Giáo trình môn QUANG ĐIỆN TỬ - Chương 6 ppt

Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Chương LINH KIỆN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 6.1 Hệ thống truyền dẫn quang Sơ đồ khối hệ thống thông tin Sơ đồ khối hệ thống thông tin điện quang mơ tả hình 8-1a,b Trong hình : Nguồn tín hiệu: dạng thông tin thông thường tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn Mạch điện tử : có nhiệm vụ xử lý nguồn thơng tin để tạo tín hiệu điện dạng analog digital Khối E/O: mạch biến đổi điện - quang có nhiệm vụ điều biến tín hiệu điện thành cường độ xạ ánh sáng để phát (biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang) Sợi quang có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu quang từ nơi phát đến nơi thu Khối O/E : mạch biến đổi quang - điện cịn gọi thu quang có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa đến biến đổi trở lại thành tín hiệu điện tín hiệu điện phát Tải tin : Trong hệ thống điện tải tin sóng điện từ cao tần, hệ thống quang tải tin ánh sáng sóng điện từ song có tần số cao ( 1014 ÷ 1015 Hz) tải tin quang thuận lợi cho tải tín hiệu băng rộng Hình 6.1 Hệ thống truyền dẫn quang Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) Suy hao sợi quang nguyên nhân giới hạn cự ly truyền hệ thống thông tin quang Đối với hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn suy hao khắc phục cách sử dụng trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) Trong trạm lặp quang điện (xem hình 1.1), trình khuếch đại tín hiệu quang thực qua nhiều bước Đầu tiên, tín hiệu quang biến đổi thành dòng điện thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang PIN hay APD Dòng quang điện thu tái tạo lại dạng xung, định thời khuếch đại mạch phục hồi tín hiệu mạch khuếch đại Sau đó, tín hiệu điện biến đổi thành tín hiệu quang thơng qua nguồn quang phát quang (optical transmitter) truyền sợi quang Như vậy, q trình khuếch đại tín hiệu thực miền điện Hình 6.2 Cấu trúc trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) Các trạm lặp quang điện sử dụng phổ biến hệ thống truyền dẫn quang bước sóng hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, sử dụng cho hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng hệ thống WDM, nhiều trạm lặp quang điện cần sử dụng để khuếch đại tái tạo kênh quang có bước sóng khác Điều làm tăng độ phức tạp tăng giá thành hệ thống truyền dẫn quang WDM Ưu điểm hệ thống truyền dẫn quang Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang So với hệ thống thơng tin điện , hệ thống thơng tin quang có số ưu điểm sau: + Sợi quang nhỏ, nhẹ dây kim loại, dễ uốn cong, tốn vật liệu + Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh không bị ảnh hưởng nước, axit, kiềm nên khơng bị ăn mịn Đồng thời, sợi chất điện mơi nên cách điện hồn tồn, tín hiệu truyền sợi quang khơng bị ảnh hưởng nhiễu bên ngồi tới không gây nhiễu môi trường xung quanh + Đảm bảo bí mật thơng tin, khơng sợ bị nghe trộm + Khả truyền nhiều kênh sợi quang có đường kính nhỏ Tiêu hao nhỏ không phụ thuộc tần số nên cho phép truyền dẫn băng rộng tốc độ truyền lớn nhiều so với sợi kim loại + Giá thành rẻ 8.2 Khái niệm kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng -WDM Sự tương tác ánh sáng vật chất Như biết, theo lý thuyết dải lượng vật chất, thơng thường hạt tồn mức (Ek) mức có lượng thấp nên bền vững Chỉ cần kích thích lượng đó, ví dụ quang năng, điện năng, nhiệt hạt mức di chuyển lên mức lượng cao hơn, gọi mức kích thích (E i) Các hạt tồn mức kích thích thời gian ngắn khoảng 10 -8 giây lại dịch chuyển mức lượng thấp phát ánh sáng, hay gọi photon Photon phát theo định luật bảo toàn lượng: hν = Ei - Ek ta có tần số xạ ánh sáng tính theo cơng thức  ν - tần số xạ ánh sáng ( ν = c/λ )  h - số Plank (h = 6,625.10-34 J.s = 4,16.10-15 eV.s)  c - vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s)  λ - độ dài bước sóng xạ ánh sáng phát Khái niệm kỹ thuật thông tin quang WDM Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Bộ lọc quang liên quan đến kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng -WDM Vì nguồn sáng đơn sắc có độ rộng phổ hẹp, nên truyền dẫn sử dụng phần nhỏ băng truyền dẫn sợi quang Ghép kênh phân chia theo bước sóng tạo nhiều kênh phổ sử dụng đồng thời Hình 6.3 Một nguồn quang đơn sử dụng phần nhỏ băng truyền dẫn phổ có sẵn sợi quang ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) tạo nhiều kênh phổ sử dụng đồng thời Ta thấy có nhiều vùng hoạt động phổ thêm vào Một cách lý tưởng, tăng đột biến dung lượng thơng tin sợi quang đạt việc truyền dẫn đồng thời tín hiệu quang sợi quang từ nhiều nguồn ánh sáng khác có bước sóng đỉnh xạ đặt cách cách xác Bởi nguồn sáng hoạt động bước sóng đỉnh khác nhau, tính tồn vẹn tin tức độc lập từ nguồn trì để việc chuyển đổi sang tín hiệu điện đầu thu Đây sở ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Hai cấu WDM khác mơ tả hình sau Chương 6: Linh kiện hệ thống thơng tin quang Hình 6.4 Hệ thống WDM đơn hướng kết hợp N tín hiệu độc lập để truyền sợi quang đơn Trong hình trên, linh kiện WDM đơn hướng sử dụng để kết hợp bước sóng mang tín hiệu khác sợi quang đơn đầu để tách chúng vào tách quang thích hợp đầu Hình 6.5 Hệ thống WDM hai hướng, đó, hai bước sóng nhiều truyền đồng thời hướng ngược sợi quang Sơ đồ hệ thống WDM hai hướng mơ tả hình Sơ đồ gồm việc gửi tin tức hướng bước sóng λ1 đồng thời hướng ngược lại bước sóng λ2 Trong hệ thống thơng tin quang hai hình trên, ghép kênh phân chia theo bước sóng có hai loại sử dụng rộng rãi linh kiện tán sắc cạnh lăng kính cách tử, lọc màng mỏng linh kiện tích hợp quang đơn mốt Bộ lọc quang linh kiện tán sắc (hay ghép kênh tán sắc cạnh) Sơ đồ ghép kênh tán sắc cạnh mơ tả hình 8- 51 hệ thống bước sóng sử dụng, dθ / dλ độ tán sắc cạnh linh kiện Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Hình 6.6 Sơ đồ biểu diễn phần tử WDM tán sắc cạnh cho bước sóng Nhiều bước sóng kết hợp phân chia với loại linh kiện Khi linh kiện sử dụng phận kênh, ánh sáng từ sợi quang chuẩn trực thấu kính L1 (gọi thấu kính chuẩn trực) qua phần tử tán sắc cạnh phân chia thành kênh có bước sóng vào chùm tia có định hướng khơng gian khác Thấu kính L2 (thấu kính hội tụ) hội tụ tia đầu vào sợi quang thu thích hợp tách quang thích hợp 8.5.3 Bộ lọc quang màng mỏng Trong phần nghiên cứu lọc quang màng mỏng Hoạt động phần tử ghép kênh loại lọc mơ tả hình 8- 52 cho hoạt động hai bước sóng Các lọc thiết kế để truyền ánh sáng cho bước sóng cụ thể để hấp thụ, phản xạ tất bước sóng khác Các lọc loại phản xạ thường sử dụng tổn hao lọc loại hấp thụ có xu hướng tăng cao (cao 1dB) Bộ lọc phản xạ gồm kính phẳng, bên nhiều lớp màng mỏng chất cách điện khác lắng đọng tuỳ theo tính chọn lọc bước sóng Các lọc sử dụng nối tiếp thành chuỗi để phân chia thêm kênh bước sóng Sự phức tạp tăng theo số lượng lọc nối tiếp tăng tổn hao tín hiệu xảy với việc tăng thêm ghép kênh nối tiếp Nhìn chung nên hạn chế hoạt động đến lọc (có nghĩa hoạt động kênh) Chương 6: Linh kiện hệ thống thơng tin quang Hình 6.7 Bộ lọc màng mỏng nhiều lớp phản xạ sử dụng cho WDM Linh kiện suốt bước sóng λ2 phản xạ bước sóng λ1 Trong thiết kế hệ thống WDM, cần phải ý làm giảm đến mức thấp yếu tố gây giảm sút phẩm chất biên đường truyền Trên linh kiện WDM thụ động, độ chọn lọc bước sóng chúng cố định Người ta phát minh phần tử WDM tích cực, phần tử chuyển cách tích cực điều chỉnh theo bước sóng Giữa phần tử WDM tích cực nguồn đa bước sóng tổ hợp tách quang, laser có khả điều chỉnh bước sóng, lọc điều chỉnh bước sóng Bộ lọc điều chỉnh bước sóng (a wavelengthtunable-filter) Hình 6.8 Ví dụ lọc điều chỉnh bước sóng Một thạch