專利名稱：反射型磁光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁光開關(guān)，尤其是涉及一種反射型磁光開關(guān)。
背景技術(shù)：
隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展和DWDM的大量應(yīng)用，DWDM全光網(wǎng)絡(luò)正在成為通信網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展方向。全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展將依賴于新一代光開關(guān)、波分復(fù)用器、光衰減器和光放大器等元器件的進(jìn)展。光開關(guān)作為全光網(wǎng)絡(luò)的核心元件之一，其性能的優(yōu)劣直接影響著網(wǎng)絡(luò)的性能。光開關(guān)具有器件規(guī)模集成、與光纖耦合效率高、通信帶寬大、可靠性高和能夠大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，已經(jīng)成為全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。光開關(guān)作為全光網(wǎng)絡(luò)中必不可少的關(guān)鍵器件之一，在OXC、OADM和保護(hù)倒置等方面起著決定性的作用，光開關(guān)的多種性能都是決定OADM和OXC性能的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。隨著全光網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)對光開關(guān)的性能提出了越來越高的要求，高性能的光開關(guān)正吸引著光通信產(chǎn)業(yè)的注意力。
傳統(tǒng)的光交換在交換過程中存在著光-電-光的轉(zhuǎn)換，而且它們的交換容量都要受到電子器件工作速度的限制，使得整個光通信系統(tǒng)的帶寬受到限制。全光交換可省去光-電-光的交換過程，充分利用光通信的寬帶特性。全光交換被認(rèn)為是未來寬帶通信網(wǎng)最具潛力的新一代交換技術(shù)。在理想的全光網(wǎng)絡(luò)中，信號的交換、選路、傳輸和恢復(fù)等所有功能都以光的形式進(jìn)行。全光開關(guān)無需通過傳統(tǒng)的光-電-光轉(zhuǎn)換方式而直接將光信號按照不同的要求輸出到不同端口。與傳統(tǒng)的光開關(guān)相比，它省去了光-電-光轉(zhuǎn)換過程，設(shè)備相應(yīng)簡化，極大地提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并提供靈活的信號路由平臺。盡管目前通信系統(tǒng)中還采用傳統(tǒng)的光-電-光交換，但全光網(wǎng)絡(luò)卻需要全光開關(guān)代替光電轉(zhuǎn)換來完成信號路由功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率和協(xié)議的透明性。全光開關(guān)已經(jīng)成為構(gòu)建大型光交換系統(tǒng)的核心器件和決定網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素，其地位和重要性日益凸現(xiàn)。
光開關(guān)目前大體可以分為傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)和新近研究的非機(jī)械式光開關(guān)兩大類。機(jī)械式光開關(guān)的發(fā)展最為成熟，它具有插入損耗低、偏振無關(guān)和串?dāng)_小等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是開關(guān)時間長，一般為毫秒量級，與要求的微秒和納秒量級相差甚遠(yuǎn)；體積大，有的還存在回跳抖動和重復(fù)性較差等問題。非機(jī)械式光開關(guān)一般是利用材料的電光、聲光、熱光和磁光等效應(yīng)研制而成，相對于機(jī)械式光開關(guān)來說，它們具有較高的開關(guān)速度，一般可以達(dá)到微秒級甚至納秒量級，可以實(shí)現(xiàn)高密度集成，可以應(yīng)用于未來的集成光交換和光電子交換系統(tǒng)。不足之處是插入損耗稍大、隔離度低。現(xiàn)階段較為前沿的非機(jī)械光開關(guān)有MEMS光開關(guān)、液晶光開關(guān)、熱光效應(yīng)光開關(guān)、聲光開關(guān)和磁光開關(guān)等。
磁光開關(guān)是一種利用法拉第(Faraday)磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光路切換的全光開關(guān)。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)，磁光開關(guān)具有開關(guān)速度快和穩(wěn)定性高等優(yōu)勢；而相對于其它非機(jī)械式光開關(guān)，又具有驅(qū)動電壓低和串?dāng)_小等優(yōu)勢。近年來它在光無源器件領(lǐng)域得到越來越多的重視。
磁光效應(yīng)是指線偏振光在磁性介質(zhì)中傳播時，受外界磁場的作用其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的一種物理現(xiàn)象。利用磁光效應(yīng)，可以使偏振光方向產(chǎn)生所需要的改變，從而使合成輸出光到達(dá)指定的端口。實(shí)驗(yàn)表明，偏振光振動面的旋轉(zhuǎn)角度與磁感應(yīng)強(qiáng)度和傳播的距離成線性關(guān)系。磁光材料旋光的方向與光的傳播方向無關(guān)，只與外加磁場方向有關(guān)。在磁致旋光晶體上加正向磁場時，經(jīng)過磁致旋光晶體的線偏光的偏振面將正向旋轉(zhuǎn)；若在磁致旋光晶體上加反向磁場，則經(jīng)過磁致旋光晶體的線偏光將反向旋轉(zhuǎn)。磁光材料一般采用純質(zhì)的、摻雜Ce和Bi的釔鐵石榴石(YIG)晶體材料，它在長波長波段有較大的費(fèi)爾德常數(shù)和較小的損耗。
在現(xiàn)有的磁光開關(guān)中，通常采用的元器件有磁光晶體、偏振分束器、偏振合束器、雙折射晶體、λ/4波片、直角棱鏡、準(zhǔn)直透鏡和反射鏡等，但存在以下缺點(diǎn)。
1)開關(guān)速度較低。已有的磁光開關(guān)主要性能參數(shù)為，開關(guān)速度為20微秒～1毫秒，插入損耗為0.4～2.2分貝，串?dāng)_為30～60分貝，回波損耗為50～60分貝。這些磁光開關(guān)在現(xiàn)有的條件下，有的還能夠滿足基本要求，但顯然不能滿足快速發(fā)展中的全光網(wǎng)絡(luò)的要求。磁光開關(guān)的這些主要性能參數(shù)與全光網(wǎng)絡(luò)要求的微秒量級和納秒量級相差還有一段距離。
2)難于陣列集成。已有的磁光開關(guān)大部分采用加通電螺線管，體積較大，磁場利用率不高。同時，螺線管結(jié)構(gòu)不利于磁光開關(guān)的大規(guī)模集成。這與全光網(wǎng)絡(luò)所需要的光分插復(fù)用系統(tǒng)、光交叉連接器和光路由器的密集型多端口輸入輸出要求相差甚遠(yuǎn)。
3)本發(fā)明的光路簡單，減少了元器件的數(shù)量和能量的損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的磁光開關(guān)存在的開關(guān)速度較低和難以陣列集成等缺點(diǎn)，提供一種具備無運(yùn)動件、開關(guān)速度快、穩(wěn)定性好、驅(qū)動電壓低、串?dāng)_小、體積小和易于高度集成等優(yōu)點(diǎn)的反射型磁光開關(guān)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是采用3個直角棱鏡，通過光的反射、分光和合光實(shí)現(xiàn)光路的切換，所以稱為反射型磁光開關(guān)。
