光开关的原理及种类
光开关的工作原理
光开关,光开关的分类,光开关的工作原理是什么?2010年03月20日 17:30 .elecfans.co 作者：佚名用户评论（0）关键字：光开关(7)光开关,光开关的分类,光开关的工作原理是什么?光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。
机械式光开关：插入损耗低；隔离度高；不受偏振和波长影响；开关时间长(ms)，重复性较差。
其它光开关：开关时间短(ms)；体积小；插入损耗大；隔离度低。
光开关的特性参数1.插入损耗(Insertion loss)2.回波损耗（Return loss）从输入端返回的光功率与输入光功率的比值。
3.隔离度两个相隔离的输出端口光功率的比值。
4. 串扰输入光功率与从非导通端口输出的光功率的比值。
5.消光比两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。
ER＝IL－IL06.开关时间开关端口从某一初状态转为通或者断所需的时间。
从在开关上施加或撤去能量的时刻算起。
光开关的工作原理：1. 机械式光开关移动光纤式光开关移动反射镜式光开关以上两种体积大，难实现集成化的开关网络。
近年正大力发展一种集成的微机电系统(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。
用16 个移动反射镜光开关构成的两组4 4MEMS开关阵列2 电光开关电光开关的原理一般是利用材料的电光效应或电吸收效应，在电场作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或偏振等使光强突变或光路转变。
电光开关一般利用泡克耳斯(Pockels)效应，即折射率n随光场E而变化的电光效应。
折射率变化与光场的变化关系为：而光波传输距离L相应的相位变化为：定向耦合型光开关定向耦合器中两耦合波导光功率周期性相互转换定向耦合器的开关特性M-Z型干涉仪光开关波导型M-Z干涉仪是一种广泛应用的光开关。
它由两个3dB耦合器级联而成。
工作原理：在两个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和E2。
光开关的工作原理
光开关的工作原理
光开关是一种根据光的强度变化来控制电路开关状态的装置。
它利用光敏元件，如光敏二极管或光敏电阻，来感受光的强度，并将其转化为电信号。
光开关的工作原理可以描述为以下几个步骤：
1. 光源发出光线：光开关通常需要一个光源，如LED灯或激
光器，来产生光线。
这个光源可以是连续的光束或者脉冲光。
2. 光线照射到光敏元件上：光线从光源发出后，经过适当的光路，照射到光敏元件上。
光敏元件通常被安装在光开关的接收端。
3. 感光元件感应光信号：光敏元件对光的强度进行感应，并将其转化为电信号。
光敏元件的电阻或电流值将随着光线的强度变化而变化。
4. 信号处理：光敏元件输出的电信号接入到一个信号处理电路中。
这个电路可以是一个比较器、一个运算放大器、一个逻辑电路等等，用于处理光敏元件输出的电信号。
5. 控制开关状态：信号处理电路将根据光敏元件输出的电信号来控制开关的状态。
当光线强度高于一定阈值时，开关可以是打开状态，或者反之。
总之，光开关利用光敏元件感应光线的强度变化，将其转化为
电信号，并通过信号处理电路来控制开关的状态。
这种工作原理使光开关在很多领域中得到了广泛的应用，例如光电自动控制、照明系统等。
照明中常用的开关
照明中常用的开关一、按功能分类1、单控开关●原理：单控开关是最基本的开关类型，它只有一个控制点。
当开关接通时，电路闭合，灯具亮起；当开关断开时，电路断开，灯具熄灭。
例如，在一个卧室中，门口安装一个单控开关来控制吊灯的亮灭，操作简单方便。
●应用场景：适用于只需要在一个位置控制灯具亮灭的场所，如小房间、走廊尽头等。
2、双控开关●原理：双控开关有两个控制点，可以在不同的位置控制同一盏灯。
它的内部结构相对复杂一些，通过两个开关之间的特殊接线方式来实现。
例如，在楼梯间，在楼梯顶部和底部各安装一个双控开关，就可以在任意一端控制楼梯灯的亮灭。
●应用场景：常用于需要在两个不同位置控制灯光的地方，如楼梯、卧室床头和门口等。
3、多控开关（中途开关）●原理：多控开关用于在多个位置控制同一盏灯。
它通常与双控开关配合使用，当有三个或更多控制点时，除了两端使用双控开关外，中间的控制点就使用多控开关。
例如，在一个较长的走廊，有多个入口，就可以使用双控开关在两端，中间根据入口数量使用多控开关来实现多位置控制灯光。
●应用场景：适合在有多个出入口且需要对同一灯具进行控制的大型场所，如大型仓库、长走廊等。
二、按操作方式分类1、跷跷板开关●原理：跷跷板开关是一种常见的手动操作开关，其外观像跷跷板，通过按下一端使电路接通或断开。
这种开关的手感较好，操作直观。
●应用场景：广泛应用于家庭、办公室等各种室内照明场所。
2、触摸开关●原理：触摸开关利用人体的电容感应原理。
当人体触摸到开关表面时，会改变触摸点的电容值，从而触发电路的导通或断开。
例如，一些现代风格的家居装修中，使用触摸开关来控制台灯或壁灯，外观简洁时尚。
●应用场景：常用于对美观和便捷性要求较高的场所，如高档酒店客房、智能家居环境等。
3、声控开关●原理：声控开关内置有声音传感器，当周围环境的声音强度达到一定阈值时，开关会自动接通电路，使灯具点亮。
经过一段时间（可设置）后，如果没有再次检测到声音，电路会自动断开。
光开关
2
4
1.0
0.8
1
(a)俯视图
薄膜
3
L
加热W
0.6
薄膜
波导
A
B
Si衬底
波导
相 对 输 出 功 率
0.4
0.2
(b)截面图
0
0
0.5
1.0
图2 6 3 热光波导开关
2.3.磁光开关 • 把非旋光材料如玻璃放在强磁场中,当平面偏 振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时,光偏振面 将发生右旋转,如下图所示,这种效应就称做法拉第 (Faraday)效应.旋转角θ和磁场强度与材料长度的 乘积成正比例 • θ=ρHL • 式中H为磁场强度.L为材料长度,ρ是维德常数. 如果反射光再一次通过介质,则旋转角增加到2θ.磁 场由包围法拉第介质的稀土磁环产生,起偏器由双 折射材料如方解石担当,法拉第介质可由掺杂的光 纤或者具有大的维德常数的材料构成.
•光开关可分成机械式和非机械式两大类。 1 机械式光开关依靠光纤或者光学元件的移 动，使光路发生转换，有移动光纤式光开 关,移动套管式光开关和移动透镜(包括反射镜,棱 镜和自聚焦透镜)式光开关。 图(a)表示1XN移动光纤式机械光开关,它用 电磁铁驱动活动臂移动,切换到不同的固 定臂光纤.微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Michanical Systems)构成的微机电开关已成为 DWDM网中大容量光见换技术的主流.
当光在波导A中沿着z传输时，因为波导B与它靠近 光从A泄露进B，假如B中的模式具有正确的相位， 该泄露光波作为B中的传输模式沿着Z就建立起来 在两个波导间能量转移的效率取决于沿Z方向单位 长度的相位差 = A B。在控制端不加电压，转移 距离为L0时， 0，在两个通道上的光信号都会 完全耦合到另个通道上去 防止光信号从一个波导转移到另一个波导的控制电压为 3 d V0 3 2n rL0
光开关工作原理
光开关工作原理
光开关是一种基于光学效应的开关装置，它利用光的特性来控制电路的通断。
光开关通常由光源、光探测器和控制电路组成。
光开关的工作原理如下：
1. 光源发射光线：光开关的光源发射出光线，这些光线可以是可见光、红外线等。
2. 光线传输：发射的光线通过光纤或者空气等媒介传输到目标位置。
光纤是一种能够将光线高效传输的材料，在光开关中得到广泛应用。
3. 光探测：在光线到达目标位置时，光开关中的光探测器开始工作。
光探测器能够感知到光线的存在，并将其转换成电信号。
4. 控制电路：光探测器将光信号转换成电信号后，这些电信号被传送到控制电路。
控制电路根据光信号的变化来判断开关的状态，并做出相应的控制操作。
5. 控制操作：控制电路会根据光信号的强弱或者存在与否来控制开关的通断。
当光信号满足设定条件时，开关闭合，电路通断；反之，开关断开，电路断开。
通过以上工作原理，光开关实现了通过光信号来控制电路通断的功能。
它具有灵敏度高、响应速度快、无机械结构、抗干扰能力强等优点，在许多应用中得到广泛使用。
例如，光开关可
以用于光纤通信系统中的光路选择、光传感器中的信号检测等领域。
06 光开关
原理——种类1
机械式 光开关种类
移动光纤式 移动套管式 移动透镜型 移动反射镜 型 移动棱镜型 移动自聚焦透镜 型
极化旋转器型 波导型
非机械式
机械式光开关是通过光纤和光学元件的移动或旋 转，使光路断开或关闭，开关时间在毫秒量级（较 长），还会有回跳抖动和重复性差等问题。
非机械式光开关一般是通过电光效应、热光效应、液晶、 磁光效应以及声光效应等改变波导折射率使光路収生改变完 成开关功能，具有开关时间短，体积小，便于集成的优点， 但插入损耗大，隔离度低。
参数指标——消光比(Extinction Ratio)
消光比是指输入输出两个端口处于导通（开启） 和非导通（关闭）状态的插入损耗之差，它的数学 表达式为：
ERn,m ILnm IL0 nm
消光比。 消光比是指光开关处于通（开）状态时 输出的光功率和处于断（关）状态时的输出光功率之 比。 消光比越大, 光开关性能越好， 这对外调制器 尤为重要。 机械开关的消光比大约为40～50 dB。
金属薄膜 衬垫 波导芯层 底包层 衬底 衬垫
（a）未加电压时 （b）加电压时 金属薄膜光开关结构
种类——机械式：金属薄膜光开关
金属薄膜MZ型光开关结 构示意图。如果不加电压， 金属薄膜跷起，MZ干涉仪两 个臂的相移相同，此时光信 号从端口2输出；如果加电 压，金属薄膜与波导接触， 引起该臂 的相移，光信 号从端口1输出。
种类——非机械式：电光开关
电光效应光开关是基于电光效应的光开关。 如果对晶体施加适当的外电场，则晶体的双 折射性质将収生改变，从而使通过晶体的光 波产生相位延迟或偏振态的改变。
电光效应示意图
种类——非机械式：电光开关
