Toepassing van ruimtelijke lichtmodulatoren op het gebied van optische communicatie
In optische glasvezelcommunicatiesystemen wordt optische modulatie gebruikt om de amplitude, frequentie, fase, polarisatie en andere kenmerken van de optische draaggolfparameters te regelen of te wijzigen. De rol van optische modulatie is om informatie te laten profiteren van de kenmerken van de lichtgolf zelf, wat resulteert in snelle verwerking en transmissie. Bovendien kan het interferentie door externe elektromagnetische velden effectief remmen, waardoor de informatieverspreiding stabieler wordt. Met de brede toepassing van DWDM-technologie (Density Wavelength Division Multiplexing) en de enorme groei van de transmissiecapaciteit van glasvezels, is SDH-technologie lange tijd overbelast geweest. De derde generatie multifunctionele herconfigureerbare optische insertie en multiplexing (ROADM) is gebaseerd op de Wavelength Selective Switch (WSS) als een belangrijk apparaat voor de realisatie van de volgende generatie dynamische, volledig optische netwerken. Onderzoeksinstellingen op het gebied van optische communicatie hechten hier de afgelopen jaren veel waarde aan en hebben zich snel ontwikkeld.
Voordelen van LCOS-gebaseerde WSS
LCoS-gebaseerde WSS heeft een grote invloed gehad op het ontwerp van ROADM-systemen. Voorheen vereiste MEMS-gebaseerde WSS dat de afstand tussen elk kanaal vooraf werd gedefinieerd (bijvoorbeeld 100 GHz of 50 GHz) en kon deze achteraf niet worden gewijzigd. De miljoenen pixels in LCoS kunnen de afstand tussen elk kanaal echter willekeurig wijzigen, waardoor de frequentiebronnen volledig worden benut om de spectrale efficiëntie in het ultra 100 Gbit/s-tijdperk te verbeteren en het tijdperk van flexibele grids te openen.
LCOS-celstructuur
De pixelplaten die de spanning bepalen, bevinden zich op de bovenste laag van het regelsilicium. Deze platen geven elk van de miljoenen pixels een programmeerbare, geregelde spanning die wordt gebruikt om een programmeerbare, geregelde fasevertraging in de richting van de primaire polarisatie te produceren. Fysiek wordt de fasevertraging gegenereerd door sterk gepolariseerde vloeibaar-kristalmoleculen. Optisch gezien kan elk vloeibaar-kristalmolecuul worden gezien als een miniatuurdraad met een elektron dat vrij over de lengte van de draad kan bewegen. Wanneer de pixelplaat niet geladen is, liggen deze vloeibaar-kristalmoleculen allemaal plat, op hun plaats gehouden door een kalibratielaag, en staan ze loodrecht op de lichtgolf en parallel aan het oscillerende elektrische veld van de lichtgolf. De sterke interactie tussen de quasi-vrije elektronen in de vloeibaar-kristalmoleculen en het elektrische veld van de lichtgolf slaat tijdelijk energie op, waardoor de golftransmissie wordt vertraagd. Wanneer een spanning wordt aangelegd tussen de CMoS-chip in de spanningsgeregelde pixelplaat en de indiumtinoxidelaag op het bovenste glas, worden de uiteinden van elk vloeibaar-kristalmolecuul in tegengestelde richtingen getrokken. Naarmate de spanning toeneemt, worden de vloeibare kristalmoleculen steeds meer uitgelijnd met de richting van de lichtgolf en steeds meer loodrecht op het elektrische veld van de golf. Hierdoor wordt de interactie tussen de vloeibare kristalmoleculen en de lichtgolf steeds zwakker, waardoor de golf sneller wordt overgedragen.
Werkingsprincipe van LCOS-gebaseerde WSS
Met behulp van miljoenen of meer pixels op een ruimtelijke lichtmodulator (LCoS) kan de relatieve fase van de invallende lichtgolf over het vlak worden geregeld en kunnen schuin geplaatste virtuele spiegels worden gefabriceerd voor complexere faseprogrammering. Optische signalen met verschillende golflengtekanalen en variërende kanaalafstand worden vanaf de bovenkant van de vezelarray aangestuurd. Een diffractierooster splitst het optische signaal in een "regenboog" van verschillende frequenties over de LCoS. Verschillende schuin geplaatste virtuele spiegels worden geprogrammeerd om aan verschillende delen van de LCoS te worden toegewezen, zodat ze de reflectiehoek voor verschillende frequenties enigszins kunnen veranderen. Het diffractierooster combineert vervolgens het door deze virtuele spiegels op verschillende frequenties gereflecteerde licht, dat vervolgens door de lensarray wordt gefocust en terug naar de vezelarray wordt gestuurd.
Basisstructuur van LCOS-gebaseerde WSS
De ruimtelijke lichtmodulator van vloeibaar kristal kan de fase van een bepaalde golflengte naar behoefte wijzigen, en alle bundelroutes zijn omkeerbaar. Bijvoorbeeld, alle lichtgolflengtes van de eerste vezelingang, via de fasemodulatie van de ruimtelijke lichtmodulator, veranderen de fase van de andere N-1 golflengtes, die worden teruggekaatst en opnieuw worden gemultiplext vanaf de tweede vezeluitgang. De behoefte aan een stroomafwaartse fase kan ook worden gewijzigd: de uitgang van de derde vezel kan het corresponderende signaal naar de stroomafwaartse tak sturen.
LCOS-gebaseerd WSS-faseveranderingsrouteringsschema
Voordelen van LCOS-gebaseerde WSS
(1) Golflengteonafhankelijk: elke upstream- en downstream-poort kan worden geconfigureerd voor elke golflengte;
(2) Richtingonafhankelijk: elke opwaartse en neerwaartse poort kan in elke richting worden geconfigureerd;
(3) Niet-competitief: dezelfde golflengte kan in verschillende richtingen flexibel omhoog en omlaag gaan;
(4) Flexibel raster: een betere spectrale efficiëntie kan worden gerealiseerd;
(5) Flexibele bandbreedte en laag stroomverbruik;
Natuurlijk hebben LCOS-gebaseerde WSS-apparaten ook hun technische problemen, zoals een lagere diffractie-efficiëntie veroorzaakt door franjeveldeffecten, ruis en overspraak, enz., maar ze worden steeds breder gebruikt omdat ze zeer geschikt zijn voor de vereisten van kleurloze, richtingloze, contentieloze en flexibele grids van de nieuwe generatie volledig optische netwerken. Ze worden echter steeds breder gebruikt omdat ze zeer geschikt zijn voor de vereisten van kleurloze, richtingloze, contentieloze en flexibele grids van de nieuwe generatie.