Chương 2. Hệ thống chuyển mạch chùm quang
2.4. Thiết kế thực thi lớp vật lý các node mạng lõi OBS
2.4.3. Các thành phần chính trong node mạng OBS
Phần này sẽ đề cập đến các thành phần chủ yếu thực thi sơ đồ cấu trúc chung node mạng OBS trong hình 2.25. Các công nghệ hiện tại sẽ được giới thiệu và thảo luận, đề cập các thông số quan trọng như xuyên âm, suy hao, tốc độ chuyển mạch…
a. Yêu cầu thực thi hệ chuyển mạch
Phần chuyển mạch quang được chỉ ra trong hình 2.25 là một thành phần chủ chốt trong node mạng lõi OBS. Trường chuyển mạch quang với kích cỡ NM x NM được yêu cầu đối với một hệ thống N sợi vào ra và M bước sóng trên mỗi sợi. Phần tử chính yếu của đế chuyển mạch này là trường chuyển mạch không gian quang. Chức năng cơ bản của trường chuyển mạch không gian là cho phép các chùm dữ liệu đi vào trường chuyển mạch và lựa chọn lối ra theo yêu cầu.
Dưới đây là một số yêu cầu đối với một trường chuyển mạch trong mạng chuyển mạch OBS [6]:
Có khả năng đáp ứng số lượng cổng vào ra của hệ thống,
Tốc độ chuyển mạch nhanh, thời gian kéo dài chùm dữ liệu là cỡ μs nên sẽ yêu cầu thời gian chuyển mạch phải trong dải μs thậm chí phải ở mức ns.
Có mức suy hao thấp, khi đi qua trường chuyển mạch quang, yêu cầu hệ thống phải có mức suy hao thấp hoặc có thể khuếch đại tín hiệu. Ngoài ra, hệ thống có thể yêu cầu bộ suy hao để cân bằng mức công suất giữa các lối vào.
Mức xuyên âm thấp,
Không phụ thuộc vào bước sóng,
Không phụ thuộc vào độ phân cực (suy hao phụ thuộc vào phân cực PDL thấp ),
Tỉ số phân biệt trạng thái on/off cao (tỉ số công suất lối ra của hệ giữa trạng thái on và trạng thái off),
Hoạt động đa bước sóng và mọi tốc độ bit,
Thực thi đơn giản và độ bền vững cao.
Trong bảng dưới đây cho ta cái nhìn tổng quan các công nghệ khác nhau thực hiện trường chuyển mạch quang [5].
Công nghệ
Thông số Kích cỡ Thời gian
chuyển mạch
Suy hao (dB)
Xuyên âm (dB)
Suy hao PDL (dB) Optomechanical 16 x 16 < 10 ms 3 < -55 0.2
2D MEMS 32 x 32 < 10 ms 1.7-6.9 < -60 0.11–0.16
3D MEMS 350 x 350
160 x 160
< 10 ms
< 10 ms
6 1
< 2
< -60
< -55
0.4 0.5 Thermo-optic
Silica Polymer
8 x 8 16 x 16
< 10 ms
< 10 ms
8 6
< -35
< -30
0.5 0.4 Liquid Crystal 2 x 2 < 10 ms 1.5 < -30 0.1
Bubble 32 x 32 < 10 ms 7.5 < -50 0.3
Acousto-optic 1 x N 3 μs 6 < -35
Electro-optic LiNbO3
InP
8 x 8 1 x 2
< 10 ns
< 10 ns
9 < -35
< -25
0.5
SOA < 1 ns ~ 0 < -50 < 1
Bảng 2 Một số công nghệ chuyển mạch quang.
Như vậy để có thể đáp ứng thời gian chuyển mạch của hệ thống OBS, chỉ có các hệ chuyển mạch bao gồm hệ quang âm acoustic-optic, hệ quang điện tích hợp (sử dụng LiNbO3 hoặc InP) và hệ khuếch đại laser bán dẫn SOA.
b. Khả năng tái tạo và chuyển đổi bước sóng
Ngoài hệ chuyển mạch quang, thành phần quan trọng khác trong hệ chuyển mạch OBS là bộ chuyển đổi bước sóng. Một bộ chuyển đổi bước sóng thực hiện
chuyển đổi dữ liệu từ một bước sóng lối vào và cho một bước sóng khác ở lối ra.
Sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng không những giải quyết hiệu quả nghẽn mà còn cho phép quản lý mạng mềm dẻo và hiệu quả hơn đối với các cơ chế chuyển mạch bảo vệ. Các bộ chuyển đổi bước sóng có thể được sử dụng bao gồm:
Bộ chuyển đổi bước sóng với bước sóng lối vào và lối ra cố định,
Bộ chuyển đổi bước sóng với bước sóng lối vào thay đổi và lối ra cố định,
Bộ chuyển đổi bước sóng với bước sóng lối vào cố định và lối ra thay đổi,
Bộ chuyển đổi bước sóng với bước sóng lối vào thay đổi và lối ra thay đổi.
Phụ thuộc vào cấu trúc node mạng mà các bộ chuyển đổi được yêu cầu. Dải chuyển đổi của các bộ chuyển đổi có thể trên toàn dải bước sóng sử dụng hoặc chỉ trong một nhóm các bước sóng nhất định. Một đặc điểm quan trọng đáng chú ý khác đó là sự không đồng nhất về mức công suất thu, do các tín hiệu truyền trên các quãng đường và các tín hiệu sử dụng các bộ khuếch đại EDFA là khác nhau. Các tham số như mức công suất phát, tỉ số tín trên tạp SNR, độ lệch định thời, tán sắc sẽ khác nhau đối với các tín hiệu lối vào khác nhau.
Có hai phương thức thực hiện chuyển đổi bước sóng quang là: các bộ chuyển đổi bước sóng trong đó có chuyển đổi O/E/O và bộ chuyển đổi bước sóng hoàn toàn trên miền quang. Các bộ chuyển đổi bước sóng trên miền quang nói chung dựa trên các hiệu ứng như hiệu ứng điều chế chéo và hiệu ứng phi tuyến.
Bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng biến đổi O/E/O
Về nguyên lý, phương pháp này là đơn giản, rõ ràng và thông dụng nhất. Tín hiệu lối vào được thu, chuyển đổi và khuếch đại trong miền điện sau đó được đưa tới điều chế trên một bộ phát quang với bước sóng mong muốn. Các bộ chuyển đổi ngày nay được tích hợp mật độ cao. Nó bao gồm các diode phát quang, photo diode và các phần chuyển đổi quang điện, điện quang. Laser phát quang thường sử dụng là laser với bước sóng phát không đổi nên các bộ chuyển đổi là các bộ có bước sóng lối vào thay đổi và lối ra không đổi. Trường hợp bước sóng laser phát có thể điều chỉnh được sẽ cho ta bộ chuyển đổi với bước sóng lối ra có thể điều chỉnh được. Các cấu trúc của bộ thu và các bộ điều chế
cho phép lựa chọn các phương thức điều chế (điều chế theo cường độ IM, khoá dịch pha vi phân DPSK) tại phía các bộ phát và các bộ thu. Các bộ phát đáp hiện nay có giá thành thấp, cho phép truyền tốc độ lên tới 10 Gb/s.
Các bộ chuyển đổi bước sóng trên miền quang
Tại các bộ chuyển đổi này, tín hiệu luôn tồn tại trên miền quang trong suốt quá trình chuyển đổi bước sóng. So với các bộ chuyển đổi bước sóng có sử dụng biến đổi quang điện thì các bộ chuyển đổi bước sóng trên miền quang thực hiện ưu việt hơn đặc biệt là độ trễ nhỏ. Tuy nhiên, giải pháp công nghệ này hiện nay vẫn còn đang được nghiên cứu phát triển.
Chuyển đổi bước sóng nhờ quá trình khuếch đại chéo và điều chế pha trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA.
Trong các bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng điều chế cường độ, khi phát hiện tín hiệu thông tin lối vào sẽ có tín hiệu lối vào thứ hai được điều chế dựa trên những thông tin thu được này. Miền khuếch đại của các bộ SOA được sử dụng để phát hiện tín hiệu vào và đồng thời điều chế tín hiệu lối ra. Các bộ chuyển đổi này chỉ có thể được sử dụng cho các tín hiệu điều chế cường độ, chúng hoạt động dựa trên đường cong phi tuyến SOA trong bộ chuyển đổi điều chế khuếch đại chéo (XGM) và hàm truyền phi tuyến trong các bộ chuyển đổi điều chế pha chéo (XPM).
Bộ chuyển đổi bước sóng điều chế chéo XGM. Chuyển đổi dựa trên nguyên lý điều chế khuếch đại chéo (XGM) trong các bộ SOA đây là kỹ thuật đơn giản nhất để thực hiện chuyển đổi bước sóng trên miền toàn quang. Nó dựa trên sự bão hoà khuếch đại khi công suất lối vào SOA tăng. Tín hiệu thông tin lối vào tại bước sóng λin , và một tín hiệu liên tục λout , được đưa vào bộ SOA. Các mức tín hiệu λin cao sẽ giải phóng các phần tử mang điện trong SOA dẫn tới bão hoà khuếch đại và ngược lại.
Theo đó, ánh sáng liên tục λout có thể được khuếch đại hay không được khuếch đại. Như vậy thông tin được chuyển từ bước sóng λin sang bước sóng λout với mức công suất bị đảo ngược so với λin (hình 2.26). Các bộ chuyển đổi có thể cho phép hai ánh sáng λin và λout truyền trên cùng một hướng hoặc ngược hướng. Băng thông điều chế trong trường hợp cùng hướng sẽ yêu cầu lớn hơn so với trường hợp ngược hướng. Nhiễu nền đối với trường hợp ngược hướng sẽ lớn hơn so với trường hợp cùng
hướng. Nhược điểm của các bộ chuyển đổi bước sóng điều chế khuếch đại chéo là chất lượng tín hiệu lối ra. Tín hiệu ra bị đảo cực so với tín hiệu vào, sẽ dẫn tới phải bổ xung các thành phần chức năng để trả lại định dạng điều chế cũ. Một hạn chế khác của các bộ chuyển đổi XGM là sự chuyển đổi phụ thuộc vào bước sóng do sự khuếch đại là khác nhau đối với các tần số (bước sóng) khác nhau. Do kỹ thuật này thực hiện điều khiển trên miền quang nên yêu cầu mức công suất quang phải đủ lớn để đảm bảo hoạt động trong miền khuếch đại. Mức công suất quang cao có thể dẫn tới tín hiệu chuyển đổi thu được sẽ bị nhiễu ồn, nên giảm khoảng cách truyền. Bởi vậy, các bộ chuyển đổi XGM không thể sử dụng trong các mạng quang.
Bộ chuyển đổi bước sóng điều chế pha chéo XPM. Bộ chuyển đổi này hoạt động dựa trên hiệu ứng điều chế pha chéo trong SOA. Để sử dụng điều chế chéo pha XPM, các bộ SOA phải được đặt trong cấu trúc một bộ giao thoa kế. Hai cấu trúc thực hiện các bộ chuyển đổi bước sóng bao gồm IWC (Interferometric Wavelength Converter) và MI (Michelson Interferometer) được chỉ ra trong hình 2.26 dưới đây. Cấu trúc bộ chuyển đổi IWC bao gồm các bộ SOA được tích hợp trong giao thoa kế Mach-Zehnder (M-Z), còn bộ MI cũng bao gồm các bộ SOA được tích hợp trong giao thoa kế Michelson [5].
Hình 2.26 Các bộ chuyển đổi bước sóng XPM; (a) giao thoa kế Mach- Zehnder và (b) giao thoa kế Michelson.
Trong một bộ giao thoa kế M-Z đối xứng (hình vẽ 2.26 a), một MZI thực hiện chức năng như một bộ chia và tín hiệu lối vào chỉ có thể đi qua một trong các bộ SOA thông qua bộ đấu nối. Mật độ các phần tử mang điện của bộ SOA
phía trên sẽ được điều khiển khi có tín hiệu λin lối vào. Khi đó chỉ số chiết suất trong SOA được điều chỉnh và dẫn tới pha của tín hiệu liên tục λout lối vào cũng sẽ thay đổi theo tín hiệu λin. Nửa đường truyền còn lại của ánh sáng liên tục λout đi qua bộ SOA phía dưới nên pha không bị thay đổi. Tại lối ra, ánh sáng liên tục λout từ hai bộ SOA giao thoa với nhau sẽ cho ta tín hiệu lối ra phụ thuộc vào sự sai khác về pha giữa hai nhánh hay ta có thể nói tín hiệu ra được điều khiển bởi tín hiệu dữ liệu lối vào.
Trong giao thoa kế Michelson (hình vẽ 2.26 b), tín hiệu liên tục λout được đưa tới một nhánh vào của bộ chia công suất và được chia đều ra hai nhánh của giao thoa kế. Ánh sáng tại các nhánh con được khuếch đại và phản xạ một phần tại các lối ra của SOA. Phụ thuộc vào độ trễ pha giữa hai nhánh, mà sẽ thu được tín hiệu λout kết hợp tại nhánh vào của bộ chia công suất. Độ trễ pha của một trong các nhánh nhận sự điều khiển bởi tín hiệu dữ liệu λin được đưa trực tiếp tới bộ SOA. Do đó tín hiệu lối ra λout được điều chế theo tín hiệu dữ liệu lối vào λin. Một bộ lọc được đặt tại lối ra của bộ chuyển đổi để ngăn tín hiệu lối vào λin tránh nhiễu cho tín hiệu thu được. Quá trình chuyển đổi cùng bước sóng là không thể thực hiện được.
Như vậy, so với các bộ chuyển đổi bước sóng XGM thì bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng giao thoa kế thực hiện hiệu quả hơn, do mức công suất tín hiệu yêu cầu để có độ dịch pha đủ lớn thấp hơn nhiều so với công suất yêu cầu khuếch đại trong XGM, hơn nữa phương pháp này cũng cho ta tỉ số phân biệt tín hiệu ra rõ ràng hơn. Phụ thuộc vào điểm hoạt động được chọn trong các bộ SOA, tín hiệu ra của các bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng giao thoa kế có thể đảo hoặc không đảo cực.
Chuyển đổi bước sóng dựa trên hiệu ứng trộn phi tuyến (chuyển đổi kết hợp). Các kỹ thuật chuyển đổi bước sóng kết hợp đều dựa trên các hiệu ứng trộn quang phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) trong SOA và trong các sợi quang, hoặc dựa trên tinh thể LiNbO3 phân cực theo chu kỳ sẽ tạo ra các thành phần tần số khác, hay nói khác đi là tạo ra một bản sao của tín hiệu lối vào với bước sóng mong muốn tuỳ thuộc vào bước sóng bơm. Sử dụng kỹ thuật này có thể thực hiện chuyển đổi đồng thời trên nhiều kênh tín hiệu vào.
Nó còn cho phép chuyển đổi hoàn toàn trên miền quang mà không thay đổi các định dạng điều chế của tín hiệu dữ liệu. Tuy nhiên, kỹ thuật này còn gặp
phải khá nhiều vấn đề cần giải quyết như hiệu suất chuyển đổi kém, tỉ số SNR tỉ lệ nghịch với hiệu suất chuyển đổi, mà đặc biệt là ở tốc độ bit cao yêu cầu phải có SNR lớn. Mặt khác hiệu suất chuyển đổi lại phụ thuộc nhiều vào bước sóng và hệ số khuếch đại của các bộ khuếch đại phải được điều chỉnh lại bằng cách thay đổi bước sóng vào ra, mức suy giảm tín hiệu sẽ bị tích luỹ nếu nối tầng các bộ chuyển đổi. Hơn nữa, các bộ chuyển đổi này có độ nhạy phân cực lớn và yêu cầu công suất tín hiệu bơm cao. Bước sóng bơm có thể được điều chỉnh nhờ sử dụng một nguồn bơm có thể điều chỉnh được.
Chỉ các bộ chuyển đổi bước sóng kết hợp này mới có khả năng đáp ứng yêu cầu chuyển đổi mà không thay đổi định dạng điều chế của tín hiệu. Nó có thể sử dụng cho các tín hiệu được điều chế DPSK và DQPSK. Chuyển đổi bước sóng tín hiệu điều chế pha còn có thể được thực hiện thông qua bộ chuyển đổi có thực hiện các quá trình chuyển đổi O/E/O. Hiện nay các bộ chuyển đổi bước sóng kết hợp này vẫn đang được nghiên cứu, chưa thể thực thi trong các hệ thống ứng dụng. Trường hợp yêu cầu chuyển đổi bước sóng cho các tín hiệu điều chế cường độ với tốc độ 40 Gb/s ngày nay, có thể sử dụng bộ chuyển đổi O/E/O hoặc chuyển đổi điều chế chéo pha XPM. Tuy nhiên, nhược điểm chính của các bộ chuyển đổi O/E/O là giá thành và độ phức tạp. Giá thành các thiết bị quang điện là rất cao đặc biệt đối với thiết bị hoạt động ở tốc độ bit cao. Song thực hiện chuyển đổi trong miền toàn quang cũng không hề đơn giản. Các bộ chuyển đổi XPM cũng mới chỉ được đưa ra, nếu nó có thể hoạt động ổn định và được sản xuất dạng thương phẩm thì nó sẽ được sử dụng chủ yếu trong các bộ phát đáp tốc độ cao.
