专利名称：高速微型磁光开关装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光开关，尤其是一种主要用于全光通信网络的高速微型磁光开关。
背景技术：
光开关是构建大型光交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素。与电开关相比，光开关省去了电-光、光-电转换过程，设备相应简化，极大地提高网络的可靠性，并提供灵活的信号路由平台。尽管目前通信系统中采用光电交换，但未来的光网络却需要纯光开关代替光电转换来完成信号路由功能，实现网络的高速率和协议的透明性。因此光开关及其微型化的地位和重要性日益凸现。光开关作为一种光器件，在光通信领域里的应用非常广泛。它可以集成到各种不同的光网元中，例如自动保护倒换装置、网络监视系统、元器件测试系统、光分插复用系统、光交叉连接器、光路由器、光纤传感器系统和光纤测试系统等。
已有的光开关大体可以分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关的发展最为成熟，它具有插入损耗低、偏振无关、串扰小等优点。不足之处是开关时间长，一般为毫秒量级，与要求的微秒和纳秒量级相差甚远；开关体积大，有的还存在回跳抖动和重复性较差等问题。非机械式光开关是利用材料的电光、声光、热光和磁光等效应研制而成，相对于机械式光开关来说，它们具有较高的开关速度，一般可以达到微秒级甚至更低量级；它可以采用微电子工艺以实现高密度集成，可以应用于未来的集成光交换和光电子交换系统。不足之处是插入损耗大、隔离度低。现阶段较为前沿的非机械光开关有集成波导光开关、MEMS光开关、液晶光开关、热光效应光开关、声光开关和微型磁光开关等。杨俊等报道了一种新型磁光开关的理论分析与磁路设计(光电子技术与信息，2002，5)，闸述了磁光晶体旋光的原理和磁光晶体的光学性质，并对磁路进行了设计与计算。张惠英等报道了一种新型光开关交换器(半导体光电，2001，1)，探讨了光偏振现象和旋光现象的特点，进而利用偏振和旋光现象提出一种新型光开关交换器。
发明内容
为了克服现有的光开关的光-电及电-光转换方式和机械式光开关的低速传输方式，本发明旨在提出一种用于全光通信网络，可以高速地和大容量地切换全光信息的新型高速微型磁光开关装置。
本发明设有输入装置，所说的输入装置设有1根光纤和自聚焦透镜，自聚焦透镜设于光纤出射光束光路上；光路转换装置，包括2只双折射晶体、法拉第旋转器、石英旋转器、偏振分束镜和全反射三角棱镜，第1只双折射晶体设于输入装置出射光束光路上，法拉第旋转器设于第1只双折射晶体的2条线偏振光出射光束光路上，而石英旋转器设于法拉第旋转器的2条线偏振光出射光路上，第2只双折射晶体设于石英旋转器出射的2条线偏振光的光路上，偏振分束镜和全反射三角棱镜分别设于第2只双折射晶体的2束偏振旋转光的射出光路上；输出装置，所说的输出装置设有2根光纤和自聚焦透镜，输出装置的自聚焦透镜设于光路转换装置的射出光路上，光纤设于输出装置的自聚焦透镜的出射光路上；驱动装置，其控制信号输入端外接控制信号端口，驱动装置输出端接光路转换装置的法拉第旋转器。
双折射晶体可采用YVO4(钒酸钇)晶体。
法拉第旋转器可由磁光晶体和通电螺线管组成，磁光晶体固定在通电螺线管上，磁光晶体可采用Gd:YIG掺钆钇铁石榴石厚膜构成的45°磁光晶体。最好采用两个通电螺线管，磁光晶体固定在两个通电螺线管之间。石英旋转器也可采用45°波片，即λ/4波片。驱动装置可采用纳秒量级脉冲发生器，在驱动装置的作用下，输入光开关的一束光束可以按照要求从不同的光路传输，并输出到二者中的一个特定的光开关输出端口。
光通讯用光开关是光通信技术中十分重要的无源器件之一。近年来，光开关研究进展迅速，其内容涉及光开关的结构形式、原理、使用波长以及偏振灵敏性等。就光通信技术对光开关的使用要求而言，它必须具有低的串扰、小的插入损耗、短的开关时间和低的偏振灵敏度，同时对消光比、开关规模、开关尺寸等方面也有特定的要求。就影响光开关参数的因素而言，有组成光开关各分立器件技术指标(如透射率、旋光角等)的优劣，也有组装和调整技术水平的高低等。
