Kĩ thuật chuyển đổi bước sóng

dback Phản hồi phân tán DSF Dispersion-Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc EOTF Electro–Optic Tunable Filter Bộ lọc quang-điện điều chỉnh được FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi FSR Free Spectral Range Dải phổ tự do FWM Four-Wave Mixing Trộn bốn sóng IM Intensity Modulation Điều chế cường độ IP Internet Protocol Giao thức Internet LAN Local Area Network Mạng cục bộ LDA Laser Diode Amplifier Bộ khuếch đại diode Laser LOS Loss Of Signal Mất tín hiệu MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZI Mach Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach Zehnder NZ-DSF Nonzero Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc khác không OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen-rẽ quang OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch burst quang OC Optical Carrier Sóng mang quang OEO Optical–Electronic–Optical Biến đổi quang-điện-quang OLS Optical Label Switching Chuyển mạch nhãn quang OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang OXC Optical Cross-Connect Nối chéo quang PMD Polarization-Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên SMF Single-Mode Fiber Sợi đơn mode chuẩn SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu / nhiễu SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ SPM Self–Phase Modulation Điều chế tự pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng WDMA Wavelength Division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian WGR Waveguide Grating Router Bộ định tuyến cách tử ống dẫn sóng XPM Crossphase Modulation Điều chế pha chéo MỞ ĐẦU Mặc dù thông tin quang là một lĩnh vực tương đối mới, nó được đưa vào khai thác trong mạng viễn thông khoảng 30 năm trước đây. Tuy nhiên, truyền dẫn quang đã đóng vai trò hết sức to lớn trong mạng viễn thông ngày nay. Các hệ thống thông tin sợi quang với nhiều ưu điểm về băng tần rộng, cự ly thông tin lớn, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ… So với các hệ thống truyền dẫn khác ví dụ như: hệ thống thông tin vô tuyến hay hệ thống dùng cáp kim loại. Nó không chỉ phù hợp với các hệ thống xuyên lục địa, các hệ thống đường trục dung lượng lớn mà còn có tiềm năng sử dụng trong mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ. Tuy nhiên không thỏa mãn với các khả năng của đường truyền hiện có, các nhà khai thác và cung cấp dịch vụ vẫn luôn luôn tìm kiếm các giải pháp công nghệ và kĩ thuật mới nhằm tăng dung lượng đường truyền để đáp ứng nhu cầu sử dụng lớn. Công nghệ chuyển đổi bước sóng là một công nghệ mới đã được nghiên cứu và triển khai trong thực tế, được chứng minh là một giải pháp hữu hiệu để giải quyết những vấn đề trên. Áp dụng chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn và cả những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn của hệ thống. Với sự chỉ bảo tận tình của cô giáo Nguyễn Thị Thu Nga cũng như nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thành và trình bày theo ba chương: Chương I: Kỹ thuật chuyển đổi bước sóng Chương II: Kỹ thuật chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM Chương III: Các thiết bị chuyển đổi bước sóng Do đề tài là một lĩnh vực mới, về bản thân kiến thức còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót. Em mong được sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn, để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Nguyễn Thị Thu Nga, thầy cô giáo trong khoa Viễn thông I đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. CHƯƠNG I: KĨ THUẬT CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG 1.1 Giới thiệu Chuyển đổi bước sóng là công nghệ chìa khoá để điều khiển các bước sóng một cách linh hoạt trong mạng quang. Tại các node nối chéo quang trong mạng quang điện, chuyển đổi bước sóng có thể làm giảm các khối kênh và làm nó có thể sử dụng lại bước sóng. Hiệu quả sử dụng các nguồn sóng trong các mạng này sẽ tốt và nhanh hơn trong các mạng truyền thống. Sự chuyển đổi bước sóng quang đặc biệt thu hút bởi vì nó không cần các thiết bị quang điện hoặc điện quang và nó độc lập với dạng tín hiệu và tốc độ bit, với những thuộc tính đó nó làm cho mạng quang rõ ràng được đánh giá cao hơn. Tốc độ dữ liệu 100Mb/s đã được sử dụng phổ biến tại các gia đình. Xét về thực tế thì bước nhảy từ 64Kb/s lên nhiều Mb/s và bây giờ là 100Mb/s và cứ theo tiến trình này, tốc độ truyền dẫn lên tới Gb/s của một nguời sử dụng riêng lẻ cũng không quá xa nữa. Việc tăng lưu lượng truyền thông có nghĩa là tăng dung lượng kênh phụ thuộc vào mạng. Vì mục đích này mà công nghệ phân chia theo bước sóng (WDM: Wavelength Division Multiplexed) đã nhanh chóng phát triển. WDM sử dụng bước sóng ánh sáng và nó được ứng dụng vào: điểm nối điểm, mạng vòng, chức năng tách- xen và mạng lưới với các đường quang kết nối chéo. Theo hướng này các vấn đề cần được phát triển đó là các dụng cụ/công nghệ môđun để định tuyến, chuyển mạch, và điều biến tín hiệu quang thông qua điều khiển bước sóng. Điều quan trọng cần đặc biệt chú ý trong việc phát triển các dụng cụ chuyển đổi bước sóng quang đó là thực hiện định tuyến bước sóng mà không chuyển đổi bước sóng quang thành bước sóng điện. Bằng cách truyền dữ liệu từ một trạm truy nhập này tới một trạm truy nhập khác, một kết nối cần được thiết lập tại những lớp quang giống nhau trong trường hợp mạng điện thoại chuyển mạch kênh. Hoạt động này được thực hiện bởi quyết định một tuyến trong mạng kết nối từ trạm nguồn tới trạm đích và chỉ định một bước sóng rỗi chung trên tất cả các liên kết quang trên tuyến. Một tuyến toàn quang như vậy gọi là các đường quang. Toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng trên các đường quang được chỉ định để kết nối, trong suốt thời gian lưu trữ của nó trong khi mà bước sóng tương ứng không thể chỉ định bất kì một kết nối nào khác. Khi kết nối này là đầu cuối, các đường quang liên kết bị phá vỡ và bước sóng lại trở nên rỗi trên mọi liên kết dọc theo tuyến. Hình 1.1 Mạng định tuyến bước sóng toàn quang Xét mạng trong hình 1.1. Nó biễu diễn một mạng định tuyến bước sóng chứa 2 kết nối chéo WDM (S1 và S2) và 5 trạm truy nhập (từ A tới E). 3 đường quang được thiết lập (C tới A trên bước sóng l1, C tới B trên bước sóng l2, D tới E trên bước sóng l1). Để thiết lập đường quang, thường yêu cầu bước sóng giống nhau được chỉ định tất cả các liên kết trên tuyến. Yêu cầu này được biết đến như ràng buộc liên tục bước sóng và các mạng định tuyến bước sóng với ràng buộc này được gọi là mạng liên tục bước sóng. Sự ràng buộc liên tục bước sóng phân biệt mạng liên tục bước sóng với một mạng chuyển mạch kênh mà ngăn chặn các cuộc gọi chỉ khi không có dung lượng dọc theo bất kì liên kết nào trên tuyến mà được phân cho cuộc gọi. Hãy xét các cổng của mạng trong hình 1.2a. Hai đường quang được thiết lập trong mạng đó là: thứ nhất đó là giữa node 1 và node 2 trên bước sóng l1; thứ hai, giữa node 2 và node 3 trên bước sóng l2. Đòi hỏi một đường quang giữa node 1 và node 3 phải được thiết lập. Nếu chỉ có 2 bước sóng khả dụng trong mạng, không thể thiết lập được đường quang từ node1 đến node 3 thậm chí có 1 bước sóng rỗi trên mỗi liên kết dọc theo tuyến từ node 1 đến node 3. Bởi vì các bước sóng trên 2 liên kết là khác nhau. Do đó, trong mạng liên tục bước sóng có thể bị nghẽn mạch cao hơn so với mạng chuyển mạch kênh. Dễ dàng khử sự ràng buộc liên tục bước sóng nếu chúng ta có thể chuyển đổi dữ liệu tới trên một bước sóng dọc theo liên liên kết vào một bước sóng khác tại node trung gian và chuyển tiếp nó tới các liên kết tiếp theo. Kĩ thuật là khả thi và được coi như chuyển đổi bước sóng và các mạng định tuyến bước sóng với dung lượng này được coi như mạng chuyển đổi bước sóng. Một mạng chuyển đổi bước sóng hỗ trợ hoàn thành việc chuyển đổi tại tất cả các node có chức năng tương đương như một mạng chuyển mạch kênh. Các yêu cầu đường quang bị chặn chỉ khi không có dung lượng khả thi trên tuyến. Nhìn vào hình 1.2b, bộ chuyển đổi bước sóng tại node 2 thực hiện việc chuyển đổi dữ liệu từ bước sóng l2 sang bước sóng l1. Một đường quang mới giữa node 1 và node 3 có thể được thiết lập ngay lập tức bằng cách sử dụng bước sóng l2 trên đường nối từ node 1 đến node 3 và sau đó bằng cách sử dụng bước sóng l1 đến node 3 từ node 2. Lưu ý rằng đường quang đơn trong mạng chuyển đổi bước sóng có thể sử dụng các bước sóng khác nhau dọc theo các liên kết trên tuyến. Do đó, chuyển đổi bước sóng có thể cải thiện hiệu suất chuyển đổi trong mạng bằng cách giải quyết các tranh chấp bước sóng của đường quang. Node 1 Node 2 Node 3 l1 l1 l2 l2 Node 1 Node 2 Node 3 l1 l1 l2 l2 l Hình 1.2 a) Mạng không có chuyển đổi bước sóng b) Mạng có chuyển đổi bước sóng Các vấn đề về chuyển đổi bước sóng được tổ chức như hình 1.3. Ở phần sau, mô tả công nghệ chuyển đổi bước sóng. Cách các thiết bị chuyển đổi bước sóng được xây dựng và cách thiết kế chuyển mạch giải quyết chặt chẽ các bộ chuyển đổi này sẽ là trọng tâm trình bày trong phần này. Các vấn đề về thiết kế mạng, điều khiển mạng và các lợi ích sẽ được trình bày kĩ ở chương 2. Các vấn đề trong chuyển đổi bước sóng Các kĩ thuật Thuật toán Phân tích lợi ích Thiết bị chuyển đổi bước sóng Chuyểnmạch/kết nối chéo Thiết kế mạng Điều khiển mạng Quản lí mạng Mô hình phân tích Độ khuyếch đại Hình 1.3. Tổ chức của công trình nghiên cứu này 1.2 Kĩ thuật chuyển đổi bước sóng Sự phát triển có ý nghĩa trong các dụng cụ quang và điện đó là thực hiện được công nghệ chuyển đổi bước sóng. Nhiều kĩ thuật khác nhau đã chứng minh được việc chuyển đổi bước sóng. Việc phân loại và so sánh của các kĩ thuật sẽ được trình bày ở phần 1.2.1. Thiết kế nhiều chuyển mạch mới nhằm mục đích sử dụng chúng cho các bộ chuyển đổi bước sóng trong mạng chuyển đổi bước sóng sẽ được trình bày cụ thể trong phần sau. 1.2.1 Thiết kế bộ chuyển đổi bước sóng Chức năng của bộ chuyển đổi bước sóng là chuyển đổi dữ liệu trên bước sóng vào thành bước sóng ra khác giữa N bước sóng trong hệ thống (hình 1.4). Trong suốt toàn bộ đồ án này, ls là bước sóng tín hiệu vào, lc là bước sóng tín hiệu ra (đã bị chuyển đổi), lp là bước sóng nhảy, fs là tần số đi vào, fc là tần số đi ra, fp là tần số nhảy, CW là sóng liên tục được sinh ra như tín hiệu. Bộ chuyển đổi bước sóng lS lc s = 1, 2, …N c = 1, 2, …N Hình 1.4.Chức năng của bộ chuyển đổi bước sóng - Một bộ chuyển đổi bước sóng lí tưởng cần có các thành phần sau: + Trong suốt về tốc độ bit và khuôn dạng tín hiệu. + Thiết lập nhanh thời gian của bước sóng đầu ra. + Chuyển đổi cả bước sóng ngắn và bước sóng dài. + Mức công suất vào vừa phải. + Bước sóng vào có thể giống bước sóng ra (không chuyển đổi) + Độ nhạy của tín hiệu vào phân cực. + Tín hiệu đi ra di tần thấp với hệ số tắt cao và tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn. + Thực hiện đơn giản. 1.2.2 Các bộ chuyển đổi bước sóng Các thiết bị chuyển đổi bước sóng có thể phân thành 2 loại: thứ nhất; chuyển đổi bước sóng O/E. Một trạm truy nhập được cung cấp 1 bộ chuyển đổi quang điện (O/E) tới một giao diện mạng quang với thiết bị điện qui ước.Thứ hai, chuyển đổi bước sóng toàn quang, một mạng định tuyến bước sóng mà mang dữ liệu từ một trạm truy nhập tới một trạm truy nhập khác mà không có bất kì bộ chuyển đổi O/E trung gian nào được coi như một mạng định tuyến bước sóng toàn quang. Những mạng định tuyến bước