Przełączniki światłowodowe

Przełączniki światłowodowe
Definicja
Definicja przełącznika optycznego (fotonicznego)
Całkowicie optyczne urządzenie światłowodowe zachowujące optyczną
formę sygnału, dla każdej szybkości i protokołu transmisji.
Przełączniki optyczne mogą rozdzielać sygnał (kanały transmisji) ze
względu na długość fali i przesyłać je do różnych portów.
Tradycyjne (współczesne) przełączniki łączące linie światłowodowe są
urządzeniami elektro-optycznymi. Fotony z linii światłowodowej
zamieniane są na elektrony, przełączanie wykonywane jest
elektronicznie, po czym sygnał elektryczny z powrotem zamieniany jest
na optyczny i wprowadzany do światłowodu.
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
2
Dlaczego zwiększa się zainteresowanie przełącznikami
fotonicznymi w sieciach światłowodowych
1. Ewolucja od łączy WDM punkt-punkt do sieci całkowicie
optycznych
2. Wymagania odnośnie nowoczesnych sieci światłowodowych
• przezroczystość odnośnie szybkości transmisji
• przezroczystość względem protokołu
3. Zadania do rozwiązania. Rozwój sieci optycznych jest dziś
utrudniony z powodu braku wysokiej jakości, tanich elementów
optycznych. Opracowanie odpowiednich konstrukcji i technologii tych
elementów ma kluczowe znaczenie dla rozwoju sieci całkowicieoptycznych.
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
3
Zastosowania
Zastosowania przełączników światłowodowych
1. Ochrona i rekonfiguracja sieci
(wymagany czas przełączania ~5ms)
2. Sieci fotoniczne z przełączaniem obwodów (circuit switching, WDM
networks, OADM’s, OXC’s)
3. Sieci fotoniczne z przełączaniem pakietów
(wymagany czas przełączania ~1ns)
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
4
Przykład 1 - OADM
SW 1
F1T
WEST
λ1, ..., λN
λ1
λk
Σ
λ1
1
1xN
Σ
N
Fixed-output
wavelength converter
Passive optical coupler
λ1
1
Nx1
Σ
FNT
SW N
F1A
λ1
FNA
λΝ
EAST
λ‘1, ..., λ‘N
N
RX1
DROP
λ1
Tunable optical filter
4-state optical space switch
MxN Σ
TX1
λM
RXN
basic control
TXM
ADD
Opis: 4 kolory x 2.5 GB/s (STM-16), strojone filtry Fabry–Perota, przełączniki
optomechaniczne, regeneracja optoelektroniczna 3-R. Wszystkie składniki dostępne w
sprzedaży.
Eksperyment: trzy węzły połączone w dwuwłóknowym samo-naprawczym pierścieniu.
Węzły połączone przez 90 km standardowego światłowodu jednomodowego.
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
5
Przykład 2 - OXC
Układ umożliwia całkowicie-nie-blokujący broadcasting i multicasting, i jest oparty na prostych
macierzach przełączających o niewielkich rozmiarach. Zastosowano wzmacniacze światłowodowe
z ograniczonym wzmocnieniem jako przełączniki przestrzenne, i całkowicie optyczne
półprzewodnikowe konwertery długości fali.
Eksperyment: kaskada dwóch 4x4, ośmio-kolorowych OXC, 320 km standardowego światłowodu
jednomodowego (BER 10-15 przy 10 Gb/s).
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
6
Przykład 3 - optyczne przełączanie pakietów
Matryce przełączników w krzyżowym przełączaniu pakietów (optical packet cross-connect) muszą
się przekonfigurować synchronicznie z przepływem pakietów, z typowym czasem rekonfiguracji
~ns. Problem rywalizacji o dostęp (natłok), powstający gdy dwa pakiety chcą osiągnąć
jednocześnie ten sam adres jest rozwiązywany za pomocę pamięci optycznych (bufory - linie
opóźniające).
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
7
Wymagania dla przełączników
• Niezależność polaryzacyjna,
• małe przesłuchy,
• małe straty, pożądane wzmocnienie,
• niezależność od długości fali (w zakresie pracy
wzmacniacza EDFA),
• praca wielofalowa,
• przezroczystość względem szybkości transmisji (do ~10
(40?) Gb/s),
• szybkie przełączanie,
• prostota obsługi i zastosowania,
• skalowalność.
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
8
Klasyfikacja przełączników optycznych
1. Termooptyczne
2. MEMS
4. Przełączniki pęcherzykowe (w tym elektro-zwilżanie)
3. Wykonane w technologii optyki zintegrowanej,
elektrooptyczne
4. Akustooptyczne
5. Przełączniki półprzewodnikowe (możliwa integracja
monolityczna)
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
9
Przełączniki MEMS
MEMS - Micro-electromechanical system
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
10
Przełączniki MEMS
Skrót: MEMS - Micro-electromechanical system
Technologia: MEMSy to miniaturowe urządzenia wytwarzane za
pomocą procesów mikro-obróbki. Wymiary zawierają się w
zakresie od ~µm do ~mm. Materiałem wyjściowym jest głównie
krzem, obrabiany technologiami mikroelektroniki.
Zalety MEMSów: podobne jak układów scalonych dużej skali
integracji - małe jednostkowe koszty wytwarzania i możliwość
produkcji wielkoseryjnej.
MEMS - problemy do rozwiązania:
1. MEMSy są układami mechanicznymi, nie elektronicznymi,
2. przed zastosowaniem w telekomunikacji, zależy wykazać, że
charakteryzuję się one odpowiednim poziomem niezawodności.
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
11
Zalety stosowania krzemu do wytwarzania
przyrządów mikro-optyki
1.Przy odpowiedniej obróbce krzem zapewnia uzyskanie powierzchni
optycznych bardzo dobrej jakości (bez centrów rozpraszania, płaskie).
2. Bardzo dobre właściwości mechaniczne i odporność na zmęczenie
monokrystalicznego krzemu (Monokryształy Si pozbawione są dyslokacji,
w związku z tym praktycznie nie występuje zmęczenie materiału).
3. Elektryczne właściwości krzemu pozwalają na monolityczną integrację
przyrządów elektronicznych i mikro-mechanicznych, zapewniając ich
doskonałe dopasowanie.
4. W zakresie długości fal stosowanych w telekomunikacji
światłowodowej, Si jest całkowicie przezroczysty.
5. Mechanicznych układy krzemowe wytwarza się metodami podobnymi
do technologii krzemowych układów scalonych. Metody te oparte są na
procesach fotolitografii - koszty wytwarzania układów są stosunkowo
niskie.
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
12
Technologie MEMS
Mikroobróbka objętościowa. Oparta o procesy
trawienia. Usuwanie krzemu z płytki podłoża
przez substancje trawiące. Trawienie
anizotropowe usuwa krzem w różnych
kierunkach z różną szybkością. Trawienie
izotropowe usuwa substancję we wszystkich
kierunkach z tą samą szybkością.
Mikroobróbka powierzchniowa - Cienkie
warstwy różnych materiałów są dodawane i
usuwane w procesie obróbki. Warstwa
umieszczona w obszarze gdzie w przyszłości
ma się znajdować obszar pusty nosi nazwę
warstwy pomocniczej (sacrificial layer),
warstwa tworząca elementy to warstwa
strukturalna (structural material).
Technologie: kombinacje trawienia suchego i
mokrego, nanoszenie cienkich warstw.
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
13
Architektura przełączników MEMS
Przełączniki 2D MEMS
Zwierciadła są rozmieszczone w
konfiguracji krzyżowej (crossbar).
Mogą znaleźć się w pozycji ON
(odbicie) lub OFF (transmisja).
Przełącznik o liczbie portów NxN
wymaga zastosowania N2 zwierciadeł
dla uzyskania struktury całkowicie-nieblokującej.
Przełączniki 3D MEMS
Zwierciadła mogą obracać się wokół
dwóch osi. Światło może być
przekierowane w przestrzeni pod
różnymi kątami. Wykonanie
przełącznika NxN wymaga
zastosowania N lub 2N zwierciadeł (2N
daje mniejsze straty).
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
14
Dwuwymiarowe przełączniki MEMS
Zwierciadła są rozmieszczone w
konfiguracji krzyżowej (crossbar).
Mogą znaleźć się w pozycji ON
(odbicie) lub OFF (transmisja).
Zastosowania: przełączniki z niewielką liczbą portów
Wady:
• wymagane duże zwierciadła
• droga wiązki jest różna dla różnych połączeń, co daje różne straty (>5dB).
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
15
Trójwymiarowe przełączniki MEMS
Przełączniki 3D MEMS
Zwierciadła mogą obracać się wokół dwóch osi. Światło może być przekierowane w
przestrzeni pod różnymi kątami.
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
16
Mechanizmy ruchu zwierciadła
Wymogi odnośnie mechanizmów ruchu
1. Małe rozmiary
2. Łatwość wytwarzania
3. Dokładność
4. Przewidywalność
5. Mały pobór mocy
Mechanizmy ruchu
1. Elektrostatyczne - przyciąganie przeciwnie naładowanych powierzchni.
Zalety: mechanizm dobrze znany i powtarzalny
Wady: nieliniowa zależność siły od napięcia, duże napięcia sterujące
2. Elektromagnetyczne - przyciąganie się elektromagnesów o różnej biegunowości.
Zalety: osiągalne duże siły przy zachowaniu liniowości, małe napięcia sterujące
Wady: konieczne ekranowanie dla uniknięcia przesłuchów, niezawodność jeszcze nie
zweryfikowana
3. Silnik ryskowy/rysikowy (scratch drive actuator) : ruch kontrolowany przez
balansowanie siły docisku i tarcia, oraz impulsowe oddziaływania elektrostatyczne
pomiędzy płaszczyznami.
Zalety: praca bez napięcia podtrzymania, mały krok (10 nm)
Wady: Rozbudowana konstrukcja elektryczno-mechaniczna
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
17
Silnik ryskowy - zasada działania
Ruch w silniku ryskowym uzyskamy przykładając impulsy elektryczne
do podłoża i płytki ruchomej. W tym czasie tulejka zaczepia się o
podłoże, po usunięciu napięcia płytka przesuwa się do przodu.
http://www.intellisense.com/contentfiles/intellisuitepapers/CADModelingofScratchDriveActuation.pdf
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
18
Przełącznik optyczny zasilany silnikiem ryskowym
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
19
Podstawowe typy przełączników
półprzewodnikowych
1. Przełącznik na interferometrze MachaZehndera
2. Sprzęgacz kierunkowy
3. Konwerter modów (binarny przełącznik
optyczny/digital optical switch)
4. Wzmacniacz półprzewodnikowy
(aktywny przełącznik przestrzenny)
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
20
Przełączniki półprzewodnikowe struktura podstawowa
• Światłowody planarne na podwójnej heterostrukturze
• Światłowody paskowe grzbietowe, wbudowane lub obciążone
paskowe (strip loaded)
• Heterostruktura InGaAsP/InP lub GaAs/AlGaAs
• Tłumienie światłowodu wolnego ~0.2 dB/cm, Tłumienie
światłowodu w strukturze (światłowód/kontakty
el./doprowadzenia) < 1dB/cm
• Modulatory są zwykle anizotropowe - konieczne są specjalne
konstrukcje/modyfikacje dla uzyskania pracy niezależnej od
polaryzacji.
