基于MEMS的OXC结构设计及其性能分析

摘要： 为提高光网络交叉连接能力以及节点交换速度，在详细阐述OXC基本结构和工作原理的基础上，以MEMS为空间交换单元，采用阵列波导光栅（AWG）、波长变换器和可调谐滤波器等关键组件，实现了新型OXC结构的设计，并进一步分析各模块的功能及其优缺点。理论分析表明该OXC插入损耗小，交换容量大并支持节点升级，同时具备全光交叉连接和网络智能的优势，是实现全光通信的核心部件。

关键词： 全光通信； 微电子机械系统（MEMS）； 光交叉连接（OXC）

中图分类号： TN 929.11 文献标识码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.02.017

引 言

光交叉连接（optical cross connect，OXC）是对系统中的光信号进行交叉连接，解决网络间的信息耦合，并兼有本节点的全光分插复用功能，它可以灵活有效地管理光传输网络，使网络具有很大的灵活性、可扩展性和动态重构性以及自愈功能，是实现可靠的网络保护/恢复、自动配线和监控的重要手段[1]。另外OXC设备型号少，监控维护参数少，易于标准化，无需时钟同步和开销处理[2]。90年代以来，基于OXC的全光通信网络已成为通信领域的研究热点之一，世界各大电信供应商竞相研究光纤传输网络节点OXC，其中部分设备已经通过现场实验，并取得了很大成功。1992年欧洲完成的OXC样机用于传输140 Mbit/s的视频信号，成功地验证了光纤链路的快速保护倒换、路由选择和网络重置等功能。英国BT实验室研制的OXC在波分复用系统应用中，将波分复用技术与空分技术相结合，极大地提高了传输带宽，在伦敦地区的本地网络上用于传输速率为622 Mbit/s的信号，此外，Siemens、Bell实验室、NTT、Ericsson等国外大公司所属实验室对OXC的结构、应用及技术也进行了类似研究和实验[2，3]。国内的中兴、华为、大唐等通信巨头近年来也在大力发展OXC技术，国家“863”计划“九五”二期重大项目―光交叉连接（OXC）分项也成功通过国家的验收。国内于2001年正式开通了首个全光通信技术示范网―上海全光通信示范网，全光通信在中国有着光明的前景，可以预期OXC会成为下一代光网络的核心设备，研究新型OXC结构有着重大的意义。

1 微电子机械系统（MEMS）光开关

在OXC这样需要支持大容量交换的系统中使用基于微电子机械系统（micro electro mechanical system，MEMS）技术的光开关似乎已是主要潮流。基于镜面的MEMS是一种受静电控制的二维或三维器件，安装在机械底座上。MEMS器件的基本原理就是通过静电的作用使做在硅片上的微镜面发生转动，从而改变输入光的传播方向，这些微镜可在二维或三维空间移动。二维开关的核心是微镜阵列，在接通状态下，每个镜子都将光信号从输入光纤引向输出光纤，微镜阵列受简单的数字接口控制，同时提供决不闭塞的低损耗连接，微镜和光纤被排列成平面的形式，而且微镜只能处在两种状态之一即开或关。三维开关利用了同一种原理，但微镜和光纤不被束缚在平面位置，而是可以移动到三维空间的任意位置。MEMS光开关可以批量生产，所以该种方案具有很大的吸引力[2，4]。

MEMS的功能包括：（1）自动保护倒换，在光纤断开或转发设备发生故障时能够自动进行恢复。（2）网络监视功能指在远端光纤测试点上，可以使用一个1×N光开关，将多根光纤连接到一个光时域反射计上，通过光开关倒换实现对所有光纤的监控，特别是在实际的网络应用中，光开关允许用户取出信号或插入网络分析仪进行在线监控而不干扰正常的网络信息传输。（3）光开关通常可用于元器件的生产和检验测试，通过监视每一个对应特定测试参数的开关通道，多通道开关可以测试多种光器件，而不用把每个器件都单独与仪表连接，从而可简化测试，提高效率[2，4]。MEMS将电子、机械和光路功能集合于同一芯片[5]，既具备普通机械开关损耗低、串扰小、偏振不敏感和消光比高的优点，又像波导开关一样具有体积小、易于大规模集成的特点，所以可以说是未来最有发展前景的光开关之一。

2 OXC的基本结构及工作原理

OXC主要由光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口、管理控制单元等模块组成。如图1所示，为增加OXC的可靠性，每个模块都具有主用和备用的冗余结构，OXC自动进行主备倒换。输入接口、输出接口直接与光纤链路相连，分别对输入输出信号进行适配、放大。管理控制单元通过编程对光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口模块进行监测和控制[6]。监测的内容包括：输入/输出信号丢失，输出信号劣化，激光器恶化，激光器失效（温度超出范围或失控），OXC内部运行状态等。控制内容包括：交叉连接控制主备保护倒换等。光交叉连接矩阵是OXC的核心，是技术的关键，要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠，并且要具有单向、双向和广播形式的连接功能。

OXC的基本工作原理是先把波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）信号在空间或波长域上进行分解，得到一组状态单纯的单波长信号后再进行交叉连接。输入端后面的扩展级网络完成对输入端WDM信号的解复用功能，输出端前面的集中级网络对单波长信号重新进行复用，交换级网络位于扩展级和集中级之间，实现波长信号在空间或波长域上的全光交叉连接。主要性能指标包括通道特性、阻塞特性、链路模块性、波长模块性、广播发送能力以及成本等。通常要求OXC支持虚波长通道、绝对无阻塞或可重构无阻塞、具备链路和波长模块性，同时兼有成本低的特点，但在实际制作时，不可能把所有的特性都做到最好，根据应用场合不同，不同的OXC结构不断被研制并推向实用。

OXC的功能首先体现为光网络的管理和传输，OXC可以根据传输波长为信息进行路由选择。它通过波长交换、波长转换、波长复用和去复用以及波长信号监测对不同波长的信息进行传输和管理。另外它在安装新业务和改变网络运行模式时对网络进行配置。OXC还可以进行信号监测，在光子层，OXC利用无干扰的监测器在传输路径上抽出一小部分光把它传送到监测单元，监测光能量波长定位和光信噪比（监测光能量可以确定是否有足够光能量从而确定信号损失度），这种方法在光纤断损发生在靠近OXC的地方时很有效。OXC具备故障恢复功能，由于OXC中的交换要么是波长层交换，要么是光纤层交换，因此能很快从故障中恢复，一旦某个OXC检测到故障，就通过维护链路通知其它OXC。

3 基于MEMS的OXC结构设计

OXC结构设计目的主要是满足市场中对于安全性生存性高但交叉连接容量相对不太大的需求。为减小体积，降低插入损耗，采用二维MEMS作为主要的空间交换单元，另外采用掺铒光纤放大器、阵列波导光栅AWG复用/解复用器、可调谐滤波器，波长转换器等主要部件实现功率补偿，波分复用，滤波和波长转换功能，再配合软件控制和管理单元等模块完成OXC自动交叉连接和智能控制。为增加OXC的可靠性，每个模块都具有主用和备用的冗余结构，OXC自动进行主备倒换。其结构图如图2所示。

骨干网中一般使用G.652单模光纤，在C波段1 530～1 565 nm。这里有3根光纤，每一根光纤传输64路信号，首先分别进入掺铒光纤放大器补偿光纤线路损耗和接点内部损耗，补偿后全部进入AWG复用/解复用器进行解复用（AWG复用/解复用器的剩余信号实现波长路由功能），分解成一组共192个单波长的信号，192路信号分别进入3个可调谐滤波器进行滤波去噪，滤波后进入空间光开关矩阵进行交叉连接；然后进入对应的任意一个波长变换器进行波长变换，波长变换器可以根据需要把信号波长变换成任意复用段，变换后进入AWG复用/解复用器把每64路信号复用；最后输出到任意一根光纤上继续传输。

3.1 OXC的主要模块说明

（1）掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器在OXC设备中补偿光纤线路损耗和节点内部损耗。由于OXC设备组成的光网络具有动态重构的特性，会引起掺铒光纤放大器这样的有源器件的瞬态和非线性响应，故导致波长通道性能的波动。在多个掺铒光纤放大器级联时，掺铒光纤放大器的增益不平坦性会导致增益尖峰效应或自滤波效应。因此为了适应光网络的动态路由配置、自愈保护倒换等功能，对掺铒光纤放大器提出了增益均衡和增益钳制的要求。结构中采用的是多波长光纤放大器Cband 掺铒光纤放大器，工作波长最小值1 528 nm，最大值1 565 nm，总增益最小值16 dB，最大值25 dB。该放大器功能特性主要表现为增益平坦且增益可调，噪声指数低，具有自发辐射噪声自动修正功能。

（2）AWG复用/解复用器

在OXC设备的输入侧，需要使用解复用器把WDM多波长信号分离成单波长信号，以便于进行交叉连接处理。在OXC设备的输出侧，需要使用复用器把单波长信号汇合成为WDM多波长信号。设计结构中采用了AWG复用/解复用器实现此功能。近年来，基于相位阵列波导光栅复用/解复用器迅速发展，因其波长间隔小、通道平坦、低偏振相关性、低的温度相关性、插入损耗低以及易与光纤耦合等优点，故很适合于超高速、大容量密集波分复用系统应用[7]。OXC结构中采用最新研发的0.2 nm信道间隔、256个信道的AWG复用/解复用器，AWG中心端口的损耗为2.1～3.5 dB。为将进入的信号直接输出到下路端，结构中预留了一定的信道进行波长路由选择。

（3）MEMS光开关矩阵

OXC的核心是容量可扩展、稳定可靠的光开关矩阵。传统的热光开关、电光开关都有其不足，以MEMS为基础制造出来的光开关是无源开关，与光信号的格式、波长、调制方式、偏振作用、传输方向等均无关，同时进行光处理过程是直接在光域中完成。结构中采用的是二维MEMS多通道光开关，最多支持128路通道。除了进行交叉连接外，设计中还留有64个接口用于本地上下路和智能外接接口。

（4）波长转换器

信号在光网络中传送时，需要为它选择一条路由分配波长。因为一根光纤能够复用的波长数有限，而且任何两路信号在一根光纤中不能同时使用同一波长，所以波长资源的分配非常重要。波长转换器可以通过改变复用波长，使光通道在不同的波长复用带占用不同的波长，从而提高了波长的利用率。结构中采用的波长转换器功能主要是实现波长转换，同时也可实现传输介质在单模光纤与多模光纤之间转换。它适用于在10 Mbit/s～2.5 Gbit/s速率范围内各种数字信号如同步数字体系、异步传输模块、以太网、光纤通道等和模拟信号在光纤中的复用传输，通常配合模拟光端机、数字光端机和带光口的交换机使用。

另外，由于输入信号进入掺铒光纤放大器进行补偿放大后产生自发辐射噪声，故需加上一个可调谐滤波器，起到去除自发辐射噪声的作用。而且可调谐滤波器可以根据需要选出某一波长的信号。控制和管理单元实现OXC设备各功能模块的控制和管理。有自动保护倒换功能，也能支持光传送网的端到端的连接指配，动态配置波长路由，快速保护和恢复网络传输业务。

3.2 OXC的优缺点分析

结构的优点主要体现为：

（1）OXC作为光网络最重要的网络设备，最基本的功能为光通道的交叉连接功能和本地上下路功能，MEMS光交叉矩阵可以很好地完成交叉功能，而且留有接口完成本地上下路功能。

（2）结构中包含了波长转换器，支持虚波长通道，因此可以进行分布式控制。虽然分布式控制方式可能选不到最佳路由，但是可以大大降低光通道层选路的复杂性和选路所需的时间。由于AWG也可以完成波长路由功能，故OXC结构阻塞特性较好。

（3）结构中使用了可调谐滤波器和掺铒光纤放大器，具有补偿放大和滤波去噪功能，掺铒光纤放大器首先补偿信号的损耗并可以放大信号，解复用后通过可调谐滤波器可以滤除自发辐射噪声，实践证明加入EDFA可以提高系统信噪比以及补偿输入端信号功率，加入的可调谐滤波器不仅可以滤去自发辐射噪声，还使得结构支持虚波长通道。

（4）核心光开关矩阵采用了二维MEMS，作为最有希望成为光开关矩阵主流选择的光开关，易于集成化、微型化、批量生产，耗能低、串扰小。

（5）OXC结构中引入了智能接口，可以连接到控制管理系统使其智能化，与现有的自动交换光网络相兼容。

结构的缺点是任何的机械摩擦、磨损或者震动都可能会损耗光开关，影响了整个结构的生存性和稳定性，相比三维MEMS[8]不易实现大规模交换矩阵的光信道交叉连接。另外由于采用了波长变换器，设备成本较高。

4 结 论

文中重点选用了具体的设备构建了一个新型的OXC结构，同时介绍了它的工作原理和功能模块，并分析了OXC结构的优缺点。由于OXC相关技术的不成熟，还有多处考虑得不够周全，导致构建的OXC结构还有很多的不足和缺点，在实用化方面还有相当大的距离。为了满足网络智能化的要求，未来光交叉连接技术必然朝着两个方向发展：其一是朝着智能化方向发展；其二就是对通用多协议标签交换技术的支持[9]。自动交换光网络（autoswitch optical network，ASON）的实现需要“控制”和“传送”两方面的结合[10]，在用OXC交叉连接原有网络的同时，设计中预留了端口，在OXC节点中引入了自动交换光网络智能控制端口。由于通用多协议标记交换适用于光域的特性，因此成为控制最好的一种实现方式。方案中的接口支持通用多协议标记交换，具有在不同层次的控制面中使用统一信令和协议的功能，能使不同技术背景的设备通过统一的控制管理接口实现互连互通。

参考文献：

[1] 李宝平.一种新型光交换矩阵的应用研究[D].武汉：华中科技大学，2006.

[2] 葛 峻.MEMS光开关的研究[D].南京：东南大学，2004.

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[4] 彭 肖.光交叉连接（OXC）技术及发展[J].电信科学，1996，12（9）：49-52.

[5] 郭 利，刘 超，章海军.基于准分子激光的微结构与微器件加工制作研究[J].光学仪器，2009，31（1）：69-72.

[6] 胡军武，吴 涛.光开关和光开关阵列技术的发展研究[J].光通信研究，2001（6）：58-62.

[7] 祁志甫，龙瑞平.光交叉连接器OXC的结构性能分析[J].光子技术，2003（2）：75-78.

[8] 邹志威，陈 博.全光网的关键器件―光交叉连接器与光分插复用器[J].光电子技术，2002，22（3）：131-137.

[9] 周田华，张德琨.基于GMPLS的自动交换光网络智能OXC设计[J].中国数据通信，2003（11）：87-91.

[10] 李利平，蒋华琴，王 博.基于ASON全光通信方案实现[J].光通信技术，2011（6）：5-7.