CN1469143A - 使用折射光学器件的多路光开关 - Google Patents

Abstract

一种机械式光开关，包括一端口、一第一透镜元件、一自由光束路径和一光束导向元件。该端口适于接纳第一组光纤。第一透镜元件具有一光轴并且位于第一组光纤的前面。该自由光束路径将光束从第二组光纤耦合到第一透镜元件纤，从而使该光束被按第一种耦合配置耦合到第一组光纤上。该光束导向元件用于移动进入和移出自由光束路径。移动光束导向元件进入自由光束路径，以使光束偏移一偏移量并且使光束转动一角度，从而使该光束传播到第一透镜元件并且被按第二种耦合配置耦合到第一组光纤中。

Description

使用折射光学器件的多路光开关

技术领域

一般来说，本发明涉及用于光开关的光学技术。

背景技术

在光学***中使用机械式光开关，以在输入光纤和一或多根输出光纤之间切换光束。例如，在光通信***中利用机械式光开关连接和断开传输路径，以按规定路线发送利用信息调制的光束。机械式光开关还可用于使光源(如激光)产生脉动，或利用调制的或未调制的光束实现其它功能。

一种类型的机械式光开关是1×2光开关，它在一个输入端口和两个输出端口之间进行光切换。众所周知，使用折射光学器件的1×2光开关是极其可靠的，具有小的***损耗，并且易于制造。在授予Li等人的美国专利NO.6,215,919中描述了1×2光开关的一个例子，在这里引入了这个专利的内容作为参照。在电信工业中广泛使用1×2开关，例如用于保护切换和终端(tag)切换。1×2光开关还用于建造较大尺寸的开关，如1×4和1×8光开关。在某些情况下，应用设计人员需要将多个1×2光开关集成在一起以减小功耗和/或所用的物理空间。

发明内容

按照一个总体方面，本发明提供一种机械式光开关，它包括：一端口、一第一透镜元件、一自由光束路径、和一光束导向元件。所说的端口适合于接纳第一组光纤。第一透镜元件有一个光轴，并且位于第一组光纤的前面。自由光束路径将光束从第二组光纤耦合到第一透镜元件，以使光束按照第一种耦合配置耦合到第一组光纤上。该光束导向元件被构造成可以移入和移出该自由光束路径。移动光束导向元件进入自由光束路径，将使光束移动一个偏移量并使光束转动一个角度，从而该使光束传播到第一透镜元件并且按第二种耦合配置耦合进入第一组光纤。

该机械式光开关的实施例可以包括一或多个下述特征。例如，第一组光纤可以包括两或更多根光纤，第二组光纤可以包括两或更多根光纤。

第一组光纤可以包括4根光纤，第二组光纤可以包括两根光纤。该自由光束路径可以包括在第二组光纤和第一组光纤的两根光纤之间形成的两条光束路径。当光束导向元件移动进入自由光束路径的时候，这两条光束路径被移动到第一组光纤的两个不同的光纤。

第一组光纤可以包括4根光纤，第二组光纤可以包括两根光纤。该自由光束路径可以包括在第二组光纤和第一组光纤之间形成的4条光束路径。当光束导向元件移动进入自由光束路径的时候，移动4条光束路径，以在第二组光纤的两根光纤和第一组光纤的两根不同的光纤之间形成两条光束路径。

该光束导向元件可以是具有第一面和第二面的楔形棱镜，且光束在第一面进入楔形棱镜，并且通过第二面射出楔形棱镜。第一面可相对于机械式光开关的光轴以第一角度取向，且第二面可相对于第一面以第二角度取向。该自由光束路径可以相对于机械式光开关的光轴倾斜一个角度。该第一透镜元件可以是一梯度折射率透镜。