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
21
Przełączniki półprzewodnikowe na
bazie sprzęgacza kierunkowego
Matrix Switch
type
points
4x4
6 CIDC
4x4
4x4
4x4
Benes
8x8
Material
Results
InGaAsP
TE, crosstalk <-10dB, inssertion loss
<15dB, switching >10mA, size 6..5mm
6 CIDC
InGaAsP TE, crosstalk <-15dB, chip loss 15dB,
switching ~10mA, size 35mm
16 EODC InGaAsP TE, crosstalk <-10dB, prop. loss 3dB,
switching <30V, size 35-40mm
6 QCSE
InGaAlAs TE, crosstalk <-15dB, chip loss 18dB,
DC
MQW
switching <6V, size 9mm
64 EODC GaAs/Al TE, crosstalk <-21dB, chip loss 8.7dB,
GaAs
switching <26V, size 26.5mm
year [ref]
1992 [1]
1991 [2]
1991 [3]
1993 [4]
1992 [5]
DC: directional doupler, CI: Carrier injection, EO: Electrooptic, QCSE: Quantum-confined
Stark effect.
[1] L. Stoll, et al, AEO, vol. 46, pp. 116–118, 1992. [2] E. Lallier, et al., in ECOC/IOOC, Paris, France, 1991, pp. 44–47. [3] P. J. Duthie, et al.,
Electron. Lett., Vol. 27, no. 19, pp. 1747–1748, 1991. [4] H. Takeuchi, et al., Electron. Lett., vol. 29, no. 6, p. 523, Mar. 18, 1993. [5] K. Hamamoto, et
al., Electron. Lett., Vol. 28, pp. 441–443, 1992.
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
22
Struktury przełączników z interferometrem M-Z
Interferometr MachaZehndera - zasada działania
sygnał
sprzęgacz 3dB
sygnał
segmenty MM
Przełącznik M.-Z ze sprzęgaczem 3dB
(c) Sergiusz Patela 2002
segmenty SM
Przełącznik M.-Z z rozdzielaczem MMI
Przełączniki fotoniczne
23
Przełączniki półprzewodnikowe na
bazie interferometru M-Z
Matrix Switch
type
points
2x2
QCSE
Material
Results
InGaAs
MQW
InGaAsP
TE, TM, crosstalk <-10dB, insertion loss 20dB,
switching 4.5V, electrode 675um, size 1.84mm
2x2
EO MZI
TE, TM, crosstalk <-16dB, on-chip loss <3.2dB,
switching 6V, electrode 3mm, size 7mm
2x2
EO MZI
InGaAs
TE, crosstalk <-12dB, loss 1.5dB/cm, switching
6V, electrode 3mm, bandwidth 35GHz
2x2
QCSE
InGaAsP TE, crosstalk <-15dB, insertion loss 22dB,
MZI
MQW
switching 6.8V, electrode 0.5mm, bandwidth
10GHz
2x2
QCSE
InGaAlAs TE, TM, crosstalk <-20dB, insertion loss 14dB,
MZI
MQW
switching 4.5V, electrode 1.5mm, size 4mm
2x4
4 EO MZI InGaAsP TE TM ±0.5dB, crosstalk <-10dB, insertion loss
module
12dB, switching 5.5V, electrode 6mm, switch
time 200ps
4x4
4 EO MZI InGaAsP TE TM ±0.5dB, crosstalk <-15dB, insertion loss
module
5dB, switching 4.5V, electrode 6mm, switch time
200ps, optical bandwidth >30nm
year
[ref]
1992
[1]
1993
[2]
1995
[3]
1995
[4]
1996
[5]
1994
[6]
1996
[7]
MZI: Mach-Zehnder interf.EO: Electrooptic. QCSE: Quantum-confined Stark effect.
