专利名称：光开关的制作方法
技本领域本申请要求享有日本在先申请JP 2002-248012和JP 2003-005375的优先权，上述申请通过引用结合于本文中。
本发明涉及一种用于光通信系统中的光学部件，尤其涉及一种适用于切换或截断光路的光开关。
背景技术：
存在两种类型的光开关。第一种类型是波导型光开关，其采用石英光波导或铌酸锂晶体光波导。第二种类型是机械光开关，其使光纤或棱镜机械式运动。
第一类型的光开关通过改变一部分光波导的折射率来进行切换。为了改变一部分光波导的折射率，使电流从安装于光波导上的薄膜电热器中流过，或通过光电效应在电极上施加电压。第一类型的光开关因其未设置运动部件而具有可靠性的优点。然而，第一类型的光开关的问题在于其通常较昂贵，并且损耗较大。因此，实际上使用的大多数光开关为第二类型的光开关。
作为第二类型的光开关，已经知道这样一种光开关，其具有输入光纤、设置在朝向输入光纤上的输出端面的位置处的平的光波导板、多个固定在此平的光波导板上的输出光纤，以及用于使输入光纤和平的光波导板的位置相对运动的运动单元。光开关通过机械地改变输入光纤和平的光波导板的相对位置来切换光路。这种光开关例如公开于JP-A-2001-174725。第二类型的光开关比第一类型的光开关更便宜，其损耗也更小。然而，由于第二类型的光开关具有运动部件，因此其可靠性较低。
由于在城市的各个区域中均已建立了光通信网络，因此需要价格较低且可靠性较高的光开关，以实现灵活地控制网络的信号路径的功能。
发明内容
为了满足上述要求，本发明的一个目的是提供一种比传统的机械式光开关的可靠性更高且价格更低的光开关。
根据本发明的光开关具有电磁驱动机构，其包括具有处于两个引脚部分之间的中间部分的U形磁心；缠绕在U形磁心上的线圈；具有两个在引脚部分上相互面对的端部并以能够进行振动的方式而支撑的软磁衔铁；以及永磁体，其设置成可对U形磁心和衔铁施加磁通量。光开关还具有至少一个直接固定在衔铁上的光路切换单元、至少一个用于使光入射在光路切换单元上的入射侧光纤，以及至少一个发射侧光纤，光路被光路切换单元所切换的光于此处耦合。
根据本发明的光开关应当具有入射侧光学系统，用于将光从入射侧光纤引导到光路切换单元；以及发射侧光学系统，用于将光路被光路切换单元所切换的光引导到发射侧光纤。
在根据本发明的光开关中，衔铁的振动是围绕着接近衔铁中央部分的一部分作为支点的往复式转动。转动通过切换作用在U形磁心的一个引脚部分和衔铁的朝向此引脚部分的一个端部之间的磁吸引力以及作用在U形磁心的另一引脚部分和衔铁的朝向此引脚部分的另一端部之间的磁吸引力而产生。
在根据本发明的光开关的第一实施例中，光路切换单元包括第一反射镜。第一反射镜直接安装在衔铁上，其方式使其具有处于基本上平行于衔铁振动方向的平面内的光反射方向。
在根据本发明的光开关的第二实施例中，光路切换单元包括具有至少一个反射面的第二反射镜。第二反射镜直接安装在衔铁上，其方式使其具有处于基本上正交于衔铁振动方向的平面内的光反射方向。
或者，光路切换单元也可以是直接固定在衔铁上的板件，其适于截断来自入射侧光纤的光。
在根据本发明的光开关的第三实施例中，光路切换单元包括透明件。透明件具有光入射平面和光发射平面，它们基本上相互平行并基本上平行于衔铁的振动方向。
在根据本发明的光开关的第四实施例中，光路切换单元包括透明件。透明件具有光入射平面和光发射平面，它们相互不平行，但基本上平行于衔铁的振动方向。
在根据本发明的光开关的第五实施例中，光路切换单元包括透明件。透明件具有两组光入射平面和光发射平面，它们基本上相互平行并基本上平行于衔铁的振动方向。
透明件最好具有矩形的扁平形状。
光路切换单元可设置在衔铁朝向U形磁心的一个引脚部分的一个端部的附近，或分别设置在衔铁朝向两个引脚部分的两个端部的附近。
入射侧光纤和发射侧光纤中的至少一个设置成多个。
在根据本发明的光开关中，永磁体可设置在U形磁心和衔铁之间，永磁体的一个磁极端可处于U形磁心的中间部分的中心附近，而永磁体的另一磁极端可处于衔铁的振动支点附近。
而且，在根据本发明的光开关中，永磁体可以是复合的永磁体，其在其两端具有一个磁极，而另一磁极处于其中央部分，并可设置在U形磁心的两个引脚部分之间。
此外，在根据本发明的光开关中，永磁体可固定在衔铁上，其方式使其一个磁极与衔铁接触，并可与衔铁一起摆动或振动。
电磁驱动机构还可包括用于整体式夹持U形磁心和永磁体的固定侧绝缘基体，以及用于夹持衔铁的运动侧绝缘体。在这种情况下，U形磁心和永磁体通过整体式地模制固定侧绝缘基体并使永磁体与一部分U形磁心相接触来固定。
电磁驱动机构还可包括铰链弹簧部分，其可支撑衔铁并对衔铁的振动施加激励力或阻尼力；以及与衔铁的振动互锁的可动弹簧部分。
图1A到1C是显示了用于本发明的光开关的电磁驱动机构的第一示例的视图，图1A显示了线圈未被激励的状态，图1B显示了线圈被激励的状态，图1C显示了另一种线圈未被激励的状态；图2A到2C是显示了用于本发明的光开关的电磁驱动机构的第二示例的视图，图2A显示了线圈未被激励的状态，图2B显示了线圈被激励的状态，图2C显示了另一种线圈未被激励的状态；图3A到3C是显示了用于本发明的光开关的电磁驱动机构的第三示例的视图，图3A显示了线圈未被激励的状态，图3B显示了线圈被激励的状态，图3C显示了另一种线圈未被激励的状态；图4A和4B是示意性地显示了根据本发明第一实施例的光开关和显示了光路被切换的状态的透视图；图5A和5B是示意性地显示了根据本发明第二实施例的光开关和显示了光路被切换的状态的透视图；图6A和6B是示意性地显示了根据本发明第三实施例的光开关和显示了光路被切换的状态的透视图；图7是示意性地显示了根据本发明第四实施例的光开关的透视图；图8是示意性地显示了根据本发明第五实施例的光开关的透视图；图9是示意性地显示了根据本发明第六实施例的光开关的透视图；图10A和10B是示意性地显示了根据本发明第七实施例的光开关的顶视图和侧视图；和图11是用于说明根据本发明的光开关的制造方法和结构的视图。
具体实施例方式
图4A和4B是示意性地显示了根据本发明第一实施例的光开关和显示了光路被切换的状态的透视图。
在图4A和4B中，光开关具有电磁驱动机构1。如下面所详细地介绍，电磁驱动机构1具有以能够进行摆动或振动的方式支撑的衔铁2，以及用于使电流流过包括于电磁驱动机构1内的线圈的电极端子10(只显示出一个)。衔铁2最好由软磁材料如铁制成。
反射镜(第一反射镜)3直接安装在衔铁2的一个端部的上表面上。反射镜3由涂覆有反射膜的薄玻璃或晶体片形成。入射侧光纤4以及发射侧光纤5和6安装在反射镜3的上方。在反射镜3和入射侧光纤4之间安装了透镜(入射侧光学系统)7，用于将来自入射侧光纤4的发射光引导到反射镜3上。在反射镜3和发射侧光纤5之间安装了透镜(发射侧光学系统)8，用于将反射镜3所反射的光引导到发射侧光纤5上。类似地，在反射镜3和发射侧光纤6之间安装了透镜9，用于将反射镜3所反射的光引导到发射侧光纤6上。在下文中，衔铁2的安装有反射镜3的端部称为一端，而相反一侧的端部称为另一端。
如下所述，电磁驱动机构1、光纤4，5，6和透镜7，8，9通过粘合、钎焊或焊接固定到一个壳体上。
图1A到1C是说明用于图4A和4B所示光开关的电磁驱动机构的第一示例的操作原理的图。
在图1A到1C中，电磁驱动机构包括衔铁20、线圈19、具有两个引脚部分21a，21b和与这些引脚部分相连的中间部分21 c的U形铁心21，以及永磁体22。线圈19缠绕在U形铁心21的中间部分21c上。永磁体22的一端固定在中间部分21c的内侧上的中心部分处。可进行振动的衔铁20设置成使其两个端部分别朝向引脚部分21a，21b，而永磁体22的另一端用作振动的支点A。换句话说，由于衔铁20的中间部分被设置在永磁体22的另一端上的突起所支撑，因此衔铁20可围绕作为支点A的突起进行振动，即跷跷板式运动。
图1A显示了线圈19未被激励的状态。在这种情况下，衔铁20通过永磁体22所产生的磁通量φ1而被朝向引脚部分21b吸引。
图1B显示了线圈19被激励的状态。在这种状态下，通过线圈19的激励而在U形铁心21中所产生的磁通量φ0抵消了磁通量φ1，同时磁通量φ0增加到永磁体22所产生的磁通量φ2中。结果，衔铁20绕支点A顺时针转动，衔铁20被朝向引脚部分21a吸引。在这种状态下，即使停止对线圈19的激励，衔铁20朝向引脚部分21a的吸引也可以通过来自永磁体22的磁通量φ2而得以保持，如图1C所示。
为了从图1C的状态中恢复到图1A的状态，可使流经线圈19的电流沿相反的方向流动。
这种电磁驱动机构公开于如JP-A-63-301441中。
再参考图4A和4B，下面将介绍根据第一实施例的光开关的操作。图4A显示了衔铁2的另一端被吸引到U形铁心上的状态。图4B显示了衔铁2的一端被吸引到U形铁心上的状态。
在图4A中，来自入射侧光纤4的光11被透镜7校准，并入射在反射镜3上。被反射镜3向上反射出的光12通过透镜8会聚，并入射在发射侧光纤5上。
接着，当电流从电极端子10流过线圈时，衔铁2逆时针转动到如图4B所示的状态。在这种状态下，来自入射侧光纤4的光11被反射镜3沿着与图4A所示方向不同的方向反射。反射光13通过透镜9会聚，并入射在发射侧光纤6上。
为了从图4B的状态中恢复到图4A的状态，可使从电极端子10流过线圈的电流沿相反的方向流动。
通过如上所述地切换从电极端子10流过线圈的电流的方向，就可以切换入射侧光纤4和发射侧光纤5或6的组合。总之，来自入射侧光纤4的光供应可切换到两个输出端口的一个中。
具有如图1A到1C所示结构的电磁驱动机构具有与传统电磁继电器的电磁驱动机构相同的结构和原理。因此，电磁驱动机构已经投入实际应用中若干年，并且非常可靠。对这种电磁驱动机构来说，已经建立了一种成本较低的制造方法。而且，用于此电磁驱动机构的光学部件常用于传统的光学器件中。因此，根据第一实施例的光开关可以较低的成本制造，并制成较小的尺寸。
图2A到2C是说明用于本发明光开关的电磁驱动机构的第二示例的操作原理的图。
在图2A到2C中，电磁驱动机构包括线圈29、衔铁30、具有两个引脚部分31a，31b和与这些引脚部分相连的中间部分31c的U形铁心31，以及永磁体32。永磁体32为在其中央具有北极而在其两端具有南极的复合永磁体。当然，永磁体32也可以是在其中央具有南极而在其两端具有北极的复合永磁体。线圈29缠绕在U形铁心31的中间部分31c上。永磁体32固定在U形铁心31的引脚部分31a的上部和引脚部分31b的上部之间。可进行振动的衔铁30设置成使其两个端部分别朝向引脚部分31a，31b。特别是，在衔铁30的中央下部设有用作振动的支点A的突起，此突起设置成与永磁体32的中央部分相接触。
图2A显示了线圈29未被激励的状态。在这种状态下，衔铁30通过永磁体32所产生的磁通量φ1而被朝向引脚部分31b吸引。
图2B显示了线圈29被激励的状态。由于线圈29被激励，在U形铁心31中所产生的磁通量φ0抵消了磁通量φ1，同时永磁体32所产生的磁通量φ2在引脚部分31a的一侧增加到衔铁30的磁通量φ0中。结果，衔铁30绕支点A顺时针转动。在这种状态下，即使停止对线圈29的激励，衔铁30朝向引脚部分31a的吸引也可以通过来自永磁体32的磁通量φ2而得以保持，如图2C所示。
为了从图2C的状态中恢复到图2A的状态，可使流经线圈29的电流沿相反的方向流动。
这种电磁驱动机构同样具有与传统电磁继电器的电磁驱动机构相同的结构和原理。因此，这种电磁驱动机构具有较高的可靠性，并已经建立了成本较低的制造方法。
这种电磁驱动机构公开于如JP-A-2000-311568中。
图3A到3C是说明用于本发明光开关的电磁驱动机构的第三示例的操作原理的图。
在图3A到3C中，电磁驱动机构包括线圈39、衔铁40、具有两个引脚部分41a，41b和与这些引脚部分相连的中间部分41c的U形铁心41，以及永磁体42。线圈39缠绕在U形铁心41的中间部分41c上。可进行振动的衔铁40设置成使其两个端部分别朝向引脚部分41a，41b。在衔铁40的下方中央部分处安装了永磁体42，使其在衔铁40的一侧具有北极而在其另一端具有南极。当然，永磁体42也可安装成使其在衔铁40的一侧具有南极而在其另一端具有北极。在两个引脚部分41a，41b之间设有支撑件43，其具有向上的突起43a。由于永磁体42具有由突起43a所支撑的中央部分，因此突起43a用作衔铁40的振动支点A。支撑件43由非磁性材料制成。
图3A显示了线圈39未被激励的状态。在这种状态下，衔铁40通过永磁体42所产生的磁通量φ1而被朝向引脚部分41b吸引。
图3B显示了线圈39被激励的状态。在这种状态下，通过线圈39的激励而在U形铁心41中所产生的磁通量φ0抵消了磁通量φ1，同时永磁体42所产生的磁通量φ2在引脚部分41a一侧增加到衔铁40的磁通量φ0中。结果，衔铁40绕支点A顺时针转动。在这种状态下，即使停止对线圈39的激励，衔铁40朝向引脚部分41a的吸引也可以通过磁通量φ2而得以保持，如图3C所示。
为了从图3C的状态中恢复到图3A的状态，可使流经线圈39的电流沿相反的方向流动。
这种电磁驱动机构同样具有与传统电磁继电器的电磁驱动机构相同的结构和原理。因此，这种电磁驱动机构具有较高的可靠性，并已经建立了成本较低的制造方法。
图5A和5B是显示了根据本发明的光开关的第二实施例。图5A和5B显示了光路被切换的状态。
在图5A和5B中，光开关具有电磁驱动机构1。电磁驱动机构1具有以能够摆动或振动的方式而支撑的衔铁2，以及两个用于使电流流过包括于电磁驱动机构1内的线圈的电极端子10(只显示了一个)。反射镜(第二反射镜)53直接安装在衔铁2的一个端部的上表面上。反射镜53安装成使其反射面基本上平行于衔铁2的振动方向。反射镜53由涂覆有反射膜的玻璃板或晶体片形成。反射镜53在其各侧上均具有反射面。
在反射镜53的一个反射面侧安装了入射侧光纤54和发射侧光纤56。在反射镜53的另一反射面侧安装了发射侧光纤57和入射侧光纤56，它们处于与入射侧光纤54和发射侧光纤56关于反射镜53的光反射点为对称的位置。
在反射镜53的一个反射面侧安装了用于将来自入射侧光纤54的发射光引导到反射镜53上的透镜58，以及用于将被反射镜53反射的光引导到发射侧光纤56上的透镜60。类似的，在反射镜53的另一反射面侧安装了用于将来自入射侧光纤55的发射光引导到反射镜53上的透镜59，以及用于将被反射镜53反射的光引导到发射侧光纤57上的透镜61。在下文中，衔铁2上安装了反射镜53的端部称为一端，而相对侧的那个端部称为另一端。
如下所述，电磁驱动机构1、光纤54，55，56，57和透镜58，59，60，61通过粘合、钎焊或焊接固定到一个壳体上。
对于在第二实施例中使用的电磁驱动机构1来说，可使用如图1A到1C、图2A到2C和图3A到3C中所示的任一电磁驱动机构。这也同样适用于将在下文中介绍的第三到第七实施例。
下面将介绍根据第二实施例的光开关的操作。图5A显示了衔铁2的另一端被吸引到U形铁心上的状态。在这种状态下，来自入射侧光纤54，55的光入射在反射镜53上。图5B显示了衔铁2的一端被吸引到U形铁心上的状态。在这种状态下，来自入射侧光纤54，55的光从反射镜53的上方通过。
在图5A中，来自入射侧光纤54的光45由透镜58校准，并入射在反射镜53的一个反射面上。被反射镜53所反射的光46通过透镜60会聚，并入射在发射侧光纤56上。另一方面，来自入射侧光纤55的光47由透镜59校准，并入射在反射镜53的另一反射面上。被反射镜53所反射的光48通过透镜61会聚，并入射在发射侧光纤57上。
接着，当电流从电极端子10流过线圈时，衔铁2逆时针转动到如图5B所示的状态。在这种状态下，反射镜53向下运动。结果，从入射侧光纤54，55中发出的光45，47从反射镜53的上方通过，并分别经透镜61，60入射在安装于反射镜53的另一侧的发射侧光纤57，56上。
为了从图5B的状态中恢复到图5A的状态，可使电流沿相反的方向流过电极端子10。
通过如上所述地切换流经电极端子10的电流的方向，就可将光从入射侧光纤54，55切换到两个输出端口中的一个上。
同时，通过考虑衔铁2的运动距离(通常为0.3到0.6毫米)来设计反射镜53的形状、反射镜53的安装位置以及光束的直径。也就是说，设定成使得在图5A所示状态下从入射侧光纤54，55中发出的大部分光45，47被反射镜53反射，而在图5B所示状态下大部分光45，47从反射镜53的上方通过。反射镜53的厚度设定为足够薄，即约0.1到1毫米，使得在两种光路切换状态下均不会增大光的损耗。
在第二实施例中，由于反射镜53只安装在衔铁2的一端，因而实现了可切换2×2个端口的光开关。然而，通过在衔铁2的另一端也安装反射镜并相对于此反射镜设置两个入射侧光纤和两个发射侧光纤，就实现了可切换两个2×2个端口的通道的光开关。
而且，通过相对于一个反射镜提供一组多方向的入射和发射，可以构造出具有多个通道的光开关。例如，通过在与图5A中包括有入射侧光纤和发射侧光纤的平面垂直的平面内安装另一组入射侧光纤和发射侧光纤，就可以构造出多通道的光开关。
同样在第二实施例中，电磁驱动机构可采用非常可靠的电磁继电器的驱动机构，这里所用的光学部件都较便宜。因此，可以实现一种成本较低、尺寸较小和非常可靠的光开关。
反射镜53可以是具有只在一侧反射光的性能的反射镜。例如，如果反射镜53只在入射侧光纤55一侧上具有反射面，那么光开关可将光从入射侧光纤55切换到发射侧光纤56，57中的一个。因此，在这种情况下就可省略入射侧光纤54。
另外，通过安装光截断板来代替图5A中反射镜53，就可以实现一种光截断型光开关。这种板由金属材料制成，形成为与反射镜53相同的形状，并以与反射镜53相同的方法固定在衔铁2上。
在第一和第二实施例中，采用透镜来校准来自光纤的发出光，并将校准光组合到光纤中。然而，如果采用带有扩大芯部的TEC光纤作为光纤的话，那么可以省略透镜。
在第一和第二实施例中，采用光纤作为用于将光引导到光开关中的输入端口，或作为用于将光引出光开关的输出端口。然而，也可以采用典型的光波导。
在第一和第二实施例中，采用U形铁心来引导来自永磁体和线圈中的磁通量。然而，也可以采用由典型的软磁材料制成的U形磁心。
上述参考图1A到1C和图2A到2C所述的电磁驱动机构可通过整体模制来生产。具体地说，通过整体模制来形成用于整体地夹持U形铁心和永磁体的固定侧绝缘基体以及用于夹持衔铁的运动侧绝缘体，并且使永磁体与U形铁心的一部分保持接触。根据这种成形方法，由于不必用粘合剂将永磁体和U形铁心相互固定住，因此就不需要用于等待粘合剂硬化的时间。而且，由于整体模制简化了制造工艺，因此可以提高U形铁心、永磁体和电极端子之间的位置精度。将在下文中参考附图来详细地介绍这种电磁驱动机构的这种制造方法和结构。
上述参考图1A到1C和图2A到2C所述的电磁驱动机构也可如下所述地生产。也就是说，电磁驱动机构可具有铰链弹簧，其用于支撑衔铁，同时对衔铁的振动施加激励力或阻尼力；以及与衔铁的振动互锁的可动弹簧，如用于电磁继电器中的一样。这就对衔铁的振动提供了附加的作用力，因此可以降低用于执行光开关的切换操作所必需的耗用电能。而且，通过采用可动弹簧的一个端部作为电触点，就可以检查衔铁的振动状态，控制此切换状态并使操作稳定。同样，将在下文中参考附图来详细地这种电磁驱动机构的结构。
图6A和6B是示意性地显示了根据本发明第三实施例的光开关的透视图。图6A和6B显示了光路被切换的状态。
在图6A和6B中，光开关具有电磁驱动机构1。电磁驱动机构1具有以能够摆动或振动的方式而支撑的衔铁2，以及用于使电流流过包括于电磁驱动机构1内的线圈的电极端子10(只显示了一个)。
通过例如粘合或焊接的固定方法将透明玻璃板63直接安装在衔铁2一端的上表面上。玻璃板63是矩形的，具有相互平行的入射平面63a和发射平面63b。在玻璃板63的入射平面63a和发射平面63b上设有防反射涂层。玻璃板63安装成使得入射平面63a和发射平面63b基本上平行于衔铁2的振动方向，并且在与振动方向正交的平面内的光的入射角约在45±40度之内。在下文中，衔铁2上的安装了玻璃板63的端部称为一端，而相对侧的端部称为另一端。
在玻璃板63的入射侧安装了入射侧光纤64，在发射侧安装了发射侧光纤65，66。在玻璃板63的入射侧还安装了透镜67，用于将来自入射侧光纤64的发射光引导到玻璃板63上。在玻璃板63的发射侧安装了用于将通过玻璃板63的光引导到发射侧光纤65上的透镜68以及用于将从玻璃板63的上方通过的光引导到发射侧光纤66上的透镜73。
采用将在下文中详细介绍的制造方法，电磁驱动机构1、光纤64到66以及透镜67，68，73可通过粘合、钎焊或焊接固定到一个壳体上。
下面将介绍根据第三实施例的光开关的操作。图6A显示了衔铁2的另一端被吸引到U形铁心上的状态。在这种状态下，来自入射侧光纤64的光70入射在玻璃板63上。图6B显示了衔铁2的一端被吸引到U形铁心上的状态。在这种状态下，来自入射侧光纤64的光70从玻璃板63的上方通过。
在图6A中，来自入射侧光纤64的光70通过透镜67校准，并从入射平面63a入射在玻璃板63上。入射在玻璃板63上的光穿过玻璃板63，同时根据斯涅尔定律以一定角度折射。光从入射平面63a转移到与发射平面63b的入射方向平行的方向中并被折射，因此光被发射成发射光71。发射光71通过透镜68会聚，并入射在发射侧光纤65上。
从入射在玻璃板63上的光70到发射光71的偏移量δ由玻璃板63的折射率、入射平面63a上的入射角以及入射平面63a和发射平面63b之间的距离决定。例如，如果玻璃板63的折射率为1.5，入射角为45度且距离为4毫米，那么偏移量δ约为1.3毫米。
接着，当电流从电极端子10流过线圈时，衔铁2逆时针转动到如图6B所示的状态。在这种状态下，玻璃板63向下运动。结果，来自入射侧光纤64的光70从玻璃板63的上方通过，并通过透镜73入射在发射侧光纤66上。
为了从图6B中的状态恢复到图6A的状态，可使电流沿相反的方向流过电极端子10。
通过如上所述地切换流经电极端子10的电流的方向，就可以将来自入射侧光纤64的光70切换到两个输出端口的一个中。
同时，通过考虑衔铁2的运动距离(通常为0.3到0.6毫米)来设计玻璃板63的形状、玻璃板63的安装位置以及光束的直径。也就是说，设定成使得在图6A所示状态下入射在玻璃板63上的大部分光70从玻璃板63中通过，在图6B所示状态下大部分光70从玻璃板63之外通过。
用于第三实施例的电磁驱动机构具有与如图1A到1C、图2A到2C和图3A到3C所示的电磁驱动机构相同的结构。因此，电磁驱动机构已经投入实际应用中若干年，并且非常可靠。对这种电磁驱动机构来说，已经建立了成本较低的制造方法。而且，用于此电磁驱动机构的光学部件常用于传统的光学器件中。因此，根据第三实施例的光开关可以较低的成本制造。而且，由于玻璃板63直接固定在衔铁2上，因此可实现微型化。
与根据第一和第二实施例的光开关相比，根据第三实施例的光开关具有下述优点。由于光开关的切换操作要重复多次，电磁驱动机构的衔铁的转动角可能会变化。在如第一和第二实施例一样采用反射镜作为光路切换单元时，如果衔铁的转动角变化了α，那么来自反射镜的反射光的发射角的变化为2α。结果，安装在发射侧光纤之前的透镜上的光入射角变化得很大。透镜上的光入射角的变化使得发射侧光纤的入射侧表面上的会聚点(焦点)位置产生变化，并且降低了入射侧光纤和发射侧光纤的耦合效率。因此，能量损耗增加。
另一方面，在如第三实施例一样采用玻璃板作为光路切换单元时，如果电磁驱动机构的衔铁的转动角产生了变化，上述偏移量δ也变化，然而来自玻璃板63的发射光的发射角不变。如果入射角不变，即使光在透镜上的入射位置发生变化，发射侧光纤的入射侧表面上的会聚点位置也不会变化。因此，入射侧光纤和发射侧光纤的耦合效率的降低很小。也就是说，第三实施例的一个优点在于，电磁驱动机构的衔铁转动角的变化所引起的后果比第一和第二实施例更小。
图7是示意性地显示了根据本发明第四实施例的光开关的透视图。
在图7中，光开关具有电磁驱动机构1。电磁驱动机构1具有以能够摆动或振动的方式而支撑的衔铁2，以及用于使电流流过包括于电磁驱动机构1内的线圈的电极端子10(只显示了一个)。
通过例如粘合或焊接的固定方法将透明玻璃板75直接安装在衔铁2一端的上表面上。玻璃板75具有入射平面75a和发射平面75b，它们平行于衔铁2的振动方向但相互间不平行。这例如可通过具有梯形平面形状的玻璃板来实现。在玻璃板75的入射平面75a和发射平面75b上设有防反射涂层。在下文中，衔铁2上的安装了玻璃板75的端部称为一端，而相对侧的端部称为另一端。
在玻璃板75的入射侧安装了入射侧光纤64，在发射侧安装了发射侧光纤65，66。在玻璃板75的入射侧还安装了透镜67，用于将来自入射侧光纤64的发射光引导到玻璃板75上。在玻璃板75的发射侧安装了用于将通过玻璃板75的光引导到发射侧光纤65上的透镜68以及用于将从玻璃板75的上方通过的光引导到发射侧光纤66上的透镜73。
采用将在下文中详细介绍的制造方法，电磁驱动机构1、光纤64到66以及透镜67，68，73可通过粘合、钎焊或焊接固定到一个壳体上。
下面将介绍根据第四实施例的光开关的操作。图7显示了衔铁2的另一端被吸引到U形铁心上的状态。在这种状态下，来自入射侧光纤64的光70入射在玻璃板75上。虽然未示出，然而在衔铁2的一端被吸引到U形铁心上的状态下，来自入射侧光纤64的光70从玻璃板75的上方通过。
在图7中，来自入射侧光纤64的光通过透镜67校准，并入射在玻璃板75上。入射在玻璃板75上的光穿过玻璃板75，同时根据斯涅尔定律以一定角度折射。光以与入射方向不同的角度发射出，因而形成为发射光71。发射光71通过透镜68会聚，并入射在发射侧光纤65上。
接着，当电流从电极端子10流过线圈时，衔铁2逆时针转动到衔铁2的一端被吸引到U形铁心上的状态。在这种状态下，玻璃板75向下运动。结果，来自入射侧光纤64的光70从玻璃板75的上方通过，并通过透镜73入射在发射侧光纤66上。为了从上述状态恢复到图7所示的状态，可使电流沿相反的方向流过电极端子10。
通过如上所述地切换流经电极端子10的电流的方向，就可以将来自入射侧光纤64的光70切换到两个输出端口的一个中。
在如第四实施例一样到玻璃板75的入射光与来自玻璃板75的发射光相互间不平行的情况下，当两个光纤设置成相互接近时，可采用只使用了一个透镜的耦合光学系统。也就是说，可用一个透镜来代替透镜68和73。而且，可采用安装于一个套管内的双芯光纤作为发射侧光纤65，66。结果，可使光开关进一步微型化。
然而如上所述，当衔铁的转动角因重复的切换操作而产生变化时，发射光71的发射角也变化。这意味着与根据第三实施例的光开关相比，衔铁的转动角变化所引起的效果更大。然而，与根据第一和第二实施例的光开关相比，衔铁的转动角变化所引起的效果更小。
图8是示意性地显示了根据本发明第五实施例的光开关的透视图。
在图8中，光开关具有电磁驱动机构1。电磁驱动机构1具有以能够摆动或振动的方式而支撑的衔铁2，以及用于使电流流过包括于电磁驱动机构1内的线圈的电极端子10(只显示了一个)。
通过例如粘合或钎焊的固定方法将透明玻璃板80直接安装在衔铁2一端的上表面上。玻璃板80是矩形的，并具有两组入射平面和发射平面，即入射平面80a和发射平面80b以及入射平面80c和发射平面80d，它们平行于衔铁2的振动方向并相互平行。在玻璃板80的入射平面80a，80c和发射平面80b，80d上设有防反射涂层。在下文中，衔铁2上的安装了玻璃板80的端部称为一端，而相对侧的端部称为另一端。
在玻璃板80的入射侧安装了入射侧光纤81，82，在发射侧安装了发射侧光纤83，84。在玻璃板80的入射侧还安装了透镜85，86，用于将来自入射侧光纤81，82的发射光分别引导到玻璃板80上。在玻璃板80的发射侧安装了与发射侧光纤83，84相对应的透镜87，88。
采用将在下文中详细介绍的制造方法，电磁驱动机构1、光纤81到84以及透镜85到88可通过粘合、钎焊或焊接固定到一个壳体上。
下面将介绍根据第五实施例的光开关的操作。图8显示了衔铁2的另一端被吸引到U形铁心上的状态。在这种状态下，来自入射侧光纤81，82的光入射在玻璃板80上。虽然未示出，然而在衔铁2的一端被吸引到U形铁心上的状态下，来自入射侧光纤81，82的光从玻璃板80的上方通过。
在图8中，来自入射侧光纤81的光通过透镜85校准，并入射在玻璃板80的入射平面80a上。入射光穿过玻璃板80，同时根据斯涅尔定律以一定角度折射。光以平行于入射方向的角度从发射平面80b上发射出，因而形成为发射光91。发射光91通过透镜88会聚，并入射在发射侧光纤84上。同样地，来自入射侧光纤82的光通过透镜86校准，并入射在玻璃板80的入射平面80c上。入射光穿过玻璃板80，同时根据斯涅尔定律以一定角度折射。光以平行于入射方向的角度从发射平面80d上发射出，因而形成为发射光92。发射光92通过透镜87会聚，并入射在发射侧光纤83上。
在玻璃板80中，入射平面80a和80c之间的角度、发射平面80b和80d之间的角度、入射平面80a和发射平面80b之间的间距以及入射平面80c和发射平面80d之间的间距如下所述地设定。也就是说，这些角度和间距设定成当电流从电极端子10流经线圈、衔铁2逆时针转动并且玻璃板80因此向下运动时，来自入射侧光纤81，82的光从玻璃板80的上方通过，并与发射光92，91的光路重合。例如，玻璃板80可具有菱形或方形的平面形状，与此菱形或方形的对角顶点相连的一条线段平行于入射方向。
如上所述，在第五实施例中，当衔铁2处于图8所示的状态中时，入射侧光纤81和发射侧光纤84相互耦合，而入射侧光纤82和发射侧光纤83相互耦合。另一方面，当衔铁2逆时针转动时，入射侧光纤81和发射侧光纤83相互耦合，而入射侧光纤82和发射侧光纤84相互耦合。结果，光开关可执行2×2的切换操作。
图9是示意性地显示了根据本发明第六实施例的光开关的透视图。
在图8中，光开关具有电磁驱动机构1。电磁驱动机构1具有以能够摆动或振动的方式而支撑的衔铁2，以及用于使电流流过包括于电磁驱动机构1内的线圈的电极端子10(只显示了一个)。
通过例如粘合或钎焊的固定方法将透明玻璃板101，102直接安装在衔铁2两端的上表面上。各玻璃板101，102均具有平行于衔铁2的振动方向并相互平行的光入射平面和光发射平面。玻璃板101，102的形状以及它们相对于光入射方向的角度均设定与如图6A和6B所示第三实施例中的玻璃板63的相同。在玻璃板101，102的入射平面和发射平面上设有防反射涂层。
在玻璃板101的入射侧安装了入射侧光纤103，在发射侧安装了发射侧光纤104，105。类似地，在玻璃板102的入射侧安装了入射侧光纤106，在发射侧安装了发射侧光纤107，108。在玻璃板101的入射侧安装了透镜109，用于将来自入射侧光纤103的光引导到玻璃板101上。在玻璃板101的发射侧安装了与发射侧光纤104，105相对应的透镜110，111。类似地，在玻璃板102的入射侧安装了透镜112，用于将来自入射侧光纤106的光引导到玻璃板102上。在玻璃板102的发射侧安装了与发射侧光纤107，108相对应的透镜113，114。
采用将在下文中详细介绍的制造方法，电磁驱动机构1、入射侧光纤103，106、发射侧光纤104，105，107，108以及透镜109到111和112到114可通过粘合、钎焊或焊接固定到一个壳体上。
图9显示了衔铁2的安装有玻璃板102的端部被吸引到U形铁心上的状态。衔铁2的具有玻璃板101的端部被吸引到U形铁心上的状态未示出。
在图9中，来自入射侧光纤103的光通过透镜109校准，并入射在玻璃板101上。入射光穿过玻璃板101，同时根据斯涅尔定律以一定角度折射，光以平行于入射方向的角度从玻璃板101中发射出。发射光通过透镜110会聚，并入射在发射侧光纤104上。另一方面，来自入射侧光纤106的光通过透镜112校准，并从玻璃板102的上方通过。光然后通过透镜113会聚，并入射在发射侧光纤107上。
当电流从电极端子10流过线圈且衔铁2逆时针转动时，将发生下述情况。来自入射侧光纤103的光通过透镜109校准，并从玻璃板101上方通过。光然后通过透镜111会聚并入射在发射侧光纤105上。另一方面，来自入射侧光纤106的光通过透镜112校准并入射在玻璃板102上。入射光根据斯涅尔定律以一定角度穿过玻璃板102，光以平行于入射方向的角度从玻璃板102中发射。发射光通过透镜114会聚，并入射在发射侧光纤108上。
如上所述，根据第六实施例，可以实现双通道的1×2光开关。根据第六实施例，可通过比采用两个单独光开关的情况成本更低地实现更小的和需要更小安装面积的双通道光开关。
图10A和10B示意性地显示了根据本发明第七实施例的光开关。图10A为顶视图，而图10B为侧视图。
在图10A和10B中，光开关具有电磁驱动机构1。电磁驱动机构1具有以能够摆动或振动的方式而支撑的衔铁2，以及用于使电流流过包括于电磁驱动机构1内的线圈的电极端子10(只显示了一个)。
通过例如粘合或钎焊的固定方法将透明玻璃板120直接安装在衔铁2一端的上表面上。玻璃板120具有平行四边形的平面形状。平行四边体的长边的长度为L。玻璃板120具有入射平面120a和发射平面120b，它们平行于衔铁2的振动方向并相互平行。玻璃板120还具有与入射平面120a形成约45度角的平面120c，以及与发射平面120b形成约45度角的平面120d。在下文中，衔铁2上的安装了玻璃板120的端部称为一端，而相对侧的端部称为另一端。
在玻璃板120的入射侧安装了入射侧光纤121，在发射侧安装了发射侧光纤122，123。在玻璃板120的入射侧还安装了透镜125，用于将来自入射侧光纤121的光124引导到玻璃板120上。在玻璃板120的发射侧安装了用于将通过玻璃板120的光126引导到发射侧光纤122上的透镜127，以及用于将从玻璃板120的上方通过的光引导到发射侧光纤123上的透镜128。
采用将在下文中详细介绍的制造方法，电磁驱动机构1、入射侧光纤121、发射侧光纤122，123以及透镜125，127，128可通过粘合、钎焊或焊接固定到一个壳体上。
下面将介绍根据第七实施例的光开关的操作。图10A和10B显示了衔铁2的另一端被吸引到U形铁心上的状态。在这种状态下，来自入射侧光纤121的光124入射在玻璃板120上。衔铁2的一端被吸引到U形铁心上的状态未示出。
在图10A和10B中，来自入射侧光纤121的光124通过透镜125校准，并入射在玻璃板120的入射平面120a上。入射平面120a基本上正交于光124的入射方向。入射在玻璃板120上的光被平面120c完全地反射到相对于入射光形成约90度的角度方向上，然后被平面120d完全地反射到约90度的角度方向上。全反射光从基本上正交于反射方向的发射平面120b上发射出，因此成为发射光126。发射光126通过透镜127会聚，并入射在发射侧光纤122上。
当电流从电极端子10上流经线圈时，衔铁2逆时针转动，玻璃板120向下运动。在这种状态下，来自入射侧光纤121的光124从玻璃板120的上方通过，并通过透镜128入射在发射侧光纤123上。
通过使用如第七实施例所述的平行四边形的玻璃板120，就可以实现下述效果。入射光124和发射光126之间的平行移动量即发射侧光纤122和123之间的间距由玻璃板120的长度L决定。因此，就可在使光开关微型化的设计中实现很高的自由度。当然在第七实施例中，即使在衔铁2的转动角因衔铁2的重复转动而产生变化时，其所引起的效果也较小。
在上述第三到第七实施例中，透镜用作校准来自入射侧光纤的光并使光入射在玻璃板上的单元，还用作将玻璃板发出的光耦合到发射侧光纤上的单元。然而，如果采用带有扩大芯部的TEC光纤作为光纤的话，透镜可以省去。
在第六实施例中，第三实施例的玻璃板设置在衔铁2的两端。类似地，在第四、第五和第七实施例中，玻璃板在必要时可设置在衔铁2的两端。在这种情况下，可在衔铁的两端设置第三、第四、第五和第七实施例、即两种类型的玻璃板的组合。
下面将参考图11来介绍根据本发明的光开关的制造方法和结构。为方便起见，图11显示了应用于采用了如图2A到2C所示的电磁驱动机构的根据第七实施例的如图10A和10B所示光开关的制造方法和结构。然而，下述制造方法和结构可用于第一到第六实施例中的任一个。当然，可采用如图1A到1C所示的电磁驱动机构来代替如图2A到2C所示的电磁驱动机构。在图11中，括号内的标号是如图10A和10B所示的标号。在图11中分开地显示了电磁驱动机构1和光学系统，以便更容易地理解此结构。
在图11中，线圈、U形铁心31和永磁体32容纳在固定侧绝缘基体200中。固定侧绝缘基体200例如通过注射模制树脂材料来形成。在此注射模制中，整个线圈、一部分电极端子10、一部分U形铁心31和一部分永磁体32嵌入在固定侧绝缘基体200内。因此，线圈、电极端子10、U形铁心3 1和永磁体32被整体式地夹持。
为方便起见，与电磁驱动机构1分开地显示的衔铁30如下所述地与电磁驱动机构1组合在一起。玻璃板120直接固定在衔铁30的一个端部上。运动侧绝缘体300设置在衔铁30的中央部分周围。运动侧绝缘体300同样可例如通过注射模制树脂材料来形成。在此注射模制中，衔铁30的中央部分嵌入在运动侧绝缘体300中。因此，衔铁30由运动侧绝缘体300夹持。如参考图2A到2C所示，在衔铁30的下方中央部分处设置了向下突出的突起，其用作支点。
运动侧绝缘体300具有支撑部分310，其处于与衔铁30的宽度方向上的两侧相对应的位置。在支撑部分310上设有可动弹簧部分320，320，其沿衔铁30从衔铁30的一端延伸到另一端。在可动弹簧部分320的中央部分、即与支撑部分310相对应的位置处设有铰链弹簧部分325。在模制运动侧绝缘体300时，可动弹簧部分320和铰链弹簧部分325也整体式地结合于运动侧绝缘体300中。由于在作为支点的衔铁30上的突起处于永磁体32上的状态下两个铰链弹簧部分325固定在固定侧绝缘基体200的上表面上，因此衔铁30就与固定侧绝缘基体200相结合。铰链弹簧部分325适于支撑衔铁30，同时对衔铁30的振动施加激励力或阻尼力。可动弹簧部分320与衔铁30的振动互锁。如上所述，可动弹簧部分320可用作用于检查衔铁2的振动状态的电触点，或者是用于检查切换状态的电触点。
当将固定侧绝缘基体200安装在外壳400的内底面上时，如上所述地制造的电磁驱动机构1就容纳于外壳400中。将电极端子10从外壳400的底部上引出。
同时，光纤和透镜以下述方式安装在外壳400的侧壁上。将容纳有入射侧光纤121的末端部分和透镜125的柱形件410安装在外壳400的侧壁401上。在与侧壁401相反一侧的侧壁402上，平行地安装了容纳有发射侧光纤122的末端部分和透镜127的柱形件420以及容纳有发射侧光纤123的末端部分和透镜128的柱形件430。
根据本发明，通过将在现有电磁继电器中使用的电磁驱动机构与简单的光学部件相结合，就可以提供一种比传统的机械式光开关更可靠、更便宜且更小的光开关。
权利要求
1.一种光开关，包括电磁驱动机构，其包括具有处于两个引脚部分之间的中间部分的U形磁心、缠绕在所述U形磁心上的线圈、具有两个在所述引脚部分上相互面对的端部并以能够进行振动的方式而支撑的软磁衔铁，以及永磁体，所述永磁体设置成可对所述U形磁心和衔铁施加磁通量；至少一个直接固定在所述衔铁上的光路切换单元；至少一个用于使光入射在所述光路切换单元上的入射侧光纤；以及至少一个发射侧光纤，光路被所述光路切换单元所切换的光于此处耦合。
2.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光开关还包括入射侧光学系统，用于将光从所述入射侧光纤引导到所述光路切换单元；以及发射侧光学系统，用于将光路被所述光路切换单元所切换的光引导到所述发射侧光纤。
3.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述衔铁的振动是围绕着接近所述衔铁中央部分的一部分作为支点的往复式转动，所述转动通过切换作用在所述U形磁心的一个引脚部分和所述衔铁的朝向此引脚部分的一个端部之间的磁吸引力以及作用在所述U形磁心的另一引脚部分和所述衔铁的朝向此引脚部分的另一端部之间的磁吸引力而产生。
4.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光路切换单元包括第一反射镜，所述第一反射镜安装在所述衔铁上，其方式使其具有处于基本上平行于所述衔铁的振动方向的平面内的光反射方向。
5.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光路切换单元包括具有至少一个反射面的第二反射镜，所述第二反射镜安装在所述衔铁上，其方式使其具有处于基本上正交于所述衔铁的振动方向的平面内的光反射方向。
6.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光路切换单元是固定在所述衔铁上的板件，其适于截断来自所述入射侧光纤的光。
7.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光路切换单元包括透明件，所述透明件具有光入射平面和光发射平面，它们基本上相互平行并基本上平行于所述衔铁的振动方向。
8.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光路切换单元包括透明件，所述透明件具有光入射平面和光发射平面，它们相互不平行，但基本上平行于所述衔铁的振动方向。
9.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光路切换单元包括透明件，所述透明件具有两组光入射平面和光发射平面，它们基本上相互平行并基本上平行所述于衔铁的振动方向。
10.根据权利要求7到9中任一项所述的光开关，其特征在于，所述透明件具有矩形的扁平形状。
11.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光路切换单元设置在所述衔铁的朝向所述U形磁心的一个引脚部分的一个端部的附近。
12.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光路切换单元设置在所述衔铁的分别朝向所述两个引脚部分的两个端部的附近。
13.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述入射侧光纤和发射侧光纤中的至少一个设置成多个。
14.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述永磁体设置在所述U形磁心和所述衔铁之间，所述永磁体的一个磁极端处于所述U形磁心的中间部分的中心附近，而所述永磁体的另一磁极端处于所述衔铁的振动支点附近。
15.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述永磁体是复合的永磁体，其在其两端具有一个磁极，而另一磁极处于其中央部分，并设置在所述U形磁心的两个引脚部分之间。
16.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述永磁体固定在所述衔铁上，其方式使其一个磁极与所述衔铁接触，并可与所述衔铁一起摆动或振动。
17.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述电磁驱动机构还包括用于整体式夹持所述U形磁心和所述永磁体的固定侧绝缘基体，以及用于夹持所述衔铁的运动侧绝缘体，所述U形磁心和所述永磁体通过整体式地模制所述固定侧绝缘基体并使所述永磁体与所述U形磁心的一部分相接触来固定。
18.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述电磁驱动机构还包括铰链弹簧部分，其可支撑所述衔铁并对所述衔铁的振动施加激励力或阻尼力；以及与所述衔铁的振动互锁的可动弹簧部分。
全文摘要
一种光开关，具有电磁驱动机构，其包括具有处于两个引脚部分之间的中间部分的U形磁心；缠绕在U形磁心上的线圈；具有两个在引脚部分上相互面对的端部并以能够进行振动的方式而支撑的衔铁；以及永磁体，其设置成可对U形磁心和衔铁施加磁通量。光开关还具有直接固定在衔铁上的作为光路切换单元的反射镜、用于使光入射在反射镜上的入射侧光纤，以及至少一个发射侧光纤，光路被反射镜所切换的光于此处耦合。
文档编号G02B26/08GK1501108SQ0315773
公开日2004年6月2日 申请日期2003年8月25日 优先权日2002年8月28日
发明者近藤充和, 千叶敬, 斋藤匡央, 央 申请人:Nec东金株式会社, Nec东金岩手株式会社