CN115113339A - 一种偏振无关的低损耗光开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种偏振无关的低损耗光开关，用以解决传统光开关对于偏振的相关依赖性以及损耗高等问题。系统的光源经前端单模光纤环形器输出到2×2保偏光纤耦合器，2×2保偏光纤耦合器与PZT、保偏光纤、微型光纤转盘等组成后端的环状结构，用于保持或改变输入光的偏振特性，具体地，通过微型光纤转盘转动保偏光纤之间的主轴夹角，可改变微型光纤转盘对接的两光纤端面的耦合特性，对于设定光频率的光进行开关；在此基础上还可实现耦合器的不同强度的分光功能。通过对PZT施加控制电压可以改变保偏光纤的双折射，可以对于某个频率光波进行快速开关。本发明的输入输出关系与输入光的偏振态没有关系。本发明为光纤器件结构，与波导型光开关相比减少了光的损耗。

Description

一种偏振无关的低损耗光开关
技术领域
本发明涉及光开关，尤其涉及一种偏振无关的低损耗光开关。
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。目前比较常见的光开关从制造工艺和结构来讲大致可以分为机械式光开关，M-Z干涉式光开关，微光机电MEMS系统方式开关和Y分支型光开关等。评判一个光开关的好坏，我们主要从以下几个方面来进行：插入损耗、通断消光比、转换速度、偏振依赖性等。
传统的机械式光开关，利用MEMS技术制造的机械装置来改变光通路，达到光开关的目的。虽然此类光开关具有损耗小、偏振无关等优点，但其开关速度较慢。而基于微镜MEMS或MOEMS的集成在衬底上的微型光开关，一方面继承了传统光开关的优点，但是由于微机械结构的固有属性，其对加工的精度等要求比较苛刻，因此加工成本和难度较大。
基于M-Z干涉仪结构的光开关，具有相应速度快的优点，但由于其对臂长差要求比较严格，所以加工工艺和成本相对也比较高。另外，此类光开关对于偏振特性比较敏感，需要实时监控补偿温漂问题，成本较高；插入损耗也比较大。
一般非机械式的利用光纤等搭建的光开关，主要基于的是波分复用器的结构特点实现对光多路通道的输出，但同时带来的是光损耗的加大。
基于上述方法的优缺点，实现一种集低损耗、偏振无关、转换速度快等特点于一身的光开关成为了目前光纤光学、光网络、光学器件测试等领域研究的关键问题。
发明内容
为了克服现有的光开关对于偏振有关特性以及插入损耗大等的问题，本发明提出了一种偏振无关的低损耗光开关。
为解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：
一种偏振无关的低损耗光开关，包括：包括依次连接的单模光纤三端环形器、2×2保偏光纤耦合器、保偏光纤跳线，及圆环形PZT、微型光纤转盘、驱动源、控制电机；所述保偏光纤跳线其中一段通过环绕并粘结的方式附着在所述的圆环形PZT上；所述驱动源通过控制所述PZT两电极的电压来实现对PZT的拉伸；所述控制电机控制所述微型光纤转盘的旋转角。
进一步地，所述单模光纤环形器包括第一端口、第二端口、第三端口；所述2×2保偏光纤耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口；所述保偏光纤跳线包括第一端口、第二端口；
所述单模光纤环形器的第一端口连接有输入光源，第二端口通过第一连接点与所述2×2
保偏光纤耦合器的第一端口相连。
进一步地，所述第一连接点是单模光纤与保偏光纤经过光纤熔接机熔接而成，并确保其损耗值降为最低。
进一步地，所述2×2保偏光纤耦合器的第二端口通过第二连接点与所述保偏光纤跳线的第一端口相连，并且第二连接点两端的保偏光纤偏振主轴一致。
进一步地，所述第二连接点是保偏光纤与保偏光纤经光纤熔接机熔接而成，并确保两端的保偏光纤偏振主轴一致。
进一步地，所述微型光纤转盘两端分别连接所述保偏光纤跳线的第二端口以及所述2×2保偏光纤耦合器的第四端口。
进一步地，所述驱动源通过控制所述PZT两电极的电压来实现对所述PZT的拉伸，改变了保偏光纤的双折射。
进一步地，所述微型光纤转盘通过所述控制电机进行保偏光纤主轴的角度扭转控制，改变保偏光纤跳线主轴与2×2保偏光纤耦合器的第四端口主轴之间的夹角，进而改变所述微型光纤转盘两端光纤端面之间的偏振耦合特性。
进一步地，如果保偏光纤跳线主轴与2×2保偏光纤耦合器的第四端口主轴之间的夹角θ为0°时，输入光经过所述2×2保偏光纤耦合器的双向传输之后，从所述2×2保偏光纤耦合器的第一端口耦合，经所述单模光纤环形器的第三端口输出。
进一步地，如果所述保偏光纤跳线主轴之间的夹角θ为90°，此时实现了输入光的特定等频率间隔光波在所述2×2保偏光纤耦合器的第三端口输出这些光。
进一步地，如果所述保偏光纤跳线主轴之间的夹角θ为45°，此时实现了输入光的特定等频率间隔光波在所述2×2保偏光纤耦合器的第一端口以及所述2×2保偏光纤耦合器的第三端口的1:1分光，那么此时2×2保偏光纤耦合器相当于是一个50:50的耦合器。
进一步地，所述控制电机通过控制命令使得微型光纤转盘转动一定角度，使得所述微型光纤转盘两端的光纤端面偏振耦合特性发生变化。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
本发明的一种偏振无关的低损耗光开关，利用单模光纤环形器代替了传统的波分复用器，使得输入光经过前端单模光纤环形器和保偏耦合器后端的组合型环状结构后，反射回来的光经过单模光纤环形器，转变成单通道输出，减少了光能量的损耗，提高了后续光利用效率。通过微型光纤转盘改变保偏光纤快慢轴之间的夹角，可以实现不同分光比的保偏光纤耦合器功能。最后，右侧环形结构全部采用保偏光纤，使得输入到保偏光纤中的光维持了其自身的偏振特性，装置整体效果与输入光的偏振特性无关，且整体装置结构简单、成本较低。
附图说明
图1是偏振无关的低损耗光开关的整体结构图。
附图标记：
单模光纤环形器：1；第一端口：1-1；第二端口：1-2；第三端口：1-3；熔接点：b；
2×2保偏光纤耦合器：2；第一端口：2-1；第二端口：2-2；第三端口：2-3；第四端口：2-4；
保偏光纤跳线：3；第一端口：3-1；第二端口：3-2；
PZT：4；微型光纤转盘：5；驱动源：6；控制电机：7。
具体实施方式：
为使得本发明的目的、技术方案、优点等叙述更加清晰准确，下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例以附图的形式给出。在此特别说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，但并不作为对本发明方案设计的限定。
图1所示，本发明提供的一种偏振无关的低损耗光开关，包括：
单模光纤环形器1、2×2保偏光纤耦合器2、保偏光纤跳线3、圆环形PZT4、微型光纤转盘5、驱动源6、控制电机7；保偏光纤跳线3的其中一段通过环绕并粘结的方式附着在圆环形PZT4上；通过压电效应对PZT4的控制进而实现对所述保偏光纤跳线3的拉伸调节等功能。
其中，单模光纤环形器1包括第一端口1-1、第二端口1-2、第三端口1-3；2×2保偏光纤耦合器2包括第一端口2-1、第二端口2-2、第三端口2-3、第四端口2-4；
保偏光纤跳线3包括第一端口3-1、第二端口3-2。
其中，单模光纤环形器1的第一端口1-1连接有输入光源，第二端口1-2通过第一连接点a与2×2保偏光纤耦合器2的第一端口2-1相连。
其中，第一连接点a是单模光纤与保偏光纤经过光纤熔接机熔接而成，并确保其损耗值降为最低。
其中，输入光源通过单模光纤环形器1的第二端口1-2,光进入2×2保偏光纤耦合器2的第一端口2-1。
其中，2×2保偏光纤耦合器2的第二端口2-2通过第二连接点b与保偏光纤跳线3的第一端口3-1相连。
其中，第二连接点b是保偏光纤与保偏光纤经光纤熔接机熔接而成，并确保两端的保偏光纤主轴一致。
其中，微型光纤转盘5两端分别连接有保偏光纤跳线3的第二端口3-2以及2×2保偏光纤耦合器2的第四端口2-4。
其中，驱动源6通过压电效应控制PZT 4两电极的电压来实现对PZT 4的拉伸，改变了保偏光纤的双折射。
其中，微型光纤转盘5通过控制电机7的命令控制使得转定一定的角度，进而改变其两边光纤端面的偏振耦合特性。
其中，控制电机7通过控制转动微型光纤转盘5。根据Sagnac干涉滤波器的工作原理推导出与频率相关的强度传递函数。假设只存在一个偏振模耦合点，即滤波器由两个保偏光纤耦合器的输出相连组成环状结构，且环路结构光纤均为保偏光纤，得出频率相关强度传递函数：
Fre＝1-sin2(θ)·sin2[Δβ(w)ΔL/2] (1)
由于保偏光纤的应力双折射B与波长无关，此时有：
Figure BDA0003765810400000041
其中，Δβ表示保偏光纤两个正交的偏振模的传播常数差，B表示双折射参数；当θ≠0或π时(其中θ表示保偏光纤主轴间的夹角)，反射光谱在vm处达到峰值，此时有：
vm＝mc/(BΔL)m＝1，2...... (3)
其中ΔL表示2×2保偏光纤耦合器2的第二端口长度加上保偏跳线3长度，与2×2保偏光纤耦合器2的第四端口2-4光纤长度之间的长度差值；当保偏光纤主轴之间的夹角为90°时，根据公式(2)和公式(3)可以得到：
ωm＝2πmc/(ΔnΔL)m＝1，2...... (4)
其中B双折射参数，此处用Δn代替。此时，输入光的反射光谱达到峰值，输入光经过2×2保偏光纤耦合器2的双向传输之后，从2×2保偏光纤耦合器2的第三端口2-3耦合透射输出。注意到上述公式与光的输入偏振态没有关系。
其中，控制电机7通过控制转动微型光纤转盘5，如果保偏光纤主轴之间的夹角θ为0°时，输入光经过2×2保偏光纤耦合器2的双向传输之后，从2×2保偏光纤耦合器2的第一端口2-1耦合，经过单模光纤环形器1的第三端口1-3输出。
其中，控制电机7通过控制转动微型光纤转盘5，如果保偏光纤主轴之间的夹角θ为90°时，符合公式(2)频率的输入光，经过2×2保偏光纤耦合器2的双向传输之后，从2×2保偏光纤耦合器2的第三端口2-3输出。
其中，控制电机7通过控制转动微型光纤转盘5，如果快慢轴之间的夹角θ为45°，此时实现了输入光在2×2保偏光纤耦合器2的第一端口2-1以及2×2保偏光纤耦合器2的第三端口2-3的1:1分光，那么此时2×2保偏光纤耦合器2相当于是一个50:50的耦合器。在实际应用中我们还可以根据需求来选择特定角度θ，实现不同强度的光透过率比。此外，我们还可改变公式(2)中ΔL的大小，对不同频率的光进行开关。
实施例1
具体地，一种偏振无关的低损耗光开关首先由输入光源连接单模光纤环形器1。单模光纤环形器具有第一端口1-1、第二端口1-2、第三端口1-3，其中，输入光源经过第一端口1-1到达单模光纤环形器1，后经第二端口1-2输出。
第二端口1-2经过第一连接点a与2×2保偏光纤耦合器2相连。2×2保偏光纤耦合器2具有第一端口2-1、第二端口2-2、第三端口2-3、第四端口2-4。单模光纤环形器1输出光源经第一连接点a后由第一端口2-1进入2×2保偏光纤耦合器2进行分光输出，过程中光的偏振态不发生变化，然后分别进入到第二端口2-2以及第四2-4分别进行环向传输。
实施例2
2×2保偏光纤耦合器2的第二端口2-2输出的光通过第二连接点b，沿保偏光纤跳线3，经由PZT 4调控，到达微型光纤转盘5，,最后通过第四端口2-4输出；第四端口2-4输出的光通过微型光纤转盘5，沿保偏光纤跳线3，经由PZT 4调控，到达第二连接点b，最后通过第二端口2-2输出。
传输过程中，如果PZT 4以及微型光纤转盘5没有对输入光源的偏振特性产生影响，传输光将在保偏光纤跳线3等组成的环形结构中经过2×2保偏光纤耦合器2耦合，通过其第一端口2-1和单模光纤环形器1的第二端口1-2后沿第三端口1-3输出；另外，如果PZT 4以及微型光纤转盘5改变了输入光源的偏振特性，特定频率的传输光经过2×2保偏光纤耦合器2耦合后通过2×2保偏光纤耦合器2的第三端口2-3输出。
实施例3
传输光通过2×2保偏光纤耦合器2进入到右侧环形装置，通过微型光纤转盘5控制保偏光纤主轴之间的夹角的变化，可以对2×2保偏光纤耦合器2的第一端口2-1和第三端口2-3的特定频率的输出光的强度进行控制。当微型光纤转盘5的两端保偏光纤的保偏主轴之间的夹角为0°时，输入光将在右侧环形装置中经过双向传输后由2×2保偏光纤耦合器2的第一端口2-1输出，最后经过单模光纤环形器1的第三端口1-3输出。当微型光纤转盘5的两端保偏光纤的保偏主轴之间的夹角为90°时，特定频率的输入光将在右侧环形装置中经过双向传输后由2×2保偏光纤耦合器2的第三端口2-3输出。当微型光纤转盘5的两端保偏光纤的快慢轴之间的夹角为45°时，输入光将在右侧环形装置中经过双向传输后由2×2保偏光纤耦合器2的第一端口2-1和第三端口2-3输出，实现两端口的1:1分光。此外，根据实际的需求可以调整微型光纤转盘5的两端保偏光纤快慢轴之间的夹角，来改变两端口输出光之间的分光比。其次，通过前面理论的推导，通过改变2×2保偏光纤耦合器2与微型光纤转盘5两侧光纤长度的差值ΔL可以实现对输入光谱进行不同的调制。
当微型光纤转盘5的两端保偏光纤的保偏主轴之间的夹角为90°时，通过给PZT 4加上电压，从而改变了2×2保偏光纤耦合器2至微型光纤转盘5两侧光纤的双折射，可以对于某个波长的光进行快速开关。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种偏振无关的低损耗光开关，其特征在于，包括：
包括依次连接的单模光纤三端环形器(1)、2×2保偏光纤耦合器(2)、保偏光纤跳线(3)，及圆环形PZT(4)、微型光纤转盘(5)、驱动源(6)、控制电机(7)；
所述保偏光纤跳线(3)其中一段通过环绕并粘结的方式附着在所述的圆环形PZT(4)上；
所述驱动源(6)通过控制所述圆环形PZT(4)两电极的电压来实现对PZT(4)的拉伸；
所述控制电机(7)控制所述微型光纤转盘(5)的转动角。
2.根据权利要求1所述的一种偏振无关的低损耗光开关，其特征在于，所述单模光纤环形器(1)包括第一端口(1-1)、第二端口(1-2)、第三端口(1-3)；所述2×2保偏光纤耦合器(2)包括第一端口(2-1)、第二端口(2-2)、第三端口(2-3)、第四端口(2-4)；所述保偏光纤跳线(3)包括第一端口(3-1)、第二端口(3-2)；
所述单模光纤环形器(1)的第一端口(1-1)连接有输入光源，第二端口(1-2)通过第一连接点(a)与所述2×2保偏光纤耦合器(2)的第一端口(2-1)相连，经过光纤熔接机熔接而成。
3.根据权利要求1所述的一种偏振无关的低损耗光开关，其特征在于，
所述2×2保偏光纤耦合器(2)的第二端口(2-2)通过第二连接点(b)与所述保偏光纤跳线(3)的第一端口(3-1)相连，并且第二连接点(b)两端的保偏光纤偏振主轴一致，经保偏光纤熔接机熔接而成。
4.根据权利要求书1所述的一种偏振无关的低损耗光开关，其特征在于，所述微型光纤转盘(5)两端分别连接所述保偏光纤跳线(3)的第二端口(3-2)以及所述2×2保偏光纤耦合器(2)的第四端口(2-4)。
5.根据权利要求1所述的一种偏振无关的低损耗光开关，其特征在于，所述驱动源(6)通过控制所述PZT(4)两电极的电压来实现对所述PZT(4)的拉伸，改变了保偏光纤的双折射。
6.根据权利要求1所述的一种偏振无关的低损耗光开关，其特征在于，所述微型光纤转盘(5)通过所述控制电机(7)进行保偏光纤主轴扭转控制，改变两端的保偏光纤跳线(3)的第二端口(3-2)的偏振主轴与2×2保偏光纤耦合器(2)的第四端口(2-4)的偏振主轴之间的夹角。
7.根据权利要求6所述的一种偏振无关的低损耗光开关，其特征在于，如果控制电机(7)控制微型光纤转盘(5)，使得其两端的保偏光纤跳线(3)的第二端口(3-2)的偏振主轴与2×2保偏光纤耦合器(2)的第四端口(2-4)的偏振主轴之间夹角θ为0°时，输入光中所有频率的光经过所述2×2保偏光纤耦合器(2)的双向传输之后，从所述2×2保偏光纤耦合器(2)的第一端口(2-1)输出，再经所述单模光纤环形器(1)的第三端口(1-3)输出。
8.根据权利要求6所述的一种偏振无关的低损耗光开关，其特征在于，如果控制电机(7)控制微型光纤转盘(5)，使得其两端的保偏光纤跳线(3)的第二端口(3-2)的偏振主轴与2×2保偏光纤耦合器(2)的第四端口(2-4)的偏振主轴之间夹角θ为90°时，输入光中特定等频率间隔的光，经过所述2×2保偏光纤耦合器(2)的端口(2-2)与端口(2-4)之间的环形双向传输之后，从所述2×2保偏光纤耦合器(2)的第三端口(2-3)输出。
9.根据权利要求6所述的一种偏振无关的低损耗光开关，其特征在于，如果控制电机(7)控制微型光纤转盘(5)，使得其两端的保偏光纤跳线(3)的第二端口(3-2)的偏振主轴与2×2保偏光纤耦合器(2)的第四端口(2-4)的偏振主轴之间夹角θ为45°时，输入光中特定等频率间隔的光在所述2×2保偏光纤耦合器(2)的第一端口(2-1)以及所述2×2保偏光纤耦合器的第三端口(2-3)的1:1分光，此时对于特定等频率间隔的光，2×2保偏光纤耦合器2相当于是一个50:50的耦合器。
10.根据权利要求6所述的一种偏振无关的低损耗光开关，可以采用多个这种光开关的级联，形成多输出端的光开关网络。
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