Nghiên cứu, phát triển bộ chuyển mạch quang học

Khái niệm Khái niệm MEMS, chữ viết tắt của Hệ thống Vi cơ Điện tử, được sử dụng vàonhững năm 80 của thế kỷ trước khi mô tả sự tích hợp giữa các phần tử điện tử trên mộtchip được chế tạo

NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 3

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CHUYỂN MẠCH QUANG MEMS 9

1.1 Giới thiệu công nghệ MEMS (vi cơ điện tử) 9

1.1.1 Khái niệm: 9

1.1.2 Lợi ích từ MEMS 11

1.2 Giới thiệu về chuyển mạch quang 14

1.2.1 Khái niệm chuyển mạch quang 14

1.2.2 Chuyển mạch kênh quang 14

1.2.3 Chuyển mạch chùm quang 15

1.2.4 Chuyển mạch gói quang 16

1.3 Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS 16

1.3.1 Giới thiệu về MEMS 17

1.3.2 Phân loại 18

1.4 Giới thiệu về các bộ chuyển mạch quang MEMS với hai vị trí 23

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA HỆ THỐNG 25

2.1 Giới thiệu về cách thiết lập sơ đồ và các thành phần hệ thống 26

2.1.1 Sợi quang học (optical fiber) 26

2.1.2 Cáp quang 27

2.1.3 Bộ truyền động hay cơ cấu dịch chuyển bốn vị trí 27

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 28

Chương 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM CREO 3.0 31

3.1 Giới thiệu phần mềm CREO 3.0 31

3.2 Ứng dụng phần mềm CREO 3.0 33

3.3 Thiết kế, mô phỏng bộ chuyển mạch quang học 33

3.3.1 Dựng hình sơ đồ bộ chuyển mạch quang học 33

3.3.2 Lắp ráp sơ đồ hoàn chỉnh 37

Chương 4: MÔ HÌNH HÓA ĐƯỜNG DẪN QUANG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 40 4.1 Giới thiệu phần mềm MATLAB 41

4.1.1 Giao diện phần mềm 41

4.1.2 Một số thao tác cơ bản trong MATLAB 44

4.1.3 Dữ liệu 44

4.2 Ứng dụng phần mềm MATLAB 45

4.3 Mô hình hóa đường dẫn quang 45

4.3.1 Ứng dụng cho 1 phần tử truyền động 45

4.3.2 Ứng dụng cho mạng lưới 2x2 phần tử truyền động 48

4.3.3 Ứng dụng cho mạng lưới 5x5 phần tử truyền động 48

4.4 Vẽ hình đường truyền dẫn quang 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC 52

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

ST

16 Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống với bộ truyền động 4 vị trí đơn lẽ(hình chiếu) 31

17 Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống với mạng lưới 3x3 bộ truyền độngbốn vị trí 31

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung

- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN BỘ CHUYỂN MẠCH QUANG HỌC

- Mã số: T2017-06-49

- Chủ nhiệm: ThS Nguyễn Thị Thanh Vi

- Thành viên tham gia:

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

- Thời gian thực hiện: 12 tháng

2 Mục tiêu

- Nghiên cứu lý thuyết về chuyển mạch quang MEMS

- Nghiên cứu sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chuyển mạch quang;

- Mô hình hóa đường dẫn quang để thiết lập hệ thống

3 Tính mới và sáng tạo

Đã nghiên cứu được bước đầu được những cơ sở tính toán lý thuyết để tiến tớixây dựng nên bộ chuyển mạch quang học bốn vị trí

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Đã hoàn thành việc nghiên cứu lý thuyết về chuyển mạch quang MEMS, xây dựngnguyên lý hoạt động của hệ thống, cũng như đã thiết lập được mô hình hóa đường dẫnquang

5 Tên sản phẩm

 Báo cáo tổng kết đề tài

 Lý thuyết chuyển mạch quang

 Sơ đồ hệ thống

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng

Các kết quả sẽ được ứng dụng trong giảng dạy và nghiên cứu tại Đại học Sưphạm kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng và phát triển cho công nghệ chuyển mạch quang

Ứng dụng trong mạng truyền thông và thông tin

Coordinator: ThS Nguyễn Thị Thanh Vi

Implementing institution: Da Nang University of Technology and Education –University of Da Nang

Duration: from 01/2017 to 12/2017

2 Objective(s):

- Research on the theory of MEMS optical switches;

- Research operating principle diagram of the optical switching system;

- Modeling the optical path to set up the system

3 Creativeness and innovativeness:

Theoretical foundations have been studied initially to advance the construction of

a four-position optical switch

• CREO software file

• MATLAB software file

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

The results will be applied in teaching and research at the University ofTechnical and Education, University of Da Nang and developed for opticalswitching technology

Application in communication and information networks

Martin Hoffmann and Edgar Voges, “Bulk silicon micromachining for MEMS

in optical communication systems”, Journal of Micromechanic and microengineering,

2002, 349-360

Trong nước:

Ở nước ta, MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems – Hệ thống vi điện cơ)

đó là các linh kiện rất nhỏ hoặc các nhóm thiết bị rất nhỏ có thể được tích hợp cả haithành phần cơ khí và điện tử Nó có nhiều ứng dụng trong các thiết bị phục vụ cuộcsống hàng ngày cũng như đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp như điệnthoại di động, ô tô, hàng không vũ trụ, và gần đây là ứng dụng cảm biến đo áp suấtMEMS trong lĩnh vực sinh học và y tế Tuy nhiên ứng dụng của kỹ thuật MEMS tronglĩnh vực thông tin quang nói chung và chuyển mạch quang nói riêng thì chưa có nhiềunghiên cứu

Chử Đức Trình, Nguyễn Phú Thùy, Vũ Ngọc Hùng, “Ứng dụng cảm biến ápsuất MEMS trong thiết bị điện tử y tế”, Mã số: 23056 Loại: Báo cáo, giải pháp, thamluận khoa học

2 Tính cấp thiết của đề tài

Chuyển mạch quang hiện nay là OXC (Optical Cross-Connects) sử dụng chủ yếu

là chuyển mạch lõi điện và các chuyển đổi quang - điện, điện - quang ở giao diện vào

ra của trường chuyển mạch Khi số lượng cổng và tốc độ tăng lên sẽ gây nhiều khókhăn về yêu cầu gia tăng của các số lượng mạch điện tử điều khiển Vì thế chuyểnmạch quang MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems - hệ thống vi điện cơ) Côngnghệ chuyển mạch quang MEMS cho phép thực hiện chuyển mạch độc lập với bướcsóng với số lượng cổng vào/ra đạt được lớn hơn, kích thước nhỏ, nhẹ, thời gian chuyểnmạch nhanh Đề tài ứng dụng công nghệ MEMS để xây dựng nguyên lý cho thiết bịchuyển mạch quang với 4 vị trí rời rạc tương ứng với vi gương 2 trạng thái

3 Mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết về chuyển mạch quang MEMS;

- Nghiên cứu sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chuyển mạch quang;

- Mô hình hóa đường dẫn quang để thiết lập hệ thống

4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

4.1 Cách tiếp cận

- Nghiên cứu chuyển mạch quang MEMS;

- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm CREO 3.0 và MATLAB;

4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn

- Nghiên cứu tài liệu

5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

5.1 Đối tượng nghiên cứu

- Công nghệ chuyển mạch quang MEMS

- Phần mềm CREO 3.0 và MATLAB

5.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng bộ chuyển mạch quang học trong thông tin và truyềnthông

6 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu (trình bày dưới dạng đề cương nghiên cứu chi tiết)

Chương 1: Giới thiệu về chuyển mạch quang MEMS

Chương 2: Xác định nguyên lý chung của hệ thống

Chương 3: Thiết kế, mô phỏng hệ thống trên phần mềm CREO 3.0

Chương 4: Mô hình hóa đường dẫn quang bằng phần mềm MATLAB

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CHUYỂN MẠCH QUANG MEMS

1.1 Giới thiệu công nghệ MEMS (vi cơ điện tử)

1.1.1 Khái niệm

Khái niệm MEMS, chữ viết tắt của Hệ thống Vi cơ Điện tử, được sử dụng vàonhững năm 80 của thế kỷ trước khi mô tả sự tích hợp giữa các phần tử điện tử trên mộtchip được chế tạo thông qua công nghệ vi điện tử Trong khi các điện tử được sản xuất

sử dụng các quy trình cho mạch tích hợp (IC) như CMOS, hoặc CMOS lưỡng cực thìthành phần vi cơ khí được chế tạo nhờ quy trình “vi cơ” phù hợp cho phép ăn mònchọn lọc một hoặc nhiều phần trên đế silíc hoặc thêm vào các lớp có cấu trúc mới đểtạo nên các thiết bị vi cơ và vi cơ điện tử Ngày nay, thuật ngữ MEMS được sử dụngthường xuyên khi nói tới bất cứ một hệ vi điện tử nào có thêm chức năng cơ khí vàđược sản xuất hàng loạt (ví dụ, hệ vi hộp số được chế tạo trên chíp có thể được coi làmột thiết bị MEMS nhưng đồng hồ hoặc bút lade không được coi là vi hệ thống)

MEMS hứa hẹn cách mạng hoá gần như mọi chủng loại sản phẩm bằng việc kếthợp công nghệ vi điện tử trên nền tảng silicon và công nghệ vi cơ khí, tạo khả nănghiện thực hoá cái gọi là “hệ thống trên một chíp” hay “phòng thí nghiệm trên mộtchíp” MEMS là công nghệ khả thi cho phép phát triển các sản phẩm thông minh, làmtăng khả năng tính toán điện tử với sự tham gia điều khiển của các cảm biến và bộ thihành đồng thời mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng

Như đã đề cập, MEMS làm tăng tính chính xác của hệ thống với “mắt” với

“tay”, cho phép các vi hệ thống cảm nhận được môi trường và điều khiển môi trường.Cảm biến thu nhập thông tin từ môi trường thông qua các thông số cơ, nhiệt, sinh học,hoá học quang từ Mạch điện tử sau đó sẽ xử lý các thông tin thu thập được từ các cảmbiến và thông qua các phép tính toán sẽ ra quyết định cho bộ thi hành đáp ứng lại cácthay đổi này như: dịch chuyển, định vị, điều tiết, bơm, lọc nhờ đó mà có thể điều khiểntrở lại được các thông tin nói trên cho phù hợp với mục đích sử dụng

MEMS là sự tích hợp của các yếu tố cơ, cảm biến, bộ kích hoạt và các yếu tốđiện chung trên một nền Si bằng công nghệ vi chế tạo Trong khi những thành phần cóthuộc tính điện được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) như: CMOS, bipolar,BICMOS, thì những thành phần vi cơ được chế tạo dùng quá trình vi cơ phù hợp đó làkhắc đi có chọn lựa những phần wafer Si hoặc thêm vào những lớp có cấu trúc mới đểtạo nên các thiết bị cơ và cơ điện

