Dalga boyu seçici anahtarlama - Wavelength selective switching
Dalga boyu seçici anahtarlama bileşenleri, dalga boyu bazında optik fiberler arasında sinyalleri yönlendirmek (anahtarlamak) için WDM optik iletişim ağlarında kullanılır .
WSS nedir
Bir WSS, dağılan ışığın fiziksel olarak ayrı portlara ayrıştırılması gerekliliği olmaksızın dalga boyunda dağılmış ışık üzerinde çalışan bir anahtarlama dizisini içerir. Buna 'dağıt ve değiştir' konfigürasyonu denir. Örneğin 88 kanallı bir WDM sistemi, 88 adet 1 x N anahtar kullanılarak "ortak" bir fiberden N fiberden herhangi birine yönlendirilebilir. Bu, (N +1 mux/demux elemanlarına ek olarak) 88 N x N kanalları için büyük ölçekli üretilebilirlik sınırlarını ciddi şekilde test edecek blokajsız bir anahtar gerektiren bir demux ve anahtar ve multipleks mimarisinin önemli bir basitleştirilmesini temsil eder. orta düzeyde fiber sayıları için bile optik çapraz bağlantılar.
Daha pratik bir yaklaşım ve WSS üreticilerinin çoğunluğu tarafından benimsenen bir yaklaşım Şekil 1'de şematik olarak gösterilmektedir (yüklenecek) . Ortak bir bağlantı noktasının çeşitli gelen kanalları, daha sonra bu kanalların her birini bağımsız olarak N anahtar bağlantı noktalarına yönlendiren ve zayıflatan bir anahtarlama elemanı üzerine sürekli olarak dağıtılır. Dağıtıcı mekanizma genellikle spektrometrelerde yaygın olarak kullanılanlara benzer holografik veya çizgili kırınım ızgaralarına dayanır. Çözünürlük ve birleştirme verimliliği elde etmek için, GRISM olarak bilinen bir yansıtıcı veya geçirgen ızgara ve bir prizmanın bir kombinasyonunu kullanmak avantajlı olabilir. WSS'nin çalışması çift yönlü olabilir, böylece dalga boyları farklı bağlantı noktalarından tek bir ortak bağlantı noktasına çoğullanabilir. Bugüne kadar, dağıtımların çoğu 50 veya 100 GHz'lik sabit bir kanal bant genişliği kullandı ve tipik olarak 9 çıkış bağlantı noktası kullanıldı.
Mikroelektromekanik Aynalar (MEMS)
En basit ve en eski ticari WSS, Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS) kullanan hareketli aynalara dayanıyordu. Gelen ışık bir kırınım ızgarası ile bir spektruma bölünür (Şekildeki RHS'de gösterilmiştir) ve her dalga boyu kanalı daha sonra ayrı bir MEMS aynasına odaklanır. Aynayı bir boyutta eğerek kanal, dizideki fiberlerden herhangi birine geri yönlendirilebilir. İkinci bir eğim ekseni, geçici karışmanın en aza indirilmesine izin verir, aksi takdirde (örn.) port 1'den port 3'e geçiş, ışının her zaman port 2'den geçirilmesini içerecektir. İkinci eksen, komşu fiberlere bağlanmayı arttırmadan sinyali zayıflatmak için bir araç sağlar. Bu teknoloji, tek bir yönlendirme yüzeyi avantajına sahiptir ve mutlaka polarizasyon çeşitliliği optiği gerektirmemektedir. Sürekli bir sinyalin varlığında iyi çalışır, ayna izleme devrelerinin aynayı karartmasına ve eşleşmeyi en üst düzeye çıkarmasına izin verir.
MEMS tabanlı WSS tipik olarak iyi sönme oranları üretir, ancak belirli bir zayıflama seviyesini ayarlamak için zayıf açık döngü performansı . Teknolojinin ana sınırlamaları, aynaların doğal olarak uyguladığı kanallaştırmadan kaynaklanmaktadır. İmalat sırasında kanalların aynalarla dikkatli bir şekilde hizalanması, imalat sürecini zorlaştırmaktadır. Üretim sonrası hizalama ayarlamaları, esas olarak hermetik muhafaza içindeki gaz basıncını ayarlamakla sınırlandırılmıştır. Bu zorunlu kanallaştırma, şimdiye kadar, bir ağ içinde farklı kanal boyutlarının gerekli olduğu esnek kanal planlarının uygulanmasında aşılmaz bir engel olduğunu kanıtladı. Ek olarak, ayna kenarındaki ışığın fazı, fiziksel bir aynada iyi kontrol edilmez, bu nedenle, her bir kanaldan gelen ışığın girişiminden dolayı kanal kenarına yakın ışığın anahtarlanmasında artefaktlar ortaya çıkabilir.
