光开关的基本原理和分类


       机械式光开关:插入损耗低;隔离度高;不受偏振和波长影响;开关时间长(ms),重复性较差。


其它光开关:开关时间短(ms);体积小;插入损耗大;隔离度低。


 

光开关的特性参数


1.插入损耗(Insertion loss)

 

2.回波损耗(Return loss)

从输入端返回的光功率与输入光功率的比值。


 

 

3.隔离度Isolation

两个相隔离的输出端口光功率的比值。

 

4.串扰

输入光功率与从非导通端口输出的光功率的比值。


 

5.消光比

两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。

ER=IL-IL0

6.开关时间

开关端口从某一初状态转为通或者断所需的时间。从在开关上施加或撤去能量的时刻算起。


光开关的工作原理:


1.机械式光开关


 

移动光纤式光开关


 

移动反射镜式光开关

以上两种体积大,难实现集成化的开关网络。近年正大力发展一种集成的微机电系统(MEMS)开关,在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。


 

16 个移动反射镜光开关构成的两组4 4MEMS开关阵列


2.电光开关

电光开关的原理一般是利用材料的电光效应或电吸收效应,在电场作用下改变材料的折射率和光的相位,再利用光的干涉或偏振等使光强突变或光路转变。

电光开关一般利用泡克耳斯(Pockels)效应,即折射率n随光场E而变化的电光效应。折射率变化与光场的变化关系为:


 

而光波传输距离L相应的相位变化为:



 

定向耦合型光开关


 

定向耦合器中两耦合波导光功率周期性相互转换


 

 

定向耦合器的开关特性

M-Z型干涉仪光开关

波导型M-Z干涉仪是一种广泛应用的光开关。它由两个3dB耦合器级联而成。


 

工作原理:

在两个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。因此波导臂所产生的折射率变化为:


 

对于对称型M-Z干涉仪,L1=L2=L,两臂的相位差为:


 

Df=p时的电压为半波电压:


 

两臂的相位差可以表示为:


 

①端输入的电场强度为E1,从③、④端输出的信号的电场强度为E3 、E4,利用耦合器的传输方程,可得


 

③、④端的透过率为:


不加电压时,V=0,T3=0,T4=1;加半波电压Vp时,T3=1, T4=0,实现了开关作用。偏振强度调制型光开关

由电光相位调制器、起偏器P和检偏器Q组成


 

该功率器件的功率转变比为

 

 

3.热光开关


热光开关和电光开关的结构可以是相同的,但是产生开光效应的机理不同。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,导致光在介质传输的折射率和相位发生改变的物理效应。这是率随温度的变化可用以下关系式表示:


 

 

4.液晶光开关


 

液晶光开关工作原理


5.磁光效应光开关


 

6.声光开关

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。

 声光开关工作原理


 


光开关的基本原理和分类

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