基于MEMS 全光交換矩陣的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

［付益］

1 引言

伴隨5G 時(shí)代的普及，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能等技術(shù)將獲得迅速發(fā)展。互聯(lián)網(wǎng)中的業(yè)務(wù)量以指數(shù)規(guī)律呈爆炸式增長(zhǎng)姿勢(shì)，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸帶寬和交換容量提出了更高要求，各大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商普遍采用以波分復(fù)用技術(shù)為平臺(tái)的光傳輸網(wǎng)來(lái)提供大容量、高速率的帶寬。光交叉連接設(shè)備為光傳輸網(wǎng)的核心單元，是一種兼有復(fù)用、光交叉連接、保護(hù)/恢復(fù)、監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)的多功能OTN 傳輸設(shè)備。其交叉連接功能由光交換矩陣實(shí)現(xiàn)。光交換矩陣是為光分組提供合理的光鏈路，完成交換和控制功能，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而極其高速的光交換處理。

目前，在光傳輸網(wǎng)中各種不同交換原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的光交換被廣泛地提出。不同原理和技術(shù)的光交換具有不同的特性，適應(yīng)于不同的場(chǎng)合。根據(jù)光交換的交換介質(zhì)區(qū)分，可分有自由空間交換和波導(dǎo)交換。微電子光交換（MEMS）為自由空間交換，是由半導(dǎo)體材料，如Si 等構(gòu)成的微機(jī)械結(jié)構(gòu)器件。MEMS 光交換是將機(jī)械、光和電集成一體，能透明的傳送不同協(xié)議、不同速率的業(yè)務(wù)。MEMS 器件的結(jié)構(gòu)類似IC 的結(jié)構(gòu)，它的基本原理是通過靜電的作用使可以活動(dòng)的微型鏡面發(fā)生移動(dòng)，而改變輸入光信號(hào)的傳輸方向。

2 主要組成

全光交換矩陣由光切換單元、電源單元、控制單元和屏幕顯示單元組成，如圖1 所示。

圖1 全光交換矩陣組成圖

光路切換單元的主要功能是在控制單元的作用下，把輸入端的光信號(hào)切換到指定的輸出端口輸出?？刂茊卧闹饕δ苁墙邮丈霞?jí)指令，控制光切換單元按照接收到的命令正確切換光路，并通過屏幕顯示出來(lái)。電源單元由交流（AC）、AC/DC 與DC/DC 變換模塊及電源控制電路等組成。其基本功能是將輸入的AC220V、DC48V 變換為各電路模塊需要的+5 V 直流工作電壓。電源單元的工作方式可以人工選擇單交流220 V、單直流48 V、交流和直流同時(shí)供電，采用交流和直流同時(shí)供電方式時(shí)，交流和直流沒有優(yōu)先級(jí)，互為備份，確保了突然一邊斷電后，電源切換過程中不產(chǎn)生誤碼。屏幕顯示單元是顯示當(dāng)前通道和相關(guān)信息。光切換單元選擇了用N個(gè)1×N MEMS 光開關(guān)整合成1 個(gè)N×N MEMS 光開換模塊的方式，光路如圖2 所示。

圖2 光路示意圖

3 硬件與軟件設(shè)計(jì)

MEMS 全光交換矩陣控制單元電路主要由單片機(jī)（STM32F407VGT6）控制DA 芯片（AD5504）驅(qū)動(dòng)多個(gè)1×N MEMS 光交換實(shí)現(xiàn)工作，并在屏幕上顯示出來(lái)。STM32F407VGT6 是由ST（意法半導(dǎo)體）公司開發(fā)的一種高性能微控制器，其采用了90 納米的NVM 工藝和自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)加速器技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）兼容于STM32F2 系列產(chǎn)品，便于ST 的用戶擴(kuò)展或升級(jí)產(chǎn)品，而保持硬件的兼容能力

（2）低電壓：1.8～3.6 V VDD，在某些封裝上，可降低至1.7 V。

（3）全雙工12 S。

（4）12 位ADCO41US 轉(zhuǎn)換/ 2.4 Msps。

（5）高速USART，可達(dá)10.5 Mbits/s。

（6）高速SPI，可達(dá)37.5 Mbits/s。

（7）Camera 接口，可達(dá)54 M 字節(jié)/s。

STM32F407VGT6微控制器外圍電路原理如圖3所示。

圖3 STM32F407VGT6 微控制器外圍電路原理圖

DA 芯片AD5504 是一款集成片內(nèi)高壓輸出放大器和精密基準(zhǔn)電壓源的四通道、12 位串行輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換器。DAC輸出電壓范圍可以通過范圍選擇引腳（R_SEL）編程設(shè)置。如果R_SEL 保持高電平，則DAC 輸出范圍為0～30 V。如果R_SEL 保持低電平，則DAC 輸出范圍為0～60 V。片內(nèi)輸出放大器支持AGND+0.5V 至VDD-0.5V 范圍內(nèi)的輸出擺幅，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）四通道高壓DAC。

（2）12 位分辨率。

（3）引腳可選的30 V 或60 V 輸出范圍。

（4）集成式精密基準(zhǔn)。

（5）帶回讀能力的低功耗串口。

（6）集成式溫度傳感器報(bào)警功能。

（7）上電復(fù)位。

（8）通過LDAC 同時(shí)更新。

（9）寬工作溫度范圍：-40℃至+105℃。

AD5504 引腳封裝如圖4 所示。

圖4 AD5504 引腳封裝圖

MEMS 全光交換矩陣有串口控制和網(wǎng)口控制兩種方式。串口設(shè)計(jì)電路主要由單片機(jī)和串口RS232 完成，串口初始化代碼如下。

網(wǎng)口設(shè)計(jì)電路主要由單片機(jī)、以太網(wǎng)芯片KSZ8721 BLI、網(wǎng)絡(luò)變壓器HR601680 的電路連接圖如圖5 所示。STM32F407VGT6 微處理器與網(wǎng)絡(luò)水晶接頭連接的時(shí)候，需把HR601680 中心抽頭接到了3.3 V 電源上。

圖5 HR601680 的電路圖

在發(fā)送信號(hào)時(shí)，HR601680 將STM32F407VGT6 發(fā)送的數(shù)據(jù)通過耦合濾波，并通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成與所在網(wǎng)絡(luò)相符的電平，最后通過網(wǎng)口水晶接頭的TX 發(fā)送出去；接收信號(hào)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過HR601680 差模耦合電路和電磁感應(yīng)原理把來(lái)自信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成能被芯片所識(shí)別的電平。圖中的TXP2、TXM2、RXP2、RXM2 分別接到STM32F407VGT6 微處理器的以太網(wǎng)模塊對(duì)應(yīng)管腳，RX+、RX-、TX+、TX-分別接到RJ45 對(duì)應(yīng)管腳。

1×N MEMS 光交換原理是在硅晶上刻出若干微小的鏡片，通過靜電力或電磁力的作用，使相關(guān)微鏡片產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，從而改變輸入光的傳播方向以實(shí)現(xiàn)光路選擇的功能。1×N MEMS 光交換在光學(xué)性能方面的特性參量主要有插入損耗、回波損耗、串?dāng)_（隔離度）切換時(shí)間、消光比等。

插入損耗（Insertion Loss）：當(dāng)光信號(hào)通過光交換時(shí)，將伴隨著能量損耗。依據(jù)功率預(yù)算設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，光交換及其級(jí)聯(lián)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響很大，損耗和干擾將影響到功率預(yù)算。光交換產(chǎn)生損耗的原因主要有兩個(gè)：一是光纖和光交換端口耦合時(shí)的損耗，二是光交換自身材料對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的損耗。插入損耗可表示為某一光通道輸出光功率與輸入光功率之比值，以分貝表示為

其中，P0為輸入端的光功率，P1為輸出端接收到的光功率。插入損耗與開交的狀態(tài)有關(guān)。

回波損耗（Return Loss）：也稱為反射損耗或反射率，表示從輸出端返回輸入端的光功率與輸入光功率的比值，以分貝表示為

其中，P1r為輸入端口接收到的的從輸出端返回的光功率。

串?dāng)_（Crosstalk）：串入相鄰端口的輸出光功率與光交換接通端口的輸出光功率的比值，以分貝表示為

其中，P1是光交換接通輸出端口1 輸出的光功率，P2是串入端口2 輸出的光功率。

切換時(shí)間（Switching Time）：光交換端口從某一初始態(tài)轉(zhuǎn)為開啟或關(guān)閉所需的時(shí)間，光交換的開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間從在光交換上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻起計(jì)算。交換時(shí)間有兩個(gè)重要的量級(jí)，當(dāng)從一個(gè)端口到另一個(gè)端口的交換時(shí)間達(dá)到幾個(gè)ms 時(shí)，對(duì)因故障而重新選擇路由來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，如對(duì)SDH/SONET 來(lái)說(shuō)，因故障而重新選擇路由時(shí)，50 ms 的交換時(shí)間幾乎可以使上層感覺不到。當(dāng)交換時(shí)間到達(dá)ns 量級(jí)時(shí)，可以支持光互聯(lián)網(wǎng)的分組交換，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)網(wǎng)是十分重要的。

消光比（Extinction Ratio）：輸入端口和輸出端口之間處于導(dǎo)通（開啟）與非導(dǎo)通（關(guān)閉）狀態(tài)時(shí)的插入損耗之差，即

其中，ILnm和為輸入端口n和m輸出端口之間分別在導(dǎo)通和不導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的插入損耗。

4 主要性能指標(biāo)測(cè)試

MEMS 全光交換矩陣的主要性能指標(biāo)為插入損耗和切換時(shí)間。

（1）插入損耗測(cè)試方法

①如圖6（a）所示，將光源輸出端直接接入光功率計(jì)，讀取光源輸出功率Pin（單位為dBm）為參考功率；

圖6 插入損耗測(cè)試配置

②如圖6（b）連接全光交換矩陣，將矩陣鏈路配置被測(cè)設(shè)備的輸入端口（T1～ TN）和輸出端口（R1～ RM）中的任一端口T1→R1連接狀態(tài)，輸入端口與光源輸出端連接，在輸出端口接入光功率計(jì)；

③讀取光功率計(jì)值Pout，Pin-Pout 即為T1→R1的插入損耗；

④重復(fù)步驟（b）～（c），依次測(cè)試矩陣N 通道的光分別連接到設(shè)備的M 號(hào)通道輸出的插入損耗。

（2）切換時(shí)間測(cè)試方法

①如圖7 所示，連接測(cè)試設(shè)備；

圖7 切換時(shí)間測(cè)試配置

②配置矩陣的輸入端口（T1～TN）和輸出端口（R1～RM）中的任一端口T1與R1連接；

③配置矩陣的輸入端口（T1～TN）的其它任一端口T2與R1連接；

④記錄示波器出現(xiàn)的高低電平跳變時(shí)間差值T 即為T1→T2（R1）的切換時(shí)間；

⑤重復(fù)步驟（b）～（c），依次測(cè)試矩陣T1→T3（R1），T1→TN（RM）～ TN-1→TN（RM）的切換時(shí)間。

8×8 MEMS 全光交換矩陣插入損耗和切換時(shí)間的實(shí)物測(cè)試環(huán)境如圖8 所示。

圖8 8×8 MEMS 全光交換矩陣測(cè)試環(huán)境圖

以光源波長(zhǎng)為1 550 nm 進(jìn)行8×8 MEMS 全光交換矩陣的插入損耗測(cè)試，其中T1～ T8為輸入端、R1～ R8為輸出端，單位是dB，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

從表1 得出8×8 MEMS 全光交換矩陣的插入損耗不大于1.5 dB。

表1 插入損耗測(cè)試數(shù)據(jù)

8×8 MEMS 全光交換矩陣切換時(shí)間測(cè)試，其中T1～T8為輸入端、R1～R8為輸出端，單位是ms，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 切換時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)

8×8 MEMS 全光交換矩陣切換時(shí)間測(cè)試波形如圖9所示。

圖9 切換時(shí)間波形示意圖

圖中紅色波形為脈沖電流在電阻負(fù)載上由有電流到突然消失，即該端口從有光輸入到光消失過程。黃色波形為脈沖電流在電阻負(fù)載上由無(wú)電流到突然有電流，即該端口從有無(wú)光到有光輸入過程。示波器上顯示一格為500 μs，結(jié)合表2 和圖9 分析得出8×8 MEMS 全光交換矩陣切換時(shí)間不大于35 ms。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于MEMS 全光交換矩陣，能實(shí)現(xiàn)全光交換中完全無(wú)阻塞的情況下，從任意一個(gè)可以使用的輸入端口到任一可用的輸出端口可以建立連接。通過對(duì)8×8 MEMS全光交換矩陣的插入損耗和切換時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，得出該矩陣的插入損耗不大于1.5 dB、切換時(shí)間不大于35 ms。該性能技術(shù)指標(biāo)完全滿足商業(yè)化應(yīng)用全光交換的標(biāo)準(zhǔn)。