Волоконно-оптичні перемикачі - це пристрої, призначені для зміни маршруту передачі оптичних сигналів. Перемикачі використовуються в розподільних мережах, вимірювальних установках і при виконанні експериментів [6]. Нижче описано два пристрої: двопозиційний перемикач і обхідний перемикач. Вони ілюструють деякі з основних функцій волоконних перемикачів. На рис.8.10 показано двопозиційний перемикач. Вхідний порт 1 може бути підключений до порту 2 або 3. Розглядаючи основні параметри перемикача, приймемо, що він знаходиться в положенні з'єднання порту 1 з портом 2.
Рисунок 8.10 - Двопозиційний перемикач
Перемикач характеризують наступні параметри:
Втрати, що вносяться (insertion lose – IL),в децибелах:
,
де Р1 - потужність у вхідному порту 1 і P2 - потужність, що з'являється з вихідного порту 2.
Втрати, що вносяться,залежать від юстирування волокон як і втрати в звичайному з'єднувачі. Втрати нижче 1,5 дБ можуть бути отримані для механічних перемикачів. На додаток до низьких втрат, що вносяться, якісний перемикач повинен мати їх значення однаковим для всіх положень перемикача.
Перехресний зв'язок (crosstalk - CT) є критерієм того, наскільки добре ізольований порт, що не використовується. Він дорівнює:
,
де Р3 - потужність, що виділяється на 3 порту, при з’єднаних портах 1 та 2. Перехресний зв'язок залежить від конструкції перемикача і значення 40...60 дБ є типовими.
Повторюваність (забезпечення таких же втрат, що вносяться, кожного разу, коли перемикач повертається в колишнє положення) може бути важливішим, ніж саме значення втрат, що вносяться. Якісний перемикач повторює втрати, що вносяться, з точністю близько 0,1 дБ.
Швидкість перемикання (показує, як швидко перемикач може перемкнутися з одного положення в інше) є визначальним чинником в деяких ситуаціях.
Комутація може бути виконана електромеханічним способом. У такому пристрої збуджений струмом електромагніт притягує магнітний матеріал, до якого приклеєний оптичний елемент. В такий спосіб можна переміщувати дзеркала, лінзи і призми (навіть самі волокна). Коли електромагніт вимкнений, власна вага повертає магнітний тримач назад в положення спокою. Для електромеханічних перемикачів може бути отриманий час перемикання порядка декількох мілісекунд. Двопозиційний перемикач, наведений на рис. 8.11, складається з ковзаючої призми і чвертьхвильових лінз, приєднаних до кожного волокна. У показаному на рисунку положенні світло передається між портами 1 і 2.
Розглянемо роботу перемикача, коли вхідний пучок надходить на порт 1. Градієнтно-стрижньова лінза (ГСЛ) колімує пучок, що розходиться, який випромінюється з волокна. Прямокутна призма відхиляє світло за рахунок явища повного внутрішнього відбиття на двох похилих поверхнях. Інша ГСЛ фокусує колімований пучок на торець волокна 2.
Рисунок 8.11 - Двопозиційний перемикач на основі ковзаючої призми
Щоб направити світло з порту 1 в порт 3, призма переміщується в напрямі, зображеному на рис. 8.11 стрілкою. Колімуючі лінзи необхідні для того, щоб зменшити втрати, що вносяться, які викликані розбіжністю пучка, і гарантувати, щоб всі промені падали на дзеркальні поверхні призми під кутом, що є більшим за критичний. Прямокутна призма не лише відбиває світло, але і передає пучок паралельно своїй основі, внаслідок цього кутове юстування вхідних і вихідних волокон є ефективнішим.
Рис. 8.12 пояснює функціонування обхідного перемикача. В стані обходу, порти 1 і 4 сполучені. При цьому порти 2 і 3 ізольовані. В стані відгалуження сполучені попарно порти 1 і 2, 3 і 4. Обхідний перемикач може бути включений в Т-подібну (або зіркоподібну) мережу, приєднуючи вхід терміналу до шини даних методом, зображеним на рис. 8.13. Зображений на рисунку термінал можна обминути або включити його в мережу за бажанням оператора. Станцію, яка не передає або не повинна отримувати сигнал, також можна обминути. Побудова електромеханічного обхідного перемикача показана на рис. 8.14.
Рисунок 8.12 - Обхідний перемикач
В стані обходу (Вимкн.) світло проходить безпосередньо між портами 1 і 4. В стані відгалуження (Ввімкн.) дзеркала направляють світло між портами 1 і 2 та портами 3 і 4. Градієнтно-стержневі лінзи колімують пучки аби мінімізувати втрати, що вносяться. Коли по обмотці електромагніту тече струм, залізний стержень з дзеркалами, приклеєними до його похилих торців, піднімається вгору. При цьому забезпечується стан відгалуження (Ввімкн.). Коли електромагніт вимкнений, залізний стержень під власною вагою зміщується вниз з оптичного шляху, повертаючи перемикач у вихідний стан обходу.
Рисунок 8.13 - Обхідний перемикач, який приєднано до відгалужувача Т-подібної або зіркоподібної мережі
Рисунок 8.14 - Будова обхідного перемикача, де Л – градієнтно-стрижньова лінза, С – сталевий стрижень з дзеркалами в торцях, ЕМ - електромагніт
Оптичні крос-комутатори [15].У мережах з комірчастою топологією необхідно забезпечити гнучкі можливості для зміни маршруту прямування хвилевих з'єднань між абонентами мережі. Такі можливості надають оптичні крос-конектори, що дозволяють направити будь-яку з хвиль вхідного сигналу кожного порту в будь-який з вихідних портів (звичайно, за умови, що жоден інший сигнал цього порту не використовує цю хвилю, інакше необхідно виконати перестроювання довжини хвилі). Існують оптичні крос-комутатори двох типів: з проміжним перетворенням в електричну форму і повністю оптичні. Історично першими з'явилися більш традиційні оптоелектронні крос-комутатори, за якими і закріпилася назва оптичних крос-комутаторів. Тому виробники повністю оптичних пристроїв цього типу прагнуть використовувати для них назви, що відрізняються - фотонні (Photonic Switches), чи маршрутизатори хвиль (Wave Routers, або Lambda Routers). У оптичних крос-комутаторів є принципове обмеження - вони добре справляються зі своїми задачами при роботі на швидкостях до 2,5 Гбіт/с, але, починаючи з швидкості 10 Гбіт/с і вище, габарити таких пристроїв і споживання енергії стають недопустимими. Фотонні комутатори вільні від такого обмеження. У фотонних комутаторах використовуються різні оптичні механізми, у тому числі дифракційні фазові гратки і мікроелектронні механічні системи (Micro - Electro Mechanical Systems, MEMS). Система MEMS [16] є набором рухомих дзеркал дуже маленького розміру, з діаметром менше міліметра (рис. 8.15).
Рисунок 8.15 - Мікроелектронна механічна система крос-комутації
Комутатор МЕМS застосовується після демультиплексора, коли вихідний сигнал вже розділений на складові хвилі. За рахунок повороту мікродзеркала на заданий кут вихідний промінь певної хвилі прямує у відповідне вихідне волокно. В порівнянні з оптоелектронними крос-комутаторами, фотонні комутатори займають об'єм в 30 разів менше і споживають приблизно в 100 разів менше енергії. Проте цей тип пристроїв має і недоліки, в першу чергу – це низька швидкодія і висока чутливість до вібрації. Однак, системи МЕМS знаходять широке застосування в нових моделях фотонних комутаторів. Сьогодні подібні пристрої можуть забезпечувати комутацію 256*256 спектральних каналів, і планується випуск пристроїв, що дозволяють комутувати 1024*1024 канали і більше.
Комутатори на фотонних кристалах [15]. Однією з основних проблем оптичних активно-хвилеводних комутаторів є зміна напрямку поширення оптичного променя на перпендикулярне (під кутом 900). Для цього в них використані інтегральні аналоги оптичних кутових призм. Для рішення цього ж завдання з успіхом можуть бути використані фотонні кристали.
Фотонні кристали (ФК) - періодичні діелектричні структури, що мають заборонену зону, яка перешкоджає поширенню світла певного частотного діапазону. Створюючи точкові або лінійні дефекти (чи фізично резонансні порожнини (РП), або внутрішні канали) у такому кристалі, можна здійснити «тунельну» проводку оптичної несучої через заборонену зону (використавши тунельний ефект) і комутацію несучої з одного внутрішнього каналу в іншій, Як показує аналіз, використавши ФК, можна вирішити три важливі для оптичних систем проблеми:
· створити (всередині їхньої тривимірної структури) хвилеводи, що дозволяють здійснити передачу оптичного променя з поворотом осі поширення на 90° (практично без втрат потужності);
· здійснити перетинання двох оптичних хвилеводів в одній площині з мізерним рівнем перехідних перешкод;
· виділити (відфільтрувати) один або кілька каналів (несучих), якщо перенаправити їх за іншими адресами.
Вирішення першої проблеми можна з успіхом використовувати при модернізації схеми активно-хвилеводного комутатора шляхом використання фотонної (а не оптоелектронної) інтегральної схеми (ФІС) на ФК (замість призм) для повороту оптичної несучої. Вирішення другої проблеми дозволяє виключити взаємодію світлових потоків при перетинанні й вирішити проблему взаємного перетинання при застосуванні планарних хвилеводних рішень. Нарешті, вирішення третьої проблеми дозволяє пряме використання ФК в якості елемента або базового блока оптичного комутатора.
Дата добавления: 2015-09-11; просмотров: 92 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |