光通信器件-光开关
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光开关
光传感系统:空分复用的光纤传感系统,节约解调系统,降 低成本。
作为开关的主要技术参数：
插入损耗：输入和输出端口间光功率的减少； 回波损耗：从输入端返回的光功率与输入光功率的比值
隔离度：两个相隔离输出端口光功率的比值
消光比：端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。 开关时间：指开关端口从某一初始转为通或断所需的时 间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。
定义：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。 主要功能：目前主要是光交换系统和主备倒换，即利 用光开关技术实现全光层的路由选择、波长选择、光 交叉连接以及自愈保护等功能。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去；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（波长转换器） 多信道光通信系统还需要光插／分复用技术和快速的 网间信息交换技术以及光的交叉连接（ＯＸＣ）技术 都需要超高速大规律集成的光开关矩阵。
光开关的应用范围
光纤测试中的光源控制：１ＸN光开关在光纤测 试技术中主要应用于控制光源的接通和切断。 光网络的自动保护倒换 光网络监控 光纤通信器件测试光交叉连接 光插分复用器 光传感系统 光学测试
保护倒换功能：光 开关通常用于网络 的故障恢复。当光 纤断裂或其他传输 故障发生时，利用 光开关实现信号迂 回路由，从主路由 切换到备用路由上。 这种保护通常只需 要最简单的1×2光 开关。 SNCP: 子网连接保护
( 1 ) 2 1 n 1 ( 2 ) 2 11 n ( 1 ) 21 n 2 3 31 1 ) 41 ( 2 4 n 51 ( 1 ) n 2 5 61 1) ( 2 6 n
光开关的原理及种类
一、前言光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85％的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。
同时，密集波分复用(DWDM)技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。
特别是近几年，以IP为主的Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP 网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。
一种智能化网络体系结构—自动交换光网络(ASON：automatic switched optical networks)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(OXC：optical cross connect)设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效的管理。
光交叉互连(OXC)技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。
光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。
光开关不仅是OXC中的核心器件，它还广泛应用于以下领域。
（1）光网络的保护倒换系统，实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。
（2）网络性能的实时监控系统，在远端光纤测试点，通过1×N多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。
光开关综述
2 光开关的作用
(1)自动保 护倒换：在 光纤断开或 者转发设 备发生故障 时能 够自动进 行恢复。现 在大多数 光纤网络都有 数条路由连接 到节 点上，一 旦光纤或节 点设备发 生故障，通过 光开关，信号 就可 以避开故 障，选择合 适的路由 传输。这在高 速通信系统中 尤为 重要。一般采用1×2和1×N光开关就可以实现这种功能。
(3)光纤通信器 件测试：利 用1×N光开 关可以实现元器件 的 生产 和检验测试 。每一个通道 对应一个 特定的测试 参数，这 样 不用 把每个器件 都单独与仪表 连接，就 可以测试多 种光器件 。 从而测试得到简化，效率得到提高。
(4)光交叉连接 （OXC）： OXC是全光 网络的核心器件， 它 能在 光纤和波长 两个层次上提 供光路层 的带宽管理 ，并能在 光 路层 提供网络保 护机制，还可 以通过重 新选择波长 路由实现 更
(1)热光效应光开关 热 光效应是 指通 过对波 导加热来 产生折射 率的变 化。热 光 开关利用 热光效应， 实现光路 的转化， 采用可调 节热量的波 导 材料， 如SiO2，Si和有 机聚合物 等。而其 中聚合波 导技术是 非常 有吸引力 的技术，它 成本低、 串扰小、 功耗小、 与偏振和波 长 无关、对 交换偏差和 工作温度 不敏感， 通常采用 的原理结构 有 M-Z干涉仪和数字型开关。 数 字型光开 关： 当加热 器温度加 热到一定 温度， 开关将 保 持固定 状态， 最简 单的设备 1× 2光 开关 ，成为Y型分支 热光 开 关，如 图3.1所示。 当对Y型 的一个臂 加热时， 它改变 折射率 ， 阻断了 光通过此 臂。 干 涉仪型光 开关 ：干涉 型光开关 具有结构 紧凑的 优点， 缺
oxc是全光网络的核心器件它能在光纤和波长两个层次上提供光路层的带宽管理并能在光路层提供网络保护机制还可以通过重新选择波长路由实现更江山光开关综述图22光开关构成oxc提供路由光开关阵列信号入信号入信号出信号上信号下22开关22开关22开关22开关图23oadm图31y型分支热光光开关输入输出1输出2加热器12
(1)自动保 护倒换：在 光纤断开或 者转发设 备发生故障 时能 够自动进 行恢复。现 在大多数 光纤网络都有 数条路由连接 到节 点上，一 旦光纤或节 点设备发 生故障，通过 光开关，信号 就可 以避开故 障，选择合 适的路由 传输。这在高 速通信系统中 尤为 重要。一般采用1×2和1×N光开关就可以实现这种功能。
(3)光纤通信器 件测试：利 用1×N光开 关可以实现元器件 的 生产 和检验测试 。每一个通道 对应一个 特定的测试 参数，这 样 不用 把每个器件 都单独与仪表 连接，就 可以测试多 种光器件 。 从而测试得到简化，效率得到提高。
(4)光交叉连接 （OXC）： OXC是全光 网络的核心器件， 它 能在 光纤和波长 两个层次上提 供光路层 的带宽管理 ，并能在 光 路层 提供网络保 护机制，还可 以通过重 新选择波长 路由实现 更
(1)热光效应光开关 热 光效应是 指通 过对波 导加热来 产生折射 率的变 化。热 光 开关利用 热光效应， 实现光路 的转化， 采用可调 节热量的波 导 材料， 如SiO2，Si和有 机聚合物 等。而其 中聚合波 导技术是 非常 有吸引力 的技术，它 成本低、 串扰小、 功耗小、 与偏振和波 长 无关、对 交换偏差和 工作温度 不敏感， 通常采用 的原理结构 有 M-Z干涉仪和数字型开关。 数 字型光开 关： 当加热 器温度加 热到一定 温度， 开关将 保 持固定 状态， 最简 单的设备 1× 2光 开关 ，成为Y型分支 热光 开 关，如 图3.1所示。 当对Y型 的一个臂 加热时， 它改变 折射率 ， 阻断了 光通过此 臂。 干 涉仪型光 开关 ：干涉 型光开关 具有结构 紧凑的 优点， 缺
oxc是全光网络的核心器件它能在光纤和波长两个层次上提供光路层的带宽管理并能在光路层提供网络保护机制还可以通过重新选择波长路由实现更江山光开关综述图22光开关构成oxc提供路由光开关阵列信号入信号入信号出信号上信号下22开关22开关22开关22开关图23oadm图31y型分支热光光开关输入输出1输出2加热器12
光开关定义分类
1.光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。
2.光开关可使光路之间进行直接交换, 是光网络中完成全光交换的核心器件,在全光网络中, 光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能。
3.其中光交叉连接设备(OXC) 和光分插复用设备(OADM) 可以说是全光网的核心。
而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。
4.全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性。
今后光开关发展的方向：光调制光开关和波导调制光开关的技术发展较快,其开关时间具有几个ps 到10ps的开发潜力,可以满足全光通信网络实现高速光交换、光交叉连接的要求。
因此,光调制光开关和波导调制光开关是今后光开关的发展方向。
但是,光调制光开关和波导调制光开关串音大的缺点目前尚无技术突破,还处于实验室研究阶段,而且价格昂贵,近几年要达到实用化的水平并投入市场不太可能。
目前采用较为成熟的MEMS技术研制开发光开关、光开关列阵,并在此基础上组建、完善全光交换机及其交换矩阵系统等全光网络节点设备，具有非常大的现实应用价值。
目前,MEMS技术还存在一些问题:一是迫切需要用于微电子机械系统设计的先进的模拟工具和模型建立工具(大多数微电子机械设备都是用功能差的不能准确预测执行情况的分析工具来建立的,这种方式效率低下,费时费力),只有运用合适的开发工具,并配以连通高性能工作站以及本地的和远程的超级计算机网络才能从根本上改变这种局面;其次,微电子机械系统的包装面临独特的挑战,因为微电子机械装置形状差异大,并且部分装置还要求放置于特定的环境中,所以几乎每开发一套微电子机械系统就需要为其设计一个专用的包装。
容许设计者从已有的标准包中挑选出新的微电子机械设备的包装也不失为一个较好的办法。
（应用光学2005）常见的光开关：1.MEMS光开关：而MEMS光开关是基于半导体微细加工技术构筑在半导体基片上的微镜阵列, 即将电、机械和光集成为一块芯片, 能透明地传送不同速率、不同协议的业务。
mems光开关原理
mems光开关原理MEMS光开关是利用微型机械系统以及光学元件来控制光在通信系统中的传输，其原理主要是通过控制光学元件中的光路和波导，实现光信号的开关和控制。
本文将对MEMS光开关的原理进行详细介绍。
一、MEMS光开关的原理MEMS光开关是一种基于微机械系统和光学器件的光开关技术，其基本构造包括驱动电极、弯曲驱动膜、静电力电极、波导、反射镜等。
波导是在芯片上制造的，用于传输光信号；反射镜则是用来将光信号从一个波导转移到另一个波导。
在光学元件上会有一个电极，这个电极有两种状态，一种是关闭状态，一种是打开状态，这两种状态可以由微型加热器和电流进行控制。
MEMS光开关的工作原理是，当加上电压时，静电作用力会产生引力，将反射镜向波导方向平移。
由于光线的绕射效应，反射镜的平移可以改变光线的传输路径，使其从一个波导转移到另一个波导，实现光信号的开关和控制。
二、MEMS光开关的分类MEMS光开关根据其工作原理的不同可以分为机械光开关和全光开关两种类型。
1. 机械光开关机械光开关是使用微型机械系统来控制光的路由。
在机械光开关中，电极位置和反射镜之间的距离决定了光的路径，这种开关在路由时需要较大的功率和时间。
机械光开关主要用于制造低成本的和切换速度较慢的光开关器件。
2. 全光开关全光开关是利用非线性光学材料在电场作用下产生的折射率变化来控制光路的开关，光的传输不需要机械部件作为介质。
全光开关可以通过较小的功率和时间进行光路的路由和控制，因此速度比机械光开关快很多。
全光开关主要用于制造高速，高功能的光开关器件。
三、MEMS光开关的优缺点MEMS光开关的优点主要有以下几个方面：1. 小型化MEMS光开关器件可以在单个芯片上制造，由于微型机械系统集成技术的进步，器件尺寸越来越小，已经可以制造出毫米级别的MEMS光开关器件。
2. 具有较快的切换速度MEMS光开关器件的开关速度快，可以从纳秒到毫秒的时间范围内，可以快速实现光信号的切换和控制。
光开关的技术现状和展望
光开关的技术现状和展望光开关是光通信的关键部件，是近年来通信领域的研究热点。
文章从光开关的实现方式等方面介绍了光开关的研究与生产现状，重点介绍了MEMS光开关的研究与应用，对光开关发展趋势作了分析。
1、引言光开关可以实现光束在时间、空间、波长上的切换，在光网络中有许多应用场合，是光通信、光计算机、光信息处理等光信息系统的关键器件之一。
广义上来说，光开关可以分为两个类型：干涉仪型和非干涉仪型。
干涉仪型依赖于光路之中的相位关系，通过普克尔(Pockels)效应或热效应一般就可以达到相位控制。
这类器件对环境非常敏感，尤其是对环境温度。
它们对控制信号有循环响应，这些控制信号通常需要对光输出进行监视，亦即反馈，以维持所要求的状态。
方向耦合器就是典型的干涉仪型开关。
非干涉仪型可用多种多样的方式制成，它们对偏振、波长、温度和其他影响的敏感性低于干涉仪型器件，要控制这些影响很困难。
对于非干涉仪型开关，开关功能的动态范围(或开关比)可以非常高，而另一方面，在干涉仪型开关中的动态范围，则依赖于干涉束的光功率的精确平衡，而且通常精度较低并较难保持。
2、技术现状这里讨论的光开关现状，主要集中于已经取得的技术与应用或商业上有希望接受的技术与应用。
应用决定了要求，所以就从已经取得商业成就的应用或近期有望实现的应用，来开始评述光开关。
近年来，除了改进传统类型光开关之外，光开关的研究与开发也采用了新的技术、新的机理和新的材料，光开关的规模越来越大(已达到上千乘上千的端口数)，切换速度不断提高(如LiNbO3波导电光效应的光开关已达到纳秒量级)，集成化程度越来越高。
