專利名稱：光纖開關組件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光導開關組件以及用在該組件中的用于偏轉從發射波導發出的輻射的轉向裝置，以便將發射波導發出的輻射導向至選定的接收波導。

發明內容
本發明面臨的一個主要問題是提供一種快速開關，該開關對于大數量的端口具有低插入損耗(高耦合效率和低交擾)，同時形成一種易于制造的緊湊設計。涉及的問題在于提高光纖開關組件的開關能力但不增大開關的物體尺寸。本發明的至少一個優選實施例尤其是針對此類問題而設計的。
根據本發明的主要方面，光束開關組件包括(a)與第二組光導分開的第一組光導，和(b)各個轉向裝置，促使從第一組光導中選定的發射光導發出的輻射光束偏轉，從而被第二組光導中選定的接收光導接收；其特征在于所述的每個裝置包括用于準直從發射光導發出的光束的準直裝置和用于移動準直裝置或導致準直裝置和發射光導之間相對移動、從而導致偏轉的裝置。
后一種配置的優點包括對于一種相當小的運動(既可以是準直裝置的運動，也可以是發射光導的運動)都有較大的偏轉以及由于較低的慣性所致的較高的開關速度。例如，在光纖的端部經受橫向移動以偏轉出射光束的情況下，端部具有較小的慣性，并且可以以較高的速度進行較寬的偏轉。這對設計具有高的光纖封裝密度的開關組件有益。
光導例如可以是一種傳導激光的光纖，或由硅或氣體電介質材料制成的傳導紅外光的光導。這些光導(例如光纖)可以分布在開關組件中，使得輻射的出射光直接在分開的發射和接收光纖組之間的空間中投射。或者，也可以把它們布置成相同的陣列，其中輻射光束從發射光纖組投向反射器，該反射器將光束返回到接收光纖。(此處通過舉例的方式論及光纖，也可以以該方式論及其它形式的光導)。
轉向裝置例如可以包括一種壓電傳感器，該傳感器偏轉發射光纖的端部，使得輻射(從光纖發出)在準直透鏡的焦平面上移動。或者，可以固定發射光纖的端部，并且可以相對于其移動準直透鏡，使得透鏡的焦平面圍繞光纖的端部運動，產生相同的效果。或者，發射光纖的端部可以有一種與之形成一體或連結的準直透鏡，使得光纖和透鏡可以一起移動，從而產生相同的效果。
取代使用壓電傳感器，可以使用靜電偏轉裝置，從而既可以相對于固定透鏡移動光纖，也可以相對于固定光纖移動透鏡。例如，可以將光纖端部的表面金屬化或給予一些其它的導體涂層，以致于形成一個可移動靜電“片”，該片與一個與其相鄰的固定靜電“片”相結合。
在用壓電傳感器造成移動的時候，可以是一種“箔片型”，壓電傳感器，該傳感器的梳齒狀陣列的指狀接頭連結致動元件，如箔片，用于產生光纖或透鏡系統的正交位移。這種箔片和梳齒可以以層狀矩陣的方式組裝。
或者，壓電傳感器可以是一種“整體型”，其中每個傳感器由壓電材料制造，有一個具有縱軸的主體，主體具有與縱軸對齊的導體帶，從而限定各個壓電傳感器部分，這些壓電傳感器受到激勵時在不同的徑向發出各自的橫向運動。這提供了一種在正交軸向的最終運動。多個這樣的主體可以組裝成一個列陣。主體可以有一個與其縱軸對齊的芯，芯中收容光纖，由此相對于縱軸產生光纖的彎曲。或者，把主體連結到相對于固定光纖移動的準直透鏡。
下面將要詳細描述的“箔片型”和“整體型”壓電傳感器，可以設計成比現有技術的布局提供更大的光束偏轉，具有較小的慣性，在大量的光纖之間實現更快的切換并提供較高的光纖封裝密度。
最好采用位置感應反饋裝置感應移動量，并提供一個反饋信號。這被用在控制系統中激勵傳感器，以便確保發出的輻射瞄準正確的接收光纖，進行所需的開關連結。
最好采用電容性反饋系統。例如，光纖端部有一個導體涂層(做為一個“電容器板”)并相對于固定導體軌道(充當另一個“電容器板”)移動。“電容器板”一詞一般是指任何元件、表面或與插入的“電介質”(可以是空氣、液體或氣體流，或其它的一些電介質材料)一起在固定和移動元件之間形成良好的電容耦合的結構。
在本發明的優選實施例中，絕緣板上的導體軌道排列成層，形成位置感應反饋系統的一組固定電容板；各個光纖的移動端部具有導體涂層以形成另外的板。或者，一個導體板與透鏡一起移動，另一導體板固定在光纖上。這些軌道可以垂直交叉，使得與各條光纖相關的導體軌道對可以被查詢或編址，從而感應到與光纖端和透鏡系統之間相對位移成正比的電容的變化。在優選實施例中，使用一種對角尋址系統，可以被選擇性地激勵和開關以便探測涉及光束偏轉量的瞬間電容值。
