ITMI20011817A1 - Dispositivi per la commutazione ottica di lunghezze d'onda in reti ditelecomunicazione - Google Patents

Dispositivi per la commutazione ottica di lunghezze d'onda in reti ditelecomunicazione Download PDF

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Description

Dispositivi per la commutazione ottica di lunghezze d’onda in reti di telecomunicazione "
La presente invenzione si riferisce a innovativi dispositivi per la commutazione completamente ottica di lunghezze d’onda per mezzo di elementi MEMS (Micro Electro Mechanical System).
Nella tecnica nota è conosciuto l’uso di gruppi ottici detti MEMS per la realizzazione di apparecchiature di telecomunicazione dette “Cross Connect” o OXC. Tali apparecchi si occupano di commutare i segnali che giungono da un insieme di fibre di ingresso verso selezionate fibre di uscita.
In tali applicazioni, i dispositivi MEMS impiegati comprendono due piani di specchi che si affacciano uno all’altro. Ciascuno specchio su entrambi i piani può essere comandato per inclinarsi attorno a due differenti assi ortogonali, vale a dire NS e WE. Un array collimatore è fornito per ciascun piano. Il primo assieme collimatore focalizza i raggi sugli specchi del primo piano. Ciascuno specchio può essere puntato su uno qualsiasi degli specchi del secondo piano. Ciascuno specchio nel secondo piano indirizza i raggi al corrispondente collimatore di uscita. Questa struttura è veramente flessibile per permettere tutte le possibili interconnessioni fra qualsiasi ingresso e qualsiasi uscita, realizzando l’arrangiamento più adatto per i commutatori di fibre.
Per contro, la necessità di inclinare gli specchi lungo due assi rende veramente complesso sia il Controllo sia il pilotaggio. Il progetto ottico è anch’esso complesso a causa delle tre dimensioni permesse. Il massimo angolo di inclinazione è- critico per la realizzazione di piani molto grandi. Molte soluzioni sono state proposte allo scopo di governare gli specchi, ma spesso sono richiesti elementi di pilotaggio elettrostatici ad alto voltaggio. Tutto ciò rende questo tipo di prodotto altamente costoso e critico. Inoltre, solitamente la tecnologia 3D-MEM nota fornisce nuclei grossi ed è inadatta ad applicazioni diverse dalla commutazione di fibre.
Per la commutazione di singole lunghezze d’onda su fibre differenti e’ possibile semplificare la struttura del dispositivo: in effetti non è più richiesta una connettività’ totale tra ogni ingresso e ciascuna uscita.
Scopo generale della presente invenzione è fornire un dispositivo di commutazione con tecnologia MEMS che, con maggiore semplicità e minore criticità rispetto alla tecnica nota, permetta la commutazione di lunghezze d’onda.
In vista di tale scopo si è pensato di realizzare, secondo l'invenzione, un dispositivo per la commutazione ottica di lunghezze d’onda in reti di telecomunicazione comprendente percorsi di ingresso di componenti di segnali di differente lunghezza d’onda, array di specchi MEMS mobili secondo un singolo asse e che ricevono le dette componenti e che sono comandati per indirizzare le componenti ricevute verso selezionati percorsi di uscita.
Sempre secondo l’invenzione il dispositivo detto ha gli array divisi in un gruppo di array di ingresso che riceve le componenti dal percorso di ingresso e un gruppo di array di uscita che invia le componenti verso il percorso di uscita, le componenti passando dal gruppo di ingresso al gruppo di uscita tramite una superficie riflettente disposta sopra i due gruppi di array.
Nel dispositivo secondo l’invenzione gli specchi MEMS sono inclinabili solo attorno ad un singolo asse, cosa che semplifica sia la struttura MEMS sia gli algoritmi di controllo. Una caratteristica addizionale interessante è quella di fornire accesso diretto ai convertitori rigeneratori/lunghezza d’onda su fibre a singolo canale dedicate (drop-insert a livello di singole lunghezze d’onda). Questo permette di evitare filtri sintonizzabili interni a tali dispositivi, rendendo più economico l’eventuale apparato di cross connessione ottica.
Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, possibili realizzazioni esemplificative applicanti tali principi. Nei disegni:
-figura 1 rappresenta uno schema a blocchi di un dispositivo commutatore di lunghezza d’onda secondo l’invenzione;
-figura 2 rappresenta schematicamente un gruppo di separazione delle lunghezze d’onda del dispositivo di figura 1;
-figura 3 rappresenta un ulteriore schema a blocchi del dispositivo;
-figura 4 rappresenta una vista schematica in prospettiva di un array di specchi MEM secondo l’invenzione;
-figure 5, 6 rappresentano viste schematiche laterale e in pianta di una possibile realizzazione di array di specchi MEM secondo l’invenzione;
-figura 7 rappresenta una variante della realizzazione di figura 5;
-figura 8 è una vista schematica laterale di un dispositivo di commutazione secondo l invenzione;
-figura 9 è una vista schematica del dispositivo a più “strati”;
-figura 10 è uno schema a blocchi del dispositivo con una unità di rigenerazione e conversione;
-figura 11 mostra schematicamente la disposizione degli specchi in due differenti array di specchi secondo l’invenzione;
-figure 12 e 13 rappresentano viste schematiche laterale e in pianta del dispositivo di figura 10;
-figura 14 rappresenta lo schema a blocchi di un dispositivo di commutazione di lunghezze d’onda secondo l’invenzione;
-figura 15 è una vista di una piastrina di silicio realizzante array di specchi secondo l’invenzione;
-figure 16 e 17 rappresentano viste schematiche laterale e frontale di una realizzazione di un dispositivo di commutazione secondo l’invenzione;
-figura 18 mostra un grafico dell’incremento dell’angolo di oscillazione degli specchi;
-figura 19 è una rappresentazione schematica delle grandezze coinvolte nel grafico di figura 18.
Con riferimento alle figure, è descritto un commutatore di lunghezze d’onda, realizzato secondo l’invenzione. Un commutatore di lunghezza d’onda è una apparecchiatura interfacciata alla rete per mezzo di alcune fibre DWDM ad alta capacità. In tali apparecchiature un numero di fibre pari a 4 per direzione è ritenuto ragionevole. Pratiche considerazioni suggeriscono di espandere le reti in strati, aggiungendo nuovi piani di fibre con interconnessioni nel piano ma non fra differenti piani.
Entro ciascun piano, qualsiasi lunghezza d’onda da qualsiasi fibra può essere commutata sul corrispondente canale (stesso colore) sopra la desiderata fibra di uscita.
È meritevole di nota che, concettualmente, il commutatore può essere considerata come ripetizioni di commutatori più piccoli, assumendo che è privo di senso commutare fra loro canali con lunghezza d’onda diversa. Più semplicemente, date N lunghezze d’onda sopra fibre DWDM, il commutatore può essere visto come N piani di commutazione più piccoli, ciascuno dedicato ad una particolare lunghezza d’onda
Come menzionato sopra, l’architettura di commutazione qui proposta è basata su array di specchi MEMS con ciascuno specchio mobile attorno a un solo asse.
In figura 1 è mostrata schematicamente una realizzazione basata su DWDM. In questa realizzazione (indicata genericamente con 10) i canali di ingresso sono fomiti per mezzo di fibre DWDM multicanali 11. L’apparecchiatura 10 agisce come commutatore di lunghezza d’onda sui singoli componenti cromatici delle portanti DWDM. Elementi selettivi in frequenza in ingresso (14) e in uscita (15) possono essere aggiunti per ottenere il multiplexing/demultiplexing DWDM così che il dispositivo di commutazione 13 vero e proprio riceva segnali suddivisi in frequenza lungo percorsi di ingresso llb e li emette lungo percorsi di uscita 12b. All’uscita dei mezzi di ricomposizione 15 si ottengono nuovamente canali DWDM. Gli elementi selettivi in frequenza sono in sé essenzialmente noti.
