專利名稱：1×n機械光開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機械光開關，具體地說，涉及一種1×N機械光開關。該光開關可廣泛應用于光通信系統(tǒng)、光網(wǎng)絡系統(tǒng)、光纖調(diào)試與測量系統(tǒng)、以及光纖傳感系統(tǒng)中光信號傳輸路徑的選通與交換。
背景技術：
光傳輸系統(tǒng)中，信息以光信號的形式在光纖中低損耗傳輸，而單模光纖直徑為9um，其數(shù)值孔徑小，光纖光束耦合時要求具有很高的對位精度。光開關是一種能改變光束傳輸路徑，又具有很高穩(wěn)定性與精度的光學元件，它能根據(jù)要求靈活地實現(xiàn)光束傳輸路徑的選擇。
在先的1×N機械光開關有很多種實現(xiàn)方法。以1×8開關為例，目前商用較多的是用1×2機械開關級連而成，如圖1、圖2。
其中1×2光開關的原理圖如圖1所示，其結(jié)構包括一個光束輸入端，兩個光束輸出端，一個繼電器，一個反射鏡或者棱鏡，盒體等幾部分。其工作原理是光從光束輸入端入射，繼電器驅(qū)動反射鏡，控制光束的傳輸方向，實現(xiàn)光束在兩個輸出端之間的切換。
由1×2光開關級聯(lián)而成的1×8光開關如圖2所示，它包括七只圖1所示的1×2光開關，電路控制部分，一個光束輸入器，八個光束輸出器，電信號輸入輸出端口、盒體等幾部分。根據(jù)需要用戶發(fā)請求信號使相應的1×2光開關切換，實現(xiàn)光從輸入端到輸出端的切換。
基于這種方式的1×8光開關，實現(xiàn)方式較簡單，但是存在著許多不足比如插入損耗大，響應時間長，長期穩(wěn)定性差等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的缺點和不足，提供一種1×N機械光開關。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，包括光路部分、機械驅(qū)動部分、控制電路部分、盒體。
1、具體結(jié)構設n＝2、3...，N＝2n，為了不增大開關的體積，n的取值不超過6。
本發(fā)明由n個棱鏡5、n個繼電器4、一個光束輸入器7、N個光束輸出器8、盒體1、電路板2、電信號I/O口3組成。
其外部主體為一方形盒體1，盒體1左邊有一個光束輸入器7，盒體1上邊有電信號I/O口3，盒體1右邊，從上到下，依次排列有N個光束輸出器8；盒體1內(nèi)裝有1×N開關的芯件，芯件以電路控制板2為主體，在電路控制板2的正面上，從左至右，依次排列有n個繼電器4和n個棱鏡5；繼電器4通過其電引腳固定在電路板2上，棱鏡5粘接或者焊接在對應繼電器4的力臂上；電信號I/O口3通過控制電路與繼電器4連接；
控制電路安裝在電路板2上，包括電源、單片機、編碼、譯碼電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、I/O接口等，控制電路通過信號I/O口3與外面通信，根據(jù)用戶的請求控制驅(qū)動機構的工作。
2、工作原理外部信號通過電信號I/O口3發(fā)給控制電路，控制電路在相應的繼電器4上加電壓，吸合力臂，帶動棱鏡5伸入或退出光路，通過棱鏡5的不同工作狀態(tài)組合，實現(xiàn)光在N個光通道間的切換、傳輸。
不失一般性，以1×8機械光開關為例進一步說明，如圖3所示。
圖3中，光束輸入輸出器調(diào)試好后分別粘接或者焊接在盒體1的相應的位置；改變光傳輸方向的核心部件由3個材料相同、相鄰兩者尺寸依次相差一倍的第一棱鏡5.1、第二棱鏡5.2、第3棱鏡5.3組成，分別固定在第1繼電器4.1、第2繼電器4.1、第3繼電器4.3的力臂上；繼電器4通過其電引腳固定在電路板2上，電路板2通過其定位孔固定在盒體1的內(nèi)部，最后用盒蓋將其封裝。
從光束輸入端輸出的光在向前傳輸時，如光路中有折射棱鏡，受到折射棱鏡的折射，在空間產(chǎn)生一個位移，由于棱鏡的幾何尺寸上相差一倍，即后者是前者的二倍，光束相繼通過不同的棱鏡時，在空間產(chǎn)生的位移也各不相同。N個不同棱鏡的組合，可實現(xiàn)光束在N個輸出端間的切換。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果①將光路切換元件的數(shù)量降到最少，從而減少了影響光路穩(wěn)定性的自由度，也降低了光路調(diào)試的難度；
②光路切換元件數(shù)的減少，可提高開關的響應速度，改善光學穩(wěn)定性；③光路切換的元件數(shù)減少，同時還減小了1×N機械光開關的體積。
總之，本發(fā)明性能價格比高，有著廣闊的應用前景。


圖1-1×2機械光開關示意圖；圖2-由1×2機械光開關級聯(lián)的1×8機械光開關示意圖；圖3-1×8機械光開關組成示意圖；圖4a-1×8機械光開關三只棱鏡全處于退出狀態(tài)時的光路圖；圖4b-1×8機械光開關三只棱鏡全處于伸入狀態(tài)時的光路圖；圖4c-1×8機械光開關光束輸出器換為雙芯光束輸出器后棱鏡全退出時光路圖；圖4d-1×8機械光開關光束輸出器換為雙芯光束輸出器后棱鏡全伸入時光路圖；其中1-盒體；2-電路板；3-電信號I/O口，即電信號輸入輸出端口；4-繼電器，或為電磁鐵，或為壓電陶瓷，包括第1繼電器4.1、第2繼電器4.1……第n繼電器4.n；
5-棱鏡，為一種方形折射棱鏡，包括第1棱鏡5.1、第2棱鏡5.2……第n棱鏡5.n；6-光束輸入端；7-光束輸入器；8-光束輸出器，包括第1光束輸出器8.1、第2光束輸出器8.2……第N光束輸出器8.N；9-光束輸出端，包括第1光束輸出端9.1、第2光束輸出端9.2……第N光束輸出端9.N；10-屋脊棱鏡；11-雙芯光束輸出器。
具體實施例方式
為了便于說明，仍以1×8機械光開關為例。
圖4，包括圖4a、圖4b、圖4c、圖4d，是一組1×8機械光開關光路示意圖。
從左至右，依次為1個光束輸入端6，1個光束輸入器7，第1棱鏡5.1，第2棱鏡5.2，第3棱鏡5.3，8個光束輸出器8.1-8.8，8個光束輸出端9.1-9.8。
光束輸入器7能將光纖中的光束直徑擴大，使該光束有較大的準直范圍。光束輸出器8由八個單芯光束輸出器組成，這些光束輸出器8根據(jù)光路具體情況選配，使之具有最佳的耦合效率。1×8機械光開關中改變光束傳輸方向的核心部分由3個材料相同、尺寸依次相差一倍的棱鏡5組成。棱鏡的直角面上鍍有增透膜，可降低表面反射損耗。
如圖4a中，繼電器4都處于斷電狀態(tài)，此時第1棱鏡5.1，第2棱鏡5.2，第3棱鏡5.3均處于退出光路狀態(tài)，信號光從光束輸入端6出射后，在開關內(nèi)的自由空間傳播，直接耦合進入光束輸出端9.1，即光束輸入端6→光束輸出端9.1。
如圖4b中，繼電器4都處于通電狀態(tài)，此時第1棱鏡5.1，第2棱鏡5.2，第3棱鏡5.3在力臂的驅(qū)動下伸入光路中，光從光束輸入端6出射后，首先經(jīng)過第1棱鏡5.1的折射，出射后光束較直接傳播產(chǎn)生一個位移h1，然后光束入射到第2棱鏡5.2上，經(jīng)過折射又產(chǎn)生一個位移h2，最后光束受到第3棱鏡5.3的折射，再產(chǎn)生一個位移h3。經(jīng)過三次折射后，光束發(fā)生很大的位移偏折，耦合進光束輸出端9.9，即光束輸入端6→光束輸出端9.9。
