1、最新資料推薦一、光開關(guān)的概念及作用、性能參數(shù)與分類1. 光開關(guān)的概念及作用一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸端口，可對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。目前主要是： 光交換系統(tǒng)和主備倒換，即利用光開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全光層的路由選擇、波長(zhǎng)選擇、光交叉連接以及自愈保護(hù)等功能。1，將某一光纖通道的光信號(hào)切斷或開通；2，將某波長(zhǎng)光信號(hào)由一光纖通道轉(zhuǎn)換到另一光纖通道去；3，在同一光纖通道中將一種波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一波長(zhǎng)的光信號(hào)（波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器）多信道光通信系統(tǒng)還需要光插分復(fù)用技術(shù)和快速的網(wǎng)間信息交換技術(shù)以及光的交叉連接（）技術(shù)都需要超高速大規(guī)律集成的光開關(guān)矩陣。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能：使用簡(jiǎn)單的1N

2、光開關(guān)可以將多纖聯(lián)系起來。當(dāng)需要監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只需在遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)將多纖經(jīng)光開關(guān)連接到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視儀器上（如OTDR），通過光開關(guān)的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)。光器件的測(cè)試：可以將多個(gè)待測(cè)光器件通過光纖連接，通過1N光開關(guān)，可以通過監(jiān)測(cè)光開關(guān)的每個(gè)通道信號(hào)來測(cè)試器件。光傳感系統(tǒng) : 空分復(fù)用的光纖傳感系統(tǒng), 節(jié)約解調(diào)系統(tǒng) , 降低成本。2. 光開關(guān)的性能參數(shù)光開關(guān)的特性參數(shù)主要有插入損耗、消光比、開關(guān)時(shí)間、 回波損耗、 隔離度、遠(yuǎn)端串?dāng)_、近端串?dāng)_等。插入損耗：輸入和輸出端口間光功率的減少。回波損耗：從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值。隔離度：兩個(gè)相隔離輸出端口光功率的比值。消光比：端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)

3、通狀態(tài)的插入損耗之差。開關(guān)時(shí)間：指開關(guān)端口從某一初始轉(zhuǎn)為通或斷所需的時(shí)間從在開關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻起測(cè)量。3. 光開關(guān)的分類驅(qū)動(dòng)方式可分為：機(jī)械式光開關(guān)、非機(jī)械式光開關(guān)。原理可分為：機(jī)械光開關(guān)、熱光開關(guān)、電光開關(guān)和聲光開關(guān)。交換介質(zhì)可分為：自由空間交換光開關(guān)和波導(dǎo)交換光開關(guān)。二、機(jī)械式光開關(guān)這是靠微型電磁鐵或壓電器件驅(qū)動(dòng)光纖或反射光的光學(xué)元件發(fā)生機(jī)械移動(dòng)，使光信號(hào)改變光纖通道的光開關(guān)。傳統(tǒng)機(jī)械光開關(guān)的工作原理：通過熱、靜電等動(dòng)力，旋轉(zhuǎn)微反射鏡，將光直接送到或反射到輸出端。特點(diǎn)是開關(guān)速度比較慢、性價(jià)比好，在很多領(lǐng)域有市場(chǎng)前景，但體積大、 不易規(guī)模集成的缺點(diǎn)限制了其在未來光通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

4、在此基礎(chǔ)上， 近幾年發(fā)展很快的是MOEMS光開關(guān)，它是微機(jī)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型開關(guān)，特別是具有光信號(hào)的數(shù)據(jù)格式透明、與偏振無關(guān)、差損小、可靠性好、速度快、容易集成的優(yōu)點(diǎn)。下面介紹幾種機(jī)械式光開關(guān)。1. 移動(dòng)光纖式光開關(guān)移動(dòng)光纖式光開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、插入損耗低。移動(dòng)式光纖的輸入或輸出端口中，一段光纖固定， 而另一端光纖式活動(dòng)的。通過移動(dòng)活動(dòng)光纖，使之與固定光纖中的不同端口相耦合，從而實(shí)現(xiàn)光路切換。如圖1 所示1最新資料推薦2. 移動(dòng)套管式光開關(guān)移動(dòng)套管式光開關(guān)就是講輸入或輸出光纖分別固定在兩個(gè)套管之中，其中一個(gè)套管固定在其底座上，另一個(gè)套管以很高的精度定位在兩個(gè)或多個(gè)位置上，帶著

5、光纖相對(duì)固定套管移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)光路的轉(zhuǎn)換。3. 移動(dòng)透鏡型光開關(guān)光纖被固定在輸入和輸出端口， 依靠微透鏡精密的準(zhǔn)直而實(shí)現(xiàn)輸入、輸出光路的連接。 光從輸入光纖進(jìn)入裝在一個(gè)由微處理器控制的步進(jìn)電機(jī)或其他移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的第一個(gè)透鏡后變成平行光，移動(dòng)該透鏡，則第二個(gè)透鏡將該透鏡的平行光聚焦到相應(yīng)輸出光纖。4. 移動(dòng)反射鏡型光開關(guān)輸入輸出端口的光纖都是固定的， 依靠旋轉(zhuǎn)球面或平面反射鏡， 使輸入光與不同的輸出端口接通。如圖2 所示。圖 2 移動(dòng)反射鏡式光開關(guān)5.移動(dòng)棱鏡型光開關(guān)輸入輸出光纖與起準(zhǔn)直作用的光學(xué)元件如自聚焦透鏡、平凸棒透鏡、 球透鏡等相連接， 并固定不動(dòng)，通過移動(dòng)棱鏡而改變輸入輸出端口的光路。6