La parte di ingresso 14 è mostrata più in dettaglio in figura 2. Per separare componenti di lunghezza d’onda stabilita dal raggio DWDM 11 in ingresso è usato un noto dispositivo 16 sensibile alla frequenza (reticolo di diffrazione). Ciascuna fibra entrante DWDM è affacciata al reticolo allo scopo di separare le componenti cromatiche. Per mezzo di lenti 17 i raggi sono resi paralleli e quindi avviati con collimatori 19 lungo i percorsi llb verso separati specchi dell’array MEMS 18 contenuto nel commutatore 13. Ciascuna componente è così focalizzata sul relativo specchio dell’assieme MEMS associato con la fibra.
In alternativa, i componenti selettivi in frequenza possono essere posti all’esterno del dispositivo: in questo caso fibre dedicate saranno fomite per alimentare i collimatori.
II blocco di multiplexer 15 posto in uscita è simile al blocco appena descritto con ingresso e uscita scambiate, e non sarà qui ulteriormente descritto essendo facilmente immaginabile dal tecnico.
In figura 3 è schematizzato in maggiore dettaglio il concetto del blocco di commutazione 13. Come si vede esso è nella sostanza un dispositivo per reinstradare una lunghezza d’onda da un insieme di ingresso In-x @λi ad un insieme di uscita Out-x @λi.
La stessa topologia viene ripetuta per ciascuna lunghezza d’onda nella griglia considerata (ad esempio 40 canali per ITU-T 100GHz) realizzando un pluralità di “strati”, ciascuno con un banco di 4X4 commutatori.
L’elemento base o “blocco da costruzione” della innovativa architettura proposta è un array di specchi oscillanti secondo un singolo asse. In figura 4 è mostrato schematicamente ciò. Gli specchi possono essere incisi sulla stessa superficie di silicio per mezzo di procedure ben collaudate.
Ciascuno specchio può essere individualmente deflesso da un relativo elemento pilota.
Il concetto di un tale dispositivo base è mostrato nelle sue linee essenziali in figura 5 (vista laterale) e in figura 6 (vista superiore), dove è mostrata una pluralità di strisce flessibili di silicio 20 parallele, superiormente lavorate per essere riflettenti e ciascuna con sotto l’elemento di pilotaggio 21 per le flessione comandata per avere una voluta inclinazione . attorno ad un singolo asse.
Le figure 5 e 6 sono descrittive solamente del concetto del dispositivo, la realizzazione pratica essendo facilmente immaginabile dal tecnico esperto. Alio scopo di migliorare la planarità degli specchi, gli specchi possono anche essere posti sopra la striscia flessibile di silicio invece che rendere riflettente la striscia stessa.
Ciò è mostrato schematicamente in figura 7, dove lo specchio 22 è montato sulla striscia flessibile 20.
In alternativa, possono anche essere realizzati arrangiamenti a sospensione cardanica a singolo asse.
In figura 8 è mostrata la struttura del gruppo di commutazione 13 dotato degli array di specchi oscillanti di ingresso 18 e di uscita 23.
Gli array di MEMS sono disposti paralleli sopra un piano di riferimento comune, divisi in due gruppi, cioè array di specchi di ingresso 18 ed array di specchi di uscita 23. Un soffitto fisso riflettente 24 è posto sopra l’assieme.
I raggi llb giungono dai collimatori di ingresso e i raggi 12b si dirigono verso i collimatori di uscita.
Nella figura un commutatore a due tronchi è mostrato per semplicità. Aggiungendo array e reticoli il commutatore può trattare svariate portanti DWDM allo stesso tempo.
Inclinandosi differentemente le strisce MEMS, un differente angolo è assunto dal raggio emergente. Questa regolazione può essere realizzata indipendentemente per ciascun componete di lunghezza d’onda del raggio DWDM entrante.
