Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang và ứng dụng trong thông tin quang

Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang và ứng dụng trong thông tin quang

Mục lục

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG 4

1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN QUANG 4

1.2 CÁC ĐẶC TÍNH VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN QUANG 5 1.2.1 Các đặc tính của thông tin quang 5

1.2.2 Ưu điểm 5

1.2.3 Nhược điểm 6

1.3 SỢI QUANG 6

1.3.1 Cấu trúc sợi quang 6

1.3.2 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang 7

1.3.3 Sự suy giảm tín hiệu trong sợi quang 9

1.3.4 Sự tán sắc ánh sáng trong sợi quang 11

1.3.5 Phân loại sợi quang 12

1.4 CÁP QUANG 14

1.4.1 Yêu cầu chung của cáp quang 14

1.4.2 Cấu trúc cáp quang 15

1.4.3 Phân loại cáp quang 17

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG TRONG THÔNG TIN QUANG 18

2.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC BỘ CHUYỂN MẠCH QUANG 18

2.1.1 Chức năng, nhiệm vụ: 18

2.1.2 Phân loại chuyển mạch quang 19

2.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật 20

2.2 THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA CÁC BỘ CHUYỂN MẠCH QUANG .21 2.2.1 Bộ ghép quang 21

2.2.2 Bộ cách ly quang 23

2.2.3 Bộ lọc quang 23

2.2.4 Bộ chuyển đổi bước sóng quang 27

2.2.5 Bộ đệm quang 31

2.2.6 Bộ khuyếch đại quang bán dẫn ( SOA - Semiconductor Optical Amplifier ) 32

2.2.7 Bộ định tuyến bước sóng AWGM 33

2.2.8 Hệ thống cơ quang ( MEMS - Micro Electro Mechanical Systems ) 34

2.3 CÁC BỘ CHUYỂN MẠCH QUANG 35

2.3.1 Bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian 35

2.3.2 Bộ Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian 41

2.3.3 Bộ chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng 46

2.3.4 Bộ chuyển mạch gói quang 50

CHƯƠNG III 55

ỨNG DỤNG CÁC BỘ CHUYỂN MẠCH QUANG TRONG MẠNG THÔNG TIN QUANG 55

3.1 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA WDM VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55

3.2 CÁC BỘ NỐI CHÉO QUANG OXC (OPTICAL CROSS CONNECTION) 56

3.2.1 Bộ nối chéo OXC sử dụng bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian và bộ tách / ghép kênh theo bước sóng 58

3.2.2 Bộ OXC sử dụng bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian và các bộ lọc có điều chỉnh 59

3.2.3 Bộ OXC sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng nhiều cấp và bộ ghép kênh AWGM 61

3.2.4 Bộ OXC sử dụng bộ chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng 62 3.3 MẠNG QUANG ĐỊNH TUYẾN THEO BƯỚC SÓNG (WAVELENGTH ROUTING NETWORK) 63

3.4 MỘT SỐ DỰ ÁN VỀ CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG 64

3.4.1 Dự án KEOPS 64

3.4.2 Dự án WASPNET 66

LỜI MỞ ĐẦU

Thế kỷ 21 là thế kỷ của công nghệ thông tin Sự bùng nổ của các loại hình dịch vụthông tin, đặc biệt là sự phát triển nhanh chóng của Internet và World Wide Weblàm gia tăng không ngừng về dung lượng mạng Điều này đòi hỏi phải xây dựng vàphát triển các mạng quang mới dung lượng cao Quy mô của hệ thống chuyển mạchtrong mạng thông tin càng ngày càng lớn, tốc độ vận hành cũng càng ngày càngcao Trong tương lai, hệ thống chuyển mạch sẽ cần phải xử lý lượng thông tin lớn

có thể từ vài trăm lên đến hàng nghìn Tbit/s Nghiên cứu công nghệ chuyển mạchquang và ứng dụng của chuyển mạch quang trong hệ thống thông tin quang là mộtgiải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hữu hiệu băng thông rộng lớn của sợi quang,nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn đồng thời hạ giá thành sản phẩm Để hiểu rõhơn về vấn đề này em đã nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu công nghệ chuyển mạchquang và ứng dụng trong thông tin quang ”

Cấu trúc của đồ án bao gồm ba chương :

 CHƯƠNG I: Lý thuyết chung về hệ thống thông tin quang

 CHƯƠNG II: Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang trong mạng thôngtin quang

 CHƯƠNG III: Ứng dụng các bộ chuyển mạch quang trong mạng thông tinquang

Do thời gian thực hiện và kiến thức của em còn nhiều hạn chế nên đề tài khôngtránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được những góp ý của các thầy và cácbạn để có thể hoàn thiện hơn kiến thức của mình về chuyên nghành mình đã đượcđào tạo

Qua đây em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong khoa, đặc biệt là thầy giáoThs Nguyễn Đình Thạch đã tận tình hướng dẫn em để em có thể hoàn thành đề tàiđúng thời gian qui định

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG

1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN QUANG

Trải qua một thời gian dài kể từ khi con người sử dụng ánh sáng để làmphương tiện thông tin thông qua khả năng nhận biết của con người qua đôi mắt đếnnay lịch sử phát triển của thông tin quang đã trải qua những bước phát triển và hoànthiện đươc ghi nhận bằng những mốc chính sau :

1790: CLAUDE CHAPE (kỹ sư người Pháp), đã xây dựng một hệ thống điệnbáo quang (Opical Telegrap) Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo

di động trên đó Thời ấy tin tức được truyền bằng hệ thống này vượt chặng đường

200 km trong 15 phút

1870: JOHN TYNDALL (nhà vật lý người Anh), đã chứng tỏ rằng ánh sáng cóthể truyền qua một vòi uốn cong Thí nghiệm của ông đã sử dụng nguyên lý phản xạtoàn phần điều mà hiện nay thông tin quang vẫn còn sử dụng

1880: ALEXANDER GRAHAM BELL (người Mỹ), giới thiệu hệ thốngphotophone, qua đó tiếng nói có thể truyền đi bằng ánh sáng trong môi trườngkhông khí mà không cần dây Tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trongthực tế vì có quá nhiều nguồn nhiễu làm ảnh hưởng tới chất lượng đường truyền.1934: NORMAN R.FRENCH (kỹ sư người Mỹ), nhận đuợc bằng sáng chế về

hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn của ống là các thanh thủy tinh.1958: ARTHUR SCHAWLOW & CHARLES H.TOWNES, xây dựng và pháttriển Laser

1960: Laser bán dẫn và photodiode được thừa nhận Vấn đề còn lại là tìm môitrường truyền dẫn quang thích hợp

1970: Hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang SI có suy haonhỏ hơn 20dB/km ở bước sóng 633nm

1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4dB/km

1983: Sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi Độ suy hao của loại sợi này chỉcòn khoảng 0.2dB/km

Dựa trên các công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn giờ đây đã có thể gửi mộtkhối lượng lớn các tín hiệu âm thanh, dữ liệu đến các địa điểm cách xa hàng trăm

km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần bộ tái tạo Hiện naycác hoạt động nghiên cứu đang hướng tới lĩnh vực photon học là một lĩnh vực tối

quan trọng trong hệ thống thông tin quang, có khả năng phát hiện, xử lý, trao đổi vàtruyền dẫn thông tin bằng phương tiện ánh sáng Photon học có khả năng được ứngdụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử và viễn thông.

1.2 CÁC ĐẶC TÍNH VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN

QUANG

1.2.1 Các đặc tính của thông tin quang.

Trong thông tin quang, các ưu điểm sau được sử dụng một cách có hiệu quả.Trước hết, vì có băng thông rộng lớn nên có thể truyền một khối lượng lớnthông tin như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu và các tín hiệu hỗn hợp nhờ một hệthống có cự ly đến hàng trăm Ghz tương ứng bằng cách sử dụng sợi quang Mộtkhối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể được truyền đến những địachỉ cách xa hàng trăm km mà không cần đến các bộ tái tạo

Thứ hai, sợi quang nhỏ và nhẹ và không có xuyên âm Do vậy, chúng có thểđược lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thuỷ, máy bay và các toà nhà cao tầng màkhông cần phải lắp thêm các đường ống và ống cáp

Thứ ba, vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phi dẫn nên chúngkhông chịu ảnh hưởng bởi vì nhiễu của sóng điện từ và các xung điện từ Vì vậy,chúng có thể sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn Điều đó có nghĩa là nó

có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi trường phản ứnghạt nhân

Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là thạch anh và chấtdẻo là vật liệu rất sẵn có và rẻ nên rất kinh tế Giá thành của sợi quang sẽ giảmnhanh một khi công nghệ mới được đưa ra Do đặc trưng là hệ số suy hao thấp, giáthành lắp đặt ban đầu cũng như giá thành bảo dưỡng và sửa chữa thấp vì chúng cần

ít bộ tái tạo

Ngoài những ưu điểm trên, sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài

và có khả năng đề kháng môi trường lớn Nó cũng dễ bảo dưỡng, sửa chữa và có độtin cậy cao Hơn nữa, nó không bị rò rỉ tín hiệu để kéo dài khi cần và có thể chế tạovới giá thành thấp

1.2.2 Ưu điểm.

So với sợi dây kim loại thì sợi quang có nhiều ưu điểm, đáng chú ý là:

- Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận và do đó giảm được số trạmtiếp vận

- Dải thông rất rộng: có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao.

- Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ do đó dễ lắp đặt và chiếm ít chỗ

- Hoàn toàn cách điện : không chịu ảnh hưởng của sấm sét

- Không bị can nhiễu bởi trường điện từ : vẫn hoạt động được trong vùng có nhiễuđiện từ mạnh

- Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể

- Vật liệu có nhiều trong tự nhiên

- Ngoài những ưu điểm nói trên, sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài

và có khả năng đề kháng môi trường lớn Nó cũng dễ bảo dưỡng và sửa chữa, có độtin cậy cao Hơn nữa nó không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài khi cần, có thể chế tạovới giá thành thấp

Nói chung hệ thống thông tin quang kinh tế hơn nhiều so với sợi kim loạicùng trọng lượng và cùng cự ly

1.2.3 Nhược điểm.

- Khó đấu nối

- Cần có các đường dây cấp nguồn cho tiếp phát

1.3 SỢI QUANG

1.3.1 Cấu trúc sợi quang.

Sợi quang là “sợi mảnh dẫn ánh sáng “ gồm hai chất điện môi trong suốtkhác nhau, một phần cho ánh sáng truyền qua là lõi sợi, phần còn lại là lớp vỏ baoquanh lõi

Sợi quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang

Sự lan truyền của ánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng các sóng điện

từ truyền dẫn được gọi là các mode trong sợi

Ánh sáng truyền trong lõi được truyền dẫn theo hiện tượng phản xạ toànphần

Hình 1.1: Ánh sáng truyền dẫn bị giới hạn trong lõi sợi

Vật liệu cấu tạo lõi sợi thường là thuỷ tinh, đường kính cỡ khoảng vài m.Còn vỏ phản xạ có thể là thủy tinh hay chất dẻo trong suốt, đường kính vỏ vàokhoảng 0,1mm

1.3.2 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang.

Ánh sáng phát ra từ nguồn quang bị khuếch tán do nhiễu xạ Muốn đưa ánhsáng vào lõi của sợi cần phải tập trung ánh sáng sẽ được đề cập ở phần tiếp theo.Tuy nhiên không phải tất cả ánh sáng được tập trung đều có thể đưa vào sợi mà chỉmột phần có góc tới nằm trong một giới hạn nhất định mới có thể đưa được vào lõisợi quang

Phản xạ toàn phần được lặp lại

Như trình bày trên hình 1.2, tại điểm đưa vào của sợi quang chia thành bamôi trường liền nhau co chiết suất khúc xạ khác nhau Đó là môi trường không khí,lõi và vỏ của sợi quang Cho các giá trị chiết suất này lần lượt bằng n0 (= 1), n1 và

n2 Ta có thể áp dụng các định luật khúc xạ và phản xạ tại các biên tiếp giáp giữakhông khí và lõi, giữa lõi và vỏ

Ở đây góc nhận lớn nhất  max là góc mở đối với tia tới số 2 có góc tới bằnggóc tới hạn như trên hình 1.2

Tại biên của không khí và lõi, lõi và vỏ, định luật Sell cho ta hai phươngtrinh như sau :

sin  max = n1 sinc

 Trong đó 0 : góc tới hạn

 = (n1 - n2)/n1 : độ lệch chiết suất tương đối

Do vậy, các tia có góc 0max vào nhỏ hơn góc 0 sẽ bị phản xạ toàn phần bêntrong tại ranh giới giữa lõi và vỏ sợi quang

sin  max khẩu độ số NA cho ta biết điều kiện ánh sáng vào sợi quang Đây

là thông số cơ bản tác động đến hiệu suất ghép nối giữa nguồn sáng và sợi quang.Nếu biết đường kính lõi và khẩu độ số NA của sợi quang thì xác định được lượngánh sáng vào lõi sợi Đường kính lõi sợi càng lớn và NA càng lớn sẽ cho hiệu suấtghép nối càng cao

1.3.3 Sự suy giảm tín hiệu trong sợi quang.

*Suy hao thấp thụ: ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị hấp thụ do các vật liệusợi và được biển đổi thành nhiệt gây nên suy hao quang mà không lọt ánh sáng rangoài

Có hai loại suy hao hấp thụ:

+ Suy hao do bản thân sợi quang: bản thân vật liệu thuỷ tinh có suy hao thấpthụ cực tím và suy hao hấp thụ hồng ngoại Suy hao hấp thụ cực tím có đỉnh hấp thụ

ở bước sóng khoảng 0,1m, suy hao hấp thụ hồng ngoại ở khoảng bước sóng 10m.Các loại này đạt giá trị bé nhất trong giải bước sóng từ 1,0m 1,6m

+ Suy hao có tạp chất trong thuỷ tinh làm sợi quang: trong quá trình chế tạo,vật liệu có lẫn các ion tạp chất như là Cu, Fe làm cho chiết suất trong lõi khôngđồng đều khi các tia sáng đi qua.

* Suy hao do tán xạ ánh sáng trong không gian (suy hao tán xạ Reyleigh): là hiệntượng ánh sáng có kích thước không quá lớn so với bước sóng ánh sáng

Nguyên nhân gây nên hiện tượng này là do sự thay đổi nhiệt độ đột ngột khilàm lạnh, sợi quang thuỷ tinh sẽ tạo ra sự không đồng đều về mặt vật liệu tức là sựkhông đồng đều ở hệ số khúc xạ tạo nên vật liệu còn có quán tính ở nhiệt độ caotrong sợi quang Là một trong những nguyên nhân suy hao riêng của sợi quang và làquá trình không thể tránh được Độ lớn suy hao do tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với

mũ bốn bước sóng Bởi vậy khi ánh sáng lan truyền có bước sóng dài hơn thì suyhao trở nên nhỏ đi, tỉ lệ thuận với nhiệt độ nung nóng sợi khi kéo sợi, do vậy nếugiảm nhiệt độ khi kéo thì tán xạ Rayleigh sẽ trở nên nhỏ hơn

* Suy hao tán xạ do cấu trúc sợi quang không đồng nhất: tại bề mặt biên giữa lõi và

vỏ sợi đôi chỗ có sự ghồ ghề, không nhăn, những chỗ gồ gề như vậy gây nên ánhsáng tán xạ và một vài chỗ còn phát ánh sáng đi ra ngoài Những chỗ không làmbằng phẳng này gây nên suy hao quang, nó làm tăng suy hao quang vì có các phản

xạ không bình thường đối với ánh sáng lan truyền

*Suy hao bức xạ gây nên do bị uốn cong: là các suy hao sinh ra khi sợi bị uốn cong.Nguyên nhân khi sợi quang bị uốn cong, các tia sáng có các góc tới vượt quá gócgiới hạn bị phát xạ ra ngoài vỏ gây nên suy hao

*Suy hao vi cong: khi sợi quang chịu những lực nén không đồng nhất thì trục củasợi quang bị uốn cong đi một lượng nhỏ (vào khoảng vài m) làm tăng suy hao sợiquang Còn gọi là suy hao cong vi lượng Vậy phải chú ý đến cấu trúc của sợi đểbảo vệ sợi chống lại các áp lực bên ngoài

*Suy hao hàn nối: nếu lõi của 2 sợi không được gắn với nhau hoàn toàn và đồngnhất thì một phần của ánh sáng đi ra gây nên suy hao Khe nhỏ tồn tại ở chỗ nối thìkhe này tạo nên suy hao phản xạ Nếu độ lớn của phản xạ này lớn thì gọi là phản xạFresnel

* Suy hao ghép nối sợi quang với các linh kiện thu phát quang xảy ra do sự khácnhau về đường kính lõi giữa các loại sợi, độ rộng chùm sáng

1.3.4 Sự tán sắc ánh sáng trong sợi quang.

có tán sắc mode

* Tán sắc bước sóng

Trong một môi trường đồng nhất, chiết suất khúc xạ của nó biến đổi theobước sóng, kết quả là tốc độ truyền dẫn biến đổi cùng với bước sóng Vì lí do này,ánh sáng có phân bố tốc độ lan truyền khác nhau vì sự khác nhau của các thànhphần bước sóng ánh sáng (Bước sóng dài hơn, chiết suất khúc xạ đối với nó sẽ nhỏ

đi, tốc độ lan truyền sẽ lớn hơn) Đây là một yếu tố giới hạn độ rộng băng truyềndẫn giống như tán xạ mode và yếu tố này được gọi là tán sắc vật liệu

Khi chiết suất khúc xạ giữa lõi và vỏ của sợi quang khác nhau thì hiện tượngphản xạ toàn phần tại bề mặt biên không hoàn toàn giống như trên bề mặt gương màcòn có thêm những phần thẩm thấu ánh sáng qua lớp vỏ Ngoài ra, mức độ của sựthẩm thấu này biến đổi theo bước sóng làm độ dài của đường lan truyền thay đổitheo bước sóng Hiện tượng này được gọi là tán xạ cấu trúc

Trong thông tin quang, tán sắc vật liệu và tán sắc cấu trúc được gọi chung làtán sắc bước sóng

Độ lớn của tán sắc được tóm tắt như sau:

Tán sắc mode >Tán sắc vật liệu>Tán sắc cấu trúc

Đối với sợi quang đa mode, độ rộng băng truyền bị giới hạn hầu như chỉ do nguyênnhân tán sắc mode, tán sắc bước sóng chỉ có một giá trị rất nhỏ Nói cách khác,trong trường hợp sợi quang đơn mode thì tán sắc bước sóng lại là nguyên nhânchính gây nên hạn chế độ rộng băng của sợi

1.3.5 Phân loại sợi quang.

Để phân loại sợi quang ta có bảng sau :

Phân loại theo vật liệu điện môi

Sợi quang thạch anhSợi quang thuỷ tinh đa vật liệuSợi quang bằng nhựa

Sơi quang đa modePhân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Sợi quang chiết suất bậc

Sợi quang chiết suất biến đổi đều

* Phân loại sợi quang theo vật liệu điện môi

- Sợi quang thạch anh: các sợi quang thạch anh không những chỉ chứa thạchanh nguyên chất mà còn có thêm các tạp chất khác như Ge, B và Flo để làm thayđổi chiết suất khúc xạ

-Sợi thuỷ tinh đa vật liệu có thành phần chủ yếu soda lime, thuỷ tinh haythuỷ tinh boro-silicat

-Sợi quang bằng nhựa: vật liệu sản xuất là silicon resin và arcelic resin(polymethyl methacrylic: PMMA)

Đối với mạng viễn thông thì sợi quang thuỷ tinh thạch anh được sử dụngnhiều nhất vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và các đặc tínhtruyền dẫn ổn định trong thời gian dài Loại sợi làm bằng nhựa thường được sửdụng ở những nơi cần truyền dẫn cự ly ngắn, khó đi cáp bằng máy móc, thuận tiệncho lắp đặt thủ công nhưng tính truyền dẫn kém

*Phân loại theo Mode lan truyền

- Sợi quang đơn mode (SM) chỉ cho một mode lan truyền

- Sợi quang đa mode cho phép nhiều mode lan truyền

* Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ

- Sợi quang chiết suất phân bậc (SI): chiết suất thay đổi theo bậc giữa lõi vàvỏ

- Sợi quang chiết suất biến đổi (GI): loại này chiết suất thay đổi một cách từtừ

Loại sợi quang SM nằm trong nhóm SI, tuy nhiên sự chênh lệch về chiết suấtkhúc xạ giữa lõi và vỏ rất ít, thường dùng để chỉ sợi quang đa mode vì nó có chiết

suất thay đổi một cách rất rõ ràng giữa lõi và vỏ Trong sợi quang loại GI, sợi quangđược làm theo cấu trúc đặc biệt để truyền tải ánh sáng nhiều mode, chiết suất khúc

xạ của lõi biến đổi một cách dần dần theo hướng đường kính sợi Ánh sáng ở modecao hơn sẽ lan truyền qua một khoảng cách lớn hơn và hầu như lan truyền trongphần có lõi có chiết suất phản xạ thấp

a Sợi quang loại SI ( đa mode )

b Sợi quang loại GI

1.4.1 Yêu cầu chung của cáp quang

*Đặc điểm, yêu cầu chung của cáp quang:

Cũng như kim loại, cáp quang cũng có những yêu cầu, đặc điểm cần phảiđáp ứng Trước hết, lớp vỏ bọc bên ngoài để bảo vệ sợi quang khỏi ảnh hưởng củamôi trường như côn trùng, độ ẩm hoặc các lực cơ học tác động Cáp cần phải đápứng những yêu cầu sau:

- Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ

* Khả năng của sợi và cáp quang:

