（通信与信息系统专业论文）在线光纤光开关的研究.pdf

在线光纤光开关的研究 摘要 光开关及其阵列是实现w d m d w d m 和c w d m 等系统的关键器件 是实现全光 网络的核心器件 本文主要分三个部分 第一部分介绍了光开关的发展与前景 目前阶段光开关的技术 描述光开关 的性能参数和目前阶段光开关的具体应用 第二部分是三纤开环耦合器结构的光纤光开关的理论部分 根据耦合模理 论 推导出描述光纤耦合器耦合特性的耦合模方程 分析了三纤光纤耦合器的功 率特性 进而推导出光纤光开关的输出光功率与耦合系数及开环位相的解析式 通过数值仿真 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 同时也分析了由压电陶瓷p z t 组成光开关的开环相位控 制器对光的相位调制原理 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 利用对本论文提出的光纤光开关相同的 理论分析方法 来分析三种闭环结构的三纤耦合器 得出三种闭环三纤耦合器的 输出功率与耦合系数以及位相的数学解析式 从理论上证明这些闭环三纤耦合器 都具有明显开关特性 并利用已有实验结果验证理论分析的正确性 从而验证本 论文提出的光纤光开关也具有开关特性 最后定性分析了器件的温度稳定性 提 出相应的设想 最后就本论文进彳亍了简单的论述 对如何进一步提高器件稳定性和封装提 出设想 关键字 光纤通信 耦合模理论 光纤耦合器 光开关 隔离度 在线光纤光开关的研究 a b s t r a c t o p t i c a ls w i t c h e sa n dt h e i ra r r a y 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 n s y s t e m s s u c ha sw d m d w d ma n dc w d m t h e ya r ea l s ot h e i 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 t h i sp a p e ri sd i v i d e dt h r e ep a r t s f i r s t l y d e v e l o p m e n tt r e n d s t e c h n o l o g i e s p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s a n d a p p l i c a t i o n f i e l d so f o p t i c a ls w i t c h e sa r e d e s c r i b e d s e c o n d l y t h em o d e c o u p l i n ge q u a t i o n sw h i c ha r eu s e dt oa n a l y s i st h ec o u p l i n g p r o p e r t i e s o ft h r e e o p t i c a l f i b e r c o u p l e r s a r ed e r i v e db yt h e c o u p l e d m o d et h e o r y e x p r e s s i o nf o rt h eo u t p u to p t i c a lp o w e rpa st h ef u n c t i o no ft h ep h a s e0a n dt h e c o u p l i n gc o e f f i c i e n tk o ft w od i f f e r e n ti n p u tt y p e si so b t a i n e dt h e o r e t i c a l l y i nt e r mo f n 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 ea n a l y z e di n d 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 do p t i c a lp h a s em o d u l a t i o nt h e o r y w i t ht h eo p e n l o o pp h a s e c o n t r o lc o m p o n e n t p z t i ss t u d i e di nd e t a i l t h i r d l y 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 sp e r f o r m a n c e sa r et e s t e d b y u s i n gt h et h e o r e t i c a la p p r o a c hw h i c hi s u s e dt o a n a l y z et h ep r o p o s e df i b e r o p t i c s w i t c h e x p r e s s i o n sf o rt h eo u t p u tp o w e rp a st h ef u n c t i o no ft h ep h a s e0a n dt h e c o u p l i n gc o e f f i c i e n tk o ft h r e ek i n d so f t h r e e f i b e r c l o s e d l o o pc o u p l e r sa r co b t a i n e d o 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 dt h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si no t h e r p a p e r sa g r e ew i t ht h ea b o v e t h e o r e t i c a lr e s u l t s w h i c ht e s t i f yt h a tt h ep r o p o s e ds w i t c h a l s oh a ss w i t c h i n ge f f e c t a n dt h et e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft h i sd e v i c ei sp r e s e n t e d q u a l i t a t i v e l ya n d s o m es c h e m e so f s o l v i n g t h ep r o b l e ma r eg i v e n a tl a s t t h eo v e r a l la n a l y s i sa 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 o i m p r o v e t h es 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 yw o r d s f i b e r o p t i cc o m m u n i c a t i o n c o u p l e d m o d et h e o r y f i b e rc o u p l e r s o p t i c a ls w i t c h e s s w i t c hi s o l a t i o n 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t n 意 签名 纽日期丝比 尹 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 忙醐 掣 在线光纤光开关的研究 第一章研究背景与课题的提出 1 1 引言 到目前为止 光是人类发现用于信息传输最理想的载体 通信网络的两大主 要组成部分是传输和交换 在以石英光纤为传输媒质获得巨大成功之后 现在通 信业众多的目光已经集中到交换上来了 要真正实现光层的联网功能 真正实现 光联网的优势需要解决光网络的关键网元节点 光网络节点 o x c o a d m 这些光网络节点的核心部件是光开关 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 近年来 光网络的一个很大趋势就是它已经冲破干线网的局限 广泛用于组 建城域网 各大知名公司已有了成熟的用于城域网的多业务传送平台解决方案 m s t p 同时 随着光纤到户 f t t h 呼声的日益增加 很多国家对f 1 v r h 也有了实际的计划和行动 可以看出 无源光两络 p o n 钓接入网在不久将会 成为现实 用户可以享受真正宽带联网 享受各种宽带业务 光网络的应用将更 加深入 更为广泛 光网络的另一个趋势就是减少数据信息中转过程中的光 电 一光的转换 力图直接在光域上实现交换和接入 实现全光交换 也就是说实现 全光网的目标 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 这些 核心节点基本上足光电混合的 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 综上所述 研究全光开关 实现在线 低损耗等众多优点的全光开幕 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 1 2 光开关器件概述 1 2 1 光开关的发展与前景 第1 页 在绒光纤光开关的研究 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酶器传 端口郦指连接予光器件中允许光 输入或输出的光纤或光纤连接器 近年来 尽管受到整个i t 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浴技术及在全光网中的重要性使对该技 术和其阵列的研究热度不减 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 杌理和材料 光开关的端口数越来越大 已达到 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 和聚合物光开关 1 及综合利用了微光子 微电子 半导体微缀船工技术 微机械技术的微机电光开关 随着光传送网技术的发展 原有的光开关技术性能不断地改进 而新型的光 开关技术不断出现 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i p 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1 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 高速交挠 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 2 2 制作光开关的主要技术 目前阶段 在光传送网中各种不同的交换原理和实现技术的光开关被广泛地 提出 不同原理和技本的光丹关具有不同的特性 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 电光开关和声光开 关等 根据光束在光开关传输的介质来分 匕开关可分为 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穆动馒光路发生改变i 热悲 电光 声光效应光开关通过改变交换介质的折射率 实现交换目的 目前常用的 第2 页 在线光纤光开关的研究 光开关有以下几种 机械光开关 m e m s 光开关 热光光开关 电光开关 冒 泡光开关 液晶光开关 全息光开关 声光开关 s o a 光开关等 1 机械式光开关 机械光开关是第一种真正商用的光开关 在机械光开关中 开关功能是通过 机械方式实现的 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 机械光开关的优点是插入损耗低 偏振相关 损耗低 串扰低和造价低 但是开关速度为毫秒级 不适合于某些要求开关速度 较高的应用场合 有时还存在回跳抖动和重复性较差等问题 另外其体积较大 不易做成大型的光开关矩阵 与大多数机械元件一样 可靠性好也是一个考虑的 方面 机械光开关一般限制在lx 2 和2 x 2 的类型 端口数更多的光开关可通过 串接一些1 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 械式光开关主要是用于光纤保护和低端口数的波长上路厂f 路 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 ms y s t e m 光开关 虽然可以把m e m s 光开关认为是机械光开关的一个分支 但是一般把m e m s 光开关与传统机械光开关分开考虑 主要原因是近年来m e m s 开关不仅是通信业 领域的一个开发热点 同时是因为它相比于传统的机械光开关所体现出的优越性 能 m e m s 光开关利用微反射镜改变光的传播方向直接到所希望的输出端口 或 者把光反射到相邻的反射镜 再输出到希望的输出端口 4 1 一般把m e m s 光开关分为二维 2 d 器件 或叫数字器件 和三维 3 d 器件 或模拟器件 1 6 1 图1 1 为2 d m e m s 的顶视图 1 0 1 在2 d m e m s 器件中 微反射镜和光纤位于同一个平面上 而且在任一个时刻微反射镜的开关状态唯 一 即开或关 这使得驱动2 d 器件非常简易 所以也把2 d m e m s 器件称为数字 m e m s 器件 对于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 但是这种技术的缺点就是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 保持器件插入损 第3 页 在线光纤光开关的研究 耗稳定 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 电磁驱动的优点在于提供一个大的双向线性驱动力输出 但需要复 杂的制造程序和电磁屏蔽 静电驱动是一种首选方法 主要是因为系统制作相对 容易 器件易于集成化和所需功耗极低 图1 12 d m e m s 光开关的顶视图 m e m s 光开关的开关速度在亚毫秒级 它县有低损 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 由于m e m s 光开关依 靠微反射镜的移动或转动来实现交换 所以任何机械摩擦 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 这可以通过特殊的m e m s 结构设计 和制作工艺以及器件封装工艺来改进 同时三维m e m s 开关阵列遇到了制造上和 使用上的种种难题 基于上述难题 新原理和新型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 mm e m s d m e m s d i f f r a c 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 7 1 初步结果表明 硅酮橡胶材料的引入会给m e m s 技术包括光丌 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 p m c m o s i 艺制作 8 o 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 第4 页 在线光纤光开关的研究 3 热光光开关 热光光开关 5 1 的工作原理是热光效应 通过介质材料本身温度变化使材料折 射率发生变化 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 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 2 所不 9 1 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千涉仪的折射率 使 干涉的两柬光产生光程差 形成相干增强或相消 达到预期开关的目的 n 1 图1 z 干涉型热光开关的结构图 数字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 3 所示 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 微加热一波导臂可改变波导臂的折射率 实现光从另 端口输出 数字 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 图1 1 3 数字光开关的示意图 第5 页 在线光纤光开关的研究 热光开关一般用于端口数较少的情况 热光开关技术主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 和插入损耗并不能令人满意 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 6 1 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功率 但损耗较大 4 电光开关 2 x 2 电光开关 4 1 是使用方向耦合器和电介质材料构成的 如下图l 一4 所示 1 0 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 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 4 方向耦合器电光开关的示意图 电光开关可以非常快速的改变开关状态 通常小于一个纳秒 电光开关的开 关时间由电极结构的电容值所决定 电光开关的优点是稳定性好 但是换来的代 价是插入损耗大 可能与偏振有关等缺点 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 端口数更多的开关可通过在同一衬底上集成 一些2 x 2 光电开关实现 然而 这样的集成电光开关往往会有相对高的损耗和偏 振相关损耗 而且价格比机械光开关来得昂贵 5 液晶光开关 液晶光开关 5 6 1 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 电场控制液晶的去向来实现开关功能 由于液晶材料的电光系数是l i n b 0 3 的百 第6 页 在线光纤光开关的研究 万倍 因此液晶材料成为最有效的电光材料 液晶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 而偏振分柬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 5 是一个l 2 液晶光开关的结构图 i n p u t p o l a d z s l l o n b r e f d n g e n t b e a ms p l m t e r b i r e f d n g e n t 尚m p l a t e 厂 f i ttr l j i j q u f dc r y 蠡1 丌 d u i a l r ib 鬻洲 o u t p u t 杜2 图1 51 x 2 液晶光开关的结构图 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 现在已有技术使铁电液晶光开关的开关时间可达到 m s 以下 其典型插入损耗也优于 d b 相信液晶光开关在网络自愈保护应用中将大 有发展 6 冒泡光开关 冒泡光开关 5 1 可认为是热光开关的一个分支 因为它的工作原理是基于对衬 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 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 内注入一种折剁 率匹配液用以允许缺省条件下的无交换传输 当有入射光照入并需要交换时 一 第7 页 在线光纤光开关的研究 个热敏硅片会在液体中产生一个小气泡 小气泡将把从入射波导中的光信号全反 射至输出波导 从而实现开关所需要的两个状态 目前安捷伦公司已经成功研发 出3 2 3 2 光开关子系统 并且可以把这些子系统连接起来组成更大的交换矩阵 2 x 2 冒泡光开关的开关响应时间小于1 0 m s 可以用于光路保护倒换 这种光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 是全光开关 没有可活动部件 也没有准直透镜等耦合器件 因此可靠性很好 可以满足电信应用中时间可靠性要求 同时 这种光开关可以大批量生产 目前 这类开关的提供商只有安捷伦公司 7 声光开关 声光开关 1 2 的工作原理是声光效应 如声和光的相互作用 偏振不敏感的 声光开关的工作原理如下 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 形成了一个 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 t 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 w d l l l 较高 8 s o a 开关 半导体光放大器 s o a 1 0 l 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 即开和关两种状态 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 藕8 页 在线光纤光开关的研究 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l n s 左右 同时对偏振不敏感 但是s o a 开关存在 造价昂贵 噪声大 信号失真等缺点 9 全息开关 近几年发展起来的全息开关 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 h a r o na g r a n a t 发明 该技术利用的晶体是 p a t a s s i u ml i t h i u m t 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 全息图全息产生 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 这种技术可以跟三维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 表1 1 比较上述讨论的光开关技术 所有的性能参数值都来源于真正的商用 产品 表1 1 各种光开关技术性能的比较 i n s e r t i o nl o s sc r o s s t a l kp d l s w i t c h i n g o p t i c a ls w i t c hp e r f o r m a n c e s d b d b d b t i m e o p t o m e c h a n i c a l8 x 8 1 1 05 5 5 0 0 74 m s 第9 页 在线光纤光开关的研究 m e m s8 x 81 1 4 0 2 3 7 5 0041 2 m s e l e c t r o o 廿t i c8 x 8 1 5 19 3 05 n s t h e r r n o o p t i c8 x 8 1 6 1 8053 m s l i q u i dc r y s t a l s2 x 2 1 7 1 1 4 5 0o 25 m s b u b b l e2 x 2 f l8 2 5 7 5 5 00 31 0 m s a c o u s c o o p t i cl x n 1 1 9 1 6 3 j 3 p s 1 2 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 有些参数的含义与其他器件的定义相同 有的则 是光开关特有的 这里以1 2 光开关为例给出以上参数的定义 2 6 l 下图1 6 为l 2 光开关示意图 图1 6l x 2 光开关示意图 p i f p p 2 p 2r 1 插入损耗 i n s e a 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 1 0 l o g p 秀 一 式中 r 为进入输入端的光功率 鼻为输出端接收的光功率 插入损耗与 开关的状态有关 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 1 0 l o g 鲁 1 z 第l o 贝 在线光纤光开关的研究 式中 p o 为进入输入端的光功率 鼻 是在输入端接收到的返回光功率 回 波损耗也与开关的状态有关 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 一1 0 l o g i p m o 1 3 式中 只 是m 端口在开启状态下接收的光功率 乓 是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 串八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 一1 0 1 0 9 詈 1 4 d 式中只是开关接通输出端口l 输出的光功率 巴是串入端口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 开启 和非导通 关闭 状态下的插入损耗之差 即 e r l 一暖 1 5 式中 为n m 端口导通时的插入损耗 如为非导通状态的插入损耗 6 开关时i 日q 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 除此以外 机械式光开关还有回跳时间 寿命 重复性等指标 波导型光丌 关则除有偏振相关 温度稳定性等指标外 还有机械性能方面的指标 如利冲击 振动以及环境性能等方面的指标 实用中对光开关的一般要求是 插入损耗低 勰合效率高 开关速度快 串音小 驱动能量低 无偏振依赖性 频率带宽宽 隔离度高 回波损耗小 尺寸紧凑 成本低廉 在线光纤光开关的研究 1 2 4 光开关的主要应用 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 目前阶段光丌关主 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 一条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 1 可量测性 2 开关端口多 3 高稳定性 低损耗 4 不依赖于通道长度和均匀性良好的光信号 5 对于某个特定光路 不中断其它光路的开关性能 2 