Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS

CHUYỂN MẠCH QUANG
GVHD : ThS.VŨ NGỌC CHÂM
NHÓM 10 : Phạm Văn Đạt
Nghiêm Xuân Hưng
Nguyễn Tiến Thoáng
Phan Hoàng Linh
BÀI THUYẾT TRÌNH
ĐỀ TÀI
6/11/20131

I
• Giới thiệu
chuyển
mạch
quang
II
• Kiến trúc
chuyển
mạch
quang
MEMS
III
• Kết luận
Nội Dung
6/11/20132

Sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ mạng băng
rộng là động lực thúc đẩy sự phát triển của mạng
quang thế hệ kế tiếp dựa trên nền tảng các công nghệ
ghép kênh phân chia bước sóng (xWDM).
Trong tiến trình quang hóa mạng truyền thông, các
nối chéo quang OXC (Optical Cross-connects) với
chức năng chuyển mạch tuyến quang là công nghệ
quan trọng cốt lõi cho phép tăng cường khả năng đáp
ứng của mạng với các biến động lưu lượng và tối ưu
cấu hình mạng.
Giới thiệu
6/11/20134

Trên thực tế, hầu hết các OXC hiện nay đang sử
dụng lõi chuyển mạch điện và các chuyển đổi
quang-điện/điện-quang (OE/EO) ở giao diện vào
và ra của trường chuyển mạch.
Khi nhu cầu tốc độ dữ liệu tăng cao, do các hạn
chế về tốc độ xử lý trong miền điện, các OXC
này trở lên cồng kềnh, phức tạp, hạn chế về
dung lượng, tiêu thụ nguồn lớn và giá thành đắt
đỏ.
Giới thiệu
6/11/20135

=> Vì vậy, nhằm đáp ứng khả năng nâng cấp tốc
độ dữ liệu và triển khai các giao thức mới trong
tương lai, các OXC toàn quang sẽ dần thay thế cho
các OXC với lõi chuyển mạch điện.
Các OXC toàn quang ứng dụng chuyển mạch
trong miền quang với khả năng định
tuyến/chuyển mạch tín hiệu dữ liệu quang mà
không cần đến các chuyển đổi OE/EO, do đó,
cho phép chuyển mạch độc lập với tốc độ dữ
liệu và giao thức dữ liệu với độ tin cậy cao, ít
tiêu tốn nguồn.
Giới thiệu
6/11/20136

Trong số các công nghệ chuyển mạch quang
đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển
ứng dụng nhằm hiện thực hóa các OXC toàn
quang, công nghệ chuyển mạch quang MEMS,
nổi lên là công nghệ hàng đầu và khả dụng nhất
về phương diện thương mại ở thời điểm hiện tại.
Công nghệ chuyển mạch quang MEMS cho
phép thực hiện chuyển mạch độc lập với bước
sóng với số lượng cổng vào/ra đạt được lớn hơn
nhiều so với các công nghệ khác.
Giới thiệu
6/11/20137

MEMS viết tắt của từ Micro-ElectroMechanical
Systems có nghĩa là hệ thống vi cơ điện. Chúng
có kích thước micro.
Thiết bị MEMS là một mạch tích hợp các cấu
trúc vi cơ khí, các bộ cảm biến với các phần tử
điện tử và sử dụng lực truyền động tĩnh điện, từ
trường hoặc nhiệt để dịch chuyển và điều khiển
các phần tử thành phần theo yêu cầu.
Kiến trúc chuyển mạch MEMS
1. Giới thiệu
6/11/20138

1. Giới thiệu
6/11/20139

Về nguyên lý, các hệ thống chuyển mạch
quang MEMS có thể phân thành hai loại khác
nhau theo cơ chế điều khiển sóng ánh sáng là
chuyển mạch quang sử dụng cơ chế phản xạ
hoặc khúc xạ và chuyển mạch quang sử dụng cơ
chế nhiễu xạ hoặc giao thoa.
1. Giới thiệu
6/11/201310

Trong loại thứ nhất, các thiết bị thực hiện chức năng
chuyển mạch bằng cách điều khiển mật độ hoặc
hướng truyền dẫn của luồng ánh sáng thông qua các
cấu trúc phản xạ hoặc khúc xạ.
Đối với loại thứ hai, chức năng chuyển mạch hay
điều khiển hướng được thực hiện nhờ vào các hiệu
ứng nhiễu xạ hoặc giao thoa trong đó sử dụng các
chuyển động cơ học để điều chỉnh pha của ánh
sáng.
1. Giới thiệu
6/11/201311

Trong đó hệ thống chuyển mạch quang MEMS
điều chỉnh hướng đi của luồng ánh sáng (có thể
bao gồm một bước sóng hay một nhóm các bước
sóng) theo hướng yêu cầu bằng cơ chế phản xạ
thông qua các phần tử chuyển mạch là các
gương kích thước rất nhỏ (vi gương).
1. Giới thiệu
6/11/201312