该机械式光开关还可以包括一第二透镜元件，它位于第二组光纤的前面，用于准直光束。第二透镜元件可以是梯度折射率透镜。

该机械式光开关还可以包括机械致动器，机电致动器，磁致动器或压电致动器，它们设计成能够移动光束导向元件。

该光束导向元件可以是一个分段的楔形棱镜，它包括第一分段和与第一分段相结合的第二分段。移动光束导向元件的第一分段进入自由光束路径，可使光束偏移一个偏移量并使光束转动一个角度，从而使光束传播到第一透镜元件且被按第二种耦合配置耦合到第一组光纤中。移动光束导向元件的第二分段进入自由光束路径，将使光束移动一个第二偏移量并且使光束转动一个第二角度，从而使光束传播到第一透镜元件且被按第三种耦合配置耦合到第一组光纤中。

第一分段可以包括第一输入面和第一输出面，第二分段可以包括第二输入面和第二输出面。第一输入面可相对于第一透镜元件的光轴的法线以第一角度取向，第一输出面可以相对于第一输入面倾斜一第二个角度，

第二输入面可相对于第一透镜元件的光轴的法线以第三角度取向，第二输出面可以相对于第二输入面倾斜一第四个角度，第一角度和第三角度可以不同。

按照另一个总体方面，本发明提供一种方法，用于在光纤之间形成的光束的第一种配置和光束的第二种配置之间进行切换。该方法包括形成一个自由光束路径，并且移动一光束导向元件使其进入该自由光束路径中。该自由光束路径包括从一组输入光纤通到第一组输出光纤的光束的第一种配置。移动光束导向元件到自由光束路径，可使光束偏移一个偏移量且使光束转动一个角度，从而使光束被按第二种耦合配置耦合到第二组输出光纤上。

该切换的实施例可以包括一或多个下述特征。该光束导向元件可移动进入自由光束路径，以使光束移动一第二个偏移量并且转动光束一第二个角度，从而使光束被按第三种耦合配置耦合到第三组输出光纤上。移动光束导向元件进入自由光束路径可以包括移动一楔形棱镜。

移动光束导向元件还可以包括激励机械致动器，机电致动器，磁致动器或压电致动器，以移动该光束导向元件。

机械式光开关有许多显著的优点。例如，这种开关允许集成多个具有折射光学器件优点的1×2光开关。

在附图和下面的描述中将对本发明的一或多个实施例的细节进行说明。从说明的、附图和权利要求书中，本发明的其它特征、目的、和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是机械式光开关的光学元件的立体图。

图2是图1中开关的光学部分的顶视平面图，表示自由的和引导的光束路径。

图3A和3B是说明图1中机械式光开关的操作的顶视平面图。

图4是实施楔形棱镜的机械式光开关的等角投影图。

图5a是在自由光束状态下两组光纤之间的机械式光开关的侧视透视图，两组光纤被按第一种耦合配置耦合。

图5b表示图5a中机械式光开关的侧视图，其中由楔形棱镜中断了自由光束路径并且将光束路径切换到第二耦合配置。

图6a和6b分别表示图5a中机械式光开关的侧视图和顶视图，表示出单条光束路径的具体细节。

图7a表示一在自由光束状态下的机械式光开关。

图7b表示图7a的机械式光开关，其中一个楔形棱镜中断了自由光束路径并且在输出光纤之间切换光束路径。

图8a-c是一具有多个面的楔形棱镜的机械式光开关的一个附加的实施例的侧视图。

在各个附图中，相同的标号表示相同的元件。

详细说明

本发明涉及光学技术的改进。下面的描述使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明，其在专利申请文本及其要求中提供。本发明的各种改进对于本领域的普遍技术人员来说是显而易见的，而且这里的一般原理可应用于其它的实施例。因此，不希望将本发明限制在这里表述的实施例，而是要使本发明符合与这里描述的原理和特征一致的最广泛的范围。

将按照具有特定结构的特定元件的特定的光开关来描述本发明。类似地，将按照具有特定关系，例如元件之间的距离或角度，的特定光开关元件来描述本发明。但是本领域的普遍技术人员容易认识到，对于具有类似性质的其它元件、其它结构、和元件之间的其它关系，这种方法和***都能有效地工作。

图1表示机械式光开关10的光学元件的一种安排，其中配备有楔形棱镜12形式的光束导向元件。此楔形棱镜12可以由具有均匀折射率n的材料例如石英或玻璃构成。位于楔形棱形12第一侧60的是一与信号或输入光纤16耦合的输入端口14。该输入端口14例如为一玻璃毛细管18，带有供***输入光纤16的孔或者穴20。一例如梯度折射率(“GRIN”)透镜的透镜元件22位于毛细管18的前方。

第一输出端口24和第二输出端口26位于楔形棱镜12的第二侧61。玻璃毛细管28例如有两个孔30、32，起输出端口24、26的作用。第一光纤34***孔30，第二光纤36***孔32。光纤34和36是该机械式光开关10的输出光纤。

透镜元件38位于毛细管28与楔形棱镜12之间，用于聚焦光到输出光纤34、36的纤芯内。透镜元件38例如可以是梯度折射率透镜。通常，对于两个输出光纤34、36只使用一个透镜元件38，这样做能够减小光开关的尺寸和重量，并且能够提供下面再进行讨论的光学优点。

在输入光纤16和第一输出光纤34之间限定一自由光束路径40。该自由光束路径40是，当将楔形棱镜12从这个路径上除去的时候，光能够在输入光纤16和输出光纤34之间传播。并且可以这样来移动楔形棱镜12，在一个位置楔形棱镜12与自由光束路径40不交叉，而在第二个位置(即，切换位置或有效位置)楔形棱镜12与自由光束路径40交叉，产生一个导向光束路径42。

现在具体参照附图1和2，当将楔形棱镜12从自由光束路径40上移出的时候，从输入光纤16发出的光信号44从光纤端46耦合出去并由透镜元件22准直，从而沿自由光束路径40传播，如图中虚线所示。自由光束路径40相对于透镜元件38的光轴倾斜一角度δ。因此，透镜元件38以等于角度δ的入射角接收光信号44，并且将其聚焦到第一输出光纤34的光纤芯中，由此将光信号44耦合到第一输出光纤34上。

为了防止光信号44的逆反射，将玻璃毛细管的输出面48和光纤端部46加工成斜面，例如在约6-10°之间。透镜元件22的输入面50是大约相同角度的反向斜面。以类似的方式，透镜元件38的后面52和毛细管28的前面54、以及光纤34和36的光纤端部56和58也都加工成反向斜面。防止逆反射的方法在本领域内是众所周知的，并且可以在这里描述的任何机械式光开关中使用。

当将楔形棱镜12放置在自由光束路径40中的时候，沿自由光束路径40传播的光信号44通过第一面60进入楔形棱镜，并且通过第二面62射击楔形棱镜。于是，利用处在该有效位置的楔形棱镜，光信号44沿自由光束路径40只传播到楔形棱镜，然后沿导向光束路径42传播。在这个过程中，按照斯涅耳定律，光信号44在两个面60和62上折射。

楔形棱镜12的第一面60相对于透镜元件38的光轴23的法线64以角度α取向。第二面62相对于第一面60倾斜一个角度β。楔形棱镜12的其余的两个面66、68未曾采用，因此可以平行，如图所示。光信号44在楔形棱镜12中发生折射，偏移了一个移动量70，而且转动一个角度，从而使透镜元件38将光信号44耦合到第二输出光纤36内。如图所示，角度转动等于2δ，而光信号44以角度-δ入射在透镜元件38上。第二面62相对于第一面60倾斜的量即角度β，和偏移量70，是控制这个折射过程的两个参数。

