Анализ известных технологий оптической коммутации

Глава 1. Анализ известных технологий оптической коммутации

1.1. Обзор технологий оптической коммутации

1.2. Параметры оптических переключателей и коммутаторов

1.3. Реконфигурируемые оптические мультиплексоры ввода/вывода

Глава 2…

Глава 4…

Приложения

Библиографический список

Глава 1. Анализ известных технологий оптической коммутации

1.1. Обзор технологий оптической коммутации
Анализ известных средств оптической коммутации выявил следующие основные типы оптических коммутаторов:

- механические оптические коммутаторы,

- электрооптические,

- термооптические,

- на основе полупроводниковых оптических усилителей (SOA),

- интегральные активно-волноводные,

- на фотонных кристаллах,

- на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах,

- на интегральных схемах с набором матриц оптоэлектронных вентилей, связанных оптическим лучом,

- на основе нелинейных оптических петлевых зеркал [31].

В перечисленных оптических коммутаторах не используется оптоэлектронное преобразование сигнала [60]. Наиболее быстродействующими среди них являются электрооптические коммутаторы, работающие на принципе изменения показателя преломления рабочей среды под. воздействием внешнего электрического поля: Время их. Переключения составляет порядка 10 - 100 пс [61].

Некоторые виды коммутаторов разработаны только теоретически и не имеют технических характеристик.

Рисунок 1.1. Параметры; оптических коммутаторовщля полностью оптических сетей связи с коммутацией каналов, по горизонтали отложены значения быстродействия, по вертикали - число портов/каналов.

Рассмотрим подробнее виды оптических коммутаторов. Механические оптические коммутаторы используют механическое перемещение элемента, коммутирующего световой поток от входного оптического- порта к выходному, обеспечивают электронно- механическую коммутацию на микроуровне (micro-electro-mechanical switching - MEMS). Их время переключения - от 10 до 500 мс [62, 63]. Следовательно, они.применимы только для автоматической реконфигурации сети. Достоинство этих устройств - небольшие вносимые потери (до 3 дБ) и большое переходное затухание (до -55 дБ).

По сравнению с оптоэлектронными кроссконнекторами фотонные коммутаторы MEMS занимают объем в 30 раз меньше и потребляют примерно в 100 раз меньше энергии. Для них характерно низкое быстродействие, чувствительность к вибрации и широкополосность диапазона переключения.

Сегодня подобные устройства могут обеспечивать коммутацию 256x256 спектральных каналов, и планируется выпуск устройств с возможностями 1024x1024 и выше. Механические оптические коммутаторы описаны в патентах РФ: №2251131 от 01.04.2003 «Коммутатор оптический многоканальный для оптических линий связи».

Электрооптические коммутаторы (ЭОК) используют направленные разветвители для фокусировки светового потока на одном из выходных портов за счет управления коэффициентом связи, посредством изменения коэффициента преломления материала разветвителя в зоне оптической связи.

ЭОК обладают исключительно высокой скоростью переключения (порядка 10 —100 пс), ограниченной паразитной емкостью электродов, и могут использоваться для внешних модуляторов* [63]. Емкость коммутаторов этого типа мала (2x2), хотя ее можно увеличить, разместив несколько коммутаторов на одной подложке.

Термооптические коммутаторы основаны на явлении изменения коэффициента преломления под действием температуры [61]. В качестве коммутирующего устройства используется интерферометр Маха-Цендера (MZI) [92], материал волноводов которого под действием температуры изменяет эффективный коэффициент преломления. Это в свою очередь ведет к изменению разности фаз между двумя плечами интерферометра, вызывающему эффект коммутации входного сигнала с одного выхода на другой. Базовыми являются коммутирующие элементы емкости 2x2, которые при определенном каскадировании позволяют сформировать коммутаторы 8x8.

Акустооптические коммутаторы основаны на явлении изменения коэффициента преломления под действием напряжений в кристалле и во многом похожи на термооптические коммутаторы.

Акустооптические коммутаторы описаны в патентах РФ: №2343517 от 28.07.2004 «Поляризационно-независимый акустооптический оптоволоконный коммутатор» и №2226289 от 05.08.2002 «Акустооптический оптоволоконный коммутатор и способ изготовления оптоволоконной матрицы».

