CN1955771B - 双重光开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一个可作为双重开关使用的单面式光开关装置，其中各开关共用同一套切换装置。各开关有独立的端口，共用由可移动折射镜、透镜和固定反射镜组成的公共切换装置，其中可移动折射镜可以置于透镜与固定反射镜之间，以导向各开关的端口内的光。该装置的一种实现方式提供了一种包含单透镜和单切换元件的单面式双重2×2旁路开关。

Description

双重光开关

技术领域

本发明涉及光学元件之间的光切换，特别是涉及一种用于提供此类切换的光学双重切换装置。

发明背景

用于将入射光在光纤或光导路径之间有选择地切换的各种光开关已经众所周知，且已在许多场合中得到应用。在某些情况下，当必须同时切换两条或更多的光束(例如从两条或更多的输入光纤接收光束)时，需要光开关的联动操作。

这种应用的一个例子是光网络中的旁路切换，此时双向光流量必须被快速转向至旁路某个光环路或节点。通常，这种转向是通过在每个光流量方向上采用2×2旁路开关完成的，如图1所示，图中示出了正常光流量和被旁路的光流量。所示的环网6包含节点1、2、3和4，它们以串联方式连接。2×2旁路开关5作为环路与节点3之间的接口；它可以将光学信息路由至两个通道中的任何一个。这一点在图1中示出，图中将2×2开关的一个状态示为模块5a，将另一个状态示为模块5b，模块5a和5b分别连接至节点模块3a和3b。应理解事实上仅应用了单节点3和单个旁路开关5。经环路6进、出节点3的正常光流量与模块5a所示旁路开关的交叉状态相对应。如果节点失效或被断开，环路就将失效，除非环路的连续性仍然得到保持。模块5b示出了旁路开关5的又一种状态，在此状态下环路的连续性得以保持。在节点3失效或断开时，该节点被光回路旁路，这可以被称为旁路或回路状态。

一种小型而高效的2×2光学旁路开关由本发明的发明者在美国专利6,353,692中披露，该专利已转让给JDS尤尼弗思公司(Uniphase)，此处本申请的受让方通过参考将其合并入本申请中。该开关有优势的一点是，它仅采用一个透镜，且为单面式，即所有输入和输出光纤均位于一面上，从而可以实现紧凑封装。

为了应对双向链路中的光学旁路开关需求，通常采用两个常规的2×2光学旁路开关，它们被同步并且可能被捆绑在一起，如通常所采用的那样。例如，Young等人在2005年7月19日公布的美国专利6,920,277中披露了一种使用两个旁路开关来创建终端节点的光学旁路的结构和方法。在另外一例中，Wang等人在2004年11月2日公布的美国专利6,813,241中披露了一种用于在双向数据通信网络中进行链路保护的网络体系结构，它采用了由两个1×2光开关组成的双重开关结构。

