電光開(kāi)關(guān)熱光開(kāi)關(guān)磁光開(kāi)關(guān)聲光開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)矩陣課件

電光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、磁光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)矩陣目錄：激光的產(chǎn)生標(biāo)志著光學(xué)有了與電學(xué)一樣的相干光源。自此以后光子技術(shù)與電子技術(shù)展開(kāi)了長(zhǎng)期的競(jìng)賽。電子技術(shù)在20世紀(jì)取得了輝煌的成就，計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信的普及，使人類的生活發(fā)生了徹底變化，這是因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)擅長(zhǎng)信息處理，特別是數(shù)字化信息的處理。至于光子技術(shù)，則擅長(zhǎng)信息傳輸，并具有寬帶、大容量和并行處理等優(yōu)點(diǎn)，因此近30年來(lái)光子技術(shù)有很大的發(fā)展?，F(xiàn)在信息的有線傳輸和信息存儲(chǔ)等電子技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)被光子技術(shù)占領(lǐng)。例如，光纖通信代替了電纜通信；光盤存儲(chǔ)代替了磁盤存儲(chǔ)。在傳感領(lǐng)域光子技術(shù)也逐漸變成了主角：光纖光柵傳感器代替了電子應(yīng)變傳感器。但是，在目前的光纖通信中，光信號(hào)的交換還要靠電子學(xué)方法，這限制了光通信速率的提高，因此，發(fā)展全光交換技術(shù)是十分必要的，而全光交換技術(shù)是建立在全光開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)之上的。OXC（光學(xué)交叉連接器）和OADM（光交換器件）都是由光開(kāi)關(guān)陣列構(gòu)成的(a)由12個(gè)2*2光開(kāi)關(guān)構(gòu)成的8*8光學(xué)交叉連接器；(b)由多個(gè)2*2光開(kāi)關(guān)組成的分插復(fù)用器光開(kāi)關(guān)的定義光開(kāi)關(guān)是一種光路控制器件，起著控制光路通斷和光路轉(zhuǎn)換的作用，在光通信系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用，如主、備光纖線路的切換，光纖或光纜的測(cè)量，及光交換等。光開(kāi)關(guān)分類按光參量與工作域分類

強(qiáng)度開(kāi)關(guān)、方向開(kāi)關(guān)、波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)、空域開(kāi)關(guān)、時(shí)域開(kāi)關(guān)按工作特性分類

普通光開(kāi)關(guān)、光限制開(kāi)關(guān)、光雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)按控制方法分類

電控光開(kāi)關(guān)、光控光開(kāi)關(guān)強(qiáng)度開(kāi)關(guān)是在同一輸入光功率（或光強(qiáng)）下輸出光功率（或光強(qiáng)）在“有”和“無(wú)”（或強(qiáng)和弱）間轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)，如光學(xué)雙穩(wěn)器件。許多光開(kāi)關(guān)都是3端（1*2）或4端（2*2）的器件，具有兩個(gè)輸出端口。方向開(kāi)關(guān)是在同一輸入光功率下輸出光功率在不同輸出端口間轉(zhuǎn)換的光開(kāi)關(guān)，如非線性定向耦合器。波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)是一個(gè)有確定波長(zhǎng)的光信號(hào)在兩個(gè)不同輸出端口轉(zhuǎn)換的光開(kāi)關(guān)埋在轉(zhuǎn)換中其波長(zhǎng)保持不變。按光參量分類

