Kĩ thuật chuyển đổi bước sóng

chỉ sử dụng trong chuyển đổi bước sóng mà còn sử dụng trong các bộ giải ghép kênh toàn quang. Ví dụ, khi cửa sổ đầu ra là 11ps và tốc độ lặp là 10GHz SIPAS có thể được sử dụng để giải ghép kênh từ 80 xuống 10 Gbit/s. Hơn thế nhờ đặc tính lọc hoàn toàn của SIPAS chuyển đổi bước sóng mà trong đó bước sóng đầu ra thay đổi động là có thể thực hiện được. Điều này cho phép định tuyến bước sóng quang trong đó định tuyến bước sóng theo mỗi gói tin được thực hiện nhờ sử dụng chuyển đổi bước sóng. SIPAS là một thiết bị có rất nhiều đặc tính đặc biệt và nhiều nhà khoa học đang tiếp tục triển khai bao gồm cả nghiên cứu các ứng dụng của nó cho 3R toàn quang. Hình 3.9. Đặc trưng tốc độ lỗi bit tại tốc độ bit 10Gbit/s 3.1.5 Kết luận SIPAS là một thiết bị chuyển đổi bước sóng có một cấu trúc mạch quang mới. Nó được chế tạo nhờ sử dụng công nghệ tích hợp nguyên khối bán dẫn. Nó gồm một giao thoa sagnac với một cấu trúc khuếch đại song song mà thực ra là một giao thoa Mach-Zehnder có các SOA không nhạy cảm phân cực. Đặc tính quan trọng nhất của SIPAS là lọc hoàn toàn. Chúng ta đã chế tạo một SIPAS được tích hợp nguyên khối nhờ sử dụng các ống dẫn sóng high-mesa và các SOA chôn p-n với một tầng tích cực căng. Sử dụng SIPAS vừa chế tạo này chúng ta đã đạt được chuyển đổi bước sóng lọc hoàn toàn với cửa sổ đầu ra 13ps nhờ điều chế ví sai pha. Thiệt hai công suất là rất nhỏ, khoảng 0,9dB tại tốc độ 10Gbit/s. 3.2 Kỹ thuật ghép đa kênh quang và ứng dụng của nó cho một khối SIPAS 3.2.1 Giới thiệu Sự phát triển rất nhanh chóng của lưu lượng truyền thống gần đây nhờ sự triển khai Multimedia và Internet đã tạo một nhu cầu cho thông lượng mạng cao hơn. Ghép kênh phân chia theo bước sóng là một phương thức hiệu quả để tăng thông lượng mạng và nó đang mở rộng mạnh mẽ. Trong mạng WDM hiện tại tầng quang có trách nhiệm chủ yếu là truyền dẫn tín hiệu. Xử lý tín hiệu ví dụ như định tuyến đường ghép kênh và giải ghép kênh được thực hiện trong miền điện tại hệ thống node mạng sau khi thực hiện chuyển đổi quang điện (O/E). Các sự tăng cường hơn nữa trong thông lượng mạng đòi hỏi sự phát triển hơn nữa của các node mạng điện và các hệ thống quản lý với dung lượng lớn hơn nhiều so với hiện tại. Để giảm mức tiêu thụ công suất các xử lý tín hiệu toàn quang là hơn hẳn so với các hệ thống điện có dụng lượng lớn. Do đó sự phát triển của các khối xử lý tín hiệu toàn quang là rất quan trọng cho các mạng quang WDM dung lượng lớn. mặc dù xuất hiện nhu cầu cho các khối như vậy nhưng sự tiến triển trong đó thì vẫn khá chậm. Một trong những khó khăn chính của việc ghép các thiết bị như vậy là thiếu độ tin cậy, và chi phí cao cho kỹ thuật ghép quang đa kênh một cách hiệu quả. Việc phát triển một kỹ thuật được gọi là MOCA (ghép đa kênh quang với một thấu kính ngoại vi) và các tính năng của nó đang được nghiên cứu. MOCA cung cấp một hệ thống ghép đa kênh quang đơn giản, suy hao thấp và hiệu quả về mặt chi phí. Nó đã được ứng dụng để đóng gói một khối chuyển đổi bước sóng toàn quang chứa một bộ giao thoa sagnac tích hợp nguyên khối với một cấu trúc khuếch đại song song (SIPAS) Đã đạt được chuyển đổi bước sóng thành công nhờ sử dụng một khối SIPAS với MOCA. 3.2.2 Sự phát triển của MOCA 3.2.2.1 Khái niệm Tới nay hai kỹ thuật ghép quang được sử dụng chủ yếu trong khối ghép đa kênh quang là: - Đặt trực tiếp sợi quang dọc theo một ống hình V và dãy thiết bị quang. Ghép quang đa kênh sử dụng một dẫy thấu kính cỡ micro Hình 3.10 Kĩ thuật ghép đôi chuyển đổi đa kênh quang Hình 3.11 Cấu hình ghép quang điển hình của MOCA Các cấu hình ghép quang cho các kỹ thuật này được chỉ ra trong hình 3.10a và 3.10b. Phương pháp đầu tiên thì hiệu quả về mặt chi phí nhưng không phù hợp cho các thiết bị được đề cập ở trên do suy hao ghép tương đối lớn và nhiễu xen. Phương pháp thứ 2 có hiệu quả về mặt ghép và độ tin cậy đủ cho các khối xử lý tín hiệu toàn quang nhưng quá trình ghép của nó là phức tạp và đòi hỏi các thấu kính có đặc tính rất giống nhau. MOCA được thiết kế để giải quyết các vấn đề trên. Một cấu hình ghép quang điển hình của MOCA được chỉ ra trong hình 3.11. Trong hình này thiết bị quang có 4 kênh ống dẫn sóng như là các cổng I/O quang mà các đường kính điểm và đường tương ứng là S và L. Các ống dẫn sóng này được ghép tới 4 sợi quang đơn mode với một đường 250 mm bởi một thấu kính ngoại vi có độ khuếch đại là M. Các giá trị của M và L được định nghĩa một cách đơn giản bởi: S.M=10 L.M=250 Hình dạng điểm của một ống dẫn sóng hình chữ nhật thường là hình elip. Đường kính điểm hiệu quả của một ống dẫn sóng hình chữ nhật thường được ước lượng xấp xỉ bởi công thức Seff= (el ´ es)1/2 Trong đó el và es tương ứng là bán trục chính và bán trục phụ của hình elip. Seff được sử dụng thay thế S trong thiết kế MOCA cho một dãy ống dẫn sóng hình chữ nhật. Như có thể thấy trên hình 2 MOCA có thể giải quyết vấn đề xuyên nhiễu cũng như chèn một bộ phân cách quang. Cả hai đặc tính này đều rất cần thiết cho các khối quang hiệu năng cao, tin cậy. Hơn nữa quá trình ghép với MOCA thì gần giống như quá trình cho các khối phát laze thông thường. Sự khuyếch đại này làm cho MOCA trở thành một kỹ thuật ghép quang đa kênh hiệu quả về mặt chi phí, tin cậy và đơn giản. 3.2.2.2 Hiệu năng ghép quang của MOCA Thực hiện đo hiệu quả ghép của MOCA cho một dẫy 4 ống dẫn sóng có Seff được thiết kế là 2mm và đánh giá hiệu quả ghép bởi một mô phỏng vệt-dãy. Trong phép đo và mô phỏng đó M và L tương ứng là 5 và 50 mm; Một thấu kính ngoại vi có đường kính và độ dày tương ứng là 1,8 và 1,3mm đã được sử dụng và tỷ lệ của el /es là 2. Thấu kính ngoại vi và ống dẫn sóng đặc đặt tại các vị trí tối ưu. Các suy hao ghép đo được cho mỗi kênh của SMF được vẽ trên hình 3.12 cùng với đường cong suy hao ghép kênh mô phỏng. Trục hoành chỉ ra sự sắp xếp sai lệch của dãy 4 kênh SMF từ vị trí tối ưu. Sự sai khác của kết qủa mô phỏng so với các giá trị đo được gây ra bởi sự sai khác giữa Seff và giá trị thiết kế. Nghĩa là Seff > 2 mm và đường kính điểm được chiếu tới trên bề mặt sợi quang > 10 mm. Sự sai lệch kích thước điểm này gây ra sự tăng trong suy hao ghép xung quanh giá trị tối ưu. Ngược lại sự tăng trong suy hao ghép do sự sắp xếp không thẳng hàng thì chậm hơn so với trong mô phỏng bởi vì đường kính điểm được chiếu tới là lớn hơn. Do vậy chúng ta sẽ kiểm tra giá trị Seff cho mỗi ống dẫn sóng như sau. Mỗi kênh trong số 4 ống dẫn sóng được ghép với một SMF thông qua cùng một thấu kính ngoại vi đó. Mối quan hệ giữa các suy hao ghép và M được chỉ ra trong hình 3.13. Suy hao ghép nhỏ nhất đạt được tại giá trị M khoảng 4,3. Điều này chỉ ra rằng Seff của dãy 4 ống dẫn sóng là 2,3mm. Mặc dù có sự sai khác về kích thước điểm nhưng mỗi SMF 4 kênh có thể được ghép với ống dẫn sóng tương ứng với một độ hiệu quả cao (suy hao ghép < 2,5dB) tại vị trí tối ưu. Sự sai khác suy hao ghép giữa 4 kênh trên được nén xuống nhỏ hơn 0,7dB. Các kết qủa này chỉ ra rằng MOCA là một kỹ thuật đầy hứa hẹn cho việc ghép quang đa kênh. Hình 3.12. Suy hao ghép tính toán và đo được của MOCA Hình 3.13. Mối quan hệ giữa suy hao ghép và M Hình 3.14. Suy hao ghép của MOCA cho ống dẫn sóng 8 kênh 3.2.2.3 Khả năng mở rộng của MOCA Các suy hao ghép quang của MOCA cho một dãy ống dẫn sóng 8 kênh với độ rộng 50 mm được đo tại vị trí tối ưu (hình 2.14). Phép đo được thực hiện nhờ sử dụng cùng cấu hình như trên. Trong hình này trục hoành chỉ ra khoảng cách giữa mỗi kênh bước sóng và quang tâm của thấu kính. Các suy hao ghép tăng theo khoảng cách do quang sai của thấu kính và góc lệch quang đều tăng theo khoảng cách từ quang tâm. Nếu như suy hao ghép ngưỡng được đặt tại 4 dB thì MOCA có thể được ứng dụng tới một dãy ống dẫn sóng có tối đa là 6 kênh. Điều này có nghĩa là một dãy bước sóng với tối đa là 12 kênh có độ rộng 25 mm có thể được ghép với một dãy SMF 12 kênh với độ rộng 125 mm nhờ cấu hình của MOCA. Sự mở rộng hơn nữa của các kênh ống dẫn sóng đòi hỏi đường kính thấu kính lớn hơn. 3.2.3 Ứng dụng của MOCA cho đóng gói SIPAS Cấu hình MOCA đã được ứng dụng cho một bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang, hay SIPAS, có các cổng I/O ống dẫn sóng quang 3 kênh. 3.2.3.1. Cấu trúc của chíp SIPAS Hình 2.15 Sơ đồ của một chip SIPAS Hình 3.15 là một lược đồ của chíp SIPAS được chế tạo. SIPAS là một bộ giao thoa sagnac với một cấu trúc khuyếch đại song song gồm một bộ giao thoa Mach-Zehnder có các bộ khuếch đại quang bán dẫn không nhạy cảm phân cực tại mỗi phía của nó. Nó được chế tạo nguyên khối bằng cách ghép các ống dẫn sóng chôn và ống dẫn sóng high-mesa. Quá trình chế tạo được mô tả ngắn gọn như sau: Đầu tiên tầng tích cực của SOA, bao gồm một lõi InGaAsP căng 0,1% dầy 0,5 mm (lg=1,05 mm ) và một tầng vỏ InP dầy 1,0-mm được kết nối lại. Tiếp đó viền SOA được khắc axit khô và được cấy bởi một tầng khối p-n và một tầng vỏ InP giầu p. Tầng này sẽ được phát triển trên vùng thụ động, được loại bỏ để giảm suy hao truyền dẫn của ống dẫn sóng thụ động. Cuối cùng các ống dẫn sóng thụ động high-mesa tạo nên giao thoa Sagnac và Mach-Zehnder được tạo ra bằng cách Br2-N2 tái tích cực tia axit. Suy hao truyền dẫn của ống dẫn sóng thụ động high-mesa là khoảng 5dB/cm. Suy hao kết hợp giữa SOA và vùng thụ động là khoảng 1dB bao gồm suy hao kết hợp từ tích cực sang thụ động và suy hao kết hợp từ high-mesa sang vùng chôn. SOA có chiều dài là 900 mm và kích thước toàn bộ chip là 4,5mm x 1,5mm. Nguyên lý làm việc của thiết bị này tương tự như nguyên lý của SLALOM. một ánh sáng CW đầu vào được chia thành các ánh sáng thuận chiều (CLW) và ngược chiều (CCW) kim đồng hồ. Vì PAS được đặt bất đối xứng trong vòng lặp nên các ánh sáng này tiếp cận các SOA tại các thời điểm khác nhau dẫn tới điều pha vi sai (DPM) giữa chúng khi ánh sáng tín hiệu được đưa vào các SOA này. Sau khi đi qua vòng lặp các tín hiệu CLW và CCW được chồng vào nhau và truyền dẫn tới cổng ra nhờ sử dụng DPM. Đặt PAS 0,5mm để cửa sổ chuyển mạch nhờ DPM ~10ps. Điều này cho phép hoạt động tốc độ cao trên 10Gbit/s. Vì PAS được đặt trong trạng thái chéo nên tín hiệu không thể tham gia vòng lặp và tạo ra chuyển đổi bước sóng lọc hoàn toàn. 3.2.3.2 Hiệu năng của khối SIPAS Hình 2.16. Lược đồ và hình ảnh của mô hình SIPAS với MOCA Hình 2.16 chỉ ra lược đồ và hình ảnh của khối này. Khối này có thể tích 1,6cm3 (8,2mm dài; 16mm rộng và 12mm cao). Nằm giữa các cổng I/O ống dẫn sóng 3 kênh, các cổng đầu vào dòng tiêm và đầu ra chuyển đổi được đặt ở cùng phía của chip SIPAS. Đường kính điểm hiệu dụng của hai cổng này được thiết kế là 2,5mm. MOCA được sử dụng cho quá trình ghép của nó. Để đạt được ghép quang một cách hiệu quả, độ khuếch đại của thấu kính ngoại vi được đặt sao cho kích thước điểm của ống dẫn sóng là khoảng 10mm về đường kính. Sau đó độ rộng của ống dẫn sóng và các dãy SMF được thiết kế tương ứng là 62,5 và 250 mm. Sau khi ghép khối SIPAS đã đánh giá suy hao ghép thực tế và đạt được giá trị là 3,2-3,4dB. Các suy hao ghép lớn hơn chủ yếu do sự dịch hàn-ghép của dãy SMF và thấu kính sau khi ghép laze YAG và do sự sai lệch về kích thước điểm. Để đánh giá hiệu năng của khối SIPAS thực hiện thí nghiệm chuyển đổi bước sóng sử dụng tín hiệu đầu vào RZ-PRBS 10Gbit/s 1552,3nm và tín hiệu đầu vào dòng tiêm sóng liên tục 1548,5nm. Các kết quả được chỉ ra trong hình 3.17. Bước sóng của tín hiệu quang đầu ra đã được chuyển đổi thành công thành 1548,5nm. Hình 3.17. Biểu đồ quan sát dòng tín hiệu vào (1555.3 nm) và dòng ra chuyển đổi (1548 nm) 3.2.4 Kết luận MOCA là một kỹ thuật ghép quang đa kênh hiệu quả về mặt chi phí, suy hao thấp, đơn giản. Nó đã được ứng dụng trong khối chuyển đổi bước sóng toàn quang (hay SIPAS). Khối này đã cung cấp chuyển đổi bước sóng một cách thành công. Điều này chỉ ra rằng MOCA là một kỹ thuật đóng gói đầy hứa hẹn cho các khối chức năng quang có các cổng I/O đa quang. 3.3 Xử lí tín hiệu sử dụng chuyển đổi bước sóng toàn quang và ứng dụng sử dụng thiết bị XPM tích hợp lai và SIPAS Sự bùng nổ nhu cầu về lưu lượng dữ liệu đòi hỏi xử lí tín hiệu tốc độ cao bằng chuyển đổi bước sóng sử dụng như mạng sóng ánh sáng hai chiều (PLC) thiết bị điều biến pha chéo tích hợp lai (XPM) hoặc SIPAS tích hợp đơn khối. Thiết bị XPM hoạt động với công suất vào nhỏ khoảng 10 dBm và có thể sử dụng để điều chỉnh bước sóng hoặc giám sát sự tán sắc mode phân cực(PMD) của kênh WDM, trong khi SIPAS hoạt động ở tốc độ cao. Phần này sẽ xem xét tốc độ bit và dạng chuyển đổi giữa tốc độ chuyển đổi cao (10 Gbit/s) tín hiệu NRZ và tốc độ rất cao(40 Gbit/s) tín hiệu RZ bằng chuyển đổi nhiều bước sóng. 3.3.1 Giới thiệu Trong tương lai gần, lưu lượng dữ liệu khổng lồ đòi hỏi tốc độ bit cao 10Gbit/s, thậm chí với các mạng trung tâm, như hình 3.18. Để phục vụ một số các mạng trung tâm sẽ cần tốc độ bit cực cao hơn 40 Gbit/s. Do đó tốc độ bit chuyển đổi giữa mạng 10 Gbit/s và 40Gbit/s là tuyệt đối cần thiết. Chuyển đổi tốc độ bit trong mạng quang có những thuận lợi đó là hoạt động không phụ thuộc tốc độ bit và có khả năng vượt ra khỏi giới hạn tốc độ của thiết bị điện. Trước khi chuyển đổi tốc độ bit, kĩ thuật đơn giản là điều chỉnh pha của kênh 10Gbit/s là rất cần thiết. Vả lại, chuyển đổi nên hoạt động để các kênh sóng ghép kênh phân chia theo bước sóng. Hình 3.18. Cấu hình mạng trong tương lai gần Để chuyển đổi tốc độ bit toàn quang, chuyển đổi bước sóng tốc độ cực cao sử dụng điều biến pha khác nhau (DPM) là một trong những triển vọng nhất. Tuy nhiên, thiết bị DPM thường cần dạng RZ (Return- to-Zero). Trong khi hệ thống WDM 10Gbit/s sử dụng dạng tín hiệu NRZ. Dạng tín hiệu RZ cũng thuận tiện để truyền dẫn tín hiệu quang tốc độ cao, bởi vì tín hiệu xung ngắn RZ làm giảm sự giảm phẩm chất tín hiệu sinh ra từ sợi quang phi tuyến, như tự điều biến pha. Chuyển đổi tốc độ bit được phát triển tại nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới. Chuyển đổi TDM-WDM và chuyển đổi lại WDM-TDM (TDM: ghép kênh phân chia theo thời gian) đã chứng minh được lợi ích của nguồn siêu liên tục. Dạng tín hiệu TDM-WDM có thể thu được bằng cách sử dụng trực tiếp FWM (trộn 4 bước sóng) trong bộ khuyếch đại quang bán dẫn (SOA) hoặc giao thoa kế Mach-Zehner. Tất cả các loại Mikkenson chuyển đổi RZ thành NRZ sử dụng máy giao thoa kế Michelson hoạt động tích hợp nguyên khối. Tuy nhiên, tất cả các thí nghiệm này đều có tốc độ bit và dạng chuyển đổi/ chuyển đổi lại, tốt như điều chỉnh