CN104678546A - 一种光纤光开关 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤通信领域，特别涉及一种光纤光开关。一种光纤光开关，拉锥光纤的锥形区镀有吸光膜，拉锥光纤固定在毛细管的内侧壁上，在毛细管中的液体封存混合吸光粒子；从信号光源出射的信号光和控制光源出射的控制光通过波分复用器同时注入光纤中,控制光经过锥形区时被吸光膜吸收。本发明提出的光纤光开关，结合了液体中的热对流现象，不但成本极低，而且在结构上充分的体现了光纤尺寸小的优点。将热对流效应与光吸收结合在一起，实现光开关的新结构，与现有的光开关相比，具有尺寸小、操控力强、无需接触且无损伤等优点。

Description

一种光纤光开关

技术领域

本发明属于光纤通信领域，特别涉及一种光纤光开关。

背景技术

光开关按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件，可使光路之间进行直接交换，是光网络中完成全光交换的核心器件，

最早研究的固体光开关比如电光开关、热光开关、声光开关已成功的实现工业化。其原理基本一致，即在外加场(电场、热量场、声波等)的作用下，介质的折射率发生变化，从而控制光的通断。这类光开关速度较快，寿命较长，但是其制造工艺较复杂，难以组成阵列在光纤网络中应用。集成化的微电机系统(MEMS)光开关是现在大容量交换光网络开关的主要研究方向。这种光开关的特点是不受偏振和波长的影响，适用于多路阵列，但是开关时间较长，且由于开关结构中有转动的部分，重复性、稳定性较差，开关寿命有限。

非线性干涉仪全光开关也是新型光开关之一，是利用被传导的光与波导材料的非线性相互作用实现光开关，由于这种光开关波导的截面积较小，光在其中传播时的光功率密度较高，且光与波导的非线性作用距离很长，所以可以在较低功率下实现光开关。最近以光子晶体为代表的纳米光子学全光开关出现，这种新型波导的尺寸可以小到波长数量级，集成密度大大提高，且光在光子晶体中可以无损耗的传播。但是这种光开关制作工艺较为复杂，成本也较高。Y.J.Liu(Applied Physics Letters,86,041115,2005)等人报道了一种基于液晶-聚合物复合材料2×2光开关，利用液晶折射率会随着外加电场变化而变化的原理，这种光开关的缺点是受温度影响偏大。J.W.Pritchard(Transactions On Magnetics,Vol.49,No.7,4242-4244,2013)等人提出一种磁光开关，其优点是响应速度较快，但受环境电磁干扰严重。

最近的一些研究表明,利用光热效应能够实现大量微颗粒或生物体的捕获和操控。当颗粒所处的液体环境存在整体的温度梯度时会导致颗粒沿着温度梯度的方向(一般是从高温区域到低温区域)运动。Hongbao Xin(Optics Express，19(18):17065-17074,2011)等人使用直径为几十微米的微纳光纤产生的光热效应捕获以及移动直径为2μm的二氧化硅粒子，移动粒子速度达20.5μm/s，集合粒子的速度为22.1ind/s。

CN103990379A专利中利用光泳现象制作了一种微颗粒或生物细胞的光学分离方法和装置。当当悬浮于液体环境的微小物体受到一束光照射时，物体表面和内部不均匀分布的电磁能量通过物体本身及周围液体的吸收转化成物体表面的不均匀热分布，从而引起颗粒按一定方向进行运动，不同颗粒的大小以及折射率不同，受到的光泳力不同就可以在液体环境中发生光学分离。只有尺寸比较大、折射率较高的颗粒才能够获得大的光泳力，在本专利中，引起液体内部的温度梯度的变化是由吸收膜对控制光进行吸收后产生的热源造成的，热对流可以大量并且迅速的带动粒子流动，对粒子的尺寸和折射率没有要求，仅要求其吸收光谱包括信号光源发出的光。

专利CN102495479A公开发明了一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关，通过不同的外加电压改变石墨烯的透射率，以光在微纳光纤中的倏逝场传播原理为基础，达到对光从输入端微纳光纤耦合入输出端微纳光纤的控制，这种方法有着光纤光开关的种种优点，并且可以有效减低驱动电压，减少开关响应时间，由于石墨烯薄膜的成本比较高，而且其构造的复杂限制了光开关的尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺寸小、操控力强、无需接触且无损伤的光纤光开关。

