楊海寧， 李 昆， 初大平

(1. 東南大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京210096；2. 劍芯光電科技有限公司，江蘇 南京210000；3. 劍橋大學 工程系 光電器件及傳感器中心，英國 劍橋 CB3 0FA)

1 引 言

經(jīng)過近20年的發(fā)展，可重構(gòu)全光分插復用器系統(tǒng)(Reconfigurable Optical Add/drop Multiplexer, ROADM)[1-3]已經(jīng)成為現(xiàn)代光纖通信網(wǎng)絡(luò)[4-5]的核心組件。ROADM可以使光纖通信網(wǎng)絡(luò)運營商在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點處實現(xiàn)波長級的路徑調(diào)度和恢復[6]，極大地提升了網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)性和魯棒性。同時，ROADM系統(tǒng)中的波長路徑切換完全在光層完成，不需要傳統(tǒng)的光-電-光轉(zhuǎn)換過程。因此，ROADM技術(shù)對波長信道的速率和調(diào)制模式不敏感，一旦部署一般可以持續(xù)服務10年以上。另外，相比于依賴高速集成電路芯片的光-電-光轉(zhuǎn)換信道調(diào)度，ROADM的全光交換特性還可以大幅降低網(wǎng)絡(luò)的功耗。由于以上優(yōu)點，ROADM技術(shù)不僅可以大幅降低光纖通信網(wǎng)絡(luò)的投資成本(Capital Expenses, CapEx)[7-8]，還可以大量節(jié)省其運營成本(Operational Expenses, OpEx)[9]，在世界各地得到了廣泛的部署。

波長選擇開關(guān)(Wavelength Selective Switch, WSS)[10-12]是ROADM系統(tǒng)的核心組成部分。WSS通常具有一個輸入端口和N個輸出端口。WSS可以將輸入端口接收到的任意波長信道切換至任意輸出端口。一個ROADM系統(tǒng)通常由多個WSS配對級聯(lián)組成。早期WSS可以基于硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)技術(shù)[13-14]、液晶技術(shù)(Liquid Crystal, LC)[15]或者Micro Electromechanical System (MEMS)技術(shù)[12,16]?；贚COS技術(shù)的WSS具有高端口數(shù)目，且支持靈活柵格(Flex-grid)標準[17]，可大幅提升全光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。因此，近年來基于LCOS技術(shù)的WSS器件成為業(yè)界的主流選擇。

LCOS器件是由CMOS硅基電路背板和液晶光學元件組成的混合光電芯片，可以實現(xiàn)空間光調(diào)制的作用。根據(jù)液晶設(shè)置不同，LCOS器件可以分為振幅型[18-19]和相位型[20-21]。振幅型LCOS器件對入射光的空間振幅進行調(diào)制，通常應用在信息顯示系統(tǒng)[22-24]中。而相位型LCOS器件只對入射光的空間相位進行調(diào)制，而不影響其振幅，因此光束能量理論上不受損失，具有較高的光學能量效率。但是，純相位型LCOS器件對制備工藝[25]的要求相對較高。由于ROADM系統(tǒng)對光路切換的效率有較高的要求，因此WSS通常采用純相位型LCOS器件，實現(xiàn)較低的插入損耗。

本文將首先介紹WSS和ROADM的基本功能以及其在可重構(gòu)全光通信網(wǎng)絡(luò)中的作用；在此基礎(chǔ)之上進一步詳細介紹WSS的光學構(gòu)架和關(guān)鍵性能參數(shù)；最后本文將從器件層面詳細介紹面向通信應用的LCOS器件中的關(guān)鍵參數(shù)和指標。

2 WSS和ROADM基本功能

2.1 WSS基本功能

圖1為WSS的基本功能圖。WSS通常具有1個單模光纖輸入端口和N個單模光纖輸出端口。輸入光纖端口可接收通信C波段(1 528～1 568 nm)波段內(nèi)的波分復用(wavelength division multiplexing, WDM)信號。WSS可以將任意的輸入WDM信道分配至任意輸出光纖端口，分配過程完全在光層完成，不需要依賴光-電-光轉(zhuǎn)換。由于光路可逆原理，1×NWSS也可以作為N×1 WSS使用，即圖1中右側(cè)的N個端口可作為輸入端口使用，左側(cè)端口可作為輸出端口使用。

圖1 1×N WSS 的基本功能圖Fig.1 Functional diagram of a 1×N WSS

除了基本的波長信道切換，WSS還應該支持以下高階功能：

(1)能量平衡：由于光纖通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中光纖的衰減特性和光纖放大器(Erbium Doped Fibre Amplifier，EDFA)的增益特性都具有一定的波長相關(guān)性，因此進入一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的各個WDM波長信道之間的能量存在一定差異。這會降低通信網(wǎng)絡(luò)的信噪比[26]，影響傳輸距離和傳輸速率。因此，光纖通信網(wǎng)絡(luò)運營商通常使用WSS對WDM信道進行能量平衡，以達到優(yōu)化傳輸質(zhì)量的目的。由于WSS是一個無源器件，能量平衡一般通過對能量較高的輸入WDM信道進行衰減[27]實現(xiàn)。

(2)高端口數(shù)：隨著現(xiàn)代光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格密度越來越高。一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點通常需要支持8個、16個或者更高的維度。這對WSS的端口數(shù)目提出了更高的要求。早期WSS僅可以支持1×9端口[28]。近些年來1×20 WSS和1×32 WSS[29-30]成為業(yè)界主流選擇。高端口數(shù)目的WSS通?；贚COS技術(shù)或MEMS技術(shù)。

(3)集成度：網(wǎng)絡(luò)結(jié)點處對WSS的需求量隨著網(wǎng)絡(luò)維度的提升而線性增長，因此將多個1×NWSS共同封裝在一個模塊中也成為近些年來業(yè)界發(fā)展的趨勢。目前，將2個WSS[29-30]封裝在一個WSS模塊中已經(jīng)成為業(yè)界主流選擇。近些年來，也有將4個WSS[31]，甚至24個WSS[32-33]封裝在一個模塊中的技術(shù)方案。

(4)寬頻譜覆蓋：隨著現(xiàn)代光纖通信網(wǎng)絡(luò)對傳輸帶寬需求的增加，C波段逐漸無法滿足網(wǎng)絡(luò)對傳輸容量的需求。近些年來，光纖通信網(wǎng)絡(luò)運營商開始嘗試使用L波進行傳輸。于此對應，WSS開始支持更寬的頻譜范圍。早期WSS[10]支持C波段中4 THz頻譜范圍；近些年來，覆蓋4.8～6 THz頻譜范圍的WSS成為業(yè)界的主流。最新技術(shù)的WSS則可以同時支持C波段和L波段[31]，覆蓋頻譜范圍接近10 THz。

(5)靈活柵格[34-35]：傳統(tǒng)基于WDM技術(shù)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)采用固定網(wǎng)絡(luò)柵格間距，即各WDM信道的頻譜帶寬都為50 GHz。但隨著傳輸速率的提升，很難將>200 Gbit/s的信道頻譜帶寬壓縮至50 GHz之內(nèi)，并保證全光傳輸距離。因此，WDM光纖通信網(wǎng)絡(luò)需要采用更大的網(wǎng)絡(luò)柵格間距。但是如果采用100 GHz的柵格間距傳輸<100 Gbit/s的信道又將造成頻譜浪費。因此，現(xiàn)代WSS需要支持靈活柵格,匹配WDM信道的頻譜寬度。有研究證明，支持靈活柵格標準的WSS可以將光纖通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量提升30%左右[36-38]。由于傳統(tǒng)基于MEMS技術(shù)的WSS，柵格間距與MEMS反射鏡物理尺寸相關(guān)，無法支持靈活柵格標準，近些年來已經(jīng)被淘汰。LCOS技術(shù)和LC技術(shù)可以使WSS支持靈活柵格標準?；贚COS技術(shù)的WSS具有更高的端口數(shù)目，已經(jīng)成為業(yè)界主流技術(shù)選擇。

(6)多播：基于LCOS技術(shù)的WSS還可以通過全息光場控制的方式將一個輸入WDM信道同時分配至兩個輸出端口[28,39]，且能量分配比例可調(diào)。這一功能在某些特定應用場景下(如信道質(zhì)量檢測[40])能發(fā)揮相應的作用。

2.2 ROADM基本功能

圖2給出了ROADM系統(tǒng)的基本構(gòu)架。ROADM系統(tǒng)可以分為傳輸端[41]和上下行端[42]兩部分。傳輸端主要負責WDM信道在不同維度之間的全光路徑分配切換；而上下行端則可以將各維度的一部分輸入WDM信道從網(wǎng)絡(luò)中移除(drop)至本地，供本地處理和應用，或者將本地新的WDM信道添加(add)至不同維度的輸出端口，供進一步傳輸。

由圖2 可見，ROADM傳輸端由一系列1×NWSS配對級聯(lián)組成。從一個維度輸入的WDM信道被該維度對應的輸入WSS分配至目標輸出維度的WSS或本地上下行端。若該WDM信道需要繼續(xù)傳輸，目標輸出端的WSS則負責將該WDM信道分差復用(multiplex)至對應的輸出端口。該ROADM傳輸端構(gòu)架被稱為“分配-選擇”(route and select)[43-44]構(gòu)架。在此構(gòu)架中由于各個WDM信道會經(jīng)過2個WSS，進而經(jīng)歷兩次濾波，因此信道頻譜范圍之外的噪音被很好地抑制，可以提升網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量和距離。目前該構(gòu)架已經(jīng)成為高緯度ROADM傳輸端的主流構(gòu)架。理論上，輸入端的1×NWSS可以被1×N分光器(splitter)替代，起到降低ROADM成本的作用。該構(gòu)架稱為“廣播-選擇”(broadcast and select)[41]但是由于分光器的插入損耗隨著端口數(shù)目的提升而提升，因此往往只能被應用在維度較低的ROADM系統(tǒng)之中。同時由于分光器不具備濾波功能，該構(gòu)架也會降低傳輸信噪比。

在如圖2所示的這個基于“分配-選擇”構(gòu)架的4維ROADM系統(tǒng)中，需要使用8個1×NWSS模塊。以此類推，具有16個維度的ROADM系統(tǒng)則需要32個1×NWSS。同時，在高維度ROADM系統(tǒng)中，傳輸端的WSS需要與更多的WSS配對連接，因此也需要WSS具有更高的端口數(shù)目。這也是ROADM系統(tǒng)需要更高端口數(shù)目和更高集成度的WSS模塊的主要原因。

圖2 CDC ROADM構(gòu)架Fig.2 Block diagram of CDC ROADM

ROADM系統(tǒng)上下行端是ROADM系統(tǒng)的一個主要技術(shù)難點。為了滿足網(wǎng)絡(luò)運營維護可重構(gòu)性和靈活性的要求，ROADM系統(tǒng)上下行端需要具備以下3個屬性。

(1)波長無關(guān)(Colourless)[45]：是指任意上下行端口都可以接收任意波長的WDM信道。ROADM系統(tǒng)運營商可以通過軟件控制的方式改變?nèi)我舛丝诘牟ㄩL分配，而不需要對上下行端口的模塊進行物理調(diào)整。

(2)方向無關(guān)(Directionless)[46]：是指任意上行端口可被分配至任意維度的輸出端口；或者任意維度的輸入WDM信道可以被分配至任意下行端口。

(3)競爭無關(guān)(Contentionless)[47]：是指來自不同維度兩個具有相同波長的信道可以同時被分配至兩個下行端口，兩者之間不存在沖突；或者兩個具有相同波長的上行信道可以被同時分配至各自對應的目標輸出維度端口。

同時滿足以上3個屬性的ROADM系統(tǒng)通常被稱為CDC ROADM。有時也會出現(xiàn)CDCF或CDCG的描述。在此F和G都代表靈活柵格(flex-grid或gridless)。CDC ROADM給光纖通信網(wǎng)絡(luò)運營商帶來了最大的網(wǎng)絡(luò)資源配置靈活度，使得絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配可以通過軟件控制完成，而不需要工程師物理改變光纖連接。但是支持CDC功能的ROADM上下行端構(gòu)架相對復雜，成本較高。在有的應用場景下，運營商僅配置CD功能[48]。

具有CDC功能ROADM上下行端一般可以由多播開關(guān)(multicasting switch， MCS)[49]或者波長交叉連接器(wavelength crossconnect, WXC)[50-52]實現(xiàn)。

圖3(a)給出了MCS的基本構(gòu)架。一個M×NMCS由M個1×N分光器和N個1×M空間光開關(guān)(Space Switch, SS)配對級聯(lián)組成。其中M對應ROADM傳輸端的維度，N對應這個MCS支持的上下行端口數(shù)目。由于1×N分光器的插入損耗與端口數(shù)目成正比，因此當MCS需要支持較大上下行端口數(shù)目時會引入較大的插入損耗。MCS過高的插入損耗需要通過在其輸入端口處部署EDFA陣列進行補償。但這會帶來更高的成本和系統(tǒng)功耗。因此，目前MCS支持的上下行端口數(shù)目一般小于8個。

圖3 (a) MCS基本構(gòu)架； (b)WXC基本構(gòu)架。Fig.3 (a) Architecture of MCS; (b) Architecture of WXC.

圖3(b)給出了WXC的基本構(gòu)架。與圖3(a)中MCS的基本構(gòu)架相比，圖3(b)所示的WXC中使用WSS陣列替代了分光器陣列。WSS可以將需要任意波長信道高效地分配至目標上下行端口對應的空間光開關(guān)。WSS的插損不會像分光器那樣隨著端口數(shù)目的提升而增加，因此解決了MCS構(gòu)架中由插損帶來的擴展性的問題。因此，此類WXC也亦被稱為M×NWSS。目前業(yè)界領(lǐng)先的WXC[53]可以支持8個ROADM傳輸維度和24個上下行端口。另外，在光學設(shè)計過程中，WXC中的空間光開關(guān)可以被集成至WSS的光路中[53]，進一步提升系統(tǒng)集成度。需要指出的是此類WXC構(gòu)架相對比較復雜，目前系統(tǒng)體積和成本仍然相對較高。

3 WSS光學構(gòu)架

3.1 LCOS全息光開關(guān)光學構(gòu)架

圖4給出了基于LCOS技術(shù)的全光開關(guān)的基本構(gòu)架。在這個光學構(gòu)架中，光纖準直陣列與LCOS器件分別置于傅里葉透鏡的前后焦平面上，構(gòu)成了一個典型的2f光學系統(tǒng)。入射光束經(jīng)過傅里葉透鏡進一步準直后抵達LCOS器件表面。純相位型LCOS器件的主要構(gòu)成如圖5所示。其中液晶層通常使用向列性液晶材料，導向方式可以垂直型(Vertically Aligned, VA)也可以是水平型(Parallelly Aligned， PA)。通過在像素電極上施加不同的電壓值，液晶分子會隨著電場分布而轉(zhuǎn)動。由于液晶材料具有雙折射特性，在不同液晶傾角下，某特定偏振態(tài)的入射光經(jīng)過液晶后會經(jīng)歷不同的相位延遲，而且振幅理論上不受影響。根據(jù)傅里葉光學理論[54]，若在LCOS器件上顯示如圖5中紅色虛線所示的閃耀光柵全息圖，且該光柵峰-谷相位差為2π，則該閃耀光柵可以把入射光束接近100%的能量分配至其+1衍射級次。如圖5所示，出射的+1衍射級次的波陣面相對于入射波陣面存在一個偏轉(zhuǎn)角度θm。當垂直入射時，該偏轉(zhuǎn)角度與閃耀光柵周期(T)之間的關(guān)系為：

(1)

圖4 基于LCOS技術(shù)的全光開關(guān)光學構(gòu)架Fig.4 General architecture of an optical switch based on the LCOS technology

圖5 LCOS器件光束偏轉(zhuǎn)工作原理Fig.5 Principle of beam steering by the LCOS device

其中λ為入射光束波長。由于LCOS器件為反射型器件，被調(diào)制過的光束將再次經(jīng)過傅里葉透鏡。傅里葉透鏡將把由LCOS器件引入的波陣面偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成光束沿端口方向的位移，進而保證光束可以垂直入射至輸出端口，并保證了光纖耦合效率。通過調(diào)整LCOS器件上顯示的閃耀光柵周期，可以將光束分配至任意目標端口。

需要指出的是，受限于LCOS器件中像素陣列的空間采樣特性，LCOS器件的+1衍射級次衍射效率會隨著閃耀光柵的周期減小而降低。理論上，當光柵周期為8個像素時，衍射效率會降低至95%。但是，由于LCOS器件中還存在邊緣場效應[55-57]，即相鄰兩個像素相位響應存在突變時，LCOS器件無法正確顯示加載的全息圖。因此，此時的實際衍射效率會進一步降低。

3.2 WSS光學構(gòu)架

WSS的光學系統(tǒng)設(shè)計一般基于“色散-偏轉(zhuǎn)”構(gòu)架，即在光纖陣列端口沿著一個維度排布；在與之正交的維度上通過使用具有色散特性的光學元件，將不同波長信道對應的光斑分配至LCOS器件的不同區(qū)域，供LCOS器件在端口維度上進行波束控制。因此，圖6也分別從端口方向和色散方向上給出了WSS系統(tǒng)的基本光學構(gòu)架。

在圖6(a)中所示的端口方向(x軸)上，光纖準直陣列與Po平面分別在傅里葉透鏡的前后焦平面上，構(gòu)成了一個與圖4一致的2f傅里葉光學系統(tǒng)。而Po平面又位于由成像透鏡1和成像透鏡2構(gòu)成4f成像系統(tǒng)的物平面。色散單元在端口方向上不起作用。LCOS器件位于這個4f成像系統(tǒng)的成像面上。因此，該4f系統(tǒng)將Po平面投影至了LCOS器件平面。與圖4中原理一致，LCOS器件對入射光束進行空間相位調(diào)制，引入一個波陣面傾角。該波陣面傾角經(jīng)過4f系統(tǒng)再次被投影至Po平面。傅里葉透鏡將波陣面傾角轉(zhuǎn)換為光束較光軸的位移，并保證出射光斑具有較高的耦合效率。

圖6 1×N WSS光學構(gòu)架。(a)端口方向；(b)色散方向；(c)LCOS器件上光斑分布。Fig.6 Optical architecture of a 1×N WSS. (a) Along the switching axis; (b) Along the dispersion axis; (c) Optical beams on the LCOS device.

在圖6(b)中所示的色散方向(y軸)上，色散單元位于4f成像系統(tǒng)中間，起到了將不同波長的光斑分配至LCOS器件不同區(qū)域的作用(如圖6(c)所示)。由于色散單元與LCOS器件分別置于成像透鏡2的前后焦平面上，因此可以使各個波長的光束垂直入射至LCOS器件表面，進而保證出射光束在色散方向上可以原路返回。該系統(tǒng)中的色散單元可以是衍射光柵(diffraction grating)，也可以是棱鏡(prism)，也可以是衍射光柵棱鏡(grism)?，F(xiàn)有系統(tǒng)中一般采用Grism，一方面增加了其色散能力，達到減小光學系統(tǒng)尺寸的目的；同時Grism從一定程度上還可以降低錐形衍射對WSS光學性能的影響。

由圖6(c)可見，當WDM信道具有不同頻譜帶寬時，LCOS器件表面與該信道對應的光斑尺寸在色散方向上的尺寸也不盡相同。WSS系統(tǒng)需要能高效切換各種不同頻譜寬度的信道以滿足靈活柵格標準的要求。在基于LCOS器件的WSS中，只需通過軟件設(shè)置改變與該信道對應的全息光柵在色散方向上的尺寸即可實現(xiàn)靈活柵格切換。目前，基于LCOS器件的WSS能夠以6.125 GHz甚至更小的精度調(diào)節(jié)其濾波通帶寬度，極大地提升了基于網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用效率和傳輸帶寬。與之相比，使用MEMS技術(shù)的WSS中，MEMS器件中反射鏡在色散方向上寬度是固定的，而色散方向上相鄰兩個反射鏡之間的間距又遠大于LCOS器件上的像素間距，因此無法實現(xiàn)靈活柵格波長信道切換。

隨著ROADM系統(tǒng)對WSS集成度要求的日益提升，可以將兩個甚至更多的WSS集成至單個光學系統(tǒng)中。在圖7(a)所示的光學系統(tǒng)中，4f成像光學系統(tǒng)保持不變，2f傅里葉光學系統(tǒng)由兩個獨立的2f系統(tǒng)構(gòu)成。這樣兩個WSS的入射信道光斑被分配至LCOS器件的不同區(qū)域(如圖7(b)所示)。通過控制LCOS器件對應區(qū)域的設(shè)置，可以實現(xiàn)兩個獨立運行的WSS。除此之外，用集成波導器件[58-59]代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖陣列也可以進一步提升WSS的集成度。但是由于波導器件往往會帶來額外的插入損耗，因此目前該方案還未被廣泛推廣。

圖7 雙1×N WSS光學構(gòu)架。(a)端口方向；(b)LCOS器件上光斑分布。Fig.7 Optical architecture of a twin 1×N WSS. (a) Along the switching axis; (b) Optical beams on the LCOS device.

另外，WSS中的波束偏轉(zhuǎn)可以不局限于端口方向，也可以利用LCOS器件在波長方向上進行波束偏轉(zhuǎn)[60]。與之對應，光纖出入射端口也為二維分布。在這種設(shè)計下，可以在端口方向上使用更少的像素數(shù)目實現(xiàn)相同的端口數(shù)目。但是，為了保證頻譜覆蓋寬度和濾波通帶性能，需要使用分辨率更高的LCOS器件作為其核心光束偏轉(zhuǎn)器件。

4 WSS關(guān)鍵光學性能

隨著光纖通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和頻譜效率越來越高，其對WSS光學性能的要求也日益提升，以保證通信質(zhì)量和傳輸距離。WSS模塊的主要光學性能參數(shù)包括插入損耗、偏振相關(guān)損耗、消化比/串攏、濾波通帶特性、切換速度。

4.1 插入損耗

插入損耗(Insertion loss， IL)是指WSS模塊對輸入WDM信道產(chǎn)生的能量損失，是WSS模塊的重要技術(shù)指標。在一個ROADM系統(tǒng)中，輸入端-輸出端，或輸入端-下行端，或上行端-輸入端的插入損耗需要控制在16 dB以內(nèi)，以減小EDFA的放大系數(shù)，達到保證信道質(zhì)量的目的。由于上下行端的模塊通常具有較高的插入損耗(8～10 dB)，因此WSS的插入損耗一般也需要控制在8 dB甚至6 dB之內(nèi)。WSS光學系統(tǒng)中的主要插入損耗來源于色散單元、LCOS器件和光纖耦合以及系統(tǒng)裝配誤差。其中由LCOS器件產(chǎn)生的損耗最為突出。特別是當WSS系統(tǒng)需要支持大端口數(shù)目時，LCOS器件需要對入射光束施加較大的偏轉(zhuǎn)角度，LCOS器件的衍射效率也會隨之降低，增加系統(tǒng)插損。目前，業(yè)界領(lǐng)先的WSS模塊已經(jīng)可以將插損控制在5 dB以內(nèi)。

4.2 偏振相關(guān)損耗

現(xiàn)代高速光纖通信網(wǎng)絡(luò)采用偏振復用[61]方式對激光器進行調(diào)制，即兩個正交偏振態(tài)上分別加載了兩路不同的信道。該技術(shù)將光纖通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用效率提升了1倍。因此，WSS模塊需要對入射光束的偏振態(tài)不敏感，保證不同偏振態(tài)的光束在光學系統(tǒng)中經(jīng)歷相同的插入損耗。受限于液晶的雙折射特性，絕大多數(shù)LCOS器件只能對某個特定偏振態(tài)的光束進行空間相位調(diào)制。因此在WSS光學設(shè)計過程中，需要將兩個正交偏振態(tài)的入射光束在空間上分離，并扭轉(zhuǎn)其中一個偏振態(tài)的偏振方向，使兩束入射光的偏振方向與LCOS器件的工作偏振方向一致。這一偏振分離的過程可能引起偏振相關(guān)損耗(Polarisation-dependent loss， PDL)。在某些WSS設(shè)計中，這兩束入射光束分別被分配至LCOS器件不同的像素區(qū)域進行獨立處理。通過控制不同區(qū)域波束偏轉(zhuǎn)全息圖的衍射效率，可以實現(xiàn)PDL補償，但這也降低了對LCOS器件上像素的使用效率，進而限制了WSS可以支持的端口數(shù)目。在像素使用效率較高的WSS設(shè)計中，這兩個入射光共用同一個全息圖[62]，這也給PDL的補償帶來了挑戰(zhàn)。目前，業(yè)界領(lǐng)先的WSS模塊可以將PDL控制在0.5 dB以內(nèi)[63]，以保證信道傳輸質(zhì)量。

4.3 消光比/串擾

消光比(extinction ratio)[64]是任何一種全光開關(guān)的重要技術(shù)指標。當WSS將一個WDM信道分配至某個目標端口時，該信道的一部分能量會出現(xiàn)在非目標端口，造成串擾(crosstalk)，進而影響光纖通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量?；赪DM技術(shù)的全光通信網(wǎng)絡(luò)對消光比具有極高的要求。目前業(yè)界領(lǐng)先WSS可以實現(xiàn)25 dB、甚至35 dB的消光比[65]。由于LCOS器件中的邊緣場效應，入射光束經(jīng)過全息衍射之后會出現(xiàn)高階衍射級次，進而在WSS中產(chǎn)生串擾。為了滿足系統(tǒng)對消光比的要求，WSS需要從光學系統(tǒng)設(shè)計、全息圖優(yōu)化以及兩者相結(jié)合的方式綜合降低高階衍射級次對消光比的影響。下文中會較為詳細地介紹一些降低串擾的方法。

4.4 濾波通帶特性

從本質(zhì)上講，WSS屬于一種可調(diào)濾波器。濾波通帶特性(Passband)[66-68]是任何濾波器的重要技術(shù)指標。通常情況下，在WSS中使用其濾波通帶-0.5 dB和-3.0 dB衰減處對應的頻譜寬度定義其濾波通帶寬度。在基于WDM技術(shù)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，一個WDM信號通常需要經(jīng)過15個ROADM系統(tǒng)(即30個WSS)才可以抵達目的地。因此，即使是細微的WSS濾波通帶特性差異也會在網(wǎng)絡(luò)層引起巨大的信道質(zhì)量差異[68-69]。圖8給出了3個具有不同濾波通帶特性的WSS的通帶曲線。雖然它們之間的差異非常微小，但是經(jīng)過30次級聯(lián)后，濾波通帶寬度發(fā)生了明顯的收窄，傳輸信道的一部分頻譜會被過濾掉，影響該波長通信質(zhì)量。雖然可以通過調(diào)節(jié)LCOS器件上全息圖在色散方向上的寬度來提升該通道的濾波通帶寬度，但是這將犧牲相鄰波長通道的濾波通帶寬度。因此，從某種意義上來說，WSS的濾波通帶性能決定了ROADM傳輸網(wǎng)絡(luò)的頻譜使用效率和傳輸容量[67,70]。

圖8 WSS濾波通帶特性Fig.8 Passband characteristics of WSSs

通過合理光學系統(tǒng)設(shè)計可以提升WSS模塊的濾波通帶性能。在LCOS器件尺寸和WSS頻譜覆蓋范圍給定的情況下，在LCOS器件色散方向上分配給每個WDM信道的像素數(shù)目也隨著被限定。如圖9所示，這進而決定了單個WDM信道對應的波偏轉(zhuǎn)全息圖沿色散方向上的尺寸(WH)。為了提升WSS濾波通帶寬度，在光學系統(tǒng)設(shè)計的過程中需要盡量減小未經(jīng)調(diào)制的入射光斑在LCOS器件表面沿色散方向上的尺寸(WS)。

圖9 LCOS表面光斑與對應WDM信道的全息圖Fig.9 Beam shape on the LCOS device and the corresponding beam steering hologram

4.5 切換速度

WSS以及ROADM在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中一般用于高速信道切換(circuit switch)[71]，其被重新配置的頻率相對較低。因此，不同于信息包交換(packet switch)[72]，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對WSS的切換速率要求相對較低。目前秒級的切換速率即可滿足絕大多數(shù)應用場景的需求。

5 面向通信系統(tǒng)應用的LCOS技術(shù)

傳統(tǒng)LCOS技術(shù)主要面向信息顯示等相關(guān)應用而開發(fā)，對器件的分辨率、尺寸和刷新率都有著相關(guān)的要求。而通信系統(tǒng)則更加關(guān)注LCOS器件的光學性能，且要求更為苛刻。因此，傳統(tǒng)LCOS器件需要從以下幾個方面進行優(yōu)化，以滿足通信系統(tǒng)的要求。

5.1 反射率

從圖5中可以看出，LCOS器件具有三明治結(jié)構(gòu)，光束從入射到出射會分別經(jīng)過玻璃前板、ITO電極、液晶導向?qū)拥雀鲀纱?。這些光學層以及硅基背板本身對光的吸收系數(shù)隨波長而變化。傳統(tǒng)面向顯示應用的LCOS器件需要在可見光譜范圍內(nèi)具有較高的反射效率。而通信系統(tǒng)通常使用C波段和L波段的近紅外波長，頻譜覆蓋范圍相對較窄，但是對器件反射率的要求更高。一般來說，面向可見光應用設(shè)計的LCOS器件，即使在玻璃前板上進行了相關(guān)的增透鍍膜，總體反射率也很難在C波段和L波段超過75%。目前，應用于通信系統(tǒng)的LCOS器件在該波段的反射率一般都需要在85%以上。為了使LCOS器件在這兩個波段具有較高的反射率，需要對以上提及的各層光學結(jié)構(gòu)材料進行相應的優(yōu)化。

在LCOS背板上添加具有高反射率的多層介質(zhì)膜[73]或者具有亞波長結(jié)構(gòu)[74]的高反射率層可以進一步提升LCOS器件的反射率。但是這一工藝流程會進一步加大像素電極和ITO共電極之間的間距，造成較為嚴重的邊緣場效應，進而影響LCOS器件的衍射效率。因此，在器件設(shè)計過程中，需要在反射率和衍射效率之間進行平衡。

5.2 頻譜響應

由于WSS是一個可調(diào)濾波器，因此需要LCOS器件在C波段和L波段內(nèi)的頻譜響應具有較好的一致性。然而，從圖5的LCOS器件三明治結(jié)構(gòu)中可以看出，其各個光學層由具有不同折射率的材料組成。若各光學層之間的折射率匹配處理不當，極易形成諧振腔，致使LCOS器件反射率隨入射光的波長而變化。圖10給出了兩個不同LCOS器件反射率隨波長變化的曲線?？梢钥闯鲭m然LCOS 1的峰值反射率較高，但是其在頻譜范圍內(nèi)具有較大的抖動。因此，該LCOS器件中存在較為明顯的諧振腔。在WSS應用中，這樣的諧振腔會致使WSS濾波通帶中央處的頻譜響應存在抖動，進而影響信道傳輸質(zhì)量。相比之下，LCOS 2的反射率隨波長變化<1.5%，更為適合WSS應用。

圖10 LCOS器件頻譜響應特性Fig.10 Spectral response of the LCOS device

LCOS器件中光學層之間的折射率匹配處理不當不僅會引起圖10中所示的諧振腔現(xiàn)象，還會給WSS帶來串擾。在圖11所示的LCOS器件中，玻璃前板表面的增透鍍膜存在一定的問題，一部分入射光在空氣-玻璃前板表面發(fā)生反射，未能進入液晶層，降低了LCOS器件的有效反射率。但是這對WSS插損的影響相對有限。+1級衍射級次在前板玻璃-空氣界面會再次發(fā)生一定的反射，這部分反射光會進入液晶層，被二次相位調(diào)制，進而如圖所示產(chǎn)生串擾。由于WSS對消光比的要求極為苛刻，此類由二次調(diào)制造成串擾對WSS的性能有著較為嚴重的影響。

圖11 由于LCOS光學結(jié)構(gòu)引起的WSS串擾Fig.11 Crosstalk in WSS caused by imperfect coating in the LCOS device

5.3 衍射效率

LCOS器件的衍射效率也是影響基于該技術(shù)的WSS插入損耗的主要因素之一。由于C波段和L波段的波長是可見光波長的3倍左右，且一般液晶材料在通信波段的雙折率相比可見光波段更低，因此面向通信應用的LCOS器件一般需要更厚的液晶層實現(xiàn)2π的相位響應。通常情況下，面向通信應用的LCOS器件中液晶層的厚度與硅基背板上的像素尺寸相當。在這種情況下，相鄰像素電極之間的電場會發(fā)生串擾，即出現(xiàn)嚴重的邊緣場效應[55]。

如圖12所示，當相鄰像素區(qū)域之間所需要的相位響應差別較大時，對應的像素電極之間存在一個較大的電場強度變化。但是由于像素電極尺寸與它們和ITO共電極之間的間距相當，電場分布在空間上存在一個漸變的過程，無法實現(xiàn)陡峭的相位變化。同時，液晶材料的粘滯特性[75]，也阻礙了液晶材料在小范圍內(nèi)實現(xiàn)相位突變。以上這些原因綜合作用使得LCOS器件上實際的空間相位響應與加載的全息圖之間存在差異，降低了器件的衍射效率。特別是當LCOS器件顯示周期較小的閃耀光柵時，空間相位漸變區(qū)域占比較大，對衍射效率的影響尤為突出[76-77]。同時需要指出的是，當衍射效率較低時，入射能量被分配至高階衍射級次，會給WSS帶來串擾。如何保證LCOS在顯示小周期閃耀光柵的情況下具有較高的衍射效率和串擾抑制也是實現(xiàn)大端口WSS技術(shù)的挑戰(zhàn)之一。

圖12 LCOS器件中的邊緣場效應Fig.12 Fringing field effect in the LCOS device

雖然采用雙折率更高的液晶材料[78-80]可以從一定程度上降低液晶層的厚度，減小邊緣場效應的影響，達到提升衍射效率的目的。但是，高折射率的液晶材料穩(wěn)定性和壽命尚未在通信系統(tǒng)中得到驗證。

5.4 瞬時相位穩(wěn)定性

LCOS器件隨時間的相位相依穩(wěn)定性[81]是面向通信應用的LCOS器件的另一個重要光學參數(shù)。LCOS器件的瞬時相位抖動會使LCOS器件上顯示的全息圖失真。雖然這一現(xiàn)象對WSS插損的影響相對較小，但可能會提升串擾。一般情況下，液晶器件的瞬時相位穩(wěn)定性隨著工作溫度的提升而惡化。而WSS中的LCOS器件工作溫度一般在45 ℃以上，因此其瞬時相位抖動更為明顯[82]。圖13給出了兩個LCOS器件在1.7π附近的瞬時相位響應?？梢钥闯鯨COS 2具有更好的瞬時相位穩(wěn)定性。

圖13 LCOS器件中的瞬時相位抖動Fig.13 Phase flicker in LCOS devices

LCOS器件中的瞬時相位抖動主要源自于其驅(qū)動電場極性的周期性反轉(zhuǎn)。由于LCOS器件中的液晶材料中不可避免地存在離子雜質(zhì)，而離子雜質(zhì)在電極上的聚集會嚴重影響LCOS器件的壽命。為了避免這種情況的出現(xiàn)，LCOS器件驅(qū)動過程中需要使用極性周期性反轉(zhuǎn)的電場信號。在模擬型LCOS器件中，該電場極性的反轉(zhuǎn)是誘發(fā)相位響應瞬時抖動的主要因素。通過提升驅(qū)動電場極性反轉(zhuǎn)的頻率可以有效降低LCOS器件的瞬時相位抖動。

數(shù)字型LCOS器件[83]的像素電極只支持兩個電壓值，因此需要使用脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)驅(qū)動方式實現(xiàn)多階相位調(diào)制。脈沖波形在時間上的離散性是引發(fā)相位瞬時抖動的另一個主要因素。一般情況下，數(shù)字型LCOS器件中的相位抖動相對模擬型LCOS器件要大。近些年來，不同研究團隊對數(shù)字型LCOS器件中的相位抖動展開了深入的研究工作[84-88]，通過優(yōu)化脈沖分布的方式有效地降低了數(shù)字型LCOS器件中的相位抖動。

5.5 像素數(shù)目

LCOS器件上的像素數(shù)目直接決定了WSS模組中可以支持的總端口數(shù)(集成WSS個數(shù)×單個WSS端口數(shù))。雖然WSS模組可以采用多片LCOS器件，但這對光學系統(tǒng)的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)，同時也將增大WSS模組體積。目前，高端口WSS模組中普遍采用2k分辨率[89-90]的LCOS器件，實現(xiàn)接近80個總端口數(shù)。隨著信息顯示系統(tǒng)向4k分辨率演進，預期4k分辨率的LCOS器件[91-92]也將在WSS中推廣應用。JD2124LCOS器件[92-93]具有3 840×2 400分辨率，是目前公開報道中唯一一款成功在WSS系統(tǒng)中實現(xiàn)應用的4k LCOS器件，它成功集成了24個1×12 WSS[32-33]。

5.6 可靠性

在WSS系統(tǒng)中的LCOS器件往往會被加熱至45 ℃甚至更高的工作溫度，以此降低WSS模組中溫控系統(tǒng)的功耗。而WSS系統(tǒng)一旦被部署至光纖通信主干網(wǎng)中，其使用壽命一般要求在10年以上。同時，WSS部署環(huán)境的濕度、氣壓等差別相對較大。因此，通信應用對LCOS器件的可靠性提出了更高的要求。面向通信應用的LCOS器件需要從器件結(jié)構(gòu)、材料選型等多方面進行優(yōu)化，滿足通信系統(tǒng)對可靠性的苛刻要求。

5.7 全息光場調(diào)控

與全息顯示應用相同，基于LCOS技術(shù)的WSS系統(tǒng)也可以運用全息相位圖優(yōu)化技術(shù)提升性能，主要表現(xiàn)在衍射效率的提升(即插入損耗的降低)和串擾的抑制，以及WSS能量平衡(即衰減)功能的實現(xiàn)。

但是，LCOS光開關(guān)系統(tǒng)中對全息圖及其重建光場質(zhì)量的評價側(cè)重點與傳統(tǒng)信息顯示系統(tǒng)中有較大的區(qū)別。傳統(tǒng)信息顯示系統(tǒng)中的全息相位圖需要將一束入射激光衍射至空間中多個方向，形成一幅二維或者三維的圖像；LCOS光開關(guān)中的全息相位圖則需要將入射光束的能量集中衍射至某一個目標方向，并盡可能降低衍射至非目標方向上的能量，以此實現(xiàn)低插損和高消光比。面向傳統(tǒng)信息顯示應用的全息圖優(yōu)化算法一般基于Gerchberg-Saxton (GS)迭代[94]，在LCOS光開關(guān)中進行應用需要對迭代流程進行優(yōu)化。雖然經(jīng)過GS優(yōu)化的全息圖可以從一定程度上有效降低WSS中的串擾[95-96]，但是該迭代過程存在一定隨機性，在WSS中應用存在一定的局限性。

目前，僅有少量面向WSS應用的全息相位圖優(yōu)化算法被公開。干涉相消[97-98]是其中一種方法。由于LCOS器件中的邊緣場效應，器件實際顯示的全息相位圖與理論設(shè)計的理想全息光柵之間存在一定的差異，致使一部分入射能量被衍射至m≠1的衍射級次，進而在WSS中引起串擾。如圖14(a)所示，在一個理想閃耀光柵全息圖上添加一個正弦函數(shù)全息圖分量，并調(diào)整該正弦函數(shù)分量的周期、振幅以及其和理想閃耀光柵之間在空間上的相對相位位移，可以使由該正弦函數(shù)引發(fā)的衍射級次與閃耀光柵的高階衍射級次之間形成相消干涉，進而達到降低串擾的目的。如圖14(a)所示，添加過正弦函數(shù)的實際加載全息圖在空間形貌上與理想的閃耀光柵僅存在非常細微的差別。但是在圖14(b)中所示遠場光場分布中可以看出，閃耀光柵的+2衍射級次能量被降低>10 dB，達到了抑制串擾的目的。在此基礎(chǔ)上，進一步添加不同周期的正弦函數(shù)分量可以抑制其他衍射級次的能量。

圖14 (a)干涉相消全息圖優(yōu)化方法；(b)對應的光場分布。Fig.14 (a) Phase hologram optimisation based on destructive interreference; (b) Light field distribution at fibre port plane.

除了光柵類的全息相位圖，LCOS器件還可以顯示更加復雜的全息相位圖，實現(xiàn)復雜光場調(diào)控。在基于波陣面編碼(wavefront encoding)原理[39,99-101]的LCOS光開關(guān)中，光學系統(tǒng)設(shè)計和全息光場調(diào)控相互結(jié)合，實現(xiàn)了對串擾的抑制。在該類LCOS光開關(guān)系統(tǒng)中，光學系統(tǒng)設(shè)計中故意引入了一定的已知像差，LCOS器件上顯示的全息相位圖除了實現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)外，還具有像差補償功能。因此，只有目標衍射級次可以高效地耦合進目標端口，而m≠1高階衍射級次在光纖端口平面均存在不同程度的相差，光纖耦合效率較低，進而達到了串擾抑制的目的。

另外，由于高階衍射級次的出現(xiàn)位置存在一定規(guī)律，通過改變光纖陣列的空間分布可以從一定程度上降低高階衍射帶來的串擾。

當WSS需要將一個WDM波長信道從一個端口切換至另一個端口時，LCOS器件上顯示的全息相位圖需要被更新。在這個全息相位圖更新過程中，用戶沒有能力控制LCOS器件上顯示的瞬時全息位圖。而這些瞬時相位圖會引發(fā)WSS瞬態(tài)串擾，影響網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。對瞬態(tài)串擾的抑制也是LCOS WSS中特有的技術(shù)難點。有研究表明，通過添加中間態(tài)全息相位圖可以從一定程度上抑制WSS中的瞬態(tài)串擾[102-103]。波陣面編碼方案也可以從一定程度上抑制瞬態(tài)串擾[104]。

6 結(jié) 論

LCOS技術(shù)作為WSS/ROADM系統(tǒng)的主要元器件已經(jīng)成為全光通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。目前，WSS也是純相位型LCOS器件的主要應用場景。但是，全光通信網(wǎng)絡(luò)對LCOS器件性能、可靠性和全系空間光場調(diào)控質(zhì)量都提出了苛刻的要求。這給WSS系統(tǒng)的設(shè)計，LCOS器件的開發(fā)和使用都提出了一系列特殊的技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著全光通信網(wǎng)絡(luò)向更多維度、更高傳輸速率發(fā)展，對WSS端口數(shù)目、光學性能的要求也將越來越高。面向未來全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，本文中介紹的WSS和LCOS的各個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)上都迫切需要技術(shù)突破。期望通過對這些關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的介紹，加深廣大讀者對該領(lǐng)域的認知，達到推動該領(lǐng)域進一步發(fā)展的目的。