（光学工程专业论文）1×2和2×2机械式光开关的研制和开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 、点随着光纤通信技术的发展和密集波分复用( d w d m ) 系统的应用，全光网 已经成为网络发展的必然趋势，而光开关技术已经成为全光网的关键技术之 。随着光纤通信的逐渐到家，速度虽然不高但价钱便宜的低端口机械式光丌 关必将是最佳的选择。虽然由于采用机械结果限制了这种器件的开关速度，但 它具有结果简单、损耗低、串扰小等特点，应用前景极好。夕本文论述了对1x 2 和2 2 机械式光开关所作的一些研究和实验工作，主要内容和得到的结论有： 1 ) 对光开关及其在光通信领域中的应用进行了调研和分析，论证了光_ 丌 关和光开关阵列在现代通信领域中的重要性，并分析了各种歼关技术 相应的发展状况和技术特点。 2 ) 光纤准直器是光开关中最重要的元件，了解光纤准直器的原理对了解 光厅关的原理和结构是很有帮助的。本文采用高斯光束的分析方法对 光丌关中需要用到的光纤准直器的工作原理进行了分析和论证，并介 绍了影响准直器插损的三个因素，详细分析了准直器的回损。 3 ) 介 绍了l x 2 祁2 x 2 机械式光开关的原理，并采用射线方法对光路进行 了计算，最后介绍了1 x2 和2 2 机械式光开关的设计 理性对器件的性能非常重要，正是因为1 2 机械式光 计的合 了红宝 石作为耐磨材料、弹簧和钢珠对震动进行缓冲才使其重复性比2 2 机 械式光开关要好的多。y 4 ) 详细介绍了1 2 和2 叉2 机械式光开关的制备工艺，并探讨了其它一些 新的工艺方法n 制备工艺是研制器件中相当重要的一环，制备工艺是 否合理将直接影响器件性能的好坏，采用最佳的制备工艺j 能制出性 能可靠的器件。彳 5 ) 介绍了开关需要检测的性能参数，给出了两种器件的检测结果，并对 检测结果进行了分析。检测结果证明，采用该工艺方法制作低端口的 机械式光开关是完全可行的。 黧恩旰 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o n so ft h e d e n s ew a v e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) s y s t e m ，a l l o p t i c a ln e t w o r kh a sb e c o m e t h e n e c e s s a r yt r e n do fo p t i c a ln e t w o r k o p t i c a ls w i t c h i n gh a sb e c o m eo n eo ft h e k e yt e c h n i q u e sf o ra l l o p t i c a ln e t y v o r k w i t ht h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nb e c o m i n g p o p u l a r 1 0 w - s p e e d b u t l o w - p r i c el i t t l e - p o r t - m e c h a n i c a l o p t i c a l s w i t c h e sw i l lb e t h eb e s t c h o i c e a l t h o u g h m e c h a n i c a ls t r u c t u r er e s t r i c t st h e s p e e d o ft h i s s w i t c h ，b u ti th a st h e c h a r a c t e r i s t i c so f s i m p l e s t r u c t u r e ，l o w - l o s s a n dl i t t l e r e p e a t a b i l i t y t h u s t h i sd e v i c ew i l lh a v eb r o a d a p p l i c a t i o n s i nt h ef u t u r e f h e o r e t i c a l a n a l y s e s a n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e sa b o u tt h e1 2a n d2 2 f f l e c h a n i c a l - o p t i c a l s w i t c h e sh a v eb e e nd o n ei nt h i st h e s i s t h ec o n t e n t si n c l u d e ： i ) b a s e do nt h ew i d e l yl e a r n i n go fr e f e r e n c e so ft h e a p p l i c a t i o n s o ft h e s w i t c h e si nt h