（光学工程专业论文）利用mems光开关实现高性能光互连网络.pdf

摘要 摘要 光开关技术已成为光网络的关键技术之一。特别是利用微机电技术制造的无 堵塞m e m s 光传输开关，消除了光一电转换，提供的开关方式与数据的波长、 速率和信号格式无关。因而，m e m s 光开关已在光通信领域中得到重要的应用。 在课题组已完成的p c i 全带宽网络接口卡设计的基础上，用光开关和p c i 全带宽 接口卡构建一个高速的吉比特传输结构的高性能光互连机群网络，为结点机间的 通信提供一个高带宽、低延迟的硬件平台。 本文完成的工作： 研制了2 2 机械式光开关的驱动电路板。一个基于r s 2 3 2 串行接口的电路 设计，一个是基于并行接口驱动电路的设计，同时分别进行了针对并口和串 行接口的光开关驱动程序设计。 完成了m e m s 光开关驱动控制电路板的设计，并以此为基础，设计了基于 8 8 m e m s 光开关的局域计算机光互连网络。进行了光互连网络数据传输 实验，分别对光开关的性能和网络的通信性能进行测试，并对测试结果进行 了分析。 进行p c i 全带宽网络接口卡数据传输软件系统的设计。在深刻理解$ 5 9 3 3 p c i 总线控制芯片结构和寄存器的操作的基础上，成功利用v x d 开发了基于 w i n d o w s 9 8 的设备驱动程序，实现以s 5 9 3 3 为控制芯片的p c i 全带宽接口卡 之间的数据的传输。 介绍了m e m s 光开关的主要技术和基本结构，通过对光通信网络的相关理 论的研究，详细研究了m e m s 光开关在光纤数字传输系统中的具体应用。 工作中的创新点： 根据机群系统局域互连特点，使用光开关设计了互连网络拓扑结构，在光路 交叉互连处，消除了光一电转换，并且光开关提供的光路转换的开关方式与 数据的波长、速率和信号格式无关。 针对光开关的结构和机群光互连网的特点，设计了不同传输模式下的测试方 案，并根据测试的结果对光开关的性能和光互连网的通信性能进行了分析。 关键词：机群系统p c i 总线全带宽微机电系统光开关驱动电路 网络性能 a b s t r a c t o p t i c a ls w i t c h i n gh a sb e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so fo p t i c a ln e t w o r k m e m s - b a s e da l lo p t i c a ls w i t c hu t i l i z e sm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) t e c h n o l o g yt op r o v i d es t r i c t l yn o n b l o c k i n gp h o t o n i cs w i t c h i n go ff i b e r - o p t i ct r a f f i c a l l o p t i c a la p p r o a c h e l i m i n a t e st h en e e df o r o p t i c a l t o - e l e c t r i c a lc o n v e r s i o n s ， p r o v i d i n gs w i t c h i n gs o l u t i o n st h a t a r e i n d e p e n d e n to fw a v e l e n g t h ，d a t ar a t e ，a n d s i g n a l f o r m a t i t h a sb e c o m et h e h i g h l yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n o f o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s o nt h eb a s i so ft h eh i g h s p e e dn e t w o r ki n t e r f a c ec a r da c c o m p l i s h e d b y o u rr e s e a r c h g r o u p ，a n e ws t r u c t u r ef o ra g i g a b i tp e r s e c o n d o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r kh a sb e e nd e s i g n e du s i n go p t i c a ls w i t c ha n df u l lb a n d w i d t h p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ( p c i ) i n t e r f a c e c a r d s i tc a n p r o v i d e a n i n t e r c o n n e c t