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 được chuyển đổi cũng được ghép đôi tới một sợi quang với độ tán sắc 150ps/nm. Do đó, khi bước sóng điều chỉnh nhỏ tầm 0.5 nm cung cấp sự thay đổi pha 75ps. Bốn pha được điều chỉnh các kênh WDM khoảng 100 GHz từ 1552 đến 1555nm được đưa vào bộ điều biến EA điều biến sin với 4V 10GHz (A và B trong hình 3.21). Một sợi vòng 2-km thứ hai với tổng số độ tán sắc bước sóng 25ps/ 100Ghz mà sử dụng hàn loạt các xung RZ thành nhiều luồng bit với độ rộng xung 25 ps. Một phần của luồng bit được giám sát và các bước sóng được chuyển đổi bởi XPM được điều khiển để giữ các giá trị thích hợp nhất.
Tốc độ bit chuyển đổi từ 10 lên 40 Gbit/s sử dụng DPM trong SIPAS. Bốn bước sóng khác nhau của chuỗi bit đa thành phần được chuyển đổi thành một bước sóng đơn (1551 nm) bằng cách sử dụng SIPAS với các cửa sổ cổng 25ps (C trong hình 3.21). WC và công suất tín hiệu trung bình khoảng 10 dBm. Các dòng của SOA khoảng 200 mA.
Một bộ điều biến EA thứ hai được sử dụng lại đa thành phần luồng 40Gbit/s thành tín hiệu RZ 10Gbit/s (D trong hình 3.21). Một thiết bị DPM khác, bao gồm bộ chuyển đổi SOA kích cỡ hẹp (SS-SOA) và một MZI không đối xứng PLC với cổng cửa sổ 100 ps, mở rộng độ rộng băng tần, do đó thực hiện chuyển đổi thành công RZ 10 Gbit/s thành NRZ(E trong hình 3.21). Dòng vào của SS-SOA là 80 mA. CW và công suất tín hiệu là 0 dB.
Hình 3.22 biểu diễn luồng bit 4 tín hiệu 10 Gbit/s trước SIPAS. Bằng cách điều chỉnh bước sóng của kênh #3 khoảng 0.1 nm (sự dịch chuyển pha 15ps ), chúng có thể tránh được các điểm chéo của tín hiệu NRZ. Hình 3.23 chỉ ra mẫu quan sát được đo tại điểm A tới E, chỉ ra trong hình 3.21. Quan sát chuyển đổi NRZ thành RZ (hình 3.23b), chuyển đổi 10 Gbit/s thành 40 Gbit/s (hình 3.23c) và chuyển đổi lại 40 Gbit/s thành 10 Gbit/s (hình 3.23d), chuyển đổi lại RZ thành NRZ (hình 3.23e). Hình 3.24 biểu diễn các BER tại điểm (A) đến (E). Độ nhạy bộ thu tại BER 10-9 là ít hơn -32 dBm. Chỉ công suất trung bình nhỏ hơn 0.8 dB được quan sát. Kết quả này biểu thị các kĩ thuật này sẽ hữu ích hơn chuyển đổi tốc độ bit tương lai.
Hình 3.22 Các mẫu quan sát trước SIPAS
Hình 3.23 Các mẫu quan sát của chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn
Hình 3.24 BER của chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn
3.3.3 Sự bù PMD
3.3.3.1 Kĩ thuật giám sát DGD sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng tích hợp lai
Hình 3.25 biểu diễn tổng quát sơ đồ của thiết bị XPM tích hợp lai. Chúng sử dụng PLC tích hợp lai.
