波長選擇開光(WSS)

技術(shù)專題：波長選擇開光〔WSS〕一、技術(shù)背景：

本文我將以波長選擇開光〔WSS〕為核心，做一個技術(shù)專題，為大家系統(tǒng)的回憶一下WSS技術(shù)產(chǎn)生的原因，開展的現(xiàn)狀和實現(xiàn)方式。既然以WSS為題，首先我們必須明白什么是WSS。用最簡單的語言描述，WSS可以表述為用以實現(xiàn)動態(tài)可重構(gòu)光加/減復(fù)用〔ROADM〕的新一代技術(shù)，具有網(wǎng)狀架構(gòu)，能支持任意端口波長任意上下行的功能。

既然WSS是新一代的ROADM技術(shù)實現(xiàn)方式，我們先來回憶一下ROADM的開展歷程。從ROADM概念首次被提出，到商用化，再到新一代的WSS技術(shù)，整個歷程可以很好的用圖1描述。圖1

ROADM技術(shù)開展歷程

波分復(fù)用是當(dāng)前最常見的光層組網(wǎng)技術(shù)，通過不同波長復(fù)用后在一根光纖中傳輸，很容易實現(xiàn)Gbit/s甚至Tbit/s的傳輸容量，但是當(dāng)前的波分復(fù)用系統(tǒng)，其本質(zhì)上還是一個點到點的線路系統(tǒng)，大多數(shù)的光層組網(wǎng)只能通過終端站(TM)實現(xiàn)的光線路系統(tǒng)構(gòu)建。ROADM概念被提出的初衷，就是要增強波分復(fù)用的靈活性，以實現(xiàn)不同節(jié)點信息間的交叉調(diào)度。圖1中從1998年到2001年前后，是ROADM概念初步成型的階段。圖中所示的基于光交叉連接器〔OXC〕和光-電-光〔O

E

O〕

再生器的結(jié)構(gòu)，以及隨后出現(xiàn)的基于環(huán)行器的結(jié)構(gòu)和基于復(fù)用器-

開關(guān)矩陣-

解復(fù)用器〔DSM〕的結(jié)構(gòu)是最初的實驗?zāi)Ｐ?。但這些系統(tǒng)使用分立元件構(gòu)成，插入損耗大，性能不夠穩(wěn)定，運營本錢也較高。因此，這些技術(shù)只在ROADM概念形成的初期被研究和實驗，但并沒有真正走入商業(yè)化。

首次商業(yè)化，也是被認為是ROADM第一代技術(shù)的是波長阻斷器〔WB〕技術(shù)。其工作原理如圖2所示。該技術(shù)通過使用功分器把全部波長的信號都按功率分為兩束，一束經(jīng)過WB模塊，傳輸至下一個ROADM網(wǎng)絡(luò)單元。另一束那么傳到下行支路。WB模塊的作用是將需要下行的波長阻斷。WB模塊最常見的結(jié)構(gòu)是使用解復(fù)用器-可變光衰減器〔VOA〕-復(fù)用器結(jié)構(gòu)，即解復(fù)用后每個波長都接一個可程控的VOA，根據(jù)需要將已下行的波長衰減掉。剩余的波長在經(jīng)波分復(fù)用器復(fù)用后傳輸?shù)较乱粋€網(wǎng)絡(luò)元。圖2所示的支路里，需下行的波長經(jīng)解復(fù)用器分開，并使用光性能監(jiān)控〔OPM〕來保證下行不同波長功率的均衡性。圖2

WB-ROADM原理示意圖

目前WB技術(shù)很成熟、具有低本錢，結(jié)構(gòu)簡單，模塊化程度好，預(yù)留升級端口時可支持靈活擴展升級功能等優(yōu)勢，適合用于LH和ULH系統(tǒng)，支持播送業(yè)務(wù)〔采用分功率的理念〕。但是WB技術(shù)迫使運營商一次性購置多個波長。另外,這種結(jié)構(gòu)需要采用外部濾波器進行波長下路,如果采用固定濾波器,那么無法實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)上、下路波長,只能重構(gòu)直通波長，不易過渡至光交叉互連〔OXC〕。圖3

PLC-ROADM原理示意圖

圖3所示第二代ROADM是基于平面光集成〔PLC〕的技術(shù)。實際上它是圖1中2000年前后出現(xiàn)的DSM-ROADM技術(shù)的開展和延續(xù)。通過集成波導(dǎo)技術(shù)，將解復(fù)用器〔通常是AWG〕、1X2光開關(guān)、VOA、復(fù)用器等集成在一塊芯片上，規(guī)?；a(chǎn)后能有效降低本錢。因此PLC技術(shù)是本錢相對最低的ROADM實現(xiàn)方案。由于使用了1X2或2X2的光開光，因此具有二維自由度。但PLC-ROADM和WB-ROADM很多方面還是很類似的，兩種方案上、下路端口都與波長相關(guān)，無法重構(gòu)上、下路波長。

應(yīng)運而生的第三代ROADM技術(shù)就是本文的核心WSS。如圖4所示，和WB相比，WSS最大的特點是不再需要WB模塊，每個波長都可以被獨立的交換。如圖4所示，多端口的WSS模塊能獨立的將任意波長分配到任意路徑。因此基于WSS的網(wǎng)絡(luò)具有多個自由度，不再像WB或PLC那樣需要對網(wǎng)絡(luò)互連架構(gòu)做預(yù)先設(shè)定。圖4

WSS-ROADM原理示意圖

圖5

WSS模塊功能示意圖

如圖5所示，每個波長信號被獨立可編程控制，根據(jù)實際需要，或者被傳送到Express端口或者到下行支路端口。然后Express端口將混合新的上行信號一起傳送到ROADM輸出模塊。和WB技術(shù)一樣，在系統(tǒng)末端也使用OPM來保證多波長信號的功率均衡性。

二、WSS-ROADM系統(tǒng)構(gòu)成：圖6

2自由度WSS-ROADM示意圖

圖6所示的基于WSS技術(shù)的ROADM系統(tǒng)分別由一個1×N和一個N×1的WSS模塊構(gòu)成。其中1×N

的WSS能夠?qū)⑤斎攵丝诘牟ǚ謴?fù)用信號中的任意波長組合輸出到任意輸出端口上；相反，N×1

型WSS可以將任意一個輸入端口的光信號選擇任意波長組合與其他輸入端口的波長組合合并后輸出。這種結(jié)構(gòu)的ROADM

設(shè)備在上下行端口都具有波長無關(guān)的特征，任意下行端口可以實現(xiàn)任意波長信號下行，在上行端口上行任意波長信號。注意圖6所示結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流都是東西方向的，因此有兩個自由度。但注意到在這種結(jié)構(gòu)中，WSS

的輸出端口除直通端口外其余的端口只選擇單波長輸出。因此一個2-自由度的ROADM是很容易升級到最多N-1個自由度的，如圖7所示。圖7

多自由度WSS-ROADM結(jié)構(gòu)示意圖〔a基于WSS模塊；

b基于分束器下行和WSS模塊上行；

c基于WSS下行和合束器上行結(jié)構(gòu)〕圖8

典型WSS-ROADM應(yīng)用實例

如圖7〔a〕所示，在N個WSS效勞端口中，一個被專用于本地信號上下行效勞，而其余N-1個被用于在N-1個ROADM模塊間的網(wǎng)絡(luò)交叉互連。圖7〔b〕和〔c〕是為了降低本錢，減少開關(guān)數(shù)目而對圖〔a〕做的一種簡化。圖〔a〕中上下行的效勞是通過一對WSS實現(xiàn)的，而〔b〕和〔c〕那么使用一個WSS和一個分束器〔或合束器〕的組合，這樣的方案更加簡單，本錢更低，性能上卻保持了和〔a〕方案相同的靈活性，都能實現(xiàn)N-1個自由度的可重構(gòu)加減互連。我們可以把〔a〕和〔b/c〕看做WSS-ROADM的兩種根本互連方案。