pha cho các kênh WDM. Phần này đã giải thích thành công chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn của kênh WDM 10Gbit/s thành kênh WDM 40Gbit/s, bao gồm dạng chuyển đổi NRZ thành RZ và ngược lại. Kĩ thuật chìa khóa là chuyển đổi bước sóng sử dụng giao thoa kế Sagnac nguyên khối tích hợp với cấu trúc khuyếch đại nền (SIPAS). Thủ tục chìa khóa, mà pha điều chỉnh của tín hiệu 10Gbit/s, sử dụng chuyển đổi bước sóng đơn giản với điều biến pha chéo tích hợp lai. Một kĩ thuật quan trọng khác đưa ra cho mạng tốc độ cực cao đó là bù tán sắc mode phân cực(PMD), giám sát các trạng thái khác nhau của trễ nhóm (DGD) là tuyệt đối cần thiết để bù PMD. Như trong hình 3.19, nhiều thiết bị gần như được cung cấp sử dụng mạch điện. Một phương pháp đơn giản để giám sát DGD là đo cường độ một nửa tần số tín hiệu vào. Đây là một phương pháp tao nhã vì nó yêu cầu chỉ cần phôtôđiôt (PD), bộ lọc thông thấp (BPF) và một đồng hồ đo công suất. Tuy nhiên, nó yêu cầu PD tốc độ cao, khi mà tốc độ giới hạn mạng lên đến 100Gbit/s. Bộ lọc thông thấp chuyển đổi hoàn toàn tần số vào, khi đó nó làm nhiễu loạn độ trong suốt tốc độ bit của mạng quang điện. Hình 3.19. Cấu hình của bộ bù PMD Để bù PMD của tín hiệu tốc độ cực cao(>80 Gbit/s), đã mong đợi vào kĩ thuật giám sát quang. Các loại Rosenfeldt khác thực hiện lần đầu tiên chứng minh bù PMD tại 80Gbit/s, sử dụng phân tích phân cực để ước lượng độ phân cực(DOP) kết hợp với bộ xáo trộn phân cực tại sợi vào. Một kĩ thuật khác để các bộ kiểm tra bù 160Gbit/s của các tín hiệu dữ liệu sử dụng phương pháp giám sát lấy mẫu tín hiệu quang. Kĩ thuật này đã cải thiện chính xác thông tin bởi vậy nó có độ tương quan cao với tốc độ bit (BER), đây là mục tiêu cuối cùng để cải tiến. Tuy nhiên các kĩ thuật này yêu cầu thiết bị đắt tiền cho mỗi kênh WDM, mà có thể khó khăn để áp dụng vào hệ thống WDM lớn với nhiều kênh. Có một kĩ thuật mới được đề xuất để giám sát trạng thái DGD của sợi quang sử dụng thiết bị chuyển đổi bước sóng tích hợp lai. Nhờ có hoạt động XOR của chuyển đổi bước sóng, kĩ thuật này có tốc độ bit độc lập và dạng tín hiệu bit độc lập. Tích hợp lai rất tích cực vì có một mạng sóng ánh sáng phẳng (PLC) có thể dễ dàng cung cấp bộ tách chùm phân cực(PBS) là một chìa khóa để bù PMD. Bằng cách giám sát công suất ra của bộ chuyển đổi bước sóng, chúng ta sẽ thành công trong việc bù cho dạng tín hiệu RZ 40Gbit/s, RZ 80Gbit/s, NRZ 40Gbit/s. Công suất trung bình thường là 0.8dB. 3.3.2 Chuyển đổi tốc độ bit 3.3.2.1 Cấu hình chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn Cấu hình của hệ thống trên như hình 3.20 Hình 3.20. Cấu hình của chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn a) NRZ/RZ và MUX 4 kênh WDM NRZ 10Gbit/s với một khoảng cách kênh 100GHz (A) mà được đưa vào bộ điều biến hút điện tự phân cực (EA) với điều biến hình sin 10GHz. Bộ điều biến đồng thời chuyển đổi 4 tín hiệu NRZ thành tín hiệu NZ với độ rộng xung 25 ps (B). Một sợi lặp được sử dụng để sắp xếp những loạt xung RZ thành nhiều chuỗi bit (MUX), sử dụng một bộ diều biến đơn và một sợi đơn, đây là một kĩ thuật đơn giản và có thể mở rộng để hình thành chuỗi bit. Kĩ thuật này có thể được sử dụng trong hệ thống WDM lớn với 8 hoặc 16 kênh. b) Điều chỉnh pha và bước sóng Với hoạt động MUX và NRZ/RZ như vậy, có hai điều quan trọng cần lưu ý: với khoảng cách kênh phải gần như nhau và các pha của 4 kênh WDM phải được điều chỉnh. Sử dụng một mô hình XPM đa kênh, chúng ta sắp xếp lại các kênh WDM vào, có khoảng cách giữa các bước sóng cố định là như nhau. Sau đó điều chỉnh một bước sóng một chút (ví dụ 0.1 nm) thực hiện thay đổi một pha tại sợi lặp đó, mà bảo đảm sự điều chỉnh pha này tại bộ điều biến EA. Điều chỉnh nhiệt độ của nguồn CW thu được sự điều chỉnh pha này. c) Chuyển đổi tốc độ bit sử dụng SIPAS Để chuyển đổi tốc độ bit 40Gbit/s, 4 bước sóng khác nhau của luồng bit đa thành phần được chuyển đổi thành một bước sóng đơn sử dụng SIPAS với các cửa sổ cổng hơn 25ps (C trong hình 3.21). DPM có thể bù đối với thời gian phục hồi sóng mang chậm của SOA để thu được chuyển đổi tốc độ bit cao. SIPAS có sự phụ thuộc bước sóng thấp và cung cấp khả năng hoạt động không dây. d) DEMUX và RZ/NRZ Một cổng cửa sổ 100 ps bổ sung độ rộng băng tần, do đó mà thực hiện chuyển đổi lại RZ thành NRZ 10 Gbit/s (E trong hình 3.21). Hình 3.21. Thí nghiệm thiết lập chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn 3.3.2.2 Kết quả thí nghiệm đối với chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn Thiết lập thí nghệm như hình 3.21. Bốn kênh WDM 10Gbit/s được chuyển đổi có khoảng cách như nhau sử dụng mô hình đa kênh PLC-SOA tích hợp lai MZI. Luồng sóng liên tục (CW) và công suất tín hiệu trung bình của các XPM là –2 đến 2 dBm.. Một clock 10 MHz với một bước sóng 1310nm được đáp ứng sử dụng cổng rỗi của module XPM. Clock này không thể thiếu được để đồng bộ tốc độ chuyển đổi bit. Bốn tín hiệu được chuyển đổi cũng được ghép đôi tới một sợi quang với độ tán sắc 150ps/nm. Do đó, khi bước sóng điều chỉnh nhỏ tầm 0.5 nm cung cấp sự thay đổi pha 75ps. Bốn pha được điều chỉnh các kênh WDM khoảng 100 GHz từ 1552 đến 1555nm được đưa vào bộ điều biến EA điều biến sin với 4V 10GHz (A và B trong hình 3.21). Một sợi vòng 2-km thứ hai với tổng số độ tán sắc bước sóng 25ps/ 100Ghz mà sử dụng hàn loạt các xung RZ thành nhiều luồng bit với độ rộng xung 25 ps. Một phần của luồng bit được giám sát và các bước sóng được chuyển đổi bởi XPM được điều khiển để giữ các giá trị thích hợp nhất. Tốc độ bit chuyển đổi từ 10 lên 40 Gbit/s sử dụng DPM trong SIPAS. Bốn bước sóng khác nhau của chuỗi bit đa thành phần được chuyển đổi thành một bước sóng đơn (1551 nm) bằng cách sử dụng SIPAS với các cửa sổ cổng 25ps (C trong hình 3.21). WC và công suất tín hiệu trung bình khoảng 10 dBm. Các dòng của SOA khoảng 200 mA. Một bộ điều biến EA thứ hai được sử dụng lại đa thành phần luồng 40Gbit/s thành tín hiệu RZ 10Gbit/s (D trong hình 3.21). Một thiết bị DPM khác, bao gồm bộ chuyển đổi SOA kích cỡ hẹp (SS-SOA) và một MZI không đối xứng PLC với cổng cửa sổ 100 ps, mở rộng độ rộng băng tần, do đó thực hiện chuyển đổi thành công RZ 10 Gbit/s thành NRZ(E trong hình 3.21). Dòng vào của SS-SOA là 80 mA. CW và công suất tín hiệu là 0 dB. Hình 3.22 biểu diễn luồng bit 4 tín hiệu 10 Gbit/s trước SIPAS. Bằng cách điều chỉnh bước sóng của kênh #3 khoảng 0.1 nm (sự dịch chuyển pha 15ps ), chúng có thể tránh được các điểm chéo của tín hiệu NRZ. Hình 3.23 chỉ ra mẫu quan sát được đo tại điểm A tới E, chỉ ra trong hình 3.21. Quan sát chuyển đổi NRZ thành RZ (hình 3.23b), chuyển đổi 10 Gbit/s thành 40 Gbit/s (hình 3.23c) và chuyển đổi lại 40 Gbit/s thành 10 Gbit/s (hình 3.23d), chuyển đổi lại RZ thành NRZ (hình 3.23e). Hình 3.24 biểu diễn các BER tại điểm (A) đến (E). Độ nhạy bộ thu tại BER 10-9 là ít hơn -32 dBm. Chỉ công suất trung bình nhỏ hơn 0.8 dB được quan sát. Kết quả này biểu thị các kĩ thuật này sẽ hữu ích hơn chuyển đổi tốc độ bit tương lai. Hình 3.22 Các mẫu quan sát trước SIPAS Hình 3.23 Các mẫu quan sát của chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn Hình 3.24 BER của chuyển đổi tốc độ bit hoàn toàn 3.3.3 Sự bù PMD 3.3.3.1 Kĩ thuật giám sát DGD sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng tích hợp lai 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 w1(l1=2pc/w1) và ánh sáng nhảy với tần số w3 (l3=2pc/w3)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 l2 cân bằng sự khác nhau giữa tần số góc của 2 tia sáng w2=w3-w1. 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: Db=2p (n3/l3-n2/l2- n1/l1) (1) n1 là hệ số khúc xạ tại tín hiệu ánh sáng có bước sóng l1, n2 là hệ số khúc xạ tại ánh sáng đã bị chuyển đổi tại bước sóng l2, n3 là hệ số khúc xạ tại ánh sáng nhảy có bước sóng l3. 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 L làm sao cho Db trong phương trình sau bằng 0. Đây là điều kiện cần trong QPM: Db=2p (n3/l3-n2/l2- n1/l1 –1/D) (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 D. Ví dụ chuyển đổi bước sóng giữa băng tần 1.3-1.5mm và giữa 1.5-1.8 mm 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 mm 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 mm đến băng tần 1.58 mm. Ví dụ, một sóng ánh sáng bơm 0.78 mm 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: h =hmax [ sin (DbL/2)/(DbL/2)] (3) h 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 mm chuyển đổi bước sóng yêu cầu ánh sáng nguồn 0.78mm 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 mm và đa mode tại 0.78mm. 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 1.55mm như ánh sáng bơm ngoài với lược đồ phân tầng, mà chuyển đổi từ ánh sáng 1.55mm thành ánh sáng bơm ngoài 0.78mm 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 (1.55mm) 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= hL2P1P2/100 (4) khi h 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 hL2 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 =hL2P42/100 (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 pháp chuyển đổi là rất khó khăn. Có 2 phương pháp chế tạo ống dẫn sóng. Thứ nhất đó là phương pháp APE (Annealed Proton Exchange). Thứ hai đó là phương pháp LPE từ LiNbO3.Với phương pháp thứ nhất, mặt nạ lấy mẫu làm từ SiO2 hoặc vật liệu khác được hình thành trên nền LN bằng kĩ thuật in ảnh litô và sau đó chất nền này lại được nhúng trong chất cho proton như axit benzoic tại nhiệt độ cao hình thành một lớp chỉ số cao trên nền bằng cách thay đổi ion Li+ hoặc H+. Để bù lại hệ số phi tuyến, mà bị suy giảm bằng cách thay đổi quá mức proton, ống