當利用整體式傳感器(壓電材料)時，可以使棒狀形狀較短且較粗，由此限制與縱軸的連結。在此情況下，可以利用機械杠桿裝置，在施加動作之前放大傳感器的運動，所說的動作將導致準直透鏡和光纖端部之間的相對運動，或移動連結有準直透鏡或與其形成一個整體的光纖的端部。最好這種杠桿裝置包括一個萬向支架和一個位于壓電材料傳感器的主體端部和萬向支架上與樞軸隔開的點之間的延伸棒。在后一種情形中，準直器為光纖端的一部分或與其連結，萬向支架最好處于準直器主體上以提供最佳的出射光束偏轉量。


下面將參考附圖對本發明的實施例進行描述。
圖1是用于移動光纖的箔片型裝置的實施例剖面圖；圖2是整體型裝置的類似剖面圖；圖3是表示支撐光纖的箔片致動帶(由壓電材料致動器驅動)的透視圖；圖4是箔片型子組件的剖面圖；圖5和圖6是包括4個透鏡的4端口開關組件的不同透視圖，表示連結到箔片帶的壓電梳齒，用于在透鏡的焦平面上移動光纖(為了簡化解釋，圖中只示出了4個端口，實際當中可以采用多個端口)；圖7a-7d是表示整體式致動器制造步驟的透視圖，圖7e是平面圖；圖8表示一組整體式致動器和透鏡；圖9是帶有一個透鏡陣列的整體式致動器組的剖面圖(當使用六角陣列的光纖和致動器時)；圖10表示用在反射型開關組件中的圖9所示的子組件，其中反射型開關組件中的輻射通過半鍍銀反射鏡投射到CCD上；圖11表示用在透射型開關組件中的圖9所示的子組件，其中透射型開關組件中的輻射從發射光纖直接通向接收光纖，圖11a和圖11b是進一步解釋的簡圖；圖12是表示電容感應配置的剖面圖；圖13a-13b表示電容感應的另一實施例；圖14是電子元件簡圖；圖15表示下面詳細解釋的對角線開關技術；圖16表示連結的光纖和一體的準直透鏡；圖17表示整體型準直器布局；圖18表示準直器的萬向支架；圖19表示另一種萬向支架；
圖20表示傾斜萬向支架和準直器的放大效果；圖21表示準直器的萬向及平移支架的箔片型連結結構的具體部件；圖22表示三角形陣列上壓電管型致動器陣列；圖23a和23b是利用活動透鏡和固定光纖的實施例側視圖；圖24是利用活動透鏡和固定光纖的后一種實施例立體圖；圖25表示一組圖24中所示裝置的布局；圖26a-26e表示五層64端口箔片型開關組件的平面圖中五個不同箔片設計的實例；圖27是壓電梳齒致動器的透視圖；圖27a詳細表示電子連結器，圖27b表示圖27a所示壓電梳齒致動器的具體連結；圖28a-28e表示五層壓電梳齒陣列和箔片布局的每個不同的平面圖；圖29表示開關(包括64個端口)的子組件(箔片型)，和圖30表示開關子組件(箔片型)的后視圖；圖31a-31c是整體型致動器的子組件立體圖；圖32和33均表示另外的開關組件；和圖34表示與隔開的發射和接收光纖一起使用的圖38所示的兩個組件。
具體實施例方式
圖1表示例如可以用于移動光纖的“箔片型”裝置。在每個裝置中，壓電傳感器元件1a、1b；2a、2b形成各組固定于支撐單元3一端的梳齒結構的指狀接頭。指狀接頭的端部固定到各個箔片4a、4b，成對的梳齒狀結構位于各個光纖5a、5b的相對側。每個光纖、如光纖5a通過粘結劑6a的墊圈或光纖被金屬化之后采用的焊料連結固定到箔片4a上。壓電傳感器元件1a、1b；2a、2b在相同的方向彎曲(平行)，從而向各個光纖實施“推/拉”運動(在兩個正交方向其中的一個方向上)。其它的壓電材料元件(未示出并且垂直于前面的元件分布)在類似的方向彎曲，從而向各個光纖實施“推/拉”運動。結果提供給光纖具有在正交方向兩個運動自由度。因此，通過光纖5a并離開端部5a’的輻射可以在x-y平面上任何地方偏轉。“輻射”可以是激光，或者是從LED發出的光，但也可以是其它形式的電磁能量。
圖2表示“整體型”結構，其中每個壓電傳感器元件7a、7b有一個柱狀或棒狀主體，其中心芯沿收容光纖5a、5b的縱軸。每個壓電傳感器元件7a、7b的一端牢固地固定到支撐單元3，做為主體相對于縱軸彎曲的結果，自由端可以自由移動(解釋如下)。附圖還表示與壓電元件的電互連8a、8b。與利用箔片型一樣，離開端部5a’的輻射被光纖5a在x-y平面偏轉。
