Оптический коммутатор - это один из наиболее важных элементов полностью оптической сети , без которого невозможно строить масштабируемые архитектуры. Большинство основных конструкций оптических коммутаторов должно иметь, по крайней мере два выхода. Основными параметрами коммутатора являются: перекрестные помехи, вносимые помехи, скорость переключения, управляющее напряжение. В настоящее время используются разнообразные типы оптических коммутаторов - направленные ответвители, мостовой балансовый интерферометр и коммутатор на скрещивающихся волноводах. В основе работы оптического коммутатора используется линейный электрооптический эффект Поккельса (Pockels), который заключается в изменении показателя преломления материала пропорционально напряженности приложенного электрического поля. Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии. Устройства мультиплексирования/демультиплексирования WDM, волновые фильтры и оптические коммутаторы имеют одну общую деталь - в основе их работы лежат в той или иной степени интерференционные эффекты. Основные принципы работы легче рассмотреть на простейшем четырехполюснике - разветвителе-коммутаторе
Разветвитель-коммутатор 2х2 (элемент 2х2)
Излучение, введенное в один волновод, проникает в другой за счет перекрытия реактивных полей двух волноводов. Погонный коэффициент связи k зависит от параметров волновода, длины волны λ и ширины зазора g между волноводами. Разветвитель характеризуется разностью постоянных распространения двух волноводов ∆ β =2π7(N1 – N2)/λ , (где N- эффективные показатели преломления) и длиной L. Прикладывая электрическое напряжение к электродам, расположенным по бокам или сверху и снизу волноводов, образующих так называемую ячейку Поккельса, можно регулировать фазовую расстройку за счет линейного электрооптического эффекта.
Далее следует решить систему двух комплексных дифференциальных уравнений, описывающих взаимосвязанные моды [10]: IR’= - δR + kS, iS’=δS + kR (8-13)/(8-14) где δ=∆ β/2, R и S - комплексные амплитуды волн в двух волноводах, штрих означает производную по х. В частном случае, когда только в один волновод вводится единичная мощность, т. е. R(0) = 1, S(0) = 0, можно, решая уравнения (8-13) и (8-14), определить мощность, переданную в другой волновод, т. е. величину S(L), которая также носит название эффективность передачи. Cлучае полностью симметричной конструкции на основе двух одинаковых волноводов в отсутствии напряжения (δ=0) мы имеем η=sin2 kL. Полная передача мощности происходит при kL= (2n+1)π/2, где n–целое число, и минимальная длина при этом будет определяться выражением L = π/2k . силу полной линейности и однородности системы уравнений (8-13) и (8- 14), любая линейная комбинация двух решений также будет решением. Добавляя свойство симметрии, получаем, что при условиях (δ=0 и L=π/2k), полная (кроссовая) передача мощности будет иметь место для обоих сигналов, входящих в каждый волновод - сигналы должны быть одной и той же длины волны, а именно той, для которой рассчитывался коэффициент передачи k, и, соответственно, длина участка взаимодействия L. Заметим, что при δ≠0 полная передача мощности невозможна ни при каких значениях kL . Параллельное прохождение (η=0) можно обеспечить за счет подачи электрического потенциала, вводя фазовую расстройку ∆ β. Легко определить величину необходимой расстройки ∆ β=√(3π/L). В отсутствии напряжения эффективность связи между волноводами коммутатора составляет 100% (оптические сигналы полностью кроссируются - входят в один волновод, выходят из другого), а при подаче необходимого напряжения эффективность связи уменьшается до 0. Поскольку уравнения (8-13) и (8-14) линейны по обоим аргументам и однородны, то суперпозиция любых двух, являющихся по отдельности решений, также будет решением. Таким образом, разветвитель-коммутатор 2х2 осуществляет коммутацию без блокировки. Еще одна реализация разветвителя-коммутатора 2х2, состоящая из двух последовательных Х-разветвителей, представлена на рис. 1. Оптические сигналы после прохождения по разным плечам интерферируют во втором разветвителе. Путем изменения напряжения на электродах, охватывающих одно ИУ плеч, можно регулировать разность фаз между приходящими во второй разветвитель сигналами и тем самым влиять на характер интерференции.
|
Рисунок 1 - Двухплечевой оптический разветвитель–коммутатор
Наряду с электрооптическим эффектом, для осуществления коммутации также широко используется акустооптический эффект, который рассмотрен в работах . Имеется ряд технических реализации пространственных коммутаторов 2х2 на основе полупроводниковых оптических усилителей. Описание таких устройств, а также более сложных производных устройств для создания временных задержек приводится в работах.