波長選択スイッチング
光ファイバー間の信号を波長ごとにルーティングするために使用されるコンポーネント

波長選択スイッチングコンポーネントは、 WDM光通信ネットワークで、波長ごとに光ファイバー間で信号をルーティング (スイッチング) するために使用されます。

WSSとは

WSSは、波長分散された光を処理するスイッチングアレイで構成され、分散された光を物理的に別々のポートに分離する必要はありません。これは「分散スイッチ」構成と呼ばれます。例えば、88チャネルのWDMシステムは、88個の1 x Nスイッチを使用することで、「共通」ファイバからN本のファイバのいずれか1本にルーティングできます。これは、（N +1個の多重化/分離要素に加えて）88個のN x Nチャネル用の非ブロッキングスイッチを必要とするデマルチプレクサ、スイッチ、および多重化アーキテクチャを大幅に簡素化するものです[1]。これは、中程度のファイバ数であっても、大規模光クロスコネクトの製造限界を厳しく試すことになります。

より実用的なアプローチであり、大多数の WSS メーカーが採用しているアプローチが、図 1 (アップロード予定)に概略的に示されています。共通ポートのさまざまな入力チャネルは、スイッチング要素に連続的に分散され、スイッチング要素はこれらの各チャネルを個別に N 個のスイッチ ポートに誘導して減衰させます。分散メカニズムは一般に、分光計でよく使用されるものと同様のホログラフィックまたは刻線回折格子に基づいています。解像度と結合効率を達成するには、反射型または透過型回折格子とプリズム ( GRISMと呼ばれる) の組み合わせを使用すると有利です。WSS の動作は双方向にできるため、異なるポートからの波長を単一の共通ポートに多重化できます。現在までに、ほとんどの展開では 50 GHz または 100 GHz の固定チャネル帯域幅が使用され、通常は 9 つの出力ポートが使用されています。

微小電気機械ミラー（MEMS）

最も単純で最も初期の商用 WSS は、微小電気機械システム(MEMS) を使用した可動ミラーをベースとしていました。[2]入射光は回折格子(図の右側に示す) によってスペクトルに分割され、各波長チャネルは個別の MEMS ミラーに焦点を合わせます。ミラーを 1 次元に傾けることで、チャネルをアレイ内の任意のファイバーに戻すことができます。2 つ目の傾斜軸により、過渡的なクロストークを最小限に抑えることができます。そうしないと、(たとえば) ポート 1 からポート 3 に切り替えるときに、常にビームがポート 2 を通過することになります。2 つ目の軸は、隣接するファイバーへの結合を増やすことなく信号を減衰させる手段を提供します。この技術には、単一のステアリング面を使用するという利点があり、必ずしも偏波ダイバーシティ光学系を必要としません。連続信号がある場合にうまく機能し、ミラー追跡回路でミラーをディザリングして結合を最大化できます。

MEMS ベースの WSS は通常、良好な消光比を生成しますが、所定の減衰レベルを設定するためのオープンループ性能は劣っています。この技術の主な制限は、ミラーが自然に強制するチャネル化に起因します。製造時には、チャネルをミラーに対して慎重に位置合わせする必要があり、製造工程が複雑になります。製造後の位置合わせ調整は、主に密閉容器内のガス圧の調整に限定されています。この強制的なチャネル化は、これまでのところ、ネットワーク内で異なるチャネル サイズが必要な柔軟なチャネル プランを実装する上で克服できない障害であることが証明されています。さらに、ミラー エッジでの光位相は物理的なミラー内で十分に制御されないため、各チャネルからの光の干渉により、チャネル エッジ付近の光の切り替え時にアーティファクトが発生する可能性があります。

