Thành viên:Huy Nguyen NP99/Optica Switching Fabrics

ahasahasdsada đừng để ý đến bài này

2.7 Bộ ghép và phân kênh quang

Bộ ghép kênh (MUX) được dùng để kết hợp một số kênh quang WDM thành một phổ liên tục của các tín hiệu mang bước sóng gần nhau, và ghép chúng vào một sợi quang. Còn bộ phân kênh (DMUX) thực hiện tách tín hiệu quang thành các kênh WDM với bước sóng thích hợp. Các tín hiệu quang được ghép ở các bước sóng khác nhau không mang công suất quang đáng kể tại ngoài độ rộng phổ kênh được chỉ định; một là do có đủ khoảng bảo vệ giữa các kênh và hai là do độ rộng dòng hẹp của laser DFB / DBR được sử dụng. Ở đầu bộ ghép kênh là các bộ lọc quang rất hẹp tạo ra bước sóng cắt ở đầu vào của máy dò. Các bộ MUX / DEMUX này được tạo ra bằng một số kỹ thuật như phân mảng ống dẫn sóng và các thiết bị cảm biến tần số khác như đã thảo luận tại các phần trước. Phần này chúng ta tìm hiểu về cấu trúc và phân tích bộ ghép kênh/phân kênh quang học.

2.7.1 Bộ ghép kênh Giao thoa kế Mach‐Zehnder (MZI)

Hình 2.17 cho thấy một bộ ghép kênh/phân kênh 2 × 2 MZI bao gồm giai đoạn: một bộ ghép định hướng 3 dB, phần trung tâm là một trong các ống dẫn sóng dài hơn ΔL để cung cấp dịch pha phụ thuộc bước sóng giữa hai nhánh, và một bộ ghép 3 dB khác để kết hợp tín hiệu ở đầu ra. Hai tín hiệu đầu vào ở hai bước sóng WDM đi vào bộ ghép 3 dB 2 × 2. Các tín hiệu đầu ra từ bộ ghép trải qua dịch pha vi sai, do khác biệt ΔL ở hai đường; tại bộ ghép thứ hai, hai tín hiệu sẽ được kết hợp lại tạo ra tín hiệu ghép trong một nhánh, nhánh còn lại trong khi không có tín hiệu.

Sự sắp xếp này bằng cách tách chùm tia đầu vào và dịch pha theo một trong các đường dẫn, các tín hiệu khi kết hợp lại sẽ giao thoa tổ hợp tại một đầu ra và triệt tiêu ở đầu còn lại. Các tín hiệu ghép cuối cùng chỉ xuất hiện từ một cổng đầu ra.

Chúng ta có thể có được tín hiệu ghép mong muốn trong một nhánh đầu ra của thiết bị bằng cách nhân ma trận truyền/tán xạ tại ba giai đoạn: bộ ghép 3 dB, bộ dịch pha với chênh lệch ΔL giữa hai nhánh, tiếp theo là bộ kết hợp 3 dB, như sau:

Trong hình 2.17, nếu các đầu vào MZI ở các bước sóng khác nhau - Ein, 1 tại λ1 và Ein, 2 tại λ2 - thì có thể thu được các trường đầu ra Eout, 1 và Eout, 2, khi tín hiệu được đi qua ma trận truyền của (2.26) (tham khảo phương trình (2.8)) là:

trong đó, km = 2πneff / λm với m = 1, 2 với hai hai bước sóng. Công suất đầu ra có được từ cường độ ánh sáng, là bình phương của các cường độ điên trường. Khi bỏ qua các tần số cao hơn, công suất thu được là:

với Pin, m = | Ein, m | 2. Từ (2.29) và (2.30), nếu chúng ta muốn tất cả công suất từ cả hai đầu vào ra cùng một cổng đầu ra (ví dụ cổng 2), chúng ta cần phải có

Do đó, chênh lệch độ dài trong các nhánh giao thoa kế phải là

Với Δf là tần số tách của hai bước sóng. Đây là một thiết bị thụ động có tính tương hỗ, khi gửi tín hiệu được ghép kênh từ hướng ngược lại, nó sẽ hoạt động như một bộ phân tách hai bước sóng.

