专利名称：光纤开关的对准的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤交叉连接交换。
背景技术：
随着光纤不断地补充并代替作为电信网络骨干的金属导线，路由光信号的开关已变成明显的瓶颈。传输系统移动作为光学光子的信息，而交换、路由、复用和解复用光信号的交换系统和所谓的交叉连接结构一般都是电子化的。电子交换要求在称为光-电-光(OEO)转换的过程中，光被转换成电信号来穿过开关，然后被重新转换成光，这个过程导致时间延迟和耗费。
因此在电信工业中，对开发全光交换以避免必须多次OEO转换有着很大的兴趣。例如，如Bishop等人在《科学美国人》(ScienceAmerican)(2001年1月pp.88-94)中所描述的，提出了基于多种基础技术的全光开关，包括微机电系统(MEMS)的倾斜镜面、热光器件、由喷墨打印头形成的气泡和液晶。基于MEMS镜面的光纤开关尤其有吸引力，因为它们可结合超大规模集成光路(very large scale integrated circuit)并能够是鲁棒的、长期使用的和可扩充的。
例如，在Lin的美国专利5,960,132中所描述的一种光纤开关，包括铰接MEMS镜面的阵列，其中每个都可绕其枢轴在反射状态和非反射状态之间旋转。需要一个有N2个这种镜面的阵列来将由N个输入光纤承载的信号从N个输出光纤的一个切换到另一个。很不幸，对于大的N，N2的标度会导致复杂得无法管理的器件。
在以上所引的Bishop等人的文章以及Bishop等人在《PhotonicsSpectra》(2000年3月pp.167-169)中所描述的另一种光纤开关，包括位于单个表面上的MEMS镜面阵列。每个镜面独立地倾斜，以将从输入/输出光纤接收的光引导到任一个其他的镜面，并由此引导到任一个输入/输出光纤。这种光纤开关似乎不包括光学诊断，该光学诊断将使得能够对镜面方向进行主动闭环光反馈控制或者允许检测输入的存在。
具有低插入损耗并能够交叉连接大量输入输出光纤的光纤开关，将促进光纤电信网络的发展。
发明内容
根据本发明的光纤开关包括第一多个端口、第二多个端口、位于第一表面上的第一多个镜面和位于第二表面上的第二多个镜面。第一多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从第一多个端口中对应的一个所输出的光，引导到第二多个镜面中的任一个。第二多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从第一多个镜面中任一个入射到其上的光，引导到第二多个端口中对应的一个。
第一多个和第二多个镜面每个都包括大于约1000个镜面。这些镜面都可以以高于约0.005°的角度精度来控制。第一和第二多个端口每个都包括大于约1000个端口。
在一个实施例中，从第一多个镜面到第二多个镜面的光路经由二色光学元件，例如二色分光器或者二色镜。用来测量和控制各个镜面的方向、并具有不同于光纤所承载的(例如电信)光的波长的控制光束，可方便地穿过该二色光学元件，并被引导到例如各个镜面或者位置感应检测器。
在另一个实施例中，二色光学元件布置在第一多个端口和第一多个镜面之间的光路中。控制光束也可方便地穿过该二色光学元件，并被引导到例如各个镜面或者位置感应检测器。
在另一个实施例中，由第一多个端口中的一个输出的光，以相对于垂直第一表面的轴小于约25°的角度，入射到第一多个镜面中的一个上。在一种实现中，第二多个镜面中的一个类似地将从第一多个镜面中的一个接收的光，以相对于垂直第二表面的轴小于约25°的角度，反射到第二多个端口中的一个。在一种实现中，通过折镜来帮助实现这种小角度的入射和反射。在另一种实现中，不用折镜来实现这种小角度的入射和反射。
作为小角度入射和反射的结果，光束在镜面上的覆盖区接近于圆形。这允许对小的、接近圆形的镜面的有利使用，这样的镜面惯性小，从而比更大或者基本上非圆形的镜面更容易移动。此外，在加上诸如反射涂层之类的涂层时，接近圆形的镜面比基本上非圆形的镜面变形更小。
另一个实施例包括布置在第一多个端口和第一多个镜面之间的光路中的分光器。该分光器可以例如将第一多个端口中的一个所输出光的一部分引导到检测器，并由此提供对输入信号(例如电信光束)的存在和水平的检测。类似地，光开关可包括布置在第二多个镜面和第二多个端口之间的光路中的分光器。这种分光器可以例如将由第二多个端口中的一个所反射光的一部分(即被导引到端口但未耦合到端口中的光)引导到检测器，并由此使得能够验证光开关的对准并检测输出光纤中的故障。
在另一个实施例中，由第一多个端口中的一个输出的光，被聚焦到第一多个镜面和第二多个镜面之间的光腰。这种聚焦允许使用尺寸减小了的光学元件(例如镜面)，而基本不增加光学损耗。
在另一个实施例中，第一多个端口、第二多个端口、第一多个镜面和第二多个镜面对称布置。这种布置可以是相对于例如折镜对称。这种对称的布置允许光双向传输通过光开关，即第一或者第二多个端口可以是输入端口。
有利的是，根据本发明实施例的光纤开关可以以小于约3分贝的插入损耗，来将大于一千个的输入端口耦合到大于一千个的输出端口。
图1是根据本发明实施例的光开关的示意图。
图2是根据本发明另一个实施例的光开关的示意图。
图3是根据本发明实施例包括输入输出传感器的光开关的示意图。
图4是根据本发明实施例包括监控信道的光开关的示意图。
图5是在根据本发明实施例的光开关中控制光束的光路示意图。
图6是在根据本发明另一个实施例的光开关中控制光束的光路示意图。
图7是在根据本发明另一个实施例的光开关中控制光束的光路示意图。
图8是在根据本发明实施例的光开关中参考光束的光路示意图。
图9是在根据本发明另一个实施例的光开关中参考光束的光路示意图。
图10是在根据本发明另一个实施例的光开关中参考光束的光路示意图。
图11是根据本发明的实施例，示出由三个激光器所提供的光脉冲的相对时序的时序图。
图12以流程示了校准和对准根据本发明实施例的光开关的方法。
图13以流程示了操作根据本发明实施例的光开关的方法。
图14以流程示了重校准根据本发明实施例的光开关的方法。
图15以方框示了在根据本发明实施例的光开关中，镜面阵列、光源和位置感应检测器之间的关系。
各个图中类似的标号指示各个实施例中相同的部件。图中的尺度不一定是成比例的。
具体实施例方式
根据本发明实施例的光纤交叉连接开关，将通过N个输入端口中任一个输入的光路由到P个输出端口中任一个。在通过开关的典型光路中，通过输入端口进入开关的光，入射到第一个微机械镜面二维阵列中相应的第一微机械镜面上。可在一定范围的任意方向(dθ，d)内定向的第一微机械镜面，被倾斜来将光引导到第二个微机械镜面二维阵列中的第二微机械镜面上。可在一定范围的任意方向(dθ，d)内定向的第二微机械镜面，被倾斜来将光引导到相应的输出端口，而从该开关出来。
通过重定向第一微机械镜面来将光引导到第二微镜面阵列中的第三微机械镜面，并将第三微机械镜面定向来将光引导到其相应的输出端口，而可将光从其初始时被导向的输出端口，切换到另一个输出端口。提供控制系统来控制微机械镜面的定向，从而完成交换。将描述多个实施例，其中通过反射来自微机械镜面的光束(与那些路由穿过光纤开关并被其切换的光束分开)，并测量所反射的光束入射在位置感应检测器上的位置，来测量和控制各个微机械镜面的定向。
尽管在以下所述实施例中输入端口的数量等于输出端口的数量(N＝P)，但在其他实施例中N＜P或者N＞P。
为解释的方便，将参考以下来描述根据一个实施例的光纤交叉连接开关2(图1)作为输入端口的N＝5个输入光纤4a-4e，作为输出端口的P＝N＝5个输出光纤6a-6e，以及位于光路中输入光纤4a-4e和输出光纤6a-6e之间的、N＝5个各种其他光学元件和光束，如图1所示。但是应该理解，在根据本发明的其他实施例中，N和P两者一般都大于约1000。例如在一个实施例中，N约为1200并且P＝N。
如在密集波分复用中常用的，每个输入光纤都可承载具有多种波长的光。在一种实现中，输入光纤所承载的光具有接近于约1310纳米(nm)或约1550nm的波长。输入光纤和输出光纤例如是常用的Corning公司的SMF-28单模光纤，其具有约8微米(μm)的芯径和约125微米的包层直径。也可使用适合于光通信应用的其他光纤。
参考图1，N个输入光纤4a-4e进入输入光纤块8，其将它们各自的末端10a-10e严格地定位在块8的表面12处的二维阵列中。表面12被抛光到例如比约300纳米(nm)更好的平整度，以形成包括光纤末端10a-10e的平整表面。输入光纤块8将光纤末端10a-10e的位置和方向相对于光开关2中的其他光学元件固定，由此防止光纤末端10a-10e的移动使得开关2不对准。
在一个实现中，输入光纤块8包括硅板，N个基本平行的孔穿过该硅板，这些孔布置成例如具有约1毫米(mm)的水平和垂直间距的矩形阵列。在每个孔中插入输入光纤4a-4e中对应的一个。输入光纤块8的表面12被抛光来形成基本垂直于输入光纤的平整表面，并包括它们的末端10a-10e。在表面12处，N个光纤末端形成例如如上所述的矩形阵列。例如对于N＝1200，该阵列可以是30×40的矩形阵列。在美国专利申请案卷号No.M-11501 US中更详细地描述了输入光纤块8的各种实现，在此通过参考而被结合进来。
由输入光纤4a-4e所承载的光，分别被光纤末端10a-10e的纤芯输出为发散光锥。小透镜阵列14的N个小透镜14a-14e分别收集光纤末端10a-10e输出的光，并分别形成N个基本平行或弱聚焦的光束16a-16e。小透镜阵列14与输入光纤块8相邻，其中小透镜14a-14e布置成与光纤末端10a-10e相匹配的图案，使得小透镜14a-14e定位成其光轴分别近似地位于光纤末端10a-10e的中心。
在一个实现中，小透镜14a-14e具有约4mm的焦距、约1mm的直径，并与输入块8的表面12隔开将近3mm。小透镜阵列14由例如熔融石英、光学玻璃、硅、塑料或环氧树脂形成。合适的小透镜阵列可从例如以下公司得到马萨诸塞州Cambridge的Adaptive Optics Associates公司、德国Saarbrucken的Advanced Micro Optical Systems股份有限公司、和纽约Rochester的Corning Rochester Photonics公司。
由小透镜14a-14e形成的光束16a-16e入射到微镜面阵列18上。微镜面阵列18包括位于参考表面19之上的N个微镜面18a-18e，其布置成对应于光纤末端10a-10e和小透镜14a-14e的图案，例如矩形阵列。在沿着表面19平行于入射平面的方向上的微镜面18a-18e的间距，与小透镜14a-14e的对应间距相比被拉长了，使得基本平行或弱聚焦的光束16a-16e分别近似中心地入射到微镜面18a-18e上，所述入射平面由光束16a-16e中的一个和在该光束与表面19相交的点处垂直于表面19的轴确定。控制系统20用经由总线22传输的电信号可以在一定范围的任意方向(dθ，d)上控制微镜面18a-18e相对于参考表面19的方向。
在一个实施例中，微镜面阵列18是美国专利申请Serial No.09/779,189所描述的微机电系统(MEMS)微镜面阵列，在此通过参考而结合进来。在本实施例中，微镜面18a-18e是由结合到微镜面阵列中的装置所驱动的、可自由旋转的微机电镜面，这些装置例如是静电、电磁、压电或热驱动装置。也可使用其他类型的微镜面和微镜面阵列。控制系统20是例如美国专利申请案卷号No.M-11419 US和美国专利申请案卷号No.M-11502 US中所描述的光开关控制系统，这两者在此都通过参考而结合进来。
在一种实现中，光束16a-16e以通常相对于垂直于镜面阵列参考表面19的轴所定义的小于约25°的入射角，入射到微镜面阵列18上，因此光束16a-16e分别在微镜面18a-18e上的覆盖区(光束点)接近圆形。在此实现中，各个微镜面上光束的入射角可以例如从约15°变化到约35°。在其他实现中，光束可以例如约0°到约60°的入射角入射到微镜面阵列18上。
微镜面处的光束点可具有接近均匀的强度，或者例如沿径向变化的强度。本领域技术人员将认识到，具有径向变化强度的光束点直径可根据强度分布的形式以标准方式确定。例如，具有径向分布I(r)＝I(0)exp(-2(r/w)2)的高斯光束点的直径一般取作2w。
在一种实现中，微镜面处的光束点是直径约0.6mm的近似圆形。小的、近似圆形的光束点允许使用小的、近似圆形的微镜面18a-18e。这是有优势的，因为微镜面越小，其惯性就越小并越容易移动。此外，近似圆形的镜面受到来自对其涂覆的任何涂层更均匀的应力，因此比类似涂覆的基本非圆形的镜面变形更小。微镜面18a-18e是例如近似椭圆形的，其长轴和短轴分别约为1.0mm和0.9mm。
微镜面18a-18e分别将入射光束反射到折镜(fold mirror)24上。在一种实现中，折镜24是常规的涂金的平面镜，其在包括1310nm和1550nm的红外波长处具有高反射率(＞98％)。这种常规的涂金镜面可从许多商业来源获得。在所图示实施例的另一个实现中，折镜24是平面二色分光器，其对具有约600nm到约1000nm波长的入射光透射约30％到约70％，优选地是约50％，并对具有约1200nm到约1700nm波长的入射红外光反射大于约90％，优选地是大于约98％。这种二色镜可从许多商家得到。
通常选择这样一种二色分光器24的反射率，使得允许至少部分地将电信中所使用光的波长(例如1200nm到1700nm)，与下面描述的控制光束所使用的非电信波长的另一个范围(例如600nm到1000nm)分离。在一些实施例中，这样一种二色分光器4在控制光束所使用的非电信波长处的反射率是约5％到约95％。
折镜24将入射光束16a-16e反射到微镜面阵列26上。微镜面阵列26包括位于参考表面28之上的N个微镜面26a-26e。微镜面26a-26e相对于参考表面28的方向，可由控制系统20用经由总线32传输的电信号而分别控制。在一种实现中，微镜面阵列18和26基本相同。
微镜面18a-18e中的每个都可控制，以将从输入光纤块8入射到其上的光束，经由折镜24反射到微镜面26a-26e的任一个上。因此，控制系统20可控制微镜面18a-18e的方向，以经由折镜24来将光束16a-16e中的任一个反射到微镜面26a-26e的任一个的近似中心上。例如，尽管图1示出了由微镜面18a经由折镜24反射到微镜面26a的光束16a，但光束16a也可由微镜面18a经由折镜24反射到微镜面26b-26e的任一个。因此，光束16a-16e不一定要在微镜面阵列18和微镜面阵列26之间相互基本平行。
控制系统20控制微镜面26a-26e的方向，以将从微镜面阵列18入射到其上的光束，分别反射到小透镜阵列34的N个小透镜34a-34e的近似中心上。图1示出了微镜面26a-26e将入射光束16a-16e分别反射到小透镜34a-34e。但是应该理解，微镜面26a-26e中每一个特定微镜面都被控制，以将入射到其上的光束16a-16e中的无论哪一个，反射到对应于该特定微镜面的小透镜34a-34e。例如，微镜面26a被控制来将入射到其上的光束16a-16e中的无论哪一个都反射到小透镜34a。
微镜面26a-26e以与小透镜34a-34e的图案相对应的图案定位于表面28之上，在一个方向上具有拉长的间距，使得光束16a-16e在镜面阵列26和小透镜阵列34之间基本平行或者弱聚焦。在一种实现中，光束16a-16e以通常相对于垂直于表面28的轴所定义的小于约25°的反射角，从镜面阵列26反射到小透镜阵列34。因此在本实现中，光束16a-16e在微镜面26a-26e上的覆盖区接近圆形，其光束点直径例如约为0.6mm。在此实现中，光束从各个微镜面的反射角可以例如从约15°变化到约35°。在其他实现中，光束以例如约0°到约60°的反射角从微镜面阵列26反射。
小透镜阵列34与输出光纤块38的表面36相邻。小透镜阵列34例如与小透镜阵列14基本相同。
输出光纤块38将输出光纤6a-6e的N个末端40a-40e严格地定位在表面36处的二维阵列中。表面36被抛光以形成包括光纤末端40a-40e的平整表面。输出光纤块38相对于光开关2中的其他光学元件固定光纤末端40a-40e的位置，由此防止光纤末端40a-40e的移动使得开关2不对准。输出光纤块38例如与输入光纤块8基本相同。
小透镜34a-34e布置成与光纤末端40a-40e相匹配的图案，使得小透镜34a-34e定位成其光轴分别近似地位于光纤末端40a-40e的中心。小透镜34a-34e将分别由微镜面26a-26e反射的光束，分别聚焦到光纤末端40a-40e的纤芯，以完成从输入端口到输出端口的连接。