MEMS hứa hẹn cách mạng hóa các loại sản phẩm bằng cách mang các yếu tố viđiện lại với nhau trên một nền Si cơ bản theo công nghệ vi cơ, bằng cách tạo ra các hệthống trên chip hoàn chỉnh Công nghệ vi cơ và các hệ thống cơ điện được dùng để tạo

ra cấu trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị đo micro MEMS là một côngnghệ có khả năng cho phép sự phát triển các sản phẩm thômg minh, tăng khả năng tínhtoán của các yếu tố vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ vi kích hoạt có khả năngnhận biết và điều khiển Ngoài ra, MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng

Trong một hệ thống, sự tích hợp các yếu tố vi điện xem là "bộ não", và MEMStăng cường thêm khả năng như là "mắt" và "tay" cho hệ thống vi điện tử, điều này chophép vi hệ thống nhận biết và điều khiển theo môi trường Các cảm biến tập hợp cácthông tin từ môi trường thông qua việc đo đạc các yếu tố nhiệt, cơ, quang, hóa, sinh,các hiện tượng từ Sau đó, các yếu tố điện xử lý thông tin từ cảm biến và thông qua cácnhận biết tác động trực tiếp đến bộ kích hoạt và đáp ứng lại bằng cách di chuyển, thayđổi vị trí, dò tìm, lọc, theo đó điều khiển môi trường theo ý muốn Do thiết bị MEMSđược chế tạo theo công nghệ khối tương tự như dùng cho mạch tích hợp, có chứcnăng, độ tin cậy và độ tinh vi chưa từng thấy được đặt trên một chip Si nhỏ với giáthành thấp

Các ứng dụng và thị trường MEMS mở ra khi các ứng dụng IC truyền thống kếtthúc Đặc biệt công nghệ chế tạo vi mô và công nghệ MEMS có thể cung cấp mộtphương tiện giao tiếp với thế giới điện tử số, được chi phối bởi IC, với thế giới vật lýtương tự Trong thế giới vật lý, những tín hiệu quan tâm không có bản chất điện , cầncác máy biến năng tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện (ví dụ cảm biến) có thể được xử lýbằng hệ thống điện tử IC cho phép Ngoài ra, sự liên kết các máy biến năng trong một

hệ thống cũng có nhiều thuận lợi (ví dụ đầu tiên chuyển tín hiệu nhiệt sang tín hiệu cơsau đó, thành tín hiệu quang , và cuối cùng thành một tín hiệu điện) Hơn nữa, có thểkết hợp bộ cảm biến và bộ kích hoạt tạo ra vi hệ thống hoàn chỉnh Các sản phẩmthành công về thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến là vi cảm biến

Mặc dù nhiều công nghệ và vật liệu chế tạo micro được sử dụng để sản xuấtMEMS xuất phát từ nền công nghiệp IC, lĩnh vực MEMS cũng đưa đến sự phát triển

và sự cải tiến của các quy trình và vật liệu chế tạo micro khác mà truyền thống khôngđược sử dụng bởi nền công nghiệp IC

1.1.2 Lợi ích từ MEMS

Sản xuất theo dây chuyền

Phần lớn các thiết bị MEMS được sản xuất hàng loạt, cho phép hàng ngàn thâmchí hàng triệu sản phẩm được chế tạo cùng lúc giúp hạ giá thành sản phẩm MEMScũng rất phù hợp với các ứng dụng ở diện rộng và mang tính khả thi với các hệ thốngtinh vi được chế tạo hàng loạt mà trước đó không thể triển khai với các công nghệ chếtạo khác Rất nhiều các sản phẩm MEMS tương tác cùng nhau mở ra các khả năng và

cơ hội mới trong các ngành công nghiệp cũng như trong các lĩnh vực ứng dụng khácnhau

Giảm kích thước

Kích thước nhỏ bé của thiết bị MEMS cho phép chúng tương thích với các hệthống mà những sản phẩm có kích thước lớn hơn không thể thực hiện được Và nhờ sựhoạt động ở kích thước nhỏ như vậy, cảm biến MEMS có thể phát hiện những tín hiệucực nhỏ và bộ chấp nhận MEMS có thể thực thi những nhiệm vụ với độ chính xác rấtcao, tạo ra các ứng dụng hoàn toàn mới

Hiệu năng

Thiết bị MEMS có thể hoạt động trên phạm vi nhỏ mang lại rất nhiều lợi ích vềhiệu năng và tính năng Các hệ vi thuỷ lực có thể phân tích một lượng rất nhỏ chấtlỏng và sử dụng rất ít mẫu Máy vi quét cho phép hiển thị với độ phân giải và độ tươngphản tốt hơn

Tiết kiệm năng lượng

Kích thước nhỏ của linh kiện MEMS đồng nghĩa với việc tiêu thụ ít nănglượng, có ý nghĩa mấu chốt đối với các linh kiện điện tử Các chuyển mạch tĩnh điệnMEMS chỉ tiêu thụ vài nano oát

Độ tin cậy

Rất nhiều thiết bị MEMS cho độ tin cậy hơn hẳn so với thiết bị truyền thống.Thiết bị MEMS thường được chế tạo với cấu trúc nguyên khối, không có mối nối,không dùng bi, bạc hoặc các gioăng có nguy cơ bị ăn mòn Để làm tăng độ tin cậy,thiết bị MEMS được đóng kín trong môi trường được kiểm soát chặt chẽ nhằm ngănchặn bụi bẩn, ăn mòn và do đó không cần bôi trơn, làm lạnh và bảo trì

vị rộng lớn là hoàn toàn có thể đối với các hệ thống thông minh trên một chíp bao gồm

cả các hệ thống truyền thông không dây, phòng phân tích hoá học, hệ thống xác địnhsinh trắc học trên một chíp

MEMS và công nghệ Nano góp phần vào các phát kiến mới trong khoa học và

kỹ thuật như vi hệ thống phản ứng chuỗi polyme (PCR) ứng dụng trong việc phân

chuỗi và xác định DNA, kính hiển vi đầu dò quét (STMs), cảm biến sinh học để pháthiện và chọn lọc thuốc chữa

Nhờ những tính năng vượt trội của công nghệ, sản phẩm MEMS đã, đang và sẽđược ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực Do khuôn khổ bài viết có hạn chúng tôi xinđưa ra đây một vài ứng dụng tiêu biểu của MEMS

Các nhà sản xuất các thiết bị không dây đang cố gắng đưa vào sản phẩm của họnhiều thành phần, nhiều chức năng hơn Ví dụ, những mẫu điện thoại thông minh 3G,4G, PDA, hoặc các trạm thu phát ngày càng đòi hỏi có nhiều chức năng hơn Để làmđược điều này, công nghệ cho phép tích hợp ngày càng nhiều thành phần vào hệ thống

là tất yếu Và công nghệ không dây đang phải đối đầu với thách thức tương tự Nhưvậy, khi thị trường đòi hỏi các chức năng mới, nó cũng đồng thời trông đợi các thông

số theo chiều giảm về kích thước, giá cả, công suất tiêu hao

Mạch giải tần cao sẽ thừa hưởng của công nghệ sóng rađiô (RF) - MEMS.Những linh kiện điện tử như bộ cảm, tụ xuyên ngầm có thể được cải thiện rõ rệt khi sửdụng mạng tích hợp Với sự tổ hợp của những thành phần này hiệu năng của các mạchthông tin được cải tiến rõ rệt đồng thời làm giảm diện tích mạch, công suất tiêu thụ.Thêm vào đó, chuyển mạch cơ khí là bộ phận chủ chốt trong rất nhiều loại mạch dùng

vi sóng Các mẫu thử nghiệm cho thấy chuyển mạch cơ khí sử dụng công nghệ MEMS

có hệ số phẩm chất cao hơn rất nhiều so với bất kỳ loại chuyển mạch sử dụng côngnghệ mạch tích hợp trước kia Tuy vậy việc đóng gói và độ tin cậy luôn luôn là haithách thức trong việc thương mại hoá các linh kiện RF - MEMS

Các thiết bị thụ động rời rạc như chuyển mạch RF, điốt biến dạng, bộ cộnghưởng có hệ số phẩm chất cao và các bộ lọc được xem như các linh kiện có thể được

RF - MEMS thay bằng các cấu tử MEMS

Với ứng dụng RF, các ứng dụng ở đây là công nghệ trên nền IC cho phép tíchhợp các thiết bị MEMS - RF trực tiếp lên bề mặt của IC bằng việc sử dụng công nghệtạo màng Cu dầy tương thích với tụ MOS (CMOS), hoặc BiCMOS và các quá trìnhcông nghệ Gali - Asen (GaAs)

Các nhà sản xuất công nghiệp đã nhìn thấy những lợi ích ban đầu do công nghệtiên tiến này mang lại Và chắc rằng, các thiết bị MEMS tích hợp mạch radio sẽ có cơthay thế mọi chip RF rời rạc bằng một chíp tích hợp duy nhất, với độ phân giải cựclớn Do giới hạn về công nghệ và quy trình sản xuất nên chúng ta chưa thể làm đượcđiều này, nhưng chỉ cần thay một phần chíp RF - MEMS chúng ta đã có thể tiết kiệmđược một cách đáng kể không gian (kích thước) và chi phí sản xuất, cho phép có đượcsản phẩm nhỏ hơn như các điện thoại di động siêu mỏng của Motorola, Samsung hayNokia, hoặc các thiết bị truyền dẫn, các bộ định tuyến và các điểm truy cập internetkhông dây với đồng thuận sâu sắc của các hãng chế tạo khổng lồ như: Intel, CiscoSystem, D - link, Samsung Electronic…

1.2 Giới thiệu về chuyển mạch quang

1.2.1 Khái niệm chuyển mạch quang

Về nguyên lý, một chuyển mạch thực hiện chuyển lưu lượng từ một cổng lốivào hoặc kết nối lưu lượng trên một khối chuyển mạch tới một cổng lối ra Hệ thốngchuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong cácsợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ mộtmạch này tới một mạch khác Với chú ý là: một hệ thống chuyển mạch quang có thểđược vận hành nhờ các phương tiện cơ như chuyển dịch một sợi cáp quang tới một sợicáp quang khác, hay nhờ các hiệu ứng điện-quang, từ-quang hoặc bằng các phươngpháp khác

Tuỳ thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà các thông tin được trao đổi dưới dạngthời gian thực (chuyển mạch kênh) hoặc dưới dạng ghép kênh thông kê (chuyển mạchgói) Chuyển mạch kênh là một phương pháp thông tin sử dụng để thiết lập cho thôngtin giữa 2 điểm Số liệu được truyền trên cùng một tuyến và thông tin truyền đi trongthời gian thực Khác với chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói thực hiện truyền các gói

số liệu độc lập Mỗi gói đi từ một cổng tới một cổng khác theo một đường nào đó Cácgói không thể gửi tới nút kế tiếp khi chưa thực hiện thành công tại nút trước đó Mỗinút cần có các bộ đệm để tạm thời lưu các gói Mỗi nút trong chuyển mạch gói yêu cầumột hệ thống quản lý để thông báo điều kiện truyền thông tin tới nút lân cận trongtrường hợp số liệu truyền bị lỗi

