CN1337584A

CN1337584A - 机械光开关

Info

Publication number: CN1337584A
Application number: CN 01126698
Authority: CN
Inventors: 谢虎; 钱玉彬; 陈海荣; 黄立天
Original assignee: SHANGQUAN OPTICAL FIBER COMMUNICATION EQUIPMENT CO Ltd SHANGHAI
Current assignee: SHANGQUAN OPTICAL FIBER COMMUNICATION EQUIPMENT CO Ltd SHANGHAI
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2002-02-27

Abstract

一种机械光开关,主要应用于光通信系统、光纤网络系统、光纤测量系统或仪器和光纤传感系统中的光信号的交换。包括固定棱镜和对着固定棱镜斜面的准直器夹具。所有两路出射准直器和一路入射准直器或两路入射准直器均中心轴线相互平行地置于同一个准直器夹具内。有一活动棱镜由继电器控制移入或移出光路。活动棱镜和固定棱镜均是等腰直角全反射棱镜,斜面为光入射面镀有增透膜,两直角面为反射面。活动棱镜和固定棱镜的两直角棱线在光路中相互垂直。与在先技术比,本发明具有切换时间短,典型的切换时间可达6毫秒。插入损耗低,重复性好,调整时不存在光路相互干涉问题。输入端和输出端均在一侧,便于空间分布。

Description

机械光开关

技术领域：

本发明涉及一种机械光开关，主要应用于光通信系统、光纤网络系统、光纤测量系统或仪器以及光纤传感系统中的光信号的交换。

背景技术：

在光纤网络系统中，信息的传输是通过光信号在光纤中的传输来实现。虽然光信号在光纤中的传输与电信号在金属导线中的传输有一定的相似之处，然而众所周知的是将光信号从输入光纤切换到不同的输出光纤中要比电信号通过电子开关的切换要难得多。

电信号在金属导线中传输时可以非常容易地实现连接，而光信号要从输入光纤进入输出光纤必须要有非常精确的耦合，否则光强的损失将非常严重。现在在光网络系统中普遍使用的单模光纤的横截面非常小，它的纤芯直径仅为9微米左右，而且它的可接收的角度(数值孔径)也非常小，为了确保传输效率，入射光必须位于纤芯的数值孔径以内。因此，用于将输入光切换到不同输出端口的光开关必须要有非常高的精度。

由于光开关的应用非常广泛，在在先技术中，有很多关于光开关的发明专利。美国专利US4589726，提供的“旋转式光开关”，该专利主要应用于二路输入光和二路输出光(2×2)光开关，用步进电机将一直角棱镜旋转90度来完成光路的切换。该发明存在着如下一些问题，首先是步进电机的切换速度很慢，切换时间通常在15毫秒以上，而现代通信系统对光开关切换时间的要求通常在10毫秒以下；其次该发明只采用了一只棱镜，在调整中存在着很棘手的光路相互干涉的问题，由于光路的切换是通过棱镜在相互垂直的两个方向上的转动来保证的，当调整好一个方向之后，就很难保证另一个方向上光路的耦合，而且光路的调整非常耗费时间，因此该发明在可制造性上存在很大的问题。

美国专利US5436986，提供的“用于光纤之间信号交换的设备和方法”，该发明通过两个相对的直角面镀反射膜的等腰直角棱镜的移入和移出光路来实现光信号交换。在该发明中，由于在棱镜移出光路时一个棱镜必须位于两个自聚焦透镜之间，因此两个自聚焦透镜之间的距离相对较宽，从而导致整个开关的尺寸变得很大，不能满足现代通信系统对开关尺寸要求越来越小的需求；其次，该发明中每个棱镜需要在两个直角面上镀高反膜增加了开关的成本；另外，在该发明中光信号的输入端和输出端位于开关的两侧，不便于光通信系统中对开关的集成。

发明内容：

本发明的机械光开关，包括有基板1，在基板1上置有基座12和继电器11，在基座12上固定有固定棱镜基座8，在固定棱镜基座8上置有等腰直角棱镜形的固定棱镜7。在基座12上，对着固定棱镜7的斜面固定有准直器夹具5。在准直器夹具5内，置有第一入射准直器3，如图1、2和3所示。或者置有第一入射准直器3和第二入射准直器13如图4、5和6所示。在准直器夹具5内，同时还置有第一出射准直器4和第二出射准直器2。所有的准直器，包括第一入射准直器3、第二入射准直器13、第一出射准直器4和第二出射准直器2的中心轴线都相互平行，并且都垂直于固定棱镜7的斜面。在基座12上还固定有门框形档板10。有一悬臂梁9一端固定在继电器11上，由门框形档板10的门框内穿过，另一端固定有等腰直角棱镜形的活动棱镜6。当活动棱镜6置于光路中时，活动棱镜6是置入在准直器夹具5与固定棱镜7之间，而且活动棱镜6的斜面对着准直器夹具5，与上述各准直器2、3、4和13的中心轴线垂直。活动棱镜6的直角棱线垂直于固定棱镜7的直角棱线。如图1、2、3、4、5和6所示。

所说的固定棱镜7和活动棱镜6均是等腰直角棱镜形，它们的斜面为光入射面，都镀有增透膜。两直角平面均为反射面。本发明中是利用等腰直角棱镜的全反射特性，将活动棱镜6和固定棱镜7置放在两直角平面对入射光束为全反射角的位置。当然也可以在两直角平面上镀有增反射膜，但这样就增加了制造成本。

上面所说的活动棱镜6是固定在悬臂梁9的一端上，悬臂梁9的另一端固定在继电器11上，由继电器11的吸合或断开，使悬臂梁9落下或抬起，带动活动棱镜6在垂直方向上落入光路中或离开光路。这种结构可以称为是悬臂式结构。也可以是另一种推拉式结构，在准直器夹具5与固定棱镜7之间的基座12上置有导轨，在导轨上置有由继电器驱动的滑块，将活动棱镜6置放在滑块上。当继电器吸合或断开时，使滑块在导轨上，来回移动，带着滑块上的活动棱镜6移入光路，或移出光路。

下面详细描述上面所述的结构。

1. 1×2机械光开关

所说的1×2就是一路是输入光，有二路输出光。本发明的1×2机械光开关的结构如图1、图2、图3所示，它包括：基板1，置于基板1之上的基座12和继电器11；置于基座12左侧(按图示方向)有准直器夹具5，置于基座12后侧有固定棱镜基座8，置于基座12上有门框形挡板10；有一端固定于继电器11上的悬臂梁9；置于准直器夹具5内有第一入射准直器3，有与第一入射准直器3中心轴线相平行的第一出射准直器4和第二出射准直器2；置于固定棱镜基座8上有固定棱镜7；固定于悬臂梁9的另一端有活动棱镜6。

继电器3选为单刀双掷。

如图2、图3所示，当继电器11通电后，继电器11的线圈产生的磁力吸合活动端子带动悬臂梁4另一端的活动棱镜6插入光路中。此时入射光经过第一入射准直器3从活动棱镜6的斜面入射，经过活动棱镜6的第一直角面和第二直角面的两次全反射，光束再次穿过活动棱镜6的斜面，并经过第二出射准直器2出射。

如图1所示，当继电器11断电后，继电器11维持吸合作用的电磁力消失，簧片带动活动端子反弹，从而带动悬臂梁9另一端的活动棱镜6移出光路。此时，入射光经过第一入射准直器3穿过固定棱镜7的斜面入射，在竖直面上经过固定棱镜7的第一直角面和第二直角面的两次全反射，光束再次穿过固定棱镜7的斜面，并经过第一出射准直器4出射。当悬臂梁9被弹起时，因有门框形挡板10的门框挡牢，不致于由弹起的冲力损坏悬臂梁9和活动棱镜6。而且使悬臂梁9弹起的路程短，当继电器11再次吸合时，能够迅速返回。

2. 2×2机械光开关

所说的2×2即是输入有二路光，输出也有二路光。本发明的2×2机械光开关的结构简图如图4、图5、图6所示，它所包括的如同上述，有基板1，置于基板1之上有基座12和继电器11；置于基座12上有准直器夹具5，置于基座12上有固定棱镜基座7，固定于基座12上有门框形挡板10；一端固定于继电器11上的悬臂梁9，置于固定棱镜基座7上有固定棱镜7；固定于悬臂梁4另一端有活动棱镜6。与上述1×2机械光开关的结构所不同的是，在准直器夹具5中，除了有中心轴线相互平行的第一入射准直器3、第一出射准直器4和第二出射准直器2外，还有中心轴线与上述准直器3、4、2中心轴线相互平行的第二入射准直器13。如图4、5、6所示第一、第二两入射准直器3、13使入射光变成平行光束射进活动棱镜6或固定棱镜7；第一、第二两出射准直器4、2，使出射光束会聚，以避免产生发散的损耗。

继电器11也选为单刀双掷。

如图5、图6所示，当继电器11通电后，线圈产生的磁力吸合带动悬臂梁9另一端的活动棱镜6插入光路中。此时第一束入射光经过第一入射准直器3从活动棱镜6的斜面入射，在水平面上先后经过活动棱镜6的第一直角面和第二直角面的两次全反射，光束再次穿过活动棱镜6的斜面，并经过第二出射准直器2出射；与此同时，第二束入射光经过第二入射准直器13从活动棱镜6的斜面入射，在水平面上先后经过活动棱镜6的第二直角面和第一直角面的两次全反射，光束再次穿过活动棱镜6的斜面，并经过第一出射准直器4出射。

如图4所示，当继电器11断电后，继电器11维持吸合作用的电磁力消失，簧片带动活动端子反弹，从而带动悬臂梁9另一端的活动棱镜6移出光路。此时，第一束入射光经过第一入射准直器3穿过固定棱镜6的斜面入射，在竖直面上经过固定棱镜7的第一直角面和第二直角面的两次全反射，光束再次穿过固定棱镜7的斜面，并经过第一出射准直器4出射；与此同时，第二束入射光经过第二入射准直器13穿过固定棱镜7的斜面入射，在竖直面上先后经过固定棱镜7的第二直角面和第一直角面的两次全反射，光束再次穿过固定棱镜7的斜面，并经过第二出射准直器2出射。

如上所述本发明1×2、2×2机械光开关活动棱镜6的驱动还可以通过一维精密导轨来实现，就是上面所述的推拉式结构。置于一维精密导轨滑块之上有活动棱镜6，滑块在导轨上的来回运动由继电器驱动。当滑块在继电器的磁力的驱动下被推向导轨的一侧，活动棱镜6移入光路；当外接直流电源给出反向脉冲时，继电器产生的电磁力反向，滑块被推向导轨的另一侧，活动棱镜6移出光路，从而实现了如上述的1×2、2×2的光开关切换。

本发明采用了两个等腰直角全反射棱镜作为活动棱镜6和固定棱镜7，利用直角棱镜的两直角平面的全反射原理来实现光路的交换。其结构简单合理。与在先技术美国专利4589726的发明相比较，本发明由于采用了电磁驱动活动棱镜切换时间短，典型的切换时间可达6毫秒，最大切换时间仅为10毫秒。插入损耗低，重复性好，回波损耗高。而且光路切换容易，操作方便；本发明由于采用了两个全反射棱镜，一固定、一活动的结构很好地解决了在光路准直时的相互干涉问题，调整时间短，生产效率得到了很大的提高。与在先技术美国专利5436986相比较，本发明中每个棱镜仅需在斜面镀抗反射膜即增透膜，节省了成本；其次，本发明中各准直器2、3、4、13之间的距离很小，结构紧凑，降低了开关的尺寸；还有本发明将所有的入射准直器3、13和出射准直器4、2全部置入一个准直器夹具5中，即入射端和出射端在一侧，不仅优化了空间布局，进一步突出了结构紧凑、尺寸小的优点，非常便于系统的集成。

附图说明：

图1.为本发明的1×2机械光开关在固定棱镜7通光时的总体示意图

图2.为本发明的1×2机械光开关在活动棱镜6通光时的总体示意图

图3.为本发明的1×2机械光开关在活动棱镜6通光时的分解示意图

图4.为本发明的2×2机械光开关在固定棱镜7通光时的总体示意图

图5.为本发明的2×2机械光开关在活动棱镜6通光时的总体示意图

图6.为本发明的2×2机械光开关在活动棱镜6通光时的分解示意图

具体实施方式：

如上述的结构和图1、2、3、4、5、6所示。其中继电器11为单刀双掷，额定电压为5伏特，额定电流为40毫安。活动棱镜6和固定棱镜7均为K9玻璃制成的等腰直角全反射棱镜，斜面镀增透膜。将上述结构1×2、2×2的机械光开关投入实际使用中。应用于光通信系统的光上下路模块(OADM)中。本发明光开关结构的特征尺寸为长度为45毫米，宽度18毫米，高度14毫米，典型规格为：切换时间为8毫秒，插入损耗小于0.6分贝(dB)，切换重复性±0.03dB，回波损耗大于62dB，可预期使用寿命107次。这些数据充分证明了本发明的光开关比在先技术的光开关有显著的进步。

Claims

1.一种机械光开关，包括：

<1>有基板(1)，在基板(1)上置有基座(12)，在基座(12)上固定有固定棱镜基座(8)，在固定棱镜基座(8)上置有等腰直角棱镜形的固定棱镜(7)；

<2>在基座(12)上对着固定棱镜(7)的斜面固定有准直器夹具(5)，在准直器夹具(5)内置有第一入射准直器(3)，或者第一入射准直器(3)和第二入射准直器(13)；

其特征是：

<3>在基座(12)上的准直器夹具(5)内，还置有第一出射准直器(4)和第二出射准直器(2)，所说的第一入射准直器(3)、第二入射准直器(13)、第一出射准直器(4)和第二出射准直器(2)的中心轴线相互平行，并且都垂直于固定棱镜(7)的斜面；

<4>在基座(12)上固定有门框形档板(10)，在基板(1)上置有继电器(11)，有一悬臂梁(9)一端固定在继电器(11)上，由门框形档板(10)的门框内穿过，另一端固定有等腰直角棱镜形的活动棱镜(6)；

<5>当活动棱镜(6)置于光路中时，活动棱镜(6)是置放在准直器夹具(5)与固定棱镜(7)之间，活动棱镜(6)的斜面对着准直器夹具(5)、与上述各准直器(2、3、4、13)的中心轴线垂直，活动棱镜(6)的直角棱线垂直于固定棱镜(7)的直角棱线。

2.根据权利要求1所述的机械光开关，其特征是所说的等腰直角棱镜形的固定棱镜(7)和活动棱镜(6)的斜面是透光面都镀有增透膜，两直角平面均为反射面。

3.根据权利要求1所述的机械光开关，其特征是所说的活动棱镜(6)或者是置于在一导轨上的滑块上，滑块在继电器的驱动下，在导轨上来回移动，带动活动棱镜(6)移入光路或移出光路，导轨是置于准直器夹具(5)与固定棱镜(7)之间的基座(12)上。