本發(fā)明設(shè)有3個直角棱鏡、偏振分束器和偏振光旋轉(zhuǎn)器件。第一直角棱鏡的輸入端口外接入射光，再射入到偏振分束器；偏振分束器的輸入端口外接直角棱鏡輸出端，并將入射光分解輸出2束偏振態(tài)正交的P光和S光；S光定義為與光入射面平行的偏振分量，P光定義為與光入射面垂直的偏振分量；第二直角棱鏡的輸入端口外接偏振分束器的一端，將入射光反射到偏振光旋轉(zhuǎn)器件；偏振光旋轉(zhuǎn)器件的右半部分輸入外接偏振分束器的輸出端和第二直角棱鏡的輸出端，并從左半部分輸出端將這兩束偏振光出射到第三直角棱鏡；第三直角棱鏡外接偏振光旋轉(zhuǎn)器件的左半部分的輸出光，并在第三直角棱鏡中反射到偏振光旋轉(zhuǎn)器件左半部分的輸入端口，經(jīng)過偏振光旋轉(zhuǎn)器件后，一束偏振光到第二直角棱鏡，經(jīng)過反射到偏振分束器與另一束偏振光合并，并按照要求進(jìn)入輸出端口。
所述的偏振光旋轉(zhuǎn)器件由2個法拉第旋光器即磁光晶體構(gòu)成。
在反射型磁光開關(guān)中，采用全新的反射光來達(dá)到光路的分束和合并，大大減少了配件的數(shù)量，減少體積，降低成本；輸入和輸出端口在同一平面內(nèi)，易集成和控制；降低驅(qū)動電壓，減少耗能。
磁光開關(guān)主要利用了法拉第的磁光效應(yīng)。采用這一特性，磁光開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)全光通信網(wǎng)絡(luò)所必需的全光切換功能。利用磁光旋轉(zhuǎn)器件、偏振分束器和直角棱鏡特性，可以設(shè)計1×2型磁光開關(guān)，實(shí)現(xiàn)光通信所必需的全光切換功能。
一束光經(jīng)過第一直角棱鏡反射到偏振分束器，偏振分束器可以把一束光分成兩個正交的偏振態(tài)分別輸出到第二直角棱鏡和磁光旋轉(zhuǎn)器件；其中一束偏振光經(jīng)過第二直角棱鏡后也出射到磁光旋轉(zhuǎn)器件。兩束偏振光經(jīng)過磁光旋轉(zhuǎn)器件后出射到第三直角棱鏡反射到磁光旋轉(zhuǎn)器件，一束偏振光直接出射到偏振分束器，另一束偏振光經(jīng)第二直角棱鏡后也出射到偏振分束器，兩束偏振光進(jìn)行合并。磁光旋轉(zhuǎn)器件有兩個磁光晶體組成，在外電場的控制下，入射光將從不同的輸出端口輸出。
本發(fā)明由于通過外加電場的變化來改變磁光晶體材料對入射偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)作用，從而達(dá)到改變和切換光路的效果，因此與現(xiàn)有的磁光開關(guān)相比，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點(diǎn)1)采用反射光路，光路原理簡單實(shí)用。這在國內(nèi)外均未見有相關(guān)報道。
2)直角棱鏡和磁光旋轉(zhuǎn)器件外形尺寸都較小，使得本發(fā)明的外形尺寸相對于現(xiàn)有的磁光開關(guān)有較大程度的減小。
3)本發(fā)明的輸出和輸入端口在一個平面上，整體結(jié)構(gòu)易集成和控制，采用反射型光路靈敏度相對提高。
4)本發(fā)明采用的器件較少，大幅度降低成本，且容易采用多個平行排列或者交叉組成光開關(guān)陣列。
5)本發(fā)明的驅(qū)動電壓低，磁光旋轉(zhuǎn)器件磁場利用率較高，所需驅(qū)動電壓低、耗能低、溫度穩(wěn)定性相對提高。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例(1×2反射型磁光開關(guān))在高速磁場狀態(tài)為“ON”時的光路原理圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例(1×2反射型磁光開關(guān))在高速磁場狀態(tài)為“OFF”時的光路原理圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例磁光開關(guān)中的PRE狀態(tài)“ON”時分布圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例磁光開關(guān)中的PRE狀態(tài)“OFF”時分布圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1～4所示，一光束從右邊入射到第一直角棱鏡RAP1，并射入偏振分束器PBS。與光入射面平行的偏振分量定義為S光，與光入射面垂直的偏振分量定義為P光。在偏振分束器PBS中，S光反射，P光透射，形成二條偏振面相互垂直的出射光線。利用第二直角棱鏡RAP2和偏振分束器PBS，二條相互垂直的光線平行入射偏振光旋轉(zhuǎn)元件PRE。S光和P光從偏振光旋轉(zhuǎn)元件PRE進(jìn)入第三直角梭鏡RAP3之后再反向通過偏振光旋轉(zhuǎn)元件PRE，最后進(jìn)入第二直角棱鏡RAP2和偏振分束器PBS。
