設(shè)計翻譯譯文全文

1、2013 屆畢業(yè)設(shè)計資料翻譯英文題目： Optical Switch Controller Using Embedded Internet Based System中文題目：基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的光開關(guān)器專業(yè)班級： 電子科學(xué)與技術(shù) 0902 班 豐學(xué)生指導(dǎo)教師：呂 鋒2013 年 6 月基于摘要：本文提出了微網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的光開關(guān)器器網(wǎng)絡(luò)的光交換，其應(yīng)用主要面向光纖系統(tǒng)等。光纖到戶（FTTH）、光纖到路邊（FTTC）和其他交換應(yīng)用在光纖系統(tǒng)中起關(guān)鍵性作用。系統(tǒng)包括兩個主要的通信單元：1）內(nèi)置以太網(wǎng)器模塊的單片機(jī)PIC18F97J60；2）客戶端計算機(jī)。系統(tǒng)處理流程是客戶端計算機(jī)將通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，采用基于 we

2、b 狀態(tài)光路。的應(yīng)用程序處理數(shù)據(jù)并相應(yīng)輸出給光開關(guān)來：光交換，網(wǎng)絡(luò)光交換，微器，光開關(guān)1. 引言現(xiàn)今，大部分智能系統(tǒng)采用微器作為系統(tǒng)的，這樣是因為它是低成本的系統(tǒng)，可計算小規(guī)模的效率并與用戶家電、移器人、機(jī)械及家用電器等等。以前，微器在個人計算機(jī)（PC）與微器間的數(shù)據(jù)通信連接受限，通常被串行端口的接口限制。這類接口的缺點是只單用戶近距離單片機(jī)。通過其他接口如以太網(wǎng)來實現(xiàn)單片機(jī)與個人計算機(jī)（PC）間的通信，讓開發(fā)和終端用戶更易單片機(jī)使其更靈活地操控設(shè)備?，F(xiàn)在，單片機(jī)生產(chǎn)商之一 Microchip Inc（微小有限公司）已經(jīng)開發(fā)2。這項發(fā)明使單片機(jī)通過以太應(yīng)用中越來越受人關(guān)注，它是現(xiàn)今出了內(nèi)置以太

3、網(wǎng)器的微器單集成網(wǎng)更易與 PC 機(jī)相連。近年來以太網(wǎng)在應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)，可在最簡單的到可達(dá) 248 的最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)間切換，還是單片機(jī)和無處不在的通信的網(wǎng)絡(luò)?；?IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，可確保網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詮亩_?；ゲ僮餍?。一旦系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡(luò)，就可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)。雖然以太網(wǎng)電纜的最大長度為 100 米，但是互聯(lián)網(wǎng)間的通信消除了先前的距離3。本文構(gòu)建了采用單片機(jī)光路的智能光開關(guān)器。在光通信中，光纖構(gòu)成了光信號的波導(dǎo)。如果從第一個光波導(dǎo)到第二個光波導(dǎo)需要開關(guān)光信號，這時就要用到光電開關(guān)。我們可以說光開關(guān)使光纖信號或光集成電路選擇性地在電路間切換。光交換是光通信的主要過程

4、之一，光開關(guān)能夠?qū)⑷我庖唤M光纖和另一組相連并作調(diào)整，使得光信號能從這個光纖通過光接口到其他光纖中。在電信應(yīng)用中我們采用光交換技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)、設(shè)備與冗余、性能和其他光開關(guān)的應(yīng)用，包括醫(yī)療航空航天行業(yè)和其他工業(yè)制造業(yè)。本文闡述了采用單片機(jī)技術(shù)的光開關(guān)器，通過連接互聯(lián)網(wǎng)來光波導(dǎo)間的光信號路徑。本設(shè)計在 FTTX 網(wǎng)絡(luò)的光通信應(yīng)用如網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和恢復(fù)中有很大的優(yōu)勢。本系統(tǒng)設(shè)計可以實現(xiàn)用戶列內(nèi)的交換和列間的交換時間的功能。單片機(jī)模塊實現(xiàn)了服務(wù)1器和主機(jī) web 頁面功能，包括光開關(guān) GUI 接口功能，這樣工程師可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入 web 頁面光路徑。手動或自動光交換功能。系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。本

5、設(shè)計只要在任何能聯(lián)網(wǎng)的地方，工程師就可以很方便地路中的光交換。光圖 1 系統(tǒng)框圖2. 硬件和軟件設(shè)計A 單片機(jī)模塊本設(shè)計采用最新型內(nèi)置以太網(wǎng)模塊的單片機(jī) PIC18F97J60，滿足 IEEE 802.3的所有規(guī)格，與 10/100/1000 Base-T 網(wǎng)絡(luò)完全兼容。PIC18F97J60 采用了 2.35v到 3.6v 的直流電源，擁有 3808kb 靜態(tài) RAM、128kb 閃存，還可通過外部器總線可達(dá) 2Mb 的地址。它是包含 100 個接口的 TQFP 裝置，有 70 個通用的輸入輸出端口，特別之處在于其內(nèi)置了以太網(wǎng)器模塊。這種單片機(jī)實現(xiàn)了介(MAC)和物理層(PHY)這兩個模塊功

6、能。它內(nèi)置的以太網(wǎng)模塊主要包質(zhì)括五個功能：1.編譯、模擬數(shù)據(jù)的物理層收發(fā)模塊設(shè)在雙絞線接口處，通過網(wǎng)絡(luò)接收、數(shù)據(jù)。2.實現(xiàn)兼容 MAC 邏輯的 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的 MAC 層模塊提供媒質(zhì)接口管理來物理層。3.4.擁有的 8Kb RAM 內(nèi)存緩沖區(qū)將要的數(shù)據(jù)包。RAM 緩沖區(qū)存取的仲裁器，主要的數(shù)據(jù)包。已接收的數(shù)據(jù)包和將要5.寄存器接口在這里作為模塊和單片機(jī)SFR 緩沖區(qū)間釋器。令和狀態(tài)信號解2物理層模塊提供輸出來驅(qū)動以太網(wǎng)指示器、A 端口與 RA0 的多路復(fù)用以及 LEDB 與 RA1 的多路復(fù)用。參考文獻(xiàn)2。B 光開關(guān)關(guān)于 PIC18F97J60 單片機(jī)的硬件特性詳見本設(shè)計采用的是

7、由生產(chǎn)的 P1S18B-LDD 光開關(guān)，是用來切換 1×8 路光路的機(jī)械光開關(guān)，由電磁制動器根據(jù)外部輸入的換光路。P1S18B-LDD 模型是無源的光器件，號方向。信號來移動棱鏡，從而切數(shù)據(jù)率、數(shù)據(jù)格式和光信圖 2 光路徑光開關(guān)包括了將 TTL 輸入信號轉(zhuǎn)換到開關(guān)的光信道位置的電子接口板，三通道輸入端（D0、D1、D2）作為信道開關(guān)和選通信號輸入端。當(dāng)功率和光開關(guān)匹配的同時，P1S18B-LDD 的平也通信號輸入端，否則，光開關(guān)無法正常工作。關(guān)于參閱參考文獻(xiàn)4。C以太網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)的初始化設(shè)計，尤其是硬件上，是基于 PICDEM.net2 微型的開發(fā)板，采用 PIC18F9760 單片機(jī)

8、，將以太網(wǎng)和異步收發(fā)器相連，由不同的單片機(jī)與光開關(guān)連通的接口組成，并給單片機(jī)提供以太網(wǎng)的雙向通信。圖 3 所示為開發(fā)板實物。開發(fā)板上有指示狀態(tài)的 LCD 顯示模塊，256kb 字節(jié)的串行 EEPROM 來存儲數(shù)據(jù)，連接以太網(wǎng)電纜 RJ-45 端口，以及與 PC 通信的串行 RS-232 的 DB9套接口。這個開發(fā)板需要 9-12v 直流穩(wěn)壓電源（VDC）驅(qū)動，通過通用的輸入輸出端口與光開關(guān)相連，三個針頭用作光開關(guān)的數(shù)據(jù)，一個針頭用作選通信號。3圖 3 開發(fā)板開發(fā)板用作 web 服務(wù)器，光開關(guān)指令的 HTML、這種包含JavaScript 和 Ajax 文件。當(dāng)給它供應(yīng)電源時，LCD 就會顯示開

9、發(fā)板的狀態(tài)和 IP地址。我們在 PC 客戶端可在 web 瀏覽器輸入 IP 地址來系統(tǒng)內(nèi)存的 HTML頁面。圖 4 系統(tǒng)的 web 頁面用戶通過 web 頁面給開發(fā)板web 頁面的指令，就運(yùn)行特定算法來指令來光開關(guān)，一旦單片機(jī)收到來自光開關(guān)。在這里 Web 頁面設(shè)計有兩種方法光開關(guān)，一種手動切換，另一種自動切換。手動切換時用戶需指定哪根線、哪個信道要變換光路由。自動切換時用戶需選擇信道切換的延遲時間，在此我們設(shè)定 10s、30s、或 60s 的時間延遲。43. 軟件實現(xiàn)本文的軟件實現(xiàn)包括兩部分，一部分由 C 語言設(shè)計單片機(jī)算法，通過以太光開關(guān)，另一部分由 web 語言與單片機(jī)通信，如 HTML

10、、AJAX 和 CSS網(wǎng)單片機(jī)。這里的開發(fā)板設(shè)計采用傳輸協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）語言，并實現(xiàn)開發(fā)板與 PC 客戶端間的以太網(wǎng)通信。A 以太網(wǎng)通信開發(fā)板與 PC 間的以太網(wǎng)通信，是基于 TCP/IP 協(xié)議的通信。互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議組（TCP/IP）是最基本的通信語言和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，用來連接互聯(lián)網(wǎng)的主機(jī)。TCP/IP是以太網(wǎng)通信的，可的位置分布，并能支持任意應(yīng)用的互通性。這部分我們采用 TCP/IP 堆棧的微型來構(gòu)建物理網(wǎng)絡(luò)端口和正在運(yùn)行的應(yīng)用程序間通信的以太網(wǎng)應(yīng)用。這個開發(fā)板作為 web 服務(wù)器或是HTTP 服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)給 web 瀏覽器提供 HTML 頁面服務(wù)。這樣，我們就可通過開發(fā)板狀態(tài)、管

11、理和數(shù)據(jù)檢索。B 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)在此 web 頁面作為圖形用戶界面（GUI），單片機(jī)與操作員可通過 GUI 來監(jiān)控狀態(tài)、徑。光開關(guān)，可在中心辦公室由客戶端，從而光波導(dǎo)的路4. 實驗裝置為了測試能否通過互聯(lián)網(wǎng)來光開關(guān)，已經(jīng)通過大量的實驗證明是可行的。以太網(wǎng)開發(fā)板的實驗已經(jīng)完成，并可通過板上的 RJ-45 插孔連接光開關(guān)與連接開發(fā)板和互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。5圖 5 實驗配置當(dāng)給開發(fā)板供應(yīng)電源時，默認(rèn)光開關(guān)在信道 1，這是因為邏輯數(shù) 0 在地址輸入端（T1、T2、T3）。FOT-600 顯示終端 1 的損耗值，它還是光損耗測試儀測量光網(wǎng)絡(luò)損耗的設(shè)備。對于單一機(jī)組的設(shè)備，可生成幾個不同波長的測試激光， 并帶有測量損耗

12、的功率計。本測試采用 1550nm 波長作為光源和 2 組 F0T-600，一組生成光源并測量信道 1 的損耗，而另一組測量其他信道的損耗。圖 6 FOT-600 測量信道 1圖 7 FOT-600 測量信道 465. 結(jié)果與分析為了驗證這個系統(tǒng)的性能，給系統(tǒng)值進(jìn)行比較。在沒有連接器時，光開關(guān)示為測量得到的數(shù)值。損耗并進(jìn)量評估，與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)損耗的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值是 2.0dB。表 1 所表 1 各通道損耗6. 結(jié)論目前以太網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)在很多應(yīng)用中廣被采用，如、診斷、等。這里提出的基于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)包括完整的硬件與軟件實現(xiàn)部分。這個智能單元非常適用于光交換，并還是光網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。參考文獻(xiàn)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-開關(guān)與 MEMS 移相器摘

15、要：我們提出了一個新的帶有微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的移相器的-光學(xué)光開關(guān)設(shè)備。分析結(jié)果表明，在施加電壓為 100V 時，每個移相器的伸展長度是 70 納米。相位切換可以通過 15 個移相器的級聯(lián)連接來實現(xiàn)。關(guān)鍵字：光開關(guān)，MEMS，硅線波導(dǎo)-1、介紹光交叉連接開關(guān)在光纖通信中是非常重要的。典型的光開關(guān)是由光電/電光（OE/EO）轉(zhuǎn)換器組成的。然而，OE/EO 轉(zhuǎn)換器存在體積大和高功耗的問題。全光開關(guān)因可以解決這些問題非常具有吸引力。特別是對集成光波導(dǎo)光開關(guān)以開展深入研究。硅絕緣體（ SOI ） 波導(dǎo)在密集的光子集成電路的實現(xiàn)方面非常有前途. 2006). 因硅層和氧氣層兩(Tsuchizawa.

16、 2005; Yamada. 2006; Izhaky者的折射率存在很大的差異導(dǎo)致了很大程度上的光限制。SOI 光-開關(guān)相移器和熱光開關(guān)（TO）相移器已經(jīng)得到生產(chǎn)以制造(Treyz 1991; Harjanne et al. 2004; Chu . 2005)。有 TO 效果的相移器可以通過使用薄膜加熱器改變波導(dǎo)的折射率。但是，這種光開關(guān)也存在體積大和高功耗的問題。在本文中，我們提出了一種新型的光開關(guān)器件，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）移相器。SOI 波導(dǎo)也適于MEMS 器件的作用，因為硅具有良好的機(jī)械特性（1982）。2、MEMS 相移器圖 1 所示是集成有 MEMS 相移器的 2*2-（MZ）儀光

17、開關(guān)。該開關(guān)包括 100nm×600nm 的硅光波導(dǎo)，這個波導(dǎo)是專為單模傳輸使用的。圖 2 所示的是 MEMS 移相器的示意性機(jī)制圖。這 MZ儀中的相移是通過對波導(dǎo)長度的這種方式獲得夫人。MEMS 移相器包括作為可動結(jié)構(gòu)的空氣橋波導(dǎo)。當(dāng)電壓施加在空氣橋波導(dǎo)和基片之間時，空氣橋是通過靜電吸引力彎曲和伸展的。輸入光的光路長度是由所施加的電壓。因而，該結(jié)構(gòu)的功能可以用作一個相移器。此外，通過使用該相移器可以實現(xiàn)預(yù)期的低功耗的目標(biāo)。這是因為在開關(guān)處在“ON”狀態(tài)時，沒有穩(wěn)定的電流流過光開關(guān)。8圖 1 2*2光開關(guān)示意圖，它由一個 MEMS 移相器和兩個 3 dB 的-耦合器組成。光開關(guān)的輸出

18、強(qiáng)度隨著光相移器程度的而變化。圖 2 MEMS 移相器的示意性機(jī)制圖。當(dāng)電壓施加在電極之間時，空氣橋波導(dǎo)就會彎曲和拉伸。波導(dǎo)的光路長度是受電壓的。3、MEMS 建模我們通過一個相似的模型來模擬 MEMS 相移器的性能。圖 3 所示的是波導(dǎo)橫截面的一個近似模型。一個比較固定的橋諸如 MEMS 移相器，可以看作是一個平行板電容器。該平行板之間的靜電引力 Fe（Z）可以表示如下：式中，是介電常數(shù)，L 是橋的長度，w 為橋?qū)挾龋琕 是所施加的電壓，（g-z）是電極之間的間隙。圖 3 MEMS 相移器橫截面的一個近似模型。空氣橋波導(dǎo)用板狀電極代替，這個電極是用一個彈簧來維持的。彈簧的彈力代替橋的恢復(fù)力。

19、空氣橋波導(dǎo)用板狀電極代替，這個電極是用一個彈簧來維持的。彈簧的彈力代替橋的恢復(fù)力。恢復(fù)力F（r z）和彈性系數(shù)k 之間的關(guān)系被表示為(Rebeiz 2003)：其中 E 是楊氏模量，t 是橋梁的厚度。平衡位置 zbal 使用下列公式確定：9zbal 可以被視為固定波束的中心位移。橋的變形分布 z（x）被下式定義(Gereand Timoshenko 1997)：式中，q 為均勻分布載荷，J 是幾何慣性矩， x 是橋的縱向位置。公式（4）可以用下式代替：式中：zbal= Z（L / 2）。拉伸長度L 使用下面的表達(dá)式計算：4、MEMS 模型的分析結(jié)果在這種分析中所用的橋長 30 微米，厚 100

20、 納米，寬 600 納米。橋和基體之間的空氣間隙為 4 微米。圖 4 所示的是當(dāng)施加電壓時橋發(fā)生 30 微米形變的變形分布。其撓曲量隨著電壓的增加而增加。當(dāng)所施加的電壓為 100V 時的撓曲量 0.8 微米。圖 5 所示出的是空氣橋波導(dǎo)的伸展長度與所施加電壓的依賴關(guān)系。當(dāng)減小電橋的長度時最大伸展長度反而增加，但是當(dāng)短長度的橋想要獲得偏轉(zhuǎn)時需要壓。在圖 5 中，Pull-in 還表明當(dāng)橋坍塌時它的底座還可以堅持使用。因此,一個非常高的電壓將會到我們的橋。當(dāng)橋的長度是30 微米，所加的應(yīng)用電壓時100V時。最大拉伸長度 Lmax 為 70 納米。圖 4 施加不壓時長 30 微米，厚 100 納米，

21、寬 600 納米的橋的變形分布。該圖是由公式（5）得出來的。當(dāng)所施加的電壓為 100V 時最大偏轉(zhuǎn)是 0.8 微米。10圖 5 空氣橋波導(dǎo)的伸展長度與所施加電壓的依賴關(guān)系。該圖是由公式（6） 得出來的。對于 300 微米長的橋，當(dāng)所施加的應(yīng)用電壓為 100V 時，可以獲得的最大伸展長度是 70 納米。5、開關(guān)特性在圖 1 中所示的兩個端口的輸出功率可以用下式表達(dá)：其中，Pin 是輸入功率，是入射光的波長，Lopt 是光程差。光程差Lopt可以用下式表示：其中，eq 是波導(dǎo)的等效折射率，neq 是光彈效應(yīng)引起的折射率變化。neq是用下式來估算的(Huang 2003)：其中，橋的拉伸，C1 和

22、C2 硅的光學(xué)常數(shù)。可用下式表示：其中，E 是楊氏模量。例如，當(dāng)所施加的電壓為 100 V 時，neq 被估計為-2.211×10-3。相位切換所需要的光程差由下式給出：當(dāng)波長為 1.55 微米時，Lshift 是 775 納米。圖 6 所示的是 30 微米長的橋的光程差與施加電壓之間的依賴關(guān)系。SOI 波導(dǎo)100 納米，寬為 600 納米時的 neq 值為 1.75。在外加電壓為 100 V 時單一的MEMS 移相器可獲得 Lopt 約 50 納米. MEMS 光開關(guān)需要至少 15 個相移器。圖 7 所示的是包括 15 個移相器級聯(lián)連接的 MZ施加 100V 電壓可以實現(xiàn)從 2 端

23、口到端口 1 的切換。光開關(guān)的開關(guān)特性。通過圖 6 30 微米長的橋梁中所施加的電壓與光程差之間的依賴關(guān)系。該曲線可從公式（9）得到。15 個MEMS 移相器可一個型相移器。圖 7 15 個移相器級聯(lián)連接的 MZ光開關(guān)的開關(guān)特性。該曲線可由公式（7）和公式（8）得到。在電壓為 100V 時可以實現(xiàn)相位開關(guān)的切換。126、總結(jié)我們提出并模擬了由考慮光彈效應(yīng)的 MEMS 移相器組成的一種新穎的 MZ 干涉式光開關(guān)器件的性能。切換是由 15 個移相器的級聯(lián)連接來實現(xiàn)的。這種開關(guān)設(shè)備在實現(xiàn)低功耗的光子集成電路中是很有前途的。致謝這項研究部分由，其科學(xué)研究（19002009）用于教育，體育，科學(xué)和技術(shù)部

24、（MEXT），支持和的安藤。參考文獻(xiàn)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