ĐỀ TÀI BÁO CÁO CHUYỂN MẠCH BỘ CHUYỂN đổi BƯỚC SÓNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA: ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU ĐỀ TÀI BÁO CÁO: CHUYỂN MẠCHBỘ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG TÊN HỌC PHẦN: KĨ THUẬT HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG MÃ HỌC PHẦN: DTV4223.001 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: VƯƠNG QUANG PHƯỚC NHÓM PHAN VĂN TƯỜNG THÁI CÔNG THÀNH LUÂN A-RẤT NHIỆT HUẾ, THÁNG 10 NĂM 2021 MỤC LỤC I SWITCH 1 Chuyển mạch quang lớn .5 Số lượng phần tử chuyển mạch yêu cầu .5 Mất độ đồng .6 Số lượng giao Khối đặc trưng Crossbar Clos 10 Spanke 11 Benes 13 Spanke-Benes 14 Công nghệ chuyển mạch quang 15 Chuyển mạch số lượng lớn .15 Hệ thống chuyển mạch điện vi mô (MEMS) 17 Bubble-Based Waveguide Switch 21 Chuyển mạch tinh thể lỏng 22 Chuyển mạch điện quang 23 Chuyển mạch nhiệt quang .24 Bộ chuyển mạch Khuếch đại quang bán dẫn .25 Chuyển mạch điện tử lớn 25 II Bộ chuyển đổi bước sóng .27 Phương pháp quang điện tử 29 Hệ thống quang học 31 Kỹ thuật giao thoa 32 Trộn sóng .36 I SWITCH Switch hay gọi thiết bị chuyển mạch, thiết bị dùng để kết nối đoạn mạng với theo mô hình mạng hình (star) Theo mơ hình này, switch đóng vai trị thiết bị trung tâm, tất máy tính nối Bộ chuyển mạch quang sử dụng mạng quang cho nhiều ứng dụng khác Các ứng dụng khác yêu cầu thời gian chuyển đổi số lượng cổng chuyển đổi khác nhau, tóm tắt Bảng 3.3 Ứng dụng Thời gian chuyển Số lượng cổng mạch Cung cấp 1-10 ms > 1000 Chuyển mạch bảo vệ 1-10 ms 2-1000 Chuyển mạch gói ns > 100 Điều chế bên 10 ps Bảng 3.3 Các ứng dụng cho chuyển mạch quang yêu cầu thời gian chuyển mạch số cổng chúng Một ứng dụng chuyển mạch quang cung cấp quỹ đạo ánh sáng Trong ứng dụng này, công tắc sử dụng bên kết nối chéo bước sóng để định cấu hình lại chúng để hỗ trợ quỹ đạo ánh sáng Trong ứng dụng này, công tắc thay cho vá sợi thủ công, với phần mềm bổ sung đáng kể cho quản lý mạng quy trình đầu cuối, chủ đề mà trình bày chi tiết Chương 10 Do đó, ứng dụng này, chuyển mạch với thời gian chuyển đổi miligiây chấp nhận Thách thức nhận kích thước chuyển mạch lớn Một ứng dụng quan trọng khác chuyển mạch bảo vệ, chủ đề Chương 10 Ở đây, chuyển mạch sử dụng để chuyển luồng lưu lượng từ sợi sơ cấp sang sợi quang khác trường hợp sợi sơ cấp bị lỗi Toàn hoạt động thường phải hoàn thành vài chục mili giây, bao gồm thời gian phát lỗi, thơng báo lỗi cho phần tử mạng thích hợp xử lý chuyển mạch thời gian chuyển mạch thực tế Do đó, thời gian chuyển đổi cần thiết theo thứ tự vài mili giây Có thể có nhiều kiểu chuyển mạch bảo vệ khác dựa sơ đồ sử dụng, số lượng cổng chuyển mạch cần thiết thay đổi từ hai cổng đến vài trăm đến hàng nghìn cổng sử dụng kết nối chéo chuyển mạch bước sóng Bộ chuyển mạch thành phần quan trọng mạng chuyển mạch gói quang tốc độ cao Trong mạng này, chuyển mạch sử dụng để chuyển tín hiệu sở gói Đối với ứng dụng này, thời gian chuyển mạch phải nhỏ nhiều so với thời lượng gói cần chuyển mạch lớn Ví dụ, gói 53 byte (một mạng ATM) tốc độ 10 Gb/s dài 42 ns, thời gian chuyển mạch cần thiết để hoạt động hiệu theo thứ tự vài nano giây Chuyển mạch gói quang cịn sơ khai chủ đề Chương 12 Tuy nhiên, công dụng khác chuyển mạch điều biến bên để bật tắt liệu trước nguồn laser Trong trường hợp này, thời gian chuyển mạch phải phần nhỏ thời lượng bit Vì vậy, điều chế bên ngồi cho tín hiệu 10 Gb / s (với thời lượng bit 100 ps) phải có thời gian chuyển mạch (hoặc tương đương, thời gian tăng giảm) khoảng 10 ps Ngoài thời gian chuyển mạch số lượng cổng, thông số quan trọng khác sử dụng để mơ tả tính phù hợp chuyển mạch ứng dụng mạng quang là: - Tỷ số tắt chuyển mạch bật-tắt tỷ số công suất đầu trạng thái bật công suất đầu trạng thái tắt Tỷ lệ phải lớn tốt đặc biệt quan trọng điều chế bên ngồi Trong cơng tắc học đơn giản có tỷ lệ tắt 40-50 dB, điều chế tốc độ cao bên ngồi có xu hướng có tỷ lệ tắt 10-25 dB - Suy hao chèn chuyển mạch phần công suất (thường biểu thị đơn vị) bị diện chuyển mạch phải nhỏ tốt Một số chuyển mạch có tổn hao khác kết nối đầu vào-đầu khác Đây tính khơng mong muốn làm tăng phạm vi động tín hiệu mạng Với thiết bị chuyển mạch vậy, cần phải bao gồm suy giảm quang học thay đổi để cân tổn thất đường dẫn khác Tính đồng tổn thất xác định chủ yếu kiến trúc sử dụng để xây dựng chuyển mạch, thân công nghệ vốn có, thấy số ví dụ - Chuyển mạch khơng lý tưởng Ngay đầu vào x kết nối danh nghĩa với đầu y, số công suất từ đầu vào x xuất đầu khác Đối với trạng thái chuyển mạch kiểu kết nối đầu định, nhiễu xuyên âm tỷ số công suất đầu từ đầu vào mong muốn với cơng suất từ tất đầu vào khác Thông thường, nhiễu xuyên âm chuyển mạch định nghĩa xuyên âm trường hợp xấu tất đầu mẫu kết nối - Cũng thành phần khác, thiết bị chuyển mạch phải có suy hao phụ thuộc phân cực (PDL) thấp Khi sử dụng làm điều biến bên ngoài, phụ thuộc phân cực chấp nhận công tắc sử dụng sau laser trạng thái phân cực đầu laser kiểm soát cách sử dụng sợi quang bảo vệ phân cực đặc biệt để ghép ánh sáng từ laser vào thiết bị ngoại vi- điều chế bên ngồi - Chuyển mạch chốt trì trạng thái chuyển mạch chuyển mạch bị tắt nguồn Đây tính đáng mong đợi cho phép lưu lượng truy cập truyền qua chuyển mạch trường hợp điện - Chuyển mạch cần có khả đọc trạng thái giám sát Điều quan trọng để xác minh kết nối phù hợp thực thông qua chuyển mạch - Độ tin cậy chuyển mạch yếu tố quan trọng thiết bị viễn thông Cách phổ biến để thiết lập độ tin cậy chuyển mạch qua trạng thái khác lượng lớn vài triệu chu kỳ Tuy nhiên, ứng dụng chuyển đổi cung cấp bảo vệ thảo luận trên, chuyển mạch trạng thái thời gian dài, chí vài năm, sau kích hoạt để thay đổi trạng thái Vấn đề độ tin cậy liệu chuyển mạch có thực chuyển đổi sau khơng tác động thời gian dài hay khơng Thuộc tính khó thiết lập khơng có lịch sử triển khai lâu dài Chuyển mạch quang lớn Các chuyển mạch với số cổng từ vài trăm đến vài nghìn nhà mạng tìm kiếm cho mạng hệ họ Giả sử văn phòng trung tâm xử lý nhiều sợi, với sợi mang vài chục đến hàng trăm bước sóng, dễ dàng hình dung cần thiết chuyển mạch quy mô lớn để cung cấp bảo vệ bước sóng Chúng ta nghiên cứu việc sử dụng thiết bị chuyển mạch kết nối bước sóng Chương Những cân nhắc việc xây dựng thiết bị chuyển mạch lớn là: Số lượng phần tử chuyển mạch yêu cầu Các chuyển mạch lớn tạo cách sử dụng nhiều phần tử chuyển mạch dạng hay dạng khác, thấy bên Chi phí độ phức tạp chuyển mạch mức độ phụ thuộc vào số lượng chuyển mạch cần thiết Tuy nhiên, yếu tố ảnh hưởng đến giá thành Các yếu tố khác bao gồm đóng gói, nối, dễ chế tạo kiểm soát Mất độ đồng Như đề cập bối cảnh đặc điểm chuyển mạch trước đó, chuyển mạch có tổn hao khác kết hợp khác cổng đầu vào đầu Tình trạng trầm trọng thiết bị chuyển mạch lớn Có thể thu phép đo độ đồng suy hao cách xem xét số lượng phần tử chuyển mạch tối thiểu tối đa đường quang, kết hợp đầu vào đầu khác Số lượng giao Một số chuyển mạch quang học mà nghiên cứu chế tạo cách tích hợp nhiều phần tử chuyển mạch đế Không giống mạch điện tử tích hợp (IC), kết nối thành phần khác thực nhiều lớp, quang học tích hợp, tất kết nối phải thực lớp ống dẫn sóng Nếu đường hai ống dẫn sóng cắt nhau, có hai tác dụng khơng mong muốn: điện nhiễu xuyên âm Để có hiệu suất suy hao xuyên âm chấp nhận chuyển mạch, cần giảm thiểu loại bỏ hồn tồn giao cắt ống dẫn sóng Sự giao vấn đề liên quan đến chuyển mạch không gian trống, chẳng hạn chuyển mạch MEMS mà mô tả sau phần Khối đặc trưng Xét chức chuyển mạch đạt được, thiết bị chuyển mạch có hai loại: chặn khơng chặn Một chuyển mạch cho không chặn cổng đầu vào khơng sử dụng kết nối với cổng đầu không sử dụng Do đó, chuyển mạch khơng chặn có khả nhận kiểu kết nối đầu vào đầu Nếu nhận (các) kiểu kết nối đó, chuyển mạch cho chặn Hầu hết ứng dụng yêu cầu chuyển mạch không chặn Tuy nhiên, chuyển mạch không chặn phân biệt rõ nỗ lực cần thiết để đạt thuộc tính không chặn Một chuyển mạch cho không chặn theo nghĩa rộng đầu vào không sử dụng kết nối với đầu không sử dụng nào, mà không yêu cầu kết nối có định tuyến lại Các thiết bị chuyển mạch không chặn thường sử dụng thuật toán định tuyến cụ thể để định tuyến kết nối cho kết nối tương lai không bị chặn Một chuyển mạch không chặn có ý nghĩa nghiêm ngặt cho phép đầu vào không sử dụng kết nối với đầu không sử dụng kết nối trước thực thông qua chuyển mạch Một chuyển mạch không chặn yêu cầu định tuyến lại kết nối để đạt thuộc tính khơng chặn cho không chặn Việc định tuyến lại kết nối chấp nhận khơng chấp nhận tùy thuộc vào ứng dụng kết nối phải bị gián đoạn, thời gian ngắn, để chuyển sang đường Ưu điểm chuyển mạch không chặn trang bị lại chúng sử dụng chuyển mạch nhỏ để tạo chuyển mạch lớn với kích thước định, so với mơ hình chuyển mạch khơng chặn theo chiều rộng Bảng 3.4 So sánh mơ hình chuyển mạch khác Số lượng chuyển mạch cho mô hình Spanke thực theo x n chuyển mạch, x chuyển mạch sử dụng cho mơ hình khác Crossbar Clos Spanke Loại không Không Suy hao Suy hao tối chặn Wide sense Strict sense Strict sense chuyển mạch tối đa 2n-1 √ 2n -5 thiểu n √2 n1.5 2n Benes Rearrangeable Spanke- Rearrangeable n (2log 2n-1) n (n-1) 2log 2n-1 n 2log n-1 n Benes Mặc dù mơ hình khơng chặn trang bị lại sử dụng chuyển mạch hơn, chúng yêu cầu thuật toán điều khiển phức tạp để thiết lập kết nối, độ phức tạp điều khiển vấn đề đáng kể, sức mạnh vi xử lý ngày sử dụng chuyển mạch thực thi thuật toán Hạn chế thiết bị chuyển mạch không chặn trang bị lại nhiều ứng dụng khơng cho phép kết nối có bị gián đoạn, chí tạm thời, để cung cấp kết nối Thơng thường, có đánh đổi khía cạnh khác Chúng ta minh họa điều nghiên cứu mơ hình khác để xây dựng thiết bị chuyển mạch lớn Bảng 3.4 so sánh đặc điểm mơ hình Crossbar Một chuyển mạch ngang x thể hình 3.66 Chuyển mạch sử dụng 16 chuyển mạch x kết nối đầu vào đầu đạt cách thiết lập thích hợp trạng thái chuyển mạch x Các cài đặt chuyển mạch x cần thiết để kết nối đầu vào với đầu thể Hình 3.66 Kết nối xem đường dẫn thông qua mạng lưới chuyển mạch x tạo nên chuyển mạch x Lưu ý có đường dẫn khác từ đầu vào đến đầu 3; nhiên, đường dẫn ưu tiên thấy dụng để nhận suy hao quang học biến thiên (VOA) Trên thực tế, VOA tích hợp chuyển mạch để điều khiển cơng suất đầu ghép nối Thời gian chuyển đổi theo thứ tự vài mili giây Giống chuyển mạch ống dẫn sóng dựa bong bóng (the bubble-based waveguide switch ) , chuyển mạch tinh thể lỏng thiết bị trạng thái rắn sản xuất với số lượng lớn với chi phí thấp Chuyển mạch điện quang Một chuyển mạch điện quang x thực cách sử dụng cấu hình điều chế bên ngồi mà nghiên cứu Phần 3.5.4 Một vật liệu thường sử dụng liti niobat (LiNbO3) Trong cấu hình ghép định hướng, tỷ lệ ghép nối thay đổi cách thay đổi điện áp chiết suất vật liệu vùng ghép nối Trong cấu hình Mach-Zehnder, độ dài đường dẫn tương đối hai nhánh MachZehnder khác Một cơng tắc điện quang có khả thay đổi trạng thái nhanh chóng; thường, ns Giới hạn thời gian chuyển mạch xác định điện dung cấu hình điện cực 23 Hình 3.75 Một chuyển mạch tinh thể lỏng x (a) Chế độ quay bị tắt, làm cho chùm sáng thoát cổng (b) Chế độ quay bật cách đặt điện áp vào tế bào tinh thể lỏng, làm cho chùm sáng thoát cổng Trong số lợi chuyển mạch niobate lithium chúng cho phép mức độ tích hợp khiêm tốn, so với chuyển mạch học Các chuyển mạch lớn thực cách tích hợp số chuyển mạch x chất Tuy nhiên, chúng có xu hướng có tổn hao PDL tương đối cao Chuyển mạch nhiệt quang Các chuyển mạch x giao thoa kế Mach-Zehnder quang tích hợp, chế tạo vật liệu ống dẫn sóng có chiết suất hàm nhiệt độ Bằng cách thay đổi số khúc xạ nhánh giao thoa kế, thay đổi độ lệch pha tương đối hai nhánh, dẫn đến chuyển tín hiệu vào từ cổng sang cổng đầu khác Những thiết bị chế tạo silica polyme, có độ xun âm tương đối Ngồi ra, hiệu ứng quang nhiệt chậm tốc độ chuyển đổi theo thứ tự vài mili giây Bộ chuyển mạch Khuếch đại quang bán dẫn SOA mô tả Phần 3.4.5 sử dụng cơng tắc bật-tắt cách thay đổi điện áp phân cực cho thiết bị Nếu điện áp phân cực giảm xuống, khơng có nghịch đảo đạt thiết bị hấp thụ tín hiệu đầu vào Nếu điện áp phân cực có mặt, khuếch đại tín hiệu đầu vào Sự kết hợp khuếch đại trạng thái bật hấp thụ trạng thái tắt làm cho thiết bị có khả đạt 24 tỷ lệ tắt lớn Tốc độ chuyển đổi theo thứ tự ns Các chuyển mạch lớn chế tạo cách tích hợp SOA với ghép nối thụ động Tuy nhiên, thành phần đắt tiền khó để làm cho độc lập phân cực tính định hướng cao vùng hoạt động laser, có chiều rộng ln lớn nhiều so với chiều cao (ngoại trừ VCSEL) Chuyển mạch điện tử lớn Chúng ta tập trung chủ yếu vào công nghệ chuyển mạch quang phần Tuy nhiên, nhiều kết nối "quang học" kết nối bước sóng thực tế ngày thực sử dụng loại cấu trúc chuyển mạch điện tử Lý cho cách tiếp cận cấu trúc chuyển mạch quang quy mô lớn bắt đầu có sẵn Thơng thường, chuyển mạch điện tử lớn sử dụng thiết kế nhiều tầng nhiều trường hợp, cách tiếp cận Clos ưa thích cung cấp mơ hình khơng chặn chặt chẽ với số lượng tương đối nhỏ chuyển mạch điểm chéo Có thể có hai cách tiếp cận Trong cách tiếp cận đầu tiên, tín hiệu đầu vào tốc độ 2,5 Gb/s 10 Gb/giây chuyển đổi thành dịng bit song song với tốc độ quản lý được, chẳng hạn, 51 Mb/s, tất việc chuyển đổi thực tốc độ bit thứ hai Cách tiếp cận có ý nghĩa cần chuyển đổi tín hiệu theo đơn vị 51 Mb/s lý khác Cũng nhiều trường hợp, chi phí tổng thể chuyển mạch điện tử bị chi phối chi phí chuyển đổi quang sang điện, thân cấu tạo chuyển mạch Điều ngụ ý tín hiệu có sẵn miền điện, việc chuyển đổi tín hiệu mức độ chi tiết tốt hợp lý 25 Cách tiếp cận khác thiết kế chuyển mạch hoạt động tốc độ đường truyền theo kiểu nối tiếp mà không chia tín hiệu thành luồng bit tốc độ thấp Đơn vị phương pháp nối tiếp ngang chế tạo vi mạch Ngày nay, IC ngang 64 x 64 hoạt động tốc độ dòng 2,5 Gb/s bán thị trường Thực tế liên quan đến việc xây dựng thiết bị chuyển mạch lớn sử dụng IC liên quan đến việc quản lý tiêu tán công suất kết nối giai đoạn chuyển mạch Một IC chuyển mạch 64 x 64 điển hình tiêu hao 25 W Cần có khoảng 100 chuyển mạch để tạo chuyển mạch 1024 x 1024 Do đó, tổng cơng suất tiêu hao khoảng 25 kW (Ngược lại, chuyển mạch quang 1024 x 1024 sử dụng 3D MEMS tiêu thụ khoảng kW tổng thể nhỏ gọn đáng kể so với chuyển mạch điện tương đương.) Làm mát chuyển mạch vấn đề đáng kể Các khía cạnh khác liên quan đến kết nối tốc độ cao cần thiết môđun chuyển đổi Miễn môđun chuyển đổi nằm bảng mạch in nhất, việc kết nối với không khó Tuy nhiên, cân nhắc thực tế tản điện không gian bo mạch cho thấy cần thiết phải có nhiều bảng mạch in giá đỡ thiết bị Các kết nối bảng giá đỡ cần hoạt động tốc độ đường truyền, thường 2,5 Gb s cao Các kết nối điện chất lượng cao kết nối quang sử dụng cho mục đích Các trình điều khiển cần thiết cho kết nối điện tiêu hao lượng điện đáng kể khoảng cách bị hạn chế, thường 5-6 m Các kết nối quang học sử dụng thu tia laze phân thành mảng với cáp ruy băng sợi quang Chúng 26 cung cấp khả tiêu tán điện thấp phạm vi tiếp cận bo mạch dài đáng kể, thường khoảng 100 m trở lên II Bộ chuyển đổi bước sóng Một chuyển bước sóng thiết bị chuyển đổi liệu từ chiều dài sóng đến sang bước sóng khác Bộ chuyển đổi bước sóng thành phần hữu ích mạng WDM ba lý Đầu tiên, liệu xâm nhập vào mạng bước sóng khơng phù hợp để sử dụng mạng Ví dụ, mạng hệ Chương thường truyền liệu cửa sổ bước sóng 1310 nm cửa sổ bước sóng, sử dụng đèn LED laser Fabry-Perot Cả bước sóng loại laser khơng tương thích với mạng WDM Vì vậy, đầu vào đầu mạng, liệu phải chuyển đổi từ bước sóng sang tín hiệu WDM băng tần hẹp phạm vi bước sóng 1550 nm Một chuyển đổi bước sóng sử dụng để thực chức đơi gọi phát tín hiệu Thứ hai, chuyển đổi bước sóng cần thiết mạng để cải thiện việc sử dụng bước sóng có sẵn liên kết mạng Chủ đề nghiên cứu chi tiết Chương Cuối cùng, chuyển đổi bước sóng cần thiết ranh giới mạng khác mạng khác quản lý thực thể khác thực thể khơng phối hợp phân bổ bước sóng mạng chúng Bộ chuyển đổi bước sóng phân loại dựa phạm vi bước sóng mà chúng xử lý đầu vào đầu Một thiết bị đầu vào cố định, đầu cố định ln có bước sóng đầu vào cố định chuyển đổi thành bước sóng đầu cố định Một thiết bị đầu vào thay đổi, đầu cố định có nhiều bước sóng khác ln chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành bước sóng đầu cố định Một thiết bị đầu vào cố 27 định, đầu biến đổi thực chức ngược lại Cuối cùng, thiết bị đầu vào thay đổi, đầu thay đổi chuyển đổi bước sóng đầu vào sang bước sóng đầu Ngồi phạm vi bước sóng đầu vào đầu ra, cần xem xét phạm vi công suất quang học đầu vào mà chuyển đổi xử lý, cho dù chuyển đổi suốt đến tốc độ bit định dạng điều chế tín hiệu đầu vào liệu có giới thiệu tiếng ồn bổ sung hay rung pha cho tín hiệu hay khơng Chúng ta thấy hai đặc điểm sau phụ thuộc vào loại tái sinh sử dụng chuyển đổi Đối với chuyển đổi bước sóng quang học, tổn thất phụ thuộc vào phân cực nên giữ mức tối thiểu Có bốn cách để đạt chuyển đổi bước sóng: (1) quang điện từ, (2) hệ thống quang học, (3) giao thoa (4) trộn sóng Ba cách tiếp cận sau toàn quang học chưa đủ trưởng thành để sử dụng thương mại Bộ chuyển đổi quang điện tử ngày cung cấp hiệu suất tốt đáng kể với chi phí thấp so với chuyển đổi bước sóng quang học tương đương Phương pháp quang điện tử Đây có lẽ phương pháp đơn giản nhất, rõ ràng thực tế để thực chuyển đổi bước sóng Như thể Hình 3.76, tín hiệu đầu vào chuyển đổi thành dạng điện tử, tái tạo sau truyền lại laser bước sóng khác Đây thường chuyển đổi đầu vào biến, đầu cố định Máy thu thường khơng quan tâm đến bước sóng đầu vào, miễn cửa sổ 1310 1550 nm Laser thường laser bước sóng cố định Một đầu biến thu cách sử dụng laser điều chỉnh Hiệu suất độ suốt chuyển đổi phụ thuộc vào loại tái sinh sử dụng Hình 3.76 cho thấy loại tái sinh khác Trong 28 trường hợp đơn giản nhất, máy thu cần chuyển đổi photon đến thành electron, khuếch đại khuếch đại RF (tần số vô tuyến) tương tự điều khiển laser.Điều gọi tái tạo 1R Hình thức chuyển đổi thực minh bạch với định dạng điều chế (miễn máy thu thích hợp sử dụng để nhận tín hiệu) xử lý liệu analog Tuy nhiên, tiếng ồn thêm vào chuyển đổi, tác động phi tuyến phân tán (xem Chương 5) không thiết lập lại Một lựa chọn khác sử dụng tái tạo với định hình lại khơng cần kích thích lại, cịn gọi tái tạo 2R Điều áp dụng cho liệu kỹ thuật số Tín hiệu định hình lại cách gửi qua cổng logic, khơng thời gian lại Sự không ổn định pha bổ sung giới thiệu trình cuối giới hạn số lượng giai đoạn thác Lựa chọn cuối sử dụng tái tạo với định hình lại kích thích lại (3R) Điều thiết lập lại hoàn toàn tác động phi tuyến, phân tán sợi tiếng ồn khuếch đại; Hơn nữa, khơng gây thêm tiếng ồn Tuy nhiên, retiming chức cụ thể tỷ lệ nhỏ chúng tơi tính minh bạch Nếu tính minh bạch khơng quan trọng lắm, cách tiếp cận hấp dẫn (Lưu ý thảo luận cách khác để trì minh bạch với 3R cách sử dụng gọi bọc kỹ thuật số Chương 9) Các loại tái tạo thường bao gồm mạch để thực giám sát xử lý hiệu suất sửa đổi chi phí quản lý liên quan liên quan đến tín hiệu Chúng ta xem xét số chi phí Phần 6.1 9.5.7 29 Hình 3.76 Các kiểu tái sinh quang điện tử khác (a) 1R (tái sinh mà khơng cần định hình lại kích thích lại (b) 2R (tái tạo có định hình lại) (c) 3R (tái tạo có định hình lại kích thích lại) Hệ thống quang học Hệ thống quang học sử dụng thiết bị quang học có đặc điểm thay đổi theo cường độ tín hiệu đầu vào Sự thay đổi chuyển sang tín hiệu đầu dị chưa sửa đổi khác bước sóng khác qua thiết bị Ở đầu ra, 30 Hình 3.77 Chuyển đổi bước sóng điều chế tăng chéo khuếch đại quang học bán dẫn tín hiệu đầu dị chứa thơng tin tín hiệu đầu vào Giống phương pháp quang điện tử, thiết bị thiết bị đầu vào thay đổi thiết bị đầu cố định đầu thay đổi, tùy thuộc vào việc tín hiệu đầu dị cố định hay điều chỉnh Tính minh bạch cung cấp cách