Выборочное переключение по длине волны - Wavelength selective switching

Выборочное переключение по длине волны компоненты используются в WDM сети оптической связи для маршрутизации (переключения) сигналов между оптическими волокнами на основе каждой длины волны.

Что такое WSS

WSS включает в себя переключающую матрицу, которая работает с светом, рассредоточенным по длине волны, без необходимости физического демультиплексирования рассеянного света на отдельные порты. Это называется конфигурацией «рассредоточение и переключение». Например, 88-канальная система WDM может быть маршрутизирована от «общего» волокна к любому из N волокон с помощью 88 переключателей 1 x N. Это представляет собой значительное упрощение архитектуры демультиплексирования и коммутации и мультиплексирования, для чего (помимо N +1 элементов мультиплексирования / демультиплексирования) потребуется неблокирующий переключатель для 88 каналов N x N.[1] которые будут жестко проверять пределы технологичности крупномасштабных оптических кросс-соединений даже для умеренного количества волокон.

Более практичный подход, принятый большинством производителей систем водоснабжения и канализации, схематически показан на Рисунке 1. (будет загружено). Различные входящие каналы общего порта непрерывно распределяются на переключающий элемент, который затем направляет и ослабляет каждый из этих каналов независимо на N портов коммутатора. Механизм дисперсии обычно основан на голографических или линейчатых дифракционных решетках, подобных тем, которые обычно используются в спектрометрах. Для достижения разрешения и эффективности связи может быть выгодно использовать комбинацию отражающей или пропускающей решетки и призмы, известной как GRISM. Работа WSS может быть двунаправленной, поэтому длины волн могут быть объединены из разных портов в один общий порт. На сегодняшний день в большинстве развертываний используется фиксированная полоса пропускания канала 50 или 100 ГГц, и обычно используются 9 выходных портов.

Микроэлектромеханические зеркала (МЭМС)

Самые простые и самые ранние коммерческие WSS были основаны на подвижных зеркалах с использованием микроэлектромеханических систем (MEMS).[2] Поступающий свет разбивается на спектр дифракционной решеткой (показанной справа на рисунке), и каждый канал длины волны затем фокусируется на отдельном зеркале MEMS. Наклоняя зеркало в одном направлении, канал можно направить обратно в любое из волокон в матрице. Вторая ось наклона позволяет минимизировать переходные перекрестные помехи, иначе переключение (например) с порта 1 на порт 3 всегда будет включать прохождение луча через порт 2. Вторая ось обеспечивает средство ослабления сигнала без увеличения связи с соседними волокнами. Эта технология имеет преимущество в виде единой управляющей поверхности, не обязательно требующей оптики с поляризационным разнесением. Он хорошо работает при наличии непрерывного сигнала, позволяя схемам слежения за зеркалом размывать зеркало и увеличивать связь.

WSS на основе MEMS обычно дает хорошие коэффициенты ослабления, но плохие открытые производительность цикла для установки заданного уровня затухания. Основные ограничения технологии проистекают из разделения каналов, которое естественным образом обеспечивается зеркалами. При изготовлении каналы необходимо тщательно совместить с зеркалами, что усложняет процесс изготовления. Регулировка центровки после изготовления в основном ограничивалась регулировкой давления газа внутри герметичного корпуса. Это принудительное разделение каналов до сих пор также оказалось непреодолимым препятствием для реализации гибких планов каналов, когда в сети требуются каналы разных размеров. Кроме того, фаза света на краю зеркала плохо контролируется в физическом зеркале, поэтому при переключении света у края канала могут возникать артефакты из-за интерференции света из каждого канала.

Бинарный жидкий кристалл (ЖК)

Коммутация на жидких кристаллах позволяет избежать высокой стоимости изготовления МЭМС небольшого объема и, возможно, некоторых ограничений фиксированного канала. Концепция проиллюстрирована на рисунке 3. (будет загружено).[3] Дифракционная решетка разбивает падающий свет на спектр. Бинарный пакет жидких кристаллов с программным управлением индивидуально наклоняет каждый оптический канал, а вторая решетка (или второй проход первой решетки) используется для спектральной рекомбинации лучей. Смещения, создаваемые пакетом жидких кристаллов, вызывают пространственное смещение результирующих спектрально рекомбинированных лучей и, следовательно, фокусировку через матрицу линз на отдельные волокна. Оптика с поляризационным разнесением обеспечивает низкие потери, зависящие от поляризации (PDL).

Эта технология имеет преимущества относительно недорогих деталей, простого электронного управления и стабильного положения луча без активной обратной связи. Его можно настроить на гибкий спектр сетки с помощью мелкой сетки пикселей. Межпиксельные промежутки должны быть небольшими по сравнению с размером луча, чтобы избежать значительного возмущения проходящего света. Кроме того, каждая сетка должна быть воспроизведена для каждого из этапов переключения, что создает необходимость индивидуального управления тысячами пикселей на разных подложках, поэтому преимущества этой технологии с точки зрения простоты сводятся на нет по мере того, как разрешение по длине волны становится более точным.

Основной недостаток этой технологии связан с толщиной уложенных друг на друга переключающих элементов. Трудно обеспечить плотную фокусировку оптического луча на этой глубине, и до сих пор это ограничивало способность WSS с большим количеством портов достигать очень высокой (12,5 ГГц или меньше) детализации.

Жидкий кристалл на кремнии (LCoS)

Жидкий кристалл на кремнии LCoS особенно привлекателен в качестве механизма коммутации в WSS из-за возможности почти непрерывной адресации, предоставляя много новых функций. В частности, диапазоны длин волн, которые переключаются вместе (каналы), не нуждаются в предварительной настройке в оптическом оборудовании, но могут быть запрограммированы в коммутаторе с помощью программного управления. Кроме того, можно воспользоваться этой возможностью для перенастройки каналов во время работы устройства. Схема LCoS WSS показана на рисунке 4. (будет загружено).[4]

Технология LCoS позволила внедрить более гибкие сетки длин волн, которые помогают раскрыть полную спектральную емкость оптических волокон. Еще более удивительные особенности основаны на фазовой матрице коммутационного элемента LCoS. Часто используемые функции включают такие вещи, как формирование уровней мощности в канале или широковещательная передача оптического сигнала более чем на один порт.

WSS на основе LCoS также позволяет динамически управлять центральной частотой канала и полосой пропускания посредством модификации массивов пикселей на лету с помощью встроенного программного обеспечения. Степень управления параметрами канала может быть очень точной, с независимым управлением центральной частотой и верхним или нижним краем канала с возможным разрешением лучше 1 ГГц. Это выгодно с точки зрения технологичности, поскольку разные планы каналов могут быть созданы на одной платформе, и даже разные рабочие диапазоны (например, C и L) могут использовать идентичную матрицу переключения. Были представлены продукты, позволяющие переключаться между каналами 50 ГГц и каналами 100 ГГц или сочетанием каналов без внесения каких-либо ошибок или «попаданий» в существующий трафик. Совсем недавно это было расширено для поддержки всей концепции гибких или эластичных сетей согласно ITU G.654.2 с помощью таких продуктов, как Flexgrid ™ WSS от Finisar.

Для получения более подробной информации о приложениях LCoS в телекоммуникациях и, в частности, о переключателях с избирательной длиной волны, см. Главу 16 в Optical Fiber Telecommunications VIA, под редакцией Каминова, Ли и Вилнера, Academic Press. ISBN  978-0-12-396958-3.

МЭМС-массивы

Еще один механизм переключения на основе массива использует массив отдельных отражающих зеркал MEMS для выполнения необходимого управления лучом (рис.[5] (будет загружено). Эти массивы обычно являются производными от Texas Instruments. DLP линейка пространственных модуляторов света. В этом случае угол наклона зеркал МЭМ изменяется для отклонения луча. Однако современные реализации позволяют зеркалам иметь только два возможных состояния, что дает два потенциальных угла луча. Это усложняет конструкцию многопортовых WSS и ограничивает их применение устройствами с относительно небольшим количеством портов.

Будущие разработки

Двойной WSS

Вполне вероятно, что в будущем два WSS могут использовать один и тот же оптический модуль с использованием областей обработки с разными длинами волн одного матричного коммутатора, такого как LCoS,[6][7] при условии, что проблемы, связанные с изоляцией устройства, могут быть решены соответствующим образом. Селективность канала гарантирует, что только те длины волн, которые необходимо отбрасывать локально (до максимального количества приемопередатчиков в банке), подаются на любой модуль мультиплексирования / демультиплексирования через каждое волокно, что, в свою очередь, снижает требования к фильтрации и затуханию для модуля мультиплексирования / демультиплексирования.

Продвинутые пространственные модуляторы света

Техническая зрелость пространственных модуляторов света, основанных на потребительских приложениях, очень способствовала их внедрению в телекоммуникационной сфере. Есть разработки в фазированных решетках MEM[8] и другие электрооптические пространственные модуляторы света, которые можно было бы предусмотреть в будущем для применения в телекоммуникационной коммутации и обработке длин волн, возможно, обеспечивая более быстрое переключение или имея преимущество в простоте оптической конструкции за счет поляризационно-независимой работы. Например, принципы проектирования, разработанные для LCoS, можно напрямую применить к другим решеткам с регулируемой фазой, если может быть достигнут подходящий фазовый ход (более 2π на 1550 нм). Однако требования к низким электрическим перекрестным помехам и высокому коэффициенту заполнения для очень маленьких пикселей, необходимых для переключения в компактном форм-факторе, остаются серьезными практическими препятствиями для достижения этих целей.[9]

Рекомендации

  1. ^ Д.Дж. Бишоп, К.Р.Джайлс и Г.П. Остин, «Lucent LambdaRouter: технология МЭМС будущего здесь сегодня», IEEE Communications Magazine 40, no. 3 (март 2002 г.): 75–79
  2. ^ Роберт Андерсон, «Патент США 6.542657: двоичный переключатель для оптического маршрутизатора длины волны», 1 апреля 2003 г.
  3. ^ http://www.avanex.com/WSS_liquid_crystal.php
  4. ^ Изображение предоставлено Finisar Corporation
  5. ^ Изображение любезно предоставлено корпорацией Nistica.
  6. ^ Стивен Джеймс Фрискен, «Патент США: 7397980 - оптический процессор с двумя источниками», 8 июля 2008 г.
  7. ^ П. Эванс и др., «WSS на основе LCOS с True Integrated Channel Monitor для приложений мониторинга качества сигнала в ROADM», в конференции по оптоволоконной связи / National Fiber Optic Engineers Conference, 2008. OFC / NFOEC 2008
  8. ^ A. Gehner и др., «Недавний прогресс в разработке CMOS-интегрированных MEMS-зеркал AO», в Adaptive Optics for Industry and Medicine: Proceedings of the Sixth International Workshop, Национальный университет Ирландии, Ирландия, 12–15 июня 2007 г. (Imperial College Press , 2008), 53–58.
  9. ^ Джонатан Дунаевский, Дэвид Синефельд и Дэн Маром, «Адаптивная спектральная фазовая и амплитудная модуляция с использованием оптимизированного пространственного модулятора света MEMS», на конференции по оптоволоконной связи, Технический дайджест OSA (представлен на конференции по оптоволоконной связи, Оптическое общество Америки, 2012 г. ), OM2J.5.

внешняя ссылка