Przełączniki światłowodowe

Transkrypt

1 Przełączniki światłowodowe

2 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

3 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

4 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

5 Przykład 1 -OADM WEST λ 1,..., λ N 1xN Σ 1 N F 1 T F N T SW 1 SW N λ 1 λ 1 λ1 λν 1 N Nx1 Σ EAST λ 1,..., λ N λ 1 λk Fixed-output wavelength converter Σ Passive optical coupler F 1 A F N A RX 1 DROP MxN Σ RX λ N basic control 1 λ M Tunable optical filter TX 1 TX M 4-state optical space switch 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

6 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 przy 10 Gb/s). (c) Sergiusz Patela 2002 Przełączniki fotoniczne 6

7 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

8 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

9 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

10 Przełączniki MEMS MEMS - Micro-electromechanical system (c) Sergiusz Patela 2002 Przełączniki fotoniczne 10

11 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

12 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

13 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

14 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 N 2 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

15 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

16 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

17 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

18 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. (c) Sergiusz Patela 2002 Przełączniki fotoniczne 18

19 Przełącznik optyczny zasilany silnikiem ryskowym (c) Sergiusz Patela 2002 Przełączniki fotoniczne 19

20 Podstawowe typy przełączników półprzewodnikowych 1. Przełącznik na interferometrze Macha- Zehndera 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

21 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

22 Przełączniki półprzewodnikowe na bazie sprzęgacza kierunkowego Matrix Switch Material Results year [ref] type points 4x4 6 CIDC InGaAsP TE, crosstalk <-10dB, inssertion loss 1992 [1] <15dB, switching >10mA, size 6..5mm 4x4 6 CIDC InGaAsP TE, crosstalk <-15dB, chip loss 15dB, 1991 [2] switching ~10mA, size 35mm 4x4 16 EODC InGaAsP TE, crosstalk <-10dB, prop. loss 3dB, 1991 [3] switching <30V, size 35-40mm 4x4 6 QCSE InGaAlAs TE, crosstalk <-15dB, chip loss 18dB, 1993 [4] Benes DC MQW switching <6V, size 9mm 8x8 64 EODC GaAs/Al GaAs TE, crosstalk <-21dB, chip loss 8.7dB, switching <26V, size 26.5mm 1992 [5] DC: directional doupler, CI: Carrier injection, EO: Electrooptic, QCSE: Quantum-confined Stark effect. [1] L. Stoll, et al, AEO, vol. 46, pp , [2] E. Lallier, et al., in ECOC/IOOC, Paris, France, 1991, pp [3] P. J. Duthie, et al., Electron. Lett., Vol. 27, no. 19, pp , [4] H. Takeuchi, et al., Electron. Lett., vol. 29, no. 6, p. 523, Mar. 18, [5] K. Hamamoto, et al., Electron. Lett., Vol. 28, pp , (c) Sergiusz Patela 2002 Przełączniki fotoniczne 22

23 Struktury przełączników z interferometrem M-Z Interferometr Macha- Zehndera - zasada działania sygnał sygnał sprzęgacz 3dB segmenty MM segmenty SM Przełącznik M.-Z ze sprzęgaczem 3dB Przełącznik M.-Z z rozdzielaczem MMI (c) Sergiusz Patela 2002 Przełączniki fotoniczne 23

24 Przełączniki półprzewodnikowe na bazie interferometru M-Z Matrix type Switch points Material Results year [ref] 2x2 QCSE InGaAs MQW TE, TM, crosstalk <-10dB, insertion loss 20dB, switching 4.5V, electrode 675um, size 1.84mm 1992 [1] 2x2 EO MZI InGaAsP TE, TM, crosstalk <-16dB, on-chip loss <3.2dB, switching 6V, electrode 3mm, size 7mm 1993 [2] 2x2 EO MZI InGaAs TE, crosstalk <-12dB, loss 1.5dB/cm, switching 6V, electrode 3mm, bandwidth 35GHz 1995 [3] 2x2 QCSE MZI InGaAsP MQW TE, crosstalk <-15dB, insertion loss 22dB, switching 6.8V, electrode 0.5mm, bandwidth 1995 [4] 10GHz 2x2 QCSE InGaAlAs TE, TM, crosstalk <-20dB, insertion loss 14dB, x4 module 4x4 module MZI MQW switching 4.5V, electrode 1.5mm, size 4mm 4 EO MZI InGaAsP TE TM ±0.5dB, crosstalk <-10dB, insertion loss 12dB, switching 5.5V, electrode 6mm, switch time 200ps 4 EO MZI InGaAsP TE TM ±0.5dB, crosstalk <-15dB, insertion loss 5dB, switching 4.5V, electrode 6mm, switch time 200ps, optical bandwidth >30nm [5] 1994 [6] 1996 [7] MZI: Mach-Zehnder interf.eo: Electrooptic. QCSE: Quantum-confined Stark effect. (c) Sergiusz Patela 2002 Przełączniki fotoniczne 24

25 Światłowodowe przełączniki binarne (digital optical switches DOS) Matrix type Switch points Material Results year [ref] 1x2 CD DOS InGaAsP TE TM, crosstalk <-14dB, switching 12V, optical band. >50nm, length 5mm, att. <2dB/cm 1991 [1] 4x4 24 CI DOS InGaAsP TE TM, crosstalk <-16dB, switching <10mA, optical bandwidth >50nm, size 40mm, 25dB 1992 [2] 4x4 24 CI DOS InGaAsP fiber to fiber loss TE TM, crosstalk <-13dB, switching <30mA, optical bandwidth >50nm, size 20mm, 15dB fiber to fiber loss 1x2 CI DOS InGaAsP TE TM, crosstalk <-20dB, switching 50/100mAfor 1.3/1.5µm, optical bandwidth 200nm, electrode 3mm, att. 2dB/cm 1x2 QCSE DOS InGaAsP TE, crosstalk <-7dB, switching 4V, size 0.9mm, 1.25 chip loss, 10GHz 3dB bandwidth 1x2 CI DOS InGaAsP TE TM, crosstalk <18dB, switching 30mA, electrode 1,5mm, 10dB f to f loss for 2x2 matrix 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

26 Aktywne przełączniki półprzewodnikowe Prąd wstrzykiwany do obszaru złącza p-n zmienia p n współczynnik wzmocnienia/strat w obszarze aktywnego światłowodu. Zjawiska te mogą być 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

27 Półprzewodnikowe przestrzenne przełączniki aktywne, [ ] 2x2 6 SOA in 2 stages InGaAsP λ=1.28µm, f to f gain >0 db, current ma 1995 [68] 2x2 4 SOA InGaAsP λ=1.58µm, TE TM ±3dB, f to f gain 7dB, current 160mA, on/off 25dB 1996 [69] 2x2 4 SOA + 8 TIR InGaAsP λ=1.3µm, f to f gain 1dB, current mA, on/off >45dB 1993 [76] 1x4 4 SOA InGaAsP λ=1.57µm, TE, f to f gain >0dB, current 58mA, on/off 38dB 1996 [70] 4x4 Benes SOA InGaAs/ GaAs QW λ=0.99µm, f to f gain >0dB, current 16mA, on/off >30dB, switch time <1ns 1992 [75] 4x4 16 SOA + 32 TIR InGaAsP λ=1.3µm, TE TM ±1dB, f to f gain 5dB, current mA, on/off 54dB 1994 [77] 4x4 24 SOA (3 stages) InGaAsP λ=1.55µm, TE, f to f gain 6dB, current mA, on/off 40dB 1992 [71] 4x4 24 SOA (3 stages) InGaAsP λ=1.55µm, TE TM ±0.5dB, f to f gain 0dB, current mA, on/off 40dB 1995 [72] 4-Array 4 SOA InGaAsP λ=1.31µm, TE TM ±0.5dB, chip gain 20dB, current 100mA 1994 [79] 4x4 module hybrid 2x8 array λ=1.3µm, insertion loss >26dB, current 80mA, on/off 30dB 1992 [78] 4-array module 4-array module InGaAsP SiO 2 /TiO 2 SOA 4 SOA InGaAsP λ=1.55µm, TE TM ±1dB, f to f gain 14dB, current 80mA 1995 [80,8 1] 4 SOA InGaAsP λ=1.55µm, f to f gain 17dB, current 150mA 1996 [82] (c) Sergiusz Patela 2002 Przełączniki fotoniczne 27