二成分液晶（LC）

液晶スイッチングは、少量生産のMEMS製造にかかる高コストと、固定チャネルの制限の可能性の両方を回避します。その概念を図3に示します（アップロード予定）。[3] 回折格子は、入射光をスペクトルに分解します。ソフトウェア制御のバイナリ液晶スタックが各光チャネルを個別に傾斜させ、2番目の格子（または最初の格子の2回目のパス）を使用してビームをスペクトル的に再結合します。液晶スタックによって作成されたオフセットにより、結果として得られるスペクトル的に再結合されたビームは空間的にオフセットされ、レンズアレイを介して別々のファイバーに焦点を合わせます。偏波ダイバーシティ光学系により、偏波依存損失（PDL）が低く抑えられます。

この技術は、部品コストが比較的低く、電子制御がシンプルで、アクティブフィードバックなしでビーム位置が安定しているという利点があります。微細なピクセルグリッドを用いることで、柔軟なグリッドスペクトルを設定できます。透過光に大きな乱れが生じないようにするため、ピクセル間の隙間はビームサイズに比べて小さくなければなりません。さらに、各グリッドはスイッチングステージごとに複製する必要があり、異なる基板上の数千個のピクセルを個別に制御する必要があるため、波長分解能が細かくなるにつれて、この技術のシンプルさという利点は打ち消されてしまいます。

この技術の主な欠点は、積層されたスイッチング素子の厚さに起因します。この深さにわたって光ビームを厳密に集束させることは困難であり、これまで、高ポート数WSSで非常に細かい（12.5GHz以下）粒度を実現する能力が制限されていました。

シリコン上の液晶（LCoS）

液晶オンシリコン（ LCoS）は、ほぼ連続的なアドレス指定が可能であり、多くの新しい機能を可能にするため、WSSにおけるスイッチング機構として特に魅力的です。特に、同時スイッチングされる波長帯域（チャネル）は、光ハードウェアに事前に設定する必要はなく、ソフトウェア制御によってスイッチにプログラムできます。さらに、この機能を利用することで、デバイスの動作中にチャネルを再構成することも可能です。LCoS WSSの回路図を図4に示します（後日アップロード予定）。[4]

LCoS技術は、より柔軟な波長グリッドの導入を可能にし、光ファイバーのスペクトル容量を最大限に活用することに貢献しています。さらに驚くべき機能は、LCoSスイッチング素子の位相マトリックス特性を活用しています。一般的に使用されている機能としては、チャネル内の電力レベルの調整や、光信号の複数ポートへのブロードキャストなどが挙げられます。

LCoSベースのWSSでは、組み込みソフトウェアによるピクセルアレイのオンザフライ修正を通じて、チャネルの中心周波数と帯域幅の動的制御も可能です。チャネルパラメータの制御レベルは非常にきめ細かく、中心周波数とチャネルの上限または下限帯域エッジを1GHz以上の分解能で独立して制御できます。これは製造性の観点から有利で、単一のプラットフォームから異なるチャネルプランを作成でき、異なる動作バンド（CとLなど）でも同一のスイッチマトリックスを使用できます。既存のトラフィックにエラーや「ヒット」を発生させることなく、50GHzチャネルと100GHzチャネル、またはチャネルの混合を切り替えることができる製品が導入されています。最近では、FinisarのFlexgrid™ WSSなどの製品を通じて、ITU G.654.​​2に基づくフレキシブルまたはエラスティックネットワークの概念全体をサポートするように拡張されています。

LCoSの通信分野、特に波長選択スイッチの応用に関する詳細については、Kaminov、Li、Wilner編著「Optical Fiber Telecommunications VIA」（Academic Press ISBN 978-4-8533333-1）の第16章を参照してください。 978-0-12-396958-3。

MEMSアレイ

さらに別のアレイベースのスイッチ エンジンでは、個別の反射 MEMS ミラーのアレイを使用して、必要なビーム ステアリングを実行します(図 5 [5] (アップロード予定)。これらのアレイは通常、Texas Instruments DLPシリーズの空間光変調器の派生製品です。この場合、MEMS ミラーの角度を変更してビームを偏向させます。ただし、現在の実装では、ミラーは 2 つの状態しか持てないため、2 つの潜在的なビーム角度が得られます。これにより、マルチポート WSS の設計が複雑になり、比較的ポート数の少ないデバイスへの適用が制限されています。

