应用于磁光开关的正负交替脉冲发生器的设计

阮剑剑， 许英朝， 朱文章

（1.厦门理工学院光电与通信工程学院，福建厦门361024；2.福建省光电信息材料与器件重点实验室，福建厦门361024）

应用于磁光开关的正负交替脉冲发生器的设计

阮剑剑1，2， 许英朝1，2， 朱文章1，2

（1.厦门理工学院光电与通信工程学院，福建厦门361024；2.福建省光电信息材料与器件重点实验室，福建厦门361024）

基于磁光开关的工作原理，利用晶体管的雪崩特性，设计了一种正负交替脉冲发生器，能产生正负交替转换的大电流脉冲，作用于螺线管线圈，产生高速磁场.通过螺线管内电流方向的转换，以改变磁光晶体外向磁场的方向，从而达到磁光开关光路转换的要求.设计的脉冲发生器产生的正负脉冲前沿时间约为3～5 ns，脉冲幅值为60～90 V，脉冲电流可达6 A以上，产生的磁场远大于39 789 A/m，满足磁光开关的需求.

磁光开关；磁光晶体；正负交替脉冲发生器；脉冲电流；雪崩晶体管

光开关是全光网络中必不可少的关键器件之一，主要应用于光通信、光计算机、光信息处理和全光数据处理等领域.光开关的种类有很多，磁光开关是利用法拉第磁光效应的光开关.所谓磁光效应是指线偏振光透过放置在磁场中的磁光物质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发生旋转的一种现象，也称法拉第旋转.一般磁光材料中，法拉第旋转 （用旋转角θF表示）和外加磁感强度B、样品长度L成正比，即θF=VBL，其中V是与材料特性、光的频率有关的常数，称为费尔德常数.因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉莫尔进动，当光的传播方向相反时，法拉第旋转角方向不倒转，而是往同一方向累加，所以法拉第效应为非互易效应.这种非互易特性在全光通信网络中是很重要的［1-3］.

磁光开关主要是通过改变外加磁场的方向来改变磁光晶体内法拉第旋转角的方向，从而达到切换光路的目的.与其他光开关相比，磁光开关的优点是：开关速度快，功率低，没有移动部分，稳定可靠，工艺简单.其主要缺点是集成化难度大.近年来，随着全光网络的高速发展，磁光开关得到了越来越多的关注和研究［4-5］.因此，本文利用磁光开关的原理，设计了一种正负交替脉冲发生器，满足了磁光开关的要求.

1 磁光开关的结构设计

图1 磁光开关总体结构设计框架图Fig.1 Design framework of the magneto-optic switch

磁光开关的结构设计主要包括光路设计、脉冲发生器的设计和磁场结构的设计.本文中磁场结构采用螺线管线圈来产生外加磁场.磁光开关的总体结构设计框架图如图1所示.整个实验装置共分成4个模块，每一个模块都有其特定的功能，并且输出相应信号用于下一个模块工作.各个模块之间紧密配合，缺一不可.如图1所示，单片机AT89S52提供一个TTL触发信号用于触发脉冲发生器产生正负交替转换大电流脉冲，电流脉冲用于驱动螺线管线圏产生磁场磁化磁光晶体.通过单片机可以控制螺线管线圈内的脉冲电流方向，电流方向改变控制磁场方向的转变，从而控制磁光开关光路的转换.本文主要介绍的是脉冲发生器模块的设计，使其能产生一个正负交替转换的大电流脉冲［6-7］.

2 磁光晶体的特性

磁光开光技术性能的高低，主要取决于所用的磁光材料性能，磁光材料选型的好坏直接影响到磁光开关的各项性能［8］.综合比较国内外各类磁光材料，本文最终选择了GRANOPT公司的是Bi-RIG（bismuth-substituted rare-earth iron garnet）磁光薄膜晶体.其中GSF（garnet saturation field）、GMF（garnet magnet-free）这两种型号是本项目实验用主要磁光薄膜晶体，它们的饱和磁场强度分别为15 915.6 A/m和39 789 A/m，法拉第旋转角度都为45°.

GSF和GMF两种磁光薄膜晶体的磁化曲线如图2所示.由图2可知，GSF磁光薄膜晶体的磁化程度与外加磁场成线性关系，当He≥Hs时，GSF磁化饱和，并具有固定的法拉第旋转角，即45°.而GMF磁光薄膜晶体具有自保磁功能，即磁化后的GMF在撤去外加磁场后能继续保持其法拉第旋转效应，只有给GMF施加一个反向磁场，并使磁场强度大于饱和磁场，GMF才会反向旋转，即-45°.

图2 磁光薄膜晶体的磁化曲线Fig.2 Magnetization curve of the magneto-optic crystaI

3 脉冲电路的设计

根据磁光晶体的磁化特性可知，磁光开关的运行不仅需要正向的外加磁场，还需要反向的磁场，即外加磁场需要正反向交替转换，这就要求作用于螺线管线圈的脉冲电流方向可以正负交替转换.因此，必须设计一个可正负交替转换的大电流脉冲发生器，以满足磁光开关的工作需求.

