第2章 光开关(2)要点

2.如果对金属膜通电使其发热，将会导致其下面的波导 折射率发生变化，从而改变了MZI干涉臂的传播光程，引 入相位差。调节移相器使之形成兀相移，那么在O1和O2 端两束光的相位关系随之发生反转，信号此消彼长，整 个热光开关也由原先的交叉方式变换至平行连接状态。 通过控制热光移相器在0和兀两个状态之间动态转换，就 可以实现光开关的动作。
第 二 章
光
开
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关 (2)
2.4.1 磁光开关技术

磁光开关是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的改变来改 变磁光晶体对入射偏振光偏正面的作用，从而达到切换光路 的效果。 法拉第旋光效应是指线偏振光在磁性介质中传播时，因受外 磁场的作用，其偏正面发生旋转的一种物理现象。磁光物质 旋转光的方向与光的传播方向无关，只由外加磁场方向决定： 当迎着磁场方向观察，偏振光总是按反时针方向旋转。 相对于传统的机械式光开关，它具有开关速度快、稳定性高 等优势；而相对于其他的非机械式光开关，它又具有驱动电 压低、串扰小等优势。

喷墨气泡光开关交换速度为10ms，由于没有 可移动部分，可靠性较好，32×32子系统损 耗为4.5dB。

喷墨气泡光开关有两个重要因素要考虑： 如何很好地控制光开关的状态，如光开关频 繁动作或长期维持气泡状态；喷墨气泡光 开关封装后，其内部材料和液体的生存时间 问题。
干涉式光开关主要利用马赫－增德尔（M-Z： Mach-Zehnder）干涉原理制造，主导思想是 利用光相位特性，光的相位与光的传输距离 有关，输入光被分成两路，在两个分开的光 波导里面进行传输，再合并。在两个波导臂 上镀有金属薄膜加热器形成相位延时器，通 过控制加热器实现干涉的相长或相消，达到 开关的目的。
数字式光开关
原理：当对Y型的一个分支加热时，相应波导的折射 率会发生改变（减小），从而阻止光沿着该分支传输 （即处于“关”的状态）
薄膜加热器 i 输出1 输入 c 输出2 j
Y分支器型热光开关一般功耗比较大(200mW左右)， 插损约3 - 4dB，消光比约20dB。
数字光开关的原理和结构都很简单，最基本的1x2热光开 关由在硅基底上制作的Y形分支矩形波导构成。在波导分 支表面沉积金属钛或铬形成微加热器。当对Y形的一个分 支加热时，相应波导的折射率会发生改变，从而阻止光沿 该分支的传输。数字光开关的性能稳定，在于只要加热到 一定温度，光开关就保持同样的状态。它通常用硅或高分 子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此 需要的功耗小，但插入损耗较大，一般为 4dB
2.4.3热光效应开关
热光开关和电光开关的结构可以是相同的， 但是产生开关效应的机理不同。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，导致光在介质中传播的折射 率和相位发生改变的物理效应。
热光光开关分类
目前主要有两种类型热光光开关： 干涉式光开关(Interferometric Switches) 数字光开关(DOS: Digital Optical Switches ) 也叫分支器型热光开关
2.5 喷墨气泡光开关
气泡光开关是Agilent在成熟的Si02平面光波电路(PLC)技术 基础上，结合喷墨打印驱动原理开发出的一种新型光开关器 件。整个开关分为上下两层结构：顶层由Si材料构成，用于 制作热喷墨元件；下面是Si02衬底层，采用PLC工艺集成了 纵、横分布的两束波导，每束波导又包括若干平行的波导线 路。纵向和横向波导大致成1200角交错排列，在经过每个线 路交叉点的地方另外刻蚀出一系列沟槽，从两侧的填充孔向 槽内注入某种与Si02材料折射率相匹配的液体。上下两部分 之间抽真空密封，对通过的光产生反射。电信号的加入在下 半部引入。通过电阻加热匹配液形成气泡。当有入射光照入 并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡，小 泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导。
原理：
1. 若薄膜加热器处于关闭状态，此时MZI相移量为0,考虑到 3dB耦合器沿耦合臂输出方向与沿直通臂输出方向相比存在 π/2的相位滞后.在O2端，来自I1的两束入射光一路经过耦合 器的两次耦合，另一路则经过耦合器的两次直通，累积相位 差为π从而满足相干相消条件，输出光信号被大大削弱甚至 关断；而在O1端，两束光分别经历了一次直通，一次耦合， 总的相位保持同步从而发生相干相长现象，即入射光的能量 主要从O1口输出。热光开关为交叉连接状态。
MZI型热光开关
MZI型光开关包括一个MZI和两个3dB耦合器，两个波导臂具有相同 的长度，在MZI的干涉臂上，镀上金属薄膜加热器形成相位延时器， 波导一般生成在硅基底上，硅基底还可看作一个散热器。波导上的 热量通过它来散发出去。 3dB定向耦合器
I2
O1(不加热)
Δn
I1
L
O2(加热)
热光移相器(薄膜加热)


2.4.2 声光开关技术
声光开关是利用介质的声光效应制作的光开 关。 声光效应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

声光开关原理
在y方向，控制电信号经换能器后产生一 定频率的声表面波， 声表面波在声光介 质中传播，使介质折射率发生周期性变化， 形成了一个运动的衍射光栅，在声波的作 用下，晶体的折射率将沿声波的传输方向 (y)呈周期性变化，在介质中形成一个相位 光栅。当入射光束满足布拉格衍射条件时， 就可引起光的偏转，偏转角由声波的频率 和入射光波长决定。
双MZI型热光开关


光波从1和2入口，当不通电流加热时，光波通过交 叉臂，分别从1→2'和2→1’出口；当两干涉仪同时 通电流加热时，光波通过直通臂，分别改从1→1'和 2→2’出口。 优点：a.由于泄露光被第二个干涉仪阻止，因此消 光比是传统结构的两倍；b.器件制作的容差能力加 大；c.相对于两个带通滤波器并联，有较大的带宽， 有益于DWDM网络；d.这种2×2开关做成阵列，大 大减少单元开关数量，例如若16×16开关阵列由普 通1×2开关组成，则需要156个器件，而用这种器 件只需64个。