ĐIỀU CHẾ DP - QPSK, GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƯỜNG TRỤC VNPT

ĐIỀU CHẾ DP - QPSK, GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƯỜNG TRỤC VNPT

KHOA VIỄN THÔNG II

_

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NIÊN KHÓA: 2008-2013

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN CƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn: ThS ĐỖ VĂN VIỆT EM

TPHCM - 12/2012

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM 3

1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng 3

1.2 Các thành phần cơ bản trong hệ thống DWDM 4

1.2.1 Bộ phát và thu quang 4

1.2.2 Bộ tách/ghép kênh quang 7

1.2.3 Bộ khuếch đại quang 7

1.2.4 Bộ ghép xen/rớt bước sóng quang OADM 9

1.2.5 Bộ kết nối chéo quang 10

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống DWDM 11

1.3.1 Tán sắc màu và tán sắc phân cực mode 11

1.3.1.1 Tán sắc màu (Chromatic Dispersion – CD) 11

1.3.1.2 Tán sắc phân cực mode (Polarization Mode Dispersion – PMD) 13

1.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến 15

1.3.3 Nhiễu trong bộ thu quang 18

1.4 Xu hướng nâng cao năng lực truyền dẫn trong các hệ thống DWDM 19

1.4.1 Hạn chế về năng lực truyền dẫn 19

1.4.2 Nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống 19

1.4.2.1 Mở rộng băng tần sử dụng 20

1.4.2.2 Giảm khoảng cách kênh 21

1.4.2.3 Tăng tốc độ bit trên một kênh 21

CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM 23

2.1 Điều chế trong các hệ thống WDM 23

2.1.1 Khái niệm về điều chế 23

2.1.2 Điều chế trực tiếp và điều chế ngoài 24

2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp 24

2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế ngoài 25

2.1.3 Kỹ thuật điều chế On-Off Keying (OOK) 28

2.2 Điều chế trong hệ thống Coherent 32

2.2.1 Cơ bản về thông tin quang Coherent 32

2.2.2 Máy thu trong hệ thống Coherent hiện đại: 34

2.2.3 Một số dạng điều chế trong Coherent 36

2.3 Kỹ thuật điều chế DP-QPSK 39

2.3.1 Điều chế pha 2 trạng thái BPSK 39

2.3.2 Điều chế pha 4 trạng thái QPSK 40

2.3.3 Điều chế pha kết hợp ghép phân cực DP-QPSK 41

2.3.4 Chức năng của DSP và FEC trong hệ thống mạng 100 Gb/s 47

CHƯƠNG III GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƯỜNG TRỤC VNPT 50

3.1 Tình hình thương mại hóa các sản phẩm cho ứng dụng 100 Gb/s 50

3.2 Giải pháp 100 Gb/s DP-QPSK của hãng Ciena 53

3.2.1 Giới thiệu chung về mạng quang Ciena 53

3.2.2 Giải pháp mạng đường dài 100 Gb/s 54

3.3 Hệ thống mạng đường trục Bắc-Nam Ciena 240G 58

3.3.1 Giới thiệu về hệ thống Ciena 240G 58

3.3.2 Những vấn đề cơ bản khi nâng cấp hệ thống 63

3.3.2.1 Quy hoạch sử dụng bước sóng: 63

3.3.2.2 Các module cần thiết cho việc nâng cấp mạng lưới: 64

3.3.2.3 Nâng cấp phần mềm quản lý mạng: 65

3.3.3 Mô phỏng và thử nghiệm hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK 66

3.3.3.1 Mô hình 1 66

3.3.3.2 Mô hình 2 69

KẾT LUẬN 72

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự khác nhau giữa WDM và TDM 3

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng 3

Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống DWDM 4

Hình 1.4 Sơ đồ khối của bộ phát quang 5

Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ thu quang 6

Hình 1.6 Tách kênh sử dụng lăng kính 7

Hình 1.7 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA 8

Hình 1.8 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman 9

Hình 1.9 OADM sử dụng FBG và Circulator 10

Hình 1.10 Cấu trúc của một ROADM hai hướng 10

Hình 1.11 Thiết bị nối chéo quang 11

Hình 1.12 Đặc tính tán sắc của một số loại sợi quang 12

Hình 1.13 Tán sắc phân cực mode 14

Hình 1.14 Bù PMD bằng phương pháp quang và điện 15

Hình 1.15 Sự phân chia các băng sóng 20

Hình 1.16 Chồng lấn giữa các kênh 21

Hình 2.1 Dạng sóng của ASK, FSK và PSK 23

Hình 2.2 Mạch phát quang sử dụng Laser Diode 24

Hình 2.3 Sơ đồ khối của một bộ điều chế ngoài 25

Hình 2.4 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực 26

Hình 2.5 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực 27

Hình 2.6 Bộ điều chế Electroabsorption 28

Hình 2.7 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu OOK 28

Hình 2.8 Sơ đồ máy thu OOK 29

Hình 2.9 Mật độ phân bố xác suất Gaussian và χ 30

Hình 2.10 Xung 66%-RZ và xung 33%-RZ 31

Hình 2.11 Sơ đồ khối máy thu quang Coherent 32

Hình 2.12 Máy thu quang Coherent hiện đại 34

Hình 2.13 Máy thu đa dạng pha kết hợp đa dạng phân cực 35

Hình 2.14 Kỹ thuật đánh giá pha Feed-forward 36

Hình 2.15 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu BPSK 39

Hình 2.16 Điều chế và giải điều chế BPSK 39

Hình 2.17 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu QPSK 40

Hình 2.18 Mã hóa hai bit dữ liệu vào ký tự quang 41

Hình 2.19 Điều chế và giải điều chế QPSK 41

Hình 2.20 Sự phân cực của ánh sáng 41

Hình 2.21a Sơ đồ khối máy phát DP-QPSK 42

Hình 2.21b Sơ đồ khối máy thu DP-QPSK 42

Hình 2.22a Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy phát 44

Hình 2.22b Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy thu 44

Hình 2.23 Khuyến nghị công suất LO tối đa cho phép 46

Hình 2.24 Các chức năng cơ bản của DSP 47

Hình 2.25 Biểu đồ chòm sao sau mỗi bước xử lý tín hiệu 47

Hình 2.26 Khối thu phát 100 Gb/s DP-QPSK sử dụng FEC 49

Hình 3.1 Xu hướng phát triển tốc độ bit trên một kênh DWDM 51

Hình 3.2 Kiến trúc mạng quang của Ciena 53

Hình 3.3 Một số thiết bị quan trọng trong mạng Ciena 54

Hình 3.4 Kiến trúc mạng đường dài 100 Gb/s 55

Hình 3.5 Cấu trúc khung dữ liệu trong G.709 56

Hình 3.6 Sơ đồ khối ghép tín hiệu trong ITU-T G.709 57

Hình 3.7 Sơ đồ kết nối các Ring Ciena 240G 59

Hình 3.8 Cấu hình một node mạng trong hệ thống Ciena 61

Hình 3.9 Card 100G-OCLD và 100G-OCI 64

Hình 3.10 Mô hình mô phỏng hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK 66

Hình 3.11 Phổ của tín hiệu sau máy phát 67

Hình 3.12 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 10 Gb/s và 100 Gb/s 67

Hình 3.13 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 100 Gb/s DP-QPSK sau 100 km 68

Hình 3.14 Tín hiệu trong miền thời gian 68

Hình 3.15 Mô hình hệ thống ghép bước sóng 10 Gb/s và 100 Gb/s 69

Hình 3.16 Phổ của tín tín hiệu WDM sau bộ MUX và trước bộ DEMUX 69

Hình 3.17 Phân tích tỉ lệ lỗi bit của 3 kênh bước sóng 10 Gb/s 70

Hình 3.18 Phổ của tín hiệu với kênh 10 Gb/s và 100 Gb/s liền kề nhau 71

Hình 3.19 Phổ của tín hiệu sau khi gỡ bỏ 3 kênh 10 Gb/s liền kề 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của tán sắc màu 13

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của của tán sắc phân cực mode 14

Bảng 1.3 Những thách thức khi tăng tốc độ bit 22

Bảng 2.1 DP-QPSK và DP-MQAM 37

Bảng 2.2 Một số dạng điều tại 100 Gb/s 37

Bảng 2.3 So sánh một số kỹ thuật điều chế tại 40 Gb/s 38

Bảng 2.4 Các kỹ thuật điều chế khác 38

Bảng 2.5 Một vài tham số trong máy phát 100 Gb/s DP-QPSK 45

Bảng 2.6 Một vài tham số trong máy thu 100 Gb/s DP-QPSK 45

Bảng 3.1 Chuẩn IEEE P802.3ba 55

Bảng 3.2 Tải trọng khung dữ liệu trong ITU-T G.709 56

Bảng 3.3 Lưới bước sóng sử dụng trong hệ thống Ciena 240G 61

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn WDM đã và đang được triển khai rộng khắp, trở thành công nghệ chủ đạo trong các mạng truyền tải đường dài cũng như mạng đô thị và khu vực Với những ưu điểm nổi bật như tốc độ truyền tải cao và giá thành hợp

lý, công nghệ WDM vẫn sẽ là một công nghệ không thể thay thế trong nhiều năm nữa Tuy nhiên những năm gần đây, lưu lượng trên mạng lõi IP không ngừng tăng lên một cách nhanh chóng do những dịch vụ chiếm băng thông lớn ra đời: HD IPTV, IP VoD, lưu trữ trực tuyến, điện toán đám mây, 3G, 4G… Và đã gây nên một áp lực ngày càng lớn lên các mạng WDM Từ đó đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phải nâng cao năng lực truyền tải của các hệ thống hiện tại đặc biệt là các tuyến đường dài

Gần đây, các nhà sản xuất thiết bị lớn như Ciena, Alcatel-Lucent, Fujitsu… đã thử nghiệm thành công công nghệ truyền dẫn 100 Gb/s trên một bước sóng, mở ra triển vọng mới trong việc nâng cấp các hệ thống 10 Gb/s và 40 Gb/s đang sử dụng lên

100 Gb/s Những thách thức gặp phải khi chuyển đổi từ tốc độ 10 Gb/s và 40 Gb/s lên

100 Gb/s bao gồm: ảnh hưởng tiêu cực của tán sắc màu (CD), tán sắc phân cực mode (PMD), hiệu ứng phi tuyến và tính tương thích với hạ tầng quang đã được thiết kế cho các hệ thống 10 Gb/s Trước những thách thức như vậy, các kỹ thuật điều chế tín hiệu tiên tiến, kỹ thuật mã sửa lỗi trước (FEC) có hiệu năng cao, kỹ thuật số xử lý tín hiệu điện (DSP) sẽ là những công nghệ chủ chốt cho tốc độ 100 Gb/s để sử dụng lại hạ tầng quang hiện đang dùng cho các tốc độ 10 Gb/s

Trong số các kỹ thuật điều chế tín hiệu quang tiên tiến như DBPSK, DQPSK, RZ-DQPSK, DP-QPSK, ITU-T thấy rằng DP-QPSK là kỹ thuật có khả năng miễn nhiễm cao đối với CD và PMD, và có phổ tín hiệu đủ hẹp để hỗ trợ cả hai tốc độ 130 Gb/s và 112 Gb/s trên các hạ tầng quang có khoảng cách kênh 50 GHz Diễn đàn liên mạng quang (OIF) cũng lựa chọn DP-QPSK như là ứng cử viên sáng giá nhất cho các sản phẩm có tốc độ 100 Gb/s Bằng việc hỗ trợ DP-QPSK, OIF muốn kích thích thị trường cung cấp linh kiện quang và điện tử dùng cho tốc độ 100 Gb/s Vào tháng 8 năm 2008, OIF đã công bố kế hoạch tiêu chuẩn hóa DP-QPSK như là phương thức điều chế cho tốc độ 100 Gb/s trong mạng WAN, với mục tiêu là tạo được một sự hỗ trợ rộng lớn hơn từ các nhà cung cấp các module và linh kiện nhằm chế tạo các thiết bị

100 Gb/s với giá thành hợp lý

DP-QPSK (Dual Polarization – Quadrature Phase Shift Keying) hay còn gọi là PDM-QPSK (Polarization Division Multiplexing – QPSK) hoặc PM-QPSK (Polarization Multiplexing – QPSK), là một dạng điều chế pha 4 trạng thái kết hợp với ghép phân cực Hai tín hiệu QPSK được truyền đi trên hai phân cực trực giao của sóng mang, do đó đã làm tăng gấp đôi tốc độ truyền dẫn so với dạng điều chế QPSK trong khi vẫn sử dụng cùng một băng tần Giải điều chế DP-QPSK sử dụng máy thu quang Coherent (tách sóng Coherent), tín hiệu sau tách sóng được đưa đến bộ xử lý tín hiệu

số DSP và được khôi phục về dạng chuỗi bit ban đầu Trong công nghệ truyền dẫn tốc

độ 100 Gb/s, thường sử dụng kết hợp giữa kỹ thuật điều chế DP-QPSK và mã sửa lỗi FEC để giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống [1]

Tại Việt Nam, vào tháng 2 năm 2011, VTN cùng với Ciena đã thử nghiệm thành công công nghệ 100 Gb/s trên hệ thống mạng Ciena 240G đoạn từ Vinh đến Đà Nẵng (dài khoảng 500 km) Điều đó cho thấy VTN hoàn toàn có thể triển khai hệ thống mạng 100 Gb/s trên đường trục Bắc Nam Do vậy em đã chọn đề tài “Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đường trục VNPT” với mục đích tìm hiểu về điều chế DP-QPSK cũng như ứng dụng của kỹ thuật điều chế này vào việc nâng cấp mạng lên tốc độ 100 Gb/s Nội dung chính của đề tài được trình bày trong ba chương:

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM

CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM

CHƯƠNG III GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƯỜNG TRỤC VNPT

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những sự bổ sung, góp ý của thầy cô cũng như bạn đọc quan tâm

để đồ án này được hoàn thiện hơn

Nhân đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đỗ Văn Việt Em, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, bổ sung kiến thức cho em trong thời gian vừa qua Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy trong Khoa Viễn thông 2 đã trang bị kiến thức cho em và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 12 năm 2012 Sinh viên

Nguyễn Văn Cường

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM

1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng

Wavelength Division Multiplexing (WDM) – ghép kênh phân chia theo bước sóng, là một phương thức ghép kênh tương tự như ghép kênh phân chia theo tần số trong vô tuyến, được ứng dụng rộng rãi trong thông tin quang Các hệ thống WDM sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng, trong khi các hệ thống SONET/SDH sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) Sự khác nhau giữa hai phương thức ghép kênh này được thể hiện trên hình dưới đây [2]:

(a) Ghép kênh phân chia theo thời gian

1 sợi quang Ở đầu thu ta dùng một bộ DEMUX (demultiplexer) để tách các sóng khác nhau ra Sau đó các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tín hiệu từ các bước sóng riêng rẽ Nguyên lý của WDM như sau:

M U

D E M U X

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng

Trong WDM có thể chia thành hai loại: ghép kênh theo bước sóng mật độ cao

(Dense Wavelength Division Mutiplexing – DWDM) và ghép kênh theo bước sóng

thô (Coarse Wavelength Division Mutiplexing – CWDM) Khi khoảng cách giữa các

bước sóng nhỏ hơn 1 nm thì ta gọi là ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM

chỉ những tín hiệu quang được ghép trong dải 1550 nm, tận dụng được khả năng

khuếch đại của EDFA (hiệu quả lớn nhất với các bước sóng từ 1530-1560 nm) Một hệ

thống DWDM cơ bản có những thành phần chủ yếu sau: bộ phát/thu quang, bộ

ghép/tách kênh, các bộ khuếch đại, bộ ghép xen/rớt quang, bộ kết nối chéo

quang…(hình 1.3) Ưu điểm của công nghệ DWDM so với công nghệ SONET/SDH:

 Dung lượng truyền dẫn rất lớn (một hệ thống 40 Gb/s, sử dụng 40 kênh thì

đã có thể truyền dẫn một dung lượng 1,6 Tbit/s)

 Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, ngay cả khi hệ

thống vẫn còn đang hoạt động

 Quản lý băng tần hiệu quả, tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt

 Giảm chi phí vận hành bảo dưỡng

Bộ phát quang là thiết bị tích cực phía phát Các bộ phát quang sử dụng trong hệ

thống DWDM hiện nay thường sử dụng nguồn quang là laser hồi tiếp phân bố DFB

(Distributed Feedback Laser) và laser phản xạ Bragg phân bố DBR (Distributed Bragg

Reflector Laser) Laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang được nghiên cứu, ưu

điểm của nguồn quang loại này là phổ hẹp và độ ổn định tần số cao Nói chung các

nguồn quang phải đảm bảo một số yêu cầu như: độ chính xác của bước sóng phát, độ

rộng phổ hẹp, dòng ngưỡng thấp, có khả năng điều chỉnh được bước sóng, tính tuyến

tính và nhiễu thấp Các yêu cầu trên đối với nguồn quang nhằm tránh các loại nhiễu,

đảm bảo tính ổn định, giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, tỉ lệ lỗi bit thấp và

đảm bảo chất lượng truyền dẫn của hệ thống

Các loại laser trên có độ rộng phổ rất hẹp (0,1 – 0,3 nm) và hoạt động ổn định Chúng thường được ổn định nhiệt độ bằng các bộ làm lạnh Peltier có điều khiển Tuy nhiên cần lưu ý là trong laser DFB phải có ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt được độ phản xạ cao, tính chọn lọc mode tốt Hiệu suất ghép công suất giữa vùng tích cực và thụ động là yếu tố chủ yếu quyết định đến chất lượng của laser Nhìn chung, trong laser DFB không có yêu cầu ghép công suất giữa vùng tích cực và thụ động nên vật liệu chế tạo dễ dàng hơn laser DBR Do cấu trúc DFB và DBR khác nhau nên chúng

có một số đặc tính khác nhau Điểm khác biệt quan trọng giữa hai loại laser này là đặc tính phụ thuộc nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng trong laser DBR có sự chuyển đổi từ mode này sang mode khác, còn DFB thể hiện đặc tính ổn định trong một dải nhiệt độ rộng

Đơn vị biến đổi dữ liệu

Kích thích laser

Mạch điều khiển laser Điều khiển điều chế và phân cực

Quang

Làm lạnh Cảnh báo vào giám

sát công suất ra Cảnh báo và giám sát nhiệt độ

Giám sát mặt sau

Hình 1.4 Sơ đồ khối của bộ phát quang

Một bộ phát của một kênh (một bước sóng) thường bao gồm: nguồn quang, bộ ghép tín hiệu quang, mạch điều chế tín hiệu và mạch điều khiển công suất (hình 1.4)

Dữ liệu từ nguồn phát bên ngoài được đưa vào bộ phát quang thông qua đơn vị biến đổi dữ liệu nhờ tín hiệu xung kích (clock) Tại đây, dữ liệu được biến đổi về dạng phù hợp cung cấp cho mạch kích thích điều khiển dòng phân cực cho laser Trong trường hợp tổng quát, bộ phát quang sử dụng LED cũng bao gồm các thành phần như trên Nếu tín hiệu cần phát là tín hiệu tương tự thì mạch điều chế tín hiệu sẽ đơn giản hơn

Sự phát triển của các mạch quang tích hợp gần đây đã giảm giá thành của các máy phát, trong đó chip laser, bộ khuếch đại quang được tích hợp trong một gói Các gói này có thể cho công suất đầu ra là 40 dBm với dòng kích thích khoảng 40 mA [3] Ánh sáng từ nguồn quang phải được điều chế với dòng bit mang thông tin cần truyền bằng phương pháp điều biến cường độ Quá trình điều biến phải có độ tuyến tính cao

để tránh sự phát sinh các hài không cần thiết và sự méo dạng tín hiệu do sự điều biến

qua lại, gây nhiễu cho quá trình giải điều chế ở phía thu Các gói DFB kết hợp với các

bộ điều chế trên một chip làm cho cả khối có độ di tần thấp, tốc độ điều chế cao Tuy nhiên cũng có một số hạn chế như độ rộng phổ hẹp làm cho chúng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu do sự phản hồi từ các liên kết

 Bộ thu quang

Bộ thu quang thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Bộ thu phải thích hợp với bộ phát cả về bước sóng sử dụng và phương thức điều chế, đồng thời phải được thiết kế để đưa ra mức tín hiệu phù hợp Cấu trúc bộ thu quang gồm có:

bộ tách sóng quang, các bộ khuếch đại tín hiệu, bộ cân bằng (Equalizer), bộ lọc, mạch khôi phục xung đông hồ, mạch quyết định bit và các bộ xử lý tín hiệu số (hình 1.5) Toàn bộ cấu trúc này thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu quang ở phía phát thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này tới mức đủ lớn để nó có thể tạo thuận lợi cho các bước xử lý tiếp theo như quá trình tái tạo tín hiệu Độ phức tạp của mạch giải điều chế phụ thuộc vào phương pháp điều chế được sử dụng

Bộ lọc

Mạch quyết định bit

Mạch khôi phục xung đồng hồ

Dữ liệu được khôi phục

Tín hiệu

quang vào

Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ thu quang

Bộ tách sóng quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang ngõ vào thành tín hiệu điện, do tín hiệu quang ngõ vào đã bị suy yếu trên đường truyền nên tín hiệu ở ngõ ra bộ tách sóng quang cần được đưa đến bộ tiền khuếch đại Yêu cầu của

bộ tiền khuếch đại là phải có nhiễu thấp Equalizer có vai trò cân bằng lại băng thông

và giảm bớt sự chồng lấp xung do trải rộng xung Bộ lọc đặt sau bộ khuếch đại có chức năng loại bỏ các thành phần tần số không mong muốn sinh ra do quá trình xử lý tín hiệu Bộ thu quang thường sử dụng photodiode làm phần tử tách sóng quang Có hai loại photodiode là PIN và APD Photodiode PIN yêu cầu công suất thấp nhưng kém nhạy cảm, chỉ hoạt động trên một dải tần số hẹp và cần có bộ khuếch đại phía trước APD do có hiệu ứng nhân thác lũ nên dòng quang điện được khuếch đại ngay trong diode, cho tín hiệu lớn nên không cần bộ tiền khuếch đại và thường được sử dụng trong các tuyến thông tin quang đường dài Xét về độ ổn định thì APD kém hơn PIN nhiều vì hệ số nhân thác lũ của APD phụ thuộc vào nhiệt độ và điện áp phân cực

Cấu tạo của một photodiode thông thường bao gồm một lớp tiếp giáp P-N hoạt động ở chế độ dòng phân cực ngược, tạo ra một vùng nghèo hấp thụ photon Ánh sáng tới lọt vào vùng nghèo này và bị hấp thụ và sinh ra các cặp điện tử – lỗ trống Điện trường phân cực ngược trên lớp tiếp giáp P-N sẽ làm cho cặp điện tử – lỗ trống này di chuyển ra khỏi vùng nghèo và ra mạch ngoài tạo thành dòng điện Photodiode PIN có thêm một lớp bán dẫn I (nguyên chất) giữa hai lớp P-N, chiều rộng của lớp bán dẫn I được xác định sao cho tất cả photon đi vào đều được hấp thụ tại lớp bán dẫn I APD có cấu tạo gồm bốn lớp P+

-I-P-N+ Lớp I hấp thụ photon đi vào, lớp P-N+

có điện trở suất lớn nhất hình thành vùng nhân điện tử để xảy ra hiệu ứng nhân thác lũ, cho phép khuếch đại dòng quang điện ngay trong APD

Trong bộ thu có một số tham số quan trọng như đáp ứng phổ, thời gian lên, độ rộng băng tần nguồn thu, các loại nhiễu, tỉ số tín hiệu trên nhiễu và độ nhạy máy thu Đáp ứng phổ là một hàm của bước sóng, liên quan mật thiết đến bộ tách sóng được dùng Các loại nhiễu gồm có nhiễu nhiệt, nhiễu lượng tử và nhiễu dòng tối Độ nhạy máy thu là mức công suất nhỏ nhất của tín hiệu tới mà máy thu vẫn thu được tín hiệu

với tỉ số lỗi bit BER định trước

1.2.2 Bộ tách/ghép kênh quang

Bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận được (tín hiệu quang đa bước sóng) thành các tín hiệu có tần số khác nhau Nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngược lại: nó nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng vào trong một tia sáng để truyền vào sợi quang Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh là thiết bị tách/ghép kênh thụ động và thiết bị tách/ghép kênh tích cực Thiết bị tách/ghép kênh thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và các bộ lọc Các thiết bị tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị thụ động với các bộ lọc điều hưởng, trong đó mỗi bộ lọc cộng hưởng với một tần số nhất định Sau đây là một ví dụ đơn giản về tách kênh sử dụng lăng kính:

Các sợi quang

1.2.3 Bộ khuếch đại quang

Suy hao đã giới hạn khoảng cách truyền dẫn của tuyến quang, muốn khắc phục điều này cần phải sử dụng các bộ khuếch đại Trước khi có các bộ khuếch đại quang

người ta đã sử dụng các bộ lặp quang – điện Bộ khuếch đại quang có khả năng khuếch đại các bước sóng cùng lúc mà không cần chuyển đổi quang – điện – quang Ngày nay trong các hệ thống WDM thường sử dụng bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier: bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium) và khuếch đại Raman

Cấu trúc của một bộ khuếch đại EDFA được minh họa trên hình 1.7 Erbium (Er) là một nguyên tố đất hiếm Các ion Er3+ khi được kích thích sẽ phát ra ánh sáng có bước sóng khoảng 1.55 m – là bước sóng có suy hao thấp được sử dụng trong các hệ thống WDM Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra hiện tượng: Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền, hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra Lúc đó, các ion Er3+

bị kích thích sẽ chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp ở vùng nền Và phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng bước sóng Như vậy tín hiệu ánh sáng

đã được khuếch đại Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích xảy ra trong khoảng bước sóng 1530 – 1565 nm, đây cũng là vùng bước sóng hoạt động tốt nhất của EDFA

Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng

độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion Er3+ lên trạng thái kích thích Có hai cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp (bơm ngược) tại bước sóng 1480 nm hoặc bơm gián tiếp (bơm xuôi) ở bước sóng 980 nm Có thể kết hợp cả bơm xuôi và bơm ngược để đạt được độ lợi lớn hơn Độ lợi của EDFA thường vào khoảng 20 dB đến 40

dB, tùy vào ứng dụng của nó

Hiện nay, người ta có thể chế tạo được bộ khuếch đại hoạt động trong băng L Về nguyên lý hoạt động thì EDFA băng L cũng giống EDFA băng C, nhưng cấu tạo thì có những điểm khác biệt, người ta thường thiết kế nhiều tầng và kết hợp nhiều nguồn bơm cùng lúc Độ lợi của EDFA băng L nhỏ hơn EDFA băng C khoảng 3 lần nhưng phổ độ lợi bằng phẳng hơn [4]

Bơm xuôi

980 nm

Bơm ngược

1480 nm

Sợi pha ion Erbium

Hình 1.7 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA

Trong những tuyến truyền dẫn có cự ly dài, người ta thường sử dụng thêm bộ khuếch đại Raman Bộ khuếch đại Raman được chế tạo dựa trên hiệu ứng Raman do Chandrasekhara Venkata Raman, nhà bác học người Ấn độ phát hiện vào năm 1928 Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman được minh họa trên hình 1.8 Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang được khuếch đại dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi quang silic bình thường Sợi quang là nơi xảy ra quá trình khuếch đại Bộ ghép Coupler dùng để ghép các bước sóng tín hiệu vào sóng bơm Bộ cách ly Isolator đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệu phản xạ ở hai đầu bộ khuếch đại Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo hướng ngược về phía đầu vào có thể gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào Laser bơm (Pump Laser) dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích giúp tạo

ra sự nghịch đảo nồng độ

Pump Laser Sợi quang thường

Tín hiệu

vào nhỏ

Tín hiệu

ra lớn Coupler

Hình 1.8 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman

So với khuếch đại EDFA, khuếch đại Raman có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, nhiễu thấp, dễ chọn băng tần, độ lợi lớn và phổ độ lợi bằng phẳng Tuy nhiên khuếch đại Raman có hiệu suất khuếch đại thấp hơn và có hiện tượng xuyên âm tín hiệu do hiện tượng tán xạ Raman kích thích

1.2.4 Bộ ghép xen/rớt bước sóng quang OADM

Việc xen hoặc rớt một hoặc nhiều bước sóng tại một số điểm trên đường truyền

là rất cần thiết Do đó cần có các bộ ghép xen/rớt để thực hiện chức năng này Ngoài các chức năng kết hợp hoặc phân chia các bước sóng, các OADM còn có khả năng chặn một số kênh trong khi chuyển tiếp các kênh còn lại OADM là một phần quan trọng để tiến đến mục tiêu của mạng toàn quang

Có hai loại thiết bị OADM Thế hệ đầu tiên là một thiết bị cố định được cấu hình vật lý để rớt một số bước sóng cụ thể đã định trước trong khi xen thêm các bước sóng khác Thế hệ thứ hai có khả năng cấu hình lại và có thể chọn lựa linh hoạt các bước sóng để xen/rớt (ROADM) Các công nghệ để chế tạo nên thiệt bị OADM thường là:

công nghệ cách tử Bragg, công nghệ điện môi màng mỏng và cách tử ống dẫn sóng dạng mảng

λG, ánh sáng có bước sóng này bị cách tử phản xạ trở lại Circulator 1 và tách ra ở cổng A2, các phần ánh sáng còn lại sẽ chuyển qua cách tử và đưa tới Circulator 2 Ở Circulator 2, một tín hiệu khác có bước sóng λG được đưa vào cổng B2, tín hiệu này bị cách tử phản xạ trở lại và đi ra cổng B1

ROADM – Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer – OADM cấu hình lại

được, hình sau đây mô tả một WSS ROADM (WSS: Wavelength Selectable Switch: chuyển mạch có khả năng lựa chọn bước sóng):

Hình 1.10 Cấu trúc của một ROADM hai hướng

1.2.5 Bộ kết nối chéo quang

Đối với các mô hình mạng đơn giản như mô hình mạng vòng hoặc tuyến tính thì OADM là sự lựa chọn tối ưu xét về khía cạnh kinh tế, công nghệ chế tạo và khả năng đáp ứng yêu cầu của mạng Nhưng trong tương lai, khi yêu cầu về khả năng linh động trong việc cung ứng dịch vụ, đồng thời các dịch vụ đa phương tiện đòi hỏi phải đáp

ứng được sự tăng băng thông đột biến thì mô hình mạng hiện tại không đáp ứng được Khi đó cần phải triển khai mạng mắt lưới với phần tử trung tâm là các bộ kết nối chéo quang OXC

λ1 λNλ1 λN

λ1 λN

λ1 λNλ1 λN

λ1 λN

M sợi

Hình 1.11 Thiết bị nối chéo quang

Thiết bị nối chéo quang (OXC) có M sợi đầu vào, M sợi đầu ra và các cổng xen/rẽ Mỗi sợi đầu vào và đầu ra mang một tín hiệu ghép kênh N bước sóng Các cổng xen/rẽ cho phép chèn và tách một số bước sóng OXC thực hiện các chức năng sau đây: ghép và tách kênh, xen/rớt kênh quang, chuyển mạch không gian và có thể cả chuyển đổi bước sóng Điều này cho phép thực hiện nối xuyên các tín hiệu quang giữa các sợi đầu vào và các sợi đầu ra (và có thể nối xuyên giữa bước sóng vào và bước sóng ra) Yêu cầu cơ bản đối với OXC là:

 Có khả năng tự động cung cấp thêm các kênh bước sóng nếu nhu cầu băng thông tăng lên

 Bảo vệ đường quang với các sự cố như đứt cáp, sự cố nút mạng

 Giám sát chất lượng truyền dẫn: cho phép khả năng trích tín hiệu thực hiện chức năng đo đạc, giám sát chất lượng truyền dẫn

1.3.1 Tán sắc màu và tán sắc phân cực mode

1.3.1.1 Tán sắc màu (Chromatic Dispersion – CD)

Tán sắc là hiện tượng trải rộng xung ở ngõ ra so với ngõ vào, gây nên sự chồng lấn xung và giao thoa giữa các ký tự Làm tăng tỉ lệ lỗi bit dẫn đến giảm cự ly truyền dẫn hoặc hạn chế tốc độ bit trên một kênh Tán sắc chính là một trong những yếu tố gây khó khăn khi tăng tốc độ bit trên 1 kênh lên 40 Gb/s và hơn nữa

Như chúng ta đã biết, vận tốc ánh sáng truyền trong sợi quang phụ thuộc vào chiết suất của sợi quang, mà chiết suất của sợi quang đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau là không giống nhau Các nguồn laser sử dụng trong hệ thống DWDM có

độ rộng phổ rất hẹp nhưng ánh sáng do chúng phát ra không phải là đơn sắc, do đó lúc truyền đi trên sợi quang sẽ có những thành phần ánh sáng di chuyển với vận tốc khác nhau và gây ra hiện tượng tán sắc màu

Mỗi loại sợi quang có độ tán sắc riêng và được đặc trưng bởi hệ số tán sắc, đơn vị: ps/(nm.km) Nói chung hệ số tán sắc phụ thuộc vào vật liệu chế tạo sợi quang và bước sóng của ánh sáng truyền qua Hình 1.12 thể hiện đặc tính tán sắc của một số loại sợi quang đơn mode [5]

 ITU G.652: Single Mode Fiber – SMF: Sợi SMF là sợi quang đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, hệ số tán sắc của sợi SMF bằng 0 tại bước sóng

1310 nm và khoảng 17 ps/(nm.km) tại bước sóng 1550 nm Các hệ thống DWDM sử dụng bước sóng trong cửa sổ 1550 nm, tuy nhiên tán sắc tại cửa sổ này là khá lớn và đây chính là một nhược điểm của sợi G.652 Do vậy người ta

đã chế tạo ra sợi G.653 – sợi dịch tán sắc

 ITU G.653: Dispersion-Shifted Fiber – DSF: Sợi này đã dịch tán sắc bằng 0 từ cửa sổ 1310 nm lên cửa sổ 1550 nm Tuy nhiên vấn đề gặp phải khi dịch tán sắc bằng 0 lên cửa sổ 1550 nm là ảnh hưởng nặng nề của hiệu ứng phi tuyến và tán sắc phân cực mode Nên trong thực tế sợi DSF không được sử dụng nữa, và người ta đã phát triển một loại sợi quang mới G.655 – sợi dịch tán sắc khác 0

 ITU G.655: Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber – NZDSF: Đặc điểm của sợi này là có hệ số tán sắc khác 0 trong cửa sổ 1550 nm (khoảng 3 ps/(nm.km) tại

1550 nm), đã khắc phục được những hạn chế của sợi DSF, và là sợi quang tối

ưu cho các hệ thống DWDM Tuy nhiên do chi phí cao và do lịch sử lắp đặt cáp quang nên hiện nay sợi SMF vẫn là sợi được sử dụng phổ biến nhất

Hình 1.12 Đặc tính tán sắc của một số loại sợi quang

Ảnh hưởng của tán sắc màu đến cự ly truyền dẫn:

Tán sắc màu làm tăng tỉ lệ lỗi bit và do đó hạn chế khoảng cách truyền dẫn trước khi tái tạo tín hiệu và bù tán sắc Trong hệ thống DWDM sử sụng laser DFB, cự ly truyền dẫn tối đa trước khi bù tán sắc và tái tạo thường được tính theo công thức sau đây [5]:

, (1.1) với CD (ps/(nm.km)) là hệ số tán sắc, B (Gb/s) là tốc độ bit của một kênh Dựa vào hình 1.12 và công thức (1.1), ta đưa ra bảng so sánh sau:

kỹ thuật bù tán sắc bao gồm: bù trước, bù sau, sử dụng sợi DCF, cách tử Bragg sợi quang… Các kỹ thuật bù tán sắc hiện nay có chi phí tương đối cao và làm tăng thêm

suy hao cũng như tán sắc phân cực mode của tuyến quang Nên người ta đang nghiên

cứu những kỹ thuật điều chế mới có sự miễn nhiễm cao đối với CD cũng như PMD !

1.3.1.2 Tán sắc phân cực mode (Polarization Mode Dispersion – PMD)

Ánh sáng truyền trong sợi quang gồm 2 thành phần phân cực vuông góc với nhau

mà ta gọi là 2 mode trực giao Nếu chiết suất của sợi quang là không đồng nhất trên phương truyền của 2 mode này thì hiện tượng tán sắc phân cực mode xảy ra Khác với tán sắc màu, tán sắc phân cực mode có tính ngẫu nhiên, thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào điều kiện môi trường Tán sắc phân cực mode tỷ lệ tuyến tính với căn bậc hai chiều dài của sợi quang

Tại một điểm bất kỳ dọc theo sợi quang, một xung ánh sáng đã được phân cực có thể bị phân chia thành các thành phần được sắp xếp theo hai trục trực giao của sợi quang: một trục nhanh và một trục chậm Cần chú ý là các trục này không nhất thiết phải tương ứng với một trạng thái phân cực tuyến tính Trong cáp quang thực tế, tính định hướng của các trục này và sự khác nhau tương đối về tốc độ truyền tương ứng với mỗi trục (liên quan trực tiếp đến độ lớn của sự lưỡng chiết bên trong) thay đổi dọc

theo đường dẫn quang Trong mỗi đoạn của sợi quang, hướng của các trục lưỡng chiết thay đổi Trong mỗi đoạn xuất hiện thời gian trễ giữa các phần của ánh sáng theo trục nhanh và ánh sáng theo trục chậm Vì tính hướng tương đối của các trục này trong các phần là khác nhau nên xung tín hiệu trải rộng theo thời gian

Với những bước sóng cụ thể, trạng thái phân cực của ánh sáng được đưa vào sợi quang có thể chỉnh sửa để xung không trải rộng Trong thực tế, có hai trạng thái phân cực trực giao tồn tại Chúng là các trạng thái phân cực cơ bản, một tương ứng với thời gian truyền xung nhanh nhất và một ứng với thời gian lan truyền xung chậm nhất Sự khác biệt giữa hai thời gian truyền xung này được gọi là trễ nhóm vi sai (DGD) tương ứng với bước sóng đó và PMD được xác định là giá trị trung bình theo bước sóng của DGD (hình 1.13) PMD tỉ lệ với căn bậc 2 chiều dài sợi quang: √ , với

DPMD là hệ số PMD, đơn vị √ Ví dụ: sợi G.652 có DPMD = 0,5 √

Differential Group Delay - DGD

Polarization Mode Dispersion - PMD

Xung

quang

Hình 1.13 Tán sắc phân cực mode

Ảnh hưởng của tán sắc phân cực mode:

Ảnh hưởng của tán sắc phân cực mode tăng lên khi tăng tốc độ bit trên một kênh cũng như tăng cự ly truyền dẫn Tuy nhiên có thể cho phép tối đa một lượng tán sắc phân cực mode bằng khoảng 10% chu kỳ của một bit [5] Bảng dưới đây sẽ cho ta thấy ảnh hưởng của PMD khi tăng tốc độ bit:

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của của tán sắc phân cực mode

Các mạch xử lý tín hiệu quang

Mạch phản hồi

và điều chỉnh

Mạch đánh giá PMD

Hình 1.14 Bù PMD bằng phương pháp quang và điện

1.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến

Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) Tính phi tuyến trong sợi quang có những hiệu ứng tương tự như các hệ thống vật lý khác, là cơ học hoặc điện tử Tính phi tuyến làm phát sinh các hài và các tần số khác nhau Các tín hiệu phát sinh này lại gây ra các suy hao không mong muốn trong các mạng truyền thông quang

Tính phi tuyến của sợi quang trở nên đáng chú ý khi cường độ tín hiệu laser (công suất trên một đơn vị diện tích) đạt đến giá trị ngưỡng Đồng thời, các hiệu ứng phi tuyến cũng trở thành tất yếu sau khi các tín hiệu vượt qua một độ dài nào đó của sợi quang, phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của cấu trúc và các điều kiện hoạt động của sợi quang Nói chung sợi quang có diện tích hiệu dụng càng nhỏ thì càng bị ảnh hưởng nặng nề của các hiệu ứng phi tuyến Do đó người ta có xu hướng chế tạo các loại sợi G.655 mới có diện tích hiệu dụng lớn như TrueWave XL, LEAF… Các loại sợi này có diện tích hiệu dụng khoảng 70-80 μm2, lớn hơn so với NZ-DSF (50 μm2

) Các hiệu ứng phi tuyến thường chia thành hai loại, đó là hiện tượng tán xạ và hiện tượng chiết suất Với hiện tượng tán xạ, tín hiệu laser bị tán xạ bởi các sóng âm (các phonon âm thanh) hoặc các dao động trong phân tử sợi quang (các phonon ánh sáng) và sẽ bị dịch đến các bước sóng dài hơn Hai hiện tượng tán xạ thường thấy là tán xạ ngược Brillouin kích thích (hiện tượng phonon âm) và tán xạ Raman kích thích (hiện tượng phonon quang) Trong các hiện tượng chiết suất, công suất tín hiệu đủ cao

để chiết suất không thể coi là hằng số nữa mà xấp xỉ theo công thức sau:

với n 0 là chiết suất tuyến tính, I là cường độ tín hiệu, n 2 là hệ số phi tuyến (khoảng 2 đến 3.10-16 cm2/W với sợi quang silic) Các hiện tượng chiết suất bao gồm tự điều chế pha SPM, điều chế pha chéo XPM và hiệu ứng trộn bốn sóng FWM Dưới đây là những nét cơ bản về các hiệu ứng phi tuyến nói trên

a Tán xạ Brillouin kích thích – SBS

Trong hiệu ứng này, tín hiệu laser tạo ra các vùng tuần hoàn hoặc thay đổi chiết suất, có nghĩa là một cách tử tuần hoàn truyền đi như một sóng âm từ tín hiệu Những phản xạ do cách tử ảo này gây ra xuất hiện như ánh sáng tán xạ ngược, được khuếch đại và tác động do hiệu ứng Doppler dịch tần số thấp hơn (bước sóng dài hơn) Hiệu ứng SBS dẫn đến suy giảm tín hiệu theo hướng truyền và gây ra nhiễu vì có nhiều năng lượng quang bị tán xạ ngược

Với các sợi quang G.653 tại bước sóng 1552 nm chẳng hạn, tín hiệu bị tán xạ ngược bị dịch xuống phía dưới khoảng 10,7 GHz (0,085 nm) với băng tần cỡ 60 MHz Với sợi quang G.652 trong cùng cửa sổ, tín hiệu bị tán xạ ngược bị dịch xuống khoảng

11 GHz (0,088 nm) với băng tần cỡ 30 MHz [3] Theo kinh nghiệm thì nên xem xét SBS như một vấn đề về điện thế (potential) nếu ánh sáng đơn sắc trên 6 dBm được đưa vào sợi quang Nhiều kỹ thuật đã được phát triển để khử SBS trong các hệ thống thực

tế Kỹ thuật thông dụng nhất là rung nhanh (~50 kHz) sóng mang qua một dải tần khoảng 1 GHz, lớn hơn rất nhiều so với băng tần SBS (30 đến 60 MHz)

b Tán xạ Raman kích thích – SRS

Nếu đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau thì SRS gây ra sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp (năng lượng cao) sang các kênh có bước sóng cao hơn (năng lượng thấp hơn) Hiện tượng tán xạ Raman kích thích thường được ứng dụng để chế tạo các bộ khuếch đại Raman Hệ số tán xạ Raman khoảng 10-12 cm/W nhỏ hơn so với hệ số tán xạ Brillouin (10-9 cm/W) Tuy nhiên, tần số tín hiệu lại bị dịch đến những giá trị thấp hơn rất nhiều (từ 10 đến 15 THz trong cửa sổ 1550 nm, hoặc tại bước sóng dài hơn 100 nm) với băng tần rộng hơn nhiều (khoảng 7 THz hay 55 nm)

Trang 72 và 73 của tài liệu [6] có đưa ra 2 công thức tính công suất ngưỡng cho SBS và SRS:

 Đối với SBS: (1.3)

 Đối với SRS: (1.4) Trong đó: - d: đường kính lõi sợi quang (μm),

- λ: bước sóng sử dụng (μm),

- α: hệ số suy hao (dB/km),

- ν: độ rộng phổ của laser (GHz)

Ví dụ: Sợi quang đơn mode có hệ số suy hao 0,5 dB/km hoạt động tại bước sóng

1,3 μm, có đường kính lõi 6 μm và độ rộng phổ của laser 600 MHz:

PB = 4,4.10-3.62.1,32.0,5.0,6 = 80,3 (mW),

PR = 5,9.10-2.62.1,3.0,5 = 1,38 (W)

c Tự điều chế pha SPM

Khi cường độ tín hiệu laser trở nên quá cao, tín hiệu có thể tự điều chế pha Việc điều chế này nới rộng phổ của tín hiệu và tạm thời nới rộng hoặc nén tín hiệu, phụ thuộc vào dấu (âm hay dương) của tán sắc sắc thể Một sự dịch chuyển các bước sóng ngắn xảy ra tại phần đuôi của tín hiệu và dịch chuyển các bước sóng dài tại phần đầu tín hiệu Trong các hệ thống WDM, sự nới rộng phổ do SPM gây ra trong một kênh tín hiệu có thể giao thoa với các tín hiệu liền kề

SPM tăng lên khi công suất đưa vào kênh tăng (sợi quang cố định với diện tích hiệu dụng cố định), khi tốc độ bit của kênh tăng và trong trường hợp tán sắc sắc thể mang dấu âm (-) SPM không bị ảnh hưởng nhiều khi giảm khoảng cách kênh và tăng

số lượng kênh Hiệu ứng này giảm xuống khi tán sắc sắc thể có giá trị không hoặc giá trị dương nhỏ, khi tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang và khi bù tán sắc

d Điều chế pha chéo XPM

SPM là giới hạn phi tuyến chủ yếu trong hệ thống đơn kênh Trong hệ thống đa kênh, độ dịch pha của một kênh phụ thuộc không những vào cường độ của chính kênh

đó mà còn phụ thuộc vào cường độ của những kênh khác Nghĩa là trong trường hợp này tín hiệu của một kênh điều chế pha của tín hiệu trong kênh khác XPM cũng nhạy với các tham số giống như SPM, ngoài ra còn nhạy với sự tăng số lượng kênh XPM không bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi giảm khoảng cách kênh nhưng giảm trong các trường hợp: tăng diện tích hiệu dụng của sợi và bù tán sắc Trong các hệ thống sử dụng sợi có diện tích hiệu dụng lớn thì XPM không phải là một vấn đề quá quan trọng

Hiệu ứng trộn bốn sóng rất nhạy với sự giảm khoảng cách kênh, tăng số lượng kênh và giảm tán sắc màu Hiệu ứng này đặc biệt nghiêm trọng trong hệ thống sử dụng sợi quang dịch tán sắc G.653 Với sợi quang dịch tán sắc khác không (G.655) thì ít bị ảnh hưởng hơn, đặc biệt khi sợi có diện tích hiệu dụng lớn FWM không bị ảnh hưởng nhiều khi tăng tốc độ bit của kênh Khi tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang hoặc tăng giá trị tuyệt đối của tán sắc sắc thể thì có thể giảm FWM Trong cửa sổ 1550 nm, ảnh hưởng của FWM không nghiêm trọng đối với sợi quang chưa dịch tán sắc G.652

so với sợi quang dịch tán sắc G.653 vì tán sắc tương đối phẳng trong khi sườn tán sắc lại dốc hơn

1.3.3 Nhiễu trong bộ thu quang [4]

Nhiễu trong bộ thu quang là nguyên nhân làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu và dẫn đến giảm độ nhạy của máy thu:

- e là điện tích của electron,

- Ip là dòng photon trung bình, tức là dòng điện ở ngõ ra của photodiode,

- B là băng thông của bộ thu,

- M là hệ số nhân thác lũ của APD (với PIN thì M = 1),

- F(M) = Mx là hệ số nhiễu của APD (với PIN thì F(M) = 1)

1.4 Xu hướng nâng cao năng lực truyền dẫn trong các hệ thống DWDM

1.4.1 Hạn chế về năng lực truyền dẫn

Bên cạnh những ưu điểm đã được nêu ra trong mục 1.1, thì các hệ thống DWDM hiện nay cũng tồn tại những hạn chế Và những hạn chế này cần được khắc phục kịp thời trước sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của ngành viễn thông Có thể nói rằng hạn chế lớn nhất của các hệ thống DWDM hiện nay chính là năng lực truyền dẫn Các hệ thống hiện nay chủ yếu vẫn đang khai thác công nghệ 10 Gb/s trên một kênh bước sóng ở băng C và một phần của băng L Vài năm gần đây đã đưa vào khai thác công nghệ 40 Gb/s, nhưng đó cũng chỉ là một giải pháp tạm thời trước khi có những bước đột phá để nâng tốc độ lên 100 Gb/s và hơn thế nữa

Có thể xem năng lực truyền dẫn của một hệ thống như thể tích của khối chữ nhật gồm 3 chiều:

 Optical Bandwidth: băng tần quang

 Channel density: mật độ kênh

 Channel bit rate: tốc độ bit của một kênh

Năng lực truyền dẫn (bit/s) = (tổng băng tần)*(mật độ kênh)*(tốc độ bit của một kênh), trong đó:

 Tổng băng tần (Hz): phụ thuộc vào băng tần của bộ khuếch đại quang

 Mật độ kênh (1/Hz): số kênh trên băng tần quang = 1/(khoảng cách kênh)

 Tốc độ bit của một kênh (bit/s): (bit/symbol)*(symbol/s)

Về băng tần quang: hiện nay chỉ mới sử dụng băng C và một phần của băng L (1530 nm – 1610 nm), tức là nhỏ hơn 10 THz

Về khoảng cách kênh: chủ yếu là 100 GHz và 50 GHz

Về tốc độ bit: 10 Gb/s và 40 Gb/s trên một kênh bước sóng

Người ta thường hay dùng khái niệm hiệu suất phổ (Spectral Efficiency – SE)

để đánh giá năng lực truyền dẫn của một hệ thống DWDM:

SE = (tốc độ bit của một kênh)/(khoảng cách kênh) = bit/s/Hz, SE càng lớn có nghĩa là khả năng tận dụng băng tần của sợi quang càng cao Để tăng SE thì hoặc là tăng tốc độ bit trên một kênh, hoặc là giảm khoảng cách kênh

Ví dụ hệ thống mạng Flashwave 7500 (FUJITSU) đang được VTN khai thác ở khu vực phía Nam, sử dụng công nghệ 40 Gb/s, khoảng cách kênh 100 GHz [7] Suy

ra hiệu suất phổ: SE = 40Gb/s/100GHz = 0,4 bit/s/Hz – hiệu suất phổ thấp

1.4.2 Nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống

Để nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống DWDM, có những giải pháp sau:

 Mở rộng băng tần sử dụng

 Tăng mật độ kênh, tức là giảm khoảng cách kênh

 Tăng tốc độ bit trên một kênh bước sóng

- U: Ultra-long: siêu dài

Hiện nay chỉ mới sử dụng băng C và L, muốn mở rộng băng tần thì cần phải sử dụng cả những băng còn lại Tuy nhiên băng tần của bộ khuếch đại quang (OA) lại bị giới hạn trong băng C và băng L dẫn đến băng tần sử dụng cũng bị hạn chế ( < 10 THz) Ngoài ra còn phụ thuộc vào băng tần của các khối bù tán sắc (DCM) và suy hao cho phép đối với các sợi SMF cũ thuộc băng O, C, L Mở rộng băng tần cũng dẫn đến tăng chi phí mua sắm, vận hành, bảo trì OA và DCM

Như vậy mở rộng băng tần gặp phải rất nhiều khó khăn trong thời điểm hiện tại cũng như trong những năm sắp tới !

1.4.2.2 Giảm khoảng cách kênh

Các hệ thống hiện tại chủ yếu sử dụng khoảng cách kênh 100 GHz và 50 GHz Giảm khoảng cách kênh: 100 GHz → 50 GHz → 25 GHz → 12,5 GHz; 12,5 GHz sẽ

là giới hạn trong một khoảng thời gian dài [8] Không thể giảm khoảng cách kênh mãi được, do những nguyên nhân sau:

 Lasers không ổn định dẫn đến chồng lấn giữa các kênh, độ rộng phổ do các laser phát ra có giới hạn nhất định

 Các bộ lọc (Filters) không lọc hết tín hiệu từ kênh bên cạnh nếu các kênh sát nhau quá

Hình 1.16 Chồng lấn giữa các kênh

 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến khi giảm khoảng cách kênh (xem mục 1.3.2)

 Tăng số lượng kênh sẽ làm tăng tổng công suất phát vào một sợi quang, dẫn đến tăng ảnh hưởng xấu của hiệu ứng phi tuyến đến tín hiệu

 Ngoài ra còn một lý do rất quan trọng, đó là: cơ sở hạ tầng của mạng hiện tại phù hợp cho hệ thống mạng có khoảng cách kênh 100 GHz và 50 GHz, nếu muốn giảm khoảng cách kênh sẽ phải đầu tư thêm nhiều chi phí mua sắm thiết bị mới

1.4.2.3 Tăng tốc độ bit trên một kênh

Tăng tốc độ bit từ 10 Gb/s lên 40 Gb/s, 100 Gb/s và hơn nữa… Ta xét hai trường hợp:

 Tăng tốc độ bit nhưng không tăng hiệu suất phổ:

Đối với điều chế hai mức (bi-level modulation) như On-Off Keying, BPSK: Tăng tốc độ bit của kênh bao nhiêu thì cũng tăng độ rộng phổ của kênh bấy nhiêu, tức

là giảm mật độ kênh bấy nhiêu Vậy năng lực truyền dẫn sẽ không tăng

 Tăng tốc độ bit đồng thời với tăng hiệu suất phổ: Những khó khăn gặp phải:

- Ảnh hưởng nặng nề của tán sắc và hiệu ứng phi tuyến (bảng 1.3)

- Tần số của các mạch điện tử hiện đã tiến dần đến giới hạn cao nhất

- Tiêu hao năng lượng lớn, bức xạ lớn

- Khó thiết kế mạch, giá thành cao

- Phải phù hợp với cơ sở hạ tầng đang sử dụng

Tần số

Bảng 1.3 Những thách thức khi tăng tốc độ bit [9]

Bảng 1.3 đã cho ta thấy những khó khăn gặp phải khi chuyển đổi từ tốc độ 10 Gb/s lên 40 Gb/s và 100 Gb/s (trên hạ tầng quang thiết kế cho hệ thống 10 Gb/s) Ví

dụ đối với PMD, với tốc độ 10 Gb/s cho phép 1 lượng PMD tối đa là 10 ps thì lúc nâng lên 100 Gb/s chỉ còn 10/10 = 1 ps Đòi hỏi phải bù chính xác PMD ?

Để giải quyết những thách thức và khó khăn trên chúng ta cần phải sử dụng những kỹ thuật điều chế mới với yêu cầu:

 Tốc độ bit cao: ≥ 100 Gb/s trên một kênh bước sóng

 Khoảng cách truyền dẫn xa (trước khi phải dùng Regeneration)

 Hiệu suất phổ cao để tiết kiệm băng tần: ≥ 2 bit/s/Hz

 Tính miễn nhiễm của tín hiệu đối với CD, PMD, phi tuyến cũng như hiệu năng của các phương pháp bù CD và PMD

 Khả năng chịu được các bộ lọc quang dải hẹp: Khi đi qua những bộ lọc này tín hiệu ít bị méo và ít gây ra ảnh hưởng (Inter-Symbol-Interference, ISI) giữa các

ký tự quang

 Dạng phổ hẹp, gọn, phân bố năng lượng trên các bước sóng đều

 Tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp, hệ số phẩm chất Q (Q-factor) cao

 Giảm giá thành cho các hệ thống mới

 Dễ nâng cấp cho các hệ thống đang sử dụng

Trong số những kỹ thuật điều chế tiên tiến đã được nghiên cứu, các nhà sản xuất thiết bị hàng đầu như Nortel (bây giờ là Ciena), Alcatel-Lucent, Fujitsu, Huawei… đã lựa chọn DP-QPSK làm kỹ thuật điều chế sử dụng trong công nghệ 100 Gb/s (kết hợp với tách sóng Coherent) Tuy nhiên cũng cần phải nói thêm rằng, để công nghệ 100 Gb/s thành công thì ngoài kỹ thuật điều chế DP-QPSK còn cần phải sử dụng thêm những kỹ thuật khác; như kỹ thuật xử lý tín hiệu số DSP, kỹ thuật mã sửa lỗi trước FEC… Tất cả những thành phần này đều rất quan trọng trong việc ứng dụng công

nghệ 100 Gb/s vào thực tế Trong khuôn khổ đề tài này, chủ yếu trình bày về kỹ thuật

điều chế DP-QPSK, những vấn đề còn lại chỉ được giới thiệu một cách tóm tắt mà không đi sâu vào cụ thể Những vấn đề liên quan đến điều chế và lý thuyết về kỹ thuật điều chế DP-QPSK sẽ được trình bày trong nội dung của chương 2

CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM

2.1 Điều chế trong các hệ thống WDM

2.1.1 Khái niệm về điều chế

Điều chế (modulation) là quá trình mã hóa số liệu vào sóng mang, nghĩa là thay

vì truyền số liệu thì người ta truyền sóng mang mang thông tin số liệu đi trên đường truyền (đường truyền có thể là vô tuyến hoặc hữu tuyến) Quá trình điều chế xảy ra trong máy phát, ở máy thu xảy ra quá trình ngược lại: giải điều chế Giải điều chế là quá trình tách số liệu từ trong sóng mang Sóng mang thường được sử dụng là sóng dạng sin:

trong đó: As là biên độ của sóng mang, ωs = 2πfs là tần số góc, fs là tần số và ϕ(t) là pha của sóng mang Trong mọi trường hợp quá trình điều chế bao gồm khóa chuyển biên độ, tần số hay pha cho sóng mang theo luồng số liệu vào Vì vậy tồn tại ba phương thức điều chế cơ bản: điều chế khóa chuyển biên (ASK – Amplitude Shift Keying), điều chế khóa chuyển tần số (FSK – Frequency Shift Keying) và điều chế khóa chuyển pha (PSK – Phase Shift Keying) Hình 2.1 minh họa dạng sóng của các kiểu điều chế này:

Hình 2.1 Dạng sóng của ASK, FSK và PSK

Nếu tín hiệu đưa vào điều chế là tín hiệu liên tục thì ta có quá trình điều chế tương tự, nếu tín hiệu đưa vào điều chế là tín hiệu số thì ta có quá trình điều chế số Trong cuốn đồ án này sẽ trình bày về điều chế số sử dụng trong thông tin quang Điều chế trong thông tin quang cũng tương tự như trong vô tuyến nhưng tần số sóng mang

sử dụng trong điều chế quang (cỡ vài trăm THz) lớn hơn nhiều so với tần số sóng

mang sử dụng trong điều chế vô tuyến ( nhỏ hơn 300 GHz) Dải tần số sử dụng trong tuyền dẫn quang sợi là từ 178,98 THz (~1675 nm) đến 237,93 THz (~1260 nm), đây là dải tần số tối ưu cho truyền thông tin qua sợi quang

Về điều chế trong thông tin quang, có thể chia làm hai loại cơ bản: điều chế cường độ và điều chế trong thông tin quang Coherent Điều chế cường độ kết hợp với tách sóng trực tiếp sẽ được xem xét trong mục 2.1.3, điều chế trong thông tin quang Coherent kết hợp với tách sóng Coherent sẽ được trình bày trong mục 2.2 Về phương thức điều chế, ta có điều chế trực tiếp và điều chế ngoài, phần nội dung tiếp theo sẽ trình bày về hai phương thức điều chế này

2.1.2 Điều chế trực tiếp và điều chế ngoài

2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp

Điều chế trực tiếp (direct modulation) hay còn gọi là điều chế nội (internal modulation) được sử dụng trong các hệ thống tốc độ thấp Trong kiểu điều chế này, mạch điều chế nằm ngay trong bộ phát laser và tín hiệu điều chế được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích chạy qua laser Dòng điện kích thích thay đổi theo tín hiệu thông tin từ giá trị dưới mức ngưỡng đến giá trị trên mức ngưỡng, ví dụ bit đầu vào là “1” thì laser phát ánh sáng và bit đầu vào là “0” thì laser tắt Hình sau đây

mô tả một mạch phát quang sử dụng kỹ thuật điều chế trực tiếp:

_+

Hình 2.2 Mạch phát quang sử dụng Laser Diode

Dữ liệu phát được đưa vào cực B của transistor Q1, cực B của transistor Q2 được

cố định bởi nguồn phân cực VBB Khi tín hiệu ngõ vào lớn hơn VBB, Q1 dẫn và Q2 tắt, dòng qua LD (Laser Diode) giảm làm LD ngưng phát sáng Ngược lại khi tín hiệu ngõ vào nhỏ hơn VBB, Q1 tắt và Q2 dẫn, dòng qua LD tăng làm LD phát sáng Q3 đóng vai

trò cung cấp nguồn dòng ổn định cho mạch vi sai Q1 và Q2 Q4 kết hợp với mạch hồi tiếp dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) ổn định dòng qua LD dưới tác động của nhiệt độ, cũng như cung cấp tín hiệu cho việc giám sát nhiệt độ làm việc của LD phục

vụ công việc cảnh báo và bảo dưỡng cho bộ phát quang Vai trò của photodiode PD là thu ánh sáng từ laser phát ra và tạo ra dòng quang điện tỷ lệ với công suất phát quang của laser Vì vậy khi công suất quang ngõ ra thay đổi (do sự thay đổi của nhiệt độ) dòng quang điện sẽ thay đổi làm cho dòng điện phân cực cũng thay đổi theo bù lại những thay đổi trong công suất quang của laser [4] Nhược điểm của kỹ thuật điều chế trực tiếp:

 Băng thông điều chế bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser

 Hiện tượng chirp làm tăng độ rộng phổ của xung ánh sáng (đối với laser DFB)

 Không ứng dụng được trong các hệ thống đòi hỏi công suất phát quang lớn (>30mW) như các mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp

Kỹ thuật điều chế ngoài (external modulation) có thể khắc phục được những hạn chế của kỹ thuật điều chế trực tiếp

2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế ngoài

Tại tốc độ 10 Gb/s và cao hơn, kỹ thuật điều chế trực tiếp không đáp ứng được

do những hạn chế đã nêu ở trên Lúc này người ta sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài Điều chế ngoài (external modulation) là một kỹ thuật mà tín hiệu được điều chế ở một

bộ điều chế riêng biệt nằm ngoài laser Như vậy lúc này ánh sáng do laser phát ra là sóng liên tục (Continuous Wave – CW) nên tránh được hiện tượng chirp cũng như khắc phục được sự hạn chế về băng thông và công suất phát

Bộ điều chế ngoàiPD

Điện tử kích thích Tín hiệu vào (xung RZ hoặc NRZ)

CW

Tín hiệu quang sau khi điều chế

Hình 2.3 Sơ đồ khối của một bộ điều chế ngoài

Trong phần này chúng ta tìm hiểu về hai bộ điều chế sử dụng trong kiểu điều chế ngoài: Mach-Zehnder Modulator và Electroabsorption Modulator

a Mach-Zehnder Modulator

Mach-Zehnder Modulator là bộ điều chế giao thoa kế chế tạo từ vật liệu LiNbO3(Lithium Niobate), là loại vật liệu có chiết suất phụ thuộc vào điện áp phân cực Ánh

sáng do laser phát ra đi vào bộ giao thoa kế được chia thành hai phần bằng nhau Khi không có điện áp phân cực thì ở đầu ra của bộ giao thoa, hai thành phần này không bị dịch pha và kết hợp với nhau tạo thành sóng ánh sáng có dạng như ban đầu Khi có điện áp phân cực thì ở đầu ra của bộ giao thoa, hai thành phần này lệch pha 180o và triệt tiêu lẫn nhau, có nghĩa là ánh sáng đã được điều biến về cường độ Sự lệch pha giữa hai thành phần ánh sáng là do vận tốc khác nhau trên hai đường đi có chiết suất khác nhau (vận tốc của ánh sáng phụ thuộc vào chiết suất của môi trường ánh sáng truyền qua) Độ lệch pha giữa hai thành phần này cũng có thể điều khiển được bằng cách hiệu chỉnh điện áp phân cực Bộ điều chế Mach-Zehnder được chia làm 2 loại, loại một cực và loại hai cực:

Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực (Single-Drive Mach-Zehnder Interferometer Modulator – SDMZIM):

Hai ống dẫn sóng chia đôi tín hiệu quang vào, một trong hai tín hiệu quang được điều chế bởi điện áp v(t), sau đó hai tín hiệu quang được cộng lại tại đầu ra Ta có công thức sau xác định tín hiệu quang tại đầu ra [8]:

Hình 2.4 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực

SDMZIM chỉ dùng cho điều chế công suất, không dùng cho điều chế pha.

Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực (Dual-Drive Mach-Zehnder Interferometer Modulator – DDMZIM):

Khác với bộ điều chế một cực, ở bộ điều chế hai cực cả hai tín hiệu quang được điều chế bởi v1(t) và v2(t) [8]:

Hình 2.5 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực

 Nếu v1(t) và v2(t) bằng 0 thì độ dịch pha giữa hai tín hiệu bằng 0, đầu ra có tín hiệu quang (ON):

b Electroabsorption Modulator

Thường được gọi là bộ điều chế sử dụng hiệu ứng hấp thụ điện quang, xem hình 2.6 [10] Đây là bộ điều chế sử dụng nguyên lý của hiệu ứng Franz-Keldysh: Khi không có điện áp đặt lên chất bán dẫn thì bước sóng của ánh sáng tới dài hơn bước sóng cắt của chất bán dẫn và ánh sáng sẽ truyền qua bình thường Ngược lại khi có điện áp đặt lên chất bán dẫn thì độ rộng dải cấm (bandgap) của nó giảm và lớp bán dẫn

sẽ hấp thụ ánh sáng tới (khi độ rộng dải cấm giảm thì bước sóng cắt tăng lên)

Absorbing

MQW layers

p-type n-type n-type substrate

Hình 2.6 Bộ điều chế Electroabsorption

Một ưu điểm của bộ điều chế Electroabsorption so với bộ điều chế Zehnder là vật liệu chế tạo cũng là chất bán dẫn như vật liệu chế tạo laser, nên có thể tích hợp với các loại laser (DFB và DBR) trên một chip Ngoài ra, điện áp điều chế cũng nhỏ hơn, chỉ một vài volt tại tốc độ bit lên đến 40 Gb/s Do đó bộ điều chế này thường được sử dụng trong các hệ thống WDM Vào năm 2001, người ta đã giới thiệu một bộ điều chế Electroabsorption tích hợp có băng thông lớn hơn 50 GHz và có khả năng hoạt động ở tốc độ bit lên đến 100 Gb/s [10]

Mach-2.1.3 Kỹ thuật điều chế On-Off Keying (OOK)

Hệ thống DWDM mà chúng tã đã trình bày trong chương 1 thường được gọi là

hệ thống IM/DD, sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ (Intensity Modulation – IM) kết hợp với tách sóng trực tiếp (Direct Detection – DD) Cụ thể hơn, kỹ thuật điều chế sử dụng ở đây là On-Off Keying (khóa On-Off) Phần này chỉ trình bày thêm một số đặc điểm của kỹ thuật điều chế này cũng như ưu nhược điểm của nó

Các đặc điểm của điều chế OOK:

 Điện trường trong mặt phẳng phức:

- Data = “0” → e(t) = 0 → tắt

- Data = “1” → e(t) = Ea → mở

 Mã hóa 1 bit trên 1 ký tự quang (1 bit/1 optical symbol)

 Độ rộng phổ tỷ lệ với bit rate hoặc symbol rate, có nghĩa là tăng tốc độ bit lên bao nhiêu lần thì cũng tăng độ rộng phổ lên bấy nhiêu lần

 Tần số và pha của tín hiệu quang có thể thay đổi trong phạm vi cho phép

 Có thể sử dụng điều chế trực tiếp hoặc điều chế ngoài

 Sơ đồ máy phát quang và bộ điều chế: xem hình 1.4, 2.2 và 2.3

a Máy thu trong điều chế OOK:

BPF

LPF

Clock recovery

Tín hiệu

quang vào

Dữ liệu đã khôi phục

Electrical

Hình 2.8 Sơ đồ máy thu OOK

 Tín hiệu quang rơi trực tiếp lên photodiode mà không qua “sơ chế” bằng LO (bộ dao động nội)

 Tách sóng theo quy luật bình phương, dòng điện sau photodiode (không xét đến nhiễu):

I(t) = R.|e(t)|2, với R là đáp ứng của photodiode (2.4)

- Dòng điện tương ứng với bit 0: I(t) = R.|0|2 = 0

- Dòng điện tương ứng với bit 1: I(t) = R.|Ea|2

- Nếu coi R = 1, thì khoảng cách (về điện) giữa 2 mức tín hiệu tương ứng với bit

0 và 1 là |Ea|2

 Nếu hệ thống sử dụng khuếch đại quang thì ngoài các loại nhiễu đã nêu trong mục 1.3.3, trong bộ thu quang còn xuất hiện loại nhiễu ASE (thường được gọi là tạp quang) Khi đi qua photodiode tạp quang này trộn với tín hiệu quang tạo ra 2 thành phần nhiễu [8]:

,

, (2.5)

trong các hệ thống đường dài thì (Psig-ase + Pase-ase) lớn hơn nhiễu trong công thức (1.6) hàng ngàn lần cho nên người ta quan tâm nhiều hơn đến tạp quang và OSNR

 Nếu hệ thống không sử dụng khuếch đại quang thì không có tạp quang và nhiễu sau photodiode có phân bố xác suất dạng Gaussian Ngược lại, nếu hệ thống có

sử dụng khuếch đại quang thì có tạp quang và nhiễu sau photodiode có phân bố xác suất dạng χ (Chi) Xem trên hình 2.9:

Hình 2.9 Mật độ phân bố xác suất Gaussian và χ

b Các dạng xung quang cơ bản

 NRZ (Non Return-to-Zero): Có độ rộng xung bằng độ rộng bit, công suất quang chiếm 100% thời gian bit 1

 66%-RZ: Công suất quang chiếm 66% thời gian của bit 1, độ rộng xung tại điểm -3dB của công suất đỉnh bằng 66% độ rộng chuẩn Ts của xung Độ rộng phổ lớn hơn khoảng 1,3 lần so với dạng NRZ

 50%-RZ: Công suất quang chiếm 50% thời gian của bit 1, độ rộng xung tại điểm -3dB của công suất đỉnh bằng 50% độ rộng chuẩn Ts của xung Độ rộng phổ lớn hơn khoảng 1,5 lần so với dạng NRZ

 33%-RZ: Công suất quang chiếm 33% thời gian của bit 1, độ rộng xung tại điểm -3dB của công suất đỉnh bằng 33% độ rộng chuẩn Ts của xung Độ rộng phổ lớn hơn khoảng 1,7 lần so với dạng NRZ

Ta có một số nhận xét sau:

- Xung càng hẹp thì phổ càng rộng nên dễ bị ảnh hưởng của CD

- Xung hẹp thì OSNR tức thời cao, nói chung dạng xung 50%-RZ và 66%-RZ được lợi khoảng 2 dB và 1,7 dB OSNR so với dạng xung NRZ

- Xung hẹp quá: công suất đỉnh xung giảm mạnh khi hai phân cực tách ra do ảnh hưởng của PMD, rất khó bù phi tuyến

- Xung NRZ dễ bị ảnh hưởng giữa các ký tự (Inter-Symbol-Interference - ISI) và

vì yêu cầu công suất phát cao nên bị ảnh hưởng xấu của các hiệu ứng phi tuyến

⇒ 66%-RZ được khuyến nghị dùng trong các hệ thống đường dài do tính miễn nhiễm của nó tốt nhất đối với CD, PMD, phi tuyến

0,5 0,5

- Thiết kế máy thu và máy phát đơn giản

- Tín hiệu ít chịu ảnh hưởng của những dao động về tần số và pha của laser

- Có thể dùng laser phổ rộng, giá thành thấp

- Sai pha do SPM và XPM ít ảnh hưởng đến BER của máy thu, vì máy thu làm việc với công suất, không làm việc với pha của tín hiệu

Nhược điểm:

- Độ nhạy của máy thu không cao

- Bị giới hạn về tốc độ bit (≤ 10 Gb/s) do chịu ảnh hưởng của tán sắc màu và tán sắc phân cực mode cũng như hiệu ứng phi tuyến khi truyền dẫn ở tốc độ cao

- Hệ thống IM/DD thường thực hiện bù tán sắc bằng sợi DCF có hệ số suy hao lớn (~0,5 dB/km) và diện tích hiệu dụng nhỏ (12-15 μm2

), nên phải sử dụng thêm một tầng khuếch đại và làm tăng tính phi tuyến của sợi quang

Để khắc phục những hạn chế này, người ta có xu hướng sử dụng các kỹ thuật điều chế trong thông tin quang Coherent kết hợp với tách sóng Coherent Phần sau đây sẽ trình bày về kỹ thuật điều chế trong hệ thống Coherent

2.2 Điều chế trong hệ thống Coherent

2.2.1 Cơ bản về thông tin quang Coherent

Thông tin quang Coherent đã được nghiên cứu rộng rãi trong những năm 1980, chủ yếu là do máy thu Coherent có độ nhạy cao giúp kéo dài khoảng cách truyền dẫn Tuy nhiên việc thiết kế máy thu là quá phức tạp và dường như là điều không thể vào thời điểm đó Vào những năm 1990, sự ra đời của khuếch đại quang EDFA cùng với công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) đã làm nên một bước ngoặt trong lịch sử truyền thông sợi quang Ưu điểm của WDM là thiết kế đơn giản, kết hợp giữa điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp (IM/DD) Các hệ thống WDM được triển khai rộng khắp trên toàn thế giới và phát triển cực kỳ nhanh chóng Từ đó thông tin quang Coherent chìm vào quên lãng

Năm 2005, sau 20 năm bị lãng quên, thông tin quang Coherent đã quay trở lại và hiện nay đang trở thành vấn đề được quan tâm hàng đầu tại các hãng sản xuất thiết bị cũng như các nhà khai thác mạng Hệ thống IM/DD đã dần lộ rõ những hạn chế của nó

mà cơ bản nhất là hạn chế về năng lực truyền dẫn trong khi dung lượng trên đường truyền đang ngày một tăng Như chúng ta đã biết, hệ thống IM/DD sử dụng dạng điều chế nhị phân (hai trạng thái On và Off), và hạn chế của dạng điều chế này là hiệu suất phổ không cao Hiệu suất phổ bị giới hạn ở mức 1 bit/s/Hz/phân cực [11], người ta thường gọi là giới hạn Nyquist Điều này càng làm cho thông tin quang Coherent được chú ý hơn ở thời điểm hiện nay

Điểm khác biệt lớn nhất giữa tách sóng Coherent và tách sóng trực tiếp là: ở tách sóng trực tiếp, tín hiệu quang rơi trực tiếp trên photodiode mà không qua sự “chế biến” nào Trong khi tách sóng Coherent, tín hiệu quang được trộn với tín hiệu từ bộ dao động nội (LO) trước khi đi vào bộ tách sóng (hình 2.11):

LPF, Sample, Decision

Hình 2.11 Sơ đồ khối máy thu quang Coherent

Trong máy phát quang Coherent cổ điển, bộ điều chế tín hiệu sử dụng các kỹ thuật điều chế như ASK, FSK, PSK , sóng laser phát ra ánh sáng liên tục có tần số

góc ωs (= 2πfs) Ở bộ dao động nội của máy thu, laser phát ra ánh sáng có tần số góc

ωLO, nếu ωs = ωLO thì ta có kiểu tách sóng homodyne, ngược lại ta có kiểu tách sóng heterodyne Dĩ nhiên nếu ở máy phát sử dụng dạng điều chế FSK thì ở máy thu không

√ (2.9) Với tách sóng homodyne: ωIF = 0 ⇒ √ (2.10) Nếu pha của LO được khóa với pha của tín hiệu thì ϕs = ϕLO và dòng tín hiệu homodyne: √ Ta nhớ lại rằng, dòng tín hiệu sau photodiode trong tách sóng trực tiếp (công thức 2.4) được cho bởi I(t) = R.|e(t)|2

= R.Ps(t), Ps(t) là công suất tín hiệu quang trước photodiode Nếu coi công suất tín hiệu quang trung bình là ̅ thì công suất tín hiệu điện trung bình (sau photodiode) được nhân lên với một hệ số 4PLO/ ̅ khi sử dụng tách sóng homodyne, và mức tăng có thể vượt quá 20 dB [10] Như vậy khi LO có công suất đủ lớn ta có thể tăng mức tín hiệu thu được mà không cần bộ tiền khuếch đại, do đó giảm được nhiễu trong bộ thu quang Tách sóng Coherent có thể làm tăng độ nhạy của máy thu lên 20 dB so với tách sóng trực tiếp

Một số hạn chế của hệ thống Coherent cổ điển:

 Tần số và pha của laser máy phát phải rất ổn định Cần có kỹ thuật như ổn định nhiệt độ của laser ở nhiệt độ thấp 10-2 – 10-3

K để đảm bảo độ ổn định tần số trong khoảng 10-20GHz/K Điều này đã hạn chế sự phát triển thông tin quang Coherent trong một thời gian dài

 Đồng bộ pha giữa LO của máy thu và máy phát trong trường hợp homodyne rất khó thực hiện, yêu cầu LO phải có độ ổn định tần số cao và mạch OPLL (vòng khóa pha quang) phải có băng thông đủ lớn để điều chỉnh những sai lệch về tần

số và pha giữa laser phát và thu

 Tín hiệu điều chế pha chịu ảnh hưởng của CD nhiều hơn so với tín hiệu điều chế công suất do CD gây sai pha tuyến tính

 Tín hiệu điều chế pha chịu ảnh hưởng lớn của tính chất phi tuyến của sợi quang thông qua hiệu ứng tự điều chế pha (SPM) và điều chế pha chéo (XPM)

2.2.2 Máy thu trong hệ thống Coherent hiện đại:

Để khắc phục những hạn chế nêu trên, người ta đã nghiên cứu các kỹ thuật điều

chế mới hiệu quả hơn, cùng với đó là chế tạo máy thu Coherent hiện đại với những

tính năng tiên tiến

Hình 2.12 Máy thu quang Coherent hiện đại

Máy thu đa dạng pha (Phase diversity): Thu cả phần thực và phần ảo của tín hiệu

(xem hình 2.12), dòng điện trong phần thu thực và ảo [11]:

Máy thu đa dạng phân cực (Polarization diversity): Tín hiệu thu được chia làm

hai phân cực vuông góc x và y Mỗi phân cực trộn với một phân cực của tín hiệu LO

tạo ra hai tín hiệu hỗn hợp Mỗi tín hiệu hỗn hợp được giải điều chế riêng rẽ và sau đó

cộng lại để đưa vào mạch “sample and detection”

Máy thu đa dạng pha kết hợp đa dạng phân cực, sử dụng kiểu tách sóng

homodyne (hình 2.13): Tín hiệu sau bộ PBS được cho bởi [11]: