CHUYỂN MẠCH- BỘ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG

ĐỀ TÀI BÁO CÁO: CHUYỂN MẠCH- BỘ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG TÊN HỌC PHẦN: KĨ THUẬT HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG MÃ HỌC PHẦN: DTV4223.001 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: VƯƠNG QUANG PHƯỚC NHÓM PHAN VĂN TƯỜNG THÁI CÔNG THÀNH LUÂN A-RẤT NHIỆT HUẾ, THÁNG 10 NĂM 2021 I. SWITCH. 1 1. Chuyển mạch quang lớn 5 Số lượng phần tử chuyển mạch yêu cầu. 5 Mất độ đồng đều.. 6 Số lượng giao nhau.. 6 Khối đặc trưng. 6 Crossbar 8 Clos 10 Spanke 11 Benes 13 Spanke-Benes 14 2. Công nghệ chuyển mạch quang 15 Chuyển mạch cơ số lượng lớn 15 Hệ thống chuyển mạch cơ điện vi mô (MEMS) 17 Bubble-Based Waveguide Switch 21 Chuyển mạch tinh thể lỏng 22 Chuyển mạch điện quang 23 Chuyển mạch nhiệt quang 24 Bộ chuyển mạch Khuếch đại quang bán dẫn 25 3. Chuyển mạch điện tử lớn 25 II. Bộ chuyển đổi bước sóng 27 1. Phương pháp quang điện tử 29 2. Hệ thống quang học. 31 3. Kỹ thuật giao thoa 32 4. Trộn sóng. 36 I. SWITCH. Switch hay còn gọi là thiết bị chuyển mạch, là một thiết bị dùng để kết nối các đoạn mạng với nhau theo mô hình mạng hình sao (star). Theo mô hình này, switch đóng vai trò là thiết bị trung tâm, tất cả các máy tính đều được nối về đây. Bộ chuyển mạch quang được sử dụng trong mạng quang cho nhiều ứng dụng khác nhau. Các ứng dụng khác nhau yêu cầu thời gian chuyển đổi và số lượng cổng chuyển đổi khác nhau, như được tóm tắt trong Bảng 3.3. Ứng dụng Thời gian chuyển mạch Số lượng cổng Cung cấp 1-10 ms > 1000 Chuyển mạch bảo vệ 1-10 ms 2-1000 Chuyển mạch gói 1 ns > 100 Điều chế bên ngoài 10 ps 1 Bảng 3.3 Các ứng dụng cho chuyển mạch quang và yêu cầu về thời gian chuyển mạch và số cổng của chúng. Một ứng dụng của bộ chuyển mạch quang là cung cấp những quỹ đạo ánh sáng. Trong ứng dụng này, các công tắc được sử dụng bên trong các kết nối chéo bước sóng để định cấu hình lại chúng để hỗ trợ các quỹ đạo ánh sáng mới. Trong ứng dụng này, các công tắc được thay thế cho các tấm vá bằng sợi thủ công, nhưng với phần mềm được bổ sung đáng kể cho quản lý mạng quy trình đầu cuối, một chủ đề mà chúng ta sẽ trình bày chi tiết trong Chương 9 và 10. Do đó, đối với ứng dụng này, các chuyển mạch với thời gian chuyển đổi miligiây là có thể chấp nhận được. Thách thức ở đây là nhận ra kích thước chuyển mạch lớn. Một ứng dụng quan trọng khác là chuyển mạch bảo vệ, chủ đề của Chương 10. Ở đây, các chuyển mạch được sử dụng để chuyển luồng lưu lượng từ một sợi sơ cấp sang một sợi quang khác trong trường hợp sợi sơ cấp bị lỗi. Toàn bộ hoạt động thường phải được hoàn thành trong vài chục mili giây, bao gồm thời g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA: ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

ĐỀ TÀI BÁO CÁO: CHUYỂN

MẠCH-BỘ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG

TÊN HỌC PHẦN: KĨ THUẬT HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

MÃ HỌC PHẦN: DTV4223.001 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: VƯƠNG QUANG PHƯỚC

NHÓM

PHAN VĂN TƯỜNG THÁI CÔNG THÀNH LUÂN A-RẤT NHIỆT

HUẾ, THÁNG 10 NĂM 2021

MỤC LỤC

I SWITCH.

