CN102929001B - 磁光开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁光开关，包括沿光路方向依次设置的单光纤准直器、第一双折射晶体、第一半波片组件、旋光组件、第二半波片组件、第二双折射晶体以及双光纤准直器，旋光组件具有折射器件，折射器件靠近第一半波片组件的一侧设有第一法拉第旋光片，折射器件靠近第二半波片组件的一侧设有旋光器件，且旋光组件还设有位于第一法拉第旋光片外的磁场产生器件，其中，单光纤准直器为单芯扩束光纤准直器，单芯扩束光纤准直器内安装有一根扩束光纤，双光纤准直器为双芯扩束光纤准直器，双芯扩束光纤准直器内安装有两根扩束光纤。本发明提供的磁光开关使用的光学器件较小，且双折射晶体及旋光组件的体积较小，减少磁光开关的体积，也降低其生产成本。

Description

磁光开关

技术领域

本发明涉及一种用于光纤通信系统的光学器件，具体地说，是涉及一种磁光开关。

背景技术

现代的光纤通信系统中大量使用各种光开关，实现一个输入光纤与多个输出光纤或多个输入光纤与一个输出光纤之间光束的切换，其主要应用于现代光纤通信行业、仪器仪表行业以及国防工业。

常见的光开关主要分为机械式光开关和非机械式光开关，其应用微光机电技术（MEMS）、液晶技术、热光效应、电光技术和磁光技术等。其中机械式的光开关技术较为成熟，其具有生产成本低、带宽较宽、损耗小等优点，但同时存在尺寸大、寿命较短、可重复性差、开关时间长等缺点。应用微光机电技术、热光效应和液晶技术的光开关的优点是尺寸小、开关速度快，但由于这些光开关涉及到半导体精细加工技术，工艺复杂，大大增加了其生产成本。非机械式的磁光开关具有无机械件运动、可重复性高、开关时间短等优点，且工艺要求简单。

目前最为成熟的磁光开关技术是利用磁场控制磁光晶体旋光的环形光路实现的磁光开关。如公告号为CN2896323Y的实用新型公开了一种名为“紧凑结构型1×2磁光开关”的发明创造，该磁光开关的原理图如图1所示。这种磁光开关具有单光纤准直器11，在单光纤准直器11内安装有一根光纤12，并且按光路方向还依次设有双折射晶体13、半波片组件14、法拉第旋光片16、双折射晶体光引导器17、双折射晶体光束偏折器18、法拉第旋光片19、半波片组件21、双折射晶体22以及双光纤准直器23，双光纤准直器23内安装有两根平行的光纤24，在法拉第旋光片16、19外分别设有磁场产生器件15、20。

光束从单光纤准直器11的光纤12出射后，经过双折射晶体13形成两束传播方向相同的光束，但两束光束的偏振态相互垂直，两束光束经过半波片组件14后传播方向不变，但偏振态相同。两束光束通过法拉第旋光片16后其偏振态发生偏转。由于偏振态固定的线性偏振光穿过不同的磁场下法拉第旋光片16其偏振态偏振方向不相同，而双折射晶体光引导器17、双折射晶体光束偏折器18对不同偏振态的光束有着不同的折算率，即不同偏振态的光束穿过双折射晶体光引导器17及双折射晶体光束偏折器18后其传播方向将发生不同的改变。磁光开关正是利用这一特性，通过改变磁场产生器件15中线圈的电流方向来改变磁场产生器件15所产生的磁场极性，进而改变光束穿过法拉第旋光片16后的偏振态，并由此改变光束穿过双折射晶体光引导器17及双折射晶体光束偏折器18后传播方向。

光束穿过双折射晶体光引导器17及双折射晶体光束偏折器18后，再依次经过法拉第旋光片19、半波片组件21后入射至双折射晶体22，穿过半波片组件21的两束光束在双折射晶体22内合光，从双光纤准直器23内的光纤24出射。

由于改变磁场产生器件15产生的磁场极性可以改变光束穿过双折射晶体光引导器17及双折射晶体光束偏折器18后的传播方向，因此可以选择光束从双光纤准直器23内的哪一根光纤24出射，从而实现对光路的选择，也就是实现了光开关的功能。

但是，由于单光纤准直器11及双光纤准直器23内安装的光纤12、24均为普通光纤，光束从光纤12出射时光斑直径较大，散射严重，导致需要使用体积较大的双折射晶体13，这样法拉第旋光片16、19以及双折射晶体光引导器17、双折射晶体光束偏折器18的体积都很大，并且使用屋脊棱镜作为双折射晶体18的情况下，还需要在双折射晶体光引导器17与双折射晶体光束偏折器18之间设置一定的间隙，导致法拉第旋光片16、19以及双折射晶体光引导器17、双折射晶体光束偏折器18的体积难以做得更小。

并且，由于磁场产生器件15、20通常是包括一个铁芯，并且在铁芯上缠绕线圈，由于法拉第旋光片16、19以及双折射晶体光引导器17、双折射晶体光束偏折器18的体积较大，难以将上述器件设置在同一个铁芯内，需要使用两个磁场产生器件15、20分别向法拉第旋光片16、19加载磁场，导致磁光开关使用的器件较多，且器件的体积较大，使磁光开关的生产成本较高，封装难度较大。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种体积较小的磁光开关。

本发明的另一目的是提供一种使用器件较少的磁光开关。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的磁光开关包括沿光路方向依次设置的单光纤准直器、第一双折射晶体、第一半波片组件、旋光组件、第二半波片组件、第二双折射晶体以及双光纤准直器，旋光组件具有折射器件，折射器件靠近第一半波片组件的一侧设有第一法拉第旋光片，折射器件靠近第二半波片组件的一侧设有旋光器件，且旋光组件还设有位于第一法拉第旋光片外的磁场产生器件，其中，单光纤准直器为单芯扩束光纤准直器，单芯扩束光纤准直器内安装有一根扩束光纤，双光纤准直器为双芯扩束光纤准直器，双芯扩束光纤准直器内安装有两根扩束光纤。

由上述方案可见，由于扩束光纤的端部处纤芯的直径将明显增大，从单芯扩束光纤准直器出射的光束的光斑直径较小，这样第一双折射晶体、旋光组件内的器件体积可以做得较小，从而减小磁光开关的体积，降低其生产成本。

一个优选的方案是，旋光组件的第一法拉第旋光片、折射器件、旋光器件以及磁场产生器件一体封装。

由此可见，由于旋光组件内的器件体积可以做得较小，这样可以将上述器件进行一体封装，形成集成模块，简化磁光开关的封装工艺，也提高磁光开关的生产效率。

进一步的方案是，该旋光器件为第二法拉第旋光片，且第二法拉第旋光片位于磁场产生器件内。

可见，将旋光组件的两个法拉第旋光片设置在同一个磁场产生器件内，也就是安装在同一个铁芯内，这样可以减少使用一个磁场产生器件，磁光开关所使用的器件数量较少，从而降低了磁光开关的生产成本。

更进一步的方案是，第一半波片组件具有第一半波片，第一半波片位于从第一双折射晶体出射的一路光束的光路上，第二半波片组件具有第二半波片，第二半波片位于与第一半波片同一路光束的光路上。

由此可见，在一路光路上设置第一半波片以及第二半波片，分别用于调整该光路上的光束的偏振态，确保入射在法拉第旋光片的光束偏振态相同，从而确保两路光束在折射器件内具有相同的折射率，即光束的传播方向保持一致。

更进一步的方案是，第二半波片组件还具有补偿片，补偿片位于与第二半波片所在光路相对的另一路光束的光路上。

可见，在另一路光路上设置补偿片，该路光束穿过补偿片后补偿了一个相位的时间差，从而确保两路光束的传输的同步性。

附图说明

图1是现有磁光开关的结构示意图。

图2是本发明第一实施例的光学结构示意图。

图3是扩束光纤的结构示意图。

图4是本发明第一实施例的光学结构俯视图。

图5是本发明第一实施例的光学结构主视图。

图6是本发明第一实施例第一工作状态下光束偏振态的示意图。

图7是本发明第一实施例第二工作状态下光束偏振态的示意图。

图8是本发明第二实施例的光学结构示意图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的磁光器件可以实现一根输入光纤与多根输出光纤之间的切换，也可以实现多根输入光纤与一根输出光纤之间切换，即其结构可以是包括一根输入光纤与多根输出光纤或者是包括多根输入光纤与一根输出光纤，下面以包含一根输入光纤与两根输出光纤为实施例对本发明进行说明。

第一实施例：

参见图2，本实施例的磁光开关具有单光纤准直器31，单光纤准直器31内安装有一根光纤32。本实施例中，单光纤准直器31为单芯扩束光纤准直器，且光纤32为扩束光纤。在单光纤准直器31的出射端，沿光路方向依次设置有双折射晶体33、半波片组件34、旋光组件36、半波片组件43、双折射晶体46以及双光纤准直器47，双光纤准直器47内安装有两根平行的光纤48，且双光纤准直器47为双芯扩束光纤准直器，两根光纤48均为扩束光纤。

参见图3，扩束光纤32具有纤芯51以及包裹在纤芯51外的包裹层50，在靠近光纤32的端部处，纤芯51的直径迅速扩大，形成扩大区52，因此从单芯扩束光纤准直器31出射的光束的光斑直径较小。安装在双光纤准直器47内的两根光纤48也是扩束光纤，其结构与光纤32的结构相同。

本实施例中，半波片组件34具有一块半波片35，半波片35位于从双折射晶体33出射的两路光束其中一路光路上，从图2可见，半波片35位于靠近双折射晶体33的下端一侧。半波片组件43具有一块半波片44以及一块补偿片45，半波片44位于与半波片35同一路光束的光路上，而补偿片45位于与半波片44所在光束相对的另一路光束所在的光路上。从图2可见，半波片44位于靠近双折射晶体46下端的一侧，而补偿片45位于靠近双折射晶体46上端的一侧。

半波片35、44对光束有相位延迟作用，光束穿过半波片35、44后相位将发生延迟，从而改变光束的偏振态。本实施例中，光束穿过半波片35、44后相位延迟为半个相位，偏振态将发生90°的偏转。

本实施例中，通过设定半波片35、44的光轴角度以及入射到半波片35、44的线性偏振光的偏振方向的角度，可以实现半波片35、44对线性偏振光的偏振态的90°旋转。在其他的使用场合，通过改变半波片的光轴方向，线性偏振光穿过半波片后的偏振方向旋转角度不一定是90°，而是其他的角度。

补偿片45对穿过的光束有相位延迟作用，其相位延迟为一个相位，因此不会改变线性偏振光的偏振态。由于从双折射晶体33出射的两路光束中，其中一路光束将穿过两块半波片35、44，其相位发生了一个相位的延迟，为了确保两路光束的相位同步，因此需要另一路光束穿过补偿片，实现一个相位的延迟，从而确保入射到双折射晶体46的两路光束的相位同步。

旋光组件36具有折射器件，本实施例中，折射器件为沃拉斯顿棱镜37，其由两块楔形棱镜38、39组成，且两块楔形棱镜38、39的光轴相互垂直。在沃拉斯顿棱镜37的两端分别设置有法拉第旋光片40、41，其中法拉第旋光片40设置在靠近半波片组件34的一侧，而法拉第旋光片41设置在靠近半波片组件43的一侧。

在法拉第旋光片40、41外设有磁场产生器件42，磁场产生器件42包括一个环形的铁芯，在铁芯上缠绕有线圈，向线圈加载不同方向的直流电流，在铁芯上产生不同极性的磁场。并且，沃拉斯顿棱镜37、法拉第旋光片40、41均设置在磁场产生器件42内，且沃拉斯顿棱镜37、法拉第旋光片40、41以及磁场产生器件42一体封装，形成一个集成模块，如图4所示。法拉第旋光片40、41分别与沃拉斯顿棱镜37的两个侧壁邻接，且磁场产生器件42包裹在沃拉斯顿棱镜37及法拉第旋光片40、41外。

单光纤准直器31位于磁光开关的光输入端，形成一个光输入端口01，双光纤准直器47位于磁光开关的光输出端，其具有两个用于输出光束的扩束光纤48，因此形成两个光输出端口02、03。从图4可见，光输出端口02、03在Z轴方向上具有一定的距离，即光输出端口02与光输出端口03并不重叠。

参见图5与图6，偏振态为任意偏振方向的光束L11从单光纤准直器31出射后，进入双折射晶体33并分解成偏振态相互垂直的两束光束L12、L13。双折射晶体33的光轴在XOY平面内，且与X轴及Y轴均成45°的夹角。分解形成的光束L12为非寻常光，其偏振方向平行于Y轴，且从靠近双折射晶体33的上端一侧出射。光束L13为寻常光，其偏振方向平行于X轴，且从靠近双折射晶体33下端一侧出射。

光束L12从双折射晶体33出射后形成光束L14，并入射至法拉第旋光片40。光束L13从双折射晶体33出射后形成光束L15，光束L15的偏振态与光束L13的偏振态相同，其入射至半波片35并形成光束L16，光束L16的偏振态将发生90°的偏转，因此光束L16的偏振态与光束L14的偏振态相同，均是平行于Y轴。

