Оптични комутатори – предназначение, класификация и ХАРАКТЕРИСТИКИ
Тези устройства се наричат – оптични комутатори (Optical Switch). Това са устройства, които осъществяват оптичната комутация (Optical Switching). А оптичната комутация представлява пренасочване на оптичния сигнал в различни посоки.
Оптични комутатори са ключови компоненти в оптични мрежи. В такива мрежи те се използват за осигуряване на огромно разнообразие от приложения, като например защитно превключване или като устройства, които позволяват високоскоростна пакетна комутация. Огромното им предимство е в изключителното бързодействие, ниското ниво на грешки и друго много важно предимство е минимална захранваща мощност. Оптичните комутатори могат да се реализират по различни технологии.
За определяне предназначението на оптичната комутация трябва да се разгледат източниците на оптични сигнали. Най-често използваните източници на оптични сигнали в оптичните мрежи са лазерните диоди, предаващи сигнали по едномодови оптични влакна със спектрална лента на излъчване по-малка от 0,1 ns и консумирана мощност около 1 mW. Приложение намират както сравнително евтините лазери от типа PP (Pabry-Perot), работещи при дължина на вълната ~ 1300 nm, така и лазери с разпределена обратна връзка (DFB) или лазери от тип DBR, предназначени за работа в диапазона около 1550 nm и осигуряващи скорост на предаване до 10 Gbit/s.
Оптични комутатори са едни от важните елементи, с чиято помощ могат да се изграждат сложни мрежови структури. Оптичната комутация принципно се отличава от механичната комутация по продължителността на времето на задействане. Докато при механичната комутация това време е от порядъка на (20-50) ms и се определя от продължителността на преходните процеси в електрическите вериги за управление и комутация, то при оптичните комутатори времето на превключване е с няколко порядъка по-малко. Днес се използват разнообразни в конструктивно отношение оптични комутатори, които се групират в две основни групи: т.нар. матрични комутатори със “строго” неблокиращо действие (strictlynon-blocking), при които за всяка свободна двойка от входно-изходните полюси и при произволно, предварително установени съединения между другите двойки входно-изходни полюси винаги може да се изгради връзка, без да се променят вече изградените съединения и блокиращи (blocking) комутатори, които не удовлетворяват горното условие.
Бъдещето е реализизацията на напълно оптично буфериране, с което скоростта на обработка на пакетите нараства многократно в сравнение с оптичното буфериране с електронно управление. Оптично управление на процесите оптично буфериране и оптична комутация в оптичните комутатори се реализира от непрекъснат оптичен сигнал (вълна), генериран от напълно оптичен управляващ процесор (all-optical header processor). Тази технология е в начален стадий на развитие. Затова в оптичните комутатори днес се запазват електронни елементи за управление.
Оптичните комутатори могат да се класифицират по различни признаци.
Първата и най-обща класификация е:
- Комутация с преобразуване на сигнала в електронен вид
- Комутация без преобразуване на сигнала в електронен вид
При преобразуването на сигнала от оптичен в електронен, обработката му и в последствие отново преобразуването му в оптичен сигнал значително се забавя информацията. При липсата на такова преобразуване обаче се гарантира висока ефективност на комутацията. Така се постига бърза обработка на сигнала във възлите и внасянето на малко време закъснение, което е изключително важно при преминаването на real-time информация от всякакъв тип (глас, видео и др.). Поради тази причина бъдещето принадлежи на комутаторите без опто-електронно преобразуване на сигнала.
Други видове оптични комутатори са:
- Оптични комутатори на вериги - (Optical Circuit Switch - OCS)
- Оптични комутатори на пакети – (Оptical packet switch - OPS/ Optical burst switch OBS)
Оптични комутатори на вериги (OCS) – могат да комутират отделни оптични вълни или отделни оптични влакна. При комутирането на отделните влакна трябва да се вземе в предвид, че във всяко влакно може да има различен брой вълни, което допълнително усложнява комутацията. Към този тип комутатори спадат:
Оптични електронни комутатори (optical-to-electronic-to-optical– ОЕО)
Изцяло оптични комутатори (opitac-to-optical-to-optical - OOO) – те могат да се срещнат и под наименованието - All Optical.
Оптични комутатори тип ОЕО
При комутаторите от типа ОЕО (Фиг.1) се съдържат електронни устройства в комутационната си матрица и се осъществява преобразуване на сигнала от оптичен в електрически и обратно.Тези комутатори могат да поддържат скорости от 5Mbps до 4,25Gbps и по-високи, но relocking функцията дефинира специфични скорости - 270Mbps, 1.485Gbps, 2.97Gbps and 4.25Gbps. Въпреки тези недостатъци този тип комутатори имат и някои предимства като: регенериране на сигнала, не блокират, могат да излъчват от точка до много точки (Point-to-Multipoint) и поддържат конфигурации от 1024х1024 (7).
Фиг. 1 Оптичен електронен комутатор – ОЕО
Оптични комутатори тип ООО
При комутаторите от типа ООО (Фиг.2а и Фиг. 2б) не се съдържат електронни устройства в комутационната матрица. Ключовата характеристика на изцяло оптичния превключвател е, че сигналът се съхранява в оптичната област по време на процеса на превключване и маршрута. Това има голямо предимство над OEO превключвателите. Това означава, че всеки от стандартните аудио-видео сигнали (видео, аудио и данни) може да премине през превключвателите във всякакъв формат (аналогов или цифров). В допълнение, тези ключове могат да изпращат двупосочно данни на същия порт – нещо, което превключвателя OEO не може да направи.
Въпреки посочените предимства тези комутатори все още имат и съществени недостатъци. Това са загубите на сигнала от входа до изхода и по-малък брой входове и изходи. При увеличаването на броя на входовете и изходите съществено се усложнява и оскъпява схемното решение.
Фиг. 2а Изцяло оптичен комутатор комутатор – ООО
Фиг. 2б Изцяло оптичен комутатор комутатор – ООО
На Фиг. 3 могат да се сравнят двата вида оптични комутатори по някои от характеристиките им (7).
Фиг. 3 Сравнителна таблица на ОЕО комутатор и ООО комутатор
Оптични комутатори на пакети (OPS)
OPS (Фиг. 4) комутаторите се състоят от набор от мултиплексори и демултиплексори, входни интерфейси, пространствен превключвател с оптичен буфер, конвертор на дължината на вълната, изходни интерфейси и блок за управление на превключвателя. Пакетите пристигат по входното влакно, демултиплексират се в отделни оптични вълни и се подават на входния интерфейс. Всеки пакет съдържа полезни данни и оптичен header, който се използва за маршрутизиране. Входния интерфейс е отговорен за разопаковането на оптичния header и предаването му към блока за управление на превключвателя. Блока за управление прочита информацията в header-а, разпознава изходния порт и оптичната вълна за пакета и управлява маршрутизирането на съответния пакет. При маршрутизирането на пакета комутатора може да се нуждае от буфериране или преобразуване в друга оптична вълна. Този блок за управление също определя новия header на пакета и придвижването му към изходния интерфейс. Когато пакета пристигне на изходния интерфейс новия header е вече прикачен и пакета се предава на изходното оптично влакно (4).
Фиг. 4 Оптични комутатори на пакети – OPS
OPS комутаторите могат да се класифицират според няколко аспекта в зависимост от това как се прилагат методите за комутация и обработка. Това са:
- Синхронно или асинхронно превключване
- Електронен или оптичен контрол
- Формат на оптичния header – има два подхода (Bit serial and subcarrier multiplexed)
- Switch fabric architectures – с фиксирана големина на пакета или с променлива големина на пакета
- Стратегии за решаване на конфликти – когато два пакета в един и същ момент трябва са се подадат на един и същ изходен порт.
OPS комутаторите трябва да се справят със скорости от 40Gbps и повече. За това е нужно превключването да става за наносекунди. Друг проблем с който трябва да се справят е нарастването на броя на портовете, ниските загуби и прослушването и непроменянето на сигнала от входа до изхода. Днес използваните оптични материали са базирани на опто-механичните, термо оптичните или акустично оптични технологии. Но те са със скорост на превключване от порядъка на микросекунди. Двете технологии, които осъществяват превключване за наносекунди в момента са - semiconductor optical amplifer (SOA) и electro-optic lithium niobate (LiNbO3). Но и двете технологии имат ограничения, които трябва де се преодолеят за постигане на високопроизводително, надеждно и ефективно и икономически изгодно оптично пакетно комутиране (4).
Оптични комутатори на пакети тип ОBS
Оптични комутатори на пакети (OBS) са най-обещаващите устройства за задоволяване на нуждите от огромните трафични скорости. Учените предполагат, че тези комутатори ще могат да се справят със скорости до 10Tbsp. Но все още не са усъвършенствани достатъчно за да бъдат комерсиализирани.
OBS разделя мрежата на два региона - периферия (egge) и ядро (core). В периферията пакетите се събират (сглобяват) чрез определени процедури и формират BURST. Това са събрани различни пакети с общи черти (напр. обща крайна точка). BURST се присъединява на определена оптична вълна и се предава без никакво преобразуване. BURST се разпространява само във възлите на ядрото и когато пристигне на прага на периферията се разделят на първоначалните пакети и се доставят по обичайния начин (Фиг. 5 ) (8).
Фиг. 5 Сглобяване и разделяне на пакети в OBS
След като са сглобени пакетите в BURST следва изпращането на този BURST в ядрото. Това става по следния механизъм. Пристигналия от периферията е сглобен вече BURSТ. Малко преди да бъде изпратен се изпраща контролен пакет за да резервира ресурс в мрежата за предаване на този BURST. Данните се изпращат почти веднага след като е изпратена заявката за ресурс без да се изчака нейното потвърждение. Въпреки че има вероятност този BURST да бъде изхвърлен поради липса на ресурси този подход дава изключително малко закъснение. Контролния пакет за резервиране на ресурс на оптичната вълна е изпратен малко по-рано, но достатъчно за да могат всички възли да превключат комутационната си матрица за предаването на BURST. Когато данните пристигнат в първия възел матрицата е вече готова и сигнала не се преобразува в електрически а се запазва като оптичен (Фиг. 6) (6).
Фиг. 6 Изпращане на пакет в OBS
Огромното предимство на този тип комутация е че може да се гарантира качество на услугите и липсата на буфериране на информацията, което е трудно да се постигне в оптична среда.
На Фиг. 7 и Фиг. 8 са показани сравнения между различните комутатори и принципите в тяхното реализиране (8), (3).
Фиг. 7 Сравнение между различните оптични комутатори
Фиг. 8 Сравнение между трите технологии
Характеристики на оптичните комутатори
Познаването на характеристиките на оптичните комутатори е важна част от работата с тях за значението им в различните части на мрежата. Различните технологии за реализация определят различно използване на оптичните комутатори. Важно е да се знае, че с нарастването на броя абонати и пропускателната способност на мрежите от ново поколение е повишават и изискванията към устройствата намиращи се в ядрото. Това означава пренос на големи пакети с големи скорости и минимално закъснение. В някои случаи времето за комутация трябва да е от порядъка на няколко наносекунди. Тези изисквания водят до изключително прецизно изпълнение на оптичните елементи в устройствата, тяхната дълговременна експлоатация и правилния избор на оптично устройство. Характеристиките на оптичните комутатори (2):
- Време за превключване/скорост (Switching time/speed) – определя времето необходимо за промяна на състоянието на комутатора и се свързва с максимално поддържаните връзки.
- Качество на сигнала (Signal quality) – оптичните комутатори са предназначени да работят в определен диапазон с определена скорост. Извън този диапазон, за по-високи стойности на скоростта качеството на комутацията по отношение на прослушването, загубата, дисперсията и режима на поляризация може да бъде намалено. Това се нарича performance variation на параметър чувствителност. Най-важните параметри са: Затихването - силата на сигнала, който се губи поради превключването. В идеалния случай затихването трябва да бъде еднакво за всички входно изходни връзки; Прослушване - генерира се при комутирането на сигналите чрез пробиването на един сигнал в друг.
