专利名称：反射型磁光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁光开关，尤其是涉及一种反射型磁光开关。
背景技术：
随着光纤通信技术的发展和DWDM的大量应用，DWDM全光网络正在成为通信网络的主要发展方向。全光网络的发展将依赖于新一代光开关、波分复用器、光衰减器和光放大器等元器件的进展。光开关作为全光网络的核心元件之一，其性能的优劣直接影响着网络的性能。光开关具有器件规模集成、与光纤耦合效率高、通信带宽大、可靠性高和能够大批量生产等特点，已经成为全光网络的关键技术之一。光开关作为全光网络中必不可少的关键器件之一，在OXC、OADM和保护倒置等方面起着决定性的作用，光开关的多种性能都是决定OADM和OXC性能的重要参考标准。随着全光网络的高速发展，网络对光开关的性能提出了越来越高的要求，高性能的光开关正吸引着光通信产业的注意力。
传统的光交换在交换过程中存在着光-电-光的转换，而且它们的交换容量都要受到电子器件工作速度的限制，使得整个光通信系统的带宽受到限制。全光交换可省去光-电-光的交换过程，充分利用光通信的宽带特性。全光交换被认为是未来宽带通信网最具潜力的新一代交换技术。在理想的全光网络中，信号的交换、选路、传输和恢复等所有功能都以光的形式进行。全光开关无需通过传统的光-电-光转换方式而直接将光信号按照不同的要求输出到不同端口。与传统的光开关相比，它省去了光-电-光转换过程，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还采用传统的光-电-光交换，但全光网络却需要全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。全光开关已经成为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，其地位和重要性日益凸现。
光开关目前大体可以分为传统的机械式光开关和新近研究的非机械式光开关两大类。机械式光开关的发展最为成熟，它具有插入损耗低、偏振无关和串扰小等优点。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；体积大，有的还存在回跳抖动和重复性较差等问题。非机械式光开关一般是利用材料的电光、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纳秒量级，可以实现高密度集成，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稍大、隔离度低。现阶段较为前沿的非机械光开关有MEMS光开关、液晶光开关、热光效应光开关、声光开关和磁光开关等。
磁光开关是一种利用法拉第(Faraday)磁光效应实现光路切换的全光开关。相对于传统的机械式光开关，磁光开关具有开关速度快和稳定性高等优势；而相对于其它非机械式光开关，又具有驱动电压低和串扰小等优势。近年来它在光无源器件领域得到越来越多的重视。
磁光效应是指线偏振光在磁性介质中传播时，受外界磁场的作用其偏振面发生旋转的一种物理现象。利用磁光效应，可以使偏振光方向产生所需要的改变，从而使合成输出光到达指定的端口。实验表明，偏振光振动面的旋转角度与磁感应强度和传播的距离成线性关系。磁光材料旋光的方向与光的传播方向无关，只与外加磁场方向有关。在磁致旋光晶体上加正向磁场时，经过磁致旋光晶体的线偏光的偏振面将正向旋转；若在磁致旋光晶体上加反向磁场，则经过磁致旋光晶体的线偏光将反向旋转。磁光材料一般采用纯质的、掺杂Ce和Bi的钇铁石榴石(YIG)晶体材料，它在长波长波段有较大的费尔德常数和较小的损耗。
在现有的磁光开关中，通常采用的元器件有磁光晶体、偏振分束器、偏振合束器、双折射晶体、λ/4波片、直角棱镜、准直透镜和反射镜等，但存在以下缺点。
