Bộ chuyển mạch quang

GVHD: Th.sNhóm sinh viên: Ngô Tùng Bách Lê Quang Duy Trần Huy HòaLớp: ĐT10 – K50

Mục lục

Tổng quan về chuyển mạch quang Bộ chuyển mạch quang Bộ chuyển mạch quang đơn Khối chuyển mạch quang lớn

Tổng quan về chuyển mạch quang

Khái niệm : Về nguyên lý, một chuyển mạch thực hiện chuyển lưu lượng từ một cổng lối vào hoặc kết nối lưu lượng trên một khối chuyển mạch tới một cổng lối ra.

Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác.

Bộ chuyển mạch quang Phân loại:

Bộ chuyển mạch quang đơn ( Single Optical Switch) Là bộ chuyển mạch có ít đầu vào/ra VD: Bộ chuyển mạch on/off (1x1), bộ chuyển mạch

chuyển tiếp 1x2 hoặc 2x2.. Bộ chuyển mạch quang lớn (Multistage/Large

Optical Switch) Là bộ chuyển mạch có số lượng đầu vào/ra lớn, có thể từ

một vài đến hàng nghìn đầu vào/ra. VD: khối chuyển mạch 4x4 ( Crossbar) hay khối chuyển

mạch 1024x1024 (Clos)…

1. Bộ chuyển mạch quang đơn Phân loại theo chức năng:

On/off (1x1): cho phép tín hiệu quang truyền qua hay không.

Chuyển tiếp: 1x2

2x2 Nối thẳng (bypass/bar)

Nối chéo (cross/inserted)

1.1 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của các bộ chuyển mạch đơn thường dựa trên: điện quang, cơ quang và nhiệt quang CM on/off dùng SOA Bộ ghép ống dấn sóng chế tạo từ LiNbO3

CM dùng lăng kính chuyển động CM dùng gương hình cầu CM bằng cách di chuyển sợi quang CM dùng hiệu ứng FTIR CM quang – nhiệt sử dụng bộ giao thoa Mach – Zehnder

Chuyển mạch on/off dùng SOA (Semiconductor Optical Amplifier )

SOA chỉ khuếch đại ánh sáng khi nó được phân cực, và hấp thụ ánh sáng khi không được phân cực.

Đây là một chuyển mạch điện-quang

Bộ ghép ống dẫn sóng chế tạo từ LiNbO3

Tinh thể LiNbO3 tạo hiệu ứng thay đổi chiết suất theo các hướng khác nhau khi có tác dụng của điện trường ngoài.

Khi đó tỉ số ghép của bộ ghép ống dẫn sóng sẽ thay đổi theo điện áp đặt vào

Bộ ghép ống dẫn sóng chế tạo từ LiNbO3

Cấu hình chuyển mạch quang dùng bộ ghép định hướng ( theo nguyên lý ghép mode)

Bộ ghép ống dẫn sóng chế tạo từ LiNbO3

Cấu hình chuyển mạch quang dùng giao thoa kế Mach-Zehnder

Chuyển mạch dùng lăng kính chuyển động

Chuyển mạch dùng gương cầu

Chuyển mạch hiệu ứng FTIR (Frustration of Total Internal Reflection)

Chuyển mạch quang - nhiệt sử dụng bộ giao thoa Mach-Zehnder Bộ giao thoa MZ kết hợp với một bộ dịch pha gắn

trong mỗi nhánh giao thoa. Bằng hơi nóng, có thể điều khiển lượng số lượng bộ

dịch pha, tức là định hướng tín hiệu quang

Nguyên lý hoạt động Các tham số của bộ chuyển mạch

Tỉ số tắt mở (Extinction ratio): tỉ số giữa năng lượng ánh sáng ở trạng thái on và trạng thái off ( của chuyển mạch on/off) (~45-50 dB)

Suy hao xen (Insertion loss): đơn vị đo công suất suy hao do chuyển mạch gây ra (~ 0,5 dB)

Nhiễu xuyên âm (Crostalk)(~ 80dB) Thời gian chuyển mạch (Switching time):

CM kênh: ~ ms – s CM gói: ~ ps – ns CM đơn cơ – quang và quang – nhiệt: 2 – 20 ms CM đơn quang – điện : ~ ns

Dai bước sóng làm việc Nhiệt độ phòng

1.2 Ưng dụng của CM quang đơn

CM on/off: dùng làm các đầu phát và đầu thu cách ly trong thiết bị đo thử

CM 1x2: cho phép lựa chọn kênh và được dùng cho CM bao vệ.

