（机械电子工程专业论文）纳秒量级全光纤磁光开关的研制.pdf

摘要 随着光网络的不断发展，人们对光开关的切换速度及可靠性方面的要求越来 越高。磁光开关具有快的反应速度、低的插入损耗和固有的非互易性等特点，将 在全光网络中起重要的作用。 在福建省科技计划资助项目的支持下，本文提出并研制出一种新型的磁光开 关，实验结果表明该磁光开关具有纳秒级的开关速度。根据全光纤磁光开关的组 成部分以及相关功能，本文的研究内容主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 光路的设计及搭建 光路是全光纤磁光开关的核心部分，它决定了光开关的总体性能、成本和结 构。磁光开关的光路设计主要根据磁光材料的法拉第效应和线偏振光的性质。全 光纤磁光开关的光路主要包括了偏振分束器、偏振合束器、磁光晶体材料和半波 片等部分。在本实验室的国家授权发明专利“全光纤磁光开关的基础上，设计 了磁光开关的光路，并用琼斯矩阵证明其可行性。 ( 2 ) 电路设计与制作 通过控制电路产生脉冲电流来驱动磁路产生磁场，放在磁路中的磁光材料 g s f ( 或g m f ) 被磁化而使通过磁光材料的线偏振光发生偏转。电路和磁路设 计是磁光开关开关时间大小的关键之一。本文设计了三种电路方案，其中一种是 利用a t 8 9 s 5 2 单片机控制m c 3 3 8 8 6 来产生电流脉冲。另外两种方案是利用 d e l 5 0 和雪崩三极管f m m t 4 1 5 来产生上升沿在纳秒量级的脉冲，用来驱动自保 磁材料制作的磁光开关。对三种电路分别进行了仿真、制作和优化。 ( 3 ) 磁路设计与制作 磁路部分是用来直接驱动法拉第旋转器的部件，它的结构直接影响到磁光开 关的开关时间。设计三种磁路方案，并进行了可行性分析和性能对比实验，最后 选用的是螺线管结构。螺线管的尺寸决定了磁光开关的整体结构。分析和设计了 螺线管的结构，并对螺线管的磁场和电感大小进行了计算和测试。 关键词：磁光开关；法拉第效应；开关时间。 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fo p t i c a ln e t w o r k ，t h ed e m a n do fh i g h s p e e d a n dr e l i a b i l i t yo fo p t i c a ls w i t c hi si n c r e a s e d m a g n e t o - o p t i cs w i t c hi se x p e c t e dt op l a y a ni m p o r t a n tr o l ei na l l - o p t i c a ln e t w o r kd u et oi t sh i g hs w i t c h i n gs p e e d ，o p e r a t i n ga t l o wv o l t a g e s ，f e a t u r e da sl o wi n s e r t i o nl o s sa n di n t r i n s i cn o n - r e c i p r o c i t y an e wm a g n e t o - o p t i cs w i t c hi sp r o p o s e da n dm a n u f a c t u r e db yt h es u p p o r t i n go f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to ff u j i a np r o v i n c e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h em a g n e t o - o p t i cs w i t c hh a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g h s p e e d a c c o r d i n gt ot h e c o m p o n e n ta n dr e f e r e n c ef u n c t i o no fa l l - f i b e rm a g n e t o - - o p t i cs w i t c h , t h i sp a p e r i n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fl i g h tr o u t e s t h el i g h tr o u t e sa r et h ec o r eo ft h em a g n e t o o p t i cs w i t c h ，i td e c i d e st h eo v e r a l l p e r f o r m a n c e ，c o s ta n ds t r u c t u r eo fm a g n e t o - o p t i