ROADM发展现状四：WSS和OXC

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作者：万助军

1．WSS的研究现状

1)基于LCoS技术的WSS

LCoS（liquid crystal on silicon，硅基液晶）首先应用于液晶显示领域，它是在一片硅基底上制作许多液晶单元，在每个液晶单元上面有一个透明电极，下面有一个电子控制单元，从每个液晶单元反射的光，其相位可通过施加在这个单元上的电压来控制。一束光入射在LCoS芯片上，其光斑覆盖许多液晶单元，每个单元的反射光相位被单独控制，相当于对反射光的波前进行调节，从而对反射光方向进行控制。
2006年，澳大利亚Engana Pty公司的Baxter首先将LCoS技术引入WSS中作为控制阵列，他们的WSS结构如图1所示，包括一个光纤阵列、一个偏振转换单元、一个反射镜、一个透镜组、一个衍射光栅和一个LCoS芯片。因为衍射光栅对入射光的偏振态非常敏感，输入的随机偏振WDM光束，首先被偏振转换单元转换为线偏振光（相对于衍射光栅为s偏振态），然后被反射镜反射并经透镜组准直，准直的线偏振光束入射到光栅上并被衍射，衍射光束被透镜组重新会聚并被反射镜第二次反射，不同波长的光聚焦到LCoS芯片上的不同区域并被反射，其反射方向可独立控制，然后被反射镜第三次反射，并经偏振转换单元恢复原偏振态，不同波长的光耦合到各自的目标端口中。由于不同波长的光被LCoS芯片上的不同区域单独控制，该器件可以将任意波长组合切换到任一输出端口中。

图4.1基于LCoS技术的WSS结构
Baxter以上述结构实现了一个1×9 WSS，其传输谱线如图4.2所示，它可同时工作于50GHz和100GHz通道间隔，IL小于5dB，0.5dB通带宽度为80GHz（通道间隔为100GHz时），串扰低于-40dB。

图4.2 基于LCoS技术的WSS传输谱线
该WSS可以独立控制任一波长的损耗，因此兼有通道均衡功能，如图4.3所示。

              图4.3 基于LCoS技术的WSS之通道均衡功能

2)基于MEMS技术的WSS
    MEMS微镜阵列也可以用作WSS中的控制阵列，2005年，贝尔实验室的Marom等人报道了一种基于MEMS技术的WSS，其结构如图4.4所示，由一个光纤－微透镜阵列、一个光束压缩透镜、一个分析透镜、一个衍射光栅和一个MEMS微镜阵列组成，其中压缩透镜与分析透镜组成一个望远镜系统，光纤－微透镜阵列中包含一个偏振转换单元，如图4.5所示。输入的随机偏振WDM光束，首先被偏振转换单元转换为线偏振光（相对于衍射光栅为s偏振态）并由微透镜阵列准直，然后经压缩透镜和分析透镜扩展成更大的准直光束，入射到光栅上，不同波长的光束被衍射到不同角度，经分析透镜聚焦到MEMS微镜阵列的不同单元上，控制每个单元的偏转角度，让不同波长的光束再次经过分析透镜、衍射光栅、分析透镜、压缩透镜、微透镜阵列和偏振转换单元，恢复原偏振态并耦合进各自的目的光纤中，MEMS微镜阵列的各个单元可以独立控制入射波长，因此该器件可以将任意波长组合切换到任一输出光纤中。

图4.4 基于MEMS技术的WSS结构

图4.5 光纤－微透镜阵列结构
Marom以上述结构实现了一个1×4 WSS，其传输谱线如图4.6所示，通道数为128，通道间隔为50GHz，IL小于5dB，PDL小于1dB，0.5dB和3dB带宽分别为29GHz和38GHz，串扰低于-40dB。Marom还以这种结构实现了一个4×1合波器，通道数为64，通道间隔为100GHz，IL小于4dB，PDL小于0.3dB，0.5dB带宽为74GHz，串扰低于-40dB，通道均衡的动态范围为10dB。

                图4.6 基于MEMS技术的WSS传输谱线

3)基于PLC+MEMS技术的WSS
    2004年，加拿大Metconnex公司的Ducellier等人报道了一种基于PLC和MEMS技术的WSS，其结构如图4.7所示，由两个PLC芯片、两个小柱面镜、一个大柱面镜和一个MEMS微镜阵列组成。每个PLC芯片上有5个阵列波导器件，该器件相当于半个AWG，光波经反射两次通过该器件则相当于经过一个AWG器件。输入的WDM光束，经过阵列波导器件，不同波长的光束产生不同的衍射角度，经柱面镜1和3入射到MEMS反射镜阵列的不同单元上，控制每个波长的反射角度，再次经过柱面镜3和1（或者2），耦合到对应各自目标端口的阵列波导中，最后从目标端口输出。柱面镜1和2的作用是在垂直方向聚焦光束，柱面镜3的作用是在水平方向聚焦光束，MEMS微镜应具有两维偏转功能。

图4.7 基于PLC+MEMS技术的WSS结构
Ducellier以上述结构实现了一个1×9端口的WSS，其传输谱线如图4.8所示，通道数为39，通道间隔为100GHz，IL小于7.6dB，PDL小于0.3dB，0.5dB带宽大于50GHz，串扰低于-35dB。

            图4.8 基于PLC+MEMS技术的WSS传输谱线

4)基于PLC技术的WSS
    2002年，贝尔实验室的Doerr等人报道了一种基于PLC技术的WSS，其结构如图4.9所示（报道的是1×9端口的WSS，图中为了简略但说明原理，只画了1×5端口的WSS），由一个解复用器、一个1×2热光开关阵列、一个阻塞器/VOA阵列和9个复用器组成。输入的WDM信号首先被解复用，然后由四级1×2光开关决定每个波长被导入哪个输出端口，在被重新复用之前，由VOA进行功率均衡，或者由阻塞器完全阻断以降低串扰。

图4.9 基于PLC技术的WSS结构
该器件传输谱线如图4.10所示，其通道数为8，通道间隔为200GHz，IL小于7.5dB，PDL小于0.2dB，串扰低于-43dB。从图中可以看到，该器件未进行通带优化设计，属于高斯型通带。

           图4.10 基于PLC技术的WSS传输谱线

2．OXC的研究现状
1)传统的OXC结构
    图4.11是一种传统的N维OXC结构，它由N个解复用器、M个N×(N+K)光开关和N个复用器组成。来自N根输入光纤的M个波长的WDM信号，先被解复用为单波长，然后相同的波长被导入同一光开关的输入端口，根据业务需要交换到相应的输出端口，最后被复用到各自的目的光纤中，每个光开关中预留了K个输入/输出端口，可以从每个线路上同时上/下载K个波长。这种OXC结构可以用基于PLC技术的AWG和热光开关阵列来实现，也可以用PLC与MEMS技术相结合来实现，其中复用/解复用部分用AWG实现，大型光开关阵列用MEMS技术实现。

                   图4.12 由WSS组成的OXC结构

2)由WSS组成的OXC结构
    图4.12是一种由N（或者2N）个WSS组成的N×N OXC结构，它由N个图4.13所示的ROADM互联而成，即每个ROADM中用于OXC互联的WSS端口相互连接起来，其中的WSS可以采用前面提到的各种技术和方案来实现。