Оптический переключатель (варианты), оптическое переключающее устройство (варианты) и способ переключения оптического сигнала - RU2267143C2

Чертежи

Показать все 13 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к области волоконно-оптических переключателей (коммутаторов) и, в частности, касается устройства и способа непосредственного переключения оптических сигналов между входным и выходным оптическими волокнами с минимальными оптическими потерями.

Уровень техники

Благодаря преимуществам по сравнению с обычными электрическими каналами передачи информации, такими, например, как более широкая полоса сигнала и высокое качество передачи, использование волоконной оптики в сетях связи стало достаточно распространенным. Однако, как и в случае электрических сигналов, передаваемых по проводам, которые необходимо переключать, чтобы направить сигналы в нужное место, оптические сигналы также необходимо переключать между разными оптическими волокнами на соответствующих узлах соединения, чтобы они могли попасть по назначению.

Одним из способов переключения оптического сигнала между волокнами является преобразование оптического сигнала в электрический сигнал, использование обычных электронных переключателей для переключения электрического сигнала и обратное преобразование электрического сигнала в оптический сигнал. Альтернативой этому способу является использование непосредственного оптического переключения, когда оптический сигнал направляется между волокнами. Данный способ теоретически имеет определенные преимущества, включая повышение скорости переключения и снижение искажений сигнала, поскольку здесь исключены преобразования из оптической формы сигнала в электрическую форму и из электрической формы в оптическую.

При осуществлении непосредственного оптического переключения желательно иметь возможность переключения оптического сигнала между любым из нескольких оптических волокон, входящих в узел соединения (входных волокон), и любым из нескольких оптических волокон, выходящих из узла соединения (выходных волокон). Одним таким способом является изгиб концов заданного входного и требуемого выходного волокон таким образом, что оба волокна обращены друг к другу (непосредственно или через сворачивающий оптический тракт), обеспечивая прямой оптический путь для оптического сигнала между волокнами. Известно также использование неподвижных отражателей, как, например, зеркала, в сочетании с изгибом концов волокон. В результате изгиба концы волокон были направлены не навстречу друг другу, а на один или более отражателей таким образом, что оптический сигнал от входного волокна отражался к выходному волокну.

Из уровня техники известен оптический переключатель, который можно отнести к ближайшему уровню техники заявленного изобретения, обеспечивающий переключение оптического сигнала и включающий два или более волноводов для передачи оптических сигналов, средства для формирования пучка в виде фокусирующих линз и отражающих средств, оптически связанных с указанными волноводами, см. патент США 4304460 от 08.12.1981 г., МПК G 02 B 5/16.

Известен также оптический переключатель в виде матрицы, обеспечивающий переключение оптических сигналов между оптическими волокнами, см. патент GB 2224129 А, МПК G 02 В 6/26

Сущность изобретения

Одной из задач настоящего изобретения является осуществление непосредственного переключения оптических сигналов между оптическими волокнами.

Для достижения эффективного и точного переключения оптического сигнала при осуществлении непосредственного оптического переключения желательно, чтобы оптический сигнал из входного волокна был направлен таким образом, чтобы он входил в выходное волокно вдоль оптического пути, в основном совпадающего с направлением выходного волокна. В соответствии с этим, другой задачей настоящего изобретения является осуществление непосредственного переключения оптических сигналов между входным и выходным оптическими волокнами, в котором оптический сигнал входит в выходное волокно вдоль оптического пути, в основном совпадающего с направлением выходного волокна.

В противоположность коллимированному или расходящемуся сигналам, желательно формирование оптического сигнала в сфокусированный пучок, перед его посылкой в выходное волокно с помощью одного или более отражателей, для сокращения потерь оптического сигнала и повышения эффективности выполнения переключения. В соответствии с этим, еще одной задачей настоящего изобретения является осуществление непосредственного переключения оптических сигналов между входным и выходным оптическими волокнами, в котором оптический сигнал, излучаемый входным волокном, формируется в сфокусированный пучок перед тем, как направить его в выходное волокно посредством одного или более отражателей.

Эти и другие задачи и преимущества настоящего изобретения достигаются различными аспектами настоящего изобретения. Согласно одному аспекту изобретения, используются первый и второй отражатели, например, зеркала, причем первый отражатель связан с входным волокном, а второй отражатель связан с выходным волокном. Первый отражатель получает оптически и сигнал от входного волокна и направлен таким образом, что отражает оптический сигнал так, что он попадает на второй отражатель, либо непосредственно с первого отражателя, либо посредством отражения от других отражателей. Второй отражатель получает отраженный оптический сигнал и направлен таким образом, что оптический сигнал отражается к выходному волокну вдоль оптического пути, имеющего ось, в основном совмещенную с осью выходного волокна.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения, первый отражатель не отражает оптический сигнал непосредственно на второй отражатель. В данном случае оптический сигнал со входного волокна отражается первым отражателем к третьему отражателю, который затем отражает оптический сигнал на второй отражатель. Могут быть использованы и еще другие отражатели. Например, в одном варианте выполнения, первый отражатель отражает оптический сигнал к третьему отражателю, который отражает оптический сигнал к четвертому отражателю, который, в свою очередь, отражает оптический сигнал ко второму отражателю.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, группа отражателей собрана в первую и вторую матрицы отражателей, причем каждый отражатель первой матрицы связан с одним отдельным волокном из группы входных волокон, а каждый отражатель второй матрицы связан с одним отдельным волокном из группы выходных волокон. Отражатели первой и второй матриц могут быть направлены (ориентированы) в разных направлениях относительно исходного направления. Например, отражатели первой и второй матриц могут быть повернуты вокруг, по крайней мере, одной оси вращения для ориентации отражателей в нескольких направлениях. Оптический сигнал может быть переключен между любым заданным волокном из входных волокон и любым заданным волокном из выходных волокон путем установки отражателя первой матрицы, связанного с выбранным входным волокном в положение, когда оптический сигнал отражается, либо непосредственно, либо посредством дополнительных отражателей, на отражатель второй матрицы, связанный с заданным выходным волокном. Желательно, чтобы отражатель второй матрицы, связанный с заданным выходным волокном, был, соответственно, установлен в таком направлении, что оптический сигнал, падающий на него, отражался вдоль оптического пути, ось которого в основном совмещена с осью заданного выходного волокна.

Еще одним аспектом настоящего изобретения является узел формирования пучка (сфокусированного пучка оптического сигнала), связанный с входным волокном и соответствующей системой передачи пучка для направления пучка на оптическом пути к заданному выходному волокну. Узел формирования пучка, связанный с входным волокном, принимает оптический сигнал, выходящий из конца (торца) заданного входного волокна, и формирует из него сфокусированный пучок, в отличие от коллимированного или расходящегося сигнала. Сфокусированный пучок оптического сигнала затем направляется системой передачи пучка на заданное выходное волокно. Желательно, чтобы выходное волокно было связано с линзой, установленной таким образом, чтобы она была фокусирующей для узла формирования пучка и выходного волокна. Таким образом, желательно, чтобы был образован симметричный оптический путь, по которому оптический сигнал от входного волокна вводился в конец выходного волокна. Такая конфигурация обеспечивает эффективную двухстороннюю связь между входным и выходным волокнами (обозначения "входной" и "выходной" используются только из соображений удобства).

И еще одним аспектом настоящего изобретения является способ переключения оптических сигналов между входным волокном и выходным волокном. Способ содержит формирование оптического сигнала в виде сфокусированного пучка, наведение пучка на выходное волокно вдоль оптического пути, который, чтобы пучок попал в выходное волокно, предварительно в основном совмещен с выходным волокном, и прием оптического сигнала на конце выходного волокна. Узел формирования симметричного сфокусированного пучка, состоящий из первого узла формирования сфокусированного пучка и второго, по существу, идентичного узла формирования сфокусированного пучка, может быть использован на этапах формирования и приема для улучшения передачи оптического сигнала. Этап направления пучка может осуществляться с использованием двух активных отражателей, каждый из которых связан с одним волокном.

Эти и другие аспекты и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при знакомстве с приведенным ниже подробным описанием, рассмотренным вместе с приложенными чертежами.

Перечень чертежей и иных материалов

На Фиг.1 представлен вид сверху варианта выполнения 5×5 переключателя с планарной матрицей согласно настоящему изобретению;

На Фиг.2 представлено аксонометрическое изображение варианта выполнения матричного 9×9 переключателя в соответствии с настоящим изобретением, имеющего две матрицы отражателей;

На Фиг.3 представлено аксонометрическое изображение варианта выполнения матричного 9×9 переключателя в соответствии с настоящим изобретением, имеющего четыре матрицы отражателей;

На Фиг.4 представлен вид сверху варианта выполнения 4×4 переключателя с планарными матрицами в соответствии с настоящим изобретением;

На Фиг.5 представлено аксонометрическое изображение варианта выполнения матричного 16×16 переключателя в соответствии с настоящим изобретением, имеющего две матрицы отражателей;

На Фиг.6 представлен вид сбоку варианта выполнения настоящего изобретения, показанного на Фиг.5;

На Фиг.7 представлено аксонометрическое изображение микроэлектромеханического зеркала, пригодного для использования в качестве отражателя в различных вариантах выполнения настоящего изобретения;

На Фиг.8 представлен вид сбоку варианта выполнения матричного 4х4 переключателя в соответствии с настоящим изобретением, в котором используется одна матрица входных и выходных волокон;

На Фиг.9 показан коллимированный пучок, сформированный формирующим узлом коллимированного пучка;

На Фиг.10 показан сфокусированный пучок, сформированный формирующим узлом сфокусированного пучка;

На Фиг.11 показана симметричная пара формирующих узлов сфокусированного пучка, оптически связанных друг с другом;

На Фиг.12 представлен видпоперечногосечения волокна, показывающий соотношение между входной угловой и числовой апертурами;

На Фиг.13 представлены различные оптические параметры, относящиеся к настоящему изобретению; и

На Фиг.14 проиллюстрирована геометрия, определяющая соотношения при построении изображения, в соответствии с настоящим изобретением.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Оптическое переключающее устройство и способ в соответствии с настоящим изобретением позволяют переключать оптические сигналы между оптическими волокнами. В сетях связи волокна, входящие и выходящие из узла соединения, могут быть объединены в один жгут входных волокон и один жгут выходных волокон. Концы входных и выходных волокон могут быть затем распределены по двум отдельным прямоугольным матрицам. Следует, однако, иметь ввиду, что как в сетях связи, так и в других приложениях оптические волокна могут быть распределены и другим подходящим способом. Например, концы входных и выходных волокон могут быть смешаны в одной прямоугольной матрице. Далее, одно волокно может служить и входным волокном и выходным волокном, в зависимости от направления распространения оптического сигнала в двунаправленном канале связи. В соответствии с этим, несмотря на то, что в приведенном ниже описании с целью иллюстрации речь идет о входных и выходных волокнах, следует понимать, что каждое из волокон может посылать и принимать оптические сигналы.

В приведенных ниже вариантах выполнения настоящего изобретения могут рассматриваться средства направления (отражения) пучка или узлы направления (отражения) пучка, например, выполненные как отдельные отражатели (в частности зеркала), входящие в одну или более матриц отражателей. В процессе приведенного ниже рассмотрения отдельный отражатель матрицы отражателей будет обозначаться как (i,j)-й отражатель, где i показывает ряд, a j показывает столбец расположения конкретного отражателя (для общности, подобные двумерные обозначения будут использоваться и при рассмотрении линейных матриц). Отдельные входные и выходные волокна будут обозначаться тем же способом.

Планарный переключатель

Обратимся к Фиг.1, где представлен один из вариантов выполнения оптического переключающего устройства 10 в соответствии с настоящим изобретением. Для простоты иллюстрации на Фиг.1 представлен переключатель (коммутатор) с линейной матрицей, а более практически полезные переключатели с двумерными матрицами будут рассмотрены далее. Оптическое переключающее устройство 10 содержит группу волокон передачи оптических сигналов и приспособлено для работы с линейной матрицей из пяти оптических волокон 12 и линейной матрицей из пяти оптических волокон 14. Это переключающее устройство 10 называется 5х5 переключателем с планарной матрицей потому, что оно может переключать оптический сигнал между любым из пяти волокон 12, расположенных в линию (и, таким образом, копланарных один с другим), и любым из пяти волокон 14, также расположенных в линию. Следует отметить, что, несмотря на то, что представлен 5×5 переключатель с планарной матрицей, настоящим изобретением предусмотрены обобщенные MxN переключатели с планарными матрицами, посредством которых оптический сигнал может быть переключен между любым из М волокон 12 и любым из N волокон 14 (М может быть равно N, либо может отличаться от него).

Оптическое переключающее устройство 10 содержит первую матрицу 20 пяти отдельных отражателей 22, расположенных по линии, и вторую матрицу 30 пяти отдельных отражателей 32, расположенных по второй линии. Каждый из отдельных отражателей 22 первой матрицы 20 соответствует отдельному волокну 12. Например, (1,1) отражатель 22 первой матрицы 20 соответствует (1,1) волокну 12. Аналогично, каждый из отдельных отражателей 32 второй матрицы 30 соответствует отдельному волокну из волокон 14. Например, (1,1) отражатель 32 второй матрицы 30 соответствует (1,1) волокну 14.

Сигналы переключаются оптическим переключающим устройством 10 между любым из волокон 12 и любым из волокон 14 следующим образом. Первый оптический сигнал (показанный на чертеже стрелкой S1), выходящий из (1,1) волокна 12, распространяется вдоль оптического пути 40 к (1,1) отражателю 22 первой матрицы 20. Для переключения первого оптического сигнала S1 на (1,1) волокно 14, (1,1) отражатель 22 первой матрицы 20 ориентируется таким образом, что первый оптический сигнал S1 отражается вдоль оптического пути 42 к (1,1) отражателю 32 второй матрицы 30. (1,1) отражатель 32 второй матрицы 30 ориентирован, соответственно, таким образом, что он далее отражает первый оптический сигнал S1 вдоль оптического пути 44 к (1,1) волокну 14. Важно отметить, что ось оптического пути 44 в основном совпадает с осью, выходящей из середины (1,1) волокна 14. Если (1,1) отражатель 32 второй матрицы 30 не направлен должным образом, первый оптический сигнал S1 может быть отражен вдоль любого из оптических путей, которые не совмещены в основном с осью (1,1) волокна 14, как, например, путь 50, ухудшая выполнение переключения. При необходимости (1,1) отражатель 32 второй матрицы 30 может быть ориентирован так, чтобы направлять оптический сигнал к (1,5) волокну 14. Однако такая конфигурация не обеспечит оптимальной оптической эффективности, поскольку, согласно теореме яркости (второй закон термодинамики для оптики), требуется, чтобы активные средства (например, отражатели 32 второй матрицы 30) использовались для фокусировки фотонов оптического сигнала в луч малого диаметра, соответствующего сердечнику волокна 14. Когда (1,1) волокно волокон 12 совмещено по направлению с (1,1) волокном волокон 14, то свет может распространяться также и от (1,1) волокна волокон 14 к (1,1) волокну волокон 12.

Второй оптический сигнал (показанный на чертеже стрелкой S2, выходящий из (1, 1) волокна 12, переключается к (1,5) волокну 14 следующим образом. Второй оптический сигнал S2 распространяется по оптическому пути 40 к (1,1) отражателю первой матрицы 20, который направлен таким образом, что второй оптический сигнал S2 отражается вдоль оптического пути 46 к (1,5) отражателю второй матрицы 30. (1,5) отражатель второй матрицы 30, соответственно, ориентирован таким образом, что он далее отражает второй оптический сигнал S2 вдоль оптического пути 48 к (1,5) волокну 14. Также, как и в случае оптического пути 44, оптический путь 48 в основном совмещен с осью, выходящей из середины (1,5) волокна 14, и в данном случае, сигнал также может передаваться от (1,5) волокна волокон 14 к (1,1) волокон 12. Следует отметить, что показанный путь 51 не может существовать одновременно с путем 52, поскольку (1,1) отражатель 20 может быть ориентирован в каком-либо одном направлении. Если (1,5) отражатель второй матрицы 30 не ориентирован нужным образом, второй оптический сигнал S2 будет отражен вдоль оптического пути, отклоняющегося от оси (1,5) волокна 14, такого, например, как оптический путь 52, ухудшая выполнение переключения.

