1引言

1.1光矩陣開關是如何工作的

一個光矩陣開關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一個透鏡聚焦成一束準直光束,然后用電子學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,信號切換時間小于50ms。任何時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發(fā)生互作用,但在相交光束間不會引起串音。伺服控制機理用于切換過程中所有各個方面的自動控制和監(jiān)測。伺服控制系統(tǒng)消除了手動系統(tǒng)的校準和光準直過程,它可連續(xù)檢查所有光纖的連接,以檢測和消除振動和溫度不穩(wěn)定的影響。此外,矩陣開關兩側的工作是受伺服控制系統(tǒng)的控制,反過來又將開關準直信息提供給主處理器。開關指令的輸入,可通過線路終端、Ix〕S或Windows的個人計算機軟件程序或網絡管理程序(如簡單的網絡管理協(xié)議或PH公司的伽en-view)實現。

1.2自動交換光網絡

自動交換光網絡(ASON)是指用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部采用光技術，即數據從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸過程都在光域內進行[1]。自動交換光網是高速寬帶通信網，在干線上采用DWDM技術擴容，在交叉節(jié)點上采用可重構光分插復用器(ROADM)、智能光交叉連接設備（IOXC）來實現。智能光交叉連接設備（IOXC）和可重構光分插復用器（ROADM）可以說是全光聯網的核心器件，而光開關矩陣恰恰是IOXC和ROADM的核心技術。

2光開關矩陣技術

2.1MEMS技術

MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)一般稱作微機電系統(tǒng)技術。MEMS光開關矩陣基本原理是通過靜電力或電磁力的作用，使可以活動的微鏡升降、旋轉或移動改變輸入光的傳播方向以實現光路通斷的功能，使任意輸入和輸出端口相連接[4,5]。MEMS光開關矩陣主要是采用三維MEMS技術。三維MEMS光開關矩陣是一個三級光反射系統(tǒng)（如圖1），每一個光路中有兩個活動的微反射鏡和一個固定的反射鏡組成，活動微鏡固定在一個萬向支架上,可以沿任意方向偏轉。每根輸入光纖都有一個對應的活動微鏡,同樣的每根輸出光纖也都有其對應的活動微鏡。因此，對于M×N三維MEMS光開關矩陣，則具有M+N個活動微反射鏡。每根輸入光纖射出的光束可以由其對應的活動微鏡反射到中間的反射鏡，然后再反射到任意一個輸出光纖對應的活動微鏡，而相應的輸出活動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光開關矩陣，每個輸入微鏡有N個狀態(tài),而輸出微鏡則具有M個狀態(tài)。三維MEMS光開關矩陣需要微鏡數量少，所以容易實現更大的交叉容量，但控制電路復雜。

圖1三維MEMS光開關矩陣原理示意圖

2.2壓電光束導向技術

壓電光束導向技術又稱為直接光束控制技術是將光纖準直器直接控制在一個機械結構上，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，這樣就構成了光開關矩陣。在進行交叉連接時，控制需要連接2個光纖準直器，使其在同一條直線上，這樣光信號就直接從一個準直器傳入到另一個準直器里，而不需要經過任何微鏡的反射，不會造成光信號的損耗。因此，利用光束直接控制技術制造的光開關在插入損耗和波長相關損耗等指標上都要優(yōu)于基于MEMS技術的光開關矩陣。

實現光束直接控制技術的核心是固態(tài)驅動技術，即利用固體材料幾何外形的改變產生的位移來驅動準直器的移動，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，正好可以用來作為固態(tài)驅動材料。但是，壓電陶瓷外形尺寸改變只有幾微米，不足以用來驅動準直器的移動，這就需要設計一個位移放大器來放大壓電陶瓷外形改變所產生的位移來驅動準直器的移動。

2.3自動光耦合技術

自動光耦合技術（DynamicOpticalCoupling）是一種與現有光纖連接技術最接近的一種光開關矩陣技術，它的基本原理是采用高精度步進電機驅動需要相互連接的兩個光纖的特制連接頭進行物理耦合。兩個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，利用自動光耦合技術設計的光開關矩陣的光學指標相對于其他技術的光開關矩陣是最優(yōu)秀的。

自動光耦合技術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性能可以與高精度的光纖連接器技術相媲美；同時，由于采用鎖定裝置，使得光連接可以抗擊振動和沖擊的干擾，而且即使在斷電的情況下，也不會影響已有的光路連接。高精度定位裝置能準確地驅動光纖連接頭，并使其準確地插入鎖定裝置，完成光纖耦合。基于自動光耦合技術設計的光開關矩陣分為三層，光纖連接頭被分在上下兩層，構成主動交換層，由高精度步進電機控制；中間層為光纖鎖定層，完成光路的物理耦合。

3光開關矩陣在ASON中的應用

3.1光開關矩陣在IOXC中的應用

IOXC設備能在光域實現高速信息的接入、傳輸、路由交換及障恢復，可以把輸入端任一光纖的信號(或各波長信號)可控制地連接輸出端任一光纖(或各波長)中去，并且這一過程在光域中進行的。IOXC設備有效地解決了數字交叉連接(DXC)設備中的“電子瓶頸”問題。IOXC構成了ASON的交換平臺，是智能光網絡的核心，ASON所需要的動態(tài)交換、基礎網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行監(jiān)測。

對光信號進行交叉連接的技術主要有波分復用技術和空分交換技術。波分復用技術可以地對指定波長的光信號進行處理；空分交換技術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、波長和協(xié)議等特性無關系。如果將波分復用技術和空分交換技術相結合，可大大提高交叉連接矩陣靈活性。利用波分解復用器、光開關矩陣、波分復用器組成的光交叉連接矩陣如圖3所示。

3.2光開關矩陣在ROADM中的應用

OADM(光分插復用器)是WDM光纖通信網絡的重要節(jié)點設備。它的基本功能是從光纖中下載光信道中通往本地的信號，同時上載本地用戶發(fā)往其他節(jié)點用戶的信號進入光纖信道，而不影響其他波長信道的傳輸，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的光信道，并沒有真正實現靈活的光層組網，不能滿足ASON的動態(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網元ADM和DXC。目前較成熟的是第三代ROADM系統(tǒng)支持類似于SDH的性能，能夠在需要時非常靈活地添加容量，而不需要進行代價高昂的升級，并且不會對當前的服務造成任何的干擾。另外，ROADM還可提供全自動的光層，其中包括可重新配置的光分插復用、單波長粒度、自動功率和瞬態(tài)控制、以及確保業(yè)務質量和故障管理的連續(xù)實時性能監(jiān)測。ROADM可方便地配置、動態(tài)地改變波長資源分配，以滿足動態(tài)可配置的業(yè)務需要。

具有波長選擇交換功能的ROADM近年來發(fā)展最為迅速，其主要采用自由空間交換技術實現波長選擇交換功能。目前，最為成熟的方式是采用分波器+光開關矩陣+合波器的方式實現[8,9]，分波器一般采用隔離度比較好的WDM解復用器實現，合波器采用WDM復用器實現。它的最大優(yōu)點是便于實現對上/下光信道的控制，由于光開關矩陣具有無阻塞交叉功能，可以將任一波長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絡節(jié)點。如果在系統(tǒng)中加入光轉發(fā)器，可以上路任意波長的光信路，使光網絡更加靈活，如圖4所示。

圖4 由分波器+光開關矩陣+合波器和轉發(fā)器構成的ROADM

4結束語

光開關矩陣技術促進了IOXC和ROADM進一步向智能化邁進，IOXC為光網絡提供了強大的光交換能力，具有動態(tài)配置功能的ROADM可以從光網絡中下載任意波長信道，消除了通信網中光電光轉換的電子瓶頸。光開關矩陣技術與智能信息路由協(xié)議的結合，不僅實現了網絡的分布控制，還可以使網絡提供更高速的服務，增加業(yè)務類型。基于光開關矩陣技術的IOXC和ROADM能與現有光網絡無縫融合，促使其向ASON發(fā)展。

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