基于液晶的 WSS技术简介

newstime:2016-07-07 09:31:05

WSS技术简介



DWDM密集波分复用系统是当前最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全新的思路。

 

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 CircuitsPLC)、波长阻断器(WavelengthBlockerWB)、波长选择开关(Wavelength Selective SwitchWSS)。

 

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,最早商用,技术已经成熟;

2PLC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,MEMSLCoS技术

是两种最优的解决途径;

4.基于N×NWSSOXC,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。

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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LHULH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技术是成本相对最低的ROADM实现方案。由于使用了1X22X2的光开光,因此具有二维自由度。但PLC-ROADMWB-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。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WBPLC那样需要对网络互连架构做预先设定。

全球前三的WSS器件供应商为JDSUFinisarCoadna。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最流行,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

基于LCoS技术的方案,具有最好的通带特性;

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;

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;

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。

 

 

Approach

CHs

Ports

IL(dB)

PDL(dB)

0.5dB-Pb(100GHz)

Crosstalk(dB)

Response

LCoS

80

1×9

<5

<0.5

80

<-40

<10ms

MEMS

128

1×4

<5

<1.0

74

<-40

<10ms

PLC+MEMS

39

1×9

<7.6

<0.3

50

<-35

<10ms

PLC

40

1×9

<7.5

<0.2

40

<-43

<10ms

 

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MEMsWSS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,

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上图所示技术方案是WSS模块受关注最多的方案之一。它包括解复用器、1X NMEMs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。

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注意到图2MEMs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。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。

 

2.基于PLC技术的WSS模块:

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。

 

3.基于液晶的 WSS

除了 MEMS 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。

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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。

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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 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。

 


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