Was ist ein optischer Schalter?
Ein optischer Schalter ist ein Gerät, das Lichtsignale zwischen verschiedenen Kanälen in Kommunikationsnetzen überträgt. Glasfasernetzwerke wurden im 20. Jahrhundert entwickelt, um größere Datenmengen zu übertragen, als dies mit früheren Kupferdrahtsystemen möglich war. Die zunehmende Nutzung des Internets und die Ausweitung des Angebots an Mobiltelefonen und Fernsehgeräten erforderten die Verwaltung größerer Datenmengen durch Kommunikationsnetze.
Wenn ein Glasfasernetz ein Lichtsignal von einem Telefon oder Computer zu einem anderen überträgt, muss das Signal möglicherweise zwischen verschiedenen Glasfaserpfaden verschoben werden. Dazu ist ein Switch erforderlich, der das Signal mit einem minimalen Verlust an Sprach- oder Datenqualität übertragen kann. Bei der Entwicklung von Glasfasern wurde dies mit einem elektrooptischen Schalter erreicht, der das Lichtsignal in ein elektrisches Signal umwandelte, die Schalterfunktion ausführte und das Signal zurück in eine Lichtform umwandelte. Dieses System war für frühe faseroptische Systeme akzeptabel, es entwickelten sich jedoch Probleme, wenn die Übertragungsgeschwindigkeiten zunahmen.
Bei elektrischen Schaltern gibt es einige Einschränkungen hinsichtlich der Schaltgeschwindigkeit im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit, die bei Glasfaserübertragungen verwendet wird. Mit zunehmendem Datenbedarf wurden durch den elektrischen Teil des elektrooptischen Schalters Grenzen für die Datenübertragung gesetzt. Weiterentwickelte optische Schaltertechnologien waren erforderlich, insbesondere um die elektrische Umwandlung beim Schalten von Lichtsignalen zu beseitigen.
Eine große Verbesserung brachte die Entwicklung von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), die winzige Spiegel zur Übertragung von Lichtsignalen verwenden. MEMS waren ein Vorteil gegenüber elektrooptischen Schaltern, da die Umwandlung in und aus elektrischen Signalen nicht erforderlich war. Die Lichtübertragungen wurden direkt zwischen verschiedenen Fasern in einem MEMS-Gerät übertragen, was Übertragungsgeschwindigkeiten ermöglichte, die bis zu einem gewissen Punkt den Glasfasergrenzen entsprachen.
MEMS-Geräte übertragen Signale, indem sie die Lichtsignale von einem ankommenden Glasfaserkabel mit winzigen beweglichen Spiegeln auf eine andere Glasfaser reflektieren. Eine Computersteuerung bestimmt, wohin der Anruf oder die Datenkommunikation gehen und welche ausgehende Glasfaser benötigt wird, um die Verbindung herzustellen. Jede ankommende optische Faser hat einen Spiegel neben dem Ende der Faser, der von einem kleinen Elektromotor gesteuert wird. Wenn das Lichtsignal aus der Faser austritt, wird es vom Spiegel in das Ende der ausgehenden Faser reflektiert, das der Computer für erforderlich hält. Diese Switches arbeiten sehr schnell und ermöglichen das Senden einer großen Datenmenge über Glasfasernetzwerke.
Probleme mit MEMS-Designs traten auf, als Glasfaserhersteller ihre Übertragungssysteme weiter ausbauten. Als die Glasfaserkabel größer wurden, um mehr Daten aufzunehmen, begannen MEMS Signalverluste zu verursachen, da die Spiegel Lichtsignale zu viel mehr Verbindungen übertragen. Die Signalqualität begann sich zu verschlechtern, als die Abstände zwischen den Fasern länger wurden. Eine Verbesserung bestand darin, dreidimensionale (3D) MEMS-Geräte zu erstellen, bei denen eine Reihe von Schaltern übereinander gestapelt waren, sodass jeder Schalter mit kurzen Schaltabständen weniger Signale verarbeiten konnte.
Eine andere Art von optischem Schalter ohne bewegliche Teile ist ein digitaler Schalter, der Siliziumkristalle zur Steuerung des Lichts verwendet. Bei diesen Schaltern ist ein fester Siliziumkristall zwischen Paaren von Lichtleitfasern angeordnet. Der Brechungsindex oder der Betrag, um den das Licht beim Durchgang durch den Kristall gebogen wird, ändert sich, wenn Wärme angewendet wird. Kleine Heizelemente sind an Positionen entlang des Kristalls angeordnet und werden aktiviert, wenn Lichtsignale eintreten. Wenn sich der Brechungsindex ändert, kann das Lichtsignal zu verschiedenen Ausgangsfasern geleitet werden, ohne dass Spiegel oder andere bewegliche Teile erforderlich sind. Die Signalqualität kann auch gegenüber MEMS-Geräten verbessert werden, da Spiegel geringe Verluste verursachen, die mit digitalen Schaltern nicht zu sehen sind.