На Фиг.4 представлен пример реализации 4×4 оптического переключающего устройства 10. Оптическое переключающее устройство 10 имеет основание 16. Каждый из отдельных отражателей 22 первой матрицы 20 и отражателей 32 второй матрицы 30 прикреплены к основанию 16. Отражатели 22, 32 могут поворачиваться вокруг оси вращения, перпендикулярной основанию 16 таким образом, что они могут быть ориентированы требуемым образом для переключения оптических сигналов. Каждое из оптических волокон 12, 14 связано с отдельным узлом или средством 70 формирования пучка (формирования оптического сигнала в сфокусированный пучок). Узлы 70 формирования пучка состоят из конца 72 оптического волокна и линзы 74, разнесенной с концом 72 оптического волокна и установленной коаксиально с ним. Каждая линза 74 узлов 70 формирования пучка, связанная с волокнами 12, фокусирует оптический сигнал, например, видимый свет или инфракрасное излучение, выходящее из конца 72 волокна связанного с ней волокна 12, в пучок 80 оптического сигнала, падающий на отражатель 22 первой матрицы 20, соответствующей связанному с ней входному волокну 12. Аналогично, каждая линза 74 узлов 70 формирования пучка, связанная с волокном 14, принимает пучок 80 от отражателя 32 второй матрицы 30, соответствующей связанному с ней волокну 14, и фокусирует пучок 80 оптического сигнала на конец 72 волокна связанного волокна 14.

Для переключения оптического сигнала между заданным волокном 12 и заданным волокном 14, отражатель 22 первой матрицы 20, соответствующий выбранному волокну 12, поворачивается таким образом, что пучок 80 оптического сигнала от линзы 74 узла 70 формирования пучка, связанного с заданным волокном 12, отражается на отражатель 32 второй матрицы 30, соответствующий заданному волокну 14. Отражатель 32 второй матрицы 30, соответствующий заданному выходному волокну 14, поворачивается таким образом, что отражает пучок 80 на линзу 74 узла 70 формирования пучка, связанную с заданным волокном 14. Как отмечалось выше, желательно, чтобы пучок 80 оптического сигнала распространялся вдоль оптического пути от отражателя 32 второй матрицы 30 к линзе 74, который в основном совмещен с осью заданного волоконного выхода 14. Когда таким образом устанавливается соединение между волокном 12 и волокном 14, становится возможной двухсторонняя связь между волокнами 12 и 14. В приведенном ниже описании волокна иногда называются "входные волокна" или "входы" и "выходные волокна" или "выходы" для удобства изложения, однако следует иметь ввиду, что такие конфигурации переключателей поддерживают и обычно обеспечивают двухстороннюю связь между присоединенными волокнами.

Оптическое переключающее устройство 10, показанное на Фиг.4, может быть выполнено с использованием микроэлектромеханических (МЭМ) схем (технологий). Основание 16 может содержать плату схемы или другой элемент крепления, на котором устанавливается МЭМ микросхема для каждой матрицы 20, 30 отражателей. Входы и выходы 12, 14 волокон могут быть расположены в V-образных пазах, образованных на поверхности основания 16. Линзы 74 могут быть зонными линзами Френеля, выполненными из кремния, которые образованы на поверхности основания 16 и установлены в вертикальном положении перед V-образными пазами таким образом, что оптическая ось каждой линзы 74 параллельна поверхности основания 16. Отражатели 22,32 также выполнены из кремния и установлены в вертикальном положении с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной основанию 16. Оптическое переключающее устройство должно иметь такую конструкцию, чтобы пучок 80 оптического сигнала проходил параллельно поверхности основания 16. Для достижения этой цели могут быть сделаны незначительные регулировки положения отражателей 22, 32.

Объемные переключатели

Очевидно, что число волоконных входов 12 и выходов 14, которые может иметь описанный выше переключатель с планарными матрицами, ограничено практическими возможностями расположения по линии узлов 70 формирования пучков волокна и отражателей 22, 32. Для подключения дополнительных волоконных входов и выходов в настоящем изобретении предлагается использование трехмерных структур.

Рассмотрим чертеж на Фиг.2, где изображен другой вариант выполнения оптического переключающего устройства 110 в соответствии с настоящим изобретением, которое приспособлено для работы с девятью волоконными входами 112, расположенными в виде 3×3 прямоугольной матрицы, и девятью волоконными выходами 114, расположенными в виде второй 3×3 прямоугольной матрицы. Данное переключающее устройство 110 далее называется 9×9 матричным переключателем, поскольку оно может переключать оптический сигнал с любого из девяти волоконных входов 112, расположенных в виде матрицы, имеющей три строки и три столбца, на любой из девяти волоконных выходов 114, расположенных в виде матрицы, имеющей три строки и три столбца. Следует отметить, что, хотя рассматривается матрица размером 9×9, в настоящем изобретении имеются ввиду переключатели с матрицей произвольного размера М х N, в которых оптический сигнал может переключаться с любого из М волоконных входов 112 на любой из N волоконных выходов 114 (М может быть равно N либо они могут различаться).