這樣看來是否〔b〕或〔c〕相比方案〔a〕就更具優(yōu)勢了呢？其實不然，兩種方案其實互有優(yōu)劣，需根據(jù)實際情況做出綜合選擇。由于使用了分束器或合束器而相應(yīng)產(chǎn)生的額外損耗也明顯大于〔a〕方案，因此〔b〕和〔c〕還必須使用EDFA來對信號再放大。另外，方案〔a〕使用了一對互為反向的WSS，因此除了低損耗外，還保持了非常好的端口間信號隔離度，因此系統(tǒng)串?dāng)_非常小。但是，方案〔a〕和圖2所示的WB-ROADM相比，已不具備播送式效勞能力。但方案〔b〕或〔c〕由于使用了功分器，那么和WB-ROADM一樣也兼具了播送式網(wǎng)絡(luò)效勞能力。

為了更形象化的描述WSS-ROADM的工作模式，給出了圖8所示的示意圖。如下圖，WSS模塊能提供C/DWDM網(wǎng)絡(luò)環(huán)和城域骨干網(wǎng)DWDM環(huán)間信號的任意交叉互連。注意圖8中WSS模塊是三個環(huán)的相切處，右邊顯示了放大的工作模式圖，這和圖7〔a〕所示的原理是一致的。

事實上，我們可以在圖7根底上進一步增加波長交叉互連的能力。即結(jié)合使用WSS和功分器技術(shù)。讓系統(tǒng)兼具點對多點的交叉互連能力，以及播送式效勞能力。類似圖7，仍使用1X

N的WSS模塊實現(xiàn)互連，而分束器〔或合束器〕的分束比〔或合束比〕為1：m〔或m：1〕。那么作為WSS-ROADM系統(tǒng)將具有m*(N-1)個自由度。這時候，對照圖7〔a〕的結(jié)構(gòu)進行擴展，那么將需要(m+m2)*〔N-1〕個WSS模塊。而使用類似圖7〔b〕和〔c〕的方案，由于使用分束器或合束器來取代上行或下行互連功能，也就是說將有m*(N-1)個WSS模塊將被分束器或合束器來取代，這時候系統(tǒng)共需要m2*(N-1)個WSS模塊。這是WSS用于可重構(gòu)加減互連最具普遍意義的系統(tǒng)模型。

對WSS-ROADM，接入損耗和節(jié)點間的串?dāng)_是系統(tǒng)的兩個根本參數(shù)。當(dāng)采用普遍系統(tǒng)模型時，我們可以將類似圖7〔a〕、〔b〕和〔c〕三種模式下的接入損耗和串?dāng)_理論大小列于表1：表1

WSS-ROADM接入損耗和串?dāng)_理論結(jié)果比擬三、WSS技術(shù)實現(xiàn)：

這一局部里，我將為大家總結(jié)一下WSS模塊最常用的實現(xiàn)方式，并評述各種方案的優(yōu)缺點。

1.基于微機電〔MEMs〕技術(shù)的WSS模塊：

WSS模塊的技術(shù)方案有許多，其中最普遍的是使用解復(fù)用器和MEMs微反射鏡的組合。最早的基于MEMs的WSS模塊于1999年由Ford提出，當(dāng)時他們使用的是數(shù)字式MEMs鏡，因此能實現(xiàn)1X2的互連。后來的研究拓展了該技術(shù)，采用陣列式模擬MEMs，可實現(xiàn)更高自由度的互連，如圖9所示：圖9

使用解復(fù)用器和MEMS鏡組合的WSS模塊

圖9所示技術(shù)方案是WSS模塊受關(guān)注最多的方案之一。它包括解復(fù)用器、1X

N的MEMs光開關(guān)和波長再復(fù)用功能。輸入光纖端口的波分復(fù)用信號經(jīng)過光柵實現(xiàn)波長別離，然后聚焦于透鏡焦平面上。單軸反射鏡組安放于焦平面，每一個透鏡對應(yīng)一個波長。通過調(diào)整反射鏡角度，將對應(yīng)波長光信號反射到特定輸出光纖。這種方案結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。在這個結(jié)構(gòu)中，輸出光纖耦合功率直接依賴于MEMs鏡角度控制的精確性。因此該方案保持MEMs微鏡長期工作的穩(wěn)定性和可重復(fù)性是最關(guān)鍵的問題。目前已經(jīng)有報導(dǎo)，材料介質(zhì)層的剩余電荷會導(dǎo)致MEMs鏡累計靜電荷，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性惡化。圖10

面陣式MEMs基WSS模塊示意圖

注意到圖9中MEMs鏡是單軸的，因此只能實現(xiàn)直線的光束掃描。如果我們MEMS鏡改成兩軸向掃描，同時使用二維準(zhǔn)直器陣列，那么我們也很容易將圖9的節(jié)點互連數(shù)擴展到N2。如圖10所示。最普遍的實現(xiàn)方式之一是采用4f成像系統(tǒng)，使用兩個正交的單向掃描來構(gòu)造系統(tǒng)。但是要設(shè)計和制作兩維WSS難度相當(dāng)大，所以這種方案只限于科研院校研究，還無法實用。此方面一項很出色的研究來自臺灣大學(xué)的蔡睿哲博士，發(fā)表了一系列高水平的研究論文。他們細節(jié)給出了二維掃描陣列的設(shè)計方法和實驗方案，實驗交換時間小于700μs，但輸入光纖-輸出光纖的接入損耗相當(dāng)大，在6-18

dB左右，尚顯過大。

目前基于MEMs的WSS已有產(chǎn)品，圖11是康寧用于WSS的一維線性微鏡陣列圖片。圖11

線性陣列MEMs微鏡實物圖2.基于PLC技術(shù)的WSS模塊：

前面提到的MEMs技術(shù)用于WSS模塊，特點是結(jié)構(gòu)靈活，容易實現(xiàn)，由于采用空間光學(xué)器件，甚至可以向二維面陣擴展互連數(shù)目。對WSS模塊，另一個很受關(guān)注的實現(xiàn)方案是PLC技術(shù)。由于全部元件被集成在一塊芯片上，且是平面結(jié)構(gòu)，自然就不能像前面MEMs那樣二維擴展，實現(xiàn)N2數(shù)目的擴容。但是，由于全部元件被集成在一塊芯片上，因此可靠性明顯增強，不存在前面提到，由于靜電累計造成的性能惡化。并且MEMs基的WSS元件最大性能缺點是損耗大，而基于PLC的元件通常具有損耗低的優(yōu)勢。

PLC元件用于WSS模塊，有許多實現(xiàn)方式。最常見也是最簡單的是基于微環(huán)形共振器的結(jié)構(gòu)。如圖12所示，為使用硅基二氧化硅結(jié)構(gòu)制作的1X

2微環(huán)形共振WSS模塊結(jié)構(gòu)圖。其原理是直線波導(dǎo)中傳輸多波長信號，與其非?？拷沫h(huán)形波導(dǎo)半徑恰好能與某個特定波長共振時，該波長將沿環(huán)形回路傳播，再共振耦合到相鄰的通道輸出。注意，圖中共振換附近使用了Cr加熱頭，通過外加電流變化，可以控制芯片溫度，利用熱光效應(yīng)使共振條件發(fā)生變化。因此共振濾波的波長是可以隨著外加電流大小實時可調(diào)的。因此該結(jié)構(gòu)具備和MEMs一樣的實時可調(diào)性能，符合WSS概念的初衷。使用微共振環(huán)的WSS開關(guān)時間大致在100多微秒左右，比MEMs開關(guān)速度要高很多。目前這種技術(shù)波長共振調(diào)諧范圍大概在十幾到二十幾個納米左右。

圖12

基于微共振環(huán)的WSS模塊

圖13

N

X

N的微共振環(huán)WSS模塊示意圖

類似的，我們也可以通過將這些微共振環(huán)級聯(lián)構(gòu)造成N個輸入端，N個輸出端的面陣式WSS模塊。圖13所示是Tokyo

Inst.

Tech.基于此原理設(shè)計的WSS工作原理圖。之所以很多研究都使用微共振環(huán)，主要是因為該結(jié)構(gòu)是基于共振原理，因此具有非常高的品質(zhì)因數(shù)，圖13所示的模塊實際測試顯示，消光比高達39.0到46.6dB，帶間串?dāng)_大致維持在19.3-24.5dB左右。

圖14

1X2微共振環(huán)光開光用于WSS實際結(jié)構(gòu)圖

Nortel網(wǎng)絡(luò)的研究者已經(jīng)對微共振環(huán)WSS用于實際接入網(wǎng)的性能做了測試。他們使用圖14所示的1X2開光。注意圖中比例尺單位為微米。整個芯片大小在200X200

