CN101329426A - 光束多路切换与分时合成方法 - Google Patents

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王巍
张海涛
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Abstract

本发明公开了属于光学领域的涉及基于偏振控制的一种光束多路切换与分时合成方法。利用偏振控制元件和偏振分束片两种光学元件组成的光学装置实现偏振或非偏振光的多路切换；在位置序列上，每个偏振控制元件后面主光路上放置一块偏振分束片，并和控制器共同构成一个‘单刀双掷’光开关；控制器按照控制逻辑驱动偏振控制元件改变输入光束的偏振态，并通过偏振分束片将输入光束切换到输出通道上的任何一路，来完成指定的光信息处理功能。应用该技术能够开发和制造光学多路切换开关、光学多路选择器、光学分频器及光学频率合成器等光学集成器件；同时，应用该技术还能开发和制造电控激光束扫描装置；本发明结构简单、易于制造，易于使用。

Description

光束多路切换与分时合成方法
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及基于偏振控制的一种光束多路切换与分时合成方法。
背景技术
波分复用技术(WDM)广泛应用于光纤通信领域，通过多波长耦合来实现多波长光束的合成和传输；同时，通过波长分束来实现多波长的分离和多路输出波长选择。在网络通信中，专利WO2008/031452A1介绍了一种利用波长选择开关(wavelength selective switch)实现多路输入切换到多路输出即路由功能的波分复用解决方案。
对于单波长非偏振光，专利US7263250B1描述了一种由偏振分束片、全反镜和偏振旋转器三种光学元件组成的立方体结构的光开关，可将非偏振光切换到“立方体”左下角的两个固定方向。
本发明利用偏振控制元件和偏振分束片两种光学元件组成的光学装置不仅能够实现将偏振或非偏振光的多路切换，而且能够将光束切换到空间上的任意方向；同时，本发明还能够实现光束多路选择、光学分频及光学频率合成等功能。
光学多路切换开关：一路输入对应多路输出。在控制元件作用下，能将输入的光束(或光信号)切换到多路输出中的任何一路；在功能上相当于“一”切换“多”的光学开关。
光学多路选择器：多路输入对应一路输出。在控制元件作用下，能将输入的多路激光束信号中的任何一路切换到输出端；在功能上实现“多选一”。
光学分频器：一路输入对应多路(或一路)输出。设输入激光脉冲信号的重频为f，在控制元件作用下，能在多路(或一路)输出端获得重频为
Figure A20081011686000041
的激光束脉冲信号，n取决于控制元件的时序；在功能上实现光信号的分频。
光学频率合成器：多路输入对应一路输出。设多路输入端的激光脉冲信号重频均为f，在控制元件作用下，能在输出端获得重频为nf的激光束脉冲信号，n取决于多路输入的路数；在功能上实现光束的频率合成。并可获得高的平均功率。
发明内容
本发明的目的在于一种光束多路切换与分时合成方法，其特征在于，利用偏振控制元件(电光晶体)和偏振分束片两种光学元件组成的光学装置实现偏振或非偏振光的多路切换；在位置序列上，每个偏振控制元件后面主光路上放置一块偏振分束片，并和控制器共同构成一个‘单刀双掷’光开关；控制器按照控制逻辑驱动偏振控制元件改变输入光束的偏振态，并通过偏振分束片将输入光束切换到输出通道上的任何一路，来完成指定的光信息处理功能。
所述偏振分束片与主光轴夹角45°，偏振分束片摆放位置绕主光轴旋转可将输出光导向垂直或近似垂直于主光轴平面的任何方向。
所述‘单刀双掷’光开关在主光轴上多个级联构成了一个‘单刀多掷’光开关，将一个输入光束切换到多个输出端中的任意一个，实现光束的多路切换，构成光学多路切换开关；或对输入脉冲光进行脉冲选择，并切换到多个输出端中的任意一个。
所述‘单刀多掷’光开关，分时切换到多个输出端，实现脉冲输入光束的分频，构成光学分频器；或将多个输入光束有选择地切换到输出端，实现光束的多路选择，构成光学多路选择器；或将多个脉冲输入光束分时切换到输出端，实现频率合成，构成光学频率合成器。
所述多个偏振分束片构成光学装置的光输出通道；实现光束多路切换、光束多路选择或脉冲光束分频及频率合成的光信息处理功能，从而能够开发和制造光学多路切换开关、光学多路选择器、光学分频器及光学频率合成器等光学集成器件；同时，应用该技术还能开发和制造电控激光束扫描装置。
所述偏振控制元件为电光晶体偏振器或法拉第旋转器作为近似
Figure A20081011686000051
波片的偏振控制器。
所述输入光束为脉冲的或连续的光束，输入光束是线偏振光，或是非偏振光.同时，输入光束是相干光或是非相干光。
所述输入光束为单波长或是多波长。
本发明的有益效果是提供了基于偏振控制的光束多路切换与分时合成技术，通过该技术能够实现光束多路切换、光束多路选择、脉冲光束分频及频率合成等光信息处理功能，应用该技术能够开发和制造光学多路切换开关、光学多路选择器、光学分频器及光学频率合成器等光学集成器件；同时，应用该技术还能开发和制造电控激光束扫描装置；本发明结构简单、易于制造，易于使用。
附图说明
图1、图2是本发明的原理框图。
图3、图4和图5是本发明的实施例示意图；
具体实施方式
本发明的目的在于一种光束多路切换与分时合成方法。基于偏振控制的光束多路切换技术，主要包括：偏振控制元件、偏振分束片、和控制器。本发明在具体实施方式中采用电光晶体的
Figure A20081011686000061
波片作为偏振控制元件，同时采用激光器作为光束源，以此为例来阐述本发明的设计思想，并不用以局限本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。以下结合附图对本发明的具体实施过程作进一步的说明：
本发明的光束多路切换技术的原理框图如图1所示，光学多路切换开关仅由图1中实线各部分组成；光学分频器包括图1中的实线和虚线部分。
光束多路切换：由控制驱动器1生成‘单刀多掷’的光开关4所需的控制逻辑状态，并通过控制驱动器1对电光晶体施加半波电压Uλ/2来控制光开关4的取向，进而可将作为输入光的第一光束3切换到输出端作为输出光的第二光束5、第三光束6、直到第m光束m上的任意一个光输出端，从而实现光束的多路切换，构成光学多路切换开关。
光学分频：对于固定重频f的脉冲序列，控制驱动器1设定分频系数n并生成‘单刀多掷’的光开关4所需的控制时序；探测器2对输入光的第一光束3进行脉冲采样并将采样电信号送入控制驱动器1；控制驱动器1根据分频系数n、脉冲采样信号和控制时序，有选择地将输入光的第一光束3脉冲切换到指定的输出端作为输出光的第二光束5、第三光束6、直到第m光束m中的任意一个光输出端上，实现单一输出的分频；也可以有选择地将输入光脉冲分时切换到输出端输出光的第二光束5、第三光束6、直到第m光束m中的任意几个光输出端上，实现多路输出的分频。
本发明的光束分时合成技术的原理框图如图2所示，光学多路选择器仅由图2中实线各部分组成；光学频率合成器包括图2中的实线和虚线部分。
光束多路选择器：光束进出方向与图1所示的光学多路切换开关和光学分频器的光束进出方向相反；同样由控制驱动器1生成‘单刀多掷’光开关4所需的控制时序，并通过控制驱动器1对电光晶体施加半波电压Uλ/2来控制光开关4的取向，进而将图2上所示的作为输入光束的第二光束5、第三光束6、直到第m光束中的任意一个切换到输出端作为输出光的第一光束3，从而实现光束的多路选择，构成光学多路选择器。
光学频率合成：对于多路输入固定重频的脉冲序列，控制驱动器1生成频率合成时序，并据此生成‘单刀多掷’光开关4所需的控制时序；探测器2对作为输入光束的第二光束5、第三光束6、直到第m光束进行脉冲采样并将采样电信号送入控制驱动器1；控制驱动器1根据脉冲采样信号和控制时序，有选择地将多路输入光束脉冲切换到指定的输出端作为输出光的第一光束3，实现光学频率合成。
图2是按照光束可逆原则设计，与图1相比，不同点在于：一是应用上光的输入、输出反向，即多路输入对应一路输出；二是实现的功能不同。偏振控制元件和偏振分束片在功能上同样构成‘单刀双掷’的光开关4，通过这些切换单元可将多路输入中的任何一路切换到输出端；也可将多路输入光束分时切换到输出端。
图3所示为图1所示的光束多路切换技术原理的具体实施例示意图，光学多路切换开关仅由图3中实线各部分组成；光学分频器包括图3中的实线和虚线部分。
光学多路切换开关：作为输入光的第一光束3假定为线偏振s波，偏振分束片对s波高反，对p波高透，因此，第一偏振分束片12将输入光的第一光束3导入主光路，主光路上的第一偏振控制元件7、第二偏振控制元件8、第三偏振控制元件9和第四偏振控制元件10，在本实施例中偏振控制元件是电光晶体偏振器，相当于
Figure A20081011686000081
波片。在不施加半波电压Uλ/2的条件下，电光晶体对光波透明；探测器2对第一光束3透过第一偏振分束片12的光束19进行脉冲采样并将采样电信号送入控制驱动器1；当施加半波电压Uλ/2时，电光晶体将光波线偏振方向旋转90°；第二偏振分束片13、第三偏振分束片14、第四偏振分束片15和第五偏振分束片16对s波高反，对p波高透；因此，每个电光晶体偏振器与后面的偏振分束片在功能上构成了一个‘单刀双掷’光开关4，可控制光束的走向。例如，第一偏振控制元件7与第二偏振分束片13就构成了一个‘单刀双掷’光开关4。多个‘单刀双掷’光开关在主光路上的级联构成了一个‘单刀多掷’光开关，可将输入光的第一光束3切换到输出通道的输出光的第二光束5、第三光束6、第四光束11、第五光束18和第六光束17的任意一个；从而实现光束的多路切换，构成光学多路切换开关。
举例说明光学多路切换开关的控制切换过程。如需将输入光的第一光束3切换到输出通道的输出光第四光束11，电光晶体上的控制逻辑状态见表1；
表1
  偏振控制元件(电光晶体序号)   施加半波电压Uλ/2状态
  7   1
  8   0
  9   1
  10   x
表1中状态‘1’表示施加半波电压Uλ/2；状态‘0’表示不施加半波电压Uλ/2；状态‘x’表示施加与不施加都可以。
光学分频器：对于固定重频f的脉冲序列，控制驱动器1设定分频系数n并生成第一偏振控制元件7、第二偏振控制元件8、第三偏振控制元件9和第四偏振控制元件10所需的控制逻辑状态和控制时序；探测器2通过第一偏振分束片12对输入光第一光束3进行脉冲采样并将采样电信号送入控制驱动器1；控制驱动器1根据分频系数n、脉冲采样信号、控制逻辑和控制时序，有选择地将输入光第一光束3的脉冲切换到指定的输出通道的输出光的第二光束5、第三光束6、第四光束11、第五光束18和第六光束17的任意一个上；实现单一输出的
Figure A20081011686000091
分频；也可以有选择地将输入光脉冲分时切换到输出端的输出光的第二光束5、第三光束6、第四光束11、第五光束18和第六光束17的任意几个上，实现多路输出的
Figure A20081011686000092
分频。
图4所示为图2所示光束分时合成技术原理的具体实施例示意图。光学多路选择器仅由图4中实线各部分组成；光学频率合成器包括图4中的实线和虚线部分。
光束多路选择器：光束进出方向与图3所示的‘光学多路切换开关’逆向；同样由控制驱动器1生成第一偏振控制元件7、第二偏振控制元件8、第三偏振控制元件9和第四偏振控制元件10所需的控制逻辑状态，并通过控制驱动器1对偏振控制元件(电光晶体)施加半波电压Uλ/2来控制光束偏振方向，进而可将作为输入光的第二光束5、第三光束6、第四光束11和第五光束18的任意一个光通道切换到作为输出光第一光束3的输出端，从而实现光束的多路选择，构成光学多路选择器即构成了一个‘单刀多掷’的光开关4。图4中，第一偏振分束片12、第二偏振分束片13、第三偏振分束片14、第四偏振分束片15和第五偏振分束片16对s波高反，对p波高透。后面举例说明光束多路选择器的控制切换过程。如需将输入通道的第三光束6选择到作为输出的第一光束3的输出端，偏振控制元件(电光晶体)上的控制逻辑状态见表2；
表2
  偏振控制元件(电光晶体)序号   施加半波电压Uλ/2状态
  7   1
  8   1
  9   x
  10   x
表2中状态‘1’表示施加半波电压Uλ/2；状态‘0’表示不施加半波电压Uλ/2；状态‘x’表示施加与不施加都可以。
光学频率合成：对于多路输入固定重频的脉冲序列，控制驱动器1生成第一偏振控制元件7、第二偏振控制元件8、第三偏振控制元件9和第四偏振控制元件10所需的控制逻辑状态和频率合成时序；第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3、第四探测器D4通过第六偏振分束片23、第七偏振分束片22、第八偏振分束片21、第九偏振分束片20对激光光源输入的输入光通道的第二光束5、第三光束6、第四光束11和第五光束18进行脉冲采样并将采样电信号送入控制驱动器1；控制驱动器1根据脉冲采样信号和控制时序，有选择地将多路输入光脉冲切换到输出端的第一光束3，实现光学频率合成。
以上是输入光为偏振光的情况。对于非偏振光，本发明仍然能够实现光学多路切换、光束多路选择、分频及频率合成等光信息处理功能。下面介绍输入光为非偏振光时，光学多路切换开关的具体实施例。按照同样的思路和方法及光束可逆原则，同时能够实现光束多路选择、光学分频及频率合成等其它光信息处理功能。因此，该实施例是用来更好的说明和理解本发明，并不用以局限本发明。
