Los componentes de conmutación selectiva de longitud de onda se utilizan en las redes de comunicaciones ópticas WDM para enrutar (conmutar) señales entre fibras ópticas por longitud de onda.
¿Qué es un WSS?
Un WSS comprende una matriz de conmutación que funciona con luz que se ha dispersado en longitud de onda sin el requisito de que la luz dispersa se demultiplexe físicamente en puertos separados. Esto se denomina configuración "dispersa y conmutada". Por ejemplo, un sistema WDM de 88 canales se puede enrutar desde una fibra "común" a cualquiera de N fibras empleando 88 conmutadores 1 x N. Esto representa una simplificación significativa de un demux y una arquitectura de conmutador y multiplex que requeriría (además de N +1 elementos mux / demux) un conmutador sin bloqueo para 88 N x N canales [1] que pondría a prueba severamente los límites de fabricación de Conexiones cruzadas ópticas a gran escala para recuentos de fibra incluso moderados.
Un enfoque más práctico, adoptado por la mayoría de los fabricantes de WSS, se muestra esquemáticamente en la Figura 1 (para cargar) . Los diversos canales entrantes de un puerto común se dispersan continuamente en un elemento de conmutación que luego dirige y atenúa cada uno de estos canales de forma independiente a los N puertos de conmutación. El mecanismo de dispersión generalmente se basa en rejillas de difracción holográficas o regladas similares a las que se usan comúnmente en los espectrómetros. Puede ser ventajoso, para lograr resolución y eficiencia de acoplamiento, emplear una combinación de rejilla reflectante o transmisiva y un prisma, conocido como GRISM. El funcionamiento del WSS puede ser bidireccional, por lo que las longitudes de onda se pueden multiplexar juntas desde diferentes puertos en un solo puerto común. Hasta la fecha, la mayoría de las implementaciones han utilizado un ancho de banda de canal fijo de 50 o 100 GHz y normalmente se utilizan 9 puertos de salida.
Espejos microelectromecánicos (MEMS)
El WSS comercial más simple y más antiguo se basó en espejos móviles que utilizan sistemas microelectromecánicos (MEMS). [2] La luz entrante se divide en un espectro mediante una rejilla de difracción (que se muestra a la derecha de la Figura) y cada canal de longitud de onda se enfoca en un espejo MEMS separado. Inclinando el espejo en una dimensión, el canal puede dirigirse de regreso a cualquiera de las fibras de la matriz. Un segundo eje de inclinación permite minimizar la diafonía transitoria; de lo contrario, cambiar (por ejemplo) del puerto 1 al puerto 3 siempre implicará pasar el haz a través del puerto 2. El segundo eje proporciona un medio para atenuar la señal sin aumentar el acoplamiento en las fibras vecinas. Esta tecnología tiene la ventaja de una sola superficie de dirección, que no requiere necesariamente ópticas de diversidad de polarización. Funciona bien en presencia de una señal continua, lo que permite que los circuitos de seguimiento del espejo difuminen el espejo y maximicen el acoplamiento.
Los WSS basados en MEMS suelen producir buenas relaciones de extinción, pero un rendimiento de bucle abierto deficiente para establecer un nivel de atenuación determinado. Las principales limitaciones de la tecnología surgen de la canalización que los espejos imponen de forma natural. Durante la fabricación, los canales deben alinearse cuidadosamente con los espejos, lo que complica el proceso de fabricación. Los ajustes de alineación posteriores a la fabricación se han limitado principalmente a ajustar la presión del gas dentro del recinto hermético. Esta canalización forzada también ha demostrado, hasta ahora, un obstáculo insuperable para implementar planes de canales flexibles donde se requieren diferentes tamaños de canales dentro de una red. Además, la fase de la luz en el borde del espejo no está bien controlada en un espejo físico, por lo que pueden surgir artefactos en el cambio de luz cerca del borde del canal debido a la interferencia de la luz de cada canal.
Cristal líquido binario (LC)
La conmutación de cristal líquido evita tanto el alto costo de fabricación de MEMS de pequeño volumen como potencialmente algunas de sus limitaciones de canal fijo. El concepto se ilustra en la Figura 3 (para cargar) . [3] Una rejilla de difracción divide la luz entrante en un espectro. Una pila de cristal líquido binario controlada por software inclina individualmente cada canal óptico y se utiliza una segunda rejilla (o una segunda pasada de la primera rejilla) para recombinar espectralmente los haces. Los desplazamientos creados por la pila de cristal líquido hacen que los haces recombinados espectralmente resultantes se desplacen espacialmente y, por tanto, se enfoquen, a través de una matriz de lentes, en fibras separadas. La óptica de diversidad de polarización garantiza bajas pérdidas dependientes de la polarización (PDL).
Esta tecnología tiene las ventajas de piezas de costo relativamente bajo, control electrónico simple y posiciones de haz estables sin retroalimentación activa. Es capaz de configurar un espectro de cuadrícula flexible mediante el uso de una cuadrícula de píxeles finos. Los espacios entre píxeles deben ser pequeños en comparación con el tamaño del haz, para evitar perturbar significativamente la luz transmitida. Además, cada cuadrícula debe replicarse para cada una de las etapas de conmutación, lo que crea el requisito de controlar individualmente miles de píxeles en diferentes sustratos, por lo que las ventajas de esta tecnología en términos de simplicidad se anulan a medida que la resolución de la longitud de onda se vuelve más fina.
La principal desventaja de esta tecnología surge del grosor de los elementos de conmutación apilados. Mantener el rayo óptico bien enfocado sobre esta profundidad es difícil y, hasta ahora, ha limitado la capacidad de WSS de alto número de puertos para lograr una granularidad muy fina (12,5 GHz o menos).
Cristal líquido sobre silicio (LCoS)
Liquid Crystal on Silicon LCoS es particularmente atractivo como mecanismo de conmutación en un WSS debido a la capacidad de direccionamiento casi continuo, lo que permite muchas funciones nuevas. En particular, las bandas de longitudes de onda que se conmutan juntas (canales) no necesitan estar preconfiguradas en el hardware óptico, pero pueden programarse en el conmutador a través del control de software. Además, es posible aprovechar esta capacidad para reconfigurar canales mientras el dispositivo está en funcionamiento. En la Figura 4 se muestra un esquema de un LCoS WSS (para cargar) . [4]
La tecnología LCoS ha permitido la introducción de rejillas de longitud de onda más flexibles que ayudan a desbloquear la capacidad espectral completa de las fibras ópticas. Las características aún más sorprendentes se basan en la naturaleza de matriz de fase del elemento de conmutación LCoS. Las características de uso común incluyen cosas como configurar los niveles de potencia dentro de un canal o transmitir la señal óptica a más de un puerto.
El WSS basado en LCoS también permite el control dinámico de la frecuencia central del canal y el ancho de banda a través de la modificación sobre la marcha de las matrices de píxeles mediante software integrado. El grado de control de los parámetros del canal puede ser muy detallado, con control independiente de la frecuencia central y del borde de banda superior o inferior de un canal con una resolución mejor que 1 GHz posible. Esto es ventajoso desde la perspectiva de la capacidad de fabricación, ya que se pueden crear diferentes planes de canales desde una única plataforma e incluso diferentes bandas operativas (como C y L) pueden utilizar una matriz de conmutación idéntica. Se han introducido productos que permiten cambiar entre canales de 50 GHz y canales de 100 GHz, o una combinación de canales, sin introducir errores o "hits" en el tráfico existente. Más recientemente, esto se ha ampliado para admitir todo el concepto de redes flexibles o elásticas según ITU G.654.2 a través de productos como Flexgrid ™ WSS de Finisar.
Para obtener información más detallada sobre las aplicaciones de LCoS en telecomunicaciones y, en particular, interruptores selectivos de longitud de onda, consulte el capítulo 16 en Optical Fiber Telecommunications VIA, editado por Kaminov, Li y Wilner, Academic Press ISBN 978-0-12-396958-3 .
