Fast Optical Switching: Analysis of Existing Solutions and a New Method Ensuring Signal/Packet Switching in Multi-Service Networks

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Beamforming technologies in 5G / 6G and fractional lambda switching are impossible without fast (in times <1 ns) packet switching. Existing microresonator devices and the like are focused on low-photon signals and are not effective on traditional G.703/G.802.3ba fiber-optic lines. Therefore, methods and devices for fast switching of optical packets are relevant. The purpose of the work: to create a new non-relational method for fast switching of signals / packets in fully optical networks based on chirp pulses. The scientific task is to develop a multi-port interference wavelength separation device with a small step. Methods used: numerical modeling in the HFSS package, methods of probability theory. In the course of solving the scientific problem, an interference pattern was obtained in the working area of the device, a spectrally selective output mirror was designed, and the refractive index gradient was refined. Novelty: a method of fast optical switching, a two-resonator separation device with a developed output mirror structure and a refined refractive index is proposed. Practical significance: the device is designed for packet 5G / 6G networks without buffering. The results of the work are interesting when designing new generations of optical switches. The practical implementation of the device improves the performance of packet-switched networks.

About the authors

I. L. Vinogradova

Ufa University of Science and Technology; Ufa State Petroleum Technological University

Email: vil-4@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4618-6843

A. H. Sultanov

Ufa University of Science and Technology

Email: sultanov.ah@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2830-3498

E. Yu. Golovina

Institute of Oil Refining and Petrochemistry of FSBEU VO "UGNTU" in Salavat

Email: egolovina82@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-3624-5490

A. M. Komissarov

Ufa University of Science and Technology

Email: arkadiy_kom@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-2809-4309

P. E. Filatov

Ufa University of Science and Technology

Email: filatov.pe@ugatu.su
ORCID iD: 0009-0007-2607-033X

References

  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// 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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».