sóng toàn quang như vậy nhằm mục đích xây dựng các mạng diện rộng. 1.2.2.1 Chuyển đổi bước sóng O/E Trong phương pháp này, tín hiệu quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện bằng cách sử dụng bộ tách sóng quang (chính là R trong hình 1.5). Luồng bit điện được lưu trữ trong bộ đệm (sử dụng phương pháp FIFO- vào trước ra trước). Tín hiệu điện sau đó được sử dụng để đưa vào Laser điều hưởng được (T) để có thể điều hưởng với bước sóng của đầu ra. Phương pháp này đã giải thích được việc tốc độ bit lên tới 10 Gb/s.Tuy nhiên, phương pháp này thì phức tạp hơn và dùng nhiều năng lượng hơn các phương pháp khác. Hơn nữa, quá trình xử lý của chuyển đổi O/E có ảnh hưởng bất lợi đối với tính trong suốt của tín hiệu. Tất cả các thông tin về dạng pha, tần số, biên độ tín hiệu tương tự của tín hiệu quang đều bị mất trong quá trình chuyển đổi. Giải mã địa chỉ lC lS FIFO T R Hình 1.5. Bộ chuyển đổi bước sóng O/E Để giải quyết vấn đề này một cách trực tiếp, khi bộ chuyển đổi bước sóng là một bộ quang điện, nó bao gồm: 1 bộ tách sóng, 1 bộ khuyếch đại điện áp hoặc có thể là một bộ tái tạo trực tiếp hoặc một bộ điều chế Laser ngoài như hình 1.6. Thiết bị chuyển đổi này cần công suất dòng quang vào nhỏ, nhưng nó bao gồm nhiều thành phần đơn và có công suất tiêu thụ điện cao, đặc biệt là tốc độ bit cao. Bộ điều biến ngoài Laser Bộ khuếch đại điện áp Diode PIN/ Bộ nhận Hình 1.6. Thiết bị chuyển đổi quang điện 1.2.2.2 Chuyển đổi bước sóng toàn quang Trong phương pháp này, tín hiệu quang cho phép giữ nguyên trong suốt quá trình chuyển đổi. Chú ý hơn nữa là trong trường hợp chuyển đổi toàn quang này, coi như không có chuyển đổi quang điện. Phương pháp chuyển đổi bước sóng toàn quang có thể chia ra làm 2 loại: a. Chuyển đổi bước sóng sử dụng trộn bước sóng: trộn bước sóng xuất phát từ sự phúc đáp quang phi tuyến của môI trường khi mà có nhiều hơn 1 bước sóng được thực hiện (hình1.7). Kết quả là sinh ra một bước sóng khác có cường độ tương ứng với kết quả của cường độ sóng tương tác. Trộn bước sóng giữ thông tin về cả pha và biên độ tín hiệu, độ trong suốt tăng tuyệt đối. Nó cũng cho phép đồng thời chuyển đổi thiết lập nhiều bước sóng vào thành nhiều bước sóng ra và có thể cung cấp tín hiệu tiềm năng có tốc độ bit lên đến 100Gb/s. Trong hình 1.7 với giá trị n=3 tương ứng với trộn 4 bước sóng, n=2 tương ứng với trường hợp tạo tần số khác nhau. Các kĩ thuật này sẽ được miêu tả dưới đây. c(n) Tín hiệu vào Tín hiệu chuyển đổi ls lp CW lc fc = (n-1)fb - fs Hình 1.7. Bộ chuyển đổi bước sóng dựa trên hiệu ứng trộn bước sóng phi tuyến Trộn bốn bước sóng FWM (Four Wavelength Mixing): FWM sử dụng tính phi tuyến thứ 3 trong sợi Silicat, mà tại đây có 3 sóng quang của các tần số fi,fj,fk (k ¹ i,j) kết hợp với nhau trong hệ thống WDM đa kênh sinh ra bước sóng thứ tư có tần số được cho bởi: fịjk =fi+fj-fk Trộn 4 bước sóng cũng có thể thu được trong môi trường tích cực như bộ khuyếch đại quang bán dẫn (SOA). Kĩ thuật này có cung cấp khuôn dạng điều biến độc lập và dung lượng tốc độ bit cao. Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng bơm thành năng lượng tín hiệu là không cao và nó làm giảm một cách nhanh chóng do sự tăng lên của các vòng (dịch chuyển giữa bước sóng bơm và bước sóng tín hiệu ra) Tạo tần số khác nhau DFG (Diffirency Frequency Generation): DFG là một dãy ảnh hưởng phi tuyến thứ 2 của môi trường với 2 bước sóng quang: 1 bước sóng bơm và 1 bước sóng tín hiệu. Kĩ thuật này cung cấp một dải đầy đủ độ trong suốt mà không có thêm nhiều nhiễu đối với tín hiệu và khả năng đảo ngược phổ, nhưng nó có hiệu suất thấp. Những khó nhăn chính trong thực thi kĩ thuật này nằm trong sai pha của các sóng tương tác trong việc chế tạo các ống dẫn sóng có độ tổn hao thấp để làm cho hiệu suất chuyển đổi cao. Kiến trúc kết nối chéo thay đổi tham số bước sóng (WIXC) nhằm mục đích sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng dựa trên cơ sở DFG. b. Chuyển đổi bước sóng sử dụng điều biến chéo: kĩ thuật này sử dụng dụng cụ quang bán dẫn tích cực như bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA và laser. Kĩ thuật này thuộc về một lớp được biết như là cổng quang chuyển đổi bước sóng. Điều biến độ khuyếch đại chéo (XGM) tại SOA và điều biến pha chéo (XPM) tại SOA: Nguyên lí này sử dụng 1 SOA tại XGM được chỉ ra như hình 1.8. Điều chế cường độ tín hiệu vào điều biến độ khuyếch đại trong SOA do bão hòa độ khuyếch đại. Một tín hiệu sóng ánh sáng biến thiên (CW) tại bước sóng ra theo yêu cầu (lc) được điều biến bởi hệ số khuyếch đại khác nhau để nó mang thông tin giống như tín hiệu vào gốc. Tín hiệu vào và tín hiệu CW có thể được đưa cùng hướng hoặc ngược hướng vào trong SOA.Sự phối hợp XGM đưa ra 1 tín hiệu chuyển đổi bước sóng mà được nghịch đảo so với tín hiệu đưa vào. Sự phối hợp trong XGM là đơn giản để nhận ra và cung cấp chuyển đổi trực tiếp tại 10Gb/s, nó thực hiện từ nghịch đảo của luồng bit đã chuyển đổi và giảm tỉ số tắt khi một tín hiệu vào chuyển đổi lên thành một tín hiệu có bước sóng bằng hoặc dài hơn. Tín hiệu vào Tín hiệu chuyển đổi ls lc CW lc Bộ lọc SOA Hình 1.8. Bộ chuyển đổi bước sóng dựa trên XGM trong SOA SOA 1 SOA 2 MZI CW lc ls lc Hình 1.9. Bộ chuyển đổi bước sóng giao thoa dựa trên XPM trong các SOA Hoạt động của bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng SOA trong kiểu XPM cơ bản dựa trên hệ số khúc xạ của SOA là phụ thuộc vào cường độ sóng mang trong vùng hoạt động tích cực của nó. Một tín hiệu vào mà bị suy giảm cường độ sóng mang sẽ điều biến chỉ số khúc xạ và do đó dẫn đến điều biến pha của tín hiệu CW (bước sóng lc) được ghép vào một bộ chuyển đổi. SOA có thể tích hợp vào một giao thoa kế để kết quả độ nhạy khuôn dạng tín hiệu được điều biến tại đầu ra của bộ chuyển đổi. Kĩ thuật bao hàm SOA trong XPM nhằm mục đích sử dụng ánh xạ vòng quang phi tuyến (NOLM: Nonlinear Optical Loop Mirror), giao thoa kế Mach- Zender, và giao thoa kế Michelson. Hình 1.9 biểu diễn một thiết bị chuyển đổi bước sóng MZI không đối xứng dựa trên sử dụng SOA trong XPM. Với XPM, tín hiệu sóng ra đã được chuyển đổi có thể bị nghịch đảo hoặc không, còn XGM tín hiệu sóng ra luôn luôn bị nghịch đảo. XPM cũng có công suất cao hơn so với XGM. Đặt các bộ chuyển đổi bước sóng giao thoa (IWC’s) trong kết nối chéo cũng tìm cách cải tiến phương thức truyền dẫn của mạng quang bằng cách giảm nhiễu trong tín hiệu chuyển đổi. Laser bán dẫn: sử dụng laser bán dẫn đơn mode, độ nhạy mode laser của môi trường được điều biến bởi tín hiệu ánh sáng vào thông qua bão hoà độ khuyếch đại. Tín hiệu ra thu được bị nghịch đảo so với tín hiệu vào. Thiết bị triệt độ khuyếch đại được tận dụng trong laser phản xạ Bragg phân tán (DBR: Ditstributed Bragg Reflector) để chuyển đổi tín hiệu tại 10Gb/s. Việc chuyển đổi bước sóng toàn quang có thể được thực hiện rất hiệu quả bằng cách điều khiển quang học các tần số Laser đơn như hình1.10. Tín hiệu vào(li) được biến đổi được đưa vào trong Laser, tại đây nó gây ra trạng thái bão hoà mà trạng thái này điều khiển sự dao động của Laser. Kết quả là dạng tín hiệu ra có thể là IM hoặc CPFSK phụ thuộc vào hoạt động của Laser. Bước sóng cuối cùng (lc) có thể cố định thay đổi phụ thuộc yêu cầu hệ thống. Laser có bước sóng cố định hoặc điều hưởng Công suất ra, dBm Công suất tín hiệu vào, dBm Hình 1.10. Nguyên lí chuyển đổi bước sóng dựa trên laser bán dẫn + Cần lưu ý, về bản chất thiết bị chuyển đổi Laser bao gồm các thành phần đơn cấu thành nên, vì vậy nó rất đơn giản. Nó yêu cầu công suất quang vào là 0-10 dBm và tốc độ bit lớn nhất, được xác định bởi tần số cộng hưởng của Laser, nhỏ nhất là 10Gb/s. Phần này đã giới thiệu các kĩ thuật khác nhau trong thiết kế của một bộ chuyển đổi bước sóng. Sự lựa chọn công nghệ hiện nay đó là tận dụng chuyển đổi bước sóng trong mạng phụ thuộc vào các yêu cầu của hệ thống đặc biệt. Tuy nhiên, bộ chuyển đổi quang điện chỉ giới hạn độ trong suốt về số. Ngoài ra, việc triển khai các thiết bị chuyển đổi quang điện trong mạng WDM kết nối chéo yêu cầu các gói phức tạp để ngăn ngừa xuyên kênh. Điều này dẫn đến việc tăng chi phí cho thiết bị chuyển đổi, hơn nữa việc chế tạo các thiết bị chuyển đổi bước sóng quang điện này cũng làm cho nó kém thu hút hơn so với các thiết bị chuyển đổi toàn quang. Nhược điểm của thiết bị chuyển đổi quang điện là phức tạp và có công suất tiêu thụ lớn. Thiết bị chuyển đổi toàn quang cơ bản dựa trên các SOA sử dụng chuyển đổi trong XGM và XPM hiện nay phù hợp hơn với các hệ thống sử dụng. Thiết bị chuyển đổi bước sóng dựa trên trộn 4 bước sóng, mặc dù độ trong suốt được điều biến ở các dạng khác nhau nhưng hoạt động kém hiệu quả. Tuy nhiên, thiết bị chuyển đổi trộn bước sóng là thiết bị chuyển đổi mà cung cấp một dải đầy đủ độ trong suốt, và cho phép chuyển đổi đồng thời thiết lập các bước sóng vào thành các bước sóng ra khác. Đặc biệt hơn, các phương pháp dựa trên việc tạo ra các tần số khác nhau có nhiều triển vọng phát triển nhất. Phần sau sẽ nghiên cứu nhiều kiến trúc chuyển mạch khác nhau nhằm mục đích cung cấp tài liệu để dùng trong mạng chuyển đổi bước sóng. Bảng 1. So sánh các kĩ thuật chuyển đổi bước sóng Loại OE/EO Loại toàn quang Loại chuyển mạch quang Loại trộn quang Điều biến độ khuếch đại chéo (XGM) Điều biến pha chéo (XPM) Điều biến sai pha (DPM) Trộn bốn bước sóng (FWM) Tao ra các tần số khác nhau (DFG) Các dụng cụ PD/IC/PL (LD+MD) SOALD SOA+ giao thoa kế Mach-Zehnder SOA+ giao thoa kế Mach-Zehnder Sợi SOA QPM-LN… Tốc độ bit 40 Gbit/s (phụ thuộc IC) 40 Gbit/s (RZ-NRZ) 40 Gbit/s 160Gbit/s 1Tbit/s 1Tbit/s Độ rộng băng tần Phụ thuộc vào nguồn ánh sáng Băng tần khuyếch đại (30 nm) Băng tần khuyếch đại (30 nm Băng tần khuyếch đại (30 nm 40 nm 60 nm Hiệu suất chuyển đổi Rất tốt Tốt Tốt Tốt Khá tốt Khá tốt Không nhạy cảm phân cực Rất tốt Tốt Tốt Tốt Khá tốt Khá tốt Mức vào Phụ thuộc bộ nhận -10 dBm -10 dBm 0~5 dBm ~20 dBm (SOA+DFB) -15~5 dBm Chuyển đổi riêng biệt/ đồng thời Riêng biệt Riêng biệt Riêng biệt Riêng biệt Khả năng đồng thời Khả năng đồng thời Kết quả Phụ thuộc tốc độ bit và dạng tín hiệu Chirp Dải động vào thấp Dải động vào thấp Hoạt động ổn định Hiệu suất chuyển đổi thấp Phụ thuộc phân cực Hiệu suất chuyển đổi thấp Phụ thuộc phân cự CHƯƠNG II: KĨ THUẬT CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM 2.1 Chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM Nhiều lĩnh vực thử nghiệm trong mạng WDM (Wavelength Division Multiplexed: ghép phân chia theo bước sóng) hiện nay nó đang tiến triển đặc tính là chuyển mạch và định tuyến bước sóng. Xét đến tính linh hoạt của mạng nó rất thu hút bởi nó có thể chuyển thành các kênh sóng dễ dàng và tốt nhất là không chuyển đổi quang điện. Vì vậy kĩ thuật chuyển đổi bước sóng là đề tài mà hiện nay được quan tâm đáng kể. Ở đây chúng ta sẽ xét các kĩ thuật chuyển đổi bước sóng quang với tầm quan trọng trong phát triển gần đây. WDM là một kĩ thuật nhiều triển vọng có thể sử dụng độ rộng băng tần lớn của sợi quang. Kênh ghép phân chia theo nhiều bước sóng có thể hoạt động trên 1 sợi bán dẫn, tuy nhiên yêu cầu cơ bản của truyền dẫn trên sợi quang đó là các kênh này hoạt động ở các bước sóng khác nhau. Các kênh này được điều chế một cách độc lập để cung cấp các dạng dữ liệu khác nhau, các kênh này gồm có cả tín hiệu tương tự và một vài tín hiệu số, tất nhiên trong phạm vi giới hạn. Hơn nữa