CHUYỂN MẠCH- BỘ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA: ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

ĐỀ TÀI BÁO CÁO: CHUYỂN MẠCHBỘ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SĨNG
TÊN HỌC PHẦN: KĨ THUẬT HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG
MÃ HỌC PHẦN: DTV4223.001
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: VƯƠNG QUANG PHƯỚC
NHÓM
PHAN VĂN TƯỜNG
THÁI CÔNG THÀNH LUÂN
A-RẤT NHIỆT

HUẾ, THÁNG 10 NĂM 2021


MỤC LỤC


I.

SWITCH.

Switch hay còn gọi là thiết bị chuyển mạch, là một thiết bị dùng để kết nối các đoạn
mạng với nhau theo mơ hình mạng hình sao (star). Theo mơ hình này, switch đóng vai
trị là thiết bị trung tâm, tất cả các máy tính đều được nối về đây.

Bộ chuyển mạch quang được sử dụng trong mạng quang cho nhiều ứng dụng
khác nhau. Các ứng dụng khác nhau yêu cầu thời gian chuyển đổi và số lượng
cổng chuyển đổi khác nhau, như được tóm tắt trong Bảng 3.3.
Ứng dụng
Thời gian chuyển mạch

Số lượng cổng
Cung cấp
1-10 ms
> 1000
Chuyển mạch bảo vệ
1-10 ms
2-1000
Chuyển mạch gói
1 ns
> 100
Điều chế bên ngồi
10 ps
1
Bảng 3.3 Các ứng dụng cho chuyển mạch quang và yêu cầu về thời gian chuyển
mạch và số cổng của chúng.

Một ứng dụng của bộ chuyển mạch quang là cung cấp những quỹ đạo ánh sáng.
Trong ứng dụng này, các công tắc được sử dụng bên trong các kết nối chéo bước
sóng để định cấu hình lại chúng để hỗ trợ các quỹ đạo ánh sáng mới. Trong ứng
dụng này, các công tắc được thay thế cho các tấm vá bằng sợi thủ công, nhưng
với phần mềm được bổ sung đáng kể cho quản lý mạng quy trình đầu cuối, một
chủ đề mà chúng ta sẽ trình bày chi tiết trong Chương 9 và 10. Do đó, đối với
ứng dụng này, các chuyển mạch với
thời gian chuyển đổi miligiây là có thể chấp nhận được. Thách thức ở đây là
nhận ra kích thước chuyển mạch lớn.
Một ứng dụng quan trọng khác là chuyển mạch bảo vệ, chủ đề của Chương 10.
Ở đây, các chuyển mạch được sử dụng để chuyển luồng lưu lượng từ một sợi sơ
cấp sang một sợi quang khác trong trường hợp sợi sơ cấp bị lỗi. Toàn bộ hoạt
động thường phải được hoàn thành trong vài chục mili giây, bao gồm thời gian
phát hiện lỗi, thông báo lỗi cho các phần tử mạng thích hợp xử lý chuyển mạch

và thời gian chuyển mạch thực tế. Do đó, thời gian chuyển đổi cần thiết theo thứ
3


tự vài mili giây. Có thể có nhiều kiểu chuyển mạch bảo vệ khác nhau và dựa trên
sơ đồ được sử dụng, số lượng cổng chuyển mạch cần thiết có thể thay đổi từ hai
cổng đến vài trăm đến hàng nghìn cổng khi được sử dụng trong kết nối chéo bộ
chuyển mạch bước sóng.
Bộ chuyển mạch cũng là thành phần quan trọng trong mạng chuyển mạch gói
quang tốc độ cao. Trong các mạng này, bộ chuyển mạch được sử dụng để
chuyển tín hiệu trên cơ sở từng gói. Đối với ứng dụng này, thời gian chuyển
mạch phải nhỏ hơn nhiều so với thời lượng gói và sẽ cần các bộ chuyển mạch
lớn. Ví dụ, một gói 53 byte (một ơ trong mạng ATM) ở tốc độ 10 Gb/s dài 42 ns,
vì vậy thời gian chuyển mạch cần thiết để hoạt động hiệu quả là theo thứ tự vài
nano giây. Chuyển mạch gói quang vẫn cịn sơ khai và là chủ đề của Chương 12.
Tuy nhiên, một công dụng khác của chuyển mạch là như bộ điều biến bên ngoài
để bật và tắt dữ liệu trước nguồn laser. Trong trường hợp này, thời gian chuyển
mạch phải là một phần nhỏ của thời lượng bit. Vì vậy, một bộ điều chế bên
ngồi cho tín hiệu 10 Gb / s (với thời lượng bit là 100 ps) phải có thời gian
chuyển mạch (hoặc tương đương, thời gian tăng và giảm) khoảng 10 ps.
Ngoài thời gian chuyển mạch và số lượng cổng, các thông số quan trọng khác
được sử dụng để mơ tả tính phù hợp của bộ chuyển mạch đối với các ứng dụng
mạng quang là:
-

Tỷ số tắt của chuyển mạch bật-tắt là tỷ số giữa công suất đầu ra ở trạng
thái bật và công suất đầu ra ở trạng thái tắt. Tỷ lệ này phải càng lớn càng
tốt và đặc biệt quan trọng trong các bộ điều chế bên ngoài. Trong khi các
cơng tắc cơ học đơn giản có tỷ lệ tắt là 40-50 dB, thì các bộ điều chế tốc

-

độ cao bên ngồi có xu hướng có tỷ lệ tắt là 10-25 dB.
Suy hao chèn của chuyển mạch là phần công suất (thường được biểu thị
bằng đơn vị) bị mất đi do sự hiện diện của chuyển mạch và phải càng nhỏ
càng tốt. Một số chuyển mạch có các tổn hao khác nhau đối với các kết
nối đầu vào-đầu ra khác nhau. Đây là một tính năng khơng mong muốn vì
nó làm tăng phạm vi động của các tín hiệu trong mạng. Với các thiết bị
4


chuyển mạch như vậy, chúng ta có thể cần phải bao gồm các bộ suy giảm
quang học thay đổi để cân bằng tổn thất trên các đường dẫn khác nhau.
Tính đồng nhất của tổn thất này được xác định chủ yếu bởi kiến trúc được
sử dụng để xây dựng bộ chuyển mạch, chứ khơng phải bản thân cơng
-

nghệ vốn có, như chúng ta sẽ thấy trong một số ví dụ dưới đây.
Chuyển mạch không lý tưởng. Ngay cả khi đầu vào x được kết nối danh
nghĩa với đầu ra y, một số cơng suất từ đầu vào x có thể xuất hiện ở các
đầu ra khác. Đối với một trạng thái chuyển mạch hoặc kiểu kết nối và đầu
ra nhất định, nhiễu xuyên âm là tỷ số giữa công suất tại đầu ra đó từ đầu
vào mong muốn với cơng suất từ tất cả các đầu vào khác. Thông thường,
nhiễu xuyên âm của một chuyển mạch được định nghĩa là xuyên âm trong

