Быстрое оптическое переключение: анализ существующих решений и новый метод, обеспечивающий коммутацию сигналов/пакетов в мультисервисных сетях

Технологии beamforming в 5G / 6G и fractional lambda switching невозможны без быстрой (за времена <1 нс) пакетной коммутации. Существующие средства на микрорезонаторах и подобные ориентированы на малофотонные сигналы и не эффективны на традиционных волоконно-оптических линиях по G.703/G.802.3ba. Поэтому актуальными являются методы и устройства быстрой коммутации оптических пакетов.

Цель работы: создание нового нереляционного метода быстрой коммутации сигналов / пакетов в полностью оптических сетях на базе чирпа импульсов. Научной задачей является разработка многопортового интерференционного устройства разделения по длинам волн с малым шагом.

Используемые методы: численное моделирование в пакете HFSS, методы теории вероятностей.

В ходе решения научной задачи получена интерференционная картина в рабочей области устройства, спроектировано спектрально избирательное выходное зеркало, и уточнен градиент показателя преломления.

Новизна: предложен метод быстрой оптической коммутации, двухрезонаторное устройство разделения с разработанной структурой выходного зеркала и уточненным показателем преломления.

Практическая значимость: устройство предназначено для пакетных сетей 5G / 6G без буферизации. Результаты работы интересны при проектирования новых поколений оптических коммутаторов.

Практическая реализация устройства повышает производительность сетей с коммутацией пакетов.

1. Гольдштейн А.Б., Гольдштейн Б.С. Технология и протоколы MPLS. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 304 с.

2. Sahinel D., Rommel S., Monroy I.T. Resource Management in Converged Optical and Millimeter Wave Radio Networks: A Review // Applied Sciences. 2022. Vol. 12. Iss. 1. P. 221. DOI:10.3390/app12010221. EDN:IAHVFJ

3. Shafi M., Jha R.K., Jain S. 6G: Technology Evolution in Future Wireless Networks // IEEE Access. 2024. Vol. 12. PP. 57548–57573. DOI:10.1109/ACCESS.2024.3385230. EDN:ICZPDX

4. Xue X., Zhang S., Guo B., Ji W., Yin R., Chen B., et al. Optical Switching Data Center Networks: Understanding Techniques and Challenges // arXiv:2302.05298. DOI:10.48550/arXiv.2302.05298

5. Zhao C., Cai Y., Liu A., Zhao M., Hanzo L. Mobile Edge Computing Meets mmWave Communications: Joint Beamforming and Resource Allocation for System Delay Minimization // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2020. Vol. 19. Iss. 4. PP. 2382–2396. DOI:10.1109/twc.2020.2964543. EDN:QXLJHM

6. Росляков А.В., Герасимов В.В. Анализ сквозной задержки в транспортном сегменте Fronthaul сетей 4G/5G на базе технологии TSN // Труды учебных заведений связи. 2024;10(1):73–84. DOI:10.31854/1813-324X-2024-10-1-73-84. EDN:SJWTLO

7. Sato K. Optical switching will innovate intra data center networks [Invited Tutorial] // Journal of Optical Communications and Networking. 2023. Vol. 16. Iss. 1. PP. A1–A23. DOI:10.1364/JOCN.495006

8. Miao W., Luo J., Di Lucente S., Dorren H., Calabretta N. Novel flat datacenter network architecture based on scalable and flow-controlled optical switch system // Optics Express. 2024. Vol. 22. Iss. 3. PP. 2465–2472. DOI:10.1364/OE.22.002465

9. Mukherjee B. Optical Communication Networks. Mc.Graw-Hill, 2005. 576 p.

10. Sasikala V., Chitra K. All optical switching and associated technologies: a review // Journal of Optics. 2018. Vol. 47. PP. 307–317. DOI:10.1007/s12596-018-0452-3. EDN:OHBQOC

11. Zhao Y., Qian C., Qiu K., Gao Y., Xu X. Ultrafast optical switching using photonic molecules in photonic crystal waveguides // Optics express. 2015. Vol. 23. Iss. 7. PP. 9211–9220. DOI:10.1364/OE.23.009211. EDN:UVOCHP

