高速全光數據交換技術的研究

劉佳，朱卯成，季征宇，王佩

（上海電控研究所科技部，上海 200092）

高速全光數據交換技術的研究

劉佳，朱卯成，季征宇，王佩

（上海電控研究所科技部，上海 200092）

21世紀將是“信息時代”，隨著遠程計算機通信的飛速發展，對通信的需求不斷上升，傳統的基于電子領域的傳輸系統已難以滿足日益增加的業務需要，從而促進了高速全光數據交換技術突飛猛進的發展，信息的傳輸和交換正由電光網絡向全光網絡發展。全光網絡以光纖為傳輸媒介，采用光開關交換信息，采用光波分復用（WDM）技術提高網絡的傳輸容量。論文利用（4×4）光開關建成大容量通信干線交換網絡，并對高速全光數據交換性能進行測試，該高速全光數據交換網可用于環境測試車輛、旋轉勘探平臺等應用場合。

全光數據交換；全光網絡；光開關

0 引言

21世紀將是“信息時代”，隨著遠程通信和計算機通信的飛速發展，對通信的需求不斷上升，傳統的基于電子領域的傳輸系統已難以滿足日益增加的業務需要，從而促進了通信技術突飛猛進的發展。密集波分復用（DWDM）技術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）來取代傳統的光電中繼系統。不但在不增加光纖的基礎上使容量成倍增加，還擺脫了由于光電轉換過程中“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絡向全光網絡發展［1］。

全光網絡以光纖為傳輸媒介，采用光開關交換信息，采用光波分復用（WDM）技術提高網絡的傳輸容量。在全光網絡中，光無源器件包括光連接器、耦合器、光開關、WDM器件。在全光網絡各種設備器件當中，光交叉連接設備（OXC）和光分插復用設備（OADM）可以說是全光聯網的核心器件技術。研制全光的交叉連接OXC和分插復用OADM設備，成為建設大容量通信干線網絡十分迫切的任務，而光開關和光開關陣列恰恰是OXC和OADM的核心技術［2］。

1 光開關

光開關是一種具有一個或多個可選擇的傳輸窗口，在光網絡系統中可對光信號進行通斷和切換，它可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的器件。光開關在光分/插復用（OADM）、時分復用（TDM）、波分復用（WDM）中有著廣泛的應用。光開關以其高速度、高穩定性、低串擾等優勢成為世界各大通信公司和研究單位的研究重點，成為最具發展潛力的無源光

圖1　4×4光開關示意圖Fig.1 4×4 optical switch

1.1光開關的分類

依據不同的光開關原理，光開關可分為：

（1）機械式光開關可分為移動光纖、移動套管、移動準直器、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：當轉動反射鏡面時，從而改變輸入光的傳播方向，經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［5］。以上兩種體積大，難實現集成化的開關網絡。近年正大力發展一種集成的微機電系統MEMS（micro-electro-mechanical-systems）開關，MEMS將電、機械和光集成為一塊芯片，能透明地傳送不同速率、不同協議的業務。MEMS已廣泛應用在工業領域。MEMS是由半導體材料，如Si等，構成的微機械結構。在硅片上用微加工技術做出大量可移動的微型鏡片構成的開關陣列。MEMS器件的結構很像IC的結構，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生轉動，從而改變輸入光的傳播方向。MEMS既有機械光開關的低損耗、低串擾、低偏振敏感性和高消光比的優點，又有波導開關的高開關速度、小體積、易于大規模集成等優點。基于MEMS光開關交換技術的解決方案已廣泛應用于骨干網或大型交換網［6］。

典型的MEMS光開關器件可分為二維和三維結構。基于鏡面的MEMS二維器件由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成，并安裝在機械底座上。典型的尺寸是10cm。準直光束和旋轉微鏡構成多端口光開關。而對于光網絡業務的交換和恢復，基于旋轉鉸接微鏡的光開關是一種最好的選擇，因為對于這樣的應用，光開關不需要經常變換。而且，亞毫秒的開關時間也能很好地適應于全光網的業務提供和恢復。

二維MEMS的空間微調旋轉鏡通過表面微機械制造技術單片集成在硅基底上，準直光通過微鏡的適當旋轉被接到適當的輸出端。二維MEMS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驅動器和電壓變換器來提供微鏡所需的電壓。開關矩陣的規模可以擴展到上千個端口。

三維MEMS的鏡面能向任何方向偏轉，這些陣列通常是成對出現，輸入光線到達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（單纖復用40個信道，每路信道傳送40Gb/s信號），總傳送容量達到2.07Petabit/s。具有嚴格無阻塞特性，介入損耗為5.1db，串擾（最壞情況）為-38db。使光開關的交換總容量達到新的數量級。

1.2光開關的主要性能特性參數

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，主要性能特性參數如下：

（1）交換矩陣的大小：光開關交換矩陣的大小反映了光開關的交換能力，如在骨干網上要有超過1000×1000的交換容量。

（2）插入損耗：當光信號通過光開關時，將伴隨著能量損耗。損耗特性影響到了光開關的級聯，限制了光開關的擴容能力：

（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）串擾：輸入光功率與從非導通端口輸出的光功率的比值：

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

（7）開關時間：開關端口從某一初狀態轉為通或者斷所需的時間。從在開關上施加或撤去能量的時刻算起。開關速度是衡量光開關性能的重要指標。

（8）無阻塞特性：無阻塞特性是指光開關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。光開關要求具有嚴格無阻塞特性。很多因素會影響光開關的性能，如光開關之間的串擾、隔離度、消光比等都是影響網絡性能的重要因素。當光開關進行級聯時，這些參數將影響網絡性能。

2 高速全光數據交換機設計

環境測試圖像傳感器要將捕捉到的圖像信號實時傳輸給測試人員終端，因此研究全光數據交換技術是環境測試車的關鍵之一。

2.1引進光電數據交換機

為了研究全光數據交換技術，我們首先引進美國先進的光電數據交換機，用它解決高速數據流（如圖像）的切換技術。引進美國的光電數據交換機以后，我們進行了高速圖像數據的交換測試，測試原理如圖2所示，正常情況下，攝像頭1的圖像直接送給監視器A顯示，攝像頭2圖像送至監視器B顯示，如圖2（a）。控制臺通過串口可以配置光電數據交換機實現攝像頭1的圖像送到監視器B顯示，而攝像頭2的圖像送至監視器A顯示，實現圖像的交叉傳輸和顯示，如圖2（b）；控制臺通過串口可以配置光電數據交換機實現攝像頭1圖像或攝像頭2圖像送到監視器A和B同時顯示，實現圖像的廣播傳輸，如圖2（c）和圖2（d）。這種形式的數據交換，能夠有效地實現測試人員終端之間大容量數據的快速切換，并減少了布線成本，提高了可靠性。

圖2　基于光電數據交換機的視頻切換技術Fig.2 Video switching technology based on photoelectric switch data

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

2.2自行研制高速全光數據交換機

由于引進美國的光電數據交換機價格昂貴（30余萬），在測試的基礎上我們又組識了消化吸收，創新研制。經分析，引進美國的光電數據交換機是將幾路圖像的光信號經各自的光電A/D轉換器轉換成電信號、對圖像的電信號進行交換，然后再經電光D/A轉換器轉換成光信號，它的形式上是光交換，但本質上還是電交換，它并不完全符合我們的全光數據交換的要求。

在光網絡系統中光開關可對光信號進行通斷和切換并具有高速度、高穩定性、低串擾等優勢。我們將光開關技術應用到目前的光交換機中，研制高速全光數據交換機。

全光數據交換機主要用于將平臺上的各種圖像信號傳輸到車內測試人員的顯示終端上。根據需要我們設計的測試平臺是旋轉的，旋轉測試平臺與車體用我所研制的四通道光纖旋轉連接器傳輸光信號，如圖3所示。

圖3　高速全光數據交換機的結構示意圖Fig.3 High speed all-optical data switch structure diagram

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

光開關采用（4×4）機械式光開關，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 高速全光數據交換機性能測試

（4×4）光開關具體有24種不同的通道切換控制命令（4×3×2），對應光開關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，光開關插入損耗在-0.76db至-1.66db之間，符合技術要求。通道的控制命令及相應通道的插入損耗如表1所示（注：光源和光功率計通過光纖直連具有的插入損耗為-6.89dbm，上述數據是經換算得出的數據）。

然后我們又測試了光開關在高速大容量圖像信息傳輸時的圖像質量。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高清視頻，圖像清晰穩定，實時性良好，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　光開關通路表Tab.2Optical switch access tables

4 結束語

隨著光通訊的迅猛發展，全光網絡離我們越來越近，這也使得應用于光網絡中的各種光無源器件越來越受到重視。光開關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行相互轉換或邏輯操作的器件。光開關可用于光纖通訊系統、光纖網絡系統，光纖測量系統或儀器以及光纖傳感系統，起到開關切換作用，對于光纖通訊網絡具有重要的科學意義和實用價值。

本課題采用（4×4）光開關，通道切換的控制接口為RS232，將環境測試車輛旋轉平臺上的4路輸入圖像切換到4路輸出通道，再通過4路光纖旋轉連接器向測試人員傳輸高速大容量視頻信號。經對插入損耗的測試，符合技術要求，又進行傳輸實時高速大容量千兆以太網圖像試驗，圖像清晰穩定，實時性良好，通信正常。該高速全光數據交換網可用于環境測試車輛、旋轉平臺等應用場合。

［1］王剛，明安杰.光開關研究進展［J］.微納電子技術，2005，4.

［2］何釗峰，黃德修.全光網絡中的光開關［J］.飛通光電技術，2008，12.

［3］李蘋，王俊華.光開關技術研究［J］.光通信技術，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。從事光電集成系統的研究。