CN1332242C - 全光纤磁光开关 - Google Patents

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Abstract

全光纤磁光开关，涉及一种磁光开关，尤其是涉及一种全光纤磁光开关。提供一种具备无运动件、开关速度快、稳定性好、驱动电压低、串扰小、体积小和易于高度集成等优点的全光纤磁光开关。输入偏振分束器，输入端口外接入射光；2根保偏光纤，输入端口接偏振分束器的2个偏振态正交的P、S光输出端；2根钇铁石榴石光纤，置于高速磁场中，输入端口接2根保偏光纤输出端；第2对偏振分束器，输入端接2根钇铁石榴石光纤输出端；2个偏振合束器，输入端接第2对偏振分束器各2个偏振态正交的P、S光的输出端；2根单模光纤，其输入端接2个偏振合束器的合波输出端，输出端口输出偏振合波光束。

Description

全光纤磁光开关
技术领域
本发明涉及一种磁光开关，尤其是涉及一种全光纤磁光开关。
背景技术
近年来，随着远程通信和计算机通信的飞速发展，通信网络的传输和交换容量增长非常迅速，尤其是以Internet/Intranet业务为主的数据通信流量出现了***式增长，传统的基于电子领域的传输***已难以满足日益增加的业务需要。
全光网络可以经济有效地增加光纤通信***容量，已得到国际电信界的普遍认同。全光网络的所有组成部分均会实现“透明”，与数据格式、速率和协议无关，已成为各国电信部门共同关注的热点技术之一。全光网络中的光分插复用设备(OADM)、光交叉连接设备(OXC)和光路由器等关键设备，主要用于全光网络中的高速率信号间的交换，在全光网络中起着举足轻重的作用。这一切的实现迫切需要各种性能良好和价格合理的全光开关器件。全光开关及其规模集成的研究已经成为全光网络建设急需突破的瓶颈，已经成为全光网络和光无源器件重要的研究热点和关键技术难点。
全光开关无需通过传统的光-电-光转换方式而直接将光信号按照不同的要求输出到不同端口。与传统的光开关相比，它省去了光-电-光转换过程，设备相应简化，极大地提高网络的可靠性，并提供灵活的信号路由平台。尽管目前通信***中还采用传统的光-电-光交换，但全光网络却需要全光开关代替光电转换来完成信号路由功能，实现网络的高速率和协议的透明性。全光开关已经成为构建大型光交换***的核心器件和决定网络性能的关键因素，其地位和重要性日益凸现。
光开关目前大体可以分为传统的机械式光开关和新近研究的非机械式光开关两大类。机械式光开关的发展最为成熟，它具有***损耗低、偏振无关、串扰小等优点。不足之处是开关时间长，一般为毫秒量级，与要求的微秒和纳秒量级相差甚远；体积大，有的还存在回跳抖动和重复性较差等问题。非机械式光开关一般是利用材料的电光、声光、热光和磁光等效应研制而成，相对于机械式光开关来说，它们具有较高的开关速度，一般可以达到微秒级甚至纳秒量级，可以实现高密度集成，可以应用于未来的集成光交换和光电子交换***。不足之处是***损耗稍大、隔离度低。现阶段较为前沿的非机械光开关有MEMS光开关、液晶光开关、热光效应光开关、声光开关和磁光开关等。
磁光开关是一种利用法拉第(Faraday)磁光效应实现光路切换的全光开关。相对于传统的机械式光开关，磁光开关具有开关速度快和稳定性高等优势；而相对于其它的非机械式光开关，它又具有驱动电压低和串扰小等优势。
在现有的磁光开关中，通常采用的元器件有磁光材料(包括磁光玻璃和磁光晶体)、偏振合/分束器(包括偏振分束器和偏振合束器)、双折射晶体、λ/4波片、直角棱镜、准直透镜和反射镜等。
按照关键元件(磁光材料和偏振合/分束器等)形状划分，磁光开关有块状型、薄膜型和光纤型等类型。现有磁光开关采用的关键元件大部分为块状型，少数采用薄膜型，还没有发现采用光纤型的。通过对已有磁光开关的比较和分析，可以发现存在如下缺点：
1)开关速度较低。已有的磁光开关主要性能参数为，开关速度为20微秒～1毫秒，***损耗为0.4～2.2分贝，串扰为30～60分贝，回波损耗为50～60分贝。这些磁光开关在现有的条件下，有的还能够满足基本要求，但显然不能满足快速发展中的全光网络的要求。磁光开关的这些主要性能参数与全光网络要求的微秒量级和纳秒量级相差还有一段距离。
2)难于阵列集成。已有的磁光开关大部分采用块状型的磁光材料和块状型的偏振合/分束器，体积较大，磁场利用率不高。同时，块状型结构的外形不利于磁光开关的大规模集成。这与全光网络所需要的光分插复用***、光交叉连接器和光路由器的密集型多端口输入输出要求相差甚远。
3)没有采用光纤型磁光材料。国内外还没有出现采用光纤型磁光材料的磁光开关研究方案。
发明内容
本发明针对已有的磁光开关存在的开关速度较低、难以阵列集成等缺点，提供一种具备无运动件、开关速度快、稳定性好、驱动电压低、串扰小、体积小和易于高度集成等优点的全光纤磁光开关。
本发明设有输入偏振分束器，其输入端口外接入射光，并将入射光分解输出2个偏振态正交的P光和S光；
2根保偏光纤，其输入端口经保偏光纤接头分别接偏振分束器的2个偏振态正交的P光和S光输出端口，2根保偏光纤选自磁光材料光纤；所说的磁光材料光纤可选自磁光晶体光纤或磁光玻璃光纤等；
2根钇铁石榴石(YIG)光纤，YIG光纤置于高速磁场中，YIG光纤的输入端口分别接2根保偏光纤的输出端口；
第2对偏振分束器，其输入端口分别接2根YIG光纤的输出端口；
2个偏振合束器，其输入端分别接第2对偏振分束器的各2个偏振态正交的P光和S光的输出端口；
2根单模光纤，其输入端口分别接2个偏振合束器的合波输出端，输出端口输出偏振合波光束。
高速磁场是指磁场的产生时间和消退时间都小于1微秒的磁场。
将磁光材料和偏振合束器或偏振分束器均制作成光纤形状的磁光开关，称之为全光纤磁光开关。这定义类似于全光纤传感器的定义。
在全光纤磁光开关中，采用磁光晶体光纤代替块状型磁光晶体作为磁光元件。磁光材料光纤可以环绕多圈，减小体积；提高法拉第旋转角度，提高测量精度；降低驱动电压，减小耗能。
磁光开关主要利用法拉第磁致旋光效应。法拉第磁致旋光效应又称为磁光效应，是指某些物质在外磁场的作用下，能使通过它的平面偏振光的偏振方向发生旋转。利用这一特性，磁光开关实现全光通信网络所必需的全光切换功能。
利用磁光材料光纤(磁光晶体光纤、磁光玻璃光纤，等等)、偏振分束器、偏振合束器、保偏光纤接头和高速磁场的特性，可以设计1×2型全光纤磁光开关，实现光通信所必需的全光切换功能。
光纤型偏振分束器可以把一束光分成两个正交的偏振态输出到两根保偏光纤中；光纤型偏振合束器可以将来自两根保偏光纤的偏振光束合波到一根单模光纤输出。磁光晶体YIG通过LHPG等工艺可以制作成具有法拉第旋光效应的光纤。各种光纤之间通过保偏光纤接头加以连接，并组成全光纤型小型磁光开关。在外磁场的控制下，入射光将从不同的输出端口输出。
本发明通过外加磁场的变化来改变磁光晶体材料对入射偏振光偏振面的旋转作用，从而达到改变和切换光路的效果。与已有的磁光开关相比，本发明的优点为：
1)采用光纤型磁光材料和光纤型偏振合/分束器，构成以光纤为主的光开关器件。这在国内外均未见有相关报道。
2)光纤型磁光材料和光纤型偏振合/分束器的外形尺寸都较小，使得本发明的外形尺寸相对于已有的磁光开关有较大程度的减小。
3)整体结构柔性好，可弯曲，可卷成光纤圈，灵敏度相对提高，可180°立体角全方位连接光纤接头，也可用在弯曲表面处。
4)结构纤细，可集成可扩展，可多个平行排列或交叉排列集成为一块较大的柔韧的“纤维布”。该“纤维布”可以卷曲成圆管状，也可以平铺和堆积，可以大规模集成为高密度的磁光开关三维阵列。
5)驱动电压低。光纤可以卷曲成光纤圈，磁场利用率相对提高，所需驱动电压低、耗能低、温度稳定性相对提高。
附图说明
图1为1×2全光纤磁光开关在高速磁场的状态为“OFF”时的光路原理图。
图2为1×2全光纤磁光开关在高速磁场的状态为“ON”时的光路原理图。
图3为保偏光纤(磁光材料光纤)和保偏光纤接头的示意图。
图4为Y型偏振分束器和偏振合束器的示意图。
具体实施方式
在图1中，来自输入端口1的入射光经过偏振分束器PBS1后被分解成两个偏振态正交的P光和S光，并输出到两根保偏光纤4、5中。二根保偏光纤4、5分别连接着置于高速磁场H中的YIG光纤6、7。二根YIG光纤6、7分别连接着第2对偏振分束器PBS2和PBS3。当高速磁场H处于“OFF”状态时，偏振分束器PBS2中仅有的P光将与偏振分束器PBS3中仅有的S光输出到偏振合束器PBC1中进行合波，并从输出端口2输出。在图2中，当高速磁场H处于“ON”状态时，入射YIG光纤6、7的P光的偏振面将发生90°旋转而输出为S光，入射中的S光相应地输出为P光，于是偏振分束器PBS2中仅有的S光将与偏振分束器PBS3中仅有的P光输出到偏振合束器PBC2中进行合波，并从输出端口3输出。
保偏光纤(磁光材料光纤)和光纤偏振合束器或偏振分束器参见图3和4。在图3中，2根保偏光纤(磁光材料光纤)的标记为4，5，保偏光纤的接头的标记为41，51。在图4中，左边为偏振分束器PBS，左边为偏振合束器PBC。

Claims (3)

1、全光纤磁光开关，其特征在于设有
输入偏振分束器，其输入端口外接入射光；
2根保偏光纤，其输入端口经保偏光纤接头分别接偏振分束器的2个偏振态正交的P光和S光输出端口；
2根钇铁石榴石光纤，钇铁石榴石光纤置于高速磁场中，钇铁石榴石光纤的输入端口分别接2根保偏光纤的输出端口；
第2对偏振分束器，其输入端口分别接2根钇铁石榴石光纤的输出端口；
2个偏振合束器，其输入端分别接第2对偏振分束器的各2个偏振态正交的P光和S光的输出端口；
2根单模光纤，其输入端口分别接2个偏振合束器的合波输出端，输出端口输出偏振合波光束。
2、如权利要求1所述的全光纤磁光开关，其特征在于所说的2根保偏光纤选自磁光材料光纤。
3、如权利要求2所述的全光纤磁光开关，其特征在于所说的磁光材料光纤选自磁光晶体光纤或磁光玻璃光纤。
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