6、.移動(dòng)自聚焦透鏡型光開關(guān)自聚焦透鏡特別于各種光學(xué)器件中光纖與光纖的遠(yuǎn)場(chǎng)耦合。三、非機(jī)械式光開關(guān)非機(jī)械光開關(guān)是利用一些材料的電光、聲光、磁光和熱光效應(yīng)，采用報(bào)道結(jié)構(gòu)做成的。這類開關(guān)具有體積小、重量輕、與光纖適配、易于擴(kuò)展為開關(guān)陣列。非機(jī)械式光開關(guān)包括電光開關(guān)、熱光開關(guān)、聲光開關(guān)、磁光效應(yīng)光開關(guān)、液晶光開關(guān)、氣泡光開關(guān)、MEMS光開關(guān)和全光開關(guān)。1. 電光開關(guān)電光開關(guān)的原理一般是利用鐵電體、化合物半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物等材料的電光效應(yīng)（ Pockels 效應(yīng)）或電吸收效應(yīng)（ Franz-Keldysh 效應(yīng)）以及硅材料的等離子體色散效應(yīng)，在電場(chǎng)的作用下改變材料的折射率和光的相位， 再利用光的干涉或者偏

7、振等方法使光強(qiáng)突變或光路轉(zhuǎn)變。表 1 是這兩種電光材料的優(yōu)質(zhì)光開關(guān)器件的指標(biāo)：表 1兩種電光開關(guān)的指標(biāo)材料插損消光比偏振靈敏度開啟時(shí)間dBdBdBnsInP/InGaAsP5dB15dB0.5dB0.22最新資料推薦有機(jī)聚合物1dB20dB0.5dB0.1但由于半導(dǎo)體載流子復(fù)合時(shí)間的限制，開關(guān)時(shí)間一般要在10ns 以上。與機(jī)械光開關(guān)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)除開關(guān)速度高之外，因?yàn)闆]有移動(dòng)部件，重復(fù)率較高，壽命較長(zhǎng)。電光開關(guān)一般利用Pockels 效應(yīng)，也就是折射率n 隨光場(chǎng) E 而變化的電光效應(yīng)。折射率變化 n 與光場(chǎng)的變化E 的關(guān)系n3(1)nE 。2而光波傳播距離L 相應(yīng)的相位變化為2(2)nL0以

8、下介紹五種典型的波導(dǎo)型電光開關(guān)的原理。（1） 定向耦合器電光開關(guān)這種開關(guān)是在電光材料（如LiNbO 、化合物半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物）的襯底上制作一對(duì)3條形波導(dǎo)以及一對(duì)電極構(gòu)成，如圖 3 所示。 當(dāng)不加電壓時(shí)， 也就是一個(gè)具有兩條波導(dǎo)和四端口的定向耦合器。一般稱- 和 - 為直通臂， - 和 - 為交叉臂。圖 3定向耦合器型光開關(guān)假設(shè)兩波導(dǎo)的耦合較弱，各自保持獨(dú)立存在時(shí)的場(chǎng)分布和傳輸系數(shù)，耦合的影響只表現(xiàn)在場(chǎng)的振幅隨耦合長(zhǎng)度的變化。設(shè)兩波導(dǎo)中的復(fù)數(shù)振幅分別為 1(z)和 2(z) ，相位常數(shù)是1 和 2，其變化規(guī)律可用以下一階微分方程組表示1 ：d 1 ( z)ik 12 eiz2 ( z) ，(3

9、)dzd 2 ( z)ik 21e iz1 ( z) ，(4)dz式中 1 2 為相位失配常數(shù)。K12、 K21 是兩波導(dǎo)的耦合常數(shù)，決定于波導(dǎo)的材料與結(jié)構(gòu)，也與波長(zhǎng) 有關(guān)。兩波導(dǎo)完全對(duì)稱，未加電壓時(shí)，K K k； 2， 0，耦合方程簡(jiǎn)化為：12211d 1 (z)ik2 ( z) ，(5)dz3最新資料推薦d 2 (z)( z) ，(6)ik 1dz聯(lián)立解方程（ 5）和（ 6），設(shè)在兩波導(dǎo)輸入端的波振幅各為 1(0) 和 2(0) ，可得：1 (z)1 (0)cos kzi2 (0)sin kz ，(7)2 (z)2 (0) coskzi1( 0) sin kz 。(8)寫成功率形式（ P

