การประยุกต์ใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ในสาขาการสื่อสารด้วยแสง
ในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงที่มีสัญญาณทางกายภาพเพื่อควบคุมหรือเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูด ความถี่ เฟส โพลาไรเซชัน และคุณสมบัติอื่นๆ ของพารามิเตอร์พาหะแสงของกระบวนการนี้ เรียกว่า การมอดูเลตแสง บทบาทของการมอดูเลตแสงคือการอนุญาตให้ข้อมูลใช้คุณสมบัติของคลื่นแสงเองเพื่อประมวลผลและส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูง และสามารถยับยั้งการรบกวนจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้การแพร่กระจายข้อมูลมีเสถียรภาพมากขึ้น ด้วยการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นหนาแน่น (DWDM) อย่างกว้างขวางและการเติบโตอย่างมหาศาลของความสามารถในการส่งสัญญาณใยแก้วนำแสง เทคโนโลยี SDH จึงถูกใช้งานอย่างล้นหลามมาเป็นเวลานาน โดยอาศัยสวิตช์เลือกความยาวคลื่น (WSS) ซึ่งเป็นอุปกรณ์แทรกและมัลติเพล็กซ์แบบออปติคัลที่ปรับเปลี่ยนได้หลายฟังก์ชัน (ROADM) รุ่นที่สาม ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำคัญในการสร้างเครือข่ายออปติคัลแบบไดนามิกรุ่นใหม่ ซึ่งในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา สถาบันวิจัยภาคสนามด้านการสื่อสารด้วยแสงให้ความสำคัญอย่างมากและมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว
ข้อดีของระบบ WSS ที่ใช้ LCOS
ระบบ WSS ที่ใช้ LCoS มีอิทธิพลอย่างมากต่อการออกแบบระบบ ROADM ในอดีต ระบบ WSS ที่ใช้ MEMS จำเป็นต้องกำหนดระยะห่างของแต่ละช่องสัญญาณไว้ล่วงหน้า (เช่น 100 GHz หรือ 50 GHz) และไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในภายหลัง อย่างไรก็ตาม จำนวนพิกเซลนับล้านพิกเซลบน LCoS สามารถเปลี่ยนแปลงระยะห่างของแต่ละช่องสัญญาณได้ตามต้องการ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ทรัพยากรความถี่ในยุค Ultra 100 Gbit/s และเปิดศักราชใหม่ของโครงข่ายไฟฟ้าแบบยืดหยุ่น
โครงสร้างเซลล์ LCOS
แผ่นพิกเซลที่กำหนดค่าแรงดันไฟฟ้าอยู่บนชั้นบนสุดของซิลิคอนควบคุม แผ่นเหล่านี้ให้แรงดันไฟฟ้าที่สามารถตั้งโปรแกรมได้กับพิกเซลแต่ละล้านพิกเซล ซึ่งใช้ในการสร้างการหน่วงเวลาเฟสที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ในทิศทางของโพลาไรเซชันหลัก ในทางกายภาพ การหน่วงเวลาเฟสนี้เกิดจากโมเลกุลผลึกเหลวที่มีโพลาไรซ์สูง ในเชิงแสง โมเลกุลผลึกเหลวแต่ละโมเลกุลอาจมองได้ว่าเป็นเส้นลวดขนาดเล็กที่มีอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ไปตามความยาวของเส้นลวด เมื่อแผ่นพิกเซลไม่มีประจุ โมเลกุลผลึกเหลวเหล่านี้จะวางราบและยึดติดด้วยชั้นปรับเทียบ และตั้งฉากกับคลื่นแสงและขนานกับสนามไฟฟ้าที่สั่นของคลื่นแสง ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างอิเล็กตรอนในสถานะกึ่งอิสระในโมเลกุลผลึกเหลวและสนามไฟฟ้าของคลื่นแสงจะกักเก็บพลังงานไว้ชั่วคราว จึงทำให้การส่งผ่านคลื่นช้าลง เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายระหว่างชิป CMoS ที่ฝังอยู่ในแผ่นพิกเซลที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้าและชั้นอินเดียมทินออกไซด์บนกระจกด้านบน ปลายของโมเลกุลผลึกเหลวแต่ละโมเลกุลจะถูกดึงไปในทิศทางตรงกันข้าม เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น โมเลกุลของคริสตัลเหลวจะเรียงตัวสอดคล้องกับทิศทางของคลื่นแสงมากขึ้นเรื่อยๆ และตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าของคลื่นมากขึ้นเรื่อยๆ ส่งผลให้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลของคริสตัลเหลวและคลื่นแสงอ่อนลงเรื่อยๆ ทำให้ส่งคลื่นได้เร็วขึ้น