Оптическое переключающее устройство 110 содержит первую 3х3 прямоугольную матрицу 120 отдельных отражателей 122 и вторую 3х3 прямоугольную матрицу 130 отдельных отражателей 132. Каждый из отдельных отражателей 122 первой матрицы 120 соответствует одному из отдельных волоконных входов 112, а каждый из отражателей 132 второй матрицы соответствует одному из отдельных волоконных выходов 114. Отражатели 122, 132 могут поворачиваться вокруг, по крайней мере, двух ортогональных осей (оси Х и Z показанной на чертеже системы координат) таким образом, что оптический сигнал может переключаться с любого из девяти волоконных входов 112 на любой из девяти волоконных выходов 114. Например, оптический сигнал, выходящий из конца (1,1) волоконного входа 112, распространяется вдоль оптического пути 140 к (1,1) отражателю 122 первой матрицы 120. (1,1) отражатель 122 поворачивается в положение, когда оптический сигнал отражается вдоль оптического пути на нужный отражатель 132 второй матрицы, соответствующий требуемому волоконному выходу 114. Например, в зависимости от его направления (ориентации), (1,1) отражатель 122 первой матрицы может отразить оптический сигнал вдоль оптических путей 142, 144, 146, 148 на, соответственно, (1,1), (1,3), (3,1) или (3,3) отражатели 132, которые поворачиваются для отражения сигнала вдоль, соответственно, оптических путей 150, 152, 154, 156 к, соответственно, (1,1), (1.3), (3,1) и (3,3) волоконным выходам 114. Оптические пути 150, 152, 154, 156 между второй матрицей 130 и волоконными выходами 114 в основном совмещены с осями, выходящими из середины соответствующих волоконных выходов 114.

Вариант выполнения 16×16 оптического переключающего устройства 110, показанного на Фиг.2, представлен на Фиг.5 и 6. Первая матрица 120 отражателей 122 содержит первый держатель 124 зеркал. Каждый из отдельных отражателей 122 первой матрицы 120 прикреплен к первому держателю 124 зеркал и может поворачиваться вокруг, по крайней мере, двух ортогональных осей. Вторая матрица 130 отражателей 132 содержит второй держатель 134 зеркал. Каждый из отражателей 132 второй матрицы 130 прикреплен ко второму держателю 134 зеркал и может поворачиваться вокруг, по крайней мере, двух ортогональных осей. Каждый из волоконно-оптических входов и выходов 112, 114 связан с отдельным узлом 170 формирования пучка.

Как показано на виде сбоку на Фиг.6, узлы 170 формирования пучка состоят из конца 172 оптического волокна и линзы 174, установленной коаксиально с концом 172 оптического волокна. Узлы формирования пучка могут также содержать цилиндрическую гильзу 176, установленную вокруг конца 172 волокна и линзы 174. Линза 174 может быть отнесена от конца 172 волокна, либо они могут соприкасаться, как, например, при использовании линз с переменным коэффициентом преломления (GRIN) либо толстых линз. Каждая линза 174 узлов 170 формирования пучка, связанная с волоконными входами 112, фокусирует оптический сигнал, например, видимый свет или инфракрасное излучение, выходящее из конца 172 волокна связанного с ней волоконного входа 112, в пучок 180, падающий на отражатель 122 первой матрицы 120, соответствующий связанному с ним волоконному входу 112. Аналогично, каждая линза 174 узлов 170 формирования пучка, связанных с волоконными выходами 114, принимает пучок 180 от отражателя 132 второй матрицы 130, соответствующего связанному с ним волоконному выходу 114, и фокусирует пучок 180 оптического сигнала на конце 172 волокна связанного волоконного выхода 114.

Для переключения оптического сигнала между заданным волоконным входом 112 и заданным волоконным выходом 114, отражатель 122 первой матрицы 120, соответствующий заданному волоконному входу 112, поворачивается таким образом, что пучок 180 оптического сигнала, выходящего из линзы 174 узла 170 формирования пучка, связанного с заданным волоконным входом 112, отражается на отражатель 132 второй матрицы 130, соответствующий заданному волоконному выходу 114. Отражатель 132 второй матрицы 130, соответствующий заданному волоконному выходу 114, поворачивается таким образом, что он отражает пучок 180 на линзу 174 узла 170 формирования пучка, связанного с заданным волоконным выходом 114. Как отмечалось выше, важно, чтобы пучок 180 оптического сигнала распространялся от отражателя 132 второй матрицы 130 к линзе 174 вдоль оптического пути, который в основном совмещен с осью заданного волоконного выхода 114. Также отмечалось, что пучок 180, выходящий из волокна 112 должен быть совмещен с зеркалом 122.

На Фиг.7 показан один из отражателей 122, 132 оптического переключающего устройства 110, показанного на Фиг.2, 5 и 6. Отражатель в показанном варианте выполнения представляет собой установленное на микросхеме микроэлектромеханическое (МЭМ) зеркало, например, типа, выпускаемого фирмой Texas Instruments, хотя могут быть использованы отражатели и многих других типов, имеющие подходящие характеристики отражения. МЭМ зеркало 410 выполнено из кремния и установлено на микросхеме 412 МЭМ. Зеркало 410 может по команде поворачиваться, имея две степени свободы, вокруг двух ортогональный осей 414, 416. Ортогональные оси 414, 416 параллельны поверхности микросхемы.

На Фиг.3 показан другой вариант выполнения оптического переключающего устройства 210 в соответствии с настоящим изобретением. Как и в варианте выполнения, показанном на Фиг.2, данный оптический переключатель является трехмерным и также представляет собой 9×9 матричный переключатель для переключения оптических сигналов с любого из девяти волоконных входов 212, образующих матрицу, имеющую три строки и три столбца, на любой из девяти волоконных выходов 214, образующих вторую матрицу, имеющую три строки и три столбца. Следует, однако, отметить, что показанное на Фиг.3 оптическое переключающее устройство 210 в общем случае может быть М×N матричным переключателем.

Оптическое переключающее устройство 210 содержит первую 3х3 прямоугольную матрицу 220 девяти отражателей 222, вторую 3х3 прямоугольную матрицу 230 девяти отражателей, третью 3х3 прямоугольную матрицу 240 девяти отражателей 242 и четвертую 3х3 прямоугольную матрицу 250 девяти отражателей 252. Каждый из отражателей 222 первой матрицы 220 соответствует отдельному волоконному входу 212, а каждый из отражателей 252 четвертой матрицы 250 соответствует отдельному волоконному выходу 214. Для осуществления переключения сигнала с любого из волоконных входов 212 на любой из волоконных выходов 214, каждый из отражателей 222, 242 первой и третьей матриц 220, 240 должны поворачиваться вокруг оси вращения, параллельной показанной координатной оси Z, а каждый из отражателей 232, 252 второй и четвертой матриц 230, 250 должны поворачиваться вокруг оси вращения, параллельной показанной координатной оси X. Отражатели 222, 232, 242, 252 могут быть того же типа, что и показанные на Фиг.7, за исключением того, что им необходимо поворачиваться вокруг только одной оси.

Следующие примеры демонстрируют, как оптическое переключающее устройство 210 переключает оптический сигнал с любого из волоконных входов 212 на любой из волоконных выходов 214. Оптический сигнал с (1,1) волоконного входа 212 распространяется по оптическому пути 260 на (1,1) отражатель 222 первой матрицы 220. Для переключения сигнала на (1,1) волоконный выход 214, (1,1) отражатель 222 первой матрицы 220, (1,1) отражатель 232 второй матрицы 230, (1,1) отражатель 242 третьей матрицы 240 и (1,1) отражатель 252 четвертой матрицы 250 каждый поворачивается в нужное положение так, что оптический сигнал отражается по оптическим путям 262, 272, 282, 292 от (1,1) отражателя 222 первой матрицы 220 на (1,1) отражатель 232 второй матрицы 230, на (1,1) отражатель 242 третьей матрицы 240, на (1,1) отражатель 252 четвертой матрицы 250 и на (1,1) волоконный выход 214. Для переключения сигнала на (1,3) волоконный выход 214, (1,1) отражатель 222 первой матрицы 220, (1,1) отражатель 232 второй матрицы 230, (1,1) отражатель 242 третьей матрицы 240 и (1,3) отражатель 252 четвертой матрицы 250 каждый поворачивается в нужное положение так, что оптический сигнал отражается по оптическим путям 262, 272, 284, 294 от (1,1) отражателя 222 первой матрицы 220 на (1,1) отражатель 232 второй матрицы 230, на (1,1) отражатель 242 третьей матрицы 240, на (1,3) отражатель 252 четвертой матрицы 250 и на (1,3) волоконный выход 214. Для переключения сигнала на (1,3) волоконный выход 214, (1,1) отражатель 222 первой матрицы 220, (3,1) отражатель 232 второй матрицы 230, (3,1) отражатель 242 третьей матрицы 240 и (3,1) отражатель 252 четвертой матрицы 250 каждый поворачивается в нужное положение так, что оптический сигнал отражается по оптическим путям 266, 276, 286, 296 от (1,1) отражателя 222 первой матрицы 220 на (3,1) отражатель 232 второй матрицы 230, на (3,1) отражатель 242 третьей матрицы 240, на (3,1) отражатель 252 четвертой матрицы 250 и на (3,1) волоконный выход 214. Для переключения сигнала на (3,3) волоконный выход 214, (1,1) отражатель 222 первой матрицы 220, (3,1) отражатель 232 второй матрицы 230, (3,1) отражатель 242 третьей матрицы 240 и (3,3) отражатель 252 четвертой матрицы 250 каждый поворачивается в нужное положение так, что оптический сигнал отражается по оптическим путям 266, 276, 288, 298 от (1,1) отражателя 222 первой матрицы 220 на (3,1) отражатель 232 второй матрицы 230, на (3,1) отражатель 242 третьей матрицы 240, на (3,3) отражатель 252 четвертой матрицы 250 и на (3,3) волоконный выход 214. Важно отметить, что оптические пути 292, 294, 296, 298 между отражателями 252 четвертой матрицы 250 и волоконными выходами 214 в основном совмещены с осями, проходящими через середину соответствующих волоконных выходов 214.

Обратимся к Фиг.8, на которой показан еще один вариант выполнения оптического переключающего устройства 310 в соответствии с настоящим изобретением. Оптическое переключающее устройство 310 также является трехмерным и приспособлено для переключения оптического сигнала между любым из нескольких волокон 312 и любым из волокон 312, где волокна 312 образуют единую матрицу. Хотя изображена 1х4 линейная матрица волокон 312, оптическое переключающее устройство может использоваться с прямоугольной или иной планарной матрицей волокон 312. Следует отметить, что любое из волокон 312 может служить как передающим волокном, так и приемным волокном, в зависимости от направления распространения оптического сигнала. Таким образом, переключающее устройство 310, изображенное на Фиг.8, может называться матричным переключателем 4х4 потому, что оно может переключать оптический сигнал от любого из четырех волокон 312 к любому другому из четырех волокон 312.

Оптическое переключающее устройство 310 содержит матрицу 320 поворачиваемых отражателей 322 и неподвижный отражатель 324, который неподвижен относительно матрицы 320 поворачиваемых отражателей 322. Каждый из поворачиваемых отражателей 322 соответствует отдельному волокну 312. Поворачиваемые отражатели могут быть того типа, что и представленный на Фиг.7. Оптическое переключающее устройство 310 также содержит узлы 370 формирования пучка, состоящие из цилиндрических гильз 376, окружающих концы оптических волокон (не показаны), и линзы (не показаны). С каждым из волокон 312 связан отдельный узел 370 пучка.

Оптический сигнал с любого из волокон 312 переключается на любое другое волокно 312 следующим образом. Оптический сигнал, например, с (1,1) волокна 312 распространяется вдоль оптического пути 330 между узлом 370 формирования пучка, связанного с (1,1) волокном 312, и (1,1) поворачиваемым отражателем 322. (1,1) поворачиваемый отражатель 322 поворачивается таким образом, что оптический сигнал отражается на неподвижный отражатель 324 по оптическому пути 340. Неподвижный отражатель 324 отражает оптический сигнал по оптическому пути 350 на (1,3) поворачиваемый отражатель 322. (1,3) поворачиваемый отражатель 322 поворачивается таким образом, что он отражает оптический сигнал по оптическому пути 334 на узел 370 формирования пучка, связанный с (1,3) волокном 312. Аналогично, оптический сигнал от (1,2) волокна 312 распространяется по оптическому пути 332 к (1,2) поворачиваемому отражателю 322, который повернут так, что оптический сигнал отражается по оптическому пути 342 на неподвижный отражатель 324. Неподвижный отражатель 324 отражает оптический сигнал по оптическому пути 352 на (1, 4) поворачиваемый отражатель 322, который повернут так, что оптический сигнал отражается по оптическому пути 336 к узлу 370 формирования пучка, связанного с (1,4) волокном 312. Оптические пути 330, 332, 334, 336 между поворачиваемыми отражателями 322 и узлами 370 формирования пучка, связанными с соответствующими им волокнами 312 в основном совмещены с осями, проходящими через середину соответствующего волокна 312.

Узлы формирования сфокусированного пучка

Как отмечалось выше, представленные варианты выполнения могут содержать узлы формирования пучка, связанные с каждым волоконным входом и выходом, для формирования пучков оптических сигналов. Желательно, чтобы такие узлы формирования пучка формировали оптические сигналы в виде сфокусированных пучков, в противоположность другим расходящимся сигналам и коллимированным сигналам.

Чертежи, представленные на Фиг.9 и 10, иллюстрируют различие между коллимированным сигналом 510, сформированным узлом 512 формирования коллимированного пучка, и сфокусированным пучком 520, сформированным узлом 522 формирования сфокусированного сигнала. Как показано на Фиг.9, первый узел 512А формирования коллимированного пучка содержит источник, например, конец 514 оптического волокна, из которого выходит оптический сигнал, например, инфракрасный свет, и коллимирующую линзу 516. Поскольку конец 514 оптического волокна не является бесконечно малым, точечным, источником, лучи света от различных точек на конце 514 оптического волокна, например, лучи 518А, 518В, 518С, направлены на поверхность коллимирующей линзы 516, обращенную к концу 514 оптического волокна. Коллимирующая линза 516 направляет лучи 518А, 518В, 518С таким образом, что лучи, выходящие из какой-либо точки на конце 514 оптического волокна, выходят из линзы 516 параллельными. Как показано на Фиг.9, из-за того, что каждый из лучей 518А, 518В, 518С выходят из линзы 514 параллельными, значительная часть оптического сигнала не попадает на линзу 516 второго узла 512В формирования пучка, на которую направлен оптический сигнал, что приводит к потере значительной части оптического сигнала.

На Фиг.10 показан сфокусированный пучок 520, сформированный первым узлом 522А формирования сфокусированного пучка. Первый узел 522А формирования сфокусированного пучка содержит источник, например, конец 524 оптического волокна, из которого выходит оптический сигнал, например, инфракрасный свет, и фокусирующую линзу 526. Также, как и в случае первого узла 512А формирования коллимированного пучка, лучи света от различных точек на конце 524 оптического волокна, например, лучи 528А, 528В, 528С, падают на поверхность фокусирующей линзы 526, обращенную к концу 524 оптического волокна. Вместо того, чтобы направлять лучи 528А, 528В, 528С из каждой точки параллельно, фокусирующая линза 526 направляет лучи 528А, 528В, 528С так, что лучи из какой-либо точки на конце 524 оптического волокна сходятся в одну точку на поверхности фокусирующей линзы 526 второго узла 522В формирования фокусирующего пучка, на которую направлен оптический сигнал. Таким образом, значительная часть оптического сигнала достигает пункта назначения и потери оптического сигнала сводятся к минимуму.

На Фиг.11 представлена симметричная система по существу, идентичных узлов 522А, 522В формирования сфокусированного пучка, в которой волокна с каждой стороны имеют одинаковые диаметр d оптической апертуры и числовую апертуру N.A. Использование такой симметричной системы предпочтительнее для обеспечения оптимальной эффективности передачи оптического сигнала между узлами 522А, 522В формирования сфокусированного пучка. Оптимальная эффективность передачи оптического сигнала обычно достигается, когда приблизительно соблюдаются следующие три уравнения, с учетом некоторых практических ограничений, как, например, различная длина путей распространения в переключателе для различных комбинаций переключения с входного на выходное волокно:

D=2u·tan(sin^-1(N.A.))+d

1/f=1/v+1/u

d/u=D/v

D является эффективной оптической апертурой фокусирующих линз 526. Расстояние между линзой 526 и концом 524 оптического волокна первого узла 522А формирования сфокусированного пучка, также, как и расстояние между линзой 526 и концом 524 оптического волокна второго узла 522В формирования сфокусированного пучка, равно u. Расстояние между линзой 526 первого узла 522А формирования сфокусированного пучка и линзой 526 второго узла 522В формирования сфокусированного пучка равно v. Следует иметь ввиду, что величина v может меняться в зависимости от конкретной рассматриваемой комбинации переключения и, с учетом этого, рассматриваемая здесь степень фокусировки будет включать те отклонения от идеальной фокусировки, которые могут быть допустимы в практических конструкциях переключателей. NA обозначает числовую апертуру концов 524 оптического волокна, a f - фокусное расстояние линз 526. Используется приближение тонкой линзы и предполагается, что D много больше d. Кроме того, в случае, если пучок, распространяющийся в волокне, является Гауссовым, то эффективные значения d, D и NA определяются по уровню 1/е² плотности энергии излучения.

