专题丨支持全光网的波长交换开关发展趋势

支持全光网的波长交换开关发展趋势

马亦然

（Finisar 公司，悉尼 2018，澳大利亚）

摘要：全光网未来的发展趋势对于其中的核心元器件波长选择开关提出了新的要求。未来的波长选择开关元器件将继续使用硅基液晶技术并且基于算法、光学设计的创新，向支持更多频谱、更高集成度和端口数发展，并且具有更低成本以便用于城域边缘网络。

关键词：全光网；波长选择开关；硅基液晶；可重构光分插复用器

中图分类号：TN925     文献标识码：A

引用格式：马亦然. 支持全光网的波长交换开关发展趋势[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(12):27-32.

doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.12.004

0  引言

作为全光网的基石，可重构光分插复用器（Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer，ROADM）可以在光层实现自动路径调度和恢复，将传统的点到点光链路变为灵活的光网络^[1-2]。对于运营商来说，ROADM的价值在于实现网络灵活性的同时降低建网成本，因此在全世界得到了广泛部署。

波长选择开关（Wavelength Selective Switch，WSS）是目前所有商用ROADM系统的核心元器件。WSS主要包含一个切换通道的阵列，可以使光的不同波长在物理上不需要进入不同的端口就进行发散。有几种技术可以实现WSS的核心功能，包括微机电系统（Micro-electromechanical Systems，MEMS）、液晶（Liquid Crystal，LC）和硅基液晶技术（Liquid Crystal on Silicon，LCoS）。由于LCoS具有支持灵活栅格、驱动电压低和支持端口数量多等优势，占据了WSS市场的绝大部分^[3]。

近年来，运营商推广的全光网部署了海量的ROADM设备。这些设备早期以9维和20维的WSS为主，之后又大量采用了稍后成熟的32维WSS以继续提升同一站点支持的方向数。这些WSS以双（Twin）WSS为主，显著降低了Route &Select（R&S）系统的成本。这两年开始运营商继续追求可用频谱向扩展C波段（6 THz）提升，为了支持扩展C波段的全光网部署，WSS也进一步向支持扩展C波段演进。目前，部署的全系列WSS产品，包括9维、20维和32维以及单和双WSS，均支持扩展C波段的频谱范围。

互联网内容提供商（Internet Content Provider，ICP）也开始使用WSS构建数据中心互联网络（Data Center Interconnect，DCI）。与运营商将WSS既用于线路侧方向调度也用于上下路不同的是，ICP部署WSS主要是取代固定栅格的阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，AWG），用于系统两端的合波与分波，这样灵活栅格的WSS可以支持DCI系统未来灵活的速率演进。

全光网的未来发展方向中包括采用更宽的频谱范围以提高单纤容量，支持更多的线路方向和更高的集成度以降低设备成本以及在城域网边缘更广泛的部署等，每一项都与WSS的未来发展密不可分。本文提出未来WSS在以LCoS技术为核心的基础上发展的几个方向，并且详细阐述其中面临的问题和解决办法，最后介绍了相对应的新型WSS。

1  WSS的未来发展方向

基于ROADM的全光网已经在运营商的骨干网和城域核心网广泛部署。随着单纤容量持续提升的需求，传输系统从单波长100 Gbit/s向200 Gbit/s乃至400 Gbit/s继续演进，甚至800 Gbit/s单波速率系统也已经出现。提升频谱效率要求光信号采用更高阶的调制格式，或者更复杂的频谱整形方式、更多维度的复用手段，否则即使通过增加波特率的方式提高了单波长的速率，信号也会占用更多的频谱带宽，单纤容量并不会提升。受香农极限制约，频谱效率的增加导致传输距离的下降，使得这种提升单纤容量的方式难以持续。另一个增加单纤容量的方式是增加频谱范围。这两年来扩展C波段（1524~1572 nm）传输系统的成功部署，使C波段的传输容量提升了50%，其中支持扩展C波段的WSS的实现，是系统成功部署的重要前提之一。在扩展C波段之后，产业链最成熟的频谱范围毫无疑问是L波段（1565~1625 nm）。全光网向L波段的扩展离不开关键器件的支持，包括可调激光器、光放大器和WSS等，其中支持C和L波段的WSS已经在2020年开始商用^[4]。

全光网的另一个发展趋势是网络规模越来越大，尤其是考虑到一二线骨干网的融合，拓扑结构也越来越复杂，造成某些节点的方向数需求增加，这代表WSS需要更大的端口数来支持ROADM维度的提升。WSS从初期的2~4端口，一路发展经历了9端口、20端口，到目前32端口的WSS已经规模部署，但是仍有一些节点有超过32个方向维度的需求。另外，ICP开始将WSS作为合分波器件来构建支持灵活栅格的数据中心互联系统。400G ZR可以在标准C波段中支持64个400 Gbit/s的通道，这也对WSS提出了进一步提高端口数的期望。

随着相干光模块成本的持续降低，以及城域汇聚和接入网络流量的猛增，全光网也会从骨干网和城域核心网下沉到城域汇聚和接入网络。城域汇聚和接入网络的特点是传输距离短、端到端节点跳数少，但是规模巨大，因此对性能要求可以稍微降低，但是成本压力巨大，需要涉及的设备模块大幅度降低成本。WSS作为全光网的核心元器件之一，在城域汇聚和接入网使用也面临巨大的成本压力。基于全新的设计理念，新的城域边缘WSS（Edge WSS）简化了光学/电子部件和外部封装，同时尽可能在性能上保持原有水平，极大降低了WSS的成本，为全光网下沉提供了有力支撑。

值得一提的是，作为WSS的主流实现技术LCoS，可以灵活地配置以支持不同的 WSS产品，在全光网的未来发展中将继续成为实现WSS的主导技术。LCoS芯片可以被理解为一个二维交换矩阵，一个维度是频谱维度，可以映射为WSS产品的带宽；另一个维度是空间上的，可以将信号切换到各个上下路和方向端口。频谱维度的缩放和分辨率可以通过光学设计任意调整，所以同样的LCoS芯片，基于不同的光学设计可以支持不同的光谱形状和带宽。因此，可以看到基于同样的LCoS平台，随着光学设计的提升，WSS支持的频谱从4.8 THz提高到了6 THz（扩展C波段），乃至于最新的C+L波段，同时滤波形状还得到了改善，可以满足更多WSS级联和更密集通道分布的需求。在空间切换的维度上，可以看到WSS已经在向LCoS分区和更大端口数方向持续演进。LCoS分区可以用同一片LCoS支持多个独立的WSS，过去单（Single）WSS到双（Twin）WSS的演进正是得益于LCoS分区技术，2020年商用的四（Quad）WSS也是这个技术进一步发展下的产品^[5]。端口数的增加也是LCoS空间维度进一步发展的结果，WSS可以从当前的最多32~34个端口进一步扩展到48个或更多的端口，同时保持滤波形状和其他基本性能不劣化。

2  支持C+L波段的WSS

扩展C波段的WSS已经被广泛部署在运营商的全光网中，得益于算法和光学设计的改善，扩展C波段WSS比起C波段WSS没有任何性能上的下降。L波段的波分系统也已经在海外部署多年，尤其是北美和日本。近年来，北美的ICP也开始部署C+L波段的波分系统，来提升单纤容量以满足迅速增长的带宽需求。当下已经部署的C+L系统全部采用了C波段和L波段单独分开的设计，包括互相独立的光模块、放大器、合分波器件和WSS，因此在集成度和每比特成本方面比起C波段系统并没有优势，C和L波段之间还存在性能优化和业务运行的复杂协调问题。

作为波分系统里的重要器件，激光器、放大器和WSS是实现C+L一体化系统的关键。其中，WSS支持的频谱始终在稳定扩展，从最早的基础的C波段（支持50 GHz间隔的80个通道）到全球广泛部署的C波段（支持50 GHz间隔的96个通道），再到最近两年的扩展C波段（支持50 GHz间隔的120个通道）。支持L波段的WSS也已经部署多年。各个波段的频率范围参见图1。最新的同时支持C+L波段的WSS可以覆盖大约11 THz的频谱范围，包含全部的C波段和L波段，以及扩展C波段和扩展L波段的绝大部分。LCoS技术的特性决定了根据不同需求，同样的LCoS也有潜力可以灵活地支持其他频率范围，可以支持全部扩展C波段和扩展L波段的WSS的可行性也在论证中。

主办：中国信息通信研究院