Εφαρμογή χωρικών διαμορφωτών φωτός στον τομέα των οπτικών επικοινωνιών
Στο σύστημα επικοινωνίας οπτικών ινών, με φυσικά σήματα για τον έλεγχο ή την αλλαγή του πλάτους, της συχνότητας, της φάσης, της πόλωσης και άλλων χαρακτηριστικών των παραμέτρων του οπτικού φορέα, η διαδικασία ονομάζεται οπτική διαμόρφωση. Ο ρόλος της οπτικής διαμόρφωσης είναι να επιτρέπει στις πληροφορίες να χρησιμοποιούν τα χαρακτηριστικά του ίδιου του φωτεινού κύματος για να επιτυγχάνουν επεξεργασία και μετάδοση υψηλής ταχύτητας και να αναστέλλουν αποτελεσματικά τις παρεμβολές εξωτερικών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, έτσι ώστε η διάδοση των πληροφοριών να είναι πιο σταθερή. Με την ευρεία εφαρμογή της τεχνολογίας πυκνής πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (DWDM) και την τεράστια ανάπτυξη της χωρητικότητας μετάδοσης οπτικών ινών, η τεχνολογία SDH έχει από καιρό υπερφορτωθεί, με βάση τον διακόπτη επιλογής μήκους κύματος (WSS) ως την τρίτη γενιά πολυλειτουργικής αναδιαμορφώσιμης οπτικής εισαγωγής και πολυπλεξίας (ROADM) ως βασική συσκευή για την υλοποίηση της επόμενης γενιάς δυναμικού δικτύου εξ ολοκλήρου οπτικού δικτύου, τα τελευταία χρόνια τα ερευνητικά ιδρύματα στον τομέα των οπτικών επικοινωνιών αποδίδουν μεγάλη σημασία και έχουν σημειώσει ταχεία ανάπτυξη.
Πλεονεκτήματα του WSS που βασίζεται σε LCOS
Το WSS που βασίζεται σε LCoS έχει επηρεάσει βαθιά τον σχεδιασμό των συστημάτων ROADM. Στο παρελθόν, το WSS που βασίζεται σε MEMS απαιτούσε τον καθορισμό της απόστασης κάθε καναλιού εκ των προτέρων (π.χ., 100 GHz ή 50 GHz) και δεν μπορούσε να αλλάξει αργότερα. Ωστόσο, τα εκατομμύρια pixel στο LCoS μπορούν να αλλάξουν την απόσταση κάθε καναλιού αυθαίρετα, κάτι που αξιοποιεί πλήρως τους πόρους συχνότητας για να βελτιώσει τη φασματική απόδοση στην εποχή των εξαιρετικά 100 Gbit/s και ανοίγει την εποχή των ευέλικτων δικτύων.
Δομή κυττάρων LCOS
Οι πλάκες pixel που διαμορφώνουν την τάση βρίσκονται στο επάνω στρώμα του πυριτίου ελέγχου. Αυτές οι πλάκες δίνουν σε κάθε ένα από τα εκατομμύρια pixel μια προγραμματιζόμενη ελεγχόμενη τάση που χρησιμοποιείται για την παραγωγή μιας προγραμματιζόμενης ελεγχόμενης καθυστέρησης φάσης προς την κατεύθυνση της πρωτεύουσας πόλωσης. Φυσικά, η καθυστέρηση φάσης παράγεται από μόρια υγρών κρυστάλλων υψηλής πόλωσης. Οπτικά, κάθε μόριο υγρού κρυστάλλου μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μικροσκοπικό σύρμα με ένα ηλεκτρόνιο ελεύθερο να κινηθεί κατά μήκος του σύρματος. Όταν η πλάκα pixel δεν είναι φορτισμένη, αυτά τα μόρια υγρών κρυστάλλων είναι όλα επίπεδα και συγκρατούνται στη θέση τους από ένα στρώμα βαθμονόμησης και είναι κάθετα στο φωτεινό κύμα και παράλληλα με το ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο του φωτεινού κύματος. Η ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρονίων σχεδόν ελεύθερης κατάστασης στα μόρια υγρών κρυστάλλων και του ηλεκτρικού πεδίου του φωτεινού κύματος αποθηκεύει προσωρινά ενέργεια, επιβραδύνοντας έτσι τη μετάδοση του κύματος. Όταν εφαρμόζεται τάση μεταξύ του τσιπ CMoS που είναι ενσωματωμένο στην πλάκα pixel που ρυθμίζεται από την τάση και του στρώματος οξειδίου ινδίου-κασσιτέρου στο επάνω γυαλί, τα άκρα κάθε μορίου υγρού κρυστάλλου τραβιούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Καθώς αυξάνεται η τάση, τα μόρια υγρών κρυστάλλων ευθυγραμμίζονται όλο και περισσότερο με την κατεύθυνση του φωτεινού κύματος και όλο και περισσότερο κάθετα στο ηλεκτρικό πεδίο του κύματος, με αποτέλεσμα μια όλο και πιο αδύναμη αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων υγρών κρυστάλλων και του φωτεινού κύματος, έτσι ώστε το κύμα να μεταδίδεται ταχύτερα.
Αρχή λειτουργίας του WSS που βασίζεται σε LCOS
Χρησιμοποιώντας εκατομμύρια ή περισσότερα pixel σε έναν διαμορφωτή χωρικού φωτός LCoS, μπορεί να ελεγχθεί η σχετική φάση του προσπίπτοντος φωτεινού κύματος στο επίπεδο και μπορούν να κατασκευαστούν γωνιακοί εικονικοί καθρέφτες για πιο σύνθετο προγραμματισμό φάσης. Οπτικά σήματα με διαφορετικά κανάλια μήκους κύματος και ποικίλη απόσταση καναλιών τροφοδοτούνται από την κορυφή της συστοιχίας οπτικών ινών. Ένα φράγμα περίθλασης διαχωρίζει το οπτικό σήμα σε ένα «ουράνιο τόξο» διαφορετικών συχνοτήτων πάνω από το LCoS. Διαφορετικοί γωνιακοί εικονικοί καθρέφτες προγραμματίζονται να αντιστοιχίζονται σε διαφορετικές περιοχές του LCoS, έτσι ώστε να μπορούν να αλλάξουν ελαφρώς τη γωνία ανάκλασης για διαφορετικές συχνότητες. Το φράγμα περίθλασης στη συνέχεια ανασυνδυάζει το φως που ανακλάται πίσω από αυτούς τους εικονικούς καθρέφτες σε διαφορετικές συχνότητες, το οποίο στη συνέχεια εστιάζεται από τη συστοιχία φακών και μεταδίδεται πίσω στη συστοιχία οπτικών ινών.
Βασική δομή του WSS που βασίζεται σε LCOS
Ο χωρικός διαμορφωτής φωτός των υγρών κρυστάλλων μπορεί να αλλάξει τη φάση ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος ανάλογα με τις ανάγκες και όλες οι διαδρομές δέσμης είναι αναστρέψιμες. Για παράδειγμα, όλα τα μήκη κύματος φωτός από την πρώτη είσοδο οπτικής ίνας, μέσω της διαμόρφωσης φάσης του χωρικού διαμορφωτή φωτός, τα άλλα μήκη κύματος N-1 αλλάζουν τη φάση του ίδιου, ανακλώνται πίσω στην επαναπολυπλεξία από τη δεύτερη έξοδο οπτικής ίνας. Και η ανάγκη για κατάντη φάση μπορεί να αλλάξει διαφορετικά, μπορεί να εξάγεται από την τρίτη οπτική ίνα, το αντίστοιχο σήμα μπορεί να μεταδοθεί στον κατάντη κλάδο.
Σχηματικό διάγραμμα δρομολόγησης αλλαγής φάσης WSS που βασίζεται σε LCOS
Πλεονεκτήματα του WSS που βασίζεται σε LCOS
(1) Ανεξάρτητα από το μήκος κύματος: Κάθε θύρα ανοδικής και καθοδικής ροής μπορεί να αναδιαμορφωθεί σε οποιοδήποτε μήκος κύματος.
(2) Ανεξάρτητα από την κατεύθυνση: Κάθε θύρα προς τα πάνω και προς τα κάτω μπορεί να αναδιαμορφωθεί σε οποιαδήποτε κατεύθυνση.
(3) Μη ανταγωνιστικός: Το ίδιο μήκος κύματος σε διαφορετικές κατευθύνσεις μπορεί να είναι ευέλικτα πάνω και κάτω.
(4) Ευέλικτο Πλέγμα: Μπορεί να επιτευχθεί καλύτερη φασματική απόδοση.
(5) Ευέλικτο εύρος ζώνης και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
Φυσικά, οι συσκευές WSS που βασίζονται σε LCOS παρουσιάζουν και τις τεχνικές τους δυσκολίες, όπως η χαμηλότερη απόδοση περίθλασης που προκαλείται από φαινόμενα κροσσικού πεδίου, θόρυβο και διασταυρούμενη ομιλία κ.λπ., αλλά χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο επειδή είναι πολύ κατάλληλες για τις απαιτήσεις των άχρωμων, μη χρωματικών, μη χρωματικών και εύκαμπτων δικτύων της νέας γενιάς οπτικών δικτύων. Ωστόσο, χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο επειδή είναι πολύ κατάλληλες για τις απαιτήσεις των άχρωμων, μη χρωματικών, μη χρωματικών και εύκαμπτων δικτύων της νέας γενιάς.