Los componentes de conmutación selectiva de longitud de onda se utilizan en redes de comunicaciones ópticas WDM para enrutar (conmutar) señales entre fibras ópticas por longitud de onda.
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 de "dispersión y conmutación". Por ejemplo, un sistema WDM de 88 canales se puede enrutar desde una fibra "común" a cualquiera de las N fibras empleando 88 conmutadores 1 x N. Esto representa una simplificación significativa de una arquitectura demux y switch y multiplex que requeriría (además de N +1 elementos mux/demux) un switch sin bloqueo para 88 N x N canales [1] lo que pondría a prueba severamente los límites de capacidad de fabricación de Conexiones cruzadas ópticas a gran escala para recuentos de fibra incluso moderados.
En la Figura 1 (que se cargará) se muestra esquemáticamente un enfoque más práctico, adoptado por la mayoría de los fabricantes de WSS . 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 hacia los N puertos del conmutador. El mecanismo dispersivo se basa generalmente en rejillas de difracción holográficas o regladas similares a las que se utilizan habitualmente en los espectrómetros. Puede resultar ventajoso, para lograr resolución y eficiencia de acoplamiento, emplear una combinación de una rejilla reflectante o transmisiva y un prisma, conocido como GRISM . El funcionamiento del WSS puede ser bidireccional, de modo que las longitudes de onda se pueden multiplexar desde diferentes puertos en un único 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.
Los primeros y más simples WSS comerciales se basaban en espejos móviles que utilizaban sistemas microelectromecánicos (MEMS). [2] La luz entrante se divide en un espectro mediante una rejilla de difracción (que se muestra en el lado derecho de la figura) y cada canal de longitud de onda luego se enfoca en un espejo MEMS separado. Al inclinar el espejo en una dimensión, el canal se puede dirigir 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 con las fibras vecinas. Esta tecnología tiene la ventaja de una única superficie de dirección, por lo 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 vibren el espejo y maximicen el acoplamiento.
Los WSS basados en MEMS suelen producir buenos índices de extinción, pero un rendimiento deficiente en bucle abierto para establecer un nivel de atenuación determinado. Las principales limitaciones de la tecnología surgen de la canalización que los espejos imponen naturalmente. 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.
La conmutación de cristal líquido evita tanto el alto costo de la fabricación de MEMS de pequeño volumen como potencialmente algunas de las limitaciones de su 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 lo 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 estables del haz sin retroalimentación activa. Es capaz de configurarse en un espectro de cuadrícula flexible mediante el uso de una cuadrícula de píxeles fina. 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 quedan anuladas 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 haz óptico estrechamente enfocado a esta profundidad es difícil y, hasta ahora, ha limitado la capacidad del WSS con un alto número de puertos para lograr una granularidad muy fina (12,5 GHz o menos).
Liquid Crystal on Silicon LCoS es particularmente atractivo como mecanismo de conmutación en un WSS debido a su 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, sino que pueden programarse en el conmutador a través del control del 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 redes de longitud de onda más flexibles que ayudan a desbloquear toda la capacidad espectral de las fibras ópticas. Características aún más sorprendentes dependen de la naturaleza de matriz de fase del elemento de conmutación LCoS. Las funciones de uso común incluyen cosas como dar forma a los niveles de potencia dentro de un canal o transmitir la señal óptica a más de un puerto.
WSS basado en LCoS también permite el control dinámico de la frecuencia central del canal y el ancho de banda mediante 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 fino, siendo posible un control independiente de la frecuencia central y del borde de banda superior o inferior de un canal con una resolución mejor que 1 GHz. Esto es ventajoso desde una perspectiva de 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 "aciertos" 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, conmutadores selectivos de longitud de onda, consulte el capítulo 16 en Telecomunicaciones de fibra óptica VIA, editado por Kaminov, Li y Wilner, Academic Press ISBN 978-0-12-396958-3 .
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 suelen ser un derivado de la gama DLP de moduladores de luz espacial de Texas Instruments. En este caso, el ángulo de los espejos MEM 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.
Es probable que en el futuro dos WSS puedan utilizar el mismo módulo óptico utilizando diferentes regiones de procesamiento de longitud de onda de un único conmutador de matriz como LCoS, [6] [7] siempre que los problemas asociados con el aislamiento del dispositivo puedan abordarse adecuadamente. La selectividad del canal garantiza que solo las longitudes de onda que se deben eliminar 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.
Esto proporciona beneficios de costo y rendimiento para redes de multiplexor óptico de adición y caída (ROADM) reconfigurables, incoloras, sin dirección y sin contención (CDC), como resultado de la escalabilidad mejorada de los puertos de adición/caída y la eliminación de conjuntos de amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) ( que se requieren para superar las pérdidas por división en conmutadores multicast). [8]
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 ámbito de las telecomunicaciones. Hay avances en los conjuntos en fase de MEM [9] 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 longitud de onda, tal vez aportando una conmutación más rápida o teniendo 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 controlables por fase 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. [10]