光开关的原理及种类

　　1、机械光开关 

　　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MOEMS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、可靠性好、速度快、容易集成的优点。 

　　2、电光效应开关  

　　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M-Z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1所示。 

图1 基于Mach-Zehnder结构的电光效应光开关 

　　对于3dB耦合器，两光波满足模耦合方程，令两个光波导的传播常数相等，B0=0，在3dB耦合器2的输出端得到： 
　　|A3|2=|A0|2sin2(Ф/2) 
　　|B32=|A0|2cos2(Ф/2) 
　　式中：A0、B0——输入的光波振幅；A3、B3——输出的光波振幅；Ф——光波相位。 
　　从上式看出，Ф和施加电压有关，改变电压，则Ф改变，从而使光强得到调谐。其开关速度取决于两路光之间产生相位差的时间，即光波导中折射率变化时间。 

　　在现代通信系统向高速率、智能化发展的阶段，为解决电子交换机响应时间慢、无法和超高速传输数据相匹配的矛盾，实现更快的开关速度和更低的插入损耗，还可以利用石英光纤和半导体光放大器的自相位调制或交叉相位调制效应改变折射率的方法，即光控光开关技术。

　　3、光控开关 

　　现在比较成熟的型号有：基于NOLM原理和SOA非线性效应(如XPM：cross phase modulation)制作的全光开关。它们不仅用于超快开关交换，而且还可用于全光信号再生与超快波长转换，是目前很有前途的全光交换技术。一般，各种超快全光开关归根结底都离不开光的非线性效应，这里以SOA-XPM为例加以说明，实验原理如图2所示。 

图2 利用SOA-XPM实现光开光的实验装置 

　　将SOA分别置在M-Z干涉仪的两臂，开关控制脉冲注入一臂，脉冲的变化会引起SOA折射率的改变，从而引起两臂相位差△Ф的改变，即:  
　　△Ф=-(2π/l)(dn/dN)(τe/[1+(wτe)2]1/2L×Vg×g×△S×cos(wτ-q) 
　　其中，l——信号波长；dn/dN—折射率随载流子密度的变化量；L—SOA的腔长；τe—载流子寿命；Vg—群速度；g—增益系数；△S—载流子密度变化幅值；q—载流子密度变化和调制信号之间的相位延迟。 

　　△Ф=0，π时，两臂的输出端产生通断。由于SOA的开关速度能达到皮秒量级，可用于超高速光纤通信系统。除SOA之外， M-Z干涉仪的两条支路若由非线性光波导材料如GaAs／AlGaAs组成，也可达到开关的目的。