Chương 2 Hệ thống chuyển mạch chựm quang
2.4. Thiết kế thựcthi lớp vật lý cỏc node mạng lừi OBS
2.4.1. Một số yờu cầu của OBS đối với mạng truyền dẫn quang
Để thực thi kỹ thuật OBS, mạng truyền dẫn quang WDM hoặc DWDM cần phải trang bị bổ xung thờm cỏc phần chức năng để hoàn thiện theo sơ đồ hỡnh 2.22. Dưới đõy là bốn khối cơ bản yờu cầu của một hệ thống OBS [6, 13].
Cỏc node biờn với cỏc laser điều chỉnh nhanh,
Cỏc bộ khuếch đại quang sợi EDFA trờn tuyến cũng như trờn cỏc node vào ra của cỏc noe mạng lừi OBS,
Cỏc trường chuyển mạch cú thể cấu hỡnh nhanh và cỏc bộ chuyển đổi bước súng kết hợp với cỏc laser điều chỉnh nhanh tại cỏc node mạng lừi,
Cỏc bộ thu hoạt động ở chế độ thu chựm dữ liệu tại cỏc node biờn ra.
Hỡnh 2.22 Cỏc liờn kết truyền dẫn quang trong mạng OBS (1) laser điều chỉnh nhanh, (2) bộ khuếch đại quang sợi, (3) cỏc node chuyển mạch quang nhanh và nhanh, (2) bộ khuếch đại quang sợi, (3) cỏc node chuyển mạch quang nhanh và
(4) bộ thu quang hoạt động chế độ thu chựm dữ liệu.
a. Cỏc bộ phỏt điều chỉnh nhanh
Bộ phỏt điều chỉnh nhanh là thành phần chủ chốt trong cỏc mạng OBS. Cỏc laser điều chỉnh nhanh được sử dụng trong cỏc phần định tuyến của node biờn, nú thực hiện tinh chỉnh bước súng phỏt ra theo bước súng sử dụng truyền chựm dữ liệu. Ngoài ra, cũn sử dụng kết hợp cỏc bộ chuyển đổi bước súng để giải quyết xung đột. Với mạng OBS, thời gian tinh chỉnh yờu cầu nằm trong khoảng cỡ μs. Cỏc phương phỏp điều chỉnh bước súng phỏt của laser bỏn dẫn bao gồm: thay đổi chiết suất mụi trường trong khoang cộng hưởng (thay đổi nhiệt độ hay dũng lối vào) hoặc thay đổi độ dài khoang cộng hưởng (về mặt cơ khớ, sử dụng hệ vi cơ điện tử MEMS). Do hằng số thời gian lớn, nờn cỏc hệ thống thường sử dụng phương phỏp điều chỉnh dũng điện lối vào để điều chỉnh bước súng lối ra.
Cỏc laser điều chỉnh nhanh cú thể được chia làm hai loại: đầu tiờn cũng là loại chiếm phần lớn là cỏc laser sử dụng nhiều tầng cỏc phần tử phản xạ Bragg phõn tỏn (DBR), theo cơ chế này thỡ bước súng phỏt được thay đổi theo dũng lối vào của hệ cỏch tử Bragg. Loại thứ hai là laser sử dụng khoang cộng hưởng ngoài (ECL). Trong cỏc phần tử đa tầng DBR, thời gian gần đõy đó phỏt triển laser cấu tạo gồm một bộ cỏch tử nối với phần tử phản xạ (GCSR). Trong laser GCSR, một phần tử phản xạ Bragg được thiết kế gồm một tập cỏc đỉnh răng lược, bằng cỏch chọn một đỉnh ta cú thể thực hiện điều chỉnh thụ giỏ trị của bước súng. Việc tinh chỉnh được thực hiện bằng cỏch thay đổi dũng điện đặt lờn khoang điều chỉnh pha. Hệ số tốc độ tinh chỉnh được xỏc định bởi tốc độ của vũng lặp điều khiển [5].
Một phương phỏp thực thi khỏc, sử dụng nhiều tầng DBR được gọi là laser DBR sử dụng cỏch tử mẫu (SGDBR). Về cấu trỳc, hệ được bổ xung thờm một hệ cỏch tử thứ hai với sắp xếp khỏc một chỳt. Kết quả thu được ta cú hai hệ răng lược với độ lệch nhất định. Chỉ cần một điều chỉnh nhỏ đối với cỏc hệ răng lược sẽ dẫn tới thay đổi bước súng cộng hưởng. Trong cỏc hệ DBR tiờu chuẩn, sự thay đổi về chỉ số chiết suất đạt được bằng cỏch thay đổi dũng lối vào của cỏc hệ cỏch tử trước, sau và phần pha. Hiện nay trờn thị trường, cỏc laser SGDBR được tớch hợp đơn khối bao gồm phần điều biến điện (EAM) và phần khuếch đại quang bỏn dẫn (SOA), cho tớn hiệu lối ra cú cụng suất lớn cũng như mức cụng suất ổn định đối với tất cả cỏc kờnh và với mức phỏt bằng khụng trong thời gian xử lý. Laser này cú thể thực hiện với tốc độ dữ liệu lờn tới 2.5 Gb/s. Một sơ đồ đơn giản của một bộ phỏt quang đa tầng gồm bốn tầng SGDBR được tớch hợp thờm một bộ khuếch đại bỏn dẫn và bộ điều chế được chỉ ra trong hỡnh 2.23 (a).
Hỡnh 2.23 Hai cấu trỳc đơn giản thực thi laser điều chỉnh nhanh. (a) Laser SGDBR tớch hợp đơn khối; (b) Laser với khoang cộng hưởng ngoài (ECL). SGDBR tớch hợp đơn khối; (b) Laser với khoang cộng hưởng ngoài (ECL).
Cỏc laser ECL, như trờn hỡnh 2.23 (b) sử dụng một đế laser chuẩn và một hoặc hai gương bờn ngoài để phản chiếu ỏnh sỏng trở lại khoang cộng hưởng. Để điều chỉnh bước súng lối ra, người ta sử dụng một hệ cỏch tử hoặc một hệ
cỏc gương nhỏ cú thể điều chỉnh theo yờu cầu để tạo ra bước súng mong muốn. Thực tế cỏc laser ECL sử dụng cỏc hệ cỏch tử nhiễu xạ và cỏc hệ phản xạ cú thể di chuyển được, sử dụng một hệ cỏch tử Bragg (SFBG) hoặc tớch hợp một mảng khuếch đại với một phần tử lựa chọn bước súng giống như bộ định tuyến AWG. Đối với cỏc laser khoang cộng hưởng ngoài SFBG, bước súng phỏt ra cú thể được điều chỉnh rất đơn giản, bằng cỏch thay đổi giỏ trị dũng điện. Cỏc laser ECL cú những đặc tớnh vượt trội như dải điều chỉnh rộng, mức cụng suất phỏt và độ đơn sắc của ỏnh sỏng phỏt cao, song vấn đề ở chỗ là độ tin cậy và tốc độ điều chỉnh thấp.
b. Bộ thu hoạt động chế độ thu chựm dữ liệu
Để thu nhận chựm dữ liệu tới, node biờn cần phải sử dụng cỏc bộ thu hoạt động chế độ chựm thay vỡ cỏc bộ thu thụng thường. Chỳng phải khụi phục lại tớn hiệu đồng hồ từ một phần nhỏ của chựm dữ liệu, và cần phải cú khả năng bự phần cụng suất thăng giỏng do cỏc đường truyền khỏc nhau. Ngày nay cỏc bộ thu chế độ chựm dữ liệu đó cú thể hoạt động với tốc độ thu cao (từ 10 Gbps đến 40 Gbps). Cỏc bộ thu hoạt động chế độ thu chựm dữ liệu phải cú khả năng đỏp ứng được: cỏc định dạng, độ dài, mức cụng suất khỏc nhau của cỏc chựm dữ liệu và sự thay đổi về khoảng cỏch giữa cỏc chựm dữ liệu.
c. Bộ khuếch đại quang sợi
Mạng thụng tin quang ngày nay sử dụng phổ biến cỏc bộ khuếch đại sợi quang pha tạp nguyờn tố đất hiếm Erbium (EDFA) để bự lại phần cụng suất suy hao trờn đường truyền. Cỏc bộ EDFA hoạt động trong miền bóo hồ khuếch đại. Khi cụng suất lối vào tăng, hệ số khuếch đại của cỏc bộ EDFA sẽ giảm do cỏc bức xạ kớch thớch tăng. Khi ở miền bóo hồ, cụng suất tớn hiệu lối ra là ổn định và độc lập với cụng suất lối vào. Ánh sỏng được điều chế theo cường độ ở tốc độ dữ liệu cao sẽ được cỏc bộ khuếch đại phỏt ra với mức cụng suất ổn định. Do đú, cỏc bộ EDFA với nhiều tớn hiệu WDM lối vào cú thể bỏ qua xuyờn õm giữa cỏc bit. Vấn đề sẽ hoàn toàn khỏc nếu cỏc bộ EDFA được sử dụng trong mạng OBS như là cỏc bộ khuếch đại đường hay cỏc bộ khuếch đại vào/ra của cỏc node mạng lừi. Mạng OBS khụng chỉ cỏc kờnh trong sợi thay đổi ngẫu nhiờn giống như chuyển mạch bước súng động mà cụng suất mỗi kờnh đơn cũn cú thể khụng là hằng số. Nú thay đổi theo tỷ lệ thời gian tương ứng với độ dài chựm dữ liệu và khoảng trống giữa cỏc chựm dữ liệu. Tớn hiệu quang được phỏt qua một chuỗi
cỏc bộ EDFA cho phộp thực hiện thay đổi động hệ số khuếch đại theo sự thay đổi cụng suất tớn hiệu lối vào. Sự thay đổi hệ số khuếch đại trờn băng tần khuếch đại sẽ đỏp ứng sự thay đổi hệ số khuếch đại và tỉ số tớn trờn tạp (SNR) của cỏc kờnh trong miền quang. Cỏc bộ EDFA với hệ số khuếch đại, cụng suất lối ra cú thể điều khiển là cần thiết để tối ưu tỉ số SNR và quản lý cỏc hiệu ứng, tương tỏc phi tuyến. Do yờu cầu thời gian đỏp ứng nhanh nờn việc điều khiển khuếch đại nhanh cũng là một trong những vấn đề thiết yếu trong cỏc mạng WDM sử dụng nhiều tầng khuếch đại EDFA. Đặc biệt trong cỏc mạng OBS, sự ổn định hệ số khuếch đại của cỏc bộ EDFA yờu cầu thời gian đỏp ứng cỡ μs [5].
Trong cỏc mạng OBS, ổn định hệ số khuếch đại cỏc bộ EDFA nhanh là một trong những yờu cầu quan trọng. Cú hai phương phỏp cơ bản để ổn định hệ số khuếch đại của cỏc bộ khuếch đại đú là phương phỏp ổn định bằng cỏch điều chỉnh cụng suất tớn hiệu bơm và điều chỉnh bằng cỏch sử dụng thờm một tớn hiệu trong cựng băng khuếch đại.
Điều khiển khuếch đại bằng cỏch điều chỉnh cụng suất tớn hiệu bơm. Việc điều khiển cụng suất tớn hiệu bơm cú thể dựa trờn tớn hiệu tới hoặc tớn hiệu thụng qua vũng lặp phản hồi. Trong lược đồ sử dụng tớn hiệu tới để điều chỉnh cụng suất tớn hiệu bơm, cần thiết phải tiến hành đo cụng suất tớn hiệu lối vào. Cụng suất bơm sẽ được điều chỉnh để đảm bảo hệ số khuếch đại khụng đổi sử dụng cụng suất tớn hiệu lối vào và dựa trờn đặc trưng tĩnh của bộ khuếch đại. Trờn hỡnh 2.23 (a) chỉ ra sơ đồ bộ khuếch đại EDFA cú thể điều khiển được hệ số khuếch đại. Tớn hiệu lối vào được tỏch ra một phần nhỏ để đưa tới một mạch điều khiển cụng suất bơm. Dựa trờn cụng suất tớn hiệu lối vào, mạch này sẽ điều chỉnh cụng suất bơm sao cho tớn hiệu khuếch đại lối ra là hằng số. Nhược điểm của lược đồ này là phần cứng phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc trưng của bộ khuếch đại, điều kiện mụi trường.
Hỡnh 2.24 Điều khiển khuếch đại bằng phương phỏp điều chỉnh cụng suất bơm. (a) dựa trờn tớn hiệu tới (b) dựa trờn tớn hiệu qua vũng lặp phản hồi.
Đối với lược đồ điều khiển khuếch đại sử dụng vũng lặp phản hồi (hỡnh 2.24 b), hệ số khuếch đại hoặc một số thụng số tỉ lệ sẽ được đo liờn tục và cụng suất bơm sẽ được điều chỉnh cho giỏ trị lối ra mong muốn dựa trờn giỏ trị đo được này. Hệ thực thi trờn hỡnh 2.24 (b) bao gồm một bộ EDFA với bước súng bơm 980 nm và sử dụng một tớn hiệu dũ probe đưa tới lối vào của bộ khuếch đại và được đo tại lối ra. Tớn hiệu dũ probe yờu cầu nằm ngoài cửa sổ của tớn hiệu truyền dẫn WDM. Cỏc phộp xử lý được thực hiện trờn tớn hiệu này và dựa trờn kết quả thu được để điều khiển tớn hiệu bơm đảm bảo ổn định khuếch đại trong cỏc bộ EDFA.
Một phương phỏp ổn định cỏc bộ EDFA thứ hai là sử dụng thờm một tớn hiệu quang nằm trong dải khuếch đại của bộ EDFA để điều khiển mức độ bóo hồ, do đú sẽ điều chỉnh được bộ khuếch đại. Để điều khiển được cụng suất kờnh tớn hiệu điều khiển phụ trợ này cú thể đạt được bằng cỏch điều khiển dũng điện như đó trỡnh bày ở trờn hoặc bằng cỏch sử dụng một tớn hiệu điều khiển phản hồi để thiết lập mức cụng suất tớn hiệu điều khiển phụ trợ tương ứng thay đổi theo mức cụng suất tớn hiệu lối vào. Tớn hiệu phản hồi cú thể thực thi trờn miền điện hoặc trờn miền tồn quang như đó được trỡnh bày trong phần trước. Nếu khuếch đại đối với kờnh tớn hiệu điều khiển phụ trợ bằng khuếch đại tớn hiệu dữ liệu thỡ phương phỏp điều khiển này sẽ giữ mức cụng suất tớn hiệu quang lối vào luụn là hằng số. Trong trường hợp đú, phương phỏp này cú thể được sử dụng để ổn định toàn bộ cỏc tầng khuếch đại trờn tuyến truyền dẫn.
Trong hệ chuyển mạch chựm quang, đặc tớnh động của cỏc bộ EDFA đó được nghiờn cứu chi tiết. Cỏc thớ nghiệm và mụ hỡnh mụ phỏng sử dụng để tớnh toỏn cỏc đỏp ứng tức thời cỏc bộ EDFA đó được thực hiện đối với một bộ EDFA đơn cũng như cỏc bộ nối tầng EDFA [5].