1×N机械光开关 【技术领域】
本发明涉及一种机械光开关，具体地说，涉及一种1×N机械光开关。该光开关可广泛应用于光通信系统、光网络系统、光纤调试与测量系统、以及光纤传感系统中光信号传输路径的选通与交换。
背景技术
光传输系统中，信息以光信号的形式在光纤中低损耗传输，而单模光纤直径为9um，其数值孔径小，光纤光束耦合时要求具有很高的对位精度。光开关是一种能改变光束传输路径，又具有很高稳定性与精度的光学元件，它能根据要求灵活地实现光束传输路径的选择。
在先的1×N机械光开关有很多种实现方法。以1×8开关为例，目前商用较多的是用1×2机械开关级连而成，如图1、图2。
其中：1×2光开关的原理图如图1所示，其结构包括一个光束输入端，两个光束输出端，一个继电器，一个反射镜或者棱镜，盒体等几部分。其工作原理是光从光束输入端入射，继电器驱动反射镜，控制光束的传输方向，实现光束在两个输出端之间的切换。
由1×2光开关级联而成的1×8光开关如图2所示，它包括七只图1所示的1×2光开关，电路控制部分，一个光束输入器，八个光束输出器，电信号输入输出端口、盒体等几部分。根据需要用户发请求信号使相应的1×2光开关切换，实现光从输入端到输出端的切换。
基于这种方式的1×8光开关，实现方式较简单，但是存在着许多不足：比如插入损耗大，响应时间长，长期稳定性差等。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种1×N机械光开关。
本发明的目的是这样实现的，包括光路部分、机械驱动部分、控制电路部分、盒体。
1、具体结构
设n＝2、3...，N＝2n，为了不增大开关的体积，n的取值不超过6。
本发明由n个棱镜5、n个继电器4、一个光束输入器7、N个光束输出器8、盒体1、电路板2、电信号I/O口3组成。
其外部主体为一方形盒体1，盒体1左边有一个光束输入器7，盒体1上边有电信号I/O口3，盒体1右边，从上到下，依次排列有N个光束输出器8；
盒体1内装有1×N开关地芯件，芯件以电路控制板2为主体，在电路控制板2的正面上，从左至右，依次排列有n个继电器4和n个棱镜5；继电器4通过其电引脚固定在电路板2上，棱镜5粘接或者焊接在对应继电器4的力臂上；电信号I/O口3通过控制电路与继电器4连接；
控制电路安装在电路板2上，包括电源、单片机、编码、译码电路、A/D转换电路、I/O接口等，控制电路通过信号I/O口3与外面通信，根据用户的请求控制驱动机构的工作。
2、工作原理
外部信号通过电信号I/O口3发给控制电路，控制电路在相应的继电器4上加电压，吸合力臂，带动棱镜5伸入或退出光路，通过棱镜5的不同工作状态组合，实现光在N个光通道间的切换、传输。
不失一般性，以1×8机械光开关为例进一步说明，如图3所示。
图3中，光束输入输出器调试好后分别粘接或者焊接在盒体1的相应的位置；改变光传输方向的核心部件由3个材料相同、相邻两者尺寸依次相差一倍的第一棱镜5.1、第二棱镜5.2、第3棱镜5.3组成，分别固定在第1继电器4.1、第2继电器4.1、第3继电器4.3的力臂上；继电器4通过其电引脚固定在电路板2上，电路板2通过其定位孔固定在盒体1的内部，最后用盒盖将其封装。
从光束输入端输出的光在向前传输时，如光路中有折射棱镜，受到折射棱镜的折射，在空间产生一个位移，由于棱镜的几何尺寸上相差一倍，即后者是前者的二倍，光束相继通过不同的棱镜时，在空间产生的位移也各不相同。N个不同棱镜的组合，可实现光束在N个输出端间的切换。
本发明具有以下优点和积极效果：
①将光路切换元件的数量降到最少，从而减少了影响光路稳定性的自由度，也降低了光路调试的难度；
②光路切换元件数的减少，可提高开关的响应速度，改善光学稳定性；
③光路切换的元件数减少，同时还减小了1×N机械光开关的体积。
总之，本发明性能价格比高，有着广阔的应用前景。
【附图说明】
图1-1×2机械光开关示意图；
图2-由1×2机械光开关级联的1×8机械光开关示意图；
图3-1×8机械光开关组成示意图；
图4a-1×8机械光开关三只棱镜全处于退出状态时的光路图；
图4b-1×8机械光开关三只棱镜全处于伸入状态时的光路图；
图4c-1×8机械光开关光束输出器换为双芯光束输出器后棱镜全退出时光路图；
图4d-1×8机械光开关光束输出器换为双芯光束输出器后棱镜全伸入时光路图；
其中：
1-盒体；
2-电路板；
3-电信号I/O口，即电信号输入输出端口；
4-继电器，或为电磁铁，或为压电陶瓷，包括第1继电器4.1、第2继电器4.1……第n继电器4.n；
5-棱镜，为一种方形折射棱镜，包括第1棱镜5.1、第2棱镜5.2……第n棱镜5.n；
6-光束输入端；
7-光束输入器；
8-光束输出器，包括第1光束输出器8.1、第2光束输出器8.2……第N光束输出器8.N；
9-光束输出端，包括第1光束输出端9.1、第2光束输出端9.2……第N光束输出端9.N；
10-屋脊棱镜；
11-双芯光束输出器。
【具体实施方式】
为了便于说明，仍以1×8机械光开关为例。
图4，包括图4a、图4b、图4c、图4d，是一组1×8机械光开关光路示意图。
从左至右，依次为：1个光束输入端6，1个光束输入器7，第1棱镜5.1，第2棱镜5.2，第3棱镜5.3，8个光束输出器8.1-8.8，8个光束输出端9.1-9.8。
光束输入器7能将光纤中的光束直径扩大，使该光束有较大的准直范围。光束输出器8由八个单芯光束输出器组成，这些光束输出器8根据光路具体情况选配，使之具有最佳的耦合效率。1×8机械光开关中改变光束传输方向的核心部分由3个材料相同、尺寸依次相差一倍的棱镜5组成。棱镜的直角面上镀有增透膜，可降低表面反射损耗。
如图4a中，继电器4都处于断电状态，此时第1棱镜5.1，第2棱镜5.2，第3棱镜5.3均处于退出光路状态，信号光从光束输入端6出射后，在开关内的自由空间传播，直接耦合进入光束输出端9.1，即光束输入端6→光束输出端9.1。
如图4b中，继电器4都处于通电状态，此时第1棱镜5.1，第2棱镜5.2，第3棱镜5.3在力臂的驱动下伸入光路中，光从光束输入端6出射后，首先经过第1棱镜5.1的折射，出射后光束较直接传播产生一个位移h1，然后光束入射到第2棱镜5.2上，经过折射又产生一个位移h2，最后光束受到第3棱镜5.3的折射，再产生一个位移h3。经过三次折射后，光束发生很大的位移偏折，耦合进光束输出端9.9，即光束输入端6→光束输出端9.9。
上述这几个位移量h1，h2，h3之间是相互关联的，具有以下关系：h2＝2h1，h3＝4h1。同时h1，h2，h3又决定于方形棱镜的几何尺寸、材料的折射率以及光束的入射角，合理选择准直器和棱镜5的材料、几何尺寸有利于提高开关性能、减小开关的封装尺寸。
光束输出到其它通道的情况，决定于3个棱镜5伸入与退出光路的不同状况。如将棱镜“伸入”光路中的状态码置为“1”，“退出”光路的状态码置为“0”，光通道的连通与几个棱镜的状态码之间的对应关系如表1示。
从表1中可知三个棱镜的一组状态唯一地决定某一路光路的连通。
表1：1×8机械光开关三只棱镜不同的工作状态与光路连通的对应关系表 棱镜状态编码 光路接通状况 5.3 5.2 5.1 0 0 0 6→9.1 0 0 1 6→9.2 0 1 0 6→9.3 0 1 1 6→9.4 1 0 0 6→9.5 1 0 1 6→9.6 1 1 0 6→9.8 1 1 1 6→9.9
另外，在光束输出端9，为了减少光束输出器8的个数，还可选择图4c、图4d的结构，将单芯光束输出器8换为双芯光束输出器11，同时在每个双芯输出器前加一个屋脊棱镜10，该屋脊棱镜10可将入射的平行光束偏折为相交的光束，该相交光束的交点在双芯光束输出器11透镜的焦点上，这样光束又会耦合到相应的输出通道。
基于本发明的1×N开关其重复性可达到±0.02dB，响应速度小于10ms，串绕大于50dB，隔离度大于50dB。同时可根据实际需要增加棱镜的数量n即可实现1×N(N＝2n)机械光开关。