XIX wieku zapotrzebo-
wanie na coraz to no-
we po∏àczenia kolejo-
we by∏o tak du˝e, ˝e
czasami pociàgi zaczy-
na∏y przewoziç ludzi
jeszcze przed zakoƒ-

czeniem budowy linii. Uk∏adanie torów
na ogó∏ trwa∏o krócej ni˝ wznoszenie mo-
stu nad szerokà rzekà i w rezultacie szlak
kolejowy urywa∏ si´ na przeciwleg∏ych
brzegach. Pasa˝erowie musieli wysiàÊç
z pociàgu, przeprawiç si´ przez rzek´
promem i zajàç miejsca w wagonach cze-
kajàcych na drugim brzegu. Ta niewy-
godna operacja ogranicza∏a szybkoÊç
przewo˝enia ludzi i towarów. Kiedy most
po∏àczy∏ wreszcie brzegi rzeki, podró˝
skraca∏a si´ o kilka godzin. Obecnie nadal
zdarzajà si´ takie sytuacje: otwarcie tu-
nelu pod kana∏em La Manche przynio-
s∏o olbrzymie oszcz´dnoÊci czasu.

Podobnie majà si´ sprawy ze wspó∏-

czesnymi optycznymi sieciami teleko-
munikacyjnymi. Dane z punktu A do
B cz´sto sà przesy∏ane Êwiat∏owodami.
Ale centrale kierujàce ruchem w w´-
z∏ach bardziej przypominajà XIX-wiecz-
ne promy. Operujà one sygna∏ami elek-
trycznymi a nie Êwietlnymi i dlatego
g∏os, obraz czy dane muszà opuÊciç
optycznà infostrad´ i przebrnàç przez
powolne urzàdzenia na skrzy˝owa-
niach, aby zmieniç swà tras´. Trzeba do-
konaç konwersji Êwiat∏a na pràd elek-
tryczny, który przetworzony zostanie

przez uk∏ady prze∏àczajàce, a nast´pnie
ponownie zamieniç go w Êwiat∏o, któ-
re pomknie kolejnym odcinkiem Êwia-
t∏owodu. Ca∏y proces powoduje opóê-
nienia i zwi´ksza koszty.

Coraz wyraêniej konwersji ze Êwiat∏a

na pràd elektryczny i odwrotnie dotyczà
problemy wynikajàce ze wzrastajàcych
dysproporcji pomi´dzy rozwojem elek-
troniki i fotoniki (jak okreÊla si´ techniki
wykorzystywane w sieciach optycznych).
Podczas gdy szybkoÊç uk∏adów elektro-
nicznych zwi´ksza si´ stale, lecz powoli,
post´p w fotonice nabiera tempa. Elek-
tronika zaczyna zostawaç w tyle – nawet
najszybsze procesory b´dà coraz gorzej
radziç sobie ze strumieniem bitów docie-
rajàcych do komutatora elektronicznego.

W wyniku rosnàcych oczekiwaƒ

w sieciach telekomunikacyjnych nast´p-
nej generacji nie wystarczy ju˝ u˝ywaç
Êwiat∏owodów do przesy∏ania danych
pomi´dzy oddalonymi punktami. Ste-
rowanie sygna∏em równie˝ musi zacho-
dziç na drodze optycznej – zagwaran-
tuje to wyeliminowanie z sieci wàskich
garde∏, przypominajàcych stare prze-
prawy promowe na kolejowych szla-
kach. Zaczynajà ju˝ pojawiaç si´ komu-
tatory optyczne zbudowane w oparciu
o mikroskopijne zwierciad∏a, bàbelki
i inne nowe technologie.

Centrala najpe∏niej oddaje istot´ sieci.

Kiedy Alexander Graham Bell wynalaz∏
telefon, móg∏ nawiàzaç bezpoÊrednie
po∏àczenie ze swoim asystentem Tho-

masem A. Watsonem. W miar´ upo-
wszechniania si´ telefonów sygna∏y
elektryczne trzeba by∏o przesy∏aç ró˝-
nymi liniami. Poczàtkowo poszczegól-
ne obwody ∏àczy∏y r´cznie telefonistki.
Po skonstruowaniu przekaêników elek-
tromechanicznych zacz´∏y powstawaç
∏àcznice automatyczne. Wspó∏czesne
centrale telefoniczne i sieciowe (rutery)
to w rzeczywistoÊci wyspecjalizowane
komputery, które Êledzà transmisj´
i skierowujà jà na w∏aÊciwà tras´, nie-
zale˝nie czy przesy∏amy g∏os, obraz, czy
pakiety danych z listami elektroniczny-
mi lub plikami.

Komutacja optyczna oznacza ca∏kowi-

cie innà struktur´ sieci telekomunikacyj-
nych. Ju˝ samo nat´˝enie ruchu w sieci
spowoduje, ˝e uk∏ady prze∏àczajàce nie
b´dà mog∏y operowaç pojedynczymi roz-
mowami lub wiadomoÊciami poczty
elektronicznej przesy∏anymi Êwiat∏owo-
dami w tempie miliardów, a nawet bi-
lionów bitów na sekund´. B´dà nato-
miast kierowaç dziesiàtki lub setki fal
o ró˝nych d∏ugoÊciach – ka˝da niosàca
tysiàce rozmów lub miliardy bitów – do-
cierajàcych jednym Êwiat∏owodem do
jednego lub wi´cej Êwiat∏owodów wyj-
Êciowych. Sama fala nie musi byç przeka-
zywana. Informacje, które niesie, mogà
byç zakodowane w postaci fali o innej

64 Â

WIAT

N

AUKI

Marzec 2001

NARODZINY

KOMUTACJI

OPTYCZNEJ

LUCENT TECHNOLOGIES

W

Zastàpienie prze∏àczników elektronicznych uk∏adami ca∏kowicie optycznymi
ujednolici technologi´ sieci, którymi p∏ynà biliony bitów na sekund´

David J. Bishop, C. Randy Giles i Saswato R. Das

MIKROZWIERCIAD¸A,

tak ma∏e, ˝e przeÊwitujà

przez ucho igielne, odbijajà wiàzk´ Êwiat∏a

pomi´dzy ró˝nymi Êwiat∏owodami.

d∏ugoÊci w Êwiat∏owodzie wyjÊciowym.
Dopiero gdy g∏os lub pakiety danych do-
trà w pobli˝e punktu przeznaczenia, zo-
stanà rozseparowane i indywidualnie
prze∏àczone za pomocà elektronicznych
procesorów. Ale nawet i one mogà pew-
nego dnia zostaç wyeliminowane, gdy
tylko rozwinà si´ nowe technologie fo-
toniczne [patrz: „Pakiety pod nadzorem
Êwiat∏a”, strona 70].

Terabity na sekund´

Tymczasem komutacja ca∏ej zawarto-

Êci Êwiat∏owodów lub poszczególnych
fal nimi przesy∏anych mo˝e nastr´czaç
problemów. Po∏àczenia skroÊne, jak na-
zywa si´ uk∏ady prze∏àczajàce fale Êwietl-
ne, muszà kierowaç docierajàce Êwiat∏o
do jednego z dost´pnych Êwiat∏owodów
wyjÊciowych. Na pierwszy rzut oka wy-
daje si´, ˝e nie jest to trudne – przecie˝
centrale telefoniczne zawsze tak dzia∏a-
jà, kiedy abonent dzwoni pod wybrany
numer. Ale Êwiat∏owody k∏adzione sà
w miejscach o znacznie wi´kszym nat´-
˝eniu ruchu: ∏àcznica optyczna o stu ka-
na∏ach wejÊciowych, ka˝dy o paÊmie
przenoszenia rz´du terabitów na sekun-
d´, musi poradziç sobie z przep∏ywem
biliona bitów na sekund´.

Do niedawna komutatory optyczne

nie mog∏y nawet zbli˝yç si´ do tej wy-
dajnoÊci. W 1992 roku w Bell Laborato-
ries – badawczo-rozwojowym centrum
koncernu Lucent Technologies – zade-
monstrowano uk∏ad na bazie niobianu
litu realizujàcy po∏àczenia skroÊne
i umo˝liwiajàcy pod∏àczenie 16 Êwiat∏o-
wodów wejÊciowych i takiej samej licz-
by wyjÊciowych. Stosunkowo niedawno
pojawi∏a si´ jego wersja rozbudowana
do 48 wejÊç i wyjÊç. Jednak takie komu-
tatory majà zbyt ma∏à liczb´ kana∏ów
wejÊciowych i wyjÊciowych, by sprostaç

wymaganiom (poza najprostszymi za-
stosowaniami) sieci optycznych.

Obecnie wiele firm przyj´∏o ca∏kowicie

innà strategi´ budowy ∏àcznic optycz-
nych, opartà na technologii uk∏adów mi-
kroelektromechanicznych (MEMS –
MikroElectroMechanical Systems). Jest
to nowatorska metoda wytwarzania ele-
mentów sk∏adowych „mikromaszyn”,
coraz powszechniej stosowanych w ró˝-
nych dziedzinach: telekomunikacji, mo-
toryzacji, przemyÊle lotniczym, elektro-
nice powszechnego u˝ytku i innych.
W istocie uzyskujemy mechaniczne uk∏a-
dy scalone. W technologii MEMS znaj-
duje zastosowanie litografia i trawienie,
podobnie jak w produkcji uk∏adów sca-
lonych wielkiej skali integracji wytwa-
rzanych na powierzchni pod∏o˝y z krze-
mu. W uk∏adach MEMS metodà tra-
wienia usuwa si´ te˝ warstwy tlenku, co
pozwala oddzieliç od pod∏o˝a niektóre
elementy. Dzi´ki litografii zamiast tran-
zystorów otrzymujemy obiekty o roz-
miarach dziesiàtek lub setek mikrome-
trów, które mogà poruszaç si´ pod
wp∏ywem sygna∏ów elektrycznych.

Lucent i firmy takie jak Optical Micro

Machines, Calient Networks i Xros (obec-
nie cz´Êç koncernu Nortel Networks) wy-
bra∏y technologi´ MEMS do budowy
uk∏adów komutacyjnych, poniewa˝ po-
zwala ona uzyskaç niewielkie i tanie ele-
menty, które mo˝na z ∏atwoÊcià w∏àczyç
do uk∏adów bardzo wielkiej skali inte-
gracji. Co wa˝niejsze, mikromaszyny
MEMS sà niezawodne, trwa∏e i mo˝na
umieÊciç ich du˝o na jednym pod∏o˝u.
Sama technologia nadaje si´ równie˝ wy-
jàtkowo dobrze do pracy w uk∏adach
optycznych – poniewa˝ z ∏atwoÊcià da
si´ zwi´kszaç liczb´ lub zmieniaç konfi-
guracj´ realizowanych po∏àczeƒ.

Aby pokierowaç wybranà wiàzkà,

komutator MEMS zawiera maluteƒkie

zwierciad∏a, ustawione tak, by na ka˝de
z nich pada∏a jedna z wielu wiàzek ró˝-
niàcych si´ d∏ugoÊcià fali i biegnàcych
pojedynczym w∏óknem Êwiat∏owodu.
W jednej z odmian prze∏àczników MEMS
zwierciad∏a poruszajà si´ w gór´ lub
w dó∏ albo przechylajà z boku na bok,
przekazujàc wiàzk´ o wybranej d∏ugo-
Êci z jednego spoÊród 256 Êwiat∏owodów
wejÊciowych do dowolnego z 256 Êwia-
t∏owodów wyjÊciowych.

¸atwiej zrozumieç dzia∏anie prze∏àcz-

nika, wyobraziwszy sobie, ˝e jesteÊmy
w pokoju z wieloma oknami. Je˝eli pro-
mienie s∏oneczne wpadajà do Êrodka
przez jedno z nich, to ruszajàc zwiercia-
d∏em, mo˝emy je skierowaç poza pokój
przez dowolne z pozosta∏ych okien.
W przypadku prze∏àcznika MEMS stru-
mieƒ fotonów o pewnej d∏ugoÊci fali do-
cierajàcy przez wrota wejÊciowe pada na
zwierciad∏o i odbija si´ do jednego z wrót
wyjÊciowych, zale˝nie od drogi, którà
ma dalej podà˝aç.

Dok∏adniej wyglàda to tak: oprogra-

mowanie procesora sygna∏owego prze-
∏àcznika decyduje, gdzie nale˝y skiero-
waç padajàcy strumieƒ fotonów. Na-
st´pnie wysy∏a sygna∏ do znajdujàcej si´
na powierzchni uk∏adu scalonego elek-
trody, która wytwarza pole elektryczne
pochylajàce zwierciad∏o. Dzi´ki filtrom
docierajàce Êwiat∏o jest rozdzielane na
fale o ró˝nych d∏ugoÊciach, padajàce na
jedno z 256 ruchomych zwierciade∏ wej-
Êciowych. Wiàzka o ka˝dej z d∏ugoÊci fal
odbija si´ od zwierciad∏a wejÊciowego,
a nast´pnie od wspólnego zwierciad∏a
i pada na jedno ze zwierciade∏ wyjÊcio-
wych, które z kolei kieruje jà do wybra-
nego Êwiat∏owodu [ilustracja poni˝ej].
Ca∏y proces trwa kilka milisekund – wy-
starczajàco krótko nawet w przypadku
najbardziej wymagajàcych zastosowaƒ
komutatorów.

66 Â

WIAT

N

AUKI

Marzec 2001

RUCHOME ZWIERCIAD¸O

w prze∏àczniku mikroelektromechanicz-

nym (pokazane w zbli˝eniu na fotografii) odbija wiàzk´ Êwiat∏a ze
Êwiat∏owodu w stron´ reflektora, kolejnego zwierciad∏a i Êwiat∏owo-
du wyjÊciowego.

Prze∏àcznik MEMS

LAURIE GRACE

(z

lewej)

; LUCENT TECHNOLOGIES

(z

prawej)

RUCHOME

ZWIERCIAD¸O

ÂWIAT¸OWODY

REFLEKTOR

SOCZEWKI

SKUPIAJÑCE

Rozmiary pojedynczych prze∏àczni-

ków sprawiajà, ˝e technologia MEMS jest
niezwykle atrakcyjna. Ka˝de zwiercia-
d∏o ma Êrednic´ pó∏ milimetra, czyli
mniejszà ni˝ g∏ówka szpilki. Sà one roz-
mieszczone w odst´pach 1 mm od sie-
bie i wszystkie 256 zwierciade∏ znajduje
si´ na kwadratowym kawa∏ku krzemu
o boku 2.5 cm. Ca∏y prze∏àcznik ma roz-
miary zbli˝one do grejpfruta. Zestaw
zwierciade∏ sk∏adajàcych si´ na prze∏àcz-
nik jest oko∏o 32 razy mniejszej wielkoÊci
ni˝ równowa˝ny im uk∏ad elektronicz-
ny. Poniewa˝ nie trzeba przetwarzaç sy-
gna∏ów i wyeliminowano konwersj´
optoelektronicznà, zu˝ycie energii w sto-
sunku do prze∏àczników elektronicznych
jest oko∏o stu razy mniejsze.

Stosowanie standardowych procesów

u˝ywanych podczas wytwarzania krze-
mowych uk∏adów scalonych gwarantu-
je, ˝e technologia jest ekonomicznie
op∏acalna. Zwierciad∏a wytwarzane
z krzemu pozwalajà te˝ osiàgnàç wi´k-
szà stabilnoÊç ni˝ w przypadku ich me-

talowych odpowiedników. W jednym
z nowych etapów wytwarzania zwier-
ciade∏ wykorzystuje si´ zjawisko samo-
organizacji. Termin ten nawiàzuje do
sposobu, w jaki aminokwasy w czà-
steczkach bia∏ka uk∏adajà si´ samorzut-
nie w trójwymiarowe struktury. W koƒ-
cowych etapach procesu wytwarzania
spr´˝ynki na powierzchni krzemu zwal-
niajà zwierciad∏a, a ramka wokó∏ ka˝-
dego z nich unosi je i blokuje we w∏a-
Êciwej pozycji, dostatecznie wysoko nad
powierzchnià, by umo˝liwiç im poru-
szanie si´ w po˝àdanym zakresie.

W konstrukcji macierzy zwierciadla-

nej stosuje si´ po jednym zwierciadle na
wejÊciu i wyjÊciu. Narzuca to rygory-
styczne wymagania mechaniczne, po-
niewa˝ zwierciad∏a muszà byç pochyla-
ne pod ró˝nymi kàtami. Ale technologia
krzemowa zapewnia uzyskiwanie
zwierciade∏ sztywniejszych i odporniej-
szych na rozjustowanie uk∏adu. Lepsze
algorytmy oprogramowania sterujàce-
go pozwalajà te˝ na precyzyjne pozycjo-

nowanie poszczególnych elementów.
Taka konstrukcja umo˝liwi tworzenie
o wiele bardziej rozbudowanych komu-
tatorów. Starsze rozwiàzania na bazie
niobianu litu wymaga∏y wi´kszej liczby
elementów prze∏àczajàcych, równej kwa-
dratowi liczby wejÊç lub wyjÊç, co spra-
wia∏o, ˝e realizacja bardziej z∏o˝onych
uk∏adów by∏a zbyt k∏opotliwa. Archi-
tektura oparta na prze∏àcznikach MEMS
jest znacznie prostsza.

Mo˝liwoÊç wytwarzania komutato-

rów bardziej lub mniej z∏o˝onych, za-
le˝nie od potrzeb, ma fundamentalne
znaczenie dla operatorów telekomuni-
kacyjnych, którzy muszà zaspokajaç co-
raz wi´ksze wymagania rynku. Po raz
pierwszy du˝y komutator MEMS –
LambdaRouter firmy Lucent – zapre-
zentowano w lipcu ub.r. Jego przepu-
stowoÊç – ponad 10 Tb/s – przekracza-
∏a dziesi´ciokrotnie nat´˝enie ruchu
w najbardziej obcià˝onych w´z∏ach In-
ternetu. Ka˝dy z 256 kana∏ów pomi´-
dzy wejÊciem i wyjÊciem umo˝liwia∏
transmisj´ z szybkoÊcià 320 Gb/s, czy-
li 128 razy szybciej ni˝ we wspó∏cze-
snych komutatorach elektronicznych.
Tego typu uk∏ady mogà pracowaç
w systemach petabitowych (1 Pb to bi-
liard bitów), które pojawià si´ w niezbyt
odleg∏ej przysz∏oÊci.

