ĐỀ TÀI CHUYỂN MẠCH QUANG

LÀ TÀI LIỆU HAY ĐẦY ĐỦ VÀ CHI TIẾT.MỌI THẮC MẮC LIÊN HỆ TRANQUANG140894@GMAIL.COM

Giới thiệu

 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

6/12/2013

4

 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

=> 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

6/12/2013

6

 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

 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

6/12/2013

8

Kiến trúc chuyển mạch MEMS

1 Giới thiệu

 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

Kiến trúc chuyển mạch MEMS

1 Giới thiệu

6/12/2013

10

 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

Kiến trúc chuyển mạch MEMS

1 Giới thiệu

 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)

Kiến trúc chuyển mạch MEMS

1 Giới thiệu

6/12/2013

12

 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

Kiến trúc chuyển mạch MEMS

1 Giới thiệu

 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

Kiến trúc chuyển mạch MEMS

2 Cấu tạo

6/12/2013

14

 Vi gương có thể được điều khiển theo cơ chế số

hoặc tương tự như minh họa trong hình vẽ:

Kiến trúc chuyển mạch MEMS

2 Cấu tạo

 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

Kiến trúc chuyển mạch MEMS

2 Cấu tạo

6/12/2013

16

 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

Kiến trúc chuyển mạch MEMS

2 Cấu tạo

 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

Kiến trúc chuyển mạch MEMS

Loại Chuyển mạch quang MEMS một chiều

Chuyển mạch quang MEMS hai chiều

Chuyển mạch quang MEMS ba chiều

Chuyển mạch quang MEMS 1chiều

 Kiến trúc cơ bản của một trường

chuyển mạch quang MEMS một chiều được minh họa trong

hình bên:

6/12/2013

20

 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

Chuyển mạch quang MEMS 1chiều

 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

Chuyển mạch quang MEMS 1chiều

6/12/2013

22

 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

6/12/2013

24

Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều

 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

Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều

6/12/2013

26

 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

Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều

Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều

6/12/2013

28

Chuyển động của gương và ảnh matrix 16x16 <=> 256 vi gương

Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều

Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều

6/12/2013

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

Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều

6/12/2013

32

 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:

Chuyển mạch quang MEMS 3 chiều

6/12/2013

34

Chuyển mạch quang MEMS 3 chiều

Chuyển mạch quang MEMS 3 chiều

 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

6/12/2013

36

Chuyển mạch quang MEMS 3 chiều

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

Chuyển mạch quang MEMS 3 chiều

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

6/12/2013

38

Chuyển mạch quang MEMS 3 chiều

 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

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

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

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

Kết Luận