上述這幾個位移量h1，h2，h3之間是相互關聯(lián)的，具有以下關系h2＝2h1，h3＝4h1。同時h1，h2，h3又決定于方形棱鏡的幾何尺寸、材料的折射率以及光束的入射角，合理選擇準直器和棱鏡5的材料、幾何尺寸有利于提高開關性能、減小開關的封裝尺寸。
光束輸出到其它通道的情況，決定于3個棱鏡5伸入與退出光路的不同狀況。如將棱鏡“伸入”光路中的狀態(tài)碼置為“1”，“退出”光路的狀態(tài)碼置為“0”，光通道的連通與幾個棱鏡的狀態(tài)碼之間的對應關系如表1示。
從表1中可知三個棱鏡的一組狀態(tài)唯一地決定某一路光路的連通。
表11×8機械光開關三只棱鏡不同的工作狀態(tài)與光路連通的對應關系表

另外，在光束輸出端9，為了減少光束輸出器8的個數(shù)，還可選擇圖4c、圖4d的結(jié)構，將單芯光束輸出器8換為雙芯光束輸出器11，同時在每個雙芯輸出器前加一個屋脊棱鏡10，該屋脊棱鏡10可將入射的平行光束偏折為相交的光束，該相交光束的交點在雙芯光束輸出器11透鏡的焦點上，這樣光束又會耦合到相應的輸出通道。
基于本發(fā)明的1×N開關其重復性可達到±0.02dB，響應速度小于10ms，串繞大于50dB，隔離度大于50dB。同時可根據(jù)實際需要增加棱鏡的數(shù)量n即可實現(xiàn)1×N(N＝2n)機械光開關。
權利要求
1.一種1×N機械光開關，包括控制電路，其特征在于其外部主體為一方形盒體(1)，盒體(1)左邊有一個光束輸入器(7)，盒體(1)上邊有電信號I/O口(3)，盒體(1)右邊，從上到下，依次排列有N個光束輸出器(8)；盒體(1)內(nèi)裝有1×N開關的芯件，芯件以電路控制板(2)為主體，在電路板(2)上，從左至右，依次排列有n個繼電器(4)和n個棱鏡(5)；繼電器(4)通過其電引腳固定在電路板(2)上，棱鏡(5)粘接或者焊接在相應繼電器(4)的力臂上；電信號I/O口(3)通過控制電路與繼電器(4)連接；其中，N＝2n，n值根據(jù)實際需要選取，n＜6。
2.按權利要求1所述的一種1×N機械光開關，其特征在于棱鏡(5)為光路切換元件，它是一種方形折射棱鏡，包括第1棱鏡5.1、第2棱鏡5.2……第n棱鏡5.n；其直角面上鍍有增透膜；相鄰兩個棱鏡幾何尺寸上相差一倍，即后者是前者的二倍。
3.按權利要求1所述的一種1×N機械光開關，其特征在于可將單芯光束輸出器(8)換為雙芯光束輸出器(11)，同時在每個雙芯輸出器(11)前加一個屋脊棱鏡(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種1×N機械光開關，涉及一種機械光開關。本發(fā)明的盒體1為一方形盒，盒左邊有一個光束輸入器7，盒上邊有電信號I/O口3，盒右邊，從上到下，依次排列有N個光束輸出器8，盒內(nèi)有電路控制板2；在電路控制板2上，從左至右，依次排列有n個繼電器4，每個繼電器4通過力臂與其對應的方形折射棱鏡5連接；電信號I/O口3通過控制電路與繼電器4連接；所述棱鏡5，相鄰兩者幾何尺寸上相差一倍，即后者是前者的二倍。本發(fā)明光路切換元件少，減少了影響光路穩(wěn)定性的自由度，降低了光路調(diào)試難度，提高了開關響應速度，改善了光學穩(wěn)定性，減小了體積，具有較高性能價格比，有廣闊的應用前景。
文檔編號G02B6/35GK1564038SQ20041001294
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月30日 優(yōu)先權日2004年3月30日
發(fā)明者劉 文, 向金山, 肖清明, 劉憶南, 許遠忠, 胡強高 申請人:武漢光迅科技有限責任公司