一种多路激光自混合光开关的制作方法

本发明涉及光开关技术领域，尤其涉及一种多路激光自混合光开关。

背景技术：

光开关作为完成全关交换的关键器件，被广泛应用于光纤环路、自动测量、光纤网络远程监控、光路切换、系统监测、实验室研发、动态配置分插复用、光路监控系统、光环路保护切换试验、光纤传感系统、光器件测试与研究等场合。

目前常用的光开关主要分为机械式光开关、波导型光开关、液晶光开关三类。传统的机械式光开关存在开关动作时间较长(ms量级)、体积偏大、不易集成等缺点。波导型光开关通过不同的作用机理可分为热光开关、声光开关和电光开关三类，其中热光开关响应速度慢，声光开关不利于阵列扩展，开关损耗随波长变化大，驱动电路昂贵，电光开关则受外界温度扰动，稳定性不高。液晶光开关则存在光开关损耗较大和制作成本都较高等问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于激光自混合原理，能够克服现有机械式光开关、波导型光开关、液晶光开关所存在的问题的多路激光自混合光开关。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种多路激光自混合光开关，包括激光器、第一分束元件、可调谐衰减器、反馈物、压电陶瓷、控制器、第二分束元件、N个光滤波器和N个准直元件，所述反馈物固定于压电陶瓷上，所述压电陶瓷的形变量由控制器控制，所述N个光滤波器的中心频率不同，所述N个准直元件分别设于N个光滤波器的输出侧，所述激光器出射的激光经第一分束元件分为两束，其中一束经可调谐衰减器后入射到反馈物上，另一束经第二分束元件分为N束后分别射入N个光滤波器进行滤波，入射到反馈物上的激光经反馈物反射后沿原路反馈回激光器内，形成自混合激光，每个光滤波器输出的激光经由位于其输出侧的准直透镜准直后最终输出。

作为优选的第一种方案为：所述激光器为氦氖激光器、微片激光器、DFB激光器或者DBR激光器，所述第一分束元件为分束镜，所述反馈物为平面反射镜，所述第二分束元件为光栅或者微透镜阵列，所述准直元件为准直透镜。

改进地，所述可调谐衰减器与平面反射镜之间的光路上设有第二准直透镜。

作为优选的第二种方案为：所述激光器为带尾纤激光器，所述第一分束元件为具有1×2端口的耦合器A，所述第二分束元件为具有1×N端口的耦合器B，所述反馈物为一传感光纤，所述准直元件为光纤准直镜；所述激光器的尾纤与耦合器A的输入端通过光纤连接，所述耦合器A的第一输出端与可调谐衰减器的输入端通过光纤连接，第二输出端与耦合器B的输入端通过光纤连接，所述传感光纤缠绕在压电陶瓷上，一端与可调谐衰减器的输出端连接，另一端为自由端且端面上镀有反馈介质，所述耦合器B的N个输出端分别与N个光滤波器的输入端通过光纤连接，所述N个光滤波器的输出端分别与N个光纤准直镜的输入端通过光纤连接。

作为优选，所述激光器为光纤激光器或者其他类型的带尾纤激光器。

作为优选，所述反馈介质为金属膜。

作为优选，所述金属膜为银膜、铝膜或者金膜。

作为优选的第三种方案为：所述激光器为带尾纤激光器，所述第一分束元件为具有1×2端口的耦合器A，所述第二分束元件为具有1×N端口的耦合器B，所述反馈物包括传感光纤和法拉第旋转镜，所述准直元件为光纤准直镜；所述激光器的尾纤与耦合器A的输入端通过光纤连接，所述耦合器A的第一输出端与可调谐衰减器的输入端通过光纤连接，第二输出端与耦合器B的输入端通过光纤连接，所述传感光纤缠绕在压电陶瓷上，一端与可调谐衰减器的输出端连接，另一端与法拉第旋转镜的输入端连接，所述耦合器B的N个输出端分别与N个光滤波器的输入端通过光纤连接，所述N个光滤波器的输出端分别与N个光纤准直镜的输入端通过光纤连接。

