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光纤通信光开关原理.pdf
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1、光纤通信光开关原理光纤通信光开关原理 李淳飞 哈尔滨工业大学应用物理系 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
2、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(
3、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。1 微机电开关1 微机电开关 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。其原理如图 1 和图 2 所示。图 1 移动光纤式光开关 1 图 2 移动反射镜式光开关 以上这两种器件体积较大,很难实现组成集成化的开关网络。近年来正大力发展一种集成化的微机电系统(MEMS)开关,在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。例如采用硅在绝缘层上(SOI)的硅片生长一层多晶硅,再镀金制成
4、反射镜,然后通过化学刻蚀或反应离子刻蚀方法除去中间的氧化层,保留反射镜的转动支架。通过静电力使微镜发生转动。图 3 是一个 MEMS 实例,它采用 16 个可以转动的微型反射镜,实现两组光纤束间的 44 光互连。图 3 用 16 个移动反射镜光开关构成的两组 44 MEMS 开关阵列 机电光开关的优点是:结构简单;插入损耗低(60dB);隔离度好(45dB);而且不受偏振和波长的影响。缺点是:开关时间较长,一般为 1ms-0.1ms 数量级;开关结构有移动部分,因而开关寿命有限和重复性较差,有的还存在着回跳抖动等问题。图 3 的 MEMS 可达到如下技术指标(见表 1):表 1 MEMS 光开
5、关的技术指标 项目 插损 dB 串扰 dB 消光比 dB 偏振灵敏度 dB 开关时间 ms 寿命 次 开关尺寸 mm 测值 0.71.3 60dB 0.3dB 1051010 2 电光开关电光开关 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 2 是这两种电光材料的优质光开关器件的指标:2 表 2 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
6、间 ns InP/InGaAsP 5dB 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 Enn23=。(1)而光波传播距离 L 相应的相位变化为 nL=02 (2)以下介绍三种典型的波导型电光开关的原理。(1)定向耦合器电光开关(1)定向耦合器电光开关 这种开关是在电光材料(如LiNb
7、O3、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。图 4 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1(z)和2(z),相位常数是1和2,其变化规律可用以下一阶微分方程组表示1:)()(2121zeikdzzdzi=,(3)3)()(1212zeikdzzdzi=,(4)式中1 2为相位失配常数。K12、K21是两波导的耦合常数,决定于波导的材料与结构,
8、也与波长有关。两波导完全对称,未加电压时,K12K21k;1 2,0,耦合方程简化为:)()(21zikdzzd=,(5)()(12zikdzzd=,(6)联立解方程(5)和(6),设在两波导输入端的波振幅各为1(0)和2(0),可得:112()(0)cos(0)sinzkzikz=,(7)kzikzzsin)0(cos)0()(122=。(8)写成功率形式(P2)则有:kzpkzpzp22211sin)0(cos)0()(+=,(9),(10)kzpkzpzp22212cos)0(sin)0()(+=其中P1(0)、P2(0)、P1(z)、P2(z)各为波导 1 和 2 中始端和z处的光功率
9、。设光信号只从端输入,2(0)0,此时z处两波导的光功率分别为:,(11)kzpzp211cos)0()(=。(12)kzpzp212sin)0()(=图 5 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z0 到zL0,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L0/2k叫做耦合长度。一般光耦合开关取此长度。图 5 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,0,且k12k21。对式(3)和(4)求导后得到 0)()()(121212=+zkdzzdidzzd,(1
