光开关矩阵技术及其应用研究

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1、光开关矩阵技术及其应用研究摘要：光开关矩阵是智能光交叉连接设备和可重构光分插复川器核心技术，是构建自动交换光网络的基础。文章介绍了大规模商用的光开关矩阵的关键技术及其进展，详细分析了光开关愆阵在自动交换光网络中的应用。1引言1.1光矩阵开关是如何工作的一个光矩阵开关含有一•组输入光纤和一组输出光纤。每-•根输入光纤的光信号通过一个透镜聚焦成-谏准直光束，然后用电子学的方法使该光朿対准所选的输出光纤。在输出光纤处，接收透镜将该光信号聚焦到接收的输出光纤中，信号切换时间小于50ms。任何时间的光束数等于有效通

2、信路径数。尽管不同输入光纤的光朿会发生互作用，但在相交光束间不会引起串咅。伺服控制机理用于切换过程屮所侑各个方面的白动控制和监测。伺服控制系统消除了手动系统的校准和光准肓过程，它可连续检查所有光纤的连接”以检测和消除振动和温度不稳定的影响。此外，矩阵开关两侧的工作是受伺服控制系统的控制，反过來乂将开关准直信息提供给主处理器。开关指令的输入，可通过线路终端、lx)S或Windows的个人计算机软件程序或网络管理程序(如简单的网络管理协议或PH公司的伽en-view)实现。1.2自动交换光网络自动交换光网络(

3、ASON)是指丿IJ户与丿IJ户之间的信号传输与交换全部采川光技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行⑴。自动交换光网是高速宽带通信网，在干线上采川DWDM技术扩容，在交叉节点上采川可重构光分插复用器(ROADM)、智能光交叉连接设备(IOXC)來实现。智能光交义连接设备(IOXC)和可重构光分插复川器(ROADM)可以说是全光联网的核心器件[2,3],而光开关矩阵恰恰是IOXC和ROADM的核心技术。2光开关矩阵技术2.1MEMS技术MEMS(Micro-Electro-Mechanica

4、lSystems)一般称作微机电系统技术。MEMS光开关矩阵棊木原理是通过静电力或电磁力的作川，使可以活动的微镜升降、旋转或移动改变输入光的塢动彷t丿二传播方向以实现光路通断的功能，使任意输入和输出端口相连接［4,5］。MEMS光开关矩阵主要是采用三维MEMS技术。三维MEMS光开关矩阵是一个三级光反射系统(如图1),每一个光路屮有两个活动的微反射镜和一个固定的反射镜组成，活动微镜固定在一个万向支架上，可以沿任意方向偏转。每根输入光纤都有一个对应的活动微镜，同样的每根输出光纤也都有其对应的活动微镜。因此，

5、对于MXN三维MEMS光开关矩阵，则具有M+N个活动微反射镜。每根输入光纤射出的光束可以由其对应的活动微镜反射到中间的反射镜，然后再反射到任意一个输出光纤对应的活动微镜，而相应的输出活动微镜可以将光束反射到其对应的输出光纤。对于MXN三维MEMS光开关矩阵，每个输入微镜有N个状态，而输出微镜则具有M个状态。三维MEMS光开关矩阵需要微镜数量少，所以容易实现更大的交叉容量,但控制电路复杂。图1三维MEMS光开关矩阵原理示意图2.2压电光束导向技术压电光束导向技术乂称为直接光束控制技术是将光纤准直器直接控制在

6、一个机械结构上，然后将其排列成一面准直器阵列。将两面准直器阵列组成相对而列，这样就构成了光开关矩阵。在进行交叉连接时，控制需要连接2个光纤准直器，使具在同-•条直线上，这样光信号就直接从一个准直器传入到另一个准直器里，而不需要经过任何微镜的反射，不会造成光信号的损耗。因此，利用光束直接控制技术制造的光开关在插入损耗和波长相关损耗等指标上都要优于基于MEMS技术的光开关矩阵。实现光束直接控制技术的核心是固态骡动技术，即利川固体材料儿何外形的改变产牛的位移來驱动准直器的移动，改变光束的传输方向。压电陶瓷具冇在

7、电压控制下在某一轴向上改变尺寸的功能，并R根据电压的不同改变的尺寸不同，止好口J以用來作为固态驱动材料。但是，压电陶瓷外形尺寸改变只有儿微米，不足以川來骡动准直器的移动，这就需要设计一个位移放大器來放大压电陶瓷外形改变所产牛的位移來驱动准直器的移动。2.3自动光耦合技术自动光耦合技术(DynamicOpticalCoupling)是一种与现有光纤连接技术最接近的一种光开关矩阵技术,它的基木原理是采用高精度步进电机驱动需要札I互连接的两个光纤的特制连接头进行物理耦合。两个光纤连接头肓接接触连接在一起，光路屮

8、不存在微反射镜、微透镜和准直器等光学器件，这样使光信号的损耗降到最低。从光信号传输机理上讲，利用自动光耦合技术设计的光开关矩阵的光学指标相对于其他技术的光开关矩阵是最优秀的。门动光耦合技术的核心是高精度锁定装置和高精度定位装置。高精度锁定装置使得光路的光学性能可以与高精度的光纤连接器技术相媲美；同时，由于采用锁定装置，使得光连接可以抗击振动和冲击的T扰，而且即使在断电的情况下，也不会影响己有的光路连接。高精度定位装置能准确地驱