磁光开关工作原理和设计方法

2025-11-10

文章介绍了磁光开关的性能，探讨了磁光开关的未来竞争力和发展前景；介绍了设计磁光开关的三种方法以及具体的电路磁路设计，并对其设计方案进行了综合的测试。结果表明，磁光开关不仅具有开关速度快、稳定性高等优势，而且相对于其他非机械式光开关，它又具有驱动电压低、串扰小等优势。磁光开关将成为一种极具竞争力的光开关。

1 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来说，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，在可以预见的不久的情况下，磁光开关将成为一种极具竞争力的光开关。

2 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的时，入射线偏光通过后可以改变其偏振态。

3 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，这样在旋转相同的角度时，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在 -10~100度时基本保持稳定。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。我们选择的这种旋转片在 1~2μm 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。

4 磁光开关的总体设计思想

本设计如框图1，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了一个模块提供一个接口，这样一环套一环，实现逐层控制。从图1中可以看出，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调换而不影响其功能。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。

模块框图

5 具体的光路设计

在磁光开关中，garnet就是我们所用的磁旋光晶体。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xgarnet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。

磁光开关设计图

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

光路原理（见图3 和图4）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 3：gammet加正向电压时的光路图

图 4：garnet加反向电压时的光路图

注意：图中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,这可以使电抗大大减少。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,所以在设计的时候只计算要特别精确。

方案三：利用双折射晶体、garnet和22.5°、45°波片

由图5,图6,图7,图8和图9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。

光路侧视图