Có thể thu được các thiết bị cổng đếm cao hơn bằng cách thêm nhiều lớp hơn. Ví dụ: trong trường hợp bộ ghép kênh (N × 1) MZI, trong đó N = 2n với n ≥⃒ 1, n là số lớp của bộ ghép, số lượng MZI trong một lớp j sẽ là 2 (n-j) và chênh lệch đường đi trong một phần tử giao thoa kế của lớp j là:

Bộ ghép kênh (N × 1) MZI có thể được sử dụng như một bộ phân kênh (1 × N) bằng cách đảo ngược hướng truyền ánh sáng. Các thiết bị này không thể mở rộng vì số lượng MZI cần thiết sẽ tăng lên, khiến nó không khả thi. Khi cần lượng cổng đếm lớn bộ ghép kênh /phân kênh tĩnh, các thiết bị AWG được ưu tiên.

Ví dụ 2.3 Thiết kế bộ ghép kênh 8 × 1 sử dụng MZI 2 × 2 có thể xử lý phân tách kênh 50 GHz. Giả sử λ ngắn nhất là 1550 nm, xác định độ dài vi phân trong mỗi giai đoạn với (neff = 1,5).

Giải pháp

Với N = 8, n = 3, số lớp của bộ ghép kênh là: 3.

Lớp đầu tiên sẽ có bốn MZI giống nhau, lớp thứ hai sẽ có hai MZI giống nhau và giai đoạn thứ ba có một MZI.

Từ (2.33), trong lớp đầu, tất cả MZI có độ dài vi sai là:

2.8 Bộ định tuyến

Bộ định tuyến được sử dụng trong mạng quang để định tuyến lưu lượng, nó có thể là đường dẫn quang hoặc gói tin, từ nút nguồn đến nút đích đi qua các nút mạng trung gian. Các bộ định tuyến hiện nay thuộc nhiều loại khác nhau về cả cấu trúc và công nghệ. Sau đây là một số loại bộ định tuyến thường được sử dụng trong mạng.

2.8.1 Bộ định tuyến bước sóng tĩnh

Trong các mạng định tuyến chuyển mạch theo bước sóng, các đường ánh sáng phải được định tuyến qua sợi quang, giữa các nút nguồn ‐ đích. Dựa trên các bước sóng mà tín hiệu từ các cổng đầu vào khác nhau của bộ định tuyến sẽ được gửi đến các cổng đầu ra khác nhau.

Bộ định tuyến bước sóng (N × N) yêu cầu hai khối để thiết lập: thứ nhất, N số bước sóng DMUX (1 × N) và thứ hai, N số bước bóng MUX (N × 1). Đối với bộ định tuyến bước sóng tĩnh (N × N) hoặc không thiết lập, mỗi sợi trong số N sợi đầu vào mang một tập các bước sóng {λ1, λ2… λN} và được kết nối với một DMUX (1 × N). DMUX sau đó tách các bước sóng theo không gian và gửi chúng qua N cổng đầu ra. Tại đầu ra lại có N số MUX (N × 1), giống với DMUX nhưng được sử dụng theo hướng ngược lại. Mỗi N số MUX kết hợp các kết nối λs khác nhau đến từ DMUX số N và kết nối chúng với sợi quang đầu ra. Bộ định tuyến bước sóng tĩnh còn được gọi là kết nối chéo bước sóng tĩnh (WXC) trong các mạng định tuyến theo bước sóng. Trong WXC tĩnh, mẫu kết nối chéo được cố định tại thời điểm thiết bị được tạo ra và không thể thay đổi. Hình 2.18 ví dụ minh họa một bộ định tuyến bước sóng tĩnh 4 × 4.

Hai thiết bị được kết nối sao cho các λ khác nhau từ các cổng khác nhau được kết hợp bởi MUX. Các sợi N2 giữa những lớp đầu vào và ra được kết nối bằng cách, ngăn các bước sóng giống nhau từ các cổng vào khác nhau được kết hợp trên cùng một cổng đầu ra, để tránh nhiễu giữa các kênh này. Do đó, đường đi của bất kỳ tín hiệu nào qua nút được xác định duy nhất bởi bước sóng và số cổng của nó. Một cổng vào và bước sóng của nó được chuyển đến cổng đầu ra cụ thể, tùy thuộc vào ma trận định tuyến đặc trưng của bộ định tuyến; ma trận này được xác định bởi các kết nối bên trong giữa DMUX và MUX.

