Przełączniki optyczneto kluczowe elementy przełączania optycznego, posiadające jeden lub więcej wybieralnych portów transmisyjnych, które mogą konwertować lub wykonywać operacje logiczne na sygnałach optycznych w optycznych liniach transmisyjnych. Mają szerokie zastosowanie w systemach sieci światłowodowych.
Przełączniki optyczne można podzielić na dwie główne kategorie: mechaniczne i nie-mechaniczne. Mechaniczne przełączniki optyczne polegają na ruchu włókien optycznych lub elementów optycznych w celu zmiany ścieżki optycznej; nie-mechaniczne przełączniki optyczne wykorzystują efekty elektro-optyczne, akustyczne-lub-termoptyczne lub termooptyczne w celu zmiany współczynnika załamania światła światłowodu, zmieniając w ten sposób ścieżkę optyczną. Strukturę i zasadę działania tych dwóch typów przełączników optycznych opisano poniżej.
Mechaniczny przełącznik optyczny
Nowe typy mechanicznych przełączników optycznych obejmują przełączniki optyczne z mikro-systemem elektromechanicznym (MEMS) i przełączniki optyczne z cienkiej-metalowej folii.
Przełączniki optyczne systemów mikroelektromechanicznych (MEMS) są produkowane na półprzewodnikowym materiale podłoża, tworząc szereg mikro-luster zdolnych do minimalnego ruchu i obrotu. Te mikro-lustra są bardzo małe, mają wymiary około 140 μm x 150 μm i pod wpływem siły napędowej przełączają wejściowy sygnał optyczny na różne włókna wyjściowe. Siła napędowa przykładana do mikro-luster jest generowana za pomocą efektów termicznych, magnetycznych lub elektrostatycznych. Budowę przełącznika optycznego MEMS pokazano na rysunku.
Kiedy mikro-lustro jest w orientacji 1, światło wejściowe jest wysyłane przez falowód wyjściowy 1; gdy mikro-lustro jest w orientacji 2, światło wejściowe jest wysyłane przez falowód wyjściowy 2. Obrót mikro-lustra jest sterowany napięciem (100-200 V). To urządzenie charakteryzuje się niewielkimi rozmiarami, wysokim współczynnikiem ekstynkcji (stosunek wyjściowej mocy optycznej w stanie-do wyjściowej mocy optycznej w stanie wyłączonym-), niewrażliwością na polaryzację, niskim kosztem, umiarkowaną szybkością przełączania i tłumiennością wtrąceniową mniejszą niż 1 dB. Strukturę metalowego, cienkowarstwowego przełącznika optycznego pokazano na rysunku 3-40. W tego typu przełączniku optycznym warstwa rdzenia falowodu znajduje się poniżej dolnej okładziny, a nad nią znajduje się cienka warstwa metalu, z powietrzem pomiędzy cienką warstwą metalu a falowodem. Napięcie przyłożone pomiędzy cienką warstwą metalu a podłożem wytwarza siłę elektrostatyczną działającą na cienką warstwę metalu. Pod wpływem tej siły cienka folia metalu przesuwa się w dół i styka się z falowodem, zmieniając współczynnik załamania światła falowodu, a tym samym zmieniając przesunięcie fazowe sygnału optycznego przechodzącego przez falowód. Na rysunku 3-40c, bez napięcia, cienka warstwa złota jest uniesiona, a przesunięcie fazowe w obu ramionach jest takie samo, więc sygnał optyczny jest wyprowadzany z portu 2; po przyłożeniu napięcia cienka warstwa metalu styka się z falowodem, powodując przesunięcie fazy π w tym ramieniu, a sygnał optyczny jest wyprowadzany z portu 1.
Nie-mechaniczny przełącznik optyczny
Do niemechanicznych przełączników optycznych zaliczają się takie typy, jak ciekłokrystaliczne przełączniki optyczne,-przełączniki optyczne z efektem elektrooptycznym, przełączniki optyczne z efektem termo-optycznym i półprzewodnikowe przełączniki ze wzmacniaczami optycznymi.
