NGHIÊN CỨU DẠNG ĐIỀU CHẾ RZ VÀ NRZ CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 40Gbs TRÊN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OPTIWAVE

Đề tài : NGHIÊN CỨU DẠNG ĐIỀU CHẾ RZ VÀ NRZ CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 40Gbs TRÊN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OPTIWAVE Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu kỹ thuật điều chế tín hiệu quang. Nghiên cứu định dạng điều chế NRZ và RZ và các sơ đồ cấu trúc máy phát, máy thu tương ứng. Nghiên cứu phần mềm mô phỏng Optiwave. Nghiên cứu các dạng điều chế RZ và NRZ cho hệ thống quang 40 Gbs trên phần mền mô phỏng. Thiết kế và xác định các thông số của hệ thống thông tin quang như tốc độ bít, dung lượng kênh và các thông số sợi quang, bộ khuếch đại… Đưa ra các kết quả đánh giá và kết luận.

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Đi cùng với sự phát triểu của nhân loại thông tin liên lạc trở nên hết sức quantrọng nó không thể thiếu được trong đời sống của con người đó là một nhu cầu cấpthiết trong đời sống và phát triển của xã hội Để đáp ứng được nhu cầu của con ngườingày càng cao Thông tin quang ra đời và phát triển với nhịp độ rất nhanh trở thành hệthống có những tính năng ưu việt vượt bặc hơn hẳn những hệ thông tin hữu tuyếntrước nó

Các hệ thống thông tin quang ra đời và dần đáp ứng được nhu cầu của conngười và để tìm ra những giải pháp tối ưu cho mạng lưỡi viễn thông toàn cầu và thiết

kế được một mô hình hệ thống tối ưu nhất, em đã lựa chọn đề tài này để so sánh tìmhiểu xem hai hệ thống sử dụng 2 dạng điều chế NZ và NRZ với hệ thống thông tinquang 40Gb/s và 80 Gb/s dạng nào cho hệ thống tối ưu hơn, vì vậy, em đã chọn đề tàinày và đi vào tìm hiểu

Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu các dạng điều chế NRZ và RZ trong hệ thống quang

- Tìm hiểu hệ thống quang WDM tốc độ cao sử dụng dạng điều chế NRZ và NR

2 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu kỹ thuật điều chế tín hiệu quang

- Nghiên cứu định dạng điều chế NRZ và RZ và các sơ đồ cấu trúc máy phát,máy thu tương ứng

- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng Optiwave

- Nghiên cứu các dạng điều chế RZ và NRZ cho hệ thống quang 40 Gb/s trênphần mền mô phỏng

- Thiết kế và xác định các thông số của hệ thống thông tin quang như tốc độ bít,dung lượng kênh và các thông số sợi quang, bộ khuếch đại…

- Đưa ra các kết quả đánh giá và kết luận

3 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phầm mềm mô phỏng OPTIWAVE với các linh kiện và cái máy đo giátrị công suất và hiệu năng BER được lấy ta từ thư viện, so sánhvà suy luận logic đểxây dựng các mô hình tính toán, trên cơ sở đó hình thành các sơ đồ thiết kế hệ thốngthông tin quang theo yêu cầu của bài toán đặt ra và đưa ra kết quả so sánh giữa hai hệthống sử dụng hai định dạng điều chế NRZ và RZ

4 Kết cấu của đề tài,

Đề tài tốt nghiệp được chia làm 4 chương như sau:

Chương I Tổng quan công nghệ WDM tốc độ cao

Chương II Định dạng điều chế quang RZ và NRZ

Chương III Thiết kế hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM tốc độ40Gb/s

Chương IV Thực hiện mô phỏng và rút ra kết luận

5 Lời cảm ơn

Xin cảm ơn những mãi trường mà em đã đi qua trong suốt thời niên thiếu, emxin ghi nhớ mãi công ơn của các thầy cô đã dìu dắt em từ buổi học vỡ lòng cho đếnnay

Em xin chân thành cảm ơn cô giáo LÊ THANH THỦY - Bộ môn Tín hiệu và

Hệ thống – Khoa viễn thông 1 – Học viện công nghệ bưu chính viễn thông đã tận tâm,nhiệt tình hướng dẫn dạy bảo và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án

Em cũng xin chân thành cảm ơn các ban ngành, các thầy cô giáo bộ môn trongkhoa viễn thông 1, cùng ban lãnh đạo học viện công nghệ bưu chính viễn thông đãgiúp đỡ em trong suốt quá trình học tập ở viện

Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ cùng anh chị em trong gia đình

đã tạo điều kiện cho em được thực hiện ước mơ của mình, chăm lo và dạy bảo emtrong quá trình học tập xa nhà, để em có một bước nhảy lớn trong cuộc đời làm mộtngười công dân có ích cho xã hội

Cuối cùng em xin gửi tới các thầy cô giáo, các anh chị cùng toàn thể các bạnsinh viên trong khoa viễn thông 1 lời chúc tốt đẹp nhất, sức khoẻ, thịnh vượng và pháttriển, chúc các thầy cô đạt được nhiều thành công hơn nữa trong công cuộc trồngngười

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WDM TỐC ĐỘ CAO 1.1 Giới thiệu

Kỹ thuật mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (WavelangthDivision Mutiplexing) được coi là một cách mạng về băng thông trong mạng xươngsống Internet Nhu cầu sử dụng băng thông gia tăng ngày một nhanh chóng với nhiềuứng dụng mới phong phú, ví dụ như thương mạng điện tử, video theo yêu cầu và sự rađời của mạng quang WDM đã đưa ra hứa hẹn hết sức ý nghĩa cho nhu cầu bức thiếttrên.Khi sợi quang được đưa vào sử dụng để truyền thông tin thì thách thức đặt ra chochúng ta là như cầu sử dụng thông tin này càng mạnh mẽ của con người khi ngàycàng có nhiều người sử dụng các mạng dữ liệu và mỗi lần sử dụng đó nó đã chiếm mộtlượng băng thông đáng kể trong các ứng dụng thông tin của họ vi dụ như lướt web, cácứng dụng Java, hội nghị truyền hình,…Từ đó nhận thấy như cầu thông tin băng rộnghết sức bức thiết, và nhu cầu này còn vượt và hơn nữa trong tương lai

Để thích ứng với sự phát triển không ngừng và thoả mãn yêu cầu về tính linhhoạt về thay đổi mạng, các công nghệ truyện dẫn khác nhau đã được nghiên cứu, triểnkhai thử nghiệm và đưa vào ứng dụng như kĩ thuật TDM, WDM Trong đó công nghệghép kênh phân chia theo bước sóng được sử dụng một cách rộng rãi Điều này là docông nghệ TDM có chi phí kĩ thuật và thiết bị lắm đặt hệ thống tương đối cao, đặc biếttrong TDM gây lãng phí một số kênh thông tin khi mỗi khe thơi gian đươc dữ trữ ngay

cả khi không có dữ liệu để gửi và phía thu khó khăn khi phân biệt các khe thời gianthuộc về kênh nào để giải ghép kênh tín hiệu WDM là tiến bộ rất lớn trong công nghệtruyền thông sợi quang, nó cho phép tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độbit đường truyền cũng như không cần dùng thêm sợi dẫn quang

Với WDM, mỗi kênh với một bước song khác nhau và bước sóng ánh sáng nàykhông anh hưởng lẫn nhau bởi vì chu kỳ dao đông của các kênh khác nhau là hoàntoàn đập lập với nhau Khác với hệ thông TDM, mỗi phần tử kênh WDM có thể hoạtđộng ở tốc độ bit bất kì và mỗi kênh cũng có thể mang đầy dung lượng của mỗi bướcsóng, chương trình này sẽ bày rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM và cácthành phần của nó

1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang WDM

1.1.1 Sơ đồ khối tổng quát

a) Định nghĩa

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là côngnghệ“trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ởđầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) đểtruyền đi trên một sợi quang, ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (táchkênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

b) Sơ đồ khối chức năng

Như minh hoạ trên hình 2.1, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trênmột sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:

 Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser.Hiện tại đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng(Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đốivới nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định,mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phảinằm trong giới hạn cho phép

 Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khácnhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang.Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tínhiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộtách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi,cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot Khi xétđến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa cáckênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh,mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy haophản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa

 Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnhhưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn

đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rấtnhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi )

 Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đạiquang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đạiRaman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế, có ba chế độ khuếch đại:khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi dùng bộkhuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênhlệch không quá 1 dB).

