專利名稱：平面陣列光開關(guān)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及光纖開關(guān)，說得更詳細(xì)些，涉及以最小光損耗在輸入和輸出光纖間直接開關(guān)光信號(hào)的一種裝置和方法。
背景技術(shù)：
由于比常規(guī)電氣傳輸媒體的優(yōu)點(diǎn)，諸如增加的帶寬和改良的信號(hào)質(zhì)量，在通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用光纖已成為平常的事情。但是，如同在導(dǎo)線上傳輸電信號(hào)一樣，為了信號(hào)到達(dá)要去的目的地需要在各條導(dǎo)線之間切換，類似地，光學(xué)信號(hào)需要在適當(dāng)接口處的不同光纖之間切換，以使光信號(hào)到達(dá)它們要去的目的地。
一種在光纖間切換光信號(hào)的方法是把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，使用常規(guī)的電子開關(guān)元件來開關(guān)電信號(hào)，然后再把電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)。另一種方法是使用直接的光開關(guān)，在那里在光纖間引導(dǎo)光信號(hào)。后一種方法具有明顯的理論上的優(yōu)點(diǎn)，包括開關(guān)速度的提高和信號(hào)劣化的減少，這是因?yàn)樗斯?電和電-光的變換。
當(dāng)實(shí)施直接的光開關(guān)時(shí)，希望要有這樣的能力，把從進(jìn)入一個(gè)接頭的多根光纖(輸入光纖)中任意一根來的光信號(hào)切換到離開一個(gè)接頭的多根光纖(輸出光纖)中的任意一根。以前已經(jīng)建議過獲得它的若干方法。一個(gè)方法是彎曲選出的輸入和所要的輸出光纖的端部，使得兩根光纖彼此相向(直接地或通過折疊光路)，為在光纖間的光信號(hào)提供一條直接光路。以前也曾建議過，在彎曲光纖端部的同時(shí)，采用固定的反射器(諸如鏡子)。不把光纖端部彎曲以彼此相向，而是將它們指向一個(gè)或幾個(gè)反射器，以使來自輸入光纖的光信號(hào)被反射到輸出光纖。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供在光纖間的光信號(hào)直接切換。
本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到當(dāng)實(shí)施直接的光切換時(shí)要獲得有效的和精確的光信號(hào)的切換，就要如此引導(dǎo)來自輸入光纖的光信號(hào)，從而使得它沿著一條基本上與輸出光纖成一直線的光路進(jìn)入輸出光纖。因此，本發(fā)明的另一個(gè)目的是要提供在輸入和輸出光纖間的光信號(hào)的直接切換，其中，光信號(hào)沿著一條基本上與輸出光纖成一直線的光路進(jìn)入輸出光纖。
本發(fā)明的也已經(jīng)認(rèn)識(shí)到在用一個(gè)或幾個(gè)反射器把光信號(hào)引至輸出光纖前，與準(zhǔn)直的或發(fā)散的信號(hào)相反，最好把光信號(hào)形成聚焦的光束，以減少光信號(hào)的損耗和提高切換操作的有效性。因此，本發(fā)明的還有一個(gè)目的是要提供在輸入和輸出光纖間的光信號(hào)的直接切換，其中，從輸入光纖發(fā)射出的光信號(hào)在用一個(gè)或幾個(gè)反射器引到輸出光纖之前把它形成聚焦的光束。
由本發(fā)明的各個(gè)方面可以達(dá)到本發(fā)明的這些和其它的目的和優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了第一和第二反射器(例如鏡子)，其中，第一反射器與輸入光纖相關(guān)聯(lián)，而第二反射器與輸出光纖相關(guān)聯(lián)。第一反射器接收來自輸入光纖的光信號(hào)并如此取向，使得光信號(hào)以這樣的方式反射，從而直接從第一反射器到達(dá)第二反射器，或由其它反射器再作反射而到達(dá)第二反射器。第二反射器接收反射的光信號(hào)并如此取向，從而使得光信號(hào)進(jìn)一步沿著具有大體上與輸出光纖的軸成一直線的軸的一條光路反射到輸出光纖。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，第一反射器并不直接把光信號(hào)反射到第二反射器。而是，來自輸入光纖的光信號(hào)由第一反射器反射到第三反射器，然后由第三反射器把光信號(hào)反射到第二反射器?？梢允褂酶嗟姆瓷淦?。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，第一反射器把信號(hào)反射到第三反射器，第三反射器把光信號(hào)反射到第四反射器，而第四反射器又把光信號(hào)反射到第二反射器。
在本發(fā)明的又一個(gè)方面，把多個(gè)反射器安排成第一和第二反射器陣列，使第一陣列的每個(gè)反射器與多根輸入光纖中的單獨(dú)的一根相關(guān)聯(lián)，而第二陣列的每個(gè)反射器與多根輸出光纖中的單獨(dú)的一根相關(guān)聯(lián)。第一和第二陣列的反射器可以放置得沿相對(duì)于一個(gè)參考取向的多個(gè)取向。例如，第一和第二陣列的反射器至少可以繞一根轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以允許把反射器沿多個(gè)取向放置。通過把與選定的輸入光纖相關(guān)聯(lián)的第一陣列的反射器沿這樣的取向放置，從而直接地或是用額外的反射器把光信號(hào)反射到與所要的輸出光纖相關(guān)聯(lián)的第二陣列的反射器，可以將光信號(hào)在輸入光纖中任意選出的一根和輸出光纖中任意選出的一根之間切換?？扇〉氖?，相應(yīng)地把與選出的輸出光纖相關(guān)聯(lián)的第二陣列的反射器沿這樣的取向放置，從而使得入射到那里的光信號(hào)沿著具有大體上與所要的輸出光纖成一直線的軸的光路反射。
本發(fā)明還有一個(gè)方面包括與一根輸入光纖相關(guān)聯(lián)的光束形成單元以及相關(guān)聯(lián)的光束引導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于把在光路上的光束引向一選出的輸出光纖。與輸入光纖相關(guān)聯(lián)的光束形成單元接收從選出的輸入光纖端部發(fā)射出的光信號(hào)并把它變成與準(zhǔn)直的或發(fā)散的信號(hào)相反的聚焦的光束。然后由光束引導(dǎo)系統(tǒng)把聚焦光束光信號(hào)引導(dǎo)至輸出光纖。輸出光纖最好與一個(gè)透鏡相關(guān)聯(lián)，把該透鏡設(shè)置成相對(duì)于光束形成單元和輸出光纖的聚焦結(jié)構(gòu)。由此將理解，形成了一條對(duì)稱光路，使從輸入光纖來的光信號(hào)進(jìn)入輸出光纖的端部。這種安排可供在輸入和輸出光纖間作有效的雙向通信之用(“輸入”和“輸出”的標(biāo)記僅是一種方便)。
本發(fā)明的再一個(gè)方面包括在一根輸入光纖和一根輸出光纖間切換光信號(hào)的一種方法。此方法包括把光信號(hào)形成一聚焦的光束，把該光束在到達(dá)輸出光纖之前沿著一條大體上與輸出光纖成一線的光路引向輸出光纖，以及在輸出光纖的端部接收光信號(hào)。在形成和接收的步驟中，可以使用一個(gè)對(duì)稱聚焦光束形成單元以加強(qiáng)光信號(hào)的傳輸，該單元由第一聚焦光束形成單元和大體上一樣的第二聚焦光束形成單元所組成。引導(dǎo)的步驟可由二個(gè)有效的(active)反射器來完成，每個(gè)反射器與一根光纖相關(guān)聯(lián)。
當(dāng)結(jié)合附圖審閱下面詳細(xì)的敘述之后，本發(fā)明的這些和其它一些方面和優(yōu)點(diǎn)就會(huì)明白無誤。
附圖描述

圖1是描述本發(fā)明的5×5的平面陣列開關(guān)的實(shí)施例的頂視圖；圖2是描述本發(fā)明的具有二個(gè)反射器陣列的9×9矩陣陣列開關(guān)的實(shí)施例的透視圖；圖3是描述本發(fā)明的具有四個(gè)反射器陣列的9×9矩陣陣列開關(guān)的實(shí)施例透視圖4是描述本發(fā)明的4×4平面陣列開關(guān)的實(shí)施例的頂視圖；圖5是描述本發(fā)明的具有二個(gè)反射器陣列的16×16矩陣陣列開關(guān)的實(shí)施例的透視圖；圖6是示于圖5的本發(fā)明的實(shí)施例的側(cè)視圖；圖7是描述適于在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中用作反射器的微電機(jī)械鏡的透視圖；圖8是描述本發(fā)明的4×4矩陣陣列開關(guān)的實(shí)施例的側(cè)視圖，該開關(guān)構(gòu)造來與輸入和輸出光纖的一個(gè)陣列一起使用；圖9描述了由準(zhǔn)直光束形成單元形成的準(zhǔn)直光束；圖10描述了由聚焦光束形成單元形成的聚焦光束；圖11描述了在彼此光通信中的一對(duì)對(duì)稱的聚焦光束形成單元；圖12是光纖的截面圖，它描述了入口(admittance)和數(shù)值孔徑之間的關(guān)系；圖13描述了與本發(fā)明有關(guān)的各種光學(xué)參數(shù)；和圖14描述了根據(jù)本發(fā)明的成像關(guān)系的幾何圖形。
詳細(xì)描述本發(fā)明的光開關(guān)裝置和方法可供在光纖之間的切換光信號(hào)之用。在通信網(wǎng)絡(luò)中，可以把進(jìn)入和離開一個(gè)接頭的光纖扎成輸入光纖組和輸出光纖組。還可以把輸入和輸出光纖的端部安排成二個(gè)單獨(dú)的矩形陣列。但是，應(yīng)該意識(shí)到，在通信網(wǎng)絡(luò)中，以及在其它的應(yīng)用中，可以把光纖安排成其它合適的方式。例如，可以把輸入和輸出光纖的端部在一個(gè)矩形陣列中混在一起。而且，單根光纖在雙向通信環(huán)境下根據(jù)光信號(hào)的傳輸方向可以起到輸入光纖的作用也可以起到輸出光纖的作用。因此，雖然在下面的敘述中為了說明的目的而包括提及輸入和輸出光纖，但應(yīng)理解各根光纖可以發(fā)送和接收光信號(hào)。
在下面討論的本發(fā)明的實(shí)施例中，可能包括安排成一個(gè)或幾個(gè)反射器陣列的各個(gè)反射器。在隨后的討論中，把一個(gè)反射器陣列的單個(gè)反射器標(biāo)成(i，j)反射器，此處i標(biāo)記該特定反射器的行而j則為其列(為了普遍性的目的，即使是在直線陣列情況下也會(huì)使用這種二維的術(shù)語)。各別的輸入和輸出的光纖也用同樣的方式來標(biāo)記。
平面開關(guān)現(xiàn)在參見圖1，它描述了根據(jù)本發(fā)明的光開關(guān)裝置10的一個(gè)實(shí)施例。為了說明簡單起見，在圖1中用一直線陣列作說明而較為實(shí)用的二維陣列開關(guān)將在下面討論。光開關(guān)裝置10適于與5根光纖的陣列12和5根光纖的陣列14一起工作。這個(gè)開關(guān)裝置10被稱之為5×5平面陣列開關(guān)，因?yàn)樗梢栽谂懦梢恢本€(所以彼此共面)的5根光纖12中的任意一根與也是排成一直線的5根光纖14中的任意一根之間切換光信號(hào)。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，雖然已描述了5×5的平面陣列開關(guān)，但是，一般來說，本發(fā)明設(shè)想了M×N的平面陣列開關(guān)，在這種開關(guān)里，在M根光纖12中的任意一根和N根光纖14中的任意一般之間可以切換光信號(hào)(M可以和N相等也可以不等)。
光開關(guān)裝置10包括沿一根直線安排的5個(gè)單個(gè)反射器22的第一陣列20以及沿第二根直線安排的5個(gè)單個(gè)反射器32的第二陣列30。第一陣列20的每個(gè)單個(gè)反射器22和單獨(dú)一根光纖12相對(duì)應(yīng)。例如，第一陣列20的(1，1)反射器22對(duì)應(yīng)于(1，1)光纖12。同樣，第二陣列30的每個(gè)單個(gè)反射器32對(duì)應(yīng)于單獨(dú)一根光纖14。例如，第二陣列30的(1，1)反射器32對(duì)應(yīng)于(1，1)光纖14。
光開關(guān)裝置10在任意一根光纖12和任意一根光纖14之間用下面的方式切換信號(hào)。從(1，1)光纖12發(fā)射出的第一光信號(hào)(用箭頭S1示出)沿著光路40傳播到第一陣列20的(1，1)反射器。要把第一光信號(hào)S1切換到(1，1)光纖14，第一陣列20的(1，1)反射器22是這樣取向的，從而第一光信號(hào)沿著光路42被反射到第二陣列30的(1，1)反射器32。第二陣列30的(1，1)反射器32相應(yīng)地這樣取向，從而它隨后使第一光信號(hào)S1沿著光路44反射到(1，1)輸出光纖14。注意，光路44的軸與從(1，1)光纖14的在中央延伸的一根軸基本上成一直線是重要的。如果第二陣列30的(1，1)反射器32不是適當(dāng)?shù)厝∠虻脑?，則第一光信號(hào)S1可能會(huì)沿著不與(1，1)光纖14的軸基本成一直線的多條光路中任何一條光路(諸如光路50)反射，而損害開關(guān)操作。如果需要，則第二陣列30的(1，1)反射器32也可以如此取向，以把光信號(hào)引到(1，5)光纖14。但是，這樣一種安排不會(huì)提供最佳的光學(xué)效率，因?yàn)榱炼壤碚?熱力學(xué)第二定律應(yīng)用于光學(xué))要求使用有效的裝置(例如，第二陣列30的反射器32)來把光信號(hào)的光子會(huì)聚為適應(yīng)于光纖14的纖心的小直徑的光束。當(dāng)在12中的光纖(1，1)與14中的(1，1)成一直線時(shí)，光也可以從14的(1，1)傳播到12中的(1，1)。
從(1，1)光纖12發(fā)射出的第二光信號(hào)(用箭頭S2示出)被切換到(1，5)光纖14如下。第二光信號(hào)S2沿著光路40傳播到第一陣列20的(1，1)反射器，它是這樣來取向的，從而使得第二光信號(hào)沿著光路46被反射到第二陣列30的(1，5)反射器。第二陣列30的(1，5)反射器相應(yīng)地這樣來取向，從而使得它隨后把第二光信號(hào)S2沿著光路48反射到(1，5)光纖14。正如與光路44的情況一樣，光路48大體上與從(1，5)光纖14在中央延伸的軸成一直線，并且，在這種配安排中，信號(hào)也從14中的(1，5)被傳送到12中的(1，1)。應(yīng)該理解，圖示的光路51不能與光路52同時(shí)存在，因?yàn)?0的反射器(1，1)在同一時(shí)間內(nèi)只能有一種取向。如果第二陣列30的(1，5)反射器不是適當(dāng)?shù)厝∠虻脑挘瑒t第二光信號(hào)S2將沿著一條與(1，5)光纖14的軸偏斜的光路(諸如光路52)反射，損害開關(guān)操作。
