Ein optischer Schalter ist ein Gerät, das Lichtsignale zwischen verschiedenen Kanälen in Kommunikationsnetzwerken überträgt. Glasfasernetze wurden im 20. Jahrhundert entwickelt, um höhere Datenmengen zu übertragen, als dies mit früheren Kupferdrahtsystemen möglich war. Die zunehmende Nutzung des Internets und die Ausweitung des Mobilfunk- und Fernsehangebots erforderten die Verwaltung größerer Datenmengen durch Kommunikationsnetze.
Wenn ein Glasfasernetzwerk ein Lichtsignal von einem Telefon oder Computer zu einem anderen überträgt, kann es erforderlich sein, das Signal zwischen verschiedenen Glasfaserpfaden zu verschieben. Um dies zu erreichen, ist ein Switch erforderlich, der das Signal mit einem minimalen Verlust an Sprach- oder Datenqualität übertragen kann. Als die Faseroptik erstmals entwickelt wurde, wurde dies mit einem elektrooptischen Schalter erreicht, der das Lichtsignal in ein elektrisches Signal umwandelte, die Schaltfunktion ausführte und das Signal wieder in eine Lichtform umwandelte. Dieses System war für frühe faseroptische Systeme akzeptabel, aber mit zunehmender Übertragungsgeschwindigkeit traten Probleme auf.
Elektrische Schalter haben im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit, die bei Faserübertragungen verwendet wird, einige Einschränkungen hinsichtlich der Schaltgeschwindigkeit. Als die Datenanforderungen wuchsen, schuf der elektrische Teil des elektrooptischen Schalters Grenzen für die Datenmenge, die übertragen werden konnte. Es wurden fortschrittlichere optische Schaltertechnologien benötigt, insbesondere um die elektrische Umwandlung beim Schalten von Lichtsignalen zu beseitigen.
Eine große Verbesserung brachte die Entwicklung mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), die winzige Spiegel zur Übertragung von Lichtsignalen verwenden. MEMS waren gegenüber elektrooptischen Schaltern von Vorteil, da die Umwandlung in und aus elektrischen Signalen nicht erforderlich war. Die Lichtübertragungen wurden direkt zwischen verschiedenen Fasern in einem MEMS-Gerät übertragen, was Übertragungsgeschwindigkeiten ermöglicht, die bis zu einem Punkt den Grenzen der Faseroptik entsprechen.
MEMS-Geräte übertragen Signale, indem sie die Lichtsignale von einem eingehenden Glasfaserkabel mit winzigen beweglichen Spiegeln zu einer anderen Glasfaser reflektieren. Ein Computercontroller bestimmt, wohin der Anruf oder die Datenkommunikation geht und welche ausgehende Glasfaser benötigt wird, um die Verbindung herzustellen. Jede ankommende optische Faser hat neben dem Ende der Faser einen Spiegel, der von einem kleinen Elektromotor gesteuert wird. Wenn das Lichtsignal die Faser verlässt, wird es vom Spiegel reflektiert und in das Ende der ausgehenden Faser reflektiert, von dem der Computer bestimmt, dass es benötigt wird. Diese Switches arbeiten sehr schnell und ermöglichen die Übertragung großer Datenmengen über Glasfasernetze.
Probleme mit MEMS-Designs traten auf, als Glasfaserunternehmen ihre Übertragungssysteme weiter ausbauten. Als Glasfaserkabel größer wurden, um mehr Daten aufzunehmen, begannen MEMS Signalverluste zu verursachen, da die Spiegel Lichtsignale an viel mehr Verbindungen übertrugen. Die Signalqualität begann sich zu verschlechtern, wenn die Abstände zwischen den Fasern länger wurden. Eine Verbesserung bestand darin, dreidimensionale (3D) MEMS-Bauelemente zu schaffen, bei denen eine Reihe von Schaltern aufeinander gestapelt wurden, sodass jeder Schalter mit kurzen Schaltabständen weniger Signale verarbeiten kann.
Eine andere Art von optischem Schalter ohne bewegliche Teile ist ein digitaler Schalter, der Siliziumkristalle verwendet, um das Licht zu steuern. Bei diesen Schaltern wird ein fester Siliziumkristall zwischen Paaren von Lichtwellenleitern platziert. Der Brechungsindex oder die Menge, die das Licht beim Durchgang durch den Kristall beugt, ändert sich, wenn Wärme zugeführt wird. Kleine Heizungen sind entlang des Kristalls angebracht und werden aktiviert, wenn Lichtsignale eintreten. Wenn sich der Brechungsindex ändert, kann das Lichtsignal auf verschiedene Ausgangsfasern geleitet werden, ohne dass Spiegel oder andere bewegliche Teile erforderlich sind. Die Signalqualität kann auch gegenüber MEMS-Bauelementen verbessert werden, da Spiegel kleine Verluste verursachen, die bei digitalen Schaltern nicht beobachtet werden.