CN1249471C - 单通道m×n光纤开关 - Google Patents

Abstract

提供了一种单通道M×N光开关，用于将发射自输入束(30)中任一光纤的光线导向到输出束(32)中的任一选定光纤中。采用由小型计算机控制的Risley棱镜对(34、36)而实现了精确的光束导向光学***。为有效地在两根光纤之间耦合光线，而在光线通过棱镜之前用低像差透镜(38)对其进行近似校准，以便令各棱镜在使光束偏转某一精确角度时所引入的像差减至最小。为使光线从输出束中的一根光纤转换到另一根，棱镜(34、36)可分别绕光轴旋转至预定的方向，从而使经校准的光线偏转所需的精确角度，将焦斑导引至选定输出光纤的纤芯上。

Description

单通道M×N光纤开关

技术领域

本发明总体而言涉及光纤通信设备，详细地讲，涉及一种改进的光纤开关，此开关使用Risley棱镜对而将发自M个输入光纤中任意一个的光束引导至N个输出光纤中的任意一个。

背景技术

本申请参考2000年2月1日提出的名称为“单通道M×N光纤开关”的美国临时专利申请第60/179,473号，并要求其优先权。

在M和N的数值高达几百的情况下，此开关可以在很大的光谱带宽范围内具有低的***损耗、高度的坚固性和稳定性、以及适度的调整微处理器控制转换速度(数十毫秒)。另外还可以根据需要而自我调节个别光纤通道以补偿机械漂移或热漂移。具体应用包括用于轮询式监视仪器的多通道取样开关、网络重选路由开关和旁路开关以及波长选择增/舍开关。

光纤开关一般是以光机的方式(物理性地移动裸露的光纤端部以使其彼此对齐从而邻近耦合或对接耦合)，或者以光电或光热的方式(利用光波导中的干涉而在通道间进行转换)，而在小规模上实现(即每个开关只有一个或两个输入光纤和输出光纤)。随后可将这种小规模的开关组合成开关“树”而取得较大数值的M和N(在M×N排列)变大。由于有效的光纤耦合对公差的要求十分苛刻，这导致现有的光机(opto-mechnical)开关过于昂贵，并且可靠性和坚固性很差。光波导开关较为坚固，但***损耗高并且稳定性差。此外，小规模开关组合成树后***损耗会更加严重，损耗随元件的数量成倍增长。

虽然有多种光学方法用于控制光束方向，但在灵敏度和稳定性方面Risley棱镜具有显著的优点。Risley棱镜通过使棱镜绕光轴旋转而更改光线的偏转角。通常要使棱镜进行大角度旋转来小量改变偏转角。也就是说，Risley棱镜的转动对偏转角的作用被缩小了(demagnified)。这种缩小的系数不是常数，而是随偏转角的大小而变化。例如，如下所示，最大偏转角为1°的Risley棱镜对的缩小系数为57或更大(放大系数为0.0175或更小)，即1弧秒偏转角的改变需要使Risley棱镜绕光轴旋转将近1弧分或更多。由于该缩小系数，并且由于偏转角对棱镜其它自由度(倾斜或移位)的改变不敏感，所以Risley棱镜能够使光束指向非常稳定。

控制光束的传统光学方法因为无法提供Risley棱镜的这种固有缩小系数，因而对控制方向单元的机械稳定性要敏感得多。例如，在通常的用可倾斜镜控制光束方向的方法中，镜子倾斜角改变后，其反射光线偏转角的改变是倾斜角改变的二倍，即镜子的放大系数是二(缩小系数是二分之一)。如果要在控制光束方向这方面达到同等的稳定性，镜子及其安装结构的热稳定性和机械稳定性必须比Risley棱镜开关的稳定性高一百倍以上。

另一个常用的光束控制方法是使透镜在光束路径上偏离轴心。这种情况下，放大系数是一，所以稳定性要求与对于可倾斜镜的要求基本相同。在可调装置中，这样的稳定性通常难以实现。

