第2章-光開關2要點課件

第二章

光開關(2)第二章

光開關(2)12.4.1

磁光開關技術磁光開關是利用法拉第旋光效應，通過外加磁場的改變來改變磁光晶體對入射偏振光偏正面的作用，從而達到切換光路的效果。法拉第旋光效應是指線偏振光在磁性介質(zhì)中傳播時，因受外磁場的作用，其偏正面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的一種物理現(xiàn)象。磁光物質(zhì)旋轉(zhuǎn)光的方向與光的傳播方向無關，只由外加磁場方向決定：當迎著磁場方向觀察，偏振光總是按反時針方向旋轉(zhuǎn)。相對于傳統(tǒng)的機械式光開關，它具有開關速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢；而相對于其他的非機械式光開關，它又具有驅(qū)動電壓低、串擾小等優(yōu)勢。2.4.1磁光開關技術磁光開關是利用法拉第旋光效應，通過外22.4.2聲光開關技術聲光開關是利用介質(zhì)的聲光效應制作的光開關。聲光效應是指聲波通過材料產(chǎn)生機械應變，引起材料的折射率周期性變化，形成布拉格光柵，衍射一定波長的輸入光的現(xiàn)象。利用聲致光柵使光偏轉(zhuǎn)做成光開關2.4.2聲光開關技術聲光開關是利用介質(zhì)的聲光效應制作的光3聲光開關原理聲光開關原理4在y方向，控制電信號經(jīng)換能器后產(chǎn)生一定頻率的聲表面波，聲表面波在聲光介質(zhì)中傳播，使介質(zhì)折射率發(fā)生周期性變化，形成了一個運動的衍射光柵，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)中形成一個相位光柵。當入射光束滿足布拉格衍射條件時，就可引起光的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角由聲波的頻率和入射光波長決定。在y方向，控制電信號經(jīng)換能器后產(chǎn)生一定頻率的聲表面波52.4.3熱光效應開關熱光開關和電光開關的結構可以是相同的，但是產(chǎn)生開關效應的機理不同。這里的熱光效應是指通過電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變化，導致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的物理效應。2.4.3熱光效應開關熱光開關和電光開關的結構可以是相6熱光光開關分類目前主要有兩種類型熱光光開關：干涉式光開關(InterferometricSwitches)數(shù)字光開關(DOS:DigitalOpticalSwitches)也叫分支器型熱光開關熱光光開關分類目前主要有兩種類型熱光光開關：7干涉式光開關主要利用馬赫－增德爾（M-Z：Mach-Zehnder）干涉原理制造，主導思想是利用光相位特性，光的相位與光的傳輸距離有關，輸入光被分成兩路，在兩個分開的光波導里面進行傳輸，再合并。在兩個波導臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時器，通過控制加熱器實現(xiàn)干涉的相長或相消，達到開關的目的。

干涉式光開關主要利用馬赫－增德爾（M-Z：Mach-Z8MZI型熱光開關

3dB定向耦合器I2I1O1(不加熱)O2(加熱)熱光移相器(薄膜加熱)LΔnMZI型光開關包括一個MZI和兩個3dB耦合器，兩個波導臂具有相同的長度，在MZI的干涉臂上，鍍上金屬薄膜加熱器形成相位延時器，波導一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個散熱器。波導上的熱量通過它來散發(fā)出去。MZI型熱光開關3dB定向耦合器I2I1O1(不加熱)O29

原理：

1.若薄膜加熱器處于關閉狀態(tài)，此時MZI相移量為0,考慮到3dB耦合器沿耦合臂輸出方向與沿直通臂輸出方向相比存在π/2的相位滯后.在O2端，來自I1的兩束入射光一路經(jīng)過耦合器的兩次耦合，另一路則經(jīng)過耦合器的兩次直通，累積相位差為π從而滿足相干相消條件，輸出光信號被大大削弱甚至關斷；而在O1端，兩束光分別經(jīng)歷了一次直通，一次耦合，總的相位保持同步從而發(fā)生相干相長現(xiàn)象，即入射光的能量主要從O1口輸出。熱光開關為交叉連接狀態(tài)。原理：

1.若薄膜加熱器處于關閉狀態(tài)，此時MZI相移量102.如果對金屬膜通電使其發(fā)熱，將會導致其下面的波導折射率發(fā)生變化，從而改變了MZI干涉臂的傳播光程，引入相位差。調(diào)節(jié)移相器使之形成兀相移，那么在O1和O2端兩束光的相位關系隨之發(fā)生反轉(zhuǎn)，信號此消彼長，整個熱光開關也由原先的交叉方式變換至平行連接狀態(tài)。

通過控制熱光移相器在0和兀兩個狀態(tài)之間動態(tài)轉(zhuǎn)換，就可以實現(xiàn)光開關的動作。2.如果對金屬膜通電使其發(fā)熱，將會導致其下面的波導折射率發(fā)生11雙MZI型熱光開關雙MZI型熱光開關12光波從1和2入口，當不通電流加熱時，光波通過交叉臂，分別從1→2'和2→1’出口；當兩干涉儀同時通電流加熱時，光波通過直通臂，分別改從1→1'和2→2’出口。優(yōu)點：a.由于泄露光被第二個干涉儀阻止，因此消光比是傳統(tǒng)結構的兩倍；b.器件制作的容差能力加大；c.相對于兩個帶通濾波器并聯(lián)，有較大的帶寬，有益于DWDM網(wǎng)絡；d.這種2×2開關做成陣列，大大減少單元開關數(shù)量，例如若16×16開關陣列由普通1×2開關組成，則需要156個器件，而用這種器件只需64個。光波從1和2入口，當不通電流加熱時，光波通過交叉臂，分別從113數(shù)字式光開關

薄膜加熱器輸入輸出1輸出2ijc原理：當對Y型的一個分支加熱時，相應波導的折射率會發(fā)生改變（減?。瑥亩柚构庋刂摲种鬏敚刺幱凇瓣P”的狀態(tài)）Y分支器型熱光開關一般功耗比較大(200mW左右)，插損約3-4dB，消光比約20dB。數(shù)字式光開關薄膜加熱器輸入輸出1輸出2ijc原理：當對Y型14

數(shù)字光開關的原理和結構都很簡單，最基本的1x2熱光開關由在硅基底上制作的Y形分支矩形波導構成。在波導分支表面沉積金屬鈦或鉻形成微加熱器。當對Y形的一個分支加熱時，相應波導的折射率會發(fā)生改變，從而阻止光沿該分支的傳輸。數(shù)字光開關的性能穩(wěn)定，在于只要加熱到一定溫度，光開關就保持同樣的狀態(tài)。它通常用硅或高分子聚合物制備，聚合物的導熱率較低而熱光系數(shù)高，因此需要的功耗小，但插入損耗較大，一般為4dB數(shù)字光開關的原理和結構都很簡單，最基本的1x2熱光開關152.5噴墨氣泡光開關

氣泡光開關是Agilent在成熟的Si02平面光波電路(PLC)技術基礎上，結合噴墨打印驅(qū)動原理開發(fā)出的一種新型光開關器件。整個開關分為上下兩層結構：頂層由Si材料構成，用于制作熱噴墨元件；下面是Si02襯底層，采用PLC工藝集成了縱、橫分布的兩束波導，每束波導又包括若干平行的波導線路?？v向和橫向波導大致成1200角交錯排列，在經(jīng)過每個線路交叉點的地方另外刻蝕出一系列溝槽，從兩側(cè)的填充孔向槽內(nèi)注入某種與Si02材料折射率相匹配的液體。上下兩部分之間抽真空密封，對通過的光產(chǎn)生反射。電信號的加入在下半部引入。通過電阻加熱匹配液形成氣泡。當有入射光照入并需要交換時，一個熱敏硅片會在液體中產(chǎn)生一個小泡，小泡將光從入射波導中的光信號全反射至輸出波導。2.5噴墨氣泡光開關氣泡光開關是Agilent在成熟16噴墨氣泡光開關交換速度為10ms，由于沒有可移動部分，可靠性較好，32×32子系統(tǒng)損耗為4.5dB。噴墨氣泡光開關有兩個重要因素要考慮：如何很好地控制光開關的狀態(tài)，如光開關頻繁動作或長期維持氣泡狀態(tài)；噴墨氣泡光開關封裝后，其內(nèi)部材料和液體的生存時間問題。噴墨氣泡光開關交換速度為10ms，由于沒有可移動部分，可靠性17氣泡光開關匹配液被加熱形成氣泡對通過的光產(chǎn)生全反射交叉點匹配液波導Agilent公司已制出32x32光開關子系統(tǒng)開關時間小于10ms,串擾做到-70dB氣泡光開關匹配液被加熱形成氣泡對通過的光產(chǎn)生全反射交叉點匹配182.6液晶光開關液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。它既有液體的流動性，又有晶體的取向特性。當液晶分子有序排列時表現(xiàn)出光學各向異性，光通過液晶時，會產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射等效應。

液晶分子是含有極性基團的極性分子，在電場作用下，偶極子會按電場方向取向，導致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場引起的液晶光學性質(zhì)的改變稱為液晶的電光效應。2.6液晶光開關液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)19液晶光開關通過電場控制液晶分子的方向?qū)崿F(xiàn)開關功能。其典型工作原理如圖

液晶光開關通過電場控制液晶分子的方向?qū)崿F(xiàn)開關功能。其典型工作20在相距一定距離的兩平板之間均勻排列著向列相液晶，當沒有外加電壓時，向列相液晶的指向大致平行于平板表面，液晶分子與互相垂直的偏振片A、P的夾角均勻45度，此時光透過率最大，開關為通狀態(tài)；當施加外場E時，液晶分子長軸最終平行于外場，液晶將不影響入射光的偏振特性，此時光的透過率接近于零，開關為斷狀態(tài)；當撤掉外場時，由于表面作用和液晶的彈性作用，液晶分子的排列會恢復到平行于平板表面，從而最終實現(xiàn)開、關狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)化。在相距一定距離的兩平板之間均勻排列著向列相液晶，當沒有外加電212.7

全息光開關全息光開關是利用激光的全息技術，將光纖光柵全息圖寫入KLTN（鉭鈮酸鉀鋰）晶體內(nèi)部，利用光纖光柵選定波長的光開關。電激發(fā)的光纖布拉格光柵的全息圖被吸入KLTN晶體內(nèi)部后，當不加電壓時，晶體是透明的，此時光線直通晶體。當有電壓時，光纖光柵的全息圖產(chǎn)生，其對特定波長光反射，將光反射到輸出端。晶體的行和列對光進行選路。行對應于不同的光纖，列同交換的波長有關。2.7全息光開關全息光開關是利用激光的全息技術，將光纖光柵222.8

液體光柵開關液體光柵開關是一種液晶和電全息開關技術的結合體。它基于電交換光柵（ESBG）技術，即把液晶微滴置于高分子層面上，然后沉積在硅波導上面，形成液體光柵。通過控制電壓，使布拉格光柵產(chǎn)生和消失。當不加電壓時，布拉格光柵工作并使特定的波長偏轉(zhuǎn)從波導上端輸出；當加上電壓時，布拉格光柵消失，光線直通波導，這樣液體光柵完成選出特定波長并交換的功能。液體光柵開關的交換時間大約為100μs，比熱光開關的交換速度快10倍，比氣泡光開關或MEMS光開關的交換速度快100倍。2.8液體光柵開關液體光柵開關是一種液晶和電全息開關技術的232.9半導體光放大器開關半導體光放大器開關利用半導體光放大器（SemiconductorOpticalAmplifier，簡寫為SOA）的放大特性，實現(xiàn)特定波長的交換。半導體光放大器（SOA）是采用通信用激光器相類似的工藝制作而成的一種行波放大器，當偏置電流低于振蕩閾值時，激光二極管就能對輸入相干光實現(xiàn)光放大作用。2.9半導體光放大器開關半導體光放大器開關利用半導體光放大24低電壓處于關斷(OFF)狀態(tài)時，SOA對入射光不透明，即光信號在SOA內(nèi)部被吸收；高電壓泵浦處于導通(ON)狀態(tài)時，允許入射光線穿過SOA,并同時可獲得增益。

SOA開關是一種有源器件，泵浦增益補