專利名稱：高速微型磁光開關裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光開關，尤其是一種主要用于全光通信網(wǎng)絡的高速微型磁光開關。
背景技術：
光開關是構建大型光交換系統(tǒng)的核心器件和決定網(wǎng)絡性能的關鍵因素。與電開關相比，光開關省去了電-光、光-電轉換過程，設備相應簡化，極大地提高網(wǎng)絡的可靠性，并提供靈活的信號路由平臺。盡管目前通信系統(tǒng)中采用光電交換，但未來的光網(wǎng)絡卻需要純光開關代替光電轉換來完成信號路由功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡的高速率和協(xié)議的透明性。因此光開關及其微型化的地位和重要性日益凸現(xiàn)。光開關作為一種光器件，在光通信領域里的應用非常廣泛。它可以集成到各種不同的光網(wǎng)元中，例如自動保護倒換裝置、網(wǎng)絡監(jiān)視系統(tǒng)、元器件測試系統(tǒng)、光分插復用系統(tǒng)、光交叉連接器、光路由器、光纖傳感器系統(tǒng)和光纖測試系統(tǒng)等。
已有的光開關大體可以分為機械式和非機械式兩大類。機械式光開關的發(fā)展最為成熟，它具有插入損耗低、偏振無關、串擾小等優(yōu)點。不足之處是開關時間長，一般為毫秒量級，與要求的微秒和納秒量級相差甚遠；開關體積大，有的還存在回跳抖動和重復性較差等問題。非機械式光開關是利用材料的電光、聲光、熱光和磁光等效應研制而成，相對于機械式光開關來說，它們具有較高的開關速度，一般可以達到微秒級甚至更低量級；它可以采用微電子工藝以實現(xiàn)高密度集成，可以應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大、隔離度低?，F(xiàn)階段較為前沿的非機械光開關有集成波導光開關、MEMS光開關、液晶光開關、熱光效應光開關、聲光開關和微型磁光開關等。楊俊等報道了一種新型磁光開關的理論分析與磁路設計(光電子技術與信息，2002，5)，閘述了磁光晶體旋光的原理和磁光晶體的光學性質，并對磁路進行了設計與計算。張惠英等報道了一種新型光開關交換器(半導體光電，2001，1)，探討了光偏振現(xiàn)象和旋光現(xiàn)象的特點，進而利用偏振和旋光現(xiàn)象提出一種新型光開關交換器。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的光開關的光-電及電-光轉換方式和機械式光開關的低速傳輸方式，本發(fā)明旨在提出一種用于全光通信網(wǎng)絡，可以高速地和大容量地切換全光信息的新型高速微型磁光開關裝置。
本發(fā)明設有輸入裝置，所說的輸入裝置設有1根光纖和自聚焦透鏡，自聚焦透鏡設于光纖出射光束光路上；光路轉換裝置，包括2只雙折射晶體、法拉第旋轉器、石英旋轉器、偏振分束鏡和全反射三角棱鏡，第1只雙折射晶體設于輸入裝置出射光束光路上，法拉第旋轉器設于第1只雙折射晶體的2條線偏振光出射光束光路上，而石英旋轉器設于法拉第旋轉器的2條線偏振光出射光路上，第2只雙折射晶體設于石英旋轉器出射的2條線偏振光的光路上，偏振分束鏡和全反射三角棱鏡分別設于第2只雙折射晶體的2束偏振旋轉光的射出光路上；輸出裝置，所說的輸出裝置設有2根光纖和自聚焦透鏡，輸出裝置的自聚焦透鏡設于光路轉換裝置的射出光路上，光纖設于輸出裝置的自聚焦透鏡的出射光路上；驅動裝置，其控制信號輸入端外接控制信號端口，驅動裝置輸出端接光路轉換裝置的法拉第旋轉器。
雙折射晶體可采用YVO4(釩酸釔)晶體。
法拉第旋轉器可由磁光晶體和通電螺線管組成，磁光晶體固定在通電螺線管上，磁光晶體可采用Gd:YIG摻釓釔鐵石榴石厚膜構成的45°磁光晶體。最好采用兩個通電螺線管，磁光晶體固定在兩個通電螺線管之間。石英旋轉器也可采用45°波片，即λ/4波片。驅動裝置可采用納秒量級脈沖發(fā)生器，在驅動裝置的作用下，輸入光開關的一束光束可以按照要求從不同的光路傳輸，并輸出到二者中的一個特定的光開關輸出端口。
光通訊用光開關是光通信技術中十分重要的無源器件之一。近年來，光開關研究進展迅速，其內(nèi)容涉及光開關的結構形式、原理、使用波長以及偏振靈敏性等。就光通信技術對光開關的使用要求而言，它必須具有低的串擾、小的插入損耗、短的開關時間和低的偏振靈敏度，同時對消光比、開關規(guī)模、開關尺寸等方面也有特定的要求。就影響光開關參數(shù)的因素而言，有組成光開關各分立器件技術指標(如透射率、旋光角等)的優(yōu)劣，也有組裝和調整技術水平的高低等。
本發(fā)明給出了高速微型磁光開關的光學光路設計和高速微型磁光開關的高速控制技術研究包括納秒脈沖信號發(fā)生器及其控制技術的研究。為了保證微型磁光開關的開關時間小于性能參數(shù)值，必須采用高速控制技術。微型磁光開關的高速控制技術對微型磁光開關的開關速度和其它性能有較大的影響。開關時間的長短是微型磁光開關的一個重要性能參數(shù)。對其涉及到的電路的要求滿足抗干擾能力強、驅動電壓低、穩(wěn)定性高，電路設計簡單、可靠，可以持續(xù)長時間連續(xù)工作。
實驗結果表明，本發(fā)明具有偏振靈敏度低、無運動零件、插入損耗小、響應速度快、集成化程度高等優(yōu)點。本發(fā)明采用納秒級調整控制驅動電路，可滿足抗干擾能力強、驅動電壓低、穩(wěn)定性高，電路設計簡單、可靠，可長時間連續(xù)工作等要求。本發(fā)明的有益效果是，微型磁光開關綜合了法拉第磁光效應、微細加工技術、高速電子控制技術，使得微型磁光開關具備無運動件、開關速度快、穩(wěn)定性高、驅動電壓低、串擾小、體積小和易于高度集成等優(yōu)點，并已達到如下的性能插入損耗小于1.5分貝、串音低于-30分貝、開關時間短于15微秒、最小電壓小于4.5伏特。本發(fā)明既可應用于光通訊的光交叉連接器，又可以應用于各種光路監(jiān)控與維護系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、光纖傳感器系統(tǒng)和光纖測量系統(tǒng)等。


圖1為本發(fā)明的組成框圖。
圖2為本發(fā)明的1×2右旋磁場光路原理示意圖。
圖3為本發(fā)明的1×2左旋磁場光路原理示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例的輸入裝置示意圖。
圖5為本發(fā)明實施例的輸出裝置示意圖。
圖6為本發(fā)明實施例的光路轉換裝置示意圖。
圖7為本發(fā)明實施例采用單螺線管的法拉第旋轉器示意圖。
圖8為本發(fā)明實施例采用雙螺線管的法拉第旋轉器示意圖。
圖9為本發(fā)明實施例的納秒脈沖發(fā)生器電路組成原理圖。
具體實施例方式
以下實施例將結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
如圖1所示，一種用于全光通信網(wǎng)絡的高速微型磁光開關裝置包括輸入裝置1、光路轉換裝置2、驅動裝置3和輸出裝置4。參見圖2～6，輸入裝置設有1根光纖11和自聚焦透鏡P1，自聚焦透鏡P1設于光纖11出射光束光路上；輸出裝置設有2根光纖41、42及自聚焦透鏡P2，輸出裝置的自聚焦透鏡P2設于光路轉換裝置的射出光路上，光纖41、42設于輸出裝置的自聚焦透鏡P2的出射光路上。
光路轉換裝置包括2只雙折射晶體A1與A2、法拉第旋轉器F、石英旋轉器B、偏振分束鏡C和全反射三角棱鏡D。第1只雙折射晶體A1設于輸入裝置的自聚焦透鏡P1出射光束光路上，法拉第旋轉器F設于第1只雙折射晶體A1的2條線偏振光出射光束光路上，而石英旋轉器B設于法拉第旋轉器F的2條線偏振光出射光路上。第2只雙折射晶體A2設于石英旋轉器B出射的2條線偏振光的光路上，偏振分束鏡C和全反射三角棱鏡D分別設于第2只雙折射晶體A2的2束偏振旋轉光的射出光路上。法拉第旋轉器采用Gd:YIG厚膜構成的45°法拉第旋轉器，法拉第旋轉器由磁光晶體M和通電螺線管S組成，磁光晶體M固定在通電螺線管S上(參見圖7)，最好采用兩個通電螺線管，磁光晶體M固定在兩個通電螺線管S1與S2之間(參見圖8)。石英旋轉器可采用45°波片即λ/4波片。
在圖2中，光纖光束11經(jīng)過光開關被傳送到光纖41。從光纖11到光纖41的傳輸光路由二個部分光路組成。光束11經(jīng)過透鏡P1變成平行細光束，入射雙折射晶體A1。在雙折射晶體A1中，光束被分解成為二條線偏振光，其中一條為M光，另一條為N光。當在法拉第旋轉器上施加右旋的磁場時，法拉第旋轉器F和石英旋轉器B對光束偏振面的旋轉分別為-45°和+45°，所以二條線偏振光束通過F和B之后的總偏振旋轉角都為零。最后，由B出射的M光和N光在雙折射晶體A2中合成一束光通過透鏡P2進入光纖41。
在圖3中，光纖光束11經(jīng)過光開關被傳送到光纖42。從光纖11到光纖42的傳輸光路由二個部分光路組成。光束11經(jīng)過透鏡P1變成平行細光束，入射雙折射晶體A1。在雙折射晶體A1中，光束被分解成為二條線偏振光，其中一條為M光，另一條為N光。當在法拉第旋轉器上施加左旋的磁場時，法拉第旋轉器F和石英旋轉器B對光束偏振面的旋轉均為+45°，所以二條線偏振光束通過F和B之后的總偏振旋轉角都為+90°。由B出射的M光和N光在雙折射晶體A2中分開了，原來的M光束轉化為N光束，原來的N光束轉化為M光束，分別輸出。一束光經(jīng)過三角棱鏡D輸出到偏振分光鏡C，另一束光直接輸出到偏振分光鏡C。最后，這二束光合成一束光通過透鏡P2進入光纖42。
驅動裝置的控制信號輸入端外接控制信號端口，驅動裝置輸出端接光路轉換裝置的法拉第旋轉器。驅動裝置采用納秒量級脈沖發(fā)生器，在驅動裝置的作用下，輸入光開關的一束光束可以按照要求從不同的光路傳輸，并輸出到二者中的一個特定的光開關輸出端口。
參見圖9，納秒量級脈沖發(fā)生器的控制信號由V1輸入，由輸出端口OUTPUT1和OUTPUT2輸出，其中輸出端口OUTPUT1輸出負脈沖信號，輸出端口OUTPUT2輸出正脈沖信號。電纜DELAY可改變輸出脈沖的寬度。
在圖9中，各主要元器件的型號和參數(shù)如下三極管T12N5551型，T22N5551型；二極管D1MMBD4148型；電阻R1、R2100Ω，R347Ω，R4、R510K，R675Ω，R75.1K；電容C1100PF，C2、C310PF；電位器W11K_LIN；電源VCC110V。
權利要求
1.高速微型磁光開關裝置，其特征在于設有輸入裝置，所說的輸入裝置設有1根光纖和自聚焦透鏡，自聚焦透鏡設于光纖出射光束光路上；光路轉換裝置，包括2只雙折射晶體、法拉第旋轉器、石英旋轉器、偏振分束鏡和全反射三角棱鏡，第1只雙折射晶體設于輸入裝置出射光束光路上，法拉第旋轉器設于第1只雙折射晶體的2條線偏振光出射光束光路上，石英旋轉器設于法拉第旋轉器的2條線偏振光出射光路上，第2只雙折射晶體設于石英旋轉器出射的2條線偏振光的光路上，偏振分束鏡和全反射三角棱鏡分別設于第2只雙折射晶體的2束偏振旋轉光的射出光路上；輸出裝置，所說的輸出裝置設有2根光纖和自聚焦透鏡，輸出裝置的自聚焦透鏡設于光路轉換裝置的射出光路上，光纖設于輸出裝置的自聚焦透鏡的出射光路上；驅動裝置，其控制信號輸入端外接控制信號端口，驅動裝置輸出端接光路轉換裝置的法拉第旋轉器。
2.如權利要求1所述的高速微型磁光開關裝置，其特征在于雙折射晶體采用釩酸釔晶體。
3.如權利要求1所述的高速微型磁光開關裝置，其特征在于法拉第旋轉器設有磁光晶體和通電螺線管，磁光晶體固定在通電螺線管上。
4.如權利要求1所述的高速微型磁光開關裝置，其特征在于磁光晶體采用摻釓釔鐵石榴石厚膜構成的45°磁光晶體。
5.如權利要求4所述的高速微型磁光開關裝置，其特征在于法拉第旋轉器由磁光晶體和兩個通電螺線管組成，磁光晶體固定在兩個通電螺線管之間。
6.如權利要求1所述的高速微型磁光開關裝置，其特征在于石英旋轉器采用45°波片即λ/4波片。
7.如權利要求1所述的高速微型磁光開關裝置，其特征在于驅動裝置采用納秒量級脈沖發(fā)生器。
全文摘要
高速微型磁光開關裝置，涉及一種光開關，尤其是一種主要用于全光通信網(wǎng)絡的高速微型磁光開關。設有輸入裝置，輸入裝置設1根光纖和自聚焦透鏡；輸入的光束經(jīng)第1只雙折射晶體、法拉第旋轉器、石英旋轉器、第2只雙折射晶體、偏振分束鏡和全反射三角棱鏡后由輸出裝置射出。驅動裝置輸入端接控制信號，輸出端接法拉第旋轉器。具有偏振靈敏度低、無運動件、插入損耗小、響應速度快、串擾小、體積小、集成化程度高等優(yōu)點?？蓾M足抗干擾能力強、驅動電壓低、穩(wěn)定性高，電路設計簡單、可靠，可長時間連續(xù)工作等要求。既可應用于光通訊的光交叉連接器，又可以應用于各種光路監(jiān)控與維護系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、光纖傳感器系統(tǒng)和光纖測量系統(tǒng)等。
文檔編號G02F1/01GK1588179SQ20041005617
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月17日 優(yōu)先權日2004年8月17日
發(fā)明者翁梓華, 黃元慶, 陳智敏, 朱赟 申請人:廈門大學