作为优选的第四种方案为：所述激光器为带尾纤激光器，所述第一分束元件为具有1×2端口的耦合器A，所述第二分束元件为具有1×N端口耦合器B，所述反馈物包括传感光纤和具有1×2端口的耦合器C，所述准直元件为光纤准直镜；所述激光器的尾纤与耦合器A的输入端通过光纤连接，所述耦合器A的第一输出端与可调谐衰减器的输入端通过光纤连接，第二输出端与耦合器B的输入端通过光纤连接，所述传感光纤缠绕在压电陶瓷上，一端与可调谐衰减器的输出端连接，另一端与耦合器C的输入端连接，所述耦合器C的两个输出端通过光纤相连，所述耦合器B的N个输出端分别与N个光滤波器的输入端通过光纤连接，所述N个光滤波器的输出端分别与N个光纤准直镜的输入端通过光纤连接。

作为优选，所述激光器为光纤激光器或者其他类型的带尾纤激光器。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1.本发明所述的多路激光自混合光开关结构简单，调节方便，结合光滤波器具有较强的通道扩展能力。

2.本发明所述的多路激光自混合光开关的外部反馈物受控制器给出电压驱动，解决了机械光开关系统中的由于机械运动造成的不稳定问题，且由于压电陶瓷的响应时间较小(可达μs量级)，使得本发明能够满足快速光切换的要求。

3.本发明所述的多路激光自混合光开关中采用全光纤型结构时，各光学器件间均由光纤相连，损耗较小，易于与其他光纤通信系统集成。

附图说明

图1是三镜腔理论模型图；

图2是激光输出频率变化量随外腔变化量和外腔耦合系数的变化关系图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明实施例1的结构示意图；

图5是本发明实施例2的结构示意图；

图6是本发明实施例3的结构示意图；

图7是本发明实施例4的结构示意图。

附图标记：

图3中：1.激光器、2.第一分束元件、3.可调谐衰减器、4.反馈物、5.压电陶瓷、6.控制器、7.第二分束元件、8.光滤波器、9.准直元件；

图4中：11.激光器、21.分束镜、31.可调谐衰减器、41.平面反射镜、51.压电陶瓷、61.控制器、71.光栅、81.光滤波器、91.准直透镜、10.第二准直透镜；

图5中：12.激光器、22.耦合器A、32.可调谐衰减器、42.传感光纤、52.压电陶瓷、62.控制器、72.耦合器B、82.光滤波器、92.光纤准直镜；

图6中：13.激光器、23.耦合器A、33.可调谐衰减器、431.传感光纤、432.法拉第旋转镜、53.压电陶瓷、63.控制器、73.耦合器B、83.光滤波器、93.光纤准直镜。

图7中：14.激光器、24.耦合器A、34.可调谐衰减器、441.传感光纤、442.耦合器C、54.压电陶瓷、64.控制器、74.耦合器B、84.光滤波器、94.光纤准直镜。

具体实施方式

如图1所示，为激光自混合三镜腔理论模型。图1中n0是激光器工作物质的有效折射率，r1和r2是激光器两个端面M1和M2的电场振幅的反射系数，反馈物端面M3的电场振幅反射系数为r3，d代表内腔长度，Lext为外腔长度，因此，激光腔内的初始电场E0(t)在经过往返一次后的电场E(t)可以表示为：

式(1)中，v是激光光波的频率，R2＝|r2|²，c是真空中光速，g表示激光的单位长度的增益介质对信号光的线性增益，γ是激光腔内单位距离信号光的总损耗，通过反馈条件下激光自混合系统的稳态相位条件即任意时刻下系统相位偏离2qπ的值Δφ(v)应保持为0：

式(2)中，τL(＝2Lext/c)和τd(＝2n0d/c)分别表示内腔和外腔的激光往返时延，α是线宽展宽因子，其中为反馈光进入激光腔内的耦合系数，在弱反馈情况下，根据式(2)稳态激光振荡条件能够得到激光器的输出光频率的表达式如下：

式(3)中，v表示有反馈时的激光频率，v0为无反馈时的激光频率，φext(＝4πv(Lext/c))表示无反馈时的外腔相位，由式(3)可得，激光器输出光频率受外腔长Lext以及外腔耦合系数ξ控制。

如图2所示，为激光输出频率变化量随外腔变化量和外腔耦合系数的变化关系。基于这种变化关系，设计一种新型的多路激光自混合光开关，其基本结构如图3所示。

如图3所示，一种多路激光自混合光开关，包括激光器1、第一分束元件2、可调谐衰减器3、反馈物4、压电陶瓷5、控制器6、第二分束元件7、N个光滤波器8和N个准直元件9，反馈物4固定于压电陶瓷5上，压电陶瓷5的形变量由控制器6控制，N个光滤波器7的中心频率不同，N个准直元件9分别设于N个光滤波器8的输出侧；

激光器1出射的激光经第一分束元件2分为两束，其中一束经可调谐衰减器3后入射到反馈物上，另一束经第二分束元件7分为N束后分别射入N个光滤波器8进行滤波，入射到反馈物4上的激光经反馈物4反射后沿原路反馈回激光器1内，形成自混合激光，每个光滤波器8输出的激光经由位于其输出侧的准直透镜9准直后最终输出。

本发明的工作原理为：通过控制器调节施加在压电陶瓷上的电压和调节可调谐衰减器的衰减强弱来改变外腔耦合系数和外腔长度，从而控制激光器输出频率。当所设计的某一个光滤波器的中心频率与激光器输出频率匹配时，激光则会从与该光滤波器对应的准直透镜输出，从而能够实现N路光通道间的切换。

本发明中，在对N个光滤波器进行设计时，N个光滤波器的中心频率应满足以下条件：

...

式(4)中ν0为无反馈时的激光频率、ν1、ν2……νn分别表示N个光滤波器的中心频率，τL1、τL2……τLn分别表示N个滤波器所在的光路出光时对应的外腔时延，ξ1、ξ2……ξn分别表示N个滤波器所在的光路出光时对应的反馈光进入激光腔内的耦合系数，φext1、φext2……φextn分别表示N个滤波器所在的光路出光时对应的外腔相位。

基于图3所示的技术方案，结合各个器件的具体选型，设计四种具体的实施方案，下面对四种实施方案进行详细说明。

结合图4，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。

一种多路激光自混合光开关，包括激光器11、分束镜21、可调谐衰减器31、平面反射镜41、压电陶瓷51、控制器61、光栅71、N个光滤波器81和N个准直透镜91，平面反射镜41固定于压电陶瓷51上，压电陶瓷51的形变量由控制器61控制，N个光滤波器81的中心频率不同，N个准直透镜91分别设于N个光滤波器81的输出侧；激光器11出射的激光经分束镜21分为两束，其中一束经可调谐衰减器31后入射到平面反射镜41上，另一束经光栅71分为N束后分别射入N个光滤波器81进行滤波，入射到平面反射镜41上的激光经平面反射镜41反射后沿原路反馈回激光器11内，形成自混合激光，每个光滤波器81输出的激光经由位于其输出侧的准直透镜91准直后最终输出。

本实施例中：

1.激光器可以选择氦氖激光器、微片激光器、DFB激光器或者DBR激光器；

2.光栅可以用微透镜阵列替代。

为了提高光路的准直性，在可调谐衰减器与反馈物之间的光路上还可以增设第二准直透镜10，通过第二准直透镜提高入射到反馈物上的光的准直度。

本实施例具有以下优点：

1.多路激光自混合光开关结构简单，调节方便，结合光滤波器具有较强的通道扩展能力。

2.多路激光自混合光开关的外部反馈物受控制器给出的电压驱动，解决了机械光开关系统中的由于机械运动造成的不稳定问题，且由于压电陶瓷的响应时间小(μs量级)，使得本发明能够满足快速光切换的要求。