光纤开关2可以是对称的。例如在一个对称的实施例中，光纤块8和38基本相同并相对于折镜24对称地定位，小透镜阵列14和34基本相同并相对于折镜24对称地定位，并且镜面阵列18和26基本相同并相对于折镜24对称地定位。在对称实施例中，光束16a-16e的光路可以是基本对称的，其中光束16a-16e在输入光纤末端10a-10e和输出光纤末端40a-40e的中间被近似聚焦。
例如在一个对称实施例中，光束16a-16e在小透镜阵列14和34处具有大约0.8mm的光束点直径，在镜面阵列18和26处具有大约0.6mm的光束点直径，并在折镜24处具有大约0.5mm的光束点直径。这种对称实施例允许光以最小的光学功率损耗通过光纤开关2双向传输，即端口4a-4e或者端口6a-6e都可以是输入端口。而且，对称实施例比不对称的实施例需要更少类型的部件，因此更容易并更便宜地制造。
一般将光纤开关2中光学元件的尺寸选择成较小，以允许开关装入例如小机柜空间中，并使得开关中的光学功率损耗最小。
图1所示实施例中镜面阵列18、折镜24和镜面阵列26的折叠构形所产生的光束16a-16e的路径，在光学上等价于这样的不折叠构形所产生的光束16a-16e的路径，即其中镜面阵列26的位置通过折镜24的平面而映射，并且去掉折镜24。例如，图2示出了具有不折叠构形的实施例，该构形等价于图1所示实施例的折叠构形。在图2所示的实施例中，微镜面18a-18e中的每个都可控制，来将从输入光纤块8入射到其上的光束直接反射到微镜面26a-26e的任一个。
在图2所示的实施例中，镜面阵列18和26的方向基本相互平行。这样，在图1所示的光学上等价的实施例中，镜面阵列18和26的相对方向在光学上与基本平行是等价的。在镜面阵列18和26基本平行的不折叠实施例中，以及在光学上等价的折叠实施例中，与具有其他光学构形的实施例相比，减小了最大旋角(maximum swing angle)，微镜面18a-18e和26a-26e中的任一个必须分别相对于表面19和28倾斜这样的角度，以将光束16a-16e中的一个引导到输出光纤6a-6e中的一个。例如在镜面阵列18和26每个都包括约1200个镜面的实现中，微镜面18a-18e和26a-26e中的任一个必须倾斜的最大角度小于约10°。因此与需要更大旋角的构形相比就减少了交换时间。而且，当光束16a-16e中的一个被从输出光纤6a-6e中的一个切换到另一个时，产生的最大光程差被相应地减小到小于约1厘米。因此，光束16a-16e在例如镜面阵列26和小透镜阵列34处具有类似的发散和直径，并由此经历类似的衰减。这样，光束16a-16e之间的耦合损耗变化就较小。
光纤开关2还可包括分光器，其被布置来对通过输入光纤4a-4e进入光开关2的光进行采样。例如，这种采样使得输入光的强度可被监控。参考图3，在一个实施例中光纤开关2包括分光器42，其被布置来分别反射光束16a-16e的部分来形成N个光束44a-44e。在一种实现中，分光器42是由BK7光学玻璃形成的立方体分光器，其所具有的电介质涂层在约1200nm到约1700nm的红外波长处的反射率约为2％。在另一种实现中，分光器42是由BK7光学玻璃形成的二色立方体分光器，其所具有的电介质涂层在约1200nm到约1700nm的红外波长处的反射率约为2％，在约600nm到约1000nm的波长处的反射率约为40％到约60％，优选的是50％。这种分光器可以从例如加利福尼亚Gardena的Harold JohnsonOptical Laboratories公司得到。合适的分光器涂层可从例如加利福尼亚Torrance的ZC&R Coatings For Optics公司得到。
光束44a-44e被用来提供恰当光路的常规的90°棱镜46(或者常规的镜面)反射到常规的物镜48。常规物镜48收集光束44a-44e并将其分别引导到小透镜阵列50的N个小透镜50a-50e上。在一种实现中，物镜48的焦距约为50mm，而小透镜50a-50e的焦距大于约50mm。在此实现中物镜48和小透镜50a-50e组合的焦距小于约50mm。小透镜阵列50是例如类似于小透镜阵列14和34的小透镜阵列，并可从相同来源得到。
小透镜50a-50e将光束44a-44e聚焦到与小透镜阵列50相邻的输入传感器52上的N个分离的点上。至少有N个象素的输入传感器52检测光束44a-44e中每个的强度，以监控输入光纤4a-4e的输入信号水平。输入传感器52可经由总线53向控制系统20提供与所检测强度对应的电信号。这样，输入传感器52允许对输入光纤4a-4e中每个的输入信号的存在和水平进行检测。在一种实现中，输入传感器52是可从新泽西普林斯顿的Sensors Unlimited公司得到的、具有128×128象素阵列的SU128-1.7RT型红外照相机。
光纤开关2还可包括分光器，其被布置来对从光纤末端40a-40e或光纤块38反射的光进行采样。这种采样使得所反射光的强度可被监控。所测量的反射强度可在用于对准光纤开关2的方法中使用。例如在图3所示的实施例中，光开关2包括分光器54，其被布置来从被输出光纤块38或者光纤末端40a-40e所反射的光束16a-16e的部分，形成N个光束56a-56e。分光器54例如与分光器42基本相同。光束56a-56e被用来提供恰当光路的常规的90°棱镜58(或者常规的镜面)反射到常规的物镜60。常规物镜60收集光束56a-56e并将其分别引导到小透镜阵列62的N个小透镜62a-62e上。物镜60和小透镜阵列62例如分别与物镜48和小透镜阵列50基本相同。
小透镜62a-62e将光束56a-56e聚焦到与小透镜阵列62相邻的输出传感器64上的N个分离的点上。至少有N个象素的输出传感器64检测光束56a-56e中每个的强度，并经由总线53向控制系统20提供相应的电信号。光束56a-56e的强度分别取决于，由微镜面26a-26e所反射的光束与输入光纤末端40a-40e分别对准的程度。例如，当由微镜面26a所反射的光束被小透镜34a聚焦到光纤末端40a纤芯的近似中心时，光束56a的强度是局部极小值，而如果光束被引导为聚焦在光纤末端40a的包层上或者输出光纤块38上接近光纤末端40a处(包层和光纤块比纤芯反射性更好)，则光束56a的强度增大。这样，如果另外知道光束16a-16e完全对准(从下面所讨论的诊断)，那么极小的反射强度就证实在输出光纤6a-6e上存在输出信号。而且，如果相应的输出光纤断裂了，那么反射光束的强度也会较高。这样，输出传感器64允许输出光纤的故障检测。
在一个实施例中，N个输入光纤中的Q个和P个输出光纤中的Q个，是专用于监控光开关2性能的监控信道。例如在一种实现中，1200个输入光纤中的9个和1200个输出光纤中的9个是监控信道。通常监控信道近似均匀地分布在由输入光纤块8和输出光纤块38形成的光纤阵列中。例如，九个监控信道可分布在输入或输出光纤的矩形阵列的四个角、四条边和中心中。输入和输出监控信道的空间分布不用匹配。
例如在图4所示的实施例中，光纤4a和4e以及光纤6a和6e是监控信道。当然，也可为监控信道作其他选择。在此实施例中作为监控光束的光束16a和16e分别从这样的光来形成，这种光由激光器68a和68e输出并分别由常规光纤耦合器66a和66e分别耦合到输入光纤4a和4e。检测器72a和72e分别由光纤耦合器66a和66e分别耦合到光纤4a和4e，以测量分别从激光器68a和68e耦合到这些光纤中的光的强度。检测器72a和72e经由总线53向控制系统20提供与其所测量的光强对应的电信号。
监控光束16a和16e可用微镜面18a、18e、26a和26e引导到(监控信道)光纤6a和6e中的一个。检测器78a和78e分别由常规光纤耦合器74a和74e分别耦合到光纤6a和6e，以检测由激光器68a和68e中的一个输出并耦合到这些光纤中的光的强度。检测器78a和78e经由总线53向控制系统20提供与其所测量的光强对应的电信号。
或者，监控光束可分别从由激光器76a和76e所输出的光来形成，激光器76a和76e分别由常规光纤耦合器74a和74e分别耦合到光纤6a和6e。检测器80a和80e分别由光纤耦合器74a和74e分别耦合到光纤6a和6e，以测量分别从激光器76a和76e耦合到这些光纤中的光的强度。检测器80a和80e经由总线53向控制系统20提供与其所测量的光强对应的电信号。
