CN102193216A - 一种基于光栅带隙可调原理的磁光调制开关装置 - Google Patents

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武保剑
李崇真
文峰
吴士娟
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本发明利用光子带隙结构的磁可调特性实现了一种新型的磁光调制开关装置，它主要由偏振控制器、磁光子带隙材料、磁场产生装置、驱动电路和调制开关电路等组成。该装置可以通过对光子带隙结构的设计来实现模拟或数字信号的磁光调制、磁光开关以及可调滤波等功能，具有开关速度快、稳定性好、多功能集成等优点；采用光子带隙结构的磁光光纤光栅还可以构建全光纤化的磁光调制开关。

Description

一种基于光栅带隙可调原理的磁光调制开关装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及基于光栅带隙可调原理的磁光调制开关装置。
背景技术
光网络的发展离不开光分插复用和光交叉连接等交换设备，它们可以提高网络的可靠性、降低节点成本、提高网络运行效率。为了实现设备的无阻塞、低串扰、低延迟、宽带和高性能运行，需要各种各样的光器件，如光开关、光调制器、光滤波器等，其中光开关是必不可缺少的关键器件。
根据光开关工作原理不同，基本地可以分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关是依靠光纤或光学元件移动，使光路发生改变。这类光开关技术比较成熟，其优点是插入损耗低、隔离度高、不受波长影响，也不受调制速率和调制方式的限制；不足之处是开关时间较长，开关尺寸较大，不易集成。非机械式光开关是依靠物理效应来改变波导结构折射率，使光路发生改变，完成开关功能。这类光开关的优点是开关时间短，达到毫秒量级甚至更低；体积小，便于集成。而对于基于磁光效应的光开关，目前主要有两种：一种是M-Z型磁光开关，它是通过外加磁场改变M-Z两臂中光场的相位差实现调制开关作用；另一种是法拉第效应磁光晶体开关，它是利用磁光晶体在外加磁场的作用下可使导波光偏振面发生旋转的机理实现开关作用的，不涉及光子带隙的特征。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种基于光栅带隙可调原理的磁光调制开光装置，该装置可以通过对光子带隙结构的设计来实现模拟或数字信号的磁光调制、磁光开关以及可调滤波等功能，具有开关速度快、稳定性好、多功能集成等优点；采用光子带隙结构的磁光光纤光栅还可以构建全光纤化的磁光调制开关。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种基于光栅带隙可调原理的磁光调制开光装置，其特征在于：包括光偏振输入控制单元、磁可调光子带隙结构、磁场加载单元、调制开关电路和光偏振输出单元，其中激光经过光偏振输入控制单元转换为所需的光偏振态后输入磁可调光子带隙结构，所述磁可调光子带隙结构在磁场加载单元的作用下，光子带隙发生改变，进而使其透射或反射频谱发生移动，所述调制开关电路连接磁场加载单元，所述光偏振输出检测单元连接磁可调光子带隙结构，调整为所需的光偏振态。
按照本发明所提供的基于光栅带隙可调原理的磁光调制开光装置，其特征在于，光偏振输入控制单元是由光起偏器、偏振控制器和光纤环形器组成，光起偏器的作用是将输入光变成线偏振光，而偏振控制器则将线偏振光转换为发明装置所需的光偏振态；光纤环形器的作用是将透射光与反射光分开。
按照本发明所提供的基于光栅带隙可调原理的磁光调制开光装置，其特征在于，所述磁可调光子带隙结构材料包括磁光光栅、磁光子晶体或磁光薄膜材料。
按照本发明所提供的基于光栅带隙可调原理的磁光调制开光装置，其特征在于，所述磁场加载单元包括磁路负载、驱动电路和直流电源；驱动电路主要功能是驱动磁路负载，根据调制电路送来的电信号控制直流电源产生相应的电流信号驱动磁路负载，将调制电路的信号加载到磁场上；直流电源为整个磁场加载单元提供电流。
本发明提出一种基于带隙磁可调原理的磁光调制开关装置，其机理是：磁光带隙结构在外加磁场的作用下，材料的光子带隙发生改变，进而使其透射或反射频谱发生移动，对于某一特定波长的透射光而言，外加磁场作用下光谱的移动会使透射光功率发生变化，从而实现磁光调制开关功能。
本发明相对于其他类型的磁光开关，其优点在于：(1)磁光光栅的透射谱可以根据需要自行设计，根据设计不同可以实现磁光模拟调制开关装置、磁光数字调制开关装置和磁光可调滤波器等。(2)全光纤结构，体积小，可扩展可集成，可以大规模集成为高密度的磁光开关三维阵列。(3)抗干扰，本发明为全光纤型磁光开关，不易遭受外界的干扰。
附图说明
图1是本发明的磁光调制开关机理示意图；
图2是本发明的逻辑框图；
图3是本发明的交变磁场加载装置示意图；
图4是边缘平缓的磁光光栅透射谱示意图；
图5是磁光模拟调制开关原理示意图；
图6是边缘陡峭的磁光光栅透射谱示意图；
图7是磁光数字调制开关原理示意图；
图8是磁光可调滤波器原理示意图；