圖3詳細表示改型的“箔片型”結構放大圖。在此情形中，每個箔片處于帶狀形式，如彼此垂直延伸并終止于襯墊9c一端的9a、9b，光纖5a穿過襯墊9c并通過襯墊粘結劑6a或如果光纖被金屬化之后使用的焊料連結固定。圖3表示三種不同的配置，即帶狀箔片9a、9b在不同的地點(并在9b與襯墊交接之前形成兩個直角)與襯墊9c交接。帶的另一端連結到壓電材料梳齒狀結構的指狀接頭2c、2d。這些指狀接頭對帶狀箔片在兩個正交方向x-y(如圖所示)的每個方向實施運動，由此使得各個光纖5a的端部在這些方向移動，偏轉從端面5a’、5b’、5c’發出的光束。
圖4是一個立體剖面圖(旋轉了90°)，表示一組穿過支撐結構3的光纖5，每個光纖被固定到各個箔片9，以箔片堆的形式分布在隔開的層中(未詳細示出)。每個箔片連結到壓電梳齒結構2e的各個指狀接頭，該結構安裝在支撐結構的支撐板組件3a中。帶狀纜10連結到壓電致動器以提供激勵。
圖5和6表示壓電梳齒結構2e如何連結到箔片結構9，箔片結構9連結到各個光纖5，由此促使光纖的端部在各個透鏡12的焦平面中移動。為了簡化附圖和解釋，圖5和6表示只有四個透鏡的4端口結構。當然，對于“n”端口開關中的“n”個光纖，組件可以有“n”個透鏡元件，“n”為具體應用中所需的“n”個端口數。透鏡12被支撐在還支撐電容位置傳感器的區塊13中(解釋如下)。
圖7表示“單體式”壓電材料傳感器的制造期間的四個階段7a-7d。第一階段7a表示具有總的柱狀形狀的壓電材料主體7。第二階段表示成對的V形切谷V1，V2，V3，切谷形成凹槽，這些凹槽確定三角形截面15a、15b、15c的中心柱14和三角形截面的外圍細柱16a、16b、16c。然后在7c階段用低熔點合金17填充這些凹槽。最后，制造如圖7d所示的進一步的切谷S以便確定在中心柱14的三角形面上以隔絕的導體襯墊18的形式的三個互連。這些襯墊由于被各個切谷S打開的間隙19(壓電材料的)而沿每個側邊的長度相隔。對每個襯墊的電輸入導致中心柱14彎曲并彎折光纖。圖7e所示的平面圖表示激勵時被每個襯墊18實施的運動“d”。通過這些襯墊的適當激勵，可以實現最終的運動，在x-y軸向移動柱14。在壓電材料的主體中沿縱軸鉆出的穿孔20收容圖2簡圖所示的光纖。
可以通過(a)在激發之前模制壓電材料柱14并(b)通過涂覆連結襯墊18制作類似的結構。此柱可以是中空的或實體，并且有不同的截面形狀。
圖8是一組整體式壓電傳感器元件7的透視圖。每個傳感器支撐一個光纖5，光纖終端在透鏡12的焦平面移動。該圖表示在六角形/三角形布局中的光纖，但也可以采用正方形陣列。
圖9是三個整體式壓電傳感器元件7的剖面圖，其中每個傳感器安置在支撐光纖5的基板即支撐單元3上。把它們表示成在板3的左手側上有包層19，并且表示成延伸過傳感器元件7的光纖，傳感器元件7在接近透鏡陣列的每個準直平凸透鏡12的端部7a終止。還可以使用一個雙凸透鏡陣列。此間隔由間隙21表示，其分布成從每個光纖端部發出的光處于各個透鏡的焦平面。還表示具有連結到傳感器元件7的連結線的連結器20。
圖10是組裝期間用于校準的組件簡圖。圖中表示從每個透鏡12輸出的光束22，光束首先通過部分反射鏡(如多層電介質層堆疊或半鍍銀)29，部分光束透射到CCD裝置23并且部分反射光束。光束直射到CCD 23表面上的位置可與用于激勵壓電傳感器的信號的存在與否有關。同樣，從發射光纖發出的被反射鏡29部分反射到接收光纖(處于相同堆疊中)并且部分入射到CCD23表面上的光束偏轉位置可以與用于激勵壓電傳感器從而導致不同偏轉的瞬間信號有關。這樣能夠得到傳感器驅動信號用于正確地瞄準并轉動光纖的端部，使得輸出光束到達它們的正確目的地(即工作開關中選定的接收光纖)。例如，可以利用查表記憶理想的光纖尖在每個端部的位置以便產生所需的光纖-光纖耦合(即發射器和接收器端口之間的交叉連結)。這樣能夠使得組件做為一個開關工作，并且使得組件可逆轉(即發射光纖也可以是接收光纖，反之依然)。
圖11表示可以在操作中類似地校準且使用的不同布局，其中離開透射準直透鏡組件12t的光束22被接收透鏡組件12r接收，光束聚焦到整體式結構中的各個光纖5上。可以參照直線穿過并被偏轉的光束類似地校準激勵信號，因為透射光束將被各個不同的光纖接收。這種配置是完全“可逆轉的”，因為“發射器”可以是“反射器”，并且反之依然。