圖4示出了示于圖1的光開關(guān)裝置10的4×4的實(shí)施。光開關(guān)裝置10包括一基底16。第一陣列20的反射器22和第二陣列30的反射器32的中的每個(gè)單個(gè)反射器都附著在基底16上。反射器22、32可以繞垂直于基底16的一根轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所以它們能按需要來取向以切換信號(hào)。光纖12、14中的每一根與一單獨(dú)的光纖光束形成單元70相關(guān)聯(lián)。光纖光束形成單元70由一個(gè)光纖端部72和與光纖端部72隔開的并與它共軸的透鏡74組成。每個(gè)與光纖12相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元70的透鏡74聚焦從與之相關(guān)聯(lián)的光纖12的光纖端部72發(fā)射出的一個(gè)光信號(hào)(諸如可見光或紅外輻射)，使其成為光束80，入射到對(duì)應(yīng)于相關(guān)聯(lián)的輸入光纖12的第一陣列20的反射器22上。同樣，與光纖14相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元70的每個(gè)透鏡74接收來自相應(yīng)于相關(guān)聯(lián)的光纖14的第二陣列30的反射器32的光束80，并把信號(hào)光束80聚焦在相關(guān)聯(lián)的光纖14的光纖端部72上。
要在選出的光纖12和選出的光纖14之間切換光信號(hào)，如此轉(zhuǎn)動(dòng)與選出的光纖12相應(yīng)的第一陣列20的反射器22，從而使得來自與選出的光纖12相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元70的透鏡74的信號(hào)光束80被反射到與選出的光纖14相應(yīng)的第二陣列30的反射器32上。如此轉(zhuǎn)動(dòng)與選出的光纖14相應(yīng)的第二陣列30的反射器32，從而它把光束80反射到與選出的光纖14相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元70的透鏡上。正如上面表明的，光信號(hào)的光束80最好沿著一條光路從第二陣列30的反射器32傳播到透鏡74，該光路與選出的輸出光纖14的軸基本上是連成一直線的。一旦在光纖12和光纖14之間由此形成了聯(lián)系，則在光纖12和14之間的雙向通信是可能的。在下面的敘述中，為了方便的目的，有時(shí)候把光纖稱為“輸入光纖”或“輸入”以及“輸出光纖”或“輸出”，但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)，這種開關(guān)結(jié)構(gòu)支持和將通常包括在相聯(lián)系的光纖間的雙向通信。
示于圖4的光開關(guān)裝置10可以用微電機(jī)械(MEM)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。基底16可以包括一塊電路板或其它支承物，在其上安裝反射器陣列20、30中的每個(gè)反射器的MEM小片。可以把輸入和輸出光纖12，14放在在基底16表面上形成的V形凹槽中。透鏡74可以是用硅樹脂制造的費(fèi)涅爾波帶(Fresnel Zone)透鏡，它們被限定于基底16的表面上，并被支撐在V形凹槽的前面的垂直位置上，使得每個(gè)透鏡74的光軸平行于基底16的表面。反射器22、32可以是也用硅樹脂制造并被固定在一垂直的位置上的鏡子，它有繞垂直于基底16的一根軸轉(zhuǎn)動(dòng)的能力。光開關(guān)裝置10應(yīng)該這樣來構(gòu)造，從而使得能保持信號(hào)光束平行于基底16的表面，為達(dá)到這個(gè)目的可以對(duì)反射器22、32作小的調(diào)整。
三維空間開關(guān)可能會(huì)認(rèn)識(shí)到，正如上面所敘述的，可由一平面陣列開關(guān)容納的輸入光纖12和輸出光纖14的數(shù)目受到把光纖光束形成單元70和反射器22、32沿直線安排的實(shí)際限制所約束。本發(fā)明想用三維空間來容納額外的輸入和輸出光纖。
現(xiàn)在參見圖2，它示出了本發(fā)明另一個(gè)光開關(guān)裝置110的實(shí)施例，它適合于與安排在3×3的矩形陣列中的9根輸入光纖112和安排在第二個(gè)3×3矩形陣列中的9根輸出光纖114一起工作。這開關(guān)裝置110被稱之為9×9矩陣開關(guān)，因?yàn)樗梢园岩还庑盘?hào)從安排在具有三行三列的矩陣中的9根輸入光纖112中的任意一根切換到安排在具有三行三列的矩陣的9根輸出光纖114中的任何一根。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，雖然已圖解說明了9×9的矩陣開關(guān)，但是，一般來說，本發(fā)明設(shè)想了M×N的矩陣開關(guān)，其中，光信號(hào)可以從M根輸入光纖112中任何一根被切換到N根輸出光纖114中的任何一根(M可以和N相等或者不等)。
光開關(guān)裝置110包括了單個(gè)反射器122的第一3×3矩形陣列120和單個(gè)反射器132的第二3×3矩形陣列130。第一陣列120中的每個(gè)單個(gè)反射器122與輸入光纖112中的單獨(dú)的一根相對(duì)應(yīng)，而第二陣列中的每個(gè)反射器132與輸出光纖114中的單獨(dú)的一根相對(duì)應(yīng)。反射器122、132至少可以繞二根正交軸轉(zhuǎn)動(dòng)(這里是圖示的參考軸的x-軸和z-軸)，這樣可以使得光信號(hào)從9根輸入光纖112中的任何一根切換到輸出光纖114中的任何一根。例如，從(1，1)輸入光纖112的端部發(fā)射出來的光信號(hào)沿著光路140傳播到第一陣列120的(1，1)反射器。(1，1)反射器122被轉(zhuǎn)到這樣一個(gè)取向，從而使光信號(hào)沿著一光路被反射到與所要的輸出光纖114相對(duì)應(yīng)的第二陣列的合適的反射器132。例如，按照它的取向，第一陣列的(1，1)反射器122可以把光信號(hào)沿著光路142、144、146、148分別反射到(1，1)、(1，3)、(3，1)或(3，3)反射器132，它們被相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)，以分別把信號(hào)沿著光路150、152、154、156反射到(1，1)、(1，3)、(3，1)和(3，3)輸出光纖114。在第二陣列130和輸出光纖114之間的光路150、152、154、156與從對(duì)應(yīng)的輸出光纖114在中央延伸的軸基本上成一直線。
示于圖2的光開關(guān)裝置110的16×16的實(shí)施示于圖5和6。反射器122的第一陣列120包括第一鏡子支架124。第一陣列120的每個(gè)單個(gè)的反射器122被安裝在第一鏡子支架124上，而且至少可以繞二根正交軸轉(zhuǎn)動(dòng)。反射器132的第二陣列130包括第二鏡子支架134。第二陣列130的每個(gè)單個(gè)反射器132被安裝在第二鏡子支架134上，而且至少可以繞二根正交軸轉(zhuǎn)動(dòng)。每根輸入和輸出光纖112、114與光纖光束形成單元170相關(guān)聯(lián)。
