第2章-光開關(guān)2要點(diǎn)課件

第二章

光開關(guān)(2)第二章

光開關(guān)(2)12.4.1

磁光開關(guān)技術(shù)磁光開關(guān)是利用法拉第旋光效應(yīng)，通過(guò)外加磁場(chǎng)的改變來(lái)改變磁光晶體對(duì)入射偏振光偏正面的作用，從而達(dá)到切換光路的效果。法拉第旋光效應(yīng)是指線偏振光在磁性介質(zhì)中傳播時(shí)，因受外磁場(chǎng)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(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)針方向旋轉(zhuǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)，它具有開關(guān)速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)；而相對(duì)于其他的非機(jī)械式光開關(guān)，它又具有驅(qū)動(dòng)電壓低、串?dāng)_小等優(yōu)勢(shì)。2.4.1磁光開關(guān)技術(shù)磁光開關(guān)是利用法拉第旋光效應(yīng)，通過(guò)外22.4.2聲光開關(guān)技術(shù)聲光開關(guān)是利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)制作的光開關(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)做成光開關(guān)2.4.2聲光開關(guān)技術(shù)聲光開關(guān)是利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)制作的光3聲光開關(guān)原理聲光開關(guān)原理4在y方向，控制電信號(hào)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(gè)運(yùn)動(dòng)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(gè)相位光柵。當(dāng)入射光束滿足布拉格衍射條件時(shí)，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(zhǎng)決定。在y方向，控制電信號(hào)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(yīng)開關(guān)熱光開關(guān)和電光開關(guān)的結(jié)構(gòu)可以是相同的，但是產(chǎn)生開關(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)。2.4.3熱光效應(yīng)開關(guān)熱光開關(guān)和電光開關(guān)的結(jié)構(gòu)可以是相6熱光光開關(guān)分類目前主要有兩種類型熱光光開關(guān)：干涉式光開關(guān)(InterferometricSwitches)數(shù)字光開關(guān)(DOS:DigitalOpticalSwitches)也叫分支器型熱光開關(guān)熱光光開關(guān)分類目前主要有兩種類型熱光光開關(guān)：7干涉式光開關(guān)主要利用馬赫－增德爾（M-Z：Mach-Zehnder）干涉原理制造，主導(dǎo)思想是利用光相位特性，光的相位與光的傳輸距離有關(guān)，輸入光被分成兩路，在兩個(gè)分開的光波導(dǎo)里面進(jìn)行傳輸，再合并。在兩個(gè)波導(dǎo)臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時(shí)器，通過(guò)控制加熱器實(shí)現(xiàn)干涉的相長(zhǎng)或相消，達(dá)到開關(guān)的目的。

干涉式光開關(guān)主要利用馬赫－增德爾（M-Z：Mach-Z8MZI型熱光開關(guān)

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(guān)包括一個(gè)MZI和兩個(gè)3dB耦合器，兩個(gè)波導(dǎo)臂具有相同的長(zhǎng)度，在MZI的干涉臂上，鍍上金屬薄膜加熱器形成相位延時(shí)器，波導(dǎo)一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個(gè)散熱器。波導(dǎo)上的熱量通過(guò)它來(lái)散發(fā)出去。MZI型熱光開關(guān)3dB定向耦合器I2I1O1(不加熱)O29

原理：

1.若薄膜加熱器處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)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(lái)自I1的兩束入射光一路經(jīng)過(guò)耦合器的兩次耦合，另一路則經(jīng)過(guò)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(hào)被大大削弱甚至關(guān)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(zhǎng)現(xiàn)象，即入射光的能量主要從O1口輸出。熱光開關(guān)為交叉連接狀態(tài)。原理：

1.若薄膜加熱器處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)MZI相移量102.如果對(duì)金屬膜通電使其發(fā)熱，將會(huì)導(dǎo)致其下面的波導(dǎo)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(guān)系隨之發(fā)生反轉(zhuǎn)，信號(hào)此消彼長(zhǎng)，整個(gè)熱光開關(guān)也由原先的交叉方式變換至平行連接狀態(tài)。

通過(guò)控制熱光移相器在0和兀兩個(gè)狀態(tài)之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，就可以實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的動(dòng)作。2.如果對(duì)金屬膜通電使其發(fā)熱，將會(huì)導(dǎo)致其下面的波導(dǎo)折射率發(fā)生11雙MZI型熱光開關(guān)雙MZI型熱光開關(guān)12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1→2'和2→1’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1→1'和2→2’出口。優(yōu)點(diǎn)：a.由于泄露光被第二個(gè)干涉儀阻止，因此消光比是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩倍；b.器件制作的容差能力加大；c.相對(duì)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)；d.這種2×2開關(guān)做成陣列，大大減少單元開關(guān)數(shù)量，例如若16×16開關(guān)陣列由普通1×2開關(guān)組成，則需要156個(gè)器件，而用這種器件只需64個(gè)。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113數(shù)字式光開關(guān)

薄膜加熱器輸入輸出1輸出2ijc原理：當(dāng)對(duì)Y型的一個(gè)分支加熱時(shí)，相應(yīng)波導(dǎo)的折射率會(huì)發(fā)生改變（減?。?，從而阻止光沿著該分支傳輸（即處于“關(guān)”的狀態(tài)）Y分支器型熱光開關(guān)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(guān)薄膜加熱器輸入輸出1輸出2ijc原理：當(dāng)對(duì)Y型14

數(shù)字光開關(guān)的原理和結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單，最基本的1x2熱光開關(guān)由在硅基底上制作的Y形分支矩形波導(dǎo)構(gòu)成。在波導(dǎo)分支表面沉積金屬鈦或鉻形成微加熱器。當(dāng)對(duì)Y形的一個(gè)分支加熱時(shí)，相應(yīng)波導(dǎo)的折射率會(huì)發(fā)生改變，從而阻止光沿該分支的傳輸。數(shù)字光開關(guān)的性能穩(wěn)定，在于只要加熱到一定溫度，光開關(guān)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(dǎo)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(guān)的原理和結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單，最基本的1x2熱光開關(guān)152.5噴墨氣泡光開關(guān)

氣泡光開關(guān)是Agilent在成熟的Si02平面光波電路(PLC)技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合噴墨打印驅(qū)動(dòng)原理開發(fā)出的一種新型光開關(guān)器件。整個(gè)開關(guān)分為上下兩層結(jié)構(gòu)：頂層由Si材料構(gòu)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(dǎo)，每束波導(dǎo)又包括若干平行的波導(dǎo)線路?？v向和橫向波導(dǎo)大致成1200角交錯(cuò)排列，在經(jīng)過(guò)每個(gè)線路交叉點(diǎn)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(duì)通過(guò)的光產(chǎn)生反射。電信號(hào)的加入在下半部引入。通過(guò)電阻加熱匹配液形成氣泡。當(dāng)有入射光照入并需要交換時(shí)，一個(gè)熱敏硅片會(huì)在液體中產(chǎn)生一個(gè)小泡，小泡將光從入射波導(dǎo)中的光信號(hào)全反射至輸出波導(dǎo)。2.5噴墨氣泡光開關(guān)氣泡光開關(guān)是Agilent在成熟16噴墨氣泡光開關(guān)交換速度為10ms，由于沒有可移動(dòng)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(guān)有兩個(gè)重要因素要考慮：如何很好地控制光開關(guān)的狀態(tài)，如光開關(guān)頻繁動(dòng)作或長(zhǎng)期維持氣泡狀態(tài)；噴墨氣泡光開關(guān)封裝后，其內(nèi)部材料和液體的生存時(shí)間問題。噴墨氣泡光開關(guān)交換速度為10ms，由于沒有可移動(dòng)部分，可靠性17氣泡光開關(guān)匹配液被加熱形成氣泡對(duì)通過(guò)的光產(chǎn)生全反射交叉點(diǎn)匹配液波導(dǎo)Agilent公司已制出32x32光開關(guān)子系統(tǒng)開關(guān)時(shí)間小于10ms,串?dāng)_做到-70dB氣泡光開關(guān)匹配液被加熱形成氣泡對(duì)通過(guò)的光產(chǎn)生全反射交叉點(diǎn)匹配182.6液晶光開關(guān)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(dòng)性，又有晶體的取向特性。當(dāng)液晶分子有序排列時(shí)表現(xiàn)出光學(xué)各向異性，光通過(guò)液晶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射等效應(yīng)。

