Application des modulateurs spatiaux de lumière dans le domaine de la communication optique
Dans les systèmes de communication par fibre optique, la modulation optique, avec des signaux physiques, permet de contrôler ou de modifier l'amplitude, la fréquence, la phase, la polarisation et d'autres caractéristiques des porteuses optiques. Elle permet à l'information d'exploiter les caractéristiques de l'onde lumineuse pour un traitement et une transmission à haut débit, et d'inhiber efficacement les interférences des champs électromagnétiques externes, optimisant ainsi la propagation de l'information. Avec la généralisation de la technologie de multiplexage par répartition dense en longueur d'onde (DWDM) et l'essor considérable des capacités de transmission par fibre optique, la technologie SDH a longtemps été surchargée. Basée sur le commutateur sélectif en longueur d'onde (WSS), la troisième génération de multiplexage optique reconfigurable multifonctionnel (ROADM) est devenue un dispositif clé pour la réalisation de la prochaine génération de réseaux tout optiques dynamiques. Ces dernières années, les instituts de recherche en communication optique y ont accordé une grande importance et ont connu un développement rapide.
Avantages du WSS basé sur LCOS
Le WSS basé sur LCoS a profondément influencé la conception des systèmes ROADM. Auparavant, le WSS basé sur MEMS nécessitait que l'espacement de chaque canal soit défini à l'avance (par exemple, 100 GHz ou 50 GHz) et ne puisse être modifié ultérieurement. Cependant, les millions de pixels du LCoS permettent de modifier arbitrairement l'espacement de chaque canal, ce qui exploite pleinement les ressources fréquentielles pour améliorer l'efficacité spectrale à l'ère des ultra-100 Gbit/s et ouvre l'ère des grilles flexibles.
Structure cellulaire LCOS
Les plaques de pixels qui configurent la tension se trouvent sur la couche supérieure du silicium de contrôle. Ces plaques fournissent à chacun des millions de pixels une tension contrôlée programmable, utilisée pour produire un retard de phase contrôlé programmable dans la direction de la polarisation primaire. Physiquement, ce retard de phase est généré par des molécules de cristaux liquides hautement polarisées. Optiquement, chaque molécule de cristaux liquides peut être considérée comme un fil miniature dont un électron est libre de se déplacer le long du fil. Lorsque la plaque de pixels n'est pas chargée, ces molécules de cristaux liquides sont toutes à plat et maintenues en place par une couche d'étalonnage. Elles sont perpendiculaires à l'onde lumineuse et parallèles à son champ électrique oscillant. L'interaction forte entre les électrons quasi libres des molécules de cristaux liquides et le champ électrique de l'onde lumineuse stocke temporairement de l'énergie, ralentissant ainsi la transmission de l'onde. Lorsqu'une tension est appliquée entre la puce CMoS intégrée dans la plaque de pixels régulée en tension et la couche d'oxyde d'étain-indium sur le verre supérieur, les extrémités de chaque molécule de cristaux liquides sont tirées dans des directions opposées. À mesure que la tension augmente, les molécules de cristal liquide deviennent de plus en plus alignées avec la direction de l'onde lumineuse et de plus en plus perpendiculaires au champ électrique de l'onde, ce qui entraîne une interaction de plus en plus faible entre les molécules de cristal liquide et l'onde lumineuse, de sorte que l'onde est transmise plus rapidement.
Principe de fonctionnement du WSS basé sur LCOS
Grâce à des millions de pixels, voire plus, sur un modulateur spatial de lumière (LCoS), il est possible de contrôler la phase relative de l'onde lumineuse incidente sur le plan, et de fabriquer des miroirs virtuels inclinés pour une programmation de phase plus complexe. Des signaux optiques, avec des canaux de longueurs d'onde et un espacement des canaux variables, sont acheminés par le haut du réseau de fibres. Un réseau de diffraction divise le signal optique en un arc-en-ciel de fréquences sur le LCoS. Différents miroirs virtuels inclinés sont programmés pour être assignés à différentes zones du LCoS afin de modifier légèrement l'angle de réflexion selon les fréquences. Le réseau de diffraction recombine ensuite la lumière réfléchie par ces miroirs virtuels à différentes fréquences, puis focalisée par le réseau de lentilles et renvoyée vers le réseau de fibres optiques.
Structure de base du WSS basé sur LCOS
Le modulateur spatial de lumière à cristaux liquides peut modifier la phase d'une longueur d'onde donnée selon les besoins, et tous les trajets de faisceau sont réversibles. Par exemple, toutes les longueurs d'onde lumineuses provenant de la première fibre d'entrée sont modulées en phase par le modulateur spatial de lumière, tandis que les N-1 autres longueurs d'onde sont modifiées en phase, puis réfléchies et remultiplexées depuis la deuxième fibre de sortie. La phase descendante peut être modifiée différemment selon les besoins : la sortie de la troisième fibre peut transmettre le signal correspondant à la branche aval.
Schéma de routage de changement de phase WSS basé sur LCOS
Avantages du WSS basé sur LCOS
(1) Indépendant de la longueur d'onde : chaque port en amont et en aval peut être reconfiguré sur n'importe quelle longueur d'onde ;
(2) Indépendant de la direction : chaque port en amont et en aval peut être reconfiguré dans n'importe quelle direction ;
(3) Non compétitif : la même longueur d'onde dans différentes directions peut être déplacée de manière flexible vers le haut et vers le bas ;
(4) Grille flexible : une meilleure efficacité spectrale peut être obtenue ;
(5) Bande passante flexible et faible consommation d’énergie ;
Bien sûr, les dispositifs WSS basés sur LCOS présentent également des difficultés techniques, telles qu'une faible efficacité de diffraction due aux effets de champ de franges, au bruit et à la diaphonie, etc., mais leur utilisation est de plus en plus répandue car ils sont parfaitement adaptés aux exigences des réseaux tout optiques incolores, sans distorsion, sans contention et à grille flexible de nouvelle génération.