اقرأ في هذا المقال
يتم عرض مفتاح ضوئي يعتمد على دليل موجي بلوري ضوئي فائق الصغر مزدوج الفتحة “DS-PCWG” مع سخان دقيق من التيتانيوم أو الألومنيوم، كما يعتمد مبدأ التشغيل على تحويل تراجع الإرسال الناجم عن اقتران وضع الخلل في فجوة النطاق الفوتونية “PBG”، واستناداً إلى اقتران الوضع الفريد في “PBG” يتم تحقيق طاقة تحويل منخفضة تبلغ “9.2 ميجاوات” ونسبة انقراض عالية تبلغ “17 ديسيبل” بشكل تجريبي بينما يبلغ طول “DS-PCWG” حوالي “16 ميكرومتر” فقط.
أساسيات المفتاح الضوئي الحراري Thermo-optic Switches:
يعتمد المفتاح الضوئي الحراري “Thermo-optic Switches” عادةً على موجهات الموجات المصنوعة من البوليمرات أو السيليكا، ولتشغيلها فهي تعتمد على تغيير معامل الانكسار مع درجة الحرارة الناتجة عن سخان مقاوم يوضع فوق الدليل الموجي، وبطئها لا يتعارض معها في التطبيقات الحالية.
لتلبية الطلبات المتزايدة للاتصالات داخل أو خارج الرقاقة للمعالجات المتعددة في المستقبل، تم اعتبار الشبكة على الرقاقة حلاً عملياً، ولمثل هذه التطبيقات يُعد التبديل البصري كأحد العناصر الأساسية لجميع وظائف التوجيه، ويجب أن يكون مضغوطاً ومنخفض الطاقة وقوياً ومتكاملاً متوافقاً مع أشباه الموصلات المعدنية “CMOS”.
وبالتالي فإنّ المرشح الأكثر ترجيحاً هو المفاتيح الضوئية القائمة على السيليكون، والتي يمكن تحقيقها عن طريق التأثير الحراري أو الكهربائي البصري، وبالمقارنة مع التبديل الكهروضوئي يُعد التبديل الحراري البصري “TO” واعداً بسبب التباين الأكبر في معامل الانكسار الذي يوفره تأثير “TO”، بينما وقت التبديل لعشرات الميكروثانية يكفي لعمليات التوجيه.
مفاتيح “K” في السيليكون هي بصمة صغيرة وقوة تشغيل منخفضة، ولهذا الغرض يجب تعزيز التفاعل بين مادة الضوء والسيليكون، كما يمكن أن يكون مرنان “High Q microring” حلاً ولكنّه حساس جداً للتقلبات الحرارية أو عيوب التصنيع، كما أنّ عرض النطاق الترددي التشغيلي ضيق للغاية، وآخر هو الدليل الموجي البلوري الفوتوني “PCWG” بمساعدة الضوء البطيء التأثير والذي يمكن تحقيقه من خلال تصميم مرن لهيكل النطاق الفوتوني.
أحدهما هو تطبيق “PCWGs” على مقاييس تداخل “Mach-Zehnder” التقليدية أو قارنات اتجاهية، حيث تُستخدم “PCWGs” لتحقيق تحول طور بحجم صغير وقوة تشغيل منخفضة، كما يعتمد الآخر على تأثير القطع في “PCWG” واحد، وحول تردد القطع عند حافة فجوة النطاق الضوئية “PBG” هناك انخفاض مفاجئ في انتقال الضوء.
وعن طريق تحويل تراجع الإرسال يمكن الحصول على مفتاح بصري، كما أنّ التبديل المستند إلى “PCWG” الفردي هو أبسط بكثير وأكثر إحكاماً، ومع ذلك فإنّ فقد الإدخال لمثل هذا المفتاح بناءً على تأثير القطع يكون أيضاً أعلى بكثير بسبب الانعكاس القوي للضوء عند فترات انقطاع مؤشر المجموعة “ng”، ممّا قد يقلل من نسبة انقراض الإرسال ويجعل الأجهزة حساسة لعيوب التصنيع.
كما تبلغ نسبة التبديل مع تأثير القطع في “PCWG” حوالي “0.42” أي “∼3.8 ديسيبل” بينما التيار المطبق “70 مللي أمبير”، كما أنّ مبدل طور بصري حراري يستخدم تداخلاً متعدد الأنماط في دليل موجي من السيليكون، وتم توصيل الأقطاب الكهربائية بالقسم الذي يحتوي فيه التداخل متعدد الأوضاع على أدنى مجال كهربائي ضوئي حول الجدران الجانبية.
ويكون عرض الدليل الموجي متعدد الأنماط لتقليل فقد الانتشار البصري في نطاق الطول الموجي “C – L” أي “1.53-1.625 ميكرومتر”، كما تطوير مبدل طور بصري حراري منخفض الفقد البصري بأقل من “0.1 ديسيبل” في نطاق الطول الموجي من “1.5 ميكرومتر” إلى “1.6 ميكرومتر”، وعلاوةً على ذلك تم تقليل الاعتماد على الطول الموجي عن طريق تعديل عدد الأقطاب الكهربائية.
وتم تصنيع مفتاح بصري مع ناقل حركة الطور الحراري البصري المصمم واستخدامه لتقدير وقت التبديل البصري، وتم الحصول على وقت التبديل لعدة ميكروثانية من خلال عملية النبض الطبيعي وتم تحقيق التبديل البصري فائق السرعة بحوالي “500 نانوثانية” عن طريق التحكم في السرعة الزائدة.
- “CMOS” هي اختصار لـ “Complementary metal–oxide–semiconductor”.
- “DS-PCWG” هي اختصار لـ “Double-slot Photonic crystal waveguide gap”.
- “PBG” هي اختصار لـ “Photonic band gap”.
- “PCWG” هي اختصار لـ “Photonic crystal waveguide gap”.
- “TO” هي اختصار لـ “Thermal Optical”.
المفتاح البصري الحراري في وضع الدفع والسحب:
يتم ترتيب مفتاح مقياس التداخل البصري الحراري ليعمل في وضع الدفع والسحب عن طريق وضع ما يقرب من ربع طول الموجة فرقاً فعالاً في طول المسار أي انحياز “90 درجة”، بين أذرع مفتاح مقياس التداخل في حالة القيادة الصفرية ثم القيادة ذراع واحد لتنشيط التبديل إلى حالة واحدة، وقيادة الجهة الأخرى للانتقال إلى الحالة الأخرى مثل الحالة المتقاطعة.
غالباً ما تتكون أجهزة التحكم في مضاعفة تقسيم الطول الموجي “WDM“، مثل القطرات الإضافية لطول الموجة “WADs” والوصلات المتقاطعة الانتقائية لطول الموجة “WSCs”، ومرشحات معادلة الكسب الديناميكي “DGEFs” وغالباً من مزيل تعدد الإرسال ومضاعف الإرسال المتصل بمجموعة من المحولات، كما تتمثل إحدى الطرق منخفضة الخسارة والمضغوطة والمُنتجة بكميات كبيرة لصنع المفاتيح في استخدام ترتيب مستوٍ لمفاتيح مقياس التداخل الحراري البصري “Mach-Zehnder” في أدلة موجات السيليكا.
الطريقة التقليدية لإجراء التبديل في مفاتيح بصرية حرارية تعتمد على السيليكا، وهو وضع ناقل حركة بصري حراري 110 في ذراع واحد 101 من مقياس التداخل، كما إنّ مغير الطور الحراري البصري هو ببساطة سخان يتم ترسيبه فوق الدليل الموجي، والذي يتسبب في تغيير معامل الانكسار لمادة الدليل الموجي عن طريق تغيير درجة الحرارة عندما يتم إرسال التيار الكهربائي عبر السخان.
وعادةً ما يتم تصميم طولي المسار أي أطوال الذراعين 101 و102 بين مقرن الإدخال 120 ومقرن الإخراج 130؛ ليكون متساوياً عندما يكون مبدل الطور الحراري البصري غير مدفوع، على الرغم من وجود انحياز نصف طول موجي في بعض الأحيان.
الترتيب التقليدي له عيوب عديدة من استهلاك الطاقة مرتفع ويتغير إجمالي الطاقة المشتتة مع عدد المفاتيح النشطة التي تؤدي إلى مشاكل في التحكم في درجة الحرارة، والاعتماد على الاستقطاب كبير وتتغير المرحلة عند تغيير حالة التبديل، وهناك العديد من الفوائد للمفاتيح الحرارية الضوئية بالدفع والسحب، بما في ذلك انخفاض استهلاك الطاقة وتبديد الطاقة المستمر وتقليل الاعتماد على الاستقطاب والمرحلة الثابتة.
بالنسبة لمفتاح بصري حراري تتناسب الطاقة الكهربائية المستهلكة مع تحول الطور المطبق، ولتبديل مفتاح “MZ” تقليدي يلزم “180 درجة” من إزاحة الطور، بينما لتبديل مفتاح “MZ” بالدفع والسحب لا يلزم سوى “90 درجة” من إزاحة الطور، اعتماداً على تحيز طول المسار الدقيق المطبق على المفتاح، وبالتالي يتم تقليل استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى ضعفين.
بالنسبة لمفتاح الدفع والسحب يمكن أن تكون الطاقة الكلية المشتتة ثابتة، ويمكن للمرء ببساطة الحفاظ على قوة القيادة الإجمالية لكل من مبدل الطور لمفتاح “MZ” ثابتاً، وتغيير النسبة بين قوتي القيادة لتغيير حالة المحول، فعلى سبيل المثال إذا كان انحياز الطور “90 درجة” فسيتم تشغيل سخان واحد لحالة مفتاح واحدة ويتم تشغيل السخان الآخر لحالة التبديل الأخرى.
وبالنسبة لحالات التبديل الوسيطة يمكن تشغيل كلا السخانين بنسبة متغيرة بينهما، ولكن قوة محرك كلية ثابتة، حيث إذا كان المرء لا يهتم بالحصول على استهلاك ثابت للطاقة أو مرحلة ثابتة فيمكن للمرء أن يقود مفتاحاً واحداً فقط في كل مرة لحالات التبديل الوسيطة.
- “WDM” هي اختصار لـ “wavelength division multiplexing”.
- “WSC” هي اختصار لـ “Wavelength Selective Crosslinks”.
- “WADs” هي اختصار لـ “drops addition of wavelength”.
- “DGEFs” هي اختصار لـ “Dynamic Gain Equalization Filters”.
- “MZ” هي اختصار لـ “Mach-Zehnder”.