发明内容

因此，本发明的目的是利用Risley棱镜的有益特性而提供一种经过改进的光开关的方案，该光开关成本相对较低且坚固，并具有较好的稳定性，同时***损耗也相对较低。

为达到上述目的和技术效果，本发明提供一种一种光纤开关，其用于将光线从单模输入光纤阵列的输入光纤耦合到单模输出光纤阵列的输出光纤，包括：

一个校准透镜，用于校准来自输入光纤的光线；一个物镜；

Risley棱镜装置，其设置于所述校准透镜和所述物镜之间，并且包括彼此贴近设置而用于接收和导引经所述校准的光线的第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜和第二棱镜可绕公共轴线独立地旋转，从而有选择地再次引导经所述校准的光线；和

驱动装置，用于有选择地使所述第一棱镜和第二棱镜中的至少一个在彼此相对360度的范围上旋转，并由此形成特定关系，使得经所述校准的光线被引导至所述物镜，从而使光线聚焦到所述单模输出光纤阵列的所述输出光纤上或阻隔在所述单模输出光纤阵列的所述输出光纤外。

此外，本发明还提供一种一种用于在输入源和输出接收器之间可通信地耦合近似校准的光束的光开关，包括：

一校准透镜，用于校准输入光束；

一物镜，沿与所述校准透镜公共的光轴设置，并与所述校准透镜相隔两倍焦距；

棱镜装置，包含一对彼此贴近定位并于所述校准透镜和所述物镜中间的薄棱镜，用于接收并引导经校准的光束由此通过，各所述薄棱镜可绕所述公共轴线而独立地旋转；

驱动装置，用于有选择地使所述薄棱镜中的至少一个围绕所述公共轴线而在360度的范围上相对于另一个旋转，从而将所述光束有选择地引导到所述输出接收器上或阻隔在该输出接收器之外，所述驱动装置包括具有转子的第一和第二电动空心轴马达，其中所述转子分别与所述棱镜连接以使其独立地绕所述公共轴线旋转；以及

用于生成控制信号的微处理器，该控制信号用于令所述马达使所述棱镜旋转成为预定的旋转关系，从而将所述光束有选择地引导到所述输出接收器上或阻隔在该输出接收器之外。

简要地讲，依据本发明提供了单通道M×N光开关，该开关可以利用Risley棱镜技术，作为将光线从一束输入光纤导引发射到任意一束选定的输出光纤的装置。更明确地讲，就是使用小型计算机控制的Risley棱镜对来实现精确控制光方向的光学器件。为有效耦合两个单模光纤间的光线，在来自光源光纤的光线通过Risley棱镜前，以一个低像差透镜对其进行大致校准。通过棱镜的光束受到大致校准，从而当各棱镜共同使光线偏转一定的精确角度时，棱镜所引起的像差减至最小。为将光线重新聚焦在选定输出光纤的纤芯，使用了第二个像差物镜。这个调焦透镜将光束的角度偏转转换成透镜焦平面中焦斑位置的更改。为了使光束从输出光纤束中的一根光纤切换到另一根光纤，各Risley棱镜分别绕光轴旋转到预定的方向，使其以所需的精确角度令来自输入光纤的光线偏转，将焦斑指向选定输出光纤的纤芯。

附图说明

图1是说明单个楔形棱镜将光线偏转固定角度的简图；

图2是说明基于本发明的光纤开关偏转向量的极坐标图；

图3A～3C是说明本发明操作方法的简图；

图4是说明本发明的优选实施例的轴向截面视图；

图5是一束单模光纤组装为规则六边形排列的端视图；

图6是示意图，说明图4实施例中的尺寸细节；

图7是说明本发明控制***的框图；

图8是说明本发明另一实施例的简图；

图9是说明本发明应用的框图。

具体实施方式

Risley棱镜对是一种光学仪器，其使发射光线偏转一个可控制的小角度。该仪器一般由一对完全相同的小角度棱镜组成，光线接近于法向入射到棱镜表面并通过棱镜。每个棱镜都会在光线通过时使光线偏转方向，偏转角度与楔角和折射率有关。如果单个棱镜绕其表面的法向旋转(即绕光轴旋转)，则折射光线的轨迹形成以入射光线方向为中心的圆锥面。如果入射光线通过两个这样的棱镜，而且每个棱镜都单独旋转，那么就可以以最大两倍于单个棱镜偏转角的任意偏转角操纵发射光线方向。但由于有加工公差，可能无法达到零偏转角，因为这需要两个棱镜完全相同。

