【正文】 1 基于 MEMS 的 OXC 結(jié)構(gòu)設(shè)計及其應(yīng)用研究 摘 要 隨著通信需求的快速增長 ,密集波分復(fù)用 (DWDM)網(wǎng)絡(luò)獲得了極大的發(fā)展 ,雖然 主干道的傳輸速率已經(jīng)很高 ,但是 節(jié)點中的交換目前仍然是電的交換 ， 由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在光層缺乏可操作性，人 們又 急需實現(xiàn)光域的優(yōu)化、路由、保護、恢復(fù)功能，所以人們就提出了光交叉連接 (OXC)這個概念。 全光交換是光纖通信網(wǎng)的發(fā)展方向 , OXC 是全光交換的核心 ,光開關(guān)作為OXC 的關(guān)鍵器件 ,是當(dāng)前光通信領(lǐng)域的研究熱點 ,同時 MEMS 光開關(guān)由于其眾多優(yōu)點也已成為微機電系統(tǒng)的一個重要研究方向。 本文 首 先分析了 OXC 的 基本 原理和結(jié)構(gòu)， 表明 OXC 在設(shè)計中的重要性，然后比較 幾種不同的光開關(guān) 的優(yōu)缺點，最終選擇了優(yōu)點比較多的 MEMS 機械性光開關(guān)作為本設(shè)計的主要部件，把 MEMS 應(yīng)用到 OXC 中，設(shè)計出了一種新型的光開關(guān)結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞： 光通信， MEMS, OXC 2 The Design of OXC Construction Based on MEMS and Its Application Research Author:Yang ruihua Tutor:Li Liping Abstract With the rapid growth of munication needs, Dense Wavelength Division Multiplexing(DWDM) gains great development. Because traditional work lacks operability in light layer and people are in dire need of realizing the optimize, route, protection and restoration function, people raise the concept of Optical Cross Connection(OXC). All optical switching is the development direction of optical fiber munication work, and OXC is the core of all optical switching. Photoswitch, as the key device of OXC, is the research focus of the current munication field, meanwhile MEMS optical switching has an important research direction in MEMS because of its various advantages. This thesis firstly analyses fundamental principles and construction of OXC and manifest the importance of OXC in this design, then pare the relative merits of several different kinds of optical switching, finally chooses MEMS optical switching which with more advantages as main ponent of this design by applying MEMS into OXC, work out a new type of optical switch structure. Key words: Optical munication,MicroElectroMechanical Systems, Optical Cross connector 3 1 緒 論 21 世紀(jì)，隨著社會信息化的普遍提高，通信容量和光纖速度也在相應(yīng)的提高，目前通信網(wǎng)的主要組成部分是傳輸和交換，二者在日常應(yīng)用中也在不斷的發(fā)展和革新。通信網(wǎng)中交換系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，傳輸交換速率也越來越高， 由于交換節(jié)點受 “電子瓶頸 ”的 束縛所以當(dāng)今電子交換和信息處理網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已經(jīng)接近極限， 而 OXC 的出現(xiàn)可以緩解這一 “電子瓶頸 ”的束縛，它可有效解決節(jié)點交換速度滯后于傳輸線路的現(xiàn)狀，在光域中把輸入端的任一信號可控地連接到輸出端的任一光纖中 [1]。 OXC 是光傳送網(wǎng)和自動交換光網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，兼有復(fù)用、交叉連接、保護 /恢復(fù)、監(jiān)控和網(wǎng)管等多功能， OXC 具有諸多優(yōu)點，它有多個標(biāo)準(zhǔn)的光纖接口，對于提高節(jié)點交換速度以及網(wǎng)絡(luò)擴容有非常重要的作用，同時具有傳輸容量大、組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)具有可擴展性和可重構(gòu)性、易于升級、可透明傳輸各種格式的不同速率等級的信號，能夠 同時適應(yīng)用戶信號種類和服務(wù)種類不斷增長的需求等。 