Введение в полностью оптический коммутатор

Полностью оптический коммутатор является основным элементом оптической сети связи. Будучи ключом к реализации полностью оптической сети, он обладает низкой мощностью накачки, высокой эффективностью переключения и малым временем отклика, поэтому в последние годы ему уделяется большое внимание.

С конца 1980-х годов и по настоящее время многие исследовательские группы проводят углубленные исследования всех видов полностью оптических коммутаторов. Полностью оптический коммутатор является очень важной технологией, она может применяться в области оптической связи, оптических компьютеров, оптической обработки информации и оптической обработки данных. Оптический коммутатор , как ключевой компонент нового поколения полностью оптических сетей, в основном используется для достижения маршрутизации на уровне света, выбора длины волны, оптического мультиплексирования ввода-вывода и оптического кросс-коммутирования и защиты от самовосстановления. Таким образом, скорость отклика оптического коммутатора, перекрестные помехи, вносимые потери будут напрямую влиять на качество оптической связи. Реализация оптической сети зависит от световых коммутаторов, оптических фильтров, усилителей нового поколения, устройств технологии плотного мультиплексирования с разделением по длине волны и технологического прогресса.

Оптические коммутаторы, применяемые в полностью оптических сетях, должны обладать высокой скоростью отклика, низкими вносимыми потерями, низкими перекрестными помехами в канале и нечувствительностью к поляризации, а также интегрируемостью и масштабируемостью, низкой стоимостью, низким энергопотреблением, хорошей термостабильностью и другими характеристиками. Ожидается, что полностью оптические коммутаторы раскроют свой огромный потенциал в следующих областях применения.

(1) Скорость вычислений компьютера зависит от повышения скорости коммутационных элементов и уменьшения размера кристалла, что является узким местом. Разработка оптических компьютеров является возможным решением. Оптические компьютеры могут представлять собой чипы с быстрой фотонной коммутацией, а внешние оптические межсоединения – чипами. Соответственно, оптический коммутатор – ключ к развитию оптических компьютеров.

(2) Электронная связь постепенно заменяется оптоволоконной связью, чтобы удовлетворить растущий спрос на коммуникационные возможности. Технология плотного спектрального уплотнения (DSPDM) и передача сигналов по оптоволоконному каналу связи для обеспечения полного обмена оптическими сигналами также зависят от электроники, что ограничивает рост скорости оптической связи. Таким образом, полностью оптическая связь является ключом к полностью оптической коммутации.

(3) Волоконно-оптические системы связи в сетях дальней связи, городских сетях, сетях доступа между оптическими коммутаторами, требующих оптических кросс-коммутаторов для завершения работы; оптическая коммутационная сеть между пользователями основана на OADM. Оптический кросс-коммутатор и мультиплексор ввода-вывода состоят из массива оптических коммутаторов. Таким образом, оптический коммутатор является основой для полностью оптической коммутации.

Изучение оптической бистабильности началось в 1970-х годах и имеет более чем 30-летнюю историю. Однако изучение чисто оптической коммутации также сталкивается с множеством практических проблем, обусловленных главным образом тремя причинами.

(1) Полностью оптический переключатель основан на нелинейном эффекте третьего порядка. Требуемая оптическая мощность переключателя слишком велика, что часто превышает интенсивность светового сигнала более чем на пять порядков. В отличие от маломощных электронных переключателей, он не может обеспечить управление светом при малой мощности.

(2) Из-за сильного входного света, вызванного сильным тепловым эффектом, особенно в пике диэлектрического поглощения в устройстве переключения длины волны, поглощение тепла приводит к тому, что устройство становится очень нестабильным и трудно добиться каскадной работы устройства.

(3) Распространение лазерного луча в средних микронах, плотность мощности невелика, но нелинейный эффект ограничен расстоянием, необходимым для создания нелинейной мощности, слишком сложно сжать до поперечного размера луча.

Таким образом, снижение коммутируемой мощности является важной задачей при изучении полностью оптических переключателей. Прохождение света через волоконный волновод или планарный интегрированный оптический волновод с поперечным размером порядка длины волны позволяет получить более высокую плотность световой мощности и большую длину взаимодействия, что значительно повышает эффективность генерации нелинейных оптических эффектов и позволяет снизить оптическую мощность для достижения полностью оптического переключения. Оптические переключатели волноводного типа стали основным объектом исследования. Кремниевые волноводы (включая оптические волокна) в полосе связи поглощают мало, но нелинейность слишком слаба, что приводит к нелинейному накоплению в кольцевом резонаторе.