如在圖6的側(cè)示圖中所示，光纖光束形成單元由一個(gè)光纖端部172和放置得與光纖端部172共軸的一個(gè)透鏡174所組成。此光纖光束形成單元也可以包括與光纖端部172和透鏡174適配的一個(gè)圓柱形軸套。透鏡174可以與光纖端部172隔開或者它們可以接觸，例如，在陡度折射率(GRIN)透鏡或厚透鏡的情況下。與輸入光纖112相關(guān)的光纖光束形成單元170的每個(gè)透鏡174聚焦一個(gè)從與之相關(guān)的輸入光纖112的光纖端部發(fā)射出的光信號(hào)，諸如可見光或紅外輻射，使其成為光束180，入射到與相關(guān)的輸入光纖112對(duì)應(yīng)的第一陣列120的反射器122上。同樣，與輸出光纖114相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元170的每個(gè)透鏡174接收來自與相關(guān)聯(lián)的輸出光纖114對(duì)應(yīng)的第二陣列130的反射器132的光束180，并把信號(hào)光束180聚焦到相關(guān)聯(lián)的輸出光纖114的光纖端部172上。
要在選出的輸入光纖112和選出的輸出光纖114之間切換光信號(hào)，就要如此轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于選出的輸入光纖112的第一陣列120的反射器122，從而使得來自與選出的輸入光纖112相關(guān)聯(lián)的光纖光束單元170的透鏡174的信號(hào)光束180被反射到對(duì)應(yīng)于選出的輸出光纖114的第二陣列130的反射器132上。如此轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于選出的輸出光纖114的第二陣列130的反射器132，從而使得它把光束180反射到與選出的輸出光纖114相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元170的透鏡174上。如上面指出的，重要的是，光信號(hào)的光束180沿著一條光路從第二陣列130的反射器132傳播到透鏡174，該光路與選出的輸出光纖114的軸基本上是連成一直線的。還要指出，來自光纖112的光束180與鏡子122是對(duì)準(zhǔn)的。
圖7示出了示于圖2、5、6中的光開關(guān)裝置的反射器122、132中的一個(gè)。雖然可以使用具有合適的反射性質(zhì)的許多不同型式的反射器，但在例示的實(shí)施例中的反射器是小片安裝的(chip mounted)微電機(jī)械(MEM)鏡子，例如由Texas Instruments制造的那些。這MEM鏡子410是由硅樹脂制成并安裝在MEM小片412上。鏡子410可以沿二個(gè)自由度繞二根正交軸414、416作受控旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。正交軸414、416平行于小片平面。
圖3示出了本發(fā)明的光開關(guān)裝置210的另一實(shí)施例。與圖2所示的實(shí)施例的情況一樣，這光開關(guān)裝置利用了三維空間而且也是一個(gè)9×9矩陣開關(guān)，用于把信號(hào)從安排在一個(gè)具有三行三列的矩陣中的9根輸入光纖212中任何一根切換到安排在一個(gè)具有三行三列的第二矩陣上的9根輸出光纖214中任何一根。但是，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，示于圖3的光開關(guān)裝置，一般來說，可以是一個(gè)M×N的矩陣開關(guān)。
光開關(guān)裝置包括9個(gè)反射器222的第一3×3矩形陣列220、9個(gè)反射器的第二3×3矩形陣列230、9個(gè)反射器242的第三3×3矩形陣列240和9個(gè)反射器242的第四3×3的矩形陣列250。第一陣列220的每個(gè)反射器222對(duì)應(yīng)于輸入光纖212的一根單獨(dú)的光纖，而第四陣列250的每個(gè)反射器252對(duì)應(yīng)輸出光纖214的一根單獨(dú)的光纖。為了要作從輸入光纖212中的任何一根來的信號(hào)到輸出光纖214中的任意一根的切換，第一和第三陣列220、240的每個(gè)反射器222、242可以繞平行于圖示的z參考軸的一根轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)以及第二和第四陣列230、250的每個(gè)反射器232、252可以繞平行于圖示的x參考軸的一根轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。反射器222、232、242、252可以是相同的類型，如圖7中圖示的那些，它們只需繞一根軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的情形除外。
下面的例子描述了光開關(guān)裝置210如何把光信號(hào)從輸入光纖212中的任何一根的切換到輸出光纖214中的任何一根。來自(1，1)輸入光纖212的光信號(hào)沿著光路260傳播到第一陣列220的(1，1)反射器222。要把信號(hào)切換到(1，1)輸出光纖214，第一陣列220的(1，1)反射器222、第二陣列230的(1，1)反射器232、第三陣列反射器240的(1，1)反射器242、和第四陣列250的(1，1)反射器252每個(gè)都要轉(zhuǎn)到合適的取向，從而光信號(hào)沿著光路262、272、282、292從第一陣列220的(1，1)反射器222反射到第二陣列230的(1，1)反射器232，到第三陣列240的(1，1)反射器242，到第四陣列250的(1，1)反射器252，到(1，1)輸出光纖214。要把信號(hào)切換到(1，3)輸出光纖214，則第一陣列220的(1，1)反射器222、第二陣列230的(1，1)反射器232、第三陣列240(1，1)反射器242、和第四陣列250的(1，3)反射器252的每一個(gè)都要轉(zhuǎn)到合適的取向，使得光信號(hào)沿著光路262、272、284、294從第一陣列220的(1，1)反射器反射到第二陣列230的(1，1)反射器232，到第三陣列240的(1，1)反射器242，到第四陣列250的(1，3)反射器252，到(1，3)輸出光纖214。要把信號(hào)切換到(3，1)輸出光纖214，則第一陣列220的(1，1)反射器222、第二陣列230的(3，1)反射器232、第三陣列240的(3，1)反射器242、和第四陣列250的(3，1)反射器252的每一個(gè)都要轉(zhuǎn)到合適的取向，使得光信號(hào)沿著光路266、276、286、296從第一陣列220的(1，1)反射器222反射到第二陣列230的反射器232的(3，1)到第三陣列240的(3，1)反射器242，到第四陣列250的(3，1)反射器252，到(3，1)輸出光纖。要把信號(hào)切換到(3，3)輸出光纖，則第一陣列220的(1，1)反射器222、第二陣列230的(3，1)反射器232、第三陣列240的(3，1)反射器242、和第四陣列250的(3，3)反射器252的每一個(gè)都要轉(zhuǎn)到合適的取向，從而使得光信號(hào)沿著光路266、276、288、298從第一陣列220的(1，1)反射器222反射到第二陣列230的(3，1)反射器232，到第三陣列240的(3，1)反射器242，到第四陣列250的(3，3)反射器252，到(3，3)輸出光纖。指出這一點(diǎn)是重要的，那就是在第四陣列250的反射器252和輸出光纖214之間的光路292、294、296、298與從相應(yīng)的輸出光纖在中央延伸的軸基本上成一直線。
現(xiàn)在參見圖8，它示出了本發(fā)明的光開關(guān)裝置310的又一個(gè)實(shí)施例。光開關(guān)裝置310也利用了三維，并且適于在多根光纖312中的任何一根和光纖312的任何另外一根之間切換光信號(hào)，此處光纖312安排在單個(gè)陣列中。雖然描述了光纖312的1×4的直線陣列，但是光開關(guān)裝置310能適合于和光纖312的矩形或其它平面陣列一起使用。應(yīng)該理解到，根據(jù)光信號(hào)傳播的方向，光纖312的每一根能起到發(fā)送光纖和接收光纖的作用。因此，描述于圖8的開關(guān)裝置310可以稱之為4×4矩陣開關(guān)，因?yàn)樗梢园压庑盘?hào)從4根光纖312中的任何一根切換到4根光纖312中的任何其它一根。
光開關(guān)裝置310包括一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射器322的陣列320和一個(gè)固定的反射器324，后者相對(duì)于可轉(zhuǎn)動(dòng)反射器322的陣列320被固定。每個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射器322對(duì)應(yīng)于光纖312的一根單獨(dú)的光纖?？赊D(zhuǎn)動(dòng)反射器可以是示于圖7的型式。光開關(guān)裝置312也包括光纖光束形成單元370，它由封裝光纖端部(未示出)和透鏡(未示出)的圓柱形軸套376所組成。一個(gè)單獨(dú)的光纖光束單元370與光纖312的每一根相關(guān)聯(lián)。
從光纖312的任何一根來的光信號(hào)以下面的方切換至光纖312的任何其它一根。例如，來自(1，1)光纖312的光信號(hào)在與(1，1)光纖312相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元370和可轉(zhuǎn)動(dòng)反射器322之間的光路330傳播。轉(zhuǎn)動(dòng)(1，1)可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射器322，從而使得光信號(hào)沿著光路340被反射到固定反射器324。固定反射器324把光信號(hào)沿著光路350反射到(1，3)可轉(zhuǎn)動(dòng)反射器322，轉(zhuǎn)動(dòng)(1，3)可轉(zhuǎn)動(dòng)反射器322使得它把光信號(hào)沿著光路324反射到與(1，3)光纖312相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元370。同樣地，從(1，2)光纖312來的光信號(hào)沿著光路332傳播到(1，2)可轉(zhuǎn)動(dòng)反射器322，它被轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得光信號(hào)沿著光路342被反射到固定反射器324。固定反射器324把光信號(hào)沿著光路352反射到(1，4)可轉(zhuǎn)動(dòng)反射器322，它被轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得光信號(hào)沿著光路336被反射到與(1，4)光纖312相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元370。在可轉(zhuǎn)動(dòng)反射器322和與它們相應(yīng)的光纖312相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元370之間的光路330、332、334、336是與從相應(yīng)的光纖312在中央延伸的軸基本上在一直線上。
聚焦光束形成單元如上面提到的，圖示的實(shí)施例可以包括與每根輸入光纖和輸出光纖相關(guān)聯(lián)的一個(gè)光束形成單元，用于把光信號(hào)形成為光束。這種光纖光束形成單元最好把光信號(hào)形成為與準(zhǔn)直信號(hào)或其它發(fā)散信號(hào)不同的聚焦光束。
圖9和10示出了由準(zhǔn)直光形成單元512形成的準(zhǔn)直信號(hào)510與由聚焦信號(hào)形成單元522形成的聚焦光束520之間的差異。如圖9所示，第一準(zhǔn)直光束形成單元512A包括一個(gè)源(諸如光纖端部514)和準(zhǔn)直透鏡516，從源發(fā)射光信號(hào)(諸如紅外光)。由于光纖端部514不是一個(gè)無限小的點(diǎn)光源，因此從光纖端部51的不同點(diǎn)來的光線(例如射線518A、518B、518C)入射到面對(duì)光纖端部514的準(zhǔn)直透鏡516的表面上。準(zhǔn)直透鏡516引導(dǎo)光線518A、518B、518C，使得來自光纖端部514上的一特定點(diǎn)的光線以平行的方式離開透鏡514。如在圖9中看到的，因?yàn)槊織l光線518A、518B、518C以平行的方式離開透鏡514，所以大部分的光信號(hào)將不會(huì)入射到第二光纖光束形成單元512B的透鏡516上，若光信號(hào)被引到512B上，則造成大部分光信號(hào)丟失。
圖10示出了由第一聚焦光束形成單元522A形成的聚焦光束520。第一聚焦光束形成單元522A包括一個(gè)源(諸如光纖端部524)和一個(gè)聚焦透鏡526，從源發(fā)射出光信號(hào)(諸如紅外光)。正如與第一準(zhǔn)直光束形成單元512A的情況一樣，從光纖端部524的不同點(diǎn)來的光線(諸如528A、528B、528C)入射到面對(duì)光纖端部524的聚焦透鏡的表面上。不是以平行的方式引導(dǎo)來自各點(diǎn)的光線528A、528B、528C，而聚焦透鏡526這樣來引導(dǎo)光線528A、528B、528C，從而使得從光纖端部524上的一特定點(diǎn)來的光線會(huì)聚到在第二聚焦光束形成單元522B(光信號(hào)是引到該單元)的聚焦透鏡表面上的一個(gè)點(diǎn)。因此，大部分光信號(hào)到達(dá)它預(yù)期要去的地方并且信號(hào)損失是極小的。
在圖11中示出了基本上相同的聚焦光纖光束形成單元522A、522B的一個(gè)對(duì)稱系統(tǒng)，此處在每側(cè)的光纖具有相同的光學(xué)孔徑的直徑d，和數(shù)值孔徑N.A.。為了改進(jìn)在聚焦光纖光束形成單元522A、522B之間的光信號(hào)最佳傳輸效率，最好使用這種對(duì)稱系統(tǒng)。一般來說，當(dāng)下面三個(gè)方程基本上滿足時(shí)就可獲得最佳光信號(hào)傳輸效率，給出某些實(shí)際的約束條件，諸如對(duì)于不同路徑長度，跨過開關(guān)交界面提供的不同的路徑長度，以輸出光纖開關(guān)組合D＝2u·tan(Sin-1(N.A.))+d1/f＝1/v+1/ud/u＝D/vD是聚焦透鏡526的有效光學(xué)孔徑。在透鏡526和第一聚焦光束形成單元522A的光纖端部524之間的距離以及在透鏡526和第二聚焦光束形成單元522B的光纖端部524之間的距離是u。在第一聚焦光束形成單元522A的透鏡526和第二聚焦光束形成單元522B的透鏡526之間的距離是v。要認(rèn)識(shí)到v的值可能會(huì)根據(jù)考慮中的特殊開關(guān)組合而變化，在這一點(diǎn)上，在這里敘述的聚焦功能將被理解為包括這些與可能想要的真實(shí)功能不同的變化，以適應(yīng)實(shí)際的開關(guān)設(shè)計(jì)。N.A.是光纖端部524的數(shù)值孔徑，而f是透鏡526的焦距。作了薄透鏡的假設(shè)，但仍假設(shè)D＞＞d。此外，假使帶入光纖的光束是高斯光束，則在1/e2輻照度(irradiance)的基礎(chǔ)上確定d、D和N.A.的有效值。
