Tổng quan về thông tin quang

EMUX) được sử dụng cho phương án truyền dẫn theo hai hướng. Hình 5.3 là sơ đồ miêu tả thiết bị ghải ghép và ghải ghép hồn hợp. Việc mô tả phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận chuyển đổi đối với các phần tr của ma trận là Aị(x). Các phần từ này là các hệ số phụ thuộc vào các bước sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa thứ i và ra cửa thứ j. Cách tiếp cận phân tích này khá phức tạp khi áp dụng để thiết kế và phân tích các hệ thống WDM. Hình 5.3. Mô tả thiết bị ghép giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX) Ik(lk) Ii(li) Sợi dẫn quang O(lk) O(li) Các tín hiệu được giải ghép Các tín hiệu được ghép 5.1.2. Các tham số cơ bản. Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép giải ghép hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh. Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết bị hai hướng (bộ ghép - giải ghép hỗn hợp như ở hình 5.3). Các kỹ hiệu 1(lj) và O(lj) là tín hiệu đầu vào được ghép và cửa thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k. Kỹ hiệu Oi(lj) là tín hiệu có bước sóng li đã được giải ghép và đi ra cửa thứ i. Bây giờ ta xem xét các thông số: - Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyéen có thêm các thiết bị ghép bước sóng quang WDM. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao bản thân các thiết bị ghép gây ra. Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyền phải tính cho vài dB ở mỗi đầu. Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nhưng cần lưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng. MUX (5-1) DEMUX (5-2) Với Li là suy hào (tại bước sóng li) khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn. Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị. - Xuyên kênh mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc và trường hợp áp dụng. Nhưng nhìn chung, phải đảm bảo nhở hơn (-30dB) trong mọi trường hợp. - Trong một bộ giải ghép kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng li sang các kênh khác có bước sóng khác với li. Nhưng trong thực tế, luôn luồn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau: Di(lk) = -10log[Ui(lk)/I(lk)]. Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ giải ghép kênh ở hình 5.4a) thì Ui(lk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng lk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng li. Trong thiết bị ghép-giải ghép hỗn hợp như ở hình 5.4b), việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ giải ghép. ở trường hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyên kênh. “Xuyên kênh dầu xa” là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(lk) sinh ra Ui(lk). “ Xuyên kênh dầu gần” là do các kênh khác ổ dầu dầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị, như Ui(lj). Khi cho ra các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị. Hình 5.4. Xuyên kênh a) ở bộ giải ghép kênh và b) ở bộ ghép-giải hỗn hợp Sợi quang Oi(li)+Ui(lk)+Ui(lj) Sợi quang I(li)…..I(lk) DEMUX Oi(li) + Ui(lk) lj lk I(li)…..I(lk) O(lj) Ii(li) Độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó đinh ra cho từng nguồn phát quang riêng. Nếu nguồn phát quang là các diôt laser thì các độ rộng kênh được yêu cầu vào khoảng vài chúc nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra, (ví dụ như khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi bước sóng đỉnh hoạt động). Đối với nguồn phát quang là điot phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vì độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn. 5.1.3. Các thiết bị ghép bước sóng quang WDM Thiết bị ghép bước sóng quang rất đa dạng, nhưng có thể phân chúng ra như hình 5.5[11]. Trong phân loại này, ta chú ý tối các thiết bị hoạt động theo phương pháp thụ động. Hình 5.5. Phân cấp các thiết bị WDM Thiết bị WDM Thiết bị vi quang Phân tán góc Phân tán vật liệu Thụ động Ghép sợi Thiết bị có bộ lọc Cách từ Thiết bị quang tổ hợp Các thiết bị khác Phi tuyến Giao thoa Phân cực Tích cực Các nguồn phát quang và các bộ tách sóng quang nhiều bước sóng Để xem xét các thiết bị WDM, sau đây chủ yêu chúng ta lấy bộ giải ghép kênh bước sóng để phân tích, bởi vì nguyên lý các thiết bị WDM có tính thuận nghịch về cấu trúc, như vậy hoạt động của các bộ ghép kênh cũng được giải thích cùng kiểu bằng cách đơn thuần là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào và đầu ra. Các bộ giải ghép (hay các bộ ghép) được chia ra làm hai loại chính theo công nghệ chế tạo là: Thiết bị WDM vi quang Thiết bị WDM ghép sợi ở loại thứ nhất, việc tách ghép kênh dựa trên cơ sở lấp ráp các thành phần vi quang. Các thiết bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi da mode. Chúng có những hạn chế đối với sợi dẫn quang đơn mode. Loại thứ hai dựa vào việc ghép giữa các trường lan truyền trong các lõi sợi kề nhau. Kỹ thuật này phù hợp với các tuyến sử dụng sợi đơn mode. 5.1.3.1. Các thiết bị WDM vi quang Các thiết bị WDM vi quang được chế tạo dựa trên hai phương pháp công nghệ khác nhau là: các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc. Sơ đồ hoạt động của hai loại này được mô tả như ở hình 5.6. Thiết bị lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm các bước sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra được một bước sóng trong nhiều bước sóng. Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh, người ta phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng. Còn cầu trúc phân tán góc lại đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng. Hình 5.6. Nguyên lý hoạt động của thiết bị WDM với cấu trúc sử dụng a) Bộ lọc giao thoa và b) Các phần tử phân tán góc Thiết bị phân tán l1 ln l1……..ln l1……..ln l2……..ln l1 Bộ lọc Thành phần tử cơ bản để thực hiện thiết bị WDM có bộ lọc là bộ lọc điện môi giao thoa, nó có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao và thấp đạt xen kẽ nhau. Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm hai gương phản xa thành phần đặt song song cách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt. Khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xã nhiều lần trong hốc. Nếu độ dày của khoảng cách là một số nguyên lần nửa bước sóng của chùm sang tói, thì giao thoa xảy ra và bước sóng đó sẽ được truyền dẫn thông suốt nhất. Đường cong phổ tủyền dẫn cho thiết bị hoạt động. ở đây, các chùm ánh sáng ở các bước sóng khác trong buồn cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn. Trong các bộ lọc của thiết bị WDM, các gương là các bỏ bọc nhiều lớp được đặt ở trên các lớp điện môi phân các trong suốt như hình 5.7 Hình 4.9. Cấu trúc của buồng Fabry-Perot điện môi. Lớp phân cách trong suốt Chiết suất cao Chiết suất thấp Các bộ lọc màng mỏng thường có độ dày bằng một phần tư bước sóng truyền dẫn lớn nhất. Chúng được cấu tạo từ các màng mỏng có chỉ số chiết suất thâp (như MgF2 có n=1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46) và các màng có chỉ số chiết suất cao (TiO2 có n = 2,2) đặt xen kẽ nhau. Theo đặc tính phổ thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành hai họ. - Các bộ lọc cắt chuẩn được đặc trưng bởi tần số cắt lc và có đáp ứng phổ thông thấp hoặc thông cao (hình 4.10a) và b)). - Các bộ lọc bằng thông được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm bằng lo và độ rộng bằng Dl hình 4.10 c). Các bộ cắt chuẩn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hai kênh để kết hợp (hoặc tách) hai bước sóng hoàn toàn phân cách, như 850nm và 1300nm, hoặc 1300nm và 1550nm. Các thiết bị này được sử dụng khá hiệu quả cho cả các nguồn có phổ rộng (như LED chẳng hạn). Hình 5.8. Các đặc tính phổ truyền dẫn của các bộ lọc giao thoa cắt (a) (b) và bằng thông (c) Các bộ lọc băng thông được sử dụng tốt cho các thiết bị WDM, nó rất phù hợp với các nguồn phát có phổ hẹp như laser. Hơn thế nữa, nó cho phép sử dụng khi có sự dịch bước sóng của nguồn phát do ảnh hưởng của nhiệt độ, vì vậy mà đường cong phổ truyền dẫn của bộ lọc bằng thông (như hình 5.8c) phải có dạng vuồn vắn, có vùng xung quanh bước sóng trung tâm phẳng. Cạnh của đường cong phổ truyền dẫn phải càng sắc nét càng tốt để ngăn ngừa xuyên kênh từ các kênh lân cận. Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép hai kênh như ở hình 5.9a), trong khi đo việc thực hiện trên thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như hình 5.9b) [10]. Các phần tử chuẩn trực và hội tụ là các lăng kính GRIN-rod 1/4 bước. Bộ lọc được thiết kế để phát đi l1 và phản xạ l2 sẽ được đặt giữa hai lăng kính. Các thiết bị giải ghép này có sẵn trên thị trường thương mại và được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850nm và 1300nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng (như 800nm và 830nm; 1200nm và 1300nm và 1550nm vv..). Với suy hao xen nhỏ hơn 3dB (cho mỗi cặp) và suy hao xuyên kênh cao hơn 25dB. Hình 5.9. Cấu trúc Bộ giải ghép 2 kênh sử dụng bộ lọc giao thoa. Cấu hình cơ bản và b) bộ giải ghép sử dụng hia lăng kính 1/4 bước GRIN-rod. Sợi quang Thấu kính Kính lọc l1 l2 Lăng kính Grin (1/4 p) Bộ lọc l1 l1,l2 Các thiết bị WDM có nhiều hơn 2 kênh sẽ được cấu tạo dựa trên cấu hình bộ lọc tầng. ở đây mỗi một bước trong tầng sẽ lựa chọn một bước sóng, hình 5.10 minh hoạ về thiết bị này. Hình 5.10. Cấu trúc cơ bản của một bộ giải ghép giao thoa nhiều kênh. l1,……ln l1 l3 l2 l4 Bộ lọc l1 Đôi khi, có thể thực hiện tạo ra bộ giải ghép mà không cần sử dụng đến các phần tử chuẩn trực. Ví dụ ở hình 5.11, thiết bị không có lăng kính, mà các bộ lọc giao thoa ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được đánh bóng. Hình 5.12. Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi. Bộ lọc Sợi quang l1 l2 l3 l1,…l4 l4 Một kỹ thuật vi quang khác để tách các bước sóng khác nhau khá tin cậy là phương pháp sử dụng các phần tử phân tán góc như đã chỉ ra hình 4.7b). Chùm tín hiệu quang dầu vào chuẩn trực sẽ đạp vào thiết bị phân tán, thiết bị phân tán sẽ tách ra các kênh khác nhau tuỳ theo bước sóng của chúng thành các chùm hướng theo các góc khác nhau. Các chùm đầu ra đã được tách sẽ được hội tụ nhờ một hoặc một số các lăng kính và được đưa vào cacs sợi dẫn quang riêng rẽ. Các phần tử phân tán góc được sử dụng trong thiết bị WDM hấu hết là cách tử nhiễu xạ. Các thiết bị WDM sử dụng các cách tử này có thể được thiết kế theo hai kiểu cấu trúc cơ bản là: Cách tử tuyến tính kết hợp với các phần tử hội tụ. Cách tử tự hội tụ. Các nguyên lý hoạt động của các cấu trúc này như ở hình 5.13 và 5.14. Trường hợp thứ nhất, cấu hình theo kiểu Littrow (như ở hình 5.15) được sử dụng nhiều bởi vì cấu trúc của nó chỉ có một lăng kính, và nó giảm tới mức tối thiểu tính astimatic (tính loạn thị) của hệ thống. Bộ giải ghép Litrow đặc có cấu trúc sử dụng các lăng kính GRIN-rod 1/4 bước; ở đây cách tử được đặt với một góc thích hợp tại đầu của lăng kính. Hình 5.13. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cách tử nhiễu xạ planar. Hình 5.15. Bộ giải ghép Litrow: a) Cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN-rod của bộ giải ghép 2 lần Hình 5.14. Sơ đồ cấu trúc tự hội tụ sử dụng cách tử lòng chảo. Một cấu trúc nữa có sử dụng cách tử nhiễu xạ phẳng và gương lòng chảo được chỉ ra như ở hình 5.16. Trong cấu trúc này, cách tử cùng ở trong dạng cấu hình Littrow. Các sợi dẫn quang vào và ra sẽ đi qua một lỗ trống ở tâm của cách tử. Các chùm sáng phát ra từ sợi đầu vào sẽ được chuẩn trực nhờ gương lòng chảo và sẽ được các cách tử phân tán theo góc, và cuối cùng chúng lại được gương hội tụ để đưa vào sợi đầu ra. Hình 5.16. Bộ giải ghép sử dụng cách tử nhiễu xạ planar và gương lòng chảo. 5.1.3.2 Các thiết bị WDM ghép sợi Như trên đã xét, ta biết rằng các thiết bị vi quang đã được sử dụng rộng rãi cho các loại sợi đa mode, nhưng lại rất khó để sử dụng cho sợi đơn mode bởi vì quá trình sử lý chùm ánh sáng phải qua các giai đoạn như phản xạ, chuẩn trực, hội tụ v.v... từ đó dẫn tới quang sai và các vấn đề trễ khác tạo ra suy hao tính hiệu quá lớn ở trong thiết bị. Hiện nay, các bộ ghép hướng sợi đã có sẵn, chúng ở các bộ chi quang, và kết hợp quang. Chúng thường là thiết bị có bốn cửa với 2 cửa vào và 2 cửa ra. Cấu trúc của chúng dựa trên việc ghép hai trường ánh sáng phía ngoài lõi. Các bộ ghép (coupler) này có tính lựa chọn bước sóng ở trong nó, và vì vậy nếu thiết kế cẩn thận các bộ ghép này thì hoàn toàn có thể sử dụng chúng để kết hợp hoạc tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau. Hệ số ghép k có liên quan đến lượng ánh sáng qua lại từ sợi này đến sọi kia. Chùm ánh sáng xuất hiện ở cả hai đầu sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố; đó là khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ số chiết suất vật liệu ở giữa, đường kính các lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh sáng. Các bộ ghép hướng sợi đơn mode dùng cho WDM có thể có ở hai dạng như ở hình 5.17. Dạng thứ nhất là dạng bộ ghép xoắn nóng chảy, có cấu trúc hai sợi xoắn vào nhau ở điều kiện đốt nóng để sao cho hai lõi đủ gần tới mức có thể ghép với nhau. Dạng thứ hai là bộ ghép dựa trên việc mài bóng các sợi; cả hai sợi được giữ trong rãnh chữ V cong và được mài bóng cho tói khi các lõi của chúng gần như lộ ra. Sau đó tiến hành ghép tiếp xúc vào nhau để tạo ra bộ ghép. Dạng này gọi là bộ ghép khối. Hình 5.17. Hai phương pháp tạo ra các bộ ghép hướng WDM cho sợi đơn mode. ở trường hợp bộ ghép nhờ việc nóng chảy sợi xoán, chu kỳ nửa bước sóng giảm chậm vì độ dài đoạn vuốt thon được tăng lên, vì thế mà nên đưa ra cho thiết bị các bước sóng sẽ được tách. Ví dụ như bộ ghép xoắn sợi nóng chảy 13../1500nm có độ dài vuốt thon khoảng 20mm, suy hao xen nhỏ hơn 0,05dB và độ cách ly bước sóng tốt hơn (-30)dB. Bằng cách tăng độ dài vuốt thon tới vài trăm milimet sẽ giảm được chu kỳ nửa sóng sóng tói 2nm hoặc ít hơn. Nhưng nếu như vậy thiết bị sẽ khó thực hiện ghép băng hẹp được bởi vì bộ ghép dài sẽ không ổn định, nhạy giảm với tác động bên ngoài và dễ nahy cảm phân cực. Đối với bộ ghép khối, khả năng ghép có thể được điều chỉnh theo tỷ lệ yêu cầu bất kỳ bằng cách di chuyển các lõi sợi thích ứng với nhau, hoặc tạo ra các vật liệu có chỉ số chiết suất khác nhau ở giữa các khối. Chúng thường có dáng to hơn bộ ghép xoắn sợi. Băng thông của các bộ ghép sợi như vậy (xem hình 4.20) có dạng gắn như hình sin làm hạn chế việc lựa chọn nguồn phát. Rõ ràng rằng các LED không thể được sử dụng trong bộ ghép đồng bộ đơn mode vì phổ của nó rọng. Như vậy chỉ có các diot laser có độ rộng phổ hẹp được sử dụng nếu tránh được suy hao xen và xuyên kênh lớn. Cho tới nay, chỉ có các bộ ghép đồng bộ là được thảo luận xem xét, dây là các bộ ghép sợi sử dụng các sợi đồng nhất. Các bộ ghép sử dụng các sợi không đồng nhất gọi là bộ ghép không đồng bộ. Các bộ ghép sợi chỉ có thể một lúc hoạt động được với hai bước sóng, nếu số kênh cần ghép lớn hơn hai thì phải sử lý bằng cấu hình rẽ nhánh. Hình 5.18 là cấu trúc bộ ghép bốn kênh sử dụng ba thiết bị WDM sợi đơn mode. Hình 5.19. Bộ ghép bốn kênh thực hiện ghép hai tầng l2 l3,l4 l1,,l2 l1……,l4 l1 l3 l4 5.2. Ghép kênh quang theo tần số OFDM Như ta đã biết, ghép kênh là một biện pháp nahừm bó gộp một số các kênh thong tin lại thành một kênh chung mang lượng kênh (hay lượng thông tin) lớn hơn. Trong các hệ thống thông tin quang mà ta quen thuộc trước dây, ghép kênh theo tần số FDM đó được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn analog. Khi các hệ thống thông tin quang phát triển, nhất là trong vài năm trở lại đây, cùng với sự phát triển nhảy vọt của công nghệ thông tin, các kỹ thuật ghép kênh quang lại xuất hiện như ghép bước sóng quang đã thảo luận ở phần 5.1 và ghép kênh quang theo thời gian OTDM sẽ xem xét ở phần 5.3 sau. Một kỹ thuật ghép kênh khác dùng để thông tin bằng ánh sáng là ghép kênh quang theo tần số (OFDM - Optical Frequency Division Multiplexing). Trong ghép kênh OFDM, băng tần của sóng ánh sáng được phân chia thành một số các kênh thông tin riêng biệt; ở đây, các kênh ánh sáng có các tần số quang khác nhau sẽ được biến đổi thnàh các luồng song song để cùng truyền dồng thời trên một sợi quang. Các sóng ánh sáng có một tiềm năng thông tin rất lơn bởi vì nó có tần số cao, tới hơn 200000 Ghz (1Ghz = 100Hz) [35]. Hơnh thế nữa, sợi đẫn quang vốn có suy hao nhỏ ở dải bước sóng từ 0,8mm á 1,8mm, cũng tương đương ở băng tần 200000GHz[34]. Vì thế một số lượng lớn các kênh quang FDM sẽ được truyền trên sợi, và mỗi một kênh quang riêng biệt có thể có băng tần rộng. Chẳng hạn, trên sợi dẫn quang tồn tại vùng có suy hao nhỏ nằm trong khoảng 1,5mm đến 1,6mm. Vùng này sẽ có băng tần là 124Ghz và như vậy có thể ghép tới hơn 1000 kênh quang nếu như khoảng cách kênh là 10Ghz. Mỗi một kênh có thể có tốc độ lớn hơn 1 Gbit/s để mang thông tin cần truyền. Vậy thì có thể thiết lập được tốc độ truyền dẫn trên sợi là hơn 1Tbit/s nhờ ghép kênh quang theo tần số. Mặc dù công nghệ OFDM hiện nay mới chỉ ở mức triển khai thực nghiệm, nhưng người ta đã tiền hành được hệ thống ghép tới 100 kênh quang. Mặt khác, với công nghệ cáp quang phát triển, các cáp có tới hơn 100 sợi đã được ra đời làm cho các hệ thống thông tin quang ghép kênh théo tânf số không cần phải đạt hiệu suất sử dụng cao tới mức khó thực hiện như ở ghép kênh FDM đối với các hệ thống vô tuyến. Như vậy ghép kênh quang theo tần số được xem xét như là cao cấp hơn WDM vì số kênh có thể ghép đưọc ở trong băng tần quang sẵn có rất lớn. OFDM có thể coi như là biện pháp ghép kênh quang có mật độ ghép dày đặc hơn. Hình 5.19 minh hoạ một hệ thống ghép kênh quang theo tần số; ở đây, tín hiệu quang được ghép được xây dựng theo một phương pháp tựa như các kỹ thuật thông thường, nhưng quá trình ghép ở đây hoàn toàn là thực hiện trên tín hiệu quang mà không có một quá trình biến đổi điện nào. Tổng số các chùm bit được ghép sẽ phụ thuộc và tốc độ của mỗi luồng (kênh). Tại đầu thu, tín hiệu quang sẽ được tách ra, công suất quang được chia và các kênh riêng rẽ sẽ được khôi phục lại [12]. Hình 5.19. Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh quang OFFDM Sn S2 S1 Df Df Sn S2 S1 Mix f1 Mix f2 Mix fn Mix f1 Mix f2 Mix fn Bộ kết hợp Laser Sợi cáp quang Tách quang Bộ chia công suất 1550nm Điều biến ngoài (PSK) PLL quang Về thực chất, OFDM đã khai thác khả năng băng tần rất lớn của sợi dẫn quang bằng cách ghép các kênh ở các bước sóng khác nhau vào thành một luồng thông tin lớn. Như vậy OFDM là chung cho ghép kênh theo bước sóng WDM. OFDM hoặc WDM cho phép ta tăng dung lượng kênh mà lại vượt qua được giới hạn của tán sắc sợi dẫn quang. OFDM sẽ đóng góp vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin quang hiện tại và tương lai, nó là vấn đề trọng yếu để sử dụng vào mục tiêu thực hiện mạng cáp quang hoá hoàn toàn. 5.2.1. Các công gnhệ ban đầu của OFDM Các hệ thống ghép kênh quang theo tần số phải dựa trên các nguồn phát quang có tần số ổn định, các thiết bị quang thụ đọng như các bộ lọc quang, các bộ khuếch đại quang