图9是本发明一种实施例的结构框图；
图10是基于带隙可调原理的可调滤波器的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
与已有的磁光开关不同，本发明提出一种基于带隙磁可调原理的磁光调制开关装置，其机理是：磁光带隙结构在外加磁场的作用下，材料的光子带隙发生改变，进而使其透射或反射频谱发生移动，对于某一特定波长的透射光而言，外加磁场作用下光谱的移动会使透射光功率发生变化，从而实现磁光调制开关功能。图1示意了一种磁可调的光子带隙结构的透射光谱曲线，在磁场的调制或控制下其光谱可发生移动。
本发明提供的一种新型的磁光调制开关装置，主要由光偏振输入控制单元、磁可调光子带隙材料、磁场加载单元、调制开关电路、以及光偏振输出检测单元等五个部分组成，如图2所示。
(1)光偏振输入控制单元是将外部输入的激光转换成本发明装置所需的光偏振态。该单元主要由光起偏器、偏振控制器和光纤环形器组成。光起偏器的作用是将输入光变成线偏振光，而偏振控制器则将线偏振光转换为发明装置所需的光偏振态；光纤环形器的作用是将透射光与反射光分开。
(2)磁可调带隙结构，可以是具有较高费尔德常数的光纤光栅，如在光纤布拉格光栅中掺入使其具有高磁光系数的稀土元素(如Tb、Pr、Er等)，或者在拉制的YIG光纤上写入Bragg光栅等；也可以是由许多层磁光晶体组成的多层膜结构。
(3)磁场加载单元，该单元主要由磁路负载、驱动电路及直流电源三部分构成。磁场的加载方式多种多样，由于本装置为全光纤型的，因此本装置采用通电螺线管加载交变磁场较为方便。详细示意图如图2所示。通电螺线管主要有三个参数，一个为电阻，另一个为电感，还有一个是通电电流。实际上可以将含有通电螺线管的电路看成是一个电流可变的RL电路，通过调整螺线管的匝数N就可以控制磁光开关的开关时间。磁场的大小和方向都可以通过驱动电路进行控制。这里的磁场加载装置的设计使得磁场仅出现在带隙结构的轴向，连接带隙结构的光纤周围不存在磁场。驱动电路主要功能是驱动磁路负载，根据调制电路送来的电信号控制直流电源产生相应的电流信号驱动磁路负载，将调制电路的信号加载到磁场上。直流电源为整个磁场加载单元提供电流。
(4)调制开关电路的主要功能是将输入的电信号转化成驱动电路能够接收的电脉冲或者是连续电信号。
(5)光偏振输出检测单元主要由检偏器和偏振控制器组成，目的是实现输出光偏振态的调整以适应不同的需求。
如以上所述，本发明可以根据不同的需求自行设计磁光光栅，当磁光光栅透射谱边缘设计的比较缓和时，如图4所示，该磁光开关装置可以对光信号进行连续的模拟调制。
基于带隙磁可调原理的模拟光开关装置工作原理如图5所示，驱动电路产生的模拟信号通过磁路负载产生连续变化的交变磁场，磁场的连续性变化会使磁光光栅透射谱连续移动，对于输入单色光信号，其对应的输出光的功率因此而不断变化，由电路产生的模拟信号便调制到光路上。
当磁光光栅透射谱边缘设计的比较陡峭时，如图6所示，此光栅可以对信号光功率进行数字调制。调制原理如图7所示，通过驱动电路产生的数字脉冲来驱动磁路负载产生交变磁场，由驱动电路产生的脉冲信号便可以通过磁光光栅调制到光上，输出端光信号的功率便携带了所要传输的信息。另外，驱动电路也可以设计成控制电路，只是单纯的控制该装置的输出端有无光输出。
当该装置的输入端输入由多个波长组成的混合光信号时，如图8所示，通过调节外加磁场可以实现滤波功能。基于磁光光栅带隙磁可调特性，磁场强度和方向变化时，磁光光栅透射谱会向高频或者低频移动(移动方向取决与外加磁场的方向，移动范围取决于磁场的强度变化)，从而实现了滤波功能。磁场强度和方向的可以通过驱动电路进行控制。
作为本发明的实现方法之一，选择磁光光纤Bragg光栅(MFBG)作为磁可调带隙结构，如图9所示，根据光纤光栅的透射/反射特性，该发明的光输出还可以选为反射端口R。该发明的工作步骤如下：
(1)入射光信号通过光纤起偏器和偏振控制器之后变成所需的偏振光(由于这里的MFBG的本征偏振模是左旋和右旋圆偏振光，因此圆偏振光的效果最明显)。
(2)输入的电信号(这里如果是数字脉冲则对应于磁光数字调制开关，连续信号对应磁光模拟调制开关)被调制电路调制为符合驱动电路要求的电压或电流信号送给驱动电路。
(3)驱动电路根据调制电路送来的触发信号将直流电源的电流送入励磁电路。
(4)励磁电路的交变的或连续的电信号经过功率放大器后加载到磁路负载上，驱动磁路负载产生所需的磁场。
(5)MFBG的光谱在外加磁场的作用下发生移动，MFBG的输出端的光功率被调制了，调制过程如图5、7所示。
(6)根据实际的需求，经过调制的光信号还可以通过检偏器和偏振控制器实现偏振态的转化。
这里，磁光可调滤波器的实现方式与磁光开关装置的不同点仅在于电路部分，如图10所示，其具体实现步骤如下：
(1)入射光信号为多个波长的混合信号，经过光纤起偏器和偏振控制器之后变成所需的偏振光。
(2)手动调节直流电源的大小及方向，电流送入驱动电路中。
(3)驱动电路驱动磁路负载对应强度和方向的磁场。
(4)MFBG的光谱在外加磁场的作用下发生移动，如图8所示，在输出端某些波长的光信号就被滤除。

