Optische Schaltersind Schlüsselkomponenten bei der optischen Vermittlung und verfügen über einen oder mehrere wählbare Übertragungsanschlüsse, die optische Signale in optischen Übertragungsleitungen umwandeln oder logische Operationen daran durchführen können. Sie finden weit verbreitete Anwendungen in Glasfasernetzwerksystemen.
Optische Schalter können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: mechanische und nicht{0}}mechanische. Mechanische optische Schalter beruhen auf der Bewegung optischer Fasern oder optischer Komponenten, um den optischen Pfad zu ändern. Nicht-mechanische optische Schalter beruhen auf elektro-optischen, akusto-optischen oder thermo-optischen Effekten, um den Brechungsindex des Wellenleiters und damit den optischen Pfad zu ändern. Der Aufbau und die Funktionsprinzipien dieser beiden Arten optischer Schalter werden im Folgenden beschrieben.
Mechanischer optischer Schalter
Zu den neuen Arten mechanischer optischer Schalter gehören optische Mikro-elektromechanische System(MEMS)-Schalter und optische Metall-Dünnschichtschalter.
Optische Schalter von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) werden auf einem Halbleitersubstratmaterial hergestellt, wodurch eine Anordnung von Mikrospiegeln entsteht, die zu winzigen Bewegungen und Drehungen fähig sind. Diese Mikrospiegel sind sehr klein, etwa 140 μm x 150 μm, und unter dem Einfluss einer Antriebskraft schalten sie das optische Eingangssignal auf verschiedene Ausgangsfasern um. Die auf die Mikrospiegel ausgeübte Antriebskraft wird durch thermische, magnetische oder elektrostatische Effekte erzeugt. Der Aufbau eines optischen MEMS-Schalters ist in der Abbildung dargestellt.
Wenn sich der Mikro-spiegel in der Ausrichtung 1 befindet, wird das Eingangslicht durch den Ausgangswellenleiter 1 ausgegeben; Wenn sich der Mikro-spiegel in der Ausrichtung 2 befindet, wird das Eingangslicht durch den Ausgangswellenleiter 2 ausgegeben. Die Drehung des Mikro-spiegels wird durch eine Spannung (100-200 V) gesteuert. Dieses Gerät zeichnet sich durch eine geringe Größe, ein hohes Extinktionsverhältnis (das Verhältnis der optischen Ausgangsleistung im eingeschalteten-Zustand zur optischen Ausgangsleistung im ausgeschalteten-Zustand), Polarisationsunempfindlichkeit, niedrige Kosten, moderate Schaltgeschwindigkeit und einen Einfügungsverlust von weniger als 1 dB aus. Die Struktur eines optischen Metall-Dünnschichtschalters ist in Abbildung 3-40 dargestellt. Bei dieser Art von optischen Schaltern befindet sich die Wellenleiterkernschicht unter der unteren Ummantelung und ein dünner Metallfilm darüber, wobei sich Luft zwischen dem dünnen Metallfilm und dem Wellenleiter befindet. Eine zwischen der Metalldünnschicht und dem Substrat angelegte Spannung erzeugt eine elektrostatische Kraft auf die Metalldünnschicht. Unter dieser Kraft bewegt sich der dünne Metallfilm nach unten und berührt den Wellenleiter, wodurch sich der Brechungsindex des Wellenleiters und damit die Phasenverschiebung des durch den Wellenleiter fließenden optischen Signals ändert. In Abbildung 3-40c wird der Golddünnfilm ohne Spannung angehoben und die Phasenverschiebung in beiden Armen ist gleich, sodass das optische Signal von Port 2 ausgegeben wird. Bei angelegter Spannung berührt der dünne Metallfilm den Wellenleiter, was zu einer π-Phasenverschiebung in diesem Arm führt und das optische Signal über Port 1 ausgegeben wird.
Nicht-mechanischer optischer Schalter
Zu den nicht-mechanischen optischen Schaltern gehören Typen wie optische Flüssigkristallschalter, optische Schalter mit elektro-optischem Effekt, optische Schalter mit thermo{2}optischem Effekt und optische Halbleiterverstärkerschalter.