10、2）則有：p1 ( z)p1 (0) cos2 kzp2 (0) sin 2 kz ，(9)p2 ( z)p1 (0) sin 2 kzp2 (0) cos2 kz ，(10)其中 P (0) 、 P (0) 、 P (z)、 P (z)各為波導(dǎo)1 和 2中始端和 z 處的光功率。設(shè)光信號(hào)只從1212端輸入， 2(0) 0，此時(shí) z 處兩波導(dǎo)的光功率分別為：p1 (z)p1 (0) cos2 kz ，(11)p2zp2kz。(12)( )1 (0) sin圖 4 繪出兩波導(dǎo)中光功率隨z 的變化規(guī)律?？梢娔芰吭趦刹▽?dǎo)間周期性地轉(zhuǎn)換。從z 0 到z L0，波導(dǎo) 1的光功率從最大值變?yōu)榱悖欢▽?dǎo)2

11、的光功率從零變?yōu)樽畲笾担抗夤β视刹▽?dǎo)1 耦合進(jìn)入波導(dǎo) 2。相應(yīng)的長(zhǎng)度 L0 /2k叫做耦合長(zhǎng)度。 一般光耦合開關(guān)取此長(zhǎng)度。圖 4 定向耦合器中兩耦合波導(dǎo)光功率周期性相互轉(zhuǎn)換當(dāng)加電壓時(shí)，兩波導(dǎo)相位失配， 0，且 k k 。對(duì)式（ 3）和（ 4）求導(dǎo)后得到1221d 21 (z)id 1 (z)k 21( z)0 ，(13)dz2dzd 22 ( z)id 2 ( z)k22 ( z)0 ，(14)dz2dz其中kk12k21 。(15)聯(lián)立 (13) 和(14) ，考慮 Z 0 時(shí)的 1(0) 和 2(0) ，并設(shè) 2(0) 0 得解為4最新資料推薦1( z)izsin Kz ，1 (0)e

12、2cos Kz i(16)2K2 ( z)i2zk(17)1 (0)esin Kz ，K其中2K2k 2 。(18)波導(dǎo) 1 和 2 在 z 處的光功率則為2P1 (z)P1 (0)cos 2 Kzsin 2 Kz ，(19)2KP1(0) k2P2 (z)sin 2 Kz 。(20)K設(shè)器件長(zhǎng)度為耦合長(zhǎng)度L0, 并定義端的功率轉(zhuǎn)換比為P2 ( z)k23sin 2 Kz ，(21)P1 (0)K利用（ 28）式，則得223sin c21。(22)22式中 = L ，為兩波導(dǎo)間的相位差。由（22）可見，在 =0 處， =1最大；在033 處， 3=0 最小?，F(xiàn)在求功率轉(zhuǎn)換比與控制電壓的關(guān)系。設(shè)

13、兩波導(dǎo)的電極間距皆為d，其上加電壓分別為V和 -，它們所產(chǎn)生的電場(chǎng)分別為E1 V/d 和 E2 -V/d 。引起兩波導(dǎo)折射率的差為：Vnn2n11 n3 ( E1 E2 )n3 V(23)2d相應(yīng)的相位差為2nL2 n3L0 V3 V 。(24)00 dV00其中V030d(25)2n 3。L0為完成功率從端轉(zhuǎn)變到端需要3所對(duì)應(yīng)的電壓稱之為開關(guān)電壓。由（ 38）和（ 40）， -V 關(guān)系則為35最新資料推薦21 3 V2(V )sin c 2,(26)22V0畫出 3-V 曲線，如圖5。圖 5電光定向耦合器的3曲線電壓從 V 從 0 變到 V0， 3 從 1 變到 0 ，即完成開關(guān)動(dòng)作。典型的

14、開關(guān)電壓為10V。（2）M-Z 干涉儀電光開關(guān)波導(dǎo)型 Mach-Zehnder 干涉儀是一種廣泛應(yīng)用的光開關(guān)。它由兩個(gè)3dB 耦合器 DC1、 DC2和兩個(gè)臂L1、L2 組成，如圖6 所示。圖 6M-Z 干涉儀型光開關(guān)由端口輸入的光， 被第一個(gè)定向耦合器按1 : 1 的光強(qiáng)比例分成兩束，通過干涉儀兩臂進(jìn)行相位調(diào)制。在兩光波導(dǎo)臂的電極上分別加上電壓V和，各產(chǎn)生相應(yīng)電場(chǎng)E1 和 E2。因此以V上波導(dǎo)臂所產(chǎn)生的折射率變化為：n1 n3(E1E2 )n3V 。(27)2d對(duì)于對(duì)稱的 M-Z 干涉儀， L =L L，兩臂的相位差為：122nLn3 L V 。(28)00 d式中 n=n 2-n 1。令

15、= 時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓為半波電壓：V0d(29)n03,L則（ 28）變?yōu)?71、 2。于是在外加電場(chǎng)的作用下，光傳輸L 長(zhǎng)后，兩個(gè)偏振正交波各向同性的非偏振光經(jīng)過起偏器后變?yōu)檎駝?dòng)方向與波導(dǎo)光軸成45的線偏振光。將在波導(dǎo)中同時(shí)激起偏振方向正交的 TE 波和 TM波。波導(dǎo)介質(zhì)對(duì)兩者的折射率不同， 各為 n1、n2；電光系數(shù)不同，各為偏振強(qiáng)度調(diào)制型光開關(guān)最新資料推薦VV。(30)設(shè)從端輸入的信號(hào)的電場(chǎng)強(qiáng)度為，從、端輸出信號(hào)的電場(chǎng)強(qiáng)度為 、 ，134考慮 KZ 450, 利用定向耦合器和光纖段的傳輸方程，可導(dǎo)出 3、 4 與 1 的關(guān)系為31e i1e i21，(31)2i 14e i 1e i21 ，

16、(32)2由于端輸入功率為1 1 1, 、端輸出功率為3 3 3, 、 4 4 4, 利用三角PPP公式，可由（ 31）和（ 32）算出、輸出端的輸出功率為：P3sin2P1 ，(33)2P4cos2P1 ，(34)2而直通臂和交叉臂的功率轉(zhuǎn)換比為3 (V )P3sin2VP12 V4 (V )P4cos2VP12 V，(35)。(36)當(dāng)未加電壓時(shí)， V 0，因此 3 0， 4 1；加上半波電壓， V V ，則 3 1， 4 0，從而實(shí)現(xiàn)了開關(guān)。對(duì)于這類光開關(guān)，半波電壓越小所需開關(guān)能量越小。(3) 電光偏振調(diào)制波導(dǎo)電光開關(guān)這種光開關(guān)由電光相位調(diào)制器、起偏器P 和檢偏器 Q組成，如圖7 所示。

17、起偏器和檢偏器正交，相位調(diào)制晶體的光軸與兩偏振器的偏振方向成45角。圖 7最新資料推薦的相位差為：( 0)( 2n231n13 ) LE 。(37)0該電場(chǎng)是由加于相距為d 的兩電極上的電壓所產(chǎn)生，有E V/d 。定義半波電壓和初始相移分別為：d0；(38)V1n132 n23L和(0)2n2 ) L2nLV0，(39)(n1V00其中 V 為偏置電壓 ,0V02 nd(40)2n231 n13則式 (37) 可寫成：VV0(41)V以下求出光功率與電壓的關(guān)系。自然光經(jīng)過P 后所產(chǎn)生的平面偏振光為EPE sint 。(42)設(shè)光的傳播方向平行于 Z 軸；起偏器 P 和檢偏器 Q的光軸方向與 Y

18、 軸的夾角分別為 和，且 /4 ，如圖 8 所示。圖 8 光通過電光偏振光強(qiáng)調(diào)制器的偏振方向變化示意圖外電場(chǎng)使晶體的光軸方向平行于X 軸。光通過晶體時(shí)產(chǎn)生雙折射：o 光的振動(dòng)方向垂直于主截面（光軸與光線所構(gòu)成的平面） ，即垂直 xz 面，e 光的振動(dòng)方向在主截面內(nèi)， 即 xz 面內(nèi)。由于 o 光和 e 光在介質(zhì)中的折射率不同， 所以傳播速度不同， 通過一定厚度 L 的介質(zhì)到達(dá)輸出端時(shí)，有一定的相位差 。因此， o 光和 e 光在介質(zhì)輸出端的表達(dá)式分別為：8最新資料推薦EPXE sin(t ) sin ,(43)EPYE sin(t）cos。(44)當(dāng) o、 e 光達(dá)到 Q時(shí)，只有平行于Q光軸的

19、分量能通過，垂直分量則被阻擋。所以通過Q的光為EPXQEPX sin，(45)EPYQEPY cos。(46)因此，EQ EPXQ EPYQ Esin(t) coscossin( t ) sinsin 。(47)而 /4 ，因 sinsincoscos2, 此時(shí)輸出最強(qiáng)，上式變?yōu)椋?EQ1 Esin(t)sin t 2(48)E sincos(t)22式中 Esin /2 為通過檢偏器Q的光的振幅。由于輸出光功率等于光振幅的平方，則有Po E 2 sin2Pi sin2(49)22這里 Pi E2 為輸入光功率。據(jù)式 (49) 和 (41) ，該開關(guān)器件的功率轉(zhuǎn)變比為Posin2 (VV0 )

20、 ,(50)Pi2V V 曲線如圖9 所示。改變電壓V，使 (V V0) 從 0 至 V 變化，則 從 0 至 1 變化。從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)閉動(dòng)作。圖 9 相位調(diào)制器的V 特性曲線9最新資料推薦(4) 半導(dǎo)體放大器電光開關(guān)半導(dǎo)體光放大器 (SOA)門控型光開關(guān)利用 SOA對(duì)光的吸收和放大可實(shí)現(xiàn)任意光路的切換。也就是說，只有在半導(dǎo)體光放大器加上偏置時(shí)， 才會(huì)產(chǎn)生受激輻射， 是輸入光信號(hào)得以放大；反之，如果去掉偏置， 則半導(dǎo)體光放大器處于光吸收狀態(tài)， 此時(shí)輸入光信號(hào)無法達(dá)到輸出端。從而來完成開啟和關(guān)閉的功能，構(gòu)成基本門型光開關(guān)單元。SOA中，利用光放大，補(bǔ)償光損耗。半導(dǎo)體放大器電光開關(guān)具有低串?dāng)_ (-4

21、0dB) 、低工作電流 (10mA)、寬帶寬 (30nm) 、高速切換（ 1ns) 。如圖 10 所示。圖 10 SOA 門陣列構(gòu)成的光開關(guān)(5) 聚合物電光開關(guān)聚合物電光開關(guān)：有機(jī)聚合物材料制作光電子和集成光學(xué)器件，最突出的優(yōu)點(diǎn)是低廉、工藝流程簡(jiǎn)便。 可以沉積在半導(dǎo)體襯底上，便于光路和電路的集成；具有較低的波導(dǎo)傳輸損耗和與光纖的低耦合損耗； 可以有效使用電子折射獲得幅度和相位調(diào)制。 可以根據(jù)人們需要，通過調(diào)節(jié)有機(jī)材料的組分以滿足電光特性、熱光特性和吸收譜特性。2. 熱光開關(guān)熱光開關(guān)和電光開關(guān)的結(jié)構(gòu)可以是相同的，但是產(chǎn)生開關(guān)效應(yīng)的機(jī)理不同。這里的熱光效應(yīng)是指通過電流加熱的方法， 使介質(zhì)的溫度變

22、化， 導(dǎo)致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的物理效應(yīng)。折射率隨溫度的變化可用以下關(guān)系式表示：n(T ) n0n(T ) n0nT n0a T(51)T式中 n0 為溫度變化之前的折射率， T 為溫度的變化， 為熱光系數(shù)，它與材料的種類有關(guān)。表 2 是幾種材料的熱光系數(shù)。表 2 幾種材料的熱光系數(shù)材料LiNbO3SiSiO2聚合物10最新資料推薦熱光系數(shù)4.3 10 -6 /K210 -4 /K1.1 10 -4 /K110-4 /Kn 將引起相位變化2 nL 0 2 aL T / 0 ，(52)導(dǎo)致信號(hào)從一個(gè)端口輸出變?yōu)閺牧硪粋€(gè)端口輸出。以下介紹幾種典型的波導(dǎo)熱光開關(guān)。(1)M-Z 干涉型

23、熱光開關(guān)該開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。它是由兩個(gè) 3dB 耦合器構(gòu)成的對(duì)稱 M-Z 干涉儀型。兩個(gè)波導(dǎo)在硅基底上生成。 在其中一臂上鍍有金屬薄膜加熱器， 形成相位延時(shí)器。 硅基底可看作一個(gè)散熱器。 由于 Si 的導(dǎo)熱系數(shù)較大 , 加熱器的距離 L 大于 100 微米即可。 臂長(zhǎng)的設(shè)計(jì)使加熱器未加熱時(shí) , 在交叉臂輸出端口 4 發(fā)生相長(zhǎng)干涉輸出，而在直通臂的輸出端口發(fā)生相消干涉無輸出。加熱器工作時(shí)輸入信號(hào)則從直通端口3 相長(zhǎng)干涉輸出圖 11 M-Z干涉型熱光開關(guān)據(jù)（ 33）與（ 34）式，從 1 端輸入；從 3 端與 4 端輸出的功率轉(zhuǎn)變比分別為：3P3sin2，(53)P124P4cos2。(5

24、4)P12應(yīng)用（ 52）式，并設(shè)T00，(55)2aL則得3P4sin 2T,(56)P12T04P4cos2T。(57)P12T0可見， 當(dāng) T 0 時(shí)， 3 0， 4 1；而當(dāng) T T0 時(shí)， 3 1， 4 0，從而實(shí)現(xiàn)光開關(guān)。日本 NTT近年來采用SOI 材料為光波導(dǎo)和Ti 金屬膜為相移區(qū)的加熱膜，采用雙M-Z 干涉儀結(jié)構(gòu) 2 ，我們?cè)黾右粋€(gè)環(huán)形器，可構(gòu)成22熱光開關(guān)，如圖12。11最新資料推薦圖 12 雙 M-Z 干涉型熱光開關(guān)光波從 1 和 2 入口，當(dāng)不通電流加熱時(shí)，光波通過交叉臂，分別從12和 21出口；當(dāng)兩干涉儀同時(shí)通電流加熱時(shí)，光波通過直通臂，分別改從11和 22出口。這種開

25、關(guān)有以下優(yōu)點(diǎn)：1）由于泄漏光被第二個(gè)干涉儀阻止，消光比是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩倍；2）器件制作的容差能力加大；3）相當(dāng)于兩個(gè)帶通濾波器并聯(lián)， 有較大的帶寬， 有益于 DWDM網(wǎng)絡(luò)。4）這種 22 開關(guān)做成陣列，大大減少單元開關(guān)數(shù)量，例如1616開關(guān)陣列由普通 12開關(guān)組成需要 156個(gè)器件，而用這種器件只需64 個(gè)。該器件的平均參數(shù)列于表4。表 4 雙 M-Z 干涉熱光開關(guān)的特性指標(biāo)插入損耗串音開關(guān)時(shí)間消光比功耗性能dBdBmsdBmW數(shù)值6.6 4625517以上介紹的干涉型熱光開關(guān)屬于周期性干涉型開關(guān)，具有高消光比、 低功率損耗等優(yōu)點(diǎn)，但它存在著對(duì)偏振和波長(zhǎng)具有敏感性，以及要求有較高的制造精度等缺點(diǎn)