在XOY平面上，光束L14、L16为上下分布的两束光束，但在XOZ平面上，光束L14与光束L16重叠，如图4所示，均位于光束L01的位置。

光束L14与光束L16穿过法拉第旋光片40后分别形成光束L18、L19，本实施例中，对磁场产生器件42的线圈加载正向电流，两束光束L18、L19的偏振态相对于光束L14、L16的偏振态发生45°旋转，且偏振方向是在YOZ平面内顺时针旋转45°。

光束L18、L19入射到沃拉斯顿棱镜37后偏振态不会发生改变，但会有从非寻常光到寻常光的变化，同时光的传播方向将在XOZ平面内向Z轴正方向偏折，但是偏折角度通常较小。如图4所示，光束L20、L21将沿光路L02的方向传播。

光束L18、L19穿过沃拉斯顿棱镜37后分别形成光束L20、L21，且光束L20、L21穿过法拉第旋光片41后偏振态再次发生偏转，将继续在YOZ平面内顺时针旋转45°，此时光束L20、L21的偏振方向平行于OZ轴。

然后，光束L20穿过补偿片45形成光束L22，且偏振态不会发生改变，仅仅是发生一个相位的延迟。而光束L21穿过半波片44形成光束L23，光束L23的偏振方向相对于光束L21的偏振方向发生90°的旋转，此时光束L22的偏振方向与光束L23的偏振方向相互垂直。

光束L22与光束L23入射到双折射晶体46后分别形成光束L24、L25，且偏振态不会发生改变，光束L24、L25在双折射晶体46内合光并形成光束L26入射到双光纤准直器47的光纤48中，也就是入射到光输出端口02中。并且，光束L24、L25将在图4所示的光路L04方向上传播。

可见，在磁场产生器件42上加载正向电流，可以实现从光输入端口01到光输出端口02的光路。

如果向磁场产生器件42加载反向电流，磁场产生器件42所产生的磁场极性发生改变，此时，光束L14、L16入射到法拉第旋光片40后，其偏振态将YOZ平面内逆时针旋转45°，此时光束L18、L19的偏振方向如图7所示。但在XOZ平面上，光束L14、L16仍然是沿着光路L01的方向传播。

由于向磁场产生器件42加载反向电流时，光束L18、L19的偏振方向与向磁场产生器件42加载正向电流时的偏振方向相反，而沃拉斯顿棱镜37对不同偏振态的线性偏振光有着不同的折射率，因此其传播方向也就不相同。因此，光束L18、L19在沃拉斯顿棱镜37内将沿着图4中光束L03的方向传播，即光束L18、L19将有由寻常光到非寻常光的变化，且传播方向将在XOZ平面内向Z轴负方向偏折。

光束L18、L19从沃拉斯顿棱镜37出射后形成光束L20、L21并入射到法拉第旋光片41，此时光束L20、L21的偏振方向与光束L18、L19相比再次发生偏转，光束L20、L21的偏振方向均平行于OZ轴。

光束L20穿过光轴为45°在YOZ平面内的半波片44后，偏振方向将旋转90°，光束L21穿过补偿片45后偏振方向不变，偏振态相互垂直的光束L22、L23入射到双折射晶体46后合光，并在图4中的光路L05方向上传播。合光后形成的光束L26入射到双光纤准直器47的另一根扩束光纤48中，实现光输入端口01到光输出端口03光路。

这样，通过改变加载在磁场产生器件42的电流方向，即可以改变光束的输出端口，实现开关功能。

由于光输入端的光纤32以及光输出端的光纤48均为扩束光纤，因此从单芯扩束光纤准直器31出射的光束的光斑直径较小，因此双折射晶体33、46以及旋光组件36内的器件的体积均可以做得很小，甚至将两个法拉第旋光片40、41设置在同一个磁场产生器件42内，不但减小了磁光开关的体积，并且减少磁光开关所使用的器件数量，降低其生产成本。

当然，实际应用时可以将法拉第旋光片41替换成一块半波片，该半波片用于将入射的光束的偏振态旋转45°，这样也能实现本发明的目的。当然，经过上述的改变，磁光开关的防串扰性能将大为降低，因为磁光开关不能实现对从光输出端口02、03返回的光束的隔离，因此只能应用在对防串扰性能要求不高的场合。

第二实施例：

参见图8，本实施例具有单光纤准直器61，单光纤准直器61内安装有一根光纤62。在单光纤准直器61的出射端，沿光路方向依次设置有双折射晶体63、半波片组件64、旋光组件67、半波片组件73、双折射晶体76以及双光纤准直器77，双光纤准直器77内安装有两个平行的光纤78。

