Selektivní přepínání vlnové délky - Wavelength selective switching

Selektivní přepínání vlnové délky komponenty se používají v WDM optické komunikační sítě k směrování (přepínání) signálů mezi optickými vlákny na základě jednotlivých vlnových délek.

Co je to WSS

WSS obsahuje přepínací pole, které pracuje na světle, které bylo rozptýleno ve vlnové délce, aniž by bylo nutné, aby bylo rozptýlené světlo fyzicky demultiplexováno do samostatných portů. Toto se nazývá konfigurace „rozptýlení a přepnutí“. Například 88kanálový systém WDM lze směrovat z „běžného“ vlákna na kterékoli z N vláken pomocí 88 přepínačů 1 x N. To představuje významné zjednodušení architektury demultiplexoru a přepínače a multiplexu, které by vyžadovaly (kromě prvků N +1 mux / demux) neblokující přepínač pro 88 N x N kanálů[1] což by přísně otestovalo limity vyrobitelnosti rozsáhlých optických křížových připojení i při mírném počtu vláken.

Praktičtější přístup, který si osvojila většina výrobců WSS, je schematicky znázorněn na obrázku 1 (bude nahráno). Různé příchozí kanály společného portu jsou kontinuálně rozptýleny na spínací prvek, který pak směruje a tlumí každý z těchto kanálů nezávisle na N přepínacích portech. Disperzní mechanismus je obecně založen na holografických nebo řízených difrakčních mřížkách podobných těm, které se běžně používají ve spektrometrech. Pro dosažení rozlišení a účinnosti vazby může být výhodné použít kombinaci reflexní nebo transmisivní mřížky a hranolu - známého jako GRISM. Provoz WSS může být obousměrný, takže vlnové délky mohou být multiplexovány společně z různých portů na jeden společný port. K dnešnímu dni většina nasazení používá šířku pásma pevného kanálu 50 nebo 100 GHz a obvykle se používá 9 výstupních portů.

Mikroelektromechanická zrcadla (MEMS)

Nejjednodušší a nejdříve komerční WSS byly založeny na pohyblivých zrcadlech pomocí mikroelektromechanických systémů (MEMS).[2] Přicházející světlo je rozděleno do spektra difrakční mřížkou (znázorněno na RHS na obrázku) a každý kanál vlnové délky se poté zaměřuje na samostatné MEMS zrcadlo. Nakloněním zrcadla v jedné dimenzi lze kanál nasměrovat zpět do kteréhokoli z vláken v poli. Druhá naklápěcí osa umožňuje minimalizovat přechodové přeslechy, jinak přepínání (např.) Z portu 1 na port 3 bude vždy zahrnovat průchod paprsku přes port 2. Druhá osa poskytuje prostředky k zeslabení signálu bez zvýšení vazby na sousední vlákna. Tato technologie má výhodu jediného povrchu řízení, který nutně nevyžaduje polarizační rozmanitost optiky. Funguje dobře za přítomnosti spojitého signálu, což umožňuje obvodům sledujícím zrcadlo rozkládat zrcadlo a maximalizovat vazbu.

MSS založené na MEMS obvykle produkují dobré poměry vyhynutí, ale špatně otevřené výkon smyčky pro nastavení dané úrovně útlumu. Hlavní omezení technologie vyplývají z kanálování, které zrcadla přirozeně vynucují. Během výroby musí být kanály pečlivě vyrovnány se zrcadly, což komplikuje výrobní proces. Post-výrobní úpravy vyrovnání byly omezeny hlavně na úpravu tlaku plynu v hermetickém krytu. Tato vynucená kanálace se také zatím ukázala jako nepřekonatelná překážka při implementaci flexibilních plánů kanálů, kde jsou v síti vyžadovány různé velikosti kanálů. Navíc fáze světla na okraji zrcadla není ve fyzickém zrcadle dobře kontrolována, takže mohou vznikat artefakty při přepínání světla v blízkosti okraje kanálu v důsledku interference světla z každého kanálu.

Binární tekutý krystal (LC)

Přepínání tekutých krystalů se vyhýbá jak vysokým nákladům na výrobu malého objemu MEMS, tak potenciálně některým omezením jeho pevného kanálu. Koncept je znázorněn na obrázku 3 (bude nahráno).[3] Difrakční mřížka rozdělí přicházející světlo do spektra. Softwarově řízená sada binárních tekutých krystalů jednotlivě nakloní každý optický kanál a ke spektrální rekombinaci paprsků se použije druhá mřížka (nebo druhý průchod první mřížky). Odsazení vytvořená zásobníkem tekutých krystalů způsobí, že výsledné spektrálně rekombinované paprsky budou prostorově posunuty, a proto budou zaostřeny prostřednictvím sady čoček na samostatná vlákna. Optika rozmanitosti polarizace zajišťuje nízké ztráty závislé na polarizaci (PDL).

Tato technologie má výhody relativně levných dílů, jednoduchého elektronického ovládání a stabilních poloh paprsků bez aktivní zpětné vazby. Je schopen konfigurace na flexibilní mřížkové spektrum pomocí mřížky jemných pixelů. Mezipixelové mezery musí být ve srovnání s velikostí paprsku malé, aby nedošlo k výraznému rušení procházejícího světla. Kromě toho musí být každá mřížka replikována pro každý ze spínacích stupňů, což vytváří požadavek na individuální ovládání tisíců pixelů na různých substrátech, takže výhody této technologie, pokud jde o jednoduchost, jsou negovány, protože rozlišení vlnové délky se stává jemnějším.

Hlavní nevýhoda této technologie vyplývá z tloušťky naskládaných spínacích prvků. Udržet optický paprsek pevně zaostřený v této hloubce je obtížné a dosud to omezovalo schopnost WSS s vysokým počtem portů dosáhnout velmi jemné (12,5 GHz nebo méně) zrnitosti.

Liquid Crystal on Silicon (LCoS)

Tekutý krystal na křemíku LCoS je obzvláště atraktivní jako přepínací mechanismus ve WSS kvůli schopnosti téměř nepřetržitého adresování, což umožňuje mnoho nových funkcí. Zejména pásma vlnových délek, která jsou přepínána společně (kanály), nemusí být předem nakonfigurována v optickém hardwaru, ale mohou být naprogramována do přepínače prostřednictvím softwarového řízení. Navíc je možné využít této schopnosti překonfigurovat kanály, když je zařízení v provozu. Schéma LCoS WSS je znázorněno na obrázku 4 (bude nahráno).[4]

Technologie LCoS umožnila zavedení flexibilnějších mřížek vlnových délek, které pomáhají odemknout plnou spektrální kapacitu optických vláken. Ještě překvapivější funkce se spoléhají na povahu fázové matice spínacího prvku LCoS. Mezi běžné funkce patří například formování úrovní výkonu v kanálu nebo vysílání optického signálu na více než jeden port.

LCSS založené na WSS také umožňují dynamické řízení středové frekvence kanálu a šířky pásma prostřednictvím on-the-fly modifikace pixelových polí pomocí integrovaného softwaru. Stupeň řízení parametrů kanálu může být velmi jemnozrnný, s nezávislým ovládáním střední frekvence a hranou kanálu v horním nebo dolním pásmu s rozlišením lepším než 1 GHz. To je výhodné z hlediska vyrobitelnosti, protože z jedné platformy lze vytvářet různé plány kanálů a dokonce i různá provozní pásma (například C a L) mohou používat identickou matici přepínačů. Byly zavedeny produkty umožňující přepínání mezi kanály 50 GHz a 100 GHz nebo jejich kombinací bez zavádění jakýchkoli chyb nebo „zásahů“ do stávajícího provozu. V poslední době bylo toto rozšíření rozšířeno o podporu celé koncepce flexibilních nebo elastických sítí v rámci ITU G.654.2 prostřednictvím produktů, jako je Fingrův Flexgrid ™ WSS.

Podrobnější informace o aplikacích LCoS v telekomunikacích, a zejména o vlnových délkách, viz kapitola 16 v Optical Fiber Telecommunications VIA, editor Kaminov, Li a Wilner, Academic Press ISBN  978-0-12-396958-3.

MEMS Arrays

Další spínací modul založený na poli používá k provádění nezbytného řízení paprsku řadu jednotlivých reflexních zrcadel MEMS (obrázek 5[5] (bude nahráno). Tato pole jsou obvykle derivátem Texas Instruments DLP řada modulátorů prostorového světla. V tomto případě se úhel MEMs zrcátek změní, aby se paprsek vychýlil. Současné implementace však umožňují zrcadlům mít pouze dva možné stavy, což dává dva potenciální úhly paprsku. To komplikuje design víceportových WSS a omezuje jejich použití na zařízení s relativně nízkým počtem portů.

Budoucí vývoj

Duální WSS

Je pravděpodobné, že v budoucnu by dva WSS mohly používat stejný optický modul využívající různé oblasti zpracování vlnových délek jednoho maticového přepínače, jako je LCoS,[6][7] za předpokladu, že problémy spojené s izolací zařízení lze vhodně vyřešit. Selektivita kanálu zajišťuje, že pouze vlnové délky potřebné k lokálnímu poklesu (až do maximálního počtu transceiverů v bance) jsou prezentovány jakémukoli modulu mux / demux prostřednictvím každého vlákna, což zase snižuje požadavky na filtrování a extinkci modulu mux / demux.

Pokročilé modulátory prostorového světla

Technická vyspělost modulátorů prostorového světla založená na aplikacích řízených spotřebiteli byla pro jejich přijetí v telekomunikační oblasti velmi výhodná. Existuje vývoj ve fázovaných polích MEM[8] a další elektrooptické modulátory prostorového světla, u kterých lze v budoucnu předpokládat, že budou použitelné pro telekomunikační přepínání a zpracování vlnových délek, což snad přináší rychlejší přepínání nebo má výhodu v jednoduchosti optického designu díky polarizaci nezávislému provozu. Například principy návrhu vyvinuté pro LCoS lze přímo použít na další pole řízená fází, pokud lze dosáhnout vhodného fázového zdvihu (většího než 2π při 1550 nm). Požadavky na nízké elektrické přeslechy a vysoký faktor plnění na velmi malých pixelech, které jsou nutné k umožnění přepínání v kompaktním tvarovém faktoru, však i nadále představují závažné praktické překážky pro dosažení těchto cílů.[9]

Reference

  1. ^ D.J. Bishop, C.R. Giles a G.P. Austin, „The Lucent LambdaRouter: MEMS Technology of the Future Here Today,“ IEEE Communications Magazine 40, no. 3 (březen 2002): 75–79
  2. ^ Robert Anderson, „Patent USA 6 542 657: Binární přepínač pro směrovač optických vlnových délek“, 1. dubna 2003.
  3. ^ http://www.avanex.com/WSS_liquid_crystal.php
  4. ^ Obrázek s laskavým svolením Finisar Corporation
  5. ^ Obrázek s laskavým svolením Nistica Corporation
  6. ^ Steven James Frisken, „Patent USA: 7397980 - procesor se dvěma zdroji optických vlnových délek“, 8. července 2008
  7. ^ P. Evans a kol., „WSS na bázi LCOS s monitorem True Integrated Channel pro aplikace pro sledování kvality signálu v systémech ROADM,“ na konferenci o komunikaci optickými vlákny / National Fiber Optic Engineers Conference, 2008. OFC / NFOEC 2008
  8. ^ A. Gehner a kol., „Nedávný pokrok v CMOS integrovaném vývoji MEMS AO Mirror Developments“, v Adaptive Optics for Industry and Medicine: Proceedings of the Sixth International Workshop, National University of Ireland, Ireland, 12. – 15. Června 2007 (Imperial College Press , 2008), 53–58.
  9. ^ Jonathan Dunayevsky, David Sinefeld a Dan Marom, „Adaptivní spektrální fáze a amplitudová modulace využívající optimalizovaný modulátor prostorového světla MEMS“, na konferenci o komunikaci optickými vlákny, Technický přehled OSA (prezentováno na konferenci o komunikaci optickými vlákny, Optical Society of America, 2012) ), OM2J.5.

externí odkazy