ROADM现状三：I类ROADM和II类ROADM
发布时间：2007-12-25 12:30:36 热度：6653
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1．I类ROADM的研究现状
I类ROADM的每个ADD/DROP端口只能上/下载固定的波长，它可以采用B&S型或者WS型结构。
1)基于WB的B&S型I类ROADM
WB（Wavelength Blocker，波长阻塞器）是B&S型ROADM中的关键器件，其实现技术有MEMS、LC（Liquid Crystal，液晶）、PLC，等等。以WB为核心，配置成图2.8所示结构，即可实现B&S型I类ROADM，因此下面仅对各种WB实现技术作介绍。
a)基于MEMS技术的WB
2005年，贝尔实验室的Neilson等人报道了一种基于MEMS技术、具有通道均衡功能的WB，如图3.1所示，它由一个三端口环形器、一个透镜组、一个衍射光栅和一个MEMS微镜阵列组成。
经环形器输入的DWDM信号，先由透镜组准直，然后被光栅衍射，不同波长对应不同衍射角度，经透镜组聚焦到MEMS微镜阵列的不同单元上，需要阻塞的波长被反射镜偏离，而直通波长被反射后，沿原光路回到环行器的端口。
通过对衍射光栅、透镜组和MEMS微镜阵列的优化设计，得到了很好的通带特性；由于各个波长被各个反射镜独立反射或偏转，相互之间没有制约关系，因此该器件可以阻塞任一或任一组波长；也可以通过反射镜对各直通波长偏转一定角度以达到适当的衰减，使该器件同时具有动态通道均衡功能；因为靠静电吸引来扭转MEMS反射镜，该器件的功耗非常小。
图3.1 基于MEMS技术的WB结构
图3.2所示为该WB的传输谱线，其通道数为64，通道间隔为100GHz，IL小于5dB，PDL小于0.35dB，串扰低于-35dB，0.5dB和3dB通带宽度分别为58GHz和87GHz。
图3.2 基于MEMS技术的WB传输谱线，左坐标－所有波长均直通，右坐标－直通/阻塞波长相间隔
b)基于LC技术的WB
图3.3所示为美国JDSU公司的基于LC技术的WB方案，它由一个偏振转换组件、两个透镜、一个衍射光栅和一个带反射镜的LC阵列组成，其中的偏振转换组件由一个偏振分光棱镜（Polarization Beam Splitter, PBS），一个直角棱镜和两个半波片组成。
任意偏振态的DWDM信号，先被偏振转换组件变换成相同偏振态的两束光，经过两个透镜组成的望远系统，光束被展宽，投射到衍射光栅上，不同波长被衍射至不同角度，再经透镜2聚焦到LC阵列的不同单元上，将需要阻断的波长完全衰减，而其他波长被反射或者适当衰减，沿原路返回，再次经过偏振转换组件中的PBS时，因偏振态旋转了90°，从另一端口输出。各波长被各LC单元独立控制，因此该WB可以阻塞任一或任一组波长。
图3.3 基于LC技术的WB结构
图3.4所示为该WB的传输谱线，该器件可工作于100GHz和50GHz，通道数达100个，IL小于5dB，PDL小于0.3dB，串扰低于-40dB，0.5dB通带宽度大于50GHz（100GHz通道间隔）。
图3.4 基于LC技术的WB传输谱线，直通/阻塞波长相间隔
c)基于PLC技术的WB
Neophotonics公司的Liu等人在2005年的OFC会议上报道了一种基于PLC技术的WB，如图3.5所示，它由一个解复用器、一个阻塞器阵列和一个复用器组成，其中解复用器和复用器为AWG，阻塞器为基于Mach-Zehnder（MZ）干涉的热光开关，而且采用两级光开关串联以提高消光比。
各阻塞器独立控制每个波长，因此该器件也可以阻塞任一或任一组波长；控制加热电极使各直通波长也达到适当衰减，则该器件同时具有动态通道均衡功能。
该WB的通道数为32，通道间隔为100GHz，IL小于5dB，PDL小于0.4dB，串扰低于-35dB，0.5dB和3dB通带宽度分别为50GHz和68GHz；该器件总功耗为13W，包括阻塞器阵列的功耗9W和两个AWG的温控功耗4W。
(a)
(b)
图3.5 基于PLC技术的WB，(a)结构示意图，(b)芯片布版
2)基于PLC技术的WS型I类ROADM
以基于PLC技术的AWG和热光开关分别作为复用/解复用器和控制单元，可以实现单片集成的WS型ROADM。
a)基于PLC技术的传统ROADM结构
图3.6所示为一种基于PLC技术的传统ROADM，采用WS型结构，它由一个解复用器、一个2×2热光开关阵列、一个热光VOA阵列、一个TAP耦合器阵列、一个探测器（Photo Detector, PD）阵列和一个复用器组成，其中复用/解复用器为AWG，光开关一般采用两级串联以提高消光比。由于材料不兼容，其中的PD阵列不能与其他器件一起集成在PLC芯片上，而是另外制作一个PD芯片，PD芯片与PLC芯片采用倒装方式封装在一起，PLC芯片上的TAP耦合器，其输出端口通过一个制作在PLC芯片上的45º反射镜阵列，与PD芯片上的探测器单元进行耦合。
图3.6 基于PLC技术的传统ROADM结构
考虑系统的可靠性，全光通信网一般采用双向光纤环网结构，两条光纤互为备份保护，而每个节点中包含两个ROADM器件。以这种传统结构的ROADM器件构筑双向光纤环网中的节点，如图3.7所示，如果其中一个ROADM器件发生故障，则整个节点必须被隔离。我们再来回顾图2.1中的节点结构，由于ROADM器件的上/下载模块分离，如果其中一个ROADM器件发生故障，只会使本节点损失一半上/下载能力。因此，上/下载模块分离的ROADM器件，其可靠性优于传统结构的ROADM器件。
图3.7 以传统结构ROADM器件构筑的双向光纤环网节点
b)上/下载模块分离的PLC单片集成ROADM
图3.8所示为一种基于PLC技术、上/下载模块分离的ROADM结构，美国JDSU公司和DuPont公司分别在硅基二氧化硅材料和Polymer材料上制作了这种结构的ROADM，均为40通道，通道间隔为100GHz。JDSU公司的器件特性为，直通波长IL小于7.5dB，上/下载波长IL小于5.8dB，PDL小于0.5dB，串扰低于-30dB，0.5dB通带宽度为52GHz，VOA动态范围为25dB。DuPont公司的器件特性为，直通波长IL小于7dB，PDL小于0.4dB，串扰低于-50dB，0.5dB和3dB通带宽度分别为40GHz和81GHz， VOA动态范围为20dB。后者采用Polymer材料，热光系数为二氧化硅的32倍，因此功耗大大降低。
图3.8 上/下载模块分离的PLC单片集成ROADM结构
该ROADM的另一个优点是具有广播功能，即多个节点能够从同一个波长下载信号，广播功能广泛用于多种业务，如高清电视和视频点播。
c)基于PLC技术的多功能ROADM
2002年，贝尔实验室的Earnshaw等人报道了一种基于PLC技术的多功能ROADM，如图3.9所示，它由两个解复用器、两个复用器和一个1×2热光开关阵列组成，除了一组分立的ADD/DROP端口，该器件还有一个公共的ADD/DROP端口。通过热光开关的控制，每个波长可以被下载到分立DROP端口，也可以被下载到公共DROP端口，信号的上载也可以选择分立或者公共ADD端口。
每个分立ADD/DROP端口只能上/下载固定的单个波长，因此该ROADM结构归于I类；公共ADD/DROP端口可以上/下载任意波长的组合，可用于跟其他光纤环网中ROADM节点之间的互连，相当于将该器件的维数提升为四维，因此该ROADM被称为多功能型。
