Виртуальные сети на коммутаторах.
Коммутатор позволяет локализовать потоки в сети, применить пользовательские
фильтры, но это не касается широковещательного трафика, который распространяется по
всем сегментам сети.
Параметры оптических коммутаторов.
Все коммутаторы характеризуются двумя важнейшими показателями: скоростью переключения и емкостью. В иерархии скоростей переключения в оптических сетях различают четыре уровня. Низкие скорости переключения приемлемы для операций автоматической конфигурации-реконфигурации оборудования (например, оптическое байпасное переключение для обхода выключенного или вышедшего из строя блока) или обновления таблиц маршрутизации. При этом для большой сети требуются значительные емкости коммутаторов. Средние скорости (~1 мкс) достаточны при защитном переключении колец или альтернативных маршрутов в сетях для коммутации сетевого трафика из одного волокна в другое. Здесь достаточно емкости коммутатора 2х2. Высокие скорости (~1 нс) требуются для коммутации потоков данных – переключения должны происходить существенно быстрее, чем время прохождения пакета (42 нс для 53-байтной ячейки АТМ при скорости потока 10 Гбит/с). Очень высокие скорости переключения (~1 пс) необходимы для внешней модуляции светового потока потоком данных. При этом время коммутации должно быть по крайней мере на порядок меньше длительности одного битового интервала (100 пс для потока 10 Гбит/с). Емкость – это число коммутируемых каналов или коммутируемых стандартных модулей (например, STM-1). Оптический коммутатор 16х16 считается большим, хотя не идет ни в какое сравнение с электронными коммутаторами емкостью 2048х2048 каналов. Работу коммутаторов характеризуют еще четыре показателя. Коэффициент ослабления коммутируемого сигнала – это отношение мощности сигнала на выходе в режиме “выключено” по отношению к мощности в режиме “включено”. Он может варьироваться от 40–50 до 10–15 дБ в зависимости от типа коммутатора. Данный показатель стремятся максимизировать. Как можно меньше должны быть вносимые коммутатором потери – ослабление сигнала, вызванное устройством. Переходное затухание коммутатора – отношение мощности сигнала на нужном (скоммутированном) выходе к мощности сигналов на всех остальных выходах – должно быть как можно больше. Минимизировать стараются и поляризационные потери коммутатора – ослабление коммутируемого сигнала, вызванное его поляризацией. Уровень этих потерь зависит от места коммутатора в системе связи. Для их снижения на входе коммутатора используют специальное волокно, препятствующее поляризации сигнала.
Базовые оптические коммутаторы.
Существует ряд технологий создания оптических коммутаторов. В соответствии с ними выделяют восемь типов таких устройств: – механические оптические коммутаторы; – электрооптические; – термооптические; – оптоэлектронные на основе SOA; – интегральные активно-волноводные; – на фотонных кристаллах; – на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах; – на ИС с набором матриц оптоэлектронных вентилей, связанных оптическим лучом. Механические оптические коммутаторы используют механическое перемещение элемента, коммутирующего световой поток от входного оптического порта к выходному. Известны три типа коммутирующих элементов: – вращающийся отрезок оптического волновода, поворачивающийся на определенный фиксированный угол для соединения входного порта (или пары входных портов) с одним (или парой) из выходных портов, расположенных по окружности; – вращающаяся призма или зеркало (плоское или сферическое вогнутое), при повороте на определенный фиксированный угол направляющая луч от входного порта на выходной; – направленные звездообразные/древовидные разветвители, фокусирующие световой поток на одном из выходных портов за счет изменения коэффициента связи при механическом воздействии на разветвитель в зоне оптической связи (например, посредством скручивания или растяжения). Механические коммутаторы имеют один или два (дуплексные) входных и n выходных портов; их время переключения – от 10 до 500 мс. Следовательно, они применимы только для автоматической реконфигурации сети. Достоинство этих устройств – небольшие вносимые потери (до 0,5 дБ) и большое переходное затухание (до –80 дБ). Емкость коммутаторов данного типа достигает сотен выходных портов (например, у коммутаторов FS-S, FS-M, FS-L компании Fujikura от 50 до 1600 выходных портов). Однако число входных портов, как правило, ограничено одной парой, что и определяет специфику их использования. Хотя эти типы коммутаторов наиболее проработаны, их применение в системах большой размерности проблематично не только с точки зрения числа входов, но и из-за сложности управления процессом коммутации. Электрооптические коммутаторы (ЭОК) также используют направленные разветвители для фокусировки светового потока на одном из выходных портов за счет управления коэффициентом связи, но уже посредством изменения коэффициента преломления материала разветвителя в зоне оптической связи. Пример такого устройства – ЭОК с волноводами из ниобата лития