光通信器件-光開(kāi)關(guān)

1、一、光開(kāi)關(guān)的概念及作用、性能參數(shù)與分類(lèi)1.光開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)矩陣。 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能：使用簡(jiǎn)單的1×

2、;N光開(kāi)關(guān)可以將多纖聯(lián)系起來(lái)。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(kāi)關(guān)連接到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視儀器上（如OTDR），通過(guò)光開(kāi)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(guò)光纖連接，通過(guò)1×N光開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)光開(kāi)關(guān)的每個(gè)通道信號(hào)來(lái)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(kāi)關(guān)的性能參數(shù) 光開(kāi)關(guān)的特性參數(shù)主要有插入損耗、消光比、開(kāi)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

3、處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差。 開(kāi)關(guān)時(shí)間：指開(kāi)關(guān)端口從某一初始轉(zhuǎn)為通或斷所需的時(shí)間從在開(kāi)關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻起測(cè)量。3.光開(kāi)關(guān)的分類(lèi) 驅(qū)動(dòng)方式可分為：機(jī)械式光開(kāi)關(guān)、非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)。 原理可分為：機(jī)械光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)和聲光開(kāi)關(guān)。 交換介質(zhì)可分為：自由空間交換光開(kāi)關(guān)和波導(dǎo)交換光開(kāi)關(guān)。二、機(jī)械式光開(kāi)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(kāi)關(guān)。傳統(tǒng)機(jī)械光開(kāi)關(guān)的工作原理：通過(guò)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(kāi)關(guān)速度比較慢、性?xún)r(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

4、來(lái)光通信領(lǐng)域的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，近幾年發(fā)展很快的是MOEMS光開(kāi)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(kāi)關(guān)，特別是具有光信號(hào)的數(shù)據(jù)格式透明、與偏振無(wú)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(kāi)關(guān)。1.移動(dòng)光纖式光開(kāi)關(guān) 移動(dòng)光纖式光開(kāi)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(guò)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所示圖1移動(dòng)光纖式光開(kāi)關(guān)2.移動(dòng)套管式光開(kāi)關(guān) 移動(dòng)套管式光開(kāi)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

5、個(gè)或多個(gè)位置上，帶著光纖相對(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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)5.移動(dòng)棱鏡型光開(kāi)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(guò)移動(dòng)棱鏡而改變輸入輸出端口的光

6、路。6.移動(dòng)自聚焦透鏡型光開(kāi)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(kāi)關(guān) 非機(jī)械光開(kāi)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(lèi)開(kāi)關(guān)具有體積小、重量輕、與光纖適配、易于擴(kuò)展為開(kāi)關(guān)陣列。非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)包括電光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)、磁光效應(yīng)光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)、氣泡光開(kāi)關(guān)、MEMS光開(kāi)關(guān)和全光開(kāi)關(guān)。1.電光開(kāi)關(guān)電光開(kāi)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振

7、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(kāi)關(guān)器件的指標(biāo)：表1 兩種電光開(kāi)關(guān)的指標(biāo)材料插損dB消光比dB偏振靈敏度dB開(kāi)啟時(shí)間nsInP/InGaAsP5dB15dB0.5dB0.2有機(jī)聚合物1dB>20dB0.5dB0.1但由于半導(dǎo)體載流子復(fù)合時(shí)間的限制，開(kāi)關(guān)時(shí)間一般要在10ns以上。與機(jī)械光開(kāi)關(guān)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)除開(kāi)關(guān)速度高之外，因?yàn)闆](méi)有移動(dòng)部件，重復(fù)率較高，壽命較長(zhǎng)。電光開(kāi)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。(1)而光波傳播距離L相應(yīng)的相位變化為(2)以下介紹五種典型的波導(dǎo)型電光開(kāi)關(guān)的原理。（1） 定向

8、耦合器電光開(kāi)關(guān)這種開(kāi)關(guān)是在電光材料（如LiNbO3、化合物半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物）的襯底上制作一對(duì)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(chēng)-和-為直通臂，-和-為交叉臂。圖3 定向耦合器型光開(kāi)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：， (3)， (4)式中12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(chēng)，未加電壓

9、時(shí)，K12K21k；12，0，耦合方程簡(jiǎn)化為：， (5)， (6)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： ， (7) 。 (8)寫(xiě)成功率形式（P2）則有：， (9) ， (10)其中P1(0)、P2(0)、P1(z)、P2(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)只從端輸入，2(0)0，此時(shí)z處兩波導(dǎo)的光功率分別為： ， (11) 。 (12)圖4繪出兩波導(dǎo)中光功率隨z的變化規(guī)律?？梢?jiàn)能量在兩波導(dǎo)間周期性地轉(zhuǎn)換。從z0到zL0，波導(dǎo)1的光功率從最大值變?yōu)榱?；而波?dǎo)2的光功率從零變?yōu)樽畲笾?，全部光功率由波?dǎo)1耦合進(jìn)入波導(dǎo)2。相應(yīng)的長(zhǎng)度L0/2k叫

