專利名稱：偏振無關(guān)的高速光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光開關(guān)，特別是一種偏振無關(guān)的高速光開關(guān)。
背景技術(shù)：
光開關(guān)是光傳輸線路及集成光路中信號通路中進行切換或邏輯操作必不可少的基礎(chǔ)器件。廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，光纖測量系統(tǒng)及光纖傳感系統(tǒng)等領(lǐng)域。
在先技術(shù)中，光纖及光波導(dǎo)開關(guān)種類很多，目前比較常見的光開關(guān)，從結(jié)構(gòu)來講大致可以分為機械式光開關(guān)、M-Z干涉式光開關(guān)、Y分支型光開關(guān)等種類。由于結(jié)構(gòu)特點不同，以上各類光開關(guān)在隔離度、開關(guān)速度、偏振相關(guān)性等方面各有優(yōu)勢，也存在一定的不足。
1、機械式光開光早期的機械式光開關(guān)是一類比較簡單的關(guān)開關(guān)，它利用MEMS技術(shù)制造出微機械裝置，改變光通路，達到光切換的目的。這類光開關(guān)具有串?dāng)_小、插損小、偏振無關(guān)、無波長限制等優(yōu)點。但是開關(guān)速度較慢(ms量級)。最新發(fā)展的基于微鏡MEMS/MOEMS光開關(guān)是將微機械結(jié)構(gòu)、微執(zhí)行器和光學(xué)元件集成在同一襯底上的微型光開關(guān)，這種光開光繼承了傳統(tǒng)機械式光開關(guān)的優(yōu)點，并在開關(guān)執(zhí)行速度上有所提高(Tze-WeiYeow，Law，K.L.E.，Goldenberg，A.，MEMS optical switches，Communications Magazine，IEEE，2001 39(11)158-163)，但由于機械機構(gòu)的固有特性，工作速度只能在毫秒或亞毫秒量級。此外由于對加工精度的苛刻要求，此類光開關(guān)成本和加工難度都比較高。
2、基于M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)的光開關(guān)。
目前常見的電光開關(guān)、熱光開關(guān)等很多都是基于M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)的，這類光開關(guān)由于是基于干涉效應(yīng)，無需機械無能動，因此具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(Studenkov，P.V.，Gokhale，M.R.，Lin，W.，Glesk，I.，et.al.，Monolithic integration of an all-optical Mach-Zehnderdemultiplexer using an asymmetric twin-waveguide structure，Photonics Technology Letters，2001，13(6)，600-602)。但是由于M-Z機構(gòu)對臂長差有比較嚴格的要求，所以對加工工藝要求比較嚴格，成本也比較高。這類光開光的主要缺點是偏振敏感，需要反饋電路實時監(jiān)控補償其溫漂問題，成本較高。
3.Y分支光開關(guān)Y分支光開關(guān)由輸入輸出單模波導(dǎo)、線性Y分支波導(dǎo)和外分支波導(dǎo)上的電極或集熱裝置構(gòu)成，這種光開關(guān)是通過Y分支的折射率改變實現(xiàn)開關(guān)切換的，(Sakuma，K.；Fujita，D.；Ishikawa，S.；Sekiguchi，T.；Low insertion-loss and high isolation polymeric Y-branchingthermo-optic switch with partitioned heater，OFC 2001，vol.3，WR3-1-WR3-3)。這類開關(guān)的特點是光的輸出強度與輸入電壓之間呈現(xiàn)階躍函數(shù)特性，因此具有對驅(qū)動電壓控制精度要求低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，并且偏振不敏感，但是這類開關(guān)也存在明顯的缺點，如驅(qū)動電壓高，尺寸大等等。
由于上述方法還不十分完善，因此高速、偏振無關(guān)、實現(xiàn)簡單的新型光開關(guān)結(jié)構(gòu)仍是光纖光學(xué)、波導(dǎo)光學(xué)應(yīng)用研究中的一個熱點。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的技術(shù)問題在于克服上述在先技術(shù)的缺陷，提供一種非機械式具有較寬帶寬、與偏振無關(guān)的高速光開關(guān)。
本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種偏振無關(guān)的高速光開關(guān)，特征是其構(gòu)成一耦合器同側(cè)的第三端口和第四端口連接構(gòu)成環(huán)形鏡，在環(huán)形鏡中串入一偏振控制裝置，構(gòu)成開關(guān)的驅(qū)動裝置，該耦合器的第一端口接三端口環(huán)行器的第二端口，耦合器的第二端口作為本開關(guān)的第二輸出口，所述的三端口環(huán)行器的第一端口作為輸入端，第三端口為本開關(guān)的第一輸出口；所述的耦合器、環(huán)形器及環(huán)形鏡固定在一基板上。