e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，t h ei m p o r t a n c e o ft h e o p t i c a l s w i t c h e sa n dt h e i rm a t r i x e si nt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni sd i s c u s s e d a n d s o m ek i n d so fm a n u f a c t u r et e c h n o l o g i e so no p t i c a ls w i t c h e sa r eo u r l i n e d 2 ) t h eo p t i c a lc o l l i m a t o ri st h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n to fo p t i c a ls w i t c h e s s o u n d e r s t a n d i n g t h e p r i n c i p l e o f o p t i c a l c o l l i m a t o ri su s e f u lo f u n d e r s t a n d i n gt h ep r i n c i p l ea n ds t r c t u r eo fo p t i c a ls w i t c h e s t h ep r i n c i p l e o ft h eo p t i c a lc o l l i m a t o ri sa n a l y s e da n dd e m o n s t r a t e dw i t ht h em e t h o do f g a u s s t h et h r e ef a c t o r e s a f f e c t i n g t h ei n s e r t l o s sa n dr e t u r n l o s so f c o l l i m a t o ra r ed e s c r i b e d 31t h e p r i n c i p l e o f1 2a n d2 2 m e c h a n i c a l - o p t i c a l s w i t c h e s is i n t r o d u c e d ，a n d t h e o p t i c a lp a t h w a y i sc a l c u l a t e dw i t ht h em e t h o do f r a d i a l t h ei d e ao fd e s i g ni sa l s oi n t r o d u c e d i ti s v e r yi m p o r t a n tt od e s i g n r e a s o n a b l yf o rt h ep e r f o r m a n c eo f t h ed e v i c e b e c a u s et h er u b y ，t h es p r i n g a n dt h es t e e lb a l la r eu s e di nt h e1 2m e c h a n i c a l o p t i c a l s w i t c h s ot h e r e p e a t a b i l i t yi s b e t t e rt h a nt h e2 2m e c h a n i c a l o p t i c a l s w i t c h 4 1t h em a n u f a c t u r et e c h n i c s e so f1 2a n d2 2m e c h a n i c a l o p t i c a l s w i t c h e s ! ! 14 1 1 1 1 1 q ! q ：i 旦gl 垫! ! ! 照! ! 望! 型! ! ! 垒! i ! j ! ! ! ! ! q i ! ! ! ! ! ! g ：! 垒! 尘! ! ! ! ! ! ! ! ! ! i t 华中科技大学硕士学位论文 t e c h n i c s e sa r et h e i m p o r t a n t t a c h eo f e m p o l d e r i n g ad e v i c e s ot h e r a t i o n a l i t yo ft h e m a n u f a c t u r et e c h n i c sw i l la f f e c tt h e p e r f o r m a n c e o f d e v i c e sd i r e c t l y 5 ) t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h es w i t c ha r ed e s c r i b e d ，a n dt h er e s u l t e so f t h et w ok i n d so fs w i t c h e sa r eg i v e no u t a tl a s t ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r ea n a l y s e d t h ee x p e r i m e n t sa n dr e s u l t ss h o wt h a tt h e s et w od e v i c e s h a v et h ec h a r a c t e r i s t i c s0 f1 0 w1 0 s sa n dg o o dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：a l l 。