مفاتيح بصريةهي مكونات رئيسية في التبديل البصري، حيث تمتلك واحدًا أو أكثر من منافذ النقل القابلة للتحديد والتي يمكنها تحويل أو إجراء عمليات منطقية على الإشارات الضوئية في خطوط النقل الضوئي. لديهم تطبيقات واسعة النطاق في أنظمة شبكات الألياف الضوئية.
يمكن تقسيم المفاتيح الضوئية إلى فئتين رئيسيتين: ميكانيكية وغير -ميكانيكية. تعتمد المفاتيح الضوئية الميكانيكية على حركة الألياف الضوئية أو المكونات الضوئية لتغيير المسار البصري؛ تعتمد المحولات الضوئية غير الميكانيكية- على التأثيرات الضوئية الكهروضوئية-أو الصوتية-البصرية أو الحرارية- لتغيير معامل انكسار الدليل الموجي، وبالتالي تغيير المسار البصري. يتم وصف الهيكل ومبادئ العمل لهذين النوعين من المفاتيح الضوئية أدناه.
التبديل البصري الميكانيكي
تتضمن الأنواع الجديدة من المفاتيح الضوئية الميكانيكية -المفاتيح الضوئية للنظام الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS) والمفاتيح الضوئية ذات الأغشية الرقيقة المعدنية-.
يتم تصنيع المفاتيح الضوئية للأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) على مادة ركيزة شبه موصلة، مما يؤدي إلى إنشاء مجموعة من المرايا الدقيقة- القادرة على الحركة والدوران لمدة دقيقة. هذه المرايا الدقيقة- صغيرة جدًا، حوالي 140 ميكرومتر × 150 ميكرومتر، وتحت تأثير القوة الدافعة، تقوم بتحويل الإشارة الضوئية المدخلة إلى ألياف إخراج مختلفة. يتم إنشاء القوة الدافعة المطبقة على المرايا الدقيقة- باستخدام التأثيرات الحرارية أو المغناطيسية أو الكهروستاتيكية. يظهر الشكل هيكل المفتاح البصري MEMS.
عندما تكون المرآة الصغيرة- في الاتجاه 1، يتم إخراج ضوء الإدخال من خلال الدليل الموجي للإخراج 1؛ عندما تكون المرآة - الصغيرة في الاتجاه 2، يتم إخراج ضوء الإدخال من خلال الدليل الموجي للإخراج 2. ويتم التحكم في دوران المرآة الصغيرة - بواسطة جهد كهربائي (100-200 فولت). يتميز هذا الجهاز بحجم صغير، ونسبة انقراض عالية (نسبة الطاقة الضوئية الناتجة في حالة التشغيل-إلى الطاقة الضوئية الناتجة في حالة إيقاف التشغيل-)، وعدم الحساسية للاستقطاب، والتكلفة المنخفضة، وسرعة التبديل المعتدلة، وخسارة الإدخال أقل من 1 ديسيبل. يظهر هيكل المفتاح البصري المعدني ذو الأغشية الرقيقة في الشكل 3-40. في هذا النوع من المفاتيح الضوئية، تكون الطبقة الأساسية للدليل الموجي أسفل الكسوة السفلية، ويوجد فوقها طبقة رقيقة معدنية، مع وجود هواء بين الطبقة المعدنية الرقيقة والدليل الموجي. يولد الجهد المطبق بين الغشاء المعدني الرقيق والركيزة قوة كهروستاتيكية على الغشاء المعدني الرقيق. تحت هذه القوة، يتحرك الغشاء المعدني الرقيق إلى الأسفل ويتصل بالدليل الموجي، مما يغير معامل انكسار الدليل الموجي وبالتالي يغير تحول الطور للإشارة الضوئية التي تمر عبر الدليل الموجي. في الشكل 3-40ج، بدون جهد كهربائي، يتم رفع الطبقة الرقيقة الذهبية، ويكون تحول الطور في كلا الذراعين هو نفسه، وبالتالي يتم إخراج الإشارة الضوئية من المنفذ 2؛ مع تطبيق الجهد الكهربي، يتصل الغشاء المعدني الرقيق بالدليل الموجي، مما يتسبب في إزاحة الطور π في ذلك الذراع، ويتم إخراج الإشارة الضوئية من المنفذ 1.
غير-مفتاح بصري ميكانيكي
تشتمل المحولات الضوئية غير الميكانيكية- على أنواع مثل المفاتيح الضوئية البلورية السائلة، والمفاتيح الضوئية ذات التأثير البصري الكهربي-، والمفاتيح الضوئية ذات التأثير البصري الحراري-، ومفاتيح المضخم البصري لأشباه الموصلات.
يتم تصنيع المفتاح البصري البلوري السائل عن طريق إنشاء أدلة موجية متفرعة لشعاع الضوء المستقطب على مادة شبه موصلة. يتم حفر أخدود بزاوية محددة عند تقاطع موجهات الموجات، ويتم حقن الكريستال السائل في الأخدود. يتم وضع سخان تحت الأخدود. عندما لا يتم تسخين الأخدود، يمر شعاع الضوء مباشرة من خلاله؛ عند تسخينها، يتم إنشاء فقاعات داخل البلورة السائلة، وبسبب الانعكاس الداخلي الكلي، يتغير اتجاه الضوء ويتم إخراجه إلى الدليل الموجي المطلوب.
تستخدم التأثيرات الكهروضوئية-والبصرية الحرارية-ظاهرة تغير معامل الانكسار لمواد معينة مع الجهد الكهربي ودرجة الحرارة، مما يسمح بإنشاء أجهزة تبديل بصرية.
تحقق المفاتيح الضوئية للمضخم البصري لأشباه الموصلات (SOA) وظيفة التبديل عن طريق تغيير جهد التحيز للمضخم البصري لأشباه الموصلات.
تشتمل المعلمات الرئيسية للمفاتيح الضوئية على نطاق الطول الموجي، وخسارة الإدراج، وخسارة الإرجاع البصري، والتداخل، وطاقة الإدخال البصري، والخسارة المعتمدة على الاستقطاب، والتكرار، وسرعة التبديل، والعمر.
مرشح بصري
المرشحات الضوئية عبارة عن أجهزة انتقائية للطول الموجي- لها تطبيقات مهمة في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية، مثل تصفية الضوضاء في مكبرات الصوت الضوئية كما تمت مناقشته في القسم السابق. خاصة في شبكات الألياف الضوئية WDM، حيث يجب على كل جهاز استقبال تحديد القناة المطلوبة، تصبح المرشحات مكونًا لا غنى عنه. تنقسم المرشحات إلى فئتين رئيسيتين: المرشحات الثابتة والمرشحات القابلة للضبط. يسمح الأول لضوء إشارة بطول موجي محدد بالمرور، بينما يمكن للأخير تحديد الأطوال الموجية ديناميكيًا ضمن نطاق ترددي بصري معين. تظهر وظائف وتصنيف المرشحات الضوئية في الشكل.
تظهر في الشكل خصائص النقل للمرشح البصري العملي. المعلمات الرئيسية للمرشح البصري ذو الطول الموجي الثابت - هي الطول الموجي المركزي π2 وعرض النطاق الترددي Δπ. بالإضافة إلى ذلك، هناك أيضًا معلمات مثل فقدان الإدراج والعزل.
صريف الألياف البصرية
تستخدم شبكات الألياف Bragg العيوب التي تم إدخالها أثناء تصنيع الألياف، وذلك باستخدام إشعاع الضوء فوق البنفسجي لإنشاء تباين دوري في توزيع معامل الانكسار لقلب الألياف. يظهر في الشكل تأثير الترشيح لشبكة الألياف Bragg؛ تنعكس الأطوال الموجية التي تلبي شرط شبكة Bragg تمامًا، بينما تمر الأطوال الموجية الأخرى من خلالها، مما يجعله مرشحًا كاملاً-للألياف.
هناك طريقتان لتصنيع شبكات الألياف Bragg:
(1) طريقة التدخل:تستخدم طريقة التداخل مبدأ -تداخل الشعاعين. يتم تقسيم شعاع من الضوء فوق البنفسجي إلى شعاعين متوازيين، مما يؤدي إلى إنشاء مجال تداخل خارج الألياف الضوئية. من خلال ضبط أطوال ذراعي التداخل، يمكن جعل الفترة الزمنية لأهداب التداخل الناتجة لتلبية متطلبات تصنيع شبكة الألياف Bragg.
(2) طريقة قناع الطور:تستخدم طريقة قناع الطور -قناعًا مُجهزًا مسبقًا. عندما يمر الضوء فوق البنفسجي عبر قناع الطور، يحدث تداخل، مما يخلق مجال تداخل على السطح الأسطواني للألياف الضوئية، وبالتالي كتابة الشبكة في الألياف.