10、做耦合長(zhǎng)度。一般光耦合開(kāi)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k12k21。對(duì)式（3）和（4）求導(dǎo)后得到， (13)， (14)其中。(15)聯(lián)立(13)和(14)，考慮Z0時(shí)的1(0)和2(0)，并設(shè)2(0)0得解為，(16)， (17)其中。(18)波導(dǎo)1和2在z處的光功率則為，(19) 。(20)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 ， (21)利用（28）式，則得。(22)式中=L0，為兩波導(dǎo)間的相位差。由（22）可見(jiàn)，在=0處，3=1最大；在處，3=0最小。現(xiàn)在求功率轉(zhuǎn)換比與控制電壓的關(guān)系。設(shè)兩波導(dǎo)的電極間距皆為d，

11、其上加電壓分別為V和-V，它們所產(chǎn)生的電場(chǎng)分別為E1V/d和E2-V/d。引起兩波導(dǎo)折射率的差為： (23) 相應(yīng)的相位差為。 (24)其中。 (25)為完成功率從端轉(zhuǎn)變到端需要所對(duì)應(yīng)的電壓稱(chēng)之為開(kāi)關(guān)電壓。由（38）和（40），3-V關(guān)系則為,(26)畫(huà)出3-V曲線，如圖5。圖5 電光定向耦合器的曲線電壓從V從0變到V0，3從1變到，即完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作。典型的開(kāi)關(guān)電壓為10V。（2） M-Z干涉儀電光開(kāi)關(guān)波導(dǎo)型Mach-Zehnder干涉儀是一種廣泛應(yīng)用的光開(kāi)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6 M-Z干涉儀型光開(kāi)關(guān)由端口輸入的光，被第一個(gè)定向耦合器按的光

12、強(qiáng)比例分成兩束，通過(guò)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V，各產(chǎn)生相應(yīng)電場(chǎng)E1和E2。因此以上波導(dǎo)臂所產(chǎn)生的折射率變化為：。(27)對(duì)于對(duì)稱(chēng)的M-Z干涉儀，L1=L2L，兩臂的相位差為：。(28)式中n=n2-n1。令=時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓為半波電壓：, (29)則（28）變?yōu)椤?30)設(shè)從端輸入的信號(hào)的電場(chǎng)強(qiáng)度為1，從、端輸出信號(hào)的電場(chǎng)強(qiáng)度為3、4，考慮KZ450,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，(31)，(32)由于端輸入功率為P11·1,、端輸出功率為P33·3,、P44·4,利用三角公式，可由（31）和（32）

13、算出、輸出端的輸出功率為：，(33)，(34)而直通臂和交叉臂的功率轉(zhuǎn)換比為，(35)。(36)當(dāng)未加電壓時(shí)，V0，因此30，41；加上半波電壓，VV，則31，40，從而實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)。對(duì)于這類(lèi)光開(kāi)關(guān)，半波電壓越小所需開(kāi)關(guān)能量越小。(3)電光偏振調(diào)制波導(dǎo)電光開(kāi)關(guān)這種光開(kāi)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。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 偏振強(qiáng)度調(diào)制型光開(kāi)關(guān)各向同性的非偏振光經(jīng)過(guò)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

14、；電光系數(shù)不同，各為1、2。于是在外加電場(chǎng)的作用下，光傳輸L長(zhǎng)后，兩個(gè)偏振正交波的相位差為： 。 (37)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EV/d。定義半波電壓和初始相移分別為：； (38)和， (39)其中V0為偏置電壓, (40)則式(37)可寫(xiě)成： (41)以下求出光功率與電壓的關(guān)系。自然光經(jīng)過(guò)P后所產(chǎn)生的平面偏振光為。 (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軸的夾角分別為和，且/4，如圖8所示。圖8 光通過(guò)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(guò)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)

15、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(guò)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： , (43) 。 (44)當(dāng)o、e光達(dá)到Q時(shí)，只有平行于Q光軸的分量能通過(guò)，垂直分量則被阻擋。所以通過(guò)Q的光為， (45) 。 (46)因此，。(47)而/4，因,此時(shí)輸出最強(qiáng)，上式變?yōu)椋?(48)式中Esin/2為通過(guò)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(49)這里PiE2為輸入光功率。據(jù)式(49)和(41)，該開(kāi)關(guān)器件的功率轉(zhuǎn)變比為,(50)V曲線如圖9所示。