如图1所示，具有楔角α_w和折射率n的单个棱镜10将光线12偏转了如下角度：

α＝(n-1)α_w         (1)

每个棱镜单独旋转时，均会使偏转光线12在圆锥面14上旋转。

图2是说明Risley棱镜对中每一棱镜的偏转向量16和18的极坐标系。向量16表示单个棱镜的偏转，该向量的长度为固定值α，其极角为任意值。向量18表示第二个棱镜的偏转。对于两个棱镜来说，向量16和18之和即为Risley棱镜对的净偏转向量20。如果两个棱镜各自单独旋转，则Risley向量20的模值可以是0至2α之间的任意值，极角可以为0至2π间的任意角。原点0表示图1所示的入射激光束11的方向。每个棱镜的偏转(实线向量16和18)都有恒定的模值α和任意的极角。因为Risley向量20可以具有任意的极角和最大为2α的任意模值，所以它可以确定与入射激光束方向之间角度小于2α的象平面内任意一点。

虽然Risley棱镜对可以将光束偏转到半角为2α的圆锥内的任意一处，但是却无法直观地确定与某一特定偏转角相对应的棱镜角度。然而，如果将棱镜的旋转限制为共同旋转(以同样的角度向同一方向旋转)或相对旋转(以同样的角度反向旋转)，则对于Risley向量来说，其偏转角自然对应于极坐标系，而原点由入射光的方向确定。棱镜的相对旋转可改变描述光线净偏转的Risley向量的模值，而共同旋转可以改变其极角。

通过Risley棱镜的旋转而控制偏转光束的方向通常是复杂的，但如果将棱镜的旋转限制为纯粹的共同旋转和相对旋转，则控制方向是局部正交的。也就是说，共同旋转和相对旋转提供了使Risley向量发生小的改变的偏转光束的正交运动。这个特征大大简化了优化光束调整(例如调整到光纤的纤芯这样的目标上)的自动搜索例程。

现在请参看图3A、3B和3C，其中示例说明了根据本发明的基本M×N光纤开关的输入光纤阵列30的输入光纤阵列和输出光纤阵列32之间的通讯耦合。这几幅图以简化形式说明，如何通过旋转棱镜34和36而使有选择性地使来自输入光纤30a的某个光纤的光线耦合到输出光纤32a、32b和32c。

为使用Risley棱镜34和36进行方向控制，从而有效地使两个单模光纤之间的光线耦合，在来源于光纤30a的光线40通过棱镜前以一个低像差透镜38对其进行近似校准。使通过棱镜的光束42近似校准以便使得棱镜所引入的像差减至最小。所述棱镜总共将光束42偏转一个精确的角度，然后以第二个低像差物镜44将光线重新聚焦到选定输出光纤32a的纤芯。调焦透镜44将光束的角度偏转转换成为透镜焦平面中焦斑位置的更改。

为了控制从任一输入光纤30到任一输出光纤32的光线的方向，使Risley棱镜分别绕光轴46旋转到预定的方向。然后棱镜使来自选定输入光纤的光线在精确的所需角度上偏转，将焦斑指向选定输出光纤的纤芯。

与使用可倾斜镜控制光束方向的方法不同，用Risley棱镜进行的光束方向控制是棱镜旋转的完全非线性的函数。例如，考虑旋转Risley向量而不改变其模值的棱镜的共同旋转。如果Risley向量的模值为p，棱镜共同旋转360°，则Risley向量20的轨迹在图2所示极坐标系中形成半径为p的圆。圆的周长为2πp。因此，放大系数等于Risley向量的模值，从原点为零变化到最大偏转为2α。对于2α＝1°＝17.5mrad，Risley向量在最大偏转时的放大系数为0.0175。

Risley棱镜的相对旋转改变Risley向量的大小，而不改变其方向。如果棱镜转角为θ，也就是第一棱镜旋转角度为θ，第二棱镜旋转角度为-θ，则Risley向量的模值为

p-2αsin(θ+φ₀)            (2)

其中φ₀为两个棱镜的初始方向所限定。不失一般性，我们取φ₀＝0，也就是说，对于θ＝0，Risley向量在原点。Risley向量的模值是此向量关于θ的导数，其中在原点有θ为零时的最大放大系数2α。因此，对应于棱镜相对旋转的Risley向量的最大放大系数与对应于共同旋转的最大放大系数相同。