Nie tylko MEMS

Obecnie prze∏àcznikami MEMS zaj-

muje si´ wi´cej naukowców ni˝ jakàkol-
wiek innà technologià komutacji optycz-
nej. Ju˝ dziÊ ich produkcj´ podejmuje
co najmniej 10 firm w samej tylko Doli-
nie Krzemowej. Ale w ˝adnym razie nie
jest to jedyne rozwiàzanie. Na uwag´
zas∏ugujà równie˝ falowody fotonowe.
Podobnie jak uk∏ady MEMS komutato-
ry zbudowane z falowodów zawierajà

Â

WIAT

N

AUKI

Marzec 2001 67

WPROWADZENIE

mikroskopijnego bàbelka do obszaru z∏àcza prze∏àcz-

nika z u˝yciem g∏owicy takiej jak w drukarce atramentowej sprawia, ˝e
Êwiat∏o skr´ca w prawo (zbli˝enie na zdj´ciu). Brak bàbelka w z∏àczu
prze∏àcznika opracowanego w firmie Agilent powoduje, ˝e Êwiat∏o prze-
chodzi na wprost. Ciecz z otworów dop∏ywowych dostaje si´ do kana-
∏ów przechodzàcych przez obszar z∏àczy i mo˝e byç zamieniona na bà-
belki przez g∏owic´ drukarki atramentowej.

WEJÂCIE

WYJÂCIE 2

WYJÂCIE 1

PODZIELNIK WIÑZKI

SPRZ¢GACZ

GRZEJNIK

W PRZE¸ÑCZNIKU TERMOOPTYCZNYM

jeden z falowodów, którym biegnie Êwiat∏o po przej-

Êciu przez podzielnik wiàzki, mo˝e byç ogrzewany. Wzrost temperatury powoduje niewiel-
kie wyd∏u˝enie drogi optycznej i zmian´ fazy Êwiat∏a. Kiedy obydwie wiàzki si´ po∏àczà, Êwia-
t∏o opuÊci prze∏àcznik przez pierwsze wyjÊcie. Je˝eli nie b´dzie podgrzewania, Êwiat∏o
wyjdzie wyjÊciem drugim (nie widaç tego na rysunku).

LAURIE GRACE

(z

lewej)

; AGILENT

(z

prawej)

LAURIE GRACE

KANA¸

FALOWÓD

OTWÓR

DOP¸YWOWY

BRAK

BÑBELKA

WIÑZKA

ÂWIAT¸A

BÑBELEK

Prze∏àcznik bàbelkowy

Prze∏àcznik termooptyczny

wiele prostych elementów sterujàcych
wiàzkà Êwietlnà, co pozwala przesy∏aç
jà ró˝nymi drogami.

Obwody falowodowe, które tak˝e uzy-

skuje si´, stosujàc standardowe procesy,
takie same, jak w technologii uk∏adów
scalonych, przypominajà w∏ókna Êwia-
t∏owodowe. Falowody sà zbudowane
z rdzenia i p∏aszcza wykonanych z dwóch
rodzajów szk∏a o ró˝nym wspó∏czynni-
ku za∏amania. Wspó∏czynnik za∏amania
to wielkoÊç fizyczna opisujàca zdolnoÊç
materia∏u do odchylania promieni Êwietl-
nych. W∏aÊciwy dobór wspó∏czynników
za∏amania powoduje, ˝e Êwiat∏o jest odbi-
jane wewnàtrz w∏ókna.

Prze∏àczniki falowodowe, którymi

zajmujà si´ obecnie m.in. firmy JDS Uni-
phase, Nanovation i Lucent, wykorzy-
stujà zjawisko termooptyczne: zmiana
temperatury wp∏ywa na faz´ fali Êwietl-
nej (przesuni´cie drgaƒ w czasie), a tym
samym na drog´ jej rozchodzenia si´.
W uk∏adach tego typu prowadnica
optyczna, którà biegnie Êwiat∏o, na pew-
nym odcinku ulega rozdwojeniu. Zmia-
na temperatury jednej ga∏´zi wywo∏a-
na ciep∏em wydzielanym w rezystorze
powoduje, ˝e d∏ugoÊç drogi optycznej
nieco si´ wyd∏u˝a, a to z kolei zmienia
faz´ fali w tej prowadnicy. Kiedy dwa
rozdzielone uprzednio tory ∏àczà si´ po-
nownie, ró˝nica fazy fal w obydwu ga-
∏´ziach sprawia, ˝e Êwiat∏o dostaje si´
tylko do jednego z dwóch wyjÊç [górna
ilustracja na poprzedniej stronie].

Prze∏àczniki falowodowe da si´ wy-

twarzaç na standardowych pod∏o˝ach
z krzemu, wi´c majà niewielkie rozmia-
ry, sà tanie, a ich liczba mo˝e byç bar-
dzo du˝a. Same pod∏o˝a mo˝na tak˝e
wykorzystywaç jako konstrukcj´ noÊnà
do mocowania laserów i detektorów po-
zwalajàcych wysy∏aç i odbieraç poje-
dyncze impulsy Êwiat∏a odpowiadajà-
ce bitom. Niewykluczone, ˝e integracja
ró˝nych elementów doprowadzi do po-
wstania fotonicznych uk∏adów scalo-
nych – zminiaturyzowanej wersji uk∏a-
dów stosowanych na szerokà skal´
w laboratoriach fizycznych. W∏aÊnie dla-
tego technologia falowodów jest czasem
nazywana krzemowà ∏awà optycznà.

W jednej z fascynujàcych odmian

prze∏àczników zastosowano technolo-
gie falowodów fotonowych i drukarek
atramentowych. Mimo ˝e kandydatura
tej drugiej do roli komutatora optycz-
nego by∏a ma∏o wiarygodna, konstruk-
cja opracowana przez firm´ Agilent, wy-
dzielonà z Hewlett-Packard, zmienia
sceptyków w entuzjastów.

Komutator jest zbudowany z falowo-

du kwarcowego i ma postaç macierzy
przecinajàcych si´ prowadnic Êwietlnych
tworzàcych siatk´ [dolna ilustracja na po-
przedniej stronie]. W miejscach przeci´cia
si´ prowadnic znajduje si´ niewielki otwo-
rek. Âwiat∏o biegnie na wprost, kiedy
otworek jest pusty. Je˝eli jednak znajdzie
si´ w nim bàbelek z p∏ynu o dobranym
wspó∏czynniku za∏amania (identycznym

jak wspó∏czynnik za∏amania kwarcu),
Êwiat∏o ulegnie odchyleniu i przejdzie do
innego Êwiat∏owodu. G∏owica taka jak w
drukarce atramentowej po∏àczona z ot-
workiem wytwarza bàbelki lub je odsy-
sa, w zale˝noÊci od potrzeb. To, ˝e prze-
∏àcznik w ogóle dzia∏a, jest zas∏ugà nie-
zwykle wyrafinowanej technologii stoso-
wanej w drukarkach atramentowych.

Komutator bàbelkowy jest niewielkich

rozmiarów, ma przyzwoità szybkoÊç dzia-
∏ania i dobre parametry optyczne. Podob-
nie jak w przypadku wielu innych kon-
strukcji in˝ynierowie mogà mieç trudnoÊci
z tworzeniem rozbudowanych uk∏adów.
Komutator o niezb´dnej liczbie wejÊç
i wyjÊç mo˝e wymagaç olbrzymiej liczby
g∏owic drukarkowych wstrzykujàcych
i usuwajàcych p∏yn z otworów, na przy-
k∏ad dla 10 wejÊç i 10 wyjÊç potrzeba 100
takich g∏owic. W przypadku niewielkiej
liczby wymaganych po∏àczeƒ taki uk∏ad
mo˝na wykonaç. Jednak˝e budowa ko-
mutatorów o tysiàcach wrót wejÊciowych
i wyjÊciowych by∏aby nieop∏acalna.

Inny typ komutatorów oparty jest na

elektrooptycznych w∏aÊciwoÊciach cie-
k∏ych kryszta∏ów stosowanych powszech-
nie w zegarkach cyfrowych i wyÊwietla-
czach komputerowych. Ciek∏e kryszta∏y
sà zbudowane z czàsteczek niezmiernie
wyd∏u˝onych w jednym kierunku. Czà-
steczki te po wp∏ywem zewn´trznego po-
la elektrycznego zmieniajà swà orienta-
cj´ i w∏aÊnie ten efekt mo˝na wykorzystaç
do prze∏àczania optycznego.

Kiedy do zbioru wyd∏u˝onych krysz-

ta∏ków przy∏o˝ymy silne pole elektrycz-
ne, mo˝e ono zmieniç ich orientacj´.
Dzi´ki temu zmienia si´ te˝ polaryzacja
(p∏aszczyzna drgaƒ) przechodzàcego
przez nie Êwiat∏a. Inne elementy prze-
∏àcznika sprawiajà, ˝e do danego Êwia-
t∏owodu wyjÊciowego mo˝e dostaç si´
jedynie Êwiat∏o o wybranej polaryzacji.

Ciek∏e kryszta∏y sà zamkni´te w ko-

mórce pomi´dzy dwiema szklanymi p∏yt-
kami pokrytymi przezroczystymi war-
stwami przewodzàcego tlenku, które
pe∏nià funkcj´ elektrod. Przy∏o˝one do
nich napi´cie jest êród∏em pola elektrycz-
nego, które zmienia orientacj´ czàsteczek
ciek∏ych kryszta∏ów i polaryzacj´ Êwia-
t∏a przechodzàcego przez komórk´. Na-
st´pnie Êwiat∏o przechodzi przez prze-
suwnik wiàzki – kryszta∏, który kieruje
Êwiat∏o zale˝nie od jego polaryzacji do
w∏aÊciwego wyjÊcia [ilustracja z lewej].

Wadà elementów ciek∏okrystalicz-

nych zawsze by∏a ma∏a szybkoÊç prze-
∏àczania i niezbyt korzystne w∏aÊciwo-
Êci optyczne. I tak najmniejsza zmiana
polaryzacji Êwiat∏a b´dzie mia∏a wp∏yw
na dzia∏anie uk∏adu. W ostatnich pra-
cach ju˝ zminimalizowano te zjawiska,
a firmy, na przyk∏ad Corning i Chorum

68 Â

WIAT

N

AUKI

Marzec 2001

ÂWIAT¸O SPOLARYZOWANE

ÂWIAT¸O SPOLARYZOWANE

BRAK NAPI¢CIA

NAPI¢CIE

KOMÓRKA Z CIEK¸YMI KRYSZTA¸AMI

KOMÓRKA Z CIEK¸YMI KRYSZTA¸AMI

PRZESUWNIK WIÑZKI

PRZESUWNIK WIÑZKI

ORIENTACJA

ciek∏ych kryszta∏ów w prze∏àczniku zmieniajàca si´ pod wp∏ywem przy∏o˝one-

go napi´cia nadaje Êwiat∏u polaryzacj´ pionowà lub poziomà. Pryzmatyczny przesuwnik
wiàzki powoduje, ˝e Êwiat∏o spolaryzowane pionowo skr´ca w prawo, wiàzka spolaryzowa-
na poziomo przechodzi przez kryszta∏ na wprost.

LAURIE GRACE

Prze∏àcznik ciek∏okrystaliczny

Technologies, rozpocz´∏y w tym celu in-
tensywne programy badawcze. Podob-
nie jak w przypadku wielu innych roz-
wiàzaƒ realizacja rozbudowanych ko-
mutatorów mo˝e nastr´czaç proble-
mów, poniewa˝ liczba elementów prze-
∏àczajàcych zale˝y kwadratowo od licz-
by wejÊç lub wyjÊç. Mimo to technologia
ta mo˝e nadawaç si´ do skonstruowania
multipleksera o zmiennej konfiguracji,
urzàdzenia podobnego do komutatora,
którego zadaniem jest wpuszczanie do
sieci Êwiat∏a o ró˝nych d∏ugoÊciach fali
i wypuszczanie go stamtàd.

Kolejny typ komutatorów optycznych

wykorzystuje zale˝noÊç wspó∏czynnika
za∏amania szk∏a od nat´˝enia Êwiat∏a.
Zjawiska optyczne, które obserwujemy
na co dzieƒ, sà z regu∏y liniowe. Je˝eli na
powierzchni´ zwierciad∏a skierujemy sil-
niejszy strumieƒ Êwiat∏a, to wi´cej Êwia-
t∏a ulegnie odbiciu i obraz, który ujrzy-
my, wyda si´ jaÊniejszy. W przypadku
nieliniowych zjawisk optycznych obser-

wujemy zmiany w∏aÊciwoÊci oÊrodka,
w którym rozchodzi si´ Êwiat∏o. Spró-
bujmy wyobraziç sobie zwierciad∏o, któ-
re po oÊwietleniu staje si´ przezroczyste.

W szklanych Êwiat∏owodach wyst´-

pujà zjawiska nieliniowe i niektóre
z nich mo˝na wykorzystaç do skonstru-
owania bardzo szybkich elementów
prze∏àczajàcych, zdolnych do zmiany
swego stanu w ciàgu femtosekund. Wy-
obraêmy sobie nieliniowà p´tl´ zwier-
ciadlanà b´dàcà pewnà odmianà inter-
ferometru, w której mogà oddzia∏ywaç
ze sobà dwie wiàzki Êwiat∏a.

W zwierciadle sprz´gacz Êwiat∏owo-

dowy dzieli wiàzk´ przychodzàcà. W jed-
nym przypadku obie sk∏adowe okrà˝ajà
p´tl´ w przeciwnych kierunkach, po po-
konaniu ca∏ego okr´gu ∏àczà si´ i wraca-
jà tym samym Êwiat∏owodem, którym
wiàzka dotar∏a do p´tli. W innej sytuacji
mo˝e si´ zdarzyç, ˝e po rozszczepieniu
wiàzek dodamy jeszcze jednà wiàzk´, któ-
ra tym razem biegnie tylko w jednym kie-

runku. Nat´˝enie Êwiat∏a w wyniku od-
dzia∏ywania poruszajàcych si´ zgodnie
wiàzek wywo∏a zmian´ wspó∏czynnika
za∏amania materia∏u Êwiat∏owodu, a to
z kolei spowoduje zmian´ fazy Êwiat∏a.
Po rekombinacji sygna∏ o zmienionej fazie
opuÊci p´tl´ innym Êwiat∏owodem wyj-
Êciowym [ilustracja z lewej].

Na ogó∏ nieliniowe prze∏àczniki op-

tyczne wymagajà bardzo krótkich im-
pulsów Êwiat∏a o wystarczajàco du˝ej
mocy, by wywo∏aç efekty nieliniowe
w szkle, z którego jest wykonany Êwiat∏o-
wód. Dodanie do prze∏àcznika wzmac-
niacza optycznego mo˝e obni˝yç poziom
sygna∏u niezb´dny do przekroczenia pro-
gu wyst´powania zjawisk tego typu.
Uk∏ady nieliniowe nie sà jeszcze tak do-
pracowane, ˝eby znaleêç si´ na rynku,
ale wiele sobie po nich obiecujemy.

Dzi´ki bardzo ˝ywemu obecnie zain-

teresowaniu nowymi materia∏ami i tech-
nologiami na potrzeby komutacji optycz-
nej koƒczy si´ dominacja elektronów
w telekomunikacji. Mo˝emy nadal spo-
dziewaç si´ gwa∏townego post´pu w ko-
mutacji optycznej, ∏àcznie z wprowadza-
niem nowych materia∏ów i uk∏adów –
wielu naukowców rozpocz´∏o ju˝ bada-
nia nad zastosowaniem do prze∏àczania
systemów holograficznych i akustycz-
nych. We wszystkich prowadzonych z
rozmachem poszukiwaniach dà˝y si´ do
ca∏kowitego wyeliminowania wàskich
garde∏, które stanowià uk∏ady elektro-
niczne, i budowania pot´˝nych sieci
optycznych o du˝ej wydajnoÊci, spe∏nia-
jàcych marzenia operatorów telekomu-
nikacyjnych o dost´pie do praktycznie
nieograniczonego pasma cz´stotliwoÊci.

T∏umaczy∏

Rafa∏ Bo˝ek

DAVID J. BISHOP i C. RANDY GILES

uczestniczyli w realizacji komutatora optycz-
nego MEMS w Lucent Technologies. Bishop
kieruje dzia∏em mikromechaniki w Bell Labo-
ratories nale˝àcych do firmy Lucent Techno-
logies. Giles jest dyrektorem ds. technicznych
grupy zajmujàcej si´ systemami fotonowymi
w dziale Bell Labs.

SASWATO R. DAS

pisze

artyku∏y na tematy naukowe oraz technicz-
ne i pe∏ni funkcj´ rzecznika Bell Labs. Arty-
ku∏ ten nie powsta∏by bez pomocy wielu in-
nych osób, m.in.: Alastaira Glassa, Richarta
Slushera i Alice White.

Literatura uzupe∏niajàca

OPTICAL FIBER TELECOMMUNICATIONS IIIB.

Red.

Ivan P. Kaminow i Thomas L. Koch; Aca-
demic Press, 1997.

UNDERSTANDING FIBER OPTICS.

Jeff Hecht; Pren-

tice Hall, 1998.

BELL LABS TECHNICAL JOURNAL.

Ró˝ne artyku∏y

poÊwi´cone przysz∏oÊci komunikacji optycz-
nej. Tom 5, nr 1, styczeƒ-marzec 2000. Do-
st´pny w Internecie pod adresem: www.lu-
cent.com/minds/techjournal/.

Â

WIAT

N

AUKI

Marzec 2001 69

LAURIE GRACE

1

4

3

PODZIELNIK-SPRZ¢GACZ

LINIA STERUJÑCA

WEJÂCIE

WYJÂCIE

IMPULS STERUJÑCY

2

2

PODZIELNIK-SPRZ¢GACZ

LINIA STERUJÑCA

WEJÂCIE

WYJÂCIE

WYJÂCIE

1

3

2

2

IMPULS ÂWIAT¸A

docierajàcy do nieliniowego optycznego zwierciad∏a p´tlowego (1) dzie-

li si´ na dwie sk∏adowe rozchodzàce si´ po obwodzie w przeciwnych kierunkach (2). Im-
puls przychodzàcy do p´tli z linii sterujàcej oddzia∏uje na sk∏adowà biegnàcà zgodnie ze
wskazówkami zegara (3). Impulsy biegnàce w przeciwnych kierunkach ∏àczà si´ ponownie
w podzielniku-sprz´gaczu. Zmiana fazy odtworzonego impulsu sprawia, ˝e opuszcza on
prze∏àcznik, poruszajàc si´ w prawo (4).

BRAK IMPULSU

sterujàcego sprawia, ˝e obydwie sk∏adowe (2) po okrà˝eniu p´tli ∏àczà

si´ ze sobà w podzielniku-sprz´gaczu i Êwiat∏o wróci po tej samej drodze (3), którà dotar-
∏o do prze∏àcznika (1).

Prze∏àcznik nieliniowy