Thực hiện đo hiệu quả ghép của MOCA cho một dẫy 4 ống dẫn sóng có Seff được thiết kế là 2µm và đánh giá hiệu quả ghép bởi một mô phỏng vệt-dãy. Trong phép đo và mô phỏng đó M và L tương ứng là 5 và 50 µm; Một thấu kính ngoại vi có đường kính và độ dày tương ứng là 1,8 và 1,3mm đã được sử dụng và tỷ lệ của εl /εs là 2. Thấu kính ngoại vi và ống dẫn sóng đặc đặt tại các vị trí tối ưu. Các suy hao ghép đo được cho mỗi kênh của SMF được vẽ trên hình 3.12 cùng với đường cong suy hao ghép kênh mô phỏng. Trục hoành chỉ ra sự sắp xếp sai lệch của dãy 4 kênh SMF từ vị trí tối ưu. Sự sai khác của kết qủa mô phỏng so với các giá trị đo được gây ra bởi sự sai khác giữa Seff và giá trị thiết kế. Nghĩa là Seff > 2 µm và đường kính điểm được chiếu tới trên bề mặt sợi quang > 10 µm. Sự sai lệch kích thước điểm này gây ra sự tăng trong suy hao ghép xung quanh giá trị tối ưu. Ngược lại sự tăng trong suy hao ghép do sự sắp xếp không thẳng hàng thì chậm hơn so với trong mô phỏng bởi vì đường kính điểm được chiếu tới là lớn hơn. Do vậy chúng ta sẽ kiểm tra giá trị Seff cho mỗi ống dẫn sóng như sau. Mỗi kênh trong số 4 ống dẫn sóng được ghép với một SMF thông qua cùng một thấu kính ngoại vi đó. Mối quan hệ giữa các suy hao ghép và M được chỉ ra trong hình 3.13. Suy hao ghép nhỏ nhất đạt được tại giá trị M khoảng 4,3. Điều này chỉ ra rằng Seff của dãy 4 ống dẫn sóng là 2,3µm. Mặc dù có sự sai khác về kích thước điểm nhưng mỗi SMF 4 kênh có thể được ghép với ống dẫn sóng tương ứng với một độ hiệu quả cao (suy hao ghép < 2,5dB) tại vị trí tối ưu. Sự sai khác suy hao ghép giữa 4 kênh trên được nén xuống nhỏ hơn 0,7dB. Các kết qủa này chỉ ra rằng MOCA là một kỹ thuật đầy hứa hẹn cho việc ghép quang đa kênh.
Hình 3.13. Mối quan hệ giữa suy hao ghép và M
Hình 3.14. Suy hao ghép của MOCA cho ống dẫn sóng 8 kênh 3.2.2.3 Khả năng mở rộng của MOCA
Các suy hao ghép quang của MOCA cho một dãy ống dẫn sóng 8 kênh với độ rộng 50 µm được đo tại vị trí tối ưu (hình 2.14). Phép đo được thực hiện nhờ sử dụng cùng cấu hình như trên. Trong hình này trục hoành chỉ ra khoảng cách giữa mỗi kênh bước sóng và quang tâm của thấu kính. Các suy hao ghép tăng theo khoảng cách do quang sai của thấu kính và góc lệch quang đều tăng theo khoảng cách từ quang tâm. Nếu như suy hao ghép ngưỡng được đặt tại 4 dB thì MOCA có thể được ứng dụng tới một dãy ống
dẫn sóng có tối đa là 6 kênh. Điều này có nghĩa là một dãy bước sóng với tối đa là 12 kênh có độ rộng 25 µm có thể được ghép với một dãy SMF 12 kênh với độ rộng 125 µm nhờ cấu hình của MOCA. Sự mở rộng hơn nữa của các kênh ống dẫn sóng đòi hỏi đường kính thấu kính lớn hơn.
3.2.3 Ứng dụng của MOCA cho đóng gói SIPAS
Cấu hình MOCA đã được ứng dụng cho một bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang, hay SIPAS, có các cổng I/O ống dẫn sóng quang 3 kênh.
3.2.3.1. Cấu trúc của chíp SIPAS
Hình 2.15 Sơ đồ của một chip SIPAS
Hình 3.15 là một lược đồ của chíp SIPAS được chế tạo. SIPAS là một bộ giao thoa sagnac với một cấu trúc khuyếch đại song song gồm một bộ giao thoa Mach- Zehnder có các bộ khuếch đại quang bán dẫn không nhạy cảm phân cực tại mỗi phía của nó. Nó được chế tạo nguyên khối bằng cách ghép các ống dẫn sóng chôn và ống dẫn sóng high-mesa. Quá trình chế tạo được mô tả ngắn gọn như sau:
Đầu tiên tầng tích cực của SOA, bao gồm một lõi InGaAsP căng 0,1% 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 hao 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. SOA có chiều dài là 900 µm và kích thước toàn bộ chip là 4,5mm x 1,5mm. Nguyên lý làm việc của thiết bị
này tương tự như nguyên lý của SLALOM. một ánh sáng CW đầu vào được chia thành các ánh sáng thuận chiều (CLW) và ngược chiều (CCW) kim đồng hồ. Vì PAS được đặt bất đối xứng trong vòng lặp nên các ánh sáng này tiếp cận các SOA tại các thời điểm khác nhau dẫn tới điều pha vi sai (DPM) giữa chúng khi ánh sáng tín hiệu được đưa vào các SOA này. Sau khi đi qua vòng lặp các tín hiệu CLW và CCW được chồng vào nhau và truyền dẫn tới cổng ra nhờ sử dụng DPM. Đặt PAS 0,5mm để cửa sổ chuyển mạch nhờ DPM ~10ps. Điều này cho phép hoạt động tốc độ cao trên 10Gbit/s. Vì PAS được đặt trong trạng thái chéo nên tín hiệu không thể tham gia vòng lặp và tạo ra chuyển đổi bước sóng lọc hoàn toàn.
3.2.3.2 Hiệu năng của khối SIPAS
Hình 2.16. Lược đồ và hình ảnh của mô hình SIPAS với MOCA
Hình 2.16 chỉ ra lược đồ và hình ảnh của khối này. Khối này có thể tích 1,6cm3 (8,2mm dài; 16mm rộng và 12mm cao). Nằm giữa các cổng I/O ống dẫn sóng 3 kênh, các cổng đầu vào dòng tiêm và đầu ra chuyển đổi được đặt ở cùng phía của chip SIPAS. Đường kính điểm hiệu dụng của hai cổng này được thiết kế là 2,5µm. MOCA được sử dụng cho quá trình ghép của nó. Để đạt được ghép quang một cách hiệu quả, độ khuếch đại của thấu kính ngoại vi được đặt sao cho kích thước điểm của ống dẫn sóng là khoảng 10µm về đường kính. Sau đó độ rộng của ống dẫn sóng và các dãy SMF được thiết kế tương ứng là 62,5 và 250 µm. Sau khi ghép khối SIPAS đã đánh giá suy hao ghép thực tế và đạt được giá trị là 3,2-3,4dB. Các suy hao ghép lớn hơn chủ yếu do sự dịch hàn-ghép của dãy SMF và thấu kính sau khi ghép laze YAG và do sự sai lệch về kích thước điểm. Để đánh giá hiệu năng của khối SIPAS thực hiện thí nghiệm chuyển đổi bước sóng sử dụng tín hiệu đầu vào RZ-PRBS 10Gbit/s 1552,3nm và tín hiệu đầu
vào dòng tiêm sóng liên tục 1548,5nm. Các kết quả được chỉ ra trong hình 3.17. Bước sóng của tín hiệu quang đầu ra đã được chuyển đổi thành công thành 1548,5nm.
Hình 3.17. Biểu đồ quan sát dòng tín hiệu vào (1555.3 nm) và dòng ra chuyển đổi (1548 nm)
3.2.4 Kết luận
MOCA là một kỹ thuật ghép quang đa kênh hiệu quả về mặt chi phí, suy hao thấp, đơn giản. Nó đã được ứng dụng trong khối chuyển đổi bước sóng toàn quang (hay SIPAS). Khối này đã cung cấp chuyển đổi bước sóng một cách thành công. Điều này chỉ ra rằng MOCA là một kỹ thuật đóng gói đầy hứa hẹn cho các khối chức năng quang có các cổng I/O đa quang.
3.3 Xử lí tín hiệu sử dụng chuyển đổi bước sóng toàn quang và ứng dụng sử dụng thiết bị XPM tích hợp lai và SIPAS thiết bị XPM tích hợp lai và SIPAS
Sự bùng nổ nhu cầu về lưu lượng dữ liệu đòi hỏi xử lí tín hiệu tốc độ cao bằng chuyển đổi bước sóng sử dụng như mạng sóng ánh sáng hai chiều (PLC) thiết bị điều biến pha chéo tích hợp lai (XPM) hoặc SIPAS tích hợp đơn khối. Thiết bị XPM hoạt động với công suất vào nhỏ khoảng 10 dBm và có thể sử dụng để điều chỉnh bước sóng hoặc giám sát sự tán sắc mode phân cực(PMD) của kênh WDM, trong khi SIPAS hoạt động ở tốc độ cao. Phần này sẽ xem xét tốc độ bit và dạng chuyển đổi giữa tốc độ chuyển đổi cao (10 Gbit/s) tín hiệu NRZ và tốc độ rất cao(40 Gbit/s) tín hiệu RZ bằng chuyển đổi nhiều bước sóng.
