《光纤通信光开关原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信光开关原理（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光纤通信光开关原理 李淳飞 哈尔滨工业大学应用物理系 摘要 光开关是光纤通信中光交换系统的基本元件， 并广泛应用于光路监控系统和光纤传感系统。 本文综述了目前光纤通信中所研究和开发的光开关器件的物理原理。 并给出各类光开关的阈值条件和典型参数。本文可作为学习、研究和设计光开关的参考。 信息技术是当代工业的先导， 互联网是现代信息技术的核心。 为解决目前互联网的 “交通堵塞”问 题，必须发 展以波分复 用光纤通信 技术为基础 的“信息高 速公路” 。而 波分复用光纤通信技术是建立在光器件的基础上。 在以上形势的推动下， 近年来光纤通信器件的发展极为迅速。 光纤通信器件包括光传输器件和光交换器件两
2、大类。 波分复用光传输器件经过近几年的努力， 已日趋成熟， 已有一批可供使用的产品。 特别是波分复用器、 波分复用光源 和波分复用光放大器的巨大进步， 使光传输由 0-E-0 转 变 成 0-0-0， 使光纤 通信向全光化迈进了一大步。 但是光交换器件， 包括光交叉连接器 （OXC） 和 光分插复用器 （OADM） ， 及其基础器件光开关， 基本上还是光电混合的。 光开关已有一定的产品问世， 但还不太成熟， 有待进一步完善。本文将综合介绍以电控为主的光开关器件的基本原理。 光开关在光通信中的作用有三类： 其一是将某一光纤通道的光信号切断或开通； 其二是将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通
3、道去； 其三是在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器） 。 光开关 的特性参数主要有插入损耗、 回波损耗 、 隔离 度、 串扰、 工作波长、 消光比、 开关时间等。有些参数与其它器件的定义相同，有的则是光开关特有的。 1 微机电开关 这是靠微型电磁铁或压电器件驱动光纤或反射光的光学元件发生机械移动， 使光信号改变光纤通道的光开关。其原理如图 1 和图 2 所示 。 图 1 移动光 纤式光开关 1 图 2 移动反 射镜式光开关 以上这两种器件体积较大， 很难实现组成集成化的开关网络。 近年来正大力发展一种集成化的微机电系统 （ MEMS） 开关， 在硅片上用微加工技
4、术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。例如采用硅在绝缘层上（ SOI）的 硅片生长一层多晶硅，再镀金制成反射镜，然后通过化学刻蚀或反应离子刻蚀方法除去中间的氧化层， 保留反射镜的转动支架。 通过静电力使微镜发生转动。 图 3 是一个 MEMS 实例 ， 它采用 16 个可以转动的微型反射镜， 实现两组光纤束间的 4 4 光 互连。 图 3 用 16 个 移动反射镜光开关构成的两组 44 MEMS 开关 阵列 机电光开关 的优点是： 结构简单； 插入损耗低 (60dB)；隔离度 好（ 45dB） ； 而且不受偏振和波长的影响。缺点是：开关时间较长，一般为 1ms-0.1ms 数量级； 开关结
5、构有移动部分， 因而开关寿命有限和重复性较差， 有的还存在着回跳抖动等问题。 图 3 的 MEMS 可达到如下技术指标（见表 1） ： 表 1 MEMS 光开关的技术指标 项目 插损 dB 串扰 dB 消光比 dB 偏振灵敏度 dB 开关时间 ms 寿命 次 开关尺寸 mm 测值 0.71.3 60dB 1051010 2 电光开关 电光开关 的 原理一般 是 利用铁电 体 、化合物 半 导体、有 机 聚合物等 材 料的电光 效应（ Pockels 效 应）或电吸收效应（ Franz-Keldysh 效 应）以及硅材料的等离子体色散效应，在电场的作用下改变材料的折射率和光的相位， 再利用光的干
6、涉或者偏振等方法使光强突变或光路转变。表 2 是这两 种电光材料的优质光开关器件的指标： 2 表 2 两种电 光开关的指标 材料 插损 dB 消光比 dB 偏振灵敏度 dB 开启时间 ns InP/InGaAsP 5dB 15dB 0.5dB 0.2 有机聚合物 1dB 20dB 0.5dB 0.1 但由于半导体载流子复合时间的限制，开关时间一般要在 10ns 以上。与 机械光开关相比，其主要优点除开关速度高之外，因为没有移动部件，重复率较高，寿命较长。 电光开关一般利用 Pockels 效应， 也就是折射率 n 随光场 E 而 变化的电光效应。 折射率变化 n 与光 场的变化 E 的关系 E
7、nn 23= 。 (1) 而光波传播距离 L 相应的相位变化为 nL=02 (2) 以下介绍三种典型的波导型电光开关的原理。 （1） 定向耦合 器 电光开关 这种开 关是 在电光 材料 （如 LiNbO3、化合 物半 导体、 有机 聚合物 ）的 衬底上 制作 一 对条形波导以及一对电极构成， 如图 4 所示。 当不 加电压时， 也就是一个具有两条波导和四端口的定向耦合器。一般称-和 -为直通臂 ，-和 -为交叉臂 。 图 4 定向耦 合器型光开关 假设两波导的耦合较弱， 各自保持独立存在时的场分布和传输系数， 耦合的影响只表现在场的振幅 随耦合长度 的变化。设 两波导中的 复数振幅分 别为1(