CM 1xn: để kiểm tra và đo các linh kiện quang, kiểm tra từ xa hệ thống thông tin quang

CM 2x2: dùng để nối thẳng nút trong các mạng quang, thường được ứng dụng trong mạng FDDI (Fiber Distributed Data Interface ). Khi một trạm bị hư hỏng hay mất nguồn, bộ CM sẽ tự động thay đổi sang trạng thái nghẽn, đam bao luồng lưu lượng không bị anh hưởng

2. Khối chuyển mạch quang lớn

Cấu trúc Cossbar Cấu trúc Clos Cấu trúc Spanke Cấu trúc Benes Cấu trúc Spanke-Benes

Cấu trúc Crossbar

Dùng các phần tử CM 2x2 Cấu trúc Crossbar nxn cần có n2 phần tử CM 2x2 Quy tắc định tuyến kết nối: Để kết nối từ đầu vào i

đến đầu ra j, đường dẫn được chọn sẽ đi qua các phần tử CM trên hàng i, đến cột j, sau đó đi trên các phần tử CM ở cột j đến đầu ra j.

Luôn tồn tại điểm nối chéo.

Cấu trúc Crossbar Khối chuyển mạch Crossbar 4x4 dùng 16 phần

tử chuyển mạch 2x2

Cấu trúc Clos

Là một cấu trúc đa tầng, với số lượng đầu vào/ra n rất lớn.

Mỗi phần tử CM ở tầng trước sẽ kết nối với tất ca các phần tử CM ở tầng sau

Số phần tử CM tối thiểu là: Số lượng phần tử CM nhỏ hơn rất nhiều so

với cấu trúc crossbar (n2).

nn .4.24 2

3

Cấu trúc Clos

Khối CM 1024x1024 sử dụng kết nối các bộ chuyển mạch 32x64 và 32x32 trong cấu trúc Clos 3 tầng

Cấu trúc Spanke

Cấu trúc Spanke Khối CM nxn được tạo ra bằng cách kết nối n phần tử CM

1xn với n phần tử CM nx1. Một CM quang 1xn có thể được xây dựng bằng cách sử

dụng một phần tử CM duy nhất ( ứng dụng công nghệ MEMS – Microelectromechanical systems ), thay vì tổ hợp từ các phần từ 1x2 hay 2x2.

Chỉ cần 2n phần tử CM để tạo nên khối CM nxn. Mỗi kết nối chỉ đi qua 2 phần tử CM

Cấu trúc Spanke

Chuyển mạch nxn sử dụng các kết nối giữa 2n phần tử chuyển mạch 1xn trong cấu trúc Spanke.

Cấu trúc Benes

Là một trong những cấu trúc hiệu qua nhất về số lượng phần tử CM 2x2 để tạo nên khối CM lớn.

Cấu trúc CM nxn thì cần (n/2)(2log2n-1) phần tử CM 2x2 , nhỏ hơn rất nhiều so với cấu trúc Crossbar.

Số lượng điểm giao nhau của các ống dẫn sóng theo yêu cầu làm cho cấu trúc này khó chế tạo trong mạng quang tích hợp.

Cấu trúc Benes

Khối chuyển mạch 8x8 sử dụng các kết nối giữa 20 phần tử CM 2x2 trong cấu trúc Benes

Cấu trúc Spanke-Benes (cấu trúc planar n tầng)

Đây là cấu trúc ứng dụng công nghệ bán dẫn n tầng vì nó phai có n tầng ( cột ) để thực hiện một khối chuyển mạch nxn.

Cấu trúc này cần n(n-1)/2 phần tử CM 2x2 Không có điểm nối chéo

Cấu trúc Spanke-Benes

Khối chuyển mạch 8x8 dùng 28 phần tử CM 2x2 trong cấu trúc planar n tầng.

Khối chuyển mạch quang lớn

Các yêu tố quan tâm khi thiết kế khối chuyển mạch lớn Số lượng phần tử CM Tính đồng nhất của suy hao:

Bộ CM có thể tạo ra suy hao khác nhau cho từng kết nối khác nhau của đầu vào/ra

Khối CM càng lớn thì suy hao càng nhiều Đánh giá: xem xét số phần tử chuyển mạch min và max trên đường

dẫn quang với từng kết nối.

Số điểm nối chéo: các đường dẫn của 2 ống dẫn sóng cắt nhau ( tạo điểm nối chéo ), sẽ tạo ra suy hao công suất hay nhiễu xuyên âm.

Khối chuyển mạch quang lớn

Các đặc tính nghẽn CM “nghẽn”: có một số kết nối từ đầu vào đến đầu ra

không thực hiện được. CM “không nghẽn”: thực hiện được mọi kết nối khi đầu

vào/ra đang rỗi. CM không nghẽn theo nghĩa rộng (wide-sense nonblocking): thực

hiện mọi kết nối mà không cần phai định tuyến lại các kết nối đang tồn tại

CM không nghẽn theo nghĩa hẹp (strict-sense nonblocking): thực hiện mọi kết nối mà không cần quan tâm đến trạng thái của các kết nối trước đó trong khối CM

CM không nghẽn sắp xếp lại (rearrangeably non-blocking switch): yêu cầu việc định tuyến lại cho các kết nối để đam bao thuộc tính không nghẽn.

Khối chuyển mạch quang lớn

Bang so sánh giữa các cấu trúc chuyển mạch

Thank for listening!