`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

MEMS в оптических сетях

0 
 

Микроэлектромеханические системы (MEMS) применяются сегодня в самых разных сферах: индустриальная автоматика, химический анализ, автомобилестроение, дисплейные технологии, медицина, телекоммуникации и сети передачи данных – вот лишь небольшой список областей их использования. Они получили широкое распространение ввиду отработанных технологий изготовления, низкой стоимости и высокой функциональности.

Тема MEMS неоднократно освещалась нашим еженедельником, поэтому здесь мы сосредоточимся на узких, но более интересных для нашей аудитории вопросах.

Оптическая коммутация

Сегодня большинство сетевого оборудования оперирует электрическими сигналами. Это значит, что оптические сигналы для усиления, регенерации или коммутации должны преобразовываться в электрические, а затем для передачи по оптоволокну – снова в световые. Данный процесс в целом называется оптоэлектронным (Optical-Electronic-Optical – OEO) преобразованием. К примеру, для усиления сигналов ОЕО обычно устанавливаются через каждые 600 км и служат причиной создания узких мест в магистральных сетях. Очевидно, что замена подобных гибридных устройств оптическими сулит ряд преимуществ.

Имеется много технологий, на базе которых можно реализовать коммутаторы световых сигналов. К ним, в частности, относятся оптомеханические, термооптические, пузырьковые, жидкокристаллические и акустооптические коммутаторы, электрически коммутируемые решетки Брэгга, а также микроэлектромеханические системы, являющиеся предметом нашего рассмотрения.

Системы, в которых используются MEMS, могут быть разделены на несколько подклассов: магистральные оптические коммутаторы, автоматизированные платформы для управления оптоволоконной кабельной системой (Automated Fiber Management Platform – AFMP), регулируемые оптические аттенюаторы (Variable Optical Attenuator – VOA) и реконфигурируемые оптические мультиплексоры добавления и удаления сигналов (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer – ROADM).

Коммутаторы на базе MEMS

Синергетическая комбинация технологий MEMS с оптоэлектроникой развилась в класс интегрированных микросистем, которые часто называют микрооптоэлектромеханическими системами (MOEMS). По оценке аналитиков, доля устройств MOEMS составила в 2005 г. около одной трети от общего рынка MEMS. И особое внимание в области телекоммуникаций привлекли оптические коммутаторы на базе MEMS, широко применяемые при построении полностью оптических сетей.

В телекоммуникациях термин MEMS стал синонимом массива тонких отклоняющихся зеркал, используемых для построения оптической коммутационной фабрики.

MEMS в оптических сетях
Рис. 1
Вид на MEMS сквозь игольное ушко

Диаметр зеркал, из которых формируется массив, зачастую не превышает толщину человеческого волоса. Они монтируются на специальных осях, позволяющих им отклоняться в трехмерном пространстве. На одной подложке размером не более нескольких квадратных сантиметров может быть размещено несколько сотен таких зеркал (рис. 1), поэтому стоимость одного элемента коммутационной фабрики относительно низка.

Традиционные MEMS работают, отражая луч падающего света от поверхности тонкого зеркала. Очевидно, что скорость движения зеркал ограничена. Правда, прилагая больший ток, ее можно увеличить, но существует предел и для значения тока. Все было бы не так плохо, если бы скорость отклонения не имела степенной зависимости от тока с показателем 4 или 5. В итоге даже для незначительного ее повышения необходимо прилагать большие токи. Изменяя конструкцию зеркал таким образом, чтобы добиться малых углов отклонения, можно увеличить скорость коммутации. Такая техника известна как «быстрые MEMS». И все же вследствие наличия движущихся частей коммутация требует нескольких миллисекунд.

MEMS в оптических сетях
Рис. 2
Планарная система
MEMS в оптических сетях
Рис. 3
Трехмерная система
MEMS в оптических сетях
Рис. 4
Терминирование локального трафика с помощью коммутатора OEO

Ядро MEMS-коммутатора может иметь две конструкции: плоскую (двухмерную) и объемную (трехмерную). В первой (рис. 2) зеркала расположены в одной плоскости и способны отражать только в ней. Трехмерные коммутаторы (рис. 3) являются более гибкими и масштабируемыми, чем двухмерные, и обеспечивают большее число коммутируемых лучей, однако они сложнее.

Поскольку в ядре сети бо2льшая часть трафика является транзитной, то оптические коммутаторы могут обеспечить значительную экономию по сравнению с применением устройств OEO. Трафик, который необходимо терминировать локально, может быть направлен на меньшие OEO-коммутаторы, рассчитанные на невысокую пропускную способность. Такая гибридная реализация (рис. 4) также позволяет снизить капитальные затраты.

Отметим одну из важных особенностей коммутаторов на базе MEMS – они не нуждаются в каких-либо «знаниях» о самом трафике. Эти устройства будут направлять поток света в нужный порт безотносительно к его цветовому составу, протоколам, скорости передачи битов и т. п. А раз так, то они более эффективно защищают инвестиции, чем OEO-устройства, которые могут потребовать замены при необходимости увеличить пропускную способность или внедрить новые протоколы.

Оптические коммутаторы на базе MEMS обеспечивают очень большую полосу пропускания, поддерживая такие приложения, как высокоскоростная симуляция, визуализация и grid-вычисления. Большой их недостаток заключается в том, что управление тысячами зеркал требует сложного ПО для координации их операций. Тем не менее MEMS является очень быстро развивающейся технологией. Сегодня она чуть ли не монополист в сегменте оптических коммутаторов с большим количеством портов, и на решение основных проблем тратятся немалые средства.

