全光开关

34
为补偿环内的损耗，建议在环内加一个光放大器： 掺饵光纤放大器（EDFA) 或半导体光放大器（SOA)
考虑放大倍数 G，损耗率： a GL G(1)eL
35
电场间的关系变成：
E3 (1 )(rE1 itE2 ) E4 (1 )(itE1 rE2 )
E2 aei E
2A
8ln2
1 F2
环腔材料 石英光纤 AS2S3光纤 掺饵光纤
n2(m2/W) ~10-20 ~ 10-16
P1(l=10m) 2mW
2 10-4mW
~ 10-15 210-5mW
P1(l=1cm) 2W
0.20mW
0.02mW
* AS2S3 硫化物玻璃光纤损耗小；掺饵光纤损耗大
32
23
（三）环腔耦合M-Z干涉仪光开 关
24
环腔耦合M-Z干涉仪
自1 输D入C自—泵光浦耦入合射器光，，器环件腔可积以累是非光线纤性的相也位可移以达是到集成，波光导开的关：43
开关功率 mW 量级； 开关时间 ns 量级
25
耦合器与环腔耦合, 各电场间关系如下:
E3 rE1 itE2
(3.1)
(2.2) 改写为:
E3 rE1 itE2 E4 itE1 rE2
(2.5)
r——耦合器反射率，r＝coskz，r2 = cos2kz = 1-C t—— 耦合器透射率，t＝sinkz，t2＝sin2kz＝C
r 与 t 关系：
r2 t2 1
(2.6)
16
直通臂——没有相移， = 0； 交叉臂——有相移 ， = / 2 .
(4.10)
38
a 和 r 决定腔的精细度. 因为 P1 1/ F 2，为增强精细 度和减小开关功率, 必须使 a =1 和 r1.
39
被980nm光泵浦的掺饵光纤环腔＋M-Z干涉 仪
G L 4dB
TC
PC PA
sin2
2
0
2
ln2
P2 A
p1
2 A
8ln2 F 2
40
在不同放大器放大倍数G1= 3.99dB, G2= 3.55dB,G 3=3.08dB 下，透射率TC = PC / P1 作为入射功率 P1 的函数. 相应的开关功率是 : P1=6mW, 8mW ,11mW。
18
非平衡M-Z干涉仪
由两个3dB 耦合器组成，两臂长度不同, 导致相位差 = 1- 2 。设信号功率由1端口输入，当 ＝，实现
开关，两输出功率发生突变：4→3。
19
E3
E4
1 i
C C
i C ei1
1 C 0
0 1C
ei2
i
C
i 1
C C
E1 0
其中
1 k0n1L1
d d
(1 r 2 )a2
1 2ra cos r2a2
0,a1 1 r 1 r
M max
d
dP1
d dP1
(0
2
ln2
P1 ) A
2 ln2 A
(3.7) (3.8)
(3.9) (3.10)
28
光功率诱导非线性相移正比于精细度的平方：
d
dP1
d d
d
dP2
dP2 dP1
2 ln2 A
M2 max
E4 itE1 rE2
(3.2)
E2 eLei E4 aei E4
(3.3)
—环中单圈相移, —吸收系数，a —单圈损耗率
环放大率
M P2 P1
E2 E1
2 2
1
(1 2ra
r2 )a2
cos
r
2
a
2
(3.4)
条件 = 0 和 a = 1下：
M max
(1 (1
r) r)
(3.5)
8ln2 F 2
A
(3.11)
或者
8ln2 F 2 P1 A
若非线性相移 = ,则开关功率:
P1
2 A
8ln2
1 F2
＝ A
2ln2
1 M2
max
(3.12) (3.13)
开关功率反比于环腔精细度的平方或放大率的平方。
29
对比(3.13)和(2.18)可见，环腔M-Z干涉仪的开关功率比同长
度、同材料的普通 M-Z干涉仪的开关功率低(Mmax)2＝4万倍。 对普通光纤环，若 l =10m，r =0.99, 算得P1＝2mW。
开关功 率依赖 于耦合 系数
环腔 M－Z干涉仪光开关在不同 r 下的透射率(P3/P1)－开关功率P1曲线
30
开关时间
光开关的开关时间决定于 = c + f
c— 腔寿命
开关速度慢(ms-ns)。
光控光开关
— 无需经过电光转换，用非线性光学方法实 现以光控制光的全光开关。 开关速度快(ns-ps)。
8
电控光开关
器件 热光 微电 旋光 磁光 声光 电光 类型 效应 机械 液晶 效应 效应 效应
开关 时间
2ms
1ms
100s
30s
10n s
1ns
“光纤通信光开关原理” 李淳飞
E2 2 E1 2
(1 r2 )a2
1 2ra cos r2a2
当 = 0, a =1,
1 r
M max
1 r
(4.2) (4.3) (4.4) (4.5)
(4.6)
36
r aei
arg( 1
raei
)
条件： r a 1 a 应该大于r
(4.7) (4.8)
r 0.950
若G =1(无放大), a = 0.872，器
41
速率方程 粒子密度 相对功率
饵离子三能级图
N2 t
p Pp p A
N1
s Ps s A
(
N2
N1)
N2
N1 NT N2 Pp' Pp / Ppc
N2
(Pp' Ps' ) NT 1 2Ps' Pp'
Ps' Ps / Psc
(4.11)
(4.12) (4.13)
42
饱和光强
26
M 依赖于 ，r，a,
当无损耗, a1,
峰值半宽度 很小
当=0, a1, r1,环腔精细度为：
2 1 r
F
1 r
2
1 r
2
M max
F 正比于Mmax；F 仅依赖于 r 。
(3.6)
27
M-Z干涉仪两臂间相移：＝3－1
因为
E3 ei E1
所以
arg
r exp(i) 1 r exp(i)
改写为
EI EII
(z) (z)
coskz i sin kz
isinkz EI (0)
cos kz
EII
(0)
耦合系数
C sin2 kz
(2.3)
耦合器矩阵
1 C i C
i C 1 C
(2.4)
15
设: EI (0) = E1 , EII (0) = E2 , EI (z) = E3 , EII (z) = E4，
杂志：光纤通信产品（03年第1期）；物理实验（特邀） 光纤新闻网（），下载3000次
9
例：M－Z干涉仪电光开关
DC1和DC2为3dB耦合器。从①端输入光信号， 加半波电压 V=V，输出从④至③ 。
10
非线性全光开关
1. 非线性相移
光克尔效应：
I n n0 n2 A
Ppc
p A p
Psc
s A s
泵浦光传 输方程
dPp dz
p N1Pp
' Pp
信号光传 输方程
dPs dz
s(N2
N1)Ps
Ps
泵浦光不 计吸收
信号光不 计吸收
dPp dz
p N1Pp
dPs dz
s(N2
N1)Ps
(4.14) (4.15) (4.16) (4.17) (4.18)
A－平均截面积
I n ＝ 开关
2
Ln
2
Ln2
I A
自相位调制 （SPM）— 信号光自泵浦 交叉相位调制（XPM）— 控制光泵浦
11
2. 非线性吸收
二相色性,双光子吸收,饱和、反饱和吸收
3. 非线性折射
自聚焦，自散焦
4. 非线性反射
非线性界面全内反射－透射
5. 非线性旋光
液晶、手性介质中的非线性旋光
C
nlF c
(3.14) (3.15)
对于微腔，设腔长为 1cm, 折射率 n =1.5, 精细度F =100, 得到 c = 5ns. 对一定的精细度, 腔寿命依赖于腔长。
f —光纤非线性效应的响应时间，对克尔效应为ns量级.
