（电磁场与微波技术专业论文）光纤磁光开关研制.pdf

摘要 光开关是光通信的关键器件，是新一代全光网络的重要部分，它被广泛应用于光层的 路由选择、波长选择、光交叉连接( o x c ) 、光分插复用( o a d m ) 、光网络监控、器件测 试及自愈保护等方面。本论文提出了一种基于光纤耦合器和磁流体薄膜材料的光开关结 构，通过理论分析和实验结果验证了该结构的可行性，为制作光开关提供了一种新的方法， 具有一定的实用价值。 本论文主要分为三个部分： 第一部分：介绍了光开关的发展与前景、应用、性能参数描述以及目前阶段制作光开 关的主要技术。 第二部分：是基于2 2 光纤耦合器和磁流体薄膜结构的光纤光开关的理论分析部分。 根据耦合模理论和多包层单模光纤的等效阶跃光纤方法，分析熔锥型2 x 2 光纤耦合器的 输出功率特性，进而分析光纤光开关的输出光功率与磁流体薄膜和光纤耦合器锥形的关 系。通过数值计算结果，从理论上证明了提出的光开关具有明显的开关特性，并对光开关 的性能参数进行了分析。同时也分析了由磁流体薄膜折射率对多包层光纤的等效阶跃光纤 包层折射率调制的原理。 第三部分是光纤光开关的实验部分，制作光纤光开关的初样，并通过自行设计的测试 系统对光开关的性能进行测试。实验结果表明本文提出的基于2 x 2 光纤耦合器和磁流体 薄膜结构的光纤磁光开关具有明显的开关特性，其隔离度大于2 6 d b ，能够满足实际的工作 要求。 最后就本论文进行了简单的总结，对如何进一步提高器件性能提出设想。 关键字；光纤；光开关；耦合器；磁流体；隔离度 v a b s t r a c t o p t i c a ls w i t c h e sa r et h ek e yd e v i c e so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dt h ei m p o r t a n t c o m p o n e n t so f a l lo p t i c a ln e t w o r k s 1 1 1 c ya r ew i d e l yu s e di nr o u t i n go f o p t i c a ll a y e r , w a v e l e n g t h s e l e c t i n g , o p t i c a lc t o s sc o n n e c t s ( o x c s ) ，o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r s ( o a d m ) ，o p t i c a l n e t w o r km o n i t o r i n g ，d e v i c e st e s t i n ga n ds w i t c h i n gp r o t e c t i o n i nt h i st h e s i s ，a l lo p t i c a ls w i t c h s t r u c t u r eb a s e do naf i b e rc o u p l e ra n dm a g n e t i cf l u i df i l m si s p r e s e n t e d i t sf e a s i b i l i t yi s v a l i d a t e db yt h c o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s i to f f e r san e ww a yf o rf a b r i c a t i n g o p t i c a ls w i t c h , w h i c hh a ss o m ep r a c t i c a lu t i l i t i e s t h e r ea r em a i n l yt h r e es e g m e n t so f t h et h e s i s f i r s t l y , d e v e l o p m e n tt r e n d s ，a p p l i c a t i o nf i e l d s ，p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt e c h n o l o g i e so f o p t i c a ls w i t c h e sa l ed e s c r i b e d s e c o n d l y , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss e g m e n to ft h eo p t i c a ls w i t c hb a s e do ua2 x 2f i b e r c o u p l e ra n dm a g n e t i cf l u i df i l m t h em o d e c o u p l i n gt h e o r ya n dt h em e t h o do fe q u i v a l e n t s t e p - i n d e x - f i b e rf o rm u l t i c l a d d i n gf i b