Tìm hiểu một số phần tử chuyển mạch quang

Nội dung đồ án: “Tìm hiểu một số phần tử chuyển mạch quang” được chia làm 3 chương cụ thể: Chương I: Tổng quan về chuyển mạch quang Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang Chương III: Một số trường chuyển mạch quang thực tế

MỤC LỤC

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AON All-Optical Netwwork Mạng toàn quang

ATM Asynchronous Transfer

Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ

Wavelength-division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao

MEMS Micro-electromechanical

systems Hệ thống vi cơ điện tử

interferometer Giao thoa kế Mach- Zehnder

multiplexer Bộ xen/rẽ quang OXC Optical cross-connect Quang kết nối chéo PDL Polarization dependent loss Suy hao phụ thuộc phân cực

SDH Synchronous Digital Hierarchy Mạng phân cấp đồng bộ SNR Signal-to-noise rati Tỉ số tín hiệu trên nhiễu WDM Wavelength Division

Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Nằm trong xu hướng phát triển mạng truyền tải tới mạng toàn quang thì các kỹ thuật chuyển mạch quang cũng phát triển và có khả năng ứng dụng rất lớn Đó cũng là vấn đề tâm điểm đang được nghiên cứu và có nhiều ứng dụng thực tiễn trong mạng viễn thông Có rất nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu để đưa ra thiết

bị chuyển mạch vào thực tế vì vậy phải mất nhiều thời gian dành cho nghiên cứu Các thiết bị chuyển mạch có những thay đổi về mặt công nghệ so với các chuyển mạch trước đây Trong tương lai nó sẽ là một phần tất yếu không thể thiếu được đối với các hệ thống xử lí tín hiệu quang và truyền dẫn quang Các kỹ thuật chuyển mạch trong cấu trúc mạng toàn quang sẽ cho ta truyền được lưu lượng cao và mạng lại hiệu quả sử dụng băng tần cũng như chất lượng dịch vụ

Để có thể phát triển chuyển mạch quang ta cần quan tâm đến đến các thành phần cơ bản tạo thành chuyển mạch quang Đó chính là các phần tử chuyển mạch quang Với ý nghĩa đó công việc đi tìm hiểu, nghiên cứu về một số phần tử chuyển

mạch quang là rất cần thiết Nội dung đồ án: “Tìm hiểu một số phần tử chuyển mạch quang” được chia làm 3 chương cụ thể:

Chương I: Tổng quan về chuyển mạch quang

Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang

Chương III: Một số trường chuyển mạch quang thực tế

Bản thân em đã cố gắng hết sức để hoàn thành đồ án Song, do thời gian có hạn nên trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Em rất

mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên

Lê Thị Phương

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH QUANG

1.1 Mạng truyền tải quang: hiện tại và xu thế phát triển

Bước vào thiên niên kỉ mới chúng ta chứng kiến nhiều sự thay đổi quan trọng trong nền công nghiệp viễn thông, một trong những nhân tố có ảnh hưởng to lớn đến cuộc sống của chúng ta Từ khi ra đời, các mạng truyền tải ngày càng phát triển để đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng cao cho các ứng dụng mới Công nghệ truyền tải đang phải đối mặt với việc giải quyết vấn đề băng thông tăng nhanh liên tục cùng với sự phát triển của Internet, World Wide Web Các ứng dụng

đa phương tiện (video theo yêu cầu, truyền hình tương tác, ) đòi hỏi tốc độ cao, băng thông lớn Có thể nói, chỉ công nghệ truyền tải quang mới có thể hỗ trợ đầy đủ cho các nhu cầu băng thông này

Mạng quang thế hệ mới là bước nhảy vọt của công nghệ viễn thông kể cả về lượng lẫn về chất Với sự ra đời của chuyển mạch quang, mạng quang từ chỗ chủ yếu cung cấp băng thông đã trở thành một mạng có khả năng định tuyến và chuyển mạch tự động, do đó nó có khả năng cung cấp dịch vụ với bất kỳ tốc độ nào cho mọi ứng dụng đa phương tiện Điều này đã cho phép tích hợp IP và quang, tạo thuận lợi cho triển khai các dịch vụ phong phú về mặt nội dung, hiệu quả về mặt băng thông, tức là hiệu quả về kinh tế cho cả người sử dụng lẫn nhà cung cấp dịch vụ.Cho đến nay, mạng truyền tải quang WDM đã trải qua ba thế hệ phát triển được mô tả như

ở hình 1.1.

Thế hệ thứ nhất của mạng truyền tải quang là truyền các luồng quang tĩnh

(cố định) điểm-điểm Thế hệ này cung cấp tốc độ cao và truyền tải đường dài dựa trên SONET/SDH Trong các mạng quang, số liệu được truyền tải tại tốc độ bit cao trong miền quang trên khoảng cách dài Tuy nhiên, chuyển mạch kênh, định tuyến

và các chức năng bảo vệ lại được thực hiện trong miền điện Các việc này khi thực hiện phải sử dụng các bộ biến đổi điện quang, quang điện O/E/O.

Hình 1.1: Các thế hệ phát triển mạng truyền tải quang

Kiến trúc mạng truyền tải quang thế hệ thứ nhất được thể hiện như hình 1.2.

Hình 1.2: Kiến trúc mạng truyền tải quang WDM thế hệ thứ nhất (luồng quang tĩnh,

điểm-điểm) Mạng quang khi đó bao gồm một số liên kết điểm-điểm tại đó tất cả lưu lượng đến một nút được lấy ra, chuyển đổi quang sang điện, xử lý điện và chuyển đổi từ điện sang quang trở về nút Việc làm này tại mỗi nút phải chịu chi phí đáng

kể cho chuyển mạch và xử lý tín hiệu điện.