Cách thức tổ chức phối ghép các vi gương trong
trường chuyển mạch là yếu tố quyết định đến
các đặc tính của mỗi trường chuyển mạch
quang MEMS.
1. Giới thiệu
6/11/201313

Cấu trúc hệ thống CM quang MEMS bao gồm
các phần tử chuyển mạch quang là các vi gương
và các thấu kính/cách tử có khả năng điều
chỉnh hướng đi của luồng sáng từ đầu vào đến
đầu ra yêu cầu của trường chuyển mạch.
Đặc tính của các vi gương phụ thuộc vào chất
liệu chế tạo gương: silic đa tinh thể (polysilicon)
hoặc silic đơn tinh thể.
2. Cấu tạo
6/11/201314

Vi gương có thể được điều khiển theo cơ chế số
hoặc tương tự như minh họa trong hình vẽ:
2. Cấu tạo
6/11/201315

Trong các hệ thống chuyển mạch quang MEMS sử
dụng cơ chế điều khiển số, các phần tử vi gương đã
được cố định hướng và vị trí vi gương chỉ ở một
trong hai trạng thái: bật (ON-chèn vào đường đi của
luồng sáng) hoặc tắt (OFF-không tác động đến
luồng sáng) => dễ dàng điều khiển. Mỗi đầu vào
chuyển mạch yêu cầu một dãy N vi gương nghiêng
450 so với hướng ánh sáng vào trường chuyển mạch
tương ứng với N đầu ra chuyển mạch.
2. Cấu tạo
6/11/201316

Đối với các hệ thống sử dụng cơ chế điều khiển
tương tự, các phần tử vi gương có khả
năng điều chỉnh được góc nghiêng so với
hướng ánh sáng tới và các vi gương này được
đặt cố định trên đường di chuyển của luồng
sáng.
2. Cấu tạo
6/11/201317

Đối với các hệ thống sử dụng cơ chế điều khiển
tương tự, các phần tử vi gương có khả
năng điều chỉnh được góc nghiêng so với
hướng ánh sáng tới và các vi gương này được
đặt cố định trên đường di chuyển của luồng
sáng.
2. Cấu tạo
6/11/201318

Kiến trúc chuyển mạch MEMS3.PhânLoại
Chuyển mạch quang MEMS một chiều
Chuyển mạch quang MEMS hai chiều
Chuyển mạch quang MEMS ba chiều
6/11/201319

Chuyển mạch quang MEMS 1chiều
Kiến trúc cơ
bản của một
trường
chuyển
mạch quang
MEMS một
chiều được
minh họa
trong
hình bên:
6/11/201320

Hoạt động: Luồng ánh sáng cần chuyển mạch rời
mảng sợi quang đầu vào được chuẩn trực bằng hệ
thống thấu kính hướng đến phần tử tán sắc. Tín
hiệu DWDM đầu vào đến phần tử tán sắc (cách tử)
sẽ được phân tách thành các bước sóng thành phần.
Mỗi bước sóng sau đó được truyền đến một vi
gương MEMS tương ứng để được điều chỉnh
hướng phản xạ phù hợp nhằm đến được sợi quang
đầu ra theo yêu cầu và được kết hợp với các bước
sóng khác thông qua phần tử tán sắc.
6/11/201321

NX: Kích thước của trường chuyển mạch tỉ
lệ tuyến tính với số lượng kênh bước sóng
quang. Điều này giúp giảm kích thước thiết
bị, giá thành và công suất tiêu thụ so với các
công nghệ chuyển mạch ứng dụng MEMS
khác.
6/11/201322

Một mảng hai chiều của các vi gương
chuyển mạch sắp xếp theo cấu hình ngang
dọc được dùng để định hướng ánh sáng
từ các sợi quang đầu vào đến các sợi quang
đầu ra tương ứng của trường chuyển mạch:
Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều
6/11/201324

6/11/201325

Ưu điểm của kiến trúc chuyển mạch
quang MEMS hai chiều là vi gương chỉ
có hai trạng thái (đóng hoặc mở), điều này
nghĩa là trạng thái của vi gương được điều
khiển dạng logic số nên việc điều khiển là rất
dễ dàng.
6/11/201326

Hoạt động: Trong trường chuyển
mạch quang MEMS hai chiều, luồng sáng chuyển
mạch được chuẩn trực và truyền song song với mặt
phẳng nền của mảng vi gương. Khi kích hoạt một
gương nằm trên hàng tương ứng với đầu vào của
luồng sáng, nó chuyển động cắt vào đường đi của ánh
sáng và định hướng ánh sáng đến đầu ra tương ứng
với cột chứa vi gương, khi đó vi gương tạo một góc
450 so với hướng đến của luồng sáng. Bộ add & drop
để thêm hoặc bớt kênh quang.
6/11/201327

6/11/2013
28
Chuyển động của gương và ảnh matrix 16x16 <=> 256 vi gương

6/11/2013
29

6/11/2013
30
Trường CM 16x16 với 32 sợi quang

Nhược điểm: Quãng đường dịch chuyển của luồng
sáng qua trường chuyển mạch biến thiên phụ thuộc
vào vị trí cổng vào/ra => suy hao qua trường chuyển
mạch. Số lượng vi gương tăng lên dưới dạng bình
phương của số lượng cổng vào/ra, kích thước của
chuyển mạch quang MEMS 2D bị giới hạn vào
khoảng 32x32 hoặc 1024 vi gương. Các yếu tố chính
tạo ra sự giới hạn này là kích thước của chíp và
khoảng cách tuyến ánh sáng phải truyền qua không
gian tự do trong trường chuyển mạch và sự biến
thiên suy hao từ cổng vào đến cổng ra. 6/11/201331

Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS ba chiều
được xây dựng bằng cách sử dụng 2 mảng vi
gương.
Trong kiến trúc này, độ nghiêng của vi gương
MEMS có thể điều khiển được theo không gian
tự do ba chiều nhờ cấu trúc khung cơ khí với
hai trục quay vuông góc. Cấu hình cơ bản của
một chuyển mạch quang MEMS ba chiều và
cấu trúc của vi gương:
6/11/201333

6/11/201334

6/11/201335
Cũng giống như trong kiến trúc chuyển mạch
quang MEMS hai chiều, chuyển mạch quang
MEMS ba chiều thực hiện chuyển mạch toàn bộ
luồng sáng tới (có thể là một bước sóng hoặc
một nhóm các bước sóng) từ sợi quang đầu vào
đến sợi quang đầu ra theo yêu cầu => Vì vậy, cả
hai kiến trúc này đều yêu cầu các bộ tách/ghép
kênh bước sóng quang độc lập với trường
chuyển mạch.

6/11/201336
Hoạt động thiết lập kết nối chuyển mạch qua
trường chuyển mạch quang ba chiều được thực
hiện bằng cách điều khiển nghiêng hai vi gương
tương ứng một cách độc lập để định hướng ánh
sáng từ đầu vào tới đầu ra được yêu cầu.

6/11/201337
Ưu điểm: Kiến trúc chuyển mạch này phù hợp
để chế tạo các trường chuyển mạch cỡ lớn
với số lượng cổng vào/ra lên đến hàng ngàn.
Đặc biệt là kiến trúc chuyển mạch này đảm
bảo suy hao xen thấp và đồng nhất, ít phụ
thuộc bước sóng dưới các điều kiện hoạt động
khác nhau. Độ suy giảm của tỷ lệ tín hiệu trên
nhiễu SNR đối với tín hiệu quang qua trường
chuyển mạch, tham số chủ yếu bị gây ra do
xuyên âm, suy hao phụ thuộc phân cực và tán
sắc/tán sắc phân cực, là nhỏ nhất.

6/11/201338
Nhược điểm: NSX cần phải thiết kế thiết bị với số
lượng vi gương lớn hơn so với số lượng thực tế yêu
cầu trong khi việc kết hợp số lượng lớn các vi
gương, kiểm tra và định chuẩn cho các phần tử
chuyển mạch cần rất nhiều thời gian để hoàn
thành. Mặt khác, chuyển mạch quang MEMS ba
chiều còn yêu cầu hệ thống điều khiển vòng kín
phức tạp với độ chính xác cao để điều khiển các vi
gương và mỗi gương lại đòi hỏi hệ thống điều khiển
riêng rẽ nên giải pháp này có xu hướng trở nên đắt
đỏ, yêu cầu kích thước thiết bị lớn hơn và tiêu thụ
nhiều nguồn hơn.

6/11/201339
So sánh CN chuyển mạch quang

Hiện nay, công nghệ quang MEMS đang nhận được sự
quan tâm đặc biệt và cho phép hiện thực hóa các hệ
thống chuyển mạch toàn quang.
Công nghệ chuyển mạch quang MEMS có khả năng cho
phép chế tạo trường chuyển mạch cỡ lớn độc lập với
bước sóng, tiêu thụ điện năng ít, độ tin cậy cao, suy
hao xen thấp và dễ dàng nâng cấp với chi phí hợp lý.
Bên cạnh các chuyển mạch quang, công nghệ MEMS
quang còn đang được tập trung nghiên cứu và phát triển
ứng dụng cho nhiều thiết bị quang khác như bộ suy giảm
quang biến đổi được, laser khả chỉnh hay các bộ lọc
quang điều chỉnh được,... 6/11/201340
Kết Luận

Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Destaque

Destaque (12)

Semelhante a Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS

Semelhante a Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS (20)

Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS

Notas do Editor