Để đáp ứng yêu cầu trên, sợi và cáp quang được thiết kế rất ngặt nghèo để vừađảm bảo bền vững cơ học vừa đảm bảo được các đặc tính truyền dẫn Trong mộtchừng mực nào đó cáp quang thể hiện tính ưu việt so với kim loại

-Sợi quang là vật liệu cách điện nên hoàn toàn không nhạy cảm với nhiễuđiện từ,

do đó cáp không cần có lớp bao che như đối với cáp kim loại

-Sợi quang rất nhỏ, tốn ít nhiên liệu Nên xét cùng khả năng truyền dẫn thìmỗi gam thuỷ tinh làm sợi dẫn quang thay thế được vài kg đông để làm cáp kimloại Như vậy sợi cáp sẽ nhỏ hơn và nhẹ hơn kim loại nhiều Về quan điểm kinh tếthì cáp quang rất ưu việt, vì vật liệu rất sẵn để chế tạo sợi quang, trong khi kim loạimầu để chế tạo cáp kim loại đang ngày càng khan hiếm

- Sợi quang rất dòn, dễ gẫy, bị tác động của hơi nước (do ion OH-) Thếnhưng lớp vỏ bảo vệ trực tiếp bao quanh sợi quang lại làm cho sợi tránh được tácđộng cả độ ẩm, tănh độ bền cơ học lại rễ uốn dẻo được Khi chế tạo cáp quang, cấutrúc cáp được thiết kế còn vượt xa những đặc điểm của sợi

Xét về phương diện truyền sóng, nếu sợi bị uốn cong nhỏ, thì năng lượng cả trườnglọt từ từ ruột ra vỏ gây ra tiêu hao phụ Nếu bán kính uốn cong lớn hơn 60mm thìtiêu hao phụ có thể bỏ qua, tuy nhiên nếu bán kính uốn cong nhỏ hơn 30mm thì đặctính truyền dẫn bị ảnh hưởng đáng kể Nếu sợi quang trong cáp không bảo vệ cẩnthận thì sẽ chịu tác động bên ngoài, chẳng hạn như do lực tác động ngang, sợi bị

uốn cong đột ngột tại chỗ nào đó, hoặc khi sợi cáp bị uốn cong với đường kính nhỏthì sợi bị uốn cong theo gây ra tiêu hao phụ.

Bởi vậy cáp quang phải được thiết kế sao cho nó bền vững với các tác động

cơ học và nhiệt độ của môi trường, vừa đảm bảo sợi không bị đứt, vừa không giảmsút các đặc tính truyền dẫn trong mọi điều kiện sử dụng cáp

1.4.2 Cấu trúc cáp quang.

Cấu trúc của sợi cáp phải thoả mãn yêu cầu chính là bảo vệ sợi quang trướccác tác dụng cơ học của điều kiện bên ngoài trong quá trình thi công lắp đặt vàtrong cả quá trình sử dụng lâu dài Các lực cơ học có thể làm đứt sợi quang tức khắchoặc làm tăng suy hao và làm giảm tuổi thọ của cáp quang

Cáp quang cũng được chế tạo phù hợp với mục đích sử dụng của viễn thôngbao gồm: cáp treo, cáp chôn, cáp thả biển (cáp dưới nước), cáp trong nhà Mỗi loạicáp có một vài chi tiết đặc biệt ngoài cấu trúc chung của cáp

- Chất nhồi: để làm đầy ruột cáp và chống ẩm

- Lớp gia cường: để bảo vệ sợi cáp trong những điều kiện khắc nghiệt

ống đệm lỏng Sợi quang

Thành phần chịu lực trung tâm Băng quấn (Plastic)

Lớp đệm (nhựa PE) Thành phần chịu lực lực ngoài

Vỏ cáp (Nhựa PE)

Hình 1.4: Cấu trúc tổng quát của cáp quang

- Vỏ cáp: Vỏ cáp có tác dụng bảo vệ ruột cáp tránh ảnh hưởng của các điều kiệnbên ngoài như các lực cơ học, tác dụng của các chất hoá học, nhiệt độ và hơi ẩm.

Khi chọn vật liệu làm vỏ cáp cần lưu ý đến các đặc tính sau:

+ Đặc tính khí hậu

+ Khả năng chống ẩm

+ Độ bền cơ học

+ Tính trơ với các chất hoá học

+ Bảo đảm cho cáp có kích thước nhỏ, trọng lượng nhỏ

+ Khó cháy

Hai loại vật liệu thông dụng nhất dùng làm vỏ cáp quang là:

+Vỏ PE: màu đen, có tác dụng ngăn bức xạ cực tím, thông dụng với cáp

+Có tác dụng ngăn ẩm

+Không tác dụng hoá học với các thành phần khác của cáp

+Dể tẩy sạch khi hàn nối

+Khó cháy

Ngoài ra ruột cáp còn được bao bọc bởi một lớp ngăn ẩm bằng kim loạimỏng (thường là nhôm) hoặc plastic đối với cáp không chứa thành phần kim loại

Lớp kim loại dát mỏng thường được làm gợn sóng để tăng lực chịu đựng cơ học.

Đối với cáp không cần độ chống ẩm cao, như cáp dùng trong nhà thì khôngcần bơm chất nhờn cũng như không cần lớp kim loại chống ẩm

- Thành phần gia cường

Khi cáp được lắp đặt trong những môi trường đặc biệt như: dưới nước, chôn trựctiếp trong những vùng có nhiều loại gặm nhất, côn trùng, treo trực tiếp thì cần lớp giacường bao quanh vỏ cáp

Lớp gia cường thường bằng kim loại hoặc dạng lá mỏng bao quang vỏ cáp Cần có biệnpháp bảo vệ lớp gia cường chống lại sự ăn mòn Tuy nhiên các ưu điểm của cáp quangnhư trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ sẽ bị mất đi khi có thêm lớp gia cường

1.4.3 Phân loại cáp quang.

Có thể phân loại cáp quang theo các hướng sau:

- Phân loại theo cấu trúc:

+Cáp có cấu trúc cổ điển: Các sợi hoặc các nhóm cáp quang được phân bốđối xứng theo hướng xoay vòng đồng tâm Loại cấu trúc này hiện nay rất phổ biến +Cáp có lõi trục có rãnh: các sợi hoặc các nhóm sợi được đặt trên rãnh cósẵn trên một lõi cáp

+Cáp có cấu trúc băng dẹt: nhiều sợi quang được ghép trên một băng vàtrong ruột cáp có nhiều băng xếp chồng lên nhau

+Cáp có cấu trúc đặc biệt: do nhu cầu, trong cáp có thể có các dây kim loại

để cấp nguồn từ xa, để cảnh báo, để làm nghiệp vụ hoặc cáp đi trong nhà, chỉ cầnhai sợi là đủ

- Phân loại theo mục đích sử dụng :

Có thể phân chia ra các loại cáp sau:

+Cáp dùng trên mạng thuê bao nội hạt, nông thôn

+Cáp trung kế giữa các tổng đài

CHƯƠNGII: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH

QUANG TRONG THÔNG TIN QUANG

Khái niệm, một chuyển mạch thực hiện chuyển lưu lượng từ một cổng lốivào hoặc kết nối lưu lượng trên một khối chuyển mạch tới một cổng lối ra Hệ thốngchuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trongcác sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từmột mạch này tới một mạch khác