Оптоэлектронные коммутаторы можно строить и на основе полупроводниковых оптических усилителей (SOA - Semiconductor Optical Amplifier), например, лазерных усилителей с резонатором Фаби-Пэро в цепи обратной связи, если в качестве параметра управления коммутацией использовать напряжение смещения [61]. При малом» напряжении смещения произойдет поглощение входного сигнала усилителем — состояние «выключено». При увеличении напряжения восстанавливается нормальное усиление сигнала - состояние «включено». Таким образом, сочетание нормального усиления с отсечкой сигнала, т.е. моделирование ключевого режима работы устройства, позволяет использовать SOA в качестве оптоэлектронного коммутатора. Данный коммутатор обладает достаточно высоким быстродействием (1 нс) [50]. На его основе совместно с пассивными оптическими компонентами — разветвителями — можно строить коммутаторы большой емкости. Однако высокая стоимость SОA как отдельного элемента делает это решение неконкурентным, по сравнению, например, с электрооптическими коммутаторами, у которых сопоставимые по быстродействию характеристики.

Оптоэлектронные коммутаторы на основе полупроводниковых оптических усилителей описаны в патентах РФ: 2024899 от 15.12.1994 «Оптический транзистор».

Интегральные активно-волноводные коммутаторы/переключатели (АВК, AWS - Active-Waveguide Switch) - это логическое развитие идей оптоэлектронных коммутаторов на основе полупроводниковых оптических усилителей [61]. Результатом стало объединение в оптоэлектронную интегральную схему полупроводниковых оптических усилителей и оптических волноводных устройств, поэтому по своим характеристикам интегральные активно-волноводные коммутаторы/переключатели аналогичны полупроводниковым оптическим усилителям.

Интегральные активно-волноводные коммутаторы описаны в патентах РФ: №2345392 от 13.08.2007 «Интегральный- многоканальный активно-волноводный коммутатор» и №2107318 от 20.03.1998 «Многоканальный активно-волноводный коммутатор».

Известны также устройства многоканальной коммутации, основанные на распараллеливании коммутируемых каналов. Этот подход позволяет повысить степень интеграции за счет использования для коммутации большого числа электрооптических коммутаторов, выполненных на одной пластине из материала, обладающего электрооптическими свойствами, например из ниобата лития. Типичным примером такого решения является многоканальный волоконно-оптический коммутатор, описанный в патенте РФ №2107318. Коммутаторы на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах описаны в патентах РФ:

- №2040132 от 31.08.93 «Контактное устройство для соединения плоских кабелей»;

-№2090021 от 28.07.95 «Электронная.сборка»;

- №2124748 от 31.12.96 «Оптоэлектронный узел»;

- №2158020 от 10.01.99 «Оптоэлектронный узел».

Этот тип коммутаторов использует способность жидких кристаллов становиться прозрачными (или светопроводящими) или непрозрачными под действием приложенного управляющего напряжения, широко используемую в ЖК-матрицах плоских мониторов.

Однако, задача исследования в нашей работе – не столько коммутатор, сколько переключатель, активирующий резервную линию при прерывании сигнала на основной.

В отличие от предыдущих технологий многослойные световодные ЖК-матрицы сразу позволяют создавать многопортовые коммутаторы, минуя стадию базового элемента размера 2x2, хотя и за счет сложной системы электрического управления» процессом коммутации. Коммутатор на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах потенциально имеет широкие возможности использования и может быть применен не только в качестве оптического переключателя, но и в качестве оптического процессора с реализацией возможностей обработки оптических сигналов. Однако нет информации о том, имеет ли известный коммутатор на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах на данный момент реализованный прототип.

Переключатели на матрицах оптоэлектронных вентилей основаны на так называемой интеллектуальной глобальной- технологии взаимодействия, с помощью оптического луча, распространяющегося в свободном пространстве.

В нелинейных оптических петлевых зеркалах [47] применяется нелинейный интерферометр Саньяка [88] (рисунок 1.2), в котором используется оптическая обработка сигналов, основанная на относительном фазовом сдвиге двух встречно распространяющихся оптических импульсов. Фазовый сдвиг создается за счет эффекта фазовой кросс-модуляции оптическим импульсом, изменяющим нелинейный показатель преломления в петле интерферометра Саньяка (эффект Керра).

Рисунок 1.2. Схема нелинейного оптического петлевого зеркала на основе интерферометра Саньяка

Также известно устройство, представляющее собой двумерный фотонный кристалл (воздушные цилиндрические поры внутри активного материала), который может переключаться, то есть изменять во времени пространственное распределение светового потока за счет линейных оптических эффектов (термооптического, электрооптического, механооптического и прочих эффектов) (патент США №6674949).

Известно устройство, представляющее собой двумерный фотонный кристалл на основе сегнетоэлектрического материала, переключаемого электрическим полем. Основной • слой содержит фотонные кристаллы, сформированные сегнетоэлектрическими элементами, сделанными из сегнетоэлектрического вещества и периодически расположенными по одномерному направлению или двумерным направлениям. Электроды использованы для приложения электрического поля к основному слою (патент США №7034978).