光纖通信系統(tǒng)-5.2光開(kāi)關(guān)

光開(kāi)關(guān)（opticalswitch）光開(kāi)關(guān)（opticalswitch）一種光路控制器件，可實(shí)現(xiàn)光路通斷的控制、光路選擇、光交換如：主備光路切換；光纖、光器件的測(cè)試等；實(shí)現(xiàn)全光層次的路由選擇、波長(zhǎng)選擇、光交叉連接、自愈保護(hù)等功能。

光開(kāi)關(guān)類型根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式可分為：機(jī)械式光開(kāi)關(guān)、非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)。依據(jù)原理可分為：機(jī)械光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)和聲光開(kāi)關(guān)。依據(jù)交換介質(zhì)可分為：自由空間交換光開(kāi)關(guān)和波導(dǎo)交換光開(kāi)關(guān)。常用的光開(kāi)關(guān)有：MEMS光開(kāi)關(guān)、噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)、熱光效應(yīng)光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)、全息光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)、液體光柵光開(kāi)關(guān)、SOA光開(kāi)關(guān)等。

機(jī)械式光開(kāi)關(guān)通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同光纖端口之間的相對(duì)連接，解決的辦法是相對(duì)移動(dòng)光纖或相對(duì)移動(dòng)光學(xué)元件。

微機(jī)械式光開(kāi)關(guān)（MEMS）

Micro-Electro-MechanicalSystems一般稱作微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，其含義是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。特點(diǎn)：采用平面制作工藝機(jī)械部件尺寸大幅縮小，提高控制速度，縮小器件體積，增加集成度。各部件的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)及控制也與傳統(tǒng)方式發(fā)生重大變化。1NMEMSSwitchMEMS的應(yīng)用MEMS在工業(yè)、信息和通信、國(guó)防、航空航天、航海、醫(yī)療和物生工程、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用前景。目前，MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域中領(lǐng)先的有：汽車、醫(yī)療和環(huán)境；正在增長(zhǎng)的有：通信、機(jī)構(gòu)工程和過(guò)程自動(dòng)化；還在萌芽的有：家用/安全、化學(xué)/配藥和食品加工。微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)，成本大大降低生產(chǎn)。集成化：可以把不同種類傳感器或執(zhí)行器集成于一體，形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列。多學(xué)科交叉：涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等學(xué)科。微反射鏡液晶光開(kāi)關(guān)液晶是一種介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì)，它具有光學(xué)各向異性晶體所特有的雙折射性。液晶分子有較強(qiáng)的電偶極矩，在外電場(chǎng)作用下易于極化；其分子間的作用力比固體弱，容易呈現(xiàn)各種狀態(tài)，而且多數(shù)在介電常數(shù)、折射率、磁化等方面顯示出較大的各向異性。因此，通過(guò)微小的外部能量——電、磁、熱等就能實(shí)現(xiàn)分子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而引起它的電、光、磁的物理性質(zhì)發(fā)生變化。液晶材料用于光開(kāi)關(guān)，利用了它的光學(xué)特性隨電場(chǎng)改變的特性，稱液晶的電光效應(yīng)。根據(jù)用外電場(chǎng)控制液晶分子的取向，對(duì)偏振進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能的?；诖殴庑?yīng)光開(kāi)關(guān)氣泡式光開(kāi)關(guān)

安捷倫公司結(jié)合熱噴墨打印和硅平面光波導(dǎo)兩種技術(shù)，開(kāi)發(fā)出的二維光交叉連接系統(tǒng)。又稱為“光子交換平臺(tái)”。由許多交叉的硅波導(dǎo)和經(jīng)過(guò)交叉點(diǎn)的溝道組成，溝道中填充特定的折射率匹配液。缺省條件下，入射光可沿著波導(dǎo)無(wú)交換傳輸。當(dāng)需要交換時(shí)，一個(gè)熱敏硅片會(huì)在液體中波導(dǎo)交叉點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)氣泡，氣泡將入射波導(dǎo)中的光信號(hào)全反射至輸出波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)光路的選擇、轉(zhuǎn)換。光開(kāi)關(guān)的主要性能參數(shù)

交換矩陣：大小反映了光開(kāi)關(guān)的交換能力。交換速度：損耗：包括插入損耗、回波損耗等。產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)：光纖和光開(kāi)關(guān)端口耦合時(shí)的損耗和光開(kāi)關(guān)自身材料對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的損耗。損耗特性影響到了光開(kāi)關(guān)的級(jí)聯(lián)，限制了光開(kāi)關(guān)的擴(kuò)容能力。消光比：描述光開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與非導(dǎo)通狀態(tài)通光能力差別的主要指標(biāo)，即兩個(gè)端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差。交換粒度：反映了光開(kāi)關(guān)交換業(yè)務(wù)的靈活性。分為三類：波長(zhǎng)交換、波長(zhǎng)組交換和光纖交換。升級(jí)能力：增加光開(kāi)關(guān)的容量?？煽啃裕阂缶哂辛己玫姆€(wěn)定性和可靠性光纖耦合器

