Οπτικοί διακόπτεςείναι βασικά στοιχεία στην οπτική μεταγωγή, που διαθέτουν μία ή περισσότερες επιλέξιμες θύρες μετάδοσης που μπορούν να μετατρέψουν ή να εκτελέσουν λογικές λειτουργίες σε οπτικά σήματα σε οπτικές γραμμές μετάδοσης. Έχουν εκτεταμένες εφαρμογές σε συστήματα δικτύων οπτικών ινών.
Οι οπτικοί διακόπτες μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριες κατηγορίες: μηχανικούς και μη-μηχανικούς. Οι μηχανικοί οπτικοί διακόπτες βασίζονται στην κίνηση των οπτικών ινών ή των οπτικών εξαρτημάτων για την αλλαγή της οπτικής διαδρομής. Οι μη-μη μηχανικοί οπτικοί διακόπτες βασίζονται σε ηλεκτρο-οπτικά, ακουστικά-οπτικά ή θερμο-οπτικά εφέ για την αλλαγή του δείκτη διάθλασης του κυματοδηγού, αλλάζοντας έτσι την οπτική διαδρομή. Η δομή και οι αρχές λειτουργίας αυτών των δύο τύπων οπτικών διακοπτών περιγράφονται παρακάτω.
Μηχανικός οπτικός διακόπτης
Οι νέοι τύποι μηχανικών οπτικών διακοπτών περιλαμβάνουν οπτικούς διακόπτες μικρο-ηλεκτρομηχανικού συστήματος (MEMS) και μεταλλικούς οπτικούς διακόπτες λεπτής-μεμβράνης.
Οι οπτικοί διακόπτες Microelectromechanical Systems (MEMS) κατασκευάζονται σε ένα υλικό ημιαγωγού υποστρώματος, δημιουργώντας μια σειρά από μικρο-καθρέπτες ικανούς για μικρή κίνηση και περιστροφή. Αυτοί οι μικρο-καθρέπτες είναι πολύ μικροί, περίπου 140 μm x 150 μm, και υπό την επίδραση μιας κινητήριας δύναμης, αλλάζουν το οπτικό σήμα εισόδου σε διαφορετικές ίνες εξόδου. Η κινητήρια δύναμη που εφαρμόζεται στους μικρο-καθρέπτες δημιουργείται χρησιμοποιώντας θερμικά, μαγνητικά ή ηλεκτροστατικά αποτελέσματα. Η δομή ενός οπτικού διακόπτη MEMS φαίνεται στο σχήμα.
Όταν ο μικρο-καθρέφτης βρίσκεται στον προσανατολισμό 1, το φως εισόδου εξέρχεται μέσω του κυματοδηγού εξόδου 1. όταν ο μικρο-κατοπτριστής βρίσκεται στον προσανατολισμό 2, το φως εισόδου εξέρχεται μέσω του κυματοδηγού εξόδου 2. Η περιστροφή του μικρο-κατοπτριστή ελέγχεται από μια τάση (100-200V). Αυτή η συσκευή διαθέτει μικρό μέγεθος, υψηλή αναλογία εξόδου (ο λόγος της οπτικής ισχύος εξόδου στην κατάσταση ενεργοποίησης προς την οπτική ισχύ εξόδου στην κατάσταση απενεργοποίησης), έλλειψη ευαισθησίας στην πόλωση, χαμηλό κόστος, μέτρια ταχύτητα μεταγωγής και απώλεια εισαγωγής μικρότερη από 1 dB. Η δομή ενός μεταλλικού οπτικού διακόπτη λεπτής μεμβράνης φαίνεται στο Σχήμα 3-40. Σε αυτόν τον τύπο οπτικού διακόπτη, το στρώμα του πυρήνα του κυματοδηγού βρίσκεται κάτω από την κάτω επένδυση και μια μεταλλική λεπτή μεμβράνη βρίσκεται από πάνω της, με αέρα μεταξύ του μεταλλικού λεπτού φιλμ και του κυματοδηγού. Μια τάση που εφαρμόζεται μεταξύ της μεταλλικής λεπτής μεμβράνης και του υποστρώματος δημιουργεί ηλεκτροστατική δύναμη στο μεταλλικό λεπτό φιλμ. Κάτω από αυτή τη δύναμη, το μεταλλικό λεπτό φιλμ κινείται προς τα κάτω και έρχεται σε επαφή με τον κυματοδηγό, αλλάζοντας τον δείκτη διάθλασης του κυματοδηγού και έτσι μεταβάλλοντας τη μετατόπιση φάσης του οπτικού σήματος που διέρχεται από τον κυματοδηγό. Στο Σχήμα 3-40c, χωρίς τάση, η χρυσή λεπτή μεμβράνη ανυψώνεται και η μετατόπιση φάσης και στους δύο βραχίονες είναι η ίδια, επομένως το οπτικό σήμα εξέρχεται από τη θύρα 2. με την εφαρμοζόμενη τάση, η μεταλλική λεπτή μεμβράνη έρχεται σε επαφή με τον κυματοδηγό, προκαλώντας μια μετατόπιση φάσης π σε αυτόν τον βραχίονα και το οπτικό σήμα εξέρχεται από τη θύρα 1.
Μη-μη μηχανικός οπτικός διακόπτης
Οι μη μηχανικοί οπτικοί διακόπτες περιλαμβάνουν τύπους όπως οπτικούς διακόπτες υγρών κρυστάλλων, ηλεκτρο-οπτικούς διακόπτες οπτικού εφέ, θερμο-οπτικούς διακόπτες οπτικού εφέ και διακόπτες οπτικού ενισχυτή ημιαγωγών.