參見圖11a，注意i.開關中的每個光纖與一個小的準直透鏡相連ii.光纖尖防止在每個透鏡的焦平面iii 如果光纖被激勵，將產生一束準直的高斯光束，因為光將從焦平面中的光纖尖發出并被透鏡會集和準直iv 焦平面內每個光纖尖的運動導致準直光束的有效角擺動v 總而言之，任何到達目標透鏡的準直光束將聚焦到目標透鏡焦平面中的一個點vi 如果把光纖尖防止在限定在(v)內的點，則光將耦合到光纖中(iii)和(vi)的結合運行光纖與光纖耦合。從一個光纖發出的光可以通過(iii)轉變成一個定向的準直光束。通過移動激勵的光纖尖(“光源”)，則可以布置成會集入射的準直光束并由此建立光纖-光纖耦合條件。因為光纖系統對稱，所以“光源”和“目標”光纖尖可以互換使用，并且在耦合的傾斜中，光可以在兩個方向中的任何一個方向上透射。利用下列步驟執行校準1.二維研磨每個光纖，并且對于每個光纖設置回射電容值2.將每個光纖順序移動到CCD上的位置，利用回射校準參考點3.對于每個光纖與光纖，優化2x和2y平均電壓以達到最大耦合4.利用128根光線(每端64根)可以有64x/y的儲存容量值，即16,384個。這些內容儲存在開關的非易失性存儲器中并用作所需開關組件的目標容量值。
這些步驟既可以針對反射式設計，也可以是氣體的直通式設計。
參見圖11b，存在一個光纖尖的最佳停置位置，這對于系統非常有利(包括最佳耦合率)。
沒有有效的偏轉(即，沒有給壓電致動器施加電壓)，則從每個光纖尖發出的準直光束將理想地瞄準目標透鏡陣列的中心(或通過反射，瞄準折疊系統中光源陣列的中心)。此目的是將所需的雙極光纖尖平移(從停置位置)減小到大約陣列尺寸的一般。
光纖尖Z位置必須處于透鏡陣列的焦距之內以確保高質量的準直光束。所以的光纖尖必須處于透鏡陣列玻璃基底背面之后的由透鏡陣列的焦距限定的范圍之內。
光纖相對于透鏡陣列的角度理想的應該為90°。任何與垂直的幾何形狀的太大偏差都可能對耦合率有不利的影響并限制可調整性。
為了感應每個單根光纖的位置，箔片型或整體型(用于通過傳感器驅動信號校正偏轉)，在光纖的每個活動端部(被導電材料涂敷以形成一個活動板)和氣體的相對固定板之間進行電容耦合。此涂敷光纖陣列可以在電容式傳感器讀取單元的類似陣列內對齊。陣列既可以是六角形也可以是正方形；以確保最大的封裝密度。陣列尺寸可按照最大的光纖量(＞1000)來升級，適于未來在光纖通訊應用中多輸出端口的光交叉連結。
光纖的位置通過光纖和電容式傳感器板之間的電容耦合測量來決定。因為電容反饋決定光纖相對于透鏡陣列12的位置，所以電容反饋安裝單元剛性地連結到透鏡陣列，從而確保光纖與透鏡中心的精確校準。(另一個實施例采用固定光纖和活動透鏡)。電容式傳感器板讀取單元既可以按圖12形成，也可以按圖13a和13b形成。
圖12表示由穿孔板形成的傳感器讀取單元在絕緣板材料30中穿孔的方法平面圖。絕緣板材料可以是印刷電路板或其它的絕緣材料，如陶瓷。傳感器孔分成四個絕緣的扇形體，稱作“北”、“南”、“東”和“西”(N，S，E&W)。用適當圖案化的點軌道31N，31S，31W，31E對這些四分扇形體電連結。每個(涂敷的)光纖向下通到傳感器孔的中心。
圖13a和13b另一實施例的剖面圖，其中N，S，E和W電容式傳感器板由與孔陣列平行的導體軌道31N，31S，31E，31W，的垂直陣列形成，光纖5穿過孔陣列。NS和EW的電容式傳感器軌道分布成平行陣列，兩個平行陣列彼此垂直。NS和EW傳感器陣列通過絕緣矩陣材料33的夾層彼此絕緣。每個傳感器層上下的研磨的平面層32用作防止環境電磁干擾屏。注意，圖13和13b只表示兩層NS和EW傳感軌道。可以通過增加傳感軌道(層)的數量實現增強的電容式反饋敏感性。
圖12的配置導致在光纖5和傳感器板之間較大的電容耦合，而圖13a和13b則固有的易于制造(但要實現NS和EW傳感軌道之間充分的電容耦合，需要垂直陣列的這種軌道)。
對每個光纖上的導體涂層施加AC電壓，一般在音頻頻率。然后利用適當的低噪音放大電流探測耦合到傳感器板的最終AC電壓，如圖14所示(類似的組件由相同的標號表示)。在傳感器板上產生的AC電壓正比于傳感器板和光纖導體涂層之間的電容耦合。這依賴于光纖與傳感器板的本地距離。來自31N，31S，31E和31W的信息組合給出關于光纖本地位置的信息。
通過把N和S傳感器板上探測到的電壓耦合到一個差分低噪音放大器35的兩個輸入端來實現增大的位置精度。因而當光纖移近N板時，N板探測到的信號增強，同樣，S板的探測信號減弱。對放大器施加實施差分。對E-W板使用類似的配置。
