WSS技術(shù)簡(jiǎn)介

DWDM密集波分復(fù)用系統(tǒng)是當(dāng)前見的光層組網(wǎng)技術(shù)，通過復(fù)用/解復(fù)用器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)十波甚至上百波的傳送能力，但是當(dāng)前的波分復(fù)用系統(tǒng)，其本質(zhì)上還是一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的線路系統(tǒng)，大多數(shù)的光層組網(wǎng)只能通過終端站(TM)實(shí)現(xiàn)的光線路系統(tǒng)構(gòu)建。稍后出現(xiàn)的OADM光分插復(fù)用器，逐漸邁出了從點(diǎn)到點(diǎn)組網(wǎng)向環(huán)網(wǎng)的演進(jìn)。但是由于OADM有限的功能，通常只能上下固定數(shù)目和波長(zhǎng)的光通道，并沒有真正實(shí)現(xiàn)靈活的光層組網(wǎng)。因此，從某種意義上說，早期的波分復(fù)用系統(tǒng)并沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的光層組網(wǎng)，難以滿足業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)IP化和分組化的要求，例如網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)調(diào)度能力、可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性、可管理性等。這種情況直到ROADM的出現(xiàn)才得以改善。為了滿足IP網(wǎng)絡(luò)的需求，基礎(chǔ)承載網(wǎng)的建設(shè)逐漸采用一種以可重構(gòu)光分插復(fù)用設(shè)備(ROADM)為代表的光層重構(gòu)技術(shù)，為基礎(chǔ)承載網(wǎng)的建設(shè)提供了全新的思路。

ROADM的主要技術(shù)簡(jiǎn)介

ROADM是一種類似于SDH ADM光層的網(wǎng)元，它可以在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上完成光通道的上下路(Add/Drop)，以及穿通光通道之間的波長(zhǎng)級(jí)別的交叉調(diào)度。它可以通過軟件遠(yuǎn)程控制網(wǎng)元中的ROADM子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上下路波長(zhǎng)的配置和調(diào)整。目前，ROADM子系統(tǒng)常見的有三種技術(shù)：平面光集成（Planar Lightwave Circuits，PLC）、波長(zhǎng)阻斷器（WavelengthBlocker，WB）、波長(zhǎng)選擇開關(guān)（Wavelength Selective Switch，WSS）。

ROADM的發(fā)展階段

1．基于各種WB技術(shù)的Ⅰ類ROADM，被稱為代ROADM，商用，技術(shù)已經(jīng)成熟；

2．PLC單片集成的Ⅰ類和其他Ⅱ類ROADM，被稱為第二代ROADM，已達(dá)到商用要求，正在逐步推廣；

3．采用各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的1×NWSS，屬于第三代ROADM，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，各種方案相繼推出，旨在增加端口數(shù)和提高性能，MEMS和LCoS技術(shù)

是兩種的解決途徑；?

4．基于N×NWSS的OXC，被稱為第四代ROADM，尚處于技術(shù)準(zhǔn)備階段。

波長(zhǎng)阻斷器WB

商業(yè)化，也是被認(rèn)為是ROADM代技術(shù)的是波長(zhǎng)阻斷器（WB）技術(shù)。其工作原理如圖2所示。該技術(shù)通過使用功分器把全部波長(zhǎng)的信號(hào)都按功率分為兩束，一束經(jīng)過WB模塊，傳輸至下一個(gè)ROADM網(wǎng)絡(luò)單元。另一束則傳到下行支路。WB模塊的作用是將需要下行的波長(zhǎng)阻斷。WB模塊見的結(jié)構(gòu)是使用解復(fù)用器-可變光衰減器（VOA）-復(fù)用器結(jié)構(gòu)，即解復(fù)用后每個(gè)波長(zhǎng)都接一個(gè)可程控的VOA，根據(jù)需要將已下行的波長(zhǎng)衰減掉。剩余的波長(zhǎng)在經(jīng)波分復(fù)用器復(fù)用后傳輸?shù)较乱粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)元。圖2所示的支路里，需下行的波長(zhǎng)經(jīng)解復(fù)用器分開，并使用光性能監(jiān)控（OPM）來保證下行不同波長(zhǎng)功率的均衡性。

