基于MEMS的OXC結(jié)構(gòu)設(shè)計及其性能分析＊

李利平，黃春梅

（黃河科技學院 信息工程學院，河南 鄭州 450063）

引 言

光交叉連接（optical cross connect，OXC）是對系統(tǒng)中的光信號進行交叉連接，解決網(wǎng)絡(luò)間的信息耦合，并兼有本節(jié)點的全光分插復用功能，它可以靈活有效地管理光傳輸網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)具有很大的靈活性、可擴展性和動態(tài)重構(gòu)性以及自愈功能，是實現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)保護／恢復、自動配線和監(jiān)控的重要手段［1］。另外OXC設(shè)備型號少，監(jiān)控維護參數(shù)少，易于標準化，無需時鐘同步和開銷處理［2］。90年代以來，基于OXC的全光通信網(wǎng)絡(luò)已成為通信領(lǐng)域的研究熱點之一，世界各大電信供應商競相研究光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點OXC，其中部分設(shè)備已經(jīng)通過現(xiàn)場實驗，并取得了很大成功。1992年歐洲完成的OXC樣機用于傳輸140Mbit／s的視頻信號，成功地驗證了光纖鏈路的快速保護倒換、路由選擇和網(wǎng)絡(luò)重置等功能。英國BT實驗室研制的OXC在波分復用系統(tǒng)應用中，將波分復用技術(shù)與空分技術(shù)相結(jié)合，極大地提高了傳輸帶寬，在倫敦地區(qū)的本地網(wǎng)絡(luò)上用于傳輸速率為622Mbit／s的信號，此外，Siemens、Bell實驗室、NTT、Ericsson等國外大公司所屬實驗室對OXC的結(jié)構(gòu)、應用及技術(shù)也進行了類似研究和實驗［2，3］。國內(nèi)的中興、華為、大唐等通信巨頭近年來也在大力發(fā)展OXC技術(shù)，國家“863”計劃“九五”二期重大項目—光交叉連接（OXC）分項也成功通過國家的驗收。國內(nèi)于2001年正式開通了首個全光通信技術(shù)示范網(wǎng)—上海全光通信示范網(wǎng)，全光通信在中國有著光明的前景，可以預期OXC會成為下一代光網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，研究新型OXC結(jié)構(gòu)有著重大的意義。

1 微電子機械系統(tǒng)（MEMS）光開關(guān)

在OXC這樣需要支持大容量交換的系統(tǒng)中使用基于微電子機械系統(tǒng)（micro electro mechanical system，MEMS）技術(shù)的光開關(guān)似乎已是主要潮流?；阽R面的MEMS是一種受靜電控制的二維或三維器件，安裝在機械底座上。MEMS器件的基本原理就是通過靜電的作用使做在硅片上的微鏡面發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而改變輸入光的傳播方向，這些微鏡可在二維或三維空間移動。二維開關(guān)的核心是微鏡陣列，在接通狀態(tài)下，每個鏡子都將光信號從輸入光纖引向輸出光纖，微鏡陣列受簡單的數(shù)字接口控制，同時提供決不閉塞的低損耗連接，微鏡和光纖被排列成平面的形式，而且微鏡只能處在兩種狀態(tài)之一即開或關(guān)。三維開關(guān)利用了同一種原理，但微鏡和光纖不被束縛在平面位置，而是可以移動到三維空間的任意位置。MEMS光開關(guān)可以批量生產(chǎn)，所以該種方案具有很大的吸引力［2，4］。

MEMS的功能包括：（1）自動保護倒換，在光纖斷開或轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備發(fā)生故障時能夠自動進行恢復。（2）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能指在遠端光纖測試點上，可以使用一個1×N光開關(guān)，將多根光纖連接到一個光時域反射計上，通過光開關(guān)倒換實現(xiàn)對所有光纖的監(jiān)控，特別是在實際的網(wǎng)絡(luò)應用中，光開關(guān)允許用戶取出信號或插入網(wǎng)絡(luò)分析儀進行在線監(jiān)控而不干擾正常的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸。（3）光開關(guān)通?？捎糜谠骷纳a(chǎn)和檢驗測試，通過監(jiān)視每一個對應特定測試參數(shù)的開關(guān)通道，多通道開關(guān)可以測試多種光器件，而不用把每個器件都單獨與儀表連接，從而可簡化測試，提高效率［2，4］。MEMS將電子、機械和光路功能集合于同一芯片［5］，既具備普通機械開關(guān)損耗低、串擾小、偏振不敏感和消光比高的優(yōu)點，又像波導開關(guān)一樣具有體積小、易于大規(guī)模集成的特點，所以可以說是未來最有發(fā)展前景的光開關(guān)之一。

2 OXC的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

OXC主要由光交叉連接矩陣、輸入接口、輸出接口、管理控制單元等模塊組成。如圖1所示，為增加OXC的可靠性，每個模塊都具有主用和備用的冗余結(jié)構(gòu)，OXC自動進行主備倒換。輸入接口、輸出接口直接與光纖鏈路相連，分別對輸入輸出信號進行適配、放大。管理控制單元通過編程對光交叉連接矩陣、輸入接口、輸出接口模塊進行監(jiān)測和控制［6］。監(jiān)測的內(nèi)容包括：輸入／輸出信號丟失，輸出信號劣化，激光器惡化，激光器失效（溫度超出范圍或失控），OXC內(nèi)部運行狀態(tài)等?？刂苾?nèi)容包括：交叉連接控制主備保護倒換等。光交叉連接矩陣是OXC的核心，是技術(shù)的關(guān)鍵，要求無阻塞、低延遲、寬帶和高可靠，并且要具有單向、雙向和廣播形式的連接功能。

OXC的基本工作原理是先把波分復用（wavelength division multiplexing，WDM）信號在空間或波長域上進行分解，得到一組狀態(tài)單純的單波長信號后再進行交叉連接。輸入端后面的擴展級網(wǎng)絡(luò)完成對輸入端WDM信號的解復用功能，輸出端前面的集中級網(wǎng)絡(luò)對單波長信號重新進行復用，交換級網(wǎng)絡(luò)位于擴展級和集中級之間，實現(xiàn)波長信號在空間或波長域上的全光交叉連接。主要性能指標包括通道特性、阻塞特性、鏈路模塊性、波長模塊性、廣播發(fā)送能力以及成本等。通常要求OXC支持虛波長通道、絕對無阻塞或可重構(gòu)無阻塞、具備鏈路和波長模塊性，同時兼有成本低的特點，但在實際制作時，不可能把所有的特性都做到最好，根據(jù)應用場合不同，不同的OXC結(jié)構(gòu)不斷被研制并推向?qū)嵱谩?/p>

圖1 OXC的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic structure of OXC

OXC的功能首先體現(xiàn)為光網(wǎng)絡(luò)的管理和傳輸，OXC可以根據(jù)傳輸波長為信息進行路由選擇。它通過波長交換、波長轉(zhuǎn)換、波長復用和去復用以及波長信號監(jiān)測對不同波長的信息進行傳輸和管理。另外它在安裝新業(yè)務(wù)和改變網(wǎng)絡(luò)運行模式時對網(wǎng)絡(luò)進行配置。OXC還可以進行信號監(jiān)測，在光子層，OXC利用無干擾的監(jiān)測器在傳輸路徑上抽出一小部分光把它傳送到監(jiān)測單元，監(jiān)測光能量波長定位和光信噪比（監(jiān)測光能量可以確定是否有足夠光能量從而確定信號損失度），這種方法在光纖斷損發(fā)生在靠近OXC的地方時很有效。OXC具備故障恢復功能，由于OXC中的交換要么是波長層交換，要么是光纖層交換，因此能很快從故障中恢復，一旦某個OXC檢測到故障，就通過維護鏈路通知其它OXC。

3 基于MEMS的OXC結(jié)構(gòu)設(shè)計

OXC結(jié)構(gòu)設(shè)計目的主要是滿足市場中對于安全性生存性高但交叉連接容量相對不太大的需求。為減小體積，降低插入損耗，采用二維MEMS作為主要的空間交換單元，另外采用摻鉺光纖放大器、陣列波導光柵AWG復用／解復用器、可調(diào)諧濾波器，波長轉(zhuǎn)換器等主要部件實現(xiàn)功率補償，波分復用，濾波和波長轉(zhuǎn)換功能，再配合軟件控制和管理單元等模塊完成OXC自動交叉連接和智能控制。為增加OXC的可靠性，每個模塊都具有主用和備用的冗余結(jié)構(gòu)，OXC自動進行主備倒換。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 OXC的空間結(jié)構(gòu)Fig.2 The spatial structure of OXC

骨干網(wǎng)中一般使用G.652單模光纖，在C波段1 530～1 565nm。這里有3根光纖，每一根光纖傳輸64路信號，首先分別進入摻鉺光纖放大器補償光纖線路損耗和接點內(nèi)部損耗，補償后全部進入AWG復用／解復用器進行解復用（AWG復用／解復用器的剩余信號實現(xiàn)波長路由功能），分解成一組共192個單波長的信號，192路信號分別進入3個可調(diào)諧濾波器進行濾波去噪，濾波后進入空間光開關(guān)矩陣進行交叉連接；然后進入對應的任意一個波長變換器進行波長變換，波長變換器可以根據(jù)需要把信號波長變換成任意復用段，變換后進入AWG復用／解復用器把每64路信號復用；最后輸出到任意一根光纖上繼續(xù)傳輸。

3.1 OXC的主要模塊說明

（1）摻鉺光纖放大器

摻鉺光纖放大器在OXC設(shè)備中補償光纖線路損耗和節(jié)點內(nèi)部損耗。由于OXC設(shè)備組成的光網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)重構(gòu)的特性，會引起摻鉺光纖放大器這樣的有源器件的瞬態(tài)和非線性響應，故導致波長通道性能的波動。在多個摻鉺光纖放大器級聯(lián)時，摻鉺光纖放大器的增益不平坦性會導致增益尖峰效應或自濾波效應。因此為了適應光網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由配置、自愈保護倒換等功能，對摻鉺光纖放大器提出了增益均衡和增益鉗制的要求。結(jié)構(gòu)中采用的是多波長光纖放大器C－band摻鉺光纖放大器，工作波長最小值1 528nm，最大值1 565nm，總增益最小值16dB，最大值25dB。該放大器功能特性主要表現(xiàn)為增益平坦且增益可調(diào)，噪聲指數(shù)低，具有自發(fā)輻射噪聲自動修正功能。

（2）AWG復用／解復用器

在OXC設(shè)備的輸入側(cè)，需要使用解復用器把WDM多波長信號分離成單波長信號，以便于進行交叉連接處理。在OXC設(shè)備的輸出側(cè)，需要使用復用器把單波長信號匯合成為WDM多波長信號。設(shè)計結(jié)構(gòu)中采用了AWG復用／解復用器實現(xiàn)此功能。近年來，基于相位陣列波導光柵復用／解復用器迅速發(fā)展，因其波長間隔小、通道平坦、低偏振相關(guān)性、低的溫度相關(guān)性、插入損耗低以及易與光纖耦合等優(yōu)點，故很適合于超高速、大容量密集波分復用系統(tǒng)應用［7］。OXC結(jié)構(gòu)中采用最新研發(fā)的0.2nm信道間隔、256個信道的AWG復用／解復用器，AWG中心端口的損耗為2.1～3.5dB。為將進入的信號直接輸出到下路端，結(jié)構(gòu)中預留了一定的信道進行波長路由選擇。

（3）MEMS光開關(guān)矩陣

OXC的核心是容量可擴展、穩(wěn)定可靠的光開關(guān)矩陣。傳統(tǒng)的熱光開關(guān)、電光開關(guān)都有其不足，以MEMS為基礎(chǔ)制造出來的光開關(guān)是無源開關(guān)，與光信號的格式、波長、調(diào)制方式、偏振作用、傳輸方向等均無關(guān)，同時進行光處理過程是直接在光域中完成。結(jié)構(gòu)中采用的是二維MEMS多通道光開關(guān)，最多支持128路通道。除了進行交叉連接外，設(shè)計中還留有64個接口用于本地上下路和智能外接接口。

（4）波長轉(zhuǎn)換器

信號在光網(wǎng)絡(luò)中傳送時，需要為它選擇一條路由分配波長。因為一根光纖能夠復用的波長數(shù)有限，而且任何兩路信號在一根光纖中不能同時使用同一波長，所以波長資源的分配非常重要。波長轉(zhuǎn)換器可以通過改變復用波長，使光通道在不同的波長復用帶占用不同的波長，從而提高了波長的利用率。結(jié)構(gòu)中采用的波長轉(zhuǎn)換器功能主要是實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，同時也可實現(xiàn)傳輸介質(zhì)在單模光纖與多模光纖之間轉(zhuǎn)換。它適用于在10Mbit／s～2.5Gbit／s速率范圍內(nèi)各種數(shù)字信號如同步數(shù)字體系、異步傳輸模塊、以太網(wǎng)、光纖通道等和模擬信號在光纖中的復用傳輸，通常配合模擬光端機、數(shù)字光端機和帶光口的交換機使用。

另外，由于輸入信號進入摻鉺光纖放大器進行補償放大后產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲，故需加上一個可調(diào)諧濾波器，起到去除自發(fā)輻射噪聲的作用。而且可調(diào)諧濾波器可以根據(jù)需要選出某一波長的信號。控制和管理單元實現(xiàn)OXC設(shè)備各功能模塊的控制和管理。有自動保護倒換功能，也能支持光傳送網(wǎng)的端到端的連接指配，動態(tài)配置波長路由，快速保護和恢復網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)。

3.2 OXC的優(yōu)缺點分析

結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要體現(xiàn)為：

（1）OXC作為光網(wǎng)絡(luò)最重要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，最基本的功能為光通道的交叉連接功能和本地上下路功能，MEMS光交叉矩陣可以很好地完成交叉功能，而且留有接口完成本地上下路功能。

（2）結(jié)構(gòu)中包含了波長轉(zhuǎn)換器，支持虛波長通道，因此可以進行分布式控制。雖然分布式控制方式可能選不到最佳路由，但是可以大大降低光通道層選路的復雜性和選路所需的時間。由于AWG也可以完成波長路由功能，故OXC結(jié)構(gòu)阻塞特性較好。

（3）結(jié)構(gòu)中使用了可調(diào)諧濾波器和摻鉺光纖放大器，具有補償放大和濾波去噪功能，摻鉺光纖放大器首先補償信號的損耗并可以放大信號，解復用后通過可調(diào)諧濾波器可以濾除自發(fā)輻射噪聲，實踐證明加入EDFA可以提高系統(tǒng)信噪比以及補償輸入端信號功率，加入的可調(diào)諧濾波器不僅可以濾去自發(fā)輻射噪聲，還使得結(jié)構(gòu)支持虛波長通道。

（4）核心光開關(guān)矩陣采用了二維MEMS，作為最有希望成為光開關(guān)矩陣主流選擇的光開關(guān)，易于集成化、微型化、批量生產(chǎn)，耗能低、串擾小。

（5）OXC結(jié)構(gòu)中引入了智能接口，可以連接到控制管理系統(tǒng)使其智能化，與現(xiàn)有的自動交換光網(wǎng)絡(luò)相兼容。

結(jié)構(gòu)的缺點是任何的機械摩擦、磨損或者震動都可能會損耗光開關(guān)，影響了整個結(jié)構(gòu)的生存性和穩(wěn)定性，相比三維MEMS［8］不易實現(xiàn)大規(guī)模交換矩陣的光信道交叉連接。另外由于采用了波長變換器，設(shè)備成本較高。

4 結(jié) 論

文中重點選用了具體的設(shè)備構(gòu)建了一個新型的OXC結(jié)構(gòu)，同時介紹了它的工作原理和功能模塊，并分析了OXC結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。由于OXC相關(guān)技術(shù)的不成熟，還有多處考慮得不夠周全，導致構(gòu)建的OXC結(jié)構(gòu)還有很多的不足和缺點，在實用化方面還有相當大的距離。為了滿足網(wǎng)絡(luò)智能化的要求，未來光交叉連接技術(shù)必然朝著兩個方向發(fā)展：其一是朝著智能化方向發(fā)展；其二就是對通用多協(xié)議標簽交換技術(shù)的支持［9］。自動交換光網(wǎng)絡(luò)（auto－switch optical network，ASON）的實現(xiàn)需要“控制”和“傳送”兩方面的結(jié)合［10］，在用OXC交叉連接原有網(wǎng)絡(luò)的同時，設(shè)計中預留了端口，在OXC節(jié)點中引入了自動交換光網(wǎng)絡(luò)智能控制端口。由于通用多協(xié)議標記交換適用于光域的特性，因此成為控制最好的一種實現(xiàn)方式。方案中的接口支持通用多協(xié)議標記交換，具有在不同層次的控制面中使用統(tǒng)一信令和協(xié)議的功能，能使不同技術(shù)背景的設(shè)備通過統(tǒng)一的控制管理接口實現(xiàn)互連互通。

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