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

1

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

2

LỜI MỞ ĐẦU

Thế kỷ 21 là thế kỷ của công nghệ thông tin. Sự bùng nổ của các loại hình dịch vụ

thông tin, đặc biệt là sự phát triển nhanh chóng của Internet và World Wide Web

làm gia tăng không ngừng về dung lượng mạng. Điều này đòi hỏi phải xây dựng và

phát triển các mạng quang mới dung lượng cao. Quy mô của hệ thống chuyển mạch

trong mạng thông tin càng ngày càng lớn, tốc độ vận hành cũng càng ngày càng

cao. 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 mạch

quang và ứng dụng của chuyển mạch quang trong hệ thống thông tin quang là một

giải 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 rõ

hơn về vấn đề này em đã nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch

quang 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 thông

tin quang.

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

quang.

Do thời gian thực hiện và kiến thức của em còn nhiều hạn chế nên đề tài không

tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được những góp ý của các thầy và các

bạn để có thể hoàn thiện hơn kiến thức của mình về chuyên nghành mình đã được

đào tạo.

Qua đây em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong khoa, đặc biệt là thầy giáo

Ths Nguyễn Đình Thạch đã tận tình hướng dẫn em để em có thể hoàn thành đề tài

đúng thời gian qui định.

Hải Phòng, ngày tháng12 năm 2008

Sinh viên

ĐÀO VIỆT DŨNG

3

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 làm

phương tiện thông tin thông qua khả năng nhận biết của con người qua đôi mắt đến

nay lịch sử phát triển của thông tin quang đã trải qua những bước phát triển và hoàn

thiện đươc ghi nhận bằng những mốc chính sau :

1790: CLAUDE CHAPE (kỹ sư người Pháp), đã xây dựng một hệ thống điện

báo 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 có

thể truyền qua một vòi uốn cong. Thí nghiệm của ông đã sử dụng nguyên lý phản xạ

toàn phần điều mà hiện nay thông tin quang vẫn còn sử dụng.

1880: ALEXANDER GRAHAM BELL (người Mỹ), giới thiệu hệ thống

photophone, qua đó tiếng nói có thể truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường

không khí mà không cần dây. Tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trong

thực 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 phát

triển Laser.

1960: Laser bán dẫn và photodiode được thừa nhận. Vấn đề còn lại là tìm môi

trường truyền dẫn quang thích hợp.

1970: Hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang SI có suy hao

nhỏ 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 chỉ

còn khoảng 0.2dB/km.

Dựa trên các công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn giờ đây đã có thể gửi một

khối 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 nay

4

các 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 và

truyền dẫn thông tin bằng phương tiện ánh sáng. Photon học có khả năng được ứng

dụng 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 lớn

thông tin như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu và các tín hiệu hỗn hợp nhờ một hệ

thống có cự ly đến hàng trăm Ghz tương ứng bằng cách sử dụng sợi quang. Một

khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể được truyền đến những địa

chỉ 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 thể

được lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thuỷ, máy bay và các toà nhà cao tầng mà

không 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 chúng

không 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 ứng

hạt nhân.

Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là thạch anh và chất

dẻo là vật liệu rất sẵn có và rẻ nên rất kinh tế. Giá thành của sợi quang sẽ giảm

nhanh một khi công nghệ mới được đưa ra. Do đặc trưng là hệ số suy hao thấp, giá

thành 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 độ

tin cậy cao. Hơn nữa, nó không bị rò rỉ tín hiệu để kéo dài khi cần và có thể chế tạo

với 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:

5

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

tiếp 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 nhiễu

điện 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 độ

tin cậy cao. Hơn nữa nó không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài khi cần, có thể chế tạo

với giá thành thấp.

Nói chung hệ thống thông tin quang kinh tế hơn nhiều so với sợi kim loại

cùng 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 suốt

khác nhau, một phần cho ánh sáng truyền qua là lõi sợi, phần còn lại là lớp vỏ bao

quanh 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 toàn

phần.

6

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 vào

khoảng 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 ánh

sáng 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 chỉ

một phần có góc tới nằm trong một giới hạn nhất định mới có thể đưa được vào lõi

sợi quang.

7

Phản xạ toàn phần được lặp lại

8

Như trình bày trên hình 1.2, tại điểm đưa vào của sợi quang chia thành ba

môi 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 n (= 1), n và n

. Ta có thể áp dụng các định luật khúc xạ và phản xạ tại các biên tiếp giáp giữa

không khí và lõi, giữa lõi và vỏ.

Ở đây góc nhận lớn nhất là góc mở đối với tia tới số 2 có góc tới bằng

góc tới hạn như trên hình 1.2.

Tại biên của không khí và lõi, lõi và vỏ, định luật Sell cho ta hai phương

trinh như sau :

sin = n sin

sin ( 90 - ) = cos = n / n

Sử dụng n = n , góc mở lớn nhất được tính như sau :

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 bên

trong tại ranh giới giữa lõi và vỏ sợi quang.

sin 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 lượng ánh

sáng vào lõi sợi. Đường kính lõi sợi càng lớn và NA càng lớn sẽ cho hiệu suất ghép

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 liệu

sợi và được biển đổi thành nhiệt gây nên suy hao quang mà không lọt ánh sáng ra

ngoài.

Có hai loại suy hao hấp thụ:

+ Suy hao do bản thân sợi quang: bản thân vật liệu thuỷ tinh có suy hao thấp

thụ cực tím và suy hao hấp thụ hồng ngoại. Suy hao hấp thụ cực tím có đỉnh hấp thụ

ở bước sóng khoảng 0,1m, suy hao hấp thụ hồng ngoại ở khoảng bước sóng 10m.

Các loại này đạt giá trị bé nhất trong giải bước sóng từ 1,0m 1,6m.

9

+ 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 không

đồng đều khi các tia sáng đi qua.

* Suy hao do tán xạ ánh sáng trong không gian (suy hao tán xạ Reyleigh): là hiện

tượng 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 khi

làm lạnh, sợi quang thuỷ tinh sẽ tạo ra sự không đồng đều về mặt vật liệu tức là sự

không đồng đều ở hệ số khúc xạ tạo nên vật liệu còn có quán tính ở nhiệt độ cao

trong sợi quang. Là một trong những nguyên nhân suy hao riêng của sợi quang và là

quá 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 suy

hao trở nên nhỏ đi, tỉ lệ thuận với nhiệt độ nung nóng sợi khi kéo sợi, do vậy nếu

giảm 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 ánh

sáng tán xạ và một vài chỗ còn phát ánh sáng đi ra ngoài. Những chỗ không làm

bằng 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 góc

giới 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 của

sợi quang bị uốn cong đi một lượng nhỏ (vào khoảng vài m) làm tăng suy hao sợi

quang. Còn gọi là suy hao cong vi lượng. Vậy phải chú ý đến cấu trúc của sợi để

bảo 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 đồng

nhất thì một phần của ánh sáng đi ra gây nên suy hao. Khe nhỏ tồn tại ở chỗ nối thì

khe này tạo nên suy hao phản xạ. Nếu độ lớn của phản xạ này lớn thì gọi là phản xạ

Fresnel.

* Suy hao ghép nối sợi quang với các linh kiện thu phát quang xảy ra do sự khác

nhau về đường kính lõi giữa các loại sợi, độ rộng chùm sáng.

10

1.3.4. Sự tán sắc ánh sáng trong sợi quang.

* Tán sắc mode.

Trong các sợi quang đa mode, tốc độ lan truyền ánh sáng của các mode là khác

nhau. Khi một xung ánh sáng được đưa vào sợi quang đa mode thì xung tại đầu ra

có độ rộng lớn hơn độ rộng xung đầu vào. Nguyên nhân là do xung ánh sáng vào

mặc dù chỉ có bước sóng đơn nhưng lan truyền khác nhau. Hiện tượng này gọi là

tán sắc mode, nó làm khoảng trống thời gian giữa các xung cạnh nhau trở nên ngắn

hơn so với sợi nguyên bản của nó. Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi

đặc biệt là đường kính lõi của sợi. Trong các sợi quang đa mode, độ rộng băng

truyền dẫn của nó bị giới hạn chủ yếu bằng tán sắc mode, các sợi đơn mode không

có tán sắc mode.

* Tán sắc bước sóng.

Trong một môi trường đồng nhất, chiết suất khúc xạ của nó biến đổi theo

bước 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 thành

phần 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 truyền

dẫn 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 tượng

phản xạ toàn phần tại bề mặt biên không hoàn toàn giống như trên bề mặt gương mà

còn có thêm những phần thẩm thấu ánh sáng qua lớp vỏ. Ngoài ra, mức độ của sự

thẩm thấu này biến đổi theo bước sóng làm độ dài của đường lan truyền thay đổi

theo 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 là

tán 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 nguyên

nhân 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 nhân

chính gây nên hạn chế độ rộng băng của sợi.

11

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 anh

Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu

Sợi quang bằng nhựa

Phân loại theo mode truyền lan Sợi quang đơn mode

Sơi quang đa mode

Phân 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 thạch

anh nguyên chất mà còn có thêm các tạp chất khác như Ge, B và Flo để làm thay

đổi chiết suất khúc xạ.

-Sợi thuỷ tinh đa vật liệu có thành phần chủ yếu soda lime, thuỷ tinh hay

thuỷ 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 dụng

nhiều nhất vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và các đặc tính

truyền dẫn ổn định trong thời gian dài. Loại sợi làm bằng nhựa thường được sử

dụng ở những nơi cần truyền dẫn cự ly ngắn, khó đi cáp bằng máy móc, thuận tiện

cho 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 và

vỏ.

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

từ.

12

Loại sợi quang SM nằm trong nhóm SI, tuy nhiên sự chênh lệch về chiết suất

khúc 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 quang

được 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 mode

cao hơn sẽ lan truyền qua một khoảng cách lớn hơn và hầu như lan truyền trong

phần có lõi có chiết suất phản xạ thấp

Hình1.3: Sự lan truyền ánh sáng theo phân bố khúc xạ.

13

N2

N

N2

N1

N2

N2

a. Sợi quang loại SI ( đa mode )

b. Sợi quang loại GI

N2

N1

N2

c. Sợi quang loại SM

1.4. CÁP QUANG

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 phải

đáp ứng. Trước hết, lớp vỏ bọc bên ngoài để bảo vệ sợi quang khỏi ảnh hưởng của

môi trường như côn trùng, độ ẩm hoặc các lực cơ học tác động. Cáp cần phải đáp

ứng những yêu cầu sau:

- Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ.

- Không thấm nước.

- Chống được các ảnh hưởng của các lực cơ học như va chạm, lực kéo,

lực nén, lực uốn cong.

- ít bị lão hoá, có thời gian làm việc lâu.

- Trọng lượng nhỏ và kích thước bé.

