Phần này sẽ đề cập đến cỏc thành phần chủ yếu thực thi sơ đồ cấu trỳc chung node mạng OBS trong hỡnh 2.25. Cỏc cụng nghệ hiện tại sẽ được giới thiệu và thảo luận, đề cập cỏc thụng số quan trọng như xuyờn õm, suy hao, tốc độ chuyển mạch…
a. Yờu cầu thực thi hệ chuyển mạch
Phần chuyển mạch quang được chỉ ra trong hỡnh 2.25 là một thành phần chủ chốt trong node mạng lừi OBS. Trường chuyển mạch quang với kớch cỡ NM
x NM được yờu cầu đối với một hệ thống N sợi vào ra và M bước súng trờn mỗi sợi. Phần tử chớnh yếu của đế chuyển mạch này là trường chuyển mạch khụng gian quang. Chức năng cơ bản của trường chuyển mạch khụng gian là cho phộp cỏc chựm dữ liệu đi vào trường chuyển mạch và lựa chọn lối ra theo yờu cầu. Dưới đõy là một số yờu cầu đối với một trường chuyển mạch trong mạng chuyển mạch OBS [6]:
Cú khả năng đỏp ứng số lượng cổng vào ra của hệ thống,
Tốc độ chuyển mạch nhanh, thời gian kộo dài chựm dữ liệu là cỡ μs nờn sẽ yờu cầu thời gian chuyển mạch phải trong dải μs thậm chớ phải ở mức ns. Cú mức suy hao thấp, khi đi qua trường chuyển mạch quang, yờu cầu hệ thống phải cú mức suy hao thấp hoặc cú thể khuếch đại tớn hiệu. Ngoài ra, hệ thống cú thể yờu cầu bộ suy hao để cõn bằng mức cụng suất giữa cỏc lối vào. Mức xuyờn õm thấp,
Khụng phụ thuộc vào bước súng,
Khụng phụ thuộc vào độ phõn cực (suy hao phụ thuộc vào phõn cực PDL thấp ),
Tỉ số phõn biệt trạng thỏi on/off cao (tỉ số cụng suất lối ra của hệ giữa trạng thỏi on và trạng thỏi off),
Hoạt động đa bước súng và mọi tốc độ bit, Thực thi đơn giản và độ bền vững cao.
Trong bảng dưới đõy cho ta cỏi nhỡn tổng quan cỏc cụng nghệ khỏc nhau thực hiện trường chuyển mạch quang [5].
Cụng nghệ Thụng số Kớch cỡ Thời gian chuyển mạch Suy hao (dB) Xuyờn õm (dB) Suy hao PDL (dB) Optomechanical 16 x 16 < 10 ms 3 < -55 0.2 2D MEMS 32 x 32 < 10 ms 1.7-6.9 < -60 0.11–0.16 3D MEMS 350 x 350 160 x 160 < 10 ms < 10 ms 6 1 < 2 < -60 < -55 0.4 0.5 Thermo-optic Silica Polymer 8 x 8 16 x 16 < 10 ms < 10 ms 8 6 < -35 < -30 0.5 0.4 Liquid Crystal 2 x 2 < 10 ms 1.5 < -30 0.1 Bubble 32 x 32 < 10 ms 7.5 < -50 0.3 Acousto-optic 1 x N 3 μs 6 < -35 Electro-optic LiNbO3 InP 8 x 8 1 x 2 < 10 ns < 10 ns 9 < -35 < -25 0.5 SOA < 1 ns ~ 0 < -50 < 1 Bảng 2 Một số cụng nghệ chuyển mạch quang.
Như vậy để cú thể đỏp ứng thời gian chuyển mạch của hệ thống OBS, chỉ cú cỏc hệ chuyển mạch bao gồm hệ quang õm acoustic-optic, hệ quang điện tớch hợp (sử dụng LiNbO3 hoặc InP) và hệ khuếch đại laser bỏn dẫn SOA.
b. Khả năng tỏi tạo và chuyển đổi bước súng
Ngoài hệ chuyển mạch quang, thành phần quan trọng khỏc trong hệ chuyển mạch OBS là bộ chuyển đổi bước súng. Một bộ chuyển đổi bước súng thực hiện
chuyển đổi dữ liệu từ một bước súng lối vào và cho một bước súng khỏc ở lối ra. Sử dụng cỏc bộ chuyển đổi bước súng khụng những giải quyết hiệu quả nghẽn mà cũn cho phộp quản lý mạng mềm dẻo và hiệu quả hơn đối với cỏc cơ chế chuyển mạch bảo vệ. Cỏc bộ chuyển đổi bước súng cú thể được sử dụng bao gồm:
Bộ chuyển đổi bước súng với bước súng lối vào và lối ra cố định,
Bộ chuyển đổi bước súng với bước súng lối vào thay đổi và lối ra cố định, Bộ chuyển đổi bước súng với bước súng lối vào cố định và lối ra thay đổi, Bộ chuyển đổi bước súng với bước súng lối vào thay đổi và lối ra thay
đổi.
Phụ thuộc vào cấu trỳc node mạng mà cỏc bộ chuyển đổi được yờu cầu. Dải chuyển đổi của cỏc bộ chuyển đổi cú thể trờn toàn dải bước súng sử dụng hoặc chỉ trong một nhúm cỏc bước súng nhất định. Một đặc điểm quan trọng đỏng chỳ ý khỏc đú là sự khụng đồng nhất về mức cụng suất thu, do cỏc tớn hiệu truyền trờn cỏc quóng đường và cỏc tớn hiệu sử dụng cỏc bộ khuếch đại EDFA là khỏc nhau. Cỏc tham số như mức cụng suất phỏt, tỉ số tớn trờn tạp SNR, độ lệch định thời, tỏn sắc sẽ khỏc nhau đối với cỏc tớn hiệu lối vào khỏc nhau.
Cú hai phương thức thực hiện chuyển đổi bước súng quang là: cỏc bộ chuyển đổi bước súng trong đú cú chuyển đổi O/E/O và bộ chuyển đổi bước súng hoàn toàn trờn miền quang. Cỏc bộ chuyển đổi bước súng trờn miền quang núi chung dựa trờn cỏc hiệu ứng như hiệu ứng điều chế chộo và hiệu ứng phi tuyến.
Bộ chuyển đổi bước súng sử dụng biến đổi O/E/O
Về nguyờn lý, phương phỏp này là đơn giản, rừ ràng và thụng dụng nhất. Tớn hiệu lối vào được thu, chuyển đổi và khuếch đại trong miền điện sau đú được đưa tới điều chế trờn một bộ phỏt quang với bước súng mong muốn. Cỏc bộ chuyển đổi ngày nay được tớch hợp mật độ cao. Nú bao gồm cỏc diode phỏt quang, photo diode và cỏc phần chuyển đổi quang điện, điện quang. Laser phỏt quang thường sử dụng là laser với bước súng phỏt khụng đổi nờn cỏc bộ chuyển đổi là cỏc bộ cú bước súng lối vào thay đổi và lối ra khụng đổi. Trường hợp bước súng laser phỏt cú thể điều chỉnh được sẽ cho ta bộ chuyển đổi với bước súng lối ra cú thể điều chỉnh được. Cỏc cấu trỳc của bộ thu và cỏc bộ điều chế
cho phộp lựa chọn cỏc phương thức điều chế (điều chế theo cường độ IM, khoỏ dịch pha vi phõn DPSK) tại phớa cỏc bộ phỏt và cỏc bộ thu. Cỏc bộ phỏt đỏp hiện nay cú giỏ thành thấp, cho phộp truyền tốc độ lờn tới 10 Gb/s.
Cỏc bộ chuyển đổi bước súng trờn miền quang
Tại cỏc bộ chuyển đổi này, tớn hiệu luụn tồn tại trờn miền quang trong suốt quỏ trỡnh chuyển đổi bước súng. So với cỏc bộ chuyển đổi bước súng cú sử dụng biến đổi quang điện thỡ cỏc bộ chuyển đổi bước súng trờn miền quang thực hiện ưu việt hơn đặc biệt là độ trễ nhỏ. Tuy nhiờn, giải phỏp cụng nghệ này hiện nay vẫn cũn đang được nghiờn cứu phỏt triển.
Chuyển đổi bước súng nhờ quỏ trỡnh khuếch đại chộo và điều chế pha trong cỏc bộ khuếch đại quang bỏn dẫn SOA.
Trong cỏc bộ chuyển đổi bước súng sử dụng điều chế cường độ, khi phỏt hiện tớn hiệu thụng tin lối vào sẽ cú tớn hiệu lối vào thứ hai được điều chế dựa trờn những thụng tin thu được này. Miền khuếch đại của cỏc bộ SOA được sử dụng để phỏt hiện tớn hiệu vào và đồng thời điều chế tớn hiệu lối ra. Cỏc bộ chuyển đổi này chỉ cú thể được sử dụng cho cỏc tớn hiệu điều chế cường độ, chỳng hoạt động dựa trờn đường cong phi tuyến SOA trong bộ chuyển đổi điều chế khuếch đại chộo (XGM) và hàm truyền phi tuyến trong cỏc bộ chuyển đổi điều chế pha chộo (XPM).
Bộ chuyển đổi bước súng điều chế chộo XGM. Chuyển đổi dựa trờn nguyờn lý điều chế khuếch đại chộo (XGM) trong cỏc bộ SOA đõy là kỹ thuật đơn giản nhất để thực hiện chuyển đổi bước súng trờn miền toàn quang. Nú dựa trờn sự bóo hoà khuếch đại khi cụng suất lối vào SOA tăng. Tớn hiệu thụng tin lối vào tại bước súng λin , và một tớn hiệu liờn tục λout , được đưa vào bộ SOA. Cỏc mức tớn hiệu λin cao sẽ giải phúng cỏc phần tử mang điện trong SOA dẫn tới bóo hoà khuếch đại và ngược lại. Theo đú, ỏnh sỏng liờn tục λout cú thể được khuếch đại hay khụng được khuếch đại. Như vậy thụng tin được chuyển từ bước súng λin sang bước súng λout với mức cụng suất bị đảo ngược so với λin (hỡnh 2.26). Cỏc bộ chuyển đổi cú thể cho phộp hai ỏnh sỏng λin và λout truyền trờn cựng một hướng hoặc ngược hướng. Băng thụng điều chế trong trường hợp cựng hướng sẽ yờu cầu lớn hơn so với trường hợp ngược hướng. Nhiễu nền đối với trường hợp ngược hướng sẽ lớn hơn so với trường hợp cựng
hướng. Nhược điểm của cỏc bộ chuyển đổi bước súng điều chế khuếch đại chộo là chất lượng tớn hiệu lối ra. Tớn hiệu ra bị đảo cực so với tớn hiệu vào, sẽ dẫn tới phải bổ xung cỏc thành phần chức năng để trả lại định dạng điều chế cũ. Một hạn chế khỏc của cỏc bộ chuyển đổi XGM là sự chuyển đổi phụ thuộc vào bước súng do sự khuếch đại là khỏc nhau đối với cỏc tần số (bước súng) khỏc nhau. Do kỹ thuật này thực hiện điều khiển trờn miền quang nờn yờu cầu mức cụng suất quang phải đủ lớn để đảm bảo hoạt động trong miền khuếch đại. Mức cụng suất quang cao cú thể dẫn tới tớn hiệu chuyển đổi thu được sẽ bị nhiễu ồn, nờn giảm khoảng cỏch truyền. Bởi vậy, cỏc bộ chuyển đổi XGM khụng thể sử dụng trong cỏc mạng quang.
Bộ chuyển đổi bước súng điều chế pha chộo XPM. Bộ chuyển đổi này hoạt động dựa trờn hiệu ứng điều chế pha chộo trong SOA. Để sử dụng điều chế chộo pha XPM, cỏc bộ SOA phải được đặt trong cấu trỳc một bộ giao thoa kế. Hai cấu trỳc thực hiện cỏc bộ chuyển đổi bước súng bao gồm IWC (Interferometric Wavelength Converter) và MI (Michelson Interferometer) được chỉ ra trong hỡnh 2.26 dưới đõy. Cấu trỳc bộ chuyển đổi IWC bao gồm cỏc bộ SOA được tớch hợp trong giao thoa kế Mach-Zehnder (M-Z), cũn bộ MI cũng bao gồm cỏc bộ SOA được tớch hợp trong giao thoa kế Michelson [5].
Hỡnh 2.26 Cỏc bộ chuyển đổi bước súng XPM; (a) giao thoa kế Mach- Zehnder và (b) giao thoa kế Michelson.
Trong một bộ giao thoa kế M-Z đối xứng (hỡnh vẽ 2.26 a), một MZI thực hiện chức năng như một bộ chia và tớn hiệu lối vào chỉ cú thể đi qua một trong cỏc bộ SOA thụng qua bộ đấu nối. Mật độ cỏc phần tử mang điện của bộ SOA
phớa trờn sẽ được điều khiển khi cú tớn hiệu λin lối vào. Khi đú chỉ số chiết suất trong SOA được điều chỉnh và dẫn tới pha của tớn hiệu liờn tục λout lối vào cũng sẽ thay đổi theo tớn hiệu λin. Nửa đường truyền cũn lại của ỏnh sỏng liờn tục λout đi qua bộ SOA phớa dưới nờn pha khụng bị thay đổi. Tại lối ra, ỏnh sỏng liờn tục λout từ hai bộ SOA giao thoa với nhau sẽ cho ta tớn hiệu lối ra phụ thuộc vào sự sai khỏc về pha giữa hai nhỏnh hay ta cú thể núi tớn hiệu ra được điều khiển bởi tớn hiệu dữ liệu lối vào.
Trong giao thoa kế Michelson (hỡnh vẽ 2.26 b), tớn hiệu liờn tục λout được đưa tới một nhỏnh vào của bộ chia cụng suất và được chia đều ra hai nhỏnh của giao thoa kế. Ánh sỏng tại cỏc nhỏnh con được khuếch đại và phản xạ một phần tại cỏc lối ra của SOA. Phụ thuộc vào độ trễ pha giữa hai nhỏnh, mà sẽ thu được tớn hiệu λout kết hợp tại nhỏnh vào của bộ chia cụng suất. Độ trễ pha của một trong cỏc nhỏnh nhận sự điều khiển bởi tớn hiệu dữ liệu λin được đưa trực tiếp tới bộ SOA. Do đú tớn hiệu lối ra λout được điều chế theo tớn hiệu dữ liệu lối vào λin. Một bộ lọc được đặt tại lối ra của bộ chuyển đổi để ngăn tớn hiệu lối vào λin trỏnh nhiễu cho tớn hiệu thu được. Quỏ trỡnh chuyển đổi cựng bước súng là khụng thể thực hiện được.
Như vậy, so với cỏc bộ chuyển đổi bước súng XGM thỡ bộ chuyển đổi bước súng sử dụng giao thoa kế thực hiện hiệu quả hơn, do mức cụng suất tớn hiệu yờu cầu để cú độ dịch pha đủ lớn thấp hơn nhiều so với cụng suất yờu cầu khuếch đại trong XGM, hơn nữa phương phỏp này cũng cho ta tỉ số phõn biệt tớn hiệu ra rừ ràng hơn. Phụ thuộc vào điểm hoạt động được chọn trong cỏc bộ SOA, tớn hiệu ra của cỏc bộ chuyển đổi bước súng sử dụng giao thoa kế cú thể đảo hoặc khụng đảo cực.