băng rộng có thể khuếch đại nhiều kênh OFDM cùng một lúc. Các nguồn phát quang ổn định về tần số là rất cần thiết để ngăn chặn xuyên kênh. Các laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp có thể được sử dụng làm nguồn phát cho thống OFDM. Tuy nhiên khi laser có độ rộng phổ hẹp thì lại không ổn định về tần số do đó phải dung hoà về mặt này. Để có nguồn phát laser có độ rộng phổ hẹp mà lại ổn định thì phải sử dụng lại mạch gõ tần số quang (gõ mode). Hiện nay các hệ thống OFDM thử nghiệm đã sử dụng các mạch gõ tần số quang có bộ lọc hiệu chỉnh đáp ứng tần số quang. Các thiết bị quang thụ động cũng rất quan trọng để kết hợp các tín hiệu quang OFDM riêng rẽ. Đối với các sóng quang có độ rộng phổ hẹp được ổn định tần số, cộng hưởng giao thoa và các hiện tượng khác luôn đòi hỏi phải các bộ lọc quang chính xác. Các bộ lọc này có tính chẩn xác tựa như các bộ lọc trong các hệ thống viba. Công nghệ gần đây đã cho ra được bộ lọc quang 100 kênh có khả năng tạo khoảng cách kênh 5á10Ghz. Việc biến đổi tần số quang một cách trực tiếp (không có sự biến đỏi về điện nào) sẽ thực hiện được quá trình sử lý tín hiệu quang trong vùng tần số quang. Quá trình biến đổi này được thực hiện dựa vào hiệu ứng quang phi tuyến của các vật liệu bán dẫn hoặc các vật liệu điện môi. Dải dịch tần số quang hiện tại đạt vào khoảng 1000 GHz. Các bộ khuếch đại quang sẽ thực hiện khuếch đại các kênh quang FDM đồng thời một lúc, nó tạo ra cụ ly băng tần truyền dẫn của hệ thống được dài hơn. Hiện nay, các bộ khuyếch đại quang dùng cho OFDM đã có khả năng khuếch đại được 100 kênh quang. Điều này mở ra một hưởng ứng dụng OFDM vào các môi trường khai thác đa dạng. Hình 5.20 là biểu diễn một phương pháp sử dụng khuếch đại quang vào một hệ thống thông tin quang có ghép kênh quang theo tần số trong hệ thống OFDM. Hình 5.20. Thực nghiệm ghép 100 kênh quang trong OFDM có khuếch đại quang. 5.2.2. Vai trò của OFDM trong mạng viễn thông tương lai. Những thành công gần đây của công gnhệ các phần tử quang cho OFDM đã tạo ra sự phát triển các mạch sử lý tín hiệu quang rất đa dạng. Chúng có thể đáp ứng các chức năng như sau: Sắp xếp các kênh thông tin một cách hợp lý Cho phép truyền dễ dàng tín hiệu qua các phần tử thụ động. Điều đó tạo ra một tiềm tàng lớn của OFDM trong mạng viễn thông, cho ra các hệ thống thông tin hiện đại có dung lượng lớn, tính mềm dẻo, dễ dàng mở rộng, dễ dàng khai thác. Tuy nhiên, để có được các công nghệ OFDM thực tiễn thì phải đạt được như sau: Các cấu trúc hệ thống phải tạo ra được việc áp dụng tốt nhất các đặc tính OFDM, kể cả tính mềm dẻo và khả năng mở rộng. Các công nghệ cơ bản OFDM phải đảm bảo đạt được 100 kênh trên một sợi dẫn quang. Công nghệ giám sát kiểm tra các kênh OFDM, các thiết bị quang thụ động cần có khả năng định tuyến tần số quang. 5.3. Ghép kênh quang theo thời gian OTDM Trong sự phát triển của mạng viễn thông, xu hướng tăng tốc độ truyền dẫn đã được đẩy mạnh trong mấy năm gần đây, các hệ thống thông tin truyền dẫn số tốc độ cao đã là nhu cầu cần thiết trên mạng lưới. Để xậy dựng các tuyến số tốc độ cao như vậy, người ta lấy thông tin quang làm cơ sở để thực hiện vì nó có môi trowngf truyền dẫn băng tần khônr lồ. Tuy nhiên để có đwocj thiết bị hoạt động ở tốc độ cao, công nghệ điện tử - thông tin phải phát triển các chip điện tử có khả năng đáp ứng được tốc độ chuyển mạch cao hoặc làm việc ở môi trường có băng tần rộng. Gần đây, các thiết bị này đã được sản xuất và sẵn có trên thị trường thoả mãn được tốc tới 10Gbit/s. Các sản phẩm như vậy trước hết đáp ứng được cho các thiết bị phát và thu quang làm việc ở băng tần cao, mặt khác nó thoả mãn được với các thiết bị ghép và giải ghép kênh. Trong những năm tới, xây dựng các hệ thống thông tin quang tốc độ cao trên 10Gbit/s là chắc chắn thì việc phát triển các thành phần thiết bị điện tử ở tốc độ 20Gbit/s và 40Gbit/s là rất khó vì vẫn phải dự vào nền tảng cấu trúc công nghệ hồn hợp InP [33]. Vì vậy kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM đã khắc phục được hạn chế trên, quá trình ghép các luồn tìn hiệu quang thành các luồn tín hiệu có tốc độ cao hơn không thông qua một quá trình biển đổi về điện nào. Ghép kênh quang OTDM có nhiều khả năng thành công và tiến nhanh hơn bất kỳ một sản phẩm ghép kênh điện nào vì nó sử dụng các kỹ thuật xử lý quang tiên tiến. Như ta đã biết có hai pưhơng pháp ghép kênh quang đẻ đạt được tốc độ truyền dẫn rất cao (tới 100 Gbit/s) là ghép kênh quang theo bước sóng hay theo tần số (WDM/OFDM) và ghép kênh quang theo thời gian (OTDM). Cả hai giải phpá này đều yêu cầu các thành phần điện tử có tốc độ cao hơn ở các luồng nhánh được ghép. Đối với OTDM, kỹ thuật ghép ở đây có liên quan đến luồng tín hiệu ghép, dạng mã và tốc độ đường truyền. 5.3.1. Nguyên lý ghép kênh OTDM Hoạt động của một hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM có thể mô tả như hình 5.21 Hình 5.21. Sơ đồ tuyến thông tin quang sử dụng ỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang. Kênh 4 Kênh 1 Sợi dẫn quang Thu hiệu Nguồn phát Khuếch đại quang EDFA Bộ chia quang Bộ đièu chế Bộ đièu chế Bộ đièu chế Bộ đièu chế Bộ chia quang Khuếch đại quang Khối phát clock Bộ tách kênh Kênh: 1 2 3 4 1 2 3 4 Thời gian Thời gian Trễ quang Trong ghép kênh quang OTDM, chuỗi xung quang hẹp được phát ra từ nguồn phát thích hợp. Các tín hiệu này được đưa vào khuếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn để đáp ứng được yêu cầu. Sau đó được chia thành N luồng, mỗi luồng sẽ được đưa vào điều chế nhờ các bộ điều chế ngoài với tín hiệu nhánh tốc độ B Gbit/s. Để thực hiện ghép các tín hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh phải được đưa qua các bộ trễ quang. Tùy theo vị trí của từng kênh theo thời gian trong king mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ để dịch các khe thời gian quang một cách tương ứng. Thời gian trễ là một nửa chu kỳ của tín hiệu clock. Như vậy, tín hiệu sau khi được ghép sẽ có tốc độ là NxBGbit/s. Sau khi được truyền trên đường truyền, thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ thực hiện tách kênh và khôi phục xung clock và đưa ra được từng kênh quang riêng rẽ tương ứng với các kênh quang ở đầu vào bộ ghép phái phát. Các hệ thống ghép kênh OTDM thường hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm, tại bước sóng này sẽ có suy hao quang nhỏ, lại phù hợp với bộ khuếch đại quang sợi có mặt trong hệ thống. Các bộ khuếch đại quang sợi có chức năng duy trì quĩ công suất cho hệ thống nhằm bảo đảm tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N) ở phía thu quang. NGuyên lý hoạt động này có thể đáp ứng xây dựng các hệ thống thông tin với tốc độ 200Gbit/s. Tuy nhiên ở tốc độ này phải xem xét tới việc bù tán sắc cho hệ thống. 