Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HSSV nghiên cứu Kỹ THUậT chuyển mạch quang theo bớc sóng Chơng 1: Tổng quan về công nghệ chuyển mạch quang. 1. Các chuyển mạch cơ sở. 2. Sự phát triển từ chuyển mạch điện tử sang chuyển mạch quang. - Nhu cầu dịch vụ viễn thông ngày càng tăng trong tơng lai. - Sự phát triển của các hệ thống truyền dẫn quang cùng với những u điểm của các thiết bị quang. - Những nhợc điểm khi truyên dẫn bằng quang nhng chuyển mạch bằng điện tử. 3. Phân loại chuyển mạch quang. - Phân loại theo phơng diện điều khiển: + Chuyển mạch quang cơ. + Chuyển mạch quang âm. + Chuyển mạch quang từ. + Chuyển mạch quang điện. + Chuyển mạch hoàn toàn quang. - Phân loại theo phơng thức ghép kênh. + Chuyển mạch quang ghép kênh phân chia theo không gian. + Chuyển mạch quang ghép kênh phân chia theo thời gian. + Chuyển mạch quang ghép kênh phân chia theo độ dài bớc sóng. Chơng 2: Kỹ thuật chuyển mạch quang phân chia theo bớc sóng 1.Đặc điểm của kỹ thuật chuyển mạch quang phân chia theo bớc sóng. 2.Nguyên lý của kỹ thuật chuyển mạch quang theo bớc sóng. Tín hiệu WDM đầu vào đợc dẫn đến các bộ lọc bớc sóng có thể điều chỉnh đợc, mỗi bộ lọc này tách ra một bớc sóng riêng biệt. Tín hiệu ra từ bộ lọc bớc sóng có khả năng điều chỉnh đợc đợc biến điệu cờng độ vào một phần tử mang ánh sáng bớc sóng ấn định trớc. Phần tử này có đợc là do tách ra từ ánh sáng bớc sóng chuẩn nhờ một bộ lọc bớc sóng cố định. Qua quá trình này, các bớc sóng đầu vào đợc chuyển thành các bớc sóng đầu ra tơng ứng, điều này dẫn đến sự trao đổi bớc sóng. Các bớc sóng đầu ra đợc tổ hợp lại rồi đa lên đờng truyền 3. Các khối chức năng của hệ thống chuyển mạch quang phân chia theo bớc sóng 3.1.Cáp quang. a. Đặc tính của cáp quang. Cáp quang có nhiều đặc tính quý, một trong số đó là suy hao thấp. Có hai vùng mà tại đó sự suy hao là rất nhỏ. Tại 1300100nm với suy hao nhỏ hơn 0.5 dB/km cho băng tần 25THz và tại 1550nm với suy hao nhỏ hơn 0.2dB/km cho băng tần 50THz. b. Truyền dẫn quang trong cáp. Dựa trên hiện tợng phản xạ toàn phần của tia sáng tại bề mặt phân cách giữa hai môi tr- ờng. Khi ánh sáng đi từ môi trờng có chiết suất lớn hơn sang môi trờng có chiết suất nhỏ hơn, với góc nghiêng nhỏ hơn góc nghiêng giới hạn: Học viện công nghệ BCVT 112 Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HSSV 0 = arccos(n 2 /n 1 ) Trong đó n 2 và n 1 lần lợt là chiết suất của môi trờng ánh sáng khúc xạ và môi trờng ánh sáng tới. c. Cấu tạo sợi quang dẫn. Phổ biến là sợi quang tròn. Nó gồm một lõi chế tạo từ vật liệu quang dẫn có chiết suất n 1 , và một lớp vỏ có chiết suất n 2 (n 1 > n 2 ). Trong thực tế dùng tỷ số chiết suất = (n 1 -n 2 )/n 1 . d. Phân loại sợi quang dẫn. Dựa theo đặc điểm của các loại sợi chia thành sợi đơn mode và sợi đa mode. Dựa theo sự biến thiên của chiết suất trong lõi chia thành sợi có chiết suất bậc và sợi có chiết suất giảm dần. 3.2. Các bộ kết nối cơ sở: combiler, splitter và coupler. 