本发明的目的是这样实现的：

一种光纤光开关，拉锥光纤1的锥形区2镀有吸光膜3，拉锥光纤固定在毛细管4的内侧壁上，在毛细管中的液体6封存混合吸光粒子5；从信号光源7出射的信号光9和控制光源8出射的控制光10通过波分复用器11同时注入光纤1中,控制光10经过锥形区2时被吸光膜3吸收，吸光膜3释放热量被在毛细管4中封闭的液体中形成热对流，使吸光粒子5聚集在锥形区2上，吸光粒子5吸收信号光9导致信号光9不能通过光纤1，光开关呈关闭状态，当关掉控制光源8时，吸光粒子5由于重力作用离开光纤1，信号光9通过光纤1，实现信号光9在光纤开关中的通断。

将拉锥光纤的锥形区镀上吸光膜并将其固定在封装了混合吸光粒子的液体的毛细管侧壁上,从信号光源和控制光源出射的信号光和控制光通过波分复用器同时注入光纤纤芯中,经过位于毛细管侧壁的镀有吸光膜的锥形区时控制光被吸收，毛细管中的液体吸收热量形成热对流，带动吸光粒子聚集在光纤锥区，吸收信号光使信号光不能通过光纤，此时光开关呈关闭状态，当关掉控制光源时，吸光粒子由于重力作用离开光纤，信号光可以通过开关。

拉锥光纤是单芯光纤、多芯光纤、单模光纤或多模光纤。

波分复用器是根据控制光和信号光的不同波长而选择的，其中控制光源与信号光源所发出的光波长不相同。

锥形区镀有的吸光膜的只吸收控制光源所发出的光并且不吸收信号光源发出的光。

吸光粒子只吸收信号光源发出的光并且不吸收控制光源发出的光。

吸光粒子是直径为微米或者纳米量级的圆形粒子。

本发明的有益效果在于：

本专利提出的光纤光开关，结合了液体中的热对流现象，不但成本极低，而且在结构上充分的体现了光纤尺寸小的优点。将热对流效应与光吸收结合在一起，实现光开关的新结构，与现有的光开关相比，具有尺寸小、操控力强、无需接触且无损伤等优点。

附图说明

图1为光纤光开关整体结构示意图。

图2为光纤光开关横截面示意图。

图3为光纤光开关为关闭状态时光纤拉锥区域时的示意图。

图4为光纤光开关为关闭状态时光纤拉锥区域的横截面示意图。

具体实施方式

本发明将拉锥光纤的锥形区镀上吸光膜并将其固定在封装了混合吸光粒子的液体的毛细管侧壁上,从信号光源和控制光源出射的信号光与控制光通过波分复用器同时注入光纤纤芯中,经过位于毛细管侧壁的镀有吸光膜的锥形区时控制光被吸收，形成热源，在毛细管中的液体吸收热量形成热对流，带动吸光粒子聚集在光纤锥区，吸收信号光使信号光不能通过光纤，此时光开关呈关闭状态，当关掉控制光源时，吸光粒子由于重力作用离开光纤，信号光可以通过开关。

所述的光纤光开关，其特征在于所述的拉锥光纤可以是单芯光纤或者是多芯光纤，单模光纤或者多模光纤。

所述的光纤光开关，其特征在于使用的波分复用器是根据控制光和信号光的不同波长而选择的，其中控制光源与信号光源所发出的光波长不相同。

所述的光纤光开关，其特征在于所述的锥形区镀有的吸光膜的只吸收控制光源所发出的光并且不吸收信号光源发出的光。

所述的光纤光开关，其特征在于所述的吸光粒子只吸收信号光源发出的光并且不吸收控制光源发出的光。

所述的光纤光开关，其特征在于所述的吸收性粒子可以是直径为微米或者纳米量级的圆形粒子。

工作原理：

波长不同的信号光和控制光经过波分复用器同时耦合入光纤中，当控制光经过被封入毛细管内的光纤拉锥区时会被上面镀有的只吸收控制光的吸光膜吸收并产生热量，热量被周围被封入毛细管内的液体吸收产生热对流，由于温度不同密度梯度变化，重力作用引起低温高密度流体自上而下流动，高温低密度流体自下而上流动，液体热对流带动液体中的吸光粒子进行向上的循环运动，吸光粒子被带动聚集在光纤拉锥区域，如图3、4，吸光粒子对信号光进行吸收，信号光无法通过光纤，此时光开关即为关闭状态。把控制光源关闭时，毛细管中液体的热源消失，液体环境趋于平稳，聚集在光纤锥区的吸光粒子由于重力作用离开光纤锥区，此时信号光就可以通过光纤，光开关为开启状态。

图1中1为拉锥后的光纤，2为在锥形区域，3为镀在光纤锥形区域上的吸光膜，4为毛细管，5为吸光粒子，6为被封装入毛细管的液体，7为信号光源，8为控制光源，9为信号光，10为控制光，11为波分复用器。

