Comutatoare opticesunt componente cheie în comutarea optică, având unul sau mai multe porturi de transmisie selectabile care pot converti sau efectua operații logice asupra semnalelor optice în liniile de transmisie optică. Au aplicații pe scară largă în sistemele de rețele de fibră optică.
Comutatoarele optice pot fi împărțite în două categorii principale: mecanice și ne-mecanice. Comutatoarele optice mecanice se bazează pe mișcarea fibrelor optice sau a componentelor optice pentru a schimba calea optică; Comutatoarele optice ne-mecanice se bazează pe efecte electro-optice, acusto-optice sau termo-optice pentru a modifica indicele de refracție al ghidului de undă, modificând astfel calea optică. Structura și principiile de funcționare ale acestor două tipuri de comutatoare optice sunt descrise mai jos.
Comutator optic mecanic
Noile tipuri de comutatoare optice mecanice includ întrerupătoarele optice micro-sistem electromecanic (MEMS) și întrerupătoarele optice-metalice cu film subțire.
Comutatoarele optice ale sistemelor microelectromecanice (MEMS) sunt fabricate pe un material substrat semiconductor, creând o serie de micro-oglinzi capabile de mișcare și rotație minute. Aceste micro-oglinzi sunt foarte mici, aproximativ 140 μm x 150 μm și, sub influența unei forțe motrice, comută semnalul optic de intrare la diferite fibre de ieșire. Forța motrice aplicată micro-oglinzilor este generată folosind efecte termice, magnetice sau electrostatice. Structura unui comutator optic MEMS este prezentată în figură.
Când micro-oglinda este în orientarea 1, lumina de intrare este emisă prin ghidul de undă de ieșire 1; când micro-oglinda este în orientarea 2, lumina de intrare este scoasă prin ghidul de undă de ieșire 2. Rotația micro{-oglinzii este controlată de o tensiune (100-200V). Acest dispozitiv are o dimensiune mică, un raport de stingere ridicat (raportul dintre puterea optică de ieșire în starea de pornire- și puterea optică de ieșire în starea de oprire-), insensibilitate la polarizare, cost scăzut, viteză de comutare moderată și pierdere de inserție mai mică de 1 dB. Structura unui comutator optic cu peliculă subțire de metal este prezentată în Figura 3-40. La acest tip de comutator optic, stratul central al ghidului de undă este sub placarea inferioară, iar deasupra acestuia se află o peliculă subțire de metal, cu aer între pelicula subțire de metal și ghidul de undă. O tensiune aplicată între pelicula subțire de metal și substrat generează o forță electrostatică asupra filmului subțire de metal. Sub această forță, pelicula subțire de metal se mișcă în jos și intră în contact cu ghidul de undă, modificând indicele de refracție al ghidului de undă și modificând astfel defazajul semnalului optic care trece prin ghidul de undă. În Figura 3-40c, fără tensiune, pelicula subțire de aur este ridicată, iar defazarea în ambele brațe este aceeași, astfel încât semnalul optic este scos din portul 2; cu tensiune aplicată, filmul subțire de metal contactează ghidul de undă, provocând o schimbare de fază π în acel braț, iar semnalul optic este scos din portul 1.
Comutator optic ne-mecanic
Întrerupătoarele optice ne-mecanice includ tipuri precum întrerupătoarele optice cu cristale lichide, întrerupătoarele optice cu efect electro-optic, întrerupătoarele optice cu efect termo-optic și întrerupătoarele cu amplificatoare optice cu semiconductor.
Un comutator optic cu cristale lichide este fabricat prin crearea de ghiduri de undă de ramificare a fasciculului de lumină polarizat pe un material semiconductor. O canelură este gravată la un unghi specific la intersecția ghidurilor de undă, iar cristalul lichid este injectat în canelură. Un încălzitor este plasat sub canal. Când canelura nu este încălzită, fasciculul de lumină trece drept; atunci când este încălzită, bulele sunt generate în cristalul lichid și, datorită reflexiei interne totale, lumina își schimbă direcția și este transmisă în ghidul de undă dorit.
Efectele electro-optice și termo-optice utilizează fenomenul conform căruia indicele de refracție al anumitor materiale se modifică în funcție de tensiune și temperatură, permițând astfel crearea de dispozitive optice de comutare.
Comutatoarele optice ale amplificatorului optic cu semiconductor (SOA) realizează funcționalitatea de comutare prin modificarea tensiunii de polarizare a amplificatorului optic cu semiconductor.
Principalii parametri ai comutatoarelor optice includ intervalul de lungimi de undă, pierderea de inserție, pierderea de întoarcere optică, diafonia, puterea optică de intrare, pierderea dependentă de polarizare-, repetabilitate, viteza de comutare și durata de viață.
Filtru optic
Filtrele optice sunt dispozitive cu lungime de undă-selectivă care au aplicații importante în sistemele de comunicații cu fibră optică, cum ar fi filtrarea zgomotului în amplificatoarele optice, așa cum sa discutat în secțiunea anterioară. În special în rețelele de fibră optică WDM, unde fiecare receptor trebuie să selecteze canalul necesar, filtrele devin o componentă indispensabilă. Filtrele sunt împărțite în două categorii principale: filtre fixe și filtre reglabile. Primul permite trecerea unei lumini de semnal cu o anumită lungime de undă, în timp ce cel din urmă poate selecta în mod dinamic lungimi de undă într-o anumită lățime de bandă optică. Funcțiile și clasificarea filtrelor optice sunt prezentate în figură.
Caracteristicile de transmisie ale unui filtru optic practic sunt prezentate în figură. Parametrii principali ai unui filtru optic cu lungime de undă fixă-sînt lungimea de undă centrală λ2 și lățimea de bandă Δλ. Pe lângă acestea, există și parametri precum pierderea de inserție și izolarea.
Gratar de fibra optica
Rețelele cu fibre Bragg utilizează defecte introduse în timpul fabricării fibrelor, folosind iradierea cu lumină ultravioletă pentru a crea o variație periodică a distribuției indicelui de refracție a miezului fibrei. Efectul de filtrare al unei rețele Bragg din fibre este prezentat în figură; lungimile de undă care satisfac condiția de rețea Bragg sunt reflectate în totalitate, în timp ce alte lungimi de undă trec, făcându-l un filtru cu crestătură complet-fibră.
Există două metode de fabricare a grătarelor din fibre Bragg:
(1) Metoda interferenței:Metoda interferenței utilizează principiul interferenței cu două-faze. Un fascicul de lumină ultravioletă este împărțit în două fascicule paralele, creând un câmp de interferență în afara fibrei optice. Prin ajustarea lungimilor celor două brațe de interferență, perioada franjelor de interferență rezultate poate fi făcută pentru a îndeplini cerințele pentru fabricarea grătarului Bragg din fibre.
(2) Metoda măștii de fază:Metoda măștii de fază folosește o mască pre-fabricată. Când lumina ultravioletă trece prin masca de fază, apare interferența, creând un câmp de interferență pe suprafața cilindrică a fibrei optice, scriind astfel rețeaua în fibră.
