六、光开关.ppt

1、2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，1。第六讲：光开关。随着互联网的迅速普及和宽带综合业务数字网系统的发展，全光网络应运而生。要实现全光网络，必须依靠超高速大容量信息比特的加载和传输、用户信息的分插复用、网络间信息的快速交换和共享以及高效经济的路由。所有这些都离不开光开关或光开关矩阵，合肥工业大学仪器科学与光电子工程学院，2007-2-27，2，光开关的定义和功能，定义：一种具有一个或多个可选传输端口的设备，它可以在光传输线或集成光路中转换或逻辑操作光信号。主要功能：目前主要是光交换系统和主备交换，即利用光交换技术实现全光层路由、波长选择、光交叉连接和自愈保护。超过100个

2、信道的光通信系统还需要光分插复用技术、快速网间信息交换技术和光交叉连接技术，所有这些都需要超高速和常规的集成光开关矩阵。2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，3。光开关、光源控制在光纤测试中的应用范围：光开关主要用于控制光纤测试技术中光源的通断。光网络自动保护倒换光网络监控光纤通信设备测试光交叉连接光分插复用器光传输系统光测试，2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，4。机械插入损耗低，隔离度高，开关时间长(毫秒级)，不受偏振和波长的影响，并且存在反弹抖动。重复性差的移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反射镜、移动棱镜、移动耦合器和微机电系统的非机械切换时间短

3、、体积小、易于集成、插入损耗大、隔离度低，有些具有偏振和/或波长相关的电光、磁光、声光、热光等特性。光开关分类(工作原理)，2007年2月27日，合肥工业大学仪器科学(原理与结构)，2007年2月27日，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，6，光开关的主要技术参数()，插入损耗：输入和输出端口之间光功率的降低；回波损耗：从输入端返回的光功率与输入光功率之比隔离：两个隔离输出端口的光功率之比，2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，7，光开口的主要技术参数()，远端串扰：光开关一个开端口的输出光功率与串联到另一个端口的输出光功率之比。近端串扰：当其他端口的终端匹配时，连接端口和另

4、一个标称隔离端口之间的光功率比。2007年2月27日，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，8，光开关的主要技术参数()，消光比：两个端口在导通和非导通状态下的插入损耗之差。开关时间：指开关端口从某一初始状态打开或关闭所需的时间，从开关施加或移除转换的能量的时刻开始测量。，2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，9，光开关的主要技术要求，开关速度快，消光比大，低偏振损耗，低驱动电压，高隔离，小尺寸，大规模集成，低成本和高可靠性，2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，10，光开关材料，硅和硅2:具有低损耗，与光纤模式匹配好，与大规模集成电路兼容，大热光-族半导体：

5、可用于制作发光检测和电子器件，便于光子集成，易于小型化，具有电光效应和非线性光学效应。适用于制作波导损耗大的电光开关。铌酸锂：很难与光纤模式匹配。它具有较大的电光效应和声光效应，适合制作电光开关。声光开关体积大，工作电压高。有机聚合物：低成本，适合大规模生产，具有电光和热光效应，适合制作波导损耗大、串扰大、稳定性差的电光开关，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，2007-2-27，11，2007特性：开关时间可达微秒甚至纳秒：直接电光效应和间接电光效应，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，2007-2-27，12各向同性透明介质在电场作用下变成单轴双折射材料，其光轴平行于电场。平行于电场的光振

6、动的折射率为n |，垂直于电场的光振动的折射率为n。电场各向异性和电双折射加入到一些各向同性材料中，双折射的大小与电场强度有关。2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，13，电光效应开关(3)，普克耳斯效应(1893)，外加电场后，单轴晶体变成双轴晶体。双折射的大小与电场强度的一次方成正比。弗朗兹-凯尔迪什效应是当施加电场时半导体光吸收的变化。这种效应是以德国物理学家瓦尔特弗朗兹和俄罗斯物理学家列昂尼德克尔德什(姆斯蒂斯拉夫克尔德什的侄子)的名字命名的，2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，14，电光效应开关(4)，定向耦合器开关：由一对条形波导和分布在条形波

7、导上的表面电极组成。通过注入电流改变波导臂的折射率，可以实现两个相邻波导之间的能量耦合。当向电极施加电压时，在两个波导中会产生相同幅度和相反方向的电场，因此一个波导的传播常数增加，而另一个波导的传播传输减少。结果，发生相位失配，导致波导转换能量的变化，从而实现光波导开关功能：干涉型光开关：MZ型和X交叉型。通过控制干扰状态，完成切换。x交叉路口通过交叉路口的灯光模式之间的干涉实现灯光切换。2007年2月27日，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，15，电光效应开关(5)，Y支路开关：通过改变Y支路两个输出支路的折射率实现数字输出。铌酸锂电光开关具有较大的电光系数和较宽的光学透明度(0.45米)