图2中1为拉锥后的光纤，3为镀在光纤锥形区域上的吸光膜，4为毛细管，5为吸光粒子，6为被封装入毛细管的液体，9为信号光，10为控制光。

图3中1为拉锥后的光纤，2为在锥形区域，3为镀在光纤锥形区域上的吸光膜，4为毛细管，5为吸光粒子，6为被封装入毛细管的液体，7为信号光源，8为控制光源，9为信号光，10为控制光，11为波分复用器。

图4中1为拉锥后的光纤，2为在锥形区域，3为镀在光纤锥形区域上的吸光膜，4为毛细管，5为吸光粒子，6为被封装入毛细管的液体，9为信号光，10为控制光，12为液体热对流流动方向示意图。

实施例

1.选择633nm光源作为信号光源，980nm光源作为控制光源，根据信号光和控制光选择633nm和980nm的波分复用器以及633nm的单模光纤。

2.进行光纤的预处理，选取一段633nm单模光纤，长度约1m作用，使用米勒钳剥除光纤中段的涂覆层约30mm，用酒精将光纤包层清洗干净。

3.将处理好的光纤裸纤区域放置于拉锥机火头正下方，加热温度为1800℃，加热至熔融状态，进行熔融拉锥，直至拉出直径5μm、长度在10mm左右的锥形结构。

4.利用真空磁控溅射技术在步骤2拉锥后的光纤的锥区镀上均匀的50nm厚的Si3N4膜，形成长度为3mm的镀膜锥区。

5.将通过步骤3处理后的光纤进行清洁去除其表面的杂质。

6.将清洁后的镀膜光纤锥区套入约15mm长的毛细玻璃管中，并用环氧胶密封一端，在毛细玻璃管的另一端注入混合了直径为40nm的铜粒子的水溶液，并用环氧胶密封毛细玻璃管的另一端。

将波长为980nm的控制光源和波长为633nm的信号光源的输出尾纤与波分复用器的两个输入端进行焊接，并把波分复用器的输出端与经过步骤6处理之后的光纤一端进行焊接，这样控制光和信号光通过波分复用器耦合进入光纤光开关的一端，当控制光源开启时，光开关出射端没有信号光出射，光开关既处于关闭状态；当控制光源关闭时，光开关出射端有信号光出射，光开关既处于开启状态。

Claims (7)

1.一种光纤光开关，其特征在于：拉锥光纤(1)的锥形区(2)镀有吸光膜(3)，拉锥光纤固定在毛细管(4)的内侧壁上，在毛细管中的液体(6)封存混合吸光粒子(5)；从信号光源(7)出射的信号光(9)和控制光源(8)出射的控制光(10)通过波分复用器(11)同时注入光纤(1)中,控制光(10)经过锥形区(2)时被吸光膜(3)吸收，吸光膜(3)释放热量被在毛细管(4)中封闭的液体中形成热对流，使吸光粒子(5)聚集在锥形区(2)上，吸光粒子(5)吸收信号光(9)导致信号光(9)不能通过光纤(1)，光开关呈关闭状态，当关掉控制光源(8)时，吸光粒子(5)由于重力作用离开光纤(1)，信号光(9)通过光纤(1)，实现信号光(9)在光纤开关中的通断。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光开关，其特征在于：将拉锥光纤的锥形区镀上吸光膜并将其固定在封装了混合吸光粒子的液体的毛细管侧壁上,从信号光源和控制光源出射的信号光和控制光通过波分复用器同时注入光纤纤芯中,经过位于毛细管侧壁的镀有吸光膜的锥形区时控制光被吸收，毛细管中的液体吸收热量形成热对流，带动吸光粒子聚集在光纤锥区，吸收信号光使信号光不能通过光纤，此时光开关呈关闭状态，当关掉控制光源时，吸光粒子由于重力作用离开光纤，信号光可以通过开关。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光开关，其特征在于：所述的拉锥光纤是单芯光纤、多芯光纤、单模光纤或多模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光开关，其特征在于：所述的波分复用器是根据控制光和信号光的不同波长而选择的，其中控制光源与信号光源所发出的光波长不相同。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光开关，其特征在于：所述的锥形区镀有的吸光膜的只吸收控制光源所发出的光并且不吸收信号光源发出的光。

6.根据权利要求1所述的一种光纤光开关，其特征在于：所述的吸光粒子只吸收信号光源发出的光并且不吸收控制光源发出的光。

7.根据权利要求1所述的一种光纤光开关，其特征在于：所述的吸光粒子是直径为微米或者纳米量级的圆形粒子。