Optikai kapcsolók Dr Berceli Tibor berceli@mht.bme.hu Kapcsolási elvek 1 x 1 1 x 2 2 x 2 N x N vezérlés vezérlés vezérlés vezérlés Csak blokkolás nélküli üzemmód engedélyezett 1
Optikai kapcsolók megoldásai MEMS (MEMS: Micro Electro-Mechanical System) a fény nyalábot mikrotükrök sorozatával a megfelelő kimenetre tükrözi Piezoelelectric beam steering (piezoelektromos nyaláb irányítás) piezoelektromos kerámiát használ a fény irányítására Liquid crystal (folyékony kristály) a polarizált fényt az alkalmazott elektromos tér hatására 0 vagy 90 fokkal elforgatja Thermal method interferométer egyik ágában hőhatással változtatja a törésmutatót, s ezzel a jelet ki- vagy bekapcsolja Nonlinear method a diffrakciós mintát változtatva a fényt a kívánt kimenetre irányítja Acousto-optic method akusztikus tér révén létrehozott mechanikai feszültség a törésmutatót változtatja, melynek eredményeként a fénytörés iránya változik SOA (semiconductor optical amplifier) a bázisárammal az átvitel kapcsolható EAM (electro-absorption modulator) feszültséggel az átvitel kapcsolható A kapcsoló eszközök típusai 2
Tetején megvilágított félvezető eszköz Hullámvezető típusú eszköz 3
Koplanár hullámvezetős eszköz Egyedi megoldások 4
Mechanikus kapcsolók Kézi kapcsoló Léptető motoros kapcsoló Cirkulátoros kapcsoló I. Kapcsolni a forgásirány megváltoztatásával lehet kimenet 1 bemenet kimenet 2 5
Cirkulátoros kapcsoló II. Kapcsolni a forgásirány megváltoztatásával lehet lezárás kimenet 1 bemenet kimenet 2 lezárás Hullámvezetős kapcsolók 6
Csatolt hullámvezetők I. Részleges energia áramlás A csatolás mértéke határozza meg az energia áramlásának a hányadát. Az optikai iránycsatoló ezen az elven működik. Csatolt hullámvezetők II. Teljes energia áramlás 7
Csatolt hullámvezetős kapcsolók I. 1 x 1 2 x 2 Csatolt hullámvezetős kapcsolók II. 2 x 2 es kapcsolókból összeépítve 4 x 4 Integrált optikai megoldás 4 x 4 8
Y típusú kapcsoló Teljes belső reflexiós kapcsoló (Total Internal Reflexion switch : TIR) 9
Digitális optikai kapcsoló (digital optical switch: DOS) Elektro-optikai iránycsatolós kaszkád kapcsoló 10
A fényterjedés a kaszkád kapcsolóban Három különböző kapcsoló összehasonlítása 11
Termikus optikai kapcsoló MEMS kapcsolók 12
MEMS tükrök MEMS típusú kapcsoló 13
MEMS típusú optikai kapcsoló egyetlen MEMS lappal MEMS típusú optikai kapcsoló két MEMS lappal 14
Kapcsoló adatok I. SOA típusú kapcsoló 15
Kapcsolás SOA-val bemenet Hibrid SOA Vezérlés kimenet lezárás SOA kimenet SOA kapcsolási jelleggörbéje Optical Gain [db] 15 10 5 0-5 -10-15 -20 0 100 200 300 400 Bias Current [ma] Temperature=20C Wavelength=1550nm 14 12 10 8 6 4 2 0 Optical Gain 16
SOA átviteli karakterisztikája Detected Electrical Power [dbm] -30-40 -50-60 -70-80 -90-100 -110-120 -130 Ibias=150mA Pin=1.38dBm 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Frequency [GHz] Pmod -20 dbm -30 dbm -40 dbm -50 dbm -60 dbm -70 dbm -80 dbm -90 dbm A görbék paramétere a moduláló teljesítmény Elektro-abszorpciós kapcsoló 17
Elektro-abszorpciós eszköz Kapcsolási karakterisztikák EAM kapcsoló elemekkel Folytonos vonal: nyító állapot Szaggatott vonal: záró állapot Hullámhossz: 1550 nm Modulációs frekvencia: 9 GHz 18
EAM átvitel két digitális sebességen HBT-EAM scanning electron microscope (SEM ) képe 19
Kapcsoló adatok II. Fő jellemzők csatlakozási szám: be- és kimenetek száma átvitel iránya: egy vagy két irányú kapcsolási idő (switching time) áthallás (cross-talk) átviteli kapacitás (throughput) sávszélesség polarizációs érzéketlenség beiktatási csillapítás kapcsolási teljesítmény járulékos zaj, kis fázis-zaj reflexió: be- és kimeneten fizikai méretek 20
Kapcsoló rendszerek Átkonfigurálható nemblokkoló 8x8- as kapcsoló 20 darab 2x2-es elemi kapcsoló felhasználásával 21
λ λ λ λ λ λ Egyértelmű nemblokkoló 4x4-es kapcsoló 24 darab 1x2/2x1-es elemi kapcsoló felhasználásával Hullámhossz konverter blokk sémája 10 Gb/s PR BS Payload f 50:5 XGM Wavelength Conversion (1) SOA Payload f Payload f Payload f (2) XPM Wavelength Conversion (4) XP (3) (5) Payload f λ service λ out 22
Neumann János (1903 1957) Neumann János javaslatai nagy hatással voltak a digitális számítógép architektúrájára. Vizsgálatokat végzett nemlineáris dielektromos tényezőn alapuló logikai kapuk használatára. 1953-ban javasolta, hogy a félvezető anyagokban a stimulált emissziót fel lehet használni a fény erősítése érdekében, ami a félvezető lézer működésének az alapvető elve. Köszönöm 23