應(yīng)用于磁光開關(guān)的正負交替脈沖發(fā)生器的設(shè)計

阮劍劍， 許英朝， 朱文章

（1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建廈門361024；2.福建省光電信息材料與器件重點實驗室，福建廈門361024）

應(yīng)用于磁光開關(guān)的正負交替脈沖發(fā)生器的設(shè)計

阮劍劍1，2， 許英朝1，2， 朱文章1，2

（1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建廈門361024；2.福建省光電信息材料與器件重點實驗室，福建廈門361024）

基于磁光開關(guān)的工作原理，利用晶體管的雪崩特性，設(shè)計了一種正負交替脈沖發(fā)生器，能產(chǎn)生正負交替轉(zhuǎn)換的大電流脈沖，作用于螺線管線圈，產(chǎn)生高速磁場.通過螺線管內(nèi)電流方向的轉(zhuǎn)換，以改變磁光晶體外向磁場的方向，從而達到磁光開關(guān)光路轉(zhuǎn)換的要求.設(shè)計的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的正負脈沖前沿時間約為3～5 ns，脈沖幅值為60～90 V，脈沖電流可達6 A以上，產(chǎn)生的磁場遠大于39 789 A/m，滿足磁光開關(guān)的需求.

磁光開關(guān)；磁光晶體；正負交替脈沖發(fā)生器；脈沖電流；雪崩晶體管

光開關(guān)是全光網(wǎng)絡(luò)中必不可少的關(guān)鍵器件之一，主要應(yīng)用于光通信、光計算機、光信息處理和全光數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域.光開關(guān)的種類有很多，磁光開關(guān)是利用法拉第磁光效應(yīng)的光開關(guān).所謂磁光效應(yīng)是指線偏振光透過放置在磁場中的磁光物質(zhì)，沿著磁場方向傳播時，光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的一種現(xiàn)象，也稱法拉第旋轉(zhuǎn).一般磁光材料中，法拉第旋轉(zhuǎn) （用旋轉(zhuǎn)角θF表示）和外加磁感強度B、樣品長度L成正比，即θF=VBL，其中V是與材料特性、光的頻率有關(guān)的常數(shù)，稱為費爾德常數(shù).因為磁場下電子的運動總附加有右旋的拉莫爾進動，當光的傳播方向相反時，法拉第旋轉(zhuǎn)角方向不倒轉(zhuǎn)，而是往同一方向累加，所以法拉第效應(yīng)為非互易效應(yīng).這種非互易特性在全光通信網(wǎng)絡(luò)中是很重要的［1-3］.

磁光開關(guān)主要是通過改變外加磁場的方向來改變磁光晶體內(nèi)法拉第旋轉(zhuǎn)角的方向，從而達到切換光路的目的.與其他光開關(guān)相比，磁光開關(guān)的優(yōu)點是：開關(guān)速度快，功率低，沒有移動部分，穩(wěn)定可靠，工藝簡單.其主要缺點是集成化難度大.近年來，隨著全光網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，磁光開關(guān)得到了越來越多的關(guān)注和研究［4-5］.因此，本文利用磁光開關(guān)的原理，設(shè)計了一種正負交替脈沖發(fā)生器，滿足了磁光開關(guān)的要求.

1 磁光開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 磁光開關(guān)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計框架圖Fig.1 Design framework of the magneto-optic switch

磁光開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括光路設(shè)計、脈沖發(fā)生器的設(shè)計和磁場結(jié)構(gòu)的設(shè)計.本文中磁場結(jié)構(gòu)采用螺線管線圈來產(chǎn)生外加磁場.磁光開關(guān)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計框架圖如圖1所示.整個實驗裝置共分成4個模塊，每一個模塊都有其特定的功能，并且輸出相應(yīng)信號用于下一個模塊工作.各個模塊之間緊密配合，缺一不可.如圖1所示，單片機AT89S52提供一個TTL觸發(fā)信號用于觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生正負交替轉(zhuǎn)換大電流脈沖，電流脈沖用于驅(qū)動螺線管線圏產(chǎn)生磁場磁化磁光晶體.通過單片機可以控制螺線管線圈內(nèi)的脈沖電流方向，電流方向改變控制磁場方向的轉(zhuǎn)變，從而控制磁光開關(guān)光路的轉(zhuǎn)換.本文主要介紹的是脈沖發(fā)生器模塊的設(shè)計，使其能產(chǎn)生一個正負交替轉(zhuǎn)換的大電流脈沖［6-7］.

2 磁光晶體的特性

磁光開光技術(shù)性能的高低，主要取決于所用的磁光材料性能，磁光材料選型的好壞直接影響到磁光開關(guān)的各項性能［8］.綜合比較國內(nèi)外各類磁光材料，本文最終選擇了GRANOPT公司的是Bi-RIG（bismuth-substituted rare-earth iron garnet）磁光薄膜晶體.其中GSF（garnet saturation field）、GMF（garnet magnet-free）這兩種型號是本項目實驗用主要磁光薄膜晶體，它們的飽和磁場強度分別為15 915.6 A/m和39 789 A/m，法拉第旋轉(zhuǎn)角度都為45°.

GSF和GMF兩種磁光薄膜晶體的磁化曲線如圖2所示.由圖2可知，GSF磁光薄膜晶體的磁化程度與外加磁場成線性關(guān)系，當He≥Hs時，GSF磁化飽和，并具有固定的法拉第旋轉(zhuǎn)角，即45°.而GMF磁光薄膜晶體具有自保磁功能，即磁化后的GMF在撤去外加磁場后能繼續(xù)保持其法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，只有給GMF施加一個反向磁場，并使磁場強度大于飽和磁場，GMF才會反向旋轉(zhuǎn)，即-45°.

圖2 磁光薄膜晶體的磁化曲線Fig.2 Magnetization curve of the magneto-optic crystaI

3 脈沖電路的設(shè)計

根據(jù)磁光晶體的磁化特性可知，磁光開關(guān)的運行不僅需要正向的外加磁場，還需要反向的磁場，即外加磁場需要正反向交替轉(zhuǎn)換，這就要求作用于螺線管線圈的脈沖電流方向可以正負交替轉(zhuǎn)換.因此，必須設(shè)計一個可正負交替轉(zhuǎn)換的大電流脈沖發(fā)生器，以滿足磁光開關(guān)的工作需求.

3.1 單片機觸發(fā)的脈沖發(fā)生器電路設(shè)計

基于雪崩三極管的雪崩特性，本文設(shè)計了脈沖發(fā)生器電子線路.它需要輸入一個TTL脈沖進行觸發(fā)，文中采用單片機AT89S52產(chǎn)生TTL觸發(fā)信號，這樣產(chǎn)生的脈沖間隔可以通過單片機AT89S52自主控制.因為AT89S52產(chǎn)生的方波信號功率太小，不足于觸發(fā)雪崩三極管，因此在AT89S52輸出端口加上一個功率放大電路.當無脈沖信號輸入時，雪崩三極管Q2處于截止狀態(tài)，此時，電源電壓Vc2對電容C3進行充電.當輸入一個足夠大的脈沖信號時，經(jīng)過電容C1和電阻R2組成的微分電路，對雪崩三極管Q2進行觸發(fā)，三極管雪崩擊穿，產(chǎn)生快速增大的雪崩電流.電容C3上存儲的電荷通過三極管Q2、電阻R7快速放電，產(chǎn)生一個脈沖.雪崩結(jié)束后，三極管截止，電源Vc2再次向電容C3充電［9-11］.本文設(shè)計的脈沖發(fā)生器的具體電子線路圖見圖3.

圖3 單片機AT89S52觸發(fā)的脈沖發(fā)生器電子線路圖Fig.3 Circuit diagram of the puIse generator triggered by AT89S52

當把負載電阻R7接于雪崩三極管的發(fā)射極上時，輸出脈沖為一正脈沖；當把負載電阻R′7接于集電極上時，輸出脈沖為一負脈沖.實驗中，雪崩三極管Q2采用FMMT415，負載電阻為10 Ω，觸發(fā)信號的間隔為1 ms時，得到的正脈沖和負脈沖波形圖如圖4.由圖4可知，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的正負脈沖前沿時間約為3～5 ns，脈沖幅值為60～90 V，脈沖電流可達6 A以上，符合磁光開關(guān)的大電流需求.

圖4 單片機觸發(fā)的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖波形圖Fig.4 PuIse waveform generated by puIse generator

3.2 正負交替脈沖發(fā)生器電路設(shè)計

根據(jù)單片機觸發(fā)的脈沖電路，本文設(shè)計了如圖5所示的正負交替脈沖發(fā)生器電子線路.其中線框內(nèi)為省略的電路圖，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示.為了得到正負交替的脈沖，本文主要通過控制AT89S52產(chǎn)生的觸發(fā)信號來實現(xiàn).AT89S52的兩個輸出端口1和2分別產(chǎn)生脈沖周期為4 ms，脈沖寬度為1 ms的TTL觸發(fā)脈沖，只是輸出端口1的觸發(fā)脈沖比端口2的延遲了1 ms，其實際示波器波形圖如圖6所示.波形1為端口1的輸出信號，波形4為端口2的輸出信號.

圖5 正負交替脈沖發(fā)生器電子線路圖Fig.5 Circuit diagram of the positive and negative puIse generator

圖6 單片機輸出觸發(fā)波形圖Fig.6 PuIse waveform of AT89S52

當端口1輸出一個觸發(fā)脈沖時，端口2無觸發(fā)信號，則電路中只有雪崩三極管Q3處于雪崩工作狀態(tài)，因為此時負載電阻R7接于三極管Q3的集電極，所以得到一個負脈沖波形；而當端口2有觸發(fā)脈沖輸出時，端口1無觸發(fā)信號，則電路中只有雪崩三極管Q4處于雪崩工作狀態(tài)，此時負載電阻R7接于三極管Q4的發(fā)射極，因此得到一個正脈沖波形，正負脈沖相互交替產(chǎn)生.通過單片機AT89S52可以隨意改變輸出觸發(fā)脈沖的脈沖間隔，以控制兩個脈沖之間的時間間隔，得到符合需要的正負交替脈沖，從而滿足磁光開關(guān)的需要.

4 實驗結(jié)果

在磁光開關(guān)的光路設(shè)計中，本文控制的是光信號，因此，在實驗過程中，為了方便測試和分析，采用光電探測器將光路中的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，再用TDS3054B型號示波器進行測量.將前面設(shè)計的正負交替脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的正負脈沖驅(qū)動螺線管線圈，從而產(chǎn)生正負反向磁場對磁光晶體進行磁化.通過示波器測得的脈沖電流和光信號工作波形如圖7所示.圖7中波形1為作用于螺線管線圈上的脈沖電流波形，波形4為磁光開關(guān)某一輸出端口的光信號.如圖7所示，當螺線管中電流的方向改變時，磁場方向隨之換相，晶體的磁化方向也隨之發(fā)生改變，從而使輸入的線偏振光偏振面發(fā)生不同方向的旋轉(zhuǎn)，達到磁光開關(guān)動作的目的.

圖7 螺線管中脈沖電流和磁光開關(guān)信號波形圖Fig.7 PuIse current in soIenoid and the waveform in magneto-optic switch

