Thiết Bị Đấu Nối Chéo Quang Oxc (Optical Cross Connect)

λn

λ1 λ2 … λn

λ2

λ1

OSW

R/T

T/R

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 78 trang tài liệu này.

R/T

T/R

demux

Mux

(a) Bộ chuyển tiếp

λ1 λ2 … λn

SC-OADM

λ1 λ2 … λn

R/T

(b)

T/R

R/T T/R

Bộ chuyển tiếp

λ1 λ2 λn

Hình 2.10: Cấu trúc OADM có thể cấu hình lại.

Hình 2.10 đưa ra 1 số cấu trúc OADM khác nhau có thể cấu hình lại. Hình 2.10(a) là một biến thể của cấu trúc song song, nó sử dụng chuyển mạch quang để xen/tách các bước sóng riêng lẻ khi cần thiết. Hình 2.10(b) là biến thể của cấu trúc nối tiếp, ở đó mỗi SC-OADM là một thiết bị điều chỉnh, chúng có khả năng xen/tách một bước sóng riêng lẻ hoặc có thể cấu hình cho chúng xuyên qua.

Cả hai cấu trúc này chỉ đáp ứng một phần vấn đề cấu hình lại bởi vì các bộ chuyển đổi tín hiệu vẫn cần được thiết kế để tạo ra sự thích nghi trong lớp quang. Phân biệt sự khác nhau giữa hai loại: một là bộ chuyển đổi tín hiệu cố định bước sóng, hai là bộ chuyển đổi tín hiệu điều chỉnh bước sóng. Loại thứ nhất có khả năng truyền dẫn và nhận tín hiệu ở một bước sóng cố định đặc biệt, đây là trường hợp phổ biến nhất đối với các bộ chuyển đổi tín hiệu ngày nay. Loại thứ 2 có thể truyền và nhận bất kỳ bước sóng mong muốn nào. Loại này sử dụng một Laser WDM để điều chỉnh và một bộ thu dải rộng có khả năng nhận bất kỳ bước sóng nào.

2.3.2. Bộ ghép tín hiệu (Coupler)

Bộ ghép tín hiệu (Coupler) là thiết bị quang dùng để kết hợp các tín hiệu truyền đến từ các sợi quang khác nhau. Nếu Coupler chỉ cho ánh sáng truyền qua nó theo một chiều thì được gọi là Couper đơn hướng, nếu Coupler cho phép ánh sáng đi qua nó theo hai chiều thì được gọi là Coupler song hướng.

Coupler thông dụng nhất là Coupler FTB, được chế tạo bằng phương pháp kéo nóng chảy: làm nóng chảy hai sợi quang cạnh nhau và kéo dài phần nóng chảy thành

dạng cấu trúc thắt làm hai phần, tín hiệu từ mỗi sợi được ghép lại với nhau và chia đều đến các cổng ra. Một Coupler 2×2 đặc trưng bởi tỷ số ghép α (0<α<1), α là tỷ lệ công suất ánh sáng ngõ vào 1 đến ngõ ra 1 so với tổng công suất ánh sáng vào ngõ vào 1. Phần tỷ lệ (1- α) công suất ánh sáng còn lại của ngõ vào 1 sẽ được truyền đến ngõ ra 2.

Coupler lựa chọn bước sóng khi α phụ thuộc vào bước sóng và ngược lại, khi α không phụ thuộc vào bước sóng thì Coupler không phụ thuộc vào bước sóng.

Coupler hình sao N×N được tạo thành bằng cách kết nối các Coupler 3 dB (Coupler 3 dB là coupler 2×2 khi α = 1/2, nó chia đều công suất tín hiệu ngõ vào thành hai phần bằng nhau ở hai ngõ ra) như Hình 2.11.

1 5 9

4 8 12

Hình 2.11: Bộ ghép hình sao 8×8.

2.3.2.1. Nguyên lý hoạt động

Khi hai sợi quang được đặt cạnh nhau, ánh sáng sẽ được ghép từ sợi này sang sợi kia và ngược lại. Đó là do quá trình truyền mode ánh sáng trên sợi quang qua vùng ghép sẽ khác so với truyền trên sợi quang đơn. Khi đó, toàn bộ ánh sáng thuộc một sợi quang sẽ được ghép hoàn toàn sang sợi quang ghép với nó, phần ánh sáng này lại tiếp tục được ghép ngược trở lại sang sợi quang ban đầu theo chu kỳ tuần hoàn khép kín. Kết quả là cường độ trường điện từ ở đầu ra của bộ ghép Eo1, Eo2 được tính theo cường độ trường điện từ đầu vào Ei1, Ei2 theo Công thức (2.1).

Eo1 f eil  cos kl 

i sin kl Ei1 f 

(2.1)

E f i sin kl cos kl E f 

o2 i 2 

Trong đó: β: hệ số pha của sự truyền ánh sáng trong sợi quang.

k: hệ số ghép, k phụ thuộc vào chiều rộng của sợi quang, chiết suất của lõi sợi và đến khoảng cách gần nhau của hai sợi quang khi thực hiện nung chảy.

l: độ dài Coupler.

Nếu chỉ cho ánh sáng vào ngõ 1 (Eo2=0) thì Công thức (2.1) được tính bằng Công thức (2.2).

il 2Efe e sin kl Ef

i



o2 i1

(2.2)

Ở hai ngõ đầu ra lệch pha nhau π/2. Với điều kiện này, có thể tính được hàm truyền đạt công suất bằng Công thức (2.3).

T f cos2 kl 

11 

(2.3)

T12 f sin kl 

Hàm truyền đạt công suất Tij được định nghĩa như trong Công thức (2.4).

Eoj

T (2.4)

2.3.2.2. Ứng dụng

ij 2

Coupler là linh kiện quang linh hoạt và có nhiều ứng dụng khác nhau: bộ Coupler với α ≈ 1 được dùng để trích một phần nhỏ tín hiệu quang, phục vụ cho mục đích giám sát; Là bộ phận cơ bản để tạo nên các thành phần quang khác như các bộ chuyển mạch tĩnh, các bộ điều chế, các bộ giao thoa và bộ chuyển đổi bước sóng; Thực hiện tách/ghép bước sóng trên sợi quang. Bộ Coupler 2×2 được ứng dụng phổ biến, tạo ra bộ Coupler N×N ghép N tín hiệu khác nhau vào một sợi quang.

2.3.3. Bộ định tuyến bước sóng

Bộ định tuyến bước sóng N×N là một thành phần WDM quan trọng. Nó kết hợp chức năng của một bộ ghép hình sao với các hoạt động tách/ghép kênh. Các tín hiệu WDM tới từ N cổng vào được giải ghép vào các kênh riêng và chuyển tới N cổng ra của bộ định tuyến sao cho tín hiệu WDM tại mỗi cổng gồm các kênh từ các đầu vào khác nhau được minh họa trong Hình 2.12. Bộ ghép kênh N×N có thể được sử dụng như một bộ định tuyến bước sóng. Ngoài ra, còn có bộ định tuyến cách tử ống dẫn sóng, gồm một bộ chép hình sao N×M chia đều công suất của N kênh đầu vào cho M cổng đầu ra, cách tử được tạo ra từ M ống dẫn sóng sẽ tách các kênh khác nhau theo bước sóng của chúng, bộ ghép M×N thứ 2 sẽ phân phối các tín hiệu đã được tách tới các đầu ra, và được định tuyến tới N nút mạng.

λ1 λ2 λ3 λ4 λ5

λ2 λ1 λ5 λ1 λ2

λ1 λ2 λ3 λ4 λ5

λ1 λ5 λ4 λ2 λ3

λ5 λ4 λ3 λ3 λ4

λ1 λ2 λ3 λ4 λ5

λ4 λ3 λ2 λ4 λ5

λ1 λ2 λ3 λ4 λ5

λ3 λ2 λ1 λ5 λ1

Hình 2.12: Sơ đồ bộ định tuyến bước sóng.

