杨俊 阮玉 华中科技大学光电系
    
     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garnet就是我们所用的磁旋光晶体。如在garnet上加正向磁场,通过garnet的线偏光的偏振面正向旋转,如在garnet上加反向磁场,则通过garnet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、garnet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garnet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garnet半边镀有正转45°膜）；2 garnet；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garnet加正向电压时，透射光偏振面正向旋转45°，再加上正转45°膜的作用，一共正向旋转90°，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garnet加负电压时，透射光偏振面反向旋转45°，再加上正转45°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路的影响。
    
     方案二：利用双折射晶体、garnet、22.5°、45°波片和偏振棱镜
     光路的原理同方案一都是利用偏振棱镜的分光作用，但是较方案一不同的是我们将反射光路变成直射光路，去掉了凸透镜和平面反射镜。
    
    
    
    
    
     图4. garnet加反向电压时的光路图
    
     1为双折射晶体；2为garnet；3为22.5°波片；4为偏振棱镜；5为45°波
     片（仅镀在双折射晶体的上半部分或下半部分）；6为双折射晶体。
     主要的工作原理是依靠偏振棱镜对不同偏振态的光的透、反射原理，当在garnet上正向加电压时，IN2在偏振棱镜的入射面上为e光，IN1在偏振棱镜的入射面上为o光，所以经棱镜出射后IN2～OUT2，IN1～OUT1；当在garnet反向加电压时，IN2在偏振棱镜的入射面上为o光，IN1在偏振棱镜的入射面上为e光，所以经棱镜出射后IN2～OUT1，IN1～OUT2。
     由上图可知，我们要实现上述方案需要的器件和设备为：3块双折射晶体、1块偏振分束棱镜、1块磁光晶体、1个双光纤准直器、2个偏心单光纤准直器。方案二较方案一有所改进，光路简化，所用的器件减少，而且方案二有一个很大的优点就是少用了1块磁光晶体，这对于减少器件的成本来说是很有好处的。将出射光路分开，这可以使串扰大大减少。但是在这种方案中，我们用到了单光纤偏心准直器，这种准直器加工比较麻烦，成品率比较低，所以在设计的时候尺寸计算要特别精确。
    
     方案三：利用双折射晶体、garnet、和22.5°、45°波片
    
    
    
    
    
     图6. 当garnet1加上正向电压时光路顶视图
    
    
    
     图7. 当garnet1加上反向电压时光路顶视图
    
    
    
     图8. 当garnet1加上正向电压时光路中偏振态示意图
    
    
    
     图9. 当garnet1加上反向电压时光路中偏振态示意图
    
     1、8为双折射晶体；2为garnet1、7为garnet2；3、6为22.5°波片；4、5为双折射晶体。1、8的光轴方向相反为负45°和正45°；4、5的光轴与1、8不在一个平面上，一个为正45°，一个为负45°；3、6为不同方向的22.5°波片。
     注：garnet1与garnet2加的电压是相反的，加上正向电压时偏振面顺时针旋转，加上反向电压时偏振面逆时针旋转。
     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块磁光晶体、2个双光纤准直器。在方案二的基础上，我们将光路设计成水平的，这样有利于减小器件的封装体积。另外我们考虑到为了消除磁光晶体本生旋光性的缺陷（旋转角为45°正负1°），故运用了两块磁光晶体，加上相反的电压，
    
     这样一正一负误差就抵消了，可以提高磁光开关的性能。
     比较以上三种方案，我们最后决定采用第三种方案。
    
     六． 具体磁路设计
     综合考虑各种因素,我们决定用螺线管产生的可变向磁场来控制磁旋光体。
     下图即为我们设计的螺线管。
    
    
    
     图10. 螺线管磁路设计
    
     计算出的磁场分布如下图所示:
    
    
    
     图11. 第n层、第m匝与所求光斑处的磁场强度B的关系
    
     七． 综合调试结果
     我们通过改变螺线管的通电电流方向来改变其磁场方向,从而改变磁光晶体对线偏光的作用方向,最终实现光路切换。
     我们定义光开关时间为驱动信号开始变换到有光稳定输出的时间差，如图12所示， 即为所测开关时间。
    
    
    
     图12. 开关时间示意图
    
    
    
     图13. 磁光开关的开关时间
    
     经过测试，2*2磁光开关的开关时间为0.3ms左右,插入损耗为0.6～0.7dB,偏振相关损耗为0.1dB,接近国外同类产品的水平。