凯文带你领略波分复用神器——WSS模块
2017-05-22 菲尼萨
环顾当今世界，政治风云变幻，经济萎靡不振。“邮件门”、“闺蜜干政”事件充斥各位看官的手机屏幕；“**手机爆炸”，“爱疯关机”事件更是挑战着大家的敏感神经。透过各式的政经“雾霾”，却见光通讯器件行业迅猛发展，在全球经济低迷的背景下异常耀眼，亦是格外提振信心。各位菲尼萨伙伴们，除了窃喜自己当初明智的选择，内心是否亦充满由衷的自豪呢？
小伙伴们心里一定在问，作为行业领头羊的菲尼萨，什么是咱公司的明星产品呢？这期，小编请来了Passive部门大咖凯文！从技术领先和市场需求增长两个维度，搜尽全球所有光通信器件和模块产品，唯有WSS模块和QSFP28模块可成为公司众明星产品中的影帝和影后。接下来就请凯文给大家介绍光通信网络中的这款动态波分复用神器——WSS模块。
WSS，全称Wavelength Selective Switch，中文名“波长选择开关”，是当前技术最先进，也是结构最复杂的一种波分复用（WavelengthDivision Multiplex）模块。图1是咱菲尼萨的1X9WSS模块靓照。WSS模块主要用于光通信网连接节点上，实现动态的可重构的全光信号上传下载连接。图2告诉我们在光网络连接中什么地方使用到了WSS模块。
啥是波分复用技术（简称WDM）？利用光信号为载波，不同波长信号独立地承载不同的文字、语音或图像信息，在同一根光纤内传输多种不同波长光信号。WDM技术可以大大提升光纤通讯网络的通信容量。相比薄膜滤波片型（TFF）和平面光波导阵列型（AWG）等其它波分复用模块来说，WSS模块拥有两个显著的优点。
1. WSS模块可动态选择各端口上传或下载的信号波长。无论是TFF型还是AWG型波分复用模块，一旦模块安装到系统中，该结点能够上传或下载的信号波长就不能改变了。如果要进行波长的切换，则必需下载所需要的信号，通过接收器（ROSA）将光信号转换成电信号，再经由另一个所需波长的激光器（TOSA）将电信号转换成光信号，再上传到光纤网络中。WSS则是一种动态波长选择模块，无需变换器件，也无需光电、电光信号的转换，客户只需在控制系统中改变软件设置，就可以动态地改变该节点上传或下载信号的波长，实现了灵活的可重构的纯光信号上传下载网络连接。
2. 可以动态地对各端口的信号分别进行衰减。众所周知，网络中传输的多路信号幅度要求尽量均衡。在TFF或AWG系统中，需要增加增益平坦器件来保证这样的均衡。而在WSS系统中，通过改变控制软件的参数设置，就可以独立地调整各端口（波长）的衰减值，从而动态调节光纤中不同信号的幅度，甚至根据要求可以将所需信道的信号幅度衰减到零。
如此高大上的功能，WSS模块是如何实现的呢？请容凯文为各位看官一一道来。图3是WSS模块的系统原理图，主要包括一块控制电路板和一个光学模块。控制电路板的一端连接客户系统，另一端与光模块相连。客户指令通过电路板和内置软件转换为对光学模块的控制指令，实现光学模块中任意波长的信号从任意端口输出。
伙伴们又要打破砂锅了，光学模块中不同波长信号又是如何实现从不同端口输出的呢？模块的输入光纤（一般是带纤中间的光纤）将多个波长的光信号导入WSS光路，通过一系列的偏振处理，反射和聚焦，然后入射到光栅上；光栅发生衍射分光，不同波长的光再经过反射镜分散到光路偏转器件上（如图4）。
光路偏转器件可以理解为许多反射镜横向排成一排，一个波长的光信号光刚好完整成象在一个反射镜上（如图5）。每个反射镜都可以单独控制旋转多个角度，通过调节光路偏转器件反射角度，不同波长的信号以不同的角度反射回来并耦合到带状光缆上下不同的光纤中，从而实现不同的波长的光信号从不同的端口输出。
WSS光学模块中有两个关键的器件，一个是分光光栅，主要作用是将不同波长的光信号分开处理；另一个是光路偏转器件，通过控制偏转器件的反射角度实现不同波长光信号从不同的端口输出。市场所有WSS模块都是采用光栅进行分光，但光路偏转器件却各有不同。主要有MEMS（MicroElectronic Mechanical System，微电机系统），LCOS（LiquidCrystal On Silicon，硅基液晶）和LC（LiquidCrystal，液晶）等技术。限于篇幅，本文只介绍由咱们公司首先开发成功，目前已成为行业主流的LCOS技术平台。
硅基液晶剖面结构如图6，液晶被封装在ITO电极层和硅基CMOS中间。在CMOS和ITO层之间加上不同的电压，液晶层在不同电场下对通过的光信号产生的位相延迟就不同。图7是CMOS的显微照片，每个像素单元都能单独施加电压，光信号在CMOS单元上会发生反射。不同光信号的光斑刚好分开又占据一定数量的像素（图8所示），沿纵向给CMOS的像素施加周期性变化的电压，那么液晶就会沿纵向使光信号产生一个周期性的位相变化，等同于一个位相光栅。调节电压变化周期，液晶的位相光栅周期也不同，对光信号形成的衍射角不同，光信号经过反射后就会耦合到不同的光纤输出端口，如图9所示。
以上就是LCOS平台WSS模块的工作原理。光栅的衍射分光和液晶对光信号的位相延迟等虽然都是很普通的光学原理，但是WSS却是有史以来结构最复杂，光学设计最完美的光通讯产品。除了光栅分光和液晶偏转外，光路中还有各种偏振光处理，光信号的多次反射，系统对PDL（PolarizationDependent Loss偏振相关损耗）要求非常严格，这些对各种光学零件精度和工艺控制能力提出了很高的要求。
最后，凯文还要向各位看官报告咱公司WSS的一项高大上的技术，叫Flexgrid技术。Flexgrid啥意思？无论是TFF型WDM模块，AWG型WDM模块还是MEMS平台的WSS模块，100G的模块只能处理100G带宽的信号，50G的模块只能处理50G带宽的信号，不能互换。但基于LCOSFlexgrid技术的WSS模块却不但可以交互处理，甚至可以在同一个WSS模块上同时处理100G和50G的信号。Flexgrid技术是不是很Cool呀！
随着LCOS技术的成熟和WSS工艺控制和生产能力的提升，在降低成本，减小模块尺寸和功耗的同时，公司也不断推出了更多新产品。产品序列从1X2， 1X4，1X9发展到1X20，2X20。将来也许会推出端口数更多，光学交换更复杂的NXM型模块。让我们一起期待光通信技术的再一次腾飞吧！