CN104391384A - 一种基于声光作用的全光纤多路延迟线切换开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声光作用的全光纤延迟线切换开关，其基本结构包括楔形的超声换能器、以及由超声驱动的多组顺次相接的声光话路耦合器。本发明能在全光纤结构中实现单一波长信号在不同延迟线输出通道间的切换，具有成本低、响应时间快、插入损耗小、光谱宽度大、结构紧凑以及延迟线数量易于扩展的优点。

Description

一种基于声光作用的全光纤多路延迟线切换开关

技术领域

本发明涉及一种新型的基于声光相互作用的全光纤多通道光开关，属于光通讯与光信息处理领域。 

背景技术

在光通讯和光信息处理领域，延迟线起着至关重要的作用[1]，比如在光学传感和测量系统中参与信号的传输和调制，在光纤通信系统中实现信号的编码与缓存，在光控相控阵雷达系统中实现微波信号的精确控制与相位分配。延迟线一般包括光纤延迟线、声表面波延迟线、电荷耦合器件延迟线、同轴电缆延迟线、静磁波延迟线和超导延迟线等[2-5]。其中光纤延迟线具有最高的延时带宽乘积、最高的工作频率以及与频率无关的单位延时损耗等优势。光纤延迟线已经从最开始的单根光纤发展到现阶段具有复杂结构的独立器件，主要分为固定光纤延迟线和可调光纤延迟线两类[6]，而其中可调光纤延迟线发挥着更加重要的作用。可调光纤延迟线的一种重要实现方法是将多根固定光纤延迟线和光开关进行组合，利用光开关的通道切换功能将光信号导入不同的固定光纤延迟线，从而获得不同的光信号延迟量。在这样的可调光纤延迟线系统中，光开关的性能起着决定性作用。 

机械式光开关是常见的用于光纤延迟线的光开关[7]，由于其改变光信号传输通路的根本方法是采用机械移动光学元件，因而存在响应时间较长、开关寿命有限、重复性较差以及稳定性不足等缺陷。另外，机械式光开关一般需要将光纤中传输的光波信号导出到反射镜和耦合镜等空间光学元件里，导致存在比较大的插入损耗，这也是非全光纤延迟线所具有的共同缺点。 

发明内容

基于现有技术中存在的问题，本发明经过长期研究，提出了一种基于声光作用的全光纤延迟线切换开关。本发明的意义在于：解决现有可调光纤延迟线系统中机械式光开关响应时间较长、稳定性较差以及插入损耗较大等问题。 

依据本发明的技术方案，全光纤延迟线切换开关包括一个楔形超声换能器组件、以及粘接于超声换能器组件顶端顺次相接的声光话路耦合器。整体的结构如图1所示。 

该延迟线切换开关由n组粘接在超声换能组件和氟化镁衬底上的声光话路耦合器组成。 

其中，多组声光话路耦合器的输出n’端与相邻的下一组耦合器的输入端(即输入n+1)顺次相连，同时锥形光纤输出n端为切换开关的输出端口。 

优选地，开关通道的数量由声光话路耦合器的组数决定 

进一步地，每根通道的切换由超声换能器的工作频率决定，通道的共振频率由声光话路耦合器中声光光纤的直径及加载的张力决定。 

本发明的基于声光作用的全光纤延迟线切换开关的基本结构包括楔形的超声换能器、以及由超声驱动的多组顺次相接的声光话路耦合器。本发明能在全光纤结构中实现单一波长信号在不同延迟线输出通道间的切换，具有成本低、响应时间快、插入损耗小、光谱宽度大、结构紧凑以及延迟线数量易于扩展的优点。 

附图说明

图1为基于声光作用的全光纤延迟线切换开关原理示意图； 

图2为基于声光作用的全光纤延迟线切换开关的连接逻辑关系图； 

图3为依据本发明的双耦合器示意图； 

图4为当所加超声波信号的频率让光开关切换到通道1时，两个通道的滤波器(上通道)透射谱与锥形光纤(下通道)透射谱； 

图5为当所加超声波信号的频率让光开关切换到通道2时，两个通道的滤波器(上通道)透射谱与锥形光纤(下通道)透射谱； 

图6为基于声光作用的全光纤延迟线切换开关组成的延迟线系统延迟量测试原理示意图； 

图7为200米光纤延迟线和400米光纤延迟线分别接于通道1和2时的延迟量测试结果； 

图8为基于声光作用的全光纤延迟线切换开关的响应时间测试结果。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但是该实施例不应理解为对本发明的限制。 

图1为基于声光作用的全光纤延迟线切换开关原理示意图，全光纤延迟线切换开关包括楔形超声角锥与n个声光话路耦合器，图1中上部给出了声光话路耦合器的放大示意图。 

图2为基于声光作用的全光纤延迟线切换开关的连接逻辑关系图。 

图3为在本发明全光纤延迟线切换开关中的双耦合器示意图，其附图标记具体为：1-压电陶瓷片，2-楔形超声聚能器，3-吸声材料，4-超声信号发生器，5-主通路光信号输入光纤，6-耦合器1的声光光纤，7-耦合器2的声光光纤，8-低折射率氟化镁玻璃，9-耦合器1的锥形光纤，10-耦合器2的锥形光纤，11-主通路光信号输出光纤。 

图4为当所加超声波信号的频率让光开关切换到通道1时，两个通道的滤波器(上通道)透射谱与锥形光纤(下通道)透射谱。 

图5为当所加超声波信号的频率让光开关切换到通道2时，两个通道的滤波器(上通道)透射谱与锥形光纤(下通道)透射谱。 

图6为基于声光作用的全光纤延迟线切换开关组成的延迟线系统延迟量测试原理示意图，其附图标记具体为：5-主通路光信号输入光纤，9-耦合器1的锥形光纤(输出1)，10-耦合器2的锥形光纤(输出2)，11-主通路光信号输出光纤(输出3)，12-光纤延迟线1，13-光纤延迟线2，14-3dB耦合器1，15-可调光衰减器，16-3dB耦合器2。 

图7为200米光纤延迟线和400米光纤延迟线分别接于通道1和2时的延迟量测试结果。 

图8为基于声光作用的全光纤延迟线切换开关的响应时间测试结果。 

本发明提供的全光纤延迟线切换开关，包括一个楔形超声换能器组件、以及粘接于超声换能器组件顶端顺次相接的声光话路耦合器。整体的结构如图1所示。其中，楔形超声换能器组件包括一个用于将电信号转化为超声波信号的压电陶瓷片，粘接在压电陶瓷片上面的楔形超声聚能器，以及粘接在压电陶瓷片下面的吸声材料。声光话路耦合器与超声换能器组件粘接的部分为去除了涂覆层的裸 光纤，且采用化学腐蚀法将裸光纤直径减小到适合声光作用的尺寸。裸光纤与锥形光纤组在低折射率氟化镁衬底上平行紧贴，且紧贴区域浸于折射率匹配液中。超声波在裸光纤中传播时遇到折射率匹配液就会被吸收，从粘接处到折射率匹配液的这一区间称为声光作用区。浸在折射率匹配液中的紧贴区域称为耦合分束区。 

多个声光话路耦合器顺次相接，如图1所示。对于第n个声光话路耦合器，它的输入n端口与上一个耦合器的输出(n-1)’端口相接，输出n’端口与下一个耦合器的输入n+1相接，输出n端口为切换开关的输出端口。切换开关的输出端口数总量由耦合器的数量决定，即：当切换开关耦合器的数量为n时，开关的有效输出端口数量为n+1。 

该延迟线切换开关的光路连接逻辑关系如图2所示。需要延迟的光信号导入开关输入端口后，光信号会依次通过串联在一起的n个切换开关单元(即声光话路耦合器)，每个切换开关单元的工作频率各不相同，当加在压电陶瓷片(见图3)上的射频信号频率为fn时，则第n个切换开关单元处于打开状态，几乎全部光信号就从输出n端口输出，只会有少量残余光信号进入下一个切换开关单元；与此同时，其它所有切换开关单元均会处于关闭状态，其从上一个开关单元接收到的光信号会全部导入下一个开关单元。如果压电陶瓷片上没有加载射频信号，则光信号会顺次通过以上n个切换开关单元，最后从输出n+1端口输出。 

基于声光作用的全光纤延迟线切换开关的光学原理如下：超声信号发生器产生的超声电信号经过超声换能器器组件转化为同频率的超声波，该超声波在光纤绕组与超声聚能器顶端的粘接处传入光纤绕组，引起裸光纤部分周期性微弯，进而造成光纤中光信号传播的折射率周期性调制，这样在光纤上利用声光作用形成了长周期光纤光栅。利用声光作用产生的长周期光纤光栅的透射谱特点为特定波长的窄带滤波，因此又称该结构为声光可调谐滤波器，其中被滤掉的光经过声光作用区域后从纤芯模耦合到包层模。利用声光可调谐滤波器和锥形光纤进行侧向倏逝波耦合，可以将这部分包层模光波耦合到锥形光纤，从而形成上下通道耦合器[10]。改变超声波驱动信号的频率，可以对声光可调谐滤波器和上下道耦合器的中心波长进行调谐。基于这样的调谐性能，对于特定波长的输入光，可以通过改变超声波驱动信号的频率来调节锥形光纤下通道处于开或关的状态。 