o p t i c a ln e t w o r k ，o x c ，o a d m ，o p t i c a ls w i t c h ，i l ，r e p e a t a b i l i t y i l l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 随着科学技术的迅猛发展，通信领域的信息传输容量正以指数的形式埋 氏。人们对带宽的需求越来越大，信息时代要求越来越大容量的信息传输和爱 换网络，因而全光网络已经成为网络发展的趋势。全光交换网络的实现主要俅 赖于光丌关、光滤波器、新一代光放大器、密集波分复用等器件和技术的发展 光丌关是全光网络中的关键器件，用来实现光层的路由选择、波长选择、光蔹 叉连接以及自愈保护等功能。光丌关在全光网络中的重要性使得光开关和光刀 关阵列的研究成为当前的一个研究热点【1 1 。 1 2 光开关在光网络中的应用 光丌关是全光交换中的关键器件 择、光交叉连接以及自愈保护等功能。 2 - 9 1 可实现在全光层中的路由选择、波长进 目前光开关在光网络中的主要功能包拄 1 ) 光交叉连接( o x c ) 和光分插复用( o a d m ) 在目i u 多数传输网中，比如s d h 和s o n e t ，4 5 m b s 或更低速率的信号道 过数字交叉连接( d x c ) 实现交叉连接，通过分插复用器( a d m ) 复用到耍 高线速上，每一线速上的信号通过一根光纤在两个网络单元间传输。然而，区 特网的迅速发展使这样的光纤传输技术难以满足要求。随着光放大器和波分复 用技术( w d m ) 的发展，以前只能传输一个波长的光纤现在可以传送几百t 个 波长，每个波长的传输速率达1 0 g b s 或更高。w d m 把多个波长集合在一起圳 使它们可以在一根光纤上作为一个整体放大和传输，这样就无需升级现有的升 纤传输设备而极大的增加传输容量，现在发展的全光网以w d m 技术为基础， 向光交叉连接( o x c ) 是w d m 全光网中的核心技术，它可以避免高速电传鞴 嘲中各节点上的光电、电光转换的电子瓶颈，实现高可靠、大容量和高灵活掣 华中科技大学硕士学位论文 传输“1 。 o x c 是用于光纤网络节点的设备。它的功能是对系统中的光信号进行交 叉连接，解决网络间的信息耦合，并兼有本节点的全光分插复用功能，它可以 灵活有效的管理光传输网络，使网络具有很大的灵活性。可扩展性和动态重构 以及自愈功能，是实现可靠的网络保护恢复、自动配线和监控的重要手段。 它与d x c 的作用相似，但实现方法不同，o x c 是对光信号交叉连接，因而交 叉容量、交叉连接速率和接入速率都很高，且无需时钟同步和开销处理，而 d x c 是对电信号交叉连接，因而受电子元件的限制，交叉连接速率和接入速 率都比较低。o x c 的主要特点是：不需要电光、光电转换；避免电子信号的 瓶颈：交叉连接速率高；利用o x c 便于网络升级；且升级时一般无需更换设 备；o x c 设备型号少；监控维护参数少；易于标准化；无需时钟同步和开销 处理13 】。 一般说来，o x c 主要由光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口、管理控制 单元等部件构成。光交叉连接矩阵是o x c 的核心、一般是指光开关阵列、它 要求无阻塞、低延迟、宽带、高可靠且具有单向、双向和广播形式的连接功能， 俞入和输出接口直接与光纤链路相连，分别对输入、输出信号适配、放大，管 理控制单元通过编程对光交叉连接矩阵、输入和输出信号进行监控和控制。 目前基于微电子机械系统( m e m s ) 技术的光开关矩阵已经在光交换应崩 卢进入了现场实验阶段i 4j ，由于其对波长、数据速率和信号格式都透明，在小 重的将柬有希望实现光层的交换；图1 1 是光开关应用的一个典型示例 5 1 。 园光交 光分 图1 1 光开关在全光网络中的应用 ( ) a o m 可以看作是功能简化的o x c 结构，它在光波长领域内具有类似 2 华中科技大学硕士学位论文 s d h a d m 在时域内的特性。它的基本功能是从波长数为4 、8 、1 6 、3 2 波的复 用波长中插入或取出单个或多个作为信道的波长。根据0 a d m 设备上下波长的 方式，0 a d6 c i 可分为信道固定型和信道灵活型，信道固定型0 a d m 设备能够上 f 一个或n 个固定信道，而信道灵活型0 a d m 设备能够灵活地上下指定的一个 或个信道。