ROADM發展現狀四:WSS和OXC

作者：萬助軍

1．WSS的研究現狀

1)基於LCoS技術的WSS

LCoS（liquid crystal on silicon，矽基液晶）首先應用於液晶顯示領域，它是在一片矽基底上製作許多液晶單元，在每個液晶單元上面有一個透明電極，下面有一個電子控制單元，從每個液晶單元反射的光，其相位可通過施加在這個單元上的電壓來控制。一束光入射在LCoS晶片上，其光斑覆蓋許多液晶單元，每個單元的反射光相位被單獨控制，相當於對反射光的波前進行調節，從而對反射光方向進行控制。

    2006年，澳大利亞Engana Pty公司的Baxter首先將LCoS技術引入WSS中作為控制陣列，他們的WSS結構如圖1所示，包括一個光纖陣列、一個偏振轉換單元、一個反射鏡、一個透鏡組、一個衍射光柵和一個LCoS晶片。因為衍射光柵對入射光的偏振態非常敏感，輸入的隨機偏振WDM光束，首先被偏振轉換單元轉換為線偏振光（相對於衍射光柵為s偏振態），然後被反射鏡反射並經透鏡組準直，準直的線偏振光束入射到光柵上並被衍射，衍射光束被透鏡組重新會聚並被反射鏡第二次反射，不同波長的光聚焦到LCoS晶片上的不同區域並被反射，其反射方向可獨立控制，然後被反射鏡第三次反射，並經偏振轉換單元恢復原偏振態，不同波長的光耦合到各自的目標埠中。由於不同波長的光被LCoS晶片上的不同區域單獨控制，該器件可以將任意波長組合切換到任一輸出埠中。       

                圖4.1基於LCoS技術的WSS結構

Baxter以上述結構實現了一個1×9 WSS，其傳輸譜線如圖4.2所示，它可同時工作於50GHz和100GHz通道間隔，IL小於5dB，0.5dB通帶寬度為80GHz（通道間隔為100GHz時），串擾低於-40dB。       

                圖4.2 基於LCoS技術的WSS傳輸譜線

該WSS可以獨立控制任一波長的損耗，因此兼有通道均衡功能，如圖4.3所示。      

              圖4.3 基於LCoS技術的WSS之通道均衡功能

2)基於MEMS技術的WSS

    MEMS微鏡陣列也可以用作WSS中的控制陣列，2005年，貝爾實驗室的Marom等人報導了一種基於MEMS技術的WSS，其結構如圖4.4所示，由一個光纖－微透鏡陣列、一個光束壓縮透鏡、一個分析透鏡、一個衍射光柵和一個MEMS微鏡陣列組成，其中壓縮透鏡與分析透鏡組成一個望遠鏡系統，光纖－微透鏡陣列中包含一個偏振轉換單元，如圖4.5所示。輸入的隨機偏振WDM光束，首先被偏振轉換單元轉換為線偏振光（相對於衍射光柵為s偏振態）並由微透鏡陣列準直，然後經壓縮透鏡和分析透鏡擴展成更大的準直光束，入射到光柵上，不同波長的光束被衍射到不同角度，經分析透鏡聚焦到MEMS微鏡陣列的不同單元上，控制每個單元的偏轉角度，讓不同波長的光束再次經過分析透鏡、衍射光柵、分析透鏡、壓縮透鏡、微透鏡陣列和偏振轉換單元，恢復原偏振態並耦合進各自的目的光纖中，MEMS微鏡陣列的各個單元可以獨立控制入射波長，因此該器件可以將任意波長組合切換到任一輸出光纖中。     

                圖4.4 基於MEMS技術的WSS結構     

 

