高速全光數(shù)據(jù)交換技術(shù)的研究

劉佳，朱卯成，季征宇，王佩

（上海電控研究所科技部，上海 200092）

高速全光數(shù)據(jù)交換技術(shù)的研究

劉佳，朱卯成，季征宇，王佩

（上海電控研究所科技部，上海 200092）

21世紀(jì)將是“信息時代”，隨著遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通信的飛速發(fā)展，對通信的需求不斷上升，傳統(tǒng)的基于電子領(lǐng)域的傳輸系統(tǒng)已難以滿足日益增加的業(yè)務(wù)需要，從而促進(jìn)了高速全光數(shù)據(jù)交換技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，信息的傳輸和交換正由電光網(wǎng)絡(luò)向全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。全光網(wǎng)絡(luò)以光纖為傳輸媒介，采用光開關(guān)交換信息，采用光波分復(fù)用（WDM）技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。論文利用（4×4）光開關(guān)建成大容量通信干線交換網(wǎng)絡(luò)，并對高速全光數(shù)據(jù)交換性能進(jìn)行測試，該高速全光數(shù)據(jù)交換網(wǎng)可用于環(huán)境測試車輛、旋轉(zhuǎn)勘探平臺等應(yīng)用場合。

全光數(shù)據(jù)交換；全光網(wǎng)絡(luò)；光開關(guān)

0 引言

21世紀(jì)將是“信息時代”，隨著遠(yuǎn)程通信和計(jì)算機(jī)通信的飛速發(fā)展，對通信的需求不斷上升，傳統(tǒng)的基于電子領(lǐng)域的傳輸系統(tǒng)已難以滿足日益增加的業(yè)務(wù)需要，從而促進(jìn)了通信技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)利用單模光纖的低損耗窗口，在一根光纖中同時傳輸多路波長載波，并采用摻鉺光纖放大器（EDFA）來取代傳統(tǒng)的光電中繼系統(tǒng)。不但在不增加光纖的基礎(chǔ)上使容量成倍增加，還擺脫了由于光電轉(zhuǎn)換過程中“電子瓶頸”所帶來的單根光纖傳輸速率制約，因而被認(rèn)為是提高光纖通信容量的一種有效途徑，可見信息的傳輸和交換正由電光網(wǎng)絡(luò)向全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展［1］。

全光網(wǎng)絡(luò)以光纖為傳輸媒介，采用光開關(guān)交換信息，采用光波分復(fù)用（WDM）技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。在全光網(wǎng)絡(luò)中，光無源器件包括光連接器、耦合器、光開關(guān)、WDM器件。在全光網(wǎng)絡(luò)各種設(shè)備器件當(dāng)中，光交叉連接設(shè)備（OXC）和光分插復(fù)用設(shè)備（OADM）可以說是全光聯(lián)網(wǎng)的核心器件技術(shù)。研制全光的交叉連接OXC和分插復(fù)用OADM設(shè)備，成為建設(shè)大容量通信干線網(wǎng)絡(luò)十分迫切的任務(wù)，而光開關(guān)和光開關(guān)陣列恰恰是OXC和OADM的核心技術(shù)［2］。

1 光開關(guān)

光開關(guān)是一種具有一個或多個可選擇的傳輸窗口，在光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中可對光信號進(jìn)行通斷和切換，它可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。光開關(guān)在光分/插復(fù)用（OADM）、時分復(fù)用（TDM）、波分復(fù)用（WDM）中有著廣泛的應(yīng)用。光開關(guān)以其高速度、高穩(wěn)定性、低串?dāng)_等優(yōu)勢成為世界各大通信公司和研究單位的研究重點(diǎn)，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ臒o源光

圖1　4×4光開關(guān)示意圖Fig.1 4×4 optical switch

1.1光開關(guān)的分類

依據(jù)不同的光開關(guān)原理，光開關(guān)可分為：

（1）機(jī)械式光開關(guān)可分為移動光纖、移動套管、移動準(zhǔn)直器、移動反光鏡、移動棱鏡和移動耦合器。

（2）移動反射鏡式光開關(guān)：當(dāng)轉(zhuǎn)動反射鏡面時，從而改變輸入光的傳播方向，經(jīng)反射和聚焦的光從一根光纖切換到另一根光纖。