* Khả năng của sợi và cáp quang:

Để đáp ứng yêu cầu trên, sợi và cáp quang được thiết kế rất ngặt nghèo để vừa

đảm bảo bền vững cơ học vừa đảm bảo được các đặc tính truyền dẫn. Trong một

chừng 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 nhiễu

điện 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 thì

mỗi gam thuỷ tinh làm sợi dẫn quang thay thế được vài kg đông để làm cáp kim

loại. Như vậy sợi cáp sẽ nhỏ hơn và nhẹ hơn kim loại nhiều. Về quan điểm kinh tế

thì cáp quang rất ưu việt, vì vật liệu rất sẵn để chế tạo sợi quang, trong khi kim loại

mầu 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-). Thế

nhưng lớp vỏ bảo vệ trực tiếp bao quanh sợi quang lại làm cho sợi tránh được tác

động cả độ ẩm, tănh độ bền cơ học lại rễ uốn dẻo được. Khi chế tạo cáp quang, cấu

trúc 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 trường

lọt từ từ ruột ra vỏ gây ra tiêu hao phụ. Nếu bán kính uốn cong lớn hơn 60mm thì

tiêu hao phụ có thể bỏ qua, tuy nhiên nếu bán kính uốn cong nhỏ hơn 30mm thì đặc

tính truyền dẫn bị ảnh hưởng đáng kể. Nếu sợi quang trong cáp không bảo vệ cẩn

14

thận 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 nhỏ

thì 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 giảm

sút 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 trước

các tác dụng cơ học của điều kiện bên ngoài trong quá trình thi công lắp đặt và

trong cả quá trình sử dụng lâu dài. Các lực cơ học có thể làm đứt sợi quang tức khắc

hoặc 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 thông

bao gồm: cáp treo, cáp chôn, cáp thả biển (cáp dưới nước), cáp trong nhà. Mỗi loại

cáp có một vài chi tiết đặc biệt ngoài cấu trúc chung của cáp.

* Các thành phần của cáp:

Bao gồm:

- Sợi quang: các sợi quang đã được bọc lớp phủ và lớp vỏ sắp xếp theo một

thứ tự nhất định. Lớp vỏ có thể có dạng đệm lỏng, đệm khít, băng dẹt.

- Thành phần chịu lực: bao gồm thành phần chịu lực trung tâm và thành

phần chịu lực bao bên ngoài.

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

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

Hình 1.4: Cấu trúc tổng quát của cáp quang

15

- Vỏ cáp: Vỏ cáp có tác dụng bảo vệ ruột cáp tránh ảnh hưởng của các điều kiện

bên 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

để ngoài trời.

+Vỏ PVC: thường có màu, có đặc tính khó cháy nên thích hợp cho cáp

trong nhà.

- Thành phần chịu lực:

Vì sợi quang làm bằng thuỷ tinh, dễ bị gãy nên trong cáp sợi quang phải có

thành phần chịu lực để giữ cho sợi quang không bị kéo căng trong quá trình lắp

cũng như sử dụng.

Các thành phần chịu lực bao gồm:

+ Thành phần chịu lực trung tâm: nằm ở trục cáp. Thành phần chịu lực trung

tâm có thể làm bằng sợi kim loại hoặc sợi phi kim.

+ Thành phần chịu lực bao quanh ruột cáp: băng tơ hoặc sợi aramide được

bện bao quanh ruột cáp.

- Thành phần chống ẩm (chất nhồi)

Để tránh sự xâm nhập của nước dọc theo ruột cáp người ta bơm đầy khoảng

trống trong ruột cáp bởi một hợp chất nhờ dưới áp suất rất cao. Hợp chất nhờn cũng

phải có đặc tính giống như chất nhồi trong ống đệm lỏng, tức là:

+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 loại

mỏng (thường là nhôm) hoặc plastic đối với cáp không chứa thành phần kim loại.

16

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 không

cần 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 trực

tiếp trong những vùng có nhiều loại gặm nhất, côn trùng, treo trực tiếp thì cần lớp gia

cường bao quanh vỏ cáp.

Lớp gia cường thường bằng kim loại hoặc dạng lá mỏng bao quang vỏ cáp. Cần có biện

pháp bảo vệ lớp gia cường chống lại sự ăn mòn. Tuy nhiên các ưu điểm của cáp quang

như 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 bố

đối 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 có

sẵn trên một lõi cáp.

+Cáp có cấu trúc băng dẹt: nhiều sợi quang được ghép trên một băng và

trong 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 cần

hai 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.

+Cáp đường dài.

- Phân loại theo điều kiện lắp đặt: bao gồm các loại cáp sau:

+ Cáp chôn trực tiếp.

+ Cáp đặt trong cống.

+ Cáp thả dưới nước.

+ Cáp treo ngoài trời.

+ Cáp dùng trong nhà.

17

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 lối

vào hoặc kết nối lưu lượng trên một khối chuyển mạch tới một cổng lối ra. Hệ thống

chuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong

các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ

một mạch này tới một mạch khác.

Tùy thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà các thông tin được trao đổi dưới

dạng thời gian thực (chuyển mạch kênh). Chuyển mạch kênh là một phương pháp

thông 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, chuyển

mạch gói thực hiện truyền các gói số liệu độc lập. Mỗi gói đi từ một cổng này tới

một cổng khác theo một đường nào đó. Các gói không thể gửi tới nút kế tiếp khi

chưa thực hiện thành công tại nút trước đó. Mỗi nút cần có các bộ đệm để tạm thời

lưu các gói. Mỗi nút trong chuyển mạch gói yêu cầu một hệ thống quản lý để thông

báo 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 thông

tin quang hiện nay và tiến tới là mạng toàn quang, mà ở đó nó thực hiện việc đấu

nối các tín hiệu quang ở đầu vào tới các đầu ra khác nhau. Một bộ chuyển mạch

quang 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

18

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 đầu

vào, ra trước và sau chuyển mạch. Toàn bộ hoạt động của chúng được điều khiển và

giám 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 ống

dẫn 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 tải

điện, 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 suất

hoặc hệ số hấp thụ trong vùng tích cực của thiết bị bán dẫn thông qua các hạt tải

điện 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, do

thời gian sống của các hạt tải điện ngắn, cỡ nano giây.

Chuyển mạch điều khiển nhờ điện trường có tốc độ chuyển mạch không phụ

thuộc vào thời gian sống của hạt tải điện, vì thế tốc độ chuyển mạch có thể lên tới

100GHz.

Chuyển mạch điều khiển bằng các xung quang kích thích không tạo ra các

hạt 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 độc

lập 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 chia

theo 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 thời

gian ( TS - Time Slot). Các khe thời gian khác nhau có thể mang thông tin khác

nhau. Chuyển mạch phân chia theo thời gian chuyển các tín hiệu quang đã ghép

19

kênh giữa các khe thời gian ti và tj. Trong thông tin quang, chuyển mạch phân chia

thời gian khó thực hiện do các photon không thể dễ dàng lưu trữ và hồi phục. Cách

thường dùng là sử dụng một tập hợp các dây trễ, làm trễ tín hiệu trong các khe thời

gian 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, chuyển

mạch 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 bước

sóng.

Chuyển mạch quảng bá và lựa chọn quảng bá tín hiệu đầu vào đến tất cả các

đầu ra. Các đầu ra sẽ cho/không cho phép tín hiệu trên một bước sóng nào đó đi

qua. Đầu ra có thể được chuyển đổi bước sóng một lần nữa trong trường hợp bước

sóng cho mỗi đầu ra là cố định.

Chuyển mạch định tuyến bước sóng sử dụng bước sóng để chuyển mạch

trong không gian. Dựa vào tính chất giao thoa giữa các sóng, các bước sóng khác

nhau có các vân giao thoa phân bố tại các vị trí khác nhau. Đặt các đầu thu tại các vị

trí này sẽ thu được tín hiệu trên các bước sóng khác nhau. Tín hiệu được đưa ra

ngoài 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 mã

được 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 sử

dụng các mã giả ngẫu nhiên để trải phổ tín hiệu cần truyền. Phía thu phải có bản sao

của 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 chuyển

mạch quang 1x2 hoặc 2x2 cơ sở. Các yêu cầu sau đây cần được chú ý khi xây dựng

các bộ chuyển mạch quang:

- Số lượng phần tử cơ bản: các mạng chuyển mạch kích thước lớn được xây dựng

dựa trên các phần tử chuyển mạch cơ bản 1x2 hoặc 2x2. Khi kích cỡ chuyển mạch

tăng, 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 giá

thành.

20

- 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 thể

khác nhau, nên suy hao tại mỗi đầu ra sẽ khác nhau. Khi thiết kế mạng chuyển

mạch, cần giữ sao cho số lượng phần tử chuyển mạch trên tất cả các đường có thể

giữa hai đầu đầu vào và ra bất kỳ không quá khác nhau, đảm bảo suy hao tại các

đầu 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 nối

kết giữa các phần tử chuyển mạch là các ống dẫn sóng. Khi hai ống dẫn sóng giao

nhau, các hiệu ứng không mong muốn sẽ xảy ra làm ảnh hưởng đến chất lượng tín

hiệu 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 thể

cung cấp đường kết nối giữa hai đầu vào/ra này. Một chuyển mạch là không nghẽn

khi mọi kết nối giữa cặp đầu vào/ra bất kỳ luôn thực hiện được. Khái niệm không

nghẽn còn có thể chia thành không nghẽn theo nghĩa rộng và không nghẽn có thể

sắp xếp lại. Không nghẽn theo nghĩa rộng chỉ các mạng chuyển mạch có khả năng

kết nối một đầu vào bất kỳ với một đầu ra bất kỳ đang rỗi mà không ảnh hưởng đến

các kết nối đang có. Không nghẽn có thể sắp xếp lại là các mạng chuyển mạch có

khả năng cung cấp kết nối cho một đầu vào bất kỳ đến một đầu ra bất kỳ đang rỗi

nhưng các kết nối đang có phải được sắp xếp lại. Mạng không nghẽn có thể sắp xếp

lại có ưu điểm hơn mạng không nghẽn theo nghĩa rộng ở chỗ số lượng phần tử

chuyển mạch cơ sở ít hơn, tuy nhiên cần có một giải thuật định tuyến thông minh và

phức tạp cho mạng, đặc biệt khi kích thước mạng tăng lên. Một vấn đề khác với

mạng không nghẽn có thể sắp xếp lại là đa số các ứng dụng không chấp nhận sự

ngắt 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: bộ

ghép 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 ghép

2x2 được cho trên hình vẽ. Có thể thay đổi chiều dài vùng ghép để thay đổi tỷ số

công suất ghép.

21

Hình 2.2: Bộ ghép định hướng

Gọi Pi1, Pi2, Po1, P02 lần lượt là công suất các đầu vào Input1, 2 và đầu ra

Output1, 2. Gọi là hệ số ghép, ta có:

( 2.1)

Bộ ghép quang cũng được sử dụng để tách một phần nhỏ tín hiệu từ đầu vào

đưa vào các bộ đo đạc, giám sát và điều khiển. Ngoài ra, bộ ghép quang là thành

phần cơ bản trong các bộ giao thoa Mach-Zehner (MZI).

Bằng cách phối ghép các bộ ghép 2x2 trên chúng ta có thể tạo ra các bộ ghép

hình sao NxN. Ví dụ: Ta có thể xây dựng được một bộ ghép hình sao 8x8 từ 12 bộ

ghép 2x2 như sau:

Hình 2.3: Bộ ghép hình sao 8x8

22

Input 1

Input 2

Output 1

Output 2

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

8

Đầu vào Đầu ra

2.2.2. Bộ cách ly quang.

Trong bộ cách ly, khi tín hiệu truyền theo hướng thuận thì đầu ra giống đầu

vào, 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 phân

cực đứng. Sau đó, tín hiệu phân cực được quay pha 45o nhờ bộ quay Faraday (Bộ

quay phân cực Faraday có đặc tính không đối xứng, tức là tín hiệu đi từ bên nào qua

cũng bị quay phân cực đi 45o theo chiều kim đồng hồ) Sau khi quay phân cực, tín

hiệu 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 ngăn

không 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 số

phản xạ R đặt song song cách nhau đoạn l.

23

Ánh sáng vào

Ánh sáng vào

Ánh sáng bị chặn

Ánh sáng phản xạ

1 2 3

Ánh sáng vào

Ánh sáng ra

Ánh sáng bị chặn

Ánh sáng phản xạ

1 2 3

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, tia

sáng phản xạ nhiều lần trên hai gương bán phản xạ. Những sóng ánh sáng có bước

sóng thoả mãn điều kiện:

(2.2)

với: 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 cộng

hưởng chiếm ưu thế. Vì vậy buồng cộng hưởng Fabry-Perot có thể sử dụng như bộ

lọc ánh sáng.

