Conmutación selectiva de longitud de onda

Los componentes de conmutación selectiva de longitud de onda se utilizan en redes de comunicaciones ópticas WDM para enrutar (conmutar) señales entre fibras ópticas en función de la longitud de onda.

Un WSS comprende una matriz de conmutación que opera con luz dispersada en longitud de onda sin necesidad de demultiplexarla físicamente en puertos separados. Esto se denomina configuración de "dispersión y conmutación". Por ejemplo, un sistema WDM de 88 canales puede enrutarse desde una fibra "común" a cualquiera de N fibras empleando 88 conmutadores 1 x N. Esto representa una simplificación significativa de una arquitectura de multiplexación y demultiplexación que requeriría (además de N + 1 elementos de multiplexación/demultiplexación) un conmutador sin bloqueo para 88 N x N canales ^{[ 1 ],} lo que pondría a prueba severamente los límites de fabricación de las interconexiones ópticas a gran escala, incluso para un número moderado de fibras.

Un enfoque más práctico, adoptado por la mayoría de los fabricantes de WSS, se muestra esquemáticamente en la Figura 1 (que se subirá próximamente) . Los distintos canales de entrada de un puerto común se dispersan continuamente sobre un elemento de conmutación que, a su vez, dirige y atenúa cada uno de estos canales de forma independiente a los N puertos de conmutación. El mecanismo de dispersión se basa generalmente en rejillas de difracción holográficas o regladas, similares a las que se utilizan habitualmente en espectrómetros. Para lograr una mayor resolución y eficiencia de acoplamiento, puede resultar ventajoso emplear una combinación de una rejilla reflectante o transmisiva y un prisma, conocida como GRISM . El funcionamiento del WSS puede ser bidireccional, de modo que las longitudes de onda se pueden multiplexar desde diferentes puertos a 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, por lo general, se utilizan 9 puertos de salida.

Los primeros y más sencillos sistemas WSS comerciales se basaban en espejos móviles que utilizaban sistemas microelectromecánicos (MEMS). ^{[ 2 ]} La luz incidente se divide en un espectro mediante una rejilla de difracción (mostrada en el lado derecho de la figura) y cada canal de longitud de onda se enfoca en un espejo MEMS independiente. Al inclinar el espejo en una dimensión, el canal se puede dirigir hacia cualquiera de las fibras del conjunto. Un segundo eje de inclinación permite minimizar la diafonía transitoria; de lo contrario, al cambiar (por ejemplo) del puerto 1 al puerto 3, el haz siempre pasaría por el puerto 2. El segundo eje proporciona un medio para atenuar la señal sin aumentar el acoplamiento a las fibras vecinas. Esta tecnología tiene la ventaja de una única superficie de dirección, que no requiere necesariamente óptica de diversidad de polarización. Funciona bien en presencia de una señal continua, lo que permite que los circuitos de seguimiento del espejo realicen un dithering del espejo y maximicen el acoplamiento.

Los sensores de luz basados ​​en MEMS suelen producir buenas relaciones de extinción, pero un rendimiento deficiente en lazo abierto para establecer un nivel de atenuación determinado. Las principales limitaciones de la tecnología se derivan de la canalización que imponen los espejos de forma natural. Durante la fabricación, los canales deben alinearse cuidadosamente con los espejos, lo que complica el proceso. Los ajustes de alineación posteriores a la fabricación se han limitado principalmente a ajustar la presión del gas dentro del recinto hermético. Esta canalización impuesta también ha demostrado ser, hasta ahora, un obstáculo insuperable para la implementación de planes de canales flexibles donde se requieren diferentes tamaños de canal dentro de una red. Además, la fase de la luz en el borde del espejo no se controla bien en un espejo físico, por lo que pueden aparecer artefactos en la conmutación de la 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 sus limitaciones de canal fijo. El concepto se ilustra en la Figura 3 (que se subirá) . ^{[ 3 ]} Una rejilla de difracción divide la luz incidente en un espectro. Una pila binaria de cristal líquido controlada por software inclina individualmente cada canal óptico y se utiliza una segunda rejilla (o un segundo paso 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 estén desplazados 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 presenta las ventajas de componentes de coste relativamente bajo, control electrónico sencillo y posiciones de haz estables sin retroalimentación activa. Permite la configuración de un espectro de rejilla flexible mediante el uso de una rejilla 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 rejilla debe replicarse para cada una de las etapas de conmutación, lo que requiere el control individual de miles de píxeles en diferentes sustratos. Por lo tanto, las ventajas de esta tecnología en términos de simplicidad se ven anuladas a medida que aumenta la resolución de longitud de onda.

La principal desventaja de esta tecnología radica en el grosor de los elementos de conmutación apilados. Mantener el haz óptico enfocado con precisión a esta profundidad es difícil y, hasta ahora, ha limitado la capacidad de los conmutadores WSS con un elevado número de puertos para lograr una  granularidad muy fina (12,5 GHz o menos).

La tecnología de cristal líquido sobre silicio (LCoS) resulta especialmente atractiva como mecanismo de conmutación en un conmutador de longitud de onda (WSS) debido a su capacidad de direccionamiento prácticamente continuo, que permite numerosas funcionalidades nuevas. En particular, las bandas de longitudes de onda que se conmutan (canales) no necesitan estar preconfiguradas en el hardware óptico, sino que pueden programarse en el conmutador mediante el software. Además, es posible aprovechar esta capacidad para reconfigurar los canales mientras el dispositivo está en funcionamiento. En la Figura 4 (que se subirá próximamente) se muestra un esquema de un WSS LCoS . ^{[ 4 ]}

La tecnología LCoS ha permitido la introducción de rejillas de longitud de onda más flexibles, lo que ayuda a aprovechar al máximo el potencial espectral de las fibras ópticas. Otras características sorprendentes se basan en la naturaleza de matriz de fase del elemento de conmutación LCoS. Entre las funciones de uso común se incluyen la modulación de los niveles de potencia dentro de un canal o la transmisión de la señal óptica a varios puertos.

Los conmutadores WSS basados ​​en LCoS también permiten el control dinámico de la frecuencia central y el ancho de banda del canal mediante la modificación en tiempo real de las matrices de píxeles a través de software integrado. El grado de control de los parámetros del canal puede ser muy preciso, con control independiente de la frecuencia central y del borde superior o inferior de la banda de un canal con una  resolución superior a 1 GHz. Esto resulta ventajoso desde el punto de vista de la fabricación, ya que se pueden crear diferentes planes de canal a partir de una única plataforma e incluso diferentes bandas de operación (como C y L) pueden utilizar una matriz de conmutación idéntica. Se han introducido productos que permiten la conmutación entre  canales de 50 GHz y canales de 100  GHz, o una combinación de canales, sin introducir errores ni interrupciones en el tráfico existente. Más recientemente, esto se ha ampliado para dar soporte al concepto de redes flexibles o elásticas según la norma ITU G.654.2 mediante productos como el conmutador WSS Flexgrid™ de Finisar.

Para obtener información más detallada sobre las aplicaciones de LCoS en telecomunicaciones y, en particular, sobre los conmutadores selectivos de longitud de onda, consulte el capítulo 16 de Optical Fiber Telecommunications 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 ]} (se subirá) ) . Estas matrices son típicamente un derivado de la gama DLP de moduladores de luz espacial 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, lo que da dos ángulos de haz potenciales. Esto complica el diseño de WSS multipuerto y ha limitado su aplicación a dispositivos con un número relativamente bajo de puertos.

• Productos Lumentum WSS
• Productos Finisar WSS archivados el 26/03/2019 en Wayback Machine .
• Productos WSS II-VI
• Productos Calient WSS