採用壓電雙晶振子進行光路轉換的方法和設備的製作方法

2023-09-18 03:54:35 1

專利名稱：採用壓電雙晶振子進行光路轉換的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖通信。
目前，採用光纖進行聲音和數據的長程傳輸已越來越普遍，對光纖所能攜帶的數據容量的要求也不斷提高。如何更有效地利用現有光纖的帶寬，提高傳輸效率是一個至關重要的問題，當前，較成功的方法是採用波長分隔多路傳輸(WDM)法，它可在同一條光纖上用多個不同波長的光波，獨立地進行信息傳輸。隨著WDM技術在網絡通信中的廣泛應用，對各種複雜的光路轉換及路由設備的需求日益增多。這些光路轉換的方法和設備的主要作用是，為確保信息能在不同的通信光路中成功快捷的轉換傳輸，當某一路網絡通信發生故障時，可及時將之轉到其它的網絡信道上去。網絡通信路由器一方面要求其光路轉換設備在數千次的轉換操作中可重複穩定，另一方面當某一路通信出現故障時，路由設備應能迅速地將它轉到其它備用通道上去，這種網絡通信失敗的補救要求光轉換從長期未工作態向工作態轉換時必須十分快捷。
本發明的目的在於要提供一種能確保信息能在不同的通信光路中重複、穩定、快捷轉換傳輸的方法和設備。
本發明是這樣實現的，採用壓電雙晶振子進行光路轉換的方法是將信號光導引入一個至少由一個壓電雙晶振子構成的光纖開關、可換向的光路迴轉器、可逆的光道分離器、可自動切換的光路恢復開關、光纖旁路開關等光路轉換設備，使信號光在傳導、進入光通道、切換等過程中發生偏轉；其中信號光的傳導，具體步驟是(1)，將從一個可90°轉向的光轉子構成的光路迴轉器的一埠引入的一束信號光分離成一束複雜的子信號光；(2)，使用一個可90°轉向的光轉子構成的光路轉換器使部分複雜子信號光的極性方向發生偏轉；(3)，使已發生轉向和未發生轉向的複雜子信號光發射回來並倍增；(4)，使已發生轉向或未發生轉向的複雜子信號光合併成一束信號光，並將這束信號光從第二個埠傳出。
其中，信號光進入不同光通道，具體步驟為(1)，使用包含可90°轉向光轉子的光纖開關，將信號光分離成複雜的子信號光；(2)，在不同的複雜的子信號光之間引入相位差；(3)，使不同的複雜的子信號光發生反射；(4)，使經反射的複雜子信號光複合。
其中，信號光的切換，具體步驟包括(1)，確定輸出端通信線上存在斷點；(2)，向可換向的光路迴轉器發射一電信號，將迴轉器上的光纖開關置於截取信號光的位置；(3)，使截取的信號光偏轉到輔助通信線上。
一種採用壓電雙晶振子方法使信號光發生光路轉換的設備，由壓電雙晶振子組成的光纖開關或由光纖開關與其它光學元件構成的信號光的輸入輸出機構連接組成。
其中，由壓電雙晶振子組成的單個光纖開關，包括一個由一種壓電材料製成的懸臂，懸臂由相向的兩表面和兩端構成；具有至少一個與懸臂配套使用的電極，它給懸臂相向的上下兩表面提供不同的電壓；一個用於支撐與鎖固懸臂的支座；一個與懸臂自由端相接的凸面觸頭；一個安裝在懸臂自由端下表面上的用於信號光偏轉的光學元件組；與懸臂上表面上凸形觸頭相接近的上磁塊和與懸臂下表面上的凸形觸頭相接近的下磁塊，其中所述的懸臂，由第一片壓電片與第一片壓電片平行相向相貼的第二片壓電片組成；所述的電極，包括第一電極，位於第一與第二壓電陶瓷片的中間；第二電極，位於第一壓電陶瓷片上與第一電極相對的另一側面上；第三電極，位於第二壓電陶瓷片上與第一電極相對的另一側面上；所述的光學元件，為可90°轉向的光轉子，例如三稜鏡。
所述的光纖開關的懸臂上的觸頭，為裝在懸臂自由端上表面的第一個半球形觸頭和安裝在懸臂自由端下表面上的第二個半球形觸頭。
所述的光纖開關的懸臂上的可90°轉向的光轉子，為半波片。
其中，由壓電雙晶振子組成的複式光纖開關，由多個如權利要求8所述的單個光纖開關按並聯或串聯而成。
信號光的輸入輸出機構，包括一種可換向光路迴轉器，它的結構是由第一個雙折射片；與第一個雙摺片配套使用的第二個雙摺片和至少一個可逆或非可逆的90°光轉子相連；還有一個透鏡，與至少一個可逆或非可逆的光轉子及如權利要求8、9所述的光纖開關相連；與透鏡相連的還有一塊使複雜的子信號光經反射後倍增返回的鏡片。
其中，信號光的輸入輸出機構，包括一種可逆的光道分離器，它的組成是第一個雙折射片和第二個雙折射片與第一、二個光轉子相連；一個單個光纖開關，在第一、二個光轉子及第一個雙折射片相對一側與第二雙折射片相連；還有一個非線性光學幹涉儀，安裝在所述光纖開關及第二片雙折射片相對一側的透鏡的焦平面上，在不同光通道之間引入相位差。
非線性幹涉儀包括第一片與第二片光學玻璃，這兩塊玻璃之間形成一空腔，空腔內設有一個使通過不同光通道的信號光發生相移的相位偏離器；在兩玻璃片的內表面塗覆一層能使信號光的通帶寬化的光反射塗層；可逆的光道分離器中的非線性幹涉儀在第一片與第二片光學玻璃形成的空腔內置有一塊使通過不同光通道的信號發生相移的玻璃片。
可逆的光道分離器中的非線性幹涉儀在第一片與第二片光學玻璃形成的空腔內，第一反射塗層位於第一片玻璃片內側，第二反射塗層位於第二玻璃片內側；位於空腔內使信號光產生延時的第一塊玻璃片及位於空腔外使信號光產生延時的第二塊玻璃片，通過第一次反射，第一次光延時和第二次光延時使分離通道中的一束信號光分離成兩束，這兩束信號光之間有非對稱的交錯通帶。