i n gn e t w o r k w i t h h i 曲b a n d w i d t ha n dl o wl a t e n c yo f c o m m u n i c a t i o n sf o r c l u s t e r ss y s t e m t h e m a j o r a c h i e v e m e n t si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： t h e2 2m e c h a n i c a l o p t i c a l s w i t c hc i r c u i t sh a sb e e ni m p l e m e n t e d o n ei s d e s i g n i n ge l e c t r o n i cc i r c u i tb a s e do nr s 2 3 2s e r i a lp o r t ，t h eo t h e ri sd e s i g n i n g e l e c t r o n i cc i r c u i tb a s e do np a r a l l e l p o r t ，a c c o r d i n gt o t h e c o n f i g u r a t i o n ，t h e d e s i g nm e t h o do f d r i v e rh a sb e e n a c c o m p l i s h e d t h em e m s o p t i c a ls w i t c hc i r c u i t sh a sb e e ni m p l e m e n t e d an e ws t r u c t u r ef o r o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r kh a sb e e n p r o p o s e d t r a n s m i s s i o n e x p e r i m e n t a t i o no f n e t w o r kh a sb e e nd o n e t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r ka n d t h eo p t i c a ls w i t c hh a sb e e nt e s t e da n d a n a l y z e d p r o g r a mo fr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n go ff u l lb a n d w i d t hp c ii n t e r f a c ec a r d sh a s b e e nd e s i g n e d b a s e do nt b ef a m i l i a r i t yw i t h $ 5 9 3 3p c ib u sc o n t r o l l e rc h i pa n d o p e r a t i o nr e g i s t e r s ，v i r t u a ld e v i c ed r i v e r ( v x d ) i nc + + b a s e do nw i n d o w s 9 8 o p e r a t i n gs y s t e m i no r d e rt or e a l i z er e c e i v i n ga n d t r a n s m i t t i n gf o ri m p l e m e n tp c i d e v i c eh a sb e e na c c o m p l i s h e d t h er e s e a r c ho f t e c h n o l o g ya n d s t r u c t u r eo fm e m s o p t i c a ls w i t c hh a sb e e nd o n e b a s e do nt h e o r e t i c so fo p t i c a ln e t w o r k ，t h er e s e a r c ho fa p p l i c a t i o n so fm e m s o p t i c a ls w i t c h i no p t i c a lf i b e rd i g i t a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sb e e na c c o m p l i s h e d 1 1 t h e m a j o r i n n o v a t i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f c l u s t e r s ，an e w s t r u c t u r ef o r o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r