LiNbO3, коэффициент преломления которого изменяется под воздействием напряжения, приложенного к двум электродам в зоне оптической связи. ЭОК обладают исключительно высокой скоростью переключения (порядка 10–100 пс), ограниченной паразитной емкостью электродов, и могут использоваться для внешних модуляторов. Емкость коммутаторов этого типа мала (2х2), хотя ее можно увеличить, разместив несколько коммутаторов на одной подложке. Кроме того, у ЭОК относительно высоки вносимые и поляризационные потери. Термооптические коммутаторы основаны на явлении изменения коэффициента преломления под действием температуры. В качестве коммутирующего устройства используется интерферометр Маха-Цендера (MZI), материал волноводов которого под действием температуры изменяет эффективный коэффициент преломления nэф, а следовательно, и b – постоянную распространения моды (так как b=2pnэф/l). Это в свою очередь ведет к изменению разности фаз между двумя плечами интерферометра, вызывающему эффект коммутации входного сигнала с одного выхода на другой. Базовыми являются коммутирующие элементы емкости 2х2, которые при определенном каскадировании позволяют сформировать коммутаторы 8х8. Основой базового элемента (БЭ) является MZI, построенный из двух последовательно включенных направленных разветвителей, связанных между собой двумя оптическими волноводами различной длины для обеспечения разности фаз DL. Учитывая, что каждый направленный разветвитель создает на выходах разность фаз p/2, получаем разность фаз на выходах БЭ p+bDL (выход 1) и bDL (выход 2). Выбирая DL так, что bDL=kp, получаем разность фаз между выходами, равную p, т.е. сигнал со входа 1 попадает на выход 1, если для него выполняется равенство bDL=kp при нечетном k, и на вход 2, если это равенство истинно при четном k. Локальный дозированный импульсный нагрев элемента, изменяющий b, эквивалентен смене четности k, т.е. приводит к коммутации сигнала с одного выхода на другой. Термическая специфика делает данные устройства достаточно инерционными. Кроме того, они обладают большими вносимыми потерями и малым переходным затуханием. Последнее улучшается, если подложки коммутатора выполнены не из кварцевого стекла, а из специальных полимеров. Оптоэлектронные коммутаторы можно строить и на основе полупроводниковых оптических усилителей (SOA – Semiconductor Optical Amplifier), например лазерных усилителей с резонатором Фаби-Пэро в цепи обратной связи , если в качестве параметра управления коммутацией использовать напряжение смещения. При малом напряжении смещения произойдет поглощение входного сигнала усилителем – состояние “выключено”. При увеличении напряжения восстанавливается нормальное усиление сигнала – состояние “включено”. Таким образом, сочетание нормального усиления с отсечкой сигнала, т.е. моделирование ключевого режима работы устройства, позволяет использовать SOA в качестве оптоэлектронного коммутатора. Данный коммутатор обладает достаточно высоким быстродействием (1 нс). На его основе совместно с пассивными оптическими компонентами – разветвителями – можно строить коммутаторы большой емкости. Однако высокая стоимость SOA как отдельного элемента делает это решение неконкурентным по сравнению, например, с электрооптическими коммутаторами, у которых сопоставимые по быстродействию характеристики. Развитие интегральных технологий в направлении совместной реализации пассивных (разветвители) и активных (усилители) компонентов может привести к приемлемым по цене решениям, что подтверждает следующий тип коммутаторов. Разработка интегральных активно-волноводных коммутаторов/переключателей (АВК, AWS – Active-Waveguide Switch) – это логическое развитие идей оптоэлектронных коммутаторов на основе полупроводниковых оптических усилителей (ОУ). Результатом стало объединение в оптоэлектронную интегральную схему (ОЭИС) полупроводниковых ОУ и оптических волноводных устройств. ОЭИС представляет собой многослойную ИС, в структуре которой сформированы оптический волновод, ОУ, лазер, оптический модулятор, детектор, приемник и передатчик. Основой ОЭИС является активно-волноводная гетероструктура с выделенным “волноводным” слоем. Показатель преломления такого слоя имеет ступенчатый профиль (SISCH – Step-Index Separate-Confinement Heterostructure), обусловленный квантовыми потенциальными ямами (КПЯ, QW – Quantum Well). КПЯ служат ловушками для носителей заряда. Волноводный слой получен эпитаксиальным выращиванием слоя InGaAsP между двумя слоями InP (p-типа сверху и n-типа снизу), формирующими p–n-переход. Из-за меньшей ширины запрещенной зоны в таком слое происходит приток носителей (дырок и электронов), “оседающих” в КПЯ. В результате образуется избыток носителей, которые могут рекомбинировать под действием оптического сигнала, распространяющегося по волноводу, создавая условия для оптического усиления сигнала в полосе примерно 60 нм с центральной длиной волны 1550 нм. Такая структура называется активно-волноводной. При обратно смещенном p–n-переходе тока через него нет. КПЯ поглощают фотоны, и устройство