ROADM现状三:I类ROADM和II类ROADM

光纤在线编辑部  2007-12-25 12:30:36  文章来源:综合整理  版权所有,未经许可严禁转载.

导读:


1.I类ROADM的研究现状
    I类ROADM的每个ADD/DROP端口只能上/下载固定的波长,它可以采用B&S型或者WS型结构。
1)基于WB的B&S型I类ROADM
WB(Wavelength Blocker,波长阻塞器)是B&S型ROADM中的关键器件,其实现技术有MEMS、LC(Liquid Crystal,液晶)、PLC,等等。以WB为核心,配置成图2.8所示结构,即可实现B&S型I类ROADM,因此下面仅对各种WB实现技术作介绍。
a)基于MEMS技术的WB
    2005年,贝尔实验室的Neilson等人报道了一种基于MEMS技术、具有通道均衡功能的WB,如图3.1所示,它由一个三端口环形器、一个透镜组、一个衍射光栅和一个MEMS微镜阵列组成。
    经环形器输入的DWDM信号,先由透镜组准直,然后被光栅衍射,不同波长对应不同衍射角度,经透镜组聚焦到MEMS微镜阵列的不同单元上,需要阻塞的波长被反射镜偏离,而直通波长被反射后,沿原光路回到环行器的端口。
    通过对衍射光栅、透镜组和MEMS微镜阵列的优化设计,得到了很好的通带特性;由于各个波长被各个反射镜独立反射或偏转,相互之间没有制约关系,因此该器件可以阻塞任一或任一组波长;也可以通过反射镜对各直通波长偏转一定角度以达到适当的衰减,使该器件同时具有动态通道均衡功能;因为靠静电吸引来扭转MEMS反射镜,该器件的功耗非常小。
    
               图3.1 基于MEMS技术的WB结构

图3.2所示为该WB的传输谱线,其通道数为64,通道间隔为100GHz,IL小于5dB,PDL小于0.35dB,串扰低于-35dB,0.5dB和3dB通带宽度分别为58GHz和87GHz。
     
图3.2 基于MEMS技术的WB传输谱线,左坐标-所有波长均直通,右坐标-直通/阻塞波长相间隔

b)基于LC技术的WB
图3.3所示为美国JDSU公司的基于LC技术的WB方案,它由一个偏振转换组件、两个透镜、一个衍射光栅和一个带反射镜的LC阵列组成,其中的偏振转换组件由一个偏振分光棱镜(Polarization Beam Splitter, PBS),一个直角棱镜和两个半波片组成。
    任意偏振态的DWDM信号,先被偏振转换组件变换成相同偏振态的两束光,经过两个透镜组成的望远系统,光束被展宽,投射到衍射光栅上,不同波长被衍射至不同角度,再经透镜2聚焦到LC阵列的不同单元上,将需要阻断的波长完全衰减,而其他波长被反射或者适当衰减,沿原路返回,再次经过偏振转换组件中的PBS时,因偏振态旋转了90°,从另一端口输出。各波长被各LC单元独立控制,因此该WB可以阻塞任一或任一组波长。
    
                图3.3 基于LC技术的WB结构

图3.4所示为该WB的传输谱线,该器件可工作于100GHz和50GHz,通道数达100个,IL小于5dB,PDL小于0.3dB,串扰低于-40dB,0.5dB通带宽度大于50GHz(100GHz通道间隔)。
    
     图3.4 基于LC技术的WB传输谱线,直通/阻塞波长相间隔

c)基于PLC技术的WB
    Neophotonics公司的Liu等人在2005年的OFC会议上报道了一种基于PLC技术的WB,如图3.5所示,它由一个解复用器、一个阻塞器阵列和一个复用器组成,其中解复用器和复用器为AWG,阻塞器为基于Mach-Zehnder(MZ)干涉的热光开关,而且采用两级光开关串联以提高消光比。
    各阻塞器独立控制每个波长,因此该器件也可以阻塞任一或任一组波长;控制加热电极使各直通波长也达到适当衰减,则该器件同时具有动态通道均衡功能。
    该WB的通道数为32,通道间隔为100GHz,IL小于5dB,PDL小于0.4dB,串扰低于-35dB,0.5dB和3dB通带宽度分别为50GHz和68GHz;该器件总功耗为13W,包括阻塞器阵列的功耗9W和两个AWG的温控功耗4W。

      
                           (a)
      
                           (b)
图3.5 基于PLC技术的WB,(a)结构示意图,(b)芯片布版

2)基于PLC技术的WS型I类ROADM
    以基于PLC技术的AWG和热光开关分别作为复用/解复用器和控制单元,可以实现单片集成的WS型ROADM。

a)基于PLC技术的传统ROADM结构
     图3.6所示为一种基于PLC技术的传统ROADM,采用WS型结构,它由一个解复用器、一个2×2热光开关阵列、一个热光VOA阵列、一个TAP耦合器阵列、一个探测器(Photo Detector, PD)阵列和一个复用器组成,其中复用/解复用器为AWG,光开关一般采用两级串联以提高消光比。由于材料不兼容,其中的PD阵列不能与其他器件一起集成在PLC芯片上,而是另外制作一个PD芯片,PD芯片与PLC芯片采用倒装方式封装在一起,PLC芯片上的TAP耦合器,其输出端口通过一个制作在PLC芯片上的45º反射镜阵列,与PD芯片上的探测器单元进行耦合。

    
            图3.6 基于PLC技术的传统ROADM结构

    考虑系统的可靠性,全光通信网一般采用双向光纤环网结构,两条光纤互为备份保护,而每个节点中包含两个ROADM器件。以这种传统结构的ROADM器件构筑双向光纤环网中的节点,如图3.7所示,如果其中一个ROADM器件发生故障,则整个节点必须被隔离。我们再来回顾图2.1中的节点结构,由于ROADM器件的上/下载模块分离,如果其中一个ROADM器件发生故障,只会使本节点损失一半上/下载能力。因此,上/下载模块分离的ROADM器件,其可靠性优于传统结构的ROADM器件。

    
    图3.7 以传统结构ROADM器件构筑的双向光纤环网节点

b)上/下载模块分离的PLC单片集成ROADM
    图3.8所示为一种基于PLC技术、上/下载模块分离的ROADM结构,美国JDSU公司和DuPont公司分别在硅基二氧化硅材料和Polymer材料上制作了这种结构的ROADM,均为40通道,通道间隔为100GHz。JDSU公司的器件特性为,直通波长IL小于7.5dB,上/下载波长IL小于5.8dB,PDL小于0.5dB,串扰低于-30dB,0.5dB通带宽度为52GHz,VOA动态范围为25dB。DuPont公司的器件特性为,直通波长IL小于7dB,PDL小于0.4dB,串扰低于-50dB,0.5dB和3dB通带宽度分别为40GHz和81GHz, VOA动态范围为20dB。后者采用Polymer材料,热光系数为二氧化硅的32倍,因此功耗大大降低。

       图3.8 上/下载模块分离的PLC单片集成ROADM结构

该ROADM的另一个优点是具有广播功能,即多个节点能够从同一个波长下载信号,广播功能广泛用于多种业务,如高清电视和视频点播。

c)基于PLC技术的多功能ROADM
    2002年,贝尔实验室的Earnshaw等人报道了一种基于PLC技术的多功能ROADM,如图3.9所示,它由两个解复用器、两个复用器和一个1×2热光开关阵列组成,除了一组分立的ADD/DROP端口,该器件还有一个公共的ADD/DROP端口。通过热光开关的控制,每个波长可以被下载到分立DROP端口,也可以被下载到公共DROP端口,信号的上载也可以选择分立或者公共ADD端口。
    每个分立ADD/DROP端口只能上/下载固定的单个波长,因此该ROADM结构归于I类;公共ADD/DROP端口可以上/下载任意波长的组合,可用于跟其他光纤环网中ROADM节点之间的互连,相当于将该器件的维数提升为四维,因此该ROADM被称为多功能型。
    该器件的通道数为16,通道间隔为200GHz,器件的损耗,从输入端口到直通端口或者公共DROP端口,或者从公共ADD端口到直通端口,均经过了两个AWG,IL小于5.5dB;从输入端口到分立DROP端口,或者从分立ADD端口到直通端口,都只经过了一个AWG,IL分别为2.6~4.0dB和2.2~3.5dB,分立端口的损耗差异,是因光波导的交叉损耗引起,每个分立端口经过的交叉点数量各不相同(交叉波导的夹角大于40º,可以尽量减少交叉点引起的损耗和串扰)。两个AWG器件的3dB通带宽度分别为98GHz和109GHz,所有端口的串扰均低于-40dB。

    
       图3.9 基于PLC技术的多功能ROADM结构

    图3.10为该ROADM的波长路由示例,其中8个波长直通,4个波长被下载到公共DROP端口,其余4个波长被下载到分立DROP端口。

    
图3.10 多功能ROADM波长路由示例,8个波长直通,4个波长下载到公共DROP端口,4个波长下载到分立DROP端口

3)基于PLC+MEMS技术的WS型I类ROADM
    1999年,朗讯公司的Giles等人报道了一种基于PLC和MEMS技术的混合结构I类ROADM,如图3.11所示,它采用AWG作为复用/解复用器,并通过MEMS光开关控制各波长直通或者被反射,其中1-4和13-16通道通过3dB耦合器分光探测,这些通道可用于广播业务。

    
         图3.11 基于PLC和MEMS技术的I类ROADM结构

2.II类ROADM的研究现状
1)基于PLC技术的W&S型II类ROADM
在2005年的OFC会议上,贝尔实验室的Earnshaw等人报道了一种基于PLC技术的WS型II类ROADM,如图3.12所示。输入信号先被解复用为单波长,并由1×2光开关阵列决定每个波长直通或者被下载,直通波长被重新复用到直通端口,所有1×2光开关的下载端均连至一个非对称的N×M(M≤N)光开关(如图3.13所示),可以同时下载N个波长中的任意M个,而且每个端口的下载波长不固定,因此属于II类ROADM。与图3.8中类似,该ROADM的上/下载模块也是分离的。

    
       图3.12 基于PLC技术II类ROADM结构

    
       图3.13 N×M非对称光开关

该器件通道数为24,通道间隔为200GHz,可从24个波长中同时下载任意8个波长至任一输出端口中。Earnshaw等人报道的实验结果是,直通波长IL为12~14dB,下载波长IL为20dB(其中24×8非对称光开关的损耗约为14dB),串扰低于-40dB。其中直通波长通过了两个AWG、一个光开关和一个耦合器(用于与上载模块合路,一般为20%耦合比),通过优化AWG的设计,IL可降至7dB以下。相应的,下载波长的IL可降至17dB以下。

2)基于PLC+MEMS技术的WS型II类ROADM
    图3.14所示为一种基于PLC和MEMS技术的混合结构II类ROADM,它以AWG作为解复用器和复用器,用一个N×M(M≤N)MEMS光开关阵列实现光交换。在直通状态下,所有MEMS反射镜均退出光路,当某个波长i需要下载到DROP端口j时,第i行第j列的反射镜进入光路中,相应波长被反射并下载;由于反射镜是双面的,可同时从ADD端口j上载波长i。该ROADM可同时上/下载N个波长中的任意M个,而且每个端口的波长不固定(上载端采用可调激光器),因此属于II类ROADM。
16×16 MEMS光开关的损耗小于3.1dB,两个AWG的损耗小于6dB,采用该方案的16×16 ROADM损耗可低于9.1dB。

    
      图3.14 基于PLC和MEMS技术的II类ROADM结构

在图3.12和图3.14所示的ROADM器件中,下载端口数M小于传输波长数N,这是因为在某个节点需要上/下载的波长数一般为总数的25%,而且一般不超过50%,采用N×M的非对称结构,可以节省收发模块,降低成本。
关键字: ROADM
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