WDM sử dụng độ rộng băng tần lớn (cỡ 50THz) của sợi quang đơn mode, trong khi đó các kênh chỉ cung cấp băng tần từ 1Gb/s đến 10Gb/s tuỳ theo tốc độ xử lí dòng điện. Trong một mạng WDM, có thể định tuyến dữ liệu tới đích của chúng dựa vào bước sóng của chúng. Sử dụng bước sóng để định tuyến dữ liệu được qui định như định tuyến bước sóng, và một mạng mà thực hiện kĩ thuật này được biết đến như một mạng định tuyến bước sóng. Một mạng như vậy bao gồm chuyển mạch định tuyến các bước sóng (hoặc định tuyến node) mà được nối liền với nhau bằng các sợi quang. Một vài node định tuyến (qui định như các kết nối chéo) được gắn với một trạm truy nhập, nơi mà dữ liệu từ người sử dụng đầu cuối có thể được ghép kênh với 1 kênh WDM đơn. WDM có khả năng sử dụng băng tần lớn trong sợi quang đơn mode. WDM dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trong vùng tần số quang, vùng mà một sợi quang đơn có nhiều kênh truyền dẫn tại các bước sóng khác nhau (tương ứng với tần số sóng mang). Có một ý tưởng rất thú vị trong mạng WDM là sử dụng bước sóng để định tuyến. Những mạng này hỗ trợ các đường quang mà từ đầu cuối tới đầu cuối chuyển mạch kết nối thông tin qua một hoặc nhiều tuyến và sử dụng một kênh WDM trên một tuyến. Các đường quang có thể dùng như một tuyến truyền dẫn vật lí để kết nối nhiều mạng tốc độ cao như mạng truyền theo phương thức đồng bộ (ATM). Node 0 Node 1 Node 2 Node 3 w0 w1 w2 w3 Lightpath C1 Lightpath C2 Link Link Link Hình 2.1 Một mạng có 4 node {0,1,2,3} Một ví dụ về mạng định tuyến bước sóng WDM được biểu diễn như trong hình 2.1. Nó gồm có 4 node với 3 tuyến, mỗi tuyến có 4 kênh WDM tại mỗi bước sóng {w0,w1,w2, w3}. Chuyển mạch thực hiện tại mỗi node vì vậy các kênh có thể được kết nối tới các đường quang. Chú ý rằng các kênh tại các bước sóng khác nhau được kết nối sau đó cần một thiết bị thay đổi bước sóng để có thể thay đổi bước sóng của tín hiệu quang. Ví dụ đường quang C2 cần một bộ chuyển đổi tại node 2 vì nó bao gồm 2 kênh WDM tại các bước sóng khác nhau (w1,w3). Tuy nhiên đường quang C1 bao gồm 2 kênh WDM tại cùng một bước sóng w0 tại tuyến 1 và tuyến 2. Vì thế, nó không cần bộ chuyển đổi bước sóng. Ưu điểm của chuyển đổi bước sóng đó là kênh WDM sẽ được sử dụng hữu ích hơn, còn nhược điểm là tăng chi phí và phức tạp. Các loại chuyển đổi bước sóng trong các node minh họa trong hình 2.2. Không có chuyển đổi tức là không có sự thay đổi bước sóng, và do đó chỉ có các kênh với các bước sóng giống nhau mới có thể kết nối. Chuyển đổi hoàn toàn có nghĩa là có thể thay đổi bất kì bước sóng. Vì vậy các kênh có thể được kết nối không quan tâm đến bước sóng của chúng. Điều này đã cung cấp hiệu suất sử dụng tốt nhất của các kênh, nhưng nó rất rắc rối trong việc thực thi. w0 w1 w2 Link Link No Conversion Fixed Conversion Full Conversion Limited Conversion Hình 2.2 Các loại chuyển đổi bước sóng khác nhau Với mỗi node, bước sóng chuyển đổi có thể hoặc bằng cách nhận tín hiệu, chuyển mạch điện và truyền dẫn nó trên bước sóng khác… chuyển đổi quang điện quang (O-E-O). Chuyển đổi toàn quang sử dụng thiết bị chuyển đổi bước sóng quang. Có một số thiết bị cơ bản dựa trên trộn bốn bước sóng, hiệu suất chuyển đổi là một hàm của bước sóng tín hiệu vào và bước sóng tín hiệu ra, đương nhiên nó có khả năng điều khiển giới hạn chuyển đổi. Các thiết bị chuyển đổi đã được trình bày ở trên, ở chương này sẽ trình bày thêm chuyển mạch chuyển đổi định tuyến bước sóng 2.1.1 Thiết kế chuyển mạch chuyển đổi bước sóng Để một bộ chuyển đổi bước sóng trở nên dễ dàng thực hiện hơn, một câu hỏi quan trọng được nảy ra: chúng ta đặt chúng vào vị trí nào trong mạng? Vị trí hiển nhiên là ở bộ chuyển mạch (hoặc kết nối chéo) trong mạng. Kiến trúc có thể của node chuyển mạch chuyển đổi bước sóng là chuyển mạch chuyển đổi bước sóng dành riêng (như hình 2.3). Trong kiến trúc này, mỗi bước sóng dọc theo mỗi liên kết đầu ra tại một chuyển mạch có một bộ chuyển đổi bước sóng dành riêng... Tại chuyển mạch M´M khi hệ thống có N bước sóng yêu cầu M´N bộ chuyển đổi. Tín hiệu quang vào từ 1 sợi liên kết tại chuyển mạch là bộ phân chia kênh bước sóng chia thành các bước sóng riêng biệt. Mỗi bước sóng được chuyển mạch tới cổng đầu ra bởi chuyển mạch quang không nghẽn. Bước sóng của tín hiệu ra có thể bị thay đổi bởi các bộ chuyển đổi bước sóng của nó. Cuối cùng, các bước sóng khác nhau được ghép để tạo ra một tập hợp tín hiệu dẫn tới sợi liên kết bên ngoài. D E M U X D E M U X O P T I C A L S W I T C H M U X M U X WC WC WC WC WC WC WC WC Hình 2.3 Một chuyển mạch mà có các bộ chuyển đổi tại mỗi cổng ra cho mỗi bước sóng (WC biểu thị là một bộ chuyển đổi bước sóng ) D E M U X D E M U X O P T I C A L S W I T C H M U X M U X WC O S W a) D E M U X D E M U X O P T I C A L S W I T C H M U X M U X WC WC b) Hình 2.4 Các chuyển mạch cho phép phân chia các bộ chuyển đổi bước sóng a) Kiến trúc chuyển mạch chuyển đổi bước sóng phân chia theo node b) Kiến trúc chuyển mạch chuyển đổi bước sóng phân chia theo tuyến Trong mô hình này gồm bộ ghép bước sóng, một dãy các bộ chuyển đổi bước sóng (WC) và coupler, việc thực hiện chuyển mạch bước sóng được thực hiện trong cùng một kênh sóng. Tách các bước sóng được cấu trúc nhờ kết hợp bộ chia công suất quang và bộ lọc bước sóng. Điều chỉnh bước sóng của tách bước sóng hoặc chuyển đổi là cần thiết để chuyển mạch bước sóng tùy ý từ i thành j. Cả hai kết hợp sau đây đều có khả năng: thứ nhất là kết hợp bộ tách ống dẫn sóng có bước sóng cố định với một laser điều hưởng. Thứ hai là bộ tách công suất, bộ lọc điều hưởng bước sóng và một laser có bước sóng cố định. Một laser điều hưởng và/hoặc bộ lọc là thành phần chủ yếu trong trường hợp bất kì. Bước sóng hoạt động của một bộ chuyển đổi bước sóng sẽ chiếm hầu hết vùng bước sóng của hệ thống WDM nhằm đảm bảo chuyển mạch tùy ý giữa các kênh WDM. Tín hiệu quang có tốc độ bit 10Gbit/s đã được chuyển đổi khi sử dụng sơ đồ điều chế khuyếch đại ánh sáng phun. Một thực nghiệm chuyển mạch 16 kênh WDM đã thực hiện thành công khi sử dụng thiết bị chủ chốt này. Cần chú ý là WCI sử dụng một coupler thay cho bộ ghép bước sóng, vì các bộ chuyển đổi có khả năng chuyển đổi các bước sóng khác nhau. Tuy nhiên, với chuyển mạch biến đổi bước sóng riêng, hiệu suất không cao lắm khi tất cả bộ chuyển đổi bước sóng này không được yêu cầu tại mọi thời điểm. Một phương pháp hiệu quả để cắt giảm chi phí là chia sẻ các bộ chuyển đổi bước sóng. Có 2 kiến trúc đưa ra cho các bộ chia sẻ chuyển mạch. Nhìn vào hình 2.4a, cấu trúc phân bổ đến từng node, tất cả các bộ chuyển đổi tại một node chuyển mạch đều được tập trung trong một khối chuyển đổi. (một khối chuyển đổi tập hợp một vài bộ chuyển đổi bước sóng mà mỗi bộ chuyển đổi này được giả định là có những đặc điểm nhận dạng và có thể chuyển đổi bất kì bước sóng vào thành bất kì bước sóng ra). Các khối này có thể truy nhập bởi bất cứ đường quang vào thích hợp với cấu hình chuyển mạch quang ở phạm vi rộng hơn trong hình 2.4a. Trong kiến trúc này, chỉ các bước sóng có yêu cầu chuyển đổi được định hướng tới khối chuyển đổi. Các bước sóng được chuyển đổi sau đó được chuyển mạch tới các kết nối bên ngoài một cách thích hợp bằng bộ chuyển mạch quang thứ hai (nhỏ). Trong cấu trúc phân bổ trên từng liên kết (hình 2.4b), mỗi kết nối đầu ra được cung cấp một khối chuyển đổi dành riêng mà chỉ có thể truy nhập bởi c._.ác đường quang đi qua sợi liên kết đi ra đặc biệt. Chuyển mạch quang có thể cấu hình một cách thích hợp để định hướng các bước sóng tới một liên kết đặc biệt, cho dù có chuyển đổi hoặc không chuyển đổi. - Hệ thống ghép bước sóng là rất cần thiết để thay đổi kênh tín hiệu từ bước sóng li thành bước bước sóng lj. Chuyển mạch bước sóng được chia ra làm hai loại: (1) quảng bá và lựa chọn, (2) định tuyến bước sóng, ở đây ta chỉ xét chuyển mạch định tuyến bước sóng. Hình 2.5 Chuyển mạch định tuyến bước sóng Chuyển mạch định tuyến bước sóng như hình 2.5, nó gồm hai dãy WC đặt tại hai phía bộ định tuyến bước sóng dùng cách tử (WGR). Các WC trong tầng đầu chuyển đổi bước sóng vào. Nếu bước sóng vào tại cổng i cần định tuyến tới cổng ra j thì bước sóng của nó trước tiên được chuyển thành λi+j = λ0 - (i+j) Δλ Trong đó l0 là bước sóng tham chiếu được xác định bởi WGR, Dl là khoảng cách giữa hai bước sóng kề nhau. Tại đầu ra của WGR các bước sóng lại được chuyển đổi một lần nữa trở về bước sóng ban đầu. Phương pháp này có suy hao công suất thấp nhưng đòi hỏi điều khiển và chuyển đổi bước sóng chính xác. Trong phương pháp chuyển mạch nói trên, các bước sóng đầu vào được định tuyến trong miền không gian. Nó cũng có khả năng thực hiện chuyển mạch bước sóng trong miền bước sóng. Phương pháp này gọi là trao đổi kênh bước sóng (WCI) và tương đương về mặt logic với trao đổi khe thời gian (TSI). Hình sau mô tả WCI Hình 2.6 Chuyển mạch bước sóng Khi chuyển đổi bước sóng O/E được sử dụng, chức năng của các bộ chuyển đổi bước sóng có thể được thực hiện tại các trạm truy nhập thay cho tại các chuyển mạch. Kiến trúc chuyển mạch chia sẻ nội hạt được chỉ ra trong hình 2.7 và kiến trúc trạm truy cập mạng đơn giản được chỉ ra trong hình 2.8. D E M U X D E M U X O P T I C A L S W I T C H M U X R´B M U X E S W TxB O S W RxB: Khối nhận TxB: Khối thu ESW: Chuyển mạch điện OSW: Chuyển mạch quang Tín hiệu điện tách nội hạt Tín hiệu điện xen nội hạt E/O E/O Out1 Out2 w1 w2 w1 w1 w1 In1 In2 Chuyển mạch định tuyến bước sóng Điểm truy nhập Hình 2.7 Kiến trúc chuyển đổi chuyển mạch bước sóng phân chia nội hạt Hình 2.8 Kiến trúc trạm truy nhập mạng đơn giản Ưu điểm của chuyển mạch quang: - Băng tần rộng: ưu điểm lớn nhất của việc đưa công nghệ quang vào hệ thống thông tin là tính thông suốt của nó với mọi tốc độ bit. Một hệ thống điện tử có khả năng thông qua nhiều gigabit nhờ ghép song song các phần tử chuyển mạch đơn, vì mỗi phần tử này chỉ có khả năng thông qua lớn nhất là 1 Gbit/s. Trong khi đó một chuyển mạch quang đơn lẻ có khả năng thông qua hàng trăm Gbit/s. - Tốc độ bit cao: tốc độ của các chuyển mạch điện tử bị hạn chế 20Gbit/s do hằng số thời gian CR của các mạch điện và rung pha (jitter) tín hiệu giữa các chuyển mạch song song. Chuyển mạch quang bằng điện tử cũng có tốc độ hạn chế do các chuyển mạch điện. - Nhiều bước sóng: hệ thống ghép bước sóng WDM có băng tần rất rộng. Ghép tần số diện tử (FDM) được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn cáp đòng trục. Ghép bước sóng quang cung cấp dung lượng truyền dẫn lớn nhờ ghép các tín hiệu đã được ghép theo điện tử. Đã có hệ thống ghép hàng chục bước sóng đưa vào hoạt động trong các miền bước sóng suy hao thấp của sợi quang. Chuyển mạch bước sóng giữa các kênh ghép bước sóng đang được triển khai trên một số hệ thống WDM. - Tiêu thụ công suất thấp: các thiết bị chuyển mạch ứng dụng hiệu ứng điện quang để chuyển đổi chiét suất không sinh ra nhiệt. Đây là ưu điểm đối với hoạt động công suất thấp Chuyển mạch quang có ít chức năng hơn chuyển mạch điện tử. Chuyển mạch quang có các thế mạnh trong các hoạt động chuyển mạch đơn giản có tốc độ cao và khả năng thông qua lớn. Tuy nhiên chuyển mạch điện tử phải được ưu tiên hơn trong các chức năng như đọc các tín hiệu đầu đề, điều khiển định tuyến. Trong công nghệ quang hiện đại, thiết bị nhớ quang tốc độ cao không thể thiếu trong điều khiển định thời các xung quang sử dụng dây trễ sợi quang có cấu trúc đơn giản hơn RAM điện tử. 2.1.2 Vấn đề thiết kế, điều khiển và quản lí mạng 2.1.2.1 Thiết kế mạng Để chuyển đổi bước sóng được hiệu quả cần phát triển các vấn đề về thiết kế mạng. Các nhà thiết kế mạng lựa chọn không chỉ giữa các kĩ thuật chuyển đổi khác nhau đã mô tả trong phần 1.2.2 mà còn phải lựa chọn giữa các cấu trúc chuyển mạch mô tả trong phần 2.1.1 Một vấn đề quan trọng trong thiết kế là phải tìm cách khắc phục những hạn chế trong sử dụng công nghệ chuyển đổi bước sóng. Những hạn chế đó là: a) Lắp đặt bộ chuyển đổi bước sóng trong mạng Do giá thành đắt đỏ việc trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng tại tất cả các node trong mạng WDM là không kinh tế. Vì thế, chỉ có thể đặt các bộ chuyển đổi này tại một số điểm chuyển mạch trong mạng. Một câu hỏi thú vị mà không được trả lời một cách thấu đáo đó là chúng ta có thể đặt các bộ chuyển đổi bước sóng này ở đầu tại một mạng bất kì và làm sao để nó thích hợp với đường quang khi được nâng cấp để chuyển đổi một cách đầy đủ, chính xác b) Phân chia thiết bị chuyển đổi bước sóng Ngay cả giữa dung lượng chuyển mạch của chuyển đổi bước sóng, nó không mất nhiều chi phí để trang bị cho tất cả các cổng đầu ra của chuyển mạch. Các thiết kế của các cấu trúc chuyển mạch phải nhằm mục đích (như phần 2.1.1) cho phép chia xẻ bộ chuyển đổi giữa các tín hiệu tại chuyển mạch. Nó được thực hiện chỉ trong mạng bão hoà khi mà số bộ chuyển đổi tại một chuyển mạch tăng vượt quá ngưỡng cho trước. Vấn đề thú vị ở đây là xác định số lượng của ngưỡng này phụ thuộc vào việc sử dụng thuật toán định tuyến và khả năng bị chặn. c) Khoảng giới hạn chuyển đổi bước sóng Các bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang trên cơ sở trộn bốn bước sóng chỉ cung cấp dung lượng chuyển đổi bước sóng giới hạn. Nếu khoảng được giới hạn là k, thì một bước sóng vào li có thể chuyển đổi thành bước sóng lmax(i-k, 1) đến bước sóng lmin(i+k, N), ở đây N là số lượng các bước sóng trong hệ thống (xếp thứ tự từ 1 đến N). Khoảng giới hạn chuyển đổi bước sóng chỉ có thể được cung cấp tại những node sử dụng kĩ thuật chuyển đổi O/E. Các kĩ thuật chuyển đổi bước sóng khác cũng có vài hạn chế. Nhìn vào phần 1.2.2, bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng các SOA trong XGM bị giảm nhiều hơn khi tín hiệu vào bị biến đổi lên thành các tín hiệu có bước sóng lớn hơn hoặc bằng nó so với khi tín hiệu vào bị biến đổi xuống thành các tín hiệu có bước sóng nhỏ hơn. Ngoài ra, tín hiệu cũng thường bị giảm chất lượng sau khi chuyển đổi nhiều lần, tác dụng của các tầng của các bộ chuyển đổi này rất quan trọng. Ngoại trừ hiệu quả của cấu trúc chuyển mạch chuyển đổi bước sóng và việc sắp xếp tối ưu hoá của chúng, những kĩ thuật khác cũng có nhiều triển vọng. Mạng được trang bị với nhiều sợi trên mỗi kết nối được xét đến để cải thiện dung lượng trong mạng chuyển đổi bước sóng và được đề xuất có nhiều khả năng để chuyển đổi. Một vấn đề quan trọng khác là thiết kế mạng chuyển đổi bước sóng có khả năng kháng lỗi. Chỉ mạng này mới có khả năng dự phòng về dung lượng khi liên kết bị đứt. 2.1.2.2 Điều khiển mạng Các thuật toán điều khiển được yêu cầu trong một mạng để quản lí hiệu quả các tài nguyên của nó. Nhiệm vụ quan trọng của kỹ thuật điều khiển để cung cấp các tuyến tới các đường quang yêu cầu và phân chia các bước sóng trên mỗi liên kết dọc theo tuyến này để đạt được các tham số hệ thống. Kỹ thuật định tuyến và phân chia bước sóng (RWA: Routing and Wavelength Assignment) có thể phân loại thành trạng thái tĩnh và trạng thái động phụ thuộc vào đường quang yêu cầu có ưu tiên hay không. Hai loại trên được mô tả dưới đây: a) Định tuyến động và phân chia bước sóng Trong một mạng quang định tuyến bước sóng, đường quang yêu cầu giữa cặp nguồn và đích là ngẫu nhiên và mỗi đường quang có thời gian lưu trữ ngẫu nhiên sau khi nó bị đứt. Những đường quang này cần được thiết lập linh động bởi việc quyết định một tuyến qua mạng kết nối từ nguồn tới đích và phân chia bước sóng rỗi theo tuyến này. Hai đường quang có ít nhất một liên kết chung nhưng không thể dùng chung bước sóng. Hơn nữa, những bước sóng giống nhau được phân chia tới một tuyến trên tất cả các liên kết của nó. Đây chính là điều kiện rằng buộc biến thiên bước sóng đã mô tả trong chương 1. Về vấn đề định tuyến và phân chia bước sóng này hoặc biến thể của chúng đã được nghiên cứu sớm hơn cho các mạng không có chuyển đổi bước sóng. Thuật toán định tuyến động nhằm mục đích sử dụng trong mạng chuyển đổi bước sóng. Các thuật toán cũng được nghiên cứu khi sử dụng định tuyến đường cố định hoặc định tuyến trước. Có một tuyến cố định giữa mọi cặp nguồn và đích trong mạng. Nhiều RWA được thiết kế dựa bước sóng để phân chia tới một đường quang dọc theo tuyến cố định. Tuy nhiên, thiết kế của thuật toán định tuyến hiệu quả mà kết hợp chặt chẽ với sự hạn chế ở phần 2.1.2.1 vẫn là một vấn đề mở. b) RWA tĩnh RWA tĩnh đối lập với vấn đề định tuyến động đã mô tả ở trên, RWA tĩnh giả sử rằng tất cả các đường quang được thiết lập trong mạng từ ban đầu. Mục đích là làm tăng tới mức lớn nhất toàn bộ thông lượng trong mạng...toàn bộ số lượng các đường quang có thể được thiết lập một lúc trong mạng. Một giới hạn cao hơn trên một lưu lượng sóng mang với bước sóng khả dụng (cho mạng có chuyển đổi bước sóng hoặc không chuyển đổi bước sóng) được chứa bởi việc làm suy yếu chương trình tuyến tính số nguyên tương ứng. Một trường hợp đặc biệt của RWA tĩnh đó là tất cả các yêu cầu đường quang có thể được cung cấp đối với các mạng chuyển đổi bước sóng giới hạn. Một lần nữa, các thuật toán hiệu quả kết hợp với những hạn chế trong phần 2.1.2.1 cho mạng chuyển đổi bước sóng vẫn không khả thi. 2.1.2.3 Quản lí mạng Chuyển đổi bước sóng có thể được sử dụng để đẩy mạnh thao tác giữa các mạng con mà chúng được quản lí độc lập. Do đó, nó hỗ trợ việc phân phối các chức năng điều khiển và quản lí mạng giữa những mạng con nhỏ hơn bằng cách cho phép phân chia bước sóng một cách linh hoạt trong phạm vi mỗi mạng con. Như hình 2.9, các nhà vận hành mạng 1, 2, 3 quản lí các mạng con của họ và có thể dùng chuyển đổi bước sóng để truyền thông qua các mạng con. Mạng thuê bao 3 Mạng thuê bao 2 Mạng thuê bao 1 l3 l2 l1 = Chuyển đổi bước sóng Hình 2.9 Chuyển đổi bước sóng để quản lí mạng phân bổ 2.2 Lợi ích Như đã đề cập ở trên, khả năng của chuyển đổi bước sóng hoàn toàn làm đơn giản hoá việc quản lí mạng- thuật toán phân chia bước sóng trong một mạng trở nên đơn giản hơn vì tất cả các bước sóng có thể coi như tương đương nhau, và các bước sóng sử dụng trên các đường liên kết nối tiếp dọc theo một tuyến có thể độc lập với nhau. Tuy nhiên, lợi ích của chuyển đổi bước sóng trong việc giảm nghẽn và việc cải thiện các hoạt động khác gần như là không tổng thể và không rõ ràng. Khi chuyển đổi bước sóng hoàn toàn loại bỏ rằng buộc liên tục bước sóng (xem chương 1), lợi ích thực sự trong mạng điển hình được tìm phụ thuộc vào các nhân tố như tính kết nối và tải trọng lưu lượng. Sử dụng những mô hình phân tích và mô phỏng, kết quả của sự nỗ lực này tạo nên một số lợi ích trong mạng quang điển hình. 2.2.1. Mô hình phân tích Mô hình phân tích được các nhà nghiên cứu phát triển để xác định số lợi ích của các bộ chuyển đổi bước sóng. Chúng ta trình bày những mô hình khả thi hiện nay. Những mô hình đó được giả định như sau: - Mỗi đường quang sử dụng toàn bộ độ rộng băng tần của 1 kênh sóng. - Mỗi sợi liên kết có số lượng bước sóng giống nhau (W). - Mỗi trạm có các ma trận của W máy phát và W máy thu. - Mạng chỉ hỗ trợ lưu lượng điểm nối điểm, không có đa hướng. - Kết nối yêu cầu không được xếp vào hàng đợi, nếu một kết nối bị nghẽn, nó lập tức bi loại bỏ. Những điểm khác nhau nổi bật nhất giữa những mô hình cho ở bảng 2. Dưới đây, chúng ta sẽ mô tả chi tiết. Bảng 2. So sánh các mô hình phân tích Mạng kênh toàn quang Mạng toàn quang với chuyển đổi bước sóng dải rác Xác suất nghẽn mạch cho một lớp của mạng toàn quang Mô hình nghẽn mạch trong mạng toàn quang có chuyển đổi và không có chuyển đổi bước sóng Lưu lượng Động Động Động Trạng thái động Tiến trình đến Poisson Poisson Poisson Không rõ Thời gian lưu giữ Hàm mũ Hàm mũ Hàm mũ Không rõ Định tuyến Cố định Cố định Cố định, tải trọng nhỏ nhất Cố định Phân chia bước sóng Ngẫu nhiên Ngẫu nhiên Ngẫu nhiên Ngẫu nhiên Các tải trọng liên kết Độc lập Quan hệ (Markovian) Độc lập Quan hệ (Markovian) Các bước sóng trên các tuyến liên tiếp Độc lập Phụ thuộc Độc lập Phụ thuộc Hiệu suất Xác suất nghẽn (pb) Xác suất nghẽn (pb) Xác suất nghẽn (pb) Độ khuyếch đại sử dụng bước sóng (G) Sự phức tạp khi sử dụng máy điện toán Bình thường Bình thường Cao Thấp 2.2.1.1 Mô hình xác suất với giả thiết tải trọng liên kết độc lập Mô hình phân tích được phát triển cho một mạng định tuyến đường cố định với một cấu hình tùy ý, cả với chuyển đổi bước sóng và không chuyển đổi bước sóng. Mô hình này sau đó được sử dụng để mô phỏng khi thực hiện nghiên cứu trong ba mạng: chuyển mạch trung tâm không nghẽn, mạng hai vòng thứ nguyên và mạng vòng. Các tải trọng lưu lượng và xác suất chiếm giữ bước sóng trên các kết nối đều được thừa nhận là độc lập. Một chiến lược phân chia bước sóng được tận dụng ở nơi một đường quang được phân chia ngẫu nhiên một bước sóng từ các bước sóng khả thi trên tuyến này. Xác suất nghẽn của đường quang được sử dụng để nghiên cứu hiệu năng của mạng. Lợi ích của chuyển đổi bước sóng được tìm ra trong chuyển mạch tập trung không nghẽn và mạng vòng, tuy nhiên, chuyển đổi bước sóng được tìm ra để cải thiện một cách đáng kể hiệu năng của mạng hai vòng thứ nguyên. Mô hình phân tích không ứng dụng những nghiên cứu này cho mạng vòng vì sự tương quan tải trọng cao dọc theo liên kết của tuyến trong một mạng vòng làm mất hiệu lực giả sử tải trọng liên kết độc lập. Trước tiên, chúng ta xét trường hợp khi không có chuyển đổi bước sóng trong mạng. Trong trường hợp này, một kết nối yêu cầu bị chặn khi không có kết nối khả dụng trên mọi liên kết của tuyến. Cho W là số bước sóng trên một sợi, T là thời gian trung bình tồn tại của một kết nối và li là tốc độ trên kết nối thứ i của tuyến, Li là tải trọng trung bình mong muốn trên kết nối thứ i của tuyến và Li = liT. Đặt p(i)k là xác suất mà k bước sóng được sử dụng trên kết nối thứ i của tuyến. Chúng ta có: Để một kết nối chỉ yêu cầu một hop đơn, xác suất nghẽn là pW(1), xác suất mà tất cả W bước sóng đều bận trên kết nối giữa nguồn và đích. Cho qn(k) là xác suất khi k bước sóng bận qua n hop đầu tiên của tuyến. Để kết nối một hop, chúng ta có qk(1) =pk(1),kÎ1,…W. Với một tuyến hai hop, xác suất điều kiện mà có k bước sóng khả dụng cho một kết nối, cho các bước sóng na, nb là rỗi trên các liên kết a và b (giả thiết rằng sự phân bố của các bước sóng được phân chia tại liên kết a và b là tự do qua lại ). Ta có phương trình: Nếu max (0, na+nb-W)<= k<= min (na,nb) và khác 0. Sử dụng xác suất điều kiện này, phân bố các bước sóng bận qua tuyến hai hop như sau: Xác suất nghẽn đối với kết nối hai hop là P(2)=qW(2). Do đó, đối với một tuyến n hop, chúng ta có (sử dung đệ quy). Tiếp theo, chúng ta xét trường hợp chuyển đổi bước sóng là có sẵn trong mạng. Lưu ý rằng, một đường quang bị nghẽn chỉ khi một hoặc nhiều kết nối trên đường có tấtcả các bước sóng củ chúng đều bận. Như vậy, xác suất nghẽn đối với kết nối n bước nhảy có phương trình: và