1．I類ROADM的研究現(xiàn)狀
    I類ROADM的每個(gè)ADD/DROP端口只能上/下載固定的波長，它可以采用B&S型或者WS型結(jié)構(gòu)。
1)基于WB的B&S型I類ROADM
WB（Wavelength Blocker，波長阻塞器）是B&S型ROADM中的關(guān)鍵器件，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)有MEMS、LC（Liquid Crystal，液晶）、PLC，等等。以WB為核心，配置成圖2.8所示結(jié)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)B&S型I類ROADM，因此下面僅對(duì)各種WB實(shí)現(xiàn)技術(shù)作介紹。
a)基于MEMS技術(shù)的WB
    2005年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Neilson等人報(bào)道了一種基于MEMS技術(shù)、具有通道均衡功能的WB，如圖3.1所示，它由一個(gè)三端口環(huán)形器、一個(gè)透鏡組、一個(gè)衍射光柵和一個(gè)MEMS微鏡陣列組成。
    經(jīng)環(huán)形器輸入的DWDM信號(hào)，先由透鏡組準(zhǔn)直，然后被光柵衍射，不同波長對(duì)應(yīng)不同衍射角度，經(jīng)透鏡組聚焦到MEMS微鏡陣列的不同單元上，需要阻塞的波長被反射鏡偏離，而直通波長被反射后，沿原光路回到環(huán)行器的端口。
    通過對(duì)衍射光柵、透鏡組和MEMS微鏡陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了很好的通帶特性；由于各個(gè)波長被各個(gè)反射鏡獨(dú)立反射或偏轉(zhuǎn)，相互之間沒有制約關(guān)系，因此該器件可以阻塞任一或任一組波長；也可以通過反射鏡對(duì)各直通波長偏轉(zhuǎn)一定角度以達(dá)到適當(dāng)?shù)乃�減，使該器件同時(shí)具有動(dòng)態(tài)通道均衡功能；因?yàn)榭快o電吸引來扭轉(zhuǎn)MEMS反射鏡，該器件的功耗非常小。
    
               圖3.1 基于MEMS技術(shù)的WB結(jié)構(gòu)

圖3.2所示為該WB的傳輸譜線，其通道數(shù)為64，通道間隔為100GHz，IL小于5dB，PDL小于0.35dB，串?dāng)_低于-35dB，0.5dB和3dB通帶寬度分別為58GHz和87GHz。
     
圖3.2 基于MEMS技術(shù)的WB傳輸譜線，左坐標(biāo)－所有波長均直通，右坐標(biāo)－直通/阻塞波長相間隔

b)基于LC技術(shù)的WB
圖3.3所示為美國JDSU公司的基于LC技術(shù)的WB方案，它由一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換組件、兩個(gè)透鏡、一個(gè)衍射光柵和一個(gè)帶反射鏡的LC陣列組成，其中的偏振轉(zhuǎn)換組件由一個(gè)偏振分光棱鏡（Polarization Beam Splitter, PBS），一個(gè)直角棱鏡和兩個(gè)半波片組成。
    任意偏振態(tài)的DWDM信號(hào)，先被偏振轉(zhuǎn)換組件變換成相同偏振態(tài)的兩束光，經(jīng)過兩個(gè)透鏡組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，光束被展寬，投射到衍射光柵上，不同波長被衍射至不同角度，再經(jīng)透鏡2聚焦到LC陣列的不同單元上，將需要阻斷的波長完全衰減，而其他波長被反射或者適當(dāng)衰減，沿原路返回，再次經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)換組件中的PBS時(shí)，因偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)了90°，從另一端口輸出。各波長被各LC單元獨(dú)立控制，因此該WB可以阻塞任一或任一組波長。
    
                圖3.3 基于LC技術(shù)的WB結(jié)構(gòu)

圖3.4所示為該WB的傳輸譜線，該器件可工作于100GHz和50GHz，通道數(shù)達(dá)100個(gè)，IL小于5dB，PDL小于0.3dB，串?dāng)_低于-40dB，0.5dB通帶寬度大于50GHz（100GHz通道間隔）。
    
     圖3.4 基于LC技術(shù)的WB傳輸譜線，直通/阻塞波長相間隔

c)基于PLC技術(shù)的WB
    Neophotonics公司的Liu等人在2005年的OFC會(huì)議上報(bào)道了一種基于PLC技術(shù)的WB，如圖3.5所示，它由一個(gè)解復(fù)用器、一個(gè)阻塞器陣列和一個(gè)復(fù)用器組成，其中解復(fù)用器和復(fù)用器為AWG，阻塞器為基于Mach-Zehnder（MZ）干涉的熱光開關(guān)，而且采用兩級(jí)光開關(guān)串聯(lián)以提高消光比。
    各阻塞器獨(dú)立控制每個(gè)波長，因此該器件也可以阻塞任一或任一組波長；控制加熱電極使各直通波長也達(dá)到適當(dāng)衰減，則該器件同時(shí)具有動(dòng)態(tài)通道均衡功能。
    該WB的通道數(shù)為32，通道間隔為100GHz，IL小于5dB，PDL小于0.4dB，串?dāng)_低于-35dB，0.5dB和3dB通帶寬度分別為50GHz和68GHz；該器件總功耗為13W，包括阻塞器陣列的功耗9W和兩個(gè)AWG的溫控功耗4W。

      
                           (a)
      
                           (b)
圖3.5 基于PLC技術(shù)的WB，(a)結(jié)構(gòu)示意圖，(b)芯片布版

2)基于PLC技術(shù)的WS型I類ROADM
    以基于PLC技術(shù)的AWG和熱光開關(guān)分別作為復(fù)用/解復(fù)用器和控制單元，可以實(shí)現(xiàn)單片集成的WS型ROADM。

a)基于PLC技術(shù)的傳統(tǒng)ROADM結(jié)構(gòu)
     圖3.6所示為一種基于PLC技術(shù)的傳統(tǒng)ROADM，采用WS型結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)解復(fù)用器、一個(gè)2×2熱光開關(guān)陣列、一個(gè)熱光VOA陣列、一個(gè)TAP耦合器陣列、一個(gè)探測器（Photo Detector, PD）陣列和一個(gè)復(fù)用器組成，其中復(fù)用/解復(fù)用器為AWG，光開關(guān)一般采用兩級(jí)串聯(lián)以提高消光比。由于材料不兼容，其中的PD陣列不能與其他器件一起集成在PLC芯片上，而是另外制作一個(gè)PD芯片，PD芯片與PLC芯片采用倒裝方式封裝在一起，PLC芯片上的TAP耦合器，其輸出端口通過一個(gè)制作在PLC芯片上的45º反射鏡陣列，與PD芯片上的探測器單元進(jìn)行耦合。

    
            圖3.6 基于PLC技術(shù)的傳統(tǒng)ROADM結(jié)構(gòu)

    考慮系統(tǒng)的可靠性，全光通信網(wǎng)一般采用雙向光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，兩條光纖互為備份保護(hù)，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)中包含兩個(gè)ROADM器件。以這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的ROADM器件構(gòu)筑雙向光纖環(huán)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，如圖3.7所示，如果其中一個(gè)ROADM器件發(fā)生故障，則整個(gè)節(jié)點(diǎn)必須被隔離。我們?cè)賮砘仡檲D2.1中的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，由于ROADM器件的上/下載模塊分離，如果其中一個(gè)ROADM器件發(fā)生故障，只會(huì)使本節(jié)點(diǎn)損失一半上/下載能力。因此，上/下載模塊分離的ROADM器件，其可靠性優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的ROADM器件。

    
    圖3.7 以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)ROADM器件構(gòu)筑的雙向光纖環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)

b)上/下載模塊分離的PLC單片集成ROADM
    圖3.8所示為一種基于PLC技術(shù)、上/下載模塊分離的ROADM結(jié)構(gòu)，美國JDSU公司和DuPont公司分別在硅基二氧化硅材料和Polymer材料上制作了這種結(jié)構(gòu)的ROADM，均為40通道，通道間隔為100GHz。JDSU公司的器件特性為，直通波長IL小于7.5dB，上/下載波長IL小于5.8dB，PDL小于0.5dB，串?dāng)_低于-30dB，0.5dB通帶寬度為52GHz，VOA動(dòng)態(tài)范圍為25dB。DuPont公司的器件特性為，直通波長IL小于7dB，PDL小于0.4dB，串?dāng)_低于-50dB，0.5dB和3dB通帶寬度分別為40GHz和81GHz， VOA動(dòng)態(tài)范圍為20dB。后者采用Polymer材料，熱光系數(shù)為二氧化硅的32倍，因此功耗大大降低。

       圖3.8 上/下載模塊分離的PLC單片集成ROADM結(jié)構(gòu)

該ROADM的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有廣播功能，即多個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠從同一個(gè)波長下載信號(hào)，廣播功能廣泛用于多種業(yè)務(wù)，如高清電視和視頻點(diǎn)播。

c)基于PLC技術(shù)的多功能ROADM
    2002年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Earnshaw等人報(bào)道了一種基于PLC技術(shù)的多功能ROADM，如圖3.9所示，它由兩個(gè)解復(fù)用器、兩個(gè)復(fù)用器和一個(gè)1×2熱光開關(guān)陣列組成，除了一組分立的ADD/DROP端口，該器件還有一個(gè)公共的ADD/DROP端口。通過熱光開關(guān)的控制，每個(gè)波長可以被下載到分立DROP端口，也可以被下載到公共DROP端口，信號(hào)的上載也可以選擇分立或者公共ADD端口。
    每個(gè)分立ADD/DROP端口只能上/下載固定的單個(gè)波長，因此該ROADM結(jié)構(gòu)歸于I類；公共ADD/DROP端口可以上/下載任意波長的組合，可用于跟其他光纖環(huán)網(wǎng)中ROADM節(jié)點(diǎn)之間的互連，相當(dāng)于將該器件的維數(shù)提升為四維，因此該ROADM被稱為多功能型。
    該器件的通道數(shù)為16，通道間隔為200GHz，器件的損耗，從輸入端口到直通端口或者公共DROP端口，或者從公共ADD端口到直通端口，均經(jīng)過了兩個(gè)AWG，IL小于5.5dB；從輸入端口到分立DROP端口，或者從分立ADD端口到直通端口，都只經(jīng)過了一個(gè)AWG，IL分別為2.6～4.0dB和2.2～3.5dB，分立端口的損耗差異，是因光波導(dǎo)的交叉損耗引起，每個(gè)分立端口經(jīng)過的交叉點(diǎn)數(shù)量各不相同（交叉波導(dǎo)的夾角大于40º，可以盡量減少交叉點(diǎn)引起的損耗和串?dāng)_）。兩個(gè)AWG器件的3dB通帶寬度分別為98GHz和109GHz，所有端口的串?dāng)_均低于-40dB。

    
       圖3.9 基于PLC技術(shù)的多功能ROADM結(jié)構(gòu)

    圖3.10為該ROADM的波長路由示例，其中8個(gè)波長直通，4個(gè)波長被下載到公共DROP端口，其余4個(gè)波長被下載到分立DROP端口。

    
圖3.10 多功能ROADM波長路由示例，8個(gè)波長直通，4個(gè)波長下載到公共DROP端口，4個(gè)波長下載到分立DROP端口

3)基于PLC+MEMS技術(shù)的WS型I類ROADM
    1999年，朗訊公司的Giles等人報(bào)道了一種基于PLC和MEMS技術(shù)的混合結(jié)構(gòu)I類ROADM，如圖3.11所示，它采用AWG作為復(fù)用/解復(fù)用器，并通過MEMS光開關(guān)控制各波長直通或者被反射，其中1-4和13-16通道通過3dB耦合器分光探測，這些通道可用于廣播業(yè)務(wù)。

    
         圖3.11 基于PLC和MEMS技術(shù)的I類ROADM結(jié)構(gòu)

2．II類ROADM的研究現(xiàn)狀
1)基于PLC技術(shù)的W&S型II類ROADM
在2005年的OFC會(huì)議上，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Earnshaw等人報(bào)道了一種基于PLC技術(shù)的WS型II類ROADM，如圖3.12所示。輸入信號(hào)先被解復(fù)用為單波長，并由1×2光開關(guān)陣列決定每個(gè)波長直通或者被下載，直通波長被重新復(fù)用到直通端口，所有1×2光開關(guān)的下載端均連至一個(gè)非對(duì)稱的N×M（M≤N）光開關(guān)（如圖3.13所示），可以同時(shí)下載N個(gè)波長中的任意M個(gè)，而且每個(gè)端口的下載波長不固定，因此屬于II類ROADM。與圖3.8中類似，該ROADM的上/下載模塊也是分離的。

    
       圖3.12 基于PLC技術(shù)II類ROADM結(jié)構(gòu)

    
       圖3.13 N×M非對(duì)稱光開關(guān)

該器件通道數(shù)為24，通道間隔為200GHz，可從24個(gè)波長中同時(shí)下載任意8個(gè)波長至任一輸出端口中。Earnshaw等人報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，直通波長IL為12~14dB，下載波長IL為20dB（其中24×8非對(duì)稱光開關(guān)的損耗約為14dB），串?dāng)_低于-40dB。其中直通波長通過了兩個(gè)AWG、一個(gè)光開關(guān)和一個(gè)耦合器（用于與上載模塊合路，一般為20%耦合比），通過優(yōu)化AWG的設(shè)計(jì)，IL可降至7dB以下。相應(yīng)的，下載波長的IL可降至17dB以下。

2)基于PLC+MEMS技術(shù)的WS型II類ROADM
    圖3.14所示為一種基于PLC和MEMS技術(shù)的混合結(jié)構(gòu)II類ROADM，它以AWG作為解復(fù)用器和復(fù)用器，用一個(gè)N×M（M≤N）MEMS光開關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)光交換。在直通狀態(tài)下，所有MEMS反射鏡均退出光路，當(dāng)某個(gè)波長i需要下載到DROP端口j時(shí)，第i行第j列的反射鏡進(jìn)入光路中，相應(yīng)波長被反射并下載；由于反射鏡是雙面的，可同時(shí)從ADD端口j上載波長i。該ROADM可同時(shí)上/下載N個(gè)波長中的任意M個(gè)，而且每個(gè)端口的波長不固定（上載端采用可調(diào)激光器），因此屬于II類ROADM。
16×16 MEMS光開關(guān)的損耗小于3.1dB，兩個(gè)AWG的損耗小于6dB，采用該方案的16×16 ROADM損耗可低于9.1dB。

    
      圖3.14 基于PLC和MEMS技術(shù)的II類ROADM結(jié)構(gòu)

在圖3.12和圖3.14所示的ROADM器件中，下載端口數(shù)M小于傳輸波長數(shù)N，這是因?yàn)樵谀硞�(gè)節(jié)點(diǎn)需要上/下載的波長數(shù)一般為總數(shù)的25%，而且一般不超過50%，采用N×M的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省收發(fā)模塊，降低成本。