第2章 光开关(2).
光开关
光传感系统:空分复用的光纤传感系统,节约解调系统,降 低成本。
作为开关的主要技术参数：
插入损耗：输入和输出端口间光功率的减少； 回波损耗：从输入端返回的光功率与输入光功率的比值
隔离度：两个相隔离输出端口光功率的比值
消光比：端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。 开关时间：指开关端口从某一初始转为通或断所需的时 间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。
定义：一种具有一个或多个可选择的传输端口，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。 主要功能：目前主要是光交换系统和主备倒换，即利 用光开关技术实现全光层的路由选择、波长选择、光 交叉连接以及自愈保护等功能。1，将某一光纤通道的 光信号切断或开通；2，将某波长光信号由一光纤通道 转换到另一光纤通道去；3，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） 多信道光通信系统还需要光插／分复用技术和快速的 网间信息交换技术以及光的交叉连接（ＯＸＣ）技术 都需要超高速大规律集成的光开关矩阵。
光开关的应用范围
光纤测试中的光源控制：１ＸN光开关在光纤测 试技术中主要应用于控制光源的接通和切断。 光网络的自动保护倒换 光网络监控 光纤通信器件测试光交叉连接 光插分复用器 光传感系统 光学测试
保护倒换功能：光 开关通常用于网络 的故障恢复。当光 纤断裂或其他传输 故障发生时，利用 光开关实现信号迂 回路由，从主路由 切换到备用路由上。 这种保护通常只需 要最简单的1×2光 开关。 SNCP: 子网连接保护
( 1 ) 2 1 n 1 ( 2 ) 2 11 n ( 1 ) 21 n 2 3 31 1 ) 41 ( 2 4 n 51 ( 1 ) n 2 5 61 1) ( 2 6 n
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。
光开关的原理及种类 ln
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。
光开关定义分类
1.光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。
2.光开关可使光路之间进行直接交换, 是光网络中完成全光交换的核心器件,在全光网络中, 光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能。
3.其中光交叉连接设备(OXC) 和光分插复用设备(OADM) 可以说是全光网的核心。
而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。
4.全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性。
今后光开关发展的方向：光调制光开关和波导调制光开关的技术发展较快,其开关时间具有几个ps 到10ps的开发潜力,可以满足全光通信网络实现高速光交换、光交叉连接的要求。
因此,光调制光开关和波导调制光开关是今后光开关的发展方向。
但是,光调制光开关和波导调制光开关串音大的缺点目前尚无技术突破,还处于实验室研究阶段,而且价格昂贵,近几年要达到实用化的水平并投入市场不太可能。
目前采用较为成熟的MEMS技术研制开发光开关、光开关列阵,并在此基础上组建、完善全光交换机及其交换矩阵系统等全光网络节点设备，具有非常大的现实应用价值。
目前,MEMS技术还存在一些问题:一是迫切需要用于微电子机械系统设计的先进的模拟工具和模型建立工具(大多数微电子机械设备都是用功能差的不能准确预测执行情况的分析工具来建立的,这种方式效率低下,费时费力),只有运用合适的开发工具,并配以连通高性能工作站以及本地的和远程的超级计算机网络才能从根本上改变这种局面;其次,微电子机械系统的包装面临独特的挑战,因为微电子机械装置形状差异大,并且部分装置还要求放置于特定的环境中,所以几乎每开发一套微电子机械系统就需要为其设计一个专用的包装。
容许设计者从已有的标准包中挑选出新的微电子机械设备的包装也不失为一个较好的办法。
（应用光学2005）常见的光开关：1.MEMS光开关：而MEMS光开关是基于半导体微细加工技术构筑在半导体基片上的微镜阵列, 即将电、机械和光集成为一块芯片, 能透明地传送不同速率、不同协议的业务。
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。
光开关的工作原理
光开关的工作原理光开关是一种很有用的电子元件，它能够检测光强度并作出相应的反应。
由一个受光线影响的极性晶体管（PTC）、一个定向变压器的主线圈、一个定向变压器的副线圈和一个多功能定向芯片组成。