8、，是制作光调制器和开关的理想材料。定向耦合器类型、类型和分支类型。INbO3电光开关全部制作在铌酸锂晶体底部。首先，通过内部扩散或质子交换技术在衬底上形成图案化的光波导，然后在波导上形成电极。2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，16，电光效应开关()，III-V半导体光电开关GaAs磷化铟具有更高的工作速度和更宽的带宽潜力。量子阱/超晶格材料带来了mo，2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，17，电光效应开关(7)，电光硅隔离器(SOI)电光开关波克尔效应很弱，很难形成场折射率变化效应，而电光硅隔离器(SOI)波导开关充分利用了硅的等离子体色散效应，获得了

9、较大的场折射率效应。半导体光放大器的选通光开关可以通过吸收和放大光来切换任何光路。半导体不注入电流吸收光，光路被光放大切断，可补偿光损耗、低串扰(-40dB)、低工作电流(10mA)、宽带宽(30nm)和高速开关(1ns)。2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，18，电光效应开关(8)，聚合物电光开关：有机聚合物材料用于制作光电和集成光学器件，最突出的优点是成本低，工艺流程简单。它可以沉积在半导体衬底上，便于光路和电路的集成。低波导传输损耗和低光纤耦合损耗；电子折射可以有效地用于获得振幅和相位调制。根据人们的需要，可以通过调整有机材料的成分来满足电光特性、热光特性和吸收光谱特

10、性。2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，19，热光效应开关(1)，热光效应的材料和基本类型：光学介质的光学性质(如折射率)随温度变化的物理效应。典型材料有：合肥工业大学仪器科学与光电工程学院2007-2-27，20，热光效应开关(2)，制作简单，成品率高，成本低，易于集成。然而，切换时间长，功耗大，并且器件尺寸大。它可分为干涉型光波导热调光开关和非干涉型光波导热调光开关。热光调制开关和Y分支热光数字开关分为硅基热光开关、二氧化硅基热光开关和聚合物热光开关，2007年2月27日，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，21，全光开关(1)，未来的光网络系统需要全光开关器件。主要是

11、高速全光开放，主要集中在光纤和半导体材料。目前，它分为两种类型：平面型和波导型。平面全光开关：利用半导体材料的可饱和吸收和反射特性。，2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，22，全光开关(2)，23，全光开关(3)，波导全光开关频移型，相移型和光强型分为三种类型：交叉相位调制和四波24，全光开关(4)，2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，25，全光开关(5)，移相全光开关全光克尔全光当信号光的正交偏振态分量之间的相位差从变化时，全光开关萨格纳克干涉仪和光克尔效应在具有开关作用的非线性光学环境中的结合，通过两个强度相同的反向传输光脉冲信号之间的干涉实现开关。

12、当没有泵浦光时，当有泵浦光时，泵浦光和信号光由于光克尔效应产生交叉相位调制，产生非线性相移差。不同的相移差异导致不同的干涉结果和不同的信号光输出。从而完成具有光强度的光开关型全光开关：弧形波导开关利用自身的光强度作为路由信号实现输出切换，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院2007-2-27，机械光开关(1)，仪器科学与光电工程学院2007-2-27，27，微机电系统：微电子与机械系统，硅材料微机械器件，微电子加工技术。 微机电系统器件可调谐器件微F-P腔可调光衰减器光调制器低速低成本接入网络光滤波器复用/解复用器光栅，2007年2月27日，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，2007年2月28

13、日至27日，仪器科学与光电工程学院，29，其他类型的光开关、声光开关：声波通过材料时，会引起材料的机械应变，引起材料的折射率变化，形成周期与波长有关的布拉格光栅。 当输入光波沿内部传播时，会发生衍射或散射。液晶开关：施加电压改变光的偏振态来开关气泡和液泡：全息光栅开关液晶光栅开关，2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，30。光开关的类型和用途可分为X1、双1X1、1X2、双1X2、2X2、双2X2等。根据光开关的输入端口和输出端口的数量来确定。2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，31，1X2(2X2)光开关，2007-2-27，仪器科学与光电工程学院，32

14、，1XN(双1XN)光开关，2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，34，2XN光开关，2007-2-27，35，MXN光开关，2007-2-227其应用范围主要包括：保护倒换功能：光开关通常用于网络故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时，光开关用于实现信号迂回路由，并从主路由切换到备用路由。这种保护通常只需要最简单的12灯开关。网络监控功能：多根光纤可以通过简单的1N光开关连接。当需要对网络进行监控时，只需通过远程监控点的光开关将多根光纤连接到网络监控仪器(如OTDR)，通过光开关的动作就可以实现对网络的在线监控。2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电子工程学院，3

15、8，光开关的应用(2)，光器件的测试：多个被测器件可以通过光纤连接，通过1N光开关监测光开关的各通道信号可以测试器件。打造OADM设备的核心：OADM是添加和丢弃OADM光信号的具体方法有很多，但在大多数情况下，光开关(主要是22个光开关)用于实现密集波分复用光网络中添加和丢弃光信号的功能。由于使用了光交换机，OADM可以动态配置服务，这增强了OADM节点的灵活性。同时，OADM节点可以支持保护切换。当网络发生故障时，节点将故障服务切换到备用路由，这增强了网络的生存性、保护和恢复能力。2007-2-27，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，39，光开关的应用(3)，构建OXC设备的交换核心：OXC主要用于骨干网聚合和交换