一種改進的光束導引光學開關的制作方法

專利名稱：一種改進的光束導引光學開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學開關領域。
背景技術：
傳統的光學開關如不經過重新調整想要擴展是極度困難的。
3D光學開關典型的構造為兩個相對設置的光束引導組件陣列，其中第一陣列的每一個元件能夠指向第二陣列的任意選擇的元件。光束引導組件的光學特性成為影響第一和第二陣列之間的工作距離的限制。
光束引導組件一般在陣列中具有充分的空間來適應它們各自的運動。一個特定的光束引導組件將會被限制其可完成的擺動，以得到一個可接受的穩定性和噪音水平。而增加特定的光束引導元件的擺動角度不是有效的手段，因為這有可能導致有害的噪音和不穩定性。
本發明的目的之一在于介紹一種方法或一系列方法，采用常規的開關構造塊來增強開關的容量而不必在額外的角度內擺動、沒有任何信號損失、無需與更高性能的透鏡組合、無需在整體上重新調整開關。
本發明的目的尤其在于制造一種可以延展的開關，其不必與具有更大的工作節距的大型光學組件組合，無需構造引導裝置來允許實現更大的擺動角度。
本發明的另一個特殊目的在于制造一種開關，其達到了原有技術中開關的功能以及同時充分利用傳統光學路徑之間的光學空間，以能夠在不必擴展工作節距的情況下增加開關容量。
現有技術以下為背景專利文件GB 2185589A(STC plc)
EP 1146386A8(國際商務機械公司)EP 1146386(IBM)發明內容在本發明范圍最寬的獨立方面，本發明提供一種光學開關，包括一個在空間上與一個光學組件的輸出陣列分離開的光學組件的輸入陣列，用來導引發射光束的裝置，和一個光學地位于輸入和輸出之間的光學組件的附加陣列，其中所述光學組件的附加陣列的光學組件節距(pitch)小于光學組件的輸入和/或輸出陣列節距(pitch)。
這種結構是非常先進的，因為它允許操作者增加光學開關的容量而無需增加輸入或輸出端口的占用區域。例如，如果一個16×16開關通過一個端口以傳統的方式被增大，那么為了達到上述新端口，一個特定的準直器必將可移動至一個更大的程度。利用一個合適的陣列能夠將準直器的所需擺動限制在最小，該陣列放置于端口之間以得到位于輸入和輸出端口之間的一個更長的路徑長度。這種改進還可以避免必須完全地重新調整一個現有信號來增加開關的容量。該結構還具有可以使端口更加緊湊簡潔的優點。
根據一個補充方面，該光學組件陣列位于互相交叉的光學路徑中。放置光學組件于這些位置很好的提高了光學容量，并且陣列本身無需過于復雜。
進一步的，該光學組件陣列位于交叉的光學路徑之間的帶隙中。這樣能夠允許開關容量進一步增加。例如，可以在輸入端口之間的任何帶隙中充滿附加端口。這將使結構更加緊湊簡潔。
進一步的，該光學組件的附加陣列具有改善光束的主要功能，并被放置于輸入和輸出端口之間的空間，所述的改善光束使得在輸入和輸出陣列之間可達到的光程長度大于沒有設置附加光學組件時可達到的光程長度。上述結構還具有的優點在于通過增加輸入和輸出陣列之間可達到的光學長度來增加開關的光學容量。
進一步的，光學組件的附加陣列實質上位于從光學組件的輸入陣列開始或從光學組件的輸出陣列開始的三分之一光程長度上，并且所述組件的節距實質上是光學組件的輸入/輸出陣列的節距的三分之一。上述結構具有顯著的優點，因為其增加了特定開關的光學開關容量，而不必將陣列放置在開關的中心線上。
進一步的，如果所述的第一附加陣列位于從光學組件的輸出開始的光程長度的三分之一上，一個第二附加光學組件陣列則位于從光學組件輸入陣列開始的光程長度的三分之一上。利用多個陣列會在某些應用中具有特別的益處。
進一步的，所述光學組件附加陣列位于從光學組件輸入陣列開始或從光學組件的輸出陣列開始的光程長度的四分之一上，元件節距實質上是光學組件的輸入或輸出陣列的節距的四分之一。這作為一個更有益處的方法，能夠用于例如不必使用一個單中心陣列的開關。
進一步的，所述光學組件附加陣列是一個反射陣列，能夠增加光學開關容量，同時使得與所述陣列組合的開關的整體尺寸適合特定的標準設置。
進一步的，所述光學組件附加陣列是一個條紋反射鏡，使得通過利用交叉點之間的帶隙增加開關容量。尤其適用于多個分離的輸入陣列作用于相同的條紋反射鏡陣列。這可以使得在光開關中得到更大的致密性。
進一步的，所述光學組件陣列是一個小透鏡陣列。使得這種結構能夠在每個區域達到更多的端口數量。
進一步的，所述光學組件陣列由條紋反射鏡、小透鏡和反射元件之中至少任意兩個的組合構成。
進一步的，發射光被輸入和/或輸出至/從所述開關經由準直器至一個傾斜反射鏡陣列上。使得開關結構能夠擴展至更多端口數量，同時還使得所述開關對于特定的端口數量具有更低規格的電子裝置，而這在現有技術中是很典型的。
進一步的，所述輸入陣列與準直器組合使用，該準直器適于在一個特定節距內，以擺動的方式移動，所述光學組件附加陣列的光學節距(pitch)實質上是準直器的節距(pitch)的一半，并且該光學組件的附加陣列實質上位于輸入和輸出陣列之間的一半位置上。上述結構使得開關可在最小擺動角度內發生，使得開關在循環工作中，減少機械磨損現象。
進一步的，所述輸入陣列與準直器組合使用，該準直器適于在一個特定節距內，以擺動的方式移動，所述光學元件附加陣列的光學節距實質上是準直器的節距的三分之一，并且該光學元件附加陣列實質上位于輸入和輸出陣列之間的三分之一位置上。上述形式對于一個特定的開關容量減少了必要的準直器擺動。
進一步的，所述輸入陣列與準直器組合使用，該準直器適于在一個特定節距內，以擺動的方式移動，所述光學組件附加陣列的光學節距實質上是準直器的節距的四分之一，并且該光學元件附加陣列實質上位于輸入和輸出陣列之間的四分之一位置上。可以在不減少開關容量的情況下減少必要的準直器擺動。


圖1(a)表示現有技術中的一種標準的2×2轉換光學開關。
圖1(b)表示圖1(c)中的陣列的平面圖。
圖1(c)表示一種16×16光學開關的側視圖，該開關是具有四個輸入和四個輸出以及一個小透鏡改善陣列的四行(four rows)開關。
圖2表示根據本發明的一種反射光學開關。
圖3表示根據本發明的一種具有傾斜反射鏡的光學開關。
圖4表示一種不帶有本發明光學陣列的光學開關的性能結果。
圖5表示一種帶有本發明光學陣列的光學開關的性能結果。
圖6表示一種具有條紋反射鏡陣列的光學開關。
圖7表示一種具有條紋反射鏡陣列的光學開關的改進實施例。
具體實施例方式
圖1a表示一個具有兩個輸入端口2和3以及兩個輸出端口4和5的標準形式的光學開關1。在輸入和輸出端口之間的畫線6表示可能的互相連接，每一個端口可以具有一個準直器7，該準直器放置于一個底座8上，該底座可以移動準直器來實現開關操作。
圖1c表示一個具有小透鏡組10的陣列9，該小透鏡組10沿著一個開關的中心區域放置，上述開關一般用11表示。該開關為在每一邊具有四個端口的4行開關。
從圖1a或1c可以看出，如果在兩陣列(一維線性或者是2d)之間所有互相連接的線均畫出來，那么在大部分點上是沿著所述陣列之間的軸，會存在陣列區域上的光束分散，但是在某個位置，尤其是中心，只存在通過光束的有限數量的點。本發明的目的是將一個光學組件陣列放置在光束能夠互相交叉的那些點上。
如圖1b所述，陣列9可以由小透鏡組10構成，能夠被設置以改善光束，使其依相同的準直器提供更長的工作距離(工作距離中的最大增益由光束直徑設定，該直徑接近于陣列節距)。上述限制使得路徑等于原始開關的路徑的四倍，并可以為2D陣列提供一個端口數量上的16重增加。所述元件能夠由需要的結構決定折射或反射。
圖1c所示的陣列節距恰好是光學中心點的節距的一半。光學中心點位于支撐準直器的底座或彎曲部分(flextures)處。當輸入端口用MEMs時，上述光學中心點則位于反射鏡上。
對于圖1b所示的2D陣列，水平節距是水平光學中心節距(pivotpitch)的一半，垂直節距是垂直光學中心節距的一半。
圖2顯示了一種被稱作傾斜的反射系統，其中第一組擺動準直器用于輸入光束至反射陣列，該反射陣列反射光束至位于第一組下面的第二組擺動準直器。該反射系統使開關能夠交迭。
圖2所示特別的開關一般用12表示，該開關中，第一和第二組準直器陣列的所有中心點(如標記13)，都在一條直線上排列，簡化了設計和結構。反射陣列14的節距設置為中心節距的一半。
圖3示出了第一和第二組準直器陣列并分別標記15和16，從準直器15射出的光束傳輸到第一傾斜反射鏡陣列17，該反射鏡反射光束到反射陣列18，然后至第二傾斜反射鏡陣列19，最后到達準直器16。準直器放置在與反射陣列相同的平面內。圖3所示的開關為一個如圖所示的具有四行的16×16 MEMs開關。
本發明的方法允許任何開關結構根據最大預期串擾調整其準直器間隔，而與其它操作考慮無關，這避免了使得準直器離得更遠。在單模系統中，凹面小透鏡的曲率半徑只需被設置為與到達小透鏡的高斯光束的曲率半徑相匹配。如果一個折射陣列用于光傳輸，那么小透鏡組的焦距與凹面鏡的高斯光束的1/2倍曲率半徑相同。
圖4和圖5對比顯示沒有本發明陣列的開關和與本發明陣列組合的開關。
圖4中的參數是代表單光軸偏差的耦合db，單模高斯光束，Zo＝50mm，1550nm，進入4寬陣列(4 wide array)，中心節距4.5mm，中心間隔120mm，光程100mm。
圖5中，除了13寬陣列(13 wide array)，參數的設置參照圖4，同樣的節距，中心間隔480mm，光程460mm，100mm焦距，2.25mm節距小透鏡陣列位于光學路徑的中心。評估對應于角度的軸線性能，得到相似的或同樣的值(串擾60db)。(現行器件由單末端形位偏差引起的干擾要好于50db，接近兩末端的形位偏差達100db，例如對準臨近的準直器)。
本發明手段可以應用于單模和多模系統。在多模系統中，上述手段帶來的附加的益處在于允許纖芯成像為1∶1，這優于在位于一對標準準直器中的光纖之間交換位置和數值孔徑(na)。所述手段具有在不需改變準直透鏡的情況下工作節距可調(通過改變陣列焦距)的優點。
除了必要的放置一陣列于可以充分利用光束交叉位置以增加開關容量外，本發明也計劃在通過放置光束不能常規的穿過的地方來增加開關容量。通過陣列交錯可以達到上述目的。
陣列交錯利用光束間的帶隙。這可以通過位于一個開關20的交叉點之間的所述條紋反射鏡21來實現。為了簡化附圖，實際的光束操作裝置已經被點代替。鄰接于開關圖，用一個條紋反射鏡陣列22的平面圖表示開關的條紋反射鏡21。所述陣列間隔涂敷鍍金反射條紋23和無涂敷的條紋24。所述金屬板可以在所述陣列的兩邊進行反射。
所述陣列如此設置尺寸、位置以及形狀使得在交叉點上，光束從一個端口穿過陣列到達另一端口。當光束被導引到反射鏡條紋上，其反射光至附加端口。用來特別接收所述反射光束的端口可以放置在輸入端口之間或在合適的相分離的陣列之中(如分別在圖6和圖7中示出的兩種結構)。
圖6表示一個32路反射系統20的平面或側面圖，其設置為中心點之間距離為148mm，5.5mm節距的褶皺(picth flexures)，傾斜1.06度和以0.4mm為中心直徑為1/e的高斯光束。反射鏡鍍1.375mm條紋、2.75mm節距，兩側鍍AR層。
反射鏡條紋可以傾斜一個小角度使得在原來陣列中的準直器成像可以直接反射到位于目標陣列的準直器之間的間隙中。開關左邊的顏色加深線表示從一個準直器(未示出)發射的光束路徑并且遇到所述陣列的一個條紋反射鏡部分，該反射鏡部分將光束反射到所述開關的左邊的一個附加準直器中。顏色較輕的線是常規的路徑，該路徑與陣列相交在陣列上的不能反射光的部分，但是該部分適合于使得光束交叉到陣列的右邊。
反射鏡上的條紋節距可以是光學中心點節距的一半，因此反射寬度和帶隙寬度都是中心點節距的1/4。
另外，反射鏡條紋可以是更為傾斜的，再加入兩個陣列，如圖7所示的一個由4個16路陣列構成的32×32開關，例如，準直器節距5.5mm，首尾相連長度(中心點到中心點)150mm，反射鏡傾斜7.45度。
用深色表示的路徑是穿過位于陣列的反射鏡部分之間的陣列的路徑。與深色路徑重合的光路徑與一個反射條紋上的陣列相遇于是被反射回。另外的顏色較淺的路徑穿過陣列。
一種技術可使得光學元件放置容限更大(或者能夠操作更大光束直徑的能力)是利用一個反射傳輸組件的傾斜網陣。這給出了一個反射或傳輸條紋尺寸為中心點的二倍根號二分之一(1/2.81)。并要求所述元件為使準直器陣列合理呈像而在兩個軸上以較小的角度放置。這些方法不會改變陣列間表觀距離，但使得它們的成像交替。
權利要求
1.一種光學開關，包括一個與一光學組件的輸出陣列相分離的光學組件的輸入陣列，用來導引發射光束的裝置，和一個位于輸入和輸出之間的光學組件的附加陣列，其中所述光學組件的附加陣列的光學組件節距小于光學組件的輸入和/或輸出陣列的節距。
2.根據權利要求1所述的開關，其中光學組件的陣列位于光學路徑相互交叉處。
3.根據權利要求1所述的開關，其中光學組件的陣列位于光學路徑相互交叉處之間的帶隙上。
4.根據上述任一權利要求所述的開關，其中該光學組件的附加陣列具有改善光束的主要功能，并被放置于輸入和輸出端口之間，用于改善光束使得在輸入和輸出陣列之間可達到的光程長度大于沒有設置附加光學元件時可達到的光程長度。
5.根據權利要求4所述的開關，其中光學組件的附加陣列實質上位于輸入和輸出之間的中心處，該組件的節距實質上是光學組件的輸入/輸出陣列的節距的一半。
6.根據權利要求4所述的開關，其中光學組件的附加陣列位于從光學組件的輸入陣列或從光學組件的輸出陣列開始的光程長度的三分之一處，該組件的節距是光學組件的輸入/或輸出陣列的節距的三分之一。
7.根據權利要求6所述的開關，當第一附加陣列位于從光學組件的輸出開始的光程長度的三分之一處時，一個第二光學組件附加陣列位于從光學組件的輸入陣列開始的三分之一處。
8.根據權利要求4所述的開關，其中光學組件的附加陣列實質上位于從光學組件的輸入陣列開始或從光學組件的輸出陣列開始的光程長度的四分之一處，該組件的節距是光學組件的輸入和/或輸出陣列的節距的四分之一。
9.根據權利要求1所述的開關，其中光學組件的附加陣列是一個反射陣列。
10.根據權利要求1所述的開關，其中光學組件的附加陣列是一個條紋反射鏡。
11.根據權利要求1所述的開關，其中光學組件的附加陣列是一個小透鏡陣列。
12.根據權利要求1所述的開關，其中光學組件的附加陣列由條紋反射鏡、小透鏡和反射元件中的至少任意兩個元件構成。
13.根據權利要求1所述的開關，其中到/從所述開關輸入和/或輸出的光線，經準直器至傾斜的反射鏡上。
14.根據權利要求1所述的開關，其中輸入陣列與準直器組合使用，該準直器適于在一個特定節距內以擺動方式移動，所述光學元件附加陣列的光學節距實質上是準直器的節距的一半，并且該光學組件附加陣列位于輸入和輸出陣列之間的一半位置上。
15.根據權利要求1所述的開關，其中輸入陣列與準直器組合使用，該準直器適于在一個特定節距內以擺動方式移動，所述光學組件附加陣列的光學節距是準直器的節距的三分之一，并且該光學組件附加陣列位于輸入和輸出陣列之間的三分之一位置上。
16.根據權利要求1所述的開關，其中輸入陣列與準直器組合使用，該準直器適于在一個特定節距內以擺動方式移動，所述光學組件附加陣列的光學節距是準直器的節距的四分之一，并且該光學組件附加陣列位于輸入和輸出陣列之間的四分之一位置上。
17.一種光學開關，如以上結合全文和/或附圖的任意適當的組合所表述和/或說明的。
全文摘要
一種光學開關，包括與一個光學組件的輸出陣列分離開的一個光學組件的輸入陣列，用來導引發射光束的裝置，和一個位于輸入和輸出之間的光學組件的附加陣列，其中所述光學組件附加陣列的光學組件節距小于光學組件輸入和/或輸出陣列的節距。
文檔編號G02B6/35GK1806189SQ200480016779
公開日2006年7月19日 申請日期2004年6月18日 優先權日2003年6月19日
發明者安德魯·尼古拉斯·達姆 申請人:保樂提斯有限公司