- Надеждност (Reliability) – от особена важност за OKM, които са предназначени за работа в транспортната оптична мрежа, пренасяща почти целия абонатен трафик. В тази част от мрежата, прекъсването на предаването винаги има сериозни последствия, свързани с намаляване на доходите от предоставените услуги и нарушаване на работата на организации и ведомства. Обикновено, телекомуникационното оборудване се проектира с коефициент на готовност 99,999 %, което се равнява на десетилетия безотказна работа. Това се постига с използване на надеждна елементна база (комутационна матрица, конектори, вътрешни връзки), както и чрез надеждна архитектура, която включва резервни вътрешни пътища за комутация или цяла резервна комутационна матрица. Съществен фактор за нарушаване на нормалната работа на OKM остават неоткрити грешки в управляващия софтуер, който се променя с цел модернизация.
- Бързо обезпечаване (Fast provisioning) – Оптичните крос конектори използват оптични комутатори като средство за установяване или реконфигуриране на оптични пътища (канали). Това позволява да се подменят оптичните пач панели с интелигентни устройства, които ще трансформират оптичната транспортна мрежа (OTN) в интелигентна автоматично комутируема оптична мрежа (ASON).
- Пакетно превключване (Packet Switching) – това е времето за превключване на дадения входен поток към съответен изход. В OTN при постоянно нарастващите скорости (100Gbps) изискванията към времето за превключване е наносекунди.
- Защитно превключване (Protection switching) – в случай че даден линк пропадне трафика трябва да бъде превключен към резервен линк/влакно. Това защитно превключване трябва да става за по-малко то 50ms.
- Разширяемостта - възможност на комутатора за увеличаване на капацитета, който се измерва в брой портове - входящи и изходящи. За някои приложения са достатъчни комутатори с няколко порта - 4х4, 8х8 и дори 1х2 за защитните комутатори. В други случай са необходими много по-големи комутационни матрици (десетки и стотици портове).
- Други важни характеристики са: минимално захранване(в някои случай консумираното захранване за охлаждане е по-голямо от нужното за самия оптичен комутатор); цена на комутатора; размери на комутатора; температура.
За да се разбере кои ключове са по-добри и кои да се
използват, трябва да се разбере как работи системата като цяло. Струва си да се
започне с факта, че всяка типична мрежа включва възли, т.е. отделни компютри. В
мрежата е включена и средата, чрез която се осъществява преносът на данни. Тя
може да бъде кабелна или безжична. В допълнение, възлите са най-често свързани
с такова средство за комуникация като маршрутизатор, концентратор или оптичен
превключвател. Цялата тази система е създадена с една цел - да прехвърля данни
от един сайт на друг.
Важно е да се разбере, че в момента самите комутатори са станали важна част от почти всяка мрежа. Принципът на тяхната работа - е Микро сегментация, която ви позволява да изпращате данни през една мрежа до няколко потребители на мрежата едновременно. Естествено, това значително намалява времето, прекарано за получаване на информация от няколко възли.
Оптичен превключвател SFP
Един от основните доставчици на този вид продукт е
ApplyNet, който успешно разпространява моделите за превключване като AN-SW802F
и AN-SW802M. Важно е да се отбележи, че принадлежността на тези модели е група
от управлявани WebSmart устройства. Елементите от този ред са за използване в
корпоративни мрежи или мрежи на доставчици на MetroEthernet. Производството на
тези модели се извършва в пластмасови ABS заграждения с размери 200 x 121 x 40
mm. Важно е да се отбележи, че тези модели са оптични ключове с 8 порта.
Скоростта на тези агрегати достига 100 Mbps. Също така трябва да се отбележи,
че устройствата са снабдени с пасивно охлаждане, което прави възможно
използването им както в настолни оптични мрежи, така и в телекомуникационни и
различни разпределителни шкафове.
Тъй като комутаторите SFP позволяват оптична връзка, това значително увеличава разстоянието, което устройството и неговите потребители могат да разделят. Това разстояние може да достигне 20 км. В допълнение, използването на комуникация с оптични влакна ще избегне ефектите от удари на мълния и пренапрежения, които често възникват, когато се използва конвенционален меден кабел.
Основни характеристики на комутаторите
Понастоящем най-често срещаният е оптичният превключвател за 24 порта. Въпреки това е невъзможно да се изберат модели само за тази характеристика. Има няколко по-важни показателя.
Една от най-важните характеристики е загубата, причинена от устройството. Необходимо е този брой да бъде възможно най-малък, като в този случай превключвателят се счита за по-добър.
Има и характеристика, която се нарича преходно затихване. Този параметър показва съотношението на мощността при определен изход към оставащите мощност. Колкото по-висока е стойността на този параметър, толкова по-добре.
Затихването на сигнала е също така една от основните характеристики, която трябва да бъде колкото е възможно повече.
Последният от параметрите, които играят най-важна роля, е поляризационната загуба на превключвателя. Този индикатор трябва да бъде минимален. Ако трябва допълнително да намалите тази стойност, тогава можете да използвате специално влакно, което намалява поляризацията на сигналите.
Cisco Switchboards
Понастоящем оптичните комутатори на Cisco са широко използвани от компании, представляващи средните предприятия. С други думи, продуктите на тази фирма са се доказали като надежден и ефективен помощник в организацията на мрежата.
Въпреки това, тази компания произвежда доста модели от най-различни видове и затова първо трябва да определите какво се изисква от организацията на мрежата в крайна сметка. Тъй като директната цел на мрежовата структура е да се осигури бърз и стабилен трансфер на данни между различни възли, изборът на превключвател е една от най-важните точки. За малките компании Cisco Catalyst 2960 е чудесен избор. Преимуществото на тези модели е, че те идват в комбинация от функции като надеждност, функционалност и цена.
Характеристики на оптичните превключватели D-link
По-рано в мрежата се използват хъбове за комуникация между отделните възли, но с появата на комутаторите всичко се е променило към по-добро. Тези устройства се характеризират с факта, че те могат да разделят една голяма мрежа на няколко логически сегмента, което от своя страна е донесло няколко предимства.
Едно от най-важните ползи от използването D-link оптичните комутатори са, че са дали възможност за свързване на отдалечени устройства към мрежата, които преди това не могат да бъдат свързани. Това стана възможно благодарение на факта, че превключвателят увеличава действителния размер на съществуващата мрежа.
Модели D-Link
Тази компания произвежда много различни видове оптични
ключове. Един от владетелите е DES-1010G /1026G. Това устройство е
неконтролиран превключвател, който осигурява комуникационен канал, чиято
скорост не надвишава 10/100 Mbps. В допълнение, този модел е оборудван с два
порта от 1000 Mbps, както и 26 порта, използвани за свързване на компютри.
Често такива модели се използват от малки и средни офиси за създаване на
оптична мрежа между потребителите на отдела.
Друга линия от неуправлявани ключове е DGS-1005D /08D /16TL /24TL. Тези
устройства се характеризират с факта, че има гигабитова честотна лента на
каналите. Благодарение на такава висока скорост тези устройства се използват за
високоскоростно свързване на сървъри и различни станции.
Мрежа на три нива
Мрежовият модел на три нива е фактор, който определя подхода за проектиране на всяка мрежа поотделно. Състои се от три нива - ниво на достъп, разпределение, ядро. Нивото на ядрото е най-важната характеристика и затова е на върха на веригата за създаване на тристепенна йерархична мрежа. Тази функция е отговорна за бърз и надежден трансфер на голямо количество данни. Също така трябва да се отбележи, че трафикът, който минава през ядрото, е общият трафик за повечето потребители на тази мрежа.
Нивото на разпространение е връзка между нивото на ядрото и нивото на достъп. Понякога се нарича още ниво на работната група. Важно е също да се отбележи, че в зависимост от метода на изпълнение, даденото ниво може да изпълнява няколко различни функции. Последното е нивото на достъп. Този фактор регулира достъпа на отделните потребители от тази група или комбинираните различни групи до информацията, съдържаща се в оптичната система. Това ниво също може да изпълнява няколко различни функции.