Tùy thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà các thông tin được trao đổi dướidạng thời gian thực (chuyển mạch kênh) Chuyển mạch kênh là một phương phápthông tin sử dụng để thiết lập giữa 2 điểm Số liệu được truyền trên cùng một tuyến

và thông tin truyền đi trong thời gian thực Khác với chuyển mạch kênh, chuyểnmạch gói thực hiện truyền các gói số liệu độc lập Mỗi gói đi từ một cổng này tớimột cổng khác theo một đường nào đó Các gói không thể gửi tới nút kế tiếp khichưa thực hiện thành công tại nút trước đó Mỗi nút cần có các bộ đệm để tạm thờilưu các gói Mỗi nút trong chuyển mạch gói yêu cầu một hệ thống quản lý để thôngbáo điều kiện truyền thông tin tới nút lân cận trong trường hợp số liệu truyền bị lỗi

2.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC BỘ CHUYỂN MẠCH QUANG

2.1.1 Chức năng, nhiệm vụ:

Các bộ chuyển mạch quang là một khối chức năng cơ bản của mạng thôngtin quang hiện nay và tiến tới là mạng toàn quang, mà ở đó nó thực hiện việc đấunối các tín hiệu quang ở đầu vào tới các đầu ra khác nhau Một bộ chuyển mạchquang cơ bản được xây dựng nên từ 3 thành phần cơ bản như hình vẽ 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ khối cơ bản của một bộ chuyển mạch quang

Chuyển mạch

Giao tiếp đầu vào

Giao tiếp đầu ra

Điều khiển chuyển mạch

Các khối giao tiếp vào ra thực hiện việc biến đổi, đồng bộ các tín hiệu đầuvào, ra trước và sau chuyển mạch Toàn bộ hoạt động của chúng được điều khiển vàgiám sát bởi khối điều khiển chuyển mạch

2.1.2 Phân loại chuyển mạch quang.

- Phân loại theo cấu trúc dẫn sóng:

Chuyển mạch quang có thể phân chia thành hai loại: sử dụng ống dẫn sóng

và chuyển mạch trong không gian tự do

Chuyển mạch quang sử dụng ống dẫn sóng là chuyển mạch sử dụng các ốngdẫn sóng nhằm duy trì hệ số tác động lẫn nhau cao giữa các điện tử và photon.Chuyển mạch ống dẫn sóng thường sử dụng điện trường tác động lên các hạt tảiđiện, sử dụng tương tác giữa điện tử và photon để điều khiển chuyển mạch

- Phân loại theo tín hiệu điều khiển:

Các thiết bị chuyển mạch thường được điều khiển nhờ thay đổi chiết suấthoặc hệ số hấp thụ trong vùng tích cực của thiết bị bán dẫn thông qua các hạt tảiđiện bị kích thích, thông qua điện trường hoặc xung quang kích thích

Chuyển mạch điều khiển bởi dòng phun, là các hạt tải điện bị kích thích, dothời gian sống của các hạt tải điện ngắn, cỡ nano giây

Chuyển mạch điều khiển nhờ điện trường có tốc độ chuyển mạch không phụthuộc vào thời gian sống của hạt tải điện, vì thế tốc độ chuyển mạch có thể lên tới100GHz

Chuyển mạch điều khiển bằng các xung quang kích thích không tạo ra cáchạt tải thực sự, có tốc độ chuyển mạch cỡ pico giây

- Phân loại theo miền chuyển mạch:

+Chuyển mạch quang phân chia theo không gian

Không gian được phân chia thành các vùng khác nhau Tín hiệu truyền độclập trong từng vùng không gian của mình Khi chuyển mạch, tín hiệu được chuyển

từ vùng không gian này sang vùng không gian khác Chuyển mạch quang phân chiatheo không gian là dạng chuyển mạch cơ bản và quan trọng nhất

+ Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian

Thời gian được phân nhỏ thành các khoảng bằng nhau gọi là các khe thờigian ( TS - Time Slot) Các khe thời gian khác nhau có thể mang thông tin khácnhau Chuyển mạch phân chia theo thời gian chuyển các tín hiệu quang đã ghép

kênh giữa các khe thời gian ti và tj Trong thông tin quang, chuyển mạch phân chiathời gian khó thực hiện do các photon không thể dễ dàng lưu trữ và hồi phục Cáchthường dùng là sử dụng một tập hợp các dây trễ, làm trễ tín hiệu trong các khe thờigian theo các khoảng thời gian khác nhau trước khi được ghép kênh trở lại.

+ Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng

WDM cần được dùng phổ biến trong mạng truyền dẫn Hiển nhiên, chuyểnmạch cần có khả năng chuyển mạch cho hai tín hiệu trên hai bước sóng khác nhau.Chuyển mạch sử dụng WDM thường gặp là quảng bá - lựa chọn và định tuyến bướcsóng

Chuyển mạch quảng bá và lựa chọn quảng bá tín hiệu đầu vào đến tất cả cácđầu ra Các đầu ra sẽ cho/không cho phép tín hiệu trên một bước sóng nào đó điqua Đầu ra có thể được chuyển đổi bước sóng một lần nữa trong trường hợp bướcsóng cho mỗi đầu ra là cố định

Chuyển mạch định tuyến bước sóng sử dụng bước sóng để chuyển mạchtrong không gian Dựa vào tính chất giao thoa giữa các sóng, các bước sóng khácnhau có các vân giao thoa phân bố tại các vị trí khác nhau Đặt các đầu thu tại các vịtrí này sẽ thu được tín hiệu trên các bước sóng khác nhau Tín hiệu được đưa rangoài và có thể được chuyển đổi bước sóng nếu cần

+ Chuyển mạch quang phân chia theo mã

Hiện đang được nghiên cứu và phát triển, chuyển mạch phân chia theo mãđược đánh giá là chuyển mạch thông minh với khả năng tự định tuyến (self-routing), dung lượng lớn và thích hợp cho cả mạng không dây Ý tưởng cơ bản là sửdụng các mã giả ngẫu nhiên để trải phổ tín hiệu cần truyền Phía thu phải có bản saocủa mã được sử dụng khi trải phổ để nén phổ thì mời thu được tín hiệu ban đầu

2.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật.

Các bộ chuyển mạch quang được xây dựng dựa trên các phần tử chuyểnmạch quang 1x2 hoặc 2x2 cơ sở Các yêu cầu sau đây cần được chú ý khi xây dựngcác bộ chuyển mạch quang:

- Số lượng phần tử cơ bản: các mạng chuyển mạch kích thước lớn được xây dựngdựa trên các phần tử chuyển mạch cơ bản 1x2 hoặc 2x2 Khi kích cỡ chuyển mạchtăng, số lượng các phần tử cơ bản này tăng tương ứng, dẫn đến suy hao tín hiệu khi

đi qua mạng chuyển mạch Hơn nữa, số lượng phần tử cơ bản tăng làm tăng giáthành

- Suy hao đều: các tín hiệu từ các đầu vào đi qua mạng chuyển mạch đến các đầu

ra theo các đường khác nhau, số lượng phần tử trên mỗi đường chuyển mạch có thểkhác nhau, nên suy hao tại mỗi đầu ra sẽ khác nhau Khi thiết kế mạng chuyểnmạch, cần giữ sao cho số lượng phần tử chuyển mạch trên tất cả các đường có thểgiữa hai đầu đầu vào và ra bất kỳ không quá khác nhau, đảm bảo suy hao tại cácđầu ra xấp xỉ nhau

- Số lượng các điểm giao nhau nhỏ nhất: trong mạng chuyển mạch quang, các

phần tử chuyển mạch cơ bản thường được tích hợp trên cùng một đế Các đường nốikết giữa các phần tử chuyển mạch là các ống dẫn sóng Khi hai ống dẫn sóng giaonhau, các hiệu ứng không mong muốn sẽ xảy ra làm ảnh hưởng đến chất lượng tínhiệu đầu ra

- Đặc tính tắc nghẽn: trong mạng chuyển mạch, tắc nghẽn xảy ra khi một đầu vào

có yêu cầu kết nối với một đầu ra đang rỗi nhưng mạng chuyển mạch không thểcung cấp đường kết nối giữa hai đầu vào/ra này Một chuyển mạch là không nghẽnkhi mọi kết nối giữa cặp đầu vào/ra bất kỳ luôn thực hiện được Khái niệm khôngnghẽn còn có thể chia thành không nghẽn theo nghĩa rộng và không nghẽn có thểsắp xếp lại Không nghẽn theo nghĩa rộng chỉ các mạng chuyển mạch có khả năngkết nối một đầu vào bất kỳ với một đầu ra bất kỳ đang rỗi mà không ảnh hưởng đếncác kết nối đang có Không nghẽn có thể sắp xếp lại là các mạng chuyển mạch cókhả năng cung cấp kết nối cho một đầu vào bất kỳ đến một đầu ra bất kỳ đang rỗinhưng các kết nối đang có phải được sắp xếp lại Mạng không nghẽn có thể sắp xếplại có ưu điểm hơn mạng không nghẽn theo nghĩa rộng ở chỗ số lượng phần tửchuyển mạch cơ sở ít hơn, tuy nhiên cần có một giải thuật định tuyến thông minh vàphức tạp cho mạng, đặc biệt khi kích thước mạng tăng lên Một vấn đề khác vớimạng không nghẽn có thể sắp xếp lại là đa số các ứng dụng không chấp nhận sựngắt các kết nối đang tồn tại để chuyển sang kết nối mới

2.2 THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA CÁC BỘ CHUYỂN MẠCH QUANG

Các bộ chuyển mạch quang được xây dựng từ các phần tử cơ bản như: bộghép quang, bộ lọc quang, các phần tử chuyển đổi bước sóng

2.2.1 Bộ ghép quang.

Bộ ghép quang được dùng để kết hợp hoặc tách hai tín hiệu quang Bộ ghép2x2 được cho trên hình vẽ Có thể thay đổi chiều dài vùng ghép để thay đổi tỷ sốcông suất ghép

Hình 2.2: Bộ ghép định hướng

Gọi Pi1, Pi2, Po1, P02 lần lượt là công suất các đầu vào Input1, 2 và đầu raOutput1, 2 Gọi  là hệ số ghép, ta có:

2 1

2

1 2

1

) 1 (

) 1 (

i i

o

i i

o

P P

P

P P

Bằng cách phối ghép các bộ ghép 2x2 trên chúng ta có thể tạo ra các bộ ghéphình sao NxN Ví dụ: Ta có thể xây dựng được một bộ ghép hình sao 8x8 từ 12 bộghép 2x2 như sau:

2.2.2 Bộ cách ly quang.

Trong bộ cách ly, khi tín hiệu truyền theo hướng thuận thì đầu ra giống đầuvào, nhưng nếu thay đổi chiều truyền sóng, thì sóng không thể đi qua được bộ cách

ly từ lối ra ngược về phía lối vào

Hình 2.4: Bộ cách ly quang dựa vào phân cực của sóng ánh sáng

Tín hiệu ánh sáng vào được lọc lấy thành phần thẳng đứng nhờ bộ lọc phâncực đứng Sau đó, tín hiệu phân cực được quay pha 45o nhờ bộ quay Faraday (Bộquay phân cực Faraday có đặc tính không đối xứng, tức là tín hiệu đi từ bên nào quacũng bị quay phân cực đi 45o theo chiều kim đồng hồ) Sau khi quay phân cực, tínhiệu đi qua bộ lọc phân cực 45o và đi ra ngoài Giả sử có một phần tín hiệu quay trở

về do phản xạ Tín hiệu sau khi qua bộ lọc phân cực 45o lại bị xoay phân cực 45o

một lần nữa và trở thành phân cực ngang và bộ lọc phân cực thẳng đứng sẽ ngănkhông cho tín hiệu này đi qua theo chiều ngược lại

2.2.3 Bộ lọc quang.

- Bộ lọc dùng buồng cộng hưởng Fabry-Perot

Cấu trúc buồng cộng hưởng Fabry-Perot bao gồm hai gương bán phản xạ, có hệ sốphản xạ R đặt song song cách nhau đoạn l

1: Bộ lọc phân cực đứng2: Bộ quay phân cực Faraday (450)3: Bộ lọc phân cực 450

Hình 2.5: Buồng cộng hưởng Fabry-Perot

Ánh sáng đi vào từ bên trái buồng cộng hưởng Trong buồng cộng hưởng, tiasáng phản xạ nhiều lần trên hai gương bán phản xạ Những sóng ánh sáng có bướcsóng thoả mãn điều kiện:



2

2kl  m (2.2)với: k 2 n  và n là chiết suất môi trường trong buồng cộng hưởng mới tạo

thành sóng dừng trong buồng cộng hưởng, các sóng còn lại tự triệt tiêu lẫn nhau.Khi truyền ra ngoài, thành phần ánh sáng có bước sóng thoả mãn điều kiện cộnghưởng chiếm ưu thế Vì vậy buồng cộng hưởng Fabry-Perot có thể sử dụng như bộlọc ánh sáng

Bộ lọc Fabry-Perot có thể thay đổi bước sóng cộng hưởng bằng cách thay đổichiều dài buồng cộng hưởng hay chiết suất môi trường bên trong buồng cộnghưởng

- Bộ lọc màng mỏng điện môi

Cấu tạo bộ lọc màng mỏng gồm các buồng cộng hưởng Fabry-Perot, với cácgương do các lớp điện môi màng mỏng có chiết suất lớn nhỏ đặt xen kẽ nhau tạothành

Bộ lọc phản xạ lại tất cả các bước sóng và chỉ cho đi qua một bước sóng địnhtrước Sử dụng kết hợp các bộ lọc, mỗi bộ lọc có bước sóng đi qua khác nhau, ta có

bộ tách kênh Bộ lọc màng mỏng đang được sử dụng rộng rãi trong mạng ghép kênhtheo bước sóng

Hình 2.6: Bộ lọc màng mỏng điện môi

- Bộ lọc dùng cách tử nhiễu xạ

Cách tử được cấu tạo gồm nhiều rãnh (như răng cưa), trên bề mặt của cácrãnh phủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh trên cách tử có thể lên tới vài nghìn rãnhtrên 1 mm

Hình 2.7: Cách tử nhiễu xạ

Cách tử có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hướng nhấtđịnh tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng đó Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảngcách rãnh (gọi là bước cách tử) và góc tới

Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của cách tử truyền qua

Gọi i, d lần lượt là góc tới và góc nhiễu xạ,  là khoảng cách giữa các cách

tử (chu kỳ cách tử) Giả thiết chùm sáng chiếu đến cách tử là song song, mặt phẳngảnh cách mặt phẳng cách tử đủ lớn (rất lớn so với )

Sự giao thoa của chùm tia tới có bước sóng  sẽ xảy ra tại mặt phẳng ảnhdưới góc d nếu thoả mãn điều kiện:

   

asin i  sin d  (2.3)Trong đó: m nhận các giá trị nguyên và được gọi là bậc của cách tử

Đặt các thiết bị thu quang tại các vị trí giao thoa trên mặt phẳng ảnh sẽ thu đượcthông tin từ các bước sóng khác nhau

Ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách tử sẽ được tách thànhcác tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau Khi tách kênh (tách bướcsóng) bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều bước sóng từ sợi quang sẽ được tách

ra thành các tia đơn sắc tương ứng với các bước sóng được truyền trên sợi theo cácgóc khác nhau Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh bước sóng 1, 2, , n đến

từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một hướng và được đưa tớitruyền dẫn trên cùng một sợi quang

Giả thiết năng lượng ánh sáng đầu vào tập trung tại mode TE Trong quá trìnhsóng lan truyền trong ống dẫn sóng, ta phóng một sóng âm cùng hoặc ngược chiềuvới hướng truyền lan của tín hiệu Sóng âm lan truyền dọc ống dẫn sóng làm thayđổi mật độ môi trường theo chu kỳ của sóng âm, như vậy, ta đã có một cách tửBragg Vật liệu ống dẫn sóng có chiết suất với mode TE là nTE, với mode TM là nTM.Nếu nTE và nTM thoả mãn điều kiện:

Với tinh thể LiNbO3, ở bước sóng  = 1,55m, tần số sóng âm được sử dụngxấp xỉ 170 MHz Tần số sóng âm có thể thay đổi dễ dàng, dẫn đến bộ lọc có khảnăng thay đổi bước sóng lựa chọn rất nhanh

2.2.4 Bộ chuyển đổi bước sóng quang.

Bộ chuyển đổi bước sóng chuyển dữ liệu trên một bước sóng ở đầu vào sangbước sóng khác ở đầu ra

Chuyển đổi bước sóng thông dụng hiện nay là sử dụng các linh kiện điện (optoelectronic), cổng quang (optical gating) và trộn sóng (wave mixing) Hiệnnay chủ yếu dùng các bộ chuyển đổi bước sóng dùng linh kiện quang điện.

quang Chuyển đổi bước sóng bằng phương pháp biến đổi quangquang điện

Hoạt động trên nguyên lí, tín hiệu được chuyển về miền điện, sau đó, các tínhiệu điện lại được dùng để điều chế vào bước sóng quang khác

+

i

Hình 2.10: Chuyển đổi bước sóng bằng phương pháp biến đổi quang điện

Tín hiệu quang từ một bước sóng ởi nào đó được chuyển thành tín hiệu điệnnhờ bộ thu quang (Receiver) đầu vào Chuỗi bit thu được được đưa vào bộ đệmFIFO (First In First Out) Thông tin địa chỉ của chuỗi dữ liệu được tách ra và đưavào điều chế (theo phương thức đặc biệt nào đó sao cho phía thu sẽ dễ dàng táchđược thông tin địa chỉ của gói tin) Đồng thời, chuỗi bít trong bộ đệm được đưa vàođiều chế bộ phát laser ở bước sóng ra cần biến đổi j

- Chuyển đổi bước sóng bằng cổng quang (Optical gating)

Cổng quang là thiết bị có đặc tính thay đổi theo cường độ xung đầu vào Sựthay đổi này tạo ra một sóng liên tục chưa bị điều chế nhưng ở bước sóng khác vớibước sóng đầu vào xuyên qua thiết bị Tại đầu ra, sóng liên tục sẽ mang cả thông tincủa tín hiệu đầu vào nhưng ở bước sóng khác

Hai nguyên lý chính được sử dụng trong phương thức chuyển đổi bằng cổngquang, đó là: điều chế chéo hệ số khuếch đại và điều chế chéo pha Cả hai cách đều

sử dụng bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) làm phần tử cổng

FIFO

Bộ giải mã địa chỉ

+ Điều chế chéo hệ số khuếch đại (CGM: Cross-Gain Modulation).

Hình 2.11: Chuyển đổi bước sóng bằng CGM

Phương pháp này sử dụng sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại trong SOA vàocường độ tín hiệu vào Khi công suất tín hiệu vào tăng lên, mật độ hạt mang trongvùng khuếch đại giảm (bị kích thích mạnh), dẫn đến giảm hệ số khuếch đại Tốc độcủa các hạt mang trong SOA rất lớn, cỡ pico giây Do vậy, thời gian đáp ứng củaphương thức chuyển đổi này có thể đạt tới mức bit-by-bit Nếu một tín hiệu côngsuất thấp ở một bước sóng khác được đưa vào SOA, nó chỉ nhận được hệ số khuếchđại nhỏ Khi đó, bit 1 của tín hiệu vào sẽ chuyển thành bit 0 của tín hiệu ra và ngượclại

+ Điều chế chéo pha (CPM – Cross-Phase Modulation)

Trong CGM, khi mật độ hạt dẫn trong SOA thay đổi thì kéo theo nó là sựthay đổi của chỉ số chiết suất, dẫn đến sai pha của tín hiệu sóng mang mới Sự thayđổi về pha này có thể được chuyển lại thành điều chế cường độ sử dụng một giaothoa kế như giao thoa kế Mach-Zehner (MZI - Mach Zehner Interferometer)

Hình 2.12: Chuyển đổi bước sóng bằng CPM

Khi không có tín hiệu nào được gửi, đầu ra của MZI sẽ là tín hiệu liên tụckhông bị điều chế Khi đưa tín hiệu vào đầu vào, tín hiệu bị quay pha khi đi qua bộkhuếch đại SOA Các bộ ghép quang được cấu tạo sao cho công suất ghép giữa haiđầu bất đối xứng Kết quả là sai pha của tín hiệu sóng mang mới qua hai SOA khácnhau Sự khác nhau tạo ra một tín hiệu bị điều chế cường độ ở đầu ra, có bước sóng

là bước sóng mới (bước sóng của tín hiệu liên tục)

- Chuyển đổi bước sóng sử dụng phương pháp trộn sóng

Chuyển đổi bước sóng theo phương pháp trộn sóng là dùng một số hiệu ứngphi tuyến để tổng hợp một bước sóng mới dựa trên các bước sóng đã cho

Trong truyền dẫn quang, hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM – Four Wave Mixing)

là kết quả của các thông số phi tuyến của tuyến truyền Hiệu ứng trộn bốn sóngđược mô tả như sau:

Ba sóng ánh sáng có bước sóng lần lượt là 1, 2, 3 lan truyền trong môitrường truyền sóng Do sự không tuyến tính của môi trường truyền dẫn, các sóngnày tương tác với nhau tạo ra sóng thứ tư có bước sóng 4 với f4 = f1+f2-f3 Khi cho

f1=f2 thì f4=2f1-f3 Thành phần sóng mới được tạo ra này nằm trong cùng giải thôngcủa các bước sóng tương tác nên trên quan điểm truyền dẫn, nó gây ra xuyên âm

Với mục đích chuyển đổi bước sóng, bước sóng thứ tư được khuếch đại lênkhi sử dụng bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) vì các thuộc tính phi tuyến củaSOA lớn hơn rất nhiều so với đường truyền dẫn thông thường Tín hiệu vào có tần

số fs, sử dụng một sóng trung gian tần số fp Hai tín hiệu đưa qua SOA, đầu ra xuấthiện các tổ hợp 2fs-fp, 2fp-fs và các bước sóng cơ bản fs, fp Bộ lọc loại bỏ các thànhphần thừa, chỉ cho thành phần 2fp-fs đi qua

