Technologie Przełączania Optycznego

Podstawy komutacji optycznej

Komutacja optyczna umożliwia zmianę połączenia między portami bez konwersji sygnału do domeny elektrycznej. mapuje port wejściowy na wyjściowy i tworzy ścieżkę optyczną przez węzeł. Przełączany może być cały światłowód, pasmo długości fal albo pojedyncza długość fali. Ten proces nazywa się komutacją fotoniczną. Taki element fotoniczny wspiera elastyczne sieci o dużej pojemności bez operacji właściwych dla przełącznika elektrycznego.

W przełącznikach wieloportowych elementy komutacji optycznej są łączone w struktury pól komutacyjnych, które wyznaczają dostępne połączenia między portami wejściowymi i wyjściowymi.

Klasyfikacja systemów komutacji optycznej

Systemy komutacji optycznej klasyfikuje się według granulacji przełączania oraz sposobu przetwarzania sygnału.

Według granulacji przełączania

Komutacja światłowodów: Całe widmo zajmowane przez sygnały w światłowodzie wejściowym jest przełączane jako jedna jednostka na światłowód wyjściowy.
Komutacja pasm fal: Zdefiniowana grupa sąsiednich długości fal jest przełączana razem.
Komutacja długości fal: Każdy kanał optyczny jest kierowany niezależnie. Granulacja musi odpowiadać funkcjom elementu, na przykład przełączaniu długości fali w węźle WDM. Jest to typowy wariant w sieciach WDM.

Według metody przetwarzania

Komutacja optoelektroniczna (O-E-O): Sygnał optyczny jest zamieniany na elektryczny, przełączany elektronicznie i ponownie zamieniany na optyczny. Taki tor może realizować regenerację 3R, lecz jego przepływność i format zależą od elektroniki.
Komutacja całkowicie optyczna (fotoniczna, O-O-O): Sygnał pozostaje w domenie optycznej. Tor może być przezroczysty dla przepływności i formatu, ale parametry transmisyjne zależą od zastosowanej technologii.

Parametry przełączników optycznych

Zgodnie z zakresem parametrów dla elementów optycznych ocenia się między innymi:

Czas przełączania: Czas zmiany stanu mierzony według przyjętego kryterium mocy wyjściowej, na przykład osiągnięcia 90% wartości końcowej. W zależności od technologii może obejmować zakres od nanosekund w przełącznikach elektrooptycznych do milisekund w rozwiązaniach mechanicznych.
Straty wtrąceniowe: Spadek mocy podczas przejścia przez element. Niższa wartość jest korzystna, ponieważ wraz z liczbą elementów i portów wpływa na budżet mocy całego pola komutacyjnego.
Przenik: Niepożądana moc sygnału przedostająca się do nieaktywnego lub niewłaściwego portu. Parametr opisuje się jako stosunek mocy przecieku do mocy sygnału pożądanego, zwykle podawany w dB. Wartość około -50 dB oznacza mały przeciek i ogranicza zakłócenia między kanałami.
Liczba portów: Liczba portów wejściowych i wyjściowych, na przykład w przełącznicy 16x16. Zastosowania w sieci szkieletowej wymagają pól o dużej liczbie portów.
Zakres długości fal i moc wejściowa: Element musi pracować w określonym zakresie widmowym oraz przy dopuszczalnej mocy optycznej.
Polaryzacja, powtarzalność i izolacja: Zależność od polaryzacji i długości fali, stabilność kolejnych przełączeń oraz izolacja portów opisują zachowanie elementu w rzeczywistym torze.

Elementy komutacyjne w falowodach

Elementy zintegrowane prowadzą światło w mikroskali, w i zmieniają ich współczynnik załamania albo sprzężenie, aby przekierować sygnał.

1. Przełączniki Elektrooptyczne

Urządzenia te wykorzystują efekt elektrooptyczny, w którym określonego materiału zmienia się pod wpływem pola elektrycznego. Stosuje się między innymi niobian litu, w tym falowody domieszkowane tytanem ( $\text{Ti:LiNbO}_3$ ). W sprzęgaczu kierunkowym napięcie zmienia sprzężenie dwóch falowodów i wybiera stan skrzyżowany albo prosty.
Zalety: Krótki czas przełączania, zwykle rzędu nanosekund, i brak części ruchomych. Ograniczenia: koszt, straty oraz wymagania sterowania zależą od wykonania.

2. Przełączniki Akustooptyczne

Ta technologia wykorzystuje efekt akustooptyczny. Fala dźwiękowa tworzy w krysztale okresową zmianę współczynnika załamania, która działa jak siatka dyfrakcyjna i odchyla wiązkę. Włączenie lub wyłączenie fali zmienia stan elementu, a kąt ugięcia opisuje kąt Bragga ( $\theta_B$ ).

3. Przełączniki Termooptyczne

Przełączniki te wykorzystują zmianę temperatury do modyfikacji współczynnika załamania. Jedną z odmian jest przełącznik pęcherzykowy: mikrogrzałka w miejscu przecięcia falowodów tworzy pęcherzyk, który zmienia warunki propagacji i może skierować światło do alternatywnej ścieżki przez całkowite wewnętrzne odbicie.
Zalety: Prosta struktura. Ograniczenia: przełączanie może trwać milisekundy, a czas i stabilność zależą od bezwładności cieplnej oraz konstrukcji.

4. Przełączniki oparte o Półprzewodnikowe Wzmacniacze Optyczne (SOA)

SOA może działać jak bramka optyczna, ponieważ prąd sterujący zmienia jego wzmocnienie i transmisję. Przy włączonym prądzie element staje się przezroczysty i wzmacnia światło, a przy ograniczeniu prądu zwiększa tłumienie i pochłania sygnał. Matryca SOA może więc łączyć szybkie przełączanie ze wzmocnieniem, przy czym szum i nieliniowości pozostają parametrami projektu.

Komutacja w wolnej przestrzeni: lustra MEMS

Przełączniki wolnoprzestrzenne kierują wiązkami za pomocą macierzy mikroskopijnych, ruchomych luster. W rozwiązaniach MEMS małe lustra są integrowane na podłożu krzemowym, a ich położenie wyznacza parę portów połączonych w polu komutacyjnym.

MEMS 2D

W tej architekturze lustra mają zwykle dwa położenia. Mogą wejść w tor wiązki, aby ją odbić, albo opuścić go, aby przepuścić światło do kolejnego lustra w układzie crossbar. Dla przełącznika z $N$ portami liczba elementów przełączających rośnie w przybliżeniu jak $N^2$ , dlatego rozmiar pola ogranicza liczba luster i straty skumulowane w torze.

MEMS 3D

Układ składa się z dwóch macierzy luster ustawianych analogowo na dwóch osiach. Lustro wejściowe kieruje wiązkę do wybranego lustra wyjściowego, które prowadzi ją do właściwego portu. W idealizowanym modelu przełącznica $N \times N$ wymaga około $2N$ luster, co ułatwia budowę dużych pól OXC, lecz rzeczywista skala zależy od geometrii, sterowania i budżetu mocy.

Właściwości przełączników MEMS

Przełączniki MEMS zapewniają przezroczystość optyczną, ponieważ nie wymagają konwersji sygnału do domeny elektrycznej. Zachowują niezależność od przepływności i formatu modulacji, a ich zaletami są małe straty, niski przenik i możliwość budowy dużych pól. W praktyce zastosowanie zależy od strat wtrąceniowych, przeniku, czasu przełączania, stabilności oraz liczby portów.