光开关详解
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。
光纤通信系统 5.2光开关
双光束干涉法
Ll0/(2sinq) l0
q
l0
L
缺陷是对光源的相干性要求较高，对制 造环境要求极严，重复性差
相位掩膜法
产生的光纤光栅周期为掩膜光栅周
期的一半，与入射光无关，因此对 光源的相干性要求不高，并且稳定、 易于准直，重复性好，可以简化光 纤光栅的制作系统。 缺点是掩膜制作复杂，每种掩膜通 常只能制造一种光栅。
S
2
K K ( b / 2 )
2
*
2
Rmax tanh ( K L ) tanh ( nL / l B )
典型的光纤光栅的反射谱
1
反 射 率 0
lB
波长（mm）
反射谱线的主峰两侧有一系列的边带，这 些边带会在传输中产生串扰，影响传输质 量。 为了抑制边带谱线，采用一种称之为变迹 的方法，即对折射率进行幅度调制，使耦 合系数随光栅长度变化。常用的变迹函数 有Gauss函数、Hamming函数和 Blackman函数等。通过改变其耦合系数 达到改变反射谱的目的。
均匀性: 表示耦合器输出各端口的功率与功率平 均值最大偏差。偏差越小，则光功率分 配越均匀。
P 10 log
Pout max Pout min
方向性:(隔离度) 表示在输入端主光纤传输方向与任一根 非主光纤非传输方向上的功率比。
S 10 log
Pib Pin
其中，Pin为输入端第i根光纤的输入光功 率，Pib为输入端除第i根光纤之外任何一 根光纤的后向传输光功率。
相移光栅
指两相邻区之间的光栅相位的变化是不 连续的，即折射率分布不连续。 可在反射谱阻带中打开线宽极窄的一个 或多个透射窗口,使得光栅对某一波长或 多个波长有更高得选择度窗口位置、通 过率及线宽可以随相移点、相移量而变 化。
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
• 半导体光放大器开关：它利用半导体材料 的离子效应使得复合材料的折射率发生变 化，导致光传播方向的变化，实现光开关 的功能。
市场
• 光开关在通信领域的应用非常广泛,具有非 常好的市场前景,对光开关及开关阵列技术 的掌握程度可以作为衡量一个公司今后在 光通信领域里发展潜力的重要指标
光开关综述
一.光开关概述 二.光开关的类型 三.光开关的应用 四．总结
一.光开关概述
• 光开关是一种具有一个或多个传输端口， 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。
• 光开关可以实现光束在时间、空间、波长 上的切换，在光网络中有许多应用场合， 是光通信、光计算机、光信息处理等光信 息系统的关键器件之一。
数字型光开关：当加热器温度加热到一定
温度，开关将保持固定状态，最简单的设 备1×2光开关，成为Y型分支热光开关，如 图四所示。当对Y型的一个臂加热时，它改 变折射率，阻断了光通过此臂。
干涉仪型光开关：干涉型光开关具有结构紧凑
的优点。干涉仪型光开关主要指M-Z干涉仪型。 它包括一个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。
四．总结
• 随着光传送网向超高速、超大容量的方向 发展，网络的生存能力，保护倒换和恢复 问题成为网络的关键问题，而光开关在光 层的保护倒换对业务的保护和恢复起了更 为重要的作用。同时，随着业务需求的急 剧增长，骨干网业务交换容量也急剧增长， 光开关的交换矩阵的大小也要不断提高。 光开关的发展趋势总体说来是向着高可靠、 低损耗、小功耗、小体积以及大规模方向 发展。
• MEMS光开关的驱动方式有静电驱动、电致 伸缩、磁致伸缩、光功率驱动、热驱动等, 切换功能的实现有光路遮挡、光纤移动对
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
单模光纤光开关
单模光纤光开关单模光纤光开关是一种能够控制光信号传输路径的设备，它在光通信、光传感、光计算等领域具有重要应用价值。
本文将从单模光纤光开关的原理、结构、工作方式及应用等方面进行阐述。
一、单模光纤光开关的原理单模光纤光开关是利用光的折射原理来实现对光信号的控制。
它通常由光纤、电极和控制电路等组成。
通过对电极施加电压，使电场强度发生变化，从而改变光纤中的折射率，进而控制光信号的传输路径。
单模光纤光开关一般采用微机电系统（MEMS）技术制造，具有小尺寸、低功耗和高可靠性等优点。
其结构主要包括输入光纤、输出光纤和光开关芯片。
光开关芯片上有若干个微小的电极，通过对这些电极施加电压来控制光信号的传输路径。
三、单模光纤光开关的工作方式在工作时，单模光纤光开关的输入光纤将光信号输入到光开关芯片上，然后通过控制电路控制电极施加电压，从而改变光信号的传输路径。
当电场强度改变时，光纤中的折射率也会发生变化，从而使光信号沿不同的路径传输。
最后，输出光纤将光信号输出到指定的位置。
四、单模光纤光开关的应用1. 光通信：单模光纤光开关可以用于光纤通信系统中的光交换、光保护和光监测等功能，提高光通信系统的可靠性和灵活性。