目前世界各大電信供應(yīng)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。例如歐洲 RACE 計劃 OSCAR(R1033)項目完成的 OXC 樣機用于本地網(wǎng)絡(luò)。交叉連接矩陣為 88 嚴(yán)格無阻塞結(jié)構(gòu)，由4 個無極性的 LiNbO3 44 空分交叉連接矩陣和 16 個無極性的 LiNbO3 12 空分交叉連接矩陣組成。 LiNbO3 44 空分交叉連接矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)由 24 個 12 交叉連接單元組成，是基于半導(dǎo)體技術(shù)的二維矩陣。 OXC 的每個輸入端都有再生器 用于檢測信號是否丟失和補償塞入損耗， OXC 的管理由計算機完成。 1992 年在部分 OXC 節(jié)點組成的網(wǎng)狀光纖網(wǎng)絡(luò)上進行了實驗，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。日本NEC 公司研發(fā)了 88 LiNbO3 光交叉矩陣，由 64 個無極性定向耦合開關(guān)單元組成，所有開關(guān)單元都以簡單樹形結(jié)構(gòu) (STS)的形式集成在 LiNbO3 芯片上。芯片大小為 110mm12mm6 mm，塞入損耗小于 12dB，串音 (光 )小于 18 dB，并與光放大器配合，這種矩陣級聯(lián)使用。 NEC 公司研制的 OXC 采用 5 級交叉連接矩陣級聯(lián)，容量為 128128。實驗用于交叉連接 STM2 STM2 HDTV 等寬帶信號。英國 BT實驗室研制的 OXC 在波分復(fù)用系統(tǒng)應(yīng)用，將 WDM 技術(shù)與空分技術(shù)相結(jié)合。 并且在倫敦地區(qū)的本地網(wǎng)絡(luò)上進行了現(xiàn)場實驗，傳輸速率為 622Mbit/s， 4 實驗內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)的重新配置、網(wǎng)絡(luò)保護、路由選擇等，并測試了網(wǎng)絡(luò)中的光衰減和誤碼率 [2]。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(yīng)用及技術(shù)也進行了類似研究和實驗 [1~3]。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。可以預(yù)期OXC會成為下一代光網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，然而 OXC的結(jié)構(gòu)決定了它的性能和功能，所以研究新型 OXC 結(jié)構(gòu)有著重大的意義。 本文分 3 個部分進行討論，首先介紹了光開關(guān)的傳統(tǒng)應(yīng)用和在 DWDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用，并且介紹了空間光開關(guān)的分類以及各種空間光開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作方式，分析了幾種不同的光開關(guān)的優(yōu)缺點和光開關(guān)在國外內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r。然后討論了 OXC 的主要特點和工作原理及 OXC 的基本 模塊， 最后 在現(xiàn)有 OXC 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出簡單的改進方案，并分析了它的工作原理，組成模塊以及優(yōu)缺點，對其應(yīng)用前景進行了評估。最后把設(shè)計的 MEMS 應(yīng)用到 OXC 結(jié)構(gòu)中。 5 2 OXC 的結(jié)構(gòu)及工作原理 OXC 的工作特點 OXC 的發(fā)展 隨著光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的容量越來越大，科技技術(shù)的發(fā)展和密集波分復(fù)用的大規(guī)模應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)的生存性提出了更高的要求，光交叉連接器（ OXC）是構(gòu)成光傳送網(wǎng)絡(luò)（ OTN）的重要節(jié)點設(shè)備，它可以集傳輸與交換于一體，具有傳輸容量大、組網(wǎng)靈活的優(yōu)點，而且網(wǎng)絡(luò)具有可擴 展性和可重構(gòu)性、易于升級、可透明傳輸各種格式的不同速率等級的信號，能夠同時適應(yīng)用戶信號種類和服務(wù)種類不斷增長的需求等等 [3]， OXC 是對光信號交叉連接，繼而交叉容量，交叉連接速率和接入速率都很高，且無需時鐘同步和開銷處理，而 DXC 是對電信號交叉連接，因而受電子元件的限制，交叉連接速率和接入速率都比較低。 目前纖傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 OXC 部分設(shè)備已經(jīng)通過現(xiàn)場實驗，并取得了很大成功，世界各大電信供應(yīng)商競相研究光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 OXC。 英國 BT 實驗室將 WDM技術(shù)與空分技術(shù)相結(jié)合 ， 研制的 OXC 在波分復(fù)用系統(tǒng)應(yīng)用，并且在倫敦地 區(qū)的本地網(wǎng)絡(luò)上進行了現(xiàn)場實驗， 實驗的 傳輸速率為 622Mbit/s，此外，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?？梢灶A(yù)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 [4]。 OXC 的性能 光波網(wǎng)絡(luò)中的一個重要網(wǎng)絡(luò)單元是 OXC,其功能可以與時分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中的交換機類比，它對系統(tǒng)中的光信號進行交叉連接，有效地解決網(wǎng)絡(luò)間的信息耦合，并兼有本地節(jié)點的全光分插復(fù)用功能，還可以靈活有效的 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)以及自愈功能，是實現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)保護 /恢復(fù)、自動配線和監(jiān)控的重要手段，國內(nèi)外研究者對 OXC 開展了深入研究。在 OXC 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面 , 通過利用不同光學(xué)器件和采用不同設(shè)計方法 , 構(gòu)架具有獨特功能的新型 OXC 結(jié)構(gòu)以滿足不同的應(yīng)用需要。 OXC 的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 OXC主要由光交叉連接矩陣 (交換級 )、輸入端口 (擴展級 )、輸出端口 (集中 6 級 )、管理控制單元等模塊組成，如圖 1所示： 圖 1 OXC 功能結(jié)構(gòu)圖 OXC 節(jié)點先把 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。擴展級網(wǎng)絡(luò)完成輸入端 WDM 信號的解復(fù)用功能，集中級網(wǎng)絡(luò)在輸出端對單波長信號重新進行復(fù)用，交換級網(wǎng)絡(luò)位于擴展級和集中級之問，實現(xiàn)波長信號在空間或波長域上的全光交叉連接。 OXC 設(shè)備型號少，監(jiān)控維護參數(shù)少，易于標(biāo)準(zhǔn)化，無需時鐘同步和開銷處理，其主要特點是：不需要電 /光，光 /電轉(zhuǎn)換，避免電子信號的瓶頸，交叉連接速率高，利用 OXC 便于網(wǎng)絡(luò)升級，且升級時一般無需更換設(shè)備。 OXC 的主要功能 OXC 的主要功能是：光網(wǎng)絡(luò)的管理和傳輸、信號監(jiān)測、故障恢 復(fù)。 OXC 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，還可以根據(jù)傳輸波長為信息進行路由選擇。另外它通過波長交換、波長轉(zhuǎn)換、波長復(fù)用和去復(fù)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，這是光網(wǎng)絡(luò)的管理和傳輸功能體現(xiàn)。 OXC 有信號檢測的功能，它利用無干擾的監(jiān)測器在傳輸路徑上，在光子層，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。但如果發(fā)生在上游遠(yuǎn)端斷損處， OXC 間還有再生器， 就難以單獨確定 LOS。然而 OXC 必須從信號開銷中提取狀態(tài)參數(shù)結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，綜合判斷才能正確的進行信號監(jiān)測，因為有足夠信噪比的光信號仍可能有錯誤如監(jiān)測器不能檢測由色散或非線性效應(yīng)引起的損傷 [5]。所以 OXC 必須從信號開銷中提取狀態(tài)參數(shù)結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，綜合判斷才能正確的進行信號監(jiān)測。 OXC 間可以建立維護鏈路，一旦某個 OXC 檢測到故障，就通過維護鏈路通知其它 OXC， OXC 中的交換要么是波長層交換，要么是光纖層交換，它能很 7 快從故障中恢復(fù)。目前 OXC 的故障修復(fù)辦法有集中式恢復(fù)算法和分布式恢復(fù)算法兩種。在集中式算法中 ， OXC 把故障通知一個有全局操作系統(tǒng)的實體，該實體確定一條合理的旁路鏈路并通知該鏈路上 OXC 調(diào)整波長、接收信息、故障修復(fù)后信息再回到原鏈路上傳輸。由于所有故障信息要通知中心實體，恢復(fù)速度慢，在分布式算法中每個 OXC 有足夠信息自己建立旁路鏈路，它比集中式算法快，但要求每個 OXC 存儲實時狀態(tài)信息。 8 3 MEMS 空間光開關(guān) 微電子機械系統(tǒng)（ MEMS）光開關(guān) 微電子機械系統(tǒng)（ MEMS），主要包括微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等，它融合