普通光開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)動(dòng)作之前一直處于低透射功率狀態(tài)，直到入射光強(qiáng)達(dá)到閾值，才突然開(kāi)啟到高透射功率狀態(tài)。而光光限制開(kāi)關(guān)在弱光功率下其透射光功率隨入射光功率的增大而線性地增大（透射率不變），當(dāng)入射光功率達(dá)到一個(gè)閾值時(shí)，透射光功率被限制在一個(gè)較低的光功率水平（透射率為零）。光雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)于一個(gè)入射光功率有兩個(gè)穩(wěn)定的透射光功率狀態(tài)，若要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)輸出狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，要靠另外兩個(gè)控制光來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于電子學(xué)的觸發(fā)開(kāi)關(guān)。普通光開(kāi)關(guān)抗噪聲的能力較低，如果噪聲處于Pon附近，容易產(chǎn)生開(kāi)關(guān)的誤導(dǎo)動(dòng)作，工作不穩(wěn)定；而對(duì)于光雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)，在雙穩(wěn)區(qū)以內(nèi)的工作點(diǎn)，弱噪聲幅度遠(yuǎn)小于雙穩(wěn)區(qū)的幅度，工作非常穩(wěn)定，不受噪聲影響。目前有產(chǎn)品銷售的光開(kāi)關(guān)，大部分是電控光開(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)成本較低，工作可靠，但存在著必須經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換而效率較低，開(kāi)關(guān)速度慢（毫秒量級(jí)至納秒），以及噪聲較大等問(wèn)題。集中常用的電控光開(kāi)關(guān)及其開(kāi)關(guān)時(shí)間列于表1.2.1中。電光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度比較快，熱光開(kāi)關(guān)和電控機(jī)械開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度比較慢。按控制方法分類光開(kāi)關(guān)性能參數(shù)光開(kāi)關(guān)的特性參數(shù)主要有插入損耗、隔離度、串?dāng)_、工作波長(zhǎng)、消光比、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)功率等。其中最重要的式開(kāi)關(guān)功率和開(kāi)關(guān)時(shí)間。開(kāi)關(guān)功率（switchingpower）是實(shí)現(xiàn)信號(hào)光開(kāi)關(guān)動(dòng)作所需要的最小輸入功率，對(duì)電控光開(kāi)關(guān)，是所需的外加電功率；對(duì)光控光開(kāi)關(guān)，似乎所需的控制光功率，即泵浦光功率。開(kāi)關(guān)時(shí)間（switchingtime）是指開(kāi)關(guān)的某一輸出端口處，光功率從初始態(tài)轉(zhuǎn)為開(kāi)啟狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)所需的時(shí)間；開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間應(yīng)從給開(kāi)關(guān)分別施加或撤去開(kāi)關(guān)能量的時(shí)刻起測(cè)量。一個(gè)新的光開(kāi)關(guān)的出現(xiàn)，首先要考核這兩個(gè)特性參數(shù)。而這兩個(gè)參數(shù)常常是相互矛盾的。例如，液晶和半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)功率較低，但開(kāi)關(guān)速度太慢；克爾介質(zhì)和有機(jī)材料的開(kāi)關(guān)速度較快，但所需開(kāi)關(guān)功率太高。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)光開(kāi)關(guān)有如下基本要求：1、低開(kāi)光功率（小于等于毫瓦量級(jí)），接近或低于光信號(hào)功率；2、高開(kāi)關(guān)速度（小于等于皮秒量級(jí)），超過(guò)電子開(kāi)關(guān)速度；3、光學(xué)性能好，吸收小，對(duì)工作波長(zhǎng)透射率高；尺寸?。{米至微米量級(jí)）；4、工藝簡(jiǎn)單，制作成本低。目前全光開(kāi)關(guān)很難同時(shí)達(dá)到上述要求，因?yàn)檫@些要求是相互矛盾的，所以全光開(kāi)關(guān)至今不能實(shí)際應(yīng)用。

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)系而光波傳播距離L相應(yīng)的相位變化為以下介紹三種典型的波導(dǎo)型電光開(kāi)關(guān)的原理。定向耦合器電光開(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4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①-③和②-④為直通臂，①-④和②-③為交叉臂。圖4定向耦合器型光開(kāi)關(guān)兩波導(dǎo)完全對(duì)稱，未加電壓時(shí)，β1＝

β2，△β＝0，相應(yīng)的長(zhǎng)度L0＝π/2k叫做耦合長(zhǎng)度。一般光耦合開(kāi)關(guān)取此長(zhǎng)度。圖5定向耦合器中兩耦合波導(dǎo)光功率周期性相互轉(zhuǎn)換現(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，其上加電壓分別為V和-V，它們所產(chǎn)生的電場(chǎng)分別為E1＝V/d和E2＝-V/d。引起兩波導(dǎo)折射率的差為：相應(yīng)的相位差為其中由以上各式可得τ3-V關(guān)系則為畫出τ3-V曲線，如圖6。圖6電光定向耦合器的曲線

電壓從V從0變到V0，τ3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。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7所示。由端口①輸入的光，被第一個(gè)定向耦合器按

的光強(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：對(duì)于對(duì)稱的M-Z干涉儀，L1=L2＝L，兩臂的相位差為：式中△n=n2-n1。令△φ=π時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓為半波電壓：則（28）變?yōu)楫?dāng)未加電壓時(shí)，V＝0，I3＝0，I4＝1；加上半波電壓，V＝Vπ，則I3＝1，I4＝0，從而實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)。半波電壓越小所需開(kāi)關(guān)能量越小。電光數(shù)字式光開(kāi)關(guān)以下介紹基于分叉波導(dǎo)的電光開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)原理是外電場(chǎng)引起波導(dǎo)內(nèi)的場(chǎng)分布發(fā)生變化，這類開(kāi)關(guān)器件被稱為數(shù)字式開(kāi)關(guān)器件。電光Y分支波導(dǎo)開(kāi)光的結(jié)果如圖8（a）所示。兩分叉臂間有一很小的夾角（角度θ一般小于1rad），若沒(méi)有外加電壓，入射光將等光強(qiáng)地沿兩臂輸出。若在波導(dǎo)一臂的電極上加電壓，將改變?cè)摫鄣恼凵渎剩蚨箖刹▽?dǎo)分支中的場(chǎng)分布發(fā)生變化。當(dāng)加在電極上的電壓達(dá)到某一閾值，光電場(chǎng)將被突然導(dǎo)向折射率加大的波導(dǎo)。波導(dǎo)上光波的透射率將發(fā)生突變，如圖8（b）所示，故稱這種開(kāi)關(guān)為數(shù)字式開(kāi)光。圖8電光Y分支數(shù)字光開(kāi)光（a）器件結(jié)構(gòu)：（b）數(shù)值開(kāi)關(guān)特性兩波導(dǎo)間的耦合隨著它們的間距隨坐標(biāo)z線性地加大，其間的耦合系數(shù)呈指數(shù)衰減：式中，正比于分叉角θ，z從分叉點(diǎn)算起。從耦合模理論推得輸出功率隨電壓V的變化規(guī)律為：式中a取決于θ和其他設(shè)計(jì)參數(shù)。但V增加到閾值Vth以上，功率降到接近零，Vth<10.也可以在Y分支的兩分支波導(dǎo)上加兩個(gè)電極，其上相反的加電壓，如圖9（a）所示，開(kāi)關(guān)的閾值將降低。同樣，用非對(duì)稱的X分支上加裝兩個(gè)電極，如圖9（b）所示。兩者具有與圖8（b）相同的數(shù)值開(kāi)光特性。圖9兩種數(shù)字電光開(kāi)關(guān)（a）Y分支光開(kāi)關(guān)；（b）非對(duì)稱X分支開(kāi)光電光開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是耗能低（電壓10V以下），與偏振無(wú)關(guān)，開(kāi)關(guān)速度較快（納秒量級(jí)），體積小，但工藝復(fù)雜，較難做成由多個(gè)開(kāi)關(guān)組成的列陣。1、基本原理定義：利用介質(zhì)的熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的功能，這種開(kāi)關(guān)一般稱為熱光開(kāi)關(guān)。熱光效應(yīng)：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)中傳播時(shí)介質(zhì)的折射率和光的相位發(fā)生改變的效應(yīng)。熱光材料的折射率隨溫度的變化關(guān)系可用以下關(guān)系式表示：式中，為溫度變化之前的折射率；=T-為溫度的變化量；a=為熱光系數(shù)，它與材料的種類有關(guān)。熱光開(kāi)關(guān)溫度變化引起介質(zhì)折射率變化，進(jìn)而產(chǎn)生光的相位變化：式中，L為加熱長(zhǎng)度。設(shè)則若，導(dǎo)致相位的變化為，光信號(hào)將從干涉儀的一個(gè)端口輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閺牧硪粋€(gè)端口輸出，從而實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)。幾種典型的熱光開(kāi)關(guān)（1）定向耦合器型熱光開(kāi)關(guān)圖繪出定向耦合器型熱光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)。兩條彼此靠近的平行平面波導(dǎo)做在硅襯底上，兩臂上渡有金屬薄膜加熱器，通電流可改變相位差。其基本原理與前面介紹的電光耦合器光開(kāi)關(guān)相同，對(duì)于具有標(biāo)準(zhǔn)耦合長(zhǎng)度（=）的耦合器，光從交叉態(tài)轉(zhuǎn)變到直通態(tài)所需的最小相位差為.只是位相差的改變靠電流引起的溫度改變

雖然熱光開(kāi)關(guān)的插入損耗與串?dāng)_比較小，但因?yàn)轳詈掀鏖_(kāi)關(guān)基于模干涉，它們是波長(zhǎng)和偏振相關(guān)的，因此耦合器的耦合長(zhǎng)度、兩波導(dǎo)間距，以及兩頭彎度的精確設(shè)計(jì)是必要的，精確的熱功率控制也是重要的。（2）M-Z干涉儀型熱光開(kāi)關(guān)如圖所示的是由兩個(gè)3dB耦合器構(gòu)成的對(duì)稱M-Z干涉儀型熱光開(kāi)關(guān)。兩條波導(dǎo)做在硅基底上，在其中一臂或兩臂上鍍有金屬薄膜加熱器作相移器。硅基底可看作一個(gè)散熱器。由于硅的導(dǎo)熱系數(shù)較大，加熱器的長(zhǎng)度大于100m即可。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，而在直通臂輸出端口無(wú)輸出；加熱器工作時(shí)，輸入信號(hào)將改從直通臂的端口3相長(zhǎng)干涉輸出。設(shè)信號(hào)光從1端輸入，利用式，則從3端與4端輸出的透射率分別為可見(jiàn)，當(dāng)=0時(shí)，=0，=1；而當(dāng)=時(shí)，=1，=0，從而實(shí)現(xiàn)空間光開(kāi)關(guān)。這種熱光開(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)。（3）分支型熱光開(kāi)關(guān)X和Y分支型熱光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖所示。這種開(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，從而控制光的走向。對(duì)Y結(jié)構(gòu)而言，不加熱時(shí)，主臂的有效折射率n1大于支臂的有效折射率n2，光從主臂通過(guò)；當(dāng)對(duì)支臂加熱時(shí)，增加支臂的折射率，使其有效折射率大于主臂的有效折射率，即則光束通過(guò)支臂。式中，為室溫；為光改變通路的臨界溫度；為材料的折射率溫度系數(shù)。這類光開(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)呈階躍性變化，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，可做成列陣型器件（4）相變型熱光開(kāi)關(guān)

利用點(diǎn)加熱器使液體汽化的相變光開(kāi)關(guān)，又被稱為氣泡型熱光開(kāi)關(guān)，這種光開(kāi)關(guān)的原理是：利用折射率匹配液的熱致相變，使通過(guò)光波導(dǎo)的光束發(fā)生從透射態(tài)到全反射態(tài)的突變。該器件將噴墨打印技術(shù)和硅平面光波導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一種二維光交叉連接系統(tǒng)，如圖所示。下部是以硅為襯底的SiO2條形波導(dǎo)，下部蓋有硅片，上下之間抽真空密封。透明的小溝槽內(nèi)充滿折射率匹配液，每一條溝槽與波導(dǎo)的交點(diǎn)處都設(shè)有微型電阻加熱器，如圖所示。當(dāng)加電流時(shí)，折射率匹配液被加熱成氣泡，引起折射率變化從1.46到1，光從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播發(fā)生全發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)態(tài)；不加電流時(shí)，由于折射率匹配，光信號(hào)直接通過(guò)界面，稱為開(kāi)態(tài)。氣泡從產(chǎn)生到消失是時(shí)間約2ms，最大開(kāi)關(guān)速度為10ms。Ailment公司的3232開(kāi)關(guān)模塊的插入損耗為4.5dB，消光比小于-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，這種開(kāi)關(guān)器件的缺點(diǎn)是相應(yīng)時(shí)間較慢，液體的流動(dòng)裝置體積較大。磁光開(kāi)關(guān)磁光開(kāi)關(guān)是利用法拉第磁光效應(yīng)的光開(kāi)關(guān)。所謂磁光效應(yīng)是指線偏振光在磁性介質(zhì)中傳播時(shí)，受外磁場(chǎng)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于光傳播方向的外磁場(chǎng)時(shí)，若磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，光的傳播的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則偏振光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度為式中V稱為菲爾德常數(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)。磁光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是：沒(méi)有移動(dòng)部分，低功率消耗，穩(wěn)定可靠，開(kāi)關(guān)速度比較快（幾十微秒），工藝較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是不便集成化。基本結(jié)構(gòu)如圖所示。構(gòu)成此光開(kāi)關(guān)的部件有：一塊石英的偏振旋轉(zhuǎn)器，即1/4波片，其作用是使光的偏振方向固定旋轉(zhuǎn)+450；用Gd:YIG厚膜構(gòu)成的法拉第偏振旋轉(zhuǎn)器，通以方向不同的電流時(shí)，可使偏振光旋轉(zhuǎn)