最好，楔形棱镜12对于角度α的变化不要非常敏感，这个变化只能引起角度转动有很小的变化。因此，角度α的变化只引起角度δ的很小的变化。

通过调节楔形棱镜12沿y轴的位置来控制偏移量70。例如，沿正y方向移动楔形棱镜，将缩短光信号44在楔形棱镜12中的路径，从而可以减小偏移量70。类似地，沿负y方向移动楔形棱镜，将延长光信号44在楔形棱镜12中的路径，从而可以增加偏移量70。用这种方式控制偏移量70的优点是允许有大的对准容差。事实上，即使在组装开关之后，通过调节楔形棱镜12的y轴位置也能控制偏移量70。这使利用楔形棱镜12的机械式光开关更容易组装，并且在使用中更稳定、更可靠，自然是有益的。

为了改进机械式光开关10的性能，可以将楔形棱镜12设计成其在角度α、β、δ之间服从下面的关系式：

sin^-1{n sin[sin^-1[1/n sin(α-δ)]+β]}＝α+β+δ

其中n是楔形棱镜12的折射率。一般保持角度δ较小，例如，约等于或小于5°。这样，角度α的变化一般将使角度δ的变化约为5％或以下。在这些情况下，楔形棱镜12的光学对准位置精度并不是很灵敏的。因此，影响楔形棱镜12位置的机械的、热的、或其它的扰动将不会明显影响楔形棱镜12从输入光纤16向第二输出光纤36引导和耦合光信号44的能力。这种对于机械扰动的不灵敏性进一步有益地增加了使用楔形棱镜12的机械式光开关的稳定性和可靠性。

为了将光信号44高精度地耦合到光纤34和36内，可相对于光轴23倾斜输入端口14。根据不同的情况来调节这个倾斜量，直到对于沿自由光束路径40和导向光束路径42传播的光信号44获得了最佳耦合效率为止。当光纤34和36是单模光纤的时候，或者当包括光纤16在内的所有的光纤都是单模光纤时，这种调节很重要。

图3A-B表示这个开关的光学元件的操作。图3A表示在无效位置时的楔形棱镜12，在所说的无效位置该楔形棱镜12被沿z轴移出纸所在的平面。这由用点划线画出的楔形棱镜12来表示。来自于光纤16的光信号44沿自由光束路径40传播，且被耦合到光纤34中。图3B表示处在有效位置时的楔形棱镜12。来自于光纤16的光信号44沿导向光束路径42传播且被耦合到光纤36内。

楔形棱镜12可以沿着任何方向从自由光束路径40上移出。例如，可以沿着Z轴移动楔形棱镜12，或者沿着y轴横向移动它，直到它不再处在自由光束路径40中时为止。如以上所述，可以利用楔形棱镜12的位置沿y轴的微小横向调节来控制偏移量70。

参见图4，可以按照以上对于机械式光开关10给出的教导来制造机械式光开关73。机械式光开关73包括上述的光学元件，并且用相同的标号代表相同的部件。机械式光开关73包括一用于安装光学元件的外壳75。楔形棱镜12位于一个机械平台80上，并且使用一致动器85如螺线管在沿y轴的横向方向移动该平台80，以便调节偏移量70。该机械平台80还有一个内部机构，用于沿Z轴移动楔形棱镜12。具体来说，机械平台80包括一个Z调节配置，以向下移动楔形棱镜12并使其从自由光束路径40中移出。机械平台80能够快速移动楔形棱镜12进入和移出自由光束路径40，以便在光纤34和36之间切换光信号44。致动器85以及用于机械平台85的Z轴控制的机构可以是任何合适的机械致动器、机电致动器、磁致动器或压电致动器。例如，致动器85和Z调节配置可以是继电器、螺线管、或驱动电机。

