3.6　光开关

光开关（Optic Switches）的功能是转换光路，实现光信号的交换。对光开关的要求是插入损耗小、串音低、重复性高、开关速度快、回波损耗小、消光比大、寿命长、结构小型化和操作方便。

光开关可以分为两大类。

一类是利用电磁铁或步进电动机驱动光纤或透镜来实现光路转换的机械光开关。这类光开关技术比较成熟，在插入损耗（典型值为0.5dB）、隔离度（可达80dB）、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能，也不受调制速率和方式的限制，但开关时间较长（几十毫秒到毫秒量级），体积较大，而且不易集成。微机械光开关采用机械光开关的原理，并能像波导开关那样集成在单片硅基底上，所以很有发展前途。

另一类是利用固体物理效应（如电光、磁光、热光和声光效应）的固体光开关。其中，电光开关、磁光开关突出的优点是开关速度快（毫秒到亚毫秒量级），体积非常小，而且易于大规模集成，但其插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。

3.6.1　微机械光开关

机械光开关如图3.6.1所示。它包括移动光纤式、移动套管式和移动透镜（包括反射镜、棱镜和自聚焦透镜）式。图3.6.1（a）表示1×N移动光纤式机械光开关，它通过电磁铁驱动活动臂移动，并切换到不同的固定臂光纤。图3.6.1（b）表示1×2移动反射镜式机械光开关。机械光开关有1×1、1×N和M×N等几种。

微机电系统（Micro-Electro-Michanical Systems，MEMS）构成的微机械光开关已成为DWDM网中大容量光交换技术的主流。微机械光开关是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列。这种微反射镜在驱动力的作用下，将输入光信号切换到不同输出光纤的微机电系统。通常，微反射镜的尺寸只有140×150μm2，其驱动力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。微机械光开关的特点是：体积小、消光比大（60dB左右）、对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中（约5ms），插入损耗小于1dB。

可升降微反射镜微机械光开关如图3.6.2所示。它有一个用镍制成的微反射镜（80μm×120μm×30μm），装在用镍制成的悬臂（2mm×100μm×2μm）末端。当悬臂升起来时，入射光可以直通过去，开关处于平行连接状态，如图3.6.2（a）所示；当悬臂放下时，入射光被反射出去，开关处于交叉连接状态，如图3.6.2（b）所示。平行连接状态转变到交叉连接状态是靠静电力将悬臂吸引到衬底上实现的。静电力由加在悬臂和衬底间的电压30～40V产生。衬底上有一个宽约50μm的沟渠，以便让悬臂上的微反射镜插入。

可旋转微反射镜微机械光开关如图3.6.3所示，当反射镜取向1时，入射光从输出光纤1输出；当反射镜取向2时，入射光从输出光纤2输出。微反射镜的旋转由控制电压完成，控制电压通常为100～200V。可立卧微反射镜微机械光开关如图3.6.4所示，当反射镜立起时，入射光从输出光纤1输出；当反射镜卧倒时，入射光从输出光纤2输出，这类器件的插入损耗小于1dB，消光比大于60dB，切换光功率为2mW，其开关速度约为10ms，比波导开关的开关速度慢。

3.6.2　电光开关

在3.5.1节中，已介绍了电光效应，利用其原理也可以构成波导电光开关（Electro-Optic Switches）。1×1马赫-曾德尔光开关如图3.6.5所示。它由两个Y形LiNbO3波导构成。它与图3.5.6的调制器类似，在理想的情况下，输入光功率在C点平均分配到两个分支并传输，在输出端口D点干涉，其输出光功率幅度与两个分支光通道的相位差有关。当A、B分支的相位差ϕ=0时，输出光功率最大；当ϕ=π/2时，两个分支中的光场相互抵消，使输出光功率最小，在理想的情况下为零。相位差的改变由外电场控制。

3.6.3　热电效应及热光开关（TOS）

在图3.6.5所示的光开关中，用一个薄膜加热器代替控制电压的电极，就可构成热光开关（Thermo Optic Switches，TOS），如图3.6.6所示。它具有马赫-曾德尔干涉仪结构形式，包含两个3dB方向耦合器和两个长度相等的波导臂。它的波导芯和包层的折射率差较小，只有0.3%。波导芯尺寸为8×8μm2，包层厚度为50μm。每个臂上具有Cr薄膜加热器，其宽度为50μm、长度为5mm。热光开关的交换原理基于马赫-曾德尔干涉滤波器原理，在硅介质波导内的热电效应（Thermoelectric Effect）引起相位变化。不加热时，热光开关处于交叉连接状态；在通电加热Cr薄膜时，一般0.4W的功率就可引起热光开关状态的切换，如图3.6.6（c）所示。此时，引起它下面波导的折射率变化为

