Hầu hết các mạng ngày nay thực hiện xử lý điện tử ở các node và chỉ sử dụng sợi quang như môi trường truyền dẫn. Chuyển mạch và xử lý dữ liệu được thực hiện bằng cách chuyển một tín hiệu quang về dạng điện bẩm sinh của nó. Một mạng này dựa vào các bộ chuyển mạch điện tử. Các chuyển mạch này cung cấp các chức năng chuyển mạch và định tuyến với độ mềm dẻo cao. Tuy nhiên, tốc độ điện tử không thể phù hợp với băng thông cao của sợi quang. Sự chuyển đổi điện tử ở các node trung gian trong mạng cũng thêm vào trễ. Những yếu tố này đã thúc đẩy sự phát triển của mạng toàn quang trong đó các thành phần chuyển mạch quang được triển khai có thể chuyển mạch các luồng dữ liệu quang băng thông cao mà không cần chuyển đổi điện tử.
Các bộ chuyển mạch quang được sử dụng trong các mạng quang cho nhiều ứng dụng khác nhau. Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian chuyển mạch và số các cổng chuyển mạch khác nhau. Một ứng dụng của các bộ chuyển mạch quang là cung cấp các lightpaths. Trong ứng dụng này, các chuyển mạch được sử dụng bên trong các bộ kết nối chéo nhằm cấu hình lại chúng để cung cấp các lightpaths mới. Một phần mềm cần thiết được thêm vào để quản lý mạng từ đầu cuối đến đầu cuối. Vì thế, với ứng dụng này, các chuyển mạch với thời gian chuyển mạch mili giây được chấp nhận. Sự đánh đổi ở đây là phải thực hiện các bộ chuyển mạch có kích thước lớn.
Một ứng dụng quan trọng khác là chuyển mạch bảo vệ. Ở đây các chuyển mạch được sử dụng để chuyển các luồng lưu lượng từ một sợi chính sang một sợi khác trong trường hợp sợi chính bị hư. Toàn bộ hoạt động phải được hoàn thành trong hàng chục mili giây, bao gồm cả thời gian tìm ra lỗi, thông tin lỗi đến các phần tử mạng thích hợp điều khiển việc chuyển mạch, và thời gian chuyển mạch thật sự. Vì vậy thời gian chuyển mạch yêu cầu khoảng một vài mili giây. Có thể có các dạng chuyển mạch bảo vệ khác nhau, và phụ thuộc vào phương pháp được sử dụng, số các cổng chuyển mạch cần thiết có thể thay đổi từ hàng trăm đến hàng ngàn cổng khi sử dụng trong các bộ kết nối chéo bước sóng.
Các bộ chuyển mạch cũng là các phần tử quan trọng trong mạng chuyển mạch gói quang học tốc độ cao. Trong các mạng này, các chuyển mạch được sử dụng để chuyển các tín hiệu trên cơ sở các gói. Với ứng dụng này, thời gian chuyển mạch này phải nhỏ hơn nhiều thời gian của một gói, và các chuyển mạch lớn sẽ cần thiết. Ví dụ, một gói có kích thước 53 byte (một cell trong mạng ATM) ở tốc độ 10 Gbps dài 42 ns, vì vậy thời gian chuyển mạch yêu cầu để thi hành hiệu quả khoảng một vài nano giây.
Các bộ chuyển mạch còn được sử dụng như là các bộ điều chế bên ngoài để mở và đóng dữ liệu trước một nguồn laser. Trong trường hợp này, thời gian chuyển mạch phải là một phần nhỏ của thời khoảng bit. Do đó một bộ điều chế bên ngoài
cho một tín hiệu 10 Gps (với một thời khoảng bit 100 ps) phải có thời gian chuyển mạch khoảng 10 ps.
Ngoài thời gian chuyển mạch và số các cổng, các tham số quan trọng khác được sử dụng để biểu thị tính thích hợp của một bộ chuyển mạch cho các ứng dụng mạng quang gồm có:
• Tỉ số công suất ngõ ra ở trạng thái mở trên công suất ngõ ra ở trạng thái tắt. Tỉ số này càng lớn càng tốt và nó đặc biệt quan trọng trong các bộ điều chế bên ngoài. Trong khi các chuyển mạch cơ chế đơn giản có tỉ số 40-50 dB, các bộ điều chế bên ngoài tốc độ cao có tỉ số 10-25 dB.
• Suy hao công suất từ ngõ vào đến ngõ ra của bộ chuyển mạch (thường được biễu diễn dưới dạng decibels) phải càng nhỏ càng tốt.
• Các bộ chuyển mạch không lý tưởng. Ngay cả nếu ngõ vào x được kết nối một cách danh định đến ngõ ra y, một ít công suất từ ngõ vào x có thể xuất hiện ở các ngõ ra khác. Với một trạng thái chuyển mạch được cho, và ngõ ra, crosstalk
là tỉ số của công suất ở ngõ ra đó từ ngõ vào mong muốn trên công suất từ tất cả các ngõ ra khác.
• Cũng như các phần tử khác, bộ chuyển mạch nên có suy hao phụ thuộc sự phân cực thấp (PDL). Khi được sử dụng làm bộ điều chế bên ngoài, sự phụ thuộc này có thể bỏ qua vì bộ chuyển mạch được sử dụng ngay sau laser, và trạng thái phân cực ở ngõ ra của laser có thể được điều khiển bằng cách sử dụng một loại sợi quang đặc biệt để ghép ánh sáng từ laser vào bộ điều chế bên ngoài.
• Một chuyển mạch chốt duy trì trạng thái chuyển mạch của nó ngay cả khi công suất bị khoá. Điều này xét về mặt nào đó là đặc điểm mong muốn vì nó cho phép lưu lượng được xuyên qua bộ chuyển mạch ngay cả trong trường hợp không có công suất.
• Độ tin cậy của bộ chuyển mạch là một yếu tố quan trọng trong các ứng dụng truyền thông.
7.1. Các phần tử kết nối chéo sợi
Một phần tử kết nối chéo cơ bản 2 x 2 gửi các tín hiệu quang từ hai ngõ vào đến hai ngõ ra và có hai trạng thái: cross state và bar state. Trong cross state, tín hiệu từ cổng vào phía trên được gửi đến cổng ra phía dưới, và tín hiệu từ cổng vào phía dưới được gửi đến ngõ ra phía trên. Trong bar state, tín hiệu ở ngõ vào bên trên định tuyến đến ngõ ra phía trên, và tín hiệu từ ngõ vào bên dưới được định tuyến đến ngõ ra phía dưới.
cross state bar state
Các phần tử kết nối chéo được thực hiện sử dụng hai kỹ thuật: chuyển mạch định hướng (directive switch), trong đó ánh sáng hướng đến một trong hai ngõ ra theo tự nhiên; và chuyển mạch cổng (gate switch), trong đó các cổng khuếch đại quang được dùng để chọn và lọc các tín hiệu vào đến các cổng ra riêng biệt.