sở 2x2; (b) hệ chuyển mạch 4x4, nối tầng 16 phần tử chuyển mạch cơ sở.
Trong hệ chuyển mạch này, tuỳ theo cỏc yờu cầu vào ra mà cỏc đường tớn hiệu cú thể cú độ dài (số tầng chuyển mạch tớn hiệu đi qua) khỏc nhau, ngắn nhất là 1 và dài nhất là 2.NM-1. Ngoài ra, do chuyển mạch quang ở đõy là chuyển mạch tương tự và việc tỏi tạo lại tớn hiệu khụng được thực hiện nờn suy hao, ồn nhiễu của tớn hiệu khi qua cỏc tầng được tớch luỹ. Bởi vậy, kớch thước của hệ chuyển mạch sẽ bị giới hạn. Để khắc phục nhược điểm này, yờu cầu cỏc đường tớn hiệu ngắn tới mức yờu cầu, nờn sẽ sử dụng cấu trỳc trường chuyển mạch chỉ với một tầng cỏc cổng SOA.
2.4.4.2 Cấu trỳc lựa chọn và quảng bỏ (BAS) đơn tầng
Hệ chuyển mạch lựa chọn và quảng bỏ cổ điển dựa trờn một phần tử thụ động chọn một bước súng từ tớn hiệu tổng NM tớn hiệu thành phần (tớn hiệu tổng
lối vào gồm N tớn hiệu WDM, mỗi tớn hiệu ghộp M bước súng) và chuyển chỳng tới một hoặc cỏc lối ra (trong NM lối ra) yờu cầu. Hệ chuyển mạch lựa chọn và quảng bỏ cú khả năng thực hiện cỏc kết nối điểm-điểm hoặc quảng bỏ tới cỏc lối ra khỏc nhau. Nhược điểm của hệ chuyển mạch này là tớn hiệu suy giảm nhiều khi đi qua cỏc bộ chia, giảm chất lượng tớn hiệu. Hỡnh vẽ 2.29 dưới đõy chỉ ra hai cấu trỳc hệ chuyển mạch quang cú thể thựcthi trong cỏc node mạng lừi OBS. Node mạng cú N sợi vào ra, mỗi sợi truyền M bước súng. Cỏc hệ này là cỏc hệ
chuyển mạch chựm quang khụng nghẽn tuyệt đối và cú khả năng chuyển mạch quảng bỏ. Để xõy dựng một hệ yờu cầu phải sử dụng N2M bộ SOA.
Hỡnh 2.29 Cấu trỳc trường chuyển mạch trong node mạng lừi OBS. (a) node mạng lựa chọn và quảng bỏ BAS; (b) node mạng điều chỉnh và lựa chọn TAS.
Trong node mạng cú trường chuyển mạch quang BAS, cỏc module chuyển mạch quang được xõy dựng từ cỏc cổng SOA và cỏc bộ lọc cú thể lựa chọn bước súng để chọn lấy một bước súng mong muốn. Đối với node mạng cú kớch thước
N sợi vào ra, mỗi sợi truyền M tớn hiệu, tớn hiệu tổng lối vào cú thể được chia
nhỏ thành NM thành phần. Cỏc tớn hiệu được đưa tới cỏc cổng SOA, trờn cơ sở tớn hiệu điều khiển mà bộ điều khiển sẽ đúng hoặc mở cỏc cổng SOA để tớn hiệu đi qua. Sau đú bộ lọc cú thể điều chỉnh được sẽ lựa chọn bước súng cần thiết và chuyển tới một bộ chuyển đổi bước súng với lối vào cú thể điều chỉnh, lối ra cố định. Bộ chuyển đổi này sẽ cho tớn hiệu lối ra cú bước súng mong muốn. Cũng giống như cỏc bộ SOA, cỏc bộ lọc NM cũng phải cú thời gian điều chỉnh nhỏ
hơn 1 μs. Cuối cựng cỏc tớn hiệu này sẽ được ghộp kờnh chuyển tới cỏc sợi lối ra tương ứng [5].
Trong cấu trỳc node mạng sử dụng chuyển mạch quang TAS, cỏc module chuyển mạch quang là cỏc bộ chuyển đổi bước súng cú thể điều chỉnh và cỏc cổng SOA. Cỏc bộ chuyển đổi bước súng cú thể điều chỉnh sẽ được đặt trước cỏc cổng SOA (hỡnh 2.29 b). Tớn hiệu lối vào được phõn kờnh thành cỏc bước súng thành phần và cỏc chựm dữ liệu được chuyển đổi tới bước súng lối ra mong muốn nhờ cỏc bộ chuyển đổi bước súng cú thể điều chỉnh được. Với cấu trỳc BAS, tớn hiệu được chia nhỏ thành cỏc tớn hiệu thành phần và được chuyển tới tất cả cỏc lối ra. Cỏc chựm dữ liệu được đưa tới lối ra mong muốn thụng qua điều khiển trạng thỏi đúng mở của cỏc cổng SOA. Tại lối ra của node mạng, cỏc tớn hiệu được đưa tới một lối ra sẽ được tập hợp, ghộp kờnh lại. Như vậy, với mỗi node mạng N sợi vào ra, mỗi sợi truyền M bước súng sẽ cần sử dụng N2M
cổng SOA và NM bộ chuyển đổi bước súng cú thể điều chỉnh được, với thời
gian điều chỉnh nhỏ hơn 1 μs.
Như vậy cả hai cấu trỳc chuyển mạch quang này đều yờu cầu sử dụng cỏc bộ chuyển đổi bước súng. Trong cấu trỳc BAS bộ phỏt lối ra cú bước súng phỏt ra khụng đổi, nhưng lại yờu cầu cỏc bộ chia quang cú thể điều chỉnh để lựa chọn bước súng mong muốn với thời gian điều chỉnh yờu cầu nhỏ hơn 1μs. Cỏc bộ lọc quang õm với thời gian điều chỉnh trong dải 10μs là khụng thể sử dụng, cỏc bộ lọc quang điện LiNbO3 điều chỉnh nhanh cũn đang nghiờn cứu phỏt triển. Trong cấu trỳc TAS, bước súng lối ra của cỏc bộ chuyển đổi bước súng là cú thể điều chỉnh. Để thực thi, yờu cầu cỏc laser phỏt quang với bước súng phỏt cú thể điều chỉnh được với thời gian điều chỉnh nhỏ hơn 1 μs đó được giới thiệu trong phần II.4.1.1.
2.5. Cỏc cổng On/Off khuếch đại quang bỏn dẫn SOA
2.5.1. Nguyờn lý hoạt động của cỏc cổng chuyển mạch
Cỏch đơn giản nhất để thực hiện một chuyển mạch quang sử dụng cỏc cổng SOA là vận dụng đặc tớnh khuếch đại phụ thuộc dũng phõn cực hoặc cụng suất tớn hiệu lối vào. Tớn hiệu điều khiển cỏc cổng SOA ở đõy cú thể sử dụng điều khiển bằng tớn hiệu quang hoặc tớn hiệu điện. Đối với trường hợp điều khiển bằng tớn hiệu điện, trạng thỏi cổng sẽ đúng mở tuỳ theo sự biến đổi của dũng điện phõn cực đặt lờn bộ khuếch đại. Tớn hiệu quang lối vào sẽ đi qua cổng
(trạng thỏi on) nếu dũng phõn cực đủ lớn và sẽ khụng thể đi qua (trạng thỏi off) nếu giỏ trị dũng điện này là thấp. Đối với phương thức điều khiển quang, một tớn hiệu quang điều chế theo cường độ được đưa vào bộ khuếch đại SOA (hỡnh 2.30). Bước súng tớn hiệu điều khiển và bước súng tớn hiệu dữ liệu phải khỏc nhau. Hệ số khuếch đại của SOA được điều khiển bởi cụng suất tớn hiệu quang. Khi mức cụng suất lối vào thấp thỡ hệ số khuếch đại là cao (cổng mở „on‟) và mức cụng suất điều khiển cao dẫn tới cỏc bộ SOA rơi vào trạng thỏi bóo hồ (cổng đúng „off‟).
Đối với trường hợp điều khiển bằng tớn hiệu quang sẽ cho tốc độ chuyển mạch nhanh hơn (cỡ ps) so với sử dụng tớn hiệu điện (cỡ ns). Song trường hợp điều khiển bằng tớn hiệu điện lại cho ta tỉ số đúng/mở cao hơn so với điều khiển bằng tớn hiệu quang. Trong trường hợp bước súng lối vào nhỏ hoặc bằng khụng, miền hoạt động sẽ hấp thụ mạnh và tớn hiệu lối vào bị khoỏ, khụng thể đi qua bộ SOA. Tỉ số đúng/mở phụ thuộc vào bước súng tớn hiệu và tốc độ chuyển mạch yờu cầu.
Hỡnh 2.30 Nguyờn lý hoạt động cỏc cổng SOA. (a) điều khiển bằng tớn hiệu điện; (b) điều khiển bằng tớn hiệu quang. điện; (b) điều khiển bằng tớn hiệu quang.
Bước súng càng ngắn cho tỉ số phõn biệt đúng/mở càng cao. Với cỏc cổng SOA điều khiển bằng tớn hiệu điện, cú thể cho tỉ số đúng mở cao lờn tới hơn 40 dB và với tốc độ chuyển mạch cỡ vài chục ns. Hơn nữa, dũng phõn cực trong trường hợp điều khiển bằng tớn hiệu quang là hằng số và cú giỏ trị cao đối với cả hai trạng thỏi đúng mở. Do dũng phõn cực lớn nờn cụng suất tiờu thụ lớn và dẫn tới một số đặc điểm khụng phự hợp với cỏc yờu cầu của mạng OBS. Cỏc node mạng lừi OBS yờu cầu thời gian chuyển mạch trong dải ns và tỉ số đúng mở cao. Do đú cỏc cổng SOA được điều khiển bằng tớn hiệu điện trong trường hợp này sẽ đỏp ứng tốt hơn.
2.5.2. Cỏc yờu cầu chớnh
Ba lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của cỏc bộ SOA là: cỏc bộ khuếch đại, cổng on/off, và trong xử lý tớn hiệu trong miền quang. Tuỳ thuộc vào cỏc lĩnh vực sử dụng mà yờu cầu đối với cỏc bộ SOA cũng khỏc nhau. Với cỏc lĩnh vự khỏc nhau người ta sẽ thực hiện thiết kế tối ưu một số thụng số của nú, vớ dụ như để phục vụ mục đớch khuếch đại cỏc bộ SOA được đặc biệt quan tõm tới thụng số hệ số khuếch đại lớn, nhiễu nhỏ tới mức cú thể. Cỏc SOA được thiết kế cho xử lý trờn miền quang, yờu cầu tớnh phi tuyến được quan tõm, tăng độ dài của cỏc SOA sẽ dẫn tới cải thiện được hiệu ứng trộn bốn súng. Song nhiễu sẽ tăng khi khi độ dài của cỏc SOA tăng, sẽ khụng đạt được yờu cầu nếu sử dụng cho mục đớch khuếch đại và thực hiện cổng on/off trong mạng OBS. Do đú trong mạng OBS yờu cầu đặt ra đối với cỏc bộ SOA bao gồm:
Hệ số khuếch đại trung bỡnh. Hệ số khuếch đại yờu cầu với cỏc cổng SOA là khụng cao, chỉ cần đủ để bự lại phần cụng suất mất do đi vào node.
Nhiễu nền thấp. Hiện tượng bức xạ khuếch đại tự phỏt ASE (Amplified Spontaneous Emission) phải đạt được ở mức thấp nhất cú thể đối với tất cả cỏc ứng dụng. Nhiễu là một trong những nguyờn nhõn chớnh giới hạn kớch thước và khả năng nối tầng cỏc bộ SOA. Do đú để giảm nhiễu thỡ một yờu cầu tất yếu là giữ mức bức xạ ASE thấp.
Cụng suất vào/ra bóo hồ cao. Trong cỏc node mạng OBS, yờu cầu cụng suất vào ra của cổng SOA cao hơn so với trường hợp sử dụng SOA với mục đớch khuếch đại. Do đặc trưng vào ra khụng tuyến tớnh của cỏc cổng SOA, hệ số khuếch đại của bộ SOA sẽ giảm khi cụng suất vào lớn. Sự bóo hồ này dẫn tới mộo tớn hiệu và nhiễu xuyờn ký hiệu ISI, giảm hệ số phõn biệt trạng thỏi tại lối ra. Để trỏnh mộo tớn hiệu, yờu cầu cụng suất bóo hồ lối vào/lối ra Pin,sat/Pout,sat cao.
Dũng phõn cực và mức tiờu thụ thấp. Khi SOA được sử dụng như cổng on/off, chức năng khuếch đại được chuyển thành chức năng đúng mở tuỳ theo dũng điện phõn cực. Do đú, yờu cầu cỏc bộ SOA cú dũng phõn cực thấp để đảm bảo mức tiờu thụ cụng suất của nú ở mức thấp cú thể.
Băng thụng quang lớn, phổ khuếch đại phẳng. Yờu cầu băng thụng lớn và phổ khuếch đại trong băng thụng phẳng để đảm bảo hoạt động của nú khụng phụ thuộc vào bước súng tớn hiệu.
Độ nhạy phõn cực thấp. Bởi vỡ phõn cực của tớn hiệu quang ra từ sợi thường là ngẫu nhiờn và cỏc mode dẫn TE cú hệ số khuếch đại cao hơn so với mode dẫn TM nờn cỏc bộ SOA núi chung cú độ nhạy phõn cực lớn. Để loại bỏ hiện tượng này, người ta thực hiện sao cho cỏc thành phần TM được khuếch đại với hệ số lớn hơn.
Độ dịch tần thấp. Trong cỏc mạng xương sống, tớn hiệu sẽ được truyền trờn một khoảng cỏch dài, tốc độ cao. Để đỏp ứng được nhu cầu này, sợi quang sử dụng là sợi đơn mode chuẩn và tớn hiệu sau mỗi bộ SOA phải đảm bảo độ dịch tần gần như bằng khụng.
2.5.3. Sự phỏt triển của cụng nghệ SOA
a. Cỏc bộ SOA truyền thống
Bộ SOA truyền thống hoạt động trờn nguyờn lý laser bỏn dẫn nhưng khụng sử dụng cỏc gương phản xạ. Cỏc gương phản xạ được loại bỏ bằng cỏch phủ lờn một lớp chống phản xạ AR (Anti-Reflection) để đảm bảo khụng xảy ra phản xạ trong khoang cộng hưởng Fabry-Perot. Để khuếch đại tớn hiệu, mụi trường khuếch đại phải được đảo lộn mật độ, nghĩa là tốc độ bức xạ kớch thớch phải lớn hơn tốc độ hấp thụ kớch thớch. Trạng thỏi này đạt được bằng cỏch đưa vào một dũng điện phõn cực. Tớn hiệu được khuếch đại do cỏc bức xạ kớch thớch khi nú đi qua vựng dẫn kớch hoạt (đảo lộn mật độ). Quỏ trỡnh khuếch đại cũng sẽ sinh ra nhiễu do cỏc bức xạ tự kớch, do cỏc photon cú pha và hướng bất kỳ phỏt ra. Như đó đề cập trong phần trờn, cỏc cổng SOA yờu cầu cú phổ khuếch đại phẳng và dải thụng khuếch đại rộng. Cụ thể yờu cầu sử dụng bộ khuếch đại với độ gợn thấp (< dB) và băng thụng rộng (lờn tới 3 THz). Yờu cầu này cú thể được đỏp ứng nhờ thực thi cỏc kết cấu vật liệu phự hợp, cỏc cấu trỳc khối B-SOA (Bulk SOA), giếng lượng tử MQW-SOA (Multi Quantum Well SOA) và cỏc điểm lượng tử QD-SOA (Quantum Dots SOA).
Cỏc bộ khuếch đại bỏn dẫn cấu trỳc khối B-SOA. Cỏc bộ khuếch đại bỏn dẫn thành phẩm ngày nay khụng chỉ hoạt động ở cửa sổ bước súng 1550 và 1300 nm mà cũn đỏp ứng cho cỏc ứng dụng WDM băng rộng. Với khuếch đại cú thể lờn tới 20 dB, nhiễu <7dB và sự phụ thuộc phõn cực cú thể đạt
được nhỏ hơn 1dB. Cụng suất lối ra bóo hồ lớn nhất lờn tới 11dBm tương ứng dũng phõn cực 250 mA.