由0 a d m 组成的环形网或链形网可以在中间任节点方便地上 下一路或多路光信号，当网络话务量变化或网络失效需要恢复时，0 a d m 和0 x c 发各能够根据需要对光传输网进行网络重组，对光信号进行有效的保护。图 1 2 是m e m s 光开关用作0 a d m 的示意图1 6 1 。 图i2 基于d w d m 和m e m s 光开关的o a d m ! ) 丌关实现网络的自动保护倒换 当光纤断裂或传输发生故障时，就可以通过光开关改变业务的传输路径， 耍现对业务的保护。这种保护倒换可能是光开关最简单的应用，通常只需1 ! 端l 】光丌关就可以实现。 3 ) 用1 n 光开关实现网络监控 在远端光纤测试点通过1 n 光开关把多根光纤接到一个光时域反射仪 ( otdr ) 上，通过光开关倒换实现对所有光纤的监测。另外，利用光开关 唑可以在光纤线路中插入网络分析仪，实现网络在线分析。这种光开关也可哕 于光纤器件测试。在工厂中的光器件、光缆以及子系统的产品质量测试过程 中，叮以通过分别监视光开关的每个通道来测试许多器件，而不用把每个器件 华中科技大学硕士学位论文 稻单独跟仪表连接。 ) 光纤通信器件测试 光器件、光缆以及子系统产品在测试过程中，可以使用光开关同时测试多 卜器件，从而简化测试，提高效率。 3 国内外发展动态 根据其工作原理，光开关可分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关 墓光纤或光学元件移动，使光路发生改变。国际上研究和应用这类开关的时间 e 较长，我国目前主要研究的也是这类开关。它的优点是：插入损耗较低，一 陵不大于2 d b ；隔离度高，一般大于4 5 d b ；不受偏振和波长的影响。不足之 遣是：j 1 ：光时间较长，一般为毫秒数量级，有的还存在回跳抖动和重复性较差 向问题。机械式光开关又可细分为移动光纤、移动管套、移动准直器、移动反 对镜、移动棱镜、移动耦合器等种类。非机械式开关则依靠电光效应、磁光效 叠、声光效应以及热光效应来改变波导折射率，使光路发生改变，它是近年来 作常热门的研究课题。这类开关的优点是：开关的时间短，达到毫微秒数量级 甚至更低：体积小，便于光集成或光电集成。不足之处是插入损耗大，隔离器 复低，只有2 0 d b 左右i l ”1 。 饥械式光开关的发展已经达到了成熟化的阶段，目前主要考虑的是如何改 芷，使它的性能参数更好。非机械式光开关研究和应用的历史要短一些，但这 类丌关具有突出的优点，使得近年来人们加强了这方面的研究并取得了长足的 芷步，目的已有多种非机械式光开关进入了使用化阶段。现在半导体光放大器 ( s o a ) 阵列式光开关和采用微电子机械工艺做成的光开关矩阵( m e m s ) 是 圯丌关中比较热门的研究课题。 5 0 a 可以通过改变它的偏压用做通断开关，如果偏压降低，不能形成粒 f 数反转，装置将吸收输入信号；如果偏压达到阈值，它将放大输入信号。丌 佚念时放大信号而关状态时吸收信号，这种特性使该装置有很大的消光比。 必速度大概是1 n s 左右。将s o a 和无源耦合器集成可以形成大规模的丌关矩阵。 半导体光放大器阵列在w d m 路由和光集成开关应用中显示出了巨大的潜力，采 村s o a 作为交叉点的纵横连接器已经得到了广泛应用。s o a 的增益可以补尝输 4 华中科技大学硕士学位论文 入和输出的损耗，但是得到增益的代价是引入了自发辐射噪声，并且很难使它 偏振无关。 m e m s 技术利用微镜制作光开关矩阵。图1 3 为利用m e m s 技术制作的开募 在光交叉连接中应用的情况】。图中的活动微镜可以采用上下折叠方式、左茬 移动方式或旋转方式来实现开关的导通和断开功能。 图1 3 光交义连接中的m e m s 开关 ) | 亡j 关必须要有低插入损耗和低串音，才能实现在宽带光网络中的恢复、 骱拎和按需分配带宽等功能。传统的光开关技术主要采用固态波导( 电一光、 热一光等) 和光机械两种技术，固态波导开关由于有较高的串音、损耗和功率， l ：能在有限的开关矩阵中应用，不适合在大规模的开关矩阵中应用：光机械丌 天虽然有极好的插入损耗和串音效果，但由于设备庞大、昂贵，导致可靠性和 町扩展性均不好，也不适用于大规模的开关矩阵，因此需要一种新的技术来建 、7 所需要的丌关。m e m s 技术制作的光开关是将光机械结构、微触动器和微光 厄件在同一衬底上集成，结构紧凑、重量轻，易于扩展，此种光开关继承了光 机械丌关的优点，又克服了光机械开关的缺点。 1 4 本课题研究内容 由于机械式光丌关具有制作工艺简单、成本较低的特点，而且随着光纤谴 f 言逐渐到家，速度虽然不高但价钱便宜的低端口机械式光开关必将是最佳的送 择，所以我们根据实验室的技术特点和合作单位的要求，选择机械式光开关作 华中科技大学硕士学位论文 为研究对象。我们的主要工作是：在文献调研和理论分析的基础上，制作出了 基于反射镜的2 2 机械式光开关和基于棱镜的1 2 机械式光开关；在此基础 上对制备工艺进行了改进和完善：对两种机械式光开关的性能进行了测试和分 析。据调查，今年光纤通信行业中的热点之一就是光开关的开发，因此，这个 课题意义重大。 本课题预计达到的技术指标如下： 表1 11 2 和2 2 机械式光开关所要达到的性能参数 性能参数1 2 机械式光开关 2 2 机械式光开关 i 作波氏1 2 6 0 1 3 6 0 n mor1 5 1 0 1 6 1 0 n m15 1 0 1 6 l0 n m p d l o 0 1 5 d b 00 15 d b 重复性 0 0 3 d b 0 0 5 d b 开关速度 1 0 m s 1 0 m s 串扰 4 5 d b 6 0 d b 插损 5 0 d b 寿命 1 0 0 万次 1 0 0 万次 全文的内容组织如下： 第一章介绍了光开关在现代光网络中的重要作用，阐述了光开关在全光层 的各种具体应用，给出了本课题的研究内容以及所研究的光开关所要达到的性 能参数。 第二章介绍了目前已经实用或正在研究的光开关及其阵列的各种技术研 。咒进展，比较了各种开关的性能参数，分析了各种技术在制作歼关方面的的特 点。 第三章首先介绍了单光纤准直器的原理，然后介绍了影响准直器插损的因 素并分析了准直器的回损，最后对光开关中需要用到的单光纤和双光纤准直器 进行了计算。 第四章首先以2 2 机械式光开关为例介绍了光开关在光网络中的应用， 然后介绍了1 x2 和2 2 机械式光开关的原理，并对光路进行了计算，最后介 绍了l 2 和2 2 机械式光开关的设计思想。 第血章介绍了1 2 和2 2 机械式光开关的工艺流程，并且探讨了本工艺 华中科技大学硕士学位论文 的特点和一些新的方法。 第六章首先介绍了光开关的技术参数，然后给出了光开关的检测结果，晶 后分析了影响2 x2 机械式光开关重复性的因素及解决方法。 第七章总结和探讨。 华中科技大学硕士学位论文 2 光开关技术进展 21引言 光开关与光开关列阵是重要的光器件，随着光纤通信技术的发展和密集波 分复用( d w d m ) 系统的应用，在光波密集波分复用基础上组建全光传输网是通 信技术发展的必然。其中，光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接( o x c ) 等是不可 缺少的网络节点设备。而这些节点设备中迫切需要性能良好、价格合理的各种 光器件，包括光开关和光开关列阵。作为重要光网络器件，人们对光丌关与光 丌关列阵的研究已经有二三十年的历史。由于人们对器件材料、器件工作原理、 肺丁【艺等多方面认识和研究的不断进展，光开关与光开关列阵的类型也呈现 出多元化发展趋势l l i 。 22各种光开关技术特点分析 已报到的光开关如按工作原理和所用材料，又可分为电光、热光和机械丌 关。表2 1 给出了采用不同技术的光开关的异同 12 1 。 在l5 5um 光 性能插入损耗串扰开关速度功率消耗 开戈类型 窗的透明性 光学机械 低 很好 一般小 0 5 ld b 一5 0 d b5 l5 m s ( 白锁) 一般一般快 聚合物好相当小 l 2 d b 一2 5 d b 1 m s 电光大 一般好纳秒 相当小 ( l i n b o ：) 2 4 d b 高电压驱动 、r 导体 大 低 还可以 纳秒相当大 【( ：a a s i n g s as p ) 一4 0 d b s o a ( f j 型) 可忽略低还可以纳秒相当火 一般一般 液晶一般好小 2 d b1 0 m s 微电子机械一股 低 好 快 小 【m e m s ) l 2 d b l i l l s 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 波导型光开关 波导型光开光依其工作原理有电光开关和热光开光。电光开关的开关时i 可以达到r l s 量级，它利用波导材料的电光效应实现折射率的调制。比较传l 的电光开关结构有定向耦合器i ”j 、马赫一曾德干涉仪( m z i ) 【”】、偏振旋转 i “1 i 等。定向耦合器开关由一对条形波导以及分布在条形波导上的表面电极 成。通过注入电流改变波导臂的折射率导致能量耦合来实现传输通道的转换 马赫一曾德干涉仪是一种广泛应用的光开关结构。2 2m z 光开关由两个3 ( 耦合器和两个相移臂组成，如图2 1 所示。光开关的输出特性主要受两个3 c 辐合器的特性的影响。3 d b 耦合器的两输出端功率均衡时光开关的消光比最大 通道之问的串扰最小。 图21 马赫一曾德干涉仪型光开关 偏振旋转器光开关由自聚焦透镜、起偏器、偏振旋转器和检偏器组成，l 偏器与检偏器之间的角度为9 0 。，不加偏压时光束正好通过，加偏压时，光e 偏振方向旋转9 0 。，所以光线通不过。如图2 2 所示。 偏压 白 偏振旋转器 图2 2 偏振旋转器构成的光开关示意图 除了上面这些比较传统的光开关结构外，近年来人们提出了多种新的光， 关结构。例如，利用半导体光放大器的非线性作用制作的混合集成对称剖 9 华中科技大学硕士学位论文 一曾德型全光开关结构【l “。它将s o a 作为非线性波导臂，集成在半导体平面 光路( p l c ) 上，并在制作上实现自校准。通过对干涉仪的两臂施加超短控制 光脉冲( 例如宽度为2 p s ，频率为1 0 g h z ) ，利用s o a 的非线性，实现接近矩 形的开关窗口，开关速度最快能达到皮秒量级。这种结构相比于使用平行条 状无源光波导的器件，有更低的群速度色散和吸收损耗，从而能实现更快的 丌关速度和更低的插损。它的优点体现在可以大规模集成，另外开关速度方 面也颇具优势，因此具有较大的吸引力。 随着波分复用技术的发展，人们逐渐希望光开关可以实现波长可调谐。 波长可调谐光开关有很多种，例如m z 干涉仪结构和布拉格光栅结构等，现 在人们非常关注一种可调光电频率滤波器结构【l 。如图2 3 所示，该结构在 l i n b 0 3 衬底中形成三个波导，这三个波导的几何形状不同，因此传播常数有 很大的不同，相位失配使渐逝波在它们之间的耦合不可能发生。只有当滤波 片材料折射率的周期性变化所引起的扰动补偿了传播常数的差异，从而导致 图23 可调光电频率滤波器不意图 相位在一个特定的区域匹配时爿发生耦合。通过改变电压来改变这种扰动， 从l 向实现波长可调谐。t a k a s h ig o h 等【”】提出了双m z 光开关结构，通过两个 m z 光丌关的串联提高光开关的消光比。s h u i c h in a g a i 等人【l8 j 提出了基于侧 向限制的多模干涉耦合器开关结构。通过减小多模干涉耦合器一边的折射率， 改，蔓光场的输出通道。 传统热光开关的基本结构有两种：一种由y 型分支器【l9 j 构成而另一种由 两个3 d 1 3 定向耦合器 2 0 1 构成。它们都是在硅村底上，用蒸发、溅射、光刻、 0 华中科技大学硕士学位论文 腐蚀等工艺形成分支波导阵列，然后在每个分支上蒸发金属薄膜加热器和电 极。电极加上电流后，加热器的温度使下面的热光材料波导被加热，温度上 升，热光效应引起波导折射率发生变化。折射率与温度的变化可用简单的线 性关系式表示： n ( t ) = n o + q t( 2 1 ) n ( t ) = q t ( 2 2 ) 式中：t 为温度的变化；r l o 为温度变化之前的折射率，c l 为折射率温度系数， 它与材料的种类有关。由于n 引起相位的变化o = 2nan l ，而波导材 料的折射率是温度的函数，通过改变一个波导的折射率引起两个波导的相位 变化，导致信号从一个端口输出变为从另一个端口输出。 热光开关所使用的材料有很多种，由于不同材料的热光系数和导热性能 相甍比较大，因此不同材料热光开关的开关时间也相差较大【2 “2 孙。由于s i 的制作工艺非常成熟，因此早期人们比较关注s i 基光波导开关f 2 4 1 。s i 基波 导光丌关有热光型和电光型两种。由于s i 具有较大的热光系数，而且s i 的 导热性比较好，因此s i 基热光开关的响应速度比其它材料如s i 0 2 及聚合物 热光门：关的响应快。由于s i 的p o c k e l 效应极弱，难以形成场致折变效应，因 此 u 光型s i 基波导开关利用了s i 的等离子色散效应。目前对波导材料的研 究，也多的由硅转向了有机聚合物【2 “。聚合物的导热率较低，但热光系数高， 插损般为3 - 4 d b ，消光比为2 0 d b 。热光开关阵列可以和阵列波导光栅 ( a w g ) 集成在一起组成光分插复用器。并采用聚合物来实现。因为a w g 对温度敏感，而聚合物可以把热量保持在光开关部分。热光开关的特点是适 合阵列和大规模生产，而且能在同一村底上集成开关矩阵。缺点是丌关时j 、日j 太k ，在毫秒量级，串扰较大，而且需要散热。 波导型开关因开关时间比较快，仍是当今研究的主要方向之一。现在主 要j 嚣要解决的是插损大、消光比低的特点，同时兼顾向多功能发展。 声光丌关就是利用声光效应制作的光开关，声光效应是指声波通过材料 时，使材料产生机械震动，引起材料的折射率变化，形成周期与波长相关的 布拉格光栅，输入光波在沿内部有声波的波导传输时将发生衍射或散射现象。 利用_ f 射光束的偏转、频移和强度的变化可以做成声光调制器或声光开关等 器件。如图24 所示是利用声光衍射效应的光开关f 1 0 】。当在电声换能器上加 华中科技大学硕士学位论文 上射频电压后，将产生沿y 方向传播的表面超声波，于是引起波导中产生一 个相位光栅。由于这一光栅的衍射作用，使波导中的光强和传播方向都发生 a 一石英 玻璃薄 光栅耦合 入射波导 罔 j ，i i 飞彳 哕i 竺” 1 ：= 5 3 1 , - 波 声表面波 叉指电极 幽2 4 声光型波导开关原理图 变化，从而实现光的开关或调制。该开关的优点是开关速度比较快，为纳秒 量线：缺点是插损比较大，而且成本也比较高。 为了满足波长可调谐的需要最近出现了声光可调开关i l ，该器件的主要 部分是一个声光可调滤波器。如图2 5 所示，光波和声波的方向可以相同， 也可以相反。与光纤光栅的原理相同，不同的声波允许通过的光波波长不同， 所以可以通过改变声波波长来改变调节光波波长。 122 液晶开关 图2 5 声光可调滤波器示意图 液晶开关2 6 1 主要是利用外部电场控制液晶分子取向而实现开关功能的。 液晶开关的工作原理是：首先把输入光分为两路正交的偏振光，然后把光输 入液晶内，在液晶上施加电压将改变液晶的折射率，从而改变两路光的偏振 挞念：昱毯光披阻断；面没直处加电压吐北互必亟过：丛砬塞丑丑羞鲍扛羞 华中科技大学硕士学位论文 状态。液晶的电光系数很高，是铌酸锂的几百万倍，这使得液晶成为最有效 的电光材料。 如图2 6 所示，在两平板之间均匀排列着向列相液晶，当没有外加电压 时，如图中( a ) 所示向列相液晶的指向大致平行于平板表面，液晶分子取向 与偏振轴相互垂直的偏振片a ，p 的夹角均为4 5 。