CN210488175U - 一种微型磁光光纤开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微型磁光光纤开关，由一个微型三光纤准直器、一个微型电流线圈与一个微型空间光处理光学内核构成，通过控制电流线圈的电流方向来实现1×2结构与2×1结构的微型光纤开关，微型磁光光纤开关输入与输出光纤均在同侧。本实用新型采用三光纤准直器与微型空间光处理光学内核，实现了可同时具有多种开关工作模式的微型结构磁光光纤开关，具有多工作模式、结构简单、体积超小、插入损耗低、偏振相关损耗低、单侧出纤、超高的通道切换重复性和超高的寿命等优点。

Description

一种微型磁光光纤开关

技术领域

本实用新型属于光学和光纤通讯技术领域，具体涉及一种微型磁光光纤开关。

背景技术

光纤开关是一种在光学系统中被用于在一个或多个输入光纤端口与一个或更多个输出端口之间切换的光学器件；光纤开关被用于光纤通讯系统中来连接和断开由信息加载的传输光通道，提供网络保护、链路交叉连接以及分插复用等功能；光纤开关也能用于使光源产生脉冲光信号，例如激光器或利用光纤开关调制加载信息或切断光纤通路来实现其相关功能。

一种简单类型的光纤开关是一个1×2光纤开关，它能够在一个输入端口和两个输出端口之间提供光切换，或者2×1光纤开关在两个输入端口之间和一个输出端口提供光切换。使用光学折射与反射的1×2或2×1光纤开关是非常可靠的，它有小的插入损耗，并且很容易制造；1×2或2×1光纤开关已经被广泛地用于无线电通讯行业，例如保护切换，标记切换等；1×2光纤开关也已经被用于建立大尺寸的开关，例如1×4和1×8光纤开关。在一些情况下，应用若干个1×2光纤开关构建1×4和1×8光纤开关可以降低制作复杂性，或减小能量消耗或减小被占用的物理空间。

实现这些光纤开关有许多技术，例如：机械光开关、MEMS开光、热光开关、液晶光开关、磁光开关、声光开关和半导体电光开关等，每一种切换技术都有其各自的特点。例如，机械光纤开关是目前最广泛应用的光纤端口切换器件，它具有非常小的插入损耗和串扰特性，但是其切换时间被限制在毫秒范围内，并且器件本身体积大；其他利用MEMS光开关、热光光开关以及液晶光开关技术等机制，其实现的开关响应速度也比较慢，一般也在毫秒量级；磁光技术与声光技术实现的光纤开关速度可以在数十微秒至数百微秒之间；而半导体电光开光速度虽然可以达到纳秒量级，然而存在偏振相关性与波导耦合损耗大等缺陷。

发明内容

磁光开关是利用磁场产生偏振光法拉第旋转的机制来实现光通道的开关切换技术，通过控制磁场方向进而控制磁光晶体的旋光方向正向和反向，以实现单个或多个光纤端口的导通路径切换的一种光纤开关技术；相比以往的磁光开关技术，本实用新型提供了一种微型磁光光纤开关，其为基于一个微型三光纤准直器、一个微型电流线圈与一个微型空间光处理光学内核的微型结构光纤开关，通过控制电流线圈的电流方向来实现1×2结构与2×1结构等多种结构的光纤端口路径切换。

一种微型磁光光纤开关，由一个微型三光纤准直器、一个微型电流线圈以及一个微型空间光处理光学内核构成，通过控制线圈的电流方向以实现1×2光纤开关结构和2×1光纤开关结构；其中：

所述微型三光纤准直器由一个一字均匀排列的三孔毛细管、三根单模光纤以及准直微透镜通过微光学工艺粘合组装而成，三根单模光纤分别置于三孔毛细管中且间距均匀，准直微透镜将三根单模光纤的输入光分别准直为空间的三个方向，通过微光学调节与粘合组装实现微型三光纤准直器结构中的三根单模光纤准直空间光夹角均匀；

所述微型电流线圈在电流作用下产生空间饱和磁场，该磁场的空间取向与线圈轴心平行；

所述微型空间光处理光学内核由第一偏振分光棱镜、波片、磁光晶体以及第二偏振分光棱镜通过微光学粘合组装构成，其中第一偏振分光棱镜依次包含第一全反射面、偏振分光面、第二全反射面以及第三全反射面；第二偏振分光棱镜依次包含第一全反射面、偏振分光面以及第二全反射面；波片结合磁光晶体用于改变光束的偏振态；

所述波片的光轴取向与光传输切面水平方向呈22.5°，进而实现对输入的水平偏振光产生45°的旋转以及对输入的垂直偏振光产生135°的偏振旋转；或所述波片的光轴取向与光传输切面垂直方向呈22.5°，进而实现对输入的垂直偏振光产生45°的旋转以及对输入的水平偏振光产生135°的偏振旋转；

所述磁光晶体为具有内部磁场保磁力的法拉第旋光晶体，内部磁场保磁力的方向与微型电流线圈产生的空间饱和磁场方向相平行；磁光晶体的内部磁场保磁力使得输入的线偏振光产生45°或-45°的偏振态旋转，且该内部磁场保磁力的方向与光传输方向平行；

在微型电流线圈产生的空间饱和磁场下，当该磁场方向与保磁力方向相反时，磁光晶体的内部磁场保磁力将发生反转，保磁力反转使得产生的法拉第旋光方向产生反转，即线偏振光的法拉第旋转角由45°变为-45°或由-45°变为45°。

进一步地，所述微型磁光光纤开关通过改变线圈电流方向以实现空间饱和磁场方向的切换，进而控制磁光晶体旋光方向的正向和反向，以实现光束导通通道在不同光纤端口的切换。

进一步地，所述微型磁光光纤开关为1×2光纤开关结构的具体光路实现为：当电流控制线圈产生的磁场使得磁光晶体产生的偏振方向为顺时针旋转45°(即正向+45°)时，准直微透镜将来自第二单模光纤的光准直成平行光束，依次经过第一偏振分光棱镜的第二全反射面、第一偏振分光棱镜的第三全反射面、第二偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面上，全偏振态光束经过偏振分光面后被分成具有相互垂直偏振态的两束光即正常光束和反常光束，正常光束的偏振方向沿垂直y轴方向，反常光束的偏振方向沿水平x轴方向；正常光束经第二偏振分光棱镜的偏振分光面90度反射后到达磁光晶体，经磁光晶体偏振方向旋转+45°后，再经过波片偏振方向顺时针旋转45°，正常光束的偏振方向变为水平x轴方向；反常光束经第二偏振分光棱镜的偏振分光面透射、第二偏振分光棱镜的第一全反射面反射后到达磁光晶体，反常光束经磁光晶体偏振方向旋转+45°后，再经过波片偏振方向顺时针旋转45°，反常光束的偏振态变为垂直y轴方向；经过波片的正常光束经第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达第一偏振分光棱镜的偏振分光面，其相对于第一偏振分光棱镜的偏振分光面来说成为了反常光束；而经过波片的反常光束到达第一偏振分光棱镜，其相对第一偏振分光棱镜的偏振分光面来说成为了正常光束，第一偏振分光棱镜的偏振分光面将两束光合成一束，合成光束经过第一偏振分光棱镜的第一全反射面后由微型三光纤准直器中的第一单模光纤接收输出；

当电流控制线圈产生的磁场使得磁光晶体产生的偏振方向为逆时针旋转45°(即反向-45°)时，准直微透镜将来自第二单模光纤的光准直成平行光束，依次经过第一偏振分光棱镜的第二全反射面、第一偏振分光棱镜的第三全反射面、第二偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面上，全偏振态光束经过偏振分光面后被分成具有相互垂直偏振态的两束光即正常光束和反常光束，正常光束的偏振方向沿垂直y轴方向，反常光束的偏振方向沿水平x轴方向；正常光束经第二偏振分光棱镜的偏振分光面90度反射后到达磁光晶体，经磁光晶体偏振方向旋转-45°后，再经过波片偏振方向顺时针旋转45°，正常光束的偏振态没有变化，其偏振方向还是沿垂直y轴方向；反常光束经第二偏振分光棱镜的偏振分光面透射、第二偏振分光棱镜的第一全反射面反射后到达磁光晶体，反常光束经磁光晶体偏振方向旋转-45°后，再经过波片偏振方向顺时针旋转45°，反常光束的偏振态也没有变化，其偏振方向还是沿水平x轴方向；经过波片的正常光束经第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达第一偏振分光棱镜的偏振分光面与由波片输出的反常光束在该偏振分光面上偏振合路，偏振分光面将两束光偏振合路成一束，合成光束由微型三光纤准直器的中第三单模光纤接收输出；

通过控制线圈电流方向，以切换磁光晶体的法拉第旋光正向或反向，进而选择性地实现由微型三光纤准直器中第二单模光纤输入至第一单模光纤输出或第二单模光纤输入至第三单模光纤输出的切换，从而实现1×2光纤开关结构。

进一步地，所述微型磁光光纤开关为2×1光纤开关结构的具体光路实现为：当电流控制线圈产生的磁场使得磁光晶体产生的偏振方向为逆时针旋转45°(即反向-45°)时，准直微透镜将来自第一单模光纤的光准直成平行光束，经过第一偏振分光棱镜的第一全反射面反射后到达第一偏振分光棱镜的偏振分光面上，全偏振态光束经过偏振分光面后被分成具有相互垂直偏振态的两束光即正常光束和反常光束，正常光束的偏振方向沿垂直y轴方向，反常光束的偏振方向沿水平x轴方向；正常光束经第二偏振分光棱镜的偏振分光面反射后到达波片，经波片偏振方向逆时针旋转45°后，再经过磁光晶体偏振方向旋转-45°，正常光束的偏振方向变为水平x轴方向，而后再经第二偏振分光棱镜的第一全反射面反射后到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面；反常光束依次经第二偏振分光棱镜的偏振分光面透射、第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达波片，反常光束经波片偏振方向逆时针旋转45°后，再经过磁光晶体偏振方向旋转-45°，反常光束的偏振态变为垂直y轴方向并到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面；第二偏振分光棱镜的偏振分光面将两束光合成一束，合成光束依次经第二偏振分光棱镜的第二全反射面反射、第一偏振分光棱镜的第三全反射面反射、第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后由微型三光纤准直器中的第二单模光纤接收输出；

当电流控制线圈产生的磁场使得磁光晶体产生的偏振方向为顺时针旋转45°(即正向+45°)时，准直微透镜将来自第三单模光纤的光准直成平行光束，入射到第一偏振分光棱镜的偏振分光面上，全偏振态光束经过偏振分光面后被分成具有相互垂直偏振态的两束光即正常光束和反常光束，正常光束的偏振方向沿垂直y轴方向，反常光束的偏振方向沿水平x轴方向；正常光束依次经第一偏振分光棱镜的偏振分光面反射、第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达波片，经波片偏振方向逆时针旋转45°后，再经过磁光晶体偏振方向旋转+45°，正常光束的偏振态没有变化，其偏振方向还是沿垂直y轴方向，而后到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面；反常光束经第一偏振分光棱镜的偏振分光面透射后到达波片，进而经波片偏振方向逆时针旋转45°后，再经过磁光晶体偏振方向旋转+45°，反常光束的偏振态没有变化，其偏振方向还是沿水平x轴方向，而后再经第二偏振分光棱镜的第一全反射面反射后到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面；第二偏振分光棱镜的偏振分光面将两束光合成一束，合成光束依次经第二偏振分光棱镜的第二全反射面反射、第一偏振分光棱镜的第三全反射面反射、第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后由微型三光纤准直器中的第二单模光纤接收输出；

通过控制线圈电流方向，以切换磁光晶体的法拉第旋光正向或反向，进而选择性地实现由微型三光纤准直器中第三单模光纤或第一单模光纤切换输入至第二单模光纤输出，从而实现2×1光纤开关结构。

进一步地，当通过电流控制线圈产生的磁场方向使得磁光晶体产生的偏振方向逆时针旋转45°时，其与波片中两个光传输方向产生的偏振旋转+45°与-45°对应相消和叠加，从而可实现微型三光纤准直器中由第一单模光纤输入至第二单模光纤输出，由第二单模光纤输入至第三单模光纤输出的循环光路导通方式；

当通过电流控制线圈产生的磁场方向使得磁光晶体产生的偏振方向顺针旋转45°时，其与波片中两个光传输方向产生的偏振旋转+45°与-45°对应叠加和相消，从而可实现微型三光纤准直器中由第三单模光纤输入至第二单模光纤输出，由第二单模光纤输入至第一单模光纤输出的循环光路导通方式；

通过控制线圈的电流方向，可实现上述两种循环光路开关切换的功能，为一些应用提供这种循环光路光纤开关切换的支持。

进一步地，所述三孔毛细管中的三根单模光纤从上至下排列依次为第二单模光纤、第三单模光纤、第一单模光纤。

本实用新型磁光开关中靠线圈内的电流方向产生正反向磁场，控制磁光晶体的旋光方向的正向和反向，进而实现光束在不同端口的切换；也就是说，整体结构是稳定一体的，是没有运动部件的，这就为磁光开关带来超高的通道切换重复性，超长的寿命保证。

本实用新型磁光开关中偏振分光棱镜可以在足够小的纵向距离上，对一束任意偏振态的光，分解为两束互相垂直的偏振光，并且产生任意大小的侧向分开距离；反之，也可以把两束互相垂直的偏振光合成一束光，这样就解决了三光纤纤准直器的长交叉距离和距离越长准直器光斑就越大的矛盾，从而实现小光斑三光纤准直器在小交叉距离上的开关功能。

在实际已实现的器件可以采用类似如下的尺寸：偏振分光棱镜采用0.6mm厚，微型空间光处理光学内核尺寸控制在2.6mm以内，准直透镜采用光斑直径大小为0.22mm，三纤准直器交叉距离控制在4-7mm，准直器总长可以控制在12mm，最终光纤开关器件的长度控制在18mm以内，侧向尺寸可以控制在4.8mm以内。

本实用新型微型磁光光纤开关采用三光纤准直器与微型空间光处理光学内核，实现了可同时具有多种开关工作模式的微型结构磁光光纤开关，具有多工作模式、结构简单、体积超小、插入损耗低、偏振相关损耗低、单侧出纤、超高的通道切换重复性和超高的寿命等优点。

附图说明

图1为本实用新型微型磁光光纤开关的结构示意图。

图2为本实用新型中波片和磁光晶体改变光束偏振态即逆针旋转45°的示意图。

图3为本实用新型中波片和磁光晶体改变光束偏振态即顺针旋转45°的示意图。

图4为本实用新型中光从磁光光纤开关的光纤12到光纤11的光路原理示意图。

图5为本实用新型中光从磁光光纤开关的光纤12到光纤13的光路原理示意图。

图6为本实用新型中光从磁光光纤开关的光纤11到光纤12的光路原理示意图。

图7为本实用新型中光从磁光光纤开关的光纤13到光纤12的光路原理示意图。

图8为本实用新型磁光光纤开关中循环光路切换从各端口走向光路示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本实用新型，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本实用新型微型磁光光纤开关包括三光纤准直器21、第一偏振分光棱镜31、波片41、磁光晶体51、第二偏振分光棱镜32、线圈61；其中，第一偏振分光棱镜31、波片41、磁光晶体51、第二偏振分光棱镜32，通过微光学工艺粘合组装构成磁光开关光学内核。磁光开关光学内核中的第一偏振分光棱镜31包含有第一全反射面311、偏振分光面312、第二全反射面313和第三全反射面314，第二偏振分光棱镜32包含有第一全反射面321、偏振分光面322和第二全反射面323。

其中的三光纤准直器21包含准直透镜、三孔毛细管、光纤11、12与光纤13；其中，光纤11由准直透镜耦合为准直波束211，光纤12由准直透镜耦合为准直波束212，光纤13由准直透镜耦合为准直波束213。为了区分循环光路切换模式中由公共光纤端口的耦合输入与输出光路，记光纤12的输出通道对应的准直波束为212，光纤12输入对应的准直波束为212'。

参考图1、图2与图3，是本实用新型微型磁光光纤开关的波片和磁光晶体改变光束偏振态的示意图，是本实用新型微型磁光光纤开关实现光路切换的偏振态偏转机理部分。

参考图1中，当线圈61通反向电流时(定义其中一个方向为正向，另外一个方向则为反向)，产生反向磁场，此时处于线圈61磁场中的磁光晶体51处于图示方向的逆时针旋转45°(-45°)。如图2所示，由光纤11—>光纤12方向与由光纤12—>光纤13方向传播。从光纤11入射的光束，被第一偏振分光棱镜31的偏振分光面312分解为两个相互垂直的偏振光，即正常光和反常光。正常光的偏振方向沿y轴方向，记为211o；反常光的偏振方向沿水平x轴方向，记为211e。211o与211e两束光经波片41逆时针旋转成45°(-45°)其偏振方向成左右45度，分别为偏振光211o'和211e'，再经过磁光晶体51旋转-45°，原y轴方向的211o光变成x轴偏振方向，原x轴方向的211e光变成y轴偏振方向，再经第二偏振分光棱镜32的偏振分光面322合成到光纤12输出。从图2中可以看出由光纤12—>光纤13方向传播，波片41旋转的-45°和磁光晶体51旋转的-45°是叠加的，从而使偏振光产生90°旋转的结果。如图2所示由光纤12—>光纤13方向传播，从光纤12入射的光束，被第二偏振分光棱镜32的偏振分光面322分解为水平x轴方向偏振光212e和垂直y轴方向偏振光212o，经磁光晶体51旋转成-45°方向成为偏振光212e'和212o'，再经过波片41旋转+45°，原x轴方向的212e光仍为x轴方向偏振光，原y轴方向的212o光仍为y轴方向偏振光，最后经第一偏振分光棱镜31的偏振分光面312合成到光纤13输出。从图2中可以看出由光纤12—>光纤13方向传播，磁光晶体51旋转的-45°与波片41旋转的+45°是相消的，从而使偏振光产生0°旋转的结果。

参考图1中，当线圈61通正向电流时，产生正向磁场，此时处于线圈61磁场中的磁光晶体51处于图示方向的顺时针旋转45°(+45°)。如图3所示，分析由光纤12—>光纤11方向与由光纤13—>光纤12方向传播，从光纤12入射的光束，被第二偏振分光棱镜32偏振分光面322分解为两个相互垂直的偏振光，即正常光和反常光。反常光的偏振方向沿水平x轴方向，记为212e；正常光的偏振方向沿y轴方向，记为212o。212e与212o两束光经经磁光晶体51旋转成+45°方向成为偏振光212e'和212o'，再经过波片41旋转+45°，原x轴方向的212e光变为y轴方向偏振光，原y轴方向的212o光变为x轴方向偏振光，最后经第一偏振分光棱镜31的偏振分光面312合成到光纤11输出。从图3中可以看出由光纤12—>光纤11方向传播，磁光晶体51旋转的+45°与波片41旋转的+45°和是叠加的，从而使偏振光产生90°旋转的结果。如图3所示由光纤13—>光纤12方向传播，从光纤13入射的光束，被第一偏振分光棱镜31的偏振分光面312分解为水平x轴方向偏振光213e和垂直y轴方向偏振光213o，213e与213o两束光经波片41逆时针旋转成45°(+45°)其偏振方向成左右45度，分别为偏振光213e'和213o'，再经过磁光晶体51旋转+45°，原x轴方向的213e光仍为x轴偏振方向，原y轴方向的213o光仍为y轴偏振方向，再经第二偏振分光棱镜32的偏振分光面322合成到光纤12输出。从图3中可以看出由光纤13—>光纤12方向传播，波片41旋转的-45°和磁光晶体51旋转的+45°是相消的，从而使偏振光产生0°旋转的结果。

图4与图5为本实用新型微型磁光光纤开光1×2工作模式的光路说明。图4是本实用新型中线圈61通正向电流产生正向磁场时，光从磁光开关的光纤12到光纤11的光路原理示意图。图5是本实用新型中线圈61通反向电流产生反向磁场时，光从磁光开关的光纤12→光纤13的光路原理示意图。

参考图4，三光纤准直器21将来自第二单模光纤12的光准直成平行光束212，光束212入射到第一偏振分光棱镜31的第二全反射面313后，被反射到第一偏振分光棱镜31的第三全反射面314上，再被反射到第二偏振分光棱镜32的第二全反射面323上。光束212被全反射面323反射后到达第二偏振分光棱镜32的偏振分光面322上，光束212经过偏振分光面322后被分成具有相互垂直偏振态的两束光，即反常光212e沿水平x轴方向，正常光212o沿y轴方向。光束212o经偏振分光面322反射后到达磁光晶体51；光束212o经磁光晶体51后，偏振方向旋转+45°，记为212o'，再经过波片41偏振方向又旋转+45°，原y轴方向的212o光变为x轴方向偏振光，记为211e；光束212e经偏振分光面322透射后到达第二偏振分光棱镜32的全反射面321，经全反射面321反射后到达磁光晶体51；光束212e经磁光晶体51后，偏振方向旋转+45°，记为212e'，再经过波片41偏振方向又旋转+45°，原x轴方向的212e光变为y轴方向偏振光，记为211o；图3下方的xy平面剖面图标示了由光纤12→光纤11的光束212o与212e到光束211e与211o的偏振态变化。光束211e到达第一偏振分光棱镜31后，经过第一偏振分光棱镜31的全反射面313反射后到达第一偏振分光棱镜31的偏振分光面312，光束211o也到达第一偏振分光棱镜31的偏振分光面312。第一偏振分光棱镜31的偏振分光面312将两束光合成一束，合成光束为211，合成光束211由第一准直器21的第三单模光纤11接收输出。

通过控制线圈电流方向，以切换磁光晶体的法拉第旋光的正向(+45°)和反向(-45°)，进而选择性地实现由三光纤准直器中由第二单模光纤12输入至第一单模光纤11输出(12→11)或第三单模光纤输出(12→13)的切换，实现1×2光纤开关的光路结构。

当线圈61通反向电流产生反向磁场时，参考图5，为光从磁光开关的光纤12到光纤13的光路原理示意图。来自光纤212经过第二偏振分光棱镜32的偏振分光面322分光后，光束211o由偏振分光面322反射后经磁光晶体51后，偏振方向旋转-45°，记为212o'，再经过波片41偏振方向又旋转+45°，原y轴方向的212o光仍为y轴方向偏振光，记为213o；光束212e经偏振分光面322透射后到达第二偏振分光棱镜32的第一全反射面321反射后到达磁光晶体51；光束212e经磁光晶体51后，偏振方向旋转-45°，记为212e'，再经过波片41偏振方向又旋转+45°，原x轴方向的212e光仍为x轴方向偏振光，记为213e；图2下方的xy平面剖面图标示了由光纤12→光纤13的光束212o与212e到光束213o与213e的偏振态变化。光束213o到达第一偏振分光棱镜31后，经过第一偏振分光棱镜31的全反射面313反射后到达第一偏振分光棱镜31的偏振分光面312，光束213e也到达第一偏振分光棱镜31的偏振分光面312。第一偏振分光棱镜31的偏振分光面312将两束光合成一束，合成光束为213，合成光束213由第一准直器21的第三单模光纤13接收输出。

图6与图7为本实用新型微型磁光光纤开光2×1工作模式的光路说明。图6是本实用新型中线圈61通反向电流产生反向磁场时，光从磁光开关的光纤11→光纤12的光路原理示意图。图7是本实用新型中线圈61通正向电流产生正向磁场时，光从磁光开关的光纤13→光纤12的光路原理示意图。

参考图6，线圈61通反向电流产生反向磁场时，三光纤准直器21将来自第一单模光纤11的光准直成平行光束211，光束211入射到第一偏振分光棱镜31的全反射面311后，被反射到偏振分光面312上，光束211经过偏振分光面312后被分成具有相互垂直偏振态的两束光，即正常光211o和反常光211e。光束211o的偏振方向沿y轴方向，光束211e的偏振方向沿x轴方向，光束211o经偏振分光面312反射后到达波片41；光束211o经波片41后，偏振方向逆时针旋转了45°(-45°)，记为211o'，再经过磁光晶体51后，偏振方向又逆时针旋转了45°(-45°)，原y方向的211o光偏振方向变为沿x轴方向，记为212e；光束211e经偏振分光面312透射后到达全反射面313，经全反射面313反射后到达波片41，经波片41偏振方向旋转-45°，记为光束211e'，再经过磁光晶体51后，偏振方向又旋转-45°，原x方向的211e光偏振方向变为沿y轴方向，记为212o；图2下方的xy平面剖面图标示了由光纤11→光纤12的光束211o与211e到光束212e与212o的偏振态变化。光束212e到达第二偏振分光棱镜32后，经过第二偏振分光棱镜32的第一全反射面321反射后到达偏振分光面322，光束212o也到达第二偏振分光棱镜32的偏振分光面322。第二偏振分光棱镜32的偏振分光面322将两束光合成一束，合成光束为212，经第二偏振分光棱镜32的第二全反射面323反射后到达第一偏振分光棱镜31的第三全反射面314，再经第一偏振分光棱镜31的第二全反射面313反射后由双光纤准直器21的第二单模光纤12接收输出。

参考图7，线圈61通正向电流产生正向磁场时，三光纤准直器21将来自第三单模光纤13的光准直成平行光束213，光束213入射到第一偏振分光棱镜31的偏振分光面312上，光束213经过偏振分光面312后被分成具有相互垂直偏振态的两束光，即正常光213o和反常光213e。光束213o的偏振方向沿y轴方向，光束213e的偏振方向沿x轴方向，光束213o经偏振分光面312反射后再经第一偏振分光镜的第二全反射面313反射后到达波片41，光束213o经波片偏振方向逆时针旋转了45°(-45°)，记为213o'，光束213o'再经过磁光晶体51后，偏振方向逆时针旋转+45°，原y方向的213o光偏振方向仍为沿y轴方向，记为212o；光束213e经偏振分光面312透射后到达波片41，经波片41偏振方向旋转-45°，记为光束213e'，再经过磁光晶体51后，偏振方向又旋转+45°，原x方向的213e光偏振方向仍为沿x轴方向212e；图3下方的xy平面剖面图标示了由光纤13→光纤12的光束213o与213e到光束212o与212e的偏振态变化。212e到达第二偏振分光棱镜32后，经过第二偏振分光棱镜32的第一全反射面321反射后到达偏振分光面322，光束212o也到达第二偏振分光棱镜32的偏振分光面322。第二偏振分光棱镜32的偏振分光面322将两束光合成一束，合成光束为212，经第二偏振分光棱镜32的第二全反射面323反射后到达第一偏振分光棱镜31的第三全反射面314，再经第一偏振分光棱镜31的第二全反射面313反射后由双光纤准直器21的第二单模光纤12接收输出。

通过控制线圈电流方向，以切换磁光晶体的法拉第旋光的正向45°和反向(-45°)，进而实现选择第一光纤11、第三光纤13输入切换至第二单模光纤12输出的2×1光纤开关(光纤11→光纤12或光纤13→光纤12)的光路结构。

参考图8，本实用新型微型磁光光纤开关提供了两种循环光路开关切换的工作模式，其工作方式如下：当电流控制线圈产生的磁场方向使得磁光晶体产生的偏振方向逆时针旋转45°(-45°)时，与波片中两个光传输方向产生的偏振旋转+45°与-45°产生偏振旋转的相消或叠加，可以实现三光纤准直器中由第一单模光纤11输入至第二单模光纤12输出(光束211→212')，由第二单模光纤12输入至第三单模光纤13输出(光束212→213)的循环光路导通方式。

当电流控制线圈产生的磁场方向使得磁光晶体产生的偏振方向顺针旋转45°(+45°)时，与波片中两个光传输方向产生的偏振旋转+45°与-45°产生偏振旋转的叠加或相消，从而实现三光纤准直器中由第三单模光纤13输入至第二单模光纤12输出(光束213→212')，由第二单模光纤12输入至第一单模光纤11输出(光束212→211)的循环光路导通方式。

通过控制电流线圈的方向，可以实现上述两种循环光路开关切换的功能，可以为某些应用提供这种循环光路光纤开关切换的支持。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微型磁光光纤开关，其特征在于：由一个微型三光纤准直器、一个微型电流线圈以及一个微型空间光处理光学内核构成，通过控制线圈的电流方向以实现1×2光纤开关结构和2×1光纤开关结构；其中：

所述微型三光纤准直器由一个一字均匀排列的三孔毛细管、三根单模光纤以及准直微透镜通过微光学工艺粘合组装而成，三根单模光纤分别置于三孔毛细管中且间距均匀，准直微透镜将三根单模光纤的输入光分别准直为空间的三个方向，通过微光学调节与粘合组装实现微型三光纤准直器结构中的三根单模光纤准直空间光夹角均匀；

所述微型电流线圈在电流作用下产生空间饱和磁场，该磁场的空间取向与线圈轴心平行；

所述微型空间光处理光学内核由第一偏振分光棱镜、波片、磁光晶体以及第二偏振分光棱镜通过微光学粘合组装构成，其中第一偏振分光棱镜依次包含第一全反射面、偏振分光面、第二全反射面以及第三全反射面；第二偏振分光棱镜依次包含第一全反射面、偏振分光面以及第二全反射面；波片结合磁光晶体用于改变光束的偏振态；

所述波片的光轴取向与光传输切面水平方向呈22.5°，进而实现对输入的水平偏振光产生45°的旋转以及对输入的垂直偏振光产生135°的偏振旋转；或所述波片的光轴取向与光传输切面垂直方向呈22.5°，进而实现对输入的垂直偏振光产生45°的旋转以及对输入的水平偏振光产生135°的偏振旋转；

所述磁光晶体为具有内部磁场保磁力的法拉第旋光晶体，内部磁场保磁力的方向与微型电流线圈产生的空间饱和磁场方向相平行；磁光晶体的内部磁场保磁力使得输入的线偏振光产生45°或-45°的偏振态旋转，且该内部磁场保磁力的方向与光传输方向平行；

在微型电流线圈产生的空间饱和磁场下，当该磁场方向与保磁力方向相反时，磁光晶体的内部磁场保磁力将发生反转，保磁力反转使得产生的法拉第旋光方向产生反转，即线偏振光的法拉第旋转角由45°变为-45°或由-45°变为45°。

2.根据权利要求1所述的微型磁光光纤开关，其特征在于：所述微型磁光光纤开关通过改变线圈电流方向以实现空间饱和磁场方向的切换，进而控制磁光晶体旋光方向的正向和反向，以实现光束导通通道在不同光纤端口的切换。

3.根据权利要求1所述的微型磁光光纤开关，其特征在于：所述微型磁光光纤开关为1×2光纤开关结构的具体光路实现为：当电流控制线圈产生的磁场使得磁光晶体产生的偏振方向为顺时针旋转45°时，准直微透镜将来自第二单模光纤的光准直成平行光束，依次经过第一偏振分光棱镜的第二全反射面、第一偏振分光棱镜的第三全反射面、第二偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面上，全偏振态光束经过偏振分光面后被分成具有相互垂直偏振态的两束光即正常光束和反常光束，正常光束的偏振方向沿垂直y轴方向，反常光束的偏振方向沿水平x轴方向；正常光束经第二偏振分光棱镜的偏振分光面90度反射后到达磁光晶体，经磁光晶体偏振方向旋转+45°后，再经过波片偏振方向顺时针旋转45°，正常光束的偏振方向变为水平x轴方向；反常光束经第二偏振分光棱镜的偏振分光面透射、第二偏振分光棱镜的第一全反射面反射后到达磁光晶体，反常光束经磁光晶体偏振方向旋转+45°后，再经过波片偏振方向顺时针旋转45°，反常光束的偏振态变为垂直y轴方向；经过波片的正常光束经第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达第一偏振分光棱镜的偏振分光面，其相对于第一偏振分光棱镜的偏振分光面来说成为了反常光束；而经过波片的反常光束到达第一偏振分光棱镜，其相对第一偏振分光棱镜的偏振分光面来说成为了正常光束，第一偏振分光棱镜的偏振分光面将两束光合成一束，合成光束经过第一偏振分光棱镜的第一全反射面后由微型三光纤准直器中的第一单模光纤接收输出；

当电流控制线圈产生的磁场使得磁光晶体产生的偏振方向为逆时针旋转45°时，准直微透镜将来自第二单模光纤的光准直成平行光束，依次经过第一偏振分光棱镜的第二全反射面、第一偏振分光棱镜的第三全反射面、第二偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面上，全偏振态光束经过偏振分光面后被分成具有相互垂直偏振态的两束光即正常光束和反常光束，正常光束的偏振方向沿垂直y轴方向，反常光束的偏振方向沿水平x轴方向；正常光束经第二偏振分光棱镜的偏振分光面90度反射后到达磁光晶体，经磁光晶体偏振方向旋转-45°后，再经过波片偏振方向顺时针旋转45°，正常光束的偏振态没有变化，其偏振方向还是沿垂直y轴方向；反常光束经第二偏振分光棱镜的偏振分光面透射、第二偏振分光棱镜的第一全反射面反射后到达磁光晶体，反常光束经磁光晶体偏振方向旋转-45°后，再经过波片偏振方向顺时针旋转45°，反常光束的偏振态也没有变化，其偏振方向还是沿水平x轴方向；经过波片的正常光束经第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达第一偏振分光棱镜的偏振分光面与由波片输出的反常光束在该偏振分光面上偏振合路，偏振分光面将两束光偏振合路成一束，合成光束由微型三光纤准直器的中第三单模光纤接收输出；

通过控制线圈电流方向，以切换磁光晶体的法拉第旋光正向或反向，进而选择性地实现由微型三光纤准直器中第二单模光纤输入至第一单模光纤输出或第二单模光纤输入至第三单模光纤输出的切换，从而实现1×2光纤开关结构。

4.根据权利要求1所述的微型磁光光纤开关，其特征在于：所述微型磁光光纤开关为2×1光纤开关结构的具体光路实现为：当电流控制线圈产生的磁场使得磁光晶体产生的偏振方向为逆时针旋转45°时，准直微透镜将来自第一单模光纤的光准直成平行光束，经过第一偏振分光棱镜的第一全反射面反射后到达第一偏振分光棱镜的偏振分光面上，全偏振态光束经过偏振分光面后被分成具有相互垂直偏振态的两束光即正常光束和反常光束，正常光束的偏振方向沿垂直y轴方向，反常光束的偏振方向沿水平x轴方向；正常光束经第二偏振分光棱镜的偏振分光面反射后到达波片，经波片偏振方向逆时针旋转45°后，再经过磁光晶体偏振方向旋转-45°，正常光束的偏振方向变为水平x轴方向，而后再经第二偏振分光棱镜的第一全反射面反射后到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面；反常光束依次经第二偏振分光棱镜的偏振分光面透射、第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达波片，反常光束经波片偏振方向逆时针旋转45°后，再经过磁光晶体偏振方向旋转-45°，反常光束的偏振态变为垂直y轴方向并到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面；第二偏振分光棱镜的偏振分光面将两束光合成一束，合成光束依次经第二偏振分光棱镜的第二全反射面反射、第一偏振分光棱镜的第三全反射面反射、第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后由微型三光纤准直器中的第二单模光纤接收输出；

当电流控制线圈产生的磁场使得磁光晶体产生的偏振方向为顺时针旋转45°时，准直微透镜将来自第三单模光纤的光准直成平行光束，入射到第一偏振分光棱镜的偏振分光面上，全偏振态光束经过偏振分光面后被分成具有相互垂直偏振态的两束光即正常光束和反常光束，正常光束的偏振方向沿垂直y轴方向，反常光束的偏振方向沿水平x轴方向；正常光束依次经第一偏振分光棱镜的偏振分光面反射、第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后到达波片，经波片偏振方向逆时针旋转45°后，再经过磁光晶体偏振方向旋转+45°，正常光束的偏振态没有变化，其偏振方向还是沿垂直y轴方向，而后到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面；反常光束经第一偏振分光棱镜的偏振分光面透射后到达波片，进而经波片偏振方向逆时针旋转45°后，再经过磁光晶体偏振方向旋转+45°，反常光束的偏振态没有变化，其偏振方向还是沿水平x轴方向，而后再经第二偏振分光棱镜的第一全反射面反射后到达第二偏振分光棱镜的偏振分光面；第二偏振分光棱镜的偏振分光面将两束光合成一束，合成光束依次经第二偏振分光棱镜的第二全反射面反射、第一偏振分光棱镜的第三全反射面反射、第一偏振分光棱镜的第二全反射面反射后由微型三光纤准直器中的第二单模光纤接收输出；

通过控制线圈电流方向，以切换磁光晶体的法拉第旋光正向或反向，进而选择性地实现由微型三光纤准直器中第三单模光纤或第一单模光纤切换输入至第二单模光纤输出，从而实现2×1光纤开关结构。

5.根据权利要求1所述的微型磁光光纤开关，其特征在于：当通过电流控制线圈产生的磁场方向使得磁光晶体产生的偏振方向逆时针旋转45°时，其与波片中两个光传输方向产生的偏振旋转+45°与-45°对应相消和叠加，从而可实现微型三光纤准直器中由第一单模光纤输入至第二单模光纤输出，由第二单模光纤输入至第三单模光纤输出的循环光路导通方式；

当通过电流控制线圈产生的磁场方向使得磁光晶体产生的偏振方向顺针旋转45°时，其与波片中两个光传输方向产生的偏振旋转+45°与-45°对应叠加和相消，从而可实现微型三光纤准直器中由第三单模光纤输入至第二单模光纤输出，由第二单模光纤输入至第一单模光纤输出的循环光路导通方式；

通过控制线圈的电流方向，可实现上述两种循环光路开关切换的功能，为一些应用提供这种循环光路光纤开关切换的支持。

6.根据权利要求3、4或5所述的微型磁光光纤开关，其特征在于：所述三孔毛细管中的三根单模光纤从上至下排列依次为第二单模光纤、第三单模光纤、第一单模光纤。

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