專利名稱：高速微型磁光開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光開關(guān)，尤其是一種主要用于全光通信網(wǎng)絡(luò)的高速微型磁光開關(guān)。
背景技術(shù)：
光開關(guān)是構(gòu)建大型光交換系統(tǒng)的核心器件和決定網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素。與電開關(guān)相比，光開關(guān)省去了電-光、光-電轉(zhuǎn)換過程，設(shè)備相應(yīng)簡化，極大地提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并提供靈活的信號(hào)路由平臺(tái)。盡管目前通信系統(tǒng)中采用光電交換，但未來的光網(wǎng)絡(luò)卻需要純光開關(guān)代替光電轉(zhuǎn)換來完成信號(hào)路由功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率和協(xié)議的透明性。因此光開關(guān)及其微型化的地位和重要性日益凸現(xiàn)。光開關(guān)作為一種光器件，在光通信領(lǐng)域里的應(yīng)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(dòng)保護(hù)倒換裝置、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)、元器件測試系統(tǒng)、光分插復(fù)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(guān)大體可以分為機(jī)械式和非機(jī)械式兩大類。機(jī)械式光開關(guān)的發(fā)展最為成熟，它具有插入損耗低、偏振無關(guān)、串?dāng)_小等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是開關(guān)時(shí)間長，一般為毫秒量級(jí)，與要求的微秒和納秒量級(jí)相差甚遠(yuǎn)；開關(guān)體積大，有的還存在回跳抖動(dòng)和重復(fù)性較差等問題。非機(jī)械式光開關(guān)是利用材料的電光、聲光、熱光和磁光等效應(yīng)研制而成，相對(duì)于機(jī)械式光開關(guān)來說，它們具有較高的開關(guān)速度，一般可以達(dá)到微秒級(jí)甚至更低量級(jí)；它可以采用微電子工藝以實(shí)現(xiàn)高密度集成，可以應(yīng)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(jī)械光開關(guān)有集成波導(dǎo)光開關(guān)、MEMS光開關(guān)、液晶光開關(guān)、熱光效應(yīng)光開關(guān)、聲光開關(guān)和微型磁光開關(guān)等。楊俊等報(bào)道了一種新型磁光開關(guān)的理論分析與磁路設(shè)計(jì)(光電子技術(shù)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(xué)性質(zhì)，并對(duì)磁路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。張惠英等報(bào)道了一種新型光開關(guān)交換器(半導(dǎo)體光電，2001，1)，探討了光偏振現(xiàn)象和旋光現(xiàn)象的特點(diǎn)，進(jìn)而利用偏振和旋光現(xiàn)象提出一種新型光開關(guān)交換器。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的光開關(guān)的光-電及電-光轉(zhuǎn)換方式和機(jī)械式光開關(guān)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(luò)，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(guān)裝置。
本發(fā)明設(shè)有輸入裝置，所說的輸入裝置設(shè)有1根光纖和自聚焦透鏡，自聚焦透鏡設(shè)于光纖出射光束光路上；光路轉(zhuǎn)換裝置，包括2只雙折射晶體、法拉第旋轉(zhuǎn)器、石英旋轉(zhuǎn)器、偏振分束鏡和全反射三角棱鏡，第1只雙折射晶體設(shè)于輸入裝置出射光束光路上，法拉第旋轉(zhuǎn)器設(shè)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(zhuǎn)器設(shè)于法拉第旋轉(zhuǎn)器的2條線偏振光出射光路上，第2只雙折射晶體設(shè)于石英旋轉(zhuǎn)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(shè)于第2只雙折射晶體的2束偏振旋轉(zhuǎn)光的射出光路上；輸出裝置，所說的輸出裝置設(shè)有2根光纖和自聚焦透鏡，輸出裝置的自聚焦透鏡設(shè)于光路轉(zhuǎn)換裝置的射出光路上，光纖設(shè)于輸出裝置的自聚焦透鏡的出射光路上；驅(qū)動(dòng)裝置，其控制信號(hào)輸入端外接控制信號(hào)端口，驅(qū)動(dòng)裝置輸出端接光路轉(zhuǎn)換裝置的法拉第旋轉(zhuǎn)器。
雙折射晶體可采用YVO4(釩酸釔)晶體。
法拉第旋轉(zhuǎn)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(gòu)成的45°磁光晶體。最好采用兩個(gè)通電螺線管，磁光晶體固定在兩個(gè)通電螺線管之間。石英旋轉(zhuǎn)器也可采用45°波片，即λ/4波片。驅(qū)動(dòng)裝置可采用納秒量級(jí)脈沖發(fā)生器，在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下，輸入光開關(guān)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(gè)特定的光開關(guān)輸出端口。
光通訊用光開關(guān)是光通信技術(shù)中十分重要的無源器件之一。近年來，光開關(guān)研究進(jìn)展迅速，其內(nèi)容涉及光開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式、原理、使用波長以及偏振靈敏性等。就光通信技術(shù)對(duì)光開關(guān)的使用要求而言，它必須具有低的串?dāng)_、小的插入損耗、短的開關(guān)時(shí)間和低的偏振靈敏度，同時(shí)對(duì)消光比、開關(guān)規(guī)模、開關(guān)尺寸等方面也有特定的要求。就影響光開關(guān)參數(shù)的因素而言，有組成光開關(guān)各分立器件技術(shù)指標(biāo)(如透射率、旋光角等)的優(yōu)劣，也有組裝和調(diào)整技術(shù)水平的高低等。
本發(fā)明給出了高速微型磁光開關(guān)的光學(xué)光路設(shè)計(jì)和高速微型磁光開關(guān)的高速控制技術(shù)研究包括納秒脈沖信號(hào)發(fā)生器及其控制技術(shù)的研究。為了保證微型磁光開關(guān)的開關(guān)時(shí)間小于性能參數(shù)值，必須采用高速控制技術(shù)。微型磁光開關(guān)的高速控制技術(shù)對(duì)微型磁光開關(guān)的開關(guān)速度和其它性能有較大的影響。開關(guān)時(shí)間的長短是微型磁光開關(guān)的一個(gè)重要性能參數(shù)。對(duì)其涉及到的電路的要求滿足抗干擾能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)電壓低、穩(wěn)定性高，電路設(shè)計(jì)簡單、可靠，可以持續(xù)長時(shí)間連續(xù)工作。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明具有偏振靈敏度低、無運(yùn)動(dòng)零件、插入損耗小、響應(yīng)速度快、集成化程度高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明采用納秒級(jí)調(diào)整控制驅(qū)動(dòng)電路，可滿足抗干擾能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)電壓低、穩(wěn)定性高，電路設(shè)計(jì)簡單、可靠，可長時(shí)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(guān)綜合了法拉第磁光效應(yīng)、微細(xì)加工技術(shù)、高速電子控制技術(shù)，使得微型磁光開關(guān)具備無運(yùn)動(dòng)件、開關(guān)速度快、穩(wěn)定性高、驅(qū)動(dòng)電壓低、串?dāng)_小、體積小和易于高度集成等優(yōu)點(diǎn)，并已達(dá)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(guān)時(shí)間短于15微秒、最小電壓小于4.5伏特。本發(fā)明既可應(yīng)用于光通訊的光交叉連接器，又可以應(yīng)用于各種光路監(jiān)控與維護(hù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、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(shí)施例的輸入裝置示意圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例的輸出裝置示意圖。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例的光路轉(zhuǎn)換裝置示意圖。
圖7為本發(fā)明實(shí)施例采用單螺線管的法拉第旋轉(zhuǎn)器示意圖。
圖8為本發(fā)明實(shí)施例采用雙螺線管的法拉第旋轉(zhuǎn)器示意圖。
圖9為本發(fā)明實(shí)施例的納秒脈沖發(fā)生器電路組成原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，一種用于全光通信網(wǎng)絡(luò)的高速微型磁光開關(guān)裝置包括輸入裝置1、光路轉(zhuǎn)換裝置2、驅(qū)動(dòng)裝置3和輸出裝置4。參見圖2～6，輸入裝置設(shè)有1根光纖11和自聚焦透鏡P1，自聚焦透鏡P1設(shè)于光纖11出射光束光路上；輸出裝置設(shè)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(shè)于光路轉(zhuǎn)換裝置的射出光路上，光纖41、42設(shè)于輸出裝置的自聚焦透鏡P2的出射光路上。
光路轉(zhuǎn)換裝置包括2只雙折射晶體A1與A2、法拉第旋轉(zhuǎn)器F、石英旋轉(zhuǎn)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(shè)于輸入裝置的自聚焦透鏡P1出射光束光路上，法拉第旋轉(zhuǎn)器F設(shè)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(zhuǎn)器B設(shè)于法拉第旋轉(zhuǎn)器F的2條線偏振光出射光路上。第2只雙折射晶體A2設(shè)于石英旋轉(zhuǎn)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(shè)于第2只雙折射晶體A2的2束偏振旋轉(zhuǎn)光的射出光路上。法拉第旋轉(zhuǎn)器采用Gd:YIG厚膜構(gòu)成的45°法拉第旋轉(zhuǎn)器，法拉第旋轉(zhuǎn)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(gè)通電螺線管，磁光晶體M固定在兩個(gè)通電螺線管S1與S2之間(參見圖8)。石英旋轉(zhuǎn)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(guān)被傳送到光纖41。從光纖11到光纖41的傳輸光路由二個(gè)部分光路組成。光束11經(jīng)過透鏡P1變成平行細(xì)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(dāng)在法拉第旋轉(zhuǎn)器上施加右旋的磁場時(shí)，法拉第旋轉(zhuǎn)器F和石英旋轉(zhuǎn)器B對(duì)光束偏振面的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)入光纖41。