今後の展開

デュアルWSS

将来的には、LCoSのような単一のマトリックススイッチの異なる波長処理領域を利用することで、2つのWSSが同じ光モジュールを使用できるようになる可能性が高い[6] [7]。ただし、デバイス分離に関連する問題が適切に解決される必要がある。チャネル選択性により、ローカルにドロップする必要がある波長（バンク内のトランシーバーの最大数まで）のみが各ファイバーを介して任意のMUX/DEMUXモジュールに提供されるため、MUX/DEMUXモジュールのフィルタリングおよび消光要件が軽減される。

競合のないWSS

これにより、アド/ドロップポートの拡張性が向上し、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（EDFA）アレイ（マルチキャストスイッチの分割損失を克服するために必要）が不要になるため、次世代のカラーレス、方向性のない、競合のない（CDC）再構成可能な光アドドロップマルチプレクサ（ROADM）ネットワークにコストとパフォーマンスのメリットがもたらされます。[8]

高度な空間光変調器

消費者主導のアプリケーションに基づく空間光変調器の技術的成熟は、通信分野への導入において非常に有利な状況となっている。MEMフェーズドアレイ[9]やその他の電気光学空間光変調器の開発は、将来的には通信スイッチングや波長処理への応用が想定されており、スイッチング速度の向上や、偏光非依存動作による光学設計の簡素化といった利点が期待される。例えば、LCoS向けに開発された設計原理は、適切な位相ストローク（1550 nmで2π以上）を実現できれば、他の位相制御アレイにも容易に適用できる。しかしながら、コンパクトなフォームファクタでのスイッチングを実現するためには、極めて小さなピクセルにおける低電気クロストークと高フィルファクタが求められるが、これらの目標達成には依然として大きな実用上の障害となっている。[10]

参考文献

  1. ^ DJ Bishop、CR Giles、GP Austin、「Lucent LambdaRouter：未来のMEMSテクノロジーが今ここに」、IEEE Communications Magazine 40、第3号（2002年3月）：75-79ページ
  2. ^ Robert Weverka、「米国特許6,501,877:波長ルーター」、1999年11月16日。
  3. ^ 「自由空間光学と液晶技術に基づくWSS」。2009年5月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年11月7日閲覧。
  4. ^ 図はフィニサー・コーポレーション提供
  5. ^ 画像提供：Nistica Corporation
  6. ^ スティーブン・ジェームズ・フリスケン、「米国特許：7397980 - デュアルソース光波長プロセッサ」、2008年7月8日
  7. ^ P. Evans他「ROADMにおける信号品質監視アプリケーションのための真の統合チャネルモニタを備えたLCOSベースのWSS」光ファイバ通信会議/全米光ファイバ技術者会議、2008年。OFC/NFOEC 2008
  8. ^ 「TrueFlex Contentionless Twin 8x24 Wavelength Selective Switch (WSS) | Lumentum Operations LLC」www.lumentum.com . 2021年10月2日閲覧。
  9. ^ A. Gehner他「CMOS統合型MEMS AOミラー開発の最近の進歩」『産業と医療のための適応光学：第6回国際ワークショップ議事録』アイルランド国立大学、アイルランド、2007年6月12～15日（インペリアル・カレッジ・プレス、2008年）、53～58ページ。
  10. ^ Jonathan Dunayevsky、David Sinefeld、Dan Marom、「最適化された MEMS 空間光変調器を使用した適応型スペクトル位相および振幅変調」、光ファイバー通信カンファレンス、OSA テクニカル ダイジェスト (光ファイバー通信カンファレンス、米国光学会、2012 年発表)、OM2J.5。
  • ルメンタムWSS製品
  • Finisar WSS製品 2019年3月26日アーカイブ - Wayback Machine
  • II-VI WSS製品
  • カリエントWSS製品
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