8、z)和2(z)，相位 常数是 1和 2，其变化规律可用以下一阶微分方程组表示1： )()(2121zeikdzzdzi= ， (3) 3)()(1212zeikdzzdzi= ， (4) 式中 1 2为相位失配常数。 K12、 K21是两波导的耦合常数， 决定于波导的材料与结构，也与波长有关。 两波导完全对称，未加电压时， K12 K21 k； 1 2，0，耦合 方程简化为 ： )()(21zikdzzd= ， (5) )()(12zikdzzd= ， (6) 联立解方程（ 5）和（ 6） ，设在两波导输入端的波振幅各为1(0)和2(0)，可得： 11 2( ) (0)cos (0)sinzk
9、zikz =， (7) kzikzz sin)0(cos)0()(122 = 。 (8) 写成功率形式（ P2）则有： kzpkzpzp22211sin)0(cos)0()( += ， (9) ， (10) kzpkzpzp22212cos)0(sin)0()( +=其中 P1(0)、 P2(0)、 P1(z)、 P2(z)各为波导 1 和 2 中 始端和 z处的光功率。设光信号只从端输入， 2(0) 0，此时 z处两波导的光功率分别为： ， (11) kzpzp211cos)0()( =。 (12) kzpzp212sin)0()( =图 5 绘出两 波导中光功率随 z的变化规律。可见能量在
10、两波导间周期性地转换。从 z 0 到 z L0，波 导 1 的光功率从最大值变为零； 而波导 2 的光功率从 零变为最大值， 全部光功率由波导 1 耦合 进入波导 2。 相应的长度 L0 /2k叫做 耦合长度。一般光耦合开关取此长度。 图 5 定向耦 合器中两耦合波导光功率周期性相互转换 当加电压时，两波导相位失配，0，且 k12 k21。对式（ 3）和（ 4）求导后得到 0)()()(121212=+ zkdzzdidzzd， (13) 40)()()(222222=+ zkdzzdidzzd， (14) 其中 12 21kkk= 。 (15) 联立 (13)和 (14)，考虑 Z 0 时的
11、 1(0)和 2(0)，并设 2(0) 0 得解为 sin2cos)0()(211KzKiKzezzi=， (16) KzKkezzisin)0()(212= ， (17) 其中 222kK +=。 (18) 波导 1 和 2 在 z 处的光 功率则为 sin2)cos0()(22211KzKKzPzP+=， (19) KzKkPzP2212sin)0()(= 。 (20) 设器件长度为耦合长度 L0,并定义端的功率转换比为 KzKkPzP22123sin)0()(= ， (21) 利用（ 28） 式，则得 +=222312sin2 c 。 (2) 式中 = L0，为两 波导间的 相 位差。由
12、 （ 22）可见，在 = 0 处，3=1 最大 ；在 3= 处，3=0 最小 。 现在求功率转换比与控制电压的关系。 设两波导的电极间距皆为 d， 其 上加电压分别为V 和- V，它们 所产生的电场分别为 E1V/d 和 E2-V/d。引 起两波导折射率的差为： dVnEEnnnn 321312)(21= (23) 相应的相位差为 000300322VVVdLnnL = 。 (24) 5其中 030023LndV= 。 (25) 为完成功率从端转变到端需要 3= 所对应的电压称之为开关电压。 由（38）和 （ 40） ，3-V关系则为 +=2022312sin2)(VVcV , (26) 画出
13、3-V曲 线，如图 6。 图 6 电光 定 向耦合器 的 3曲线 电压从V从 0 变到V 0，3从 1 变到 0 ，即完成开关动作。典型的开关电压为 10V。 （ 2） M-Z 干涉仪电光开关 波导型 Mach-Zehnder干涉 仪是一种广泛应用的光开关。 它由两个 3dB耦合 器 DC1、 DC2和两个臂 L1、 L2组成，如图 7 所示 。 图 7 M-Z 干 涉仪型光开关 由端口输入的光， 被第一个定向耦合器按 的光强比例分成两束， 通 过干涉仪两臂进行相位调制。在两光波导臂的电极上分别加上电压 V和 V，各产生相应电场 E1:11和 E2。因此以上波导臂所产生的折射率变化为： dVnEEnn 3213)(21= 。 (27) 对于对称的 M-Z干涉仪， L1=L2 L，两臂的相位差为： 6VdLnnL0302 = 。 (28) 式中n=n 2-n1。令= 时所对应的电压为半波电压： LdnV300= , (29) 则（ 28）变 为 VV= 。 (30) 设从端输入的信号的电场强度为 1， 从、 端输出信号的电场强度为 3、 4，考虑 KZ 450,利用定向耦合器和光纤段的传输方程，可导出 3、 4与 1的关系为 132121 +=iiee ， (31) 142121 +=iieei ， (32) 由于端