所述的耦合器、環(huán)行器及環(huán)形鏡為光纖結(jié)構(gòu)，或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
所述的偏振控制裝置為采用電光材料構(gòu)成高速光開關(guān)，或熱光效應(yīng)、壓力雙折射的可控雙折射器件，或可控的旋光器件。
所述的耦合器的第二端口接另一三端口環(huán)行器的第二端口構(gòu)成本開關(guān)的第二輸出口。
本實用新型的優(yōu)點和特點是(1)本實用新型采用環(huán)行鏡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)非機械高速光開關(guān)。由于設(shè)計中不存在運動部件，所以開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快的特點，同采用微機電結(jié)構(gòu)的光開光相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，速度快等優(yōu)點。
(2)本實用新型采用環(huán)行鏡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)干涉光開關(guān)。由于干涉的兩束光(順時針和逆時針光)所經(jīng)歷的光路完全相同，克服了M-Z結(jié)構(gòu)光程差控制精度的困難，體高了系統(tǒng)的消光比，并且大大增加了開關(guān)的響應(yīng)帶寬。同基于M-Z干涉儀的光開關(guān)相比具有偏振無關(guān)，寬帶響應(yīng)，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工等優(yōu)點。
(3)本實用新型中偏振控制裝置既可以采用電光、熱光效應(yīng)、壓力雙折射等效應(yīng)引起的偏振面旋轉(zhuǎn)，也可以直接采用旋光效應(yīng)引起偏振旋轉(zhuǎn)，適用于不同需求。
(4)本實用新型既可用集成光學(xué)實現(xiàn)，又可以直接使用光纖連接實現(xiàn)，器件易于實用化，具有極高的使用靈活性。
(5)本實用新型采用環(huán)行器隔離輸入輸出，也可以使用耦合器作為輸入輸出分離裝置。
(6)本實用新型作為一個基本單元，可以級聯(lián)實現(xiàn)1×N，N×N光開關(guān)陣列。
本實用新型具有響應(yīng)速度快，偏振無關(guān)，寬帶響應(yīng)，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工等優(yōu)點。本實用新型作為傳感測量系統(tǒng)、光傳輸系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵器件，其使用價值得到充分的體現(xiàn)，具有良好的性價比，預(yù)期有很好的市場前景。


圖1本實用新型實施例1-偏振無關(guān)的高速光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本實用新型實施例2-偏振無關(guān)的高速2×2光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3本實用新型實施例3-偏振無關(guān)的高速光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
先請參見圖1，圖1本實用新型實施例1-偏振無關(guān)的高速光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實用新型偏振無關(guān)的高速光開關(guān)的構(gòu)成是一耦合器3同側(cè)的第三端口3.3和第四端口3.4連接構(gòu)成環(huán)形鏡4，在環(huán)形鏡4中串入一偏振控制裝置2，構(gòu)成開關(guān)的驅(qū)動裝置，該耦合器3的第一端口3.1接三端口環(huán)行器1的第二端口1.2，耦合器3的第二端口3.2作本開關(guān)的第二輸出口，所述的三端口環(huán)行器1的第一端口1.1作為輸入端，第三端口1.3作本開關(guān)的第一輸出端；所述的耦合器3、環(huán)形器1及環(huán)形鏡4固定在一基板5上。
本實用新型的基本原理是利用環(huán)行鏡的偏振旋轉(zhuǎn)敏感性，在環(huán)形鏡中引入偏振控制機構(gòu)，實現(xiàn)光路的快速切換的。當(dāng)偏振控制裝置2不對環(huán)形鏡中偏振態(tài)改變的時候，由環(huán)行器1的第一端口1.1輸入的光信號經(jīng)過耦合器3后分成兩路，并在順時針和逆時針傳輸?shù)墓庑盘栔挟a(chǎn)生π/2相位差。當(dāng)順時針和逆時針傳輸?shù)墓庑盘栐俅谓?jīng)過耦合器3時，發(fā)生干涉輸入光將完全經(jīng)環(huán)形器1的第三端口1.3作本開關(guān)的第一輸出端輸出。當(dāng)偏振控制裝置對光信號產(chǎn)生偏振旋轉(zhuǎn)效果時可分兩種情況討論。
1.偏振控制裝置是基于雙折射偏振旋轉(zhuǎn)的情況。首先在安裝時，雙折射主軸方向固定為其最佳方向，當(dāng)控制信號使材料中雙折射增大到快慢軸間存在λ/2相位差時，相當(dāng)于光信號偏振態(tài)對一特定軸反演，因此輸入光將完全經(jīng)本開關(guān)的第二輸出端3.2輸出。
2.偏振控制裝置是基于旋光效應(yīng)的情況。控制旋光材料產(chǎn)生偏振面的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)偏振面旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于光信號偏振態(tài)對一特定軸反演時，輸入光將完全經(jīng)本開關(guān)的第二輸出端3.2輸出。
所述的耦合器、環(huán)行器及環(huán)形鏡即可以為光纖結(jié)構(gòu)也可以為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
所述的偏振控制裝置2除了可此采用電光材料構(gòu)成高速光開關(guān)外，還可以為熱光效應(yīng)、壓力雙折射的可控雙折射器件，也可以是可控的旋光器件。開光的響應(yīng)速度主要由所述的偏振控制裝置2的響應(yīng)速度其決定。
請參見圖2，圖2為本實用新型實施例2-偏振無關(guān)的高速2×2光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。實施例2和實施例1相比，其不同在于所述的耦合器3的第二端口3.2再接另一三端口環(huán)行器的第二端口作為本開關(guān)的第二輸出口。構(gòu)成2×2光開關(guān)。
請參閱圖3，圖3為本實用新型實施例3-偏振無關(guān)的高速光開關(guān)示意圖偏振無關(guān)的高速光開關(guān)，將3dB耦合器3的兩個端口3.3、3.4連接起來構(gòu)成環(huán)形鏡4。2為偏振控制裝置，采用PLZT電光晶體(2A)實現(xiàn)。輸入光經(jīng)準直器對2B實現(xiàn)光纖與PLZT晶體的耦合。3dB耦合器3另外端口3.1接3端口環(huán)形器1端口1.2。環(huán)形器1端口1.1作為開關(guān)輸入端口，1.3作為開光輸出端口I，3dB耦合器3端口3.2作為開關(guān)輸出端口II。然后將所有部分固定在機殼基板5上，構(gòu)成基于環(huán)形鏡結(jié)構(gòu)的高速光開關(guān)。
它的工作過程和開關(guān)原理簡單明了。當(dāng)不對PLZT電光晶體2A施加控制電壓時，由環(huán)形器1第一端口1.1輸入的光信號將完全經(jīng)環(huán)形器1由輸出端口(1.3)輸出。當(dāng)在PLZT電光晶體2A施加控制電壓時，輸入光將完全經(jīng)耦合器3的第二端口3.2輸出。
本實用新型偏振無關(guān)的高速光開關(guān)經(jīng)試用表明，具有響應(yīng)速度快，偏振無關(guān)，寬帶響應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、使用方便的優(yōu)點。
權(quán)利要求1.一種偏振無關(guān)的高速光開關(guān)，特征是其構(gòu)成一耦合器(3)同側(cè)的第三端口(3.3)和第四端口(3.4)連接構(gòu)成環(huán)形鏡(4)，在環(huán)形鏡(4)中串入一偏振控制裝置(2)，構(gòu)成開關(guān)的驅(qū)動裝置，該耦合器(3)的第一端口(3.1)接三端口環(huán)行器(1)的第二端口(1.2)，耦合器3的第二端口(3.2)作為輸出口II，所述的三端口環(huán)行器(1)的第一端口(1.1)作為輸入端，第三端口(1.3)作第一輸出端I；所述的耦合器(3)、環(huán)形器(1)及環(huán)形鏡(4)固定在一基板(5)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振無關(guān)的高速光開關(guān)，其特征在于所述的耦合器(3)、環(huán)行器(1)及環(huán)形鏡(4)為光纖結(jié)構(gòu)，或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振無關(guān)的高速光開關(guān)，其特征在于所述的偏振控制裝置(2)衛(wèi)采用電光材料構(gòu)成高速光開關(guān)，或熱光效應(yīng)、壓力雙折射的可控雙折射器件，或可控的旋光器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振無關(guān)的高速光開關(guān)，其特征在于所述的耦合器3的第二端口(3.2)接三端口環(huán)行器(1)的第二端口(1.2)作為第二輸出口(II)。
專利摘要一種偏振無關(guān)的高速光開關(guān)，特征是其構(gòu)成一耦合器同側(cè)的第三端口和第四端口連接構(gòu)成環(huán)形鏡，在環(huán)形鏡中串入一偏振控制裝置，構(gòu)成開關(guān)的驅(qū)動裝置，該耦合器的第一端口接三端口環(huán)行器的第二端口，耦合器的第二端口作為本開關(guān)的第二輸出口，所述的三端口環(huán)行器的第一端口作為輸入端，第三端口為本開關(guān)的第一輸出口；所述的耦合器、環(huán)形器及環(huán)形鏡固定在一基板上。本實用新型偏振無關(guān)的高速光開關(guān)經(jīng)試用表明，具有響應(yīng)速度快，偏振無關(guān)，寬帶響應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、使用方便的優(yōu)點。
文檔編號H04B10/12GK2762157SQ200420114218
公開日2006年3月1日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者劉峰, 葉青, 方祖捷, 瞿榮輝, 耿健新, 張位在 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所