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Einführung in optische Schalter von Fibermart
Wenn man über die Rolle optischer Schalter spricht, könnte man sagen: Ohne Schalter gibt es keine Kommunikationsnetzwerke. Obwohl diese Sichtweise optischer Schalter etwas übertrieben ist, unterstreicht sie die Bedeutung optischer Schalter. Seit der ersten Generation von Telekommunikationsnetzen, nämlich den Telefonvermittlungssystemen, werden zahlreiche Schalter verwendet, um eine Vermittlungseinheit zu bilden, die die Leitungsvermittlung zwischen Benutzern ermöglicht. Heute jedoch, mit der Entwicklung der DWDM-Technologie, entwickeln sich rein optische Netzwerke schrittweise zu Kommunikationsnetzwerken der nächsten Generation, die immer mehr Aufmerksamkeit erhalten und zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt werden. In DWDM-basierten rein optischen Netzwerken ist die Verwendung optischer Schalter zur Konvertierung und Übertragung unterschiedlicher Wellenlängen optischer Signale im Netzwerk unvermeidlich. Optische Schalter sind die Kernkomponente für die vollständige Schaltung und sogar den Schutz der Leitung. Optische Schalter sind weit verbreitet und spielen in optischen Netzwerken eine unverzichtbare Rolle.
Technische Indizes optischer Schalter
Bei der Bewertung eines neuen optischen Schalters müssen wir die folgenden sieben technischen Indizes berücksichtigen.
- Äußerst stabil und zuverlässig für langfristige große Kapazitätsanforderungen von Kommunikationssystemen.
- Geringe Einfügungsdämpfung und hohe Kopplungseffizienz.
- Geringes Übersprechen und hohes Auslöschungsverhältnis. Übersprechen kann die Signalübertragungsqualität direkt beeinträchtigen, typische Isolierung für 40 und 50 dB.
- Mit niedrigen Antriebs- und Temperatureigenschaften.
- Die Drehzahlumschaltung kann für unterschiedliche Anwendungen reguliert werden.
- Die Arbeitsbandbreite des optischen Schalters entspricht der Faser, dem optischen Filter und dem Verstärker des DWDM-Arbeitsfensters von 1300 nm bis 1650 nm und der optische Schalter muss damit übereinstimmen.
- Auch die Kosten und Erweiterungen des optischen Schalters sind ein wichtiger Gesichtspunkt.
Arten von optischen Schaltern
Ein optischer Schalter hat einen oder mehrere Eingangsports und zwei oder mehr Ausgangsports, die wir üblicherweise als 1xN- oder NxN-Optikschalter bezeichnen. Optische Schalter unterscheiden sich in Prinzip und Technologie und haben unterschiedliche Eigenschaften und eignen sich für unterschiedliche Zwecke. Je nach Fertigungstechnologie lassen sich optische Schalter in mechanische , optomikromechanische, MEMS- (Mikroelektromechanische Systeme) und andere Schalter unterteilen. Mechanische und MEMS-Optikschalter sind die ausgereiftesten und am häufigsten verwendeten Schalter in diesem Bereich. Darüber hinaus gibt es auch Flüssigkristall-Optikschalter, thermische Optikschalter, akustooptische Schalter, Wellenleiter-Optikschalter, Festkörper-Optikschalter und magnetooptische Schalter usw. Je nach Anwendung lassen sich optische Schalter wiederum in mechanische, Rack-Mount-Optikschalter, Tisch-Optikschalter usw. unterteilen. Im Folgenden geben wir eine kurze Einführung in einige häufig verwendete optische Schalter.
Optomechanischer optischer Schalter
Mechanische optische Schalter werden seit langem entwickelt und sind derzeit am weitesten verbreitet. Diese Geräte schalten durch die Bewegung von Glasfasern oder anderen optischen Massenelementen mittels Schrittmotoren oder Relaisarmen. Vorteile herkömmlicher mechanischer optischer Schalter sind geringe Einfügungsdämpfung (<2 dB), hohe Isolation (>45 dB) und Unabhängigkeit von Polarisation und Wellenlänge. Opto-mechanische optische Schalter kollimieren in der Regel den optischen Strahl jeder Eingangs- und Ausgangsfaser und bewegen diesen kollimierten Strahl im Gerät. Dies ermöglicht geringe optische Verluste und einen Abstand zwischen Eingangs- und Ausgangsfaser ohne nachteilige Auswirkungen. Nachteile herkömmlicher mechanischer optischer Schalter sind die lange Ein- und Ausschaltzeit und das höhere Gewicht im Vergleich zu anderen Alternativen. Daher ist die Herstellung großer optischer Schaltmatrizen schwierig. Mit der technologischen Entwicklung überwinden jedoch neue mikromechanische Geräte dieses Problem. Die neue Generation opto-mikromechanischer optischer Schalter zeichnet sich durch eine größere Bandbreite, eine kompakte Struktur und geringe Größe aus, wodurch die Anzahl der optischen Schaltelemente in einer Matrix und die entsprechende Anzahl der Treiber deutlich reduziert werden kann.
Optischer MEMS-Schalter
MEMS-Lichtschalter (Micro-Electro-Mechanical Systems) sind mikrooptische Schalter im freien Raum, die aus Halbleitermaterial bestehen. Diese fortschrittliche Technologie erregt weltweit großes Interesse. MEMS-Lichtschalter sind kompakt, leicht und einfach zu erweitern. Sie vereinen die Vorteile mechanischer und Wellenleiter-Lichtschalter und überwinden gleichzeitig deren Nachteile. Durch die Integration von Elektrik, Mechanik und Optik können sie transparent unterschiedliche Geschwindigkeiten und verschiedene Geschäftsdienste übertragen und finden breite Anwendung in der Industrie.
Thermischer optischer Schalter
Diese Technologie wird häufig zur Herstellung von Miniatur-Lichtschaltern verwendet. Thermooptische Schalter basieren in der Regel auf Wellenleitern aus Polymeren oder Siliziumdioxid. Ihr Betrieb basiert auf der Änderung des Brechungsindexes mit der Temperatur, die durch einen über dem Wellenleiter platzierten Heizwiderstand erzeugt wird. Ihre Langsamkeit stellt für aktuelle Anwendungen keine Einschränkung dar. Es gibt hauptsächlich zwei Grundtypen: digitale optische Schalter (DOS) und interferometrische optische Schalter.
Akustooptischer Schalter
Bei diesem Schaltertyp wird die Lichtablenkung durch akustische Wellen gesteuert. Da keine beweglichen Teile vorhanden sind, ist dies zuverlässiger. Der Verlust eines 1×2-akustooptischen Schalters liegt in der Regel unter 2,5 dB.
Optischer Wellenleiterschalter
Der Wellenleiter-Lichtschalter ist eine neuartige optische Schalterart mit Wellenleiterstruktur. Darüber hinaus werden elektrooptische, akustooptische, thermooptische und magnetooptische Effekte in Wellenleiter-Lichtschaltern genutzt. Dank seiner geringen Größe findet der Wellenleiter-Lichtschalter breite Anwendung in OXC-Anwendungen.
Magnetooptischer Schalter
Das Prinzip des magnetooptischen Schalters basiert auf dem Faraday- Rotationseffekt. Im Vergleich zum herkömmlichen mechanischen optischen Schalter bietet der Magnetoschalter die Vorteile einer schnelleren Schaltgeschwindigkeit und höheren Stabilität. Darüber hinaus weist er im Vergleich zu anderen nicht-mechanischen optischen Schaltern eine geringere Ansteuerspannung und ein geringes Übersprechen auf. Daher wird der magnetooptische Schalter in Zukunft ein sehr wettbewerbsfähiger optischer Schaltertyp sein.
Optischer Flüssigkristallschalter
Das Funktionsprinzip des Flüssigkristall-Lichtschalters basiert auf der Polarisationssteuerung. Das heißt, ein Bereich reflektiert das Licht durch die Polarisation, während der andere Bereich durchgelassen wird. Der hohe optische Koeffizient von Flüssigkristallelektrolyt macht ihn zum effektivsten photoelektrischen Material. Die Schaltgeschwindigkeit von Flüssigkristall-Lichtschaltern kann zudem im Submikrosekundenbereich liegen. Mit dem fortschreitenden technologischen Fortschritt könnte sie künftig sogar im Nanosekundenbereich liegen.
Optischer Bypass-Schalter
Nachdem wir die verschiedenen häufig verwendeten Arten von optischen Schaltern besprochen haben, haben Sie nun ein tieferes Verständnis für optische Schalter. Darüber hinaus gibt es einen optischen Schalter, der als optischer Bypass-Schalter bezeichnet wird. Benutzer sind oft von seinem Namen verwirrt. Ein optischer Bypass-Schalter ist ein optischer Schalter mit Schutzschaltfunktion. Er wird typischerweise zur Wiederherstellung nach Netzwerkausfällen verwendet. Er bietet einen permanenten und störungsfreien Zugangsport für Inline-Netzwerksicherheits- und Überwachungsgeräte. Der optische Bypass-Schalter leitet den Netzwerkverkehr automatisch durch hinzugefügte Inline-Geräte oder umgeht Geräte, die entfernt werden sollen. Im Handumdrehen schützt der optische Bypass-Schalter den Netzwerkverkehr vor Signal- und Stromverlust auf dem angeschlossenen Inline-Gerät. Diese Art der optischen Schalttechnologie wird in vielen anderen Geräten verwendet und findet breite Anwendung beim optischen Leitungsschutz von PDH-, SDH-, C/DWDM-, Stromkommunikations- und CATV-Systemen usw.
