机械式光开关研究

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1、机械式光开关研究～教育资源库　　摘要：从原理与实现工艺几方面对透射型光开关和反射型光开关的特征进行比较，分析了各自的工艺特点和优势。　　关键词：机械式光开关性能比较　　1．引言　　随着光通信技术的飞速发展，D技术的广泛应用，光纤不仅在骨干网上得到广泛应用，目前正在向城域网、接入网部分延伸，并逐步深入千家万户（FTTH）。光开关能够在光域直接实现网络中光路自愈保护、路由选择等功能，克服光－电－光转换的电子瓶颈，充分体现光网络大容量、高速度传输与交换的特点。它可广泛应用于光网络保护、光信号上下话路复用/解复用（OADM）、光交叉连接器（OXC），光纤通信

2、系统器件的测试，光纤网络的通道监控与测试等，日渐成为光网络中信息交换的基础元件。　　从工作原理角度方面划分，光开关可分为机械式和非机械式两大类，机械式光开关靠光纤或光学元件移动，使光路改变；非机械式光开关则依靠电光效应、磁光效应、声光效应以及热光效应来改变波导折射率，使光路发生改变，完成开关功能[1-5]。从目前的主流技术看，性价比高的低端口12，22机械式光开关是用户的最佳选择，即使NN（N>2）阵列开关也可以通过12，22开关组装而成。在众多机械式光开关实现工艺中，基于微型反射镜、棱镜的光开关目前市场的主流产品，同时这两种光开关也是研制其它

3、任意工艺的开关或者模块的基础，具有较好的机械性能和光学性能。本文主要讨论基于反射镜的反射型光开关和棱镜的透射型光开关的特点。　　2．光开关的光束耦合过程及其影响因素　　光开关通过改变光路的折射率或者通过介质界面对光束的作用，实现光路改变，因此有必要首先对光路耦合过程进行讨论。光路中光束用基模高斯光束来近似，因此可用高斯光束的特征参数（束腰半径、共焦参数）来描述光束的耦合特征。　　　　如图1示意的空间任意分布的两器件的光束耦合，器件1，2的光束的光斑半径和共焦参数分别为：ω1，Z1，ω1，Z2，光轴为z轴，两器件的光束耦合效率可

4、表示为：　　　　对光开关来说，一般用准直器实现两通道的光束耦合，当两光纤准直器完全相同时有ω1＝ω2＝ω，（1）式可简化为：　　　　对不同的机械式光开关，（2）式的表现形式还有所不同。对12反射型开关而言，如图2.a示，当反射镜置入光路时，光束被反射进一光路，该光路称为反射通道，反射镜退出光路时光束耦合进另一光路，称这一光路为直通道。直通道的光学性能不受反射镜的影响，指标一般不会改变，只有反射通道光束耦合较复杂，当准直器放置在耦合范围内时，反射通道的耦合效率由（2）式化简为：　　　　其中d表示反射光束与耦合准直器径

5、向错位量，θc表示准直器的光束发散角。如调节适当，这一错位的影响是可以忽略的；Dq表示反射镜在运动过程中反射镜的角度变化，耦合效率主要表现为与角度变化之间的关系。　　　　对12透射型开关而言[5]，如图2.b所示，主要是利用棱镜的透射实现光束的光路改变，当棱镜置入光路时，光束经过棱镜的折射，出射光束相对入射光束产生一个错位，光束耦合进一个光路，该通道称为透射通道；棱镜退出光路时光束直接耦合进另一通道，该通道称为直通道。直通道的耦合特征比较稳定，光束耦合变化较大的是透射通道，透射通道的耦合效率表示为：　　　　其中d表示由于棱镜运动的改变导致

6、出射光束相对耦合准直器产生的一个径向错位量（理想情况下出射光束光轴与耦合准直器的光轴是重合的）。　　3．透射型开关与反射型开关性能比较　　在工艺实现方面，这两种开关有着各自不同的特征。反射型开关实现难度较大，因为影响耦合效率的因素是角度，从公式（3）中我们知道，用直径为1.8mm的准直器，如入射光束的入射角变化0.05°，反射通道的插损变化达到2dB以上（如图3a所示）。　　　　导致这一角度变化的关键因素包括反射镜的面形及表面垂直度、装配过程中的一致性、机械运行部分的运动一致性等。而透射型开关耦合效率根据折射定律和公式（4）可知：即使棱镜运动

7、变化导致入射角变化0.5°,透射通道插损的变化只有0.1dB左右（如图3.b所示），公式（4）虽然没有显含角度因子，但是径向错位是因棱镜的机械运动误差导致输入光束与棱镜夹角的改变而引入的，其大小由棱镜的边长、棱镜的形状和棱镜角度的改变量决定，从图3.b可知透射型光开关的重复性比反射型光开关好，试验结果也证明这点。另外棱镜的运动范围较大导致其驱动装置的体积难以做小，使得开关的体积较大，这是其缺点之一。　　我们研制的1x2、2x2机械式反射型光开关采用反射切换技术和磁保持技术相结合，具有很好的重复性，磁保持技术还可减小电功耗。这类开关还具有较小的

8、温度相关性，波长无关性、和偏振无关性，使得这类开关性能稳定，同时精巧的设计，小巧的体积，便于组装成阵列开关模