3.1 单片机触发的脉冲发生器电路设计

基于雪崩三极管的雪崩特性，本文设计了脉冲发生器电子线路.它需要输入一个TTL脉冲进行触发，文中采用单片机AT89S52产生TTL触发信号，这样产生的脉冲间隔可以通过单片机AT89S52自主控制.因为AT89S52产生的方波信号功率太小，不足于触发雪崩三极管，因此在AT89S52输出端口加上一个功率放大电路.当无脉冲信号输入时，雪崩三极管Q2处于截止状态，此时，电源电压Vc2对电容C3进行充电.当输入一个足够大的脉冲信号时，经过电容C1和电阻R2组成的微分电路，对雪崩三极管Q2进行触发，三极管雪崩击穿，产生快速增大的雪崩电流.电容C3上存储的电荷通过三极管Q2、电阻R7快速放电，产生一个脉冲.雪崩结束后，三极管截止，电源Vc2再次向电容C3充电［9-11］.本文设计的脉冲发生器的具体电子线路图见图3.

图3 单片机AT89S52触发的脉冲发生器电子线路图Fig.3 Circuit diagram of the puIse generator triggered by AT89S52

当把负载电阻R7接于雪崩三极管的发射极上时，输出脉冲为一正脉冲；当把负载电阻R′7接于集电极上时，输出脉冲为一负脉冲.实验中，雪崩三极管Q2采用FMMT415，负载电阻为10 Ω，触发信号的间隔为1 ms时，得到的正脉冲和负脉冲波形图如图4.由图4可知，脉冲发生器产生的正负脉冲前沿时间约为3～5 ns，脉冲幅值为60～90 V，脉冲电流可达6 A以上，符合磁光开关的大电流需求.

图4 单片机触发的脉冲发生器产生的脉冲波形图Fig.4 PuIse waveform generated by puIse generator

3.2 正负交替脉冲发生器电路设计

根据单片机触发的脉冲电路，本文设计了如图5所示的正负交替脉冲发生器电子线路.其中线框内为省略的电路图，具体结构如图3所示.为了得到正负交替的脉冲，本文主要通过控制AT89S52产生的触发信号来实现.AT89S52的两个输出端口1和2分别产生脉冲周期为4 ms，脉冲宽度为1 ms的TTL触发脉冲，只是输出端口1的触发脉冲比端口2的延迟了1 ms，其实际示波器波形图如图6所示.波形1为端口1的输出信号，波形4为端口2的输出信号.

图5 正负交替脉冲发生器电子线路图Fig.5 Circuit diagram of the positive and negative puIse generator

图6 单片机输出触发波形图Fig.6 PuIse waveform of AT89S52

当端口1输出一个触发脉冲时，端口2无触发信号，则电路中只有雪崩三极管Q3处于雪崩工作状态，因为此时负载电阻R7接于三极管Q3的集电极，所以得到一个负脉冲波形；而当端口2有触发脉冲输出时，端口1无触发信号，则电路中只有雪崩三极管Q4处于雪崩工作状态，此时负载电阻R7接于三极管Q4的发射极，因此得到一个正脉冲波形，正负脉冲相互交替产生.通过单片机AT89S52可以随意改变输出触发脉冲的脉冲间隔，以控制两个脉冲之间的时间间隔，得到符合需要的正负交替脉冲，从而满足磁光开关的需要.

4 实验结果

在磁光开关的光路设计中，本文控制的是光信号，因此，在实验过程中，为了方便测试和分析，采用光电探测器将光路中的光信号转变成电信号，再用TDS3054B型号示波器进行测量.将前面设计的正负交替脉冲发生器产生的正负脉冲驱动螺线管线圈，从而产生正负反向磁场对磁光晶体进行磁化.通过示波器测得的脉冲电流和光信号工作波形如图7所示.图7中波形1为作用于螺线管线圈上的脉冲电流波形，波形4为磁光开关某一输出端口的光信号.如图7所示，当螺线管中电流的方向改变时，磁场方向随之换相，晶体的磁化方向也随之发生改变，从而使输入的线偏振光偏振面发生不同方向的旋转，达到磁光开关动作的目的.

图7 螺线管中脉冲电流和磁光开关信号波形图Fig.7 PuIse current in soIenoid and the waveform in magneto-optic switch

5 结语

根据磁光晶体的特性要求，利用雪崩晶体管的雪崩特性，本文设计了一种正负交替脉冲发生器，通过单片机AT89S52，可以自行设置脉冲转变的时间间隔，以满足磁光开关的要求.在后续的研究中，笔者主要将在以下2个方向对磁光开关进行改进：首先，继续测试和完善脉冲发生器的电路设计图，提高正负交替脉冲发生器的稳定性，从而提高磁光开关的稳定性；其次，开关时间是磁光开关的一个重要性能参数，这就需要提高脉冲前沿的上升和下降时间.采用雪崩三极管产生的脉冲电流前沿时间极限为2～3 ns，很难达到皮秒量级.目前实验室研究采用阶跃恢复二极管设计脉冲电路，从而使脉冲前沿时间可以提升至皮秒量级，但产生的脉冲电流幅值较小，还不能满足磁光开关的需求，有待进一步改进.

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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

（责任编辑 雨 松）

2015-04-17

2015-05-12

国家自然科学基金项目 （11304259）；福建省教育厅科技项目 （JA12254）

阮剑剑 （1986-），男，助理实验师，硕士，研究方向为光器件.E-mail：2013120601@xmut.edu.cn