在上述采用现有技术的解决方案中，两个单独的光开关被组合在一起，形成一个双重光开关，尽管这样能够完成其预期功能，但体积和成本却都大致是单一开关的两倍。

本发明的目的是提供一种小型的单面光学多开关装置，所述装置的单个开关都共用至少光学元件的一部分，以减小装置的体积和复杂性。

本发明的另一个目的是提供一种简单而紧凑的双重2×2光学旁路开关，它所包含的光学部件数目要少于两个单独的2×2光学旁路开关。

本发明的另一个目的是提供一种包含单个透镜和单个开关元件的简单而紧凑的双重光开关。

发明内容

根据本发明，提供了一种具备两个或更多光开关功能的光开关装置。该光开关装置包括：

多个端口，第一组端口用于发射和接收第一光信号，第二组端口用于发射和接收第二光信号；固定反射镜，用于接收来自第一组端口中第一端口的第一光信号和来自第二组端口中第一端口的第二光信号，并将第一和第二光信号向所述多个端口充分反射；透镜，置于多个端口与固定反射镜之间，用于将第一和第二光信号充分准直到固定反射镜上的，并将第一光信号充分会聚到第一组端口附近，将第二光信号充分会聚到第二组端口附近；可移动折射镜，可以有选择性地置于多个端口与固定反射镜之间的第一和第二光信号光通路上及通路外的两个位置上，当可移动折射镜处于这两个位置中的第一个时，用来将第一光信号引至第一组端口的第二端口，将第二光信号引至第二组端口的第二端口，并通过将可移动折射镜重新定位至这两个位置中的第二个，将第一光信号转至第一组端口的第三端口，将第二光信号转至第二组端口的第三端口；其中第一组端口和第二组端口互为光学解耦关系，以便当可移动折射镜处于这两个位置中任何一个时实现充分的的光隔离，从而实现双重开关功能。

根据本发明的一个方面，提供有一个光开关装置，它包括：第一开关，其带有至少三个端口、用于接收和发射第一光信号；和第二开关，带有至少三个端口、用于接收和发射第二光信号，其中第二开关的端口与第一开关的端口相邻布置，而第一和第二开关则共用公共的切换装置，用于对第一和第二开关在第一工作模式与第二工作模式之间进行同步切换。公共的切换装置包括：固定反射镜，用于分别从第一和第二开关的端口接收第一和第二光信号，并将第一和第二光信号分别向第一和第二开关充分反射；透镜，置于第一和第二开关端口之间的其中一侧，固定反射镜置于其中另一侧，用来将第一和第二光信号充分准直到固定反射镜上，并将第一和第二光信号分别充分会聚到第一和第二开关的端口附近，以及可移动折射镜，可以置于固定反射镜与第一和第二开关端口之间的第一和第二光信号的光通路上及通路外，用于实现第一和第二工作模式，在第一工作模式中，第一开关的第一端口被光耦至第一开关的第二端口，第二开关的第一端口被光耦至第二开关的第二端口，而在第二工作模式中，第一开关的第一端口被光耦至第一开关的第三端口，第二开关的第一端口被光耦至第二开关的第三端口。

根据本发明的一个实施例，提供了一种双重旁路2×2开关，其功能相当于为实现同步切换的两个独立的2×2联动旁路开关。

根据本发明的另一实施例，提供了一种双重1×2开关，其功能相当于两个独立的1×2联动光开关。

有利的是，本发明提供了一种开关装置，其中，相互充分光隔离的两个或更多端口组内的同步切换是通过共用公共的切换装置来实现的，目的是对每个端口组内的光进行重定向。这种共享使该装置几乎和单一开关一样简单，但却可以实现两个或更多相互光隔离的开关的功能，从而与现有技术方案相比，本装置在体积和成本方面都有大幅降低。

同样具备优势的是，本发明所提供的光学开关装置是单面的，从而所有光纤端口被置于同一面上，使得此开关比常规的双面开关更为紧凑。

附图说明

现在结合附图，对本发明的实施方式举例进行说明：

图1为根据现有技术采用单个2×2旁路开关对一个单向光流量进行切换的示意结构图。

图2A和2B分别是根据本发明给出的一种双重2×2旁路开关装置的侧视图和垂直横剖面图。

图3A是描绘如图2A和2B所示、处于第一工作模式下的开关装置内的光束的示意图。

图3B和3C分别示出在如图2A和2B中所示开关装置在第一工作模式下，第一组端口和第二组端口内的光学耦合图。

图4A是描绘本发明的、处于第二工作模式下的开关装置内的光束的示意图。

图4B和4C分别示出在本发明的开关装置在第二工作模式下，第一组端口和第二组端口内的光学耦合图。

图5为根据本发明采用双重2×2旁路开关对一个双向光流量进行切换的示意结构图。

具体实施方式根据本发明给出的一种光学开关装置的优选实施方式如图2A-4C所示，现对其进行讨论。在本实施方式中，开关装置的功能相当于两个组合在一起的2×2旁路光开关，它们可在两种工作模式之间同时切换。这种能够作为两个组合光开关使用的开关装置在此也被称为双重光开关，而在以下介绍的特定的第一实施方式中，也可以称为双重2×2旁路光开关。

图2A根据本发明示意性地示出了双重2×2旁路开关装置的侧视图。光纤套管100中容纳有多个光纤端头。光纤的端面形成了多个光学端口，被统称为102。端口102被光耦合至充分准直/会聚透镜104，透镜优选采用自聚焦(GRIN)透镜的形式，靠近端口102布置。透镜104用于将光会聚在端口102上，并将开关远端的光准直到反射镜106上，该反射镜具体可采用固定式反射镜。在所示实施例中，透镜104和端口102相对于光轴101对称布置，而固定反射镜106的反射面则垂直于光轴101布置。提供端口102的光纤端头可以为单模或多模。

可移动折射镜110为折射率与邻近环境介质不同的透光光楔，该可移动折射镜110可以置于透镜104和反射镜106之间光通路上和通路外的两个位置。作为选择，折射镜110包括棱镜或折射光电子器件。致动器112与折射镜110相连，用于对折射镜110进行有选择性的重定位，以完成对端口102之间的入射光束的切换，如本说明书后续详述。可选的，可以在端口102与透镜104之间的光通路上选择放置透光材料制成的垫片108，以减小由存在于透镜104与反射镜106之间的大气空间产生的插入损耗。

图2A中所示的光学开关装置基于美国专利6,353,692中公开的单侧式光开关的常规设计概念，以下称“692”，光纤端口102的数量和位置除外。根据本发明，图2B中给出了光纤套管100内端口102的位置举例，该图代表位于与光纤端头垂直的平面内的装置的纵截面AA。在所示例子中，端口102在光纤套管100内的布置也确定了端口102相对于GRIN透镜104的位置。

根据本发明，端口102之间以及与透镜104之间按预定的空间排列布置，以形成两互为光解耦关系的端口组。在本说明书的上下文中，开关装置的两组端口可被视为互为光解耦，或者等效地被视为相互充分光隔离，条件是当处于装置两种固定工作模式中的任何一种时，一束光在穿过设备后被两组中的任何一个端口接收，之后被导向至同一组端口中的一个端口，或者被实际上丢失，因此在任何两个来自不同组的端口之间提供至少20dB(优选40dB以上)的光隔离。

在如图2A、2B所示的示例实施方式中，这两个光解耦的组是：由四个端口102a、102b、102c和102d组成的第一组端口，它们与两个联动光开关中的第一开关相关，以及由四个端口102e、102f、102g和102h组成的第二组端口，它们与两个联动光开关中的第二开关相关。出于说明的目的，在图2A中及其后，第一组端口和相应的光纤端头以点影表示。第一组端口也将被称为端口102a-d，第二组端口也将被称为端口102e-h。

参考图2B，在所示例子中，端口102被布置为两行，每行有四个端口，以使第一组端口被置于第二组端口之间。在每一行之内，各端口被相互对齐。箭头99显示了对应于图2A的观察方向，因此在图2A中，端口102a、102c和102g分别位于端口102f、102b和102d之后，由标记“102f(a)”、“102b(c)”和“102d(g)”示出，括号中的字符对应于隐藏的端口。

在没有第二组端口102e-h的情况下，图2A、2B中所示的装置基本类似于“692”中披露的单侧4端口光学开关，它有两种工作模式，作为2×2旁路光学开关工作。具备优势的一点是，对‘692”中披露的第一组端口102a-d增加第二组端口102e-h后的功能等效于添加第二2×2旁路光学开关以形成双重开关装置，而不需要添加其它任何光学元件，从而基本上不会增加开关的体积或成本，因为第一组端口和第二组端口共用相同的光重新导向的光学元件：透镜104、反射镜106、可选垫片108、可移动折射镜110和致动器112，它们一同构成公用的器件的开关装置。

现在将通过描述装置的固定工作模式来讲解图2A、2B所示双重开关装置的功能。

再回到图2B，对于所示的两组端口的每一组，在该组的一个端口处接收到光束，它经过光学元件104、106、108和110被导向至该组中任一另一端口，或转离端口102a-102h中的任何一个，从而失去光束。这种端口布置使该装置不增加光学端口外的其他任何光学部件就可以实现双重2×2光学旁路开关的光重新导向功能，现在对此进行介绍。

在第一工作模式中，第一组端口的端口102a和102b各发出光束，穿过透镜104准直到反射镜106上，再经过同一个透镜104会聚之后被分别反射至同一第一组端口的相邻端口102c和102d。与此相独立，第二组端口的端口102e和102f各发出光束，通过透镜104准直到反射镜106上，再经过同一个透镜104会聚之后被分别反射至第二组端口的相邻端口102h和102g。

图3A、3B和3C中示出了这种工作模式，可移动折射镜110被置于两位置中的第一位置，即在透镜104与反射镜106之间光通路之外。图3A示意性地描绘了开关内的光束，而图3B和3C则分别示出了第一组端口和第二组端口内的光耦合。应理解图3B和3C是同时发生的，因而开关装置显示为相同的工作模式。

图3A中的箭头125表示第一组端口的端口102b上接收到的光束，它穿过透镜104准直到反射镜106上，而在经透镜104会聚之后，该光束被反射至第一组的隐藏端口102c。如本领域的那些熟练技术人员所知，此光束路径可以是可逆的，导致端口102b、102c的耦合，如图3B中双侧箭头所示。类似地，下文中所述其他所有光束的方向均可逆，因此下文中所述的两个光耦合端口中的每一个都可以既是此装置的输入端口，也可以是输出端口。

图3A中的箭头120表示两束光：一束光在第二组的端口102f处被接收，另一束光在第一组的隐藏端口102a处被接收；这两束光经过同一个透镜104准直到反射镜106上，并从此处反射之后，被透镜104会聚，并被分别转至第二组的隐藏端口102g和第一组的端口102d，如图3B、3C所示。

最后，箭头130表示通过第二组的端口102e进入开关装置的光束，被透镜104和反射镜106导向至同一第二组的端口102h。

上述第一工作模式(根据图3B、3C所示)提供了一种双重旁路2×2开关，其功能相当于‘692中所公开的两个单独的2×2旁路开关，一个带有端口102a-d，另一个则带有端口102e-h，其他所有光学元件则为共用，而两个单独的2×2旁路开关中的每一个都处于交叉状态。

第二工作模式在图4A、4B和4C中示出，可移动折射镜110被置于两个位置中的第二个，即处于透镜104与反射镜106之间的光通路上。图4A示意性地示出了开关内的光束，以代表射出光线的箭头表示，而图4B和4C则分别示出了第一组端口和第二组端口内的光学耦合。应理解图4B和4C是同时发生的，开关装置也显示为相同的工作模式。通过其端口进入本发明开关装置的光束(例如图3A-4C中所示)在本说明书下文中也将被称为光学信号。

在第二工作模式中，由第一组端口的端口102a和102b发出的两束光，穿过透镜104和折射镜110，用以准直到反射镜106上并在其上反射。在光束穿过空气与折射镜的界面时，其方向按照斯涅尔定律(Snell′s Law)改变。光束通过同一折射镜110和透镜104返回，并以这样的方式被导向，即：从端口102b传输的光束被会聚在端口102d处，如图4A中的箭头140所示，而端口102a发出的光束则不会被导向第一或第二组端口的任何端口，如图4C所示，从而失去光束。类似地，在第二工作模式中，由第二组端口的端口102f和102e发出的两束光穿过同一透镜104和同一折射镜110，用以准直到反射镜106上并在其上反射，在通过折射镜110时按照斯涅尔定律发生方向改变，再通过同一折射镜110和透镜104返回，并以这样的方式被导向，即：端口102f发出的光束在端口102h处会聚，如图4A中的箭头150所示，而端口102e发出的光束则不会被导向第一或第二组端口的任何端口，如图4C所示，从而失去光束。当处于第二工作模式时，第一组端口的端口102a和102c以及第二组端口的端口102e、102g都不会被耦合至本开关的其他任何端口。

上述第二工作模式，正如从图4B、4C可明显看出，提供了一种双重旁路2×2开关，其每个单独的开关都处于旁路状态。

与‘692中所述类似，启动致动器112可实现第一和第二工作模式之间的切换，该致动器会将折射镜110移入或移出光通路。有利的是，在本发明的开关装置中，折射镜110的这种重新定位可以实现第一和第二组端口内的光束同步切换。

图2A-4C中所示的开关装置可有效地实现两个独立的2×2联动开关，以进行同步工作，其中第一组端口形成第一独立开关端口，第二组端口形成第二独立开关端口，开关装置的两个独立开关共用由透镜104、反射镜106、折射镜110和致动器112组成的公共切换装置，以同步切换第一和第二开关。

图5示出如何在双向光网络200中使用双重旁路2×2开关装置210以包含或绕开节点220。点划线230显示了开关装置210内部的连接，它处于第二即旁路或回路工作模式。图5A示出了第一即交叉状态工作模式，其中节点220包含在网络中。模块240a将同一部分网络显示为模块240，而开关210则处于第一工作模式。点线230a显示了开关210内部的连接。

前述光学开关装置也可以有其他工作模式：例如它可以充当双重1×2开关，或者1×2和2×2联动旁路开关的组合。举例来说，在上述光学开关装置的第二工作模式中(如图2A、2B所示)，端口102a和102e不工作，由第一组端口的第一端口102b接收到的第一光信号被导向至第一组端口的第二端口102c，而由第二组端口的第一端口102f接收到的第二光信号则被导向至第二组端口的第二端口102g，此时可移动折射镜110不在第一和第二光信号的路径上。将可移动折射镜110插入透镜104与反射镜106之间的光通路上，可将开关装置转入第四工作模式，其中开关装置通过端口102b和102f接收到的光束被分别导向至第一组端口的第三端口102d和第二组端口的第三端口102h。

由此，第三与第四模式之间的切换使该装置有效地成为双重1×2开关，在双重1×2开关的第一1×2开关内，当装置处于第三工作模式时，在端口102b处接收的光束被导向端口102c，在切换至第四工作模式之后，则被导向至端口102d，而在双重1×2开关的第二1×2开关内，当装置处于第三工作模式时，在端口102f处接收的光束被导向端口102g，在切换至第四工作模式之后，则被导向至端口102h。

有利的是，本发明提供了一种开关装置，其中在两组或更多组端口之间的同步切换是通过共用以下相同的光学元件来重新导向每组端口内的光线：透镜104、反射镜106、折射镜110和致动器112。这种共用的结果是该装置几乎与单个开关一样简单，但却能实现两个或更多光学隔离而共用公共切换装置以实现同步切换的功能，从而较采用现有技术方案在体积和成本上有实质性的缩减。同样有利的是，本发明所给出的光学开关装置为单面式，所有光纤端口均被布置于同一面上，从而使此开关较常规双面开关结构更为紧凑。

在不偏离本发明的范围，即可容易地得到其他实施方式及工作模式。例如，可以添加与第一和第二组端口均互为光学解耦的第三组端口，以实现三重开关功能，和/或者可以包括附加的可移动折射镜，以便将光线切换至其他端口组合。

Claims (19)

1.一种光开关装置，其包括：

多个端口，其包括：

第一组端口，用以发送和接收第一光信号和

第二组端口，用以发送和接收第二光信号；

固定反射镜，用于接收来自所述第一组端口的第一端口的所述第一光信号和所述第二组端口的第一端口的所述第二光信号，并用于将所述第一和第二光信号向所述多个端口充分反射；

透镜，置于所述多个端口与所述固定反射镜之间，用于将所述第一和第二光信号充分准直至所述固定反射镜，并将所述第一光信号充分会聚在所述第一组端口附近，将所述第二光信号充分会聚在所述第二组端口附近；

