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1、光网络器件第1页，共128页，编辑于2022年，星期五类型：无源、有源类型：无源、有源无源无源主要包括：主要包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光开光等行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光开光等有源有源主要包括：主要包括：激光器、光检测器、光放大器等激光器、光检测器、光放大器等分类：分类：常用器件：常用器件：光连接器、光衰减器、光耦合器、光隔离器、环行器、激光器、光调制器、光连接器、光衰减器、光耦合器、光隔离器、环行器、激光器、光调制器、光检测器光检测器波分复用器件：波分复用器件
2、：光滤波器、光复用器、光解复用器、光放大器光滤波器、光复用器、光解复用器、光放大器光网络用器件：光网络用器件：光开光光开光发展趋势：发展趋势：集成化、全光纤化集成化、全光纤化第2页，共128页，编辑于2022年，星期五10.1 光光 纤纤 连连 接接 器器10.2 光纤耦合器光纤耦合器10.3 光光 开开 关关10.4 光纤激光器光纤激光器第3页，共128页，编辑于2022年，星期五10.1 光 纤 连 接 器10.1.1 光纤连接器的结构与种类 光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤(缆)与其他无源器件、光纤(缆)与系统和仪表进行活动连接的功能。第4页，
3、共128页，编辑于2022年，星期五 光纤连接器由三个部分组成的：两个配合插头和一个光纤连接器由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图管的作用。如图10.1所示。所示。图10.1 光纤活动连接器基本结构第5页，共128页，编辑于2022年，星期五1.光纤连接器的结构光纤连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90%以上的光能够通过，目前有代表性并且正在使用的光纤连接器主要有五种结构。第6页，共128页，编辑于2022年，星期五(1)套管结构套管结构的连接器由插针和套
4、筒组成。(2)双锥结构双锥结构连接器是利用锥面定位。(3)V形槽结构V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使纤芯对准。第7页，共128页，编辑于2022年，星期五图图10.2 V形槽结构形槽结构第8页，共128页，编辑于2022年，星期五(4)球面定心结构球面定心结构由两部分组成，一部分是装有精密钢球的基座，另一部分是装有圆锥面(相当于车灯的反光镜)的插针。(5)透镜耦合结构透镜耦合又称远场耦合，它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种，其结构分别如图10.3、图10.4所示。第9页，共128页，编辑于2022年，星期五图图10.3 球透镜耦合结构球透
5、镜耦合结构图图10.4 自聚焦透镜耦合自聚焦透镜耦合第10页，共128页，编辑于2022年，星期五连接器的类型按接头外形分类FCSCLCNTT公司开发。其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣 日本NTT公司开发的光纤连接器。其外壳呈矩形，紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转，具有安装密度高的特点。ST由Bell lab开发出来。采用操作方便的模块化插孔闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm，提高了光配线架中连接器的密度。目前，在单模光纤方面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位。由ATT开发出来，是双锥型连接器。ST光纤连接器有一个直通和
6、卡口式锁定机构。第11页，共128页，编辑于2022年，星期五10.1.2 光纤连接器特性评价一个连接器的主要指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。1.插入损耗 插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，表达式为：Ac-10lgP1/P0(dB)式中：Ac为连接器插入损耗；P0为输入端的光功率；P1为输出端的光功率。第12页，共128页，编辑于2022年，星期五2.回波损耗 回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数，表达式为：Ar-10lgPR/P0 (dB)式中：Ar表示回波损耗；P0表示输入光功