Switch hay còn gọi là thiết bị chuyển mạch, là một thiết bị dùng để kết nối các đoạn mạng với nhau theo mô hình mạng hình sao (star) Theo mô hình này, switch đóng vai trò là thiết bị trung tâm, tất cả các máy tính đều được nối về đây.

Bộ chuyển mạch quang được sử dụng trong mạng quang cho nhiều ứng dụngkhác nhau Các ứng dụng khác nhau yêu cầu thời gian chuyển đổi và số lượngcổng chuyển đổi khác nhau, như được tóm tắt trong Bảng 3.3

Ứng dụng Thời gian chuyển mạch Số lượng cổng

Bảng 3.3 Các ứng dụng cho chuyển mạch quang và yêu cầu về thời gian chuyển

mạch và số cổng của chúng

Một ứng dụng của bộ chuyển mạch quang là cung cấp những quỹ đạo ánh sáng.Trong ứng dụng này, các công tắc được sử dụng bên trong các kết nối chéo bướcsóng để định cấu hình lại chúng để hỗ trợ các quỹ đạo ánh sáng mới Trong ứngdụng này, các công tắc được thay thế cho các tấm vá bằng sợi thủ công, nhưngvới phần mềm được bổ sung đáng kể cho quản lý mạng quy trình đầu cuối, mộtchủ đề mà chúng ta sẽ trình bày chi tiết trong Chương 9 và 10 Do đó, đối vớiứng dụng này, các chuyển mạch với

thời gian chuyển đổi miligiây là có thể chấp nhận được Thách thức ở đây lànhận ra kích thước chuyển mạch lớn

Một ứng dụng quan trọng khác là chuyển mạch bảo vệ, chủ đề của Chương 10

Ở đây, các chuyển mạch được sử dụng để chuyển luồng lưu lượng từ một sợi sơcấp sang một sợi quang khác trong trường hợp sợi sơ cấp bị lỗi Toàn bộ hoạtđộng thường phải được hoàn thành trong vài chục mili giây, bao gồm thời gianphát hiện lỗi, thông báo lỗi cho các phần tử mạng thích hợp xử lý chuyển mạch

và thời gian chuyển mạch thực tế Do đó, thời gian chuyển đổi cần thiết theo thứ

tự vài mili giây Có thể có nhiều kiểu chuyển mạch bảo vệ khác nhau và dựa trên

sơ đồ được sử dụng, số lượng cổng chuyển mạch cần thiết có thể thay đổi từ haicổng đến vài trăm đến hàng nghìn cổng khi được sử dụng trong kết nối chéo bộchuyển mạch bước sóng

Bộ chuyển mạch cũng là thành phần quan trọng trong mạng chuyển mạch góiquang tốc độ cao Trong các mạng này, bộ chuyển mạch được sử dụng đểchuyển tín hiệu trên cơ sở từng gói Đối với ứng dụng này, thời gian chuyểnmạch phải nhỏ hơn nhiều so với thời lượng gói và sẽ cần các bộ chuyển mạchlớn Ví dụ, một gói 53 byte (một ô trong mạng ATM) ở tốc độ 10 Gb/s dài 42 ns,

vì vậy thời gian chuyển mạch cần thiết để hoạt động hiệu quả là theo thứ tự vàinano giây Chuyển mạch gói quang vẫn còn sơ khai và là chủ đề của Chương 12.Tuy nhiên, một công dụng khác của chuyển mạch là như bộ điều biến bên ngoài

để bật và tắt dữ liệu trước nguồn laser Trong trường hợp này, thời gian chuyểnmạch phải là một phần nhỏ của thời lượng bit Vì vậy, một bộ điều chế bênngoài cho tín hiệu 10 Gb / s (với thời lượng bit là 100 ps) phải có thời gianchuyển mạch (hoặc tương đương, thời gian tăng và giảm) khoảng 10 ps

Ngoài thời gian chuyển mạch và số lượng cổng, các thông số quan trọng khácđược sử dụng để mô tả tính phù hợp của bộ chuyển mạch đối với các ứng dụngmạng quang là:

- Tỷ số tắt của chuyển mạch bật-tắt là tỷ số giữa công suất đầu ra ở trạngthái bật và công suất đầu ra ở trạng thái tắt Tỷ lệ này phải càng lớn càngtốt và đặc biệt quan trọng trong các bộ điều chế bên ngoài Trong khi cáccông tắc cơ học đơn giản có tỷ lệ tắt là 40-50 dB, thì các bộ điều chế tốc

độ cao bên ngoài có xu hướng có tỷ lệ tắt là 10-25 dB

- Suy hao chèn của chuyển mạch là phần công suất (thường được biểu thịbằng đơn vị) bị mất đi do sự hiện diện của chuyển mạch và phải càng nhỏcàng tốt Một số chuyển mạch có các tổn hao khác nhau đối với các kếtnối đầu vào-đầu ra khác nhau Đây là một tính năng không mong muốn vì

nó làm tăng phạm vi động của các tín hiệu trong mạng Với các thiết bị

chuyển mạch như vậy, chúng ta có thể cần phải bao gồm các bộ suy giảmquang học thay đổi để cân bằng tổn thất trên các đường dẫn khác nhau.Tính đồng nhất của tổn thất này được xác định chủ yếu bởi kiến trúc được

sử dụng để xây dựng bộ chuyển mạch, chứ không phải bản thân côngnghệ vốn có, như chúng ta sẽ thấy trong một số ví dụ dưới đây

- Chuyển mạch không lý tưởng Ngay cả khi đầu vào x được kết nối danhnghĩa với đầu ra y, một số công suất từ đầu vào x có thể xuất hiện ở cácđầu ra khác Đối với một trạng thái chuyển mạch hoặc kiểu kết nối và đầu

ra nhất định, nhiễu xuyên âm là tỷ số giữa công suất tại đầu ra đó từ đầuvào mong muốn với công suất từ tất cả các đầu vào khác Thông thường,nhiễu xuyên âm của một chuyển mạch được định nghĩa là xuyên âm trongtrường hợp xấu nhất trên tất cả các đầu ra và các mẫu kết nối

- Cũng như các thành phần khác, thiết bị chuyển mạch phải có suy hao phụthuộc phân cực (PDL) thấp Khi được sử dụng làm bộ điều biến bênngoài, sự phụ thuộc phân cực có thể được chấp nhận vì công tắc được sửdụng ngay sau laser và trạng thái phân cực đầu ra của laser có thể đượckiểm soát bằng cách sử dụng một sợi quang bảo vệ phân cực đặc biệt đểghép ánh sáng từ laser vào thiết bị ngoại vi- bộ điều chế bên ngoài

- Chuyển mạch chốt duy trì trạng thái chuyển mạch của nó ngay cả khichuyển mạch bị tắt nguồn Đây là một tính năng đáng mong đợi vì nó chophép lưu lượng truy cập được truyền qua bộ chuyển mạch ngay cả trongtrường hợp mất điện

- Chuyển mạch cần có khả năng đọc trong đó trạng thái hiện tại của nó cóthể được giám sát Điều này quan trọng để xác minh rằng các kết nối phùhợp được thực hiện thông qua chuyển mạch

- Độ tin cậy của chuyển mạch là một yếu tố quan trọng trong các thiết bịviễn thông Cách phổ biến để thiết lập độ tin cậy là chuyển mạch qua cáctrạng thái khác nhau của nó một lượng lớn có thể là vài triệu chu kỳ Tuynhiên, trong các ứng dụng chuyển đổi cung cấp và bảo vệ được thảo luận

ở trên, chuyển mạch vẫn ở một trạng thái trong một thời gian dài, thậmchí một vài năm, và sau đó được kích hoạt để thay đổi trạng thái Vấn đề

về độ tin cậy ở đây là liệu chuyển mạch có thực sự chuyển đổi sau khi nókhông được tác động trong một thời gian dài hay không Thuộc tính nàykhó thiết lập hơn nếu không có lịch sử triển khai lâu dài.

