CHƯƠNG 2: PHÁT TRIỂN CHUYỂN MẠCH SMZ VỚI COUPLER ĐẦU RA KHÔNG ĐỐI XỨNG VÀ XUNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT KHÁC NHAU Ở
2.1 CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG CỰC NHANH
Các chuyển mạch toàn quang cực nhanh (UF-OSW) là một trong những phần tử quan trọng trong các nút chuyển mạch gói toàn quang trong tương lai, với các chức năng chuyển mạch gói, đồng bộ gói toàn quang và xử lý tín hiệu quang cực nhanh như nhận dạng mào đầu, tái tạo và chuyển đổi bước sóng.
Chuyển mạch toàn quang dựa trên các hiệu ứng quang phi tuyến trong SOA áp dụng điều chế pha chéo (XPM). Ưu điểm của loại chuyển mạch này là tính ổn định cao và thời gian đáp ứng rất nhanh nên có khả năng xử lý tín hiệu cực nhanh.
2Một phần nội dung của Chương 2 đã được công bố trên tạp chí Tạp chí nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự - Viện khoa học Công nghệ và Quân sự [J4].
Tất cả các chuyển mạch như bộ giao thoa phi tuyến cực nhanh (UNI) [87], bộ tách không đối xứng quang Terahert (TOAD) [64], [99], và bộ giao thoa Mach- Zehnder (MZI) [60], [79], [114] dựa trên hiệu ứng điều chế pha chéo (XPM) của SOA, để làm lệch pha tín hiệu trong bộ giao thoa dẫn đến làm chuyển mạch tín hiệu.
2.1.1 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa trên UNI
Cấu trúc cơ bản của UNI như minh họa trên hình 2.1. Tín hiệu đầu vào (xung biểu thị mầu xanh) UNI sẽ được chia thành hai thành phần phân cực trực giao nhờ bộ cách li quang nhạy phân cực (PSI- Polarisation Sentitive optical Isolator) [10]. Trễ thời gian được tạo ra giữa hai thành phần này khi chúng được truyền qua một sợi chiết quang duy trì phân cực (BRF- Birefringent Fiber), do chiết xuất trong BRF đối với hai thành phần xung quang phân cực trực giao là hoàn toàn khác nhau [102]. Thời gian trễ được xác định bởi chiều dài và đặc tính của BRF. Khi xung điều khiển (CP- Control Pulse) công suất cao được bơm vào giữa hai tín hiệu phân cực trực giao trước khi đưa vào SOA, tạo ra dịch pha giữa hai tín hiệu phân cực này. Các phân cực tín hiệu sẽ bị quay do dịch pha khác nhau [34].
Kết quả, sau khi truyền qua BRF thứ hai thì hai tín hiệu phân cực khác nhau được kết hợp và được PSI thứ hai tách ra. Ở đầu ra, tín hiệu CP được loại bỏ hoàn toàn nhờ một bộ lọc quang (BPF- BandPass Filter). Như vậy, khi có mặt CP tín hiệu đầu vào sẽ được đưa đến cổng đầu ra.
Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của UNI [10].
2.1.2 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa trên TOAD
Các chuyển mạch gương vòng phi tuyến quang (NOLM- Nonlinear Optical Loop Mirror) được đề xuất lần đầu tiên năm 1988 [88]. Cửa sổ chuyển mạch (SW- Switching Window) cho NOLM được tạo ra rất hẹp (< 0,7ps), do đó các chuyển mạch
NOLM có thể chuyển mạch rất nhanh. Tuy nhiên, do NOLM chỉ phụ thuộc vào tương tác phi tuyến yếu trong sợi nên nó yêu cầu các xung điều khiển có công suất cao và chiều dài sợi lớn (> 100m) để đảm bảo dịch pha. Mặc dù NOLM có thời gian chuyển mạch rất nhanh nhưng không được thương mại hóa do khả năng tích hợp kém. Năm 1993, các chuyển mạch TOAD được đề xuất để cải thiện khả năng tích hợp [66], [122]. TOAD bao gồm một vòng sợi, hai coupler 3 dB, một SOA, một bộ quay vòng một chiều quang và hai bộ lọc quang như trên hình 2.2.
Hình 2.2: Chuyển mạch quang cực nhanh TOAD [80].
Tín hiệu đầu vào được chia làm hai phần với hướng truyền khác nhau: cùng chiều kim đồng hồ (CW- ClockWise) và ngược chiều kim đồng hồ (CCW- Counter ClockWise). Khi không có CP, cả hai tín hiệu CW và CCW đều có pha giống nhau và kết hợp tại coupler 3dB và tín hiệu xuất hiện ở cổng phản xạ. Khi có tín hiệu CP, tín hiệu CW và CCW sẽ có dịch pha khác nhau do đó tín hiệu đưa ra ở cổng đầu ra.
Độ rộng cửa sổ chuyển mạch TOAD được xác định bởi vị trí của SOA trong vòng sợi. Tín hiệu CP được loại bỏ hoàn toàn nhờ các bộ lọc quang ở các cổng đầu ra và cổng phản xạ.
2.1.3 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa trên MZI
Bộ giao thoa Mach- Zehnder (MZI) được đề xuất lần đầu tiên năm 1993 [97].
Nói chung có hai loại cấu trúc MZI chính là: bộ Mach-Zehnder xung va chạm (CPMZ- Colliding-Pulse Mach- Zehnder) và SMZ, tương ứng như trên hình 2.3(a) và hình 2.3(b).
Hình 2.3: Chuyển mạch quang cực nhanh MZI:(a) CPMZ, (b) SMZ và (c) Cửa sổ chuyển mạch MZI [80].
Về cơ bản, MZI gồm hai nhánh ống dẫn sóng quang với hai SOA và một số coupler 3 dB [118]. Tín hiệu vào được chia thành nhánh dưới và nhánh trên. Khi không có xung điều khiển CP, tín hiệu ở hai nhánh có pha giống nhau sẽ kết hợp tại coupler 3 dB đầu ra (coupler 4) và tín hiệu chuyển đến cổng ra 2. Khi có xung điều
khiển đưa vào hai nhánh ở thời điểm khác nhau, tín hiệu ở hai nhánh sẽ bị dịch pha khác nhau do đó sẽ xuất hiện ở cổng ra 1. Hình 2.3 (c) đưa ra một cửa sổ chuyển mạch được tạo bởi các xung điều khiển CP, độ rộng của cửa sổ chuyển mạch (TSW) bằng thời gian trễ giữa CP1 và CP2 (Tdelay). Tín hiệu đầu vào trong cửa sổ chuyển mạch sẽ được chuyển đến cổng ra 1.
Trong SMZ, tín hiệu vào và xung điều khiển truyền cùng chiều, do đó bắt buộc phải thêm các bộ lọc đầu ra để tách tín hiệu và xung điều khiển CP. Trong CPMZ, tín hiệu vào và xung điều khiển truyền ngược chiều nhau, nên không yêu cầu các bộ lọc đầu ra. Tuy nhiên, với CPMZ các ảnh hưởng theo chiều dài của SOA làm hạn chế tốc độ SOA và thêm vào các ràng buộc với hoạt động của SOA, bởi vì chiều dài của SOA cũng liên quan đến lượng dịch pha hoặc bão hòa khuếch đại do xung tới gây ra.