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởngđến mức công suất đầu ra của các kênh

- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnhlại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳngđối với tất cả các kênh

 Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ táchsóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

c) Phân loại hệ thống

Với cùng một nguyên lý hoạt động có hai loại truyền dẫn trong WDM, đó là:truyền dẫn đơn hướng và truyền dẫn song hướng

Hệ thống WDM đơn hướng: Có nghĩa là tất cả các kênh cùng trên một sợi

quang truyền dẫn theo cùng một chiều (Hình 2.2(a))

Hệ thống WDM song hướng: Có nghĩa là các kênh cùng trên một sợi quang

truyền theo hai hướng khác nhau, dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều(Hình 2.2(b))

So với hệ thống WDM một chiều thì hệ thông WDM hai chiều giảm được sốlượng bộ khuếch đại và đường dây, tuy nhiên hệ thống WDM hai chiều thường bị cannhiễu nhiều kênh, ánh hưởng phản xạ quang, vẫn để cách ly giữa các kênh hai chiều,trị số và loại hình xuyên âm, đồng thời phải sử dụng bộ khuếch đại quang hai chiều

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng, giả sử rằng công nghệ hiệntại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

 Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng caogấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi

so với hệ thống song hướng

 Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyểnmạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu củaliên kết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời

 Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì cònphải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơntrên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho haichiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng

 Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơntrong hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệthống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộkhuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơnhướng

1.1.2 Ưu điểm của hệ thống WDM

Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu nhược điểmcủa công nghệ WDM như sau:

a) Ưu điểm của công nghệ WDM:

- Tăng băng thông truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóng đượcghép vào để truyền trên một sợi quang

- Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó cóthể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: ATM, Gigabit Ethernet, ESCON,chuyển mạch kênh, IP

- Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băngthông truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng

ở nhiều cấp độ khác nhau

- Hiện tại, chỉ có duy nhất công nghệ WDM là cho phép xây dựng mô hình mạngtruyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốtnhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động

b) Nhược điểm của công nghệ WDM:

- Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang (chỉ mới tậndụng được băng C và băng L)

- Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần

- Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất khótriển khai WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn bốn bước sóng khá gay gắt

1.2 Thành phần trong hệ thống WDM

Các linh kiện được sử dụng trong các mạng quang hiện đại bao gồm các bộghép/tách (couplers), bộ phát tín hiệu quang, bộ thu tín hiệu quang, bù tán sắc, khuếch

đại quang Mục này sẽ tập trung xem xét nguyên lý hoạt động của các linh kiện nằmtrong các thành phần hệ thống như trình bày ở dưới Ðối với mỗi linh kiện trước tiên

sẽ đưa ra mô hình mô tả đơn giản sau đó là các mô hình toán học chi tiết

Coupler có thể là chọn lựa bước sóng (wavelength selective) hay không phụthuộc vào bước sóng, tương ứng với α phụ thuộc hay không phụ thuộc vào bước sóng

Trường hợp α=1/2, coupler được dùng để chia công suất tín hiệu ngõ vào thànhhai phần bằng nhau ở hai ngõ ra, Coupler trong trường hợp này được gọi là coupler 3

dB, Coupler hình sao NxN có thể được tạo bằng cách kết nối các coupler 3dB

b) Nguyên lý hoạt động

Khi hai sợi quang được đặt cạnh nhau, ánh sáng sẽ được ghép từ sợi này sangsợi kia vàngược lại Ðó là do quá trình truyền mốt ánh sáng trên sợi quang qua vùngghép sẽ khác so vớitruyền trên sợi quang đơn Khi đó, toàn bộ ánh sáng thuộc một sợiquang sẽ được ghép hoàn toànsang sợi quang ghép với nó, phần ánh sáng này lại tiếptục được ghép ngược trở lại sang sợi quangban đầu theo một chu kì tuần hoàn khépkín Kết quả ta có cường độ trường điện từ ở đầu ra củabộ ghép Eo1, Eo2 được tínhtheo cường độ trường điện từ đầu vào Ei1, Ei2 theo công thức [1]:

Trong đó:

β là hệ số pha của sự truyền ánh sáng trong sợi quang

κ là Hệ số ghép κ phụ thuộc vào chiều rộng của sợi quang, chiết suất của lõisợi và đến khoảng cách gần nhau của hai sợi quang khi thực hiện nung chảy.Nếu chỉ cho ánh sáng vào ngõ 1 (cho Ei2=0), khi đó công thức (1.1) đượcviết lại là:

Ta nhận xét rằng ở 2 đầu ngõ ra có sự lệch phaπ/2 Cũng trong điều kiện này,

ta tính được hàm truyền đạt công suất:

Ở đây hàm truyền đạt công suất Tij được định nghĩa:

Từ công thức (1.3) để có coupler 3 dB độ dài coupler phải được chọn sau cho κl

= (2k +1)π/ 4 với k là số không âm.

c) Các thông số cơ bản

Bộ coupler WDM được đặc trưng bởi các thông số sau [2]:

 Suy hao vượt mức Pex (Excess Loss): được định nghĩa:

Hình 1.4: Các thông số đặc trưng của Coupler

Ở đây:

Pj: công suất tại ngõ ra j,

Pi: công suất tại ngõ vào

Theo hình 1.5, Pex được tính:

 Suy hao xen IL (Insertion Loss): là tỉ số của công suất tín hiệu ngõ ra so với

ngõ vào tại một bước sóng cụ thể Suy hao xen là suy hao mà coupler thêm vàongõ vào và ngõ ra

 Tỉ số ghép CR (Coupling Ratio): được định nghĩa

CR có thể được biểu diễn theo %:

Dễ thấy

IL = CR + Pex (1.9)

 Tính đồng nhất U (Uniformity): Đặc trưng cho coupler dùng trong trường

hợp chia đôi công suất (50:50) Hệ số này để chỉ độ đồng nhất giữa 2 nhánh củacoupler (bằng 0 trong trường hợp coupler lí tưởng)

U(dB) = ILmax - ILmin = 10log[P3/P2] (1.10)

 Suy hao do phân cực PDL (Polarization-dependent Loss): Là dao động lớn

nhất của suy hao xen do sự thay đổi phân cực ánh sáng đầu vào Thường chỉ sốnày không vượt quá 0.15dB

 Tính định hướng D (Directivity): Là phần công suất tín hiệu ngõ vào xuất

hiện tại ngõ ra không mong muốn

D(dB) = -10log[P4/P1] (1.11)