Bộ lọc Fabry-Perot có thể thay đổi bước sóng cộng hưởng bằng cách thay đổi

chiều dài buồng cộng hưởng hay chiết suất môi trường bên trong buồng cộng

hưởng.

- Bộ lọc màng mỏng điện môi.

Cấu tạo bộ lọc màng mỏng gồm các buồng cộng hưởng Fabry-Perot, với các

gương do các lớp điện môi màng mỏng có chiết suất lớn nhỏ đặt xen kẽ nhau tạo

thành.

Bộ lọc phản xạ lại tất cả các bước sóng và chỉ cho đi qua một bước sóng định

trước. 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 kênh

theo bước sóng.

24

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 các

rãnh phủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh trên cách tử có thể lên tới vài nghìn rãnh

trên 1 mm.

Hình 2.7: Cách tử nhiễu xạ

Cách tử có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hướng nhất

định tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng đó. Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng

cách rãnh (gọi là bước cách tử) và góc tới.

25

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 phẳng

ảnh 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 ảnh

dưới góc d nếu thoả mãn điều kiện:

(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 được

thông tin từ các bước sóng khác nhau.

Ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách tử sẽ được tách thành

các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau. Khi tách 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

góc 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 tới

truyền dẫn trên cùng một sợi quang.

26

- Bộ lọc quang âm:

Cấu tạo của bộ lọc quang âm được biểu diễn trên hình 2.9.

Hình 2.9: Bộ lọc quang âm

Bộ lọc quang âm (AOTF – Acoustic-Optic Tunable Filter) bao gồm một ống

dẫn sóng làm từ vật liệu lưỡng chiết quang (birefringent material). Vật liệu lưỡng

chiết quang có chiết suất đối với điện trường và từ trường khác nhau. Tiêu biểu cho

loại vật liệu này là Lithium Niobate (LiNbO3). Đầu ra được đặt bộ lọc phân cực, chỉ

cho đi qua các thành phần mode từ ngang (TM). Đầu vào giả thiết chỉ có mode điện

ngang (TE).

Giả thiết năng lượng ánh sáng đầu vào tập trung tại mode TE. Trong quá trình

sóng lan truyền trong ống dẫn sóng, ta phóng một sóng âm cùng hoặc ngược chiều

với hướng truyền lan của tín hiệu. Sóng âm lan truyền dọc ống dẫn sóng làm thay

đổi mật độ môi trường theo chu kỳ của sóng âm, như vậy, ta đã có một cách tử

Bragg. 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:

(2.4)

(với là bước sóng của ánh sáng truyền trong ống dẫn sóng, là bước sóng của

sóng âm) thì ánh sáng sẽ ghép từ mode này sang mode kia và ngược lại. Khi điều kiện trên

thoả mãn, bộ lọc TM đầu ra sẽ cho các mode TM tương ứng đi ra ngoài.

Với tinh thể LiNbO3, ở bước sóng = 1,55m, tần số sóng âm được sử dụng

xấp xỉ 170 MHz. Tần số sóng âm có thể thay đổi dễ dàng, dẫn đến bộ lọc có khả

năng 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 sang

bước sóng khác ở đầu ra.

27

Chuyển đổi bước sóng thông dụng hiện nay là sử dụng các linh kiện quang-

điện (optoelectronic), cổng quang (optical gating) và trộn sóng (wave mixing). Hiện

nay chủ yếu dùng các bộ chuyển đổi bước sóng dùng linh kiện quang điện.

- Chuyển đổi bước sóng bằng phương pháp biến đổi quang-điện.

Hoạt động trên nguyên lí, tín hiệu được chuyển về miền điện, sau đó, các tín

hiệu điện lại được dùng để điều chế vào bước sóng quang khác.

+

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 điện

nhờ bộ thu quang (Receiver) đầu vào. Chuỗi bit thu được được đưa vào bộ đệm

FIFO (First In First Out). Thông tin địa chỉ của chuỗi dữ liệu được tách ra và đưa

vào điều chế (theo phương thức đặc biệt nào đó sao cho phía thu sẽ dễ dàng tách

được thông tin địa chỉ của gói tin). Đồng thời, chuỗi bít trong bộ đệm được đưa vào

điều chế bộ phát laser ở bước sóng ra cần biến đổi .

- 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. Sự

thay đổi này tạo ra một sóng liên tục chưa bị điều chế nhưng ở bước sóng khác với

bước sóng đầu vào xuyên qua thiết bị. Tại đầu ra, sóng liên tục sẽ mang cả thông tin

của tín hiệu đầu vào nhưng ở bước sóng khác.

Hai nguyên lý chính được sử dụng trong phương thức chuyển đổi bằng cổng

quang, 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.

28

FIFO

Bộ giải mã địa chỉ

R T

+ 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 vào

cường độ tín hiệu vào. Khi công suất tín hiệu vào tăng lên, mật độ hạt mang trong

vùng khuếch đại giảm (bị kích thích mạnh), dẫn đến giảm hệ số khuếch đại. Tốc độ

của các hạt mang trong SOA rất lớn, cỡ pico giây. Do vậy, thời gian đáp ứng của

phương thức chuyển đổi này có thể đạt tới mức bit-by-bit. Nếu một tín hiệu công

suất thấp ở một bước sóng khác được đưa vào SOA, nó chỉ nhận được hệ số khuếch

đại nhỏ. Khi đó, bit 1 của tín hiệu vào sẽ chuyển thành bit 0 của tín hiệu ra và ngược

lại.

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

Trong CGM, khi mật độ hạt dẫn trong SOA thay đổi thì kéo theo nó là sự

thay đổi của chỉ số chiết suất, dẫn đến sai pha của tín hiệu sóng mang mới. Sự thay

đổi về pha này có thể được chuyển lại thành điều chế cường độ sử dụng một giao

thoa kế như giao thoa kế Mach-Zehner (MZI - Mach Zehner Interferometer).

Hình 2.12: Chuyển đổi bước sóng bằng CPM

29

Khi không có tín hiệu nào được gửi, đầu ra của MZI sẽ là tín hiệu liên tục

không bị điều chế. Khi đưa tín hiệu vào đầu vào, tín hiệu bị quay pha khi đi qua bộ

khuếch đại SOA. Các bộ ghép quang được cấu tạo sao cho công suất ghép giữa hai

đầu bất đối xứng. Kết quả là sai pha của tín hiệu sóng mang mới qua hai SOA khác

nhau. 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 ứng

phi 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 sóng

được mô tả như sau:

Ba sóng ánh sáng có bước sóng lần lượt là 1, 2, 3 lan truyền trong môi

trường truyền sóng. Do sự không tuyến tính của môi trường truyền dẫn, các sóng

này 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 thông

của 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 lên

khi sử dụng bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) vì các thuộc tính phi tuyến của

SOA 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 xuất

hiện các tổ hợp 2fs-fp, 2fp-fs và các bước sóng cơ bản fs, fp. Bộ lọc loại bỏ các thành

phần 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.

30

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 bộ

nhớ quang truy nhập ngẫu nhiên (gọi là RAM quang – Optical RAM), người ta

dùng 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 hình

dịch 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 đệm

dịch chuyển có hai cấu trúc tổng quát là cấu trúc song song và cấu trúc nối tiếp. Cả

hai cấu trúc đều sử dụng các chuyển mạch quang với mục đích lựa chọn được thời

gian 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. Bằng

cách thay đổi thích hợp các chuyển mạch không gian 2x2, ta có thể thay đổi được

thời gian trễ của gói tin. Cấu trúc phức tạp và suy hao lớn hơn so với trường hợp

song song vì trải qua nhiều khâu chuyển mạch.

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

nhiều lần.

- Bộ đệm xoay vòng.

Bộ đệm xoay vòng gồm một chuyển mạch không gian 2x2, dây trễ nối một

đầu ra của chuyển mạch với một đầu vào của chuyển mạch (nên cấu trúc này còn

được biết đến với tên bộ đệm hồi tiếp).

31

Hình 2.15: Bộ đệm xoay vòng

Trong cấu hình bộ đệm xoay vòng, chuyển mạch không gian chuyển trực

tiếp tín hiệu ra đầu ra hoặc chuyển vào dây trễ. Tín hiệu vào dây trễ sẽ bị trễ bằng

thời gian lan truyền trong dây trễ trước khi quay lại đầu vào thứ hai của chuyển

mạch không gian. Cấu hình chuyển mạch không gian thích hợp có thể thu được độ

trễ bất kỳ (chính xác hơn, bằng số nguyên lần bất kỳ độ trễ do dây trễ tạo ra). Cấu

trúc xoay vòng có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với cấu trúc dịch chuyển, hoạt

động rất linh hoạt.

Hai cấu trúc bộ đệm trên là hai cấu trúc cơ bản. Trong chuyển mạch, hai cấu

trúc này được sử dụng linh hoạt và có thể kết hợp với nhau tạo ra các bộ đệm tối ưu

nhất.

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 cần

chuyển đổi quang điện. SOA lợi dụng hiệu ứng bức xạ kích thích, tạo ra nhiều

photon từ một photon nguyên thuỷ. Nguyên lý hoạt động của SOA là sử dụng điện

trường phân cực cho mặt ghép PN, tạo ra sự nghịch đảo nồng độ hạt dẫn. Khi có

photon năng lượng phù hợp đi qua, hiệu ứng bức xạ kích thích sẽ tạo ra nhiều

photon 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 phần

hồi tiếp dương nên không thể duy trì được laser đầu ra dù được phân cực. Tính chất

này cho phép SOA hoạt động như một chuyển mạch. Khi được phân cực, SOA ở

trạng 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 hấp

thụ photon thay vì khuếch đại nó, kết quả là tín hiệu vào không được chuyển ra đầu

ra.

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

SOA thường bị phụ thuộc phân cực tín hiệu, do đó là suy hao do phân cực tăng lên.

32

Nhược điểm của SOA là nhiễu nền và xuyên âm lớn. Xuyên âm là sự ảnh hưởng

qua 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 có

khả năng chuyển hướng bước sóng từ đầu vào ra đầu ra khác và được sử dụng khá

phổ 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 sóng

khác nhau. Chúng được dẫn qua hệ thống ống dẫn sóng với các ống dẫn sóng có độ

dài cố định và khác nhau. Tại đầu ra, các bước sóng được tách ra và chuyển ra các

sợi cáp quang khác.

Nguyên lý hoạt động như sau:

Hình 2.17: Các thành phần của AWGW

33

Tín hiệu quang được dẫn bởi các phần tử dẫn sóng “waveguide” (1) tới vùng

thấu kính “lens region” (2), các thấu kính trong vùng 2 này thực hiện chia công suất

quang và đưa vào vùng ma trận cách tử “grating array” (3). Mỗi waveguide trong

miền grating array có sai lệnh về độ dài một khoảng chính xác L so với các

waveguide lân cận. Do đó, tín hiệu quang trong mỗi waveguide sẽ cực đại tại mỗi

thời điểm trễ pha khác nhau tại đầu ra (4). Gọi là độ trễ pha của tín hiệu, ta có:

(2.5)

Miền thấu kính thứ hai (5) tại đầu ra của grating array có nhiệm vụ hội tụ các tín

hiệu quang từ đầu ra của các waveguide. Cuối cùng, mỗi tín hiệu tại đầu ra của

waveguide sẽ được hội tụ tại các waveguide khác nhau của đầu ra(6).