2. 光传感：单模光纤光开关在光纤传感系统中可以实现对光信号的精确控制，用于光纤传感器的信号采集和处理。
3. 光计算：单模光纤光开关可以用于光计算系统中的光逻辑运算和光路选择等功能，实现大规模并行计算和高速数据处理。
4. 光学成像：单模光纤光开关在光学成像系统中可以用于光路切换和光信号调制，提高成像质量和图像处理速度。
单模光纤光开关是一种具有广泛应用前景的光学设备，它可以实现对光信号传输路径的精确控制，为光通信、光传感、光计算和光学成像等领域的发展提供了重要支持。
随着技术的不断进步和应用需求的增加，相信单模光纤光开关将在未来发展中发挥更加重要的作用。
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• MEMS
4.1.2
MEMS技术
微机电系统技术是基于半导体微细加工技 术而成长起来的平面制作工艺技术； 利用这种技术可以制作微小而活动的机械 系统。
MEMS与微光学结合便构成了MOEMS。
4.1.3 MOEMS优点
微型化； 高的交换速度； 小的插入损耗； 提供光功能器件和波导或光纤所需的亚微 米级定位精度； 与IC工艺相容，可大规模生产，成本低。
非机械式光开关又分为： 体光学器件组成的光开关 以波导为基础的光开关
2.光开关的类型2
从目前看，可以把所有光开关归为以下几 大类：
– 机械式光开关； – 液晶式光开关； – 电光式光开关； – 热光式光开关； – 声光式光开关。 我们重点讲述第一种
3对光开关及光开关阵列的要求：
小的串音；
大的消光比； 低的插入损耗；
最具成效的光开关
“微光机电系统光开关”
“金属膜与无源波导相结合的光开关”
4.1.1 微光机电系统光开关
Micro-Opto-Electro-Mechanical System ————MOEMS 微光机电系统光开关——是微机电系统 （MEMS）技术与传统光技术相结合的新 型机械式光开关。
什么是MEMS？
4.1.4 MOEMS分类
根据被驱动的部件不同，MOEMS可分两类
基于传统的机械式光开关 移动其他部件的光开关
对二者进行比较
4.1.5 基于传统的机械式光开关
移动光纤式：
套管
方空玻璃套筒
光 纤2
光纤1
光纤3 玻璃套筒 光纤2
光纤1
光纤3
4.1.6 移动其他部件的光开关1
棱镜
移动棱镜式：
自聚焦透镜
4.1.6 移动其他部件的光开关2
• 移动反射镜、透射镜式
4.1.7基于微镜MOEMS光开关的设计
组成： 活动微镜、驱动执行器、输入/出光纤
MOEMS有两种基本结构方式： 1.二维（2D）数字逼近方式； 2.三维（3D）模拟逼近方式。
二维（2D）
三维（3D）
4.1.8 产品例举1
小的驱动电压；
无极化依赖性； 与光纤有高的耦合效率； 紧凑的器件尺寸； 开关速度和频率带宽可设定。
4 几种类型光开关简介
4.1 机械式光开关 4.2 电光式光开关 4.3 热光式光开关 ……
4.1 机械式光开关
机械式光开关是目前光通信系统最传统、 技术最成熟的光开关。 一种实用化的机械式多模光纤光开关的插 入损耗已达到小于1dB，开关时间小于1ms
你
和
我
注：作业在11月16日交。
2、磁光、电光效应式光开关
3、集成光学光开关
• 集成光波导光开关（电光、热光）
M-Z型光开关
用DWDM+光开关可构成OADM、OXC等光交换系统
1 输入光纤 1234 2
1 2 3 4 输出光纤 1234
DEM 3
4
MUX
TX
本节点信息
光 开 关
0. 序
光开关和光开关阵列是光纤通信系统重要 的光器件，随着网络转向全光平台，光域 优化、路由、保护和自愈的网络功能已成 为关键，这一切都离不开……
光
开 关
光开关的几个参数
（1）插入损耗 ai=10Lg(Pin/Pout) (2) 通断消光比 开关处于接通状态的输出光功率和处于断开 状态的输出光功率之比。
电磁驱动光纤移动的光开关
4.1.8 产品例举2
NTT公司电磁驱动型光纤开关
4.1.8 产品例举3
采用MOEMS技术移动微反射镜的光开关
光开关
复合光交换
光开关或耦合器
T1
6t
4t 2t
T4 T3 T2 T1
T3 T4
T2
T1 T2 T3 T4
作 业
1、英文翻译 2、 利用光开关设计 一个简单的光交换阵列， 完成下列交换. 我 和 你
1×2光开关 光端机
1.光开关概念
概念： 光开关是一种光路控制器，起转换光路的作用
如：使用1×2光开关转换光路示意图
光端机
1×2光开关
1×2光开关 光端机
2.光开关的类型1
（1）机械式光开关——利用驱动机构带动活动的 光纤（或微反射镜）使之 根据指令信号要求与所需 光纤（或光波导）连接
（2）非机械式光开关——工作原理视不同器件而 各不相同
RX
动态交叉连接
1 1 2 3 4
光开关 1 2 3 4
1
2 2
1 2 3 4
3 3 4 4
1 2 3 4
(dB)
a=10Lg(P通/P断)
光开关 光开关的几个参数
(3)寿命 允许转换光路的次数
（4）转换速度
光通道的设置开关：1~10ms 保护倒换：1~10us
分组交换：1ns 外调制：10ps
1.光开关概念
概念： 光开关是一种光路控制器，起转换光路的作用
如：使用1×2光开关转换光路示意图
光端机
1×2光开关