组合式光学开关结构 发明背景
【发明领域】
本发明一般涉及光学开关，尤其涉及组合式光学开关结构。
技术背景
在过去的几十年间，光纤技术改变了电信工业。十年前，网络设计包括在通信链路的每一端处的相当慢的速度收发机电子装置。通过把光信号转换为电信号而开关光信号。通过使用电子开关来开关该电信号，并再次转换回光信号。电子开关设备的带宽是千兆赫兹范围。另一方面，单模光纤的带宽是兆兆赫兹范围。由于对带宽需要的增加，网络设计者已经寻找方法来利用1550纳米范围内的带宽。由此，开始了光学透明开关结构的发展。
在一种方法中，光学设计者考虑使用平面光学电路技术来创建空间分割光学开关。在其它方法中，设计者考虑在平面波导阵列中使用可移动的MEMS反射镜来创建光学开关。不幸的是，用这些方法创建大规模N×N的光学开关结构是很困难的。
在所考虑的另一个方法中，设计者还在研究自由空间的平面到平面的光学互连，称作三维光学交叉连接(3D OXC)。3D OXC能使大规模N×N(例如，4000个端口×4000个端口)地开关结构成为现实。但是，大规模N×N开关结构存在几个缺点。一旦需求超过N×N结构的容量，则必须将整个结构替换成更大的结构。由此，导致了大量的替换成本和服务中断。如果一部分的结构损坏，则网络管理者将面对同样的问题。必须更换整个结构。最终，设计者很难生产大规模N×N结构。在结构的寿命期间和在结构所经受的操作条件下，准直仪阵列和光束控制阵列的对准必须保持固定。
所需要的是能根据需要通过简单地增加开关容量来扩展的组合式光学N×N开关结构。所需要的还有包括能在不引起服务中断的情况下替换和维修的组件的组合式光学N×N开关结构。更小的结构也具有一优点，即具有比集合的阵列尺寸小得多的单位阵列尺寸的组件会更易于生产。
发明概述
本发明针对以上所述的需要。本发明提供允许扩展的组合式光学N×N开关结构。本发明允许用户通过简单地增加另一个开关结构组件来扩展开关结构容量。本发明的特征还具有使组合式光学N×N开关结构具有能在不引起服务中断的情况下替换和维修的组件。该光学组件是具有优势的，因为它们包括比大规模结构更易于生产的更小的结构。
本发明的一个方面在于组合式光学开关结构包括光学机架。至少一个光学组件可移动地和该光学机架连接。该至少一个光学组件包括固定于构件的准直仪板和光束控制板。配置该构件使之相对于光束控制板的固定光学准直来放置准直仪板。
另一方面，本发明包括包含光学机架的组合式光学开关结构。反射元件附着在光学机架上。至少一个光学组件机械地连接到光学机架，并光耦合到反射镜。该至少一个光学组件包括固定于构件的准直仪板和光束控制板。使该构件配置成以相对于光束控制板固定的光学准直来放置准直仪板。
另一方面，本发明包括包含光学机架的组合式光学开关结构。至少一对光学组件连接到光学机架。这对光学组件的第一光学组件和这对光学组件的第二光学组件光耦合。每个光学组件包括固定于构件的准直仪板和光束控制板。该构件配置成以相对于光束控制板固定的光学准直来放置准直仪板。
另一方面，本发明包括包含具有机架连接器的光学机架的组合式光学开关结构。至少一个光学组件具有和机架连接器配合的光学组件连接器，以使该至少一个光学组件可移动地连接到光学机架。该至少一个光学组件包括固定于构件的准直仪板和光束控制板。该构件配置成以相对于光束控制板固定的光学准直来放置准直仪板。
另一方面，本发明包括包含具有至少一个第一机架连接器和至少一个第二机架连接器的光学机架的组合式光学开关结构。把反射元件被附着到光学机架上。至少一对光学组件包括第一光学组件和第二光学组件，该第一光学组件具有和至少一个第一机架连接器配合的第一光学组件连接器，而第二光学组件具有和至少一个第二机架连接器配合的第二光学组件连接器，从而使第一光学组件光通过反射元件和第二光学组件光耦合。每个光学组件包括包括固定于构件的准直仪板和光束控制板。该构件配置成以相对于光束控制板固定的光学准直来放置准直仪板。
另一方面，本发明包括用于光学开关结构中的光学组件。该光学组件包括构件、固定于该构件的准直仪板和固定于该构件的光束控制板。准直仪板以相对光束控制板固定的光学准直放置。
另一方面，本发明包括用于在光学开关结构中引导光信号的方法。该光学开关结构包括光学机架。该方法包括提供可移动地连接到光学机架的至少一个光学组件的步骤。该至少一个光学组件包括分别固定于构件的准直元件和光束控制元件。该构件配置成以相对于光束控制板固定的光学准直来放置准直仪板。将光信号通过准直元件输入光学组件，由此该光信号由于构件提供的固定的光学准直而自动地朝向光束控制元件。
