光開關(guān)的原理及種類

1、精品文檔?一、前言光纖通信技術(shù)的問世和發(fā)展給通信業(yè)帶來了革命性的變革，目前世界大約85的通信業(yè)務(wù)經(jīng)光纖傳輸，長途干線網(wǎng)和本地中繼網(wǎng)也已廣泛使用光纖。同時，密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的發(fā)展和成熟為充分應(yīng)用光纖傳輸?shù)膸捄腿萘块_拓了廣闊的空間，具有高速率、大帶寬明顯優(yōu)勢的DWDM光通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為目前通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。特別是近幾年，以 IP 為主的 Internet業(yè)務(wù)呈現(xiàn)爆炸性增長，這種增長趨勢不僅改變了IP 網(wǎng)絡(luò)層與底層傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系，而且對整個網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式、節(jié)點設(shè)計、管理和控制提出了新的要求。一種智能化網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 自動交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON：automaticswitchedoptic

2、alnetworks) 成為當(dāng)今系統(tǒng)研究的熱點，它的核心節(jié)點由光交叉連接(OXC：optical crossconnect) 設(shè)備構(gòu)成，通過 OXC，可實現(xiàn)動態(tài)波長選路和對光網(wǎng)絡(luò)靈活、有效的管理。光交叉互連 (OXC)技術(shù)在日益復(fù)雜的 DWDM網(wǎng)中是關(guān)鍵技術(shù)之一，而光開關(guān)作為切換光路的功能器件，則是 OXC中的關(guān)鍵部分。光開關(guān)矩陣是 OXC的核心部分，它可實現(xiàn)動態(tài)光路徑管理、 光網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)、 波長動態(tài)分配等功能， 對解決目前復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的波長爭用，提高波長重用率，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)靈活配置均有重要的意義。光開關(guān)不僅是OXC中的核心器件，它還廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域。（ 1）光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換系統(tǒng)，實際的光纜傳

3、輸系統(tǒng)中都留有備用光纖，當(dāng)工作通道傳輸中斷或性能劣化到一定程度，光開關(guān)將主信號自動轉(zhuǎn)至備用光纖系統(tǒng)傳輸，從而使接收端能接收到正常信號而感覺不到網(wǎng)路已出了故障，其會將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連成環(huán)形以進(jìn)一步改善網(wǎng)絡(luò)的生存性。（ 2）網(wǎng)絡(luò)性能的實時監(jiān)控系統(tǒng)，在遠(yuǎn)端光纖測試點，通過 1×N 多路光開關(guān)把多根光纖接到光時域反射儀上，進(jìn)行實時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，通過計算機(jī)控制光開關(guān)倒換順序和時間，實現(xiàn)對所有光纖的檢測，并將檢測結(jié)果傳回網(wǎng)絡(luò)控制中心，一旦發(fā)現(xiàn)某一路出現(xiàn)問題，可在網(wǎng)管中心直接進(jìn)行處理。（ 3）光開關(guān)還應(yīng)用在光纖通信器件測試系統(tǒng)以及城域網(wǎng)、 接入網(wǎng)的差分復(fù)用和交換設(shè)備中。光開關(guān)的引入使未來全光網(wǎng)絡(luò)更具靈活性、

4、智能性、生存性。光開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為未來光聯(lián)網(wǎng)、光交換的關(guān)鍵技術(shù)，在通信、自動控制等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。在眾多種類的光開關(guān)中，微機(jī)械(MEMS)光開關(guān)被認(rèn)為最有可能成為光開關(guān)的主流器件。本文在概述多種光開關(guān)原理特點的基礎(chǔ)上，重點分析了幾種主要的MEMS光開關(guān)， 并闡述了各自的結(jié)構(gòu)與性能特點。二、光開關(guān)的原理及種類光開關(guān)性能參數(shù)有多種，如：快切換速度、高隔離度、小插入損耗、對偏振不敏感及可靠性，不同領(lǐng)域?qū)λ囊笠哺鞑幌嗤?。其種類有保護(hù)、切換系統(tǒng)中常用的傳統(tǒng)光機(jī)械開關(guān)，也有這幾年飛速發(fā)展的新型光開關(guān)，如：熱光開關(guān)、液晶開關(guān)、電光開關(guān)、聲光開關(guān)、微光機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)(MOEMS， micro

5、optic electro mechanical systems)、氣泡開關(guān)等。 在超高速光通信領(lǐng)域，還有馬赫 - 曾德爾 (Maeh-Zehnder) 干涉型光開關(guān)、 非線性環(huán)路鏡 (NOLM， nonlinear optical fiber loop mirror)光開關(guān)等光控開關(guān)。1歡迎下載精品文檔?1、機(jī)械光開關(guān)傳統(tǒng)機(jī)械光開關(guān)的工作原理：通過熱、靜電等動力，旋轉(zhuǎn)微反射鏡，將光直接送到或反射到輸出端。特點是開關(guān)速度比較慢、性價比好，在很多領(lǐng)域有市場前景，但體積大、不易規(guī)模集成的缺點限制了其在未來光通信領(lǐng)域的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，近幾年發(fā)展很快的是 MOEMS光開關(guān)，它是微機(jī)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)光技術(shù)

6、相結(jié)合的新型開關(guān)，特別是具有光信號的數(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。2、電光效應(yīng)開關(guān)電光效應(yīng)光開關(guān)多由光電晶體材料（如 LiNbO3 或其他半導(dǎo)體材料）波導(dǎo)材料制成，兩條波導(dǎo)通路連接成 M-Z 干涉結(jié)構(gòu)，外加電壓可改變波導(dǎo)材料的折射率，從而控制兩臂的相位差，利用干涉效應(yīng)實現(xiàn)了光的通斷。它的特點是速度快，但與偏振有關(guān)，成本較高。工作原理如圖 1 所示。圖 1 基于 Mach-Zehnder 結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開關(guān)對于 3dB 耦合器，兩光波滿足模耦合方程，令兩個光波導(dǎo)的傳播常數(shù)相等，B0=0，在 3dB 耦合器 2 的輸出端得到：|A3|2=|A0|2sin2(

7、 /2) |B32=|A0|2cos2( /2)式中： A0、B0 輸入的光波振幅； A3、B3 輸出的光波振幅； 光波相位。從上式看出， 和施加電壓有關(guān)，改變電壓，則 改變，從而使光強(qiáng)得到調(diào)諧。其開關(guān)速度取決于兩路光之間產(chǎn)生相位差的時間，即光波導(dǎo)中折射率變化時間。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)向高速率、智能化發(fā)展的階段，為解決電子交換機(jī)響應(yīng)時間慢、無法和超高速傳輸數(shù)據(jù)相匹配的矛盾，實現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更低的插入損耗，還可以利用石英光纖和半導(dǎo)體光放大器的自相位調(diào)制或交叉相位調(diào)制效應(yīng)改變折射率的方法，即光控光開關(guān)技術(shù)。3、光控開關(guān)現(xiàn)在比較成熟的型號有：基于 NOLM原理和 SOA非線性效應(yīng) ( 如 XPM： c

8、ross phase modulation) 制作的全光開關(guān)。 它們不僅用于超快開關(guān)交換， 而且還可用于全光信號再生與超快波長轉(zhuǎn)換，是目前很有前途的全光交換技術(shù)。一般，各種超快全光開關(guān)歸根結(jié)底都離不開光的非線性效應(yīng)，這里以SOA-XPM為例加以說明，實驗原理如圖2 所示。2歡迎下載精品文檔圖 2 利用 SOA-XPM實現(xiàn)光開光的實驗裝置將 SOA分別置在 M-Z 干涉儀的兩臂， 開關(guān)控制脈沖注入一臂， 脈沖的變化會引起 SOA折射率的改變，從而引起兩臂相位差 的改變，即 : =-(2 /l)(dn/dN)(e/1+(w e)21/2L×Vg×g× S×cos(w -q)其中， l 信號波長； dn/dN 折射率隨載流子密度的變化量； L SOA的腔長； e 載流子壽命； Vg群速度； g 增益系數(shù)； S載流子密度變化幅值； q 載流子密度變化和調(diào)制信號之間的相位延遲。 =0， 時，兩臂的輸出端產(chǎn)生通斷。由于 SOA的開關(guān)速度能達(dá)到皮秒量級，可用于超