偏振無關的高速光開關的製作方法
2023-09-20 03:54:25
專利名稱：偏振無關的高速光開關的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光開關，特別是一種偏振無關的高速光開關。
背景技術：
光開關是光傳輸線路及集成光路中信號通路中進行切換或邏輯操作必不可少的基礎器件。廣泛應用於光通信系統，光網絡系統，光纖測量系統及光纖傳感系統等領域。
在先技術中，光纖及光波導開關種類很多，目前比較常見的光開關，從結構來講大致可以分為機械式光開關、M-Z幹涉式光開關、Y分支型光開關等種類。由於結構特點不同，以上各類光開關在隔離度、開關速度、偏振相關性等方面各有優勢，也存在一定的不足。
1、機械式光開光早期的機械式光開關是一類比較簡單的關開關，它利用MEMS技術製造出微機械裝置，改變光通路，達到光切換的目的。這類光開關具有串擾小、插損小、偏振無關、無波長限制等優點。但是開關速度較慢(ms量級)。最新發展的基於微鏡MEMS/MOEMS光開關是將微機械結構、微執行器和光學元件集成在同一襯底上的微型光開關，這種光開光繼承了傳統機械式光開關的優點，並在開關執行速度上有所提高(Tze-WeiYeow，Law，K.L.E.，Goldenberg，A.，MEMS optical switches，Communications Magazine，IEEE，2001 39(11)158-163)，但由於機械機構的固有特性，工作速度只能在毫秒或亞毫秒量級。此外由於對加工精度的苛刻要求，此類光開關成本和加工難度都比較高。
2、基於M-Z幹涉儀結構的光開關。
目前常見的電光開關、熱光開關等很多都是基於M-Z幹涉儀結構的，這類光開關由於是基於幹涉效應，無需機械無能動，因此具有響應速度快的優點(Studenkov，P.V.，Gokhale，M.R.，Lin，W.，Glesk，I.，et.al.，Monolithic integration of an all-optical Mach-Zehnderdemultiplexer using an asymmetric twin-waveguide structure，Photonics Technology Letters，2001，13(6)，600-602)。但是由於M-Z機構對臂長差有比較嚴格的要求，所以對加工工藝要求比較嚴格，成本也比較高。這類光開光的主要缺點是偏振敏感，需要反饋電路實時監控補償其溫漂問題，成本較高。
3.Y分支光開關Y分支光開關由輸入輸出單模波導、線性Y分支波導和外分支波導上的電極或集熱裝置構成，這種光開關是通過Y分支的折射率改變實現開關切換的，(Sakuma，K.；Fujita，D.；Ishikawa，S.；Sekiguchi，T.；Low insertion-loss and high isolation polymeric Y-branchingthermo-optic switch with partitioned heater，OFC 2001，vol.3，WR3-1-WR3-3)。這類開關的特點是光的輸出強度與輸入電壓之間呈現階躍函數特性，因此具有對驅動電壓控制精度要求低、結構簡單等優點，並且偏振不敏感，但是這類開關也存在明顯的缺點，如驅動電壓高，尺寸大等等。
由於上述方法還不十分完善，因此高速、偏振無關、實現簡單的新型光開關結構仍是光纖光學、波導光學應用研究中的一個熱點。
發明內容
本實用新型要解決的技術問題在於克服上述在先技術的缺陷，提供一種非機械式具有較寬帶寬、與偏振無關的高速光開關。
本實用新型的技術解決方案如下一種偏振無關的高速光開關，特徵是其構成一耦合器同側的第三埠和第四埠連接構成環形鏡，在環形鏡中串入一偏振控制裝置，構成開關的驅動裝置，該耦合器的第一埠接三埠環行器的第二埠，耦合器的第二埠作為本開關的第二輸出口，所述的三埠環行器的第一埠作為輸入端，第三埠為本開關的第一輸出口；所述的耦合器、環形器及環形鏡固定在一基板上。
所述的耦合器、環行器及環形鏡為光纖結構，或波導結構。
所述的偏振控制裝置為採用電光材料構成高速光開關，或熱光效應、壓力雙折射的可控雙折射器件，或可控的旋光器件。
所述的耦合器的第二埠接另一三埠環行器的第二埠構成本開關的第二輸出口。
本實用新型的優點和特點是(1)本實用新型採用環行鏡結構實現非機械高速光開關。由於設計中不存在運動部件，所以開關具有結構簡單，響應速度快的特點，同採用微機電結構的光開光相比，具有結構簡單，可靠性高，速度快等優點。
(2)本實用新型採用環行鏡結構實現幹涉光開關。由於幹涉的兩束光(順時針和逆時針光)所經歷的光路完全相同，克服了M-Z結構光程差控制精度的困難，體高了系統的消光比，並且大大增加了開關的響應帶寬。同基於M-Z幹涉儀的光開關相比具有偏振無關，寬帶響應，穩定性高，結構簡單，易於加工等優點。
(3)本實用新型中偏振控制裝置既可以採用電光、熱光效應、壓力雙折射等效應引起的偏振面旋轉，也可以直接採用旋光效應引起偏振旋轉，適用於不同需求。
(4)本實用新型既可用集成光學實現，又可以直接使用光纖連接實現，器件易於實用化，具有極高的使用靈活性。
(5)本實用新型採用環行器隔離輸入輸出，也可以使用耦合器作為輸入輸出分離裝置。
(6)本實用新型作為一個基本單元，可以級聯實現1×N，N×N光開關陣列。
本實用新型具有響應速度快，偏振無關，寬帶響應，穩定性高，結構簡單，易於加工等優點。本實用新型作為傳感測量系統、光傳輸系統必不可少的關鍵器件，其使用價值得到充分的體現，具有良好的性價比，預期有很好的市場前景。
圖1本實用新型實施例1-偏振無關的高速光開關結構示意圖。
圖2本實用新型實施例2-偏振無關的高速2×2光開關結構示意圖。
圖3本實用新型實施例3-偏振無關的高速光開關結構示意圖具體實施方式
先請參見圖1，圖1本實用新型實施例1-偏振無關的高速光開關結構示意圖。由圖可見，本實用新型偏振無關的高速光開關的構成是一耦合器3同側的第三埠3.3和第四埠3.4連接構成環形鏡4，在環形鏡4中串入一偏振控制裝置2，構成開關的驅動裝置，該耦合器3的第一埠3.1接三埠環行器1的第二埠1.2，耦合器3的第二埠3.2作本開關的第二輸出口，所述的三埠環行器1的第一埠1.1作為輸入端，第三埠1.3作本開關的第一輸出端；所述的耦合器3、環形器1及環形鏡4固定在一基板5上。
本實用新型的基本原理是利用環行鏡的偏振旋轉敏感性，在環形鏡中引入偏振控制機構，實現光路的快速切換的。當偏振控制裝置2不對環形鏡中偏振態改變的時候，由環行器1的第一埠1.1輸入的光信號經過耦合器3後分成兩路，並在順時針和逆時針傳輸的光信號中產生π/2相位差。當順時針和逆時針傳輸的光信號再次經過耦合器3時，發生幹涉輸入光將完全經環形器1的第三埠1.3作本開關的第一輸出端輸出。當偏振控制裝置對光信號產生偏振旋轉效果時可分兩種情況討論。
1.偏振控制裝置是基於雙折射偏振旋轉的情況。首先在安裝時，雙折射主軸方向固定為其最佳方向，當控制信號使材料中雙折射增大到快慢軸間存在λ/2相位差時，相當於光信號偏振態對一特定軸反演，因此輸入光將完全經本開關的第二輸出端3.2輸出。
2.偏振控制裝置是基於旋光效應的情況。控制旋光材料產生偏振面的旋轉，當偏振面旋轉相當於光信號偏振態對一特定軸反演時，輸入光將完全經本開關的第二輸出端3.2輸出。
所述的耦合器、環行器及環形鏡即可以為光纖結構也可以為波導結構。
所述的偏振控制裝置2除了可此採用電光材料構成高速光開關外，還可以為熱光效應、壓力雙折射的可控雙折射器件，也可以是可控的旋光器件。開光的響應速度主要由所述的偏振控制裝置2的響應速度其決定。
請參見圖2，圖2為本實用新型實施例2-偏振無關的高速2×2光開關結構示意圖。實施例2和實施例1相比，其不同在於所述的耦合器3的第二埠3.2再接另一三埠環行器的第二埠作為本開關的第二輸出口。構成2×2光開關。
請參閱圖3，圖3為本實用新型實施例3-偏振無關的高速光開關示意圖偏振無關的高速光開關，將3dB耦合器3的兩個埠3.3、3.4連接起來構成環形鏡4。2為偏振控制裝置，採用PLZT電光晶體(2A)實現。輸入光經準直器對2B實現光纖與PLZT晶體的耦合。3dB耦合器3另外埠3.1接3埠環形器1埠1.2。環形器1埠1.1作為開關輸入埠，1.3作為開光輸出埠I，3dB耦合器3埠3.2作為開關輸出埠II。然後將所有部分固定在機殼基板5上，構成基於環形鏡結構的高速光開關。
它的工作過程和開關原理簡單明了。當不對PLZT電光晶體2A施加控制電壓時，由環形器1第一埠1.1輸入的光信號將完全經環形器1由輸出埠(1.3)輸出。當在PLZT電光晶體2A施加控制電壓時，輸入光將完全經耦合器3的第二埠3.2輸出。
本實用新型偏振無關的高速光開關經試用表明，具有響應速度快，偏振無關，寬帶響應，結構簡單、工作穩定可靠、使用方便的優點。
權利要求1.一種偏振無關的高速光開關，特徵是其構成一耦合器(3)同側的第三埠(3.3)和第四埠(3.4)連接構成環形鏡(4)，在環形鏡(4)中串入一偏振控制裝置(2)，構成開關的驅動裝置，該耦合器(3)的第一埠(3.1)接三埠環行器(1)的第二埠(1.2)，耦合器3的第二埠(3.2)作為輸出口II，所述的三埠環行器(1)的第一埠(1.1)作為輸入端，第三埠(1.3)作第一輸出端I；所述的耦合器(3)、環形器(1)及環形鏡(4)固定在一基板(5)上。
2.根據權利要求1所述的偏振無關的高速光開關，其特徵在於所述的耦合器(3)、環行器(1)及環形鏡(4)為光纖結構，或波導結構。
3.根據權利要求1所述的偏振無關的高速光開關，其特徵在於所述的偏振控制裝置(2)衛採用電光材料構成高速光開關，或熱光效應、壓力雙折射的可控雙折射器件，或可控的旋光器件。
4.根據權利要求1所述的偏振無關的高速光開關，其特徵在於所述的耦合器3的第二埠(3.2)接三埠環行器(1)的第二埠(1.2)作為第二輸出口(II)。
專利摘要一種偏振無關的高速光開關，特徵是其構成一耦合器同側的第三埠和第四埠連接構成環形鏡，在環形鏡中串入一偏振控制裝置，構成開關的驅動裝置，該耦合器的第一埠接三埠環行器的第二埠，耦合器的第二埠作為本開關的第二輸出口，所述的三埠環行器的第一埠作為輸入端，第三埠為本開關的第一輸出口；所述的耦合器、環形器及環形鏡固定在一基板上。本實用新型偏振無關的高速光開關經試用表明，具有響應速度快，偏振無關，寬帶響應，結構簡單、工作穩定可靠、使用方便的優點。
文檔編號H04B10/12GK2762157SQ200420114218
公開日2006年3月1日 申請日期2004年12月15日 優先權日2004年12月15日
發明者劉峰, 葉青, 方祖捷, 瞿榮輝, 耿健新, 張位在 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所