 Xuyên kênh đầu gần (near-end crosstalk): Dùng để đánh giá tính định hướng

NEC(dB) = -10log[P3(λ1)/P1(λ1)] (1.12)

 Suy hao phản hồi RL (Return Loss): Được định nghĩa

RL(dB) = -10log[P1out/P1in] (1.13)

 Ðộ cách ly (Isolator): Dùng đánh giá phần ánh sáng trên một đường bị ngăn

không đạt đến một đường khác Ví dụ λ1 là bước sóng truyền từ cổng 1 đếncổng 2, truyền đến cổng 4 là không mong muốn Tương tự λ2 truyền từ cổng 1đến cổng 4, truyền đến cổng 2 là không mong muốn Khi đó độ cách ly đượcđịnh nghĩa như sau:

I41(dB) = -10log[P4(λ1)/P1(λ1)] (1.14)

I21(dB) = -10log[P2(λ2)/P1(λ2)] (1.15)

d) Ứng dụng

Coupler là linh kiện quang linh hoạt và có thể cho nhiều ứng dụng khácnhau:Bộ coupler với tỉ số ghép α ≈ 1 được dùng để trích một phần nhỏ tín hiệu quang,phục vụ cho mục đích giám sát.

 Coupler còn là bộ phận cơ bản để tạo nên các thành phần quang khác, chẳnghạn như: các bộ chuyển mạch tĩnh, các bộ điều chế, bộ giao thoa Mach-ZehnderMZI MZI có thể được chế tạo hoạt động như bộ lọc, MUX/DEMUX, chuyểnmạch và bộ chuyển đổi bước sóng

 Thực hiện ghép/tách bước sóng trên sợi quang Nhờ điều chỉnh chiều dài ghépthích hợp khi chế tạo, coupler 2 x 2 ghép 50:50 phân bố công suất ánh sáng từmột đầu vào ra làm 2 phần bằng nhau ở 2 ngõ ra Coupler này còn được gọi làcoupler 3 dB, ứng dụng phổ biến nhất.Từ coupler 3 dB, có thể tạo nên bộcoupler n x n ghép n tín hiệu khác nhau vào một sợi quang

1.2.2 Bộ phát tín hiệu quang

Vai trò và việc thực hiện của các bộ phát quang càng trở nên quan trọng vớiviệc gia tăng tốc độ dữ liệu kênh trong hệ thống Trong khi các bộ phát quang trongcác kênh tốc độ thấp là ít phức tạp và dễ dàng thực hiện bằng phương pháp điều chếlaser trực tiếp, việc thực hiện trở nên phức tạp hơn khi tăng tốc độ dữ liệu, vì vậy yêucầu các thành phần quang và điện của hệ thống phải được nâng lên Các bộ phát quangtruyền thống như hình 1.5, Cần cấp thiết điều chế biên độ/cường độ của ánh sáng lasertốt hơn được biết như OOK, bởi vì các mức tín hiệu khác nhau cho các dấu và khoảngcách là được mô tả bởi sự hiện diện của công xuất quang

Hình 1.5: Thiết lập bộ phát quang điều chế ngoài

Điều chế biên độ có thể thực hiện trực tiếp hoặc điều chế ngoài (giám tiếp) củadiode laser, cho việc thực hiện các hệ thống truyền dẫn với tốc độ dữ liệu kênh lớn hơn10Gb/s, điều chế ngoài thể hiện một giải pháp tốt hơn bởi vì nó làm cho tác động củachirp nội laser lên tín hiệu quang suy giảm rất hiệu quả, nhưng tăng tính phức tạp của

bộ phát quang, nó là được thực hiện bởi sự điều chế ánh sáng laser trong một bộ điềuchế ngoài, điều này có thể là một bộ điều chế Mach-Zehnder (MZM) hoặc bộ điều chếhấp thụ điện (EAM) và được điều khiển bởi tín hiệu điện tương ứng với tốc độ dữ liệukênh

Trong phân này em sử dụng bộ điều chế Mach-Zehnder:

Bộ điều chế Mach-Zehnder:

Nguyên lý hoạt động của MZM là dựa cơ sở trên hiệu ứng điện-quang, chúngđược mô tả bởi sự biến đổi của trường điện được đưa vào (Vm) gây ra sự thay đổi chỉ

số khúc xạ trong các nhánh được điều chế gây ra sự thay đổi hằng số lan truyền vật

liệu β dẫn đến các pha khác nhau trong hai nhánh điều chế Tín hiệu quang đưa vào E 0

là được phân chia bởi một coupler 3dB chia tín hiệu quang E 0 làm hai phần bằng nhau

E 1 = E 2và lan truyền trong nhánh trên và nhánh dưới của MZM (hình 1.6)

Hình 1.6: Nguyên lý điều chế Mach-Zehnder; a) Cấu trúc b) Chức năng truyền dẫn

Nếu Vm = 0(volt) thì không có sự thay đổi pha của hai nhánh tại đầu ra củaMZM và có cấu trúc giao thao Nếu Vm 0 và  0(volt) thì tín hiệu trong hai nhánh là

bị dịch pha đối xứng tới mỗi nhánh khác nhau và tín hiệu ra MZM (Eout) là được chobởi:

Với:

Phụ thuộc vào sự khác biệt pha ∆Φ giữa các nhánh MZM có thể có hoặc không

có cấu trúc giao thao, dẫn đến điều chế biên độ của tín hiệu đầu vào bộ điều chế Pout

tại đầu ra của MZM là:

Mối liên hệ Pout/Pin cho biết chức năng chuyển đổi công suất của MZM (hình

1.6) được mô tả bởi công suất phụ thuộc trên sự khác biệt pha ∆Φ Bởi vậy ∆Φ diễn

giải các đặc tính hoạt động (bias-point) của MZM MZM thông thường là được phâncực (bias) tại điểm cầu phương “quadrature” ∆Φ=π/2, trong khi phân cực tại điểm

“zero” ∆Φ=2π cho phép phát các định dạng điều chế được cải thiện Xem xét một

trường điện được đưa vào tại MZM, ∆Φ có thể được xác định như:

Ở đây: Vmlà điện áp được đưa vào điều chế, Vπ là điện áp yêu cầu để đạt được

sự khác biệt pha nội π Gía trị Vπ điển hình MZM 40Gb/s là nhỏ hơn 3v (volt) Điều

chế biên độ trong MZM xảy ra cùng bởi một sự điều chế pha Chúng đưa đến mộtchirp điều chế nội được cho bởi:

Với α (α-thông số của MZM) xác định số lượng và dấu của chirp tần số Bởi

một sự kết hợp của thông số αvà chức năng chuyển đổi MZM, giá trị khác biệt củachirp nội có thể được thực hiện, nếu thông số α là dương, chirp tần số là dương tạisườn chính của xung, dẫn đến dịch tần số (blue-shift)

Thông số α là được xác định như:

Ở đây: ∆n 1 và ∆n 2thể hiện sự thay đổi chỉ số cho mỗi volt, số hạng đầu tiên củaphương trình (1.22) diễn giải bản chất đối xứng của chức năng điều chế và số hạng thứhai diễn giải α phụ thuộc điểm hoạt động (hình 1.6) Phần thực của phương trình (1.22)

cũng được biết như là tham số chirp δ:

Chirp nội của MZM có thể được sử dụng để giảm tán sắc nguyên nhân gây rapenalty trong tuyến truyền dẫn, bởi vậy chirp nội điều chế phải có dấu đối xứng đểchirp nội làm suy giảm tán sắc Gía trị chirp điển hình α cho MZM là 0.7 hoặc -0.7.Điều chế ngoài MZM 40Gb/s là được mô tả bởi tỷ lệ phân biệt lớn (15-25dB), tổn haoxen thấp (<6dB) và băng tần tương đối lớn (>20GHz), trở ngại của MZM là luôn luônphụ thuộc vào sự phân cực mạnh của thiết bị, với hệ quả là sợi quang duy trì phân cực(PMF) phải được sử dụng để kết nối bộ điều chế tới nguồn laser

1.2.3 Bù tán sắc

Tán sắc trong các sợi quang truyền dẫn đơn mode thể hiện là một trong các giớihạn hoạt động truyền dẫn quan trọng nhất trong các hệ thống truyền dẫn ngày nay, dẫnđến sự suy giảm khoảng cách truyền dẫn cực đại và giảm chất lượng của tín hiệu trênđường truyền Tác động của tán sắc trở nên lớn với một hệ thống nâng cấp lên các tốc

độ bit kênh cao hơn 10Gb/s Một sự giới hạn tán sắc khác là độ dốc tán sắc, chúng thểhiện một vấn đề trong các hệ thống WDM với một số kênh lớn, dẫn đến giá trị tán sắcđược tích luỹ khác nhau trên mỗi kênh

Tuỳ thuộc vào khoảng cách và việc thực hiện, ở đây bù tán sắc là được làmtrong hệ thống, nó có thể được phân biệt ba phương pháp bù khác nhau: a) kỹ thuậtpre-chirp đặt tại máy phát b) bù tán sắc trong tuyến truyền dẫn (bù in-line) và c) bù tánsắc đặt tại phía thu (post-chirp) như hình 1.7 Ở sau ý tưởng pre-chirp đặt tại phía phát

là sự bổ xung chirp với dấu đối xứng với chirp sợi quang để chống lại hiệu ứng tán sắctốc độ nhóm (GVD) trong sợi quang Pre-chirp là được thực hiện bởi một vài phươngpháp, vd: khai thác chirp nội của nguồn laser hoặc một bộ điều chế ngoài và bổ xungcấu trúc phát kết hợp sử dụng đưa thêm các thành phần như là điều chế pha hoặc tạomã-pre điện Thành phần bổ xung chủ yếu của công nghệ này là hiệu quả chi phí, các

hệ thống quang phạm vi truyền dẫn ngắn với các tốc độ bit kênh nhỏ hơn, nhưng trongviệc kết hợp với các kỹ thuật bù tán sắc khác, nó có thể cho phép cải tiến hiệu xuấtngay cả trong hệ thống truyền dẫn tốc độ bit cao đối với khoảng cách dài

Hình 1.7: Một số phương pháp bù tán sắc

Bù tán sắc in-line thể hiện giải pháp cho phép công nghệ cho thực hiện hệ thốngtruyền dẫn rất dài., bù tán sắc là được thực hiện trong miền quang mà không có sựchuyển đổi tín hiệu quang-điện, cho phép bù tốt hơn tín hiệu bởi vì pha quang là đượcduy trì điển hình, bù tán sắc là được sử dụng trong tuyến truyền dẫn trên cơ sở từngspan Việc bù tán sắc in-line có thể thực hiện bởi các thành phần quang khác nhau như:sợi quang bù tán sắc (DCF), cách tử Bragg sợi quang (FBG), các bộ bù mode bậc caohơn (HOM) Nguyên lý hoạt động và đặc tính cơ bản của sợi quang DCF là được trìnhbày vì nó được sử dụng cho nghiên cứu truyền dẫn 40Gb/s

Kỹ thuật post-chirp tại phía thu là được mô tả bởi bù tán sắc trong miền điện,thông qua sử dụng thuật toán xử lý phức tạp như: tách sóng hợp lý tối đa, tán sắc dưtích luỹ trong xung quang được phát hiện có thể bù được hiệu quả, phương pháp bùnày là hiệu quả chi phí và kết hợp với bù in-line cho phép nâng cao hoạt động truyềndẫn

Sợi quang bù tán sắc DCF

Việc bổ xung thiết bị bù in-line trong tuyến truyền dẫn làm ảnh hưởng hoạtđộng truyền dẫn của hệ thống bởi vì sự tương tác của ánh xạ tán sắc với các nhiễu loạn

truyền dẫn (vd: nhiễu ASE, phi tuyến…), thiết bị bù tán sắc DCF là được sử dụng chothực hiện bù tán sắc in-line.

DCF được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật bù tán sắc in-line trong các hệthống truyền dẫn ngày nay, DCF được mô tả bởi bù tán sắc âm lớn và đường kính lõinhỏ, gía trị tán sắc âm lớn có thể đạt được bằng cách biến đổi thuộc tính sợi quangbằng cách tạo chất kích thích lớp phủ sợi quang (bởi fluorine), gia tăng chỉ số khúc xạkhác nhau giữa lớp phủ và lớp lõi Sự gia tăng đáng kể tán sắc âm sợi quang có thể đạtđược, sử dụng các thuộc tính chỉ số khúc xạ như kiểu matched-cladding, một kiểu hìnhdạng W cho phép thực hiện độ dốc tán sắc âm hoặc kiểu lõi phân đoạn cho phép mởrộng vùng lõi hiệu dụng bằng việc bổ xung các vòng tròn bao quanh-kiểu làm giảmlớp phủ

Một ví dụ của thuộc tính chỉ số khúc xạ DCF là được minh họa trong hình 1.8a

(DCF hình dạng W), với a diễn giải đường kính lõi, b đường kính bao quanh lõi- kiểu

bị làm giảm giống lớp phủ, và c và d chỉ số khúc xạ khác nhau của vùng lõi trung tâm

và vùng lõi kiểu làm giảm giống lớp phủ, thông qua sự thay đổi tỷ lệ giữa lõi trung tâm

và vùng lõi kiểu làm giảm giống lớp phủ, tán sắc âm có thể được mở rộng

Hình 1.8: Một số đặc điểm sợi quang DCF a) Thuộc tính sợi quang DCF; b) Phổ tán

sắc của SSMF và DCF

Yêu cầu trên DCF là một tán sắc âm lớn (-70 -300ps/nm), tổn hao xen thấp, tổnhao phụ thuộc phân cực thấp (PDL), tán sắc mode phân cực thấp (< ), diện tíchhiệu dụng và độ dốc tán sắc âm lớn (hình 1.8b), tổn hao DCF là được mô tả bởi giá trị

tượng trưng POM, cho như một mối liên hệ tán sắc DCF-D DCF và suy hao sợi quang α:

POM trong DCFs điển hình lớn hơn 150( ), DCFs với tán sắc âm lớn làđược mô tả bởi vùng diện tích hiệu dụng nhỏ (Aeff<20m2), kết quả của chúng trong

một dung sai phi tuyến được suy giảm của thiết bị DCF, Aeff lớn thì có thể từng phầnđạt bằng cách bổ xung các thuộc tính chỉ số khúc xạ đặc biệt (vd: lớp lõi được phânđoạn) Việc thực hiện bù độ dốc tán sắc là vấn đề tới hạn trong DCF, bởi vì DCFtruyền thống có 3 dương, để đạt được bù độ dốc, độ biến đổi tán sắc hướng dẫn sóng

là cần thiết (vd: cấu trúc lớp phủ kép), các DCF có thể bù đồng thời vài kênh, nhưngbởi sự không hoàn thiện bù độ dốc, một số lượng nhỏ tán sắc dư là còn duy trì