kh a sb e e n d e s i g n e du s i n go p t i c a ls w i t c h ，w h i c he l i m i n a t e st h e n e e df o r o p t i c a l t o e l e c t r i c a lc o n v e r s i o n s ，p r o v i d i n g s w i t c h i n g s o l u t i o n st h a ta r e i n d e p e n d e n to f w a v e l e n g t h ，d a t ar a t e ，a n ds i g n a lf o r m a t b a s e do nt h es t r u c t u r eo fm e m s o p t i c a ls w i t c ha n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f c l u s t e r s t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r ka n do p t i c a ls w i t c hh a sb e e nt e s t e da n d a r i a l y z e df o r t h ed a t a p a c k a g ew i t hd i f i e r e n ts i z e k e y w o r d ：c l u s t e rp c if u l lb a n d w i d t h m e m s o p t i c a ls w i t c h d r i v i n g c i r c u i tn e t w o r k p e r f o r m a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：菊陈签字日期：助口牛 年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盔鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：枸p ，葆 导师签名：疗乳刃 签字日期：如d 悔，月2 日 签字日期：娜中年月多日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究目的和背景 本文研究的目的是以p e t 总线计算机为节点机和m e m s 光开关构成高带宽、 低延迟机群系统光互连网络。基于m e m s 的光开关是利用最新的微机电系统技 术制造的无堵塞光纤传输光开关。光开关减少了光一电之间的转换，提供的开关 方式与数据的波长速率和信号格式无关，利用这种网络结构，可以最大限度的减 少网络延迟和网络通信开销，极大的提升了机群系统的总体性能。 1 2 机群系统和光互连 对于只用电子技术解决不了的带有局限性或可能性的问题，利用光技术所固 有的各种特点有可能突破或实现。这就是光互连研究的目标。与电子技术相比较， 光技术具有很多特点 1 。 1 宽带特性 光波导可通过g b i t ( 吉比特) 级的宽带信号，这种性质可以用于传输技术。 这不仅是容量大的问题，而是光波导中的信息传输不依赖传输速率和协议。 2 高速性 在电子电路中开关的速度受载流子迁移率和电子电路时间常数等因素的限 制，而在不受这些限制的光路中可实现快速开关，开关时间也有可能达到p s ( 皮 秒) 级。由于这一特性，可利用一条线路获得极高的传输速率。 3 光频率( 波长) 分割多路技术 这是一种积极利用光的宽带特性的方法，把全带宽分成多个光频带。电学中 也有这种方法，但在光学中由于其宽带特性可分割利用的指标很高，而且由于频 率很高，其元件也可做的很小，用频率信息来选择路由，以及在不提高比特率的 情况下利用多路技术提高传输速率等都在研究中。 4 高密度，低功耗 光的特性之一是在自由空间中互不干扰，因此，正大力开展利用这种特性以 三维自由空间为媒体进行高密度互连的研究，也可利用这种特性实现切换自由空 间内光束的开关。 自1 9 8 4 年国际著名的光学专家j w g o o d m a n 先生提出了在v l s i 系统中采 用光互连技术之后 2 】，光纤互连技术已经开始代替电子互连技术在计算机的发 展中发挥重要的作用。光互连技术是指采用光波作为载频传输信号，短距离的对 信息的直接传递。与电互连技术相比其优势是非常明显的，比如可以提供更高的 第一章绪论 带宽和互连密度，能支持高速的数据交换等。随着微光学技术、光学材料、光电 子器件技术和多：吝片集成技术的发展，高密度二维光互连已成为现实。 光互连具有功耗小，无干扰，超高密度，超大容量等优点，可以解决电互连 中的许多问题，所以具有非常大的魅力。在远程传输系统中，利用光纤放大器， 传输距离由几十公里到一百多公里，而在光互连中的距离一般不超过1 0 0 m 。而 且在光互连中，为了增加吞吐量，有时进行并联，这时对时滞要求很严。与远程 传输中对光源和探测器进行温度控制相比，在光互连中就不进行温度控制，它本 身就应该经得起装置内的温度变化。还应该降低光互连的功耗，以及降低成本并 进行小型化。 传统电互连由于在带宽、互连密度、时钟扭曲、能耗、抗干扰性等方面的限 制，已经不能够很好的满足机群系统对互连网络高带宽、低延迟的要求。而光子 不像电子那样带有电荷。电子之间通过磁场雨相互作用，导致信号很容易自身干 扰或相互干扰。光子之间很难相互作用，因此光信号可以沿各自的通道传播，不 论其通道之间平行或互相交叉都不会产生干扰。因而，光互连具有空间的并行性。 光互连可以具有很高的互连密度。光互连不受平面或准平面的限制，不仅可 以在芯片间进行i 0 互连还可以在芯片内进行y o 连接。限制光互连密度主要有 两个因素：对自由空间而言是可分辨的光点尺寸，对波导而言是所要求的波导尺 寸。由于光学的并行性，系统的复杂度与系统的大小关系不大，即系统扩展时系 统的复杂度增加不大。 从传输介质角度光互连技术可分为：自由空间光互连、并行光互连链路和光 波导互连。自由空间光互连由于其三维传输的特性，可用于实现多芯片、插件板 和多处理器之问的光互连 3 1 1 4 】。光波导技术可以为计算机提供光的主板， h o n e y w e l l 技术中心已经演示了用聚合物波导技术实现的两块电路板之间的互 连，互连密度达到每英寸2 5 0 条通道，互连长度接近1 l 英寸，信号速率l g h z 5 。 美国t e x a s 大学和c r a y 研究所共同研究将光波导层与多层印刷电路板做在一 起，设计在5 2 层的印刷电路板上附加一个光波层，在波导上实现高速时钟信号 的传输的h 形分光光路，以解决高速的计算机中要求各个芯片的时钟精确同步 问题 6 。这些波导材料的加工可以利用现有光刻设备和加工工艺，其制作方法 可以像制作印刷电路一样方便。 机群系统属于多计算机系统，它是建立在某种网络结构之上，遵循一定的网 络协议，在并行程序设计及可视化人机交互集成开发环境的支持下，实现大规模 并行计算和处理的一种分布共享存储型多计算机系统，随着高性能的计算机的发 展，出现了以网络连接为结构的计算机机群系统【7 。 机群系统是利用商用p c 机或工作站作为节点，各节点通过消息传递网络互 第一章绪论 连而成的并行计算和处理系统。机群系统由于其高度可扩展性和实用性 8 】，已 经成为高性能并行计算系统的一个重要发展方向 9 1 。 将光互连技术引入机群系统中不仅希望光互连技术可以为机群系统带来高 带宽，而且希望光互连技术灵活的可重构性解决处理器之间的通信协议问题，达 到简化协议管理、减少通信延迟、缓解网络传输瓶颈的目的【1 0 】。在多机系统中， 计算节点之间的传输距离在几米到百米的范围。在这样的互连距离上，光纤互连 可以充分地发挥它地优势。由于机群系统对互连网络的要求是高带宽、低延迟， 所以机群系统的网络性能提高的主要方向就是增加传输速率和带宽，减少网络和 交换器件中的延迟， 1 3m e m s 技术的发展 微电子器件在近代各个工业领域产生着深远的影晌，乃至使整个社会发生根 本的变化。从我们的工作、旅行、通讯到日常使用的产品，无不这样。近年来， 以微电子技术和微细加工技术为基础，在微小型机械制造领域开始了一场新革 命，微细加工技术已经开始转移到机械系统中来。机械基础构件如电机、齿轮、 轴承和弹簧开始微细化，采用半导体技术在硅芯片上集成。这种把电子技术和机 械集成化相结合的商品化产品，称作为微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s m e m s ) 。 表卜lm e m s 技术的应用 m e m s 的特点对光学系统的影响m o e m s 的应用实例 可动装置的微加工精度可运1 0 n m精密对准结构( 连接器，硅材料的光学平台) 型化运动控制精度达i n t o近场光学器件( s n o m ，数据存储器) 真空密封制造微反射波长偏振非槲关器件( j ： ；l 于d w d m 嘲络的设备) 镜高速运动的反射镜( 光学扫描仪) 阵列式微结构具钶可动元件的二维可动反射镜阵列( d m d 显示器，空问光滑制器) 结构阵列微传感器阵列( i r 成像器) 多功能器件的片上光学系统，快速控多功能微光学系统( 集成光学传感器) 集成制大规模点阵器件 m e m s 技术在军事、航天、信息、医学、工业和农业等领域有着广阔的应 用前景，因而它一经出现就受到了世界各国的高度重视，相继投入了大量的人力、 物力开展了对m e m s 器件的研究，表1 1 是m e m s 技术的几种主要应用。目前， 国外m e m s 器件己创造了相当可观的经济效益，预计在未来几年内它将成为新 的经济增长点。最近几年，在m e m s 技术中发展起来了支极具活力的新技术 系统，这就是微光机电系统( m i c r o o p t o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s 、m o e m s ) 。微 第一章绪论 光机电系统是m e m s 技术的一个重要的研究方向，它是由微光学、微电子和微 机械相结合而产生的一种新型的微光学系统。 m e m s 的进程在很大程度上将取决于微细加工技术的先进性。当然，微光 刻是最基本的。m e m s 的制造要求先进的工艺技术，例如高纵横比结构( h i g h a s p e c tr a t i o ) 、三维光刻、平坦化、后步工序和键合对准等。现在，微机械加工工 艺主要分为表面微机械加工、体微机械加工、l i g a ( 采用同步辐射x 射线在专用 丙烯酸类抗蚀剂上曝光图形的微电子机械制造技术) 加工。l i g a 加工工艺的出现 给这种崭新的技术带来前景，扩大了m e m s 技术的能力。 m e m s 的制作除了需用常规微电子工艺外，还需用其它特殊技术，以便形 成微机械结构。m e m s 的设计则必须考虑尺寸效应，因为当线度小到一定程度 时，传统机械的设计理论存在局限性。 现在就来具体的介绍一下这几种微机械) b n q - 技术【1 1 。 1 体微机械技术 体微机械j j l 2 e ( b u l k m i c r o - m a c h i n i n g ) 主要是各向同性腐蚀和基于晶向的各向 异性腐蚀，其优点是工序好、纵横比高、易实现、价格低，但是形状缺乏灵活性。 体微机械技术是最早在生产中得到应用的技术，大多数硅压力传感器的生产均使 用了该技术。该技术是采用化学腐蚀的方法来对硅片进行微机械 ：n q - ，常用的有 各向同性和各向异性两种，各向同性腐蚀液主要有h n a ，各向异性腐蚀液主要 有e d p 、k o h 、n 2 h 4 和t m a h 。用h n a 腐蚀液，其刻蚀特性取决于硅中掺杂 剂的种类和浓度，刻蚀剂的组分比例和对刻蚀液的搅拌速度。它的缺点是选择性 刻蚀差，而且它的横向尺寸不好控制，用得较少，主要作为一种辅助手段加以使 用。e d p 的优点是掩膜方便，是最适合于微机械加工的刻蚀液，选择刻蚀性强， 但腐蚀温度高，腐蚀时易在硅片上产生生成物沉淀而使腐蚀终止且毒性大。k o h 腐蚀温度低、选择比高、毒性小，其刻蚀速度与硅片的晶向关系密切，但存在的 问题是对s i o ：腐蚀过快因此作掩膜时须用s i ，n 。代替s i o ：，h ：n 。存在的问 题是毒性大，腐蚀液挥发性强，对腐蚀容器的密封性要求高。t m a h 是近几年 出现的一种各向异性腐蚀液，它的优点是不含碱金属离子，对s i o ：和s i ，n 。几乎 不腐蚀，是一种非常有前途的各向异性腐蚀液。 2 表面微机械技术 表面微机械 j l ：lt ( s a r f a c em i c r o m a c h i n i n g ) 是用光刻等手段使得硅片表面淀 积或生长的多层薄膜分别具有一定的图案，然后去除某些不需要的薄膜层，从而 形成三维结构，由于主要是对表面的一些薄膜进行的加工，而且形状控制主要采 用平面二维方法，因此被称为表面微机械加工技术，它与i c 有很好的兼容性。 4 第一章绪论 表面微机械技术的基本过程是先在硅片上淀积一层牺牲层材料s i 0 2 ，然后在s i 0 2 层上淀积多晶硅结构，接着再用反应离子刻蚀( r i e ) i 艺刻蚀出新需要的图形， 最届使用s i 0 2 腐蚀液将s i 0 2 腐蚀掉。腐蚀掉牺牲层后，结构材料即自由悬空， 这样可形成各种微机械结构。最终被去掉的薄膜部分被称为牺牲层，而将其去除、 仅保留其余薄膜所形成的结构的过程称为结构释放。牺牲层技术是采用平面构造 技术产生可移动部分的基本技术，利用这种技术不仅可以形成薄膜封闭的空腔， 也可以形成悬桥和悬臂梁，甚至可动的微机械部件。表面微机械技术的腐蚀牺牲 层可分为干法腐蚀牺牲层和湿法腐蚀牺牲层两种。采用干法腐蚀方法的牺牲层材 料有聚酰亚铵和光刻胶，结构材料主要是金属，采用干法腐蚀对片上的其它器件 影响较小，但横向腐蚀尺寸有限，比较难做大尺寸的微机械结构。湿法腐蚀对牺 牲层有很高的选择性，横向腐蚀的尺寸基本没有限制，可在很大范围内获得不同 尺寸的微机械结构，但在腐蚀牺牲层时如何保护其它器件不被腐蚀是个大问题， 目前用得较多的是湿法腐蚀牺牲层。 3 l i g a 技术 l i g a 技术是最近出现的技术，利用l i g a 技术制作的微机械结构，可获得 很大纵横比的平面图形的复杂三维结构，对于宽度仅为数u m 的图形，其高度可 达1 0 0 0 u m 。l t o a 技术包括以下3 个工艺过程 1 2 ：深层同步辐射x 射线光刻， 微电铸工艺( 电铸成形) ，微复制( 注塑) 。具体的基本过程是，采用同步辐射光 源曝光，通常可使厚达1 0 0 u r n 的p m m a ( 甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃) 显影 出很大纵横比的微图形，然后电镀，去掉p m m a 后就可获得很大纵横比的机械 构件。l i g a 在制作很厚的微机械结构方面有其独特的优点，是常规的微电子工 艺所无法替代的，它的出现丰富了m e m s 的内容，使得原来难以实现的微机械 结构能够制作出来，它将会在m e m s 领域发挥重要的作用目前使用l i g a 已 制作出热驱动微继电器、微马达、微执行器、微光学元件以及许多微机械零件。 4 键合技术 由于薄膜淀积技术不适合淀积较厚的结构材料以及复杂的三维微机械结构， 为满足需要和允许制作过程中增加数十至数百微米厚的结构层，通常采用晶片键 合技术，它相当于传统机械加工中的焊接、粘接或紧团的作用。其特点是能牢固 地粘合两种不同材料，对于不同材料应采用不同的键合技术。如硅与硅可以直接 键合，而硅和玻璃就采用阳极键合( 静电键合，是间接键合) ，对硅和金，则需 要共熔，键合后可形成不同的封腔。 硅，硅直接键合技术和硅一玻璃静电键合技术在m e m s 制造中可发挥重要作 用。硅硅直接键合技术早期是为了获得高质量的s o i 硅片而出现的，采用该技 第一章绪论 术可制作出体硅性能s o i 硅片。之后又利用该技术来制造大功率器件，也获得了 较好的结果。它在m e m s 中的应用是从压力传感器开始的，目前已制作出压力、 加速度传感器和微机械谐振器等多种器件。它的最大特点是可实现硅一体化微机 械结构，不存在界面失配问题，有利于提高器件的性能。由于它是采用两硅片来 制作器件，因此在设计时具有很大的灵活性，便于实现复杂的微机械结构。它的 工艺也非常简单，将硅片经过表面处理后贴合在一起，再进行高温处理即可实现 键合。目前关于这一技术的研究正在朝降低键合温度的方向努力，已可在1 2 0 摄 氏度下实现键合。可以肯定，它在m e m s 中的地位越来越重要。 1 ，4 光开关技术的发展 2 0 世纪9 0 年代以来，由于计算机技术、网格技术的快速发展，特别是密集 波分多路复用( d w d m ) 和高速时分多路( t d m ) 光发送技术的采用，使单芯 光纤的容量已增长了几千倍。然而，由于光纤中通讯量的增加，导致了通讯网络 节点处或交汇处的阻塞。传统的光纤通信器件已经不能满足高速通信的要求，特 别是以电为核心的开关逐渐成为瓶颈，而将取而代之的是光开关。d w d m 在城 域网和接入网的应用对具有插分和交换功能的光开关的需要更加迫切，所以今 后高速通信的方向就是发展基于波分复用( d w d m ) 的全光网络，光开关是全光 网通信中的重要器件，其性能对全光网通信的质量具有重要的影响。在光通信网 络中，光开关具有光路选择、多条光纤线路的交叉互连、上下光路、对故障光纤 线路进行旁路等重要功能，因此，光开关是光通信网络中许多设备( 如光插分复 用设备o a d m 、光交叉连接设备o x c 、光交换机、光波长路由器等) 的关键光 器件 1 3 1 ，其响应速度和光损耗将影响通信速度和质量。 表卜2 光开关的分类 1类型原理优点缺点 电光效应光开关利用光电效应改变波导内的开关速度快，集成方便高的偏振相关损耗 折射率和串扰 【热光效应关开关利用加热光波导，改变光波导数字形：对偏振和波长不敏感控制响应时间较长， 的折射率l , l - z 干涉形：开关速度较快开关速度受到限制 1 声光效应光开关在声光介质中传输的光波在可靠性好成本高 超声波作用下会产生衍射和 散射，从而使光路发生转换 i 液泡光开关一个充满液体的通道中前后可靠性较好。频率响应不高 运动的液泡反射或者不反射 光束 传统的光开关大致可以分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关是光纤 或光束作机械运动，使光路发生交换。非机械式光开关又称折射率式光开关，它 6 第一章绪论 是利用电光效应、磁光效应或声光效应来改变波导折射率，使光路发生交换。目 前常用的光开关有如下几种光开关【1 4 ：m e m s 光开关、气泡光丌关、热光效应 光开关、液晶光开关、全息光开关、声光开关、s o a 光开关等。 在光网络中，不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合， 如表卜2 列出了几种常用的光开关的分类比较 1 5 1 6 】。随着新技术的发展，将 有更多类型的光开关出现。 在d w d m ( 密集波分复用) 中，光开关有着比较广泛的应用。例如，光交叉 连接和光交换对开关的要求主要有低损耗( 1 0 d b 以下) 、低串扰( - - 5 0 d b 以下) 、 低开关时间( 几m s 以下) 以及无阻塞运作。一般情况下，机械丌关在插损、隔 离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能，但是它的开关尺寸比较大，丌 关动作时间比较长，一般为几十毫秒到毫秒量级，而且机械丌关不易集成为大规 模的矩阵阵列。对折射率式光开关而言，它的开关速度在毫秒和亚毫秒量级，体 积非常小，两且易于集成为大规模的矩阵开关阵列，但其插损、隔离度、消光比、 偏振敏感性等指标都比较差。而m e m s 光开关利用机械开关的原理，采用m e m s 技术制作出微小而活动的机械系统，但同时又能像折射率式光开关那样集成在单 片硅基底上，因此兼有两者的优点，并同时可以利用集成电路0 c ) 标准工艺进行 规模生产。 基于m e m s 的光开关，由于其与光信号的格式、波长、协议、调制方式、 偏振、传输方向等均无关，而且在损耗、扩展性上都要优于其它类型，与未来光 网络发展所要求的透明性和可扩展性等趋势相符合，有可能成为核心光交换器件 中的主流 1 7 。由于m e m s 技术可以利用类似i c 的工艺成批生产，尽管制造过 程比较复杂，但因可以批量生产，所以降低了单器件的成本。 m e m s 光开关的实现方案很多。1 2 微机械光开关是靠微型电磁铁或压电器 件驱动光纤或反射光的光学元件使其发生机械移动，使光信号改变光纤通道的。 另外，日本一所大学研制了一种用形状记忆合金驱动的移动光纤型m e m s 光开关。它利用在硅片上腐蚀出的v 型稽作为光纤对准槽，形状记忆台余微驱 动器粘在驱动梁上。由于形状记忆合金驱动的频率响应较慢，其开关时间为1 5 s ， 介入损耗2 d b ，串扰大于一6 0 d b ，芯片的尺寸为7 m m 1 8 m m 0 3 m m 。 a t & t 实验室采用m o e m s 技术研制了8 x 8 光开关列阵，而b e l l 实验室则 已将此技术用于全光通信网络。此微机械光开关的尺寸大约为l c m l c m ，每个 输入端口对应一个准直微透镜，每个输出端口对应一个聚焦微透镜，光开关的主 要组成部分是一个8 行8 列的微反射镜矩阵以及每个微反射镜所对应的控制系 统，镜面通过销轴联接该结构是通过表面工艺制备的。通过驱动器使微镜转动 9 0 度，使来自输入光纤的光束反射到所希望的输出光纤中，光开关的开关速度 第一章绪论 为亚毫秒级。这种光开关的插入损耗较大，最大可达1 9 9 d b 。 尽管m e m s 光开关具有很多缺陷，但它们因为成本低，设计简便以及良好 的光学性能而获l u c e n t 等众多公司的推崇，在技术上有了蓬勃发展。北电、阿 尔卡特、j d s 等一些大公司也频频收购或投资开发m e m s 技术的公司，而像 o m m 、i m m 公司这样专注于m e m s 技术的小公司更是举不胜举。 用m e m s 技术制作的微型光开关还处于研究阶段，目前还没有形成产业化 1 1 8 。随着光通信技术的发展，网络带宽的扩大，m e m s 光开关必将成为带宽革 命的先驱，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。 1 5 本文的主要工作 本文的研究目的是利用本课题组开发的基于p c i 总线带宽的网络接口卡和 光开关来实现高带宽、低延迟机群系统的网络性能，提高性能的主要方向就是增 加传输速率和带宽，减少网络和交换器件中的延迟。而本课题所作的工作就是基 于这个方面的。 本文的研究内容是制作8 8 m e m s 光开关和2 2 光开关的驱动电路和进行 光互连网络的传输功能的应用软件设计，通过利用本课题组开发的p c i 全带宽网 络接口卡和光开关来增加传输速率和带宽，减少网络和交换器件中的延迟。从而 实现高带宽、低延迟机群系统的网络性能。 本文的主要工作是： 在文中，第二章主要介绍了利用m e m s 光开关实现高性能光互连网络的总 体构成情况，介绍了网络中各个组成部分所完成的功能，并对网络中的基于p c i 总线带宽的网络接口卡做了具体介绍。 第三章主要介绍了2 2 光开关驱动控制电路的设计和实现，分并口和串口 分别给出了具体的设计思想。同时介绍了m f cc + + 的开发环境和相应的单片机 串行通信方法，根据控制电路所需的控制功能，分别做了相应的软件设计，并给 出了具体的流程图。 第四章主要设计了8 x8 m e m s 光开关驱动控制电路板，并分两个部分做了 具体的介绍：数字电路部分和模拟电路部分。针对光开关和机群光互连网络拓扑 结构特点，设计了光互连网络链路的测试方案。并使用逻辑分析仪和光功率计对 链路进行了测试，同时在对测试的数据结果进行整理的基础上，对链路接口卡在 光网络中的性能进行了理论分析。从链路传输速率、传输距离的角度出发，分析 了系统的性能指标。根据链路在不同传输模式时传输相同字节所用时间的测试结 果，分析了链路中传输模式对数据传输带宽的影响以及在不同传输模式时有效传 输带宽受限的原因，指出了在进行大数据量传输时，链路带宽的变化趋势，同时 第一章绪论 通过计算给出了链路在实际应用中可以达到的最高传输速率。测试了链路传输的 通信延迟。对链路的误码率和传输距离做了具体分析，给出了链路在实际应用中 可以达到的传输距离。 第五章主要讨论了链路接口卡的核心芯片$ 5 9 3 3 的内部结构和实现寄存器控 制的方法，同时介绍了v x d 的软件开发环境和程序设计思想。根据局域光互连网 络传输功能的要求，利用v x d 进行了驱动程序和网络传输调试应用程序的设计。 第六章详细介绍了m e m s 光开关的工作原理，结构及工作方式，并介绍了 m e m s 光开关在光网络中的主要应用。 第七章对本文的主要工作进行了总结，对下一步的工作进行了构想和展望。 9 第二章利用m e m s 光开关实现高性能光互连网络的总体结构 第二章利用m e m 8 光开关实现高性能光互连网络的总体结构 本章主要介绍t n 用m e m s 光开关实现高性能光互连网络的总体构成情况， 介绍了网络中各个组成部分所完成的功能，并对网络中的基于p c i 总线带宽的光 互连链路接口卡做了具体介绍。 2 1 光互连网络的拓扑结构 本文所采用的设计方案是以p c i 总线计算机为结点机利用m e m s 光丌关实 现光互连网络链路。光互连链路采用时分复用技术，实现3 2 b i t s x 3 3 m h z 虚拟并 行传输 1 9 2 0 。以p c i 光互连接口卡及m e m s 光开关构建了光互连局域网络。 千兆光互连接口卡的设计是基于高性脏( 3 3 m h z 时钟，3 2 位并行数据) 计算 机局部总线规范一p c i 总线规范【2 l 】，其基本的设计目标是实现两个系统机总线 之间并行位的全带宽互连 2 2 1 ，即在两个计算机总线之间数据是用与总线相同的 速率进行交换的，用此接口卡可以组成以总线速率通信的多机系统。本文光互连 链路采用的是m e m s ( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 光开关( o p t i c a ls w i t c h ) 作为 交叉开关，进行基于光纤信号的无堵塞连接光交换 2 3 】。 本文所研究机群系统的光互连结构采用动态结构 2 4 ，设计结构如图2 1 所 示。 图2 1 光互连结构图 这个结构的机群系统由8 台节点计算机组成，其数量可以根据光开关接入端 口的多少来调整。每个用户的节点机和光开关之间使用块网络接口卡来进行连 接，即光互连链路接i z l 卡。每块卡有两个光纤接口，分别执行接收和发送的功能。 数据的转发和接收处理都由在接口卡上的硬件电路直接完成。接口卡实际也起到 数据路出作用，当数据包中的地址与本机的地址编码一致时，数据被接收进入 第二章利缚m e m s 光开关实现高性能光五连网络的总体结构 p c i 总线控制器，然后再将数据信息往上传，反之，数据包被转发给其他用户结 点。光开关的作用是连接输入和输出光纤进行信息的交换，这个交换是全光的， 由m e m s 微型镜阵列来完成。光丌关的光纤接口分别连接8 条输入光纤和8 条 输出光纤，微型镜和光纤被排列成平面的形式，这些反射镜可以处在两种状态之 一：开或关。微型镜阵列在完成接通状态的情况下，每面反射镜都把平行光束从 输入光纤引向输出光纤，由此完成了输入和输出端口之间的信号交换。 2 2 光互连链路接口卡 计算机总线的主要用途是在主c p u 和磁盘驱动器、显示器和打印机等外设 之间传送数据。迄今为止出现的计算机总线比较典型的有i s a ，e i s a ，v m e ， v e s a ，p c i 等。接在总线上的外围部件( 如磁盘驱动器、显示卡、网卡等) 是 按地址来区分的，在总线上插入一个外设，就需要给它分配一个地址空间，c p u 才能对它进行操作。p c i 局部总线是一种高性能、3 2 位或6 4 位地址数据线复用 的总线。它的用途是在高度集成的外设控制器器件、扩展板、处理器和存贮器系 统之间提供一种内部联接机制。为了处理数据、寻址、接口控制、仲裁及实现系 统功能，p c i 接口设备需要一个p c i 总线控制器来完成上述功能。 p c i 总线 p c i 总线 p c i 总线接口k 一传输初始化一p c i 总线接口k 一传输初始化一p c i 总线接口 用户接口 一用户接口协议叫用户接口 _ 一用户接口协议一 用户接口 数据路山判断卜一数据传输协议叫数据路由判断卜数据传输协议一数据跆山判断 通信控制协议+ | 一、j 丌柏h 一通信控制协议 光电接口挖制光电接口控制 传输介质 图2 2 光互连链路的物理层通信模型 p c i 总线光互连链路接口卡的设计思想为 2 5 】：在光互连链路中以p c i 总线 的峰值速率传输数据；同时用硬件电路代替软件来完成部分网络协议的功能，减 第二章利用m e m s 光开关实现高性能光互连网络的总体 占构 少网络中由于软件的通信开销对系统总延迟产生的影响。根据这一设计思想，建 立了链路物理层的通信模型 2 6 1 ，如图2 2 所示。 由图可以看出，在链路中完成一次数据传输( 以d m a 传输为例) 的过程为： 发送过程首先在p c i 总线接口完成传输的初始化，包括设置传输的首地址和 传输字节数；之后并行数据经过用户接口提出发送数据的请求，请求被允许后并 行数据进入通信控制芯片，完成并饽转换之后串行数据被发送出去；串行信号 进入光电转换模块由电信号转化为光信号进入传输介质光纤中。接收过程从 光纤中接收到高速的串行信号先进行光电变换，再进行串并转换，之后对并行 数据作路由判断，如果本机为数据的目的结点，则数据被接收，并行信号经过用 户接口进入p c i 总线接口。转发过程从光纤中接收到高速的串行信号先进行 光电变换，再进行串并转换，之后对并行数据作路由判断，如果本机不是数据 的目的结点，则数据被转发，返回作并串转换，经过光电收发模块重新进入链 路传输到下一个结点。 在以上的传输过程中，只有“传输初始化”部分用软件实现，其他均由硬件 电路来完成，最大限度地降低了网络通讯开销。 p c i 总线光互连链路接口卡的设计是基于p c i 总线规范，其基本的设计目标 是实现两个系统机总线之间并行位的全带宽互连。由于p c i 总线中传输的是 3 2 b i t 3 3 m h z 的数据，要在光纤链路中实现p c i 总线的峰值传输速率则必须将 用户接口的数据速率提升为6 6 m h z ，同时传输并行的1 6 b i t 数据。为了实现这一 目的，需要将p c i 总线控制器中传输的3 3 m h z 3 2 b i t 数据与光纤链路中虚拟的 6 6 m h z 1 6 b i t 数据在接口卡中完成数据的复用与解复用转换，其原理如图2 _ 3 所示。 g i g a - b i ts e r i a le l e