，此时光透过率最大；当 施加外电场e 时，液晶分子长轴最终平行于外场，液晶将不影响入射光的偏 振特性，此时光的透过率接近于零。图2 6 ( a ) 、( b ) 为开关的两个状态； 当撤掉外场时，由于表面作用和液晶的弹性作用，分子的排列会从( b ) 恢复 到( a ) ，最终实现开关状态的转换。实际中也可以利用其它液晶材料如铁电 液晶。使用双稳态铁电液晶，器件的功耗比m e m s 光开关更低。 兰伊“ 十什p a | 一， 1 衍p ( b ) 图2 6 液晶开关示意图 液晶技术具有开关速度毫秒级，频道隔离度4 0 5 0 d b ，不要求温度控制等 睹多优点，理论上网络重构性也比较好，但插损较大。 ：23 气泡开关 2 7 安捷伦公司结合喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出的一种二维 光交叉连接系统。该设备由许多交叉的硅波导和位于每个交叉点的刻痕组成， 刻痕内填充特定的折射率匹配液，每一个小沟道都对应一个微型电阻，加电 时通过电阻加热匹配液形成气泡，对通过的光产生全反射，从而实现关态； 不d n 电时，光信号直接通过。在芯片与光纤的耦合上采用带状光缆通过硅v 型槽b u t t e n d 接触解决。h p 的喷墨打印技术的引入主要反映在对气泡( 微 塑堕! 主垒的趟查蕉型上：堕墨i 卫塞查塑蕉盟垫直主生墨盛! 羞篚壅些主 华中科技大学硕士学位论文 生气泡。安捷伦推出的光交换芯片的主要指标：尺寸1 9 x 6 x 1 2 英寸，最大 插损7 5 d b ，最大开关时间1 0 m s ( 气泡的产生到消失约2 m s ) ，控制电路功耗 2 5 w ，工作温度一5 到6 5 摄氏度( 需要加致冷器t e c ) 。与m e m s 技术相比没 有可移动部分，不需要准直镜等耦合。a l c a t e l 公司已经率先采用这种芯 片推出了自己的光交换机。图2 7 给出了安捷伦喷墨气泡技术光开关的示意。 幽2 7 安捷伦公司喷墨气泡开关示意图 这种开关的优点是，对偏振相关损耗和偏振模色散都不敏感。由于器件 本身没有活动部件，因此可靠性很好，可以满足电信应用中可靠性要求。同 时，这种光开关可以大批量生产。另外，这种光开关可以应用在光分插复用 设备中，实现任意一根光纤或单波长的上下路，也可以用于光交叉连接设备 中，由于子系统中任意一根波导可以连接到另外一根波导上，所以，由其组 成的网络具有很好的重构性。 ! 2 4 全息光栅开关 全息光栅开关工作原理实际上就是依靠布喇格光栅实现对光的选择性反 射，而这种布喇格光栅是以全息方式在晶体内部生成1 2 8 1 。当加电时，布喇格 光栅把光反射到输出端口；反之，光就直接通过晶体。这种技术的优点是可 以限容易地组成上千端口的光交换系统，并且它的开关速度非常快，为纳秒 1 4 华中科技大学硕士学位论文 量级。由于没有可移动器件，可靠性比较好。这种技术可以跟三维m e m s 技术 竞争，纳秒量级的交换速度使其可以用于未来的光路由器中。 d i g i l e n s 公司在此基础上提出了液体光栅技术，即把液晶微滴置于高分 子层面上，然后沉积在硅波导上面，并形成液体光栅。当没有施加电压时， 光栅就把一个特定波长的光反射到输出端口，而当加上电压时，光栅消失即 晶体是透明的，光信号将直接通过光波导。它与全息光栅开关的区别就在于 液体光栅可以通过施加电压来产生或者消除。液体光栅技术的优点是速度快 和插入损耗小。根据d i g i l e n s 公司报道，这种开关的响应时间为lo ous ， 插入损耗小于1 d b 。由于没有移动部分，可靠性比较好。另外器件的功率消 耗比较低，典型值为5 0 m w 。液体光栅技术的缺点是仅能实现单波长的切换， _ j 己法实现象m e m s 开关那样的多波长切换。 12 j 非线性光学环路镜开关 n o l m 是s a g n a c 干涉仪和克尔( k e r r ) 效应的结合，近年来研究得非常活 跃p 。n o l m 的工作原理如图2 8 所示。它利用两个反相传输的光信号脉冲之 间的干涉实现丌关。这两个反相传输的光信号脉冲有相同的强度，在耦合中 迭d u 、干涉，当没有泵浦脉冲与信号脉冲同向传输时，光信号脉冲将回到n o l m 的输出端：而当存在泵浦脉冲时，由于k e r r 效应，泵浦脉冲会改变信号光的 相移，相移可表示为：中( t ) = 2 k n ：l i ，( t ) 一i 。( t ) ，式中，k 为波 矢，n 为非线性折射率系数，l 为光程，i 。，( t ) 是泵浦脉冲的光功率，i 、 n l 图2 8n o l m 开关原理 ( i ) 是泵漓脉冲的平均光功率。当满足a 由( t ) = n 时实现光交换。 华中科技大学硕士学位论文 t h z 非对称光去复用器( t o a d ) 是使用s o a 变形的n o l m 型光开关。其结 构如图2 9 所示，其开关时间由x 决定。 。一a ；一 数据入 控制 数据出 图2 9 t o a d 光开关 由于k e r r 效应具有飞秒响应速度，所以n o l m 型光开关可以实现超高速 时域交换，但消光比差，很难超过3 0 d b 。 