e r sa g eu s e dt oa n a l y z et h ec o u p l i n gp r o p e r t i e so f t h e2 x 2 f i b e rc o u p l e r f u r t h e r m o r e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u to p t i c a lp o w e ra n dt h em a g n e t i c f l u i df i l ma n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h eo u t p u to p t i c a lp o w e ra n dt h es h a p eo ft h ec o u p l e ra r c a n a l y z e d i nt e r m so fn u m e r i c a lr e s u l t so b t a i n e d ，t h eo u t p u to p t i c a lp o w e rc h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e di nd e t a i la n do b v i o u ss w i t c h i n ge f f e c ti sa t t a i n e d a n dt h ec l a d d i n gr e f r a c t i v eo ft h e e q u i v a l e n ts t e p i n d e x f i b e rf o rm u l t i - c l a d d i n gf i b e r sm o d u l a t i o nt h e o r yw i t l lt h er c f l 枷v eo f t h e m a g n e t i cf l u i df i l mi ss t u d i e di nd e t a i l t h i r d l y , i ti st h ee x p e r i m e n t a ls e g m e n t t h ep r o p o s e df i b e r - o p t i cs w i t c hi sm a d e i t s p e r f o 彻a n c 鼯a r et e s t e da n dt h eo b v i o u ss w i t c h i n ge f f e c ti sa t t a i n e d i t si s o l a t i o ni sm o r et h a n 2 6 d b ，w h i c hc a ns a t i s f yt h en e e do f p r a c t i c e a tl a s t , t h eo v e r a l lc o n c l u s i o na b o u tt h i sp a p e ri sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gh o wt oi m p r o v et h e s t a b i l i t ya n dt h ep a c k a g eo f t h ep r o p o s e ds w i t c h k e y w o r d s ：f i b e r ；o p t i c a ls w i t c h ；c o u p l e r ；m a g n e t i cf l u i d ；i s o l a t i o nr a t i o v 1 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文 中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研 究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：陛e t 期：业 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 。 障眺j 丝 上海大学硕上学位论文 光纤磁光开关研制 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着以i p 为代表的数据业务的爆炸性增长，人类对通信带宽和通信容量 的需求急剧增加。到目前为止，光是人类发现用于信息传输最理想的载体，为 满足网络不断增长的带宽需求，新的高速率大容量光传输技术应运而生，使网 络最终向全光网络方向发展。全光n ( a o n ) 是指用户与用户之间的信号传输与 交换全部采用光技术，即数据从源节点到目的节点的传输和交换过程都在光域 内进行。在全光网络中，不需要电信号的处理，所以允许存在各种不同的协议 和编码形式，信号的传输具有透明性。要真正实现全光网功能，充分体现光网 络的优势，必须要解决光网络的“电子瓶颈问题”。在传统的光一电一光骨干网 络节点中，典型的情况是约有7 0 8 0 的业务量是直通的，为了少量的业务不 ， 得不对全部信号进行光电变换处理，这种电的处理技术大大限制了光传输技术 的优越性。