работает как оптический аттенюатор. При умеренном токе через переход оно функционирует аналогично оптическому проводнику без потерь. При больших токах волновод становится оптическим усилителем с коэффициентом усиления порядка 18 дБ/мм на длине волны 1550 нм. Управляя током через переход (посредством контакта наверху “гребня” гетероструктуры), можно модулировать световой поток в волноводе. Тот же контакт применим для детектирования фототока в волноводе. Гетероструктура превращается в лазер (источник сигнала), если сформировать отражающие грани на краях ее гребня. При реализации оптической схемы коммутатора необходимо изменять направление оптического сигнала в волноводе на 90о. Этот поворот происходит посредством полного внутреннего отражения (ПВО) сигнала от граней, вытравленных в гетероструктуре в месте стыка волноводов. ПВО при угле падения до 45о возможно благодаря большому (~3,5) коэффициенту преломления слоя InGaAsP. Объединяя четыре таких БЭ, получают АВК емкостью 4х4. Как правило, их формируют в виде ОЭИС размером 2х3 мм с 5-мкм оптическими волноводами. Длина волноводов между любыми входными/выходными портами одинакова, чтобы коэффициенты усиления и отношения сигнал/шум были равными. При ширине полосы устройства 10 нм его БЭ можно применять в неблокирующих матричных коммутаторах емкостью 1024х1024. Одна из основных проблем оптических активно-волноводных коммутаторов – поворот луча на 900. Для этого в них использованы интегральные аналоги оптических угловых призм. Однако ту же задачу с успехом решают фотонные кристаллы* (ФК) – периодические диэлектрические структуры с запрещенной зоной, препятствующей распространению света определенного частотного диапазона. Создавая в таком кристалле точечные или линейные дефекты – резонансные полости (РП) или внутренние каналы соответственно, можно посредством туннельного эффекта проводить (коммутировать) оптическую несущую через запрещенную зону из одного внутреннего канала в другой. ФК решают три важные для оптических систем проблемы: поворот оси распространения оптического луча на 90о практически без потерь мощности (можно применять в АВК вместо призм); пересечение двух оптических волноводов в одной плоскости с пренебрежимо малым уровнем переходных помех; выделение (отфильтровка) одного или нескольких каналов (несущих) с последующей коммутацией. Последнее позволяет напрямую использовать ФК как элемент или базовый блок оптического коммутатора. Схема состоит из трех оптических волноводов: общей шины в центре и шин вывода с обеих сторон, связанных между собой оптической резонаторной системой – ОРС (по 2 или 4 резонансных полости с каждой стороны). Оптическая волна, распространяющаяся в общей шине в прямом направлении, возбуждает в резонансных полостях (РП) определенные моды колебаний, которые в результате взаимодействия переходят из РП в шины вывода, распространяясь в прямом или обратном направлении. Конструкция ОРС определяет параметры фильтров (например, число мод) и эффективность передачи энергии несущей из общей шины в шины вывода. При одной резонансной полости на несущую для большей эффективности РП настраивается на одномодовый режим, при двух – используются две зеркально симметричные (четные и нечетные) моды одной частоты. Входные сигналы коммутируют на ту или иную шину вывода, настраивая РП на разные несущие. Коммутаторы на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах используют способность жидких кристаллов изменять прозрачность под действием управляющего напряжения. Коммутаторы на матрицах оптоэлектронных вентилей основаны на так называемой интеллектуальной глобальной (N4) технологии взаимодействия с помощью оптического луча, распространяющегося в свободном пространстве. Модули таких коммутаторов состоят из трех–пяти фиксированных пространственно разнесенных плоскопараллельных матриц, взаимодействующих с помощью лазерного луча. Элементами входной матрицы выступают лазеры с вертикальной резонаторной полостью и поверхностной эмиссией VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), излучающие лучи на среднюю матрицу, образованную элементами дифракционного оптического взаимодействия DOIE (Diffractive Optical Interconnect Element). Эти элементы в соответствии с хранящимися в них коммутационными шаблонами направляют лазерные лучи на один или несколько интеллектуальных элементов DANE (Detect, Amplify, Negate, Emit) выходной матрицы. Их называют интеллектуальными, поскольку они реализуют четыре функции – детектируют принимаемый сигнал (Detect), усиливают его (Amplify), инвертируют усиленные импульсы (Negate) и возбуждают эмиссию лазера VCSEL (Emit). Элементы DANE реализуют логическую операцию ИЛИ-НЕ над входными данными (лазерными лучами от DOIE). Используя данный набор матриц, можно коммутировать любой элемент входной матрицы либо на любой из n2 элементов выходной матрицы (соединение точка-точка), либо на несколько таких элементов (соединение точка-многоточка), причем число одновременно соединяемых точек зависит от мощности лазера и порога срабатывания детектора.