如上所述，机械式光开关可用于通过改变透镜元件的位置在两根光纤之间进行光切换。类似地，如以下所述，还可以通过改变透镜元件位置按另种切换模式例如按2×2切换再次使用机械式光开关。例如，参见图5a和5b，一个双重的升/降(add/drop)2×2开关(开关100)包括第一组输入光纤103和第二组输出光纤104。第一组输入光纤103包括四根信号或输入光纤105。相对于开关100的侧取向，输入光纤105区分为包括两根光纤105a和105b的前层以及包括两根光纤105c和105d的后层。再次相对于开关100的侧取向，第二组104包括4个输出光纤110，这4个输出光纤区分为包括两根光纤110a和110b的前层以及包括两根光纤110c和110d的后层。开关100还包括一个输出端口和一个输出端口(未示出)，它们都可以是玻璃毛细管的形式。如以上的图1-4所示，光纤105和110都耦合到或安装在毛细管中的相应的孔或穴中(未示出)，为使附图简洁起见，在图5a和5b中既没有表示出端口，又没有表示出毛细管。

开关100进一步包括第一透镜元件115和第二透镜元件120。每个透镜元件的作用都是一个准直器，使发散的或会聚的光线更接***行。透镜元件115、120例如可以是梯度折射率透镜。用于改变光信号的光束路径的楔形棱镜125可以位于两个透镜元件115、120之间。楔形棱镜125由具有均匀折射率n的材料例如石英或玻璃制成。当在透镜元件115、120之间没有没置楔形棱镜125的时候，确定一自由光束路径130。如图5a所示，自由光束路径130由第一耦合配置139构成。第一耦合配置139由4个光信号132、134、136、138组成，这4个光信号是分别在光纤对105a-110d、105b-110c、105c-110b、105d-110a之间形成的。

楔形棱镜125可按如下方式移动：在第一位置时，它不位于自由光束路径130中(图5a)，但在第二位置时，它位于自由光束路径130中(图5b)(即，有效位置)。楔形棱镜125位于有效位置时形成一个导向光束路径140，其具有使光信号在两个透镜元件115、120之间通过的第二种耦合配置141。第二种耦合配置141由在成对的光纤105a-110b和105b-110a之间形成的两个光信号组成。如下面将要较为详细讨论的那样，光信号132、134、136和138进入楔形棱镜125，会聚并产生射出楔形棱镜125的光信号142和144。像这样，没有从透镜元件120到光纤11Oc和110d的输出。总之，当将楔形棱镜12放置在自由光束路径130内(即，有效位置)的时候，沿自由光束路径130传播的4条光束路径通过第一面145进入楔形棱镜125并且通过第二面150射出楔形棱镜125。借助于处在有效位置的楔形棱镜125，四个光信号132、134、136、138只沿自由光束路径130传播到达楔形棱镜125，然后通过楔形棱镜125传播并且沿导向光束路径140到达透镜元件120。在这个过程中，4个光信号132、134、136、138都按斯涅耳定律在两个面145和150处折射，只向两根光纤110a和110b产生输出光信号。

参见图6a和6b，楔形棱镜125的第一面145相对于透镜元件120的光轴165的法线160以一角度α取向。第二面150相对于第一面145倾斜角度β。楔形棱镜125的其余的一对面170、175未曾使用，因此可以平行，如图所示。光信号132、134在楔形棱镜125中被折射，并且经受偏移一个偏移量180和转动一个角度，从而使透镜元件120将光信号132和光信号134的组合耦合到第二光纤110b内。(为简洁起见，图中没有示出光束134和142，但对应的角度是相同的。)在这种情况下，角度转动等于2δ，光信号144以角度-δ入射在透镜元件120上。这个折射过程的参数控制与第二面150相对于第一面145倾斜的量即角度β以及偏移量180有关。

对于楔形棱镜125，角度α的变化只引起角度δ的很小的变化。通过调节楔形棱镜125沿y轴的位置控制偏移量180。通过沿正y方向移动楔形棱镜，缩短光信号132在楔形棱镜125中的路径，可以减小偏移量180。通过沿负y方向移动楔形棱镜，延长光信号132在楔形棱镜125中的路径，可以增加偏移量180。按照这种方式控制偏移量180的优点是，可以允许大的对准容差。事实上，即使开关组装之后，也能通过调节楔形棱镜125的y位置控制偏移量180。这就使利用楔形棱镜125的光开关容易组装，并可以更加稳定和可靠地操作。

参见附图7a和7b，图中表示为1×2光开关的机械式光开关200包括：第一组信号光纤或输入光纤205、第二组输出光纤210、第一透镜元件215、第二透镜元件220和楔形棱镜225。第一组光纤205包括由两个信号光纤或输入光纤230a和230b组成的阵列。第二组光纤210包括由4个输出光纤235a、235b、235c、235d组成的阵列。在一个实施例中，输出阵列的节距是输入阵列的节距的一半距。因此，输出光纤的数目是输入光纤数目的两倍。

开关200还包括一个输入端口和一个输出端口，如以上所述，它们二者都可以是玻璃毛细管的形式，但为了简化附图没有表示出来。如以上图1-4所述，输入光纤230a、230b和输出光纤235a、235b、235c、235d都耦合或安装在毛细管中的对应的孔或穴中。

按照上述方式，每个透镜元件215，220的作用都是一个准直器，使发散的或会聚的光线更接***行。透镜元件215、220例如可以是梯度折射率透镜。用于改变光信号的光束路径的楔形棱镜225可以位于两个透镜元件215、220之间。如上所述，楔形棱镜225由具有均匀折射率n的材料制成。当在透镜元件215、220之间没有设置楔形棱镜225的时候，确定一自由光束路径240。如图7a所示，自由光束路径240由第一种耦合配置245构成，第一耦合配置245由2个光信号250、255限定，这2个光信号是分别在光纤对230a-235d、230b-235b之间形成的。因此，在第一耦合配置245中，没有从楔形棱镜225和第二透镜元件220耦合到光纤235a和235c的光信号输入进来。

楔形棱镜125可按如下方式移动：在第一位置时它不位于自由光束路径240中(图7a)，但在第二位置它位于自由光束路径240中(图7b)(即，有效位置)。楔形棱镜225位于有效位置，将产生一个导向光束路径260，导向光束路径260具有第二种耦合配置265。第二耦合配置265由在成对的光纤230a-235c和230b-235a之间形成的两个光信号限定。光信号250、255进入楔形棱镜225，并且光信号270和275射出楔形棱镜225。像这样，在第二耦合配置中，没有从楔形棱镜225和第二透镜元件220耦合到光纤235b和235d的光信号输入。总之，当将楔形棱镜225放置在自由光束路径240内(即，有效位置)的时候，沿自由光束路径240传播的2个光信号通过第一面280进入楔形棱镜225，并且通过第二面285射出楔形棱镜225。借助在有效位置的楔形棱镜225，两个光信号250、255只沿自由光束路径240传播到达楔形棱镜225，然后通过楔形棱镜225传播并沿导向光束路径260到达透镜元件220。在这个过程中，2个光信号250、255都按照斯涅耳定律在两个面280和285处折射。折射使在输出阵列上的焦点移动以输出阵列的一个节距。

虽然图7a和7b表示的是两根输入光纤和4根输出光纤，然而输入光纤的数目可以大于或小于2根，输出光纤的数目可以大于或小于4根。

已经描述了本发明的一系列实施例。然而，应该理解，在不脱离本发明的构思和范围的情况下可以进行各种各样的改进。例如，机械式开关不必一定要有两个透镜元件。类似地，参见附图8a-c，可以制造机械式开关300使其包括一个分段的楔形棱镜。例如，机械式开关300包括第一组信号光纤或输入光纤305、第二组输出光纤310、第一透镜元件315、第二透镜元件320和一个分段的楔形棱镜325。第一组305包括由两个信号光纤或输入光纤330a和330b组成的阵列。第二组310包括由6个输出光纤335a、335b、335c、335d、335e、335f组成的阵列。在这个实施方案中，输出阵列的节距是输入阵列的节距的1/3。因此，输出光纤的数目是输入光纤的数目的3倍。