26、。(2)Y 和 X 數(shù)字型熱光開關(guān)Y和 X 分支型熱光開關(guān)的結(jié)構(gòu)見圖133 。這類開關(guān)一般是通過模式重組來實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作。通過加熱改變分支的折射率， 從而改變控制光的走向。 為了實(shí)現(xiàn)模式選擇的絕熱狀態(tài)， 要求分支角很小，一般在零點(diǎn)幾度或零點(diǎn)零幾度。圖 13數(shù)字熱光開關(guān)（a） X 型（ 12 開關(guān)）和 (b)Y 型（ 22 ）開關(guān)對(duì) Y 結(jié)構(gòu)而言，不加熱時(shí)，主臂的有效折射率nb 大于支臂的有效折射率ns，光從主臂通過；當(dāng)對(duì)支臂加熱時(shí), 增加了它的折射率, 使之有效折射率大于主臂的有效折射率，即12最新資料推薦nsdn (TC T0 ) nb ，(58)dT則光束通過支臂。（58）式中 T0 為室溫

27、， Tc 為光改變通路的臨界溫度，dn/dT 為材料的折射率溫度系數(shù)。對(duì) X 結(jié)構(gòu)而言，不加熱時(shí)，主臂的有效折射率大于支臂的有效折射率，nb ns，光束 1和 2 分別通過支臂和主臂； 當(dāng)對(duì)支臂加熱時(shí) , 增加了它的折射率 , 使之有效折射率大于主臂的有效折射率，即滿足公式（ 58），則光束 1 和 2 的通路被交換。這類開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；制作容差大：當(dāng)輸入電壓變化時(shí)輸出光強(qiáng)呈階躍特性，故稱為數(shù)字光開關(guān)。 這個(gè)特點(diǎn)降低了對(duì)開關(guān)電壓控制精度的要求， 并大大降低了集成器件制作的復(fù)雜性，可做成列陣器件。有機(jī)聚合物材料有更大的溫度敏感性，只需 100mW左右的開關(guān)功率，特別適合做熱光器件。缺點(diǎn)是熱

28、穩(wěn)定性差和抗?jié)裥圆睢?、聲光開關(guān)這是利用聲光效應(yīng)制作的光開關(guān)， 聲光效應(yīng)是指聲波通過材料產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變， 引起材料的折射率周期性變化， 形成布拉格光柵， 衍射一定波長(zhǎng)的輸入光的現(xiàn)象。 利用聲致光柵使光偏轉(zhuǎn)做成光開關(guān)。如圖 14，在 y 方向，用電聲換能器在介質(zhì)中激勵(lì)一束聲波：S1 Sa sin( at K a t)(59)式中， S 、 、 K 分別為聲波的振幅、角頻率、傳播常數(shù)。類似于電光效應(yīng)，聲波引起介質(zhì)的折射率的變化為：n1 n3 PSa(60)2其中 P 為應(yīng)變彈性系數(shù)。在聲波的作用下，晶體的折射率將沿聲波的傳輸方向(y) 呈周期性變化，在介質(zhì)中形成一個(gè)相位光柵。圖 14 聲光開關(guān)原理如

29、果平面光波與z 軸成 角的方向入射，通過寬度為L(zhǎng) 的聲波區(qū)域后，因聲光效應(yīng)而產(chǎn)生的相位變化為：2 L cosnsin(K a y)(61)0由于這一相位光柵的衍射作用，使介質(zhì)中光的傳播方向發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)光的開關(guān)。該器件可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)化，用叉指電極產(chǎn)生表面聲波。13最新資料推薦該開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度比較快，為納秒量級(jí)； 缺點(diǎn)是插損比較大，而且成本比較高。4、磁光效應(yīng)光開關(guān)這里介紹利用法拉第磁光效應(yīng)的光開關(guān)。這種磁光效應(yīng)是指線偏振光在磁性介質(zhì)中傳播時(shí)，受外磁場(chǎng)的作用其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的一種物理現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明， 當(dāng)在磁性材料上施加平行光傳播方向的外磁場(chǎng)時(shí)，設(shè)偏振光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度為，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，

30、光在材料中傳播的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則有：VBL(62)式中 V 稱為費(fèi)爾德常數(shù)， 是表明物質(zhì)磁光特性的物理量， 它與光的波長(zhǎng)有關(guān)。 磁光物質(zhì)旋光的方向與光的傳播方向無關(guān)， 只由外加磁場(chǎng)方向決定： 當(dāng)迎著磁場(chǎng)方向觀察， 偏振光總是按反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。旋光物質(zhì)一般采用釔鐵石榴石（YIG）晶體材料，它在長(zhǎng)波長(zhǎng)波段有較大的費(fèi)爾德常數(shù)和較小的損耗。以下介紹一種磁光效應(yīng)光開關(guān)。 它的基本結(jié)構(gòu)如圖 15。構(gòu)成光開關(guān)的部件有： 用 Gd:YIG 厚膜構(gòu)成的 45法拉第旋轉(zhuǎn)器， 45石英旋轉(zhuǎn)器，兩塊 YVO4晶體，一塊偏振分束鏡和一塊全反三角棱鏡。圖 15 法拉第磁光效應(yīng)光開關(guān)當(dāng)在法拉第旋轉(zhuǎn)器上施加右旋的磁場(chǎng)時(shí), 法拉第