Một AWG có thể được sản xuất để hoạt động như một bộ định tuyến bước sóng tĩnh như PLC (mạch sóng ánh sáng Planar) với silica bằng công nghệ silicon.

2.8.2 Bộ định tuyến bước sóng động

Để có kết nối lưu lượng động trong mạng định tuyến theo bước sóng, cần phải có khả năng tái thiết lập. Như đã thảo luận trong phần trước, không thể thay đổi định tuyến cho bộ định tuyến tĩnh sau khi nó được thiết kế. Nhưng ta có thể cấu hình lại trong bộ định tuyến bước sóng tĩnh bằng cách thêm một lớp chuyển mạch không gian giữa cột DMUX và MUX để tạo thành bộ định tuyến bước sóng động. Đây cũng được gọi là kết nối chéo chọn lọc bước sóng (WSXC). Lớp chuyển mạch này giúp tái thiết lập kết nối giữa DMUX và MUX bằng cách điều khiển điện tử bước sóng chuyển mạch.

Hình 2.19 đưa ra sơ đồ khối chức năng của bộ định tuyến có thiết lập N × N [34]. Mỗi sợi vào đều được kết nối với DMUX mang N bước sóng WDM. Các bước sóng phân kênh N được chuyển tới một mảng N và sợi chuyển mạch quang N × N giữa DMUX và MUX. Mỗi loại sợi chuyển mạch (N × N) dành cho một bước sóng cụ thể; do đó mà tất cả các tín hiệu trên một bước sóng cụ thể đều được dẫn đến cùng một loại sợi chuyển mạch. Các tín hiệu chuyển mạch sau đó được chuyển hướng đến MUX mà đã được liên kết với các cổng đầu ra. Các bộ chuyển mạch không gian định tuyến quang ở dạng đơn giản nhất có thể được làm bằng hai bộ chuyển mạch không chọn lọc bước sóng (2 × 2). Các chuyển mạch giao điểm 2 × 2 có thể được cấu hình lại để thích ứng với các yêu cầu giao thông, mà được thay đổi bởi tín hiệu điều khiển. Ma trận/sợi chuyển mạch không gian quy mô lớn được hình thành từ các kết nối giữa chuyển mạch không gian cổng đếm thấp hoặc (2 × 2). Vì các bộ định tuyến bước sóng động cho phép kiểm soát trong việc thiết lập kết nối, nên chúng sẽ linh hoạt hơn bộ định tuyến tĩnh. Định tuyến được thiết lập từ cả cả bước sóng được chọn tại nút nguồn và cấu hình của các chuyển mạch trong nút mạng.

2.8.3 Bộ chuyển mạch định tuyến gói quang

Định tuyến theo đường ánh sáng, được thực hiện trong các bộ định tuyến tĩnh và động, dùng để chuyển mạch kênh trong đó việc lưu lượng định tuyến sẽ được thực hiện sau khi đường dẫn được thiết lập. Trong trường hợp chuyển mạch gói, chính gói tin đó mang ID đường dẫn. Các gói có các bit tiêu đề kèm theo địa chỉ nguồn ‐ đích, và mỗi kênh bước sóng mang theo các gói thông tin ghép kênh phân chia theo thời gian. Các gói tin thường có độ dài thay đổi ngẫu nhiên, di chuyển với tốc độ ngẫu nhiên tùy theo các nguồn khác nhau và không được đồng bộ hóa thời gian. Trong chuyển mạch gói điện tử, các bit tiêu đề được đọc trong bộ xử lý điện tử khi tiếp nhận O-E tại nút. Nhưng trong trường hợp chuyển mạch gói, các gói cạnh tranh để truyền trên một đường ra nhất định ở tại một nút, có thể sẽ yêu cầu bộ đệm quang để giải quyết tranh chấp này. Không giống như bộ lưu trữ điện tử, bộ đệm/bộ nhớ quang khả dụng bị hạn chế. Nó có thể tạo được bằng đường trễ quang, định tuyến lệch hoặc tái định tuyến. Trong hầu hết các chuyển mạch gói quang (OPS), các chức năng chuyển mạch và xử lý tiêu đề được thực hiện bằng điện tử và việc định tuyến tải trọng được thực hiện trong miền quang. Một số chuyển mạch gói có phần dữ liệu hoàn toàn là quang học nhưng việc điều khiển hoạt động chuyển mạch được thực hiện bằng điện tử [34–37].

2.9.1.1 Sợi chuyển mạch hoán vị

Đa kết nối giữa các cổng riêng biệt tại đầu vào và ra của kết cấu chuyển mạch được biểu diễn bằng một ma trận kết nối. Mà tại chuyển mạch hoán vị N × N sợi sao cho chỉ có kết nối điểm-điểm (một cổng vào tới một cổng ra khác) unicast. Nó không thể kết nối truyền thông đa điểm (1 × N) hoặc đa hướng (N × 1). Do đó, ma trận khởi tạo hoán vị sẽ có một điểm chéo tại giữa mỗi hàng và cột. Một ma trận kết nối cho sợi hoán vị 4 × 4 được thể hiện trong hình 2.20a. Ma trận chuyển mạch là vuông vì có sự xuất hiện của các kết nối hoán vị. Tổng các mẫu hoặc trạng thái kết nối vào / ra có được là N! tương đương với mỗi một sợi chuyển mạch hoán vị.

2.9.1.2 Vải chuyển mạch tổng quát

Trong kết cấu chuyển mạch tổng quát, người ta có thể thực hiện tất cả các loại kết nối vào / ra, như điểm‐điểm, điểm‐đa điểm (1 × N) hoặc đa hướng (N × 1). Nói chung, nó là một ma trận (N × R) với các trạng thái kết nối 2NR. Với huyển mạch hoán vị chỉ có một điểm chéo trong một hàng hoặc cột của ma trận kết nối, còn đối với sợi chuyển mạch tổng quát, có thể có nhiều điểm chéo trong một hàng hoặc cột tùy thuộc vào việc nó có kết nối đơn hướng hay đa hướng. Không giống như chuyển mạch hoán vị, chỉ có thể điều khiển theo trạng thái thẳng và chéo, ma trận tổng quát có các điều khiển bổ sung tùy theo số lượng kết nối, như thể hiện trong Hình 2.20b cho ma trận 4 × 4.

2.9.1.3 Sợi chuyển mạch chia tuyến tính và tổ hợp

Trong cấu trúc chuyển mạch tổng quát, khi có thêm các tỷ lệ kết hợp và phân tách cho đa hướng và đa điểm chúng sẽ được gọi là chuyển mạch chia tuyến tính và tổ hợp (LDC). Vì tỷ lệ kết hợp / phân tách có thể nhận bất kỳ giá trị nào trong khoảng từ 0 đến 1, do đó, LDC có thể có một chuỗi các trạng thái kết nối liên tục.

Hình 2.20 (a) Ma trận kết nối chuyển mạch hoán vị 4 × 4. (b) Ma trận kết nối chuyển mạch tổng quát

2.9.2 Phân loại theo đặc điểm khối

Trong bất kỳ mạng nào, không thể có sẵn một lượng rất lớn các thiết bị chuyển mạch để cung cấp kết nối chuyên dụng tới tất cả các nơi cần thiết. Điều này được tạo ra để thực hiện sử dụng các tài nguyên tốt hơn nhưng không ảnh hưởng đến hiệu suất của các dịch vụ. Do đó, với ước tính trước về lưu lượng truy cập trên mạng, chúng được thiết kế để gây ít hoặc không cản trở cho việc chấp nhận yêu cầu kết nối với số lượng thiết bị chuyển mạch đang có sẵn. Vì vậy, các thiết bị chuyển mạch mà chúng ta xem xét ở đây là chuyển mạch không chặn và được phân loại dựa theo đặc điểm chặn của chúng đối với các yêu cầu ngẫu nhiên trong mạng cho các kết nối tại bất kỳ cổng đầu vào và ra nào. Đựa theo việc chặn các yêu cầu đầu vào xuất hiện ngẫu nhiên, các loại sợi chuyển mạch có thể phân ra các loại sau.

(i) Các loại sợi chuyển mạch không chặn thuần. Đúng theo định nghĩa thuần, bất kỳ yêu cầu kết nối mới đều được cho phép sử dụng bất kỳ đường dẫn tự do nào trong chuyển mạch. Kết nối mới được thực hiện mà không cần tái sắp xếp các kết nối đã có từ trước. Để điều này có thể thực hiện được, cần yêu cầu một số lượng lớn các chuyển mạch có sẵn. Các thuật toán định tuyến trong loại này rất đơn giản nhưng mang lưới đòi hỏi nhiều phần cứng hơn để kết nối không bị gián đoạn. Các cấu hình chuyển mạch không chặn thuần có tính chất đàm thoại chéo tốt và độ trễ thấp nhưng thường yêu cầu nhiều thiết bị chuyển mạch nhiều hơn mức cần thiết.

(ii) Các loại sợi chuyển mạch không chặn rộng. Các loại vải này có thể nhận biết bất kỳ kết nối mới nào mà không cần tái sắp xếp các kết nối hiện đang hoạt động, miễn là chúng tuân theo quy tắc chuẩn, được sử dụng để định tuyến cho từng kết nối mới này. Do đó, thuật toán định tuyến phải thông minh và phức tạp hơn nhưng yêu cầu ít phần cứng hơn so với cấu trúc loại thuần. Các kết nối hoạt động cũng không bị gián đoạn như trong trường hợp thuần.

(iii) Các loại sợi chuyển mạch không chặn tái sắp xếp. Những loại sợi này có phần cứng đơn giản hơn nhiều so với hai loại trên, tuy nhiên lại có hai vấn đề. Thứ nhất, để thiết lập cho kết nối mới, các kết nối đang hoạt động phải được tái định tuyến và điều này có thể gây gián đoạn trong giây lát. Thứ hai, cần có tính toán nhiều hoặc thuật toán phức tạp để cài đặt thiết bị định tuyến cho kết nối mới. Nhưng các thiết bị chuyển mạch này yêu cầu phần cứng tối thiểu và do đó ít tốn kém hơn.

2.9.3 Các loại sợi chuyển mạch không gian

Có một lượng lớn các loại sợi chuyển mạch khác nhau về chất liệu và công nghệ chế tạo. Điều khiển chuyển mạch có thể là điện cơ, điện tử và quang tử, như quang học tích hợp, gương vi mô hoặc MEMS, tinh thể lỏng, v.v. Khi chọn một loại sợi chuyển mạch cụ thể, song song với các đặc điểm chặn đã được đề cập ở trên, còn có những tiêu chí khác chẳng hạn như chi phí, kích thước, số lượng cổng, suy hao đồng nhất giữa các kết nối đầu vào và đầu ra khác nhau. Suy hao chèn được đưa vào bởi mỗi phần tử chuyển mạch trong sợi. Do đó, suy hao giữa hai cổng kết đầu vào và ra bất kỳ phụ thuộc vào số lượng phần tử chuyển mạch trong đường dẫn quang của nó. Việc đo lường tính đồng nhất của suy hao phụ thuộc vào sự khác biệt giữa số lượng chuyển mạch giữa đường nối dẫn dài nhất và ngắn nhất. Một đặc tính quan trọng khác ảnh hưởng đến hiệu suất của sợi chuyển mạch là số lần giao nhau giữa hai kết nối bất kỳ. Những lần giao nhau này tạo ra giao tiếp hoặc suy hao chéo. Ngoài ra, cấu tạo của quang học tích hợp trở nên phức tạp hơn khi có sự xuất hiện của những quá trình chéo này. Sợi chuyển mạch kích thước lớn được chế tạo bằng silica trên silicon, LiNbO3, PLC sử dụng bộ ghép định hướng và một số công nghệ khác.

Cùng với nhiều loại vải chuyển mạch như cross-bar, Benes, Clos, v.v. đều phổ biến trong mạng quang. Chúng ta thảo luận một vài trong số này sau này

2.9.3.1 Sợi chuyển mạch thanh chéo

Loại sợi thanh chéo được sử dụng trong chuyển mạch hoán vị (N × N) và tổng quát (R × N). Với sợi chuyển mạch hoán vị (N × N), nó bao gồm N dòng đầu vào, N dòng đầu ra và N2 điểm chéo. Các điểm chéo được hình thành bởi các phần tử điều khiển chuyển mạch quang (2 × 2). Còn loại sợi (R × N) sẽ yêu cầu chuyển mạch RN (2 × 2). Có nhiều cách triển khai khái niệm thanh chéo trong miền quang học.

Hai trường hợp khả thi của thanh chéo quang học (4 × 4) được thể hiện trong hình 2.21a, b. Trong hình 2.21a, nếu chuyển mạch tại điểm giao nhau TẮT, ánh sáng từ thanh dẫn đầu vào sẽ tiếp tục truyền truyền đường nằm ngang của nó qua điểm giao nhau. Nếu chuyển mạch BẬT, ánh sáng bị lệch khỏi thanh dẫn ngang tới thanh dẫn dọc tại các điểm giao. Do đó, khi tất cả các công tắc ở trạng thái TẮT, không có kết nối hoạt động nào thông qua mạch. Suy hao chèn trong trường hợp này tốt hơn nhưng không đồng đều do độ dài đường dẫn không bằng nhau, điều này cũng tạo ra các mức giao tiếp chéo không tuơng đuơng nhau trên mỗi đường dẫn. Ngược lại, tất cả các đường dẫn trong hình 2.21b đều có cùng độ dài và cùng đi qua một số lượng chuyển mạch nhất định từ trái sang phải, do đó nó có suy hao chèn độc lập với đường dẫn. Chuyển mạch TẮT, ánh sáng đựợc giữ trong thanh dẫn khi đi qua điểm chéo. Chuyển mạch ở trạng thái BẬT, ánh sáng được chuyển hướng từ thanh dẫn đầu vào sang thanh dẫn đầu ra. Mỗi đường dẫn đi qua bốn công tắc. Chuyển mạch thanh chéo thuộc loại sợi không chặn cảm biến rộng.

Tóm lại, các chuyển mạch thanh chéo không giao nhau và do đó ít giao tiếp chéo hơn. Cấu trúc sợi của chúng có kích thước lớn khi số phần tử chuyển mạch tăng theo N2 với N tăng.  

2.9.3.2 Sợi chuyển mạch Clos

Không giống như sợi chuyển mạch thanh chéo đơn lớp, cấu tạo Clos [38] là loại sợi chuyển mạch đa lớp không chặn. Nó có thể được dùng như một chuyển mạch không chặn cảm biến thuần hoặc rộng, và được áp dụng rộng rãi trong thực tế để xây dựng các chuyển mạch có cổng đếm lớn. Chuyển mạch Clos ba lớp cổng (N × N) được thể hiện trong Hình 2.22. Ba thông số trong đó là M, K và P, với N = PK được sử dụng trong thiết kế sợi chuyển mạch Clos (N × N). Lớp đầu tiên và thứ ba bao gồm K chuyển mạch (P × M). Giai đoạn giữa bao gồm M (K × K) chuyển mạch. Mỗi chuyển mạch K ở lớp đầu đều được kết nối với tất cả các chuyển mạch ở lớp giữa. Tương tự như vậy, mỗi chuyên mạch K ở lớp thứ ba đều được kết nối với tất cả các chuyển mạch ở lớp giữa.

Điều kiện cần và đủ để tạo nên chuyển mạch không chặn thuần là có M = (2P-1). Thông thường, các chuyển mạch riêng lẻ tại từng lớp được thiết kế bằng cách sử dụng chuyển mạch thanh chéo. Do đó, mỗi chuyển mạch [P × (2P - 1)] ở cột đầu tiên và cột thứ ba yêu cầu (P · (2P-1)) phần tử chuyển mạch sơ cấp (2 × 2) và mỗi chuyển mạch (K × K) ở lớp giữa yêu cầu các phần tử chuyển mạch sơ cấp K2. Sử dụng (K = N / P), số phần tử chuyển mạch sơ cấp được giảm thiểu khi (P≈ (N / 2) 1/2). Sử dụng giá trị này cho P, số lượng phần tử chuyển mạch cần thiết để có giá trị cấu hình tối thiểu là khoảng (4√2N3 / 2 - 4N), thấp hơn đáng kể so với N2 của thanh chéo.

Cấu trúc Clos có một số lợi thế nhất định. Suy hao đồng đều giữa đầu vào-đầu ra khác nhau là tốt hơn so với thanh chéo và yêu cầu số lượng phần tử chuyển mạch nhỏ hơn đáng kể so với thanh chéo.