2×2 的电光开关也可以利用耦合器实现， 但它不是通过改变光纤的长度而是通过改变耦 合区材料的折射率来实现的。常用的一种材料 是铌酸锂（LiNbO3）。 电光开关的开关速度快， ＋U 易于集成。 其结构如图所示。
光开关的原理及种类
•一、前言光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85％的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。
同时，密集波分复用(DWDM)技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。
特别是近几年，以IP为主的Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。
一种智能化网络体系结构—自动交换光网络(ASON：automatic switched optical networks)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(OXC：optical cross connect)设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效的管理。
光交叉互连(OXC)技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。
光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。
光开关不仅是OXC中的核心器件，它还广泛应用于以下领域。
（1）光网络的保护倒换系统，实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。
（2）网络性能的实时监控系统，在远端光纤测试点，通过1×N多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。
光开关的原理及种类
•一、前言光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85％的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。
同时，密集波分复用(DWDM)技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。
特别是近几年，以IP为主的Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。
一种智能化网络体系结构—自动交换光网络(ASON：automatic switched optical networks)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(OXC：optical cross connect)设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效的管理。
光交叉互连(OXC)技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。
光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。
光开关不仅是OXC中的核心器件，它还广泛应用于以下领域。
（1）光网络的保护倒换系统，实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。
（2）网络性能的实时监控系统，在远端光纤测试点，通过1×N多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、前言
光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85％的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。
同时，密集波分复用(DWDM) 技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM 光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。
特别是近几年，以IP 为主的Internet 业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP 网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。
一种智能化网络体系结构—自动交换光网络(ASON ：automatic switched optical networks) 成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(OXC ：optical cross connect) 设备构成，通过OXC ，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效的管理。