10、3)40)()()(222222=+zkdzzdidzzd,(14)其中 1221kk k=。(15)联立(13)和(14),考虑Z0 时的1(0)和2(0),并设2(0)0 得解为 sin2cos)0()(211KzKiKzezzi=,(16)KzKkezzisin)0()(212=,(17)其中 222kK+=。(18)波导 1 和 2 在 z 处的光功率则为 sin2)cos0()(22211KzKKzPzP+=,(19)KzKkPzP2212sin)0()(=。(20)设器件长度为耦合长度L0,并定义端的功率转换比为 KzKkPzP22123sin)0()(=,(21)利用(28)式,
11、则得 +=222312sin2c。(22)式中=L0,为两波导间的相位差。由(22)可见,在=0 处,3=1 最大;在 3=处,3=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 E1V/d 和 E2-V/d。引起两波导折射率的差为:dVnEEnnnn321312)(21=(23)相应的相位差为 000300322VVVdLnnL=。(24)5其中 030023LndV=。(25)为完成功率从端转变到端需要3=所对应的电压称之为开关电压。由(38)和(40),3-V关系则为+=2022312sin2)(VVcV,(26)画
12、出3-V曲线,如图 6。图 6 电光定向耦合器的电光定向耦合器的3曲线 电压从V从 0 变到V0,3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。图 7 M-Z 干涉仪型光开关 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。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E1:11和E2。因此以上波导臂所产生的折射率变化为:dVnEEnn3213)(21=。(2
13、7)对于对称的M-Z干涉仪,L1=L2L,两臂的相位差为:6VdLnnL0302=。(28)式中n=n2-n1。令=时所对应的电压为半波电压:LdnV300=,(29)则(28)变为 VV=。(30)设从端输入的信号的电场强度为1,从、端输出信号的电场强度为3、4,考虑KZ450,利用定向耦合器和光纤段的传输方程,可导出3、4与1的关系为 132121+=iiee,(31)142121+=iieei,(32)由于端输入功率为P111,、端输出功率为P333,、P444,利用三角公式,可由(31)和(32)算出、输出端的输出功率为:1232sinPP=,(33)1242cosPP=,(34)而直
14、通臂和交叉臂的功率转换比为=VVPPV2sin)(2133,(35)=VVPPV2cos)(2144。(36)当未加电压时,V0,因此30,41;加上半波电压,VV,则31,40,从而实现了开关。对于这类光开关,半波电压越小所需开关能量越小。(3)电光偏振调制波导电光开关电光偏振调制波导电光开关 这种光开关由电光相位调制器、起偏器 P 和检偏器 Q 组成,如图 8 所示。起偏器和检偏器正交,相位调制晶体的光轴与两偏振器的偏振方向成 45角。7 图图 8 偏振强度调制型光开关 各向同性的非偏振光经过起偏器后变为振动方向与波导光轴成 45的线偏振光。将在波导中同时激起偏振方向正交的TE波和TM波。
15、波导介质对两者的折射率不同,各为n1、n2;电光系数不同,各为1、2。于是在外加电场的作用下,光传输L长后,两个偏振正交波的相位差为:LEnn)()0(3113220=。(37)该电场是由加于相距为 d 的两电极上的电压所产生,有 EV/d。定义半波电压和初始相移分别为:=3223110nnLdV;(38)和 VVnLLnn002102)(2)0(=,(39)其中V0为偏置电压,31132202nnndV=(40)则式(37)可写成:VVV0=(41)以下求出光功率与电压的关系。自然光经过P后所产生的平面偏振光为 tEEP=sin。(42)设光的传播方向平行于Z轴;起偏器P和检偏器Q的光轴方向
16、与Y轴的夹角分别为和,且/4,如图 9 所示。8 图 9 光通过电光偏振光强调制器的偏振方向变化示意图 外电场使晶体的光轴方向平行于 X 轴。光通过晶体时产生双折射:o 光的振动方向垂直于主截面(光轴与光线所构成的平面),即垂直 xz 面,e 光的振动方向在主截面内,即 xz 面内。由于 o 光和 e 光在介质中的折射率不同,所以传播速度不同,通过一定厚度 L 的介质到达输出端时,有一定的相位差。因此,o 光和 e 光在介质输出端的表达式分别为:sin)sin(tEEPX=,(43)cossin()+=tEEPY。(44)当 o、e 光达到 Q 时,只有平行于 Q 光轴的分量能通过,垂直分量则
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