DWDM sử dụng một tập hợp độ dài sóng quang (hoặc kênh) khoảng 1.553 nm với khoảng cách kênh là 0,8 nm (100 GHz), mỗi bước sóng có thể mang thông tin lên đến 10 Gbps (STM 64). Hơn 100 kênh như vậy có thể được kết hợp và truyền trên một sợi quang duy nhất. Các nỗ lực đang được thực hiện để siết chặt các kênh hơn nữa và tăng tốc độ bit dữ liệu trên mỗi kênh.

Theo thử nghiệm, việc truyền 80 kênh, mỗi kênh mang 40 Gbps (tương đương 3,2 Tbits / giây) trên một sợi quang duy nhất đã được thử nghiệm thành công trên quãng đường dài 300 km. Việc triển khai mạng quang DWDM dựa trên điểm-điểm và dựa trên vòng yêu cầu một loại phần tử mạng mới hơn có thể thao tác tín hiệu trong quá trình chạy mà không cần chuyển đổi OEO tốn kém. Bộ khuếch đại quang học, bộ lọc, bộ ghép kênh giảm thêm quang học, bộ ghép kênh khử ghép kênh và kết nối chéo quang học là một số yếu tố mạng thiết yếu. MEMS đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế và phát triển các phần tử mạng đó.

MEMS là từ viết tắt của Micro Electro Mechanical Systems. Nó được sử dụng để tạo ra các thiết bị siêu thu nhỏ, có kích thước chiều ngang từ vài micron đến vài cm. Chúng khá giống với vi mạch, nhưng có khả năng tích hợp các bộ phận cơ học chuyển động trên cùng một chất nền.

Công nghệ MEMS có nguồn gốc từ ngành công nghiệp bán dẫn. Chúng được chế tạo bằng quy trình chế tạo hàng loạt tương tự như VLSI. MEMS điển hình là một hệ thống vi mô tích hợp trên chip có thể kết hợp các bộ phận cơ học chuyển động cùng với các yếu tố điện, quang học, chất lỏng, hóa học và y sinh.

Về mặt chức năng, MEMS bao gồm nhiều cơ chế truyền khác nhau để chuyển đổi tín hiệu từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác.

Nhiều loại cảm biến vi mô và thiết bị truyền động vi mô khác nhau có thể được tích hợp với, xử lý tín hiệu, hệ thống con quang học và vi tính toán để tạo thành một hệ thống chức năng hoàn chỉnh trên một con chip. Khả năng đặc trưng của MEMS là bao gồm các bộ phận cơ khí chuyển động trên cùng một chất nền.

Do kích thước nhỏ, có thể sử dụng MEMS ở những nơi hầu như không thể đặt các thiết bị cơ khí; chẳng hạn như bên trong mạch máu của cơ thể người. Thời gian chuyển đổi và phản hồi của các thiết bị MEMS cũng ít hơn so với các máy thông thường và chúng tiêu thụ ít điện năng hơn.

Ứng dụng MEMS

Ngày nay, MEMS đang được ứng dụng trong mọi lĩnh vực. Viễn thông, khoa học sinh học và cảm biến là những người hưởng lợi chính. Cảm biến chuyển động, gia tốc và ứng suất dựa trên MEMS đang được triển khai đại trà trên máy bay và tàu vũ trụ để tăng độ an toàn và độ tin cậy. Vệ tinh Pico (nặng khoảng 250 gm) được phát triển như các thiết bị kiểm tra, liên lạc và giám sát. Chúng sử dụng các hệ thống dựa trên MEMS làm trọng tải cũng như để kiểm soát quỹ đạo của chúng. MEMS được sử dụng trong đầu phun của máy in phun và đầu đọc / ghi của ổ đĩa cứng. Ngành công nghiệp ô tô đang sử dụng MEMS trong ‘hệ thống phun nhiên liệu’ và cảm biến túi khí.

Các kỹ sư thiết kế đang đưa MEMS vào các thiết kế mới của họ để cải thiện hiệu suất cho các sản phẩm của họ. Nó làm giảm chi phí và thời gian sản xuất. Tích hợp nhiều chức năng vào MEMS cung cấp mức độ thu nhỏ cao hơn, số lượng thành phần thấp hơn và tăng độ tin cậy.

Kỹ thuật thiết kế và chế tạo

Trong vài thập kỷ gần đây, ngành công nghiệp bán dẫn đã phát triển đến mức trưởng thành. Sự phát triển MEMS được hưởng lợi phần lớn bởi công nghệ này. Ban đầu, các kỹ thuật và vật liệu được sử dụng để thiết kế và chế tạo mạch tích hợp (IC) được vay mượn trực tiếp để phát triển MEMS, nhưng hiện nay nhiều kỹ thuật chế tạo dành riêng cho MEMS đang được phát triển. Vi gia công bề mặt, vi gia công số lượng lớn, khắc ion phản ứng sâu (DRIE) và khuôn vi mô là một số kỹ thuật chế tạo MEMS tiên tiến.

Sử dụng phương pháp vi gia công , các lớp polysilicon khác nhau, thường dày từ 1-100 mm, được lắng đọng để tạo thành cấu trúc ba chiều có dây dẫn kim loại, gương và các lớp cách nhiệt. Quá trình khắc chính xác loại bỏ một cách chọn lọc lớp màng bên dưới (lớp thay thế) để lại một lớp màng phủ được gọi là lớp cấu trúc có khả năng chuyển động cơ học.

Vi gia công bề mặt được sử dụng để sản xuất nhiều loại thiết bị MEMS với khối lượng thương mại. Các lớp polysilicon và kim loại có thể được nhìn thấy trước và sau quá trình khắc.

Vi gia công hàng loạt là một quá trình được sử dụng rộng rãi khác để tạo thành các thành phần chức năng cho MEMS. Một tinh thể silicon đơn được tạo mẫu và định hình để tạo thành các bộ phận ba chiều có độ chính xác cao như kênh, bánh răng, màng, vòi phun, v.v. Những thành phần này được tích hợp với các bộ phận và hệ thống con khác để tạo ra MEMS hoàn toàn chức năng.

Một số khối xây dựng được tiêu chuẩn hóa để xử lý MEMS và các thành phần MEMS là các quy trình MEMS đa người dùng (MUMP). Đây là những nền tảng của một nền tảng dẫn đến cách tiếp cận dành riêng cho ứng dụng đối với MEMS, rất giống với cách tiếp cận dành riêng cho ứng dụng (ASIC), đã rất thành công trong ngành vi mạch tích hợp.

Tất cả các mạng DWDM quang học và MEMS

Các chuyên gia viễn thông ngày nay đang phải đối mặt với thách thức chưa từng có để đáp ứng các dịch vụ băng thông cao ngày càng mở rộng trong các mạng viễn thông. Nhu cầu băng thông đang tăng theo cấp số nhân do sự mở rộng của Internet và các dịch vụ hỗ trợ Internet. Sự xuất hiện của Ghép kênh phân chia theo bước sóng dày đặc (DWDM) đã giải quyết được tình trạng khan hiếm công nghệ này và thay đổi hoàn toàn tính kinh tế của mạng quang lõi.

DWDM sử dụng một tập hợp các bước sóng quang (hoặc kênh) khoảng 1553 nm với khoảng cách kênh là 0,8 nm (100 GHz), mỗi bước sóng có thể mang thông tin lên đến 10 Gbps (STM 64). Hơn 100 kênh như vậy có thể được kết hợp và truyền trên một sợi quang duy nhất. Các nỗ lực đang được thực hiện để siết chặt các kênh hơn nữa và tăng tốc độ bit dữ liệu trên mỗi kênh.

Thực nghiệm, việc truyền 80 kênh, mỗi kênh truyền 40 Gbits / giây (tương đương 3,2 Tbits / giây) trên một sợi quang duy nhất đã được thử nghiệm thành công trên quãng đường dài 300 km. Việc triển khai mạng quang DWDM dựa trên điểm-điểm và dựa trên vòng yêu cầu một loại phần tử mạng mới hơn có thể thao tác tín hiệu trong quá trình chạy mà không cần chuyển đổi OEO tốn kém. Bộ khuếch đại quang học, bộ lọc, bộ ghép kênh giảm thêm quang học, bộ ghép kênh và kết nối chéo quang học là một số yếu tố mạng thiết yếu. MEMS đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế và phát triển các phần tử mạng đó. Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về Add Drop Mux (OADM) và Optical Cross Connect (OXC).

Đột phá trong chuyển mạch quang học

Một công tắc quang học dựa trên MEMS thực tế đã được các nhà khoa học tại Bell Labs trình diễn vào năm 1999. Nó hoạt động giống như một thanh bập bênh có gương siêu nhỏ được mạ vàng ở một đầu. Một lực tĩnh điện kéo đầu kia của thanh xuống, nâng gương phản xạ ánh sáng theo một góc vuông. Do đó, ánh sáng tới di chuyển từ sợi này sang sợi kia.

Thành công về mặt công nghệ trên thực tế là một khối xây dựng của nhiều loại thiết bị và hệ thống, chẳng hạn như bộ ghép kênh thêm / giảm bước sóng, bộ chuyển mạch cung cấp quang học, kết nối chéo quang học và bộ cân bằng tín hiệu WDM.

Bộ ghép kênh thêm giọt quang học

Tương tự như mạng SDH / SONET dựa trên vòng, các mạng dựa trên DWDM toàn quang đang bắt đầu phát triển. Tính ưu việt của mạng dựa trên vòng so với mạng lưới đã được các nhà thiết kế mạng SDH thiết lập. Trong vòng toàn quang, các băng thông (ls) có thể được dành riêng cho mục đích bảo vệ. Bộ ghép kênh bổ sung quang học (OADM) có chức năng tương tự như Bộ ghép kênh bổ sung thêm giọt SDH / SONET (ADM). Có thể thêm hoặc bớt một nhóm các bước sóng đã chọn (ls) từ tín hiệu ánh sáng đa bước sóng. OADM loại bỏ việc chuyển đổi OEO (quang sang điện và ngược) tốn kém.