（3）MEMS光開關(guān)［5］。以上兩種體積大，難實(shí)現(xiàn)集成化的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。近年正大力發(fā)展一種集成的微機(jī)電系統(tǒng)MEMS（micro-electro-mechanical-systems）開關(guān)，MEMS將電、機(jī)械和光集成為一塊芯片，能透明地傳送不同速率、不同協(xié)議的業(yè)務(wù)。MEMS已廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。MEMS是由半導(dǎo)體材料，如Si等，構(gòu)成的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動的微型鏡片構(gòu)成的開關(guān)陣列。MEMS器件的結(jié)構(gòu)很像IC的結(jié)構(gòu)，它的基本原理就是通過靜電的作用使可以活動的微鏡面發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而改變輸入光的傳播方向。MEMS既有機(jī)械光開關(guān)的低損耗、低串?dāng)_、低偏振敏感性和高消光比的優(yōu)點(diǎn)，又有波導(dǎo)開關(guān)的高開關(guān)速度、小體積、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)?；贛EMS光開關(guān)交換技術(shù)的解決方案已廣泛應(yīng)用于骨干網(wǎng)或大型交換網(wǎng)［6］。

典型的MEMS光開關(guān)器件可分為二維和三維結(jié)構(gòu)?；阽R面的MEMS二維器件由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成，并安裝在機(jī)械底座上。典型的尺寸是10cm。準(zhǔn)直光束和旋轉(zhuǎn)微鏡構(gòu)成多端口光開關(guān)。而對于光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的交換和恢復(fù)，基于旋轉(zhuǎn)鉸接微鏡的光開關(guān)是一種最好的選擇，因?yàn)閷τ谶@樣的應(yīng)用，光開關(guān)不需要經(jīng)常變換。而且，亞毫秒的開關(guān)時間也能很好地適應(yīng)于全光網(wǎng)的業(yè)務(wù)提供和恢復(fù)。

二維MEMS的空間微調(diào)旋轉(zhuǎn)鏡通過表面微機(jī)械制造技術(shù)單片集成在硅基底上，準(zhǔn)直光通過微鏡的適當(dāng)旋轉(zhuǎn)被接到適當(dāng)?shù)妮敵龆恕６SMEMS需要N2個微鏡來完成N2個自由空間的光交叉連接，其控制電路較簡單，由TTL驅(qū)動器和電壓變換器來提供微鏡所需的電壓。開關(guān)矩陣的規(guī)?？梢詳U(kuò)展到上千個端口。

三維MEMS的鏡面能向任何方向偏轉(zhuǎn)，這些陣列通常是成對出現(xiàn)，輸入光線到達(dá)第一個陣列鏡面上被反射到第二個陣列的鏡面上，然后光線被反射到輸出端口。鏡面的位置要控制得非常精確，達(dá)到百萬分之一度。三維MEMS陣列可能是大型交叉連接的正確選擇，特別是當(dāng)波長帶同時從一根光纖交換到另一根光纖上。

目前，朗訊公司已研制了1296×1296端口的MEMS。其單端口傳送容量為1.6Tb/s（單纖復(fù)用40個信道，每路信道傳送40Gb/s信號），總傳送容量達(dá)到2.07Petabit/s。具有嚴(yán)格無阻塞特性，介入損耗為5.1db，串?dāng)_（最壞情況）為-38db。使光開關(guān)的交換總?cè)萘窟_(dá)到新的數(shù)量級。

1.2光開關(guān)的主要性能特性參數(shù)

光交叉連接矩陣是OXC的核心，它要求無阻塞、低延遲、寬帶和高可靠性，并且要具有單向、雙向和廣播形式的功能，主要性能特性參數(shù)如下：

（1）交換矩陣的大?。汗忾_關(guān)交換矩陣的大小反映了光開關(guān)的交換能力，如在骨干網(wǎng)上要有超過1000×1000的交換容量。

（2）插入損耗：當(dāng)光信號通過光開關(guān)時，將伴隨著能量損耗。損耗特性影響到了光開關(guān)的級聯(lián)，限制了光開關(guān)的擴(kuò)容能力：

（3）回波損耗：從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值：

（5）串?dāng)_：輸入光功率與從非導(dǎo)通端口輸出的光功率的比值：

（6）消光比：兩個端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差：ER=IL-IL0。

（7）開關(guān)時間：開關(guān)端口從某一初狀態(tài)轉(zhuǎn)為通或者斷所需的時間。從在開關(guān)上施加或撤去能量的時刻算起。開關(guān)速度是衡量光開關(guān)性能的重要指標(biāo)。

（8）無阻塞特性：無阻塞特性是指光開關(guān)的任一輸入端能在任意時刻將光波輸出到任意輸出端的特性。光開關(guān)要求具有嚴(yán)格無阻塞特性。很多因素會影響光開關(guān)的性能，如光開關(guān)之間的串?dāng)_、隔離度、消光比等都是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。當(dāng)光開關(guān)進(jìn)行級聯(lián)時，這些參數(shù)將影響網(wǎng)絡(luò)性能。

2 高速全光數(shù)據(jù)交換機(jī)設(shè)計(jì)

環(huán)境測試圖像傳感器要將捕捉到的圖像信號實(shí)時傳輸給測試人員終端，因此研究全光數(shù)據(jù)交換技術(shù)是環(huán)境測試車的關(guān)鍵之一。

2.1引進(jìn)光電數(shù)據(jù)交換機(jī)

為了研究全光數(shù)據(jù)交換技術(shù)，我們首先引進(jìn)美國先進(jìn)的光電數(shù)據(jù)交換機(jī)，用它解決高速數(shù)據(jù)流（如圖像）的切換技術(shù)。引進(jìn)美國的光電數(shù)據(jù)交換機(jī)以后，我們進(jìn)行了高速圖像數(shù)據(jù)的交換測試，測試原理如圖2所示，正常情況下，攝像頭1的圖像直接送給監(jiān)視器A顯示，攝像頭2圖像送至監(jiān)視器B顯示，如圖2（a）?？刂婆_通過串口可以配置光電數(shù)據(jù)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)攝像頭1的圖像送到監(jiān)視器B顯示，而攝像頭2的圖像送至監(jiān)視器A顯示，實(shí)現(xiàn)圖像的交叉?zhèn)鬏敽惋@示，如圖2（b）；控制臺通過串口可以配置光電數(shù)據(jù)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)攝像頭1圖像或攝像頭2圖像送到監(jiān)視器A和B同時顯示，實(shí)現(xiàn)圖像的廣播傳輸，如圖2（c）和圖2（d）。這種形式的數(shù)據(jù)交換，能夠有效地實(shí)現(xiàn)測試人員終端之間大容量數(shù)據(jù)的快速切換，并減少了布線成本，提高了可靠性。

圖2　基于光電數(shù)據(jù)交換機(jī)的視頻切換技術(shù)Fig.2 Video switching technology based on photoelectric switch data

由于光電數(shù)據(jù)交換機(jī)的I/O為光信號，為了配合引進(jìn)光電數(shù)據(jù)交換機(jī)的測試工作，我們自行研制了光/電轉(zhuǎn)換的圖像接口。它將攝像頭PAL制式的電信號轉(zhuǎn)換到光信號以及交換機(jī)的光信號轉(zhuǎn)換成PAL制式的電信號，它們作為光電數(shù)據(jù)交換機(jī)的輸入和輸出的圖像接口。

2.2自行研制高速全光數(shù)據(jù)交換機(jī)

由于引進(jìn)美國的光電數(shù)據(jù)交換機(jī)價(jià)格昂貴（30余萬），在測試的基礎(chǔ)上我們又組識了消化吸收，創(chuàng)新研制。經(jīng)分析，引進(jìn)美國的光電數(shù)據(jù)交換機(jī)是將幾路圖像的光信號經(jīng)各自的光電A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號、對圖像的電信號進(jìn)行交換，然后再經(jīng)電光D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光信號，它的形式上是光交換，但本質(zhì)上還是電交換，它并不完全符合我們的全光數(shù)據(jù)交換的要求。

在光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中光開關(guān)可對光信號進(jìn)行通斷和切換并具有高速度、高穩(wěn)定性、低串?dāng)_等優(yōu)勢。我們將光開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到目前的光交換機(jī)中，研制高速全光數(shù)據(jù)交換機(jī)。

全光數(shù)據(jù)交換機(jī)主要用于將平臺上的各種圖像信號傳輸?shù)杰噧?nèi)測試人員的顯示終端上。根據(jù)需要我們設(shè)計(jì)的測試平臺是旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)測試平臺與車體用我所研制的四通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器傳輸光信號，如圖3所示。

圖3　高速全光數(shù)據(jù)交換機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 High speed all-optical data switch structure diagram

旋轉(zhuǎn)測試平臺上的圖像信號可以是高清CCD攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)等視頻信號，它們的接口可以是PAL、千兆以太網(wǎng)、Camera Link、1394等視頻接口。根據(jù)需要，只要發(fā)出相應(yīng)的控制命令，測試平臺上的某一圖像信號可以切換給車內(nèi)的任一測試人員。

光開關(guān)采用（4×4）機(jī)械式光開關(guān)，它可將4路輸人圖像切換到4路輸出通道。通道切換接口為RS232，光纖接口為FC，光纖類型為多模光纖，波長范圍在1310～1610nm之間。

3 高速全光數(shù)據(jù)交換機(jī)性能測試

（4×4）光開關(guān)具體有24種不同的通道切換控制命令（4×3×2），對應(yīng)光開關(guān)24種不同的連接方式。我們選取了其中12種連接方式，測試了4個輸入口（COM1234）分別對4個輸出口（OUT1234）光路連接的插入損耗。測試光源波長1310nm，光開關(guān)插入損耗在-0.76db至-1.66db之間，符合技術(shù)要求。通道的控制命令及相應(yīng)通道的插入損耗如表1所示（注：光源和光功率計(jì)通過光纖直連具有的插入損耗為-6.89dbm，上述數(shù)據(jù)是經(jīng)換算得出的數(shù)據(jù)）。

然后我們又測試了光開關(guān)在高速大容量圖像信息傳輸時的圖像質(zhì)量。我們從24種連接方式中選取了表2所示的4種傳輸方式，即提供了16條光通路，對每條光通路分別傳輸千兆以太網(wǎng)高清視頻，圖像清晰穩(wěn)定，實(shí)時性良好，證明通信正常。

表1　輸入輸出通道的插入損耗Tab.1 The insertion loss of input and output channels

表2　光開關(guān)通路表Tab.2Optical switch access tables

4 結(jié)束語

隨著光通訊的迅猛發(fā)展，全光網(wǎng)絡(luò)離我們越來越近，這也使得應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)中的各種光無源器件越來越受到重視。光開關(guān)是一種具有一個或多個可選擇的傳輸端口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。光開關(guān)可用于光纖通訊系統(tǒng)、光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，光纖測量系統(tǒng)或儀器以及光纖傳感系統(tǒng)，起到開關(guān)切換作用，對于光纖通訊網(wǎng)絡(luò)具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

本課題采用（4×4）光開關(guān)，通道切換的控制接口為RS232，將環(huán)境測試車輛旋轉(zhuǎn)平臺上的4路輸入圖像切換到4路輸出通道，再通過4路光纖旋轉(zhuǎn)連接器向測試人員傳輸高速大容量視頻信號。經(jīng)對插入損耗的測試，符合技術(shù)要求，又進(jìn)行傳輸實(shí)時高速大容量千兆以太網(wǎng)圖像試驗(yàn)，圖像清晰穩(wěn)定，實(shí)時性良好，通信正常。該高速全光數(shù)據(jù)交換網(wǎng)可用于環(huán)境測試車輛、旋轉(zhuǎn)平臺等應(yīng)用場合。

［1］王剛，明安杰.光開關(guān)研究進(jìn)展［J］.微納電子技術(shù)，2005，4.

［2］何釗峰，黃德修.全光網(wǎng)絡(luò)中的光開關(guān)［J］.飛通光電技術(shù)，2008，12.

［3］李蘋，王俊華.光開關(guān)技術(shù)研究［J］.光通信技術(shù)，2004，4.

［4］Armand N.，Rajiv R.，MEMS technology for optical networking applications，IEEE Communications magazine，Vo139，No.1，2001.

High-speed All-optical Data Exchange Technology Research

LIU Jia，ZHU Mao-Cheng，JI Zheng-Yu，WANG Pei
（Scientific Research Department Shanghai Electric Control Institution，Shanghai 200092，China）

IN the 21st century is the information age，with the rapid remote computer communication，found that the rising demand for communication，based on the traditional transmission system in the field of electronics has been difficult to meet the increasing needs of the business，thus promoting the high-speed all-optical data exchange technology development by leaps and bounds，information transmission and exchange by the photoelectric network towards development of all-optical network.All-optical network with optical fiber as transmission medium，is made of optical switch exchange information，using optical WDM technology improve the transmission capacity of the network.Based on（4× 4）main optical switch built large capacity communication exchange network，and the high speed all-optical data exchange performance test. The high speed all-optical network can be used in the environmental test vehicles、rotating exploration platform and other applications.

optical data exchange；all optical network；photoswitch

TP301

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.006

1002-6673（2015）02-015-04

2015-01-26

劉佳（1982-），女，湖北襄樊人，本科，高級工程師。從事光電集成系統(tǒng)的研究。