.webp)
В условиях резкого роста спроса на широкополосную связь во всем мире сочетание технологии лазерной прямой записи и материалов с фазовым переходом кардинально меняет подход к модернизации оптических сетей связи, обеспечивая динамическую перенастройку коэффициентов разделения без замены оборудования.
В эпоху бурного роста глобального спроса на широкополосный доступ пассивные оптические сети (PON) стали краеугольным камнем высокоскоростной связи. Планарные оптические разветвители PLC , являющиеся основными компонентами PON, долгое время страдали от фундаментального недостатка: фиксированных коэффициентов разветвления.
Когда сети требуют расширения, операторам приходится приостанавливать предоставление услуг для замены оборудования, что приводит к перебоям в обслуживании и резкому росту расходов.
Недавно международные исследовательские группы совершили прорыв: используя материал с фазовым переходом и сверхнизкими потерями — трисульфид сурьмы (Sb₂S₃) — в сочетании с технологией прямой лазерной записи, они успешно продемонстрировали энергонезависимое оптическое программирование соотношений разделения — одна операция записи навсегда блокирует целевое состояние, устраняя необходимость в постоянном источнике питания.
Эта технология представляет собой революционное решение для динамической реконфигурации оптических сетей.
Технические ограничения традиционных разветвителей
Планарные разветвители световодных цепей (PLC) представляют собой интегрированные волноводные оптические распределительные устройства на основе кварцевых подложек, которые в основном используются в системах «оптоволокно до дома» (FTTH) и пассивных оптических сетях (EPON/GPON) для разделения и объединения оптических сигналов.
С момента своего коммерциализации в 1990-х годах разветвители PLC всегда сталкивались с фундаментальным ограничением: коэффициент разветвления фиксируется после завершения производства. Когда сеть необходимо модернизировать с 1:32 до 1:64, операторам приходится планировать простой для замены оборудования, что приводит к перебоям в обслуживании и увеличению затрат.
В настоящее время основным решением являются терморегулируемые разветвители, но для поддержания своего состояния им требуется постоянное питание, что приводит к высокому энергопотреблению. Кроме того, им требуются встроенные микронагреватели и вспомогательные схемы, что значительно увеличивает стоимость производства.
Традиционные материалы с фазовым переходом (такие как Ge₂Sb₂Te₅) демонстрируют высокие оптические потери в полосах связи (полосах C/L), что делает их непригодными для оптических трактов с низкими потерями.
Прорывное технологическое решение
Международная исследовательская группа предложила инновационное решение: интеграцию материала с фазовым переходом Sb₂S₃ в коммерческие платформы ПЛК. Эта конструкция позволяет наносить пленку Sb₂S₃ толщиной 500 нм на плечи интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ), используя значительный контраст показателей преломления (Δn=0,6) между кристаллическим (n=3,3) и аморфным (n=2,7) состояниями для создания управляемых фазовых сдвигов.
Используя технологию прямой лазерной записи для локальной кристаллизации материала (>270 °C), одна операция записи навсегда фиксирует соотношение разделения, и устройство работает без необходимости постоянного питания.
Управляя мощностью лазера (3–5 мВт) и скоростью сканирования (10–40 мкм/с), система обеспечивает равномерную кристаллизацию плёнки Sb₂S₃. Рамановская спектроскопия (характерные пики при 189/290 см⁻¹) количественно подтвердила качество кристаллического превращения.
После лазерной записи миллиметрового масштаба (1–6 мм) на плечах интерферометра MZI соотношение разделения можно динамически переключать с 50:50 на 80:20 с энергопотреблением менее 10 мкДж на переключение. Ключевым достижением является то, что новое состояние сохраняется постоянно без питания, что обеспечивает по-настоящему энергонезависимую работу. Дополнительные вносимые потери устройства составляют всего около 1 дБ, что соответствует требованиям коммерческих систем.
Инновационное применение технологии микро-нанообработки
Группа исследователей из Брюссельского свободного университета (Бельгия) разработала сверхкомпактный многожильный волоконно-оптический разветвитель 1×4, продемонстрировав новый технический подход. Это устройство объединяет многомодовые интерференционные ответвители, градиентные конические переходные структуры и S-образные волноводы, изготовленные с использованием высокоточной 3D-микро-нанотехнологии.
Эта технология обеспечивает прямое соединение одножильных волокон с многожильным волокном с малыми потерями, при этом размер устройства составляет всего 180 микрометров. Технология двухфотонной полимеризации позволяет печатать плавные переходы волноводов, компактные изгибы и высокосортные структуры — всё за один этап.
После изготовления исследователи провели стыковое соединение оптического разветвителя с одножильными и многожильными волокнами для оценки его характеристик передачи. Среднее вносимое затухание на канал составило приблизительно -3 дБ. Устройство также продемонстрировало низкие потери, зависящие от поляризации, что подтверждает эффективность конструкции и высокую точность процесса 3D-печати.
Достижения в области автоматизированного точного производства
При производстве основных устройств для оптических сетей связи точность систем сопряжения PLC напрямую влияет на эффективность передачи и стабильность оптических сигналов. Разработанные недавно системы сопряжения PLC обеспечивают комплексные решения для оптического соединения таких устройств, как разветвители и мультиплексоры со спектральным разделением, от НИОКР до массового производства, благодаря автоматизированной технологии прецизионной юстировки и интеллектуальным алгоритмам.
Эти системы, оснащенные шестимерными прецизионными юстировочными столами и системами машинного зрения высокого разрешения, обеспечивают точность позиционирования по линейной оси ±0,5 мкм и точность угловой регулировки ±0,01°. В сочетании с фирменными алгоритмами поиска градиента они могут определить оптимальное положение соединения между волокном и волноводами PLC в течение 30 секунд.
С помощью графических интерфейсов пользователи могут предварительно задавать параметры сопряжения и отслеживать изменения оптической мощности в режиме реального времени. Программное обеспечение автоматически генерирует кривые потерь на сопряжение и статистические отчёты, что упрощает оптимизацию процесса. Для сопряжения многоканальных ПЛК-устройств система поддерживает параллельную отладку, обрабатывая от 8 до 16 канальных устройств за один пакет, что повышает эффективность в пять раз по сравнению с традиционным оборудованием.
Перспективы применения и влияние на рынок
Технология постоянно программируемого оптического разветвителя легко интегрируется в существующие, отработанные процессы крупномасштабного производства ПЛК. Она требует добавления всего двух этапов — осаждения плёнки Sb₂S₃ методом напыления и прямой лазерной записи — после стандартных процедур, устраняя необходимость в дополнительных сложных этапах литографии и травления. Это значительно снижает барьер для индустриализации и снижает затраты.
Ожидается, что в будущем эти «постоянно настраиваемые» оптические разветвители найдут широкое применение в сетях FTTH (оптоволокно до дома), оптических межсоединениях центров обработки данных и сетях Fronthaul 5G/6G. Возможность динамического распределения сетевых ресурсов по требованию без замены оборудования значительно повысит эффективность и гибкость работы сети.
3D-печатные разветвители удовлетворяют растущий спрос на компактные, изготовленные на заказ фотонные компоненты в таких областях, как телекоммуникации, квантовые технологии и медицинская диагностика. Многожильные волокна, используемые для определения формы в реальном времени в роботизированных инструментах и эндоскопах, обнаруживают мельчайшие движения и деформации внутри человеческого тела.
Эти разветвители позволяют подключать такие сложные волокна напрямую к одножильным детекторам, устраняя необходимость в громоздких, чувствительных к выравниванию модулях разветвления.
Эта технология также открывает новые возможности в области квантовой связи, обеспечивая точную инжекцию света в выбранные ядра для мультиплексирования и безопасного разделения сигналов. Благодаря компактному форм-фактору и высокой гибкости настройки эти разветвители могут адаптироваться к различным размерам ядер и компоновкам систем.
Поскольку глобальный спрос на широкополосную связь продолжает стремительно расти, технология программируемых оптических разветвителей нового поколения поможет операторам избавиться от ограничений, связанных с заменой оборудования.
Модернизация сети станет такой же простой, как обновление программного обеспечения: одна операция лазерной записи навсегда изменяет путь света, при этом само оборудование не меняется.
Оптические сети связи приближаются к по-настоящему интеллектуальной, эффективной, экологичной и полностью программируемой эре.
Еще ни один комментарий не опубликован.