P(n)=qW(n) Tiếp theo chúng ta xét trường hợp khi chuyển đổi bước sóng là khả dụng trong mạng. Chú ý rằng một đường quang bị nghẽn chỉ khi có nhiều hơn một liên kết trên tuyến có tất cả các bước sóng của nó bị chiếm giữ.Do đó, xác suất nghẽn đối với kết nối n hop là: Phân tích trên (đối với xác suất nghẽn tuyến) giả sử rằng tải trọng liên kết dọc theo tuyến đã biết. Tuy nhiên, trong thực tế, nó là ma trận lưu lượng (thể hiện tải trọng được cung cấp giữa hai trạm) mà luôn được nhận biết và không phải là tải trọng kết nối. Đối với mạng có chuyển đổi bước sóng, tiến trình đến trên một liên kết s là độc lập đối với số lượng các liên kết mang bởi tải trọng liên kết độc lập. Do đó, điểm đến trên các liên kết có thể được miêu tả bởi hàm Poisson, và số các bước sóng đang sử dụng có thể được miêu tả bằng phương pháp phân loại trong phương trình 1. Để phân loại mạng không có chuyển đổi bước sóng dễ dàng, có thể sử dụng xấp xỉ hàm Poisson đến tại những kết nối để tính toán trong trường hợp này. Xác suất nghẽn mạng có thể thu được bằng cách cải thiện thiết bị qua phương trình phi tuyến kép gọi là tán xạ Erlang. Phương trình này có cách giải quyết duy nhất đối với mạng chuyển đổi bước sóng. Việc cung cấp thủ tục lặp để giải quyết những phương trình này và tính toán xác suất nghẽn với mạng không có chuyển đổi bước sóng. 2.2.1.2 Chuyển đổi bước sóng dải rác Chuyển đổi bước sóng dải rác, tức là chỉ một số node trong mạng được trang bị bộ chuyển đổi bước sóng. Hai node chuyển mạch khác nhau mà là những node có sẵn trong mạng không có khả năng chuyển đổi bước sóng và những node mà có khả năng chuyển đổi bất cứ bước sóng đầu vào thành bước sóng đầu ra bất kỳ. Mô hình phân tích đánh giá hiệu năng nghẽn đường của mạng tại thời điểm hiện tại và biểu diễn chính xác đối với các cấu hình mạng khác nhau. Mô hình cải tiến bởi dùng bộ suy giảm với giả thiết là độc lập với tải trọng và xác suất chiếm giữ bước sóng của liên kết. Việc tìm kiếm những hữu ích của bộ chuyển đổi bước sóng phụ thuộc vào kết nối của mạng. Các bộ chuyển đổi bước sóng không thật sự hữu ích trong mạng khả năng kết nối thấp, như mạng vòng, bởi vì sự liên quan tải trọng cao giữa các liên kết. Hơn nữa, bộ chuyển đổi bước sóng cũng ít được sử dụng trong mạng với khả năng kết nối cao, như mạng siêu lập phương vì chiều dài hop nhỏ. Tuy nhiên, các bộ chuyển đổi bước sóng cung cấp những lợi ích có ý nghĩa trong mạng với những kết nối trung gian, như mạng lưới tròn bởi vì những tương quan tải trọng liên kết là thấp trong khi các chiều dài các hop là lớn. Trong hầu hết các trường hợp, chỉ một phần nhỏ các node được trang bị khả năng chuyển đổi bước sóng làm cho hiệu năng tốt hơn. Trong mô hình này,có sự kết hợp sự tương quan tải trọng giữa các liên kết trong mạng. Đặc biệt, giả sử rằng tải trọng trên liên kết i của một tuyến đưa các tải trọng trên các liên kết 1,2….,i-1 chỉ phụ thuộc vào tải trọng trên liên kết i-1. Do đó, mô hình phân tích là mô hình tương quan Markovian. Đầu tiên, chúng nhận được phân bố bước sóng rỗi trên tuyến hai hop sử dụng các chú thích sau: Q(wf)= Pr ( các bước sóng wf là rỗi trên một liên kết). S(yf ½xpf) = Pr (các bước sóng yf là rỗi trên một liên kết của một tuyến,các bước sóng xpf là rỗi trên các liên kết trước của đường. U(zc½yf, xpf) =Pr (các đường quang zc tiếp tục tới liên kết dòng từ liên kết trước của một tuyến,các bước sóng xpf là rỗi trên liên kết trước, và các bước sóng yf là rỗi trên liên kết dòng. R(nf ½xff,yf,zc) =Pr (các bước sóng nf là rỗi trên một tuyến hai hop, các bước sóng xff là rỗi trên hop đầu tiên của tuyến, các bước sóng yf là rỗi trên hop thứ hai và các đường quang zc từ hop thứ nhất đến hop thứ hai. T(l)nf, yf = Pr (các bước sóng nf là rỗi trên một tuyến l hop và các bước sóng yf là rỗi trên hop l. pl = Pr ( Một tuyến l hop được chọn để định tuyến) Bây giờ chúng ta xét một tuyến hai hop giữa node 0 và node 2 thông qua node 1. Đặt Cl là số các đường quang mà đi vào đường tại node 0 và ra tại node tại node 1, Cc là số các đường quang đi vào đường tại node 0 và tiếp tục đi tới liên kết thứ hai, Cn là số các đường quang đi vào đường tại node 1 và cho ll, lc, ln là tốc độ đến của đường quang tương ứng. Sau đó, số các đường quang mà sử dụng liên kết đầu tiên là Cl+ Cc và số các đường quang sử dụng liên kết thứ hai là Cc+Cn. Giả thiết rằng phân bổ lưu lượng đồng bộ, tốc độ đến của đường quang mà đi vào tuyến tại node 1 giống như tốc độ của đường quang rời khỏi tuyến tại node 1,…,li=ln. Các số Cl, Cc, Cn được đặc trưng bởi 3 số nguyên của chuỗi Markov, với mỗi trạng thái được đặc trưng bởi 3 số nguyên (Cc, Cl, Cn ). Xác suất R(nf ½xff,yf,zc), U(zc½yf, xpf), S(yf ½xpf), Q(wf) và sau đó nhận được từ tuyến hai hop. Việc mở rộng phân tích để xác định xác suất nghẽn trên tuyến của chiều dài hop bất kì. Để việc phân tích này đơn giản, giả sử rằng hiệu suất nghẽn đường quang trên tải trọng sóng mang dọc theo liên kết là không đáng kể. Với giả thiết này chỉ hợp lí khi xác suất nghẽn thấp, điều này có nghĩa là toàn bộ tải trọng được cung cấp cho mạng được mang dọc theo các liên kết. Tốc độ đến từ đường quang tại các node xấp xỉ tốc độ đến các liên kết ll và lc có thể được chỉ ra như sau. Đặt N là số các node có trong mạng, l là tốc độ đường quang đến tại một node, H là khoảng cách hop trung bình. Khi đó tốc độ đường quang đến trung bình trên liên kết được cho bởi: Mục đích có k liên kết ra trên một node và một đường quang không rời khỏi mạng tại node đó, nó chọn bất kì một trong k liên kết đi ra. Sau đó, tốc độ đến của các đường quang mà tiếp tục tới liên kết tiếp theo của một tuyến có thể được ước lượng: Từ đó chúng ta có: ll = g- lc Tham số q là cường độ chuyển đổi của mạng được sử dụng trong mô hình mạng chuyển đổi bước sóng dải rác. Số các node có bộ chuyển đổi trong mạng N node được phân bố với Nq bộ chuyển đổi. Xác suất nghẽn trong mạng với chuyển đổi bước sóng dải rác được tính toán đệ qui với điều kiện node i là bộ chuyển đổi cuối cùng trên một tuyến l hop trong mạng (1<i<(l-1)). 2.2.1.3 Một mô hình xác suất cho một lớp của mạng Phần này cung cấp một phương pháp tính toán xác suất nghẽn mạch trong mạng định tuyến bước sóng. Mô hình này tính toán theo lưu lượng vào Poisson và sử dụng mô hình chuỗi Markov với tốc độ đến độc lập với trạng thái. Hai hệ thống định tuyến khác nhau được miêu tả đó là định tuyến cố định, là phương thức mà đường đi từ nguồn tới đích là duy nhất và được biết trước và định tuyến tải trọng nhỏ nhất (LLR: Least Loaded Routing), cấu trúc đường luân phiên định tuyến từ nguồn tới đích thông qua tuyến mà có số các bước sóng rỗi là lớn nhất. Phân tích và mô phỏng thực hiện việc sử dụng định tuyến cố định cho các mạng có cấu hình bất kìn với các tuyến có nhiều nhất độ dài ba hop và sử dụng LLR cho mạng kết nối hoàn toàn với các tuyến có một hoặc hai hop. Xác suất nghẽn được tìm thấy là lớn hơn nếu không có chuyển đổi bước sóng. Tuy nhiên, trong phương pháp này tính toán nhiều hơn và chỉ dễ dàng hơn khi mạng kết nối dày đặc với một số node. Xét một mạng có cấu hình bất kì với J liên kết và C bước sóng trên mỗi liên kết. A tuyến R là một tập hợp con của các liên kết từ {1,2…J}. Các yêu cầu đường quang đến tuyến R như một chuỗi Poisson với tốc độ aR. Một đường quang với tuyến R được thiết lập nếu có một bước sóng wi mà rỗi trên tất cả các liên kết của tuyến đến R. Thời gian chiếm giữ của tất cả các đường quang được phân bố theo hàm mũ. Cho XR là giá trị ngẫu nhiên biểu hiện số lượng bước sóng rỗi trên tuyến R. Nếu R={i,j,k} chúng ta có thể viết XR như Xi,j,k. Cho X= (X1, X2, …..,XJ) và đặt qJ (m)= PT [Xj= m] m=0,1,….,C là phân bổ dung lượng rỗi trên liên kết j. Giả sử rằng biến ngẫu nhiên XJ là độc lập. Sau đó Ở đây m=(m1, m2……,mj). m là bước sóng rỗi trên liên kết j, thời gian cho đến khi đường quang tiếp theo được thiết lập trên liên kết j được phân bổ theo hàm mũ với tham số là aj(m). Nó cho phép số lượng bước sóng rỗi trên liên kết j được coi như quá trình sinh ra và mất đi vì vậy: Ở đây: aj(m) được cho bởi sự kết hợp các phân bổ từ chuỗi yêu cầu tới các tuyến có liên kết j như một thành phần: Xác suất nghẽn mạch với các đường quang tới tuyến R (LR=PR[XR=0]) được tính toán cho các tuyến lên tới 3 hop. Cũng như vậy, trong trường hợp LLR, ta cũng giành được xác suất nghẽn (LR) trong mạng kết nối hoàn toàn. 2.2.1.4 Mô hình xác suất không có giả thiết tải trọng liên kết độc lập Mô hình này phân tích dễ dàng hơn các mô hình trên, tuy nhiên nó sử dụng các giả thiết về lưu lượng đơn giản hơn. Các tải trọng liên kết không được giả sử là độc lập, giả thiết đó vẫn được giữ lại khi một bước sóng được sử dụng trên các liên kết liên tiếp độc lập với các bước sóng khác. Khái niệm về giao thoa bước sóng, số các liên kết mong muốn được chia bởi hai đường quang mà chia sẻ ít nhất một liên kết. Sự phân tích việc dùng liên kết và xác suất nghẽn thu được bằng cách xem xét một đường trung bình mà kéo dài khoảng cách hop trung bình (H) các liên kết trong mạng có và không có chuyển đổi bước sóng. Độ khuyếch đại G nhờ có chuyển đổi bước sóng mà được định nghĩa là tỉ số sử dụng liên kết giữa mạng có chuyển đổi bước sóng và không có chuyển đổi bước sóng với cùng một xác suất nghẽn. Độ khuyếch đại là tỉ lệ thức H/L (L là chiều dài tuyến). Kích cỡ chuyển mạch (D)lớn hơn làm tăng xác suất nghẽn trong mạng không có chuyển đổi bước sóng. Các mô hình trên được ứng dụng trong các mạng vòng, không thích hợp trong các mạng xóa kênh toàn quang và nó dự đoán đúng hệ số khuyếch đại thấp khi sử dụng chuyển đổi bước sóng trong mạng vòng. Mô hình đơn giản được miêu tả dựa trên tiêu chuẩn một chuỗi các liên kết độc lập, một đường quang yêu cầu hiểu rõ một mạng mà cách sử dụng của một bước sóng trên một sợi liên kết được thống kê một cách độc lập với các sợi liên kết khác và các bước sóng khác. Ở mô hình này, nói chung chỉ ước lượng xác suất nghẽn. Có W bước sóng trên một sợi liên kết và cho r là xác suất mà một bước sóng được sử dụng trên bất kì sợi liên kết (khi rW là số các bước sóng bận mong muốn trên bất kì sợi liên kết, r cũng là sợi bất kì được sử dụng). Chúng ta sẽ xét một tuyến liên kết H để kết nối từ node A đến node B cần được thiết lập. Đầu tiên, chúng ta sẽ xét một mạng với các bộ chuyển đổi bước sóng. P’b là xác suất mà yêu cầu kết nối từ node A đến node B sẽ bị chặn cân bằng với xác suất dọc theo tuyến liên kết H, có một liên kết sợi tồn tại với tất cả W bước sóng của nó được sử dụng để: Với q là khả năng sử dụng đối với việc đưa ra xác suất nghẽn trong mạng chuyển đổi bước sóng, chúng ta có: Ở đây lưu giữ các giá trị nhỏ của P’b/ H. Tiếp theo, chúng ta sẽ xét một mạng không có bộ chuyển đổi bước sóng. Xác suất Pb yêu cầu kết nối từ A đến B sẽ bị chặn nếu bằng xác suất dọc theo tuyến liên kết H này, mỗi bước sóng được sử dụng ít nhất trong một liên kết H, vì vậy: Với q là khả năng sử dụng đối với việc đưa ra xác suất nghẽn trong mạng không có chuyển đổi bước sóng, chúng ta có Ở đây lưu giữ các giá trị lớn của H và Pb1/W không phải là duy nhất. Nhận thấy kết quả thu được p tỉ lệ nghịch với H. Chúng ta định nghĩa G=q/p là ước lượng của ích lợi của chuyển đổi bước sóng, nó là tăng trong sử dụng (sợi hoặc bước sóng) với xác suất nghẽn giống nhau, đặt Pb= P’b Chúng ta có Ở đây lưu giữ Pb nhỏ, H lớn, W vừa phải để Pb1/W không phải là duy nhất. Vậy hệ số khuyếch đại tăng khi xác suất nghẽn giảm, nhưng hiệu suất là nhỏ với giá trị nhỏ của Pb. Khi W tăng thì G cũng tăng cho đến khi nó đạt đỉnh quanh W»10 (q»0.5) và độ khuyếch đại cao nhất gần H/2. Sau khi đạt tới đỉnh, G giảm nhưng giảm rất chậm. Nói chung, nhận ra rằng với số lượng lớn các bước sóng phù hợp, lợi ích của chuyển đổi bước sóng tăng cùng với chiều dài của các kết nối và giảm (ở mức độ không đáng kể) khi tăng số lượng các bước sóng. 2.2.2 Mối quan hệ Trong phần này chúng ta sẽ phân tích những công việc để miêu tả độ khuyếch đại khả dụng từ các mạng với các bộ chuyển đổi bước sóng. 2.2.2.1 Giới hạn trong các thuật toán RWA có và không có bộ chuyển đổi bước sóng Giới hạn cao hơn trên lưu lượng mang (hoặc bằng, nhỏ hơn trên xác suất nghẽn) trong một mạng WDM định tuyến bước sóng. Giới hạn này được chỉ ra là tiệm cận thu được bởi thuật toán RWA cố định sử dụng một số lượng lớn các bước sóng. Các hệ số tái sử dụng bước sóng – mà được xác định là lưu lượng lớn nhất trên một bước sóng để xác suất nghẽn có thể giảm nhỏ một cách tùy ý bằng cách sử dụng một số lượng các bước sóng phù hợp- là tìm cách để tăng các bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng trong các mạng lớn. Mô phỏng đó đã chỉ ra rằng các bộ chuyển đổi bước sóng tăng 10-40% trong tổng số các bước sóng sẵn có được tái sử dụng của 14 mạng khoảng cách từ 16 đến 1000 node khi số các bước sóng có sẵn là nhỏ (10 hoặc 32 ). 2.2.2.2 Mạng đa sợi Lợi ích của chuyển đổi bước sóng trong mạng với liên kết đa sợi đã được nghiên cứu trong “kết hợp giữa trao đổi bước sóng và lựa chọn bước sóng kết nối chéo trong mạng quang đa bước sóng”.Các tuyến đa sợi tìm cách để giảm độ khuyếch đại thu được để chuyển đổi bước sóng và số các sợi này quan trọng hơn số các bước sóng cho trong mạng. Do vậy, một mạng kiểu lưới thừa hưởng độ khuyếch đại sử dụng cao hơn với chuyển đổi bước sóng cho yêu cầu lưu lượng giống nhau so với mạng vòng hoặc mạng kết nối hoàn toàn. 2.2.2.3 Giới hạn chuyển đổi bước sóng Hiệu quả của chuyển đổi bước sóng dải giới hạn (phần 2.2.2.1) mà hiệu năng thu được độ khuyếch đại trong mạng được xét ở phần “khoảng giới hạn bước sóng truyền dẫn trong mạng quang”. Mô hình này được sử dụng trong việc lưu giữ các chức năng của các thiết bị chuyển đổi bước sóng quang (ví dụ thiết bị dựa trên trộn 4 bước sóng). Mô hình phân tích được chỉ ra trong “xác suất nghẽn mạch trong mạng quang có bước sóng chuyển đổi và không chuyển đổi ” với giả thiết tải trọng tuyến tự do và các bước sóng tự do. Kết quả thu được chỉ ra rằng đó là những cải tiến đáng kể về hiệu năng nghẽn mạch của mạng thu được khi các bộ chuyển đổi bước sóng dải giới hạn bằng ¼ toàn bộ dải sử dụng. Hơn nữa, các bộ chuyển đổi với ½ toàn bộ dải chuyển đổi phân phát hầu như tất cả môi trường hoạt động được cho bởi bộ chuyển đổi dải đầy đủ lý tưởng. 2.2.2.4 Bước sóng chuyển đổi cực tiểu trong mạng WDM vòng Để giảm xác suất nghẽn, bộ chuyển đổi bước sóng có thể cải thiện hiệu năng tốt hơn bằng cách cho nhiều đường quang có khoảng cách dài, mà có thể bị nghẽn ở trạng thái khác, để thiết lập một mạng quang chuyển đổi bước sóng. Lợi ích của thay đổi bước sóng nhỏ nhất trong mạng vòng WDM,các tác giả định nghĩa tỉ số không đổi là tỉ số của hệ số không đổi không có chuyển đổi bước sóng trên hệ số không đổi khi có thay đổi bước sóng. Mô phỏng nghiên cứu trong mạng 195 nút giữa 15 mạng vòng WDM nối liền với nhau với 13 nút quan trọng tăng tỉ số thay đổi trạng thái này, xấp xỉ 10000 của 32 b._./s (D trong hình 3.21). Một thiết bị DPM khác, bao gồm bộ chuyển đổi SOA kích cỡ hẹp (SS-SOA) và một MZI không đối xứng PLC với cổng cửa sổ 100 ps, mở rộng độ rộng băng tần, do đó thực hiện chuyển đổi thành công RZ 10 Gbit/s thành NRZ(E trong hình 3.21). Dòng vào của SS-SOA là 80 mA. CW và công suất tín hiệu là 0 dB. Hình 3.22 biểu diễn luồng bit 4 tín hiệu 10 Gbit/s trước SIPAS. Bằng cách điều chỉnh bước sóng của kênh #3 khoảng 0.1 nm (sự dịch chuyển pha 15ps ), chúng có thể tránh được các điểm chéo của tín hiệu NRZ. Hình 3.23 chỉ ra mẫu quan sát được đo tại điểm A tới E, chỉ ra trong hình 3.21. Quan sát chuyển đổi NRZ thành RZ (hình 3.23b), chuyển đổi 10 Gbit/s thành 40 Gbit/s (hình 3.23c) và chuyển đổi lại 40 Gbit/s thành 10 Gbit/s (hình 3.23d), chuyển đổi lại RZ thành NRZ (hình 3.23e). Hình 3.24 biểu diễn các BER tại điểm (A) đến (E). Độ nhạy bộ thu tại BER 10-9 là ít hơn -32 dBm. Chỉ công suất trung bình nhỏ hơn 0.8 dB được quan sát. Kết quả này biểu thị các kĩ thuật này sẽ hữu ích hơn chuyển đổi tốc độ bit tương lai. Hình 3.22 Các mẫu quan sát trước SIPAS Hình 3.23 Các mẫu quan sát của chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn Hình 3.24 BER của chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn 3.3.3 Sự bù PMD 3.3.3.1 Kĩ thuật giám sát DGD sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng tích hợp lai Hình 3.25 biểu diễn tổng quát sơ đồ của thiết bị XPM tích hợp lai. Chúng sử dụng PLC tích hợp lai. Hình 3.25.Bộ giám sát DGD sử dụng thiết bị XPM tích hợp lai Kĩ thuật giám sát DGD như sau. Công suất quang vào của các trạng thái phân cực (TE và TM) mà mỗi đường dẫn tới cả hai cánh của thiết bị XPM. Thiết bị này thường được thiết lập cho đến trạng thái chéo. Công suất ra nhỏ nhất của ánh sáng đã chuyển đổi tại cổng bar, mà là các cổng giám sát của DGD. Nếu DGD tồn tại lâu dài, pha khác nhau giữa hai cánh chuyển mạch ánh sáng đã chuyển đổi từ cổng chéo tới cổng bar giám sát, công suất ra tăng như trong hình 3.26. Công suất ra nhỏ nhất nghĩa là giá trị DGD tại trạng thái thực hiện nhỏ nhất mà phải giữ bằng cách điều khiển bộ cân bằng PMD. Kết quả là, thiết bị XPM hoạt động như một mạch XOR. Cổng giám sát biểu diễn “0” khi công suất vào của hai cánh là bằng nhau, nó biểu diễn “1” khi chúng không bằng nhau, như biểu diễn trong hình 3.27. Mạch này có khả năng làm việc > 100Gbit/s, vì vậy mà kĩ thuật chuyển mạch đẩy kéo của DPM bỏ qua sự phục hồi chậm của việc thay đổi chỉ số khúc xạ. Hình 3.26 Nguyên lí của bộ giám sát DGD sử dụng thiết bị XPM tích hợp lai Hình 3.27 Hoạt động của bộ giám sát DGD như một mạch XOR 3.3.3.2 Thiết lập thí nghiệm và kết quả Hình 3.28 biểu diễn thí nghiệm thiết lập cho bù PMD. Chúng ta sử dụng bốn loại tín hiệu quang: tín hiệu NRZ và RZ 40 Gbit/s, tín hiệu Manchester 20 Gbit/s, và một tín hiệu RZ 80 Gbit/s. Hình 3.28 Thí nghiệm thiết lập của bộ bù PMD Cạnh tranh giữa các dạng sóng là nguyên nhân méo PMD, chúng ta cần chuẩn bị một sợi duy trì phân cực (PMF) trong đó DGD giữa các tia nhanh và chậm là khoảng 30 ps. Tỉ số công suất giữa hai trạng thái phân cực được thay đổi từ 0 đến 10 dB bằng cách điều chỉnh bộ điều khiển phân cực(PC) trước PMF. Để cân bằng PMD, một PC thứ hai và một bộ mô phỏng DGD thay đổi được sử dụng. Các phần của tín hiệu được chia ra để giám sát, mà nó là các trạng thái phân cực được chia ra bằng số lượng môđun PBS. Các công suất quang của hai trạng thái phân cực được chia ra bằng 1 dB sử dụng các SOA và mỗi SOA là đường dẫn đến cả hai cánh của thiết bị chuyển đổi bước sóng tích hợp lai. Chiều dài đường quang giữa PBS và các cánh thiết bị chuyển đổi bước sóng là bằng nhau sử dụng đường trễ quang. Đương nhiên, chiều dài đường quang này có thể điều chỉnh dễ dàng nếu PLC-PBS tích hợp được sử dụng. Thiết bị chuyển đổi bước sóng có các cổng giám sát công suất vào với máy đo công suất, mà làm cho nó có thể điều chỉnh công suất vào của cả hai cánh. Một laser DFB với bước sóng 1552 nm được sử dụng như nguồn quang của thiết bị XPM. Với dòng SS-SOA 80và 82.5 mA, thiết bị XPM thường thiết lập trạng thái chéo. Nó hoạt động như mạch XOR. Công suất ra từ XOR là nhỏ nhất bằng cách điều khiển bộ cân bằng PMD. Tín hiệu quang, sau bù PMD, được phân kênh thành dạng RZ 10 Gbit/s sử dụng bộ điều biến EA và BER là biến số. Hình 3.29 biểu diễn các mẫu quan sát đối với RZ 40 Gbit/s, NRZ 40 Gbit/s và tín hiệu Manchester 20 Gbit/s. Qua độ méo dạng sóng lớn thu được trước bù PMD, mẫu quan sát thu được ngay sau đó. Hình 3.29 biểu diễn BER đối với dạng tín hiệu RZ và NRZ. Công suất trung bình là nhỏ hơn 0.8 dB. Các kết quả này chứng minh rằng bù PMD độc lập với tín hiệu thu được bởi thiết bị chuyển đổi bước sóng tích hợp lai. Hình 3.29 Mẫu quan sát dạng tín hiệu RZ40Gbit/s, NRZ 40Gbit/s và Manchester 20Gbit/s Hình 3.30 BER đối với các tín hiệu RZ 40Gbit/s và NRZ 40Gbit/s Hình 3.31 biểu diễn mẫu bit quan sát đối với 80 Gbit/s, với DGD 12.5 và 25.0 ps. Lần nữa, quan sát các mẫu bit này sau khi bù PMD. Tín hiệu quang được bù là tín hiệu quang phân kênh tới 10 Gbit/s bằng PIPAS, và BER là biến số. Công suất quang thu được nhỏ nhất tại BER 10-9 là –21dBm, và các công suất bù chỉ dưới 0.9 dB. Các kết quả này đã chứng minh hoạt động tốc độ bit cao của mạch XOR toàn quang. Hình 3.31 Các mẫu quan sát cho tín hiệu RZ 80Gbit/s 3.3.4 Kết luận Mạng tốc độ cực cao được trông đợi trong tương lai gần sẽ đòi hỏi chuyển đổi tốc độ bit và bù tán sắc mode phân cực. Phần này chúng ta chỉ mô tả các kĩ thuật sử dụng sử lí tín hiệu toàn quang. Chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn đã chứng minh thành công sử dụng SIPAS tích hợp nguyên khối. Bù PMD độc lập với tốc độ bit và dạng tín hiệu đã thu được thiết bị điều biến pha chéo(XPM) tích hợp lai. 4.4 Thiết bị chuyển đổi bước sóng sử dụng QPM LiNbO3 Phần này mô tả những tiến trình phát triển mới nhất trong nghiên cứu phát triển các thiết bị chuyển đổi mà tận dụng ống dẫn sóng QPM-LN (Quasi-Phase-Matched LiNbO3). Cấu trúc và nguyên lí hoạt động cơ bản của thiết bị chuyển đổi này sẽ được giải thích ở phần dưới. Cấu thành bộ phận để chuyển đổi bước sóng gồm điện trở chống lại sự khúc xạ quang và các thông số đặc trưng cho bộ khuyếch đại quang của một phôton được đưa qua ống dẫn sóng. Phân cực phụ thuộc chuyển đổi bước sóng sử dụng chỏm ống dẫn sóng được chế tạo từ LiNbO3. Các bộ chuyển đổi bước sóng dựa trên QPM-LN có nhiều ưu điểm: chúng ta có thể chuyển đổi tốc độ tín hiệu cao ở 1THz hoặc hơn, không sinh ra tỉ số tín hiệu trên nhiễu, không phụ thuộc vào các bộ điều biến và có thể chuyển đổi băng tần bước sóng trực tiếp thành nhiều kênh. Do đó nó sẽ là thiết bị chìa khoá trong mạng quang điện tương lai. 4.4.1 Giới thiệu Trong những năm gần đây, có rất nhiều tiến trình đáng kể trong nghiên cứu và phát triển kĩ thuật trong việc xây dựng hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn hơn bằng bộ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) của tín hiệu quang tốc độ cao. Để được linh hoạt và hiệu quả, những mạng trong tương lai sẽ phụ thuộc vào kĩ thuật mạng quang điện mà có thể tín hiệu quang không trực tiếp chuyển đổi thành tín hiệu điện. Thiết bị chuyển đổi bước sóng có khả năng làm được điều đó. Nhiều thiết bị chuyển đổi bước sóng đã được nghiên cứu, nhưng ống dẫn sóng LiNbO3 tốt hơn các loại khác. Nó có thể chuyển đổi tốc độ tín hiệu cao ở 1 THz hoặc hơn, không sinh ra tỉ số tín hiệu trên nhiễu và không phụ thuộc dạng tín hiệu, nó có thể chuyển đổi đồng thời nhiều bước sóng. Phần này sẽ mô tả cấu trúc và nguyên lí hoạt động của thiết bị chuyển đổi bước sóng mà sử dụng ống dẫn sóng QPM-LN. 4.4.2 Tổng quan về thiết bị chuyển đổi bước sóng sử dụng ống dẫn sóng QPM-LN Chuyển đổi bước sóng sử dụng ống dẫn sóng QPM-LN dựa trên hiệu ứng quang phi tuyến thứ hai được gọi là tạo tần số khác nhau (DFG: Difffirence Frequency Generation). Khi một tín hiệu ánh sáng với tần số w1(l1=2pc/w1) và ánh sáng nhảy với tần số w3 (l3=2pc/w3)được bơm vào vật liệu phi tuyến thứ hai, việc này có thể được sử dụng để sinh ra ánh sáng chuyển đổi với bước sóng l2 cân bằng sự khác nhau giữa tần số góc của 2 tia sáng w2=w3-w1. Để thiết bị đạt được hiệu quả cao trong việc sử dụng sự tương tác của ba sóng ánh sáng trong tinh thể phi tuyến thứ hai, điều kiện cần là pha không đối xứng trong phương trình dưới là 0, nó phải tương ứng với điều kiện ghép pha sau: Db=2p (n3/l3-n2/l2- n1/l1) (1) n1 là hệ số khúc xạ tại tín hiệu ánh sáng có bước sóng l1, n2 là hệ số khúc xạ tại ánh sáng đã bị chuyển đổi tại bước sóng l2, n3 là hệ số khúc xạ tại ánh sáng nhảy có bước sóng l3. Trong trường hợp laser bán dẫn, chuyển đổi bước sóng nhờ sử dụng BPM (Birefringent Phase Matching). Tuy nhiên, đây là phương pháp chỉ có thể thoả mãn điều kiện về pha thích ứng trong khi kết hợp giữa bước sóng tín hiệu và bước sóng nhảy. QPM giảm sự ràng buộc về pha thích ứng và cho phép những bước sóng kết hợp một cách tuỳ ý trong khoảng bước sóng mà vật liệu là trong suốt. Trong chuyển đổi bước sóng QPM, hệ số phi tuyến được điều biến với chu kì L làm sao cho Db trong phương trình sau bằng 0. Đây là điều kiện cần trong QPM: Db=2p (n3/l3-n2/l2- n1/l1 –1/D) (2) Sử dụng kĩ thuật này chúng ta có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi cao giữa nhiều bước sóng bằng cách thay đổi D. Ví dụ chuyển đổi bước sóng giữa băng tần 1.3-1.5mm và giữa 1.5-1.8 mm có thể đạt được khi sử dụng cùng vật liệu. Cấu trúc QPM có thể hình thành từ nhiều vật liệu gồm có ferit oxit như: LiNbO3 và LiTaO3 và vật liệu bán dẫn như AlGaAs nhưng vật liệu có nhiều triển vọng nhất là LiNbO3. Sử dụng LiNbO3 có những thuận lợi: thứ nhất, độ trong suốt trong băng tần 0.6-0.8 mm mà bước sóng ánh sáng nhảy để chuyển đổi bước sóng trong băng tàn sóng truyền dẫn; thứ hai nó có hệ số phi tuyến lớn. Cấu trúc cơ bản của thiết bị như hình 3.32. Một ống dẫn sóng quang được hình thành trên nền cấu trúc một QPM đã được hình thành trước bằng cách đảo chiều chu kì tự phân cực của LiNbO3. Để chuyển đổi băng tần từ 1.55 mm đến băng tần 1.58 mm. Ví dụ, một sóng ánh sáng bơm 0.78 mm được tiêm vào ống dẫn sóng cùng lúc với tín hiệu ánh sáng. Hiệu suất chuyển đổi bước sóng có tương hợp pha như trong phương trình 2, vì vậy ta có phương trình: h =hmax [ sin (DbL/2)/(DbL/2)] (3) h max: hiệu suất tại bước sóng QPM và L là chiều dài ống dẫn sóng. Hình 3.32 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của thiết bị chuyển đổi bước sóng QPM-LN Hình 2.32(b) và 2.32(c) biểu diễn sự sắp xếp dặc trưng của tín hiệu ánh sáng, ánh sáng bơm và ánh sáng chuyển đổi trên trục bước sóng. Thậm chí tín hiệu ánh sáng là một nhóm của bước sóng WDM, tất cả các tín hiệu ánh sáng có thể được chuyển đổi, vì vậy có thể chuyển đổi cùng lúc một nhóm tín hiệu đa bước sóng. Hình 2.31 cũng chỉ ra sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển đổi vào bước sóng bơm và bước sóng tín hiệu khi sử dụng ống dẫn sóng LN có chiều dài 30 mm, khi thay đổi bước sóng bơm, tương hợp pha thay đổi nhanh chóng do độ tán sắc trong hệ số khúc xạ của LN. Khoảng bước sóng có thể để bơm vào là rất nhỏ, chỉ khoảng 0.2nm như hình 2.31(b). Khi bước sóng tín hiệu thay đổi dẫn đến hệ số khúc xạ thay đổi thì các bước sóng tín hiệu và bước sóng đã chuyển đổi hủy bỏ các bước sóng ngoài khác, vì vậy có thể chuyển đổi qua một khoảng sóng rất rộng (60 nm), như trong hình 2.31(c). Đây là độ rộng đủ để có thể chuyển đổi dễ dàng của các tín hiệu tốc độ cao 40Gbit/s hoặc hơn. Hơn nữa, các pha thông tin của ánh sáng tín hiệu vào được duy trì trong suốt quá trình chuyển đổi, không phụ thuộc vào dạng điều biến, thậm chí đối với các tín hiệu có đủ điều kiện để điều biến pha. Ví dụ, thiết bị này có thể điều khiển các dạng tín hiệu CS-RZ hoặc tín hiệu nhị phân kép, mà gần đây nó được nghiên cứu để truyền dẫn ở tốc độ 40 Gbit/s hoặc hơn. Một ưu điểm khác của QPM-LN đó là nhiễu rất ít được kết hợp với tín hiệu quang trong suốt quá trình chuyển đổi bước sóng. Tại băng tần 1.55 mm chuyển đổi bước sóng yêu cầu ánh sáng nguồn 0.78mm để làm ánh sáng bơm. Tuy nhiên, một số laser diode tự phát ra một bước sóng đơn trong băng tần này. Ngoài ra, các ống dẫn sóng là đơn mode tại băng tần 1.55 mm và đa mode tại 0.78mm. Điều này gây khó khăn để thu được một dòng bơm ngoài trong các mode cơ bản. Tuy nhiên, nó có thể sử dụng nguồn ánh sáng 1.55mm như ánh sáng bơm ngoài với lược đồ phân tầng, mà chuyển đổi từ ánh sáng 1.55mm thành ánh sáng bơm ngoài 0.78mm trong ống dẫn sóng SHG (Second Harnomic Generation). Chuyển đổi bước sóng giữa ánh sáng ngoài và ánh sáng tín hiệu thu được bởi DFG. Trong SHG, bước sóng của ánh sáng bơm (1.55mm) trùng với bước sóng suy hao khi mà bước sóng tín hiệu và bước sóng đã bị chuyển đổi trở nên giống nhau trong quá trình DFG. Do đó, điều kiện QPM để tiến trình SHG và DFG đồng thời thỏa mãn các chu kì tuần tự giông nhau, vì vậy mà ánh sáng bơm ngoài sinh ra bởi SHG và bước sóng chuyển đổi bởi DFG có thể thu được trong ống dẫn sóng giống nhau. Tiếp theo, chúng ta tính toán hiệu suất chuyển đổi bước sóng. Nếu sự suy giảm của ánh sáng bơm trong tiến trình DFG là không đáng kể (tương ứng với tín hiệu nhỏ), sau đó công suất chuyển đổi của ánh sáng chuyển đổi P3 được đưa vào phương trình 4, công suất của ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm là P1 và P2 P3= hL2P1P2/100 (4) khi h đặc trưng cho hiệu suất chuyển đổi trên một đơn vị chiều dài và thường được biểu diễn theo đơn vị %/W/cm2. Hiệu suất tổng cuả thiết bị là hL2 cải thiện bằng bình phương chiều dài ống dẫn sóng và đơn vị là %/W. Nếu chúng ta thừa nhận rằng sự suy giảm bước sóng chuyển đổi của bước sóng gốc không tính đến (tín hiệu nhỏ), sau đó công suất của ánh sáng SH P2 bị giới hạn bởi công suất của bước sóng gốc P4 P2 =hL2P42/100 (5) Theo nguyên lí hiệu suất của SHG giống như DFG. Do đó, dễ dàng hơn để đo hiệu suất chuyển đổi của SHG được sử dụng để đánh giá hiệu suất chuyển đổi của thiết bị. Trong cấu trúc nối tầng, sinh ra bước sóng bơm bằng SHG và chuyển đổi bước sóng bằng DFG cùng hoàn thành như ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm ngoài vào ống dẫn sóng, vì vậy mà hiệu suất chuyển đổi không thể được nói trước theo phương trình 4 và 5. Tuy nhiên vì ánh sáng bơm ngoài xấp xỉ bình phương công suất ánh sáng ngoài, tăng công suất của ánh sáng chuyển đổi bằng cấu trúc nối tầng xấp xỉ tương ứng với bình phương của công suất ánh sáng bơm. Xấp xỉ hiệu suất của tiến trình DFG và SHG chỉ hợp lí khi mà trong vùng công suất thấp, khi mà sự suy giảm của ánh sáng bơm là không đáng kể. Với ánh sáng bơm mạnh, để tốc độ chuyển đổi cao tại điểm tìm thấy sự suy giảm của ánh sáng bơm, bão hòa công suất ánh sáng đã chuyển đổi, vì vậy mà hiệu suất không theo phương trình 4 và 5. 4.4.3 Công nghệ chế tạo ống dẫn sóng QPM-LN Cấu trúc một QPM có thể tạo thành trên vật liệu chứa sắt như LiNbO3 bằng cách tự phân cực một cách định kì. LiNbO3 mà có cùng cấu trúc như vậy được gọi là PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate:). Nhiều phương pháp đã được sử dụng để chế tạo cấu truc như vậy. Trong những năm gần đây,một phương pháp đã chứng minh ứng dụng trực tiếp của trường điện trên cơ sở sử dụng sự thay đổi một cách định kì của các điện cực. Phương pháp này có đủ khả năng để hình thành cấu trúc phân cực định kì qua toàn bộ bề mặt ngoài rất mỏng tầm 3 inch. Việc cố gắng tìm kiếm nhiều loại chất nền LN để thu được thiết bị có hiệu năng sử dụng tốt nhất và tiếp tục hình thành cấu trúc phân cực qua bề mặt LN với các chất xúc tác Mg, Zn.Điều này đã chứng tỏ để thu được phương pháp chuyển đổi là rất khó khăn. Có 2 phương pháp chế tạo ống dẫn sóng. Thứ nhất đó là phương pháp APE (Annealed Proton Exchange). Thứ hai đó là phương pháp LPE từ LiNbO3.Với phương pháp thứ nhất, mặt nạ lấy mẫu làm từ SiO2 hoặc vật liệu khác được hình thành trên nền LN bằng kĩ thuật in ảnh litô và sau đó chất nền này lại được nhúng trong chất cho proton như axit benzoic tại nhiệt độ cao hình thành một lớp chỉ số cao trên nền bằng cách thay đổi ion Li+ hoặc H+. Để bù lại hệ số phi tuyến, mà bị suy giảm bằng cách thay đổi quá mức proton, ống dẫn sóng sẽ giữ nhiệt độ cao rất lâu để khuyếch tán proton. Phương pháp này có tiến trình đơn giản và có thể chế tạo ra ống dẫn sóng có vùng mặt ngoài lớn có tính chất rất đồng đều nhau. Phương pháp này cũng có điện trở tốt hơn để cản trở độ thiệt hại khúc xạ quang hơn phương pháp khuyếch tán ánh sáng sử dụng bộ điều biến quang LN. Nó có thể được sử dụng để thay đổi chỉ số khúc xạ nhiều hơn và do đó giam hãm quang mạnh hơn. Với phương pháp APE, chỉ số khúc xạ làm tăng chùm sáng một cách khác thường. Để có hiện tượng tự phân cực, cần thiết phải thu được nhiều phân cực bằng cách sử dụng hai ống dẫn sóng. Để làm sáng tỏ vấn đề này, đỉnh của các ống dẫn sóng mà sử dụng epitaxi từ LN. Phương pháp này sử dụng sợi LN pha tạp Zn bằng cách thay đổi pha epitaxi trên nền phủ LN pha tạp Mg. Các cực định kì của chất nền này ứng dụng vào trường điện,cấu trúc một đỉnh bằng bản khắc axit khô để tạo ống dẫn sóng. Xúc tác LN với Zn tăng cả chỉ số bình thường và chỉ số dị thường, vì vậy mà trạng thái phân cực TM và TE có thể dẫn đường bởi một ống dẫn sóng đơn.Tuy nhiên đây là kĩ thuật khó thực hiện để thu được mật độ sợi và kích cỡ ống dẫn sóng lớn hơn đỉnh ống dẫn sóng LPE. 4.4.3.1 Thiết bị chuyển đổi bước sóng sử dụng APE Như đã mô tả ở phần trên, hiệu suất của thiết bị chuyển đổi bước sóng mà sử dụng hiệu ứng quang phi tuyến thứ hai cải thiện tỉ lệ tương ứng bình phương chiều dài ống dẫn sóng. Do đó, kĩ thuật chế tạo chiều dài ống dẫn sóng là rất quan trọng làm tăng hiệu suất của thiết bị chuyển đổi.Nếu chỉ số khúc xạ thay đổi hơn tổng chiều dài, sau đó bước sóng QPM thay đổi dọc theo ống dẫn sóng và hiệu ứng ống dẫn sóng dài không thu được hoàn toàn. Gần đây chúng tôi đã chế tạo ống dẫn sóng dài 5 cm mà sử dụng nền pha tạp LiNbO3 và hiệu suất SHG 1300%/W cải thiện bằng cách thay đổi nhiệt độ trong suốt quá trình giữ và thay đổi photon. Thực hiện chuyển đổi bước sóng của tín hiệu WDM 6 kênh 40Gb/s. Hình 3.33 biểu diễn hình ảnh phổ ngoài. Băng tần tín hiệu C trên 6 kênh sẽ đông thời chuyển đổi thành băng tần L. Điều này đạt được bằng cách sử dụng ống dẫn sóng dài 5cm được bơm với chùm sáng CW sinh ra bởi LD 1.55mm sử dụng bộ khuyếch đại pha tạp sợi erbium (EDFA). Tín hiệu quang vào, quan sát lấy mẫu của ánh sáng đã chuyển đổi và tốc độ lỗi bit trước và sau đó bước sóng chuyển đổi được biểu diễn trong hình 3.34. Không có suy giảm dạng sóng sau khi chuyển đổi bước sóng trong thiết bị này. Hơn nữa, công suất phạt là 0.3 dB, khi mà chỉ vừa trong giới hạn đo lường, xác định nhiễu được đưa vào chuyển đổi bước sóng là không đáng kể. Khả năng chuyển đổi bước sóng của các tín hiệu độc lập tốc độ cao của dạng điều biến và không có suy giảm tín hiệu là điểm đặc biệt của thiết bị này. Trong trường hợp này, độ rộng băng tần của bước sóng tín hiệu quang ngoài 60nm, như được mô tả trong phần trên, vì vậy để WDM với khoảng 100GHz (khoảng 0.8nm), ví dụ, 36 kênh bước sóng ánh sáng tín hiệu có thể được chuyển đổi trong một nhóm. Điều này có nghĩa là dung lượng tín hiệu lớn 1.4Tbit/s có thể điều khiển một thiết bị riêng với tốc độ tín hiệu 40Gbit/s trên một kênh. Hình 3.33 Phổ cho chuyển đổi đa bước sóng Hình 3.34 Các thông số chuyển đổi bước sóng đối với tín hiệu 40 Gbit/s Tiếp theo, chúng ta mô tả điện trở của thiết bị giảm độ khúc xạ quang. Khi ánh sáng công suất cao được bơm vào tinh thể phi tuyến thứ hai như LN, chỉ số khúc xạ thay đổi vì hiệu ứng khúc xạ quang. Nguyên nhân chính của hiệu ứng này là sóng mang bị kích thích từ độ hụt trong tinh thể. Bởi vì hiệu ứng khúc xạ quang là nguyên nhân làm độ hụt chùm sáng trong tinh thể tăng với số lượng lớn, điều này cũng được coi như giảm độ khúc xạ quang. Giam hãm quang trong thiết bị dẫn sóng phụ thuộc vào cấu trúc ống dẫn sóng, vì vậy không có sự thay đổi rất lớn trong chỉ số khúc xạ, tia sáng biến dạng không phù hợp được tìm thấy trong ống dẫn sóng. Tuy nhiên, nếu không có sự thay đổi chỉ số khúc xạ trong thiết bị QPM, điều kiện thay đổi QPM thu dược theo phương trình 1, mà chỉ số này thay đổi làm tăng số bước sóng trong QPM. Trong chuyển đổi bước sóng trong DFG, băng tần bước sóng bơm là tương đối thấp, như hình 2.31, vì vậy mà thay đổi bước sóng trong QPM có thể làm giảm hiệu suất chuyển đổi. Thiết bị mà không pha tạp LiNbO3 phải hoạt động gần nhiệt độ 100 C để tránh thay đổi bước sóng gây giảm khúc xạ quang. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã phát triển một thiết bị mà sử dung nền LN pha tạp Mg hoặc Zn cho phép hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và thu được hiệu suất chuyển đổi cao hơn khi sử dụng công suất bơm cao. Pha tạp chất nền Ln với Mg hoặc Zn để tăng điện trở độ thiệt hại khúc xạ quang bằng cách bù sóng mang được tạo bởi độ hụt, Bằng cách sở dụng Ln pha tạp Zn, các ống dẫn sóng được chế tạo với hiệu suất chuyển đổi 450%/W. Để đánh giá điện trở độ thiệt hại khúc xạ quang, chúng tôi đã đo sự thay đổi trong bước sóng QPM khi mà một ánh sáng bước sóng ngắn gần giống với bước sóng bơm được tiêm vào. Hình 3.35 thiết lập thí nghiệm này. Khi dải băng rộng được khuyếch đại được phát ra từ EDFA được bơm vào thiết bị QPM-LN, chỉ các thành phần bước sóng mà phù hợp với bước sóng QPM mới được chuyển đổi bởi SHG. Do đó để quan sát hình ảnh phổ ở lân cận 0.78mm với máy phân tích quang phổ, chúng ta có thể ngay lập tức đo được đường cong QPM như trong hình 3.32(b). Thời gian thay đổi bước sóng QPM có thể đo bằng máy giám sát hình ảnh phổ SH trong một khoảng thời gian không đổi khi tiêm chùm sáng 784 nm, đây là sự khác nhau không đáng kể từ bước sóng QPM. Thời gian thay đổi trong bước sóng QPM được biểu diễn như hình 3.36(a). Trong trường hợp này, một ánh sáng bơm 20 mW sẽ được phun tại nhiệt độ phòng. Thiết bị không pha tạp được thí nghiệm một bước sóng rất lớn thay đổi 0.3 nm tại nhiệt độ phòng. Nhưng khi một chất nền LN pha tạp Zn được sử dụng, thay đổi này giảm tới 0.1 nm. Tuy nhiên thay đổi 1 nm trong bước sóng là không đủ nhỏ khi liên quan tới độ rộng băng tần bước sóng bơm. Do đó,việc nghiên cứu tập trung chính vào những đặc điểm của chúng tại nhiệt độ cao. Sự thay đổi bươc sóng QPM phụ thuộc vào nhiệt độ như hình 3.36 (b). Tuy vậy, sự thay đổi này sẽ giảm khi mà nhiệt độ thiết bị tăng, nó cũng không thể loại trừ ra sự thay đổi bước sóng trong thiết bị không pha tạp thậm chí ở 90° C. Với thiết bị sử dụng chất nền pha tạp Zn, bằng nhiều cách, nó có thể loại trừ sự thay đổi này hoàn toàn tại 60° C. Sử dụng chất nền LN pha tạp cải thiện được điện trở để chống lại độ thiệt hại khúc xạ quang và cho phép hoạt động tại nhiệt độ thích hợp hơn. Hình 3.35 Thí nghiệm thiết lập để đo lường tổn thất quang Hình 3.36 Thay đổi trong bước sóng QPM do độ thiệt hại quang Với tiến trình DFG, nếu công suất bơm là tăng cho đến khi cường độ của tín hiệu đã chuyển đổi gần giống cường độ tín hiệu, DFG từ ánh sáng chuyển đổi đến ánh sáng tín hiệu xảy ra tai cùng thời điểm. Kết quả là, sự khuyếch đại tham số của tín hiệu và tín hiệu chuyển đổi là có thể thực hiện được. Để xác thực hoạt động này, dùng dòng bơm mạnh sử dụng dãy xung ps. Để đơn giản, đồng bộ những xung này, một ánh sáng nguồn 1.55mm sử dụng cả ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu. Chuyển mạch độ khuyếch đại với DFB-LN được sử dụng để sinh ra chùm ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm với độ rộng xung 5 và 13ps, được tách biệt ra. Những loạt xung này được khuyếch đại với EDFA, thời gian của chúng được điều chỉnh lại để tăng thêm nhiệt độ, sau đó chúng được tiêm vào thiết bị QPM-LN. Thiết bị mà sử dụng trong thí nghiệm có chiều dài 10nm. Hình 3.38 biểu diễn hình ảnh phổ ngoài ứng với nhiều công suất bơm vào. Tại cường độ bơm mà cung cấp đủ lớn tín hiệu chuyển đổi, cả tín hiệu và tín hiệu chuyển đổi được khuyếch đại trên mức tín hiệu vào. Hình 3.37 (b) biểu diễn cường độ tín hiệu ra của tín hiệu và tín hiệu chuyển đổi với các hàm của công suất bơm với thiết bị sử dụng không pha tạp và LN pha tạp Zn. Trong vùng mà công suất bơm là tương đối nhỏ, tín hiệu đã chuyển đổi tăng tương ứng với bình phương của công suất bơm. Khi mà cường độ tín hiệu chuyển đổi trong phạm vi có các mức giống với tín hiệu vào, cả tín hiệu và tín hiệu chuyển đổi cùng được khuyếch đại. Như hình 3.37(b), sự khuyếch đại các tham số với độ khuyếch đại 12 dB đã thu được trong thiết bị với chất nền LN pha tạp Zn. Hình này cũng biểu diễn khi mà thiết bị với chất nền LN không pha tạp hoạt động tại cùng một nhiệt độ, bước sóng QPM được thay đổi theo hiệu ứng phi tuyến quang và độ khuyếch đại cần là không thu được. Do đó thiết bị sử dụng chất nền LN pha tạp cung cấp điện trở cao chống lại độ thiệt hại khúc xạ ánh sáng, có thể thu được hiệu suất chuyển đổi bước sóng không sinh ra SNR(tỉ số tín hiệu trên nhiễu) Hình 3.37 Các tham số khuyếch đại với chuỗi xung bơm 4.4.3.2 Thiết bị chuyển đổi bước sóng tại đỉnh ống dẫn sóng sử dụng LPE-từ LiNbO3 Để chứng minh tính khả thi của thiết bị chuyển đổi bước sóng sử dụng QPM-LN mà sử dụng LPE-LN, chúng tôi đã chế tạo ra thiết bị đầu tiên và kiểm tra nguyên lí hoạt động tự phân cực. Ví dụ về lấy mẫu của các trường tương tự nhau của ống dẫn sóng với TE và TM như trong hình 3.38. Qua các kích thước giống nhau thu được các kiểu phân cực. Hơn nữa, một ống dẫn sóng dài 10 mm thiết bị có thể thu được hiệu suất SHG là 40%/W/cm, nó có thể được so sánh với thiết bị được chế tạo bằng phương pháp APE. Thêm nữa, không có cảm ứng hiệu ứng khúc xạ quang thay đổi trong bước sóng QPM trong suốt thí nghiệm khuyếch đại các tham số sử dụng xung bơm bởi vì chúng sử dụng điện trở độ thiệt hại khuc xạ quang Ln pha tạp Zn trong lõi ống dẫn sóng của thiết bị này. Hình 3.38 Mốt ống dẫn sóng sử dụng nền PLE-LN Tiếp theo, chúng ta sẽ mô tả hoạt động của thiết bị tự phân cực (hình 3.39). Ánh sáng tín hiệu được bơm vào ống dẫn sóng thông qua bộ truyền. Ánh sáng tín hiệu phát ra từ ống dẫn sóng qua xuyên qua ¼ bước sóng ở anot và bị phản xạ lại bởi một gương hai màu. Ánh sáng bị phản xạ lại đi qua ¼ bước sóng ở anot, vì thể phân cực bị quay một góc 90° tương ứng với ánh sáng gốc phát ra. Sau đó nó được truyền trở lại ống dẫn sóng theo phương ngược lại và tín hiệu ra từ bộ truyền. Ánh sáng bơm 0.78mm với phân cực TM được đưa vào từ mặt phẳng đối diện với ánh sáng tín hiệu. Ánh sáng bơm sẽ bị phản xạ lại gương hai mầu đặt tại cuối ống dẫn sóng, vì vậy nó truyền lại và ra khỏi ông dẫn sóng. Bởi vì có bước sóng chuyển đổi DFG khi cả ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu là phân cực TM, các thành phần TM của tín hiệu được chuyển đổi trong suốt quá trình truyền trước và các thành phần TE chuyển đổi trong suốt quá trình truyền sau. Bằng cách này, tín hiệu phân cực có thể được chuyển đổi bằng DFG. Hình 3.40 biểu diễn hình ảnh phổ DFG của tín hiệu phân cực TE và TM. Để tăng hiệu suất chuyển đổi cần thiết phải cải thiện chiều dài ống dẫn sóng,cả hai phân cực hầu như thu được hiệu suất chuyển đổi giống nhau. Hình 3.39 Cấu trúc của một thiết bị tự phân cực với ống dẫn sóng LPE-LN Hình 3.40 Phổ DFG trong thiết bị tự phân cực 4.4.4 Kết luận Phần trên vừa trình bày thiết bị chuyển đổi bước sóng QPM. Phần này nhằm mục đích giới thiệu thiết bị QPM-LN với giới hạn chuyển đổi bước sóng, cũng như những ứng dụng của nó như bù tán sắc, chuyển đổi khe thời gian, lấy mẫu quang, thay đổi bước sóng, ghép kênh, phân kênh. Qua phần này chác chắn rằng, hiệu suất cao, băng tần rộng, SNR lớn, độ trong suốt và những đặc trưng tiêu biểu khác mà những thiết bị này chắc chắn sẽ phát triển trong tương lai. KẾT LUẬN Những năm gần đây mạng WDM đã được sát nhập thành các mạng quang thương mại để đáp ứng các đòi hỏi về lưu lượng, tốc độ bít. Các thiết bị chuyển đổi bước sóng là chìa khóa cấu thành nên các mạng WDM này. Đồ án này đã trình bày các khía cạnh trong kỹ thuật chuyển đổi bước sóng từ việc sử dụng các thiết bị quang điện chuyển đổi bước sóng tới thiết kế các mạng chuyển mạch định tuyến bước sóng, cũng như hiệu quả của thuật toán quản lý và định tuyến bước sóng tới các phép đo lường trong mạng chuyển đổi bước sóng và lợi ích của chuyển đổi bước sóng cho các mạng khác nhau. Ngoài ra đồ án còn trình bày về các thiết bị chuyển đổi bước sóng khác nhau để so sánh nhằm thiết kế bộ chuyển đổi bước sóng tốt nhất có khả năng giảm chi phí, giảm suy hao và đơn giản trong thực hiện. Các mạng chuyển đổi bước sóng đã cải thiện đáng kể độ rộng băng tần, SNR lớn, tốc độ bit cao, trong suốt về khuôn dạng tín hiệu và chắc chắn các thiết bị này ngày càng được phát triến trong tương lai. Đồ án mới chỉ xem xét tổng quan các kĩ thuật chuyển đổi mà chưa đi vào chi tiết các giới hạn chuyển đổi bước sóng trong sợi quang, cũng như các khả năng kháng lỗi của các mạng này. Ngoài ra, công nghệ chuyển đổi bước sóng là một công nghệ còn rất mới mẻ, chưa được triển khai rộng rãi trong thực tế. Do vậy đồ án mới chỉ nghiên cứu chủ yếu dựa trên các cơ sở lý thuyết. Do những hạn chế về thời gian và năng lực bản thân có hạn nên chắc chắn rằng đồ án còn có nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án có thể dược chính xác, đầy đủ và hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) J.M.Wiesenfeld, “Wavelength conversion techniques” in Proc. OFC’96, San Jose, CA, Feb. 1996,pp. 71-71, paper TuP 1. 2) S.J.B Yoo, “Wavelength conversion techologies for WDM network applications” J. Lightwave Technol., vol. 14, pp, 955-966, June 1996. 3) T. Durhuus et al., “All optical wavelength conversion by SOA’s in a Mach-Zender configuration” IEEE Photon. Tech. Lett., vol. 6, pp.53-55, Jan, 1994 4) B. Mikkelsen et al., “Polarization insensitive wavelength conversion of 10 Gbit/s signals with SOA’s in a Michelson interferometer” Electron.Lett…., vol, 30, pp.260-261, Feb.1994 5) F.P. Kelly, “Blocking Probabilities in large circuit switched networks,” Adv.Appl. Prob., vol.18,pp.473-505,1986. 6) S. Chung, A. Kashper, and K. W. Ross, “Computing approximate blocking probabilities for large loss networks with state-dependent routing,” IEEE/ACM Trans. Networking, vol. 1, no. 1, pp. 105-115,1993. 7) A. Birman, “Computing approximate blocking probabilities for a class of all-optical networks” IEEE J.Select. Areas Commun., vol. 14, pp. 852-857, June 1996. 8) R. A. Barry and P.A. Humblet, “Models of blocking probabilities in all-optical networks with and without wavelength changers” IEEE J.Select. Areas Commun., vol. 14, pp. 858-867, June 1996. MỤC LỤC Trang ._.