【正文】 MZI 波導(dǎo)一般生成在硅基底上，兩個(gè)波導(dǎo)壁具有相同的長度，其上渡有金屬薄膜加熱器形成相位延遲器。 圖 MZI型熱光開關(guān) MZI干涉儀型熱光開關(guān)的主導(dǎo)思想是利用光相位特性。當(dāng)電功率被加載到其中一個(gè)分支上的加熱器時(shí)，加熱器下面的波導(dǎo)溫度升高，折射率減小，從而阻止光沿著該分支傳輸，同時(shí)光功率轉(zhuǎn)向另一側(cè)分支。熱光開關(guān)可以用硅基材料制作，也可以用聚合物材料制作。盡管由于需求不足和開發(fā)投資巨大，MEMS 的研發(fā)受通信和信息的低迷而遇到很大困難，但它將對(duì)未來光交換的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。由于 MEMS 光開關(guān)是靠鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)交換功能，所以任何機(jī)械摩擦、磨損或震動(dòng)都可能損傷光開關(guān)。三維結(jié)構(gòu)主要靠兩個(gè)微鏡陣列完成兩個(gè)光纖陣列的光波空間連接，每個(gè)微鏡能向任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)，都有多個(gè)可能的位置，輸入光線到達(dá)第一個(gè)陣列鏡面上后，被反射到第二個(gè)陣列的預(yù)制鏡面上，然后再被反射到輸出端口。它很容易從開發(fā)階段向大規(guī)模的生產(chǎn)，開關(guān)矩陣的規(guī)模可以允許擴(kuò)展到數(shù)百個(gè)端口。轉(zhuǎn)換狀態(tài)通過靜電控制使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)微鏡為水平時(shí)，可使光束通過該微鏡，當(dāng)微鏡旋轉(zhuǎn)到與硅基底垂直時(shí)，它將反射入射到它表面的光束，從而使光束從該微鏡對(duì)應(yīng)的輸出端口輸出。基于鏡面的二維 MEMS 器件是一種受靜電控制的二維微鏡面陣列組成，安裝在機(jī)械底座上，準(zhǔn)直光束和旋轉(zhuǎn)微鏡構(gòu)成多端口光開關(guān)矩陣，其原理如圖 。 MEMS有低損耗、低串?dāng)_、低偏振敏感性、高消光比、體積小、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)。它在一塊芯片上將電、機(jī)械和光合成一體，透明傳送不同速率、不同協(xié)議的業(yè)務(wù)，是一種有廣泛的應(yīng)用前景的光開關(guān)。機(jī)械型光開關(guān)在最近幾年已得到廣泛的應(yīng)用，但隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這種開光難以適應(yīng)未來高速、大容量光傳送網(wǎng)發(fā)展的需求。 圖 三種機(jī)械光開關(guān)的結(jié)構(gòu) 機(jī)械型光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗低（小于1dB）， 隔離度高（大于 45dB），與波長和偏振無光，制作技術(shù)成熟。 ? 機(jī)械光開關(guān) 根據(jù)工作原理的區(qū)別，機(jī)械光開關(guān)可以分為移動(dòng)光纖、移動(dòng)套管、移動(dòng)準(zhǔn)直器、移動(dòng)反光鏡、移動(dòng)棱鏡和移動(dòng)耦合器等多種類型。 （ 4）串?dāng)_ 串?dāng)_是指某輸出端口的功率除了有來自希望的輸入端口外．還有來自不希望的輸入端口的功率，二者的光功率之比稱為串?dāng)_。插損越小越好。機(jī)械開關(guān)的通斷消光比大約為 4050 dB。 （ 2）通斷消光比 通斷消光比是指光開關(guān)處于通（開）狀態(tài)時(shí)輸出的光功率和處于斷（關(guān)）狀態(tài)時(shí)的輸出光功率之比。 光開關(guān)的性能參數(shù) （ 1）開關(guān)速度 光開關(guān)的開關(guān)速度或稱開關(guān)時(shí)間是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。大型或級(jí)聯(lián)光開光一般要求具有嚴(yán)格無阻塞特性。消光比是指開關(guān) on 和 off 時(shí)輸出功率之比（常用 dB 表示），阻塞性質(zhì)是指任一輸入端的信號(hào)能否在任意時(shí)刻接通到任意輸出端的性質(zhì)。 聲光可調(diào)諧濾波器的功率轉(zhuǎn)換與波長的關(guān)系曲線 Ｌ 為聲光相互作用長度，可以證明， T(?)的半峰值全寬（ FWHM）即濾波器的通帶B≈?，雖然 Ｌ 越長帶寬越窄，但另一方面， L 越長，調(diào)諧速度越慢，因?yàn)樗陕暡ㄔ?AOTF中的傳播時(shí)間決定，相互作用長度越長，時(shí)間越長。 3. AOTF的通帶 布拉格條件決定了被選擇的波長 ， 濾波的通帶寬度是由聲光相互作用的長度決定的 ， 相互作用的長度越長 ， 濾波器的通帶越窄 ， 這可由 AOTF的功率轉(zhuǎn)換透過率函數(shù)與波長的關(guān)系得到證明 。 輸出偏振器組合 TE模和 TM模。這個(gè) SAW在 LiNbO3中引起變形 ， 從而產(chǎn)生LiNbO3折射率周期性波動(dòng) ， 這些波動(dòng)作為動(dòng)態(tài)布拉格光柵工作 。 作為例子 ， TE波沿上圖的上臂移動(dòng) ， 而 TM波沿下臂傳播 。 與偏振無關(guān)的 AOTF的原理框圖 2. AOTF的原理 AOTF的工作原理如下：兩個(gè)構(gòu)成馬赫 曾德 爾結(jié)構(gòu)的鈦 (Ti) 波導(dǎo)被鏤 蝕在LiNbO3雙折射半導(dǎo)體中 。下圖給出了一個(gè)與偏振無關(guān)的AOTF的原理框圖。 上面討論的 AOTF是假設(shè)所有輸入的光能集中在 TE模，因而是與偏振有關(guān)的器件。 對(duì)于 LiNbO3晶體 ， nTE、nTM模折射率的差為 ?n=， 因而布拉格方程為 ?=Λ(?n) 因 ?n=，選擇中心波長 ?= μm， 則由布拉格方程知， ?=22 μm，聲波在LiNbO3中的速度約為 km/s，則相應(yīng)的電驅(qū)動(dòng) RF頻率為 170 MHz。聲音換能器將電能轉(zhuǎn)換成聲波在波導(dǎo)中傳輸， 如果輸入光波的波長為?1 ?2… ?N，由于聲波在波導(dǎo)中傳播引起的介質(zhì)折射率的周期性變化，其作用相當(dāng)于形成了光柵，當(dāng)光波的波長滿足布拉格（ Bragg）條件時(shí)，則 TE模的能量會(huì)轉(zhuǎn)移到 TM模，因而能通過偏振器輸出，其余的被拒絕。 波導(dǎo)由雙折射材料制成 ， 只允許最低次模 TE和 TM模在其中傳播 。 1. AOTF的結(jié)構(gòu) AOTF是基于聲 （ 波 ） 與光相互作用原理制成的光器件 ， 下圖給出了它的一種結(jié)構(gòu) 。梳妝濾波器一般是利用高階光學(xué)干涉途徑實(shí)現(xiàn)，可以利用麥克尓遜干涉原理、 FP干涉原理、 MZ干涉原理等制成，可以是光纖型的，也可以是晶體型的。這種器件是一種梳狀濾波器，可以對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行梳理和交織，也稱為光數(shù)字波分復(fù)用器 ，如圖 。我國國標(biāo)規(guī)定的復(fù)用器和解復(fù)用器的相關(guān)參數(shù)應(yīng)滿足表 。除此之外，人們也用 MZ結(jié)構(gòu)和平面波導(dǎo)構(gòu)成 WDM復(fù)用器件。作為WDM器件，它的插損較小，但串?dāng)_不容易達(dá)到最小。 ?x是輸入 /輸出波導(dǎo)在平面波導(dǎo)端面處的間隔。 2gsccgcmnddf n dc ndnnnd??????????????? 其中 ， c 是光速 ， ng 是通道陣列波導(dǎo)的群折射率 。陣列波導(dǎo)是由一系列不等長度的通道波導(dǎo)構(gòu)成的 ， 相鄰兩波導(dǎo)的長度差為常數(shù) ?L，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的波長相關(guān)相移使陣列波導(dǎo)呈現(xiàn)衍射光柵的特性 ， 其光柵方程為 nsd sin?i+nc?L+nsd sin?0=m? （ 641） 其中： ns、 nc 是平面波導(dǎo)和通道陣列波導(dǎo)的有效折射率； ?i 和 ?j 是輸入 /輸出平面波導(dǎo)中的衍射角； d 是陣列波導(dǎo)的間距； m 是光柵衍射級(jí)； ? 是光波長； i、 j 是輸入 /輸出波導(dǎo)的序號(hào) 。 圖 平面波導(dǎo)的羅蘭盤結(jié)構(gòu)（ R為羅蘭圓半徑） 另外 ， 陣列波導(dǎo)的數(shù)量要足夠多 ， 以充分接收平面波導(dǎo)區(qū)的衍射光功率 ， 這樣陣列波導(dǎo)和兩個(gè)平面波導(dǎo)區(qū)就構(gòu)成了 1:1的光學(xué)成像系統(tǒng) 。 圖 AWG的原理結(jié)構(gòu)和輸出特性 由圖 （ a）可知 AWG的結(jié)構(gòu)，它將N個(gè)輸入波導(dǎo)、 N個(gè)輸出波導(dǎo)、兩個(gè)聚焦平面波導(dǎo)（星形耦合器）和通道陣列波導(dǎo)集成在單一襯底上，使得輸入 /輸出波導(dǎo)的位置和陣列波導(dǎo)的位置滿足羅蘭圓規(guī)則。 精確設(shè)計(jì)陣列波導(dǎo)的路徑數(shù)和長度差，可以使不同波長的信號(hào)在第二個(gè)平面耦合波導(dǎo)輸出端的不同位置形成主極強(qiáng)，分別耦合到不同的輸出波導(dǎo)中，從而起到解復(fù)用的作用。 陣列波導(dǎo)由很多長度依次遞增的波導(dǎo)路徑構(gòu)成，光經(jīng)過不同的波導(dǎo)路徑到達(dá)第二個(gè)平面耦合波導(dǎo)時(shí)，產(chǎn)生不同的相位延遲，在第二個(gè)耦合波導(dǎo)中相干疊加。它是由出入波導(dǎo)，兩個(gè)平面耦合波導(dǎo)，陣列波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)構(gòu)成的。可以看出，此解復(fù)用器通帶特性良好，頂部平頂較大，邊沿較陡峭。它是一種串行器件，當(dāng)復(fù)用路數(shù)較多時(shí)，各路的插入損耗差異較大，但各信道間的串?dāng)_可以做到較小。當(dāng)光纖安裝在 GRIN透鏡的軸上時(shí)，準(zhǔn)直后的光束垂直于濾光片，這樣就可以避免極化效應(yīng)發(fā)生，所以圖 于波分復(fù)用器件。 圖 基本的干涉膜濾波器型解復(fù)用器件的結(jié)構(gòu) 圖 安裝在透鏡軸上的波分復(fù)用器件 從自聚焦透鏡的成像性質(zhì)，我們不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)光纖離開自聚焦棒的軸線安裝時(shí)，經(jīng)四分之一節(jié)距的 GRIN透鏡準(zhǔn)直后的平行光和透鏡軸線成一定角度，即準(zhǔn)直后的光斜入射到濾光片上。其基本原理可以通過每層薄膜的界面上多次反射和透射光的線性疊加來解釋。它是由自聚焦透鏡和濾光片組成。 光柵型解復(fù)用器是一種并行器件，它可以同時(shí)分開多路不同波長的信號(hào)，使各路的插入損耗都一樣，具有解復(fù)用路數(shù)多，分辨率較高等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)中。 圖 光柵型解復(fù)用器的三種結(jié)構(gòu) 當(dāng)入射光被準(zhǔn)直成平行光后照射到光柵上，被光柵的周期性槽溝衍射，向各個(gè)方向傳播，在成像平面上，來自各個(gè)槽溝的同波長光干涉疊加形成具有最大和最小強(qiáng)度變化的干涉條紋，主最大強(qiáng)度的方向可以由下式給出： （ 639） 取 k = 1，對(duì)波長 ?i，可以得到 （ 640） si n , 1 , 2 , 3 ,d k k????s in ii d?? ? 上式說明各個(gè)波長在一個(gè)確定的角度上有它的主最大，即不同波長的主最大相互分開一個(gè)角度，這就是光柵能夠?qū)⒍嗖ㄩL信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用的原因。為減小服用信道的串音，復(fù)用信道的波長間隔應(yīng)遠(yuǎn)大于器件能夠分辨的最小波長差。當(dāng)入射光被準(zhǔn)直后，照射到光柵上，由于光柵的角色散作用，不同波長的光以不同角度出射，然后經(jīng)透鏡匯聚到不同的輸出光纖，從而完成波分解復(fù)用功能。本節(jié)著重介紹光柵型、干涉膜濾波器型和陣列波導(dǎo)光柵型三種在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中常用的復(fù)用、解復(fù)用器件。 WDM系統(tǒng)要求相鄰信道隔離度大于 25dB，非相鄰信道的隔離度大于 22dB。 （ 2）信道隔離度和串?dāng)_ 信道隔離度定義為第 i 信道輸出端口測得的信號(hào)功率 Pi(?i)與第 j信道在第 i 輸出端口測得的串?dāng)_功率 Pj(?i)(i?j)之比，為第 j 信道對(duì)第i 信道的隔離度。 （ 1）中心波長和通帶特性 中心波長是指各信道的中心波長。 2 c o skDd ??Nk?? 波分復(fù)用、解復(fù)用器件 波分復(fù)用（ WDM）器件是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，是關(guān)系波分復(fù)用系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件。由式（ 636）、（ 637）可知，光柵的角色散本領(lǐng)與光柵常數(shù) d 成反比，與 k 成正比；光柵的色分辨本領(lǐng)與光柵的總槽數(shù) N 和 k 成正比。光學(xué)元件的 色分辨本領(lǐng)定義為 （ 635） 式中， ??min是瑞利判據(jù)所規(guī)定的角色散元件能夠分辨的兩譜線的最小波長差。角色散本領(lǐng)是相距為單位波長的光波散開角度，其表達(dá)式為 （ 634） 式中， ? 和 ? 分別為散開的角度和光波長。圖 （ b）所示的閃爍光柵是最常用的平面光柵，因?yàn)樗茉谝欢ǖ牟ㄩL范圍內(nèi)將很高比例的光功率集中在第一級(jí)衍射光束中。 ( s i n s i n )i n dkb? ? ??? 光柵的形狀與衍射角度沒有關(guān)系，但與各級(jí)衍射光束的相對(duì)強(qiáng)度有關(guān)。這種光柵可以用光刻的方法在很多材料上刻蝕出周期性結(jié)構(gòu)，周期結(jié)構(gòu)可以呈鋸齒狀、閃爍狀、矩形等，如圖。 c o s 2 2 c o sc o s c o sll A B B C l l? ???? ? ? ? ? ?2 ln??? ? ? ??2 c o sTnlm?? ?? 光柵 廣義上講，任何一個(gè)具有周期性空間結(jié)構(gòu)或周期性光學(xué)性質(zhì)的衍射屏都是一個(gè)光柵。如圖 （ a）所示。中間介質(zhì)的折射率是 n，兩邊介質(zhì)的折射率是 n180。即是說，長度為