Chuyển đổi bước súng dựa trờn hiệu ứng trộn phi tuyến (chuyển đổi kết hợp). Cỏc kỹ thuật chuyển đổi bước súng kết hợp đều dựa trờn cỏc hiệu ứng trộn quang phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn súng (FWM) trong SOA và trong cỏc sợi quang, hoặc dựa trờn tinh thể LiNbO3 phõn cực theo chu kỳ sẽ tạo ra cỏc thành phần tần số khỏc, hay núi khỏc đi là tạo ra một bản sao của tớn hiệu lối vào với bước súng mong muốn tuỳ thuộc vào bước súng bơm. Sử dụng kỹ thuật này cú thể thực hiện chuyển đổi đồng thời trờn nhiều kờnh tớn hiệu vào. Nú cũn cho phộp chuyển đổi hoàn toàn trờn miền quang mà khụng thay đổi cỏc định dạng điều chế của tớn hiệu dữ liệu. Tuy nhiờn, kỹ thuật này cũn gặp
phải khỏ nhiều vấn đề cần giải quyết như hiệu suất chuyển đổi kộm, tỉ số SNR tỉ lệ nghịch với hiệu suất chuyển đổi, mà đặc biệt là ở tốc độ bit cao yờu cầu phải cú SNR lớn. Mặt khỏc hiệu suất chuyển đổi lại phụ thuộc nhiều vào bước súng và hệ số khuếch đại của cỏc bộ khuếch đại phải được điều chỉnh lại bằng cỏch thay đổi bước súng vào ra, mức suy giảm tớn hiệu sẽ bị tớch luỹ nếu nối tầng cỏc bộ chuyển đổi. Hơn nữa, cỏc bộ chuyển đổi này cú độ nhạy phõn cực lớn và yờu cầu cụng suất tớn hiệu bơm cao. Bước súng bơm cú thể được điều chỉnh nhờ sử dụng một nguồn bơm cú thể điều chỉnh được.
Chỉ cỏc bộ chuyển đổi bước súng kết hợp này mới cú khả năng đỏp ứng yờu cầu chuyển đổi mà khụng thay đổi định dạng điều chế của tớn hiệu. Nú cú thể sử dụng cho cỏc tớn hiệu được điều chế DPSK và DQPSK. Chuyển đổi bước súng tớn hiệu điều chế pha cũn cú thể được thực hiện thụng qua bộ chuyển đổi cú thực hiện cỏc quỏ trỡnh chuyển đổi O/E/O. Hiện nay cỏc bộ chuyển đổi bước súng kết hợp này vẫn đang được nghiờn cứu, chưa thể thực thi trong cỏc hệ thống ứng dụng. Trường hợp yờu cầu chuyển đổi bước súng cho cỏc tớn hiệu điều chế cường độ với tốc độ 40 Gb/s ngày nay, cú thể sử dụng bộ chuyển đổi O/E/O hoặc chuyển đổi điều chế chộo pha XPM. Tuy nhiờn, nhược điểm chớnh của cỏc bộ chuyển đổi O/E/O là giỏ thành và độ phức tạp. Giỏ thành cỏc thiết bị quang điện là rất cao đặc biệt đối với thiết bị hoạt động ở tốc độ bit cao. Song thực hiện chuyển đổi trong miền toàn quang cũng khụng hề đơn giản. Cỏc bộ chuyển đổi XPM cũng mới chỉ được đưa ra, nếu nú cú thể hoạt động ổn định và được sản xuất dạng thương phẩm thỡ nú sẽ được sử dụng chủ yếu trong cỏc bộ phỏt đỏp tốc độ cao.
Cỏc giải phỏp cho cỏc bộ chuyển đổi bước súng trờn miền quang hiện nay vẫn chưa đủ khả năng sử dụng dạng thương phẩm và đang được nghiờn cứu phỏt triển. Cỏc bộ chuyển đổi bước súng hiện tại vẫn sử dụng chuyển đổi thụng qua quỏ trỡnh chuyển đổi O/E/O.
c. Cỏc thành phần thụ động
Trong cỏc node mạng lừi OBS yờu cầu cỏc bộ phõn, hợp kờnh quang tỉ lệ lớn tại cỏc giao diện vào ra của trường chuyển mạch (hỡnh vẽ 2.25). Bộ hợp kờnh M x 1 thực hiện kết hợp cỏc tớn hiệu tại M bước súng trờn lối vào của nú và cho ra một tớn hiệu tỏng hợp tại lối ra. Tương tự như vậy, bộ phõn kờnh tực hiện chức năng ngược lại so với bộ hợp kờnh. Trong cả hai bộ này, đều sử dụng mảng
cỏc bộ cỏch tử dẫn súng AWG (Arrayed Waveguide Grating) để cung cấp một số lượng lớn M bước súng. Cỏc bộ AWG cú mức suy hao nhỏ, băng thụng bằng phẳng và dễ dàng thực hiện trờn một đế quang tớch hợp. Ngày nay, cỏc bộ AWG