Núi chung cỏc B-SOA cũng cú thể cho mức cụng suất bào hoà lối ra cao hơn, lờn tới 17.6 dBm (tại bước súng 1565 nm) với dũng hoạt động 500 mA. Cỏc SOA này là cỏc bộ khuếch đại quang súng chạy TW (Travelling Wave), thực thi trờn vật liệu là InP độ dài tinh thể 1.5 mm. Thiết bị này được thiết kế dựa trờn cấu trỳc chuẩn khỏc, miền kớch hoạt cú độ dày 48 mm và rộng khoảng 3 μm. Gúc tạo bởi phần dẫn súng với trục tinh thể là khoảng 10 độ cho phộp suy giảm do kết nối với sợi quang và phản xạ bề mặt thấp, nờn sẽ bớt được cỏc thành phần tớn hiệu nhiễu. Ở nhiệt độ 20o C, bộ SOA cú hệ số khuếch đại lờn tới 17 dB, nhiễu thấp (nhỏ hơn 6 dB) và sai khỏc phõn cực là dưới 1dB. Suy hao mỗi ghộp nối là 1 dB cho mỗi ghộp nối [5].
Cỏc bộ khuếch đại quang bỏn dẫn cấu trỳc giếng lượng tử MQW-SOA. Cỏc bộ MQW-SOA được đề xuất về mặt lý thuyết để đạt được hệ số khuếch đại và cụng suất bóo hồ lối ra cao. Tuy nhiờn, nhược điểm chớnh của cỏc bộ này là cú độ nhạy phõn cực cao. Gần đõy, cỏc MQW-SOA cú độ nhạy phõn cực gần như được loại bỏ được thực thi bằng cỏch cõn bằng hệ số khuếch đại đối với cỏc mode truyền TE và TM. Việc giới hạn sự khỏc nhau hệ số khuếch đại giữa hai mode truyền TE/TM được thực hiện nhờ cỏc cụng nghệ chế tạo và tổng hợp vật liệu chế tạo, nhưng khi đú cụng suất bóo hồ lối ra sẽ giảm. Một vớ dụ đối với trường hợp bộ MQW-SOA sử dụng 16 giếng lượng tử InGaAsP/InGaAs sẽ cho hệ số khuếch đại cao (~27dB) và cụng suất bóo hồ lớn (~17 dB) tương ứng dũng phõn cực 240 mA và độ dài khoang cộng hưởng 700 μm. Độ nhạy phõn cực nhỏ hơn 1dB trờn băng thụng 85 nm.
Bộ khuếch đại quang bỏn dẫn với cấu trỳc cỏc điểm lượng tử QD-SOA. Cấu trỳc này được thực thi nhằm mục tiờu tăng cụng suất lối ra bằng cỏch bố trớ vào miền vật liệu tớch cực cỏc điểm lượng tử. Cỏc điểm lượng tử được thờm vào này cú thể giảm hệ số giam giữ trong miền tớch cực cũng như giảm sự sai khỏc về hệ số khuếch đại, do trạng thỏi mức mật độ là hoàn toàn rời rạc, kết quả là cụng suất bóo hồ sẽ cao. Mức cụng suất lối ra hữu ớch cao nhất hiện nay đạt được là 23 dBm. Hơn nữa, cỏc điểm lượng tử cũng cú thể làm tăng băng thụng của cỏc SOA và cụng suất bóo hồ. Thiết bị QD-SOA khả quan nhất hiện nay là cỏc bộ QD-SOA do Fujitsu sản xuất. Cỏc bộ này
cho khuếch đại lớn (>20 dB), cụng suất bóo hồ lối ra lớn (>19dBm) và dải thụng rộng nhất là 120 nm. Tuy nhiờn, nhược điểm của cỏc thiết bị này là yờu cầu dũng hoạt động lớn và thiết bị phụ thuộc vào phõn cực của tớn hiệu dữ liệu quang.
b. Cỏc bộ khuếch đại bỏn dẫn GC-SOA
Cỏc bộ GC-SOA cú thể làm tăng cụng suất phỏt lối ra và trỏnh được hiện tượng bóo hồ khuếch đại. Về cơ bản cỏc bộ GC-SOA được xõy dựng trờn cỏc bộ SOA truyền thống với hệ số khuếch đại được khống chế bởi một laser nội. Bộ GC-SOA cho phộp cụng suất bóo hồ lối vào cao hơn. Nguyờn lý hoạt động của cổng GC-SOA là sử dụng thờm một cơ chế bức xạ ỏnh sỏng trong bộ SOA để điều chỉnh sự khuếch đại của SOA, thực tế để ổn định hệ số khuếch đại thỡ phải duy trỡ mật độ hạt tại cỏc mức lượng tử là hằng số. Với cỏc bộ GC-SOA, tớn hiệu được ghộp nối sẽ được khuếch đại với một hệ số là hằng số nhất định và