Chương 2. Hệ thống chuyển mạch chùm quang
2.4. Thiết kế thực thi lớp vật lý các node mạng lõi OBS
2.4.1. Một số yêu cầu của OBS đối với mạng truyền dẫn quang
Để thực thi kỹ thuật OBS, mạng truyền dẫn quang WDM hoặc DWDM cần phải trang bị bổ xung thêm các phần chức năng để hoàn thiện theo sơ đồ hình 2.22. Dưới đây là bốn khối cơ bản yêu cầu của một hệ thống OBS [6, 13].
Các node biên với các laser điều chỉnh nhanh,
Các bộ khuếch đại quang sợi EDFA trên tuyến cũng như trên các node vào ra của các noe mạng lõi OBS,
Các trường chuyển mạch có thể cấu hình nhanh và các bộ chuyển đổi bước sóng kết hợp với các laser điều chỉnh nhanh tại các node mạng lõi,
Các bộ thu hoạt động ở chế độ thu chùm dữ liệu tại các node biên ra.
Hình 2.22 Các liên kết truyền dẫn quang trong mạng OBS (1) laser điều chỉnh nhanh, (2) bộ khuếch đại quang sợi, (3) các node chuyển mạch quang nhanh và
(4) bộ thu quang hoạt động chế độ thu chùm dữ liệu.
a. Các bộ phát điều chỉnh nhanh
Bộ phát điều chỉnh nhanh là thành phần chủ chốt trong các mạng OBS. Các laser điều chỉnh nhanh được sử dụng trong các phần định tuyến của node biên, nó thực hiện tinh chỉnh bước sóng phát ra theo bước sóng sử dụng truyền chùm dữ liệu. Ngoài ra, còn sử dụng kết hợp các bộ chuyển đổi bước sóng để giải quyết xung đột. Với mạng OBS, thời gian tinh chỉnh yêu cầu nằm trong khoảng cỡ μs. Các phương pháp điều chỉnh bước sóng phát của laser bán dẫn bao gồm:
thay đổi chiết suất môi trường trong khoang cộng hưởng (thay đổi nhiệt độ hay dòng lối vào) hoặc thay đổi độ dài khoang cộng hưởng (về mặt cơ khí, sử dụng hệ vi cơ điện tử MEMS). Do hằng số thời gian lớn, nên các hệ thống thường sử dụng phương pháp điều chỉnh dòng điện lối vào để điều chỉnh bước sóng lối ra.
Các laser điều chỉnh nhanh có thể được chia làm hai loại: đầu tiên cũng là loại chiếm phần lớn là các laser sử dụng nhiều tầng các phần tử phản xạ Bragg phân tán (DBR), theo cơ chế này thì bước sóng phát được thay đổi theo dòng lối vào của hệ cách tử Bragg. Loại thứ hai là laser sử dụng khoang cộng hưởng ngoài (ECL). Trong các phần tử đa tầng DBR, thời gian gần đây đã phát triển laser cấu tạo gồm một bộ cách tử nối với phần tử phản xạ (GCSR). Trong laser GCSR, một phần tử phản xạ Bragg được thiết kế gồm một tập các đỉnh răng lược, bằng cách chọn một đỉnh ta có thể thực hiện điều chỉnh thô giá trị của bước sóng. Việc tinh chỉnh được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện đặt lên khoang điều chỉnh pha. Hệ số tốc độ tinh chỉnh được xác định bởi tốc độ của vòng lặp điều khiển [5].
Một phương pháp thực thi khác, sử dụng nhiều tầng DBR được gọi là laser DBR sử dụng cách tử mẫu (SGDBR). Về cấu trúc, hệ được bổ xung thêm một hệ cách tử thứ hai với sắp xếp khác một chút. Kết quả thu được ta có hai hệ răng lược với độ lệch nhất định. Chỉ cần một điều chỉnh nhỏ đối với các hệ răng lược sẽ dẫn tới thay đổi bước sóng cộng hưởng. Trong các hệ DBR tiêu chuẩn, sự thay đổi về chỉ số chiết suất đạt được bằng cách thay đổi dòng lối vào của các hệ cách tử trước, sau và phần pha. Hiện nay trên thị trường, các laser SGDBR được tích hợp đơn khối bao gồm phần điều biến điện (EAM) và phần khuếch đại quang bán dẫn (SOA), cho tín hiệu lối ra có công suất lớn cũng như mức công suất ổn định đối với tất cả các kênh và với mức phát bằng không trong thời gian xử lý. Laser này có thể thực hiện với tốc độ dữ liệu lên tới 2.5 Gb/s. Một sơ đồ đơn giản của một bộ phát quang đa tầng gồm bốn tầng SGDBR được tích hợp thêm một bộ khuếch đại bán dẫn và bộ điều chế được chỉ ra trong hình 2.23 (a).
Hình 2.23 Hai cấu trúc đơn giản thực thi laser điều chỉnh nhanh. (a) Laser SGDBR tích hợp đơn khối; (b) Laser với khoang cộng hưởng ngoài (ECL).
Các laser ECL, như trên hình 2.23 (b) sử dụng một đế laser chuẩn và một hoặc hai gương bên ngoài để phản chiếu ánh sáng trở lại khoang cộng hưởng.
Để điều chỉnh bước sóng lối ra, người ta sử dụng một hệ cách tử hoặc một hệ
các gương nhỏ có thể điều chỉnh theo yêu cầu để tạo ra bước sóng mong muốn.
Thực tế các laser ECL sử dụng các hệ cách tử nhiễu xạ và các hệ phản xạ có thể di chuyển được, sử dụng một hệ cách tử Bragg (SFBG) hoặc tích hợp một mảng khuếch đại với một phần tử lựa chọn bước sóng giống như bộ định tuyến AWG.
Đối với các laser khoang cộng hưởng ngoài SFBG, bước sóng phát ra có thể được điều chỉnh rất đơn giản, bằng cách thay đổi giá trị dòng điện. Các laser ECL có những đặc tính vượt trội như dải điều chỉnh rộng, mức công suất phát và độ đơn sắc của ánh sáng phát cao, song vấn đề ở chỗ là độ tin cậy và tốc độ điều chỉnh thấp.
b. Bộ thu hoạt động chế độ thu chùm dữ liệu
Để thu nhận chùm dữ liệu tới, node biên cần phải sử dụng các bộ thu hoạt động chế độ chùm thay vì các bộ thu thông thường. Chúng phải khôi phục lại tín hiệu đồng hồ từ một phần nhỏ của chùm dữ liệu, và cần phải có khả năng bù phần công suất thăng giáng do các đường truyền khác nhau. Ngày nay các bộ thu chế độ chùm dữ liệu đã có thể hoạt động với tốc độ thu cao (từ 10 Gbps đến 40 Gbps). Các bộ thu hoạt động chế độ thu chùm dữ liệu phải có khả năng đáp ứng được: các định dạng, độ dài, mức công suất khác nhau của các chùm dữ liệu và sự thay đổi về khoảng cách giữa các chùm dữ liệu.
c. Bộ khuếch đại quang sợi
Mạng thông tin quang ngày nay sử dụng phổ biến các bộ khuếch đại sợi quang pha tạp nguyên tố đất hiếm Erbium (EDFA) để bù lại phần công suất suy hao trên đường truyền. Các bộ EDFA hoạt động trong miền bão hoà khuếch đại.
Khi công suất lối vào tăng, hệ số khuếch đại của các bộ EDFA sẽ giảm do các bức xạ kích thích tăng. Khi ở miền bão hoà, công suất tín hiệu lối ra là ổn định và độc lập với công suất lối vào. Ánh sáng được điều chế theo cường độ ở tốc độ dữ liệu cao sẽ được các bộ khuếch đại phát ra với mức công suất ổn định. Do đó, các bộ EDFA với nhiều tín hiệu WDM lối vào có thể bỏ qua xuyên âm giữa các bit. Vấn đề sẽ hoàn toàn khác nếu các bộ EDFA được sử dụng trong mạng OBS như là các bộ khuếch đại đường hay các bộ khuếch đại vào/ra của các node mạng lõi. Mạng OBS không chỉ các kênh trong sợi thay đổi ngẫu nhiên giống như chuyển mạch bước sóng động mà công suất mỗi kênh đơn còn có thể không là hằng số. Nó thay đổi theo tỷ lệ thời gian tương ứng với độ dài chùm dữ liệu và khoảng trống giữa các chùm dữ liệu. Tín hiệu quang được phát qua một chuỗi
các bộ EDFA cho phép thực hiện thay đổi động hệ số khuếch đại theo sự thay đổi công suất tín hiệu lối vào. Sự thay đổi hệ số khuếch đại trên băng tần khuếch đại sẽ đáp ứng sự thay đổi hệ số khuếch đại và tỉ số tín trên tạp (SNR) của các kênh trong miền quang. Các bộ EDFA với hệ số khuếch đại, công suất lối ra có thể điều khiển là cần thiết để tối ưu tỉ số SNR và quản lý các hiệu ứng, tương tác phi tuyến. Do yêu cầu thời gian đáp ứng nhanh nên việc điều khiển khuếch đại nhanh cũng là một trong những vấn đề thiết yếu trong các mạng WDM sử dụng nhiều tầng khuếch đại EDFA. Đặc biệt trong các mạng OBS, sự ổn định hệ số khuếch đại của các bộ EDFA yêu cầu thời gian đáp ứng cỡ μs [5].
Trong các mạng OBS, ổn định hệ số khuếch đại các bộ EDFA nhanh là một trong những yêu cầu quan trọng. Có hai phương pháp cơ bản để ổn định hệ số khuếch đại của các bộ khuếch đại đó là phương pháp ổn định bằng cách điều chỉnh công suất tín hiệu bơm và điều chỉnh bằng cách sử dụng thêm một tín hiệu trong cùng băng khuếch đại.
Điều khiển khuếch đại bằng cách điều chỉnh công suất tín hiệu bơm.
Việc điều khiển công suất tín hiệu bơm có thể dựa trên tín hiệu tới hoặc tín hiệu thông qua vòng lặp phản hồi. Trong lược đồ sử dụng tín hiệu tới để điều chỉnh công suất tín hiệu bơm, cần thiết phải tiến hành đo công suất tín hiệu lối vào. Công suất bơm sẽ được điều chỉnh để đảm bảo hệ số khuếch đại không đổi sử dụng công suất tín hiệu lối vào và dựa trên đặc trưng tĩnh của bộ khuếch đại. Trên hình 2.23 (a) chỉ ra sơ đồ bộ khuếch đại EDFA có thể điều khiển được hệ số khuếch đại. Tín hiệu lối vào được tách ra một phần nhỏ để đưa tới một mạch điều khiển công suất bơm. Dựa trên công suất tín hiệu lối vào, mạch này sẽ điều chỉnh công suất bơm sao cho tín hiệu khuếch đại lối ra là hằng số. Nhược điểm của lược đồ này là phần cứng phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc trưng của bộ khuếch đại, điều kiện môi trường.
Hình 2.24 Điều khiển khuếch đại bằng phương pháp điều chỉnh công suất bơm. (a) dựa trên tín hiệu tới (b) dựa trên tín hiệu qua vòng lặp phản hồi.
Đối với lược đồ điều khiển khuếch đại sử dụng vòng lặp phản hồi (hình 2.24 b), hệ số khuếch đại hoặc một số thông số tỉ lệ sẽ được đo liên tục và công suất bơm sẽ được điều chỉnh cho giá trị lối ra mong muốn dựa trên giá trị đo được này. Hệ thực thi trên hình 2.24 (b) bao gồm một bộ EDFA với bước sóng bơm 980 nm và sử dụng một tín hiệu dò probe đưa tới lối vào của bộ khuếch đại và được đo tại lối ra. Tín hiệu dò probe yêu cầu nằm ngoài cửa sổ của tín hiệu truyền dẫn WDM. Các phép xử lý được thực hiện trên tín hiệu này và dựa trên kết quả thu được để điều khiển tín hiệu bơm đảm bảo ổn định khuếch đại trong các bộ EDFA.
Một phương pháp ổn định các bộ EDFA thứ hai là sử dụng thêm một tín hiệu quang nằm trong dải khuếch đại của bộ EDFA để điều khiển mức độ bão hoà, do đó sẽ điều chỉnh được bộ khuếch đại. Để điều khiển được công suất kênh tín hiệu điều khiển phụ trợ này có thể đạt được bằng cách điều khiển dòng điện như đã trình bày ở trên hoặc bằng cách sử dụng một tín hiệu điều khiển phản hồi để thiết lập mức công suất tín hiệu điều khiển phụ trợ tương ứng thay đổi theo mức công suất tín hiệu lối vào. Tín hiệu phản hồi có thể thực thi trên miền điện hoặc trên miền toàn quang như đã được trình bày trong phần trước. Nếu khuếch đại đối với kênh tín hiệu điều khiển phụ trợ bằng khuếch đại tín hiệu dữ liệu thì phương pháp điều khiển này sẽ giữ mức công suất tín hiệu quang lối vào luôn là hằng số. Trong trường hợp đó, phương pháp này có thể được sử dụng để ổn định toàn bộ các tầng khuếch đại trên tuyến truyền dẫn.
Trong hệ chuyển mạch chùm quang, đặc tính động của các bộ EDFA đã được nghiên cứu chi tiết. Các thí nghiệm và mô hình mô phỏng sử dụng để tính toán các đáp ứng tức thời các bộ EDFA đã được thực hiện đối với một bộ EDFA đơn cũng như các bộ nối tầng EDFA [5].