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* 6.7.1 光开关的功能和特性 光开关在光网络中有多种用途，十分重要，目前主要有以下几种应用。 (1) 在光网络中重构光连接，用光开关代替人工光纤接线，实现自动切换，提供新的光通路。 (2) 在运行光纤损坏情况下，把业务流切换到另一备用光纤，实现网络保护。 (3) 在光发送机激光器后作为通断(on／off)开关外调制器。 (4) 在高速时分分组交换网中，用于实现分组交换信息。 6.7 光开关 * (5) 在空分交换网中构建大规模开关矩阵，实现光空分路由。 在这些应用中，完成开关功能所需的时间，即开关速度直接影响着通信系统和网络的质量水平，是光开关的最重要特性，根据应用要求的不同，在毫秒(ms)到皮秒(ps)间变化。 例如： 备用光通路自动切换用光开关 1ms～10ms 线路故障自动切换用光开关 1μs～10μs 分组交换用光开关 1ns on／off外调制光开关 10ps * 除了开关时间或速度对光网络的运行有重要影响外，还有一些其他重要参数也对光网络性能有重要影响。 (1) 消光比 通断开关的消光比定义为接通时的输出功率与断开时的输出功率之比。 其值应尽可能大，高速外调制器的消光比为10dB--15dB，而简单的机械开关的消光比为40dB--50dB。 (2) 插入损耗 光开关的插入损耗是因为光开关的存在而失去的那部分功率，常以dB表示。 * (3) 串音 对于一个非理想的光开关，即使输入端x名义上是连接到输出端y，但仍会有一些来自输入x的功率在其他输出端出现。 对某给定的开关状态或互连图形，串音是指来自所要求(想要)的输入端的输出功率与来自所有其他输入端的输出功率之比，其值越大，串音越小、越好。 通常，开关的串音是指超过所有输出和互连图形的最坏情况的串音。 (4) 偏振相关损耗(PDL) 改变输入到开关的光的偏振态时产生的附加损耗，这种损耗应尽可能小。 * 这种损耗应尽可能小，但当将开关作为外调制器应用时，可以容许存在某种偏振相关，因为开关紧接在激光器后面，激光器的输出光偏振态可以用一特殊的偏振维持光纤加以控制后从激光器耦合进调制器，保持输入光的偏振态恒定不变。 6.7.2 光开关的结构原理与特性 在光子技术领域已经研制了多种开关方案，包括机械式和非机械式两类。 非机械式光开关: 基本上都是利用电光效应原理制成，如利用晶体电控的折射率变化效应、热光效应、载流子注入效应和声光效应等制成的光开关等。 * 此外，在20世纪末还发展了一种新的微机械电磁型开关，称为微电子机械系统(MEMS)，也是一种十分流行的光开关。 1. 机械光开关 原理： 机械光开关利用某种机械方法实现开关功能，例如，利用电控驱动机构带动活动的光纤(或微反射镜)，使活动光纤(或微反射镜)根据指令信号要求与所需光纤(或光波导)连接，在原理上十分简单。 另一种是基于一定向耦合器，偏移、弯曲或拉伸相互作用耦合区的光纤，改变耦合器的耦合比，实现开关功能，使来自一个输入端的光可以在不同输出端输出。 * 机械光开关的优点： 插入损耗、偏振相关损耗PDL和串音均很低，而且价格低廉。 机械光开关的缺点： 开关速度较慢，约为几毫秒(ms)。 2. 电光晶体光开关 电光晶体，如LiNbO3(锂铌氧3)是制作光调制器的基本材料，基于类似的机理亦可方便地用于制成光开关，图6.47展示了一种用LiNbO3晶体材料制成的2×2光开关的原理结构，是一种LiNbO3平面波导定向耦合型结构，通过改变耦合器长度来改变耦合比，耦合长度的改变通过改变耦合区材料的折射率来实现，折射率的改变利用改变电极电压来实现。 * 通过改变耦合器长度来改变耦合比，耦合长度的改变通过改变耦合区材料的折射率来实现，折射率的改变利用改变电极电压来实现。 图6.47 电光定向耦合器开关 * 3. 热光开关 热光开关是利用材料的折射率随温度而变的热光效应制成的开关器件，它基本上是一种2×2集成光马赫—曾德干涉仪(MZI)，利用加热MZI一条光波导臂改变其折射率，产生MZI两条臂输出口间的相位差，实现输入信号从一个输出端到另一个输出端间的交换。 这类光开关目前主要利用Si片上的SiO2或有机聚合物衬底材料平面光波导制成。 热光开关的优点是体积小、成本低，缺点是开关速度慢(毫秒级)，串音大，消光比低，功耗大，并需设置散热装置