使用激光器76a和76e所形成的监控光束，可用微镜面18a、18e、26a和26e引导到光纤4a和4e中的一个。检测器70a和70e分别由常规光纤耦合器66a和66e分别耦合到光纤4a和4e，以检测由激光器76a和76e中的一个输出并耦合到这些光纤中的光的强度。检测器70a和70e经由总线53向控制系统20提供与其所测量的光强对应的电信号。
这样，控制系统20可确定监控光束在其穿过光开关2期间的衰减。这种衰减的测量被用在下面所讨论的重校准方法中。
激光器68a、68e、76a和76e例如是能够在约1310nm或约1550nm的波长处工作的常规半导体激光二极管。检测器70a、70e、72a、72e、78a、78e、80a和80e例如是能够检测激光器68a、68e、76a和76e所输出的光的常规InGaAs光电二极管。
可以不用光束16a-16e就测量并控制镜面18a-18e的方向。例如参考图5，在一个实施例中，激光器82所输出的具有约660nm的波长的、约300毫瓦(mW)的光，被透镜组84准直来形成光束86，并被常规的高反射镜88反射到二色分光器24上。其他实施例可以使用例如在诸如810nm的其他非电信波长处工作的激光器。通常，选择激光器的输出功率来提供足够的信噪比，以用于下述使用位置感应检测器的测量。光束86的大约50％被二色分光器24透射为光束86a，光束86a以足以照亮所有微镜面18a-18e的束宽入射到镜面阵列18上。下面参考图6来描述被二色分光器24所反射的大约50％的光束86的路径。激光器82例如是常规激光二极管。合适的激光二极管可从例如纽约Binghamton的Semiconductor LaserInternational公司和加利福尼亚San Jose的SDL公司得到。透镜组84具有例如约80到约100毫米的焦距。
微镜面18a-18e(图5)将光束86a的部分反射来形成入射到二色分光器42上的N个控制光束90a-90e。二色分光器42将光束90a-90e反射到常规分光器92，常规分光器92将光束90a-90e中每个的约50％反射到透镜组94。透镜组94将光束90a-90e聚焦到小孔板96的N个小孔96a-96e上。小孔板96例如是由金属片形成的，并厚约0.3mm。例如是直径约0.5mm的圆形的小孔96a-96e，被排列成对应于微镜面18a-18e的图案，例如间距约1mm的矩形阵列。光束90a-90e穿过去掉其衍射边缘的小孔96a-96e，并入射到包括在位于小孔板96之后的位置感应检测器阵列98中的N个相应的位置感应检测器98a-98e上。位置感应检测器98a-98e被排列成对应于微镜面18a-18e的图案，例如间距约1mm的矩形阵列。
位置感应检测器阵列98例如是粘接到玻璃晶片的象限单元光电二极管(quadrant cell photodiode)的二维阵列。在一种实现中，通过在粘接到玻璃晶片之后锯或切割该阵列，来将这些单元彼此电绝缘。合适的象限单元光电二极管阵列可从例如加利福尼亚Hawthorne的UDT Sensors公司和加利福尼亚Westlake Village的Pacific Silicon Sensor公司得到。
透镜组94是常规的透镜组，其被选择成具有大体与镜面阵列18的表面19重合的倾斜物平面，以及大体与小孔板96重合的倾斜像平面。透镜组94以约1∶1的放大倍数将微镜面18a-18e成像到小孔阵列96上。微镜面18a-18e(特别是其质心)在小孔阵列96处的像是不动的，即当微镜面18a-18e相对于表面19有角位移(倾斜)时它们的像基本不动。这些像在小孔板96处不动，是因为从透镜组94的物平面中的一点产生并穿过透镜组94的所有光线，被近似聚焦到像平面中的对应点。因此，微镜面18a-18e的角位移，在不改变微镜面18a-18e在小孔板96处成像的位置的情况下，改变了光束90a-90e穿过透镜组94所走的路径。但是，因为位置感应检测器阵列98位于透镜组94的像平面之后，当相应的微镜面有角位移时，微镜面18a-18e在检测器阵列98上的像在阵列98的平面中发生位移。因此，微镜面18a-18e的方向可从分别由位置感应检测器98a-98e所测量的光束90a-90e的位置来确定。位置感应检测器98a-98e经由总线53向控制系统20提供指示光束90a-90e的位置的电信号。
随着位置感应检测器阵列98和透镜组94的像平面之间的间隔的增大，由于微镜面18a-18e的角位移而产生的光束90a-90e在检测器98a-98e上的线位移也增大。这样，微镜面18a-18e方向的测量范围，可通过改变检测器阵列98相对于小孔板96的位置来改变。在一种实现中，检测器阵列98平行于透镜组94的像平面(或小孔板96)并在其之后约0.5mm到约1mm，并且光束90a-90e在检测器98a-98e处具有约0.5mm的光束点直径。检测器98a-98e每个都约1mm见方。在此实现中，相对于检测器98a-98e中心约±0.25mm(不将光束点移出检测器的最大值)的线位移，对应于光束90a-90e约±20°的角位移以及微镜面18a-18e约±10°的角位移。如果按通常地检测器98a-98e的动态范围(由入射光功率确定)是12位，那么原则上可以用约0.01°(40°/4096)的精度来确定光束90a-90e的方向。但这样的角度精度要求检测器98a-98e分辨约0.12微米的线位移。实际中，通常以约0.08°的精度来确定光束90a-90e的方向，由此得到约9位的准确度。因此，由检测器98a-98e提供的电信号允许控制系统20以约0.04°(约9位的准确度)的精度来控制微镜面18a-18e的方向。
应注意到可以约0.04°的精度来测量和控制微镜面18a-18e的方向，而不用镜面88、二色分光器42和分光器92，这些是用来为光束86a和90a-90e提供合适的光路的。
可以类似地不用光束16a-16e就测量和控制镜面26a-26e的方向。例如参考图6，在一个实施例中，如上所述参考图5形成的光束86的大约50％，被二色分光器24反射到常规的高反射镜99，高反射镜99将其反射回二色分光器24。被镜面99反射到二色分光器24上的大约50％的光，被折式分光器24透射为入射到镜面阵列26上的光束86b。
微镜面26a-26e反射光束86b的部分，来形成入射到二色分光器54上的N个控制光束100a-100e。二色分光器54将光束100a-100e反射到常规的分光器102，分光器102将光束100a-100e中每个的约25％反射到透镜组104。透镜组104将光束100a-100e聚焦到小孔板106的N个小孔106a-106e。小孔板106例如与小孔板96基本相同。光束100a-100e穿过去掉其衍射边缘的小孔106a-106e，并入射到在位于小孔板106之后的位置感应检测器阵列108中的N个相应的位置感应检测器108a-108e上。位置感应检测器阵列108例如与位置感应检测器阵列98基本相同，并可从相同来源得到。位置感应检测器108a-108e被排列成对应于微镜面26a-26e图案的图案，例如间距约1mm的矩形阵列。
透镜组104是常规的透镜组，其被选择成具有大体与镜面阵列26的表面28重合的倾斜物平面，以及大体与小孔板106重合的倾斜像平面。透镜组104以约1∶1的放大倍数将微镜面26a-26e成像到小孔板106上。透镜组104例如与透镜组94基本相同。当微镜面26a-26e相对于表面28有角位移(倾斜)时，微镜面26a-26e(特别是其质心)在小孔阵列106处的像不动。但是，当相应的微镜面有角位移时，微镜面26a-26e在检测器阵列108上的像在阵列108的平面中发生位移。因此，微镜面26a-26e的方向可从分别由位置感应检测器108a-108e所测量的光束100a-100e的位置来确定。位置感应检测器108a-108e经由总线53向控制系统20提供指示光束100a-100e的位置的电信号。
微镜面26a-26e方向的测量范围类似于微镜面18a-18e方向的测量范围来确定。具体而言，因为随着位置感应检测器阵列108和透镜组104的像平面(或小孔板106)之间的间隔的增大，由于微镜面26a-26e的角位移而产生的光束100a-100e在检测器108a-108e上的线位移也增大，所以可通过改变检测器阵列108相对于小孔板106的位置来改变微镜面26a-26e方向的测量范围。在一种实现中，检测器阵列108平行于小孔板106并在其之后约0.5mm到约1mm，并且光束100a-100e在检测器108a-108e处具有约0.5mm的光束点直径，检测器108a-108e每个都约1mm见方。在此实现中，相对于检测器108a-108e中心约±0.25mm的线位移，对应于光束100a-100e约±20°的角位移以及微镜面26a-26e约±10°的角位移。如果检测器108a-108e具有12位的动态范围，那么原则上可以用约0.01°的精度来确定光束100a-100e的方向。实际中，通常以约0.08°的精度来确定光束100a-100e的方向，由此得到约9位的准确度。因此，由检测器108a-108e提供的电信号允许控制系统20以约0.04°(约9位的准确度)的精度来控制微镜面26a-26e的方向。
应注意到可以约0.04°的精度来测量和控制微镜面26a-26e的方向，而不用镜面88、镜面99、二色分光器54和分光器102，这些是用来为光束86b和100a-100e提供合适的光路的。
由位置感应检测器98a-98e和108a-108e提供的电信号还允许控制系统20检测出现故障的微镜面。
微镜面18a-18e和26a-26e的角位移也可用N个控制光束(不同于光束16a-16e)来测量和控制，这些控制光束中的每个都从微镜面18a-18e中的一个和微镜面26a-26e中的一个被反射。例如参考图7，在一个实施例中，激光器110所输出的具有约660nm的波长的、约30mW的光，被常规透镜组112准直来形成入射到小透镜阵列116上的光束114。激光器110例如是与激光器82相似或相同的常规激光二极管。透镜组112具有例如约80毫米到约100毫米的焦距。
小透镜阵列116所包括的N个小透镜116a-116e，被排列成对应于微镜面26a-26e图案的图案，例如间距约1mm的矩形阵列。例如，具有约100mm焦距小的透镜116a-116e，从光束114的部分形成N个相应的基本平行或弱聚焦的控制光束114a-114e，并将其聚焦成例如分别在小孔板118的小孔118a-118e处约0.16mm的直径。小孔板118例如由金属片形成，并厚约0.3mm。例如，是直径约0.5mm的圆形的小孔118a-118e，被排列成与小透镜116a-116e图案相匹配的图案。
光束114a-114e穿过将其空间滤波的小孔118a-118e，而分别入射到小透镜阵列120的N个小透镜120a-120e上并被其重新准直。小透镜120a-120e被排列成与小透镜116a-116e图案相匹配的图案，并具有例如约77mm的焦距。小透镜阵列116和120例如类似于小透镜阵列14、34、50和62，并可从相同来源得到。
常规的90°棱镜122将光束114a-114e反射到常规的分光器立方体102，分光器立方体102将光束114a-114e中每个的约75％透射到二色分光器54。二色分光器54将光束114a-114e分别反射到镜面阵列26的微镜面26a-26e。在二色分光器54和镜面阵列26之间，光束114a-114e与光束16a-16e(图3)基本平行。
如果微镜面26a-26e被近似地定向，来如上所述地将输入光纤4a-4e所承载的光引导到输出光纤6a-6e，那么微镜面26a-26e就经由二色分光器24将光束114a-114e反射到微镜面18a-18e。应注意到，虽然图7示出了光束114a-114e被分别引导到微镜面18a-18e，但光束114a-114e中的每个都可被引导到微镜面18a-18e中的任一个。
如果微镜面18a-18e被近似地定向，来将输入光纤4a-4e所承载的光引导到输出光纤6a-6e，那么微镜面18a-18e就将入射到其上的光束114a-114e中无论哪一个，作为与光束16a-16e(图3)基本平行的基本平行或弱聚焦光束，而从镜面阵列26反射到二色分光器42。二色分光器42将光束114a-114e反射到常规的分光器立方体92，分光器立方体92将光束114a-114e中每个的约50％透射到常规的90°棱镜124。棱镜124将光束114a-114e反射到常规的分光器立方体126，分光器立方体126将光束114a-114e中每个的约50％反射到常规的90°棱镜128。棱镜128将光束114a-114e反射到小透镜阵列130上，小透镜阵列130所包括的N个小透镜130a-130e被排列成对应于微镜面18a-18e图案的图案，例如间距约1mm的矩形阵列。小透镜阵列130例如类似于上述小透镜阵列，并可从相同来源得到。
小透镜130a-130e将光束114a-114e中分别被微镜面18a-18e反射的特定光束，分别聚焦到位置感应检测器阵列134中的位置感应检测器134a-134e上，位置感应检测器阵列134大体位于小透镜阵列130的焦平面处。位置感应检测器阵列134例如与位置感应检测器阵列98和108相似或相同，并可从相同来源得到。位置感应检测器134a-134e被排列成对应于微镜面18a-18e图案的图案，例如间距约1mm的矩形阵列。
当镜面阵列18和26中反射光束114a-114e的微镜面有角位移时，光束114a-114e在检测器阵列134的平面中有线位移。光束114a-114e中特定光束的线位移量约等于，将该光束聚焦到检测器阵列134之上的小透镜的焦距与该光束角位移的正切的乘积。这样，如果反射光束的微镜面中只有一个有角位移，那么可从该光束在检测器阵列134上的线位移来确定该微镜面的角位移。位置感应检测器134a-134e经由总线53向控制系统20提供指示光束114a-114e位置的电信号。
光束114a-114e角位移的测量范围由光束在检测器134a-134e处的直径、检测器134a-134e的尺寸和小透镜130a-130e的焦距来确定。例如在一种实现中，小透镜具有100mm的焦距，光束在检测器阵列134处具有约0.5mm的光束点直径，并且检测器134a-134e约1mm见方。在此实现中，相对于检测器中心约±0.25mm(不将光束点移出检测器的最大值)的线位移，对应于光束114a-114e约±0.15°的角位移。如果检测器134a-134e具有5位的动态范围，这是容易达到的，那么可以用约0.01°(5位的准确度)的精度来确定光束114a-114e的角位移。因此，可以使用由检测器134a-134e以约0.005°的精度所作的测量，来控制微镜面18a-18e和26a-26e的方向。这样的角度精度要求检测器134a-134e分辨约17微米的线位移。从而控制系统20可以用约12位的准确度控制微镜面18a-18e和26a-26e的方向，因为检测器98a-98e和108a-108e允许在约20°的范围内来控制微镜面，而检测器134a-134e允许以约0.005°的精度来控制微镜面。
应该注意到，可以以约0.005°的精度来测量和控制微镜面18a-18e和26a-26e的角位移，而不用棱镜122、分光器102、分光器92、棱镜124、分光器126和棱镜128，这些是用来为光束114a-114e提供合适的光路的。
当控制光束入射到位置感应检测器上时，由该检测器向控制系统20提供的电信号可即时变化(漂移)，即使控制光束入射到该检测器上的位置不改变，即控制光束不移动。这样，由位置感应检测器提供的电信号，可指示控制光束(以及反射其的微镜面)的明显运动，即使未发生这样的运动，并由此在对这些微镜面的方向的测量和控制中引入了误差。这种检测器漂移可由例如检测器上的时变温度梯度导致，这种梯度在检测器响应中产生时变空间梯度。
这种漂移的影响可通过使用多个参考束来减小，这些参考束中的每个都入射到位置感应检测器中对应的一个的近似中心上。如果控制光束和参考光束是按时选通(脉冲)的并在时间上是交替的，那么位置感应检测器就可提供分开的电信号，这些电信号指示出参考和控制光束入射到检测器上的位置。因为由位置感应检测器响应于控制和参考光束而提供的电信号相似地漂移，所以通过从响应于控制束而提供的信号中减去响应于参考束而提供的信号而生成的差信号，可以基本上没有漂移。