Оптоелектронни комутатори за променлив ток
· Комутатори за променлив ток
Това са т.н. превключватели или както се наричат и в бита “ключове”. Със тях можем да включваме и/или изключваме определена верига под действието на определено външно въздействие.
· Оптоелектронни комутатори за променлив ток
Устройства, които се използват за включване и/или изключване на дадена верига, работеща с променлив ток. При комутация на променлив ток би следвало да се държи сметка за капацитетите на входа и на изхода на веригата.
· Принцип на действие на оптоелектронни комутатори за променлив ток
Комутаторът (ключа) подложи на външно въздействие, за да изпълнява функциите си има няколко вида комутатори:
1. По начин на управление – механични, електромеханични;
2. По вида на комутирания сигнал – аналогови, цифрови;
3. По начина на нормално състояние – нормално отворен, нормално затворен;
4. По начин на включване във верига – последователно, успоредно;
При комутация на променлив ток би следвало да се държи снимка за капацитетите на входа и на изхода на веригата.
В бита се използват много често комутатори на променлив ток. Когато натиснем ключа за да светне лампата в стая или помещение ние затваряме верига и по този начин лампата светва.
В реалните централи се срещат три типа комутатори:
* пространствени комутатори, които сменят уплътнителната линия, без да сменя време интервалът;
* комутатори по време, които сменят каналния време интервал, без да сменя уплътнителната линия;
* време пространствени комутатори, които едновременно осъществяват дву координатната комутация.
Видове комутации:
– Комутация на канали;
– Пакетна комутация.
Оптичните комутатори са едни от важните елементи , с чиято
помощ могат да се изграждат сложни мрежови структури. Оптичната
комутация принципно се отличава от механичната комутация по
продължителността на времето на задействане. Докато при
механичната комутация това време е от порядъка на (20 ÷ 50) ms и се
определя от продължителността на преходните процеси в
електрическите вериги за управление и комутация, то при оптичните
комутатори времето на превключване е с няколко порядъка по-малко.
• Понастоящем се използват разнообразни в конструктивно отношение
оптични комутатори, които се групират в две основни групи: т.нар.
матрични комутатори със “строго” не блокиращо действие (strictly
non-blocking), при които за всяка свободна двойка от входно-изходните
полюси и при произволно, предварително установени съединения
между другите двойки входно-изходни полюси винаги може да се
изгради връзка, без да се променят вече изградените съединения и
блокиращи (blocking) комутатори, които не удовлетворяват горното
условие.
Оптични комутатори – приложение
Защитни комутатори (Protection Switch)
Защитните комутатори се използват при реализиране на защитата на предаването на сигналите по оптичните линии (ring топологии, point-to-point), когато настъпи физическо прекъсване на оптичните влакна в съответствие с процедурата APS (Automatic Protection Switching). Изискванията към времето на комутация на тези комутатори е 10-20 ms, тъй като те се използват за дълговременна комутация. Тези комутатори превключват порта на устройството към резервната линия (оптично влакно), когато физически се прекъсне работната линия. Комутаторите за защита (protection switch) са устройства с малък брой оптични портове - един входящ и два изходящи порта (1 x 2). Към този тип комутатори се поставят изисквания за висока надеждност и способност да удържат своето състояние стабилно, защото от това зависи способността на мрежата да се реконфигурира при прекъсване и да запази качеството на услугите (QoS). Управлението на превключването може да се извършва от външна наблюдаваща система или чрез вграден детектор на загубата на оптичния сигнал в работното влакно. Този тип комутатори са широко разпространени в съществуващите мрежи и тяхното използване все повече ще се разширява поради тенденцията към разширяване на защитното резервиране на линиите от магистралната част на мрежата към нейната периферия.
