Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS

1,466 views

Published on

Giới thiệu, cấu tạo, nguyên lí hoạt động của chuyển mạch quang công nghệ MEMS

Published in: Technology
0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
1,466
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2
Actions
Shares
0
Downloads
76
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide
  • công nghệ chuyển mạch quang ứng dụng công nghệ MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems-hệ thống vi điện cơ), gọi tắt là
  • Nhiễu xạ là hiện tượng quan sát được khi sóng lan truyền qua khe nhỏ hoặc mép vật cản (rõ nhất với các vật cản có kích thước tương đương với bước sóng), trong đó sóng bị lệch hướng lan truyền, lan toả về mọi phía từ vị trí vật cản, và tự giao thoa với các sóng khác lan ra từ vật cản.Giao thoa là một khái niệm trong vật lý chỉ sự chồng chập của hai hoặc nhiều sóng mà tạo ra một hình ảnh sóng mới.
  • Cách tử phản xạ: Tạo bởi tấm kim loại phẳng, nhẵn bóng và có hệ số phản xạ cao, trên mặt được vạch các rãnh nhỏ cách đều nhau.Silic là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Si và số nguyên tử bằng 14.Nó là nguyên tố phổ biến sau ôxy trong vỏ Trái Đất (25,7 %), cứng, có màu xám sẫm - ánh xanh kim loại, là á kim có hóa trị +4.
  • Mỗi đầu vào chuyển mạch có thể chỉ yêu cầu một vi gương chung cho tất cả các đầu ra.  Khi có yêu cầu chuyển mạch, góc nghiêng của vi gương tương ứng với đầu vào được điều khiển thích hợp nhằm thay đổi góc tới khúc xạ của luồng sáng đầu vào, nhờ đó, luồng sáng được phản xạ định hướng đến đầu ra yêu cầu. Do mỗi sai lệch nhỏ về góc nghiêng của vi gương có thể gây ảnh hưởng lớn đến đầu ra quyết định của luồng sáng, đặc biệt là khi số lượng đầu ra lớn, cơ chế này đòi hỏi một hệ thống điều khiển vòng kín phức tạp và có độ chính xác cao.
  • Mỗi đầu vào chuyển mạch có thể chỉ yêu cầu một vi gương chung cho tất cả các đầu ra.  Khi có yêu cầu chuyển mạch, góc nghiêng của vi gương tương ứng với đầu vào được điều khiển thích hợp nhằm thay đổi góc tới khúc xạ của luồng sáng đầu vào, nhờ đó, luồng sáng được phản xạ định hướng đến đầu ra yêu cầu. Do mỗi sai lệch nhỏ về góc nghiêng của vi gương có thể gây ảnh hưởng lớn đến đầu ra quyết định của luồng sáng, đặc biệt là khi số lượng đầu ra lớn, cơ chế này đòi hỏi một hệ thống điều khiển vòng kín phức tạp và có độ chính xác cao.
  • Mỗi đầu vào chuyển mạch có thể chỉ yêu cầu một vi gương chung cho tất cả các đầu ra.  Khi có yêu cầu chuyển mạch, góc nghiêng của vi gương tương ứng với đầu vào được điều khiển thích hợp nhằm thay đổi góc tới khúc xạ của luồng sáng đầu vào, nhờ đó, luồng sáng được phản xạ định hướng đến đầu ra yêu cầu. Do mỗi sai lệch nhỏ về góc nghiêng của vi gương có thể gây ảnh hưởng lớn đến đầu ra quyết định của luồng sáng, đặc biệt là khi số lượng đầu ra lớn, cơ chế này đòi hỏi một hệ thống điều khiển vòng kín phức tạp và có độ chính xác cao.
  • Trường chuyển mạch quang MEMS một chiều bao gồm hệ thống thấu kính, phần tử tán sắc và một mảng vi gương MEMS với diện tích bề mặt rất nhỏ. 
  • (đến thấu kính chuẩn trực collimating lens được chỉnh thành những tia sáng song song. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing hay Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao): đây là công nghệ ghép kênh theo bước sóng với mật độ rất cao, có khi lên tới hàng nghìn, cung cấp dung lượng rất lớn. Công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng với khoảng cách giữa các sóng mang nhỏ. Thông thường các sóng mang được sử dụng trong cửa sổ có bước sóng trung tâm là 1550nm. Với công nghệ ghép kênh DWDM, chúng ta có thể sử dụng cùng lúc từ 8 đến 160bước sóng truyền trên cùng một sợi quang. DWDM thường được sử dụng với các tuyến truyền dẫn có khoảng vượt lớn.
