光纤通信光开关原理1

摘要(北京锦坤科技有限公司)

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。

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4×4 MEMS开关阵列

机电光开关的优点是：结构简单；插入损耗低(<2dB)；消光比高(>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）：

1．  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上等光开关器件的指标：

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

而光波传播距离L相应的相位变化为

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①-③和②-④为直通臂，①-④和②-③为交叉臂。

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ε₁(z)和ε₂(z)，相位常数是β₁和β₂，其变化规律可用以下一阶微分方程组表示^{1}：

式中△β＝β₁－ β₂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λ有关。

图5绘出两波导中光功率随z的变化规律。可见能量在两波导间周期性地转换。从z＝0到z＝L₀，波导1的光功率从*大值变为零；而波导2的光功率从零变为*大值，全部光功率由波导1耦合进入波导2。相应的长度L₀＝π/2k叫做耦合长度。一般光耦合开关取此长度

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