13.2 Механические оптические коммутаторы

Механический оптический коммутатор МОК (MS) – оптический коммутационный прибор, в котором оптическая коммутация осуществляется путем перемещения его элементов под действием внешних механических сил. Они используют механическое перемещение элемента, коммутирующего световой поток от входного оптического порта к выходному оптическому порту, к которым подключены ОВ. При этом управление процессом переключения может быть ручное, например, при помощи тумблера, или электрическое, при помощи электрического потенциала. Последний тип переключателей более распространен. Основная область применения - в составе оборудования для тестирования и мониторинга ВОЛП, а также в составе системы, обеспечивающей повышенную надежность. Реализации отличаются функциональными возможностями: количеством входных и выходных волокон-полюсов и типом волокон (многомодовое или одномодовое), а также техническими характеристиками. Оптические переключатели являются изотропными устройствами - вносимые потери не зависят от направления распространения сигнала.

Различают несколько типов оптических коммутаторов, рисунок 13.1:

Рисунок 13.1 – Типы оптических коммутаторов

• коммутатор 1xN - имеет один входной полюс, сигнал из которого перенаправляется в один из N выходных, рисунок 13.1а;

• дуплексный коммутатор 2xN - имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные полюсы с шагом 2, рисунок 13.1б;

• блокирующий коммутатор 2xN - имеет два входных полюса, но только один сигнал из двух входных можно передать в выходной полюс - оставшийся сигнал не выходит наружу, рисунок 13.1в;

• неблокирующий коммутатор 2xN - имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные плюсы с шагом 1, рисунок 13.1г.

В инженерной технологии коммутации используются сле­дующие коммутирующие элементы:

• передвигающийся отрезок световода;

• вращающиеся призмы или зеркала;

• направленные звездообразные/древовидные разветвители.

В первом случае совмещение подвижного и неподвижного волоконных световодов осуществляется либо по базовой поверхности V-образной канавки, либо за счет точного позиционирования подвижных узлов, содержащих световоды, относительно неподвижных. При совмещении в V-образной канавке необходимо обеспечить центрирование световода в наконечнике с такой же точностью, как и в случае оптического соединителя. При применении движущихся узлов обеспечить точность позиционирования на уровне нескольких микрометров сложно, поэтому в таких коммутаторах, как правило, применяют коллимирующие элементы. Для перемещения световода обычно используют пьезоэлементы или шаговые двигатели. Их главное преимущество заключается в том, что коммутирующий механизм не зависит от длины волны и почти не зависит от температуры. Однако, время коммутации относительно большое (приблизительно от 20 до 500 мс).

Коммутаторы на основе движущихся зеркал или призм, рисунок 13.2, всегда требуют использования коллимирующих элементов. В них вращающаяся призма или зеркало (плоское или сферическое вогнутое) поворачивается на определенный фиксированный угол и коммутирует отраженный луч (посланный как падающий от входного порта) на выходной порт. Эти коммутаторы имеют параметры, аналогичные параметрам механических на основе движущихся волоконных световодов, а также аналогичные достоинства и недостатки. В настоящее время они используются только для многомодовых световодов.

Рисунок 13.2 – Один из вариантов механического оптического коммутатора

Разработаны также коммутаторы с использованием жидкостей в качестве перемещаемого оптического элемента. Коммутатор на основе движущегося в электролите зеркала из ртути имеет очень малую управляющую мощность (25 мкВт), выдерживает до 10⁷ коммутаций без деградации, но оптические потери в нем выше (0,2-2 дБ), чем у рассмотренных ранее, и довольно значительны перекрестные помехи (-22…-51 дБ).

Направленные звездообразные/древовидные разветвители фокусируют световой поток на одном из выходных портов за счет изменения коэффициента связи, осуществляемого путем механического воздействия на разветвитель в зоне оптической связи (например, его скручиванием или растяжением).

Механические коммутаторы имеют один или два (дуплексные) входных и n выходных портов, время переключения от 10 до 500 мс и, следовательно, могут использоваться только для автоматической реконфигурации сети. Их достоинство - небольшие вносимые потери (до 0,5 дБ) и большое переходное затухание (до -80 дБ). Емкость таких коммутаторов может достигать сотен выходных портов (например, коммутаторы FS-S, FS-M и FS-L компании Fujikura перекрывает диапазон выходных пор­тов от 50 до 1600), однако число входных портов ограничено, как правило, одной парой, что и определяет специфику их использования. Хотя эти типы коммутаторов наиболее проработаны, их использование в системах оптической коммутации большой размерности nхn проблематично не только с точки зрения числа входов, но с точки зрения управления процессом коммутации. Из-за наличия механического элемента с ростом количества полюсов время срабатывания оптического переключателя, управляемого электрическим потенциалом, возрастает и может варьироваться в пределах от 25 мс до 500 мс.

Фирма DiCom Fiberoptics выпускает коммутаторы с количеством выходных полюсов до 100, с ручным или через стандартные физические электрические интерфейсы управлением (RS-22, RS-485). В таблице 13.2 приведены основные характеристики малопортовых переключателей этой фирмы.

Основными поставщиками оптических переключателей являются: АМР, DiCon, Fibertron, JSD Fitel, Molex, NetOptics.

Таблица 13.2 – Характеристики оптических коммутаторов

Характеристики	12 MM Switch	22 SM Switch	FDDI Dual Bypass Switch
Тип волокна	многомодовое	одномодовое	многомодовое
Вносимые потери, дБ	0,5; max 1,0	0,6; max 1,3	0,5; max 1,8
Обратное отражение, дБ	-	<-50	-
Время срабатывания, мс	<25	<50	<25
Наработка на отказ, число циклов	>10000000	>10000000	>10000000
Переходные помехи, дБ	< -80	< -80	< -80