可移动折射镜，可以有选择性地置于两个位置处，所述两个位置是所述多个端口与所述固定反射镜之间的所述第一和第二光信号的光通路上及光通路外，

当所述可移动折射镜处于所述两个位置中的第一个时，用来将所述第一光信号引至所述第一组端口的第二端口，将所述第二光信号引至所述第二组端口的第二端口，以及

通过将所述可移动折射镜重新定位至所述两个位置中的第二个，将所述第一光信号导向至所述第一组端口的第三端口，和将所述第二光信号转至所述第二组端口的第三端口；

其中所述第一组端口和第二组端口互为光学解耦关系，以便当所述可移动折射镜处于所述两个位置中任何一个时实现充分的光隔离，从而实现双重开关功能。

2.如权利要求1中所述的光开关装置，其中所述第一组端口和所述第二组端口中的每一组均包含至少三个端口，用于形成双重1×2开关。

3.如权利要求1中所述的光开关装置，其中所述第一组端口和所述第二组端口中的每一组均包含至少四个端口，用于形成双重2×2开关。

4.如权利要求1中所述的光开关装置，其中所述第一组端口位于所述第二组端口的各端口之间。

5.如权利要求1中所述的光开关装置，还包括与所述第一和第二组端口中的每一组均互为光学解耦的第三组端口，用于提供三重开关功能。

6.如权利要求1中所述的光开关装置，还包括可置于所述多个端口与所述透镜之间的垫片，以减小所述开关装置的插入损耗。

7.如权利要求1中所限定的光开关装置，其中所述可移动折射镜可以置于所述透镜与所述固定反射镜之间。

8.如权利要求1中所限定的光开关装置，其中所述可移动折射镜的折射率与相邻的环境介质的折射率不同。

9.如权利要求1中所限定的光开关装置，还包括致动器，用于有选择性地将所述可移动折射镜从所述两个位置中的所述第一个重新定位到所述第二个。

10.如权利要求1中所限定的光开关装置，包括置于所述多个端口与所述固定反射镜之间的多个可移动折射镜。

11.如权利要求1中所限定的光开关装置，其中所述可移动折射镜为可充分透光的光楔。

12.如权利要求1中所限定的光开关装置，其中所述可移动折射镜为棱镜。

13.如权利要求1中所限定的光开关装置，其中所述固定反射镜为可充分反射的反射镜。

14.如权利要求1中所限定的光开关装置，其中所述透镜为自聚焦GRIN透镜。

15.如权利要求1中所限定的光开关装置，其中所述多个端口中的每一个均由光纤端头实现。

16.如权利要求15中所限定的光开关装置，其中所述光纤为多模光纤。

17.一种光开关装置，其包括：

第一开关，其具有至少三个端口，用于接收和发送第一光信号，第二开关，其具有至少三个端口，用于接收和发送第二光信号，其中所述第二开关的所述端口与所述第一开关的所述端口相邻布置，以及

其中所述第一和第二开关共用公共切换装置，以便对所述第一和第二开关在第一工作模式与第二工作模式之间进行同步切换。所述公共切换装置包括：

固定反射镜，用来分别从所述第一和第二开关的端口接收所述第一和第二光信号，并将所述第一和第二光信号向所述第一和第二开关的所述端口分别充分反射；

透镜，置于位于其一侧的所述第一和第二开关的所述端口之间，而所述固定反射镜置于其另一侧，用来将所述第一和第二光信号充分准直到所述固定反射镜上，并将所述第一和第二光信号分别充分会聚在所述第一和第二开关的所述端口附近；

可移动折射镜，可置于所述固定反射镜与所述第一和第二开关的所述端口之间的所述第一和第二光信号的光通路上及通路外，用来实现所述第一和第二工作模式；

其中在所述第一工作模式中，所述第一开关的第一端口被光学耦合至所述第一开关的第二端口，所述第二开关的第一端口被光学耦合至所述第二开关的第二端口，和其中在所述第二工作模式中，所述第一开关的所述第一端口被光学耦合至所述第一开关的第三端口，所述第二开关的所述第一端口被光学耦合至所述第二开关的第三端口。

18.如权利要求17中所限定的光开关装置，其中所述透镜为自聚焦GRIN透镜。

19.如权利要求17中所限定的光开关装置，其中所述第一和第二光学开关的所述端口的每一个均由光纤的端部实现。

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