ĐỀ TÀI BÁO CÁO CHUYỂN MẠCH BỘ CHUYỂN đổi BƯỚC SÓNG

SWITCH

Chuyển mạch quang lớn

Các nhà mạng đang tìm kiếm bộ chuyển mạch với hàng trăm đến hàng nghìn cổng cho mạng thế hệ tiếp theo Trong một văn phòng trung tâm xử lý nhiều sợi, mỗi sợi có thể mang hàng chục đến hàng trăm bước sóng, cho thấy sự cần thiết của bộ chuyển mạch quy mô lớn để cung cấp và bảo vệ các bước sóng này Chúng ta sẽ khám phá việc sử dụng thiết bị chuyển mạch như kết nối bước sóng trong Chương 7.

Những cân nhắc chính trong việc xây dựng các thiết bị chuyển mạch lớn là:

Số lượng phần tử chuyển mạch cần thiết ảnh hưởng đến chi phí và độ phức tạp của hệ thống chuyển mạch Các chuyển mạch lớn thường được tạo ra từ nhiều phần tử chuyển mạch khác nhau Tuy nhiên, giá thành không chỉ phụ thuộc vào số lượng chuyển mạch mà còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như đóng gói, nối, khả năng chế tạo và kiểm soát.

Mất độ đồng đều trong bộ chuyển mạch có thể gây ra tổn hao khác nhau cho các kết hợp cổng đầu vào và đầu ra Tình trạng này trở nên nghiêm trọng hơn ở các thiết bị chuyển mạch lớn Để đo độ đồng đều của suy hao, cần xem xét số lượng phần tử chuyển mạch tối thiểu và tối đa trong đường quang cho các kết hợp đầu vào và đầu ra khác nhau.

Số lượng giao nhau trong các chuyển mạch quang học là một yếu tố quan trọng cần xem xét Những chuyển mạch này được thiết kế bằng cách tích hợp nhiều phần tử trên một đế duy nhất, và khác với các mạch điện tử tích hợp, tất cả các kết nối trong quang học tích hợp phải diễn ra trong một lớp duy nhất qua các ống dẫn sóng Khi hai ống dẫn sóng cắt nhau, sẽ xảy ra hai vấn đề chính: mất điện và nhiễu xuyên âm Để đảm bảo hiệu suất suy hao và xuyên âm chấp nhận được cho bộ chuyển mạch, cần phải giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn các giao cắt ống dẫn sóng Tuy nhiên, sự giao nhau không phải là một vấn đề đối với các chuyển mạch không gian trống như các chuyển mạch MEMS.

Khối đặc trưng của thiết bị chuyển mạch có hai loại: chặn và không chặn Chuyển mạch không chặn cho phép kết nối bất kỳ cổng đầu vào không sử dụng với bất kỳ cổng đầu ra không sử dụng nào mà không cần định tuyến lại các kết nối hiện có Hầu hết các ứng dụng yêu cầu chuyển mạch không chặn, nhưng ngay cả trong các chuyển mạch không chặn cũng có sự khác biệt về nỗ lực cần thiết để duy trì thuộc tính này Một chuyển mạch không chặn theo nghĩa rộng cho phép kết nối mà không ảnh hưởng đến các kết nối trước đó, trong khi phiên bản nghiêm ngặt yêu cầu không có sự gián đoạn nào Việc định tuyến lại có thể cần thiết nhưng có thể gây gián đoạn, tùy thuộc vào ứng dụng Lợi ích của chuyển mạch không chặn được trang bị lại là khả năng sử dụng ít chuyển mạch nhỏ hơn để tạo ra một chuyển mạch lớn hơn với kích thước nhất định.

Bảng 3.4 so sánh các mô hình chuyển mạch khác nhau, trong đó mô hình Spanke sử dụng chuyển mạch 1 x n, trong khi các mô hình khác áp dụng chuyển mạch 2 x 2.

Mặc dù các mô hình không chặn được trang bị lại sử dụng ít chuyển mạch hơn và yêu cầu thuật toán điều khiển phức tạp để thiết lập kết nối, độ phức tạp này không phải là vấn đề lớn nhờ sức mạnh của các bộ vi xử lý hiện đại Tuy nhiên, hạn chế chính của các thiết bị này là nhiều ứng dụng không cho phép gián đoạn các kết nối hiện có, ngay cả khi chỉ tạm thời, để thiết lập kết nối mới.

Thông thường, có sự đánh đổi giữa các khía cạnh khác nhau trong việc xây dựng các thiết bị chuyển mạch lớn Chúng ta sẽ minh họa điều này thông qua việc nghiên cứu các mô hình khác nhau, với Bảng 3.4 so sánh các đặc điểm của các mô hình này.

Chuyển mạch ngang 4 x 4, như được mô tả trong hình 3.66, bao gồm 16 chuyển mạch 2 x 2 Kết nối giữa các đầu vào và đầu ra được thực hiện thông qua việc thiết lập các trạng thái thích hợp của các chuyển mạch 2 x 2 Cài đặt cần thiết để kết nối đầu vào 1 với đầu ra 3 được minh họa trong hình, cho thấy một đường dẫn qua mạng lưới chuyển mạch 2 x 2 Mặc dù có nhiều đường dẫn khác từ đầu vào 1 đến đầu ra 3, nhưng đây là đường dẫn ưu tiên.

Mô hình thanh ngang cho phép kết nối đầu vào i với đầu ra j mà không bị chặn Đường dẫn kết nối đi qua các chuyển mạch 2 x 2 ở hàng i cho đến cột j, sau đó tiếp tục qua các chuyển mạch trong cột j để đến đầu ra j Để thực hiện kết nối này, các chuyển mạch 2 x 2 ở hàng i và cột j cần được đặt đúng cách Chúng tôi tin rằng quy tắc kết nối này giúp đảm bảo rằng các chuyển mạch không bị chặn và không cần phải định tuyến lại các kết nối hiện có.

Hình 3.66 Một chuyển mạch ngang 4 x 4 được thực hiện bằng cách sử dụng 16 chuyển mạch 2 x 2.

Mô hình thanh ngang n x n yêu cầu n^2 chuyển mạch, với chiều dài đường dẫn ngắn nhất là 1 và chiều dài đường dẫn dài nhất là 2n - 1, đây là nhược điểm chính của mô hình này Tuy nhiên, chuyển mạch có thể được chế tạo mà không cần thiết bị chuyển mạch.

Mô hình Clos là một giải pháp chuyển mạch không khóa chặt chẽ, phổ biến trong việc xây dựng các chuyển mạch đếm cổng lớn, với ví dụ về chuyển mạch có 1024 cổng ba giai đoạn Chuyển mạch n x n được cấu trúc dựa trên ba tham số m, k và p, với n = mk Giai đoạn đầu tiên và thứ ba bao gồm k (m x p) chuyển mạch, trong khi giai đoạn giữa chứa p (k x k) chuyển mạch Mỗi chuyển mạch ở giai đoạn đầu tiên và thứ ba kết nối với tất cả các chuyển mạch ở giai đoạn giữa, đảm bảo rằng nếu p ≥ 2m - 1, chuyển mạch sẽ hoàn toàn không chặn Để giảm thiểu tổn hao, p được chọn là 2m - 1 Các chuyển mạch trong mỗi giai đoạn thường được thiết kế với chuyển mạch ngang, với mỗi chuyển mạch m x (2m - 1) yêu cầu m(2m - 1) phần tử chuyển đổi 2 x 2, và mỗi chuyển mạch k x k ở giai đoạn giữa cần k^2 phần tử chuyển đổi 2 x 2 Tổng số phần tử chuyển mạch cần thiết là 2km(2m - 1) + (2m - 1)k^2.

Chuyển mạch không chặn 1024 x 1024 được thiết kế chặt chẽ thông qua việc kết nối các chuyển mạch 32 x 64 và 32 x 32 theo mô hình Clos ba tầng.

Sử dụng k = n/m, chúng ta để bạn xác minh rằng số lượng phần tử chuyển đổi được giảm thiểu khi m ≈ √ n 2

Sử dụng giá trị này cho m, số lượng phần tử chuyển mạch cần thiết cho cấu hình chi phí tối thiểu là xấp xỉ 4√ 2 n

2 - 4n, thấp hơn đáng kể so với n 2 cần thiết cho một thanh ngang

Mô hình Clos mang lại nhiều lợi ích cho kết cấu chuyển mạch nhiều tầng, với sự đồng nhất tổn thất giữa các kết hợp đầu vào-đầu ra tốt hơn so với thanh ngang Hơn nữa, số lượng phần tử chuyển đổi cần thiết trong mô hình này cũng ít hơn đáng kể, làm cho nó trở thành lựa chọn tối ưu.

Mô hình Spanke, như được thể hiện trong Hình 3.68, đang trở thành một lựa chọn phổ biến cho việc xây dựng các thiết bị chuyển mạch lớn Chuyển mạch n x n được tạo ra bằng cách kết hợp n chuyển mạch 1 x n và n chuyển mạch n x 1, theo hình minh họa Mô hình này có tính chất nghiêm ngặt không chặn, và cho đến nay, chúng ta đã tiến hành đếm số lượng phần tử chuyển mạch 2 x.

Công nghệ chuyển mạch quang

Có nhiều công nghệ chuyển mạch quang khác nhau, như được nêu trong Bảng 3.5 Tất cả các phần tử chuyển mạch, trừ chuyển mạch MEMS quy mô lớn, đều áp dụng mô hình thanh ngang.

Chuyển mạch cơ số lượng lớn

Trong chuyển mạch cơ học, chức năng chuyển mạch được thực hiện thông qua các phương tiện cơ học, như bộ chuyển mạch sử dụng sự sắp xếp gương để điều khiển trạng thái chuyển mạch bằng cách di chuyển gương vào và ra khỏi đường quang học Một loại chuyển mạch cơ học khác là bộ ghép định hướng, nơi việc uốn hoặc kéo dài sợi quang trong vùng tương tác sẽ thay đổi tỷ lệ ghép nối, cho phép chuyển đổi ánh sáng từ một cổng đầu vào sang các cổng đầu ra khác nhau.

Bảng 3.5 so sánh các công nghệ chuyển mạch quang như chuyển mạch cơ học, MEMS và chuyển mạch dựa trên polyme, cho thấy chúng hoạt động tương tự ở các bước sóng 1,3 và 1,55 μm Tuy nhiên, mỗi thiết bị chuyển mạch được thiết kế để hoạt động riêng biệt ở một trong các dải bước sóng này Các thông số này đại diện cho các thiết bị chuyển mạch có sẵn trên thị trường vào đầu năm 2001.

Kiểu Kích thước Suy hao

Xuyên âm( dB ) PDL( dB )

Polymer 8x8 10 30 Low 2ms Điện- quang

Các thiết bị chuyển mạch cơ số lượng lớn có tổn hao thấp, PDL thấp và nhiễu xuyên âm thấp, thường có sẵn dưới dạng hình thanh ngang, nhưng độ đồng đều về tổn thất không cao Chúng có tốc độ chuyển đổi vài mili giây và số lượng cổng nhỏ, từ 8 đến 16, nên thích hợp cho các kết nối chéo bước sóng nhỏ trong ứng dụng chuyển mạch bảo vệ và cung cấp Mặc dù độ tin cậy lâu dài của các thiết bị này cần được chú ý, nhưng chúng vẫn bền hơn so với các công nghệ chuyển mạch quang khác Để thực hiện các chuyển mạch lớn hơn, có thể xếp tầng các chuyển mạch cơ, nhưng sẽ có những phương pháp tốt hơn để nhận ra các chuyển mạch có số lượng cổng lớn hơn.

Hệ thống chuyển mạch cơ điện vi mô (MEMS)

Hệ thống cơ điện tử vi mô (MEMS) là thiết bị cơ khí miniaturized, thường được làm từ silicon, và trong chuyển mạch quang học, MEMS thường chỉ các gương di động nhỏ có kích thước từ vài trăm micromet đến vài milimet Một tấm silicon có thể sản xuất nhiều gương, cho phép chúng được nhân tạo và đóng gói thành các mảng Gương MEMS được chế tạo bằng quy trình sản xuất chất bán dẫn tiêu chuẩn và có thể được điều khiển bằng nhiều kỹ thuật truyền động điện tử như điện từ, tĩnh điện hoặc áp điện Trong đó, độ lệch tĩnh điện là phương pháp tiết kiệm điện nhưng khó kiểm soát trong phạm vi độ lệch rộng.

Gương đơn giản nhất được gọi là gương bật lên hai trạng thái hoặc gương 2D, trong đó một trạng thái cho phép gương phẳng thẳng hàng với chất nền mà không làm lệch chùm sáng, trong khi trạng thái còn lại khiến gương bật lên theo phương thẳng đứng, làm lệch chùm sáng Gương này có thể được áp dụng trong cách sắp xếp thanh ngang để nhận ra một chuyển mạch n x n, với kích thước mô-đun chuyển mạch thực tế bị giới hạn khoảng 32 x 32 do kích thước mỏng và các ràng buộc xử lý.

Các chuyển mạch này đặc biệt dễ điều khiển thông qua các phương tiện kỹ thuật số, vì chỉ cần hỗ trợ hai vị trí gương.

Một loại cấu trúc gương đặc biệt được thể hiện trong Hình 3.72, trong đó gương được kết nối qua các điểm uốn với khung bên trong và ngọn lửa bên ngoài Độ uốn này cho phép gương quay tự do theo hai trục riêng biệt, giúp điều chỉnh các góc lệch liên tục Loại gương này, thường được gọi là gương lái chùm tia tương tự, gương gimbel hoặc gương 3D, có khả năng thực hiện chuyển mạch 1 x n Tuy nhiên, việc điều khiển các gương này đòi hỏi các cơ chế servo tinh vi để đảm bảo chúng đạt được vị trí chính xác.