1.2.2 Chuyển mạch kênh quang

Chuyển mạch kênh quang được thực hiện trong mạng quang định tuyến bướcsóng thực hiện thiết lập các bước sóng toàn quang giữa hai nút mạng Sự thiết lập cácluồng quang bao gồm một số bước thực hiện Những bước này bao gồm tìm ra cấuhình và tài nguyên, định tuyến, gán bước sóng báo hiệu và đặt trước tài nguyên

Tìm ra cấu hình và tài nguyên bao gồm phân bổ và duy trì thông tin trạng tháimạng Thông tin sẽ bao gồm cấu hình mạng vật lý và trạng thái liên kết của mạng.Trong mạng định tuyến bước sóng WDM, những thông tin mày bao gồm các bướcsóng có thể sử dụng trên một tuyến đưa ra trong mạng Một giao thức phổ biến dànhcho duy trì thông tin trạng thái tuyến trong mạng internet là giao thức đường ngắn nhấttheo thứ tự mở (OSPF - Open Shortest Path First).

Vấn đề tìm các tuyến và gán bước sóng cho luồng quang được gọi là bài toánđịnh tuyến và gán bước sóng (RWA- Routing and Wavelength Assignment) Các yêucầu kết nối có hai dạng, dạng tĩnh và dạng động

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng trong các mạng quang đã đượcphát triển nhanh, nó đã đáp ứng các yêu cầu về băng tần của người sử dụng mạng.Trong mạng định tuyến các nút truy nhập thông tin với nhau qua các kênh toàn quang,các kênh này được xem như các luồng quang

Một luồng quang được sử dụng để hỗ trợ một kết nối trong mạng định tuyếnbước sóng WDM và nó có thể liên kết các sợi quang Trong trường hợp không sử dụng

bộ chuyển đổi bước sóng, một luồng quang chiếm cùng bước sóng trên tất cả các liênkết sợi mà nó đi qua Đặc tính này gọi là điều kiện ràng buộc bước sóng liên tục

1.2.3 Chuyển mạch chùm quang

Trong các mạng chuyển mạch chùm quang, các chùm dữ liệu bao gồm nhiềugói được chuyển mạch thông qua mạng toàn quang Một bản tin điều khiển (tiêu đề)được truyền đi trước chùm để thiết lập cấu hình chuyển mạch trên tuyến truyền củachùm Các chùm dữ liệu truyền sau tiêu đề mà không cần đợi bản tin xác nhận kết nối

và chuyển tiếp các gói tới các client đích

Bộ định tuyến lõi bao gồm một bộ nối chéo OXC và một khối điều khiểnchuyển mạch (Switching Control Unit - SCU) Khối điều khiển chuyển mạch tạo vàduy trì bảng chuyển tiếp và thực hiện cấu hình OXC Khi SCU nhận được một gói tiêu

đề chùm nó xác định đích của chùm và chỉ thị cho bộ định tuyến xử lý báo hiệu để tìm

ra cổng ra mong muốn Nếu cổng ra khả dụng khi đó chùm số liệu đến, SCU cấu hìnhcho OXC cho số liệu đi qua Nếu cổng ra không khả dụng thì OXC sẽ được cấu hìnhphụ thuộc trên mức độ tranh chấp bổ sung trong mạng Bộ định tuyến biên thực hiệncác chức năng sắp xếp các gói, đệm các gói, kết hợp các gói thành chùm, tách các góinguyên thuỷ của nó Kiến trúc định tuyến biên bao gồm một khối định tuyến (RoutingModule - RM), một bộ kết hợp chùm một bộ lập lịch Khối định tuyến lựa chọn cổng

ra thích hợp cho mỗi gói và gửi mỗi gói đến khối kết hợp chùm tương ứng Mỗi khốikết hợp chùm thực hiện kết hợp các gói với các tiêu đề cho bộ định tuyến lối cụ thể.Trong khối kết hợp chùm, có một hàng đợi gói riêng cho từng lớp lưu lượng Bộ lậplịch tạo ra một chùm theo kỹ thuật kết hợp chùm và truyền chùm ra cổng ra mongmuốn Tại bộ định tuyến đầu ra, chùm được tách ra thanh các gói và chuyển lên lớpmạng cao hơn

1.2.4 Chuyển mạch gói quang

Về nguyên tắc chuyển mạch gói toàn quang tổ chức dựa trên gói tiêu đề và điềukhiển được thực hiện trong miền quang, tuy nhiên phải trong nhiều năm nữa mới thựchiện được Trong thời điểm hiện nay chuyển mạch gói quang sử dụng điều khiển điện

tử để xử lý tiêu đề gói là thực tế hơn Trong chuyển mạch gói quang tiêu đề hoặc nhãnđược đọc và so sánh với một bảng định tuyến Tải số liệu sau đó sẽ được định tuyếntới cổng ra tương ứng với một nhãn mới (trao đổi nhãn) Điều quan trọng là tải tinđược truyền trong suốt qua chuyển mạch

Mục tiêu xây dựng mạng quang ngày nay là bổ sung khả năng thiết lập độnglớp truyền tải quang dựa trên các bộ nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect) vớimột kiến trúc và quản lý và điều khiển phù hợp Trong tương lai gần mạng OTN sẽ cókhả năng hỗ trợ số lượng lớn dung lượng lên tới 40 Gbit/s

