光通信器件-光开关

一、光开关的概念及作用、性能参数与分类1.光开关的概念及作用一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。目前主要是：光交换系统和主备倒换，即利用光开关技术实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等功能。1，将某一光纤通道的光信号切断或开通；2，将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通道去；3，在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器）多信道光通信系统还需要光插／分复用技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（ＯＸＣ）技术都需要超高速大规律集成的光开关矩阵。网络监视功能：使用简单的1×N光开关可以将多纤联系起来。当需要监视网络时，只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上（如OTDR），通过光开关的动作，可以实现网络在线监测。光器件的测试：可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过1×N光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件。光传感系统:空分复用的光纤传感系统,节约解调系统,降低成本。2.光开关的性能参数光开关的特性参数主要有插入损耗、消光比、开关时间、回波损耗、隔离度、远端串扰、近端串扰等。插入损耗：输入和输出端口间光功率的减少。回波损耗：从输入端返回的光功率与输入光功率的比值。隔离度：两个相隔离输出端口光功率的比值。消光比：端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。开关时间：指开关端口从某一初始转为通或断所需的时间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。3.光开关的分类驱动方式可分为：机械式光开关、非机械式光开关。原理可分为：机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。交换介质可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。二、机械式光开关这是靠微型电磁铁或压电器件驱动光纤或反射光的光学元件发生机械移动，使光信号改变光纤通道的光开关。传统机械光开关的工作原理：通过热、静电等动力，旋转微反射镜，将光直接送到或反射到输出端。特点是开关速度比较慢、性价比好，在很多领域有市场前景，但体积大、不易规模集成的缺点限制了其在未来光通信领域的应用。在此基础上，近几年发展很快的是MOEMS光开关，它是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，特别是具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、差损小、可靠性好、速度快、容易集成的优点。下面介绍几种机械式光开关。1.移动光纤式光开关移动光纤式光开关结构简单、重复性好、插入损耗低。移动式光纤的输入或输出端口中，一段光纤固定，而另一端光纤式活动的。通过移动活动光纤，使之与固定光纤中的不同端口相耦合，从而实现光路切换。如图1所示图1移动光纤式光开关2.移动套管式光开关移动套管式光开关就是讲输入或输出光纤分别固定在两个套管之中，其中一个套管固定在其底座上，另一个套管以很高的精度定位在两个或多个位置上，带着光纤相对固定套管移动，从而实现光路的转换。3.移动透镜型光开关光纤被固定在输入和输出端口，依靠微透镜精密的准直而实现输入、输出光路的连接。光从输入光纤进入装在一个由微处理器控制的步进电机或其他移动机构上的第一个透镜后变成平行光，移动该透镜，则第二个透镜将该透镜的平行光聚焦到相应输出光纤。4.移动反射镜型光开关输入输出端口的光纤都是固定的，依靠旋转球面或平面反射镜，使输入光与不同的输出端口接通。如图2所示。图2移动反射镜式光开关5.移动棱镜型光开关输入输出光纤与起准直作用的光学元件如自聚焦透镜、平凸棒透镜、球透镜等相连接，并固定不动，通过移动棱镜而改变输入输出端口的光路。6.移动自聚焦透镜型光开关自聚焦透镜特别于各种光学器件中光纤与光纤的远场耦合。三、非机械式光开关非机械光开关是利用一些材料的电光、声光、磁光和热光效应，采用报道结构做成的。这类开关具有体积小、重量轻、与光纤适配、易于扩展为开关阵列。非机械式光开关包括电光开关、热光开关、声光开关、磁光效应光开关、液晶光开关、气泡光开关、MEMS光开关和全光开关。1.电光开关电光开关的原理一般是利用铁电体、化合物半导体、有机聚合物等材料的电光效应（Pockels效应）或电吸收效应（Franz-Keldysh效应）以及硅材料的等离子体色散效应，在电场的作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光强突变或光路转变。表1是这两种电光材料的优质光开关器件的指标：表1两种电光开关的指标材料插损dB消光比dB偏振灵敏度dB开启时间nsInP/InGaAsP5dB15dB0.5dB0.2有机聚合物1dB20dB0.5dB0.1但由于半导体载流子复合时间的限制，开关时间一般要在10ns以上。与机械光开关相比，其主要优点除开关速度高之外，因为没有移动部件，重复率较高，寿命较长。电光开关一般利用Pockels效应，也就是折射率n随光场E而变化的电光效应。折射率变化△n与光场的变化△E的关系Enn23。(1)而光波传播距离L相应的相位变化为nL02(2)以下介绍五种典型的波导型电光开关的原理。（1）定向耦合器电光开关这种开关是在电光材料（如LiNbO3、化合物半导体、有机聚合物）的衬底上制作一对条形波导以及一对电极构成，如图3所示。当不加电压时，也就是一个具有两条波导和四端口的定向耦合器。一般称①-③和②-④为直通臂，①-④和②-③为交叉臂。图3定向耦合器型光开关假设两波导的耦合较弱，各自保持独立存在时的场分布和传输系数，耦合的影响只表现在场的振幅随耦合长度的变化。设两波导中的复数振幅分别为ε1(z)和ε2(z)，相位常数是β1和β2，其变化规律可用以下一阶微分方程组表示{1}：)()(2121zeikdzzdzi，(3))()(1212zeikdzzdzi，(4)式中△β＝β1－β2为相位失配常数。K12、K21是两波导的耦合常数，决定于波导的材料与结构，也与波长λ有关。两波导完全对称，未加电压时，K12＝K21＝k；β1＝β2，△β＝0，耦合方程简化为：)()(21zikdzzd，(5))()(12zikdzzd，(6)联立解方程（5）和（6），设在两波导输入端的波振幅各为ε1(0)和ε2(0)，可得：112()(0)cos(0)sinzkzikz，(7)kzikzzsin)0(cos)0()(122。(8)写成功率形式（P＝ε2）则有：kzpkzpzp22211sin)0(cos)0()(，(9)kzpkzpzp22212cos)0(sin)0()(，(10)其中P1(0)、P2(0)、P1(z)、P2(z)各为波导1和2中始端和z处的光功率。设光信号只从①端输入，ε2(0)＝0，此时z处两波导的光功率分别为：kzpzp211cos)0()(，(11)kzpzp212sin)0()(。(12)图4绘出两波导中光功率随z的变化规律。可见能量在两波导间周期性地转换。从z＝0到z＝L0，波导1的光功率从最大值变为零；而波导2的光功率从零变为最大值，全部光功率由波导1耦合进入波导2。相应的长度L0＝π/2k叫做耦合长度。一般光耦合开关取此长度。图4定向耦合器中两耦合波导光功率周期性相互转换当加电压时，两波导相位失配，△β≠0，且k12≠k21。对式（3）和（4）求导后得到0)()()(121212zkdzzdidzzd，(13)0)()()(222222zkdzzdidzzd，(14)其中1221kkk。(15)联立(13)和(14)，考虑Z＝0时的ε1(0)和ε2(0)，并设ε2(0)＝0得解为]sin2[cos)0()(211KzKiKzezzi，(16)KzKkezzisin)0()(212，(17)其中222kK。(18)波导1和2在z处的光功率则为]sin2)[cos0()(22211KzKKzPzP，(19)KzKkPzP2212sin)0()(。(20)设器件长度为耦合长度L0,并定义③端的功率转换比为KzKkPzP22123sin)0()(，(21)利用（28）式，则得222312sin2c。(22)式中△φ=△βL0，为两波导间的相位差。由（22）可见，在△φ=0处，τ3=1最大；在3处，τ3=0最小。现在求功率转换比与控制电压的关系。设两波导的电极间距皆为d，其上加电压分别为V和-V，它们所产生的电场分别为E1＝V/d和E2＝-V/d。引起两波导折射率的差为：dVnEEnnnn321312)(21(23)相应的相位差为000300322VVVdLnnL。(24)其中030023LndV。(25)为完成功率从③端转变到④端需要3所对应的电压称之为开关电压。由（38）和（40），τ3-V关系则为2022312sin2)(VVcV,(26)画出τ3-V曲线，如图5。图5电光定向耦合器的3曲线电压从V从0变到V0，τ3从1变到0，即完成开关动作。典型的开关电压为10V。（2）M-Z干涉仪电光开关波导型Mach-Zehnder干涉仪是一种广泛应用的光开关。它由两个3dB耦合器DC1、DC2和两个臂L1、L2组成，如图6所示。图6M-Z干涉仪型光开关由端口①输入的光，被第一个定向耦合器按1:1的光强比例分成两束，通过干涉仪两臂进行相位调制。在两光波导臂的电极上分别加上电压V和－V，各产生相应电场E1和E2。因此以上波导臂所产生的折射率变化为：dVnEEnn3213)(21。(27)对于对称的M-Z干涉仪，L1=L2＝L，两臂的相位差为：VdLnnL0302。(28)式中△n=n2-n1。令△φ=π时所对应的电压为半波电压：LdnV300,(29)则（28）变为VV。(30)设从①端输入的信号的电场强度为ε1，从③、④端输出信号的电场强度为ε3、ε4，考虑KZ＝450,利用定向耦合器和光纤段的传输方程，可导出ε3、ε4与ε1的关系为132121iiee，(31)142121iieei，(32)由于①端输入功率为P1＝ε1·ε1,③、④端输出功率为P3＝ε3·ε3,、P4＝ε4·ε4,利用三角公式，可由（31）和（32）算出③、④输出端的输出功率为：1232sinPP，(33)1242cosPP，(34)而直通臂和交叉臂的功率转换比为VVPPV2sin)(2133，(35)VVPPV2cos)(2144。(36)当未加电压时，V＝0，因此τ3＝0，τ4＝1；加上半波电压，V＝Vπ，则τ3＝1，τ4＝0，从而实现了开关。对于这类光开关，半波电压越小所需开关能量越小。(3)电光偏振调制波导电光开关这种光开关由电光相位调制器、起偏器P和检偏器Q组成，如图7所示。起偏器和检偏器正交，相位调制晶体的光轴与两偏振器的偏振方向成45°角。图7偏振强度调制型光开关各向同性的非偏振光经过起偏器后变为振动方向与波导光轴成45°的线偏振光。将在波导中同时激起偏振方向正交的TE波和TM波。波导介质对两者的折射率不同，各为n1、n2；电光系数不同，各为γ1、γ2。于是在外加电场的作用下，光传输L长后，两个偏振正交波的相位差为：LEnn)()0(3113220。(37)该电场是由加于相距为d的两电极上的电压所产生，有E＝V/d。定义半波电压和初始相移分别为：3223110nnLdV；(38)和VVnLLnn002102)(2)0(，(39)其中V0为偏置电压,31132202nnndV(40)则式(37)可写