专利名称：一种具有反馈监控结构的2x2高速光纤开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种两路交叉光纤开关，具体是涉及一种通过控制电光控制单 元材料施加的电压改变光偏振方向而实现光路快速切换的一种电光开关。
技术背景光开关广泛应用于光通信领域，用于实现光在一个或多个输入端口到一个 或多个输出端口之间的切换。2x2光开关具有两个开关状态，即输入一端口到输 出一端口、输入一端口到输出二端口的直通状态和输入一端口到输出二端口、 输入二端口到输出一端口的交叉相联状态。2x2光开关及其组成的光开关阵列应 用广泛，是组成光分插复用(OADM)以及光交叉连接(OXC)设备的关键器 件。随着光通信领域的发展，光开关的重要性日益突出。传统的光开关有机械式以及液晶光开关、磁光开关、电光开关等，机械式的 开关速度慢，液晶光开关、磁光开关开关速度一般在毫秒微秒量级，而电光开 关的响应速度可达到纳秒量级。电光开关是利用电光材料的电光效应控制光偏振方向的变化实现开关功 能。当电光材料上不加电压时，光通过电光控制单元偏振态不发生改变；当电 光材料上加半波电压时，电光控制单元相当于一个半波片，选定光轴方向可使 光通过电光控制单元偏振方向发生90度的旋转。然而铌酸锂(LiNbO,)晶体、 透明铁电功能陶瓷等电光材料，由于其固有的特性(如制造时的差异、温度环 境等原因)将引起半波电压偏离原有的值，导致对于光偏振态的改变发生偏移， 从而引起光开关的信道串扰的增加，大大影响光开关的性能。 发明内容本发明的目的是提供一种开关串扰小，开关性能优良的具有反馈监控结构 的2x2高速光纤开关。本发明的具有反馈监控结构的2x2高速光纤开关，其特征是在同一水平光 路上依次设置第一双折射晶体、第一A/2波片组、第一偏振分束镜、第一电光控 制单元、第二双折射晶体、第一分束棱镜和第一光电探测器，在垂直于第一偏 振分束镜的偏振光反射光路上，沿反射光路依次设置第二电光控制单元、第三 双折射晶体、第二分束棱镜和第二光电探测器，在垂直于第一分束棱镜的反射 光路上，沿反射光路依次设置第二偏振分束镜、第三电光控制单元、第二/l/2波 片和第四双折射晶体，其中，第二偏振分束镜与第二分束棱镜处于同一水平光路，在该水平光路于第二偏振分束镜的另一侧依次设置第四电光控制单元、第 三/l/2波片、第五双折射晶体；所说的第一A/2波片组由布置在光路方向横截面 的左上角和右下角两片对角相连的A/2波片组成，且每片A/2波片的光轴方向与 水平方向成45度夹角；所说的第二A/2波片是装置在光路方向横截面的上半面， 且光轴方向与水平方向夹角为45度角的A/2波片；所说的第三义/2波片是装置在 光路方向横截面的下半面，且光轴方向与水平方向夹角为45度角的/l/2波片。 上述的第一、第二、第三、第四和第五双折射晶体可以是钒酸钇或金红石。 第一、第二偏振分束镜可以采用对s偏振光反射，对p偏振光透射的分束镜。第一、第二、第三和第四电光控制单元可以采用铌酸锂晶体，或透明铁电功能陶瓷材料，如PLZT、 PMN-PT透明铁电功能陶瓷材料。所说的第一、第二分束棱镜可以是与输入光偏振态无关的对输入光92% 98%反射，2% 8%透射的分束棱镜。所说的第一、第二光电探测器可以采用四象限光电探测器。 本发明具有的有益效果是本发明通过将分光镜透射的少部分光用于反馈控制电光控制单元对于光偏 振态的改变，大大减小光开关两输出端口信道之间的相互串扰，提高光开关性 能，该光开关结构具有器件结构紧凑、体积小、光信道与偏振无关、开关速度 高、串扰小等优点。可应用于光通信、光传感与仪器仪表等领域。
图1是具有反馈监控结构的2x2高速光纤开关的构成示意俯视图； 图2是各义/2波片位置及光轴示意图，其中a)为第一A/2波片组，b)为第二义/2波片，c)为第三A/2波片。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。参照图l，本发明的具有反馈监控结构的2x2高速光纤开关，在同一水平光 路上依次设置第一双折射晶体l、第一A/2波片组2、第一偏振分束镜3、第一电 光控制单元4、第二双折射晶体5、第一分束棱镜6和第一光电探测器7，在垂 直于第一偏振分束镜3的偏振光反射光路上，沿反射光路依次设置第二电光控 制单元8、第三双折射晶体9、第二分束棱镜IO和第二光电探测器11，在垂直 于第一分束棱镜6的反射光路上，沿反射光路依次设置第二偏振分束镜12、第 三电光控制单元13、第二"2波片14和第四双折射晶体15，其中，第二偏振分 束镜12与第二分束棱镜10处于同一水平光路，在该水平光路于第二偏振分束镜12的另一侧依次设置第四电光控制单元16、第三A/2波片17、第五双折射晶 体18;这里，第一A/2波片组2如图2a)所示，由布置在光路方向横截面的左上 角和右下角两片对角相连的A/2波片201、 202组成，且每片A/2波片的光轴方向 f与水平方向m成45度夹角；第二A/2波片14如图2b)所示，是装置在光路方 向橫截面的上半面，且光轴方向g与水平方向m夹角为45度角的A/2波片140; 第三义/2波片17如图2c)所示，是装置在光路方向横截面的下半面，且光轴方向 h与水平方向m夹角为45度角的/l/2波片170。此例中，第一双折射晶体l、第二双折射晶体5、第三双折射晶体9、第 四双折射晶体15和第五双折射晶体18分别是钒酸钇。第一偏振分束镜3和第 二偏振分束镜12分别是对s偏振光反射，对p偏振光透射的分束镜。第一分束 棱镜6和第二分束棱镜10分别采用与输入光偏振态无关的对输入光96%反射， 4%透射的分束棱镜。第一光电探测器7和第二光电探测器11分别采用四象限光 电探测器。此例中，第一电光控制单元4、第二电光控制单元8、第三电光控制单元 13和第四电光控制单元16分别采用PMN-PT透明铁电功能陶瓷材料。当电光控 制单元上不施加电压时，光通过电光单元的偏振态不发生改变，当在电光控制 单元上施加半波电压时，选择施加电场方向使得光通过电光控制单元后偏振方 向旋转90度。开关状态l实现输入端口一到输出端口一，输入端口二到输出端 口二的直通状态；开关状态2实现输入端口一到输出端口二，输入端口二到输 出端口一的交叉相联状态。 工作原理如下设两束任意偏振态的光a、 b分别从输入端口一、 二入射到第一双折射晶体 1，进入第一双折射晶体l分别分为两束偏振方向互相垂直的光。选择第一双折 射晶体1的光轴方向使得水平线偏振光对于第一双折射晶体1为o光(寻常光)， 直接通过第一双折射晶体1，垂直线偏振光对于第一双折射晶体1为e光(非寻 常光)，经过第一双折射晶体l时向下偏移一定距离后输出，这样，输入光a经 过第一双折射晶体1后变为左边的上下两束偏振方向互相垂直的光，输入光b 经过第一双折射晶体1后变为右边的上下两束偏振方向互相垂直的光。光经过第一义/2波片组2后，左上的水平线偏振光的偏振方向转卯度变为 垂直线偏振光，右下的垂直线偏振光的偏振方向转90度变为水平线偏振光，左 下和右上的光偏振态不变，于是光经过第一"2波片组2后输入光a变为左边的 上下两束垂直线偏振光，输入光b变为右边的上下两束水平线偏振光。上述四束光经过第一偏振分束镜3时，左边上下两束垂直线偏振光是第一偏振分束镜3的s偏振光，被反射，右边上下两束水平线偏振光是第一偏振分束 镜3的p偏振光，透射射出。下面分别分析开关状态1和开关状态2时第一偏振分束镜3之后的光路变 化情况。开关状态1，第一电光控制单元4和第四电光控制单元16上加半波电压， 第二电光控制单元8和第三电光控制单元13上不加电压。这时，光经过第一电 光控制单元4或第四电光控制单元16偏振方向旋转90度，光经过第二电光控 制单元8或第三电光控制单元13偏振态不变。首先讨论输入光b的光路变化情况。此时，输入光b经过第一电光控制单 元4，偏振方向转90度变为垂直线偏振光。选择第二双折射晶体5的光轴方向 使得垂直线偏振光为第二双折射晶体5的o光(寻常光)，则b光不发生偏移直 接通过第二双折射晶体5。经过第一分束镜6，大部分反射。经过第二偏振分束 镜12时，因为是垂直线偏振光，即偏振分束镜12的s偏振光，于是被反射。经 过第四电光控制单元16，偏振方向转90度，变为水平线偏振光。经过第三义/2波 片17后，下面的光偏振方向转90度变为垂直偏振光，上面的水平线偏振光偏 振态不变。再经过第五双折射晶体18，选择第五双折射晶体18的光轴方向，使 得水平线偏振光为它的o光(寻常光)，不发生偏移直接通过，垂直线偏振光为 它的e光(非寻常光)，向上偏移一定距离出射，从而使得b光在第五双折射晶 体18出射时上下两束光重新合成为初始偏振状态的光，从输出端口二输出。下面来看此状态输入光a的光路变化情况。输入光a经过第二电光控制单元 8后，偏振态不变。选择第三双折射晶体9光轴方向使得垂直线偏振光为第三双 折射晶体9的o光(寻常光)，则a光不发生偏移直接通过第三双折射晶体9。 经过第二分束镜IO，大部分反射。经过第二偏振分束镜12时，仍为垂直线偏振 光，即第二偏振分束镜12的s偏振光，于是被反射。经过第三电光控制单元13， 偏振态不变。经过第二A/2波片14后，上面的垂直线偏振光偏振方向转90度变 为水平线偏振光，下面的垂直线偏振光的偏振态不变。选择第四双折射晶体15 的光轴方向，使得水平线偏振光为它的o光(寻常光)不发生偏移直接通过， 垂直线偏振光为它的e光(非寻常光)向上偏移一定距离出射，从而使得a光经 过第四双折射晶体15后重新合成为初始偏振状态的光，由输出端口一输出。开关状态2，第二电光控制单元8和第三电光控制单元13上加半波电压， 第一电光控制单元4和第四电光控制单元16上不加电压，这时光经过第二电光控制单元8或第三电光控制单元13偏振方向旋转90度，光经过第一电光控制 单元4或第四电光控制单元16偏振态不变。首先讨论输入光b的光路变化情况。此时，输入光b经过第一电光控制单 元4，偏振方向不变。选择第二双折射晶体5光轴方向使得此时水平线偏振光的 b光为第二双折射晶体5的e光(非寻常光)，则b光向左偏移一定距离后从第 二双折射晶体5出射。经过第一分束镜6，大部分反射。经过第二偏振分束镜 12时，b光仍为水平线偏振光，即第二偏振分束镜12的p偏振光，直接透射过 第二偏振分束镜12。经过第三电光单元13，偏振方向转90度，变为垂直线偏 振光。经过第二A/2波片14后，上面的光偏振态转90度变为水平线偏振光，下 面的垂直线偏振光的偏振态不变。经过第四双折射晶体15后重新合成为初始偏 振状态的光，从输出端口一输出。下面来看此状态下输入光a的光路变化情况。输入光a经过第二电光控制单 元8，偏振方向转90度变为水平线偏振光。选择第三双折射晶体9的光轴使得 此时为水平线偏振光的a光是它的e光(非寻常光)，则a光向左偏移一定距离 从第三双折射晶体9出射。经过第二分束镜10，大部分反射。经过第二偏振分 束镜12，为它的p偏振光，直接透射过第二偏振分束镜12。经过第四电光单元 16，偏振态不变。经过第三A/2波片17后，下面的水平线偏振光的偏振方向转 90度变为垂直线偏振光，上面的垂直线偏振光的偏振态不变。经过第五双折射 晶体18后重新合成为初始偏振状态的光，由输出端口二输出。由于电光材料的半波电压随温度漂移等特性，对电光控制单元加某个预定 电压，光经过电光控制单元时，其偏振态改变量会偏离原预定的值，这样将造 成器件串扰、插损的增加，影响器件性能。本发明中，在开关状态l，光经过第 一电光控制单元4后不完全是垂直线偏振光，再经过第二双折射晶体5时，就 会有部分光向左偏移一定距离后出射，而不是完全按预定的不偏移直接出射的 光路行进。然后光经过第一分束棱镜6时，绝大部分被反射，在光路中继续行 进，而小部分透射的四束光分别入射到第一四象限光电探测器7的四个象限光 敏元上。第一光电探测器7将接收到的光功率大小转化为电信号输出，用于反 馈控制第一电光控制单元4和第四电光控制单元16上所加电压大小。同样在开 关状态2，光经过第二电光控制单元8后不完全是水平线偏振光，再经过第三双 折射晶体9时，有部分光不发生偏移而直接通过第三双折射晶体9。然后光经过 第二分束棱镜10时，绝大部分被反射，在光路中继续行进，而小部分透射的四 束光分别入射到第二四象限光电探测器11的四个象限光敏元上。第二光电探测器11将接收到的光功率大小转化为电信号输出，用于反馈控制第二电光控制单 元8和第三电光控制单元13上所加电压大小。通过这样的反馈控制使得光经过 电光控制单元后其偏振方向变化量的偏移得到纠正，大大减小光开关的串扰， 并且提高了光开关对温度、环境等的可靠性。
权利要求
1.一种具有反馈监控结构的2×2高速光纤开关，其特征在于在同一水平光路上依次设置第一双折射晶体(1)、第一λ/2波片组(2)、第一偏振分束镜(3)、第一电光控制单元(4)、第二双折射晶体(5)、第一分束棱镜(6)和第一光电探测器(7)，在垂直于第一偏振分束镜(3)的偏振光反射光路上，沿反射光路依次设置第二电光控制单元(8)、第三双折射晶体(9)、第二分束棱镜(10)和第二光电探测器(11)，在垂直于第一分束棱镜(6)的反射光路上，沿反射光路依次设置第二偏振分束镜(12)、第三电光控制单元(13)、第二λ/2波片(14)和第四双折射晶体(15)，其中，第二偏振分束镜(12)与第二分束棱镜(10)处于同一水平光路，在该水平光路于第二偏振分束镜(12)的另一侧依次设置第四电光控制单元(16)、第三λ/2波片(17)、第五双折射晶体(18)；所说的第一λ/2波片组(2)由布置在光路方向横截面的左上角和右下角两片对角相连的λ/2波片(201)、(202)组成，且每片λ/2波片的光轴方向与水平方向成45度夹角；所说的第二λ/2波片(14)是装置在光路方向横截面的上半面，且光轴方向与水平方向夹角为45度角的λ/2波片(140)；所说的第三λ/2波片(17)是装置在光路方向横截面的下半面，且光轴方向与水平方向夹角为45度角的λ/2波片(170)。
2. 根据权利要求1所述的具有反馈监控结构的2x2高速光纤开关，其特征在 于所说的第一双折射晶体(1)、第二双折射晶体(5)、第三双折射晶体(9)、 第四双折射晶体(15)和第五双折射晶体(18)分别是钒酸钇或金红石。
3. 根据权利要求1所述的具有反馈监控结构的2x2高速光纤开关，其特征在 于所说的第一偏振分束镜(3)和第二偏振分束镜(12)分别是对s偏振光反 射，对p偏振光透射的分束镜。
4. 根据权利要求1所述的具有反馈监控结构的2x2高速光纤开关，其特征在 于所说的第一电光控制单元(4)、第二电光控制单元(8)、第三电光控制单 元(13)和第四电光控制单元(16)分别是铌酸锂晶体或透明铁电功能陶瓷材 料。
5. 根据权利要求1所述的具有反馈监控结构的2x2高速光纤开关，其特征在 于所说的第一分束棱镜(6)和第二分束棱镜(10)分别是与输入光偏振态无 关的对输入光92% 98%反射，2% 8%透射的分束棱镜。
6. 根据权利要求1所述的具有反馈监控结构的2x2高速光纤开关，其特征在 于所说的第一光电探测器(7)和第二光电探测器(11)分别为四象限光电探
全文摘要
本发明公开的具有反馈监控结构的2×2高速光纤开关，在同一水平光路上依次设置第一双折射晶体、第一λ/2波片组、第一偏振分束镜、第一电光控制单元、第二双折射晶体、第一分束棱镜和第一光电探测器，在垂直于第一偏振分束镜的偏振光反射光路上，沿反射光路依次设置第二电光控制单元、第三双折射晶体、第二分束棱镜和第二光电探测器，在垂直于第一分束棱镜的反射光路上，沿反射光路依次设置第二偏振分束镜、第三电光控制单元、第二λ/2波片和第四双折射晶体，其中，第二偏振分束镜与第二分束棱镜处于同一水平光路，在该水平光路于第二偏振分束镜的另一侧依次设置第四电光控制单元、第三λ/2波片、第五双折射晶体。该光纤开关具有结构紧凑，开关速度高、串扰小等优点。
文档编号G02F1/01GK101216615SQ200710306808
公开日2008年7月9日 申请日期2007年12月29日 优先权日2007年12月29日
发明者军 冀, 刘文娟, 灏 池, 飞 章, 章献民, 金晓峰 申请人:浙江大学