anh di động thay đổi độ dài tuyến đường qua tinh thể để thay đổi phổ hình sin Trong phương pháp này, tín hiệu tin tức khác gửi vào kênh tần số riêng độ rộng băng B Bằng việc sử dụng lọc với Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang dải thơng có độ rộng B mà điều chỉnh khoảng tần số kênh này, người ta chọn kênh theo yêu cầu Ở đây, phần tử đa cấp lưỡng chiết suất cấu tạo từ hai ống dẫn sóng thạch anh (a birefringent multiple - order element) đặt hai tách tia phân cực (polarizing beam splitters) Công suất P ánh sáng cảng A B liên hệ với công suất vào P0 cơng thức Trong đó: - Δn : độ chênh lệch chiết suất thông thường chiết suất khác thường vật liệu lưỡng chiết - λ : độ dài bước sóng - dấu ± liên quan đến cảng A (dấu +) cảng B (dấu -) Sự biến đổi hình sin phổ thay đổi cách thay đổi độ dài đường truyền L qua tinh thể Điều đạt cách di chuyển thạch anh lên xuống Sự thay đổi chiều dài theo cấp bậc chu kỳ quay phân cực xác định vị trí kênh Vì tuyến quang thuận nghịch, linh kiện sử dụng ghép kênh phân kênh Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang 6.3 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) 6.3.1 Giới thiệu chung Sự phát triển nhanh chóng mơ hình truyền số liệu, đặc biệt Internet làm bùng nổ nhu cầu tăng băng thông Trong bối cảnh IP (Internet Protocol) lên tảng chung loại hình dịch vụ tương lai, nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt buộc phải xem xét lại phương thức truyền dẫn TDM truyền thống, vốn tối ưu cho truyền thoại lại hiệu việc tận dụng băng thơng Hình 6.9 Tương quan nhu cầu truyền thoại truyền số liệu Tóm lại, ta phải giải tốn tăng băng thơng cho viễn thông tương lai Các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt đầu xét đến ba phương thức truyền dẫn sau: Truyền dẫn ghép phân không gian SDM (Space Devision Multiplexing): đơn giản không cần phát triển công nghệ, đơn tăng số lượng sợi quang, tốc độ truyền dẫn giữ nguyên Ta chọn SDM tuyến truyền dẫn cần tăng băng thơng có sẵn số lượng sợi quang chưa dùng khoảng cách tuyến truyền dẫn đủ ngắn để không cần dùng lặp, khuếch đại Nếu khoảng cách xa, chi phí tăng hệ thống lắp thêm cần số lượng lặp, khuếch đại hệ thống cũ Truyền dẫn ghép phân theo thời gian TDM (Time Devision Multiplexing): Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Tăng tốc độ truyền dẫn lên sợi quang Khi tiếp tục dùng phương thức truyền thống này, ta phải xem xét đến hai vấn đề: Trước truyền sợi quang Trước chuyển thành tín hiệu quang để truyền đi, linh kiện điện tử có khả xử lí với tốc độ bit tối đa bao nhiêu? Thực tế cho thấy, đa số mạng truyền dẫn, linh kiện điện tử có khả đáp ứng tốt dịng tín hiệu tốc độ 2.5 Gbps 10 Gbps Như chưa giải trọn vẹn tốn tăng băng thơng Trong phịng thí nghiệm cho linh kiện hoạt động tốc độ 40 Gbps 80 Gbps Ðể TDM đạt tốc độ cao hơn, phương pháp thực tách/ghép kênh miền quang, gọi phân kênh thời gian miền quang (Optical time Division Multiplexing OTDM) tích cực triển khai Các kết nghiên cứu phịng thí nghiệm cho thấy OTDM ghép luồng 10Gbit/s thành luồng 250Gbit/s Nhưng đó, truyền sợi quang vấp phải vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn: tán sắc sắc thể, tán sắc phân cực, phi tuyến tính Ghép phân theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) Ghép thêm nhiều bước sóng để truyền sợi quang, khơng cần tăng tốc độ truyền dẫn bước sóng Cơng nghệ WDM mang đến giải pháp hồn thiện điều kiện cơng nghệ Thứ giữ tốc độ xử lý linh kiện điện tử mức 10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang Thay vào đó, cơng nghệ WDM tăng băng thông cách tận dụng cửa sổ làm việc sợi quang khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm Khoảng bước sóng chia làm nhiều băng sóng hoạt động minh hoạ bảng 1.1 Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động băng C (do EDFA hoạt động khoảng băng sóng này) Về sau, EDFA có khả hoạt động băng C băng L nên hệ thống WDM dùng EDFA hoạt động băng C băng L Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách kênh bước sóng 100 Ghz (đảm bảo khả chống xuyên nhiễu kênh điều kiện cơng nghệ tại), có 32 kênh bước sóng hoạt động băng Như vậy, giữ nguyên tốc độ bit kênh truyền, dùng công nghệ WDM đủ làm tăng băng thông truyền sợi quang lên 64 lần Bảng 1.1 Sự phân chia băng sóng 10 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Nguyên lý hoạt động MUX/DEMUX tương tự Coupler Tuy nhiên, Coupler/Splitter thực ghép tách tín hiệu có bước sóng, cịn MUX/DEMUX thực ghép tách tín hiệu bước sóng khác Sơ đồ khối MUX/DEMUX cho hình 6.22 (a) (b) b) Ðặc tính Bộ MUX/DEMUX thường mơ tả theo thông số sau:  Suy hao xen (Insertion Loss): mô tả phần coupler  Số lượng kênh xử lý: số lượng kênh bước sóng đầu vào đầu ghép/tách kênh Thông số đặc trưng cho dung lượng thiết bị  Bước sóng trung tâm: Các bước sóng trung tâm phải tuân theo chuẩn ITU-T để đảm bảo vấn đề tương thích  Băng thơng: độ rộng phổ (linewidth) kênh bước sóng thực tế Băng thơng thường tính độ rộng hàm truyền đạt cơng suất mức cách đỉnh 1dB, 3dB, 20dB  Giá trị lớn suy hao xen: tính khoảng cách nhỏ đỉnh hàm truyền đạt cơng suất kênh bước sóng so với mức IL=0 (dB) (minh hoạ 6.22 (c))  Ðộ chênh lệch suy hao xen vào kênh: tính hiệu giá trị lớn nhỏ suy hao xen vào kênh bước sóng 26 Chương 6: Linh kiện hệ thống thơng tin quang Hình 6.22 Bộ tách/ghép kênh bước sóng quang (a) Sơ đồ khối ghép kênh bước sóng (MUX) (b) Sơ đồ khối tách kênh bước sóng (DEMUX) (c) Các thông số đặc trưng MUX/DEMUX c) Ghép tầng để tạo ghép kênh dung lượng cao Nhu cầu dung lượng ngày cao cơng nghệ chế tạo sợi quang cịn giới hạn định, làm hạn chế tốc độ truyền dẫn kênh bước sóng Ðiều địi hỏi phải tăng số lượng kênh bước sóng truyền sợi quang, có nghĩa số lượng kênh mà MUX/DEMUX xử lý phải tăng lên Trong công nghệ chế tạo phần tử giới hạn khoảng số lượng kênh bước sóng xử lý định giải pháp ghép tầng xem giải pháp hợp lý Ghép tầng nối tiếp đơn kênh (Serial) 27 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Trong phương pháp thực ghép n tầng, tầng thực ghép/tách kênh bước sóng Một ví dụ tiêu biểu DEMUX kênh bước sóng, chế tạo từ phần tử lọc TFMF trình bày hình (1.25) Ưu điểm lớn phương pháp ghép tầng nối tiếp số bước sóng xử lý thay đổi linh động cách thêm/bớt số lọc ghép vào (“pay as you grow”) Nhược điểm tăng lên đến số lượng bước sóng mà thơi, suy hao xen tăng gần tuyến tính với số lượng lọc thêm vào Ghép tầng (Single-Stage) Tất bước sóng tách đồng thời tầng Ví dụ cho cấu trúc lọc AWG Ưu điểm phương pháp suy hao xen nhỏ, tính đồng suy hao tốt Nhược điểm số kênh tách bị hạn chế cơng nghệ sản xuất AWG Hình 6.23 Ghép tầng để tăng dung lượng ghép/tách kênh bước sóng (a) Ghép tầng theo băng sóng (b) Ghép tầng đan xen chẵn lẻ Ghép tầng theo băng sóng (Multistage Banding) 28 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Phương pháp thực với n/m tầng, tầng thực ghép/tách m kênh bước sóng thuộc băng sóng (thơng thường m=4 m=8, số lượng kênh bước sóng băng sóng nhà sản xuất thiết bị qui định) xem hình (6.23 a) Như vậy, đòi hỏi MUX/DEMUX tầng đầu phải có dải bước sóng hoạt động rộng Ưu điểm: hạn chế suy hao thêm vào m lần so với phương pháp ghép tầng nối tiếp Cấu trúc mở rộng thêm nhiều tầng Cấu trúc có dạng mơ đun nên tầng cuối dùng băng Nhược điểm: phí phạm tài nguyên “bước sóng” phải chừa khoảng cách rộng băng sóng Ghép tầng đan xen chẵn lẻ Có thể áp dụng với hai tầng nhiều Tầng đầu làm nhiệm vụ ghép/tách kênh bước sóng chẵn, lẽ làm thành hai băng, đưa đến tầng hai Tiếp theo, tầng hai thực chức tương tự tầng thực ghép/tách riêng thành kênh riêng lẻ (xem hình 6.23 b) Ưu điểm phương pháp tầng cuối, khơng cần phải dùng