Nghiên cứu kỹ thuật chuyển mạch theo bước sóng
Tín hiệu WDM đầu vào được dẫn đến các bộ lọc bước sóng có thể điều chỉnh được, mỗi bộ lọc này tách ra một bước sóng riêng biệt. Tín hiệu ra từ bộ lọc bước sóng có khả năng điều chỉnh được được biến điệu cường độ vào một phần tử mang ánh sáng bước sóng ấn định trước. Phần tử này có được là do tách ra từ ánh sáng bước sóng chuẩn nhờ một bộ lọc bước sóng cố định.......
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
nghiªn cøu Kü THUËT
chuyÓn m¹ch quang theo bíc sãng
Ch¬ng 1: Tæng quan vÒ c«ng nghÖ chuyÓn m¹ch quang.
1. C¸c chuyÓn m¹ch c¬ së.
2. Sù ph¸t triÓn tõ chuyÓn m¹ch ®iÖn tö sang chuyÓn m¹ch quang.
- Nhu cÇu dÞch vô viÔn th«ng ngµy cµng t¨ng trong t¬ng lai.
- Sù ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn quang cïng víi nh÷ng u
®iÓm cña c¸c thiÕt bÞ quang.
- Nh÷ng nhîc ®iÓm khi truyªn dÉn b»ng quang nhng chuyÓn m¹ch b»ng
®iÖn tö.
3. Ph©n lo¹i chuyÓn m¹ch quang.
- Ph©n lo¹i theo ph¬ng diÖn ®iÒu khiÓn:
+ ChuyÓn m¹ch quang c¬.
+ ChuyÓn m¹ch quang ©m.
+ ChuyÓn m¹ch quang tõ.
+ ChuyÓn m¹ch quang ®iÖn.
+ ChuyÓn m¹ch hoµn toµn quang.
- Ph©n lo¹i theo ph¬ng thøc ghÐp kªnh.
+ ChuyÓn m¹ch quang ghÐp kªnh ph©n chia theo kh«ng gian.
+ ChuyÓn m¹ch quang ghÐp kªnh ph©n chia theo thêi gian.
+ ChuyÓn m¹ch quang ghÐp kªnh ph©n chia theo ®é dµi bíc sãng.
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT 112
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
Ch¬ng 2: Kü thuËt chuyÓn m¹ch quang ph©n chia theo bíc
sãng
1.§Æc ®iÓm cña kü thuËt chuyÓn m¹ch quang ph©n chia theo bíc
sãng.
2.Nguyªn lý cña kü thuËt chuyÓn m¹ch quang theo bíc sãng.
TÝn hiÖu WDM ®Çu vµo ®îc dÉn ®Õn c¸c bé läc bíc sãng cã thÓ ®iÒu
chØnh ®îc, mçi bé läc nµy t¸ch ra mét bíc sãng riªng biÖt. TÝn hiÖu ra tõ bé
läc bíc sãng cã kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh ®îc ®îc biÕn ®iÖu cêng ®é vµo mét
phÇn tö mang ¸nh s¸ng bíc sãng Ên ®Þnh tr íc. PhÇn tö nµy cã ®îc lµ do t¸ch
ra tõ ¸nh s¸ng bíc sãng chuÈn nhê mét bé läc bíc sãng cè ®Þnh.
Qua qu¸ tr×nh nµy, c¸c bíc sãng ®Çu vµo ®îc chuyÓn thµnh c¸c bíc
sãng ®Çu ra t ¬ng øng, ®iÒu nµy dÉn ®Õn sù trao ®æi bíc sãng. C¸c bíc sãng
®Çu ra ®îc tæ hîp l¹i råi ®a lªn ®êng truyÒn..
3. C¸c khèi chøc n¨ng cña hÖ thèng chuyÓn m¹ch quang ph©n chia
theo bíc sãng
3.1.C¸p quang.
a. §Æc tÝnh cña c¸p quang.
C¸p quang cã nhiÒu ®Æc tÝnh quý, mét trong sè ®ã lµ suy hao thÊp.
Cã hai vïng mµ t¹i ®ã sù suy hao lµ rÊt nhá. T¹i 1300±100nm víi suy hao
nhá h¬n 0.5 dB/km cho b¨ng tÇn 25THz vµ t¹i 1550nm víi suy hao nhá h¬n
0.2dB/km cho b¨ng tÇn 50THz.
b. TruyÒn dÉn quang trong c¸p.