圖1

目前WB技術(shù)很成熟、具有低成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊化程度好，預(yù)留升級(jí)端口時(shí)可支持靈活擴(kuò)展升級(jí)功能等優(yōu)勢(shì)，適合用于LH和ULH系統(tǒng)，支持廣播業(yè)務(wù)（采用分功率的理念）。但是WB技術(shù)迫使運(yùn)營(yíng)商一次性購(gòu)買多個(gè)波長(zhǎng)。另外,這種結(jié)構(gòu)需要采用外部濾波器進(jìn)行波長(zhǎng)下路,如果采用固定濾波器,則無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)上、下路波長(zhǎng),只能重構(gòu)直通波長(zhǎng)，不易過渡至光交叉互連（OXC）。

平面光集成PLC

第二代ROADM是基于平面光集成（PLC）的技術(shù)。實(shí)際上它是2000年前后出現(xiàn)的DSM-ROADM技術(shù)的發(fā)展和延續(xù)。通過集成波導(dǎo)技術(shù)，將解復(fù)用器（通常是AWG）、1X2光開關(guān)、VOA、復(fù)用器等集成在一塊芯片上，規(guī)模化生產(chǎn)后能有效降低成本。因此PLC技術(shù)是成本相對(duì)的ROADM實(shí)現(xiàn)方案。由于使用了1X2或2X2的光開光，因此具有二維自由度。但PLC-ROADM和WB-ROADM很多方面還是很類似的，兩種方案上、下路端口都與波長(zhǎng)相關(guān)，無(wú)法重構(gòu)上、下路波長(zhǎng)。

波長(zhǎng)選擇開關(guān)WSS

第三代ROADM技術(shù)就是WSS。和WB相比，WSS的特點(diǎn)是不再需要WB模塊，每個(gè)波長(zhǎng)都可以被獨(dú)立的交換。多端口的WSS模塊能獨(dú)立的將任意波長(zhǎng)分配到任意路徑。因此基于WSS的網(wǎng)絡(luò)具有多個(gè)自由度，不再像WB或PLC那樣需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)互連架構(gòu)做預(yù)先設(shè)定。

三的WSS器件供應(yīng)商為JDSU，Finisar和Coadna。其中JDSU采用MEMS技術(shù)，Finisar基于LCOS的技術(shù)，科納光通Coadna基于液晶技術(shù)lightflow，日本公司采用平面光波導(dǎo)技術(shù)在日本，但出口不多。通道數(shù)可調(diào)，帶寬可調(diào)，方向可調(diào)的WSS。基于LCOS技術(shù)的器件是目前行業(yè)內(nèi)普遍看好的技術(shù)。

WSS技術(shù)對(duì)比

l 基于LCoS技術(shù)的方案，具有通帶特性；

l 基于MEMS技術(shù)的方案，端口數(shù)相對(duì)較少，且工作于50GHz通道間隔時(shí)PDL偏大，但工作于100GHz通道間隔時(shí)具有很好的特性；

l 基于PLC+MEMS技術(shù)的方案，損耗稍大，通帶特性稍差，但也能滿足系統(tǒng)要求，而且器件尺寸相對(duì)較小；

l 基于PLC技術(shù)的方案，通帶優(yōu)化后能獲得較好的特性，缺點(diǎn)是增加端口數(shù)會(huì)使損耗線性增加，而且功耗較大。功耗約10W，其他方案的功耗很小，可忽略。

1.基于微機(jī)電（MEMs）技術(shù)的WSS模塊：

WSS模塊的技術(shù)方案有許多，其中的是使用解復(fù)用器和MEMs微反射鏡的組合。的基于MEMs的WSS模塊于1999年由Ford提出，當(dāng)時(shí)他們使用的是數(shù)字式MEMs鏡，因此能實(shí)現(xiàn)1X2的互連。后來的研究拓展了該技術(shù)，采用陣列式模擬MEMs，可實(shí)現(xiàn)更高自由度的互連，

圖2

上圖所示技術(shù)方案是WSS模塊受關(guān)注最多的方案之一。它包括解復(fù)用器、1X N的MEMs光開關(guān)和波長(zhǎng)再?gòu)?fù)用功能。輸入光纖端口的波分復(fù)用信號(hào)經(jīng)過光柵實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)分離，然后聚焦于透鏡焦平面上。單軸反射鏡組安放于焦平面，每一個(gè)透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)波長(zhǎng)。通過調(diào)整反射鏡角度，將對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)光信號(hào)反射到特定輸出光纖。這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，輸出光纖耦合功率直接依賴于MEMs鏡角度控制的精確性。因此該方案保持MEMs微鏡長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可重復(fù)性是最關(guān)鍵的問題。目前已經(jīng)有報(bào)導(dǎo)，材料介質(zhì)層的殘余電荷會(huì)導(dǎo)致MEMs鏡累計(jì)靜電荷，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性惡化。

圖3

注意到圖2中MEMs鏡是單軸的，因此只能實(shí)現(xiàn)直線的光束掃描。如果我們MEMS鏡改成兩軸向掃描，同時(shí)使用二維準(zhǔn)直器陣列，那么我們也很容易將圖9的節(jié)點(diǎn)互連數(shù)擴(kuò)展到N2。如圖3所示。的實(shí)現(xiàn)方式之一是采用4f成像系統(tǒng)，使用兩個(gè)正交的單向掃描來構(gòu)造系統(tǒng)。

2.基于PLC技術(shù)的WSS模塊：

對(duì) WSS 模塊，另一個(gè)很受關(guān)注的實(shí)現(xiàn)方案是 PLC技術(shù)。由于全部元件被集成在一塊芯片上，且是平面結(jié)構(gòu)，自然就不能像前面 MEMs 那樣二維擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn) N2 數(shù)目的擴(kuò)容。但是，由于全部元件被集成在一塊芯片上，因此可靠性明顯增強(qiáng)，不存在前面提到，由于靜電累計(jì)造成的性能惡化。并且 MEMs 基的 WSS 元件性能缺點(diǎn)是損耗大，而基于 PLC 的元件通常具有損耗低的優(yōu)勢(shì)。

3.基于液晶的 WSS：

除了 MEMS 和 PLC，目前另一類使用較廣泛的WSS 實(shí)現(xiàn)方式是基于液晶技術(shù)。這種方案很簡(jiǎn)單，就像空間光調(diào)制器的原理一樣，通過將不同波長(zhǎng)的光照射在不同的像素上，進(jìn)而控制相應(yīng)像素液晶取向，調(diào)節(jié)光的偏振態(tài)改變，再使用檢偏器就能控制輸出光的強(qiáng)度。

圖4

從圖4可以看到，系統(tǒng)工作原理和圖2所示 MEMs- WSS 是非常接近的。系統(tǒng)都是通過輸入光纖后，再經(jīng)過一光柵基的波分復(fù)用器，將各個(gè)波長(zhǎng)按空間不同位置解復(fù)用開。所不同的是波長(zhǎng)選擇單元，圖 2是靠獨(dú)立的控制反射鏡角度來實(shí)時(shí)改變某個(gè)波長(zhǎng)的行進(jìn)方向，以實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)任意路徑的上下行。而圖2控制光的行進(jìn)是靠相位變化。液晶的空間光調(diào)制器可以根據(jù)需要改變某個(gè)波長(zhǎng)的相位，注意圖4中所有光束路線是可逆的。比如所有光波長(zhǎng)從圖中跟光纖輸入，通過空間相位調(diào)制（SLM），其他 N-1 個(gè)波長(zhǎng)改變相位相同，反射回

去重新復(fù)用后從第二根光纖輸出。而需要下行的相位可以改變不一樣，則可從第三根光纖輸出，相應(yīng)信號(hào)可以傳到下行支路。

圖5

為了更好的理解這個(gè)過程，給出了圖5的示意圖，注意這里簡(jiǎn)化了波分復(fù)用等元件。之所以這種 WSS 實(shí)現(xiàn)方式近來廣受關(guān)注，主要是因?yàn)樵摲桨胳`活性相當(dāng)高。我們看到MEMs 反射鏡只改變光的傳播方向，而圖 16 的 SLM 是通過相位改變來調(diào)節(jié)光路。在相位改變改變光方向的同時(shí)，還可以通過相位調(diào)節(jié)來矯正色散。此外除了補(bǔ)償色散，我們知道靠調(diào)相還可以做很多事情，比如用于脈沖整形等等。因此LCoS技術(shù)目前在行業(yè)內(nèi)被普遍看好。