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
24
Światłowodowe przełączniki binarne
(digital optical switches DOS)
Matrix Switch
type
points
1x2
CD DOS
Material
Results
InGaAsP
4x4
24 CI
DOS
InGaAsP
4x4
24 CI
DOS
InGaAsP
1x2
CI DOS
InGaAsP
1x2
QCSE
DOS
CI DOS
InGaAsP
TE TM, crosstalk <-14dB, switching 12V,
optical band. >50nm, length 5mm, att. <2dB/cm
TE TM, crosstalk <-16dB, switching <10mA,
optical bandwidth >50nm, size 40mm, 25dB
fiber to fiber loss
TE TM, crosstalk <-13dB, switching <30mA,
optical bandwidth >50nm, size 20mm, 15dB
fiber to fiber loss
TE TM, crosstalk <-20dB, switching
50/100mAfor 1.3/1.5µm, optical bandwidth
200nm, electrode 3mm, att. 2dB/cm
TE, crosstalk <-7dB, switching 4V, size 0.9mm,
1.25 chip loss, 10GHz 3dB bandwidth
TE TM, crosstalk <18dB, switching 30mA,
electrode 1,5mm, 10dB f to f loss for 2x2 matrix
1x2
InGaAsP
year
[ref]
1991
[1]
1992
[2]
1993
[3]
1994
[4]
1995
[5]
1995
[6]
DOS digital optical switch, CD carrier depletion, CE carrier injection, QCSE quantumconfined Stark effect
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
25
Aktywne przełączniki półprzewodnikowe
Prąd wstrzykiwany do obszaru złącza p-n zmienia
współczynnik wzmocnienia/strat w obszarze
p
aktywnego światłowodu. Zjawiska te mogą być
n
podstawą budowy przełączników
światłowodowych opartych o półprzewodnikowe
wzmacniacze światła. (SOA)
Schemat przełącznika
przestrzennego NxN opartego o
SOA (układ drzewa).
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
26
Półprzewodnikowe przestrzenne
przełączniki
aktywne
,
[ ]
2x2
6 SOA in InGaAsP λ=1.28µm, f to f gain >0 dB, current 75+60 mA 1995
2 stages
[68]
2x2
4 SOA
InGaAsP λ=1.58µm, TE TM ±3dB, f to f gain 7dB, current 1996
[69]
160mA, on/off 25dB
2x2
4 SOA + InGaAsP λ=1.3µm, f to f gain 1dB, current 80+250mA,
1993
8 TIR
[76]
on/off >45dB
1x4
4 SOA
InGaAsP λ=1.57µm, TE, f to f gain >0dB, current 58mA, 1996
[70]
on/off 38dB
1992
4x4
SOA
InGaAs/
λ=0.99µm, f to f gain >0dB, current 16mA,
[75]
Benes
GaAs QW on/off >30dB, switch time <1ns
4x4
16 SOA + InGaAsP λ=1.3µm, TE TM ±1dB, f to f gain 5dB, current 1994
32 TIR
[77]
250+120mA, on/off 54dB
4x4
24 SOA
InGaAsP λ=1.55µm, TE, f to f gain 6dB, current
1992
(3 stages)
[71]
50+50+100mA, on/off 40dB
4x4
24 SOA
InGaAsP λ=1.55µm, TE TM ±0.5dB, f to f gain 0dB,
1995
(3 stages)
[72]
current 20+20+50mA, on/off 40dB
4-Array 4 SOA
InGaAsP λ=1.31µm, TE TM ±0.5dB, chip gain 20dB,
1994
[79]
current 100mA
InGaAsP λ=1.3µm, insertion loss >26dB, current 80mA,
1992
4x4
hybrid
[78]
module 2x8 array SiO2/TiO2 on/off 30dB
SOA
4-array 4 SOA
InGaAsP λ=1.55µm, TE TM ±1dB, f to f gain 14dB,
1995
module
[80,8
current 80mA
1]
4-array 4 SOA
InGaAsP λ=1.55µm, f to f gain 17dB, current 150mA
1996
module
[82]
(c) Sergiusz Patela 2002
Przełączniki fotoniczne
27