Dùa trªn hiÖn t îng ph¶n x¹ toµn phÇn cña tia s¸ng t¹i bÒ mÆt ph©n
c¸ch gi÷a hai m«i tr êng. Khi ¸nh s¸ng ®i tõ m«i tr êng cã chiÕt suÊt lín h¬n
sang m«i tr êng cã chiÕt suÊt nhá h¬n, víi gãc nghiªng nhá h¬n gãc nghiªng
giíi h¹n:
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT 113
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
θ 0 = arccos(n 2/n 1)
Trong ®ã n 2 vµ n 1 lÇn lît lµ chiÕt suÊt cña m«i tr êng ¸nh s¸ng khóc x¹
vµ m«i tr êng ¸nh s¸ng tíi.
c. CÊu t¹o sîi quang dÉn.
Phæ biÕn lµ sîi quang trßn. Nã gåm mét lâi chÕ t¹o tõ vËt liÖu quang
dÉn cã chiÕt suÊt n 1, vµ mét líp vá cã chiÕt suÊt n 2 (n1 > n 2). Trong thùc tÕ
dïng tû sè chiÕt suÊt
∆ = (n1-n 2)/n1.
d. Ph©n lo¹i sîi quang dÉn.
Dùa theo ®Æc ®iÓm cña c¸c lo¹i sîi chia thµnh sîi ®¬n mode vµ sîi ®a
mode. Dùa theo sù biÕn thiªn cña chiÕt suÊt trong lâi chia thµnh sîi cã
chiÕt suÊt bËc vµ sîi cã chiÕt suÊt gi¶m dÇn.
3.2. C¸c bé kÕt nèi c¬ së: combiler, splitter vµ coupler.
3.3. C¸c bé läc bíc sãng ®iÓn h×nh.
3.4. C¸c bé biÕn ®æi bíc sãng
Trong m¹ng quang ghÐp theo bíc sãng, mçi kªnh th«ng tin sö dông
mét bíc sãng cè ®Þnh vµ ®Ó thiÕt lËp mét ®êng s¸ng th× yªu cÇu mäi nót
trong ®êng ®Òu ph¶i ®îc ph©n nhiÖm cïng mét bíc sãng. Sù Ðp buéc nµy
yªu cÇu ph¶i cã qu¸ tr×nh biÕn ®æi bíc sãng khi thùc hiÖn kÕt nèi gi÷a c¸c
nót sö dông bíc sãng kh¸c nhau. BiÕn ®æi bíc sãng thùc chÊi lµ biÕn ®æi
tÝn hiÖu tõ bíc sãng tíi vµo mét bíc sãng kh¸c.
Kü thuËt biÕn ®æi bíc sãng ®îc ph©n lµm hai lo¹i lµ: BiÕn ®æi bíc
sãng b»ng ph¬ng ph¸p quang-®iÖn vµ biÕn ®æi bíc sãng hoµn toµn quang.
3.4.1.BiÕn ®æi b¬c sãng quang ®iÖn
§èi víi kü thuËt biÕn ®æi bíc sãng quang ®iÖn, ban ®Çu luång tÝn
hiÖu quang ®îc biÕn ®æi thµnh luång bÝt ®iÖn tö nhê sö dông bé t¸ch sãng
quang-®iÖn. Sau ®ã luång bÝt ®iÖn tö ®îc lu trong bé nhí ®Öm FIFO. §Çu
ra cña bé nhí nµy ®iÒu khiÓn ®Çu vµo cña mét laser ph¸t sãng ®iÒu
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT 114
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
chØnh ®îc, laser nµy ®îc ®iÒu chØnh ®Õn bíc sãng yªu cÇu nhê bé gi¶i m·
®Þa chØ. Luång tÝn hiÖu quang sau ®ã sÏ mang th«ng tin cña luång tÝn
hiÖu quang ban ®Çu nhng víi mét bíc sãng kh¸c.
Ph¬ng ph¸p nµy cã thÓ ®¹t tíi tèc ®é 10Gbps, tuy nhiªn nã rÊt phøc
t¹p, tiªu thô nguån nu«i lín, ¶nh hëng ®Õn tÝnh trong suèt cña tÝn hiÖu,
mäi th«ng tin vÒ pha, biªn ®é bÞ mÊt trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi.
3.4.2.BiÕn ®æi bíc sãng hoµn toµn quang
Theo kü thuËt nµy, trong suèt qu¸ tr×nh biÕn ®æi bíc sãng, tÝn hiÖu
quang kh«ng hÒ bÞ biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. BiÕn ®æi bíc sãng
hoµn toµn quang cã thÓ sö dông hiÖu øng coherent hoÆc sö dông ph¬ng
ph¸p ®iÒu chÕ chÐo. Trén sãng ®¶m b¶o cho c¶ th«ng tin vÒ pha vµ biªn
®é, ®ång thêi còng ®¶m b¶o tÝnh trong suèt cña tÝn hiÖu. Nã cßn cho
phÐp biÕn ®æi ®ång thêi mét tËp c¸c bíc sãng ®Çu vµo thµnh mét tËp c¸c
bíc sãng ®Çu ra, víi tèc ®é ®¹t tíi 100Gbps.
Ch¬ng 3: C¸c ph¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn vµ ghÐp kªnh quang
1.C¸c ph¬ng thøc ®iÒu khiÓn chuyÓn m¹ch quang
Mét vÊn ®Ò ®Æt ra ®èi víi chuyÓn m¹ch quang lµ lµm sao ®Ó thùc
hiÖn c¸c kÕt nèi kh«ng gian khi mµ tÝn hiÖu vÉn gi÷ nguyªn ë d¹ng quang
mµ kh«ng chuyÓn vÒ d¹ng ®iÖn tö. Cã nhiÒu c¸ch ®Ó thùc hiÖn kÕt nèi
nµy, ë ®©y xÐt ph¬ng ph¸p sö dông ®iÖn tr êng ®Ó ®iÒu khiÓn.
Do tÝnh chÊt ®Æc biÖt cña c¸c vËt liÖu quang ®iÖn lµ chóng cã thÓ
thay ®æi chiÕt suÊt khi cã mÆt cña ®iÖn tr êng, nªn c¸c vËt liÖu nµy cã
thÓ ®îc sö dông lµm bé ®iÒu chÕ pha hoÆc bé lµm trÔ sãng quang ®iÒu
khiÓn b»ng ®iÖn.
Mét chuyÓn m¹ch 1x1 sö dông quang tÝch hîp lµ giao thoa kÕ March-
Zehnder, bao gåm mét bé t¸ch c«ng suÊt quang dïng ®Ó t¸ch sãng quang
®Çu vµo thµnh hai phÇn víi tû lÖ 50:50, mét bé ghÐp c«ng suÊt quang sÏ
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT 115
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
kÕt hîp tÝn hiÖu t¹i ®Çu ra cña c¸c èng dÉn sãng ®ã. Mét phÇn tö lµm trÔ
sãng quang ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn, ®îc dïng ®Ó ®iÒu chØnh ®é dµi ®êng
quang t¹i mét trong nh÷ng èng dÉn sãng. Giao thoa kÕ nµy ho¹t ®éng dùa
trªn nguyªn lý giao thoa ¸nh s¸ng x¶y ra khi ¸nh s¸ng ®i theo hai nh¸nh cña
MZI vµ giao nhau t¹i ®iÓm gÆp nhau cña chóng.
HiÖu quang tr×nh cña hai tia s¸ng lµ :
V
∆D = L.∆n = -0,5.τ .n 3.E.L = -0,5.τ .n3. .L
d
Víi d lµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®iÖn cùc. B»ng c¸ch thay ®æi c¸c gi¸ trÞ kh¸c
nhau cña ®iÖn tr êng ngoµi, ta cã thÓ cã c¸c tr¹ng th¸i kh¸c nhau cña chuyÓn
m¹ch. Khi hiÖu quang tr×nh b»ng mét sè nguyªn lÇn bíc sãng th× t¹i ®Çu ra
cña MZI cã ¸nh s¸ng ra, cßn khi hiÖu quang tr×nh b»ng mét sè lÎ lÇn nöa bíc
sãng th× t¹i ®Çu ra cña MZI kh«ng cã ¸nh s¸ng ra.
XÐt khi hiÖu quang tr×nh cña hai tia s¸ng lµ:
λ V λ λ.d
∆D = ⇔ 0,5.τ .n3. .L = ⇒ V= Vπ =
2 d 2 τ .n 3 .L
Khi ®ã sù kh¸c pha cña hai tia s¸ng trong hai èng dÉn sãng lµ:
2π
∆φ = ∆β .L = .∆n.L = π
λ
Nh vËy khi ¸p ®Æt mét ®iÖn thÕ ®iÒu khiÓn Vπ lªn c¸c ®iÖn cùc th×
ta ®¹t ®îc sù kh¸c pha cña c¸c sãng quang trong hai èng dÉn sãng lµ π, t¬ng
øng víi tr êng hîp kh«ng cã tÝn hiÖu t¹i ®Çu ra cña MZI.
Tãm l¹i ®Ó ®iÒu khiÓn chuyÓn m¹ch dïng giao thoa kÕ MZI, ta chØ
cÇn thay ®æi ®iÖn ¸p chuyÓn m¹ch gi÷a hai gi¸ trÞ 0 vµ Vπ . Thùc tÕ, ¸nh
s¸ng t¹i ®Çu ra chuyÓn m¹ch kh«ng ph¶i lµ chïm s¸ng liªn tôc mµ lµ c¸c ¶nh
giao thoa cùc ®¹i vµ cùc tiÓu, chóng lµ c¸c v¹ch s¸ng c¸ch ®Òu nhau mét
kho¶ng phô thuéc vµo gãc θ hîp bëi hai nh¸nh cña giao thoa kÕ khi ¸nh s¸ng
gÆp l¹i nhau.
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT 116
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
C¸c coupler ®Þnh híng th êng ®îc sö dông trong chuyÓn m¹ch quang
ghÐp theo bíc sãng, nã ®ãng vai trß nh mét chuyÓn m¹ch 2x2 ®iÒu khiÓn
b»ng ®iÖn tr êng. B»ng c¸nh thay ®æi ®iÖn tr êng ®iÒu khiÓn, tÝn hiÖu ¸nh
s¸ng cã thÓ vÉn n»m trong cïng èng dÉn sãng ®ã hoÆc chuyÓn sang èng
dÉn sãng kia. Mét chuyÓn m¹ch 4x4 cã thÓ ®îc thùc hiÖn tõ 5 chuyÓn m¹ch
2x2 b»ng c¸ch tÝch hîp chóng trªn mét phiÕn ®¬n.
2.Mét sè kü thuËt ghÐp kªnh quang, ®iÒu chÕ quang vµ khuÕch ®¹i
quang
Ch¬ng 4: M¹ng quang ghÐp kªnh theo b¬c sãng
1.S¬ ®å thÝ nghiÖm chuyÓn m¹ch quang ghÐp theo b¬c sãng
Trong ®Ò tµi tr×nh bµy mét hÖ thèng thÝ nghiÖm vÒ chuyÓn m¹ch
quang ghÐp theo bíc sãng. HÖ thèng nµy gåm mét bé ghÐp bíc sãng, mét
bé chyÓn m¹ch vµ mét bé t¸ch kªnh. Bé ghÐp bíc sãng cã chøc n¨ng biÕn
®iÖu cêng ®é c¸c phÇn tö mang ¸nh s¸ng cung cÊp tõ nguån ¸nh s¸ng bíc
sãng chuÈn theo c¸c tÝn hiÖu ®Çu vµo tõ kªnh 1 tíi kªnh n, t ¬ng øng ta thu
®îc c¸c tÝn hiÖu quang cã bíc sãng tõ λ 1 tíi λ n vµ mét bé kÕt hîp quang dïng
®Ó ghÐp c¸c luång tÝn hiÖu ®ã l¹i thµnh mét luång WDM.
Trong bé chuyÓn m¹ch tÝn hiÖu ®Çu vµo WDM ®îc t¸ch ra vµ c¸c
phÇn ®îc dÉn ®Õn c¸c bé läc bíc sãng cã kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh réng, mçi bé
läc t¸ch ra mét tÝn hiÖu cã bíc sãng riªng biÖt. Sau ®ã chóng ®îc chuyÓn
thµnh tÝn hiÖu ®iÖn tö nhê bé biÕn ®æi O/E. Luång tÝn hiÖu ®iÖn nµy ®-
îc sö dông ®Ó ®iÒu khiÓn bé ®iÒu biÕn t¹o ra mét bíc sãng míi mang th«ng
tin cÇn chuyÓn m¹ch. Bé t¸ch bíc sãng gåm mét bé t¸ch kªnh quang, c¸c bé
läc bíc sãng cè ®Þnh vµ c¸c bé chuyÓn ®æi O/E.