tiếp cận tín hiệu điều chế cường độ hạn chế chuyển đổi Kỹ thuật sử dụng nguyên tắc điều chế đạt chéo (CGM), sử dụng hiệu ứng phi tuyến khuếch đại quang học bán dẫn (SOA) Cách tiếp cận hoạt động loạt bước sóng tín hiệu đầu dị, miễn chúng nằm khuếch đại đạt băng thông, khoảng 100 nm SOAs ban đầu nhạy cảm, cách chế tạo cẩn thận, làm cho chúng phân cực vô cảm SOAs thêm tiếng ồn phát xạ tự phát vào tín hiệu CGM sử dụng phụ thuộc mức tăng SOA công suất đầu vào nó, thể Hình 3.77 Khi công suất đầu vào tăng lên, nhà mạng khu vực tăng SOA bị cạn kiệt, dẫn đến giảm mức tăng khuếch đại Điều làm cho điều thú vị động lực tàu sân bay SOA nhanh, xảy thang thời gian picơ giây Do đó, mức tăng phản ứng phù hợp với biến động sức mạnh đầu vào sở chút 31 Thiết bị xử lý tốc độ bit cao tới 10 Gb /giây Nếu tín hiệu đầu dị cơng suất thấp bước sóng khác gửi vào SOA, gặp phải mức tăng thấp có bit tín hiệu đầu vào mức tăng cao có bit Hiệu ứng tương tự tạo crosstalk nhiều tín hiệu bước sóng khác khuếch đại SOA làm cho SOA tương đối không phù hợp để khuếch đại tín hiệu WDM Ưu điểm CGM đơn giản mặt khái niệm Tuy nhiên, có số nhược điểm Tỷ lệ tuyệt chủng đạt nhỏ (dưới 10) mức tăng khơng thực giảm xuống có đầu vào bit Cơng suất tín hiệu đầu vào phải cao (khoảng dBm) để khuếch đại đủ bão hòa để tạo thay đổi tốt lợi nhuận Tín hiệu công suất cao phải loại bỏ đầu khuếch đại cách lọc phù hợp, trừ tín hiệu đầu dị phản đối Hơn nữa, mật độ mang SOA khác nhau, thay đổi số khúc xạ, từ ảnh hưởng đến giai đoạn đầu dò tạo lượng lớn biến dạng xung Kỹ thuật giao thoa Hiệu ứng thay đổi pha tương tự tạo biến dạng xung CGM sử dụng để thực chuyển đổi bước sóng Vì mật độ mang khuếch đại thay đổi theo tín hiệu đầu vào, tạo thay đổi số khúc xạ, từ điều chỉnh pha đầu dị - chúng tơi sử dụng thuật ngữ điều chế pha chéo cho cách tiếp cận Điều chế pha chuyển đổi thành điều chế cường độ cách sử dụng giao thoa kế giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI) (xem Sec-tion 3.3.7).Hình 3.78 cho thấy cấu hình có chuyển đổi bước sóng cách sử dụng điều chế pha chéo Cả hai cánh tay MZI có chiều dài, với cánh tay kết hợp SOA Tín hiệu gửi đầu (A) đầu dò đầu (B) Nếu khơng có tín hiệu, tín hiệu đầu dị khơng điều chỉnh Các couplers MZI thiết kế với tỷ lệ cou-pling bất đối xứng γ ≠ 0,5 Khi tín hiệu có mặt, gây 32 thay đổi pha khuếch đại Sự thay đổi pha gây khuếch đại đầu dò khác lượng cơng suất tín hiệu khác có mặt hai khuếch đại MZI dịch khác biệt pha tương đối hai cánh tay đầu dị thành tín hiệu điều chỉnh cường độ đầu Cách tiếp cận có vài tính chất thú vị Trạng thái tự nhiên MZI (khi khơng có tín hiệu đầu vào) xếp để tạo can thiệp phá hoại mang tính xây dựng tín hiệu đầu dị Do đó, có lựa chọn xem liệu xuất giống liệu đầu vào hay bổ sung Ưu điểm cách tiếp cận so với CGM cần lượng tín hiệu nhiều để đạt thay đổi pha lớn so với thay đổi tăng lớn Trên thực tế, cơng suất tín hiệu thấp cơng suất thăm dị cao sử dụng, làm cho phương pháp hấp dẫn CGM Phương pháp tạo tỷ lệ tuyệt chủng tốt thay đổi pha chuyển đổi thành tín hiệu đầu điều chỉnh biên độ "kỹ thuật số" giao thoa kế Vì vậy, thiết bị cung cấp tái tạo với việc định hình lại (2R) xung 33 Hình 3.78 Chuyển đổi bước sóng điều chế pha chéo cách sử dụng dụng cụ quang học bán dẫn nhúng bên giao thoa kế Mach-Zehnder Tùy thuộc vào nơi MZI vận hành, đầu dị điều chỉnh với cực tín hiệu đầu vào cực đối diện Đề cập đến Hình 3,78, nơi vẽ cơng suất kết hợp bước sóng đầu dị so với cơng suất bước sóng tín hiệu, tùy thuộc vào độ dốc phận rẽ kênh gia tăng cơng suất tín hiệu giảm tăng cơng suất kết hợp bước sóng đầu dị Giống CGM, tốc độ bit xử lý tối đa 10 Gb / giây bị giới hạn tuổi thọ nhà mạng Tuy nhiên, cách tiếp cận địi hỏi phải kiểm sốt chặt chẽ dịng thiên vị SOA, thay đổi nhỏ dòng tiền thiên vị tạo thay đổi số khúc xạ ảnh hưởng đáng kể đến giai đoạn tín hiệu qua thiết bị Chúng ta thấy phương pháp giao thoa CPM cung cấp tái sinh với việc định hình lại (2R) xung Như thấy trước đó, 2R làm hình dạng tín hiệu, khơng loại bỏ rung động pha (hoặc tương đương thời gian) tín hiệu, tích lũy với giai đoạn 2R Để làm hồn tồn tín hiệu, bao gồm đặc điểm thời gian nó, cần tái tạo cách định hình lại kích hoạt lại (3R) Hình 3.79 cho thấy đề xuất để thực điều lĩnh vực quang học mà không cần dùng đến chuyển đổi điện tử [Chi97, Gui98] Cách tiếp cận sử dụng kết hợp CGM CPM Chúng giả định đồng hồ cục có sẵn để lấy mẫu liệu đến Đồng hồ cần phục hồi từ liệu; Chúng nghiên cứu cách làm điều Phần 12.2 Bộ tái tạo bao gồm ba giai đoạn Giai đoạn lấy mẫu tín hiệu Nó sử dụng CGM SOA Tín hiệu đến thăm dị cách sử dụng hai tín hiệu riêng biệt bước sóng khác 34 Hình 3.79 Tái tạo tồn diện với định hình lại nâng cấp (3R) cách sử dụng kết hợp Điều chế thu thập chéo điều chế pha chéo khuếch đại quang bán dẫn (Sau [Chi97].) Hai tín hiệu đầu dị đồng hóa điều chỉnh với tốc độ gấp đơi tốc độ liệu tín hiệu đến Vì đồng hồ có sẵn, pha tín hiệu đầu dị điều chỉnh để lấy mẫu tín hiệu đầu vào khoảng bit Ở đầu giai đoạn đầu tiên, hai tín hiệu đầu dị giảm mức cơng suất tín hiệu đầu vào có mặt mức cơng suất cao tín hiệu đầu vào vắng mặt Trong giai đoạn thứ hai, tín hiệu đầu dị bị trì hỗn nửa khoảng thời gian chút tín hiệu Ở đầu giai đoạn này, tín hiệu kết hợp có tỷ lệ nhỏ phù hợp với tốc độ bit tín hiệu đầu vào tái tạo thời 35 gian lại Tín hiệu sau gửi qua giai đoạn chuyển đổi giao thoa dựa CPM, sau tái tạo định hình lại tín hiệu để tạo tín hiệu đầu tái tạo, định thời gian lại định hình lại Trộn sóng Hiện tượng trộn bốn sóng xảy tính phi tuyến mơi trường truyền dẫn (được thảo luận Phần 2.4.8) sử dụng để thực chuyển đổi bước sóng Nhớ lại trộn bốn sóng gây ba sóng tần số f1, f2 f3 tạo sóng thứ tư tần số f1 + f2 -f3; f1 = f2, nhận sóng tần số 2f1 - f3 Điều thú vị pha trộn bốn sóng sóng kết nằm dải với sóng tương tác Như thấy Phần 2.4.8, sợi quang, cơng suất trộn bốn sóng tạo nhỏ dẫn đến crosstalk có (xem Phần 5.8.4) Đối với mục đích chuyển đổi bước sóng, cơng suất trộn bốn sóng tăng cường cách sử dụng SOA cường độ cao thiết bị Nếu có tín hiệu tần số fs đầu dò tần số fp, trộn bốn sóng tạo tín hiệu tần số 2fp - fs 2fs - fp,miễn tất tần số nằm băng thơng khuếch đại (Hình 3.80) Ưu điểm trộn bốn sóng thực suốt hiệu ứng không phụ thuộc vào định dạng điều chế (vì biên độ pha bảo tồn trình trộn) tốc độ bit Nhược điểm sóng khác phải lọc đầu SOA hiệu chuyển đổi giảm đáng kể tách biệt bước sóng tín hiệu đầu dị tăng lên Chúng tơi nghiên cứu hiệu chuyển đổi trộn bốn sóng Phần 5.8.4 36 Hình 3.80 Chuyển đổi bước sóng cách trộn bốn sóng khuếch đại quang học bán dẫn 37