使网络节点乃至网络的吞吐量变小，形成。电子瓶颈。全光网是高 速宽带通信网，在干线上采用密集型波分复用( d w d m ) 技术进行扩容，而在 交叉节点上则采用光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接器( o x c ) 实现高速宽带 传输。o x c 、o a d m 这些光网络节点的核心部件是光开关。要实现全光联网， 需要实现光网络节点一光交叉连接( o x c ) 和光分插复用( o a d m ) 及其基础 器件一光开关的全光化，但是，从目前来说，在这些核心节点处基本上是光电 混合的，虽然已有一定的商用产品，但是还不太成熟，需要进一步的开发研究。 由于光通信网络的每一步发展，都是与一些关键光器件技术所取得的成就分不 开的，因此，要构造新一代全光网络，没有先进的光器件技术来支撑是不行的， 可以说，未来的新一代全光网络是否能建成，其中开关技术是重要的基础之一。 综上所述，研究光开关技术，实现在线、低损耗等众多优点的全光开关， 实现光层上信息信号的直接交换和接入，在通信领域具有重要意义，对全光网 的实现具有重要推动作用。 2 上海大学硕t 学位论文 光纤磁光开关研制 1 1 1 光开关的发展与前景 作为光通信和新一代全光网络的关键器件，对光开关的研究已有二三十年 的历史，它被广泛应用于光层的路由选择、波长选择、光交叉连接( o x c ) 、光 分插复用( o a d m ) 、光网络监控、器件测试及自愈保护等方面。 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。近年来，尽管受到整个r r 业 和通信业不景气的大环境影响，但光开关技术作为一种前沿技术以及其在全光 网中的重要性使得对该技术的研究热度不减，除了改进传统类型的光开关以外， 对光开关的研究和开发也出现了新的技术、机理和材料，光开关的端口数越来 越大( 己达到1 0 0 0 x 1 0 0 0 ) ，开关速度也不断提高，集成化程度越来越高。从目 前的光开关发展状况来看，光开关目前研究的重点主要是集中在采用砷镓和磷 铟材料的半导体光开关“1 、聚合物光开关【2 捌以及综合利用微光子、微电子、半 导体微细加工技术、微机械技术的微机电光开关。 随着光传输技术的发展，原有的光开关技术性能不断改进，而新型的光开 关技术不断出现。随着光传输网向超高速、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到了更为重要的作用。未来的光传送网是能支持多业务 的透明光传送平台，要求对各种速率业务都能透明传送；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。因此，光开关的交换矩阵的大 小也要不断提高。由于口业务的急剧增长，要求未来的光传送网能支持光分组 交换业务，未来的核心路由器能在光层交换。这样，对光开关的交换速度提出 更高的要求( 纳秒数量级) 。总之，光开关的总体发展趋势是向着低损耗、高可 靠性、低功耗、小型化和集成化的方向发展。具有大容量、高速交换、透明、 低损耗和高可靠性的光开关将在光网络发展中起到更为重要的作用。 1 1 2 光开关的主要应用 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 上海大学硕士学位论文光纤磁光开关研制 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萁三是在同一 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。光开关不仅可用于 光通信的光交换系统，也可被广泛地应用于各种光路监控与维护系统、数据网 络、光纤传感器系统及光纤测量系统等。目前，光开关主要有以下五个方面的应 用： ( 1 ) 光互连：光开关的一个重要应用是光路的分配( p r o v i s i o n i n g ) 。 光路就是指两个网络节点间通过指定某个专用波长建立的连接。在此 应用下，光开关应用于光交叉互连( o x c ) 实现光路重构和产生新的光路。 由光开关阵列构成的o x c 是光网络或光系统中对光信号进行选路的基本单 元，主要用于核心光网络的交叉连接，实现光网络的故障保护，动态的路由 管理，灵活增加新业务等。o x c 对光开关的要求如下： ( i )开关端口多。 ( i i )高稳定性、低损耗。 ( i i i ) 不依赖于通道长度和均匀性良好的光信号。 ( i v )对于某个特定光路，不中断其它光路的开关性能。 ( 2 )光网络保护 当光纤断裂或网络发生传输故障时，利用光开关将光信号切换到备用通 路，实现对业务的保护和网络的及时修复。一般采用l x 2 、2 x 2 光开关，或 者i x n 光开关都可以实现。对用于光网络保护的光开关的要求是可靠稳定。 ( 3 )光分插复用( o a d m ) o a d m 是光网络中一种具有对本地网络提供插入( 上路) 和提取( 下路) 光信号( 波长) 功能的节点。利用o a d m 可以在没有“电”处理条件下实现多 波长信号的通道上路和下路。具有o a d m 功能的开关是波长选择开关，它们能 根据波长的不同，实现输入光信号的交换。由于光开关的使用，使o a d m 能动 态配置业务，增强o a d m 节点的灵活性。同时，也使o a d m 节点能支持保护 倒换，当网络出现故障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网络的 生存能力和网络的保护和恢复能力。 4 上海大学硕上学位论文 光纤磁光开关研制 ( 4 ) 网络监视功能 使用简单的l x n 光开关可以将多根光纤联系起来，当需要监视网络时，只 需在远端监测点将多根光纤经光开关连接到网络监视仪器上( 如o t d r ) ，通过 光开关的动作，可以实现网络在线监测。 ( 5 ) 光器件的测试 可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过l x n 光开关，监测光开关的每 个通道信号来测试器件。 1 1 3 描述光开关的主要性能参数 光开关在光学性能方面的性能参数主要是插入损耗、回波损耗、隔离度、 工作波长、消光比、开关时间等。这里以l x 2 光开关为例给出以上参数的定义 4 1 。下图1 1 为l x 2 光开关示意图。 p l r p l p 2 p 2 ， 图1 - 11 x 2 光开关不葸图 ( 1 ) 插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 输入和输出端口之间光功率的减少，以分贝( d b ) 表示为： i l = - l o l o g p 秀- c - ， 式中：p 0 为注入输入端的光功率；只为输出端接收的光功率 ( 2 ) 回波损耗( r e t u r nl o s s ) 回波损耗也称为反射损耗或反射率，表示从输入端返回的光功率与输入 光功率的比值，以分贝表示为： r l = - l o l o g 每 m z ， 式中：e o 为输入端光功率；只，为在输入端接收到的返回光功率。 上海大学硕 学位论文 光纤磁光开关研制 ( 3 ) 隔离度( i s o l a t i o n ) 输出端口在导通( 开启) 和非导通( 关闭) 状态下接收的光功率的比值， 以分贝表示为： i , , = - l o l o g p 。 ( 1 - 3 ) 式中，0 为m 端口在开启状态下接收的光功率；f k 为m 端口在关闭状态 下接收的光功率。 ( 4 ) 串扰( c r o s s t a l k ) 串入相邻端口的输出光功率与光开关接通端口的输出光功率的比值，以 分贝表示为： c 1 2 = - l o l o g - 曼只- ( 1 4 ) 式中弓为开关接通输出端口1 输出的光功率，只为串入端口2 输出的光功率。 ( 5 ) 消光比( e x t i n c t i o nr a t i o ) 两个端口处于导通和非导通状态下的插入损耗之差，即 e r 。= 皿。一上吃 ( 1 - 5 ) 式中，上k 为n ，m 端口导通时的插入损耗；己为非导通状态的插入损耗。 ( 6 ) 开关时间( s w i t c h i n gt i m e ) 指开关端口从某一个初始状态转变为通或断状态所需要的时间，开关时 间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。 实际应用中对光开关的一般要求是：插入损耗低，耦合效率高，开关速度 快，串音小，驱动能量低，无偏振依赖性，隔离度高，回波损耗小，尺寸紧凑， 成本低廉。 1 1 4 制作光开关的主要技术 目前，在光传送网中各种不同的光开关实现原理和技术被广泛地提出。不 6 上海大学硕上学位论文 光纤磁光开关研制 同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的应用场合。根据不同的 光开关原理，光开关可分为：机械光开关、热光开关、电光开关、磁光开关和 声光开关等。根据光束在光开关的传输介质来分，光开关可分为：自由空间交 换光开关和波导交换光开关。机械光开关依靠光纤或光学元件移动使光路发生 改变；热光、电光、声光效应光开关通过改变交换介质的折射率，实现光路交 换的目的。目前常用的光开关有：机械光开关、m e m s 光开关、电光开关、热 光光开关、冒泡光开关、声光开关、液晶光开关、磁光开关、全息光开关、s o a 光开关等【5 ，6 】。现分别简述如下： ( 1 )机械式光开关 机械光开关是第一种真正商用的光开关。机械光开关是依靠微型电磁铁或压 电器件驱动光纤或反射光的光学元件发生机械移动，使光信号通道发生改变的光 开关。其原理如图卜2 所示。机械光开关包括移动光纤、移动套管、移动准直器、 移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器等种类。 图l - 2 机械式光开关结构示意图 机械光开关的优点 f l 是：结构简单、插入损耗低( ( 2 d b ) 、消光比高 ( 6 0 d b ) 、隔离度好( 4 5 d b ) ，而且不受偏振和波长的影响。缺点是：开关时 间较长，一般为l m s 一0 1 m s 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、体积较大，不易做成大型的光开关 矩阵。机械光开关一般限制在l x 2 和2 x 2 的类型。