ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
Κυριακή 11 Μάρτη 2001
Σελ. /24
ΕΝΘΕΤΗ ΕΚΔΟΣΗ: "7 ΜΕΡΕΣ ΜΑΖΙ"
ΟΠΤΙΚΟΙ ΜΕΤΑΓΩΓΕΙΣ
Τα γρήγορα πορθμεία των τηλεπικοινωνιών

Η αντικατάσταση των ηλεκτρονικών μεταγωγέων με καθαρά οπτικούς θα είναι το κεντρικό τεχνολογικό χαρακτηριστικό των δικτύων που θα μπορούν να μεταφέρουν πολλά τρισεκατομμύρια στοιχειώδεις πληροφορίες ανά δευτερόλεπτο

Κάποιος από τους κεκλιμένους καθρέφτες ενός οπτικού μεταγωγέα MEMS ανακλά την ακτίνα φωτός προς ένα σταθερό κάτοπτρο και ένας δεύτερος καθρέφτης τη στέλνει τελικά στην οπτική ίνα εξόδου
Κάποιος από τους κεκλιμένους καθρέφτες ενός οπτικού μεταγωγέα MEMS ανακλά την ακτίνα φωτός προς ένα σταθερό κάτοπτρο και ένας δεύτερος καθρέφτης τη στέλνει τελικά στην οπτική ίνα εξόδου
Η χρήση του φωτός για τη μετάδοση πληροφοριών αναφέρεται ακόμα από την αρχαιότητα με τις ασπίδες των πολεμιστών να παίζουν το ρόλο του καθρέφτη. Τον 18ο αιώνα ένα ευρύ δίκτυο οπτικών τηλεγραφείων είχε εγκατασταθεί στην Ευρώπη και λειτούργησε μέχρι τη διάδοση του ηλεκτρικού τηλέγραφου. Σήμερα, μεγάλο μέρος των πληροφοριών που διακινούνται στον κόσμο, είτε με τη μορφή φωνητικών μηνυμάτων, είτε με τη μορφή ψηφιακών δεδομένων χρησιμοποιεί και πάλι το φως σαν φορέα και τις γνωστές πια στους περισσότερους οπτικές ίνες σαν μέσο μεταφοράς. Αλλά, οι δυνατότητες αυτού του μηχανισμού απέχουν πολύ από το να είναι πλήρως αξιοποιήσιμες.

Το πρόβλημα βρίσκεται στη μεταγωγή, δηλαδή στο πέρασμα της φωτεινής ακτίνας που φέρει τις πληροφορίες από τη μια οπτική ίνα στην άλλη. Γιατί βέβαια δεν είναι δυνατό να απλωθούν οπτικές ίνες ανάμεσα σε όλες τις τηλεπικοινωνιακές συσκευές. Σε ένα ή συνήθως σε περισσότερα σημεία στη διαδρομή πρέπει να γίνει μεταγωγή σε άλλη ίνα. Για να γίνει δυνατό αυτό χρησιμοποιούνται ακριβοί οπτικοηλεκτρονικοί μεταγωγείς (switches) που μετατρέπουν το φωτεινό σήμα σε ηλεκτρικό και μετά πάλι σε φωτεινό. Αυτή η διαδικασία, θυμίζει την επικοινωνία δύο περιοχών που έχουν μεταξύ τους θαυμάσιο οδικό δίκτυο, στο οποίο όμως παρεμβάλλεται κάποιο πορθμείο. Η διαδρομή με το αυτοκίνητο θα ήταν της τάξης μερικών λεπτών, αλλά εξαιτίας του πορθμείου γίνεται μιας ή και περισσότερων ωρών.

Με τεχνολογία ανάλογη με των εκτυπωτών έγχυσης μελάνης, ο μεταγωγέας φυσαλίδων δημιουργεί μια φυσαλίδα αέρα στο κατάλληλο σημείο (διασταύρωση). Αν δεν υπάρχει φυσαλίδα η ακτίνα προχωρά ευθεία, αλλιώς κάνει στροφή. Υγρό ρέει από κατάλληλες τρύπες, ώστε να γεμίζει τα κανάλια, ενώ η κεφαλή έγχυσης αέρα που δημιουργεί τη φυσαλίδα δεν απεικονίζεται
Με τεχνολογία ανάλογη με των εκτυπωτών έγχυσης μελάνης, ο μεταγωγέας φυσαλίδων δημιουργεί μια φυσαλίδα αέρα στο κατάλληλο σημείο (διασταύρωση). Αν δεν υπάρχει φυσαλίδα η ακτίνα προχωρά ευθεία, αλλιώς κάνει στροφή. Υγρό ρέει από κατάλληλες τρύπες, ώστε να γεμίζει τα κανάλια, ενώ η κεφαλή έγχυσης αέρα που δημιουργεί τη φυσαλίδα δεν απεικονίζεται
Η ανάγκη για πιο γρήγορες τηλεπικοινωνίες στο σημερινό κόσμο διογκώνεται διαρκώς. Καθημερινά απλώνονται οπτικές ίνες μήκους ίσου με τρεις φορές την περίμετρο της Γης. Στα πιο βαρυφορτωμένα δίκτυα - ραχοκοκαλιές του Ιντερνετ, η κυκλοφορία πληροφοριών φτάνει το ένα τρισεκατομμύριο bits (στοιχειώδεις πληροφορίες) ανά δευτερόλεπτο και υπολογίζεται ότι είναι μόλις το ένα χιλιοστό αυτής που θα απαιτείται ως το τέλος της δεκαετίας. Οι οπτικές ίνες μπορούν να διοχετεύσουν εκατοντάδες χιλιάδες φορές περισσότερες πληροφορίες απ' ό,τι οι πομποί μικροκυμάτων ή οι δορυφόροι.

Λύση στο πρόβλημα της μεταγωγής φαίνεται να μπορούν να δώσουν διάφορες τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν τα τελευταία χρόνια και τουλάχιστον μια από τις οποίες έχει ήδη μπει στη διαδικασία παραγωγής. Οι τεχνολογίες αυτές αποσκοπούν στην εξάλειψη της διπλής μετατροπής φως - ηλεκτρόνια - φως και την επίτευξη απευθείας οπτικής μεταγωγής. Η φωτονική (αντίστοιχο της ονομασίας ηλεκτρονική) είναι ακόμη μια τεχνολογία στα σπάργανα, περίπου εκεί που βρισκόταν η ηλεκτρονική τη δεκαετία του 1960. Αλλά οι λύσεις που βρίσκει είναι καταπληκτικές.

Οι οπτικοί μεταγωγείς πρέπει να μπορούν να διοχετεύσουν τη φωτεινή ακτίνα (ή τμήμα της, δηλαδή κάποιο συγκεκριμένο μήκος κύματος) οποιασδήποτε από τις οπτικές ίνες εισόδου, σε οποιαδήποτε από τις οπτικές ίνες εξόδου. Ενας οπτικός μεταγωγέας με 100 κανάλια εισόδου των 10 δισ. bits το καθένα θα πρέπει να διαχειρίζεται 1 τρισ. bits το δευτερόλεπτο! Μέχρι πρόσφατα, όλοι οι οπτικοί μεταγωγείς που είχαν κατασκευαστεί απείχαν πολύ από τέτοιες δυνατότητες. Σήμερα, πολλές εταιρίες έχουν υιοθετήσει μια νέα προσέγγιση στην κατασκευή οπτικών μεταγωγέων, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία των μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων γνωστή και σαν MEMS (από τα αρχικά των λέξεων στα αγγλικά). Τα συστήματα αυτά στην ουσία είναι ολοκληρωμένα κυκλώματα με μηχανικά στοιχεία. Κατασκευάζονται με φωτολιθογραφικές μεθόδους, παρόμοιες με εκείνες των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων υψηλής ολοκλήρωσης, πάνω σε φύλλα πυριτίου. Στα MEMS τα στρώματα οξειδίου του πυριτίου αφαιρούνται, με στόχο να δημιουργηθούν όχι τρανζίστορς αλλά τα δομικά στοιχεία συσκευών με ανακλαστικές επιφάνειες που μπορούν να κινηθούν όταν τροφοδοτηθούν με ηλεκτρικό ρεύμα. Οι συσκευές αυτές είναι μικροσκοπικές, φτηνές και μπορούν να διαταχθούν σε μεγάλη πυκνότητα πάνω στο φύλλο πυριτίου.

Οι μικροκαθρέφτες, που είναι τόσο μικροί ώστε μπορεί κανείς να δει έναν απ' αυτούς ολόκληρο μέσα από την τρύπα μιας βελόνας, ανακλούν τις ακτίνες φωτός από τη μια οπτική ίνα στην άλλη
Οι μικροκαθρέφτες, που είναι τόσο μικροί ώστε μπορεί κανείς να δει έναν απ' αυτούς ολόκληρο μέσα από την τρύπα μιας βελόνας, ανακλούν τις ακτίνες φωτός από τη μια οπτική ίνα στην άλλη
Για να κατευθύνει τα διάφορα μήκη κύματος στα κατάλληλα σημεία ο μεταγωγέας MEMS χρησιμοποιεί μικροσκοπικούς καθρέφτες τοποθετημένους, έτσι ώστε ο καθένας να φωτίζεται από ακτίνα διαφορετικού μήκους κύματος. Οι καθρέφτες αυτοί μπορούν να γέρνουν συνδυασμένα τόσο πάνω - κάτω όσο και δεξιά - αριστερά, έτσι ώστε κάθε εισερχόμενη ακτίνα φωτός να οδηγείται στην κατάλληλη έξοδο. Η οδήγηση των καθρεφτών γίνεται με ειδικό λογισμικό που εκτελείται στον επεξεργαστή του μεταγωγέα. Το λογισμικό στέλνει σήματα στα κατάλληλα ηλεκτρόδια και το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται έχει σαν αποτέλεσμα να στραφούν οι αντίστοιχοι μικροκαθρέφτες. Συνήθως ένας μικροκαθρέφτης κατευθύνει την ακτίνα προς ένα σταθερό καθρέφτη και ένας άλλος μικροκαθρέφτης την οδηγεί συνέχεια στην οπτική ίνα εξόδου. Η όλη διαδικασία διαρκεί μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου, δηλαδή αρκετά γρήγορα ακόμα και για τις πιο απαιτητικές εφαρμογές μεταγωγής.

Ο μεταγωγέας MEMS έχει μικρό μέγεθος. Κάθε μικροκαθρέφτης έχει διάμετρο μισού χιλιοστού (περίπου το μέγεθος του κεφαλιού μιας καρφίτσας). Οι μικροκαθρέφτες πρέπει να είναι σε απόσταση ενός χιλιοστού ο ένας από τον άλλο. Ετσι, ένας μεταγωγέας με 256 καθρέφτες μπορεί να κατασκευαστεί σε ένα φύλλο πυριτίου με διάμετρο μόλις 2,5 εκατοστών! Επιπλέον, η κατανάλωση ρεύματος του οπτικού μεταγωγέα είναι 100 φορές μικρότερη απ' ό,τι ενός αντίστοιχου σημερινού οπτικοηλεκτρονικού. Η κατασκευή των καθρεφτών από πυρίτιο αντί από κάποιο μέταλλο τους κάνει πιο σταθερούς, ενώ η χρήση διαδικασιών ευρέως διαδεδομένων για την κατασκευή τους περιορίζει πολύ το κόστος τους.

Μια πολύ πρόσφατη εξέλιξη στην τεχνολογία των MEMS είναι η αυτοσυναρμολόγηση. Στο τελευταίο στάδιο της κατασκευής, μικρά ελατήρια πάνω στο φύλλο πυριτίου απελευθερώνουν τις ανακλαστικές επιφάνειες, ενώ ένα πλαίσιο γύρω από καθεμιά τις τοποθετεί και τις σταθεροποιεί στο κατάλληλο ύψος, ώστε να μπορούν να κινηθούν. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η τεχνολογία των MEMS, που είναι μόνο μία από τις πολλά υποσχόμενες που εφευρέθηκαν τα τελευταία χρόνια, μπορεί να οδηγήσει ακόμα και σε οπτικούς μεταγωγείς της τάξης των τετράκις εκατομμυρίων bits ανά δευτερόλεπτο!


Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»



Ο καθημερινός ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ 1 ευρώ