图4表示根据本发明的光纤开关50，其包括：两个使光线从一根光纤(56)耦合到另一根光纤(58)的低像差透镜52和54；在选定光纤对之间控制光线64方向的两个完全相同的楔形棱镜60和62；使该棱镜绕光轴70旋转的马达66和68；控制棱镜马达的计算机72。为使损耗减到最小，选择透镜的数值孔径，使其大于光纤的数值孔径(即透镜未充满)，以便能控制透镜上的光束方向然而不使光束边缘渐晕(vignetting)。开关组件还包括基板和马达安装底座74、分别装有光纤束56和58的套管76和78、一对透镜安装架80和82、一对空心的转轴84和86(分别装有组成Risley棱镜对的棱镜60和62)。其中温度传感器87还使计算机72可对温度的改变进行适当的控制调节。

开关的输入和输出光纤组装成紧密的光纤束，例如，如图5所示的19个光纤端部90组装为六边形阵列，并且其输入/输出面位于光轴的横断面中。

输入和输出束中两个距离最远的纤芯之间的距离分别为2r₁和2r₀，图3A～3C中完全相同的校准及调焦透镜的焦距是f。控制光束从一束光纤的边缘到达另一束光纤的对面边缘所需的Risley棱镜向量的最大模值为：

$2\mathrm{\α}\≥\frac{r_1+r_0}{f}---\left(3\right)$

为优化光纤对的耦合，焦斑必须以精度ε落在输出光纤的纤芯上。为达到此定位精度所需的Risley棱镜旋转精度与Risley向量的最大值相关。最差的情况下，在原点或在Risley向量的最大模值时，如图2所示，Risley棱镜的旋转增量Δ不能超过

$\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{2\mathrm{\αf}}---\left(4\right)$

因此，Risley棱镜每转动一圈的旋转增量最大数目(步数)为：

$n=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Δ}}=\frac{4\mathrm{\π\αf}}{\mathrm{\ϵ}}---\left(5\right)$

在根据本发明的M×N Risley开关中，M和N均大于一，某些通道对可能会发生地址串扰。地址串扰是指打开某通道时，其它通道出现了并非预期的部分接通。如果打开选定通道的棱镜方向与打开其它通道的棱镜方向几乎一致，则可能发生这种情况。如果这两个方向足够接近，则当其中任一个通道打开时，另一通道即会部分打开。如果输入光纤束和输出光纤束是随机定向的，则发生严重地址串扰的概率与输入光纤的数量M乘以激光焦斑面积与光纤束横截面积的比值成正比。对于单模光纤，串扰的概率通常都非常小，因为其光纤直径比激光焦斑直径大得多。无论在何种情况下，只要开关中有可用的冗余通道，就可以用来替换发生串扰的通道。

在本发明的一个实施实例中，一个1×19的开关将一根输入光纤与十九根输出光纤中的任意一根连接在一起。输出光纤束紧密组装，但不是精确的六边形。光纤束中的单个光纤直径是125μm，光纤束的整体直径大约为700μm，从中间光纤的纤芯到光纤束边缘的一根光纤的纤芯的距离r0大约为300μm。光纤的数值孔径(NA)为0.12，纤芯直径为4μm。

校准和调焦透镜是精密消色差透镜，其焦距为25.4mm，直径为12.7mm。这些透镜的数值孔径为0.25，并在0.5mm直径的视场范围内具有近衍射限制(near diffraction-limited)性能。

光学配置的“轮廓(wire-frame)”视图示于图6。图中校准消色差透镜38与输入光纤的距离为一倍焦距f。聚焦消色差透镜44的型号是PAC022，可从加利福尼亚州Irvine的Newport公司购得。透镜44与输出光纤束的距离为一倍焦距f。两透镜之间的距离为两倍焦距(2f)，Risley棱镜34和36置于它们中间。这种光学配置与远心(telecentric)配置相似，可减小输出光纤端部上聚集光的倾斜，从而改善耦合效率。

