1引言

1.1光矩陣開(kāi)關(guān)是如何工作的

一個(gè)光矩陣開(kāi)關(guān)含有一組輸入光纖和一組輸出光纖。每一根輸入光纖的光信號通過(guò)一個(gè)透鏡聚焦成一束準直光束,然后用電子學(xué)的方法使該光束對準所選的輸出光纖。在輸出光纖處,接收透鏡將該光信號聚焦到接收的輸出光纖中,信號切換時(shí)間小于50ms。任何時(shí)間的光束數等于有效通信路徑數。盡管不同輸入光纖的光束會(huì )發(fā)生互作用,但在相交光束間不會(huì )引起串音。伺服控制機理用于切換過(guò)程中所有各個(gè)方面的自動(dòng)控制和監測。伺服控制系統消除了手動(dòng)系統的校準和光準直過(guò)程,它可連續檢查所有光纖的連接,以檢測和消除振動(dòng)和溫度不穩定的影響。此外,矩陣開(kāi)關(guān)兩側的工作是受伺服控制系統的控制,反過(guò)來(lái)又將開(kāi)關(guān)準直信息提供給主處理器。開(kāi)關(guān)指令的輸入,可通過(guò)線(xiàn)路終端、Ix〕S或Windows的個(gè)人計算機軟件程序或網(wǎng)絡(luò )管理程序(如簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議或PH公司的伽en-view)實(shí)現。

1.2自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò )

自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò )(ASON)是指用戶(hù)與用戶(hù)之間的信號傳輸與交換全部采用光技術(shù)，即數據從源節點(diǎn)到目的節點(diǎn)的傳輸過(guò)程都在光域內進(jìn)行[1]。自動(dòng)交換光網(wǎng)是高速寬帶通信網(wǎng)，在干線(xiàn)上采用DWDM技術(shù)擴容，在交叉節點(diǎn)上采用可重構光分插復用器(ROADM)、智能光交叉連接設備（IOXC）來(lái)實(shí)現。智能光交叉連接設備（IOXC）和可重構光分插復用器（ROADM）可以說(shuō)是全光聯(lián)網(wǎng)的核心器件，而光開(kāi)關(guān)矩陣恰恰是IOXC和ROADM的核心技術(shù)。

2光開(kāi)關(guān)矩陣技術(shù)

2.1MEMS技術(shù)

MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)一般稱(chēng)作微機電系統技術(shù)。MEMS光開(kāi)關(guān)矩陣基本原理是通過(guò)靜電力或電磁力的作用，使可以活動(dòng)的微鏡升降、旋轉或移動(dòng)改變輸入光的傳播方向以實(shí)現光路通斷的功能，使任意輸入和輸出端口相連接[4,5]。MEMS光開(kāi)關(guān)矩陣主要是采用三維MEMS技術(shù)。三維MEMS光開(kāi)關(guān)矩陣是一個(gè)三級光反射系統（如圖1），每一個(gè)光路中有兩個(gè)活動(dòng)的微反射鏡和一個(gè)固定的反射鏡組成，活動(dòng)微鏡固定在一個(gè)萬(wàn)向支架上,可以沿任意方向偏轉。每根輸入光纖都有一個(gè)對應的活動(dòng)微鏡,同樣的每根輸出光纖也都有其對應的活動(dòng)微鏡。因此，對于M×N三維MEMS光開(kāi)關(guān)矩陣，則具有M+N個(gè)活動(dòng)微反射鏡。每根輸入光纖射出的光束可以由其對應的活動(dòng)微鏡反射到中間的反射鏡，然后再反射到任意一個(gè)輸出光纖對應的活動(dòng)微鏡，而相應的輸出活動(dòng)微鏡可以將光束反射到其對應的輸出光纖。對于M×N三維MEMS光開(kāi)關(guān)矩陣，每個(gè)輸入微鏡有N個(gè)狀態(tài),而輸出微鏡則具有M個(gè)狀態(tài)。三維MEMS光開(kāi)關(guān)矩陣需要微鏡數量少，所以容易實(shí)現更大的交叉容量，但控制電路復雜。

圖1三維MEMS光開(kāi)關(guān)矩陣原理示意圖

2.2壓電光束導向技術(shù)

壓電光束導向技術(shù)又稱(chēng)為直接光束控制技術(shù)是將光纖準直器直接控制在一個(gè)機械結構上，然后將其排列成一面準直器陣列。將兩面準直器陣列組成相對而列，這樣就構成了光開(kāi)關(guān)矩陣。在進(jìn)行交叉連接時(shí)，控制需要連接2個(gè)光纖準直器，使其在同一條直線(xiàn)上，這樣光信號就直接從一個(gè)準直器傳入到另一個(gè)準直器里，而不需要經(jīng)過(guò)任何微鏡的反射，不會(huì )造成光信號的損耗。因此，利用光束直接控制技術(shù)制造的光開(kāi)關(guān)在插入損耗和波長(cháng)相關(guān)損耗等指標上都要優(yōu)于基于MEMS技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣。

實(shí)現光束直接控制技術(shù)的核心是固態(tài)驅動(dòng)技術(shù)，即利用固體材料幾何外形的改變產(chǎn)生的位移來(lái)驅動(dòng)準直器的移動(dòng)，改變光束的傳輸方向。壓電陶瓷具有在電壓控制下在某一軸向上改變尺寸的功能，并且根據電壓的不同改變的尺寸不同，正好可以用來(lái)作為固態(tài)驅動(dòng)材料。但是，壓電陶瓷外形尺寸改變只有幾微米，不足以用來(lái)驅動(dòng)準直器的移動(dòng)，這就需要設計一個(gè)位移放大器來(lái)放大壓電陶瓷外形改變所產(chǎn)生的位移來(lái)驅動(dòng)準直器的移動(dòng)。

2.3自動(dòng)光耦合技術(shù)

自動(dòng)光耦合技術(shù)（DynamicOpticalCoupling）是一種與現有光纖連接技術(shù)最接近的一種光開(kāi)關(guān)矩陣技術(shù)，它的基本原理是采用高精度步進(jìn)電機驅動(dòng)需要相互連接的兩個(gè)光纖的特制連接頭進(jìn)行物理耦合。兩個(gè)光纖連接頭直接接觸連接在一起，光路中不存在微反射鏡、微透鏡和準直器等光學(xué)器件，這樣使光信號的損耗降到最低。從光信號傳輸機理上講，利用自動(dòng)光耦合技術(shù)設計的光開(kāi)關(guān)矩陣的光學(xué)指標相對于其他技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣是最優(yōu)秀的。

自動(dòng)光耦合技術(shù)的核心是高精度鎖定裝置和高精度定位裝置。高精度鎖定裝置使得光路的光學(xué)性能可以與高精度的光纖連接器技術(shù)相媲美；同時(shí)，由于采用鎖定裝置，使得光連接可以抗擊振動(dòng)和沖擊的干擾，而且即使在斷電的情況下，也不會(huì )影響已有的光路連接。高精度定位裝置能準確地驅動(dòng)光纖連接頭，并使其準確地插入鎖定裝置，完成光纖耦合?；谧詣?dòng)光耦合技術(shù)設計的光開(kāi)關(guān)矩陣分為三層，光纖連接頭被分在上下兩層，構成主動(dòng)交換層，由高精度步進(jìn)電機控制；中間層為光纖鎖定層，完成光路的物理耦合。

3光開(kāi)關(guān)矩陣在A(yíng)SON中的應用

3.1光開(kāi)關(guān)矩陣在IOXC中的應用

IOXC設備能在光域實(shí)現高速信息的接入、傳輸、路由交換及障恢復，可以把輸入端任一光纖的信號(或各波長(cháng)信號)可控制地連接輸出端任一光纖(或各波長(cháng))中去，并且這一過(guò)程在光域中進(jìn)行的。IOXC設備有效地解決了數字交叉連接(DXC)設備中的“電子瓶頸”問(wèn)題。IOXC構成了ASON的交換平臺，是智能光網(wǎng)絡(luò )的核心，ASON所需要的動(dòng)態(tài)交換、基礎網(wǎng)的智能化等功能都需要IOXC設備的支持。

IOXC主要由光交叉連接矩陣、輸入接口、輸出接口、管理控制單元等組成，如圖2所示。輸入、輸出接口一般具有對光信號進(jìn)行放大、適配的功能；光交叉連接矩陣是IOXC的核心，負責對光信號進(jìn)行交叉連接；管理控制單元負責控制光交叉連接矩陣完成光交換功能，并且對輸入輸出端口信號和光交叉連接矩陣進(jìn)行監測。

對光信號進(jìn)行交叉連接的技術(shù)主要有波分復用技術(shù)和空分交換技術(shù)。波分復用技術(shù)可以地對指定波長(cháng)的光信號進(jìn)行處理；空分交換技術(shù)可以將光信號交叉鏈接到任意光路中，并且與光信號的速率、波長(cháng)和協(xié)議等特性無(wú)關(guān)系。如果將波分復用技術(shù)和空分交換技術(shù)相結合，可大大提高交叉連接矩陣靈活性。利用波分解復用器、光開(kāi)關(guān)矩陣、波分復用器組成的光交叉連接矩陣如圖3所示。

3.2光開(kāi)關(guān)矩陣在ROADM中的應用

OADM(光分插復用器)是WDM光纖通信網(wǎng)絡(luò )的重要節點(diǎn)設備。它的基本功能是從光纖中下載光信道中通往本地的信號，同時(shí)上載本地用戶(hù)發(fā)往其他節點(diǎn)用戶(hù)的信號進(jìn)入光纖信道，而不影響其他波長(cháng)信道的傳輸，并且保持光域的透明性，可以處理任何格式和速率的信號。但是OADM只能上下固定數目和波長(cháng)的光信道，并沒(méi)有真正實(shí)現靈活的光層組網(wǎng)，不能滿(mǎn)足ASON的動(dòng)態(tài)配置光信道的要求。

可重構光分插復用器ROADM功能更像對應的SONET/SDH網(wǎng)元ADM和DXC。目前較成熟的是第三代ROADM系統支持類(lèi)似于SDH的性能，能夠在需要時(shí)非常靈活地添加容量，而不需要進(jìn)行代價(jià)高昂的升級，并且不會(huì )對當前的服務(wù)造成任何的干擾。另外，ROADM還可提供全自動(dòng)的光層，其中包括可重新配置的光分插復用、單波長(cháng)粒度、自動(dòng)功率和瞬態(tài)控制、以及確保業(yè)務(wù)質(zhì)量和故障管理的連續實(shí)時(shí)性能監測。ROADM可方便地配置、動(dòng)態(tài)地改變波長(cháng)資源分配，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)可配置的業(yè)務(wù)需要。

具有波長(cháng)選擇交換功能的ROADM近年來(lái)發(fā)展最為迅速，其主要采用自由空間交換技術(shù)實(shí)現波長(cháng)選擇交換功能。目前，最為成熟的方式是采用分波器+光開(kāi)關(guān)矩陣+合波器的方式實(shí)現[8,9]，分波器一般采用隔離度比較好的WDM解復用器實(shí)現，合波器采用WDM復用器實(shí)現。它的最大優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現對上/下光信道的控制，由于光開(kāi)關(guān)矩陣具有無(wú)阻塞交叉功能，可以將任一波長(cháng)信道下路到任何端口，非常適合應用于上下路端口數量大的光網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。如果在系統中加入光轉發(fā)器，可以上路任意波長(cháng)的光信路，使光網(wǎng)絡(luò )更加靈活，如圖4所示。

圖4 由分波器+光開(kāi)關(guān)矩陣+合波器和轉發(fā)器構成的ROADM

4結束語(yǔ)

光開(kāi)關(guān)矩陣技術(shù)促進(jìn)了IOXC和ROADM進(jìn)一步向智能化邁進(jìn)，IOXC為光網(wǎng)絡(luò )提供了強大的光交換能力，具有動(dòng)態(tài)配置功能的ROADM可以從光網(wǎng)絡(luò )中下載任意波長(cháng)信道，消除了通信網(wǎng)中光電光轉換的電子瓶頸。光開(kāi)關(guān)矩陣技術(shù)與智能信息路由協(xié)議的結合，不僅實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )的分布控制，還可以使網(wǎng)絡(luò )提供更高速的服務(wù)，增加業(yè)務(wù)類(lèi)型?；诠忾_(kāi)關(guān)矩陣技術(shù)的IOXC和ROADM能與現有光網(wǎng)絡(luò )無(wú)縫融合，促使其向ASON發(fā)展。

選擇合適的光開(kāi)關(guān)是一項需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應商實(shí)力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細對比關(guān)鍵參數，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專(zhuān)業(yè)的合作伙伴。

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