一. 磁光開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介

　　磁光開(kāi)關(guān)原理是利用法拉第旋光效應(yīng)，通過(guò)外加磁場(chǎng)的改變來(lái)改變磁光晶體對(duì)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(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，它具有開(kāi)關(guān)速度快，穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，而相對(duì)于其他的非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，它又具有驅(qū)動(dòng)電壓低、串?dāng)_小等優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，磁光開(kāi)關(guān)將是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的光開(kāi)關(guān)。

　　二. 磁光開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理

　　所謂法拉第旋光效應(yīng)就是線偏振光沿外加磁場(chǎng)方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

　　對(duì)于一個(gè)順著介質(zhì)中M方向傳播的線偏振光，可分解成兩個(gè)相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的圓偏振光，若 為實(shí)數(shù)，這意味著介質(zhì)對(duì)光波沒(méi)有吸收，那么這兩個(gè)圓偏振光無(wú)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(duì)于入射線偏振光發(fā)生了一定的旋轉(zhuǎn)。這就說(shuō)明了外加磁場(chǎng)作用于磁光晶體上時(shí)，入射線偏光通過(guò)后可以改變其偏振態(tài)。

　　三.晶體的選擇

　　磁光晶體作為磁光開(kāi)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(kāi)關(guān)的各項(xiàng)性能。在選擇磁光晶體時(shí)我們注意到以下幾點(diǎn):

　　1.磁旋光率要盡可能的大，這樣旋轉(zhuǎn)相同的角度時(shí)磁光晶體的厚度可以做得很薄，整個(gè)器件的設(shè)計(jì)就更趨于小型化。

　　2.磁光晶體的外加飽和磁場(chǎng)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(gè)器件的發(fā)熱量也會(huì)減小，這對(duì)器件的溫度穩(wěn)定性和延長(zhǎng)器件壽命有很大的作用。

　　3.磁光晶體的各項(xiàng)參數(shù)的溫度穩(wěn)定性能，要求飽和外場(chǎng)強(qiáng)、法拉第旋轉(zhuǎn)角、以及插入損耗等等在-10～100度基本保持穩(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。我們選擇的該旋轉(zhuǎn)片，在1~2um波長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)透射光偏振面的作用效果是相反的。

　　四. 磁光開(kāi)關(guān)的總體設(shè)計(jì)思想

圖1模塊框圖

　　我們?cè)O(shè)計(jì)以上框圖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(jì)，整個(gè)器件可以分為幾個(gè)模塊，每一個(gè)模塊除了完成相應(yīng)的功能外還為下一個(gè)模塊提供一個(gè)接口，這樣一環(huán)套一環(huán)，實(shí)現(xiàn)逐層控制。從上圖看就是，CPU(單片機(jī))提供控制信號(hào)控制電路的換向，電路的換向控制螺線管的磁場(chǎng)方向，螺線管的磁場(chǎng)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(kāi)關(guān)是完全對(duì)稱的，輸入和輸出端口可以掉換而不影響其功能。輸入和輸出端口可以分別采用兩個(gè)單光纖準(zhǔn)直器，也可以采用一個(gè)雙光纖準(zhǔn)直器，這要由具體的設(shè)計(jì)來(lái)決定。

　　五. 具體的光路設(shè)計(jì)

　　在以上模塊中最重要的就是光路設(shè)計(jì),總體來(lái)說(shuō)可以有以下三種方案:其中g(shù)arnet就是我們所用的磁旋光晶體。如在garnet上加正向磁場(chǎng),通過(guò)garnet的線偏光的偏振面正向旋轉(zhuǎn),如在garnet上加反向磁場(chǎng),則通過(guò)garnet的線偏光反向旋轉(zhuǎn),這樣可以對(duì)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(gè)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。

圖2 1偏振棱鏡(靠近garnet半邊鍍有正轉(zhuǎn)45°膜);2 garnet;3反射光路

　　由輸入光纖出射的光經(jīng)過(guò)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(shí)，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(shí)o、e光偏振態(tài)互換，結(jié)果這兩束光經(jīng)過(guò)偏振棱鏡的對(duì)角線時(shí)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(shí)，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(méi)有發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這時(shí)o、e偏振態(tài)沒(méi)有改變，結(jié)果這兩束光經(jīng)過(guò)偏振棱鏡的對(duì)角線時(shí)透射兩次或是反射兩次，則INT1~OUT1,INT2~OUT2。

　　由上圖可知，我們要實(shí)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(gè)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(duì)焦對(duì)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

　　光路的原理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4. garnet加反向電壓時(shí)的光路圖

　　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(僅鍍?cè)陔p折射晶體的上半部分或下半部分);6為雙折射晶體。

　　主要的工作原理是依靠偏振棱鏡對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(gè)雙光纖準(zhǔn)直器、2個(gè)偏心單光纖準(zhǔn)直器。方案二較方案一有所改進(jìn)，光路簡(jiǎn)化，所用的器件減少，而且方案二有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是少用了1塊磁光晶體，這對(duì)于減少器件的成本來(lái)說(shuō)是很有好處的。將出射光路分開(kāi)，這可以使串?dāng)_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(jì)的時(shí)候尺寸計(jì)算要特別精確。

　　方案三：利用雙折射晶體、garnet、和22.5°、45°波片

圖6. 當(dāng)garnet1加上正向電壓時(shí)光路頂視圖

圖7. 當(dāng)garnet1加上反向電壓時(shí)光路頂視圖

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

圖9. 當(dāng)garnet1加上反向電壓時(shí)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(gè)平面上，一個(gè)為正45°，一個(gè)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(shí)偏振面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，加上反向電壓時(shí)偏振面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

　　由上圖可知，我們要實(shí)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(gè)雙光纖準(zhǔn)直器。在方案二的基礎(chǔ)上，我們將光路設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)的性能。

　　比較以上三種方案，我們最后決定采用第三種方案。

　　六. 具體磁路設(shè)計(jì)

　　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(chǎng)來(lái)控制磁旋光體。

　　下圖即為我們?cè)O(shè)計(jì)的螺線管。

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圖10. 螺線管磁路設(shè)計(jì)

　　計(jì)算出的磁場(chǎng)分布如下圖所示:

圖11. 第n層、第m匝與所求光斑處的磁場(chǎng)強(qiáng)度B的關(guān)系

　　七. 綜合調(diào)試結(jié)果

　　我們通過(guò)改變螺線管的通電電流方向來(lái)改變其磁場(chǎng)方向,從而改變磁光晶體對(duì)線偏光的作用方向,最終實(shí)現(xiàn)光路切換。

　　我們定義光開(kāi)關(guān)時(shí)間為驅(qū)動(dòng)信號(hào)開(kāi)始變換到有光穩(wěn)定輸出的時(shí)間差，如圖12所示， 即為所測(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)間。

圖12. 開(kāi)關(guān)時(shí)間示意圖

圖13. 磁光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間

　　經(jīng)過(guò)測(cè)試，2*2磁光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)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(guó)外同類產(chǎn)品的水平。