12. Chai Z., Hu X., Wang F., Niu X., Xie J., Gong Q. Ultrafast All‐Optical Switching // Advanced Optical Materials. 2017. Vol. 5. Iss. 7. P. 1600665. DOI:10.1002/adom.201600665. EDN:YWBFYN

13. Ono M., Hata M., Tsunekawa M., Nozaki K., Sumikura H., Chiba H., et al. Ultrafast and energy-efficient all-optical switching with graphene-loaded deep-subwavelength plasmonic waveguides // Nature Photonics. 2020. Vol. 14. Iss. 1. PP. 37–43. DOI:10.1038/s41566-019-0547-7. EDN:OYKIDV

14. Rutckaia V., Schilling J. Ultrafast low-energy all-optical switching // Nature Photonics. 2020. Vol. 14. Iss. 1. PP. 4–6. DOI:10.1038/s41566-019-0571-7. EDN:DURANK

15. Rehman A.U., Khan Y., Irfan M., Butt M.A., Khonina S.N., Kazanskiy N.L. A Novel Design of Optical Switch Based on Guided Mode Resonances in Dielectric Photonic Crystal Structures // Photonics. 2022. Vol. 9. Iss. 8. P. 580. DOI:10.3390/photonics9080580. EDN:UJDEOL

16. Султанов А.Х., Виноградова И.Л., Мешков И.К., Андрианова А.В., Абдрахманова Г.И., Ишмияров А.А. и др. Способ подключения антенных излучателей для RoF с применением оптического устройства и методика расчёта его параметров // Компьютерная оптика. 2015. Т. 39. № 5. С. 728–737. DOI:10.18287/0134-2452-2015-39-5-728-737. EDN:VCCHWZ

17. Agrawal G.P. Nonlinear Fiber Optics. Boston: Academic Press, 2009. 466 p.

18. Vinogradova I.L., Golovina E.U., Gizatulin A.R., Meshkov I.K., Filatov P.E., Komissarov A.M. Method of RoF-network segment control using chirped optical pulses // Proceedings of the Conference on Optical Technologies for Telecommunications (Kazan, Russian Federation, 22–24 November 2023). 2023. Vol. 13168. PP. 51–62. DOI:10.1117/12.3026194

19. Виноградова И.Л. Характеристики двухрезонатороного интерферометра Фабри-Перо // Радиотехника. 2002. № 6. С. 33–39.

20. Абдрахманова Г.И., Андрианова А.В., Виноградова И.Л., Грахова Е.П., Зайнуллин А.Р., Ишмияров А.А., и др. Устройство для разветвления и чирпирования оптических сигналов. Патент на полезную модель № RU 163995 U1, от 08.02.2016. Опубл. 20.08.2016. EDN:RKEEJZ

21. Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. М.: Машиностроение, 1989. 256 с.

22. Андрианова А.В., Виноградова И.Л., Султанов А.Х., Мешков И.К., Абдрахманова Г.И., Грахова Е.П. и др. Подход к получению 3D-наноструктурного двухфазного ситаллового стекла, основанный на интенсивном кручении под высоким давлением // Компьютерная оптика. 2016. Т. 40. № 4. С. 489–500. DOI:10.18287/2412-6179-2016-40-4-489-500. EDN:WMIKAH

23. Карпенко Г.Д., Клименко А.И. Способ динамической компенсации дрейфа постоянной составляющей низкочастотного синусоидального сигнала. Патент SU 482686 A1, от 16.04.1973. Опубл. 30.08.1975. EDN:OVVZIS

24. Житников В.П., Шерыхалина Н.М., Поречный С.С. Об одном подходе к практической оценке погрешностей численных результатов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2009. № 3. С. 105–110. EDN:KXXBVL

25. Евграфов А. ANSYS HFSS: передовые технологии трехмерного решения электродинамических задач // Электроника: наука, технология, бизнес. 2014. № 6(138). С. 162–167. EDN:SQWBDT

26. Kudinova M., Bouwmans G., Vanvincq O., Habert R., Plus S., Bernard R., et al. Two-step manufacturing of hundreds of meter-long silicon micrometer-size core optical fibers with less than 0.2 dB/cm background losses // APL Photonics. 2021. Vol. 6. Iss. 2. DOI:10.1063/5.0028195. EDN:UAKRHQ