Nh vËy chøc n¨ng cña bé biÕn ®æi bíc sãng t ¬ng tù nh khe thêi gian
trong chuyÓn m¹ch ®iÖn tö. Sè kªnh ph©n chia bíc sãng n trong m¹ng
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT 117
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
chuyÓn m¹ch photonic nµy chñ yÕu ®îc x¸c ®Þnh b»ng tÝnh n¨ng cña bé läc
®iÒu chØnh ®îc. Theo tÝnh to¸n, ®Ó tho¶ m·n møc sai lçi 10-10 ®èi víi c¸c
tÝn hiÖu 200Mbps, c¸c gi¸ trÞ n cã thÓ ®¹t ®îc b»ng 8 vµ 16.
Víi viÖc n©ng cao ®é khuÕch ®¹i quang cña bé läc vµ viÖc thay thÕ
bé kÕt hîp quang b»ng mét bé ghÐp ®a hîp bíc sãng tæn hao thÊp, gi¸ trÞ n
cã thÓ cao h¬n. Dù tÝnh lµ cã thÓ ®¹t ®îc kh¶ n¨ng ghÐp trªn 32 bíc sãng.
KÕt luËn
Do nh÷ng u ®iÓm cña m×nh, c¸c hÖ thèng chuyÓn m¹ch quang sÏ lµ
mét phÇn tö cÇn thiÕt ®Ó bè trÝ t¹i c¸c nót cã th«ng lîng cao cña m¹ng
chuyÓn t¶i b¨ng réng còng nh phôc vô cho c¸c dÞch vô sö dông ®é réng b¨ng
cao.
Tuy nhiªn, ®Ó triÓn khai m¹ng quang díi diÖn réng, cÇn ph¶i gi¶i
quyÕt mét sè vÊn ®Ò phøc t¹p n÷a. Nh viÖc thiÕu c¸c bé ®Öm quang mang
tÝnh kinh tÕ, khã kh¨n khi truyÒn c¸c tÝn hiÖu tèc ®é cao trªn kho¶ng c¸ch
xa, kh«ng cã c¸c nguån s¸ng kÝch th íc nhá gän vµ kinh tÕ, phï hîp víi viÖc sö
dông trong c¸c hÖ thèng chuyÓn m¹ch, nhu cÇu gi¶m tæn hao vµ gia t¨ng
kh¶ n¨ng tÝch hîp cña c¸c hÖ thèng chuyÓn m¹ch quang thµnh mét hÖ
thèng chuyÓn m¹ch cì lín vµ cÇn gi¶m ®é nh¹y nhiÖt ®é ®èi víi c¸c hÖ thèng
chuyÓn m¹ch quang,...c¸c chíng ng¹i nµy lµm c¶n trë rÊt lín ®Õn qu¸ tr×nh
triÓn khai c¸c m¹ng hoµn toµn quang.
HiÖn nay chuyÓn m¹ch quang kh«ng chØ thµnh c«ng ë phßng thÝ
nghiÖm mµ ®· ®îc ®a ra thÞ tr êng: NhËt B¶n ®· th ¬ng m¹i ho¸ chuyÓn
m¹ch ATM quang vµ chuyÓn m¹ch gãi quang. Trong t ¬ng lai kh«ng xa, ch¾c
ch¾n m¹ng hoµn toµn quang, dïng chuyÓn m¹ch quang dung l îng lín sÏ ®îc
®a vµo sö dông réng r·i.
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT 118
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
Trong khu«n khæ cña ®Ò tµi nµy chóng em ®· tr×nh bµy nh÷ng yÕu
tè c¬ së, nh÷ng nguyªn lý c¬ b¶n nhÊt cña chuyÓn m¹ch quang ghÐp theo b-
íc sãng. Chóng em hy väng ®©y sÏ lµ nÒn t¶ng ®Ó chóng em tiÕp tôc t×m
hiÓu, nghiªn cøu ngµy cµng s©u h¬n n÷a vµo lÜnh vùc míi mÎ vµ ®Çy høa
hÑn nµy. Mét lÇn n÷a thay mÆt nhãm nghiªn cøu khoa häc em xin ch©n
thµnh c¶m¬n sù quan t©m cña häc viÖn, sù tËn t×nh gióp ®ì cña c¸c thµy
c« gi¸o cïng toµn thÓ c¸c b¹n ®· quan t©m tíi lÜnh vùc nµy.
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT 119