Nella sezione trasversale di figura 8 solo due percorsi d’onda sono mostrati. La struttura è intesa estesa in direzione “z”, permettendo la commutazione contemporanea di più lunghezze d’onda in parallelo. Per una più facile comprensione, schematicamente, essa è simile ad una fetta per ciascuna striscia di specchi nell’ array di specchi, come schematicamente mostrato in figura 9.
Allo scopo di permettere una semplice rigenerazione e conversione_di lunghezza d’onda una percentuale traffico trattato dovrebbe essere accessibile su base di singolo canale. Questo consente un risparmio di costi addizionali perché evita un multiplexer e demultiplexer DWDM sintonizzabile posto sui dispositivi di rigenerazione.
A livello di schema a blocchi il dispositivo può essere rappresentato come mostrato in figura 10. Come si vede in tale figura il dispositivo di commutazione 13 ha un certo numero di ingressi 40 e uscite 41 di ADD e DROP connessi a un blocco 31 per la conversione di lunghezza d’onda e la rigenerazione. Dispositivi di conversione e rigenerazione sono noti al tecnico e non saranno qui ulteriormente descritti o mostrati.
Il concetto chiave è permettere una definita percentuale di rigenerazione sopra il numero totale delle lunghezze d’onda ma senza specializzare ciascun canale su un predeterminato colore. Più chiaramente, ciascun cannale di rigenerazione ingresso/uscita deve essere usabile per qualsiasi desiderata lunghezza d’onda.
Per ottenere ciò, un differente arrangiamento dell’array MEMS è preferibile allo scopo di accoppiare efficacemente connettori di rigenerazione e lunghezze d’onda. Nella sua struttura di base è simile all’array precedentemente descritto ma l’oscillazione angolare è su un asse differente. Più in particolare, l’asse di oscillazione degli specchi dell’array è trasversale all’asse precedentemente descritto. In figura 11 è mostrato in a) l’array di specchi con asse trasversale e in b) l’array già sopra descritto con asse normale.
Nel seguito gli array “trasversali” saranno individuati nei disegni per mezzo di una lettera “T” entro il simbolo dell’ array.
Il selettore di rigenerazione può essere visto semplicemente come un selettore multiplo da N a 1, dove N è il numero di lunghezze d’onda trattate
Il dispositivo commutatore con il selettore di rigenerazione che preleva e reinserisce? i canali nel percorso (funzione di ADD/DROP) è mostrato nelle figure 12 (vista laterale) e 13 (vista in pianta).
Come si vede nelle figure, rispetto alla realizzazione precedente priva di funzione ADD/DROP sono stati aggiunti degli array trasversali per prelevare e immettere raggi nel percorso fra gli array che commutano i segnali fra gli ingressi e le uscite DWDM 11, 12. La funzione di intercettazione svolta dagli array trasversali è particolarmente chiara in figura 13. In tale figura, gli array normali 18, 23 hanno asse di rotazione verticale e gli array trasversali (indicati con 35, 36, 37, 38) hanno asse di rotazione orizzontale. Come si vede, raggi all’ingresso ADD 40 sono focalizzati sul primo array trasversale 35 per mezzo di collimatori 42. L’array 35 riflette sul cielo 24 del dispositivo e da qui su selezionati specchi dell’ array trasversale 36 che reimmette i raggi nel percorso normale fra gli array 18 e 23. In uscita all’array 23 i raggi sono riflessi ulteriormente dall’ array trasversale 38. I raggi da prelevare sono intercettati dagli specchi dell’array 38 e sono inviati, per mezzo dell’array trasversale 37, all’uscita di DROP 41 attraverso collimatori 43. In tale modo ciascun colore può essere focalizzato sul richiesto collimatore per mezzo di deflettori di raggio a singolo asse. Per semplicità i disegni non sono in scala.
Nella realizzazione mostrata solo un canale per lunghezza d’onda può essere prelevato e reinserito e, perciò, rigenerato/convertito. Naturalmente, addizionando coppie di array trasversali più canali a pari lunghezza d’onda possono essere trattati nello stesso tempo.
