硅基液晶技术与可重构全光通信网络

现代光纤通信网络使用波分复用技术极大地提升了网络传输容量。基于硅基液晶技术的波长选择开关使光纤网络运营商在网络节点处可以灵活地调度各个波长信道，让光纤通信网络在波长级具有可重构性，大幅地降低了网络的传输和运营成本，已经成为了现代光纤通信网络的核心组件。
近日，东南大学杨海宁教授联合剑芯光电科技有限公司总经理李昆博士、剑桥大学先进光电子研究中心和光电器件与传感器研究中心主任初大平教授在《液晶与显示》（ESCI、核心期刊）发表了题为“硅基液晶技术与可重构全光通信网络”的综述文章。
该综述回顾了波长选择开关的发展历程，重点介绍了其在光纤通信网络中扮演的角色，阐述了硅基液晶器件各项特性对波长选择开关关键技术指标的影响和改进方法。文章从器件、系统和网络等方面对硅基液晶技术在通信系统中的应用进行了系统的综述，并对技术发展前景进行了展望。
1 引言
可重构全光分插复用器系统（Reconfigurable Optical Add/drop Multiplexer, ROADM）已经成为现代光纤通信网络的核心组件。ROADM可以使光纤通信网络运营商在网络结点处实现波长级的路径调度和恢复，极大地提升了网络的可重构性和鲁棒性。同时，ROADM系统中的波长路径切换不需要传统的光-电-光转换过程,因此对波长信道的速率和调制模式不敏感，一旦部署一般可以持续服务10年以上。波长选择开关（Wavelength Selective Switch, WSS）是ROADM系统的核心组成部分。如图一所示，基于硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon, LCOS）技术的WSS具有高端口数目，且支持灵活栅格（Flex-grid）标准，可大幅提升全光通信网络的传输容量，已成为业界的主流选择。图1 1×N WSS 的基本功能图
LCOS器件是由CMOS硅基电路背板和液晶光学元件组成的混合光电芯片，可以实现空间光调制的作用。相位型LCOS器件只对入射光的空间相位进行调制，而不影响其振幅，因此具有较高的光学效率。由于ROADM系统对光路切换的效率有较高的要求，因此WSS通常采用纯相位型LCOS器件，实现较低的插入损耗。
2 WSS基本功能
WSS通常具有1个输入端口和N个输出端口，可以将任意的输入WDM信道分配至任意输出光纤端口。除了基本的波长信道切换，WSS还应该支持以下高阶功能：
• 能量平衡：WSS需要对各WDM信道施加不同的衰减，实现对信道能量的平衡，达到优化传输质量的目的。
• 高端口数：早期WSS仅可以支持1×9端口。近些年来1×20 WSS和1×32 WSS成为业界主流选择。
• 集成度：将多个1×N WSS共同封装在一个模块中也成为近些年来业界发展的趋势。目前，将2个WSS封装在一个WSS模块中已经成为业界主流选择。近些年来，也有将4个WSS，甚至24个WSS封装在一个模块中的技术方案。
• 宽频谱覆盖：早期WSS支持C波段中4 THz频谱范围；近些年来，覆盖4.8 THz-6 THz频谱范围的WSS成为业界的主流。最新技术的WSS则可以同时支持C波段和L波段，覆盖频谱范围接近10 THz。
• 灵活栅格：现代WSS需要支持灵活栅格,匹配WDM信道的频谱宽度。有研究证明，支持灵活栅格标准的WSS的可以将光纤通信网络的传输容量提升30%左右。
3 ROADM基本功能
图2给出了ROADM系统的基本构架。ROADM系统可以分为传输端和上下行端两个部分。传输端主要负责WDM信道在不同维度之间的全光路径分配切换；而上下行端则可以将各维度的一部分输入WDM信道从网络中移除（drop）至本地，供本地处理和应用，或者将本地新的WDM信道添加（add）至不同维度的输出端口，供进一步传输。上下行端是ROADM系统的一个主要技术难点。为了满足网络运营维护可重构性和灵活性的要求，ROADM系统上下行端需要具备以下3个属性。
• 波长无关（Colourless）：是指任意上下行端口都可以接收任意波长的WDM信道。ROADM系统运营商可以通过软件控制的方式改变任意端口的波长分配，而不需要对上下行端口的模块进行物理调整。
• 方向无关（Directionless）：是指任意上行端口可被分配至任意维度的输出端口；或者任意维度的输入WDM信道可以被分配至任意下行端口。
• 竞争无关（Directionless）：是指来自不同维度两个具有相同波长的信道可以同时被分配至两个下行端口，两者之间不存在冲突；或者两个具有相同波长的上行信道可以被同时分配至各自对应的目标输出维度端口。图2 CDC ROADM构架
4 WSS关键光学性能
随着光纤通信网络的传输速率和频谱效率越来越高，其对WSS光学性能的要求也日益提升，以保证通信质量和传输距离。WSS模块的主要光学性能参数包括：
• 插入损耗（Insertion loss， IL）：插入损耗是指WSS模块对输入WDM信道产生的能量损失，是WSS模块的重要技术指标。目前，业界领先的WSS模块已经可以将插损控制在5 dB以内。
• 偏振相关损耗（Polarisation-dependent loss， PDL）：现代高速光纤通信网络采用偏振复用方式对激光器进行调制，因此WSS模块需保证不同偏振态的光束在光学系统中经历相同的插入损耗。目前，业界领先的WSS模块可以将PDL控制在0.5 dB以内。
• 消光比/串扰（extinction ratio/crosstalk）：当WSS将一个WDM信道分配至某个目标端口的时候，该信道的一部分能量会出现在非目标端口，造成串扰，进而影响光纤通信网络的传输质量。目前业界领先WSS可以实现25 dB、甚至35 dB的消光比。
• 滤波通带特性（Passband）：WSS属于一种可调滤波器，滤波通带特性是其重要的技术指标。在ROADM 网络中，一个WDM信号通常需要经过15个结点（即30个WSS）才可以抵达目的地。因此，即使是细微的WSS滤波通带特性差异也会在网络层引起巨大的信道质量差异。图3给出了3个具有不同滤波通带特性的WSS的通带曲线。经过30次级联后，滤波通带宽度发生了明显的收窄，传输信道的一部分频谱会被过滤掉，影响该波长通信质量。图3 WSS滤波通带特性
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5 面向通信系统应用的LCOS技术
传统LCOS技术主要面向信息显示等相关应用而开发，对器件的分辨率、尺寸和刷新率都有着相关的要求。而通信系统则更加关注LCOS器件的光学性能，且要求更为苛刻。因此，传统LCOS器件需要从以下几个方面进行优化，以满足通信系统的要求。
• 反射率：传统面向显示应用的LCOS器件需要在可见光宽普范围内具有较高的反射效率。而通信系统通常使用C波段和L波段的近红外波长，频谱覆盖范围相对较窄，但是对器件反射率的要求更高。目前，应用于通信系统的LCOS器件在该波段的反射率一般都需要在85%以上。
• 频谱响应：由于WSS本身是一个可调滤波器，因此需要LCOS器件在C波段和L波段内的频谱响应具有较好的一致性。若LCOS器件各光学层之间的折射率匹配处理不当，极易形成谐振腔，致使LCOS器件反射率随入射光的波长而变化。图4给出了两个不同LCOS器件反射率随波长变化的曲线。可以看出虽然LCOS 1的峰值反射率较高，但是其在频谱范围内具有较大的抖动。相比之下，LCOS 2的反射率随波长变化<1.5%，更为适合WSS应用。图4 LCOS器件频谱响应特性
• 衍射效率：LCOS器件的衍射效率也是影响基于该技术的WSS插入损耗的主要因素之一。面向通信应用的LCOS器件中液晶层的厚度与硅基背板上的像素尺寸相当，会出现如图5所示的边缘场效应，最终影响器件的衍射效率。虽然采用双折率更高的液晶材料是解决这一问题的一个技术路径，但是，高折射率的液晶材料稳定性和寿命尚未在通信系统中得到验证。图5 LCOS器件中的边缘场效应
• 瞬时相位稳定性：LCOS器件随时间的相位相依稳定性是面向通信应用的LCOS器件的另一个重要光学参数。一般情况下，液晶器件的瞬时相位稳定性随着工作温度的提升而恶化。图6给出了两个LCOS器件在1.7附近的瞬时相位响应。可以看出LCOS 2具有更好的瞬时相位稳定性。图6 LCOS器件中的瞬时相位抖动
• 像素数目：LCOS器件上的像素数目直接决定了WSS模组中可以支持的总端口数（集成WSS个数×单个WSS端口数）。目前，高端口WSS模组中普遍采用2k分辨率的LCOS器件，实现接近80个总端口数。随着信息显示系统向4k分辨率演进，预期4k分辨率的LCOS器件也将在WSS中推广应用。JD2124 LCOS器件具有3840×2400分辨率，是目前公开报道中唯一一款成功在WSS系统中实现应用的4k LCOS器件，它成功集成了24个1×12 WSS。
• 可靠性：而WSS系统一旦被部署至光纤通信主干网中，其使用寿命一般要求在10年以上。同时，WSS部署环境的湿度、气压等差别相对较大。因此，通信应用对LCOS器件的可靠性提出了更高的要求。面向通信应用的LCOS器件需要从器件结构、材料选型等多方面进行优化，满足通信系统对可靠性的苛刻要求。
• 全息光场调控：与全息显示应用相同，基于LCOS技术的WSS系统也可以运用全息相位图优化技术提升性能，主要表现在衍射效率的提升（即插入损耗的降低）和串扰的抑制，以及WSS能量平衡（即衰减）功能的实现。目前，仅有少量面向WSS应用的全息相位图优化算法被公开。