5.3.2 Phát tín hiệu trong hệ thống OTDM. Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM áp dụng hai kỹ thuật phát chủ yếu sau đây: Dạng thứ nhất có thể lấy luồng tín hiệu quang sổ RZ thông qua việc sử lý quang luồng NRZ. Dạng thứ hai dựa vào việc điều chế ngoài các xung quang. Đối với dạng đầu, từ luồng tín hiệu NRZ, người ta thực hiện biến đổi chúng để đưa về sạng tín hiệu RZ bằng cách cho luồng tín hiệu NRZ qua phần tử xử lý quang có các đặc tính chuyển đổi phù hợp. Phần tử này có thể là một bộ điều chế có điều khiển bằng điện (phần tử điện-quang hoặc là điện - hấp thụ) hay các thiết bị có điều khiển quang như các gương vòng phi tuyến (sợi hoặc bán dẫn). Quá trình biến đổi ánh sáng liên tục (CW - Continuous Wave) thành các xung dựa vào các bộ điều chế điện - quang. Đầu vào CW là luồng tín hiệu quang NRZ và thường thì mỗi luồng NRZ yêu cầu một phần tử xử lý quang riêng. Tuy nhiên, với các hệ thống tiên tiến hơn, sẽ cho phép đồng thời thực hiện cả biến đổi và xen quang NRZ thành RZ nhờ một thiết bị chuyển machj tích cực điện - quang 2x2. Thiết bị này có chức năng chuyển đổi điện- quang giống như bộ điều chế Mach-Zehnder, nhưng tiến bộ hơn là có hai cửa ra. Như vậy chùm tia tín hiệu ban đầu NRZ tốc độ B Gbit/s sẽ được lấy mẫu nhờ bộ điều chế Mach-Zehnder, bộ điều chế này được điều khiển với một sóng hình sin tần số B GHz và được làm bằng biến độ tới giá trị điện áp chuyển mạch. Tín hiệu số quang sẽ được biến đổi thành dạng RZ ở tốc B Gbit/s với độ rộng xung bằng một nửa chu kỳ bit. Điều này có nghĩa là tạo được một khoảng để xen một luồng tín hiệu dạng RZ thứ hai vào. Việc xen kênh thứ hai được thực hiện nhờ bộ ghép (coupler). Hình 4.26 mô tả hai nguyên lý hoạt động đặc trưng của phía phát 4 kênh OTDM dựa trên việc xử lý các luồng tín hiệu số NRZ, ở đây sử dụng kết hợp các chuyển mạch có các điều kiện điều khiển tương thích. Lưu ý rằng, sự khác nhau giữa hai sơ đồ là sự xen tín hiệu ở trạng thái thứ hai: Tín hiệu xen 2B GHz được yêu cầu, tín hiệu này có thể thu được bằng cách hoặc là sử dụng tín hiệu điều khiển tại tần số đó có biên độ bằng với điện áp chuyển mạch, hoặc là sử dụng điều khiển B GHz với hai lần điện áp chuyển mạch. Trong quá trình nghiên cứu về ghép kênh quang theo thời gian, người ta đã lưu ý nhiều tới công nghệ nguồn phát. Đây là các laser có thể phát ra các xung rất hẹp ở tốc độ cao. Đầu ra các nguồn này là các bộ chia quang thụ động (coupler), các bộ điều chế ngoài và tiếp đó là các bộ trễ thời gian, các bộ trễ tái hợp vẫn sử dụng coupler như đã mô tả ở hình 4.25. Các sản phẩm của phía phát OTDM được phát triển hầu như dựa vào các công nghệ tổ hợp mạch lai ghép, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiến hnàh nghiên cứu trong phòng thí nghiệm bởi bì với những thành phần sản phẩm quang sợi này, có thể tiến hành các thí nghiệm có các điều kiện tương tự như vậy. Khi lựa chọn các nguồn quang cho hệ thông OTDM, tỷ lệ “đánh điểm-khoảng trống” là rất quang trọng và nó tuỳ thuộc vào mức độ ghép kênh đặt ra. Ví dụ, như trong hệ thống OTDM bốn kênh, tỷ lệ “đánh điểm - khoảng trống” tối thiểu phải đạt 1/3 đối với tốc độ truyền dẫn trung bình, điều này ngụ ý ràng tỷ độ “đánh điểm - khoảng trống” lớn hơn 1/12 đối với nguồn phát xung quang. Đối với khoảng truyền dẫn rất xa thì tỷ số này phải đạt cao hơn. Các nguồn phát xung phù hợp cho các hệ thống OTDM hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các thực nghiệm là: Các laser hốc cộng hưởng ngoài gõ mode 4x5 Gbit/s Các laser DFB chuyển mạch khuếch đại 8x6,25 Gbit/s Các laser vòng sợi khoá mode 4x10Gbit/s và 16x6,25Gbit/s 4.3.3. Giải ghép và xen rẽ kênh Khi xem xét các hệ thống OTDM và các hệ thống thông tin quang vó ghép kênh TDM, người ta thấy có sự khác nhau chủ yếu ở đây là việc ghép và giải ghép trong vùng thời gian quang, mà nó được thể hiện như là một chức năng tích cực. Thực hiện việc giải ghép trong hệ thống OTDM điểm nối điểm ở phía thu chính là việc tách hoàn toàn các kênh quang. Tuy nhiên khi xem xét trên cục diện mạng OTDM thì lại phải xem xét cả khả năng xen và rẽ kênh từ luồng truyền dẫn. Đối với bộ giải ghép kênh, cần phải xem xét các tham số cơ bản về tách kênh, kể cả tỷ số phân biệt quang, suy hao xen và mặt cắt cửa sổ chuyển mạch có thể đạt được. Đối với các nút xen và rẽ kênh thì phải đánh giá cả hiệu suất chuyển mạch, đo đạc phần công suất được lấy ra từ kênh tương ứng. ở đây tỷ số phân biệt rõ ràng là có ảnh hưởng tới mức độ xuyên kênh. (tỷ số phân biệt EX = 10log10(A/B), với A là mức công suất quang trung bình ở mức logic 1 và B là mức công suất quang trung bình ở mức O [41]. Ngoài ra, xuyên kênh cũng sẽ bị tăng do có sự phủ chờm giữa các kênh lân cận với nhau tạo thành cửa sổ chuyển mạch. Kết quả là độ rộng của cửa sổ chuyển mạch sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ đường truyền. Như vậy phải đặt ra các yêu cầu về độ rộng xung tín hiệu sau khi truyền dẫn để giảm nhỏ xuyên kênh. Có nhiều sơ đồ giải ghép, nhưng chung quy lại thì có hai loại chính là loại điều khiển điện và điều khiển quang. Bảng 5-1 là tóm tắt các phương pháp giải ghép. Thời gian đầu, các thực nghiệm cơ bản tập trung vào hướng sử dụng các bộ điều chế Mach-Zehnder Lithium niobate, nó cho phép khai thác chức năng đáp ứng hình sin để giải ghép bốn lần tốc độ tín hiệu cơ bản. Trong các thực nghiệm gần đây, người ta lại chú trọng đến việc ứng dụng các công nghệ sử lý quang hoàn toàn cho giải ghép. Trong quá trình tiếp cận với các công nghệ quang tiên tiến này, người ta thấy có những đặc tính sau: Cho phép thoả mãn về các mức độ giải ghép kênh. Lấy được kênh, truy nhập tới các kênh đang truyền để thực hiện việc xen và rẽ kênh. Các cửa sổ chuyển mạch đưa ra được các ưu điểm đặc biệt cho các hệ thống OTDM. Điều này cho phép sử dụng các xung tín hiệu rộng hơn trước khi các kênh kề nhau gây ra xuyên kênh. Hình 5.22 là sơ đồ nguyên lý của DEMUX Kerr quang [36]. Trước hết ta hiểu hiệu ứng cơ quang là hiệu ứng mà trong đó đặc tính phân cực của sợi quang phụ thuộc vào sự đồng nhất theo hình trụ của chỉ số chiết suất. ảnh hưởng của hiện tượng phi tuyến lên sự đồng nhất này và các hiệu ứng truyền dẫn xảy ra sau đó thường được gọi chung là hiệu ứng Kerr. Trong sơ đồ hình 5.22 này thành phần phân cực của các tín hiệu ánh sáng được chuyển mạch 90 độ nhờ các tín hiệu điêù khiển quang. Hướng phân cực được quay đi một góc 900 khi có lệch pha giữa các thành phần x và y của tín hiệu bị thay đổi từ 00 đến 1800. Sự lệch pha các tín hiệu sau khi truyền qua môi trường thiết bị Kerr có độ dài trung bình sẽ được ghép nhờ sự khác nhau về chỉ số chiết suất của nó giữa có trục x và y. Do sử dụng hiệu ứng Kerr mà cường độ quang liên tục đã tạo ra sự thay đổi chỉ số chiết suất, chỉ có thành phần phân cực tín hiệu được các tín hiệu điểu khiển có cường độ lớn chông lên là có thể bị chuyển mạch đi 900. Các ánh sáng phân cực trực giao sẽ được tách bằng bộ chia phân cực, lúc này chùm xung tín hiệu đã được ghép sẽ được giải ghép thành các tín hiệu có tốc độ thấp hơn ứng với chùm xung điều khiển. Bảng 5.1. Tóm tắt các phương pháp giải ghép kênh OTDM. Loại chuyển mạch Tìn hiệu điểu khiển Các đặc tính và cửa sổ chuyển mạch nhỏ nhất Loại chuyển mạch Tín hiệu điểu khiển Các đặc tính và cửa sổ chuyển mạch nhỏ nhất Bộ điều chế Niobate ghép tăng Sóng điện hình sin 40>10Gbits cửa sổ 19ps Tròn sóng: sợi Xung quang 100>6,25Gbit/s Bộ điều khiển băng rộng Sóng điện 2 tần số Sóng điện 2 tần số Gương vòng: sợi Xung quang 40>20Gbit/s 100>6,25 Gbit/s cửa sổ 6ps Rẽ và xen kênh 40Gbit/s x 10Gbit/s Bộ điều biến điện-hấp thụ Sống điện hình sin Sóng điện hình sin Tròn sóng: bán dẫn Xung quang 20>5Gbit/s Quang Kerr: sợi Xung quang Xung quang Quang Kerr: bán dẫn Xung quang 20>10Gbit/s Gương vòng bán dẫn Xung quang 40>10Gbit/s 250>1Gbit/s cửa sổ 4ps Hình 4.22. Nguyên lý của bộ giải ghép thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phân cực quang Để tạo ra bộ giải ghép quang sử dụng thiết bị Kerr quang, các thiết kế phải có cải tiến phù hợp, trạng thái phân cực phải ổn định. Ngoài ra các kỹ thuật mới về công nghệ laser như phát các xung cực nhanh, phát các xung điều khiển đồng bộ và khuếch đại phải được quan tâm rất nhiều. Hình 5.23. minh hoạ một phương pháp thực hiện một nút mạng có xen và rẽ kênh sử dụng gương vòng phi tuyến [33]. Tín hiệu đến được bộ chia 3dB chia ra giữa các nhánh của gương vòng. Sau khi lan truyền vòng quanh vài kilomet sợi trong vòng, hai chuỗi xung rẽ giao thoa, tái hợp và được phản xạ từ gương vòng dưới các điều kiện tưong thích. Chu trình hoạt động này cơ bản là thụ động và tuyến tính. Tuy nhiên nếu có chuỗi các xung clock công suất cao hơn được đưa vào vòng mà trung hợp với tín hiệu số nhưng chỉ lan truyền theo một hướng, thì các xung clock sẽ biến đổi chỉ số chiết suất của lõi sợi thông qua hiệu ứng Kerr. Việc điều chế ngang pha vừa đủ đã cho có thể có ở trên các xung tín hiệu để tạo ra các xung trùng hợp được chuyển mạch sang phía đối diện của gương vòng. Kết quả là, tín hiệu cần thiết lấy ra ở nút được thiết bị phản xạ, trong khi đó các kênh còn lại sẽ đi qua và tái hợp tại chỗ với tín hiệu được phát cho hướng truyền dẫn phía trước. Cửa sổ chuyển mạch của thiết bị được xác định không chỉ bằng dạng của các xung điều khiển, mà còn bằng các vận tốc tương đổi của các tín hiệu. Do có sự sắp xếp các bước sóng xung tín hiệu và xung điều khiển một cách đối xứng ở cả hai phía của tán sắc sợi bằng không, mà cửa sổ chuyển mạch tối thiểu sẽ thu được từ các xung tín hiệu và điều khiển là tương hợp về vận tốc. Khi thay đổi vận tốc tương đối sẽ đạt được các cửa sổ chuyển mạch phẳng đỉnh. Thiết bị sẽ chuyển mạch các xung tín hiệu miễn là chúng cùng lan truyền với các xung điều khiển qua phần gương vòng. Hình 5.23. Sơ đồ đồng bộ lựa chọn kênh bằng gương vòng phi tuyến để rẽ và xen kênh với các bộ coupler 3dB Các gương vòng phi tuyến (NOLM - Nonlinear Lôp Mirror) cũng có thể được cấu trúc từ thiết bị laser bán dẫn thay cho sợi trong một số trường hợp. Nhược điểm chủ yếu của NOLM là đo độ dài của sợi (thường tới 10km), mà cần lựa chọn cẩn thận tán sắc bằng không và bước sóng tín hiệu điều khiển để đạt được cửa sổ chuyển mạch hợp lý. Nhiều bộ giải ghép kênh quang được biến đổi thành các thiết bị có chức năng xen và rẽ kênh bằng cách thêm coupler 3dB tại đầu ra của chuyển mạch quang được dùng để rẽ một hoặc vài kênh. Tuy nhiên, phải lưu ý tới việc đồng bộ phù hợp giữa kênh được xen và các kênh đi thẳng qua nút rẽ để hạn chế xuyên kênh. 5.3.4. Đồng bộ quang trong hệ thống OTDM Kỹ thuật tách lấy tín hiệu clock để tạo ra tín hiệu định thời với tốc độ của tín hiệu thu được là một quá trình không thể thiếu được khi thực hiện sử lý tín hiệu PCM tốc độ cao. Như ta đã biết, trong các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác, việc trích lấy thời gian được thực hiện trên các mạch khoá ppha PLL điện (Phase-lockedoop) sau khi các tín hiệu quang thu được đã được biến đổi về thành tín hiệu điện. Các thiết bị truyền dẫn như các thiết bị đầu cuối quang, thiết bị xen rẽ kênh và cả các trạm lặp đều có các mạch PLL. Việc trích lấy các xung clock đòi hỏi phải thực hiện một cách chính xác. Các mạch PLL phải đảm bảo làm việc được ở các tốc độ bit cao, tạp âm về pha thấp, có độ nhạy cao (tính hiệu chỉnh nhanh) và phải không phụ thuộc phân cực (đối với PLL quang). Các mạch PLL điện chỉ đáp ứng được các hệ thống truyền dẫn với tốc độ bít thấp và vừa phải, khi tốc độ truyền dẫn cao, nó sẽ bị hạn chế bới bì băng tần của các bộ biến đổi quang - điện (O/E) và các mạch điện tử không đáp ứng được. Đối với các hệ thống OTDM, tốc độ làm việc rất cao, mặt khác tính chất quang hoá của các hệ thống này thể hiện rất rõ cho nên cần phải sử dụng việc tách tín hiệu olock dựa trên công nghệ quang. Các mạch PLL quang đã đáp ứng được tốc độ cực nhanh của tín hiệu trên hệ thống OTDM cũng như các hệ thống thông tin quang tốc độ cao khác. Trong cấu hình của mạch PLL quang, bộ khuếch đại laser LDA có chức năng như một mạch kết hợp ngang quang tốc độ cực nhanh. Khi có cả tín hiệu quang (xung ánh sáng mang tín hiệu) và các xung từ clock đi tới, bộ khuếhc đại LDA sẽ kết hợp hai tín hiệu này và cho