Hình 2.13: Chuyển đổi bước sóng sử dụng SOA và FWM

FWM hoạt động hoàn toàn trong miền quang, nhược điểm là phải có thêm bộ lọc.Với các bộ chuyển đổi bước sóng biến đổi được thì bộ lọc cũng phải biến đổi được

2.2.5 Bộ đệm quang.

Các chuyển mạch điện tử truyền thống sử dụng bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên(RAM) cho chức năng đệm dữ liệu Trong chuyển mạch quang, do chưa tồn tại bộnhớ quang truy nhập ngẫu nhiên (gọi là RAM quang – Optical RAM), người tadùng các dây trễ là các sợi cáp quang để thay thế cho RAM quang

Hai cấu hình cơ bản của bộ đệm quang sử dụng dây trễ bao gồm cấu hìnhdịch chuyển (travelling-type) và cấu hình quay vòng (recirculating-type)

- Bộ đệm dịch chuyển

Kết cấu bởi nhiều dây trễ làm bằng sợi quang có độ dài khác nhau, bộ đệmdịch chuyển có hai cấu trúc tổng quát là cấu trúc song song và cấu trúc nối tiếp Cảhai cấu trúc đều sử dụng các chuyển mạch quang với mục đích lựa chọn được thờigian trễ khác nhau cho kênh quang

Hình 2.14: Hai cấu hình của bộ đệm dịch chuyển

Trong cấu trúc song song, số đường dây trễ và cấu trúc chuyển mạch tăng khi

số thời gian trễ lập trình được tăng lên

Cấu trúc nối tiếp đã được xem xét khi tìm hiểu bộ trễ thay đổi được Bằngcách thay đổi thích hợp các chuyển mạch không gian 2x2, ta có thể thay đổi đượcthời gian trễ của gói tin Cấu trúc phức tạp và suy hao lớn hơn so với trường hợpsong song vì trải qua nhiều khâu chuyển mạch

Cả hai cấu trúc trên kết hợp với WDM có thể nâng cao dung lượng đệm lênnhiều lần

- Bộ đệm xoay vòng

Bộ đệm xoay vòng gồm một chuyển mạch không gian 2x2, dây trễ nối mộtđầu ra của chuyển mạch với một đầu vào của chuyển mạch (nên cấu trúc này cònđược biết đến với tên bộ đệm hồi tiếp)

Hình 2.15: Bộ đệm xoay vòng

Trong cấu hình bộ đệm xoay vòng, chuyển mạch không gian chuyển trựctiếp tín hiệu ra đầu ra hoặc chuyển vào dây trễ Tín hiệu vào dây trễ sẽ bị trễ bằngthời gian lan truyền trong dây trễ trước khi quay lại đầu vào thứ hai của chuyểnmạch không gian Cấu hình chuyển mạch không gian thích hợp có thể thu được độtrễ bất kỳ (chính xác hơn, bằng số nguyên lần bất kỳ độ trễ do dây trễ tạo ra) Cấutrúc xoay vòng có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với cấu trúc dịch chuyển, hoạtđộng rất linh hoạt

Hai cấu trúc bộ đệm trên là hai cấu trúc cơ bản Trong chuyển mạch, hai cấutrúc này được sử dụng linh hoạt và có thể kết hợp với nhau tạo ra các bộ đệm tối ưunhất

2.2.6 Bộ khuyếch đại quang bán dẫn ( SOA - Semiconductor Optical Amplifier ).

SOA được thiết kế cho mục đích khuếch đại tín hiệu quang mà không cầnchuyển đổi quang điện SOA lợi dụng hiệu ứng bức xạ kích thích, tạo ra nhiềuphoton từ một photon nguyên thuỷ Nguyên lý hoạt động của SOA là sử dụng điệntrường phân cực cho mặt ghép PN, tạo ra sự nghịch đảo nồng độ hạt dẫn Khi cóphoton năng lượng phù hợp đi qua, hiệu ứng bức xạ kích thích sẽ tạo ra nhiềuphoton thứ cấp giống hệt photon ban đầu, ánh sáng được khuếch đại

Khác với laser, SOA không có buồng cộng hưởng, không tạo ra thành phầnhồi tiếp dương nên không thể duy trì được laser đầu ra dù được phân cực Tính chấtnày cho phép SOA hoạt động như một chuyển mạch Khi được phân cực, SOA ởtrạng thái nghịch đảo mật độ, nếu có photon đi vào đầu vào thì đầu ra sẽ có tín hiệu.Ngược lại, khi không được phân cực hoặc phân cực ngược, SOA thậm chí sẽ hấpthụ photon thay vì khuếch đại nó, kết quả là tín hiệu vào không được chuyển ra đầura

Tốc độ chuyển mạch có thể đạt tới 1ns Tuy nhiên chi phí chế tạo lớn và

Nhược điểm của SOA là nhiễu nền và xuyên âm lớn Xuyên âm là sự ảnh hưởngqua lại giữa hai tín hiệu có bước sóng khác nhau khi truyền qua SOA.

2.2.7 Bộ định tuyến bước sóng AWGM.

Bộ định tuyến bước sóng không hẳn là một chuyển mạch Tuy nhiên, nó cókhả năng chuyển hướng bước sóng từ đầu vào ra đầu ra khác và được sử dụng kháphổ biến trong chuyển mạch như là các chuyển mạch không gian-bước sóng

Hình 2.16: Bộ định tuyến bước sóng cơ bản

Tín hiệu đầu vào từ một sợi quang bao gồm nhiều thành phần bước sóngkhác nhau Chúng được dẫn qua hệ thống ống dẫn sóng với các ống dẫn sóng có độdài cố định và khác nhau Tại đầu ra, các bước sóng được tách ra và chuyển ra cácsợi cáp quang khác

Nguyên lý hoạt động như sau:

Hình 2.17: Các thành phần của AWGW

Tín hiệu quang được dẫn bởi các phần tử dẫn sóng “waveguide” (1) tới vùngthấu kính “lens region” (2), các thấu kính trong vùng 2 này thực hiện chia công suấtquang và đưa vào vùng ma trận cách tử “grating array” (3) Mỗi waveguide trongmiền grating array có sai lệnh về độ dài một khoảng chính xác L so với cácwaveguide lân cận Do đó, tín hiệu quang trong mỗi waveguide sẽ cực đại tại mỗithời điểm trễ pha khác nhau tại đầu ra (4) Gọi  là độ trễ pha của tín hiệu, ta có:

2.2.8 Hệ thống cơ quang ( MEMS - Micro Electro Mechanical Systems ).

Các hệ thống cơ-quang được xem như là ứng cử viên cho các công nghệchuyển mạch toàn quang Đó là nhờ khả năng chế tạo các thành phần điện cơ với độchính xác cao như các vi gương (micromirror), là các linh kiện có khả năng chuyểnhướng các tia quang (optical beam) trong không gian với khả năng điều khiển chínhxác và tốc độ cao

- Kiến trúc 1-D MEMS

Hình 2.18: Kiến trúc 1-D MEMS

Kiến trúc 1-D MEMS bao gồm một dãy đơn tuyến tính các vi gương Kếthợp với sự tán xạ trong quang học, 1-D MEMS chỉ yêu cầu một vi gương cho mộtbước sóng, mỗi vi gương được đặt ở một trong một số vị trí ổn định