Claims (4)

1.一种基于光栅带隙可调原理的磁光调制开光装置，其特征在于：包括光偏振输入控制单元、磁可调光子带隙结构、磁场加载单元、调制开关电路和光偏振输出单元，其中激光经过光偏振输入控制单元转换为所需的光偏振态后输入磁可调光子带隙结构，所述磁可调光子带隙结构在磁场加载单元的作用下，光子带隙发生改变，进而使其透射或反射频谱发生移动，所述调制开关电路连接磁场加载单元，所述光偏振输出检测单元连接磁可调光子带隙结构，调整为所需的光偏振态。
2.根据权利要求1所述的基于光栅带隙可调原理的磁光调制开光装置，其特征在于，光偏振输入控制单元是由光起偏器、偏振控制器和光纤环形器组成，光起偏器的作用是将输入光变成线偏振光，而偏振控制器则将线偏振光转换为发明装置所需的光偏振态；光纤环形器的作用是将透射光与反射光分开。
3.根据权利要求1所述的基于光栅带隙可调原理的磁光调制开光装置，其特征在于，所述磁可调光子带隙结构材料包括磁光光栅、磁光子晶体或磁光薄膜材料。
4.根据权利要求1所述的基于光栅带隙可调原理的磁光调制开光装置，其特征在于，所述磁场加载单元包括磁路负载、驱动电路和直流电源；驱动电路主要功能是驱动磁路负载，根据调制电路送来的电信号控制直流电源产生相应的电流信号驱动磁路负载，将调制电路的信号加载到磁场上；直流电源为整个磁场加载单元提供电流。
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