1 Chuyển mạch quang lớn

Các bộ chuyển mạch với số cổng từ vài trăm đến vài nghìn đang được các nhàmạng tìm kiếm cho các mạng thế hệ tiếp theo của họ Giả sử rằng một vănphòng trung tâm xử lý nhiều sợi, với mỗi sợi mang vài chục đến hàng trăm bướcsóng, có thể dễ dàng hình dung sự cần thiết của các bộ chuyển mạch quy mô lớn

để cung cấp và bảo vệ các bước sóng này Chúng ta sẽ nghiên cứu việc sử dụngcác thiết bị chuyển mạch như kết nối bước sóng trong Chương 7

Những cân nhắc chính trong việc xây dựng các thiết bị chuyển mạch lớn là:

Số lượng phần tử chuyển mạch yêu cầu Các chuyển mạch lớn được tạo ra

bằng cách sử dụng nhiều phần tử chuyển mạch ở dạng này hay dạng khác, nhưchúng ta sẽ thấy bên dưới Chi phí và độ phức tạp của chuyển mạch ở một mức

độ nào đó phụ thuộc vào số lượng chuyển mạch cần thiết Tuy nhiên, đây chỉ làmột trong những yếu tố ảnh hưởng đến giá thành Các yếu tố khác bao gồmđóng gói, nối, dễ chế tạo và kiểm soát

Mất độ đồng đều Như chúng ta đã đề cập trong bối cảnh đặc điểm của bộ

chuyển mạch trước đó, bộ chuyển mạch có thể có các tổn hao khác nhau đối vớicác kết hợp khác nhau của các cổng đầu vào và đầu ra Tình trạng này càng trầmtrọng hơn đối với các thiết bị chuyển mạch lớn Có thể thu được phép đo độđồng đều của suy hao bằng cách xem xét số lượng phần tử chuyển mạch tốithiểu và tối đa trong đường quang, đối với các kết hợp đầu vào và đầu ra khácnhau

Số lượng giao nhau Một số chuyển mạch quang học mà chúng ta sẽ nghiên

cứu tiếp theo được chế tạo bằng cách tích hợp nhiều phần tử chuyển mạch trênmột đế duy nhất Không giống như các mạch điện tử tích hợp (IC), trong đó cáckết nối giữa các thành phần khác nhau có thể được thực hiện ở nhiều lớp, trongquang học tích hợp, tất cả các kết nối này phải được thực hiện trong một lớp duy

nhất bằng các ống dẫn sóng Nếu đường đi của hai ống dẫn sóng cắt nhau, sẽ cóhai tác dụng không mong muốn: mất điện và nhiễu xuyên âm Để có hiệu suấtsuy hao và xuyên âm có thể chấp nhận được đối với bộ chuyển mạch, do đó cầngiảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn các giao cắt ống dẫn sóng như vậy Sự giaonhau không phải là một vấn đề liên quan đến các chuyển mạch không giantrống, chẳng hạn như các chuyển mạch MEMS mà chúng ta sẽ mô tả sau trongphần này.

Khối đặc trưng Xét về chức năng chuyển mạch có thể đạt được, thiết bị

chuyển mạch có hai loại: chặn hoặc không chặn Một chuyển mạch được cho làkhông chặn nếu một cổng đầu vào không sử dụng có thể được kết nối với bất kỳcổng đầu ra không sử dụng nào Do đó, một chuyển mạch không chặn có khảnăng nhận ra mọi kiểu kết nối giữa đầu vào và đầu ra Nếu không thể nhận ra(các) kiểu kết nối nào đó, thì chuyển mạch được cho là đang chặn Hầu hết cácứng dụng yêu cầu chuyển mạch không chặn Tuy nhiên, ngay cả các chuyểnmạch không chặn cũng có thể được phân biệt rõ hơn về nỗ lực cần thiết để đạtđược thuộc tính không chặn Một chuyển mạch được cho là không chặn theonghĩa rộng nếu bất kỳ đầu vào không sử dụng nào có thể được kết nối với bất kỳđầu ra không sử dụng nào, mà không yêu cầu bất kỳ kết nối hiện có nào đượcđịnh tuyến lại Các thiết bị chuyển mạch không chặn thường sử dụng các thuậttoán định tuyến cụ thể để định tuyến các kết nối sao cho các kết nối trong tươnglai sẽ không bị chặn Một chuyển mạch không chặn có ý nghĩa nghiêm ngặt chophép bất kỳ đầu vào không sử dụng nào được kết nối với bất kỳ đầu ra không sửdụng nào bất kể các kết nối trước đó đã được thực hiện như thế nào thông quachuyển mạch Một chuyển mạch không chặn có thể yêu cầu định tuyến lại cáckết nối để đạt được thuộc tính không chặn được cho là không chặn Việc địnhtuyến lại các kết nối có thể được chấp nhận hoặc có thể không được chấp nhậntùy thuộc vào ứng dụng vì kết nối phải bị gián đoạn, ít nhất là trong thời gianngắn, để chuyển nó sang một con đường Ưu điểm của các chuyển mạch khôngchặn được trang bị lại là chúng sử dụng ít chuyển mạch nhỏ hơn để tạo ra một

chuyển mạch lớn hơn với kích thước nhất định, so với mô hình chuyển mạchkhông chặn theo chiều rộng.

Bảng 3.4 So sánh các mô hình chuyển mạch khác nhau Số lượng chuyển mạch cho mô hình Spanke được thực hiện theo 1 x n chuyển mạch, trong khi 2 x 2

chuyển mạch được sử dụng cho các mô hình khác.

Loại không chặn Không chuyển

Thông thường, có sự đánh đổi giữa các khía cạnh khác nhau này Chúng ta sẽminh họa điều này khi nghiên cứu các mô hình khác nhau để xây dựng các thiết

bị chuyển mạch lớn tiếp theo Bảng 3.4 so sánh các đặc điểm của các mô hìnhnày

Crossbar

Một chuyển mạch ngang 4 x 4 được thể hiện trong hình 3.66 Chuyển mạch này

sử dụng 16 chuyển mạch 2 x 2 và sự kết nối giữa các đầu vào và đầu ra đạtđược bằng cách thiết lập thích hợp các trạng thái của các chuyển mạch 2 x 2 này.Các cài đặt của chuyển mạch 2 x 2 cần thiết để kết nối đầu vào 1 với đầu ra 3được thể hiện trong Hình 3.66 Kết nối này có thể được xem như là một đườngdẫn thông qua mạng lưới các chuyển mạch 2 x 2 tạo nên chuyển mạch 4 x 4

Lưu ý rằng có các đường dẫn khác từ đầu vào 1 đến đầu ra 3; tuy nhiên, đây làđường dẫn ưu tiên như chúng ta sẽ thấy tiếp theo.

Mô hình thanh ngang là không chặn theo nghĩa rộng Để kết nối đầu vào i vớiđầu ra j, đường dẫn được thực hiện đi qua các chuyển mạch 2 x 2 ở hàng i chođến khi nó đến cột j và sau đó đi qua các chuyển mạch trong cột j cho đến khi nóđến đầu ra j Do đó, các chuyển mạch 2 x 2 trên đường dẫn này ở hàng i và cột jphải được đặt thích hợp để kết nối này được thực hiện Chúng ta tin rằng nếuquy tắc kết nối này được sử dụng, chuyển mạch này không bị chặn và không yêucầu định tuyến lại các kết nối hiện có

Hình 3.66 Một chuyển mạch ngang 4 x 4 được thực hiện bằng cách sử dụng 16

chuyển mạch 2 x 2.

Nói chung, n x n thanh ngang yêu cầu 2 x 2 chuyển mạch Chiều dài đường dẫn ngắn nhất là 1 và chiều dài đường dẫn dài nhất là 2n - 1, và đây là một trong những nhược điểm chính của mô hình thanh ngang Chuyển mạch có thể được chế tạo mà không cần bất kỳ thiết bị chuyển mạch nào.

Clos

Mô hình Clos cung cấp một chuyển mạch không khóa chặt chẽ và được sử dụngrộng rãi trong thực tế để xây dựng các chuyển mạch đếm cổng lớn Chuyểnmạch Clos có 1024 cổng ba giai đoạn được thể hiện trong Hình 3.67 Mộtchuyển mạch n x n được xây dựng như sau Chúng ta sử dụng ba tham số, m, k

và p Cho n = mk Giai đoạn thứ nhất và thứ ba bao gồm k (m x p) chuyển mạch

Giai đoạn giữa bao gồm p (k x k) chuyển mạch Mỗi chuyển mạch k trong giaiđoạn đầu tiên được kết nối với tất cả các chuyển mạch ở giai đoạn giữa (Mỗichuyển mạch trong giai đoạn đầu tiên có p đầu ra Mỗi đầu ra được kết nối vớiđầu vào của một chuyển mạch khác ở giai đoạn giữa.) Tương tự như vậy, mỗichuyển mạch trong số k chuyển mạch trong giai đoạn thứ ba được kết nối với tất

cả các chuyển mạch ở giai đoạn giữa Chúng ta xác minh rằng nếu p 2m - 1,chuyển mạch hoàn toàn không chặn (xem Vấn đề 3.29)

Để giảm thiểu tổn hao của chuyển mạch, chúng ta hãy chọn p = 2m - 1 Thôngthường các chuyển mạch riêng lẻ trong từng giai đoạn được thiết kế sử dụngchuyển mạch ngang Do đó, mỗi công tắc m x (2m - 1) yêu cầu m(2 m - 1) phần

tử chuyển đổi 2 x 2, và mỗi chuyển mạch k x k ở giai đoạn giữa yêu cầu phần tửchuyển đổi 2 x 2 Do đó, tổng số phần tử chuyển mạch cần thiết là 2km(2m - 1)+ (2m - 1)

Hình 3.67 Một chuyển mạch không chặn 1024 x 1024 có ý nghĩa chặt chẽ được thực hiện bằng cách sử dụng các chuyển mạch 32 x 64 và 32 x 32 được kết nối

với nhau theo mô hình Clos ba tầng.

Sử dụng k = n/m, chúng ta để bạn xác minh rằng số lượng phần tử chuyển đổiđược giảm thiểu khi m

Sử dụng giá trị này cho m, số lượng phần tử chuyển mạch cần thiết cho cấu hìnhchi phí tối thiểu là xấp xỉ 4 - 4n, thấp hơn đáng kể so với cần thiết cho mộtthanh ngang

Mô hình Clos có một số ưu điểm khiến nó phù hợp để sử dụng trong kết cấuchuyển mạch nhiều tầng Sự đồng nhất tổn thất giữa các kết hợp đầu vào-đầu ra

khác nhau tốt hơn so với thanh ngang và số lượng phần tử chuyển đổi cần thiếtnhỏ hơn đáng kể so với thanh ngang.

Spanke

Mô hình Spanke được thể hiện trong Hình 3.68 đang trở thành một mô hình phổ biến

để xây dựng các thiết bị chuyển mạch lớn Một chuyển mạch n x n được thực hiện bằng cách kết hợp n chuyển mạch 1 x n cùng với n n x 1 chuyển mạch, như thể hiện trong hình Mô hình có ý nghĩa nghiêm ngặt không chặn Cho đến nay, chúng ta đã đếm số lượng phần tử chuyển mạch 2 x 2 cần thiết để xây dựng các thiết bị chuyển mạch lớn như một thước đo chi phí chuyển mạch Điều làm nên sự hấp dẫn của mô hình Spanke là trong nhiều trường hợp, một bộ chuyển mạch quang 1 x n có thể được chế tạo bằng cách sử dụng một phần tử chuyển mạch duy nhất và không cần phải được xây dựng từ phần tử chuyển mạch 1 x 2 hoặc 2 x 2 Đây là trường hợp của sự điều khiển công nghệ chùm tương tự MEMS mà chúng ta sẽ thảo luận sau trong phần này.

Hình 3.68 Một chuyển mạch n x n không chặn theo nghĩa chặt chẽ được thực hiện bằng cách sử dụng 2n công tắc 1 x n được kết nối với nhau trong mô hình

Spanke.

Do đó chỉ cần 2n phần tử chuyển mạch như vậy để xây dựng một chuyển mạch

n x n Điều này ngụ ý rằng chi phí chuyển mạch quy mô tuyến tính với n, tốthơn đáng kể so với các mô hình chuyển mạch khác Ngoài ra, mỗi kết nối đi quahai phần tử chuyển mạch, nhỏ hơn đáng kể so với số phần tử chuyển mạch trongđường dẫn cho các thiết kế nhiều tầng khác Cách tiếp cận này cung cấp tổn thấtchèn thấp hơn nhiều so với thiết kế nhiều tầng Hơn nữa, chiều dài đường quang

cho tất cả các kết hợp đầu vào-đầu ra có thể được thực hiện về cơ bản giốngnhau, do đó suy hao là như nhau bất kể kết hợp đầu vào-đầu ra cụ thể nào.

Benes

Kiến trúc Bene ~ là một kiến trúc công tắc không chặn được trang bị lại và là một kiến trúc công tắc hiệu quả nhất về số lượng công tắc 2 x 2nó sử dụng để xây dựng các thiết

bị chuyển mạch lớn hơn Một công tắc 8 x 8 không chặn được trang bị lại chỉ sử dụng

20 công tắc 2 x 2 được thể hiện trong Hình 3.69 Trong khi đó, 8 x 8 công tắc xà ngang yêu cầu 64 công tắc 2 x 2 Nói chung, một công tắc nxn Bene ~ yêu cầu (n / 2) (2 log 2

n - 1)2x2 chuyển mạch, n là lũy thừa của hai Mất giống nhau qua mọi đường dẫn trong công tắc - mỗi đường dẫn đi qua công tắc 2 log 2 n - 1 2 x 2.Hai nhược điểm chính của nó là nó không phải là tính năng không chặn có ý nghĩa rộng và đó là một con số cần có bộ giao cắt ống dẫn sóng, gây khó khăn cho việc chế tạo tích hợp quang học

Hình 3.69 Một chuyển mạch 8 x 8 không chặn 8 x 8 được trang bị lại được thực hiện bằng cách sử dụng 20 chuyển mạch 2 x 2 được kết nối với nhau trong kiến

trúc Benes.

Spanke-Benes

Một sự sắp xếp tốt giữa mô hình thanh ngang và chuyển mạch Benes được thểhiện trong Hình 3.70, đây là một chuyển mạch 8 x 8 không chặn được trang bịlại sử dụng 28 chuyển mạch 2 x 2 và không có giao cắt ống dẫn sóng Mô hình

chuyển mạch này được phát hiện bởi Spanke và Benes [SB87] và được gọi là

mô hình phẳng thứ n vì nó yêu cầu n giai đoạn (cột) để thực hiện một chuyểnđổi n x n Nó yêu cầu n (n - 1)/2 chuyển mạch, độ dài đường dẫn ngắn nhất làn/2 và độ dài đường dẫn dài nhất là n Không có giao nhau Hạn chế chính của

nó là nó không có nghĩa rộng và sự mất mát là không đồng nhất

Hình 3.70 Một chuyển mạch 8 x 8 không chặn 8 x 8 được trang bị lại được thực hiện bằng cách sử dụng 28 chuyển mạch 2 x 2 và không có bộ giao nhau của ống dẫn sóng được kết nối với nhau trong mô hình phẳng tầng n.

2. Công nghệ chuyển mạch quang

Nhiều công nghệ khác nhau có sẵn để thực hiện chuyển mạch quang Những điều này được trình bày trong Bảng 3.5 Ngoại trừ chuyển mạch MEMS quy mô lớn, các phần

tử chuyển mạch được mô tả bên dưới đều sử dụng mô hình thanh ngang.