Hình 3.25.Bộ giám sát DGD sử dụng thiết bị XPM tích hợp lai
Kĩ thuật giám sát DGD như sau. Công suất quang vào của các trạng thái phân cực (TE và TM) mà mỗi đường dẫn tới cả hai cánh của thiết bị XPM. Thiết bị này thường được thiết lập cho đến trạng thái chéo. Công suất ra nhỏ nhất của ánh sáng đã chuyển đổi tại cổng bar, mà là các cổng giám sát của DGD. Nếu DGD tồn tại lâu dài, pha khác nhau giữa hai cánh chuyển mạch ánh sáng đã chuyển đổi từ cổng chéo tới cổng bar giám sát, công suất ra tăng như trong hình 3.26. Công suất ra nhỏ nhất nghĩa là giá trị DGD tại trạng thái thực hiện nhỏ nhất mà phải giữ bằng cách điều khiển bộ cân bằng PMD. Kết quả là, thiết bị XPM hoạt động như một mạch XOR. Cổng giám sát biểu diễn “0” khi công suất vào của hai cánh là bằng nhau, nó biểu diễn “1” khi chúng không bằng nhau, như biểu diễn trong hình 3.27. Mạch này có khả năng làm việc > 100Gbit/s, vì vậy mà kĩ thuật chuyển mạch đẩy kéo của DPM bỏ qua sự phục hồi chậm của việc thay đổi chỉ số khúc xạ.
Hình 3.26 Nguyên lí của bộ giám sát DGD sử dụng thiết bị XPM tích hợp lai
Hình 3.27 Hoạt động của bộ giám sát DGD như một mạch XOR 3.3.3.2 Thiết lập thí nghiệm và kết quả
Hình 3.28 biểu diễn thí nghiệm thiết lập cho bù PMD. Chúng ta sử dụng bốn loại tín hiệu quang: tín hiệu NRZ và RZ 40 Gbit/s, tín hiệu Manchester 20 Gbit/s, và một tín hiệu RZ 80 Gbit/s.
Hình 3.28 Thí nghiệm thiết lập của bộ bù PMD
Cạnh tranh giữa các dạng sóng là nguyên nhân méo PMD, chúng ta cần chuẩn bị một sợi duy trì phân cực (PMF) trong đó DGD giữa các tia nhanh và chậm là khoảng 30 ps. Tỉ số công suất giữa hai trạng thái phân cực được thay đổi từ 0 đến 10 dB bằng cách điều chỉnh bộ điều khiển phân cực(PC) trước PMF.
Để cân bằng PMD, một PC thứ hai và một bộ mô phỏng DGD thay đổi được sử dụng. Các phần của tín hiệu được chia ra để giám sát, mà nó là các trạng thái phân cực được chia ra bằng số lượng môđun PBS. Các công suất quang của hai trạng thái phân cực được chia ra bằng 1 dB sử dụng các SOA và mỗi SOA là đường dẫn đến cả hai cánh của thiết bị chuyển đổi bước sóng tích hợp lai. Chiều dài đường quang giữa PBS và các cánh thiết bị chuyển đổi bước sóng là bằng nhau sử dụng đường trễ quang. Đương nhiên, chiều dài đường quang này có thể điều chỉnh dễ dàng nếu PLC-PBS tích hợp được sử dụng. Thiết bị chuyển đổi bước sóng có các cổng giám sát công suất vào với máy đo công suất, mà làm cho nó có thể điều chỉnh công suất vào của cả hai cánh.
Một laser DFB với bước sóng 1552 nm được sử dụng như nguồn quang của thiết bị XPM. Với dòng SS-SOA 80và 82.5 mA, thiết bị XPM thường thiết lập trạng thái chéo. Nó hoạt động như mạch XOR. Công suất ra từ XOR là nhỏ nhất bằng cách điều khiển bộ cân bằng PMD. Tín hiệu quang, sau bù PMD, được phân kênh thành dạng RZ 10 Gbit/s sử dụng bộ điều biến EA và BER là biến số.
Hình 3.29 biểu diễn các mẫu quan sát đối với RZ 40 Gbit/s, NRZ 40 Gbit/s và tín hiệu Manchester 20 Gbit/s. Qua độ méo dạng sóng lớn thu được trước bù PMD, mẫu quan sát thu được ngay sau đó. Hình 3.29 biểu diễn BER đối với dạng tín hiệu RZ và NRZ. Công suất trung bình là nhỏ hơn 0.8 dB. Các kết quả này chứng minh rằng bù PMD độc lập với tín hiệu thu được bởi thiết bị chuyển đổi bước sóng tích hợp lai.
