基于3D-MEMS光子開(kāi)關(guān)技術(shù)在電網(wǎng)通信的應(yīng)用

王興龍

（國(guó)網(wǎng)泰州供電公司，泰州 225300）

1 現(xiàn)狀分析

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷深入，電力通信網(wǎng)絡(luò)從特高壓骨干網(wǎng)架到中壓、低壓配用電網(wǎng)建設(shè)不斷加強(qiáng)，2016年底已在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了村村通、戶戶通電；同時(shí)為保障電力供應(yīng)，電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)承載了發(fā)輸變配用和調(diào)度這六大環(huán)節(jié)的電網(wǎng)業(yè)務(wù)信息，特別是光通信網(wǎng)絡(luò)，承載了電網(wǎng)的絕大部分業(yè)務(wù)信息（用電環(huán)節(jié)相對(duì)較少）。我國(guó)電力光纜總里程已上百萬(wàn)千米。然而，越來(lái)越重要的電網(wǎng)通信光纖卻不斷面對(duì)頻繁的外部因素影響，如市政施工、突發(fā)的外力破壞以及自身的老化衰退等。因此，怎么提高光纖通信的可用率，提高光纖網(wǎng)絡(luò)的自愈性，保證電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)傳輸?shù)牟婚g斷，成為電網(wǎng)通信管理部門(mén)迫切需要思考和處理的問(wèn)題?；诖?，本項(xiàng)目展開(kāi)了電網(wǎng)光纖光子開(kāi)關(guān)技術(shù)在電網(wǎng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 國(guó)內(nèi)外研究水平

光交叉互連（OXC）技術(shù)在日益復(fù)雜的DWDM 網(wǎng)絡(luò)中是關(guān)鍵技術(shù)之一，而光開(kāi)關(guān)作為切換光路的功能器件，則是OXC中的關(guān)鍵部分。在眾多種類(lèi)的光開(kāi)關(guān)中，微機(jī)械（MEMS）光開(kāi)關(guān)是最有可能成為光開(kāi)關(guān)的主流器件。雖然光開(kāi)關(guān)的歷史并不悠久，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們研究開(kāi)發(fā)了多種基于不同材料和物理效應(yīng)的光開(kāi)關(guān)。固態(tài)波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)是利用波導(dǎo)的熱光、磁光效應(yīng)來(lái)改變波導(dǎo)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的一種器件。它的開(kāi)關(guān)速度在微秒到亞毫秒量級(jí)，體積小且易于集成為大規(guī)模的陣列，但插入損耗、隔離度、消光比、偏振敏感性等指標(biāo)都較差[2]。

液晶（Liquidcrystal）光開(kāi)關(guān)通過(guò)電場(chǎng)控制液晶分子的方向?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)功能，適用于中等規(guī)模的開(kāi)關(guān)陣列。目前液晶光開(kāi)關(guān)的最大端口數(shù)為80，消光比可高達(dá)40～50dB，通過(guò)加熱液晶可以使開(kāi)關(guān)速度達(dá)到毫秒級(jí)，但也會(huì)使設(shè)備功耗增加。另外，由于在液晶中光被分成偏振方向不同的兩束光，最后再合起來(lái)，如果兩束光的傳播路徑稍有不同，便會(huì)產(chǎn)生插入損耗，因此這種光開(kāi)關(guān)的插損指標(biāo)難以提高。

熱光（Thermal-optics）開(kāi)關(guān)是利用熱光技術(shù)制造的小光開(kāi)關(guān)。目前主要有兩種類(lèi)型的熱光開(kāi)關(guān)，干涉式光開(kāi)關(guān)和數(shù)字光開(kāi)關(guān)（DOS）。干涉式光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，但由于對(duì)光波長(zhǎng)敏感，需要進(jìn)行溫度控制；數(shù)字光開(kāi)關(guān)性能更穩(wěn)定，只要加熱到一定溫度，光開(kāi)關(guān)就保持穩(wěn)定的狀態(tài)。它通常用硅或高分子聚合物制備，聚合物的導(dǎo)熱率較低而熱光系數(shù)高，因此需要的功率小，消光比可達(dá)20dB，但插入損耗較大，一般為3～4dB。熱光開(kāi)關(guān)陣列可以和陣列波導(dǎo)光柵集成在一起組成光分插復(fù)用器，并利用聚合物進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)。熱光開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)為響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此開(kāi)關(guān)速度受到限制。