在圖3中，光纖光束11經(jīng)過光開關(guān)被傳送到光纖42。從光纖11到光纖42的傳輸光路由二個(gè)部分光路組成。光束11經(jīng)過透鏡P1變成平行細(xì)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(dāng)在法拉第旋轉(zhuǎn)器上施加左旋的磁場時(shí)，法拉第旋轉(zhuǎn)器F和石英旋轉(zhuǎn)器B對(duì)光束偏振面的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為N光束，原來的N光束轉(zhuǎn)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(jìn)入光纖42。
驅(qū)動(dòng)裝置的控制信號(hào)輸入端外接控制信號(hào)端口，驅(qū)動(dòng)裝置輸出端接光路轉(zhuǎn)換裝置的法拉第旋轉(zhuǎn)器。驅(qū)動(dòng)裝置采用納秒量級(jí)脈沖發(fā)生器，在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下，輸入光開關(guān)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(gè)特定的光開關(guān)輸出端口。
參見圖9，納秒量級(jí)脈沖發(fā)生器的控制信號(hào)由V1輸入，由輸出端口OUTPUT1和OUTPUT2輸出，其中輸出端口OUTPUT1輸出負(fù)脈沖信號(hào)，輸出端口OUTPUT2輸出正脈沖信號(hào)。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(hào)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(quán)利要求
1.高速微型磁光開關(guān)裝置，其特征在于設(shè)有輸入裝置，所說的輸入裝置設(shè)有1根光纖和自聚焦透鏡，自聚焦透鏡設(shè)于光纖出射光束光路上；光路轉(zhuǎn)換裝置，包括2只雙折射晶體、法拉第旋轉(zhuǎn)器、石英旋轉(zhuǎn)器、偏振分束鏡和全反射三角棱鏡，第1只雙折射晶體設(shè)于輸入裝置出射光束光路上，法拉第旋轉(zhuǎn)器設(shè)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(zhuǎn)器設(shè)于法拉第旋轉(zhuǎn)器的2條線偏振光出射光路上，第2只雙折射晶體設(shè)于石英旋轉(zhuǎn)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(shè)于第2只雙折射晶體的2束偏振旋轉(zhuǎn)光的射出光路上；輸出裝置，所說的輸出裝置設(shè)有2根光纖和自聚焦透鏡，輸出裝置的自聚焦透鏡設(shè)于光路轉(zhuǎn)換裝置的射出光路上，光纖設(shè)于輸出裝置的自聚焦透鏡的出射光路上；驅(qū)動(dòng)裝置，其控制信號(hào)輸入端外接控制信號(hào)端口，驅(qū)動(dòng)裝置輸出端接光路轉(zhuǎn)換裝置的法拉第旋轉(zhuǎn)器。
2.如權(quán)利要求1所述的高速微型磁光開關(guān)裝置，其特征在于雙折射晶體采用釩酸釔晶體。
3.如權(quán)利要求1所述的高速微型磁光開關(guān)裝置，其特征在于法拉第旋轉(zhuǎn)器設(shè)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(quán)利要求1所述的高速微型磁光開關(guān)裝置，其特征在于磁光晶體采用摻釓釔鐵石榴石厚膜構(gòu)成的45°磁光晶體。
5.如權(quán)利要求4所述的高速微型磁光開關(guān)裝置，其特征在于法拉第旋轉(zhuǎn)器由磁光晶體和兩個(gè)通電螺線管組成，磁光晶體固定在兩個(gè)通電螺線管之間。
6.如權(quán)利要求1所述的高速微型磁光開關(guān)裝置，其特征在于石英旋轉(zhuǎn)器采用45°波片即λ/4波片。
7.如權(quán)利要求1所述的高速微型磁光開關(guān)裝置，其特征在于驅(qū)動(dòng)裝置采用納秒量級(jí)脈沖發(fā)生器。
全文摘要
高速微型磁光開關(guān)裝置，涉及一種光開關(guān)，尤其是一種主要用于全光通信網(wǎng)絡(luò)的高速微型磁光開關(guān)。設(shè)有輸入裝置，輸入裝置設(shè)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(zhuǎn)器、石英旋轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)裝置輸入端接控制信號(hào)，輸出端接法拉第旋轉(zhuǎn)器。具有偏振靈敏度低、無運(yùn)動(dòng)件、插入損耗小、響應(yīng)速度快、串?dāng)_小、體積小、集成化程度高等優(yōu)點(diǎn)?？蓾M足抗干擾能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)電壓低、穩(wěn)定性高，電路設(shè)計(jì)簡單、可靠，可長時(shí)間連續(xù)工作等要求。既可應(yīng)用于光通訊的光交叉連接器，又可以應(yīng)用于各種光路監(jiān)控與維護(hù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、光纖傳感器系統(tǒng)和光纖測量系統(tǒng)等。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1588179SQ20041005617
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月17日
發(fā)明者翁梓華, 黃元慶, 陳智敏, 朱赟 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)