第2章 光开关(2)

1、第第 二二 章章 光光 开开 关关 (2)2.4.1 磁光开关技术v磁光开关是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏正面的作用，从而达到切换光路的效果。v法拉第旋光效应是指线偏振光在磁性介质中传播时，因受外磁场的作用，其偏正面发生旋转的一种物理现象。磁光物质旋转光的方向与光的传播方向无关，只由外加磁场方向决定：当迎着磁场方向观察，偏振光总是按反时针方向旋转。v相对于传统的机械式光开关，它具有开关速度快、稳定性高等优势；而相对于其他的非机械式光开关，它又具有驱动电压低、串扰小等优势。2.4.2 声光开关技术v声光开关是利用介质的声光效应制作的光开关。v声光效应是指声波

2、通过材料产生机械应变，引起材料的折射率周期性变化，形成布拉格光栅，衍射一定波长的输入光的现象。利用声致光栅使光偏转做成光开关 声光开关原理 在y方向，控制电信号经换能器后产生一定频率的声表面波， 声表面波在声光介质中传播，使介质折射率发生周期性变化，形成了一个运动的衍射光栅，在声波的作用下，晶体的折射率将沿声波的传输方向(y)呈周期性变化，在介质中形成一个相位光栅。当入射光束满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转，偏转角由声波的频率和入射光波长决定。 2.4.3热光效应开关 热光开关和电光开关的结构可以是相同的，但是产生开关效应的机理不同。这里的热光效应是指通过电流加热的方法，使介质的温度变化

3、，导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。 热光光开关分类 目前主要有两种类型热光光开关：v干涉式光开关(Interferometric Switches)v数字光开关(DOS: Digital Optical Switches )也叫分支器型热光开关 干涉式光开关主要利用马赫增德尔（M-Z：Mach-Zehnder）干涉原理制造，主导思想是利用光相位特性，光的相位与光的传输距离有关，输入光被分成两路，在两个分开的光波导里面进行传输，再合并。在两个波导臂上镀有金属薄膜加热器形成相位延时器，通过控制加热器实现干涉的相长或相消，达到开关的目的。 MZI型热光开关型热光开关 3dB定向耦

4、合器定向耦合器I2I1O1(不加热不加热)O2(加热加热)热光移相器热光移相器(薄膜加热薄膜加热)LnMZI型光开关包括一个MZI和两个3dB耦合器，两个波导臂具有相同的长度，在MZI的干涉臂上，镀上金属薄膜加热器形成相位延时器，波导一般生成在硅基底上，硅基底还可看作一个散热器。波导上的热量通过它来散发出去。 原理：原理：1. 1. 若薄膜加热器处于关闭状态若薄膜加热器处于关闭状态，此时，此时MZI相移量为相移量为0,考虑到考虑到3dB耦合器沿耦合臂输出方向与沿直通臂输出方向相比存在耦合器沿耦合臂输出方向与沿直通臂输出方向相比存在/2的相位滞后的相位滞后. .在在O2 2端，来自端，来自I1的

5、两束入射光一路经过耦合的两束入射光一路经过耦合器的两次耦合，另一路则经过耦合器的两次直通，累积相位器的两次耦合，另一路则经过耦合器的两次直通，累积相位差为差为从而满足相干相消条件，输出光信号被大大削弱甚至从而满足相干相消条件，输出光信号被大大削弱甚至关断；而在关断；而在O1端，两束光分别经历了一次直通，一次耦合，端，两束光分别经历了一次直通，一次耦合，总的相位保持同步从而发生相干相长现象，即入射光的能量总的相位保持同步从而发生相干相长现象，即入射光的能量主要从主要从O1口输出。口输出。热光开关为交叉连接状态热光开关为交叉连接状态。v2.2.如果对金属膜通电如果对金属膜通电使其发热，将会导致其下

6、面的波导使其发热，将会导致其下面的波导折射率发生变化，从而改变了折射率发生变化，从而改变了MZI干涉臂的传播光程，引干涉臂的传播光程，引入相位差。调节移相器使之形成入相位差。调节移相器使之形成兀相移兀相移，那么在，那么在O1和和O2端两束光的相位关系随之发生反转，信号此消彼长，端两束光的相位关系随之发生反转，信号此消彼长，整整个热光开关也由原先的交叉方式变换至平行连接状态个热光开关也由原先的交叉方式变换至平行连接状态。通过控制热光移相器在通过控制热光移相器在0和兀两个状态之间动态转换，就和兀两个状态之间动态转换，就可以实现光开关的动作。可以实现光开关的动作。双MZI型热光开关 v光波从1和2入

7、口，当不通电流加热时，光波通过交叉臂，分别从12和21出口；当两干涉仪同时通电流加热时，光波通过直通臂，分别改从11和22出口。v优点：a.由于泄露光被第二个干涉仪阻止，因此消光比是传统结构的两倍；b.器件制作的容差能力加大；c.相对于两个带通滤波器并联，有较大的带宽，有益于DWDM网络；d.这种22开关做成阵列，大大减少单元开关数量，例如若1616开关阵列由普通12开关组成，则需要156个器件，而用这种器件只需64个。数字式光开关数字式光开关 薄膜加热器薄膜加热器输入输入输出输出1输出输出2ijc原理原理：当对当对Y型的一个分支型的一个分支加热时加热时，相应，相应波导波导的的折射折射率率会发

