Technologie Przełączania Optycznego

Jak działają OXC wewnątrz: przełączniki MEMS, termooptyczne, pęcherzykowe i holograficzne.

Wprowadzenie do Komutacji Optycznej

W sercu nowoczesnej sieci optycznej leży zdolność do kierowania światłem. działa jak zaawansowana zwrotnica kolejowa. Zamiast przekierowywać pociągi, kieruje ona pojedynczymi wiązkami światła lub całymi strumieniami danych w światłowodach. Jej głównym zadaniem jest odebranie sygnału świetlnego z wejściowego światłowodu i przekierowanie go do konkretnego światłowodu wyjściowego, tworząc ciągłą ścieżkę optyczną przez węzeł sieci. Ten proces, znany jako komutacja fotoniczna, ma kluczowe znaczenie dla budowy elastycznych sieci o dużej pojemności.

Ta strona bada podstawowe technologie – elementy komutacji optycznej – które to umożliwiają, oraz różne architektury, czyli pola komutacyjne, używane do budowy przełączników optycznych na dużą skalę.

Klasyfikacja Technologii Komutacyjnych

Systemy komutacji optycznej można klasyfikować zarówno na podstawie implementacji technologicznej, jak i granulacji przełączania.

Według Granulacji Przełączania

Komutacja światłowodów: Cała wiązka długości fal w światłowodzie wejściowym jest przełączana jako pojedyncza jednostka na światłowód wyjściowy.
Komutacja pasm fal: Grupa kilku długości fal ("pasmo") jest przełączana razem.
Komutacja długości fal: Każda pojedyncza długość fali (kolor światła) jest przełączana niezależnie. Jest to najczęstsza forma w sieciach WDM.

Według Metody Przetwarzania

Komutacja Optoelektroniczna (O-E-O): Przychodzący sygnał optyczny jest konwertowany na sygnał elektryczny, przełączany elektronicznie, a następnie ponownie konwertowany na sygnał optyczny. Pozwala to na regenerację sygnału (3R), ale jest ograniczona prędkością elektroniki.
Komutacja Całkowicie Optyczna (Fotoniczna, O-O-O): Sygnał pozostaje w postaci światła przez cały proces przełączania. Jest to technologicznie trudniejsze, ale oferuje ogromny potencjał przepustowości i jest niezależne od szybkości i formatu danych.

Parametry Wydajnościowe Przełączników Optycznych

Wydajność przełącznika optycznego jest oceniana na podstawie kilku kluczowych parametrów:

Czas przełączania: Czas potrzebny na zmianę stanu przełącznika, od momentu podania sygnału sterującego do chwili, gdy moc wyjściowa osiągnie 90% wartości końcowej. Waha się od nanosekund (dla przełączników elektrooptycznych) do milisekund (dla przełączników mechanicznych).
Tłumienie (Straty wtrąceniowe): Utrata mocy sygnału podczas jego przejścia przez przełącznik. Niższe wartości są lepsze. Duże tłumienie ogranicza skalę pola komutacyjnego.
Przenik (Crosstalk): Niepożądane przeciekanie sygnału z jednej ścieżki do drugiej. Jest to stosunek mocy sygnału pożądanego do mocy sygnału, który "przeciekł". Niskie wartości przeniku (np. -50 dB) są kluczowe dla wysokiej wydajności.
Liczba portów: Liczba portów wejściowych i wyjściowych (np. przełącznica 16x16). Aplikacje w sieciach szkieletowych wymagają przełącznic o dużej liczbie portów.
Zależność od polaryzacji i długości fali: Idealny przełącznik powinien działać tak samo, niezależnie od polaryzacji i długości fali światła. W rzeczywistości niektóre technologie wykazują taką zależność, co może degradować sygnał.

Elementy Komutacyjne w Fali Prowadzonej: Manipulowanie Światłem na Chipie

Te przełączniki działają w mikroskali, zamykając światło w zintegrowanych i zmieniając ich właściwości, aby je przekierować.

1. Przełączniki Elektrooptyczne

Urządzenia te wykorzystują efekt elektrooptyczny, w którym określonego materiału zmienia się pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Najpopularniejszym materiałem jest Niobian Litu ( $\text{Ti:LiNbO}_3$ ). Typowa struktura to sprzęgacz kierunkowy z dwoma równoległymi falowodami. Przyłożenie napięcia zmienia sprzężenie między nimi, przełączając światło między stanem „skrzyżowanym” a „prostym”.
Zalety: Ekstremalnie szybkie (nanosekundy), brak części ruchomych. Wady: Wysoki koszt, duże straty sygnału.

2. Przełączniki Akustooptyczne

Ta technologia wykorzystuje efekt akustooptyczny, w którym fala dźwiękowa tworzy okresowe naprężenia w krysztale, formując siatkę dyfrakcyjną, która może uginać wiązkę światła. Przełączanie osiąga się poprzez włączanie i wyłączanie fali dźwiękowej. Kąt ugięcia nazywany jest kątem Bragga ( $\theta_B$ ).

3. Przełączniki Termooptyczne

Przełączniki te wykorzystują ciepło do zmiany współczynnika załamania materiału. Popularnym przykładem jest przełącznik pęcherzykowy. Przecinające się falowody są wypełnione cieczą. Mikrogrzałka w miejscu przecięcia gotuje ciecz, tworząc pęcherzyk, który odbija światło do alternatywnej ścieżki na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia.
Zalety: Prosta produkcja. Wady: Bardzo wolne (milisekundy) z powodu bezwładności cieplnej.

4. Przełączniki oparte o Półprzewodnikowe Wzmacniacze Optyczne (SOA)

SOA może działać jak bramka optyczna. Kiedy przepływa przez niego prąd, staje się on przezroczysty i wzmacnia przechodzące światło. Bez prądu staje się nieprzezroczysty i pochłania światło. Aranżując SOA w matrycę, można zbudować bardzo szybki przełącznik, który dodatkowo zapewnia wzmocnienie sygnału.

Komutacja w Wolnej Przestrzeni: Lustra MEMS

Przełączniki wolnoprzestrzenne fizycznie kierują wiązkami światła za pomocą macierzy mikroskopijnych luster. Technologia ta jest zdominowana przez MEMS (Systemy Mikro-Elektro-Mechaniczne), które integrują małe, ruchome lustra na chipie krzemowym.

MEMS 2D

W tej architekturze lustra zazwyczaj mają dwa stany cyfrowe (włącz/wyłącz). Lustro może zostać podniesione na ścieżkę światła, aby je odbić, lub opuszczone, aby pozwolić mu przejść prosto do kolejnego lustra w macierzy. Są one często używane w konfiguracjach crossbar. Przełącznik z $N$ portami wymaga dużej liczby luster, skalującej się jak $N^2$ .

MEMS 3D

Jest to bardziej zaawansowana i skalowalna architektura. Składa się z dwóch macierzy luster, które mogą być nachylane na dwóch osiach w sposób analogowy (ciągły). Wiązka światła z wejścia trafia na lustro w pierwszej macierzy, które kieruje ją w stronę określonego lustra w drugiej macierzy. Drugie lustro kieruje wiązkę do odpowiedniego światłowodu wyjściowego. Ten projekt jest wysoce skalowalny, wymagając tylko $2N$ luster dla przełącznicy $N \times N$ , i stanowi podstawę dla bardzo dużych OXC.

Kluczowe Zalety MEMS

Główną zaletą przełączników MEMS jest ich przezroczystość optyczna. Ponieważ sygnał pozostaje w postaci światła, przełącznik jest niezależny od szybkości transmisji i formatu modulacji. Oferują one również bardzo niskie straty, niski przenik i doskonałą skalowalność, co czyni je idealnymi dla rdzenia sieci.