Оптични Add/Drop мултиплексори (Optical Add/Drop Multiplex - ОАDM)
SDH add/drop мултиплексорите (ADM) са широко разпространени в почти всички съществуващи SDH мрежи използващи ADM. Тези мултиплексори се използват най-вече в Metropolitan area network (MAN) мрежите, където ring топологията е най-често срещана. Те предоставят необходимата функционалност за да се добавят/отделят (add/drop) N на брой SDH сигнали т.е. потоците се мултиплексират и предават по един оптичен кабел (влакно). По същия начин оптичния add/drop мултиплексор (optical add/drop multiplexers OADMs) предоставя необходимите условия за да се добавят/отделят (add/drop) N на брой оптични вълни, които са мултиплексирани в едно влакно. Те още се наричат и комутатори на оптични линии (OLS). На фиг. 9 е показана опростена блокова диаграма на оптичен Add/Drop мултиплексор. ОАDM получава N различни оптични вълни по едно оптично влакно. След демултиплексирането различните λ се отделя необходимата λ и се добавят необходимите нови в рамката на тази вълна и тя отново се мултиплексира с всички λ за да се предаде в оптичното влакно (9).
Фиг. 9 Опростена диаграма на оптичен Add/Drop мултиплексор
Като цяла OADM има два вида портове: tributary ports – добавят/отделят новите λ и aggregation ports, които поемат/предават трафика от и в оптичното влакно. По отношение на броя на дължините на вълните по които могат да предават добавят/отделят или преобразуват OADM могат да се разделят на:
- Fixed OADMs – те не осигуряват големи способности за преконфигуриране;
- Reconfigurable optical add drop Multiplexers (ROADM) – някои λ могат да бъдат насочвани динамично към изходите;
- Reconfigurable and wavelength-translating OADM – те позволяват пълно преконфигуриране
OADM имат паралелна и каскадна структура. В паралелната структура всички λ се разделят и мултиплексират отново. Тази архитектура не е много рентабилна когато броя на отпадащите λ е малък (Фиг. 10). Паралелните мултиплексори са лесни за управление, но често имат големи вътрешни загуби. Модифицирана версия на паралелната архитектура е тази състояща се от много етапи на добавяне/отделяне на група от λ на всеки етап. Това е подходящо при нарастването на броя на каналите (9).
Фиг. 10 Паралелна архитектура на OADM
При каскадната архитектура всички λ се отделят наведнъж (Фиг. 11).
Фиг. 11 Каскадна архитектура на OADM
Оптични кросконектори (Optical Cross-Connects OXC )
Оптичните кросконектори се очертават като основния елемент на една бъдеща безпроблемна оптична транспортна мрежа с разпределена интелигентност и автоматично обезпечаване и бързото време за обслужване ще бъде основния проблем, с който трябва да се справя. OXC са наследници на традиционните кросконектори и се използват за осъществяването на сложни mesh топологии с голям брой оптични вълни пренасяни по оптичните влакна. Оптичните кросконектори се използват в центровете където се обработват голям брой оптични влакна. Значението на OXC непрекъснато нараства поради факта, че те са основните елементи за маршрутизиране и оптимизиране на трафика (5).
Архитектури на малки OXC
В зависимост от детайлността на работа OXC могат да се разделят на:
- Fiber switching OXC – свързва определени влакна според нуждите на мрежата. Този кросконектор съдържа оптичен пространствен комутатор, който е в състояние да свързва оптични двойки влакна.
- Lambda switching OXC – може да комутира различни λ от едно влакно към друго. Тези кросконектори се основават на по-сложни архитектури, използващи tunable/selectable филтри и напреднали оптични пространствени механизми за превключване.
- Wavelength conversion OXC – Това са най-сложните и скъпи кросконектори, но те предлагат най-голяма гъвкавост и най-добре обезпечават мрежата. Този тип кросконектори позволяват комутирането на различни λ на същото влакно дори ако две или повече от вълните които се превключват използват една и съща дължина на вълната. Това е осъществимо посредством конвертирането на λ в λ с друга дължина на вълната. Когато в оптичната транспортна мрежа няма преобразувател на дължините на вълните маршрутизацията е изключително сложна и скъпа процедура. На Фиг.12 са показани опростени схеми на тези три кросконектора (9).