İkili Sıvı Kristal (LC)
Sıvı kristal anahtarlama, hem küçük hacimli MEMS üretiminin yüksek maliyetini hem de potansiyel olarak bazı sabit kanal sınırlamalarını önler. Konsept Şekil 3'te gösterilmektedir (yüklenecek) . Bir kırınım ızgarası, gelen ışığı bir spektruma böler. Yazılım kontrollü bir ikili sıvı kristal yığını, her bir optik kanalı ayrı ayrı yatırır ve kirişleri spektral olarak yeniden birleştirmek için ikinci bir ızgara (veya birinci ızgaranın ikinci geçişi) kullanılır. Sıvı kristal yığını tarafından oluşturulan ofsetler, ortaya çıkan spektral olarak yeniden birleştirilen ışınların uzamsal olarak kaymasına ve dolayısıyla bir lens dizisi aracılığıyla ayrı fiberlere odaklanmasına neden olur. Polarizasyon çeşitliliği optiği, düşük Polarizasyona Bağlı Kayıplar (PDL) sağlar.
Bu teknoloji, nispeten düşük maliyetli parçalar, basit elektronik kontrol ve aktif geri besleme olmaksızın kararlı ışın konumları gibi avantajlara sahiptir. İnce bir piksel ızgarası kullanarak esnek bir ızgara spektrumunu yapılandırma yeteneğine sahiptir. İletilen ışığı önemli ölçüde bozmamak için pikseller arası boşluklar ışın boyutuna kıyasla küçük olmalıdır. Ayrıca, her bir ızgara, farklı alt tabakalar üzerinde binlerce pikselin ayrı ayrı kontrol edilmesi gerekliliğini yaratan anahtarlama aşamalarının her biri için çoğaltılmalıdır, bu nedenle, dalga boyu çözünürlüğü daha iyi hale geldikçe, bu teknolojinin basitlik açısından avantajları ortadan kalkar.
Bu teknolojinin ana dezavantajı, yığılmış anahtarlama elemanlarının kalınlığından kaynaklanmaktadır. Optik ışını bu derinliğe sıkıca odaklanmış halde tutmak zordur ve şimdiye kadar yüksek port sayısı WSS'nin çok ince (12,5 GHz veya daha az) taneciklik elde etme yeteneğini sınırlamıştır.
Silikon Üzerine Sıvı Kristal (LCoS)
Silikon LCoS üzerindeki Sıvı Kristal, çok sayıda yeni işlevsellik sağlayan neredeyse sürekli adresleme yeteneği nedeniyle bir WSS'de bir anahtarlama mekanizması olarak özellikle çekicidir. Özellikle birlikte anahtarlanan (kanallar) dalga boyu bantlarının optik donanımda önceden yapılandırılmasına gerek yoktur, ancak yazılım kontrolü aracılığıyla anahtara programlanabilir. Ek olarak, cihaz çalışırken kanalları yeniden yapılandırmak için bu yetenekten yararlanmak mümkündür. Bir LCoS WSS'nin şeması Şekil 4'te gösterilmektedir (yüklenecek) .
LCoS teknolojisi, optik fiberlerin tam spektral kapasitesinin kilidini açmaya yardımcı olan daha esnek dalga boyu ızgaralarının tanıtılmasını sağlamıştır. Daha da şaşırtıcı özellikler, LCoS anahtarlama elemanının faz matrisi yapısına dayanır. Ortak kullanımdaki özellikler, bir kanal içindeki güç seviyelerini şekillendirme veya optik sinyali birden fazla bağlantı noktasına yayınlama gibi şeyleri içerir.
