电光开关、热光开关、磁光开关、声光开关及开关矩阵

null电光开关、热光开关、磁光开关、声光开关及开关矩阵电光开关、热光开关、磁光开关、声光开关及开关矩阵nullnullnull光学和电磁学是18世纪开始形成的物理学的两个姊妹学科null激光的产生标志着光学有了与电学一样的相干光源。自此以后光子技术与电子技术展开了长期的竞赛。电子技术在20世纪取得了辉煌的成就，计算机、互联网、移动通信的普及，使人类的生活发生了彻底变化，这是因为电子技术擅长信息处理，特别是数字化信息的处理。至于光子技术，则擅长信息传输，并具有宽带、大容量和并行处理等优点，因此近30年来光子技术有很大的发展。现在信息的有线传输和信息存储等电子技术领域已经被光子技术占领。例如，光纤通信代替了电缆通信；光盘存储代替了磁盘存储。在传感领域光子技术也逐渐变成了主角：光纤光栅传感器代替了电子应变传感器。null但是，在目前的光纤通信中，光信号的交换还要靠电子学方法，这限制了光通信速率的提高，因此，发展全光交换技术是十分必要的，而全光交换技术是建立在全光开关的基础之上的。 nullOXC（光学交叉连接器）和OADM（光交换器件）都是由光开关阵列构成的(a)由12个2*2光开关构成的8*8光学交叉连接器；(b)由多个2*2光开关组成的分插复用器null波分复用（WDM）和时分复用（TDM）全光通信系统中的光交换器； 光通信的安全防护、监控系统中的光开关器件； 通信网络中的多节点在线测控和批量器件产品的性能测试； 未来光计算机芯片的基本器件，用以组成各种光学逻辑门； 组成光纤传感网络，检测多个传感器的输出信号； 数字光存储器的基础器件，用于双光子三维光存储或纳米杆5维光存储； 在精密光学计量和光学时钟发生器中的应用； 构成超短脉冲激光器以及脉冲激光雷达（测距和测速）的应用。 null光开关是一种光路控制器件，起着控制光路通断和光路转换的作用，在光通信系统中有着重要的应用，如主、备光纤线路的切换，光纤或光缆的测量，及光交换等。null按光参量与工作域分类 强度开关、方向开关、波长开关、空域开关、时域开关 按工作特性分类 普通光开关、光限制开关、光双稳开关 按控制方法分类 电控光开关、光控光开关null 强度开关是在同一输入光功率（或光强）下输出光功率（或光强）在“有”和“无”（或强和弱）间转换的开关，如光学双稳器件。许多光开关都是3端（1*2）或4端（2*2）的器件，具有两个输出端口。方向开关是在同一输入光功率下输出光功率在不同输出端口间转换的光开关，如非线性定向耦合器。波长开关是一个有确定波长的光信号在两个不同输出端口转换的光开关埋在转换中其波长保持不变。按光参量分类null按工作域分类 线路开关（circuit switching）是对同一输入波长信道，在不同输出端口间实现空间转换，但该波长信道所携带的比特谱在转换输出端口时保持不变。波长转换（wavelength conversion）的功能是将一个波长信道转变为另一个波长信道，但其中的比特谱在波长转换中保持不变。包开关（packet switching）是根据时域中各数据包的信息头的指令发送各个包到不同的指定端口。null 普通光开关在开关动作之前一直处于低透射功率状态，直到入射光强达到阈值，才突然开启到高透射功率状态。而光光限制开关在弱光功率下其透射光功率随入射光功率的增大而线性地增大（透射率不变），当入射光功率达到一个阈值时，透射光功率被限制在一个较低的光功率水平（透射率为零）。光双稳开关对应于一个入射光功率有两个稳定的透射光功率状态，若要实现这两个输出状态间的转换，要靠另外两个控制光来开启和关闭开关，相当于电子学的触发开关。null普通光开关抗噪声的能力较低，如果噪声处于Pon附近，容易产生开关的误导动作，工作不稳定；而对于光双稳开关，在双稳区以内的工作点，弱噪声幅度远小于双稳区的幅度，工作非常稳定，不受噪声影响。null 目前有产品销售的光开关，大部分是电控光开关。这些开关成本较低，工作可靠，但存在着必须经过光电转换而效率较低，开关速度慢（毫秒量级至纳秒），以及噪声较大等问题。集中常用的电控光开关及其开关时间列于表1.2.1中。电光开关的开关速度比较快，热光开关和电控机械开关的开关速度比较慢。按控制方法分类null 光控光开关是基于非线性光学原理的全光开关。其优点是无需经过光电转换，直接在光域中运作，因而效率高，噪声小，而且开关速度较快（纳秒或至皮秒以下）。 对于实用的光开关，要求控制光的功率小于或接近信号光的功率。一般光通信的信号光功率在毫瓦以下，因此要求光开关的阈值开关功率至少在毫瓦级水平。同时要求光开关的速度高于现有电子开关的速度，现有电子开关的最高开关速度是皮秒量级，用此要求光开关的开关时间达到皮秒以下。但是目前研究的全光开关还不能同时达到两个指标。null光开关的特性参数主要有插入损耗、隔离度、串扰、工作波长、消光比、开关时间、开关功率等。 其中最重要的式开关功率和开关时间。 开关功率（switching power）是实现信号光开关动作所需要的最小输入功率，对电控光开关，是所需的外加电功率；对光控光开关，似乎所需的控制光功率，即泵浦光功率。 开关时间（switching time）是指开关的某一输出端口处，光功率从初始态转为开启状态或关闭状态所需的时间；开关的开启时间和关闭时间应从给开关分别施加或撤去开关能量的时刻起测量。null一个新的光开关的出现，首先要考核这两个特性参数。而这两个参数常常是相互矛盾的。例如，液晶和半导体的开关功率较低，但开关速度太慢；克尔介质和有机材料的开关速度较快，但所需开关功率太高。 在实际应用中，对光开关有如下基本要求： 1、低开光功率（小于等于毫瓦量级），接近或低于光信号功率； 2、高开关速度（小于等于皮秒量级），超过电子开关速度； 3、光学性能好，吸收小，对工作波长透射率高； 尺寸小（纳米至微米量级）； 4、工艺简单，制作成本低。 目前全光开关很难同时达到上述要求，因为这些要求是相互矛盾的，所以全光开关至今不能实际应用。nullnull 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：null 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的关系而光波传播距离L相应的相位变化为以下介绍三种典型的波导型电光开关的原理。null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①-③和②-④为直通臂，①-④和②-③为交叉臂。图4 定向耦合器型光开关null两波导完全对称，未加电压时，β1＝　β2，△β＝0， 相应的长度L0＝π/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 null当加电压时，两波导相位失配，△β≠0，设器件长度为耦合长度L0,并定义③端的功率转换比为 式中△φ=△βL0，为两波导间的相位差。由（22）可见，在△φ=0处，τ3=1最大；在△φ=　 处，τ3=0最小。null 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E1＝V/d和E2＝-V/d。引起两波导折射率的差为：相应的相位差为其中null由以上各式可得τ3-V关系则为画出τ3-V曲线，如图6。图6 电光定向耦合器的 曲线 电压从V从0变到V0，τ3从1变到 ，即完成开关动作。典型的开关电压为10V。 null 多数光通信用的波导开光是2×2开光，存在两个开关状态：用两平行路线连接的成为直通态；用两交叉路线连接的成为交叉态，如图7所示。图7 2×2波导开光的两种开关态 （a）直通态；（b）交叉态null 图8给出一个由12个互连的电光耦合器组成的8×8开光模块的示意图。在保证器件一致性的条件下，64×64的开关器件也已做出。图8 由12个互连的电光耦合器构成的8×8光开光模块nullM-Z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。null 由端口①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和E2。因此以上波导臂所产生的折射率变化为：对于对称的M-Z干涉仪，L1=L2＝L，两臂的相位差为： 式中△n=n2-n1。令△φ=π时所对应的电压为半波电压：null则（28）变为当未加电压时，V＝0，I3＝0，I4＝1； 加上半波电压，V＝Vπ，则I3＝1，I4＝0，从而实现了开关。 半波电压越小所需开关能量越小。 null电光数字式光开关 以下介绍基于分叉波导的电光开关，其开关原理是外电场引起波导内的场分布发生变化，这类开关器件被称为数字式开关器件。 电光Y分支波导开光的结果如图8（a）所示。两分叉臂间有一很小的夹角（角度θ一般小于1rad），若没有外加电压，入射光将等光强地沿两臂输出。若在波导一臂的电极上加电压，将改变该臂的折射率，因而使两波导分支中的场分布发生变化。当加在电极上的电压达到某一阈值，光电场将被突然导向折射率加大的波导。波导上光波的透射率将发生突变，如图8（b）所示，故称这种开关为数字式开光。 null 图8 电光Y分支数字光开光 （a）器件结构：（b）数值开关特性 null两波导间的耦合随着它们的间距随坐标z线性地加大，其间的耦合系数呈指数衰减： 式中，正比于分叉角θ，z从分叉点算起。从耦合模理论推得输出功率随电压V的变化规律为： 式中a取决于θ和其他设计参数。但V增加到阈值Vth以上，功率降到接近零，Vth<10. null 也可以在Y分支的两分支波导上加两个电极，其上相反的加电压，如图9（a）所示，开关的阈值将降低。同样，用非对称的X分支上加装两个电极，如图9（b）所示。两者具有与图8（b）相同的数值开光特性。 图9 两种数字电光开关 （a）Y分支光开关；（b）非对称X分支开光 电光开关的特点是耗能低（电压10V以下），与偏振无关，开关速度较快（纳秒量级），体积小，但工艺复杂，较难做成由多个开关组成的列阵。 null1、基本原理 定义：利用介质的热光效应实现光开关的功能，这种开关一般称为热光开关。 热光效应：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时介质的折射率和光的相位发生改变的效应。 热光材料的折射率随温度的变化关系可用以下关系式表示： 式中，为温度变化之前的折射率；=T-为温度的变化量；a=为热光系数，它与材料的种类有关。null温度变化引起介质折射率变化，进而产生光的相位变化：式中，L为加热长度。设则 若 ， 导致相位的变化为，光信号将从干涉仪的一个端口输出转变为从另一个端口输出，从而实现光开关。null几种典型的热光开关（1）定向耦合器型热光开关 图绘出定向耦合器型热光开关的结构。两条彼此靠近的平行平面波导做在硅衬底上，两臂上渡有金属薄膜加热器，通电流可改变相位差。其基本原理与前面介绍的电光耦合器光开关相同，对于具有标准耦合长度（=）的耦合器，光从交叉态转变到直通态所需的最小相位差为.只是位相差的改变靠电流引起的温度改变 虽然热光开关的插入损耗与串扰比较小，但因为耦合器开关基于模干涉，它们是波长和偏振相关的，因此耦合器的耦合长度、两波导间距，以及两头弯度的精确设计是必要的，精确的热功率控制也是重要的。 null（2）M-Z干涉仪型热光开关 如图所示的是由两个3dB耦合器构成的对称M-Z干涉仪型热光开关。两条波导做在硅基底上，在其中一臂或两臂上镀有金属薄膜加热器作相移器。硅基底可看作一个散热器。由于硅的导热系数较大，加热器的长度大于100m即可。加热器未加热时，在交叉臂输出端口4发生相长干涉输出，而在直通臂输出端口无输出；加热器工作时，输入信号将改从直通臂的端口3相长干涉输出。 设信号光从1端输入，利用式，则从3端与4端输出的透射率分别为 可见，当 =0时， =0， =1；而当 = 时， =1， =0，从而实现空间光开关。 这种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。 null（3）分支型热光开关 X和Y分支型热光开关的结构如图所示。这种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，从而控制光的走向。 对Y结构而言，不加热时，主臂的有效折射率n1大于支臂的有效折射率n2，光从主臂通过；当对支臂加热时，增加支臂的折射率，使其有效折射率大于主臂的有效折射率，即 则光束通过支臂。式中，为室温；为光改变通路的临界温度；为材料的折射率温度系数。 这类光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性变化，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，可做成列阵型器件null（4）相变型热光开关 利用点加热器使液体汽化的相变光开关，又被称为气泡型热光开关，这种光开关的原理是：利用折射率匹配液的热致相变，使通过光波导的光束发生从透射态到全反射态的突变。该器件将喷墨打印技术和硅平面光波导技术相结合，构成一种二维光交叉连接系统，如图所示。下部是以硅为衬底的SiO2条形波导，下部盖有硅片，上下之间抽真空密封。透明的小沟槽内充满折射率匹配液，每一条沟槽与波导的交点处都设有微型电阻加热器，如图所示。当加电流时，折射率匹配液被加热成气泡，引起折射率变化从1.46到1，光从光密介质向光疏介质传播发生全发射，从而实现关态；不加电流时，由于折射率匹配，光信号直接通过界面，称为开态。 气泡从产生到消失是时间约2ms，最大开关速度为10ms。Ailment公司的3232开关模块的插入损耗为4.5dB，消光比小于-50 dB。由于没有可移动部分，可靠性较好，具有偏振不敏感性，这种开关器件的缺点是相应时间较慢，液体的流动装置体积较大。 null磁光开关是利用法拉第磁光效应的光开关。所谓磁光效应是指线偏振光在磁性介质中传播时，受外磁场作用，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于光传播方向的外磁场时，若磁感应强度为B，光的传播的长度为L，则偏振光振动面的旋转角度为 式中V称为菲尔德常数，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。 磁光开关的优点是：没有移动部分，低功率消耗，稳定可靠，开关速度比较快（几十微秒），工艺较简单。缺点是不便集成化。 null基本结构如图所示。构成此光开关的部件有：一块石英的偏振旋转器，即1/4波片，其作用是使光的偏振方向固定旋转+450；用Gd:YIG厚膜构成的法拉第偏振旋转器，通以方向不同的电流时，可使偏振光旋转450，二者合成法拉第效应盒。还有两块YVO4（钒酸钇）双折射晶体，一块偏振分束镜、一块全反射棱镜，以及一根输入光纤1和两根输出光纤2和光纤3.null 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波偏振面的旋转分别为-450和+450，光波通过由这两个元件组成的法拉第盒后，总偏振旋转角为零。所以由第一块YVO4晶体分解出的偏振方向相互垂直的两束光：o光和e光不改变其偏振方向，在第二块YVO4晶体中沿原传播方向合成一束，从光纤2输出。null 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波偏振面的旋转皆为+450，两光束通过法拉第盒后，偏振角皆旋转900，因此O光转化为e光，e光转化为o光，使得两偏振光束通过第二块YVO4晶体后被分开，再经过三角棱镜和偏振分束镜，合成一束从光纤3输出null声光开关是基于声光效应的光开关。声光效应是指声波通过介质，引起介质的折射率周期性变化，形成相位光栅，使输入光发生衍射的现象。有两种声光开关开关器件：光束反射型声光开关和偏振转换型声光开关光束反射型声光开关光束反射型声光开关在各向同性介质（如石英）中，电声换能器激励一束声波（或者通过压电效应将射频（RF）能量转变成声能），在介质中形成折射率周期变化的光栅，导致入射光从直线传播转为沿反射方向传播，从而实现声光开关，如下图所示。null偏振转换型声光开关偏振转换型声光开关null