液晶分子是含有極性基團(tuán)的極性分子，在電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)按電場(chǎng)方向取向，導(dǎo)致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場(chǎng)引起的液晶光學(xué)性質(zhì)的改變稱為液晶的電光效應(yīng)。2.6液晶光開關(guān)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(guān)通過(guò)電場(chǎng)控制液晶分子的方向?qū)崿F(xiàn)開關(guān)功能。其典型工作原理如圖

液晶光開關(guān)通過(guò)電場(chǎng)控制液晶分子的方向?qū)崿F(xiàn)開關(guān)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(dāng)沒有外加電壓時(shí)，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(shí)光透過(guò)率最大，開關(guān)為通狀態(tài)；當(dāng)施加外場(chǎng)E時(shí)，液晶分子長(zhǎng)軸最終平行于外場(chǎng)，液晶將不影響入射光的偏振特性，此時(shí)光的透過(guò)率接近于零，開關(guān)為斷狀態(tài)；當(dāng)撤掉外場(chǎng)時(shí)，由于表面作用和液晶的彈性作用，液晶分子的排列會(huì)恢復(fù)到平行于平板表面，從而最終實(shí)現(xiàn)開、關(guān)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(dāng)沒有外加電212.7

全息光開關(guān)全息光開關(guān)是利用激光的全息技術(shù)，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(zhǎng)的光開關(guān)。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(dāng)不加電壓時(shí)，晶體是透明的，此時(shí)光線直通晶體。當(dāng)有電壓時(shí)，光纖光柵的全息圖產(chǎn)生，其對(duì)特定波長(zhǎng)光反射，將光反射到輸出端。晶體的行和列對(duì)光進(jìn)行選路。行對(duì)應(yīng)于不同的光纖，列同交換的波長(zhǎng)有關(guān)。2.7全息光開關(guān)全息光開關(guān)是利用激光的全息技術(shù)，將光纖光柵222.8

液體光柵開關(guān)液體光柵開關(guān)是一種液晶和電全息開關(guān)技術(shù)的結(jié)合體。它基于電交換光柵（ESBG）技術(shù)，即把液晶微滴置于高分子層面上，然后沉積在硅波導(dǎo)上面，形成液體光柵。通過(guò)控制電壓，使布拉格光柵產(chǎn)生和消失。當(dāng)不加電壓時(shí)，布拉格光柵工作并使特定的波長(zhǎng)偏轉(zhuǎn)從波導(dǎo)上端輸出；當(dāng)加上電壓時(shí)，布拉格光柵消失，光線直通波導(dǎo)，這樣液體光柵完成選出特定波長(zhǎng)并交換的功能。液體光柵開關(guān)的交換時(shí)間大約為100μs，比熱光開關(guān)的交換速度快10倍，比氣泡光開關(guān)或MEMS光開關(guān)的交換速度快100倍。2.8液體光柵開關(guān)液體光柵開關(guān)是一種液晶和電全息開關(guān)技術(shù)的232.9半導(dǎo)體光放大器開關(guān)半導(dǎo)體光放大器開關(guān)利用半導(dǎo)體光放大器（SemiconductorOpticalAmplifier，簡(jiǎn)寫為SOA）的放大特性，實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)的交換。半導(dǎo)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(dāng)偏置電流低于振蕩閾值時(shí)，激光二極管就能對(duì)輸入相干光實(shí)現(xiàn)光放大作用。2.9半導(dǎo)體光放大器開關(guān)半導(dǎo)體光放大器開關(guān)利用半導(dǎo)體光放大24低電壓處于關(guān)斷(OFF)狀態(tài)時(shí)，SOA對(duì)入射光不透明，即光信號(hào)在SOA內(nèi)部被吸收；高電壓泵浦處于導(dǎo)通(ON)狀態(tài)時(shí)，允許入射光線穿過(guò)SOA,并同時(shí)可獲得增益。

SOA開關(guān)是一種有源器件，泵浦增益補(bǔ)