未來能夠探測到在較大的光纖陣列中每個光纖的特有位置，需要對每個光纖施加AC信號。這種配置不適于數目很多的光纖。因此我們優選采用這樣一種方法，即可以通過在這些光纖的對角行之間選擇切換而探測光纖陣列的特有位置。在圖15中有詳細的展示。通過給對角行連續施加AC并通過從水平行和列中連續讀出電容反饋信號，可以實現唯一的編址。下面將對此進行詳細描述。(此種對角開關可以獨立地使用，即可以用在其它的開關組件中)。
對對角陣列的光纖施加一個AC激勵信號(如圖15所示)。對于一個64根光纖的開關陣列，有15個對角線，但通過使用一個正交分布的垂直和水平陣列的電容式反饋傳感軌道，可尋址的對角線數目減到正好為8。利用圖15對此進行解釋，圖中表示64元素的陣列，但下面的分析可應用到任何可升級陣列。在圖15中，對角線是A，B，C，D，E，F，G和H。例如，水平行0，1，2，3，4，5，6和7，從上到下的第三根光纖和從左的第五根光纖由C2表示。
對角陣列A利用沿對角線的所有8個光纖。但是，對角陣列B利用7根這種光纖(B0-B6)，因此此對角線連結到光纖B7(左下腳)。類似的對角線C包括六個此光纖元素(C0-C5)并連結到光纖元素C6和C7。重復此過程，使得所有的對角線包括8個元素。(但是，此連結系統可以是任何大小的陣列)。例如，將利用16條對角線連結包括16行和16列的256的光纖的陣列。由此產生的N光纖陣列包含方根(N)對角線。
參見圖15所示的64光纖陣列，正交電容器傳感軌道的8行和8列每個都連結到8個平行的差分放大探測電路，使得同時沿所有的行和列傳感電容；每行1個探測電路，每列一個探測電路。電容器軌道不需要正交，也可以是其它的角度，只要軌道交叉即可。因為激勵信號沿對角線施加并且一次只施加給一條對角線時，所以當通過電容反饋電路探測時，一行或一列中只有一個元素產生電容反饋信號。因而對于當前64個元素的情形，對于每個對角線激勵，從每行和每列中并行讀出8個電容反饋信號。輸出端連結到8通到ADC單元，一個連結到行一個連結到列。
還注意到，對于非常大的陣列，利用電容反饋系統傳感所有元素的時間受到激勵并掃描對角線所需時間的限制。可以通過將較大光纖陣列次分為子部分而實現加快的開關時間，此處例如，256個元素可以分成4可較小的單獨的讀取陣列。這種方法適合于任何陣列大小。
未來提供進一步的改進，可以將準直透鏡與光纖的端部連結或形成一體以提供出射光束較寬的角分布。在此情況下，透鏡和光纖移到一起，簡化能夠對大數量的出口端實現快速切換的設計。這種準直透鏡可以與其它的開關組件獨立使用，但它們尤其適于在與上述小型化的“箔片式”或“整體式”壓電材料傳感器一起使用。
因為光纖端和透鏡陣列可以導致背反射(甚至當所有的面都被涂敷多層電解質抗反射涂層時)，所以會招致一些信號損失。另外，光纖末端與準直光學元件之間的耦合效率精密地依賴將于光纖端位置保持在透鏡焦平面內。準直的光纖可以用于處理此問題。可以通過利用準直的或整體透鏡化光纖端(圖16a和圖16b)代替光纖端和透鏡陣列而相當多地減小光學開關系統內的插入損耗和背反射并且簡化結構。
商業上可以得到準直光纖40，這種光纖把一個準直透鏡40a連結到單模光纖5端部分。
也可以用整體透鏡化的光纖41代替準直器40以用于在此討論的所有應用。整體透鏡化的光纖通過形成一個微透鏡的方式處理光纖端而形成(整體透鏡光纖系統目前可以從一些光纖系統的制造商處獲得)。在本開關應用中提供的這些技術的優點在于不用結合額外的分散的光學元件如透鏡陣列就可以使光纖端發出的光準直且平行。
整體透鏡化的光纖還可以通過將適當的透鏡與光纖端膠合而制成。在所有的情形中可以采用涂敷的或未涂敷的元件。基于N×N光纖開關的準直器(即N個輸入端口和N個輸出端口)具有低插入損耗、優良的交擾性能和良好的偏轉獨立性等優點。
或者可以實現這樣的光纖開關，其中準直的或整體的光纖端基座組合到N×N開關矩陣中，由此排除上述另一種開關結構中使用的透鏡陣列12。
在使用電容反饋(如上所述)決定準直器位置的時候，對準直器的外表面金屬化并給予一個導體薄膜涂層。
與準直器的連結可以利用金屬化的光纖，并且電容反饋可以用于測量準直器外表面而非金屬化光纖之間的電容。但是，如果使用整體透鏡化光學元件，則用電容耦合測量傳感器pcb和金屬化光纖之間的電容。