Trong mạng truyền tải quang thế hệ thứ nhất, tốc độ bit đã được tăng từ 2,5 đến 10Gb/s trong SONET/SDH sử dụng công nghệ ghép bước sóng quang mật độ cao DWDM Công nghệ này gia tăng hiệu suất sử dụng băng tần Khi lưu lượng xử

lý truyền tải đường dài và tại các nút trung gian trở nên phức tạp thì mạng truyền tải quang được phát triển lên thế hệ thứ hai.

Thế hệ thứ hai là mạng chuyển mạch kênh quang động; Trong thế hệ này,

vấn đề định tuyến, chuyển mạch và xử lý thông minh đều được điều khiển ở lớp quang Mạng quang thế hệ thứ hai dựa vào công nghệ WDM tạo thành lớp quang cung cấp các dịch vụ luồng quang, chuyển mạch kênh và kênh quang ảo.

Kiến trúc mạng truyền tải quang thế hệ thứ hai được thể hiện như hình 1.3.

a.Mạng vòng

b Mạng lưới Hình 1.3: Kiến trúc mạng truyền tải quang WDM/DWDM thế hệ thứ hai

Trong kiến trúc mạng truyền tải quang thế hệ thứ hai có các bộ xen rẽ bước sóng quang OADM cho phép lựa chọn các kênh bước sóng trên một sợi để kết cuối trong khi các bước sóng khác vẫn tiếp tục đi qua Bằng việc sử dụng OADM có thể giảm được chi phí xử lý tín hiệu trên mạng.

Thế hệ thứ ba là mạng chuyển mạch gói quang : Mạng tiến tới mô hình

toàn quang Với mô hình này chỉ xử lý tín hiệu quang tại các node mạng, loại bỏ sự hạn chế của thiết bị điện tử.

Kiến trúc mạng truyền tải quang thế hệ thứ ba được thể hiện như hình 1.4.

a. Mạng WDM/DWDM chuyển mạch gói/Burst quang

b. Mạng WDM/DWDM chuyển mạch nhãn quang Hình 1.4: Mạng truyền tải quang thế hệ thứ ba

Trong thế hệ thứ ba, các tiêu đề hay các nhãn được gắn với dữ liệu, truyền đi cùng với tải và được xử lý tại mỗi node mạng Dựa trên tỷ lệ giữa thời gian xử lý tiêu đề gói và chi phí truyền dẫn gói, chuyển mạch WDM có thể được sử dụng hiệu

quả bằng cách sử dụng chuyển mạch nhãn hay chuyển mạch burst quang Chuyển mạch gói quang vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu Mạng toàn quang được xây dựng từ các thiết bị ghép kênh WDM và các thiết bị đấu nối chéo OXC.

Trong vài thập kỉ qua, việc ứng dụng công nghệ WDM trên sợi quang đã phát triển mạnh mẽ và bắt đầu được đưa vào sử dụng rộng rãi Trên thế giới đã hình thành cao trào nghiên cứu mạng thông tin quang Mỹ (đại diện cho khu vực Bắc Mỹ), liên minh Châu Âu, Nhật Bản đều triển khai nghiên cứu công nghệ mạng quang Quá trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy mạng thông tin quang dựa trên công nghệ WDM đã được chú ý rộng rãi và trở thành công nghệ truyền tải chủ chốt trong các mạng truyền tải quang ngày nay.

Cấu trúc lớp mạng trong tương lai sẽ loại bỏ cả hai lớp SONET/SDH và ATM, tạo thành cấu trúc hai lớp mạng là IP và WDM Mạng xây dựng theo cấu trúc này được các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng để phân phối các dich vụ dữ liệu và VoIP Ưu điểm của cấu trúc là hiệu quả truyền tải của mạng cao hơn vì đã loại bỏ lớp ATM Quá trình khởi tạo mạng cũng dễ dàng hơn vì không dùng thiết bị SONET/SDH nữa Đây cũng là mục tiêu hướng tới trong tương lai với kiến trúc mạng chỉ là IP/quang.

Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết trong mạng truyền tải quang nhằm ngày càng hoàn thiện đặc tính mạng Trong các vấn đề đó, chuyển mạch quang được coi

là những hướng đi hấp dẫn nhất và rất có ý nghĩa Các giải pháp của chuyển mạch quang đã trở thành những thành phần quan trọng đối với chuyển mạch kênh và gói quang Các thiết bị chuyển mạch quang trong tương lai sẽ là một phần không thể thiếu được đối với các hệ thống xử lí tín hiệu quang và truyền dẫn quang

1.2 Phần tử chuyển mạch quang

Kỹ thuật chuyển mạch là vấn đề tâm điểm quan trọng đang được nghiên cứu

và đã có nhiều ứng dụng thực tiễn trong mạng viễn thông Có rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu để đưa ra thiết bị chuyển mạch thực tế Một trong những vấn đề quan trọng của thiết bị chuyển mạch quang là: các phần tử chuyển mạch Đây cũng là một vấn đề cấp thiết đặt ra cho nghiên cứu và chế tạo cấu kiện quang.

Phần tử chuyển mạch quang là phần tử thực hiện chuyển lưu lượng tín hiệu từ một đầu vào này hoặc kết nối lưu lượng tới một đầu ra Mỗi phần tử chuyển mạch quang có những đặc điểm khác nhau, phù hợp với các ứng dụngchuyển mạch khác nhau Là thành phần cơ bản tạo thành các trường chuyển mạch nên nó quyết định chính tới tốc độ chuyển mạch của các nút mạng.

1.3 Phân loại phần tử chuyển mạch quang

Có các loại chuyển mạch quang khác nhau nhưng có thể nói chuyển mạch quang không gian là loại chuyển mạch quan trọng nhất Vì vậy ta sẽ đi xét đến các phần tử chuyển mạch quang trong chuyển mạch quang không gian.

Có thể phân loại phần tử chuyển mạch quang theo các tiêu chí khác nhau Một

đề xuất phân loại phần tử chuyển mạch quang đó là dựa trên: hiệu ứng quang Dựa trên hiệu ứng quang thì phần tử chuyển mạch quang có thể phân thành các phần

tử như sau:

- Phần tử chuyển mạch quang cơ khí: với phần tử này chuyển mạch được thực hiện nhờ các phương tiện cơ khí Các phương tiện cơ khí bao gồm: lăng kính, gương và couplers hướng.

- Phần tử chuyển mạch quang nhiệt: đối với phần tử này thì chuyển mạch được thực hiện bằng việc thay đổi chỉ số khúc xạ ống dẫn sóng bằng nhiệt độ.

- Phần tử chuyển mạch quang âm: đối với phần tử chuyển mạch này thì chuyển mạch được thực hiện dựa trên hiệu ứng quang âm, tức là sự tương tác giữa âm thanh và ánh sáng.

- Phần tử chuyển mạch quang tinh thể lỏng: đối với phần tử chuyển mạch này chuyển mạch được thực hiện dựa trên sự thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng tới bởi tinh thể lỏng bằng việc áp dụng một điện trường qua các tinh thể lỏng.

- Phần tử chuyển mạch quang điện: đối với phần tử này thì chuyển mạch được thực hiện nhờ việc tác động điện áp để điều khiển chuyển mạch.

Ngoài các phần tử chuyển mạch dựa trên hiệu ứng quang được kể trên còn có một phần tử chuyển mạch được sử dụng đó là phần tử chuyển mạch quang SOA Đối với phần tử chuyển mạch này các bộ khuếch đại quang bán dẫn được sử dụng như một công tắc on-off bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho laser.

1.4 Một số tham số cơ bản của phần tử chuyển mạch quang

Tham số cơ bản được dùng để đánh giá một phần tử chuyển mạch quang Tùy theo ứng dụng, người ta có thể ưu tiên lựa chọn phần tử chuyển mạch có những tham số thích hợp Một số tham số cơ bản của phần tử chuyển mạch quang như sau:

- Thời gian chuyển mạch: Là thời gian phần tử chuyển mạch xác lập xong trạng thái kết nối hoặc giải phóng.Thời gian chuyển mạch yêu cầu phụ thuộc vào các ứng dụngchuyển mạch Đối với các mạng chuyển mạch kênh ngày nay, thời gian chuyển mạch yêu cầu cỡμs, thậm chí ms, nhưng đối với các mạng quang chuyển mạch gói, thời gian chuyển mạch yêu cầu chỉ khoảng vài ns, thậm chí, càng nhỏ càng tốt.

- Tỉ số tắt mở: Đây là tỉ số giữa năng lượng ánh sáng ở đầu ra khi chuyển mạch ở trạng thái kết nối (on) và năng lượng ánh sáng khi chuyển mạch ở trạng thái không kết nối (off) Giá trị này càng cao càng tốt, thường yêu cầutrong khoảng

từ 45 đến 50 dB.

- Suy hao xen: Là phần công suất tín hiệu quang tổn thất khi đi qua chuyển mạch quang Suy hao xen của các phần tử chuyển mạch quang thường có giá trịnhỏ hơn 0.5dB Suy hao xen lớn giới hạn khả năng mở rộng trường chuyển mạch và tăng chi phí hệ thống.

Các tham số trên là của các phần tử chuyển mạch quang, hay nói chung, có thể coi là các tham số của trường chuyển mạch (1x1) Đối với các phần tử chuyển mạch (2x2) (hay các trường chuyển mạch quang lớn) thì còn một tham số quan trọng khác, đó là nhiễu xuyên kênh.

- Nhiễu xuyên kênh: là sự can nhiễu tín hiệu từ một kết nối này sang một kết nối khác, thường được đánh giá bằng tỉ số giữa công suất đầu ra được tạo ra bởi

tín hiệu đầu vào mong muốn và công suất đầu ra được tạo ra bởi các tín hiệu vào không mong muốn Giá trị này càng cao càng tốt, thường yêu cầu khoảng 80dB.

Ngoài ba tham số trên, một số tham số khác như chi phí, độ tin cậy, băng tần hoạt động, công suất tiêu thụ, khả năng mở rộng, sức kháng nhiệt, … cũng rất quan trọng, khi xem xét sử dụng phần tử chuyển mạch quang trong thực tế.

Tổng kết chương I:

Chương I đã đưa ra được cái nhìn khái quát về mạng truyền tải quang hiện tại

và xu hướng phát triển Nằm trong xu hướng phát triển mạng truyền tải tới mạng toàn quang thì các chuyển mạch quang cũng phát triển và có khả năng ứng dụng rất lớn Nó có những thay đổi về mặt công nghệ so với các chuyển mạch trước đây.

Để có thể phát triển chuyển mạch quang ta cần quan tâm đến đến các thành phần cơ bản tạo thành chuyển mạch quang Và đó chính là: Các phần tử chuyển mạch quang.

Trong nội dung chương I đã đưa ra được khái niệm, phân loại và một số tham

số cơ bản của các phần tử chuyển mạch quang Chương 2 của đồ án sẽ đi tìm hiểu

cụ thể hơn về các phần tử chuyển mạch quang.

CHƯƠNG II: MỘT SỐ PHẦN TỬ CHUYỂN MẠCH QUANG

Chương I đã đưa ra khái niệm và dựa trên hiệu ứng quang đã phân loại ra các phần tử chuyển mạch quang Và sau đây ở chương II sẽ đi tìm hiểu cụ thể về hơn về: cấu trúc, nguyên lý hoạt động và đánh giá về một số phần tử chuyển mạch quang.