Chuyển mạch cơ số lượng lớn

Trong chuyển mạch cơ học, chức năng chuyển mạch được thực hiện bằng một số phương tiện cơ học Một bộ chuyển mạch như vậy sử dụng sự sắp xếp gương theo đó trạng thái chuyển mạch được điều khiển bằng cách di chuyển một gương vào và ra khỏi đường quang học Một loại chuyển mạch cơ học khác sử dụng bộ ghép định hướng Uốn hoặc kéo dài sợi quang trong vùng tương tác làm thay đổi tỷ lệ ghép nối của bộ ghép nối và có thể được sử dụng để chuyển đổi ánh sáng từ một cổng đầu vào giữa các cổng đầu ra khác nhau

Bảng 3.5 So sánh các công nghệ chuyển mạch quang khác nhau Chuyển mạch

cơ học, MEMS và chuyển mạch dựa trên polyme hoạt động theo cách tương tự đối với các bước sóng 1,3 và 1,55 m, nhưng khác thiết bị chuyển mạch được thiết kế để chỉ hoạt động ở một trong các dải bước sóng này Các con số này đại diện cho các thông số cho các thiết bị chuyển mạch có sẵn trên thị trường vào

đầu năm 2001.

Kiểu Kích thước Suy hao( dB ) âm( dB )Xuyên PDL( dB )

Chuyểnmạch thờigianKhối cơ

thể được thực hiện bằng cách xếp tầng các chuyển mạch cơ số lượng lớn,ta đãthấy trong Phần 3.7.1, nhưng có những cách tốt hơn để nhận ra các chuyển mạchđếm cổng lớn hơn, ta sẽ khám phá tiếp theo.

Hệ thống chuyển mạch cơ điện vi mô (MEMS)

Hệ thống cơ điện tử vi mô (MEMS) là các thiết bị cơ khí thu nhỏ được chế tạođiển hình bằng cách sử dụng chất nền silicon Trong ngữ cảnh của chuyển mạchquang học, MEMS thường đề cập đến các gương di động thu nhỏ được chế tạobằng silicon, có kích thước từ vài trăm micromet đến vài milimet Một tấmsilicon duy nhất tạo ra một số lượng lớn các tấm gương, có nghĩa là những tấmgương này có thể được nhân tạo và đóng gói dưới dạng các mảng Hơn nữa,gương có thể được chế tạo bằng quy trình sản xuất chất bán dẫn khá tiêu chuẩn.Những gương này bị lệch từ vị trí này sang vị trí khác bằng cách sử dụng nhiều

kỹ thuật truyền động điện tử, chẳng hạn như phương pháp điện từ, tĩnh điệnhoặc áp điện, do đó có tên là MEMS Trong số các phương pháp này, độ lệchtĩnh điện đặc biệt tiết kiệm điện nhưng tương đối khó kiểm soát trong phạm vi

độ lệch rộng

Cấu trúc gương đơn giản nhất được gọi là gương bật lên hai trạng thái, hoặcgương 2D, được thể hiện trong Hình 3.71 Ở một trạng thái, gương phẳng thẳnghàng với chất nền Ở trạng thái này, chùm sáng không bị lệch hướng Ở trạngthái khác, gương bật lên theo phương thẳng đứng và chùm sáng nếu có mặt sẽ bịlệch Một gương như vậy có thể được sử dụng trong cách sắp xếp thanh ngangđược thảo luận dưới đây để nhận ra một chuyển mạch n x n Kích thước mô-đunchuyển mạch thực tế bị giới hạn bởi kích thước mỏng và các ràng buộc xử lý làkhoảng 32 x 32 Các chuyển mạch này đặc biệt dễ điều khiển thông qua cácphương tiện kỹ thuật số, vì chỉ cần hỗ trợ hai vị trí gương

Một loại cấu trúc gương khác được thể hiện trong Hình 3.72 Gương được kếtnối thông qua các điểm uốn với một khung bên trong, đến lượt nó được kết nốithông qua một bộ uốn khác với ngọn lửa bên ngoài Độ uốn cho phép gươngquay tự do theo hai trục riêng biệt Gương này có thể được điều khiển theo kiểutương tự để nhận ra một loạt các góc lệch liên tục Loại gương này đôi khi đượcgọi là gương lái chùm tia tương tự, gương gimbel hoặc gương 3D Một gương