1 磁光開關(guān)簡介

磁光開關(guān)原理是利用法拉第旋光效應(yīng)，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(dá)到切換光路的效果。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)來說，它具有開關(guān)速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，而相對于其他的非機(jī)械式光開關(guān)，它又具有驅(qū)動電壓低、串?dāng)_小等優(yōu)勢，在可以預(yù)見的不久的情況下，磁光開關(guān)將成為一種極具競爭力的光開關(guān)。

2 磁光開關(guān)設(shè)計原理

所謂法拉第旋光效應(yīng)就是線偏振光沿外加磁場方向通過介質(zhì)時偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
對于一個順著介質(zhì)中 M 方向傳播的線偏振光，可分解成兩個相反方向轉(zhuǎn)動的圓偏振光，若為實數(shù)，這意味著介質(zhì)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(zhuǎn)。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(guān)的核心部件是我們研究的重點(diǎn)，磁光晶體選型的好壞直接影響到磁光開關(guān)的各項性能。

在選擇磁光晶體時我們注意到以下幾點(diǎn)：
（1）磁旋光率要盡可能的大，這樣在旋轉(zhuǎn)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(shè)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(dá)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(qiáng)、法拉第旋轉(zhuǎn)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(chǎn)的石榴石旋轉(zhuǎn)片。我們選擇的這種旋轉(zhuǎn)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(yīng)，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(zhì)。我們所采用的磁光晶體具有雙磁疇結(jié)構(gòu)，這兩種磁疇產(chǎn)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(guān)的總體設(shè)計思想

本設(shè)計如框圖1，是為了使我們的工作有條不紊地進(jìn)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(shè)計，整個器件可以分為幾個模塊，每一個模塊除了完成相應(yīng)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(jī)）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(guān)是完全對稱的，輸入和輸出端口可以調(diào)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(zhǔn)直器，也可以采用一個雙光纖準(zhǔn)直器，這要由具體的設(shè)計來決定。

5 具體的光路設(shè)計

在磁光開關(guān)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(zhuǎn)，如在garnet上加反向磁場，則通過xgarnet的線偏光反向旋轉(zhuǎn)，這樣可以對光路進(jìn)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(shè)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(dá)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(zhuǎn)45°，再加上正轉(zhuǎn)45°膜的作用，一共正向旋轉(zhuǎn)90°，這時 o、e 光偏振態(tài)互換。結(jié)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(fù)電壓時，透射光偏振面反向旋轉(zhuǎn)45°，再加上正轉(zhuǎn)45°膜的作用，偏振面沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這時 o、e 偏振態(tài)沒有改變，結(jié)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(shè)備為：4 塊雙折射晶體、2 個雙光纖準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(shè)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(zhǔn)直器,2個偏心單光纖準(zhǔn)直器。方案二較方案一有所改進(jìn),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(diǎn)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(zhǔn)直器,這種準(zhǔn)直器加工比較麻煩,成品率比較低,所以在設(shè)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(shè)備為:4塊雙折射晶體,2塊磁光晶體,2個雙光纖準(zhǔn)直器。在方案二的基礎(chǔ)上,我們將光路設(shè)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(zhuǎn)角為45°正負(fù)1°),故運(yùn)用了兩塊磁光晶體,加上相反的電壓。

這樣一正一負(fù)誤差就抵消了,可以提高磁光開關(guān)的性能。

圖5 ：光路側(cè)視圖

圖6 當(dāng)garnet1加上正向電壓時光路頂視圖

圖7 當(dāng)garnet1加上反向電壓時光路頂視圖

圖8 當(dāng)garnet1加上正向電壓時光路中偏振態(tài)示意圖

圖9 當(dāng)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(fù)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(fù)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(zhuǎn)，加上反向電壓時偏振面逆時針旋轉(zhuǎn)。

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(shè)計

綜合考慮各種因素，我們決定用螺線管產(chǎn)生的可變向磁場來控制磁旋光體。

下圖10是我們所設(shè)計的螺線管。

圖10 螺線管磁路設(shè)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(qiáng)度B的關(guān)系

7 綜合調(diào)試結(jié)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(guān)時間為驅(qū)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(guān)時間。

圖12 開關(guān)時間示意圖

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

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