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。每一根输入光纤的光信号通过一个透镜聚焦成一束准直光束,然后用电子学的方法使该光束对准所选的输出光纤。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信路径数。尽管不同输入光纤的光束会发生互作用,但在相交光束间不会引起串音。伺服控制机理用于切换过程中所有各个方面的自动控制和监测。伺服控制系统消除了手动系统的校准和光准直过程,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,反过来又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、Ix〕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(ASON)是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行[1]。自动交换光网是高速宽带通信网，在干线上采用DWDM技术扩容，在交叉节点上采用可重构光分插复用器(ROADM)、智能光交叉连接设备（IOXC）来实现。智能光交叉连接设备（IOXC）和可重构光分插复用器（ROADM）可以说是全光联网的核心器件，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-MechanicalSystems)一般称作微机电系统技术。MEMS光开关矩阵基本原理是通过静电力或电磁力的作用，使可以活动的微镜升降、旋转或移动改变输入光的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），每一个光路中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，对于M×N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M×N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

压电光束导向技术又称为直接光束控制技术是将光纤准直器直接控制在一个机械结构上，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，使其在同一条直线上，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驱动技术，即利用固体材料几何外形的改变产生的位移来驱动准直器的移动，改变光束的传输方向。压电陶瓷具有在电压控制下在某一轴向上改变尺寸的功能，并且根据电压的不同改变的尺寸不同，正好可以用来作为固态驱动材料。但是，压电陶瓷外形尺寸改变只有几微米，不足以用来驱动准直器的移动，这就需要设计一个位移放大器来放大压电陶瓷外形改变所产生的位移来驱动准直器的移动。

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，它的基本原理是采用高精度步进电机驱动需要相互连接的两个光纤的特制连接头进行物理耦合。两个光纤连接头直接接触连接在一起，光路中不存在微反射镜、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。

自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干扰，而且即使在断电的情况下，也不会影响已有的光路连接。高精度定位装置能准确地驱动光纤连接头，并使其准确地插入锁定装置，完成光纤耦合。基于自动光耦合技术设计的光开关矩阵分为三层，光纤连接头被分在上下两层，构成主动交换层，由高精度步进电机控制；中间层为光纤锁定层，完成光路的物理耦合。

3光开关矩阵在ASON中的应用

3.1光开关矩阵在IOXC中的应用

IOXC设备能在光域实现高速信息的接入、传输、路由交换及障恢复，可以把输入端任一光纤的信号(或各波长信号)可控制地连接输出端任一光纤(或各波长)中去，并且这一过程在光域中进行的。IOXC设备有效地解决了数字交叉连接(DXC)设备中的“电子瓶颈”问题。IOXC构成了ASON的交换平台，是智能光网络的核心，ASON所需要的动态交换、基础网的智能化等功能都需要IOXC设备的支持。

IOXC主要由光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口、管理控制单元等组成，如图2所示。输入、输出接口一般具有对光信号进行放大、适配的功能；光交叉连接矩阵是IOXC的核心，负责对光信号进行交叉连接；管理控制单元负责控制光交叉连接矩阵完成光交换功能，并且对输入输出端口信号和光交叉连接矩阵进行监测。

对光信号进行交叉连接的技术主要有波分复用技术和空分交换技术。波分复用技术可以地对指定波长的光信号进行处理；空分交换技术可以将光信号交叉链接到任意光路中，并且与光信号的速率、波长和协议等特性无关系。如果将波分复用技术和空分交换技术相结合，可大大提高交叉连接矩阵灵活性。利用波分解复用器、光开关矩阵、波分复用器组成的光交叉连接矩阵如图3所示。

3.2光开关矩阵在ROADM中的应用

OADM(光分插复用器)是WDM光纤通信网络的重要节点设备。它的基本功能是从光纤中下载光信道中通往本地的信号，同时上载本地用户发往其他节点用户的信号进入光纤信道，而不影响其他波长信道的传输，并且保持光域的透明性，可以处理任何格式和速率的信号。但是OADM只能上下固定数目和波长的光信道，并没有真正实现灵活的光层组网，不能满足ASON的动态配置光信道的要求。

可重构光分插复用器ROADM功能更像对应的SONET/SDH网元ADM和DXC。目前较成熟的是第三代ROADM系统支持类似于SDH的性能，能够在需要时非常灵活地添加容量，而不需要进行代价高昂的升级，并且不会对当前的服务造成任何的干扰。另外，ROADM还可提供全自动的光层，其中包括可重新配置的光分插复用、单波长粒度、自动功率和瞬态控制、以及确保业务质量和故障管理的连续实时性能监测。ROADM可方便地配置、动态地改变波长资源分配，以满足动态可配置的业务需要。

具有波长选择交换功能的ROADM近年来发展最为迅速，其主要采用自由空间交换技术实现波长选择交换功能。目前，最为成熟的方式是采用分波器+光开关矩阵+合波器的方式实现[8,9]，分波器一般采用隔离度比较好的WDM解复用器实现，合波器采用WDM复用器实现。它的最大优点是便于实现对上/下光信道的控制，由于光开关矩阵具有无阻塞交叉功能，可以将任一波长信道下路到任何端口，非常适合应用于上下路端口数量大的光网络节点。如果在系统中加入光转发器，可以上路任意波长的光信路，使光网络更加灵活，如图4所示。

图4 由分波器+光开关矩阵+合波器和转发器构成的ROADM

4结束语

光开关矩阵技术促进了IOXC和ROADM进一步向智能化迈进，IOXC为光网络提供了强大的光交换能力，具有动态配置功能的ROADM可以从光网络中下载任意波长信道，消除了通信网中光电光转换的电子瓶颈。光开关矩阵技术与智能信息路由协议的结合，不仅实现了网络的分布控制，还可以使网络提供更高速的服务，增加业务类型。基于光开关矩阵技术的IOXC和ROADM能与现有光网络无缝融合，促使其向ASON发展。

选择合适的光开关是一项需要综合考量技术、性能、成本和供应商实力的工作。希望本指南能为您提供清晰的思路。我们建议您在明确自身需求后，详细对比关键参数，并优先选择像科毅光通信这样技术扎实、质量可靠、服务专业的合作伙伴。

访问广西科毅光通信官网www.coreray.cn浏览我们的光开关产品，或联系我们的销售工程师，获取专属的选型建议和报价！