结合图5，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。

一种多路激光自混合光开关，包括带尾纤激光器12、具有1×2端口的耦合器A22、可调谐衰减器32、传感光纤42、压电陶瓷52、控制器62、具有1×N端口的耦合器B72、N个光滤波器82和N个光纤准直镜92，压电陶瓷52的形变量由控制器62控制，N个光滤波器82的中心频率不同，带尾纤激光器12的尾纤与耦合器A22的输入端连接，耦合器A22的第一输出端与可调谐衰减器32的输入端通过光纤连接，第二输出端与耦合器B72的输入端通过光纤连接，传感光纤42缠绕在压电陶瓷上，一端与可调谐衰减器32的输出端连接，另一端为自由端且端面421上镀有反馈介质，耦合器B72的N个输出端分别与N个光滤波器82的输入端通过光纤连接，N个光滤波器82的输出端分别与N个光纤准直镜92的输入端通过光纤连接。

本实施例中，激光器可以选择光纤激光器或者其他类型的带尾纤激光器。

本实施例除具备实施例1的优点外，还具备以下优点：多路激光自混合光开关中采用全光纤型结构时，各光学器件间均由光纤相连，损耗较小，易于与其他光纤通信系统集成。

结合图6，详细说明本发明的实施例3，但不对本发明的权利要求做任何限定。

一种多路激光自混合光开关，包括带尾纤激光器13、具有1×2端口的耦合器A23、可调谐衰减器33、传感光纤431、法拉第旋转镜432、压电陶瓷53、控制器63、具有1×N端口的耦合器B73、N个光滤波器83和N个光纤准直镜93，压电陶瓷53的形变量由控制器63控制，N个光滤波器83的中心频率不同，激光器13的尾纤与耦合器A23的输入端连接，耦合器A23的第一输出端与可调谐衰减器32的输入端通过光纤连接，第二输出端与耦合器B73的输入端通过光纤连接，传感光纤431缠绕在压电陶瓷上，一端与可调谐衰减器33的输出端连接，另一端与法拉第旋转镜432的输入端连接，耦合器B73的N个输出端分别与N个光滤波器83的输入端通过光纤连接，N个光滤波器83的输出端分别与N个光纤准直镜93的输入端通过光纤连接。

本实施例中，激光器可以选择光纤激光器或者其他类型的带尾纤激光器。

本实施例与实施例2的优点相同，区别仅在于反馈物的具体结构不同。

结合图7，详细说明本发明的实施例4，但不对本发明的权利要求做任何限定。

一种多路激光自混合光开关，包括带尾纤激光器14、具有1×2端口的耦合器A24、可调谐衰减器34、传感光纤441、具有1×2端口的耦合器C 442、压电陶瓷54、控制器64、具有1×N端口的耦合器B74、N个光滤波器84和N个光纤准直镜94，压电陶瓷54的形变量由控制器64控制，N个光滤波器84的中心频率不同，激光器14的尾纤与耦合器A24的输入端连接，耦合器A24的第一输出端与可调谐衰减器34的输入端通过光纤连接，第二输出端与耦合器B74的输入端通过光纤连接，传感光纤441缠绕在压电陶瓷上，一端与可调谐衰减器34的输出端连接，另一端与耦合器C442的输入端连接，耦合器C442的两个输出端通过光纤连接，耦合器B74的N个输出端分别与N个光滤波器84的输入端通过光纤连接，N个光滤波器84的输出端分别与N个光纤准直镜94的输入端通过光纤连接。

本实施例中，激光器可以选择光纤激光器或者其他类型的带尾纤激光器。

本实施例与实施例2的优点相同，区别仅在于反馈物的具体结构不同。

综上所述，本发明具有以下优点：

1.本发明所述的多路激光自混合光开关结构简单，调节方便，结合光滤波器具有较强的通道扩展能力。

2.本发明所述的多路激光自混合光开关的外部反馈物受控制器给出电压驱动，解决了机械光开关系统中的由于机械运动造成的不稳定问题，且由于压电陶瓷的响应时间小(μs量级)，使得本发明能够满足快速光切换的要求。

3.本发明所述的多路激光自混合光开关中采用全光纤型结构时，各光学器件间均由光纤相连，损耗较小，易于与其他光纤通信系统集成。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。