该分段楔形棱镜325包括第一分段336和与第一分段336结合的第二分段337。第一分段336包括输入面340和输出面345，第二分段337包括输入面350和输出面355。输入面340的取向方向为相对于透镜元件320的光轴365的法线360成角度α₁。输出面345相对于输入面340倾斜一个角度β₁。类似地，输入面350的取向方向为相对于透镜元件320的光轴365的法线360成角度α₂。输出面355相对于输入面350倾斜一个角度β₂。

该分段楔形棱镜325可以位于3个位置，根据这3个位置，如果在任何一个位置的话，则将分段位于3个自由光束路径。具体来说，棱镜325可以完全脱离光束路径；该棱镜可以在光束路径内以使光信号接触第一分段336的输入面340；该棱镜可以在光束路径内使光信号接触第二分段337的输入面350。以此方式，可以利用开关300通过在下述光纤组之间的切换实现在输出光纤组之间的切换：(a)当移除楔形棱镜325时的第一组光纤330a-335f和330b-335c；(b)当光信号接触输入面340时(即第一棱镜位置366)的第二组光纤330a-335e和330b-335b；(c)当光信号接触输入面350时(即第二棱镜位置367)的第三组光纤330a-335d和330b-335c。

当棱镜325位于第一位置366时，来自输入光纤330b的光信号370在分段的楔形棱镜中发生折射，并且偏移了一个偏移量375，而且发生了转动，从而使光信号耦合到输出光纤335b中。当楔形棱镜325位于第二位置367时，来自于输入光纤330b的光信号370在分段楔形棱镜中发生折射，并且偏移了一个偏移量380，而且发生了转动，从而使光信号耦合到输出光纤335a中。对于来自输入光纤330a的光信号发生了类似的偏移，从而使光信号耦合到输出光纤335e和335d中。还可以使用附加的分段、输入面和输出面，并且可以改变这些面的角度从而控制输出光纤的输出。如上所述，可以构成一个移动机构以便在3个位置之间移动分段楔形棱镜325。例如，移动机构可以是以下所述的机构中的一个或多个：机械致动器、机电致动器、磁致动器和压电致动器。

因此，在不脱离所附权利要求书的构思和范围的条件下，本领域的普通技术人员可以进行许多改进。

Claims (25)

1.一种机械式光开关，包括：

一端口，适于接纳第一组光纤；

一第一透镜元件，它具有一光轴，并且位于第一组光纤的前面；

一自由光束路径，它将光束从第二组光纤耦合到第一透镜元件，从而使光束被按第一种耦合配置耦合到第一组光纤上；和

一光束导向元件，其被构成为可以移入和移出自由光束路径，

其中移动光束导向元件进入自由光束路径，以使该光束偏移一偏移量且使该光束转动一角度，从而使光束传播到第一透镜元件，并且被按第二种耦合配置耦合到第一组光纤中。

2.根据权利要求1所述的机械式光开关，其中

第一组光纤包括两或更多根光纤，并且

第二组光纤包括两或更多根光纤。

3，根据权利要求1所述的机械式光开关，其中

第一组光纤包括4根光纤，

第二组光纤包括两根光纤，

该自由光束路径包括在第二组光纤和第一组光纤的两根光纤之间形成的两条光束路径，并且

当该光束导向元件移动进入自由光束路径的时候，两条光束路径移动到第一组光纤的两个不同的光纤。

4.根据权利要求1所述的机械式光开关，其中

第一组光纤包括4根光纤，

第二组光纤包括两根光纤，

该自由光束路径包括在第二组光纤和第一组光纤之间形成的4条光束路径，并且

当该光束导向元件移动进入自由光束路径的时候，4条光束路径移动，从而在第二组光纤中的两根光纤和第一组光纤的两个不同的光纤之间形成两条光束路径。

5.根据权利要求1所述的机械式光开关，其中

该光束导向元件包括一具有第一面和第二面的楔形棱镜，光信号在第一面进入楔形棱镜并且通过第二面射出楔形棱镜。

6.根据权利要求5所述的机械式光开关，其中

第一面被相对于机械式光开关的光轴的法线以第一角度取向，并且

第二面被相对于第一面以第二角度取向。

7.根据权利要求1所述的机械式光开关，其中

该自由光束路径被相对于机械式光开关的光轴倾斜一定角度。

8.根据权利要求1所述的机械式光开关，其中

第一透镜元件包括梯度折射率透镜。

9.根据权利要求1所述的机械式光开关，进一步包括一位于第二光纤前面的第二透镜元件，用于准直光束。

10.根据权利要求9所述的机械式光开关，其中

第二透镜元件包括梯度折射率透镜。

11.根据权利要求1所述的机械式光开关，进一步包括一被成形来移动光束导向元件的机械致动器。

12.根据权利要求1所述的机械式光开关，进一步包括一被成形来移动光束导向元件的机电致动器。

13.根据权利要求1所述的机械式光开关，进一步包括一被成形来移动光束导向元件的磁致动器。

14.根据权利要求1所述的机械式光开关，进一步包括一被成形来移动光束导向元件的压电致动器。

15.根据权利要求1所述的机械式光开关，其中

该光束导向元件包括一分段的楔形棱镜，该分段楔形棱镜包括第一分段和与第一分段结合的第二分段，其中移动该光束导向元件的第一分段进入自由光束路径，以偏移光束一偏移量，而且转动光束一角度，从而使该光束传播到第一透镜元件且被按第二种耦合配置耦合到第一组光纤中；并且移动光束导向元件的第二分段进入自由光束路径，以偏移光束一第二偏移量而且转动光束一第二角度，从而使该光束传播到第一透镜元件并且被按第三种耦合配置耦合到第一组光纤中。

16.根据权利要求15所述的机械式光开关，其中

第一分段包括第一输入面和第一输出面，第二分段包括第二输入面和第二输出面，并且

第一输入面的取向为相对于第一透镜元件的光轴的法线成第一角度，并且第一输出面相对于第一输入面倾斜一第二角度。

17.根据权利要求16所述的机械式光开关，其中

第二输入面的取向为相对于第一透镜元件的光轴的法线成第三角度，并且第二输出面相对于第二输入面倾斜一第四角度。

18.根据权利要求17所述的机械式光开关，其中

第一角度与第三角度不同。

19.一种在光纤之间形成的第一种光束配置和第二种光束配置之间进行切换的方法，所说方法包括如下步骤：

形成一自由光束路径，其中该自由光束路径包括从一组输入光纤到第一组输出光纤的第一种光束配置；并且

移动光束导向元件使其进入自由光束路径，其中移动该光束导向元件进入自由光束路径，以使光束偏移一偏移量并且使光束转动一角度，从而使该光束被按第二种耦合配置耦合到第二组输出光纤上。

20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括如下步骤，进一步移动该光束导向元件使其进入自由光束路径，以使光束偏移一第二偏移量并且使光束转动一第二角度，从而使该光束被按第三种耦合配置耦合到第三组输出光纤上。

21.根据权利要求19所述的方法，其中移动光束导向元件进入自由光束路径包括移动一楔形棱镜。

22.根据权利要求19所述的方法，其中移动光束导向元件还包括激励一机械致动器以便移动该光束导向元件。

23.根据权利要求19所述的方法，其中移动光束导向元件还包括激励一机电致动器以便移动该光束导向元件。

24.根据权利要求19所述的方法，其中移动光束导向元件还包括激励一磁致动器以便移动光该束导向元件。

25.根据权利要求19所述的方法，其中移动光束导向元件还包括激励一压电致动器以便移动该光束导向元件。

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