光交叉互连(OXC) 技术在日益复杂的DWDM 网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC 中的关键部分。
光开关矩阵是OXC 的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。
光开关不仅是OXC 中的核心器件，它还广泛应用于以下领域。
(1)光网络的保护倒换系统，实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。
(2)网络性能的实时监控系统，在远端光纤测试点，通过1XN多路光开关把多根
光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。
( 3)光开关还应用在光纤通信器件测试系统以及城域网、接入网的差／分复用和交
换设备中。
光开关的引入使未来全光网络更具灵活性、智能性、生存性。
光开关技术已经成为未来光联网、光交换的关键技术，在通信、自动控制等领域发挥着越来越重要的作用。
在众多种类的光开关中，微机械(MEMS) 光开关被认为最有可能成为光开关的主流器件。
本文在概述多种光开关原理特点的基础上，重点分析了几种主要的MEMS 光开关，并阐述了各自的结构与性能特点。
二、光开关的原理及种类
光开关性能参数有多种，如：快切换速度、高隔离度、小插入损耗、对偏振不敏感及可靠性，不同领域对它的要求也各不相同。
其种类有保护、切换系统中常用的传统光机械开关，也有这几年飞速发展的新型光开关，如：热光开关、液晶开关、电光开关、声光开关、微光机电系统光开关(MOEMS ，micro optic electro mechanical systems) 、
气泡开关等。
在超高速光通信领域，还有马赫-曾德尔(Maeh-Zehnder) 干涉型光开关、非线性环路镜(NOLM ，nonlinear optical fiber loop mirror) 光开关等光控开关。
1、机械光开关
传统机械光开关的工作原理：通过热、静电等动力，旋转微反射镜，将光直接送到或反射到
输出端。
特点是开关速度比较慢、性价比好，在很多领域有市场前景，但体积大、不易规模集成的
缺点限制了其在未来光通信领域的应用。
在此基础上，近几年发展很快的是MOEMS光开关，它
是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，特别是具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、
差损小、可靠性好、速度快、容易集成的优点。
2、电光效应开关
电光效应光开关多由光电晶体材料（如LiNbO3或其他半导体材料）波导材料制成,
两条波导通路连接成M-Z干涉结构，外加电压可改变波导材料的折射率，从而控制两臂的相位
差，利用干涉效应实现了光的通断。
它的特点是速度快，但与偏振有关，成本较高。
工作原理如图
1所示。
图1基于Mach-Zehnder结构的电光效应光开关
对于3dB耦合器，两光波满足模耦合方程，令两个光波导的传播常数相等，B0=0，
在3dB耦合器2的输出端得到：
|A3|2=|A0|2s in2（① /2） |B32=|A0|2cos2（①/2）
式中：A0、B0 ――输入的光波振幅；A3、B3 ――输出的光波振幅；①一一光波相
位。
从上式看出，①和施加电压有关，改变电压，则①改变，从而使光强得到调谐。
其
开关速度取决于两路光之间产生相位差的时间，即光波导中折射率变化时间。
在现代通信系统向高速率、智能化发展的阶段，为解决电子交换机响应时间慢、无法和超高
速传输数据相匹配的矛盾，实现更快的开关速度和更低的插入损耗，还可以利用石英光纤和半导体
光放大器的自相位调制或交叉相位调制效应改变折射率的方法，即光控光开关技术。
3、光控开关
现在比较成熟的型号有：基于NOLM原理和SOA非线性效应（如XPM : cross phase modulation）制作的全光开关。
它们不仅用于超快开关交换，而且还可用于全光信号再生与超快波长转换，是目前很有前途的全光交换技术。
一般，各种超快全光开关归根结底都离不开光的非线性效应，这里以SOA-XPM为例加以说明，实验原理如图2所示。
JF光捡須粧曜沖人口
H-Z「浮也
图2利用SOA-XPM实现光开光的实验装置
将SOA分别置在M-Z干涉仪的两臂，开关控制脉冲注入一臂，脉冲的变化会引起SOA折射率的改变，从而引起两臂相位差厶①的改变，即：
△①=-(2 n /l)(dn/dN)( T e/[1+(w T e)2]1/2L x vg>Sg^XCos(w T q)
其中，I――信号波长；dn/dN —折射率随载流子密度的变化量；L—SOA的腔长；T e—载流子寿命；Vg —群速度；g —增益系数；△ S —载流子密度变化幅值；q —载流子密度变化和调制信号之间的相位延迟。
△①=0, n时，两臂的输出端产生通断。
由于SOA的开关速度能达到皮秒量级，可用于超高速光纤通信系统。
除SOA之外，M-Z干涉仪的两条支路若由非线性光波导材料如GaAs /AlGaAs 组成，也可达到开关的目的。