全内反射的1×n光开关的制作方法

专利名称：全内反射的1×n光开关的制作方法
技术领域：
本发明是一种全内反射的1×N光开关，主要用于光通讯和光计算信号的空间光开关或光交换。
背景技术：
光交换是指对光纤传送的光信号直接进行交换。与电子数字程控交换相比，光交换不需在光纤传输与交换机之间设置光端机进行光/电、电/光变换，而且在交换过程中还能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应的优点，克服电子瓶颈对交换容量的限制。随着光信号传送业务量的增长，以及接入网和高速数据网大容量高速交换的需求，组建全光传输网络成为光通信技术发展的必然趋势。光开关是光交换中最基本的器件，在光网络系统中可对光信号进行选择性开关操作。1×N光开关对一个输入能有N种不同位置的输出光路，主要应用于1)保护倒换。将一束激光束选通到许多光纤通道之一，实现信号的空间交换。2)光交叉连接。与其他光开关一起构成光开关矩阵，使网络具有动态配置功能。3)器件测试。可以使用1×N光开关同时测试多个器件，从而简化测试，提高效率。4)网络监控。在远端监测点上使用1×N光开关将多根光纤接到网络监视仪器上，通过光开关倒换实现对所有光纤的监测。
在先技术[1](参见P.Pepperl，Opt.Acta.，24(4)，1977，pp.413-425，A solid-statedigital light deflector with DKDP polarization switches)中所描述的结构是由双折射晶体和电光晶体组成的光开关，其工作原理是通过在电光晶体上施加半波电压来改变光的偏振状态，使光在偏振光o光和e光之间变换，垂直入射的o光透过双折射晶体时方向不变，而e光在进入双折射晶体后发生折射，偏离原光路，通过多级互联，可以实现1×N光开关。为了使可控光束的位置彼此等距离均匀分布，各块双折射晶体的尺寸必须随着级数的增加而加大。人工合成高光学质量、大尺寸的晶体，存在很多困难。另外，该方法需要用N块电光晶体和N-1块双折射晶体才能组成1×N光开关，因此制作、装配成本较高，光路复杂，插入损耗大，不易集成。
在先技术[2](参见H.Yamazaki and M.Yamaguchi.Opt.Lett.，17(17)，1992，pp.1228-1230，Experiments on a multichannel holographic optical switch with the use ofa liquid-crystal display)中所描述的结构是利用液晶位相全息作光电控制的阵列光开关，其工作原理是在液晶屏幕小区域上加控制电压产生一个相位光栅，对入射光衍射使其偏转到输出端口。控制光栅的方向和周期，就可以实现1×N光开关。但它的开关速度慢，为毫秒级；会产生二级衍射光，效率低；液晶分辨率限制了光束的旋转角度和偏转角度。
在先技术[3](参见L.Y.Lin，E.L.Goldstein and R.W.Tkach，IEEE Photon.Tech.Lett.，10(4)，1998，pp.525-527，Free-space micromachined optical switches with submillisecondswitching time for large-scale optical crossconnects)中所描述的结构是使用微电机械系统(MEMS)的光开关，其基本原理是通过静电或其他控制力使可以活动的微反射镜发生机械转动，以改变输入光的传播方向，从而实现开关功能。还可以采用旋转方式，即把输入光纤安装在旋转臂上，用步进电机转动旋转臂，使其转向不同的输出端口。此类开关的速度为亚毫秒量级。由于它是靠机械转动实现交换，所以任何机械摩擦、磨损以及外部振动都可能使它可靠性降低。
