Ứng dụng của bộ điều biến ánh sáng không gian trong lĩnh vực truyền thông quang học

Trong hệ thống thông tin sợi quang, việc điều khiển hoặc thay đổi các thông số biên độ, tần số, pha, phân cực và các đặc tính khác của sóng mang quang được gọi là điều chế quang. Vai trò của điều chế quang là cho phép thông tin sử dụng các đặc tính của chính sóng ánh sáng để đạt được tốc độ xử lý và truyền dẫn cao, đồng thời có thể ức chế hiệu quả nhiễu của trường điện từ bên ngoài, giúp việc truyền thông tin ổn định hơn. Với việc ứng dụng rộng rãi công nghệ ghép kênh phân chia bước sóng dày đặc (DWDM) và sự phát triển vượt bậc của dung lượng truyền dẫn cáp quang, công nghệ SDH từ lâu đã trở nên quá tải, dựa trên công nghệ chuyển mạch chọn lọc bước sóng (WSS) là thế hệ thứ ba của công nghệ chèn và ghép kênh quang đa chức năng có thể cấu hình lại (ROADM) là thiết bị chủ chốt để hiện thực hóa thế hệ mạng toàn quang động tiếp theo, trong những năm gần đây, các viện nghiên cứu trong lĩnh vực thông tin quang đã rất coi trọng và phát triển nhanh chóng.

Ưu điểm của WSS dựa trên LCOS

WSS dựa trên LCoS đã ảnh hưởng sâu sắc đến thiết kế của các hệ thống ROADM. Trước đây, WSS dựa trên MEMS yêu cầu khoảng cách giữa mỗi kênh phải được xác định trước (ví dụ: 100 GHz hoặc 50 GHz) và không thể thay đổi sau đó. Tuy nhiên, hàng triệu điểm ảnh trên LCoS có thể thay đổi khoảng cách giữa mỗi kênh một cách tùy ý, tận dụng tối đa tài nguyên tần số để cải thiện hiệu suất phổ trong kỷ nguyên siêu 100 Gbit/giây và mở ra kỷ nguyên của lưới điện linh hoạt.

Cấu trúc tế bào LCOS

Các tấm điểm ảnh cấu hình điện áp nằm trên lớp trên cùng của silicon điều khiển. Các tấm này cung cấp cho mỗi điểm ảnh trong số hàng triệu điểm ảnh một điện áp được điều khiển có thể lập trình, được sử dụng để tạo ra độ trễ pha được điều khiển có thể lập trình theo hướng phân cực chính. Về mặt vật lý, độ trễ pha được tạo ra bởi các phân tử tinh thể lỏng có độ phân cực cao. Về mặt quang học, mỗi phân tử tinh thể lỏng có thể được coi như một sợi dây thu nhỏ với một electron tự do di chuyển dọc theo chiều dài của sợi dây. Khi tấm điểm ảnh không được tích điện, tất cả các phân tử tinh thể lỏng này đều nằm phẳng và được giữ cố định bởi một lớp hiệu chuẩn, vuông góc với sóng ánh sáng và song song với trường điện dao động của sóng ánh sáng. Tương tác mạnh giữa các electron ở trạng thái gần tự do trong các phân tử tinh thể lỏng và trường điện của sóng ánh sáng tạm thời lưu trữ năng lượng, do đó làm chậm quá trình truyền sóng. Khi một điện áp được đặt giữa chip CMoS được nhúng trong tấm điểm ảnh được điều chỉnh điện áp và lớp oxit thiếc indi trên kính trên cùng, các đầu của mỗi phân tử tinh thể lỏng bị kéo theo các hướng ngược nhau. Khi điện áp tăng lên, các phân tử tinh thể lỏng sẽ ngày càng thẳng hàng với hướng của sóng ánh sáng và ngày càng vuông góc với trường điện của sóng, dẫn đến sự tương tác ngày càng yếu giữa các phân tử tinh thể lỏng và sóng ánh sáng, do đó sóng được truyền đi nhanh hơn.

Nguyên lý hoạt động của WSS dựa trên LCOS

Sử dụng hàng triệu điểm ảnh trở lên trên bộ điều biến ánh sáng không gian LCoS, pha tương đối của sóng ánh sáng tới trên mặt phẳng có thể được kiểm soát và các gương ảo góc có thể được chế tạo để lập trình pha phức tạp hơn. Các tín hiệu quang với các kênh bước sóng khác nhau và khoảng cách kênh khác nhau được đưa vào từ phía trên của mảng sợi quang. Một mạng nhiễu xạ chia tín hiệu quang thành một "cầu vồng" có tần số khác nhau trên LCoS. Các gương ảo góc khác nhau được lập trình để được gán cho các vùng khác nhau của LCoS để chúng có thể thay đổi nhẹ góc phản xạ cho các tần số khác nhau. Sau đó, mạng nhiễu xạ tái kết hợp ánh sáng phản xạ trở lại từ các gương ảo này ở các tần số khác nhau, sau đó được mảng thấu kính hội tụ và truyền trở lại mảng sợi quang.

Cấu trúc cơ bản của WSS dựa trên LCOS

Bộ điều biến ánh sáng không gian tinh thể lỏng có thể thay đổi pha của một bước sóng nhất định khi cần thiết, và tất cả các tuyến chùm tia đều có thể đảo ngược. Ví dụ, tất cả các bước sóng ánh sáng từ đầu vào sợi quang thứ nhất, thông qua bộ điều biến pha, các bước sóng N-1 khác cũng thay đổi pha tương tự, phản xạ trở lại để ghép lại từ đầu ra sợi quang thứ hai. Và nhu cầu pha hạ lưu có thể thay đổi theo cách khác nhau, có thể được xuất ra từ sợi quang thứ ba, tín hiệu tương ứng có thể được truyền đến nhánh hạ lưu.

Sơ đồ định tuyến thay đổi pha WSS dựa trên LCOS

Ưu điểm của WSS dựa trên LCOS

(1) Không phụ thuộc vào bước sóng: Mỗi cổng thượng nguồn và hạ nguồn có thể được cấu hình lại theo bất kỳ bước sóng nào;

(2) Không phụ thuộc vào hướng: Mỗi cổng thượng nguồn và hạ nguồn có thể được cấu hình lại theo bất kỳ hướng nào;

(3) Không cạnh tranh: Cùng một bước sóng ở các hướng khác nhau có thể linh hoạt lên xuống;

(4) Lưới linh hoạt: Có thể đạt được hiệu quả phổ tốt hơn;

(5) Băng thông linh hoạt và tiêu thụ điện năng thấp;

Tất nhiên, các thiết bị WSS dựa trên LCOS cũng có những hạn chế về mặt kỹ thuật, chẳng hạn như hiệu suất nhiễu xạ thấp hơn do hiệu ứng trường rìa, nhiễu và nhiễu xuyên âm, v.v., nhưng chúng ngày càng được sử dụng rộng rãi vì rất phù hợp với các yêu cầu về Không màu, Không định hướng, Không tranh chấp và Lưới linh hoạt của thế hệ mạng toàn quang mới.