基于 2K LCoS 的 C+L 波段波长选择开关研究

Zhen Ge¹ Liang Shan¹ Yanqiu Hu¹ Wei Li¹ Zhujun Wan¹

¹ 华中科技大学

1. INTRODUCTION（引言）

随着5G业务、视频应用和云服务的持续发展，光网络的扩容已成为永恒的需求。虽然业界历来侧重于通过高阶调制格式（high-order modulation formats）和星座整形（constellation shaping）来提升频谱效率以增强光纤容量，但频谱效率增长的放缓使得人们必须寻求替代方案：部署额外的光纤基础设施或扩展工作带宽。前者会导致显著的空间占用和成本攀升，而后者则需要将关键网络组件（包括光收发器、放大器和交叉连接设备）从传统的C波段升级到C+L波段运行。

作为ROADM系统的核心组件，波长选择开关（wavelength selective switches）使光网络具备波长粒度的动态信道配置能力。下一代智能光网络要求ROADM节点具备无色、无方向性、无冲突和灵活栅格（CDC-F, colorless, directionless, contentionless, and flex-grid）特性，以提高网络配置效率并支持快速增长的互联网数据传输。CDC功能取决于节点架构，而flex-grid能力则由WSS中的光学交换引擎决定[6]。目前的WSS实现主要采用三种不同的光学交换引擎：LCoS、微机电系统（MEMS）和液晶（LC）。由于LCoS在带宽灵活分配和连续波长可调谐性方面的固有优势，它已成为主流解决方案。多波段WSS主要有三种不同的实现方法。第一种方法涉及基于光子集成技术（photonic integration technology）的C+L波段甚至S+C+L波段WSS，与分立式WSS模块相比，其性能通常较差。例如，R. Kraemer等人开发了一种基于阵列波导光栅（AWG）的集成式WSS，其信道间隔为100 GHz。虽然实现了成本效益，但该设计表现出明显的局限性，包括滤波带宽窄（约50 GHz）、受限的2端口功能以及次优性能（20dB消光比和大于10dB的插入损耗（IL）），需针对ROADM部署进行进一步优化。第二种方法是半集成方案。来自NTT公司的Kazunori Seno等人开发了一种1×10端口的C+L波段WSS，采用两个基于二氧化硅的平面光波回路（PLC）前端结合光学带通滤波器，在LCoS面板上沿交换方向分离C波段和L波段信号。与传统的WSS设备相比，该架构设计简单，但插入损耗性能有所下降（最大IL为15.2dB，约为商用WSS产品的两倍）。第三种方法是华为邓宁等人报道的一种典型WSS架构，他们利用3K像素LCoS技术设计了一种2×35端口的C+L波段WSS。ZEMAX仿真证实其耦合效率大于85%，偏振相关损耗（PDL）小于0.1dB，端口隔离度大于27dB。该设计在3K像素LCoS芯片上沿色散轴空间分散了C/L波段信号，实现了8.5μm的光斑半径和大于8.5的束缚因子（confinement factor）。然而，高成本的3K/4K像素LCoS芯片以及由较小的y轴光斑尺寸引起的组装难度仍然是挑战。

本文提出了一种基于2K像素LCoS芯片、用于C+L波段传输的WSS设计，其具有一个输入端口和20个输出端口，端口间距为250μm。该设备工作在1524~1572nm和1576~1624nm的光谱范围内，信道间隔为50 GHz。尽管C波段和L波段之间存在4nm的光谱间隔（spectral gap），但该设计有效地利用了LCoS芯片的有效区域（active area），同时降低了制造成本。值得注意的是，当采用3K/4K像素LCoS芯片时，该架构能够实现支持S+C+L波段甚至更宽光谱范围的WSS。

2. DESIGN AND SIMULATION（设计与仿真）

2.1 WSS 结构

我们此前开发了一款工作在 C 波段的小型化 1×9 端口 WSS，其包含三个核心光学模块：前端接入单元（FAU, front access unit）、色散子组件（dispersion sub-assembly）和交换子组件（switching sub-assembly）。FAU 负责扩展来自光纤的高斯光束，将其转换为椭圆光斑，并将其分解为两束具有交角（cross angle）的正交偏振光。色散子组件在 $yz$ 平面内是一个 $4f$ 光学系统，而交换子组件在 $xz$ 平面内是一个 $2f$ 光学系统。我们将此架构扩展到使用 2K 像素 LCoS 芯片的 C+L 波段运行，升级后的配置如图 1 所示。

束缚因子 $\xi$（confinement factor，定义为分配给每个信道的 LCoS 区域宽度与光束半径之比）是控制光谱性能指标（包括通带平坦度和滚降特性（roll-off characteristics））的关键参数。当配置为 $\xi > 6.5$ 时，若在 2K 像素 LCoS 芯片上直接色散扩展后的 C+L 波段信号，会导致每个波长信道仅覆盖 3-4 个像素，从而产生不可接受的衍射效率损耗。为了应对这一挑战，本研究将 C 波段和 L 波段信号排列成两个相互分离的行（two separated rows）。

根据光栅方程（grating equation），在假设折射率恒定的前提下，通过为 C 波段和 L 波段光束设置不同的入射角（differential incident angles），可以使 C/L 波段实现相同的衍射角范围。这一见解激发了我们对图 2 所示 FAU 架构增强方案的构想，即在 FAU 内部集成一个边缘滤波器（edge filter）。该方案通过受控的高度位移（height displacement），巧妙地将 C 波段和 L 波段信号在色散方向上进行垂直分离，从而在棱镜-光栅界面（prism-grating interface）诱导出不同的入射角。

空间光调制器（spatial light modulator）的配置（图3）解决了 LCoS 器件中与波长相关的像素分配约束（wavelength-dependent pixel allocation constraints）。另一个与直角棱镜（right-angle prism）集成的边缘滤波器实现了 C/L 波段信号的空间分离。值得注意的是，在棱镜的 L 波段透射侧引入了光路补偿板（optical path compensating plate），以保持各光谱信道间的相位相干性（phase coherence）。

2.2 Simulation（仿真）

基于所提出的光学架构，使用 ZEMAX 进行了全面的仿真分析。该 C+L 波段 WSS 工作在 1524~1572 nm（C 波段）和 1576~1624 nm（L 波段）的光谱范围内，每个波段均以 50 GHz 的间隔划分为约 120 个波长信道。为了便于 C 波段与 L 波段性能的对比分析，仿真中选取了关键信道：中心信道（C 波段为 1548.0~1548.4 nm，L 波段为 1600.0~1600.4 nm）以及边缘信道（C 波段为 1524.0~1524.4 nm / 1571.6~1572.0 nm，L 波段为 1576.0~1576.4 nm / 1623.6~1624.0 nm）。器件配置包含 1 个输入端口和 20 个输出端口，其中输入端口位于 FAU 中心，±1 至 ±10 端口对称分布。这种对称性使得仿真优化可以集中在 +1 和 +10 输出端口，并辅以从 FAU 发出的两束光束，最终形成了 24 个优化结构。WSS 的仿真结构如图 4 所示。

表 1 系统地总结了包括束缚因子 (confinement factor) 和耦合效率 (coupling efficiency) 在内的关键性能指标。所有结构均表现出超过 81.32% 的耦合效率，且束缚因子大于 6.32，确保了卓越的光谱特性和低插入损耗。由于工作带宽较宽，系统引入了随波长变化的损耗（wavelength-dependent loss），仿真结果显示，偏振相关损耗 (PDL) 保持在 0.32 dB 以下，损耗波动在 ±0.75 dB 以内。后续可通过算法补偿进一步优化光谱平坦度和偏振相关损耗，以满足规格要求。

结构优化考量揭示了三个主要的设计挑战：1) 光栅线密度降低（从 1×9 端口 WSS 的 1/1580 mm 降至 1/1388 mm），以实现 C/L 波段信号在色散方向上具有相同的 LCoS 覆盖范围，这导致了 $4f$ 系统焦距的增加；2) 色散平面内来自 FAU 的空间约束；3) 直角棱镜下方的补偿板厚度较大（5.9 mm）。这些因素共同导致 ZEMAX 仿真中最终的系统尺寸（footprint）为 $130.0 \times 92.0 \times 13.5 \text{ mm}^3$。

3. CONCLUSION（结论）

我们提出了一种采用 2K 像素 LCoS 芯片的新型 C+L 波段 WSS 架构。尽管在传输波段之间引入了 4nm 的光谱间隔（spectral gap），但该配置展示了三个显著优势：1) 通过减少组件数量简化了光学对准；2) 具有成本效益的可制造性；3) 满足行业标准的卓越光学性能指标。该架构的可扩展性尤其值得关注，为 S+C+L 波段等三波段扩展提供了可行的路径。

当将此设计扩展到 TWIN C+L 波段 1×40 端口配置时，必须沿端口交换轴（port-switching axis）将 LCoS 有效区域空间分割成四个不同的区域。这种修改需要仔细考虑高斯光束的传播特性——具体而言，在固定焦距条件下，需实现输出光束腰径（waist radius）减半，同时输入腰径翻倍。我们的折中分析（trade-off analysis）揭示了两种实现策略：

• a) 端口间距翻倍： 虽然能有效放宽对光束腰径的约束，但这种方法会成比例地增加系统尺寸。
• b) 在 FAU 内集成 $4f$ 系统： 在 FAU 中引入端口轴扩束器理论上可以保持紧凑的尺寸，但会带来三个技术挑战：i) 严苛的对准公差；ii) 色散-端口坐标耦合效应；iii) 额外光学表面产生的累积波前畸变（wavefront distortion）。

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