5G技术中的无源光器件(一)

5G技术的兴起和5G基站的大规模建设，使无线通信逐步呈现高速大容量的特点。5G技术背后的基础是庞大的光纤通信网络。可以预见，现有的光纤通信网络将在未来的一段时间内陷入速度与流量的瓶颈，随之而来的是对光通信器件要求的提高。另外，DWDM、ROADM和相干接收等技术逐步从广域网下沉至城域网，对光通信器件提出了新的要求，也极大地扩充了该领域的市场份额。

1. 基于MCS的CDC ROADM
5G技术和互联网应用的高速发展带来带宽需求的激增，促进全光网络的升级。作为全光网中的关键部分，ROADM及相关无源光器件市场有望迎来快速增长。近些年，ROADM技术逐渐下沉至城域网，进一步提高了市场需求。

ROADM即可重构光分插复用器，可下载/上载任意波长组合。随着互联网流量的快速增长，传统的ROADM交换节点无法满足系统要求。逐渐向无色/无方向/无争用(CDC)发展。

最主流的ROADM结构如图1所示，其NNI侧（节点之间的互联）由1×N端口WSS构成，而UNI侧（用于本地的波长上/下载）由多播光开关MCS构成。一个M×N端口MCS开关有M个输入端口和N个输出端口，由M个1×N端口光分路器(PS)和N个M×1端口光开关(OSW)构成。光信号从其中一个输入端口输入，首先被光分路器分成N份，向所有N个光开关广播；然后由对应目标输出端口的光开关选择接收到的光信号，而其他光开关而忽略该信号。

根据1×N端口WSS和MCS的功能，此ROADM结构可实现CDC功能，然而，MCS中的光分路器在分光广播时，产生的损耗太大，因此需要光放大器阵列来补充光功率。配置光放大器阵列，其代价不菲，因此要求现有的EDFA，进一步减小尺寸和降低成本。EDFA中的光学元器件，如WDM、光隔离器、TAP耦合器、可调光衰减器VOA、光探测器PD，需要通过功能混合集成，以减小尺寸和降低成本。

图1. 基于MCS的CDC ROADM结构

2. MCS模块中的1×N端口光开关

如图2所示，一个M×N端口MCS开关需要使用N个M×1端口光开关(OSW)。由于MCS模块中需要的1×N端口光开关数量较多，且每个光开关端口数较多，传统的机械光开关不能满足尺寸和损耗要求，MEMS光开关成为主流解决方案。

图2. MCS模块结构

如图3所示的1×N端口MEMS光开关，可通过化学腐蚀减小光纤外径。配合各种光纤排列方式，来减小边缘端口的离轴量，以便在MEMS微镜的偏角范围内容纳更多端口数，并减小因像差引起的损耗。

图3. 1×N端口MEMS光开关

3. 分支光分路器
   在1×N端口光分路器(PS)中，最基本的单元为Y分支光分路器，其原理如下图4所示。光波模式在分支区被绝热转换，使光功率被均匀地分配到两个分支波导之中。多个Y分支的级联构成一个具有大端口数的光分路器。Y分支光分路器通常由玻璃波导制成，如图5所示。
   
   图4. Y分支光分路器原理示意图
   
   图5. 基于Y分支级联的光分路器