从公式(3)可以看出，所需的最大偏转为0.68°(0.01弧度)。考虑到营业利润和利用市场上可得的楔形棱镜，采用楔角为1.1°的熔凝二氧化硅棱镜。在可见光谱中，熔凝二氧化硅的折射率为n＝14.6，所以根据公式(1)有2α＝1°＝17.5mrad(毫弧度)。棱镜的直径为19mm，厚度为4.5mm。

使焦斑定位的增量分辨率选择为1μm。根据这个分辨率，可从公式(4)中得出Risley棱镜的旋转精度要求为Δ＝2.3mrad。相应地，根据公式(5)，旋转Risley棱镜的马达66和68必须达到至少每转1400步。

Risley开关的增量分辨率影响耦合效率，

$\mathrm{\η}=\exp \left[{-\left(\frac{s}{w_G}\right)}^2\right]---\left(6\right)$

其中焦斑与光纤纤芯间的偏移量s最多为增量分辨率的十分之七，W_G近似等于纤芯半径。对于可见光谱中使用的单模光纤，纤芯直径大约为4μm，所以0.7μm的偏移量意味着耦合效率为88％，或者说损耗为0.5dB。而对于较长的波长(例如用于远程通信用途)，单模光纤的纤芯直径为6-10μm，多模光纤的纤芯直径一般从50μm到几毫米。对于这些较大纤芯来说，1μm的增量分辨率的损耗是微小的。

图7为揭示棱镜驱动电路的简化框图。此电路包括电源90、微处理器(计算机)72和步进马达驱动装置92和94。Risley棱镜由空心轴步进马达66和68所旋转，该空心轴步进马达66和68的型号为LA23ECK-250M，可从新罕布什尔州Dover的Eastern Air Devices(东方航空设备)公司购得；可编程微步驱动装置92和94的型号为3972，可从马萨诸塞州Worcester的Allegro Microsystems公司购得，此种装置为马达提供每转1600步(200整步，每整步有8微步)。如图4的截面图所示，Risley棱镜60和62固定到两个马达66和68的空心轴84和86的相邻端部并与其一起转动。透镜52和54置于马达的空心轴中，与空心轴没有接触，并且不旋转。

两个马达固定安装在基板74上，使其相关光学装置保持相对对齐。一旦Risley棱镜旋转角度确定并设置为适当的值，输入和输出光纤的耦合稳定性即仅仅取决于基板的稳定性。

Risley马达由微处理器74(型号为Basic Stamp 2SX，可从加利福尼亚州Rocklin的Parallax公司购得)控制，该处理器可执行以下操作：

回位  加电或复位时将每个马达的空心轴旋转到其初始位置。通过为连接到转轴上的指示器(图中未显示)所中断的光学传感器来确定该初始位置。

转换  为控制激光束方向，使其到达选定的光纤，而将每个棱镜旋转到预定的角度。这样将开启输入光纤和特定输出光纤之间的通道。保持此角度位置，直至收到指令而转换到新通道为止。

搜索  在监视耦合到特定光纤的功率的同时，以螺旋模式扫描焦斑。存储两个棱镜在最大耦合点的角度位置。用这些值将激光束转换到这个特定的光纤上。

调节  为改进被监视光纤的以Risley棱镜共同旋转和相对旋转所作的耦合，而在小角度区域执行闭环搜索。此程序可以用于重新优化由于热效应和机械漂移而降低的耦合效率。

      表1.Risley开关基本操作

M/N	0	1	2
				0	00	01	02
1	10	11	12
				2	20	21	22
3	30	31	32

根据本发明的单通道M×N光纤Risley开关在M个输入光纤中的任意一根和N个输出光纤中的任意一根之间提供了光学数据连接。表1所示为一个4×3开关的实例。

本例中，第一列中有M＝4个输入光纤，标号分别为0～3，第一行中有N＝3个输出光纤，标号分别为0～2，总通道数为12。各通道用其输入光纤和输出光纤的编号标记。任何时刻这12个通道中都只可能有一个处于连通状态。

虽然以上所述为普通M×N光纤开关，该开关基于由激光束控制方向的Risley棱镜，但这一方案在实践上通用性很强，可用于许多用途并可采用其它配置。

以上所述的开关设计用于单模光纤，但其基本概念也适用于多模光纤。主要区别在于，多模光纤的纤芯和焦斑更大，这样会大大减小所需的焦斑定位精度，而发生地址串扰的可能性较高。焦斑定位精度要求减小可以简化光学设计并允许使用较大的光纤束。由于地址串扰，多模光纤可能会限于1×N或N×1的配置。

本发明的最明显用途就是将一根光纤耦合到另一根光纤。但是，还有其它许多需要将光束精确、稳定地导向到目标的可能用途。例如，开关的输入可能包括：激光、激光阵列、组合光学设备或设备组。其它开关输出可能包括：光纤光栅、光纤放大器、非线性晶体和组合光学设备或设备组。

以上所述1×19开关使用的是工业标准125μm直径单模光纤。但是，也可以使用更小直径的光纤，以使得同样大小的光纤束可以有更多的光纤，从而达到更多的通道数。

因为棱镜的偏转角取决于折射率，而折射率又是发射光线波长的函数，所以Risley棱镜显示出色散。也就是说，Risley棱镜的角度偏转取决于波长。因为大多数Risley棱镜的楔角通常很小，所以色散误差也很小。但用于宽带时，该色散可能导致耦合中不可接受的损耗。

幸运的是，可选定和生产消色差棱镜来解决这个问题。如图3C中虚线35和37所示，消色差棱镜通常由两个不同的玻璃棱镜粘在一起组成，与消色差透镜的制法基本相同。通过适当选择两个玻璃镜，消色差棱镜即可使发射光线偏转，而色散则可忽略不计。两个这样的消色差棱镜可以组成一个用于宽带的消色差Risley棱镜。

如图8所示，通过将一个光谱色散元件，例如衍射光栅96(或其它色散元件，例如另一个棱镜)加到靠近Risley棱镜的光束路径中，本发明也可以配置为波长选择开关。通过使Risley棱镜适当定向，可以将任意特定波长转换到输出位置。该色散元件可置于棱镜的任一侧，并通过根据波长而区分大小来偏转输入光线(如图中标为波长A和波长B的光线)。对任何特定波长的偏转都可以用Risley棱镜精确地补偿，从而使所需的波长耦合到输出光纤(如果是一组输出光纤，则可以耦合到特定的输出光纤)，而所有其它波长则被阻断——即导离输出光纤的方向，如图中标为波长B的光线。

本发明的开关对于将激光束耦合到一次性光纤探针或其它光接收器装置的应用具有显著的优点。如果按类似于图5所示的阵列配置方式将一次性光纤组装在套管中，则可将该套管以足够的精度(纤芯总位于距标称位置10～20μm的范围之内)***开关的对接法兰。如果监视每个光纤探针的输出光线，则控制开关的计算机可以自动按顺序而将光束校准到每根光纤，以达到最大耦合。开关的稳定性应该达到在安装探针组件时只需要进行一次校准。但是，如果在环境温度下套管的机械稳定性导致耦合效率随时间而变化，则在使用中需要分别对每个探针再次校准。另外，可用一个或多个温度传感器87来持续监视单元温度，并将任何变化输入计算机72，该计算机可依次对驱动棱镜60和62的马达的输入控制进行适当调节。另外还可包括一些适当种类的光感应装置，该装置可与输出光纤或其它光接收器相关联，以监视耦合到该输出光纤或其它光接收器的光强度，从而提供反馈到微处理器的光束调整要素，使步进马达驱动装置得以进行动态调节。

本发明的一个优点是，在开关中进行所有的调节，而一次性探针只需在标准制造公差内重新生产。因此，这一方案使一次性元件的成本减到最小。

图9是一个框图，说明根据本发明的一对开关进行双端口元件测试的应用。在此实施例中，以两个M×N开关100和102用于有选择地试验N个正在测试的设备(DUT)。在此配置中，开关100使得来自多个信号源104和106中的一个信号源的测试信号选择性地应用于一个选定DUT。相似地，开关102使得多个信号测量设备108和110中的一个信号测量设备能够监视针对DUT的信号应用的结果。

以上描述了用于光纤的光机械M×N开关，其构成目前本发明的较佳实施例。该开关基于Risley棱镜对，操纵从2D输入阵列中的任意纤芯到达2D输出阵列中的任意纤芯的光线方向。该开关对于导向装置运动的敏感度比等效的倾斜镜的敏感度低一百多倍。因此，本发明为光纤阵列的单个元件提供了非常高的分辨率和非常稳定的光束导向。但是，本领域技术人员应认识到，对本发明的许多替换和修改(其中一部分已在以上段落中提出)都明显是对本公开内容某条解释的效仿。例如，虽然优选实施例叙述了使用步进马达以旋转棱镜，但本领域技术人员会认识到，有许多其它方法可提供这种必需的精确旋转运动，其中包括与旋转编码器结合使用的直流和交流马达以及伺服马达。因此请了解，所附权利要求书涵盖了所有符合本发明实质并落于本发明范围内的这些替换和修改。

Claims (36)

1.一种光纤开关，其用于将光线从单模输入光纤阵列的输入光纤耦合到单模输出光纤阵列的输出光纤，包括：

一个校准透镜，用于校准来自输入光纤的光线；一个物镜；

Risley棱镜装置，其设置于所述校准透镜和所述物镜之间，并且包括彼此贴近设置而用于接收和导引经所述校准的光线的第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜和第二棱镜可绕公共轴线独立地旋转，从而有选择地再次引导经所述校准的光线；和

驱动装置，用于有选择地使所述第一棱镜和第二棱镜中的至少一个在彼此相对360度的范围上旋转，并由此形成特定关系，使得经所述校准的光线被引导至所述物镜，从而使光线聚焦到所述单模输出光纤阵列的所述输出光纤上或阻隔在所述单模输出光纤阵列的所述输出光纤外。

2.根据权利要求1所述的光纤开关，其中所述的第一和第二棱镜中，至少有一个是消色差棱镜。

3.根据权利要求1所述的光纤开关，其中所述驱动装置包括第一电动马达和第二电动马达，它们分别与所述的第一和第二棱镜连接，使其绕一公共轴线旋转。

4.根据权利要求3所述的光纤开关，其中所述驱动装置进一步包括微处理器，用于生成控制信号，以便使所述马达将所述棱镜旋转到选定的旋转位置。

5.根据权利要求3所述的光纤开关，其中所述的第一和第二马达是步进马达，并且其中每一旋转步都使相关的所述棱镜绕所述公共轴线而旋转预定的角度。

6.根据权利要求3所述的光纤开关，其中所述的第一和第二马达分别包括第一转子和第二转子，每个所述转子都具有沿其旋转轴线方向延伸的一个通路，而且其中每个所述转子的一端都固定到一个所述棱镜从而使其绕所述公共轴线旋转。

7.根据权利要求6所述的光纤开关，其中所述校准透镜设置于一个所述通路内，而所述物镜设置于其它通路内。

8.根据权利要求7所述的光纤开关，其中一个输入套管将处所述输入光纤的输出表面定位于所述校准透镜的焦点上。

9.根据权利要求7所述的光纤开关，其中一个输出套管将所述输出光纤的输入表面定位于所述物镜焦平面上。

10.根据权利要求3所述的光纤开关，其中设置用于安装所述第一马达和第二马达的装置，使得它们的旋转轴与所述公共轴线同轴。

11.根据权利要求1所述的光纤开关，其中输入套管使多个输入光纤的输出表面定位于所述校准透镜的焦平面中，从而通过将所述棱镜旋转成预定的对应角度关系，即可使发射自任一所述输入光纤的光线耦合到所述输出光纤。

12.根据权利要求9所述的光纤开关，其中所述输出光纤是多个输出光纤的其中之一，该多个输出光纤构成为规则阵列，而且所述输出套管将所述输出光纤的输入表面固定在所述物镜的焦平面内。

13.根据权利要求1所述的光纤开关，进一步包括设置于经所述校准的光线路径内的波长选择色散元件，使得特定波长可以有选择地聚焦在所述输出光纤上。

14.根据权利要求13所述的光纤开关，其中所述波长选择色散元件包括另一个棱镜。

15.根据权利要求13所述的光纤开关，其中所述波长选择色散元件包括一个衍射光栅。

16.根据权利要求4所述的光纤开关，进一步包括用于监视所述开关的温度并将其报告给所述微处理器的温度传感器，从而可相对于温度变化而调节所述控制信号。

17.根据权利要求3所述的光纤开关，其中所述物镜适于将经所述校准的光线聚焦到多个输出光纤中的一个上，并且其中所述驱动装置包含第一马达和第二电动马达，它们分别连接到所述的第一和第二棱镜，从而使所述棱镜绕所述公共轴线旋转。

18.根据权利要求1所述的光纤开关，其中所述校准透镜和所述物镜限定了一个光轴，并且所述第一棱镜和所述第二棱镜绕该光轴旋转。

19.根据权利要求1所述的光纤开关，所述输入光纤为多个输入光纤的其中之一。

20.根据权利要求1所述的光纤开关，所述输出光纤为多个输出光纤的其中之一。

21.根据权利要求1所述的光纤开关，所述输入光纤为多个输入光纤的其中之一而且所述输出光纤为多个输出光纤的其中之一。

22.一种用于在输入源和输出接收器之间可通信地耦合近似校准的光束的光开关，包括：

一校准透镜，用于校准输入光束；

一物镜，沿与所述校准透镜公共的光轴设置，并与所述校准透镜相隔两倍焦距；

棱镜装置，包含一对彼此贴近定位并于所述校准透镜和所述物镜中间的薄棱镜，用于接收并引导经校准的光束由此通过，各所述薄棱镜可绕所述公共轴线而独立地旋转；

驱动装置，用于有选择地使所述薄棱镜中的至少一个围绕所述公共轴线而在360度的范围上相对于另一个旋转，从而将所述光束有选择地引导到所述输出接收器上或阻隔在该输出接收器之外，所述驱动装置包括具有转子的第一和第二电动空心轴马达，其中所述转子分别与所述棱镜连接以使其独立地绕所述公共轴线旋转；以及

用于生成控制信号的微处理器，该控制信号用于令所述马达使所述棱镜旋转成为预定的旋转关系，从而将所述光束有选择地引导到所述输出接收器上或阻隔在该输出接收器之外。

23.根据权利要求22所述的光开关，其中所述马达是步进马达，而且其每一旋转步都使相关的所述棱镜绕所述公共轴线而旋转预定的角度。

24.根据权利要求22所述的光开关，其中所述棱镜对中至少有一个是消色差棱镜。

25.根据权利要求22所述的光开关，所述输出接收器是输出接收器阵列中的一个，并且其中所述物镜适合聚焦所述光束，且其中所述驱动装置可***作用于有选择地使所述棱镜绕所述公共轴线旋转，从而使经聚焦的所述光束可被引导到所述输出接收器阵列中的选定接收器上。

26.根据权利要求25所述的光开关，其中所述的第一和第二马达是步进马达，而且其每一旋转步都使相关的所述棱镜绕所述公共轴线而旋转预定的角度。

27.根据权利要求26所述的光开关，其中每个所述转子都具有贯穿其中并沿其旋转轴方向而延伸的一个通路，而且其中每个所述转子的一端都固定到所述棱镜中的一个上，从而使其绕所述公共轴线旋转。

28.根据权利要求27所述的光开关，其中所述校准透镜设置于一个所述通路内，而所述物镜设置于另一个所述通路内。

29.根据权利要求28所述的光开关，其中一个输入套管使所述输入源定位于所述校准透镜的焦平面中。

30.根据权利要求28所述的光开关，其中一个输出套管使所述输出接收器定位于所述物镜的焦平面中。

31.根据权利要求29所述的光开关，其中所述输入套管使多个光源定位于所述校准透镜的焦平面中，从而通过将所述棱镜旋转成预定的对应角度关系，即可有选择地使发射自任一所述光源的光线耦合到一输出接收器矩阵中的任一个输出接收器。

32.根据权利要求31所述的光开关，其中所述输出阵列的光接收表面构成为规则阵列，而且所述输出套管将所述表面固定在所述聚焦透镜的焦平面内。

33.根据权利要求22所述的光开关，进一步包括设置于经所述校准的光束的路径内的波长选择色散元件，使得特定波长可以有选择地聚焦到所述输出接收器上。

34.根据权利要求33所述的光开关，其中所述波长选择色散元件包括另一个棱镜。

35.根据权利要求33所述的光开关，其中所述波长选择色散元件包括一个衍射光栅。

36.根据权利要求22所述的光开关，进一步包括用于监视所述开关的温度并将其报告给所述微处理器的温度传感器，从而可相对于温度变化而调节所述控制信号。

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