圖17表示光纖端上準直的或整體透鏡如何可以組合到整體式壓電光纖開關中的簡圖。這是一種簡化的妨礙，其中透鏡陣列12由準直器40或整體透鏡41代替。雖然在圖17中未示出，但整體式壓電致動器的頂部和準直器之間的光纖長度可以增大。
為了在光纖端部實現準直光學元件較大的角擺幅，可以在萬向安裝架42上安裝，使得準直器40可以如圖18-20所示地繞其中心點轉動，提供在x-y軸43的運動。最好使用一種將準直器連結到圖19和21中所示壓電致動器延伸臂的撓性連結。萬向接頭和撓性可以通過包括帶圖案的箔片在內的各種方式制造。圖21表示與萬向接頭配置耦合的箔片的使用如何用于傾斜準直的或整體透鏡光纖端。在此情況下，萬向接頭配置也可以利用有圖案的箔片結構制造。
圖19和圖20表示準直器安裝方案的一種改型，其中楔形件44形成壓電管8的延伸。該延伸件提供機械方面的優點，即提供準直器基座比單獨的壓電管掃描器更大的XY運動。延伸件由此給予壓電致動器的運動以機械方向的優勢。(出射束如圖19中的45所示)。壓電致動器延伸棒44做成楔形以減小機械系統的振蕩頻率。
此設計的一個關鍵特征在于延伸棒44提供在準直器基座的XY平面中的橫向運動比單獨由未延伸的壓電致動器提供的更多。此特征的優點在于對于一個給定的壓電運動準直光束可以擺動一個較大的角范圍。這一點是很重要的，因為它為準直器發出的最終光束提供了一個很寬的可尋址范圍，因而能夠建立更大的開關陣列(即較大的N×N開關尺寸-較多的出口端數)。
對于整體式結構，光纖通過壓電管掃描器的中心。對一個N×N開關單元(圖22)復制N次完整的單元，圖22只表示陣列輪廓既可以是正方形也可以是六角形/三角形的壓電致動器。
單獨的壓電致動器通過模制、激發和/或整體式壓電材料的連續鋸切以及隨后形成電連結圖案而形成。
圖20表示光纖致動器組件的位移(放大的簡圖)。在此圖中未示出光纖-光纖穿過壓電管致動器8的中心。
準直器萬向接頭和撓性安裝架可以多種方式制造，一種常規的方式是利用帶圖案的箔片。圖21表示一種制造萬向安裝架的方法。也可以用彎曲型箔片配置制造撓性安裝架。
圖23表示整體式壓電材料致動器的另一實施例。在此實例中，光纖5(顯示有適宜角度的彎曲)在安裝區52中保持固定，安裝區還支撐電子互連和電容傳感板(分別與固定光纖和獲得透鏡相連)。這些穿過透鏡移位并提供反饋控制信號(如上所述)。透鏡50由一個經連結杠桿53連結到整體式壓電材料致動器的透鏡安裝架51支撐。圖24所示的立體圖表示能夠自由運動的間隙孔54。圖25表示安置在剛性支撐板上的多個致動器和用于提供驅動連結的PCB 55。如圖23a所示，例如延伸棒7終止在楔形部分53和連結到透鏡安裝架51的柱形棒部分57。(也見圖24)此配置尤其有利，因為準直透鏡50可以有一個導體涂層，用作電容器板，并且易于相對于固定安裝區52定位，在該安裝區上可以設置另一個電容器板(如以面對的關系)，從而做為電容改變的結果，提供位置反饋信息。另外，此配置允許組件片狀形式方便地位于電容傳感支撐結構上，與參見圖13a和13b的所述相同。這從圖29和31-34所述的子組件中可以更清楚地看到電容傳感系統包括在支撐結構或區域中以片狀形式組件的平板導體軌道，這樣可以方便地支撐開關組件的其它組件。這樣給電容傳感器提供緊湊及便于制造的堅固結構的優點。
圖26a-26e是64出口的箔片型開關組件的箔片設計平面圖。在光纖束的子組件中以彼此分開的層狀形式分布。
圖27是箔片型開關設計中壓電梳齒結構2的透視圖，表示分開各個致動器1的切谷60和金屬化的連結端子61、62和63。圖27a表示梳齒結構2的指狀接頭如何連結到平板撓性連結器2’的各個導體軌道。壓電梳齒包括形成各個公共+V和-V平面的外層和形成控制V平面的內層。
參見圖27b，該圖表示用于增強壓電傳感器壽命特性的優選偏壓驅動。它實質上包括從來不以將會去極的方式驅動每個半壓電雙晶片。偏壓驅動因而延長上裝置的壽命。另一個優點在于可以極大地減少與壓電梳齒電互連的數量。本質上，對于梳齒所有元素的上電極多做成公共的，對梳齒所有元素的下電極也都做成公共的，只有元素的中心電極需要獨立控制。因而，對于8個雙壓電晶片的梳齒，只有8+(10)個電互連而非8+8+8(24)個。
