- Chuyển đổi bước sóng sử dụng phương pháp trộn sóng
2.2.8. Hệ thống cơ quang ( MEM S Micro Electro Mechanical Systems ).
Các hệ thống cơ-quang được xem như là ứng cử viên cho các công nghệ chuyển mạch toàn quang. Đó là nhờ khả năng chế tạo các thành phần điện cơ với độ chính xác cao như các vi gương (micromirror), là các linh kiện có khả năng chuyển hướng các tia quang (optical beam) trong không gian với khả năng điều khiển chính xác và tốc độ cao.
- Kiến trúc 1-D MEMS.
Hình 2.18: Kiến trúc 1-D MEMS
Kiến trúc 1-D MEMS bao gồm một dãy đơn tuyến tính các vi gương. Kết hợp với sự tán xạ trong quang học, 1-D MEMS chỉ yêu cầu một vi gương cho một bước sóng, mỗi vi gương được đặt ở một trong một số vị trí ổn định.
- Kiến trúc 2-D MEMS.
Hình 2.19: Kiến trúc 2-D MEMS
Trong kiến trúc 2-D, hai mảng các vi gương và sợi quang được sắp xếp trong một mặt phẳng, các vi gương được dùng để kết nối N đầu vào với N đầu ra (các đầu vào ra là các sợi cáp quang), vì thế được gọi là kiến trúc N2, do sử dụng N2 vi gương độc lập cho việc liên kết N kênh thông tin (là các sợi cáp quang). Để thiết lập một light path giữa một đầu vào và một đầu ra, một vi gương được đặt ở trạng thái tích cực trong khi các vi gương khác được đặt ở trạng thái thụ động.
Ngoài hai kiến trúc trên, các hệ thống cơ quang còn có kiến trúc 3-D MEMS. Kiến trúc này được phát triển để ứng dụng trong các hệ thống chuyển mạch có dung lượng lớn (N lớn).
2.3. CÁC BỘ CHUYỂN MẠCH QUANG
2.3.1. Bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian.
- Bộ chuyển mạch điện quang sử dụng bộ ghép định hướng.
Chuyển mạch điện quang 2x2 sử dụng bộ ghép định hướng hoạt động trên nguyên tắc thay đổi tỷ số ghép giữa công suất từ đầu vào này đến đầu ra kia, qua đó chuyển mạch tín hiệu trong không gian. Thay vì điều khiển chiều dài vùng ghép, người ta chọn phương pháp thay đổi chỉ số chiết suất vùng ghép, từ đó tác động đến sự lan truyền của sóng ánh sáng qua vùng ghép, làm thay đổi tỷ số ghép của bộ ghép định hướng.
Vật liệu chế tạo vùng ghép thường là LiNiO3. Một chuyển mạch 2x2 sử dụng LiNiO3 làm ống dẫn sóng được vẽ trên hình 2.19. Thay đổi tỷ số ghép của bộ ghép bằng cách thay đổi điện áp giữa hai điện cực.
Hình 2.20: Bộ chuyển mạch điện quang sử dụng bộ ghép định hướng
Tốc độ chuyển mạch của chuyển mạch loại này khoảng dưới 1ns, bị giới hạn bởi điện dung giữa hai điện cực. Chuyển mạch loại này cho phép chế tạo với độ tích hợp cao, tuy nhiên cũng bị ảnh hưởng bởi sự phụ thuộc phân cực như trường hợp SOA.
Trong thực tế, phần lớn các bộ đấu nối có định hướng được chế tạo từ hợp chất TiLiNbO3. Chúng có ưu điểm tốt vì có độ suy hao thấp và hiệu ứng quang điện mạnh. Hiện nay đã có thể chế tạo các bộ chuyển mạch 16x16.
- Bộ chuyển mạch quang dùng cách tử phản xạ Bragg.