31、旋轉(zhuǎn)器和石英旋轉(zhuǎn)器對(duì)光束偏振面的旋轉(zhuǎn)分別為 45和 +45 , 所以光束通過這兩個(gè)元件的總偏振旋轉(zhuǎn)角為零。由第一塊YVO4晶體分解的兩束偏振光 P 光束和 S光束在第二塊 YVO4晶體中合成一束，從上端口輸出；當(dāng)在法拉第旋轉(zhuǎn)器上施加左旋的磁場(chǎng)時(shí) , 法拉第旋轉(zhuǎn)器和石英旋轉(zhuǎn)器對(duì)光束偏振面的旋轉(zhuǎn)皆為+45，所以光束通過這兩個(gè)元件的總偏振旋轉(zhuǎn)角為90，因此由第一塊YVO4晶體分解的兩束偏振光在第二塊YVO4晶體中分開： P 光束轉(zhuǎn)化為 S光束，S 光束轉(zhuǎn)化為 P 光束，分別輸出，再經(jīng)過三角棱鏡和偏振分束鏡合成一束光從下端口輸出。這種光開關(guān)在1.3um 的性能見表 3，表中插入損耗包括 Gd:YIG

32、吸收損耗和透鏡耦合損耗。在電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電壓為5V 時(shí)磁場(chǎng)達(dá)到飽和，開關(guān)開始運(yùn)行。 電壓為 20V 時(shí)，開關(guān)時(shí)間為 30s 。串音主要來自Gd:YIG 的質(zhì)量。表 3 磁光式光開關(guān)的特性指標(biāo)性能插入損耗串音開關(guān)時(shí)間最小電壓dBdBsV14最新資料推薦數(shù)值1.3 1.7-2530 55、液晶光開關(guān)大部分液晶光開關(guān)是根據(jù)用外電場(chǎng)控制液晶分子的取向而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的，如圖16 所示。在液晶盒內(nèi)裝著相列液晶。 通光的兩端安置兩塊透明的電極。 未加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子沿電極平板方向排列， 與液晶盒外的兩塊正交的偏振片 P和 A 的偏振方向成 450，如圖 16(a) 。這樣液晶具有旋光性， 入射光通過起偏器 P

33、 先變?yōu)榫€偏光， 經(jīng)過液晶后， 分解成偏振方向相互垂直的左旋和右旋光，兩者的折射率不同（速度不同），有一定相位差，在盒內(nèi)傳播盒長(zhǎng)距離 L 之后，引起光的偏振面發(fā)生 900 旋轉(zhuǎn)，因此不受檢偏器 A阻擋，器件為開啟狀態(tài)。當(dāng)施加電場(chǎng) E時(shí)，液晶分子平行于電場(chǎng)方向， 因此液晶不影響光的偏振特性， 此時(shí)光的透射率接近于零，處于關(guān)閉態(tài)，見圖 16（ b）。撤去電場(chǎng)由于液晶分子的彈性和表面作用又恢復(fù)原開啟態(tài)。圖 16 液晶光開關(guān)工作原理設(shè)右旋波速度vR 快于左旋波速度vL，則右旋波電矢量旋轉(zhuǎn)角度R 大于左旋波電矢量旋轉(zhuǎn)角度L 。此兩角與偏振面轉(zhuǎn)角 的關(guān)系為RL或RL(63)2若右旋波和左旋波的折射率用nR

34、和 nL 表示，則偏轉(zhuǎn)角可表為RLnL(64)20這里 0 為真空的波長(zhǎng)， n nR nL。欲取偏轉(zhuǎn)角 = /2 ，因此液晶盒的長(zhǎng)度可據(jù)以下公式設(shè)計(jì)：L0(65)2 n這里沒有考慮液晶對(duì)光的吸收。這種開關(guān)靠分子轉(zhuǎn)動(dòng)，因此開關(guān)速度較慢（ s 量級(jí)）。6、氣泡開關(guān)15最新資料推薦安捷倫公司結(jié)合熱噴墨打印和硅平面光波電路兩種技術(shù)，開發(fā)出一種二維光交叉連接系統(tǒng)，見圖 17。他們把這種技術(shù)稱為“光子交換平臺(tái)” 。其光開關(guān)包括兩部分：下半部是硅襯底的玻璃波導(dǎo)，上半部是硅片。上下之間抽真空密封，小溝道內(nèi)充特定的折射率匹配液，每一個(gè)溝道中部都有一個(gè)微型電阻，通過電阻加熱匹配液形成氣泡，對(duì)光產(chǎn)生全反射，實(shí)現(xiàn)關(guān)態(tài)

