Introdução ao switch totalmente óptico

O switch totalmente óptico é o principal elemento da rede de comunicação óptica. Sendo a chave para a implementação de todas as redes ópticas, possui baixo consumo de energia, alta eficiência de switch e tempo de resposta rápido, características que têm merecido muita atenção nos últimos anos.

Do final da década de 1980 até o presente, diversos grupos de pesquisa têm conduzido pesquisas aprofundadas sobre todos os tipos de switches totalmente ópticos. Switches totalmente ópticos são uma tecnologia muito importante, podendo ser aplicadas às áreas de comunicações ópticas, computadores ópticos, processamento óptico de informações e processamento óptico de dados. Switches ópticos são componentes-chave de uma nova geração de redes totalmente ópticas, sendo utilizados principalmente para roteamento de nível de luz, seleção de comprimento de onda, multiplexação óptica add-drop, conexão cruzada óptica e proteção auto-reparadora. Portanto, a velocidade de resposta do switch óptico, a diafonia e o desempenho da perda de inserção afetam diretamente a qualidade da comunicação óptica. A implementação de redes ópticas depende de switches de luz, filtros ópticos, amplificadores de nova geração, dispositivos de multiplexação por divisão de comprimento de onda densa e do progresso tecnológico.

Aplicações de switches ópticos em redes totalmente ópticas devem apresentar alta velocidade de resposta, baixa perda de inserção, baixa diafonia de canal e insensibilidade à polarização, além de integração e escalabilidade, baixo custo, baixo consumo de energia, boa estabilidade térmica e outras características. Espera-se que switches totalmente ópticos reflitam seu enorme potencial nas seguintes aplicações:

(1) A velocidade de cálculo do computador depende do aumento da velocidade dos elementos de comutação e da redução do tamanho do chip, o que representa um gargalo. O desenvolvimento de computadores ópticos é uma possível solução. Os computadores ópticos podem ser compostos por chips de comutação fotônica rápida e por interconexões ópticas externas. Consequentemente, o comutador óptico é a chave para o desenvolvimento de computadores ópticos.

(2) A comunicação eletrônica está sendo gradualmente substituída pela comunicação por fibra óptica para atender à crescente demanda por capacidade de comunicação. A tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda densa (DNC) e a transmissão de sinais de comunicação por fibra óptica para alcançar toda a troca de sinais ópticos também dependem da eletrônica, o que limita a melhoria da taxa de comunicação óptica. Portanto, a comunicação totalmente óptica é a chave para a comutação totalmente óptica.

(3) Sistemas de comunicação de fibra óptica em redes de longa distância, redes metropolitanas, redes de acesso entre comutadores ópticos, que exigem conexões cruzadas ópticas para serem concluídas; a rede de comutadores ópticos entre usuários depende do OADM. A conexão cruzada óptica e o multiplexador add-drop são constituídos por um conjunto de comutadores ópticos. Assim, o comutador óptico é a base para a comutação totalmente óptica.

O estudo da biestabilidade óptica começou na década de 1970, com mais de 30 anos de história. No entanto, o estudo da comutação totalmente óptica também enfrenta muitos problemas práticos, principalmente por três motivos.

(1) A comutação totalmente óptica baseia-se no efeito não linear de terceira ordem. A potência óptica desejada da comutação é muito alta, o que frequentemente exige mais do que a intensidade luminosa da luz de sinalização em mais de cinco ordens de grandeza. Ao contrário da comutação eletrônica de baixa potência, ela não consegue controlar a luz de baixa potência.

(2) Devido à forte luz de entrada causada pelo forte efeito térmico, particularmente no pico de absorção dielétrica em um dispositivo de comutação de comprimento de onda, a absorção de calor torna o dispositivo muito instável e difícil de obter uma operação em cascata do dispositivo.

(3) A propagação do feixe de laser no meio microns, a densidade de potência não é alta, mas o efeito não linear da distância limitada necessária para produzir potência não linear é muito difícil de comprimir para a dimensão transversal do feixe.

Portanto, reduzir a potência de comutação é uma tarefa importante no estudo de comutadores totalmente ópticos. Ao submeter a luz através de um guia de ondas de fibra óptica ou de um guia de ondas óptico integrado planar com comprimento de onda da ordem de grandeza da dimensão transversal, é possível obter uma densidade de potência luminosa mais alta e um comprimento de interação mais longo, melhorando significativamente a eficiência da geração de efeitos ópticos não lineares. A potência óptica pode ser reduzida para alcançar comutadores totalmente ópticos. Os comutadores ópticos do tipo guia de ondas tornaram-se o principal objeto de estudo. Guias de ondas de silício (incluindo fibra óptica) apresentam baixa absorção na banda de comunicação, mas a absorção não linear é muito fraca, e o acúmulo de cavidades de anel disponíveis é não linear.