还有基于其他技术的1×N光开关，如波导型光开关器件等，但它们都存在一些缺点，如速度慢等。

发明内容
本发明是利用晶体的双反射和电光效应，用一块晶体构成光束调制偏转元件，即在一块晶体内集成多个电光调制反射器的1×N光开关。
本发明全内反射1×N光开关的结构如图1所示，包括输入光纤1、输入准直镜2、输入起偏器3、光束调制偏转元件4、输出聚焦透镜5和输出光纤6；由输入光纤1出射的光束经过输入准直镜2准直后，进入输入起偏器3后形成偏振光，经过光束调制偏转元件4后，再经过输出聚焦透镜5会聚到输出光纤6上输出，所说的光束调制偏转元件4是由一块带有内反射面D、E、G、B的沿着晶体光轴的方向置有1≤M≤7对电极对402的多面体的晶体401构成；所说的输出光纤6是由N＝M+1根光纤构成的光纤阵列。
所说的光束调制偏转元件4的多面体晶体401有1≤n≤4个内反射面D、E、G、B，一个光束输入面A，一个光束输出面F和与光束输出面F相对平行的面C；光束输入面A垂直于晶体401的光轴方向，光束输出面F与晶体401的光轴方向平行。
所说的光束调制偏转元件4中沿晶体401光轴方向置放在晶体401上的电极对402的宽度dm＜d/M，其中d为垂直于晶体光轴方向，在光束输出面F和与光束输出面F相对平行的面C之间的距离，称为晶体401的宽度。M为电极对402的数目；电极对402的长度l≤L-d，其中L为晶体401的光束输入面A至晶体401的第一反射面D与第二反射面E相交点O之间的距离，称为晶体401的长度。如图2所示。
所说的构成输出光纤(6)的N＝M+1根的光纤阵列中的每一根光纤的光束进入面均置于输出聚焦透镜(5)的焦面上，其中第q根光纤为光纤阵列的中心光纤(60q)，其中q是当N为偶数时，q＝N/2；当N为奇数时，q＝(N+1)/2)。中心光纤(60q)的光束进入面的中心点(aq)恰好置放在输出聚焦透镜(5)的焦点(aq)上，第N根光纤(60N)的光束进入面的中心点(aN)与中心光纤(60q)光束进入面的中心点(aq)的距离aqaN＝ftan(γN-γq)，其中f为输出聚焦透镜(5)的焦距，γN为光束从晶体(401)的光束输出面(F)射出的第N个折射角。
所说的晶体401是具有横向电光调制性能的单轴晶体，如铌酸锂、钽酸锂等，其形状是如上述的多面体，以n＝4个反射面为列，其具体结构如图2所示，晶体的光轴(c轴)在晶面内且垂直光束输入面A设为坐标轴上的z轴，坐标x轴与加电极对402的面垂直，其光束输入面A垂直于光束输出面F，和光束输入面A相对的第一反射面D与和光束输入面A相邻的第三反射面G平行，第二反射面E与和光束输入面A另一侧相邻的第四反射面B平行，光束输出面F与面C相对而平行，面C与第一反射面D、第四反射面B的夹角a1、a2都为135°，第一反射面D与第二反射面E的夹角为90°，第三反射面G与第四反射面B的夹角为90°，晶体401的光轴与四个反射面的垂线成45°。以电极对402的数目M＝3为例，可将晶体401看成图2中用虚线隔开的三部分，第一部分宽度为d1，第二部分宽度为d2，第三部分宽度为d3，有d1＝d2＝d3＝d/3。三对电极对4021、4022、4023就沿晶体401的光轴方向安置在这三部分上，所以每对电极对4021、4022、4023的宽度应小于d/3，长度l应小于等于L-d。
由输入光纤1出射的光信号经输入准直镜2准直和输入起偏器3起偏为o光的准直光束，正交入射到晶体401上，经反射面D、E、G、B、D全内反射(晶体光轴与各反射面的法线成45°，大于晶体的全反射角)后由光束输出面F输出，通过给不同的电极对4021、4022、4023…402M加半波电压，改变输入光束的偏振状态，就有不同出射角的输出光束，如此就将光在空间分开。在不加电压的情况下，光路如图3-1所示输入o光束沿晶体光轴(c轴)从A面垂直入射，经D、E、G、B、D面反射，在每个反射面上o光的入射角都为45°，反射角也都为45°(入射角和反射角都是指光线方向与界面法线之间的夹角，以下同)，最后沿垂直晶体光轴的y轴方向到光束输出面F，从晶体401光束输出面F折射出，折射角 (折射角是指光线方向与界面法线之间的夹角，上标t表示是折射角，下标数字表示附图3的分图号，以下同)。给第一电极对4021加横向半波电压，光路如图3-2所示在面B、D之间传播的。偏振光将变为e偏振光，在D面反射后反射角为 (其中上标i表示是入射角，r则表示反射角；下标前一个数字表示附图3的分图号，后一个数字表示第七次反射；以下同)，e光与o光有一个偏离角 ，到F面后因△θ1小于全反射角折射出于晶体401，折射角为 。给第二电极对4022加横向半波电压，光路如图3-3所示在面A、D之间传播的o偏振光将变为e偏振光，则在D、E、G、B、D面反射后，e光与o光有偏离角 到F面后因Δθ2小于全反射角折射出晶体，折射角为 。给第三电极对4023加横向半波电压，光路如图3-4所示在面E、G之间传播的o偏振光将变为e偏振光，则在G、B、D面反射后，e光与o光有偏离角 ，到F面后因Δθ3乱小于全反射角折射出晶体，折射角为 。经过的反射面越多，e光与o光的偏离角Δθ就越大，相应地光在输出面F的折射角δ′也就越大，所以当电极对402数耳M＝3时，有如下关系Δθ1＜Δθ3＜Δθ2，δ1t<δ2t<δ4t<δ3t.]]>出射角γN为光束从晶体401的光束输出面F射出的第N个折射角，按从小到大的顺序排列，为γ1=δ1t,γ2=δ2t,γ3=δ4t,γ4=δ3t]]>。当N＝M+1＝4时，所以q＝2，即中心光纤为602。使第2输出光束通过输出聚焦透镜5的主轴，将第2根光纤也就是中心光纤602的光束进入面的中心点a2安置在输出聚焦透镜5的后焦点a2上。如图1所示。若聚焦透镜5的焦距为f，则第一根光纤601的光束进入面的中心点a1到中心光纤602的光束进入面的中心点a2的距离a1a2＝f tan(γ1-γ2)，第三根光纤603的光束进入面的中心点口，到中心光纤602的光束进入面的中心点a2的距离a2a3＝f tan(γ3-γ2)，第四根光纤604的光束进入面的中心点a4。到中心光纤602的光束进入面的中心点a2的距离a2a4＝f tan(γ4-γ2)。以后的以此类推。
可以看出在的N＝4的1×4光开关中，光通过晶体光轴3次，给沿晶体光轴方向安置的3对电极对4021、4022、4023中的任一对上加横向半波电压，使入射的o偏振光变为e偏振光，再经过不同数目的反射面反射，则到出射面时e光与o光就会有不同的偏离角Δθ，也就有了不同的出射角γ，从而对一路输入光有4种不同的输出位置光路，实现了1×4光开关。令N为不同位置输出的光路数，有N＝M+1M为电光调制所需的电极对数，1≤M≤7。所以要制成1×N光开关，有N≥2个光通道，可以在其上沿晶体光轴方向安置电极对形成电光调制器，其M的数目主要受限于聚焦透镜5的大小。当N＝2时，为1×2光开关如图4－1所示，不加电压时，光束垂直晶体光轴输出给电极对4021加电压，光束偏离输出。当N＝3时，为1×3光开关如图4-2所示，不加电压时，光束垂直晶体光轴输出；给电极对4021、4022分别加电压，光束以不同的出射角输出。当N＝4时，为1×4光开关如图4-3所示，不加电压时，光束垂直晶体光轴输出；给电极对4021、4022、4023分别加电压，光束以不同的出射角输出。推广到当N＝N时，为1×N光开关如图4-4所示，输入光束从光束输入面A垂直入射，第一反射面D与第二反射面E的夹角为90°，第三反射面G与第四反射面B的夹角为90°，反射面的法线都与光轴成45°，光经D、E、G、B循环反射输出。切割晶体时，使其两平行截面C、F与光束输入面A垂直，其中一个为光束输出面F，不加电压时，光束垂直晶体光轴输出；给电极对4021、4022、…、402M分别加电压，光束以不同的出射角输出。