所述的信號光的輸入輸出機構，還包括一個可自動切換的光路恢復開關，它包括一個可換向的光路迴轉器，一根與可換向的光迴路轉器的第三埠相連的探測器連線，一個通過探測器連線與光纖開關相連的光探測器，一根連接光探測器與可換向光路迴轉器的電線；所述的信號光的輸入輸出機構，還包括一種光纖旁路開關，它由一個如(2)所述的可換向的光路迴轉器，與迴轉器第三個埠相連的第一條光纖；與迴轉器第四個埠相連的第二條光纖組成。
本發明的採用壓電雙晶振子進行光路轉換的方法和設備，可使來自可換向的光路轉換器的信號光快速偏轉、切換另一條光通道上去。它具有操作穩定可重複，對信號光的輕微攏動及失配敏感度低等優點。
以下附圖和實施例將對本發明的技術特徵作進一步說明


圖1a為本發明的光開關100壓電雙晶振子的側視圖。
圖1b為本發明的光開關100壓電雙晶振子的俯視圖。
圖1c為本發明的光開關150壓電雙晶振子的示意圖。
圖2a為本發明的光開關150壓電雙晶振子置於off位時的狀態圖。
圖2b為本發明的光開關150壓電雙晶振子置於On位時的狀態圖。
圖3a為本發明的光開關1×2型光纖開關300置於off位時狀態圖。
圖3b為本發明的光開關1×2型光纖開關300置於on位時狀態圖。
圖3c為本發明的光開關300中信號光或複合信號光通過稜鏡時的光程示意圖。
圖3d為Φ2-Φ1與Φ1的關係圖。
圖4a為本發明的光開關180示意圖。
圖4b為本發明的光開關180處於「慢」光位置時的狀態圖。
圖4c為本發明的光開關180處於「快」光位置時的狀態圖。
圖5a為本發明的光開關1×4型光纖開關500示意圖。
圖5b為本發明的光開關1×4型光纖開關550示意圖。
圖6a為本發明的可換向光路迴轉器600的側視圖。
圖6b為本發明的可換向光路迴轉器600的俯視圖。
圖6c為本發明的可換向光路迴轉器600光轉子與差相延遲光纖開關位相關係及其它元件示意圖。
圖7為圖6a、6b、中埠左側示圖。
圖8為迴轉器600中90°換向光轉子處於off狀態或非迴轉狀態下的斷面圖。
圖9為迴轉器600中90°換向光轉子處於on狀態下或迴轉時各面位置的斷面圖。
圖10a為本發明的四端光路迴轉器1000的運作示意圖。
圖10b為本發明的可換向光路迴轉器600的運作示意圖。
圖11a為本發明的可逆的光道分離器1100的側視圖。
圖11b為本發明的可逆的光道分離器1100的俯視圖。
圖11c為本發明的光道分離器中90°轉向光轉子採用半波片時的示意圖。
圖12為可逆的光道分離器1100運作基本原理圖。
圖13為可逆的光道分離器1100運作基本原理圖。
圖14為可逆的光道分離器1100運作基本原理圖。
圖15為可逆的光道分離器1100運作基本原理圖。
圖16a為可逆的光道分離器1100處於運作第一態時的示意圖。
圖16b為可逆的光道分離器1100處於第二運作態時的示意圖。
圖17為可自動切換的的光路恢復開關1700示意圖。
圖18為旁路光纖開關示意圖。
實施例1如圖1a、1b所示，壓電雙晶振子100包括長條狀的壓電材料102a、102b，它們相互平行安裝在支座104a和104b上，沿102a和102b的粘貼面插入一電極101a，而第二電極101b和第三電極101c則分布在與粘貼面相對應的102a-102b按上述方法構成的簡單懸臂103，其一端103a安裝緊固於支座104a和104b上，另一端為自由端103b，在自由端上、下分別安裝了兩塊永久磁鐵110a和110b，在103懸臂的自由端103b上安裝一金屬球形觸頭108，採用的材料主要為鐵、鋼、鎳等，它們接受來自磁鐵110a和110b的磁力吸引，最後還有一光學元件106，例如三稜鏡，它被安裝在懸臂103的自由端靠金屬球觸頭處。
實施例2如圖1c所示，壓電雙晶振子150中，單個的金屬球108被兩個半球108a和108b取代，它們分別安裝在102a的自由端103b和102b的103b上，與上、下磁鐵110a和110b相對。150的操作與100基本一致。
未工作時，懸臂103的自由端103b因受上、下磁鐵的吸引力相等，可認為其處於亞穩平衡態，顯然這種亞穩態會因103懸臂的輕微擾動而失穩，懸臂103將向上或向下偏轉直到球體或半球體108與上或下磁鐵相接觸，這兩個位置是一穩定平衡態。
在工作過程中，不同的電壓沿電極面101a-101c被加到壓電片102a和102b上，使它們產生壓電伸縮而導致懸臂103產生彎曲。通常101b的電壓恆定，101c接地，通過改變電極101a的信號電壓，使施加於壓電片102a和102b的電壓發生變化。壓電懸臂103的彎曲方向相應地由施加於101a電極上的信號電壓的大小來控制。因懸臂緊固端103a被支座104a和104b所限制，所有的壓電形變由自由端103b承受，從而使懸臂在兩磁鐵110a和110b之間偏轉。採用這種方法，可精確、快速可重複地實現懸臂103的自由端103b偏轉的雙穩態控制。相應地使安裝在自由端103b上的稜鏡位置發生改變。如圖2a所示，當器件150置於「off」位時，稜鏡截不到信號光202。而當150向下置於「on」位時，稜鏡106發生位移截取信號光202，並使之偏轉(圖2b)。
實施例3如圖3a和3b所示，為1×2型光纖開關300的偏轉及安裝示意圖。圖3a為150置於向上的「off」位時稜鏡106不改變信號光光程示意圖。而當150置於向下的「on」位時可使信號光發生偏轉(圖3b)。在圖3a和3b中從信號光的輸入光纖302發射的信號光或複合信號光經準直透鏡303後變成平行光束進入稜鏡106，如圖3a所示。此時光纖開關300處於「off」位，光纖信號光或複合信號光202直線通過150位置，經透鏡305a聚焦後從輸出光纖304a處傳出。而當300處於「on」位時，信號光202經過150時發生偏轉，經透鏡305b聚焦後將從輸出光纖304b處傳出。
圖3c為本發明中信號光或複合信號光202通過稜鏡106時的光程示意圖。Φ1為入射角(入射方向與垂直入射面方向的夾角)，Φ2為出射角(信號光出射方向與出射面垂直方向的夾角)。
為確保發生輕微擾動或角度失配時，輸出光程的最大穩定性入射方向與出射方向之間的夾角δ隨入射角Φ1的變化應儘可能的小。當δ取最小值時，上述條件滿足，而此時Φ1+Φ2也取最小值。簡單的幾何分析表明對典型的三稜鏡當入射角滿足Φ1＝Φ2時，可使δ最小。圖3d為Φ2-Φ1與Φ1的關係圖，Φ1＝Φ2時，δ最小。從而可使穩定性和重複性最好。
實施例4圖4a所示為一差相延遲光纖開關180，它是基於壓電雙晶振子150的另一種光纖開關，在該器件中，採用光學半波片186取代三稜鏡。當180處於「off」時，半波片186處於信號光或光束傳輸位置。而180處於「on」時，半波片發生位移，截取信號光或光束，使之處於某一特殊光程方向。180的其它操作同150。差相延遲光纖開關180還可構成更為複雜的光路轉換設備，圖4b和4c為差相延遲光纖開關180的半波片186分別處於「慢」光及「快」光位置時的示意圖。圖4b和4c中的橢圓分別代表平面極性光沿不同的極性面方向通過半波片186時的折射率。當半波片旋轉90°時可使188a與188b的方向進行互換而不改變差相延遲開關180的其它操作。角度α190代表180從「off」態向「on」態轉變時，半波片186發生的角度變化。當180處於「off」位時，「快」光188b或「慢」光188a方向與水平方向的夾角為β192。
圖4b所示的結構中，半波片186的「慢」光188a及「快」光188b方向分別為水平與垂直方向。當180處於「on」位時，即半波片被置於截取信號光位置時，圖4b所示的結構可使平面極性義的極性平面偏轉45°。此時其「慢」光及「快」光方向與水平和垂直方向的夾角均為45°。而圖4c中當180處於「on」位時，其「慢」光與「快」光方向與水平和垂直方向的夾角均為45°，通過迴轉可使平面極性光的極性面從水平方向轉到垂直方向或相反。
實施例5如圖5a和5b所示，500和550是兩款1×4型的光纖開關。每個光纖開關中都包括多個級聯的壓電雙晶振子。無論是並聯的500還是串聯的550中都包括一條輸入光纖502及與之相接的準直透鏡503和4條輸出光纖504a-504d。每條輸出光纖都分別與一個聚焦透鏡相連。500和550倒過來使用時可轉變成4×1型的光纖開關(4條輸入光纖、一條輸出光纖)。
在圖5a所示的光纖開關500中，三組壓電雙晶振子150a-150c相近並行連接，使輸入的光束沿直線或發生偏轉，使之分別通過輸出光纖505a-504d傳出，而具體的光程由各壓電雙晶振子150a-150c所處的位置決定(「on」或「off」)。而550(圖5b)採用的是兩片壓電雙晶振子。
如圖5a所示，從光纖502輸入的信號光503準直透鏡後變成平行的信號光或光束508，通過第一組壓電雙晶振子150a時，根據150a所處的位置是「off」還是「on」，將沿垂直方向506a或轉向沿506b方向傳出。而沿506a和506b方向的信號光進一步通過150b和150c，並根據150b和150c所處的位置，使信號光分別沿504a-504d的方向通過其附帶的透鏡聚焦後從輸出光纖傳出。
在1×4型的光纖開關550中，只用了兩片壓電雙晶振子150d和150e，但150e中的三稜鏡106e比105d中的106d要大，同理，信號光512通過150d後將沿直線方向501a傳出或沿510b方向偏轉。510a和510b的信號光通過150e時，將根據其所處狀態「off」或「on」而使信號光垂直或偏向傳播。同樣經透鏡聚焦後，沿輸出光纖504a-504d傳出。
圖5a和5b所示的光纖開關通過並聯或串聯更多的壓電雙晶振子，可進一步構成更多通道的光路轉換器。而採用單個光纖開關500或550亦可成功地實現信號光的偏轉，並沿非平行方向傳播，從而實現信號光的三維空間傳輸，進一步節約空間，增加使用的靈活性。550與500相比有使用元件少的優點，更利於設計製造，使結構更為緊湊，而500與550相比則不需更大尺寸的三稜鏡。
實施例6
圖6a和6b為光路迴轉器600的側視圖和俯視圖。該迴轉器採用前述180差相延遲光纖開關，可使光路沿順時針或逆時針方向旋轉。圖6a和6b中，615為光程密封套，而601、602、603和605是被615分隔密封的四個光路埠。通常它由光纖及其它信號光的輸入輸出設備(例如窗口)構成。
圖7為圖6a和6b中埠A601，B602，C603及D604左側示圖。從圖6a和6b可見，在密封套的尾端每個埠安裝有一個準直透鏡(605-608)，使從這四個埠601-604發射的光與迴轉器600的主軸方向平行傳播。
本說明書中，定義圖6a和6b中沿600主軸方向從左至右的方向為正方向。
密封套615的尾端與第一個雙折射的出射片609相接，它的作用是將從埠601-604入射的每一個信號光線性地分離成兩個極性的主信號光；一個最裡面的和一個最外面的子信號光。
這種信號光的分離伴隨光程的偏轉或相消，從而導致反常光e光的產生。由埠A601和埠B602產生的最外面和最裡面的子信號光分別由e-光和o-光構成，由埠D604產生的最外面和最裡面的子信號光分別由o-光和e-光構成。
在密封套的相對一側與第一個雙折射片609相連的是兩個光轉子610和611。這兩個光轉子可使極性光平面方向旋轉90°。在本實施例中，610和611均由半波片構成。光轉子610的作用是使產生或到達埠A601和埠B602的最外面的子信號光發生偏轉。而光轉子611則使產生或到達埠C603和埠D604的最外面的子信號光發生偏轉。
可逆光轉子610和611的另一側與第二個雙折射片612相連，出射片612的厚度與方向根據埠與埠中心的距離來選定，使之對通過的光產生補償作用。
第二個雙折射片612的另一側與一可逆光轉子616及一非逆光轉子617相連，如圖6b所示。可逆光轉子616隻截取發自或達到埠A601和埠C603的所有子信號光，並使通過的子信號光的極性平面方向沿順時針方向旋轉45°。而非可逆光轉子617隻截取(偏轉)發自或達到埠B602和埠D604的所有子信號光，並使之沿逆時針方向旋轉45°。
可逆光轉子616或非可逆光轉子617的另一側與一90°可換向的光轉子618相連。90°光轉子618可使產生或到達某二個埠的子信號光的極性面發生偏轉，如圖6b所示。當618與非可逆光轉子617相連時，它僅使發自或到達埠B602和埠D604的所有子信號光的極性面發生偏轉。而當618是與可逆光轉子616相連時，則它只會使發自或到達埠A601和埠C603的子信號光的極性面發生偏轉。
光轉子616和617的另一側與透鏡613相連，而鏡子614則安裝在與616與618相對應的另一側的透鏡613的焦平面上。
90°換向光轉子618有兩種工作狀態第一種狀態可使發自或到達某兩埠的極性光的平面方向旋轉90°。而第二種狀態則不會使這些子信號光發生偏轉。在本實施例中90°換向光轉子618由差相延遲光轉子180的半波片186構成(圖4a)。圖6c為600光路迴轉器中光轉子618與差相延遲光纖開關180位相關係及其它元件的示意圖。在本實施例可換向的光路迴轉器600中，90°換向光轉子618的第一和第二狀態分別對應其非偏轉和偏轉態。而這兩種狀態由光纖開關180的穩定平衡態控制，此處包含光轉子618的半波片的「快」光與「慢」光方向被分別設定為水平和垂直方向(或相反)。
迴轉器600的操作如圖8和圖9所示。圖8和圖9是6a及圖6b中標記為各截面U-U，V-V，W-W，X-X和Y-Y處側視圖。圖8為迴轉器600中90°換向光轉子處於第一狀態，即「off」或非迴轉態情況下的斷面圖。圖9則為迴轉器600中90°換向光轉子處於第二狀態即「on」或迴轉態時各面位置的斷面圖。圖8及9中標號圓中心代表子信號光在600中傳輸時各埠圖相位置在各相應斷面上的投影，不同大小的同心圓代表子信號光的疊加或共同傳播，同心圓的大小沒有明顯的物理意義，各圓的「鉤刺」代表各極性子信號光的極性面的方向。帶二組「鉤刺」的圓代表非極性或隨機極性的不同線性極性方向的疊加。
每個斷面(側面)圖上「十」代表透鏡613中心沿平行於迴轉器主軸方向在各斷面位置的投影。
在下述討論中可以看到，由於迴轉器600中的鏡面614的反射使同一子信號光在各斷面出現兩次，圖8-9中，大寫字母代表向前傳輸方向(沿主軸正方向)，而小寫字母代表反傳輸方向(沿主軸負方向)。
信號光及其子信號光在可換向的光路迴轉器600處於第一狀態時的傳播如圖8所示。從U-U面斷面圖800可見，從埠A601，B602，C603和D604發送的非極性光，經過605-608之一的某準直透鏡後變成平行光束，通過第一雙折射片609後分離成沿水平方向和垂直方向的兩個極性子信號光。圖8中，子信號光A810，B812，C814和D816代表分別從埠A601，B602，C603和D604處發射來的水平極性子信號光，而子信號光A』811，B』813，C』815和D』817代表分別從埠A601，B602，C603和D604處發射來的垂直方向的極性子信號光。值得一提的是，此「垂直」與「水平」的概念是相對的，並不意味著空間方向的水平與垂直。
通過第一雙折射片609的四個垂直方向的子信號光A』811，B』813，C8』15和D』817為e-光(反常光)，因而其方向相對水平方向的極性子信號光方向810、812、814和816發生偏轉。通過第一個雙折射片609後，四個最外的子信號光A』811，B』813，C814和D816再通過90°換向光轉子610或611使其極性面的方向旋轉90°。因此，如圖W-W』802所示，子信號光A』811，B』813的極性面方向從垂直方向轉到水平方向，而子信號光C814和D816的極性面方向則從水平方向轉到垂直方向。