Ein optischer Flüssigkristallschalter wird hergestellt, indem auf einem Halbleitermaterial polarisierte Lichtstrahlverzweigungswellenleiter erzeugt werden. Am Schnittpunkt der Wellenleiter wird in einem bestimmten Winkel eine Rille geätzt und Flüssigkristall in die Rille injiziert. Unterhalb der Nut wird eine Heizung platziert. Wenn die Nut nicht erhitzt wird, dringt der Lichtstrahl direkt hindurch; Beim Erhitzen entstehen Blasen im Flüssigkristall, und aufgrund der Totalreflexion ändert das Licht seine Richtung und wird in den gewünschten Wellenleiter ausgegeben.
Elektro-optische und thermo-optische Effekte nutzen das Phänomen, dass sich der Brechungsindex bestimmter Materialien mit Spannung und Temperatur ändert, und ermöglichen so die Entwicklung optischer Schaltgeräte.
Optische Schalter mit optischen Halbleiterverstärkern (SOA) erreichen die Schaltfunktion durch Ändern der Vorspannung des optischen Halbleiterverstärkers.
Zu den Hauptparametern optischer Schalter gehören Wellenlängenbereich, Einfügungsdämpfung, optische Rückflussdämpfung, Übersprechen, optische Eingangsleistung, polarisationsabhängiger Verlust, Wiederholbarkeit, Schaltgeschwindigkeit und Lebensdauer.
Optischer Filter
Optische Filter sind wellenlängenselektive Geräte, die wichtige Anwendungen in Glasfaserkommunikationssystemen haben, beispielsweise zum Filtern von Rauschen in optischen Verstärkern, wie im vorherigen Abschnitt erläutert. Insbesondere in WDM-Glasfasernetzen, in denen jeder Empfänger den benötigten Kanal auswählen muss, werden Filter zu einem unverzichtbaren Bestandteil. Filter werden in zwei Hauptkategorien unterteilt: feste Filter und abstimmbare Filter. Ersteres ermöglicht den Durchgang von Signallicht einer bestimmten Wellenlänge, während letzteres Wellenlängen innerhalb einer bestimmten optischen Bandbreite dynamisch auswählen kann. Die Funktionen und Klassifizierung optischer Filter sind in der Abbildung dargestellt.
Die Übertragungseigenschaften eines praktischen optischen Filters sind in der Abbildung dargestellt. Die Hauptparameter eines optischen Filters mit fester-Wellenlänge sind die Mittenwellenlänge λ2 und die Bandbreite Δλ. Darüber hinaus gibt es noch Parameter wie Einfügungsdämpfung und Isolation.
Glasfasergitter
Faser-Bragg-Gitter nutzen Defekte, die während der Faserherstellung entstehen, indem sie durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht eine periodische Variation in der Brechungsindexverteilung des Faserkerns erzeugen. Die Filterwirkung eines Faser-Bragg-Gitters ist in der Abbildung dargestellt; Wellenlängen, die die Bragg-Gitter-Bedingung erfüllen, werden vollständig reflektiert, während andere Wellenlängen durchgelassen werden, was es zu einem Vollfaser-Notchfilter macht.
Es gibt zwei Methoden zur Herstellung von Faser-Bragg-Gittern:
(1) Interferenzmethode:Die Interferenzmethode nutzt das Prinzip der Zweistrahlinterferenz. Ein Strahl ultravioletten Lichts wird in zwei parallele Strahlen aufgeteilt, wodurch ein Interferenzfeld außerhalb der optischen Faser entsteht. Durch Anpassen der Längen der beiden Interferenzarme kann die Periode der resultierenden Interferenzstreifen so eingestellt werden, dass sie den Anforderungen für die Herstellung des Faser-Bragg-Gitters entspricht.
(2) Phasenmaskenmethode:Die Phasenmaskenmethode verwendet eine vorgefertigte Maske. Wenn ultraviolettes Licht die Phasenmaske passiert, kommt es zu Interferenzen, die ein Interferenzfeld auf der zylindrischen Oberfläche der optischen Faser erzeugen und so das Gitter in die Faser schreiben.