μm2左右。測試使用10Gbit/s的NRZ信號，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過微共振環(huán)可調(diào)交換后，調(diào)制信號幾乎沒有任何變化，誤碼率維持在10-12以下。該測試ON和OFF態(tài)消光比比前面例子要低，只有12dB左右，但帶間串?dāng)_類似，也在20dB左右。該測試在2005年開展，是PLC特別是微共振環(huán)結(jié)構(gòu)可有效用于WSS的最早也是最具說服力的結(jié)果之一。圖15

基于AWG元件的WSS模塊

使用PLC元件制作WSS模塊，除了微共振環(huán)還有其他一些方法，其中最有代表性的是基于陣列波導(dǎo)光柵〔AWG〕結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式。如圖15所示的結(jié)構(gòu)是NTT的建議的WSS方案。圖示1X4的WSS是由4個AWG和熱光相位漂移結(jié)構(gòu)組成的。顯然和前面的微共振環(huán)一樣，是通過熱光效應(yīng)改變相位變化，進而改變不同波長的路由路徑?？雌饋韴D示結(jié)構(gòu)會比微共振環(huán)復(fù)雜很多，尺寸也龐大很多。比擬有優(yōu)勢的地方是該結(jié)構(gòu)損耗很小，經(jīng)測試只有平均2.7dB的損耗。

3.基于液晶的WSS：

除了MEMS和PLC，目前另一類使用較廣泛的WSS實現(xiàn)方式是基于液晶技術(shù)。這種方案很簡單，就像空間光調(diào)制器的原理一樣，通過將不同波長的光照射在不同的像素上，進而控制相應(yīng)像素液晶取向，調(diào)節(jié)光的偏振態(tài)改變，再使用檢偏器就能控制輸出光的強度。在這方面最突出的研究成果來自澳大利亞Optium公司的研究者，他們使用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖16所示，圖16

基于LCOS的WSS工作原理圖圖17

LCOS用于WSS相位改變選路原理示意圖

從圖16可以看到，系統(tǒng)工作原理和圖9所示MEMs-WSS是非常接近的。系統(tǒng)都是通過輸入光纖后，再經(jīng)過一光柵基的波分復(fù)用器，將各個波長按空間不同位置解復(fù)用開。所不同的是波長選擇單元，圖9是靠獨立的控制反射鏡角度來實時改變某個波長的行進方向，以實現(xiàn)任意波長任意路徑的上下行。而圖16控制光的行進是靠相位變化。液晶的空間光調(diào)制器可以根據(jù)需要改變某個波長的相位，注意圖16中所有光束路線是可逆的。比方所有光波長從圖中第一跟光纖輸入，通過空間相位調(diào)制〔SLM〕，其他N-1個波長改變相位相同，反射回去重新復(fù)用后從第二根光纖輸出。而需要下行的相位可以改變不一樣，那么可從第三根光纖輸出，相應(yīng)信號可以傳到下行支路。為了更好的理解這個過程，給出了圖17的示意圖，注意這里簡化了波分復(fù)用等元件。

之所以這種WSS實現(xiàn)方式近來廣受關(guān)注，主要是因為該方案靈活性相當(dāng)高。我們看到MEMs反射鏡只改變光的傳播方向，而圖16的SLM是通過相位改變來調(diào)節(jié)光路。在相位改變改變光方向的同時，還可以通過相位調(diào)節(jié)來矯正色散。Optium公司的研究者已經(jīng)嘗試對80Gb/s的高速信號，實現(xiàn)了最多60ps/nm的色散補償。此外除了補償色散，我們知道靠調(diào)相還可以做很多事情，比方用于脈沖整形等等。因此圖16-17所示方案是具有無限衍生功能的WSS，相信未來會受到更多的關(guān)注。

我們會發(fā)現(xiàn)圖16中的SLM使用的是二維LCOS陣列。LCOS是硅基液晶的英文字母縮寫。LCOS是近來研究比擬火的液晶顯示技術(shù)之一。有興趣的朋友可以自己查閱相關(guān)材料，由于和本文無關(guān)，我就不詳細描述了。

除了LCOS，理論上任何SLM都可以用于WSS。法國的研究者提供了一個思路很有參考價值，如圖18所示。圖