  • (đến thấu kính chuẩn trực collimating lens được chỉnh thành những tia sáng song song
  • (đến thấu kính chuẩn trực collimating lens được chỉnh thành những tia sáng song song
  • (đến thấu kính chuẩn trực collimating lens được chỉnh thành những tia sáng song song
  • (đến thấu kính chuẩn trực collimating lens được chỉnh thành những tia sáng song song
  • Bộ add & drop là thành phần quan trọng của node mạng quang. Nó bao gồm các landa đã dc tách kênh. Cùng 1 thời điểm có thể thêm 1 tín hiệu mới và bớt đi 1 tín hiệu khác. Tín hiệu này sẽ được định tuyến đến đầu ra và kết hợp vs bộ mux
  • Do số lượng vi gương tỉ lệ tuyến tính với số lượng cổng vào/ra và việc lợi dụng chuyển mạch không gian tự do song song cho phép chuyển mạch mật độ cao cùng các liên kết ba chiều, (PDL: Polarisation Depent Loss)
  • Không những thế, với trường chuyển mạch kích thước lớn thì vấn đề quản lý các sợi quang đầu vào và đầu ra cũng rất phức tạp. Khó khăn này cũng xuất hiện trong các chuyển mạch quang MEMS hai chiều vì cả hai cùng yêu cầu một sợi quang cho mỗi bước sóng chuyển mạch. 
  • nhược điểm của chuyển mạch quang MEMS chính là ở tốc độ chuyển mạch không cao (cỡ ms).Liquid Crystal hoạt động dựa trên sự thay đổi trạng thái phân cực của tia tới bởi trường điện từ. Sự thay đổi phân cực kết hợp với bộ lọc cho phép chuyển mạch. Nhược điểm: thiết bị phân cực ko linh hoạt, công nghệ phức tạp, không gian CM thấp(1x2, 2x2). Cho phép bước sóng phụ thuộc vào CM.Ngoài ra còn 1 số loại CM nhưng ko có tính thương mại như SOA dựa trên cổng CM..
  • Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS

    1. 1. CHUYỂN MẠCH QUANGGVHD : ThS.VŨ NGỌC CHÂMNHÓM 10 : Phạm Văn ĐạtNghiêm Xuân HưngNguyễn Tiến ThoángPhan Hoàng LinhBÀI THUYẾT TRÌNHĐỀ TÀI6/11/20131
    2. 2. I• Giới thiệuchuyểnmạchquangII• Kiến trúcchuyểnmạchquangMEMSIII• Kết luậnNội Dung6/11/20132
    3. 3. Giới thiệu6/11/20133
    4. 4. Sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ mạng băngrộng là động lực thúc đẩy sự phát triển của mạngquang thế hệ kế tiếp dựa trên nền tảng các công nghệghép kênh phân chia bước sóng (xWDM).Trong tiến trình quang hóa mạng truyền thông, cácnối chéo quang OXC (Optical Cross-connects) vớichức năng chuyển mạch tuyến quang là công nghệquan trọng cốt lõi cho phép tăng cường khả năng đápứng của mạng với các biến động lưu lượng và tối ưucấu hình mạng.Giới thiệu6/11/20134
    5. 5. Trên thực tế, hầu hết các OXC hiện nay đang sửdụng lõi chuyển mạch điện và các chuyển đổiquang-điện/điện-quang (OE/EO) ở giao diện vàovà ra của trường chuyển mạch.Khi nhu cầu tốc độ dữ liệu tăng cao, do các hạnchế về tốc độ xử lý trong miền điện, các OXCnày trở lên cồng kềnh, phức tạp, hạn chế vềdung lượng, tiêu thụ nguồn lớn và giá thành đắtđỏ.Giới thiệu6/11/20135
    6. 6. => Vì vậy, nhằm đáp ứng khả năng nâng cấp tốcđộ dữ liệu và triển khai các giao thức mới trongtương lai, các OXC toàn quang sẽ dần thay thế chocác OXC với lõi chuyển mạch điện.Các OXC toàn quang ứng dụng chuyển mạchtrong miền quang với khả năng địnhtuyến/chuyển mạch tín hiệu dữ liệu quang màkhông cần đến các chuyển đổi OE/EO, do đó,cho phép chuyển mạch độc lập với tốc độ dữliệu và giao thức dữ liệu với độ tin cậy cao, íttiêu tốn nguồn.Giới thiệu6/11/20136
