Обзор волоконно-оптических переключателей

Волоконно-оптические переключатели предназначены для управления направлением распространения света в оптоволоконных каналах. Они осуществляют перераспределение сигналов, поступающих на входные каналы между выходными. Использование различных оптических переключателей актуально в очень многих волоконно-оптических приложениях, например, для областей:

• Классических и квантовых коммуникаций
• Метрологии и приборостроения
• Оптической изоляции
• Радиофотоники
• Медицины

У волоконно-оптических переключателей существует ряд физико-технических характеристик, являющихся наиболее значимыми при выборе нужного устройства. К ним можно отнести следующие:

• Рабочий диапазон длин волн – в современных устройствах доступен от UV-C до SWIR диапазона.
• Скорость переключения – в зависимости от используемой технологии и количества коммутируемых каналов от 10 нс до долей секунды.
• Тип фиксации – с фиксацией выбранного канала после прекращения подачи управляющего сигнала (latching) и без такой фиксации со сбросом до стандартного состояния (non-latching).
• Вносимые потери – в зависимости от используемой технологии и качества от 0.4 дБ до 4-5 дБ.
• Количество рабочих циклов – в зависимости от используемой технологии от 10⁷ до более чем 10¹¹.

Отдельно стоит выделить такие параметры, как:

• Перекрёстные помехи (cross-talk). 

Этот параметр показывает какая доля оптической мощности, при включении в определённый оптический канал, уходит в другие каналы. Обычно этот параметр находится в диапазоне от 20 дБ (Э/О переключатели) до 70 дБ (MEMS и микромеханические переключатели).
Cross-talk является очень важным показателем в применениях, которые касаются сенсорики, метрологии и высокоточных измерений, так как недостаточная изоляция каналов друг от друга может существенно повлиять на результаты измерений.

• Потери, зависимые от поляризации (PDL).

В оптических компонентах при изменении состояния поляризации распространяющейся световой волны её потери также могут меняться. Так, PDL выражается как разница между максимальной и минимальной потерей и обычно равен 0.1-0.4 дБ.
Параметр играет важную роль в применениях квантовых коммуникаций (например, в системе КРК по протоколу BB84) и в сенсорике, так как здесь важен равный приём всех поляризационных состояний.

• Потери, зависимые от длины волны (WDL).

WDL отражают зависимость оптических потерь для разных частотных составляющих сигнала. Грубо говоря, этот параметр отражает степень нелинейности спектрального отклика пассивной волоконно-оптической системы и, как правило, величину WDL стараются минимизировать. Обычно значение этого параметра лежит в пределах 0.01 до 0.35 дБ.
В волоконно-оптических измерениях и метрологии этот параметр играет ключевую роль, так как приём различных длин волн с сильно разнящимися затуханиями на одном и том же переключателе может привести к непригодности прибора в этих и иных применениях.

• Повторяемость (repeatability).

Величина затухания на одном и том же выходном канале, при повторном переключении на него входного канала, различна и может меняться в некотором диапазоне. Как правило, эта погрешность варьируется в диапазоне от ±0.01 дБ до ±0.1 дБ.
Повторяемость величины затухания критична в уже озвученных применениях сенсорики и метрологии, будь то процесс опрашивания датчиков в ВОЛС или же перераспределение сигнала в системах LiDAR.

• Максимальная входная мощность.

Типичное значение максимальной входной мощности для рядовых переключателей варьируется от 10 до 500 мВт. Однако существуют и высокомощные серии переключателей, которые поддерживают и 5 Вт и даже 10 Вт. Величина максимальной поддерживаемой мощности сильно зависит не только от качества самого переключателя, но и от его конструкционного типа и принципа действия. Так, например, MEMS-переключатели не поддерживают мощности более 500 мВт, так как микромеханическое зеркало легко повреждается мощным излучением, сгорая и выводя из строя весь прибор. Электрооптические же переключатели и микромеханические, за счёт иной технологии, могут поддерживать более высокие мощности в единицы Ватт.

На современном коммерческом рынке представлен широкий ассортимент оборудования с самым различным набором описанных характеристик, поэтому для дальнейшего обзора удобно подразделить переключатели по технологии изготовления:

Микромеханические переключатели

В таких переключателях применяется принцип переключения, основанный на физическом перемещении элемента устройства, позволяющего коммутировать оптический сигнал между выходными каналами. Например, посредством перемещения механического манипулятора с входным каналом между несколькими выходными: В таких переключателях применяется принцип переключения, основанный на физическом перемещении элемента устройства, позволяющего коммутировать оптический сигнал между выходными каналами. Например, посредством перемещения механического манипулятора с входным каналом между несколькими выходными:

Также возможно перераспределение сигнала за счёт манипуляций с оптическими элементами, которые, в свою очередь, так или иначе перераспределяют оптические пути в системе. Например, с помощью призмы как показано ниже.

Как правило, микромеханические переключатели обладают следующими характеристиками и ключевыми особенностями:

• Скорость переключения ≈3-10 мс
• Время жизни 10⁷ циклов
• Низкая стоимость
• Latching и Non-latching исполнения

Всё это позволяет применять такой тип переключателей в областях, где не так важна скорость переключения и важна дешевизна итоговой системы. Например, на резервных телекоммуникационных линиях связи или в обучающих наборах.

Переключатели на технологии MEMS

MEMS-переключатели имеют в своей основе микроэлектромеханические зеркала, способные под действием управляющих сигналов отклоняться в различные стороны. Оптический сигнал, падающий на такое зеркало, может быть перераспределен в любой из выходных каналов посредством отражения от плоскости MEMS-зеркала.

Пример работы MEMS-зеркала

Технология MEMS довольно гибкая, чрезвычайно компактная и позволяет создавать переключатели различных форм-факторов, как индустриально совместимых, так и максимально миниатюрных для OEM применений:

Возможные конструкционные реализации волоконно-оптических MEMS переключателей.

Внешний вид индустриально совместимого и компактного OEM переключателя на MEMS.

Типичные характеристики и особенности переключателей на технологии MEMS следующие:

• Переключение ≈2-10 мс
• Время жизни 10⁹ циклов
• Компактность
• Latching и Non-latching исполнения
• Нет необходимости в температурной стабилизации

MEMS-переключатели имеют намного большую надёжность в сравнении с микромеханическими и большую компактность. Это делает их идеальными в научных применениях и в ответственных телекоммуникационных и медицинских сегментах.

Магнитооптические переключатели

Магнитооптические переключатели на основе эффекта Фарадея используют поворот плоскости поляризации в пластине из магнитооптического материала, например, в иттриево-железистом гранате. Направление вектора намагниченности в пластине и, соответственно, направление вращения плоскости поляризации, изменяется внешним магнитным полем, создаваемым катушкой с сердечником из магнитожёсткого (обладающего малой магнитной проницаемостью и высокими значениями коэрцитивной силы) материала.

В зависимости от поляризации, излучение в поляризационной призме распространяется в одном из двух направлений (обыкновенного или необыкновенного луча). Для работы такого переключателя требуется коллимированный свет, поэтому ввод и вывод излучения в волоконные световоды осуществляется через специальные микролинзы.

Принцип действия магнитооптического переключателя.

Ключевые особенности магнитооптических переключателей:

• Переключение ≈10 мкс
• Время жизни >10¹¹ циклов
• Нет движущихся частей
• Latching исполнение

За счёт полного отсутствия движущихся механических частей в конструкции магнитооптических переключателей их срок службы, при соблюдении эксплуатационных условий, очень высок – время наработки на отказ может быть больше 100 миллиардов циклов переключений. Малая инерционность магнитной модулирующей системы обеспечивает скорость переключения порядка 10 микросекунд, что делает такие переключатели незаменимыми в области передовых высокотехнологичных разработок и в научно-исследовательской деятельности.

Электрооптические переключатели

Для многомодовых систем электрооптические переключатели (ЭОП) разрабатываются на основе планарных световодов. Для систем на одномодовых волоконных световодах же лучшие параметры из всех типов переключателей имеют ЭОПы на полосковых световодах, обеспечивающие несравнимое быстродействие и малые для этого класса переключателей оптические потери, включая потери на согласование с входными и выходными волокнами.

ЭОПы – самый перспективный (но технологически и самый сложный) тип оптических переключателей. Принцип их действия заключается в манипуляции коэффициентом связи между двумя близко сведёнными оптическими волноводами, расположенными на электрооптическом кристалле ниобата лития (LiNbO₃), на который попеременно подаётся напряжение.

Принцип действия электрооптического переключателя.

Ключевые особенности электрооптических переключателей:

• Переключение ≈10-100 нс
• Время жизни >10¹¹ циклов
• Нет движущихся частей
• Non-latching исполнение

Для создания переключателей такого типа на три и более выходных каналов, применяется каскадирование, при котором кристаллы с вытравленными световодами располагаются друг за другом, подсоединяясь своим единственным входом к одному из выходов предыдущего кристалла. Каждый такой каскад управляется индивидуально, что позволяет перераспределять сигнал со скоростью порядка наносекунд между N выходных каналов.Ключевые особенности электрооптических переключателей:

Структурная схема устройства каскадного электрооптического модулятора на 8 выходных каналов.

В контексте уже рассмотренных типов волоконно-оптических переключателей можно выделить следующие их ключевые особенности:

Типы переключателей
Оптомеханические	MEMS	Магнитооптические	Электрооптические
Простота реализации Низкая стоимость Низкая скорость переключения (мс) Относительно малый срок службы	Малые вносимые потери Цена/качество Миниатюрность Высокая компактность Для мощностей до 0.5 Вт	Высокая скорость переключения (мкс) Большой срок службы Повышенное потребление мощности Саморазогрев	Самая высокая скорость переключения (нс) Большой срок службы Сравнительно большие вносимые потери и cross-talk Высокая стоимость

Безусловно некоторые из приведённых особенностей являются негативными (например, высокая стоимость и саморазогрев), однако в зависимости от применения, те или иные особенности могут быть полезны. Так, если речь идёт о дублировании телекоммуникационной линии, то подойдут достаточно дешёвые оптомеханические переключатели. Для ответственных же применений вроде квантовых коммуникаций, метрологии или фундаментальных исследований основную роль будут играть скорость переключения, срок службы, вносимые потери и компактность устройства..

Полупроводниковые переключатели

Помимо упомянутых типов переключателей необходимо также упомянуть о полупроводниковых оптических усилителях (SOA), которые могут быть использованы в качестве переключателей формата 1х1 (как оптические затворы).

Принципиальная схема работы SOA

Основу SOA составляет активная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах. В таких усилителях отсутствуют зеркальные торцевые резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное просветляющее покрытие с согласованным показателем преломления.

У полупроводниковых усилителей есть ещё один важный, в контексте переключателей, параметр, называемый Коэффициентом гашения или Extinction ratio (ER). Этот коэффициент выражает степень подавления входящего сигнала при выключении питания SOA и активации оптического затвора. Обычно этот параметр варьируется в диапазоне 40-80 дБ и чем он выше, тем лучше оптическая изоляция.

На существующем коммерческом рынке представлены все описанные переключатели, доступные в самых разных конфигурациях от оптических ключей 1х1 до матричных формата NxM.

Примеры различных конфигураций волоконно-оптических переключателей.

Поэтому оптические переключатели также можно подразделить по топологии схемы их переключения. Переключатели типа Bypass используются для резервного дублирования оптоволоконных линий и могут быть как одиночными:

2х2 Bypass

Так и сгруппированными по двое и более:

Dual 2x2 Bypass.Octo 2x2 Bypass.

Из вышесказанного очевидно, что оптические переключатели также можно подразделить по количеству дублирующих друг друга каналов. В случае, если таких дублёров два, то имеем топологию типа Dual:

Dual 1x2	Dual 2x2 Bypass	Full Dual 2x2

Если дублирующих каналов восемь, то имеем, соответственно, топологию Octo, которая была показана выше (рисунок Octo 2x2 Bypass).

Волоконно-оптический переключатель типа Octo 2x2 Bypass.

В распределительных волоконно-оптических сетях незаменимыми также являются матричные переключатели типа NxM, которые бывают двух типов: blocking и non-blocking. Для понимания разницы между ними, необходимо обратиться к схеме работы матричного переключателя, например, простой, формата 2х2:

Переключатели вида non-blocking	Переключатель вида blocking.

Non-blocking переключатель не подразумевает полное отключение оптической линии от какого либо выхода. Все входы в нём должны быть обязательно подключены к каким-либо выходам. В рассматриваемом переключателе 2x2 non-blocking каналы либо подключены перекрёстно (1-й входной → 2-й выходной и 2-й входной → 1-й выходной), либо параллельно (1-й входной → 1-й выходной и 2-й входной → 2-й выходной).

В случае же переключателя 2x2 blocking каналы могут быть индивидуально изолированы, что приводит к недостижимым в non-blocking типе переключателей конфигурациям типа «1-й входной ⇥ / 2-й входной → 1-й выходной / ⇤ 2-й выходной».
Современные оптические переключатели выпускаются в самых разных корпусах и форм-факторах. Основные из них приведены ниже.

Форм-факторы типа Benchtop.

Индустриально-совместимые форм-факторы.

Серверные и модульные форм-факторы.

OEM компоненты.

Компания «ЛЛС» может предложить полный спектр оптических переключателей от таких производителей как Sercalo, Agiltron, EO Space, LightComm, AC Photonics, DiCon, EpiPhotonics и Leoni.