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1、2013 届毕业设计资料翻译英文题目： Optical Switch Controller Using Embedded Internet Based System中文题目：基于网络系统的光开关器专业班级： 电子科学与技术 0902 班 丰学生指导教师：吕 锋2013 年 6 月基于摘要：本文提出了微网络系统的光开关器器网络的光交换，其应用主要面向光纤系统等。光纤到户（FTTH）、光纤到路边（FTTC）和其他交换应用在光纤系统中起关键性作用。系统包括两个主要的通信单元：1）内置以太网器模块的单片机PIC18F97J60；2）客户端计算机。系统处理流程是客户端计算机将通过网络数据，采用基于 we

2、b 状态光路。的应用程序处理数据并相应输出给光开关来：光交换，网络光交换，微器，光开关1. 引言现今，大部分智能系统采用微器作为系统的，这样是因为它是低成本的系统，可计算小规模的效率并与用户家电、移器人、机械及家用电器等等。以前，微器在个人计算机（PC）与微器间的数据通信连接受限，通常被串行端口的接口限制。这类接口的缺点是只单用户近距离单片机。通过其他接口如以太网来实现单片机与个人计算机（PC）间的通信，让开发和终端用户更易单片机使其更灵活地操控设备。现在，单片机生产商之一 Microchip Inc（微小有限公司）已经开发2。这项发明使单片机通过以太应用中越来越受人关注，它是现今出了内置以太

3、网器的微器单集成网更易与 PC 机相连。近年来以太网在应用最广泛的网络，可在最简单的到可达 248 的最复杂的网络间切换，还是单片机和无处不在的通信的网络。基于 IEEE 802.3 标准的以太网技术，可确保网络连接和数据传输的可靠性从而确保互操作性。一旦系统连接到网络，就可通过互联网实现。虽然以太网电缆的最大长度为 100 米，但是互联网间的通信消除了先前的距离3。本文构建了采用单片机光路的智能光开关器。在光通信中，光纤构成了光信号的波导。如果从第一个光波导到第二个光波导需要开关光信号，这时就要用到光电开关。我们可以说光开关使光纤信号或光集成电路选择性地在电路间切换。光交换是光通信的主要过程

4、之一，光开关能够将任意一组光纤和另一组相连并作调整，使得光信号能从这个光纤通过光接口到其他光纤中。在电信应用中我们采用光交换技术，如网络保护、网络恢复、设备与冗余、性能和其他光开关的应用，包括医疗航空航天行业和其他工业制造业。本文阐述了采用单片机技术的光开关器，通过连接互联网来光波导间的光信号路径。本设计在 FTTX 网络的光通信应用如网络保护和恢复中有很大的优势。本系统设计可以实现用户列内的交换和列间的交换时间的功能。单片机模块实现了服务1器和主机 web 页面功能，包括光开关 GUI 接口功能，这样工程师可通过互联网进入 web 页面光路径。手动或自动光交换功能。系统框图如图 1 所示。本

5、设计只要在任何能联网的地方，工程师就可以很方便地路中的光交换。光图 1 系统框图2. 硬件和软件设计A 单片机模块本设计采用最新型内置以太网模块的单片机 PIC18F97J60，满足 IEEE 802.3的所有规格，与 10/100/1000 Base-T 网络完全兼容。PIC18F97J60 采用了 2.35v到 3.6v 的直流电源，拥有 3808kb 静态 RAM、128kb 闪存，还可通过外部器总线可达 2Mb 的地址。它是包含 100 个接口的 TQFP 装置，有 70 个通用的输入输出端口，特别之处在于其内置了以太网器模块。这种单片机实现了介(MAC)和物理层(PHY)这两个模块功

6、能。它内置的以太网模块主要包质括五个功能：1.编译、模拟数据的物理层收发模块设在双绞线接口处，通过网络接收、数据。2.实现兼容 MAC 逻辑的 IEEE 802.3 标准的 MAC 层模块提供媒质接口管理来物理层。3.4.拥有的 8Kb RAM 内存缓冲区将要的数据包。RAM 缓冲区存取的仲裁器，主要的数据包。已接收的数据包和将要5.寄存器接口在这里作为模块和单片机SFR 缓冲区间释器。令和状态信号解2物理层模块提供输出来驱动以太网指示器、A 端口与 RA0 的多路复用以及 LEDB 与 RA1 的多路复用。参考文献2。B 光开关关于 PIC18F97J60 单片机的硬件特性详见本设计采用的是

7、由生产的 P1S18B-LDD 光开关，是用来切换 1×8 路光路的机械光开关，由电磁制动器根据外部输入的换光路。P1S18B-LDD 模型是无源的光器件，号方向。信号来移动棱镜，从而切数据率、数据格式和光信图 2 光路径光开关包括了将 TTL 输入信号转换到开关的光信道位置的电子接口板，三通道输入端（D0、D1、D2）作为信道开关和选通信号输入端。当功率和光开关匹配的同时，P1S18B-LDD 的平也通信号输入端，否则，光开关无法正常工作。关于参阅参考文献4。C以太网系统系统的初始化设计，尤其是硬件上，是基于 PICDEM.net2 微型的开发板，采用 PIC18F9760 单片机

8、，将以太网和异步收发器相连，由不同的单片机与光开关连通的接口组成，并给单片机提供以太网的双向通信。图 3 所示为开发板实物。开发板上有指示状态的 LCD 显示模块，256kb 字节的串行 EEPROM 来存储数据，连接以太网电缆 RJ-45 端口，以及与 PC 通信的串行 RS-232 的 DB9套接口。这个开发板需要 9-12v 直流稳压电源（VDC）驱动，通过通用的输入输出端口与光开关相连，三个针头用作光开关的数据，一个针头用作选通信号。3图 3 开发板开发板用作 web 服务器，光开关指令的 HTML、这种包含JavaScript 和 Ajax 文件。当给它供应电源时，LCD 就会显示开

9、发板的状态和 IP地址。我们在 PC 客户端可在 web 浏览器输入 IP 地址来系统内存的 HTML页面。图 4 系统的 web 页面用户通过 web 页面给开发板web 页面的指令，就运行特定算法来指令来光开关，一旦单片机收到来自光开关。在这里 Web 页面设计有两种方法光开关，一种手动切换，另一种自动切换。手动切换时用户需指定哪根线、哪个信道要变换光路由。自动切换时用户需选择信道切换的延迟时间，在此我们设定 10s、30s、或 60s 的时间延迟。43. 软件实现本文的软件实现包括两部分，一部分由 C 语言设计单片机算法，通过以太光开关，另一部分由 web 语言与单片机通信，如 HTML

10、、AJAX 和 CSS网单片机。这里的开发板设计采用传输协议/网络协议（TCP/IP）语言，并实现开发板与 PC 客户端间的以太网通信。A 以太网通信开发板与 PC 间的以太网通信，是基于 TCP/IP 协议的通信。互联网协议组（TCP/IP）是最基本的通信语言和互联网协议，用来连接互联网的主机。TCP/IP是以太网通信的，可的位置分布，并能支持任意应用的互通性。这部分我们采用 TCP/IP 堆栈的微型来构建物理网络端口和正在运行的应用程序间通信的以太网应用。这个开发板作为 web 服务器或是HTTP 服务器，通过网络给 web 浏览器提供 HTML 页面服务。这样，我们就可通过开发板状态、管

11、理和数据检索。B 网络基础在此 web 页面作为图形用户界面（GUI），单片机与操作员可通过 GUI 来监控状态、径。光开关，可在中心办公室由客户端，从而光波导的路4. 实验装置为了测试能否通过互联网来光开关，已经通过大量的实验证明是可行的。以太网开发板的实验已经完成，并可通过板上的 RJ-45 插孔连接光开关与连接开发板和互联网网络。5图 5 实验配置当给开发板供应电源时，默认光开关在信道 1，这是因为逻辑数 0 在地址输入端（T1、T2、T3）。FOT-600 显示终端 1 的损耗值，它还是光损耗测试仪测量光网络损耗的设备。对于单一机组的设备，可生成几个不同波长的测试激光， 并带有测量损耗

12、的功率计。本测试采用 1550nm 波长作为光源和 2 组 F0T-600，一组生成光源并测量信道 1 的损耗，而另一组测量其他信道的损耗。图 6 FOT-600 测量信道 1图 7 FOT-600 测量信道 465. 结果与分析为了验证这个系统的性能，给系统值进行比较。在没有连接器时，光开关示为测量得到的数值。损耗并进量评估，与数据标准损耗的数据标准值是 2.0dB。表 1 所表 1 各通道损耗6. 结论目前以太网系统已经在很多应用中广被采用，如、诊断、等。这里提出的基于系统的网络包括完整的硬件与软件实现部分。这个智能单元非常适用于光交换，并还是光网络的重要组成部分。参考文献1 Imran

13、Ahmed, Hong Wong, and Vikram Kapila, Internet-Based Remote Control using a Microcontroller and an Embedded Ethernet Proceeding of the 2004 American Control Conference2 Online: Microchip Inc.3 Online:2807.pdf. microchip tutorial for ethernet microcontroller 4Onlineof7E741F38625714C0058CB09/$File/Omro

14、n%201x8%20optical%20switch%20March%2006.pdf?OpenElement ,website of Omron5 Hong Wong and Vikram Kapila, “ Internet-Based Remote Control of a DC Motor using an Embedded Microcontroller,” Proceeding of the 2004 American Society for Engineering Education annual Conference&Exposition.7-开关与 MEMS 移相器摘

15、要：我们提出了一个新的带有微机电系统（MEMS）的移相器的-光学光开关设备。分析结果表明，在施加电压为 100V 时，每个移相器的伸展长度是 70 纳米。相位切换可以通过 15 个移相器的级联连接来实现。关键字：光开关，MEMS，硅线波导-1、介绍光交叉连接开关在光纤通信中是非常重要的。典型的光开关是由光电/电光（OE/EO）转换器组成的。然而，OE/EO 转换器存在体积大和高功耗的问题。全光开关因可以解决这些问题非常具有吸引力。特别是对集成光波导光开关以开展深入研究。硅绝缘体（ SOI ） 波导在密集的光子集成电路的实现方面非常有前途. 2006). 因硅层和氧气层两(Tsuchizawa.

16、 2005; Yamada. 2006; Izhaky者的折射率存在很大的差异导致了很大程度上的光限制。SOI 光-开关相移器和热光开关（TO）相移器已经得到生产以制造(Treyz 1991; Harjanne et al. 2004; Chu . 2005)。有 TO 效果的相移器可以通过使用薄膜加热器改变波导的折射率。但是，这种光开关也存在体积大和高功耗的问题。在本文中，我们提出了一种新型的光开关器件，微机电系统（MEMS）移相器。SOI 波导也适于MEMS 器件的作用，因为硅具有良好的机械特性（1982）。2、MEMS 相移器图 1 所示是集成有 MEMS 相移器的 2*2-（MZ）仪光

17、开关。该开关包括 100nm×600nm 的硅光波导，这个波导是专为单模传输使用的。图 2 所示的是 MEMS 移相器的示意性机制图。这 MZ仪中的相移是通过对波导长度的这种方式获得夫人。MEMS 移相器包括作为可动结构的空气桥波导。当电压施加在空气桥波导和基片之间时，空气桥是通过静电吸引力弯曲和伸展的。输入光的光路长度是由所施加的电压。因而，该结构的功能可以用作一个相移器。此外，通过使用该相移器可以实现预期的低功耗的目标。这是因为在开关处在“ON”状态时，没有稳定的电流流过光开关。8图 1 2*2光开关示意图，它由一个 MEMS 移相器和两个 3 dB 的-耦合器组成。光开关的输出

18、强度随着光相移器程度的而变化。图 2 MEMS 移相器的示意性机制图。当电压施加在电极之间时，空气桥波导就会弯曲和拉伸。波导的光路长度是受电压的。3、MEMS 建模我们通过一个相似的模型来模拟 MEMS 相移器的性能。图 3 所示的是波导横截面的一个近似模型。一个比较固定的桥诸如 MEMS 移相器，可以看作是一个平行板电容器。该平行板之间的静电引力 Fe（Z）可以表示如下：式中，是介电常数，L 是桥的长度，w 为桥宽度，V 是所施加的电压，（g-z）是电极之间的间隙。图 3 MEMS 相移器横截面的一个近似模型。空气桥波导用板状电极代替，这个电极是用一个弹簧来维持的。弹簧的弹力代替桥的恢复力。

19、空气桥波导用板状电极代替，这个电极是用一个弹簧来维持的。弹簧的弹力代替桥的恢复力。恢复力F（r z）和弹性系数k 之间的关系被表示为(Rebeiz 2003)：其中 E 是杨氏模量，t 是桥梁的厚度。平衡位置 zbal 使用下列公式确定：9zbal 可以被视为固定波束的中心位移。桥的变形分布 z（x）被下式定义(Gereand Timoshenko 1997)：式中，q 为均匀分布载荷，J 是几何惯性矩， x 是桥的纵向位置。公式（4）可以用下式代替：式中：zbal= Z（L / 2）。拉伸长度L 使用下面的表达式计算：4、MEMS 模型的分析结果在这种分析中所用的桥长 30 微米，厚 100

20、 纳米，宽 600 纳米。桥和基体之间的空气间隙为 4 微米。图 4 所示的是当施加电压时桥发生 30 微米形变的变形分布。其挠曲量随着电压的增加而增加。当所施加的电压为 100V 时的挠曲量 0.8 微米。图 5 所示出的是空气桥波导的伸展长度与所施加电压的依赖关系。当减小电桥的长度时最大伸展长度反而增加，但是当短长度的桥想要获得偏转时需要压。在图 5 中，Pull-in 还表明当桥坍塌时它的底座还可以坚持使用。因此,一个非常高的电压将会到我们的桥。当桥的长度是30 微米，所加的应用电压时100V时。最大拉伸长度 Lmax 为 70 纳米。图 4 施加不压时长 30 微米，厚 100 纳米，

21、宽 600 纳米的桥的变形分布。该图是由公式（5）得出来的。当所施加的电压为 100V 时最大偏转是 0.8 微米。10图 5 空气桥波导的伸展长度与所施加电压的依赖关系。该图是由公式（6） 得出来的。对于 300 微米长的桥，当所施加的应用电压为 100V 时，可以获得的最大伸展长度是 70 纳米。5、开关特性在图 1 中所示的两个端口的输出功率可以用下式表达：其中，Pin 是输入功率，是入射光的波长，Lopt 是光程差。光程差Lopt可以用下式表示：其中，eq 是波导的等效折射率，neq 是光弹效应引起的折射率变化。neq是用下式来估算的(Huang 2003)：其中，桥的拉伸，C1 和

22、C2 硅的光学常数。可用下式表示：其中，E 是杨氏模量。例如，当所施加的电压为 100 V 时，neq 被估计为-2.211×10-3。相位切换所需要的光程差由下式给出：当波长为 1.55 微米时，Lshift 是 775 纳米。图 6 所示的是 30 微米长的桥的光程差与施加电压之间的依赖关系。SOI 波导100 纳米，宽为 600 纳米时的 neq 值为 1.75。在外加电压为 100 V 时单一的MEMS 移相器可获得 Lopt 约 50 纳米. MEMS 光开关需要至少 15 个相移器。图 7 所示的是包括 15 个移相器级联连接的 MZ施加 100V 电压可以实现从 2 端

23、口到端口 1 的切换。光开关的开关特性。通过图 6 30 微米长的桥梁中所施加的电压与光程差之间的依赖关系。该曲线可从公式（9）得到。15 个MEMS 移相器可一个型相移器。图 7 15 个移相器级联连接的 MZ光开关的开关特性。该曲线可由公式（7）和公式（8）得到。在电压为 100V 时可以实现相位开关的切换。126、总结我们提出并模拟了由考虑光弹效应的 MEMS 移相器组成的一种新颖的 MZ 干涉式光开关器件的性能。切换是由 15 个移相器的级联连接来实现的。这种开关设备在实现低功耗的光子集成电路中是很有前途的。致谢这项研究部分由，其科学研究（19002009）用于教育，体育，科学和技术部

24、（MEXT），支持和的安藤。参考文献1 Chu, T., Yamada, H., Ishida, S., Arakawa, T.: Compact 1×N thermo-optic switches based on silicon photonic wire waveguides. Opt. Express 13(25), 1010910114 (2005)2 Gere, J.M., Timoshenko, S.P.: Mechanics of Materials. PVS-KENT Publishing Company, Boston (1997)3 Harjanne, M.,

25、Kapulainen, M., Aalto, T., Heimala, P.: Sub-s switching time in silicon-on-insulator Mach-Zehnder thermooptic switch. IEEE Photon. Technol. Lett. 16(9), 20392041 (2004)4 Huang, M.: Stress effects on the performance of optical waveguides. Int. J. Solids Struct. 40(7),16151632 (2003)5 Izhaky, N., Morse, M.T., Koehl, S., Cohen, O., Rubin, D., Barkai, A., S