Ciekłokrystaliczny przełącznik optyczny jest wytwarzany poprzez utworzenie falowodów rozgałęziających spolaryzowaną wiązkę światła na materiale półprzewodnikowym. Na przecięciu falowodów pod określonym kątem wytrawia się rowek, po czym do rowka wtryskiwany jest ciekły kryształ. Pod rowkiem umieszczona jest grzałka. Gdy rowek nie jest nagrzany, wiązka światła przechodzi prosto; po podgrzaniu w ciekłym krysztale powstają pęcherzyki, a w wyniku całkowitego wewnętrznego odbicia światło zmienia kierunek i jest kierowane do żądanego falowodu.
Efekty elektro{0}}elektrooptyczne i termo-optyczne wykorzystują zjawisko polegające na tym, że współczynnik załamania światła niektórych materiałów zmienia się wraz z napięciem i temperaturą, umożliwiając w ten sposób tworzenie optycznych urządzeń przełączających.
Przełączniki optyczne półprzewodnikowego wzmacniacza optycznego (SOA) osiągają funkcjonalność przełączania poprzez zmianę napięcia polaryzacji półprzewodnikowego wzmacniacza optycznego.
Główne parametry przełączników optycznych obejmują zakres długości fali, tłumienność wtrąceniową, optyczną stratę odbicia, przesłuch, optyczną moc wejściową, stratę zależną{{0} od polaryzacji, powtarzalność, szybkość przełączania i żywotność.
Filtr optyczny
Filtry optyczne to urządzenia selektywne-pod względem długości fali, które mają ważne zastosowania w systemach komunikacji światłowodowej, takie jak filtrowanie szumu we wzmacniaczach optycznych, jak omówiono w poprzedniej sekcji. Szczególnie w sieciach światłowodowych WDM, gdzie każdy odbiornik musi wybrać żądany kanał, filtry stają się nieodzownym elementem. Filtry dzielą się na dwie główne kategorie: filtry stałe i filtry przestrajalne. Ten pierwszy umożliwia przejście światła sygnalizacyjnego o określonej długości fali, podczas gdy drugi może dynamicznie wybierać długości fal w określonym paśmie optycznym. Funkcje i klasyfikację filtrów optycznych pokazano na rysunku.
Charakterystyki transmisyjne praktycznego filtra optycznego pokazano na rysunku. Główne parametry filtra optycznego o stałej-długości fali to środkowa długość fali λ2 i szerokość pasma Δλ. Oprócz nich istnieją również parametry, takie jak tłumienność wtrąceniowa i izolacja.
Siatka światłowodowa
Siatki Fibre Bragg wykorzystują defekty powstałe podczas produkcji włókien, wykorzystując promieniowanie ultrafioletowe do tworzenia okresowych zmian w rozkładzie współczynnika załamania światła rdzenia światłowodu. Efekt filtrujący włóknistej siatki Bragga pokazano na rysunku; długości fal spełniające warunek siatki Bragga są całkowicie odbijane, podczas gdy inne długości fal przechodzą, co sprawia, że jest to filtr wycinający wykonany w całości-włóknowo.
Istnieją dwie metody wytwarzania siatek Bragga z włókien:
(1) Metoda interferencji:Metoda interferencji wykorzystuje zasadę interferencji dwóch-wiązek. Wiązka światła ultrafioletowego jest rozdzielana na dwie równoległe wiązki, tworząc pole interferencyjne na zewnątrz światłowodu. Dostosowując długości dwóch ramion interferencyjnych, można dostosować okres powstałych prążków interferencyjnych do wymagań wytwarzania włóknistej siatki Bragga.
(2) Metoda maski fazowej:Metoda maski fazowej wykorzystuje-prefabrykowaną maskę. Kiedy światło ultrafioletowe przechodzi przez maskę fazową, następuje interferencja, która tworzy pole interferencyjne na cylindrycznej powierzchni światłowodu, wpisując w ten sposób siatkę we włóknie.