实施例1： 

本实施例为依据本发明的技术方案，按照测试的需要，进行了原理性的测试，在实施例中，以楔形声光驱动角锥驱动两个声光话路耦合器进行原理性验证。实验的设置如图3所示。所用楔形超声聚能器材质为铝，楔形超声聚能器尺寸为8mm×8mm×5mm，吸声材料为黄铜，压电陶瓷尺寸为10mm×10mm，谐振频率为1MHz。所用光纤均为康宁公司生产的G.652.D单模光纤，其中声光话路耦合器中的锥形光纤是由单模光纤采用火焰加热熔融拉锥法制作成的。 

当超声信号驱动频率为0.903MHz时，对于1557nm波长的光，图3中声光话路耦合器1的输出1端口工作；同时，声光话路耦合器2的输出2端口不工作。相应两个输出端口的透射谱如图4所示。可以看出，如果将工作波长设置在1557nm处，那么当输出1处于开的状态时，插入损耗为-7dB，此时输出2的损耗为-28dB，因此输出2造成的噪音相较输出1为-21dB，也即通道1处于开状态时的信噪比为21dB。 

当超声信号驱动频率为0.943MHz时，对于1557nm波长的光，输出1处于关的状态，输出2处于开的状态，相应的透射谱如图5所示。可以看出，如果将工作波长设置在1557nm，那么当输出2处于开的状态时，插入损耗为-7dB，此时输出1的损耗为-32dB，因此输出1造成的噪音为-25dB，也即输出2处于开状态时的信噪比为25dB。 

当无超声信号时，入射光将全部从如图3所示的主通路光信号输出光纤(即输出3)通过。 

利用上述全光纤开关实现光纤延迟线切换的光路如图6所示，可调谐激光器产生的1557nm单波长激光，经过掺铒光纤放大器功率放大后导入电光调制器产生脉冲信号序列。该脉冲序列经过基于声光作用的全光纤光开关后，根据开关的工作状态，可以有选择性地从三个输出端口输出，然后将三个输出端口利用3dB耦合器进行合束，将合束后的脉冲信号导入光探测器，最后利用示波器对光探测器探测到的脉冲光强变化进行显示及处理。 

将本发明所述延迟线开关利用不同的超声频率打开不同的开关通道时，所对应的延迟量测试结果如图7所示。当不加超声信号时，示波器上显示的脉冲信号为无延迟信号(参考信号)；当超声信号驱动频率为0.903MHz时，示波器上显 示的脉冲信号为输出1处于打开状态的延迟信号，如图6所示，对应光纤延迟线长度为200米，根据示波器数据处理结果，延迟量检测为1.0微秒；当超声信号驱动频率为0.943MHz时，示波器上显示的脉冲信号为输出2处于打开状态的延迟信号，如图6所示，对应光纤延迟线长度为400米，根据示波器数据处理结果，延迟量检测为2.0微秒。 

最后，对延迟线开关的响应时间进行测试。以输出1的开关作为示例，将信号发生器产生的频率为0.903MHz超声驱动信号交替调节为开和关的状态时，恒定功率的1557nm单波长入射光经过声光话路耦合器1后，由光探测器接收到的光强时间响应曲线如图8所示，可以测出输出1的开关响应时间为118微秒。 

本发明解决了机械式光开关响应时间较长、稳定性较差以及插入损耗较大等问题。基于声光作用的全光纤光开关，开关响应时间取决于声波在光纤中声光作用区域的传播时间，由于声波在光纤中的传播速度高达1000m/s量级，而声光作用区域只有厘米量级，因而基于声光作用的全光纤光开关响应时间能够达到微秒量级，相比机械式的光开关响应速度提高了三个数量级。此外，基于声光作用的全光纤光开关，超声波信号与光波信号的产生与传输均不涉及机械式调整或移动，因而系统稳定性较高。而且，基于声光作用的全光纤光开关，光波信号全在光纤里传输，不涉及与空间光学元件的耦合问题，因此系统插入损耗较小，便于与现有光纤通信系统直接连接。 

引入以上优点的同时，本发明还可以方便地对延迟线开关系统进行扩容，只需要增加粘接在超声换能器顶端的光纤绕组和与之相匹配的锥形光纤组即可增加延迟线通道数量。 

上述说明示出并描述了本发明的优选实例，但如前面所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看做是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化并不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。 

Claims (4)

1.一种基于声光作用的全光纤延迟线切换开关，其特征在于：该切换开关包括唯一的楔形超声换能器及其驱动的多组声光话路耦合器。 

2.根据权利要求1所述的全光纤延迟线切换开关，其特征在于：多组声光话路耦合器的单模光纤输出n’端与相邻的下一组耦合器的输入端(即输入n+1)顺次相连，锥形光纤输出n端为延迟线切换开关的输出端口。 

3.根据权利要求1所述的全光纤延迟线切换开关，其特征在于：开关通道的数量由声光话路耦合器的组数决定 。

4.根据权利要求1所述的全光纤延迟线切换开关，其特征在于：每根通道的切换由超声换能器的工作频率决定，通道的共振频率由声光话路耦合器中声光光纤的直径及加载的张力决定。