上述e光的反射角及折射角的推导公式如下。当采用LiNbO3晶体时，两个主折射率分别为no和ne，且晶体光轴与界面JI之间的夹角为45°。当光由晶体射入空气时，若入射角大于全反射角，会在界面上发生全内反射。有两种情况一种是沿近晶体光轴入射，如图5-1所示；另一种是沿近晶体光轴反射，如图5-2所示。假设在反射前，e光入射角为δi，波面角为i(其中波面角＝90°-α，α为离散角，参见《物理光学》P299、P302)，则在反射后，e光反射角为δr，波面角为r。δi和δr都是e光与界面JI法线的夹角，i和r都取e光前进方向与波面的右侧夹角。对于第一种情况，有 对于第二种情况，有 当光从晶体向空气折射时，如图5-3所示，晶体光轴与界面JI的夹角为θ，e光入射角为δi，波面角为i，则折射后，e光的折射角δt为 在本发明中由于两相邻反射面互相垂直，也就是光在晶体内第k+1次反射时的反射面与第k次反射时的反射面互相垂直，有 其中 指第k+1次反射时的反射角和波面角， 指第k次反射时的入射角和波面角，k≥1。以图3-3为例，给第二电极对4022加横向半波电压后，o光变为e光沿晶体光轴入射到第一反射面D，与第一种情况相符，入射角为45°、波面角为90°，代入公式(1)(2)求出反射角 和波面角 ；光又入射到第二反射面E，沿近晶体光轴反射，与第二种情况相符，又由于发生第二次反射时的反射面E和发生第一次反射时的反射面D垂直， ，代入公式(3)(4)求出 和 ；光又沿近晶体光轴入射到第三反射面G，与第一种情况相符，又由于发生第三次反射时的反射面G和发生第二次反射时的反射面E垂直， ，代入公式(1)(2)求出 和 ；光又入射到第四反射面B，沿近晶体光轴反射，与第二种情况相符，又由于发生第四次反射时的反射面B和发生第三次反射时的反射面G垂直， ，代入公式(3)(4)求出 和 ；光又沿近晶体光轴入射到第一反射面D，与第一种情况相符，又由于发生第五次反射时的反射面D和发生第四次反射时的反射面B垂直， ，代入公式(1)(2)求出 和 ，此时e光与原先的o光就有一个偏离角 最后e光入射到光束输出面F，晶体光轴与面F的夹角θ＝0°，入射角为Δθ2、波面角为 ，因Δθ2小于全反射角折射出晶体，代入公式(5)求得折射角 ，也就是出射角γ4。
与在先技术相比在先技术[1]须用N块电光晶体和N-1块双折射晶体级联才能实现1×N光开关，制作、装配成本较高，光路复杂，插入损耗大，不易集成，而且经过多次级联开关速度降低。在先技术[2]是利用液晶位相全息作光电控制的光开关，液晶速度慢，只能达到毫秒量级，会产生二级衍射，效率低。在先技术[3]是机械型光开关，靠机械转动来实现光路交换，可靠性较低，而且速度较慢，为亚毫秒量级。本发明如上述的结构利用一块晶体的全内反射效应实现多级光束的偏转，各级输出光路又利用光沿晶体光轴传播的横向电光调制原理实现多级光束偏振状态的旋转，只用一块晶体就实现了多级光束偏转和多级电光调制的1×N光开关功能。具有结构简单可靠、不易受环境影响、抗干扰能力强、插入损耗小、开关速度快的优点。若用LiNbO3晶体制作本发明的1×N光开关，开关速度能够达到纳秒量级。


图1为本发明光开关结构的示意图。
图2为图1中晶体401的结构图。
图3为当N＝4，M＝3所采用的1×4光开关光路示意图图3-1是在不加电压时光路状态；图3-2是在第一电极对4021上加横向半波电压时光路状态；图3-3是在第二电极对4022上加横向半波电压时光路状态；图3-4是在第三电极对4023上加横向半波电压时光路状态。
图4为本发明的1×N光开关光路结构示意图图4-1是N＝2，M＝1时的1×2光开关光路示意图；图4-2是N＝3，M＝2时的1×3光开关光路示意图；图4-3是N＝4，M＝3时的1×4光开关光路示意图；图4(d)是N＝N，M＝M时的1×N光开关光路示意图。
图5为光在晶体中反射、折射的光路图5-1是沿近晶体光轴入射的e光反射；图5-2是沿近晶体光轴反射的e光反射；图5-3是光线出射晶体-空气表面的折射。
具体实施方案如上述图1所示的本发明的1×N光开关的结构，选用晶体401为LiNbO3晶体薄片，形成45°、135°的斜面D、E、G、B为反射面，使o光从输入面A面沿晶体光轴入射，经反射面D、E、G、B、D反射后，沿垂直晶体光轴的方向射到输出面F，最后从输出面F折射出了晶体401。所需加的半波电压越低越好，但为了使高斯光束安全通过晶体401，晶体401的厚度h与电极对402的长度l的比实际上是有限制的。在本例中，考虑到晶体的加工难度，所以选取L为50毫米，d为45毫米，h为1毫米，电极对长度l为5毫米。选取电极对402的数目M＝3，输出光纤6中的光纤数目N＝4，中心光纤为第二根光纤602。
从输入光纤1输出的光波长为1.5μm，对于此波长，LiNbO3晶体的两个主折射率no＝2.2129，ne＝2.1394，横向半波电压为2400伏。使入射光的偏振方向与o光一致，沿晶体401的光轴从输入面A入射到晶体401；通过给不同的电极对4021、4022、4023加横向半波电压，改变光的偏振状态；利用双反射效应并且通过级联，从而使光以不同的出射角从晶体401出射，这样就有了4种不同位置的输出光路。具体实施例的数据见表1，其中δr是指光在该反射面反射后的反射角，r是指光在该反射面反射后的波面角，Δθ指到达输出面F时，e光与原先的o光的偏离角，折射角δt是指光从输出面F折射出晶体的折射角，出射角γN为光束从晶体401的光束输出面F射出的第N个折射角(按从小到大的顺序排列)。
表1具体实施的1×4光开关数据

当聚焦透镜5的焦距f＝20cm时，输出光纤6中，中心光纤602的光束进入面的中心点a2置于输出聚焦透镜5的焦点a2上，第一根光纤601的光束进入面的中心点a1距输出聚焦透镜5焦点a2的距离a1a2＝ftan(γ1-γ2)＝-1.5cm，第三根光纤603的光束进入面的中心点a3距输出聚焦透镜5焦点a2的距离a2a3＝ftan(γ3-γ2)＝3.03cm，第四根光纤604的光束进入面的中心点a4距输出聚焦透镜5焦点a2的距离a2a4＝ftan(γ4-γ2)＝6.32cm。
对于N＝8，M＝7所采用的1×8光开关，可以计算得到γ1＝0°，γ2＝4.29°，γ3＝12.93°，γ4＝21.83°，γ5＝31.22°，γ6＝41.47，γ7＝53.45°，γ8＝24.42°。输出光纤6中，中心光纤604的光束进入面的中心点a4置于输出聚焦透镜5的焦点a4上，第一根光纤601的光束进入面的中心点a1距输出聚焦透镜5焦点a4的距离a1a4＝ftan(γ1-γ4)＝-8.01cm，第二根光纤602的光束进入面的中心点a2距输出聚焦透镜5焦点a4的距离a2a4＝ftan(γ2-γ4)＝-6.88cm，第三根光纤603的光束进入面的中心点a3距输出聚焦透镜5焦点a4的距离a3a4＝ftan(γ3-γ4)＝-3.13cm，第五根光纤605的光束进入面的中心点a5距输出聚焦透镜5焦点a4的距离a5a4＝ftan(γ5-γ4)＝3.27cm，第六根光纤606的光束进入面的中心点a6距输出聚焦透镜5焦点a4的距离a6a4＝ftan(γ6-γ4)＝7.10cm，第七根光纤607的光束进入面的中心点a7距输出聚焦透镜5焦点a4的距离a7a4＝ftan(γ7-γ4)＝12.31cm，第八根光纤608的光束进入面的中心点a8距输出聚焦透镜5焦点a4的距离a8a4＝ftan(γ8-γ4)＝22.47cm。
权利要求
1.一种全内反射的1×N光开关，包括输入光纤(1)、输入准直镜(2)、输入起偏器(3)、光束调制偏转元件(4)、输出聚焦透镜(5)和输出光纤(6)；由输入光纤(1)出射的光束经过输入准直镜(2)准直后，进入输入起偏器(3)后形成偏振光，经过光束调制偏转元件(4)后，再经过输出聚焦透镜(5)会聚到输出光纤(6)上输出，其特征在于所说的光束调制偏转元件(4)是由一块带有内反射面(D、E、G、B)的沿着晶体光轴的方向置有1≤M≤7对电极对(402)的多面体的晶体(401)构成；所说的输出光纤(6)是由N＝M+1根光纤构成的光纤阵列。
2.根据权利要求1所述的全内反射的1×N光开关，其特征在于所说的构成光束调制偏转元件(4)的多面体晶体(401)有1≤n≤4个内反射面(D、E、G、B)，一个光束输入面(A)，一个光束输出面(F)和与光束输出面(F)相对平行的面(C)；光束输入面(A)垂直于晶体(401)的光轴方向，光束输出面(F)与晶体(401)的光轴方向平行。
3.根据权利要求1所述的全内反射的1×N光开关，其特征在于所说的光束调制偏转元件(4)中沿晶体(401)光轴方向置放在晶体(401)上的电极对(402)的宽度dm＜d/M，其中d为垂直于晶体光轴方向，在光束输出面(F)和与光束输出面(F)相对平行的面(C)之间的距离，为晶体(401)的宽度；M为电极对(402)的数目；电极对(402)的长度l≤L-d，其中L为晶体(401)的光束输入面(A)至晶体(401)的第一反射面(D)与第二反射面(E)相交点(O)之间的距离，为晶体(401)的长度。
4.根据权利要求1所述的全内反射的1×N光开关，其特征在于所说的构成输出光纤(6)的N＝M+1根的光纤阵列中的每一根光纤的光束进入面均置于输出聚焦透镜(5)的焦面上，其中第q根光纤为光纤阵列的中心光纤(60q)，其中q当N为偶数时，q＝N/2，当N为奇数时，q＝(N+1)/2；中心光纤(60q)的光束进入面的中心点(aq)恰好置放在输出聚焦透镜(5)的焦点(aq)上，第N根光纤(60N)的光束进入面的中心点(aN)与中心光纤(60q)光束进入面的中心点(aq)的距离aqaN＝ftan(γN-γq)，其中f为输出聚焦透镜(5)的焦距，γN为光束从晶体(401)的光束输出面(F)射出的第N个折射角。
全文摘要
一种全内反射的1×N光开关，主要适用于光通讯和光计算信号的空间光开关和光交换。它由输入光纤出射的光束经过输入准直镜准直后，进入输入起偏器形成偏振光后，经过由一块带有内反射面的沿着晶体光轴方向置有1≤M≤7对电极对的多面体的晶体构成的光束调制偏转元件后，再经过输出聚焦透镜会聚到由N＝M+1根光纤构成的光纤阵列中的一根光纤中输出。与在先技术相比，本发明采用一块晶体构成光束调制偏转元件，由全内反射和电光调制，实现光束多级输出光路。结构简单可靠，抗干扰能力强，插入损耗小，开关速度快，能够达到纳秒量级。
文档编号G02B6/26GK1405613SQ0213760
公开日2003年3月26日 申请日期2002年10月24日 优先权日2002年10月24日
发明者刘立人, 任海霞, 宋哲, 周常河, 刘德安, 任立勇, 董前民, 张娟 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所