本发明给出了高速微型磁光开关的光学光路设计和高速微型磁光开关的高速控制技术研究包括纳秒脉冲信号发生器及其控制技术的研究。为了保证微型磁光开关的开关时间小于性能参数值，必须采用高速控制技术。微型磁光开关的高速控制技术对微型磁光开关的开关速度和其它性能有较大的影响。开关时间的长短是微型磁光开关的一个重要性能参数。对其涉及到的电路的要求满足抗干扰能力强、驱动电压低、稳定性高，电路设计简单、可靠，可以持续长时间连续工作。
实验结果表明，本发明具有偏振灵敏度低、无运动零件、插入损耗小、响应速度快、集成化程度高等优点。本发明采用纳秒级调整控制驱动电路，可满足抗干扰能力强、驱动电压低、稳定性高，电路设计简单、可靠，可长时间连续工作等要求。本发明的有益效果是，微型磁光开关综合了法拉第磁光效应、微细加工技术、高速电子控制技术，使得微型磁光开关具备无运动件、开关速度快、稳定性高、驱动电压低、串扰小、体积小和易于高度集成等优点，并已达到如下的性能插入损耗小于1.5分贝、串音低于-30分贝、开关时间短于15微秒、最小电压小于4.5伏特。本发明既可应用于光通讯的光交叉连接器，又可以应用于各种光路监控与维护系统、数据网络、光纤传感器系统和光纤测量系统等。
图1为本发明的组成框图。
图2为本发明的1×2右旋磁场光路原理示意图。
图3为本发明的1×2左旋磁场光路原理示意图。
图4为本发明实施例的输入装置示意图。
图5为本发明实施例的输出装置示意图。
图6为本发明实施例的光路转换装置示意图。
图7为本发明实施例采用单螺线管的法拉第旋转器示意图。
图8为本发明实施例采用双螺线管的法拉第旋转器示意图。
图9为本发明实施例的纳秒脉冲发生器电路组成原理图。
具体实施例方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种用于全光通信网络的高速微型磁光开关装置包括输入装置1、光路转换装置2、驱动装置3和输出装置4。参见图2～6，输入装置设有1根光纤11和自聚焦透镜P1，自聚焦透镜P1设于光纤11出射光束光路上；输出装置设有2根光纤41、42及自聚焦透镜P2，输出装置的自聚焦透镜P2设于光路转换装置的射出光路上，光纤41、42设于输出装置的自聚焦透镜P2的出射光路上。
光路转换装置包括2只双折射晶体A1与A2、法拉第旋转器F、石英旋转器B、偏振分束镜C和全反射三角棱镜D。第1只双折射晶体A1设于输入装置的自聚焦透镜P1出射光束光路上，法拉第旋转器F设于第1只双折射晶体A1的2条线偏振光出射光束光路上，而石英旋转器B设于法拉第旋转器F的2条线偏振光出射光路上。第2只双折射晶体A2设于石英旋转器B出射的2条线偏振光的光路上，偏振分束镜C和全反射三角棱镜D分别设于第2只双折射晶体A2的2束偏振旋转光的射出光路上。法拉第旋转器采用Gd:YIG厚膜构成的45°法拉第旋转器，法拉第旋转器由磁光晶体M和通电螺线管S组成，磁光晶体M固定在通电螺线管S上(参见图7)，最好采用两个通电螺线管，磁光晶体M固定在两个通电螺线管S1与S2之间(参见图8)。石英旋转器可采用45°波片即λ/4波片。
在图2中，光纤光束11经过光开关被传送到光纤41。从光纤11到光纤41的传输光路由二个部分光路组成。光束11经过透镜P1变成平行细光束，入射双折射晶体A1。在双折射晶体A1中，光束被分解成为二条线偏振光，其中一条为M光，另一条为N光。当在法拉第旋转器上施加右旋的磁场时，法拉第旋转器F和石英旋转器B对光束偏振面的旋转分别为-45°和+45°，所以二条线偏振光束通过F和B之后的总偏振旋转角都为零。最后，由B出射的M光和N光在双折射晶体A2中合成一束光通过透镜P2进入光纤41。
在图3中，光纤光束11经过光开关被传送到光纤42。从光纤11到光纤42的传输光路由二个部分光路组成。光束11经过透镜P1变成平行细光束，入射双折射晶体A1。在双折射晶体A1中，光束被分解成为二条线偏振光，其中一条为M光，另一条为N光。当在法拉第旋转器上施加左旋的磁场时，法拉第旋转器F和石英旋转器B对光束偏振面的旋转均为+45°，所以二条线偏振光束通过F和B之后的总偏振旋转角都为+90°。由B出射的M光和N光在双折射晶体A2中分开了，原来的M光束转化为N光束，原来的N光束转化为M光束，分别输出。一束光经过三角棱镜D输出到偏振分光镜C，另一束光直接输出到偏振分光镜C。最后，这二束光合成一束光通过透镜P2进入光纤42。
驱动装置的控制信号输入端外接控制信号端口，驱动装置输出端接光路转换装置的法拉第旋转器。驱动装置采用纳秒量级脉冲发生器，在驱动装置的作用下，输入光开关的一束光束可以按照要求从不同的光路传输，并输出到二者中的一个特定的光开关输出端口。
参见图9，纳秒量级脉冲发生器的控制信号由V1输入，由输出端口OUTPUT1和OUTPUT2输出，其中输出端口OUTPUT1输出负脉冲信号，输出端口OUTPUT2输出正脉冲信号。电缆DELAY可改变输出脉冲的宽度。
在图9中，各主要元器件的型号和参数如下三极管T12N5551型，T22N5551型；二极管D1MMBD4148型；电阻R1、R2100Ω，R347Ω，R4、R510K，R675Ω，R75.1K；电容C1100PF，C2、C310PF；电位器W11K_LIN；电源VCC110V。
权利要求
1.高速微型磁光开关装置，其特征在于设有输入装置，所说的输入装置设有1根光纤和自聚焦透镜，自聚焦透镜设于光纤出射光束光路上；光路转换装置，包括2只双折射晶体、法拉第旋转器、石英旋转器、偏振分束镜和全反射三角棱镜，第1只双折射晶体设于输入装置出射光束光路上，法拉第旋转器设于第1只双折射晶体的2条线偏振光出射光束光路上，石英旋转器设于法拉第旋转器的2条线偏振光出射光路上，第2只双折射晶体设于石英旋转器出射的2条线偏振光的光路上，偏振分束镜和全反射三角棱镜分别设于第2只双折射晶体的2束偏振旋转光的射出光路上；输出装置，所说的输出装置设有2根光纤和自聚焦透镜，输出装置的自聚焦透镜设于光路转换装置的射出光路上，光纤设于输出装置的自聚焦透镜的出射光路上；驱动装置，其控制信号输入端外接控制信号端口，驱动装置输出端接光路转换装置的法拉第旋转器。
2.如权利要求1所述的高速微型磁光开关装置，其特征在于双折射晶体采用钒酸钇晶体。
3.如权利要求1所述的高速微型磁光开关装置，其特征在于法拉第旋转器设有磁光晶体和通电螺线管，磁光晶体固定在通电螺线管上。
4.如权利要求1所述的高速微型磁光开关装置，其特征在于磁光晶体采用掺钆钇铁石榴石厚膜构成的45°磁光晶体。
5.如权利要求4所述的高速微型磁光开关装置，其特征在于法拉第旋转器由磁光晶体和两个通电螺线管组成，磁光晶体固定在两个通电螺线管之间。
6.如权利要求1所述的高速微型磁光开关装置，其特征在于石英旋转器采用45°波片即λ/4波片。
7.如权利要求1所述的高速微型磁光开关装置，其特征在于驱动装置采用纳秒量级脉冲发生器。
全文摘要
高速微型磁光开关装置，涉及一种光开关，尤其是一种主要用于全光通信网络的高速微型磁光开关。设有输入装置，输入装置设1根光纤和自聚焦透镜；输入的光束经第1只双折射晶体、法拉第旋转器、石英旋转器、第2只双折射晶体、偏振分束镜和全反射三角棱镜后由输出装置射出。驱动装置输入端接控制信号，输出端接法拉第旋转器。具有偏振灵敏度低、无运动件、插入损耗小、响应速度快、串扰小、体积小、集成化程度高等优点。可满足抗干扰能力强、驱动电压低、稳定性高，电路设计简单、可靠，可长时间连续工作等要求。既可应用于光通讯的光交叉连接器，又可以应用于各种光路监控与维护系统、数据网络、光纤传感器系统和光纤测量系统等。
文档编号G02F1/01GK1588179SQ20041005617
公开日2005年3月2日 申请日期2004年8月17日 优先权日2004年8月17日
发明者翁梓华, 黄元庆, 陈智敏, 朱赟 申请人:厦门大学