8、生改变（会发生改变（减小减小），从而阻止光沿着该分支传输，从而阻止光沿着该分支传输（即处于（即处于“关关”的状态）的状态）Y分支器型热光开关一般功耗比较大分支器型热光开关一般功耗比较大(200mW左右左右)，插损约插损约3 - 4dB，消光比约消光比约20dB。 数字光开关的原理和结构都很简单，最基本的1x2热光开关由在硅基底上制作的Y形分支矩形波导构成。在波导分支表面沉积金属钛或铬形成微加热器。当对Y形的一个分支加热时，相应波导的折射率会发生改变，从而阻止光沿该分支的传输。数字光开关的性能稳定，在于只要加热到一定温度，光开关就保持同样的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而

9、热光系数高，因此需要的功耗小，但插入损耗较大，一般为 4dB 2.5 喷墨气泡光开关喷墨气泡光开关 气泡光开关是气泡光开关是Agilent在成熟的在成熟的Si02平面光波电路平面光波电路(PLC)技术基技术基础上，结合喷墨打印驱动原理开发出的一种新型光开关器件。础上，结合喷墨打印驱动原理开发出的一种新型光开关器件。整个开关分为上下两层结构：顶层由整个开关分为上下两层结构：顶层由Si材料构成，用于制作材料构成，用于制作热喷墨元件；下面是热喷墨元件；下面是Si02衬底层，采用衬底层，采用PLC工艺集成了纵、工艺集成了纵、横分布的两束波导，每束波导又包括若干平行的波导线路。横分布的两束波导，每束波导

10、又包括若干平行的波导线路。纵向和横向波导大致成纵向和横向波导大致成1200角交错排列，在经过每个线路交角交错排列，在经过每个线路交叉点的地方另外刻蚀出一系列沟槽，从两侧的填充孔向槽内叉点的地方另外刻蚀出一系列沟槽，从两侧的填充孔向槽内注入某种与注入某种与Si02材料折射率相匹配的液体材料折射率相匹配的液体。上下两部分之间。上下两部分之间抽真空密封，对通过的光产生反射。电信号的加入在下半部抽真空密封，对通过的光产生反射。电信号的加入在下半部引入。通过电阻加热匹配液形成气泡。当有入射光照入并需引入。通过电阻加热匹配液形成气泡。当有入射光照入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡，小泡将要

11、交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡，小泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导。光从入射波导中的光信号全反射至输出波导。v喷墨气泡光开关交换速度为10ms，由于没有可移动部分，可靠性较好，3232子系统损耗为4.5dB。v喷墨气泡光开关有两个重要因素要考虑：如何很好地控制光开关的状态，如光开关频繁动作或长期维持气泡状态；喷墨气泡光开关封装后，其内部材料和液体的生存时间问题。气泡光开关气泡光开关匹配液被加热形成气泡匹配液被加热形成气泡对通过的光产生全反射对通过的光产生全反射交叉点交叉点匹配液匹配液波导波导Agilent公司已制出公司已制出32x32光开关子光开关子系统开关时间小于系统开

12、关时间小于10ms,10ms,串扰做到串扰做到-70dB-70dB2.6 液晶光开关 v液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。它既有液体的流动性，又有晶体的取向特性。 v当液晶分子有序排列时表现出光学各向异性，光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。 v液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。 液晶光开关通过电场控制液晶分子的方向实现开关功能。其典型工作原理如图 v在相距一定距离的两平板之间均匀排列着向列相液晶，当没有外加电压时，向列

13、相液晶的指向大致平行于平板表面，液晶分子与互相垂直的偏振片A、P的夹角均匀45度，此时光透过率最大，开关为通状态；当施加外场E时，液晶分子长轴最终平行于外场，液晶将不影响入射光的偏振特性，此时光的透过率接近于零，开关为断状态；当撤掉外场时，由于表面作用和液晶的弹性作用，液晶分子的排列会恢复到平行于平板表面，从而最终实现开、关状态的相互转化。2.7全息光开关v全息光开关是利用激光的全息技术，将光纤光栅全息图写入KLTN（钽铌酸钾锂）晶体内部，利用光纤光栅选定波长的光开关。v电激发的光纤布拉格光栅的全息图被吸入KLTN晶体内部后，当不加电压时，晶体是透明的，此时光线直通晶体。当有电压时，光纤光栅的

14、全息图产生，其对特定波长光反射，将光反射到输出端。晶体的行和列对光进行选路。行对应于不同的光纤，列同交换的波长有关。2.8液体光栅开关v液体光栅开关是一种液晶和电全息开关技术的结合体。它基于电交换光栅（ESBG）技术，即把液晶微滴置于高分子层面上，然后沉积在硅波导上面，形成液体光栅。通过控制电压，使布拉格光栅产生和消失。当不加电压时，布拉格光栅工作并使特定的波长偏转从波导上端输出；当加上电压时，布拉格光栅消失，光线直通波导，这样液体光栅完成选出特定波长并交换的功能。液体光栅开关的交换时间大约为100s，比热光开关的交换速度快10倍，比气泡光开关或MEMS光开关的交换速度快100倍。2.9半导体

15、光放大器开关v半导体光放大器开关利用半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，简写为SOA）的放大特性，实现特定波长的交换。 v半导体光放大器（SOA）是采用通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大器，当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。 低电压处于关断低电压处于关断(OFF)状态时，状态时，SOA对入射光不透明，对入射光不透明，即光信号在即光信号在SOA内部被吸收；高电压内部被吸收；高电压泵浦泵浦处于导通处于导通 (ON)状态时，允许入射光线穿过状态时，允许入射光线穿过SOA,并同时可获得增益。并同时可获得增益。 SOA开关是一种有源器件，泵浦增益补偿了开关损耗，在实开关是一种有源器件，泵浦增益补偿了开关损耗，在实现无插损的同时可以提供大约现无插损的同时可以提供大约12dB