35、；不加電時(shí)由于折射率匹配，光信號(hào)直接通過，為開態(tài)。 HP 的噴墨打印技術(shù)主要用于精密控制微電阻產(chǎn)生氣泡。 氣泡是封閉的不會(huì)溢出， 通過控制蒸氣壓， 保持液體和氣體共存的溫度和壓力。氣泡的產(chǎn)生到消失約 2ms,最大開關(guān)速度為 10ms。3232 開關(guān)模塊的插損為 4.5db ，消光比小于 -50db 。由于沒有可移動(dòng)部分，可靠性較好，具有偏振不敏感性，而且成本不高。圖 17 噴墨氣泡熱光開關(guān)模塊7、 MEMS光開關(guān)MEMS光開關(guān)是基于半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)構(gòu)筑在半導(dǎo)體基片上的微鏡陣列,即將電、機(jī)械和光集成為一塊芯片,能透明地傳送不同速率、不同協(xié)議的業(yè)務(wù)。 目前已成為一種最流行的光開關(guān)制作技術(shù)。其基本

36、原理通過靜電力或電磁力的作用,使可以活動(dòng)的微鏡產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動(dòng) ,從而改變輸入光的傳播方向以實(shí)現(xiàn)光路通斷的功能,使任一輸入和輸出端口相連接 ,且 1 個(gè)輸出端口在同一時(shí)間只能和1 個(gè)輸入端口相連接。與現(xiàn)有的基于光波導(dǎo)技術(shù)的光開關(guān)相比, MEMS 光開關(guān)具有低串音、低插損的優(yōu)點(diǎn)成為全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵光器件。MEMS光開關(guān)優(yōu)點(diǎn)：與現(xiàn)有的基于光波導(dǎo)技術(shù)的光開關(guān)相比, MEMS 光開關(guān)具有低串音、低插損的優(yōu)點(diǎn)成為全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵光器件。同時(shí)它既有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn),又克服了光機(jī)械開關(guān)難以集成和擴(kuò)展性差等缺點(diǎn),它結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,且擴(kuò)展性較好。MEMS光開關(guān)特性：低插入損耗;低串?dāng)_ ;與波長(zhǎng)

37、、速率、調(diào)制方式無關(guān);功耗低 ;堅(jiān)固、壽命長(zhǎng) ;可集成擴(kuò)展成大規(guī)模光開關(guān)矩陣;適中的響應(yīng)速度( 開關(guān)時(shí)間從100ns 10ms)。在光交叉連接及需要支持大容最交換的系統(tǒng)中,基于 MEMS技術(shù)的解決方案已是主流。MEMS 光開關(guān)分類： MEMS光開關(guān)可以分為二維和三維光開關(guān)。二維光開關(guān)由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成 , 光束在二維空間傳輸。準(zhǔn)直光束和旋轉(zhuǎn)微鏡構(gòu)成多端口光開關(guān) , 對(duì)于 M N 的光開關(guān)矩陣 , 光開關(guān)具有 M N個(gè)微反射鏡。二維光開關(guān)的微反射鏡具有兩個(gè)狀態(tài) 0和 1( 通和斷 ), 當(dāng)光開關(guān)處于 1 態(tài)時(shí) , 反射鏡處于由輸入光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)出射的光束傳播通道內(nèi) ,將光束反射

38、至相應(yīng)的輸出通道并經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)入目標(biāo)輸出光纖; 當(dāng)光開關(guān)處于0 態(tài)時(shí) ,微反射鏡不在光束傳播通道內(nèi),由輸入通道光纖出射的光束直接進(jìn)入其對(duì)面的光纖。三維 MEMS的微鏡固定在一個(gè)萬(wàn)向支架上,可以沿任意方向偏轉(zhuǎn)。每根輸入光纖都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的 MEMS輸入微鏡 ,同樣 ,每根輸出光纖也都有其對(duì)應(yīng)的MEMS輸出微鏡 17 。因此 ,對(duì)于 M N 三維 MEMS光開關(guān) ,則具有 M+N 個(gè)MEMS微反射鏡。由每根輸出光纖出射的光束可以由其對(duì)應(yīng)的輸入微鏡反射到任意一個(gè)輸出微鏡,而相應(yīng)的輸出微鏡可以將來自任一輸入微鏡的光束反射到其對(duì)應(yīng)的輸出光纖。對(duì)于 M N 三維 MEMS光開關(guān) ,每個(gè)輸入微鏡有N 個(gè)態(tài) ,16最新資料推薦而輸出微鏡則具有 M個(gè)狀態(tài)。目前 , Iolon利用 MEMS實(shí)現(xiàn)了光開關(guān)的大量自動(dòng)化生產(chǎn)。該結(jié)構(gòu)開關(guān)時(shí)間小余 5ms。 Xeros 基于 MEMS微鏡技術(shù) ,設(shè)計(jì)了能升級(jí)到1152 1152 的光交叉連接設(shè)備 , 交換時(shí)間小余 50ms。隨著全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展, 三維 MEMS陣列可成為大型交叉連接的最佳候選者之一?；?MEMS技術(shù)的光開關(guān)主要有微反射鏡型光開關(guān)、靜電驅(qū)動(dòng)型光開關(guān)、 自由空間交換型光開關(guān)、無透鏡型光纖光開關(guān)等 , 光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)方式主要有平行板電容靜電驅(qū)動(dòng), 梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) , 電致、磁致