基于液晶的 WSS技术简介

发布时间：2016-07-07 09:31:05

WSS技术简介

DWDM密集波分复用系统是当前常见的光层组网技术，通过复用/解复用器可以实现数十波甚至上百波的传送能力，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。稍后出现的OADM光分插复用器，逐渐迈出了从点到点组网向环网的演进。但是由于OADM有限的功能，通常只能上下固定数目和波长的光通道，并没有真正实现灵活的光层组网。因此，从某种意义上说，早期的波分复用系统并没有实现真正意义上的光层组网，难以满足业务网络IP化和分组化的要求，例如网络的业务调度能力、可靠性、可维护性、可扩展性、可管理性等。这种情况直到ROADM的出现才得以改善。为了满足IP网络的需求，基础承载网的建设逐渐采用一种以可重构光分插复用设备(ROADM)为代表的光层重构技术，为基础承载网的建设提供了新的思路。

ROADM的主要技术简介     

ROADM是一种类似于SDH ADM光层的网元，它可以在一个节点上完成光通道的上下路(Add/Drop)，以及穿通光通道之间的波长级别的交叉调度。它可以通过软件远程控制网元中的ROADM子系统实现上下路波长的配置和调整。目前，ROADM子系统常见的有三种技术：平面光集成（Planar Lightwave Circuits，PLC）、波长阻断器（WavelengthBlocker，WB）、波长选择开关（Wavelength Selective Switch，WSS）。

ROADM的发展阶段

1．基于各种WB技术的Ⅰ类ROADM，被称为第一代ROADM，较早商用，技术已经成熟；

2．PLC单片集成的Ⅰ类和其他Ⅱ类ROADM，被称为第二代ROADM，已达到商用要求，正在逐步推广；

3．采用各种技术实现的1×NWSS，属于第三代ROADM，是当前的研究热点，各种方案相继推出，旨在增加端口数和提高性能，MEMS和LCoS技术

是两种较优的解决途径；

4．基于N×NWSS的OXC，被称为第四代ROADM，尚处于技术准备阶段。

波长阻断器WB

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模块较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1

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）。

平面光集成PLC

第二代ROADM是基于平面光集成（PLC）的技术。实际上它是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。

波长选择开关WSS

第三代ROADM技术就是WSS。和WB相比，WSS的特点是不再需要WB模块，每个波长都可以被独立的交换。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。

WSS器件供应商为JDSU，Finisar和Coadna。其中JDSU采用MEMS技术，Finisar基于LCOS的技术，科纳光通Coadna基于液晶技术lightflow，日本公司采用平面光波导技术在日本较流行，但出口不多。通道数可调，带宽可调，方向可调的WSS。基于LCOS技术的器件是目前行业内普遍看好的技术。

WSS技术对比

l  基于LCoS技术的方案，具有较好的通带特性；

l  基于MEMS技术的方案，端口数相对较少，且工作于50GHz通道间隔时PDL偏大，但工作于100GHz通道间隔时具有很好的特性；

l  基于PLC+MEMS技术的方案，损耗稍大，通带特性稍差，但也能满足系统要求，而且器件尺寸相对较小；

l  基于PLC技术的方案，通带优化后能获得较好的特性，缺点是增加端口数会使损耗线性增加，而且功耗较大。功耗约10W，其他方案的功耗很小，可忽略。

1.基于微机电（MEMs）技术的WSS模块：       

WSS模块的技术方案有许多，其中较普遍的是使用解复用器和MEMs微反射镜的组合。较早的基于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，

图2

上图所示技术方案是WSS模块受关注较多的方案之一。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3

注意到图2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3所示。较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。

2.基于PLC技术的WSS模块：

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。

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。

图4

从图4可以看到，系统工作原理和图2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 2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2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4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。

图5

为了更好的理解这个过程，给出了图5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。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LCoS技术目前在行业内被普遍看好。