光开关的研究与进展LYW.ppt

李航B20914021王德柱B20914099杨奎B20914100 09光信息科学与技术 光开关 光开关 光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口 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 交换矩阵的大小 交换速度 损耗 交换粒度 无阻塞特性 升级能力 可靠性 消光比 光开关的主要性能参数 光开关的应用 NEXT AON AllOpticalNetwork 所谓全光网络 是指信号只是在进出网络时才进行电 光和光 电的变换 而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在 因为在整个传输过程中没有电的处理 所以PDH SDH ATM等各种传送方式均可使用 提高了网络资源的利用率 全光网络 由于非线性光学效应 以三阶非线性效应为主 需要高功率 使开光功率远高于信号光功率 高光功率造成很强的热效应 使器件工作不稳定 光开关 其他光开关 机械光开关 波导光开关 气泡光开关液晶光开关全息光开关光子光开关 光纤光开关自由空间棱镜开关宏机械光开关 电光开关热光开关磁光开关声光开关 MEMS光开关 铌酸锂光开关磷化铟光开关SOA光开关 机械式光开关依靠光纤或光学元件 透镜 反射镜 的移动 使光路发生改变 机械式光开关 特点 插入损耗低 隔离度高 不受偏振和波长影响 开关时间长 ms 重复性较差 MEMS开关 通常是采用在半导体基片上构造二维或三维微反射镜阵列 通过反射镜的运动完成开关动作 基于MEMS的新型光开关具有体积小 重量轻能耗低 与大规模集成电路制作工艺兼容 易于大批量生产 集成化 便于扩展 有利于成本降低等优点 原理是利用声光效应 即是指声波通过材料产生机械应变 引起材料的折射率周期性变化 形成布拉格光栅 衍射一定波长的输入光的现象 利用声致光栅使光偏转做成光开关 声光开关 电光开关的原理一般是利用材料的电光效应或电吸收效应 在电场作用下改变材料的折射率和光的相位 再利用光的干涉或偏振等使光强突变或光路转变 电光开关 定向耦合器电光开关这种开关是在电光材料 如LiNbO3 化合物半导体 有机聚合物 的衬底上制作一对条形波导以及一对电极构成 如图4所示 当不加电压时 也就是一个具有两条波导和四端口的定向耦合器 一般称 和 为直通臂 和 为交叉臂 M Z干涉仪电光开关波导型Mach Zehnder干涉仪是一种广泛应用的光开关 它由两个3dB耦合器DC1 DC2和两个臂L1 L2组成 如图7所示 由端口 输入的光 被第一个定向耦合器按的光强比例分成两束 通过干涉仪两臂进行相位调制 基于分叉波导的电光开关 其开关原理是外电场引起波导内的场分布发生变化 电光Y分支波导开光的结果如图 a 所示 两分叉臂间有一很小的夹角 角度 一般小于1rad 若没有外加电压 入射光将等光强地沿两臂输出 若在波导一臂的电极上加电压 将改变该臂的折射率 因而使两波导分支中的场分布发生变化 当加在电极上的电压达到某一阈值 光电场将被突然导向折射率加大的波导 波导上光波的透射率将发生突变 如图 b 所示 故称这种开关为数字式开光 热光开关和电光开关的结构可以是相同的 但是产生开光效应的机理不同 这里的热光效应是指通过电流加热的方法 使介质的温度变化 导致光在介质传输的折射率和相位发生改变的物理效应 热光开关 液晶光开关的工作状态基于对偏振的控制 一路偏振光被反射 而另一路可以通过 由于电光效应 在液晶上施加电压将改变非常光的折射率 从而改变非常光的偏振状态 液晶光开关 安捷伦公司采用热喷墨打印和硅平面光波电路两种技术 开发出一种二维光交叉连接系统 其光开关平台包括两部分 即下半部为硅衬底的玻璃波导 上半部为硅片 上下之间真空密封 内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 通过电阻加热匹配液形成气泡 对通过的光产生全反射 喷墨气泡光开关 全息光开关 全息光开关是利用激光的全息技术 将光纤光栅全息图写入KLTN 钽铌酸钾锂晶体 晶体内部 利用光纤光栅选定波长 这种开关端到端的重复性比较好 但它的功耗较大 240 x240功耗小于300W 并且需要高压供电 该体系结构中 盖板在第一层 上面留有透气孔 液体注入孔和电极孔 底部还有用微流道工艺制作的凹槽 第lI层为绝缘层 其上镶有导电膜块 以及与盖板小孔匹配对应的透气孔和液体注入孔 第三层是光波导层 除了波导流道外 中部是储液槽及与储液槽联通的细管 第四层为底板 在底板上镀有导电膜 使用PDMS作为基底材料 这是因为pDMS具有不错的弹性 介电性 优良的透光性 惰性 容易加工等性质 并且价格相对低廉 基于微流控的光开关 当在盖板上的电极施加正电压 使绝缘层的小膜块带正电 与带负电的底板之间存在相吸引力 迫使小槽中的硅油流入细管 使光穿过细管 不改变光束的传播方向 体现光开关的 关 动作 当在盖板上的电极加负电 使绝缘层的小膜块带负电 与带负电的底板之间存在排斥力 于是绝缘层对储液小槽的硅油产生向上吸引力 绝缘层向上隆起 这时细管中的硅油流回储液小槽 光在细管壁上发生全反射 进入另一微流道 体现光开关的 开 动作 光开关的发展趋势 高可靠 低损耗 小功耗 小体积和大规模 参考文献 光开关在光通信中的应用及其最新进展 陈思通信系统中光开光的现状与发展前景 杨俊