Introducción al interruptor totalmente óptico

El conmutador totalmente óptico es el elemento principal de la red de comunicación óptica. Como clave para la realización de una red totalmente óptica, se caracteriza por su baja potencia de bombeo, alta eficiencia de conmutación y rápidos tiempos de respuesta, características que le han merecido gran atención en los últimos años.

Desde finales de la década de 1980 hasta la actualidad, numerosos grupos de investigación han investigado a fondo todo tipo de conmutadores ópticos. Los conmutadores ópticos son una tecnología muy importante, con aplicaciones en el campo de las comunicaciones ópticas, las computadoras ópticas, el procesamiento óptico de información y el procesamiento óptico de datos. Los conmutadores ópticos , como componentes clave de una nueva generación de redes ópticas, se utilizan principalmente para el enrutamiento de niveles de luz, la selección de longitud de onda, la multiplexación óptica de adición y eliminación, la conexión cruzada óptica y la protección autorregenerativa. Por lo tanto, la velocidad de respuesta de los conmutadores ópticos, la diafonía y el rendimiento de la pérdida de inserción afectarán directamente la calidad de la comunicación óptica. La implementación de redes ópticas depende de los conmutadores de luz, los filtros ópticos, los amplificadores de nueva generación, los dispositivos con tecnología de multiplexación por división de longitud de onda densa y el progreso tecnológico.

Las aplicaciones de conmutadores ópticos en redes totalmente ópticas deben, además de ofrecer alta velocidad de respuesta, baja pérdida de inserción, baja diafonía de canal e insensibilidad a la polarización, integración, escalabilidad, bajo costo, bajo consumo de energía y buena estabilidad térmica, entre otras características. Se espera que los conmutadores totalmente ópticos reflejen su enorme potencial en las siguientes aplicaciones.

(1) La velocidad de cálculo de las computadoras depende del aumento de la velocidad de los elementos de conmutación y de la reducción del tamaño del chip, lo que ha generado un cuello de botella. El desarrollo de computadoras ópticas es una posible solución. Las computadoras ópticas pueden consistir en chips de conmutación fotónica rápida y en interconexiones ópticas externas. Por consiguiente, el interruptor óptico es clave para el desarrollo de las computadoras ópticas.

(2) La comunicación electrónica está sustituyendo gradualmente a la comunicación por fibra óptica para satisfacer la creciente demanda de capacidad de comunicación. La tecnología de Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa (MLD), que permite la transmisión de señales de comunicación por fibra óptica para lograr un intercambio de señales ópticas, también depende de la electrónica, lo que limita la mejora de la velocidad de la comunicación óptica. Por lo tanto, la comunicación 100% óptica es clave para una conmutación 100% óptica.

(3) Los sistemas de comunicación de fibra óptica en redes de larga distancia, redes de área metropolitana y redes de acceso entre conmutadores ópticos requieren interconexiones ópticas para completar la red. La red de conmutadores ópticos entre usuarios se basa en el OADM. El multiplexor de interconexiones ópticas y de inserción-extracción está constituido por una matriz de conmutadores ópticos. Por lo tanto, el conmutador óptico es la base de la conmutación óptica integral.

A partir de la década de 1970, el estudio de la biestabilidad óptica, con más de 30 años de historia, comenzó. Sin embargo, el estudio de la conmutación óptica también enfrenta numerosos problemas prácticos, principalmente debido a tres razones.

(1) El interruptor óptico se basa en el efecto no lineal de tercer orden. La potencia óptica deseada del interruptor es demasiado alta, lo que a menudo requiere una intensidad lumínica superior a la de la señal luminosa en más de cinco órdenes de magnitud. A diferencia del interruptor electrónico de baja potencia, no permite controlar la luz a baja potencia.

(2) Debido a la fuerte entrada de luz causada por el fuerte efecto térmico, particularmente en el pico de absorción dieléctrica en un dispositivo de conmutación de longitud de onda, la absorción de calor hace que el dispositivo sea muy inestable y difícil de lograr una operación en cascada del dispositivo.

(3) La propagación del rayo láser en micrones medios, la densidad de potencia no es alta, pero la distancia limitada del efecto no lineal requerida para producir potencia no lineal es demasiado difícil de comprimir a la dimensión transversal del rayo.

Por lo tanto, la reducción de la potencia de conmutación es un tema importante en el estudio de interruptores ópticos. Al pasar la luz a través de una guía de onda de fibra óptica o una guía de onda óptica integrada plana con una longitud de onda de un orden de magnitud de dimensión transversal, se puede obtener una mayor densidad de potencia luminosa y una mayor longitud de interacción, mejorando así considerablemente la eficiencia en la generación de efectos ópticos no lineales. Además, se puede reducir la potencia óptica para lograr una conmutación óptica. Los interruptores ópticos de tipo guía de onda se han convertido en el principal objeto de estudio. Las guías de onda de silicio (incluida la fibra óptica) en la banda de comunicación tienen una pequeña absorción, pero la no linealidad es demasiado débil, lo que genera una acumulación no lineal en la cavidad del anillo disponible.