端口数更多的光开关可通过串接 一些l x 2 和2 x 2 开关实现，但带来的是造价的上升和开关性能的下降。 机械式光开关主要应用于光纤保护和低端口数的波长上路下路。 7 上海大学硕士学位论文 光纤磁光开关研制 ( 2 )m e m s ( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 光开关 近年来，正大力发展一种集成化的微机电系统t m e m s ) 开关。m e m s 开关 是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( s 0 1 ) 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1 3 是一个m e m s 开关实例，它采用1 6 个可以转动的微型 反射镜，实现两组光纤束间的4 x 4 光互连。 1 i 3 3 。 剑 红 li i l _ 焉 缸由! lll l l 。 l ， _ 。- j 00 1 一贯可广 l7j 4 图1 - 34 x 4m e m s 光开关阵列示意图 对于m e m s 光开关，每一个输入和输出端口都有一个相应的可精确移动的反 射镜。通过倾斜两个相互独立的反射镜可建立光信号的连接通路，实现光信号从 某个输入端到预期的输出端口。反射镜在模拟的工作状态下可自由地在两轴之间 倾斜。可以看到，要实现上千个输入输出端口的大规模光开关阵列如o x c ，m e m s 技术无疑是一种非常有前景的技术。m e m s 光开关的驱动方式有静电驱动、电磁 驱动和热驱动等。其中以静电驱动最为普遍。 m e m s 光开关优点是开关速度在亚毫秒级、具有低损、低串扰和低偏振敏感 性、采用标准的集成电路制作，可实现大批量生产，成本低廉。缺点是这种技术 需要有一个复杂和昂贵的反馈系统，实现在有外部干扰或漂移的情况下精确控制 反射镜，以保持器件插入损耗稳定，因此任何机械摩擦、磨损或震动都可能损坏 光开关，从而影响m e m s 光开关的可靠性。 m e m s 器件的研究十分活跃，几种新型m e m s 方案如c m e m s ( c o m p l i a n t 上海大学硕士学位论文 光纤磁光开关研制 m e m s ) 、d m e m s ( d i f f i a e t i v em e m s ) 等相继出现。c m e m s 中采用高弹性的硅酮 橡胶材料来改进因为硅材料太硬和太脆造成的问题i s 】。初步结果表明，硅酮橡胶 材料的引入会给m e m s 技术包括光开关技术带来一种新的选择和强劲的竞争可 能。d m e m s 的发展也是为了避免光m e m s 开关中硅反射镜的驱动电压高和控制 电路复杂的问题。由于是利用衍射而不是反射的原理，d m e m s 光开关的结构简 单，可用典型的1 0 岫c m 0 s 工艺制作【9 】。预计d m e m s 技术在制作光开关和可调 衰减器方面具有良好的应用前景【1 0 】。 ( 3 )电光开关 电光开关的原理1 1 1 l 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( p o e k d s 效应) 或电吸收效应( f r a n z k e l d y s h 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。 图1 - 4 是一种使用方向耦合器和电介质材料构成的2 x 2 电光开关。耦合器 的耦合比可通过改变耦合区内材料的折射率来获得。常用的材料是锂酸铌晶体 ( l i n b 0 3 ) 。在电极上施加电压可改变衬底的折射率，折射率的改变使传输光通 过适当的波导通路输出到所希望的输出端口。 图1 - 42 x 2 方向耦合器电光开关的示意图 电光开关的开关时间由电极结构的电容值所决定，通常小于纳秒。电光开 关的优点是开关速度快、稳定性好。缺点是插入损耗大( 1 5 d b ) 、还可能与 偏振有关。消除器件的偏振依赖性又会导致更高的驱动电压，从而限制了开关 速度。端口数更多的电光开关可通过在同一衬底上集成一些2 x 2 光电开关来实 现。然而，这样的集成电光开关往往会有相对大的损耗和偏振相关损耗( 偏振损 耗大于o 5 d b ) ，而且价格比机械光开关来得昂贵。 9 上海大学硕七学位论文光纤磁光开关研制 ( 4 ) 热光光开关 热光光开关【1 2 1 的工作原理是介质的热光效应。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，实现开关目的。热 光开关有两种基本类型：干涉型光开关和数字型光开关。 通常干涉型光开关主要是指m z 干涉仪型，如下图1 5 所示，其结构由两个 3 d b 耦合器和两个干涉臂组成，通过加热某一干涉臂改变干涉仪的折射率，使干 涉的两束光产生光程差，形成相干增强或相消，达到预期开关的目的。 、 厂 - 八 c - - 图1 - 5 干涉型热光开关的结构图 数字型光开关一般是由硅或高分子聚合物制作的集成光器件。如图1 - 6 所示 1 2 1 ，器件由两个互相作用的波导臂组成，光在两波导臂内传输，其中一臂上沉积 钛或铬形成微加热器。在两波导臂传输的两束光的相位差决定了光最终从那个输 出端口输出。微加热其中一个波导臂可以改变波导臂的折射率，实现光从另一端 口输出。数字型光开关性能稳定，只要加热到一定温度，光开关就会保持同样的 状态。 o u t s i d eh 矗啪 2 图1 - 6 数字光开关的示意图 热光开关一般用于端口数较少的情况，开关速度为毫秒级。热光开关技术主 1 0 上海大学硕士学位论文光纤磁光开关研制 要缺点是集成化密度有限、功耗大和要求的驱动功率高。大多数商用的热光开关 都需要有强制的空气冷却以获得稳定工作。对于一些具体应用场合，热光开关的 光性能参数，如串扰( - 4 6 d b ) 和j s a 损耗( 6 d b ) 并不能令人满意。但是热光开关技 术可被用于实现在同一芯片上集成可变光衰减器和波长选择器件( 阵列波导光栅 a w g ) ，实现器件模块的集成化。热光光开关可以用硅或高分子聚合物制作， 硅材料光开关的损耗非常低，聚合物光开关只需要较低的驱动功率，但损耗较大。 ( 5 ) 冒泡光开关 冒泡光开关【”1 可认作是热光开关的一个分支，因为它的工作原理足基于对 衬底的加热和冷却。然而当加热时，冒泡光开关的行为与其它热光开关不同。 安捷伦公司结合喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出一种二维光交叉连 接系统，如图1 7 所示。他们把这种技术称为“光子交换平台：其光开关包括 两部分：下半部分是硅衬底的玻璃波导，上半部分是硅片。上下之间抽真空密封， 小沟道内充特定的折射率匹配液，每一个沟道中部都有一个微型电阻通过电 阻加热匹配液形成气泡，对光产生全反射，实现关态；不加电时，由于折射率匹 配，光信号直接通过，为开态。h p 的喷墨打印技术主要用于精密控制微电阻产 生气泡。气泡是封闭的不会溢出，通过控制蒸气压，保持液体和气体共存的温 度和压力。气泡的产生到消失约2 m s ，最大开关速度为1 0 m s 。3 2x3 2 开关模块 的插入损耗为4 5 d b ，消光比小于一5 0 d b 。由于没有可移动部分，可靠性较好， 具有偏振不敏感性，而且成本不高。 图1 7 冒泡光开关结构示意图 上海大学硕士学位论文 光纤磁光开关研制 ( 6 )声光开关 声光开关“6 1 的工作原理是声光效应，即声和光的相互作用。偏振不敏感 的声光开关的工作原理：首先，通过偏振分束器把输入光信号分成两个偏振模 分量( t e 模和t m 模) ，然后把这两个分量分别引导到两个不同的平行波导， 与光波相同传输方向的表面声波随之产生。通过介质材料的声光效应，形成一 个运动的衍射光栅，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，从而可以实现从t m ( t e ) 模到t e ( 1 m ) 模的转化。 如果输入信号是多波长光信号，声光开关甚至可以同时切换多个不同的波 长，当然，这必须在介质材料中同时加入不同频率的声波。声光开关的开关速 度受到声波频率的限制，一般在微秒量级。该技术一般用来制作端口数较少的 光开关。但是，复杂和昂贵的控制电路限制了声光开关向大规模方向的发展， 并且，声光开关的波长相关损耗比较高。 ( 7 ) 液晶光开关 液晶光开关f 1 7 】是利用液晶材料的电光效应制作而成的，也就是说，利用外 部电场控制液晶的取向来实现开关功能。由于液晶材料的电光系数是l i n b 0 。的 百万倍，因此，液晶材料成为最有效的电光材料。 液晶光开关器件的工作原理是基于光电效应来对光偏振态进行控制，使一 路偏振光被反射，而另一路可以通过。液晶光开关内包含了液晶和偏振分束器或 移相器。液晶的作用是使输入光束的偏振方向旋转一定的角度。当液晶电极上 没有外加电压时，通过液晶的光束会旋转9 0 0 。当电极上施加电压时，光束的偏 振态不发生改变。而偏振分束器或移相器的作用是将光信号引导到需要的输出 端口。图1 8 是一个i x 2 液晶光开关的结构简图。 1 2 上海大学硕： 学位论文光纤磁光开关研制 m 巾臻坂m b i m f f l n g o n t b e a ms p a l e t 翻傅州删 一t ft p i 纠瞻 tr _ i| u l 哕 _ i q u 培搿删 m 碡a 吖i | 翻翟哪 l i 蝴妊 图1 81x2 液晶光开关的结构示意图 液晶光开关没有可移动部分，因此性能稳定，可靠性高。同时它具有与偏 振无关，驱动功率低等优点。液晶光开关发展的初期主要有两个制约因素，即 开关速度和温度相关损耗。现在已有技术使液晶光开关的开关时间可达到l m s 以下，其典型插入损耗也优于l d b 。相信液晶光开关在网络自愈保护应用中将 大有作为。 ( 8 )磁光效应光开关 磁光效应是指线偏振光在磁性介质中传播时，受外磁场的作用其偏振面发 生旋转的一种物理现象。实验证明，当在磁性材料上施加平行传播方向的外磁 场时，设偏振光振动面的旋转角度为0 ，磁感应强度为b ，光在材料中传播的长 度为l ，则有o = v b l ，其中v 称为费尔德常数，是表明物质磁光特性的物理 量，它与光的波长有关。磁光物质的旋光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。旋光物质 一般采用钇铁石榴石( y i g ) 晶体材料，它在长波长波段有较大的费尔德常数和 较小的传输损耗。 