CN2469472Y - 一种高速度低损耗的光开关 - Google Patents
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Abstract
一种高速度低损耗的光开关,本实用新型属于光纤通信领域。其主要解决现有光开关传输速度慢、损耗大、成本高等问题。本实用新型的技术解决方案是它采用偏振分束镜,全反射镜和外壳是磁性体的双折射晶体,其结构按三维空间即时X、Z、Y方向布置,先将一束任意状态入射光分解为两束传输方向和振动方向都互相垂直的线偏振光,再站两束光分别通过两个完全相同具有磁致旋光的双折射晶体。当电磁体通电时,双折射晶体将使入射光的偏振方向旋转九十度而出射,这种光开关速度高、损耗小、成本低,容易组合成M×N的光开关。
Description
本实用新型属于光纤通信领域，主要用于高速光纤通信网络。
目前光纤通信中使用的光开关有六大类：①、机械式开关，其中包括微电——机开关(MEMS)，②、电——热开关、③、电——光开关，④、声——光开关，⑤、磁——光开关。⑥、基于半导体光放大器(SOA)的光开关。这类光开关产品的主要缺点是速度慢和损耗大。机械式(包括MEMS)和电热式开关的典型的开关速度为20毫秒(20mS)，显然这样的速度在光纤通信中是远远不能满足大容量、高速度通信要求的，只有在少数对速度没有特殊要求的情况下使用。一般光纤通信中的路由器(信号识别和交换的器件)的开关速度要求在纳秒(nS)数量级或更快，即比毫秒快100万倍以上。目前的电光、声光、磁光开关的基本原理都是通断式的开关，所以它们的开关功能都是1X1的、尽管其速度较快，但损耗很大，一般说来1X1形式的基本开关是光从进口进来然后要么从出口出去、要么就没有光出去，理论上的平均损耗为50％(约为3dB)，要两个1X1形式的基本光开关组合才能形成一个1X2形式的光开关，因此一个由1X1组合而成的1X2开关的理论损耗为3dB。理论上通过由1X1开关组合形成的MXN(这里M和N为任意正整数)型开关的损耗也较大，如果是多级串并联组成的开关就有很大的损耗(例如5级串联形式的开关的理论损耗大于15dB，实际损耗可能大于20dB，即通过该开关后的信号强度只有原来的1％)，在绝大多数情况下没有什么使用价值，只有在极少数情况下才有使用价值。目前SOA光开关(实质上是一种特殊的半导体激光器)尽管其基本原理也是通断式开关，理论上开关损耗也是3dB，由于它有放大功能可以补偿损耗或放大信号，因此总体上不存在损耗问题、速度也很快；但是有价格太高的问题，其目前的成本是其它开关的几十倍，存在着另一种应用上的障碍。
针对原有产品的缺点，本实用新型的目的是提供一种高速度、低损耗的光开关。其基本原理是利用双折射晶体对偏振光的透过的方向性和物质的磁致旋光特性相结合从而控制入射光使其按照人为控制的两个出口之一出射实现光的开关的功能。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下的技术方案。这种高速度低损耗的光开关，它至少包括偏振分束镜、双折射晶体、磁铁和全反射镜组成，它的结构形式按三维空间，即X、Y、Z方向相互垂直布置，在光的入射方向即X方向依次布置有偏振分束镜(1)、双折射晶体(3)、电磁铁(5)、偏振分束镜(7)和(9)；在与X轴垂直的Z轴方向依次布置有全反射镜(2)、双折射晶体(4)、电磁铁(6)、偏振分束镜(8)、全反射镜(12)；在与偏振分束镜(7)的X轴方向相垂直的Y轴方向，布置有偏振分束镜(10)；在与偏振分束镜(8)的X轴方向相垂直的Y方向布置有全反射镜(11)；所述的双折射晶体(3)、(4)环包着电磁铁(5)、(6)。在一定的磁场条件下具有磁致旋光特性的双折射晶体(3)、(4)将使入射光的偏振方向旋转90度而出射。这种开关的主要步骤是：一、先将一束任意状态入射的光(实际通信中是携带信号的光)分解为两束传输方向和振动方向都互相垂直的线偏振光，完成这种转换的元件是偏振分束镜(英文缩写为PBS，它主要可以改变两种传输状态，一种是将一束任意状态入射的光分解为两束传输方向和振动方向都互相垂直的线偏振光；另一种是将偏振方向与PBS的透光方向相同的线偏振光全部透过并保持原来的传输方向而将偏振方向与PBS的透光方向垂直的线偏振光全部反射并使其传输方向偏转90度。)