16、改變電壓V，使(VV0)從0至V變化，則從0至1變化。從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)閉動(dòng)作。圖9 相位調(diào)制器的特性曲線(4)半導(dǎo)體放大器電光開(kāi)關(guān) 半導(dǎo)體光放大器(SOA)門(mén)控型光開(kāi)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(shuō)，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(wú)法達(dá)到輸出端。從而來(lái)完成開(kāi)啟和關(guān)閉的功能，構(gòu)成基本門(mén)型光開(kāi)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(kāi)關(guān)具有低串?dāng)_(-40dB)、低工作電流(10mA)、寬帶寬(30nm)、高速切換（<1ns)。如圖10所示。圖10

17、 SOA門(mén)陣列構(gòu)成的光開(kāi)關(guān)(5)聚合物電光開(kāi)關(guān) 聚合物電光開(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān) 熱光開(kāi)關(guān)和電光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)可以是相同的，但是產(chǎn)生開(kāi)關(guān)效應(yīng)的機(jī)理不同。這里的熱光效應(yīng)是指通過(guò)電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變化，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： (51) 式中n0為溫度變

18、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(lèi)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聚合物熱光系數(shù)4.3×10-6/K2×10-4/K1.1×10-4/K1×10-4/Kn將引起相位變化，(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(kāi)關(guān)。(1)M-Z干涉型熱光開(kāi)關(guān)該開(kāi)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(chēng)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

19、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(wú)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(kāi)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：，(53)。(54)應(yīng)用（52）式，并設(shè)，(55)則得,(56)。 (57)可見(jiàn)， 當(dāng)T0時(shí)，30，41；而當(dāng)TT0時(shí)，31，40，從而實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)。日本NTT近年來(lái)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2×2熱光開(kāi)關(guān)，如圖12。圖12 雙M-Z干涉型熱

20、光開(kāi)關(guān)光波從1和2入口，當(dāng)不通電流加熱時(shí)，光波通過(guò)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(guò)直通臂，分別改從11和22出口。這種開(kāi)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2×2開(kāi)關(guān)做成陣列，大大減少單元開(kāi)關(guān)數(shù)量，例如16×16開(kāi)關(guān)陣列由普通1×2開(kāi)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(kāi)關(guān)的特性指標(biāo)性能插入損耗dB串音dB開(kāi)關(guān)時(shí)間ms消光比dB功耗mW數(shù)

21、值6.64625517以上介紹的干涉型熱光開(kāi)關(guān)屬于周期性干涉型開(kāi)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)。(2)Y和X數(shù)字型熱光開(kāi)關(guān)Y和X分支型熱光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖133。這類(lèi)開(kāi)關(guān)一般是通過(guò)模式重組來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。通過(guò)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(kāi)關(guān)（a）X型（開(kāi)關(guān)）和(b)Y型（）開(kāi)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(guò)；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

22、射率，即 ，(58)則光束通過(guò)支臂。（58）式中T0為室溫，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，nbns，光束1和2分別通過(guò)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(lèi)開(kāi)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(chēng)為數(shù)字光開(kāi)關(guān)。這個(gè)特點(diǎn)降低了對(duì)開(kāi)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(kāi)關(guān)功率，特別適合做熱光

23、器件。缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差和抗?jié)裥圆睢?、聲光開(kāi)關(guān)這是利用聲光效應(yīng)制作的光開(kāi)關(guān)，聲光效應(yīng)是指聲波通過(guò)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(kāi)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： (59)式中，S、K分別為聲波的振幅、角頻率、傳播常數(shù)。類(lèi)似于電光效應(yīng)，聲波引起介質(zhì)的折射率的變化為： (60)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(kāi)關(guān)原理如果平面光波與z軸成角的方向入射，通過(guò)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

24、變化為： (61)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(kāi)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。該開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)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(kāi)關(guān)這里介紹利用法拉第磁光效應(yīng)的光開(kāi)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，光在材料中傳播的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則有： (62) 式中V稱(chēng)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

25、向無(wú)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?lè)较蛐D(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(kāi)關(guān)。它的基本結(jié)構(gòu)如圖15。構(gòu)成光開(kāi)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(kāi)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(guò)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

26、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(guò)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(kāi)：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(guò)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(kāi)關(guān)在1.3um的性能見(jiàn)表3，表中插入損耗包括Gd:YIG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(kāi)關(guān)開(kāi)始運(yùn)行。電壓為±20V時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)間為30s。串音主要來(lái)自

27、Gd:YIG的質(zhì)量。表3 磁光式光開(kāi)關(guān)的特性指標(biāo)性能插入損耗dB串音dB開(kāi)關(guān)時(shí)間µs最小電壓V數(shù)值1.31.7-2530±55、液晶光開(kāi)關(guān)大部分液晶光開(kāi)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(kāi)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(guò)起偏器P先變?yōu)榫€偏光，經(jīng)過(guò)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