于是，可用参考束来减小检测器漂移对微镜面18a-18e和26a-26e的测量和控制的影响。例如参考图8，在一个实施例中，常规激光器136所输出的具有约660nm的波长的、约30mW的光，被常规透镜组138准直来形成入射到常规分光器立方体126上的光束140。激光器136例如与激光器82和110相似或相同，并可从相同来源得到。
光束140的约50％被分光器126作为光束141透射到常规的90°棱镜124，棱镜124将光束141反射到常规的分光器立方体92。分光器立方体92将光束141的约50％反射到常规的高反射镜144，高反射镜144将其通过分光器92作为光束146回射到透镜组94。镜面144例如是分光器92的表面上的常规高反射金属或者电介质涂层。
透镜组94将光束146引导到小孔阵列96之上。上面参考图5已描述了透镜组94和小孔阵列96。小孔阵列96的小孔96a-96e分别形成了N个参考光束146a-146e，其具有约0.5mm的光束点直径，并分别入射到位置感应检测器阵列98的位置感应检测器98a-98e的近似中心上。位置感应检测器98a-98e经由总线53向控制系统20提供指示参考光束146a-146e(物理上不动的)位置的电信号。
参考图9，在一个实施例中，常规的分光器126将(如上参考图8所述形成的)光束140的约50％反射到常规的高反射镜142，高反射镜142将其通过分光器126回射为入射到常规的90°棱镜128上的光束148。镜面142例如是分光器126的表面上的常规高反射金属或者电介质涂层。如上参考图7所述的，棱镜128将光束148反射到透镜阵列130。小透镜130a-130e分别形成了N个参考束148a-148e，并将其分别聚焦到位置感应检测器134a-134e的近似中心上。参考束148a-148e在检测器134a-134e处具有例如约0.5mm的光束点直径。位置感应检测器134a-134e经由总线53向控制系统20提供指示参考光束148a-148e(物理上不动的)位置的电信号。
参考图10，在一个实施例中，常规的分光器102将如上参考图7所述形成的光束114a-114e的约25％，反射到常规的高反射镜149。镜面149例如是分光器102的表面上的常规高反射金属或者电介质涂层。镜面149将入射到其上的光束114a-114e的部分作为参考光束150a-150e通过分光器102回射到常规透镜组104。透镜组104将参考光束150a-150e分别引导到小孔阵列106的小孔106a-106e上。上面已参考图6描述了透镜组104和小孔阵列106。参考光束150a-150e穿过小孔106a-106e，并分别以例如约0.5mm的光束点直径，入射到位置感应检测器108a-108e的近似中心上。位置感应检测器108a-108e经由总线53向控制系统20提供指示参考光束150a-150e(物理上不动的)位置的电信号。
在一个实施例中，激光器82、110和136每个都以约10千赫(kHz)的重复速度，发射持续时间约33微秒(μs)的光脉冲。由激光器82、110和136所发射的三列光脉冲在时间上交替，以向每个位置感应检测器提供具有约10kHz重复速度的、参考束和控制束光脉冲的交替序列。因此，位置感应检测器每个都响应于约10kHz重复速度的控制和参考光束，而提供电信号的交替序列。这使得微镜面能够被控制来在小于约10毫秒(ms)内，将通过输入光纤4a-4e中的一个输入并在初始时被引导到输出光纤6a-6e中的一个的光，切换到输出光纤6a-6e中的另一个。
例如，参考图11的时序图，从其得到控制光束90a-90e(图5)和100a-100e(图6)的激光器82，以约100μs的间隔发射第一列光脉冲。从其得到控制光束114a-114e(图7)和参考光束150a-150e(图10)的激光器110，发射第二列光脉冲，第二列光脉冲相对于第一列光脉冲在时间上移位了约+33μs。从其得到参考光束146a-146e(图8)和148a-148e(图9)的激光器136，发射第三列光脉冲，第三列光脉冲相对于第一列脉冲在时间上移位了约+66μs。
在图15的框图中进一步解释光纤开关2的实施例中，微镜面阵列18和26、位置感应检测器98、108和134、激光器82、110和136以及控制系统20之间的关系。应该注意到，图15中代表光束的各条虚线并未表示出详细的光路。每个镜面阵列都有与其相关联的位置感应检测器阵列和控制光束源(例如激光器82)，这些控制光束被镜面阵列中的镜面引导到位置感应检测器，而不被其他阵列中的镜面反射。这种布置使得能够在大的角度范围(例如大于约20°)上粗略地(例如好于约0.04°的精度)控制每个镜面阵列中的镜面的方向。虽然图示实施例中的每个镜面阵列，都有与其相关联的单独的位置感应检测器阵列以用于粗略的控制，但可以使用单个位置感应检测器，来检测由镜面阵列18和镜面阵列26两者引导到该检测器的控制光束。
通过使用控制光束来实现对镜面阵列中镜面以及由光纤开关2所切换的光束的方向在更窄的角度范围上的更好精度的控制(例如镜面的方向精度好于约0.005°)，这些控制光束被一个镜面阵列中的镜面引导到另一个镜面阵列上的镜面，由此而引导到位置感应检测器阵列。在结合时，用于粗略和精细控制的布置允许在大的角度范围上对镜面方向的精细控制，例如在大于约20°的角度范围上好于约0.005°的精度。
图示实施例中，在例如要从输入端口引导到输出端口的电信光束的光路中，控制光束通过位于镜面阵列之间的二色分光器24(图1、5和6)被引导到镜面阵列。镜面阵列中的镜面将控制光束经由二色分光器42和54(图1、5和6)引导到位置感应检测器阵列。但是在其他实施例中，控制光可经由与二色分光器42和54类似定位的二色分光器，被引导到镜面阵列。而且，镜面阵列中的镜面可将控制光束经由与二色分光器24类似定位的二色分光器，引导到位置感应检测器阵列。
图示实施例采样了三个激光器来作为控制和参考光束源。其他实施例可采用多于或少于三个的光源来提供控制和参考光束。而且，由图示实施例中的相同光源提供的控制和参考光束，在其他实施例中可由不同光源提供。
根据本发明实施例的光纤开关，可用图12的流程图中概述的方法200来初始对准。在步骤210中，位置感应检测器在其安装到光纤开关中之前被校准。具有与上述控制和参考束相似的波长、强度和直径的准直光束，被引导到位置感应检测器上。检测器响应所产生的电信号和光束入射到检测器上的位置(例如用显微镜独立测量的)，被记录在校准查找表中。校准查找表存储在例如控制系统20中。此过程重复大约N×P次(其中N和P分别是微镜面阵列18和26中微镜面的数量)，每次光束都入射到检测器上不同的位置。
应该注意到，步骤210中所准备的校准查找表对于基本相同的位置感应检测器阵列是基本相同的。因此，如果检测器阵列基本相同就不必为每个位置感应检测器阵列98、108和134准备单独的查找表。而且，可以从用不同于光开关2中所包括的那些位置感应检测器阵列所做的测量(或者用几个位置感应检测器阵列所做的平均测量)，来准备校准查找表。
在位置感应检测器被校准之后，在步骤220中例如具有在电信中所使用波长的红外光，通过输入光纤4a-4e引入光开关2，以形成入射到微镜面18a-18e上的光束16a-16e(图1)。接着，在步骤230中，对应于所期望的输入光纤4a-4e到输出光纤6a-6e的耦合，来选择开关配置。
在步骤230之后，在步骤240中控制系统20近似地对准微镜面18a-18e，以将光束16a-16e引导到微镜面26a-26e中与所选开关配置一致的特定微镜面。控制系统20通过这样来完成该步骤，即通过使用校准查找表中的信息来控制微镜面18a-18e，以将控制光束90a-90e引导到位置感应检测器98a-98e上与微镜面18a-18e的所需方向相对应的预定位置(图5)。微镜面18a-18e将光束16a-16e引导到微镜面26a-26e中特定微镜面的所需方向，可从光开关2的已知几何构造计算出来。
接着，在步骤250中控制系统20近似地对准微镜面26a-26e，以将光束16a-16e中入射到其上的任何光束分别引导到小透镜34a-34e，并由此近似地引导到光纤末端40a-40e(图1)。控制系统20通过这样来完成该步骤，即通过使用校准查找表中的信息来控制微镜面26a-26e，以将控制光束100a-100e引导到，位置感应检测器108a-108e上与微镜面26a-26e的所需方向相对应的位置(图6)。微镜面26a-26e的所需方向可从光开关2的已知几何构造和微镜面18a-18e的已知方向计算出来。
通常，在执行步骤250之后，控制光束114a-114e中的每个将入射到位置感应检测器134a-134e中相应的一个上(图7)。但是，光束16a-16e可能对准得很不够，使得小透镜34a-34e不一定将入射到其上的光束16a-16e的特定光束分别聚焦到光纤末端40a-40e的纤芯上。
在步骤250之后，在步骤260中控制系统20控制微镜面26a-26e或微镜面18a-18e以使光束56a-56e的强度最小，光束56a-56e分别被光纤末端40a-40e或者光纤块38的相邻区域反射，并被输出传感器64检测到(图3)。最小强度的反射可以通过这样来找到，例如将光束16a-16e光栅扫描过其在步骤250中被近似引导到的特定光纤末端。作为此最小化过程的结果，光束16a-16e被聚焦到其所入射的光纤末端的纤芯上。这样，在步骤260之后，光束16a-16e每个中的至少一部分光被耦合到输出光纤6a-6e中各光束16a-16e被引导到的输出光纤6a-6e的特定光纤中。
接着在步骤270中，控制系统20通过改变微镜面18a-18e和微镜面26a-26e的方向而使耦合到光纤6a-6e中的光的强度最大，来细调光束16a-16e的对准。例如，可通过反复地改变微镜面26a的方向和微镜面18a-18e中反射出入射到光纤6a上光束的那个微镜面的方向，而最大化耦合到输出光纤6a中的光的强度。耦合到输出光纤中的光的强度，可用例如临时光耦合到输出光纤的常规的InGaAs光电二极管来测量。作为此最大化过程的结果，光束16a-16e近似地在反射它们的微镜面的中心上，并近似地在它们所聚焦到的输出光纤的纤芯中心上。
接着在步骤280中，控制系统20计算由位置感应检测器98a-98e、108a-108e和134a-134e响应于控制和参考光束而提供的电信号之间的差，并将其记录在对准查找表中。这些差信号代表位置感应检测器上的位置，并对应于光束16a-16e的优化对准。在步骤280之后，在步骤290处控制系统20确定是否已对输入端口到输出端口的所有可能连接，都进行了步骤240到280。如果不是，则控制系统20返回到步骤230。
方法200是根据本发明实施例的光纤开关可被初始对准和校准的几种方法中的一种。在美国专利申请案卷号No.M-11419 US中，描述了可另外使用的或者代替方法200使用的其他合适的方法。
在初始对准和校准之后，控制系统20可用在图13的流程图中概述的方法300，来操作根据本发明实施例的光开关。在步骤310中，控制系统20选择与所期望的输入光纤4a-4e到输出光纤6a-6e的耦合相对应的开关配置。接着在步骤320中，控制系统20从对准查找表中检索出与所选开关配置的优化对准相对应的差信号(位置感应检测器上的位置)。
在步骤320之后，在步骤330中控制系统20对准微镜面18a-18e，以将控制光束90a-90e引导到位置感应检测器98a-98e上与所选开关配置相对应的预定位置。控制系统20通过这样来完成该步骤，例如通过控制微镜面18a-18e，使得检测器98a-98e响应于控制和参考光束而提供的电信号之间的差，复现在步骤320中检索到的差信号。控制系统20还对准微镜面26a-26e，以将控制光束100a-100e引导到位置感应检测器108a-108e上与所选开关配置相对应的预定位置。控制系统20通过这样来完成该步骤，例如通过控制微镜面26a-26e，使得检测器108a-108e响应于控制和参考光束而提供的电信号之间的差，复现在步骤320中检索到的差信号。
接着在步骤350中，控制系统20对准微镜面18a-18e或者微镜面26a-26e，以将控制光束114a-114e引导到位置感应检测器134a-134e上与所选开关配置相对应的预定位置。控制系统20通过这样来完成该步骤，例如控制微镜面18a-18e或者微镜面26a-26e，使得检测器134a-134e响应于控制和参考光束而提供的电信号之间的差，复现在步骤320中检索到的差信号。控制系统20从步骤350返回到步骤310。
方法300不要求在光开关2中存在光束16a-16e。这样，控制系统20可确定微镜面18a-18e和26a-26e被对准，来将输入光纤4a-4e中特定光纤所输出的光耦合到输出光纤6a-6e中的特定光纤，即使这个输入光纤并未承载光。换言之，控制系统20可提供暗光纤确认(dark fiberconfirmation)。在一个实施例中，在步骤350之后控制系统20向网络节点控制器发送信号，例如指示已建立了输入端口和输出端口之间的特定连接。此信号可在光被引入到输入端口之前发送。
光开关2中各个光学元件的相对位置可以随时间改变。这种改变可以是由于例如由温度的变化而引起的膨胀或收缩，或者由于振动。这样，有时将光开关2重对准和重校准可能是有益的。光开关2可以用在图14的流程图中概述的重校准方法400来重对准和重校准。在步骤410中，控制系统20选择与所期望的监控信道4a和4e到监控信道6a和6e的耦合相对应的开关配置(图4)。接着在步骤420中，控制系统20执行方法300的步骤来建立所选择的监控信道之间的连接。
接着在步骤430中，控制系统20通过改变微镜面18a、18e、26a和26e的方向，而使监控束在其穿过光开关2期间的衰减最小，来细调监控光束16a和16e的对准。在步骤430之后，在步骤440中控制系统20计算并存储由位置感应检测器98a、98e、108a、108e、134a和134e响应于控制和参考束而提供的电信号之间的差。这些差信号代表位置感应检测器上的位置，并对应于监控光束16a和16e的重优化的对准。
接着在步骤450中，控制系统20确定是否已对所有监控信道的耦合连接，都进行了步骤420到440。如果不是，则控制系统20返回到步骤410。
如果已对所有监控信道连接都进行了步骤420到440，那么在步骤460中控制系统20就确定以下两者之间的系统漂移在步骤440处存储的差信号；以及在光开关的初始对准和校准(例如出厂校准)期间存储在对准查找表中的相应差信号。接着在步骤470中，控制系统20从在步骤460中所确定的漂移，来计算对在光开关的初始对准和校准期间所存储的所有差信号的校正项。控制系统20在执行方法300时所使用的差信号，是这些校正项与在光开关的初始对准和校准期间所存储的差信号的组合。接着在步骤480中，控制系统20将校正项存储在对准查找表中。
在美国专利申请案卷号No.M-11419 US中，描述了方法400的变化以及更详细的实现。
根据本发明实施例的光纤开关2，通常以小于约3分贝的插入损耗来工作。换言之，由输入光纤4a-4e中的一个所承载的光信号的功率，在穿过光纤开关2进入输出光纤6a-6e中一个光纤的期间，通常衰减了小于约3分贝。这样低的插入损耗部分是因为，可以在不对输入光纤所承载的光进行采样的情况下，测量并控制微镜面18a-18e和26a-26e的方向。此外，光束16a-16e的对准的控制精度，使得光束有效地耦合到输出光纤中。而且，光纤开关2在物理上可以是紧凑的。因此，光束16a-16e穿过光纤开关2的光路长度通常小于约360mm。因此，光束16a-16e的直径一直较小，于是由于衍射的损耗就较低。
虽然用具体实施例解释了本发明，但本发明意于包括落在所附权利要求的技术构思之内的所有变化和修改方案。
权利要求
1.一种光开关，包括第一多个端口；第二多个端口；位于第一表面上的第一多个镜面；位于第二表面上的第二多个镜面；和二色光学元件；其中所述第一多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从所述第一多个端口中对应的一个端口所输出的光，经由所述二色光学元件而引导到所述第二多个镜面中的任一个；并且其中所述第二多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从所述第一多个镜面中任一个入射到所述第二多个镜面中的所述一个镜面上的光，引导到所述第二多个端口中对应的一个端口。
2.如权利要求1所述的光开关，其中所述第一多个端口和所述第二多个端口每个都包括大于约1000个端口。
3.如权利要求1所述的光开关，其中所述第一多个镜面和所述第二多个镜面每个都包括大于约1000个镜面。
