作者：萬(wàn)助軍

1．WSS的研究現(xiàn)狀

1)基于LCoS技術(shù)的WSS

LCoS（liquid crystal on silicon，硅基液晶）首先應(yīng)用于液晶顯示領(lǐng)域，它是在一片硅基底上制作許多液晶單元，在每個(gè)液晶單元上面有一個(gè)透明電極，下面有一個(gè)電子控制單元，從每個(gè)液晶單元反射的光，其相位可通過(guò)施加在這個(gè)單元上的電壓來(lái)控制。一束光入射在LCoS芯片上，其光斑覆蓋許多液晶單元，每個(gè)單元的反射光相位被單獨(dú)控制，相當(dāng)于對(duì)反射光的波前進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對(duì)反射光方向進(jìn)行控制。
    2006年，澳大利亞Engana Pty公司的Baxter首先將LCoS技術(shù)引入WSS中作為控制陣列，他們的WSS結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一個(gè)光纖陣列、一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換單元、一個(gè)反射鏡、一個(gè)透鏡組、一個(gè)衍射光柵和一個(gè)LCoS芯片。因?yàn)檠苌涔鈻艑?duì)入射光的偏振態(tài)非常敏感，輸入的隨機(jī)偏振WDM光束，首先被偏振轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為線偏振光（相對(duì)于衍射光柵為s偏振態(tài)），然后被反射鏡反射并經(jīng)透鏡組準(zhǔn)直，準(zhǔn)直的線偏振光束入射到光柵上并被衍射，衍射光束被透鏡組重新會(huì)聚并被反射鏡第二次反射，不同波長(zhǎng)的光聚焦到LCoS芯片上的不同區(qū)域并被反射，其反射方向可獨(dú)立控制，然后被反射鏡第三次反射，并經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換單元恢復(fù)原偏振態(tài)，不同波長(zhǎng)的光耦合到各自的目標(biāo)端口中。由于不同波長(zhǎng)的光被LCoS芯片上的不同區(qū)域單獨(dú)控制，該器件可以將任意波長(zhǎng)組合切換到任一輸出端口中。
       
                圖4.1基于LCoS技術(shù)的WSS結(jié)構(gòu)
Baxter以上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)1×9 WSS，其傳輸譜線如圖4.2所示，它可同時(shí)工作于50GHz和100GHz通道間隔，IL小于5dB，0.5dB通帶寬度為80GHz（通道間隔為100GHz時(shí)），串?dāng)_低于-40dB。
       
                圖4.2 基于LCoS技術(shù)的WSS傳輸譜線
該WSS可以獨(dú)立控制任一波長(zhǎng)的損耗，因此兼有通道均衡功能，如圖4.3所示。
      
              圖4.3 基于LCoS技術(shù)的WSS之通道均衡功能

2)基于MEMS技術(shù)的WSS
    MEMS微鏡陣列也可以用作WSS中的控制陣列，2005年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Marom等人報(bào)道了一種基于MEMS技術(shù)的WSS，其結(jié)構(gòu)如圖4.4所示，由一個(gè)光纖－微透鏡陣列、一個(gè)光束壓縮透鏡、一個(gè)分析透鏡、一個(gè)衍射光柵和一個(gè)MEMS微鏡陣列組成，其中壓縮透鏡與分析透鏡組成一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，光纖－微透鏡陣列中包含一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換單元，如圖4.5所示。輸入的隨機(jī)偏振WDM光束，首先被偏振轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為線偏振光（相對(duì)于衍射光柵為s偏振態(tài)）并由微透鏡陣列準(zhǔn)直，然后經(jīng)壓縮透鏡和分析透鏡擴(kuò)展成更大的準(zhǔn)直光束，入射到光柵上，不同波長(zhǎng)的光束被衍射到不同角度，經(jīng)分析透鏡聚焦到MEMS微鏡陣列的不同單元上，控制每個(gè)單元的偏轉(zhuǎn)角度，讓不同波長(zhǎng)的光束再次經(jīng)過(guò)分析透鏡、衍射光柵、分析透鏡、壓縮透鏡、微透鏡陣列和偏振轉(zhuǎn)換單元，恢復(fù)原偏振態(tài)并耦合進(jìn)各自的目的光纖中，MEMS微鏡陣列的各個(gè)單元可以獨(dú)立控制入射波長(zhǎng)，因此該器件可以將任意波長(zhǎng)組合切換到任一輸出光纖中。
     
                圖4.4 基于MEMS技術(shù)的WSS結(jié)構(gòu)
      
                圖4.5 光纖－微透鏡陣列結(jié)構(gòu)
Marom以上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)1×4 WSS，其傳輸譜線如圖4.6所示，通道數(shù)為128，通道間隔為50GHz，IL小于5dB，PDL小于1dB，0.5dB和3dB帶寬分別為29GHz和38GHz，串?dāng)_低于-40dB。Marom還以這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)4×1合波器，通道數(shù)為64，通道間隔為100GHz，IL小于4dB，PDL小于0.3dB，0.5dB帶寬為74GHz，串?dāng)_低于-40dB，通道均衡的動(dòng)態(tài)范圍為10dB。
     
                圖4.6 基于MEMS技術(shù)的WSS傳輸譜線

3)基于PLC+MEMS技術(shù)的WSS
    2004年，加拿大Metconnex公司的Ducellier等人報(bào)道了一種基于PLC和MEMS技術(shù)的WSS，其結(jié)構(gòu)如圖4.7所示，由兩個(gè)PLC芯片、兩個(gè)小柱面鏡、一個(gè)大柱面鏡和一個(gè)MEMS微鏡陣列組成。每個(gè)PLC芯片上有5個(gè)陣列波導(dǎo)器件，該器件相當(dāng)于半個(gè)AWG，光波經(jīng)反射兩次通過(guò)該器件則相當(dāng)于經(jīng)過(guò)一個(gè)AWG器件。輸入的WDM光束，經(jīng)過(guò)陣列波導(dǎo)器件，不同波長(zhǎng)的光束產(chǎn)生不同的衍射角度，經(jīng)柱面鏡1和3入射到MEMS反射鏡陣列的不同單元上，控制每個(gè)波長(zhǎng)的反射角度，再次經(jīng)過(guò)柱面鏡3和1（或者2），耦合到對(duì)應(yīng)各自目標(biāo)端口的陣列波導(dǎo)中，最后從目標(biāo)端口輸出。柱面鏡1和2的作用是在垂直方向聚焦光束，柱面鏡3的作用是在水平方向聚焦光束，MEMS微鏡應(yīng)具有兩維偏轉(zhuǎn)功能。
    
            圖4.7 基于PLC+MEMS技術(shù)的WSS結(jié)構(gòu)
Ducellier以上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)1×9端口的WSS，其傳輸譜線如圖4.8所示，通道數(shù)為39，通道間隔為100GHz，IL小于7.6dB，PDL小于0.3dB，0.5dB帶寬大于50GHz，串?dāng)_低于-35dB。
   
            圖4.8 基于PLC+MEMS技術(shù)的WSS傳輸譜線

4)基于PLC技術(shù)的WSS
    2002年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Doerr等人報(bào)道了一種基于PLC技術(shù)的WSS，其結(jié)構(gòu)如圖4.9所示（報(bào)道的是1×9端口的WSS，圖中為了簡(jiǎn)略但說(shuō)明原理，只畫(huà)了1×5端口的WSS），由一個(gè)解復(fù)用器、一個(gè)1×2熱光開(kāi)關(guān)陣列、一個(gè)阻塞器/VOA陣列和9個(gè)復(fù)用器組成。輸入的WDM信號(hào)首先被解復(fù)用，然后由四級(jí)1×2光開(kāi)關(guān)決定每個(gè)波長(zhǎng)被導(dǎo)入哪個(gè)輸出端口，在被重新復(fù)用之前，由VOA進(jìn)行功率均衡，或者由阻塞器完全阻斷以降低串?dāng)_。
    
             圖4.9 基于PLC技術(shù)的WSS結(jié)構(gòu)
該器件傳輸譜線如圖4.10所示，其通道數(shù)為8，通道間隔為200GHz，IL小于7.5dB，PDL小于0.2dB，串?dāng)_低于-43dB。從圖中可以看到，該器件未進(jìn)行通帶優(yōu)化設(shè)計(jì)，屬于高斯型通帶。
     
           圖4.10 基于PLC技術(shù)的WSS傳輸譜線

2．OXC的研究現(xiàn)狀
1)傳統(tǒng)的OXC結(jié)構(gòu)
    圖4.11是一種傳統(tǒng)的N維OXC結(jié)構(gòu)，它由N個(gè)解復(fù)用器、M個(gè)N×(N+K)光開(kāi)關(guān)和N個(gè)復(fù)用器組成。來(lái)自N根輸入光纖的M個(gè)波長(zhǎng)的WDM信號(hào)，先被解復(fù)用為單波長(zhǎng)，然后相同的波長(zhǎng)被導(dǎo)入同一光開(kāi)關(guān)的輸入端口，根據(jù)業(yè)務(wù)需要交換到相應(yīng)的輸出端口，最后被復(fù)用到各自的目的光纖中，每個(gè)光開(kāi)關(guān)中預(yù)留了K個(gè)輸入/輸出端口，可以從每個(gè)線路上同時(shí)上/下載K個(gè)波長(zhǎng)。這種OXC結(jié)構(gòu)可以用基于PLC技術(shù)的AWG和熱光開(kāi)關(guān)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用PLC與MEMS技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中復(fù)用/解復(fù)用部分用AWG實(shí)現(xiàn)，大型光開(kāi)關(guān)陣列用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
    
                   圖4.12 由WSS組成的OXC結(jié)構(gòu)

2)由WSS組成的OXC結(jié)構(gòu)
    圖4.12是一種由N（或者2N）個(gè)WSS組成的N×N OXC結(jié)構(gòu)，它由N個(gè)圖4.13所示的ROADM互聯(lián)而成，即每個(gè)ROADM中用于OXC互聯(lián)的WSS端口相互連接起來(lái)，其中的WSS可以采用前面提到的各種技術(shù)和方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。
        
                   圖4.13 基于WSS的ROADM結(jié)構(gòu)