TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
nghiªn cøu Kü THUËT
chuyÓn m¹ch quang theo bíc sãng
Ch¬ng 1: Tæng quan vÒ c«ng nghÖ chuyÓn m¹ch quang.
1. C¸c chuyÓn m¹ch c¬ së.
2. Sù ph¸t triÓn tõ chuyÓn m¹ch ®iÖn tö sang chuyÓn m¹ch quang.
- Nhu cÇu dÞch vô viÔn th«ng ngµy cµng t¨ng trong t¬ng lai.
- Sù ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn quang cïng víi nh÷ng u
®iÓm cña c¸c thiÕt bÞ quang.
- Nh÷ng nhîc ®iÓm khi truyªn dÉn b»ng quang nhng chuyÓn m¹ch b»ng
®iÖn tö.
3. Ph©n lo¹i chuyÓn m¹ch quang.
- Ph©n lo¹i theo ph¬ng diÖn ®iÒu khiÓn:
+ ChuyÓn m¹ch quang c¬.
+ ChuyÓn m¹ch quang ©m.
+ ChuyÓn m¹ch quang tõ.
+ ChuyÓn m¹ch quang ®iÖn.
+ ChuyÓn m¹ch hoµn toµn quang.
- Ph©n lo¹i theo ph¬ng thøc ghÐp kªnh.
+ ChuyÓn m¹ch quang ghÐp kªnh ph©n chia theo kh«ng gian.
+ ChuyÓn m¹ch quang ghÐp kªnh ph©n chia theo thêi gian.
+ ChuyÓn m¹ch quang ghÐp kªnh ph©n chia theo ®é dµi bíc sãng.
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT
112
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
Ch¬ng 2: Kü thuËt chuyÓn m¹ch quang ph©n chia theo bíc
sãng
1.§Æc ®iÓm cña kü thuËt chuyÓn m¹ch quang ph©n chia theo bíc
sãng.
2.Nguyªn lý cña kü thuËt chuyÓn m¹ch quang theo bíc sãng.
TÝn hiÖu WDM ®Çu vµo ®îc dÉn ®Õn c¸c bé läc bíc sãng cã thÓ ®iÒu
chØnh ®îc, mçi bé läc nµy t¸ch ra mét bíc sãng riªng biÖt. TÝn hiÖu ra tõ bé
läc bíc sãng cã kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh ®îc ®îc biÕn ®iÖu cêng ®é vµo mét
phÇn tö mang ¸nh s¸ng bíc sãng Ên ®Þnh tríc. PhÇn tö nµy cã ®îc lµ do t¸ch
ra tõ ¸nh s¸ng bíc sãng chuÈn nhê mét bé läc bíc sãng cè ®Þnh.
Qua qu¸ tr×nh nµy, c¸c bíc sãng ®Çu vµo ®îc chuyÓn thµnh c¸c bíc
sãng ®Çu ra t¬ng øng, ®iÒu nµy dÉn ®Õn sù trao ®æi bíc sãng. C¸c bíc sãng
®Çu ra ®îc tæ hîp l¹i råi ®a lªn ®êng truyÒn..
3. C¸c khèi chøc n¨ng cña hÖ thèng chuyÓn m¹ch quang ph©n chia
theo bíc sãng
3.1.C¸p quang.
a. §Æc tÝnh cña c¸p quang.
C¸p quang cã nhiÒu ®Æc tÝnh quý, mét trong sè ®ã lµ suy hao thÊp.
Cã hai vïng mµ t¹i ®ã sù suy hao lµ rÊt nhá. T¹i 1300±100nm víi suy hao
nhá h¬n 0.5 dB/km cho b¨ng tÇn 25THz vµ t¹i 1550nm víi suy hao nhá h¬n
0.2dB/km cho b¨ng tÇn 50THz.
b. TruyÒn dÉn quang trong c¸p.
Dùa trªn hiÖn tîng ph¶n x¹ toµn phÇn cña tia s¸ng t¹i bÒ mÆt ph©n
c¸ch gi÷a hai m«i tr êng. Khi ¸nh s¸ng ®i tõ m«i trêng cã chiÕt suÊt lín h¬n
sang m«i tr êng cã chiÕt suÊt nhá h¬n, víi gãc nghiªng nhá h¬n gãc nghiªng
giíi h¹n:
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT
113
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
θ0 = arccos(n2/n1)
Trong ®ã n2 vµ n1 lÇn lît lµ chiÕt suÊt cña m«i trêng ¸nh s¸ng khóc x¹
vµ m«i trêng ¸nh s¸ng tíi.
c. CÊu t¹o sîi quang dÉn.