开关的结构比较复杂，但它的工作原理其实很简单。
首先，当光线通过极性晶体管（PTC）时，晶体管的特性就会发生变化。
过极性晶体管（PTC）的电流可以由定向变压器的主线圈转换，从而产生一个相应的磁场。
另一个定向变压器的副线圈中，输出的低压信号可以被多功能定向芯片接收到，然后被转换为高压信号，从而产生一个输出信号。
当光强度达到一定强度时，PTC特性会发生变化，引起磁场变化，从而产生磁吸式调整器的作用。
吸式调整器的作用就是调节多功能定向芯片的输出信号，从而达到控制设备的目的。
光开关的原理就是这样，不管是用于日常家电控制还是工业控制系统，光开关都可以控制电力系统中的设备，满足用户的需求。
此，光开关在各种电子设备中都有着重要的作用。
光开关的主要特点就是能够检测光的强度，具有精确的控制和高灵敏度。
可以根据光线的强度，对控制设备作出快速反应，从而达到控制电子设备的效果。
时，光开关的反应速度很快，且操作简单。
开关可以实现自动控制，从而提升了设备的效率。
在实际应用中，光开关可以用于家用电器、计算机硬件和工业控制系统等设备。
例如，它可以用于自动控制空调，根据室内光线的强度调节温度；它还可以用于工厂流水线生产，根据条件变化控制设备的自动开关。
总之，光开关具有很多优点，它的工作原理很简单，但在实际使用中可以节省很多的成本，从而提高系统的可靠性和效率。
此，光开关在电子技术领域中越来越受欢迎，它可以在各种电子设备中发挥作用，为人们的生活创造更多的便利。
光 开 关
1.1 光开关的主要技术参量
光开关的主要技术参量有插入损耗、开关时间、消 光比、串扰、回波损耗、功耗、寿命（开关次数）等。
Pin1
Pout1
Pin2
Pout2
图 4.30 一个 2×2 光开关的示意图
消光比（也可称作开关比）：由于光开关的各种非理想因素，在某一光路 被光开关关断时仍有少量输入光功率从该光路传送到输出处。按照图 4.30
6.微电光机械系统（MEMS）光开关
图4.35 一个8×8的MEMS光开关矩阵示意图
由图可见，此种光开关也是一种空间光开关。其中右 端一排光纤和下方一排光纤分别为输出和输入光纤， 用微透镜将空间光束与光纤偶合。光束的交换是由自 由旋转的反射镜实现的。图中可以看到，该反射镜可 以按箭头所示方向旋转，可以立起，也可以倒下。当 反射镜倒下时，光束不受阻挡，继续直线传输；当反 射镜立起来时光束正好射在反射镜上被反射，光束向 右转弯并耦合到输出光纤中。此种光开关的开关时间 可以做到亚毫秒量级。
串扰：仍按图 4.30 的符号，设 Pin2 0 ，则串扰定义为
CT
ห้องสมุดไป่ตู้
10
log(
P Bar out 2
/ Pin1 )
(4.89)
P Bar out 2
为光开关处于“Bar”状态时，输出端口
2
的输出功率，
该功率是输入端口１串到输出端口２的功率。 插入损耗：假定光开关的各种可能光路的插入损耗都一样 （如果不一样，则需对每一个光路进行定义），则可选择某 一光路进行定义。则插入损耗定义为
L
10
log(
P Bar out1
/
Pin1 )
(4.90)
光开关介绍
光
开
关
微透镜型
微反射型MEMS光开关
微反射型MEMS光开关通过偏转微反射镜来 改变入射光束的方向，从而实现光开关的目的。
二维微反射镜MEMS光开关阵列
耦合损耗随微反射镜半径的减少而迅速增大， 因此，微反射镜的半径需要大于400um方可得到耦 合损耗小的微反射镜MEMS光开关阵列。
另外，保持微反射镜的平整度是非常重要的。
光开关介绍
内容
前言 一 光开关的概念 二 光开关的性能参数 三 光开关的分类 四 光开关的发展现状及未来趋势
前言
光无源器件是信息光电子技术，特别是光通信设备的重要组 成部分，也是光纤传感和其他光纤应用领域不可缺少的光器件， 起工作原理遵守光线理论和电磁波理论，各项技术指标、计算
公式、测试方法等与纤维光学、集成光学息息相关。
2x2光开关
光开关可用于光纤通信系统，光纤网络系统，
光线测量系统或仪器以及光纤传感系统。
光通信无源器件技术—— 光开关
10121920 伦建超 光电所
二 光开关的特性参数
2.1插入损耗
输入和输出端口之间以分贝数表示的光功率的减少
IL=-10lgPout/P0 P P 式中， 0为进入输入端光功率， out为输出端光功率
插入损耗与开关的状态有关。
2.2 回波损耗（也称为反射损耗或反射率）
从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表
示
RL=-10lgPr/Po
式中，Po为进入输入端的光功率，Pr为在输入端口接收 到的返回光功率。
回波损耗也与开关的状态有关。
经 典 实 用 光 开 关
2.3 隔离度
两个相隔输出端口以分贝数表示的光功率的比值
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原理：
1. 若薄膜加热器处于关闭状态，此时MZI相移量为0,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 π/2的相位滞后.在O2端，来自I1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 差为π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O1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 主要从O1口输出。热光开关为交叉连接状态。
2.5 喷墨气泡光开关
气泡光开关是Agilent在成熟的Si02平面光波电路(PLC)技术 基础上，结合喷墨打印驱动原理开发出的一种新型光开关器 件。整个开关分为上下两层结构：顶层由Si材料构成，用于 制作热喷墨元件；下面是Si02衬底层，采用PLC工艺集成了 纵、横分布的两束波导，每束波导又包括若干平行的波导线 路。纵向和横向波导大致成1200角交错排列，在经过每个线 路交叉点的地方另外刻蚀出一系列沟槽，从两侧的填充孔向 槽内注入某种与Si02材料折射率相匹配的液体。上下两部分 之间抽真空密封，对通过的光产生反射。电信号的加入在下 半部引入。通过电阻加热匹配液形成气泡。当有入射光照入 并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡，小 泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导。
2.如果对金属膜通电使其发热，将会导致其下面的波导 折射率发生变化，从而改变了MZI干涉臂的传播光程，引 入相位差。调节移相器使之形成兀相移，那么在O1和O2 端两束光的相位关系随之发生反转，信号此消彼长，整 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0和兀两个状态之间动态转换，就 可以实现光开关的动作。
2.4.2 声光开关技术
声光开关是利用介质的声光效应制作的光开 关。 声光效应是指声波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。
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。
双MZI型热光开关
光波从1和2入口，当不通电流加热时，光波通过交 叉臂，分别从1→2'和2→1’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1→1'和 2→2’出口。 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2×2开关做成阵列，大 大减少单元开关数量，例如若16×16开关阵列由普 通1×2开关组成，则需要156个器件，而用这种器 件只需64个。
喷墨气泡光开关交换速度为10ms，由于没有 可移动部分，可靠性较好，32×32子系统损 耗为4.5dB。
喷墨气泡光开关有两个重要因素要考虑： 如何很好地控制光开关的状态，如光开关频 繁动作或长期维持气泡状态；喷墨气泡光 开关封装后，其内部材料和液体的生存时间 问题。
MZI型热光开关
MZI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。 3dB定向耦合器
I2
O1(不加热)
Δn
I1
L
O2(加热)
热光移相器(薄膜加热)
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，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： 干涉式光开关(Interferometric Switches) 数字光开关(DOS: Digital Optical Switches ) 也叫分支器型热光开关
数字式光开关
原理：当对Y型的一个分支加热时，相应波导的折射 率会发生改变（减小），从而阻止光沿着该分支传输 （即处于“关”的状态）
薄膜加热器 i 输出1)， 插损约3 - 4dB，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热光系数高，因此 需要的功耗小，但插入损耗较大，一般为 4dB
第 二 章
光
开
关 (2)
2.4.1 磁光开关技术
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。 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。 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。