通過可逆光轉子610和611後，所有的子信號光再通過第二雙折射片612。四個垂直方向的子信號光C』815，D』817，C814和D816因是e-光，通過雙折射片612時發生偏轉，而水平方向的極性子信號光A』811，B』813，A810及B812為o-光，不發生偏轉。雙折射片612的方向和厚度使e-光通過雙折射片的偏移剛好等於埠與埠中心之間的距離，從而使子信號光C』815和C814通過雙折射片612後，剛好與子信號光A』811，A810相疊加，而子信號光D』817和D816則分別與B』813和B812相疊加。如圖8中X-X』803所示。
從雙折射片612射出後，各相互疊加的子信號光A』811和C』815，A810和C814，B』813和D』817以及B812和D816沿各自路徑傳輸，其中兩組子信號光A』811，C』815，以及A810和C814為從埠A和C產生的子信號光，通過45°可逆光轉子616，其極性面方向相對傳播方向沿順時針方向旋轉45°，而從埠B和D產生另兩組子信號光B』813，D』817以及B812和D816，通過非可逆光轉子617，其子信號光的極性面方向沿傳播方向逆時針旋轉45°。Y-Y』斷面圖804中的「鉤刺」示出了各子信號光極性面的方向。
四組子信號光通過透鏡613後在鏡面614處聚焦，而鏡面614使各子信號光發生反射，在回程中再通過光路迴轉器600。
Y-Y』的截面圖示出了各組相互疊加的子信號光反回時進入可逆光轉子616和非可逆光轉子617前的圖像位置，通過透鏡613的聚焦和重準直後子信號光圖像的位置發生了反轉，因而再次進入616和617時的子信號光B812與D816和向前傳播時的A』811，C』815的位置完全一樣。同理，回程中的A810與C814，B』813與D』817及A』811，C』815分別對應向前傳播時的子信號光對B』813與D』817與C814及B812與D816。
由於透鏡613的反轉特性，每組反回來的子信號光將進入迴轉器600的光轉子一可逆光轉子616或非逆光轉子617。其中子信號光B812，B』813，D816和D』817通過可逆光轉子616，因而其光線的極性面沿順時針方向旋轉45°。因為616為一可逆光轉子。這些子信號光在回程中通過616時，從左側方向看相當於沿迴轉器軸沿逆時針旋轉了45°。而子信號光A810，A』811，C814和C』815將通過非可逆光的光轉子617，因而其光線的極性面沿逆時針方向旋轉45°(因617為非可逆的光轉子，子信號光的極性面的迴轉方向總是沿逆時針方向)。因而通過光轉子616或617或子信號光的極性方向都沿水平或垂直方向(如圖X-X』806所示)。如果將迴轉器616置於其第一狀態(「off」)時，在通過斷面Y-Y』和X-X』時，光轉子618將不引起子信號光極性面的迴轉。
在回程中通過第二個雙折射片612時，垂直方向的極性子信號光B812，C814，B』813和C』815因是反常e-光而發生偏轉。而水平方向的子信號光D816，A810，D』817和A』811是正常的o-光不發生偏轉。因而，通過雙折射片612後，原來相互疊加的子信號光發生分離。而子信號光B812，C814，B』813和C』815的偏轉方向與正向傳播時C』815，D』817，C814及D816方向一致。如圖W-W』807所示。
從第二個雙折射片612射出後，最外面的回程子信號光D816，A810，B812和C814以偏轉e-光、而水平方向的極性子信號光D』817，A』811，B』813和C』815以非偏轉o-光通過609。通過雙折射片的回程中發生偏轉的子信號光D816，A810，B812和C814與第一次正向傳播的子信號光A』811，B』813，C』815和D』817的方向嚴格一致。因此，垂直和水平方向的極性子信號光A810和A』811，B812和B』813，C814和C』815，以及D816和D』817在準直透鏡605-608位置複合，如圖U-U809所示。因此，從圖可見，原來從埠A，B，C，D產生的信號光被分別轉換到埠B，C，D和A。在這種模式中，迴轉器600處於第一狀態，即「off」狀態，它使信號光沿順時針方向旋轉。
圖9示出了可換向的迴轉器600出於其第二態，即「on」狀態時的操作方式。這種狀態下，可90°換向的光轉子618使通過的信號光的極性平面方向發生90°旋轉，如圖9中903-904，905-906所示，從截面903到截面904時，子信號光B812，B』813，D816，D』817同時通過非可逆光轉子617和90°換向光轉子618，這四個子信號光的極性面方向在通過非可逆光轉子617時先逆時針旋轉45°。然後在通過光轉子618時，再旋轉90°，這兩次旋轉的總效果相當於子信號光B812，B813，D816和D』817從截面903傳到904時沿順時針方向旋轉45°。而子信號光A810，A』811，C814和C』815如圖8所示，在通過迴轉器616時只簡單地沿順時針方向旋轉45°。