ra tín hiệu kết hợp tần số thấp có chứa thành phần Df là sự lệch tần của hai tín hiệu này. Sau đó tổ hợp tín hiệu này được tách sóng và lọc để cho ra tin hiệu Df điện. Mạch PLL sẽ tiến hành điều chỉnh mỗi khi có dịch pha tương đổi giữa tín hiệu Df tương ứng với tín hiệu dao động nội so sánh. Dịch pha này được kiểm tra nhờ mạch so pha, kết qua so pha sẽ được đưa vào bộ dao động điều khiển điện áp VCO để phát ra tần số f0. Mạch phát tín hiệu quang sẽ biến đổi tín hiệu điện có tần số (f0 + Df) thành tín hiệu quang tương ứng. Tín hiệu clock quang sẽ được lấy ra từ bộ biến đổi điện quang E/O và cấp vào thiết bị giải ghép quang trong OTDM. 5.3.5. Đặc tính truyền dẫn của OTDM Tán sắc của sợi quang làm cho các xung ánh sáng lan truyền trên sợi bị dãn rộng ra, trong khi đó các hệ thống thông tin quang OTDM có tốc độ rất cao, như vậy đòi hỏi các xung phát ra phải rất ngắn. Mặc dù vấn đề tán sắc có thể được khắc phục bằng cách sử dụng truyền dẫn Soliton trong các điều kiện cho phép, nhưng vẫn phải đặc biệt quan tâm tới các biện pháp tạo ra các xung cực hẹp. Phần này, ta sẽ khảo sát về đặc tính truyền dẫn ở cả chế độ tuyến tính và phi tuyến. Giải thiết rằng các bộ khuếch đại quang thường được sử dụng để tăng các mức tín hiệu dọc theo tuyến thông tin quang khi cần thiết. Đặc biệt đối với các hệ thống truyền dẫn Soliton oẻ dây, việc nén các xung phi tuyến nhằm để tạo ra các dạng xung. Trong truyền dẫn tuyến tính tín hiệu RZ trên sợi có tán sắc, đền bù cho hệ thống theo nghĩa bù trừ tán sắc chỉ thiết lập khi các xung tín hiệu bị mắt năng lưoựng vào các khe thời gian lân cận. Tuy nhiên, một khi điều này xảy ra thì hệ thống bị suy giảm nhanh. Vậy, để tăng cực đại khoảng cách truyền dẫn thì phải đưa các hệ thông OTDM vào các tuyến có tán sắc tiến tới không. Giải pháp tiếp cận đầu tiên là nguồn phát phải làm việc tại bước sóng rất gần với bước sóng của tán sắc sợi bằng không. Điều này không phải dễ dàng thực hiện như đã nói bưỏi vì với các điều kiện này, mức công suất mà tại đó những sự sút kém hệ thống phi tuyến xảy ra có thể là hoàn toàn thấp, tức là giảm công suất tín hiệu để tránh dãn xung cần thiết nhưng điều này có thể làm cho đặc tính hệ thống bị giới hạn do tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Thứ hai là các kỹ thuật điều tiết tán sắc có thể được sử dụng để duy trì hình thức truyền dẫn tuyến tính để tránh các giới hạn như ở trên hoặc để bù đầy đủ tán sắc tuyến tính của tuyến. Việc thực hiện các kỹ thuật bù tán sắc trong các hệ thống OTDM là một bước kiểm tra ngặt nghèo chất lượng của sự bù bì rằng ở đây sử dụng các xung rất ngắn. Lợi thế nổi bật là việc sử dụng các bộ phát OTDM trong truyền dẫn số phi tuyến [33]. Các dạng xung ngắn đặc biệt phù hợp với truyền dẫn Soliton để khắc phục tán sắc của sợi dẫn quang. Với hệ thống Soliton khoảng lặp của hệ thống OTDM phi tuyến có thể được tăng lên rất lơn bằng cacs thực hiện kỹ thuật kiều khiển Soliton, thông qua việc sử dụng các bộ lọc dẫn hoặc định thời tích cực. Các bộ lọc dẫn rất tiện lợi khi áp dụng vào môi trường có hiệu ứng Gordon-Haus gây ra Jitter, còn việc định lại thời gian tích cực sẽ loại bỏ jitter đối với bất kỳ một cơ chế hoạt động nào. Nhờ các công nghệ này mà người ta có thể thực hiện một trạm lặp bao gồm khối khôi phục clock điện để điều khiển thiết bị điện-quang hoặc quang hoàn toàn để đưa ra cho tín hiệu quang. 5.3.6. Công nghệ laser cho các hệ thống ghép kênh quang tốc độ cao. Mục đích khai thác triệt để băng tần kênh quang 30THz của sợi dẫn quang đơn mode thông thường [37] đã thúc đẩy các hệ thống thông tin quang nhanh chóng đạt được tốc độ cực nahnh nhờ các giải pháp sử lý tín hiệu quang và công nghệ tạo ra các thành phần quang và quang điện. Các hệ thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang như OTDM và OFDM như đã xet sở trên dòi hỏi các nguồn phát quang laser phải tạo ra các xung hẹp để dáp ứng các hệ thống thông tin quang có tốc độ 10Gbit/s trở lên. Vì vậy phần này giới thiệu một số công nghệ tạo ra các laser có khả năng làm việc ở tốc độ cao và phân lại chúng theo các ứng dụng tiến bộ của kỹ thuật thông tin quang tiên tiến. 5.3.6.1. Kỹ thuật phát xung quang tốc độ cao Trong các hệ thống thong tin quang tốc độ cao cỡ vài Gbit/s trở lên, như các hệ thống thông tin quang OTDM, nguồn phát quang phải tạo được các xung quang rất hẹp. Các hệ thống ghép kênh quang như OTDM và OFDM cần phải sử dụng tới các loại laser có khả năng taọ ra các xung pico giây bất biến TL (Transform Limited). Vì vậy, kỹ thuật công nghệ ngày nay đã tiến hành cải tiến các loại laser bằng nhiều phương pháp trong đó nổi trội là các cải tiến kỹ thuật như kỹ thuật chặn (khoá) mode trong laser, kỹ thuật chặn mode điều hoà trong laser sợi, kỹ thuật thay đổi hệ số khuếch đại trong laser phản hồi pân tan (DFB-LD) và kỹ thuật chắn sóng CW (Continuous Wave) ở bộ điều biến điện - hấp thụ (EA). Có thể kể đến như sau: a. Kỹ thuật chặn mode trong các laser: Đây là một kỹ thuật để tạo ra các xung quang cực ngắn tốc độ lặp lại cao. Kỹ thuật này cho phép tạo ra một loại laser mới có khả năng chạn mode và cho ra các xung quang cực ngắn. Nó có thể làm việc ở tốc độ rất cao, đó là các xung hoàn toàn bất biến có độ rộng xung ít hơn 1ps, tạo ra các dao động lặp lại từ 40 - 356 GHz. Hiện nay các hệ thống thông tin quang chưa đwocj thử nghiệm ở các tốc độ này. Để chặn được mode tại tốc độ tương ứng, người ta dùng một laser có hốc cộng hưởng dài ghép với một ống dẫn sóng thụ động và sẽ tạo ra đưọc phản xạ Bragg. Kết quả của kỹ thuật này tạo ra được hốc cộng hưởng dài tới 5,5mm và nó có thể làm việc ở 8GHz với cự ly thực nghiệm truyền dẫn Soliton 4000Km. Nhược điểm của kỹ thuật này là không điều chỉnh được tần số lặp. b) Kỹ thuật chặn mode điều hoà trong Laser sợi: Đây là kỹ thuật đầy hứa hẹn vì nó có thể tạo ra xung TL trong vùng khoảng 10GHz mà không có một sự bù chirp nàohay áp dụng phương pháp nén xung nào (hiện tương chirp là sự thay đổi bước sóng của bức xạ laser sợi er có độ dài khỏng 10m và chặn mode tại các mức điều hoà rất cao. Quá trình cặhn mode gây ra sự bất ổn định, do đó để ổn định thì có một số biện pháp. Biện phá thứ nhất là ghép xen một chốt Fabry - Perot có mức mịn cao vào trong buồng cộng hưởng để loại trừ các mode công hưởng laser không mong muốn. Dải phổ tự do của chốt