光开关定义分类

《光开关定义分类》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光开关定义分类（5页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1.光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。2.光开关可使光路之间进行直接交换, 是光网络中完成全光交换的核心器件,在全光网络中, 光开关可实现在全光层的 路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能。3其中光交叉连接设备（OXC）和光分插复用设备（OADM）可以说是全光网的核心。而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。4全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、 低成本、低功耗、热稳定性好等特性。今后光开关发展的方向:光调制光开关和波导调制光开关的技术发展较快,其开关时间具有几个ps到

2、10ps的开发潜力， 可以满足全光通信网络实现高速光交换、光交叉连接的要求。因此,光调制光开关和波导调制光开关是今后光开关的发 展方向。但是,光调制光开关和波导调制光开关串音大的缺点目前尚无技术突破,还处于实验室研究阶段,而且价格昂贵, 近几年要达到实用化的水平并投入市场不太可能。目前采用较为成熟的 MEMS 技术研制开发光开关、光开关列阵,并 在此基础上组建、完善全光交换机及其交换矩阵系统等全光网络节点设备，具有非常大的现实应用价值。目前,MEMS技术还存在一些问题:一是迫切需要用于微电子机械系统设计的先进的模拟工具和模型建立工具（大多数微 电子机械设备都是用功能差的不能准确预测执行情况的分

3、析工具来建立的 ,这种方式效率低下,费时费力）,只有运用合 适的开发工具,并配以连通高性能工作站以及本地的和远程的超级计算机网络才能从根本上改变这种局面;其次,微电子 机械系统的包装面临独特的挑战,因为微电子机械装置形状差异大,并且部分装置还要求放置于特定的环境中,所以几乎 每开发一套微电子机械系统就需要为其设计一个专用的包装。容许设计者从已有的标准包中挑选出新的微电子机械设 备的包装也不失为一个较好的办法。（应用光学2005）常见的光开关:1.MEMS光开关：而MEMS光开关是基于半导体微细加工技术构筑在半导体基片上的微镜阵列，即将电、机械和光 集成为一块芯片, 能透明地传送不同速率、不同协

4、议的业务。目前已成为一种最流行的光开关制作技术。其基本原理 通过静电力或电磁力的作用, 使可以活动的微镜产生升降、旋转或移动, 从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的 功能, 使任一输入和输出端口相连接, 且 1 个输出端口在同一时间只能和 1 个输入端口相连接。与现有的基于光波导 技术的光开关相比, MEMS 光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网络中的关键光器件。MEMS光开关优点：与现有的基于光波导技术的光开关相比MEMS光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网 络中的关键光器件。同时它既有机械光开关和波导光开关的优点, 又克服了光机械开关难以集成和扩展性差等缺点, 它 结构紧凑、重

5、量轻, 且扩展性较好。MEMS光开关特性：低插入损耗；低串扰；与波长、速率、调制方式无关；功耗低；坚固、寿命长；可集成扩展成大 规模光开关矩阵；适中的响应速度（开关时间从100ns10ms）。在光交叉连接及需要支持大容最交换的系统中，基于 MEMS 技术的解决方案已是主流。MEMS光开关分类：MEMS光开关可以分为二维和三维光开关。二维光开关由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组 成，光束在二维空间传输。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关，对于MXN的光开关矩阵，光开关具有MXN个微反 射镜。二维光开关的微反射镜具有两个状态0和1（通和断）,当光开关处于1 态时, 反射镜处于由输入光纤准直系统出

6、 射的光束传播通道内， 将光束反射至相应的输出通道并经准直系统进入目标输出光纤;当光开关处于0 态时， 微反射 镜不在光束传播通道内，由输入通道光纤出射的光束直接进入其对面的光纤。三维MEMS的微镜固定在一个万向支架上, 可以沿任意方向偏转。每根输入光纤都有一个对应的MEMS输入微镜，同样，每根输出光纤也都有其对应的MEMS输出 微镜i7因此，对于MXN三维MEMS光开关，则具有M+N 个MEMS微反射镜。由每根输出光纤出射的光束可以由其对 应的输入微镜反射到任意一个输出微镜， 而相应的输出微镜可以将来自任一输入微镜的光束反射到其对应的输出光 纤。对于MXN三维MEMS光开关，每个输入微镜有N

7、个态，而输出微镜则具有M个状态。目前，Iolon利用MEMS实现 了光开关的大量自动化生产。该结构开关时间小余5msXeros基于MEMS微镜技术，设计了能升级到1152X 1152的光 交叉连接设备，交换时间小余50ms。随着全光网络的发展，三维MEMS阵列可成为大型交叉连接的最佳候选者之一。 基于M0EMS技术的光开关主要有微反射镜型光开关、静电驱动型光开关、自由空间交换型光开关、无透镜型光纤光开关 等，光开关的驱动方式主要有平行板电容静电驱动，梳状静电驱动器驱动，电致、磁致伸缩驱动，形变记忆合金驱动，光功 率驱动和热驱动等4.M0EMS光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化

8、硅、氮化硅等硅基材料,Au、 Al等金属材料，压电材料及有机聚合物等其他材料.M0EMS光开关所用工艺主要有体硅工艺、表面加工工艺和 LIGA（Lithographie,Galvano-formung and Abformung，即光刻、电铸和注塑）工艺.2热光开关：利用热光效应制造的小型光开关。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关系为：-“dn屮*11 7 ）=州 4 心川 T）片 4 W - Jin * I式中n0为温度变化前的介质的折射率，AT为温度的变化，a为热光系数，它与材料的种类有关。此类开关采

9、用可调节热量的波导材料，如Si02、Si和有机聚合物等。在硅衬底上，用蒸发、溅射、光刻、腐蚀等 工艺形成分支波导阵列，然后在每个分支上蒸发金属薄膜加热器和电极。电极加上电流后，加热器的温度使下面的波 导被加热，温度上升，热光效应引起波导折射率下降，这样就将光耦合从主波导引导至分支波导。聚合波导技术是非 常有吸引力的技术，它成本低、串扰低、功耗小、与偏振和波长无关。聚合物波导的热光系数很高，而导热率很低，因 而能更有效地利用热来控制光的传播方向，开关时间相对减小可达lms以内。热光开关的速度介于电光开关和MEMS之 间。热光开关一种是基于SoS（Silica- on- Silicon）技术,该光

10、开关具有透明性、高可靠性、亚毫秒级恢复能力和无阻 塞特性，速度可达到100us。随着高密度、高集成度光路的产生SoS开关的优势更明显。目前主要有两种类型的热光 开关，M-Z干涉型光开关和数字光开关。干涉型光开关结构紧凑，但对光波长敏感，需要进行精密温度控制；数字光 开关性能更稳定，只要加热到一定温度，光开关就保持稳定的状态。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，因此需要的功率小，消光比可达20dB，但插入损耗较大,一般为34dB。热光开关阵列可以和阵 列波导光栅集成在一起组成光分插复用器。热光开关体积非常小可实现微秒级的交换速度。Y分支有机聚合物热光开关（1x2,通过提

11、高一个通道的温度使其有效折射率下降，能量转移到一个通道中）3液晶光栅开关：液晶光栅开关是基于布喇格光栅技术，利用液晶材料的电光效应，采用了更为新颖的结构。液晶 开关内包含液晶片、偏振光束分离器（PBS）或光束调相器。液晶片的作用是旋转入射光的极化角。液晶光开关的基本原 理是：将液晶微滴置于高分子层面上，然后沉积在硅波导上，形成液体光栅。当加上电压时，光栅消失，晶体是全透 明的，光信号将直接通过光波导。当没有施加电压时，光栅把一个特定波长的光反射到输出端口。这表明该光栅具有 两种功能：取出光束中某个波长并实现交换。4. 声光光开关：声光光开关是利用介质的声光效应。即一定频率的声波在声光介质中传播

12、时，该介质会产生与该声 波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期性变化，形成等效的衍射光栅。其光 栅常数等于声波波长，当入射光束满足布喇格衍射条件时，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。因而能提供一种方便地控制光的强度、频率和传播方向的手段。5. 半导体多量子阱超快光开关：半导体多量子阱超快光开关在半导体量子阱带间跃迁（ISB- T）中，有超快驰豫时 间和大的跃迁偶极矩及跃迁波长可调谐大的特点。在一种材料InGaAs/AIAsSb多量子阱中的通信波长上得到了 1.2ps 的响应时间，而在另外一种GaN/AIGaN多量子阱中，得到了150fs的超

13、快响应时间，而这有可能制作成fs级超快 光开关。目前已商用化的磁光开关原理是利用法拉第旋光效应通过外加磁场的变化来改变磁光晶体对入射偏振光偏 振面的作用，从而达到切换光路的作用。由于无机械移动部件，可靠性高，并且开关速度快（亚毫秒），更兼有隔离 器和环行器的功能，使全固态的光路调节成为可能。MEMS是通过微制造技术将微型机械元件、微型传感器、微型执行器和信号处理及控制电路等在普通硅基底上集成。允通乍俩的耍求.执行器是M开关屮的核心部 分詡川微制进技术可以制作朋对级性位移润伤備较大 的搬谓，側縱桶关脱计耍求E.目前,釆用 深隨活性离子妣法3RE）制作的线性位務ftfrSH： 側超过1120 Um

14、,.们&执行器们釘肓转超辻土 ttdBltaiO q 5 -dti flofc 移开关 的开X时间釣为700 UJJ1S开关的开关时间小F 5耐光开关的开关时间受痢SJH反射就其同（*的机械 懵提频率限制.怨件卫移光开关，贰开关时间大的是反财 做从端位移到苏端的时间对谐振孵为皿的 怖谓，开羌帅大约为700酬开觥通过控制 反Ihl的加度完战开关功能JE开关时间加 臓性 皤开题稍长-气虽然执彳谓怖翩率差不*小 加开关需嘿更长的时间以便将Jt東蒂确控制fiJWlffl 制“沖，图Isr-MOBWS技术设廿的憐机械旋转的 倫执行器阵列开关的开丈时间曲线从曲线可以看出实 观光纤I到光蚪2开关耗时旳3 5

15、叽损耗小F -50 （III iei-3ou ngscrA*图1你倫执行器阵列开关的开关时间曲线（从光纤I到光纤2转换）2凰于光开关基j Moaisfe术制作的光开关,m m 識 朋动器和做光学元件集成在同咐底I；.绪构紧演刪 轮辎I灿此种光开彌W具有机械光开X瞅门憎mini（11） 12 显（l） I x4l （ C）2 x 2 11rvIflktiBtiRhB图2凰本单元光开关络构示蕙图图3 2x2型星本单元光开关期合端示益图表1基本单元开关性能指标m元光开关类型1x22x21x4插入损耗/1B0711：|ll /（IB -60 -60 -60开关电Ik /mW8001 ono1 000/

16、1 500开关时间/ms400 400 400外形尺寸/mm32 4x54.3 9x5414x54仙测.M（）恥光开护翻i缈删熾光开丸戒 为槁主护BL2 1 无ST瞅）恥技术他心就毗纤开舸刖制作 2421x4型酬单元光开羌世酬転删 播入摘魏触水JF期就刪戢於 淮讎轲喙灯就开知HF.呻需人釉1100惟已成呱 计制恻綁翹理梯元光开护/用2觸3 阶示删對单元光开觀用M0恥酬制也能 wmmi i iKi ittO 脱兀朮物訓拥iO烈训光学就22 wKmm脳DW EM技柚般躺中的广空肚自由空 毗建（光烈互駅朋射人械湖酬利 初恥胖制侧光开去己成帅训T帥空间光通 削“如LYL將人冋果用MOBlSfttA 8

17、X8 帥空毗建开刘躺4所示）酣功肝16X10 （加訓WDM系紀并胧系紀肝处朋64Tb/s 的DWDM緻，删瞇鉢可脖考嫌引 23觎翰型光开关軌胸主竝骷佛电引九是光开锁朋 軼朋按卿方式z&购方訓畑咲多 采朋舰酬平轍删 m 帥空础 繃斛（a） 8x8自由空间交换光开关） 2 x 2V自由空I可交换光开关图4自由空间交换光开关方向，以进行输入光与输出光Z间的多路转换.图5所示 为种静电驰幼的1*4型光开关，设计中采闻了多个线 性静吐驱动执行器來驰动对应反射铳4个反射魏昱45“倾斜，并贴在相互独龙的线性静氓执行器匕，每个都能将 准rt光東转向iit入特定的输出光纤中这种开关结构不 需业设计尢束偏转的牯确

18、伺服控制系统Selected Acluulur叮开关原理结构图 b）线性静电执行器的SKW图图51x4型前电驱动光开关原理图静电驱动方式也可以用制作角備执厅器，如图6 所示叫这种监动方式中电压为140 V时提供约6“处 Wi移执行器的梳状朋动齿柱碑电库仑力的作用下ft .反 射说向顺时针或逆时针方向旋转图6訓皑驱动和偏执行器2 4微反射链型光开关微反射镜型丸开关采用M0FMS 1：艺在Si衬底上制 作出绥成的微反射魏或微反射诜旳-列,反射镜尺寸II ：常 小仅300 Mm左右.比头发线还细它包菇入对/出射准 f l器和入射川削反射镜阵列通过控制反射镜电压叮以 动态地移幼反射镜以将入射丸徧转到f r：岀对朮纤如 图7和图&所示屮叫（”）川）他动制 sfm m图7 lxl型微反射镜光开关