+ Nguyên lí :
Khi chiết suất của tinh thể thay đổi tuần hoàn theo một quy luật nào đó sao cho chiết suất của tinh thể theo hướng truyền ánh sáng (dọc theo chiều dài của tinh thể) tạo thành các vạch dạng cách tử có chiết suất khác nhau với khoảng cách của các cách tử chiết suất này đúng bằng khoảng cách bragg (Λ) thì sẽ xuất hiện hiệu ứng phản xạ chùm sáng ngược lại so với hướng tới khi thoả mãn điều kiện Bragg.
Hình 2.21: Cấu hình chuyển mạch quang dùng cách tử phản xạ Bragg
Nền LiNbO3 Nguồn cung cấp Cách tử phản xạ Hệ thống các điện cực Ánh sáng vào Ánh sáng phản xạ Ánh sáng ra Input 1 Input 2 Output 1 Output 2 Ve
+Cơ sở hoạt động của chuyển mạch:
Trong phần này ta xét cách tử phản xạ Bragg hình thành trên cơ sở các hiệu ứng điện - quang xảy ra trong tinh thể LiNbO3.
Các bộ chuyển mạch quang sử dụng tinh thể này có tốc độ chuyển mạch rất cao dựa trên hiệu ứng thay đổi chiết suất theo các hướng khác nhau của tinh thể khi có điện trường bên ngoài tác động lên tinh thể. Hiệu ứng thay đổi chiết suất tinh thể bằng điện trường phụ thuộc vào hướng điện trường áp đặt so với hướng truyền của ánh sáng, trục tinh thể, tần số và cường độ của điện trường áp đặt. Khi chiết suất của tinh thể thay đổi tuần hoàn theo một quy luật cố định nào đó sao cho chiết suất của tinh thể theo hướng truyền ánh sáng tạo thành các vạch có chiết suất khác nhau với khoảng cách đúng bằng khoảng cách Bragg (Λ), thì sẽ xuất hiện hiệu ứng phản xạ chùm sáng ngược lại so với hướng tới, ta có điều kiện Bragg là:
Λ= 2ðn/λ (2.7) Trong đó: λ : là bước sóng của ánh sáng vào.
n : là chiết suất của tinh thể với ánh sáng đó.
Sử dụng hiệu ứng này ta có thể chế tạo bộ chuyển mạch quang bằng tinh thể cho hệ thống thông tin quang.
Xét bộ chuyển mạch quang sử dụng tinh thể LiNbO3 cho các bước sóng 630, 670, 850 và 1300 nm trong hệ thống thông tin quang sợi dựa trên hiệu ứng phản xạ chùm tia. Chuyển mạch này cần có các công tắc điện cực sao cho có thể làm thay đổi chiết suất của tinh thể theo điện trường. Hiệu ứng thay đổi chiết suất của tinh thể theo tác động của điện trường ngoài thường áp dụng cho trường hợp điện trường vuông góc với hướng truyền ánh sáng (xảy ra hiệu ứng Kerr) được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị chuyển mạch quang. Sự phụ thuộc của chiết suất tinh thể vào điện trường theo hiệu ứng Kerr được biểu diễn theo công thức sau:
n(E) = n – 1/2 ξ n3 E2 (2.7)
Trong đó: n là chiết suất của tinh thể khi điện trường bằng 0. ξ: Hệ số Kerr (=10-14 Với tinh thể LiNbO3).
Công thức 2.6, cho ta thấy chiết suất của tinh thể thay đổi tỷ lệ với E2, phân bố chiết suất tinh thể theo điện trường ngoài áp đặt được thể hiện như hình 2.22.