lọc có độ xác cao khoảng cách kênh bước sóng cần xử lý tầng sau rộng 6.4.5 Bộ chuyển mạch quang a) Các chuyển mạch đơn (Single Switch) Theo chức năng, chuyển mạch đơn thường chia làm hai loại: on/off chuyển tiếp (passing) Bộ chuyển mạch on/off (1x1) cho phép/hoặc khơng cho phép tín hiệu ánh sáng qua ( hình 6.24 (a)) Chuyển mạch chuyển tiếp 1x2 hướng tín hiệu ánh sáng từ sợi quang thứ sang sợi quang thứ hai sang sợi quang thứ ba (hình 6.24 (b)) Cấu hình chuyển mạch 1x2 hình hình 6.24 (b) cấu hình chuyển mạch đơn giản Các chuyển mạch chuyển tiếp 1xN đơn mang tính thương mại cao Bộ chuyển mạch chuyển tiếp 2x2 kết nối hai sợi quang với hai sợi quang khác Bộ chuyển mạch chuyển tiếp 2x2 có hai trạng thái: trạng thái kết nối thẳng (bypass/bar) trạng thái kết nối chéo (cross/inserted) (hình 6.24 (c)) Thuật ngữ không nghẽn dùng để chuyển mạch kết nối ngõ vào đến ngõ Hình 6.24 (d) trình bày chuyển mạch 2x2 có nghẽn chuyển mạch kết nối từ sợi quang đến sợi quang 29 Chương 6: Linh kiện hệ thống thơng tin quang Hình 6.24 Các loại cấu hình chuyển mạch quang: (a) chuyển mạch On/Off (1x1); (b) chuyển mạch chuyển tiếp (1x2) (không nghẽn); (d) chuyển mạch 2x2 có nghẽn Nhiều ví dụ đơn giản ứng dụng chuyển mạch khẳng định tầm quan trọng chuyển mạch hệ thống thông tin sợi quang sau:  Các chuyển mạch on/off dùng làm đầu phát đầu thu cách ly thiết bị đo thử Bộ chuyển mạch 1x2 cho phép lựa chọn kênh dùng cho chuyển mạch bảo vệ (để định hướng lại lưu lượng sợi quang bị đứt)  Các chuyển mạch 1xN dùng để kiểm tra đo linh kiện quang, kiểm tra từ xa hệ thống thông tin sợi quang  Các chuyển mạch 2x2 dùng để kết nối thẳng nút mạng quang Chuyển mạch 2x2 thường ứng dụng mạng FDDI Khi trạm bị hư hỏng bị nguồn, chuyển mạch tự động thay đổi sang trạng thái nghẽn, đảm bảo luồng lưu lượng không bị ảnh hưởng nút bị hư hỏng Các chuyển mạch đơn chế tạo theo kiểu khoá (latching) khơng khố (nonlatching) Loại khố giữ ngun trạng thái (vị trí) chuyển mạch nguồn bị 30 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Nguyên lý hoạt động chuyển mạch đơn Nguyên lý hoạt động chuyển mạch đơn điển hình thường dựa trên: điện-quang, quang học, nhiệt quang Hình 6.25 trình bày số nguyên lý hoạt động chuyển mạch Nếu chuyển mạch thiên áp khuếch đại quang bán dẫn (SOA- Semiconductor Optical Amplifier) sang hai trạng thái on/off tạo chuyển mạch điện-quang (hình 6.25 (a)) SOA khuếch đại ánh sáng phân cực hấp thụ ánh sáng khơng phân cực Hình 6.25(b) trình bày ví dụ khác chuyển mạch EO, tỉ số ghép ghép ống dẫn sóng phụ thuộc vào điện áp áp vào Thay đổi tỉ số ghép cách dùng LiNbO3 để chế tạo lớp ghép LiNbO3 loại nhiên liệu có số khúc xạ thay đổi theo giá trị điện áp áp vào Chuyển mạch quang học hoạt động dựa chuyển động học linh kiện quang Ví dụ, di chuyển lăng kính hình 6.25(c) theo chiều dọc cho phép chuyển mạch tín hiệu quang từ sợi sang sợi Ta đạt kết tương tự đặt nhẹ lên trụ gương hình cầu (hình 6.25(d)) Các thấu kính GRIN (graded-index) làm cho việc chuyển tiếp ánh sáng ghép từ/vào sợi quang dễ dàng Hình 6.25(e) trình bày ví dụ chuyển mạch quang Một cặp sợi quang ngõ vào chuyển từ vị trí sang vị trí khác để thực việc chuyển mạch tín hiệu quang Nguyên lý việc làm tác dụng toàn ánh sáng phản xạ bên (FTIRFrustration of Total Internal Reflection) ứng dụng để chế tạo chuyển mạch trình bày hình 6.25(f) Nhắc lại phần ánh sáng truyền qua mơi trường khúc xạ khác khơng có ánh sáng phản xạ bên Ta gọi ánh sáng truyền qua sóng suy biến (evanescent wave) Nhờ hiệu ứng này, chuyển mạch gắn với lăng kính tạo ánh sáng phản xạ bên Khi chuyển mạch (switching plate) tiến tới gần lăng kính, tồn ánh sáng phản xạ bên bị tác dụng, kết chùm ánh sáng phản xạ di chuyển sang hướng khác 31 Chương 6: Linh kiện hệ thống thơng tin quang Hình 6.25 Ngun lý hoạt động chuyển mạch quang: (a) chuyển mạch on/off dùng SOA; (b) ghép ống dẫn sóng chế tạo từ LiNBO3; (c) chuyển mạch dùng lăng kính chuyển động; (d) chuyển mạch dùng gương hình cầu; (e) chuyển mạch cách di chuyển sợi quang; (f) chuyển mạch ứng dụng hiệu ứng FTIR; (g) chuyển mạch quang-nhiệt sử dụng giao thoa MachZehnder Do đó, cách di chuyển chuyển mạch hướng tới lăng kính, ta định hướng tín hiệu ánh sáng sang sợi Khi chuyển mạch khơng tiếp xúc với lăng kính, xảy tượng phản xạ ánh sáng bên tín hiệu 32 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang quang vào sợi Chú ý trình chuyển động học linh kiện quang xảy nhanh, chắn Nên nay, chuyển mạch quang học sử dụng phổ biến Hình 6.25(g) trình bày ví dụ chuyển mạch quang nhiệt Một giao thoa Mach- Zehnder kết hợp với dịch pha gắn nhánh giao thoa Bằng nóng, ta điều khiển số lượng dịch pha, nghĩa định hướng tín hiệu quang sang sợi sợi Các chuyển mạch quang nhiệt có tốc độ chuyển mạch nhanh so với chuyển mạch quang học, quan trọng là, chúng thực theo công nghệ trạng thái rắn planar (planar solid-state) ma trận chuyển mạch lớn Một số tham số quy định đặc tính chuyển mạch:  Tỉ số tắt mở (extinction ratio): thể đặc tính chuyển mạch on/off Ðây tỉ số lượng ánh sáng chuyển mạch trạng thái on lượng ánh sáng chuyển mạch trạng thái off Giá trị cao tốt, thường nằm khoảng từ 45 đến 50 dB  Suy hao xen (insertion loss): đơn vị đo công suất suy hao chuyển mạch gây thường có giá trị khoảng 0.5 dB  Nhiễu xuyên âm (crosstalk): tỉ số công suất ngõ tạo ngõ vào mong muốn công suất ngõ tạo ngõ vào không mong muốn Giá trị cao tốt, thường khoảng 80 dB  Thời gian chuyển mạch (switching time): tham số quan trọng Khi sử dụng lọc hiệu chỉnh được, thời gian chuyển mạch yêu cầu phụ thuộc vào ứng dụng chuyển mạch Ðối với mạng chuyển mạch kênh ngày nay, thời gian chuyển mạch khoảng cỡ μs, chí cỡ ms, mạng quang chuyển mạch gói, thời gian chuyển mạch khoảng vài ns, chí khoảng ρs Các chuyển mạch đơn quang-cơ học quang-nhiệt có thời gian chuyển mạch nằm khoảng từ đến 20 ms, chuyển mạch đơn quang-điện có thời gian chuyển mạch cỡ ns Ngoài tham số kể đây, tài liệu tham khảo đặc tính phần tử chuyển mạch cịn có số tham số dải bước sóng hoạt động, PDL, nhiệt độ phòng b) Các khối chuyển mạch quang lớn (multistage/large optical switch) Các khối chuyển mạch quang với số lượng cổng từ vài trăm đến vài ngàn nghiên cứu cho hệ thống mạng quang hệ Khi thiết kế khối chuyển mạch quang lớn, cần quan tâm đến vấn đề sau: 33 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang  Số lượng phần tử chuyển mạch cần thiết: chuyển mạch lớn tạo thành từ phần tử chuyển mạch theo nhiều cách khác nhau, trình bày bên Chi phí độ phức tạp khối chuyển mạch phụ thuộc vào số phần tử chuyển mạch yêu cầu, cách đóng gói, ghép nối, phương pháp chế tạo điều khiển  Tính đồng suy hao: chuyển mạch tạo suy hao khác cho kết nối khác ngõ vào ngõ Khối chuyển mạch lớn khác suy hao nhiều Ðánh giá tính đồng suy hao cách xem xét số phần tử chuyển mạch tối thiểu tối đa đường dẫn quang kết nối ngõ vào/ra khác  Số điểm nối chéo khối chuyển mạch: thông số đặc biệt quan trọng việc chế tạo khối chuyển mạch quang Một số khối chuyển mạch quang tích hợp từ nhiều chuyển mạch mạch Khơng giống mạch điện tích hợp (IC), đó, kết nối nhiều linh kiện khác nằm nhiều lớp, mạch quang tích hợp, tất kết nối tạo lớp ống dẫn sóng Nếu đường dẫn hai ống dẫn sóng cắt (tạo điểm nối chéo) xảy hiệu ứng khơng mong muốn suy hao công suất tượng nhiễu xuyên âm Ðể tượng suy hao công suất nhiễu xuyên âm không gây ảnh hưởng đến khối chuyển mạch phải tối thiểu hố hạn chế hồn tồn điểm cắt  Các đặc tính nghẽn: chức năng, chia khối chuyển mạch thành hai loại: nghẽn không nghẽn Khối chuyển mạch gọi khơng nghẽn cổng ngõ vào rỗi kết nối với ngõ rỗi Vì thế, khối chuyển mạch khơng nghẽn có khả thực kết nối từ ngõ vào đến ngõ Nếu khối chuyển mạch có số kết nối khơng thể thực được, khối chuyển mạch gọi xem có nghẽn Phần lớn ứng dụng yêu cầu chuyển mạch không nghẽn Với chuyển mạch không nghẽn phân thành hai loại là: chuyển mạch khơng nghẽn theo nghĩa rộng (wide-sense nonblocking), chuyển mạch không nghẽn theo nghĩa hẹp (strict-sense non-blocking) Theo nghĩa rộng, ngõ vào chưa sử dụng kết nối với ngõ chưa sử dụng mà không cần phải định tuyến lại kết nối tồn tại; khối chuyển mạch dạng sử dụng thuật toán định tuyến đặc trưng để định tuyến cho kết nối có cho đảm bảo không xảy nghẽn cho kết nối tiếp sau Theo nghĩa hẹp, ngõ vào chưa sử dụng kết nối với ngõ 34 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang chưa sử dụng mà không cần quan tâm đến trạng thái kết nối trước khối chuyển mạch Một khối chuyển mạch không nghẽn yêu cầu việc định tuyến lại cho kết nối để đảm bảo thuộc tính khơng nghẽn gọi khối chuyển mạch không nghẽn xếp lại (rearrangeably non-blocking switch) Việc định tuyến lại kết nối khơng thể chấp nhận cịn tuỳ thuộc vào ứng dụng chắn kết nối bị ngắt khoảng thời gian chúng chuyển mạch sang đường dẫn khác So với cấu trúc chuyển mạch không nghẽn theo nghĩa rộng, ưu điểm cấu trúc chuyển mạch không nghẽn xếp lại sử dụng chuyển mạch nhỏ kích thước khối chuyển mạch lớn Tuy nhiên, cấu trúc không nghẽn xếp lại sử dụng chuyển mạch nhỏ thuật tốn điều khiển để thiết lập kết nối chúng phức tạp, nói chung với cơng nghệ vi xử lý áp dụng khối chuyển mạch ngày nay, vấn đề nhỏ, không quan trọng Nhược điểm lớn khối chuyển mạch không nghẽn xếp lại phục vụ cho ứng dụng không cho phép ngắt kết nối tồn tại, chí khoảng thời gian cực ngắn cần thiết lập kết nối Rõ ràng, tuỳ thuộc vào ứng dụng khối chuyển mạch thực tế thơng số ưu tiên thơng số khác Bảng sau trình bày so sánh cấu trúc chuyển mạch khác nhau, cấu trúc Spanke dùng chuyển mạch 1×n, cấu trúc cịn lại hình thành từ chuyển mạch 2×2 Bảng1.2 So sánh cấu trúc chuyển mạch khác 6.4.6 Bộ chuyển đổi bước sóng Bộ chuyển đổi bước sóng thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng đầu vào thành tín hiệu có bước sóng khác đầu Ðối với hệ thống WDM, chuyển đổi bước sóng cho nhiều ứng dụng hữu ích khác nhau: 35 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang  Tín hiệu vào mạng với bước sóng khơng thích hợp truyền mạng WDM Chẳng hạn thiết bị WDM giới đa số có khả hoạt động bước sóng thuộc băng C băng L, tín hiệu SDH hoạt động với bước sóng 1310 nm truyền hệ thống WDM nhờ chuyển đổi bước sóng đặt biên giới mạng WDM mạng SDH, chuyển đổi tín hiệu từ bước sóng 1310 nm sang tín hiệu tương thích với bước sóng theo qui định ITU-T hoạt động vùng 1550 nm  Bộ chuyển đổi trang bị cấu hình nút mạng WDM giúp sử dụng tài nguyên bước sóng hiệu hơn, linh động Có bốn phương pháp chế tạo chuyển đổi bước sóng: phương pháp quang-điện, phương pháp cửa quang, phương pháp giao thoa phương pháp trộn bước sóng Phương pháp trộn bước sóng phương pháp tồn quang, hoạt động hồn tồn khơng dựa vào tín hiệu điện, nhiên công nghệ chế tạo theo phương pháp chưa đủ hồn thiện để thương mại hoá a) Tạo phương pháp quang-điện Ðây phương pháp chế tạo chuyển đổi bước sóng đơn giản phổ biến Tín hiệu đầu vào trước hết chuyển sang dạng tín hiệu điện, tái tạo lại sau phát laser phát bước sóng khác Thường chuyển đổi bước sóng đầu vào biến đổi-đầu cố định dùng phương pháp chế tạo Tính suốt thiết bị loại phụ thuộc vào kiểu tái tạo (regeneration) thiết bị tín hiệu:  Tái tạo 1R: đầu thu đơn giản chuyển đổi tín hiệu đầu vào từ dạng lượng hạt photon ánh sáng sang hạt điện tử, sau hạt điện tử khuếch đại khuếch đại tương tự RF (Radio Frequency) phát tia laser với bước sóng thích hợp  Tái tạo 2R: phương pháp tái tạo áp dụng tín hiệu đầu vào tín hiệu số Tín hiệu sửa lại dáng xung (reshaped) nhờ cho qua cổng logic, khơng thực đồng lại tín hiệu (retimed) nên phương pháp chế tạo dễ làm nảy sinh tượng Jitter  Tái tạo 3R: thực đồng thời việc sửa dáng xung đồng lại cho tín hiệu Phương pháp giúp xoá bỏ ảnh hưởng đến dạng tín hiệu yếu tố như: phi tuyến tính, tán sắc sợi quang, nhiễu khuếch đại… Tuy nhiên, để đồng lại tín hiệu chuyển đổi bước sóng hoạt động tương ứng với luồng tín hiệu số có tốc độ bit định, giảm tính suốt thiết bị 36 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Hình 6.26 Các loại chuyển đổi bước sóng quang điện: (a) 1R; (b) 2R; (c) 3R 37 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang b) Chế tạo phương pháp cửa quang Phương pháp chế tạo chuyển đổi bước sóng dùng phương pháp cửa quang tận dụng tính chất số thiết bị quang có đặc tính đầu thay đổi theo cường độ tín hiệu Sự thay đổi chuyển đến tín hiệu chưa điều chế, gọi tín hiệu dị (probe signal) cấu hình cho xun qua thiết bị Tại đầu ra, tín hiệu dị mang thơng tin chứa tín hiệu đầu vào Các thiết bị chế tạo theo phương pháp thường thuộc dạng đầu vào thay đổi-đầu cố định, đầu vào thay đổi-đầu thay đổi tuỳ theo tín hiệu dị cố định điều chỉnh bước sóng khơng Kỹ thuật phương pháp điều chế chéo độ lợi CGM (Cross-Gain Modulation), tận dụng hiệu ứng phi tuyến khuếch đại quang bán dẫn SOA, tận dụng tính chất SOA có độ lợi thay đổi theo cường độ tín hiệu vào Nguyên lý hoạt động thiết bị SOA cấu hình làm chuyển đổi bước sóng minh hoạ hình sau Hình 6.27 Bộ chuyển đổi bước sóng chế tạo theo phương pháp cửa quang c) Chế tạo phương pháp giao thoa Kỹ thuật phương pháp điều chế chéo pha Khi cường độ sóng mang khuếch đại thay đổi với tín hiệu đầu vào, 38 Chương 6: Linh kiện hệ thống thơng tin quang làm thay đổi chiết suất môi trường độ lợi, dẫn đến thay đổi pha tín hiệu dị Hiện tượng điều chế pha kiểu chuyển sang điều chế biên độ cách dùng lọc Mach-Zehnder Trong đó, hai nhánh lọc Mach- Zehnder có chiều dài, nhánh dùng kết hợp thêm với khuếchh đại SOA Tại đầu vào lọc Mach-Zehnder dùng Coupler tách tín hiệu theo hai nhánh lọc theo tỉ lệ không Do cường độ tín hiệu nhánh không nên qua SOA bị dịch pha lượng không giống Theo nguyên lý hoạt động MZI, lệch pha hai tín hiệu chuyển đến tín hiệu điều chế biên độ đầu truyền với bước sóng khác Hình 6.28 Biến đổi bước sóng điều chế xuyên pha sử dụng khuếch đại quang bán dẫn có gắn lọc Mach-Zender bên d) Chế tạo phương pháp trộn bước sóng Phương pháp chế tạo dựa tượng trộn bốn bước sóng, có ba bước sóng f1, f2, f3 truyền sợi quang theo 39 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang tượng phi tuyến tính xuất sóng ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến tính tính là: f1+f2-f3 Ứng dụng cho chuyển đổi bước sóng f1 = f2 sau cho qua khuếch đại SOA Giả sử sóng vào kí hiệu fs sóng dị fp, khuếch đại SOA cấu hình cho hai bước sóng sinh tượng FWM 2fp-fs 2fs-fp nằm băng thông hoạt động tín hiệu, ta thực chức chuyển đổi bước sóng Ưu điểm phương pháp chế tạo tính suốt định dạng tín hiệu, nghĩa hoạt động với nhiều tốc độ bit khác Tuy nhiên, nhược điểm khoảng cách bước sóng tín hiệu fs bước sóng dị fp tăng hiệu chuyển đổi bước sóng giảm Hình 6.29 Chuyển đổi bước sóng cách trộn bốn bước sóng khuếch đại quang 40 ... c/λ )  h - số Plank (h = 6, 625.1 0-3 4 J.s = 4, 16. 1 0-1 5 eV.s)  c - vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s)  λ - độ dài bước sóng xạ ánh sáng phát Khái niệm kỹ thuật thông tin quang WDM Chương 6: Linh... 30 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Nguyên lý hoạt động chuyển mạch đơn Nguyên lý hoạt động chuyển mạch đơn điển hình thường dựa trên: điện -quang, quang học, nhiệt quang Hình 6. 25 trình. .. truyền dẫn (b) Cách tử phản xạ Hình 6. 19 Nguyên tắc hoạt động cách tử truyền dẫn Cách tử phản xạ hoạt động tương tự 24 Chương 6: Linh kiện hệ thống thông tin quang Hình 6. 20 Cách tử blazing với góc