Chuyển mạch gói quang trong mạng WDM: Nguyên lý và ứng dụng
MỤC LỤC
Các cấu hình mạng WDM
Cấu hình điểm-điểm
Cấu hình điểm-điểm là cấu hình hay được sử dụng cho truyền dẫn đường dài với tốc độ rất cao (có thể lên đến vài Tertabits/s), tín hiệu được truyền đi toàn vẹn, độ tin cậy cao và khả năng phục hồi lại đường truyền nhanh. Số lượng các kênh, khoảng cách giữa các kênh, loại sợi quang, phương pháp điều chế tín hiệu và loại thiết bị được lựa chọn sử dụng trên mạng là các thông số quan trọng trong việc tính toán quỹ công suất của hệ thống.
Các bộ lọc quang
Bộ chọn bước sóng
Trong những năm gần đây công nghệ vật liệu phát triển rất nhanh, đã có rất nhiều vật liệu mới được tìm thấy, phát triển và ứng dụng vào các mạng thông tin quang. Và như vậy ta được kết quả là tín hiệu đầu vào mạng bốn bước sóng λ1, λ2, λ3, λ4 còn tại đầu ra ta tách ra được tín hiệu ta cần được mang trong sóng có bước sóng λ4.
Bộ lọc điều chỉnh được
Trong đó A là suy hao do hấp thụ của mỗi gương, R là hệ số phản xạ của mỗi gương (giả thiết hai gương có hệ số phản xạ như nhau), τ là thời gian truyền qua khoang theo một hướng, n là chiết suất của khoang, l là chiều dài khoang. Nếu ký hiệu chiều dài của khoang là l và chiết suất của khoang là n thì τ=ln/c, trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không và như vậy τ thay đổi khi thay đổi n hoặc l.
Bộ ghép và bộ tách kênh quang
Nguyên tắc làm việc của lăng kính
Do chiều dài của khoang có vật liệu như vậy có thể thay đổi nhờ điện áp, nên làm thay đổi tần số cộng hưởng của khoang. Tuy nhiên vật liệu áp điện phát sinh hiệu ứng không ổn định nhiệt và từ trễ nên khó có thể ứng dụng bộ lọc như vậy trong thực tế.
Nguyên lý làm việc của cách tử tán xạ
Khi giải ghép kênh (tách bước sóng) 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 các bước khác nhau. Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh ứng với các bước sóng λ1, λ2, λ3, ..λn đến từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một hướng và được truyền dẫn trên cùng một sợi quang.
Bộ ghép và tách kênh quang
Trong rất nhiều phần tử của mạng, một phần tử có thể không muốn liên kết hoặc tháo toàn bộ cấu trúc kênh mà chỉ đơn thuần xen hoặc rẽ một hay một số kênh. Nó có thể dùng làm bộ lọc bước sóng băng hẹp hoặc băng rộng, bộ bù tán sắc, bộ lọc làm theo đường đặc tuyến của EDFA và là một phần của bộ lọc quang trong phần tử tách/ghép bước sóng.
Coupler hình sao (PSC)
Một thiết bị quan trọng trong hệ thống WDM là một bộ định tuyến bước sóng kích thước NxN, nó là một thiết bị kết hợp chức năng của một coupler hình sao và. Tín hiệu WDM vào từ N đầu vào được tách kênh và đưa thẳng tới N đầu ra của bộ định tuyến theo cách tín hiệu WDM tại mỗi cổng ra được sắp xếp lại từ các kênh tín hiệu của các kênh đầu vào khác nhau. Một thiết bị định tuyến được gọi là định tuyến cách tử dẫn sóng (WGR: Waveguide-Grating Router) bao gồm hai coupler hình sao NxM với N đầu ra của coupler hình sao thứ nhất nối với M đầu vào của coupler hình sao còn lại thông qua một ma trận M ống dẫn sóng hoạt động như một bộ AWG.
Bộ nối chéo quang OXC
Các OXCR hoạt động theo nguyên tắc tách các bước sóng quang từ các tín hiệu quang đầu vào rồi chuyển mạch không gian (chuyển mạch sợi quang), sau đó ghép các bước sóng lại, không có sự chuyển đổi bước sóng. Bộ chuyển mạch quang có suy hao và nhiễu xuyên nhỏ sẽ kết nối các bước sóng quang tới các vị trí mong muốn tại đầu vào của bộ ghép bước sóng để ghép các bước sóng này tới sợi quang đầu ra. Tuy nhiên, không phải tại tất cả các node mạng đều có nhu cầu chuyển đổi bước sóng nên để khai thác có hiệu quả và kinh tế hơn, ta có thể kết hợp cả hai loại thiết bị này trong mạng.
