摘 要

近些年来，互联网和多媒体正在越来越多地依赖光纤通信网络，网络的数据量呈指数级增涨，光纤网络中的光信息交换越来越频繁。光纤切换系统在光交换场景中扮演着重要角色，其拥有多个输入输出可选传输窗口，可在多路输入输出光纤之间构建新的光交换链路，实现光纤网络光信号的交叉连接。

本文对多进多出光纤切换系统进行了理论研究分析、系统方案设计。论文的主要内容如下：

介绍了当下主流的两种光纤切换系统原理：光开关阵列技术和多播光开关技术。分析比较了两者的特性，拟定以多播光开关技术为基础设计机械式8×8光纤切换系统。

设计光纤切换系统1×8光开关结构，选择舵机为驱动装置，带动三棱镜旋转将指定输入光纤光信号反射至指定输出光纤。对比分析光路耦合元件，选择非球面透镜对光纤出射光及接收光的进行准直与汇聚，提高光路耦合效率，减小传播损耗。完成了光开关的三维建模与整体装配。

对其控制系统进行软件设计，包括上位机和下位机的开发。下位机以STM32为主控制器，控制8路舵机按指令转动；上位机为基于MFC开发的对话框界面，方便用户输入控制指令操控下位机实现相应动作。最后对上下位机进行联合调试测试控制系统性能，满足设计要求。

关键词：光纤切换；光路耦合；光开关；STM32；上位机

Abstract

In recent years, the Internet and the multimedia applications are increasingly relying on optical fiber communication networks. The traffic of network is rapidly expanding at an exponential rate, and the exchange of optical information in optical fiber networks has become more and more frequent. The optical fiber switching system plays an important role in the optical switching scenario. It has multiple input and output optional transmission windows, which can build a new optical switching link between multiple input and output fibers to realize the cross connection of optical signals in the optical fiber network.

In this paper, the theoretical research and analysis and system scheme design of the multi-input multi-output optical fiber switching system are carried out. The main content of the paper is as follows:

Introduce the principles of two mainstream fiber switching systems: optical switch array technology and multicast optical switch technology. Analyzing and compare the characteristics of the them, and then design a mechanical 8 × 8 optical fiber switching system based on the principle of multicast optical switch.

Design the 1 × 8 optical switch structure of the optical fiber switching system, select the servo as the driving device, drive the prism to rotate, and reflect the optical signal of the specified input fiber to the specified output fiber. By comparing and analyzing the optical path coupling elements, an aspheric lens is selected to collimate and converge the outgoing light and the received light of the optical fiber to improve the optical path coupling efficiency and reduce the loss. Completing the 3D modeling and overall assembly of the optical switch.

Design its software control system, including the development of host computer and lower computer. The lower computer uses STM32 as the main controller to control the 8 servos to rotate as required; the host computer is a dialog interface developed based on MFC, which is convenient for users to input control instructions to control the lower computer to achieve corresponding actions. Finally, I debug the upper and lower computers to test the performance of the control system, the result meet the design requirements.

Key Words: Fiber switching；Optical coupling；Optical switch；STM32；Host computer

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 光纤切换系统国内外研究现状 1

1.2.1 光开关阵列法 1

1.2.2 多播光交换法 2

1.3 本文研究内容与安排 3

第2章 总体方案设计 5

2.1 模式选择 5

2.2 光分路器选择 5

2.3 1×8光开关设计 6

2.3.1 光开关类型与选择 6

2.3.2 驱动部件选择 7

2.3.3 光路耦合元件选择 8

2.3.4 机械式光开关结构设计 10

第3章 下位机设计 13

3.1 硬件系统设计 13

3.1.1 MCU模块 13

3.1.2 电源模块 14

3.1.3 舵机接口模块 14

3.1.4 通信模块 14

3.2 软件系统设计 15

3.2.1 功能分析及主程序流程 15

3.2.2 串口通信模块 16

3.2.3 多路PWM生成模块 19

第4章 上位机界面设计 23

4.1 MFC简介 23

4.2 功能需求分析 23

4.3 界面设计与实现 23

第5章 控制系统调试 25

第6章 总结与展望 27

6.1 总结 27

6.2 展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

在通信网络中，经常会有大量的数据交换。在过去，电交换是数据交换的主流方式。随着网络数据交换量的激增，电交换的时延、耗能等缺点愈发明显。光纤通信由于其容量大、损耗低、抗电磁干扰，保密性好等特点，并且随着光纤放大器（EDFA）技术的出现和成熟，密集波分复用（WDM）技术逐渐从实验室走向市场，以光交换为主体的光纤通信已经成为现代通信网络的基础平台。

光纤切换系统是光纤通信网络的重要设备，在光纤网络智能选择切换中起着举足轻重的作用：快速有效的实现光网络的快速重构，方便输入光纤与输出光纤之间的光路快速对接，实现网络间信息的快速交换与路由选择。光纤切换系统无需对光进行光-电-光转化，信号“透明”，十分适合未来的高速大容量数据传输交换。

随着互联网和光纤通信技术的高速发展，光纤切换系统的需求和性能要求也会越来越高。同时光纤切换系统的性能的优化提升，光纤通信技术也将变得更加成熟。

1.2 光纤切换系统国内外研究现状

光纤切换系统一般由光开关及其阵列组成，光开关可对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作，从而将光信号送往不同的目的端^[1]。多进多出光纤切换系统的原理为在输入光纤阵列与输出光纤阵列之间构建光交换矩阵对光纤出射光路进行交叉连接。其原理图如图1.1所示。目前光纤切换系统实现主要有两大方式，一种为在输入输出光纤之间构建光开关阵列，另一种为多播光交换技术。