Anwendung und Perspektiven optischer Schalter
Anwendung
Optische Schalter spielen in optischen Netzwerken eine sehr wichtige Rolle. Sie dienen nicht nur als Schaltkern der Schlüsselausrüstung im WDM-Netzwerk , sondern auch als Schlüsselkomponente in optischen Netzwerken. Die Hauptanwendungen optischer Schalter sind:
- Schutzschaltungsfunktion – Optische Schalter werden üblicherweise zur Fehlerbehebung im Netzwerk eingesetzt. Bei einem Glasfaserbruch oder anderen Übertragungsfehlern schaltet der optische Schalter das Signal vom primären auf den alternativen Weg um. Für diese Anwendung scheint der einfachste 1x2-Optikschalter der gebräuchlichste zu sein. Darüber hinaus können optische Schalter mit Bypass-Funktion in verschiedenen Gateway-Geräten eines Netzwerks eingesetzt werden. Sie schützen vor Netzwerkausfällen und vereinfachen die Netzwerkwartung, indem sie die Netzwerkintegrität bei Stromausfall gewährleisten. Wenn Inline-Geräte in einem Gigabyte-Glasfasernetzwerk die Stromversorgung verlieren oder vom Netzwerk getrennt werden müssen, leiten die optischen Bypass-Schalter den Netzwerkverkehr automatisch auf Bypass-Geräte mit geringerer Leistung um.
- Netzwerküberwachung – Am entfernteren Testpunkt können mehrere Fasern mit dem optischen 1xN-Switch an ein OTDR angeschlossen werden . Durch Umschalten des optischen Switches kann die Überwachung aller Fasern erfolgen. Darüber hinaus unterstützt der optische Bypass-Switch die Fail-Open-Überwachung mit jedem Glasfaser-Inline-Gerät, sofern dieses die gleiche Stromquelle nutzt. Während der optische Bypass-Switch mit Strom versorgt wird, leitet er den Netzwerkverkehr an die angeschlossenen Inline-Geräte um. In diesem Zustand wird der gesamte Inline-Verkehr direkt an das mit dem optischen Bypass-Switch verbundene Gerät weitergeleitet.
- Optische Tests – Durch Verbinden der zu testenden optischen Komponenten mit Glasfasern über 1xN optische Schalter können diese optischen Komponenten durch Überwachung des Signals jedes Kanals der optischen Schalter getestet werden.
- Anwendung auf OADM und OXC – OADM wird hauptsächlich im Loop-MAN (Metropolitan Area Network) eingesetzt. Es ermöglicht das Hinzufügen eines oder mehrerer neuer Wellenlängenkanäle zu einem bestehenden Mehrwellenlängen-WDM-Signal und/oder das Entfernen eines oder mehrerer Kanäle, um diese Signale an einen anderen Netzwerkpfad weiterzuleiten. Durch den Einsatz optischer Schalter lässt sich die Flexibilität der Netzwerkkonfiguration deutlich erhöhen. OXC besteht aus optischen Schaltmatrizen. Es wird hauptsächlich für Querverbindungen in optischen Backbone-Netzwerken verwendet, um Fehlerschutz, dynamisches Lichtwegmanagement und flexible Netzwerkdienste zu gewährleisten.
Aussicht
Mit der Entwicklung optischer Transportnetztechnologie entstehen ständig neue optische Switch-Technologien, während die ursprünglichen optischen Switch-Technologien kontinuierlich verbessert werden. Da sich optische Übertragungsnetze in Richtung ultrahoher Geschwindigkeit und großer Kapazität entwickeln, können Netzwerküberlebensfähigkeit, Netzwerkschutzschaltung und Wiederherstellung kritische Punkte sein. Optische Switches spielen eine wichtige Rolle bei Schutz und Wiederherstellung in diesem Bereich und schließen diese Lücke. Um der neuen und zunehmenden Netzwerkaktualisierung besser gerecht zu werden, wird die Größe der Switching-Matrix der optischen Switches in Zukunft voraussichtlich weiter wachsen. Darüber hinaus werden höhere Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit optischer Switches gestellt. Kurz gesagt: Zukünftige Netzwerke benötigen hochleistungsfähige, schnelle und verlustarme optische Switches, die bei der Entwicklung optischer Netzwerke eine immer wichtigere Rolle spielen.
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