如图1 - 9 所示，当在法拉第旋转器上施加右旋的磁场时，法拉第旋转器和石 英旋转器对光束偏振面的旋转分别为- - 4 5 0 和+ 4 5 。，所以光束通过这两个元 件的总偏振旋转角为零。由第一块y v 0 4 晶体分解的两束偏振光p 光束和s 光 束在第二块y v 0 4 晶体中合成一束，从上端口输出；当在法拉第旋转器上施加 1 3 上海大学硕士学位论文光纤磁光开关研制 左旋的磁场时，法拉第旋转器和石英旋转器对光束偏振面的旋转皆为+ 4 5 。，所 以光束通过这两个元件的总偏振旋转角为9 0 。，因此由第一块y v 0 4 晶体分解 的两束偏振光在第二块y v 0 4 晶体中分开，p 光束转化为s 光束，s 光束转化为p 光束，分别输出，再经过三角棱镜和偏振合束镜合成一束光从下端口输出1 1 5 1 。 图l - 9 磁光效应光开关结构示意图 图卜9 所示的磁光开关在波长1 3 岬时，其插入损耗小于2 d b ，开关时间小 于3 0 i _ t s 。 ( 9 )全息开关 近几年发展起来的全息开关【1 9 1 是一种非常有前途的光开关技术。其中，电 全息技术是由以色列耶路撒冷大学的a a r o n a g r a n a t 发明的，该技术利用的晶体 是p a t a s s i u ml i t h i u mt a n t a l i t en i o b a t e 。光纤光栅的全息图被写到晶体上，当没有 电压时，晶体是全透明的，当有电压时，全息图在晶体中产生，对特定波长光 反射。晶体的行和列对光进行选路。另外一种全息开关是全息光栅开关，通过 全息的形式，在晶体内部生成一个电子功能的布拉格光栅，当加电压时，布拉 格光栅把光反射到输出端口，反之，光就直接通过晶体。利用这种技术可以很 容易地组成上千端口的光交换系统，并且，其开关速度非常快，只需几个纳秒 就可以把一个波长交换到另一个波长。由于没有可移动部分，可靠性比较好。 这种技术可以跟m e m s 技术竞争，但它更适合单个波长的交换。纳秒级的交换 速度可以用在未来的基于报文交换的光路由器中。另外还有液体光栅技术，液 体光栅技术是液晶技术和电子全息开关技术的一个综合产物，现在这种技术只 1 4 上海大学硕士学位论文 光纤磁光开关研制 有d i g i l e n s 公司掌握，这种光开关是基于布拉格光栅技术，加上电压时，光栅 消失，晶体是透明的，光信号直接通过光波导。反之，光栅就把一个特定波长 的光反射到输出端口，这意味着：这种光栅具有两种功能：取出光束中某个波 长并实现交换。d i g i l e n s 公司声称这种光开关的响应时间为l o o n s ，插入损耗小 于l d b 。由于能从一束光中交换其中单个波长，所以比较适合于o a d m 。 ( 1 0 ) s o a 开关 半导体光放大器( s o a ) 1 9 1 是一种非常有用的光器件，在光通信网络中应 用广泛。s o a 可以通过改变偏置电压实现开关特性。如果偏置电压值减小，器 件不能获得粒子数反转，即器件吸收了输入光信号，此时器件处于关断状态。 如果调整偏置电压使器件获得粒子数反转，输入光信号允许通过s o a 并同时被 放大，此时器件处于开启状态。在开启状态下的放大和关断状态下的吸收使得 器件具有相当高的消光比特性。端口数更多的光开关可通过使用无源耦合器集 成一些s o a 来获得。通过调节s o a 的放大波长，输入端信号能够到达任意指 定的输出端，这种光开关具有广播功能。同时，s o a 提供的增益补偿了光开关 的损耗，开关时间在i n s 左右，同时对光偏振不敏感。但是s o a 开关存在着造 价昂贵、噪声大、信号失真等缺点。 1 2 本论文的主要研究内容 光开关能直接对光信号进行切换，避免了光电和电光的转换过程，从而提高 了光通信容量和开关速度，具有高隔离度、低损耗等众多优点的光开关一直是 光通信领域研究的热点，光纤光开关正好在这方面具有明显的优势，同时光纤 光开关不存在像波导开关与光纤耦合的问题，本文提出的光纤型光开关正是在 这样的背景下提出的。提出的光纤光开关适合于端口数目较少的情况，但是把 光纤光开关经过适当的方法串接，可制作出高性能的光开关矩阵单元，以适应 未来光互联网对光开关的要求。 本论文主要采用光纤耦合器的模式耦合理论和多包层光纤中的等效阶跃光 纤方法对熔锥型光纤耦合器光开关的开关特性进行研究分析和实验验证。 1 5 上海大学硕士学位论文 光纤磁光开关研制 本论文主要分以下五个章节来叙述： 第一章绪论：主要叙述光开关的发展概况、应用及其主要技术。 第二章光波导耦合模理论和多包层光纤等效阶跃光纤方法的研究：主要介绍光 波导的耦合模理论和多包层单模光纤等效阶跃单模光纤方法，并利用多包层单 模光纤等效阶跃单模光纤方法对构成光纤耦合器的锥型光纤进行数值计算和分 析。 第三章光纤磁光开关理论分析：主要对本论文提出的光纤磁光开关的实现进行 理论分析、数值计算。 第四章光纤磁光开关实验分析：主要对所提出的光纤磁光开关器件进行实验制 作，测量，分析，验证。 第五章结论与展望：对整个论文进行总结，并对磁光开关研制课题的进一步的 研究前景进行展望。 1 6 上海大学硕士学位论文光纤磁光开关研制 第二章光波导耦合模理论和多包层光纤等效阶跃 光纤方法 2 1 光耦合器概述 光耦合器( c o u p l e r ) 又称分路器( s p l i t t e r ) ，是将光信号从一根光纤中分 配至多根光纤的无源器件，是光纤通信技术中一类重要的器件，在电信网络、 有线电视网络、用户回路系统、区域网络中有着广泛应用。光耦合器有三种主 要的类型：块状分立元件型、熔锥光纤型和平面波导型，本论文主要研究的是 熔锥型单模光纤耦合器 2 0 洲。熔锥型单模光纤耦合器是通过将两根( 或以上) 光纤除去涂覆层以一定的方式放置在一起，在高温下熔融拉伸，最终在加热区 形成一个双锥体，能够实现传输光功率耦合的特殊波导结构。光耦合器是光通 信技术必不可少的一部分，而熔锥型单模光纤耦合器是本论文研究的光纤型光 开关的主要部件。 本章主要利用耦合模理论和多包层单模光纤等效阶跃光纤方法来分析光耦 合器的功率交换问题。通过模式耦合理论推导出弱导条件下两光纤的耦合模方 程，进而分析光纤耦合器的功率转换，并利用多包层单模光纤等效阶跃光纤方 法分析光纤耦合器的锥形光波导的传输及耦合特性，为光纤光开关提供理论分 析依据。 2 2 耦合模理论 2 2 1 耦合模理论概述 在理想的介质光波导中，一般都可得到一组本征模式解，各自分别满足边 界条件，组成完整的正交函数系，使得各模式相互独立地传输。但实际上的光 纤本身不可能是完美无缺的，总是存在这样或那样的缺陷，如折射率分布不均 匀，芯区宽度的轻微变化等，而且光纤常有意或无意受到外界微扰( 如波导形 上海大学硕士学位论文 光纤磁光开关研制 状的畸变，外加电场、磁场或声场等) ，使得波导边界或折射率出现畸变，。从而 各模式不再独立，它们之问将产生功率交换，这时称模式间发生耦合。在单根 光纤内或许多根光纤之问都可能存在模式耦合。在一根有缺陷光纤的一端激发 一个模态，由于光纤存在缺陷，该模态的功率有一部分将会转移给其它的传导 模，并且也可能转移到辐射模，从而发生导模与导模之间、导模与辐射模之间 的耦合；当理想的光纤距离比较近时，一根光纤存在于另一根光纤的消逝场中， 使得另一根光纤的模场变形，反之亦然，从而产生消逝场之间的耦合。因此， 模式耦合广泛存在于光传输系统中，特别是光纤成缆和一些光器件中。模式耦 合有些是我们希望的有些是我们所不希望的。如由光纤本身缺陷产生的导模与 导模之问的耦合不但会产生附加损耗，还可能产生信号畸变：导模与辐射模之 间的耦合将引起光纤损耗，这些就是我们不希望的。不过我们常利用模式耦合 来减小多模光纤的色散效应或制作一些光器件，比如说光纤耦合器就是人为控 制将一个波导的功率输送到另一个波导中，从而激发另一个波导，并沿同一方 向传输。所以说，模式耦合的分析和计算是光波导理论的一个重要方面，也是 分析和设计各种波导器件的基础。 迄今为止，耦合模理论( c m t ) 【2 5 l 作为很有效的数学工具来分析和解释电 磁场中的模式耦合，它具有数学形式简单、物理意义清晰的特点，因此，耦合 模理论被广泛地应用于分析光波导器件，它基本上很好的解释了现有的存在耦 合作用的光器件，并预言着器件的新特征和新的器件的产生。 耦合模理论最常见的有以下两种描述方法：一种方法是按正规光波导的模 式来展开非正规波导的电磁场，展开系数是z 的函数。由于正规波导的模式场 是已知的，只要从关于展开系数的无穷多个耦合方程求出展开系数，非正规波 导的电磁场就完全确定了；另一种方法是用局域正常模的模式来展开实际波导 的电磁场，由于局域正常模本身不是麦克斯韦方程的解，因为它的参数是z 的 函数，但通过它们的迭加可以产生一个麦克斯韦方程的解，这解就表示实际波 导的电磁场。在这两种方法中，前者非常适合于几何形状完整但折射率不均匀 的光纤，其耦合系数比较简单；后者虽然耦合系数比较复杂，但对描述几何形 状不完善的光纤非常有利，而且当波导芯径沿传播方向发生变化时( 如锥形光 上海大学硕士学位论文 光纤磁光开关研制 波导等) ，用第二种方法比较精确。【2 删 a w 斯奈德和d 马库塞等人最早完成了耦合模理论在光波导中的应用，前 者完成了描述光纤中的耦合行为，后者描述了平板波导中的耦合行为，体现了 耦合模理论不论是在微波领域还是在光波领域都有着广泛的应用。a w 斯奈德 从m a x w e l l 方程出发，用微扰的方法推得耦合波方程，他认为一根光纤的场分 布主要是它本身决定的，其余光纤对它作用看作是对其场分布的一种微扰，场 分布建立在本征函数的叠加基础上。所以耦合模理论在光波导的应用最常用的 就是对受扰波导的理论分析。 2 2 22 x 2 光纤耦合器的功率耦合 研究光纤耦合器的功率转换问题o ”6 l ，可以直接用复合波导中的模式来描 述，即耦合器组成光纤间的功率耦合可通过复合波导中模本身的干涉或拍长表 现出来。另外也可用孤立光纤模式的传播来描述耦合器的功率转换，即利用单 模光纤模式间的耦合来分析功率耦合。本论文利用后一种方法来分析2 x 2 光纤 耦合器的功率耦合，如图2 1 所示。利用单模光纤模式之间的耦合来分析功率 交换在形式上是精确的，但必须有两个前提条件：( 1 ) 光纤为弱导光纤；( 2 ) 光纤分离得相当远。前一个条件保证了简单的迭加解是精确的，后一个条件相 当于忽略了复合波导结构产生的所有偏振效应。 xi 厅d 而( x ，力 露d 瓦( t 力 一 z 一 z x - 勘，工 厂 k 下， 锄f l y ( a )( b ) 图2 - 1 ( a ) 芯层折射率和半径分别为两、4 。，和- 2 、4 耐的两根平行光纤置于折射率为b 的均匀介质中，两光纤轴相距为d 。( b