第2章 光开关(2)
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1、第第 二二 章章 光光 开开 关关 (2)2.4.1 磁光开关技术v磁光开关是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏正面的作用，从而达到切换光路的效果。v法拉第旋光效应是指线偏振光在磁性介质中传播时，因受外磁场的作用，其偏正面发生旋转的一种物理现象。磁光物质旋转光的方向与光的传播方向无关，只由外加磁场方向决定：当迎着磁场方向观察，偏振光总是按反时针方向旋转。v相对于传统的机械式光开关，它具有开关速度快、稳定性高等优势；而相对于其他的非机械式光开关，它又具有驱动电压低、串扰小等优势。2.4.2 声光开关技术v声光开关是利用介质的声光效应制作的光开关。v声光效应是指声波
2、通过材料产生机械应变，引起材料的折射率周期性变化，形成布拉格光栅，衍射一定波长的输入光的现象。利用声致光栅使光偏转做成光开关 声光开关原理 在y方向，控制电信号经换能器后产生一定频率的声表面波， 声表面波在声光介质中传播，使介质折射率发生周期性变化，形成了一个运动的衍射光栅，在声波的作用下，晶体的折射率将沿声波的传输方向(y)呈周期性变化，在介质中形成一个相位光栅。当入射光束满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转，偏转角由声波的频率和入射光波长决定。 2.4.3热光效应开关 热光开关和电光开关的结构可以是相同的，但是产生开关效应的机理不同。这里的热光效应是指通过电流加热的方法，使介质的温度变化
3、，导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。 热光光开关分类 目前主要有两种类型热光光开关：v干涉式光开关(Interferometric Switches)v数字光开关(DOS: Digital Optical Switches )也叫分支器型热光开关 干涉式光开关主要利用马赫增德尔（M-Z：Mach-Zehnder）干涉原理制造，主导思想是利用光相位特性，光的相位与光的传输距离有关，输入光被分成两路，在两个分开的光波导里面进行传输，再合并。在两个波导臂上镀有金属薄膜加热器形成相位延时器，通过控制加热器实现干涉的相长或相消，达到开关的目的。 MZI型热光开关型热光开关 3dB定向耦
4、合器定向耦合器I2I1O1(不加热不加热)O2(加热加热)热光移相器热光移相器(薄膜加热薄膜加热)LnMZI型光开关包括一个MZI和两个3dB耦合器，两个波导臂具有相同的长度，在MZI的干涉臂上，镀上金属薄膜加热器形成相位延时器，波导一般生成在硅基底上，硅基底还可看作一个散热器。波导上的热量通过它来散发出去。 原理：原理：1. 1. 若薄膜加热器处于关闭状态若薄膜加热器处于关闭状态，此时，此时MZI相移量为相移量为0,考虑到考虑到3dB耦合器沿耦合臂输出方向与沿直通臂输出方向相比存在耦合器沿耦合臂输出方向与沿直通臂输出方向相比存在/2的相位滞后的相位滞后. .在在O2 2端，来自端，来自I1的
5、两束入射光一路经过耦合的两束入射光一路经过耦合器的两次耦合，另一路则经过耦合器的两次直通，累积相位器的两次耦合，另一路则经过耦合器的两次直通，累积相位差为差为从而满足相干相消条件，输出光信号被大大削弱甚至从而满足相干相消条件，输出光信号被大大削弱甚至关断；而在关断；而在O1端，两束光分别经历了一次直通，一次耦合，端，两束光分别经历了一次直通，一次耦合，总的相位保持同步从而发生相干相长现象，即入射光的能量总的相位保持同步从而发生相干相长现象，即入射光的能量主要从主要从O1口输出。口输出。热光开关为交叉连接状态热光开关为交叉连接状态。v2.2.如果对金属膜通电如果对金属膜通电使其发热，将会导致其下
6、面的波导使其发热，将会导致其下面的波导折射率发生变化，从而改变了折射率发生变化，从而改变了MZI干涉臂的传播光程，引干涉臂的传播光程，引入相位差。调节移相器使之形成入相位差。调节移相器使之形成兀相移兀相移，那么在，那么在O1和和O2端两束光的相位关系随之发生反转，信号此消彼长，端两束光的相位关系随之发生反转，信号此消彼长，整整个热光开关也由原先的交叉方式变换至平行连接状态个热光开关也由原先的交叉方式变换至平行连接状态。通过控制热光移相器在通过控制热光移相器在0和兀两个状态之间动态转换，就和兀两个状态之间动态转换，就可以实现光开关的动作。可以实现光开关的动作。双MZI型热光开关 v光波从1和2入
7、口，当不通电流加热时，光波通过交叉臂，分别从12和21出口；当两干涉仪同时通电流加热时，光波通过直通臂，分别改从11和22出口。v优点：a.由于泄露光被第二个干涉仪阻止，因此消光比是传统结构的两倍；b.器件制作的容差能力加大；c.相对于两个带通滤波器并联，有较大的带宽，有益于DWDM网络；d.这种22开关做成阵列，大大减少单元开关数量，例如若1616开关阵列由普通12开关组成，则需要156个器件，而用这种器件只需64个。数字式光开关数字式光开关 薄膜加热器薄膜加热器输入输入输出输出1输出输出2ijc原理原理：当对当对Y型的一个分支型的一个分支加热时加热时，相应，相应波导波导的的折射折射率率会发
8、生改变（会发生改变（减小减小），从而阻止光沿着该分支传输，从而阻止光沿着该分支传输（即处于（即处于“关关”的状态）的状态）Y分支器型热光开关一般功耗比较大分支器型热光开关一般功耗比较大(200mW左右左右)，插损约插损约3 - 4dB，消光比约消光比约20dB。 数字光开关的原理和结构都很简单，最基本的1x2热光开关由在硅基底上制作的Y形分支矩形波导构成。在波导分支表面沉积金属钛或铬形成微加热器。当对Y形的一个分支加热时，相应波导的折射率会发生改变，从而阻止光沿该分支的传输。数字光开关的性能稳定，在于只要加热到一定温度，光开关就保持同样的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而