หลักการทำงานของ WSS ที่ใช้ LCOS
การใช้พิกเซลนับล้านพิกเซลหรือมากกว่าบนตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ LCoS ทำให้สามารถควบคุมเฟสสัมพัทธ์ของคลื่นแสงตกกระทบบนระนาบ และสามารถสร้างกระจกเสมือนทำมุมสำหรับการเขียนโปรแกรมเฟสที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นได้ สัญญาณแสงที่มีช่องสัญญาณความยาวคลื่นต่างกันและระยะห่างของช่องสัญญาณต่างกันจะถูกป้อนจากด้านบนของอาร์เรย์ไฟเบอร์ เกรตติงการเลี้ยวเบนจะแบ่งสัญญาณแสงออกเป็น "รุ้ง" ที่มีความถี่ต่างกันเหนือ LCoS กระจกเสมือนทำมุมต่างๆ จะถูกตั้งโปรแกรมให้กำหนดให้กับพื้นที่ต่างๆ ของ LCoS เพื่อให้สามารถเปลี่ยนมุมสะท้อนได้เล็กน้อยสำหรับความถี่ที่ต่างกัน จากนั้นเกรตติงการเลี้ยวเบนจะรวมแสงที่สะท้อนกลับมาจากกระจกเสมือนเหล่านี้ที่ความถี่ต่างกัน ซึ่งจะถูกโฟกัสโดยอาร์เรย์เลนส์และส่งกลับไปยังอาร์เรย์ไฟเบอร์ออปติก
โครงสร้างพื้นฐานของ WSS ที่ใช้ LCOS
ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ของผลึกเหลวสามารถเปลี่ยนเฟสของความยาวคลื่นที่กำหนดได้ตามต้องการ และเส้นทางลำแสงทั้งหมดสามารถย้อนกลับได้ ตัวอย่างเช่น ความยาวคลื่นแสงทั้งหมดตั้งแต่อินพุตของเส้นใยแก้วเส้นแรก ผ่านการปรับเฟสของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ ความยาวคลื่น N-1 อื่นๆ จะเปลี่ยนเฟสของความยาวคลื่นเดียวกัน สะท้อนกลับมาที่เอาต์พุตของเส้นใยแก้วเส้นที่สองเพื่อมัลติเพล็กซ์ใหม่ นอกจากนี้ ความต้องการเฟสปลายทางยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้ โดยสามารถส่งออกจากเส้นใยแก้วเส้นที่สาม และส่งสัญญาณที่สอดคล้องกันไปยังสาขาปลายทางได้
แผนผังเส้นทางการเปลี่ยนเฟส WSS ที่ใช้ LCOS
ข้อดีของระบบ WSS ที่ใช้ LCOS
(1) ไม่ขึ้นกับความยาวคลื่น: พอร์ตต้นทางและปลายทางแต่ละพอร์ตสามารถกำหนดค่าใหม่ให้มีความยาวคลื่นใดก็ได้
(2) ทิศทางอิสระ: พอร์ตต้นน้ำและปลายทางแต่ละพอร์ตสามารถกำหนดค่าใหม่เป็นทิศทางใดก็ได้
(3) ไม่มีการแข่งขัน: ความยาวคลื่นเดียวกันในทิศทางต่างๆ สามารถขึ้นและลงได้อย่างยืดหยุ่น
(4) กริดแบบยืดหยุ่น: สามารถตระหนักถึงประสิทธิภาพสเปกตรัมที่ดีขึ้นได้
(5) แบนด์วิดท์ที่ยืดหยุ่นและการใช้พลังงานต่ำ
แน่นอนว่าอุปกรณ์ WSS ที่ใช้ LCOS ก็มีปัญหาทางเทคนิคเช่นกัน เช่น ประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนที่ต่ำลงอันเนื่องมาจากผลกระทบของสนามแสงขอบ สัญญาณรบกวน และสัญญาณรบกวนข้าม เป็นต้น แต่อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ เพราะเหมาะอย่างยิ่งสำหรับความต้องการเครือข่ายออปติคัลออปติกแบบไร้สี ไร้การเบี่ยงเบน ไร้การบิดเบือน และกริดแบบยืดหยุ่น (FlexibleGrid) ของเครือข่ายออปติคัลออปติกยุคใหม่ อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์นี้ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ เพราะเหมาะอย่างยิ่งสำหรับความต้องการเครือข่ายออปติคัลออปติกแบบไร้สี ไร้การเบี่ยงเบน ไร้การเบี่ยงเบน และกริดแบบยืดหยุ่น (FlexibleGrid) ของเครือข่ายยุคใหม่