7、率；PR表示后向反射光功率。第13页，共128页，编辑于2022年，星期五3.重复性和互换性 重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。第14页，共128页，编辑于2022年，星期五10.2 光纤耦合器光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种器件。NN1NP1/NP1/NP1/N耦合器的每个输入端的光功率被分配到所有输出端口第15页，共128页，编辑于2022年，星期五 10.2.1 光纤耦合器的分类和应用 制作光耦合器可以有多种方法，大致可分为光纤型、微器件型、波导型等。光纤耦合器波导耦合器衬底Si
8、O2第16页，共128页，编辑于2022年，星期五耦合器的应用耦合器的应用PASSIVESPLITTER主要用途主要用途：功率分配功率分配第17页，共128页，编辑于2022年，星期五密集波分复用（DWDM）光纤通信：损耗低、距离远、容量大1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXDWDM：光传输的划时代的革命光传输的划时代的革命1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR131
9、0RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX增加容量：时分复用、空分复用增加容量：时分复用、空分复用TXEDFAEDFATXTXTXTXT
10、XTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXDWDMDWDM120 km120 km120 km第18页，共128页，编辑于2022年，星期五光纤型耦合器 (a)定向耦合器；(b)88星形耦合器；(c)由12个22耦合器组成的88星形耦合器 1、光纤型、光纤型第19页，共128页，编辑于2022年，星期五 1 1，2 2 2 2 1 1直通臂直通臂耦合臂耦合臂 1 2P 0 P1 P2熔锥光纤型波分复用器结构和特性 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2公共臂公共臂22 的光纤耦合器的光纤耦合器第20页，共1
11、28页，编辑于2022年，星期五熔融拉锥法的原理：熔融拉锥法就是将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。第21页，共128页，编辑于2022年，星期五耦合光功率耦合光功率耦合光功率P2跟以下参数有关：拉伸区长度2L+W拉伸区内逐渐变小的光纤半径r耦合区中两根光纤的半径差Dr总拉伸长度光约束在纤芯中传播光纤半径减小V明显减小部分光在纤芯外传播发生耦合P3P1P2P0光输入后向反(散)射光直通功率耦合功率火焰宽度决定拉伸时决定第22页，共128页，编辑于2022年，星期五22光纤
12、耦合器内的光功率分布光纤耦合器内的光功率分布假设耦合器无损耗两根光纤交替成为驱动光纤k 是耦合系数50:50被驱动光纤与驱动光纤相位相差90 度第23页，共128页，编辑于2022年，星期五例 22双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200 mW，另外三个端口的输出功率分别为P1=90 mW，P2=85 mW，P3=6.3 nW，可以求得为：第24页，共128页，编辑于2022年，星期五光纤耦合器的散射矩阵表示法光纤耦合器的散射矩阵表示法假设器件无损耗其中S为散射矩阵，sij=|sij|exp(jfij)为耦合系数e 为光功率从端口1到端口2的耦合比例第25页，共128页，编辑于2022年，星
13、期五例 设e=0.5，那么输出场Eout,1和Eout,2可以从输入场Ein,1和Ein,2得到，此时的散射矩阵可以写成令Ein,2=0，则有那么可以得到两个端口的输出功率为和第26页，共128页，编辑于2022年，星期五NN 星型耦合器星型耦合器多根光纤一起熔融技术难度大，主要是众多光纤之间的耦合响应控制比较困难，因此难以制作大规模的光耦合器第27页，共128页，编辑于2022年，星期五级联的办法构造大规模光耦合器级联的办法构造大规模光耦合器由12个22耦合器组成的88星形耦合器第28页，共128页，编辑于2022年，星期五构成一个NN耦合器所需3 dB耦合器的数量：一个NN星形耦合器附加损
14、耗：级联光耦合器的损耗其中FT(01)为通过每个3 dB耦合器的输出功率与输入功率比第29页，共128页，编辑于2022年，星期五 图 10.9微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)滤光式解复用器；(d)光栅式解复用器2 2、微微器器件件型型 用自聚焦透镜和分光片(光部分透射，部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成，如图所示。第30页，共128页，编辑于2022年，星期五衍射光栅型波分复用器结构示意图光光 纤纤透透 镜镜光光 栅栅 1 2 3 1 2 3 1+2+3 1+2+3 1+1+2+2+3 3 1
15、 1 2 2 3 3第31页，共128页，编辑于2022年，星期五采用棒透镜的光栅型WDM光光 纤纤棒棒 透透 镜镜光光 栅栅 1+2+3 1 2 3 1 1+2 2+3 1 2 3第32页，共128页，编辑于2022年，星期五光栅光栅 光栅是材料中的一个周期性结构或周期性扰动。这种结构使光栅具有特殊性质：与波长相关的反射特性与波长相关的反射特性。这种特性可以使用光栅方程描述：不同波长的光具有不同的衍射角，因此它们在空间上被分开。第33页，共128页，编辑于2022年，星期五(1)干涉法干涉法是利用双光束干涉原理，将一束紫外光分成两束平行光，并在光纤外形成干涉场，调节两干涉臂长，使得形成的干涉