在通過截面Y-Y』905到達截面X-X』906時，子信號光A810，A』811，C814和C』815都通過可90°轉向的光轉子618，隨後再通過非可逆光轉子617。因此，這四個子信號光將在通過618是旋轉90°，再在通過617時沿逆時針方向旋轉45°，總的效果相當於沿順時針方向旋轉45°(如圖6a-6b的左端看)。
當可換向的光路迴轉器600處於第二狀態，即「on」位時，與其處於「off」相比，子信號光810-817的極性平面方向將再旋轉90°。對比圖907、908和909與807、808和809可明顯地看出它們之間相差90°。由於這附加的90°迴轉，子信號光在回程通過第二個雙折射面時，正常光o-與非正常光e-光的位置發生互換。因而，600處於「on」位時，子信號光D816，A810，D』817和A』811在回程通過第二個雙折射片612時，發生偏轉(圖9)，而在「off」位時，發生偏轉的是子信號光B812，C814，B』813和C』815(圖8)。總之，當可換向的光路迴轉器600處於其第二狀態，即「on」位時可將埠A，B，C，D的信號光分別轉換到埠D，A，B和C，即使光信號光發生了逆時針旋轉。
圖10a為四端光路迴轉器1000的運作示意圖。在迴轉器1000中，從埠A1002輸入的光將從埠B1004輸出，從埠B1004輸入的光將從埠C1006輸出，從埠C1006輸入的光將從埠D1008輸出，從埠D1008輸入的光將從埠A1002輸出，這是一個順時針運作過程。而圖10b為可換向的光迴轉器600的運作示意圖。它處於「off」位時，600沿順時針方向使信號光發生迴轉，而它處於「on」位時，600沿「逆時針」方向使信號光發生迴轉。光路迴轉器600的「順時針」或「逆時針」態由可90°轉向的光轉子618控制。當可90°轉向的光轉子618處於其「on」位時，迴轉器600按，逆時針」運作。當光轉子618處於其「off」位時，迴轉器600按「順時針」運作。當此處採用的可轉向的光轉子618為半波片差相光纖開關180時，迴轉器600可以一個毫秒的速率，實現上述兩種迴轉狀態的轉換。
實施例7如圖11a、11b所示，光道分離器1100中，大多數光學元件的型號及位置都與光路迴轉器600相同。因而標註方式與圖6a、6b相似。不同的是光道分離器1100中沒有可逆光轉子616或非可逆光轉子617，而採用一個非線性幹涉儀1114取代了鏡面614。與此同時，可90°轉向的光轉子採用了半波片差相延遲光纖開關180(圖11c)非線性幹涉儀1114具有下述特性，當被反射的信號光是多個線性的極性光交織組成的複雜光時，其中第二套光的極性平面方向在反射時發生90°轉向。而與之交織的第一套光的極性平面方向在反射時極性方向不變。
在下面的討論中，那些與非線性幹涉儀相互作用，其極性方向偏轉的光以「偶數」標記，不偏轉的光以「奇數」標記。
與圖8-9相類似，圖12-15給出了可逆的光道分離器1100中信號光通過各截面時的位置和極性方向。圖12和13分別為分離器1100處於其第一狀態時，奇數光與偶數光信號光的傳播狀態圖，而圖14和15則分別為分離器1100處於第二狀態時，奇數光與偶數光信號光的傳播狀態圖。第二狀態指其中的90°換向光轉子618使極性光的極性平面發生轉向的狀態。
圖12-15給出的分離器1100運作的基本原理與與圖8-9示出的迴轉器600相似，因此，此處不再重複。不同的是，圖12和13中因可90°轉向的光轉子618並未安裝，因而橫側面圖1203與1204，1205與1206(圖12)，以及1303與1304，1305與1306(圖13)是一樣的。而圖14和圖15中則安裝了可90°轉向的光轉子618，這從1403與1404，1405與1406(圖14)，或1503與1504，1505與1506(圖15)橫側面圖上可明顯看出這一差異。
還值得一提的是，在圖13與15中，偶數信號光的極性面從1304到1305和從1504到1505時發生了90°迴轉。
圖16a和圖16b分別為可逆的光道分離器1100的兩種運作示意圖。如圖16a所示。第一套不同波長的光及與之相對應的光通道的連接為從埠A到埠B和從埠C到埠D。第二套不同波長的光及與之相對應的光通道的連接為從埠A到埠D和從埠C到埠B。為了方便起見，前者稱之為「奇數」光道，後者稱之為偶數光道。
例如一套n個不同波長的λ1，λ2，λ3.......λn的光從光分離器1100(處於第一狀態)的埠A輸入時，第一套「奇數」光λ1，λ3.......λ5被傳到埠B，而第二套「偶數」光λ2，λ4，λ6........則被轉到埠D。相似地，當另一套n個不同波長的光λ1′，λ2′，λ3′.......λn′從分離器1100(第一狀態)的埠C輸入時，第一套「奇數」光λ1′，λ3′，λ5′被傳到埠D，而第二套「偶數」光λ2′，λ4′，λ6′.......則被轉到埠B。因此，當分離器1100處於第一狀態時，從埠B輸出的光包括從埠A傳來的「奇數」光λ1，λ3，λ5.......和從埠C傳輸來的「偶數」光λ2′，λ4′，λ6′........。而從埠D輸出的光包括從埠C傳來的「奇數」光λ1′，λ3′，λ5′......和從埠A傳來的「偶數」光λ2，λ4，λ6........該光道分離器還能以類似地操作方式反方向運作，即將埠B和D作輸入端，而埠A和C作輸出端，即可「可逆」操作。
