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(hào)通過(guò)一個(gè)透鏡聚焦成一束準(zhǔn)直光束,然后用電子學(xué)的方法使該光束對(duì)準(zhǔn)所選的輸出光纖。在輸出光纖處,接收透鏡將該光信號(hào)聚焦到接收的輸出光纖中,信號(hào)切換時(shí)間小于50ms。任何時(shí)間的光束數(shù)等于有效通信路徑數(shù)。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(jī)理用于切換過(guò)程中所有各個(gè)方面的自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)。伺服控制系統(tǒng)消除了手動(dòng)系統(tǒng)的校準(zhǔn)和光準(zhǔn)直過(guò)程,它可連續(xù)檢查所有光纖的連接,以檢測(cè)和消除振動(dòng)和溫度不穩(wěn)定的影響。此外,矩陣開(kāi)關(guān)兩側(cè)的工作是受伺服控制系統(tǒng)的控制,反過(guò)來(lái)又將開(kāi)關(guān)準(zhǔn)直信息提供給主處理器。開(kāi)關(guān)指令的輸入,可通過(guò)線路終端、Ix〕S或Windows的個(gè)人計(jì)算機(jī)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(xiàn)。

1.2自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)

自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)是指用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過(guò)程都在光域內(nèi)進(jìn)行[1]。自動(dòng)交換光網(wǎng)是高速寬帶通信網(wǎng)，在干線上采用DWDM技術(shù)擴(kuò)容，在交叉節(jié)點(diǎn)上采用可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)、智能光交叉連接設(shè)備（IOXC）來(lái)實(shí)現(xiàn)。智能光交叉連接設(shè)備（IOXC）和可重構(gòu)光分插復(fù)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(jī)電系統(tǒng)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(zhuǎn)或移動(dòng)改變輸入光的傳播方向以實(shí)現(xiàn)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(jí)光反射系統(tǒng)（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(zhuǎn)。每根輸入光纖都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的活動(dòng)微鏡,同樣的每根輸出光纖也都有其對(duì)應(yīng)的活動(dòng)微鏡。因此，對(duì)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的活動(dòng)微鏡，而相應(yīng)的輸出活動(dòng)微鏡可以將光束反射到其對(duì)應(yīng)的輸出光纖。對(duì)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(shù)量少，所以容易實(shí)現(xiàn)更大的交叉容量，但控制電路復(fù)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(dǎo)向技術(shù)

壓電光束導(dǎo)向技術(shù)又稱(chēng)為直接光束控制技術(shù)是將光纖準(zhǔn)直器直接控制在一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)上，然后將其排列成一面準(zhǔn)直器陣列。將兩面準(zhǔn)直器陣列組成相對(duì)而列，這樣就構(gòu)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(zhǔn)直器，使其在同一條直線上，這樣光信號(hào)就直接從一個(gè)準(zhǔn)直器傳入到另一個(gè)準(zhǔn)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(hào)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(zhǎng)相關(guān)損耗等指標(biāo)上都要優(yōu)于基于MEMS技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣。

實(shí)現(xiàn)光束直接控制技術(shù)的核心是固態(tài)驅(qū)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(qū)動(dòng)準(zhǔn)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(jù)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(qū)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(qū)動(dòng)準(zhǔn)直器的移動(dòng)，這就需要設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)準(zhǔn)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(xiàn)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(jī)驅(qū)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(zhǔn)直器等光學(xué)器件，這樣使光信號(hào)的損耗降到最低。從光信號(hào)傳輸機(jī)理上講，利用自動(dòng)光耦合技術(shù)設(shè)計(jì)的光開(kāi)關(guān)矩陣的光學(xué)指標(biāo)相對(duì)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(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng)光纖連接頭，并使其準(zhǔn)確地插入鎖定裝置，完成光纖耦合?；谧詣?dòng)光耦合技術(shù)設(shè)計(jì)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(gòu)成主動(dòng)交換層，由高精度步進(jìn)電機(jī)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ASON中的應(yīng)用

3.1光開(kāi)關(guān)矩陣在IOXC中的應(yīng)用

IOXC設(shè)備能在光域?qū)崿F(xiàn)高速信息的接入、傳輸、路由交換及障恢復(fù)，可以把輸入端任一光纖的信號(hào)(或各波長(zhǎng)信號(hào))可控制地連接輸出端任一光纖(或各波長(zhǎng))中去，并且這一過(guò)程在光域中進(jìn)行的。IOXC設(shè)備有效地解決了數(shù)字交叉連接(DXC)設(shè)備中的“電子瓶頸”問(wèn)題。IOXC構(gòu)成了ASON的交換平臺(tái)，是智能光網(wǎng)絡(luò)的核心，ASON所需要的動(dòng)態(tài)交換、基礎(chǔ)網(wǎng)的智能化等功能都需要IOXC設(shè)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(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大、適配的功能；光交叉連接矩陣是IOXC的核心，負(fù)責(zé)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉連接；管理控制單元負(fù)責(zé)控制光交叉連接矩陣完成光交換功能，并且對(duì)輸入輸出端口信號(hào)和光交叉連接矩陣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉連接的技術(shù)主要有波分復(fù)用技術(shù)和空分交換技術(shù)。波分復(fù)用技術(shù)可以地對(duì)指定波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行處理；空分交換技術(shù)可以將光信號(hào)交叉鏈接到任意光路中，并且與光信號(hào)的速率、波長(zhǎng)和協(xié)議等特性無(wú)關(guān)系。如果將波分復(fù)用技術(shù)和空分交換技術(shù)相結(jié)合，可大大提高交叉連接矩陣靈活性。利用波分解復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)矩陣、波分復(fù)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(yīng)用

OADM(光分插復(fù)用器)是WDM光纖通信網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)設(shè)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(hào)，同時(shí)上載本地用戶發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)用戶的信號(hào)進(jìn)入光纖信道，而不影響其他波長(zhǎng)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(hào)。但是OADM只能上下固定數(shù)目和波長(zhǎng)的光信道，并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)靈活的光層組網(wǎng)，不能滿足ASON的動(dòng)態(tài)配置光信道的要求。

可重構(gòu)光分插復(fù)用器ROADM功能更像對(duì)應(yīng)的SONET/SDH網(wǎng)元ADM和DXC。目前較成熟的是第三代ROADM系統(tǒng)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(jí)，并且不會(huì)對(duì)當(dāng)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(fù)用、單波長(zhǎng)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(xù)實(shí)時(shí)性能監(jiān)測(cè)。ROADM可方便地配置、動(dòng)態(tài)地改變波長(zhǎng)資源分配，以滿足動(dòng)態(tài)可配置的業(yè)務(wù)需要。

具有波長(zhǎng)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(xiàn)波長(zhǎng)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(xiàn)[8,9]，分波器一般采用隔離度比較好的WDM解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)，合波器采用WDM復(fù)用器實(shí)現(xiàn)。它的最大優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)信道下路到任何端口，非常適合應(yīng)用于上下路端口數(shù)量大的光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。如果在系統(tǒng)中加入光轉(zhuǎn)發(fā)器，可以上路任意波長(zhǎng)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(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成的ROADM

4結(jié)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(qiáng)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(zhǎng)信道，消除了通信網(wǎng)中光電光轉(zhuǎn)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(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàng)需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)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(xì)對(duì)比關(guān)鍵參數(shù)，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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