CN1114115C - 宽带单模光纤4×4矩阵光开关 - Google Patents
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Abstract
一种宽带单模光纤4×4矩阵光开关，由光路交换层、平移推动层和驱动电路层等阵列模块组成光开关矩阵，光路交换层由入射准直光路、出射准直光路和反射直角棱镜为主要构件，平移推动层采用磁保持设计的滑槽阵列模块，可降低功率消耗，驱动电路层采用一体化交叉网格布局的继电器阵列模块，提高了电磁效率。本发明的光路结构具有插入损耗小、控制方式简单、工作带宽宽、响应速度块、尺寸小等特点，可向中等列阵数开关矩阵扩展。
Description
本发明涉及一种光纤矩阵光开关，尤其涉及一种机械式宽带单模光纤4×4矩阵光开关，应用于光纤通信干线系统、各种网络的光路切换，光纤测量、监控等系统，属于光纤技术领域。
光纤技术的飞速发展和国际互联网对大容量或高比特速率的通信带宽需求，极大地推动了光纤通信系统、网络向Terabit(1012)传输速率和Gigabit/Terabit(109/1012)交换容量的发展，而光开关则是实现通信交换容量达到Gigabit甚至Terabit的核心器件，也是向未来全光透明或半透明通信的必要一步，同时，光开关也是光互联、光计算的核心器件。
光开关，按实施方法可分为光纤切换、微光学方法和平面波导工艺，按控制手段可分为机械控制(或机/电结合控制)、电光控制两大类别。现有技术中，对机械控制的微光学工艺类的光开关已有研究。日本专利特许公报昭56-150707(1981年)所记载的光开关驱动器，通过松放线缆把推/拉力传递到光学发射镜，使其上下运动形成光路的切换，推/拉的动力由马达或类似电磁继电器之类装置完成，相对独立于光路平台。这种光开关驱动器由于松放线缆的传递阻尼，导致开关速度比较低，重复性差，而且结构体系庞大，不利于向中等列阵数开关矩阵扩展。美国AT & T Labs-Research在1999年光通信会议Technical DigestOFC’99中报道的自由空间的微机械光开关，是一种利用平面硅波导的IC集成电路工艺，设计一个微型铰链旋转光学发射镜来完成光路的切换，微型铰链的旋转运动是通过一种类似平面电磁马达或线圈的驱动来完成的。这种开关虽然采用IC工艺，使驱动结构小型化，但是其热效应非常显著，导致可靠性目前还不能得到很好解决，另外，由于仅仅利用精密机械工艺来满足光学对光精度，因而，其目前的插入损耗很大(3.5dB)。
本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提供一种新型光开关，使之能减少插入损耗，提高开关速度及工作可靠性，并可向中等列阵数开关矩阵扩展。
为实现这样的目的，本发明在技术方案中采用了一种通过一定光学调试手段实现的模块化结构，并实施了宽带方案和磁保持列阵方案。在结构上，利用磁保持继电器，采用交叉网格布局、一体化模块设计，大大降低功耗、减小尺寸、利于向中等列阵数开关矩阵扩展。在光学设计上，采用在直角棱镜上多层镀膜工艺，使光开关的带宽加大，在1.3微米和1.5微米两个窗口之间打通，达成400纳米。在光学调试上，采用两维基准光学平面，六维元器件精确定位的对光技术，使开关的损耗极大降低(小于1.5dB)，如改进个别元件性能，可以达到0.8dB。
本发明的总体结构分为三层，从上而下分别为光路交换层、平移推动层和驱动电路层，构成4×4光开关矩阵，光路交换层由入射、出射准直光路和直角棱镜为主要构件，是光路交换核心层，准直光路分别由四根单模光纤组成，反射直角棱镜的45°斜面上镀有高反膜，可使带宽加大。平移推动层采用全玻璃定位滑槽阵列模块，采用滑槽限位板和高精度的刚性滚珠来实现限位，确保平移偏离精度，以保证开关过程的重复性。驱动电路层采用磁保持设计，也可用普通吸拉式继电器阵列模块实现。
