技术专题：波长选择开光（WSS）

作者：深圳大学 宋军博士
一、技术背景：
    本文我将以波长选择开光（WSS）为核心，做一个技术专题，为大家系统的回顾一下WSS技术产生的原因，发展的现状和实现方式。既然以WSS为题，首先我们必须明白什么是WSS。用最简单的语言描述，WSS可以表述为用以实现动态可重构光加/减复用（ROADM）的新一代技术，具有网状架构，能支持任意端口波长任意上下行的功能。
    既然WSS是新一代的ROADM技术实现方式，我们先来回顾一下ROADM的发展历程。从ROADM概念首次被提出，到商用化，再到新一代的WSS技术，整个历程可以很好的用图1描述。

                            图1 ROADM技术发展历程
   波分复用是当前最常见的光层组网技术，通过不同波长复用后在一根光纤中传输，很容易实现Gbit/s甚至Tbit/s的传输容量，但是当前的波分复用系统，其本质上还是一个点到点的线路系统，大多数的光层组网只能通过终端站(TM)实现的光线路系统构建。ROADM概念被提出的初衷，就是要增强波分复用的灵活性，以实现不同节点信息间的交叉调度。图1中从1998年到2001年前后，是ROADM概念初步成型的阶段。图中所示的基于光交叉连接器（OXC）和光-电-光（O E O） 再生器的结构，以及随后出现的基于环行器的结构和基于复用器- 开关矩阵- 解复用器（DSM）的结构是最初的实验模型。但这些系统使用分立元件构成，插入损耗大，性能不够稳定，运营成本也较高。因此，这些技术只在ROADM概念形成的初期被研究和实验，但并没有真正走入商业化。
    首次商业化，也是被认为是ROADM第一代技术的是波长阻断器（WB）技术。其工作原理如图2所示。该技术通过使用功分器把全部波长的信号都按功率分为两束，一束经过WB模块，传输至下一个ROADM网络单元。另一束则传到下行支路。WB模块的作用是将需要下行的波长阻断。WB模块最常见的结构是使用解复用器-可变光衰减器（VOA）-复用器结构，即解复用后每个波长都接一个可程控的VOA，根据需要将已下行的波长衰减掉。剩余的波长在经波分复用器复用后传输到下一个网络元。图2所示的支路里，需下行的波长经解复用器分开，并使用光性能监控（OPM）来保证下行不同波长功率的均衡性。

                       图2 WB-ROADM原理示意图
   目前WB技术很成熟、具有低成本，结构简单，模块化程度好，预留升级端口时可支持灵活扩展升级功能等优势，适合用于LH和ULH系统，支持广播业务（采用分功率的理念）。但是WB技术迫使运营商一次性购买多个波长。另外,这种结构需要采用外部滤波器进行波长下路,如果采用固定滤波器,则无法实现动态重构上、下路波长,只能重构直通波长，不易过渡至光交叉互连（OXC）。

                        图3  PLC-ROADM原理示意图
   图3所示第二代ROADM是基于平面光集成（PLC）的技术。实际上它是图1中2000年前后出现的DSM-ROADM技术的发展和延续。通过集成波导技术，将解复用器（通常是AWG）、1X2光开关、VOA、复用器等集成在一块芯片上，规模化生产后能有效降低成本。因此PLC技术是成本相对最低的ROADM实现方案。由于使用了1X2或2X2的光开光，因此具有二维自由度。但PLC-ROADM和WB-ROADM很多方面还是很类似的，两种方案上、下路端口都与波长相关，无法重构上、下路波长。
    应运而生的第三代ROADM技术就是本文的核心WSS。如图4所示，和WB相比，WSS最大的特点是不再需要WB模块，每个波长都可以被独立的交换。如图4所示，多端口的WSS模块能独立的将任意波长分配到任意路径。因此基于WSS的网络具有多个自由度，不再像WB或PLC那样需要对网络互连架构做预先设定。

                        图4 WSS-ROADM原理示意图

                       图5  WSS模块功能示意图
    如图5所示，每个波长信号被独立可编程控制，根据实际需要，或者被传送到Express端口或者到下行支路端口。然后Express端口将混合新的上行信号一起传送到ROADM输出模块。和WB技术一样，在系统末端也使用OPM来保证多波长信号的功率均衡性。
二、 WSS-ROADM系统构成：

                      图6 2自由度WSS-ROADM示意图
     图6所示的基于WSS技术的ROADM系统分别由一个1×N和一个N×1的WSS模块构成。其中1×N 的WSS能够将输入端口的波分复用信号中的任意波长组合输出到任意输出端口上；相反，N×1 型WSS可以将任意一个输入端口的光信号选择任意波长组合与其他输入端口的波长组合合并后输出。这种结构的ROADM 设备在上下行端口都具有波长无关的特征，任意下行端口可以实现任意波长信号下行，在上行端口上行任意波长信号。注意图6所示结构数据流都是东西方向的，因此有两个自由度。但注意到在这种结构中，WSS 的输出端口除直通端口外其余的端口只选择单波长输出。因此一个2-自由度的ROADM是很容易升级到最多N-1个自由度的，如图7所示。

 图7 多自由度WSS-ROADM结构示意图（a基于WSS模块； b基于分束器下行和WSS模块上行； c基于WSS下行和合束器上行结构）

                      图8 典型WSS-ROADM应用实例
    如图7（a）所示，在N个WSS服务端口中，一个被专用于本地信号上下行服务，而其余N-1个被用于在N-1个ROADM模块间的网络交叉互连。图7（b）和（c）是为了降低成本，减少开关数目而对图（a）做的一种简化。图（a）中上下行的服务是通过一对WSS实现的，而（b）和（c）则使用一个WSS和一个分束器（或合束器）的组合，这样的方案更加简单，成本更低，性能上却保持了和（a）方案相同的灵活性，都能实现N-1个自由度的可重构加减互连。我们可以把（a）和（b/c）看做WSS-ROADM的两种基本互连方案。
    这样看来是否（b）或（c）相比方案（a）就更具优势了呢？其实不然，两种方案其实互有优劣，需根据实际情况做出综合选择。由于使用了分束器或合束器而相应产生的额外损耗也明显大于（a）方案，因此（b）和（c）还必须使用EDFA来对信号再放大。另外，方案（a）使用了一对互为反向的WSS，因此除了低损耗外，还保持了非常好的端口间信号隔离度，因此系统串扰非常小。但是，方案（a）和图2所示的WB-ROADM相比，已不具备广播式服务能力。但方案（b）或（c）由于使用了功分器，则和WB-ROADM一样也兼具了广播式网络服务能力。
    为了更形象化的描述WSS-ROADM的工作模式，给出了图8所示的示意图。如图所示，WSS模块能提供C/DWDM网络环和城域骨干网DWDM环间信号的任意交叉互连。注意图8中WSS模块是三个环的相切处，右边显示了放大的工作模式图，这和图7（a）所示的原理是一致的。
    事实上，我们可以在图7基础上进一步增加波长交叉互连的能力。即结合使用WSS和功分器技术。让系统兼具点对多点的交叉互连能力，以及广播式服务能力。类似图7，仍使用1X N的WSS模块实现互连，而分束器（或合束器）的分束比（或合束比）为1：m（或m：1）。那么作为WSS-ROADM系统将具有m*(N-1)个自由度。这时候，对照图7（a）的结构进行扩展，则将需要(m+m2)*（N-1）个WSS模块。而使用类似图7（b）和（c）的方案，由于使用分束器或合束器来取代上行或下行互连功能，也就是说将有m*(N-1)个WSS模块将被分束器或合束器来取代，这时候系统共需要m2*(N-1)个WSS模块。这是WSS用于可重构加减互连最具普遍意义的系统模型。
     对WSS-ROADM，接入损耗和节点间的串扰是系统的两个基本参数。当采用普遍系统模型时，我们可以将类似图7（a）、（b）和（c）三种模式下的接入损耗和串扰理论大小列于表1：

                      表1 WSS-ROADM接入损耗和串扰理论结果比较
三、WSS技术实现：
    这一部分里，我将为大家总结一下WSS模块最常用的实现方式，并评述各种方案的优缺点。
1.基于微机电（MEMs）技术的WSS模块：
    WSS模块的技术方案有许多，其中最普遍的是使用解复用器和MEMs微反射镜的组合。最早的基于MEMs的WSS模块于1999年由Ford提出，当时他们使用的是数字式MEMs镜，因此能实现1X2的互连。后来的研究拓展了该技术，采用阵列式模拟MEMs，可实现更高自由度的互连，如图9所示：

            图9  使用解复用器和MEMS镜组合的WSS模块
图9所示技术方案是WSS模块受关注最多的方案之一。它包括解复用器、1X N的MEMs光开关和波长再复用功能。输入光纤端口的波分复用信号经过光栅实现波长分离，然后聚焦于透镜焦平面上。单轴反射镜组安放于焦平面，每一个透镜对应一个波长。通过调整反射镜角度，将对应波长光信号反射到特定输出光纤。这种方案结构简单，使用方便。在这个结构中，输出光纤耦合功率直接依赖于MEMs镜角度控制的精确性。因此该方案保持MEMs微镜长期工作的稳定性和可重复性是最关键的问题。目前已经有报导，材料介质层的残余电荷会导致MEMs镜累计静电荷，导致系统可靠性恶化。

                      图10 面阵式MEMs基WSS模块示意图
    注意到图9中MEMs镜是单轴的，因此只能实现直线的光束扫描。如果我们MEMS镜改成两轴向扫描，同时使用二维准直器阵列，那么我们也很容易将图9的节点互连数扩展到N2。如图10所示。最普遍的实现方式之一是采用4f成像系统，使用两个正交的单向扫描来构造系统。但是要设计和制作两维WSS难度相当大，所以这种方案只限于科研院校研究，还无法实用。此方面一项很出色的研究来自台湾大学的蔡睿哲博士，发表了一系列高水平的研究论文。他们细节给出了二维扫描阵列的设计方法和实验方案，实验交换时间小于700μs，但输入光纤-输出光纤的接入损耗相当大，在6-18 dB左右，尚显过大。
    目前基于MEMs的WSS已有产品，图11是康宁用于WSS的一维线性微镜阵列图片。

                      图11 线性阵列MEMs微镜实物图

2.基于PLC技术的WSS模块：
    前面提到的MEMs技术用于WSS模块，特点是结构灵活，容易实现，由于采用空间光学器件，甚至可以向二维面阵扩展互连数目。对WSS模块，另一个很受关注的实现方案是PLC技术。由于全部元件被集成在一块芯片上，且是平面结构，自然就不能像前面MEMs那样二维扩展，实现N2数目的扩容。但是，由于全部元件被集成在一块芯片上，因此可靠性明显增强，不存在前面提到，由于静电累计造成的性能恶化。并且MEMs基的WSS元件最大性能缺点是损耗大，而基于PLC的元件通常具有损耗低的优势。
    PLC元件用于WSS模块，有许多实现方式。最常见也是最简单的是基于微环形共振器的结构。如图12所示，为使用硅基二氧化硅结构制作的1X 2微环形共振WSS模块结构图。其原理是直线波导中传输多波长信号，与其非常靠近的环形波导半径恰好能与某个特定波长共振时，该波长将沿环形回路传播，再共振耦合到相邻的通道输出。注意，图中共振换附近使用了Cr加热头，通过外加电流变化，可以控制芯片温度，利用热光效应使共振条件发生变化。因此共振滤波的波长是可以随着外加电流大小实时可调的。因此该结构具备和MEMs一样的实时可调性能，符合WSS概念的初衷。使用微共振环的WSS开关时间大致在100多微秒左右，比MEMs开关速度要高很多。目前这种技术波长共振调谐范围大概在十几到二十几个纳米左右。

                       图12 基于微共振环的WSS模块

                       图13 N X N的微共振环WSS模块示意图
    类似的，我们也可以通过将这些微共振环级联构造成N个输入端，N个输出端的面阵式WSS模块。图13所示是Tokyo Inst. Tech.基于此原理设计的WSS工作原理图。之所以很多研究都使用微共振环，主要是因为该结构是基于共振原理，因此具有非常高的品质因数，图13所示的模块实际测试显示，消光比高达39.0到46.6dB，带间串扰大致维持在19.3-24.5dB左右。

                       图14 1X2微共振环光开光用于WSS实际结构图
    Nortel网络的研究者已经对微共振环WSS用于实际接入网的性能做了测试。他们使用图14所示的1X2开光。注意图中比例尺单位为微米。整个芯片大小在200X200 μm2左右。测试使用10Gbit/s的NRZ信号，发现经过微共振环可调交换后，调制信号几乎没有任何变化，误码率维持在10-12以下。该测试ON和OFF态消光比比前面例子要低，只有12dB左右，但带间串扰类似，也在20dB左右。该测试在2005年开展，是PLC特别是微共振环结构可有效用于WSS的最早也是最具说服力的结果之一。

