光无源器件之光开关

[来源：纤亿通] [日期：2021-11-05] [点击数：1934]

光纤通信系统中，需要一些不用电源的光器件，统称为无源光器件，如光纤连接器、光纤耦合器、光衰减器、光隔离器以及光开关等。无源光器件不需要电源的特点不但给施工维护带来诸多方便，而且可以大大降低网络建设成本，所以光通信器件的无源化代表着光通信器件的发展方向。本文主要介绍各类光衰减器的工作原理与技术指标。

一、工作原理及分类

光开关性能参数有多种，如：快切换速度、高隔离度、小插入损耗、对偏振不敏感及可靠性，不同领域对它的要求也各不相同。其种类有保护、切换系统中常用的传统光机械开关，也有这几年飞速发展的新型光开关，如：热光开关、液晶开关、电光开关、声光开关、微光机电系统光开关(MOEMSmicro optic electro mechanical systems)气泡开关等。在超高速光通信领域，还有马赫曾德尔(Maeh-Zehnder)干涉型光开关、线性环路镜(NOLMnonlinear optical fiber loop mirror)光开关等光控开关。

1.机械光开关MEMS

传统机械光开关的工作原理：通过热、静电等动力，旋转微反射镜，将光直接送到或反射到输出端。特点是开关速度比较慢、性价比好，在很多领域有市场前景，但体积大、不易规模集成的缺点限制了其在未来光通信领域的应用。在此基础上，近几年发展很快的是光开关，它是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，特别是具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、差损小、速度快、容易集成的优点图（a）给出了一个MEMS开关的原理，（b）给出了相应的实例。

2.电光开关

电光效应光开关多由光电晶体材料（如LiNbO3或其他半导体材料）波导材料制成，两条波导通路连接成干涉结构，外加电压可改变波导材料的折射率，从而控制两臂的相位差，利用干涉效应实现了光的通断。它的特点是速度快，但与偏振有关，成本较高。工作原理如图所示。

3.热光开关

热光开关，2×2的热光开关是一个MZI干涉仪。通过改变其中一个臂的折射率（受温度的影响）使两臂上光信号之间的相差有所改变，从而使光信号在输入/出两输出端之间通断。MZI可以在硅或聚合物基片上集成，但开关速度和串扰性能不太好。其结构如图所示。

4.SOA光开关

SOA光开关利用半导体光放大器，通过改变SOA的偏置电压就可实现开关功能，当偏置减少时，没有粒子数反转，因而吸收光信号，当偏置增加时，放大输入信号，因而当SOA处于吸收和放大态时，通断消光比很大，同时易于集成，开关速度快，但偏振敏感。如图所示给出了一个SOA开关阵列。

二、技术指标

光开关是光交换的关键器件，它在光网络中有许多应用场合。光开关的开关速度或称开关时间是一个重要的性能指标，不同的应用场合对开关时间的要求是不一样的，如光通道的设置开关时间为1～10ms，保护倒换的开关时间为1～10μs，分组交换的开关时间为1ns，外调制器的开关时间为10ps量级，除了开关时间外还有一些参数来衡量光开关的性能。

（1）通断消光比。是指光开关处于通（开）状态时输出的光功率和处于断（关）状态时的输出光功率之比。通断消光比越大光开关性能越好，这对外调制器尤为重要，机械开关的通断消光比较大约40～50dB。

（2）插入损耗（简称插损）是指由于光开关的使用导致光路上的能量损耗，常以dB表示，越小越好，当开关处于不同的输入/输出连接状态时，插入损耗有可能不一致即插入损耗的一致性差，这对于实际的应用是不希望的。

（3）串扰，是指某输出端口的功率除了来自希望的输入端口外还有来自不希望的输入端口的功率，二者光功率之比称为串扰。

（4）偏振依赖损耗。由于偏振引起的光功率的损耗。

表中给出了主要的几种光开关的技术参数比较。

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