Phæ biÕn lµ sîi quang trßn. Nã gåm mét lâi chÕ t¹o tõ vËt liÖu quang
dÉn cã chiÕt suÊt n1, vµ mét líp vá cã chiÕt suÊt n2 (n1 > n2). Trong thùc tÕ
dïng tû sè chiÕt suÊt
∆ = (n1-n2)/n1.
d. Ph©n lo¹i sîi quang dÉn.
Dùa theo ®Æc ®iÓm cña c¸c lo¹i sîi chia thµnh sîi ®¬n mode vµ sîi ®a
mode. Dùa theo sù biÕn thiªn cña chiÕt suÊt trong lâi chia thµnh sîi cã
chiÕt suÊt bËc vµ sîi cã chiÕt suÊt gi¶m dÇn.
3.2. C¸c bé kÕt nèi c¬ së: combiler, splitter vµ coupler.
3.3. C¸c bé läc bíc sãng ®iÓn h×nh.
3.4. C¸c bé biÕn ®æi bíc sãng
Trong m¹ng quang ghÐp theo bíc sãng, mçi kªnh th«ng tin sö dông
mét bíc sãng cè ®Þnh vµ ®Ó thiÕt lËp mét ®êng s¸ng th× yªu cÇu mäi nót
trong ®êng ®Òu ph¶i ®îc ph©n nhiÖm cïng mét bíc sãng. Sù Ðp buéc nµy
yªu cÇu ph¶i cã qu¸ tr×nh biÕn ®æi bíc sãng khi thùc hiÖn kÕt nèi gi÷a c¸c
nót sö dông bíc sãng kh¸c nhau. BiÕn ®æi bíc sãng thùc chÊi lµ biÕn ®æi
tÝn hiÖu tõ bíc sãng tíi vµo mét bíc sãng kh¸c.
Kü thuËt biÕn ®æi bíc sãng ®îc ph©n lµm hai lo¹i lµ: BiÕn ®æi bíc
sãng b»ng ph¬ng ph¸p quang-®iÖn vµ biÕn ®æi bíc sãng hoµn toµn quang.
3.4.1.BiÕn ®æi b¬c sãng quang ®iÖn
§èi víi kü thuËt biÕn ®æi bíc sãng quang ®iÖn, ban ®Çu luång tÝn
hiÖu quang ®îc biÕn ®æi thµnh luång bÝt ®iÖn tö nhê sö dông bé t¸ch sãng
quang-®iÖn. Sau ®ã luång bÝt ®iÖn tö ®îc lu trong bé nhí ®Öm FIFO. §Çu
ra cña bé nhí nµy ®iÒu khiÓn ®Çu vµo cña mét laser ph¸t sãng ®iÒu
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT
114
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
chØnh ®îc, laser nµy ®îc ®iÒu chØnh ®Õn bíc sãng yªu cÇu nhê bé gi¶i m·
®Þa chØ. Luång tÝn hiÖu quang sau ®ã sÏ mang th«ng tin cña luång tÝn
hiÖu quang ban ®Çu nhng víi mét bíc sãng kh¸c.
Ph¬ng ph¸p nµy cã thÓ ®¹t tíi tèc ®é 10Gbps, tuy nhiªn nã rÊt phøc
t¹p, tiªu thô nguån nu«i lín, ¶nh hëng ®Õn tÝnh trong suèt cña tÝn hiÖu,
mäi th«ng tin vÒ pha, biªn ®é bÞ mÊt trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi.
3.4.2.BiÕn ®æi bíc sãng hoµn toµn quang
Theo kü thuËt nµy, trong suèt qu¸ tr×nh biÕn ®æi bíc sãng, tÝn hiÖu
quang kh«ng hÒ bÞ biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. BiÕn ®æi bíc sãng
hoµn toµn quang cã thÓ sö dông hiÖu øng coherent hoÆc sö dông ph¬ng
ph¸p ®iÒu chÕ chÐo. Trén sãng ®¶m b¶o cho c¶ th«ng tin vÒ pha vµ biªn
®é, ®ång thêi còng ®¶m b¶o tÝnh trong suèt cña tÝn hiÖu. Nã cßn cho
phÐp biÕn ®æi ®ång thêi mét tËp c¸c bíc sãng ®Çu vµo thµnh mét tËp c¸c
bíc sãng ®Çu ra, víi tèc ®é ®¹t tíi 100Gbps.
Ch¬ng 3: C¸c ph¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn vµ ghÐp kªnh quang
1.C¸c ph¬ng thøc ®iÒu khiÓn chuyÓn m¹ch quang
Mét vÊn ®Ò ®Æt ra ®èi víi chuyÓn m¹ch quang lµ lµm sao ®Ó thùc
hiÖn c¸c kÕt nèi kh«ng gian khi mµ tÝn hiÖu vÉn gi÷ nguyªn ë d¹ng quang
mµ kh«ng chuyÓn vÒ d¹ng ®iÖn tö. Cã nhiÒu c¸ch ®Ó thùc hiÖn kÕt nèi
nµy, ë ®©y xÐt ph¬ng ph¸p sö dông ®iÖn trêng ®Ó ®iÒu khiÓn.
Do tÝnh chÊt ®Æc biÖt cña c¸c vËt liÖu quang ®iÖn lµ chóng cã thÓ
thay ®æi chiÕt suÊt khi cã mÆt cña ®iÖn tr êng, nªn c¸c vËt liÖu nµy cã
thÓ ®îc sö dông lµm bé ®iÒu chÕ pha hoÆc bé lµm trÔ sãng quang ®iÒu
khiÓn b»ng ®iÖn.
Mét chuyÓn m¹ch 1x1 sö dông quang tÝch hîp lµ giao thoa kÕ March-
Zehnder, bao gåm mét bé t¸ch c«ng suÊt quang dïng ®Ó t¸ch sãng quang
®Çu vµo thµnh hai phÇn víi tû lÖ 50:50, mét bé ghÐp c«ng suÊt quang sÏ
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT
115
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HSSV
kÕt hîp tÝn hiÖu t¹i ®Çu ra cña c¸c èng dÉn sãng ®ã. Mét phÇn tö lµm trÔ
sãng quang ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn, ®îc dïng ®Ó ®iÒu chØnh ®é dµi ®êng
quang t¹i mét trong nh÷ng èng dÉn sãng. Giao thoa kÕ nµy ho¹t ®éng dùa
trªn nguyªn lý giao thoa ¸nh s¸ng x¶y ra khi ¸nh s¸ng ®i theo hai nh¸nh cña
MZI vµ giao nhau t¹i ®iÓm gÆp nhau cña chóng.
HiÖu quang tr×nh cña hai tia s¸ng lµ :
∆D = L.∆n = -0,5.τ.n3.E.L = -0,5.τ.n3.
d
V
.L
Víi d lµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®iÖn cùc. B»ng c¸ch thay ®æi c¸c gi¸ trÞ kh¸c
nhau cña ®iÖn trêng ngoµi, ta cã thÓ cã c¸c tr¹ng th¸i kh¸c nhau cña chuyÓn
m¹ch. Khi hiÖu quang tr×nh b»ng mét sè nguyªn lÇn bíc sãng th× t¹i ®Çu ra
cña MZI cã ¸nh s¸ng ra, cßn khi hiÖu quang tr×nh b»ng mét sè lÎ lÇn nöa bíc
sãng th× t¹i ®Çu ra cña MZI kh«ng cã ¸nh s¸ng ra.
XÐt khi hiÖu quang tr×nh cña hai tia s¸ng lµ:
∆D =
2
λ
⇔ 0,5.τ.n3.
d
V
.L =
2
λ
⇒ V= Vπ =
Ln
d
..
.
3
τ
λ
Khi ®ã sù kh¸c pha cña hai tia s¸ng trong hai èng dÉn sãng lµ:
∆φ = ∆β.L =
λ
π
2
.∆n.L = π
Nh vËy khi ¸p ®Æt mét ®iÖn thÕ ®iÒu khiÓn Vπ lªn c¸c ®iÖn cùc th×
ta ®¹t ®îc sù kh¸c pha cña c¸c sãng quang trong hai èng dÉn sãng lµ π, t¬ng
øng víi trêng hîp kh«ng cã tÝn hiÖu t¹i ®Çu ra cña MZI.
Tãm l¹i ®Ó ®iÒu khiÓn chuyÓn m¹ch dïng giao thoa kÕ MZI, ta chØ
cÇn thay ®æi ®iÖn ¸p chuyÓn m¹ch gi÷a hai gi¸ trÞ 0 vµ Vπ . Thùc tÕ, ¸nh
s¸ng t¹i ®Çu ra chuyÓn m¹ch kh«ng ph¶i lµ chïm s¸ng liªn tôc mµ lµ c¸c ¶nh
giao thoa cùc ®¹i vµ cùc tiÓu, chóng lµ c¸c v¹ch s¸ng c¸ch ®Òu nhau mét
kho¶ng phô thuéc vµo gãc θ hîp bëi hai nh¸nh cña giao thoa kÕ khi ¸nh s¸ng
gÆp l¹i nhau.
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT
116