2.1 非干涉仪型开关非干涉仪型开关可用较大变化的方式做出，通常不要求反馈来确定状态，光机型或某些热开关就属于这种类型。
2．1．1 微机械开关微机械开关技术是多学科交叉的新兴领域，融合了微电子与精密机械加工技术，包含微传感器、微执行器及信号处理、控制电路等，利用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零件、部件或集光机电于一体，完成一定功能的复杂微细系统，是实现“片上系统”的发展方向。
1X64 MEMS光开关
1×64MEMS光开关
1.产品简介
MEMS光开关是一种光路控制器件，起着控制光路和转换光路的作用。
在光通信应用中具有重要作用。
MEMS光开关主要应用于：光传输系统中的多路光监控、远程光纤测试系统以及光传感多点动态监测系统；光测试系统中用于光纤、光器件、网络和野外工程光缆测试；模块与系统集成及仪器仪表等。
2.产品特点
（1）、具有尺寸小、切换快和寿命长等特点。
（2）、可以通过TTL UART接口接收控制信号来实现自动测量或实时监控。
3.性能指标
2.所有参数均不包括连接头插入损耗，一对连接头增加0.3dB损耗。
4.数据位切换逻辑表
/RESET D7D6D5D4D3D2D1D0Channel 0X X X X X X X X0
1000000001 000000012 000000103 000000114 (11111111256)
5.设备维护
产品的合理使用与妥善保管可长期保持良好的性能指标，延长其使用寿命，因此需要适当维护：（1）、设备应避免强烈的机械振动、碰撞、跌落及其他机械损伤。
运输时必须要有良好的包装和减振、防雨及防水措施；
（2）、应当经常保持设备清洁，工作环境应无酸、碱等腐蚀性气体存在。
可用沾有清水或肥皂水的干净毛巾轻轻擦洗机箱和面板。
禁止用酒精等溶剂擦洗。
（3）、卸下光纤连接线应及时盖上防尘帽，以防止硬物、灰尘或其它脏物触及光纤端面。
未尽事宜，请与我们联系。
我们将非常高兴听到您的宝贵意见。
光开关工作原理
光开关工作原理
光开关是一种基于光学效应的开关装置，它利用光的特性来控制电路的通断。
光开关通常由光源、光探测器和控制电路组成。
光开关的工作原理如下：
1. 光源发射光线：光开关的光源发射出光线，这些光线可以是可见光、红外线等。
2. 光线传输：发射的光线通过光纤或者空气等媒介传输到目标位置。
光纤是一种能够将光线高效传输的材料，在光开关中得到广泛应用。
3. 光探测：在光线到达目标位置时，光开关中的光探测器开始工作。
光探测器能够感知到光线的存在，并将其转换成电信号。
4. 控制电路：光探测器将光信号转换成电信号后，这些电信号被传送到控制电路。
控制电路根据光信号的变化来判断开关的状态，并做出相应的控制操作。
5. 控制操作：控制电路会根据光信号的强弱或者存在与否来控制开关的通断。
当光信号满足设定条件时，开关闭合，电路通断；反之，开关断开，电路断开。
通过以上工作原理，光开关实现了通过光信号来控制电路通断的功能。
它具有灵敏度高、响应速度快、无机械结构、抗干扰能力强等优点，在许多应用中得到广泛使用。
例如，光开关可
以用于光纤通信系统中的光路选择、光传感器中的信号检测等领域。
光 开 关
光纤通信原理与技术
1.1 光开关的主要技术参量
光开关的主要技术参量有插入损耗、开关时间、消 光比、串扰、回波损耗、功耗、寿命（开关次数）等。
Pin1
Pout1
Pin2
Pout2
图 4.30 一个 2×2 光开关的示意图
消光比（也可称作开关比）：由于光开关的各种非理想因素，在某一光路 被光开关关断时仍有少量输入光功率从该光路传送到输出处。按照图 4.30
6.微电光机械系统（MEMS）光开关
图4.35 一个8×8的MEMS光开关矩阵示意图
由图可见，此种光开关也是一种空间光开关。其中右 端一排光纤和下方一排光纤分别为输出和输入光纤， 用微透镜将空间光束与光纤偶合。光束的交换是由自 由旋转的反射镜实现的。图中可以看到，该反射镜可 以按箭头所示方向旋转，可以立起，也可以倒下。当 反射镜倒下时，光束不受阻挡，继续直线传输；当反 射镜立起来时光束正好射在反射镜上被反射，光束向 右转弯并耦合到输出光纤中。此种光开关的开关时间 可以做到亚毫秒量级。
串扰：仍按图 4.30 的符号，设 Pin2 0 ，则串扰定义为
CT
ห้องสมุดไป่ตู้
10
log(
P Bar out 2
/ Pin1 )
(4.89)
P Bar out 2
为光开关处于“Bar”状态时，输出端口
2
的输出功率，
该功率是输入端口１串到输出端口２的功率。 插入损耗：假定光开关的各种可能光路的插入损耗都一样 （如果不一样，则需对每一个光路进行定义），则可选择某 一光路进行定义。则插入损耗定义为
L
10
log(
P Bar out1
/
Pin1 )
(4.90)
1.1 光开关的主要技术参量
光开关的主要技术参量有插入损耗、开关时间、消 光比、串扰、回波损耗、功耗、寿命（开关次数）等。
Pin1
Pout1
Pin2
Pout2
图 4.30 一个 2×2 光开关的示意图
消光比（也可称作开关比）：由于光开关的各种非理想因素，在某一光路 被光开关关断时仍有少量输入光功率从该光路传送到输出处。按照图 4.30
6.微电光机械系统（MEMS）光开关
图4.35 一个8×8的MEMS光开关矩阵示意图
由图可见，此种光开关也是一种空间光开关。其中右 端一排光纤和下方一排光纤分别为输出和输入光纤， 用微透镜将空间光束与光纤偶合。光束的交换是由自 由旋转的反射镜实现的。图中可以看到，该反射镜可 以按箭头所示方向旋转，可以立起，也可以倒下。当 反射镜倒下时，光束不受阻挡，继续直线传输；当反 射镜立起来时光束正好射在反射镜上被反射，光束向 右转弯并耦合到输出光纤中。此种光开关的开关时间 可以做到亚毫秒量级。
串扰：仍按图 4.30 的符号，设 Pin2 0 ，则串扰定义为
CT
ห้องสมุดไป่ตู้
10
log(
P Bar out 2
/ Pin1 )
(4.89)
P Bar out 2
为光开关处于“Bar”状态时，输出端口
2
的输出功率，
该功率是输入端口１串到输出端口２的功率。 插入损耗：假定光开关的各种可能光路的插入损耗都一样 （如果不一样，则需对每一个光路进行定义），则可选择某 一光路进行定义。则插入损耗定义为
L
10
log(
P Bar out1
/
Pin1 )
(4.90)
光纤通信光开关原理
2
表 2 两种电光开关的指标 材料 InP/InGaAsP 有机聚合物 插损 dB 5dB 1dB 消光比 dB 15dB >20dB 偏振灵敏度 dB 0.5dB 0.5dB 开启时间 ns 0.2 0.1
但由于半导体载流子复合时间的限制，开关时间一般要在 10ns 以上。与机械光开关相比， 其主要优点除开关速度高之外，因为没有移动部件，重复率较高，寿命较长。 电光开关一般利用 Pockels 效应，也就是折射率 n 随光场 E 而变化的电光效应。折射率 变化△n 与光场的变化△E 的关系
现在求功率转换比与控制电压的关系。设两波导的电极间距皆为 d，其上加电压分别为 V 和-V，它们所产生的电场分别为 E1＝V/d 和 E2＝-V/d。引起两波导折射率的差为：
∆n = ∆n2 − ∆n1 =
相应的相位差为
1 3 V n γ ( E1 − E 2 ) = n 3γ 2 d 2πn 3γL0 V V = 3π 。 λ0 d V0
摘要 光开关是光纤通信中光交换系统的基本元件， 并广泛应用于光路监控系统和光纤传感系 统。 本文综述了目前光纤通信中所研究和开发的光开关器件的物理原理。 并给出各类光开关 的阈值条件和典型参数。本文可作为学习、研究和设计光开关的参考。
信息技术是当代工业的先导，互联网是现代信息技术的核心。为解决目前互联网的“交 通堵塞”问题，必须发展以波分复用光纤通信技术为基础的“信息高速公路” 。而波分复用 光纤通信技术是建立在光器件的基础上。 在以上形势的推动下， 近年来光纤通信器件的发展 极为迅速。 光纤通信器件包括光传输器件和光交换器件两大类。 波分复用光传输器件经过近 几年的努力，已日趋成熟，已有一批可供使用的产品。特别是波分复用器、波分复用光源和 波分复用光放大器的巨大进步，使光传输由 0-E-0 转变成 0-0-0，使光纤通信向全光化迈进 了一大步。但是光交换器件，包括光交叉连接器（OXC）和光分插复用器（OADM） ，及其基础 器件——光开关，基本上还是光电混合的。光开关已有一定的产品问世，但还不太成熟，有 待进一步完善。本文将综合介绍以电控为主的光开关器件的基本原理。 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去； 其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（波长转换器） 。 光开关的特性参数主要有插入损耗、回波损耗、隔离度、串扰、工作波长、消光比、开 关时间等。有些参数与其它器件的定义相同，有的则是光开关特有的。
表 2 两种电光开关的指标 材料 InP/InGaAsP 有机聚合物 插损 dB 5dB 1dB 消光比 dB 15dB >20dB 偏振灵敏度 dB 0.5dB 0.5dB 开启时间 ns 0.2 0.1
但由于半导体载流子复合时间的限制，开关时间一般要在 10ns 以上。与机械光开关相比， 其主要优点除开关速度高之外，因为没有移动部件，重复率较高，寿命较长。 电光开关一般利用 Pockels 效应，也就是折射率 n 随光场 E 而变化的电光效应。折射率 变化△n 与光场的变化△E 的关系
现在求功率转换比与控制电压的关系。设两波导的电极间距皆为 d，其上加电压分别为 V 和-V，它们所产生的电场分别为 E1＝V/d 和 E2＝-V/d。引起两波导折射率的差为：
∆n = ∆n2 − ∆n1 =
相应的相位差为
1 3 V n γ ( E1 − E 2 ) = n 3γ 2 d 2πn 3γL0 V V = 3π 。 λ0 d V0
摘要 光开关是光纤通信中光交换系统的基本元件， 并广泛应用于光路监控系统和光纤传感系 统。 本文综述了目前光纤通信中所研究和开发的光开关器件的物理原理。 并给出各类光开关 的阈值条件和典型参数。本文可作为学习、研究和设计光开关的参考。
信息技术是当代工业的先导，互联网是现代信息技术的核心。为解决目前互联网的“交 通堵塞”问题，必须发展以波分复用光纤通信技术为基础的“信息高速公路” 。而波分复用 光纤通信技术是建立在光器件的基础上。 在以上形势的推动下， 近年来光纤通信器件的发展 极为迅速。 光纤通信器件包括光传输器件和光交换器件两大类。 波分复用光传输器件经过近 几年的努力，已日趋成熟，已有一批可供使用的产品。特别是波分复用器、波分复用光源和 波分复用光放大器的巨大进步，使光传输由 0-E-0 转变成 0-0-0，使光纤通信向全光化迈进 了一大步。但是光交换器件，包括光交叉连接器（OXC）和光分插复用器（OADM） ，及其基础 器件——光开关，基本上还是光电混合的。光开关已有一定的产品问世，但还不太成熟，有 待进一步完善。本文将综合介绍以电控为主的光开关器件的基本原理。 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去； 其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（波长转换器） 。 光开关的特性参数主要有插入损耗、回波损耗、隔离度、串扰、工作波长、消光比、开 关时间等。有些参数与其它器件的定义相同，有的则是光开关特有的。
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一、光开关的概念及作用、性能参数与分类1.光开关的概念及作用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。
目前主要是：光交换系统和主备倒换，即利用光开关技术实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等功能。
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去；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（波长转换器）多信道光通信系统还需要光插／分复用技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（ＯＸＣ）技术都需要超高速大规律集成的光开关矩阵。
网络监视功能：使用简单的1×N光开关可以将多纤联系起来。
当需要监视网络时，只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上（如OTDR），通过光开关的动作，可以实现网络在线监测。
光器件的测试：可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过1×N光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件。
光传感系统:空分复用的光纤传感系统,节约解调系统,降低成本。
2.光开关的性能参数光开关的特性参数主要有插入损耗、消光比、开关时间、回波损耗、隔离度、远端串扰、近端串扰等。
插入损耗：输入和输出端口间光功率的减少。
回波损耗：从输入端返回的光功率与输入光功率的比值。
隔离度：两个相隔离输出端口光功率的比值。
消光比：端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。
开关时间：指开关端口从某一初始转为通或断所需的时间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。
3.光开关的分类驱动方式可分为：机械式光开关、非机械式光开关。
原理可分为：机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。
交换介质可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。
二、机械式光开关这是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，使光信号改变光纤通道的光开关。
传统机械光开关的工作原理：通过热、静电等动力，旋转微反射镜，将光直接送到或反射到输出端。
特点是开关速度比较慢、性价比好，在很多领域有市场前景，但体积大、不易规模集成的缺点限制了其在未来光通信领域的应用。
在此基础上，近几年发展很快的是MOEMS光开关，它是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，特别是具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、差损小、可靠性好、速度快、容易集成的优点。
下面介绍几种机械式光开关。
1.移动光纤式光开关移动光纤式光开关结构简单、重复性好、插入损耗低。
移动式光纤的输入或输出端口中，一段光纤固定，而另一端光纤式活动的。
通过移动活动光纤，使之与固定光纤中的不同端口相耦合，从而实现光路切换。
如图1所示图1移动光纤式光开关2.移动套管式光开关移动套管式光开关就是讲输入或输出光纤分别固定在两个套管之中，其中一个套管固定在其底座上，另一个套管以很高的精度定位在两个或多个位置上，带着光纤相对固定套管移动，从而实现光路的转换。
3.移动透镜型光开关光纤被固定在输入和输出端口，依靠微透镜精密的准直而实现输入、输出光路的连接。
光从输入光纤进入装在一个由微处理器控制的步进电机或其他移动机构上的第一个透镜后变成平行光，移动该透镜，则第二个透镜将该透镜的平行光聚焦到相应输出光纤。
4.移动反射镜型光开关输入输出端口的光纤都是固定的，依靠旋转球面或平面反射镜，使输入光与不同的输出端口接通。
如图2所示。
图2 移动反射镜式光开关5.移动棱镜型光开关输入输出光纤与起准直作用的光学元件如自聚焦透镜、平凸棒透镜、球透镜等相连接，并固定不动，通过移动棱镜而改变输入输出端口的光路。
6.移动自聚焦透镜型光开关自聚焦透镜特别于各种光学器件中光纤与光纤的远场耦合。
三、非机械式光开关非机械光开关是利用一些材料的电光、声光、磁光和热光效应，采用报道结构做成的。
这类开关具有体积小、重量轻、与光纤适配、易于扩展为开关阵列。
非机械式光开关包括电光开关、热光开关、声光开关、磁光效应光开关、液晶光开关、气泡光开关、MEMS 光开关和全光开关。
1.电光开关电光开关的原理一般是利用铁电体、化合物半导体、有机聚合物等材料的电光效应（Pockels 效应）或电吸收效应（Franz-Keldysh 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。
表1是这两种电光材料的优质光开关器件的指标： 表1 两种电光开关的指标 材料 插损 dB 消光比 dB 偏振灵敏度 dB 开启时间 ns InP/InGaAsP5dB 15dB 0.5dB 0.2 有机聚合物 1dB >20dB 0.5dB 0.1但由于半导体载流子复合时间的限制，开关时间一般要在10ns 以上。
与机械光开关相比，其主要优点除开关速度高之外，因为没有移动部件，重复率较高，寿命较长。
电光开关一般利用Pockels 效应，也就是折射率n 随光场E 而变化的电光效应。
折射率变化△n 与光场的变化△E 的关系E n n γ23-=∆。
(1)而光波传播距离L 相应的相位变化为nL ∆=∆02λπφ (2)以下介绍五种典型的波导型电光开关的原理。
（1） 定向耦合器电光开关这种开关是在电光材料（如LiNbO 3、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3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①-③和②-④为直通臂，①-④和②-③为交叉臂。
图3 定向耦合器型光开关假设两波导的耦合较弱，各自保持独立存在时的场分布和传输系数，耦合的影响只表现在场的振幅随耦合长度的变化。
设两波导中的复数振幅分别为ε1(z)和ε2(z)，相位常数是β1和β2，其变化规律可用以下一阶微分方程组表示{1}：)()(2121z e ik dzz d z i εεβ∆-=， (3) )()(1212z e ik dzz d z i εεβ∆--=， (4) 式中△β＝β1－ β2为相位失配常数。
K 12、K 21是两波导的耦合常数，决定于波导的材料与结构，也与波长λ有关。
两波导完全对称，未加电压时，K 12＝K 21＝k ；β1＝ β2，△β＝0，耦合方程简化为：)()(21z ik dzz d εε-=， (5) )()(12z ik dzz d εε-=， (6) 联立解方程（5）和（6），设在两波导输入端的波振幅各为ε1(0)和ε2(0)，可得： 112()(0)cos (0)sin z kz i kz εεε=-， (7)kz i kz z sin )0(cos )0()(122εεε-=。
(8) 写成功率形式（P ＝ε2）则有： kz p kz p z p 22211sin )0(cos )0()(+=，(9) kz p kz p z p 22212cos )0(sin )0()(+=， (10)其中P 1(0)、P 2(0)、P 1(z)、P 2(z)各为波导1和2中始端和z 处的光功率。
设光信号只从①端输入，ε2(0)＝0，此时z 处两波导的光功率分别为：kz p z p 211cos )0()(=，(11) kz p z p 212sin )0()(=。
(12) 图4绘出两波导中光功率随z 的变化规律。
可见能量在两波导间周期性地转换。
从z ＝0到z ＝L 0，波导1的光功率从最大值变为零；而波导2的光功率从零变为最大值，全部光功率由波导1耦合进入波导2。
相应的长度L 0＝π/2k 叫做耦合长度。
一般光耦合开关取此长度。
图4 定向耦合器中两耦合波导光功率周期性相互转换当加电压时，两波导相位失配，△β≠0，且k 12≠k 21。
对式（3）和（4）求导后得到0)()()(121212=+∆-z k dz z d i dz z d εεβε， (13)0)()()(222222=+∆+z k dzz d i dz z d εεβε， (14) 其中k 。
(15)联立(13)和(14)，考虑Z ＝0时的ε1(0)和ε2(0)，并设ε2(0)＝0得解为]sin 2[cos )0()(211Kz K i Kz ez z i βεεβ∆-=∆， (16) Kz Kk ez z i sin )0()(212βεε∆-=， (17) 其中 222k K +⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=β。
(18) 波导1和2在z 处的光功率则为]sin 2)[cos 0()(22211Kz K Kz P z P ⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+=β， (19) Kz K k P z P 2212sin )0()(⎪⎭⎫ ⎝⎛=。
(20) 设器件长度为耦合长度L 0,并定义③端的功率转换比为 Kz K k P z P 22123sin )0()(⎪⎭⎫ ⎝⎛==τ， (21) 利用（28）式，则得⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎭⎫ ⎝⎛=222312sin 2πφππτc 。
(22)式中△φ=△βL 0，为两波导间的相位差。
由（22）可见，在△φ=0处，τ3=1最大；在 πφ3=∆处，τ3=0最小。
现在求功率转换比与控制电压的关系。
设两波导的电极间距皆为d ，其上加电压分别为V 和-V ，它们所产生的电场分别为E1＝V/d 和E2＝-V/d 。
引起两波导折射率的差为： d V n E E n n n n γγ321312)(21=-=∆-∆=∆ (23)相应的相位差为000300322V V V d L n nL πλγπλπφ==∆=∆。
(24) 其中030023L n d V γλ=。
(25)为完成功率从③端转变到④端需要πφ3=∆所对应的电压称之为开关电压。
由（38）和（40），τ3-V 关系则为 ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=2022312sin 2)(V V c V ππτ, (26)画出τ3-V 曲线，如图5。
图5 电光定向耦合器的φτ∆-3曲线电压从V 从0变到V 0，τ3从1变到0，即完成开关动作。
典型的开关电压为10V 。
（2） 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DC 1、DC 2和两个臂L 1、L 2组成，如图6所示。
图6 M-Z 干涉仪型光开关由端口①输入的光，被第一个定向耦合器按1:1的光强比例分成两束，通过干涉仪两臂进行相位调制。
在两光波导臂的电极上分别加上电压V 和－V ，各产生相应电场E 1和E 2。
因此以上波导臂所产生的折射率变化为：d V n E E n n γγ3213)(21=-=∆。
(27)对于对称的M-Z 干涉仪，L 1=L 2＝L ，两臂的相位差为：V d L n nL 0302λγπλπφ=∆=∆。