Фиг. 12 Опростени диаграми на 2 х 2 OXC
Смесвайки различни компоненти като мултиплексор/ демултиплексор и оптичен комутатор могат да се изграждат големи OXC. Най-елементарен е фиксиран неконфигурируем кросконектор, в който всяка λ на всеки вход е винаги насочена към определен изход. Такъв кросконектор използва само мултиплексори и демултиплексори (Фиг.13)
Фиг. 13 Блок диаграма на 4 х 4 nonconfigurable OXC
Може да се осъществява и преобразуване на дължината на вълната в кросконекторите. Съществуват различни преобразувания в зависимост от броя и разположението на λ в архитектурата на кросконекторите. Фиг.14 показва опростен случай на преобразуване на λ. Използват се мултиплексори/демултиплексори и също така 2х2 оптични комутатора, което позволява създаването на Р х Р λ комутиране (9).
Фиг. 14 Блок диаграма на Р х Р λ OXC
Архитектури на големи OXC
Големите кросконектори са изградени чрез комбиниране на много 2х2 оптични комутатора в различна схема (9).
- Crossbar architecture – има 2х2 оптични комутатори на всяко N2 съединение между входния ред и изходната колона (Фиг. 15). Тази архитектура е сигурна, но има големи изисквания към материалите от които са изработени елементите.
Фиг. 15 Crossbar архитектура
- Benes architecture – ефективна архитектура нуждаеща се от 2х2 оптични комутатора. Всеки N x N Benes комутатор изисква (N/2)(2log2N-1) 2 x 2 оптични комутатора. Особеността тук е че са необходими определен брой дължини на вълните за превключване (crossover) Фиг. 15.1
.
Фиг. 15.1 Benes architecture
- Spanke–benes – това е комбинация от предишните две архитектури. Тя изисква N(N-1)/2 комутатора. Тук се намалява необходимостта от определен брой дължини на вълните за превключване (crossover)
- Clos architecture – Фиг. 15.2 основава се на Crossbar архитектурата. Clos архитектурата разделя комутатора на няколко нива, като всяко ниво съдържа определен брой crossbar комутатори (9).
Фиг. 15.2 Clos architecture
Технологии използвани за оптична комутация
Създаването на оптичните комутатори става възможно с откриване на някои процеси в кристалите, полупроводниците и полимерите, които променят коефициента на оптично пречупване на веществото, в зависимост от промяната на електрическото поле, магнитното поле, температурата и други физически величини (1).
Тези ефекти се делят на две - линейни и нелинейни ефекти.
Линейни ефекти са: електро-оптичният ефект; термо-оптичният ефект; термо-капилярният ефект; механичното задвижване чрез електрическо и магнитно поле; технологията на течните кристали.
Нелинейни ефекти, свързани с промяната на оптичните свойства на някои вещества, са следните (1):
- кръстосана фазова модулация (Cross Phase Modulation - XPM);
- модулация на плътността чрез електронен поток (Еlectrical Carrier Density Modulation - ECDM);
- електронна модулация на усилването (Electrically Мodulating the Gain - EMG);
- кръстосана модулация на усилването (Cross Gain Modulation - XGM) in SOAs;
- собствена модулация на усилването (Self Gain Modulation - SGM).
На Фиг. 16 е дадена таблица с различията между технологиите използвани за оптична комутация (2).
Фиг. 16 Сравнителна таблица между различните технологии
На Фиг. 17 е са показани предимствата и недостатъците на различните технологии използвани за оптична комутация (9).
Фиг. 17 Предимства и недостатъци на технологиите за оптична комутация
Една съвсем нова технология, която е обект за изследвания е дала изключителни резултати за ускоряването на работата на оптичните комутатори. Тази технология се постига чрез използването на материала ГРАФЕН.
Обикновените оптични превключватели реагират за време от няколко наносекунди. Чрез използване на няколко слоя графен това време е сведено до 100 фемтосекунди, т.е. превключването е ускорено сто пъти.
Същността се състои в използване на графен в схемите за оптично превключване вместо обичайния полупроводник. Графенът представлява решетка от въглеродни атоми с дебелина само един атом. Благодарение на своите качества като якост, гъвкавост и проводимост и същевременно лекота и ниска цена, графенът се явява един от най-обещаващите материали.