非机械式光开关

非机械式光开关 【摘要】:光开关具有一个或多个可选择的传输端口，是光交换的关键器件，可对光传输线路中的光信号进行相互转换或逻辑运算，:光开关是实现未来全光网络的关键技术。本文介绍了新的非机械式光开关技术，电光开关、热光开关、声光开关等，并对光开关当前的发展状况作了简要的阐述。 【关键字】:非机械式 电光开关 热光开关 声光开关 【正文】: 光开关按工作原理划分，可分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关依靠光纤或光学元件的移动，使光路断开或关闭;而非机械式光开关则是依靠电光效应、磁光效应、声光效应和热光效应来改变波导的折射率，使光路发生变化。 1 电光效应光开关 所谓电光开关是一种光电晶体材料的电光效应实现波导折射率调制，改变光的路径达到开光的目的。电光开关是目前开关时间能够到达亚微秒甚至纳秒量级的较少的光开关技术之一。电光开关有两种，直接电光效应与间接电光效应。直接电光利用材料的Pockels效应与Franz—Keldysh效应通过电场来改变材料的折射率。这类器件具有很快的电光响应速度。一般开关时间小于1ns。通常这类器件的波导材料(铌酸锂、?一V化合物等)有较高的电光系数。利用间接电光效应的光开关一般为半导体材料光开关，如利用半导体材料的等离子色散效应，通过注入电流实现折射率的调制。由于半导体中树料中载流子寿命的限制，开关时间一般为微秒与亚微秒。其中采用铌酸锂的光开关是最先应用的。 铌酸锂是最典型的电光材料，它不仅具有大的电光系数(~32Pm/V)，而且具有宽的光透明度(0.4~5.0 )，是制作光调器和光开光的理想材料。铌,m 酸锂电光开关都是制作在铌酸锂晶体衬底上，首先通过钛内扩散或质子交换技术在衬底形成图案化的光波导，然后在波导上形成电极而成。 图1高速铌酸锂光开光 图2 MZI型和X交叉型光开关 铌酸锂光开关的典型应用常常配置成马赫—曾德尔干涉仪(MAI)结构，与电光调制器类似，只需用一对分支波导代替调制器的单个输出即变成光开关。两条通路上的相位差由施加在通路上的电压来控制。当驱动电压改变时，两通路间的相位差发生变化，利用干涉效应就可以控制输出端的信号大小或有无，完成调制或开关作用。 2 热光效应光开关 热光开关利用材料的热光效应而制成，所谓热光效应是指光介质的光学性质(如折射率)随着温度的变化而发生变化的物理效应。它主要有两种类型:一种是数字光开关(DOS),另一种是马赫—曾德尔干涉仪式(MZI)光开关。 M—Z干涉式光开关，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。干涉式光开关结构紧凑，但对光波长敏感，需要进行精密温度控制。 数字光开关的原理和结构都很简单，最基本的1×2热光开关由在硅基地上制作的Y型分支矩形波导构成。在波导分支面沉积金属钛或铬形成为加热器。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，消光比可达20dB，但插入损耗较大，一般为3,4dB。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器，并利用聚合物进型规模生产。 图3 基于聚合物光波导的热光开关阵列 3 声光效应光开关 声光开关是利用介质的声光效应，其基本原理可描述如下:通过控制电信号经声学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如铌酸锂 材料中传播，使介质折射率发生周期性变化，形成一个运动的衍射光栅;输入光波在沿内部有声波的波导传输时，其偏振在波长与声波Bragg光栅匹配时将发生变化，从而利用偏振分束器就可以实现波长选择，并在此基础上实现开关功能。 利用声光效应制作的光开关类似声光可调谐滤波器，该类器件的消光比主要取决于横电(TE)模和横磁(TM)模的转换效率，一般小于20dB。由于器件的模式转换是通过满足Bragg条件而实现的，因此声光开关的波长相关性(WDL)比较高，利用此技术可以实现波长选择开关与波长可调滤波器。声光技术可以方便的用来制作端口数较小的光开关，其复杂而昂贵的控制电路限制了声光开关向大规模方向发展。由于没有机械的运动部分，所以可靠性好。1×2开关的开关速度比较快，为微秒量级，缺点是插入损耗较大且成本较高。 图 4 声光开关 图 5 声光开关的工作原理图 4 光开关当前的发展状况 随着光通讯的迅猛发展，全光网络离我们越来越近。这也使得应用于光网络中的各种光无源器件越来越受到重视。光开关是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。 其中热光效应光开关是目前研究较多，应用价值较高的一种光开关技术。它与机械式光开关相比，不存在回跳抖动，具有稳定性好，尺寸小，易于集成，适合大规模生产。可以预计，伴随全光网络的发展及OADM、OXC的应用需求，高性能的基于热光技术的光开关产品将在光网络中得到越来越广泛的应用。 参考文献: 【1】王辉 编著，光纤通信，电子工业出版社，2009 【2】黄章勇编著，光纤通信用新型光无源器件，北京邮电大学出版社 ，2002 【3】韦乐平、张成良编著，光网络:系统、器件与联网技术，人民邮电出版 社，2006.10 【4】王刚 明安杰等，光开关研究进展，(中国电子科技集团公司第47研究所和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)