圖28a-28e表示壓電梳齒陣列的每一層以及如圖26a-26e所述的箔片布置的平面圖。它們被組裝成如圖29和30所示的開關組件。圖29表示5個箔片堆64，由帶狀纜66制成與其電互連的支撐板65中的壓電梳齒2，安裝在支撐結構67中的元件。光纖陣列5中心穿過結構67，也如圖30的后視圖所示。
圖31a和31b是整體式開關組件的剖面透視圖，其中整體式管狀壓電致動器70偏折金屬化的光纖71，該光纖終止于(或鄰近于)安裝在電容傳感反饋板73中的準直器72中；由延伸杠桿74(圖31c中所示的放大圖)施加的機械杠桿作用(如圖20所示)。
圖32和33表示在完工的后階段的箔片型子組件，圖34表示彼此相隔一個間隔的兩個子組件，其中光束在該間隔中投射。補充下面詳細描述制造整體式壓電傳感器的方法實例，用于使光纖轉向的所有電連結將沉淀連結到陶瓷的邊緣，并且給三個連結端提供電壓以進行驅動。
第一步在陶瓷基座上布局互連。在邊緣周圍的連結沉淀的陣列之外有兩個金屬化層。
第二步印刷并烘烤有粗糙圖案的低溫陶瓷絲網。
第三步電鍍圖案中的孔，連結到下面的互連處。
第四步利用低熔點合金將適于金剛石切谷而用于噴墨打印頭的壓電板坯連結到陶瓷基座。
第五步對(清潔的光纖芯)鉆孔。
第六步第一六角形切谷切割步驟(圖7)第七步電鍍或深度蒸發縱行的側面。還電鍍或蒸發光纖孔以及陶瓷的背面，用作與光纖孔的接地連結。如果需要，對縱行的頂部去金屬。第八步在油中極化壓電，在縱行中產生徑向極化。第九步第二組六角形切谷產生最好的縱行(圖7)。如果是電鍍而不是蒸發，則需要進一步地切谷以減小金屬厚度。導線連結或焊料填充電連結器。第十步用夾緊上述平板定域格柵的裝置熔滴纖芯(已經制備了端部)。在UV固化環氧樹脂中熔滴并暴露每個光纖。第十一步連結并聚焦微透鏡陣列。第十二步背靠背相配陣列或反射鏡。將纖尾連結到連結器。
在給定光纖的六角形陣列中可得到的數個光纖能彎曲n次，與中心點分開的斑數是n(n＝1)*3+1，即+/-10斑點大小的偏轉能力接近334點-1334×334非阻抗開關。為了實現該性能，應該使用正確的路徑長度。
在實現最佳性能所需的有限延伸高斯光束中透鏡陣列的質量是很重要的。給出一個高數值孔徑和小視場的透鏡，由沉積的多層硅并再回流建成的單拋物面表面形式產生良好的結果。
響應時間由縱行附加光纖的振蕩頻率設置。光纖越短越粗，響應越好(與最大位移的所需相反)。朝著頂部縱行變輕較好。
利用此徑向極化系統的徑向極性以及在三個側邊和中心之間施加電壓來實現偏轉。使用切變模式偏轉避免了再極化的需要(可以使用整個厚度上的預極化)，但偏轉降低很多。利用在厚度上多極化層的堆疊獲得最大偏轉，但這需要多層。
通過利用部分透射的反射鏡和放在其它光纖組件將通過的位置中的CCD可以有助于在對照反射鏡結構的單個組件中的對齊。此結構如果需要可以在線使用，或者有助于電子元件了解所有光纖的所有位置正確的驅動電壓。
權利要求
1.一種光纖開關組件，包括(a)與第二組光導分開的第一組光導，和(b)各個轉向裝置，促使從第一組光導中選定的發射光導發出的輻射光束偏轉，從而被第二組光導中選定的接收光導接收；其特征在于所述的每個裝置包括用于準直從發射光導發出的光束的準直裝置和用于移動準直裝置或導致準直裝置和發射光導之間相對移動、從而導致偏轉的裝置。
2.如權利要求1所述的組件，其特征在于光導是一種光纖。
3.如權利要求1或2所述的組件，其特征在于準直裝置至少包括一個具有焦平面的透鏡。
4.如權利要求3所述的組件，其特征在于透鏡與光導的端部隔開。
5.如權利要求3所述的組件，其特征在于透鏡與光導的端部形成一體或固定，由此光導和透鏡一起運動。
6.如權利要求3所述的組件，其特征在于透鏡固定到各個發射光導的端部，由此移動光導而導致輻射，輻射從光纖發出，在透鏡的焦平面上移動。
7.如權利要求3所述的組件，其特征在于固定發射光導的端部并且移動各個透鏡，使得透鏡的焦點相對于光導移動，由此使光導發出的輻射保持在透鏡的焦平面內。
8.如前述任一權利要求所述的組件，其特征在于轉向裝置包括一個用于導致運動的靜電偏轉裝置。
9.如前述任一權利要求所述的組件，其特征在于轉向裝置包括一個用于導致運動的壓電傳感器。
10.如權利要求9所述的組件，其特征在于壓電傳感器是一種“箔片型”，壓電傳感器梳齒狀陣列的指狀接頭連結到致動元件，如箔片帶，用于產生光導或透鏡或二者的正交位移，由此將箔片和梳齒組裝成一個層狀矩陣。
11.如權利要求9所述的組件，其特征在于壓電傳感器是一種“整體型”，其中每個傳感器由壓電材料制造，有一個具有縱軸的主體，主體具有與縱軸對齊的導體帶，從而限定各個壓電傳感器部分，這些壓電傳感器受到激勵時在不同的徑向發出各自的橫向運動，由此提供在垂直于縱軸的二維平面上的最終運動；由此可以把多個這樣的主體組裝成一個列陣；光纖與縱軸對齊，并且既可以連結到主體，也可以收容在芯中，由此產生光纖相對于縱軸的彎曲，或者，把主體連結到準直透鏡，導致其相對于固定光纖移動。
12.如前述任一權利要求所述的組件，還包括位置感應反饋裝置，用于感應移動量并提供反饋信號，該反饋信號用在控制系統中確保從發射光導發出的輻射瞄準正確的接收光導，從而進行所需的開關連結。
13.如權利要求12所述的組件，其特征在于感應電容變化以確定位置；光導具有一個導體涂層，用作至少一個電容器板，該電容器板相對于至少另一個固定電容器板移動，由此給出光導或準直裝置的位置信息。
14.如權利要求12所述的組件，其特征在于透鏡相對于固定光導移動；透鏡具有一個導體涂層，用作至少一個電容板，至少另一個電容板被固定到相鄰的支撐結構。
15.如權利要求12-14所述的組件，其特征在于導體軌道處于以層分布的絕緣板上形成反饋系統的一組電容板，也設置成區段，軌道在與各個光導或準直裝置相連的點處交叉，在該點處的成對的導體軌道可以被查詢或編址以探測電容變化。
16.如權利要求15所述的組件，其特征在于采用對角尋址系統，其中連續地對對角線的點施加信號，并且從每行和每列中連續地讀出電容變化。
17.如權利要求11所述的組件，其特征在于傳感器的整體式與機械杠桿裝置共同操作，在施與光導或透鏡或二者運動之前放大傳感器的運動。
18.如權利要求17所述的組件，其特征在于杠桿裝置包括一個萬向支架、一個撓性支架和一個位于壓電材料傳感器的主體端部和萬向支架上與樞軸隔開的點之間的延伸棒。
19.一種用在光學開關組件的轉向裝置中偏轉光束的壓電傳感器，傳感器為“箔片型”，其中壓電傳感器的梳齒狀陣列的指狀接頭連結到致動元件，如箔片帶或透鏡或二者，用于產生光導的正交位移，由此可以將箔片和梳齒組成層狀矩陣。
20.一種用在光學開關組件的轉向裝置中偏轉光束的壓電傳感器，傳感器為“整體型”，其中每個傳感器由壓電材料制造，有一個具有縱軸的主體，主體具有與縱軸對齊的導體帶，從而限定各個壓電傳感器部分，這些壓電傳感器受到激勵時在不同的徑向發出各自的橫向運動，由此提供在垂直于縱軸的二維平面上的最終運動；由此可以把多個這樣的主體組裝成一個縱行；光導與縱軸對齊，并且既可以連結到主體，也可以收容在芯中，由此產生光纖相對于縱軸的彎曲，或者，把主體連結到準直透鏡，導致其相對于固定光纖移動。
21.如權利要求20所述的傳感器，包括機械杠桿裝置，用于在對光導或準直裝置施與運動之前放大傳感器的運動。
22.如權利要求20所述的傳感器，其中杠桿裝置包括一個萬向支架和一個延伸棒，延伸棒位于傳感器主體的一端和萬向接頭上的安裝點之間，萬向接頭與其樞軸隔開。
23.一種子組件，用于感應電容的變化以決定光導或準直透鏡的相對位置或光導與準直裝置一起相對于固定點的位置；子組件包括絕緣板上的導體軌道，絕緣板以層分布以形成反饋系統的一組電容板，或設置成區段，軌道在與各個光導或準直裝置相連的點處交叉，在該點處的成對的導體軌道可以被極化或尋址以探測電容變化。
24.一種與電容反饋傳感系統一起使用的對角尋址系統的子組件，其特征在于在與光導或準直透鏡相連的電容板與其它和光導相隔的電容板之間發生相對運動，光導被分布成行列矩陣，子組件還包括向矩陣的對角連續施加信號的裝置和從每行每列中連續讀出電容變化的裝置。
全文摘要
一種光纖開關組件，其中的轉向裝置用于將發射光導發出的輻射轉向選定的接收光導。每個轉向裝置包括一個用于從發射光導發出的光束的準直器和導致準直器和光導之間的相對運動從而偏轉、或一起移動光導和準直器的致動器。致動器可以是壓電的箔片型或整體型，機械杠桿可以用于增進偏轉。電容感應裝置提供優選用于對角開關配置中反饋控制的位置信息。
文檔編號G02B6/42GK1394289SQ0180351
公開日2003年1月29日 申請日期2001年1月5日 優先權日2000年1月6日
發明者喬納森·霍頓·詹姆斯, 安德魯·尼古拉斯·達姆 申請人:保樂提斯有限公司