Hình 3.29 Mẫu quan sát dạng tín hiệu RZ40Gbit/s, NRZ 40Gbit/s và Manchester 20Gbit/s
Hình 3.30 BER đối với các tín hiệu RZ 40Gbit/s và NRZ 40Gbit/s
Hình 3.31 biểu diễn mẫu bit quan sát đối với 80 Gbit/s, với DGD 12.5 và 25.0 ps. Lần nữa, quan sát các mẫu bit này sau khi bù PMD. Tín hiệu quang được bù là tín hiệu quang phân kênh tới 10 Gbit/s bằng PIPAS, và BER là biến số. Công suất quang thu được nhỏ nhất tại BER 10-9 là –21dBm, và các công suất bù chỉ dưới 0.9 dB. Các kết quả này đã chứng minh hoạt động tốc độ bit cao của mạch XOR toàn quang.
Hình 3.31 Các mẫu quan sát cho tín hiệu RZ 80Gbit/s
3.3.4 Kết luận
Mạng tốc độ cực cao được trông đợi trong tương lai gần sẽ đòi hỏi chuyển đổi tốc độ bit và bù tán sắc mode phân cực. Phần này chúng ta chỉ mô tả các kĩ thuật sử dụng sử lí tín hiệu toàn quang. Chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn đã chứng minh thành công sử dụng SIPAS tích hợp nguyên khối. Bù PMD độc lập với tốc độ bit và dạng tín hiệu đã thu được thiết bị điều biến pha chéo(XPM) tích hợp lai.
4.4 Thiết bị chuyển đổi bước sóng sử dụng QPM LiNbO3
Phần này mô tả những tiến trình phát triển mới nhất trong nghiên cứu phát triển các thiết bị chuyển đổi mà tận dụng ống dẫn sóng QPM-LN (Quasi-Phase-Matched LiNbO3). Cấu trúc và nguyên lí hoạt động cơ bản của thiết bị chuyển đổi này sẽ được giải thích ở phần dưới. Cấu thành bộ phận để chuyển đổi bước sóng gồm điện trở chống lại sự khúc xạ quang và các thông số đặc trưng cho bộ khuyếch đại quang của một phôton được đưa qua ống dẫn sóng. Phân cực phụ thuộc chuyển đổi bước sóng sử dụng chỏm ống dẫn sóng được chế tạo từ LiNbO3. Các bộ chuyển đổi bước sóng dựa trên QPM-LN có nhiều ưu điểm: chúng ta có thể chuyển đổi tốc độ tín hiệu cao ở 1THz hoặc hơn, không sinh ra tỉ số tín hiệu trên nhiễu, không phụ thuộc vào các bộ điều biến và có thể chuyển đổi băng tần bước sóng trực tiếp thành nhiều kênh. Do đó nó sẽ là thiết bị chìa khoá trong mạng quang điện tương lai.
4.4.1 Giới thiệu
Trong những năm gần đây, có rất nhiều tiến trình đáng kể trong nghiên cứu và phát triển kĩ thuật trong việc xây dựng hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn hơn bằng bộ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) của tín hiệu quang tốc độ cao. Để được linh hoạt và hiệu quả, những mạng trong tương lai sẽ phụ thuộc vào kĩ thuật mạng quang điện mà có thể tín hiệu quang không trực tiếp chuyển đổi thành tín hiệu điện. Thiết bị chuyển đổi bước sóng có khả năng làm được điều đó. Nhiều thiết bị chuyển đổi bước sóng đã được nghiên cứu, nhưng ống dẫn sóng LiNbO3 tốt hơn các loại khác. Nó có thể chuyển đổi tốc độ tín hiệu cao ở 1 THz hoặc hơn, không sinh ra tỉ số tín hiệu trên nhiễu và không phụ thuộc dạng tín hiệu, nó có thể chuyển đổi đồng thời nhiều bước sóng.
Phần này sẽ mô tả cấu trúc và nguyên lí hoạt động của thiết bị chuyển đổi bước sóng mà sử dụng ống dẫn sóng QPM-LN.
4.4.2 Tổng quan về thiết bị chuyển đổi bước sóng sử dụng ống dẫn sóng QPM-LN
Chuyển đổi bước sóng sử dụng ống dẫn sóng QPM-LN dựa trên hiệu ứng quang phi tuyến thứ hai được gọi là tạo tần số khác nhau (DFG: Difffirence Frequency Generation). Khi một tín hiệu ánh sáng với tần số ω1(λ1=2πc/ω1) và ánh sáng nhảy với tần số ω3 (λ3=2πc/ω3)được bơm vào vật liệu phi tuyến thứ hai, việc này có thể được sử dụng để sinh ra ánh sáng chuyển đổi với bước sóng λ2 cân bằng sự khác nhau giữa tần số góc của 2 tia sáng ω2=ω3-ω1. Để thiết bị đạt được hiệu quả cao trong việc sử dụng
sự tương tác của ba sóng ánh sáng trong tinh thể phi tuyến thứ hai, điều kiện cần là pha không đối xứng trong phương trình dưới là 0, nó phải tương ứng với điều kiện ghép pha sau:
∆β=2π (n3/λ3-n2/λ2- n1/λ1) (1)
n1 là hệ số khúc xạ tại tín hiệu ánh sáng có bước sóng λ1, n2 là hệ số khúc xạ tại ánh sáng đã bị chuyển đổi tại bước sóng λ2, n3 là hệ số khúc xạ tại ánh sáng nhảy có bước sóng λ3.
Trong trường hợp laser bán dẫn, chuyển đổi bước sóng nhờ sử dụng BPM (Birefringent Phase Matching). Tuy nhiên, đây là phương pháp chỉ có thể thoả mãn điều kiện về pha thích ứng trong khi kết hợp giữa bước sóng tín hiệu và bước sóng nhảy. QPM giảm sự ràng buộc về pha thích ứng và cho phép những bước sóng kết hợp một cách tuỳ ý trong khoảng bước sóng mà vật liệu là trong suốt. Trong chuyển đổi bước sóng QPM, hệ số phi tuyến được điều biến với chu kì Λ làm sao cho ∆β trong phương trình sau bằng 0. Đây là điều kiện cần trong QPM:
∆β=2π (n3/λ3-n2/λ2- n1/λ1 –1/∆) (2)
Sử dụng kĩ thuật này chúng ta có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi cao giữa nhiều bước sóng bằng cách thay đổi ∆. Ví dụ chuyển đổi bước sóng giữa băng tần 1.3-1.5µm và giữa 1.5-1.8 µm có thể đạt được khi sử dụng cùng vật liệu. Cấu trúc QPM có thể hình thành từ nhiều vật liệu gồm có ferit oxit như: LiNbO3 và LiTaO3 và vật liệu bán dẫn như AlGaAs nhưng vật liệu có nhiều triển vọng nhất là LiNbO3. Sử dụng LiNbO3 có những thuận lợi: thứ nhất, độ trong suốt trong băng tần 0.6-0.8 µm mà bước sóng ánh sáng nhảy để chuyển đổi bước sóng trong băng tàn sóng truyền dẫn; thứ hai nó có hệ số phi tuyến lớn. Cấu trúc cơ bản của thiết bị như hình 3.32. Một ống dẫn sóng quang được hình thành trên nền cấu trúc một QPM đã được hình thành trước bằng cách đảo chiều chu kì tự phân cực của LiNbO3. Để chuyển đổi băng tần từ 1.55 µm đến băng tần 1.58
µm. Ví dụ, một sóng ánh sáng bơm 0.78 µm được tiêm vào ống dẫn sóng cùng lúc với tín hiệu ánh sáng. Hiệu suất chuyển đổi bước sóng có tương hợp pha như trong phương trình 2, vì vậy ta có phương trình:
η =ηmax [ sin (∆βL/2)/(∆βL/2)] (3)
η max: hiệu suất tại bước sóng QPM và L là chiều dài ống dẫn sóng.
Hình 3.32 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của thiết bị chuyển đổi bước sóng QPM-LN
Hình 2.32(b) và 2.32(c) biểu diễn sự sắp xếp dặc trưng của tín hiệu ánh sáng, ánh sáng bơm và ánh sáng chuyển đổi trên trục bước sóng. Thậm chí tín hiệu ánh sáng là một nhóm của bước sóng WDM, tất cả các tín hiệu ánh sáng có thể được chuyển đổi, vì vậy có thể chuyển đổi cùng lúc một nhóm tín hiệu đa bước sóng.
Hình 2.31 cũng chỉ ra sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển đổi vào bước sóng bơm và bước sóng tín hiệu khi sử dụng ống dẫn sóng LN có chiều dài 30 mm, khi thay đổi bước sóng bơm, tương hợp pha thay đổi nhanh chóng do độ tán sắc trong hệ số khúc xạ