Автоматизированные платформы для управления оптоволоконной СКС

Оптические коммутаторы могут использоваться не только в ядре сети. Сегодня появляются новые сферы применения для MEMS-базированных коммутационных систем.

По мере того как операторы разворачивают оптоволоконные сети доступа FTTX (Fiber-To-The-Home/Premise/Curb), они сталкиваются с проблемой управления сотнями оптических интерфейсов, сосредоточенных в одном месте. В типичном случае этот процесс выполняется вручную с помощью оптического распределительного шкафа (Optical Distribution Frame – ODF) или коммутационной панели. Для связи соответствующих входных и выходных интерфейсов коммутационные шнуры устанавливаются техническим персоналом. Любые изменения выполняются вручную, так же, как и тестирование оптических кабелей, терминированных на панели. Такие методы управления весьма трудоемки, требуют значительных финансовых затрат и способствуют большому количеству ошибок.

При использовании для управления автоматизированной платформы на базе MEMS трафик может переключаться или перенаправляться удаленно посредством электроники. А поскольку в данном случае не требуется динамического переключения в режиме реального времени, то могут применяться низкоскоростные, а следовательно, недорогие компоненты.

Автоматизированные платформы предоставляют операторам ряд дополнительных функций. С их помощью можно выполнять инвентаризацию оптических каналов, так что оператор способен точно определить, какой сигнал и откуда приходит на данное волокно, когда и где это имеет место, что позволяет предотвратить простои в работе из-за ошибочного разъединения. Вдобавок появляется возможность удаленного тестирования оборудования.

MEMS в оптических сетях
Рис. 5
Так выглядит AFMS и ODF

Однако есть и ряд недостатков, препятствующих распространению автоматизированных платформ. Дело в том, что ODF содержит только пассивные элементы, тогда как AFMP включает активные. Это значит, что система требует подводки питания и наличия телеметрии, а следовательно, и более квалифицированного персонала. Рис. 5 иллюстрирует различия между автоматизированным и ручным методами управления.

Регулируемые оптические аттенюаторы

Эти устройства позволяют ослаблять выбранные оптические сигналы. Они являются неотъемлемой частью систем на базе DWDM и используются для динамической компенсации неравномерного усиления световых сигналов с разными длинами волн. VOA применяются также и для защиты коммутаторов в тех случаях, когда обрыв кабеля уменьшает число группируемых лучей. Оптические усилители обеспечивают фиксированное значение усиления, которое определяется лазером накачки. Энергия затем распределяется по всем передаваемым длинам волн. Если, например, при обрыве оптоволокна их количество уменьшится в два раза, оставшиеся будут усилены вдвое больше требуемого. Этот эффект значительно увеличивается при наличии каскада усилителей. Таким образом, на приемник может прийти сигнал мощностью гораздо выше предусмотренной. С помощью VOA ее можно снизить до требуемого значения.

VOA, базированные на MEMS, имеют регулируемые элементы, которые позволяют частично или полностью блокировать световой поток. Их можно представлять как затвор в фотокамере, только размером намного меньше. Для тонкой настройки степени ослабления сигнала служат исполнительные механизмы. Поскольку они потребляют значительно меньше энергии, чем устройства на базе альтернативных технологий, отпадает необходимость в температурном контроле и средствах для охлаждения. Это, в свою очередь, упрощает электронику, снижает стоимость и повышает надежность.

Реконфигурируемые OADM

Эти устройства в последнее время привлекли повышенное внимание операторов, поскольку предоставляют инструмент для удаленного сопровождения и настройки DWDM-систем. С их помощью можно добавлять или удалять лучи выбранных длин волн, прозрачно перенаправлять их клиентам или обрабатывать. Все операции выполняются удаленно и в режиме реального времени. ROADM существенно повышают скорость обслуживания и уменьшают операционные затраты. Их функциональность можно расширить, включив в систему удаленное тестирование выбранных длин волн, динамическую балансировку мощности (equalization), а также удаленный мониторинг сигналов.

MEMS в оптических сетях
Рис. 6
Функциональная схема ROADM

Для этого в ROADM используется два типа компонентов: блокираторы волн и коммутаторы выбора волн. С помощью первых осуществляется добавление или удаление волн в оптический канал, тогда как вторые позволяют добавлять/удалять или пропускать любую комбинацию длин волн.

MEMS-базированные коммутаторы выбора волн используют либо дифракционные компоненты, либо зеркала. Дифракционные компоненты строятся на пьезоэлектрических элементах, смонтированных на субстрате. В неактивном состоянии они представляют собой отражающее свет зеркало. При приложении напряжения они сдвигаются по направлению к субстрату и образуют дифракционную решетку, ослабляя свет определенной частоты. Дифракционные MEMS не требуют механических исполнительных устройств и являются относительно простыми в производстве.

Системы на базе зеркал используются для приложений, требующих много каналов. Им присущи все плюсы и минусы MEMS-коммутаторов. Сегодня уже имеются компании, которые выпускают гибридные дифракционно-зеркальные коммутаторы выбора волн.

В целом достоинства MEMS намного превышают их недостатки, и это дает возможность утверждать, что они получат дальнейшее признание при построении оптических сетей следующего поколения.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT