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光通信器件光開關(guān)(編輯修改稿)

2026-07-15 21:05 本頁面

　

【文章內(nèi)容簡介】。 (44)當(dāng)o、e光達(dá)到Q時，只有平行于Q光軸的分量能通過，垂直分量則被阻擋。所以通過Q的光為， (45) 。 (46)因此。 (47)而α＝β＝π/4，因,此時輸出最強(qiáng)，上式變?yōu)椋? (48)式中Esin△Φ/2為通過檢偏器Q的光的振幅。由于輸出光功率等于光振幅的平方，則有 (49)這里Pi＝E2為輸入光功率。據(jù)式(49)和(41)，該開關(guān)器件的功率轉(zhuǎn)變比為, (50)τ—V曲線如圖9所示。改變電壓V，使(V－V0)從0至Vπ變化，則τ從0至1變化。從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)閉動作。圖9 相位調(diào)制器的特性曲線(4)半導(dǎo)體放大器電光開關(guān) 半導(dǎo)體光放大器(SOA)門控型光開關(guān)利用SOA對光的吸收和放大可實(shí)現(xiàn)任意光路的切換。也就是說，只有在半導(dǎo)體光放大器加上偏置時，才會產(chǎn)生受激輻射，是輸入光信號得以放大；反之，如果去掉偏置，則半導(dǎo)體光放大器處于光吸收狀態(tài)，此時輸入光信號無法達(dá)到輸出端。從而來完成開啟和關(guān)閉的功能，構(gòu)成基本門型光開關(guān)單元。SOA中，利用光放大，補(bǔ)償光損耗。半導(dǎo)體放大器電光開關(guān)具有低串?dāng)_(40dB)、低工作電流(~10mA)、寬帶寬(30nm)、高速切換（1ns)。如圖10所示。圖10 SOA門陣列構(gòu)成的光開關(guān)(5)聚合物電光開關(guān) 聚合物電光開關(guān)：有機(jī)聚合物材料制作光電子和集成光學(xué)器件，最突出的優(yōu)點(diǎn)是低廉、工藝流程簡便。可以沉積在半導(dǎo)體襯底上，便于光路和電路的集成；具有較低的波導(dǎo)傳輸損耗和與光纖的低耦合損耗；可以有效使用電子折射獲得幅度和相位調(diào)制。可以根據(jù)人們需要，通過調(diào)節(jié)有機(jī)材料的組分以滿足電光特性、熱光特性和吸收譜特性。熱光開關(guān)和電光開關(guān)的結(jié)構(gòu)可以是相同的，但是產(chǎn)生開關(guān)效應(yīng)的機(jī)理不同。這里的熱光效應(yīng)是指通過電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變化，導(dǎo)致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的物理效應(yīng)。折射率隨溫度的變化可用以下關(guān)系式表示： (51) 式中n0為溫度變化之前的折射率，△T為溫度的變化，α為熱光系數(shù)，它與材料的種類有關(guān)。表2是幾種材料的熱光系數(shù)。表2 幾種材料的熱光系數(shù)材料LiNbO3SiSiO2聚合物熱光系數(shù)106/K2104/K104/K1104/K△n將引起相位變化， (52)導(dǎo)致信號從一個端口輸出變?yōu)閺牧硪粋€端口輸出。以下介紹幾種典型的波導(dǎo)熱光開關(guān)。(1)MZ干涉型熱光開關(guān)該開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖11所示。它是由兩個3dB耦合器構(gòu)成的對稱MZ干涉儀型。兩個波導(dǎo)在硅基底上生成。在其中一臂上鍍有金屬薄膜加熱器，形成相位延時器。硅基底可看作一個散熱器。由于Si的導(dǎo)熱系數(shù)較大,加熱器的距離L大于100微米即可。臂長的設(shè)計使加熱器未加熱時,在交叉臂輸出端口4發(fā)生相長干涉輸出，而在直通臂的輸出端口發(fā)生相消干涉無輸出。加熱器工作時輸入信號則從直通端口3相長干涉輸出圖11 MZ干涉型熱光開關(guān)據(jù)（33）與（34）式，從1端輸入；從3端與4端輸出的功率轉(zhuǎn)變比分別為：， (53)。 (54)應(yīng)用（52）式，并設(shè)， (55)則得, (56)。 (57)可見，當(dāng)ΔT＝0時，τ3＝0，τ4＝1；而當(dāng)ΔT＝ΔT0時，τ3＝1，τ4＝0，從而實(shí)現(xiàn)光開關(guān)。日本NTT近年來采用SOI材料為光波導(dǎo)和Ti金屬膜為相移區(qū)的加熱膜，采用雙MZ干涉儀結(jié)構(gòu)[2]，我們增加一個環(huán)形器，可構(gòu)成22熱光開關(guān)，如圖12。圖12 雙MZ干涉型熱光開關(guān)光波從1和2入口，當(dāng)不通電流加熱時，光波通過交叉臂，分別從1→2’和2→1’出口；當(dāng)兩干涉儀同時通電流加熱時，光波通過直通臂，分別改從1→1’和2→2’出口。這種開關(guān)有以下優(yōu)點(diǎn)：1）由于泄漏光被第二個干涉儀阻止，消光比是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩倍；2）器件制作的容差能力加大；3）相當(dāng)于兩個帶通濾波器并聯(lián)，有較大的帶寬，有益于DWDM網(wǎng)絡(luò)。4）這種22開關(guān)做成陣列，大大減少單元開關(guān)數(shù)量，例如1616開關(guān)陣列由普通12開關(guān)組成需要156個器件，而用這種器件只需64個。該器件的平均參數(shù)列于表4。表4 雙MZ干涉熱光開關(guān)的特性指標(biāo)性能插入損耗dB串音dB開關(guān)時間ms消光比dB功耗mW數(shù)值－4625517以上介紹的干涉型熱光開關(guān)屬于周期性干涉型開關(guān)，具有高消光比、低功率損耗等優(yōu)點(diǎn)，但它存在著對偏振和波長具有敏感性，以及要求有較高的制造精度等缺點(diǎn)。(2)Y和X數(shù)字型熱光開關(guān)Y和X分支型熱光開關(guān)的結(jié)構(gòu)見圖13[3]。這類開關(guān)一般是通過模式重組來實(shí)現(xiàn)開關(guān)動作。通過加熱改變分支的折射率，從而改變控制光的走向。為了實(shí)現(xiàn)模式選擇的絕熱狀態(tài)，要求分支角很小，一般在零點(diǎn)幾度或零點(diǎn)零幾度。圖13 數(shù)字熱光開關(guān)（a）X型（開關(guān)）和(b)Y型（）開關(guān) 對Y結(jié)構(gòu)而言，不加熱時，主臂的有效折射率nb大于支臂的有效折射率ns，光從主臂通過；當(dāng)對支臂加熱時,增加了它的折射率,使之有效折射率大于主臂的有效折射率，即， (58)則光束通過支臂。（58）式中T0為室溫，Tc為光改變通路的臨界溫度，dn/dT為材料的折射率溫度系數(shù)。對X結(jié)構(gòu)而言，不加熱時，主臂的有效折射率大于支臂的有效折射率，nb＞ns，光束1和2分別通過支臂和主臂；當(dāng)對支臂加熱時,增加了它的折射率,使之有效折射率大于主臂的有效折射率，即滿足公式（58），則光束1和2的通路被交換。這類開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單；制作容差大：當(dāng)輸入電壓變化時輸出光強(qiáng)呈階躍特性，故稱為數(shù)字光開關(guān)。這個特點(diǎn)降低了對開關(guān)電壓控制精度的要求，并大大降低了集成器件制作的復(fù)雜性，可做成列陣器件。有機(jī)聚合物材料有更大的溫度敏感性，只需100mW左右的開關(guān)功率，特別適合做熱光器件。缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差和抗?jié)裥圆睢Ｂ暪忾_關(guān)這是利用聲光效應(yīng)制作的光開關(guān)，聲光效應(yīng)是指聲波通過材料

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