍曲率半径相同。
图4和图5对比显示没有本发明阵列的开关和与本发明阵列组合的开关。
图4中的参数是：代表单光轴偏差的耦合db，单模高斯光束，Zo＝50mm，1550nm，进入4宽阵列(4 wide array)，中心节距4.5mm，中心间隔120mm，光程100mm。
图5中，除了13宽阵列(13 wide array)，参数的设置参照图4，同样的节距，中心间隔480mm，光程460mm，100mm焦距，2.25mm节距小透镜阵列位于光学路径的中心。评估对应于角度的轴线性能，得到相似的或同样的值(串扰60db)。(现行器件由单末端形位偏差引起的干扰要好于50db，接近两末端的形位偏差达100db，例如对准临近的准直器)。
本发明手段可以应用于单模和多模系统。在多模系统中，上述手段带来的附加的益处在于允许纤芯成像为1∶1，这优于在位于一对标准准直器中的光纤之间交换位置和数值孔径(na)。所述手段具有在不需改变准直透镜的情况下工作节距可调(通过改变阵列焦距)的优点。
除了必要的放置一阵列于可以充分利用光束交叉位置以增加开关容量外，本发明也计划在通过放置光束不能常规的穿过的地方来增加开关容量。通过阵列交错可以达到上述目的。
阵列交错利用光束间的带隙。这可以通过位于一个开关20的交叉点之间的所述条纹反射镜21来实现。为了简化附图，实际的光束操作装置已经被点代替。邻接于开关图，用一个条纹反射镜阵列22的平面图表示开关的条纹反射镜21。所述阵列间隔涂敷镀金反射条纹23和无涂敷的条纹24。所述金属板可以在所述阵列的两边进行反射。
所述阵列如此设置尺寸、位置以及形状使得在交叉点上，光束从一个端口穿过阵列到达另一端口。当光束被导引到反射镜条纹上，其反射光至附加端口。用来特别接收所述反射光束的端口可以放置在输入端口之间或在合适的相分离的阵列之中(如分别在图6和图7中示出的两种结构)。
图6表示一个32路反射系统20的平面或侧面图，其设置为：中心点之间距离为148mm，5.5mm节距的褶皱(picth flexures)，倾斜1.06度和以0.4mm为中心直径为1/e的高斯光束。反射镜镀1.375mm条纹、2.75mm节距，两侧镀AR层。
反射镜条纹可以倾斜一个小角度使得在原来阵列中的准直器成像可以直接反射到位于目标阵列的准直器之间的间隙中。开关左边的颜色加深线表示从一个准直器(未示出)发射的光束路径并且遇到所述阵列的一个条纹反射镜部分，该反射镜部分将光束反射到所述开关的左边的一个附加准直器中。颜色较轻的线是常规的路径，该路径与阵列相交在阵列上的不能反射光的部分，但是该部分适合于使得光束交叉到阵列的右边。
反射镜上的条纹节距可以是光学中心点节距的一半，因此反射宽度和带隙宽度都是中心点节距的1/4。
另外，反射镜条纹可以是更为倾斜的，再加入两个阵列，如图7所示的一个由4个16路阵列构成的32×32开关，例如，准直器节距5.5mm，首尾相连长度(中心点到中心点)150mm，反射镜倾斜7.45度。
用深色表示的路径是穿过位于阵列的反射镜部分之间的阵列的路径。与深色路径重合的光路径与一个反射条纹上的阵列相遇于是被反射回。另外的颜色较浅的路径穿过阵列。
一种技术可使得光学元件放置容限更大(或者能够操作更大光束直径的能力)是利用一个反射传输组件的倾斜网阵。这给出了一个反射或传输条纹尺寸为中心点的二倍根号二分之一(1/2.81)。并要求所述元件为使准直器阵列合理呈像而在两个轴上以较小的角度放置。这些方法不会改变阵列间表观距离，但使得它们的成像交替。
Claims (17)
1.一种光学开关，包括一个与一光学组件的输出阵列相分离的光学组件的输入阵列，用来导引发射光束的装置，和一个位于输入和输出之间的光学组件的附加阵列，其中所述光学组件的附加阵列的光学组件节距小于光学组件的输入和/或输出阵列的节距。
2.根据权利要求1所述的开关，其中光学组件的阵列位于光学路径相互交叉处。
3.根据权利要求1所述的开关，其中光学组件的阵列位于光学路径相互交叉处之间的带隙上。
4.根据上述任一权利要求所述的开关，其中该光学组件的附加阵列具有改善光束的主要功能，并被放置于输入和输出端口之间，用于改善光束使得在输入和输出阵列之间可达到的光程长度大于没有设置附加光学元件时可达到的光程长度。
5.根据权利要求4所述的开关，其中光学组件的附加阵列实质上位于输入和输出之间的中心处，该组件的节距实质上是光学组件的输入/输出阵列的节距的一半。
6.根据权利要求4所述的开关，其中光学组件的附加阵列位于从光学组件的输入阵列或从光学组件的输出阵列开始的光程长度的三分之一处，该组件的节距是光学组件的输入/或输出阵列的节距的三分之一。
7.根据权利要求6所述的开关，当第一附加阵列位于从光学组件的输出开始的光程长度的三分之一处时，一个第二光学组件附加阵列位于从光学组件的输入阵列开始的三分之一处。
8.根据权利要求4所述的开关，其中光学组件的附加阵列实质上位于从光学组件的输入阵列开始或从光学组件的输出阵列开始的光程长度的四分之一处，该组件的节距是光学组件的输入和/或输出阵列的节距的四分之一。
9.根据权利要求1所述的开关，其中光学组件的附加阵列是一个反射阵列。
10.根据权利要求1所述的开关，其中光学组件的附加阵列是一个条纹反射镜。
11.根据权利要求1所述的开关，其中光学组件的附加阵列是一个小透镜阵列。
12.根据权利要求1所述的开关，其中光学组件的附加阵列由条纹反射镜、小透镜和反射元件中的至少任意两个元件构成。
13.根据权利要求1所述的开关，其中到/从所述开关输入和/或输出的光线，经准直器至倾斜的反射镜上。
14.根据权利要求1所述的开关，其中输入阵列与准直器组合使用，该准直器适于在一个特定节距内以摆动方式移动，所述光学元件附加阵列的光学节距实质上是准直器的节距的一半，并且该光学组件附加阵列位于输入和输出阵列之间的一半位置上。
15.根据权利要求1所述的开关，其中输入阵列与准直器组合使用，该准直器适于在一个特定节距内以摆动方式移动，所述光学组件附加阵列的光学节距是准直器的节距的三分之一，并且该光学组件附加阵列位于输入和输出阵列之间的三分之一位置上。
16.根据权利要求1所述的开关，其中输入阵列与准直器组合使用，该准直器适于在一个特定节距内以摆动方式移动，所述光学组件附加阵列的光学节距是准直器的节距的四分之一，并且该光学组件附加阵列位于输入和输出阵列之间的四分之一位置上。
17.一种光学开关，如以上结合全文和/或附图的任意适当的组合所表述和/或说明的。
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