Optische schakelaarszijn sleutelcomponenten bij optisch schakelen en beschikken over een of meer selecteerbare transmissiepoorten die logische bewerkingen kunnen omzetten of uitvoeren op optische signalen in optische transmissielijnen. Ze hebben wijdverbreide toepassingen in glasvezelnetwerksystemen.
Optische schakelaars kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: mechanisch en niet-mechanisch. Mechanische optische schakelaars zijn afhankelijk van de beweging van optische vezels of optische componenten om het optische pad te veranderen; niet-mechanische optische schakelaars zijn afhankelijk van elektro-optische, akoestisch-optische of thermo-optische effecten om de brekingsindex van de golfgeleider te veranderen, waardoor het optische pad verandert. De structuur en werkingsprincipes van deze twee soorten optische schakelaars worden hieronder beschreven.
Mechanische optische schakelaar
Nieuwe typen mechanische optische schakelaars zijn onder meer optische micro-elektromechanische systeemschakelaars (MEMS) en optische schakelaars met metalen dunne-film.
Optische schakelaars van micro-elektromechanische systemen (MEMS) worden vervaardigd op een halfgeleidersubstraatmateriaal, waardoor een reeks micro-spiegels ontstaat die in staat zijn tot zeer kleine bewegingen en rotaties. Deze micro-spiegels zijn erg klein, ongeveer 140 μm x 150 μm, en onder invloed van een drijvende kracht schakelen ze het optische ingangssignaal naar verschillende uitgangsvezels. De drijvende kracht die op de micro-spiegels wordt uitgeoefend, wordt gegenereerd met behulp van thermische, magnetische of elektrostatische effecten. De structuur van een optische MEMS-schakelaar wordt weergegeven in de figuur.
Wanneer de micro-spiegel zich in oriëntatie 1 bevindt, wordt het ingangslicht via uitgangsgolfgeleider 1 uitgevoerd; wanneer de micro-spiegel zich in oriëntatie 2 bevindt, wordt het ingangslicht via uitgangsgolfgeleider 2 uitgevoerd. De rotatie van de micro-spiegel wordt geregeld door een spanning (100-200V). Dit apparaat heeft een klein formaat, een hoge uitdovingsratio (de verhouding tussen het optische uitgangsvermogen in de aan--status en het optische uitgangsvermogen in de uit--status), ongevoeligheid voor polarisatie, lage kosten, een gemiddelde schakelsnelheid en een invoegverlies van minder dan 1 dB. De structuur van een optische metalen dunnefilmschakelaar wordt getoond in Figuur 3-40. Bij dit type optische schakelaar bevindt de kernlaag van de golfgeleider zich onder de onderste bekleding en bevindt zich daarboven een dunne metalen film, met lucht tussen de dunne metalen film en de golfgeleider. Een spanning die wordt aangelegd tussen de dunne metaalfilm en het substraat genereert een elektrostatische kracht op de dunne metaalfilm. Onder deze kracht beweegt de dunne metalen film naar beneden en maakt contact met de golfgeleider, waardoor de brekingsindex van de golfgeleider verandert en daarmee de faseverschuiving van het optische signaal dat door de golfgeleider gaat, verandert. In figuur 3-40c wordt, zonder spanning, de dunne goudfilm opgetild en is de faseverschuiving in beide armen hetzelfde, zodat het optische signaal wordt uitgevoerd via poort 2; Wanneer er spanning wordt aangelegd, maakt de dunne metalen film contact met de golfgeleider, waardoor een π-faseverschuiving in die arm ontstaat, en het optische signaal wordt uitgevoerd via poort 1.
Niet-mechanische optische schakelaar
Niet-mechanische optische schakelaars omvatten typen zoals optische schakelaars met vloeibare kristallen, optische schakelaars met elektro-optisch effect, optische schakelaars met thermo-optisch effect en schakelaars voor optische halfgeleiderversterkers.
Een optische schakelaar met vloeibare kristallen wordt vervaardigd door het creëren van gepolariseerde lichtbundelvertakkende golfgeleiders op een halfgeleidermateriaal. Een groef wordt onder een specifieke hoek geëtst op het snijpunt van de golfgeleiders, en vloeibaar kristal wordt in de groef geïnjecteerd. Onder de groef wordt een verwarming geplaatst. Als de groef niet wordt verwarmd, gaat de lichtstraal er recht doorheen; bij verhitting worden er bellen gegenereerd in het vloeibare kristal, en als gevolg van totale interne reflectie verandert het licht van richting en wordt het naar de gewenste golfgeleider geleid.
Elektro{0}}optische en thermo-optische effecten maken gebruik van het fenomeen dat de brekingsindex van bepaalde materialen verandert met de spanning en temperatuur, waardoor de creatie van optische schakelapparaten mogelijk wordt gemaakt.
Optische halfgeleider optische versterker (SOA) schakelaars bereiken schakelfunctionaliteit door de voorspanning van de optische halfgeleiderversterker te veranderen.
De belangrijkste parameters van optische schakelaars zijn golflengtebereik, invoegverlies, optisch retourverlies, overspraak, optisch ingangsvermogen, polarisatie-afhankelijk verlies, herhaalbaarheid, schakelsnelheid en levensduur.
Optisch filter
Optische filters zijn golflengte-selectieve apparaten die belangrijke toepassingen hebben in glasvezelcommunicatiesystemen, zoals het filteren van ruis in optische versterkers, zoals besproken in de vorige sectie. Vooral in WDM-glasvezelnetwerken, waar elke ontvanger het gewenste kanaal moet selecteren, worden filters een onmisbaar onderdeel. Filters zijn onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: vaste filters en afstembare filters. De eerste laat signaallicht met een specifieke golflengte door, terwijl de laatste dynamisch golflengten binnen een bepaalde optische bandbreedte kan selecteren. De functies en classificatie van optische filters worden weergegeven in de figuur.
De transmissiekarakteristieken van een praktisch optisch filter worden getoond in de figuur. De belangrijkste parameters van een optisch filter met vaste- golflengte zijn de centrale golflengte λ2 en de bandbreedte Δλ. Daarnaast zijn er ook parameters zoals insertieverlies en isolatie.
Glasvezelrooster
Fiber Bragg-roosters maken gebruik van defecten die zijn geïntroduceerd tijdens de vezelproductie, waarbij gebruik wordt gemaakt van bestraling met ultraviolet licht om een periodieke variatie in de brekingsindexverdeling van de vezelkern te creëren. Het filtereffect van een Bragg-vezelrooster is weergegeven in de figuur; golflengten die voldoen aan de Bragg-roostervoorwaarde worden volledig gereflecteerd, terwijl andere golflengten erdoorheen gaan, waardoor het een volledig -vezelfilter is.
Er zijn twee methoden voor het vervaardigen van Bragg-vezelroosters:
(1) Interferentiemethode:De interferentiemethode maakt gebruik van het principe van interferentie met twee-bundels. Een straal ultraviolet licht wordt gesplitst in twee parallelle stralen, waardoor een interferentieveld buiten de optische vezel ontstaat. Door de lengte van de twee interferentie-armen aan te passen, kan de periode van de resulterende interferentieranden zo worden gemaakt dat deze voldoet aan de vereisten voor het vervaardigen van het Bragg-vezelrooster.
(2) Fasemaskermethode:De fasemaskermethode maakt gebruik van een geprefabriceerd masker. Wanneer ultraviolet licht door het fasemasker gaat, treedt er interferentie op, waardoor een interferentieveld ontstaat op het cilindrische oppervlak van de optische vezel, waardoor het rooster in de vezel wordt geschreven.