4.如权利要求1所述的光开关，其中所述第一多个镜面中的每个和所述第二多个镜面中的每个的方向，都可以以好于约0.005°的角度精度来控制。
5.如权利要求1所述的光开关，其中所述第一多个端口、所述第二多个端口、所述第一多个镜面和所述第二多个镜面相对于所述二色光学元件对称布置。
6.如权利要求1所述的光开关，其中所述二色光学元件是二色分光器。
7.如权利要求1所述的光开关，其中由所述第一多个端口中的一个所输出的光，被聚焦到所述第一多个镜面和所述第二多个镜面之间的光腰。
8.如权利要求1所述的光开关，其中由所述第一多个端口中的一个所输出的光，以相对于垂直所述第一表面的轴小于约25°的角度，入射到所述第一多个镜面中的一个上。
9.如权利要求1所述的光开关，还包括分光器，所述分光器布置在所述第一多个端口和所述第一多个镜面之间的光路中。
10.如权利要求1所述的光开关，还包括二色光学元件，所述二色光学元件布置在所述第一多个端口和所述第一多个镜面之间的光路中。
11.一种光开关，包括第一多个端口；第二多个端口；位于第一表面上的第一多个镜面；位于第二表面上的第二多个镜面；和二色光学元件，位于所述第一多个端口和所述第一多个镜面之间的光路中；其中所述第一多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从所述第一多个端口中对应的一个所输出的光，引导到所述第二多个镜面中的任一个；并且其中所述第二多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从所述第一多个镜面中任一个入射到所述第二多个镜面中的所述一个上的光，引导到所述第二多个端口中对应的一个。
12.如权利要求11所述的光开关，其中所述第一多个端口和所述第二多个端口每个都包括大于约1000个端口。
13.如权利要求11所述的光开关，其中所述第一多个镜面和所述第二多个镜面每个都包括大于约1000个镜面。
14.如权利要求11所述的光开关，其中所述第一多个镜面中的每个和所述第二多个镜面中的每个的方向，都可以以高于约0.005°的角度精度来控制。
15.如权利要求11所述的光开关，其中所述第一多个端口、所述第二多个端口、所述第一多个镜面和所述第二多个镜面对称布置。
16.如权利要求11所述的光开关，其中所述二色光学元件是二色分光器。
17.如权利要求11所述的光开关，其中由所述第一多个端口中的一个所输出的光，被聚焦到所述第一多个镜面和所述第二多个镜面之间的光腰。
18.如权利要求11所述的光开关，其中由所述第一多个端口中的一个所输出的光，以相对于垂直所述第一表面的轴小于约25°的角度，入射到所述第一多个镜面中的一个上。
19.如权利要求11所述的光开关，还包括分光器，所述分光器布置在所述第一多个端口和所述第一多个镜面之间的光路中。
20.一种光开关，包括第一多个端口；第二多个端口；位于第一表面上的第一多个镜面；和位于第二表面上的第二多个镜面；其中由所述第一多个端口中的一个所输出的光，以相对于垂直所述第一表面的轴小于约25°的角度，入射到所述第一多个镜面中的一个上；其中所述第一多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从所述第一多个端口中对应的一个端口所输出的光，引导到所述第二多个镜面中的任一个；并且其中所述第二多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从所述第一多个镜面中任一个入射到所述第二多个镜面中的所述一个镜面上的光，引导到所述第二多个端口中对应的一个端口。
21.如权利要求20所述的光开关，其中所述第一多个端口和所述第二多个端口每个都包括大于约1000个端口。
22.如权利要求20所述的光开关，其中所述第一多个镜面和所述第二多个镜面每个都包括大于约1000个镜面。
23.如权利要求20所述的光开关，其中所述第一多个镜面中的每个和所述第二多个镜面中的每个的方向，都可以以高于约0.005°的角度精度来控制。
24.如权利要求20所述的光开关，其中所述第一多个端口、所述第二多个端口、所述第一多个镜面和所述第二多个镜面对称布置。
25.如权利要求20所述的光开关，其中由所述第一多个端口中的一个所输出的光，被聚焦到所述第一多个镜面和所述第二多个镜面之间的光腰。
26.如权利要求20所述的光开关，还包括分光器，所述分光器布置在所述第一多个端口和所述第一多个镜面之间的光路中。
27.一种光开关，包括第一多个端口；第二多个端口；位于第一表面上的第一多个镜面；位于第二表面上的第二多个镜面；和分光器，位于所述第一多个端口和所述第一多个镜面之间的光路中；其中所述第一多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从所述第一多个端口中对应的一个端口所输出的光，引导到所述第二多个镜面中的任一个；并且其中所述第二多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从所述第一多个镜面中任一个入射到所述第二多个镜面中的所述一个镜面上的光，引导到所述第二多个端口中对应的一个端口。
28.如权利要求27所述的光开关，其中所述第一多个端口和所述第二多个端口每个都包括大于约1000个端口。
29.如权利要求27所述的光开关，其中所述第一多个镜面和所述第二多个镜面每个都包括大于约1000个镜面。
30.如权利要求27所述的光开关，其中所述第一多个镜面中的每个和所述第二多个镜面中的每个的方向，都可以以高于约0.005°的角度精度来控制。
31.如权利要求27所述的光开关，其中所述第一多个端口、所述第二多个端口、所述第一多个镜面和所述第二多个镜面对称布置。
32.如权利要求27所述的光开关，其中由所述第一多个端口中的一个所输出的光，被聚焦到所述第一多个镜面和所述第二多个镜面之间的光腰。
33.一种光开关，包括第一多个端口；第二多个端口；位于第一表面上的第一多个镜面；和位于第二表面上的第二多个镜面；其中由所述第一多个端口中的一个所输出的光，被聚焦到所述第一多个镜面和所述第二多个镜面之间的光腰；其中所述第一多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从所述第一多个端口中对应的一个端口所输出的光，引导到所述第二多个镜面中的任一个；并且其中所述第二多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从所述第一多个镜面中任一个入射到所述第二多个镜面中的所述一个镜面上的光，引导到所述第二多个端口中对应的一个端口。
34.如权利要求33所述的光开关，其中所述第一多个端口和所述第二多个端口每个都包括大于约1000个端口。
35.如权利要求33所述的光开关，其中所述第一多个镜面和所述第二多个镜面每个都包括大于约1000个镜面。
36.如权利要求33所述的光开关，其中所述第一多个镜面中的每个和所述第二多个镜面中的每个的方向，都可以以高于约0.005°的角度精度来控制。
37.如权利要求33所述的光开关，其中所述第一多个端口、所述第二多个端口、所述第一多个镜面和所述第二多个镜面对称布置。
全文摘要
根据本发明实施例的光纤开关包括第一多个端口(10a－10e)、第二多个端口(40a－40e)、位于第一表面上的第一多个镜面(18a－18e)和位于第二表面上的第二多个镜面(26a－26e)。第一多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从第一多个端口中对应的一个所输出的光，引导到第二多个镜面中的任一个。第二多个镜面中的每一个都可单独控制，以将从第一多个镜面中任一个入射到其上的光，引导到第二多个端口中对应的一个。有利的是，根据本发明实施例的光纤开关可以以小于约3分贝的插入损耗，来将大于一千个的输入端口耦合到大于一千个的输出端口。
文档编号H04Q11/00GK1575428SQ02821138
公开日2005年2月2日 申请日期2002年10月22日 优先权日2001年10月24日
发明者程中·黄, 史蒂文·赛义德·纳西里, 兰德尔·布里安·斯普拉格, 亚历克斯·哈威特, 德米特里·瓦西里·巴金, 雅努什·布尔泽卡 申请人:英特尔公司