2.3.4. Thiết bị đấu nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect)

Bộ xen/rẽ quang OADM được sử dụng hiệu quả khi điều khiển các cấu trúc mạng đơn giản, như các cấu trúc tuyến tính hoặc cấu trúc vòng Ring với số lượng bước sóng vừa phải. Nhưng đối với các cấu trúc mắt lưới cùng với số lượng các bước sóng cần xử lý lớn hơn, đặc biệt, tại các trung tâm điều khiển có lưu lượng cao, thì cần một phần tử khác gọi là bộ đấu nối chéo OXC, bộ OXC cho phép cấu hình lại mạng quang. Ở đó, các đường truyền có thể được thiết lập và kết thúc khi cần thiết. Nó được cấu trúc với mạch tích hợp rất lớn và khả năng nối kết hàng ngàn đầu vào/ra.

2.3.4.1. Chức năng của bộ đấu nối chéo OXC

OXC cung cấp các chức năng sau:

Thứ nhất là cung cấp dịch vụ: OXC có thể được dùng để cung cấp một cách tự động các đường truyền trong một mạng lớn một cách tự động mà không cần phải thao tác bằng tay. Khả năng này rất quan trọng khi số bước sóng cần giải quyết lớn trong một nút hay nhiều nút trong mạng, nhất là khi các đường truyền trong mạng cần cấu hình lại để đáp ứng với sự thay đổi lưu lượng của mạng.

Thứ hai là chuyển đổi bước sóng: ngoài khả năng chuyển mạch tín hiệu từ cổng này đến cổng khác thì OXC còn có khả năng chuyển đổi bước sóng.

Thứ ba là khả năng giám sát, phát hiện truy nhập và định vị lỗi: OXC cho thấy tham số của một tín hiệu ở các nút trung gian. OXC cho phép kiểm tra thiết bị và giám sát các tín hiệu đi qua nó mà không làm ảnh hưởng đến tín hiệu.

Tiếp theo là bảo vệ: OXC bảo vệ các đường truyền quang không bị đứt và tránh các sự cố của các thiết bị trong mạng. Bộ đấu nối chéo có thể phát hiện được sự cố trong mạng và định tuyến lại cho các đường truyền một cách nhanh chóng.

Cuối cùng là tách/ghép kênh: OXC có thể điều khiển các tín hiệu ngõ vào/ra ở tốc độ đường quang. Tuy nhiên, nó còn có khả năng tách/ghép kênh để chuyển mạch lưu lượng nội tại.

Một OXC được phân chia thành hai phần theo chức năng của nó là: một trung tâm chuyển mạch và một tổ hợp các cổng giao diện. Trung tâm chuyển mạch chứa bộ chuyển mạch thực hiện chức năng đấu nối chéo. Tổ hợp các cổng giao diện thực hiện việc giao tiếp với các thiết bị khác thông qua card giao tiếp. Các cổng giao tiếp có thể có hoặc không có các bộ biến đổi quang-điện hoặc biến đổi điện-quang.

2.3.4.2. Cấu trúc của bộ đấu nối chéo OXC

Cấu trúc của thiết bị OXC: có hai cách để thiết kế một bộ đấu nối chéo quang:

Thứ nhất: Thiết bị đấu nối quang N×N sử dụng chuyển mạch phân chia theo không gian: bao gồm N cổng đầu vào, N đầu ra, mỗi một cổng thu một tín hiệu WDM có M bước sóng. Bộ giải ghép kênh sẽ tách tín hiệu thành các bước sóng riêng rẽ và phân phối bước sóng cho M bộ chuyển mạch, mỗi bộ chuyển mạch thu N tín hiệu đầu vào tại cùng một bước sóng. Cổng đầu vào và đầu ra phụ được thêm vào chuyển mạch cho phép tách ra hoặc xen vào một kênh xác định. Các bộ chuyển mạch đưa đầu ra của chúng tới N bộ ghép kênh, các bộ ghép kênh này sẽ kết hợp với M đầu vào của chúng, để tạo thành tín hiệu WDM. Bộ chuyển mạch được sử dụng là bộ chuyển mạch phân chia theo không gian như trong Hình 2.13.

λ1,…,λM

DEMUX

Space Switches

MUX

λ1,…,λM

λ1

λ2

λN

Added Droped

Hình 2.13: Cấu trúc OXC sử dụng chuyển mạch phân chia theo không gian.

Thứ hai: Sử dụng bộ khuếch đại Laser bán dẫn SLA (Semiconductor Laser Amplifier) như một chuyển mạch cổng. Hình 2.14 mô tả chuyển mạch 4×4. Mỗi đầu vào được chia thành một số nhánh bằng các bộ chia 3 dB, mỗi nhánh đi qua một SLA,

LSA này có thể chặn nó lại bằng cách hấp thụ hoặc cho nó đi qua thông qua quá trình khuếch đại tín hiệu.

Hình 2.14: Bộ OXC 4×4 sử dụng bộ SLA.

2.3.4.3. Phân loại bộ đấu nối chéo OXC

Về phương diện ứng dụng, có 3 loại OXC bao gồm OXC chuyển mạch sợi FXC (Fiber XC), OXC lựa chọn bước sóng WSXC (Wavelength Selected XC) và OXC trao đổi bước sóng (Wavelength Interchange XC).

FXC chuyển mạch tất cả các bước sóng từ một sợi đầu vào đến một sợi đầu ra, có khả năng cung cấp khả năng khôi phục và dự phòng đơn giản, nhưng lại không có tính linh hoạt trong việc hỗ trợ các dịch vụ bước sóng điểm-điểm mới.

WSXC chỉ chuyển mạch một nhóm bước sóng từ một sợi đầu vào đến một sợi đầu ra. Nó có thể hỗ trợ các dịch vụ video phân bố hoặc từ xa, có khả năng linh hoạt trong việc khôi phục dịch vụ.

WIXC có khả năng chuyển đổi hoặc thay đổi bước sóng của kênh. WIXC linh hoạt nhất so với hai loại còn lại.

2.3.5. Bộ biến đổi bước sóng.

Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở đầu vào thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra, mà không làm thay đổi nội dung của tín hiệu. Bộ chuyển đổi bước sóng rất có ích trong việc giảm xác suất tắc nghẽn mạng. Nếu bộ chuyển đổi bước sóng được tích hợp vào trong bộ đấu nối chéo OXC trong mạng WDM, các kết nối có thể được thiết lập giữa nguồn và đích ngay cả khi trên tất cả các tuyến của đường đi không có sẵn cùng một bước sóng. Các bộ chuyển đổi bước sóng giúp loại trừ sự bắt buộc tính liên tục về bước sóng.

Trong hệ thống WDM thì bộ chuyển đổi bước sóng có các ứng dụng sau:

Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng không thích hợp khi truyền trong mạng WDM. Hiện nay, các thiết bị sử dụng trong hệ thống WDM trên thế giới đa số chỉ có khả năng hoạt động trên các bước sóng thuộc băng C và băng L, mà tín hiệu SDH thì lại hoạt động ở bước sóng 1310 nm, nếu không có thiết bị chuyển đổi bước sóng thì sẽ không truyền được tín hiệu vào hệ thống WDM, khi đó, bộ chuyển đổi bước sóng sẽ được đặt ở biên giới mạng WDM và mạng SDH để chuyển đổi tín hiệu từ bước sóng 1310 nm sang tín hiệu tương thích với tín hiệu trong hệ thống WDM theo quy định của ITU_T ở vùng 1550 nm.

Khi bộ chuyển đổi bước sóng được đặt tại các nút mạng WDM thì nó làm cho hệ thống có thể sử dụng tài nguyên bước sóng hiệu quả hơn và linh động hơn.

Có nhiều phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng, sau đây, sẽ tìm hiểu về bốn phương pháp điển hình sau: phương pháp quang-điện, phương pháp cửa quang, phương pháp giao thoa và phương pháp trộn bốn bước sóng.

2.3.5.1. Chế tạo bằng phương pháp quang-điện

Phương pháp này là phương pháp đơn giản và phổ biến nhất. Tín hiệu quang có bước sóng λ1 đầu vào được chuyển thành tín hiệu điện I(t) và đi vào bộ phát Laser, Laser này có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện I(t) này thành tín hiệu quang có bước sóng λ2. Tính trong suốt của thiết bị phụ thuộc vào kiểu tái tạo của thiết bị đối với tín hiệu:

Tái tạo 1R: đầu thu chỉ chuyển đổi tín hiệu đầu vào từ dạng năng lượng các hạt

photon ánh sáng sang các hạt điện tử, sau đó, các hạt điện tử được khuếch đại bởi một bộ khuếch đại tương tự RF (Radio Frequency) và phát ra tia laser với bước sóng thích hợp như minh họa trong Hình 2.15(a).

Tái tạo 2R: chỉ được áp dụng khi tín hiệu đầu vào là tín hiệu số. Tín hiệu đó được sửa lại hình dạng xung bằng bộ logic mà không đồng bộ lại tín hiệu nên dễ xảy ra hiện tượng Jitter như trong Hình 2.15(b).

Tái tạo 3R: tín hiệu đó được sửa lại hình dạng xung và đồng bộ lại tín hiệu. Phương pháp này có thể xoá bỏ được một số ảnh hưởng đến dạng tín hiệu do các yếu tố như phi tuyến, tán sắc trong sợi quang, nhiễu của bộ khuếch đại. Nhưng để đồng bộ lại tín hiệu, mỗi bộ chuyển đổi bước sóng chỉ hoạt động tương ứng với một luồng tín hiệu số có tốc độ bít nhất định, nên nó làm giảm tính trong suốt của thiết bị (Hình 2.15(c)).

Bộ tách sóng quang

Bộ khuếch đại

Bộ điều khiển laser

Laser

Tín hiệu nhiễu Tín hiệu nhiễu được khuếch đại

(a)

Bộ tách sóng quang

Bộ khuếch đại

Bộ điều khiển laser

Laser

Gate

Tín hiệu nhiễu Tín hiệu được tái tạo lại (do rung pha)

(b)

Bộ tách sóng quang

Bộ khuếch đại

Tín hiệu nhiễu

Xử lý bít mào đầu giám sát đặc tính

Tín hiệu được điều chỉnh thời gian và tái tạo lại

Gate

Bộ điều khiển laser

Laser

Xung đồng hồ

Hình 2.15: Các bộ chuyển đổi bước sóng quang- điện: (a) 1R, (b) 2R, (c) 3R.

Phương pháp quang điện này dễ thực hiện vì nó sử dụng các thành phần linh kiện thiết bị chuẩn, không nhạy cảm đối với phân cực đầu vào, có khả năng khuếch đại trên mạng lưới. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là bị hạn chế về tính trong suốt (thông suốt) luồng quang cho tốc độ bit và dạng dữ liệu do hạn chế từ các thiết bị điện tử, giá thành lại tương đối cao.

2.3.5.2. Chế tạo bằng phương pháp cửa quang

Phương pháp cửa quang tận dụng tính chất của một số thiết bị quang có đặc tính đầu ra thay đổi theo cường độ tín hiệu. Sự thay đổi này được chuyển đến tín hiệu chưa được điều chế gọi là tín hiệu dò (λp) có thể đi qua được thiết bị. Tại đầu ra, tín hiệu dò mang thông tin chứa trong tín hiệu đầu vào (λs). Phương pháp này sử dụng kỹ thuật điều chế chéo độ lợi, tận dụng hiệu ứng phi tuyến trong bộ khuếch đại laser bán dẫn SLA là có độ lợi thay đổi theo cường độ tín hiệu vào. Nguyên lý hoạt động được mô tả như trong Hình 2.16.

Xem toàn bộ nội dung bài viết ᛨ