Các giải pháp cho các bộ chuyển đổi bước sóng trên miền quang hiện nay vẫn chưa đủ khả năng sử dụng dạng thương phẩm và đang được nghiên cứu phát triển. Các bộ chuyển đổi bước sóng hiện tại vẫn sử dụng chuyển đổi thông qua quá trình chuyển đổi O/E/O.
c. Các thành phần thụ động
Trong các node mạng lõi OBS yêu cầu các bộ phân, hợp kênh quang tỉ lệ lớn tại các giao diện vào ra của trường chuyển mạch (hình vẽ 2.25). Bộ hợp kênh M x 1 thực hiện kết hợp các tín hiệu tại M bước sóng trên lối vào của nó và cho ra một tín hiệu tỏng hợp tại lối ra. Tương tự như vậy, bộ phân kênh tực hiện chức năng ngược lại so với bộ hợp kênh. Trong cả hai bộ này, đều sử dụng mảng
các bộ cách tử dẫn sóng AWG (Arrayed Waveguide Grating) để cung cấp một số lượng lớn M bước sóng. Các bộ AWG có mức suy hao nhỏ, băng thông bằng phẳng và dễ dàng thực hiện trên một đế quang tích hợp. Ngày nay, các bộ AWG có thể thực thi với M=80 kênh và được sử dụng rộng dãi trong các hệ thống truyền dẫn WDM.
Phụ thuộc và cấu trúc trường chuyển mạch, các bộ chia và bộ kết hợp bước sóng có thể được yêu cầu trong các node mạng OBS. Một bộ chia 1 x X có thể thực hiện chia một hoặc một số bước sóng thành X phần và hoàn toàn tương tự một bộ kết hợp X x 1 thực hiện chức năng ngược lại. Với các node mạng lõi OBS lớn, các bộ chia, kết hợp tỉ lệ lớn là rất cần thiết. Số lượng cổng X thường trong dải 64, 128 và thậm chí lớn hơn nữa.
Tiếp theo sẽ giới thiệu một số kỹ thuật để chế tạo các bộ chia và các bộ kết hợp dung lượng, kích thước lớn. Giải pháp đầu tiên là thực hiện nối tầng số lượng lớn các bộ nối sợi 2 x 2. Phương pháp này tốn kém về thời gian, kinh tế và phức tạp hoá hệ thống. Hai phương pháp giới thiệu sau đây là hai phương pháp thực thi cho hiệu quả cao nhất.
Trước tiên một số phần tử nhánh chữ Y có thể được nối tầng để đạt được các bộ chia và kết hợp dung lượng lớn. Lược đồ trong hình 2.27 (a) chỉ ra một phần tử nhánh chữ Y với một phần dẫn sóng đơn mode lối vào được chia thành hai dải dẫn sóng và kết nối tới hai ống dẫn sóng lối ra. Nhược điểm của các bộ tách, kết hợp này là suy hao, mất mát năng lượng do tán xạ lớn. Trong một bộ chia công suất quang 1 x128 được tích hợp trên một đế chip sử dụng công nghệ dẫn sóng silica, chứa 127 phần tử nhánh chữ Y được nối thành bảy tầng và tương ứng là 128 ống dẫn sóng lối ra. Suy hao trung bình đo được là trên 3.2 dB (bao gồm cả suy hao do các kết nối). Giá trị này lớn hơn so với giá trị chuẩn cho phép là 0.63 dB [5], [6].
Hình 2.27 Các thiết kế thực thi bộ chia, tổng hợp công suất quang. (a) phần tử nhánh chữ Y; (b) thiết kế bức xạ.