专题丨支持全光网的波长交换开关发展趋势
作者简介
马亦然
Finisar Australia系统架构师，博士，长期从事新型光网络架构、ROADM和WSS产品、超高速波分系统等方面的研究工作。
论文引用格式：
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.
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。
C+L WSS和普通C波段的20 维/32 维WSS使用的是同样的LCoS平台，通过一块LCoS芯片实现对C+L波段的支持。与其他基于LCoS平台的WSS一样，C+L WSS可以支持完全的灵活栅格，允许使用者随意配置不同的通道间隔，为灵活调制波特率的未来400 Gbit/s及以上的波分系统提供支持。一个同时支持C+L波段的WSS模块可以将WSS部分的系统集成度提高一倍，成本和功耗也比C和L波段分别的WSS相加要大幅下降。C+L的频谱范围可以应用在全部端口数和集成度的WSS产品上，包括9 维、20 维、32 维乃至更多端口数的WSS，也包括Single、Twin乃至Quad WSS。鉴于目前同时支持C+L波段的放大器并不成熟，C+L WSS的公共端口可以灵活设计以连接不同类型的放大器。可以有两个公共端口，一个支持C波段、一个支持L波段，方便连接C波段放大器和L波段放大器。也可以只有一个同时支持C+L波段的公共端口，连接未来可能出现的C+L波段一体的放大器。另外，C+L WSS的每一个方向侧和上下端口都是同时支持C+L波段。
C+L波段的扩展带来的好处不止是提高单纤容量。当频谱变宽之后，可用的通道也会增加，那么在同一个节点上下路波长冲突的机会会变小，网络透明度会得到提高，使得频谱和波长业务变得更有价值。C+L WSS可以从部署第一天就提供未来的频谱升级机会，当L波段需要使用时所有额外的成本只是点亮L波段的运维人力花费。C+L波段的高端口数Twin WSS和Quad WSS可以提供前所未有的灵活度和网络容量，这也是WSS继续支撑全光网演进尤其是带宽不断提升的方式。
图2展示了一个C+L WSS演示的波形（悉尼的城市天际线），体现了C+L WSS的灵活栅格配置和频谱范围。波形通过一个9端口的C+L Single WSS产生，每个端口产生不同频率、不同形状的波形如前文所述，LCoS平台的特性，配合光学和算法设计，使得C+L WSS比起单独的C波段WSS性能没有任何劣化，L波段和C波段性能的一致性也显著降低了C+L系统性能不均衡带来的优化难度。
3 超大端口数和高集成度WSS
3.1 超大端口数WSS自WSS开始商用，更多的端口数就一直是全光网对WSS的需求之一。端口数提升的一个主要挑战是端口隔离度这个性能指标。简单计算可以得知，40根250 μm直径的光纤堆叠在一起需要最少10 mm的高度供WSS进行封装和保温处理。LCoS也需要一定程度地隔离以保持大致恒定的工作温度，而无需大量增加功耗来实现，这样就带来了一些额外的尺寸增加。然而，商用WSS的尺寸限制很严格，必须要尽可能地保持和已经部署的WSS一致，以避免线卡重新设计。这样越来越多的光纤排放在尺寸很小的封装中，不可避免地造成光纤紧密排列在一起，光信号更容易泄露到目标光纤以外的相邻的其他光纤中，降低了端口隔离度。即使WSS的模块尺寸可以适当变大，LCoS的切换角度也是一个考验，更大的角度会带来更多量化噪声和增加插入损耗。大端口数WSS的所有这些局限都需要依靠更好的光学设计和算法来突破，目前商用的32端口Twin WSS 尺寸没有增加，并且端口隔离度等指标也没有劣化，很好地解决了这些问题。
当前，运营商广泛部署的32 端口双WSS已经可以满足全光网节点方向维度需求的绝大多数场景。目前，WSS端口数进一步扩展的动力主要来自ICP采用灵活栅格合分波的需求。400G ZR所定义的C波段中64个75 GHz间隔的通道当下需要2个32端口的WSS来合分波，这样在未来向800 Gbit/s的升级中可以通过灵活栅格适当增加通道间隔，而无需更换合分波器件。未来的数据中心互联800 Gbit/s可能会采用100G以上的波特率，这样频率间隔可能会采用125 GHz，意味着C波段可以容纳38个通道。如果仍然采用现有方案使用2个32端口WSS会带来很大的浪费。目前，业界最新推出的48端口WSS可以完美地适用这个场景。并且如果作为全光网ROADM设备的上下路来使用，2个48端口WSS就可以覆盖C波段96个50 GHz通道上下路，或者扩展C波段80个75 GHz通道上下路，随之带来机框空间和成本的巨大降低。通过对样品的测试发现，48端口WSS的各项关键性能指标比起32端口WSS并没有明显的降低，因此未来如果全光网方向维度有超过32维的需求，那么也存在用于方向维度场景的可行性。
如果将尺寸局限在和32端口双WSS相当的话，那么48端口也并不是超大端口数WSS设计的极限。如果有更高的需求，那么端口数也可以继续扩展，不过需要更复杂的光学设计和算法来抵消更紧密的光纤排列带来的端口隔离度的问题，相应地也会带来成本的进一步增加。但是不管如何，超大端口数的WSS在每端口成本方面，还是具有明显的优势。
3.2 高集成度WSS从Single WSS到Twin WSS，WSS的集成度提高了一倍。Quad WSS的出现使得集成度在Twin WSS的基础上又提升了一倍。Quad WSS是利用LCoS的分区技术，用一块LCoS芯片来实现4个独立的WSS。这样4方向的B&S（Broadcast and Select）和两个方向的R&S（Route and Select）可以通过一个小尺寸模块（对应单槽位板卡）实现。对于环网来说，一个模块即可以支持一个双向R&S结构的节点，对于在某些城域边缘场景追求高集成度和低成本的运营商具有巨大价值。单点故障和东西向不分离看似是Quad WSS的缺点，但是从 Single WSS升级到Twin WSS的过程中可以看出，总体的系统可靠性并没有下降。对于WSS来说，故障率主要来自LCoS芯片、电子元器件和光学器件这三部分。Quad WSS的4个独立WSS共享同样的LCoS，电子元器件和光学器件和Single、Twin WSS复杂度相当，因此Quad WSS的可靠性并不弱于Single和Twin WSS。
图3展示了Quad WSS的功能，是一个特定的光谱组合用于展示。每个WSS均可以独立运行，支持灵活栅格功能，可以随意调整通道间隔、通道内和通道间的衰减。整个试验架构包括一个可调激光器，一个4路输出的耦合器将光源平均输入到4个独立的WSS，以及36个光接收器接收所有WSS输出端口的不同频率不同形状的光信号。Quad WSS的各项性能参数都和Twin WSS保持一致，包括通道带宽、端口隔离度、频谱范围、偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss，PDL）等。未来Quad WSS中的每个WSS也不仅限于9个端口，并且LCoS的分区还可以继续扩展以支持八（Octo）WSS或者其他更复杂的WSS产品。
4 城域边缘WSS
全光网正在从骨干和城域核心下沉到城域汇聚和接入层，以提供光信号端到端的可达性与灵活性。用于城域边缘的WSS通常不需要承载满配的波道数，这样通道间隔就可以适当放宽，例如在C波段支持48个100 GHz间隔的通道，并且边缘网络端到端级联的WSS也不会很多。这样WSS的各项指标也可以相应放宽，会大大简化设计和降低成本，而成本正是城域边缘这类规模巨大的应用中最重要的考量因素。除了光学设计会大幅简化之外，一些其他的设计上这类边缘WSS反而更具挑战性，例如工作温度。由于网络边缘的节点通常处在条件不好的机房，无法实现全时的温度控制，边缘WSS需要具备更广的工作温度范围。出于散热和降低功耗的考虑，边缘WSS所用的材料也需要慎重选择，核心WSS所用的完全气密封装和昂贵的光学元件都不适用于边缘WSS。总之，一切以满足需求下的最低成本为优先考虑。
表1列出了一些WSS设计中会增加成本的因素，这些因素在城域边缘WSS的设计中都会适当考虑以降低成本。全新的软硬件和封装设计，配合上分辨率较低的LCoS，总体成本上比其他技术并无劣势；并且在城域边缘这类应用，LCoS还有一定的优势。首先，LCoS可以支持灵活栅格，为未来向400 Gbit/s或更高速率升级提供无需更换基础设施的便利；另外，LCoS可以方便地增加端口数，而不影响到性能指标，更多端口数可以灵活地支持更多的线路方向和简化上下路架构。例如，预期应用场景最广泛的Twin 1×9边缘WSS，就非常依赖LCoS技术来实现。基于前面提到的LCoS的特性，在电子和光学器件不变的前提下，分区和端口数可以灵活选择，例如同样的平台可以同时支持Twin 1×9、Twin 1×5或者Single 1×9的产品设计，如有需要也可以扩展成为Quad或者Octo的产品设计，这对边缘网络复杂的多场景提供了丰富的选择。表1 WSS中增加成本的因素
5 结束语
LCoS将继续是未来WSS发展的核心技术，无论用于骨干网、城域核心网，还是用于城域汇聚和接入网。LCoS可以提供对不同频谱范围和更多端口数的支持，而无需更换LCoS芯片。基于LCoS的WSS可以支持灵活栅格，可以灵活地分区来实现Single、Twin、Quad乃至更复杂的产品设计，是现在乃至未来端到端全光网所需的关键元器件。
参考文献
[1] Brackett C. A scalable multiwavelength multihop optical network: a proposal for research on all-optical networks[J]. Journal of Lightwave Technology, 1993,11(5):736-753.[2] 张成良. 光网络新技术解析与应用[M]. 电子工业出版社, 2016.[3] 马亦然, CLARKE I. 使能全光网的WSS技术[J]. 电信科学, 2019,35(4):41-46.[4] Finisar Australia. Finisar australia releases world’s first C+L-band wavelength selective switch[EB/OL]. 2020[2021-09-10]. https://www.globenewswire.com/news-release/2020/08/31/2086099/0/en/Finisar-Australia-Releases-World-sFirst-C-L-band-Wavelength-Selective-Switch. html.[5] Finisar Australia. Finisar australia releases world’s first quad 4×1×9 wavelength selective switch with flexgrid technology at OFC 2020[EB/OL]. 2020[2021-09-10]. https://www.globenewswire.com/news-release/2020/03/11/1998670/0/en/Finisar-Australia-Releases-World-s-FirstQuad-4×1×9-Wavelength-Selective-Switch-with-FlexgridTechnology-at-OFC-2020. html.
Development trend of wavelength switching switch supporting all-optical network
MA Yiran
(Finisar Corporation, Sydney 2018, Australia)
Abstract: Future trends of all optical network create new demands for the key enabling component-wavelength selective switch (WSS). The foundation of the future of WSS is liquid crystal on silicon (LCoS). Together with advanced algorithms and optics design, WSS is heading towards supporting more spectrum, higher integration and higher port count. Moreover, the low cost variant of WSS in core networks will be convenient for metro edge applications.Keywords: all-optical network;WSS; LCoS; ROADM
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第12期
主办：中国信息通信研究院
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