3.3.1 Giới thiệu
Trong tương lai gần, lưu lượng dữ liệu khổng lồ đòi hỏi tốc độ bit cao 10Gbit/s, thậm chí với các mạng trung tâm, như hình 3.18. Để phục vụ một số các mạng trung tâm sẽ cần tốc độ bit cực cao hơn 40 Gbit/s. Do đó tốc độ bit chuyển đổi giữa mạng 10 Gbit/s và 40Gbit/s là tuyệt đối cần thiết. Chuyển đổi tốc độ bit trong mạng quang có những thuận lợi đó là hoạt động không phụ thuộc tốc độ bit và có khả năng vượt ra khỏi
giới hạn tốc độ của thiết bị điện. Trước khi chuyển đổi tốc độ bit, kĩ thuật đơn giản là điều chỉnh pha của kênh 10Gbit/s là rất cần thiết. Vả lại, chuyển đổi nên hoạt động để các kênh sóng ghép kênh phân chia theo bước sóng.
Hình 3.18. Cấu hình mạng trong tương lai gần
Để chuyển đổi tốc độ bit toàn quang, chuyển đổi bước sóng tốc độ cực cao sử dụng điều biến pha khác nhau (DPM) là một trong những triển vọng nhất. Tuy nhiên, thiết bị DPM thường cần dạng RZ (Return- to-Zero). Trong khi hệ thống WDM 10Gbit/s sử dụng dạng tín hiệu NRZ. Dạng tín hiệu RZ cũng thuận tiện để truyền dẫn tín hiệu quang tốc độ cao, bởi vì tín hiệu xung ngắn RZ làm giảm sự giảm phẩm chất tín hiệu sinh ra từ sợi quang phi tuyến, như tự điều biến pha.
Chuyển đổi tốc độ bit được phát triển tại nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới. Chuyển đổi TDM-WDM và chuyển đổi lại WDM-TDM (TDM: ghép kênh phân chia theo thời gian) đã chứng minh được lợi ích của nguồn siêu liên tục. Dạng tín hiệu TDM- WDM có thể thu được bằng cách sử dụng trực tiếp FWM (trộn 4 bước sóng) trong bộ khuyếch đại quang bán dẫn (SOA) hoặc giao thoa kế Mach-Zehner. Tất cả các loại Mikkenson chuyển đổi RZ thành NRZ sử dụng máy giao thoa kế Michelson hoạt động tích hợp nguyên khối. Tuy nhiên, tất cả các thí nghiệm này đều có tốc độ bit và dạng chuyển đổi/ chuyển đổi lại, tốt như điều chỉnh pha cho các kênh WDM.
Phần này đã giải thích thành công chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn của kênh WDM 10Gbit/s thành kênh WDM 40Gbit/s, bao gồm dạng chuyển đổi NRZ thành RZ và ngược lại. Kĩ thuật chìa khóa là chuyển đổi bước sóng sử dụng giao thoa kế Sagnac nguyên khối tích hợp với cấu trúc khuyếch đại nền (SIPAS). Thủ tục chìa khóa, mà pha điều chỉnh của tín hiệu 10Gbit/s, sử dụng chuyển đổi bước sóng đơn giản với điều biến pha chéo tích hợp lai.
Một kĩ thuật quan trọng khác đưa ra cho mạng tốc độ cực cao đó là bù tán sắc mode phân cực(PMD), giám sát các trạng thái khác nhau của trễ nhóm (DGD) là tuyệt đối cần thiết để bù PMD. Như trong hình 3.19, nhiều thiết bị gần như được cung cấp sử dụng mạch điện. Một phương pháp đơn giản để giám sát DGD là đo cường độ một nửa tần số tín hiệu vào. Đây là một phương pháp tao nhã vì nó yêu cầu chỉ cần phôtôđiôt (PD), bộ lọc thông thấp (BPF) và một đồng hồ đo công suất. Tuy nhiên, nó yêu cầu PD tốc độ cao, khi mà tốc độ giới hạn mạng lên đến 100Gbit/s. Bộ lọc thông thấp chuyển đổi hoàn toàn tần số vào, khi đó nó làm nhiễu loạn độ trong suốt tốc độ bit của mạng quang điện.
