CC BY
307
Анализ переключателей светового потока в оптических коммутаторах
Ключевые слова: переключатели светового потока, оптические коммутаторы, электрооптические переключатели, магнитооптические переключатели, микроэлектромеха-нические переключатели.
Жуков ВО.
аспирант ФГУУП ЦНИИС, zhukov.v.o@gmail.com
Переключатели светового потока являются одними из ключевых элементов, применяемых при создании оптических коммутаторов (all-optical switches), которые также называют OOO-коммутаторами (optical-optical-optical). На основе оптическихкоммутаторов реализуемо построение полностью оптических сетей (All Optical Networks, AON).
Существуют различные переключатели светового потока, построенные с применением различных физических принципов, такие как: электрооптические, магнитооптические, микро-электромеханические, пузырьковые, термооптические, оптомеханические, а также переключатели на основе полупроводниковых оптических усилителей.
К эксплуатационным характеристикам оптических переключателей принято относить, следующие параметры:
— скорость переключения;
— размерность матрицы;
— вносимые потери.
В иерархии скоростей переключения в оптических сетях различают четыре уровня скоростей переключения [1]:
— низкие (время переключения порядка 10-3 с);
— средние (время переключения порядка 10-6 с);
— высокие (время переключения порядка 10-9 с);
- очень высокие (время переключения порядка 10
Размерность матрицы определяется количеством входных и выходных портов. Вносимые потери — ослабление сигнала в процессе коммутации.
Электрооптические переключатели производятся на основе кристалла ниобата лития ^UNbO3), с применением линейного элек-трооптического эффекта Поккельса, при котором под действием приложенного к кристаллу электрического поля происходит изменение коэффициента преломления света. Эффект Поккельса проявляется в том, что при воздействии электрического поля на некоторые оптически прозрачные кристаллы происходит изменение показателя преломления материала, и соответственно меняется интенсивность света, прошедшего через кристалл. Однако устройства с нио-батом лития очень чувствительны к поляризации излучения. Скорость переключения вы1пускаемых на сегодняшний день промышлен-
На основе литературных данных и публикаций анализируются различные типы переключателей светового потока в оптических коммутаторах, с применением которых возможно построение полностью оптических сетей. Необходимость создания полностью оптических сетей обусловлена решением проблемы передачи постоянно возрастающего объема трафика данных. Ключевая роль в создании полностью оптических сетей отводится оптическим коммутаторам, так как без них не представляется возможным реализация основной парадигмы полностью оптических сетей — прозрачности всех компонентов сети в условиях построения разветвленных оптических сетей. Необходима коммутация на оптическом уровне (т.е. коммутация осуществляется без преобразования оптического сигнала в электрическую форму и обратно), которая реализуется с помощью оптических переключателей. Были рассмотрены переключатели, построенные с применением различных физических принципов, такие как: электрооптические, магнитооптические, микроэлектромехани-ческие, пузырьковые, оптомеханические, а также переключатели на основе полупроводниковых оптических усилителей. Проведено сравнение по ключевым показателям, таким как, скорость переключения, вносимые потери, потребляемая мощность и тд. Рассмотрены основные преимущества и недостатки различных типов оптических переключателей.
ностью переключателей на UNbO3 конфигурации 1 х 2 составляет порядка 10 нс. При этом уровень вносимых потерь составляет от 3 дБ. Потребляемая мощность на частоте 1 МГц составляет ~2 мВт при напряжении, подаваемом на электроды 5 В [2].
Магнитооптические переключатели реализуют коммутацию светового потока при помощи оптических устройств примыкающих к магнитоактивному элементу. Магнитоактивный элемент осуществляет поляризационную модуляцию света при воздействии управляющего магнитного поля, в основе данного процесса лежит эффект Фарадея. Как показано в работе [2], скорость переключения магнитооптического переключателя не уступают достигнутым результатам для промы1шлен-ных образцов электрооптических переключателей и составляет величину порядка 10 нс. Уровень вносимых потерь планарного магнитооп-тическго переключателя, применяющего в качестве согласующих элементов градиентные микролинзы1, составляют 2,54 дБ. Удельная потребляемая мощность составляет около 20 мкВт/МГц.
Микроэлектромеханические переключатели применяются в т.н. микроэлектромеханической системе (МЕМБ), в котором каждое микрозеркало это вращающееся плоское зеркало, поворачиваемое на определенный фиксированный угол и коммутирующее отраженный луч на выходной порт. В зависимости от принципа физической конструкции массивов микрозеркал различают 2D МЕМБ и 3й МЕМБ. Как показано в работе [1], в связи с особенностями физической реализации 2D МЕМБ для создания коммутатора п х п (входов/выходов) требуется п2 зеркал. Таким образом, при увеличении количества портов становится существенной проблема ухудшения уровня сигнала, вызванная увеличением длины оптического пути, проходимого сигналом от входного порта к выходному. Данная
-12
с;).
Рис. 1. Схема оптического переключателя 3D MEMS с тороидальным вогнутым зеркалом
66
T-Comm, #7-2013
Таблица 1
Преимущества и недостатки исследуемых переключателей светового потока
Электрооптиче- ские Магнитооптические МЕМБ Опто- механические Пузырьковые ППОУ
Пре- имуще- ства Т вердотельность конструкции, скорость переключения Не зависит от длины волны, не требуется энергии для поддержания в коммутируемом состоянии,скорость переключения Отражательная способность, малая дисперсия и аберрация, стоимость, миниатюрность, масштабируемость Простота реализации, оптические харатсристики Надежность, модульная масшгабиру- мость Скорость, компенсация потерь
Недос- татки Вносимые потери, поляризация, масштабируе- мость, стоимость Большое потребление мощности, саморазогрсв Хрупкость, надежность, низкая скорость переключения Скорость переключения, сложность при передвижении коммутирующих элементов Скорость переключения, низкая стабильность и высокие вносимые потери Шум, масштаби- руемость
проблема решается в 3D МЕМБ, в которой для реализации п х п коммутатора требуется 2п зеркал. При этом основными проблемами 3D МЕМБ остаются более жесткие требования к зеркалу, системам его позиционирования и размещения управляющих электродов. Размерность матрицы современных оптических коммутаторов [3, 4] с технологией 3D МЕМБ составляет 320 х 320 портов, скорость переключения от 10 до 20 мс, вносимые потери — 2 дБ, потребляемая мощность 45 Вт. В настоящее время ведется работа по увеличению размерности матрицы оптического коммутатора, так в работе [5] показано, что имеется возможность создания оптического коммутатора с размерностью матрицы 512 х 512 (применяется массив 2 х 2, с 128 портами в каждом массиве, см. рис. 1) и вносимыми потерями не более 1,5 дБ.
Оптомеханические переключатели представляют собой подвижный отрезок оптического волокна, перемещаемый с помощью механического ползунка. При этом передвижение коммутирующих компонентов должно контролироваться с высокой точностью. Данный тип переключателей востребован для организации резервирования и в некоторых видах испытательного оборудования, так как он прост в реализации и стоимость его не велика [6]. Скорость переключения от 10 до 25 мс. Вносимые потери менее 0,5 дБ.
Пузырьковые переключатели используют принцип блокирования светового потока путем образования воздушного пузырька в точке коммутации или перемещения воздушного пузырька в точку коммутации при нагревании. Суть заключается в использовании двух наборов кремниевых подложек с продольными полосками. Нижняя подложка имеет слой, состоящий из выправленных в кремнии продольных микроскопических канавок, пересекающихся друг с другом. Эти канавки заполнены специальной жидкостью, имеющей тот же показатель преломления, что и кремний. Они играют роль волноводов, по которым может распространяться входящий световой поток. На верхней подложке располагаются электроды, протекание токов по которым вызывает нагрев жидкости и образование пузырьков газа в месте пересечения канавок. В обычных условиях свет беспрепятственно проходит через жидкость. Но когда в одном из пересечений образуется пузырек, входной луч свет, несущий информационный сигнал, отражается от него, изменяет свое направление и направляется в другой канал. Скорость переключения менее 10 мс, вносимые потери менее 5 дБ.
Переключатели на основе полупроводниковых оптических усилителей (ППОУ) в качестве управляющего механизма используют напряжение смещения. Если существенно уменьшить это напряжение, то инверсии населенности достичь не удастся и произойдет поглощение входного сигнала усилителем. Если увеличить напряже-
ние, то восстанавливается нормальное усиление сигнала. Скорость переключения менее 1 нс. Вносимые потери 0,05 дБ [7].
Литература
1. Волоконно-оптическая техника: Современное состояние и перспективы. — 2-е изд., перераб. и доп. / Сб. ст. под ред. Дмитриева С.А., Слепо-ва Н.Н., — М.: ООО "Волоконно-оптическая техника", 2005. — 576 с.
2. Басиладзе Г.Д., Бержанский В.Н., Долгов А.И. "Электро- и магнитооптические переключатели для волоконно-оптических сетей связи", ученые записки Таврического национального университета имени В.И. Вернадского, серия "Физико-математические науки", 2012. Т. 25 (64). № 1. С. 140-159.
3. S Series Photonic Switch [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.calient.net.
4. OCC — Optical Cross Connect [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.mrv.com.
5. Yuko Kawajiri, Naru Nemoto, Koichi Hadamd, Yuzo Ishii, Mitsuhiro Makihara, Joji Yamaguch, Tsuyoshi Yamamoto, "512-512 Port 3D MEMS Optical Switch Module with Toroidal Concave Mirror" [Электронный ресурс NTT Technical Revew]. Режим доступа: https://www.ntt-revew.jp.
6. Дэвид Гринфилд. Оптические сети. — К.: ООО 'ТИД "ДС", 2002. — 256 с.
7. Caroline P. Lai, Mariha A Korosheiz, and Keren Bergman, "Improving the SOA Switching Speed of Wavelength-Striped Optical Packets Using Multipulse Current Injection", OSA/IPR/PS, 2010.
ANALYSIS OF OPTICAL SWITCH ELEMENTS IN ALL-OPTICAL SWITCHES Zhukov V. O.
Abstract
There are different types of optical switch elements in all-optical switches examined in this article. Using these elements gives a possibility to build all-optical networks. The necessity of creation all-optical networks is stipulated by the solution of problem of the transmission constantly increasing volume of data traffic. A key role in the creation of all-optical networks is given to optical switches, because it is impossible to implement the basic paradigm of all-optical networks — transparency of all network components in the construction of complicated optical networks. In this way there is a necessity of commutation on the optical layer (ie, commutation is done without converting the optical signal to electrical form and back), which is realized by using optical switches. There are different switches examined, which were built with different physical principles, such as: Electro-Optical, Magneto-Optics, MEMS, Bubble, Opto-mechanical and switches based on semiconductor optical amplifiers. We compared different optical switches by key indicators, such as switching speed, insertion loss, power consumption, etc. The main advantages and disadvantages of various types of optical switches are investigated in this article.
Keywords: optical switch elements, all-optical switch,
Electro-Optical switches, Magneto-Optics switches, MEMS.
T-Comm, #7-201З
67
