O que é um switch óptico?

 

Interruptores ópticossão componentes-chave na comutação óptica, possuindo uma ou mais portas de transmissão selecionáveis ​​que podem converter ou realizar operações lógicas em sinais ópticos em linhas de transmissão óptica. Eles têm aplicações generalizadas em sistemas de redes de fibra óptica.

Os interruptores ópticos podem ser divididos em duas categorias principais: mecânicos e não{0}}mecânicos. Os interruptores ópticos mecânicos dependem do movimento de fibras ópticas ou componentes ópticos para alterar o caminho óptico; interruptores ópticos não{2}}mecânicos dependem de efeitos eletro{3}}ópticos, acústicos-ópticos ou termo{5}}ópticos para alterar o índice de refração do guia de ondas, alterando assim o caminho óptico. A estrutura e os princípios de funcionamento destes dois tipos de interruptores ópticos são descritos abaixo.

Interruptor óptico mecânico

Novos tipos de interruptores ópticos mecânicos incluem interruptores ópticos de micro-sistema eletromecânico (MEMS) e interruptores ópticos de filme fino-de metal.

 

Os interruptores ópticos de sistemas microeletromecânicos (MEMS) são fabricados em um material de substrato semicondutor, criando uma matriz de micro-espelhos capazes de movimento e rotação minuciosos. Esses micro-espelhos são muito pequenos, aproximadamente 140 μm x 150 μm, e sob a influência de uma força motriz, eles comutam o sinal óptico de entrada para diferentes fibras de saída. A força motriz aplicada aos micro{6}}espelhos é gerada usando efeitos térmicos, magnéticos ou eletrostáticos. A estrutura de um switch óptico MEMS é mostrada na figura.

Quando o micro-espelho está na orientação 1, a luz de entrada é emitida através do guia de ondas de saída 1; quando o micro-espelho está na orientação 2, a luz de entrada é emitida através do guia de onda de saída 2. A rotação do micro-espelho é controlada por uma tensão (100-200V). Este dispositivo apresenta um tamanho pequeno, uma alta taxa de extinção (a proporção entre a potência óptica de saída no estado ligado-e a potência óptica de saída no estado-desligado), insensibilidade à polarização, baixo custo, velocidade de comutação moderada e perda de inserção inferior a 1 dB. A estrutura de um comutador óptico de película fina metálica é mostrada na Figura 3-40. Neste tipo de interruptor óptico, a camada central do guia de ondas está abaixo do revestimento inferior e uma película fina de metal está acima dela, com ar entre a película fina de metal e o guia de ondas. Uma tensão aplicada entre a película fina metálica e o substrato gera uma força eletrostática na película fina metálica. Sob esta força, a película fina de metal se move para baixo e entra em contato com o guia de ondas, alterando o índice de refração do guia de ondas e alterando assim a mudança de fase do sinal óptico que passa através do guia de ondas. Na Figura 3-40c, sem tensão, o filme fino de ouro é levantado e a mudança de fase em ambos os braços é a mesma, de modo que o sinal óptico é emitido pela porta 2; com a tensão aplicada, o filme fino de metal entra em contato com o guia de ondas, causando uma mudança de fase π naquele braço, e o sinal óptico é emitido pela porta 1.

Interruptor óptico não{0}}mecânico

Os interruptores ópticos não{0}}mecânicos incluem tipos como interruptores ópticos de cristal líquido, interruptores ópticos de efeito eletro-óptico, interruptores ópticos de efeito térmico-óptico e interruptores amplificadores ópticos semicondutores.

Um interruptor óptico de cristal líquido é fabricado criando guias de onda ramificados de feixe de luz polarizada em um material semicondutor. Uma ranhura é gravada em um ângulo específico na interseção dos guias de onda e o cristal líquido é injetado na ranhura. Um aquecedor é colocado abaixo da ranhura. Quando a ranhura não é aquecida, o feixe de luz passa direto; quando aquecida, bolhas são geradas dentro do cristal líquido e, devido à reflexão interna total, a luz muda de direção e é emitida no guia de ondas desejado.

Os efeitos eletro{0}}ópticos e termo{1}}ópticos utilizam o fenômeno de que o índice de refração de certos materiais muda com a tensão e a temperatura, permitindo assim a criação de dispositivos de comutação óptica.
Os interruptores ópticos de amplificador óptico semicondutor (SOA) alcançam a funcionalidade de comutação alterando a tensão de polarização do amplificador óptico semicondutor.
Os principais parâmetros dos switches ópticos incluem faixa de comprimento de onda, perda de inserção, perda de retorno óptico, diafonia, potência de entrada óptica, perda-dependente de polarização, repetibilidade, velocidade de comutação e vida útil.

Filtro óptico

 

Os filtros ópticos são dispositivos-seletivos de comprimento de onda que têm aplicações importantes em sistemas de comunicação de fibra óptica, como filtragem de ruído em amplificadores ópticos, conforme discutido na seção anterior. Principalmente em redes de fibra óptica WDM, onde cada receptor deve selecionar o canal desejado, os filtros tornam-se um componente indispensável. Os filtros são divididos em duas categorias principais: filtros fixos e filtros ajustáveis. O primeiro permite a passagem de uma luz de sinal de um comprimento de onda específico, enquanto o último pode selecionar dinamicamente comprimentos de onda dentro de uma determinada largura de banda óptica. As funções e classificação dos filtros ópticos são mostradas na figura.

 

As características de transmissão de um filtro óptico prático são mostradas na figura. Os principais parâmetros de um filtro óptico de comprimento de onda-fixo são o comprimento de onda central λ2 e a largura de banda Δλ. Além desses, existem também parâmetros como perda de inserção e isolamento.

Grade de fibra óptica

 

As redes de Bragg de fibra utilizam defeitos introduzidos durante a fabricação da fibra, usando irradiação de luz ultravioleta para criar uma variação periódica na distribuição do índice de refração do núcleo da fibra. O efeito de filtragem de uma rede de Bragg de fibra é mostrado na figura; comprimentos de onda que satisfazem a condição da rede de Bragg são totalmente refletidos, enquanto outros comprimentos de onda passam, tornando-o um filtro de entalhe totalmente-de fibra.

Existem dois métodos para fabricar redes de Bragg de fibra:

(1) Método de interferência:O método de interferência utiliza o princípio da interferência de dois-feixes. Um feixe de luz ultravioleta é dividido em dois feixes paralelos, criando um campo de interferência fora da fibra óptica. Ajustando os comprimentos dos dois braços de interferência, o período das franjas de interferência resultantes pode ser feito para atender aos requisitos para a fabricação da rede de Bragg de fibra.

(2) Método de máscara de fase:O método de máscara de fase usa uma máscara pré{0}}fabricada. Quando a luz ultravioleta passa pela máscara de fase, ocorre interferência, criando um campo de interferência na superfície cilíndrica da fibra óptica, escrevendo assim a grade na fibra.