集成光电子器件lpl(第八章)

1、光光 开开 关关 随着网络转向全光平台，光域优化、路由、保护和随着网络转向全光平台，光域优化、路由、保护和 自愈的网络功能已成为关键，这一切都离不开自愈的网络功能已成为关键，这一切都离不开 随着全光网络的日益成熟和完善，随着全光网络的日益成熟和完善，100信道以上的信道以上的 光通信系统还需要光通信系统还需要（oadm）技术和）技术和 以及以及(oxc)技术，这技术，这 一切都离不开一切都离不开 ：是一种光路控制器，起是一种光路控制器，起的作用的作用。 如：使用如：使用12光开关转换光路示意图光开关转换光路示意图 光端机光端机 光端机光端机12光开关光开关 12光开关光开关 1. 光开关的光开

2、关的 概概 念念 2. 光开关的光开关的 应应 用用 光开关通常用于光开关通常用于网络的故障恢复网络的故障恢复，当光纤断裂或其他传输，当光纤断裂或其他传输 故障发生时，利用光开关实现把信号从主路由切换到备用故障发生时，利用光开关实现把信号从主路由切换到备用 路由上。路由上。 这种保护通常只需要最简单的这种保护通常只需要最简单的1 2 光开关。光开关。 a. a. 保护倒换功能保护倒换功能 光端机光端机 光端机光端机12光开关光开关 12光开关光开关 网络监视功能使用简单的网络监视功能使用简单的1n光开关，可以将多纤联系光开关，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起来

3、。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。如光开关连接到网络监视仪器上。如otdr（光时域反射（光时域反射 仪）通过光开关的动作可以实现网络在线监测。仪）通过光开关的动作可以实现网络在线监测。 b. b. 网络监视功能网络监视功能 oadm是光网络关键设备之一，通常用于城域网和骨是光网络关键设备之一，通常用于城域网和骨 干网。实现干网。实现oadm 光信号上下路的具体方式很多，但光信号上下路的具体方式很多，但 大多数情况下都应用了光开关，主要是大多数情况下都应用了光开关，主要是2 2光开关来光开关来 实现对密集波分复用光网络中光信号的上下路功能。实现对密集波分复

4、用光网络中光信号的上下路功能。 c. c. 构建构建oadmoadm设备的核心设备的核心 由于光开关的使用使由于光开关的使用使oadm能能动态配置业务，动态配置业务，增强了增强了 oadm节点的灵活性节点的灵活性； 同时使得同时使得oadm节点能节点能支持保护倒换支持保护倒换，当网络出现故，当网络出现故 障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网 络的生存能力和网络的保护和恢复能力。络的生存能力和网络的保护和恢复能力。 本节点信息本节点信息 输入光纤输入光纤 1 2 3 4 dem mux 输出光纤输出光纤 1 2 3 4 1 1 2 2 3

5、3 4 4 rxtx oadm oxc主要应用于骨干网，对不同子网的业务进行汇聚和交换，主要应用于骨干网，对不同子网的业务进行汇聚和交换， 因此需要对不同端口的业务交换。因此需要对不同端口的业务交换。 d. d. 构建构建oxcoxc设备的交换核心设备的交换核心 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 光开关光开关 1 1 使使oxc具有具有动态配置交换业务动态配置交换业务和和支持保护倒换功能支持保护倒换功能。 3. 光开关的几个光开关的几个 参参 数数 a. a. 插入损耗插入损耗 开关处于开关处于接通状态接通状态的输出光功率和处于的输

6、出光功率和处于断开状态断开状态的输出的输出 光功率之比。光功率之比。 )(log10dbpp outini b. b. 消光比（通断比）消光比（通断比） )(log10erdbpp 断通 允许转换光路的次数。允许转换光路的次数。 c. c. 寿命寿命 d. d. 转换速度转换速度 e. e. 光开关矩阵的大小光开关矩阵的大小 光开关交换矩阵的大小反映了光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力光开关的交换能力。 光开关处于网络不同位置，对其交换矩阵大小要求光开关处于网络不同位置，对其交换矩阵大小要求 也不同。也不同。 4. 对光开关及光开光阵列的对光开关及光开光阵列的 要要 求求 5. 光开关

7、的光开关的 分分 类类 非机械式光开关：按不同工作原理分不同类型非机械式光开关：按不同工作原理分不同类型 机械式光开关机械式光开关 传统的机械式光开关传统的机械式光开关 moems光开关光开关 一种实用化的一种实用化的的插入损耗的插入损耗 已达到小于已达到小于1db，开关时间小于，开关时间小于1ms。 机械式光开关是目前光通信系统机械式光开关是目前光通信系统、 的光开关。的光开关。 ：利用利用带动活动的部件（如微带动活动的部件（如微 镜、光纤等）使之根据镜、光纤等）使之根据 来改变位置，实现开关功能。来改变位置，实现开关功能。 移动光纤式移动光纤式 移动套管式移动套管式 移动准直器式移动准直器

8、式 移动反光镜式移动反光镜式 移动棱镜式移动棱镜式 移动耦合器式移动耦合器式 传统机械式光开关可分为：传统机械式光开关可分为： 1. 传统的机械式光开关传统的机械式光开关 光纤光纤1 玻璃套筒玻璃套筒 方空玻璃套筒方空玻璃套筒 套管套管 光光 纤纤2 光纤光纤3 光纤光纤1 光纤光纤2 光纤光纤3 棱棱 镜镜 自聚焦透镜自聚焦透镜 c 插入损耗较低插入损耗较低2db； c 隔离度高隔离度高45db； c 不受偏振和波长的影响。不受偏振和波长的影响。 传统机械式光开关的优点：传统机械式光开关的优点： l 开关时间长，一般为毫秒量级；开关时间长，一般为毫秒量级； l 存在回跳抖动和重复性较差的问题

9、；存在回跳抖动和重复性较差的问题； l 体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。 传统机械式光开关的缺点：传统机械式光开关的缺点： c 既具有传统机械光开关的插入损耗低隔离度高等优点；既具有传统机械光开关的插入损耗低隔离度高等优点； c 同时具有体积小、易于集成等优点。同时具有体积小、易于集成等优点。 因此，因此，moems光开关成为大容量交换光网络开关发光开关成为大容量交换光网络开关发 展的主流方向。展的主流方向。 传统的机械光开关难以适应高速大容量光传送网发传统的机械光开关难以适应高速大容量光传送网发 展的需求。展的需求。 moems (micro-opto

10、-electro-mechanical system) 2. moems光开关光开关 ：是：是微机电系统微机电系统（mems）技术与）技术与传统传统 光技术光技术相结合的新型相结合的新型机械式光开关机械式光开关。 mems与与微光学微光学结合便构成了结合便构成了moems。 是基于是基于半导体微细加工技术半导体微细加工技术而成长起来的而成长起来的平面制平面制 作工艺技术作工艺技术。 利用利用mems技术可以制作技术可以制作微小而活动的机械系统。微小而活动的机械系统。 c 微型化、易于集成；微型化、易于集成； c 较高的开关速度；较高的开关速度； c 小的插入损耗；小的插入损耗； c 偏振不敏感

11、；偏振不敏感； c 与光信号的格式、波长、协议、调制方式、传输方向与光信号的格式、波长、协议、调制方式、传输方向 等均无关；等均无关； c与与ic工艺相容，可大规模生产，成本低。工艺相容，可大规模生产，成本低。 moems光开关的优点：光开关的优点： 基于微镜基于微镜moems光开关光开关 组成组成：活动微镜、驱动执行器、输入活动微镜、驱动执行器、输入/出光纤出光纤 静电驱动微反射镜式光开关示意图静电驱动微反射镜式光开关示意图 在驱动方面,目前和逐渐成为mems 光开关的主要选择。 静电驱动能力较低，而磁感应驱动还需要解 决系统的屏蔽、封装以及可靠性问题。 因此,方案目前仍是首选,而且已经 有

12、很多静电驱动的开关产品投入市场。 梳状电极和梳状电极和sda sda 具有具有精度高精度高、开关灵敏开关灵敏、驱动电驱动电 压低压低等优点等优点, , 但是但是结构比较复杂结构比较复杂。 悬臂和扭臂驱动的驱动悬臂和扭臂驱动的驱动电压高电压高于前两者，但于前两者，但结构结构 相对简单相对简单、工艺上容易实现工艺上容易实现。 梳状电极梳状电极 sda ( scratch drive actuator) 悬臂驱动悬臂驱动 扭臂驱动扭臂驱动 等。等。 静电驱动微反射镜式光开关静电驱动微反射镜式光开关 在没有电压输入时在没有电压输入时, 微反微反 射镜保持位置不动射镜保持位置不动, 从入射从入射 光纤发

13、出的光被微反射镜反光纤发出的光被微反射镜反 射射, 改变方向后进入到镜面改变方向后进入到镜面 同一侧的出射光纤中同一侧的出射光纤中, 这是这是 开关的反射状态。开关的反射状态。 在上电极和下电极之间有在上电极和下电极之间有 电压输入时电压输入时, 在静电力的作在静电力的作 用下用下, 上电极带动微反射镜上电极带动微反射镜 移开光通路移开光通路, 入射光沿直线入射光沿直线 传播进入出射光纤传播进入出射光纤, 这是开这是开 关的直通状态。关的直通状态。 ntt公司电磁驱动型光纤开关公司电磁驱动型光纤开关 所有微镜和输入所有微镜和输入/ /输出光输出光 纤位于同一平面，微镜纤位于同一平面，微镜 只有

14、只有两个位置两个位置，对应开，对应开 和关。和关。 微镜能向多个方向偏转；微镜能向多个方向偏转； 所有微镜处于相向的两个所有微镜处于相向的两个 平面上，输入光线到达平面上，输入光线到达 第一个阵列镜面上被反第一个阵列镜面上被反 射到第二个阵列的镜面射到第二个阵列的镜面 上，然后光线被反射到上，然后光线被反射到 输出端口。通过改变每输出端口。通过改变每 个微镜的不同位置来实个微镜的不同位置来实 现光路的切换。现光路的切换。 因此，镜面的位置要控制得非常精确，达到百万分之一度。因此，镜面的位置要控制得非常精确，达到百万分之一度。 一个一个nn的的3d光开关只需光开关只需2n个微镜，每个微镜至少需要

15、个微镜，每个微镜至少需要 n 个可精确控制的可动位置。个可精确控制的可动位置。 一个一个nn的的2d光开关需光开关需nn个微镜。每个微镜只有两个个微镜。每个微镜只有两个 可动位置；可动位置； l moems moems光开关的开关时间较长；光开关的开关时间较长； l 由于由于moemsmoems光开关是利用微镜的机械转动来实现开光开关是利用微镜的机械转动来实现开 关功能的关功能的, , 所以任何机械摩擦、磨损以及外部振所以任何机械摩擦、磨损以及外部振 动都可能使它的可靠性降低。动都可能使它的可靠性降低。 moems光开关的缺点：光开关的缺点： 电光式光开关电光式光开关 热光式光开关热光式光开关

16、 声光式光开关声光式光开关 液晶式光开关液晶式光开关 非机械式光开关有以下几大类：非机械式光开关有以下几大类： 它由两个它由两个3db耦合器耦合器dc1、dc2和两个臂和两个臂l1、l2组成，波导两组成，波导两 侧和中间均为表面电极。侧和中间均为表面电极。 1. 电光式光开关电光式光开关 由端口由端口输入的光，被第一输入的光，被第一 个定向耦合器按个定向耦合器按等光强比例等光强比例 分成两束，通过干涉仪两臂分成两束，通过干涉仪两臂 进行相位调制。在两光波导进行相位调制。在两光波导 臂的电极上分别加上电压臂的电极上分别加上电压v 和和v，各产生相应电场，各产生相应电场e1 和和e2。 因此，以上

17、因此，以上两波导臂所产生两波导臂所产生 的折射率变化的折射率变化为：为： d v neenn 3 21 3 )( 2 1 对于对称的对于对称的mz干涉仪，干涉仪，l1=l2l，两臂的相位差两臂的相位差： v d ln nl 0 3 0 22 令令=时所对应的电压为时所对应的电压为半波电压半波电压： l d n v 3 0 0 2 v v 1 2 3 2 sinpp 1 2 4 2 cospp 两臂的相位差又可表示为两臂的相位差又可表示为： 则则 端口端口输出的光：输出的光： 端口端口输出的光：输出的光： 当未加电压时，当未加电压时，v0， 则则30，41 加上半波电压，加上半波电压，vv，则，

18、则31，40 而直通臂和交叉臂的功率转换比为：而直通臂和交叉臂的功率转换比为： v v p p v 2 sin)( 2 1 3 3 v v p p v 2 cos)( 2 1 4 4 对于这类光开关，半波电压越小所需开关能量越小。对于这类光开关，半波电压越小所需开关能量越小。 ：非机械性、速度快，在：非机械性、速度快，在微秒微秒量级量级, ：消光比仅接近：消光比仅接近20db左右。左右。 2. 热光式光开关热光式光开关 热光效应光开关的原理热光效应光开关的原理：利用热光效应，对光场进行调：利用热光效应，对光场进行调 制，从而实现开关功能。制，从而实现开关功能。 一般可制造一般可制造小型光开关小

19、型光开关，如，如12，但通过在一块晶片上集成，但通过在一块晶片上集成 若干个若干个12 光开关也可以光开关也可以组成较大的阵列组成较大的阵列，如，如6464。 主要有两种类型的热光开关主要有两种类型的热光开关 数字光开关数字光开关 (dos) 干涉式光开关干涉式光开关。 1 2 热光开关热光开关 y型分路器硅基底上生成型分路器硅基底上生成 矩形波导，并在波导分支矩形波导，并在波导分支 表面沉积钛或者铬，以形表面沉积钛或者铬，以形 成微加热器。成微加热器。 a. a. 数字热光开关数字热光开关 对对y型的一个分支型的一个分支加热加热 时，相应的时，相应的波导折射率波导折射率就就 会发生改变，从而

20、阻止光会发生改变，从而阻止光 沿着这个分支传输，为沿着这个分支传输，为 “断断” 状态；状态； 不加热不加热时，为时，为“通通”状态。状态。 数字光开关数字光开关 数字光开关数字光开关可以用可以用硅硅或或高分子聚合物高分子聚合物制作，后者功耗小，但插制作，后者功耗小，但插 损大。损大。 数字光开关的数字光开关的：性能稳定性能稳定，只要加热到一定温度，光开，只要加热到一定温度，光开 关就能保持关就能保持“开开”或者或者“断断”的状态。的状态。 ：利用：利用m-z 干涉原理，在两个波导臂上干涉原理，在两个波导臂上 镀金属薄膜加热器，而形成相位延时器，通过控制加镀金属薄膜加热器，而形成相位延时器，通

21、过控制加 热器，实现干涉的相长或相消，达到开关目的。热器，实现干涉的相长或相消，达到开关目的。 干涉式光开关干涉式光开关结构紧凑结构紧凑，但由于，但由于对光波长敏感对光波长敏感，需要，需要 进行进行温度控制温度控制。 b. b. 干涉式热光开关干涉式热光开关 由于硅的导热率较高，这种干涉式结构开关主要是由于硅的导热率较高，这种干涉式结构开关主要是 利用利用硅材料制作硅材料制作。 目前对波导材料的研究更多的由目前对波导材料的研究更多的由硅硅转向了转向了有机聚合有机聚合 物物。聚合物的导热率较低，但热光系数高，插损一般为。聚合物的导热率较低，但热光系数高，插损一般为 34db，消光比为，消光比为2

22、0db。 热光开关的热光开关的： 开关时间较长开关时间较长，即开关速度受到限制，在毫秒量级。，即开关速度受到限制，在毫秒量级。 3. 声光式光开关声光式光开关 ：是利用声光效应制作的光开关。：是利用声光效应制作的光开关。 声光开关的声光开关的：声光：声光te/tm转换器，通过声波和光波转换器，通过声波和光波 的相互作用实现的相互作用实现te/tm的转换。的转换。 ： 声表面波在声光介质中传播，声表面波在声光介质中传播， 形成了一个运动衍射光栅，形成了一个运动衍射光栅， 当当入射光束满足布拉格衍射入射光束满足布拉格衍射 条件条件时，就会引起光的偏振时，就会引起光的偏振 方向发生变化。方向发生变化

23、。 当当有声表面波有声表面波时，输入时，输入 tetmtetm光转换为光转换为tmtetmte光，光， 为为“断断”状态；状态； 否则，为否则，为“通通”状态。状态。 ：开关速度快，可做到纳秒量级；：开关速度快，可做到纳秒量级； ：波长敏感，价格较高。：波长敏感，价格较高。 4. 液晶式光开关液晶式光开关 当当没有外部电场没有外部电场时，液晶时，液晶 分子长轴的指向大致平行分子长轴的指向大致平行 于平板表面，偏振光经过于平板表面，偏振光经过 液晶后，其液晶后，其偏振态将发生偏振态将发生 900改变；改变； 有外部电场有外部电场时，液晶分子时，液晶分子 的长轴最终平行于外场，的长轴最终平行于外场

24、， 偏振光经过液晶后，其偏振光经过液晶后，其偏偏 振态将保持不变振态将保持不变。 ：是利用液晶材料的电光效应来实现光开光的。：是利用液晶材料的电光效应来实现光开光的。 ： 液晶光开关示意图液晶光开关示意图 当没有外加电压时，偏振光当没有外加电压时，偏振光 通过液晶后偏振方向旋转通过液晶后偏振方向旋转 900，此时光透过率最大，此时光透过率最大， 对应开关的对应开关的“通通”状态状态; 当施加外场当施加外场e 时，偏振光通时，偏振光通 过液晶后偏振方向不改变，过液晶后偏振方向不改变， 此时光的透过率接近于零，此时光的透过率接近于零， 对应开关的对应开关的“断断”状态；状态； 最终实现开关状态的转

25、换最终实现开关状态的转换 液晶光开关一般由液晶光开关一般由：起偏器起偏器、液晶液晶和和检偏器检偏器。 其中，起偏器和检偏器的偏振方向相互垂直，液晶的分子方向和其中，起偏器和检偏器的偏振方向相互垂直，液晶的分子方向和 起偏器和检偏器的偏振方向的夹角均为起偏器和检偏器的偏振方向的夹角均为450。 虽然理论上液晶光开关的规模可以做得很大，实际上很难实现，虽然理论上液晶光开关的规模可以做得很大，实际上很难实现， 目前最大端口数为目前最大端口数为80，因此，因此，液晶更适用于较小的交换系统液晶更适用于较小的交换系统中。中。 5. 气泡光开关气泡光开关 安捷伦公司结合安捷伦公司结合喷墨打印喷墨打印和和硅平

26、面光波导硅平面光波导两种技术，开发出一种两种技术，开发出一种 二维光开关：二维光开关：由许多交叉的由许多交叉的硅波导硅波导和位于每个交叉点的和位于每个交叉点的刻痕刻痕组成，组成， 刻痕里填充一种折射率匹配的液体用以允许缺省条件下的无交换刻痕里填充一种折射率匹配的液体用以允许缺省条件下的无交换 传输。传输。 ： 当有入射光照入且不当有入射光照入且不 需要交换时，光直通，需要交换时，光直通， 对应对应“开开”状态；状态； 当需要交换时，一个当需要交换时，一个 热敏硅片会在液体中产热敏硅片会在液体中产 生一个小泡，小泡将把生一个小泡，小泡将把 入射波导中的光信号全入射波导中的光信号全 反射至输出波导，对应反射至输出波导，对应 “断断”状态。状态。 c 对偏振相关损耗和偏振模色散都不敏感；对偏振