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 nghệ

chuyển mạch toàn quang. Đó là nhờ khả năng chế tạo các thành phần điện cơ với độ

chính xác cao như các vi gương (micromirror), là các linh kiện có khả năng chuyển

hướng các tia quang (optical beam) trong không gian với khả năng điều khiển chính

xác 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. Kết

hợp với sự tán xạ trong quang học, 1-D MEMS chỉ yêu cầu một vi gương cho một

bước sóng, mỗi vi gương được đặt ở một trong một số vị trí ổn định.

34

- Kiến trúc 2-D MEMS.

Hình 2.19: Kiến trúc 2-D MEMS

Trong kiến trúc 2-D, hai mảng các vi gương và sợi quang được sắp xếp trong

một mặt phẳng, các vi gương được dùng để kết nối N đầu vào với N đầu ra (các đầu

vào ra là các sợi cáp quang), vì thế được gọi là kiến trúc N2, do sử dụng N2 vi gương

độc lập cho việc liên kết N kênh thông tin (là các sợi cáp quang). Để thiết lập một

light path giữa một đầu vào và một đầu ra, một vi gương được đặt ở trạng thái tích

cực trong khi các vi gương khác được đặt ở trạng thái thụ động.

Ngoài hai kiến trúc trên, các hệ thống cơ quang còn có kiến trúc 3-D MEMS.

Kiến trúc này được phát triển để ứng dụng trong các hệ thống chuyển mạch có dung

lượng lớn (N lớn).

2.3. CÁC BỘ CHUYỂN MẠCH QUANG

2.3.1. Bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian.

- Bộ chuyển mạch điện quang sử dụng bộ ghép định hướng.

Chuyển mạch điện quang 2x2 sử dụng bộ ghép định hướng hoạt động trên

nguyên tắc thay đổi tỷ số ghép giữa công suất từ đầu vào này đến đầu ra kia, qua đó

chuyển mạch tín hiệu trong không gian. Thay vì điều khiển chiều dài vùng ghép,

người ta chọn phương pháp thay đổi chỉ số chiết suất vùng ghép, từ đó tác động đến

sự lan truyền của sóng ánh sáng qua vùng ghép, làm thay đổi tỷ số ghép của bộ

ghép định hướng.

Vật liệu chế tạo vùng ghép thường là LiNiO3. Một chuyển mạch 2x2 sử dụng

LiNiO3 làm ống dẫn sóng được vẽ trên hình 2.19. Thay đổi tỷ số ghép của bộ ghép

bằng cách thay đổi điện áp giữa hai điện cực.

35

Hình 2.20: Bộ chuyển mạch điện quang sử dụng bộ ghép định hướng

Tốc độ chuyển mạch của chuyển mạch loại này khoảng dưới 1ns, bị giới hạn

bởi điện dung giữa hai điện cực. Chuyển mạch loại này cho phép chế tạo với độ tích

hợp cao, tuy nhiên cũng bị ảnh hưởng bởi sự phụ thuộc phân cực như trường hợp

SOA.

Trong thực tế, phần lớn các bộ đấu nối có định hướng được chế tạo từ hợp

chất TiLiNbO3. Chúng có ưu điểm tốt vì có độ suy hao thấp và hiệu ứng quang điện

mạnh. Hiện nay đã có thể chế tạo các bộ chuyển mạch 16x16.

- Bộ chuyển mạch quang dùng cách tử phản xạ Bragg.

+ Nguyên lí :

Khi chiết suất của tinh thể thay đổi tuần hoàn theo một quy luật nào đó sao

cho chiết suất của tinh thể theo hướng truyền ánh sáng (dọc theo chiều dài của tinh

thể) tạo thành các vạch dạng cách tử có chiết suất khác nhau với khoảng cách của

các cách tử chiết suất này đúng bằng khoảng cách bragg ( ) thì sẽ xuất hiện hiệu

ứng phản xạ chùm sáng ngược lại so với hướng tới khi thoả mãn điều kiện Bragg.

Hình 2.21: Cấu hình chuyển mạch quang dùng cách tử phản xạ Bragg

36

Nền LiNbO3

Nguồn cung cấpCách tử phản xạ

Hệ thống các điện cực

Ánh sáng vào

Ánh sáng phản xạ

Ánh sáng ra

Input 1

Input 2

Output 1

Output 2

Ve

+Cơ sở hoạt động của chuyển mạch:

Trong phần này ta xét cách tử phản xạ Bragg hình thành trên cơ sở các hiệu

ứng điện - quang xảy ra trong tinh thể LiNbO3.

Các bộ chuyển mạch quang sử dụng tinh thể này có tốc độ chuyển mạch rất

cao dựa trên hiệu ứng thay đổi chiết suất theo các hướng khác nhau của tinh thể khi

có điện trường bên ngoài tác động lên tinh thể. Hiệu ứng thay đổi chiết suất tinh thể

bằng điện trường phụ thuộc vào hướng điện trường áp đặt so với hướng truyền của

ánh sáng, trục tinh thể, tần số và cường độ của điện trường áp đặt. Khi chiết suất

của tinh thể thay đổi tuần hoàn theo một quy luật cố định nào đó sao cho chiết suất

của tinh thể theo hướng truyền ánh sáng tạo thành các vạch có chiết suất khác nhau

với khoảng cách đúng bằng khoảng cách Bragg ( ), thì sẽ xuất hiện hiệu ứng phản

xạ chùm sáng ngược lại so với hướng tới, ta có điều kiện Bragg là:

= 2ðn/ (2.7)

Trong đó: : là bước sóng của ánh sáng vào.

n : là chiết suất của tinh thể với ánh sáng đó.

Sử dụng hiệu ứng này ta có thể chế tạo bộ chuyển mạch quang bằng tinh thể

cho hệ thống thông tin quang.

Xét bộ chuyển mạch quang sử dụng tinh thể LiNbO3 cho các bước sóng 630,

670, 850 và 1300 nm trong hệ thống thông tin quang sợi dựa trên hiệu ứng phản xạ

chùm tia. Chuyển mạch này cần có các công tắc điện cực sao cho có thể làm thay

đổi chiết suất của tinh thể theo điện trường. Hiệu ứng thay đổi chiết suất của tinh

thể theo tác động của điện trường ngoài thường áp dụng cho trường hợp điện trường

vuông góc với hướng truyền ánh sáng (xảy ra hiệu ứng Kerr) được ứng dụng phổ

biến trong các thiết bị chuyển mạch quang. Sự phụ thuộc của chiết suất tinh thể vào

điện trường theo hiệu ứng Kerr được biểu diễn theo công thức sau:

n(E) = n – 1/2 n3 E2 (2.7)

Trong đó: n là chiết suất của tinh thể khi điện trường bằng 0.

: Hệ số Kerr (=10-14 Với tinh thể LiNbO3).

Công thức 2.6, cho ta thấy chiết suất của tinh thể thay đổi tỷ lệ với E2, phân

bố chiết suất tinh thể theo điện trường ngoài áp đặt được thể hiện như hình 2.22.

37

Hình 2.22: Biểu diễn sự phụ thuộc của chiết suất vào điện trường

Với chuyển mạch quang kiểu phản xạ Bragg trên tinh thể LiNbO3 tại bước

sóng 1300 nm, công tắc tiếp xúc với tinh thể phải có cấu hình thích hợp sao cho

việc tạo thành các vạch chiết suất thay đổi tuần hoàn theo qui luật nhất định. Cấu

hình phù hợp của công tắc tiếp xúc có dạng kiểu răng lược với các cực dương, âm

đan xen nhau trên một mặt tinh thể LiNbO3 để có thể tạo thành dãy điện trường nối

tiếp nhau. Hướng của điện trường ngoài áp đặt vuông góc với hướng truyền ánh

sáng gây ra hiệu ứng thay đổi chiết suất tại các vùng nhỏ dọc theo tinh thể. Điện

trường áp đặt phải có dạng xoay chiều và tần số để gây hiệu ứng phản xạ chùm tia

tại bước sóng 1300 nm vào cỡ hàng trăm MHz tuỳ chuyển mạch cụ thể và biên độ

khoảng vài chục Volt.

- Bộ chuyển mạch quang dùng giao thoa kế Mach – Zehnder.

+Nguyên lí :

Hình 2.23: Cấu hình chuyển mạch quang dùng giao thoa kế Mach – Zehnder

Giao thoa kế Mach - Zehnder hoạt động dựa trên nguyên lí giao thoa ánh sáng

xảy ra khi ánh sáng đi theo hai nhánh của MZI và giao thoa tại điểm gặp nhau của

chúng. Nếu thoả mãn điều kiện về giao thoa, sẽ xuất hiện các vân cực đại và cực

tiểu ứng với trường hợp có ánh sáng và không có ánh sáng ra ở một đầu ra xác định.

38

ánh sáng vào

Bộ ghép công suất quang

Điện cực

Bộ chia công suất quang

ánh sáng ra

Nguồn cung cấp

n

E (V/m)

3

2

1

10-6 10-4 10-2 0 102 104 106

Trong cấu hình này, ngoài MZI (Match Zehnder Interferometer) còn có thêm

hai bộ ghép và bộ chia công suất quang được đặt ở đầu vào và đầu ra.

Khi có hai sóng quang kết hợp (cùng tần số và độ lệch pha không thay đổi

theo thời gian) truyền theo hai đường dẫn sóng khác nhau, tạo ra các quang trình

tương ứng là: D1, D2. Quang trình ( D ) được tính theo công thức.

D=d.n (2.8)

Trong đó : n: chiết suất của môi trường truyền ánh sáng.

d: Quãng đường ánh sáng truyền trong môi trường.

Đối với giao thoa kế Mach-Zenhder, thường được chế tạo với hai nhánh dẫn

sóng như nhau nên độ dài đường đi của sóng quang trong hai nhánh giống nhau và

bằng L. Chiết suất của chúng ban đầu cũng giống nhau nhưng khi có áp đặt điện

trường ngoài thì chiết suất của chúng khác nhau.

Theo lí thuyết về giao thoa, tại điểm gặp nhau của hai sóng kết hợp nếu có

hiệu quang trình ∆D bằng số nguyên lần bước sóng ở thì có vân sáng giao thoa cực

đại, ứng với trường hợp có ánh sáng ở một đầu ra đang xét của chuyển mạch, còn

khi ∆D bằng một số lẻ lần của một nửa bước sóng ( /2, 3 /2, 5 /2,...) thì không có

vân sáng giao thoa, ứng với trường hợp không có ánh sáng tại đầu ra của chuyển

mạch.

∆D được xác định theo công thức.

∆D = D2 – D1 = Ln2 – Ln1 = L.Dn (2.9)

Trong đó: Dn : là độ thay đổi về chiết suất của hai nhánh dẫn sóng.

Theo hiệu ứng Pockels thì khi đặt điện áp điều khiển V nên hai điện cực, thì độ thay

đổi về chiết suất của hai nhánh dẫn sóng theo điện trường E tạo thành được tính như

sau:

Dn = -tn3E (2.10)

Khi đó hiệu quang trình được tính như sau:

∆D = L.Dn = -tn3E.L (2.11)

Như vậy các trạng thái của chuyển mạch được quyết định bởi sự áp đặt của điện

trường từ bên ngoài tuân theo lý thuyết về giao thoa.

39

+Cơ sở hoạt động của chuyển mạch:

Để xác lập các trạng thái của chuyển mạch, cần phải tính toán các điện áp

điều khiển chuyển mạch cần thiết, cụ thể:

o Bình thường khi chưa có điện áp điều khiển, tại vùng gặp nhau của hai nhánh

dẫn sóng có vân giao thoa cực đại, tương ứng với trường hợp tại một đầu ra

của chuyển mạch sẽ có sóng quang.

o Khi có điện áp điều khiển sẽ làm thay đổi trạng thái của chuyển mạch,

chuyển tín hiệu quang từ nhánh này sang nhánh còn lại.

