NARODZINY
KOMUTACJI
OPTYCZNEJ
Zastąpienie prze"ączników elektronicznych uk"adami ca"kowicie optycznymi
ujednolici technologi´ sieci, którymi p"ynÄ… biliony bitów na sekund´
David J. Bishop, C. Randy Giles i Saswato R. Das
XIX wieku zapotrzebo- przez uk"ady prze"Ä…czajÄ…ce, a nast´pnie masem A. Watsonem. W miar´ upo-
wanie na coraz to no- ponownie zamieniç go w Ęwiat"o, któ- wszechniania si´ telefonów sygna"y
we po"Ä…czenia kolejo- re pomknie kolejnym odcinkiem Ęwia- elektryczne trzeba by"o przesy"aç róŻ-
we by"o tak duŻe, Że t"owodu. Ca"y proces powoduje opóę- nymi liniami. Początkowo poszczegól-
czasami pociÄ…gi zaczy- nienia i zwi´ksza koszty. ne obwody "Ä…czy"y r´cznie telefonistki.
na"y przewoziç ludzi Coraz wyraÄ™niej konwersji ze Ęwiat"a Po skonstruowaniu przekaÄ™ników elek-
W
jeszcze przed zakoł
- na prÄ…d elektryczny i odwrotnie dotyczÄ… tromechanicznych zacz´"y powstawaç
czeniem budowy linii. Uk"adanie torów problemy wynikające ze wzrastających "ącznice automatyczne. Wspó"czesne
na ogó" trwa"o krócej niÅ» wznoszenie mo- dysproporcji pomi´dzy rozwojem elek- centrale telefoniczne i sieciowe (rutery)
stu nad szerokÄ… rzekÄ… i w rezultacie szlak troniki i fotoniki (jak okreĘla si´ techniki to w rzeczywistoĘci wyspecjalizowane
kolejowy urywa" si´ na przeciwleg"ych wykorzystywane w sieciach optycznych). komputery, które ĘledzÄ… transmisj´
brzegach. PasaÅ»erowie musieli wysiąĘç Podczas gdy szybkoĘç uk"adów elektro- i skierowujÄ… jÄ… na w"aĘciwÄ… tras´, nie-
z pociÄ…gu, przeprawiç si´ przez rzek´ nicznych zwi´ksza si´ stale, lecz powoli, zaleÅ»nie czy przesy"amy g"os, obraz, czy
promem i zajÄ…ç miejsca w wagonach cze- post´p w fotonice nabiera tempa. Elek- pakiety danych z listami elektroniczny-
kajÄ…cych na drugim brzegu. Ta niewy- tronika zaczyna zostawaç w tyle  nawet mi lub plikami.
godna operacja ogranicza"a szybkoĘç najszybsze procesory b´dÄ… coraz gorzej Komutacja optyczna oznacza ca"kowi-
przewoÅ»enia ludzi i towarów. Kiedy most radziç sobie ze strumieniem bitów docie- cie innÄ… struktur´ sieci telekomunikacyj-
po"Ä…czy" wreszcie brzegi rzeki, podróŻ rajÄ…cych do komutatora elektronicznego. nych. JuÅ» samo nat´Å»enie ruchu w sieci
skraca"a si´ o kilka godzin. Obecnie nadal W wyniku rosnÄ…cych oczekiwaÅ‚
spowoduje, Że uk"ady prze"ączające nie
zdarzajÄ… si´ takie sytuacje: otwarcie tu- w sieciach telekomunikacyjnych nast´p- b´dÄ… mog"y operowaç pojedynczymi roz-
nelu pod kana"em La Manche przynio- nej generacji nie wystarczy juÅ» uÅ»ywaç mowami lub wiadomoĘciami poczty
s"o olbrzymie oszcz´dnoĘci czasu. Ęwiat"owodów do przesy"ania danych elektronicznej przesy"anymi Ęwiat"owo-
Podobnie majÄ… si´ sprawy ze wspó"- pomi´dzy oddalonymi punktami. Ste- dami w tempie miliardów, a nawet bi-
czesnymi optycznymi sieciami teleko- rowanie sygna"em równieÅ» musi zacho- lionów bitów na sekund´. B´dÄ… nato-
munikacyjnymi. Dane z punktu A do dziç na drodze optycznej  zagwaran- miast kierowaç dziesiÄ…tki lub setki fal
B cz´sto sÄ… przesy"ane Ęwiat"owodami. tuje to wyeliminowanie z sieci wÄ…skich o róŻnych d"ugoĘciach  kaÅ»da niosÄ…ca
Ale centrale kierujÄ…ce ruchem w w´- garde", przypominajÄ…cych stare prze- tysiÄ…ce rozmów lub miliardy bitów  do-
z"ach bardziej przypominają XIX-wiecz- prawy promowe na kolejowych szla- cierających jednym Ęwiat"owodem do
ne promy. OperujÄ… one sygna"ami elek- kach. ZaczynajÄ… juÅ» pojawiaç si´ komu- jednego lub wi´cej Ęwiat"owodów wyj-
trycznymi a nie Ęwietlnymi i dlatego tatory optyczne zbudowane w oparciu Ęciowych. Sama fala nie musi byç przeka-
g"os, obraz czy dane muszÄ… opuĘciç o mikroskopijne zwierciad"a, bÄ…belki zywana. Informacje, które niesie, mogÄ…
optycznÄ… infostrad´ i przebrnÄ…ç przez i inne nowe technologie. byç zakodowane w postaci fali o innej
powolne urzÄ…dzenia na skrzyÅ»owa- Centrala najpe"niej oddaje istot´ sieci.
MIKROZWIERCIAD¸A, tak ma"e, Å»e przeĘwitujÄ…
niach, aby zmieniç swÄ… tras´. Trzeba do- Kiedy Alexander Graham Bell wynalaz"
konaç konwersji Ęwiat"a na prÄ…d elek- telefon, móg" nawiÄ…zaç bezpoĘrednie przez ucho igielne, odbijajÄ… wiÄ…zk´ Ęwiat"a
tryczny, który przetworzony zostanie po"Ä…czenie ze swoim asystentem Tho- pomi´dzy róŻnymi Ęwiat"owodami.
64 ÂWIAT NAUKI Marzec 2001
LUCENT TECHNOLOGIES
d"ugoĘci w Ęwiat"owodzie wyjĘciowym. wymaganiom (poza najprostszymi za- zwierciad"a, ustawione tak, by na kaŻde
Dopiero gdy g"os lub pakiety danych do- stosowaniami) sieci optycznych. z nich pada"a jedna z wielu wiązek róŻ-
trÄ… w pobliÅ»e punktu przeznaczenia, zo- Obecnie wiele firm przyj´"o ca"kowicie niÄ…cych si´ d"ugoĘciÄ… fali i biegnÄ…cych
stanÄ… rozseparowane i indywidualnie innÄ… strategi´ budowy "Ä…cznic optycz- pojedynczym w"óknem Ęwiat"owodu.
prze"ączone za pomocą elektronicznych nych, opartą na technologii uk"adów mi- W jednej z odmian prze"ączników MEMS
procesorów. Ale nawet i one mogÄ… pew- kroelektromechanicznych (MEMS  zwierciad"a poruszajÄ… si´ w gór´ lub
nego dnia zostaç wyeliminowane, gdy MikroElectroMechanical Systems). Jest w dó" albo przechylajÄ… z boku na bok,
tylko rozwinÄ… si´ nowe technologie fo- to nowatorska metoda wytwarzania ele- przekazujÄ…c wiÄ…zk´ o wybranej d"ugo-
toniczne [patrz:  Pakiety pod nadzorem mentów sk"adowych  mikromaszyn , Ęci z jednego spoĘród 256 Ęwiat"owodów
Ęwiat"a , strona 70]. coraz powszechniej stosowanych w róŻ- wejĘciowych do dowolnego z 256 Ęwia-
nych dziedzinach: telekomunikacji, mo- t"owodów wyjĘciowych.
Terabity na sekund´ toryzacji, przemyĘle lotniczym, elektro- ¸atwiej zrozumieç dzia"anie prze"Ä…cz-
nice powszechnego uŻytku i innych. nika, wyobraziwszy sobie, Że jesteĘmy
Tymczasem komutacja ca"ej zawarto- W istocie uzyskujemy mechaniczne uk"a- w pokoju z wieloma oknami. JeŻeli pro-
Ęci Ęwiat"owodów lub poszczególnych dy scalone. W technologii MEMS znaj- mienie s"oneczne wpadają do Ęrodka
fal nimi przesy"anych moÅ»e nastr´czaç duje zastosowanie litografia i trawienie, przez jedno z nich, to ruszajÄ…c zwiercia-
problemów. Po"Ä…czenia skroĘne, jak na- podobnie jak w produkcji uk"adów sca- d"em, moÅ»emy je skierowaç poza pokój
zywa si´ uk"ady prze"Ä…czajÄ…ce fale Ęwietl- lonych wielkiej skali integracji wytwa- przez dowolne z pozosta"ych okien.
ne, muszÄ… kierowaç docierajÄ…ce Ęwiat"o rzanych na powierzchni pod"oÅ»y z krze- W przypadku prze"Ä…cznika MEMS stru-
do jednego z dost´pnych Ęwiat"owodów mu. W uk"adach MEMS metodÄ… tra- mieÅ‚
fotonów o pewnej d"ugoĘci fali do-
wyjĘciowych. Na pierwszy rzut oka wy- wienia usuwa si´ teÅ» warstwy tlenku, co cierajÄ…cy przez wrota wejĘciowe pada na
daje si´, Å»e nie jest to trudne  przecieÅ» pozwala oddzieliç od pod"oÅ»a niektóre zwierciad"o i odbija si´ do jednego z wrót
centrale telefoniczne zawsze tak dzia"a- elementy. Dzi´ki litografii zamiast tran- wyjĘciowych, zaleÅ»nie od drogi, którÄ…
jÄ…, kiedy abonent dzwoni pod wybrany zystorów otrzymujemy obiekty o roz- ma dalej podÄ…Å»aç.
numer. Ale Ęwiat"owody k"adzione są miarach dziesiątek lub setek mikrome- Dok"adniej wygląda to tak: oprogra-
w miejscach o znacznie wi´kszym nat´- trów, które mogÄ… poruszaç si´ pod mowanie procesora sygna"owego prze-
Żeniu ruchu: "ącznica optyczna o stu ka- wp"ywem sygna"ów elektrycznych. "ącznika decyduje, gdzie naleŻy skiero-
na"ach wejĘciowych, kaÅ»dy o paĘmie Lucent i firmy takie jak Optical Micro waç padajÄ…cy strumieÅ‚
fotonów. Na-
przenoszenia rz´du terabitów na sekun- Machines, Calient Networks i Xros (obec- st´pnie wysy"a sygna" do znajdujÄ…cej si´
d´, musi poradziç sobie z przep"ywem nie cz´Ä˜ç koncernu Nortel Networks) wy- na powierzchni uk"adu scalonego elek-
biliona bitów na sekund´. bra"y technologi´ MEMS do budowy trody, która wytwarza pole elektryczne
Do niedawna komutatory optyczne uk"adów komutacyjnych, poniewaÅ» po- pochylajÄ…ce zwierciad"o. Dzi´ki filtrom
nie mog"y nawet zbliÅ»yç si´ do tej wy- zwala ona uzyskaç niewielkie i tanie ele- docierajÄ…ce Ęwiat"o jest rozdzielane na
dajnoĘci. W 1992 roku w Bell Laborato- menty, które moÅ»na z "atwoĘciÄ… w"Ä…czyç fale o róŻnych d"ugoĘciach, padajÄ…ce na
ries  badawczo-rozwojowym centrum do uk"adów bardzo wielkiej skali inte- jedno z 256 ruchomych zwierciade" wej-
koncernu Lucent Technologies  zade- gracji. Co waŻniejsze, mikromaszyny Ęciowych. Wiązka o kaŻdej z d"ugoĘci fal
monstrowano uk"ad na bazie niobianu MEMS sÄ… niezawodne, trwa"e i moÅ»na odbija si´ od zwierciad"a wejĘciowego,
litu realizujÄ…cy po"Ä…czenia skroĘne umieĘciç ich duÅ»o na jednym pod"oÅ»u. a nast´pnie od wspólnego zwierciad"a
i umoÅ»liwiajÄ…cy pod"Ä…czenie 16 Ęwiat"o- Sama technologia nadaje si´ równieÅ» wy- i pada na jedno ze zwierciade" wyjĘcio-
wodów wejĘciowych i takiej samej licz- jątkowo dobrze do pracy w uk"adach wych, które z kolei kieruje ją do wybra-
by wyjĘciowych. Stosunkowo niedawno optycznych  poniewaŻ z "atwoĘcią da nego Ęwiat"owodu [ilustracja poniŻej].
pojawi"a si´ jego wersja rozbudowana si´ zwi´kszaç liczb´ lub zmieniaç konfi- Ca"y proces trwa kilka milisekund  wy-
do 48 wejĘç i wyjĘç. Jednak takie komu- guracj´ realizowanych po"Ä…czeÅ‚
. starczająco krótko nawet w przypadku
tatory majÄ… zbyt ma"Ä… liczb´ kana"ów Aby pokierowaç wybranÄ… wiÄ…zkÄ…, najbardziej wymagajÄ…cych zastosowaÅ‚

wejĘciowych i wyjĘciowych, by sprostaç komutator MEMS zawiera maluteÅ‚
kie komutatorów.
Prze"Ä…cznik MEMS
ÂWIAT¸OWODY
REFLEKTOR
SOCZEWKI
SKUPIAJŃCE
RUCHOME
ZWIERCIAD¸O
RUCHOME ZWIERCIAD¸O w prze"Ä…czniku mikroelektromechanicz-
nym (pokazane w zbliÅ»eniu na fotografii) odbija wiÄ…zk´ Ęwiat"a ze
Ęwiat"owodu w stron´ reflektora, kolejnego zwierciad"a i Ęwiat"owo-
du wyjĘciowego.
66 ÂWIAT NAUKI Marzec 2001
LAURIE GRACE
(z lewej)
; LUCENT TECHNOLOGIES
(z prawej)
nowanie poszczególnych elementów.
Prze"Ä…cznik termooptyczny
Taka konstrukcja umoŻliwi tworzenie
o wiele bardziej rozbudowanych komu-
WYJÂCIE 2
tatorów. Starsze rozwiązania na bazie
niobianu litu wymaga"y wi´kszej liczby
elementów prze"ączających, równej kwa-
SPRZóGACZ
PODZIELNIK WIŃZKI dratowi liczby wejĘç lub wyjĘç, co spra-
WEJÂCIE
wia"o, Że realizacja bardziej z"oŻonych
uk"adów by"a zbyt k"opotliwa. Archi-
tektura oparta na prze"Ä…cznikach MEMS
WYJÂCIE 1
jest znacznie prostsza.
MoÅ»liwoĘç wytwarzania komutato-
rów bardziej lub mniej z"oŻonych, za-
GRZEJNIK
leŻnie od potrzeb, ma fundamentalne
W PRZE¸ÅƒCZNIKU TERMOOPTYCZNYM jeden z falowodów, którym biegnie Ęwiat"o po przej-
znaczenie dla operatorów telekomuni-
Ęciu przez podzielnik wiÄ…zki, moÅ»e byç ogrzewany. Wzrost temperatury powoduje niewiel-
kacyjnych, którzy muszÄ… zaspokajaç co-
kie wyd"uÅ»enie drogi optycznej i zmian´ fazy Ęwiat"a. Kiedy obydwie wiÄ…zki si´ po"Ä…czÄ…, Ęwia-
raz wi´ksze wymagania rynku. Po raz
t"o opuĘci prze"Ä…cznik przez pierwsze wyjĘcie. JeÅ»eli nie b´dzie podgrzewania, Ęwiat"o
pierwszy duŻy komutator MEMS 
wyjdzie wyjĘciem drugim (nie widaç tego na rysunku).
LambdaRouter firmy Lucent  zapre-
zentowano w lipcu ub.r. Jego przepu-
Rozmiary pojedynczych prze"Ä…czni- talowych odpowiedników. W jednym stowoĘç  ponad 10 Tb/s  przekracza-
ków sprawiajÄ…, Å»e technologia MEMS jest z nowych etapów wytwarzania zwier- "a dziesi´ciokrotnie nat´Å»enie ruchu
niezwykle atrakcyjna. KaÅ»de zwiercia- ciade" wykorzystuje si´ zjawisko samo- w najbardziej obciÄ…Å»onych w´z"ach In-
d"o ma Ęrednic´ pó" milimetra, czyli organizacji. Termin ten nawiÄ…zuje do ternetu. KaÅ»dy z 256 kana"ów pomi´-
mniejszą niŻ g"ówka szpilki. Są one roz- sposobu, w jaki aminokwasy w czą- dzy wejĘciem i wyjĘciem umoŻliwia"
mieszczone w odst´pach 1 mm od sie- steczkach bia"ka uk"adajÄ… si´ samorzut- transmisj´ z szybkoĘciÄ… 320 Gb/s, czy-
bie i wszystkie 256 zwierciade" znajduje nie w trójwymiarowe struktury. W koł
- li 128 razy szybciej niŻ we wspó"cze-
si´ na kwadratowym kawa"ku krzemu cowych etapach procesu wytwarzania snych komutatorach elektronicznych.
o boku 2.5 cm. Ca"y prze"Ä…cznik ma roz- spr´Å»ynki na powierzchni krzemu zwal- Tego typu uk"ady mogÄ… pracowaç
miary zbliŻone do grejpfruta. Zestaw niają zwierciad"a, a ramka wokó" kaŻ- w systemach petabitowych (1 Pb to bi-
zwierciade" sk"adajÄ…cych si´ na prze"Ä…cz- dego z nich unosi je i blokuje we w"a- liard bitów), które pojawiÄ… si´ w niezbyt
nik jest oko"o 32 razy mniejszej wielkoĘci Ęciwej pozycji, dostatecznie wysoko nad odleg"ej przysz"oĘci.
niÅ» równowaÅ»ny im uk"ad elektronicz- powierzchniÄ…, by umoÅ»liwiç im poru-
ny. PoniewaÅ» nie trzeba przetwarzaç sy- szanie si´ w poŻądanym zakresie. Nie tylko MEMS
gna"ów i wyeliminowano konwersj´ W konstrukcji macierzy zwierciadla-
optoelektronicznÄ…, zuÅ»ycie energii w sto- nej stosuje si´ po jednym zwierciadle na Obecnie prze"Ä…cznikami MEMS zaj-
sunku do prze"Ä…czników elektronicznych wejĘciu i wyjĘciu. Narzuca to rygory- muje si´ wi´cej naukowców niÅ» jakÄ…kol-
jest oko"o stu razy mniejsze. styczne wymagania mechaniczne, po- wiek innÄ… technologiÄ… komutacji optycz-
Stosowanie standardowych procesów niewaÅ» zwierciad"a muszÄ… byç pochyla- nej. JuÅ» dziĘ ich produkcj´ podejmuje
uŻywanych podczas wytwarzania krze- ne pod róŻnymi kątami. Ale technologia co najmniej 10 firm w samej tylko Doli-
mowych uk"adów scalonych gwarantu- krzemowa zapewnia uzyskiwanie nie Krzemowej. Ale w Żadnym razie nie
je, Å»e technologia jest ekonomicznie zwierciade" sztywniejszych i odporniej- jest to jedyne rozwiÄ…zanie. Na uwag´
op"acalna. Zwierciad"a wytwarzane szych na rozjustowanie uk"adu. Lepsze zas"ugują równieŻ falowody fotonowe.
z krzemu pozwalajÄ… teÅ» osiÄ…gnÄ…ç wi´k- algorytmy oprogramowania sterujÄ…ce- Podobnie jak uk"ady MEMS komutato-
szÄ… stabilnoĘç niÅ» w przypadku ich me- go pozwalajÄ… teÅ» na precyzyjne pozycjo- ry zbudowane z falowodów zawierajÄ…
Prze"Ä…cznik bÄ…belkowy
BŃBELEK
KANA¸
FALOWÓD
WIŃZKA
ÂWIAT¸A
BRAK
OTWÓR
BŃBELKA
DOP¸YWOWY
WPROWADZENIE mikroskopijnego bÄ…belka do obszaru z"Ä…cza prze"Ä…cz-
nika z uŻyciem g"owicy takiej jak w drukarce atramentowej sprawia, Że
Ęwiat"o skr´ca w prawo (zbliÅ»enie na zdj´ciu). Brak bÄ…belka w z"Ä…czu
prze"ącznika opracowanego w firmie Agilent powoduje, Że Ęwiat"o prze-
chodzi na wprost. Ciecz z otworów dop"ywowych dostaje si´ do kana-
"ów przechodzÄ…cych przez obszar z"Ä…czy i moÅ»e byç zamieniona na bÄ…-
belki przez g"owic´ drukarki atramentowej.
ÂWIAT NAUKI Marzec 2001 67
LAURIE GRACE
LAURIE GRACE
(z lewej)
; AGILENT
(z prawej)
wiele prostych elementów sterujÄ…cych Prze"Ä…czniki falowodowe da si´ wy- jak wspó"czynnik za"amania kwarcu),
wiÄ…zkÄ… ĘwietlnÄ…, co pozwala przesy"aç twarzaç na standardowych pod"oÅ»ach Ęwiat"o ulegnie odchyleniu i przejdzie do
jÄ… róŻnymi drogami. z krzemu, wi´c majÄ… niewielkie rozmia- innego Ęwiat"owodu. G"owica taka jak w
Obwody falowodowe, które takÅ»e uzy- ry, sÄ… tanie, a ich liczba moÅ»e byç bar- drukarce atramentowej po"Ä…czona z ot-
skuje si´, stosujÄ…c standardowe procesy, dzo duÅ»a. Same pod"oÅ»a moÅ»na takÅ»e workiem wytwarza bÄ…belki lub je odsy-
takie same, jak w technologii uk"adów wykorzystywaç jako konstrukcj´ noĘnÄ… sa, w zaleÅ»noĘci od potrzeb. To, Å»e prze-
scalonych, przypominają w"ókna Ęwia- do mocowania laserów i detektorów po- "ącznik w ogóle dzia"a, jest zas"ugą nie-
t"owodowe. Falowody sÄ… zbudowane zwalajÄ…cych wysy"aç i odbieraç poje- zwykle wyrafinowanej technologii stoso-
z rdzenia i p"aszcza wykonanych z dwóch dyncze impulsy Ęwiat"a odpowiadają- wanej w drukarkach atramentowych.
rodzajów szk"a o róŻnym wspó"czynni- ce bitom. Niewykluczone, Że integracja Komutator bąbelkowy jest niewielkich
ku za"amania. Wspó"czynnik za"amania róŻnych elementów doprowadzi do po- rozmiarów, ma przyzwoitÄ… szybkoĘç dzia-
to wielkoĘç fizyczna opisujÄ…ca zdolnoĘç wstania fotonicznych uk"adów scalo- "ania i dobre parametry optyczne. Podob-
materia"u do odchylania promieni Ęwietl- nych  zminiaturyzowanej wersji uk"a- nie jak w przypadku wielu innych kon-
nych. W"aĘciwy dobór wspó"czynników dów stosowanych na szerokÄ… skal´ strukcji inÅ»ynierowie mogÄ… mieç trudnoĘci
za"amania powoduje, Że Ęwiat"o jest odbi- w laboratoriach fizycznych. W"aĘnie dla- z tworzeniem rozbudowanych uk"adów.
jane wewnÄ…trz w"ókna. tego technologia falowodów jest czasem Komutator o niezb´dnej liczbie wejĘç
Prze"Ä…czniki falowodowe, którymi nazywana krzemowÄ… "awÄ… optycznÄ…. i wyjĘç moÅ»e wymagaç olbrzymiej liczby
zajmujÄ… si´ obecnie m.in. firmy JDS Uni- W jednej z fascynujÄ…cych odmian g"owic drukarkowych wstrzykujÄ…cych
phase, Nanovation i Lucent, wykorzy- prze"ączników zastosowano technolo- i usuwających p"yn z otworów, na przy-
stujÄ… zjawisko termooptyczne: zmiana gie falowodów fotonowych i drukarek k"ad dla 10 wejĘç i 10 wyjĘç potrzeba 100
temperatury wp"ywa na faz´ fali Ęwietl- atramentowych. Mimo Å»e kandydatura takich g"owic. W przypadku niewielkiej
nej (przesuni´cie drgaÅ‚
w czasie), a tym tej drugiej do roli komutatora optycz- liczby wymaganych po"ączeł
taki uk"ad
samym na drog´ jej rozchodzenia si´. nego by"a ma"o wiarygodna, konstruk- moÅ»na wykonaç. JednakÅ»e budowa ko-
W uk"adach tego typu prowadnica cja opracowana przez firm´ Agilent, wy- mutatorów o tysiÄ…cach wrót wejĘciowych
optyczna, którą biegnie Ęwiat"o, na pew- dzieloną z Hewlett-Packard, zmienia i wyjĘciowych by"aby nieop"acalna.
nym odcinku ulega rozdwojeniu. Zmia- sceptyków w entuzjastów. Inny typ komutatorów oparty jest na
na temperatury jednej ga"´zi wywo"a- Komutator jest zbudowany z falowo- elektrooptycznych w"aĘciwoĘciach cie-
na ciep"em wydzielanym w rezystorze du kwarcowego i ma postaç macierzy k"ych kryszta"ów stosowanych powszech-
powoduje, Å»e d"ugoĘç drogi optycznej przecinajÄ…cych si´ prowadnic Ęwietlnych nie w zegarkach cyfrowych i wyĘwietla-
nieco si´ wyd"uÅ»a, a to z kolei zmienia tworzÄ…cych siatk´ [dolna ilustracja na po- czach komputerowych. Ciek"e kryszta"y
faz´ fali w tej prowadnicy. Kiedy dwa przedniej stronie]. W miejscach przeci´cia sÄ… zbudowane z czÄ…steczek niezmiernie
rozdzielone uprzednio tory "Ä…czÄ… si´ po- si´ prowadnic znajduje si´ niewielki otwo- wyd"uÅ»onych w jednym kierunku. CzÄ…-
nownie, róŻnica fazy fal w obydwu ga- rek. Âwiat"o biegnie na wprost, kiedy steczki te po wp"ywem zewn´trznego po-
"´ziach sprawia, Å»e Ęwiat"o dostaje si´ otworek jest pusty. JeÅ»eli jednak znajdzie la elektrycznego zmieniajÄ… swÄ… orienta-
tylko do jednego z dwóch wyjĘç [górna si´ w nim bÄ…belek z p"ynu o dobranym cj´ i w"aĘnie ten efekt moÅ»na wykorzystaç
ilustracja na poprzedniej stronie]. wspó"czynniku za"amania (identycznym do prze"ączania optycznego.
Kiedy do zbioru wyd"uŻonych krysz-
ta"ków przy"oŻymy silne pole elektrycz-
Prze"Ä…cznik ciek"okrystaliczny
ne, moÅ»e ono zmieniç ich orientacj´.
Dzi´ki temu zmienia si´ teÅ» polaryzacja
BRAK NAPIóCIA
(p"aszczyzna drgał
) przechodzÄ…cego
PRZESUWNIK WIŃZKI
przez nie Ęwiat"a. Inne elementy prze-
"ącznika sprawiają, Że do danego Ęwia-
ÂWIAT¸O SPOLARYZOWANE
t"owodu wyjĘciowego moÅ»e dostaç si´
jedynie Ęwiat"o o wybranej polaryzacji.
Ciek"e kryszta"y sÄ… zamkni´te w ko-
mórce pomi´dzy dwiema szklanymi p"yt-
kami pokrytymi przezroczystymi war-
stwami przewodzącego tlenku, które
KOMÓRKA Z CIEK¸YMI KRYSZTA¸AMI
pe"niÄ… funkcj´ elektrod. Przy"oÅ»one do
nich napi´cie jest Ä™ród"em pola elektrycz-
nego, które zmienia orientacj´ czÄ…steczek
ciek"ych kryszta"ów i polaryzacj´ Ęwia-
NAPIóCIE
PRZESUWNIK WIŃZKI
t"a przechodzÄ…cego przez komórk´. Na-
st´pnie Ęwiat"o przechodzi przez prze-
ÂWIAT¸O SPOLARYZOWANE
suwnik wiązki  kryszta", który kieruje
Ęwiat"o zaleŻnie od jego polaryzacji do
w"aĘciwego wyjĘcia [ilustracja z lewej].
Wadą elementów ciek"okrystalicz-
nych zawsze by"a ma"a szybkoĘç prze-
"ączania i niezbyt korzystne w"aĘciwo-
KOMÓRKA Z CIEK¸YMI KRYSZTA¸AMI
Ęci optyczne. I tak najmniejsza zmiana
ORIENTACJA ciek"ych kryszta"ów w prze"Ä…czniku zmieniajÄ…ca si´ pod wp"ywem przy"oÅ»one-
polaryzacji Ęwiat"a b´dzie mia"a wp"yw
go napi´cia nadaje Ęwiat"u polaryzacj´ pionowÄ… lub poziomÄ…. Pryzmatyczny przesuwnik
na dzia"anie uk"adu. W ostatnich pra-
wiÄ…zki powoduje, Å»e Ęwiat"o spolaryzowane pionowo skr´ca w prawo, wiÄ…zka spolaryzowa- cach juÅ» zminimalizowano te zjawiska,
na poziomo przechodzi przez kryszta" na wprost. a firmy, na przyk"ad Corning i Chorum
68 ÂWIAT NAUKI Marzec 2001
LAURIE GRACE
runku. Nat´Å»enie Ęwiat"a w wyniku od-
Prze"Ä…cznik nieliniowy
dzia"ywania poruszajÄ…cych si´ zgodnie
wiÄ…zek wywo"a zmian´ wspó"czynnika
za"amania materia"u Ęwiat"owodu, a to
z kolei spowoduje zmian´ fazy Ęwiat"a.
IMPULS STERUJŃCY
Po rekombinacji sygna" o zmienionej fazie
opuĘci p´tl´ innym Ęwiat"owodem wyj-
Ęciowym [ilustracja z lewej].
Na ogó" nieliniowe prze"ączniki op-
LINIA STERUJŃCA
tyczne wymagają bardzo krótkich im-
pulsów Ęwiat"a o wystarczająco duŻej
1
4
mocy, by wywo"aç efekty nieliniowe
w szkle, z którego jest wykonany Ęwiat"o-
wód. Dodanie do prze"ącznika wzmac-
niacza optycznego moÅ»e obniÅ»yç poziom
WYJÂCIE
WEJÂCIE
sygna"u niezb´dny do przekroczenia pro-
PODZIELNIK-SPRZóGACZ
gu wyst´powania zjawisk tego typu.
IMPULS ÂWIAT¸A docierajÄ…cy do nieliniowego optycznego zwierciad"a p´tlowego (1) dzie-
Uk"ady nieliniowe nie sÄ… jeszcze tak do-
li si´ na dwie sk"adowe rozchodzÄ…ce si´ po obwodzie w przeciwnych kierunkach (2). Im-
pracowane, Å»eby znaleÄ™ç si´ na rynku,
puls przychodzÄ…cy do p´tli z linii sterujÄ…cej oddzia"uje na sk"adowÄ… biegnÄ…cÄ… zgodnie ze
ale wiele sobie po nich obiecujemy.
wskazówkami zegara (3). Impulsy biegnÄ…ce w przeciwnych kierunkach "Ä…czÄ… si´ ponownie
Dzi´ki bardzo Å»ywemu obecnie zain-
w podzielniku-sprz´gaczu. Zmiana fazy odtworzonego impulsu sprawia, Å»e opuszcza on
teresowaniu nowymi materia"ami i tech-
prze"Ä…cznik, poruszajÄ…c si´ w prawo (4).
nologiami na potrzeby komutacji optycz-
nej koł
czy si´ dominacja elektronów
w telekomunikacji. MoŻemy nadal spo-
dziewaç si´ gwa"townego post´pu w ko-
mutacji optycznej, "Ä…cznie z wprowadza-
niem nowych materia"ów i uk"adów 
wielu naukowców rozpocz´"o juÅ» bada-
nia nad zastosowaniem do prze"Ä…czania
LINIA STERUJŃCA
systemów holograficznych i akustycz-
nych. We wszystkich prowadzonych z
1 3 rozmachem poszukiwaniach dÄ…Å»y si´ do
ca"kowitego wyeliminowania wÄ…skich
garde", które stanowią uk"ady elektro-
niczne, i budowania pot´Å»nych sieci
WYJÂCIE
WEJÂCIE WYJÂCIE optycznych o duÅ»ej wydajnoĘci, spe"nia-
PODZIELNIK-SPRZóGACZ
jących marzenia operatorów telekomu-
BRAK IMPULSU sterujÄ…cego sprawia, Å»e obydwie sk"adowe (2) po okrÄ…Å»eniu p´tli "Ä…czÄ…
nikacyjnych o dost´pie do praktycznie
si´ ze sobÄ… w podzielniku-sprz´gaczu i Ęwiat"o wróci po tej samej drodze (3), którÄ… dotar-
nieograniczonego pasma cz´stotliwoĘci.
"o do prze"Ä…cznika (1).
T"umaczy"
Rafa" BoŻek
Technologies, rozpocz´"y w tym celu in- wujemy zmiany w"aĘciwoĘci oĘrodka,
tensywne programy badawcze. Podob- w którym rozchodzi si´ Ęwiat"o. Spró- DAVID J. BISHOP i C. RANDY GILES
nie jak w przypadku wielu innych roz- bujmy wyobraziç sobie zwierciad"o, któ- uczestniczyli w realizacji komutatora optycz-
wiązał
realizacja rozbudowanych ko- re po oĘwietleniu staje si´ przezroczyste. nego MEMS w Lucent Technologies. Bishop
mutatorów moÅ»e nastr´czaç proble- W szklanych Ęwiat"owodach wyst´- kieruje dzia"em mikromechaniki w Bell Labo-
mów, poniewaŻ liczba elementów prze- pują zjawiska nieliniowe i niektóre ratories naleŻących do firmy Lucent Techno-
"Ä…czajÄ…cych zaleÅ»y kwadratowo od licz- z nich moÅ»na wykorzystaç do skonstru- logies. Giles jest dyrektorem ds. technicznych
by wejĘç lub wyjĘç. Mimo to technologia owania bardzo szybkich elementów grupy zajmujÄ…cej si´ systemami fotonowymi
ta moÅ»e nadawaç si´ do skonstruowania prze"Ä…czajÄ…cych, zdolnych do zmiany w dziale Bell Labs. SASWATO R. DAS pisze
multipleksera o zmiennej konfiguracji, swego stanu w ciÄ…gu femtosekund. Wy- artyku"y na tematy naukowe oraz technicz-
urzÄ…dzenia podobnego do komutatora, obraÄ™my sobie nieliniowÄ… p´tl´ zwier- ne i pe"ni funkcj´ rzecznika Bell Labs. Arty-
którego zadaniem jest wpuszczanie do ciadlanÄ… b´dÄ…cÄ… pewnÄ… odmianÄ… inter- ku" ten nie powsta"by bez pomocy wielu in-
sieci Ęwiat"a o róŻnych d"ugoĘciach fali ferometru, w której mogÄ… oddzia"ywaç nych osób, m.in.: Alastaira Glassa, Richarta
i wypuszczanie go stamtąd. ze sobą dwie wiązki Ęwiat"a. Slushera i Alice White.
Kolejny typ komutatorów optycznych W zwierciadle sprz´gacz Ęwiat"owo-
Literatura uzupe"niajÄ…ca
wykorzystuje zaleÅ»noĘç wspó"czynnika dowy dzieli wiÄ…zk´ przychodzÄ…cÄ…. W jed-
OPTICAL FIBER TELECOMMUNICATIONS IIIB. Red.
za"amania szk"a od nat´Å»enia Ęwiat"a. nym przypadku obie sk"adowe okrÄ…Å»ajÄ…
Ivan P. Kaminow i Thomas L. Koch; Aca-
Zjawiska optyczne, które obserwujemy p´tl´ w przeciwnych kierunkach, po po-
demic Press, 1997.
na co dzieł
, sÄ… z regu"y liniowe. JeÅ»eli na konaniu ca"ego okr´gu "Ä…czÄ… si´ i wraca-
UNDERSTANDING FIBER OPTICS. Jeff Hecht; Pren-
powierzchni´ zwierciad"a skierujemy sil- jÄ… tym samym Ęwiat"owodem, którym tice Hall, 1998.
BELL LABS TECHNICAL JOURNAL. RóŻne artyku"y
niejszy strumieł
Ęwiat"a, to wi´cej Ęwia- wiÄ…zka dotar"a do p´tli. W innej sytuacji
poĘwi´cone przysz"oĘci komunikacji optycz-
t"a ulegnie odbiciu i obraz, który ujrzy- moÅ»e si´ zdarzyç, Å»e po rozszczepieniu
nej. Tom 5, nr 1, styczeł
-marzec 2000. Do-
my, wyda si´ jaĘniejszy. W przypadku wiÄ…zek dodamy jeszcze jednÄ… wiÄ…zk´, któ- st´pny w Internecie pod adresem: www.lu-
cent.com/minds/techjournal/.
nieliniowych zjawisk optycznych obser- ra tym razem biegnie tylko w jednym kie-
ÂWIAT NAUKI Marzec 2001 69
LAURIE GRACE
3
2
2
2
2