                      图15 基于AWG元件的WSS模块
     使用PLC元件制作WSS模块，除了微共振环还有其他一些方法，其中最有代表性的是基于阵列波导光栅（AWG）结构的实现方式。如图15所示的结构是NTT的建议的WSS方案。图示1X4的WSS是由4个AWG和热光相位漂移结构组成的。显然和前面的微共振环一样，是通过热光效应改变相位变化，进而改变不同波长的路由路径。看起来图示结构会比微共振环复杂很多，尺寸也庞大很多。比较有优势的地方是该结构损耗很小，经测试只有平均2.7dB的损耗。
3.基于液晶的WSS：
    除了MEMS和PLC，目前另一类使用较广泛的WSS实现方式是基于液晶技术。这种方案很简单，就像空间光调制器的原理一样，通过将不同波长的光照射在不同的像素上，进而控制相应像素液晶取向，调节光的偏振态改变，再使用检偏器就能控制输出光的强度。在这方面最突出的研究成果来自澳大利亚Optium公司的研究者，他们使用的系统结构如图16所示，

                      图16 基于LCOS的WSS工作原理图

                      图17 LCOS用于WSS相位改变选路原理示意图
    从图16可以看到，系统工作原理和图9所示MEMs-WSS是非常接近的。系统都是通过输入光纤后，再经过一光栅基的波分复用器，将各个波长按空间不同位置解复用开。所不同的是波长选择单元，图9是靠独立的控制反射镜角度来实时改变某个波长的行进方向，以实现任意波长任意路径的上下行。而图16控制光的行进是靠相位变化。液晶的空间光调制器可以根据需要改变某个波长的相位，注意图16中所有光束路线是可逆的。比如所有光波长从图中第一跟光纤输入，通过空间相位调制（SLM），其他N-1个波长改变相位相同，反射回去重新复用后从第二根光纤输出。而需要下行的相位可以改变不一样，则可从第三根光纤输出，相应信号可以传到下行支路。为了更好的理解这个过程，给出了图17的示意图，注意这里简化了波分复用等元件。
    之所以这种WSS实现方式近来广受关注，主要是因为该方案灵活性相当高。我们看到MEMs反射镜只改变光的传播方向，而图16的SLM是通过相位改变来调节光路。在相位改变改变光方向的同时，还可以通过相位调节来矫正色散。Optium公司的研究者已经尝试对80Gb/s的高速信号，实现了最多60ps/nm的色散补偿。此外除了补偿色散，我们知道靠调相还可以做很多事情，比如用于脉冲整形等等。因此图16-17所示方案是具有无限衍生功能的WSS，相信未来会受到更多的关注。
我们会发现图16中的SLM使用的是二维LCOS阵列。LCOS是硅基液晶的英文字母缩写。LCOS是近来研究比较火的液晶显示技术之一。有兴趣的朋友可以自己查阅相关材料，由于和本文无关，我就不详细描述了。
    除了LCOS，理论上任何SLM都可以用于WSS。法国的研究者提供了一个思路很有参考价值，如图18所示。

                      图18 基于液晶光栅的WSS原理示意图

                      图19 液晶光栅基WSS实物图
    图18和图16相比紧凑了很多。因为该方案直接在液晶上使用全息技术制作数字光栅。因此该方案中的液晶板将波分复用系统与空间光调制系统合二为一了。系统一下子紧凑了很多。但相位调控要求却也高了很多。系统容错率降低。图19是采用图18原理实际制得的WSS模块照片。图中S为SLM液晶光栅调相模块，L为凸透镜，F为输入输出光纤阵列。和图9一样，由于使用空间光器件，尽管该方案相比图16已经紧凑了很多，但整体模块仍比基于PLC的WSS要大几个数量级。但是液晶调相具有无限的功能扩展能力。
4.其他WSS技术：
    除了上面介绍的技术，还有许多方案可以用于WSS。因为我们知道光学原理非常多，干涉、衍射、双折射、电光、磁光、声光、热光等等，任意光学效应的排列组合都可以诞生新的应用。因此光学器件相比电子元件具有的鲜明特点就是同一功能可以有多种原理实现方案。关于WSS，前面三种是受关注最多，也可以说是主流的技术方案。当然其他方法也有很多。这里我就不多说了，只举一例，如图20所示。该方案是上海光机所的研究者提出的。该模块是通过光纤光栅（FBG）和光纤环形镜构成的。模块里的PZT是压电陶瓷，可看到光经光栅沿两个相反方向传输，在3dB耦合器处顺时针与逆时针光相遇会发生干涉，最后光是从OUTPUT端输出还是从图中的THROUGH端输出，取决于两个路径间的光程差。而PZT的作用就是调相，进而改变其中一个回路光的光程差，来实现光在两个路径间的实时切换选择。
    以上是我对WSS技术的一个总结回顾。希望能让光纤在线对此感兴趣的朋友初步对WSS的发展有个了解。