Application of 3D-MEMS Photon Switch in Power Network Communication
Wang Xinglong
(State Grid Taizhou Power Supply Company, Taizhou, 225300)
Abstract: This topic develops photonic switch application technology research based on 3D-MEMS technology, in view of the traditional pipeline failure artificial in ODF frame the problem such as the line of reliable, timely, advanced 3D-MEMS technology and intelligent control technology, to realize automatic fault linkage, contingency plans, fast healing light path. It enriches the means to deal with the failure of fiber optic cable timely, improves the reliability of power optical communication network, improves the efficiency and accuracy of eye and processing, and is of great significance to the stable and reliable operation of power network communication.
Keywords: 3D-mems; photon switch; power grid communication
1 现状分析
随着我国智能电网通信网络建设的不断深入，电力通信网络从特高压骨干网架到中压、低压配用电网建设不断加强，2016年底已在全国范围内实现了村村通、户户通电；同时为保障电力供应，电网通信网络承载了发输变配用和调度这六大环节的电网业务信息，特别是光通信网络，承载了电网的绝大部分业务信息（用电环节相对较少）。我国电力光缆总里程已上百万千米。然而，越来越重要的电网通信光纤却不断面对频繁的外部因素影响，如市政施工、突发的外力破坏以及自身的老化衰退等。因此，怎么提高光纤通信的可用率，提高光纤网络的自愈性，保证电网通信业务传输的不间断，成为电网通信管理部门迫切需要思考和处理的问题。基于此，本项目展开了电网光纤光子开关技术在电网通信领域的应用。
2 国内外研究水平
光交叉互连（OXC）技术在日益复杂的DWDM
网络中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的
功能器件，则是OXC中的关键部分。在众多种类的光开关中，微机械（MEMS）光开关是最有可能成
为光开关的主流器件。
虽然光开关的历史并不悠久，但随着科学技术的发展，人们研究开发了多种基于不同材料和物理效应的光开关。
固态波导光开关是利用波导的热光、磁光效应来改变波导性质，从而实现开关动作的一种器件。它的开关速度在微秒到亚毫秒量级，体积小且易于集成为大规模的阵列，但插入损耗、隔离度、消光
比、偏振敏感性等指标都较差[2]。
液晶（Liquidcrystal）光开关通过电场控制液
晶分子的方向实现开关功能，适用于中等规模的开
关阵列。目前液晶光开关的最大端口数为80，消光比可高达40～ 50db ，通过加热液晶可以使开关速度达到毫秒级，但也会使设备功耗增加。另外，由于在液晶中光被分成偏振方向不同的两束光，最后再合起来，如果两束光的传播路径稍有不同，便会产生插入损耗，因此这种光开关的插损指标难以提高。
热光（Thermal-optics）开关是利用热光技术制造的小光开关。目前主要有两种类型的热光开
关，干涉式光开关和数字光开关（DOS）。干涉式光开关结构紧凑，但由于对光波长敏感，需要进行温度控制；数字光开关性能更稳定，只要加热到一定温度，光开关就保持稳定的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数
高，因此需要的功率小，消光比可达20db，但插入损耗较大，一般为3～4db。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器，并利用聚合物进行规模生产。热光开关的缺点为响应时间较长，因此开关速度受到限制。
全息（Holograms）光栅开关依靠布拉格光栅实现对光的选择性反射。通过全息的形式在晶体内部生成布拉格光栅，当加电时，布拉格光栅把光反射到输出端口；反之，光就直接通过晶体。利用该技术可以容易地组成上千端口的光交换系统，且开关速度快，为纳秒量级，但器件的功耗较大并需要高压供电。
MEMS光开关通过静电或其他控制力使微镜或光闸产生机械运动，从而改变光的传播方向、实现开关功能。MEMS光开关具有制作成本低、加工工艺多样化、系统单片集成化等诸多优点，各
项性能足以满足DWDM全光网的技术要求，因此
MEMS光开关显示出良好的开发应用前景。
此外，人们还研究过马赫/曾德干涉仪开关，声
光、喷墨气泡光开关及半导体光放大器（MEMS）光开关等。国内外在集成光路技术方面存在差距，
2015年国外已有成熟的产品和应用，国内于2017年初才出现小容量的光开关设备和应用。
技术发展趋势[3]：MEMS光开关是目前最有发
展前景，最能适应DWDM全光通信网要求的光开关。由于MEMS技术具有兼容性强、易集成、设计灵活、可大规模生产的优势，MEMS光开关的集成化 和产业化将是未来MEMS光开关的发展方向。然而要实现MEMS光开关器件的产业化，需要先解决产品应用需求确认及需求设计问题，再制定标准生产工艺流程、标准工艺参数和标准设计规则，同时解决多用户加工途径和测试封装技术等一系列问题。
3 项目的理论和实践依据
3.1 理论依据
3.1.1 光子交换技术
MEMS光开关实质上是一个二维微镜片阵列，
当需要进行光通信切换，通过移动或改变光镜片角度，把光直接送到或反射到光子开关的输出端。在
三维（3D）也称为模拟光束偏转开关中，输入输出
光纤均成二维排列，两组可以绕轴改变倾斜角度的微反射镜安装在二维阵列中，每个输入和输出光纤都有相对应的反射镜。在这种结构中， N䦸N转换
仅需要2N个反射镜。通过将反射镜偏转至合适的
角度，在三维空间反射光束，可将任意输入反射镜／光纤与任意输出反射镜／光纤交叉连接。
3.1.2 光开关的连接原理 3.1.3 光开关的逻辑操作原理 3.2 实践依据
3.2.1 光通信相关标准
一是《电力光纤通信工程验收规范》， DL/T 5344-2006；二是《中华人民共和国电力行业标准
电力光纤通信工程验收规范》，DL/T 5344-2006；
三是《电力系统光纤通信运行管理规程》， DL/T 547-2010；四是《电力通信光缆安装技术要求》， DL/T 1733-2017。
3.2.2 应用实践
利用MEMS光开关的国家电网仿真中心数模混合仿真平台PCIE接口扩展及光路切换系统已上
线，本项目同样应用TL1语言实现对MEMS的复杂控制；使用GUI界面进行远程的WEB管理。
4 项目研究内容和和应用效果
4.1 项目研究内容
如上图所示，本项目分为以下4个研究内容：
4.1.1 研究内容1的主要内容
（1）研究建立光纤资源配置模型。主备用光
纤成端于ODF架，当主光纤出现断路或衰减超限
时，切换到备用光纤；主备用配置有一主一备、也有多主多备、或多主一备；以及主用光纤修复后的还原。现在都是是通过人工在ODF架上跳线来实现
的。建立光线资源的一主一备、多主多备和多主一备模型。
（2）研究基于光纤配置模型的切换方法。基
于现场光纤配置模型，制定单端和双端切换的顺序和优先级等。
（3）研究光纤自愈后光纤资源重配方法。光纤
故障自愈保护切换后，可用资源发生变化。光纤故障处理派工单发出后，排障处理成功前后的资源配置方法及其对应的保护方法研究，为再次保护做准备。 4.1.2 研究内容2的主要内容
（1）研究设备电源技术。MEMS光开关设备的电源有机房48VDC或220VAC供电。设备管理模
块、光开关核心模块以及通信接口单元等设备内部供电电源系统技术研究。
（2 ）研究基于3D-MEMS光开关及其核心管
理单元技术。本项目运用嵌入式处理器实现对光开关的开关控制和状态管理。
光开关插入损耗：≤2.6db；切换时间：≤10ms。（3）研究光、电接口单元技术。光接口考虑排
布及尾纤的适配，电气接口包括电源接口保护；通信串口及其电器保护技术实现。
4.1.3 研究内容3的主要内容
（1）研究嵌入式管理系统。该系统实现光开
关模块的管理、开关控制、与系统管理的通信等。
（2）研究设备管理通信协议。该模块实现与上
位机系统管理的协议收发、解析、交互及校验等。
（3）研究数据结构及文件系统。应用于设备
管理的数据结构及文件系统定义。
4.1.4 研究内容4的主要内容
一是计算平台搭建，PC及其网络设备；二是可
视化技术研究，人机界面设计；三是设备状态管理软件实现；四是操作管理，实现基于与开关设备通信协议的参数配置、命令下发、状态查询等；五是安全管理，包括操作人员管理、开关设备接入管理、操作合理性检测等。
4.2 项目应用效果