浦芮斯/科研定制/磁光开关

浦芮斯光电自诞生之初迄今二十年来，与国内外的大学及科研机构展开了广泛而深入的合作，研究领域涵盖了通信、传感、仪表、雷达、风电以及气象等。依托系列享誉全球的旗舰产品包括磁光开关、热稳定波长标准具、法拉第旋光反射镜等和横跨整个无源光器件领域的宽广的产品线，并充分发挥浦芮斯技术团队的定制设计和工程化能力以及高速响应的灵活性，浦芮斯光电为全球一些重要工程项目提供了核心光器件、模块或子系统，其中包括中国第一艘载人宇宙飞船“神舟”、中国“嫦娥”工程、中国光纤水听器工程以及全球的光控相控阵雷达研究等。

浦芮斯磁光开关演进示意图

自2000年于美国硅谷面世以来，浦芮斯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二十年。被中国和美国的系列原创专利保护的浦芮斯磁光开关系列产品采用全固态晶体设计和独特的电磁学设计，对光路的切换过程不涉及任何机械运动部件，因而具有其它竞争技术如机械式光开关（MOM）和微机械式光开关（MEMS）等所无法比拟的卓越性能：高速切换（10us~30us），超长的寿命（超过1000亿次切换），超低功耗（不需要外电维持），高重复性（+/- 0.01dB）等等。

磁光开关的高速响应和优越重复性

磁光开关独特的原理优势，决定其可以在重点关注长期可靠性（也就是说永远无须担心寿命）、高度重复性（也就是说在频繁的光开关切换动作中自身光学性能保持稳定不变）和高速响应的这三方面领域大展用武之地。下面我们先来看看磁光开关在下一代相控阵雷达，一般也称为光控相控阵雷达或光子雷达中的应用。

雷达测量示意图

在第二次世界大战尤其是“大不列颠空战”中，雷达发挥了巨大的作用并极大地影响了战争的进程。但所谓“道高一尺魔高一丈”，波束机械扫描方式给雷达带来了巨大的限制；相控阵雷达即应运而生，旨在不依赖机械运动去实现波束的高速扫描。光学在这里发挥了神奇的力量，而且是最为传统的光学多缝干涉。如下图所示，大量独立控制的小型天线元件排列成天线阵面，每个天线单元都由移相器单独调节其位相。如果设置相邻天线单元的相对位相差为某一恒定值，则所有天线单元发射的电磁波将在该位相差所对应方向形成干涉增强，波束也就指向该方向；如果改变相邻天线单元的位相差，波束指向角也将随之变化。也就是说，通过电子扫描天线单元上的位相，波束指向角也随之扫描，从而避开了传统雷达机扫的缺陷。相控阵雷达采用电子移相器控制波束，但面临的一个主要问题是波束指向角随电磁波频率变化，因而瞬时带宽受限。一个好的解决方案是用可调光学真时延（TTD，“True-Time Delay”）替代电子移相器，使得波束指向角不随电磁波频率发生变化，从而获得优越的瞬时带宽。

典型相控阵天线波束指向示意图

级联多个光开关以形成具有不同光程长度的链路，并控制各光开关以在不同链路之间进行切换，从而得到一系列可调的光学真延迟（Optical TTD）。下图为一个典型的3位时延线模块示意图：包含2个1X2光开关和2个2X2光开关，光开关之间分别连接了长度为△L、2△L和4△L的光纤环。通过对各光开关进行顺序切换，将可以产生0、△L、2△L、3△L……7△L共8种（即2^3）时延状态。利用浦芮斯光电的优势产品磁光开关在以上不同光路之间高速切换可以实现可调光学真时延，正可胜任“光学移相器”，而一般机械式光开关或者MEMS光开关则由于切换频率过慢（十几赫兹范围）和切换寿命过短（千万到一亿次）而无法应用。而“光学移相器”还带来一个很有意思的嫁妆，也就是对强电磁环境的抗干扰，而这正是传统的“电子移相器”所头疼的问题。

一个典型的3位光学时延线示意图

基于分立光器件和光纤环的5位光学时延线

基于自由空间光学集成技术，光学移相器（也称为时延线）可以走向小型化，以往依赖于光纤环实现的大时延可以在自由空间中实现，损耗也可大幅度降低，使光学移相器的实用化迈进一大步。

基于自由空间光学集成的8位光学时延线

一个集成6位光学时延线的局部开盖图

在光学移相器应用中，磁光开关高速地产生一系列不同的时间延迟，相当于对时间进行高速的扫描，这是一类十分独特的应用；同样地，磁光开关也可用于对空间进行高速扫描，也就是说引导激光对空间进行不依赖于机械马达的扫描，从而彻底摆脱激光机械扫描的低速、长期机械疲劳寿命、传动机构复杂、电功耗大以及尺寸庞大等弊端。在浦芮斯与以色列Pentalum联合开发并与美国NRG继续合作的Spidar测风激光雷达的“心脏”，就是依托磁光开关的高速激光扫描光引擎，如下图：

Spidar测风激光雷达激光扫描示意图

风电场测风中的激光雷达Spidar

如图，通过多路磁光开关时分共享一套激光器，形成多束激光在空间扫描。该设计对于复杂扫描方案可以提供极大的自由度，多路光纤在透镜焦平面上布置为圆形则形成圆圈扫描，布置为线型则形成线状扫描，布置为正方形则为方形扫描，等等；若进一步将光纤摆置为比如内外两个圆圈，且每个圆圈所对应的光纤采用不同模场直径，从而在输出端形成不同大小的激光束，则甚至可进行多层次扫描，比如先做粗扫再进行精扫，诸如此类等等。

除在时间、空间上的扫描应用之外，磁光开关在光纤通信系统中的链路保护、冗余度设计以及仪器仪表和传感领域中对昂贵资源的分时共享以节省系统设计成本等方面均可发挥独特的作用。近二十年来，浦芮斯磁光开关不断发展壮大，业已形成了丰富的产品家族，可按需订制：

• 按端口数目来分：有1x1，1x2，2x2，1x4，1x8，以至1x32光开关；

• 按切换速度来分：有常规速度光开关(200us~400us)和高速光开关(10us~30us)；

• 按是否可逆来分：由于法拉第旋光效应的不可逆性，常规磁光开关是不可逆的：即，在不进行开关切换的前提下，入射光束经由磁光开关只能单向通行。反向通行的光路会被磁光开关隔离，且反向隔离效果相当于一个双级隔离器。为服务于光纤传感应用，浦芮斯开发了真正可逆的磁光开关，独特的光学和电磁学设计可以允许光路在磁光开关中双向通行。以上类别的磁光开关中均有不可逆和可逆型的对应产品；

• 按是否保偏来分：常规磁光开关是偏振无关型的，即使用常规的单模光纤，对入射光的偏振态不敏感。浦芮斯同样开发了保偏型磁光开关，即可以使用客户特殊要求的保偏光纤，以满足特定的光偏振的要求；

• 按是否能承受高功率激光来分：应某些特殊领域的承载高功率（或高能量）激光的要求，浦芮斯开发了磁光开关的高功率版本，可以保留常规功率要求的磁光开关的所有优秀光学、电学和机械性能。