一般地说，光学准直电路的有效空间距离有限，可以保证光斑有效截面在设计距离范围内不扩散太多，从而，光纤到光纤的插入损耗可以控制在合理范围。本发明的技术方案同时在功能模块和光学空间的约束上作最佳设计与排列，并保证入射光纤准直光路与出射光纤准直光路中的所有光纤都严格调整在同一光学平面。
为保证入射光纤准直光路与出射光纤准直光路在严格的两维水平面内，本发明通过同一基准平面来实现两者严格一致。入射光纤准直光路中的第一光纤被调整其水平和左右角度后被固定，第二光纤则以第一光纤作为参考光纤，同样调整其水平和左右角度，从而实现两根光纤的严格同一平面，依此类推。入射光纤组中的所有光纤均被严格调准平面后，出射光纤准直光路组中的第一光纤以入射光纤组中的第一光纤作为参考光纤，同样调整其水平和左右角度，从而实现出射光纤组和入射光纤组中所有的光纤都严格在同一光学平面。
下面结合实施例与附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
图1为本发明的总体结构示意图。
如图所示，本发明总体结构分为三层，从上而下由光路交换层1、平移推动层2和驱动电路层3等三层阵列模块组成4×4光开关矩阵。光路交换层1由入射准直光路6、出射准直光路5和反射直角棱镜4为主要构件，是光路交换层的核心，入射准直光路6由四根单模光纤9组成，出射准直光路5由四根单模光纤7组成，所有的光纤都严格在同一光学平面。光路交换层1的16个反射直角棱镜4排列成四行四列，反射直角棱镜4的45°斜面上镀有高反膜，反射直角棱镜4的反射斜面的法线分别与入射准直光路6和出射准直光路5构成45°夹角。平移推动层2采用全玻璃定位滑槽阵列模块，其上有滑槽上限位板8。驱动电路层3采用继电器阵列模块。在三层结构中，每层中的每个单元从上到下垂直一一对应。
图2为本发明中矩阵单元的结构示意图。
如图所示，本发明采用了磁保持设计，滑槽由滑芯26、刚性滚珠25和滑体框24组成，滑体框24的上面有上限位板8，下面有下限位板10，两块限位板严格平行。滑槽上有反射直角棱镜4，磁保持继电器12通过顶杆13与滑槽相连，顶杆13底部的永磁铁17与纯铁15之间有隔离层16，纯铁15上有上限位14，在电磁纯铁芯18外绕有电磁线圈19，电磁线圈19连接驱动电极27。
本发明的矩阵单元工作原理如下：快速电脉冲通过电磁线圈19产生NS或SN极化磁场，与永磁铁17相互作用产生相吸或相斥电磁力，从而推动顶杆13和滑槽滑芯26上下移位，在光路上限位板8与下限位板10的作用下，使直角棱镜4形成上下光路的切换功能。纯铁15和电磁纯铁芯18在电磁线圈19产生的极化磁场与NS永磁铁17发生相互作用，从而形成电磁相吸或相斥，隔离层16则是在电磁线圈19没有产生极化磁场情况下，使NS永磁铁17与纯铁15和电磁纯铁芯18相互平衡。
图3为本发明的驱动电路层继电器阵列模块结构示意图。
如图所示，本发明的继电器阵列模块采用一体化交叉网格布局，模块由电磁纯铁芯阵列(包括电磁纯铁芯18和电磁线圈19)、电磁内隔离墙20、电磁外隔离墙21组成。在电磁纯铁芯18外绕有电磁线圈19，每个电磁线圈19之间有电磁内隔离墙20，整个矩阵外有电磁外隔离墙21。
这种矩阵式一体化设计具有电磁效率高、电磁串扰少、占据尺寸小等特点，除了4×4矩阵外，还非常利于扩展为8×8以上大通道数列阵。
图4为本发明中滑槽模块结构示意图。
图中，滑槽单元22嵌入式安装于滑槽框架23中。
图5为本发明中滑槽单元的结构示意图。