cs w i t c h t h ed e s i g no fl i g h tr o u t e si s m a i n l yb a s i n go nf a r a d a ye f f e c to fm a g n e t o o p t i cm a t e r i a la n dt h ec h a r a c t e ro fl i n e a r p o l a r i z e dl i g h t a l l - f i b e rm a g n e t o - o p t i cs w i t c hc o m p r i s ep o l a r i z a t i o nb e a ms p l i t t e r , p o l a r i z a t i o nb e a mc o m b i n e r , a n dm a g n e t o - o p t i cm a t e r i a la n ds oo n t h ed e s i g no f l i g h tr o u t e si sb a s i n go nt h en a t i o n a lp a t e n t a l l f i b e rm a g n e t o - o p t i cs w i t c h w h i c h b e l o n g st oo u rl a b o r a t o r y ( 2 ) d e s i g na n d m a n u f a c t u r eo fc i r c u i t b yc o n t r o l l i n gt h ec u r r e n tp l u st od r i v em a g n e t i cc i r c u i t , t h em a g n e t o o p t i c m a t e r i a lg s f ( o rg m f ) i sm a g n e t i z e d ，t h e nt h el i n e a rp o l a r i z e dl i g h tp a s s i n gt h r o u g h i tw i l lb er o t a t e d t h ec i r c u i ta n dm a g n e t i cc i r c u i ti st h ek e yt ot h es w i t c h i n gt i m e i n t h i sp a p e r , t h r e ek i n d so fd r i v ec i r c u i ta r ed e s i g n e d m c 3 3 8 8 6c o n t r o l l e db ya t 8 9 s 5 2 i su s e dt og e n e r a t eb i d i r e c t i o n a lc u r r e n tp l u s t h eo t h e rt w ok i n d so fc i r c u i ta r es i m i l a r d e15 0a n df m m t 415a r eu s e dt op r o d u c ep l u sw h o s er i s i n gt i m es t a yo nn a n o s e c o n d a l lt h r e ek i n d so fc i r c u i ta l ea n a l y z e da n do p t i m i z e d ( 3 ) d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fm a g n e t i cc i r c u i t i i i m a g n e t i cc i r c u i ti su s e dt od r i v ef a r a d a yr o t a t o rd i r e c t l y , i t ss t r u c t u r ei sc r u c i a l t ot h es w i t c h i n gt i m eo fm a g n e t o o p t i c t h r e ek i n d so fm a g n e t i cc i r c u i ta l ed e s i g n e d a n da n a l y z e d a f t e rt a k i n gv a r i o u ss i t u a t i o n si n t oa c c o u n t ，t h es o l e n o i dt y p ei sc h o s e t h ed i m e n s i o no fs o l e n o i dd e c i d e st h ew h o l es t r u c t u r eo fm a g n e t o o p t i cs w i t c h t h e s t r u c t u r eo