當(dāng)PRE處于“ON”狀態(tài)時，二束光的偏振面都旋轉(zhuǎn)了90°。二束光在偏振分束器PBS中合成一束，經(jīng)過第一直角棱鏡RAP1從輸出端口1輸出。當(dāng)偏振光旋轉(zhuǎn)元件PRE處于“OFF”狀態(tài)時，二束光都保持原有的偏振狀態(tài)。二束光在偏振分束器PBS中合成一束，并從輸出端口2輸出。在磁光開關(guān)中，輸入光的偏振態(tài)與工作狀態(tài)無關(guān)。S光和P光走過的二條光程實(shí)際上是相等的。只需要一個偏振光旋轉(zhuǎn)元件PRE用于控制二束偏振光的偏振態(tài)；一個偏振分束器PBS用于光束的分解與合成。
在磁光開關(guān)的光路布局中，偏振光旋轉(zhuǎn)元件PRE是一種核心器件。在圖3和圖4中，光路的偏振光旋轉(zhuǎn)元件PRE由二個法拉第旋光器(磁光晶體)構(gòu)成。當(dāng)磁光晶體M-O(A)和M-O(B)的通電方向相反時，一個磁光晶體對偏振光每次旋轉(zhuǎn)22.5°，另一個磁光晶體對偏振光每次旋轉(zhuǎn)-22.5°，偏振光旋轉(zhuǎn)元件PRE在整體上對偏振光不起偏振作用，光路處于直通狀態(tài)。當(dāng)磁光晶體M-O(A)和M-O(B)的通電方向相同時，二個磁光晶體每次都對偏振光旋轉(zhuǎn)22.5°，偏振光旋轉(zhuǎn)元件PRE在整體上將偏振光旋轉(zhuǎn)90°，光路處于交叉狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.反射型磁光開關(guān)，其特征在于設(shè)有3個直角棱鏡、偏振分束器和偏振光旋轉(zhuǎn)器件；第一直角棱鏡的輸入端口外接入射光，再射入到偏振分束器；偏振分束器的輸入端口外接直角棱鏡輸出端，并將入射光分解輸出2束偏振態(tài)正交的P光和S光；S光定義為與光入射面平行的偏振分量，P光定義為與光入射面垂直的偏振分量；第二直角棱鏡的輸入端口外接偏振分束器的一端，將入射光反射到偏振光旋轉(zhuǎn)器件；偏振光旋轉(zhuǎn)器件的右半部分輸入外接偏振分束器的輸出端和第二直角棱鏡的輸出端，并從左半部分輸出端將這兩束偏振光出射到第三直角棱鏡；第三直角棱鏡外接偏振光旋轉(zhuǎn)器件的左半部分的輸出光，并在第三直角棱鏡中反射到偏振光旋轉(zhuǎn)器件左半部分的輸入端口，經(jīng)過偏振光旋轉(zhuǎn)器件后，一束偏振光到第二直角棱鏡，經(jīng)過反射到偏振分束器與另一束偏振光合并，并按照要求進(jìn)入輸出端口。
2.如權(quán)利要求1所述的反射型磁光開關(guān)，其特征在于所述的偏振光旋轉(zhuǎn)器件由2個法拉第旋光器即磁光晶體構(gòu)成。
全文摘要
反射型磁光開關(guān)，涉及一種磁光開關(guān)。設(shè)有3個直角棱鏡、偏振分束器和偏振光旋轉(zhuǎn)器件；第一直角棱鏡輸入端外接入射光，再射到偏振分束器；偏振分束器將入射光分解輸出2束偏振態(tài)正交的P光和S光；第二直角棱鏡輸入端外接偏振分束器一端，將入射光反射到偏振光旋轉(zhuǎn)器件；偏振光旋轉(zhuǎn)器件的右半部分輸入外接偏振分束器的輸出端和第二直角棱鏡的輸出端，并從左半部分輸出端將這兩束偏振光出射到第三直角棱鏡；第三直角棱鏡外接偏振光旋轉(zhuǎn)器件的左半部分的輸出光，并在第三直角棱鏡中反射到偏振光旋轉(zhuǎn)器件左半部分的輸入端口，經(jīng)過偏振光旋轉(zhuǎn)器件后，一束偏振光到第二直角棱鏡，經(jīng)過反射到偏振分束器與另一束偏振光合并，并按照要求進(jìn)入輸出端口。
文檔編號H04B10/12GK101071202SQ20071000911
公開日2007年11月14日 申請日期2007年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月18日
發(fā)明者翁梓華, 陳智敏, 朱赟, 林少漢, 陳栩, 鞏慧明 申請人:廈門大學(xué)