Bộ biến đổi bước sóng
Nó dựa trên hiện tượng khuếch đại bão hoà xảy ra khi một vùng yếu được khuếch đại trong SOA với một vùng mạnh và sự khuếch đại của vùng yếu được tạo ra bởi miền mạnh. Để sử dụng thiết bị này tín hiệu xung trong bước sóng λ1 cần chuyển đổi và phát vào SOA cùng với một tia CW công suất thấp tại bước sóng λ2 và nó được chuyển sang bước sóng mong muốn là λ2. Rừ ràng là mẫu bit chuẩn của tín hiệu trong bước sóng ban đầu sẽ được truyền tới bước sóng mới với cực tính đảo ngược và các bit 0 và 1 được trao đổi cho nhau.
Phần tử phát và thu quang .1 Bộ phát
Bộ thu
Bộ thu phải hoàn toàn tương thích với bộ phát (về cả bước sóng cơ bản và các đặc tính điều chế) và phải được thiết kế để giải quyết tất cả sự suy hao tín hiệu bởi các phần tử trên mạng. Chỉ tiêu đầy đủ của một máy thu được mô tả bởi đặc tuyến độ nhạy của nó, trong đó tỷ lệ lỗi bit BER được xem như là một hàm của công suất quang thu được với một dữ liệu cho trước. Các thông số lựa chọn quan trọng đối với bộ thu gồm có: Đáp ứng phổ (A/W là một hàm của bước sóng, liên quan mật thiết đến bộ tách được dùng), độ nhạy (mức đo mà tại đó nhiễu trong bộ tách át tín hiệu đến), dải thông điện và độ rộng phổ, dải động và tạp âm.
Bộ khuếch đại quang
Một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại không đồng đều (được chỉ ra trong hình 2.19), các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại bước sóng 1530 nm. Loại thiết bị khuếch đại mới này đã giúp giảm thiểu đi các vấn đề nảy sinh đối với mạng truyền dẫn WDM dùng sợi tán sắc dịch chuyển, mà ở đó, vấn đề xuyên kênh tăng rất nhanh bởi tán sắc và khoảng cách kênh bước sóng gần nhau tại vùng bước sóng 1550 nm. Ngoài ra, trong trường hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền, một vấn đề nữa cũng cần phải xem xét là tạp âm ASE trong các bộ khuếch đại quang: Tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía trước sẽ được khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang phía sau.
Giới thiệu chung về chuyển mạch gói quang
Mặc dù công nghệ này có rất nhiều khó khăn trước mắt cần phải vượt qua, nhưng mạng chuyển mạch gói quang hứa hẹn có cấu hình lớn, sử dụng băng thông hiệu quả, và có lớp quang mềm dẻo. Trong chương này, chúng ta nghiên cứu về cấu trúc và thiết kế đưa ra cho mạng chuyển mạch gói quang, một số công nghệ và tìm hiểu những kết quả của thực nghiệm. Chúng ta cần chú ý rằng, cả 3 công nghệ chuyển mạch này có ứng dụng cực kì quang trọng, mỗi công nghệ sẽ được triển khai trên thực tế và được thay thế theo thứ tự ưu tiên hoặc có thể cùng tồn tại trong tương lai.
Mô hình mạng chuyển mạch gói quang
Kiến trúc và hoạt động nút mạng
Một nút OPS gồm một số bộ ghép và tách kênh bước sóng, một khối giao diện đầu vào, một trường chuyển mạch không gian với sự kết hợp các bộ đệm quang và bộ biến đổi bước sóng, một khối giao diện đầu ra và một khối điều khiển chuyển mạch.
Mạ ng OPS
Giải pháp chống xung đột
Một số loại bộ biến đổi bước sóng được đưa ra như dùng đặc tính điều chế tăng ích chéo nhau của bộ khuếch đại bán dẫn (SOA-XGM) hoặc dùng điều chế pha của bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA-XPM) hay công nghệ trộn tần. Ta thấy SOA có tính không đối xứng vì khi dòng điện vào và biến đổi công suất quang chiếu vào là như nhau thì bước sóng ngắn có biến đổi tăng ích tương đối lớn, bước sóng dài có biến đổi tăng ích tương đối nhỏ. FWM trong WDM là một quá trình biến đổi thông số , tạp âm của bước sóng mới ngược pha với tín hiệu gốc, hơn nữa quá trình biến đổi này sẽ không dẫn đến tạp âm phụ, trừ khi sử dụng môi chất phi tuyến tính có nguồn.
Trường chuyển mạch
Chuyển mạch sử dụng bộ đệm quang với FDL nối tiếp (FDL feed –forward) Trong trường chuyển mạch sử dụng bộ đệm quang với FDL nối tiếp, mỗi gói được lưu đệm duy nhất một lần trong FDL đó. Mỗi tín hiệu thì được xác định thời gian trễ nhằm tránh xung đột gói tại đầu ra, gói sẽ được chuyển mạch tới cổng ra mong muốn và FDL tương ứng bởi sự đóng và mở của cổng quang. Để có thể mở rộng cho nhiều bước sóng đầu vào thì tín hiệu vào được đưa qua bộ tách sóng để tách thành các bước sóng riêng biệt sau đó mỗi bước sóng được đưa tới một trường chuyển mạch như hình vẽ sau đó tại đầu ra của mỗi trường chuyển mạch ta sử dụng bộ ghép kênh để ghép lại.