2 26m e m s 光开关 在需要支持大容量交换的全光网络中，基于m e m s 技术的解决方案似乎已 是主要潮流【”q ”。基于m e m s m o e m s 的光开关，其关键的机械元件是基于m e m s 的微型机械镜片，采用大规模集成的复杂的金属氧化半导合成方法制成。基 本原理就是通过静电力或磁感应力使可以活动的微镜发生机械转动，以改变 输入光的传播方向，从而实现开关功能。m e m s 光开关有两种基本方式：一是 二维( 2 一d ) 数字逼近( n ! 结构) ，另一种是三维( 3 一d ) 或称模拟逼近( 2 结构) 。图2 1 0 为利用m e m s 技术制作的二维开关在光交叉连接中应用的情况 i 。图中的活动微镜可以采用上下折叠方式、左右移动方式或旋转方式来实 现丌关功能。 二维逼近具有适应性强的特点，同时具有手工制造元件的光学性能以及 产品的稳定性和价格的竞争性。但这种结构开关布置的反射镜数目太多，反 射镜的数目每增加1 倍，光线的穿行距离就必须以平方数拉远，这必然影响 光线准直的效果。 由于二维方案的端口受限，又出现了三维解决方案【圳，它突破了二维方 案的端口数限制。在n 个输入光纤和n 个输出光纤之间使用了2 n 个微镜， 每个微镜都有n 个可能的位置，从而实现n xn 开关阵列。当节点数增加时， 这种结构较少受制于光的传播距离。因此可以做到成千对接口，且插损仍很 低( 大约6 d b 或更少) ，均一性很好。但是，这种优点的代价是价格可观，因 6 华中科技大学硕士学位论文 为镜片要有很多可能的位置，就要用复杂的模拟驱动电路来使其在任何时间 都能处于正确的位置。驱动结构方面，目前静电和磁感应逐渐成为m e m s 光开 关的主要选择。静电驱动能力较低，而磁感应驱动还需要解决系统的屏蔽、 封装以及可靠性问题。因此，静电驱动方案目前仍是首选，而且已经有很多 静电驱动的光开关产品投入市场。 图2 1 0 二维m e m s 光开关 一般m e m s 光开关的开关时间都在毫秒量级，在与其他技术比较中处于劣 势另外，由于m e m s 光开关是利用微镜的机械转动来实现开关功能的，所以 任何机械摩擦、磨损以及外部振动都可能使它的可靠性降低。但m e m s 技术利 用炎似i c 的工艺成批加工生产，从而降低成本，这与其他类型的开关相比具 百f 艮大的竞争力；另外由于它与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏 振、传输方向等均无关，而且在损耗、扩展性方面都优于其他类型的光开关， t 亏光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合。基于这些优点，利用 m e m s 技术制作的光开关及其阵列有可能成为核心光交换器件中的主流。 2 3小结 本章介绍了目前已经实用或正在研究的光开关及其阵列的各种技术研究 进曛，包括电光、热光、声光、液晶、气泡、全息光栅、非线性光学坏镜、 m e m s 等技术，并分析比较了各种技术在制作开关方面的的特点。 华中科技大学硕士学位论文 3 准直器原理及光路计算 31 引言 本章首先介绍了单光纤准直器的原理，然后介绍了影响准直器插损的因 素，最后对光开关中需要用到的单光纤和双光纤准直器进行了计算。 3 2 准直器的概述 由于光纤准直器是光开关的重要组成部分，因此了解光纤准直器的原理对 了解光丌= 关的原理和结构很有帮助，所以本文首先介绍光纤准直器的原理。 光纤准直器是光纤通信系统和光纤传感系统中的基本光学元件 35 - 3 8 1 ，它常 由四分之一的自聚焦透镜( g r i n 透镜) 和单模光纤组成，如图3 1 所示，其 用途是对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤与光纤、光纤与其它光 学元件问的耦合效率。 光 图3 1 光纤准直器结构图 出于o2 5 节距的g r i n 透镜的焦点恰好位于透镜端面，但在实际安装过 程中，光纤的出光面无法正好位于该焦面上，所以一般采用o 2 3 节距的8 。倾 角的g r i n 透镜，此时其焦点位于端面外，这为光纤的出光面f 好位于焦面上 带来了可能。此时，光纤准直器的结构如图32 所示。 华中科技大学硕士学位论文 光 3 3 理论基础 图3 2 光纤准直器结构图 - 3 i 光束在自聚焦透镜中的传输 自聚焦透镜的折射率呈梯度分布，中心折射率为n 。，离轴r 处的折射率为 n ( r ) = o f1 s t ：中聚焦参数a 表示折射率的变化程度。 律为 3 9 - 4 0 ( 31 ) 长度为z 的自聚焦棒透镜的成像规 ( 3 2 ) _ 【 | = 处a z 2 2 ，r 表示离轴距离，t 表示光线斜率，近轴光线可直接用光线倾 角表示。一束光以。角斜入射至自聚焦棒透镜，汇聚后的光点将移至离轴d 处，由( 32 ) 式得到 d o = t a n o l n n 爿 ( 3 3 ) 3 2 高斯光束的传输 高斯光束的束腰半径u ，曲率半径r ，给定位置z 处的参数q 满足f 4 。 1 9 仳h 丙 篙风叫 叫压 a o0 n u 华中科技大学硕士学位论文 七：三一冬 ( 3 4 ) g ( z )r ( z )r c o ) 2 ( z ) 高斯光束在自聚焦棒透镜中