Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS

04/13/20231

CHUYỂN MẠCH QUANGGVHD : ThS.VŨ NGỌC CHÂM

NHÓM 10 : Phạm Văn Đạt

Nghiêm Xuân Hưng

Nguyễn Tiến Thoáng

Phan Hoàng Linh

BÀI THUYẾT TRÌNH

ĐỀ TÀI

04/13/20232

I

• Giới thiệu chuyển mạch quang

II

• Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS

III

• Kết luận

Nội Dung

04/13/20233

Giới thiệu

04/13/20234

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

04/13/20235

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

04/13/20236

=> 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

04/13/20237

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

04/13/20238

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

04/13/20239


1. Giới thiệu

04/13/202310

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

04/13/202311

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

04/13/202312

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

04/13/202313

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

04/13/202314

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

04/13/202315

Vi gương có thể được điều khiển theo cơ chế số hoặc tương tự như minh họa trong hình vẽ:


2. Cấu tạo

04/13/202316

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

04/13/202317

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

04/13/202318

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

04/13/202319

Kiến trúc chuyển mạch MEMS3.

Phâ

n L

oại

Chuyển mạch quang MEMS một chiều

Chuyển mạch quang MEMS hai chiều

Chuyển mạch quang MEMS ba chiều

04/13/202320

Chuyển mạch quang MEMS 1chiều

Kiến trúc cơ bản của một trường chuyển mạch quang MEMS một chiều được minh họa trong hình bên:

04/13/202321

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.


04/13/202322

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.


04/13/202323


04/13/202324

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

04/13/202325


04/13/202326

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.


04/13/202327

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.



04/13/202328

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


04/13/202329


04/13/202330

Trường CM 16x16 với 32 sợi quang

04/13/202331

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.


04/13/202332


04/13/202333

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:


04/13/202334


04/13/202335


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.

04/13/202336


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.

04/13/202337


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.

04/13/202338


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.

04/13/202339

So sánh CN chuyển mạch quang

04/13/202340

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,...

Kết Luận

Technology

Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS