浦芮斯光电推出反射式1X4小型化磁光开关

4/29/2020，创新永无止境，近日，浦芮斯光电再次推出新品：基于自由空间光学集成技术的小型化1X4磁光开关，这次是反射式的，所有光纤位于产品同侧。

 
          图一：反射式1X4小型化磁光开关
该款新品支持常规单模光纤、保偏光纤以及高功率激光承载等。对于常规单模光纤版本，其主要性能：
o 典型插入损耗：0.8dB
o 温度相关损耗：0.2dB
o 通道间串扰：40dB
o 开关速度：10~30微秒
o 重复频率：10KHz
o 尺寸： 42x22.5x8.4（长宽高，毫米）

   我们早在2018年7月就推出了基于自由空间光学集成技术的小型化1x4透射式磁光开关，其紧凑的结构和优异的性能得到了客户的认可和青睐，美中不足的是两端出纤，在盘绕装配时光纤占用空间偏大。

 
          图二：透射式1X4小型化磁光开关

   站在客户使用的角度同时也是响应客户的要求，将产品的所有输入/输出光纤置于同一侧成为一个大概率必然趋势，这也是这款反射式磁光开关新品的研发初衷。

 
          图三：透射式/反射式方案的对比示意图

   如图所示，这种给客户端应用带来的利益是显而易见的：反射式设计基本是透射式方案从中心对称轴的镜像对折，也就是器件本身在比如电路板上的占用面积减小接近一半（反射式比透射式略宽）；由于在光纤盘绕装配中存在光纤最小盘绕半径限制（一般以一英寸为原则），透射式方案相比反射式设计在一侧就多出一块光纤盘绕预留空间。考虑到该小型化磁光开关为纯光学模块，在具体使用案例中需将其装配于驱动电路板（可选配，或者客户自行设计）之上，且从保护角度一般将该光学模块和驱动电路板置于一个大模块盒内。那么按此分析，反射式产品的模块盒体积由于光纤同侧的优势将只有透射式产品的约四分之一；如果和传统的基于分立器件光纤级联的产品相比，只有约七分之一，优势则更为明显。

 
          图四：传统级联方案1X4光开关

   在传统光纤级联方案中，一个1X4光开关的功能实现需要3个1X2光开关器件分两级，如图四：对于任何一路输出链路，输入光信号均需经过两个分立的1X2光开关器件，其插入损耗也就是两个分立光器件的叠加。当通道数目增加，损耗则随分立级数增加。比如一个1X8光开关，需要分三级级联共7个1X2光开关，则其损耗对应的是3个1X2光开关的损耗。虽然这是一个工业化的解决方案，有利于批量化生产、模块化组装，但随着通道数目增加而线性增加的损耗显然也限制了该方案应用于高通道数应用中；而分立器件之间的光纤盘绕半径的限制，使得模块总体尺寸随通道数目急剧增加，这又是传统光纤级联方案的另一大缺憾。
   受限于光纤波导中传播的光束在从光纤射出后即行衍射发散，其在空气中的传播类似于高斯光束。若不以一透镜将此发散之光束进行准直，并传送到特定功能元件比如反射镜、光学滤光片、光学晶体等以实现比如光开关、隔离器、衰减器、WDM等功能，则事实上是无法使用的；光束在经过以上特定功能元件之后，再以另一透镜聚焦至输出光纤，此为一般光器件的传输光路。对于一般光器件，其损耗的主要贡献就在于光纤的准直和聚焦，也就是一对光纤准直器（一发射，一接收）的损耗。由于受到光学透镜的像差、光束的衍射和透射损耗以及光纤耦合效率等影响，一般一对光纤准直器的损耗为0.25dB。例如一个常规的1X2磁光开关，其在生产调试阶段在单波长、常温下的损耗可以达到0.5dB，而一对准直器的损耗就占了一半。进一步考虑波长相关损耗、偏振相关损耗、温度相关损耗、元件加工容差、批量化生产误差以及长期性能漂移等，该常规1X2磁光开关的损耗技术指标定为1.1dB是可以理解的。在传统级联磁光开关模块中，光信号经过N个光开关，则以上讨论的包括准直器损耗、批量化生产误差等各种损耗就需要重复N遍。同样的错误，明知如此，却要重复多遍，这当然不是一笔合算的账！

 
          图五：自由空间光学集成示意图

   如果将分立器件之间的光纤连接换成光束在自由空间中传播，也就是说仅在输入端和输出端存在光纤准直和聚焦耦合，则以上传统光纤级联方案中的单一器件损耗多路叠加累积的弊端可以去除，而没有了光纤盘绕半径限制又可解放出大量的空间。这就是自由空间光学集成技术的精髓。图五显示的就是号称无源光学器件领域“皇冠上的明珠”的WSS（波长可选择光开关）的光路示意图，该产品就是自由空间光学集成技术的最好的体现：光信号从输入端光纤打入，经准直后在自由空间传播，经过一系列固定于对温度不敏感的精密模板上的光学元件，然后耦合进入输出光纤。也就是说，对于某一传输链路而言，不管光路多么复杂，系统中只有一对准直器的损耗和若干光学元件的透射和散射损耗。该款反射式1X4磁光开关就是基于此原理进行的设计/开发。随着通道数目增加，该技术方案相对于传统光纤级联方案的比较优势更为明显，参见下表一。

 
          表一：两种技术方案的磁光开关损耗对比示意

   自2000年于美国硅谷面世以来，我司的磁光开关系列产品从未停止过对自身的超越与创新，成功地服务于全球的光纤通信、光纤传感、仪器仪表、新能源以及国防军工领域的众多重要客户，已经成为高端光开关领域的标志性产品，引领全球磁光技术近20年。下图是我们磁光开关发展的一个缩影：

 
          图六：浦芮斯磁光开关发展缩影
         （所显示未按实际比例排布）

1.第一代磁光开关产品，从2000年一直延续到2010年，使用光纤通信行业90年代末发展起来的焊接技术。“焊接”？对的，就是用电烙铁将这么精密的光学产品用焊锡焊起来。想象一下2000年前后生产线上员工一条线排开、人人手拿电烙铁的场面...
2.第二代磁光开关产品，在2010年延续迄今，使用光纤通信行业在2001年前后发展起来的全胶技术。和焊接技术相比，全胶技术展现出了更好的温度稳定性和批量生产的一致性。
3.第三代磁光开关产品，在2015年前后以自由空间光学集成技术开发光学移相器、多路磁光开关等，以2018年推出的透射式1X4小型化磁光开关为代表，本次推出的反射式1X4也属于该类。

   随着激光雷达、新型相控阵雷达以及仪器仪表等领域对小型化高通道数磁光开关的越来越严格的需求，浦芮斯光电将陆续推出1X8、1X16、2X32以及N位集成光学移相器产品等。更多有关磁光开关的信息，请参考公司网站（WWW.Primanex.Com.CN）