3.3. Các bộ lọc bớc sóng điển hình. 3.4. Các bộ biến đổi bớc sóng Trong mạng quang ghép theo bớc sóng, mỗi kênh thông tin sử dụng một bớc sóng cố định và để thiết lập một đờng sáng thì yêu cầu mọi nút trong đờng đều phải đợc phân nhiệm cùng một bớc sóng. Sự ép buộc này yêu cầu phải có quá trình biến đổi bớc sóng khi thực hiện kết nối giữa các nút sử dụng bớc sóng khác nhau. Biến đổi bớc sóng thực chấi là biến đổi tín hiệu từ bớc sóng tới vào một bớc sóng khác. Kỹ thuật biến đổi bớc sóng đợc phân làm hai loại là: Biến đổi bớc sóng bằng phơng pháp quang-điện và biến đổi bớc sóng hoàn toàn quang. 3.4.1.Biến đổi bơc sóng quang điện Đối với kỹ thuật biến đổi bớc sóng quang điện, ban đầu luồng tín hiệu quang đợc biến đổi thành luồng bít điện tử nhờ sử dụng bộ tách sóng quang-điện. Sau đó luồng bít điện tử đợc l- u trong bộ nhớ đệm FIFO. Đầu ra của bộ nhớ này điều khiển đầu vào của một laser phát sóng điều chỉnh đợc, laser này đợc điều chỉnh đến bớc sóng yêu cầu nhờ bộ giải mã địa chỉ. Luồng tín hiệu quang sau đó sẽ mang thông tin của luồng tín hiệu quang ban đầu nhng với một bớc sóng khác. Phơng pháp này có thể đạt tới tốc độ 10Gbps, tuy nhiên nó rất phức tạp, tiêu thụ nguồn nuôi lớn, ảnh hởng đến tính trong suốt của tín hiệu, mọi thông tin về pha, biên độ bị mất trong quá trình biến đổi. 3.4.2.Biến đổi bớc sóng hoàn toàn quang Theo kỹ thuật này, trong suốt quá trình biến đổi bớc sóng, tín hiệu quang không hề bị biến đổi thành tín hiệu điện. Biến đổi bớc sóng hoàn toàn quang có thể sử dụng hiệu ứng coherent hoặc sử dụng phơng pháp điều chế chéo. Trộn sóng đảm bảo cho cả thông tin về pha và biên độ, đồng thời cũng đảm bảo tính trong suốt của tín hiệu. Nó còn cho phép biến đổi đồng thời một tập các bớc sóng đầu vào thành một tập các bớc sóng đầu ra, với tốc độ đạt tới 100Gbps. Chơng 3: Các phơng pháp điều khiển và ghép kênh quang 1.Các phơng thức điều khiển chuyển mạch quang Một vấn đề đặt ra đối với chuyển mạch quang là làm sao để thực hiện các kết nối không gian khi mà tín hiệu vẫn giữ nguyên ở dạng quang mà không chuyển về dạng điện tử. Có nhiều cách để thực hiện kết nối này, ở đây xét phơng pháp sử dụng điện trờng để điều khiển. Học viện công nghệ BCVT 113 Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HSSV Do tính chất đặc biệt của các vật liệu quang điện là chúng có thể thay đổi chiết suất khi có mặt của điện trờng, nên các vật liệu này có thể đợc sử dụng làm bộ điều chế pha hoặc bộ làm trễ sóng quang điều khiển bằng điện. Một chuyển mạch 1x1 sử dụng quang tích hợp là giao thoa kế March-Zehnder, bao gồm một bộ tách công suất quang dùng để tách sóng quang đầu vào thành hai phần với tỷ lệ 50:50, một bộ ghép công suất quang sẽ kết hợp tín hiệu tại đầu ra của các ống dẫn sóng đó. Một phần tử làm trễ sóng quang điều khiển bằng điện, đợc dùng để điều chỉnh độ dài đờng quang tại một trong những ống dẫn sóng. Giao thoa kế này hoạt động dựa trên nguyên lý giao thoa ánh sáng xảy ra khi ánh sáng đi theo hai nhánh của MZI và giao nhau tại điểm gặp nhau của chúng. Hiệu quang trình của hai tia sáng là : D = L.n = -0,5 n 3 .E.L = -0,5 n 3 . d V .L Với d là khoảng cách giữa hai điện cực. Bằng cách thay đổi các giá trị khác nhau của điện tr- ờng ngoài, ta có thể có các trạng thái khác nhau của chuyển mạch. Khi hiệu quang trình bằng một số nguyên lần bớc sóng thì tại đầu ra của MZI có ánh sáng ra, còn khi hiệu quang trình bằng một số lẻ lần nửa bớc sóng thì tại đầu ra của MZI không có ánh sáng ra. Xét khi hiệu quang trình của hai tia sáng là: D = 2 0,5 n 3 . d V .L = 2 V= V = Ln d . 3 Khi đó sự khác pha của hai tia sáng trong hai ống dẫn sóng là: = .L = 2 .n.L = Nh vậy khi áp đặt một điện thế điều khiển V lên các điện cực thì ta đạt đợc sự khác pha của các sóng quang trong hai ống dẫn sóng là , tơng ứng với trờng hợp không có tín hiệu tại đầu ra của MZI. Tóm lại để điều khiển chuyển mạch dùng giao thoa kế MZI, ta chỉ cần thay đổi điện áp chuyển mạch giữa hai giá trị 0 và V . Thực tế, ánh sáng tại đầu ra chuyển mạch không phải là chùm sáng liên tục mà là các ảnh giao thoa cực đại và cực tiểu, chúng là các vạch sáng cách đều nhau một khoảng phụ thuộc vào góc hợp bởi hai nhánh của giao thoa kế khi ánh sáng gặp lại nhau. Các coupler định hớng thờng đợc sử dụng trong chuyển mạch quang ghép theo bớc sóng, nó đóng vai trò nh một chuyển mạch 2x2 điều khiển bằng điện trờng. Bằng cánh thay đổi điện trờng điều khiển, tín hiệu ánh sáng có thể vẫn nằm trong cùng ống dẫn sóng đó hoặc chuyển sang ống dẫn sóng kia. Một chuyển mạch 4x4 có thể đợc thực hiện từ 5 chuyển mạch 2x2 bằng cách tích hợp chúng trên một phiến đơn. 2.Một số kỹ thuật ghép kênh quang, điều chế quang và khuếch đại quang Chơng 4: Mạng quang ghép kênh theo bơc sóng 1.Sơ đồ thí nghiệm chuyển mạch quang ghép theo bơc sóng Trong đề tài trình bày một hệ thống thí nghiệm về chuyển mạch quang ghép theo bớc sóng. Hệ thống này gồm một bộ ghép bớc sóng, một bộ chyển mạch và một bộ tách kênh. Bộ ghép bớc sóng có chức năng biến điệu cờng độ các phần tử mang ánh sáng cung cấp từ nguồn Học viện công nghệ BCVT 114 Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HSSV ánh sáng bớc sóng chuẩn theo các tín hiệu đầu vào từ kênh 1 tới kênh n, tơng ứng ta thu đợc các tín hiệu quang có bớc sóng từ 1 tới n và một bộ kết hợp quang dùng để ghép các luồng tín hiệu đó lại thành một luồng WDM. Trong bộ chuyển mạch tín hiệu đầu vào WDM đợc tách ra và các phần đợc dẫn đến các bộ lọc bớc sóng có khả năng điều chỉnh rộng, mỗi bộ lọc tách ra một tín hiệu có bớc sóng riêng biệt. Sau đó chúng đợc chuyển thành tín hiệu điện tử nhờ bộ biến đổi O/E. Luồng tín hiệu điện này đợc sử dụng để điều khiển bộ điều biến tạo ra một bớc sóng mới mang thông tin cần chuyển mạch. Bộ tách bớc sóng gồm một bộ tách kênh quang, các bộ lọc bớc sóng cố định và các bộ chuyển đổi O/E. Nh vậy chức năng của bộ biến đổi bớc sóng tơng tự nh khe thời gian trong chuyển mạch điện tử. Số kênh phân chia bớc sóng n trong mạng chuyển mạch photonic này chủ yếu đợc xác định bằng tính năng của bộ lọc điều chỉnh đợc. Theo tính toán, để thoả mãn mức sai lỗi 10 -10 đối với các tín hiệu 200Mbps, các giá trị n có thể đạt đợc bằng 8 và 16. Với việc nâng cao độ khuếch đại quang của bộ lọc và việc thay thế bộ kết hợp quang bằng một bộ ghép đa hợp bớc sóng tổn hao thấp, giá trị n có thể cao hơn. Dự tính là có thể đạt đợc khả năng ghép trên 32 bớc sóng. Kết luận Do những u điểm của mình, các hệ thống chuyển mạch quang sẽ là một phần tử cần thiết để bố trí tại các nút có thông lợng cao của mạng chuyển tải băng rộng cũng nh phục vụ cho các dịch vụ sử dụng độ rộng băng cao. Tuy nhiên, để triển khai mạng quang dới diện rộng, cần phải giải quyết một số vấn đề phức tạp nữa. Nh việc thiếu các bộ đệm quang mang tính kinh tế, khó khăn khi truyền các tín hiệu tốc độ cao trên khoảng cách xa, không có các nguồn sáng kích thớc nhỏ gọn và kinh tế, phù hợp với việc sử dụng trong các hệ thống chuyển mạch, nhu cầu giảm tổn hao và gia tăng khả năng tích hợp của các hệ thống chuyển mạch quang thành một hệ thống chuyển mạch cỡ lớn và cần giảm độ nhạy nhiệt độ đối với các hệ thống chuyển mạch quang, các chớng ngại này làm cản trở rất lớn đến quá trình triển khai các mạng hoàn toàn quang. Hiện nay chuyển mạch quang không chỉ thành công ở phòng thí nghiệm mà đã đợc đa ra thị trờng: Nhật Bản đã thơng mại hoá chuyển mạch ATM quang và chuyển mạch gói quang. Trong tơng lai không xa, chắc chắn mạng hoàn toàn quang, dùng chuyển mạch quang dung l- ợng lớn sẽ đợc đa vào sử dụng rộng rãi. Trong khuôn khổ của đề tài này chúng em đã trình bày những yếu tố cơ sở, những nguyên lý cơ bản nhất của chuyển mạch quang ghép theo bớc sóng. Chúng em hy vọng đây sẽ là nền tảng để chúng em tiếp tục tìm hiểu, nghiên cứu ngày càng sâu hơn nữa vào lĩnh vực mới mẻ và đầy hứa hẹn này. Một lần nữa thay mặt nhóm nghiên cứu khoa học em xin chân thành cảmơn sự quan tâm của học viện, sự tận tình giúp đỡ của các thày cô giáo cùng toàn thể các bạn đã quan tâm tới lĩnh vực này. Học viện công nghệ BCVT 115 . đề tài nghiên cứu khoa học HSSV nghiên cứu Kỹ THUậT chuyển mạch quang theo bớc sóng Chơng 1: Tổng quan về công nghệ chuyển mạch quang. 1. Các chuyển mạch. thuật chuyển mạch quang phân chia theo bớc sóng 1.Đặc điểm của kỹ thuật chuyển mạch quang phân chia theo bớc sóng. 2.Nguyên lý của kỹ thuật chuyển mạch