另一方面，本发明包括用于在光学开关结构中引导光信号的方法。该光学开关结构包括光学机架和安装于该光学机架上的反射元件。该方法包括提供可移动地连接到光学机架上的至少一对光学组件。这对光学组件的第一光学组件通过反射元件和这对光学组件的第二光学组件光耦合。第一光学组件包括固定于第一构件的第一准直元件和第一光束控制元件。该第一构件用来配置成以相对于第一光束控制元件固定的光学准直来放置准直元件。第二光学组件包括固定于第二构件的第二准直元件和第二光束控制元件。该第二构件用来配置成以相对于光束控制元件固定的光学准直来放置准直元件。光信号通过第一准直元件朝向第一光学组件，由此，光信号由于第一构件提供的固定光学准直而自动地朝向第一光束控制元件。该光信号通过反射元件被控制从第一光束控制元件到第二光束控制元件，由此，该光信号由于第二构件提供的固定光学准直而自动地朝向第二准直元件。
另一方面，本发明包括用于对正用于引导信号通信的光学开关结构进行维修的方法。该信号通信包括从输入光纤引导到输出光纤的光信号。该方法包括提供具有多个插入槽的光学机架。该插入槽包括至少一个修理槽。多个第一光学组件插入光学机架的插入槽中。至少一个修理槽是不用的。每个光学组件包括各自固定于构件上的准直元件和光束控制元件。该构件配置成以相对于光束控制元件固定的光学准直来放置准直元件。探测维修条件。根据该维修条件，把至少一个第二光学组件插入至少一个修理槽中；从而使信号通信不被中断。
本发明另外的特点和优点将在以下的详细描述中阐述，对本技术领域内的熟练的技术人员来说从描述或通过实施此处描述的本发明中，一部分是显而易见的，这些描述包括详细说明和接着的权利要求以及附图。
可以理解，上述的一般描述和以下的详细描述仅仅是本发明的实例，并旨在提供用于理解如权利要求书所要求的本发明的性质和特性的概述或框架。包含附图来提供对本发明的进一步理解，并结合附图和构成此说明书的一部分。附图说明了本发明的各种实施例，并结合描述来说明本发明的原理和操作。
附图概述
图1是根据本发明的第一实施例的折叠Z形组合式光学开关结构的图示；
图2是用于图1所示的开关结构的光学组件的详细视图；
图3是用于本发明的光学组件的用万向架固定的像素(gimbaled pixel)的详细视图；
图4用于图3所示的用万向架固定的像素的像素反射镜元件的详细视图；
图5是根据本发明的第一实施例的完全组装的组合式光学开关结构的图示；
图6和图7是具有修理槽的折叠Z形组合式光学开关结构的图示；以及
图8是根据本发明的第二实施例的圆柱形组合式光学开关结构的图示。
【具体实施方式】
现在将详细参考本发明的当前示例性实施例，其实例在附图中加以说明。只要可能，所有在附图中用同一标号来表示同一或同样的部分。图1示出了本发明的组合式光学开关结构的实例性实施例，始终用标号10来指定它。
根据本发明，用于组合式光学开关结构的本发明包括光学机架。至少一个光学组件可移动地连接到该机架。该至少一个光学组件包括固定于构件的准直仪板和光束控制板。该构件配置成以相对于光束控制板固定的光学准直来放置准直仪板。本发明提供了组合式光学N×N开关结构，它允许用户通过简单地增加另一个组件来扩展该开关结构容量。本发明还具有的特点在于组合式光学N×N开关结构具有能在不引起服务中断的情况下替换和修理的组件。这些光学组件是具有优势的，因为它们包括比大规模的结构更便于生产的更小的结构。
如这里所实施以及图1所描述的，揭示了根据本发明的第一实施例的折叠Z形组合式光学开关结构10的图示。结构10包括光学机架20。光学机架20包括用于使用中(in-service)光学组件100的插入槽22。如图1所示，把扩展光学组件50插入空槽24中，并把光学组件60插入空槽26中，来扩展开关结构10的容量。反射器30以和所有使用中的光学组件50、60及100成固定准直而连接到光学机架20。光学组件50、60和100包括和置于槽22、24及26内的阴(female)电子连接器220配合的阳(male)电子连接器112。阴电子连接器220连接到控制总线42。控制总线42连接到控制系统40。控制系统40配置成向开关结构10中的每个像素提供单独的控制信号。
对于那些相关技术领域内的熟练的技术人员来说显见的是，根据开关结构10的总容量可以对本发明的控制系统40进行修改和变化。例如，控制系统40可以包括32位的微处理器、RISC处理器或专用集成电路芯片(ASIC)。可以使用可编程逻辑阵列(PLA)器件，或通过现场可编程序的门阵列(FPGA)器件实现ASIC。在另一个实施例中，用置于网络中的计算资源来实现控制系统40。
