Przezroczyste przełączanie światła

Ukoronowaniem kompleksowej oferty terabitowych sieci optycznych jest równoczesna implementacja w nich całkowicie przezroczystych przełączników światła, spełniających funkcję dotychczasowych węzłów komutujących OXC (Optical Cross Connect). Obecnie są już dostępne w wersji produkcyjnej (i nadal rozwijane) dwa konkurencyjne rozwiązania o całkowicie odmiennej technologii bezpośredniego krosowania wiązek fotonów: przełączniki optyczne wykonane w mikroelektromechanicznej technologii MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) i ciekłokrystaliczne przełączniki optyczne.

W przełącznikach typu MEMS przełączanie strumieni świetlnych dokonuje się za pomocą dwóch współzależnych płaskich i dwuwymiarowych (2D MEMS) matryc mechanicznych z uchylnymi miniaturowymi zwierciadłami o średnicy około 0,5 mm. Są one osadzone na elastycznych wiązadłach półprzewodnikowych - pełniących rolę sprężynek z elektrostatycznym sterowaniem. W najnowszych rozwiązaniach używa się komponentów ruchomych przemieszczających się w trzech płaszczyznach (3D MEMS), co umożliwia realizację większej liczby połączeń w tej samej objętości przełącznika optycznego, o kosztach podobnych jak w technologii 2D.

Lucent Technologies jako pierwsza (1999 r.) zaoferowała przemysłową wersję całkowicie optycznego przełącznika WaveStar LambdaRouter, eliminującego stosowanie elektronicznych przełączników promieni świetlnych. Jeden przełącznik LambdaRouter Lucenta z matrycą przełączającą 16x16 umożliwia dowolne komutowanie 256 oddzielnych wiązek optycznych (w przyszłym roku już 1024 strumienie) - praktycznie bez ograniczania ich przepływności binarnej. Zbliżoną ofertą dwóch typów przełączników optycznych wykonanych w technologii mikroelektromechanicznej MEMS, dysponuje również amerykańska firma światłowodowa Corning, a także Alcatel, który wspólnie z firmą OMM zaprezentował w sierpniu br. szerokopasmowy przełącznik optyczny MEMS nowej generacji o nazwie CrossLight. Za jego pośrednictwem już teraz można bezpośrednio komutować światło w 512 portach optycznych (wkrótce 4000 portów) zrealizowanych w technologii 2D/3D MEMS.

Zasada działania przełącznika optycznego WaveStar LambdaRouter (klasy MEMS) Lucent Technologies polega na odbijaniu wiązki promieni świetlnych za pomocą dwóch zespołów z miniaturowymi ruchomymi lustrami umieszczonymi w matrycy 16x16 (łącznie 256 promieni) lub w matrycy 32x32 (1024 promienie). Sterowane lustra uchylne są elastycznie wytrawione na powierzchni półprzewodnika (około 1 cal2), a ich płaszczyzna nachylenia jest sterowana polem elektrostatycznym. Dzięki temu wiązki promieni świetlnych mogą być dowolnie krosowane, bez czasochłonnej konwersji elektrycznej i ograniczania przepływności przełączanych strumieni binarnych.

Rozwiązaniem konkurencyjnym i odmiennym od lustrzanej technologii MEMS są ciekłokrystaliczne przełączniki światła, w których podstawowym budulcem jest specjalny blok pęcherzykowy (bubble technology) do komutowania 32 promieni świetlnych, znajdujące się dopiero w fazie badań podstawowych. W tym rozwiązaniu wewnątrz układu wypełnionego specjalnym płynem znajduje się matryca mikroskopijnych kanałów optycznych prowadzących promienie świetlne. Półpłynną ciecz znajdującą się na skrzyżowaniu promieni świetlnych można wielokrotnie podgrzewać za pomocą specjalnych dysz pęcherzykowych, dzięki czemu uzyskuje się lokalną zmianę mikrostruktury powodującej efekt zwierciadła optycznego (bąble), kierującego strumień świetlny do właściwego portu odbiorczego.

Zachęcające wyniki w tej technologii (z bąbelkowym przełączaniem) dla małej liczby kanałów optycznych, uzyskiwane przez Alcatel, nie dają jeszcze jednoznacznej odpowiedzi, czy ta nowa technologia przełączania będzie odpowiednia również dla przełączników o dużej liczbie portów optycznych z wysokimi przepływnościami.

Zdaniem fachowców obydwie technologie przełączania optycznego (MEMS i ciekłokrystaliczna), choć całkowicie odmienne w realizacji, wcale nie wykluczają się wzajemnie. Przełączniki MEMS znajdą prawdopodobnie głównie zastosowanie jako węzły sieciowe klasy OXC do przełączania łączy optycznych (kompletnych wiązek światła) w szerokopasmowych sieciach i platformach optycznych operatorów sieci, natomiast technologie ciekłokrystaliczne będą stosowane jedynie do routingu światła między kanałami DWDM. Dokładniej oznacza to dowolne komutowanie pojedynczych kanałów optycznych w jednym wielofalowym włóknie światłowodowym.

Biorąc to wszystko pod uwagę oraz uwzględniając postęp w technologiach optycznych, zmniejszających wrażliwość sygnałów świetlnych na efekty nieliniowe światłowodu (np. mieszanie czterofalowe), technologie zwielokrotnienia mają przed sobą jasną przyszłość. Coraz większa dostępność na rynku produktów techniki WDM wytwarzanych przez liczną grupę producentów, stosowanie przekazów ze zwielokrotnieniem falowym - o niewielkiej krotności z użyciem standardowych kabli światłowodowych - wydaje się najbardziej właściwą, chociaż nie jedyną, metodą zwiększania ogólnej przepustowości sieci telekomunikacyjnych zarówno teraz, jak i w przyszłości.