圖16b為可逆的光道分離器1100處於其第二狀態位時的運作圖，在這種狀態下，從埠B輸出的光包括從埠A傳來的「偶數」光λ2，λ4，λ6.......和從埠C傳來的奇數光λ1′，λ3′，λ5′.......；而從埠D輸出的光包括從埠C傳來的「偶數」光λ2′，λ4′，λ6′.......和從窗口A傳來的奇數光λ1，λ3，λ5...。
可逆的光道分離器1100的運作方式由可90°轉向的光轉子618控制。當可90°轉向的光轉子618處於「on」位時，它使通過的平面極性光的極性方向發生90°迴轉，即此時光分離器1100處於第二狀態，而當光轉子618處於「off」位時，極性光的極性方向不轉向，即光道分離器1100處於其第一狀態。當可90°轉向的光轉子採用的是半波差相延遲光纖開關180時，可使光道分離器1100以接近一個毫秒的速率進行上述兩種狀態的轉換。
實施例8如圖17所示，為一種可自動切換的光路恢復開關1700，這種開關中採用了可換向光路迴轉器600，它通過埠A，B，C，D方便地與輸入通信線1702、輸出通信線1704、輔助通信線1710和探測器連線1708相連。探測器連線的另一端與光探測器1712相連。而探測器1712通過電路或電線1714與迴轉器600中的可90°換向的光轉子618相連(圖中未示)。在通常的運作情況下，自動切換光路恢復開關1700中的迴轉器600處於「off」位，因而從輸入線1702通過埠A輸入的信號光經順時針方向迴轉後，將通過埠B從輸出線1704輸出，在這種情況下，輔助通信線1710不起作用，無信號光傳到光探測器1712。
假如在輸出通信線1704中某處存在斷點，由於在恢復開關1700與光路斷點之間沒有光絕緣，因而信號光將從斷點返回，通過1704回到迴轉器600，這些返回的信號光或其它信號光將通過埠B輸入到迴轉器600中，因為迴轉器600在返回的信號光輸入時處於「off」狀態，因而這些返回的信號光將沿「順時針」方向迴轉到埠C，再通過光纖1708傳到光探測器1712。當光探測器1712探測到這些返回的信號光後，它通過1714發送一個電信號，使可90°轉向的光轉子618切換到「on」態，從而使迴轉器600處於「on」態。通過這一轉換，從通信線1702通過埠A輸入的光線將沿逆時針方向被轉到埠D和輔助通信線1710。這樣恢復開關能自動地將從1704斷點處的信號光換到輔助線1710上。
實施例9圖18為本發明的實施例一種旁路光纖開關的示意圖。採用這種旁路開關可方便地在通信線路中插入或繞過網絡組件1812。這種光纖開關1800中採用了一個可換向的光迴轉器600，它通過埠A與輸入線1802相連，通過埠B與輸出線1804相連通過埠C和D與光路1808與1810相連。而1808與1810與網絡組件1812相連，此網絡組件可能包括一個或多個光或光電器件，如光濾波器、光衰減器、光放大器、光增/減器、分散補償器、轉換器、波長偏移器等。
當處於其第一狀態，即「off」時，光纖開關1800中的迴轉器600交來自輸入線1802通過埠A傳入的信號光沿「順時針」方向引入到埠B，再從輸出線1804傳出。這種方式下，這些信號光完全繞過了網絡組件1812。處於第二狀態即「on」態時，從輸入線1802通過埠A傳入迴轉器600的信號光將沿逆時針方向被轉到埠D，再通過光連接線1810接到網絡組件1812上，1812對某一或某幾種信號光條件發生響應，並對來自1810的信號光進行加減，限制、調製後再進入連接線1808，因而從網絡組元1812輸出的信號光不一定與從1810輸入的信號光相同。通過1808從網絡組元1812輸出的信號光再被傳送到埠C，再通過迴轉器600將之轉到埠B，從輸出線1804傳出。採用這種方式，在一個毫秒內可按需要讓信號光接入或繞過網絡組件1812。
總之，本發明揭示了一種採用壓電雙晶振子進行光路轉換的方法和設備。這些光路轉換器件包括採用單一機電耦合器件設計的1×2型的光纖開關及由單個光纖開關通過級聯構成的多路L×N型複式光纖開關；一種可換向的光路迴轉器；一種可逆的光道分離器，一種光路恢復開關和一種旁路光纖開關。根據本發明製得的這些光學器件具有性能穩定，可反覆操作，與其它機械開關相比，轉換速率高，對輕微的擾動和光失配敏感度低的優點。本發明設計的這些光器件結構緊湊，因面通過級聯可組成更複雜的光器件，並允許光束或信號光在多元空間沿軸向偏轉傳播。
權利要求
1，一種採用壓電雙晶振子進行光路轉換的方法，其特徵在於將信號光導引入一個至少由一個壓電雙晶振子構成的光纖開關、可換向的光路迴轉器、可逆的光道分離器、可自動切換的光路恢復開關、光纖旁路開關等光路轉換設備，使信號光在傳導、進入光通道、切換等過程中發生偏轉換向；
2，根據權利要求1所述的採用壓電雙晶振子進行光路轉換的方法，其特徵在於其中信號光的傳導，具體步驟是(1)，將從一個可90°轉向的光轉子構成的光路迴轉器的一埠引入的一束信號光分離成一束複雜的子信號光；(2)，使用一個可90°轉向的光轉子構成的光路轉換器使部分複雜子信號光的極性方向發生偏轉；(3)，使已發生轉向和未發生轉向的複雜子信號光反射回來並倍增；(4)，使已發生轉向或未發生轉向的複雜子信號光合併成一束信號光，並將這束信號光從第二個埠傳出。
3，根據權利要求1所述的採用壓電雙晶振子進行光路轉換的方法，其特徵在於其中信號光進入不同光通道，具體步驟為(1)，使用包含可90°轉向光轉子的光纖開關，將信號光分離成複雜的子信號光；(2)，在不同的複雜的子信號光之間引入相差；(3)，使不同的複雜的子信號光發生反射；(4)，使經反射的複雜子信號光複合。
4，根據權利要求1所述的採用壓電雙晶振子進行光路轉換的方法，其特徵在於其中信號光的切換，具體步驟包括(1)，確定輸出端通信線上存在斷點；(2)，向可換向的光路迴轉器發射一電信號，將迴轉器上的光纖開關置於截取信號光的位置；(3)，使截取的信號光偏轉到輔助通信線上。
5，一種採用壓電雙晶振子方法使信號光發生光路轉換的設備，其特徵在於由壓電雙晶振子組成的光纖開關或由光纖開關與其它光學元件構成的信號光的輸入輸出機構連接組成。
6，根據權利要求5所述的光路轉換設備，其特徵在於其中，由壓電雙晶振子組成的單個光纖開關，包括一個由一種壓電材料製成的懸臂，懸臂由相向的兩表面和兩端構成；具有至少一個與懸臂配套使用的電極，它給懸臂相向的上下兩表面提供不同的電壓；一個用於支撐與鎖固懸臂的支座；一個與懸臂自由端相接的凸面觸頭；一個安裝在懸臂自由端下表面上的用於信號光偏轉的光學元件組；與懸臂上表面上凸形觸頭相接近的上磁塊和與懸臂下表面上的凸形觸頭相接近的下磁塊，其中所述的懸臂，由第一片壓電片與第一片壓電片平行相向相貼的第二片壓電片組成；所述的電極，包括第一電極， 位於第一與第二壓電陶瓷片的中間；第二電極，位於第一壓電陶瓷片上與第一電極相對的另一側面上；第三電極，位於第二壓電陶瓷片上與第一電極相對的另一側面上；所述的光學元件，為可90°轉向的光轉子，例如三稜鏡。
7，根據權利要求5、6所述的光路轉換設備，其特徵在於所述的光纖開關的懸臂上的觸頭，為裝在懸臂自由端上表面的第一個半球形觸頭和安裝在懸臂自由端下表面上的第二個半球形觸頭。
8，根據權利要求7所述的光路轉換設備，其特徵在於所述的光纖開關的懸臂上的可90°轉向的光轉子，為半波片。
9，根據權利要求5所述的光路轉換設備，其特徵在於其中，由壓電雙晶振子組成的複式光纖開關，由多個如權利要求8所述的單個光纖開關按並聯或串聯而成。
10，根據權利要求5所述的光路轉換設備，其特徵在於信號光的輸入輸出機構，包括一種可換向光路迴轉器，它的結構是由第一個雙折射片；與第一個雙摺片配套使用的第二個雙摺片和至少一個可逆或非可逆的90°光轉子相連；還有一個透鏡，與至少一個可逆或非可逆的光轉子及如權利要求8、9所述的光纖開關相連；與透鏡相連的還有一塊使複雜的子信號光經反射後倍增返回的鏡片。
11，根據權利要求5所述的光路轉換設備，其特徵在於其輸入輸出機構，包括一種可逆的光道分離器，它的組成是第一個雙折射片和第二個雙折射片與第一、二個光轉子相連；一個單個光纖開關，在第一、二個光轉子及第一個雙折射片相對一側與第二雙折射片相連；還有一個非線性光學幹涉儀，安裝在所述光纖開關及第二片雙折射片相對一側的透鏡的焦平面上，在不同光通道之間引入相位差。非線性幹涉儀包括第一片與第二片光學玻璃，這兩塊玻璃之間形成一空腔，空腔內設有一個使通過不同光通道的信號光發生相移的相位偏離器；在兩玻璃片的內表面塗覆一層能使信號光的通帶寬化的光反射塗層；
12，根據權利要求11所述的光路轉換設備，其特徵在於可逆的光道分離器中的非線性幹涉儀在第一片與第二片光學玻璃形成的空腔內置有一塊使通過不同光通道的信號發生相移的玻璃片。
13，根據權利要求12所述的光路轉換設備，其特徵在於可逆的光道分離器中的非線性幹涉儀在第一片與第二片光學玻璃形成的空腔內，第一反射塗層位於第一片玻璃片內側，第二反射塗層位於第二玻璃片內側；位於空腔內使信號光產生延時的第一塊玻璃片及位於空腔外使信號光產生延時的第二塊玻璃片，通過第一次反射，第一次光延時和第二次光延時使分離通道中的一束信號光分離成兩束，這兩束信號光之間有非對稱的交錯通帶。
14，根據權利要求5所述的光路轉換設備，其特徵在於信號光的輸入輸出機構，還包括一個可自動切換的光路恢復開關，它包括一個如權利要求10所述的可換向的光路迴轉器，一根與可換向的光路迴轉器的第三埠相連的探測器連線，一個通過探測器連線與光纖開關相連的光探測器，一根連接光探測器與可換向光路迴轉器的電線；
15，根據權利要求5所述的光路轉換設備，其特徵在於所述的信號光的輸入輸出機構，還包括一種光纖旁路開關，它由一個如權利要求10所述的可換向的光路迴轉器，與迴轉器第三個埠相連的第一條光纖；與迴轉器第四個埠相連的第二條光纖組成。
全文摘要
本發明涉及光纖通信,包括:通過光路轉換設備包括光纖開關,可換向的光路迴轉器和可逆的光道分離器等設備對信號光進行轉換、傳導、切換,信號光轉換,其步驟是將信號光導引入一個至少由一個壓電雙晶振子構成的光路轉換器,通過該光路轉換器使信號光發生偏轉、換向。它具有操作穩定可重複,轉換速度快,對信號光的輕微攏動及失配敏感度低等優點。
文檔編號H04B10/12GK1289191SQ0011947
公開日2001年3月28日 申請日期2000年7月19日 優先權日2000年7月19日
發明者陳偉成, 李毅, 李承恩, 賀連星, 傅敏禮, 倪煥堯, 鮑軍 申請人:上海聯能科技有限公司