基本上的成直線在上面敘述的實(shí)施例中，已經(jīng)指出，當(dāng)光信號(hào)被引到光纖端部和/或與光纖端部相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元時(shí)，它將沿著一光路傳播，這光路具有一根軸，它與從輸出光纖的端部在中央延伸的軸基本上成直線和/或與輸出光纖相關(guān)聯(lián)的光纖光束形成單元的透鏡基本上對(duì)準(zhǔn)，并將在光束形成單元的有效光學(xué)孔徑直徑之內(nèi)通過。熟悉本領(lǐng)域的人們將理解，具有基本上成一直線是充分的，在這里，如果在光路的軸和從輸出光纖的端部和/或透鏡在中央延伸的軸之間有角度的話，亦是基本上小于光纖的N.A.，而光路貫穿光束形成單元的有效光學(xué)孔徑的直徑。
這一點(diǎn)可以從參見圖12-14得到更好的理解。圖12是光纖600的截面圖。這光纖有一被包層604圍著的用作傳送光信號(hào)的纖心602。為了有效地沿著光纖600的長度傳送光信號(hào)，希望在纖心/包層的分界面606處有高度的反射率，例如用具有不同折射率的材料做成纖心602和包層604，或者提供一反射涂層。如在圖12中示出的，圖示的分界面606有一臨界角，從而使得具有小于這臨界角的入射角的光線通過纖心602傳送而具有大于這臨界角的入射角的光線610不通過纖心602傳送。這臨界角定義了光纖600的“接受”角α，希望把它的模擬(sim)作為光纖的數(shù)值孔徑。
圖13示出了光纖600和透鏡612的幾何形狀。如圖所示，透鏡612的有效光學(xué)孔徑的直徑D，是由光纖纖心602的光學(xué)孔徑直徑d，和數(shù)值孔徑N.A.來定義的。
具體地，如上面指出的D＝2u·tan(Sin-1(N.A.))+d從物理上講，這意味著從光纖600傳送的信號(hào)將在D所定義的區(qū)域之內(nèi)通過。相反，如果進(jìn)來的光信號(hào)在進(jìn)入透鏡和通過由D所定義的區(qū)域之前基本上與光纖軸成一直線，則它將基本上被光纖600接受。
參見圖14，它示出了按照本發(fā)明的成像的幾何圖。為了作說明的目的，示出了一根直的(不折的)與第一和第二光纖連接的光路并且略去了光束引導(dǎo)元件(例如，鏡子陣列)。如上面描述的，第一光束形成單元700最好把第一光纖704的纖心702成像到第二光束引導(dǎo)單元706的有效直徑D2上。類似地，可把第二光纖710的纖心708成像到第一光束形成單元700的有效直徑D1上?？梢岳斫?，在N×N開關(guān)的情況下，在光束形成單元之間的光路長度ν，根據(jù)特殊的連接可能會(huì)有稍微的變動(dòng)。但是，只要從路到路的ν的變化減到最小，最好小于約10％，則對(duì)所有的連接可以達(dá)到基本上的成像。這是可以獲得的，例如，用相對(duì)于光纖陣列尺寸提高ν的大小的辦法。如果使用折疊光路，則在合理緊湊的開關(guān)中可以獲得基本的成像。如圖14中示出的，光束形成單元700把纖心702成像到光束形成單元706上，而光束形成單元706把纖心708成像到光束形成單元700上。這是用圖中示出的箭頭和反向箭頭以圖解的方式來描述的。這是通過滿足上述的數(shù)學(xué)的/幾何的關(guān)系完成的。這種成象提高了開關(guān)的光學(xué)效率。
雖然已經(jīng)詳細(xì)敘述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但是對(duì)熟悉本領(lǐng)域的人們來說，對(duì)發(fā)明的進(jìn)一步修改和適應(yīng)是顯而易見的。然而，應(yīng)該清楚地理解這樣的修改和適應(yīng)都在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光開關(guān)，其特征在于，包括用作傳送光信號(hào)的多根光纖；多個(gè)光束形成裝置，每個(gè)所述光束形成裝置具有一個(gè)光學(xué)孔徑，每個(gè)所述光束形成裝置與所述多根光纖中對(duì)應(yīng)的一根在光學(xué)上相關(guān)聯(lián)，如此構(gòu)造所述光纖和光束形成裝置，從而每個(gè)所述光束形成裝置能把相應(yīng)的一根所述光纖的光學(xué)孔徑成像到相應(yīng)于另一根所述光纖的另一個(gè)所述光束形成裝置的光學(xué)孔徑上；多個(gè)光束引導(dǎo)裝置，每個(gè)所述光束引導(dǎo)裝置與所述多根光纖中對(duì)應(yīng)的一根在光學(xué)上相關(guān)聯(lián)，通過把光束從所述第一光纖引導(dǎo)到所述第二光纖以及把把光束從所述第二光纖引導(dǎo)到所述第一光纖，所述光束引導(dǎo)裝置對(duì)于在所述光纖的第一光纖和所述光纖的第二光纖之間建立光聯(lián)系有效，從而允許在所述第一和第二光纖之間進(jìn)行雙向通信；所述光束引導(dǎo)裝置還對(duì)于在所述第一和第二光纖之間建立所述聯(lián)系有效，從而在每根所述第一和第二光纖的光學(xué)孔徑處，在進(jìn)入或離開有關(guān)的一根所述第一和第二光纖的光束的軸與所述第一和第二光纖的所述有關(guān)的一根所述第一和第二光纖的軸之間的任何角度小于所述有關(guān)的一根所述第一和第二光纖的數(shù)值孔徑。
2.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)，其特征在于，每個(gè)所述光束引導(dǎo)裝置是至少可繞一根軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡子。
3.如權(quán)利要求2中所述的光開關(guān)，其特征在于，所述鏡子被嵌在微電機(jī)械小片中。
4.如權(quán)利要求1中所述的光開關(guān)，其特征在于，所述多根光纖被安排在面對(duì)一固定鏡子的一個(gè)陣列中，以能夠在所述光纖中的任何一對(duì)之間互連。
5.如權(quán)利要求1中所述的光開關(guān)，其特征在于，所述許多光纖被安排在第一和第二陣列中，從而能夠在所述第一陣列中的任何光纖與所述第二陣列中的任何光纖之間互連。
6.一種光開關(guān)，用于在多個(gè)輸入光纖端部中的一個(gè)第一光纖端部與多個(gè)輸出光纖端部之間引導(dǎo)光信號(hào)，其特征在于，所述光開關(guān)裝置包括多個(gè)光束引導(dǎo)單元，在光學(xué)上相對(duì)于與所述多個(gè)輸出光纖端部中對(duì)應(yīng)的一個(gè)端部設(shè)置每個(gè)所述光束引導(dǎo)單元，用于接收從第一輸入光纖端部發(fā)送的光信號(hào)并把這光信號(hào)沿著一條光路引導(dǎo)到所述多個(gè)輸出光纖端部中所述對(duì)應(yīng)的一個(gè)端部，所述光路具有一根與從所述對(duì)應(yīng)的輸出光纖端部在中央延伸的一光纖軸基本上成一直線的通路軸。