Nel dimensionamento dell’apparecchiatura (cross connect ottico) si può considerare che la struttura intrinseca di un sistema di trasmissione commerciale in banda C+L suggerisce la divisione delle lunghezze d’onda in sottobande, allo scopo di permettere una maggiore scalabilità.
La dimensione base di un commutatore di lunghezze d’onda è quindi 40 canali, in accordo ai reticoli ITU-T 100GHz. Per una desiderata capacità di rigenerazione/conversione del 25% sono necessarie porte di rigenerazione a singola fibra con 10 ingressi/uscite per ciascuna fibra DWDM.
Il numero di linee ottiche DWDM afferenti arriva fino a 4 e quindi sono richieste fibre a 40 ingressi e 40 uscite.
Prime realizzazioni possono prevedere un’apparecchiatura di commutazione singola che permetta la commutazione di 160 canali, cioè 40 canali della prima griglia 100GHz in banda C. L’apparecchiatura può poi essere progressivamente aggiornata a 640 lunghezze d’onda. Quando la piena capacità non è più sufficiente per instradare tutto il traffico di passaggio possono essere realizzati layer multipli. L’instradamento fra layers dovrebbe essere evitato, sebbene possa essere permesso attraverso convertitori/rigeneratori.
Ciò è mostrato come schema a blocchi in figura 14, dove i vari elementi del dispositivo sono facilmente individuabili dal tecnico esperto. Una simile struttura a strati permette ad esempio di ottenere la commutazione di 1280 canali.
Allo scopo di velocizzare lo sviluppo del prodotto e di fornire un dispositivo indipendente dalla lunghezza d’onda, i componenti selettivi in frequenza possono anche essere posti all’esterno. In tale modo il prodotto può essere considerato come un dispositivo MEMS puro. Adatti filtri o AWG possono essere posti esternamente per estrarre singoli canali dai fasci DWDM. Connettori ottici multifibra collegano il prodotto e la circuiteria ottica esterna. Le funzioni di ingresso e uscita possono ad esempio essere fomite per mezzo di fibre singole organizzate in connettori ottici multifibra per ciascuna fibra.
Per ridurre i costi di assemblaggio e per maggiore affidabilità è preferibile realizzale una struttura MEMS a singolo wafer. Ciò è mostrato esemplificativamente in pianta in figura 15 dove si vedono Array MEMS incisi sulla stessa base di silicio 45. Sono fomiti due gruppi, chiamati “sezione di ingresso” 46 e “sezione di uscita” 47. Due array addizionali 48, 49 forniscono rispettivamente le capacità di ADD e di DROP (array trasversali). Solo un Canale per ciascuna lunghezza d’onda può essere aggiunto o estratto (25% di capacità passante totale).
Come mostrato schematicamente nelle figure 16 (vista laterale) e 17 (vista in pianta) la piastrina di silicio 45 così ottenuta può essere alloggiata su una parete di un contenitore 50 il quale ha sulla opposta parete la superficie riflettente 24. Su un lato della piastrina 45 sono disposti gli array di collimatori 51 per la funzione di ADD e gli array di collimatori 52 per la sezione di ingresso. Sull’opposto lato della piastrina 45 sono disposti gli array di collimatori 53 per la funzione di DROP e gli array di collimatori 54 per la sezione di uscita.
In questa implementazione di esempio si assume che i connettori/fibre di I/O aggiunti o sottratti sono assegnati a specifici fasci DWDM.
Come si vede bene in figura 17, i canali “ADD” connessi attraverso la prima fila di collimatori dell’array di collimatori di ADD 51 sono dedicati ai canali di ingresso entranti attraversolla prima fila dell’array di collimatori di ingresso 52. I canali sottratti attraverso la prima fila di collimatori nell’array di collimatore di DROP 54 giungono dai canali di ingresso attraverso la prima fila dell’array del collimatore diingresso. Lo stesso si applica alle altre righe.
Deve essere notato che qualsiasi lunghezza d’onda della riga N-esima di ingresso/uscita può essere intercettata da qualsiasi collimatore di ADD/DROP della riga N-esima.
Per dare un idea dell’ordine di grandezza delle dimensioni fisiche coinvolte, in figura 18 è disegnato un grafico che mostra l’incremento Δα dell’angolo di oscillazione degli specchi per un passo AL fra due file di specchi in funzione dell’altezza h del soffitto, come mostrato in figura 19.
AL è assunto pari a 20mm e la separazione degli array di ingresso e uscita L= 20mm. h varia da 0 a 500mm. L’angolo di oscillazione è dato da:
Nel grafico gli angoli sono espressi in gradi. E’ da notarsi che con lunghezze maggiori di 15 cm sono richiesti angoli di oscillazione minori di 5 gradi per spostamenti di 20 mm.
A questo punto è chiaro come si siano raggiunti gli scopi prefissati, fornendo dispositivi che sono adatti alla commutazione di lunghezze d’onda e che richiedono solo semplice controllo e comando e hanno ingombro limitato.
Naturalmente, la descrizione sopra fatta di realizzazioni applicanti i principi innovativi della presente invenzione è riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato.

Claims (8)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo per la commutazione ottica di lunghezze d’onda in reti di telecomunicazione comprendente percorsi (llb) di ingresso di componenti di segnali di differente lunghezza d’onda, array di specchi MEMS (13) mobili secondo un singolo asse e che ricevono le dette componenti e che sono comandati per indirizzare le componenti ricevute verso selezionati percorsi di uscita (12b).
  2. 2. Un dispositivo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli array sono divisi in un gruppo di array di ingresso (18) che riceve le componenti dal percorso di ingresso e un gruppo di array di uscita (23) che invia le componenti verso il percorso di uscita, le componenti passando dal gruppo di ingresso al gruppo di uscita tramite una superficie riflettente (24) disposta sopra i due gruppi di array.
  3. 3. Un dispositivo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi (14) per la scomposizione nelle dette componenti di segnali ottici DWDM (11) che riceve in ingresso e mezzi (17,19) di invio lungo i detti percorsi di ingresso (llb) delle dette componenti scomposte.
  4. 4. Un dispositivo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi (14) per la composizione delle componenti in segnali ottici DWDM (12) da inviare in uscita e mezzi (17,19) di prelievo delle componenti lungo i detti percorsi di uscita (12b) e di invio a detti mezzi (14) per la composizione.
  5. 5. Un dispositivo secondo rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che' i mezzi (14) rispettivamente per la scomposizione o per la composizione comprendono un elemento a reticolo di scomposizione (16) e i mezzi di invio lungo i percorsi comprendono lenti (17) e array collimatori (19).
  6. 6. Un dispositivo secondo rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere due ulteriori gruppi di array (35, 36 e 37, 38) che hanno asse di movimento degli specchi che è trasversale rispetto all’asse di movimento degli specchi dei gruppi di array di ingresso (18) e di uscita (23), detti ulteriori gruppi di array essendo disposti uno prossimo al gruppo di ingresso e uno prossimo al gruppo di uscita, rispettivamente per immettere in detti percorsi di ingresso (llb) componenti provenienti da un ulteriore ingresso ADD (40) e per prelevare da detti percorsi di uscita (12b) componenti da inviare ad una ulteriore uscita DROP (41).
  7. 7. Un dispositivo secondo rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che l’ingresso ADD (40) e l’uscita DROP (41) sono collegati rispettivamente ad una uscita e ad un corrispondente ingresso di una unità (31) di rigenerazione e/o conversione di segnali ottici.
  8. 8. Un dispositivo secondo rivendicazione 2 o 6, caratterizzato dal fatto che i gruppi di array sono ricavati su un'unica piastrina di silicio (45).
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