12.6. Волоконно-оптичні перемикачі

Зміна архітектури волоконно-оптичних мереж, оперативна маршрутизація в мережах доступу та локальних системах передачі даних є неможливими без швидкої і ефективної комутації оптичних інформаційних потоків. Така комутація здійснюється з допомогою волоконно-оптичних перемикачів (комутаторів). Існує багато різних типів волоконно-оптичних перемикачів: електромеханічні, термооптичні, акустооптичні, електрооптичні та перемикачі керовані оптичним сигналом. Одними із найбільш поширених є електрооптичні перемикачі.

Принцип роботи електрооптичних перемикачів ґрунтується на явищі, коли під дією електричного поля змінюються оптичні властивості деяких матеріалів (LiNbO3, Ti+LiNbO3, LiTiO3, LiTaO3 та ін.). Якщо такі матеріали помістити в електричне поле, то вони перетворюються в оптично анізотропні. Оптична анізотропія проявляється у зміні показника заломлення матеріалу. На рис.12.9 представлена схема електрооптичного перемикача на основі напрямленого розгалужувача X-типу. Світловоди на ділянках CD і EF виготовлені з електрооптичного матеріалу. Із зовнішніх сторін та між світловодами є прозорі електроди. Прикладаючи електричну напругу до електродів, можна змінювати показники заломлення світловодів, змінюючи коефіцієнт направленості розгалужувача. Таким чином, оптичний сигнал, який введений в порт 1, може бути виведений через порт 3 або порт 4. Основними перевагами волоконно-оптичних перемикачів даного типу в порівнянні з іншими типами є відносно висока швидкодія та низька величина напруги керування (2,5…3 В). Іншою перевагою таких пристроїв є можливість їхньої реалізації в інтегральному вигляді. Електрооптичні комутатори добре підходять для створення комутаційних матриць, які застосовуються для оперативної зміни топології оптичних мереж.

12.7. Оптичні підсилювачі

Сучасні високошвидкісні ВОЛЗ характеризуються не тільки великими швидкостями передачі даних, але й більшими дистанціями між ретрансляторами. Це стало можливим завдяки застосуванню оптичних підсилювачів, які дозволяють збільшити довжину безрегенераційних ділянок до 600 км і більше (із застосуванням, крім оптичних підсилювачів, компенсаторів хроматичної дисперсії).

Оптичні підсилювачі поділяють на два класи: волоконно-оптичні підсилювачі (ВОП) та напівпровідникові оптичні підсилювачі (НПОП).

12.7.1. Волоконно-оптичні підсилювачі

Волоконно-оптичні підсилювачі являють собою відрізок одномодового кварцевого волокна, серцевина якого легована іонами рідкоземельних елементів. В залежності від діапазону робочих довжин хвиль кварц легують іонами різних елементів. Для 1-го (780…860 нм), 2-го (1280…1330 нм) і 3-го (1530…1560 нм) вікон прозорості КОВ використовують такі елементи як тулій Tu3+, неодим Nd3+ або празеодим Pr3+ та ербій Er3+, відповідно. Оскільки найбільшого застосування КОВ набули у 3-му вікні прозорості, в якому вони мають найменше затухання, то найбільше використання отримали ербієві ВОП. Принцип роботи таких ВОП ґрунтується на явищі підсилення світла при вимушеному випромінюванні. Для пояснення роботи ербієвого ВОП на рис.12.10 зображена схема енергетичних рівнів іонів ербію Er3+ у кварцевому склі.

Кожен енергетичний рівень є розщеплений на підрівні внаслідок взаємодії іонів ербію з внутрікристалічним полем кварцевого скла (ефект Штарка). Енергетичний рівень 1ЕР є основним енергетичним рівнем, оскільки при відсутності оптичного збудження всі іони ербію перебувають на цьому енергетичному рівні. Під дією оптичного збудження (накачки) іони поглинають кванти (фотони) світла і переходять з основного рівня на вищий енергетичний рівень 1ЕР—>3ЕР (4I15/2—>4I11/2). Енергія фотонів накачки повинна бути достатньою, щоб здійснити такий перехід. Час перебування (життя) іонів у збудженому стані на рівні 3ЕР є коротким (τ3 ~ 1 мкс) і за рахунок процесів релаксації вони швидко переходять на нижчий енергетичний рівень 2ЕР. При такому переході виділяється енергія або у вигляді низькочастотного випромінювання, або без випромінювання, збуджуючи акустичні хвилі (фонони), які проявляються у коливаннях атомів. Час життя іонів на рівні 2ЕР відносно великий (τ2 ~ 10000·τ3), тому такий рівень називається метастабільним