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Dispositivos de conmutación fotónica

lunes, julio 19th, 2010

Volviendo sobre el tema del que versó mi Proyecto Fin de Carrera, la Conmutación de Ráfagas Ópticas (OBS), voy a contar unas breves pinceladas sobre los dispositivos que se utilizan para construir las matrices de conmutación óptica. Este tema forma parte de la memoria de mi PFC (2007), por lo que puede contener información algo desactualizada.

Las técnicas de conmutación de señales ópticas son muy importantes en la implementación de las matrices de conmutación que se integran en los nodos del núcleo de una red fotónica. La tecnología utilizada marcará los parámetros fundamentales que definen el comportamiento del conmutador, como el tiempo de reconfiguración de la matriz, las pérdidas de inserción y la escalabilidad, que limitan tanto el número de puertos que se pueden controlar como el rendimiento final de la red.

Existe un gran interés en la investigación de los dispositivos que permitan realizar estos conmutadores con las mejores características posibles de velocidad y escalabilidad, así como con un coste reducido. A continuación se resumen algunas de las tecnologías usadas para implementar conmutadores ópticos [1, 2], describiendo sus ventajas y sus inconvenientes.

MEMS

Los Sistemas Micro-Electro-Mecánicos (Micro Electro-Mechanical System (MEMS)) ópticos son dispositivos con funcionalidades ópticas, eléctricas y mecánicas simultáneamente. Se fabrican utilizando procesos derivados de la fabricación de dispositivos microelectrónicos, montando dispositivos mecánicos en miniatura sobre sustrato de Silicio. Este tipo de dispositivos aplicados a la conmutación óptica proporcionan una elevada escalabilidad, así como insensibilidad a la polarización e independencia de la longitud de onda usada.

Dentro de los MEMS para conmutación óptica, se pueden distinguir entre dispositivos guiados y conmutadores de espacio libre, y también se pueden clasificar según su configuración, que puede ser en plano (2D) o espacial (3D) [3, 4].

Conmutadores termo-ópticos

Los conmutadores termo-ópticos se basan en el efecto termo-óptico de las guías de onda o el fenómeno térmico de algunos materiales. Tienen como ventaja una gran insensibilidad a la polarización de la luz y sus tiempos de conmutación son del orden de 1 milisegundo. Este tipo de conmutadores pueden fabricarse utilizando tecnología PLC (Planar Lightwave Circuit). Se dividen en dos tipos básicos, que son los DOS (Digital Optical Switch) y los conmutadores interferométricos.

Conmutadores electro-ópticos

Estos conmutadores utilizan efectos electro-ópticos, que permiten mayores velocidades de conmutación. Existen varios tipos: conmutadores de Niobato de Litio (LiNbO3), basados en SOA (Semiconductor Optical Amplifier), conmutadores de cristal líquido, conmutadores electroholográficos y conmutadores de guía basada en rejilla de Bragg conmutables electrónicamente.

Niobato de Litio

El Niobato de Litio posee un elevado coeficiente electro-óptico, parámetro físico que describe el cambio del índice de refracción al aplicarle una tensión eléctrica. Esto hace que el Niobato de Litio sea un buen candidato para construir acopladores direccionales basados en interferencia, basando su funcionamiento en el cambio del índice de refracción en la zona de acoplamiento.

Se trata de un material con gran velocidad de conmutación, su tiempo de conmutación es del orden de 5 nanosegundos y tiene un fuerte aislamiento. Sin embargo, este material no está exento de problemas, como son sus elevadas pérdidas de inserción y una escalabilidad reducida.

Cristal Líquido

Los conmutadores de cristal líquido (LC), funcionan mediante el control de la polarización de la luz a través del efecto electro-óptico. Su coeficiente electro-óptico es muy superior al del Niobato de Litio, lo que hace de los conmutadores LC uno de los materiales electro-ópticos más eficientes. Los conmutadores de cristal líquido se caracterizan por tener pérdidas de inserción reducidas (1 o 2 dB) y buena escalabilidad. Por contra, sus tiempos de conmutación son del orden de milisegundos o decenas de microsegundos, tienen mal aislamiento y son dependientes de la longitud de onda.

Por otro lado, los conmutadores ópticos LC holográficos tienen otras ventajas, como poseer pérdidas de inserción constantes cuando se aumenta el número de canales, alineamiento adaptativo para corregir defectos de fabricación, y tiempos de conmutación del orden de 10-50 nanosegundos.

SOA

Esta tecnología está recibiendo gran atención recientemente para diversas aplicaciones ópticas, y está basada en los Amplificadores Ópticos de Semiconductor, o SOA. En esta tecnología, se utilizan amplificadores como puertas lógicas para implementar las funciones de conmutación. Como ventajas de los conmutadores basados en SOA, destacan sus reducidas pérdidas de inserción, al poderse compensar con la amplificación, tiempos de conmutación del orden de 100 picosegundos y una gran modularidad y escalabilidad.

Sin embargo, tienen como inconveniente fundamental su elevado nivel de ruido.

Referencias

  1. Xiaohua Ma, Geng-Sheng Kuo. Optical Switching Technology Comparison: Optical MEMS vs. Other Technologies. IEEE Optical Communications, November 2003.
  2. IST NOBEL Project. Deliverable D20: First Guidelines for Technologies Enabling Broadband Optical Networks, 2005.
  3. Tze-Wei Yeow, K.L. Eddie Law y Andrew Goldenberg. MEMS Optical Switches. IEEE Communications Magazine, 2001.
  4. M.C. Wu, P.R. Patterson, D. Hah, C.M. Lee, S. Huang y J.C. Tsai. Advanced MEMS for Photonics. Device Research Conference, 2002.

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