硅基液晶技術(shù)與可重構(gòu)全光通信網(wǎng)絡(luò)

楊海寧， 李 昆， 初大平

(1. 東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)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(xué) 工程系 光電器件及傳感器中心，英國(guó) 劍橋 CB3 0FA)

1 引 言

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，可重構(gòu)全光分插復(fù)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(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)級(jí)的路徑調(diào)度和恢復(fù)[6]，極大地提升了網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)性和魯棒性。同時(shí)，ROADM系統(tǒng)中的波長(zhǎng)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(guò)程。因此，ROADM技術(shù)對(duì)波長(zhǎng)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(wù)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(diǎn)，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(yùn)營(yíng)成本(Operational Expenses, OpEx)[9]，在世界各地得到了廣泛的部署。

波長(zhǎng)選擇開(kāi)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(gè)輸入端口和N個(gè)輸出端口。WSS可以將輸入端口接收到的任意波長(zhǎng)信道切換至任意輸出端口。一個(gè)ROADM系統(tǒng)通常由多個(gè)WSS配對(duì)級(jí)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M(jìn)icro Electromechanical System (MEMS)技術(shù)[12,16]。基于LCOS技術(shù)的WSS具有高端口數(shù)目，且支持靈活柵格(Flex-grid)標(biāo)準(zhǔn)[17]，可大幅提升全光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。因此，近年來(lái)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(xué)元件組成的混合光電芯片，可以實(shí)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(duì)入射光的空間振幅進(jìn)行調(diào)制，通常應(yīng)用在信息顯示系統(tǒng)[22-24]中。而相位型LCOS器件只對(duì)入射光的空間相位進(jìn)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(xué)能量效率。但是，純相位型LCOS器件對(duì)制備工藝[25]的要求相對(duì)較高。由于ROADM系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(jìn)一步詳細(xì)介紹WSS的光學(xué)構(gòu)架和關(guān)鍵性能參數(shù)；最后本文將從器件層面詳細(xì)介紹面向通信應(yīng)用的LCOS器件中的關(guān)鍵參數(shù)和指標(biāo)。

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(gè)單模光纖輸入端口和N個(gè)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(fù)用(wavelength division multiplexing, WDM)信號(hào)。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(guò)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(gè)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(zhǎng)信道切換，WSS還應(yīng)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(zhǎng)相關(guān)性，因此進(jìn)入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的各個(gè)WDM波長(zhǎng)信道之間的能量存在一定差異。這會(huì)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(yùn)營(yíng)商通常使用WSS對(duì)WDM信道進(jìn)行能量平衡，以達(dá)到優(yōu)化傳輸質(zhì)量的目的。由于WSS是一個(gè)無(wú)源器件，能量平衡一般通過(guò)對(duì)能量較高的輸入WDM信道進(jìn)行衰減[27]實(shí)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(lái)越高。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)通常需要支持8個(gè)、16個(gè)或者更高的維度。這對(duì)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(lái)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通常基于LCOS技術(shù)或MEMS技術(shù)。

(3)集成度：網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)處對(duì)WSS的需求量隨著網(wǎng)絡(luò)維度的提升而線性增長(zhǎng)，因此將多個(gè)1×NWSS共同封裝在一個(gè)模塊中也成為近些年來(lái)業(yè)界發(fā)展的趨勢(shì)。目前，將2個(gè)WSS[29-30]封裝在一個(gè)WSS模塊中已經(jīng)成為業(yè)界主流選擇。近些年來(lái)，也有將4個(gè)WSS[31]，甚至24個(gè)WSS[32-33]封裝在一個(gè)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(duì)傳輸帶寬需求的增加，C波段逐漸無(wú)法滿足網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸容量的需求。近些年來(lái)，光纖通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始嘗試使用L波進(jìn)行傳輸。于此對(duì)應(yīng)，WSS開(kāi)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(lái)，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(shí)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(fèi)。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(biāo)準(zhǔn)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(wú)法支持靈活柵格標(biāo)準(zhǔn)，近些年來(lái)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(biāo)準(zhǔn)。基于LCOS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(guò)全息光場(chǎng)控制的方式將一個(gè)輸入WDM信道同時(shí)分配至兩個(gè)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(yīng)用場(chǎng)景下(如信道質(zhì)量檢測(cè)[40])能發(fā)揮相應(yīng)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(fù)責(zé)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(yīng)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(jìn)一步傳輸。

由圖2 可見(jiàn)，ROADM傳輸端由一系列1×NWSS配對(duì)級(jí)聯(lián)組成。從一個(gè)維度輸入的WDM信道被該維度對(duì)應(yīng)的輸入WSS分配至目標(biāo)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(biāo)輸出端的WSS則負(fù)責(zé)將該WDM信道分差復(fù)用(multiplex)至對(duì)應(yīng)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(gè)WDM信道會(huì)經(jīng)過(guò)2個(gè)WSS，進(jìn)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(yīng)用在維度較低的ROADM系統(tǒng)之中。同時(shí)由于分光器不具備濾波功能，該構(gòu)架也會(huì)降低傳輸信噪比。

在如圖2所示的這個(gè)基于“分配-選擇”構(gòu)架的4維ROADM系統(tǒng)中，需要使用8個(gè)1×NWSS模塊。以此類推，具有16個(gè)維度的ROADM系統(tǒng)則需要32個(gè)1×NWSS。同時(shí)，在高維度ROADM系統(tǒng)中，傳輸端的WSS需要與更多的WSS配對(duì)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(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)。為了滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)維護(hù)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(gè)屬性。

(1)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)(Colourless)[45]：是指任意上下行端口都可以接收任意波長(zhǎng)的WDM信道。ROADM系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)軟件控制的方式改變?nèi)我舛丝诘牟ㄩL(zhǎng)分配，而不需要對(duì)上下行端口的模塊進(jìn)行物理調(diào)整。

(2)方向無(wú)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(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān)(Contentionless)[47]：是指來(lái)自不同維度兩個(gè)具有相同波長(zhǎng)的信道可以同時(shí)被分配至兩個(gè)下行端口，兩者之間不存在沖突；或者兩個(gè)具有相同波長(zhǎng)的上行信道可以被同時(shí)分配至各自對(duì)應(yīng)的目標(biāo)輸出維度端口。

同時(shí)滿足以上3個(gè)屬性的ROADM系統(tǒng)通常被稱為CDC ROADM。有時(shí)也會(huì)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(yùn)營(yíng)商帶來(lái)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(guò)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(duì)復(fù)雜，成本較高。在有的應(yīng)用場(chǎng)景下，運(yùn)營(yíng)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(kāi)關(guān)(multicasting switch， MCS)[49]或者波長(zhǎng)交叉連接器(wavelength crossconnect, WXC)[50-52]實(shí)現(xiàn)。

圖3(a)給出了MCS的基本構(gòu)架。一個(gè)M×NMCS由M個(gè)1×N分光器和N個(gè)1×M空間光開(kāi)關(guān)(Space Switch, SS)配對(duì)級(jí)聯(lián)組成。其中M對(duì)應(yīng)ROADM傳輸端的維度，N對(duì)應(yīng)這個(gè)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(dāng)MCS需要支持較大上下行端口數(shù)目時(shí)會(huì)引入較大的插入損耗。MCS過(guò)高的插入損耗需要通過(guò)在其輸入端口處部署EDFA陣列進(jìn)行補(bǔ)償。但這會(huì)帶來(lái)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(gè)。

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(zhǎng)信道高效地分配至目標(biāo)上下行端口對(duì)應(yīng)的空間光開(kāi)關(guān)。WSS的插損不會(huì)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(lái)的擴(kuò)展性的問(wèn)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(gè)ROADM傳輸維度和24個(gè)上下行端口。另外，在光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，WXC中的空間光開(kāi)關(guān)可以被集成至WSS的光路中[53]，進(jìn)一步提升系統(tǒng)集成度。需要指出的是此類WXC構(gòu)架相對(duì)比較復(fù)雜，目前系統(tǒng)體積和成本仍然相對(duì)較高。

3 WSS光學(xué)構(gòu)架

3.1 LCOS全息光開(kāi)關(guān)光學(xué)構(gòu)架

圖4給出了基于LCOS技術(shù)的全光開(kāi)關(guān)的基本構(gòu)架。在這個(gè)光學(xué)構(gòu)架中，光纖準(zhǔn)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(gè)典型的2f光學(xué)系統(tǒng)。入射光束經(jīng)過(guò)傅里葉透鏡進(jìn)一步準(zhǔn)直后抵達(dá)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(dǎo)向方式可以垂直型(Vertically Aligned, VA)也可以是水平型(Parallelly Aligned， PA)。通過(guò)在像素電極上施加不同的電壓值，液晶分子會(huì)隨著電場(chǎng)分布而轉(zhuǎn)動(dòng)。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(guò)液晶后會(huì)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(xué)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(jí)次。如圖5所示，出射的+1衍射級(jí)次的波陣面相對(duì)于入射波陣面存在一個(gè)偏轉(zhuǎn)角度θm。當(dāng)垂直入射時(shí)，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(kāi)關(guān)光學(xué)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(zhǎng)。由于LCOS器件為反射型器件，被調(diào)制過(guò)的光束將再次經(jīng)過(guò)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(jìn)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(guò)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(biāo)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(jí)次衍射效率會(huì)隨著閃耀光柵的周期減小而降低。理論上，當(dāng)光柵周期為8個(gè)像素時(shí)，衍射效率會(huì)降低至95%。但是，由于LCOS器件中還存在邊緣場(chǎng)效應(yīng)[55-57]，即相鄰兩個(gè)像素相位響應(yīng)存在突變時(shí)，LCOS器件無(wú)法正確顯示加載的全息圖。因此，此時(shí)的實(shí)際衍射效率會(huì)進(jìn)一步降低。

3.2 WSS光學(xué)構(gòu)架

WSS的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般基于“色散-偏轉(zhuǎn)”構(gòu)架，即在光纖陣列端口沿著一個(gè)維度排布；在與之正交的維度上通過(guò)使用具有色散特性的光學(xué)元件，將不同波長(zhǎng)信道對(duì)應(yīng)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(jìn)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(xué)構(gòu)架。

在圖6(a)中所示的端口方向(x軸)上，光纖準(zhǔn)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(gè)與圖4一致的2f傅里葉光學(xué)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(gè)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(duì)入射光束進(jìn)行空間相位調(diào)制，引入一個(gè)波陣面傾角。該波陣面傾角經(jīng)過(guò)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(xué)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(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)的光束垂直入射至LCOS器件表面，進(jìn)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)。現(xiàn)有系統(tǒng)中一般采用Grism，一方面增加了其色散能力，達(dá)到減小光學(xué)系統(tǒng)尺寸的目的；同時(shí)Grism從一定程度上還可以降低錐形衍射對(duì)WSS光學(xué)性能的影響。

由圖6(c)可見(jiàn)，當(dāng)WDM信道具有不同頻譜帶寬時(shí)，LCOS器件表面與該信道對(duì)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的要求。在基于LCOS器件的WSS中，只需通過(guò)軟件設(shè)置改變與該信道對(duì)應(yīng)的全息光柵在色散方向上的尺寸即可實(shí)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(gè)反射鏡之間的間距又遠(yuǎn)大于LCOS器件上的像素間距，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈活柵格波長(zhǎng)信道切換。

隨著ROADM系統(tǒng)對(duì)WSS集成度要求的日益提升，可以將兩個(gè)甚至更多的WSS集成至單個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中。在圖7(a)所示的光學(xué)系統(tǒng)中，4f成像光學(xué)系統(tǒng)保持不變，2f傅里葉光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的2f系統(tǒng)構(gòu)成。這樣兩個(gè)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(guò)控制LCOS器件對(duì)應(yīng)區(qū)域的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的WSS。除此之外，用集成波導(dǎo)器件[58-59]代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖陣列也可以進(jìn)一步提升WSS的集成度。但是由于波導(dǎo)器件往往會(huì)帶來(lái)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(xué)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(zhǎng)方向上進(jìn)行波束偏轉(zhuǎn)[60]。與之對(duì)應(yīng)，光纖出入射端口也為二維分布。在這種設(shè)計(jì)下，可以在端口方向上使用更少的像素?cái)?shù)目實(shí)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(xué)性能

隨著光纖通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和頻譜效率越來(lái)越高，其對(duì)WSS光學(xué)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(xué)性能參數(shù)包括插入損耗、偏振相關(guān)損耗、消化比/串?dāng)n、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(duì)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(biāo)。在一個(gè)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(dá)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(xué)系統(tǒng)中的主要插入損耗來(lái)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(dāng)WSS系統(tǒng)需要支持大端口數(shù)目時(shí)，LCOS器件需要對(duì)入射光束施加較大的偏轉(zhuǎn)角度，LCOS器件的衍射效率也會(huì)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(fù)用[61]方式對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制，即兩個(gè)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(duì)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(xué)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(duì)某個(gè)特定偏振態(tài)的光束進(jìn)行空間相位調(diào)制。因此在WSS光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要將兩個(gè)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(gè)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(guò)程可能引起偏振相關(guān)損耗(Polarisation-dependent loss， PDL)。在某些WSS設(shè)計(jì)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(jìn)行獨(dú)立處理。通過(guò)控制不同區(qū)域波束偏轉(zhuǎn)全息圖的衍射效率，可以實(shí)現(xiàn)PDL補(bǔ)償，但這也降低了對(duì)LCOS器件上像素的使用效率，進(jìn)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(jì)中，這兩個(gè)入射光共用同一個(gè)全息圖[62]，這也給PDL的補(bǔ)償帶來(lái)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?dāng)_

消光比(extinction ratio)[64]是任何一種全光開(kāi)關(guān)的重要技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)WSS將一個(gè)WDM信道分配至某個(gè)目標(biāo)端口時(shí)，該信道的一部分能量會(huì)出現(xiàn)在非目標(biāo)端口，造成串?dāng)_(crosstalk)，進(jìn)而影響光纖通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量。基于WDM技術(shù)的全光通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)消光比具有極高的要求。目前業(yè)界領(lǐng)先WSS可以實(shí)現(xiàn)25 dB、甚至35 dB的消光比[65]。由于LCOS器件中的邊緣場(chǎng)效應(yīng)，入射光束經(jīng)過(guò)全息衍射之后會(huì)出現(xiàn)高階衍射級(jí)次，進(jìn)而在WSS中產(chǎn)生串?dāng)_。為了滿足系統(tǒng)對(duì)消光比的要求，WSS需要從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(jí)次對(duì)消光比的影響。下文中會(huì)較為詳細(xì)地介紹一些降低串?dāng)_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(biāo)。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(duì)應(yīng)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(gè)WDM信號(hào)通常需要經(jīng)過(guò)15個(gè)ROADM系統(tǒng)(即30個(gè)WSS)才可以抵達(dá)目的地。因此，即使是細(xì)微的WSS濾波通帶特性差異也會(huì)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(gè)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(guò)30次級(jí)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(huì)被過(guò)濾掉，影響該波長(zhǎng)通信質(zhì)量。雖然可以通過(guò)調(diào)節(jié)LCOS器件上全息圖在色散方向上的寬度來(lái)提升該通道的濾波通帶寬度，但是這將犧牲相鄰波長(zhǎng)通道的濾波通帶寬度。因此，從某種意義上來(lái)說(shuō)，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(guò)合理光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)WDM信道的像素?cái)?shù)目也隨著被限定。如圖9所示，這進(jìn)而決定了單個(gè)WDM信道對(duì)應(yīng)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)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(duì)應(yīng)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(duì)較低。因此，不同于信息包交換(packet switch)[72]，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)WSS的切換速率要求相對(duì)較低。目前秒級(jí)的切換速率即可滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

5 面向通信系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)用而開(kāi)發(fā)，對(duì)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(xué)性能，且要求更為苛刻。因此，傳統(tǒng)LCOS器件需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(huì)分別經(jīng)過(guò)玻璃前板、ITO電極、液晶導(dǎo)向?qū)拥雀鲀纱巍＿@些光學(xué)層以及硅基背板本身對(duì)光的吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)而變化。傳統(tǒng)面向顯示應(yīng)用的LCOS器件需要在可見(jiàn)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(zhǎng)，頻譜覆蓋范圍相對(duì)較窄，但是對(duì)器件反射率的要求更高。一般來(lái)說(shuō)，面向可見(jiàn)光應(yīng)用設(shè)計(jì)的LCOS器件，即使在玻璃前板上進(jìn)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(guò)75%。目前，應(yīng)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(gè)波段具有較高的反射率，需要對(duì)以上提及的各層光學(xué)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行相應(yīng)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)[74]的高反射率層可以進(jìn)一步提升LCOS器件的反射率。但是這一工藝流程會(huì)進(jìn)一步加大像素電極和ITO共電極之間的間距，造成較為嚴(yán)重的邊緣場(chǎng)效應(yīng)，進(jìn)而影響LCOS器件的衍射效率。因此，在器件設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在反射率和衍射效率之間進(jìn)行平衡。

5.2 頻譜響應(yīng)

由于WSS是一個(gè)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(yīng)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(gè)光學(xué)層由具有不同折射率的材料組成。若各光學(xué)層之間的折射率匹配處理不當(dāng)，極易形成諧振腔，致使LCOS器件反射率隨入射光的波長(zhǎng)而變化。圖10給出了兩個(gè)不同LCOS器件反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線。可以看出雖然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(dòng)。因此，該LCOS器件中存在較為明顯的諧振腔。在WSS應(yīng)用中，這樣的諧振腔會(huì)致使WSS濾波通帶中央處的頻譜響應(yīng)存在抖動(dòng)，進(jìn)而影響信道傳輸質(zhì)量。相比之下，LCOS 2的反射率隨波長(zhǎng)變化<1.5%，更為適合WSS應(yīng)用。

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

LCOS器件中光學(xué)層之間的折射率匹配處理不當(dāng)不僅會(huì)引起圖10中所示的諧振腔現(xiàn)象，還會(huì)給WSS帶來(lái)串?dāng)_。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(wèn)題，一部分入射光在空氣-玻璃前板表面發(fā)生反射，未能進(jìn)入液晶層，降低了LCOS器件的有效反射率。但是這對(duì)WSS插損的影響相對(duì)有限。+1級(jí)衍射級(jí)次在前板玻璃-空氣界面會(huì)再次發(fā)生一定的反射，這部分反射光會(huì)進(jìn)入液晶層，被二次相位調(diào)制，進(jìn)而如圖所示產(chǎn)生串?dāng)_。由于WSS對(duì)消光比的要求極為苛刻，此類由二次調(diào)制造成串?dāng)_對(duì)WSS的性能有著較為嚴(yán)重的影響。

圖11 由于LCOS光學(xué)結(jié)構(gòu)引起的WSS串?dāng)_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(zhǎng)是可見(jiàn)光波長(zhǎng)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(jiàn)光波段更低，因此面向通信應(yīng)用的LCOS器件一般需要更厚的液晶層實(shí)現(xiàn)2π的相位響應(yīng)。通常情況下，面向通信應(yīng)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(dāng)。在這種情況下，相鄰像素電極之間的電場(chǎng)會(huì)發(fā)生串?dāng)_，即出現(xiàn)嚴(yán)重的邊緣場(chǎng)效應(yīng)[55]。

如圖12所示，當(dāng)相鄰像素區(qū)域之間所需要的相位響應(yīng)差別較大時(shí)，對(duì)應(yīng)的像素電極之間存在一個(gè)較大的電場(chǎng)強(qiáng)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(dāng)，電場(chǎng)分布在空間上存在一個(gè)漸變的過(guò)程，無(wú)法實(shí)現(xiàn)陡峭的相位變化。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)相位突變。以上這些原因綜合作用使得LCOS器件上實(shí)際的空間相位響應(yīng)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(dāng)LCOS器件顯示周期較小的閃耀光柵時(shí)，空間相位漸變區(qū)域占比較大，對(duì)衍射效率的影響尤為突出[76-77]。同時(shí)需要指出的是，當(dāng)衍射效率較低時(shí)，入射能量被分配至高階衍射級(jí)次，會(huì)給WSS帶來(lái)串?dāng)_。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?dāng)_抑制也是實(shí)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(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)的影響，達(dá)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(yàn)證。

5.4 瞬時(shí)相位穩(wěn)定性

LCOS器件隨時(shí)間的相位相依穩(wěn)定性[81]是面向通信應(yīng)用的LCOS器件的另一個(gè)重要光學(xué)參數(shù)。LCOS器件的瞬時(shí)相位抖動(dòng)會(huì)使LCOS器件上顯示的全息圖失真。雖然這一現(xiàn)象對(duì)WSS插損的影響相對(duì)較小，但可能會(huì)提升串?dāng)_。一般情況下，液晶器件的瞬時(shí)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(shí)相位抖動(dòng)更為明顯[82]。圖13給出了兩個(gè)LCOS器件在1.7π附近的瞬時(shí)相位響應(yīng)。可以看出LCOS 2具有更好的瞬時(shí)相位穩(wěn)定性。

圖13 LCOS器件中的瞬時(shí)相位抖動(dòng)Fig.13 Phase flicker in LCOS devices

LCOS器件中的瞬時(shí)相位抖動(dòng)主要源自于其驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)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(huì)嚴(yán)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(dòng)過(guò)程中需要使用極性周期性反轉(zhuǎn)的電場(chǎng)信號(hào)。在模擬型LCOS器件中，該電場(chǎng)極性的反轉(zhuǎn)是誘發(fā)相位響應(yīng)瞬時(shí)抖動(dòng)的主要因素。通過(guò)提升驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)的頻率可以有效降低LCOS器件的瞬時(shí)相位抖動(dòng)。

數(shù)字型LCOS器件[83]的像素電極只支持兩個(gè)電壓值，因此需要使用脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)多階相位調(diào)制。脈沖波形在時(shí)間上的離散性是引發(fā)相位瞬時(shí)抖動(dòng)的另一個(gè)主要因素。一般情況下，數(shù)字型LCOS器件中的相位抖動(dòng)相對(duì)模擬型LCOS器件要大。近些年來(lái)，不同研究團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)字型LCOS器件中的相位抖動(dòng)展開(kāi)了深入的研究工作[84-88]，通過(guò)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(dòng)。

5.5 像素?cái)?shù)目

LCOS器件上的像素?cái)?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(gè)數(shù)×單個(gè)WSS端口數(shù))。雖然WSS模組可以采用多片LCOS器件，但這對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)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(shí)現(xiàn)接近80個(gè)總端口數(shù)。隨著信息顯示系統(tǒng)向4k分辨率演進(jìn)，預(yù)期4k分辨率的LCOS器件[91-92]也將在WSS中推廣應(yīng)用。JD2124LCOS器件[92-93]具有3 840×2 400分辨率，是目前公開(kāi)報(bào)道中唯一一款成功在WSS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的4k LCOS器件，它成功集成了24個(gè)1×12 WSS[32-33]。

5.6 可靠性

在WSS系統(tǒng)中的LCOS器件往往會(huì)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(shí)，WSS部署環(huán)境的濕度、氣壓等差別相對(duì)較大。因此，通信應(yīng)用對(duì)LCOS器件的可靠性提出了更高的要求。面向通信應(yīng)用的LCOS器件需要從器件結(jié)構(gòu)、材料選型等多方面進(jìn)行優(yōu)化，滿足通信系統(tǒng)對(duì)可靠性的苛刻要求。

5.7 全息光場(chǎng)調(diào)控

與全息顯示應(yīng)用相同，基于LCOS技術(shù)的WSS系統(tǒng)也可以運(yùn)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?dāng)_的抑制，以及WSS能量平衡(即衰減)功能的實(shí)現(xiàn)。

但是，LCOS光開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中對(duì)全息圖及其重建光場(chǎng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)側(cè)重點(diǎn)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(gè)方向，形成一幅二維或者三維的圖像；LCOS光開(kāi)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(gè)目標(biāo)方向，并盡可能降低衍射至非目標(biāo)方向上的能量，以此實(shí)現(xiàn)低插損和高消光比。面向傳統(tǒng)信息顯示應(yīng)用的全息圖優(yōu)化算法一般基于Gerchberg-Saxton (GS)迭代[94]，在LCOS光開(kāi)關(guān)中進(jìn)行應(yīng)用需要對(duì)迭代流程進(jìn)行優(yōu)化。雖然經(jīng)過(guò)GS優(yōu)化的全息圖可以從一定程度上有效降低WSS中的串?dāng)_[95-96]，但是該迭代過(guò)程存在一定隨機(jī)性，在WSS中應(yīng)用存在一定的局限性。

目前，僅有少量面向WSS應(yīng)用的全息相位圖優(yōu)化算法被公開(kāi)。干涉相消[97-98]是其中一種方法。由于LCOS器件中的邊緣場(chǎng)效應(yīng)，器件實(shí)際顯示的全息相位圖與理論設(shè)計(jì)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(jí)次，進(jìn)而在WSS中引起串?dāng)_。如圖14(a)所示，在一個(gè)理想閃耀光柵全息圖上添加一個(gè)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(duì)相位位移，可以使由該正弦函數(shù)引發(fā)的衍射級(jí)次與閃耀光柵的高階衍射級(jí)次之間形成相消干涉，進(jìn)而達(dá)到降低串?dāng)_的目的。如圖14(a)所示，添加過(guò)正弦函數(shù)的實(shí)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(xì)微的差別。但是在圖14(b)中所示遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)分布中可以看出，閃耀光柵的+2衍射級(jí)次能量被降低>10 dB，達(dá)到了抑制串?dāng)_的目的。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jí)次的能量。

圖14 (a)干涉相消全息圖優(yōu)化方法；(b)對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)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(fù)雜的全息相位圖，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光場(chǎng)調(diào)控。在基于波陣面編碼(wavefront encoding)原理[39,99-101]的LCOS光開(kāi)關(guān)中，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和全息光場(chǎng)調(diào)控相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)串?dāng)_的抑制。在該類LCOS光開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)外，還具有像差補(bǔ)償功能。因此，只有目標(biāo)衍射級(jí)次可以高效地耦合進(jìn)目標(biāo)端口，而m≠1高階衍射級(jí)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(jìn)而達(dá)到了串?dāng)_抑制的目的。

另外，由于高階衍射級(jí)次的出現(xiàn)位置存在一定規(guī)律，通過(guò)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(lái)的串?dāng)_。

當(dāng)WSS需要將一個(gè)WDM波長(zhǎng)信道從一個(gè)端口切換至另一個(gè)端口時(shí)，LCOS器件上顯示的全息相位圖需要被更新。在這個(gè)全息相位圖更新過(guò)程中，用戶沒(méi)有能力控制LCOS器件上顯示的瞬時(shí)全息位圖。而這些瞬時(shí)相位圖會(huì)引發(fā)WSS瞬態(tài)串?dāng)_，影響網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。對(duì)瞬態(tài)串?dāng)_的抑制也是LCOS WSS中特有的技術(shù)難點(diǎn)。有研究表明，通過(guò)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?dāng)_[102-103]。波陣面編碼方案也可以從一定程度上抑制瞬態(tài)串?dāng)_[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(yīng)用場(chǎng)景。但是，全光通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)LCOS器件性能、可靠性和全系空間光場(chǎng)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(jì)，LCOS器件的開(kāi)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(duì)WSS端口數(shù)目、光學(xué)性能的要求也將越來(lái)越高。面向未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，本文中介紹的WSS和LCOS的各個(gè)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(guò)對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的介紹，加深廣大讀者對(duì)該領(lǐng)域的認(rèn)知，達(dá)到推動(dòng)該領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的目的。