Применение пространственных модуляторов света в области оптической связи
В системе оптоволоконной связи с физическими сигналами для управления или изменения амплитуды, частоты, фазы, поляризации и других характеристик оптической несущей параметры процесса называются оптической модуляцией. Роль оптической модуляции заключается в том, чтобы позволить информации использовать характеристики самой световой волны для достижения высокоскоростной обработки и передачи, а также может эффективно подавлять помехи внешних электромагнитных полей, так что распространение информации является более стабильным. С широким применением технологии плотного мультиплексирования по длине волны (DWDM) и огромным ростом пропускной способности оптоволоконной передачи, технология SDH уже давно перегружена, основанная на волновом селективном переключателе (WSS) как третьем поколении многофункциональной реконфигурируемой оптической вставки и мультиплексирования (ROADM) в качестве ключевого устройства для реализации следующего поколения динамической полностью оптической сети, в последние годы научно-исследовательские институты в области оптической связи придают большое значение и получили быстрое развитие.
Преимущества WSS на базе LCOS
Системы беспроводной связи (WSS) на основе LCoS существенно повлияли на конструкцию систем ROADM. Ранее системы WSS на основе MEMS требовали предварительного определения разноса каналов (например, 100 ГГц или 50 ГГц) и не могли быть изменены впоследствии. Однако миллионы пикселей в LCoS позволяют произвольно изменять разнос каналов, что позволяет полностью использовать частотные ресурсы для повышения спектральной эффективности в эпоху сверхвысоких скоростей передачи данных (100 Гбит/с) и открывает эпоху гибких сетей.
Структура клеток LCOS
Пиксельные пластины, определяющие напряжение, расположены на верхнем слое управляющего кремния. Эти пластины подают на каждый из миллионов пикселей программируемое управляемое напряжение, используемое для создания программируемой управляемой фазовой задержки в направлении первичной поляризации. Физически фазовая задержка создается сильно поляризованными молекулами жидкого кристалла. Оптически каждую молекулу жидкого кристалла можно представить как миниатюрный провод с электроном, свободно перемещающимся по всей длине провода. Когда пиксельная пластина не заряжена, все эти молекулы жидкого кристалла лежат горизонтально и удерживаются на месте калибровочным слоем, перпендикулярно световой волне и параллельно её осциллирующему электрическому полю. Сильное взаимодействие между квазисвободными электронами в молекулах жидкого кристалла и электрическим полем световой волны временно накапливает энергию, тем самым замедляя распространение волны. При подаче напряжения между КМОП-кристаллом, встроенным в пиксельную пластину с регулируемым напряжением, и слоем оксида индия-олова на верхнем стекле, концы каждой молекулы жидкого кристалла притягиваются в противоположных направлениях. По мере увеличения напряжения молекулы жидкого кристалла все больше выстраиваются в соответствии с направлением световой волны и все больше перпендикулярны электрическому полю волны, что приводит к все более слабому взаимодействию между молекулами жидкого кристалла и световой волной, поэтому волна передается быстрее.
Принцип работы WSS на базе LCOS
Используя миллионы или более пикселей на пространственном модуляторе света (LCoS), можно управлять относительной фазой падающей световой волны по отношению к плоскости, а также создавать наклонные виртуальные зеркала для более сложного программирования фазы. Оптические сигналы с каналами разной длины волны и изменяющимся интервалом между каналами подаются с верхней части оптоволоконной матрицы. Дифракционная решетка разделяет оптический сигнал на «радугу» различных частот, проходящую через LCoS. Различные наклонные виртуальные зеркала программируются для назначения различным областям LCoS, чтобы они могли немного изменять угол отражения для разных частот. Затем дифракционная решетка рекомбинирует свет, отраженный от этих виртуальных зеркал на разных частотах, который затем фокусируется линзовой решеткой и передается обратно в оптоволоконную матрицу.
Базовая структура WSS на базе LCOS
Пространственный модулятор света на основе жидкого кристалла может изменять фазу определенной длины волны по мере необходимости, и все пути распространения лучей обратимы. Например, все длины волн света, поступающие на вход первого оптического волокна, проходят фазовую модуляцию пространственного модулятора света, а остальные N-1 длины волн, изменяя фазу, отражаются обратно и повторно мультиплексируются со второго оптического выхода. При необходимости фаза в нисходящем направлении может быть изменена по-разному, сигнал может быть выведен из третьего оптического волокна, и соответствующий сигнал может быть передан в нисходящее ответвление.
Схема маршрутизации изменения фазы WSS на основе LCOS
Преимущества WSS на базе LCOS
(1) Независимость от длины волны: каждый восходящий и нисходящий порт может быть перенастроен на любую длину волны;
(2) Независимость от направления: каждый восходящий и нисходящий порт может быть перенастроен на любое направление;
(3) Неконкурентность: одна и та же длина волны в разных направлениях может быть гибко направлена вверх и вниз;
(4) Гибкая сетка: можно достичь лучшей спектральной эффективности;
(5) Гибкая пропускная способность и низкое энергопотребление;
Конечно, устройства WSS на основе LCOS также имеют свои технические недостатки, такие как более низкая дифракционная эффективность, вызванная эффектами краевого поля, шумом и перекрёстными помехами и т. д., но они получают всё более широкое применение, поскольку прекрасно подходят для требований бесцветных, направленных, бесконфликтных и гибких сетей нового поколения полностью оптических сетей. Однако они получают всё более широкое применение, поскольку прекрасно подходят для требований бесцветных, направленных, бесконфликтных и гибких сетей нового поколения.