Ma trận hai chiều của bộ chuyển mạch Quang học như được mô tả ở trên được sử dụng để chế tạo OADM như vậy cung cấp rất ít tính linh hoạt. Mặt khác, Add Drop Multiplexers (R-OADM) có thể định cấu hình lại cho phép hoàn toàn linh hoạt. Bất kỳ kênh nào đi qua đều có thể được truy cập, bị loại bỏ hoặc có thể thêm các kênh mới. Bước sóng của một kênh cụ thể có thể được thay đổi để tránh bị chặn. Công tắc quang học hoặc OADM loại này được gọi là công tắc 2D hoặc N2 vì số lượng phần tử chuyển mạch cần thiết bằng bình phương của số cổng và vì ánh sáng chỉ nằm trong một mặt phẳng có hai chiều.

OADM tám cổng yêu cầu 64 vi gương riêng lẻ với sự điều khiển của chúng trên thiết bị MEMS. Nó khá giống với công tắc ‘thanh ngang’ được sử dụng trong các tổng đài điện thoại.

Công tắc quang học của loại này đã trải qua các thử nghiệm cơ học và quang học nghiêm ngặt. Suy hao chèn trung bình nhỏ hơn 1,4 db với độ lặp lại tuyệt vời ± 0,25 db trong hơn 1 triệu chu kỳ. OADM loại 2D / N2 có cấu hình lớn hơn 32 × 32 (1024 gương chuyển mạch) trở nên thực tế không thể quản lý được và không kinh tế. Nhiều lớp vải chuyển đổi nhỏ hơn được sử dụng để tạo ra các cấu hình lớn hơn.

Kết nối chéo quang học

Hạn chế của bộ chuyển mạch quang loại 2D đã được khắc phục bằng công nghệ chuyển mạch quang chưa sáng tạo của Bell Labs. Nó thường được gọi là ‘Free Space 3-D MEMS’ hoặc ‘Light Beam Driving’ . Nó sử dụng một loạt các vi gương kép làm công tắc quang học. Gương vi mô được gắn trên một trong các trục của một bộ vòng gimbal ghép chéo, thông qua một bộ lò xo xoắn. Sự sắp xếp này cho phép gương di chuyển dọc theo hai trục vuông góc với bất kỳ góc nào mong muốn. Gương được kích hoạt bởi lực tĩnh điện tác dụng ở bốn góc phần tư bên dưới gương. Bộ phận vi gương hoàn chỉnh được tái tạo bằng công nghệ MEMS để tạo thành ‘kết cấu chuyển đổi’ gồm 128 hoặc 256 vi gương.

Một mảng các sợi đầu vào chuẩn trực được căn chỉnh với một bộ gương có thể định hướng lại ánh sáng bằng cách nghiêng gương theo trục X và Y sang bộ gương thứ hai được căn chỉnh với sợi đầu ra chuẩn trực. Bằng cách nhắm chính xác một bộ gương trên các sợi đầu vào và đầu ra, kết nối ánh sáng mong muốn có thể được thực hiện. Quá trình này được gọi là ‘lái tia sáng’. Thời gian chuyển đổi của công tắc 3D MEMS nhỏ hơn 10 ms và các vi gương cực kỳ ổn định. Kết nối chéo quang học dựa trên công nghệ này cung cấp nhiều lợi thế độc đáo khác nhau so với kết nối chéo loại OEO. OXC có dung lượng cao, có thể mở rộng, tốc độ bit dữ liệu thực sự và không phụ thuộc vào định dạng dữ liệu. Nó định tuyến các kênh quang một cách thông minh mà không cần chuyển đổi OEO tốn kém. Dấu chân và tiêu thụ điện năng thấp là những lợi thế bổ sung của công nghệ chuyển mạch toàn quang.

NGN – CÁC LOẠI WDM

Các hệ thống WDM ban đầu vận chuyển hai hoặc bốn bước sóng có khoảng cách rộng rãi. WDM và các công nghệ “tiếp nối” của CWDM và DWDM đã phát triển vượt ra ngoài giới hạn ban đầu này.

WDM

Các hệ thống WDM thụ động, truyền thống được phổ biến rộng rãi với số kênh 2, 4, 8, 12 và 16 là cách triển khai bình thường. Kỹ thuật này thường có giới hạn khoảng cách dưới 100 km.

CWDM

Ngày nay, WDM thô (CWDM) thường sử dụng khoảng cách 20 nm (3000 GHz) lên đến 18 kênh. Khuyến nghị CWDM ITU-T G.694.2 cung cấp lưới các bước sóng cho khoảng cách mục tiêu lên đến khoảng 50 km trên các sợi đơn mode như được chỉ định trong Khuyến nghị ITU-T G.652, G.653 và G.655. Lưới CWDM được tạo thành từ 18 bước sóng được xác định trong phạm vi 1270 nm đến 1610 nm cách nhau 20 nm.

DWDM

Khoảng cách phổ biến WDM dày đặc có thể là 200, 100, 50 hoặc 25 GHz với số lượng kênh lên đến 128 kênh trở lên ở khoảng cách vài nghìn km với sự khuếch đại và tái tạo dọc theo tuyến đường như vậy