CN101158754A - 具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关。该光开关结构是在同一水平光路上依次放置单光纤准直器、第一双折射晶体、第一λ/2波片组、电光单元、第二λ/2波片组、第二双折射晶体、第三λ/2波片组、第三双折射晶体、分束镜、屋脊棱镜和双光纤准直器，光电探测器放置在分束镜的垂直光路上。通过控制电光单元上施加的电压实现光从一个输入端口到两输出端口的快速切换，且具有反馈监控功能以减小光开关两输出端口之间的串扰。该结构光开关具有结构体积小、开关速度高、串扰小等优点，可应用于光通信领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种光开关，具体涉及一种具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关。
背景技术
光开关广泛应用于光通信领域，用于实现光在一个或多个输入端口到一个或多个输出端口之间的切换。1×2光开关用于实现一个输入端口到两个输出端口之间的光路切换，可以用于网络的自我保护、网络监视功能、光纤通讯器件测试等方面。多个1×2光开关组合，还可以构建1×4、1×8等更多端口的光开关。光开关按工作媒质划分，有自由空间开关和波导开关；如按工作原理划分，又可分为机械式和非机械式两大类，机械式光开关靠光纤或光学元件移动，使光路断或开，非机械式光开关则依靠电光效应、磁光效应、声光效应以及热光效应使光路发生改变，完成开关功能。一般来讲，自由空间光开关的损耗比波导器件的损耗更低，非机械式的光开关比机械式光开关响应速度更快一些。常见的非机械式自由空间光开关有液晶光开关、磁光开关、电光开关等，液晶光开关、磁光开关开关速度一般在毫秒微秒量级，而电光开关的响应速度可达到纳秒量级。
电光开关利用电光材料的电光效应控制光偏振方向的变化实现开关功能。当电光材料上不加电压时，光通过电光单元偏振态不发生改变；当电光材料上加半波电压时，电光单元相当于一个半波片，选定光轴方向光通过电光单元偏振方向将发生90度旋转。然而铌酸锂(LiNbO3)晶体、透明电光陶瓷等电光材料，由于它们本身的特性(如制造时的差异、温度相关性等)导致他们对于偏振光的改变与预定发生偏移，从而导致光开关的串扰增加，影响光开关的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关，用反馈监控结构来监控电光单元对于光偏振态的改变，从而提高光开关的性能，减小光开关的串扰。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
在同一水平光路上依次放置单光纤准直器、第一双折射晶体、第一λ/2波片组、电光单元、第二λ/2波片组、第二双折射晶体、第三λ/2波片组、第三双折射晶体、分束镜、屋脊棱镜和双光纤准直器，光电探测器放置在分束镜的垂直光路上。
所述的电光单元是铌酸锂晶体或透明电光陶瓷电光材料。
所述的第一λ/2波片组为上下两片光轴方向不同的λ/2波片，其中上面一片λ/2波片是使通过它的线偏振光偏振方向顺时针旋转45度的λ/2波片，下面一片λ/2波片是使通过它的线偏振光偏振方向逆时针旋转45度的λ/2波片；所述的第二λ/2波片组为一片使线偏振光经过它后偏振方向顺时针旋转45度的λ/2波片；所述的第三λ/2波片组由左下角和右上角两片光轴方向相同的λ/2波片组成，左下角的波片和右上角的波片是使线偏振光通过后偏振方向发生90度旋转的λ/2波片，而通过左上和右下的光偏振态不发生改变的。
所述的分束镜是与输入光偏振态无关的输入光85％～98％透射，2％～15％被反射的分束镜。
所述的屋脊棱镜是具有楔角，将两平行光束变成两具有夹角的光出射的屋脊棱镜；该出射的具有夹角的两束光和双纤准直器相匹配，由双纤准直器准直后分别由双纤准直器的两根尾纤输出。
所述的光电探测器为一个象限光电探测器。
本发明具有的有益效果是：
本发明通过分光镜反射的少部分光用于反馈控制电光单元对于光偏振态的改变，减小光开关的串扰，具有器件结构体积小、开关速度高、串扰小等优点，可应用于光通信领域。
附图说明
图1是具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关的主视结构示意图。
图2是具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关的俯视结构示意图。
图3是本发明在开关状态1时各端面光偏振态及位置示意图。
图4是本发明在开关状态2时各端面光偏振态及位置示意图。
图5是三组波片组所包含各波片位置及光轴示意图。
图中：1、单光纤准直器，2、第一双折射晶体，3、第一λ/2波片组，4、电光单元，5、第二λ/2波片组，6、第二双折射晶体，7、第三λ/2波片组，8、第三双折射晶体，9、分束镜，10、屋脊棱镜，11、双光纤准直器，12、光电探测器。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关是在同一水平光路上依次放置单光纤准直器1、第一双折射晶体2、第一λ/2波片组3、电光单元4、第二λ/2波片组5、第二双折射晶体6、第三λ/2波片组7、第三双折射晶体8、分束镜9、屋脊棱镜10和双光纤准直器11，光电探测器12放置在分束镜10的垂直光路上。
所述的电光单元4是铌酸锂(LiNbO3)晶体、透明电光陶瓷等电光材料。当电光单元上不施加电压时，光通过电光单元的偏振态不发生改变，光从第一输出端口输出；当在电光单元上施加半波电压时，光通过电光单元后偏振方向旋转90度，光从第二输出端口输出。
所述的第一λ/2波片组3为上下两片光轴方向不同的λ/2波片，其中上面一片λ/2波片31使通过它的线偏振光偏振方向顺时针旋转45度，下面一片λ/2波片32使通过它的线偏振光偏振方向逆时针旋转45度，所述的第二λ/2波片组5为一片λ/2波片，线偏振光经过它后偏振方向顺时针旋转45度，所述的第三λ/2波片组7由左下角和右上角两片光轴方向相同的λ/2波片组成，线偏振光通过左下角的波片71和右上角的波片72偏振方向发生90度旋转，而通过左上和右下的光偏振态不发生改变。
所述的分束镜10是与输入光偏振态无关的输入光大部分透射，少部分被反射的分光单元，如96％透过，4％反射的分光镜。
所述的屋脊棱镜10是具有一定契角，可以将两平行光束变成两具有一定夹角的光出射的屋脊棱镜。该出射的具有一定夹角的两束光和双纤准直器11相匹配，可由双纤准直器11准直后分别由双纤准直器的两根尾纤输出。
所述的光电探测器12为一个象限光电探测器。分束镜10所反射的少部分用于反馈控制的两束光分别打在象限探测器的两个象限光敏元上。象限探测器将接收到的光功率大小转化为电信号输出，用于监控电光控制单元所加电压大小。
图3、图4所示的为顺着光传播方向即图1或图2中从左向右看到的各端面的光偏振态及位置的情况。图中“
”表示任意偏振态的光。图5所示为顺着光传播方向即图1或图2中从左向右看到的三组λ/2波片组3、5、7所包含各波片的位置及光轴示意图，图5中细斜线表示波片光轴方向。如图5(a)，波片组3由上下两块光轴方向不同的λ/2波片组成，其中上面一片波片31的光轴方向和水平方向夹角22.5度，下面一片波片32的光轴方向和竖直方向夹角22.5度。如图5(b)，波片组5实际为一片λ/2波片，光轴方向和竖直方向夹角22.5度。如图5(c)，波片组7由左下和右上角两片λ/2波片71、72组成，71、72波片的光轴方向都是和水平方向夹角45度。
如图1、图2、图3、图4所示，光从单纤准直器1入射到第一双折射晶体2的前端面101时为任意偏振态的光，进入第一双折射晶体2分为两束偏振方向互相垂直的光，即寻常光和非寻常光。选择第一双折射晶体2的光轴方向使得横向线偏振光对于第一双折射晶体2为寻常光，直接通过第一双折射晶体2，竖直线偏振光对于第一双折射晶体2为非寻常光，经过第一双折射晶体2时向下偏移一定距离后输出，此时第一双折射晶体2的后端面102上光偏振态及位置如图3、图4所示。
光经过第一λ/2波片组3后，上面的横向线偏振光顺时针转45度，下面的竖直线偏振光逆时针转45度，上下两路线偏振光变成相同方向的45度线偏振光，如图3、图4中103区域所示。
开关状态1时电光单元4上不加电压，光经过电光单元4偏振态不发生变化，电光单元4后端面的光偏振态及位置如图3中104区域所示。在开关状态1，上下两路偏振光经过第二λ/2波片组5后都顺时针转45，变为竖直偏振的线偏振光，如图3中105区域所示。然后经过第二双折射晶体6，选择双折射晶体6的光轴使得竖直偏振的线偏振光为第二双折射晶体6的寻常光，不发生偏移直按通过，如图3中106区域所示。然后光通过第三λ/2波片组7，左下的竖直偏振光旋转90度变成横向偏振光，左上的光偏振态不变，如图3中107区域所示。再经过第三双折射晶体8，选择双折射晶体8的光轴，使得横向偏振光是它的寻常光，直接通过，竖直偏振光是它的非寻常光，向下偏移一定距离，在双折射晶体8的后端面上重新合成任意偏振态光，如图3中108区域所示。光再经过分束镜9绝大部分透射，经过屋脊棱镜进入双光纤准直器由输出端口1输出。
开关状态2时对电光单元4上加半波电压，此时光经过该结构光开关的各端面光偏振态及位置变化如图4所示，任意偏振态的输入光，经过第一双折射晶体2，分为互相垂直的上下两路线偏振光，经过第一λ/2波片组3，变成相同方向的45度线偏振光。在开关状态2经过电光单元4，光偏振方向发生90度旋转，偏振态及位置如图4中104区域所示。经过第二λ/2波片组5变为水平偏振的线偏振光，如图4中105区域所示。经过第二双折射晶体6，为第二双折射晶体6的非寻常光，在水平方向上发生偏移，如图2中虚线所示，在第二双折射晶体6的后端面106上光偏振态及位置如图4中106区域所示。经过第三λ/2波片组7，变成右边上下两路相互垂直的线偏振光，如图4中107区域所示。经过第三双折射晶体8重新合成任意偏振态光，如图4中108区域所示。光再经过分束镜9绝大部分透射，经过屋脊棱镜进入双光纤准直器由输出端口2输出。
由于电光单元4的半波电压随温度漂移等特性，在开关状态2，对电光单元4加某个预定电压，光经过电光单元4，偏振态并不正好发生90度旋转，这样，光再经过第二λ/2波片组5后，并不完全变成水平偏振的偏振光，而是有一部分垂直偏振的偏振光，经过第二双折射晶体6时，这部分垂直偏振的偏振光将不发生偏转，经过第三λ/2波片组7、第三双折射晶体8、分束镜9、屋脊棱镜10、双光纤准直器11由输出端口1输出，这样将造成串扰增加。本发明中，光经过分束镜9，绝大部分透射，由输出端口输出，小部分反射。光电探测器12是一个象限光电探测器。分束镜9所反射的少部分用于反馈控制的两束光分别打在象限探测器的两个象限光敏元上。光电探测器12将接收到的光功率大小转化为电信号输出，反馈控制电光单元4上所加电压大小，使得光经过电光单元4后偏振方向的变化更加准确，以减小光开关的串扰。
Claims (6)
1.一种具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关，其特征在于：在同一水平光路上依次放置单光纤准直器(1)、第一双折射晶体(2)、第一λ/2波片组(3)、电光单元(4)、第二λ/2波片组(5)、第二双折射晶体(6)、第三λ/2波片组(7)、第三双折射晶体(8)、分束镜(9)、屋脊棱镜(10)和双光纤准直器(11)，光电探测器(12)放置在分束镜(10)的垂直光路上。
2.根据权利要求1所述的一种具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关，其特征在于：所述的电光单元(4)是铌酸锂晶体或透明电光陶瓷电光材料。
3.根据权利要求1所述的一种具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关，其特征在于：所述的第一λ/2波片组(3)为上下两片光轴方向不同的λ/2波片，其中上面一片λ/2波片(31)是使通过它的线偏振光偏振方向顺时针旋转45度的λ/2波片，下面一片λ/2波片(32)是使通过它的线偏振光偏振方向逆时针旋转45度的λ/2波片。所述的第二λ/2波片组(5)为一片使线偏振光经过它后偏振方向顺时针旋转45度的λ/2波片。所述的第三λ/2波片组(7)由左下角和右上角两片光轴方向相同的λ/2波片组成，左下角的波片(71)和右上角的波片(72)是使线偏振光通过后偏振方向发生90度旋转的λ/2波片，而通过左上和右下的光偏振态不发生改变的。
4.根据权利要求1所述的一种具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关，其特征在于：所述的分束镜(9)是与输入光偏振态无关的输入光85％～98％透射，2％～15％被反射的分束镜。
5.根据权利要求1所述的一种具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关，其特征在于：所述的屋脊棱镜(10)是具有楔角，将两平行光束变成两具有夹角的光出射的屋脊棱镜；该出射的具有夹角的两束光和双纤准直器(11)相匹配，由双纤准直器(11)准直后分别由双纤准直器的两根尾纤输出。
6.根据权利要求1所述的一种具有反馈监控结构的1×2高速光纤开关，其特征在于：所述的光电探测器(12)为一个象限光电探测器。
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