如这里所实施以及图2所描绘的，揭示了用于开关结构10中的光学组件100的详细视图。光学组件100包括框架102，使准直仪板104和光束控制板106容纳在其间。在图2所示的实施例中，准直仪板104在324个准直透镜中端接了324根光纤(9排x36根光纤)。因此，光束控制板106包括324个可控制的像素来对应每个光纤准直仪。框架102配置成将每个光纤准直仪和一个像素对准。机械框架102确保每个像素和其对应的准直仪之间是准线是固定的，并不随时间或工作条件而漂移。为了开关结构10的正常工作，该准线是很重要的且必须保持。
如这里所实施以及图3所描绘的，揭示了根据本发明使用的用万向架固定的像素组合108的详细视图。组合108包括反射像素元件1080。像素1080通过梁1085和梁1086连接到构件1082。梁1085和梁1086允许像素元件1086绕y轴旋转。构件1082通过梁1083和梁1084连接到基片1088。梁1083和梁1084允许构件1082绕x轴旋转。因此，像素元件可以以2个自由度来控制。如图3所示，像素组合108悬于沟1100上。静电激励器组件(未示出)置于像素组合108下的沟1100中。该静电激励器组件通过控制总线42连接到控制系统40，和连接器220/112。该激励器组件包括置于每个梁(1083、1084、1085和1086)下的电极。为了产生绕梁1083和梁1084的旋转，通过施加激励电压来激励梁1085和1086下的电极。为了产生绕梁1085和1806的旋转，通过施加激励电压来激励梁1083和1084下的电极。当旋转梁时，它们扭转并变成把平衡力提供给所施加的静电力的发条(spring)。在所施加的电压降低时，该梁还提供回转力。
如这里所实施以及图4所描述的，揭示了像素元件100的详细视图。像素元件1080包括置于基片1092上的反射表面1092。对于相关领域的熟练的技术人员来说显见的是，根据入射光信号的光束尺寸可对本发明的像素元件1080进行修改和变化。例如，像素元件1080的侧边尺寸可以在200：m到1mm的范围内。像素元件1080的宽度常低于10：m，且通常约为5：m。本技术领域的普通技术人员还可以理解，可以用大量的照相平版印刷技术，诸如MEMS微型机械加工，来形成像素元件1080。在一个实施例中，使用硅材料形成基片1090。通过在基片1090上沉积一层金来形成反射层1092。
如这里所实施以及图5所描述的，揭示了根据本发明的第一实施例的完全组装的组合式光学开关结构的图示。在图5所示的实例中，光学组件100用作输入光学组件而光学组件100’用作输出光学组件。当然，控制系统40可以容纳具有输入准直仪和输出准直仪两者的光学组件100。本技术领域内的普通技术人员可以理解，这仅仅是重新配置控制系统软件的问题。图5所示的开关结构10是1296个端口的开关结构(324×4)。
图6和图7是图1和图5所示的折叠Z形组合式光学开关结构的变型。在图6所描绘的实例中，结构10包括修理槽24。在该实例中，光学组件110服从维修操作。故障的组件100可以使维修操作成为必要或预定的维修活动也使维修操作变得必要。如图7所示，组件110中的通信始发端或终端由控制系统40根据维修操作而被重新给定路线。随后，新的光学组件112插入修理槽24。控制系统使用光学组件112来在开关结构10内传播通信。
如这里所实施以及图8所描述的，揭示了根据本发明的第二实施例的圆柱形组合式光学开关结构10的图示。圆柱形开关结构10包括光学机架220。机架220包括中心圆柱核心222。核心222包括置于核心222的基部上的反射器30。通常，反射器30是便于任何输入和任何输出端口之间的连接的凸反射镜。机架220还包括置于核心部分222周围的环部分224。环部分224包括围绕基部230的环面226。把开关结构10中的准直仪(212)置于环面226内。把光束控制像素(208)置于环面228内。在该第二实施例中，光学组件200形成得类似棱柱。圆柱形的结构10的侧面区域由弧形构件202A形成。弧形构件202B配置成和中心圆柱核心222配合。把准直仪板204和光束控制像素板206置于构件202A和构件202B之间。圆柱形的好处在于它允许从前部取出任何光学组件200，而不中断任何其它组件200中的通信。
对于本技术领域内的熟练的技术人员来说显见的是，可以对本发明进行各种修改和变化而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在覆盖在所附权利要求等的范围内提供的本发明的修改和变化。