2.1 Phần tử chuyển mạch quang cơ khí

Chuyển mạch quang cơ khí là loại chuyển mạch quang ra đời sớm nhất Các thiết bị này chuyển mạch bằng cách di chuyển một hoặc nhiều sợi quang bằng động

cơ hoặc rơle điện

2.1.1 Cấu trúc

Chuyển mạch quang cơ khí là một hệ thống bao gồm cấu trúc cơ khí và các sợi quang (hình 2.1) Chuyển mạch có một phiến cố định và một phiến chuyển động

để một sợi vào nối tới một trong hai sợi ra Như trong hình 2.1 phiến chuyển động

sẽ di chuyển lên xuống để đầu vào 1 có thể nối tới đầu ra 2 (hình 2.1a ) hoặc đầu ra

3 (hình 2.1b).

a: Kết nối đầu vào 1 tới đầu ra 2 b: Kết nối đầu vào 1 tới đầu ra 3

Hình 2.1 Chuyển mạch quang cơ khí 1x2

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Như đã nói ở trên, phần tử chuyển mạch quang cơ khí thực hiện chuyển mạch bằng động cơ hoặc rơle điện Nó hoạt động dựa trên chuyển động cơ học của các cấu trúc cơ khí.

Xét với một chuyển mạch quang cơ sử dụng một lăng kính di chuyển để thực hiện chuyển mạch như sau:

Hình 2.2: Chuyển mạch quang 1x2 cơ khí dùng lăng kính

Trong hoạt động chuyển mạch này, tín hiệu đầu vào tiếp xúc với lăng kính, phản xạ tới đầu ra mong muốn Lăng kính ở đây chính là phiến động Nó được di chuyển lên xuống theo chiều dọc Khi đó, tại các vị trí di chuyển khác nhau của lăng kính thì tín hiệu đầu vào sẽ gặp các vị trí phản xạ khác nhau trên lăng kính, tương ứng sẽ phản xạ tới các đầu ra khác nhau Từ đó cho phép chuyển mạch một tín hiệu quang từ sợi vào 1 tới sợi ra 2 hoặc sợi ra 3

2.1.3 Nhận xét

Phần tử chuyển mạch quang cơ cũng có thể thực hiện chuyển mạch khi dùng gương cầu, couplers hướng hay rơle điện Nói chung hoạt động của nó thực hiện khá đơn giản, được sử dụng vào đấu nối chéo và chuyển mạch bảo vệ tự động của

hệ thống thông tin quang Chuyển mạch này có một số hạn chế như: khi vị trí phiến

cố định và phiến chuyển động lệch nhau thì suy hao ghép nối lớn, hoặc do hao mòn

nên sau một thời gian sử dụng sẽ khó khăn trong việc điều chỉnh chính xác vị trí của chuyển mạch Và hạn chế nhất vẫn là tốc độ chuyển mạch thấp Vì vậy chuyển mạch quang-cơ hầu như chỉ sử dụng cho chuyển mạch bảo vệ trong mạng quang.

2.2 Phần tử chuyển mạch quang nhiệt

Phần tử chuyển mạch quang nhiệt thực hiện chuyển mạch bằng cách thay đổi chỉ số khúc xạ theo nhiệt độ của chất điện môi Các thiết bị chuyển mạch quang nhiệt hoạt động theo giả định của phương thức: giao thoa Mach-Zehnder và hiệu ứng quang nhiệt Hiệu ứng này làm thay đổi chỉ số khúc xạ của vật liệu Khi đó đường đi của ánh sáng bị thay đổi và sự khác nhau của ánh sáng truyền trên hai đường dẫn sẽ hình thành chuyển mạch.

2.2.1 Cấu trúc

Cấu trúc một chuyển mạch quang nhiệt sử dụng bộ giao thoa Mach-Zenhder như trong hình 2.3:

Hình 2.3 Chuyển mạch quang nhiệt 2x2 sử dụng bộ giao thoa MZI

Chuyển mạch gồm có coupler 3-dB thứ nhất để tách tín hiệu từ một đầu vào thành hai phần bằng nhau rồi đưa qua hai nhánh riêng biệt có cùng độ dài Coupler 3dB thứ hai để kết hợp và cuối cùng tách tín hiệu một lần nữa Và một bộ phận làm nóng (có thể là lò sưởi điện) dùng để nung nóng một nhánh của giao thoa kế Hoạt

động chuyển mạch cụ thể sẽ được trình bày trong phần nguyên lý hoạt động dưới đây.

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Trước hết ta sẽ nhắc lại về hoạt động của giao thoa kế MZI Nó hoạt động dựa trên nguyên lý 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 thỏa mãn điều kiện về giao thoa, sẽ xuất hiện các vân cực đại và cực tiểu tương ứng với trường hợp có ánh sáng ra và không có ánh sáng ở một đầu ra xác định.

Điều kiện giao thoa ánh sáng : nếu tại điểm gặp nhau của hai sóng kết hợp nếu có hiệu quang trình bằng số nguyên lần bước sóng thì có vân giao thoa cực đại, nếu hiệu quang trình bằng số lẻ lần của nửa bước sóng thì không có vân giao thoa ánh sáng.

Áp dụng với chuyển mạch quang :

- Khi có vân giao thoa ánh sáng cực đại thì có ánh sáng đầu ra của chuyển mạch.

- Khi không có vân giao thoa ánh sáng thì không có ánh sáng ở đầu ra đang xét của chuyển mạch.

Khi hai sóng kết hợp (tức là cùng tần số và độ lệch pha không đổi theo thời gian) truyền theo hai đường dẫn sóng khác nhau, tạo ra các quang hình tương ứng là: D1, D2 (tương ứng với nhánh dẫn sóng thứ nhất và nhánh dẫn sóng thứ hai) Quang trình của ánh sáng tạo ra khi truyền trong môi trường chiết suất n một quãng đường d được tính bằng công thức:

Với giao thoa kế MZI, thường được chế tạo với hai nhánh dẫn sóng như nhau nên độ dài đường đi d của sóng quang trong hai nhánh giống nhau và bằng L Chiết suất của chúng ban đầu cũng giống nhau nhưng khi có áp tác dụng của nhiệt độ bên ngoài làm chúng có chiết suất khác nhau (n1 và n2) thể hiện qua độ thay đổi chiết suất Δn giữa hai nhánh của giao thoa kế.

