摘要(北京錦坤科技有限公司)
光開關(guān)是光纖通信中光交換系統(tǒng)的基本元件，并廣泛應(yīng)用于光路監(jiān)控系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)。本文綜述了目前光纖通信中所研究和開發(fā)的光開關(guān)器件的物理原理。并給出各類光開關(guān)的閾值條件和典型參數(shù)。本文可作為學(xué)習(xí)、研究和設(shè)計(jì)光開關(guān)的參考。
信息技術(shù)是當(dāng)代工業(yè)的先導(dǎo)，互聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心。為解決目前互聯(lián)網(wǎng)的“交通堵塞”問(wèn)題，必須發(fā)展以波分復(fù)用光纖通信技術(shù)為基礎(chǔ)的“信息高速公路”。而波分復(fù)用光纖通信技術(shù)是建立在光器件的基礎(chǔ)上。在以上形勢(shì)的推動(dòng)下，近年來(lái)光纖通信器件的發(fā)展極為迅速。光纖通信器件包括光傳輸器件和光交換器件兩大類。波分復(fù)用光傳輸器件經(jīng)過(guò)近幾年的努力，已日趨成熟，已有一批可供使用的產(chǎn)品。特別是波分復(fù)用器、波分復(fù)用光源和波分復(fù)用光放大器的巨大進(jìn)步，使光傳輸由0-E-0轉(zhuǎn)變成0-0-0，使光纖通信向全光化邁進(jìn)了一大步。但是光交換器件，包括光交叉連接器（OXC）和光分插復(fù)用器（OADM），及其基礎(chǔ)器件——光開關(guān)，基本上還是光電混合的。光開關(guān)已有一定的產(chǎn)品問(wèn)世，但還不太成熟，有待進(jìn)一步完善。本文將綜合介紹以電控為主的光開關(guān)器件的基本原理。
光開關(guān)在光通信中的作用有三類：其一是將某一光纖通道的光信號(hào)切斷或開通；其二是將某波長(zhǎng)光信號(hào)由一光纖通道轉(zhuǎn)換到另一光纖通道去；其三是在同一光纖通道中將一種波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一波長(zhǎng)的光信號(hào)（波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器）。
光開關(guān)的特性參數(shù)主要有插入損耗、回波損耗、隔離度、串?dāng)_、工作波長(zhǎng)、消光比、開關(guān)時(shí)間等。有些參數(shù)與其它器件的定義相同，有的則是光開關(guān)特有的。
1． 微機(jī)電開關(guān)
這是靠微型電磁鐵或壓電器件驅(qū)動(dòng)光纖或反射光的光學(xué)元件發(fā)生機(jī)械移動(dòng)，使光信號(hào)改變光纖通道的光開關(guān)。其原理如圖1和圖2所示。
以上這兩種器件體積較大，很難實(shí)現(xiàn)組成集成化的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái)正大力發(fā)展一種集成化的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)，在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動(dòng)的微型鏡片構(gòu)成的開關(guān)陣列。例如采用硅在絕緣層上（SOI）的硅片生長(zhǎng)一層多晶硅，再鍍金制成反射鏡，然后通過(guò)化學(xué)刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕方法除去中間的氧化層，保留反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)支架。通過(guò)靜電力使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3是一個(gè)MEMS實(shí)例，它采用16個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的微型反射鏡，實(shí)現(xiàn)兩組光纖束間的4×4光互連。
圖3 用16個(gè)移動(dòng)反射鏡光開關(guān)構(gòu)成的兩組4×4 MEMS開關(guān)陣列
機(jī)電光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；插入損耗低(<2dB)；消光比高(>60dB)；隔離度好（>45dB）；而且不受偏振和波長(zhǎng)的影響。缺點(diǎn)是：開關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為1ms-0.1ms數(shù)量級(jí)；開關(guān)結(jié)構(gòu)有移動(dòng)部分，因而開關(guān)壽命有限和重復(fù)性較差，有的還存在著回跳抖動(dòng)等問(wèn)題。
圖3的MEMS可達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)（見表1）：
1． 電光開關(guān)
電光開關(guān)的原理一般是利用鐵電體、化合物半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物等材料的電光效應(yīng)（Pockels效應(yīng)）或電吸收效應(yīng)（Franz-Keldysh效應(yīng)）以及硅材料的等離子體色散效應(yīng)，在電場(chǎng)的作用下改變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強(qiáng)突變或光路轉(zhuǎn)變。表2是這兩種電光材料的上等光開關(guān)器件的指標(biāo)：
但由于半導(dǎo)體載流子復(fù)合時(shí)間的限制，開關(guān)時(shí)間一般要在10ns以上。與機(jī)械光開關(guān)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)除開關(guān)速度高之外，因?yàn)闆]有移動(dòng)部件，重復(fù)率較高，壽命較長(zhǎng)。
電光開關(guān)一般利用Pockels效應(yīng)，也就是折射率n隨光場(chǎng)E而變化的電光效應(yīng)。折射率變化△n與光場(chǎng)的變化△E的關(guān)系
而光波傳播距離L相應(yīng)的相位變化為
以下介紹三種典型的波導(dǎo)型電光開關(guān)的原理。
（1） 定向耦合器電光開關(guān)
這種開關(guān)是在電光材料（如LiNbO3、化合物半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物）的襯底上制作一對(duì)條形波導(dǎo)以及一對(duì)電極構(gòu)成，如圖4所示。當(dāng)不加電壓時(shí)，也就是一個(gè)具有兩條波導(dǎo)和四端口的定向耦合器。一般稱①-③和②-④為直通臂，①-④和②-③為交叉臂。
假設(shè)兩波導(dǎo)的耦合較弱，各自保持獨(dú)立存在時(shí)的場(chǎng)分布和傳輸系數(shù)，耦合的影響只表現(xiàn)在場(chǎng)的振幅隨耦合長(zhǎng)度的變化。設(shè)兩波導(dǎo)中的復(fù)數(shù)振幅分別為ε1(z)和ε2(z)，相位常數(shù)是β1和β2，其變化規(guī)律可用以下一階微分方程組表示{1}：
式中△β＝β1－ β2為相位失配常數(shù)。K12、K21是兩波導(dǎo)的耦合常數(shù)，決定于波導(dǎo)的材料與結(jié)構(gòu)，也與波長(zhǎng)λ有關(guān)。
圖5繪出兩波導(dǎo)中光功率隨z的變化規(guī)律?？梢娔芰吭趦刹▽?dǎo)間周期性地轉(zhuǎn)換。從z＝0到z＝L0，波導(dǎo)1的光功率從*大值變?yōu)榱?；而波?dǎo)2的光功率從零變?yōu)?大值，全部光功率由波導(dǎo)1耦合進(jìn)入波導(dǎo)2。相應(yīng)的長(zhǎng)度L0＝π/2k叫做耦合長(zhǎng)度。一般光耦合開關(guān)取此長(zhǎng)度
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