Условие приблизительного совмещения

В вариантах выполнения, описанных выше, отмечалось, что когда оптический сигнал направлен на конец волокна и/или узел формирования пучка, связанный с концом волокна, он должен распространяться по оптическому пути, ось которого в основном (приблизительно) совмещена с осью, выходящей из центра торца волоконного выхода и/или линзы узла формирования пучка, связанного с выходным волокном, и должен проходить в пределах диаметра эффективной оптической апертуры узла формирования пучка. Для специалиста понятно, что достаточно иметь приблизительное совмещение, когда угол рассогласования, если оно имеется, оси оптического пути и оси, выходящей из выхода волокна и/или линзы, существенно меньше, чем N.A. волокна, а оптический путь проходит через диаметр эффективной оптической апертуры узла формирования пучка.

Это положение легко объяснить с помощью Фиг.12-14. На Фиг.12 представлен вид поперечного сечения волокна 600. Волокно содержит сердечник 602 для передачи оптических сигналов, окруженный оболочкой 604. Для эффективной передачи оптических сигналов по волокну 600 желательно обеспечить высокий коэффициент отражения на границе 606 сердечник/оболочка, например, путем выполнения сердечника 602 и оболочки 604 из материалов, имеющих различные показатели преломления, либо обеспечивая отражающее покрытие другим способом. Согласно Фиг.12, показанная граница раздела 606 имеет критический угол, при котором оптические лучи 608, имеющие угол падения меньше критического угла, распространяются по сердечнику 602, а лучи 610 с углом падения, превышающим критический угол, не распространяются по сердечнику 602. Этот критический угол определяет входную угловую апертуру α волокна 600, sin которого и называется числовой апертурой волокна.

На Фиг.13 представлена геометрия волокна 600 и линзы 612. Видно, что эффективный диаметр D оптической апертуры линзы 612 определяется диаметром d оптической апертуры сердечника 602 волокна и числовой апертурой NA.

В частности, как отмечалось выше:

D=2u·tan(sin^-1(NA))+d

Физически это означает, что сигналы, выходящие из волокна 600, пройдут в пределах площади, определяемой D. И наоборот, входящие оптические сигналы, в основном совмещенные с осью волокна перед падением на линзу и проходящие через площадь, определяемую D, будут, в основном, восприняты волокном 600.

На Фиг.14 представлена геометрия передаваемого изображения в соответствии с настоящим изобретением. Для иллюстрации показан прямой (несвернутый) оптический путь, соединяющий первое и второе волокна, а узлы направления луча, например, матрицы зеркал, отсутствуют. Как было описано выше, желательно, чтобы первый узел 700 формирования пучка формировал изображение сердечника 702 первого волокна на эффективном диаметре D2 второго узла 706 формирования пучка. По аналогии, желательно, чтобы второй узел 706 формирования пучка формировал изображение сердечника 708 второго волокна 710 на эффективном диаметре D1 первого узла 700 формирования пучка. Надо иметь ввиду, что в случае переключателя N×N длина v оптического пути между узлами формирования пучка может несколько изменяться в зависимости от конкретного соединения. Однако достаточно успешное формирование изображения может быть достигнуто для всех соединений, при условии, что изменения длины v от одного оптического пути к другому минимальны, желательно, не более 10%. Этого можно достигнуть, например, увеличением величины v по сравнению с размерами матриц волокон. При использовании свернутых оптических трактов хорошее изображение может быть получено в достаточно компактных переключателях. Как показано на Фиг.14, узел 700 формирования пучка изображает сердечник 702 на узле 706 формирования пучка, а узел 706 формирования пучка изображает сердечник 708 на узле 700 формирования пучка. На рисунке это показано стрелками и перевернутыми стрелками. Это достигается выполнением математических/геометрических соотношений, приведенных выше. При использовании такого построения изображения можно улучшить оптическую эффективность переключателя.

Несмотря на то, что были подробно описаны различные варианты выполнения настоящего изобретения, очевидно, что специалисты могут предложить и другие модификации и изменения изобретения. Такие модификации и изменения, безусловно, находятся в пределах, определяемых существом и объемом притязаний настоящего изобретения.

Реферат

Переключатель содержит группу оптических волокон передачи оптических сигналов, группу средств формирования пучка и группу средств направления пучка, каждое из которых оптически связано с одним из волокон из группы оптических волокон. Средства формирования пучка формируют изображения оптической апертуры одного волокна на апертуре другого. Средства направления пучка выполнены с возможностью установления оптического соединения и двухсторонней связи между первым и вторым волокнами. В зоне апертуры каждого из первого и второго волокон угол между осью пучка, входящего или выходящего из волокна, и осью волокна меньше, чем числовая апертура волокна. Переключающее устройство содержит группу узлов направления пучка, каждый из которых расположен с возможностью приема оптического сигнала от конца первого входного оптического волокна и направления на конец одного из группы выходных волокон вдоль оптического пути, ось которого в основном совмещена с осью волокна, выходящей из центра торца упомянутого соответствующего выходного волокна. Технический результат - эффективное и точное непосредственное оптическое переключение оптических сигналов между оптическими волокнами. 6 н. и 29 з.п. ф-лы, 14 ил.

Формула