1)开关速度较低。已有的磁光开关主要性能参数为，开关速度为20微秒～1毫秒，插入损耗为0.4～2.2分贝，串扰为30～60分贝，回波损耗为50～60分贝。这些磁光开关在现有的条件下，有的还能够满足基本要求，但显然不能满足快速发展中的全光网络的要求。磁光开关的这些主要性能参数与全光网络要求的微秒量级和纳秒量级相差还有一段距离。
2)难于阵列集成。已有的磁光开关大部分采用加通电螺线管，体积较大，磁场利用率不高。同时，螺线管结构不利于磁光开关的大规模集成。这与全光网络所需要的光分插复用系统、光交叉连接器和光路由器的密集型多端口输入输出要求相差甚远。
3)本发明的光路简单，减少了元器件的数量和能量的损耗。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的磁光开关存在的开关速度较低和难以阵列集成等缺点，提供一种具备无运动件、开关速度快、稳定性好、驱动电压低、串扰小、体积小和易于高度集成等优点的反射型磁光开关。
本发明的技术方案是采用3个直角棱镜，通过光的反射、分光和合光实现光路的切换，所以称为反射型磁光开关。
本发明设有3个直角棱镜、偏振分束器和偏振光旋转器件。第一直角棱镜的输入端口外接入射光，再射入到偏振分束器；偏振分束器的输入端口外接直角棱镜输出端，并将入射光分解输出2束偏振态正交的P光和S光；S光定义为与光入射面平行的偏振分量，P光定义为与光入射面垂直的偏振分量；第二直角棱镜的输入端口外接偏振分束器的一端，将入射光反射到偏振光旋转器件；偏振光旋转器件的右半部分输入外接偏振分束器的输出端和第二直角棱镜的输出端，并从左半部分输出端将这两束偏振光出射到第三直角棱镜；第三直角棱镜外接偏振光旋转器件的左半部分的输出光，并在第三直角棱镜中反射到偏振光旋转器件左半部分的输入端口，经过偏振光旋转器件后，一束偏振光到第二直角棱镜，经过反射到偏振分束器与另一束偏振光合并，并按照要求进入输出端口。
所述的偏振光旋转器件由2个法拉第旋光器即磁光晶体构成。
在反射型磁光开关中，采用全新的反射光来达到光路的分束和合并，大大减少了配件的数量，减少体积，降低成本；输入和输出端口在同一平面内，易集成和控制；降低驱动电压，减少耗能。
磁光开关主要利用了法拉第的磁光效应。采用这一特性，磁光开关可以实现全光通信网络所必需的全光切换功能。利用磁光旋转器件、偏振分束器和直角棱镜特性，可以设计1×2型磁光开关，实现光通信所必需的全光切换功能。
一束光经过第一直角棱镜反射到偏振分束器，偏振分束器可以把一束光分成两个正交的偏振态分别输出到第二直角棱镜和磁光旋转器件；其中一束偏振光经过第二直角棱镜后也出射到磁光旋转器件。两束偏振光经过磁光旋转器件后出射到第三直角棱镜反射到磁光旋转器件，一束偏振光直接出射到偏振分束器，另一束偏振光经第二直角棱镜后也出射到偏振分束器，两束偏振光进行合并。磁光旋转器件有两个磁光晶体组成，在外电场的控制下，入射光将从不同的输出端口输出。
本发明由于通过外加电场的变化来改变磁光晶体材料对入射偏振光偏振面的旋转作用，从而达到改变和切换光路的效果，因此与现有的磁光开关相比，本发明具有以下突出优点1)采用反射光路，光路原理简单实用。这在国内外均未见有相关报道。
2)直角棱镜和磁光旋转器件外形尺寸都较小，使得本发明的外形尺寸相对于现有的磁光开关有较大程度的减小。
3)本发明的输出和输入端口在一个平面上，整体结构易集成和控制，采用反射型光路灵敏度相对提高。
4)本发明采用的器件较少，大幅度降低成本，且容易采用多个平行排列或者交叉组成光开关阵列。
5)本发明的驱动电压低，磁光旋转器件磁场利用率较高，所需驱动电压低、耗能低、温度稳定性相对提高。
图1为本发明实施例(1×2反射型磁光开关)在高速磁场状态为“ON”时的光路原理图。
图2为本发明实施例(1×2反射型磁光开关)在高速磁场状态为“OFF”时的光路原理图。