-

trường hợp xấu nhất trên tất cả các đầu ra và các mẫu kết nối.
Cũng như các thành phần khác, thiết bị chuyển mạch phải có suy hao phụ
thuộc phân cực (PDL) thấp. Khi được sử dụng làm bộ điều biến bên

ngồi, sự phụ thuộc phân cực có thể được chấp nhận vì cơng tắc được sử
dụng ngay sau laser và trạng thái phân cực đầu ra của laser có thể được
kiểm sốt bằng cách sử dụng một sợi quang bảo vệ phân cực đặc biệt để

-

ghép ánh sáng từ laser vào thiết bị ngoại vi- bộ điều chế bên ngồi.
Chuyển mạch chốt duy trì trạng thái chuyển mạch của nó ngay cả khi
chuyển mạch bị tắt nguồn. Đây là một tính năng đáng mong đợi vì nó cho
phép lưu lượng truy cập được truyền qua bộ chuyển mạch ngay cả trong

-

trường hợp mất điện.
Chuyển mạch cần có khả năng đọc trong đó trạng thái hiện tại của nó có
thể được giám sát. Điều này quan trọng để xác minh rằng các kết nối phù

-

hợp được thực hiện thông qua chuyển mạch.
Độ tin cậy của chuyển mạch là một yếu tố quan trọng trong các thiết bị
viễn thông. Cách phổ biến để thiết lập độ tin cậy là chuyển mạch qua các
trạng thái khác nhau của nó một lượng lớn có thể là vài triệu chu kỳ. Tuy
nhiên, trong các ứng dụng chuyển đổi cung cấp và bảo vệ được thảo luận
ở trên, chuyển mạch vẫn ở một trạng thái trong một thời gian dài, thậm
chí một vài năm, và sau đó được kích hoạt để thay đổi trạng thái. Vấn đề
5


về độ tin cậy ở đây là liệu chuyển mạch có thực sự chuyển đổi sau khi nó

khơng được tác động trong một thời gian dài hay khơng. Thuộc tính này
khó thiết lập hơn nếu khơng có lịch sử triển khai lâu dài.

1. Chuyển mạch quang lớn

Các bộ chuyển mạch với số cổng từ vài trăm đến vài nghìn đang được các nhà
mạng tìm kiếm cho các mạng thế hệ tiếp theo của họ. Giả sử rằng một văn
phòng trung tâm xử lý nhiều sợi, với mỗi sợi mang vài chục đến hàng trăm bước
sóng, có thể dễ dàng hình dung sự cần thiết của các bộ chuyển mạch quy mơ lớn
để cung cấp và bảo vệ các bước sóng này. Chúng ta sẽ nghiên cứu việc sử dụng
các thiết bị chuyển mạch như kết nối bước sóng trong Chương 7.
Những cân nhắc chính trong việc xây dựng các thiết bị chuyển mạch lớn là:
Số lượng phần tử chuyển mạch yêu cầu. Các chuyển mạch lớn được tạo ra
bằng cách sử dụng nhiều phần tử chuyển mạch ở dạng này hay dạng khác, như
chúng ta sẽ thấy bên dưới. Chi phí và độ phức tạp của chuyển mạch ở một mức
độ nào đó phụ thuộc vào số lượng chuyển mạch cần thiết. Tuy nhiên, đây chỉ là
một trong những yếu tố ảnh hưởng đến giá thành. Các yếu tố khác bao gồm
đóng gói, nối, dễ chế tạo và kiểm sốt.
Mất độ đồng đều. Như chúng ta đã đề cập trong bối cảnh đặc điểm của bộ
chuyển mạch trước đó, bộ chuyển mạch có thể có các tổn hao khác nhau đối với
các kết hợp khác nhau của các cổng đầu vào và đầu ra. Tình trạng này càng trầm
trọng hơn đối với các thiết bị chuyển mạch lớn. Có thể thu được phép đo độ
đồng đều của suy hao bằng cách xem xét số lượng phần tử chuyển mạch tối
thiểu và tối đa trong đường quang, đối với các kết hợp đầu vào và đầu ra khác
nhau.
Số lượng giao nhau. Một số chuyển mạch quang học mà chúng ta sẽ nghiên
cứu tiếp theo được chế tạo bằng cách tích hợp nhiều phần tử chuyển mạch trên
một đế duy nhất. Không giống như các mạch điện tử tích hợp (IC), trong đó các
kết nối giữa các thành phần khác nhau có thể được thực hiện ở nhiều lớp, trong
quang học tích hợp, tất cả các kết nối này phải được thực hiện trong một lớp duy

6


nhất bằng các ống dẫn sóng. Nếu đường đi của hai ống dẫn sóng cắt nhau, sẽ có
hai tác dụng không mong muốn: mất điện và nhiễu xuyên âm. Để có hiệu suất
suy hao và xuyên âm có thể chấp nhận được đối với bộ chuyển mạch, do đó cần
giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn các giao cắt ống dẫn sóng như vậy. Sự giao
nhau khơng phải là một vấn đề liên quan đến các chuyển mạch không gian
trống, chẳng hạn như các chuyển mạch MEMS mà chúng ta sẽ mô tả sau trong
phần này.
Khối đặc trưng. Xét về chức năng chuyển mạch có thể đạt được, thiết bị
chuyển mạch có hai loại: chặn hoặc khơng chặn. Một chuyển mạch được cho là
không chặn nếu một cổng đầu vào khơng sử dụng có thể được kết nối với bất kỳ
cổng đầu ra khơng sử dụng nào. Do đó, một chuyển mạch khơng chặn có khả
năng nhận ra mọi kiểu kết nối giữa đầu vào và đầu ra. Nếu không thể nhận ra
(các) kiểu kết nối nào đó, thì chuyển mạch được cho là đang chặn. Hầu hết các
ứng dụng yêu cầu chuyển mạch không chặn. Tuy nhiên, ngay cả các chuyển
mạch khơng chặn cũng có thể được phân biệt rõ hơn về nỗ lực cần thiết để đạt
được thuộc tính khơng chặn. Một chuyển mạch được cho là khơng chặn theo
nghĩa rộng nếu bất kỳ đầu vào không sử dụng nào có thể được kết nối với bất kỳ
đầu ra không sử dụng nào, mà không yêu cầu bất kỳ kết nối hiện có nào được
định tuyến lại. Các thiết bị chuyển mạch không chặn thường sử dụng các thuật
toán định tuyến cụ thể để định tuyến các kết nối sao cho các kết nối trong tương
lai sẽ không bị chặn. Một chuyển mạch khơng chặn có ý nghĩa nghiêm ngặt cho
phép bất kỳ đầu vào không sử dụng nào được kết nối với bất kỳ đầu ra không sử
dụng nào bất kể các kết nối trước đó đã được thực hiện như thế nào thông qua
chuyển mạch. Một chuyển mạch khơng chặn có thể u cầu định tuyến lại các
kết nối để đạt được thuộc tính khơng chặn được cho là không chặn. Việc định
tuyến lại các kết nối có thể được chấp nhận hoặc có thể khơng được chấp nhận
tùy thuộc vào ứng dụng vì kết nối phải bị gián đoạn, ít nhất là trong thời gian

ngắn, để chuyển nó sang một con đường. Ưu điểm của các chuyển mạch không
chặn được trang bị lại là chúng sử dụng ít chuyển mạch nhỏ hơn để tạo ra một

7


chuyển mạch lớn hơn với kích thước nhất định, so với mơ hình chuyển mạch
khơng chặn theo chiều rộng.
Bảng 3.4 So sánh các mơ hình chuyển mạch khác nhau. Số lượng chuyển mạch
cho mơ hình Spanke được thực hiện theo 1 x n chuyển mạch, trong khi 2 x 2
chuyển mạch được sử dụng cho các mơ hình khác.

Loại khơng chặn
Crossbar
Clos
Spanke
Benes
SpankeBenes

Wide sense
Strict sense
Strict sense
Rearrangeable
Rearrangeable

Không chuyển
mạch
2n
(2n-1)
(n-1)

Suy hao tối Suy hao tối
đa
thiểu
2n-1
1
-5
3
2
2
2n-1
2 n-1
n

Mặc dù các mơ hình khơng chặn được trang bị lại sử dụng ít chuyển mạch hơn,
chúng yêu cầu một thuật toán điều khiển phức tạp hơn để thiết lập các kết nối,
nhưng độ phức tạp điều khiển này không phải là một vấn đề đáng kể, do sức
mạnh của các bộ vi xử lý ngày nay được sử dụng trong các chuyển mạch này sẽ
thực thi một thuật toán như vậy. Hạn chế chính của các thiết bị chuyển mạch
không chặn được trang bị lại là nhiều ứng dụng sẽ khơng cho phép các kết nối
hiện có bị gián đoạn, thậm chí là tạm thời, để cung cấp kết nối mới.
Thơng thường, có sự đánh đổi giữa các khía cạnh khác nhau này. Chúng ta sẽ
minh họa điều này khi nghiên cứu các mơ hình khác nhau để xây dựng các thiết
bị chuyển mạch lớn tiếp theo. Bảng 3.4 so sánh các đặc điểm của các mơ hình
này.
Crossbar
Một chuyển mạch ngang 4 x 4 được thể hiện trong hình 3.66. Chuyển mạch này
sử dụng 16 chuyển mạch 2 x 2 và sự kết nối giữa các đầu vào và đầu ra đạt
được bằng cách thiết lập thích hợp các trạng thái của các chuyển mạch 2 x 2 này.
Các cài đặt của chuyển mạch 2 x 2 cần thiết để kết nối đầu vào 1 với đầu ra 3

được thể hiện trong Hình 3.66. Kết nối này có thể được xem như là một đường
dẫn thông qua mạng lưới các chuyển mạch 2 x 2 tạo nên chuyển mạch 4 x 4.
8


Lưu ý rằng có các đường dẫn khác từ đầu vào 1 đến đầu ra 3; tuy nhiên, đây là
đường dẫn ưu tiên như chúng ta sẽ thấy tiếp theo.
Mô hình thanh ngang là khơng chặn theo nghĩa rộng. Để kết nối đầu vào i với
đầu ra j, đường dẫn được thực hiện đi qua các chuyển mạch 2 x 2 ở hàng i cho
đến khi nó đến cột j và sau đó đi qua các chuyển mạch trong cột j cho đến khi nó
đến đầu ra j. Do đó, các chuyển mạch 2 x 2 trên đường dẫn này ở hàng i và cột j
phải được đặt thích hợp để kết nối này được thực hiện. Chúng ta tin rằng nếu
quy tắc kết nối này được sử dụng, chuyển mạch này không bị chặn và không yêu
cầu định tuyến lại các kết nối hiện có.

Hình 3.66 Một chuyển mạch ngang 4 x 4 được thực hiện bằng cách sử dụng 16
chuyển mạch 2 x 2.
Nói chung, n x n thanh ngang yêu cầu 2 x 2 chuyển mạch. Chiều dài đường dẫn ngắn
nhất là 1 và chiều dài đường dẫn dài nhất là 2n - 1, và đây là một trong những nhược
điểm chính của mơ hình thanh ngang. Chuyển mạch có thể được chế tạo mà khơng cần
bất kỳ thiết bị chuyển mạch nào.

Clos
Mơ hình Clos cung cấp một chuyển mạch khơng khóa chặt chẽ và được sử dụng
rộng rãi trong thực tế để xây dựng các chuyển mạch đếm cổng lớn. Chuyển
mạch Clos có 1024 cổng ba giai đoạn được thể hiện trong Hình 3.67. Một
chuyển mạch n x n được xây dựng như sau. Chúng ta sử dụng ba tham số, m, k
và p. Cho n = mk. Giai đoạn thứ nhất và thứ ba bao gồm k (m x p) chuyển mạch.
9

Giai đoạn giữa bao gồm p (k x k) chuyển mạch. Mỗi chuyển mạch k trong giai
đoạn đầu tiên được kết nối với tất cả các chuyển mạch ở giai đoạn giữa. (Mỗi
chuyển mạch trong giai đoạn đầu tiên có p đầu ra. Mỗi đầu ra được kết nối với
đầu vào của một chuyển mạch khác ở giai đoạn giữa.) Tương tự như vậy, mỗi
chuyển mạch trong số k chuyển mạch trong giai đoạn thứ ba được kết nối với tất
cả các chuyển mạch ở giai đoạn giữa. Chúng ta xác minh rằng nếu p 2m - 1,
chuyển mạch hoàn tồn khơng chặn (xem Vấn đề 3.29).
Để giảm thiểu tổn hao của chuyển mạch, chúng ta hãy chọn p = 2m - 1. Thông
thường các chuyển mạch riêng lẻ trong từng giai đoạn được thiết kế sử dụng
chuyển mạch ngang. Do đó, mỗi cơng tắc m x (2m - 1) yêu cầu m(2 m - 1) phần
tử chuyển đổi 2 x 2, và mỗi chuyển mạch k x k ở giai đoạn giữa yêu cầu phần tử
chuyển đổi 2 x 2. Do đó, tổng số phần tử chuyển mạch cần thiết là 2km(2m - 1)
+ (2m - 1).

Hình 3.67 Một chuyển mạch khơng chặn 1024 x 1024 có ý nghĩa chặt chẽ được
thực hiện bằng cách sử dụng các chuyển mạch 32 x 64 và 32 x 32 được kết nối
với nhau theo mơ hình Clos ba tầng.
Sử dụng k = n/m, chúng ta để bạn xác minh rằng số lượng phần tử chuyển đổi
được giảm thiểu khi m .
Sử dụng giá trị này cho m, số lượng phần tử chuyển mạch cần thiết cho cấu hình
chi phí tối thiểu là xấp xỉ 4 - 4n, thấp hơn đáng kể so với cần thiết cho một
thanh ngang
Mơ hình Clos có một số ưu điểm khiến nó phù hợp để sử dụng trong kết cấu
chuyển mạch nhiều tầng. Sự đồng nhất tổn thất giữa các kết hợp đầu vào-đầu ra
10


khác nhau tốt hơn so với thanh ngang và số lượng phần tử chuyển đổi cần thiết
nhỏ hơn đáng kể so với thanh ngang.

Spanke
Mơ hình Spanke được thể hiện trong Hình 3.68 đang trở thành một mơ hình phổ biến
để xây dựng các thiết bị chuyển mạch lớn. Một chuyển mạch n x n được thực hiện
bằng cách kết hợp n chuyển mạch 1 x n cùng với n n x 1 chuyển mạch, như thể hiện
trong hình. Mơ hình có ý nghĩa nghiêm ngặt khơng chặn. Cho đến nay, chúng ta đã
đếm số lượng phần tử chuyển mạch 2 x 2 cần thiết để xây dựng các thiết bị chuyển
mạch lớn như một thước đo chi phí chuyển mạch. Điều làm nên sự hấp dẫn của mơ
hình Spanke là trong nhiều trường hợp, một bộ chuyển mạch quang 1 x n có thể được
chế tạo bằng cách sử dụng một phần tử chuyển mạch duy nhất và không cần phải được
xây dựng từ phần tử chuyển mạch 1 x 2 hoặc 2 x 2. Đây là trường hợp của sự điều
khiển công nghệ chùm tương tự MEMS mà chúng ta sẽ thảo luận sau trong phần này.

Hình 3.68 Một chuyển mạch n x n không chặn theo nghĩa chặt chẽ được thực
hiện bằng cách sử dụng 2n công tắc 1 x n được kết nối với nhau trong mô hình
Spanke.
Do đó chỉ cần 2n phần tử chuyển mạch như vậy để xây dựng một chuyển mạch
n x n. Điều này ngụ ý rằng chi phí chuyển mạch quy mơ tuyến tính với n, tốt
hơn đáng kể so với các mơ hình chuyển mạch khác. Ngồi ra, mỗi kết nối đi qua
hai phần tử chuyển mạch, nhỏ hơn đáng kể so với số phần tử chuyển mạch trong
đường dẫn cho các thiết kế nhiều tầng khác. Cách tiếp cận này cung cấp tổn thất
chèn thấp hơn nhiều so với thiết kế nhiều tầng. Hơn nữa, chiều dài đường quang
11


cho tất cả các kết hợp đầu vào-đầu ra có thể được thực hiện về cơ bản giống
nhau, do đó suy hao là như nhau bất kể kết hợp đầu vào-đầu ra cụ thể nào.
Benes
Kiến trúc Bene ~ là một kiến trúc công tắc không chặn được trang bị lại và là một kiến
trúc công tắc hiệu quả nhất về số lượng cơng tắc 2 x 2nó sử dụng để xây dựng các thiết
bị chuyển mạch lớn hơn. Một công tắc 8 x 8 không chặn được trang bị lại chỉ sử dụng

20 công tắc 2 x 2 được thể hiện trong Hình 3.69. Trong khi đó, 8 x 8 công tắc xà ngang
yêu cầu 64 công tắc 2 x 2. Nói chung, một cơng tắc nxn Bene ~ u cầu (n / 2) (2 log 2
n - 1)2x2 chuyển mạch, n là lũy thừa của hai. Mất giống nhau qua mọi đường dẫn
trong công tắc - mỗi đường dẫn đi qua công tắc 2 log 2 n - 1 2 x 2.Hai nhược điểm
chính của nó là nó khơng phải là tính năng khơng chặn có ý nghĩa rộng và đó là một
con số cần có bộ giao cắt ống dẫn sóng, gây khó khăn cho việc chế tạo tích hợp quang
học

Hình 3.69 Một chuyển mạch 8 x 8 không chặn 8 x 8 được trang bị lại được thực
hiện bằng cách sử dụng 20 chuyển mạch 2 x 2 được kết nối với nhau trong kiến
trúc Benes.
Spanke-Benes
Một sự sắp xếp tốt giữa mơ hình thanh ngang và chuyển mạch Benes được thể
hiện trong Hình 3.70, đây là một chuyển mạch 8 x 8 không chặn được trang bị
lại sử dụng 28 chuyển mạch 2 x 2 và không có giao cắt ống dẫn sóng. Mơ hình
12


chuyển mạch này được phát hiện bởi Spanke và Benes [SB87] và được gọi là
mơ hình phẳng thứ n vì nó yêu cầu n giai đoạn (cột) để thực hiện một chuyển
đổi n x n. Nó yêu cầu n (n - 1)/2 chuyển mạch, độ dài đường dẫn ngắn nhất là
n/2 và độ dài đường dẫn dài nhất là n. Khơng có giao nhau. Hạn chế chính của
nó là nó khơng có nghĩa rộng và sự mất mát là khơng đồng nhất.

Hình 3.70 Một chuyển mạch 8 x 8 khơng chặn 8 x 8 được trang bị lại được thực
hiện bằng cách sử dụng 28 chuyển mạch 2 x 2 và khơng có bộ giao nhau của
ống dẫn sóng được kết nối với nhau trong mơ hình phẳng tầng n.
2.

Cơng nghệ chuyển mạch quang

Nhiều cơng nghệ khác nhau có sẵn để thực hiện chuyển mạch quang. Những điều này
được trình bày trong Bảng 3.5. Ngoại trừ chuyển mạch MEMS quy mô lớn, các phần
tử chuyển mạch được mô tả bên dưới đều sử dụng mơ hình thanh ngang.
Chuyển mạch cơ số lượng lớn
Trong chuyển mạch cơ học, chức năng chuyển mạch được thực hiện bằng một số
phương tiện cơ học. Một bộ chuyển mạch như vậy sử dụng sự sắp xếp gương theo đó
trạng thái chuyển mạch được điều khiển bằng cách di chuyển một gương vào và ra
khỏi đường quang học. Một loại chuyển mạch cơ học khác sử dụng bộ ghép định
hướng. Uốn hoặc kéo dài sợi quang trong vùng tương tác làm thay đổi tỷ lệ ghép nối
của bộ ghép nối và có thể được sử dụng để chuyển đổi ánh sáng từ một cổng đầu vào
giữa các cổng đầu ra khác nhau.
13


Bảng 3.5 So sánh các công nghệ chuyển mạch quang khác nhau. Chuyển mạch
cơ học, MEMS và chuyển mạch dựa trên polyme hoạt động theo cách tương tự
đối với các bước sóng 1,3 và 1,55 m, nhưng khác thiết bị chuyển mạch được
thiết kế để chỉ hoạt động ở một trong các dải bước sóng này. Các con số này đại
diện cho các thông số cho các thiết bị chuyển mạch có sẵn trên thị trường vào
đầu năm 2001.