全息（Holograms）光柵開(kāi)關(guān)依靠布拉格光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)光的選擇性反射。通過(guò)全息的形式在晶體內(nèi)部生成布拉格光柵，當(dāng)加電時(shí)，布拉格光柵把光反射到輸出端口；反之，光就直接通過(guò)晶體。利用該技術(shù)可以容易地組成上千端口的光交換系統(tǒng)，且開(kāi)關(guān)速度快，為納秒量級(jí)，但器件的功耗較大并需要高壓供電。

MEMS光開(kāi)關(guān)通過(guò)靜電或其他控制力使微鏡或光閘產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而改變光的傳播方向、實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。MEMS光開(kāi)關(guān)具有制作成本低、加工工藝多樣化、系統(tǒng)單片集成化等諸多優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)性能足以滿足DWDM全光網(wǎng)的技術(shù)要求，因此MEMS光開(kāi)關(guān)顯示出良好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。此外，人們還研究過(guò)馬赫/曾德干涉儀開(kāi)關(guān)，聲光、噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)及半導(dǎo)體光放大器（MEMS）光開(kāi)關(guān)等。國(guó)內(nèi)外在集成光路技術(shù)方面存在差距，2015年國(guó)外已有成熟的產(chǎn)品和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)于2017年初才出現(xiàn)小容量的光開(kāi)關(guān)設(shè)備和應(yīng)用。

技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[3]：MEMS光開(kāi)關(guān)是目前最有發(fā)展前景，最能適應(yīng)DWDM全光通信網(wǎng)要求的光開(kāi)關(guān)。由于MEMS技術(shù)具有兼容性強(qiáng)、易集成、設(shè)計(jì)靈活、可大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，MEMS光開(kāi)關(guān)的集成化和產(chǎn)業(yè)化將是未來(lái)MEMS光開(kāi)關(guān)的發(fā)展方向。然而要實(shí)現(xiàn)MEMS光開(kāi)關(guān)器件的產(chǎn)業(yè)化，需要先解決產(chǎn)品應(yīng)用需求確認(rèn)及需求設(shè)計(jì)問(wèn)題，再制定標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工藝流程、標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)則，同時(shí)解決多用戶加工途徑和測(cè)試封裝技術(shù)等一系列問(wèn)題。

3 項(xiàng)目的理論和實(shí)踐依據(jù)

3.1 理論依據(jù)

3.1.1 光子交換技術(shù)

MEMS光開(kāi)關(guān)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)二維微鏡片陣列，當(dāng)需要進(jìn)行光通信切換，通過(guò)移動(dòng)或改變光鏡片角度，把光直接送到或反射到光子開(kāi)關(guān)的輸出端。在三維（3D）也稱為模擬光束偏轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)中，輸入輸出光纖均成二維排列，兩組可以繞軸改變傾斜角度的微反射鏡安裝在二維陣列中，每個(gè)輸入和輸出光纖都有相對(duì)應(yīng)的反射鏡。在這種結(jié)構(gòu)中，N×N轉(zhuǎn)換僅需要2N個(gè)反射鏡。通過(guò)將反射鏡偏轉(zhuǎn)至合適的角度，在三維空間反射光束，可將任意輸入反射鏡/光纖與任意輸出反射鏡/光纖交叉連接。

3.1.2 光開(kāi)關(guān)的連接原理

圖1 光開(kāi)關(guān)的連接原理

3.1.3 光開(kāi)關(guān)的邏輯操作原理

圖2 光開(kāi)關(guān)的邏輯操作原理

3.2 實(shí)踐依據(jù)

3.2.1 光通信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

一是《電力光纖通信工程驗(yàn)收規(guī)范》，DL/T 5344-2006；二是《中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電力光纖通信工程驗(yàn)收規(guī)范》，DL/T 5344-2006；三是《電力系統(tǒng)光纖通信運(yùn)行管理規(guī)程》，DL/T 547-2010；四是《電力通信光纜安裝技術(shù)要求》，DL/T 1733-2017。

3.2.2 應(yīng)用實(shí)踐

利用MEMS光開(kāi)關(guān)的國(guó)家電網(wǎng)仿真中心數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)PCIe接口擴(kuò)展及光路切換系統(tǒng)已上線，本項(xiàng)目同樣應(yīng)用TL1語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS的復(fù)雜控制；使用GUI界面進(jìn)行遠(yuǎn)程的Web管理。

4 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容和和應(yīng)用效果

4.1 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

圖3 課題整體研究框架

如上圖所示，本項(xiàng)目分為以下4個(gè)研究?jī)?nèi)容：4.1.1 研究?jī)?nèi)容1的主要內(nèi)容

（1）研究建立光纖資源配置模型。主備用光纖成端于ODF架，當(dāng)主光纖出現(xiàn)斷路或衰減超限時(shí)，切換到備用光纖；主備用配置有一主一備、也有多主多備、或多主一備；以及主用光纖修復(fù)后的還原?，F(xiàn)在都是是通過(guò)人工在ODF架上跳線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。建立光線資源的一主一備、多主多備和多主一備模型。（2）研究基于光纖配置模型的切換方法?；诂F(xiàn)場(chǎng)光纖配置模型，制定單端和雙端切換的順序和優(yōu)先級(jí)等。（3）研究光纖自愈后光纖資源重配方法。光纖故障自愈保護(hù)切換后，可用資源發(fā)生變化。光纖故障處理派工單發(fā)出后，排障處理成功前后的資源配置方法及其對(duì)應(yīng)的保護(hù)方法研究，為再次保護(hù)做準(zhǔn)備。

4.1.2 研究?jī)?nèi)容2的主要內(nèi)容

（1）研究設(shè)備電源技術(shù)。MEMS光開(kāi)關(guān)設(shè)備的電源有機(jī)房48VDC或220VAC供電。設(shè)備管理模塊、光開(kāi)關(guān)核心模塊以及通信接口單元等設(shè)備內(nèi)部供電電源系統(tǒng)技術(shù)研究。（2）研究基于3DMEMS光開(kāi)關(guān)及其核心管理單元技術(shù)。本項(xiàng)目運(yùn)用嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)控制和狀態(tài)管理。光開(kāi)關(guān)插入損耗：≤2.6dB；切換時(shí)間：≤10ms。（3）研究光、電接口單元技術(shù)。光接口考慮排布及尾纖的適配，電氣接口包括電源接口保護(hù)；通信串口及其電器保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

4.1.3 研究?jī)?nèi)容3的主要內(nèi)容

（1）研究嵌入式管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)模塊的管理、開(kāi)關(guān)控制、與系統(tǒng)管理的通信等。（2）研究設(shè)備管理通信協(xié)議。該模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)系統(tǒng)管理的協(xié)議收發(fā)、解析、交互及校驗(yàn)等。（3）研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)。應(yīng)用于設(shè)備管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)定義。

4.1.4 研究?jī)?nèi)容4的主要內(nèi)容

一是計(jì)算平臺(tái)搭建，PC及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；二是可視化技術(shù)研究，人機(jī)界面設(shè)計(jì)；三是設(shè)備狀態(tài)管理軟件實(shí)現(xiàn)；四是操作管理，實(shí)現(xiàn)基于與開(kāi)關(guān)設(shè)備通信協(xié)議的參數(shù)配置、命令下發(fā)、狀態(tài)查詢等；五是安全管理，包括操作人員管理、開(kāi)關(guān)設(shè)備接入管理、操作合理性檢測(cè)等。

圖4 總體應(yīng)用

4.2 項(xiàng)目應(yīng)用效果

2017年底至2018年8月，國(guó)網(wǎng)泰州電力公司立項(xiàng)研究了MEMS光子交換技術(shù)在電力通信系統(tǒng)的應(yīng)用，項(xiàng)目研究了光纖故障自愈保護(hù)模型、MEMS 光開(kāi)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)技術(shù)、MEMS光開(kāi)關(guān)設(shè)備的設(shè)備管理技術(shù)研究并研發(fā)MEMS光開(kāi)關(guān)可視化管理系統(tǒng)。本項(xiàng)目在分析了MEMS光子交換技術(shù)及其成本后，確定重點(diǎn)關(guān)注光纖故障自愈保護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用?？傮w應(yīng)用如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

該技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了出現(xiàn)通信故障時(shí)切換時(shí)間不超過(guò)10ms，實(shí)現(xiàn)了人工遠(yuǎn)程或自動(dòng)配置切換，實(shí)現(xiàn)了故障線路的快速保護(hù)。本項(xiàng)目的直接效益是提高了光纖光纜線路維護(hù)的自動(dòng)化水平，提高光纖光纜故障處理的效率、及時(shí)性和準(zhǔn)確性。本項(xiàng)目的間接效益是豐富了光通信運(yùn)維、檢測(cè)的技術(shù)手段和管理效率。本項(xiàng)目的研究成果覆蓋了光纖光纜故障的切換方案制定、切換實(shí)施和切換記錄的全流程；可替代ODF功能；可為光纖光纜在線檢測(cè)提供基礎(chǔ)支撐，還對(duì)光纖光纜運(yùn)維及其相關(guān)等業(yè)務(wù)具有實(shí)用價(jià)值。