28、轉(zhuǎn)，因此不受檢偏器A阻擋，器件為開(kāi)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(jiàn)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(kāi)啟態(tài)。圖16 液晶光開(kāi)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)角度大于左旋波電矢量旋轉(zhuǎn)角度。此兩角與偏振面轉(zhuǎn)角的關(guān)系為 或 (63)若右旋波和左旋波的折射率用nR和nL表示，則偏轉(zhuǎn)角可表為(64)這里0為真空的波長(zhǎng)，nnRnL。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)：(65)這里沒(méi)有考慮液晶對(duì)光的吸收。這種開(kāi)關(guān)靠分子轉(zhuǎn)動(dòng)，因此開(kāi)關(guān)速度較慢（s量級(jí)）。6、

29、氣泡開(kāi)關(guān)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(kāi)發(fā)出一種二維光交叉連接系統(tǒng)，見(jiàn)圖17。他們把這種技術(shù)稱(chēng)為“光子交換平臺(tái)”。其光開(kāi)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(guò)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)；不加電時(shí)由于折射率匹配，光信號(hào)直接通過(guò)，為開(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)速度為10ms。32×32開(kāi)關(guān)模塊的插損為4.5db，消光

30、比小于-50db。由于沒(méi)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(kāi)關(guān)模塊7、MEMS光開(kāi)關(guān) MEMS光開(kāi)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(kāi)關(guān)制作技術(shù)。其基本原理通過(guò)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(kāi)關(guān)相比, MEMS 光開(kāi)關(guān)具有低串音、低插損的優(yōu)點(diǎn)成為

31、全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵光器件。 MEMS光開(kāi)關(guān)優(yōu)點(diǎn)：與現(xiàn)有的基于光波導(dǎo)技術(shù)的光開(kāi)關(guān)相比, MEMS 光開(kāi)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(kāi)關(guān)和波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn), 又克服了光機(jī)械開(kāi)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(kāi)關(guān)特性：低插入損耗; 低串?dāng)_; 與波長(zhǎng)、速率、調(diào)制方式無(wú)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(kāi)關(guān)矩陣; 適中的響應(yīng)速度(開(kāi)關(guān)時(shí)間從100ns10ms)。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(kāi)關(guān)分類(lèi)：MEMS 光開(kāi)關(guān)可以分為二維和三維光開(kāi)

32、關(guān)。二維光開(kāi)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(kāi)關(guān), 對(duì)于M×N 的光開(kāi)關(guān)矩陣, 光開(kāi)關(guān)具有M×N個(gè)微反射鏡。二維光開(kāi)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(kāi)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(kāi)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

33、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(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān), 每個(gè)輸入微鏡有N 個(gè)態(tài), 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(kāi)關(guān)的大量自動(dòng)化生產(chǎn)。該結(jié)構(gòu)開(kāi)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)

34、展, 三維MEMS 陣列可成為大型交叉連接的最佳候選者之一。 基于MEMS技術(shù)的光開(kāi)關(guān)主要有微反射鏡型光開(kāi)關(guān)、靜電驅(qū)動(dòng)型光開(kāi)關(guān)、自由空間交換型光開(kāi)關(guān)、無(wú)透鏡型光纖光開(kāi)關(guān)等,光開(kāi)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、磁致伸縮驅(qū)動(dòng),形變記憶合金驅(qū)動(dòng),光功率驅(qū)動(dòng)和熱驅(qū)動(dòng)等4.MOEMS光開(kāi)關(guān)所用材料大致分為單晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料,Au、Al等金屬材料,壓電材料及有機(jī)聚合物等其他材料.MOEMS光開(kāi)關(guān)所用工藝主要有體硅工藝、表面加工工藝和LIGA(Lithographie,Galvano-formung and Abformung,即光刻、電鑄和注

35、塑)工藝.MEMS開(kāi)關(guān)，在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動(dòng)的微型鏡片構(gòu)成的開(kāi)關(guān)陣列。例如采用硅在絕緣層上（SOI）的硅片生長(zhǎng)一層多晶硅，再鍍金制成反射鏡，然后通過(guò)化學(xué)刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕方法除去中間的氧化層，保留反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)支架。通過(guò)靜電力使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。圖18是一個(gè)MEMS實(shí)例，它采用16個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的微型反射鏡，實(shí)現(xiàn)兩組光纖束間的4×4光互連。圖18 用16個(gè)移動(dòng)反射鏡光開(kāi)關(guān)構(gòu)成的兩組4×4 MEMS開(kāi)關(guān)陣列機(jī)電光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；插入損耗低(<2dB)；消光比高(>60dB)；隔離度好（>45dB）；而且不受偏振和波長(zhǎng)的影響。缺點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為1ms-0.1ms數(shù)量級(jí)；開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)有移動(dòng)部分，因而開(kāi)關(guān)壽命有限和重復(fù)性較差，有的還存在著回跳抖動(dòng)等問(wèn)題。圖18的MEMS可達(dá)到如下技術(shù)