27. Khonina S.N., Kazanskiy N.L., Butt M.A. Grayscale Lithography and a Brief Introduction to Other Widely Used Lithographic Methods: A State-of-the-Art Review // Micromachines. 2024. Vol. 15. Iss. 11. P. 1321. DOI:10.3390/mi15111321. EDN:OMVMDO

28. Chesnokova M., Nurmukhametov D., Ponomarev R., Agliullin T., Kuznetsov A., Sakhabutdinov A., et al. Microscopic Temperature Sensor Based on End-Face Fiber-Optic Fabry–Perot Interferometer // Photonics. 2024. Vol. 11. Iss. 8. P. 712. DOI:10.3390/photonics11080712. EDN:NHSVWJ

29. Zhang D., Li Y. A RISC-V 32-bit microprocessor on two-dimensional semiconductor platform // Journal of Semiconductors. 2025. Vol. 46. Iss. 8. DOI:10.1088/1674-4926/25050016

30. Saha S., Pal S., Ganguly J., Ghosh M., et al. Exploring optical refractive index change of impurity doped quantum dots driven by white noise // Superlattices and Microstructures. 2015. Vol. 88. PP. 620–633. DOI:10.1016/j.spmi.2015.10.021

31. Baldi M., Ofek Y. Realizing Dynamic Optical Networking. URL: chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://staff.polito.it/mario.baldi/publications/ONM2003.pdf (дата обращения 08.10.2025)

32. Agrawal D., Baldi M., Corra M., Fontana G., Marchetto G., Nguyen V.T. A Scalable Approach for Supporting Streaming Media: Design, Implementation and Experiments // Proceedings of the 12th IEEE Symposium on Computers and Communications (Santiago, Portugal, 01–04 July 2007). IEEE, 2007. PP. 211–217. DOI:10.1109/ISCC.2007.4381589

33. Baldi M., Ofek Y. Fractional Lambda Switching Principles of Operation and Performance Issues // Simulation. 2004. Vol. 80. Iss. 10. РP. 527–544. DOI:10.1177/0037549704046

34. Follett D.R., Sobin D.L. Optical backplane. Patent USA, no. 4870637A, 24.12.1987. https://patents.google.com/patent/US4870637A/en

35. Jorepalli S. Transforming Network Architectures with VMware NSX-T Data Centre: A Deep Dive into Software-Defined Networking for Multi-Cloud Environments // Applied Science and Engineering Journal for Advanced Research. 2025. Vol. 4. Iss. 1. PP. 7–12. DOI:10.5281/zenodo.14784450

36. Xue X., Calabretta N. Nanosecond optical switching and control system for data center networks // Nature Communications. 2022. Vol. 13. Iss 1. Р. 2257. DOI:10.1038/s41467-022-29913-1. EDN:DVCWFP

37. Singh O., Paulus R. A critical review of optical switches // Journal of Optical Communications. 2023. Vol. 44. Iss. 1. РP. 349–358. DOI:10.1515/joc-2020-0284

38. Lei Y., Li J., Liu Z., Joshi R., Xia Y. Nanosecond Precision Time Synchronization for Optical Data Center Networks // arXiv:2410.17012. 2024.

39. Еременко В.Т., Фисун А.П., Саитов И.А., Миронов А.Е., Орешин А.Н., Королев А.В. Методы и модели теории телетрафика. Орел: Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева, 2019. 244 с.

40. Бачев А.Г., Вакуленко Н.Н., Захаров М.К. Математическая модель сети обмена данными с коммутацией пакетов // Программные продукты и системы. 2010. № 1. С. 158–161. EDN:MNKMVL

41. Huang S. Wang M., Liu Y., Liu Z., Cui Y. Iphicles: Tuning Parameters of Data Center Networks with Differentiable Performance Model // Proceedings of the 32nd International Symposium on Quality of Service (IWQoS, Guangzhou, China, 19–21 June 2024). IEEE, 2024. РP. 1–10. DOI:10.1109/IWQoS61813.2024.10682926

42. Трещиков В.Н., Листвин В.Н. DWDM-системы. М.: Техносфера. 2021. 420 с.