CN1296751C

CN1296751C - 高速微型磁光开关

Info

Publication number: CN1296751C
Application number: CNB2004100793781A
Authority: CN
Inventors: 翁梓华; 黄元庆; 陈智敏; 朱赟
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2024-10-14
Also published as: CN1619361A

Abstract

高速微型磁光开关，涉及一种磁光开关，提供一种主要用于高速全光通信网络的微型磁光开关。设有纳秒脉冲发生器，输入端外接触发信号源；高速电磁场模块，由磁光晶体和非闭合环形金属片组成，磁光晶体设于环形金属片中，环形金属片的两端接纳秒脉冲发生器的输出端；光学装置，光学装置设有输入装置和输出装置，并分别设于电磁场中光路上的左右侧，输入装置设有偏振分光镜和1只上直角棱镜或上、下2只直角棱镜，输出装置设有偏振分光镜和上、下直角棱镜，偏振分光镜位于下直角棱镜的反射光路上，上直角棱镜位于偏振分光镜的反射光路上，输入装置的输入端口以及输出装置的输出端口均外接光纤。主要用于高速全光通信网络。

Description

高速微型磁光开关

技术领域

本发明涉及一种磁光开关，尤其是一种新型的用于高速全光通信网络的微型磁光开关。

背景技术

在过去的多年时间里，高速宽带网络的需求有了引人注目的增长，刺激着高速光电设备的持续发展。在这种发展中的一个关键设备是光开关，它允许大容量的光数据通过光网络传输。

目前的高速光开关多数采用的是电光效应和声光效应等技术，采用磁光效应的无源器件很少。尽管采用磁光材料的磁光开关的概念简单，但微型高速磁光开关的优点还没有被充分认识到，这主要归结于磁光晶体的法拉第旋转角低和磁光开关的反应速度慢等原因。然而，制作加工技术的新近发展促进了在高质量磁光晶体、大法拉第旋转角、微细加工技术、纳秒控制装置和高速磁场等方面的进一步发展。借助这些重要技术的发展，磁光开关展露出反应速度快、法拉第旋转角大和总体尺寸小的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主要用于高速全光通信网络的微型磁光开关。

本发明设有纳秒脉冲发生器，用于产生纳秒数量级的脉冲，其输入端外接触发信号源；

高速电磁场模块，用于产生高速磁场，由磁光晶体和非闭合环形金属片组成，磁光晶体设于非闭合环形金属片中，环形金属片的两端接纳秒脉冲发生器的输出端；

光学装置，用于切换输入光的光路，并输出到所需的端口，光学装置设有输入装置和输出装置，并分别设于电磁场中光路上的左右侧，输入装置设有偏振分光镜(PBS)和1只或2只直角棱镜(RAP)，对于仅设有1只直角棱镜(称上直角棱镜)的输入装置，上直角棱镜位于偏振分光镜的反射光路上，对于设有2只直角棱镜(分别称上直角棱镜和下直角棱镜)的输入装置，偏振分光镜位于下直角棱镜的反射光路上，上直角棱镜位于偏振分光镜的反射光路上；输出装置设有偏振分光镜和上下直角棱镜，偏振分光镜位于下直角棱镜的反射光路上，上直角棱镜位于偏振分光镜的反射光路上，输入装置的输入端口以及输出装置的输出端口均外接光纤。

所说的磁光晶体选用YIG晶体。所说的非闭合环形金属片可选用非闭合环形铜圈，铜圈的两端接纳秒脉冲发生器的输出端。

所说的纳秒脉冲发生器设有输入微分电路、整流二极管和开关三极管，输入微分电路的输入端外接触发信号源，整流二极管的输入端接输入微分电路的输出端，开关三极管的触发输入端接整流二极管的输出端，开关三极管的输出脉冲信号输出端接电磁场模块的环形金属片的两端。

本发明主要用于高速全光通讯网络。这种磁光开关采用磁光晶体、微细加工技术和高速控制技术，使得微型磁光开关具有无运动零件、光传输损耗小、偏振灵敏度低、透射率高、插入损耗小和串扰小等优点，是光交换连接器和光分插复用器的基础器件。

光学装置的设计是微型磁光开关系统性研究的一个重要组成部分，它包括了偏振光的光路设计、法拉第磁致旋光晶体的性能分析与材料选择、高速电磁场的磁路设计与分析。利用晶体的偏振性和法拉第旋光效应的特点，微型磁光开关可以实现光通信所必需的全光切换功能。微型磁光开关的光学光路可以将输入的光束根据不同要求以不同的方式输出到不同的输出端口。对微型磁光开关中的几种候选磁致旋光YIG晶体进行分析、对比和筛选，以满足单位长度的法拉第旋转角尽可能的大。合适的选择将使磁光晶体的厚度可以制作得更薄，整个器件的设计更趋小型化。磁光晶体的饱和磁场所需电流减小，使整个器件的寿命延长，器件的温度稳定性增强。同时磁光晶体各项参数在较大的使用温度范围内保持稳定。

本发明采用的电磁场模块满足了在通光孔截面内各点均是准轴向磁场，以保证光束通过磁光晶体后，光截面上各点的电矢量振动面的旋转角是相同的。通过研究和实验发现，本发明在原理上实现了可行性，在性能上满足了原设计的要求。

附图说明

图1为本发明的结构组成及与检测装置的连接关系图。

图2为本发明实施例1的纳秒脉冲发生器电路原理图。

图3为光学装置结构示意图。

图4为本发明实施例1(1×2偏振无关性磁光开关)原理图。

图5为触发信号幅值对输出脉冲幅值的影响曲线图。

图6为雪崩电容大小对输出脉冲幅值的影响曲线图。

图7为本发明实施例2(2×2偏振无关性磁光开关)原理图。

图8为磁光开关中的PRE的三种分布图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

图1给出本发明的结构组成及与检测装置的连接关系图。高速微型磁光开关设有纳秒脉冲发生器1、高速电磁场模块2和光学装置3。参见图2，用于产生纳秒数量级脉冲的纳秒脉冲发生器设有输入微分电路、整流二极管和开关三极管，输入微分电路的输入端外接触发信号源，整流二极管的输入端接输入微分电路的输出端，开关三极管的触发输入端接整流二极管的输出端，开关三极管的输出脉冲信号输出端接电磁场模块的非闭合环形铜圈的两端。用于全光通信的高速微型磁光开关的关键之一是响应时间短和电路响应时间保持在纳秒级，因此要求纳秒脉冲发生器的稳定性好、上升沿时间达纳秒级、幅值大和重复率高。本发明中的纳秒脉冲发生器利用普通高频小功率三极管Q1(2N5551型)的短暂良性雪崩效应产生纳秒级脉冲，用于驱动高速磁场，需输入上升时间为纳秒级的TTL或正脉冲进行触发。当无触发信号输入时，电路处于雪崩临界状态，三极管Q1处于截止状态，外接直流电压VCC(165V)对电容C4进行充电。当触发信号由V1输入并经过电容C3(100pF)和电阻R4组成的微分电路时，其正的尖脉冲通过整流二极管D3(MMBD4148型)到三极管的基极，对三极管进行触发。当触发脉冲足够大时，三极管的工作点将移动到不稳定的雪崩负阻区，产生快速增大的雪崩电流。雪崩时，三极管迅速导通，处于低阻状态，电容C4上存储的电荷通过三极管和电阻R7放电。由于电流的流向为地→R7→C4→Q1，因此在输出端(OUTPUT)处可以得到纳秒负脉冲。雪崩结束后，三极管截止，电源VCC再次向电容C4充电。如此周而复始。三极管的导通时间决定电容C4的放电程度，即决定输出端的脉冲幅度。若触发信号幅度足够大且持续时间足够长，基极注入不断提高，则电容C4将得到充分放电。触发信号幅值的大小也影响输出脉冲幅值大小。三极管Q1的基极与发射极之间的电阻R5采用51Ω，集电极电阻R6采用5.1kΩ。用Tektronix TDS3054B 500MHz示波器对纳秒脉冲发生器的输出信号进行了测试，结果表明，纳秒脉冲发生器可以从输出端输出上升沿时间为3～35ns、上升幅度为5～90V和宽度为10～100ns连续可调的负脉冲，用作为瞬态电流脉冲，纳秒脉冲重复率为40×10³～150×10³s^-1，纳秒脉冲发生器具有良好的稳定性能和较好的负载能力。

光通讯用高速微型磁光开关的关键是要求光开关的光路切换时间为纳秒数量级，特别要求纳秒脉冲电流驱动的电磁场模块的开闭时间为纳秒数量级。这就要求纳秒脉冲发生器驱动的高速电磁场模块具有速度快、磁滞小、磁感应强度大、稳定性好、纳秒级上升沿和重复率高等特性。

参见图3，用于产生高速磁场的高速电磁场模块由磁光晶体YIG和非闭合环形铜圈21组成，磁光晶体YIG设于环形铜圈21中，环形铜圈的两端接纳秒脉冲发生器的输出端。在通电情况下，纳秒脉冲电流通过非闭合环形铜圈，产生轴向瞬态磁场。该瞬态磁场对非闭合环形铜圈中的磁光晶体YIG进行磁化，进而对通过磁光晶体的输入偏振光产生旋转作用。在图3中，电流脉冲分量I(t)沿着光传输方向产生一个时变的磁场分量b_x(t)。这磁场分量沿着输入光传输方向在磁光晶体中产生磁化强度M。在垂直光传输方向上施加静磁场b_z，可以确保在电流脉冲通过之后M快速恢复到其初始值。借助沿着x方向的磁化强度M_x，法拉第效应使光束偏振面产生旋转。当纳秒脉冲发生器输入电压为165V，输出脉冲电流为1mA，电压幅值为10V，脉冲宽度为10ns时，这些电信号在磁光晶体中产生的磁感应强度b_x(t)为1mT。外加静磁场b_z为100mT。纳秒脉冲驱动的电磁铁具有良好的瞬态磁场和热分布特性。

运用美国ANSYS公司推出的CAE工具软件ANSYS 8.0对纳秒脉冲驱动的电磁场模块进行瞬态磁场和热分布的仿真，其结果与理论分析结果一致。

参见图4，用于切换输入光的光学装置设有输入装置和输出装置，并分别设于电磁场中光路上的左右侧，输入装置设有偏振分光镜(PBS)和1只上直角棱镜(RAP)，上直角棱镜位于偏振分光镜的反射光路上；输出装置设有偏振分光镜和上下直角棱镜，偏振分光镜位于下直角棱镜的反射光路上，上直角棱镜位于偏振分光镜的反射光路上，输入装置的输入端口以及输出装置的输出端口均外接光纤。磁光开关的原理是控制磁光晶体的磁化强度，并影响传输光的随时间变化的偏振面的旋转。磁光开关采用的物理机理是磁光材料的法拉第效应。一束光通过磁光晶体时累加产生的偏振面旋转值取决于磁光晶体的特性参数、磁化强度和光束通过的磁光晶体的长度。偏振面的旋转是入射光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的差异所致。任一线偏振光都能分解为左旋的和右旋的圆偏振光。一束平行输入光从左边入射偏振分光镜PBS，PBS对输入光的作用将涉及到光的偏振态(SOP)。与光入射面平行的偏振分量定义为S光，与光入射面垂直的偏振分量定义为P光。在PBS中，S光反射，P光透射，出现二条偏振面相互垂直的出射光线。利用直角棱镜RAP，二条相互垂直的光线平行入射偏振光旋转元件PRE。当PRE处于交叉(状态“ON”)时，二束光的偏振面都旋转了90°。二束光在另一个PBS中合成一束，输出光从输出端口1输出。当PRE处于直通(状态“OFF”)时，二束光都保持的原有偏振状态。经过另一个PBS和一个RAP后，二束光合成一束，输出光从输出端口2输出。在磁光开关中，输入光的偏振态与工作状态无关，只需要一个PRE用于控制二束偏振光的偏振态。

本发明实施例1的1×2磁光开关与检测装置的连接关系参见图1。整个装置分成5个模块：CPU单片机模块4、高速纳秒脉冲发生器1、高速电磁场模块2、检测与测试器模块5和光学装置3。每一个模块都具有相应的功能，并同时为其它模块提供相应的接口，模块之间实现逐层控制，环环相扣。CPU单片机模块提供信号控制高速纳秒脉冲发生器；高速纳秒脉冲发生器产生的高速脉冲控制着高速电磁场；高速电磁场模块控制光学装置1×2光路的切换。在测试系统中，检测与测试器模块监测光学装置的输入端与输出端、高速纳秒脉冲发生器、高速电磁场等模块的信号，并反馈给CPU单片机。在输入端口和输出端口采用光纤准直器。

运用加拿大Interactive Image Technologies公司推出的专门用于电子线路仿真和设计的EDA工具软件Multisim 2001对电路进行仿真。仿真结果与理论分析结果一致。实验中三极管Q1采用的高频小功率硅平面管2N5551的BV_CEO＝160V，BV_CBO＝180V，在仿真实验时选用电路的VCC为165V。根据仿真结果可以发现，(1)根据Multisim 2001对该电路的仿真可以得到脉冲幅值和宽度随负载电阻R7变化的曲线，以及脉冲幅值和宽度随雪崩电容C4变化的曲线(参见图5、6)。参见图2，随着负载电阻R7或是雪崩电容C4的增大，输出脉冲的幅值和宽度也都随之增大。要适当的选择负载电阻R7的阻值和雪崩电容C4的大小以得到脉冲宽度和脉冲幅值都符合要求的纳秒脉冲；(2)触发信号幅值的增大使输出脉冲幅值和宽度都随之增大。从图5、6可以清楚发现输出脉冲幅值和宽度都随着触发信号幅值的升高而增大，输出脉冲幅值和宽度的增大分别趋向于某一极值，这可以从雪崩工作点的移动过程加以解释。选择适当的触发信号幅值可以获得满意的输出脉冲的幅值和宽度。

实施例2

参见图7，与实施例1类似，其区别在于本实施例采用2×2偏振无关性磁光开关，可以切换二束入射光。用于切换输入光的光学装置设有输入装置和输出装置，并分别设于电磁场中光路上的左右侧，输入装置设有偏振分光镜(PBS)和上下2只直角棱镜(RAP)，偏振分光镜位于下直角棱镜的反射光路上，上直角棱镜位于偏振分光镜的反射光路上；输出装置设有偏振分光镜和上下2只直角棱镜，偏振分光镜位于下直角棱镜的反射光路上，上直角棱镜位于偏振分光镜的反射光路上，输入装置的输入端口以及输出装置的输出端口均外接光纤。通过RAP，二束光入射到PBS的垂直面，并分解为偏振面相互垂直的P光和S光。如果PRE处于“OFF”状态，叠加后的输出光束处于“直通”状态；如果PRE处于“ON”状态，光束偏振面将发生90度的旋转，叠加后的输出光束处于“交叉”状态。

参见图8，在磁光开关的光路布局中，偏振光旋转元件(PRE)有三种。(a)光路的PRE仅由一块磁光晶体构成。当工作状态为“ON”时，磁光晶体(M-O)将偏振光旋转90度；当工作状态为“OFF”时，磁光晶体对偏振光不起作用。由于磁光晶体质量上的差异，旋转角为45度时的误差约为正负1度，偏振相关损耗较大。(b)为了减小偏振损耗，光路的PRE由λ/4波片(QWP)和磁光晶体(M-O)构成。λ/4波片将偏振光旋转45度。当工作状态为“ON”时，磁光晶体将偏振光旋转45度；当工作状态为“OFF”时，磁光晶体将偏振光反向旋转45度。由于磁光晶体旋转的角度仅为45度，误差减小，降低了偏振相关损耗。(c)光路的PRE由二块磁光晶体(M-O(A)，M-O(B))构成。当工作状态为“ON”时，二块磁光晶体各自旋转45度，但加上的是相反的电压。这样，二者的正负误差就最大程度地相互抵消了。当工作状态为“OFF”时，二块磁光晶体不加电压，对偏振光没有影响。二块磁光晶体的反向布置最大程度地减小了偏振相关误差，提高了磁光开关的性能。磁光开关中的PRE的3种分布参见图10。实验证明，当PRE为(a)时，偏振无关性为-30dB左右，信道串扰为-28dB左右，开关时间短于1μs，插入损耗小于3dB。当PRE为(b)和(c)时，实验结果更好。实验结果表明，采用纳秒脉冲发生器和纳秒脉冲电流驱动的电磁场模块大大地提高了磁光开光的性能，缩短了开关时间。

Claims

1、高速微型磁光开关，其特征在于设有

纳秒脉冲发生器，用于产生纳秒数量级的脉冲，其输入端外接触发信号源；

高速电磁场模块，用于产生高速磁场，由磁光晶体和非闭合环形金属片组成，磁光晶体设于环形金属片中，环形金属片的两端接纳秒脉冲发生器的输出端；

光学装置，用于切换输入光的光路，并输出到不同的所需的端口，光学装置设有输入装置和输出装置，并分别设于电磁场中光路上的左右侧，输入装置设有偏振分光镜和1只上直角棱镜或上、下2只直角棱镜，对于仅设有1只上直角棱镜的输入装置，上直角棱镜位于偏振分光镜的反射光路上；对于设有上直角棱镜和下直角棱镜2只直角棱镜的输入装置，偏振分光镜位于下直角棱镜的反射光路上，上直角棱镜位于偏振分光镜的反射光路上；输出装置设有偏振分光镜和上、下直角棱镜，偏振分光镜位于下直角棱镜的反射光路上，上直角棱镜位于偏振分光镜的反射光路上，输入装置的输入端口以及输出装置的输出端口均外接光纤。

2、如权利要求1所述的高速微型磁光开关，其特征在于所说的磁光晶体选用YIG晶体。

3、如权利要求1所述的高速微型磁光开关，其特征在于所说的纳秒脉冲发生器设有输入微分电路、整流二极管和开关三极管，输入微分电路的输入端外接触发信号源，整流二极管的输入端接输入微分电路的输出端，开关三极管的触发输入端接整流二极管的输出端，开关三极管的输出脉冲信号输出端接高速电磁场模块的非闭合环形金属片的两端。

4、如权利要求1或3所述的高速微型磁光开关，其特征在于所说的非闭合环形金属片选用非闭合环形铜圈，铜圈的两端接纳秒脉冲发生器的输出端。