16、条纹周期满足制作光纤光栅的要求。(2)相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用预先制作的膜板，当紫外光通过相位板时产生干涉，从而在光纤圆柱面形成干涉场，将光栅写入光纤。光纤光栅的产生光纤光栅的产生第34页，共128页，编辑于2022年，星期五外部写入法外部写入法紫外掩模写入法：1.用两束紫外光照射光纤并发生干涉2.掺锗的高光敏纤芯在光强部分折射率增加3.光栅永久写入光纤第35页，共128页，编辑于2022年，星期五光纤光栅应用光纤光栅应用波长滤波器波长滤波器l1 l2 lnl2 lnl1l1l1l1l1l1l1第36页，共128页，编辑于2022年，星期五光纤光栅的应用光纤光栅的应用光滤波器光分插复
17、用器色散补偿器传感器：对温度敏感，随温度变化中心波长发生改变 温度6度的变化导致0.6 nm的中心波长的漂移窄带滤波器Dt第37页，共128页，编辑于2022年，星期五 图10.10 波导型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解复用器；3、波波导导型型 在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。第38页，共128页，编辑于2022年，星期五Mach-Zehnder Interferometer(MZI)解/复用器l l1l l2l l1l l2l l1l l2l l1l l2第39页，
18、共128页，编辑于2022年，星期五22 MZI解复用工作原理解复用工作原理从端口1输出的光：途径下臂的光相对上臂的相位差为p/2+bDL+p/2从端口2输出的光：途径下臂的光相对上臂的相位差为p/2+bDL-p/2如果在输入端的波长满足bDL=kp(k为奇)两个支路的光在上输出端口相差2p的整数倍，在下端口的光相差p的整数倍，因此，光最终从上端口输出如果在输入端的波长满足bDL=kp(k为耦)那么光信号由下输出端口输出因此不同的波长可以解复用到不同输出端b：传播常数第40页，共128页，编辑于2022年，星期五22 MZI复用器复用器选择合适的波长，或者说当DL满足关系：时，l1和l2可以被
19、复用在一起。第41页，共128页，编辑于2022年，星期五多端口的多端口的MZI复用器复用器第42页，共128页，编辑于2022年，星期五图图10.15 波导阵列光栅波导阵列光栅阵列波导光栅第43页，共128页，编辑于2022年，星期五基于相位阵列的基于相位阵列的WDM器件器件相邻波导长度差DLNMMN阵列波导光栅AWG是MZI的扩展NN第44页，共128页，编辑于2022年，星期五AWG应用应用1.复用解复用器2.波长路由选择开关配合波长变换器可成为动态的波长路由选择器第45页，共128页，编辑于2022年，星期五10.2.2 光纤耦合器的特性1.插入损耗插入损耗(Insertin Loss
20、，IL)定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。该值通常以分贝(dB)表示，数学表达式为 其中：ILi是第i个输出端口的插入损耗；Pouti是第i个输出端口测到的光功率值；Pin是输入端的光功率值。第46页，共128页，编辑于2022年，星期五2.附加损耗附加损耗(Excess Loss，EL)定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝(dB)表示的数学表达式为 式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输入光功率。第47页，共128页，编辑于2022年，星期五3.分光比分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所特有的技术术语，它
21、定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表示为 例如对于标准X形耦合器，11或5050代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。第48页，共128页，编辑于2022年，星期五4.方向性（串扰）方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达式为：第49页，共128页，编辑于2022年，星期五式中：Pin1代表总注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率。第50页，共128页，编辑于202
22、2年，星期五5.均匀性均匀性就是衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。它定义为在器件的工作带宽范围内，各输出端口输出功率的最大变化量。其数学表达式为 式中：MIN(Pout)为最小输出光功率；MAX(Pout)为最大输出光功率。第51页，共128页，编辑于2022年，星期五6.偏振相关损耗偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是指当传输光信号的偏振态发生360变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：第52页，共128页，编辑于2022年，星期五在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，
23、为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足够小的偏振相关损耗。第53页，共128页，编辑于2022年，星期五7.隔离度隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力。隔离度高，也就意味着线路之间的“串话”小。其数学表达式为 式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；Pin是被检测光信号的输入功率值。第54页，共128页，编辑于2022年，星期五10.3 光 开 关第55页，共128页，编辑于2022年，星期五 随着随着Internet的迅速普及和宽带综合业务数字网体系的的迅速普及和宽带综合业务数字网体系的发展，全光网络应运而生，而实现全光网络必须依赖于超高发展，全光网络应运而生，而实
24、现全光网络必须依赖于超高速率、超大容量信息比特的载入与传送、用户信息上下话速率、超大容量信息比特的载入与传送、用户信息上下话路与分插复用、网络间信息的快速交换与共享和高效率经济路与分插复用、网络间信息的快速交换与共享和高效率经济的路由选择，这一切都离不开光开关或光开关矩阵。的路由选择，这一切都离不开光开关或光开关矩阵。就目前而言，光开关主要应用是光交换系统和主备倒换就目前而言，光开关主要应用是光交换系统和主备倒换系统，即利用光开关实现全光层的路由选择、波长选择、光系统，即利用光开关实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等功能。随着全光网络的日益成熟和交叉连接以及自愈保护等功能。
25、随着全光网络的日益成熟和完善，完善，100信道以上的光通信系统还需要光分插复用信道以上的光通信系统还需要光分插复用（OADM）技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连）技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（接（OXC）技术，这些都离不开超高速大规模集成的光开关）技术，这些都离不开超高速大规模集成的光开关矩阵。矩阵。第56页，共128页，编辑于2022年，星期五10.3.1 光开关的应用范围光开关的应用范围光开关（Optical Switching:OS）是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。第57页，共128页，编辑于2
26、022年，星期五光开关基本的形式光开关基本的形式 光开关基本的形式是光开关基本的形式是22:即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：平行连接平行连接和和交叉连接交叉连接 a)平行状态平行状态 b)交叉状态交叉状态 大型的空分光交换单元可以由基本的大型的空分光交换单元可以由基本的22光开关以及相应的光开关以及相应的12光开关级联、组合构光开关级联、组合构成。成。第58页，共128页，编辑于2022年，星期五光开关和光开关矩阵在全光网络中起着重要作用光开关和光开关矩阵在全光网络中起着重要作用 在在WDM传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和
27、时传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取；钟提取；在光时分复用（在光时分复用（TDM）系统中，光开关可用于解复用；）系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是在全光交换系统中，光开关是OXC的关键器件，也是波的关键器件，也是波长变换的重要器件。长变换的重要器件。根据光开关的输入和输出端口数，可分为根据光开关的输入和输出端口数，可分为11、12，1N、22、2N、MN等多种，它们在不同场合中有不同等多种，它们在不同场合中有不同用途。用途。第59页，共128页，编辑于2022年，星期五光开关应用范围主要有：光开关应用范围主要有：(1)光网络的保护倒换系统(2)光纤测试中的光源
28、控制(3)网络性能的实时监控系统(4)光器件的测试(5)构建OXC设备的交换核心(6)光分插复用(7)光传感系统(8)光学测试 第60页，共128页，编辑于2022年，星期五10.3.2光开关的分类和主要性能参数光开关的分类和主要性能参数按其工作原理:机械式和非机械式两大类;按光开关利用光自由度的方式:空分型、波分型、时分型、自由空间型;依据光开关的交换介质:自由空间交换光开关、波导光开关、全光开关和其它类型的开关。第61页，共128页，编辑于2022年，星期五光开关主要性能参数光开关主要性能参数1.交换矩阵的大小交换矩阵的大小 光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。光开关处于网络不同位
29、置，对交换矩阵光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。光开关处于网络不同位置，对交换矩阵大小的要求也不同。在高速、大容量大小的要求也不同。在高速、大容量DWDM光传送网中，随着通信业务的急剧增长，光域光传送网中，随着通信业务的急剧增长，光域内需要交换的波长数量大大增加。为适应将来电信业务的发展，需要提高光开关的交换能力，内需要交换的波长数量大大增加。为适应将来电信业务的发展，需要提高光开关的交换能力，如在骨干网上要有超过如在骨干网上要有超过1000 1000的交换容量。的交换容量。第62页，共128页，编辑于2022年，星期五2.交换速度 交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交换速度上有两
30、个重要的量级，当交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交换速度上有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个ms时，对业务故障的重新路由时时，对业务故障的重新路由时间已经够了。对间已经够了。对SDH来说，当故障业务重新选路时，来说，当故障业务重新选路时，50ms的交换时间几乎可以使的交换时间几乎可以使用户感觉不到故障。用户感觉不到故障。当交换时间到达当交换时间到达ns量级时，可以支持光因特网的分组交换，这也是光路由器的目量级时，可以支持光因特网的分组交换，这也是光路由器的目标。但目前由于读取光信头和光存储技术的不成熟，光路由器仍有很大困难。
31、标。但目前由于读取光信头和光存储技术的不成熟，光路由器仍有很大困难。第63页，共128页，编辑于2022年，星期五3.插入损耗插入损耗 光信号通过光开关时，能量将被损耗。光信号通过光开关时，能量将被损耗。插入损耗插入损耗:输入端口到输出端口的光功率的损耗输入端口到输出端口的光功率的损耗 光开关损耗的产生主要有两个原因：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材光开关损耗的产生主要有两个原因：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。一般来说，自由空间光开关的插入损耗低于波导型光开关的损耗。料对光信号产生的损耗。一般来说，自由空间光开关的插入损耗低于波导型光开关的损耗。如液
32、晶光开关和如液晶光开关和MEMS光开关的损耗较低，大约光开关的损耗较低，大约1-2dB.而妮酸锂和固体光开关的损耗较而妮酸锂和固体光开关的损耗较大，大约大，大约4dB左右。损耗特性影响到光开关的级联数，限制了光开关的扩容能力。左右。损耗特性影响到光开关的级联数，限制了光开关的扩容能力。第64页，共128页，编辑于2022年，星期五4.串扰：串扰：由于光开关性能的不完善，开关中接通的主光通道的功率会泄露到其他通道，形成串扰，影响输出信号的由于光开关性能的不完善，开关中接通的主光通道的功率会泄露到其他通道，形成串扰，影响输出信号的质量。串扰和开关的隔离度、消光比特性有直接的关系。质量。串扰和开关的
33、隔离度、消光比特性有直接的关系。5.阻塞特性：阻塞特性：严格无阻塞特性指光开关的任一输入端能在任意时刻接通到任意输出端的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更严格无阻塞特性指光开关的任一输入端能在任意时刻接通到任意输出端的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为重要。为重要。光开关要求具有严格无阻塞特性。光开关要求具有严格无阻塞特性。第65页，共128页，编辑于2022年，星期五6.升级能力升级能力 基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。一些技术允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。很多开关结构可容易地升级为88或3232，但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建OADM或城域网的O
34、XC，而不适用于骨干网上7.稳定性和可靠性稳定性和可靠性 光开关应具有良好的稳定性和可靠性。在长时间使用和频繁动作的情况下，光开关应有良好的连接的稳定性、重复性和可靠性。有些情况（如用做保护倒换开关时），光开关动作的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。第66页，共128页，编辑于2022年，星期五10.3.3 MEMS光开关光开关2.3.1传统的机械光开关 机械光开关:依靠光纤或光学元件（透镜或反射镜）的移动使光路发生改变，将光直接送到或反射到输出端。第67页，共128页，编辑于2022年，星期五1.棱镜式光开关示意图 第68页，共128页，编辑于2022年，星期五2.反射镜型
35、光开关示意图 第69页，共128页，编辑于2022年，星期五3.移动光纤型光开关 第70页，共128页，编辑于2022年，星期五机械式光开关优缺点机械式光开关优缺点优点优点:是插入损耗低是插入损耗低(45dB)与波长和与波长和偏振无关，制作技术成熟。偏振无关，制作技术成熟。缺点缺点:在于开关动作时间较长（在于开关动作时间较长（msms量级）；体积偏大，且量级）；体积偏大，且不易做成大型的光开关矩阵；有时还存在回跳抖动和重不易做成大型的光开关矩阵；有时还存在回跳抖动和重复性差的问题。机械型光开关在最近几年已得到广泛应复性差的问题。机械型光开关在最近几年已得到广泛应用，但随着光网络规模的不断扩大，
36、这种开关难以适应用，但随着光网络规模的不断扩大，这种开关难以适应未来高速、大容量光传送网发展的需求。未来高速、大容量光传送网发展的需求。第71页，共128页，编辑于2022年，星期五微机电系统微机电系统 微微 机机 电电 系系 统统(MEMS，Micro-Electro-Michanical Systems)构构成成的的微微机机电电光光开开关关已已成成为为DWDM网网中中大大容容量量光交换技术的主流。光交换技术的主流。它它是是一一种种在在半半导导体体衬衬底底材材料料上上，用用传传统统的的半半导导体体工工艺艺制制造造出出可可以以前前倾倾后后仰仰、上上下下移移动动或或旋旋转转的的微微反反射射镜镜阵
37、阵列列，在在驱驱动动力力的的作作用用下下，对对输输入入光光信信号号可可切切换换到到不不同同输输出出光光纤纤的微机电系统。的微机电系统。通通常常微微反反射射镜镜的的尺尺寸寸只只有有140 m 150 m，驱驱动动力力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。这这种种器器件件的的特特点点是是体体积积小小、消消光光比比大大(60dB左左右右)、对对偏偏振振不不敏敏感感、成成本本低低，其其开开关关速速度度适适中中(约约5ms)，插插入入损损耗小于耗小于1 dB。第72页，共128页，编辑于2022年，星期五微机械光开关优缺点微机械光开关优缺点 具具有有机机械械
38、光光开开关关和和波波导导光光开开关关的的优优点点，却却克克服服了了它它们们所固有的缺点；所固有的缺点；采采用用了了机机械械光光开开关关的的原原理理，但但又又能能象象波波导导开开关关那那样样，集成在单片硅基上；集成在单片硅基上；基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。主主要要开开发发商商有有美美国国Lucent、德德克克萨萨斯斯仪仪表表公公司司和和康康宁宁等等公公司。司。第73页，共128页，编辑于2022年，星期五微电机系统微电机系统(MEMS)光开关光开关 MEMS（micro-electro-mechanical-systems）是指）是指一种在半导体材
39、料（如一种在半导体材料（如Si）上制作微机械结构的集成工艺。将）上制作微机械结构的集成工艺。将MEMS技术应用于光子交换领域，出现了新型的微机械光开技术应用于光子交换领域，出现了新型的微机械光开关关(MEOMS)。基本原理：基本原理：利用静电效应将外部激励转化为某种机械动作，利用静电效应将外部激励转化为某种机械动作，通过微传动装置牵引光路中的自由镜面，使之发生旋转，从而改通过微传动装置牵引光路中的自由镜面，使之发生旋转，从而改变光束传播方向。变光束传播方向。MEOMS器件将电子、机械和光路功能集合于同一芯片，既器件将电子、机械和光路功能集合于同一芯片，既具备普通机械光开关损耗低、串扰小、偏振不
40、敏感和消光比高的具备普通机械光开关损耗低、串扰小、偏振不敏感和消光比高的优点，又像波导开关一样开关速度较快、体积微小、易于大规模优点，又像波导开关一样开关速度较快、体积微小、易于大规模集成。对于未来的骨干光网络或大容量业务交换的应用场合，基集成。对于未来的骨干光网络或大容量业务交换的应用场合，基于于MEMS光开关技术的解决方案已成为主流选择。光开关技术的解决方案已成为主流选择。第74页，共128页，编辑于2022年，星期五二维二维微电机系统微电机系统(MEMS)光开关示意图光开关示意图二维二维MEMS开关需要开关需要N2个微镜来完成个微镜来完成NN自由空间光交叉连接自由空间光交叉连接 第75页
41、，共128页，编辑于2022年，星期五二维二维微镜转动示意图微镜转动示意图第76页，共128页，编辑于2022年，星期五三维三维MEMS光开关光开关 三维是通过光束偏转改变光束方向，实现光交叉互连。其在三维是通过光束偏转改变光束方向，实现光交叉互连。其在N路输入路输入光纤和光纤和N路输出光纤之间使用了路输出光纤之间使用了2N个微镜，每个微镜有个微镜，每个微镜有N个可能的位个可能的位置，从而实现置，从而实现NN开关矩阵。开关矩阵。第77页，共128页，编辑于2022年，星期五开关微镜及其阵列的显微照片开关微镜及其阵列的显微照片第78页，共128页，编辑于2022年，星期五 在在2001年的年的O
42、FC会议上，朗讯公司已报导他会议上，朗讯公司已报导他们研制的们研制的1296 1296端口的端口的MEMS光交叉连接节光交叉连接节点，其单纤端口传送容量为点，其单纤端口传送容量为1.6Tbit/s（单纤复用（单纤复用40个信道，每路信道传送个信道，每路信道传送40Gbit/s信号），总吞吐容量信号），总吞吐容量达到达到2.07Pbit/s,具有严格无阻塞特性，插入损耗为具有严格无阻塞特性，插入损耗为5.1dB,串扰（最坏情况）为串扰（最坏情况）为-38dB,这使光开关的交换这使光开关的交换总容量达到新的量级。总容量达到新的量级。商用的商用的44的的MEMS的开关速度为的开关速度为10ms左右，
43、损左右，损耗约为耗约为3dB；而；而1616光开关的损耗为光开关的损耗为7dB，开关时，开关时间约间约20ms 第79页，共128页，编辑于2022年，星期五10.3.4 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 第80页，共128页，编辑于2022年，星期五声光开关原理第81页，共128页，编辑于2022年，星期五 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
44、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。第82页，共128页，编辑于2022年，星期五10.3.5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。第83页，共128页，编辑于2022年，星期五热光光开关分类 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(
45、DOS:Digital Optical Switches)也叫分支器型热光开关第84页，共128页，编辑于2022年，星期五 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 第85页，共128页，编辑于2022年，星期五MZI型热光开关型热光开关 3dB定向耦合器定向耦合器I2I1O1(不加热不加热)O2(加热加热)热光移相器热光移相器(薄膜加热薄膜加热
46、)LnMZI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。第86页，共128页，编辑于2022年，星期五 原理：原理：1.1.若薄膜加热器处于关闭状态若薄膜加热器处于关闭状态，此时，此时MZI相移量为相移量为0,考虑到考虑到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耦合器沿耦合臂输出方向与沿直通臂输出方向相比存在/2的相位滞后的相位滞后.在在O2 2端，来自端，来自I1的两束入射光一路经过耦合的两束入射光一路经过耦合器的两次耦合
47、，另一路则经过耦合器的两次直通，累积相位器的两次耦合，另一路则经过耦合器的两次直通，累积相位差为差为从而满足相干相消条件，输出光信号被大大削弱甚至从而满足相干相消条件，输出光信号被大大削弱甚至关断；而在关断；而在O1端，两束光分别经历了一次直通，一次耦合，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主要从O1口输出。口输出。热光开关为交叉连接状态热光开关为交叉连接状态。第87页，共128页，编辑于2022年，星期五2.2.如果对金属膜通电如果对金属膜通电使其发热，将会导致其下面的波导折射使
48、其发热，将会导致其下面的波导折射率发生变化，从而改变了率发生变化，从而改变了MZI干涉臂的传播光程，引入相干涉臂的传播光程，引入相位差。调节移相器使之形成位差。调节移相器使之形成兀相移兀相移，那么在，那么在O1和和O2端两端两束光的相位关系随之发生反转，信号此消彼长，束光的相位关系随之发生反转，信号此消彼长，整个热整个热光开关也由原先的交叉方式变换至平行连接状态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通过控制热光移相器在0和兀两个状态之间动态转换，就和兀两个状态之间动态转换，就可以实现光开关的动作。可以实现光开关的动作。第88页，共128页，编辑于2022年，星期五双M
49、Z型热光开关 第89页，共128页，编辑于2022年，星期五数字式光开关数字式光开关 薄膜加热器薄膜加热器输入输入输出输出1输出输出2ijc原理原理：加热时下面的波导折射率减小，从而阻止光沿着该分加热时下面的波导折射率减小，从而阻止光沿着该分支传输（即处于支传输（即处于“关关”的状态）的状态）Y分支器型热光开关一般功耗比较大分支器型热光开关一般功耗比较大(200mW左右左右)，插损约，插损约3-4dB消光比约消光比约20dB。第90页，共128页，编辑于2022年，星期五 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
50、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，但插人损耗较大，一般为 4dB。第91页，共128页，编辑于2022年，星期五10.3.6 喷墨气泡光开关喷墨气泡光开关 气泡光开关是气泡光开关是Agilent在成熟的在成熟的Si02平面光波电路平面光波电路(PLC)技术基础上，结合喷墨技术基础上，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：顶层由打印驱动原理开发出的一种新