4. Fotonické spínací prvky Cíl kapitoly Cílem kapitoly je sezn{mit se s principy fotonických spínacích prvků Klíčové pojmy Banyan spínač, Bistabilní prvky, disperzní KO, disipatvní KO, fotogetektor, index lomu, kolim{tor, LASER, LED, modul{tor, rozmítač, subpikosenda, 1xN, NxN,
Úvod Spínání, zapínání, vypínání a přepínání jsou hlavní a nezbytné operace v komunikačních sítích. Jsou také základními operacemi v číslicových počítačích a u systémů pro zpracování signálu. Prudký rozvoj ICT (informačních a komunikačních technologií) vyžaduje velkokapacitní a rychlé zpracování signálů. Těmto požadavkům vyhovují právě fotonické spínací prvky. Tedy fotonické spínací prvky mají za úkol spínat optické signály. Lze jimi spínat přímo světelné signály nebo tyto signály nejdříve převádět na jiný druh signálů (např. na elektrické) a po zpracování spínacím prvkem je opět převádět zpět na optické. Výsledný efekt je modulace signálu nebo odklon paprsku nesoucího informaci. Proto tato kapitola se zabývá základními principy technologie fotonického spínání a zpracování signálu Nejdříve bude objasněn princip spínání a požadované funkce spínání.
4.1 Spínače Spínače umožňují spojování a rozpojování přenosových cest v komunikačních systémech nebo v systémech pro zpracování informace, tj umožňují nebo zamezují průchod signálu. V následujícím obrázku jsou polohy přepínačů zakresleny v klidovém stavu, tj. bez budícího signálu. 1 1 1 1 1 1
2 vypínač
spínač
přepínač křížový přepínač NxN výstupy
Křížový přepínač 2x2 vstupy Spínače a vypínače se v optice též nazývají modulátory. Přepínače 1xN vychylující paprsek se nazývají rozmítače. Těchto funkcí lze dosáhnout spínači s elektronickým, mechanickým, akustickým, magnetickým nebo optickým řízením. Křížové přepínače NxN lze realizovat i pomocí pole přepínačů 2x2. Následující obrázek znázorňuje přepínač 4x4 pomocí přepínačů 2x2.
Pomocí 5ti přepínačů lze realizovat současný přenos pro 4 vstupy a výstupy z libovolného vstupu na libovolný výstup. Pro přepínání více vstupů a výstupů typu NxN se nejčastěji používají propojení přepínačů typu Banyan.
4.1.1 Banyan Pojmem Banyan se označuje způsob propojení jednoho stupně vícestupňového přepínače. Počet stupňů Banyan (motýlek) propojení se určuje vztahem n = log2m, kde n se zaokrouhluje na celá čísla nahoru. Princip propojení je vidět z následujícího obrázku. I0
O0 0
0
0
0
1
1
1
1
I2
O2
I4
O4 2
2
2
2
I6
O6 3
3
3
3
I8
O8 4
4
4
4
I10
O10 5
5
5
5
I12
O12 6
6
6
6
I14
O14 7
7
7
7
kde Ix jsou vstupy a Ox jsou výstupy. Přepínač se skládá ze tří stupňů. 4.1.2 Omega omega je dalším často používaným propojením přepínačů NxN. Výhodou tohoto zapojení je, že všechny stupně jsou propojeny shodnou sítí. I0
O0
0
0
0
0
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
4
4
4
4
5
5
5
5
6
6
6
6
7
7
7
7
I2
O2
I4
O4
I6
O6
I8
O8
I10
O10
I12
O12
I14
O14
Mimo tyto dva druhy zapojení existuje celá řada dalších.
4.2 Typy spínačů Spínače rozlišujeme jednak podle typu zpracovávaného signálu nesoucího informaci (optický, elektrický, …) a jednak podle typu řídícího signálu (mechanický, elektrický, optický, …) to je podle způsobu ovládání. Využití jednotlivých typů spínačů je dáno jejich parametry. Charakteristické parametry pro spínače jsou Počet vstupů a výstupů. Směr přenosu. Spínací doba. Zpoždění průchodu signálu. Propustnost (maximální přenosová rychlost, s níž se mohou data přenášet, je-li spínač sepnut. Spínací energií (energie potřebná k přepnutí spínače). Výkonnostní ztráta (ztracená energie za jednu sekundy při procesu spínání). Přeslechy. Fyzické rozměry, hmotnost. V následujících paragrafech jsou uvedeny nejběžnější typy včetně některých základních vlastností. 4.2.1 Elektronické spínače Optické signály lze spínat pomocí elektronických spínačů, které převádí optické signály pomocí fotodetektorů na elektrické a ty po zpracování zpět pomocí laserů nebo LED. Tyto spínače mají velká zpoždění a velké ztráty. Optický signál
převod ník
elektrický zpracování signál
elektrický signál
převod optický ník signál
4.2.2 Optomechanické spínače K odklonu světelného paprsku se používají pohybující se zrcadla (např. rotující n-boký hranol), hranoly, holografické mřížky, nebo jiný mechanický posuv optického vlákna proti vybranému výstupu. Na tomto principu jsou založena optická relé, které nejdříve paprsky vystupující z optického vlákna upravují v kolimátorech (soustava čoček) tak, aby paprsky byly rovnoběžné a potom je zrcadlovým systémem vychylují. Přepínače jsou typu 1x n (jeden paprsek na n- výstupů) respektive 2x2 (dva paprsky na dva výstupy). výstupy kolimátor Optické vlákno
rovnoběžné
otočné zrcátko
Příkladem je přepínač MEMS, který používá pohyblivá mikrozrcátka integrovaná na jednom čipu. Pohyb zrcátek je řízen elektrostatickým polem. (jako u DLP projektorů). Vzhledem k mechanickým částem jsou spínací rychlosti nízké (řádově milisekundy, u DLP mikrosekundy). 4.2.3 Elektrooptické spínače Jsou založeny na principu změny indexu lomu elektrickým polem (proměnný index lomu). Nejčastěji mají tvar interferometru, kde jedna větev je řízena el. polem, druhá větev je neřízena (fungují jako spínače) nebo proměnného vazebního členu (přiblížení vlnovodů)- fungují jako přepínače. Elektrooptické spínače se používají jako modulátory nebo vypínače, přepínače, útlumové články, filtry, optické isolátory nebo optické zesilovače a pro zpožďování signálu.. Změna indexu lomu působením elektrického pole se projevuje jako fiktivní změna délky vlnovodu, a proto ovlivňuje přenášený optický výkon, který může zůstat ve vlnovodu nebo se převede do druhého vlnovodu. Následující obrázek představuje přepínač 4x4 a má 5 elektricky řízených vazebních členů A, B, C, D, E. Přepínací rychlost je 20GHz.
1 2 3 4
A
D C
B
E
1 2 3 4
Elektricky řízené optické spínače jsou také tekuté krystaly, které využívají změnu odrazivosti. Tyto přepínače (tekuté krystaly) jsou relativně pomalé. 4.2.4 Akustické spínače Zvuk je mechanické vlnění a tedy způsobuje deformaci. Tato dynamická deformace se šíří v prostředí rychlostí zvuku. Stlačený materiál má větší hustotu a tedy i větší index lomu.
