Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của chuyển mạch SMZ

CHƯƠNG 2: PHÁT TRIỂN CHUYỂN MẠCH SMZ VỚI COUPLER ĐẦU RA KHÔNG ĐỐI XỨNG VÀ XUNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT KHÁC NHAU Ở

2.3 CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG CỰC NHANH MACH-ZEHNDER ĐỐI XỨNG (SMZ)

2.3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của chuyển mạch SMZ

Cấu trúc của chuyển mạch SMZ thông thường bao gồm một giao thoa có hai nhánh, hai SOA và một số các coupler 3dB, đường dây trễ quang (FDL- Fiber Delay Lines), bộ phân cực (Pol- Polarizer) và bộ chia tia phân cực (PBS- Polarisation beam splitter) như trên hình 2.9 [19], [42]. Bộ phân cực Pol để phân biệt các xung điều khiển CP và các xung tín hiệu. FDL sử dụng để điều chỉnh vị trí xung tín hiệu nằm ở giữa cửa sổ chuyển mạch SMZ. PBS để tách các tín hiệu điều khiển và tín hiệu dữ liệu ở cổng ra của chuyển mạch SMZ [19], [42].

Tín hiệu dữ liệu đầu vào được đưa vào đầu vào chuyển mạch SMZ qua coupler 3dB đầu vào, đưa ra dịch pha /2 giữa các tín hiệu chia ở nhánh trên và nhánh dưới.

Khi không có các xung điều khiển (CP1 và CP2), chuyển mạch SMZ ở trạng thái cân bằng và các tín hiệu sẽ được khuếch đại và dịch pha như nhau bởi các SOA, được kết hợp tại couler 3dB đầu ra và xuất hiện ở cổng ra 2 (OP2- OutPut 2) trong khi cổng ra 1 (OP1- OutPut 1) không có tín hiệu. Do các tín hiệu cùng pha và ngược pha tương ứng ở cổng ra OP2 và OP1, khi các tín hiệu ở nhánh trên và nhánh dưới nhận dịch pha /2 khi mà chúng đi chéo qua couler 3dB đầu ra đến cổng OP2 và OP1, trong khi không có dịch pha giữa các tín hiệu thì sẽ đi qua couler 3dB đầu ra đến cổng OP1 và OP2.

Hình 2.9: Cấu trúc của chuyển mạch SMZ thông thường

Trong chế độ chuyển mạch cả hai đặc tính khuếch đại và pha của SOA1 và SOA2 sẽ bị thay đổi nhờ đưa tương ứng CP1 và CP2 (trễ một chu kỳ SW, TSW) vào các coupler, như trên hình 2.3c. Kết quả làm cho SOA ở trạng thái mất cân bằng trong khoảng thời gian TSW và do đó tín hiệu dữ liệu sẽ xuất hiện ở OP1 mà không có tín hiệu ở OP2. Hệ số khuếch đại cửa sổ chuyển mạch SW1 và SW2 tương ứng của OP1 và OP2 được tính như sau [95]:

 

1 1 2 1 2 12

( ) 1 ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( )

SW t 8G t G t  G t G t cos  t , (2.10)

 

1 1 2 1 2 12

( ) 1 ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( )

SW t 8G t G t  G t G t cos  t , (2.11)

1 12

2

( )

( ) 1 ln

2 LEF ( )

t G t

  G t 

    

  (2.12) trong đó, G1(t) và G2(t) là mặt cắt khuếch đại thời gian của SOA1 và SOA2, 𝛼𝐿𝐸𝐹 là hệ số mở rộng vạch phổ và 12=1-2 là dịch pha (sai pha) giữa G1(t) và G2(t).

Giả thiết CP1 đưa đến SOA1 trước so với CP2 đưa đến SOA2, như trên hình 2.9. Hệ số khuếch đại SOA có thể được xác định bởi tổng hạt mang theo chiều dài z của CP khi truyền dọc theo SOA như sau [95b]:

1

0

( ) exp ,

LSOA

d

g

G t g z t z dz

V

   

       , (2.13)

2

0

( ) exp ,

LSOA

d SW

g

G t g z t T z dz

V

   

         (2.14) trong đó Vg là vận tốc nhóm, và z/Vg là số gia thời gian theo chiều z.

Khảo sát mặt cắt khuếch đại thời gian G1(t) và G2(t) trong chuyển mạch SMZ bằng phương pháp tính toán theo biểu thức (2.1)-(2.5) với các tham số SOA cho trong bảng 2.2 và chuyển mạch SMZ có công suất (đỉnh) CP, PCP= 14,5 dBm. Các tham số thiết lập này được chọn dựa trên các công bố của các tác giả trong [42] về phân tích hiệu năng BER của nút OTDM sử dụng chuyển mạch SMZ thông thường và công bố của các tác giả trong [85] về xây dựng mô hình mô phỏng SOA (để khảo sát bão hòa khuếch đại, nén xung và chuyển đổi bước sóng).

Bảng 2.2: Các tham số của SOA cho tính toán mặt cắt khuếch đại.

Các tham số Giá trị

Mật độ hạt tại điểm truyền qua- N0

Mật độ hạt mang ban đầu -Ni

Suy hao tán xạ ống dẫn sóng - α Hệ số khuếch đại vi phân - Ag

Số phân đoạn

Chiều dài SOA- 𝐿𝑆𝑂𝐴 Chiều rộng SOA- 𝑊𝑆𝑂𝐴 Chiều cao SOA- 𝐻𝑆𝑂𝐴

1,4×1024 m-3 3×1024 m-3 40×102 m-1 2,78×10-20 m2 200

500×10-6 m 3×10-6 m 8×10-8 m

Hệ số giam hãm - 

Hệ số tái kết hợp bề mặt và khiếm khuyết - RA

Hệ số tái kết hợp phát xạ - RB

Hệ số tái kết hợp Auger - RC

Dòng định thiên DC- Ip

0,2

1,43×108 s-1 1×10-16 m3/s 3×10-41 m6/s 0,15 A

Hình 2.10 biểu thị mặt cắt hệ số khuếch đại thời gian G1(t) và G2(t) với PCP1=PCP2=14,5 dBm và TSW=12,5 ps. Với CP1 đưa vào SOA1, G1 nhảy xuống mức bão hòa 21,57 dB. Tuy nhiên, G1 bắt đầu hồi phục trở lại mức không bão hòa 22,42 dB ngay khi CP1 không đưa vào SOA1. Quá trình hồi phục khuếch đại xẩy ra khoảng một vài trăm ps, phụ thuộc vào đặc tính SOA và giá trị PCP1 [5], [105]. Sau khi trễ một khoảng thời gian TSW, CP2 được đưa vào SOA2 để thay đổi mặt cắt khuếch đại G2 tương tự như trong SOA1. G2 hoàn toàn giống như G1 nhưng bị trễ đi một khoảng thời gian TSW. Do đó, có một mức khác nhau giữa G1 và G2 trong vùng hồi phục. Độ lệch hệ số khuếch đại này sẽ gây ra hệ số khuếch đại dư ở ngoài cửa sổ chuyển mạch SW1 trong biểu thức (2.10) do lệch (sai pha) pha khác không, do đó dẫn đến kết quả là xuyên âm dư ngoài cửa sổ chuyển mạch SW1 (bằng TSW).

Hình 2.10: Các mặt cắt khuếch đại theo thời gian của SOA1 và SOA2 trong chuyển mạch SMZ với TSW= 12,5ps.