Việc thiết lập mạng truyền tải quang động sẽ cho phép cung cấp nhanh cáctuyến dung lương cao, do vậy trong tương lai bước phát triển công nghệ cho phépcung cấp số lượng lớn các kênh quang Nếu được như vậy trong tương lai chỉ cầnchuyển mạch kênh quang là thoả mãn nhu cầu băng tần Tuy nhiên không phải là nhưvậy do lý do sau, ví dụ trong mạng OTN chỉ cần đưa ra tính chất hạt tại mức bướcsóng và nếu nguồn lưu lượng là chùm, dung lượng kênh được sử dụng có thể sẽ xảy raxung đột trên phạm vi mạng

Trong tương lai OXC được phát triển cho mạng OTN có thể hỗ trợ cho lớp chuyểnmạch gói quang

Chuyển mạch gói quang sử dụng trong nút lõi, các gói được chuyển qua mạngtại chuyển mạch ở nút lõi, ở đó tuyến được lựa chọn và tiêu đề được trao đổi Bằngcách này OPS sẽ tối ưu được tài nguyên mạng và tối ưu được tổng dung lượng mạng

như vậy sẽ làm giảm kích cỡ của OXC Tạo các nút chuyển mạch biên có giao diện với

cả mạng truyền tải OTN và IP

1.3 Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS

Một ứng dụng quan trong của thiết bị MEMS là trong các mạng sợi quang Ởkích thước micron, các bộ chuyển đổi dựa trên MEMS dẫn đường cho ánh sáng từ mộtsợi này đến một sợi quang khác Tiếp cận này cho phép một mạng quang thực thụ(hoàn toàn dựa trên ánh sáng) có thể truyền dữ liệu, vì các chuyển mạch này không đòihỏi có sự chuyển đổi tín hiệu quang sang điện và ngược lại

Điều này rất quan trọng vì các bộ chuyển sử dụng chuyển đổi Quang Điện Quang (OEO) có thể thường gây ra hiện tượng nghẽn cổ chai, cản trở việc hiện thựchoá mạng băng rộng thực thụ Nhưng MEMS và các thiết bị dựa trên công nghệ này cóthể chuyển mạch trong mạng quang Các ứng dụng mới gồm nguồn tích cực, các bộlọc xuyên ngầm, bộ suy giảm quang, hiệu chỉnh khuếch đại và thiết bị bù tán xạ

-Trên những thành tựu đó chúng ta có được mạng quang đầu mạng - đầu mạng với độtin cậy tốt hơn, giá thành thấp hơn và đặc biệt với tỷ lệ rớt mạng rất thấp Tuy vậy,phát triển một mạng quang thuần tuý là rất phức tạp và là thách thức vì cần phải tíchhợp các thành phần cơ, quang và điện tử trong cùng một hệ thống

Trong số các công nghệ chuyển mạch quang đang được quan tâm nghiên cứu vàphát triển ứng dụng nhằm thực hiện hóa các OXC toàn quang, công nghệ chuyển mạchquang MEMS nổi lên là công nghệ hàng đầu và khả dụng nhất về phương diện thươngmại ở thời điểm hiện tại

Công nghệ chuyển mạch quang MEMS cho phép thực hiện chuyển mạch độc lậpvới bước sóng với số lượng cổng vào/ra đạt được lớn hơn nhiều so với các công nghệkhác

1.3.1 Giới thiệu về MEMS

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 biếnvới các phần tử điện tử và sử dụng lực truyền động tĩnh điện, từ trường hoặc nhiệt đểdịch chuyển và điều khiển các phần tử thành phần theo yêu cầu

Về nguyên lý, các hệ thống chyển mạch quang MEMS có thể được phân thànhhai loại khác nhau theo cơ chế điều khiển sóng ánh sáng là chuyển mạch quang sửdụng cơ chế phản xạ hoặc khúc xạ và chuyển mạch quang sử dụng cơ chế nhiễu xạhoặc giao thoa

Trong loại thứ nhất, các thiết bị thực hiện chức năng chuyển mạch bằng cáchđiều khiển mật độ hoặc hướng truyền dẫn của luồng ánh sáng thông qua các cấu trúcphản xạ hoặc khúc xạ.

Đối với loại thứ 2, chức năng chuyển mạch hay điều khiển hướng được thựchiện 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

Trong đó hệ thống chyển mạch quang MEMS điều chỉnh hướng đi và luồng ánhsáng (có thể bao gồm một bước song hay một nhóm các bước sóng) theo hướng yêucầu bằng cơ chế phản xạ thông qua các phần tử chuyển mạch là các gương kích thướcrất nhỏ (vi gương)

Cách thức tổ chức phối ghép các vi gương trong trường chuyển mạch là yếu tốquyết định đến các đặc tích của mỗi trường chuyển mạch quang MEMS

Cấu trúc hệ thống chyển mạch quang MEMS bao gồm các phần tử chuyểnmạch quang là các vi gương và các thấu kính/ cách tử có khả năng điều chỉnh hướng đicủa 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 tinhthể hoặc siic đơn tinh thể Vi gương có thể được điều khiển theo cơ chế số hoặc tương

tự như minh họa trong hình vẽ dưới đây

Hình 1.1 Cơ chế điều khiển trong hệ thống MEMS

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 haitrạng thái: bật (chèn vào đường đi của luồng ánh sáng) hoặc tắt (không tác động đếnluồng sáng) thì sẽ dễ dàng điều khiển

Mỗi đầu vào chuyển mạch yêu cầu một dãy N vi gương nghiêng 45 độ so vớihướng ánh sáng vào trường chuyển mạch tương ứng với N đầu ra chuyển mạch

Đối với các hệ thống sử dụng cơ chế điều khiển tương tự, các phần tử vi gương có khảnăng điều chỉnh được góc nghiêng so với hướng ánh sáng tới và các vi gương nàyđược đặt cố định trên đường di chuyển của luồng ánh sáng

1.3.2 Phân loại

- Chuyển mạch quang MEMS một chiều

Kiến trúc cơ bản của một trường chuyển mạch quang MEMS một chiều được minhhọa trong hình dưới:

Hình 1.2 Chuyển mạch quang MEMS một chiều

+ 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 thong qua phần tử tán sắc

Kích thước của trường chuyển mạch tỷ lệ tuyến tính với số lượng kênh bước song 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

- Chuyển mạch quang MEMS hai chiều

Một mảng hai chiều của các vi gương chuyển mạch sắp xếp theo cấu hình ngangdọc được dùng để định hướng ánh sáng từ các sợi quang đầu vào đến các sợi quangđầu ra tương ứng của trường chuyển mạch

Hình 1.3 Chuyển mạch quang MEMS hai chiều

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 khiểndạng logic số nên việc điều khiển là rất dễ dàng

Trong trường chuyển mạch quang MEMS hai chiều, luồng sáng chuyển mạchđược chuẩn trực và truyền song song với mặt phẳng nền của mảng vi gương Khi kíchhoạt một gương nằm trên hàng tương ứng với đầu vào của luồng sáng, nó chuyển độngcắt vào đường đi của ánh sáng và định hướng ánh sáng đến đầu ra tương ứng với cộtchứa vi gương, khi đó vi gương tạo một góc 45º so với hướng đến của luồng sáng Bộadd và drop để thêm hoặc bớt kênh quang

Hình 1.4 Chyển động của gương và ma trận vi gương 16x16 = 256 vi gương

Hình 1.5 Bộ chuyển mạch quang học

Nhược điểm: Quãng đường dịch chuyển của luồng sáng qua trường chuyển

mạch biến thiên phụ thuộc vào vị trí cổng vào/ra dẫn đến suy hao qua trường chuyểnmạch 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 chip vàkhoảng cách tuyến ánh sáng phải truyền qua không gian tự do trong trường chuyểnmạch và sự biến thiên suy hao từ cổng vào đến cổng ra

- Chuyển mạch quang MEMS ba chiều

Kiến trúc chuyển mạch quang ba chiều được xây dựng bằng cách sử dụng haimảng vi gương

Trong kiến trúc này, độ nghiêng của vi gương MEMS có thể điều khiển theokhông gian tự do ba chiều nhờ cấu trúc khung cơ khí với hai trục quay vuông góc Cấuhình cơ bản của một chuyển mạch quang MEMS ba chiều và cấu trúc của vi gương

Hình 1.6 Chuyển mạch quang MEMS ba chiều

Cũng giống như trong chuyển mạch quang MEMS hai chiều, chuyển mạch quangMEMS ba chiều thực hiện chuyển mạch toàn bộ luồng sáng tới (có thể là một bướcsong hoặc một nhóm các bước sóng) từ sợi quang đầu vào đến sợi quang đầu ra theoyêu cầu Vì vậy cả hai kiến trúc này đều yêu cầu các bộ tách/ghép kênh bước sóngquang độc lập với trường chuyển mạch

Hoạt động thiết lập kết nối chuyển mạch qua trường chuyển mạch ba chiều đượcthực hiện bằng cách điều khiển nghiêng hai vi gương tương ứng một cách độc lập đểđịnh hướng ánh sáng từ đầu vào tới đầu ra được yêu cầu

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 chuyểnmạch này đảm bảo suy hao xen thấp và đồng nhất, ít phụ thuộc vào bước sóng dướicác điều kiện hoạt động khác nhau Độ suy giảm của tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR đốivới tín hiệu quang qua trường chuyển mạch, tham số chủ yếu bị gây ra do xuyên âm,suy hao phụ thuộc phân cực, là nhỏ nhất

Nhược điểm: Nhà sản xuất 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 lớn số lượng các vi gương,kiểm tra và định chuẩn cho các phần tử chuyển mạch cần rất nhiều thời gian để hoànthành Mặt khác, chuyển mạch quang MEMS ba chiều còn yêu cầu hệ thống điềukhiển vòng kín phức tạp với độ chính xác cao để điều khiển các vi gương và mỗigương lại đòi hỏi hệ thống điều khiển riêng rẽ nên giải pháp này có xu hướng trở nênđắt đỏ, yêu cầu kích thước thiết bị lớn hơn và tiêu thụ nhiều nguồn hơn

Vi gương: mấu chốt trong truyền thông quang học

Trong khi nhiều ứng dụng chủ chốt cho các thiết bị MEMS đòi hỏi chúng taphải hoạt động với chức năng như van hoặc bơm, chức năng được phát triển cho mạngquang học đặc biệt là xoay quanh các vi gương dựa trên MEMS

Vi gương thực chất là phần tử cơ khí căn bản cho việc chuyển quang ở các mốiđấu chữ thập cho phép chuyển tần số ánh sáng từ một sợi quang này đến một sợiquang khác Quá trình này bao gồm cả các cổng vào/ra, bộ chấp hành, và một bề mặtgương Khi áp thế vào bộ phận chấp hành, làm cho gương dịch chuyển và hướng ánhsáng về một lối ra đặc biệt nào đó, vi gương sẽ đứng im cho tới khi cần phải dịchchuyển quang lộ theo một hướng khác

Chuyển mạch MEMS bao gồm cả phần cơ khí và phần vi kênh Chuyển mạch

cơ học, hiện đang là tiếp cận có độ tin cậy cao nhất và tính linh hoạt lớn nhất, dựa trêntập hợp các vi gương cơ khí được sắp xếp theo chủ định với mức độ tích hợp từ hàngtrăm đến hàng ngàn chiếc trên một chíp

