Tìm hiểu một số phần tử chuyển mạch quang

Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu một số phần tử chuyển mạch quang
MỤC LỤC
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rẽ
AON All-Optical Netwwork Mạng toàn quang
Lê Thị Phương - D08VT5 1
Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu một số phần tử chuyển mạch quang
ATM Asynchronous Transfer
Mode
Chế độ truyền tải không
đồng bộ
DWDM Dense Wavelength-
division Multiplexing
Ghép kênh theo bước sóng
mật độ cao
IP Internet Protocol Giao thức liên mạng
MEMS Micro-electromechanical
systems
Hệ thống vi cơ điện tử
MZI Mach–Zehnder
interferometer
Giao thoa kế Mach-
Zehnder
OADM Optical add-drop
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
Lê Thị Phương - D08VT5 2
Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu một số phần tử chuyển mạch quang
Lê Thị Phương - D08VT5 3
Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu một số phần tử chuyển mạch quang
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Lê Thị Phương - D08VT5 4
Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu một số phần tử chuyển mạch quang
LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của đất nước, từ những năm cuối thế kỷ 20 các ngành
công nghiệp viễn thông đã có những biến động lớn về bản chất lưu lượng. Số người
sử dụng các dịch vụ mạng tăng đáng kế, theo dự đoán con số này đang tăng theo
hàm mũ. Ngày càng có nhiều các dịch vụ mới và chất lượng dịch vụ cũng được yêu
cầu cao hơn. Đứng trước tình hình này, các vấn đề về mạng bắt đầu bộc lộ, các nhà
cung cấp mạng và các nhà cung cấp dịch vụ cũng đã có nhiều nỗ lực để nâng cao và
đáp ứng về nhu cầu lưu lượng.
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
Lê Thị Phương - D08VT5 5
Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu một số phần tử chuyển mạch quang
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
Lê Thị Phương - D08VT5 6
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về chuyển mạch quang
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.
Lê Thị Phương - D08VT5 7
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về chuyển mạch quang
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
Lê Thị Phương - D08VT5 8
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về chuyển mạch quang
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.
Lê Thị Phương - D08VT5 9
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về chuyển mạch quang
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
Lê Thị Phương - D08VT5 10
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về chuyển mạch quang
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.
Lê Thị Phương - D08VT5 11
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về chuyển mạch 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.
Lê Thị Phương - D08VT5 12
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về chuyển mạch quang
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
Lê Thị Phương - D08VT5 13
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về chuyển mạch quang
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.
Lê Thị Phương - D08VT5 14
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số 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
Lê Thị Phương – D08VT5 15
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang
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
Lê Thị Phương – D08VT5 16
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang
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
Lê Thị Phương – D08VT5 17
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang
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:
D = d.n (2.1)
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.
Lê Thị Phương – D08VT5 18
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang
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:
dn
n T
dT
 
∆ = − ∆
 ÷
 
(2.3)
Trong đó:
dn
dT
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:
2
D
λ
∆ =
(khi đó độ khác pha của sóng quang trên hai nhánh của giao thoa kế đúng
bằng π).
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
w
W
1 0.88
W
H
H
H
t
P K L T
t
 
 
= + ∆
 ÷
 ÷
 ÷
 
 
(2.4)
Trong đó: ΔT là nhiệt độ thay đổi.
w
K
là độ dẫn nhiệt của vật liệu ống dẫn sóng
Lê Thị Phương – D08VT5 19
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang
W

H
và
H
L
tương đương với chiều rộng và chiều dài của lò sưởi
Và
w
t
là độ dày của hệ thống ống dẫn sóng.
2.2.3 Nhận xét
Nhận thấy rằng, chỉ số chiết suất thay đổi theo nhiệt độ. Và tương ứng với
những vật liệu, những nhiệt độ thích hợp mà ta có thể dẫn tới đầu ra mong muốn.
Các phần tử quang nhiệt có ưu điểm là dễ dàng tích hợp. Tuy nhiên thời gian
chuyển mạch lâu, mất mát, khả năng mở rộng kém, tiêu thụ điện năng cao. Vì vậy ít
được ứng dụng trong thực tế.
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
Lê Thị Phương – D08VT5 20
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang
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:
1
TM TE
n n
λ λ
= ±
Λ
(2.5)
Với
Λ

là chu kỳ cách tử.
Thì ánh sáng sẽ được ghép từ một mode này tới một mode khác. Năng lượng ánh
sáng trong một dải phổ hẹp xung quanh bước sóng λ thỏa mãn điều kiện phản xạ
Lê Thị Phương – D08VT5 21
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang
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 .
Lê Thị Phương – D08VT5 22
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang
Hình 2.5: Chuyển mạch SOA 1x1
2.4.2 Nguyên lý hoạt động
Với một chuyển mạch SOA 1x1 như trên hình 2.5, hoạt động của nó được thực

hiện như sau: Các SOA hoạt động như một công tắc on-off, bằng cách thay đổi điện
áp lệch.
- Nếu điện áp lệch giảm thì tín hiệu đầu vào sẽ bị hấp thụ và không cho tín
hiệu ở đầu ra (trạng thái:off).
- Nếu điện áp lệch tăng, bằng cách sử dụng quá trình “bơm” cung cấp năng
lượng từ bên ngoài đủ lớn để đạt được “trạng thái nghịch đảo mật độ”. Khi
đó ánh sáng đầu vào sẽ được khuếch đại và cho tín hiệu ở đầu ra (trạng thái:
on). Nguồn bơm có thể được cung cấp dưới dạng dòng điện.
2.4.3 Nhận xét
Phần tử chuyển mạch SOA cho phép khuếch đại tín hiệu, do đó có thể khôi
phục lại mức độ tín hiệu. Đồng thời với sự khuếch đại tín hiệu trong trạng thái “on”
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.
Lê Thị Phương – D08VT5 23
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang
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).
Lê Thị Phương – D08VT5 24
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số phần tử chuyển mạch quang
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
Lê Thị Phương – D08VT5 25