dẫn sóng sẽ giữ nhiệt độ cao rất lâu để khuyếch tán proton. Phương pháp này có tiến trình đơn giản và có thể chế tạo ra ống dẫn sóng có vùng mặt ngoài lớn có tính chất rất đồng đều nhau. Phương pháp này cũng có điện trở tốt hơn để cản trở độ thiệt hại khúc xạ quang hơn phương pháp khuyếch tán ánh sáng sử dụng bộ điều biến quang LN. Nó có thể được sử dụng để thay đổi chỉ số khúc xạ nhiều hơn và do đó giam hãm quang mạnh hơn. Với phương pháp APE, chỉ số khúc xạ làm tăng chùm sáng một cách khác thường. Để có hiện tượng tự phân cực, cần thiết phải thu được nhiều phân cực bằng cách sử dụng hai ống dẫn sóng. Để làm sáng tỏ vấn đề này, đỉnh của các ống dẫn sóng mà sử dụng epitaxi từ LN. Phương pháp này sử dụng sợi LN pha tạp Zn bằng cách thay đổi pha epitaxi trên nền phủ LN pha tạp Mg. Các cực định kì của chất nền này ứng dụng vào trường điện,cấu trúc một đỉnh bằng bản khắc axit khô để tạo ống dẫn sóng. Xúc tác LN với Zn tăng cả chỉ số bình thường và chỉ số dị thường, vì vậy mà trạng thái phân cực TM và TE có thể dẫn đường bởi một ống dẫn sóng đơn.Tuy nhiên đây là kĩ thuật khó thực hiện để thu được mật độ sợi và kích cỡ ống dẫn sóng lớn hơn đỉnh ống dẫn sóng LPE. 4.4.3.1 Thiết bị chuyển đổi bước sóng sử dụng APE Như đã mô tả ở phần trên, hiệu suất của thiết bị chuyển đổi bước sóng mà sử dụng hiệu ứng quang phi tuyến thứ hai cải thiện tỉ lệ tương ứng bình phương chiều dài ống dẫn sóng. Do đó, kĩ thuật chế tạo chiều dài ống dẫn sóng là rất quan trọng làm tăng hiệu suất của thiết bị chuyển đổi.Nếu chỉ số khúc xạ thay đổi hơn tổng chiều dài, sau đó bước sóng QPM thay đổi dọc theo ống dẫn sóng và hiệu ứng ống dẫn sóng dài không thu được hoàn toàn. Gần đây chúng tôi đã chế tạo ống dẫn sóng dài 5 cm mà sử dụng nền pha tạp LiNbO3 và hiệu suất SHG 1300%/W cải thiện bằng cách thay đổi nhiệt độ trong suốt quá trình giữ và thay đổi photon. Thực hiện chuyển đổi bước sóng của tín hiệu WDM 6 kênh 40Gb/s. Hình 3.33 biểu diễn hình ảnh phổ ngoài. Băng tần tín hiệu C trên 6 kênh sẽ đông thời chuyển đổi thành băng tần L. Điều này đạt được bằng cách sử dụng ống dẫn sóng dài 5cm được bơm với chùm sáng CW sinh ra bởi LD 1.55mm sử dụng bộ khuyếch đại pha tạp sợi erbium (EDFA). Tín hiệu quang vào, quan sát lấy mẫu của ánh sáng đã chuyển đổi và tốc độ lỗi bit trước và sau đó bước sóng chuyển đổi được biểu diễn trong hình 3.34. Không có suy giảm dạng sóng sau khi chuyển đổi bước sóng trong thiết bị này. Hơn nữa, công suất phạt là 0.3 dB, khi mà chỉ vừa trong giới hạn đo lường, xác định nhiễu được đưa vào chuyển đổi bước sóng là không đáng kể. Khả năng chuyển đổi bước sóng của các tín hiệu độc lập tốc độ cao của dạng điều biến và không có suy giảm tín hiệu là điểm đặc biệt của thiết bị này. Trong trường hợp này, độ rộng băng tần của bước sóng tín hiệu quang ngoài 60nm, như được mô tả trong phần trên, vì vậy để WDM với khoảng 100GHz (khoảng 0.8nm), ví dụ, 36 kênh bước sóng ánh sáng tín hiệu có thể được chuyển đổi trong một nhóm. Điều này có nghĩa là dung lượng tín hiệu lớn 1.4Tbit/s có thể điều khiển một thiết bị riêng với tốc độ tín hiệu 40Gbit/s trên một kênh. Hình 3.33 Phổ cho chuyển đổi đa bước sóng Hình 3.34 Các thông số chuyển đổi bước sóng đối với tín hiệu 40 Gbit/s Tiếp theo, chúng ta mô tả điện trở của thiết bị giảm độ khúc xạ quang. Khi ánh sáng công suất cao được bơm vào tinh thể phi tuyến thứ hai như LN, chỉ số khúc xạ thay đổi vì hiệu ứng khúc xạ quang. Nguyên nhân chính của hiệu ứng này là sóng mang bị kích thích từ độ hụt trong tinh thể. Bởi vì hiệu ứng khúc xạ quang là nguyên nhân làm độ hụt chùm sáng trong tinh thể tăng với số lượng lớn, điều này cũng được coi như giảm độ khúc xạ quang. Giam hãm quang trong thiết bị dẫn sóng phụ thuộc vào cấu trúc ống dẫn sóng, vì vậy không có sự thay đổi rất lớn trong chỉ số khúc xạ, tia sáng biến dạng không phù hợp được tìm thấy trong ống dẫn sóng. Tuy nhiên, nếu không có sự thay đổi chỉ số khúc xạ trong thiết bị QPM, điều kiện thay đổi QPM thu dược theo phương trình 1, mà chỉ số này thay đổi làm tăng số bước sóng trong QPM. Trong chuyển đổi bước sóng trong DFG, băng tần bước sóng bơm là tương đối thấp, như hình 2.31, vì vậy mà thay đổi bước sóng trong QPM có thể làm giảm hiệu suất chuyển đổi. Thiết bị mà không pha tạp LiNbO3 phải hoạt động gần nhiệt độ 100 C để tránh thay đổi bước sóng gây giảm khúc xạ quang. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã phát triển một thiết bị mà sử dung nền LN pha tạp Mg hoặc Zn cho phép hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và thu được hiệu suất chuyển đổi cao hơn khi sử dụng công suất bơm cao. Pha tạp chất nền Ln với Mg hoặc Zn để tăng điện trở độ thiệt hại khúc xạ quang bằng cách bù sóng mang được tạo bởi độ hụt, Bằng cách sở dụng Ln pha tạp Zn, các ống dẫn sóng được chế tạo với hiệu suất chuyển đổi 450%/W. Để đánh giá điện trở độ thiệt hại khúc xạ quang, chúng tôi đã đo sự thay đổi trong bước sóng QPM khi mà một ánh sáng bước sóng ngắn gần giống với bước sóng bơm được tiêm vào. Hình 3.35 thiết lập thí nghiệm này. Khi dải băng rộng được khuyếch đại được phát ra từ EDFA được bơm vào thiết bị QPM-LN, chỉ các thành phần bước sóng mà phù hợp với bước sóng QPM mới được chuyển đổi bởi SHG. Do đó để quan sát hình ảnh phổ ở lân cận 0.78mm với máy phân tích quang phổ, chúng ta có thể ngay lập tức đo được đường cong QPM như trong hình 3.32(b). Thời gian thay đổi bước sóng QPM có thể đo bằng máy giám sát hình ảnh phổ SH trong một khoảng thời gian không đổi khi tiêm chùm sáng 784 nm, đây là sự khác nhau không đáng kể từ bước sóng QPM. Thời gian thay đổi trong bước sóng QPM được biểu diễn như hình 3.36(a). Trong trường hợp này, một ánh sáng bơm 20 mW sẽ được phun tại nhiệt độ phòng. Thiết bị không pha tạp được thí nghiệm một bước sóng rất lớn thay đổi 0.3 nm tại nhiệt độ phòng. Nhưng khi một chất nền LN pha tạp Zn được sử dụng, thay đổi này giảm tới 0.1 nm. Tuy nhiên thay đổi 1 nm trong bước sóng là không đủ nhỏ khi liên quan tới độ rộng băng tần bước sóng bơm. Do đó,việc nghiên cứu tập trung chính vào những đặc điểm của chúng tại nhiệt độ cao. Sự thay đổi bươc sóng QPM phụ thuộc vào nhiệt độ như hình 3.36 (b). Tuy vậy, sự thay đổi này sẽ giảm khi mà nhiệt độ thiết bị tăng, nó cũng không thể loại trừ ra sự thay đổi bước sóng trong thiết bị không pha tạp thậm chí ở 90° C. Với thiết bị sử dụng chất nền pha tạp Zn, bằng nhiều cách, nó có thể loại trừ sự thay đổi này hoàn toàn tại 60° C. Sử dụng chất nền LN pha tạp cải thiện được điện trở để chống lại độ thiệt hại khúc xạ quang và cho phép hoạt động tại nhiệt độ thích hợp hơn. Hình 3.35 Thí nghiệm thiết lập để đo lường tổn thất quang Hình 3.36 Thay đổi trong bước sóng QPM do độ thiệt hại quang Với tiến trình DFG, nếu công suất bơm là tăng cho đến khi cường độ của tín hiệu đã chuyển đổi gần giống cường độ tín hiệu, DFG từ ánh sáng chuyển đổi đến ánh sáng tín hiệu xảy ra tai cùng thời điểm. Kết quả là, sự khuyếch đại tham số của tín hiệu và tín hiệu chuyển đổi là có thể thực hiện được. Để xác thực hoạt động này, dùng dòng bơm mạnh sử dụng dãy xung ps. Để đơn giản, đồng bộ những xung này, một ánh sáng nguồn 1.55mm sử dụng cả ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu. Chuyển mạch độ khuyếch đại với DFB-LN được sử dụng để sinh ra chùm ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm với độ rộng xung 5 và 13ps, được tách biệt ra. Những loạt xung này được khuyếch đại với EDFA, thời gian của chúng được điều chỉnh lại để tăng thêm nhiệt độ, sau đó chúng được tiêm vào thiết bị QPM-LN. Thiết bị mà sử dụng trong thí nghiệm có chiều dài 10nm. Hình 3.38 biểu diễn hình ảnh phổ ngoài ứng với nhiều công suất bơm vào. Tại cường độ bơm mà cung cấp đủ lớn tín hiệu chuyển đổi, cả tín hiệu và tín hiệu chuyển đổi được khuyếch đại trên mức tín hiệu vào. Hình 3.37 (b) biểu diễn cường độ tín hiệu ra của tín hiệu và tín hiệu chuyển đổi với các hàm của công suất bơm với thiết bị sử dụng không pha tạp và LN pha tạp Zn. Trong vùng mà công suất bơm là tương đối nhỏ, tín hiệu đã chuyển đổi tăng tương ứng với bình phương của công suất bơm. Khi mà cường độ tín hiệu chuyển đổi trong phạm vi có các mức giống với tín hiệu vào, cả tín hiệu và tín hiệu chuyển đổi cùng được khuyếch đại. Như hình 3.37(b), sự khuyếch đại các tham số với độ khuyếch đại 12 dB đã thu được trong thiết bị với chất nền LN pha tạp Zn. Hình này cũng biểu diễn khi mà thiết bị với chất nền LN không pha tạp hoạt động tại cùng một nhiệt độ, bước sóng QPM được thay đổi theo hiệu ứng phi tuyến quang và độ khuyếch đại cần là không thu được. Do đó thiết bị sử dụng chất nền LN pha tạp cung cấp điện trở cao chống lại độ thiệt hại khúc xạ ánh sáng, có thể thu được hiệu suất chuyển đổi bước sóng không sinh ra SNR(tỉ số tín hiệu trên nhiễu) Hình 3.37 Các tham số khuyếch đại với chuỗi xung bơm 4.4.3.2 Thiết bị chuyển đổi bước sóng tại đỉnh ống dẫn sóng sử dụng LPE-từ LiNbO3 Để chứng minh tính khả thi của thiết bị chuyển đổi bước sóng sử dụng QPM-LN mà sử dụng LPE-LN, chúng tôi đã chế tạo ra thiết bị đầu tiên và kiểm tra nguyên lí hoạt động tự phân cực. Ví dụ về lấy mẫu của các trường tương tự nhau của ống dẫn sóng với TE và TM như trong hình 3.38. Qua các kích thước giống nhau thu được các kiểu phân cực. Hơn nữa, một ống dẫn sóng dài 10 mm thiết bị có thể thu được hiệu suất SHG là 40%/W/cm, nó có thể được so sánh với thiết bị được chế tạo bằng phương pháp APE. Thêm nữa, không có cảm ứng hiệu ứng khúc xạ quang thay đổi trong bước sóng QPM trong suốt thí nghiệm khuyếch đại các tham số sử dụng xung bơm bởi vì chúng sử dụng điện trở độ thiệt hại khuc xạ quang Ln pha tạp Zn trong lõi ống dẫn sóng của thiết bị này. Hình 3.38 Mốt ống dẫn sóng sử dụng nền PLE-LN Tiếp theo, chúng ta sẽ mô tả hoạt động của thiết bị tự phân cực (hình 3.39). Ánh sáng tín hiệu được bơm vào ống dẫn sóng thông qua bộ truyền. Ánh sáng tín hiệu phát ra từ ống dẫn sóng qua xuyên qua ¼ bước sóng ở anot và bị phản xạ lại bởi một gương hai màu. Ánh sáng bị phản xạ lại đi qua ¼ bước sóng ở anot, vì thể phân cực bị quay một góc 90° tương ứng với ánh sáng gốc phát ra. Sau đó nó được truyền trở lại ống dẫn sóng theo phương ngược lại và tín hiệu ra từ bộ truyền. Ánh sáng bơm 0.78mm với phân cực TM được đưa vào từ mặt phẳng đối diện với ánh sáng tín hiệu. Ánh sáng bơm sẽ bị phản xạ lại gương hai mầu đặt tại cuối ống dẫn sóng, vì vậy nó truyền lại và ra khỏi ông dẫn sóng. Bởi vì có bước sóng chuyển đổi DFG khi cả ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu là phân cực TM, các thành phần TM của tín hiệu được chuyển đổi trong suốt quá trình truyền trước và các thành phần TE chuyển đổi trong suốt quá trình truyền sau. Bằng cách này, tín hiệu phân cực có thể được chuyển đổi bằng DFG. Hình 3.40 biểu diễn hình ảnh phổ DFG của tín hiệu phân cực TE và TM. Để tăng hiệu suất chuyển đổi cần thiết phải cải thiện chiều dài ống dẫn sóng,cả hai phân cực hầu như thu được hiệu suất chuyển đổi giống nhau. Hình 3.39 Cấu trúc của một thiết bị tự phân cực với ống dẫn sóng LPE-LN Hình 3.40 Phổ DFG trong thiết bị tự phân cực 4.4.4 Kết luận Phần trên vừa trình bày thiết bị chuyển đổi bước sóng QPM. Phần này nhằm mục đích giới thiệu thiết bị QPM-LN với giới hạn chuyển đổi bước sóng, cũng như những ứng dụng của nó như bù tán sắc, chuyển đổi khe thời gian, lấy mẫu quang, thay đổi bước sóng, ghép kênh, phân kênh. Qua phần này chác chắn rằng, hiệu suất cao, băng tần rộng, SNR lớn, độ trong suốt và những đặc trưng tiêu biểu khác mà những thiết bị này chắc chắn sẽ phát triển trong tương lai. KẾT LUẬN Những năm gần đây mạng WDM đã được sát nhập thành các mạng quang thương mại để đáp ứng các đòi hỏi về lưu lượng, tốc độ bít. Các thiết bị chuyển đổi bước sóng là chìa khóa cấu thành nên các mạng WDM này. Đồ án này đã trình bày các khía cạnh trong kỹ thuật chuyển đổi bước sóng từ việc sử dụng các thiết bị quang điện chuyển đổi bước sóng tới thiết kế các mạng chuyển mạch định tuyến bước sóng, cũng như hiệu quả của thuật toán quản lý và định tuyến bước sóng tới các phép đo lường trong mạng chuyển đổi bước sóng và lợi ích của chuyển đổi bước sóng cho các mạng khác nhau. Ngoài ra đồ án còn trình bày về các thiết bị chuyển đổi bước sóng khác nhau để so sánh nhằm thiết kế bộ chuyển đổi bước sóng tốt nhất có khả năng giảm chi phí, giảm suy hao và đơn giản trong thực hiện. Các mạng chuyển đổi bước sóng đã cải thiện đáng kể độ rộng băng tần, SNR lớn, tốc độ bit cao, trong suốt về khuôn dạng tín hiệu và chắc chắn các thiết bị này ngày càng được phát triến trong tương lai. Đồ án mới chỉ xem xét tổng quan các kĩ thuật chuyển đổi mà chưa đi vào chi tiết các giới hạn chuyển đổi bước sóng trong sợi quang, cũng như các khả năng kháng lỗi của các mạng này. Ngoài ra, công nghệ chuyển đổi bước sóng là một công nghệ còn rất mới mẻ, chưa được triển khai rộng rãi trong thực tế. Do vậy đồ án mới chỉ nghiên cứu chủ yếu dựa trên các cơ sở lý thuyết. Do những hạn chế về thời gian và năng lực bản thân có hạn nên chắc chắn rằng đồ án còn có nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án có thể dược chính xác, đầy đủ và hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) J.M.Wiesenfeld, “Wavelength conversion techniques” in Proc. OFC’96, San Jose, CA, Feb. 1996,pp. 71-71, paper TuP 1. 2) S.J.B Yoo, “Wavelength conversion techologies for WDM network applications” J. Lightwave Technol., vol. 14, pp, 955-966, June 1996. 3) T. Durhuus et al., “All optical wavelength conversion by SOA’s in a Mach-Zender configuration” IEEE Photon. Tech. Lett., vol. 6, pp.53-55, Jan, 1994 4) B. Mikkelsen et al., “Polarization insensitive wavelength conversion of 10 Gbit/s signals with SOA’s in a Michelson interferometer” Electron.Lett…., vol, 30, pp.260-261, Feb.1994 5) F.P. Kelly, “Blocking Probabilities in large circuit switched networks,” Adv.Appl. Prob., vol.18,pp.473-505,1986. 6) S. Chung, A. Kashper, and K. W. Ross, “Computing approximate blocking probabilities for large loss networks with state-dependent routing,” IEEE/ACM Trans. Networking, vol. 1, no. 1, pp. 105-115,1993. 7) A. Birman, “Computing approximate blocking probabilities for a class of all-optical networks” IEEE J.Select. Areas Commun., vol. 14, pp. 852-857, June 1996. 8) R. A. Barry and P.A. Humblet, “Models of blocking probabilities in all-optical networks with and without wavelength changers” IEEE J.Select. Areas Commun., vol. 14, pp. 858-867, June 1996.