    7. 7. Trong số các công nghệ chuyển mạch quangđang được quan tâm nghiên cứu và phát triểnứng dụng nhằm hiện thực hóa các OXC toànquang, công nghệ chuyển mạch quang MEMS,nổi lên là công nghệ hàng đầu và khả dụng nhấtvề phương diện thương mại ở thời điểm hiện tại.Công nghệ chuyển mạch quang MEMS chophép thực hiện chuyển mạch độc lập với bướcsóng với số lượng cổng vào/ra đạt được lớn hơnnhiều so với các công nghệ khác.Giới thiệu6/11/20137
    8. 8. MEMS viết tắt của từ Micro-ElectroMechanicalSystems có nghĩa là hệ thống vi cơ điện. Chúngcó kích thước micro.Thiết bị MEMS là một mạch tích hợp các cấutrúc vi cơ khí, các bộ cảm biến với các phần tửđiện tử và sử dụng lực truyền động tĩnh điện, từtrường hoặc nhiệt để dịch chuyển và điều khiểncác phần tử thành phần theo yêu cầu.Kiến trúc chuyển mạch MEMS1. Giới thiệu6/11/20138
    9. 9. Kiến trúc chuyển mạch MEMS1. Giới thiệu6/11/20139
    10. 10. Về nguyên lý, các hệ thống chuyển mạchquang MEMS có thể phân thành hai loại khácnhau theo cơ chế điều khiển sóng ánh sáng làchuyển mạch quang sử dụng cơ chế phản xạhoặc khúc xạ và chuyển mạch quang sử dụng cơchế nhiễu xạ hoặc giao thoa.Kiến trúc chuyển mạch MEMS1. Giới thiệu6/11/201310
    11. 11. Trong loại thứ nhất, các thiết bị thực hiện chức năngchuyển mạch bằng cách điều khiển mật độ hoặchướng truyền dẫn của luồng ánh sáng thông qua cáccấu trúc phản xạ hoặc khúc xạ.Đối với loại thứ hai, chức năng chuyển mạch hayđiều khiển hướng được thực hiện nhờ vào các hiệuứng nhiễu xạ hoặc giao thoa trong đó sử dụng cácchuyển động cơ học để điều chỉnh pha của ánhsáng.Kiến trúc chuyển mạch MEMS1. Giới thiệu6/11/201311
    12. 12. Trong đó hệ thống chuyển mạch quang MEMSđiều chỉnh hướng đi của luồng ánh sáng (có thểbao gồm một bước sóng hay một nhóm các bướcsóng) theo hướng yêu cầu bằng cơ chế phản xạthông qua các phần tử chuyển mạch là cácgương kích thước rất nhỏ (vi gương).Kiến trúc chuyển mạch MEMS1. Giới thiệu6/11/201312
    13. 13. Cách thức tổ chức phối ghép các vi gương trongtrường chuyển mạch là yếu tố quyết định đếncác đặc tính của mỗi trường chuyển mạchquang MEMS.Kiến trúc chuyển mạch MEMS1. Giới thiệu6/11/201313
    14. 14. Cấu trúc hệ thống CM quang MEMS bao gồmcác phần tử chuyển mạch quang là các vi gươngvà các thấu kính/cách tử có khả năng điềuchỉnh hướng đi của luồng sáng từ đầu vào đếnđầu ra yêu cầu của trường chuyển mạch.Đặc tính của các vi gương phụ thuộc vào chấtliệu chế tạo gương: silic đa tinh thể (polysilicon)hoặc silic đơn tinh thể.Kiến trúc chuyển mạch MEMS2. Cấu tạo6/11/201314
    15. 15. Vi gương có thể được điều khiển theo cơ chế sốhoặc tương tự như minh họa trong hình vẽ:Kiến trúc chuyển mạch MEMS2. Cấu tạo6/11/201315
    16. 16. Trong các hệ thống chuyển mạch quang MEMS sửdụng cơ chế điều khiển số, các phần tử vi gương đãđược cố định hướng và vị trí vi gương chỉ ở mộttrong hai trạng thái: bật (ON-chèn vào đường đi củaluồng sáng) hoặc tắt (OFF-không tác động đếnluồng sáng) => dễ dàng điều khiển. Mỗi đầu vàochuyển mạch yêu cầu một dãy N vi gương nghiêng450 so với hướng ánh sáng vào trường chuyển mạchtương ứng với N đầu ra chuyển mạch.Kiến trúc chuyển mạch MEMS2. Cấu tạo6/11/201316
    17. 17. Đối với các hệ thống sử dụng cơ chế điều khiểntương tự, các phần tử vi gương có khảnăng điều chỉnh được góc nghiêng so vớihướng ánh sáng tới và các vi gương này đượcđặt cố định trên đường di chuyển của luồngsáng.Kiến trúc chuyển mạch MEMS2. Cấu tạo6/11/201317
    18. 18. Đối với các hệ thống sử dụng cơ chế điều khiểntương tự, các phần tử vi gương có khảnăng điều chỉnh được góc nghiêng so vớihướng ánh sáng tới và các vi gương này đượcđặt cố định trên đường di chuyển của luồngsáng.Kiến trúc chuyển mạch MEMS2. Cấu tạo6/11/201318
    19. 19. Kiến trúc chuyển mạch MEMS3.PhânLoạiChuyển mạch quang MEMS một chiềuChuyển mạch quang MEMS hai chiềuChuyển mạch quang MEMS ba chiều6/11/201319
    20. 20. Chuyển mạch quang MEMS 1chiềuKiến trúc cơbản của mộttrườngchuyểnmạch quangMEMS mộtchiều đượcminh họatronghình bên:6/11/201320
    21. 21. Hoạt động: Luồng ánh sáng cần chuyển mạch rờimảng sợi quang đầu vào được chuẩn trực bằng hệthống thấu kính hướng đến phần tử tán sắc. Tínhiệu 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 vigương MEMS tương ứng để được điều chỉnhhướng phản xạ phù hợp nhằm đến được sợi quangđầu ra theo yêu cầu và được kết hợp với các bướcsóng khác thông qua phần tử tán sắc.Chuyển mạch quang MEMS 1chiều6/11/201321
    22. 22. NX: Kích thước của trường chuyển mạch tỉlệ tuyến tính với số lượng kênh bước sóngquang. Điều này giúp giảm kích thước thiếtbị, giá thành và công suất tiêu thụ so với cáccông nghệ chuyển mạch ứng dụng MEMSkhác.Chuyển mạch quang MEMS 1chiều6/11/201322
    23. 23. 6/11/201323
    24. 24. Một mảng hai chiều của các vi gươngchuyển mạch sắp xếp theo cấu hình ngangdọc được dùng để định hướng ánh sángtừ các sợi quang đầu vào đến các sợi quangđầu ra tương ứng của trường chuyển mạch:Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều6/11/201324
    25. 25. Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều6/11/201325
    26. 26. Ưu điểm của kiến trúc chuyển mạchquang MEMS hai chiều là vi gương chỉcó hai trạng thái (đóng hoặc mở), điều nàynghĩa là trạng thái của vi gương được điềukhiển dạng logic số nên việc điều khiển là rấtdễ dàng.Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều6/11/201326
    27. 27. Hoạt động: Trong trường chuyểnmạch quang MEMS hai chiều, luồng sáng chuyểnmạch được chuẩn trực và truyền song song với mặtphẳng nền của mảng vi gương. Khi kích hoạt mộtgương nằm trên hàng tương ứng với đầu vào củaluồng sáng, nó chuyển động cắt vào đường đi của ánhsáng và định hướng ánh sáng đến đầu ra tương ứngvới cột chứa vi gương, khi đó vi gương tạo một góc450 so với hướng đến của luồng sáng. Bộ add & dropđể thêm hoặc bớt kênh quang.Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều6/11/201327
    28. 28. Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều6/11/201328Chuyển động của gương và ảnh matrix 16x16 <=> 256 vi gương
    29. 29. Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều6/11/201329
    30. 30. Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều6/11/201330Trường CM 16x16 với 32 sợi quang
    31. 31. Nhược điểm: Quãng đường dịch chuyển của luồngsáng qua trường chuyển mạch biến thiên phụ thuộcvào vị trí cổng vào/ra => suy hao qua trường chuyểnmạch. Số lượng vi gương tăng lên dưới dạng bìnhphương của số lượng cổng vào/ra, kích thước củachuyển mạch quang MEMS 2D bị giới hạn vàokhoảng 32x32 hoặc 1024 vi gương. Các yếu tố chínhtạo ra sự giới hạn này là kích thước của chíp vàkhoảng cách tuyến ánh sáng phải truyền qua khônggian tự do trong trường chuyển mạch và sự biếnthiên suy hao từ cổng vào đến cổng ra. 6/11/201331Chuyển mạch quang MEMS 2 chiều
    32. 32. 6/11/201332
    33. 33. Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS ba chiềuđược xây dựng bằng cách sử dụng 2 mảng vigương.Trong kiến trúc này, độ nghiêng của vi gươngMEMS có thể điều khiển được theo không giantự do ba chiều nhờ cấu trúc khung cơ khí vớihai trục quay vuông góc. Cấu hình cơ bản củamột chuyển mạch quang MEMS ba chiều vàcấu trúc của vi gương:6/11/201333Chuyển mạch quang MEMS 3 chiều
    34. 34. 6/11/201334Chuyển mạch quang MEMS 3 chiều
    35. 35. 6/11/201335Chuyển mạch quang MEMS 3 chiềuCũng giống như trong kiến trúc chuyển mạchquang MEMS hai chiều, chuyển mạch quangMEMS ba chiều thực hiện chuyển mạch toàn bộluồng sáng tới (có thể là một bước sóng hoặcmột nhóm các bước sóng) từ sợi quang đầu vàođến sợi quang đầu ra theo yêu cầu => Vì vậy, cảhai kiến trúc này đều yêu cầu các bộ tách/ghépkênh bước sóng quang độc lập với trườngchuyển mạch.
    36. 36. 6/11/201336Chuyển mạch quang MEMS 3 chiềuHoạt động thiết lập kết nối chuyển mạch quatrường chuyển mạch quang ba chiều được thựchiện bằng cách điều khiển nghiêng hai vi gươngtương ứng một cách độc lập để định hướng ánhsáng từ đầu vào tới đầu ra được yêu cầu.
    37. 37. 6/11/201337Chuyển mạch quang MEMS 3 chiềuƯu điểm: Kiến trúc chuyển mạch này phù hợpđể chế tạo các trường chuyển mạch cỡ lớnvới số lượng cổng vào/ra lên đến hàng ngàn.Đặc biệt là kiến trúc chuyển mạch này đảmbảo suy hao xen thấp và đồng nhất, ít phụthuộc bước sóng dưới các điều kiện hoạt độngkhác nhau. Độ suy giảm của tỷ lệ tín hiệu trênnhiễu SNR đối với tín hiệu quang qua trườngchuyển mạch, tham số chủ yếu bị gây ra doxuyên âm, suy hao phụ thuộc phân cực và tánsắc/tán sắc phân cực, là nhỏ nhất.
    38. 38. 6/11/201338Chuyển mạch quang MEMS 3 chiềuNhược điểm: NSX cần phải thiết kế thiết bị với sốlượng vi gương lớn hơn so với số lượng thực tế yêucầu trong khi việc kết hợp số lượng lớn các vigương, kiểm tra và định chuẩn cho các phần tửchuyển mạch cần rất nhiều thời gian để hoànthành. Mặt khác, chuyển mạch quang MEMS bachiều còn yêu cầu hệ thống điều khiển vòng kínphức tạp với độ chính xác cao để điều khiển các vigương và mỗi gương lại đòi hỏi hệ thống điều khiểnriêng rẽ nên giải pháp này có xu hướng trở nên đắtđỏ, yêu cầu kích thước thiết bị lớn hơn và tiêu thụnhiều nguồn hơn.
    39. 39. 6/11/201339So sánh CN chuyển mạch quang
    40. 40. Hiện nay, công nghệ quang MEMS đang nhận được sựquan tâm đặc biệt và cho phép hiện thực hóa các hệthống chuyển mạch toàn quang.Công nghệ chuyển mạch quang MEMS có khả năng chophép chế tạo trường chuyển mạch cỡ lớn độc lập vớibước sóng, tiêu thụ điện năng ít, độ tin cậy cao, suyhao xen thấp và dễ dàng nâng cấp với chi phí hợp lý.Bên cạnh các chuyển mạch quang, công nghệ MEMSquang còn đang được tập trung nghiên cứu và phát triểnứng dụng cho nhiều thiết bị quang khác như bộ suy giảmquang biến đổi được, laser khả chỉnh hay các bộ lọcquang điều chỉnh được,... 6/11/201340Kết Luận

    ×