Ένας οπτικός διακόπτης υγρών κρυστάλλων κατασκευάζεται με τη δημιουργία κυματοδηγών διακλάδωσης πολωμένης δέσμης φωτός σε ένα υλικό ημιαγωγών. Ένα αυλάκι χαράσσεται σε μια συγκεκριμένη γωνία στη διασταύρωση των κυματοδηγών, και υγρός κρύσταλλος εγχέεται στην αυλάκωση. Ένας θερμαντήρας τοποθετείται κάτω από το αυλάκι. Όταν η αυλάκωση δεν θερμαίνεται, η δέσμη φωτός περνά κατευθείαν. όταν θερμαίνεται, δημιουργούνται φυσαλίδες μέσα στον υγρό κρύσταλλο και λόγω της συνολικής εσωτερικής ανάκλασης, το φως αλλάζει κατεύθυνση και εξέρχεται στον επιθυμητό κυματοδηγό.
Τα ηλεκτρο-οπτικά και τα θερμο-οπτικά εφέ χρησιμοποιούν το φαινόμενο ότι ο δείκτης διάθλασης ορισμένων υλικών αλλάζει με την τάση και τη θερμοκρασία, επιτρέποντας έτσι τη δημιουργία οπτικών συσκευών μεταγωγής.
Οι οπτικοί διακόπτες οπτικού ενισχυτή ημιαγωγών (SOA) επιτυγχάνουν λειτουργικότητα μεταγωγής αλλάζοντας την τάση πόλωσης του οπτικού ενισχυτή ημιαγωγών.
Οι κύριες παράμετροι των οπτικών διακοπτών περιλαμβάνουν το εύρος μήκους κύματος, την απώλεια εισαγωγής, την απώλεια οπτικής επιστροφής, το crosstalk, την οπτική ισχύ εισόδου, την εξαρτώμενη{0}απώλεια από την πόλωση, την επαναληψιμότητα, την ταχύτητα μεταγωγής και τη διάρκεια ζωής.
Οπτικό φίλτρο
Τα οπτικά φίλτρα είναι συσκευές επιλεκτικού μήκους κύματος-που έχουν σημαντικές εφαρμογές σε συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών, όπως το θόρυβο φιλτραρίσματος σε οπτικούς ενισχυτές, όπως συζητήθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Ειδικά στα δίκτυα οπτικών ινών WDM, όπου κάθε δέκτης πρέπει να επιλέξει το απαιτούμενο κανάλι, τα φίλτρα γίνονται απαραίτητο συστατικό. Τα φίλτρα χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες: σταθερά φίλτρα και ρυθμιζόμενα φίλτρα. Το πρώτο επιτρέπει τη διέλευση ενός φωτός σήματος συγκεκριμένου μήκους κύματος, ενώ το δεύτερο μπορεί να επιλέξει δυναμικά μήκη κύματος εντός ενός συγκεκριμένου οπτικού εύρους ζώνης. Οι λειτουργίες και η ταξινόμηση των οπτικών φίλτρων φαίνονται στο σχήμα.
Τα χαρακτηριστικά μετάδοσης ενός πρακτικού οπτικού φίλτρου φαίνονται στο σχήμα. Οι κύριες παράμετροι ενός οπτικού φίλτρου σταθερού-μήκους κύματος είναι το κεντρικό μήκος κύματος λ2 και το εύρος ζώνης Δλ. Εκτός από αυτά, υπάρχουν και παράμετροι όπως η απώλεια εισαγωγής και η απομόνωση.
Σχάρα οπτικών ινών
Οι σχάρες Bragg ινών χρησιμοποιούν ελαττώματα που εισήχθησαν κατά την κατασκευή ινών, χρησιμοποιώντας ακτινοβολία υπεριώδους φωτός για να δημιουργήσουν μια περιοδική διακύμανση στην κατανομή του δείκτη διάθλασης του πυρήνα των ινών. Το αποτέλεσμα φιλτραρίσματος ενός πλέγματος ινών Bragg φαίνεται στο σχήμα. Τα μήκη κύματος που ικανοποιούν τη συνθήκη του πλέγματος Bragg αντανακλώνται πλήρως, ενώ άλλα μήκη κύματος περνούν, καθιστώντας το ένα φίλτρο εγκοπής όλων των ινών.
Υπάρχουν δύο μέθοδοι για την κατασκευή σχάρων Bragg από ίνες:
(1) Μέθοδος παρεμβολής:Η μέθοδος παρεμβολής χρησιμοποιεί την αρχή της παρεμβολής δύο- δέσμης. Μια δέσμη υπεριώδους φωτός χωρίζεται σε δύο παράλληλες δέσμες, δημιουργώντας ένα πεδίο παρεμβολής έξω από την οπτική ίνα. Ρυθμίζοντας τα μήκη των δύο βραχιόνων παρεμβολής, η περίοδος των κροσσών παρεμβολής που προκύπτουν μπορεί να γίνει ώστε να πληροί τις απαιτήσεις για την κατασκευή του πλέγματος ινών Bragg.
(2) Μέθοδος μάσκας φάσης:Η μέθοδος μάσκας φάσης χρησιμοποιεί μια προ-προκατασκευασμένη μάσκα. Όταν το υπεριώδες φως διέρχεται από τη μάσκα φάσης, εμφανίζεται παρεμβολή, δημιουργώντας ένα πεδίο παρεμβολής στην κυλινδρική επιφάνεια της οπτικής ίνας, εγγράφοντας έτσι το πλέγμα στην ίνα.