单光纤准直器61为单芯扩束光纤准直器，双光纤准直器77为双芯扩束光纤准直器，且光纤62、78均为扩束光纤，即靠近光纤端部的纤芯直径迅速扩大，以便从光纤62出射的光束的光斑直径较大。

半波片组件64具有两块半波片65、66，分别位于从双折射晶体63出射的两路光束的光路上。半波片组件64的作用是将入射的两束光束的偏振态从相互垂直的状态改变为相互平行的状态，因此半波片65、66的光轴并不是平行的。

半波片组件73也是具有两块半波片74、75，也是分别位于两路不同光束光路上。半波片组件73的作用是将入射的两束光束从偏振态相互平行的状态改变为偏振态相互垂直的状态，因此半波片74、75的光轴也不是平行的。

旋光组件67具有折射器件，折射器件由两块相互邻接的楔形双折射晶体68、69构成，且双折射晶体68的光轴与双折射晶体69的光轴垂直。在折射器件靠近半波片组件64的一侧设有法拉第旋光片70，而靠近半波片组件73一侧设有法拉第旋光片71。并且，折射器件以及法拉第旋光片70、71均设置在磁场产生器件67内，折射器件以及法拉第旋光片70、71、磁场产生器件67一体封装，形成集成器件。

通过改变加载到磁场产生器件67的电流方向，可以将光束从双光纤准直器77的两根光纤78中的一根出射的状态改变为从另一个出射的状态，从而改变光传播的光路。

当然，上述实施例仅是本发明优选的实施方案，实际应用时还可有更多的改变，例如在不考虑光束的同步的情况下，可以不设置补偿片；或者，应用双光纤准直器一侧作为光输入端，而应用单光纤准直器一侧作为光输出端等，这样的改变并不会影响本发明的实施。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如折射器件的改变、旋光组件具体器件的改变等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.磁光开关，包括

沿光路方向依次设置的单光纤准直器、第一双折射晶体、第一半波片组件、旋光组件、第二半波片组件、第二双折射晶体以及双光纤准直器，所述旋光组件具有折射器件，所述折射器件靠近所述第一半波片组件的一侧设有第一法拉第旋光片，所述折射器件靠近所述第二半波片组件的一侧设有旋光器件，且所述旋光组件还设有位于所述第一法拉第旋光片外的磁场产生器件，所述旋光组件由所述折射器件、所述第一法拉第旋光片、所述旋光器件以及所述磁场产生器件构成；

其特征在于：

所述单光纤准直器为单芯扩束光纤准直器，所述单芯扩束光纤准直器内安装有一根扩束光纤，所述双光纤准直器为双芯扩束光纤准直器，所述双芯扩束光纤准直器内安装有两根扩束光纤，所述扩束光纤的纤芯靠近所述扩束光纤的端部处形成扩大区。

2.根据权利要求1所述的磁光开关，其特征在于：

所述旋光组件的所述第一法拉第旋光片、所述折射器件、所述旋光器件以及所述磁场产生器件一体封装。

3.根据权利要求1或2所述的磁光开关，其特征在于：

所述旋光器件为第二法拉第旋光片。

4.根据权利要求3所述的磁光开关，其特征在于：

所述第二法拉第旋光片位于所述磁场产生器件内。

5.根据权利要求1或2所述的磁光开关，其特征在于：

所述旋光器件为半波片。

6.根据权利要求1或2所述的磁光开关，其特征在于：

所述折射器件为沃拉斯顿棱镜或者一对相互邻接的楔形双折射晶体。

7.根据权利要求1或2所述的磁光开关，其特征在于：

所述第一半波片组件具有第一半波片，所述第一半波片位于从所述第一双折射晶体出射的一路光束的光路上。

8.根据权利要求7所述的磁光开关，其特征在于：

所述第二半波片组件具有第二半波片，所述第二半波片位于与所述第一半波片同一路光束的光路上。

9.根据权利要求8所述的磁光开关，其特征在于：

所述第二半波片组件还具有补偿片，所述补偿片位于与所述第二半波片所在光路相对的另一路光束的光路上。

10.根据权利要求1或2所述的磁光开关，其特征在于：

所述第一半波片组件及所述第二半波片组件分别设有两块半波片，同一组半波片组件中的两块半波片分别位于从所述第一双折射晶体出射的两路光束的光路上。