1 磁光開關簡介

磁光開關原理是利用法拉第旋光效應，通過外加磁場的改變來改變磁光晶體對入射偏振光偏振面的作用，從而達到切換光路的效果。相對于傳統(tǒng)的機械式光開關來說，它具有開關速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，而相對于其他的非機械式光開關，它又具有驅動電壓低、串擾小等優(yōu)勢，在可以預見的不久的情況下，磁光開關將成為一種極具競爭力的光開關。

2 磁光開關設計原理

所謂法拉第旋光效應就是線偏振光沿外加磁場方向通過介質時偏振面發(fā)生旋轉的現(xiàn)象。
對于一個順著介質中 M 方向傳播的線偏振光，可分解成兩個相反方向轉動的圓偏振光，若為實數(shù)，這意味著介質對光波沒有吸收，那么，這兩個圓偏振光無相互作用地以兩種稍微不同的速度向前傳播，出射后它們之間僅存在相位差，從而合成的仍為線偏光，但其偏振面相對于入射線偏振光發(fā)生了一定的旋轉。這就說明了外加磁場作用于磁光晶體的時，入射線偏光通過后可以改變其偏振態(tài)。

3 晶體的選擇

磁光晶體作為磁光開關的核心部件是我們研究的重點，磁光晶體選型的好壞直接影響到磁光開關的各項性能。

在選擇磁光晶體時我們注意到以下幾點：
（1）磁旋光率要盡可能的大，這樣在旋轉相同的角度時，磁光晶體的厚度可以做得很薄，整個器件的設計就更趨于小型化。
（2）磁光晶體的外加飽和磁場要盡可能的小，這樣螺線管中加載較小的電流就可以達到要求，整個器件的發(fā)熱量也會減小，這對器件的溫度穩(wěn)定性和延長器件壽命有很大的作用。
（3）磁光晶體的各項參數(shù)的溫度穩(wěn)定性能，要求飽和外場強、法拉第旋轉角以及插入損耗等在 -10~100度時基本保持穩(wěn)定。考慮到以上種種因素，我們最終選擇了日本三菱公司生產的石榴石旋轉片。我們選擇的這種旋轉片在 1~2μm 波長范圍的近紅外輻射區(qū)域是透明的，并且顯示出非常明顯的法拉第磁旋光效應，用 LPE 的方法生長而成，它是一種鐵磁材料，具有電磁鐵的某些性質。我們所采用的磁光晶體具有雙磁疇結構，這兩種磁疇產生的磁矩相互平行但是方向相反，因此對透射光偏振面的作用效果是相反的。

4 磁光開關的總體設計思想

本設計如框圖1，是為了使我們的工作有條不紊地進行，PORT1、PORT2為輸入端，PORT3、PORT4為輸出端。由于我們采用了模塊化的設計，整個器件可以分為幾個模塊，每一個模塊除了完成相應的功能外還為了一個模塊提供一個接口，這樣一環(huán)套一環(huán)，實現(xiàn)逐層控制。從圖1中可以看出，CPU（單片機）提供控制信號控制電路的換向，電路的換向控制螺線管的磁場方向，螺線管的磁場方向控制磁光晶體的磁化方向。最后，磁光晶體的磁化方向決定光路的切換。磁光開關是完全對稱的，輸入和輸出端口可以調換而不影響其功能。輸入和輸出端口可以分別采用兩個單光纖準直器，也可以采用一個雙光纖準直器，這要由具體的設計來決定。

5 具體的光路設計

在磁光開關中，garnet就是我們所用的磁旋光晶體。在garnet上加正向磁場，通過 garnet 的線偏光的偏振面正向旋轉，如在garnet上加反向磁場，則通過xgarnet的線偏光反向旋轉，這樣可以對光路進行切換。

方案一：利用偏振棱鏡、garnet 以及反射光路

如圖2所示（設雙折射晶體的光軸平行于紙平面），兩個直角棱鏡膠合在一起，在交界面上，平行于入射面的 e 光透射，垂直于入射面的 o 光反射，在 garnet 上加上不同方向的電壓就能達到光路切換的目的。

由輸入光纖出射的光經(jīng)過雙折射晶體后分為偏振方向相互垂直的 o、e 光，如果兩塊 garnet 加正向電壓時，透射光偏振面正向旋轉45°，再加上正轉45°膜的作用，一共正向旋轉90°，這時 o、e 光偏振態(tài)互換。結果，這兩束光經(jīng)過偏振棱鏡的對角線時分別反射一次，透射一次，則 IN1 ~ OUT2，INT2 ~ OUT1；如果兩塊 garnet 加負電壓時，透射光偏振面反向旋轉45°，再加上正轉45°膜的作用，偏振面沒有發(fā)生旋轉，這時 o、e 偏振態(tài)沒有改變，結果這兩束光經(jīng)過偏振棱鏡的對角線時透射兩次或是反射兩次，則 INT1 ~ OUT1，INT2 ~ OUT2。

由上圖可知，我們要實現(xiàn)上述方案需要的器件和設備為：4 塊雙折射晶體、2 個雙光纖準直器、1 塊偏振分束棱鏡、2 塊磁光晶體、2 塊凸透鏡、2 塊反射鏡。如果引入凸透鏡，那么，我們還得額外考慮透鏡的球差以及透鏡對焦對光路的影響。

方案二：利用雙折射晶體、garnet、22.5°、45°波片和偏振棱鏡

光路原理（見圖3 和圖4）同方案一，都是利用偏振棱鏡的分光作用，但是較方案一不同的是我們將反射光路變成直射光路，去掉了凸透鏡和平面反射鏡。

圖 3：gammet加正向電壓時的光路圖

圖 4：garnet加反向電壓時的光路圖

注意：圖中1為雙折射晶體;2為garnet;3為22.5°波片;4為偏振棱鏡;5為45°波片(僅在雙折射晶體的上半部分或下半部分);6為雙折射晶體。

主要工作原理是依靠偏振棱鏡對不同偏振態(tài)的光的透、反射原理,當在garnet上正向加電壓時,IN2在偏振棱鏡的入射面上為e光,IN1在偏振棱鏡的入射面上為o光,所以經(jīng)棱鏡出射后IN2~OUT2,IN1~OUT1;當在garnet反向加電壓時,IN2在偏振棱鏡的入射面上為o光,IN1在偏振棱鏡的入射面上為e光,所以經(jīng)棱鏡出射后IN2~OUT1,IN1~OUT2。

由上圖可知,我們要實現(xiàn)上述方案需要的器件和設備為:3塊雙折射晶體,1塊偏振分束棱鏡,1塊磁光晶體,1個雙光纖準直器,2個偏心單光纖準直器。方案二較方案一有所改進,光路簡化,所用的器件減少,而且方案二有一個很大的優(yōu)點就是少用了1塊磁光晶體,這對于減少器件的成本來說是很有好處的。將出射光路分開,這可以使電抗大大減少。但是在這種方案中,我們用到了單光纖偏心準直器,這種準直器加工比較麻煩,成品率比較低,所以在設計的時候只計算要特別精確。

方案三：利用雙折射晶體、garnet和22.5°、45°波片

由圖5,圖6,圖7,圖8和圖9可知,我們要實現(xiàn)上述方案需要的器件和設備為:4塊雙折射晶體,2塊磁光晶體,2個雙光纖準直器。在方案二的基礎上,我們將光路設計成水平的,這樣有利于減小器件的封裝體積。另外,我們考慮到為了消除磁光晶體本生旋光性的缺陷(旋轉角為45°正負1°),故運用了兩塊磁光晶體,加上相反的電壓。

這樣一正一負誤差就抵消了,可以提高磁光開關的性能。

圖5 ：光路側視圖

圖6 當garnet1加上正向電壓時光路頂視圖

圖7 當garnet1加上反向電壓時光路頂視圖

圖8 當garnet1加上正向電壓時光路中偏振態(tài)示意圖

圖9 當garnet1加上反向電壓時光路中偏振態(tài)示意圖

1,8為雙折射晶體; 2為garnet1, 7為garnet2;
3,6為22.5°波片; 4,5為雙折射晶體。1,8的光軸方向相反為負45°和正45°,4,5的光軸與1,8不在一個平面上，一個為正45°,一個為負45°,3,6為不同方向的22.5°波片。

注：garnet1與garnet2加的電壓是相反的，加上正向電壓時偏振面順時針旋轉，加上反向電壓時偏振面逆時針旋轉。

比較以上三種方案，我們最后決定采用第三種方案。

6 具體磁路設計

綜合考慮各種因素，我們決定用螺線管產生的可變向磁場來控制磁旋光體。

下圖10是我們所設計的螺線管。

圖10 螺線管磁路設計

計算出的磁場分布如下圖11所示：

圖11 第n層、第m匝與所求光斑處的磁場強度B的關系

7 綜合調試結果

我們通過改變螺線管的通電電流方向來改變其磁場方向，從而改變磁光晶體對線偏光的作用方向，最終實現(xiàn)光路切換。

我們定義光開關時間為驅動信號開始變換到有光穩(wěn)定輸出的時間差，如圖12所示，即為所測開關時間。

圖12 開關時間示意圖

經(jīng)過測試，2×2磁光開關的開關時間為0.3ms左右，插入損耗為0.6~0.7dB，偏振相關損耗為0.1dB，接近國外同類產品的水平。

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