CN111999918A - 全光开关装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光开关装置及方法，装置包括第一分束器、液晶盒、第二分束器、第三分束器、手性物质、第四分束器、第一反射镜、第二反射镜、相位调节器、第五分束器、第一光电探测器和第二光电探测器，其中，窄线宽激光在第一分束器将分束为控制光和参考光，参考光被第一光电探测器探测，经过液晶盒的控制光和入射的信号光在第二分束器合束，在第三分束器分为第一光束和第二光束，第一光束经手性物质和第一反射镜到达第四分束器，第二光束经第二反射镜、相位调节器到达第四分束器，两束光合束后干涉产生路径1光束和路径2光束，路径1光束分为透射光束和反射光束，透射光束被第二光电探测器探测。本发明可实现快速、稳定、能耗极低的全光开关控制。

Description

全光开关装置及方法
技术领域
本发明涉及光学开关，尤其涉及一种全光开关装置及方法。
背景技术
在当今大数据市场高速发展的背景下，每天都有巨量的信息需要发送和接收，传输网络的性能和可靠性则显得至关重要，必须大力发展全光交换技术，全光通信的信号传输和交换都是在光域中进行的，数据的传输速率突破电子技术的极限，省去电信号处理的过程，在稳定性和信息容量以及能耗方面有着很大提高。光通信器件是构建全光网络的基础，而全光开关是光器件的重要组成部分，在一定程度上影响着器件的性能。以往的光开关大多基于有源材料利用非线性效应使光学特性发生显著变化，往往需要很高的光功率，而很高的开关功率会带来强烈的热效应和其他损耗，在实际应用时会造成光器件性能不稳定，并且非线性过程的响应时间也会大大增加，这会导致开关的响应跟不上信息处理的速度。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种能耗低、性能稳定、响应时间短的全光开关装置及方法。
技术方案：本发明所述的全光开关装置包括第一分束器、液晶盒、第二分束器、第三分束器、手性物质、第四分束器、第一反射镜、第二反射镜、相位调节器、第五分束器、第一光电探测器和第二光电探测器，其中，所述第一分束器将入射的窄线宽激光分束为控制光和参考光，所述第一光电探测器接收并探测参考光，所述液晶盒调制经过的控制光的相位，所述第二分束器将入射的信号光与调制相位后的控制光合束，所述第三分束器将合束后的激光再次分为第一光束和第二光束，所述手性物质和第一反射镜依次位于第一光束的光路上，所述第二反射镜、相位调节器依次位于第二光束的光路上，所述第四分束器将第一反射镜反射的第一光束和相位调节器调节后的第二光束合束并进行干涉，干涉后产生与入射的第一光束路径平行的路径1光束和与入射的第一光束路径垂直的路径2光束，第五分束器将路径1光束分束为透射光束和反射光束，第二光电探测器接收并探测透射光束。
进一步的，所述全光开关装置还包括第一光束终止器和第二光束终止器，所述第一光束终止器终止路径2光束，所述第二光束终止器终止第五分束器分出的反射光束。
进一步的，所述第一分束器、第三分束器和第四分束器为偏振无关分束器，所述第二分束器和第五分束器为偏振分束器。
进一步的，所述液晶盒内侧设有并列的第一玻璃片和第二玻璃片，第一玻璃片和第二玻璃片上都镀有氧化铟锡导电层和聚酰亚胺取向层，液晶盒内灌有向列相液晶分子，其中，取向层的方向和控制光的偏振方向相同。所述液晶盒的电压在使用时通过调节使得经过液晶盒的控制光和信号光到达第二分束器时的相位相差90度。
进一步的，所述手性物质具体为使得所述第一光束经过手性物质后偏振态旋转90度的手性物质。所述信号光为水平线偏振信号光。
本发明所述的全开关方法包括：
(1)打开窄线宽激光，窄线宽激光在第一分束器被分成控制光和参考光，控制光和信号光在第二分束器上合束为圆偏振光，圆偏振光经第三分束器分为第一光束和第二光束，第一光束经过手性物质被第一反射镜反射到第四分束器上，第二光束经过相位调节器后被第二反射镜反射到第四分束器上，调节相位调节器，使得第一光束和第二光束的相位相差180度，在第四分束器上合束并发生干涉，路径1光束干涉相消，光强极小，从而实现全光开关的信号光“关”状态；
(2)关闭窄线宽激光，信号光经第三分束器分为第一光束和第二光束，第一光束经过手性物质后偏振态旋转90度，再由第一反射镜反射到第四分束器上，第二光束经相位调节器后被第二反射镜反射到第四分束器上，第四分束器上的第一光束和第二光束偏振态正交，合束后不发生干涉直接射入第五分束器，从而实现全光开关的信号光“开”状态。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明通过将控制光与信号光组合改变入射到线性光学***中光的性质来达到光开关的功能，而保持输出的开关信号与输入信号光性质一致，控制光弱，强度和信号光相等，极大降低了全光开关的能耗，性能也更加稳定；同时，由于没有采用光学微腔，光开关的速度极高。
附图说明
图1是本发明提供的全光开关装置的一个实施例的结构图；
图2是本发明的结果示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种全光开关装置，如图1所示，包括第一分束器1-1、第二分束器1-2、第三分束器1-3、第四分束器1-4、第五分束器1-5、第一光电探测器2、液晶盒3、第一反射镜4-1、第二反射镜4-2、手性物质5、相位调节器6、第二光电探测器7、第一光束终止器8-1和第二光束终止器8-2。其中，第一分束器1-1将入射的窄线宽激光分束为控制光和参考光，第一光电探测器2接收并探测参考光，液晶盒3调制经过的控制光的相位，第二分束器1-2将入射的水平线偏振信号光与调制相位后的控制光合束，第三分束器1-3将合束后的激光再次分为第一光束和第二光束，手性物质5和第一反射镜4-1依次位于第一光束的光路上，第二反射镜4-2、相位调节器6依次位于第二光束的光路上，第四分束器1-4将第一反射镜4-1反射的第一光束和相位调节器6调节后的第二光束合束并进行干涉，干涉后产生与入射的第一光束路径平行的路径1光束和与入射的第一光束路径垂直的路径2光束，第一光束终止器8-1终止路径2光束，第五分束器1-5将路径1光束分束为透射光束和反射光束，第二光电探测器接收并探测透射光束，第二光束终止器8-2终止反射光束。第一分束器、第三分束器和第四分束器为偏振无关分束器，分光比都是50:50，第二分束器和第五分束器为偏振分束器。控制光的信号和全光开关装置的输出信号分别由第一光电探测器2和第二光电探测器7探测并输入到示波器(图中未画出)上显示出来。
其中，液晶盒3内侧设有并列的第一玻璃片3-1和第二玻璃片3-2，第一玻璃片3-1和第二玻璃片3-2上都镀有氧化铟锡导电层和聚酰亚胺取向层，液晶盒3内灌有向列相液晶分子，液晶盒3作为相位可变延迟器使用，液晶盒3上通过加不同电压的交流电来改变相位，当线偏振入射光的偏振轴对准液晶盒的光轴时，液晶盒只影响入射光束的相位而不改变偏振，本实施例中，液晶盒在使用时要通过调节电压使得经过液晶盒的控制光和信号光到达第二分束器时的相位相差90度。手性物质可以是晶体、溶液、薄膜等，具体为使得第一光束经过手性物质后偏振态旋转90度的手性物质，即光由水平线偏振变成竖直线偏振。
本实施例还提供了一种基于上述全光开关装置的全开关方法，包括如下步骤：
(1)打开窄线宽激光，窄线宽激光在第一分束器被分成控制光和参考光，控制光和信号光在第二分束器上合束为圆偏振光，圆偏振光经第三分束器分为第一光束和第二光束，第一光束经过手性物质被第一反射镜反射到第四分束器上，第二光束经过相位调节器后被第二反射镜反射到第四分束器上，调节相位调节器，使得第一光束和第二光束的相位相差180度，在第四分束器上合束并发生干涉，路径1光束干涉相消，光强极小，从而实现全光开关的信号光“关”状态；
(2)关闭窄线宽激光，信号光经第三分束器分为第一光束和第二光束，第一光束经过手性物质后偏振态旋转90度，再由第一反射镜反射到第四分束器上，第二光束经相位调节器后被第二反射镜反射到第四分束器上，第四分束器上的第一光束和第二光束偏振态正交，合束后不发生干涉直接射入第五分束器，从而实现全光开关的信号光“开”状态。
实施例2
本实施例的全光开关装置与实施例1相同，全光开关方法基于本实施例的全光开关装置，具体实现方法为：
(1)选择信号光和控制光的光源为中心波长780nm的窄线宽光源，线宽小于100KHz，出射的光为线偏振光；