cần phải cân bằng với tần số chặn mode. Phương pháp thứ hai là rung độ dài buồng cộng hưởng với tốc độ kHz. Điều này làm lụi đi sự cháy các lỗ hổng và dẫn tới tạo ra một mode riêng biệt. Phương pháp thứ ba là phương pháp sử dụng buồng cộng hưởng đơn phân cực để tạo ra các mode đối cực, các mode này được phát sinh khi có sự bất ổn định phân cực. Hình 4.30 mô tả một laser sợi chặn mode có khả năng thay đổi bước sóng dựa theo nguyên lý trên. Toàn bộ sợi (kể cả sợi Er đều là các sợi duy trì phân cực được gọi là PANDA) cùng với một bộ phân cực có sợi, bộ lọc 3nm có hiểu chỉnh được ghép vào để đảm bảo có dao động phân cực đơn và có khả năng hiểu chỉnh được ghép vào để đảm bảo có dao động phân cục đơn và có khả năng hiệu chỉnh bước sóng. Tât scả các thnàh phần tạo thành buồng cộng hưởng có ổn định nhiệt trong một lồng tĩnh học +0.3 độ và phù hợp với tần số nhỏ hơn 3 kHz không điều hưởng với tần số chặn mode. Theo cấu hình này tạo ra các xung TL từ 3.0 đến 3,5ps ổn định và tích thời gian băng tần là 0,32 tại tần số 20 Ghz mà không có một lỗi bít nào xảy ra. Phương pháp này cho phép thya đổi bước sóng 7nm. c. Kỹ thuật thay đổi khuếch đại trong các laser DFB: Kỹ thuật này có thể tạo ra được các xung quang hẹp, qua thực nghiệm người ta đã tạo ra được hầu hết các xung có độ rộng 5á7ps, coi như gần đạt được tới các xung bất biến TL. Phương pháp này áp dụng một kỹ thuật bù chirp. Nó cho phép điều chỉnh một cách dễ dàng tần số trong khỏng 1á10GHz. Sự thay đổi khuếch đại sẽ tạo điều kiện cho việc triển khai các hệ thống thông tin quang tiến tiéen nghư ghép kênh quang, trích lấy thời gian quang v.v.. Trong kỹ thuật này, các xung “chirp” có hệ số khuếch đại thay đổi được nén nhờ các sợi tán sắc dịch chuyển, “chirping” còn dư không mong muốn ở cả hai sườn xung được bộ lọc phổ gạt bỏ. Nhờ kỹ thuật này, người ta truyền thành cộng các xung Soliton 80 Gbit/s trên cự ly 80Km. Để làm giảm nữa độ rộng của xung, người ta còn áp dụng kỹ thuật nén xung phi tuyến giống như nén Soliton để thay đổi hệ số khuếch đại. d. Kỹ thuật chắn sóng bằng bộ điều chế điện - hấp thụ EA: Kỹ thuật này có liên quan tới ongs liên tục CW có ở các bộ điều chế đienẹ - hấp thụ dạng hình sin, nó dựa trên cơ sở phát không tuyến tính của bộ điều chế InGaAsP-EA đối với điện áp cung cấp. Các xung 20ps gần tới mức TL ở tốc độ 10Gbit/s đã thu được trên cự ly 6000Km sợi. Tuy nhiên, kỹ thuật khó áp dụng cho các hệ thóng tốc độ trên 40 Gbit/s. Trong phơng pháp này sử dụng kỹ thuật nén xung nhờ sợi quang có tán sắc giảm. 5.3.6.2. Phân loại theo ứng dụng Nhờ có công nghệ tiên tiến ở trên, một loại các loại laser mới sẽ được sử dụng trong các tuyến thông tin quang tốc độ cao, có thể chỉ ra như sau: - Đối với mạng LAN quang và các tuyến sử dụng kỹ thuật ghép bước sóng quang cần thiết có các loại laser có khả năng điều chỉnh bước sóng. Các laser này cho phép tạo ra các bộ phát quang có hiệu chỉnh có thể phát ra được các sóng quang ở bước sóng khác nhau. Chính các bộ phát quang nhiều bước sóng này đã góp phần vào các hệ thống ghép bước sóng quang WDM nhờ tạo được ra các bước sóng tách biệt nhau các khoảng cách xác định trong họ của chúng. Chúng có thể tạo ra các bước sóng cách nhau ít hơn 8nm. Loại LD này gọi là LD phản xạ Bragg phân tán hai cực, chúng tạo ra được 24 tần số riêng rẽ và tập trung ở vùng bước sóng 1550nm. - Đối với các tuyến thông tin quang tốc độ rất cao khác, đặc biệt là các tuyến thông tin quang OTDM, cần có các laser tạo ra các xung có độ dài ít hơn độ dài của khe thời gian tín hiệu cho phép. Để đáp ứng yêu cầu này, bốn loại laser sau đây được dùng: Laser sợi vòng chặn mode MLFRL (Modelocked Fiber Ring Laser), có thể cho ra các xung Soliton TL (tích số ảvảt=0,32), xung phát ra nhỏ hơn 10ps, có tần số lặp 40GHz, giá thành rất đắt. Laser bán dẫn chặn mode SMLL (Semiconductor Modelocked Laser): là loại laser có thể hoạt động tại tần số cộng hưởng cơ bản và đạt được ít nhất là 20GHz. Các xung quang không được thuần phổ (phổ đơn sắc) như là loại MLFRL (vì ảvảt=0,4 đến 0,5). Loại này cũng khó tạo ra được các xung dưới 10ps. Chúng được cấu tạo dưới dạng ghép và sử dụng các cách tử phản hồi bên ngoài. Bộ điều chế DFB/điện - hấp thụ EA có cấu tạo theo nguyên lý sử dụng LD chắn sóng CW. Loại này thích hợp với sự phát triển sau này của các hệ htóng ghép kênh quang OTDM, chúng có thể dùng cho hệ thống OTDM ở tốc độ ghép kênh quang OTDM, chúng có thể dùng cho hệ thống OTDM ở tốc độ 20Gb/s với cự ly 11000Km. Loại này cũng phù hợp với các luồng tín hiệu số mã NRZ hoặc RZ. Laser bán dẫn chuyển mạch khuếch đại GSLD (Gain Switched Semiconductor Laser Diode). Cấu trúc của loại này đơn giản vì được tạo từ loại DFB, dòng ngưỡng dớn hơn các loại trên, phổ rộng (với ảvả >1), phù hợp với hệ thống OTDM ở tốc độ 20Gbit/s cự ly không vượt quá 2000Km. Mục lục Trang Lời nói đầu Chương I. Hệ thống thông tin sợi quang 1 I. Hệ thống thông tin sợi quang 1 1. Cấu trúc hệ thống thông tin quang 1 2. Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang 2 II. Truyền dẫn cơ bản 3 III. Đặc điểm của thông tin quang 4 Chương II. Lý thuyết chung về sợi quang 6 I. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 6 1. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 6 2. Khẩu độ số 7 3. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang loại đa mode và đơn mode 8 II. Các đặc tính của sợi quang 10 1. Suy hao của sợi quang 10 2. Tán sắc trong sợi quang 13 III. Cấu trúc cáp sợi quang 18 1. Cấu trúc sợi quang 19 2. Phân loại cáp sợi quang 21 3. Hàn nối cáp sợi quang 22 Chương III. Linh kiện biến đổi điện quang-quang điện 25 I. Nguyên lý biến đổi 25 1. Khái niệm về bán dẫn 25 2. Nguyên lý biến đổi 26 II. Linh kiện phát quang 26 1. Nguyên lý chung 26 2. Các yêu cầu kỹ thuật của nguồn phát quang 27 3. Diode phát quang LED 28 4. Laser diode 31 5. Mạch phát quang dùng laser 33 III. Linh kiện thu quang (tách sóng quang) 34 1. Pin diode 36 2. Diode thác quang APD 37 3. Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD 39 Chương IV. Kỹ thuật khuếch đại quang 44 1. Các loại khuếch đại quang 44 2. Khuếch đại laser bán dẫn 45 3. Khuếch đại quang sợi 51 Chương V. Kỹ thuật ghép kênh quang 61 1. Kỹ thuật ghép bước sóng quang 61 2. Kỹ thuật kênh quang theo tần số OFDM 74 3. Ghép kênh quang theo thời gian OTDM 77