该器件的通道数为16，通道间隔为200GHz，器件的损耗，从输入端口到直通端口或者公共DROP端口，或者从公共ADD端口到直通端口，均经过了两个AWG，IL小于5.5dB；从输入端口到分立DROP端口，或者从分立ADD端口到直通端口，都只经过了一个AWG，IL分别为2.6～4.0dB和2.2～3.5dB，分立端口的损耗差异，是因光波导的交叉损耗引起，每个分立端口经过的交叉点数量各不相同（交叉波导的夹角大于40º，可以尽量减少交叉点引起的损耗和串扰）。两个AWG器件的3dB通带宽度分别为98GHz和109GHz，所有端口的串扰均低于-40dB。
图3.9 基于PLC技术的多功能ROADM结构
图3.10为该ROADM的波长路由示例，其中8个波长直通，4个波长被下载到公共DROP端口，其余4个波长被下载到分立DROP端口。
图3.10 多功能ROADM波长路由示例，8个波长直通，4个波长下载到公共DROP端口，4个波长下载到分立DROP端口
3)基于PLC+MEMS技术的WS型I类ROADM
1999年，朗讯公司的Giles等人报道了一种基于PLC和MEMS技术的混合结构I类ROADM，如图3.11所示，它采用AWG作为复用/解复用器，并通过MEMS光开关控制各波长直通或者被反射，其中1-4和13-16通道通过3dB耦合器分光探测，这些通道可用于广播业务。
图3.11 基于PLC和MEMS技术的I类ROADM结构
2．II类ROADM的研究现状
1)基于PLC技术的W&S型II类ROADM
在2005年的OFC会议上，贝尔实验室的Earnshaw等人报道了一种基于PLC技术的WS型II类ROADM，如图3.12所示。输入信号先被解复用为单波长，并由1×2光开关阵列决定每个波长直通或者被下载，直通波长被重新复用到直通端口，所有1×2光开关的下载端均连至一个非对称的N×M（M≤N）光开关（如图3.13所示），可以同时下载N个波长中的任意M个，而且每个端口的下载波长不固定，因此属于II类ROADM。与图3.8中类似，该ROADM的上/下载模块也是分离的。
图3.12 基于PLC技术II类ROADM结构
图3.13 N×M非对称光开关
该器件通道数为24，通道间隔为200GHz，可从24个波长中同时下载任意8个波长至任一输出端口中。Earnshaw等人报道的实验结果是，直通波长IL为12~14dB，下载波长IL为20dB（其中24×8非对称光开关的损耗约为14dB），串扰低于-40dB。其中直通波长通过了两个AWG、一个光开关和一个耦合器（用于与上载模块合路，一般为20%耦合比），通过优化AWG的设计，IL可降至7dB以下。相应的，下载波长的IL可降至17dB以下。
2)基于PLC+MEMS技术的WS型II类ROADM
图3.14所示为一种基于PLC和MEMS技术的混合结构II类ROADM，它以AWG作为解复用器和复用器，用一个N×M（M≤N）MEMS光开关阵列实现光交换。在直通状态下，所有MEMS反射镜均退出光路，当某个波长i需要下载到DROP端口j时，第i行第j列的反射镜进入光路中，相应波长被反射并下载；由于反射镜是双面的，可同时从ADD端口j上载波长i。该ROADM可同时上/下载N个波长中的任意M个，而且每个端口的波长不固定（上载端采用可调激光器），因此属于II类ROADM。
16×16 MEMS光开关的损耗小于3.1dB，两个AWG的损耗小于6dB，采用该方案的16×16 ROADM损耗可低于9.1dB。
图3.14 基于PLC和MEMS技术的II类ROADM结构
在图3.12和图3.14所示的ROADM器件中，下载端口数M小于传输波长数N，这是因为在某个节点需要上/下载的波长数一般为总数的25%，而且一般不超过50%，采用N×M的非对称结构，可以节省收发模块，降低成本。
1．I类ROADM的研究现状
I类ROADM的每个ADD/DROP端口只能上/下载固定的波长，它可以采用B&S型或者WS型结构。
1)基于WB的B&S型I类ROADM
WB（Wavelength Blocker，波长阻塞器）是B&S型ROADM中的关键器件，其实现技术有MEMS、LC（Liquid Crystal，液晶）、PLC，等等。以WB为核心，配置成图2.8所示结构，即可实现B&S型I类ROADM，因此下面仅对各种WB实现技术作介绍。
a)基于MEMS技术的WB
2005年，贝尔实验室的Neilson等人报道了一种基于MEMS技术、具有通道均衡功能的WB，如图3.1所示，它由一个三端口环形器、一个透镜组、一个衍射光栅和一个MEMS微镜阵列组成。
经环形器输入的DWDM信号，先由透镜组准直，然后被光栅衍射，不同波长对应不同衍射角度，经透镜组聚焦到MEMS微镜阵列的不同单元上，需要阻塞的波长被反射镜偏离，而直通波长被反射后，沿原光路回到环行器的端口。
通过对衍射光栅、透镜组和MEMS微镜阵列的优化设计，得到了很好的通带特性；由于各个波长被各个反射镜独立反射或偏转，相互之间没有制约关系，因此该器件可以阻塞任一或任一组波长；也可以通过反射镜对各直通波长偏转一定角度以达到适当的衰减，使该器件同时具有动态通道均衡功能；因为靠静电吸引来扭转MEMS反射镜，该器件的功耗非常小。
图3.1 基于MEMS技术的WB结构
图3.2所示为该WB的传输谱线，其通道数为64，通道间隔为100GHz，IL小于5dB，PDL小于0.35dB，串扰低于-35dB，0.5dB和3dB通带宽度分别为58GHz和87GHz。
图3.2 基于MEMS技术的WB传输谱线，左坐标－所有波长均直通，右坐标－直通/阻塞波长相间隔
b)基于LC技术的WB
图3.3所示为美国JDSU公司的基于LC技术的WB方案，它由一个偏振转换组件、两个透镜、一个衍射光栅和一个带反射镜的LC阵列组成，其中的偏振转换组件由一个偏振分光棱镜（Polarization Beam Splitter, PBS），一个直角棱镜和两个半波片组成。
任意偏振态的DWDM信号，先被偏振转换组件变换成相同偏振态的两束光，经过两个透镜组成的望远系统，光束被展宽，投射到衍射光栅上，不同波长被衍射至不同角度，再经透镜2聚焦到LC阵列的不同单元上，将需要阻断的波长完全衰减，而其他波长被反射或者适当衰减，沿原路返回，再次经过偏振转换组件中的PBS时，因偏振态旋转了90°，从另一端口输出。各波长被各LC单元独立控制，因此该WB可以阻塞任一或任一组波长。
图3.3 基于LC技术的WB结构
图3.4所示为该WB的传输谱线，该器件可工作于100GHz和50GHz，通道数达100个，IL小于5dB，PDL小于0.3dB，串扰低于-40dB，0.5dB通带宽度大于50GHz（100GHz通道间隔）。
图3.4 基于LC技术的WB传输谱线，直通/阻塞波长相间隔
c)基于PLC技术的WB
Neophotonics公司的Liu等人在2005年的OFC会议上报道了一种基于PLC技术的WB，如图3.5所示，它由一个解复用器、一个阻塞器阵列和一个复用器组成，其中解复用器和复用器为AWG，阻塞器为基于Mach-Zehnder（MZ）干涉的热光开关，而且采用两级光开关串联以提高消光比。
各阻塞器独立控制每个波长，因此该器件也可以阻塞任一或任一组波长；控制加热电极使各直通波长也达到适当衰减，则该器件同时具有动态通道均衡功能。
该WB的通道数为32，通道间隔为100GHz，IL小于5dB，PDL小于0.4dB，串扰低于-35dB，0.5dB和3dB通带宽度分别为50GHz和68GHz；该器件总功耗为13W，包括阻塞器阵列的功耗9W和两个AWG的温控功耗4W。
(a)
(b)
图3.5 基于PLC技术的WB，(a)结构示意图，(b)芯片布版
2)基于PLC技术的WS型I类ROADM
以基于PLC技术的AWG和热光开关分别作为复用/解复用器和控制单元，可以实现单片集成的WS型ROADM。
a)基于PLC技术的传统ROADM结构
图3.6所示为一种基于PLC技术的传统ROADM，采用WS型结构，它由一个解复用器、一个2×2热光开关阵列、一个热光VOA阵列、一个TAP耦合器阵列、一个探测器（Photo Detector, PD）阵列和一个复用器组成，其中复用/解复用器为AWG，光开关一般采用两级串联以提高消光比。由于材料不兼容，其中的PD阵列不能与其他器件一起集成在PLC芯片上，而是另外制作一个PD芯片，PD芯片与PLC芯片采用倒装方式封装在一起，PLC芯片上的TAP耦合器，其输出端口通过一个制作在PLC芯片上的45º反射镜阵列，与PD芯片上的探测器单元进行耦合。
图3.6 基于PLC技术的传统ROADM结构
考虑系统的可靠性，全光通信网一般采用双向光纤环网结构，两条光纤互为备份保护，而每个节点中包含两个ROADM器件。以这种传统结构的ROADM器件构筑双向光纤环网中的节点，如图3.7所示，如果其中一个ROADM器件发生故障，则整个节点必须被隔离。我们再来回顾图2.1中的节点结构，由于ROADM器件的上/下载模块分离，如果其中一个ROADM器件发生故障，只会使本节点损失一半上/下载能力。因此，上/下载模块分离的ROADM器件，其可靠性优于传统结构的ROADM器件。
图3.7 以传统结构ROADM器件构筑的双向光纤环网节点
b)上/下载模块分离的PLC单片集成ROADM
图3.8所示为一种基于PLC技术、上/下载模块分离的ROADM结构，美国JDSU公司和DuPont公司分别在硅基二氧化硅材料和Polymer材料上制作了这种结构的ROADM，均为40通道，通道间隔为100GHz。JDSU公司的器件特性为，直通波长IL小于7.5dB，上/下载波长IL小于5.8dB，PDL小于0.5dB，串扰低于-30dB，0.5dB通带宽度为52GHz，VOA动态范围为25dB。DuPont公司的器件特性为，直通波长IL小于7dB，PDL小于0.4dB，串扰低于-50dB，0.5dB和3dB通带宽度分别为40GHz和81GHz， VOA动态范围为20dB。后者采用Polymer材料，热光系数为二氧化硅的32倍，因此功耗大大降低。
图3.8 上/下载模块分离的PLC单片集成ROADM结构
该ROADM的另一个优点是具有广播功能，即多个节点能够从同一个波长下载信号，广播功能广泛用于多种业务，如高清电视和视频点播。
c)基于PLC技术的多功能ROADM
2002年，贝尔实验室的Earnshaw等人报道了一种基于PLC技术的多功能ROADM，如图3.9所示，它由两个解复用器、两个复用器和一个1×2热光开关阵列组成，除了一组分立的ADD/DROP端口，该器件还有一个公共的ADD/DROP端口。通过热光开关的控制，每个波长可以被下载到分立DROP端口，也可以被下载到公共DROP端口，信号的上载也可以选择分立或者公共ADD端口。
每个分立ADD/DROP端口只能上/下载固定的单个波长，因此该ROADM结构归于I类；公共ADD/DROP端口可以上/下载任意波长的组合，可用于跟其他光纤环网中ROADM节点之间的互连，相当于将该器件的维数提升为四维，因此该ROADM被称为多功能型。
该器件的通道数为16，通道间隔为200GHz，器件的损耗，从输入端口到直通端口或者公共DROP端口，或者从公共ADD端口到直通端口，均经过了两个AWG，IL小于5.5dB；从输入端口到分立DROP端口，或者从分立ADD端口到直通端口，都只经过了一个AWG，IL分别为2.6～4.0dB和2.2～3.5dB，分立端口的损耗差异，是因光波导的交叉损耗引起，每个分立端口经过的交叉点数量各不相同（交叉波导的夹角大于40º，可以尽量减少交叉点引起的损耗和串扰）。两个AWG器件的3dB通带宽度分别为98GHz和109GHz，所有端口的串扰均低于-40dB。
图3.9 基于PLC技术的多功能ROADM结构
图3.10为该ROADM的波长路由示例，其中8个波长直通，4个波长被下载到公共DROP端口，其余4个波长被下载到分立DROP端口。
图3.10 多功能ROADM波长路由示例，8个波长直通，4个波长下载到公共DROP端口，4个波长下载到分立DROP端口
3)基于PLC+MEMS技术的WS型I类ROADM
1999年，朗讯公司的Giles等人报道了一种基于PLC和MEMS技术的混合结构I类ROADM，如图3.11所示，它采用AWG作为复用/解复用器，并通过MEMS光开关控制各波长直通或者被反射，其中1-4和13-16通道通过3dB耦合器分光探测，这些通道可用于广播业务。
图3.11 基于PLC和MEMS技术的I类ROADM结构
2．II类ROADM的研究现状
1)基于PLC技术的W&S型II类ROADM
在2005年的OFC会议上，贝尔实验室的Earnshaw等人报道了一种基于PLC技术的WS型II类ROADM，如图3.12所示。输入信号先被解复用为单波长，并由1×2光开关阵列决定每个波长直通或者被下载，直通波长被重新复用到直通端口，所有1×2光开关的下载端均连至一个非对称的N×M（M≤N）光开关（如图3.13所示），可以同时下载N个波长中的任意M个，而且每个端口的下载波长不固定，因此属于II类ROADM。与图3.8中类似，该ROADM的上/下载模块也是分离的。
图3.12 基于PLC技术II类ROADM结构
图3.13 N×M非对称光开关
该器件通道数为24，通道间隔为200GHz，可从24个波长中同时下载任意8个波长至任一输出端口中。Earnshaw等人报道的实验结果是，直通波长IL为12~14dB，下载波长IL为20dB（其中24×8非对称光开关的损耗约为14dB），串扰低于-40dB。其中直通波长通过了两个AWG、一个光开关和一个耦合器（用于与上载模块合路，一般为20%耦合比），通过优化AWG的设计，IL可降至7dB以下。相应的，下载波长的IL可降至17dB以下。
2)基于PLC+MEMS技术的WS型II类ROADM
图3.14所示为一种基于PLC和MEMS技术的混合结构II类ROADM，它以AWG作为解复用器和复用器，用一个N×M（M≤N）MEMS光开关阵列实现光交换。在直通状态下，所有MEMS反射镜均退出光路，当某个波长i需要下载到DROP端口j时，第i行第j列的反射镜进入光路中，相应波长被反射并下载；由于反射镜是双面的，可同时从ADD端口j上载波长i。该ROADM可同时上/下载N个波长中的任意M个，而且每个端口的波长不固定（上载端采用可调激光器），因此属于II类ROADM。
16×16 MEMS光开关的损耗小于3.1dB，两个AWG的损耗小于6dB，采用该方案的16×16 ROADM损耗可低于9.1dB。
图3.14 基于PLC和MEMS技术的II类ROADM结构
在图3.12和图3.14所示的ROADM器件中，下载端口数M小于传输波长数N，这是因为在某个节点需要上/下载的波长数一般为总数的25%，而且一般不超过50%，采用N×M的非对称结构，可以节省收发模块，降低成本。