(2)窄线宽光源打开时，调节液晶盒上的电压，峰峰值为2.32V时，竖直线偏振控制光和水平线偏振信号光通过第一偏振分束器合束为圆偏振光；
(3)手性物质选取为石英晶体，长度7.5mm，对于780nm的光，旋光角刚好等于90度，水平线偏振光经过后变为竖直线偏振光，而圆偏振光经过该石英晶体则偏振保持不变；
(4)选取第一光电探测器2和第二光电探测器7为响应范围400-1000nm的硅基放大光电探测器，探测控制光和全光开关装置的输出信号；
(5)信号光和控制光的功率调节为1μW，控制光的窄线宽光源交替打开和关闭，控制光的信号和开关信号分别由第一光电探测器和第二光电探测器探测得到并输入示波器。
示波器结果如图2所示。空心方块表示控制光的信号，实心圆点表示开关的信号，可以看出，控制光打开时，开关输出的电信号为低电平，开关为关闭状态，控制光关闭时，开关输出的电信号为高电平，开关为打开状态，计算可得到关闭状态相对于打开状态消光比达到18.8dB，有效实现了打开和关闭状态，性能稳定。

Claims (8)

1.一种全光开关装置，其特征在于：包括第一分束器、液晶盒、第二分束器、第三分束器、手性物质、第四分束器、第一反射镜、第二反射镜、相位调节器、第五分束器、第一光电探测器和第二光电探测器，其中，所述第一分束器将入射的窄线宽激光分束为控制光和参考光，所述第一光电探测器接收并探测参考光，所述液晶盒调制经过的控制光的相位，所述第二分束器将入射的信号光与调制相位后的控制光合束，所述第三分束器将合束后的激光再次分为第一光束和第二光束，所述手性物质和第一反射镜依次位于第一光束的光路上，所述第二反射镜、相位调节器依次位于第二光束的光路上，所述第四分束器将第一反射镜反射的第一光束和相位调节器调节后的第二光束合束并进行干涉，干涉后产生与入射的第一光束路径平行的路径1光束和与入射的第一光束路径垂直的路径2光束，第五分束器将路径1光束分束为透射光束和反射光束，第二光电探测器接收并探测透射光束。
2.根据权利要求1所述的全光开关装置，其特征在于：所述全光开关装置还包括第一光束终止器和第二光束终止器，所述第一光束终止器终止路径2光束，所述第二光束终止器终止第五分束器分出的反射光束。
3.根据权利要求1所述的全光开关装置，其特征在于：所述第一分束器、第三分束器和第四分束器为偏振无关分束器，所述第二分束器和第五分束器为偏振分束器。
4.根据权利要求1所述的全光开关装置，其特征在于：所述液晶盒内侧设有并列的第一玻璃片和第二玻璃片，第一玻璃片和第二玻璃片上都镀有氧化铟锡导电层和聚酰亚胺取向层，液晶盒内灌有向列相液晶分子，其中，取向层的方向和控制光的偏振方向相同。
5.根据权利要求1所述的全光开关装置，其特征在于：所述液晶盒的电压在使用时通过调节使得经过液晶盒的控制光和信号光到达第二分束器时的相位相差90度。
6.根据权利要求1所述的全光开关装置，其特征在于：所述手性物质具体为使得所述第一光束经过手性物质后偏振态旋转90度的手性物质。
7.根据权利要求1所述的全光开关装置，其特征在于：所述信号光为水平线偏振信号光。
8.一种基于权利要求1所述的全光开关装置的全光开关方法，其特征在于包括：
(1)打开窄线宽激光，窄线宽激光在第一分束器被分成控制光和参考光，控制光和信号光在第二分束器上合束为圆偏振光，圆偏振光经第三分束器分为第一光束和第二光束，第一光束经过手性物质被第一反射镜反射到第四分束器上，第二光束经过相位调节器后被第二反射镜反射到第四分束器上，调节相位调节器，使得第一光束和第二光束的相位相差180度，在第四分束器上合束并发生干涉，路径1光束干涉相消，光强极小，从而实现全光开关的信号光“关”状态；
(2)关闭窄线宽激光，信号光经第三分束器分为第一光束和第二光束，第一光束经过手性物质后偏振态旋转90度，再由第一反射镜反射到第四分束器上，第二光束经相位调节器后被第二反射镜反射到第四分束器上，第四分束器上的第一光束和第二光束偏振态正交，合束后不发生干涉直接射入第五分束器，从而实现全光开关的信号光“开”状态。
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