；然后将其中的与入射方向垂直的一束用一个全反射镜将其传输方向变为与入射方向相同，这样两束光就平行传输但偏振方向互相垂直。二、再让两束光分别通过两个完全相同的具有磁致旋光特性的双折射晶体，这两个双折射晶体置于两个相同的电磁铁之中，利用双折射晶体的磁致旋光特性，当在电磁铁加上一固定强度的磁场的时候，双折射晶体将使入射光的偏振方向旋转90度而出射(通过适当的设计这是没有任何问题的)，在没有磁场的时候其偏振方向不变；于是加上一固定磁场和没有磁场(实质上是对电磁铁通一个恒定电流或不通电流)时两束光的出射光分别有两种不同的偏振方向，但两束光的偏振方向总保持相互垂直。三、用两个独立但透光方向互相垂直布置的PBS放置在双折射晶体之后，它们的透光方向分别与两束光在没有磁场时的偏振方向相同而与有磁场的偏振方向垂直。这样在没有磁场时两束光就顺利地按照原来的方向传输，而在有磁场时两束光就全部沿偏转90度的方向传输。四、在两束光传输相同方向和垂直方向，分别布置PBS和全反射镜，其作用是将分离的两束光重新合并成一束光，实质上这束合并后的光与入射光是一样的光，只是通过了所有的光学元件后总的能量有少量的损耗，由于在通信中所用的光学元件材料对光的吸收都很小，并且在通光面都镀了全透膜(即透过率接近100％，插入损耗小于O.001dB)所以理论上可以做到基本无损耗，实际损耗可以小于0.5dB。五、通过上述步骤后，实际上实现了这样的基本功能：一束光入射后有两个出射口，在没有电流的情况下入射光全部按照原来的方向出射，在有电流的情况下入射光全部按照与原来方向垂直的方向出射，这就是一个1X2的光开关，而且损耗很小。对于体积很小的光通信元件而言，施加电流而建立磁场的时间很短，实现纳秒(nS)以至更快的开关速度是比较容易的，因此这种开关的速度很高。此外显而易见这种开关是电流控制型的，很容易实现程序控制。
本实用新型的优越性在于，这种光开关的速度高，损耗小，成本较低，易于实现程序控制，并且易于组合成高速度、低损耗的MXN光开关。
下面结合附图，进一步描述本实用新型的具体结构。
附图为本实用新型光开关结构轴视图。
当任意一束信号光(其传输方向用单向箭头表示)正入射到PBS(1)上后，就被(1)分解为两束传输方向和振动方向都互相垂直的线偏振光(双向箭头表示光的偏振方向，在附图中用铅直方向和水平方向定义)，然后将其中的与入射方向垂直的一束用全反射镜(2)将其传输方向变为与入射方向相同，这样两束光就平行传输但偏振方向互相垂直。当两束光分别通过两个完全相同的双折射晶体(3)、(4)后，由于这两个双折射晶体置于完全相同的电磁铁外壳(5)、(6)之中，利用双折射晶体的磁致旋光特性，在有磁场时双折射晶体将使入射光的偏振方向旋转90度而出射；在没有磁场时其偏振方向不变。用两个独立但透光方向互相垂直布置的PBS(7)、(8)放置在双折射晶体(3)、(4)之后，它们的透光方向分别与两束光在没有磁场时的偏振方向相同而与有磁场时的偏振方向垂直。这样在没有磁场时两束光就顺利地按照原来的方向传输，而在有磁场时两束光就全部沿偏转90度的方向(即虚线方向)传输。在两束光传输相同方向(即电磁铁不通电无磁场时的方向)和垂直方向(即电磁铁通电有磁场时的方向)，分别布置两个PBS(9)、(10)和两个全反射镜(11)、(12)，其作用是将分离的两束光重新合并成一束光，实质上这束合并后的光与入射光是一样的光，光束的强度(实质上是信号大小)和偏振状态都没有发生变化。实际上这就是一个1X2的光开关的基本功能：一束光入射后有两个出射口，在没有电流的情况下入射光全部按照原来的方向出射，在有电流的情况下入射光全部按照与原来方向垂直的方向出射；如果将PBS(7)、(8)放置时的透光方向分别与两束光在有磁场时的偏振方向相同而与没有磁场时的偏振方向垂直，则是没有电流的情况下入射光全部按照与原来方向垂直的方向出射，在有电流的情况下入射光全部按照原来的方向出射。有了这种高速度、低损耗的1X2的基本开关单元，组合成MXN的光开关是比较容易的。
