Luận Văn Nghiên cứu kỹ thuật chuyển mạch theo bước sóng

Chương 1: Tổng quan về công nghệ chuyển mạch quang.
1. Các chuyển mạch cơ sở.
2. Sự phát triển từ chuyển mạch điện tử sang chuyển mạch quang.
- Nhu cầu dịch vụ viễn thông ngày càng tăng trong tương lai.
- Sự phát triển của các hệ thống truyền dẫn quang cùng với những ưu điểm của các thiết bị quang.
- Những nhược điểm khi truyên dẫn bằng quang nhưng chuyển mạch bằng điện tử.
3. Phân loại chuyển mạch quang.
- Phân loại theo phương diện điều khiển:
+ Chuyển mạch quang cơ.
+ Chuyển mạch quang âm.
+ Chuyển mạch quang từ.
+ Chuyển mạch quang điện.
+ Chuyển mạch hoàn toàn quang.
- Phân loại theo phương thức ghép kênh.
+ Chuyển mạch quang ghép kênh phân chia theo không gian.
+ Chuyển mạch quang ghép kênh phân chia theo thời gian.
+ Chuyển mạch quang ghép kênh phân chia theo độ dài bước sóng.

Chương 2: Kỹ thuật chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng
1.Đặc điểm của kỹ thuật chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng.
2.Nguyên lý của kỹ thuật chuyển mạch quang theo bước sóng.
Tín hiệu WDM đầu vào được dẫn đến các bộ lọc bước sóng có thể điều chỉnh được, mỗi bộ lọc này tách ra một bước sóng riêng biệt. Tín hiệu ra từ bộ lọc bước sóng có khả năng điều chỉnh được được biến điệu cường độ vào một phần tử mang ánh sáng bước sóng ấn định trước. Phần tử này có được là do tách ra từ ánh sáng bước sóng chuẩn nhờ một bộ lọc bước sóng cố định.
Qua quá trình này, các bước sóng đầu vào được chuyển thành các bước sóng đầu ra tương ứng, điều này dẫn đến sự trao đổi bước sóng. Các bước sóng đầu ra được tổ hợp lại rồi đưa lên đường truyền
3. Các khối chức năng của hệ thống chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng
3.1.Cáp quang.
a. Đặc tính của cáp quang.
Cáp quang có nhiều đặc tính quý, một trong số đó là suy hao thấp. Có hai vùng mà tại đó sự suy hao là rất nhỏ. Tại 1300±100nm với suy hao nhỏ hơn 0.5 dB/km cho băng tần 25THz và tại 1550nm với suy hao nhỏ hơn 0.2dB/km cho băng tần 50THz.
b. Truyền dẫn quang trong cáp.
Dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại bề mặt phân cách giữa hai môi trường. Khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn, với góc nghiêng nhỏ hơn góc nghiêng giới hạn:
q0 = arccos(n2/n1)
Trong đó n2 và n1 lần lượt là chiết suất của môi trường ánh sáng khúc xạ và môi trường ánh sáng tới.
c. Cấu tạo sợi quang dẫn.
Phổ biến là sợi quang tròn. Nó gồm một lõi chế tạo từ vật liệu quang dẫn có chiết suất n1, và một lớp vỏ có chiết suất n2 (n1 > n2). Trong thực tế dùng tỷ số chiết suất
D = (n1-n2)/n1.
d. Phân loại sợi quang dẫn.
Dựa theo đặc điểm của các loại sợi chia thành sợi đơn mode và sợi đa mode. Dựa theo sự biến thiên của chiết suất trong lõi chia thành sợi có chiết suất bậc và sợi có chiết suất giảm dần.
3.2. Các bộ kết nối cơ sở: combiler, splitter và coupler.
3.3. Các bộ lọc bước sóng điển hình.
3.4. Các bộ biến đổi bước sóng
Trong mạng quang ghép theo bước sóng, mỗi kênh thông tin sử dụng một bước sóng cố định và để thiết lập một đường sáng thì yêu cầu mọi nút trong đường đều phải được phân nhiệm cùng một bước sóng. Sự ép buộc này yêu cầu phải có quá trình biến đổi bước sóng khi thực hiện kết nối giữa các nút sử dụng bước sóng khác nhau. Biến đổi bước sóng thực chấi là biến đổi tín hiệu từ bước sóng tới vào một bước sóng khác.
Kỹ thuật biến đổi bước sóng được phân làm hai loại là: Biến đổi bước sóng bằng phương pháp quang-điện và biến đổi bước sóng hoàn toàn quang.
3.4.1.Biến đổi bươc sóng quang điện
Đối với kỹ thuật biến đổi bước sóng quang điện, ban đầu luồng tín hiệu quang được biến đổi thành luồng bít điện tử nhờ sử dụng bộ tách sóng quang-điện. Sau đó luồng bít điện tử được lưu trong bộ nhớ đệm FIFO. Đầu ra của bộ nhớ này điều khiển đầu vào của một laser phát sóng điều chỉnh được, laser này được điều chỉnh đến bước sóng yêu cầu nhờ bộ giải mã địa chỉ. Luồng tín hiệu quang sau đó sẽ mang thông tin của luồng tín hiệu quang ban đầu nhưng với một bước sóng khác.
Phương pháp này có thể đạt tới tốc độ 10Gbps, tuy nhiên nó rất phức tạp, tiêu thụ nguồn nuôi lớn, ảnh hưởng đến tính trong suốt của tín hiệu, mọi thông tin về pha, biên độ bị mất trong quá trình biến đổi.
3.4.2.Biến đổi bước sóng hoàn toàn quang
Theo kỹ thuật này, trong suốt quá trình biến đổi bước sóng, tín hiệu quang không hề bị biến đổi thành tín hiệu điện. Biến đổi bước sóng hoàn toàn quang có thể sử dụng hiệu ứng coherent hoặc sử dụng phương pháp điều chế chéo. Trộn sóng đảm bảo cho cả thông tin về pha và biên độ, đồng thời cũng đảm bảo tính trong suốt của tín hiệu. Nó còn cho phép biến đổi đồng thời một tập các bước sóng đầu vào thành một tập các bước sóng đầu ra, với tốc độ đạt tới 100Gbps.

Chương 3: Các phương pháp điều khiển và ghép kênh quang
1.Các phương thức điều khiển chuyển mạch quang

Một vấn đề đặt ra đối với chuyển mạch quang là làm sao để thực hiện các kết nối không gian khi mà tín hiệu vẫn giữ nguyên ở dạng quang mà không chuyển về dạng điện tử. Có nhiều cách để thực hiện kết nối này, ở đây xét phương pháp sử dụng điện trường để điều khiển.
Do tính chất đặc biệt của các vật liệu quang điện là chúng có thể thay đổi chiết suất khi có mặt của điện trường, nên các vật liệu này có thể được sử dụng làm bộ điều chế pha hoặc bộ làm trễ sóng quang điều khiển bằng điện.
Một chuyển mạch 1x1 sử dụng quang tích hợp là giao thoa kế March-Zehnder, bao gồm một bộ tách công suất quang dùng để tách sóng quang đầu vào thành hai phần với tỷ lệ 50:50, một bộ ghép công suất quang sẽ kết hợp tín hiệu tại đầu ra của các ống dẫn sóng đó. Một phần tử làm trễ sóng quang điều khiển bằng điện, được dùng để điều chỉnh độ dài đường quang tại một trong những ống dẫn sóng. Giao thoa kế này hoạt động dựa trên nguyên lý giao thoa ánh sáng xảy ra khi ánh sáng đi theo hai nhánh của MZI và giao nhau tại điểm gặp nhau của chúng.
Hiệu quang trình của hai tia sáng là :
DD = L.Dn = -0,5.t.n3.E.L = -0,5.t.n3. .L
Với d là khoảng cách giữa hai điện cực. Bằng cách thay đổi các giá trị khác nhau của điện trường ngoài, ta có thể có các trạng thái khác nhau của chuyển mạch. Khi hiệu quang trình bằng một số nguyên lần bước sóng thì tại đầu ra của MZI có ánh sáng ra, còn khi hiệu quang trình bằng một số lẻ lần nửa bước sóng thì tại đầu ra của MZI không có ánh sáng ra.

Xét khi hiệu quang trình của hai tia sáng là:
DD = Û 0,5.t.n3. .L = Þ V= Vp =
Khi đó sự khác pha của hai tia sáng trong hai ống dẫn sóng là:
Df = Db.L = .Dn.L = p
Như vậy khi áp đặt một điện thế điều khiển Vp lên các điện cực thì ta đạt được sự khác pha của các sóng quang trong hai ống dẫn sóng là p, tương ứng với trường hợp không có tín hiệu tại đầu ra của MZI.
Tóm lại để điều khiển chuyển mạch dùng giao thoa kế MZI, ta chỉ cần thay đổi điện áp chuyển mạch giữa hai giá trị 0 và Vp . Thực tế, ánh sáng tại đầu ra chuyển mạch không phải là chùm sáng liên tục mà là các ảnh giao thoa cực đại và cực tiểu, chúng là các vạch sáng cách đều nhau một khoảng phụ thuộc vào góc q hợp bởi hai nhánh của giao thoa kế khi ánh sáng gặp lại nhau.
Các coupler định hướng thường được sử dụng trong chuyển mạch quang ghép theo bước sóng, nó đóng vai trò như một chuyển mạch 2x2 điều khiển bằng điện trường. Bằng cánh thay đổi điện trường điều khiển, tín hiệu ánh sáng có thể vẫn nằm trong cùng ống dẫn sóng đó hoặc chuyển sang ống dẫn sóng kia. Một chuyển mạch 4x4 có thể được thực hiện từ 5 chuyển mạch 2x2 bằng cách tích hợp chúng trên một phiến đơn.
2.Một số kỹ thuật ghép kênh quang, điều chế quang và khuếch đại quang
Chương 4: Mạng quang ghép kênh theo bươc sóng