Matrices MEMS
Otro motor de conmutación basado en matrices utiliza una matriz de espejos MEMS reflectantes individuales para realizar la dirección del haz necesaria (Figura 5 [5] (para cargar) . Estas matrices son típicamente un derivado de la gama de moduladores de luz espacial DLP de Texas Instruments . En este caso, el ángulo de los espejos MEMs se cambia para desviar el haz. Sin embargo, las implementaciones actuales solo permiten que los espejos tengan dos estados posibles, dando dos ángulos de haz potenciales. Esto complica el diseño de WSS multipuerto y ha limitado su aplicación a dispositivos con un número de puertos relativamente bajo.
Futuros desarrollos
WSS doble
Es probable que en el futuro dos WSS puedan usar el mismo módulo óptico utilizando diferentes regiones de procesamiento de longitud de onda de un solo conmutador de matriz como LCoS, [6] [7] siempre que los problemas asociados con el aislamiento del dispositivo puedan abordarse adecuadamente. La selectividad de canal asegura que solo las longitudes de onda necesarias para ser descartadas localmente (hasta el número máximo de transceptores en el banco) se presenten a cualquier módulo mux / demux a través de cada fibra, lo que a su vez reduce los requisitos de filtrado y extinción en el módulo mux / demux.
Moduladores de luz espacial avanzados
La madurez técnica de los moduladores de luz espacial basados en aplicaciones impulsadas por el consumidor ha sido muy ventajosa para su adopción en el campo de las telecomunicaciones. Se están produciendo avances en las matrices en fase de MEM [8] y otros moduladores de luz espacial electroópticos que podrían preverse en el futuro para ser aplicables a la conmutación de telecomunicaciones y al procesamiento de longitudes de onda, lo que tal vez traiga una conmutación más rápida o tenga una ventaja en la simplicidad del diseño óptico a través de la polarización. -operación independiente. Por ejemplo, los principios de diseño desarrollados para LCoS podrían aplicarse a otras matrices de fase controlable de manera sencilla si se puede lograr una carrera de fase adecuada (mayor que 2π a 1550 nm). Sin embargo, los requisitos de baja diafonía eléctrica y alto factor de relleno en píxeles muy pequeños necesarios para permitir la conmutación en un factor de forma compacto siguen siendo serios impedimentos prácticos para lograr estos objetivos. [9]
Referencias
- ^ DJ Bishop, CR Giles y GP Austin, "The Lucent LambdaRouter: Tecnología MEMS del futuro aquí hoy", IEEE Communications Magazine 40, no. 3 (marzo de 2002): 75 a 79
- ^ Robert Anderson, "Patente de Estados Unidos 6.542.657: interruptor binario para un enrutador de longitud de onda óptica", 1 de abril de 2003.
- ^ http://www.avanex.com/WSS_liquid_crystal.php
- ^ Figura cortesía de Finisar Corporation
- ^ Imagen cortesía de Nistica Corporation
- ^ Steven James Frisken, "Patente de Estados Unidos: 7397980 - Procesador de longitud de onda óptica de doble fuente", 8 de julio de 2008
- ^ P. Evans et al., "WSS basado en LCOS con True Integrated Channel Monitor para aplicaciones de monitoreo de calidad de señal en ROADM", en Conferencia sobre comunicación por fibra óptica / Conferencia nacional de ingenieros de fibra óptica, 2008. OFC / NFOEC 2008
- ^ A. Gehner et al., "Recent Progress in CMOS Integrated MEMS AO Mirror Developments", en Adaptive Optics for Industry and Medicine: Proceedings of the Sixth International Workshop, National University of Ireland, Irlanda, 12-15 de junio de 2007 (Imperial College Press, 2008), 53–58.
- ^ Jonathan Dunayevsky, David Sinefeld y Dan Marom, "Modulación de amplitud y fase espectral adaptativa empleando un modulador de luz espacial MEMS optimizado", en la Conferencia de comunicación de fibra óptica, OSA Technical Digest (presentado en la Conferencia de comunicación de fibra óptica, Optical Society of America, 2012), OM2J.5.