光网络的保护 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1x 2 2 x 2 光开关 或者1x n 光 开关都可以实现 这是光开关最简单的应用 对用于光网络的光开关的要求是可 靠稳定 因为很多时候这些开关是光网络中的有故障的信号节点 3 光分插复用 o a d m o a d m 是光网络的其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 网络监视功能 第1 2 页 在线光纤光开关的研究 使用简单的1x 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1x n 光开关 监测光开关的每 个通道信号来测试器件 在这些应用中 光开关的作用主要有以下三类 1 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 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 1 3 本论文的工作内容 光开关能直接对光信号进行切换 避免了光 电和电一光的转换过程 从而提 高了光通信容量的限制和开关速度 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 来光联网对光开关的要求 本论文研究的光纤光开关是由平面平行型三纤耦合器和光纤环光相位控制 器所构成 利用平面平行型三纤耦合器 通过连接两旁侧光纤非对应输入输出端 构成光纤环 在环行光纤中通过使用压电陶瓷 p z t 来改变光纤环中光的位相 以获得开关效应 本光纤光开关中的耦合器采用与传统熔锥型耦合器相同的制作 工艺 故技术较为成熟 成本较低 本论文主要的工作包括两大部分 平面平行型三纤开环耦合器的光纤光开关 的开关特性的理论分析和实验验证两部分 平面平行型三纤开环耦合器的光纤光开关的理论分析包括 1 压电陶瓷 p z t 实现光纤相位调制原理分析 分析圆筒形和长方片形p z t 的伸缩量 相位变 化量 与施加在p z t 上的电压的关系 得出的结论能直接指导后面的实验 2 在线光纤光开关的研究 开关输出光功率分析 推导出两种不同输入状态下的光开关输出光功率与位相及 耦合系数的数学解析式 通过数值仿真验证研究的光纤光开关具有明显的开关特 性 并进一步分析位相和耦合系数对开关输出光功率的影响 得出具有最佳开关 特性时的最佳相位和最佳耦合系数 由此得出制作平面平行型三纤耦合器所要求 的理论分光比 3 开关性能参数的分析 重点分析位相和耦合系数对开关隔离 度的影响 给出了开关隔离度在2 0 3 0 4 0 d b 时所对应的位相和耦合系数变化 范围 虽终得出结论 要进一步提高开关隔离度到4 0 d b 以上的水平 精确控制 耦合系数以及光的位相至关重要 同时也对本器件的开关时间进行分析 分析影 响开关时间的两个因素和相应的解决办法 三纤开环耦合器的光纤光开关的实验部分包括 1 利用本研究所成功研制 的智能化光纤无源器件融锥系统制作符合分光比等性能要求的平面平行型三纤 耦合器 2 以制作的三纤耦合器为基本部件 利用p z t 的相位调制特性 制 作本论文研究的光纤光开关的初样 3 建立对光纤光开关的测试系统 对光开 关进行测试 验证其开关特性 4 利用本论文提出的开环三纤平面平行型耦合 器光纤光开关相同的理论分析方法 分析三种闭环三纤耦合器的输出功率特性 从理论上证明这些闭环结构三纤耦合器都具有明显开关特性 并利用已有实验结 果验证上述理论分析的正确性 从而验证本论文提出的光纤光开关具有开关特 性 第1 4 页 在线光纤光开关的研究 第二章光耦合器的研究 2 1 概述 光耦合器是光纤通信技术中一类重要的光无源器件 是光波技术必不可少的 一部分 光耦合器有三种主要的类型 块型 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 2 5 1 熔融拉锥法是一种将两根 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 成一个双锥体的特殊波导结构 实现传输光功率耦合的方法t 2 6 本论文研究的 光纤型光开关的主要部件就是熔锥型三纤耦合器 随着光纤通信技术的发展 光 纤耦合技术已相当成熟 各神低损耗 高性能的光纤耦合器相继研制出来 近年 来 熔锥型光纤耦合器在全波耦合器 i n t e r l e a v e r 泵浦合波器和非线性全光开 关应用方面有了新的发展 2 体现了光纤熔锥耦合器不论是在功率分配和波分 复用功能方面 还是在光滤波器 光放大器和光开关等光纤通信关键技术方面的 重要作用 随着光纤通信技术特别是光纤到户 f t t h 光纤到路边 f t t c 等无源光网络 p o n 接入网的日益临近 光纤星型耦合器和树型耦合器等光纤 熔锥型耦合器将有一个更广泛 更深入的发展 本章主要利用耦合模理论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平行光纤的耦合模方程 进而分析光纤耦合器的功率转 换 从而为分析三纤耦合器和提出的光纤光开关提供理论分析依据 2 2 耦合理论 2 2 1 耦合模理论概述 众所周知 a w 斯奈德 2 8 和d 马库塞1 2 9 等人完成了耦合模理论在光波导的 应用 前者完成了描述光纤中的耦台行为 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的广泛应用 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 当然 随着光纤理论和技术 的发展 耦合模理论的应用得到了更为广泛和深入的研究 一般来说 求解有扰动波导中的场有多种方法 如果扰动比较微弱且沿着波 第1 5 页 在线光纤光开关的研究 导保持不变 则可用微扰方法来构成波导的模式 如果扰动是任意形式的但沿着 波导的变化比较缓慢 则可采用局部模式来分析 当分析的扰动波导具有任意变 化的微小扰动 其分析方法为耦合模理论f 2 8 或称为与z 有关的微扰理论 当 微扰对模式的功率分布有较大影响 即当谐振条件引起无扰动光纤的模式之间发 生较大的功率交换时 耦合模理论是十分有用的 z 向不均匀的光纤不再具有圆柱对称性 不能传导无扰动光纤中的单个模 式 尽管这样 有扰动光纤中在z 处的场仍可以用无扰动光纤的束缚模和辐射 模的完备集的场的迭加来表示 因为复杂的边界条件 完备组中的单个模式并不 满足有扰动光纤中的麦克斯韦方程组 因此 一般来说 扰动场必须分布于所有 模式中l 洲 这一分布随着光纤中位置的不同而交化 它可由一组耦合模方程来 决定 这组方程决定了每个模式的振幅 精确地描述了有扰动光纤中的场 但是 这组耦合模方程比较复杂 并没有已知的解析解 我们只考虑涉及两个模之问的 耦合 其余模式间的耦合均可忽略 此时简单的微扰解还是存在的 但必须是无 扰动光纤的模式场是有扰动光纤中的场的很好的近似 也就是说有扰动光纤的折 射率分布在整个光纤内与无扰动光纤的区别都很小 耦合模理论从数学角度看 实质上就是完备正交基函数展开理论 即用我们 熟知的完备正交函数系表征我们所求解的波导中的场 然而 为使数学处理简洁 物理橇念清晰 这种基函数的选取著非任意 我们熟知的正规光波导的正规模 即束缚模和辐射模 是麦克斯韦方程及其边界条件的一组正交完备解集 它们彼 此正交 既然正规光波导的解系是一个正交完备的解集 从数学上讲 就可以用 这个解集去表征受扰的正规光波导的场 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可以直接用复合波导中的模式描述 即耦合 器组成光纤间的功率耦合可通过复合模本身的干涉或拍表现出来 2 另外也可 用孤立光纤传播的模式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 2 光纤耦合器的功率耦合 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 第1 6 页 在线光纤光开关的研究 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 如图2 l 所示两根平行放置的圆柱对称单模光纤 为了以下分析具有通用性 假设两光纤并不相同 并假设纤芯周围是无界的均匀包层介质 在实际中 这可 利用折射率匹配液来实现 l d 1 x y 以d 2 x y x j 爹 l 歪 p 2 垂 y a b 图2 l a 芯层折射率和半径分别为瓦 p l 和 2 p z 的两根平行光纤置于折射率为 的均 匀介质中 两光纤轴相距为d b 相对于两光纤轴的圆柱极坐标r l 币t 和r 2 平z 对应于公共坐标系 两光纤纤芯的折射率分布分别为 l x y 和n 2 x y 均 匀包层的折射率为 在弱导近似下 它们各自传输的场的表达式可写为如下 标量波方程 2 8 皿 q o 厩g e x p i f l z z 必b l z k i 训 1 i e a 0 旁 2 g y e x p 幌z n 必 b 2 扛 2 0 y n 巧 肌邶 2 都是归一化吼她 专 必 幽 由于耦合 的原因 模振幅与z 有关 霹 崩和墨 展是两光纤在孤立状态时标量波动方 程的基本解和传播常数 b l z 和6 z 包含了两光纤中所有与z 有关的因子 为 简洁 上式中删去了标量记号 定义n x y 为复合波导的折射率分布 即在光纤1 和光纤2 的芯中分别满足 瓦和 n 2 其余地方为n 并令甲为相应标量波动方程的解 把光纤 下i 刮l 上 在线光纤光开关的研究 2 看作是光纤1 的扰动 此时b l z 满足以下方程 2 8 d 出b j i f l b 1 i i k 烈c 风e oj 1 咒 一万 2 甲r 霉副 2 2 式中的a 是复合波导的无限横截面 直观地讲 只要两光纤在光学尺度看来分离得相当远以及两光纤的区别不很 大 复台波导的场就可以用每一波导在孤立时的基模场的线性叠加作为很好的近 似 因此 令复合波导的标量波动方程的解为 甲g y b l g i g y i 2 6 0 乏g y n 2 2 3 并假设光纤是无吸收的 将上式代入式 2 2 可得到一耦合模方程 只要把光 纤1 作为光纤2 的扰动 就可以用同样方法得到另一耦合模方程 即 c 丢南 l 2 一群妨啄幽 乩z p s 显然 c 是与z 无关的常数 由于假设光纤分离得相当远 在光纤j 的芯内甲 是 指数形式的小量 因此 相对于崩和岛来说 互耦合系数c 和c 是很小的 同时 与互耦台系数相比 自耦合系数c l 和c 可忽略 尽管互耦合系数可以任意小 但在谐振条件下 复合波导中仍可有相当一部 分功率在两光纤之间转换 考虑两光纤相同或近似相同时会有谐振发生 此时可 从式 2 5 导出 c 萨c 一c 兰丢击 l 0 2 哥妨暖刎 p s 从而式 2 4 的耦合模方程变为如下更为简洁的形式 d 6 d z d 6 d z i p l b l i c b 2 2 7 f 2 b 2 i c b 第1 8 页