Telpisko gaismas modulatoru pielietojums optiskās komunikācijas jomā
Optisko šķiedru sakaru sistēmā ar fiziskiem signāliem optiskā nesēja parametru amplitūdas, frekvences, fāzes, polarizācijas un citu raksturlielumu kontrolēšanu vai mainīšanu sauc par optisko modulāciju. Optiskās modulācijas uzdevums ir ļaut informācijai izmantot paša gaismas viļņa raksturlielumus, lai panāktu ātrdarbīgu apstrādi un pārraidi, un tā var efektīvi kavēt ārējo elektromagnētisko lauku traucējumus, lai informācijas izplatīšanās būtu stabilāka. Pateicoties blīvās viļņu garuma dalīšanas multipleksēšanas (DWDM) tehnoloģijas plašajam pielietojumam un milzīgajai optiskās šķiedras pārraides jaudas pieaugumam, SDH tehnoloģija jau sen ir pārslogota, balstoties uz viļņu garuma selektīvo slēdzi (WSS) kā trešās paaudzes daudzfunkcionālu rekonfigurējamu optisko ievietošanas un multipleksēšanas (ROADM) tehnoloģiju kā galveno ierīci nākamās paaudzes dinamisko pilnībā optisko tīklu realizēšanai, kam pēdējos gados optisko sakaru jomas pētniecības iestādes piešķir lielu nozīmi, un tā ir strauji attīstījusies.
LCOS balstītas WSS priekšrocības
Uz LCoS balstīta WSS ir būtiski ietekmējusi ROADM sistēmu dizainu. Agrāk uz MEMS balstītajai WSS bija nepieciešams iepriekš definēt katra kanāla atstarpi (piemēram, 100 GHz vai 50 GHz), un to vēlāk nevarēja mainīt. Tomēr miljoniem pikseļu uz LCoS var patvaļīgi mainīt katra kanāla atstarpi, kas pilnībā izmanto frekvenču resursus, lai uzlabotu spektrālo efektivitāti īpaši 100 Gbit/s laikmetā un paver ceļu elastīgu režģu laikmetam.
LCOS šūnu struktūra
Pikseļu plāksnes, kas konfigurē spriegumu, atrodas vadības silīcija augšējā slānī. Šīs plāksnes katram no miljoniem pikseļu piešķir programmējamu kontrolētu spriegumu, kas tiek izmantots, lai radītu programmējamu kontrolētu fāzes aizturi primārās polarizācijas virzienā. Fiziski fāzes aizturi ģenerē ļoti polarizētas šķidro kristālu molekulas. Optiski katru šķidro kristālu molekulu var uzskatīt par miniatūru vadu ar elektronu, kas var brīvi pārvietoties pa vadu. Kad pikseļu plāksne nav uzlādēta, šīs šķidro kristālu molekulas visas atrodas plakaniski un ir noturētas vietā ar kalibrēšanas slāni, un tās ir perpendikulāras gaismas vilnim un paralēlas gaismas viļņa svārstīgajam elektriskajam laukam. Spēcīgā mijiedarbība starp kvazibrīvā stāvokļa elektroniem šķidro kristālu molekulās un gaismas viļņa elektrisko lauku īslaicīgi uzkrāj enerģiju, tādējādi palēninot viļņa pārraidi. Kad starp sprieguma regulētajā pikseļu plāksnē iestrādāto CMoS mikroshēmu un indija alvas oksīda slāni uz augšējā stikla tiek pielikts spriegums, katras šķidro kristālu molekulas gali tiek vilkti pretējos virzienos. Palielinot spriegumu, šķidro kristālu molekulas arvien vairāk nostājas gaismas viļņa virzienā un arvien perpendikulārāk viļņa elektriskajam laukam, kā rezultātā mijiedarbība starp šķidro kristālu molekulām un gaismas vilni kļūst arvien vājāka, tāpēc vilnis tiek pārraidīts ātrāk.
LCOS balstītas WSS darbības princips
Izmantojot miljoniem vai vairāk pikseļu telpiskajā gaismas modulatorā LCoS, var kontrolēt krītošās gaismas viļņa relatīvo fāzi visā plaknē un izgatavot leņķiskus virtuālus spoguļus sarežģītākai fāžu programmēšanai. Optiskie signāli ar dažādiem viļņu garuma kanāliem un mainīgu kanālu atstatumu tiek padoti no šķiedru masīva augšdaļas. Difrakcijas režģis sadala optisko signālu dažādu frekvenču "varavīksnē" pa LCoS. Dažādi leņķiski virtuālie spoguļi ir ieprogrammēti tā, lai tie tiktu piešķirti dažādām LCoS zonām, lai tie varētu nedaudz mainīt atstarošanas leņķi dažādām frekvencēm. Pēc tam difrakcijas režģis rekombinē no šiem virtuālajiem spoguļiem dažādās frekvencēs atstaroto gaismu, ko pēc tam fokusē lēcu masīvs un pārraida atpakaļ uz optisko šķiedru masīvu.
LCOS balstītas WSS pamatstruktūra
Šķidro kristālu telpiskais gaismas modulators var mainīt noteikta viļņa garuma fāzi pēc nepieciešamības, un visi staru kūļa maršruti ir atgriezeniski. Piemēram, visi gaismas viļņu garumi no pirmās šķiedras ieejas, izmantojot telpisko gaismas modulatoru fāzes modulācijai, maina pārējo N-1 viļņu garumu fāzi, atstarojas atpakaļ un tiek atkārtoti multipleksēti no otrās šķiedras izejas. Un, ja nepieciešams, lejupējās fāzes signālu var mainīt atšķirīgi, to var izvadīt no trešās šķiedras, un atbilstošo signālu var pārraidīt uz lejupējās šķiedras atzaru.
LCOS balstītas WSS fāzes maiņas maršrutēšanas shēma
LCOS balstītas WSS priekšrocības
(1) Neatkarīgs no viļņa garuma: katru augšupējo un lejupējo portu var pārkonfigurēt uz jebkuru viļņa garumu;
(2) Neatkarīgs no virziena: Katru augšupējo un lejupējo portu var pārkonfigurēt jebkurā virzienā;
(3) Nekonkurētspējīgs: Viens un tas pats viļņa garums dažādos virzienos var būt elastīgi augšup un lejup;
(4) Elastīgs režģis: var panākt labāku spektrālo efektivitāti;
(5) Elastīgs joslas platums un zems enerģijas patēriņš;
Protams, arī LCOS balstītām WSS ierīcēm ir savas tehniskas grūtības, piemēram, zemāka difrakcijas efektivitāte, ko izraisa bārkstiņu lauka efekti, troksnis un šķērsruna utt., taču tās tiek arvien plašāk izmantotas, jo tās ir ļoti piemērotas jaunās paaudzes pilnībā optisko tīklu bezkrāsas, bezvirziena, bezkonkurences un elastīga režģa prasībām. Tomēr tās tiek arvien plašāk izmantotas, jo tās ir ļoti piemērotas jaunās paaudzes bezkrāsas, bezvirziena, bezkonkurences un elastīga režģa prasībām.