基于MEMS 全光交换矩阵的设计与实现*

［付益］

1 引言

伴随5G 时代的普及，大数据、物联网、云计算、区块链、人工智能等技术将获得迅速发展。互联网中的业务量以指数规律呈爆炸式增长姿势，它对网络通信的传输带宽和交换容量提出了更高要求，各大网络运营商普遍采用以波分复用技术为平台的光传输网来提供大容量、高速率的带宽。光交叉连接设备为光传输网的核心单元，是一种兼有复用、光交叉连接、保护/恢复、监控和网络的多功能OTN 传输设备。其交叉连接功能由光交换矩阵实现。光交换矩阵是为光分组提供合理的光链路，完成交换和控制功能，实现简单而极其高速的光交换处理。

目前，在光传输网中各种不同交换原理和实现技术的光交换被广泛地提出。不同原理和技术的光交换具有不同的特性，适应于不同的场合。根据光交换的交换介质区分，可分有自由空间交换和波导交换。微电子光交换（MEMS）为自由空间交换，是由半导体材料，如Si 等构成的微机械结构器件。MEMS 光交换是将机械、光和电集成一体，能透明的传送不同协议、不同速率的业务。MEMS 器件的结构类似IC 的结构，它的基本原理是通过静电的作用使可以活动的微型镜面发生移动，而改变输入光信号的传输方向。

2 主要组成

全光交换矩阵由光切换单元、电源单元、控制单元和屏幕显示单元组成，如图1 所示。

图1 全光交换矩阵组成图

光路切换单元的主要功能是在控制单元的作用下，把输入端的光信号切换到指定的输出端口输出。控制单元的主要功能是接收上级指令，控制光切换单元按照接收到的命令正确切换光路，并通过屏幕显示出来。电源单元由交流（AC）、AC/DC 与DC/DC 变换模块及电源控制电路等组成。其基本功能是将输入的AC220V、DC48V 变换为各电路模块需要的+5 V 直流工作电压。电源单元的工作方式可以人工选择单交流220 V、单直流48 V、交流和直流同时供电，采用交流和直流同时供电方式时，交流和直流没有优先级，互为备份，确保了突然一边断电后，电源切换过程中不产生误码。屏幕显示单元是显示当前通道和相关信息。光切换单元选择了用N个1×N MEMS 光开关整合成1 个N×N MEMS 光开换模块的方式，光路如图2 所示。

图2 光路示意图

3 硬件与软件设计

MEMS 全光交换矩阵控制单元电路主要由单片机（STM32F407VGT6）控制DA 芯片（AD5504）驱动多个1×N MEMS 光交换实现工作，并在屏幕上显示出来。STM32F407VGT6 是由ST（意法半导体）公司开发的一种高性能微控制器，其采用了90 纳米的NVM 工艺和自适应实时存储加速器技术，具有以下优点。

（1）兼容于STM32F2 系列产品，便于ST 的用户扩展或升级产品，而保持硬件的兼容能力

（2）低电压：1.8～3.6 V VDD，在某些封装上，可降低至1.7 V。

（3）全双工12 S。

（4）12 位ADCO41US 转换/ 2.4 Msps。

（5）高速USART，可达10.5 Mbits/s。

（6）高速SPI，可达37.5 Mbits/s。

（7）Camera 接口，可达54 M 字节/s。

STM32F407VGT6微控制器外围电路原理如图3所示。

图3 STM32F407VGT6 微控制器外围电路原理图

DA 芯片AD5504 是一款集成片内高压输出放大器和精密基准电压源的四通道、12 位串行输入数模转换器。DAC输出电压范围可以通过范围选择引脚（R_SEL）编程设置。如果R_SEL 保持高电平，则DAC 输出范围为0～30 V。如果R_SEL 保持低电平，则DAC 输出范围为0～60 V。片内输出放大器支持AGND+0.5V 至VDD-0.5V 范围内的输出摆幅，具有以下优点。

（1）四通道高压DAC。

（2）12 位分辨率。

（3）引脚可选的30 V 或60 V 输出范围。

（4）集成式精密基准。

（5）带回读能力的低功耗串口。

（6）集成式温度传感器报警功能。

（7）上电复位。

（8）通过LDAC 同时更新。

（9）宽工作温度范围：-40℃至+105℃。

AD5504 引脚封装如图4 所示。

图4 AD5504 引脚封装图

MEMS 全光交换矩阵有串口控制和网口控制两种方式。串口设计电路主要由单片机和串口RS232 完成，串口初始化代码如下。

网口设计电路主要由单片机、以太网芯片KSZ8721 BLI、网络变压器HR601680 的电路连接图如图5 所示。STM32F407VGT6 微处理器与网络水晶接头连接的时候，需把HR601680 中心抽头接到了3.3 V 电源上。

图5 HR601680 的电路图

在发送信号时，HR601680 将STM32F407VGT6 发送的数据通过耦合滤波，并通过转换电路转换成与所在网络相符的电平，最后通过网口水晶接头的TX 发送出去；接收信号时，网络信号通过HR601680 差模耦合电路和电磁感应原理把来自信号电平转换成能被芯片所识别的电平。图中的TXP2、TXM2、RXP2、RXM2 分别接到STM32F407VGT6 微处理器的以太网模块对应管脚，RX+、RX-、TX+、TX-分别接到RJ45 对应管脚。

1×N MEMS 光交换原理是在硅晶上刻出若干微小的镜片，通过静电力或电磁力的作用，使相关微镜片产生升降、旋转或移动，从而改变输入光的传播方向以实现光路选择的功能。1×N MEMS 光交换在光学性能方面的特性参量主要有插入损耗、回波损耗、串扰（隔离度）切换时间、消光比等。

插入损耗（Insertion Loss）：当光信号通过光交换时，将伴随着能量损耗。依据功率预算设计网络时，光交换及其级联对网络性能的影响很大，损耗和干扰将影响到功率预算。光交换产生损耗的原因主要有两个：一是光纤和光交换端口耦合时的损耗，二是光交换自身材料对光信号产生的损耗。插入损耗可表示为某一光通道输出光功率与输入光功率之比值，以分贝表示为

其中，P0为输入端的光功率，P1为输出端接收到的光功率。插入损耗与开交的状态有关。

回波损耗（Return Loss）：也称为反射损耗或反射率，表示从输出端返回输入端的光功率与输入光功率的比值，以分贝表示为

其中，P1r为输入端口接收到的的从输出端返回的光功率。

串扰（Crosstalk）：串入相邻端口的输出光功率与光交换接通端口的输出光功率的比值，以分贝表示为

其中，P1是光交换接通输出端口1 输出的光功率，P2是串入端口2 输出的光功率。

切换时间（Switching Time）：光交换端口从某一初始态转为开启或关闭所需的时间，光交换的开启时间和关闭时间从在光交换上施加或撤去转换能量的时刻起计算。交换时间有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个ms 时，对因故障而重新选择路由来说已经足够，如对SDH/SONET 来说，因故障而重新选择路由时，50 ms 的交换时间几乎可以使上层感觉不到。当交换时间到达ns 量级时，可以支持光互联网的分组交换，这对于实现光互联网是十分重要的。

消光比（Extinction Ratio）：输入端口和输出端口之间处于导通（开启）与非导通（关闭）状态时的插入损耗之差，即

其中，ILnm和为输入端口n和m输出端口之间分别在导通和不导通状态时的插入损耗。

4 主要性能指标测试

MEMS 全光交换矩阵的主要性能指标为插入损耗和切换时间。

（1）插入损耗测试方法

①如图6（a）所示，将光源输出端直接接入光功率计，读取光源输出功率Pin（单位为dBm）为参考功率；

图6 插入损耗测试配置

②如图6（b）连接全光交换矩阵，将矩阵链路配置被测设备的输入端口（T1～ TN）和输出端口（R1～ RM）中的任一端口T1→R1连接状态，输入端口与光源输出端连接，在输出端口接入光功率计；

③读取光功率计值Pout，Pin-Pout 即为T1→R1的插入损耗；

④重复步骤（b）～（c），依次测试矩阵N 通道的光分别连接到设备的M 号通道输出的插入损耗。

（2）切换时间测试方法

①如图7 所示，连接测试设备；

图7 切换时间测试配置

②配置矩阵的输入端口（T1～TN）和输出端口（R1～RM）中的任一端口T1与R1连接；

③配置矩阵的输入端口（T1～TN）的其它任一端口T2与R1连接；

④记录示波器出现的高低电平跳变时间差值T 即为T1→T2（R1）的切换时间；

⑤重复步骤（b）～（c），依次测试矩阵T1→T3（R1），T1→TN（RM）～ TN-1→TN（RM）的切换时间。

8×8 MEMS 全光交换矩阵插入损耗和切换时间的实物测试环境如图8 所示。

图8 8×8 MEMS 全光交换矩阵测试环境图

以光源波长为1 550 nm 进行8×8 MEMS 全光交换矩阵的插入损耗测试，其中T1～ T8为输入端、R1～ R8为输出端，单位是dB，具体数据如表1 所示。

从表1 得出8×8 MEMS 全光交换矩阵的插入损耗不大于1.5 dB。

表1 插入损耗测试数据

8×8 MEMS 全光交换矩阵切换时间测试，其中T1～T8为输入端、R1～R8为输出端，单位是ms，具体数据如表2所示。

表2 切换时间测试数据

8×8 MEMS 全光交换矩阵切换时间测试波形如图9所示。

图9 切换时间波形示意图

图中红色波形为脉冲电流在电阻负载上由有电流到突然消失，即该端口从有光输入到光消失过程。黄色波形为脉冲电流在电阻负载上由无电流到突然有电流，即该端口从有无光到有光输入过程。示波器上显示一格为500 μs，结合表2 和图9 分析得出8×8 MEMS 全光交换矩阵切换时间不大于35 ms。

5 结束语

本设计基于MEMS 全光交换矩阵，能实现全光交换中完全无阻塞的情况下，从任意一个可以使用的输入端口到任一可用的输出端口可以建立连接。通过对8×8 MEMS全光交换矩阵的插入损耗和切换时间进行测试，得出该矩阵的插入损耗不大于1.5 dB、切换时间不大于35 ms。该性能技术指标完全满足商业化应用全光交换的标准。