chuyển mạch gói quang

Đồ án tốt nghiệp đại học
Mục lục
CHƯƠNG 1: GIớI THIệU CHUNG ............................................................................... 5
1.1 Sự phát triển của mạng quang ........................................................................... 5
1.1.1 Sự phát triển của topo mạng ............................................................ 5
1.1.2 Sự phát triển của dung l ợng truyền dẫn ........................................... 5
1.1.3 Sự phát triển của mạng .................................................................... 6
1.2 Chuyển mạch quang .......................................................................................... 7
1.2.1 Phân loại chuyển mạch quang ......................................................... 9
1.2.1.1 Kỹ thuật chuyển mạch kênh quang ................................... 9
1.2.1.2 Chuyển mạch gói quang ................................................... 10
1.2.1.3 Chuyển mạch burst quang ................................................... 12
1.3 So sánh ........................................................................................................... 12
1.3.1 Giữa chuyển mạch kênh và gói ...................................................... 12
1.3.2 Giữa chuyển mạch gói và chuyển mạch burst .............................. 12
CHƯƠNG 2: MộT Số Phần tử QUANG điện tử .................................................. 4
2.1 Tr ờng chuyển mạch quang ................................................................................ 4
2.1.1 Tr ờng chuyển mạch không gian ...................................................... 4
2.1.2 Tr ờng chuyển mạch thời gian ......................................................... 7
2.1.3 Tr ờng chuyển mạch b ớc sóng .......................................................... 8
2.1.4 Tr ờng chuyển mạch mã quang ...................................................... 12
2.2 Coupler quang ................................................................................................. 13
2.3 Bộ chuyển đổi b ớc sóng khả chỉnh (TWC) ..................................................... 14
2.3.1 Chuyển đổi b ớc sóng quang/điện ................................................... 14
2.3.2 Chuyển đổi b ớc sóng bằng hiệu ứng kết hợp ................................. 15
2.3.2.1 Trộn bốn b ớc sóng (FWM) ................................................. 15
2.3.2.2 Tạo tần số vi sai ................................................................... 15
Lê Tiến Trung D2001VT
Đồ án tốt nghiệp đại học
2.3.3 Chuyển đổi b ớc sóng bằng công nghệ điều chế chéo .................... 16
2.3.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn trong chế độ XGM và XPM: . 16

2.3.3.2 Sử dụng Laser bán dẫn ........................................................ 17
2.4 Bộ định tuyến b ớc sóng (Wavelength Router) ................................................ 17
2.5 Bộ lọc quang âm khả chỉnh ............................................................................ 17
CHƯƠNG 3: CHUYểN MạCH Gói QUANG ............................................................. 19
3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 19
3.2 Vai trò của mạng chuyển mạch gói quang ...................................................... 19
3.3 Đặc tính l u l ợng của chuyển mạch gói quang ................................................. 21
3.3.1 Đặc tính l u l ợng của chuyển mạch không có chức năng tách - ghép 21
3.3.1.1 Mạng và kiến trúc chuyển mạch của hệ thống WDM ......... 21
3.3.1.2 ảnh h ởng của các bộ chuyển đổi b ớc sóng khả chỉnh ........ 22
3.3.2 Đặc tính l u l ợng của chuyển mạch với chức năng tách ghép ........ 25
3.3.2.1 L u l ợng của mạng chuyển mạch gói tách- ghép WDM ...... 27
3.3.2.2 Thuật toán định tuyến và kiểu kiểm tra ............................... 30
3.4 Bộ đệm trong chuyển mạch gói quang ............................................................ 33
3.4.1 Các kỹ thuật đệm ........................................................................... 33
3.4.1.1 Bộ đệm đầu ra ..................................................................... 35
3.3.1.2 Bộ đệm chia xẻ .................................................................... 36
3.3.1.3 Bộ đệm vòng ....................................................................... 36
3.3.1.4 Bộ đệm đầu vào ................................................................... 36
3.4.2 Chuyển mạch đơn tầng .................................................................. 37
3.4.2.1 OASIS ................................................................................ 37
3.4.2.2 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá ................................... 39
3.4.2.3 Đệm vòng lặp đa b ớc sóng ................................................. 41
3.4.2.4 Chuyển mạch gói quang dùng chung bộ nhớ ...................... 42
Lê Tiến Trung D2001VT
Đồ án tốt nghiệp đại học
3.4.3 Chuyển mạch đa tầng ................................................................... 43
3.4.3.1 Chuyển mạch ghép b ớc sóng Wave-Mux ........................... 43
3.4.3.2 Chuyển mạch ghép tầng sử dụng các phần tử chuyển mạch 2 x 2 46
3.4.3.3 Chuyển mạch với bộ đệm quang lớn SLOB ........................ 48

3.5 Kiến trúc định tuyến thực nghiệm gói quang có khả năng hoán đổi nhẵn
OPERA ................................................................................................................... 49
3.5.1 Kiến trúc mạng .............................................................................. 49
3.5.2 Bộ định tuyến giao diện mạng quang ........................................... 50
3.6 Kiến trúc chuyển mạch gói ............................................................................. 51
3.6.1 Chuyển mạch dựa trên tr ờng chuyển mạch không gian ................. 51
3.6.1.1 Chuyển mạch xen kẽ ........................................................... 52
3.6.1.2 Chuyển mạch gói photonic bộ đệm đầu ra .......................... 52
3.6.1.3 Chuyển mạch dựa trên chuyển mạch không gian không bộ đệm .. 53
3.6.1.4 Chuyển mạch DAVID ....................................................... 54
3.6.2 Chuyển mạch định tuyến b ớc sóng ............................................... 55
3.6.2.1 Chuyển mạch định tuyến b ớc sóng bộ đệm đầu ra .............. 55
3.6.2.2 Chuyển mạch định tuyến b ớc sóng đệm đầu vào ........................ 57
3.6.3 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá .............................................. 59
3.6.3.1 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá KEOPS ...................... 59
3.6.3.2 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá ULPHA ...................... 61
3.6.3.3 Chuyển mạch bộ nhớ lặp sợi ............................................... 61
3.6.5 Chuyển mạch định tuyến quang phân khe thời gian ..................... 62
CHƯƠNG 4: Các Mô hình chuyển mạch ......................................................... 66
4.1 Kiến trúc chuyển mạch ATMOS ..................................................................... 66
4.2 Kiến trúc chuyển mạch KEOPS ..................................................................... 66
4.3 Kiến trúc chuyển mạch WASPNET ................................................................ 67
4.3.1 Chuyển mạch WASPNET .............................................................. 68
Lê Tiến Trung D2001VT
Đồ án tốt nghiệp đại học
4.3.2 Điều khiển mạng ........................................................................... 69
4.3.3 Định dạng gói ................................................................................ 69
4.4 Mạng ứng dụng cho chuyển mạch gói quang .................................................. 69
4.4.1 Chuyển mạch gói quang trong suốt ............................................... 69
4.4.1.1 Các mạng gói quang ............................................................ 69

4.4.1.2 Node chuyển mạch gói quang ............................................. 74
4.4.2 Mạng kết nối quang với bộ định tuyến IP terabit .......................... 76
4.4.2.1 Kiến trúc bộ định tuyến IP terabit. ...................................... 77
4.4.2.2 Bộ điều khiển tuyến và module bộ định tuyến ..................... 80
4.4.2.3 Mạng kết nối quang ............................................................ 82
4.4.2.4 Khối phân xử Ping Pong .................................................. 87
Kết luận ..................................................................................................................... 88
Tài liệu tham khảo .............................................................................................. 89
Lê Tiến Trung D2001VT
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung
CHƯƠNG 1: GIớI THIệU CHUNG
1.1 Sự phát triển của mạng quang
1.1.1 Sự phát triển của topo mạng
Kiến trúc điểm - điểm là loại đơn giản của topo mạng. Các gói đợc truyền giữa các node
quang, nhng sự chuyển đổi quang điện tử đợc thực hiện ở mọi node. SONET/SDH là một ví dụ.
Một lựa chọn khác có u điểm hơn là sử dụng các topo mạng kiểu bus, vòng và sao.
Hình1.1: Các topo mạngdạng Điểm - điểm, vòng, sao, lới.
Trong mạng WDM topo kiểu vòng đợc a dùng hơn. Topo kiểu mạng lới có nhiều
u điểm hơn khi so sánh với các loại trớc bởi vì dung sai cắt sợi tốt hơn, khi có nhiều lựa
chọn định tuyến. Thêm nữa, một node với tốc độ lu lợng cao đợc nối với vài node, và
một node với lu lợng dữ liệu trên một node đơn chỉ có thể nối với node đơn này. Đáng
tiếc, một mạng topo dạng mạng lới gặp nhiều khó khăn khi triển khai do yêu cầu phức
tạp trong định tuyến và chuyển mạch. Mạng WDM đầu tiên xuất hiện giữa những năm
1990 là mạng kiểu điểm - điểm. Sau đó các phần tử tách-ghép đợc sử dụng và cuối
những năm 1990 topo mạng kiểu vòng trở nên a dùng. Ngày nay đã sử dụng các mạng
có topo mạng kiểu mạng lới. Một phần các mạng gói quang đợc thực hiện trong môi tr-
ờng phòng thí nghiệm. Chắc chắn các mạng gói thơng mại sẽ theo sự phát triển giống
nh các mạng WDM trớc đó.
1.1.2 Sự phát triển của dung lợng truyền dẫn
Tốc độ phát triển của dung lợng truyền dẫn nhanh hơn trong các năm trớc đây.

Giữa thập niên 90 tốc độ tăng là 30% trên năm, ngày nay là 60%. Bảng mô tả dự báo
sự phát triển của tổng dung lợng và tốc độ bít ngời sử dụng.
1995 2000 2005 2010
Dung lợng
tổng
20-40 Gbit/s 800 Gbit/s
1Tbit/s
Tốc độ bít
ngời sử
dụng
POTS
64kbit/s
ADSL
2-8Mbit/s
Quang, ADSL
155Mbit/s
2,10,50 Mbit/s
Quang, điện
622Mbit/s
100Mbit/s
Lê Tiến Trung D2001VT
5
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung
1.1.3 Sự phát triển của mạng
Mạng quang đầu tiên đợc thực thi cách đây hơn thập kỷ, nhng sự khai thác thực tế
của mạng quang lại liên quan với hiện tợng mới. Mạng sử dung công nghệ WDM sẽ tới
đỉnh điểm của nó trong nửa cuối năm nhng năm 2000. Sự phát triển vẫn tăng nhanh
nếu nh tốc độ phát triển của dung lợng vẫn tăng 60% trên năm.
Hiện nay phơng pháp ghép kênh phân chia theo bớc sóng (WDM) là công nghệ
ghép kênh a chuộng nhất cho các mạng thông tin quang, bởi vì mọi thiết bị đầu cuối sử

dụng chỉ cần hoạt động tại tần số của một kênh WDM. WDM là một cách ghép, trong
đó ta có thể lợi dụng sự không đối xứng băng tần quang điện rộng lớn bằng cách yêu
cầu mỗi đầu cuối của mỗi ngời sử dụng chỉ hoạt động tại tốc độ điện tử và các kênh
ghép WDM từ các đầu cuối của ngời sử dụng khác sẽ đợc ghép vào trong cùng một
cáp. Trong ghép kênh theo bớc sóng WDM, mỗi bớc sóng hỗ trợ một kênh thông tin
hoạt động tại bất kỳ tốc độ đợc thiết kế này.
Ghép kênh phân chia theo bớc sóng (WDM) xuất hiện nh một giải pháp đợc lựa
chọn để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn, đáp ứng đợc sự bùng nổ của
Internet. Thế hệ đầu tiên của WDM chỉ cung cấp các liên kết vật lý điểm tới điểm đợc
sử dụng hạn chế trong các trung kế WAN. Các cấu hình mạng WDM, WAN là các cấu
hình tĩnh.
Thế hệ thứ hai của WDM có khả năng thiết lập các tuyến quang kết nối từ đầu
cuối tới đầu cuối trong lớp quang sử dụng kết nối chéo lựa chọn bớc sóng WSXC. Các
tuyến quang tạo ra một tôpô ảo trên tôpô sợi quang vật lý. Cấu hình bớc sóng ảo có thể
thay đổi động theo sự thay đổi quy hoạch mạng.
Kỹ thuật sử dụng trong thế hệ WDM thứ hai bao gồm các thiết bị kết nối chéo và
bộ tách ghép bớc sóng với khả năng chuyển đổi bớc sóng, định tuyến động và phân bố
bớc sóng tại các node nối chéo.
WDM thế hệ thứ ba đợc sử dụng trong các mạng quang chuyển mạch gói phi kết
nối, trong đó các tiêu đề hay các nhãn đợc gắn với dữ liệu, truyền đi cùng với tải và đ-
ợc xử lý tại mỗi chuyển mạch quang WDM. Dựa trên tỷ lệ giữa thời gian xử lý tiêu đề
gói và chi phí truyền dẫn gói, chuyển mạch WDM có thể đợc 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.
Sự phát triển mạng của WDM đợc chỉ ra nh hình vẽ .
Lê Tiến Trung D2001VT
6
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung

Chuyển mạch kênh quang đợc sử dụng cho lu lợng đợc tập hợp lại có kích thớc lớn,
một kênh truyền sẽ đợc thiết lập trớc và không thay đổi trong quá trình truyền dữ liệu.
Chuyển mạch gói quang sử dụng cho các gói dữ liệu có kích thớc nhỏ.
1.2 Chuyển mạch quang
Chuyển mạch là từ dùng để chỉ hai nghĩa khác nhau. Một là để định nghĩa tóm tắt
khái niệm chuyển mạch tức là thiết bị sử dụng chuyển mạch các tín hiệu từ các cổng
đầu vào tới các cổng đầu ra. Hai là chuyển mạch chỉ một thiết bị với một vài thiết bị
hoặc là một thiết bị phức hợp mà gồm khối điều khiển phức tạp, các bộ đệm đờng dây
trễ, các bộ lọc, các bộ chuyển đổi bớc sóng và các chuyển mạch đơn giản.
Các chuyển mạch không gian và các bộ định tuyến bớc sóng là các thành phần cơ
bản của một chuyển mạch quang. Một chuyển mạch không gian chỉ chuyển theo cách
đơn giản các tín hiệu từ mỗi đầu vào tới một đầu ra. Có một vài cách để thực hiện một
chuyển mạch không gian nhng lựa chọn tốt nhất là sử dụng các SOA (các bộ khuyếch
đại quang bán dẫn). Nh hình 1.3 mô tả một chuyển mạch không gian.
Lê Tiến Trung D2001VT
7
Thế hệ thứ 3Thế hệ thứ 1 Thế hệ thứ 2
Chuyển mạch kênh WDM
Chuyển mạch
burst quang
Chuyển mạch
gói quang
Các kênh tĩnh tới động
Các đường ảo và lưu giữ và chuyển tiễp
Hình 1.2 Sự phát triển mạng WDM
WADM

WAMP
DCX
WSXC(OCX)
OPR
OBS
OLS
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung
Bộ tách Bộ trộn
Cổng SOA
1
2
N
Hình 1.3: Chuyển mạch dựa trên cổng SOA.
Chuyển mạch dựa trên cổng SOA NìN nh mô tả ở trên gồm N bộ tách 1ìN, N
2
cổng SOA và N bộ trộn 1ìN. Nếu tín hiệu đợc chuyển tới đầu ra j, cổng j ở trạng thái
mở và các cổng khác ở trạng thái đóng. Tất cả các cổng có cùng chỉ mục sẽ đợc kết
nối tới một bộ trộn.
Một bộ định tuyến bớc sóng có thể đợc cấu hình trớc hoặc không. Nh hình 1.4
mô tả bộ định tuyến bớc sóng không cấu hình trớc. Mỗi tín hiệu từ đầu vào i với bớc
sóng j luôn đợc truyền trực tiếp tới đầu ra k. Một ví dụ của bộ định tuyến lại này là
AWGM. Một AWGM gồm hai coupler sao và một AWG giữa chúng. Coupler sao tách
các tín hiệu từ các cổng đầu vào và đa tới tất cả các lới ống dẫn sóng mà các lới ống
dẫn sóng này có độ dài khác nhau. Độ trễ tín hiệu phụ thuộc vào độ dài của ống dẫn
sóng và bớc sóng. Coupler sao thứ hai chỉ phối hợp theo cấu trúc các tín hiệu có pha
khác nhau tại một cổng đầu ra đơn.
Mặc dù một bộ định tuyến bớc sóng không cấu hình trớc không có thuộc tính
chuyển mạch thì vẫn đợc sử dụng rộng rãi trong các chuyển mạch gói quang định tuyến
theo bớc sóng. Y tởng chính để mọi gói đợc chuyển đổi đầu tiên thành một bớc sóng
chính xác và sau đó truyền trực tiếp tới AWGM. Bởi vì AWGM chọn cổng ra của mỗi

gói tuỳ thuộc cổng ra và bớc sóng, mỗi gói sẽ đợc chuyển tới cổng ra đã định.
Lê Tiến Trung D2001VT
8
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung

1

2
....


1

2
....


1

2
....


1

2
....


1

2
....


1

2
....

1
2
N
1
2
N

1

2



1

2

3

1

1
Hình 1.4: Bộ định tuyến bớc sóng.
1.2.1 Phân loại chuyển mạch quang
Chuyển mạch có thể đợc chia thành chuyển mạch điện và chuyển mạch quang.
Các chuyển mạch điện có thiết bị phát triển hơn chuyển mạch quang và việc thực thi
chúng dễ dàng hơn. Chuyển mạch quang lại đợc chia thành:
Chuyển mạch kênh quang.
Chuyển mạch gói quang.
Chuyển mạch burst quang.
1.2.1.1 Kỹ thuật chuyển mạch kênh quang
Chuyển mạch kênh quang hoạt động theo kiểu định tuyến theo bớc sóng. Trong
mạng chuyển mạch kênh quang, một đờng dẫn bớc sóng riêng đợc thiết lập trong
khoảng thời gian kết nối. Để một mạng chuyển mạch kênh hoạt động, một kênh sẽ đợc
ấn định từ đầu tới cuối cho một kết nối. Kênh này sau đó chỉ đợc đăng ký phục vụ cho
một kết nối.
A
R 1
R 2
R 3 R 4
R 5
R 6
B
S w i t c h / R o u t e r
T u y ế n h o ạ t đ ộ n g
Hình 1.5 Mạng chuyển mạch kênh.
Lê Tiến Trung D2001VT
9

Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung
Trong mạng chuyển mạch kênh trên đây yêu cầu nối giữa điểm A và B. Một kênh đ-
ợc thiết lập thông qua các node R1, R3, R4 và R5. Ta cũng có thể thành lập các tuyến
liên kết khác giữa A và B. Giữa các node chuyển mạch có thể cho phép nhiều kênh đợc
thiết lập.
Chuyển mạch kênh gồm có 3 giai đoạn: Thiết lập kênh, truyền dữ liệu, và giải
phóng kênh.
Thiết lập kênh: Đăng ký một bớc sóng cố định theo đờng dẫn lựa chọn, mỗi liên
kết trên đờng dẫn đợc định hớng từ nguồn tới đích tơng ứng của nó.
Truyền dữ liệu: Dữ liệu đợc gửi trên một đờng riêng. Khi phân phối điều khiển
đợc sử dụng trong giai đoạn định tuyến, một khoảng thời gian yêu cầu giữa giai
đoạn thiết lập và giai đoạn truyền dẫn là T, có giá trị T=2p+delta (p là thời gian
truyền một chiều), delta là tổng trễ xử lý do yêu cầu thiết thiết lập trên đờng
truyền). Dữ liệu trong chuyển mạch kênh không cần đệm ở các node trung gian
do kênh chỉ sử dụng phục vụ cho việc truyền dữ liệu này tại thời điểm cụ thể.
Giải phóng kênh: Sau khi dữ liệu gửi đi tới đích, kênh truyền dẫn sẽ đợc giải
phóng. Đích gửi về nguồn một bản tin xác nhận. Các node trên đờng truyền lần
lợt đợc giải phóng để phục vụ cho kết nối khác.
Hình 1.6 Tín hiệu trong chuyển mạch kênh.
1.2.1.2 Chuyển mạch gói quang
Chuyển mạch gói quang là công nghệ tiếp theo đợc lựa chọn phục vụ cho việc
truyền tải dữ liệu qua WDM. Hoạt động trong chuyển mạch gói: Các gói thông tin đợc
gửi đi trên tuyến thích hợp đợc lựa chọn bởi bộ định tuyến tại node khi gói đến. Trong
chuyển mạch gói, mỗi gói có một tiêu đề tơng ứng mang thông tin về gói cũng nh địa
chỉ của gói, và mỗi node chuyển mạch trong mạng (các bộ định tuyến) sẽ nhận thông
tin này và gửi đi trên tuyến thích hợp.
Lê Tiến Trung D2001VT
Giữ liệu người dùng
ACK
Tín hiệu chấp

nhận cuộc gọi
Trễ xử lý
Trễ đường truyền
Yêu cầu
cuộc gọi
10
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung
C R 1
R 2
R 3
R 4
R 5
R 6
D
S w i t c h / R o u t e r
T u y ế n h o ạ t đ ộ n g
Hình 1.7 Mạng chuyển mạch gói
Hình vẽ 1.7 mô tả một mạng chuyển mạch gói. Gói đợc gửi từ điểm C tới đích D.
Một gói thông tin rời C và đợc gửi đi trên tuyến R1 tới R3, sau đó từ R3 gửi tới R4 và
tới D. Tuy nhiên gói cũng có thể đợc truyền tới D theo hớng khác. Nếu việc truyền dẫn
từ R1 tới R3 chậm hoặc bị mất, gói từ R1 sẽ đợc gửi tới R2, từ R2 tới R5 và cứ tiếp tục
cho tới khi tới đích.
Trong chuyển mạch gói, độ dài mỗi gói là Lp, có thể cố định hoặc thay đổi từ giá
trị nhỏ nhất Smin tới giá trị lớn nhất S max. Trờng hợp gói có độ dài cố định, một bản
tin kích thớc Lb sẽ đợc chia thành các gói nhỏ hơn có kích thớc giống nhau. Trờng hợp
gói có độ dài khác nhau, bản tin đợc chia thành Lb/Smax gói và đệm chỉ cần thiết đối
với gói nhỏ hơn Smin.
Một đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lu giữ và chuyển tiếp. Tức là một gói
cần phải đợc tập hợp đầy đủ tại một node nguồn và mỗi node trung gian trớc khi nó đ-
ợc chuyển đi. Đặc điểm này sẽ dẫn đến gói phải trải qua một khoảng thời gian trễ tơng

ứng với Lb tại mỗi node, khi đó cần phải có bộ đệm tại mỗi node trung gian của mạng
có kích thớc nhỏ nhất là Smax.
Mặc dù vậy với công nghệ hiện tại cha thể thực hiện chuyển mạch quang một cách
có hiệu quả do:
Chuyển mạch gói quang thờng sử dụng cho trờng hợp không đồng bộ. Ví dụ,
các gói tới tại các cổng đầu vào khác nhau phải đợc xếp hàng trớc khi truy nhập
vào trờng chuyển mạch. Tuy nhiên để ứng dụng cho trờng hợp không đồng bộ là
rất khó và chi phí cao.
Một khó khăn nữa đối với chuyển mạch gói quang là sự thiếu vắng các bộ đệm
quang. Đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lu đệm và chuyển tiếp. Đặc
điểm này cần thiết để giải quyết vấn đề tranh chấp cổng đầu ra. Tuy nhiên hiện
tại cha có các bộ đệm truy nhập quang ngẫu nhiên cần thiết để thực hiện lu giữ
và chuyển tiếp.
Khó khăn nữa cho việc sử dụng chuyển mạch gói quang là thời gian yêu cầu để
định cấu hình cơ cấu chuyển mạch quang.
Lê Tiến Trung D2001VT
11
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung
1.2.1.3 Chuyển mạch burst quang
Khái niệm chuyển mạch quang xuất hiện từ đầu những năm 1980. Gần đây,
chuyển mạch burst quang đợc nghiên cứu trở lại và đợc biết đến nh một giải pháp kế
tiếp của chuyển mạch gói quang. Thực chất chuyển mạch burst quang đợc xem xét
trong tầng quang đơn thuần nh một môi trờng truyền dẫn trong suốt không bộ đệm cho
các ứng dụng. Tuy nhiên không có một định nghĩa tổng quát cho chuyển mạch burst
quang.
Sự bùng nổ lu lợng mạnh mẽ trong mạng Internet, sự phát triển nhanh chóng các
lớp lu lợng là những vấn đề quan trọng cần phải đợc xử lý. Để hỗ trợ cho việc sử dụng
độ rộng băng có hiệu quả, phơng pháp truyền tải toàn quang cho phép đệm quang trong
khi vẫn xử lý sự bùng nổ lu lợng, và hỗ trợ cho việc cung cấp tài nguyên nhanh và
truyền dẫn không đồng bộ các gói có kích thớc khác nhau cần phải đợc phát triển.

Chuyển mạch burst quang (OBS) nh một giải pháp cho sự truyền tải lu lợng trực tiếp
qua mạng WDM quang mà không cần bộ đệm.
Chuyển mạch burst quang là phơng pháp kết hợp cả hai kỹ thuật chuyển mạch kênh
quang và chuyển mạch gói quang. Nó đợc thiết kế đạt đợc cân bằng giữa những u điểm
của chuyển mạch kênh quang và nhợc điểm của chuyển mạch gói quang.
1.3 So sánh
1.3.1 Giữa chuyển mạch kênh và gói
Các mạng toàn quang hiện nay là các chuyển mạch kênh. Các mạng chuyển mạch
gói quang vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và trên thế giới chuyển mạch kênh quang là lựa
chọn thích hợp hơn chuyển mạch gói quang. Nói cách khác, lu lợng viễn thông trong t-
ơng lai vẫn còn tiếp tục bùng nổ. Trong bất cứ trờng hợp nào, thì lu lợng dạng gói sẽ ở
mức lựa chọn cao hơn. Nếu tìm thấy một cách để thực hiện thơng mại chuyển mạch gói
quang, thì rõ ràng đó có thể là một kỹ thuật tốt hơn. Tuy nhiên, chừng nào mà các thiết
bị quang cũng nh kỹ thuật chuyển mạch vẫn cha đáp ứng đợc yêu càu thì chuyển mạch
kênh vẫn là lựa chọn số 1.
1.3.2 Giữa chuyển mạch gói và chuyển mạch burst
Ưu điểm của chuyển mạch gói là một gói bao gồm cả tiêu đề và tải gửi đi mà
không cần thiết lập kênh và chúng chia sẻ các bớc sóng liên kết giữa các gói với các
nguồn và các đích khác nhau. Tuy nhiên do cơ cấu lu đệm và chuyển tiếp, mọi node
đều phải xử lý tiêu đề của gói tới để xác định tuyến truyền của gói, vì vậy cần phải sử
dụng bộ đệm tại các node.
Lê Tiến Trung D2001VT
12
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung
Chuyển mạch burst quang không cần phải có bớc sóng riêng cho mỗi kết nối đầu
cuối tới đầu cuối vì vậy ngay sau khi burst đi qua một tuyến liên kết thì bớc sóng sẽ đ-
ợc giải phóng ngay. Khác với chuyển mạch gói, chuyển mạch burst không nhất thiết
phải sử dụng các bộ đệm.
Chuyển mạch burst quang là chuyển mạch hứa hẹn nhiều triển vọng, nó sẽ thay
thế các chuyển mạch hiện tại, và sẽ mang tính thơng mại cao hơn chuyển mạch gói

quang, nó tránh đợc hai vấn đề chính là: Tốc độ chuyển mạch cao và bộ đệm quang.
Nghẽn cổ chai trong mạng chuyển mạch gói quang khi xử lý tiêu đề gói tin trong trờng
chuyển mạch. Bởi vì dữ liệu đợc móc nối vào nhau bên trong các phần tử lớn hơn trong
các mạng chuyển mạch burst, có nhiều dữ liệu / tiêu đề hơn so với các mạng chuyển
mạch gói. Trớc tiên, là đạt đợc tốc độ dữ liệu cao hơn với cùng một tốc độ xử lý tiêu
đề. hơn nữa, không cần thiết phải triển khai các bộ đệm quang phức tạp. Các burst có
thể đợc đệm trong miền điện tại cạnh của mạng thay cho bộ đệm tại mỗi node vì thời
gian mao đầu đã đợc xử lý. Các trờng chuyển mạch có thể đợc triển khai mà không cần
bộ đệm hoặc với một vài đờng trễ để giải quyết xung đột. Chuyển mạch burst đã tránh
đợc những vấn đề của chuyển mạch gói, và phù hợp cho yêu cầu lu lợng hiện nay.
Trong thời gian tới, chuyển mạch burst rõ ràng sẽ hấp dẫn hơn chuyển mạch gói
quang, và trong cuộc đua đờng dài chuyển mạch burst dờng nh là đối thủ mạnh nhất
của chuyển mạch gói quang.
Lê Tiến Trung D2001VT
13
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
CHƯƠNG 2: MộT Số Phần tử QUANG điện tử
2.1 Trờng chuyển mạch quang
2.1.1 Trờng chuyển mạch không gian
Chuyển mạch quang phân chia theo không gian (còn gọi là chuyển mạch không
gian) là loại chuyển mạch đợc sử dụng phổ biến nhất, đó là quá trình kết nối vật lý đ-
ờng dẫn sóng ánh sáng, kết nối từ một sợi đầu vào tới sợi đầu ra.
Theo kiểu chuyển mạch này thì các kết nối vật lý giữa các sợi đầu vào và các sợi
đầu ra đợc tạo ra theo yêu cầu; các kết nối khác nhau sử dụng các đờng khác nhau và
mỗi kết nối mới yêu cầu thêm một không gian vật lý trong trờng chuyển mạch. Dới đây
là một khái niệm cơ bản về chuyển mạch phân chia theo không gian (Hình 2.1).
(a) Chuyển mạch lựa chọn (b) Chuyển mạch cổng
Hình 2.1: Chuyển mạch quang không gian
Hình 2.1 a là kiểu chuyển mạch không gian lựa chọn, cổng ra đợc lựa chọn một
cách trực tiếp, do đó về nguyên tắc là không có tổn hao về chuyển mạch, cổng ra có thể

lựa chọn bằng cách điều khiển chiết suất của ống dẫn sóng.
Cấu trúc trong hình 2.1b là kiểu chuyển mạch cổng, các tín hiệu đầu vào đợc
phân chia và chọn các cổng thiết bị để đến đầu ra. Trong trờng hợp này, năng lợng tín
hiệu phân chia vào các đờng dẫn mà không đợc lựa chọn sẽ gây tổn hao trong chuyển
mạch, nhng lại có u điểm là có thể nối tất cả các đờng ra đồng thời để thực hiện
Multicast và Broadcast. Cổng thiết bị có thể đợc thực hiện bởi bộ khuyếch đại quang
bán dẫn và các modul hấp thụ.
Phần tử chuyển mạch không gian cơ bản là phần tử 2x2. Một phần tử chuyển mạch
2x2 định tuyến các tín hiệu quang từ sợi đầu vào tới sợi đầu ra và có hai trạng thái:
Trạng thái nối chéo (Cross) và trạng thái song song (Bar), nh đợc mô tả trong hình 2.2.
Lê Tiến Trung D2001VT
I
1
I
2
O
1
O
2
I
1
I
2
O
1
O
2
4
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
(a) Trạng thái nối chéo (b) Trạng thái song song

Hình 2.2 Trạng thái của phần tử chuyển mạch không gian 2x2
Trạng thái nối chéo đợc mô tả trong hình 2.2(a), trong trạng thái này nếu I1 có tín
hiệu đến thì sẽ đợc chuyển mạch tới đầu ra O2; và nếu đầu vào I2 có tín hiệu đến thì
tín hiệu này đợc chuyển tới cổng đầu ra O1. Còn đối với trạng thái song song hình
2.2(b), tín hiệu ở đầu vào I1 sẽ đợc chuyển tới đầu ra O1 và tín hiệu ở đầu vào I2 sẽ đ-
ợc chuyển tới đầu ra O2.
Ma trận chuyển mạch không gian đợc tạo thành từ các phần tử chuyển mạch cơ
bản 2x2. Chuyển mạch quang không gian chia thành hai loại: loại sợi quang và loại
không gian tự do. Loại cơ bản là loại sợi quang, ở đầu vào và đầu ra có hai sợi quang, có
thể hình thành hai trạng thái kết nối đó là kết nối chéo và kết nối song song (hình 2.3).
(a) (b)
(a) Dựa vào phối ghép phơng hớng
LiNbO
3
(b) Dùng sợi quang nối liền 4 khoá
quang 1x2
Hình 2.3 Phơng án thực hiện phần tử chuyển mạch quang không gian 2x2
Hai loại phần tử chuyển mạch 2x2 trong hình 2.3 thuộc loại chuyển mạch ống
dẫn sóng, sử dụng phơng pháp điều khiển ngoài hiệu suất khúc xạ ống dẫn sóng để
chọn ống dẫn sóng đầu ra. Điều khiển hiệu suất khúc xạ có hai loại: Do điện áp bên
ngoài đa vào (kiểu điện-quang), do đốt nóng (kiểu nhiệt-quang). Suy hao của thiết bị
chuyển mạch ống dẫn sóng rất lớn, bao gồm tổn hao của bản thân nó và tổn hao một
nửa năng lợng để thực hiện chuyển mạch công suất tín hiệu tới các sợi đầu ra.
Ngoài ra, các phần tử chuyển mạch cơ bản 2x2 còn đợc thực hiện bằng chuyển
mạch cơ khí hoặc chuyển mạch vi gơng. Chuyển mạch cơ khí có u điểm là tổn hao
nhỏ, độ cách li cao, làm việc ổn định có độ tin cậy , nh ng nhợc điểm của nó là tốc độ
chuyển mạch chậm, kiểu chuyển mạch này đã đợc sử dụng trong thực tế. Hình 2.4 mô
tả ma trận chuyển mạch vi gơng.
Lê Tiến Trung D2001VT
5

Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
Vi guơng
Đầu
vào
Đầu ra
Hình 2.4 Ma trận chuyển mạch vi gơng.
Ma trận chuyển mạch vi gơng bao gồm các vi gơng đợc đặt tại các giao điểm giữa
các sợi đầu vào và các sợi ra. Các gơng này có đờng kính rất nhỏ, khoảng 200àm.
Công suất quang đến sẽ đợc truyền thẳng nếu gơng quay đi khỏi điểm giao nhau của
các ống dẫn sóng (trạng thái ngắt). Nếu gơng quay về mặt giao điểm (trạng thái dẫn),
thì công suất quang tới sẽ đợc phản xạ vào đờng vuông góc với nó tại vị trí gơng đó.
Hoạt động của các gơng đợc điều khiển bằng điện, dùng một tín hiệu điện để điều
khiển hoạt động của gơng. Tốc độ chuyển mạch và kích thớc ma trận chuyển mạch phụ
thuộc vào loại chuyển mạch, sự phụ thuộc này đợc chỉ ra ở hình 2.5.
Tốc độ chuyển
mạch (giây).
Kích thuớc ma
trận chuyển
mạch
10
10
- 12
10
-9
10
-6
10
-3
10
2

10
3
10
5
Đuờng dẫn
sóng bán dẫn
Không gian tự
do bán dẫn
Không gian tự do tinh
thể lỏng
Đuờng dẫn
sóngPLC
Đuờng dẫn sóng
L
i
N
b
O
3
Hình 2.5 Tốc độ và kích cỡ của một số ma trận chuyển mạch.
Lê Tiến Trung D2001VT
6
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
2.1.2 Trờng chuyển mạch thời gian
Giả định tín hiệu ghép theo thời gian trong mỗi khung ghép có T khe thời gian,
các khe thời gian rộng bằng nhau và là một kênh tín hiệu. Kiểu chuyển mạch theo thời
gian đợc sử dụng cho hệ thống ghép kênh theo thời gian, đó là quá trình chuyển đổi tín
hiệu quang đã ghép trên trục thời gian ở khe t
i
sang vị trí khe thời t

j
khác. Nh vậy,
chuyển mạch phân chia theo thời gian chính là chuyển mạch theo thời gian, nó phải
chuyển mạch bất kỳ khe thời gian nào trong một khung tín hiệu đầu vào đến một khe
thời gian khác ở đầu ra.
Có thể ghép kênh theo bit hoặc nhóm bit (khối), do phần tử chuyển mạch cần có
tín hiệu điều khiển nên ở giữa các tín hiệu ghép phải có vùng bảo vệ để hoàn thành việc
chuyển đổi trạng thái nên ghép theo khối có hiệu suất cao hơn ghép theo bit.
Chuyển mạch quang theo thời gian tạm thời ghép kênh các tín hiệu quang giữa
khe thời gian t
i
và t
j
, quá trình chuyển đổi từng bit tín hiệu 10Gb/s yêu cầu thời gian
chuyển mạch nhỏ hơn 100ps. Tuy nhiên, những yêu cầu về thời gian chuyển mạch sẽ
giảm đi trong trờng hợp chuyển mạch theo khối (hàng trăm bit).
Do các photon không dễ lu trữ và phục hồi sau trễ nên việc chuyển mạch phân
chia theo thời gian hay là trao đổi khe thời gian cần phải có bộ nhớ quang (bộ trễ
quang). Sợi quang có thể làm bộ trễ quang trong chuyển mạch quang phân chia theo
thời gian, lấy độ rộng một khe thời gian làm đơn vị, nếu tín hiệu quang cần trễ bao
nhiêu khe thời gian độ dài sợi quang có đơn vị chiều dài tơng ứng. Hoặc là một kiểu bộ
trễ quang khác đợc thực hiện kết hợp giữa sợi quang và phần tử chuyển mạch 2x2.
Hiện nay, các bộ chuyển mạch theo thời gian đều do khoá quang không gian và các
dây trễ quang tạo thành.
Bộ
tách
theo
thời
gian
Bộ

ghép
theo
thời
gian
t
j
t
i
t
i
t
j
Đừơng dây trễ
Hình 2.6 Sơ đồ khối chuyển mạch theo thời gian.
Sơ đồ khối chuyển mạch quang nh trong hình 2.6, tầng đầu tiên là bộ tách khe
thời gian, thực hiện tách các khe thời gian trên từng đầu ra của bộ nhớ, tại các đầu ra
của bộ tách này các dữ liệu xuất hiện đồng thời và đi vào dây trễ tơng ứng. Tiếp đó các
Lê Tiến Trung D2001VT
7
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
dữ liệu này sẽ đợc làm trễ theo yêu cầu và đi vào bộ ghép thời gian để ghép thành
khung tín hiệu theo thời gian.
Chuyển mạch quang cần phân chia theo thời gian (TD) có u điểm là có thể tơng
thích với các hệ thống truyền dẫn sợi quang TDM. Khi các hệ thống chuyển mạch đợc
kết nối với các hệ thống truyền dẫn quang thì cần phải có đờng kết nối số tốc độ cao.
Tuy nhiên, trong hệ thống chuyển mạch băng rộng phân chia theo thời gian đòi hỏi tốc
độ hoạt động của bộ nhớ cũng nh bộ tách ghép thời gian phải rất nhanh, đồng thời cũng
đòi hỏi khắt khe về sự đồng bộ các bit/frame.
2.1.3 Trờng chuyển mạch bớc sóng
Chuyển mạch quang phân chia theo bớc sóng (còn gọi là chuyển mạch bớc sóng),

kiểu chuyển mạch này đợc áp dụng nhiều trong mạng ghép kênh phân chia theo bớc
sóng(WDM).
Chuyển mạch theo bớc sóng khác với định tuyến theo bớc sóng (WLR). Định
tuyến theo bớc sóng là lợi dụng sự khác nhau của bớc sóng để thực hiện chọn đờng, tức
là thực hiện chuyển mạch không gian, không có biến đổi bớc sóng. Còn chuyển mạch
theo bớc sóng quang thì cần có bộ biến đổi bớc sóng quang, dùng bộ tách kênh để chia
cắt các kênh tín hiệu về không gian, tiến hành chuyển đổi bớc sóng đối với mỗi kênh,
rồi đợc ghép lại nhờ bộ ghép.
T
á
C
H
WC
WC
G
H
é
p

1
....

N

1
.
.
.

N

a
.
.
.

Z
Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản của bộ trao đổi bớc sóng
WC là bộ biến đổi bớc sóng
Sơ đồ nguyên lý chuyển mạch theo bớc sóng đợc chỉ ra trong hình 2.8, bao gồm
các bộ chuyển mạch bớc sóng và các bộ tách/ghép kênh theo bớc sóng.
Lê Tiến Trung D2001VT
8
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
Tín hiệu đầu ra
WDM.
Tín hiệu
WDM đầu
vào

1
,
2
,
N
ánh sáng
buớc sóng
chuẩn
Bộ lọc buớc
sóng cố định

Bộ lọc bớc sóng
khả chỉnh
MOD
MOD
MOD

1
,
2
,
N
Biến điệu điều
khiển bằng quang

1

2

N

a

b

z
Hình 2.8 Bộ chuyển mạch bớc sóng
Tín hiệu WDM đầu vào qua bộ chia công suất đợc dẫn đến các bộ lọc bớc sóng
có khả năng điều chỉnh riêng biệt, mỗi bộ lọc này sẽ tách lấy một tín hiệu có bớc sóng
riêng biệt ra khỏi tín hiệu WDM. Tín hiệu quang đầu ra bộ lọc bớc sóng có khả năng
điều chỉnh đợc đa vào một bộ điều biến điều khiển bằng quang và thực hiện điều biến

cờng độ vào sóng mang quang có bớc sóng xác định trớc, sóng mang quang này đợc
tách ra khỏi ánh sáng chuẩn bằng một bộ lọc bớc sóng cố định. Qua bộ biến điệu điều
khiển bằng quang các bớc sóng
a
,
b
, ,
z
đợc chuyển đổi thành bớc sóng
1
,
2
, ,
N
tơng ứng mà không có tổn hao trong quá trình biến điệu cờng độ. Sau đó các bớc sóng

1
,
2
, ,
N
lại đợc ghép thành tín hiệu WDM đầu ra. Ngoài ra, bằng cách điều khiển
bộ lọc điều chỉnh đợc để chọn tín hiệu có cùng bớc sóng, khi đó có thể thực hiện đợc
truyền thông đa hớng (Multicast).
Chuyển mạch bớc sóng có hai loại: quảng bá lựa chọn và định tuyến theo bớc sóng.
Chuyển mạch phân chia theo bớc sóng quảng bá và lựa chọn đợc mô tả trong hình 2.9.

1

2

3



2

1

2


WC
Bộ lọc điều
chỉnh đuợc
Coupler hình
sao
Hình 2.9 Chuyển mạch theo bớc sóng sử dụng trong mạng quảng bá và lựa chọn.
WC bộ chuyển đổi bớc sóng
Lê Tiến Trung D2001VT
9
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử

1
,
2
,,
N

là các bớc sóng lựa chọn trong hệ thống.
Coupler hình sao thực hiện ghép các bớc sóng vào và phát quảng bá chúng tới các
đầu ra. Các bộ lọc quang điều chỉnh đợc tại các đầu ra coupler hình sao lọc lấy một bớc
sóng nhất định, bộ lọc này cho phép chuyển mạch bớc sóng không tắc nghẽn. Sau đó là
các bộ biến đổi bớc sóng thực hiện chuyển đổi bớc sóng để đa thông tin tới ngời sử
dụng dịch vụ có bớc sóng
1
cố định.
Bộ định
tuyến lứơi
ống dẫn sóng

1

2



1

1



1

1
WC
WC

2
Hình 2.10 Chuyển mạch định tuyến bớc sóng
Kiểu chuyển mạch định tuyến theo bớc sóng đợc mô tả trong hình 2.10, gồm hai
dãy các bộ chuyển đổi bớc sóng đặt tại hai phía và bộ định tuyến lới ống dẫn sóng
(WGR).
Hình 2.11, bộ định tuyến lới ống dấn sóng WGR bao gồm hai coupler hình sao và
một lới dựa trên bộ giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI).
Nguyên lý của bộ WGR đợc hiểu nh sau: Tại coupler sao đầu tiên, đầu vào kênh
bớc sóng đợc chia thành các phần công suất giống nhau tới tất cả các cổng đầu ravới
các dịch pha khác nhau. Đặc biệt, nếu sóng tới ở cổng đâu vào p của coupler sao đầu
tiên là E
in
, thì sóng ánh sáng sau khi chia đi vào cổng đầu vào s là:
sp
j
in
s
e
N
E
E
,


=
Trong đó
p,s
là dịch pha trong coupler sao đầu tiên từ cổng đầu vào p tới cổng
đầu ra s. Khi tín hiệu ánh sáng từ cổng đầu ra s của coupler sao đầu tiên đi vào ống dẫn
sóng thứ s, nó sẽ bị dịch pha đi một lợng khác tỷ lệ với chiều dài của ống dẫn sóng.

Nếu ống dẫn sóng có chiều dài Ls =s. L+L, trong đó L là sự chênh lệch về chiều dài
giữa các ống dẫn sóng kề nhau. Khi đó ống dẫn sóng gây dịch pha:
( )
LLs
n
wgr
s
+

=


2
Lê Tiến Trung D2001VT
10
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
Trong đó, n
wgr
là chỉ số khúc xạ của các ống dẫn sóng
Luới ống
dẫn sóng
ống dẫn
sóng
ống dẫn
sóng
Coupler sao Coupler sao
Hình 2.11 Bộ định tuyến lới ống dẫn sóng
Khi tín hiệu đến ở coupler sao thứ hai, nó sẽ đợc chia vào các cổng đầu ra. Tơng
tự coupler sao đầu, ánh sáng tín hiệu cũng bị dịch pha khi đi từ ống dẫn sóng s tới cổng
đầu ra q của coupler sao thứ hai. Do đó các tín hiệu đi qua các ống dẫn sóng khác nhau

sẽ có các dịch pha khác nhau, và để công suất tín hiệu ở cổng đầu ra Pra Pvao thì pha
của các tín hiệu qua các ống dẫn sóng khác nhau cũng phải giống nhau. Với kết quả
tính toán trong [1] cho thấy rằng để định tuyến kênh bớc sóng ở đầu vào p tới đầu ra q
của WGR thì bớc sóng của ánh sáng tới ở cổng đầu vào p coupler sao đầu tiên phải đợc
điều chỉnh tới:

p.q
=
0
(p+q).
Trong đó
0
là bớc sóng tham chiếu đợc xác định bởi WGR
là khoảng cách giữa hai bớc sóng kề nhau
Bộ WGR tạo ra sự định tuyến cố định của tín hiệu quang từ một cổng đầu vào xác
định tới một cổng đầu ra xác định dựa vào bớc sóng của tín hiệu. Các tín hiệu có các b-
ớc sóng khác nhau của một cổng vào sẽ đợc định tuyến tới các cổng đâu ra khác nhau
mà không bị ảnh hởng lẫn nhau (mỗi bớc sóng đợc chuyển tới một cổng đầu ra xác
định). Khi đó các tín hiệu khác nhau sử dụng sử dụng cùng một bớc sóng ở các cổng
đầu vào khác nhau sẽ không bị ảnh hởng lẫn nhau tại các cổng đầu ra.
Nh vậy, các bộ WC trong tầng đầu (hình 2.10) dùng để chuyển đổi các bớc sóng
vào, nếu bớc sóng tại cổng p cần định tuyến tới cổng ra q thì bớc sóng của nó trớc tiên
đợc chuyển thành
p.q
. Sau đó tại đầu ra của WGR các bớc sóng lại đợc chuyển đổi lần
nữa nhờ bộ biến đổi WC tại tầng hai để trở thành bớc sóng ban đầu.
Trong hai phơng pháp chuyển mạch trên, thấy rằng phơng pháp quảng bá và lựa
chọn thực hiện đơn giản hơn nhng bị suy hao phân tán lớn hơn. phơng pháp định tuyến
bớc sóng có suy hao công suất thấp nhng lại yêu cầu điều khiển và chuyển đổi bớc
sóng chính xác. Với cả hai phơng pháp chuyển mạch các kênh bớc sóng đều đợc định

Lê Tiến Trung D2001VT
11
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
tuyến trong miền không gian. Một giải pháp lựa chọn khác là chuyển mạch bớc sóng
có thể đợc thực hiện trong miền bớc sóng, phơng pháp này đợc gọi là trao đổi kênh bớc
sóng(WCI). Hình 2.12, một WCI gồm một bộ tách kênh bớc sóng, một dãy WC và một
coupler.
1ìN Nì1
Tách kênh
Coupler

1
WC

2



2



3
Hình 2.12 Bộ trao đổi kênh bớc sóng.
Khi sử dụng WCI kết hợp với WGR có thể hình thành các trờng chuyển mạch -
S- và S--S.
So với hệ thống chuyển mạch phân chia thời gian (TD), hệ thống chuyển mạch
WD quang có hai u điểm:
Bit/frame cho các kênh khác nhau phân chia theo bớc sóng là độc lập.
Tốc độ của hệ thống chuyển mạch không cần cao nhờ có sử dụng chuyển mạch l-

u lợng, hệ thống truyền dẫn kép bớc sóng WDM đã đạt đợc hàng trăm kênh tốc
độ cỡ hàng Tb/s. Do đó, mạng chuyển mạch quang phân chia theo bớc sóng sẽ là
ứng dụng tuyệt vời để mở rộng hệ thống chuyển mạch băng rộng và dễ dàng kết
nối với hệ thống truyền dẫn WDM.
2.1.4 Trờng chuyển mạch mã quang
Phơng pháp truy nhập phân chia theo mã quang (CDMA) đang đợc nghiên cứu. Nó
liên quan đến việc ghép phân chia theo mã quang (OCDM). Phơng pháp này có đặc điểm:
Các bộ giải mã và lập trình mã quang thực hiện bằng các thiết bị quang đơn giản
hơn so với các phơng pháp OTDM và WDM.
Không yêu cầu hệ thống điều khiển đồng bộ thời gian nh phơng pháp OTDM.
Có khả năng nối tới mạng không dây và có dây.
Mạng chuyển mạch phân chia theo mã quang OCDM hoàn toàn dựa trên nguyên
tắc tự định hớng và cấu trúc thiết bị chuyển mạch quang không tuyến tính. Tuy nhiên
chuyển mạch phân chia theo mã không đợc a chuộng về mặt cấu trúc, cho nên kiểu
chuyển mạch này ít đợc sử dụng.
Lê Tiến Trung D2001VT
12
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
2.2 Coupler quang
Coupler quang là một thiết bị phổ dụng nhất trong mạng thông tin quang. Các
coupler quang có thể sử dụng để chia công suất quang từ một sợi quang đầu vào tới
nhiều sợi ở đầu ra. Hoặc nó có thể hợp các tín hiệu ánh sáng từ hai sợi vào một sợi đầu
ra nh hình 2.13.
Một coupler tổng quát bao gồm n đầu vào và m đầu ra, nếu là coupler 1 xn thì gọi
là bộ chia quang, và nếu là coupler n x1 thì gọi là bộ kết hợp quang. Ví dụ trong
coupler quang 2x2 (hình 2.14), một phần tín hiệu đầu vào phía trên định hớng tới cổng
đầu ra phía trên, và phần còn lại định hớng tới cổng đầu ra phía dới. Tín hiệu đầu vào
phía dới cũng tơng tự. Các phần định hớng tới các cổng đầu ra có thể là tơng đơng, và
cũng có thể là khác nhau.
oupler quang có thể thực hiện bằng cách ghép hai sợi đơn mode thông qua xử lí hai

đầu sợi hình nón nh hình 2.15.
Dạng hình học của hình nón có thể điều chỉnh để đạt đợc tỉ lệ phân chia theo yêu
cầu. Các coupler bốn cổng có thể đợc liên kết với nhau để tạo ra các coupler sao với n
đầu vào và n đầu ra, hoặc couper sao lên tới 128 cổng có thể sản suất nh một thiết bị
tích hợp. Ưu điểm của coupler là không cần cung cấp nguồn, hoạt động tin cậy, không
đắt, mức suy hao thấp. Ta có thể mô tả một coupler sao 16 x16 nh hình 2.16.
Lê Tiến Trung D2001VT
Bộ chia quang Bộ kết hợp quang Coupler quang
Hình 2.13: Mô hình các coupler quang.
1/ 2 (
1
+
2
)
1/ 2 (
1
+
2
)
Coupler quang
2 x2

1

2
Hình 2.14: Coupler 2x2 (3 dB)
Hình 2.15: Coupler 4 cổng
13
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
2.3 Bộ chuyển đổi bớc sóng khả chỉnh (TWC)

TWC là thiết bị chuyển đổi từ một bớc sóng vào, sang một bớc sóng ra khác.
TWC có thể điều khiển đợc nhóm bớc sóng đầu vào để thay đổi bớc sóng đầu ra. TWC
rất hữu dụng trong chuyển mạch gói vì những lí do sau:
+ Có tác dụng giảm rõ rệt số lợng đờng dây trễ vì TOWC cho phép lu chuyển
nhiều gói quang ở nhiều bớc sóng khác nhau trên cùng một đờng dây trễ. Mặc dù sử
dụng TOWC có thể làm đảo lộn thứ tự gói, song ta có thể bỏ qua vì ảnh hởng lên lu l-
ợng là rất nhỏ, ngay cả trong trờng hợp xấu nhất.
+ Dữ liệu đi vào mạng đa bớc sóng cần phải biến đổi bớc sóng để phù hợp với b-
ớc sóng của mạng. Ví dụ trong thời gian đầu, mạng cáp quang thờng dùng bớc sóng
850nm để mang tín hiệu, nhng khi phát triển hệ thống mạng sang hoạt động ở bớc sóng
1550 nm để giảm suy hao, khi đó sẽ không tơng thích giữa các hệ thống vì hai bớc
sóng này có những tính chất khác nhau. Do vậy, các bộ TWC đã nâng hiệu quả sử
dụng các bớc sóng.
Có nhiều phơng pháp công nghệ để tạo ra thiết bị chuyển đổi bớc sóng nh dùng
điện quang, dùng cổng quang, phơng pháp trộn sóng và có thể chia làm hai loại đó là
chuyển đổi bớc sóng quang/điện và chuyển đổi bớc sóng toàn quang. Công nghệ
chuyển đổi bớc sóng toàn quang lại đợc chia làm hai loại đó là công nghệ hiệu ứng kết
hợp và công nghệ điều chế chéo.
2.3.1 Chuyển đổi bớc sóng quang/điện
Trong chuyển đổi bớc sóng quang/điện, trớc hết, tín hiệu quang đợc biến đổi
thành tín hiệu điện nhờ PD. Luồng bit điện sẽ đợc lu trong bộ đệm. Tín hiệu điện sẽ
điều khiển đầu vào của Laser khả chỉnh để có đầu ra là bớc sóng yêu cầu. Phơng pháp
này đợc thử nghiệm ở tốc độ 10 Gb/s. Tuy nhiên phơng pháp này phức tạp hơn và cũng
tốn nguồn hơn so với các phơng pháp khác. Hơn nữa, quá trình xử lý chuyển đổi
Lê Tiến Trung D2001VT
Bộ kết hợp
Bộ kết hợp
Bộ kết hợp
Bộ kết hợp
Bộ kết hợp

Bộ kết hợp
Bộ kết hợp
Bộ kết hợp
Bộ kết hợp
Bộ kết hợp
Bộ kết hợp
Bộ kết hợp
Bộ chia
Coupler
Coupler
Coupler
Coupler
Bộ chia
Bộ chia
Bộ chia
Bộ chia
Bộ chia
Bộ chia
Bộ chia
Bộ chia
Bộ chia
Bộ chia
Bộ chia
Hình 2.16: Coupler sao 16 x 16
14
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
quang/điện ảnh hởng tới tính trong suốt của tín hiệu vì nó yêu cầu tín hiệu quang phải
đợc điều chế theo khuôn dạng nhất định và tốc độ bit nhất định. Toàn bộ thông tin dới
dạng pha, tần số hay biên độ cũng bị suy hao trong quá trình xử lí chuyển đổi.
2.3.2 Chuyển đổi bớc sóng bằng hiệu ứng kết hợp

Phơng pháp này chủ yếu dựa trên đáp ứng phi tuyến để tạo hiệu ứng trộn sóng
giữa nhiều bớc sóng. Trộn bớc sóng có thể duy trì đợc pha và biên độ thông tin, do đó
không làm mất tính trong suốt. Cách thức này cũng có thể đổi cả một tập bớc sóng đầu
vào sang một tập bớc sóng khác và có khả năng phù hợp với tín hiệu có tốc độ bit quá
100 Gb/s. Trong hình 5, giá trị n = 3 tơng ứng trộn bốn bớc sóng (FWM) và n = 2 tơng
ứng tạo ra sai khác hai tần số (DFG Difference Frequency Generation). Các kỹ thuật
này đợc mô tả nh hình 2.17.
2.3.2.1 Trộn bốn bớc sóng (FWM)
Trộn 4 bớc sóng dựa trên hiệu ứng phi tuyến bậc ba trong sợi silica, từ 3 bớc sóng
có tần số fi, fj, và fk tơng tác trong hệ thống WDM đa kênh tạo thành 4 bớc sóng nh
sau:

kjikji
ffff
+=
..
với
kji
FWM cũng có thể tạo ra trong các thiết bị dẫn sóng thụ động nh thiết bị dẫn sóng
bán dẫn hay trong thiết bị tích cực nh khuyếch đại quang bán dẫn (SOA Semiconductor
Optical Amplifier). Công nghệ này có khả năng cho tốc độ bit cao, tuy nhiên hiệu ứng
chuyển đổi từ năng lợng bơm thành năng lợng tín hiệu không cao, do đó làm giảm độ
nhạy.
2.3.2.2 Tạo tần số vi sai
DFR là kết quả của sự tơng tác phi tuyến bậc hai giữa 2 bớc sóng quang: Bớc
sóng bơm và bớc sóng tín hiệu. Kỹ thuật này hoàn toàn đảm bảo tính trong suốt mà
không có nhiễu với tín hiệu. Nó cũng có thể thực hiện theo hai hớng tốc độ cao, nhng
Lê Tiến Trung D2001VT
CW
Tín hiệu đã chuyển đổi

Tín hiệu vào

c

(n)

s

p
f
c
= (n-1) f
p
- f
s
Hình 2.17: Chuyển đổi bước sóng dựa
trên hiệu ứng trộn phi tuyến.
15