Častěji se používají akustické spínače využívající Braggův jev, který způsobuje při interferenci dvou různoběžných vlnění šíření nových vlnění s jinou frekvencí a jinými směry. Směr výstupního signálu je proto modulován frekvencí zvuku. Tyto měniče mohou mít 2000 poloh. čočka
čočka
výstupy
zdroj světla
svazky paprsků
změněné svazky paprsků
zvuková vlna
4.2.5 Magnetooptické spínače Využívají materiály, které mění své optické vlastnosti pod vlivem magnetického pole. Většinou mění s indukcí B svůj směr polarizace. Vyrobené modulátory jsou pomalé ale spínají velké množství cest. 4.2.6 Plně optické spínače Neboli optickooptické spínače. U těchto spínačů je průchod světla řízen světlem prostřednictvím nelineárních optických materiálů. Nelineární jevy mohou být přímé nebo neprímé. - Přímé nelineární jevy jsou jevy, které se uplatňují na atomární nebo molekulární úrovni, kdy světlo mění susceptibilitu (pemitivitu a index lomu) prostředí nebo ovlivňuje schopnost absorbovat (pohlcovat) fotony. - Nepřímé nelineární jevy. Tyto jevy jsou založeny na absorpci světla (jeho energie) a vytváření (uvolňování) pohyblivých nábojů, které se pohybují z oblasti vysoké koncentrace a vytváří tak elektrické pole, které modifikuje optické vlastnosti prostředí (obdoba fotodiody), na bázi tekutých krystalů. Řídící světlo je pohlcováno fotovodivou vrstvou, která vytváří elektrické pole pro nastavení orientace molekul tekutých krystalů a tedy i pro velikost indexu lomu. Tyto jevy mají poměrně veliké ztráty, holografii, kdy pomocí holografických krystalů s hologramem se řídí výstupní směr paprsků. Např. referenční paprsek posíláme s jinou frekvencí a tím ovlivňujeme směr výstupu z hologramu. Řídící světlo pro tyto prvky nemusí být vysíláno z jiného zdroje, ale lze využít vlastní zdroj signálu pro ovlivňování parametrů vlastního přenosu prvku. Pro ilustraci jsou na následujících obrázcích znázorněny spínače, využívají iterferometr výstup
Vstup
Řídící světlo a změnu odrazivosti materiálu.
Vstupující světlo řídící světlo odražené světlo při sepnutí
Spínací doba je velmi krátká (je omezena v důsledku neurčitosti času a energie) a u těchto prvků se dosahuje subpikosekundových spínacích rychlosti. Také spínací energie jsou o několik řádů nižší než u polovodičových spínačů, což snižuje příkon těchto zařízení. Na druhou stranu vysoké spínací rychlosti mají za důsledek vznik velkého množství tepla a tedy nastává problém s jeho odvodem (chlazením). Celkově mají tato zařízení velké ztráty.
4.3 Zařízení využívající spínací prvky V tomto paragrafu budou popsány některé složitější prvky integrované optiky používané v optických počítačích a jiných optických zařízeních. 4.3.1 Splittery Splittery jsou zařízení používaná u optických přenosů po mnohovidových vláknech, která umožňují posílat po těchto vláknech současně více signálů o různých frekvencích a na druhé straně vlákna umí tyto signály od sebe oddělit. Umožňují tedy rozlišovat nebo multiplikovat různé vlnové délky (frekvence) s odlišením 50 nebo 100GHz. Jejich podstatou jsou zejména optickooptické přepínače. Tyto přepínače mohou také měnit budící vlnové délky tak, aby každý signál v optickém vlákně měl jinou vlnovou délku. Oproti elektrooptickým přepínačům jsou malé a mají nízkou spotřebou. Jejich rychlost je od nanosekund po milisekundy. 4.3.2 Bistabilní optická zařízení Fotonická bistabilní zařízení jsou zpětnovazební zařízení využívající nelineární optické materiály. Vyznačují se tím, že mají dva stabilní stavy pro stejnou hodnotu vstupní intenzity světla. Obecná závislost výstupu na vstupu je znázorněna na následujícím obrázku. Prvek musí obsahovat oblast záporného odporu (na obrázku čárkovaně), která je hlavní příčinou bistability. Šipky na obrázku znázorňují směr přepínání. výstupní intenzita
intenzita vstupu Pro optickou realizaci klopných obvodů se používají se dva typy nelineárních bistabilních optických prvků. Disperzní – index lomu je funkcí optické intenzity
Disipativní – absorpce je funkcí optické intenzity
4.3.2.1 Disperzní nelineární prvky Disperzní bistabilní prvky využívají změnu velikosti indexu lomu na velikosti optického signálu. Jsou to například interferometry, zpětná vazba
kde se signál rozděluje do dvou větví; jedna větev je s konstantním, druhá s proměnným indexem lomu. Proměnná větev je řízena částí intenzity výstupního signálu (zpětná vazba), která je od výstupu oddělována polopropustným zrcadlem. Optická zpětná vazba u interferometrů může být jak vnitřní tak i vnější. Vnitřní obvykle používá soustavu polopropustných rovnoběžných zrcadel (rezonátorů). Viz předchozí obrázek. 4.3.2.2 Disipativní nelineární prvky Tyto prvky využívají závislosti velikosti absorpčního (pohlcení - ztráta) koeficientu na intenzitě světla. Jedná se tedy o zesilovač optického signálu se zpětnou vazbou. zpětná vazba
U těchto prvků jsou vnitřní ztráty řízeny velikostí světla přiváděného z výstupu přes polopropustné zrcadlo. Pokud se výstupní intenzita zmenšuje, zmenšuje se i intenzita řídícího signálu, což způsobuje další zvětšení absorpce (ztrát) a tím se výstupní signál ještě více zeslabí. Tento proces pokračuje až do doby, než výstupní signál klesne na nulu. Změnu výstupu musí vyvolat vstupní signál. Totéž platí pro překlopení do log 1. Prvky s vnitřní vazbou jsou obdobné prvkům disperzním. Spínací doby jsou v pikosekundách (asi 1000 rychlejší než klasické elektronické prvky) a spínací energie je v pJ (pikoJouly). Laboratorně se ověřují i prvky s ovládací energií velikosti fJ (femto Jouly). Podmínkou aplikovatelnosti je možnost výroby těchto prvků ve velkých polích a s dobrým odvodem tepla.
4.4 Hybridní bistabilní optická zařízení Hybridní optická zařízení se skládají z diskrétních prvků integrovaných na jedné podložce. V dnešní době jsou snadněji realizovatelné než monolitické integrované prvky, ale jsou podstatně větší a mají delší spínací časy (okolo 1ns). Naopak je u nich možné spínat větší výkony až W velmi malými výkony řádu fW (femto = 10-15).
Dnes se nejčastěji používají hybridní optoelektrické bistabilní systémy. Dalšími používanými hybridními zařízeními jsou opticky adresovatelné prostorové modulátory světla založené na bázi tekutých krystalů. Spínací doby těchto zařízení jsou dlouhé (okolo ms).
4.5 Otázky Jaký je rozdíl mezi spínačem a vypínačem? Kolik poloh má přepínač 2x2. Nakreslete je. Jak se vytváří přepínače NxN kde N>2? Nakreslete rozmítač a popište jeho stavy. Vyjmenujte typy spínačů podle druhů budících signálů. K čemu se používá kolimátor? Co jsou akustické vlny? Proč se rozkmitá membrána reproduktoru? Odpovědi vyhledejte na Internetu nebo v učebnicích fyziky. 8. Jaký je princip spínačů s akustickým buzením 9. Porovnejte rychlosti spínačů s různým druhem buzení. 10. Co je to bistabilní obvod. Umíte definovat i astabilní a monostabilní obvod? 11. Na jakých principech jsou založeny optické bistabilní obvody? 12. Kde lze použít bistabilní obvod. Uveďte příklady. 13. Co je to polopropustné zrcadlo. 14. Co znamená předpona femto, piko, nano? 15. Jaký je rozdíl mezi monolitickými a hybridními integrovanými obvody. Je deska s tištěnými spoji také hybridní integrovaný obvod? 16. Jaká je funkce splitteru? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