5 結(jié)語

根據(jù)磁光晶體的特性要求，利用雪崩晶體管的雪崩特性，本文設(shè)計了一種正負交替脈沖發(fā)生器，通過單片機AT89S52，可以自行設(shè)置脈沖轉(zhuǎn)變的時間間隔，以滿足磁光開關(guān)的要求.在后續(xù)的研究中，筆者主要將在以下2個方向?qū)Υ殴忾_關(guān)進行改進：首先，繼續(xù)測試和完善脈沖發(fā)生器的電路設(shè)計圖，提高正負交替脈沖發(fā)生器的穩(wěn)定性，從而提高磁光開關(guān)的穩(wěn)定性；其次，開關(guān)時間是磁光開關(guān)的一個重要性能參數(shù)，這就需要提高脈沖前沿的上升和下降時間.采用雪崩三極管產(chǎn)生的脈沖電流前沿時間極限為2～3 ns，很難達到皮秒量級.目前實驗室研究采用階躍恢復(fù)二極管設(shè)計脈沖電路，從而使脈沖前沿時間可以提升至皮秒量級，但產(chǎn)生的脈沖電流幅值較小，還不能滿足磁光開關(guān)的需求，有待進一步改進.

［1］陳希明，梁斌.全光網(wǎng)絡(luò)中的光開關(guān)技術(shù)及應(yīng)用 ［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，19（6）：702-705.

［2］繆秀平.磁光效應(yīng)及其應(yīng)用 ［J］.科教導(dǎo)刊，2011（9）：245-246.

［3］章春香，殷海榮，劉立營.磁光材料的典型效應(yīng)及其應(yīng)用 ［J］.磁性材料及器件，2008，39（3）：8-11.

［4］張寧，紀越峰.光通信網(wǎng)絡(luò)中的光開關(guān)技術(shù) ［J］.光通信技術(shù)，2004（4）：7-10.

［5］張懷武，薛剛.新一代磁光材料及器件研究進展 ［J］.中國材料進展，2009，28（5）：45-51.

［6］周彩根.全光纖型磁光開關(guān)的設(shè)計 ［J］.江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2013，19（4）：50-53.

［7］崔保偉.磁光開關(guān)工作原理和設(shè)計方法 ［J］.機電元件，2011，31（4）：3-6.

［8］房旭龍，楊青慧，張懷武.磁光材料及其在磁光開關(guān)中的應(yīng)用 ［J］.磁性材料及器件，2013，44（1）：68-72.

［9］肖尚輝，高曾輝，樊富有.基于雪崩效應(yīng)的UWB窄脈沖產(chǎn)生方法 ［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，19（3）：1-4.

［10］朱娜，林久令，王廣濟，等.雪崩晶體管在納秒脈沖驅(qū)動電路中的應(yīng)用 ［J］.光電子技術(shù)與信息，2005，18（6）：29-32.

［11］肖春芳，韓緒鵬.基于單片機控制的數(shù)字頻率計設(shè)計 ［J］.電子設(shè)計工程，2012，20（1）：140-143.

Design of A Positive and Negative Pulse Generator for Magneto-optic Switch

RUAN Jian-jian1，2，XU Ying-chao1，2，ZHU Wen-zhang1，2
（1.School of Optoelectronics&Communication Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Fujian Provincial Key Laboratory of Optoelectronic Information Materials&Devices，Xiamen 361024，China）

Based on the working principle of magneto-optic switches and the avalanche multiplication of avalanche transistors，a type of pulse generator alternating positive and negative pulses was designed in this paper.It can generate alternate positive and negative heavy current pulses，which drive the solenoid and produce a high-speed magnetic field.By controlling the magnetization direction of the magneto-optic material，the input light can switch to the designated output port.The experimental results indicate that the positive and negative pulses produced by our pulse generator have a leading-edge time of about 3～5 ns，an amplitude of about 60～90 V，and a pulse current greater than 6 A.The pulses generate a magnetic field far stronger than 39 789 A/m，thereby satisfying the demands of the magneto-optic switch.

magneto-optic switch；magneto-optic material；positive and negative pulse generator；pulse current；avalanche transistor

O436.4

A

1673-4432（2015）03-0063-05

（責任編輯 雨 松）

2015-04-17

2015-05-12

國家自然科學(xué)基金項目 （11304259）；福建省教育廳科技項目 （JA12254）

阮劍劍 （1986-），男，助理實驗師，碩士，研究方向為光器件.E-mail：2013120601@xmut.edu.cn