С ростом пропускной способности магистральных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) возникла потребность в гибкой маршрутизации оптических каналов без преобразования сигнала в электрическую форму. Оптические кросс-коммутаторы (OXC — Optical Cross-Connect) решают эту задачу: они перенаправляют сигнал с любого входного порта на любой выходной непосредственно в оптическом домене. Это позволяет снизить задержки, уменьшить энергопотребление и упростить архитектуру сетевого узла.

Одним из ключевых элементов любого OXC является массив коллиматоров — упорядоченная структура из волоконных коллиматоров, которая формирует параллельные пучки для свободно-пространственного переключения. Качество коллимации напрямую определяет вносимые потери, перекрёстные помехи и максимальное число портов коммутатора.

В этом решении мы рассмотрим, как развивались технологии оптической коммутации — от OADM до современных OXC, — разберём три основные архитектуры оптических коммутационных матриц и покажем, какую роль в каждой из них играют массивы волоконных коллиматоров. Отдельно обсудим технологии WSS (Wavelength Selective Switch — селективный переключатель длин волн), которые составляют основу современных реконфигурируемых узлов.

Эволюция технологий оптической коммутации

Технологии оптической коммутации прошли несколько поколений, и каждое из них снимало ограничения предыдущего.

Первое поколение: OADM

Мультиплексоры ввода-вывода оптических каналов (OADM — Optical Add/Drop Multiplexer) стали первыми устройствами, позволяющими извлекать и добавлять отдельные длины волн в транспортном потоке WDM. Однако OADM были жёстко сконфигурированы: каждый порт ввода/вывода работал с фиксированной длиной волны, а направление было односторонним.

Второе поколение: D-ROADM

Реконфигурируемые OADM (ROADM — Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) с поддержкой произвольных направлений (Directionless) ввели технологию WSS (1×N селективных переключателей длин волн) на линейной стороне узла. Это обеспечило динамическую маршрутизацию каналов между направлениями. Однако на клиентской стороне сохранялась структура фиксированных мультиплексоров/демультиплексоров (Mux/Demux), и ввод-вывод оставался однонаправленным.

Третье поколение: CD-ROADM

Бесцветные и ненаправленные ROADM (Colorless Directionless) заменили Mux/Demux на клиентской стороне парой WSS-устройств типа 1×N. Это сняло привязку клиентского порта к конкретной длине волны и направлению. Ограничение этого поколения — при попытке одновременного ввода/вывода нескольких каналов на одной длине волны возникает коллизия — конфликт, когда два или более транспондера пытаются использовать одну и ту же длину волны через один и тот же порт ввода/вывода.

Четвёртое поколение: CDC-ROADM

Бесцветные, ненаправленные, бесконтенционные ROADM (CDC — Colorless, Directionless, Contentionless) решили проблему коллизий за счёт добавления технологии MCS (Multicast Switch). Все порты и ответвления оказались полностью взаимозаменяемыми, что обеспечило полноценную гибкость коммутации по длине волны.

Рисунок 1. Эволюция технологий полностью оптической коммутации: OADM → D-ROADM → CD-ROADM → CDC-ROADM.

Переход к OXC

Несмотря на гибкость, все перечисленные поколения ROADM имеют общие недостатки:

• ограниченная размерность коммутации;
• сложная кабельная инфраструктура (множество волоконных соединений);
• трудоёмкость эксплуатации и обслуживания;
• высокое энергопотребление.

Следующий шаг — полноценный оптический кросс-коммутатор (OXC), который обеспечивает N×N матричную коммутацию в оптическом домене с большим числом портов, более высокой степенью интеграции и упрощённым управлением.

Архитектуры OXC

Каскадирование переключателей 1×N

Простейший способ построить N×N OXC — использовать 2N штук переключателей 1×N (N демультиплексоров и N мультиплексоров на базе WSS). Каждый входной WSS (Demux 1×N) разделяет сигнал по направлениям, а каждый выходной WSS (Mux N×1) собирает каналы с разных направлений.

Рисунок 2. Модуль OXC 4×4, построенный на 8 переключателях 1×4.

Проблема этого подхода — при увеличении числа портов N количество переключателей растёт как 2N, число волоконных соединений — как N², а суммарные габариты и стоимость — ещё быстрее. На практике такая архитектура ограничена размерностью примерно 32×32.

2D MEMS-коммутаторы

Другой подход — использование матрицы микрозеркал MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems — микроэлектромеханические системы) в плоскости. Идея была впервые реализована L.Y. Lin и коллегами в AT&T Labs в 1998 году.

Принцип работы: для коммутатора N×N необходим массив N×N микрозеркал, расположенных на пересечениях оптических путей. Каждое зеркало имеет два положения — «поднято» (отражает пучок под углом 90°) или «опущено» (пучок проходит без отклонения). Все оптические пути лежат в одной плоскости, поэтому архитектуру называют двумерной (2D MEMS).

Рисунок 3. Первый матричный 2D MEMS-коммутатор.

В 2002 году Li Fan из компании OMM продемонстрировал усовершенствованный MEMS-массив для матричных коммутаторов.

Рисунок 4. 2D MEMS-массив микрозеркал (2002 г.)

Достоинства 2D MEMS:

• простая конструкция;
• удобство корпусирования;
• быстрое переключение.

Ограничения:

• масштабируемость: количество зеркал растёт как N², и при N > 32 потери и перекрёстные помехи становятся неприемлемыми;
• в 2D-конфигурации используется одномерный (1D) коллиматорный массив (коллиматорная линейка) — линейный ряд волоконных коллиматоров на входе и выходе.

3D MEMS-коммутаторы

Для преодоления ограничения по числу портов были разработаны 3D MEMS-коммутаторы. В отличие от 2D-конфигурации, здесь число зеркал равно 2N (а не N²), поскольку каждому порту соответствует своё индивидуальное зеркало с двухосевым управлением.

Структура 3D MEMS OXC:

• Входной массив коллиматоров — 2D-матрица волоконных коллиматоров, формирующая параллельные пучки от каждого входного волокна.
• Первый массив MEMS-зеркал — каждое зеркало отклоняет пучок от «своего» входного волокна в направлении нужного выходного зеркала.
• Второй массив MEMS-зеркал — принимает пучок от первого зеркала и направляет его в соответствующий выходной коллиматор.
• Выходной массив коллиматоров — фокусирует принятый пучок обратно в одномодовое волокно.

Рисунок 5. Базовая структура 3D MEMS OXC.

Каждое зеркало имеет возможность отклонения по двум осям (X и Y), что и обеспечивает адресацию произвольного выходного порта из 2D-массива.

Одним из знаковых примеров стала разработка Bell Labs (Lucent Technologies), построенная именно по 3D MEMS-схеме.

Рисунок 7. 3D MEMS OXC компании Bell Labs.                                      Рисунок 8. 3D MEMS OXC (вид сборки).

Роль массивов коллиматоров

Массив волоконных коллиматоров — один из тех компонентов, от качества которого зависит работоспособность всего OXC. Разберём, почему он так важен.

Физика коллимации

Одномодовое оптическое волокно имеет диаметр поля моды (MFD — Mode Field Diameter) порядка 10 мкм. Излучение, выходящее из торца такого волокна, расходится с числовой апертурой (NA — Numerical Aperture) ≈ 0,12–0,14. Если направить такой расходящийся пучок через свободное пространство на входной торец другого волокна, потери на связь будут велики — уже на расстоянии 1 мм они составят порядка 20 дБ и более.

Задача коллиматора — преобразовать расходящийся гауссов пучок из волокна в квазипараллельный пучок большего диаметра, который может распространяться на значительное расстояние без существенного расхождения.

Радиус перетяжки гауссова пучка после коллиматора:

w₀ = (f · λ) / (π · w_f)

При стандартных значениях (f = 1,8 мм, λ = 1550 нм, w_f = 5,2 мкм) радиус коллимированного пучка составляет около 170 мкм.

Рэлеевская длина (расстояние, на котором пучок расширяется в √2 раз)

Потери на связь между коллиматорами

1D и 2D массивы: конструкция и применение

В зависимости от архитектуры OXC используются массивы двух типов:

1D (линейные) массивы коллиматоров (коллиматорные линейки) — ряд коллиматоров, расположенных вдоль одной линии. Применяются в 2D MEMS-коммутаторах (входной и выходной ряды) и WSS-модулях (линейка портов).

2D (матричные) массивы коллиматоров (матрицы коллиматоров) — коллиматоры расположены в виде двумерной сетки. Применяются в: 3D MEMS-коммутаторах (входная и выходная матрицы) и OXC с большим числом портов.

Рисунок 9. 2D волоконный массив и 2D массив коллиматоров производства MEISU.

Основные требования к массивам коллиматоров для ОХС

Селективные переключатели длин волн (WSS)

WSS — это устройство, которое может независимо направить каждую длину волны из входного порта в один из N выходных портов (или наоборот). WSS является строительным блоком как для ROADM, так и для OXC. Коллиматорные массивы играют роль интерфейса между волоконными портами и оптической системой WSS.

WSS на основе MEMS

В MEMS-реализации WSS входное излучение из массива коллиматоров направляется на объёмную дифракционную решётку, которая пространственно разделяет длины волн. Сферическое зеркало фокусирует каждый спектральный компонент на соответствующий элемент линейного массива MEMS-зеркал.

Каждое MEMS-зеркало отражает излучение обратно через оптическую систему, но под другим углом — так, чтобы пучок попал в нужный выходной коллиматор массива. Возвратный ход через решётку и зеркало обеспечивает повторную мультиплексацию.

Рисунок 10. WSS на основе MEMS-технологии.

Дифракционная решётка задаёт угловое разделение каналов по длине волны:

Δθ = (m · Δλ) / (d · cos θ_m)

где m — порядок дифракции, Δλ — шаг по длине волны, d — период решётки, θ_m — угол дифракции. Для сетки DWDM 100 ГГц (Δλ ≈ 0,8 нм при 1550 нм) и решётки с периодом, например, 1 мкм (1000 штрихов/мм) в первом порядке угловое разделение составляет доли градуса, что предъявляет высокие требования к точности MEMS-зеркал.

WSS на основе LCoS

Развитие WSS на основе жидких кристаллов на кремнии (LCoS — Liquid Crystal on Silicon) позволило перейти от CDC-ROADM к полноценным OXC, наращивая размерность коммутации и число портов ввода/вывода.

Принцип работы LCoS-переключателя: пиксельная матрица жидкого кристалла, нанесённая на кремниевую подложку, управляет фазой отражённого излучения попиксельно. Прикладывая к пикселям различные напряжения, можно сформировать произвольную фазовую дифракционную решётку, которая отклоняет падающий пучок под нужным углом. Таким образом, LCoS-чип действует как полностью программируемый дефлектор.

Рисунок 11. WSS на основе LCoS-технологии.

Рисунок 12. Технология LCoS.

LCoS-подход имеет ряд преимуществ перед MEMS в контексте WSS:

• нет механически подвижных элементов — выше надёжность;
• большое число пикселей позволяет гибко формировать спектральные каналы произвольной ширины (flex-grid — адаптивная частотная сетка с шагом 6,25 ГГц вместо фиксированного 50 или 100 ГГц);
• быстрая перестройка (миллисекунды).

Массивы коллиматоров в LCoS-WSS, как правило, представляют собой 1D-линейки на основе GRIN-линз (Gradient-Index — с градиентным показателем преломления). Число элементов массива определяет число портов WSS (стандартно 1×9, 1×20 и более).

Сводная таблица архитектур

Зависимость потерь от числа портов

Для наглядности приведём оценку вносимых потерь 3D MEMS OXC в зависимости от числа портов. Суммарные потери складываются из нескольких компонентов:

IL_total = 2 · IL_coll + IL_diffr(N) + IL_clip + IL_align

где:

• IL_coll — потери в одном коллиматоре (типично 0,1–0,3 дБ), множитель 2 — входной и выходной;
• IL_diffr(N) — потери из-за расхождения пучка, зависят от расстояния между массивами коллиматоров и зеркал, которое растёт с N;
• IL_clip — потери на виньетирование (обрезание пучка апертурой зеркала);
• IL_align — потери из-за неточности юстировки.

При правильном проектировании для 3D MEMS OXC размерностью 100×100 суммарные потери удаётся удерживать в пределах 2–4 дБ, а для 320×320 — в пределах 3–5 дБ. Это становится возможным именно благодаря высокому качеству 2D массивов коллиматоров с низким IL и прецизионным позиционированием элементов.

Заключение

Массивы коллиматоров — это интерфейс между волоконным миром (одномодовые волокна с диаметром поля моды ~10 мкм) и миром свободно-пространственной оптики (пучки диаметром сотни микрон, зеркала, решётки, LCoS-матрицы). От их качества зависит предельная размерность OXC, уровень потерь и перекрёстных помех.

В 2D MEMS-коммутаторах применяются линейные (1D) массивы — они проще в изготовлении, но ограничивают размерность коммутатора до ~32×32. Переход к 3D MEMS-архитектуре потребовал двумерных (2D) матриц коллиматоров с прецизионным позиционированием каждого элемента, зато позволил масштабироваться до сотен и тысяч портов. В современных WSS на базе MEMS и LCoS используются 1D GRIN-массивы, обеспечивающие компактность и низкие потери.

По мере роста пропускной способности сетей и числа каналов WDM требования к массивам коллиматоров продолжают ужесточаться: нужны более плотная упаковка, более жёсткие допуски на шаг и параллельность, расширенный спектральный диапазон и стабильность параметров в условиях изменяющихся температур.

Технические специалисты нашей компании будут рады ответить на любые вопросы по подбору оборудования, а также предоставить коммерческие условия поставки на интересующую Вас продукцию.

Вы можете связаться с нами любым удобным способом для получения дополнительной информации.