[实用新型]一种高速度低损耗的光开关

说明书

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。