CN109324373B - 基于环形谐振腔的全光双控可调光开关 - Google Patents
基于环形谐振腔的全光双控可调光开关 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于环形谐振腔的全光双控可调光开关，克服了目前光开关结构复杂、体积大、难以全光集成及双控、难以连续控制输出光强的问题，该可调光开关包括偏振控制器、光栅、3×3耦合器、两个环形波导、两个可调光衰减器和输出波导，偏振控制器的光输出端连接光栅的光输入端，光栅的光输出端连接3×3耦合器的第一光输入端，第一环形波导分别连接3×3耦合器的第二光输入端、第二光输出端，第二环形波导分别连接3×3耦合器的第三光输入端、第三光输出端，3×3耦合器的第一光输出端连接输出波导的光输入端；本发明结构简单、体积小，实现输出光强的连续调节，且调节两个可调光衰减器的衰减系数都可分别实现输出光强的连续调节。
Description
技术领域
本发明涉及光开关的技术领域，具体涉及一种基于环形谐振腔的全光双控可调光开关。
背景技术
光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口的光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作。在光传输系统中，光开关可用于多重监视器、LAN、多光源、探测器、保护以太网的转换等；在光测试系统中，光开关可用于光学设备测试、网络测试、光学传感多点监测等。
依据光开关的不同原理，可将光开关分为几种类型，如：传统机械光开关、微机械光开关、热光开关、液晶光开关、电光开关和声光开关等，有些光开关具有插入损耗低、串扰小、重复性好、与输入光频率无关、价格便宜等优点，在不同场合得到了广泛的应用。
但是，传统的光开关通常结构复杂、体积大，不易做成大型的光开关矩阵，有时还存在回跳抖动和重复性差的问题，特别是，存在非光学器件，不利于光开关的全光集成；控制方式单一，难以实现开关的双控；只有“开”或“关”两种状态，无法实现输出光强的连续控制。
发明内容
基于以上不足之处，本发明提供一种基于环形谐振腔的全光双控可调光开关，其全部由光学器件构成，可实现全光集成，克服了目前光开关结构复杂、体积大、难以全光集成及双控、难以连续控制输出光强的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种基于环形谐振腔的全光双控可调光开关，包括偏振控制器、光栅、3×3耦合器、第一环形波导、第一可调光衰减器、输出波导、第二环形波导和第二可调光衰减器，偏振控制器的光输入端为本开关的光输入端，输出波导的光输出端为本开关的光输出端；偏振控制器的光输出端连接光栅的光输入端，光栅的光输出端连接3×3耦合器的第一光输入端，第一环形波导分别连接3×3耦合器的第二光输入端、第二光输出端，第二环形波导分别连接3×3耦合器的第三光输入端、第三光输出端，3×3耦合器的第一光输出端连接输出波导的光输入端；所述的第一可调光衰减器和第二可调光衰减器的衰减系数能够调节；
当第一可调光衰减器的衰减系数最大时，频率为本开关工作频率的光无法通过第一可调光衰减器，当第二可调光衰减器的衰减系数最大时，频率为本开关工作频率的光无法通过第二可调光衰减器；
所述的3×3耦合器、第一环形波导、第一可调光衰减器构成第一环形谐振腔；所述的3×3耦合器、第二环形波导、第二可调光衰减器构成第二环形谐振腔；其中一个环形谐振腔的波导长度是另一个环形谐振腔的波导长度的正整数倍；所述的第一环形谐振腔的谐振频率与第二环形谐振腔的谐振频率相同，均为本开关的工作频率；当第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导通过3×3耦合器发生共同的相互作用时，频率为工作频率的光依次经3×3耦合器、输出波导输出；所述的光栅为窄带宽透射光栅，其透射谱中心频率为本开关的工作频率；分别调节第一可调光衰减器的衰减系数和第二可调光衰减器的衰减系数，能够连续控制输出光强。
本发明还具有如下技术特征：
1、当第一可调光衰减器的衰减系数不是最大时，光能够通过第一可调光衰减器，并在第一环形谐振腔中发生谐振，当第二可调光衰减器的衰减系数最小时，光通过第二可调光衰减器，并在第二环形谐振腔中发生谐振，频率为本开关工作频率的光经3×3耦合器、输出波导输出，本开关处于“打开”状态；当第二可调光衰减器的衰减系数逐渐增大时，第二环形谐振腔中的损耗逐渐增大，频率为工作频率的光经3×3耦合器、输出波导输出，但透射率逐渐减小，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调。
2、当第一可调光衰减器的衰减系数最大时，光无法通过第一可调光衰减器，第一环形谐振腔不通光，当第二可调光衰减器的衰减系数最小时，光可通过第二可调光衰减器，并在第二环形谐振腔中发生谐振，此时，第二环形谐振腔中的损耗最小，因此，频率为工作频率的光无法经3×3耦合器、输出波导输出，本开关处于“关闭”状态；当第二可调光衰减器的衰减系数逐渐增大时，第二环形谐振腔中的损耗逐渐增大，因此，频率为本开关工作频率的光经3×3耦合器、输出波导输出，但透射率逐渐增大，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调。
3、当第二可调光衰减器的衰减系数不是最大时，光可通过第二可调光衰减器，并在第二环形谐振腔中发生谐振，当第一可调光衰减器的衰减系数最小时，光通过第一可调光衰减器，并在第一环形谐振腔中发生谐振，频率为本开关工作频率的光经3×3耦合器、输出波导输出，本开关处于“打开”状态；当第一可调光衰减器的衰减系数逐渐增大时，第一环形谐振腔中的损耗逐渐增大，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导间共同的相互作用逐渐减弱，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器、输出波导输出，但透射率逐渐减小，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调。
4、当第二可调光衰减器的衰减系数最大时，光无法通过第二可调光衰减器，第二环形谐振腔不通光，当第一可调光衰减器的衰减系数最小时，光可通过第一可调光衰减器，并在第一环形谐振腔中发生谐振，此时，第一环形谐振腔中的损耗最小，因此，频率为本开关工作频率的光无法经3×3耦合器、输出波导输出，本开关处于“关闭”状态；当第一可调光衰减器的衰减系数逐渐增大时，第一环形谐振腔中的损耗逐渐增大，因此，频率为工作频率的光经3×3耦合器、输出波导输出，但透射率逐渐增大，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调。
5、当第一可调光衰减器的衰减系数最大，且第二可调光衰减器的衰减系数也最大时，光无法通过第一可调光衰减器、第二可调光衰减器，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔均不通光，光直接经3×3耦合器、输出波导输出，本开关处于“打开”状态。
本发明结构简单、体积小，全部由光学器件构成，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导通过一个3×3耦合器发生相互作用，利用两个可调光衰减器分别连续调节两个环形谐振腔内的损耗，从而控制第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导间的相互作用，实现输出光强的连续调节，且调节两个可调光衰减器的衰减系数都可分别实现输出光强的连续调节。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：
实施例1
结合图1说明本实施方式，一种基于环形谐振腔的全光双控可调光开关，由偏振控制器1、光栅2、3×3耦合器3、第一环形波导4、第一可调光衰减器5、输出波导6、第二环形波导7、第二可调光衰减器8组成；
偏振控制器1的光输入端为本发明的光输入端，输出波导6的光输出端为本发明的光输出端；偏振控制器1的光输出端连接光栅2的光输入端，光栅2的光输出端连接3×3耦合器3的第一光输入端，第一环形波导4连接3×3耦合器3的第二光输入端、第二光输出端，第二环形波导7连接3×3耦合器3的第三光输入端、第三光输出端，3×3耦合器3的第一光输出端连接输出波导6的光输入端；
所述的第一可调光衰减器5、第二可调光衰减器8，二者的衰减系数是可调的，当第一可调光衰减器5的衰减系数最大时，频率为工作频率的光无法通过第一可调光衰减器5，当第二可调光衰减器8的衰减系数最大时，频率为工作频率的光无法通过第二可调光衰减器8；所述的3×3耦合器3、第一环形波导4、第一可调光衰减器5构成第一环形谐振腔；所述的3×3耦合器3、第二环形波导7、第二可调光衰减器8构成第二环形谐振腔；其中一个环形谐振腔的波导长度是另一个环形谐振腔的波导长度的正整数倍；所述的第一环形谐振腔的谐振频率与第二环形谐振腔的谐振频率相同，均为本发明的工作频率；当第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导6通过3×3耦合器3发生共同的相互作用时，频率为工作频率的光可经3×3耦合器3、输出波导6输出；所述的光栅2为窄带宽透射光栅，其透射谱中心频率为本发明的工作频率；本发明中，输出光强的控制，是通过调节第一可调光衰减器5的衰减系数、第二可调光衰减器8的衰减系数实现的，且分别调节第一可调光衰减器5的衰减系数、第二可调光衰减器8的衰减系数，都可连续控制输出光强，即“双控”。
工作原理：所述的3×3耦合器3、第一环形波导4、第一可调光衰减器5构成第一环形谐振腔；所述的3×3耦合器3、第二环形波导7、第二可调光衰减器8构成第二环形谐振腔；第一环形谐振腔、第二环形谐振腔，二者的波导长度是相关的，其中一个环形谐振腔的波导长度是另一个环形谐振腔的波导长度的正整数倍，因此，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔具有一些相同的谐振频率；由于本发明中，光栅2的透射谱中心频率、第一环形谐振腔的谐振频率、第二环形谐振腔的谐振频率相同，均为本发明的工作频率，因此，通过光栅2的光可在第一环形谐振腔、第二环形谐振腔中发生谐振；
本发明中，当第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导6通过3×3耦合器3发生共同的相互作用时，可在输出波导6的透射谱中产生一个以工作频率为中心频率的透射峰，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器3、输出波导6输出；
当第一环形谐振腔中的损耗逐渐增大或第二环形谐振腔中的损耗逐渐增大，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导6间共同的相互作用逐渐减弱，输出波导6的透射谱中工作频率处的透射率逐渐减小，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器3、输出波导6输出，但透射率逐渐减小；
当第一环形谐振腔不通光时，只有第二环形谐振腔、输出波导6通过3×3耦合器3发生相互作用。当第二环形谐振腔中的损耗最小时，第二环形谐振腔、输出波导6间处于临界耦合状态，输出波导6的透射谱中产生一个以工作频率为中心频率的吸收峰，且工作频率的透射率为0，因此，频率为工作频率的光无法经3×3耦合器3、输出波导6输出；当第二环形谐振腔中的损耗逐渐增大，输出波导6的透射谱中工作频率处的透射率逐渐增大，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器3、输出波导6输出，但透射率逐渐增大；
当第二环形谐振腔不通光时，只有第一环形谐振腔、输出波导6通过3×3耦合器3发生相互作用。当第一环形谐振腔中的损耗最小时，第一环形谐振腔、输出波导6间处于临界耦合状态，输出波导6的透射谱中产生一个以工作频率为中心频率的吸收峰，且工作频率的透射率为0，因此，频率为工作频率的光无法经3×3耦合器3、输出波导6输出；当第一环形谐振腔中的损耗逐渐增大，输出波导6的透射谱中工作频率处的透射率逐渐增大，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器3、输出波导6输出，但透射率逐渐增大；
当第一环形谐振腔、第二环形谐振腔均不通光时，光直接经3×3耦合器3、输出波导6输出；
如图1所示，光由偏振控制器1的光输入端输入，利用偏振控制器1选择光的偏振态，偏振控制器1的输出光进入光栅2，由于光栅2为窄带宽透射光栅，且光栅2的透射谱中心频率为工作频率，因此，只有中心频率为工作频率的这部分光能通过光栅2，且这部分光能在第一环形谐振腔、第二环形谐振腔中发生谐振，光栅2的输出光经3×3耦合器3，进入第一环形谐振腔、第二环形谐振腔；
当第一可调光衰减器5的衰减系数不是最大时，光可通过第一可调光衰减器5，并在第一环形谐振腔中发生谐振。当第二可调光衰减器8的衰减系数最小时，光可通过第二可调光衰减器8，并在第二环形谐振腔中发生谐振，此时，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导6通过3×3耦合器3发生共同的相互作用，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器3、输出波导6输出，本开关处于“打开”状态；当第二可调光衰减器8的衰减系数逐渐增大时，第二环形谐振腔中的损耗逐渐增大，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导6间共同的相互作用逐渐减弱，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器3、输出波导6输出，但透射率逐渐减小，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调；
当第一可调光衰减器5的衰减系数最大时，光无法通过第一可调光衰减器5，第一环形谐振腔不通光，只有第二环形谐振腔、波导6通过3×3耦合器3发生相互作用。当第二可调光衰减器8的衰减系数最小时，光可通过第二可调光衰减器8，并在第二环形谐振腔中发生谐振，此时，第二环形谐振腔中的损耗最小，因此，频率为工作频率的光无法经3×3耦合器3、输出波导6输出，本开关处于“关闭”状态；当第二可调光衰减器8的衰减系数逐渐增大时，第二环形谐振腔中的损耗逐渐增大，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器3、输出波导6输出，但透射率逐渐增大，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调；
当第二可调光衰减器8的衰减系数不是最大时，光可通过第二可调光衰减器8，并在第二环形谐振腔中发生谐振。当第一可调光衰减器5的衰减系数最小时，光可通过第一可调光衰减器5，并在第一环形谐振腔中发生谐振，此时，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导6通过3×3耦合器3发生共同的相互作用，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器3、输出波导6输出，本开关处于“打开”状态；当第一可调光衰减器5的衰减系数逐渐增大时，第一环形谐振腔中的损耗逐渐增大，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导6间共同的相互作用逐渐减弱，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器3、输出波导6输出，但透射率逐渐减小，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调；
当第二可调光衰减器8的衰减系数最大时，光无法通过第二可调光衰减器8，第二环形谐振腔不通光，只有第一环形谐振腔、波导6通过3×3耦合器3发生相互作用。当第一可调光衰减器5的衰减系数最小时，光可通过第一可调光衰减器5，并在第一环形谐振腔中发生谐振，此时，第一环形谐振腔中的损耗最小，因此，频率为工作频率的光无法经3×3耦合器3、输出波导6输出，本开关处于“关闭”状态；当第一可调光衰减器5的衰减系数逐渐增大时，第一环形谐振腔中的损耗逐渐增大，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器3、输出波导6输出，但透射率逐渐增大，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调；
当第一可调光衰减器5的衰减系数最大，且第二可调光衰减器8的衰减系数也最大时，光无法通过第一可调光衰减器5、第二可调光衰减器8，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔均不通光，光直接经3×3耦合器3、输出波导6输出，本开关处于“打开”状态；
这样，分别调节第一可调光衰减器5的衰减系数、第二可调光衰减器8的衰减系数，都可连续控制本开关的输出光强，即“双控”。
Claims (6)
1.一种基于环形谐振腔的全光双控可调光开关，包括偏振控制器(1)、光栅(2)、3×3耦合器(3)、第一环形波导(4)、第一可调光衰减器(5)、输出波导(6)、第二环形波导(7)和第二可调光衰减器(8)，偏振控制器(1)的光输入端为本开关的光输入端，输出波导(6)的光输出端为本开关的光输出端；其特征在于：偏振控制器(1)的光输出端连接光栅(2)的光输入端，光栅(2)的光输出端连接3×3耦合器(3)的第一光输入端，第一环形波导(4)分别连接3×3耦合器(3)的第二光输入端、第二光输出端，第二环形波导(7)分别连接3×3耦合器(3)的第三光输入端、第三光输出端，3×3耦合器(3)的第一光输出端连接输出波导(6)的光输入端；所述的第一可调光衰减器(5)和第二可调光衰减器(8)的衰减系数能够调节；
当第一可调光衰减器(5)的衰减系数最大时，频率为本开关工作频率的光无法通过第一可调光衰减器(5)，当第二可调光衰减器(8)的衰减系数最大时，频率为本开关工作频率的光无法通过第二可调光衰减器(8)；
所述的3×3耦合器(3)、第一环形波导(4)、第一可调光衰减器(5)构成第一环形谐振腔；所述的3×3耦合器(3)、第二环形波导(7)、第二可调光衰减器(8)构成第二环形谐振腔；其中一个环形谐振腔的环形波导长度是另一个环形谐振腔的环形波导长度的正整数倍；所述的第一环形谐振腔的谐振频率与第二环形谐振腔的谐振频率相同，均为本开关的工作频率；当第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导(6)通过3×3耦合器(3)发生共同的相互作用时，频率为工作频率的光依次经3×3耦合器(3)、输出波导(6)输出；所述的光栅(2)为窄带宽透射光栅，其透射谱中心频率为本开关的工作频率；分别调节第一可调光衰减器(5)的衰减系数和第二可调光衰减器(8)的衰减系数，能够连续控制输出光强。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形谐振腔的全光双控可调光开关，其特征在于：当第一可调光衰减器(5)的衰减系数不是最大时，光能够通过第一可调光衰减器(5)，并在第一环形谐振腔中发生谐振，当第二可调光衰减器(8)的衰减系数最小时，光通过第二可调光衰减器(8)，并在第二环形谐振腔中发生谐振，频率为本开关工作频率的光经3×3耦合器(3)、输出波导(6)输出，本开关处于“打开”状态；当第二可调光衰减器(8)的衰减系数逐渐增大时，第二环形谐振腔中的损耗逐渐增大，频率为工作频率的光经3×3耦合器(3)、输出波导(6)输出，但透射率逐渐减小，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调。
3.根据权利要求1所述的一种基于环形谐振腔的全光双控可调光开关，其特征在于：当第一可调光衰减器(5)的衰减系数最大时，光无法通过第一可调光衰减器(5)，第一环形谐振腔不通光，当第二可调光衰减器(8)的衰减系数最小时，光可通过第二可调光衰减器(8)，并在第二环形谐振腔中发生谐振，此时，第二环形谐振腔中的损耗最小，因此，频率为工作频率的光无法经3×3耦合器(3)、输出波导(6)输出，本开关处于“关闭”状态；当第二可调光衰减器(8)的衰减系数逐渐增大时，第二环形谐振腔中的损耗逐渐增大，因此，频率为本开关工作频率的光经3×3耦合器(3)、输出波导(6)输出，但透射率逐渐增大，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调。
4.根据权利要求1所述的一种基于环形谐振腔的全光双控可调光开关，其特征在于：当第二可调光衰减器(8)的衰减系数不是最大时，光可通过第二可调光衰减器(8)，并在第二环形谐振腔中发生谐振，当第一可调光衰减器(5)的衰减系数最小时，光通过第一可调光衰减器(5)，并在第一环形谐振腔中发生谐振，频率为本开关工作频率的光经3×3耦合器(3)、输出波导(6)输出，本开关处于“打开”状态；当第一可调光衰减器(5)的衰减系数逐渐增大时，第一环形谐振腔中的损耗逐渐增大，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、输出波导(6)间共同的相互作用逐渐减弱，因此，频率为工作频率的光可经3×3耦合器(3)、输出波导(6)输出，但透射率逐渐减小，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调。
5.根据权利要求1所述的一种基于环形谐振腔的全光双控可调光开关，其特征在于：当第二可调光衰减器(8)的衰减系数最大时，光无法通过第二可调光衰减器(8)，第二环形谐振腔不通光，当第一可调光衰减器(5)的衰减系数最小时，光可通过第一可调光衰减器(5)，并在第一环形谐振腔中发生谐振，此时，第一环形谐振腔中的损耗最小，因此，频率为本开关工作频率的光无法经3×3耦合器(3)、输出波导(6)输出，本开关处于“关闭”状态；当第一可调光衰减器(5)的衰减系数逐渐增大时，第一环形谐振腔中的损耗逐渐增大，因此，频率为工作频率的光经3×3耦合器(3)、输出波导(6)输出，但透射率逐渐增大，本开关处于“打开”状态，且输出光强连续可调。
6.根据权利要求1所述的一种基于环形谐振腔的全光双控可调光开关，其特征在于：当第一可调光衰减器(5)的衰减系数最大，且第二可调光衰减器(8)的衰减系数也最大时，光无法通过第一可调光衰减器(5)、第二可调光衰减器(8)，第一环形谐振腔、第二环形谐振腔均不通光，光直接经3×3耦合器(3)、输出波导(6)输出，本开关处于“打开”状态。
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