图中，每个滑槽单元由滑芯26、刚性滚珠25和滑体框24组成。在滑芯26的外面布有四排高精度的刚性滚珠，来确保平移推动层的平移偏离精度，在滑体框24的上下有上限位板8和下限位板10，两块严格平行的限位板用来精确限位。
在这种设计中，每个滑槽所占据尺寸不大，如6×6(毫米×毫米)，从而有效地利用了光学空间和光路距离，利于扩展为8×8等大通道数列阵。
本发明采用的光路结构具有插入损耗小、控制方式简单、响应速度块、尺寸小等特点。采用一体化模块设计，有效的降低了每个驱动单元的尺寸，将每个驱动继电器安装于同一交叉网格化的磁场单元中，一方面提高了电磁效率，减少磁芯的摩擦阻力，提高响应时间，另一方面，降低了各个磁场单元的串扰，如此可在有限空间内实现4×4或8×8等中等列阵数开关矩阵；采用的磁保持设计，可以降低功率消耗，提高开关的电磁响应时间；反射直角棱镜的45°斜面镀上高反膜，反射膜的带宽可以覆盖1.3微米和1.5微米两个波段，这样，光纤开关矩阵的可使用带宽超过400纳米，从而实现了一种宽带开关。尽管宽带是以牺牲一定量的损耗为代价，如0.3dB，但是开关在所有通信波长上的损耗依然可以小于1.5dB。
以下通过一个具体的实施例数据进一步说明本发明的效果。
输入/输出光纤：G652单模光纤
工作波段：全波段(1.3μm～1.5μm)；
插入损耗：典型值1dB，最大接近1.5dB；
响应时间：小于10ms；工作电压：5V或12V；功耗：小于1W；
后向反射：小于-40dB；串扰：大于60dB；重复性：小于0.2dB；实施例测试损耗见下表：
| 损耗值dB | 出射端1 | 出射端2 | 出射端3 | 出射端4 |
| 入射端1 | 1.44 | 1.27 | 1.5 | 1.61 |
| 入射端2 | 1.67 | 1.44 | 1.59 | 1.46 |
| 入射端3 | 1.43 | 1.28 | 1.13 | 1.55 |
| 入射端4 | 1.47 | 1.1 | 1.46 | 1.07 |
本发明与现有同类光开关比较，明显具有插入损耗小，响应时间快以及工作波段宽等优点。
Claims (3)
1、一种宽带单模光纤4×4矩阵光开关，其特征在于从上而下由光路交换层(1)、平移推动层(2)和驱动电路层(3)三层阵列模块组成4×4光开关矩阵，光路交换层(1)由入射准直光路(6)、出射准直光路(5)和反射直角棱镜(4)为主要构件，入射准直光路(6)和出射准直光路(5)分别由在同一光学平面的四根单模光纤组成，反射直角棱镜(4)的斜面上镀有高反膜，平移推动层(2)采用滑槽阵列模块，驱动电路层(3)采用继电器阵列模块，驱动电路层(3)中的电磁线圈(19)产生的磁场通过平移推动层(2)中永磁铁(17)和顶杆(13)，使光路交换层(1)中的反射直角棱镜(4)进行光路切换。
2、如权利要求1所说的宽带单模光纤4×4矩阵光开关，其特征在于滑槽阵列模块采用磁保持设计，滑槽单元(22)嵌入式安装于滑槽框架(23)中，滑芯(26)的外面布有四排高精度的刚性滚珠(25)，滑体框(24)的上下有严格平行的上限位板(8)和下限位板(10)，磁保持继电器(12)通过顶杆(13)与滑槽相连，顶杆(13)底部的永磁铁(17)与纯铁(15)之间有隔离层(16)，纯铁(15)上有上限位(14)，在电磁纯铁芯(18)外绕有电磁线圈(19)。
3、如权利要求1或2所说的宽带单模光纤4×4矩阵光开关，其特征在于继电器阵列模块采用一体化交叉网格布局，在电磁纯铁芯(18)外绕有电磁线圈(19)，每个电磁线圈(19)之间有电磁内隔离墙(20)，整个矩阵外有电磁外隔离墙(21)。
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