fs o l e n o i di sa n a l y z e da n dd e s i g n e d ，a n dt h em a g n e t i cf i e l da n di n d u c t a n c e a r ea l s oc a l c u l a t e da n dt e s t e d k e y w o r d s ：m a g n e t i c o p t i cs w i t c h ；f a r a d a ye f f e c t ；s w i t c h i n gt i m e i v 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为翁梓华课题组的研究成果，获得福建省科技 厅“福建省重大专项前期研究项目”( 2 0 0 5 h z l 0 2 0 ) 和厦门市科技局 “厦门市科技计划项目”( 3 5 0 2 2 2 0 0 5 5 0 1 1 ) 的经费资助，在厦门大学 光交换技术实验室完成。 关纛彬 冲年莎月1 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦f - x 学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦f - 1 3 4 5 d b ) 且不受偏振和波长的影响。其缺陷在于开关时 间较长，一般为毫秒量级，有时还存在回跳抖动和重复性差的问题。另外其体积 较大，不易做成大型的光开关矩阵。 2 m e m s 光开关 m e m s 是由半导体材料，如s i 等，构成的微机械结构。它将电、机械和光 集成为一块芯片，能透明地传送不同速率、不同协议的业务。m e m s 光开关器 件的结构很像i c 的结构，它的基本原理就是通过静电的作用使可以活动的微镜 面发生转动。从而改变输入光的传播方向。m e m s 既有机械光开关的低损耗、 低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又具有波导开关的高开关速度、小体 积、易于大规模集成等优点。基于m e m s 光开关交换技术的解决方案已广泛应 用于骨干网或大型交换网。目前，朗讯公司研制的1 2 9 6 1 2 9 6 端口的m e m s 光 开关，其单端口传送量为1 6 t b s ( 单纤复用4 0 个信道，每路信道传送4 0 g b s 信号) ，总传送容量达到2 0 7 p e t a b i t s 。此外，它具有严格无阻塞特性，插入损耗 为5 1 d b ，串扰( 最坏情况) 为3 8 d b 。它的研制成功使光开关的交换总容量达 到新的数量级。o m m 公司研制的4 4 光开关的插损达到3 d b ，1 6 1 6 开关阵 列的插损为5 - 7 d b 。目前m e m s 光开关的供应商主要为o m m 、l u c e n t 、n o r t e l 、 m e m s c a p 、c a l i e n t 等。 一 一纳秒镑级全光纤磁光开关的研制 。一一 3 热光效应光开关 热光技术一般用于制作小型光开关，如1 1 、1 2 、2 x 2 等。更大的光开 关可由1 2 光开关元件在同一晶片上集成。热光开关( t e r m o o p t i cs w i t c h ) 主 要有两种基本类型：数字型光开关( d o s ，d i g i t a lo p t i c a ls w i s h e s ) 和干涉型光 开关( i n t e r f e r o m e t r i cs w i t c h e s ) 。干涉型热光开关具有结构紧凑的优点，缺点是 对波长敏感，因此通常需要进行温度控制。它们都是在介质材料，如玻璃或硅基 片上，先做上波导结构，然后在波导上蒸镀金属薄膜加热器，金属薄膜通电发热， 导致其下面的波导的折射率发生变化，从而实现光的开关动作。目前供应商包括 n t te l e c t r o n i c s 、j d s u 、c o m i n g 、a l c a t e l 、a k z on o b e l 等公司。 4 声光开关 声光开关( a c o u s t o o p t i cs w i t c h ) 主要通过超声波控制光线的偏转来达到光 路切换的目的。交换速度从2 0 0 n s 到5 m s ，由于没有移动部分，可靠性较高，1 2 光开关损耗低于2 5 d b 。l m g r 公司声称其1 3 0 0 光纤线性声光开关没有机 械部分，使用电和计算机控制声光偏转装置，能在几个毫秒内将输入信号传送到 输出端，转向器可以任意转向。b r i m r o s e 公司开发的声光开关，其1 2 光开关 的交换速度是2 0 0 n s ，插入损耗为2 5 d b ，但成本较高。目前供应商有g o o c ha n d h o u s e g o ( n e o st e c h n o l o g i e s ) ，l i g h tm a n a g e m e n tg r o u p ，b r i m r o s e 等。 5 液晶光开关 液晶光开关的工作状态主要基于对光束偏振态的控制：一路偏振光被反射， 而另一路可以通过。典型的液晶器件将包括无源和有源两部分。无源部分，如分 路器将入射光分为两路偏振光。根据是否加载电压，改变入射光的偏振态或者维 持不变。由于电光效应，在液晶上施加电压将改变非常光的折射率，从而改变非 常光的偏振状态，使得本来平行光穿过液晶时将变成垂直光。液晶具有非常高的 电光系数，通常是铌酸锂的几百万倍，因此，它是高效能的光电材料之一。电控 液晶光开关的交换速度可达亚微秒级，未来将可达纳秒级。目前供应商包括 c o m i n g ，c h o m mk v e n to p t r o n i c s 等公司。 8 第一章绪论 6 喷墨气泡式光开关 a g i l e n t ( 安捷伦) 公司结合喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出一种 二维光交叉连接系统。安捷伦公司的全光交换芯片曾在o f c 2 0 0 0 年会上引起轰 动。该设备由许多交叉的硅波导和位于每个交叉点的微型管道组成，微型管道里 填充一种与折射率匹配的液体用以允许缺省条件下的无交换传输。当有入射光照 入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡( b u b b l e ) ，小泡将光 从入射波导中的光信号全反射至输出波导。a g i l e n t 公司目前已经制造出3 2 1 6 和3 2 3 2 端口光开关子系统，并可把这些子系统连接起来组成更大的交换阵列， 其开关响应时间小于1 0 m s ，可以用于光纤保护倒换。并且，这种开关对偏振相 关损耗和偏振模色散都不敏感，由于器件本身没有活动部件，一次可靠件很好。 可大批量生产。目前供应商主要为a g i l e n t 公司。 7 全息光栅光开关 它主要通过全息( h o l o g r a m s ) 反射在晶体内部生成拉格光栅工作的：当加 电时，布拉格光栅把光反射到输出端口；反之，光就直接通过晶体。利用这种技 术可以很容易地组成上千端口的光交换系统。并且它的切换速度也相当快，只需 几个纳秒就可以把一个波长切换到另一个波长。由于没有移动部件，可靠性比较 好。根据t r e l l i sp h o t o n i c s 公司报导，其研制的2 4 0 2 4 0 端口的交换系统的插损 为4 d b ，端到端的重复性好，但功耗大且需高电压供电。这种技术可以跟三维 m e m s 技术竞争，但它更适合单个波长的交换，且纳秒量级的交换速度可以用 于未来的基于报文交换的光路由器中。目前供应商为t r e l l i sp h o t o n i c s 公司。 8 液体光栅光开关 液体光栅技术是液晶技术和全息技术的结合，液晶微滴置于高分子层面上， 然后沉积在硅波导上面。当没有施加电压时，光栅就把一个特定波长的光发射到 输出端口；加载电压时，光栅消失即晶体是全透明的，光信号将直接通过光波导。 根据d i g i l e n s 公司声称，这种光开关的响应时间为1 0 0 i ，t s ，插损小于l d b i 由于 没有移动部分，可靠性比较好。另外功率消耗比较低，典型值为5 0 m w 。目前供 9 纳秒量级全光纤磁光开关的研制 应商主要为d i g i l e n s 公司。 9 磁光开关 磁光开关( m a g n e t o - o p t i cs w i t c h ) 是本文研究的对象。磁光开关利用了法拉 第( f a r a d a y ) 磁致旋光效应法拉第效应又称为磁光效应，是指某些物质在外 磁场的作用下，能使通过它的平面偏振光的偏振方向发生旋转。利用这一特性， 磁光开关实现全光通信所必需的全光切换功能。 。 m a g n e t i z a t i o nd i r e c t i o n i 。一 一+ 一 。s 。x一 - 、：、 一 + + + o u t p u t i n p u t 图1 - 5 ：法拉第磁光效应 如图1 - 5 所示，入射光矢量旋转的角度胄与沿着光传播方向作用在非磁性物 质上的磁感强度占及光在磁场中所通过的物质长度d 成正比，即 口= v b d( 1 - 1 ) 其中，矿是费尔德( v c r d e t ) 常数，它与波长有关，且非常接近该材料的吸收谐 振故不同的波长应选取不同的材料。太多数物质的v 值都很小，近些年出现了 一些极强磁致旋光能力的新型材料，这些材料属于铁磁性物质，线偏振光通过在 磁场中被磁化的材料时，振动面会发生旋转。当磁化强度未达到饱和时，振动面 旋转角度目与磁化强度m 及通过的距离d 成正比 0 ：f 旦d( 1 - 2 ) m o 式中 如是饱和磁化强度；f 为法拉第旋光系数，表示磁化强度达到饱和后 振动面每通过单位距离所转过的角度。强磁性金属合金及金属化台物( 如f e ， c o 及n i ) 有极高的，值，但同时吸收系数d 的值也非常大；强磁性化合物由于 一般存在n 极小的波长区域，使得它具有很高的旋光性能指数，同时，磁致旋光 1 0 第一章绪论 的方向只与磁场的方向有关，而与光的传播方向无关，光束往返通过磁致旋光物 质时，旋转角度往同一方向累加。 1 2 2 光开关的发展趋势 综上所述，如果从控制方式上划分，目前市场上主流的光开关属于电控型光 开关，其“电子瓶颈 效应将严重阻碍光开关切换速度进一步提高。为此，人们 提出并着手研究光控型光开关，它利用“光代替传统的“电来控制光路的切 换。光控型光开关中通常由两束光组成：一束为传输光，另一束为控制光。从控 制、传输光的强弱来分，目前研究的光控型光开关主要分为两类：强光控制弱光 型光控开关和弱光控制强光型光开关。强光控制弱光型光控型光开关能量消耗比 较大，但是切换速度快( 可达皮秒甚至飞秒量级) 。目前处于研究中的强光控制 弱光型光控开关主要有：m z i 光开关、平面反射性光开关、克尔光开关、非线性 环路镜( n o l m ) 光开关等。如yt a j i m a 等人研制的m z i 型光控开关其消光比 2 0 d b ，切换速度 0 时，基极 一射极处于正向，集电极电流尼随易成比例变化的区域是线性区，七不随如显 著变化的区域是饱和区。i s = 0 特性曲线以下的区域是截止区。当基极注入为负值， 即i s r 。 雪崩电流“比静态电流反大得多，即i i a ，于是上式可以简化成 = u c ( o ) 一：1r i d t 一吨 ( 4 - 3 ) 因为0 “这段雪崩时间很短，因此可以略去，求得 扣i 1l u c ( o ) 一 ( 4 - 4 ) 该式表示在雪崩状态下动态负载线使可变的。 雪崩管工作点的移动情况，可以参看图4 - 8 来加以说明。三极管的原始工作 状态处于反偏，反向基极注入为i b l ，由r c 所决定的静态负载线为即，尸是静 态工作点。由于尸点处于易1 特性曲线的正阻区，所以是稳定点。 当触发信号加入后，三极管并不是马上产生雪崩，由于正触发使基极变成正 注入，使特性曲线从一如l 转移到b e 。工作点尸沿着静态负载线左移到q 点，而q 点处在惋特性曲线的负阻区，所以q 是不稳定点。于是雪崩过程开始，从p 点 到q 点的这段时间，称为三极管的雪崩延迟时间。 雪崩开始后，负载线立刻由静态变为动态，此时电容开始放电，r ，立刻参 加到负载中去。由于r c r ，这时雪崩过程的动态负载主要由r 决定。雪崩开 始后负载线由p p - 变为e ，q 。由于雪崩倍增的作用，使工作点以很快的速度推 第四章驱动电路和磁路设计 倒r 点，r 点是- i s 2 特性曲线与动态负载线的交点。 此时，如果触发信号太小，持续时间太短，尺不再向左边前进。r 沿着b v c f o 曲线下降，雪崩工作点回到历l 特性曲线的u 点，由于基极的反向偏置作用工作 点回到尸点，雪崩结束。如果触发信号幅度与持续时间足够大，基极注入不断提 高，将工作点自足点继续向左推。工作点到达饱和区的边界线的r 点，然后工 作点实际上达n - - 次击穿特性曲线与动态负载线的交点s 。此时，雪崩结束，工 作点自s 点向下回到易l 特性曲线上的u 点，然后回到静态点p 。因此，触发信 号幅值的大小也影响输出脉冲幅值大小。 图4 8 ：雪崩管工作点的移动过程 在雪崩过程中，由于达到1 0 9 a s 和1 0 1 1 v s 的变化率，所以瞬态消耗功率很 大。又由于雪崩持续时间很短( 约几十纳秒) ，而工作周期较长( 约1 0 微秒) ， 故雪崩管平均功耗并不大。 三极管在雪崩区运用具有如下特点： ( 1 ) 电流增益增大到正常运用时的m 倍。其中m 为雪崩倍增因子。 ( 2 ) 由于雪崩运用时集电结加有很高的反响偏压，集电结空间电荷区向基 纳秒嗣级全光纤磁光开关的研制 区一侧扩展使有效基区宽度大为缩小，因而少数载流子通过基区渡越时间大为缩 短。换言之，三极管有效截止频率大大提高。 ( 3 ) 在雪崩区内，与某一给定电压值对应的电流不是单值，并且随电压增 加可以出现电流减小现象，也就是说，雪崩运用时三极管集一射之间呈负阻特性。 ( 4 ) 改变雪崩电容与负载电阻，所对应的输出幅度是不同的，也就是说输 出脉冲与雪崩电容和负载电阻有关。 纳秒脉冲发生器最初的电子电路如图4 9 所示，它是利用普通高频小功率三 极管2 n 5 5 5 1 代替雪崩三极管的触发电路。触发脉冲的电平为5 v 。 图4 - 9 ：纳秒脉冲发生器电路图 当无触发信号输入时，三极管p 1 处于截止状态。此时，三极管集电极电压 比c 对电容c 2 进行充电。 触发信号经过电容c l 和电阻r 1 组成的微分电路，其正的尖脉冲通过开关二 极管d l 到三极管的基极，对三极管进行触发。三极管迅速导通进入雪崩，处于 低阻状态。电容c 2 上存储的电荷通过三极管、电阻r 5 、r 3 放电。由于电流的 流向为r 3 一c 2 一p l r 3 一地，因此在o u t p u t 处可以得到纳秒负脉冲。雪崩 一 结束后，三极管截止，电源v c c 再次向电容c 2 充电。三极管的导通时间决定电 容c 2 的放电程度，即决定输出端的脉冲幅度。制作的电路所产生的脉冲波形结 果如图4 1 0 所示。 7 0 第四章驱动电路和磁路设计 融- - $ 2 o o o o n s | 图4 1 0 ：纳秒脉冲电路输出脉冲 4 1 3 利用d e l 5 0 制作脉冲 本电路的制作是参照激光驱动电路来设计的。首先利用t c 4 4 2 2 将p w m 脉 冲信号放大，然后用来驱动d e l 5 0 芯片。 t c 4 4 2 2 是强电流缓冲器驱动器，能够驱动大功率m o s f e t 和i g b t 。 t c 4 4 2 2 的输入端可以由t t l 或c m o s ( 3 v 至1 8 v ) 直接驱动。此外，输入 端有3 0 0m v 的迟滞电压，可以防止噪声干扰，并允许使用缓慢升高或降低的波 形来驱动器件。这里t c 4 4 2 2 是用a t 8 9 s 5 2 来驱动的，其外围电路如图4 1 1 所 示。【8 】 + 1 气v 图4 1 1 ：t c 4 4 2 2 外围电路 7 l 纳秒最级全光纤磁光开关的研制 。d e l 5 0 2 0 1 n 0 9 a 是一种r f 射频功率m o s f e t 管，它的主要特点有n 沟槽 提升模型，纳秒级的开关时间。它的内部电路如图4 1 2 所示，外围电路如图4 1 3 所示。【9 】 g d r a m 3 0 s o u r c e 图4 1 2 d e l 5 0 内部电路 图4 1 3 ：d e l 5 0 芯片外围电路 第网章驱动电路和磁路设计 图4 1 4 是由d e l 5 0 电路产生的脉冲波形，可以看出它与f m m t 4 1 5 所产生 的纳秒脉冲非常相似。 4 2 磁路设计 4 2 1 三种磁路方案 1 磁路结构一 m1 0 0 n s ：a | c h lj - 一1 0 8 酗v 曩砖：嘶虿写 图4 1 4 ；d e l 5 0 电路产生的脉冲波形 利用弯曲磁芯片和通电螺线管可以对磁光晶体施加磁场使之磁化，其基本结 构形式如图4 1 5 所示。当螺线管通电后，其产生的磁场对磁光晶体施加磁化影 响，入射光经过磁光晶体后产生法拉第旋转，并由另一端输出。【1 0 ，1 1 】 磁光晶体为g 薄片，厚度为微米级别。虽然磁光晶体的厚度变小有利于 饱和磁场的减小( 小于1 0 0 0 e ) ，但弯曲磁芯片上缠绕着漆包线的匝数较多，半 硬磁材料的退磁速度较慢，严重影响到开关速度。 忽略漏磁通，根据磁通连续原理，通过磁芯各截面的磁通量咖应该相等， 因而磁芯内各处的磁感应强度b = 螂也应相等。由于晶体与磁芯之间的间隙很 小，可认为磁场集中在其截面与磁芯截面相等的空间内，这样磁通连续定理给出 晶体截面的磁感应强度b o = 咖s ：b 。 7 3 纳秒鼍级全光纤磁光开关的研制 该方案的优点有磁感强度高、驱动电压低、结构简单、制作加工容易和控制 系统相对简单等；缺点有半硬磁材料制作的磁芯的磁化和退磁时间较长，严重影 响到磁光开关的开关时间等性能参数。 2 磁路结构二 线圈 输入光输出光 图4 - 1 5 ：法拉第旋转器及其磁场 仿照一种磁光调制器【1 2 1 ，设计了电极型的磁场结构。该磁光调制器的原理和 磁光开关相似，都是利用法拉第效应，让通过磁光调制器中的磁光晶体的光束光 偏转o 1 3 。，控制施加磁场的状态从而达到调制的目的。该磁光调制器为了提高 调制频率，设计了一种磁场结构来解决磁光晶体退磁产生的影响，如图4 1 6 所 示。 输出脉冲电流 基座 图4 1 6 ：一种调制器的磁场结构 偏振光 电脉冲通过a 电极时磁光晶体被磁化，同时输入光线被磁化，当电脉冲消 失时磁光晶体并没有马上退磁，而是经过了一个相对较长的退磁过程。美国加州 7 4 一一 笙婴童翌塑皇墅翌壁堕堡盐： - _ _ _ - _ - _ ，一 一 大学的j j b a u m b e 喀在实验中发现，磁光晶体内部磁场的消退时间是其内部感应 磁场建立时间的数十倍。因此，通过晶体的调制信号会产生拖尾现象，但b 电极的存在解决了这个问题。当电脉冲继续前进，经过衰减介质衰减后通过b 电极，这时会产生一个与a 电极相反、强度较小、时间上有一定延时的磁场， 从而抵消了光信号尾部的偏转，从而消除了拖尾的现象，如图4 - 1 7 所示。 直导线外一点p 的磁场计算公式如下所示。 召：型( c o s 口l c o s f f 2 ) ( 4 5 ) 4 刀口 式中b 为磁感强度，真空磁导率。= 4 1 0 ，口为p 点到直导线的垂直距离， 口，、口，分别为p 点与导线两端连线与导线之间的夹角。 强 度 分 布 强 度 分 布 ( b ) 图4 1 7 ：输出光束效果图 这里可以把电极看成是一直导线，假设电极的长度为2 c m ，晶体中心与电极 的直线距离为o 7 5 m m ，可以粗略计算出当晶体中心磁场达到2 0 0 0 e 时所需的电 流为7 5 a 。 这种方案的优点是没有螺线管的存在，而使用电极来代替，速度极快。但正 是由于没有使用螺线管，需要相当大的电流才能使晶体达到饱和。磁光开关和磁 光调制器不同，它需要让偏振光偏转的角度较大。另一方面两各电极之间的距离 和衰减介质的使用都要经过严格的设计和制作才能达到消除磁场拖尾的目的。已 经做了许多相关的实验，搭建出了磁场的整体结构，包括电极和衰减介质的制作， 纳秒量级全光纤磁光开关的研制 但由于所加的电流有限，因此未能获得满意的实验结果。 3 磁路结构三 利用通电螺线管可以直接对磁光晶体供给外磁场当螺线管通电后，其产生的 磁场对磁光晶体施加磁化影响，入射光经过磁光晶体后产生法拉第旋转，并由另 一端输出。螺线管某一场点p 的磁场强度可以由毕奥一萨伐尔定律来计算。 云= 璧竽 ( 4 6 ) 式中，b 为磁感强度，真空磁导率o - 4 刀x1 0 一，历为稳恒电流的电流元， 尹为从电流元i d l 指向一场点p 的矢径。 本方案中的通电螺线管主要有三各参数，一个为电阻，另一个为电感，还有 一个就是通电电流。实际上可以将含有通电螺线管的电路看成是一个电流可变的 r l 电路，这样就一定的范围内，可以调整通电螺线管的匝数来控制磁光开关 的开关时间。 0 一l 坳 黝7 膨 l 一4 。一 图4 1 8 ：螺线管骨架结构图 此方案的优点是省去了半硬磁材料的磁化、退磁时间，大大减小了开关时间。 虽然螺线管的电感较大，在一定程度上会影响到开关的时间，但通过高质量的脉 7 6 四章驱动电路和磁路设计 冲驱动电路和对线圈匝数的控制，再配合电阻的调整，有效地减小了开关时间。 晶体的尺寸为1 5 1 5 m m ，根据这个尺寸设计了螺线管的骨架。螺线管的 长度越小越好，相应地，螺线管的漆包线的缠绕厚度可能会有所增加，因此必须 衡量两个因素之间的关系，找到一个合适的值。实验中的螺线管骨架是采用环氧 树脂制作的，由于方形内孔的加工难度大，故采用的是圆形内孔。螺线管骨架的 结构图如图4 1 8 所示。 线圈骨架的制作步骤如下： ( 1 ) 环氧树脂制作毛胚。将环氧树脂与固化剂按1 ：1 的比例混合，在室温 下放置2 4 小时后环氧树脂混合物将固化。 ( 2 ) 钻孔。在毛胚上钻孔，注意孔的大小，并要与毛胚表面垂直，这样有 利于后期加工。 ( 3 ) 去除不需要部分。利用锉刀等工具进行加工。 当螺线管骨架做好后便可根据实际需要在上面绕漆包线，漆包线绕得越好产 生磁场的效率就越高。实验中使用的漆包线直径为o 0 7 m m 。 综合考虑各种因素，我们最后选用第三种方案。 4 2 2 磁路计算 磁路方案确定下来后，接下来要确定的是螺线管的匝数和电流厶螺线管 的匝数越大，它的电感也就越大，相应的开关的时间也就越长，因此希望匝数越 小越好。匝数减小，所需要的电流也就越大，电流的增大会导致功率变大，但如 果使用的是脉冲电流的话，虽然瞬时功率变大了，但总的功率并没有增大。另外 用来缠绕在螺线管上的漆包线的直径越小，同样条件下产生的磁场越大。因此在 设计磁路各部分的尺寸时，需要综合平衡这几个因素，做出合理的选择。 我们最终使用的通电螺线管匝数为3 0 匝，漆包线的直径为o 0 7 m m 。对于匝 数较多的螺线管来说，螺线管绕漆包线的长度和层数之间的关系对产生磁场的效 率非常重要，我们只缠绕了3 0 匝的漆包线，因此层数问题在这里显得不是那么 重要。螺线管沿轴向可绕漆包线的尺寸为1 4 6 r a m ，理论上单层可绕漆包线的匝 数为2 0 匝，故只需两层不到即可缠绕3 0 匝。 纳秒景级全光纤磁光开关的研制 1 磁场大小的计算 通电直螺线管内二点尸的磁场计算公式如式( 4 7 ) 所示。 b = 譬村( c o s f l 2 - - c o s 屈) ( 4 - 7 ) 式中n 为单位长度内的匝数，夕l 、f 1 2 角如图4 1 9 所示。从公式中可以看出 磁场的大小与单位长度内的匝数门和声l 、皮有关，而肌卢l 和声2 由与螺线管绕漆 包线的长度有关，它们之间有密切的关系。 3 j - 8 z x 矾： p 图4 1 9 ：螺线管绕线示意图 ：07 ，i 曩- 1 n 萎 i p 口l 仉3 ， i ；0 亳 ，i 骷0 毛 秘缸奄 。滁 三 il l 霉 一 资料来源：雷银照轴对称线圈磁场计算1 9 9 1 图4 - 2 0 ：螺线管线圈内部磁场分布图 7 8 第四章驱动电路和磁路设计 在经过螺线管中心点的横截面上，螺线管中心点的磁场是最小的，图4 2 0 表示的是p 点离中心点的距离与磁感应强度大小之间的关系，图中a 为螺线管半 径，p 为线圈内的点离轴线距离，垦在为沿螺线管轴线方向z 磁感应强度。1 1 4 1 晶体 光斑 骨架 图4 2 1 ：螺线管和晶体之间的位置关系 为了方便光路的对准，我们让光束从晶体的中心位置射入，如图4 2 1 所示。 根据h = b g o ，可以算出当螺线管匝数为3 0 匝，有效缠绕距离为1 4 6 m m ，达到 磁场5 0 0 0 e 和2 0 0 0 e 所需要的电流分别为3 4 a 和1 4 a 。由于我们的目的是使整 个晶体完全磁化，只有这样才能保证晶体的插入损耗最小，晶体不同位置的磁场 大小不同并不影响晶体的整体磁化。从实验中我们可以看出晶体的磁化时间是很 短的，由此可以推断不同位置的磁化速度差异也很小。 2 电感的计算 螺线管的电感可以按式( 4 8 ) 计算。【1 5 】 l ：p _ _ z on 2 d ( 4 8 ) 4 n 式中螺线管的匝数； d 螺线管的直径； m 随比值口= a d 变化的数值； 口螺线管的长度。 我们使用的螺线管参数为= 3 0 ，d 一2 3 6 m m ，a = 1 4 6 m m ，查表为4 7 9 ， 将螺线管的各参数代入式( 4 - 8 ) 可得电感l = i 0 2 x1 0 3h 。 通电螺线管的时间常数计算公式如式( 4 9 ) 所示。 7 9 纳秒最级全光纤磁光开关的研制 f ：三( 4 9 ) f = 一 l 珥一y 夕 r 可以得出时间常数f 随电阻变化曲线如图4 2 2 所示。 图4 - 2 2 ：时间常数与电阻之间的关系 实际上脉冲电流的上升时间不仅与螺线管的时间常数有关，还与加在螺线管 两端的电压有关，如图4 2 3 所示，随着电压的增大脉冲电流的上升时间也有所 增大( m c 3 3 8 8 6 电路) 。脉冲电流的上升时间为时间常数f 的好几倍，这是因为 理论上螺线管引起的上升时间延迟为时间常数f 的三倍，而且脉冲电流的上升时 间为螺线管自身自感引起的时间延迟加上m c 3 3 8 8 6 芯片的时间延迟。随着电压 的增大m c 3 3 8 8 6 芯片性能有所变化，自身的上升时间变长，这就是脉冲电流随 电压增大而增大的原因。 图4 2 3 ：脉冲电流上升时间与所加电压的关系 第四章驱动电路和磁路设计 对于纳秒脉冲电路而言，脉冲电流的上升时间几乎不受螺线管时间参数的影 响，其脉冲电流的上升时间仍为纳秒级别，如图4 - 2 4 ( a ) 、( b ) 所示。4 - 2 4 ( a ) 使用 的螺线管匝数为1 0 匝，4 - 2 4 ( b ) q b 使用的螺线管匝数为3 0 匝。匝数太多的话会使 脉冲电路不稳定，无法产生稳定的脉冲电流，如图4 - 2 4 ( c ) 所示。 ( a )( b ) ：蠢+ ! ：j + ；一；- ：0 羔：9 矗l 。t 二 1 一一一 一 1_- 警；哆。誓- ! 巅 ? ：。：一：。笺 _。i +j ：! 护0 0 o o0 o ； 图4 2 4 ：纳秒脉冲电路触发螺线管产生的脉冲电流 ( a ) l o 匝；( b ) 2 0 匝；( c ) 5 0 匝 4 3 本章小结 本章主要介绍了磁路和电路的设计和制作。电路方面，设计了三种方案，对 其原理进行分析，并制作出电路进行实验和优化。磁路方面，讨论了三种方案， 纳秒最级全光纤磁光开关的研制 分析它们的可行性并进行对比，最后确定了螺线管方案。对螺线管的外形尺寸进 行了设计，计算其在特定条件下磁场的大小和电感的大小。 参考文献 【1 l f r e e s c a l es e m i c o n d u c t o rm c 3 3 8 8 6 t e c h n i c a ld a t af r e e s c a l es e m i c o n d u c t o r , l n c , 2 0 0 5 【2 】a t 8 9 s 5 2 a t m e l ，i n c ，r e v 1 9 1 9 a 一0 7 0 1 【3 】 王玲，梁巢兵，田耕，李宪优，周锋脉宽可调纳秒脉冲产生器【j 】核电子学与探测技术，2 0 0 3 ，v 0 1 3 ： 2 4 3 - 2 4 5 【4 】 胡鑫，田小平雪崩三极管在扩频通信中的应用叨北京石油化工学院学报，2 0 0 5 ，v | 0 1 1 3 ：5 3 5 5 【5 】 梁步阁，陈小娟，朱畅，袁乃昌超宽带雷达实验系统中大功率纳秒级脉冲源的研制们，微波学报， 2 0 0 5 ，v 0 1 2 1 ：2 6 - 3 4 【6 】 刘文生，李锦林，取样技术原理与应用【m 】北京：科学技术出版社，1 9 8 1 【7 】f m m t 4 1 5 z e t e xs e m i c o n d u c t o r s ，i s s u e4 o c t o b e r1 9 9 5 【8 】t c 4 4 2 2 m i c r o c h i pt e c h n o l o g yl n c ，2 0 0 6 【9 】d e l 5 0 2 0 1 n 0 9 a i x y sr fi n c d o c # 9 2 0 0 0 2 4 1r e v5 ，2 0 0 4 【1o 】m s h i r a s a k i , h t a k a m a t s u , e ta 1 b i s t a b l em a g n e t o o p t i cs w i t c hf o rm u l t i m o d eo p t i c a lf i b e r 【j 】a p p l i e d o p t i c s ，v 0 1 2 1 ，1 9 8 2 ：1 9 4 3 1 9 4 9 【l l 】m s h i r a s a k i ，h t a k a m a t s u , c ta 1 m a g n c t o o p t i c a l2 x 2s w i t c hf o rs i n g l e m o d ef i b e r s 阴a p p l i e do p t i c s ，