7.如權(quán)利要求6所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，在所述光路軸和所述光纖軸間的任何角度小于與所述對(duì)應(yīng)的輸出光纖端部相關(guān)聯(lián)的一根輸出光纖的數(shù)值孔徑。
8.如權(quán)利要求6所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述光束引導(dǎo)單元包括第一反射裝置，它與第一輸入光纖端部相關(guān)聯(lián)，用于接收從第一輸入光纖端部來的光信號(hào)并以由所述第一反射裝置的取向決定的角度反所述光信號(hào)；和第二反射裝置，它與所述輸出光纖端部的對(duì)應(yīng)的一個(gè)端部相關(guān)聯(lián)，用于接收被所述第一反射裝置反射的光信號(hào)并沿著一條光路反射所述光信號(hào)，所述光路具有在所述第二反射裝置和所述輸出光纖端部中對(duì)應(yīng)的一個(gè)端部之間延伸的一根軸，所述第二反射裝置如此取向，從而所述光路的所述軸與所述光纖基本上成一直線。
9.如權(quán)利要求8所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述第一和第二反射裝置是鏡子。
10.如權(quán)利要求8所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述第一和第二反射裝置可以按多個(gè)取向設(shè)置。
11.如權(quán)利要求8所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述第一和第二反射裝置至少可繞一根軸轉(zhuǎn)動(dòng)到多個(gè)取向。
12.如權(quán)利要求8所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述光開關(guān)裝置還包括第一光束形成裝置，它設(shè)置在第一輸入光纖端部和所述反射裝置之間，用于把從第一輸入光纖端部發(fā)射的光信號(hào)形成為對(duì)準(zhǔn)于所述第一反射裝置的聚焦光束的光信號(hào)；和第二光束形成裝置，它設(shè)置在所述輸出光纖端部的對(duì)應(yīng)的一個(gè)端部和所述第二反射裝置之間，用于接收從所述第二反射裝置來的聚焦光束光信號(hào)并把所述聚焦光束光信號(hào)聚焦在所述輸出端部的對(duì)應(yīng)的一個(gè)端部上。
13.如權(quán)利要求8所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述光開關(guān)裝置還包括第三反射裝置，它相對(duì)于所述第一和第二反射裝置而固定，用于接收從所述第一反射裝置來的反射光信號(hào)并進(jìn)一步把所述光信號(hào)反射到所述第二反射裝置。
14.一種光開關(guān)裝置，用于在多根輸入和輸出光纖之間引導(dǎo)光信號(hào)，其特征在于，所述光開關(guān)裝置包括反射裝置，用于把入射在其上面的光信號(hào)以由所述反射裝置的取向決定的角度反射；多個(gè)所述反射裝置的第一陣列；和多個(gè)所述反射裝置的至少一個(gè)附加陣列；其中，當(dāng)所述第一陣列的所述反射裝置的選出的一個(gè)反射裝置和每個(gè)所述附加陣列的所述反射裝置的選出的一個(gè)反射裝置的組合沿有關(guān)預(yù)定的取向時(shí)，把從一根選出的輸入光纖發(fā)射的光信號(hào)引導(dǎo)到一根選出的輸出光纖。
15.如權(quán)利要求14所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述反射裝置可按多個(gè)取向設(shè)置。
16.如權(quán)利要求14所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述反射裝置可至少繞一根旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到多個(gè)取向。
17.如權(quán)利要求14所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述反射裝置是鏡子。
18.如權(quán)利要求14所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述反射裝置包括一對(duì)正交的轉(zhuǎn)軸，所述反射裝置可以繞這對(duì)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到多個(gè)取向。
19.如權(quán)利要求14所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)附加陣列包括所述多個(gè)反射裝置的第二、第三和第四陣列。
20.如權(quán)利要求19所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述第一和第三陣列的每個(gè)所述反射裝置包括一根轉(zhuǎn)軸，繞這根轉(zhuǎn)軸可以把所述第一和第三陣列的所述反射裝置轉(zhuǎn)到多個(gè)取向，以及所述第二和第四陣列的每個(gè)所述反射裝置包括一根轉(zhuǎn)軸，繞這根轉(zhuǎn)軸可以把所述第二和第四陣列的所述反射裝置轉(zhuǎn)到多個(gè)取向，所述第一和第三陣列的所述反射裝置的所述轉(zhuǎn)軸正交于所述第二和第四陣列的所述轉(zhuǎn)軸。
21.如權(quán)利要求14所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述光開關(guān)裝置還包括光束形成裝置，它與每個(gè)輸入光纖相關(guān)聯(lián)，并配置在它的相關(guān)聯(lián)的輸入光纖的端部和所述第一陣列之間，用于把從與它相關(guān)聯(lián)的輸入光纖的端部發(fā)射的光信號(hào)形成對(duì)準(zhǔn)所述第一陣列的所述反射裝置的對(duì)應(yīng)的一個(gè)反射裝置的聚焦光束光信號(hào)；和光束形成裝置，它與每個(gè)輸出光纖相關(guān)聯(lián)，并配置在它的相關(guān)聯(lián)的輸出光纖的端部和所述至少一個(gè)附加陣列的最后一個(gè)陣列之間，用于接收來自相應(yīng)于與其相關(guān)聯(lián)的輸出光纖的所述至少一個(gè)附加陣列的最后一個(gè)陣列的所述反射裝置的聚焦光束信號(hào)并把這聚焦光束光信號(hào)聚焦到與它相關(guān)聯(lián)的輸出光纖的端部。
22.一種光開關(guān)裝置，用于在許多個(gè)光纖的端部之間引導(dǎo)光信號(hào)，其特征在于，所述光開關(guān)裝置包括反射裝置，用于把入射在其上的光信號(hào)以一個(gè)由所述反射裝置的取向決定的角度反射；多個(gè)所述反射裝置的一個(gè)陣列；和附加裝置，用于在所述陣列的所述反射裝置的一個(gè)反射裝置和所述陣列的所述反射裝置的第二個(gè)反射裝置之間反射光信號(hào)；其中，當(dāng)所述陣列的所述反射裝置中的兩個(gè)的組合沿有關(guān)的預(yù)定取向時(shí)，從一根光纖的端部發(fā)射的光信號(hào)被所述組合引導(dǎo)到第二根光纖的端部。
23.如權(quán)利要求22所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述反射裝置可以按多個(gè)取向放置。