Những chuyển mạch dựa trên cơ sở các vi gương này được phân loại theo haichiều, nơi mà chúng có thể dịch chuyển lên, xuống, trái, phải hoặc ba chiều nơi chúng

1.4 Giới thiệu về các bộ chuyển mạch quang MEMS với hai vị trí

Reyne và các cộng sự đã phát triển một bộ lắp ghép các thiết bị chuyển mạchquang học đơn lẽ để tạo thành một mạng lưới mà cho phép chuyển đổi tín hiệu đầu vàođến các đầu ra khác nhau Các mô đun cơ bản tương ứng với chuyển mạch quang họcđược phát triển trước đó bởi Maekoba Các sợi quang học đầu vào và đầu ra được đặtxung quanh bộ lắp ghép này Khi gương di chuyển ở vị trí cao, tín hiệu quang từ sợiđầu vào được phản xạ đến đầu ra đặt trong trục của bộ truyền động được kích hoạt.Một thiết bị bao gồm 8 sợi đầu vào, 8 sợi đầu ra tương ứng 64 mô-đun sơ cấp đã đượcsản xuất theo phương pháp vi mô tạo nên nguyên lý hoạt động của thiết bị này

Hình 1.7 Bộ chuyển mạch quang hai vị trí của Reyne

Hoffman và các cộng sự đã phát triển một mạng lưới chuyển đổi quang học dựatrên bộ truyền động thẳng đứng kiểu rang lược Với bộ truyền động này, nó cho phép

di chuyển theo chiều thẳng đứng tối đa 300 μm với m với các răng lược di chuyển lên xuống

Ở vị trí cao, một tín hiệu quang có thể phản xạ qua một tấm gương được đặttrên răng này Với vị trí ở phía dưới, tín hiệu quang sẽ truyền thẳng qua

Hình 1.9 Bộ chuyển mạch quang hai vị trí của Yang

quay Với vòng quay của thiết bị truyền động này, gương đạt được 2 vị trí có thể:gương đứng và gương nằm Với một gương đứng, một tín hiệu quang có thể phản xạ.Với gương nằm, tín hiệu quang học truyền qua.

a) Cấu trúc sợi quang

Sợi quang là “sợi mảnh dẫn ánh sáng” gồm hai chất điện môi trong suốt khácnhau, một phần cho ánh sáng truyền qua là lõi sợi, phần còn lại là lớp vỏ baoquanh lõi

Sợi quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tầng số quang

Sự lan truyền của ánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng các sóng điện từtruyền dẫn được gọc là các mode trong sợi

Ánh sáng truyền trong lõi được truyền dẫn theo hiện tượng phản xạ toàn phần

Hình 2.2 Truyền dẫn trong sợi quang học

Ánh sáng truyền dẫn bị giới hạn trong lõi sợi

Vật liệu cấu tạo lõi sợi thường là thủy tinh, đường kính vỏ vài µm Còn vỏ phản xạ

có thể là thủy tinh hay chất dẻo trong suốt, đường kính vỏ vào khoảng 0.1mm

b) Sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang

Ánh sáng phát ra từ nguồn quang bị khuếch tán do nhiễu xạ Muốn đưa ánhsáng vào lõi của sợi cần phải tập trung ánh sáng Tuy nhiên không phải tất cả ánhsáng được tập trung đều có thể đưa vào sợi mà chỉ một phần có góc tới nằm trongmột giới hạn nhất định mới có thể đưa vào lõi sợi quang

Sợi quang là một môi trường truyền thông tin nhanh hơn cáp đồng trục nhiềulần

Cáp quang có cấu tạo gồm dây dẫn trung tâm là sợi thủy tinh hoặc plastic đã đượctinh chế nhằm cho phép truyền đi tối đa các tín hiệu ánh sáng Sợi quang được trángmột lớp lót nhằm phản chiếu tốt các tín hiệu

Cáp quang gồm các phần sau:

lại vào lõi

ướt

quang Những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp được gọi làjacket

2.1.3 Bộ truyền động hay cơ cấu dịch chuyển bốn vị trí

Cơ cấu này bao gồm các thành phần là bốn nam châm vĩnh cửu cố định(NCVCCĐ), được đặt vị trí hai bên đối xứng của nam châm vĩnh cửu di động(NCVCDĐ) NCVCDĐ này sẽ được đặt trong khối vuông mà giúp cho nam châm này

có thể đạt được bốn vị trí tại bốn góc của hình vuông

Chức năng duy trì được vị trí bốn góc này là nhờ vào bốn NCVCCĐ, mà tạo lực từtrường hút NCVCDĐ Chức năng chuyển dịch bốn vị trí nhờ tác động của lực điện từ,lực Laplace (hay lực Lorentz) được tạo ra bởi hai dây dẫn (thanh thẳng, bằng đồng bọclớp cách điện, cạo cách điện hai đầu, cho dòng điện chạy qua) Để tránh sự tương tácđiện, hai dây dẫn này được in trên và dưới bảng bo mạch xanh Giữa NCVCDĐ và haidây dẫn này đặt một lớp mỏng nhựa trong suốt

Khi nghiên cứu cơ cấu này, thì gốc và chiều của các nam châm được quy định nhưhình vẽ dưới đây

+ Mô hình thứ 1: 4 NCVCCĐ có hình chữ nhật, đôi một đối xứng

Hình 2.3 Sơ đồ cơ cấu bốn vị trí (mô hình 1)

+ Mô hình thứ 2: 4 NCVCCĐ có hình tròn, đôi một đối xứng