Hình 3.19. Cấu hình của bộ bù PMD
Để bù PMD của tín hiệu tốc độ cực cao(>80 Gbit/s), đã mong đợi vào kĩ thuật giám sát quang. Các loại Rosenfeldt khác thực hiện lần đầu tiên chứng minh bù PMD tại 80Gbit/s, sử dụng phân tích phân cực để ước lượng độ phân cực(DOP) kết hợp với bộ xáo trộn phân cực tại sợi vào. Một kĩ thuật khác để các bộ kiểm tra bù 160Gbit/s của các tín hiệu dữ liệu sử dụng phương pháp giám sát lấy mẫu tín hiệu quang. Kĩ thuật này đã cải thiện chính xác thông tin bởi vậy nó có độ tương quan cao với tốc độ bit (BER), đây là mục tiêu cuối cùng để cải tiến. Tuy nhiên các kĩ thuật này yêu cầu thiết bị đắt tiền cho mỗi kênh WDM, mà có thể khó khăn để áp dụng vào hệ thống WDM lớn với nhiều kênh.
Có một kĩ thuật mới được đề xuất để giám sát trạng thái DGD của sợi quang sử dụng thiết bị chuyển đổi bước sóng tích hợp lai. Nhờ có hoạt động XOR của chuyển đổi bước sóng, kĩ thuật này có tốc độ bit độc lập và dạng tín hiệu bit độc lập. Tích hợp lai rất tích cực vì có một mạng sóng ánh sáng phẳng (PLC) có thể dễ dàng cung cấp bộ tách chùm phân cực(PBS) là một chìa khóa để bù PMD. Bằng cách giám sát công suất ra của bộ chuyển đổi bước sóng, chúng ta sẽ thành công trong việc bù cho dạng tín hiệu RZ 40Gbit/s, RZ 80Gbit/s, NRZ 40Gbit/s. Công suất trung bình thường là 0.8dB.
3.3.2 Chuyển đổi tốc độ bit
3.3.2.1 Cấu hình chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn
Cấu hình của hệ thống trên như hình 3.20
Hình 3.20. Cấu hình của chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn
a) NRZ/RZ và MUX
4 kênh WDM NRZ 10Gbit/s với một khoảng cách kênh 100GHz (A) mà được đưa vào bộ điều biến hút điện tự phân cực (EA) với điều biến hình sin 10GHz. Bộ điều biến đồng thời chuyển đổi 4 tín hiệu NRZ thành tín hiệu NZ với độ rộng xung 25 ps (B). Một sợi lặp được sử dụng để sắp xếp những loạt xung RZ thành nhiều chuỗi bit (MUX), sử dụng một bộ diều biến đơn và một sợi đơn, đây là một kĩ thuật đơn giản và có thể mở rộng để hình thành chuỗi bit. Kĩ thuật này có thể được sử dụng trong hệ thống WDM lớn với 8 hoặc 16 kênh.
b) Điều chỉnh pha và bước sóng
Với hoạt động MUX và NRZ/RZ như vậy, có hai điều quan trọng cần lưu ý: với khoảng cách kênh phải gần như nhau và các pha của 4 kênh WDM phải được điều chỉnh. Sử dụng một mô hình XPM đa kênh, chúng ta sắp xếp lại các kênh WDM vào, có khoảng cách giữa các bước sóng cố định là như nhau. Sau đó điều chỉnh một bước sóng một chút (ví dụ 0.1 nm) thực hiện thay đổi một pha tại sợi lặp đó, mà bảo đảm sự điều chỉnh pha này tại bộ điều biến EA. Điều chỉnh nhiệt độ của nguồn CW thu được sự điều chỉnh pha này.
c) Chuyển đổi tốc độ bit sử dụng SIPAS
Để chuyển đổi tốc độ bit 40Gbit/s, 4 bước sóng khác nhau của luồng bit đa thành phần được chuyển đổi thành một bước sóng đơn sử dụng SIPAS với các cửa sổ cổng hơn 25ps (C trong hình 3.21). DPM có thể bù đối với thời gian phục hồi sóng mang
chậm của SOA để thu được chuyển đổi tốc độ bit cao. SIPAS có sự phụ thuộc bước sóng thấp và cung cấp khả năng hoạt động không dây.
d) DEMUX và RZ/NRZ
Một cổng cửa sổ 100 ps bổ sung độ rộng băng tần, do đó mà thực hiện chuyển đổi lại RZ thành NRZ 10 Gbit/s (E trong hình 3.21).
Hình 3.21. Thí nghiệm thiết lập chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn 3.3.2.2 Kết quả thí nghiệm đối với chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn
Thiết lập thí nghệm như hình 3.21. Bốn kênh WDM 10Gbit/s được chuyển đổi có khoảng cách như nhau sử dụng mô hình đa kênh PLC-SOA tích hợp lai MZI. Luồng sóng liên tục (CW) và công suất tín hiệu trung bình của các XPM là –2 đến 2 dBm.. Một clock 10 MHz với một bước sóng 1310nm được đáp ứng sử dụng cổng rỗi của module XPM. Clock này không thể thiếu được để đồng bộ tốc độ chuyển đổi bit. Bốn tín hiệu