图3为本发明实施例磁光开关中的PRE状态“ON”时分布图。
图4为本发明实施例磁光开关中的PRE状态“OFF”时分布图。
具体实施例方式
如图1～4所示，一光束从右边入射到第一直角棱镜RAP1，并射入偏振分束器PBS。与光入射面平行的偏振分量定义为S光，与光入射面垂直的偏振分量定义为P光。在偏振分束器PBS中，S光反射，P光透射，形成二条偏振面相互垂直的出射光线。利用第二直角棱镜RAP2和偏振分束器PBS，二条相互垂直的光线平行入射偏振光旋转元件PRE。S光和P光从偏振光旋转元件PRE进入第三直角梭镜RAP3之后再反向通过偏振光旋转元件PRE，最后进入第二直角棱镜RAP2和偏振分束器PBS。
当PRE处于“ON”状态时，二束光的偏振面都旋转了90°。二束光在偏振分束器PBS中合成一束，经过第一直角棱镜RAP1从输出端口1输出。当偏振光旋转元件PRE处于“OFF”状态时，二束光都保持原有的偏振状态。二束光在偏振分束器PBS中合成一束，并从输出端口2输出。在磁光开关中，输入光的偏振态与工作状态无关。S光和P光走过的二条光程实际上是相等的。只需要一个偏振光旋转元件PRE用于控制二束偏振光的偏振态；一个偏振分束器PBS用于光束的分解与合成。
在磁光开关的光路布局中，偏振光旋转元件PRE是一种核心器件。在图3和图4中，光路的偏振光旋转元件PRE由二个法拉第旋光器(磁光晶体)构成。当磁光晶体M-O(A)和M-O(B)的通电方向相反时，一个磁光晶体对偏振光每次旋转22.5°，另一个磁光晶体对偏振光每次旋转-22.5°，偏振光旋转元件PRE在整体上对偏振光不起偏振作用，光路处于直通状态。当磁光晶体M-O(A)和M-O(B)的通电方向相同时，二个磁光晶体每次都对偏振光旋转22.5°，偏振光旋转元件PRE在整体上将偏振光旋转90°，光路处于交叉状态。
权利要求
1.反射型磁光开关，其特征在于设有3个直角棱镜、偏振分束器和偏振光旋转器件；第一直角棱镜的输入端口外接入射光，再射入到偏振分束器；偏振分束器的输入端口外接直角棱镜输出端，并将入射光分解输出2束偏振态正交的P光和S光；S光定义为与光入射面平行的偏振分量，P光定义为与光入射面垂直的偏振分量；第二直角棱镜的输入端口外接偏振分束器的一端，将入射光反射到偏振光旋转器件；偏振光旋转器件的右半部分输入外接偏振分束器的输出端和第二直角棱镜的输出端，并从左半部分输出端将这两束偏振光出射到第三直角棱镜；第三直角棱镜外接偏振光旋转器件的左半部分的输出光，并在第三直角棱镜中反射到偏振光旋转器件左半部分的输入端口，经过偏振光旋转器件后，一束偏振光到第二直角棱镜，经过反射到偏振分束器与另一束偏振光合并，并按照要求进入输出端口。
2.如权利要求1所述的反射型磁光开关，其特征在于所述的偏振光旋转器件由2个法拉第旋光器即磁光晶体构成。
全文摘要
反射型磁光开关，涉及一种磁光开关。设有3个直角棱镜、偏振分束器和偏振光旋转器件；第一直角棱镜输入端外接入射光，再射到偏振分束器；偏振分束器将入射光分解输出2束偏振态正交的P光和S光；第二直角棱镜输入端外接偏振分束器一端，将入射光反射到偏振光旋转器件；偏振光旋转器件的右半部分输入外接偏振分束器的输出端和第二直角棱镜的输出端，并从左半部分输出端将这两束偏振光出射到第三直角棱镜；第三直角棱镜外接偏振光旋转器件的左半部分的输出光，并在第三直角棱镜中反射到偏振光旋转器件左半部分的输入端口，经过偏振光旋转器件后，一束偏振光到第二直角棱镜，经过反射到偏振分束器与另一束偏振光合并，并按照要求进入输出端口。
文档编号H04B10/12GK101071202SQ20071000911
公开日2007年11月14日 申请日期2007年6月18日 优先权日2007年6月18日
发明者翁梓华, 陈智敏, 朱赟, 林少汉, 陈栩, 巩慧明 申请人:厦门大学