(Opticalfibercoupler)功能：將光信號(hào)進(jìn)行分路或和路，插入，分配的一種器件。能使傳輸中的光信號(hào)在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進(jìn)行再分配的器件。在耦合的過(guò)程中，信號(hào)的波譜成分沒(méi)有發(fā)生變化，變化的只是信號(hào)的光功率。類型：從端口形式上分：T形(1

2)、Y形(1

2)、星形(N

N，N>2)、樹(shù)形(1

N，N>2)等。

應(yīng)用：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的監(jiān)控；可以用于光纖CATV、光纖用戶網(wǎng)、無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)、光纖傳感等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的組合與分配。原理：光學(xué)分束原理、消逝場(chǎng)耦合原理微透鏡耦合型

自聚焦棒耦合型

融錐型

波導(dǎo)型

主要參數(shù)

輸入端口和輸出端口的數(shù)量分光比：耦合器各輸出端口的輸出功率的比值，具體應(yīng)用中常用相對(duì)輸出總功率的百分比來(lái)表示，如50:50、80:20、25:25:25:25等，或用各端口之間輸出功率之比表示，如1:1、4:1、1:1:1:1等。

插入損耗：

(M

N)

均勻性:

表示耦合器輸出各端口的功率與功率平均值最大偏差。偏差越小，則光功率分配越均勻。

方向性:(隔離度)

表示在輸入端主光纖傳輸方向與任一根非主光纖非傳輸方向上的功率比。

其中，Pin為輸入端第i根光纖的輸入光功率，Pib為輸入端除第i根光纖之外任何一根光纖的后向傳輸光功率。

光纖光柵

（FiberBragggrating）利用石英光纖的紫外光敏特性將光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)直接做在光纖上形成的光纖波導(dǎo)器件?？梢宰鞒蔀V波器、反射器、色散補(bǔ)償器等易于與光纖連接，對(duì)偏振不敏感發(fā)展：

1978年Hill發(fā)現(xiàn)光敏特性并成功制作FBG 1989年Meltz提出的橫向?qū)懭胫圃旆椒?/p>

1993年Hill等人提出的相位掩膜制造法 光纖光柵器件逐步走向?qū)嵱没?/p>

光敏特性光纖的折射率在紫外光照射下，隨光強(qiáng)發(fā)生變化的特性。光纖的這種光致折射率變化具有穩(wěn)定性，可保持永久性不變。利用紫外光就可以將一些特定的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寫入光纖中，形成光纖型光波導(dǎo)器件。光纖光敏特性的動(dòng)力學(xué)機(jī)理現(xiàn)在尚未完全研究清楚較為普遍的觀點(diǎn)：由于誘導(dǎo)光（紫外光）的作用，光纖中原子的某些鍵被破壞，產(chǎn)生的自由電子進(jìn)入光纖材料的色心陷阱中，從而改變了光纖的吸收、散射等光學(xué)特性，出現(xiàn)折射率的變化；另外，在光照射過(guò)程中，光纖材料結(jié)構(gòu)釋放誘導(dǎo)應(yīng)力以及構(gòu)形的畸變等也導(dǎo)致了折射率的變化。這種光折變效應(yīng)主要發(fā)生在近紫外波段

最初光致折射率變化出現(xiàn)在摻鍺光纖中，后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，具有光敏特性的光纖種類很多，有些是摻磷或硼，并不一定都摻雜，只是摻雜光纖的光敏特性更明顯。有時(shí)根據(jù)需要為了加大折射率的變化程度，就會(huì)選用高摻雜的光纖。

折射率的永久性改變與摻雜鍺的濃度基本上成正比關(guān)系，與所用的紫外光源類型及照射到材料上的能量密度有關(guān)對(duì)光纖材料進(jìn)行高壓低溫H2擴(kuò)散，可以極大地提高光纖材料的光敏性；B/Ge雙摻雜材料具有較高的光敏性；各種光纖材料光敏特性光纖纖芯摻雜類型

最大光致折射率

摻Ge光纖10-3~10-2普通通信光纖~10-3B/Ge光纖10-3~10-2摻P光纖10-3硫化物光纖10-4（可見(jiàn)光）光纖光柵的制作

基于光纖的光敏特性，可以利用紫外光將特定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寫入到光纖中根據(jù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)造相應(yīng)的光場(chǎng)分布制作方法： 縱向?qū)懭敕?/p>

（早期） 雙光束干涉法

橫向?qū)懭敕ㄏ辔谎谀しǎㄖ饕? 逐點(diǎn)寫入法…L=l0/(2sinq)缺陷是對(duì)光源的相干性要求較高，對(duì)制造環(huán)境要求極嚴(yán)，重復(fù)性差

雙光束干涉法Ll0l0q相位掩膜法產(chǎn)生的光纖光柵周期為掩膜光柵周期的一半，與入射光無(wú)關(guān)，因此對(duì)光源的相干性要求不高，并且穩(wěn)定、易于準(zhǔn)直，重復(fù)性好，可以簡(jiǎn)化光纖光柵的制作系統(tǒng)。