下面介绍一个具体的实施例子，其中包含相关材料的使用。用方解石(亦称冰洲石，化学分子式为CaCO3)晶体制作的PBS或者普通光学玻璃镀介质膜制作的薄膜型PBS作为本实用新型附图中的(1)、(7)、(8)、(9)和(10)，用铌酸锂(化学分子式为LiNbO3)、或者钒酸钇(化学分子式为YVO4)、或者钇铁酸榴石(英文缩写YIG，化学分子式为Y3Fe5O12)晶体制作的磁致旋光元件作为附图中的(3)和(4)，用普通光学玻璃制作的全反射镜作为附图中的(2)、(11)和(12)，用铁淦氧体或者其它的磁性材料绕上线圈后制作的电磁铁作为附图中的(5)和(6)，就构成了一个实用的光开关。如果将三个带尾纤的准直镜(由GRIN透镜和尾纤组成的标准零件)作为一个输入端和两个输出端与上述光开关连接起来，上述光开关构成了标准的光纤通信用的1X2光开关。按一般教科书中的办法用24个这样的光开关就能组合成一个4X4的光开关。用类似的办法也可以组合成MXN的开关。
Claims (2)
1、一种高速度低损耗的光开关，它至少包括偏振分束镜、双折射晶体、磁铁和全反射镜组成，其特征在于它的结构形式按三维空间，即X、Y、Z方向相互垂直布置，在光的入射方向即X方向依次布置有偏振分束镜(1)、双折射晶体(3)、电磁铁(5)、偏振分束镜(7)和(9)；在与X轴垂直的Z轴方向依次布置有全反射镜(2)、双折射晶体(4)、电磁铁(6)、偏振分束镜(8)、全反射镜(12)；在与偏振分束镜(7)的X轴方向相垂直的Y轴方向，布置有偏振分束镜(10)；在与偏振分束镜(8)的X轴方向相垂直的Y方向布置有全反射镜(11)。
2、根据权利要求1所述的一种高速度低损耗的光开关，其特征在于所述的X轴向和Z轴向的双折射晶体(3)、(4)环包着电磁铁(5)、(6)。在一定的磁场条件下具有磁致旋光特性的双折射晶体(3)、(4)将使入射光的偏振方向旋转90度而出射。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 01239620 CN2469472Y (zh) | 2001-03-29 | 2001-03-29 | 一种高速度低损耗的光开关 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN 01239620 CN2469472Y (zh) | 2001-03-29 | 2001-03-29 | 一种高速度低损耗的光开关 |
Publications (1)
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| CN2469472Y true CN2469472Y (zh) | 2002-01-02 |
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ID=33652019
Family Applications (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN2469472Y (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101825703B (zh) * | 2010-01-25 | 2013-02-06 | 华北电力大学（保定） | 改进的脉冲激光测距装置及使用该装置的激光测距方法 |
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2001
- 2001-03-29 CN CN 01239620 patent/CN2469472Y/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN101825703B (zh) * | 2010-01-25 | 2013-02-06 | 华北电力大学（保定） | 改进的脉冲激光测距装置及使用该装置的激光测距方法 |
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