高速全光数据交换技术的研究

刘佳，朱卯成，季征宇，王佩

（上海电控研究所科技部，上海 200092）

高速全光数据交换技术的研究

刘佳，朱卯成，季征宇，王佩

（上海电控研究所科技部，上海 200092）

21世纪将是“信息时代”，随着远程计算机通信的飞速发展，对通信的需求不断上升，传统的基于电子领域的传输系统已难以满足日益增加的业务需要，从而促进了高速全光数据交换技术突飞猛进的发展，信息的传输和交换正由电光网络向全光网络发展。全光网络以光纤为传输媒介，采用光开关交换信息，采用光波分复用（WDM）技术提高网络的传输容量。论文利用（4×4）光开关建成大容量通信干线交换网络，并对高速全光数据交换性能进行测试，该高速全光数据交换网可用于环境测试车辆、旋转勘探平台等应用场合。

全光数据交换；全光网络；光开关

0 引言

21世纪将是“信息时代”，随着远程通信和计算机通信的飞速发展，对通信的需求不断上升，传统的基于电子领域的传输系统已难以满足日益增加的业务需要，从而促进了通信技术突飞猛进的发展。密集波分复用（DWDM）技术利用单模光纤的低损耗窗口，在一根光纤中同时传输多路波长载波，并采用掺铒光纤放大器（EDFA）来取代传统的光电中继系统。不但在不增加光纤的基础上使容量成倍增加，还摆脱了由于光电转换过程中“电子瓶颈”所带来的单根光纤传输速率制约，因而被认为是提高光纤通信容量的一种有效途径，可见信息的传输和交换正由电光网络向全光网络发展［1］。

全光网络以光纤为传输媒介，采用光开关交换信息，采用光波分复用（WDM）技术提高网络的传输容量。在全光网络中，光无源器件包括光连接器、耦合器、光开关、WDM器件。在全光网络各种设备器件当中，光交叉连接设备（OXC）和光分插复用设备（OADM）可以说是全光联网的核心器件技术。研制全光的交叉连接OXC和分插复用OADM设备，成为建设大容量通信干线网络十分迫切的任务，而光开关和光开关阵列恰恰是OXC和OADM的核心技术［2］。

1 光开关

光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换，它可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。光开关在光分/插复用（OADM）、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）中有着广泛的应用。光开关以其高速度、高稳定性、低串扰等优势成为世界各大通信公司和研究单位的研究重点，成为最具发展潜力的无源光

图1　4×4光开关示意图Fig.1 4×4 optical switch

1.1光开关的分类

依据不同的光开关原理，光开关可分为：

（1）机械式光开关可分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。

（2）移动反射镜式光开关：当转动反射镜面时，从而改变输入光的传播方向，经反射和聚焦的光从一根光纤切换到另一根光纤。

（3）MEMS光开关［5］。以上两种体积大，难实现集成化的开关网络。近年正大力发展一种集成的微机电系统MEMS（micro-electro-mechanical-systems）开关，MEMS将电、机械和光集成为一块芯片，能透明地传送不同速率、不同协议的业务。MEMS已广泛应用在工业领域。MEMS是由半导体材料，如Si等，构成的微机械结构。在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。MEMS器件的结构很像IC的结构，它的基本原理就是通过静电的作用使可以活动的微镜面发生转动，从而改变输入光的传播方向。MEMS既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。基于MEMS光开关交换技术的解决方案已广泛应用于骨干网或大型交换网［6］。

典型的MEMS光开关器件可分为二维和三维结构。基于镜面的MEMS二维器件由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组成，并安装在机械底座上。典型的尺寸是10cm。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关。而对于光网络业务的交换和恢复，基于旋转铰接微镜的光开关是一种最好的选择，因为对于这样的应用，光开关不需要经常变换。而且，亚毫秒的开关时间也能很好地适应于全光网的业务提供和恢复。

二维MEMS的空间微调旋转镜通过表面微机械制造技术单片集成在硅基底上，准直光通过微镜的适当旋转被接到适当的输出端。二维MEMS需要N2个微镜来完成N2个自由空间的光交叉连接，其控制电路较简单，由TTL驱动器和电压变换器来提供微镜所需的电压。开关矩阵的规模可以扩展到上千个端口。

三维MEMS的镜面能向任何方向偏转，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。镜面的位置要控制得非常精确，达到百万分之一度。三维MEMS阵列可能是大型交叉连接的正确选择，特别是当波长带同时从一根光纤交换到另一根光纤上。

目前，朗讯公司已研制了1296×1296端口的MEMS。其单端口传送容量为1.6Tb/s（单纤复用40个信道，每路信道传送40Gb/s信号），总传送容量达到2.07Petabit/s。具有严格无阻塞特性，介入损耗为5.1db，串扰（最坏情况）为-38db。使光开关的交换总容量达到新的数量级。

1.2光开关的主要性能特性参数

光交叉连接矩阵是OXC的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠性，并且要具有单向、双向和广播形式的功能，主要性能特性参数如下：

（1）交换矩阵的大小：光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力，如在骨干网上要有超过1000×1000的交换容量。

（2）插入损耗：当光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗。损耗特性影响到了光开关的级联，限制了光开关的扩容能力：

（3）回波损耗：从输入端返回的光功率与输入光功率的比值：

（5）串扰：输入光功率与从非导通端口输出的光功率的比值：

（6）消光比：两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差：ER=IL-IL0。

（7）开关时间：开关端口从某一初状态转为通或者断所需的时间。从在开关上施加或撤去能量的时刻算起。开关速度是衡量光开关性能的重要指标。

（8）无阻塞特性：无阻塞特性是指光开关的任一输入端能在任意时刻将光波输出到任意输出端的特性。光开关要求具有严格无阻塞特性。很多因素会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等都是影响网络性能的重要因素。当光开关进行级联时，这些参数将影响网络性能。

2 高速全光数据交换机设计

环境测试图像传感器要将捕捉到的图像信号实时传输给测试人员终端，因此研究全光数据交换技术是环境测试车的关键之一。

2.1引进光电数据交换机

为了研究全光数据交换技术，我们首先引进美国先进的光电数据交换机，用它解决高速数据流（如图像）的切换技术。引进美国的光电数据交换机以后，我们进行了高速图像数据的交换测试，测试原理如图2所示，正常情况下，摄像头1的图像直接送给监视器A显示，摄像头2图像送至监视器B显示，如图2（a）。控制台通过串口可以配置光电数据交换机实现摄像头1的图像送到监视器B显示，而摄像头2的图像送至监视器A显示，实现图像的交叉传输和显示，如图2（b）；控制台通过串口可以配置光电数据交换机实现摄像头1图像或摄像头2图像送到监视器A和B同时显示，实现图像的广播传输，如图2（c）和图2（d）。这种形式的数据交换，能够有效地实现测试人员终端之间大容量数据的快速切换，并减少了布线成本，提高了可靠性。

图2　基于光电数据交换机的视频切换技术Fig.2 Video switching technology based on photoelectric switch data

由于光电数据交换机的I/O为光信号，为了配合引进光电数据交换机的测试工作，我们自行研制了光/电转换的图像接口。它将摄像头PAL制式的电信号转换到光信号以及交换机的光信号转换成PAL制式的电信号，它们作为光电数据交换机的输入和输出的图像接口。

2.2自行研制高速全光数据交换机

由于引进美国的光电数据交换机价格昂贵（30余万），在测试的基础上我们又组识了消化吸收，创新研制。经分析，引进美国的光电数据交换机是将几路图像的光信号经各自的光电A/D转换器转换成电信号、对图像的电信号进行交换，然后再经电光D/A转换器转换成光信号，它的形式上是光交换，但本质上还是电交换，它并不完全符合我们的全光数据交换的要求。

在光网络系统中光开关可对光信号进行通断和切换并具有高速度、高稳定性、低串扰等优势。我们将光开关技术应用到目前的光交换机中，研制高速全光数据交换机。

全光数据交换机主要用于将平台上的各种图像信号传输到车内测试人员的显示终端上。根据需要我们设计的测试平台是旋转的，旋转测试平台与车体用我所研制的四通道光纤旋转连接器传输光信号，如图3所示。

图3　高速全光数据交换机的结构示意图Fig.3 High speed all-optical data switch structure diagram

旋转测试平台上的图像信号可以是高清CCD摄像机、红外摄像机等视频信号，它们的接口可以是PAL、千兆以太网、Camera Link、1394等视频接口。根据需要，只要发出相应的控制命令，测试平台上的某一图像信号可以切换给车内的任一测试人员。

光开关采用（4×4）机械式光开关，它可将4路输人图像切换到4路输出通道。通道切换接口为RS232，光纤接口为FC，光纤类型为多模光纤，波长范围在1310～1610nm之间。

3 高速全光数据交换机性能测试

（4×4）光开关具体有24种不同的通道切换控制命令（4×3×2），对应光开关24种不同的连接方式。我们选取了其中12种连接方式，测试了4个输入口（COM1234）分别对4个输出口（OUT1234）光路连接的插入损耗。测试光源波长1310nm，光开关插入损耗在-0.76db至-1.66db之间，符合技术要求。通道的控制命令及相应通道的插入损耗如表1所示（注：光源和光功率计通过光纤直连具有的插入损耗为-6.89dbm，上述数据是经换算得出的数据）。

然后我们又测试了光开关在高速大容量图像信息传输时的图像质量。我们从24种连接方式中选取了表2所示的4种传输方式，即提供了16条光通路，对每条光通路分别传输千兆以太网高清视频，图像清晰稳定，实时性良好，证明通信正常。

表1　输入输出通道的插入损耗Tab.1 The insertion loss of input and output channels

表2　光开关通路表Tab.2Optical switch access tables

4 结束语

随着光通讯的迅猛发展，全光网络离我们越来越近，这也使得应用于光网络中的各种光无源器件越来越受到重视。光开关是一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。光开关可用于光纤通讯系统、光纤网络系统，光纤测量系统或仪器以及光纤传感系统，起到开关切换作用，对于光纤通讯网络具有重要的科学意义和实用价值。

本课题采用（4×4）光开关，通道切换的控制接口为RS232，将环境测试车辆旋转平台上的4路输入图像切换到4路输出通道，再通过4路光纤旋转连接器向测试人员传输高速大容量视频信号。经对插入损耗的测试，符合技术要求，又进行传输实时高速大容量千兆以太网图像试验，图像清晰稳定，实时性良好，通信正常。该高速全光数据交换网可用于环境测试车辆、旋转平台等应用场合。

［1］王刚，明安杰.光开关研究进展［J］.微纳电子技术，2005，4.

［2］何钊峰，黄德修.全光网络中的光开关［J］.飞通光电技术，2008，12.

［3］李苹，王俊华.光开关技术研究［J］.光通信技术，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

刘佳（1982-），女，湖北襄樊人，本科，高级工程师。从事光电集成系统的研究。