图5所示为非偏振光多路切换技术的实施例示意图。
非偏振光光学多路切换开关：非线偏振输入光501，第十一偏振分束片502对s波高反，对p波高透。因此，第十一偏振分束片502将s波导入上主光路515；输入的p波516经第九偏振控制元件C5转换成s波517后再由第十六偏振分束片519导入主光路524。与图3同，控制驱动器518生成电光晶体所需的控制逻辑状态，并通过控制驱动器518对电光晶体施加半波电压Uλ/2来控制光束偏振方向。下主光路524上的第十四电光晶体偏振器C10、第十五电光晶体偏振器C11、第十六电光晶体偏振器C12、第十七电光晶体偏振器C13分别与后面的第十七偏振分束片520、第十八偏振分束片521、第十九偏振分束片522、第二十偏振分束片523，在功能上构成了一个‘单刀双掷’光开关，可控制光束的走向；上主光路515和下主光路524之间的第十电光晶体偏振器C6、第十一电光晶体偏振器C7、第十二电光晶体偏振器C8、第十三电光晶体偏振器C9可将来自下主光路524的s波转换成p波，并通过第十二偏振分束片504、第十三偏振分束片507、第十四偏振分束片510、第十五偏振分束片513进行偏振耦合将两个主光路上的偏振光合二为一切换到第一输出通道505、第二输出通道508、第三输出通道511、第四输出通道514中的任意一个通道，构成非偏振光光学多路切换开关。
举例说明非偏振光光学多路切换开关的控制切换过程。如需将非线偏振输入光501切换到第二输出通道508，电光晶体上的控制逻辑状态见表3；
表3
  电光晶体序号   施加半波电压Uλ/2状态
  C1   1
  C2   1
  C3   x
  C4   x
  C5   1
  C6   x
  C7   1
  C8   x
  C9   x
  C10   1
  C11   1
  C12   x
  C13   x
表3中状态‘1’表示施加半波电压Uλ/2；状态‘0’表示不施加半波电压Uλ/2；状态‘x’表示施加与不施加都可以。

Claims (8)

1.一种光束多路切换与分时合成方法，其特征在于，利用偏振控制元件和偏振分束片两种光学元件组成的光学装置实现偏振或非偏振光的多路切换；在位置序列上，每个偏振控制元件后面主光路上放置一块偏振分束片，并和控制器共同构成一个‘单刀双掷’光开关；控制器按照控制逻辑驱动偏振控制元件改变输入光束的偏振态，并通过偏振分束片将输入光束切换到输出通道上的任何一路，来完成指定的光信息处理功能。
2.根据权利要求1所述光束多路切换与分时合成方法，其特征在于，所述偏振分束片与主光轴夹角45°，偏振分束片摆放位置绕主光路旋转可将输出光导向垂直或近似垂直于主光路平面的任何方向。
3.根据权利要求1所述光束多路切换与分时合成方法，其特征在于，所述‘单刀双掷’光开关在主光轴上多个级联构成了一个‘单刀多掷’光开关，将一个输入光束切换到多个输出端中的任意一个，实现光束的多路切换，构成光学多路切换开关；或对输入脉冲光进行脉冲选择，并切换到多个输出端中的任意一个。
4.根据权利要求3所述光束多路切换与分时合成方法，其特征在于，所述‘单刀多掷’光开关，分时切换到多个输出端，实现脉冲输入光束的分频，构成光学分频器；或将多个输入光束有选择地切换到输出端，实现光束的多路选择，构成光学多路选择器；或将多个脉冲输入光束分时切换到输出端，实现频率合成，构成光学频率合成器。
5.根据权利要求1所述光束多路切换与分时合成方法，其特征在于，所述多个偏振分束片构成光学装置的光输出通道；实现光束多路切换、光束多路选择或脉冲光束分频及频率合成的光信息处理功能，从而能够开发和制造光学多路切换开关、光学多路选择器、光学分频器及光学频率合成器等光学集成器件；同时，应用该技术还能开发和制造电控激光束扫描装置。
6.根据权利要求1所述光束多路切换与分时合成方法，其特征在于，所述偏振控制元件为电光晶体偏振器或法拉第旋转器作为
Figure A2008101168600002C1
波片或近似
Figure A2008101168600002C2
波片的偏振控制器。
7.根据权利要求1所述光束多路切换与分时合成方法，其特征在于，所述输入光束为脉冲的或连续的光束，输入光束是线偏振光，或是非偏振光.同时，输入光束是相干光或是非相干光。
8.根据权利要求1所述光束多路切换与分时合成方法，其特征在于，所述输入光束为单波长或是多波长。
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