2.9.3.3 Sợi chuyển mạch Spanke

Cấu trúc Spanke, được thể hiện trong hình 2.23, là một chuyển mạch không chặn thuần và là một trong những cấu trúc phổ biến trong việc xây dựng các chuyển mạch quy mô lớn. Sợi chuyển mạch A (N × N) có N · (1 × N) số bộ tách ở đầu vào và N · (N × 1) số bộ kết hợp tại đầu ra, không giống như các loại sợi chuyển mạch khác sử dụng (2 × 2). Spanke sử dụng bộ chuyển mạch quang (1 × N) và (N × 1), có thể dễ dàng chế tạo bằng công nghệ MEMS. Mỗi kết nối đi qua hai phần tử chuyển mạch, nhỏ hơn đáng kể so với số lượng phần tử trong đường dẫn và do đó có suy hao chèn thấp hơn nhiều so với các cấu trúc đa lớp khác. Nó có tổng số 2N phần tử và suy hao đều trên đường truyền, bội số chéo là nhỏ nhất. Và giá trị tăng tuyến tính theo N, tốt hơn đáng kể so với các cấu trúc chuyển mạch khác.

2.9.3.4 Sợi chuyển mạch Benes

Chúng ta đã thấy được việc sử dụng sợi đa lớp sẽ kinh tế hơn khi áp dụng chế tạo các loại sợi chuyển mạch quy mô lớn. Cấu trúc đa lớp thường có thể ít điểm chéo hơn nhiều so với cấu trúc thanh chéo, đặc biệt đối với các chuyển mạch quy mô lớn. Và sơi Benes cũng là một loại sợi chuyển đổi đa lớp.

Cấu trúc chuyển mạch Benes về cơ bản là loại không chặn hoán vị tái sắp nhiều đa lớp. Do đó, sẽ tiết kiệm hơn đối với các loại vải chuyển đổi cảm biến thuần hoặc cảm biến rộng, nhưng thường tăng độ trễ và giao tiếp chéo. Hình 2.24 cho thấy một loại sợi Benes (8 × 8) với năm lớp chuyển mạch (2 × 2). So sánh số chuyển mạch thanh chéo với số phần tử cần thiết trong Benes, ta thấy rằng đối với giá trị N lớn, cấu trúc Benes gần như tối ưu vì nó sử dụng tối thiểu phần cứng. Ví dụ, chuyển mạch không chặn tái sắp xếp (8 × 8), như trong hình 2.24, chỉ sử dụng 20 chuyển mạch (2 × 2), trong khi một chuyển thanh chéo (8 × 8) sẽ yêu cầu 64 phần tử chuyển mạch cơ bản (2 × 2).

Nhìn chung, một chuyển mạch Benes (N × N) có (2 log2 N - 1) lớp [39] với N / 2 số chuyển mạch (2 × 2) mỗi lớp. Chúng có suy hao đồng đều nhưng số lượng giao nhau nhiều hơn, gây khó khăn trong việc chế tạo quang học tích hợp. Mỗi đường dẫn cho kết nối có (2log2N - 1) chuyển mạch, do đó, tổng số (N / 2) (2 log2 N - 1) số chuyển mạch (2 × 2) được sử dụng, với N là lũy thừa của hai. Tổn hao là bằng nhau khi qua mọi đường dẫn trong chuyển mạch vì mỗi kết nối được thực hiện với cùng một số lượng công tắc.

Ví dụ 2.4  

Tham khảo hình 2.24 để biết Benes (8 × 8) và một loại chuyển mạch thanh chéo (8 × 8) được cho trong hình 2.21a. Đặc điểm chặn theo từng loại? Nếu mỗi chuyển mạch (2 × 2) có suy hao chèn 1 dB và kết nối phải được thiết lập giữa cổng đầu vào 1 và đầu ra 6 trong cả hai trường hợp, hiệu suất của chúng so với nhau sẽ như nào?

● Benes là loại không chặn tái sắp xếp với suy hao chèn 5 dB.

● Thanh chéo là loại không chặn cảm biến rộng với suy hao chèn là 13 dB.

2.9.3.5 Sợi chuyển mạch Spanke‐Benes

Một cấu trúc chuyển mạch không chặn tái sắp xếp khác là Spanke ‐ Benes [39] được thể hiện trong hình 2.25, là một chuyển mạch (8 × 8) sử dụng 28 nút (2 × 2) và không có bất kỳ bộ giao cắt ống dẫn sóng nào. Đây được gọi là cấu trúc phẳng N lớp vì nó yêu cầu N lớp để nhận biết N × N chuyển mạch. Đặc điểm chính là nó không có mặt cắt chéo và do đó được gọi là sợi phẳng N lớp với tổng số N (N - 1) / 2 số nút 2 × 2. Tuy nhiên, tổn thất không đồng đều, và với độ dài đường đi dài nhất N và ngắn nhất là N / 2.