设计磁光开关的三种方法.docVIP

　　设计磁光开关的三种方法～教育资源库 　　 摘要：本文向我们介绍了磁光开关的工作原理，重点介绍了设计磁光开关的三种方法，以及具体的光路磁路设计，并对其设计方案进行综合测试，得出了相应的结论。 　　 一. 磁光开关简介 　　 磁光开关原理是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的效果。相对于传统的机械式光开关，它具有开关速度快，稳定性高等优势，而相对于其他的非机械式光开关，它又具有驱动电压低、串扰小等优势，可以预见在不久的将来，磁光开关将是一种极具竞争力的光开关。 　　 二. 磁光开关设计原理 　　 所谓法拉第旋光效应就是线偏振光沿外加磁场方向通过介质时偏振面发生旋转的现象。 　　 对于一个顺着介质中M方向传播的线偏振光，可分解成两个相反方向转动的圆偏振光，若 为实数，这意味着介质对光波没有吸收，那么这两个圆偏振光无相互作用地以两种稍微不同的速度向前传播，出射后它们之间仅存在相位差，从而合成的仍为线偏光，但其偏振面相对于入射线偏振光发生了一定的旋转。这就说明了外加磁场作用于磁光晶体上时，入射线偏光通过后可以改变其偏振态。 　　 三.晶体的选择 　　 磁光晶体作为磁光开关的核心部件是我们研究的重点，磁光晶体选型的好坏直接影响到磁光开关的各项性能。在选择磁光晶体时我们注意到以下几点: 　　 1．磁旋光率要尽可能的大，这样旋转相同的角度时磁光晶体的厚度可以做得很薄，整个器件的设计就更趋于小型化。 　　 2．磁光晶体的外加饱和磁场要尽可能的小，这样螺线管中加载较小的电流就可以达到要求，整个器件的发热量也会减小，这对器件的温度稳定性和延长器件寿命有很大的作用。 　　 3．磁光晶体的各项参数的温度稳定性能，要求饱和外场强、法拉第旋转角、以及插入损耗等等在－10～100度基本保持稳定。考虑到以上种种因素，我们最终选择了日本三菱公司生产的石榴石旋转片。我们选择的该旋转片，在1~2um波长范围的近红外辐射区域是透明的，并且显示出非常明显的法拉第磁旋光效应，用LPE的方法生长而成，它是一种铁磁材料，具有电磁铁的某些性质。我们所采用的磁光晶体具有双磁畴结构，这两种磁畴产生的磁矩相互平行但是方向相反，因此对透射光偏振面的作用效果是相反的。 　　 四． 磁光开关的总体设计思想 　　 　　 图1模块框图 　　 我们设计以上框图是为了使我们的工作有条不紊地进行,PORT1、PORT2为输入端，PORT3、PORT4为输出端。由于我们采用了模块化的设计，整个器件可以分为几个模块，每一个模块除了完成相应的功能外还为下一个模块提供一个接口，这样一环套一环，实现逐层控制。从上图看就是，CPU（单片机）提供控制信号控制电路的换向，电路的换向控制螺线管的磁场方向，螺线管的磁场方向控制磁光晶体的磁化方向，最后磁光晶体的磁化方向决定光路的切换。磁光开关是完全对称的，输入和输出端口可以掉换而不影响其功能。输入和输出端口可以分别采用两个单光纤准直器，也可以采用一个双光纤准直器，这要由具体的设计来决定。 　　 五． 具体的光路设计 　　 在以上模块中最重要的就是光路设计,总体来说可以有以下三种方案:其中gar就是我们所用的磁旋光晶体。如在gar上加正向磁场,通过gar的线偏光的偏振面正向旋转,如在gar上加反向磁场,则通过gar的线偏光反向旋转,这样可以对光路进行切换。 　　 方案一:利用偏振棱镜、gar以及反射光路 　　 如图2所示（设双折射晶体的光轴平行于纸平面），两个直角棱镜胶合在一起，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gar上加上不同方向的电压就能达到光路切换的目的。 　　 　　 图2 1偏振棱镜（靠近gar半边镀有正转45deg;膜）；2 gar；3反射光路 　　 由输入光纤出射的光经过双折射晶体后分为偏振方向相互垂直的o、e光，如果两块gar加正向电压时，透射光偏振面正向旋转45deg;，再加上正转45deg;膜的作用，一共正向旋转90deg;，这时o、e光偏振态互换，结果这两束光经过偏振棱镜的对角线时分别反射一次，透射一次，则IN1~OUT2,INT2~OUT1；如果两块gar加负电压时，透射光偏振面反向旋转45deg;，再加上正转45deg;膜的作用，偏振面没有发生旋转，这时o、e偏振态没有改变，结果这两束光经过偏振棱镜的对角线时透射两次或是反射两次，则INT1~OUT1,INT2~OUT2。 　　 由上图可知，我们要实现上述方案需要的器件和设备为：4块双折射晶体、2个双光纤准直器、1块偏振分束棱镜、2块磁光晶体、2块凸透镜、2块反射镜。如果引入凸透镜，那么我们还得额外考虑透镜的球差以及透镜对焦对光