Khi đó hiệu quang trình ΔD được xác định là:

ΔD = D

2 – D 1 = Ln 2 – Ln 1 =L.Δn (2.2) Với: D1, D2 lần lượt là quang trình của nhánh dẫn sóng 1,2

Δn : độ thay đổi về chiết suất giữa hai nhánh dẫn sóng.

Khi dùng bộ phận làm nóng (giả sử ở đây là dùng lò sưởi điện) tác động một nhiệt

độ vào nhánh của giao thoa kế Độ thay đổi chiết suất giữa hai nhánh theo nhiệt độ được tính như sau:

là hệ số quang nhiệt, mà vật liệu phụ thuộc

ΔT là sự thay đổi nhiệt độ.

Để có ánh sáng đầu ra thì: ΔD = 0 và để không có ánh sáng đầu ra thì:

Tương ứng với đó là những nhiệt độ thay đổi thích hợp, tùy vào từng loại vật liệu.

Dẫn nhiệt là cơ chế chính trong các thiết bị chuyển mạch dựa trên hiệu ứng quang-nhiệt Năng lượng tiêu thụ, P được định nghĩa là:

w w

và H

L tương đương với chiều rộng và chiều dài của lò sưởi

2.3 Phần tử chuyển mạch quang âm

Phần tử chuyển mạch quang âm hoạt động dựa trên hiệu ứng quang-âm Hiệu ứng này là sự biến đổi chiết suất của môi trường, gây ra bởi sự kết hợp giữa sóng âm thanh và ánh sáng Dùng sóng âm thanh có thể tạo cách tử Bragg trong ống dẫn sóng Cách tử có thể thay đổi sự phân cực của tín hiệu quang khi truyền qua ống dẫn sóng.

2.3.1 Cấu trúc

Một chuyển mạch quang âm được thể hiện như trong hình 2.4

a : Trạng thái “Ngang” b : Trạng thái “Chéo”

Hình 2.4: Chuyển mạch quang âm 2x2

Phần tử chuyển mạch quang âm 2x2 gồm hai ống dẫn sóng, bộ tạo sóng âm

và bộ tách chùm tia phân cực tại ngõ vào/ra.

Hai ống dẫn sóng được tạo thành từ vật liệu khúc xạ khép và chỉ hỗ trợ các mode TE và TM bậc thấp nhất (ví dụ làm bằng Ti trên nền LiNbO3) Bộ tạo sóng âm tạo ra sóng âm trên bề mặt lan truyền

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

Một chuyển mạch quang âm 2x2 như thể hiện trên hình 2.4 Hoạt động chuyển mạch được thực hiện như sau: Đầu tiên, tín hiệu đầu vào được tách thành hai thành phần phân cực (TE và TM) bằng cách sử dụng một bộ tách chùm tia phân cực Hai thành phần tách TE và TM sau đó được truyền trên hai ống dẫn sóng khác nhau.

Bộ tạo sóng âm tạo ra sóng âm trên bề mặt lan truyền dọc theo hướng truyền dẫn của ánh sáng Kết quả của sự lan truyền này là mật độ của môi trường thay đổi một cách tuần hoàn Chu kỳ của sự thay đổi mật độ này bằng với bước sóng của sóng âm Sự thay đổi mật độ một cách tuần hoàn này đóng vai trò như một cách tử Bragg.

Nếu các hệ số chiết suất TE

n

và TM

n của mode TE và TM thỏa mãn điều kiện Bragg:

Bragg sẽ bị chuyển đổi từ mode TE sang mode TM Như vậy khi đầu vào chỉ có năng lượng ánh sáng trong mode TE thì đầu ra chỉ có năng lượng ánh sáng trong mode

TM (tương tự đối với đầu vào có năng lượng ánh sáng trong mode TM) Các thành phần TE và TM thay đổi độ phân cực của tín hiệu dẫn đến các cổng ra thứ hai (trạng thái “Chéo” như hình 2.4(b)).

2.3.3 Nhận xét

Phần tử chuyển mạch quang âm kích thước 1x2 và 2x2 đã được sản xuất và công nghệ này có thể được sử dụng để xây dựng các chuyển mạch lớn lên đến 256 cổng Tuy nhiên tốc độ chuyển mạch bị giới hạn bởi tốc độ của âm thanh (vào khoảng vài micro giây), nhiễu xuyên âm trong chuyển mạch này là lớn và giá thành tương đối cao nên ít được ứng dụng vào thực tế.

2.4 Phần tử chuyển mạch SOA

Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA là một thiết bị đa năng được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau trong mạng quang Một trong những ứng dụng đó là sử dụng SOA làm thiết bị chuyển mạch quang.

2.4.1 Cấu trúc

Với mục đích chuyển mạch, các SOA hoạt động như công tắc chuyển mạch, cho phép hoặc không cho phép tín hiệu ánh sáng đi qua Tín hiệu đầu vào có thể được chuyển tới cổng đầu ra bằng cách kích hoạt trên SOA thích hợp Khi đó SOA sẽ khuếch đại hoặc hấp thụ ánh sáng

và sự hấp thụ tín hiệu trong trạng thái “off” làm cho các phần tử chuyển mạch này

có khả năng đạt được tỉ số tắt-mở rất cao Các thiết bị chuyển mạch lớn có thể được chế tạo bằng cách tích hợp SOA và các coupler thụ động Tuy nhiên, đây là một thành phần rất đắt tiền.

2.5 Phần tử chuyển mạch vi gương

Xu hướng quang hóa đang trở thành tất yếu và cấp thiết trong sự phát triển của các mạng truyền thông đa phương tiện Trong số các công nghệ chuyển mạch quang đang được nghiên cứu và phát triển ứng dụng, công nghệ chuyển mạch quang sử dụng hệ thống vi cơ điện MEMS nổi lên trong việc hiện thực hóa các hệ thống chuyển mạch toàn quang cỡ lớn.

Công nghệ chuyển mạch quang MEMS cho phép thực hiện chuyển mạch độc lập các bước sóng với số lượng cổng vào/ra đạt được lớn hơn nhiều so với các công nghệ khác Các hệ thống chuyển mạch quang MEMS có thể được phân chia theo nhiều tiêu chí khác nhau Về nguyên lý, các hệ thống chuyển mạch quang MEMS có thể phân thành hai loại khác nhau theo cơ chế điều khiển sóng ánh sáng là chuyển mạch quang sử dụng cơ chế phản xạ hoặc khúc xạ và chuyển mạch quang sử dụng

cơ chế nhiễu xạ hoặc giao thoa Trong loại thứ nhất, các thiết bị thực hiện chức năng chuyển mạch bằng cách điều khiển mật độ hoặc hướng truyền dẫn của luồng ánh sáng thông qua các cấu trúc phản xạ hoặc khúc xạ Đối với loại thứ hai, chức năng chuyển mạch hay điều khiển hướng được thực hiện nhờ vào các hiệu ứng nhiễu xạ hoặc giao thoa trong đó sử dụng các chuyển động cơ học để điều chỉnh pha của ánh sáng Các nghiên cứu và ứng dụng chuyển mạch quang MEMS hiện nay tập trung chủ yếu vào loại chuyển mạch quang thứ nhất, trong đó hệ thống chuyển mạch quang MEMS điều chỉnh hướng đi của luồng ánh sáng (có thể bao gồm một bước sóng hay một nhóm các bước sóng) theo hướng yêu cầu bằng cơ chế phản xạ thông qua các phần tử chuyển mạch là các gương kích thước rất nhỏ (vi gương) Cách thức tổ chức phối ghép các vi gương trong trường chuyển mạch là yếu tố quyết định đến các đặc tính của mỗi trường chuyển mạch quang MEMS Tùy thuộc theo cách thức bố trí của các vi gương, kiến trúc của một trường chuyển mạch quang MEMS có thể chia thành 3 loại: chuyển mạch quang MEMS một chiều (1D MEMS), hai chiều (2D MEMS) và ba chiều (3D MEMS)

2.5.1 Cấu trúc

Cấu trúc của hệ thống chuyển mạch quang MEMS định hướng sóng ánh sáng theo cơ chế phản xạ/khúc xạ bao gồm các phần tử chuyển mạch quang là các vi gương và các thấu kính/cách tử có khả năng điều chỉnh hướng đi của luồng sáng

từ đầu vào đến đầu ra yêu cầu của trường chuyển mạch Đặc tính của các vi gương phụ thuộc vào chất liệu chế tạo gương: silic đa tinh thể (polysilicon) hoặc silic đơn tinh thể Các vi gương silic đa tinh thể được chế tạo bằng cách sử dụng công nghệ

vi gia công chín muồi, nhưng rất khó để thực hiện được các kết nối tin cậy trong chuyển mạch do ứng suất nội tại của vật liệu trong khi các vi gương silic đơn tinh thể có khả năng cung cấp các kết nối tin cậy nhờ cấu trúc cơ học bền vững của chúng Vi gương có thể được điều khiển theo cơ chế số hoặc tương tự như minh họa trong hình 2.6

a. Điều khiển tương tự b Điều khiển số

Hình 2.6 Các cơ chế điều khiển vi gương

Trong các hệ thống chuyển mạch quang MEMS sử dụng cơ chế điều khiển số, các phần tử vi gương đã được cố định hướng và vị trí vi gương chỉ ở một trong hai trạng thái: bật (ON-chèn vào đường đi của luồng sáng) hoặc tắt (OFF-không tác động đến luồng sáng) Điều này nghĩa là trạng thái của gương được điều khiển dạng logic số nên việc điều khiển gương là rất dễ dàng Mỗi đầu vào chuyển mạch yêu cầu một dãy N vi gương nghiêng 45 0 so với hướng ánh sáng vào trường chuyển

mạch tương ứng với N đầu ra chuyển mạch Để chuyển hướng toàn bộ (hoặc một phần của luồng ánh sáng) từ đầu vào đến đầu ra theo yêu cầu, chỉ có duy nhất phần

tử vi gương tương ứng với đầu ra đó trong dãy các vi gương sẽ được chuyển sang trạng thái bật để chèn vào đường đi của luồng ánh sáng trong khi các phần tử vi gương khác vẫn được giữ ở trạng thái tắt.

Đối với các hệ thống sử dụng cơ chế điều khiển tương tự, các phần tử vi gương có khả năng điều chỉnh được góc nghiêng so với hướng ánh sáng tới và các

vi gương này được đặt cố định trên đường di chuyển của luồng sáng Mỗi đầu vào chuyển mạch có thể chỉ yêu cầu một vi gương chung cho tất cả các đầu ra Khi có yêu cầu chuyển mạch, góc nghiêng của vi gương tương ứng với đầu vào được điều khiển thích hợp nhằm thay đổi góc phản xạ của luồng sáng đầu vào, nhờ đó, luồng sáng được phản xạ định hướng đến đầu ra yêu cầu Do mỗi sai lệch nhỏ về góc nghiêng của vi gương có thể gây ảnh hưởng lớn đến đầu ra quyết định của luồng sáng, đặc biệt là khi số lượng đầu ra lớn, cơ chế này đòi hỏi một hệ thống điều khiển vòng kín phức tạp và có độ chính xác cao.

2.5.2 Nguyên lý hoạt động

2.5.2.1 Chuyển mạch quang MEMS một chiều

Kiến trúc cơ bản của một trường chuyển mạch quang MEMS một chiều được minh họa trong hình 2.7 Trường chuyển mạch quang MEMS một chiều bao gồm hệ thống thấu kính, phần tử tán sắc và một mảng vi gương MEMS với diện tích bề mặt rất nhỏ Để chuyển mạch các bước sóng quang trong tín hiệu DWDM, mỗi luồng sáng đến đầu vào trường chuyển mạch quang trước hết phải được tách kênh hoàn toàn Trong kiến trúc chuyển mạch này chức năng tách/ghép kênh bước sóng quang được kết hợp thực hiện nhờ vào phần tử tán sắc, do đó làm giảm bớt khó khăn trong việc quản lý sợi quang vào/ra, nâng cao độ tin cậy và hiệu năng hoạt động cho thiết bị

Hình 2.7: Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS một chiều Hoạt động của trường chuyển mạch quang MEMS một chiều được mô tả như sau: Luồng ánh sáng cần chuyển mạch rời mảng sợi quang đầu vào được chuẩn trực bằng hệ thống thấu kính hướng đến phần tử tán sắc Tín hiệu DWDM đầu vào đến phần tử tán sắc sẽ được phân tách thành các bước sóng thành phần Mỗi bước sóng sau đó được truyền đến một vi gương MEMS tương ứng để được điều chỉnh hướng phản xạ phù hợp nhằm đến được sợi quang đầu ra theo yêu cầu và được kết hợp lại với các bước sóng khác thông qua phần tử tán sắc.

2.5.2.2 Chuyển mạch quang MEMS hai chiều

Trong chuyển mạch quang MEMS hai chiều, một mảng hai chiều của các vi gương chuyển mạch sắp xếp theo cấu hình ngang dọc được dùng để định hướng ánh sáng từ các sợi quang đầu vào đến các sợi quang đầu ra tương ứng của trường chuyển mạch (Hình 2.8) Ưu điểm của kiến trúc chuyển mạch quang MEMS hai chiều là vi gương chỉ có hai trạng thái (đóng hoặc mở), điều này nghĩa là trạng thái của vi gương được điều khiển dạng logic số nên việc điều khiển là rất dễ dàng Để thiết lập kết nối tuyến ánh sáng từ sợi quang đầu vào đến sợi quang đầu ra theo yêu cầu, vi gương ở giao điểm giữa hàng đầu vào và cột đầu ra được kích hoạt trong khi các vi gương khác thuộc hàng và cột đó đều ở trạng trái đóng.

Hình 2.8: Kiến trúc trường chuyển mạch quang MEMS hai chiều

Trong trường chuyển mạch quang MEMS hai chiều, luồng sáng chuyển mạch được chuẩn trực và truyền song song với mặt phẳng nền của mảng vi gương Khi kích hoạt một gương nằm trên hàng tương ứng với đầu vào của luồng sáng, nó chuyển động cắt vào đường đi của ánh sáng và định hướng ánh sáng đến đầu ra tương ứng với cột chứa vi gương, khi đó vi gương tạo một góc 45 0 so với hướng đến của luồng sáng Các vi gương được sắp xếp theo cấu hình ngang dọc cho phép luồng sáng chuyển mạch đi qua ma trận vi gương mà không va đập vào bất kỳ gương nào khác nhưng lại khiến cho quãng đường dịch chuyển của luồng sáng qua trường chuyển mạch biến thiên phụ thuộc vào vị trí cổng vào/ra

2.5.2.3 Chuyển mạch quang MEMS ba chiều

Kiến trúc chuyển mạch quang MEMS ba chiều được xây dựng bằng cách sử dụng 2 mảng vi gương Trong kiến trúc này, độ nghiêng của vi gương MEMS có thể điều khiển được theo không gian tự do ba chiều nhờ cấu trúc khung cơ khí với hai trục quay vuông góc Hình 2.9 miêu tả cấu hình cơ bản của một chuyển mạch quang MEMS ba chiều và cấu trúc của vi gương Cũng giống như trong kiến trúc chuyển mạch quang MEMS hai chiều, chuyển mạch quang MEMS ba chiều thực hiện chuyển mạch toàn bộ luồng sáng tới (có thể là một bước sóng hoặc một nhóm các bước sóng) từ sợi quang đầu vào đến sợi quang đầu ra theo yêu cầu Vì vậy, cả hai kiến

trúc này đều yêu cầu các bộ tách/ghép kênh bước sóng quang độc lập với trường chuyển mạch Hoạt động thiết lập kết nối chuyển mạch qua trường chuyển mạch quang ba chiều được thực hiện bằng cách điều khiển nghiêng hai vi gương tương ứng một cách độc lập để định hướng ánh sáng từ đầu vào tới đầu ra được yêu cầu.

Hình 2.9: Kiến trúc trường chuyển mạch quang MEMS ba chiều

2.5.4 Nhận xét

Đối với chuyển mạch quang MEMS một chiều : do chỉ yêu cầu một vi gương cho mỗi bước sóng quang nên kích thước của trường chuyển mạch tỉ lệ tuyến tính với số lượng kênh bước sóng quang Ngoài ra, các vi gương MEMS sử dụng trong trường chuyển mạch có diện tích rất nhỏ và được điều khiển bằng một hệ thống điều khiển cấu hình vòng mở đơn giản nhờ vào lực tĩnh điện Điều này giúp giảm kích thước thiết bị, giá thành và công suất tiêu thụ so với các công nghệ chuyển mạch ứng dụng MEMS khác.

Trong chuyển mạch quang MEMS hai chiều thì điều khiển dễ dàng nhưng quãng đường dịch chuyển của luồng sáng qua trường chuyển mạch biến thiên phụ thuộc vào vị trí cổng vào/ra Điều này đồng nghĩa với suy hao qua trường chuyển

mạch biến thiên theo vị trí cổng vào/ra của luồng sáng chuyển mạch Hơn nữa, do

số lượng vi gương tăng lên dưới dạng bình phương của số lượng cổng vào/ra, kích thước của chuyển mạch quang 2D MEMS bị giới hạn vào khoảng 32x32 hoặc 1024

vi gương Các yếu tố chính tạo ra sự giới hạn này là kích thước của chíp và khoảng cách tuyến ánh sáng phải truyền qua không gian tự do trong trường chuyển mạch

và sự biến thiên suy hao từ cổng vào đến cổng ra.

Chuyển mạch quang MEMS ba chiều: Do số lượng vi gương tỉ lệ tuyến tính với số lượng cổng vào/ra và việc lợi dụng chuyển mạch không gian tự do song song cho phép chuyển mạch mật độ cao cùng các liên kết ba chiều, kiến trúc phần tử chuyển mạch này phù hợp để chế tạo các trường chuyển mạch cỡ lớn với số lượng cổng vào/ra lên đến hàng ngàn Đặc biệt là kiến trúc phần tử chuyển mạch này đảm bảo suy hao xen thấp và đồng nhất, ít phụ thuộc bước sóng dưới các điều kiện hoạt động khác nhau Hơn nữa, chuyển mạch này cũng thể hiện độ suy giảm của tỷ

lệ tín hiệu trên nhiễu SNR đối với tín hiệu quang qua trường chuyển mạch, tham số chủ yếu bị gây ra do xuyên âm, suy hao phụ thuộc phân cực (PDL) và tán sắc/tán sắc phân cực, là nhỏ nhất.

Tuy nhiên, việc thiết kế, chế tạo và triển khai các chuyển mạch quang MEMS

ba chiều hiện nay vẫn còn gặp nhiều khó khăn thách thức Về cơ bản, nhà sản xuất cần phải thiết kế thiết bị với số lượng vi gương lớn hơn so với số lượng thực tế yêu cầu trong khi việc kết hợp số lượng lớn các vi gương, kiểm tra và định chuẩn cho các phần tử chuyển mạch cần rất nhiều thời gian để hoàn thành Không những thế, với trường chuyển mạch kích thước lớn thì vấn đề quản lý các sợi quang đầu vào

và đầu ra cũng rất phức tạp Tùy thuộc vào kích thước trường chuyển mạch, có khoảng từ vài trăm đến vài ngàn sợi quang cần được kết nối giữa trường chuyển mạch với các thiết bị khác Khó khăn này cũng xuất hiện trong các chuyển mạch quang MEMS hai chiều vì cả hai cùng yêu cầu một sợi quang cho mỗi bước sóng chuyển mạch Mặt khác, chuyển mạch quang MEMS ba chiều còn yêu cầu hệ thống điều khiển vòng kín phức tạp với độ chính xác cao để điều khiển các vi gương và mỗi gương lại đòi hỏi hệ thống điều khiển riêng rẽ nên giải pháp này có xu hướng trở nên đắt đỏ, yêu cầu kích thước thiết bị lớn hơn và tiêu thụ nhiều nguồn hơn.

2.6 Phần tử chuyển mạch quang Lithium Niobat ( LiNbO3)

Thực tế đã chứng minh, các phần tử chuyển mạch cơ điện hoặc chuyển đổi quang điện, điện quang để ghép nối các mạng cáp quang hiện đang sử dụng không đáp ứng được yêu cầu về tốc độ chuyển mạch nhanh, về sự đa dạng của dung lượng

và các loại hình thông tin trong các mạng cục bộ cũng như độ an toàn thiết bị Trong những thập niên gần đây, người ta tập trung nghiên cứu chế tạo các linh kiện và thiết bị chuyển mạch quang quang sử dụng tinh thể hoặc cách tử quang sợi

để ứng dụng trong hệ thống thông tin quang và đã thu được những kết quả tốt.

Những ưu điểm của tinh thể LiN b O 3 trong chế tạo các thiết bị quang đặc biệt trong chế tạo chuyển mạch đã được khẳng định Chính vì vậy chuyển mạch dựa trên tinh thể này đang rất được quan tâm nghiên cứu, chế tạo và đưa vào áp dụng trong mạng viễn thông quang.

Hiện nay phổ biến nhất của phần tử chuyển mạch quang sử dụng tinh thể LiN b O 3

cho các bước sóng 630, 670, 850, và 1300nm trong hệ thống thông tin quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI), hiệu ứng phản xạ chùm tia và cơ chế ghép đường dẫn sóng định hướng Các cấu hình phần tử chuyển mạch này thích hợp với mạng quang đơn mốt và đa mốt hiện đang sử dụng trong các hệ thống thông tin quang.

a Cấu hình phần tử chuyển mạch quang 2x2 dùng bộ ghép định hướng

b Cấu hình phần tử chuyển mạch quang 2x2 dùng giao thoa kế

Mach-Zehnder

Hình 2.10: Cấu hình phần tử chuyển mạch Lithium Niobat 2x2

2.6.1 Phần tử chuyển mạch Lithium Niobat cấu hình dùng bộ ghép định hướng

2.6.1.1 Cấu trúc

Xét bộ ghép định hướng gồm hai nhánh dẫn sóng Gọi công suất quang truyền đi trên hai nhánh dẫn sóng lần lượt là P 1 (z) và P 2 (z)( như hình vẽ):

Hình 2.11: Bộ ghép định hướng hai nhánh ống dẫn sóng

Trong đó z có hướng dọc theo hướng truyền của sóng quang đầu vào Tỷ lệ công suất ghép từ đường dẫn sóng 1‚ sang đường dẫn sóng 2‚ được đánh giá theo công thức:

( ) ( )

1 2

1

1sin 1