Kiểu
Khối cơ
học
2D MEMS
3D MEMS
Quangnhiệt
Bubblebased
Tinh thể

lỏng
Polymer
Điện-quang
LiNbO3
SOA

Kích thước

Suy hao
( dB )

Xuyên
âm( dB )

PDL( dB )

Chuyển
mạch thời
gian

8x8

3

55

0,2

10ms

32x32
1000x1000

5
5

55
55

0,2
0,5

10ms
10ms

8x8

8

40

Low

3ms

32x32

7,5

50

0,3

10ms

2x2

1

35

0,1

4

8x8

10

30

Low

2ms

4x4

8

35

1

10ps

4x4

0

40

Low

1ns

Các thiết bị chuyển mạch cơ số lượng lớn có tổn hao thấp, PDL thấp, nhiễu
xuyên âm thấp và là thiết bị tương đối. Trong hầu hết các trường hợp, chúng có
sẵn dưới dạng hình thanh ngang, điều này ngụ ý độ đồng đều về tổn thất hơi
kém. Tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi của chúng theo thứ tự vài mili giây và số
lượng cổng khá nhỏ, Ví dụ: 8 đến 16. Vì những lý do này, chúng đặc biệt thích
hợp để sử dụng trong các kết nối chéo bước sóng nhỏ cho các ứng dụng chuyển
mạch bảo vệ và cung cấp chứ không phải cho các ứng dụng khác đã được thảo
luận trước đó. Như với hầu hết các thành phần cơ học, độ tin cậy lâu dài của các
thiết bị chuyển mạch này là điều đáng quan tâm, chúng vẫn bền tốt hơn tất cả
các công nghệ chuyển mạch quang khác hiện nay. Các chuyển mạch lớn hơn có
14


thể được thực hiện bằng cách xếp tầng các chuyển mạch cơ số lượng lớn,ta đã
thấy trong Phần 3.7.1, nhưng có những cách tốt hơn để nhận ra các chuyển mạch

đếm cổng lớn hơn, ta sẽ khám phá tiếp theo.
Hệ thống chuyển mạch cơ điện vi mô (MEMS)
Hệ thống cơ điện tử vi mô (MEMS) là các thiết bị cơ khí thu nhỏ được chế tạo
điển hình bằng cách sử dụng chất nền silicon. Trong ngữ cảnh của chuyển mạch
quang học, MEMS thường đề cập đến các gương di động thu nhỏ được chế tạo
bằng silicon, có kích thước từ vài trăm micromet đến vài milimet. Một tấm
silicon duy nhất tạo ra một số lượng lớn các tấm gương, có nghĩa là những tấm
gương này có thể được nhân tạo và đóng gói dưới dạng các mảng. Hơn nữa,
gương có thể được chế tạo bằng quy trình sản xuất chất bán dẫn khá tiêu chuẩn.
Những gương này bị lệch từ vị trí này sang vị trí khác bằng cách sử dụng nhiều
kỹ thuật truyền động điện tử, chẳng hạn như phương pháp điện từ, tĩnh điện
hoặc áp điện, do đó có tên là MEMS. Trong số các phương pháp này, độ lệch
tĩnh điện đặc biệt tiết kiệm điện nhưng tương đối khó kiểm sốt trong phạm vi
độ lệch rộng.
Cấu trúc gương đơn giản nhất được gọi là gương bật lên hai trạng thái, hoặc
gương 2D, được thể hiện trong Hình 3.71. Ở một trạng thái, gương phẳng thẳng
hàng với chất nền. Ở trạng thái này, chùm sáng không bị lệch hướng. Ở trạng
thái khác, gương bật lên theo phương thẳng đứng và chùm sáng nếu có mặt sẽ bị
lệch. Một gương như vậy có thể được sử dụng trong cách sắp xếp thanh ngang
được thảo luận dưới đây để nhận ra một chuyển mạch n x n. Kích thước mơ-đun
chuyển mạch thực tế bị giới hạn bởi kích thước mỏng và các ràng buộc xử lý là
khoảng 32 x 32. Các chuyển mạch này đặc biệt dễ điều khiển thông qua các
phương tiện kỹ thuật số, vì chỉ cần hỗ trợ hai vị trí gương.
Một loại cấu trúc gương khác được thể hiện trong Hình 3.72. Gương được kết
nối thơng qua các điểm uốn với một khung bên trong, đến lượt nó được kết nối
thơng qua một bộ uốn khác với ngọn lửa bên ngoài. Độ uốn cho phép gương
quay tự do theo hai trục riêng biệt. Gương này có thể được điều khiển theo kiểu
tương tự để nhận ra một loạt các góc lệch liên tục. Loại gương này đôi khi được
gọi là gương lái chùm tia tương tự, gương gimbel hoặc gương 3D. Một gương
15

loại này có thể được sử dụng để nhận ra chuyển mạch 1 x n. Việc điều khiển các
gương này không phải là một vấn đề tầm thường, với các cơ chế điều khiển
servo khá tinh vi được yêu cầu để làm lệch các gương về vị trí chính xác của
chúng.

Hình 3.71 Một gương MEMS bật lên hai trạng thái, từ [LGT98], được hiển thị ở
vị trí bật lên. Gương có thể được di chuyển để gập phẳng ở vị trí khác của nó.

Hình 3.72 Một gương lái dạng tia tương tự. Gương có thể quay tự do theo hai
trục để làm lệch một chùm tia sáng tới.

Hình 3.73. Một chuyển mạch n x n được chế tạo bằng cách sử dụng hai dãy
gương MEMS lái chùm tia tương tự.
Hình 3.73 cho thấy một chuyển mạch n x n lớn sử dụng hai dãy gương lái chùm
tương tự. Mơ hình này tương ứng với mơ hình Spanke, mà chúng ta đã đề cập
16


trong Phần 3.7.1. Mỗi mảng có n gương, một gương liên kết với mỗi cổng
chuyển mạch. Một tín hiệu đầu vào được ghép với gương liên kết của nó trong
mảng đầu tiên bằng cách sử dụng cách sắp xếp các thấu kính chuẩn trực phù
hợp. Gương thứ nhất có thể bị lệch để hướng chùm tia tới bất kỳ gương nào
trong dãy thứ hai. Để tạo kết nối từ cổng i đến cổng j, gương i trong mảng đầu
tiên được trỏ tới gương j trong mảng thứ hai và ngược lại. Gương j sau đó cho
phép chùm tia được ghép ra khỏi cổng j. Để tạo kết nối từ cổng i đến một cổng
khác, giả sử cổng k, gương i trong mảng đầu tiên và gương k trong mảng thứ hai
được trỏ vào nhau. Lưu ý rằng để chuyển kết nối này từ cổng i sang cổng k,
chùm tia được quét từ gương đầu ra j đến gương đầu ra k, đi qua các gương khác

trên đường đi. Điều này khơng dẫn đến nhiễu xun âm bổ sung vì kết nối chỉ
được thiết lập khi hai gương hướng vào nhau chứ không phải trong bất kỳ
trường hợp nào khác. Cũng lưu ý rằng các chùm tương ứng với nhiều kết nối
chéo nhau bên trong chuyển mạch nhưng khơng gây nhiễu.
Có hai loại kỹ thuật chế tạo được sử dụng để tạo cấu trúc MEMS: chế tạo vi mô
bề mặt và chế tạo vi mơ số lượng lớn. Trong q trình chế tạo vi mô bề mặt,
nhiều lớp được lắng đọng trên lớp nền silicon. Các lớp này bị ăn mòn một phần
và các mảnh được giữ cố định vào chất nền để tạo ra các cấu trúc khác nhau.
Trong quá trình chế tạo vi mơ số lượng lớn, các cấu trúc MEMS được chế tạo
trực tiếp từ phần lớn của tấm silicon. Loại chế tạo vi mô được sử dụng và việc
lựa chọn loại chất nền silicon thích hợp ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính của
cấu trúc tạo thành. Để có một cách nhìn chi tiết hơn về một số ưu và nhược điểm
của những cách tiếp cận này, hãy xem [NR01]. Ngày nay, chúng ta đang thấy
các gương MEMS 2D đơn giản được tạo ra bằng cách sử dụng vi gia công bề
mặt và các gương MEMS 3D được thực hiện bằng cách sử dụng vi mô số lượng
lớn.
Trong số các công nghệ khác nhau được thảo luận trong phần này, công nghệ
gương lái chùm tia tương tự 3D MEMS mang lại tiềm năng tốt nhất để xây dựng
các chuyển mạch quang học quy mô lớn. Các thiết bị chuyển mạch này nhỏ gọn,
có đặc tính quang học rất tốt (suy hao thấp, độ đồng nhất tốt, độ phân tán không
17


đáng kể) và có thể có sự tiêu thụ năng lượng. Hầu hết các công nghệ khác được
giới hạn ở kích thước chuyển mạch nhỏ. Thật vậy,các thiết bị chuyển mạch 3D
MEMS từ 256 đến hơn 1000 cổng đang trở nên khả dụng trên thị trường, vì các
nhà cung cấp đang giải quyết các thách thức về chế tạo, điều khiển năng suất cao
cũng như độ tin cậy và ổn định của các thiết bị chuyển mạch này liên quan đến
nhiệt độ, độ ẩm, và rung động.
Bubble-Based Waveguide Switch

Một loại chuyển mạch quang học khác đến từ Agilent Technologies sử dụng một
phương pháp tiếp cận ống dẫn sóng phẳng thú vị trong đó hoạt động của chuyển
mạch dựa trên một cơng nghệ tương tự như những gì được sử dụng trong máy in
phun. Hình 3.74 cho thấy một hình ảnh của chuyển mạch này. Nó bao gồm các
ống dẫn sóng chéo nhau. Chuyển mạch cũng có các rãnh theo chiều dài như hình
minh họa và các điểm giao nhau của các ống dẫn sóng thẳng hàng với các rãnh.
Các rãnh chứa đầy chất lỏng khớp chỉ số. Trong điều kiện bình thường, ống dẫn
sóng inone truyền ánh sáng tiếp tục dọc theo cùng một ống dẫn sóng tại các
điểm giao nhau. Tuy nhiên, nếu chất lỏng tại một điểm giao nhau được làm
nóng, một bong bóng khí sẽ được hình thành. Bong bóng khí này phá vỡ sự
khớp chỉ số, và kết quả là, ánh sáng bây giờ được phản chiếu tại điểm giao nhau
đó. Do đó, mỗi điểm giao nhau hoạt động như một công tắc xà ngang 2x2. Sử
dụng cách tiếp cận này, có thể chế tạo các thiết bị chuyển mạch lên đến 32 x 32
trên một chất nền duy nhất. Công nghệ này hứa hẹn hiện thực hóa các mảng
cơng tắc nhỏ có thể sản xuất dễ dàng, chi phí tương đối thấp với thời gian
chuyển đổi theo thứ tự hàng chục mili giây.

18


Hình 3.74 Một cơng tắc ống dẫn sóng phẳng sử dụng cơng nghệ in phun để
kích hoạt chuyển mạch.
Chuyển mạch tinh thể lỏng
Các tế bào tinh thể lỏng cung cấp một cách khác để nhận ra các chuyển mạch
quang học nhỏ. Các chuyển mạch này thường sử dụng các hiệu ứng phân cực để
thực hiện chức năng chuyển mạch. Bằng cách đặt một điện áp vào một tế bào
tinh thể lỏng được thiết kế phù hợp, chúng ta có thể làm cho sự phân cực của
ánh sáng truyền qua tế bào bị quay hoặc khơng. Sau đó, điều này có thể được kết
hợp với bộ tách chùm phân cực thụ động và bộ kết hợp để tạo ra một chuyển
mạch độc lập phân cực, như thể hiện trong Hình 3.75. Nguyên lý hoạt động

tương tự như bộ cách ly không phân cực hình 3.5. Thơng thường, bộ tách chùm
tia phân cực thụ động, bộ kết hợp và phần tử chuyển mạch tích cực đều có thể
được thực hiện bằng cách sử dụng một loạt các tế bào tinh thể lỏng. Sự quay
phân cực trong tế bào tinh thể lỏng không nhất thiết phải có bản chất kỹ thuật số
- nó có thể được điều khiển theo kiểu tương tự bằng cách điều khiển điện áp. Do
đó, cơng nghệ này cũng có thể được sử dụng để nhận ra một bộ suy hao quang
học biến thiên (VOA). Trên thực tế, VOA có thể được tích hợp trong chính
chuyển mạch để điều khiển cơng suất đầu ra được ghép nối ra ngồi. Thời gian
chuyển đổi theo thứ tự vài mili giây. Giống như chuyển mạch ống dẫn sóng dựa
trên bong bóng (the bubble-based waveguide switch ) , chuyển mạch tinh thể
19


lỏng là một thiết bị ở trạng thái rắn và có thể được sản xuất với số lượng lớn với
chi phí thấp.
Chuyển mạch điện quang
Một chuyển mạch điện quang 2 x 2 có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một
trong các cấu hình bộ điều chế bên ngồi mà chúng ta đã nghiên cứu trong Phần 3.5.4.
Một vật liệu thường được sử dụng là liti niobat (LiNbO3). Trong cấu hình bộ ghép
định hướng, tỷ lệ ghép nối thay đổi bằng cách thay đổi điện áp và do đó chiết suất của
vật liệu trong vùng ghép nối. Trong cấu hình Mach-Zehnder, độ dài đường dẫn tương
đối giữa hai nhánh của Mach-Zehnder là khác nhau. Một công tắc điện quang có khả
năng thay đổi trạng thái của nó cực kỳ nhanh chóng; thường, trong ít hơn 1 ns. Giới
hạn thời gian chuyển mạch này được xác định bởi điện dung của cấu hình điện cực

.
Hình 3.75 Một chuyển mạch tinh thể lỏng 1 x 2. (a) Chế độ quay bị tắt, làm cho
chùm sáng thoát ra trên cổng ra 1. (b) Chế độ quay được bật bằng cách đặt một
điện áp vào tế bào tinh thể lỏng, làm cho chùm sáng thoát ra trên cổng 2.
Trong số những lợi thế của chuyển mạch niobate lithium là chúng cho phép mức