                圖4.5 光纖－微透鏡陣列結構

Marom以上述結構實現了一個1×4 WSS，其傳輸譜線如圖4.6所示，通道數為128，通道間隔為50GHz，IL小於5dB，PDL小於1dB，0.5dB和3dB帶寬分別為29GHz和38GHz，串擾低於-40dB。Marom還以這種結構實現了一個4×1合波器，通道數為64，通道間隔為100GHz，IL小於4dB，PDL小於0.3dB，0.5dB帶寬為74GHz，串擾低於-40dB，通道均衡的動態範圍為10dB。     

                圖4.6 基於MEMS技術的WSS傳輸譜線

3)基於PLC+MEMS技術的WSS

    2004年，加拿大Metconnex公司的Ducellier等人報導了一種基於PLC和MEMS技術的WSS，其結構如圖4.7所示，由兩個PLC晶片、兩個小柱面鏡、一個大柱面鏡和一個MEMS微鏡陣列組成。每個PLC晶片上有5個陣列波導器件，該器件相當於半個AWG，光波經反射兩次通過該器件則相當於經過一個AWG器件。輸入的WDM光束，經過陣列波導器件，不同波長的光束產生不同的衍射角度，經柱面鏡1和3入射到MEMS反射鏡陣列的不同單元上，控制每個波長的反射角度，再次經過柱面鏡3和1（或者2），耦合到對應各自目標埠的陣列波導中，最後從目標埠輸出。柱面鏡1和2的作用是在垂直方向聚焦光束，柱面鏡3的作用是在水平方向聚焦光束，MEMS微鏡應具有兩維偏轉功能。    

            圖4.7 基於PLC+MEMS技術的WSS結構

Ducellier以上述結構實現了一個1×9埠的WSS，其傳輸譜線如圖4.8所示，通道數為39，通道間隔為100GHz，IL小於7.6dB，PDL小於0.3dB，0.5dB帶寬大於50GHz，串擾低於-35dB。   

            圖4.8 基於PLC+MEMS技術的WSS傳輸譜線

4)基於PLC技術的WSS

    2002年，貝爾實驗室的Doerr等人報導了一種基於PLC技術的WSS，其結構如圖4.9所示（報導的是1×9埠的WSS，圖中為了簡略但說明原理，只畫了1×5埠的WSS），由一個解復用器、一個1×2熱光開關陣列、一個阻塞器/VOA陣列和9個復用器組成。輸入的WDM信號首先被解復用，然後由四級1×2光開關決定每個波長被導入哪個輸出埠，在被重新復用之前，由VOA進行功率均衡，或者由阻塞器完全阻斷以降低串擾。    

             圖4.9 基於PLC技術的WSS結構

該器件傳輸譜線如圖4.10所示，其通道數為8，通道間隔為200GHz，IL小於7.5dB，PDL小於0.2dB，串擾低於-43dB。從圖中可以看到，該器件未進行通帶優化設計，屬於高斯型通帶。     

           圖4.10 基於PLC技術的WSS傳輸譜線

2．OXC的研究現狀

1)傳統的OXC結構

    圖4.11是一種傳統的N維OXC結構，它由N個解復用器、M個N×(N+K)光開關和N個復用器組成。來自N根輸入光纖的M個波長的WDM信號，先被解復用為單波長，然後相同的波長被導入同一光開關的輸入埠，根據業務需要交換到相應的輸出埠，最後被復用到各自的目的光纖中，每個光開關中預留了K個輸入/輸出埠，可以從每個線路上同時上/下載K個波長。這種OXC結構可以用基於PLC技術的AWG和熱光開關陣列來實現，也可以用PLC與MEMS技術相結合來實現，其中復用/解復用部分用AWG實現，大型光開關陣列用MEMS技術實現。    

                   圖4.12 由WSS組成的OXC結構

2)由WSS組成的OXC結構

    圖4.12是一種由N（或者2N）個WSS組成的N×N OXC結構，它由N個圖4.13所示的ROADM互聯而成，即每個ROADM中用於OXC互聯的WSS埠相互連接起來，其中的WSS可以採用前面提到的各種技術和方案來實現。        

                   圖4.13 基於WSS的ROADM結構