缺點(diǎn)是掩膜制作復(fù)雜，每種掩膜通常只能制造一種光柵。

逐點(diǎn)寫入法一種非相干寫入技術(shù)利用聚焦光束在光纖上逐點(diǎn)曝光而形成光柵，每寫一個(gè)條紋，光柵移動(dòng)一定距離，需用精密機(jī)構(gòu)控制光纖運(yùn)動(dòng)位移。通過(guò)控制光纖的移動(dòng)，可以方便的控制光柵的周期。一般用于制造長(zhǎng)周期光柵

類型從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)兩類，分別稱為均勻、非均勻光纖光柵。周期結(jié)構(gòu)器件制造簡(jiǎn)單，其特性受到限制；非周期結(jié)構(gòu)制造困難，其特性容易滿足各種要求。從功能上可分為濾波型光柵和色散補(bǔ)償型光柵兩類，色散補(bǔ)償型光柵是非周期光柵，又稱為啁啾光柵。光纖光柵工作原理

光纖光柵從本質(zhì)上講是通過(guò)波導(dǎo)與光波的相互作用，將在光纖中傳輸?shù)奶囟l率的光波，從原來(lái)前向傳輸?shù)南薅ㄔ诶w芯中的模式耦合到前向或后向傳輸?shù)南薅ㄔ诎鼘踊蚶w芯中的模式，從而得到特定的透射和反射光譜特性。光纖光柵中，光場(chǎng)與光波導(dǎo)之間的相互作用可用耦合模理論來(lái)描述。

均勻光纖光柵

最簡(jiǎn)單的具有正弦結(jié)構(gòu)的濾波型光纖光柵，其折射率可以表示為

前向和后向兩種模式間的耦合波方程為Db=b

b

2p/L，b

、b

為入射波和反射波的傳播常數(shù)，耦合系數(shù)K=pdn/lB。lB=2neffL為布拉格波長(zhǎng)A+(0)=1、A-(L)=0

解耦合方程可得光纖光柵的反射率為

典型的光纖光柵的反射譜lB01波長(zhǎng)（mm）反射率反射譜線的主峰兩側(cè)有一系列的邊帶，這些邊帶會(huì)在傳輸中產(chǎn)生串?dāng)_，影響傳輸質(zhì)量。為了抑制邊帶譜線，采用一種稱之為變跡的方法，即對(duì)折射率進(jìn)行幅度調(diào)制，使耦合系數(shù)隨光柵長(zhǎng)度變化。常用的變跡函數(shù)有Gauss函數(shù)、Hamming函數(shù)和Blackman函數(shù)等。通過(guò)改變其耦合系數(shù)達(dá)到改變反射譜的目的。

線性啁啾光纖光柵

光柵周期沿光柵長(zhǎng)度變化，稱為啁啾光纖光柵光柵周期沿軸向線性變化時(shí)為線性啁啾光柵，其折射率可以表示為

耦合模方程一般情況下，方程沒(méi)有解析解，只有利用數(shù)值法對(duì)啁啾光柵的特性進(jìn)行研究。

相移光柵指兩相鄰區(qū)之間的光柵相位的變化是不連續(xù)的，即折射率分布不連續(xù)?？稍诜瓷渥V阻帶中打開(kāi)線寬極窄的一個(gè)或多個(gè)透射窗口,使得光柵對(duì)某一波長(zhǎng)或多個(gè)波長(zhǎng)有更高得選擇度窗口位置、通過(guò)率及線寬可以隨相移點(diǎn)、相移量而變化。10lB反射率一般均勻周期光纖光柵的周期均為零點(diǎn)幾個(gè)mm，長(zhǎng)周期光纖光柵的光柵周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般的光纖光柵，可以達(dá)到幾百mm。將導(dǎo)波中某頻段的光耦合到包層中去而損失掉，具有一些特殊的性能。應(yīng)用主要集中于EDFA的增益平坦和光纖傳感方面。光纖光柵的應(yīng)用

濾波器

色散補(bǔ)償

EDFA的增益平坦分插復(fù)用器

光纖激光器

光纖光柵傳感器濾波器1.5545lB1.555500.51波長(zhǎng)（mm）反射率色散補(bǔ)償在線性啁啾光柵中，光柵間距不等，不同頻率的光的反射位置不同，短的波長(zhǎng)ls在近端反射，長(zhǎng)的波長(zhǎng)ll在遠(yuǎn)端反射，從而有不同的時(shí)延，即出現(xiàn)色散。將光柵濾波器反過(guò)來(lái)使用就可以改變色散的符號(hào)。長(zhǎng)波長(zhǎng)ll

短波長(zhǎng)lsL光柵周期增大初始脈沖光纖色散展寬脈沖壓縮脈沖啁啾光纖光柵光發(fā)射機(jī)環(huán)形器波長(zhǎng)分插復(fù)用器(