độ tích hợp khiêm tốn, so với chuyển mạch cơ học. Các chuyển mạch lớn hơn có
thể được thực hiện bằng cách tích hợp một số chuyển mạch 2 x 2 trên một chất
nền duy nhất. Tuy nhiên, chúng có xu hướng có tổn hao và PDL tương đối cao.
Chuyển mạch nhiệt quang
Các chuyển mạch này về cơ bản là 2 x 2 giao thoa kế Mach-Zehnder quang tích
hợp, được chế tạo trên vật liệu ống dẫn sóng có chiết suất là một hàm của nhiệt
độ. Bằng cách thay đổi chỉ số khúc xạ trong một nhánh của giao thoa kế, có thể
20


thay đổi độ lệch pha tương đối giữa hai nhánh, dẫn đến chuyển tín hiệu vào từ
cổng ra này sang cổng đầu ra khác. Những thiết bị này đã được chế tạo trên nền
silica cũng như polyme, nhưng có độ xuyên âm tương đối kém. Ngoài ra, hiệu
ứng quang nhiệt khá chậm và tốc độ chuyển đổi theo thứ tự vài mili giây.
Bộ chuyển mạch Khuếch đại quang bán dẫn
SOA được mơ tả trong Phần 3.4.5 có thể được sử dụng như một công tắc bật-tắt
bằng cách thay đổi điện áp phân cực cho thiết bị. Nếu điện áp phân cực được
giảm xuống, thì khơng có sự nghịch đảo nào đạt được và thiết bị sẽ hấp thụ tín
hiệu đầu vào. Nếu điện áp phân cực có mặt, nó sẽ khuếch đại các tín hiệu đầu
vào. Sự kết hợp giữa khuếch đại ở trạng thái bật và hấp thụ ở trạng thái tắt làm
cho thiết bị này có khả năng đạt được tỷ lệ tắt rất lớn. Tốc độ chuyển đổi theo
thứ tự 1 ns. Các chuyển mạch lớn hơn có thể được chế tạo bằng cách tích hợp
SOA với các bộ ghép nối thụ động. Tuy nhiên, đây là một thành phần đắt tiền và
rất khó để làm cho nó độc lập phân cực vì tính định hướng cao của vùng hoạt
động laser, có chiều rộng hầu như ln lớn hơn nhiều so với chiều cao của nó
(ngoại trừ VCSEL).
3. Chuyển mạch điện tử lớn
Chúng ta đã tập trung chủ yếu vào các công nghệ chuyển mạch quang trong
phần này. Tuy nhiên, nhiều kết nối "quang học" hoặc kết nối bước sóng thực tế
ngày nay thực sự sử dụng các loại cấu trúc chuyển mạch điện tử. Lý do chính

cho cách tiếp cận này là các cấu trúc chuyển mạch quang quy mơ lớn chỉ mới
bắt đầu có sẵn. Thông thường, một chuyển mạch điện tử lớn sử dụng thiết kế
nhiều tầng và trong nhiều trường hợp, cách tiếp cận Clos được ưa thích vì nó
cung cấp một mơ hình khơng chặn chặt chẽ với một số lượng tương đối nhỏ các
chuyển mạch điểm chéo. Có thể có hai cách tiếp cận. Trong cách tiếp cận đầu
tiên, tín hiệu đầu vào ở tốc độ 2,5 Gb/s hoặc 10 Gb/giây được chuyển đổi thành
một dòng bit song song với tốc độ có thể quản lý được, chẳng hạn, 51 Mb/s, và
tất cả việc chuyển đổi được thực hiện ở tốc độ bit thứ hai. Cách tiếp cận này có ý
nghĩa nếu chúng ta cần chuyển đổi tín hiệu theo đơn vị 51 Mb/s vì những lý do
khác. Cũng trong nhiều trường hợp, chi phí tổng thể của một chuyển mạch điện
tử bị chi phối bởi chi phí của bộ chuyển đổi quang sang điện, chứ không phải là
21


bản thân cấu tạo của chuyển mạch. Điều này ngụ ý rằng một khi tín hiệu có sẵn
trong miền điện, việc chuyển đổi tín hiệu ở mức độ chi tiết tốt là rất hợp lý.
Cách tiếp cận khác là thiết kế bộ chuyển mạch hoạt động ở tốc độ đường truyền
theo kiểu nối tiếp mà khơng chia tín hiệu thành các luồng bit tốc độ thấp hơn.
Đơn vị cơ bản của phương pháp nối tiếp này là một thanh ngang được chế tạo
như một vi mạch duy nhất. Ngày nay, các IC thanh ngang 64 x 64 hoạt động ở
tốc độ dòng 2,5 Gb/s đã được bán trên thị trường. Thực tế liên quan đến việc
xây dựng các thiết bị chuyển mạch lớn hơn sử dụng các IC này liên quan đến
việc quản lý sự tiêu tán công suất và kết nối giữa các giai đoạn chuyển mạch.
Một IC chuyển mạch 64 x 64 điển hình có thể tiêu hao 25 W. Cần có khoảng
100 chuyển mạch như vậy để tạo ra một chuyển mạch 1024 x 1024. Do đó, tổng
công suất tiêu hao là khoảng 25 kW. (Ngược lại, một chuyển mạch quang 1024 x
1024 sử dụng 3D MEMS có thể chỉ tiêu thụ khoảng 3 kW và về tổng thể nhỏ
gọn hơn đáng kể so với một chuyển mạch điện tương đương.) Làm mát một
chuyển mạch như vậy là một vấn đề đáng kể. Các khía cạnh khác liên quan đến
kết nối tốc độ cao cần thiết giữa các môđun chuyển đổi. Miễn là các môđun

chuyển đổi nằm trong một bảng mạch in duy nhất, việc kết nối với nhau khơng
khó. Tuy nhiên, những cân nhắc thực tế về tản điện và không gian bo mạch cho
thấy sự cần thiết phải có nhiều bảng mạch in và giá đỡ thiết bị. Các kết nối giữa
các bảng và giá đỡ này cần hoạt động ở tốc độ đường truyền, thường là 2,5 Gb s
hoặc cao hơn. Các kết nối điện chất lượng cao hoặc kết nối quang có thể được
sử dụng cho mục đích này. Các trình điều khiển cần thiết cho các kết nối điện
cũng tiêu hao một lượng điện năng đáng kể và khoảng cách có thể bị hạn chế,
thường là 5-6 m. Các kết nối quang học sử dụng các bộ thu và tia laze được
phân thành mảng cùng với các cáp ruy băng sợi quang. Chúng cung cấp khả
năng tiêu tán điện năng thấp hơn và phạm vi tiếp cận giữa các bo mạch dài hơn
đáng kể, thường là khoảng 100 m trở lên.
II.

