Wat is een optische schakelaar?
Een optische schakelaar is een apparaat dat lichtsignalen overbrengt tussen verschillende kanalen in communicatienetwerken. Glasvezelnetwerken werden in de 20e eeuw ontwikkeld om grotere hoeveelheden gegevens te transporteren dan mogelijk was met eerdere koperdraadsystemen. Toenemend gebruik van internet en het uitbreiden van het aanbod van mobiele telefoons en televisie vereist dat grotere hoeveelheden gegevens worden beheerd door communicatienetwerken.
Wanneer een glasvezelnetwerk een lichtsignaal van de ene telefoon of computer naar de andere overbrengt, kan het nodig zijn om het signaal tussen verschillende vezelpaden te verplaatsen. Om dit te bereiken, is een schakelaar vereist die het signaal kan overbrengen met een minimaal verlies van stem- of gegevenskwaliteit. Toen glasvezeloptiek voor het eerst werd ontwikkeld, werd dit bereikt met een elektro-optische schakelaar die het lichtsignaal in een elektrisch signaal veranderde, de schakelaarfunctie uitvoerde en het signaal weer in een lichtvorm omzet. Dit systeem was acceptabel voor vroege glasvezelsystemen, maar problemen ontwikkelden zich naarmate de transmissiesnelheden toenamen.
Elektrische schakelaars hebben enkele beperkingen op schakelsnelheid in vergelijking met de snelheid van het licht dat wordt gebruikt in vezeloverdrachten. Naarmate de gegevensvereisten groeiden, creëerde het elektrische deel van de elektro-optische schakelaar limieten voor hoeveel gegevens konden worden verzonden. Meer geavanceerde optische schakeltechnologieën waren nodig, met name om de elektrische conversie te verwijderen bij het schakelen van lichtsignalen.
Een grote verbetering kwam met de ontwikkeling van micro-elektromechanische systemen (MEMS), die kleine spiegels gebruiken om lichtsignalen over te dragen. MEMS waren een voordeel ten opzichte van elektro-optische schakelaars omdat de conversie naar en van elektrische signalen niet nodig was. De lichttransmissies werden rechtstreeks tussen verschillende vezels in een MEMS-apparaat overgedragen, waardoor transmissiesnelheden tot een punt equivalent aan de vezeloptieklimieten mogelijk werden.
MEMS-apparaten dragen signalen over door de lichtsignalen van een binnenkomende glasvezelkabel te reflecteren naar een andere vezel met kleine beweegbare spiegels. Een computercontroller bepaalt waar de oproep of datacommunicatie naartoe gaat en welke uitgaande glasvezel nodig is om de verbinding te voltooien. Elke binnenkomende optische vezel heeft een spiegel naast het uiteinde van de vezel die wordt bestuurd door een kleine elektrische motor. Wanneer het lichtsignaal de vezel verlaat, reflecteert het van de spiegel naar het einde van de uitgaande vezel waarvan de computer bepaalt dat deze nodig is. Deze switches werken zeer snel, waardoor een grote hoeveelheid gegevens via glasvezelnetwerken kan worden verzonden.
Problemen met MEMS-ontwerpen deden zich voor toen glasvezelbedrijven hun transmissiesystemen bleven uitbreiden. Naarmate glasvezelkabels groter werden om meer gegevens op te nemen, begon MEMS signaalverliezen te veroorzaken omdat de spiegels lichtsignalen overdroegen naar veel meer verbindingen. De signaalkwaliteit begon af te nemen naarmate de afstanden tussen de vezels langer werden. Een verbetering was om driedimensionale (3D) MEMS-apparaten te maken, waarbij een reeks schakelaars op elkaar werden gestapeld, waardoor elke schakelaar minder signalen kon verwerken met korte schakelafstanden.
Een ander type optische schakelaar zonder bewegende delen is een digitale schakelaar, die siliciumkristallen gebruikt om het licht te regelen. In deze schakelaars wordt een massief siliciumkristal tussen paren optische vezels geplaatst. De brekingsindex of de hoeveelheid licht die wordt gebogen terwijl het door het kristal passeert, verandert als warmte wordt toegepast. Kleine kachels worden op posities langs het kristal geplaatst en worden geactiveerd wanneer lichtsignalen binnenkomen. Terwijl de brekingsindex verandert, kan het lichtsignaal naar verschillende uitgangsvezels worden gericht, zonder dat spiegels of andere bewegende delen nodig zijn. De signaalkwaliteit kan ook worden verbeterd ten opzichte van MEMS-apparaten, omdat spiegels kleine verliezen veroorzaken die niet worden waargenomen bij digitale schakelaars.