Do vậy, để điều khiển được chuyển mạch dùng giao thoa kế Mach-Zehnder

thì ta chỉ cần thay đổi điện áp điều khiển giữa hai giá trị 0 và Vp.

Ba bộ chuyển mạch quang đã xét ở trên đều là các bộ chuyển mạch quang

phân chia theo không gian kiểu ống dẫn sóng, ngoài ra còn có các bộ chuyển mạch

quang phân chia theo không gian kiểu không gian tự do.

Để tạo ra một chuyển mạch không gian tự do dựa trên các phần tử chuyển

mạch hai chiều, thì sự truyền dẫn ánh sáng phải được truyền qua không gian tự do

tuân theo một kiến trúc kết nối cho trước.

Một chuyển mạch 2x2 được tạo ra thông qua một kết nối được định hướng

trong không gian tự do thông qua các cách tử bức xạ kết hợp với việc sử dụng các

lưới vào ra (Fan-in, Fan-out) và các cổng Logic AND.

Hình 2.24: Chuyển mạch không gian tự do 2x2

40

Kết nối không gian tự do

AA

A

AC

AC’

B

B BC’

BC

AND gatesFan-out

Cách tử nhiễu xạ Fan-in

B

AC + BC’

AC’ + BC

Stage j

Stage j +1Chuyển mạch 2x2

2.3.2. Bộ Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian.

+ Nguyên lí hoạt động:

Các tín hiệu đầu vào được ghép theo thời gian nhờ bộ ghép kênh (MUX)

thành một đường tín hiệu có tốc độ cao, tín hiệu này được nối với bộ chuyển thời

gian.

Hình 2.25: Mạng chuyển mạch phân chia thời gian cơ bản

Bộ chuyển mạch thời gian thực hiện các chức năng trao đổi mọi khe thời

gian Ti trên khung tín hiệu đầu vào và gửi đến khe thời gian T j trên khung tín hiệu

đầu ra, tín hiệu được đưa tới bộ tách kênh, tại đầu ra của bộ tách kênh ta thu được

các kênh theo yêu cầu.

+ Cơ sở hoạt động:

Để thiết lập được bộ chuyển mạch quang theo thời gian thì cần phải có các

bộ trễ quang và các cổng đọc/ghi tốc độ cao. Dây trễ sợi quang có thể được sử dụng

làm bộ trễ của chuyển mạch quang. Công tắc quang - điện và công tắc diode laser

có thể được sử dụng như các cổng đọc/ ghi tốc độ cao.

Về cơ bản bộ chuyển mạch khe thời gian hiện nay đều được tạo thành từ các

bộ chuyển mạch quang chia không gian và một nhóm các dây trễ dùng sợi quang.

Chuyển mạch quang phân chia theo không gian cứ mỗi một khe thời gian được biến

đổi một lần, khe thời gian của ghép kênh thời gian được chia cắt về không gian, sau

đó chúng được ghép lại và chuyển tới đầu ra.

- Bộ chuyển mạch quang phân chia theo thời gian dùng dây trễ sợi quang.

Ta xét một thí nghiệm về chuyển mạch quang chia thời gian sử dụng các dây

trễ sợi quang và các bộ chuyển mạch quang chia không gian.

41

O1

O2

O4

Ti Tj

I1

I4

I2MUX DM

UX

Hình 2.26: Bộ chuyển mạch quang phân chia theo thời gian sử dụng các

dây trễ sợi quang.

Tín hiệu video từ máy quay được mã hoá thành tín hiệu số 8Mbit/giây, sử

dụng thiết bị mã hoá video. Bốn tín hiệu số này được ghép lại luồng số 32 Mbit/giây

bằng cách sử dụng bộ ghép kênh và sau đó được chuyển thành tín hiệu quang qua

bộ biến đổi điện quang. Tín hiệu quang 32Mbit/giây này được chuyển qua bộ

chuyển mạch quang chia theo không gian 1x4. Sau đó các tín hiệu này được gửi đến

một trong ba giây trễ sợi quang theo thứ tự lần trễ 1 x T, 2 x T và 3 x T (T = 31 ns).

Ví dụ như trong trường hợp chuyển mạch khe thời gian giữa kênh 1 và kênh 2, đầu

ra của bộ biến đổi điện/quang (E/O) được nối với dây trễ sợi quang 3 x T tại khe

thời gian 2. Bộ chuyển mạch quang không gian 4 x 1 nối một trong những dây trễ

sợi quang với bộ biến đổi quang/điện (O/E). Trong ví dụ này, dây trễ sợi quang 3 x

T được nối với đầu vào của bộ biến đổi O/E tại khe thời gian 1, và dây trễ sợi quang

1 x T được nối với nó tại khe thời gian 2. Vì vậy sự chuyển mạch quang theo thời

gian tạo ra dòng tín hiệu quang mới, dòng tín hiệu quang này đưa tới bộ chuyển đổi

O/E. Sau đó tín hiệu điện được đưa qua bộ tách kênh và được giải mã để đưa đến

các màn hình hiển thị tương ứng.

42

Màn hình

Giải mãGiải mã

Giải mãGiải mã

DMUX

1x4

OSW

4x1 OSW

E/O E/O2T

1T

(T=31nS)

3T

Máy quay

Mã hoá

Mã hoá

Mã hoá

Mã hoá

MUX

Thiết bị điều khiển

Hình 2.27: Cấu hình của OSW

Bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian OSW có cấu tạo gồm có 5

nút chuyển mạch có định hướng và các ống dẫn sóng quang nối với nhau trên một

vi mạch LiNbO3. Khi có tín hiệu quang ở đầu vào (như hình 2.27) thì công suất của

tín hiệu quang sẽ xuất hiện tại đầu ra nào (Optical Output X & Y), thay đổi phụ

thuộc theo điện áp Ve tác động nên hai bản cực của nút chuyển mạch. Cụ thể khi Ve

=V1 thì nút chuyển mạch có định hướng sẽ nối ống dẫn sóng đến đầu ra Y, khi Ve

= V2 thì nút chuyển mạch sẽ nối ống dẫn sóng đến đầu ra X.

Hình 2.28: Cấu hình của 1 nút chuyển mạch có định hướng

- Bộ chuyển mạch quang phân chia theo thời gian sử dụng Bistable LD.

43

1x4OSW

4x1OSW

E/O

E/O

LD

LD

LD

LD

Controller

reset pulse

MUX

DMUX

Nút chuyển mạch

LiNbO3ống dẫn sóng

Optical Input

VeOptical Output X

Optical Output Y

Hình 2.29: Bộ chuyển mạch quang phân chia theo thời gian sử dụng Bistable LD

Hệ thống chuyển mạch này thực hiện chức năng giống ở trên. Tín hiệu video

từ 4 máy quay được mã hoá thành tín hiệu số và được ghép với nhau thành luồng số

có tốc độ cao hơn (MUX), sau khi qua bộ chuyển đổi điện/quang, tín hiệu được đưa

tới bộ chuyển mạch quang chia không gian 1x4. Tại khoá chuyển mạch phân chia

theo thời gian, mỗi Bistable LD được cài đặt tại mỗi khung tín hiệu bằng một xung

reset trong nửa đầu của mỗi khe thời gian (Hình 2.30(a)). Các tín hiệu quang được

lấy theo thứ tự từ đầu ra của bộ chuyển mạch quang chia không gian 1x4 và được

đưa vào từng Bistable LD trong nửa sau của khe thời gian (Hình 2.30(b)). Vì vậy

mỗi Bistable LD chuyển từ trạng thái tắt sang trạng thái bật đều tuỳ thuộc vào tín

hiệu quang và lưu trữ số liệu quang đó cho đến tận giai đoạn cài đặt tiếp theo (Hình

2.30(c)). Tín hiệu quang được đọc và nối tới bộ chuyển mạch quang chia không

gian 4x1 trong mỗi chu kỳ đọc.

44

TS 1 TS 2 TS3 TS4

Xung Reset LD

Tín hiệu quang vào Bistable LD

Tín hiệu quang ra Bistable LD

(a)

(b)

(c)

Khung tín hiệu

Thời gian ghi

Thời gian đọc

Thời gian reset

Hình 2.30: Biểu đồ thời gian hoạt động của Bistable LD

Để có được các hệ thống chuyển mạch quang phân chia theo thời gian dung

lượng lớn, thì ta phải kết hợp các cấp chuyển mạch khác nhau, ví dụ: hệ thống

chuyển mạch thời gian - không gian - thời gian là rất cần thiết. Mạng không gian

gồm các điểm nối chéo, và điểm nối của nó giữa các đầu vào và các đầu ra được

chuyển đổi ở các khe thời gian.

Tốc độ chuyển mạch của các 2 bộ chuyển mạch quang phân chia theo thời

gian ở trên có tốc độ lần lượt là 32 Mbit/s và 512Mbit/s.

2.3.3. Bộ chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng.

45

So với các bộ chuyển mạch quang phân chia theo thời gian, chuyển mạch

quang chia bước sóng có hai ưu điểm: tốc độ chuyển mạch nhanh hơn và việc trao

đổi các tín hiệu quang có tốc độ lớn được thực hiện dễ dàng hơn.

+ Nguyên lý hoạt đông:

Hình 2.31: Mạng chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng cơ bản

Chuyển mạch bước sóng ( Switch ) thực hiện chức năng trao đổi các bước

sóng của tín hiệu WDM giữa đầu vào và đầu ra.

Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng tức là bước sóng ởi bất kỳ

trong các tín hiệu ghép kênh theo bước sóng ở một đầu vào nào đó được biến đổi

thành bước sóng khác ở đầu ra mong muốn.

+ Cơ sở hoạt động:

Ghép kênh bước sóng dày đặc là một xu thế trong thông tin quang. Nó lợi

dụng đặc tính băng thông rộng của sợi quang trong cửa sổ bước sóng 1550nm có

tổn hao thấp để ghép kênh nhiều đường tín hiệu quang, nâng dung lượng sợi thông

tin sợi quang lên rất cao.

Giống như chuyển mạch quang phân chia theo thời gian, chuyển mạch quang

chia bước sóng cũng cần bộ chuyển đổi bước sóng. Bộ biến chuyển đổi bước sóng

dùng linh kiện tách kênh để chia cắt các kênh tín hiệu về không gian, tiến hành

chuyển đổi bước sóng đối với mỗi kênh sau đó ghép các kênh này lại và đưa ra, như

trong hình 2.32.

46

Bộ chuyển đổi bước sóng

Bộ tách kênh bước sóng

Bộ ghép kênh bước sóng

Hình 2.32: Cơ sở hoạt động của bộ chuyển mạch

- Bộ chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng ( - Switch).

Hình 2.33: Bộ chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng ( – Switch)

Tín hiệu đầu vào WDM được đưa đến các bộ lọc bước sóng có điều chỉnh

riêng lẻ, mỗi một bộ lọc thực hiện chức năng tách thành các các tín hiệu có bước

sóng khác nhau từ tín hiệu WDM ở đầu vào. Tín hiệu quang đầu ra từ bộ lọc bước

sóng có điều chỉnh được đưa tới bộ điều chế quang có điều khiển dựa trên các bước

sóng mẫu đã được chỉ định từ trước, các bước sóng này được tách từ ánh sáng mẫu

cho trước thông qua các bộ lọc bước sóng cố định. Thông qua quá trình này các

bước sóng a, b… đến z, lần lượt đều được chuyển thành các bước sóng 1, 2…

47

........

WC

WC

.

.

.WC

........

ở

Tín hiệu WDM vào

......

ánh sáng mẫu

.... .

Bộ lọc bước sóng cố định

Bộ lọc bước sóng có điều chỉnh

MOD

MOD

MODở

Tín hiệu WDM ra

…...

Bộ điều chế quang có điều khiển

cho đến n mà không có bất kỳ sự tổn hao thông tin nào trong quá trình trao đổi

bước sóng.

Bộ điều chế quang có điều khiển có thể thực hiện bằng cách sử dụng các

thiết bị quang phi tuyến, như trình bày trong hình 2.34.

Hình 2.34: Bộ điều chế quang có điều khiển sử dụng thiết bị quang phi tuyến

Thiết bị quang phi tuyến, có các thuộc tính khác nhau giữa công suất của tín

hiệu quang đầu vào và quá trình truyền dẫn của nó, được cung cấp ánh sáng mẫu có

công suất Pb và bước sóng b. Khi có tín hiệu quang có công suất Pin và bước sóng

a thông qua bộ ghép Y ở đầu vào, tổng cộng công suất quang đầu vào vượt quá

ngưỡng công suất Pth và khi đó dung lượng quang truyền qua thiết bị tăng mạnh.

Kết quả là ánh sáng mẫu đi qua thiết bị phi tuyến và tín hiệu đầu ra của bước sóng

b được điều chế theo tín hiệu đầu vào thông qua bộ ghép Y.

- Bộ chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng m

48

In put signal

Output signal

b

ánh sáng mẫu b

Thiết bị quang phi tuyến

Tra

nsm

issi

on

Công suất quang vào

Pb Pth

Pin

Hình 2.35: Bộ chuyển mạch quang chia bước sóng 3

Các mạng chuyển mạch đa cấp là cần thiết để xây dựng lên các hệ thống

chuyển mạch có dung lượng lớn. Mạng chuyển mạch m được đưa ra với mục đích

này. Như đã minh hoạ trong hình 2.34, bộ tách kênh theo bước sóng (DMUX) và bộ

ghép kênh theo bước sóng (MUX) được sử dụng tại các điểm nối liên cấp. Đường

quang được nối giữa các đầu ra DMUX và các đầu vào MUX, do đó việc tạo ra hệ

thống chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng nhiều cấp được thực hiện dễ

dàng. Dung lượng đối với các mạng chuyển mạch 3 và 5 lần lượt được tính bằng

n2 và n3 trong đó n là số các kênh bước sóng. Vì vậy, nếu n = 16, các mạng chuyển

mạch 3 và 5 có thể đạt được dung lượng là: 256 WDM đối với 3 và 4096 WDM

đối với 5.

49

2

1

n

1 …n

12

n

12

n

3

2 2

3

1

n

1

n

1

1

n-1 n-1

1 1

1 1

1 1

2 2

2 2

3 3

n n

n n

1

2

n

1 .n

1 .n

1 .n

Cấp ở Switch thứ nhất

Cấp ở Switch thứ hai

Cấp ở Switch thứ ba

1…n

1…n

- Số lượng các kênh phân chia bước sóng có thể thực hiện được.

Sẽ rất khó thiết lập một hệ thống chuyển mạch quang có dung lượng lớn mà

không dùng các mạch tích hợp quang (IC). Vật liệu bán dẫn InP có thể thích hợp

cho việc chế tạo các IC quang, bởi vì nó cho phép tích hợp các thành phần hoạt tính

quang và quang phổ phát sáng dành cho các lớp hoạt tính InGaAsP/ InP nằm ở khu

vực có lượng tổn hao thấp nhất của các sợi silic.

Trong các bộ lọc bước sóng có điều chỉnh được InP, các bước sóng do chúng

lựa chọn thường được kiểm soát bởi các chỉ số khúc xạ của chúng.

Cùng với sự phát triển của công nghệ, trong tương lai, Các hệ thống chuyển

mạch quang sử dụng các công tắc quang dựa trên các IC quang InP có khả năng

nâng dung lượng lên rất cao. Mạng chuyển mạch 3 có thể nâng dung lượng lên

10.000 lines, sử dụng các công tắc với 100 kênh phân chia bước sóng.

2.3.4. Bộ chuyển mạch gói quang.

- Cấu trúc cơ bản của một bộ chuyển mạch gói quang.

Bộ chuyển mạch gói quang được chia thành 3 khối chính: khối đồng bộ gói

tin, khối thay thế tiêu đề và khối định tuyến và đệm gói tin.

Việc hoạt động của các khối dều được giám sát và điều khiển bởi khối điều

khiển điện tử.

50

Đồng bộ gói tin

Thay thế tiêu

đềĐịnh tuyến và

đệm gói tin

Tín hiệu vào

Điều khiển điện

Tín hiệu ra

Hình 2.36: Cấu trúc cơ bản của bộ chuyển mạch gói quang

Chức năng cơ bản của các khối:

+ Đồng bộ gói tin (Packet Synchronization): nhận dạng gói tin, xác định

điểm bắt đầu và kết thúc gói, sắp xếp các gói tin sao cho sau khi ra khỏi khối, các

gói tin nằm trong cùng một khe thời gian. Đồng bộ gói tin cũng bao gồm đồng bộ

bit, nhằm khôi phục (nếu cần) và nhận dạng chính xác gói tin.

+ Thay thế tiêu đề gói tin (Header Replacement): trong các mạng hướng kết

nối (connection-based) giống như mạng ATM, thay thế tiêu đề là cần thiết cho phép

chuyển hướng các gói tin vào đúng các đường (path) mà gói tin thuộc về hòng đến

được đúng đích. Trong các mạng không hướng kết nối (connectionless-based) kiểu

IP, thay thế tiêu đề cũng cần thiết vì một số lý do: phân mảnh gói tin, chống hiện

tượng định tuyến “lòng vòng” của một gói tin khi mạng bị nghẽn hoặc khi không

tồn tại địa chỉ đích,... Xử lý tiêu đề sinh ra một tiêu đề mới. Thay thế tiêu đề thực

hiện loại bỏ tiêu đề cũ, gắn tiêu đề mới sao cho gói tin mới hoàn toàn tương tự gói

tin ban đầu ngoại trừ một số thông tin điều khiển và định tuyến.

+ Định tuyến và đệm gói tin (Routing and Buffering Packet): định tuyến xác

định đầu ra cho gói tin dựa vào các thông tin mà tiêu đề cung cấp. Yêu cầu tốc độ

chuyển mạch (tốc độ thiết lập cấu hình) càng nhanh càng tốt. Đệm gói tin giải quyết

vấn đề tranh chấp gói tin trong trường hợp nhiều gói tin cùng được định tuyến đến

một đầu ra. Có nhiều chiến lược giải quyết tranh chấp, trong đó có cả giải pháp

không dùng bộ đệm (phương thức định tuyến chuyển hướng – deflect routing),

nhưng nói chung, bộ đệm là cách đơn giản và hiệu quả nhất. Trong mạng WDM, có

thể sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng để giải quyết tranh chấp.

- Bộ chuyển mạch gói quang đệm đầu ra sử dụng AWGM.

51

Dựa trên một bước sóng xác định i tại một đầu vào xác định i, bộ định tuyến

theo bước sóng (AWGM) sẽ chuyển tín hiệu đến đầu ra xác định.

Hình 2.37: Bộ chuyển mạch gói quang đệm đầu ra sử dụng AWGM

Chuyển mạch không gian NxN, mỗi đầu vào chuyển mạch có một bộ chuyển

đổi bước sóng (TWC – Tunable Wavelength Converter). Đầu ra của chuyển mạch

không gian là đầu vào của AWGM thứ nhất. Hai AWGM nối với nhau bởi N dây

trễ, cung cấp thời gian trễ từ 0 đến (N-1)T, T: chu kỳ gói tin.

Các gói tin đầu vào được trích một phần năng lượng đưa vào khối điều khiển

điện tử. Khối điều khiển điện tử tách sóng quang và đọc lấy phần tiêu đề của gói tin.

Dựa trên thông tin tiêu đề cung cấp, chuyển mạch thực hiện thuật toán định tuyến

và xác định được đầu ra của gói tin. Nếu hai gói tin có cùng đầu ra, một trong hai

gói phải được đệm. Dùng bộ chuyển đổi bước sóng có thể giải quyết được vấn đề

tranh chấp đầu ra trong chuyển mạch không gian. Các bước sóng được chọn sao cho

các gói khác nhau cùng đến một đầu ra sẽ có các bước sóng khác nhau. AWGM thứ

nhất chuyển các gói tin ở cùng một đầu ra chuyển mạch không gian đến dây trễ

thích hợp. AWGM thứ hai thực hiện ngược với AWGM thứ nhất, tức là gom các

gói tin ở các dây trễ khác nhau về cùng một đầu ra (nếu có).

52

WC

WC NxNSpace Switch

WC

NxNAWGM

NxNAWGM

1.T

(N-1).T

1

2

N

1

2

N

Electronic Controller

- Bộ chuyển mạch gói quang định tuyến theo bước sóng đệm đầu ra.

Chuyển mạch bước sóng đệm đầu ra do Gabriaques và Jacob đề xuất năm

1992.

Hình 2.38: Bộ chuyển mạch gói quang định tuyến theo bước sóng đệm đầu ra

Chuyển mạch gói quang định tuyến theo bước sóng sử dụng các bộ chuyển

đổi bước sóng để đánh dấu bước sóng đầu ra cho các gói tin đầu vào. Tuỳ theo đầu

ra xác định mà mỗi gói tin đầu vào sẽ được gán cho một bước sóng thích hợp gọi là

bước sóng đánh dấu. Dựa trên bước sóng đánh dấu, chuyển mạch sẽ định tuyến gói

tin đến đúng đầu ra.

+ Bộ mã hoá gói tin:

N đầu vào, mỗi đầu vào có một bộ mã hoá gói tin (Packet encoding). Bộ mã

hoá gói tin sẽ mã hoá gói tin vào bước sóng thích hợp tuỳ theo đầu ra mà gói tin

được chuyển đến. Để thực hiện chức năng này, bộ mã hoá gói tin bao gồm một bộ

ghép quang và một bộ chuyển đổi bước sóng thay đổi được.

+ Bộ đệm gói tin:

Mỗi đầu vào được gửi đến một trong K dây trễ nhờ các cổng chuyển mạch

(SOA) và các bộ ghép quang. K dây trễ cung cấp độ trễ từ 0 đến (K-1)T, T: chu kỳ

gói tin. Mỗi dây trễ có thể đệm đươc cho nhiều gói tin vì các gói tin được mã hoá

vào các bước sóng khác nhau.+Tách gói:

53

1

N

1

K

1

K

ở1

ởN

1

N

Bộ điều khiển điện

(K-1)T

Mã hoá gói tin Đệm gói tin Tách gói tin

Bộ ghépSOA Bộ lọc bước

sóng cố định

Bộ mã hoá gói tin

Từ dây trễ, các gói tin được gửi đến tất cả các đầu ra. Tại mỗi đầu ra có một

bộ lọc cố định chỉ lọc lấy bước sóng xác định đưa ra đầu ra chuyển mạch, tương

ứng là các gói tin được đưa ra đầu ra.

+Điều khiển điện tử:

Tách tiêu đề gói tin, định tuyến gói tin, sửa đổi tiêu đề gói tin, điều khiển các

khối chức năng khác.

Trong cấu trúc bộ đệm, mỗi dây trễ chứa được N gói tin ở N bước sóng khác

nhau. K dây trễ tạo thành N bộ đệm FIFO (First In First Out).

Nhược điểm của cấu trúc chuyển mạch loại này là số lượng cống SOA tăng

nhanh khi dung lượng chuyển mạch tăng, suy hao lớn.