Bộ chuyển đổi bước sóng

Một bộ chuyển bước sóng là một thiết bị chuyển đổi dữ liệu từ một chiều dài sóng đến
sang bước sóng đi khác. Bộ chuyển đổi bước sóng là thành phần hữu ích trong mạng
22


WDM vì ba lý do chính. Đầu tiên, dữ liệu có thể xâm nhập vào mạng ở bước sóng
khơng phù hợp để sử dụng trong mạng. Ví dụ, các mạng thế hệ đầu tiên của Chương 6
thường truyền dữ liệu trong cửa sổ bước sóng 1310 nm cửa sổ bước sóng, sử dụng đèn
LED hoặc laser Fabry-Perot. Cả bước sóng và loại laser đều khơng tương thích với
mạng WDM. Vì vậy, ở đầu vào và đầu ra của mạng, dữ liệu phải được chuyển đổi từ
các bước sóng này sang tín hiệu WDM băng tần hẹp trong phạm vi bước sóng 1550
nm. Một bộ chuyển đổi bước sóng được sử dụng để thực hiện chức năng này đôi khi
được gọi là bộ phát tín hiệu.
Thứ hai, bộ chuyển đổi bước sóng có thể cần thiết trong mạng để cải thiện việc sử
dụng các bước sóng có sẵn trên các liên kết mạng. Chủ đề này được nghiên cứu chi tiết

trong Chương 8 .
Cuối cùng, bộ chuyển đổi bước sóng có thể cần thiết ở ranh giới giữa các mạng khác
nhau nếu các mạng khác nhau được quản lý bởi các thực thể khác nhau và các thực thể
này không phối hợp phân bổ bước sóng trong mạng của chúng.
Bộ chuyển đổi bước sóng có thể được phân loại dựa trên phạm vi bước sóng mà
chúng có thể xử lý ở đầu vào và đầu ra.
Một thiết bị đầu vào cố định, đầu ra cố định ln có bước sóng đầu vào cố định và
chuyển đổi nó thành bước sóng đầu ra cố định. Một thiết bị đầu vào thay đổi, đầu ra cố
định có nhiều bước sóng khác nhau nhưng ln chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành
bước sóng đầu ra cố định. Một thiết bị đầu vào cố định, đầu ra biến đổi thực hiện chức
năng ngược lại. . Cuối cùng, một thiết bị đầu vào thay đổi, đầu ra thay đổi có thể
chuyển đổi bất kỳ bước sóng đầu vào nào sang bất kỳ bước sóng đầu ra nào. Ngồi
phạm vi bước sóng ở đầu vào và đầu ra, chúng ta cũng cần xem xét phạm vi công suất
quang học đầu vào mà bộ chuyển đổi có thể xử lý, cho dù bộ chuyển đổi trong suốt
đến tốc độ bit và định dạng điều chế của tín hiệu đầu vào và liệu nó có giới thiệu tiếng
ồn bổ sung hay rung pha cho tín hiệu hay khơng. . Chúng ta sẽ thấy rằng hai đặc điểm
sau phụ thuộc vào loại tái sinh được sử dụng trong bộ chuyển đổi. Đối với các bộ
chuyển đổi bước sóng quang học, tổn thất phụ thuộc vào phân cực cũng nên được giữ
ở mức tối thiểu. Có bốn cách cơ bản để đạt được chuyển đổi bước sóng: (1) quang điện
từ, (2) hệ thống quang học, (3) giao thoa và (4) trộn sóng. Ba cách tiếp cận sau là tồn
quang học nhưng chưa đủ trưởng thành để sử dụng thương mại. Bộ chuyển đổi quang

23


điện tử ngày nay cung cấp hiệu suất tốt hơn đáng kể với chi phí thấp hơn so với các bộ
chuyển đổi bước sóng quang học tương đương.

1. Phương pháp quang điện tử
Đây có lẽ là phương pháp đơn giản nhất, rõ ràng nhất và thực tế nhất hiện nay để thực

hiện chuyển đổi bước sóng. Như được thể hiện trong Hình 3.76, tín hiệu đầu vào đầu
tiên được chuyển đổi thành dạng điện tử, tái tạo và sau đó truyền lại bằng laser ở bước
sóng khác. Đây thường là một bộ chuyển đổi đầu vào biến, đầu ra cố định. Máy thu
thường khơng quan tâm đến bước sóng đầu vào, miễn là nó ở trong cửa sổ 1310 hoặc
1550 nm. Laser thường là laser bước sóng cố định. Một đầu ra biến có thể thu được
bằng cách sử dụng laser có thể điều chỉnh.
Hiệu suất và độ trong suốt của bộ chuyển đổi phụ thuộc vào loại tái sinh được sử
dụng. Hình 3.76 cho thấy các loại tái sinh khác nhau có thể. Trong trường hợp đơn
giản nhất, máy thu chỉ cần chuyển đổi các photon đến thành các electron, được khuếch
đại bởi bộ khuếch đại RF (tần số vô tuyến) tương tự và điều khiển laser.Điều này được
gọi là tái tạo 1R. Hình thức chuyển đổi này thực sự minh bạch với định dạng điều chế
(miễn là máy thu thích hợp được sử dụng để nhận tín hiệu) và cũng có thể xử lý dữ
liệu analog. Tuy nhiên, tiếng ồn được thêm vào ở bộ chuyển đổi, và các tác động của
phi tuyến và phân tán (xem Chương 5) không được thiết lập lại.
Một lựa chọn khác là sử dụng tái tạo với định hình lại nhưng khơng cần kích thích lại,
cịn được gọi là tái tạo 2R. Điều này chỉ áp dụng cho dữ liệu kỹ thuật số. Tín hiệu được
định hình lại bằng cách gửi nó qua một cổng logic, nhưng không được thời gian lại. Sự
khơng ổn định pha bổ sung được giới thiệu vì quá trình này và cuối cùng sẽ giới hạn số
lượng giai đoạn có thể được thác.
Lựa chọn cuối cùng là sử dụng tái tạo với định hình lại và kích thích lại (3R). Điều này
thiết lập lại hồn tồn các tác động của phi tuyến, phân tán sợi và tiếng ồn khuếch đại;
Hơn nữa, nó khơng gây thêm tiếng ồn. Tuy nhiên, retiming là một chức năng cụ thể về
tỷ lệ nhỏ và chúng tơi mất tính minh bạch. . Nếu tính minh bạch khơng quan trọng
lắm, đây là một cách tiếp cận rất hấp dẫn. (Lưu ý rằng chúng tơi sẽ thảo luận về một
cách khác để duy trì sự minh bạch với 3R bằng cách sử dụng cái gọi là bọc kỹ thuật số
trong Chương 9). Các loại tái tạo này thường bao gồm mạch để thực hiện giám sát và
24


xử lý hiệu suất và sửa đổi chi phí quản lý liên quan liên quan đến tín hiệu. Chúng ta sẽ

xem xét một số chi phí này trong Phần 6.1 và 9.5.7.

Hình 3.76 Các kiểu tái sinh quang điện tử khác nhau. (a) 1R (tái sinh mà khơng cần
định hình lại hoặc kích thích lại. (b) 2R (tái tạo có định hình lại). (c) 3R (tái tạo có
định hình lại và kích thích lại).

2. Hệ thống quang học.
Hệ thống quang học sử dụng một thiết bị quang học có đặc điểm thay đổi theo cường
độ của tín hiệu đầu vào. Sự thay đổi này có thể được chuyển sang một tín hiệu đầu dị
chưa được sửa đổi khác ở bước sóng khác đi qua thiết bị. Ở đầu ra,

25