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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。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LiNbO3、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，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。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，(13)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，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=。(27)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。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，垂直分量则被阻挡。所以通过 Q的光为 sinPXPXQEE=，(45)cosPYPYQEE=。(46)因此，sinsin)sin(coscos)sin(ttEEEEPYQPXQQ+=+=。(47)而/4，因22coscossinsin=,此时输出最强，上式变为：1sin()sin2sincos()22QEEtEtt=+=+(48)式中 Esin/2 为通过检偏器 Q 的光的振幅。由于输出光功率等于光振幅的平方，则有 =2sin2sin222ioPEP (49)9这里PiE2为输入光功率。据式(49)和(41)，该开关器件的功率转变比为 )(2sin02VVVPPio=,(50)V曲线如图 10 所示。改变电压V，使(VV0)从 0 至V变化，则从 0 至 1 变化。从而实现开关闭动作。图 10 相位调制器的V特性曲线 3 热光开关热光开关 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。折射率随温度的变化可用以下关系式表示：TanTTnnTnnTn+=+=+=000)()(51)式中n0为温度变化之前的折射率，T为温度的变化，为热光系数，它与材料的种类有关。表 3 是几种材料的热光系数。表 3 几种材料的热光系数 材料 LiNbO3Si SiO2聚合物 热光系数 4.310-6/K 210-4/K 1.110-4/K 110-4/K n 将引起相位变化 00/22TaLnL=，(52)导致信号从一个端口输出变为从另一个端口输出。以下介绍几种典型的波导热光开关。(1)M-Z 干涉型热光开关干涉型热光开关 该开关结构如图 11 所示。它是由两个 3dB 耦合器构成的对称 M-Z 干涉仪型。两个波导在硅基底上生成。在其中一臂上镀有金属薄膜加热器，形成相位延时器。硅基底可看作一个散热器。由于 Si 的导热系数较大,加热器的距离 L 大于 100 微米即可。臂长的设计使加热器未加热时,在交叉臂输出端口 4 发生相长干涉输出，而在直通臂的输出端口发生相消干涉无输出。加热器工作时输入信号则从直通端口 3 相长干涉输出 10 图 11 M-Z 干涉型热光开关 据（33）与（34）式，从 1 端输入；从 3 端与 4 端输出的功率转变比分别为：2sin2133=PP，(53)2cos2144=PP。(54)应用（52）式，并设 aLT200=，(55)则得=021432sinTTPP,(56)=021442cosTTPP。(57)可见，当T0 时，30，41；而当TT0时，31，40，从而实现光开关。日本NTT近年来采用SOI材料为光波导和Ti金属膜为相移区的加热膜，采用双M-Z干涉仪结构2，我们增加一个环形器，可构成 22 热光开关，如图 12。图 12 双 M-Z 干涉型热光开关 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 12和 21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 11和 22出口。这种开关有以下优点：1）由于泄漏光被第二个干涉仪阻止，消光比是传统结构的两倍；2）器件制作的容差能力加大；3）相当于两个带通滤波器并联，有较大的带宽，有益于 DWDM 网络。4）这种 22 开关做成阵列，大大减少单元开关数量，例如 1616 开关阵列由普通 12 开关组成需要 156 个器件，而用这种器件只需 64 个。该器件的平均参数列于表 4。11 表 4 双 M-Z 干涉热光开关的特性指标 性能 插入损耗 dB 串音 dB 开关时间 ms 消光比 dB 功耗 mW 数值 6.6 46 2 55 17 以上介绍的干涉型热光开关属于周期性干涉型开关，具有高消光比、低功率损耗等优点，但它存在着对偏振和波长具有敏感性，以及要求有较高的制造精度等缺点。(2)Y 和和 X 数字型热光开关数字型热光开关 Y和X分支型热光开关的结构见图 133。这类开关一般是通过模式重组来实现开关动作。通过加热改变分支的折射率，从而改变控制光的走向。为了实现模式选择的绝热状态，要求分支角很小，一般在零点几度或零点零几度。图 13 数字热光开关（a）X 型（21开关）和(b)Y 型（22）开关 对Y结构而言，不加热时，主臂的有效折射率nb大于支臂的有效折射率ns，光从主臂通过；当对支臂加热时,增加了它的折射率,使之有效折射率大于主臂的有效折射率，即 bCsnTTdTdnn+)(0，(58)则光束通过支臂。（58）式中T0为室温，Tc为光改变通路的临界温度，dn/dT为材料的折射率温度系数。对X结构而言，不加热时，主臂的有效折射率大于支臂的有效折射率，nbns，光束 1和 2 分别通过支臂和主臂；当对支臂加热时,增加了它的折射率,使之有效折射率大于主臂的有效折射率，即满足公式（58），则光束 1 和 2 的通路被交换。这类开关的优点是结构简单；制作容差大：当输入电压变化时输出光强呈阶跃特性，故称为数字光开关。这个特点降低了对开关电压控制精度的要求，并大大降低了集成器件制作的复杂性，可做成列阵器件。有机聚合物材料有更大的温度敏感性，只需 100mW 左右的开关功率，特别适合做热光器件。缺点是热稳定性差和抗湿性差。（3）气泡开关）气泡开关 12安捷伦公司结合热喷墨打印和硅平面光波电路两种技术，开发出一种二维光交叉连接系统，见图 144。他们把这种技术称为“光子交换平台”。其光开关包括两部分：下半部是硅衬底的玻璃波导，上半部是硅片。上下之间抽真空密封，小沟道内充特定的折射率匹配液，每一个沟道中部都有一个微型电阻，通过电阻加热匹配液形成气泡，对光产生全反射，实现关态；不加电时由于折射率匹配，光信号直接通过，为开态。HP的喷墨打印技术主要用于精密控制微电阻产生气泡。气泡是封闭的不会溢出，通过控制蒸气压，保持液体和气体共存的温度和压力。气泡的产生到消失约 2ms,最大开关速度为 10ms。3232 开关模块的插损为4.5db，消光比小于-50db。由于没有可移动部分，可靠性较好，具有偏振不敏感性，而且成本不高。图 14 喷墨气泡热光开关模块 4、液晶光开关、液晶光开关5 大部分液晶光开关是根据用外电场控制液晶分子的取向而实现开关功能的，如图 15 所示。在液晶盒内装着相列液晶。通光的两端安置两块透明的电极。未加电场时，液晶分子沿电极平板方向排列，与液晶盒外的两块正交的偏振片P和A的偏振方向成 450，如图 15(a)。这样液晶具有旋光性，入射光通过起偏器P先变为线偏光，经过液晶后，分解成偏振方向相互垂直的左旋和右旋光，两者的折射率不同（速度不同），有一定相位差，在盒内传播盒长距离L之后，引起光的偏振面发生 900旋转，因此不受检偏器A阻挡，器件为开启状态。当施加电场E时，液晶分子平行于电场方向，因此液晶不影响光的偏振特性，此时光的透射率接近于零，处于关闭态，见图 15（b）。撤去电场由于液晶分子的弹性和表面作用又恢复原开启态。13 图 15 液晶光开关工作原理 设右旋波速度vR快于左旋波速度vL，则右旋波电矢量旋转角度R大于左旋波电矢量旋转角度L。此两角与偏振面转角的关系为+=LR 或 2LR=(59)若右旋波和左旋波的折射率用nR和nL表示，则偏转角可表为 nLLR=02 (60)这里0为真空的波长，nnRnL。欲取偏转角=/2，因此液晶盒的长度可据以下公式设计：nL=20 (61)这里没有考虑液晶对光的吸收。这种开关靠分子转动，因此开关速度较慢（s 量级）。5、磁光效应光开关磁光效应光开关 这里介绍利用法拉第磁光效应的光开关。这种磁光效应是指线偏振光在磁性介质中传播时，受外磁场的作用其偏振面发生旋转的一种物理现象。实验证明，当在磁性材料上施加平行光传播方向的外磁场时，设偏振光振动面的旋转角度为，磁感应强度为 B，光在材料中传播的长度为 L，则有：VBL=(62)式中 V 称为费尔德常数，是表明物质磁光特性的物理量，它与光的波长有关。磁光物质旋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。旋光物质一般采用钇铁石榴石（YIG）晶体材料，它在长波长波段有较大的费尔德常数和较小的损耗。以下介绍一种磁光效应光开关。它的基本结构如图 16。构成光开关的部件有：用Gd:YIG厚膜构成的 45法拉第旋转器，45石英旋转器，两块YVO4晶体，一块偏振分束镜和一块 14全反三角棱镜。图 16 法拉第磁光效应光开关 当在法拉第旋转器上施加右旋的磁场时,法拉第旋转器和石英旋转器对光束偏振面的旋转分别为45和+45,所以光束通过这两个元件的总偏振旋转角为零。由第一块YVO4晶体分解的两束偏振光P光束和S光束在第二块YVO4晶体中合成一束，从上端口输出；当在法拉第旋转器上施加左旋的磁场时,法拉第旋转器和石英旋转器对光束偏振面的旋转皆为+45，所以光束通过这两个元件的总偏振旋转角为 90，因此由第一块YVO4晶体分解的两束偏振光在第二块YVO4晶体中分开：P光束转化为S光束，S光束转化为P光束，分别输出，再经过三角棱镜和偏振分束镜合成一束光从下端口输出。这种光开关在 1.3um 的性能见表 5，表中插入损耗包括 Gd:YIG 吸收损耗和透镜耦合损耗。在电磁铁的驱动电压为5V 时磁场达到饱和，开关开始运行。电压为20V 时，开关时间为 30s。串音主要来自 Gd:YIG 的质量。表 5 磁光式光开关的特性指标 性能 插入损耗 dB 串音 dB 开关时间 s 最小电压 V 数值 1.31.7-25 30 5 6声光开关 6声光开关 这是利用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。如图 17，在 y 方向，用电声换能器在介质中激励一束声波：)sin(1tKtSSaaa=(63)式中，S、K分别为声波的振幅、角频率、传播常数。类似于电光效应，声波引起介质的折射率的变化为：aPSnn321=(64)其中 P 为应变弹性系数。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。15 图 17 声光开关原理 如果平面光波与 z 轴成角的方向入射，通过宽度为L的声波区域后，因声光效应而产生的相位变化为：)sin(cos20yKnLa=(65)由于这一相位光栅的衍射作用，使介质中光的传播方向发生变化，从而实现光的开关。该器件可以实现波导化，用叉指电极产生表面声波。该开关的优点是开关速度比较快，为纳秒量级；缺点是插损比较大，而且成本比较高。结论 结论 本文综述了目前在光纤通信中已开发应用的各种光开关器件的物理原理，这些器件利用了包括电光效应、热光效应、磁光效应、旋光效应等各种光学物理效应，以及微机电技术。还分析比较了这些器件的性能指标和优缺点。作者希望本文对于学习、研究和设计这些光纤通信用光开关器件有一定参考价值。本文所介绍的光开关器件都需要用电来控制。这些器件的开关速度已基本满足当前光通信长途网、城域网和局域网技术的需要。其中微机电开关、电光开关和热光开关正在开发大规模集成的开关网络模块。参考文献参考文献 1.李玲，黄永清编著，光纤通信基础，国防工业出版社，1999 年，178 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