开关时间c和开关功率P1与F 的关系相反，因此要适当选择
精细度。
31
高非线性环腔耦合M-Z干涉仪光开关
件得不到 相移;
若a < r = 0.950，器件也得不到
相移; 仅当a1，可得到 相移，故
光放大器是必需的。
37
由(4.8)作图：
环腔的精细度定义为：
F
2
2
sin
1
(1 2
ar ar
)
1
(4.9)
环腔的精细度决定于a 和 r。
F
1 ar
2
M max
精细度仅依赖于a和r，随a和r 增加极快
• 高速率
时分复用（2.5—10Gb/s）→ 波分复用（10—>1Tb/s）
• 集成化
混合器件→ 光纤器件→ 集成器件→ 纳米器件
• 全光化
全光传输（EDFA、WDM）→ 全光交换（OADM、 OXC）
3
密集波分复用（DWDM）光通信系统
传输速率： 40Gb/s — 160Gb/s — 1Tb/s —…
（四）有源环腔耦合的 M-Z干涉仪光开关
33
环腔与耦合器的实际损耗
1、光纤的吸收损耗—— = 710-5m-1 2、环内光纤连接损耗与其他元件的插入损耗 = 0.20 3、耦合器插入损耗—— = 0.05
设 = 1.55 m, L = 0.1m,
腔内损耗率： a L (1)eL
(4.1)
代入数据 ： a = 0.872
2 k0n1L2
(2.8)
因
C sin2 kz sin2( ) 1
(2.9)
42
解得
E3
1 2
e
i1
ei2
E1
(2.10)
E4
i
1 2
ei1
ei2
E1
(2.11)
20
设
1 2
(2.12)
由(2.10),(2.11)求得3和4端口输出功率为:
P3
P1
sin2
2
P4
P1
cos2
2
(2.13)
(162.5Gb/s) (1610Gb/s) (10010Gb/s)
4
光通信网络中的 OXC 和 OADM
5
光分插复用器（OADM）
— Optical Add-Drop Multiplexer
6
光交叉连接器（OXC）
— Optical Crass-Connect
7
两类光开关
电控光开关
— 加电场产生电光、热光、磁光、声光、 旋光、微电机械等效应产生的开关。
ln
Pp Ppc
G 10log[Ps (L) / Ps (0)](dB)
(4.22)
44
对不同环长： L=0.1m,0.3m ,0.5m 环中增益与泵浦光 功率的关系。
设L=0.3m，泵光功
率P＝14－18mW,
增益G =3-4dB。
第十章 非线性全光开关
（一）引 言
• 光开关在光通信与信息技术中的作用 • 两类光开关：电控开关与光控开关
1
信息技术中的光开关
• 光计算
—— 巨型计算机内光互连 —— 计算机芯片内光互联 —— 光逻辑芯片
• 光通信
—— 光通信交换系统 —— 光通信监护系统
• 光传感
—— 光传感互连网络
2
光纤通信发展趋势
22
d () 2 Ln2 dP1 P1 A
(2.17)
当非线性相移增量达到 ＝, 光开关功率为：
A
P1 2Ln2
(2.18)
总光开关功率
A
PA 2P1 Ln2
对普通光纤,用以下数据 :
(2.19)
n2=310-20m2/W , =1.55m, L=10m, A=510-11m2 得到 开关功率： PA=233W， P1~100W
43
由(5.12)
dPp' dz
1
1 Ps' 2Ps'
Pp'
p Pp'
dPs' dz
Pp' 1 1 2Ps' Pp'
s Ps'
(4.19) (4.20)
吸收系数
p p NT
s s NT
(4.21)
ln
Pp Ppc
1 2
p
L
1 p 2 s
ln10 10
G
1 2
p
L
1 2
p s
ln10 G 10
17
设P1=|E1|2 ，P2=|E2|2＝0，P3=|E3|2，P4=|E4|2 ，
输入－输出功率关系
P3 P1 cos2 z
耦合器长度
P4 P1 sin2 z ·7·)······L·=··L··0·/··2··，···是···(2.
3-dB耦合器，
kz .
4
长度L=L0时，
z
’2 P4=P1,P3=0.
6. 非线性变频
倍频、四波混频、……频率转换。
12
（二）非平衡M-Z干涉仪光开 关
13
对称光耦合器
场振幅耦合方程：
dEI (z) dz
i
EII
(z)
dEII (z) dz
i
EI
(z)
(2.1)
14
稳态解:
EI
(z)
EI
(0)
cos
z
iEII
(0) sin
z
··············(
EII (z) EII (0) cos z iEI (0) sin 2z.2)
当 信号从4端口输出;当, 信号从3端口输出。 因此, 实现光开关需要有 相位差.
21
设： L1>>L2， L=L1, 表示 L1=L
两臂间相位差
1－2
2
nL
2 nL
光克尔效应
n
n0
n2
P1 A
(2.14) (2.15)
两臂间非线性相移
2 Ln2 A
P1
(2.16)
光功率诱导非线性相移的度量－对功率求导：