硅基液晶技术与可重构全光通信网络

杨海宁， 李 昆， 初大平

(1. 东南大学 电子科学与工程学院，江苏 南京210096；2. 剑芯光电科技有限公司，江苏 南京210000；3. 剑桥大学 工程系 光电器件及传感器中心，英国 剑桥 CB3 0FA)

1 引 言

经过近20年的发展，可重构全光分插复用器系统(Reconfigurable Optical Add/drop Multiplexer, ROADM)[1-3]已经成为现代光纤通信网络[4-5]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[6]，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完全在光层完成，不需要传统的光-电-光转换过程。因此，ROADM技术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。另外，相比于依赖高速集成电路芯片的光-电-光转换信道调度，ROADM的全光交换特性还可以大幅降低网络的功耗。由于以上优点，ROADM技术不仅可以大幅降低光纤通信网络的投资成本(Capital Expenses, CapEx)[7-8]，还可以大量节省其运营成本(Operational Expenses, OpEx)[9]，在世界各地得到了广泛的部署。

波长选择开关(Wavelength Selective Switch, WSS)[10-12]是ROADM系统的核心组成部分。WSS通常具有一个输入端口和N个输出端口。WSS可以将输入端口接收到的任意波长信道切换至任意输出端口。一个ROADM系统通常由多个WSS配对级联组成。早期WSS可以基于硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)技术[13-14]、液晶技术(Liquid Crystal, LC)[15]或者Micro Electromechanical System (MEMS)技术[12,16]。基于LCOS技术的WSS具有高端口数目，且支持灵活栅格(Flex-grid)标准[17]，可大幅提升全光通信网络的传输容量。因此，近年来基于LCOS技术的WSS器件成为业界的主流选择。

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。根据液晶设置不同，LCOS器件可以分为振幅型[18-19]和相位型[20-21]。振幅型LCOS器件对入射光的空间振幅进行调制，通常应用在信息显示系统[22-24]中。而相位型LCOS器件只对入射光的空间相位进行调制，而不影响其振幅，因此光束能量理论上不受损失，具有较高的光学能量效率。但是，纯相位型LCOS器件对制备工艺[25]的要求相对较高。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。

本文将首先介绍WSS和ROADM的基本功能以及其在可重构全光通信网络中的作用；在此基础之上进一步详细介绍WSS的光学构架和关键性能参数；最后本文将从器件层面详细介绍面向通信应用的LCOS器件中的关键参数和指标。

2 WSS和ROADM基本功能

2.1 WSS基本功能

图1为WSS的基本功能图。WSS通常具有1个单模光纤输入端口和N个单模光纤输出端口。输入光纤端口可接收通信C波段(1 528～1 568 nm)波段内的波分复用(wavelength division multiplexing, WDM)信号。WSS可以将任意的输入WDM信道分配至任意输出光纤端口，分配过程完全在光层完成，不需要依赖光-电-光转换。由于光路可逆原理，1×NWSS也可以作为N×1 WSS使用，即图1中右侧的N个端口可作为输入端口使用，左侧端口可作为输出端口使用。

图1 1×N WSS 的基本功能图Fig.1 Functional diagram of a 1×N WSS

除了基本的波长信道切换，WSS还应该支持以下高阶功能：

(1)能量平衡：由于光纤通信传输网络中光纤的衰减特性和光纤放大器(Erbium Doped Fibre Amplifier，EDFA)的增益特性都具有一定的波长相关性，因此进入一个网络结点的各个WDM波长信道之间的能量存在一定差异。这会降低通信网络的信噪比[26]，影响传输距离和传输速率。因此，光纤通信网络运营商通常使用WSS对WDM信道进行能量平衡，以达到优化传输质量的目的。由于WSS是一个无源器件，能量平衡一般通过对能量较高的输入WDM信道进行衰减[27]实现。

(2)高端口数：随着现代光纤通信网络的发展，网络的网格密度越来越高。一个网络结点通常需要支持8个、16个或者更高的维度。这对WSS的端口数目提出了更高的要求。早期WSS仅可以支持1×9端口[28]。近些年来1×20 WSS和1×32 WSS[29-30]成为业界主流选择。高端口数目的WSS通常基于LCOS技术或MEMS技术。

(3)集成度：网络结点处对WSS的需求量随着网络维度的提升而线性增长，因此将多个1×NWSS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[29-30]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[31]，甚至24个WSS[32-33]封装在一个模块中的技术方案。

(4)宽频谱覆盖：随着现代光纤通信网络对传输带宽需求的增加，C波段逐渐无法满足网络对传输容量的需求。近些年来，光纤通信网络运营商开始尝试使用L波进行传输。于此对应，WSS开始支持更宽的频谱范围。早期WSS[10]支持C波段中4 THz频谱范围；近些年来，覆盖4.8～6 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[31]，覆盖频谱范围接近10 THz。

(5)灵活栅格[34-35]：传统基于WDM技术的光纤通信网络采用固定网络栅格间距，即各WDM信道的频谱带宽都为50 GHz。但随着传输速率的提升，很难将>200 Gbit/s的信道频谱带宽压缩至50 GHz之内，并保证全光传输距离。因此，WDM光纤通信网络需要采用更大的网络栅格间距。但是如果采用100 GHz的栅格间距传输<100 Gbit/s的信道又将造成频谱浪费。因此，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可以将光纤通信网络的传输容量提升30%左右[36-38]。由于传统基于MEMS技术的WSS，栅格间距与MEMS反射镜物理尺寸相关，无法支持灵活栅格标准，近些年来已经被淘汰。LCOS技术和LC技术可以使WSS支持灵活栅格标准。基于LCOS技术的WSS具有更高的端口数目，已经成为业界主流技术选择。

(6)多播：基于LCOS技术的WSS还可以通过全息光场控制的方式将一个输入WDM信道同时分配至两个输出端口[28,39]，且能量分配比例可调。这一功能在某些特定应用场景下(如信道质量检测[40])能发挥相应的作用。

2.2 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[41]和上下行端[42]两部分。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。

由图2 可见，ROADM传输端由一系列1×NWSS配对级联组成。从一个维度输入的WDM信道被该维度对应的输入WSS分配至目标输出维度的WSS或本地上下行端。若该WDM信道需要继续传输，目标输出端的WSS则负责将该WDM信道分差复用(multiplex)至对应的输出端口。该ROADM传输端构架被称为“分配-选择”(route and select)[43-44]构架。在此构架中由于各个WDM信道会经过2个WSS，进而经历两次滤波，因此信道频谱范围之外的噪音被很好地抑制，可以提升网络传输质量和距离。目前该构架已经成为高纬度ROADM传输端的主流构架。理论上，输入端的1×NWSS可以被1×N分光器(splitter)替代，起到降低ROADM成本的作用。该构架称为“广播-选择”(broadcast and select)[41]但是由于分光器的插入损耗随着端口数目的提升而提升，因此往往只能被应用在维度较低的ROADM系统之中。同时由于分光器不具备滤波功能，该构架也会降低传输信噪比。

在如图2所示的这个基于“分配-选择”构架的4维ROADM系统中，需要使用8个1×NWSS模块。以此类推，具有16个维度的ROADM系统则需要32个1×NWSS。同时，在高维度ROADM系统中，传输端的WSS需要与更多的WSS配对连接，因此也需要WSS具有更高的端口数目。这也是ROADM系统需要更高端口数目和更高集成度的WSS模块的主要原因。

图2 CDC ROADM构架Fig.2 Block diagram of CDC ROADM

ROADM系统上下行端是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。

(1)波长无关(Colourless)[45]：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。

(2)方向无关(Directionless)[46]：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。

(3)竞争无关(Contentionless)[47]：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。

同时满足以上3个属性的ROADM系统通常被称为CDC ROADM。有时也会出现CDCF或CDCG的描述。在此F和G都代表灵活栅格(flex-grid或gridless)。CDC ROADM给光纤通信网络运营商带来了最大的网络资源配置灵活度，使得绝大多数的网络资源调配可以通过软件控制完成，而不需要工程师物理改变光纤连接。但是支持CDC功能的ROADM上下行端构架相对复杂，成本较高。在有的应用场景下，运营商仅配置CD功能[48]。

具有CDC功能ROADM上下行端一般可以由多播开关(multicasting switch， MCS)[49]或者波长交叉连接器(wavelength crossconnect, WXC)[50-52]实现。

图3(a)给出了MCS的基本构架。一个M×NMCS由M个1×N分光器和N个1×M空间光开关(Space Switch, SS)配对级联组成。其中M对应ROADM传输端的维度，N对应这个MCS支持的上下行端口数目。由于1×N分光器的插入损耗与端口数目成正比，因此当MCS需要支持较大上下行端口数目时会引入较大的插入损耗。MCS过高的插入损耗需要通过在其输入端口处部署EDFA阵列进行补偿。但这会带来更高的成本和系统功耗。因此，目前MCS支持的上下行端口数目一般小于8个。

图3 (a) MCS基本构架； (b)WXC基本构架。Fig.3 (a) Architecture of MCS; (b) Architecture of WXC.

图3(b)给出了WXC的基本构架。与图3(a)中MCS的基本构架相比，图3(b)所示的WXC中使用WSS阵列替代了分光器阵列。WSS可以将需要任意波长信道高效地分配至目标上下行端口对应的空间光开关。WSS的插损不会像分光器那样随着端口数目的提升而增加，因此解决了MCS构架中由插损带来的扩展性的问题。因此，此类WXC也亦被称为M×NWSS。目前业界领先的WXC[53]可以支持8个ROADM传输维度和24个上下行端口。另外，在光学设计过程中，WXC中的空间光开关可以被集成至WSS的光路中[53]，进一步提升系统集成度。需要指出的是此类WXC构架相对比较复杂，目前系统体积和成本仍然相对较高。

3 WSS光学构架

3.1 LCOS全息光开关光学构架

图4给出了基于LCOS技术的全光开关的基本构架。在这个光学构架中，光纤准直阵列与LCOS器件分别置于傅里叶透镜的前后焦平面上，构成了一个典型的2f光学系统。入射光束经过傅里叶透镜进一步准直后抵达LCOS器件表面。纯相位型LCOS器件的主要构成如图5所示。其中液晶层通常使用向列性液晶材料，导向方式可以垂直型(Vertically Aligned, VA)也可以是水平型(Parallelly Aligned， PA)。通过在像素电极上施加不同的电压值，液晶分子会随着电场分布而转动。由于液晶材料具有双折射特性，在不同液晶倾角下，某特定偏振态的入射光经过液晶后会经历不同的相位延迟，而且振幅理论上不受影响。根据傅里叶光学理论[54]，若在LCOS器件上显示如图5中红色虚线所示的闪耀光栅全息图，且该光栅峰-谷相位差为2π，则该闪耀光栅可以把入射光束接近100%的能量分配至其+1衍射级次。如图5所示，出射的+1衍射级次的波阵面相对于入射波阵面存在一个偏转角度θm。当垂直入射时，该偏转角度与闪耀光栅周期(T)之间的关系为：

(1)

图4 基于LCOS技术的全光开关光学构架Fig.4 General architecture of an optical switch based on the LCOS technology

图5 LCOS器件光束偏转工作原理Fig.5 Principle of beam steering by the LCOS device

其中λ为入射光束波长。由于LCOS器件为反射型器件，被调制过的光束将再次经过傅里叶透镜。傅里叶透镜将把由LCOS器件引入的波阵面偏转角转换成光束沿端口方向的位移，进而保证光束可以垂直入射至输出端口，并保证了光纤耦合效率。通过调整LCOS器件上显示的闪耀光栅周期，可以将光束分配至任意目标端口。

需要指出的是，受限于LCOS器件中像素阵列的空间采样特性，LCOS器件的+1衍射级次衍射效率会随着闪耀光栅的周期减小而降低。理论上，当光栅周期为8个像素时，衍射效率会降低至95%。但是，由于LCOS器件中还存在边缘场效应[55-57]，即相邻两个像素相位响应存在突变时，LCOS器件无法正确显示加载的全息图。因此，此时的实际衍射效率会进一步降低。

3.2 WSS光学构架

WSS的光学系统设计一般基于“色散-偏转”构架，即在光纤阵列端口沿着一个维度排布；在与之正交的维度上通过使用具有色散特性的光学元件，将不同波长信道对应的光斑分配至LCOS器件的不同区域，供LCOS器件在端口维度上进行波束控制。因此，图6也分别从端口方向和色散方向上给出了WSS系统的基本光学构架。

在图6(a)中所示的端口方向(x轴)上，光纤准直阵列与Po平面分别在傅里叶透镜的前后焦平面上，构成了一个与图4一致的2f傅里叶光学系统。而Po平面又位于由成像透镜1和成像透镜2构成4f成像系统的物平面。色散单元在端口方向上不起作用。LCOS器件位于这个4f成像系统的成像面上。因此，该4f系统将Po平面投影至了LCOS器件平面。与图4中原理一致，LCOS器件对入射光束进行空间相位调制，引入一个波阵面倾角。该波阵面倾角经过4f系统再次被投影至Po平面。傅里叶透镜将波阵面倾角转换为光束较光轴的位移，并保证出射光斑具有较高的耦合效率。

图6 1×N WSS光学构架。(a)端口方向；(b)色散方向；(c)LCOS器件上光斑分布。Fig.6 Optical architecture of a 1×N WSS. (a) Along the switching axis; (b) Along the dispersion axis; (c) Optical beams on the LCOS device.

在图6(b)中所示的色散方向(y轴)上，色散单元位于4f成像系统中间，起到了将不同波长的光斑分配至LCOS器件不同区域的作用(如图6(c)所示)。由于色散单元与LCOS器件分别置于成像透镜2的前后焦平面上，因此可以使各个波长的光束垂直入射至LCOS器件表面，进而保证出射光束在色散方向上可以原路返回。该系统中的色散单元可以是衍射光栅(diffraction grating)，也可以是棱镜(prism)，也可以是衍射光栅棱镜(grism)。现有系统中一般采用Grism，一方面增加了其色散能力，达到减小光学系统尺寸的目的；同时Grism从一定程度上还可以降低锥形衍射对WSS光学性能的影响。

由图6(c)可见，当WDM信道具有不同频谱带宽时，LCOS器件表面与该信道对应的光斑尺寸在色散方向上的尺寸也不尽相同。WSS系统需要能高效切换各种不同频谱宽度的信道以满足灵活栅格标准的要求。在基于LCOS器件的WSS中，只需通过软件设置改变与该信道对应的全息光栅在色散方向上的尺寸即可实现灵活栅格切换。目前，基于LCOS器件的WSS能够以6.125 GHz甚至更小的精度调节其滤波通带宽度，极大地提升了基于网络的频谱利用效率和传输带宽。与之相比，使用MEMS技术的WSS中，MEMS器件中反射镜在色散方向上宽度是固定的，而色散方向上相邻两个反射镜之间的间距又远大于LCOS器件上的像素间距，因此无法实现灵活栅格波长信道切换。

随着ROADM系统对WSS集成度要求的日益提升，可以将两个甚至更多的WSS集成至单个光学系统中。在图7(a)所示的光学系统中，4f成像光学系统保持不变，2f傅里叶光学系统由两个独立的2f系统构成。这样两个WSS的入射信道光斑被分配至LCOS器件的不同区域(如图7(b)所示)。通过控制LCOS器件对应区域的设置，可以实现两个独立运行的WSS。除此之外，用集成波导器件[58-59]代替传统的光纤阵列也可以进一步提升WSS的集成度。但是由于波导器件往往会带来额外的插入损耗，因此目前该方案还未被广泛推广。

图7 双1×N WSS光学构架。(a)端口方向；(b)LCOS器件上光斑分布。Fig.7 Optical architecture of a twin 1×N WSS. (a) Along the switching axis; (b) Optical beams on the LCOS device.

另外，WSS中的波束偏转可以不局限于端口方向，也可以利用LCOS器件在波长方向上进行波束偏转[60]。与之对应，光纤出入射端口也为二维分布。在这种设计下，可以在端口方向上使用更少的像素数目实现相同的端口数目。但是，为了保证频谱覆盖宽度和滤波通带性能，需要使用分辨率更高的LCOS器件作为其核心光束偏转器件。

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、偏振相关损耗、消化比/串拢、滤波通带特性、切换速度。

4.1 插入损耗

插入损耗(Insertion loss， IL)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。在一个ROADM系统中，输入端-输出端，或输入端-下行端，或上行端-输入端的插入损耗需要控制在16 dB以内，以减小EDFA的放大系数，达到保证信道质量的目的。由于上下行端的模块通常具有较高的插入损耗(8～10 dB)，因此WSS的插入损耗一般也需要控制在8 dB甚至6 dB之内。WSS光学系统中的主要插入损耗来源于色散单元、LCOS器件和光纤耦合以及系统装配误差。其中由LCOS器件产生的损耗最为突出。特别是当WSS系统需要支持大端口数目时，LCOS器件需要对入射光束施加较大的偏转角度，LCOS器件的衍射效率也会随之降低，增加系统插损。目前，业界领先的WSS模块已经可以将插损控制在5 dB以内。

4.2 偏振相关损耗

现代高速光纤通信网络采用偏振复用[61]方式对激光器进行调制，即两个正交偏振态上分别加载了两路不同的信道。该技术将光纤通信网络的频谱利用效率提升了1倍。因此，WSS模块需要对入射光束的偏振态不敏感，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。受限于液晶的双折射特性，绝大多数LCOS器件只能对某个特定偏振态的光束进行空间相位调制。因此在WSS光学设计过程中，需要将两个正交偏振态的入射光束在空间上分离，并扭转其中一个偏振态的偏振方向，使两束入射光的偏振方向与LCOS器件的工作偏振方向一致。这一偏振分离的过程可能引起偏振相关损耗(Polarisation-dependent loss， PDL)。在某些WSS设计中，这两束入射光束分别被分配至LCOS器件不同的像素区域进行独立处理。通过控制不同区域波束偏转全息图的衍射效率，可以实现PDL补偿，但这也降低了对LCOS器件上像素的使用效率，进而限制了WSS可以支持的端口数目。在像素使用效率较高的WSS设计中，这两个入射光共用同一个全息图[62]，这也给PDL的补偿带来了挑战。目前，业界领先的WSS模块可以将PDL控制在0.5 dB以内[63]，以保证信道传输质量。

4.3 消光比/串扰

消光比(extinction ratio)[64]是任何一种全光开关的重要技术指标。当WSS将一个WDM信道分配至某个目标端口时，该信道的一部分能量会出现在非目标端口，造成串扰(crosstalk)，进而影响光纤通信网络的传输质量。基于WDM技术的全光通信网络对消光比具有极高的要求。目前业界领先WSS可以实现25 dB、甚至35 dB的消光比[65]。由于LCOS器件中的边缘场效应，入射光束经过全息衍射之后会出现高阶衍射级次，进而在WSS中产生串扰。为了满足系统对消光比的要求，WSS需要从光学系统设计、全息图优化以及两者相结合的方式综合降低高阶衍射级次对消光比的影响。下文中会较为详细地介绍一些降低串扰的方法。

4.4 滤波通带特性

从本质上讲，WSS属于一种可调滤波器。滤波通带特性(Passband)[66-68]是任何滤波器的重要技术指标。通常情况下，在WSS中使用其滤波通带-0.5 dB和-3.0 dB衰减处对应的频谱宽度定义其滤波通带宽度。在基于WDM技术的光纤通信网络中，一个WDM信号通常需要经过15个ROADM系统(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[68-69]。图8给出了3个具有不同滤波通带特性的WSS的通带曲线。虽然它们之间的差异非常微小，但是经过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。虽然可以通过调节LCOS器件上全息图在色散方向上的宽度来提升该通道的滤波通带宽度，但是这将牺牲相邻波长通道的滤波通带宽度。因此，从某种意义上来说，WSS的滤波通带性能决定了ROADM传输网络的频谱使用效率和传输容量[67,70]。

图8 WSS滤波通带特性Fig.8 Passband characteristics of WSSs

通过合理光学系统设计可以提升WSS模块的滤波通带性能。在LCOS器件尺寸和WSS频谱覆盖范围给定的情况下，在LCOS器件色散方向上分配给每个WDM信道的像素数目也随着被限定。如图9所示，这进而决定了单个WDM信道对应的波偏转全息图沿色散方向上的尺寸(WH)。为了提升WSS滤波通带宽度，在光学系统设计的过程中需要尽量减小未经调制的入射光斑在LCOS器件表面沿色散方向上的尺寸(WS)。

图9 LCOS表面光斑与对应WDM信道的全息图Fig.9 Beam shape on the LCOS device and the corresponding beam steering hologram

4.5 切换速度

WSS以及ROADM在光纤通信网络中一般用于高速信道切换(circuit switch)[71]，其被重新配置的频率相对较低。因此，不同于信息包交换(packet switch)[72]，网络系统对WSS的切换速率要求相对较低。目前秒级的切换速率即可满足绝大多数应用场景的需求。

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。

5.1 反射率

从图5中可以看出，LCOS器件具有三明治结构，光束从入射到出射会分别经过玻璃前板、ITO电极、液晶导向层等各两次。这些光学层以及硅基背板本身对光的吸收系数随波长而变化。传统面向显示应用的LCOS器件需要在可见光谱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。一般来说，面向可见光应用设计的LCOS器件，即使在玻璃前板上进行了相关的增透镀膜，总体反射率也很难在C波段和L波段超过75%。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。为了使LCOS器件在这两个波段具有较高的反射率，需要对以上提及的各层光学结构材料进行相应的优化。

在LCOS背板上添加具有高反射率的多层介质膜[73]或者具有亚波长结构[74]的高反射率层可以进一步提升LCOS器件的反射率。但是这一工艺流程会进一步加大像素电极和ITO共电极之间的间距，造成较为严重的边缘场效应，进而影响LCOS器件的衍射效率。因此，在器件设计过程中，需要在反射率和衍射效率之间进行平衡。

5.2 频谱响应

由于WSS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。然而，从图5的LCOS器件三明治结构中可以看出，其各个光学层由具有不同折射率的材料组成。若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10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。因此，该LCOS器件中存在较为明显的谐振腔。在WSS应用中，这样的谐振腔会致使WSS滤波通带中央处的频谱响应存在抖动，进而影响信道传输质量。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10 LCOS器件频谱响应特性Fig.10 Spectral response of the LCOS device

LCOS器件中光学层之间的折射率匹配处理不当不仅会引起图10中所示的谐振腔现象，还会给WSS带来串扰。在图11所示的LCOS器件中，玻璃前板表面的增透镀膜存在一定的问题，一部分入射光在空气-玻璃前板表面发生反射，未能进入液晶层，降低了LCOS器件的有效反射率。但是这对WSS插损的影响相对有限。+1级衍射级次在前板玻璃-空气界面会再次发生一定的反射，这部分反射光会进入液晶层，被二次相位调制，进而如图所示产生串扰。由于WSS对消光比的要求极为苛刻，此类由二次调制造成串扰对WSS的性能有着较为严重的影响。

图11 由于LCOS光学结构引起的WSS串扰Fig.11 Crosstalk in WSS caused by imperfect coating in the LCOS device

5.3 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。由于C波段和L波段的波长是可见光波长的3倍左右，且一般液晶材料在通信波段的双折率相比可见光波段更低，因此面向通信应用的LCOS器件一般需要更厚的液晶层实现2π的相位响应。通常情况下，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。在这种情况下，相邻像素电极之间的电场会发生串扰，即出现严重的边缘场效应[55]。

如图12所示，当相邻像素区域之间所需要的相位响应差别较大时，对应的像素电极之间存在一个较大的电场强度变化。但是由于像素电极尺寸与它们和ITO共电极之间的间距相当，电场分布在空间上存在一个渐变的过程，无法实现陡峭的相位变化。同时，液晶材料的粘滞特性[75]，也阻碍了液晶材料在小范围内实现相位突变。以上这些原因综合作用使得LCOS器件上实际的空间相位响应与加载的全息图之间存在差异，降低了器件的衍射效率。特别是当LCOS器件显示周期较小的闪耀光栅时，空间相位渐变区域占比较大，对衍射效率的影响尤为突出[76-77]。同时需要指出的是，当衍射效率较低时，入射能量被分配至高阶衍射级次，会给WSS带来串扰。如何保证LCOS在显示小周期闪耀光栅的情况下具有较高的衍射效率和串扰抑制也是实现大端口WSS技术的挑战之一。

图12 LCOS器件中的边缘场效应Fig.12 Fringing field effect in the LCOS device

虽然采用双折率更高的液晶材料[78-80]可以从一定程度上降低液晶层的厚度，减小边缘场效应的影响，达到提升衍射效率的目的。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。

5.4 瞬时相位稳定性

LCOS器件随时间的相位相依稳定性[81]是面向通信应用的LCOS器件的另一个重要光学参数。LCOS器件的瞬时相位抖动会使LCOS器件上显示的全息图失真。虽然这一现象对WSS插损的影响相对较小，但可能会提升串扰。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。而WSS中的LCOS器件工作温度一般在45 ℃以上，因此其瞬时相位抖动更为明显[82]。图13给出了两个LCOS器件在1.7π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13 LCOS器件中的瞬时相位抖动Fig.13 Phase flicker in LCOS devices

LCOS器件中的瞬时相位抖动主要源自于其驱动电场极性的周期性反转。由于LCOS器件中的液晶材料中不可避免地存在离子杂质，而离子杂质在电极上的聚集会严重影响LCOS器件的寿命。为了避免这种情况的出现，LCOS器件驱动过程中需要使用极性周期性反转的电场信号。在模拟型LCOS器件中，该电场极性的反转是诱发相位响应瞬时抖动的主要因素。通过提升驱动电场极性反转的频率可以有效降低LCOS器件的瞬时相位抖动。

数字型LCOS器件[83]的像素电极只支持两个电压值，因此需要使用脉宽调制(pulse width modulation, PWM)驱动方式实现多阶相位调制。脉冲波形在时间上的离散性是引发相位瞬时抖动的另一个主要因素。一般情况下，数字型LCOS器件中的相位抖动相对模拟型LCOS器件要大。近些年来，不同研究团队对数字型LCOS器件中的相位抖动展开了深入的研究工作[84-88]，通过优化脉冲分布的方式有效地降低了数字型LCOS器件中的相位抖动。

5.5 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)。虽然WSS模组可以采用多片LCOS器件，但这对光学系统的设计提出了挑战，同时也将增大WSS模组体积。目前，高端口WSS模组中普遍采用2k分辨率[89-90]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[91-92]也将在WSS中推广应用。JD2124LCOS器件[92-93]具有3 840×2 400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[32-33]。

5.6 可靠性

在WSS系统中的LCOS器件往往会被加热至45 ℃甚至更高的工作温度，以此降低WSS模组中温控系统的功耗。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。

5.7 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。

但是，LCOS光开关系统中对全息图及其重建光场质量的评价侧重点与传统信息显示系统中有较大的区别。传统信息显示系统中的全息相位图需要将一束入射激光衍射至空间中多个方向，形成一幅二维或者三维的图像；LCOS光开关中的全息相位图则需要将入射光束的能量集中衍射至某一个目标方向，并尽可能降低衍射至非目标方向上的能量，以此实现低插损和高消光比。面向传统信息显示应用的全息图优化算法一般基于Gerchberg-Saxton (GS)迭代[94]，在LCOS光开关中进行应用需要对迭代流程进行优化。虽然经过GS优化的全息图可以从一定程度上有效降低WSS中的串扰[95-96]，但是该迭代过程存在一定随机性，在WSS中应用存在一定的局限性。

目前，仅有少量面向WSS应用的全息相位图优化算法被公开。干涉相消[97-98]是其中一种方法。由于LCOS器件中的边缘场效应，器件实际显示的全息相位图与理论设计的理想全息光栅之间存在一定的差异，致使一部分入射能量被衍射至m≠1的衍射级次，进而在WSS中引起串扰。如图14(a)所示，在一个理想闪耀光栅全息图上添加一个正弦函数全息图分量，并调整该正弦函数分量的周期、振幅以及其和理想闪耀光栅之间在空间上的相对相位位移，可以使由该正弦函数引发的衍射级次与闪耀光栅的高阶衍射级次之间形成相消干涉，进而达到降低串扰的目的。如图14(a)所示，添加过正弦函数的实际加载全息图在空间形貌上与理想的闪耀光栅仅存在非常细微的差别。但是在图14(b)中所示远场光场分布中可以看出，闪耀光栅的+2衍射级次能量被降低>10 dB，达到了抑制串扰的目的。在此基础上，进一步添加不同周期的正弦函数分量可以抑制其他衍射级次的能量。

图14 (a)干涉相消全息图优化方法；(b)对应的光场分布。Fig.14 (a) Phase hologram optimisation based on destructive interreference; (b) Light field distribution at fibre port plane.

除了光栅类的全息相位图，LCOS器件还可以显示更加复杂的全息相位图，实现复杂光场调控。在基于波阵面编码(wavefront encoding)原理[39,99-101]的LCOS光开关中，光学系统设计和全息光场调控相互结合，实现了对串扰的抑制。在该类LCOS光开关系统中，光学系统设计中故意引入了一定的已知像差，LCOS器件上显示的全息相位图除了实现波束偏转外，还具有像差补偿功能。因此，只有目标衍射级次可以高效地耦合进目标端口，而m≠1高阶衍射级次在光纤端口平面均存在不同程度的相差，光纤耦合效率较低，进而达到了串扰抑制的目的。

另外，由于高阶衍射级次的出现位置存在一定规律，通过改变光纤阵列的空间分布可以从一定程度上降低高阶衍射带来的串扰。

当WSS需要将一个WDM波长信道从一个端口切换至另一个端口时，LCOS器件上显示的全息相位图需要被更新。在这个全息相位图更新过程中，用户没有能力控制LCOS器件上显示的瞬时全息位图。而这些瞬时相位图会引发WSS瞬态串扰，影响网络传输质量。对瞬态串扰的抑制也是LCOS WSS中特有的技术难点。有研究表明，通过添加中间态全息相位图可以从一定程度上抑制WSS中的瞬态串扰[102-103]。波阵面编码方案也可以从一定程度上抑制瞬态串扰[104]。

6 结 论

LCOS技术作为WSS/ROADM系统的主要元器件已经成为全光通信网络的核心技术。目前，WSS也是纯相位型LCOS器件的主要应用场景。但是，全光通信网络对LCOS器件性能、可靠性和全系空间光场调控质量都提出了苛刻的要求。这给WSS系统的设计，LCOS器件的开发和使用都提出了一系列特殊的技术挑战。随着全光通信网络向更多维度、更高传输速率发展，对WSS端口数目、光学性能的要求也将越来越高。面向未来全光网络发展需求，本文中介绍的WSS和LCOS的各个关键技术环节上都迫切需要技术突破。期望通过对这些关键技术环节的介绍，加深广大读者对该领域的认知，达到推动该领域进一步发展的目的。