24.如權(quán)利要求22所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述反射裝置可以至少繞一根轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到多個(gè)取向。
25.如權(quán)利要求22所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述反射裝置是鏡子。
26.如權(quán)利要求22所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述反射裝置包括一對(duì)正交的轉(zhuǎn)軸，繞這對(duì)轉(zhuǎn)軸可以把所述反射裝置轉(zhuǎn)到多個(gè)取向。
27.如權(quán)利要求22所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述附加裝置是固相對(duì)于所述陣列固定的平面鏡子。
28.如權(quán)利要求22所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述光開關(guān)裝置還包括光束形成裝置，用于把光信號(hào)形成為與每根光纖相關(guān)聯(lián)的聚焦光束，并配置在它的相關(guān)聯(lián)的光纖的端部和所述陣列之間，從而從與它相關(guān)聯(lián)的光纖的端部發(fā)射的光信號(hào)被聚焦在所述陣列的所述反射裝置的對(duì)應(yīng)的一個(gè)反射裝置上。
29.一種光開關(guān)，用于在第一光纖端部和多根輸出光纖的一個(gè)選出的第二光纖端部之間引導(dǎo)光信號(hào)，其特征在于，所述光開關(guān)包括第一聚焦裝置，以與第一光纖端部的已知空間關(guān)系配置它，用于接收來自所述輸入光纖端部的光信號(hào)并形成一聚焦光束，其中，所述聚焦光束包括這樣的光線，它會(huì)聚以在第二聚焦裝置上產(chǎn)生的第一光纖的像；第二聚焦裝置，它把第二光纖的端部成像到第一聚焦裝置上；光束引導(dǎo)單元，在光學(xué)上相對(duì)于所述聚焦裝置設(shè)置，用于接收所述聚焦光束，用于相對(duì)于所述選出的第二光纖端部有選擇地引導(dǎo)所述聚焦光束，從而把所述第一光纖端部和所述選出的輸出光纖端部在光學(xué)上連接起來，以在它們之間傳送所述光信號(hào)。
30.如權(quán)利要求29所述的光開關(guān)，其特征在于，所述光開關(guān)還包括第二聚焦裝置，以與選出的輸出光纖端部的已知空間關(guān)系配置它，用于接收來自所述光束引導(dǎo)單元的所述聚焦光束并把所述聚焦光束聚焦到選出的輸出光纖端部。
31.如權(quán)利要求30所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述第一聚焦裝置是具有面對(duì)輸入光纖端部的第一表面和面對(duì)與所述第一透鏡的所述第一表面相對(duì)的第二表面的第一透鏡，以及所述第二聚焦裝置是具有面對(duì)輸出光纖端部的第一表面和面對(duì)與所述第二透鏡的所述第一表面相對(duì)的第二表面的第二透鏡。
32.如權(quán)利要求31所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，當(dāng)假設(shè)薄透鏡近似時(shí)，若用D代表所述第一和第二透鏡的有效孔徑，u代表在所述第一透鏡和輸入光纖端部之間的距離以及所述第二透鏡和輸出光纖端部之間的距離，v代表所述第一和第二透鏡之間的距離，N.A.代表輸入和輸出光纖端部的數(shù)值孔徑，和f代表所述第一和第二透鏡的焦距，則下列方程是滿足的D＝2u·tan(sin-1(N.A.))+d1/f＝1/v+1/ud/u＝D/v。
33.如權(quán)利要求29所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述光束引導(dǎo)單元包括第一反射器和第二反射器。
34.如權(quán)利要求33所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，所述反射器是微電機(jī)械鏡子。
35.如權(quán)利要求34所述的光開關(guān)裝置，其特征在于，每個(gè)所述鏡子可以繞至少一根軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
36.一種在輸入光纖的端部和輸出光纖的端部之間切換光信號(hào)的方法，其特征在于，所述方法包括把從輸入光纖端部發(fā)射的信號(hào)形成為聚焦光束，其中，以會(huì)聚的方式引導(dǎo)從輸入光纖端部的一點(diǎn)發(fā)射的光信號(hào)的光線；如此把所述聚焦光束引向輸出光纖端部，從而在抵達(dá)輸出光纖端部之前所述聚焦光束的所述一根中央軸與從輸出光纖端部在中央延伸的一根軸基本上成一直線；以及在輸出光纖端部接收所述聚焦光束。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，在所述形成步驟中，使用第一聚焦光束形成單元，而在所述接收步驟中，使用第二聚焦光束形成單元，所述第一和第二聚焦光束形成單元基本上是相同的并且合在一起組成了對(duì)稱的聚焦光束單元。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，在所述引導(dǎo)步驟中，所述聚焦光束的所述中央軸和從輸出光纖末端部在中央延伸的軸之間的夾角小于所述輸出光纖的數(shù)值孔徑。
39.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，在所述引導(dǎo)步驟中，使用至少二個(gè)反射器。
全文摘要
一種光開關(guān)裝置,包括反射器(22)的第一陣列(20)和反射器(32)的第二陣列(30),每個(gè)反射器(22)都與一根單獨(dú)的輸入光纖(12)相關(guān)聯(lián),而每個(gè)反射器(32)都與一根單獨(dú)的輸出光纖(14)相關(guān)聯(lián)?？梢苑胖梅瓷淦?22和32),以把來自任何一根輸入光纖(12)的光信號(hào)引導(dǎo)至任何一根輸出光纖(14)。沿著所要的輸出光纖(14)和與它相關(guān)聯(lián)的反射器之間的光路引導(dǎo)光信號(hào),該光路大體上與從輸出光纖在中央延伸的一根軸成一直線。更為可取的是,把光信號(hào)形成聚焦光束的對(duì)稱光纖光束形成單元是被包括在輸入光纖(12)和第一陣列之間以及在第二陣列(20)和輸出光纖(14)之間。在輸入光纖端部和輸出光纖端部之間的切換光信號(hào)的一種方法包括把從輸入光纖端部發(fā)射的光信號(hào)形成聚焦光束,其中,來自輸入光纖端部上的一點(diǎn)的光線是會(huì)聚的。至少用兩個(gè)可以放置的反射器把聚焦光束引向輸出光纖端部,為引導(dǎo)信號(hào)反射器要如此取向,從而在到達(dá)輸出光纖之前,光信號(hào)沿著一條大體上與從輸出光纖端部在中央延伸的一根軸成一直線的光路傳播。
文檔編號(hào)G02B6/35GK1307690SQ99808037
公開日2001年8月8日 申請(qǐng)日期1999年6月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月5日
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