Gương MEMS được mô tả trong Hình 3.71 có khả năng chuyển đổi giữa hai trạng thái, cho phép nó bật lên và gập phẳng ở vị trí khác Thiết kế này mang lại sự linh hoạt cho việc sử dụng gương trong các ứng dụng khác nhau.

Hình 3.72 Một gương lái dạng tia tương tự Gương có thể quay tự do theo hai trục để làm lệch một chùm tia sáng tới.

Hình 3.73 Một chuyển mạch n x n được chế tạo bằng cách sử dụng hai dãy gương MEMS lái chùm tia tương tự.

Chuyển mạch n x n lớn được trình bày trong Hình 3.73 sử dụng hai dãy gương lái chùm, tương ứng với mô hình Spanke đã đề cập trong Phần 3.7.1 Mỗi mảng gồm n gương, với mỗi gương liên kết tới một cổng chuyển mạch Tín hiệu đầu vào được ghép với gương liên kết trong mảng đầu tiên thông qua cách sắp xếp thấu kính chuẩn trực Gương đầu tiên có khả năng điều chỉnh để hướng chùm tia tới bất kỳ gương nào trong dãy thứ hai Để thiết lập kết nối từ cổng i đến cổng j, gương i trong mảng đầu tiên sẽ hướng tới gương j trong mảng thứ hai và ngược lại, cho phép chùm tia được ghép ra khỏi cổng j Khi kết nối từ cổng i đến cổng k, gương i và gương k sẽ chỉ vào nhau, với chùm tia được quét qua các gương khác mà không gây nhiễu xuyên âm bổ sung, vì kết nối chỉ được thiết lập khi hai gương hướng vào nhau Các chùm tia tương ứng với nhiều kết nối chéo bên trong chuyển mạch nhưng không gây ra nhiễu.

Có hai loại kỹ thuật chế tạo cấu trúc MEMS: chế tạo vi mô bề mặt và chế tạo vi mô số lượng lớn Chế tạo vi mô bề mặt bao gồm việc lắng đọng nhiều lớp trên nền silicon, sau đó ăn mòn một phần để tạo ra các cấu trúc khác nhau Trong khi đó, chế tạo vi mô số lượng lớn tạo ra các cấu trúc MEMS trực tiếp từ tấm silicon lớn Việc chọn loại kỹ thuật chế tạo và chất nền silicon phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính của cấu trúc Hiện nay, các gương MEMS 2D đơn giản được tạo ra từ vi gia công bề mặt, trong khi gương MEMS 3D sử dụng phương pháp vi mô số lượng lớn.

Công nghệ gương lái chùm tia tương tự 3D MEMS nổi bật trong số các công nghệ chuyển mạch quang học nhờ tiềm năng lớn cho quy mô lớn Các thiết bị này không chỉ nhỏ gọn mà còn có đặc tính quang học ưu việt như suy hao thấp và độ đồng nhất cao Hơn nữa, chúng có thể tiết kiệm năng lượng, trong khi nhiều công nghệ khác bị giới hạn ở kích thước chuyển mạch nhỏ Hiện nay, thiết bị chuyển mạch 3D MEMS với từ 256 đến hơn 1000 cổng đã có mặt trên thị trường, nhờ vào nỗ lực của các nhà cung cấp trong việc khắc phục các thách thức về chế tạo, điều khiển năng suất cao, cũng như đảm bảo độ tin cậy và ổn định trong các điều kiện như nhiệt độ, độ ẩm và rung động.

Chuyển mạch quang học từ Agilent Technologies áp dụng phương pháp ống dẫn sóng phẳng, tương tự như công nghệ máy in phun Hình 3.74 minh họa cấu trúc của chuyển mạch với các ống dẫn sóng chéo nhau và rãnh theo chiều dài Các rãnh chứa chất lỏng khớp chỉ số, cho phép ánh sáng truyền qua các điểm giao nhau Khi chất lỏng tại một điểm giao nhau được làm nóng, bong bóng khí hình thành, phá vỡ sự khớp chỉ số và ánh sáng sẽ được phản chiếu Mỗi điểm giao nhau hoạt động như một công tắc xà ngang 2x2, cho phép chế tạo thiết bị chuyển mạch lên đến 32 x 32 trên một nền tảng duy nhất Công nghệ này hứa hẹn mang lại các mảng công tắc nhỏ, dễ sản xuất và chi phí thấp, với thời gian chuyển đổi chỉ trong vài mili giây.

Hình 3.74 Một công tắc ống dẫn sóng phẳng sử dụng công nghệ in phun để kích hoạt chuyển mạch.

Chuyển mạch tinh thể lỏng

Các tế bào tinh thể lỏng là một giải pháp hiệu quả cho việc nhận diện các chuyển mạch quang học nhỏ, thường hoạt động dựa trên hiệu ứng phân cực Bằng cách áp dụng điện áp vào tế bào tinh thể lỏng, chúng ta có thể điều chỉnh sự phân cực của ánh sáng, kết hợp với bộ tách chùm phân cực thụ động và bộ kết hợp để tạo ra chuyển mạch độc lập phân cực Nguyên lý hoạt động tương tự như bộ cách ly không phân cực Các thành phần như bộ tách chùm tia, bộ kết hợp và phần tử chuyển mạch có thể được thực hiện bằng tế bào tinh thể lỏng, cho phép điều khiển sự quay phân cực theo kiểu tương tự Công nghệ này cũng hỗ trợ nhận diện bộ suy hao quang học biến thiên (VOA), có thể được tích hợp trong chuyển mạch để điều khiển công suất đầu ra Thời gian chuyển đổi chỉ mất vài mili giây, và giống như chuyển mạch ống dẫn sóng dựa trên bong bóng, chuyển mạch tinh thể lỏng là thiết bị trạng thái rắn, có khả năng sản xuất hàng loạt với chi phí thấp.

Chuyển mạch điện quang 2 x 2 có thể được thực hiện thông qua các cấu hình bộ điều chế bên ngoài, với liti niobat (LiNbO3) là vật liệu phổ biến Trong cấu hình bộ ghép định hướng, tỷ lệ ghép nối thay đổi nhờ điều chỉnh điện áp, ảnh hưởng đến chiết suất của vật liệu Trong khi đó, cấu hình Mach-Zehnder có độ dài đường dẫn khác nhau giữa hai nhánh Công tắc điện quang có khả năng thay đổi trạng thái rất nhanh, thường trong thời gian dưới 1 ns, với giới hạn thời gian chuyển mạch phụ thuộc vào điện dung của cấu hình điện cực.

Hình 3.75 minh họa một chuyển mạch tinh thể lỏng 1 x 2 Trong chế độ quay bị tắt, chùm sáng thoát ra từ cổng ra 1 Khi chế độ quay được kích hoạt bằng cách áp dụng điện áp vào tế bào tinh thể lỏng, chùm sáng sẽ thoát ra từ cổng 2.

Chuyển mạch điện tử lớn

Trong phần này, chúng ta đã tập trung vào công nghệ chuyển mạch quang, nhưng nhiều kết nối quang học hiện nay thực tế sử dụng cấu trúc chuyển mạch điện tử Điều này chủ yếu do các cấu trúc chuyển mạch quang quy mô lớn mới chỉ bắt đầu có sẵn Một chuyển mạch điện tử lớn thường sử dụng thiết kế nhiều tầng, với cách tiếp cận Clos được ưa chuộng vì nó cung cấp mô hình không chặn với số lượng chuyển mạch điểm chéo tương đối nhỏ Có hai cách tiếp cận chính: cách thứ nhất chuyển đổi tín hiệu đầu vào 2,5 Gb/s hoặc 10 Gb/s thành dòng bit song song với tốc độ quản lý được, như 51 Mb/s, và tất cả việc chuyển đổi diễn ra ở tốc độ bit thứ hai Cách tiếp cận này hợp lý khi cần chuyển đổi tín hiệu theo đơn vị 51 Mb/s Hơn nữa, chi phí tổng thể của chuyển mạch điện tử thường bị chi phối bởi chi phí bộ chuyển đổi quang sang điện, cho thấy rằng việc chuyển đổi tín hiệu trong miền điện là hợp lý khi tín hiệu đã có sẵn.

Một cách tiếp cận khác trong thiết kế bộ chuyển mạch là sử dụng phương pháp nối tiếp với tốc độ đường truyền mà không chia tín hiệu thành các luồng bit tốc độ thấp hơn Phương pháp này dựa trên một thanh ngang được chế tạo như một vi mạch duy nhất, với các IC thanh ngang 64 x 64 hiện đã có mặt trên thị trường, hoạt động ở tốc độ 2,5 Gb/s Tuy nhiên, việc xây dựng các thiết bị chuyển mạch lớn hơn từ các IC này đòi hỏi phải quản lý sự tiêu tán công suất và kết nối giữa các giai đoạn chuyển mạch Một IC chuyển mạch 64 x 64 tiêu tốn khoảng 25 W, và để tạo ra một chuyển mạch 1024 x 1024, cần khoảng 100 IC, dẫn đến tổng công suất tiêu hao khoảng 25 kW.

Sử dụng công nghệ 3D MEMS, 1024 có thể tiêu thụ khoảng 3 kW và có kích thước nhỏ gọn hơn so với các chuyển mạch điện tương đương Tuy nhiên, việc làm mát cho các chuyển mạch này là một thách thức lớn Kết nối tốc độ cao giữa các mô-đun chuyển đổi là cần thiết; khi các mô-đun nằm trong một bảng mạch in duy nhất, việc kết nối không khó khăn Tuy nhiên, yêu cầu về tản nhiệt và không gian bo mạch đòi hỏi phải sử dụng nhiều bảng mạch in và giá đỡ thiết bị Các kết nối giữa các bảng này cần hoạt động ở tốc độ cao, thường từ 2,5 Gb/s trở lên Để đáp ứng yêu cầu này, có thể sử dụng kết nối điện chất lượng cao hoặc kết nối quang Mặc dù các trình điều khiển cho kết nối điện tiêu tốn nhiều năng lượng và có khoảng cách hạn chế (5-6 m), kết nối quang học với các bộ thu và tia laze phân thành mảng cùng với cáp ruy băng sợi quang cung cấp khả năng tiêu tán điện năng thấp hơn và khoảng cách tiếp cận lên tới 100 m hoặc hơn.

Bộ chuyển đổi bước sóng

Phương pháp quang điện tử

Phương pháp chuyển đổi bước sóng hiện nay được coi là đơn giản và hiệu quả nhất, như thể hiện trong Hình 3.76 Tín hiệu đầu vào được chuyển đổi sang dạng điện tử, sau đó tái tạo và truyền lại bằng laser ở bước sóng khác Thường thì đây là bộ chuyển đổi với đầu vào biến và đầu ra cố định, trong đó máy thu không quan tâm đến bước sóng đầu vào, miễn là nó nằm trong khoảng 1310 hoặc 1550 nm Laser sử dụng thường là loại cố định, nhưng có thể đạt được đầu ra biến bằng cách sử dụng laser điều chỉnh.

Hiệu suất và độ trong suốt của bộ chuyển đổi phụ thuộc vào loại tái sinh được sử dụng Trong trường hợp đơn giản nhất, máy thu chuyển đổi photon thành electron, được khuếch đại bởi bộ khuếch đại RF và điều khiển laser, gọi là tái tạo 1R Hình thức chuyển đổi này minh bạch với định dạng điều chế, miễn là máy thu phù hợp được sử dụng để nhận tín hiệu, và có khả năng xử lý dữ liệu analog Tuy nhiên, tiếng ồn được thêm vào trong bộ chuyển đổi, và các tác động của phi tuyến và phân tán không được thiết lập lại.

Một lựa chọn trong tái tạo tín hiệu là tái tạo 2R, nơi định hình lại dữ liệu kỹ thuật số mà không cần kích thích lại, tuy nhiên, điều này có thể giới hạn số giai đoạn do sự không ổn định pha Lựa chọn cuối cùng là tái tạo 3R, trong đó định hình lại và kích thích lại hoàn toàn khôi phục các tác động của phi tuyến, phân tán sợi và tiếng ồn khuếch đại mà không tạo thêm tiếng ồn Mặc dù retiming làm giảm tính minh bạch, nhưng nếu điều này không phải là yếu tố quan trọng, thì 3R là một giải pháp hấp dẫn Chúng tôi sẽ thảo luận về cách duy trì tính minh bạch với 3R thông qua bọc kỹ thuật số trong chương tiếp theo.

Các loại tái tạo thường bao gồm các mạch để giám sát và xử lý hiệu suất, cũng như điều chỉnh chi phí quản lý liên quan đến tín hiệu Chúng ta sẽ phân tích một số chi phí này trong các phần 6.1 và 9.5.7.

Có ba kiểu tái sinh quang điện tử: (a) 1R, là tái sinh mà không cần định hình lại hoặc kích thích lại; (b) 2R, là tái tạo có định hình lại; và (c) 3R, là tái tạo có định hình lại và kích thích lại.

Hệ thống quang học

Hệ thống quang học hoạt động bằng cách sử dụng thiết bị quang học, có khả năng thay đổi theo cường độ tín hiệu đầu vào Sự biến đổi này có thể được chuyển đổi thành một tín hiệu đầu dò khác, không bị sửa đổi, ở bước sóng khác khi đi qua thiết bị.

Hình 3.77 mô tả quá trình chuyển đổi bước sóng thông qua điều chế tăng chéo trong bộ khuếch đại quang học bán dẫn Tín hiệu đầu dò chứa thông tin từ tín hiệu đầu vào, tương tự như phương pháp quang điện tử Các thiết bị này có thể là thiết bị đầu vào thay đổi hoặc thiết bị đầu ra cố định, tùy thuộc vào việc tín hiệu đầu dò có được cố định hay điều chỉnh Phương pháp này mang lại tính minh bạch, cho phép chuyển đổi các tín hiệu được điều chế cường độ hạn chế.

Kỹ thuật chính được áp dụng là điều chế đạt chéo (CGM), sử dụng hiệu ứng phi tuyến trong bộ khuếch đại quang học bán dẫn (SOA) Phương pháp này có khả năng hoạt động trên nhiều bước sóng tín hiệu và đầu dò, miễn là chúng nằm trong băng thông đạt được khoảng 100 nm Mặc dù SOAs ban đầu rất nhạy cảm, nhưng thông qua quy trình chế tạo tỉ mỉ, có thể làm cho chúng trở nên vô cảm với phân cực Tuy nhiên, cần lưu ý rằng SOAs cũng sẽ thêm tiếng ồn phát xạ tự phát vào tín hiệu.

CGM dựa vào sự phụ thuộc của mức tăng của một SOA vào công suất đầu vào, như thể hiện trong Hình 3.77 Khi công suất đầu vào gia tăng, các nhà mạng trong khu vực của SOA bị cạn kiệt, dẫn đến mức tăng bộ khuếch đại giảm Điều thú vị là động lực của tàu sân bay trong SOA diễn ra rất nhanh, chỉ trong khoảng thời gian picô giây, do đó mức tăng phản ứng tương ứng với biến động công suất đầu vào một cách chính xác.

Thiết bị có khả năng xử lý tốc độ bit lên tới 10 Gb/giây, nhưng khi tín hiệu đầu dò công suất thấp được đưa vào SOA, mức tăng sẽ thấp với tín hiệu 1 bit và cao hơn với tín hiệu 0 bit, dẫn đến hiện tượng crosstalk khi nhiều tín hiệu ở các bước sóng khác nhau được khuếch đại Mặc dù CGM đơn giản về khái niệm, nhưng nhược điểm của nó là tỷ lệ tuyệt chủng chỉ đạt dưới 10, do mức tăng không giảm xuống 0 với đầu vào 1 bit Công suất tín hiệu đầu vào cần đạt khoảng 0 dBm để bộ khuếch đại bão hòa và tạo ra sự thay đổi lợi nhuận hiệu quả, và tín hiệu công suất cao này cần được loại bỏ qua lọc phù hợp ở đầu ra Hơn nữa, sự khác biệt về mật độ mang trong SOA làm thay đổi chỉ số khúc xạ, ảnh hưởng đến giai đoạn của đầu dò và gây ra biến dạng xung lớn.

Kỹ thuật giao thoa

Hiệu ứng thay đổi pha tương tự trong CGM có thể tạo ra biến dạng xung và thực hiện chuyển đổi bước sóng thông qua điều chế pha chéo Mật độ mang trong bộ khuếch đại thay đổi theo tín hiệu đầu vào, dẫn đến sự thay đổi chỉ số khúc xạ và điều chỉnh pha của đầu dò Điều này có thể chuyển đổi thành điều chế cường độ bằng cách sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI) Cấu hình MZI có hai cánh tay cùng chiều dài, mỗi cánh tay kết hợp SOA, nơi tín hiệu được gửi từ đầu A và đầu dò tại đầu B Khi không có tín hiệu, đầu dò không bị điều chỉnh, nhưng khi có tín hiệu, sự thay đổi pha xảy ra khác nhau ở mỗi bộ khuếch đại do công suất tín hiệu khác nhau MZI sẽ chuyển đổi sự khác biệt pha này thành tín hiệu điều chỉnh cường độ ở đầu ra Đặc biệt, trạng thái tự nhiên của MZI khi không có tín hiệu có thể được thiết lập để tạo ra sự can thiệp phá hoại hoặc mang tính xây dựng trên tín hiệu đầu dò.

Chúng ta có thể lựa chọn giữa việc dữ liệu xuất hiện giống như dữ liệu đầu vào hoặc bổ sung Cách tiếp cận này có ưu điểm so với CGM vì yêu cầu ít năng lượng tín hiệu hơn để đạt được sự thay đổi pha lớn so với sự thay đổi tăng lớn Thực tế, việc sử dụng công suất tín hiệu thấp và công suất thăm dò cao làm cho phương pháp này trở nên hấp dẫn hơn so với CGM.

Phương pháp này nâng cao tỷ lệ sống sót của các loài bằng cách chuyển đổi sự thay đổi pha thành tín hiệu đầu ra "kỹ thuật số" được điều chỉnh biên độ thông qua giao thoa kế Nhờ đó, thiết bị này cho phép tái tạo các xung với việc định hình lại (2R) hiệu quả.

Hình 3.78 minh họa quá trình chuyển đổi bước sóng thông qua điều chế pha chéo, sử dụng các thiết bị quang học bán dẫn được tích hợp trong giao thoa kế Mach-Zehnder.

Tùy thuộc vào vị trí vận hành của MZI, đầu dò có thể được điều chỉnh theo cùng cực hoặc cực đối diện với tín hiệu đầu vào Hình 3.78 minh họa mối quan hệ giữa công suất kết hợp ở bước sóng đầu dò và công suất ở bước sóng tín hiệu, cho thấy rằng độ dốc của bộ phận rẽ kênh có thể làm tăng hoặc giảm công suất kết hợp Tương tự như CGM, tốc độ bit tối đa có thể xử lý là 10 Gb/s, nhưng bị giới hạn bởi tuổi thọ của nhà mạng Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu kiểm soát chặt chẽ dòng thiên bias của SOA, vì những thay đổi nhỏ trong dòng thiên bias có thể ảnh hưởng đáng kể đến chỉ số khúc xạ và giai đoạn tín hiệu qua thiết bị.

Phương pháp giao thoa CPM cung cấp khả năng tái sinh với việc định hình lại (2R) các xung, nhưng không loại bỏ hoàn toàn sự rung động pha trong tín hiệu Để làm sạch hoàn toàn tín hiệu, bao gồm cả các đặc điểm thời gian, cần phải thực hiện tái tạo bằng cách định hình lại và kích hoạt lại (3R) Một đề xuất trong lĩnh vực quang học cho quy trình này không cần chuyển đổi điện tử đã được trình bày, sử dụng sự kết hợp giữa CGM và CPM Để thực hiện, cần có đồng hồ cục bộ để lấy mẫu dữ liệu đến, và đồng hồ này sẽ được phục hồi từ dữ liệu Bộ tái tạo gồm ba giai đoạn, trong đó giai đoạn đầu tiên lấy mẫu tín hiệu bằng cách sử dụng CGM trong SOA và thăm dò tín hiệu đến với hai tín hiệu riêng biệt ở các bước sóng khác nhau.

Tái tạo toàn diện với định hình lại và nâng cấp (3R) được thực hiện thông qua việc kết hợp điều chế thu thập chéo và điều chế pha chéo trong bộ khuếch đại quang bán dẫn.

Tín hiệu đầu dò được đồng bộ hóa và điều chỉnh với tốc độ gấp đôi tốc độ dữ liệu của tín hiệu đến, cho phép lấy mẫu tín hiệu đầu vào ở giữa khoảng bit Ở giai đoạn đầu tiên, hai tín hiệu đầu dò giảm mức công suất khi tín hiệu đầu vào có mặt và tăng cao hơn khi tín hiệu vắng mặt Trong giai đoạn thứ hai, một tín hiệu đầu dò bị trì hoãn nửa khoảng thời gian so với tín hiệu kia, dẫn đến tín hiệu kết hợp có tỷ lệ nhỏ tương ứng với tốc độ bit của tín hiệu đầu vào Tín hiệu này sau đó được gửi qua giai đoạn chuyển đổi giao thoa dựa trên CPM, nơi nó được tái tạo và định hình để tạo ra tín hiệu đầu ra đã được tái tạo, định thời gian lại và định hình lại.

Trộn sóng

Hiện tượng trộn bốn sóng, do tính phi tuyến trong môi trường truyền dẫn, có thể được sử dụng để chuyển đổi bước sóng Khi f1 = f2, sóng thứ tư sẽ có tần số 2f1 - f3 Điều thú vị là các sóng kết quả có thể nằm trong cùng một dải với các sóng tương tác Mặc dù công suất trộn bốn sóng trong sợi quang khá nhỏ và có thể dẫn đến crosstalk, nhưng công suất này có thể được tăng cường bằng cách sử dụng SOA với cường độ cao hơn Khi có tín hiệu ở tần số fs và đầu dò ở tần số fp, trộn bốn sóng sẽ tạo ra tín hiệu ở tần số 2fp - fs và 2fs - fp, miễn là các tần số này nằm trong băng thông khuếch đại Ưu điểm chính của trộn bốn sóng là tính trong suốt, vì hiệu ứng không phụ thuộc vào định dạng điều chế và tốc độ bit.

Nhược điểm của hệ thống là cần phải lọc các sóng không mong muốn tại đầu ra SOA, và hiệu quả chuyển đổi sẽ giảm đáng kể khi khoảng cách bước sóng giữa tín hiệu và đầu dò tăng lên Chúng tôi sẽ phân tích hiệu quả chuyển đổi của việc trộn bốn sóng trong Phần 5.8.4.