WSS技术专题

技术专题：波长选择开光（WSS）

一、技术背景：

本文我将以波长选择开光（WSS）为核心，做一个技术专题，为大家系统的回顾一下WSS技术产生的原因，发展的现状和实现方式。既然以WSS为题，首先我们必须明白什么是WSS。用最简单的语言描述，WSS可以表述为用以实现动态可重构光加/减复用（ROADM）的新一代技术，具有网状架构，能支持任意端口波长任意上下行的功能。

既然WSS是新一代的ROADM技术实现方式，我们先来回顾一下ROADM的发展历程。从ROADM概念首次被提出，到商用化，再到新一代的WSS技术，整个历程可以很好的用图1描述。

波分复用是当前最常见的光层组网技术，通过不同波长复用后在一根光纤中传输，很容易实现Gbit/s甚至Tbit/s的传输容量，但是当前的波分复用系统，其本质上还是一个点到点的线路系统，大多数的光层组网只能通过终端站(TM)实现的光线路系统构建。ROADM概念被提出的初衷，就是要增强波分复用的灵活性，以实现不同节点信息间的交叉调度。图1中从1998年到2001年前后，是ROADM概念初步成型的阶段。图中所示的基于光交叉

连接器（OXC）和光-电-光（O E O）再生器的结构，以及随后出现的基于环行器的结构和基于复用器- 开关矩阵- 解复用器（DSM）的结构是最初的实验模型。但这些系统使用分立元件构成，插入损耗大，性能不够稳定，运营成本也较高。因此，这些技术只在ROADM 概念形成的初期被研究和实验，但并没有真正走入商业化。

首次商业化，也是被认为是ROADM第一代技术的是波长阻断器（WB）技术。其工作原理如图2所示。该技术通过使用功分器把全部波长的信号都按功率分为两束，一束经过WB模块，传输至下一个ROADM网络单元。另一束则传到下行支路。WB模块的作用是将需要下行的波长阻断。WB模块最常见的结构是使用解复用器-可变光衰减器（VOA）-复用器结构，即解复用后每个波长都接一个可程控的VOA，根据需要将已下行的波长衰减掉。剩余的波长在经波分复用器复用后传输到下一个网络元。图2所示的支路里，需下行的波长经解复用器分开，并使用光性能监控（OPM）来保证下行不同波长功率的均衡性。

目前WB技术很成熟、具有低成本，结构简单，模块化程度好，预留升级端口时可支持灵活扩展升级功能等优势，适合用于LH和ULH系统，支持广播业务（采用分功率的理念）。但是WB技术迫使运营商一次性购买多个波长。另外,这种结构需要采用外部滤波器进行波长下路,如果采用固定滤波器,则无法实现动态重构上、下路波长,只能重构直通波长，不易过渡至光交叉互连（OXC）。

图3所示第二代ROADM是基于平面光集成（PLC）的技术。实际上它是图1中2000年前后出现的DSM-ROADM技术的发展和延续。通过集成波导技术，将解复用器（通常是AWG）、1X2光开关、VOA、复用器等集成在一块芯片上，规模化生产后能有效降低成本。因此PLC技术是成本相对最低的ROADM实现方案。由于使用了1X2或2X2的光开光，因此具有二维自由度。但PLC-ROADM和WB-ROADM很多方面还是很类似的，两种方案上、下路端口都与波长相关，无法重构上、下路波长。

应运而生的第三代ROADM技术就是本文的核心WSS。如图4所示，和WB相比，WSS 最大的特点是不再需要WB模块，每个波长都可以被独立的交换。如图4所示，多端口的WSS模块能独立的将任意波长分配到任意路径。因此基于WSS的网络具有多个自由度，不再像WB或PLC那样需要对网络互连架构做预先设定。

如图5所示，每个波长信号被独立可编程控制，根据实际需要，或者被传送到Express端口或者到下行支路端口。然后Express端口将混合新的上行信号一起传送到ROADM输出模块。和WB技术一样，在系统末端也使用OPM来保证多波长信号的功率均衡性。二、WSS-ROADM系统构成：

图6所示的基于WSS技术的ROADM系统分别由一个1×N和一个N×1的WSS模块构成。其中1×N 的WSS能够将输入端口的波分复用信号中的任意波长组合输出到任意输出端口上；相反，N×1 型WSS可以将任意一个输入端口的光信号选择任意波长组合与其他

输入端口的波长组合合并后输出。这种结构的ROADM 设备在上下行端口都具有波长无关的特征，任意下行端口可以实现任意波长信号下行，在上行端口上行任意波长信号。注意图6所示结构数据流都是东西方向的，因此有两个自由度。但注意到在这种结构中，WSS 的输出端口除直通端口外其余的端口只选择单波长输出。因此一个2-自由度的ROADM是很容易升级到最多N-1个自由度的，如图7所示。

图8 典型WSS-ROADM应用实例

如图7（a）所示，在N个WSS服务端口中，一个被专用于本地信号上下行服务，而其余N-1个被用于在N-1个ROADM模块间的网络交叉互连。图7（b）和（c）是为了降低成

本，减少开关数目而对图（a）做的一种简化。图（a）中上下行的服务是通过一对WSS实现的，而（b）和（c）则使用一个WSS和一个分束器（或合束器）的组合，这样的方案更加简单，成本更低，性能上却保持了和（a）方案相同的灵活性，都能实现N-1个自由度的可重构加减互连。我们可以把（a）和（b/c）看做WSS-ROADM的两种基本互连方案。这样看来是否（b）或（c）相比方案（a）就更具优势了呢？其实不然，两种方案其实互有优劣，需根据实际情况做出综合选择。由于使用了分束器或合束器而相应产生的额外损耗也明显大于（a）方案，因此（b）和（c）还必须使用EDFA来对信号再放大。另外，方案（a）使用了一对互为反向的WSS，因此除了低损耗外，还保持了非常好的端口间信号隔离度，因此系统串扰非常小。但是，方案（a）和图2所示的WB-ROADM相比，已不具备广播式服务能力。但方案（b）或（c）由于使用了功分器，则和WB-ROADM一样也兼具了广播式网络服务能力。

为了更形象化的描述WSS-ROADM的工作模式，给出了图8所示的示意图。如图所示，WSS模块能提供C/DWDM网络环和城域骨干网DWDM环间信号的任意交叉互连。注意图8中WSS模块是三个环的相切处，右边显示了放大的工作模式图，这和图7（a）所示的原理是一致的。

事实上，我们可以在图7基础上进一步增加波长交叉互连的能力。即结合使用WSS和功分器技术。让系统兼具点对多点的交叉互连能力，以及广播式服务能力。类似图7，仍使用1X N的WSS模块实现互连，而分束器（或合束器）的分束比（或合束比）为1：m（或m：1）。那么作为WSS-ROADM系统将具有m*(N-1)个自由度。这时候，对照图7（a）的结构进行扩展，则将需要(m+m2)*（N-1）个WSS模块。而使用类似图7（b）和（c）的方案，由于使用分束器或合束器来取代上行或下行互连功能，也就是说将有m*(N-1)个WSS模块将被分束器或合束器来取代，这时候系统共需要m2*(N-1)个WSS模块。这是