Hình 2.22: Biểu diễn sự phụ thuộc của chiết suất vào điện trường
Với chuyển mạch quang kiểu phản xạ Bragg trên tinh thể LiNbO3 tại bước sóng 1300 nm, công tắc tiếp xúc với tinh thể phải có cấu hình thích hợp sao cho việc tạo thành các vạch chiết suất thay đổi tuần hoàn theo qui luật nhất định. Cấu hình phù hợp của công tắc tiếp xúc có dạng kiểu răng lược với các cực dương, âm đan xen nhau trên một mặt tinh thể LiNbO3 để có thể tạo thành dãy điện trường nối tiếp nhau. Hướng của điện trường ngoài áp đặt vuông góc với hướng truyền ánh sáng gây ra hiệu ứng thay đổi chiết suất tại các vùng nhỏ dọc theo tinh thể. Điện trường áp đặt phải có dạng xoay chiều và tần số để gây hiệu ứng phản xạ chùm tia tại bước sóng 1300 nm vào cỡ hàng trăm MHz tuỳ chuyển mạch cụ thể và biên độ khoảng vài chục Volt.
- Bộ chuyển mạch quang dùng giao thoa kế Mach – Zehnder. +Nguyên lí :
Hình 2.23: Cấu hình chuyển mạch quang dùng giao thoa kế Mach – Zehnder
Giao thoa kế Mach - Zehnder hoạt động dựa trên nguyên lí giao thoa ánh sáng xảy ra khi ánh sáng đi theo hai nhánh của MZI và giao thoa tại điểm gặp nhau của chúng. Nếu thoả mãn điều kiện về giao thoa, sẽ xuất hiện các vân cực đại và cực tiểu ứng với trường hợp có ánh sáng và không có ánh sáng ra ở một đầu ra xác định.
ánh sáng vào
Bộ ghép công
suất quang Điện cực Bộ chia công suất quang ánh sáng ra Nguồn cungcấp n E (V/m) 3 2 1 10-6 10-4 10-2 0 102 104 106
Trong cấu hình này, ngoài MZI (Match Zehnder Interferometer) còn có thêm hai bộ ghép và bộ chia công suất quang được đặt ở đầu vào và đầu ra.
Khi có hai sóng quang kết hợp (cùng tần số và độ lệch pha không thay đổi theo thời gian) truyền theo hai đường dẫn sóng khác nhau, tạo ra các quang trình tương ứng là: D1, D2. Quang trình ( D ) được tính theo công thức.
D=d.n (2.8)
Trong đó : n: chiết suất của môi trường truyền ánh sáng. d: Quãng đường ánh sáng truyền trong môi trường.
Đối với giao thoa kế Mach-Zenhder, thường được chế tạo với hai nhánh dẫn sóng như nhau nên độ dài đường đi của sóng quang trong hai nhánh giống nhau và bằng L. Chiết suất của chúng ban đầu cũng giống nhau nhưng khi có áp đặt điện trường ngoài thì chiết suất của chúng khác nhau.
Theo lí thuyết về giao thoa, tại điểm gặp nhau của hai sóng kết hợp nếu có hiệu quang trình ∆D bằng số nguyên lần bước sóng ở thì có vân sáng giao thoa cực đại, ứng với trường hợp có ánh sáng ở một đầu ra đang xét của chuyển mạch, còn khi ∆D bằng một số lẻ lần của một nửa bước sóng ( λ/2, 3λ/2, 5λ/2,...) thì không có vân sáng giao thoa, ứng với trường hợp không có ánh sáng tại đầu ra của chuyển mạch.
∆D được xác định theo công thức.
∆D = D2 – D1 = Ln2 – Ln1 = L.Dn (2.9)
Trong đó: Dn : là độ thay đổi về chiết suất của hai nhánh dẫn sóng.
Theo hiệu ứng Pockels thì khi đặt điện áp điều khiển V nên hai điện cực, thì độ thay đổi về chiết suất của hai nhánh dẫn sóng theo điện trường E tạo thành được tính như sau:
Dn = -tn3E (2.10) Khi đó hiệu quang trình được tính như sau:
∆D = L.Dn = -tn3E.L (2.11)
Như vậy các trạng thái của chuyển mạch được quyết định bởi sự áp đặt của điện trường từ bên ngoài tuân theo lý thuyết về giao thoa.
+Cơ sở hoạt động của chuyển mạch:
Để xác lập các trạng thái của chuyển mạch, cần phải tính toán các điện áp điều khiển chuyển mạch cần thiết, cụ thể:
o Bình thường khi chưa có điện áp điều khiển, tại vùng gặp nhau của hai nhánh dẫn sóng có vân giao thoa cực đại, tương ứng với trường hợp tại một đầu ra của chuyển mạch sẽ có sóng quang.
o Khi có điện áp điều khiển sẽ làm thay đổi trạng thái của chuyển mạch, chuyển tín hiệu quang từ nhánh này sang nhánh còn lại.
Do vậy, để điều khiển được chuyển mạch dùng giao thoa kế Mach-Zehnder thì ta chỉ cần thay đổi điện áp điều khiển giữa hai giá trị 0 và Vp.
Ba bộ chuyển mạch quang đã xét ở trên đều là các bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian kiểu ống dẫn sóng, ngoài ra còn có các bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian kiểu không gian tự do.
Để tạo ra một chuyển mạch không gian tự do dựa trên các phần tử chuyển mạch hai chiều, thì sự truyền dẫn ánh sáng phải được truyền qua không gian tự do tuân theo một kiến trúc kết nối cho trước.
Một chuyển mạch 2x2 được tạo ra thông qua một kết nối được định hướng trong không gian tự do thông qua các cách tử bức xạ kết hợp với việc sử dụng các lưới vào ra (Fan-in, Fan-out) và các cổng Logic AND.
Hình 2.24: Chuyển mạch không gian tự do 2x2
Kết nối không gian tự do A A A AC AC’ B B BC’ BC AND gates Fan-out Cách tử nhiễu xạ Fan-in B AC + BC’ AC’ + BC Stage j Stage j +1 Chuyển mạch 2x2
2.3.2. Bộ Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian.
+ Nguyên lí hoạt động:
Các tín hiệu đầu vào được ghép theo thời gian nhờ bộ ghép kênh (MUX) thành một đường tín hiệu có tốc độ cao, tín hiệu này được nối với bộ chuyển thời gian.
Hình 2.25: Mạng chuyển mạch phân chia thời gian cơ bản
Bộ chuyển mạch thời gian thực hiện các chức năng trao đổi mọi khe thời gian Ti trên khung tín hiệu đầu vào và gửi đến khe thời gian Tj trên khung tín hiệu đầu ra, tín hiệu được đưa tới bộ tách kênh, tại đầu ra của bộ tách kênh ta thu được các kênh theo yêu cầu.
+ Cơ sở hoạt động:
Để thiết lập được bộ chuyển mạch quang theo thời gian thì cần phải có các bộ trễ quang và các cổng đọc/ghi tốc độ cao. Dây trễ sợi quang có thể được sử dụng làm bộ trễ của chuyển mạch quang. Công tắc quang - điện và công tắc diode laser có thể được sử dụng như các cổng đọc/ ghi tốc độ cao.
Về cơ bản bộ chuyển mạch khe thời gian hiện nay đều được tạo thành từ các bộ chuyển mạch quang chia không gian và một nhóm các dây trễ dùng sợi quang. Chuyển mạch quang phân chia theo không gian cứ mỗi một khe thời gian được biến đổi một lần, khe thời gian của ghép kênh thời gian được chia cắt về không gian, sau đó chúng được ghép lại và chuyển tới đầu ra.
- Bộ chuyển mạch quang phân chia theo thời gian dùng dây trễ sợi quang.
Ta xét một thí nghiệm về chuyển mạch quang chia thời gian sử dụng các dây trễ sợi quang và các bộ chuyển mạch quang chia không gian.
O1 O2 O4 Ti Tj I1 I4 I2 MUX DM UX
Hình 2.26: Bộ chuyển mạch quang phân chia theo thời gian sử dụng các dây trễ sợi quang.
Tín hiệu video từ máy quay được mã hoá thành tín hiệu số 8Mbit/giây, sử dụng thiết bị mã hoá video. Bốn tín hiệu số này được ghép lại luồng số 32 Mbit/giây bằng cách sử dụng bộ ghép kênh và sau đó được chuyển thành tín hiệu quang qua bộ biến đổi điện quang. Tín hiệu quang 32Mbit/giây này được chuyển qua bộ chuyển mạch quang chia theo không gian 1x4. Sau đó các tín hiệu này được gửi đến một trong ba giây trễ sợi quang theo thứ tự lần trễ 1 x T, 2 x T và 3 x T (T = 31 ns). Ví dụ như trong trường hợp chuyển mạch khe thời gian giữa kênh 1 và kênh 2, đầu ra của bộ biến đổi điện/quang (E/O) được nối với dây trễ sợi quang 3 x T tại khe thời gian 2. Bộ chuyển mạch quang không gian 4 x 1 nối một trong những dây trễ sợi quang với bộ biến đổi quang/điện (O/E). Trong ví dụ này, dây trễ sợi quang 3 x T được nối với đầu vào của bộ biến đổi O/E tại khe thời gian 1, và dây trễ sợi quang 1 x T được nối với nó tại khe thời gian 2. Vì vậy sự chuyển mạch quang theo thời gian tạo ra dòng tín hiệu quang mới, dòng tín hiệu quang này đưa tới bộ chuyển đổi O/E. Sau đó tín hiệu điện được đưa qua bộ tách kênh và được giải mã để đưa đến các màn hình hiển thị tương ứng. Màn hình Giải mã Giải mã Giải mã Giải mã D M U X 1x 4 O S W 4x 1 O S W E/O 2T E/O 1T (T=31nS) 3T Máy quay Mã hoá Mã hoá Mã hoá Mã hoá M U X Thiết bị điều khiển
Hình 2.27: Cấu hình của OSW
Bộ chuyển mạch quang phân chia theo không gian OSW có cấu tạo gồm có 5 nút chuyển mạch có định hướng và các ống dẫn sóng quang nối với nhau trên một vi mạch LiNbO3. Khi có tín hiệu quang ở đầu vào (như hình 2.27) thì công suất của tín hiệu quang sẽ xuất hiện tại đầu ra nào (Optical Output X & Y), thay đổi phụ thuộc theo điện áp Ve tác động nên hai bản cực của nút chuyển mạch. Cụ thể khi Ve =V1 thì nút chuyển mạch có định hướng sẽ nối ống dẫn sóng đến đầu ra Y, khi Ve = V2 thì nút chuyển mạch sẽ nối ống dẫn sóng đến đầu ra X.
Hình 2.28: Cấu hình của 1 nút chuyển mạch có định hướng
- Bộ chuyển mạch quang phân chia theo thời gian sử dụng Bistable LD.1x4 OSW 4x1 OSW E/O E/O LD LD LD Controller reset pulse MUX Nút chuyển mạch LiNbO3 ống dẫn sóng Optical Input Ve Optical Output X Optical Output Y
Hình 2.29: Bộ chuyển mạch quang phân chia theo thời gian sử dụng Bistable LD
Hệ thống chuyển mạch này thực hiện chức năng giống ở trên. Tín hiệu video từ 4 máy quay được mã hoá thành tín hiệu số và được ghép với nhau thành luồng số có tốc độ cao hơn (MUX), sau khi qua bộ chuyển đổi điện/quang, tín hiệu được đưa tới bộ chuyển mạch quang chia không gian 1x4. Tại khoá chuyển mạch phân chia theo thời gian, mỗi Bistable LD được cài đặt tại mỗi khung tín hiệu bằng một xung