54

CHƯƠNG III

ỨNG DỤNG CÁC BỘ CHUYỂN MẠCH QUANG TRONG

MẠNG THÔNG TIN QUANG

3.1. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA WDM VÀ XU HƯỚNG PHÁT

TRIỂN

Các hệ thống WDM có khả năng ứng dụng với nhiều loại mạng và trên tất cả

các lớp mạng, như thể hiện trên hình vẽ 3.1. Ứng dụng cơ bản nhất của các hệ thống

WDM là đối với các mạng đường trục để bao trùm một vùng rộng lớn hoặc liên kết

giữa các châu lục. Mặt khác, các hệ thống WDM cũng được ứng dụng rộng rãi

trong các vùng trung tâm hoặc phát triển các mạng có kích cỡ nhỏ hơn gồm một số

nút với các loại lưu lượng khác nhau (TDM, SONET/SDH, ATM, IP) để truyền tải

tới mạng mức cao hơn, trong đó có một nút là trạm tập trung để liên kết với các

mạng khác.

Hình 3.1: Khả năng ứng dụng của WDM với tất cả các lớp, từ truy nhập tới

đường trục

Mặc dù công nghệ WDM vẫn còn đang trong giai đoạn phát triển và chuẩn

hóa, các hệ thống đã hoạt động với vài chục bước sóng trên cùng một sợi quang,

nhưng trong tương lai gần sẽ có thể có tới vài trăm bước sóng. Công nghệ DWDM

55

IP/LAN STM ATM STMIP/LAN

Truy cập đến tận nhà Tốc độ: từ 64Kbps đến 155Mbps

Mạng khu vực trung tâm Tốc độ: từ 2.048Mbps đến 622 Mbps

155-622Mbps

Mạng đường trục Tốc độ > 622 Mbps

> 622Mbps

đã được chứng minh với trên 200 bước sóng trên mỗi sợi quang, hoạt động ở tốc độ

40 Gbps trên một bước sóng, như vậy toàn bộ dải rộng băng của mỗi sợi quang có

thể đạt khoảng 8 Tbps.

Trong tương lai, song song với việc hoàn thiện các hệ thống WDM, người ta

còn tiến hành nghiên cứu một cách toàn diện và sâu sắc đối với các công nghệ chủ

chốt của mạng thông tin toàn quang (AON). Những công nghệ chủ chốt này bao

gồm: Truy nhập dịch vụ, tách/ghép quang, nối chéo, khuyếch đại, chuyển đổi bước

sóng quang, công nghệ tái cấu hình mạng quang dựa trên các điểm nút OADM và

OXC,....

3.2. CÁC BỘ NỐI CHÉO QUANG OXC (OPTICAL CROSS

CONNECTION)

Các kết nối chéo quang OXC là các phần tử quan trọng nhất để thiết lập nên

mạng toàn quang (AON).

Chức năng của OXC tương tự như nối chéo số (DXC) trong mạng SDH, chỉ

khác là nó được thực hiện trên miền quang, không cần có các bộ chuyển đổi

điện/quang và quang/điện. Hai chức năng của chính của OXC là nối chéo kênh

quang và ghép tách đường tại chỗ.

Để đánh giá các kết cấu OXC, người ta dựa trên các chỉ tiêu tính năng chủ

yếu như sau:

- Trợ giúp kênh bước sóng hay kênh bước sóng ảo:

Tuỳ theo OXC có cung cấp chức năng chuyển đổi bước sóng hay không,

kênh quang được chia thành kênh bước sóng (WP - Wavelength Path) và kênh bước

sóng ảo (VWP - Vitural Wavelength Path).

Kênh bước sóng tương ứng với trường hợp OXC không có chuyển đổi bước

sóng và kênh quang trên những sợi quang khác nhau phải sử dụng cùng một bước

sóng như nhau. Như vậy, để thiết lập được một tuyến thì tất cả các sợi quang trên

tuyến này phải có một bước sóng chung rỗi, nếu không thì có thể phát sinh nghẽn

bước sóng.

Kênh bước sóng ảo tương ứng với trường hợp OXC có chuyển đổi bước

sóng. Do vậy, những sợi quang có thể chiếm những bước sóng khác nhau và qua đó

nâng cao được hiệu suất sử dụng bước sóng và giảm thiểu được khả năng xảy ra

nghẽn bước sóng.

56

- Đặc tính nghẽn:

Do Mạng chuyển mạch có 3 đặc tính nghẽn, đó là: tuyệt đối không nghẽn,

không nghẽn nếu cấu hình lại và có nghẽn. Do dung lượng truyền dẫn của kênh

quang rất lớn nên khi có nghẽn thì sẽ ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng truyền dẫn,

vì vậy ta nên lựa chọn kết cấu OXC tuyệt đối không nghẽn.

- Tính môđun của kết nối:

Xét tới sự thay đổi của lưu lượng thông tin và giá thành của OXC thì kết cấu

OXC phải có tính môđun. Vì khi lưu lượng thông tin nhỏ thì chỉ cần OXC có kết

cấu tối thiểu cũng đã có thể thực hiện tốt các kết nối qua chúng. Khi lưu lượng tăng

lên thì ta có thể mở rộng lưu lượng thoát của điểm nút mà không làm ảnh hưởng

đến sự kết nối hiện có. Việc tăng thêm các môđun mới mà không cần biến đổi kết

cấu vốn có của OXC cũng có thể tăng khả năng thoát của kết nối khi lưu lượng

thông qua kết nối tăng lên thì loại kết cấu này được gọi là kết cấu OXC có tính

môđun kết nối.

- Tính môđun bước sóng:

Nếu ngoài việc tăng thêm các môđun kết nối mới, không cần biến đổi kết cấu

vốn có của OXC, mà sẽ có thể tăng số bước sóng ghép kênh trong mỗi đường thì

kết cấu này được gọi là kết cấu có tính môđun bước sóng.

- Khả năng phát quảng bá:

Các tín hiệu đầu vào trong kênh quang đi qua điểm nút OXC có khả năng phát

quảng bá đến các kênh đầu ra, thì loại kết cấu này có khả năng phát quảng bá.

57

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.

Hình 3.2: Bộ OXC sử dụng bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian

và bộ tách ghép kênh theo bước sóng

Đầu vào của OXC bao gồm N bộ tách kênh để tách tín hiệu WDM về dạng

không gian, và các tín hiệu với các bước sóng khác nhau sẽ được đưa tới bộ chuyển

mạch quang phân chia theo không gian kích thước NxN với bước sóng tương ứng.

Sau khi hoàn thành việc chuyển mạch theo không gian các tín hiệu có bước sóng

khác nhau được ghép kênh lại thành tín hiệu WDM tại các đầu ra của OXC.

Kết cấu OXC như hình 3.2 trên có Ni đường kết nối WDM vào/ra, giả sử

trong mỗi đường WDM cùng có M bước sóng. Dung lượng của chuyển mạch quang

phân chia bước sóng là NxN (N>Ni), mỗi bộ chuyển mạch quang phân chia theo

không gian sẽ có N-Ni đầu ra và vào dùng cho chức năng nối đấu nối trực tiếp với

các DXC. Do vậy kết cấu OXC trên sẽ cần có 2N i bộ tách/ghép kênh theo bước

58

NxN

1

Ni

2 NxN

NxN

1

Ni

2

Khối phát Khối thu

DXC

1

2

M

sóng và M bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian có kích thước NxN.

Do đó kết cấu này sẽ có MN2 điểm đấu chéo.

Với kết cấu OXC như trên việc tăng lưu lượng ( tăng bước sóng) được thực

hiện dễ dàng vì chỉ cần tăng thêm số lượng bộ chuyển mạch quang phân chia theo

không gian tương ứng, do vậy kết cấu này có tính môđun bước sóng. Nhưng cho dù

ban đầu OXC không cần đến Ni đường kết nối vào ra, để thoả mãn yêu cầu về lưu

lượng trong tương lai thì các bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian vẫn

phải có kích thước NxN, tức là sự lớn nhỏ của N không biến đổi theo số đường kết

nối vào ra do vậy kết cấu OXC này không có tính môđun đường kết nối.

3.2.2. Bộ OXC sử dụng bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian

và các bộ lọc có điều chỉnh.

Kết cấu OXC như hình 3.3 sử dụng các bộ phối ghép hình sao và các bộ lọc

có điều chỉnh để hoàn thành chức năng phân tách dữ liệu WDM về không gian và

đưa tới các bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian. Sau khi hoàn thành

việc chuyển mạch theo không gian, chúng sẽ được đưa tới các bộ phối ghép hình

sao để ghép lại thành các tín hiệu WDM tại đầu ra.

Trong kết cấu OXC này, gồm có M bộ chuyển mạch phân chia theo không

gian (NxN) và MNi bộ lọc có điều chỉnh. Do đó kết cấu này cũng có MN2 điểm đấu

chéo. Tương tự như kết cấu OXC ở mục 3.2.1, kết cấu này cũng có tính môđun

bước sóng và không có tính mođun đường kết nối.

Tuy nhiên, do kết cấu có sử dụng các bộ lọc bước sóng có điều chỉnh để

chọn ra một tín hiệu bước sóng nào đó, do vậy chỉ cần điều chỉnh bộ lọc tương ứng

với một đường kết nối đến cùng một bước sóng thì có thể phát quảng bá một tín

hiệu đến nhiều đường kết nối ra. Do đó kết cấu OXC này có khả năng phát quảng

bá.

59

Hình 3.3: Bộ OXC sử dụng bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian

và bộ lọc có điều chỉnh

60

NxN

1

Ni

2 NxN

NxN

1

Ni

2

Khối phát Khối thu

DXC

1

2

ởM

3.2.3. Bộ OXC sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng nhiều cấp và bộ ghép

kênh AWGM.

Loại kết cấu này do Wen De Zang đề xuất (1996). Lợi dụng đặc tính của bộ

AWGM (Arrayed Waveguide Grating Multiplexer), kết nối các cấp của bộ chuyển

đổi bước sóng nhiều cấp với nhau để thực hiện chuyển mạch kênh quang hoàn toàn

trên miền quang.

Hình 3.4. Bộ OXC sử dụng 3 cấp các bộ chuyển đổi bước sóng và bộ AWGM

Kết cấu này gồm có 2 bộ AWGM, 3N bộ chuyển đổi bước sóng. Bộ OXC

này có thể thực hiện đồng thời việc ghép và tách kênh phân chia theo bước sóng,

ghép nhiều kênh bước sóng tới đầu ra của nó. Bộ chuyển đổi bước sóng do một bộ

tách kênh, M bộ chuyển đổi bước sóng và một bộ phối ghép tạo thành. Các bộ

chuyển đổi bước sóng này thực hiện chức năng chuyển đổi M bước sóng của một

tín hiệu WDM ở đầu vào thành một bước sóng nào đó nào đó trong R bước sóng nội

bộ.

Khi R ≥ (M/N)số nguyên lần N thì kết cấu này sẽ có thể thực hiện nối chéo

kênh bước sóng ảo tuyệt đối không nghẽn.

61

AWGM

AWGM

1

Ni Ni

1

Bộ chuyển đổi bước

sóng

Bộ chuyển đổi bước

sóng

Bộ chuyển đổi bước

sóng

Môđun thuMôđun phát DXC

Bộ ghép kênh theo bước sóng

Bộ tách kênh theo bước sóng

Kết cấu này có tính môđun bước sóng, nhưng không có tính môđun đường

kết nối. Nếu trong bộ chuyển đổi bước sóng có dùng bộ tách kênh thì kết cấu này

không có khả năng phát quảng bá, còn khi nó dùng bộ lọc bước sóng có điều chỉnh

thì kết cấu này có khả năng phát quảng bá.

3.2.4. Bộ OXC sử dụng bộ chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng.

Hình 3.5: Bộ OXC sử dụng bộ chuyển mạch phân chia theo bước sóng

Bộ OXC này do R.Sabella và E.Lannene đề xuất. Trong bộ OXC này, tín

hiệu WDM trong đường kết nối vào được đưa qua N bộ chuyển đổi bước sóng

thành MN bước sóng nội bộ khác nhau, sau khi qua bộ phối ghép hình sao lớn, qua

bộ lọc quang có điều chỉnh để chọn ra một bước sóng cần thiết tiếp đến, bộ chuyển

đổi bước sóng chuyển thành bước sóng bên ngoài cần thiết để ghép kênh cùng với

các bước sóng khác nhờ các bộ ghép hình sao nhỏ để đưa đến các đường kết nối ra.

Cấu trúc này có (M+1)Ni bộ biến đổ bước sóng và MNi bộ lọc quang có điều

chỉnh. Khi tăng thêm 1 đường kết nối vào ra qua OXC thì chỉ cần tăng M bộ lọc

quang có điều chỉnh, M+1 bộ chuyển đổi bước sóng và 1 bộ phối ghép hình sao

nhỏ. Nếu mỗi đường WDM qua OXC tăng thêm 1 bước sóng thì chỉ cần tăng N bộ

lọc quang có điều chỉnh và N bộ chuyển đổi bước sóng, do vậy kết cấu này không

62

1

2

Ni

1

2

Ni

Bộ phối ghép hình

saoBộ chuyển đổi bước

sóng

Bộ chuyển đổi bước

sóng

Bộ lọc có điều chỉnh

Môđun thu

Môđun phát

DXC

Bộ phối ghép hình

sao

có tính môđun đường kết nối cũng như môđun đường bước sóng, mà chỉ có khả

năng phát quảng bá.

Để đề phòng khả năng bộ phối ghép bị tê liệt do số lượng bước sóng nội bộ

lớn dẫn đến kết nối OXC bị tê liệt, có thể sử dụng Ni bộ phối ghép hình sao 1xM và

Ni bộ phối ghép NxM để thay thế cho bộ phối ghép hình sao lớn, qua đó có thể nâng

cao tính bền vững của kết nối.

3.3.MẠNG QUANG ĐỊNH TUYẾN THEO BƯỚC SÓNG

(WAVELENGTH ROUTING NETWORK)

Sự phát triển mạnh của công nghệ quang cho phép chế tạo được các bộ

chuyển đổi bước sóng có khả năng điều chỉnh được. Các bộ chuyển đổi bước sóng

điều chỉnh được (TWC – Tunable Wavelength Converter) được kết hợp với các bộ

chuyển mạch quang hình thành nên các node nối chéo quang theo bước sóng -

WXC. Hệ thống các tuyến truyền dẫn quang kết hợp với các node WXC hình thành

mạng quang định tuyến theo bước sóng.

Hình 3.6: Cấu hình của một node nối chéo quang theo bước sóng - WXC

Đặc điểm nổi bật của mạng quang định tuyến theo bước sóng là tạo ra lớp

quang (Optical layer). Lớp quang trong mạng quang định tuyến theo bước sóng

cung cấp dịch vụ đường quang (light path) cho các lớp trên nó. Khi light path được

thiết lập, toàn bộ băng thông của kênh bước sóng trên mỗi tuyến giữa các WXC

được dành riêng cho kết nối qua chúng.

63

ởi1

ởi2

ởi3

01

02

03

TWC

Hình 3.7: Đường quang trong mạng quang định tuyến theo bước sóng

Đường quang được thiết lập giữa một node (bộ xen rẽ kênh quang -OADM)

với một WXC. Đường quang gồm một tập hợp liên tiếp các kết nối (link) từ OADM

đến WXCA, từ WXCA đến WXCB, từ WXCB đến WXCC và từ WXCC đến

WXCD. Các bước sóng được sử dụng trên mỗi link lần lượt là 1, 2, 3, 4. OADM

bao gồm các bộ thu phát cố định. WXC có khả năng định tuyến và lựa chọn bước

sóng đầu ra thích hợp tuỳ theo bước sóng đầu vào, đích đến, cũng như trạng thái của

mạng.

Mạng quang định tuyến theo bước sóng gồm một tập hợp các WXC nối với

nhau bởi các tuyến truyền dẫn WDM. Các WXC thực hiện các chức năng trao đổi

yêu cầu thiết lập kênh, duy trì và giải phóng kênh quang. WXC thực hiện trao đổi

thông tin giữa hai kênh trên hai link bất kỳ, các kênh thông tin được cấp phát và giải

phóng tuỳ theo nhu cầu của người sử dụng.

3.4. MỘT SỐ DỰ ÁN VỀ CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG

3.4.1. Dự án KEOPS.

Dự án KEOPS (Key to Optical Packet Switching) là một trong số các dự án

quan trọng nhất trong lĩnh vực chuyển mạch gói quang. Mục đích chính của dự án

là định nghĩa, phát triển và đánh giá mạng định tuyến và chuyển mạch gói quang

với khả năng cung cấp tính trong suốt với tốc độ dữ liệu truyền trên mạng, sử dụng

các gói quang với chiều dài cố định, các tiêu đề tốc độ bít thấp và xử lý tại các node

trong mạng. Kiến trúc mạng trong dự án KEOPS được thể hiện tên hình 3.8

64

WXCA

WXCB

WXCD

WXCC

OADM

Đường quang

3

ở1

1 4

1

ở4

ở1ở4

Hình 3.8: Kiến trúc mạng trong dự án KEOPS

Kiến trúc mạng xây dựng nền tảng chuyển mạch tốc độ cao (Gbps), hỗ trợ

truyền dẫn các thông tin được đóng gói từ đầu cuối đến đầu cuối, hỗ trợ mọi giao

thức định tuyến và truyền dẫn WDM. Chuyển mạch gói quang trong suốt với dữ

liệu mang trong tải tin, cung cấp công nghệ chuyển mạch thống nhất, tốc độ cao dựa

trên nền tảng WDM. Tách ghép kênh bước sóng động của các luồng gói quang do

các chuyển mạch biên đảm nhiệm. Các đơn vị kết nối (IWU – InterWorking Unit)

đóng gói thông tin của người sử dụng vào các gói quang trong suốt (OTP – Optical

Transparent Packet).

Lớp chuyển mạch điện tử trực tiếp giao tiếp với mạng của người sử dụng.

Giao tiếp giữa mạng chuyển mạch điện tử với mạng chuyển mạch gói quang nhờ

đơn vị kết nối (IWU – InterWorking Unit). IWU có nhiệm vụ đóng gói luồng thông

tin đầu vào, tạo tiêu đề quang cho các gói tin, ghép/tách các gói tin truyền trên một

tuyến, thực hiện chuyển đổi quang điện.

Lớp chuyển mạch gói quang trong suốt thực hiện chuyển mạch các gói

quang bất kể thông tin truyền trong tải tin là gì và có tốc độ như thế nào. Các node

chuyển mạch biên mạng thực hiện giao tiếp với mạng ngoài (mạng chuyển mạch

điện tử) thông qua IWU. Các node chuyển mạch gói quang bên trong chuyển mạch

gói tin với tốc độ cao, độc lập tốc độ dữ liệu của tải tin.

Lớp truyền dẫn quang thực hiện ghép kênh WDM, giao tiếp trực tiếp với các

tuyến truyền dẫn quang vật lý.

Chuyển mạch gói quang sử dựng trong dự án là: chuyển mạch định tuyến

theo bước sóng và chuyển mạch quảng bá lựa chọn.

65

Dự án KEOPS còn đánh giá được khả năng hiện thực của chuyển mạch gói

quang bằng việc nghiên cứu, chế tạo và thực nghiệm thành công nhiều thành phần

quan trọng trong chuyển mạch quang: các bộ chuyển đổi bước sóng, các bộ lọc,

chuyển mạch cổng quang, chuyển mạch không gian điện-quang, bộ lựa chọn nhanh

bước sóng... Dự án cũng đưa ra phương pháp đồng bộ gói tin hiệu quả trong mạng

chuyển mạch gói quang

3.4.2. Dự án WASPNET

WASPNET (WAvelength Switched Packet NETwork – Mạng chuyển mạch

gói theo bước sóng) triển khai một số kiến trúc chuyển mạch với dung lượng

chuyển mạch cao, tương thích với lưu lượng Internet và sử dụng hiệu quả các khả

năng do mạng cung cấp.

Hình 3.9: Một mặt phẳng chuyển mạch trong WASPANET

Trong thực tế, mạng chuyển mạch gồm nhiều mặt phẳng, mỗi mặt phẳng

hoạt động ở một bước sóng đơn xác định. Mỗi sợi cáp vào trường chuyển mạch

được chuyển đến một bộ tách kênh. Bộ tách kênh có nhiệm vụ chuyển các gói có

bước sóng thứ i đến mặt phẳng chuyển mạch i. Mỗi đầu ra lại kết hợp các bước

66

AWG

Output

TWC TWC

AWGInput

sóng từ các đầu ra của các mặt phẳng chuyển mạch để tạo lại tín hiệu WDM truyền

dẫn trên sợi cáp quang.

Cấu trúc chuyển mạch cho phép các gói tin có quyền ưu tiên cao hơn có thể

chiếm chỗ các gói tin có quyền ưu tiên thấp hơn, cho dù các gói có quyền ưu tiên

cao hơn đến sau.

Nguyên tắc làm việc dựa chủ yếu trên hai bộ định tuyến bước sóng AWG.

Các gói tin đầu vào được mã hoá đến các bước sóng khác nhau tuỳ theo đầu ra. Nếu

có quá hai gói cùng định tuyến đến một đầu ra, một gói sẽ được chuyển vào bộ đệm.

Thực hiện mã hoá gói tin nhờ các bộ chuyển đổi bước sóng có điều chỉnh (TWC –

Tunnable Wavelength Converter). AWG thứ hai giúp tránh tranh chấp đầu ra giữa

các mặt phẳng chuyển mạch. Chuyển mạch cho phép nhiều gói tin cùng ra một đầu

ra nhưng ở các bước sóng khác nhau.

67

KẾT LUẬNHiện nay khả năng ứng dụng vào mạng viễn thông Việt Nam nằm trong xu

hướng phát triển mạng truyền tải tiến tới mạng toàn quang. Chuyển mạch quang sẽ tiến tới chuyển mạch gói quang hoàn toàn có thể thực hiện trong tương lai khi mà công nghệ phát triển cho phép xử lý tín hiệu quang. Chuyển mạch quang hiện nay đang phát triển rất mạnh mẽ nó có khả năng truyền tải một khối lượng lớn các tín hiệu, âm thanh, hình ảnh và tốc độ có thể từ vài trăm lên đến hàng nghìn Tbit/s.

Trong phạm vi nhỏ bé của đề tài này đã khảo cứu được một phần nhỏ như sau :

Nghiên cứu sự ra đời và phát triển của thông tin quang, đặc tính của sợi quang và sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang, cấu trúc cáp quang và sự suy giảm tín hiệu trong sợi quang.

Nắm được nguyên lý hoạt động, cũng như cơ sở hoạt động của các bộ chuyển mạch quang.

Khả năng ứng dụng của chuyển mạch quang trong thông tin quang.Thời gian làm đề tài này đã được hoàn thành đúng tiến độ và mục tiêu đề ra ban đầu. Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng không tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được những ý kiến góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để luận văn này hoàn thiện hơn.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy giáo trong tổ môn Điện tử Viễn thông : đặc biệt là thầy giáo: Th.s Nguyễn Đình Thạch đã tận tình giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến bổ ích trong quá trình nghiên cứu và viết luận văn.

Sinh Viên

ĐÀO VIỆT DŨNG

68