LCoS tabanlı WSS, gömülü yazılım aracılığıyla piksel dizilerinin anında değiştirilmesi yoluyla kanal merkez frekansının ve bant genişliğinin dinamik kontrolüne de izin verir. Kanal parametrelerinin kontrol derecesi, merkez frekansın bağımsız kontrolü ve 1 GHz'den daha iyi çözünürlüğe sahip bir kanalın üst veya alt bant kenarının bağımsız kontrolü ile çok ince taneli olabilir. Bu, üretilebilirlik açısından avantajlıdır, tek bir platformdan farklı kanal planları oluşturulabilir ve hatta farklı çalışma bantları (C ve L gibi) aynı anahtar matrisini kullanabilir. Mevcut trafiğe herhangi bir hata veya “vuruş” getirmeden 50 GHz kanalları ile 100 GHz kanalları veya bir kanal karışımı arasında geçişe izin veren ürünler tanıtıldı. Daha yakın zamanlarda, bu, Finisar'ın Flexgrid™ WSS'si gibi ürünler aracılığıyla ITU G.654.2 kapsamındaki tüm Esnek veya Elastik ağlar konseptini desteklemek için genişletildi.
Telekomünikasyonda ve özellikle Dalga Boyu Seçici Anahtarlarda LCoS uygulamaları hakkında daha ayrıntılı bilgi için, Kaminov, Li ve Wilner tarafından düzenlenen, Academic Press ISBN 978-0-12-396958-3 , Optical Fiber Telecommunications VIA'da bölüm 16'ya bakın .
MEMS Dizileri
Diğer bir dizi tabanlı anahtar motoru, gerekli ışın yönlendirmesini gerçekleştirmek için bir dizi bireysel yansıtıcı MEMS aynası kullanır (Şekil 5 (yüklenecek) Bu diziler tipik olarak Texas Instruments DLP uzamsal ışık modülatörleri serisinin bir türevidir . , MEM aynalarının açısı ışını saptırmak için değiştirilir.Ancak, mevcut uygulamalar aynaların sadece iki olası duruma sahip olmasına izin verir ve iki potansiyel ışın açısı verir.Bu, çok portlu WSS'nin tasarımını karmaşıklaştırır ve uygulamalarını göreceli olarak sınırlandırmıştır. düşük bağlantı noktası sayısı cihazlar.
Gelecekteki Gelişmeler
Çift WSS
Cihaz izolasyonu ile ilgili sorunların uygun şekilde ele alınabilmesi koşuluyla, gelecekte iki WSS'nin LCoS gibi tek bir matris anahtarının farklı dalga boyu işleme bölgelerini kullanan aynı optik modülü kullanması muhtemeldir. Kanal seçiciliği, yalnızca yerel olarak düşürülmesi gereken dalga boylarının (bankadaki maksimum alıcı-verici sayısına kadar) her bir fiber üzerinden herhangi bir mux/demux modülüne sunulmasını sağlar, bu da mux/demux modülündeki filtreleme ve yok olma gereksinimlerini azaltır.
çekişmeli WSS
Bu, yeni nesil renksiz, yönsüz, çekişmesiz (CDC) yeniden yapılandırılabilir optik ekleme-bırakma çoklayıcı (ROADM) ağları için, ekleme/bırakma bağlantı noktalarının gelişmiş ölçeklenebilirliğinden ve erbiyum katkılı fiber amplifikatör (EDFA) dizilerinin kaldırılmasından kaynaklanan maliyet ve performans avantajları sağlar ( çok noktaya yayın anahtarlarında bölme kayıplarının üstesinden gelmek için gereklidir).
Gelişmiş Mekansal Işık Modülatörleri
Tüketici odaklı uygulamalara dayalı uzamsal ışık modülatörlerinin teknik olgunluğu, telekomünikasyon arenasında benimsenmeleri açısından oldukça avantajlı olmuştur. Gelecekte telekom anahtarlama ve dalga boyu işlemeye uygulanabilmesi, belki de daha hızlı anahtarlama getirmesi veya polarizasyondan bağımsız çalışma yoluyla optik tasarımın basitliğinde bir avantaja sahip olması düşünülebilecek MEM faz dizileri ve diğer elektro-optik uzaysal ışık modülatörlerinde gelişmeler vardır. . Örneğin, uygun bir faz vuruşu (1550 nm'de 2π'den büyük) elde edilebilirse, LCoS için geliştirilen tasarım ilkeleri, diğer faz kontrollü dizilere basit bir şekilde uygulanabilir. Bununla birlikte, kompakt bir form faktöründe geçişe izin vermek için gereken çok küçük pikseller üzerinde düşük elektrik karışması ve yüksek doldurma faktörü gereksinimleri, bu hedeflere ulaşmak için ciddi pratik engeller olmaya devam etmektedir.