式中，α为折射率受热变化系数，根据式（1.2.8），进而引起相位变化为

式中，L为薄膜加热器长度。通常只对一个Cr薄膜通电加热。由图3.6.6（c）可见，热驱动功率由0W变为0.5W时，可引起输出状态的切换，即由交叉连接状态切换到平行连接状态。热光开关的优点是插入损耗小（0.5dB）、稳定性好、可靠性高、成本低，适合于大规模集成，但是它的响应时间较慢（1～2ms）。利用这种器件已制成空分交换系统用的8×8光开关。

3.6.4　磁光效应和磁光开关

1. 磁光效应（Magneto-Optic Effects）

把非旋光材料（如玻璃）放在强磁场中，当平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时，光偏振面将发生右旋转，如图3.6.7所示，这种效应就称为法拉第磁光效应，它由法拉第在1845年首先观察到。旋转角θ与磁场强度、材料长度的乘积成比例，即

式中，ρ是材料维德（Vertet）常数，单位为弧度每安培（rad/A），表示单位磁场强度使光偏振面旋转的角度，对于石英光纤，ρ=4.68×10-6 rad/A；H是沿入射光方向的磁场强度，单位为安每米（A/m）或奥斯特（Oe），1Oe=103/（4π）A/m；L是光和磁场相互作用长度，单位为m。如果反射光再一次通过介质，则旋转角增加到2θ。磁场由包围法拉第介质的稀土磁环产生。起偏器由双折射材料（如方解石）担当，其作用是将非偏振光变成线性偏振光，因为它只让与自己偏振化方向相同的非偏振光分量通过。法拉第介质可由掺杂的光纤或具有大的维德常数的材料构成，如钇铁石榴石（YIG-Y3Fe5O12）、用稀土元素如钆（Gd）、镱（Yb）部分取代钇（Y）形成的晶体。

已有中心波长为1 310nm和1 550nm的法拉第旋转器，波长范围为-50～50nm，插入损耗为0.3dB，法拉第旋转角为90°，最大承受功率大于300mW，它能使光纤上任意一点出射光的偏振态与入射光的偏振态正交。法拉第旋转器的外形如图3.6.8所示。

2. 磁光开关（Magneto-Optic Switches）

磁光开关如图3.6.9所示。这种光开关由3只耦合透镜、磁光效应开关元件和单模光纤组成。开关元件由Gd:YIG晶体构成的可旋转45°的法拉第介质、可旋转45°的石英介质、玻璃块、平行四边形棱镜、3只起偏振器和检偏器的方解石和电磁铁组成。当线圈施加电压+5V时，电磁铁对Gd:YIG晶体施加磁场，因为法拉第介质和石英介质对光束偏振面的旋转分别为-45°和45°，所以光束通过这两个元件的总偏振旋转角为零。入射光由起偏器（方解石1）分离为o光束（寻常光）和e光束（非寻常光），然后由检偏器（方解石2）合光为一束，并通过棱镜和玻璃块，最后从端口2输出，如图3.6.9（b）所示。当线圈施加电压-5V时，光束偏振面共旋转90°（法拉第介质和石英介质对光束偏振面的旋转分别为45°），因此o光束转换为e光束，e光束转换为o光束，由棱镜反射后合成一束，从端口3输出，如图3.6.9（c）所示。通过控制加在线圈上的电压极性就可以控制输入光信号是到达输出光纤2还是3，如图3.6.9（d）所示。

磁光开关在工作波长为1.3μm的性能如表3.6.1所示，其中插入损耗包括Gd:YIG晶体吸收损耗和透镜耦合损耗。在电磁铁的驱动电压为±5V时磁场达到饱和，磁光开关开始运行，此时当电压为±20V时，开关时间为30μs，串音主要来自Gd:YIG晶体的质量。

以上讨论的所有光开关都是光电型的，光开关的工作都是由电信号控制的。另一种由光

来控制的开关是光控开关，它一般通过介质的非线性效应来实现，如光放大器和非线性光学环路镜等，只要对掺铒光纤放大器的泵浦光进行控制，即可实现光开关的作用。

3.6.5　声光开关

在3.3.4节和3.5.4节中，已对声光滤波器和声光调制器的原理做了介绍，我们也可以用这种原理制成声光开关（Acousto-Optic Switches）。声光开关如图3.6.10所示。入射光经声生光栅衍射后，也有一部分穿过光栅透射出去。衍射光的幅度取决于疏密材料间的折射率变化Δn，即取决于声波的幅度。衍射光强度与Δn2成正比，改变声波强度（改变控制电压大小），就可以使入射光完全衍射出去。如果控制电压为零，Δn=0，入射光则完全透射出去，从而完成光路的切换。

几种光开关工作原理和性能比较如表3.6.1所示。