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 bước sóng. Khuynh hướng này cũng được tiến hành trong mạng vòng nhỏ hơn. Hơn nữa, để nối liền giữa những mạng vòng lớn, cải thiện này có thể thu được với chuyển đổi bước sóng chỉ với 10-20% số node.
CHƯƠNG III: CÁC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG 3.1 Bộ chuyển đổi bước sóng nguyên khối bán dẫn (SIPAS)
3.1.1 Giới thiệu
Trong những năm gần đây, WDM đã được sát nhập thành các mạng quang thương mại để đáp ứng những đòi hỏi về lưu lượng. Hơn nữa, việc mở rộng nghiên cứu nhằm mục đích vào các mạng dung lượng lớn. Thiết bị chuyển đổi bước sóng sẽ là chìa khóa cấu thành nên các mạng quang WDM này. Thiết bị cơ bản dựa trên điều biến pha chéo XPM trong bộ khuyếch đại quang bán dẫn (SOA) có nhiều đặc điểm rất thu hút như tỉ số phẩm chất cao, nhiễu âm tần thấp, có khả năng phục hồi dạng sóng. Các thiết bị này còn dựa trên điều biến pha khác nhau(DPM), mà tận dụng XPM trong hệ thống khác nhau. Nó có thể vượt qua giới hạn tốc độ bằng thời gian sống của sóng mang trong SOA. Chuyển đổi bước sóng tốc độ cao quá 100 Gbit/s sử dụng DPM. Trong phần này, một bộ lọc quang yêu cầu phải loại bỏ tín hiệu đầu vào. Trong trường hợp này bước sóng có thể chuyển đổi, thời gian đáp ứng của mỗi bộ lọc có thể giới hạn bởi hệ thống thực hiện.
3.1.2 Cấu trúc và nguyên lí hoạt động của thiết bị
(Hình 3.1) là hình ảnh cấu tạo của SIPAS. SIPAS là một giao thoa kế Sagnac với một cấu trúc khuyếch đại nền (PAS), mà là giao thoa kế Mach-Zehner (MZI) có các SOA không nhạy cảm phân cực trong mỗi bên. SOA có một cấu trúc phủ pn. Các giao thoa kế cấu trúc các ống dẫn sóng bị động có cấu trúc high-mesa. SIPAS chế tạo nguyên khối bằng cặp high-mesa và được chôn các ống dẫn sóng. Độ dài SOA là 600 µm và tổng kích thước chip là 4.5mm×1.5 mm.
Nguyên lí hoạt động thiết bị này được chỉ ra trong (hình 3.2). Một ánh sáng CW vào được chia thành ánh sáng đi theo chiều kim đồng hồ (CLW) và CCW. Khi PAS
được đặt không đối xứng trong vòng lặp, các ánh sáng CLW và CCW tiếp cận SOA tại các thời điểm khác nhau, dẫn tới sự khác biệt pha điều chế giữa CLW và CCW khi ánh sáng tín hiệu được đưa vào SOA. Sau khi trải qua vòng lặp, CLW và CCW được chồng vào nhau và truyền dẫn tới cổng ra nhờ DPM. Chúng ta đặt PAS lệch 0,5mm so với cửa sổ chuyển mạch của DPM tương đương ~11ps. Điều này cho phép hoạt động tốc độ cao trên 40 Gbit/s. Vì PAS là một bộ đo giao thoa Mach-Zehnder đối xứng nên nó có thể được đặt ở chế độ xuyên ngang bằng cách tiêm cùng một dòng điều khiển vào cả hai SOA. Trong trạng thái này tín hiệu và ánh sáng CW được đưa ra các cổng ra khác nhau nếu chúng được đưa vào từ các cổng vào khác nhau vì thế tín hiệu sẽ không thể tham gia vòng lặp và tạo ra chuyển đổi bước sóng bộ lọc hoàn toàn.
3.1.3 Thiết kế và chế tạo
Để thiết kế các thiết bị tích hợp nguyên khối như là SIPAS, cần phải xây dựng một vùng tích cực hiệu suất cao và vùng thụ động suy hao thấp tại cùng thời điểm. Để thoả mãn yêu cầu này chúng ta tận dụng cấu trúc chôn pn, rất phổ biến trong SOA cho vùng tích cực và cấu trúc mặt high-mesa, có suy hao đường truyền thấp và rất hiệu quả cho các thiết kế mạch nhỏ cho vùng thụ động. Để tăng cường tối đa hiệu quả ghép giữa các ống dẫn sóng chôn và các ống dẫn sóng high-mesa thì độ rộng của ống dẫn sóng chôn phải nằm giữa 1,2-1,5µm. Nói chung độ khuyếch đại G (dB) của một SOA có thể được biểu diễn bởi biểu thức:
G= 10 log(exp(ΓgL))
Dương Hồng Hạnh – Đ2001VT
Hình 3.2. Nguyên lí làm việc của SIPAS
3-dB Coupler Signal light CW light Converted light PAS Signal light Counter clockwise Clockwise Thời gian C ôn g su ất Thời gian Counter clockwise Clockwise Ph a th ay đ ổi
Chuyển đổi bước sóng bởi điều biến sai pha
CW light Input signal
3-dB Coupler 3-dB Coupler Input signal Converted signal SOA
SOA
Trong đó g là hệ số độ khuyếch đại, L là chiều dài SOA và Γ là thông số giới hạn cho tầng tích cực. Sự khác biệt độ khuyếch đại phụ thuộc vào phân cực ∆G (dB) có thể được biểu diễn bởi:
∆G = GTE –GTM≈ gTE ΓTE - gTM ΓTM
Trong đó GTE và GTM là các độ khuyếch đại, gTE và gTM là các hệ số độ khuyếch đại và ΓTE và ΓTM là các thông số giam hãm quang cho tín hiệu phân cực TE và TM một cách tương ứng. Khi vùng xen của một tầng tích cực là hình chữ nhật như đã đề cập ở trên thì thông số giam hãm quang có sự phụ thuộc phân cực, và ΓTE lớn hơn ΓTM. Để chế tạo một SOA không nhạy cảm với phân cực (∆G=0) thì thông số độ khuyếch đại g nên phụ thuộc vào phân cực và bù cho sự phụ thuộc phân cực của thông số giam hãm quang
Γ. Sự phụ thuộc phân cực của thông số độ khuyếch đại g có thể được điều khiển bằng cách đưa strain vào tầng tích cực. Khi hằng số lưới của tầng tích cực là nhỏ hơn giá trị đó của tầng con thì tầng tích cực được căng trong kiến trúc song song so với bề mặt tầng con. Điều này tạo ra tính dị hướng trong thông số độ khuyếch đại g và kết quả là thông số độ khuyếch đại cho mode TM gTM sẽ tăng. Do đó điều kiện gTEΓTE = gTMΓTM sẽ có thể đạt được. Hình 2.3 chỉ ra sự khác biệt về độ khuyếch đại cho các ánh sáng phân cực TE và TM theo hàm của strain khi ΓTE/ΓTM = ½.
Hình 3.3 Độ khuyếch đại khác nhau đối với các ánh sáng phân cực TE và TM như một hàm của strain khi ΓTE/ΓTM =1.2
Hình trên chỉ ra trường hợp khi độ khuyếch đại chip là 10 dB/300 µm. Độ dốc là 1,8 dB/0,1% thay đổi trong strain. Chúng ta cũng có thể có một SOA không nhạy cảm theo phân cực bằng cách sử dụng một strain khoảng 0,1%. Quá trình chế tạo được mô tả ngắn gọn như sau:
Đầu tiên tầng tích cực của SOA, bao gồm một tầng InGaAsP căng 0,1% dầy 0,2µm (λg=1,53 µm) với một tầng (SCH) cấu trúc lục giác giam hãm dành riêng ở trên dầy 0,1µm (λg = 1,2 µm) được phát triển trên một cấu trúc con InP. Sau đó lõi InGaAsP
dầy 0,5-µm (λg= 1.05 µm) và một tầng vỏ InP dầy 1,0-µm được kết nối lại. Tiếp đó viền SOA được khắc axit khô và được cấy bởi một tầng khối p-n và một tầng vỏ InP giầu p. Tầng này sẽ được phát triển trên vùng thụ động, được loại bỏ để giảm suy hao truyền dẫn của ống dẫn sóng thụ động. Cuối cùng các ống dẫn sóng thụ động high-mesa tạo nên giao thoa Sagnac và Mach-Zehnder được tạo ra bằng cách Br2-N2 tái tích cực tia axit. Suy hoa truyền dẫn của ống dẫn sóng thụ động high-mesa là khoảng 5dB/cm. Suy hao kết hợp giữa SOA và vùng thụ động là khoảng 1dB bao gồm suy hao kết hợp từ tích cực sang thụ động và suy hao kết hợp từ high-mesa sang vùng chôn. Hình 3.4 chỉ ra một hình ảnh của SEM của thiết bị được chế tạo. Hình 3.4a vẽ vùng pha tạp của ống dẫn sóng thụ động high-mesa. Chúng ta có thể nhìn thấy một giới hạn gần như thẳng đứng và rất mỏng trong hình. Suy hao truyền dẫn của ống dẫn sóng này là khoảng 5dB/cm. Sự tăng trong suy hao do quá trình tích hợp nguyên khối là khoảng 3dB/cm. Hình 3.4b chỉ ra vùng pha tạp của SOA chôn. Nó chỉ ra rằng tầng khối p-n được đặt ở một vị trí lý tưởng. Điều này là bởi vì quá trình chế tạo SOA này là giống với quá trình của SOA truyền thống, do đó các đặc tính của SOA này giống với các đặc tính của SOA truyền thống và không bị giảm chất lượng do quá trình tích hợp các ống dẫn sóng thụ động. Hình 3.4c chỉ ra giao diện giữa ống dẫn sóng thụ động high-mesa và SOA. Các ống dẫn sóng với các cấu trúc hoàn toàn khác nhau đã được liên kết một cách hoàn hảo. Suy hao kết hợp giữa SOA và vùng thụ động là khoảng 1dB, bao gồm suy hao tích cực sang thụ động và suy hao ghép high-mesa sang chôn.
Hình 3.4. Ảnh SEM của thiết bị chế tạo
3.1.4. Các đặc tính của thiết bị
Đầu tiên các đặc tính cơ bản của SOA với tầng tích cực sẽ được nghiên cứu. Hình 5 chỉ ra các đặc tính độ khuyếch đại dòng của một SOA với một ống dẫn sóng thụ động. Chiều dài của vùng tích cực SOA và ống dẫn sóng thụ động là 600 và 400 µm. Bước sóng tín hiệu đầu vào là 1560nm và công suất đầu vào là -10dBm. Ánh sáng đầu vào được ghép vào thiết bị nhờ sử dụng một sợi thấu kính duy trì phân cực và ánh sáng ra được ghép nhờ sử dụng một sợi thấu kính khác. Độ khuyếch đại sợi-sợi là > 13dB và sự phụ thuộc phân cực của độ khuyếch đại là < 1dB. Sự ảnh hưởng của phản xạ tại các giao diện giữa SOA chôn và ống dẫn sóng high-mesa thụ động là không quan sát thấy. Nó chỉ ra rằng các ống dẫn sóng này được ghép một cách khá tốt khôngchỉ về mặt vật lý mà còn về mặt quang học.
Hình 3.5. Các tham số dòng khuyếch đại của SOA (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.6. Hình ảnh phổ từ cổng ra khi dòng đến được bơm vào
a) chỉ SOA1 và b) cả hai SOA
Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng lọc của SIPAS. Một ánh sáng CW và một ánh sáng tín hiệu sẽ được tiêm vào từ cổng CW và cổng tín hiệu tương ứng. Bước sóng của tín hiệu và CW lần lượt là 1552,6 và 1550nm. Công suất đầu vào của tín hiệu và CW đều là 5dBm. Hình 3.6 chỉ ra phổ của cổng ra. Hình 3.6a chỉ ra phổ của cổng ra
khi dòng điều khiển là 217mA chỉ được tiêm vào SOA1. Trong trường hợp này SOA2 có tính hấp thụ vì dòng điều khiển không được tiêm và kết quả là xuyên âm không xảy ra trong PAS. Do đó tín hiệu đầu vào sẽ thẩm thấu vào vòng Sagnac và tín hiệu đầu vào và ánh sáng chuyển đổi sẽ được đưa ra ngang bằng nhau như được chỉ ra trong hình 3.6a. Ngược lại khi các dòng điều khiển là 212 và 217 mA được tiêm lần lượt vào SOA1 và SOA2 thì xuyên âm sẽ xuất hiện trong PAS. Vì PAS có cấu trúc đối xứng nên gần như các dòng tiêm như vậy thiết lập PAS ở trạng thái pha tạp. Điều này cho phép phân tách theo không gian tín hiệu vào tín hiệu chuyển đổi. ánh sáng tín hiệu đầu vào sẽ không thể tham gia vào vòng lặp Sagnac. Do đó chỉ có tín hiệu chuyển đổi là xuất hiện ở đầu ra như trên hình 3.6b. Tỷ lệ nén là khoảng 27dB như được chỉ ra trên hình. Tỷ lệ này đủ lớn để thực hiện hành động lọc hoàn toàn. Đây là đặc tính quan trọng nhất của SIPAS. Sự hoạt động của SIPAS nhờ DPM giữa các ánh sáng CLW và CCW. Tiếp theo chúng ta sẽ kiểm tra các đặc tính DPM bằng cách quan sát các dạng sóng của tín hiệu đầu vào và tín hiệu đã chuyển đổi bước sóng nhờ một streack camera. Các điều kiện hoạt động giống như các điều kiện đã được trình bày ở trên. Hình 3.7a và 3.7b chỉ ra các dạng sóng của tín hiệu đầu vào và tín hiệu chuyển đổi. Độ rộng xung đầu vào là 12ps và tốc độ lặp là 1GHz. Chúng ta đặt PAS lệch 0,5mm để thời gian trễ truyền dẫn giữa ánh sáng CLW và CCW là khoảng 11ps. Độ rộng xung đầu ra là 13ps, rất gần với giá trị mong muốn 11ps. Đây