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 của LN. Khoảng bước sóng có thể để bơm vào là rất nhỏ, chỉ khoảng 0.2nm như hình 2.31(b). Khi bước sóng tín hiệu thay đổi dẫn đến hệ số khúc xạ thay đổi thì các bước sóng tín hiệu và bước sóng đã chuyển đổi hủy bỏ các bước sóng ngoài khác, vì vậy có thể chuyển đổi qua một khoảng sóng rất rộng (60 nm), như trong hình 2.31(c). Đây là độ rộng đủ để có thể chuyển đổi dễ dàng của các tín hiệu tốc độ cao 40Gbit/s hoặc hơn.
Hơn nữa, các pha thông tin của ánh sáng tín hiệu vào được duy trì trong suốt quá trình chuyển đổi, không phụ thuộc vào dạng điều biến, thậm chí đối với các tín hiệu có đủ điều kiện để điều biến pha. Ví dụ, thiết bị này có thể điều khiển các dạng tín hiệu CS-RZ hoặc tín hiệu nhị phân kép, mà gần đây nó được nghiên cứu để truyền dẫn ở tốc độ 40 Gbit/s hoặc hơn. Một ưu điểm khác của QPM-LN đó là nhiễu rất ít được kết hợp với tín hiệu quang trong suốt quá trình chuyển đổi bước sóng.
Tại băng tần 1.55 µm chuyển đổi bước sóng yêu cầu ánh sáng nguồn 0.78µm để làm ánh sáng bơm. Tuy nhiên, một số laser diode tự phát ra một bước sóng đơn trong băng tần này. Ngoài ra, các ống dẫn sóng là đơn mode tại băng tần 1.55 µm và đa mode tại 0.78µm. Điều này gây khó khăn để thu được một dòng bơm ngoài trong các mode cơ bản. Tuy nhiên, nó có thể sử dụng nguồn ánh sáng 1.55µm như ánh sáng bơm ngoài với lược đồ phân tầng, mà chuyển đổi từ ánh sáng 1.55µm thành ánh sáng bơm ngoài 0.78µm trong ống dẫn sóng SHG (Second Harnomic Generation). Chuyển đổi bước sóng giữa ánh sáng ngoài và ánh sáng tín hiệu thu được bởi DFG. Trong SHG, bước sóng của ánh sáng bơm (1.55µm) trùng với bước sóng suy hao khi mà bước sóng tín hiệu và bước sóng đã bị chuyển đổi trở nên giống nhau trong quá trình DFG. Do đó, điều kiện QPM để tiến trình SHG và DFG đồng thời thỏa mãn các chu kì tuần tự giông nhau, vì vậy mà ánh sáng bơm ngoài sinh ra bởi SHG và bước sóng chuyển đổi bởi DFG có thể thu được trong ống dẫn sóng giống nhau.
Tiếp theo, chúng ta tính toán hiệu suất chuyển đổi bước sóng. Nếu sự suy giảm của ánh sáng bơm trong tiến trình DFG là không đáng kể (tương ứng với tín hiệu nhỏ), sau đó công suất chuyển đổi của ánh sáng chuyển đổi P3 được đưa vào phương trình 4, công suất của ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm là P1 và P2
P3= ηL2P1P2/100 (4)
khi η đặc trưng cho hiệu suất chuyển đổi trên một đơn vị chiều dài và thường được biểu diễn theo đơn vị %/W/cm2. Hiệu suất tổng cuả thiết bị là ηL2 cải thiện bằng bình phương chiều dài ống dẫn sóng và đơn vị là %/W.
Nếu chúng ta thừa nhận rằng sự suy giảm bước sóng chuyển đổi của bước sóng gốc không tính đến (tín hiệu nhỏ), sau đó công suất của ánh sáng SH P2 bị giới hạn bởi công suất của bước sóng gốc P4
P2 =ηL2P42/100 (5)
Theo nguyên lí hiệu suất của SHG giống như DFG. Do đó, dễ dàng hơn để đo hiệu suất chuyển đổi của SHG được sử dụng để đánh giá hiệu suất chuyển đổi của thiết bị.
Trong cấu trúc nối tầng, sinh ra bước sóng bơm bằng SHG và chuyển đổi bước sóng bằng DFG cùng hoàn thành như ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm ngoài vào ống dẫn sóng, vì vậy mà hiệu suất chuyển đổi không thể được nói trước theo phương trình 4 và 5. Tuy nhiên vì ánh sáng bơm ngoài xấp xỉ bình phương công suất ánh sáng ngoài, tăng công suất của ánh sáng chuyển đổi bằng cấu trúc nối tầng xấp xỉ tương ứng với bình phương của công suất ánh sáng bơm.
Xấp xỉ hiệu suất của tiến trình DFG và SHG chỉ hợp lí khi mà trong vùng công suất thấp, khi mà sự suy giảm của ánh sáng bơm là không đáng kể. Với ánh sáng bơm mạnh, để tốc độ chuyển đổi cao tại điểm tìm thấy sự suy giảm của ánh sáng bơm, bão hòa công suất ánh sáng đã chuyển đổi, vì vậy mà hiệu suất không theo phương trình 4 và 5.
4.4.3 Công nghệ chế tạo ống dẫn sóng QPM-LN
Cấu trúc một QPM có thể tạo thành trên vật liệu chứa sắt như LiNbO3 bằng cách tự phân cực một cách định kì. LiNbO3 mà có cùng cấu trúc như vậy được gọi là PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate:). Nhiều phương pháp đã được sử dụng để chế tạo cấu truc như vậy. Trong những năm gần đây,một phương pháp đã chứng minh ứng dụng trực tiếp của trường điện trên cơ sở sử dụng sự thay đổi một cách định kì của các điện cực. Phương pháp này có đủ khả năng để hình thành cấu trúc phân cực định kì qua toàn bộ bề mặt ngoài rất mỏng tầm 3 inch. Việc cố gắng tìm kiếm nhiều loại chất nền LN để thu được thiết bị có hiệu năng sử dụng tốt nhất và tiếp tục hình thành cấu trúc phân cực qua bề mặt LN với các chất xúc tác Mg, Zn.Điều này đã chứng tỏ để thu được phương