là bằng chứng về sự hoạt động của DPM. Các kết quả thí nghiệm này chỉ ra rằng chuyển đổi bước sóng nhanh nhờ DPM có thể đạt được trong điều kiện lọc hoàn toàn nhờ sử dụng SIPAS. Cuối cùng chúng ta xem xét các đặc tính động của chuyển đổi bước sóng lọc hoàn toàn. Hình 3.8 chỉ ra biểu đồ mắt của các tín hiệu đầu vào và tín hiệu đã chuyển đổi bước sóng tại tốc độ 10Gbit/s. Công suất trung bình của tín hiệu đầu vào và ánh sáng CW tương ứng là 7,9 và 13dBm. Sự mở mắt hoàn toàn là có thể đạt được. Các đặc tính tỷ lệ lỗi bít tương ứng được chỉ ra trong hình 3.9. Thiệt hại về công suất, hay là giá trị sẽ định nghĩa độ giảm cấp tại tỷ lệ lỗi bit 10-12 là nhỏ tới ~0,9dB. Nguồn gốc về thiệt hại công suất này được cho là do sự tích luỹ của các phát xạ đồng thời được khuếch đại từ các SOA.
Hình 3.7. Dạng sóng quang của tín hiệu vào (a) và tín hiệu chuyển đổi (b)
Hình 3.8. Biểu đồ quan sát của tín hiệu vào (a) và tín hiệu chuyển đổi(b)
Trong phần này chỉ giới thiệu các kết qủa thí nghiệm tại tốc độ 10Gbit/s. Tuy nhiên tới nay tốc độ hoạt động lọc hoàn toàn có thể lên tới 40 Gbit/s. Trong một SIPAS độ rộng của cửa sổ đầu ra (độ rộng xung đầu ra) và tốc độ lặp có thể được thiết kế một cách độc lập. Điều này cho phép SIPAS không những chỉ sử dụng trong chuyển đổi bước sóng mà còn sử dụng trong các bộ giải ghép kênh toàn quang. Ví dụ, khi cửa sổ đầu ra là 11ps và tốc độ lặp là 10GHz SIPAS có thể được sử dụng để giải ghép kênh từ 80 xuống 10 Gbit/s. Hơn thế nhờ đặc tính lọc hoàn toàn của SIPAS chuyển đổi bước sóng mà trong đó bước sóng đầu ra thay đổi động là có thể thực hiện được. Điều này cho phép định tuyến bước sóng quang trong đó định tuyến bước sóng theo mỗi gói tin được thực hiện nhờ sử dụng chuyển đổi bước sóng. SIPAS là một thiết bị có rất nhiều đặc tính đặc biệt và nhiều nhà khoa học đang tiếp tục triển khai bao gồm cả nghiên cứu các ứng dụng của nó cho 3R toàn quang.
Hình 3.9. Đặc trưng tốc độ lỗi bit tại tốc độ bit 10Gbit/s
3.1.5 Kết luận
SIPAS là một thiết bị chuyển đổi bước sóng có một cấu trúc mạch quang mới. Nó được chế tạo nhờ sử dụng công nghệ tích hợp nguyên khối bán dẫn. Nó gồm một giao thoa sagnac với một cấu trúc khuếch đại song song mà thực ra là một giao thoa Mach- Zehnder có các SOA không nhạy cảm phân cực. Đặc tính quan trọng nhất của SIPAS là lọc hoàn toàn. Chúng ta đã chế tạo một SIPAS được tích hợp nguyên khối nhờ sử dụng các ống dẫn sóng high-mesa và các SOA chôn p-n với một tầng tích cực căng. Sử dụng SIPAS vừa chế tạo này chúng ta đã đạt được chuyển đổi bước sóng lọc hoàn toàn với cửa sổ đầu ra 13ps nhờ điều chế ví sai pha. Thiệt hai công suất là rất nhỏ, khoảng 0,9dB tại tốc độ 10Gbit/s.
3.2 Kỹ thuật ghép đa kênh quang và ứng dụng của nó cho một khối SIPAS
3.2.1 Giới thiệu
Sự phát triển rất nhanh chóng của lưu lượng truyền thống gần đây nhờ sự triển khai Multimedia và Internet đã tạo một nhu cầu cho thông lượng mạng cao hơn. Ghép