Thiết lập bù tán sắc

Phụ thuộc vào sự thiết lập và kết hợp của các thiết bị bù trong tuyến truyền dẫn,

có một vài cách sắp xếp khác nhau có thể được sử dụng (hình 1.9), sắp xếp bù tán sắccho phép bù tán sắc toàn phần các tán sắc được tích luỹ trong sợi quang truyền dẫn vàphải được thực hiện theo nguyên tắc sau:

DSMF.LSMF + DDCF.LDCF = 0 (1.25)

Ở đây:

D SMF , D DCF là giá trị bù tán sắc của truyền dẫn và sợi quang bù tán sắc, tương ứng

L SMF , L DCF là độ dài sợi quang

Nguyên tắc này có thể được đáp ứng bởi đặt các DCF trong các vị trí khác nhautrong phạm vi tuyến truyền dẫn Điển hình, một tuyến truyền dẫn bao gồm vài spanghép nối, phụ thuộc vào cấu trúc span được thực hiện, có thể phân biệt được ba cơ sởsắp xếp bù tán sắc: bù-pre, bù-hybrid, bù-post (hình 1.9), trong bù-pre và bù-post,DCF là được đặt trước hoặc sau sợi quang SMF, trong bù-hybrid, 50% tán sắc SMF làđược bù trước SMF và 50% tán sắc còn lại là được bù sau SMF Cách xử lý hệ thống

có thể khác nhau khi được sắp xếp khác nhau bởi vì sự ảnh hưởng lẫn nhau của cáchiệu ứng tuyến tính và phi tuyến làm biến đổi cho các tốc độ bit khác nhau, làm choviệc nâng cấp hệ thống là một vấn đề tới hạn

Hình 1.9: Một số nguyên lý bù tán sắc

Hình 1.10 minh hoạ quá trình bù tán sắc trong sắp xếp bù tán sắc kỹ xảo hơnđược thực hiện trong quá trình ghép nối nhiều span đơn Sắp xếp bù-post toàn phần

cung cấp quá trình bù toàn phần và tái tạo lại tín hiệu sau mỗi span, việc sắp xếp này làđược quan tâm cho bổ xung thực tế bởi vì hình dạng tín hiệu quang là được duy trì saumỗi span và tín hiệu thu dễ dàng được phát hiện, đặc tính phi tuyến của phương phápnày là kém hơn, bởi vì walk-off giữa các kênh lân cận trong hệ thống biến mất sau mỗispan dẫn đến gia tăng tác động và sự tích luỹ phi tuyến giữa các kênh, phụ thuộc vàotán sắc nội của sợi quang truyền dẫn, dung sai phi tuyến của việc sắp xếp này là đượccải thiện bởi bổ xung pre-chirp tại phía phát Cùng một hiệu ứng, có thể đạt được bằngcách bù dưới (âm) của tán sắc dọc theo tuyến truyền dẫn, tuỳ thuộc vào số % bù dưới,tán sắc dư tích luỹ biến đổi từ span đến span Trở ngại của sự tương đương này là cầnthiết đưa thêm vào hoặc một quá trình bù tán sắc có thể điều chỉnh tại điểm cuối hoặctrong phạm vi tuyến truyền dẫn Điều này có thể là giới hạn trong hệ thống với tốc độbít kênh > 10Gb/s bởi vì dung sai tán sắc bị suy giảm Gần đây đề xuất bù tán sắc nénchặt, ở đây bù tán sắc được thực hiện trực tiếp sau khi phát và trước khi thu và nénđược tán sắc ở mức đáng kể bởi vì các xung là bị phân tán trong khi truyền lan, sự sắpxếp này ít thích hợp cho thực tế, do các kênh quang không thể tiếp cận trong phạm vituyến truyền dẫn.

Hình 1.10: Sắp xếp bù tán sắc trong hệ thống multi-span

Như đã trình bày ở trên, bù duy nhất 2 (tán sắc) là không đủ cho bù tán sắc tíchluỹ trong hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, bởi vì sự tồn tại độ dốc tán sắc dẫn đến bướcsóng phụ thuộc tán sắc dư, về mặt lý thuyết, bù độ dốc trọn vẹn có thể thực hiện nếu

độ dốc DCF có thể đo đạc chính xác để:

SSMF.LSMF + SDCF.LDCF = 0 (1.26)

Về thực tế, S có tán sắc âm có thể thực hiện được, nhưng nó không lý tưởng với

SSMF.

1.2.4 Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium (EDFA)

Các bộ khuyếch đại quang thể hiện một thành phần cốt yếu trong hệ thốngtruyền dẫn quang, mặc dù độ suy giảm tối thiểu tại 1.55m (0.16dB/km), các tổn haođáng kể giới hạn hoạt động truyền dẫn với khoảng cách truyền dẫn được gia tăng(>20km) Khuyếch đại quang có thể sử dụng các khái niệm và cơ cấu khuyếch đạikhác nhau (vd: khuyếch đại quang bán dẫn (SOA), khuyếch đại quang kích thích đất

hiếm hoặc khuyếch đại Raman) và tất cả các bộ khuyếch đại này dựa trên các cơ cấuvật lý khác nhau dẫn đến các đặc tính và vùng thực hiện khác nhau Các bộ khuyếchđại sợi quang kích thích đất hiếm cung cấp khuyếch đại quang trong vùng bước sóng

từ 0.5-3.5m, hầu hết các mẫu quang trọng của kiểu khuyếch đại quang là bộ khuyếchđại quang kích thích Erbium (EDFA), ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trong các hệthống truyền dẫn quang do bởi thực tế là nó cung cấp khuyếch đại quang hiệu quảtrong vùng 1.55m

a) Khuyếch đại quang kích thích Erbium (EDFA)

Nguyên lý hoạt động của EDFA là được trình bày trong hình 1.11, lõi silica củasợi quang được sử dụng trong EDFA là được kích thích với các ion Er+, cấu trúc vôđịnh hình của silica nới rộng các mức năng lượng Er+ rời rạc vào trong vùng nănglượng Vùng năng lượng tại 980nm đến 1530nm là thuận lợi cho thực hiện khuyếchđại quang do bởi thị trường luôn có sẵn laser bán dẫn tại 980nm và 1480nm

Hình 1.11: Nguyên lý EDFA: a) Sự phát xạ kích thích; b) Thực hiện EDFA; c) Phổ

EDFA

Bằng cách bơm Er+ kích thích sợi quang, electron từ trạng thái nền (ground)được chuyển lên trạng thái kích thích, nhưng sau một khoảng thời gian ngắn (khoảng1s) các electron được kích thích và trở về trạng thái giả bền (metastable) Do bởihằng số thời gian của vùng giả bền lớn hơn (khoảng 10s), các electron tập trung lạidẫn đến sự lưu giữ nghịch đảo so với trạng thái nền, sau đó các eclectron từ trạng tháigiả bền trở về trạng thái nền phát ra ánh sáng trong dải bước sóng 1.55s (hình 1.11a).Bơm quang là được thực hiện với công xuất bơm từ 10mW đến 100mW, hướng bơm

và hướng tín hiệu có thể truyền lan cùng hướng hoặc đối xứng nhau, nếu công suất tínhiệu là nhỏ thì không có sự khác biệt đáng kể nào trong hai cách bơm trên, bởi vì trongtrường hợp này EDFA là không bão hoà EDFA thông thường (hình 1.11b) là đượctạo ra của một laser bơm bán dẫn, một bộ coupler ghép tín hiệu và sóng bơm, một sợi

quang chất kích thích Er+, hai bộ cách ly và một bộ lọc quang tại đầu ra Gần đâyEDFA có cấu tạo khoảng từ 2 đến 3 tầng khuyếch đại để cho phép cấu hình nhiễu thấphơn và độ lợi khuyếch đại lớn hơn và bơm tại 980nm thường được sử dụng bởi vìchúng cung cấp công suất quang lớn hơn 100mW, cho phép sử dụng sợi quang Er+

ngắn hơn trong phạm vi EDFA Chiều dài sợi quang Er+ điển hình khoảng từ 10-25m,

độ lợi quang từ 20-45dB có thể thực hiện với công suất ra từ 20-50mW Khuyếch đạiphát xạ kích thích trong một EDFA là xảy ra cùng nhiễu phát xạ tự phát (ASE), nhiễuASE không có tính phân cực và cũng không có tính kết hợp, nó có thể được xấp xỉ bởi

cấu hình nhiễu FEDFA được xác định cho độ lợi khuyếch đại cao như:

FEDFA [dB]  log (2nsp) (1.27)

Ở đây: nsp là hệ số phát xạ tự phát chúng phụ thuộc vào sự tập hợp electron trong trạngthái nền (N1) và trạng thái kích thích (N2):

Để tối thiểu cấu hình nhiễu FEDFA tới 3dB, bơm EDFA 980nm có thể đạt

FEDFA=3,2dB, trong khi FEDFA của EDFA 1480nm là lớn hơn 4dB, do bởi khó thực hiện

sự nghịch đảo tập hợp trọn vẹn Để giảm tác động của nhiễu ASE, sự truyền lan củachúng theo hướng ngược lại và xả hết công suất bơm, bộ cách ly là được sử dụng tạiđầu vào và đầu ra của sợi quang Er+ (hình 1.11b)

Một trong những đặc tính quan trọng nhất đó là phổ độ lợi, EDFA điển hìnhcung cấp khuyếch đại quang trong vùng bước sóng rộng (cửa sổ bước sóng) 35-40nm,hình dạng của phổ độ lợi phụ thuộc vào vài thông số như là cấu trúc và sự tinh khiếtcủa sợi quang silica, sự tập trung ion Er+, chiều dài khuyếch đại cũng như công suấtbơm, sự khác biệt trong phổ độ lợi có thể thấy là phụ thuộc công suất tín hiệu đượcđưa vào tại đầu vào EDFA (hình 1.11c)

b) Qúa trình tích luỹ nhiễu ASE trong hệ thống nhiều span

Cho việc mô tả tác động nhiễu ASE trên hiệu suất truyền dẫn, nghiên cứu triểnkhai phải được bắt đầu với việc xác định cấu hình nhiễu của tuyến truyền dẫn, chúng

có thể được tính như sự ghép nối cấu hình nhiễu của các thành phần truyền dẫn đơn(vd: EDFA, Bộ lọc, coupler, chuyển mạch) Bắt đầu với một EDFA, cấu hình nhiễuđược xác định như một mối liên hệ giữa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu quang (OSNR) tại đầuvào và đầu ra của bộ khuyếch đại:

OSNR là được xác định bởi công suất tín hiệu và nhiễu tại đầu vào và đầu ratương ứng:

Hình 1.12: Một số cấu trúc cơ sở span trong hệ thống nhiều span

Với: Sout = GEDFA.Sin (1.32)Và: Nout = Nin + (GEDFA - 1).nsp.hv (1.33)

Ở đây:nsp biểu thị hệ số nghịch đảo của EDFA, Nin tương ứng với năng lượng điểm

zero W 0 của bộ dao động cơ học lượng tử hoặc sự thăng giám chân không được xácđịnh như:

W0 = hv/2 = Nin (1.34)

Theo phương trình trên FEDFA là được cho như:

Cho giá trị vô cùng lớn của độ lợi quang (GEDFA>>1), cấu hình nhiễu có thểđược suy giảm tới FEDFA, G>>1=2.nsp, vì vậy đạt được đó là giá trị tối thiểu

Tác động ASE là phụ thuộc trên cấu trúc cơ sở của span đơn Cấu hình nhiễu

span FSPAN tiêu biểu cho sự kết hợp cấu hình nhiễu của EDFA và sợi quang sử dụngtrong span, cấu hình nhiễu của sợi quang là được cho bởi:

Phụ thuộc vào sắp xếp bù tán sắc, một span đơn có thể một vài sợi quang với

các đặc tính nhiễu khác nhau Ffib là được cho bởi:

Ở đây: GEDFA, 1 thể hiện cho độ lợi khuyếch đại sau SMF và GEDFA,2 sau sợi quangDCF Thế phương trình 1.35 và 1.36 vào phương trình 1.37 ta có:

FSPAN = 1 + 2.nsp[Gfib,2.GEDFA,2.(GEDFA,1 - 1) + (GEDFA,2 -1)] (1.38)

Vì vậy, FSPAN phụ thuộc vào độ dài và sự suy giảm của sợi quang, cũng như độlợi và hệ số nghịch đảo của EDFA, tổng độ lợi trên mỗi span GSPAN là được xác địnhnhư là kết quả tất cả độ lợi các thành phần và nó là thiết lập 1 để bù tất cả các tổn haospan:

GSPAN = Gfib,1.GEDFA,2.Gfib,2.GEDFA,2 = 1 (1.39)

Hình 1.13: Tổng cấu hình nhiễu F tot sau 10 Hình 14: Tổng cấu hình nhiễu F tot Spans đối với công suất vào (P DCF =0 dB) đối với số span (P SMF =0 dB, P DCF =0dB) Trong một hệ thống truyền dẫn với N span, Ftot của hệ thống là được tính như:

Bởi vậy, nsp của EDFA ảnh hưởng đến Ftot (hình 1.14), độ lợi và cấu hình nhiễucủa EDFA sử dụng trong mỗi span phụ thuộc vào sự liên hệ giữa công suất mongmuốn PSMF và PDCF PDCF phải nhỏ do bởi gia tăng hiệu ứng phi tuyến, theo đó vùng lõinhỏ hơn trong DCF, nếu khác biệt giữa PSMF và PDCF là lớn, EDFA sau DCF hoạt độngtrong vùng độ lợi cao và tác động của nhiễu ASE gia tăng (hình 1.13)

Hình 1.15: Nguyên lý bộ thu quang: a) Bộ thu tách sóng trực tiếp với một bộ tiền

khuyếch đại EDFA; b) Phân bố nhiễu bắn

Bộ lọc quang với băng tần Bopt làm giảm tác động của nhiễu ASE trên tín hiệuquang Trong các hệ thống WDM, đưa thêm vai trò của bộ lọc quang là cách ly kênh(trong tách kênh), vai trò của bộ lọc điện là cân bằng các tín hiệu đã được tách sóng,một bộ lọc Bessel-Thomson bậc 3-5 với băng tần 3dB của 0.7x tốc độ bit (vd: 28GHzcho tốc độ dữ liệu 40GHz) là được sử dụng điển hình Công suất của ánh sáng đến Pin

tại photo-diode tạo ra một dòng photo Iph:

Iph = R.Pin (1.41)

R là đáp ứng của photo-diode được cho bởi:

Ở đây e là điện tích, η là hiệu xuất lượng tử thể hiện mối liên hệ giữa tỷ lệ electron được tạo ra và tỷ lệ photon tách động vào, hv là năng lượng photon

(h=2.34.10-34) Gía trị R điển hình trong photo-diode 40GHz lên tới 0.6-1 A/W Gầnđây đưa ra các module photo-diode cho phép thực hiện tác sóng tốc độ cao cho hệthống truyền dẫn 40GHz Photo-diode được mô tả bởi băng tần lớn (>50GHz) và điệnthế hoạt động thấp (-1.5v) Các tín hiệu được tách sóng là được lọc bởi bộ lọc điện vớibăng tần Bel Qua tách sóng trực tiếp đưa thêm các thành phần nhiễu vào tín hiệu điệngây ra biến đổi (phách) của mức tín hiệu, gây ra thành phần nhiễu và được gọi là nhiễubắn, nó có thể khác biệt giữa phân bố nhiễu bắn khác nhau:

Nhiễu bắn tín hiệu ASE, i 2

1.3 Vấn đề tồn tại của hệ thống WDM và hướng giải quyết trong tương lai

Với hệ thống WDM, sợi quang cung cấp cho chúng ta tốc độ truyền mongmuốn nhưng băng thông lại bị giới hạn bởi tốc độ xử lý ở các nút, do tốc độ xử lí ở cácnút được thực hiện bằng điện tử, mà tốc độ điện tử lại thấp hơn rất nhiều so với tốc độthông tin truyền trong sợi quang (khoảng vài Gbps) Như vậy, tín hiệu quang trên sợikhi đến nút sẽ được chuyển thành tín hiệu điều chế để thực hiện xử lí điện tử (sựchuyển đổi quang-điện O/E), sau đó được chuyển đổi lại thành tín hiệu quang đểtruyền đi, điều này đã làm giảm tốc độ mạng, giải pháp đặt ra là xây dựng mạng màtrong đó tín hiệu được xử lý hoàn toàn trong miền quang, gọi là mạng toàn quang.Trong mạng toàn quang, dữ liệu đi từ nguồn đến đích hoàn toàn dưới dạng quang màkhông cần bất cứ sự chuyển đổi quang - điện nào trên đường đi, việc điều khiển xử líchuyển mạch được thực hiện dưới dạng quang, tuy nhiên mạng toàn quang hiện vẫnchưa được tiến hành thành công bởi những tồn tại của nó, các thiết bị logic hoàn toàntrong miền quang khó thức hiện hơn nhiều so với các thiết bị logic điện tử, bởi vì, khácvới electron thì các photon không tương tác ảnh hưởng lẫn nhau, thường thì các thiết

bị logic phức tạp đều được tạo ra bằng cách sử dụng công nghệ điện tử, bên cạch đó

các trạm lặp bằng quang rất khó thực hiện hơn nhiều so với các trạm lặp bằng điện tửmặc dù các trạm lặp trong mạng toàn quang được đặt ở những khoảng cách định kì rất

xa nhau

1.4 Kết luận chương

Chương I đã giúp chúng ta hiểu được cơ bản về mạng quang ghép kênh theobước sóng WDM Quá đó chúng ta cũng đã đi vào tìm hiểu các thành phần cơ bảntrong một hệ thống thông tin quang WDM tốc độ cao, trong chương trên em chỉ chútrọng đi vào tìm hiểu những thành phần mà em áp dụng vào thiết kết cho chương sau,

từ đó rút ra được sơ đồ thiết kế tổng quát và cách tính toán các thông số của các linhkiện trong hệ thống quang

CHƯƠNG II ĐỊNH DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG RZ VÀ NRZ 2.1 Kỹ thuật điều chế tín hiệu quang

Ta biết trong hệ thông thông tin quang tín hiệu quang trước khi truyền đi đượcđiều chế biên độ, tần số hoặc pha của sóng mang quang Điều chế là một quá trình màsóng mang bị biến đổi về một vài tham số dưới tác động của tín hiệu mang thôngtin.Về nguyên lý có thể thực hiện được cả điều chế số (digital) và điều chế tương tự(analog); nhưng trong thực tế việc điều chế số cho hệ thống là rất phổ biến, còn điềuchế tương tự rất ít được áp dụng

Có thể phân chia điều chế ra làm ba loại sau:

Điều biên-AM: Dạng điều chế này tạo ra bằng cách cho tín hiệu thông tin tác

động vào biên độ với sóng mang quang có tần số cao hơn và lọc sang băng muốn đểtruyền đi

Điều tần-FM: Tín hiệu thông tin tác động vào tần số sóng mang quang làm cho

tần số đầu ra của nó biến đổi phù hợp với quy luật của tín hiệu

Điều pha-PM: Tín hiệu thông tin tác động vào pha của sóng mang quang toạ

nên độ lệch pha theo quy luật của tín hiệu cần điều chế

Hình 2.1: Một số nguyên lý điều chế tín hiệu quang

Phát tín hiệu trong hệ thống truyền dẫn quang được hiểu như là điều chế nguồnlaser với một tín hiệu nhị phân điện, theo đó trường điện phức được điều chế là đượccho bởi:

Ở đây:

A0,L(t) là biên độ của trường quang

ωL là tần số góc quang của nguồn laser

L là pha quang

thể hiện vec-tơ phân cực của tín hiệu

Bốn thông số này sử dụng cho phát tín hiệu quang, với mỗi thông số có thểđược điều chế bởi một tín hiệu băng gốc nhị phân điện q(t):

Với qi[0,1] là hệ số thông tin và g(t) là hình dạng xung băng gốc bị trễ bởi bội

số của chu kỳ bit Tb Về cơ bản, phụ thuộc vào thông số tín hiệu đã được điều chế, nó

có khác biệt giữa các dạng điều chế ASK, FSK, PSK, PolSK

2.1.1 Khóa dịch biên độ (ASK)

ASK được biết như là khóa dịch “on-off” (OOK), là kỹ thuật điều chế cường độtín hiệu sóng mang Trong dạng đơn giản nhất, một nguồn được chuyển mạch giữa haitrạng thái “on” và “off” (hình 2.1) Sự thể hiện tín hiệu là như sau:

Điều chế ASK là được mô tả bởi mối liên hệ mức năng lượng trong các trạngthái on (dấu) và off (khoảng cách) được gọi là tỷ lệ phân biệt (ER):

Giá trị ER phụ thuộc vào phép xấp xỉ sử dụng cho phát tín hiệu: điều chế ngoàihoặc điều chế trực tiếp của nguồn quang, trong trường hợp điều chế ngoài, ER là đượcgiới hạn bởi tỷ lệ phân biệt của điều chế ngoài Gía trị ER điển hình biến đổi từ 8-12dB phụ thuộc vào tỷ lệ bit tín hiệu Các định dạng điều chế cơ sở ASK là được mô

tả bởi phát và tách sóng tín hiệu đơn giản với kết quả là tất cả các hệ thống truyền dẫnquang được sử dụng ngày nay dùng định dạng điều chế cơ sở ASK và có một số địnhdạng này sẽ được trình bày chi tiết hơn ở phần sau Do bởi sử dụng các phương phápđiều chế khác nhau cho việc phát các các định dạng đó, chúng có hình dạng tín hiệukhác nhau (vd: return-to-zero hoặc non return-to-zero) và các đặc tính phổ dẫn đến sựkhác biệt cách xử lý truyền dẫn

2.1.2 Khóa dịch tần số (FSK)

FSK là được thực hiện bởi quá trình chuyển mạch tần số ánh sáng laser giữa haigiá trị tần số cho dấu và khoảng cách, vì vậy đường bao của tín hiệu quang là đượcduy trì không thay đổi, nó phức tạp hơn trong việc thu-phát so với ASK Biên độ phứccủa tín hiệu FSK là được cho bởi phương trình (1.43) với:

Ở đây: 2ΔfFSK là độ dịch tần số giữa các dấu và khoảng cách Điều chế FSKđược mô tả bởi chỉ số điều chế mFSK, nó mô tả mối liên hệ giữa tốc độ bit tín hiệu B và

ΔfFSK

Bằng sự biến đổi của mFSK, định dạng điều chế FSK khác nhau có thể được thựchiện (vd: mFSK=0.5 - khoá dịch pha tối thiểu (MSK)) Sự khác biệt giữa các định dạngFSK là được phản ánh trong phổ tín hiệu quang, ở đó mFSK là nhỏ hơn cho phép phổquang được co lại gọn hơn, các định dạng FSK là không được sử dụng rộng rãi trong

hệ thống truyền dẫn bởi vì sự tách sóng tín hiệu phức tạp Gần đây, điều chế FSK đượcbiết như là Định dạng truyền dẫn hỗ trợ tán sắc (DST) và tập trung vào nghiên cứu chothực hiện trong các mạng MAN Bên cạch ý tưởng DST là tín hiệu điều chế FSK (vd:MSK) tương tác với tán sắc trong tuyến truyền dẫn, gây ra sự chuyển đổi FM-IM (điềuchế tần số- cường độ) của tín hiệu quang dẫn đến tín hiệu bị điều biến sang dạng ASKtại phía thu, do đó bộ thu tách sóng trực tiếp thông thường có thể được sử dụng Trởngại chính của công nghệ mới này là các thông số phát và thu (vd: mFSK và thiết lập bộlọc thu) phải được ghép chính xác các đặc tính, đòi hỏi một đặc tính phải chi tiết về tánsắc trong tuyến truyền dẫn

2.1.3 Khoá dịch pha (PSK)

PSK sử dụng pha của tín hiệu để mã hoá thông tin Tín hiệu quang có phổ hẹp

và đường bao tín hiệu không đổi (hình 2.1), chúng cho phép cải thiện dung sai phituyến, nhưng lại nhạy cảm với điều chế pha gây ra hiệu ứng đa kênh và có thể gây lỗigiải mã tại phía thu Tại thời điểm này, điều chế PSK cho phép cải thiện độ nhạy thu(lên đến 6dB) so với điều chế ASK Phương pháp khoá dịch pha vi sai (DPSK) đượcđặc biệt quan tâm Trong tín hiệu DPSK, thông tin là được mã hoá trong sự thay đổipha giữa hai bit kế tiếp

Tín hiệu DPSK là được trình bày bởi:

Về cơ bản, tín hiệu PSK chỉ cho phép tách sóng kết hợp (coherent), nó đòi hỏimột bộ dao động nội ở phía thu để so sánh pha tín hiệu đã phát xuất hiện tại phía thuvới pha của tín hiệu dao động nội, tạo ra khả năng thực hiện điều chế khá khó này.Cũng vậy, một vòng khoá pha (PLL) được yêu cầu để đồng bộ tín hiệu dao động nộivới tín hiệu thu Điều chế pha PSK hoàn toàn là khó thực hiện, nhưng một vàì mã nhịphân đặc biệt và đa mức khác nhau của PSK như DPSK hoặc DQPSK (PSK nhómkhác nhau) cho phép sử dụng phương pháp tách sóng trực tiếp DQPSK cho phép cảithiện nhiều hơn hiệu quả mã sử dụng 4 pha khác biệt, ở đây tỷ lệ dấu tín hiệu là 2trong trường hợp DPSK Dòng bit DQPSK phải được mã hoá vi sai sử dụng bộ mã số

trước (pre-coder), tách sóng tín hiệu trong định dạng DPSK có thể chế tạo sử dụng cấuhình cơ sở giao thao kế MZI, chúng cho phép việc tách sóng giảm bớt độ phức tạp sovới coherent Mặc dù thực hiện điều chế PSK gặp nhiều phức tạp, nhưng gần đây đềxuất nghiên cứu triển khai DPSK và DQPSK trong các hệ thống WDM 40GHz, xácnhận các định dạng điều chế đó khá tốt thay thế các định dạng điều chế ASK trong các

hệ thống WDM tốc độ cao trong tương lai

2.1.4 Khoá dịch phân cực (PolSK)

PolSK là định dạng điều chế rất khác biệt so với các định dạng điều chế đã đềxuất, tín hiệu PolSK là được phát ra bởi chuyển mạch phân cực tín hiệu giữa hai trạngthái phân cực trực giao, PolSK được mô tả bởi đường bao tín hiệu không đổi cho phépcải thiện dung sai phi tuyến, cải thiện độ nhạy (3dB) so với điều chế ASK và cho phéptận dụng băng tần hệ thống tốt hơn do bởi sử dụng phân cực trực giao, PolSK thay thếtốt cho thực hiện các định dạng điều chế đa mức Trở ngại của PolSK là gia tăng tínhphức tạp khi phát và tách sóng tín hiệu, cũng như sự nhạy cảm các nhiễu loạn phâncực (vd: PMD, PDL) trong tuyến truyền dẫn, tác động của chúng gia tăng tỷ lệ thuậnvới tốc độ dữ liệu kênh Mặc dù thực tế là, PolSK không được quan tâm thực hiện chocác hệ thống truyền dẫn, bởi vì tính phức tạp và độ nhạy, nhưng nó có thể được sửdụng khi đưa thêm các tầng điều chế cho việc cải thiện dung sai phi tuyến của các địnhdạng điều chế ASK

2.2 Định dạng điều chế quang - NRZ

Một sự phân loại cơ bản của các định dạng điều chế ASK khác nhau cóthể thực hiện theo hình dạng của các xung quang Tất cả các định dạng điều chế có thểđược phân chia thành ba nhóm: NRZ, RZ và các định dạng điều chế Novel Trongphần này, các định dạng điều chế NRZ (non-return-to-zero) được giới thiệu, NRZ vàđiều chế Duobinary thuộc về nhóm này

2.2.1 Điều chế NRZ

NRZ là định dạng điều chế được ứng dụng chủ yếu trong các hệ thống truyềndẫn quang ngày nay, kỹ thuật cho phát xung NRZ là khá nổi tiếng từ lý thuyết thôngtin cổ điển, nguồn thông tin phát ra một dãy bit ký hiệu nhị phân tại một tốc độ bitR=1/TB, ở đây TB là khoảng thời gian của mỗi bit (chu kỳ bit) được biết như là khebit

Dãy tín hiệu của các bit có thể được diễn giải như sau:

Ở đây: bn (qi) là ký hiệu thông tin được trình bày bởi một chuỗi nhị phân của

các giá trị 0 và 1 Hàm chức năng f(t)diễn giải hình dạng xung, một khoảng thời gian

T0 (gần như xung vuông), nó tỷ lệ với tốc độ bit được sử dụng, trong khoảng thời gianxung của của dãy xung NRZ là bằng chiều dài của khe thời gian (T0=Tb) Trong khimột khe thời gian xung NRZ duy trì cùng biên độ và giữa các bit 1 kế tiếp không có

xảy ra sự thay đổi biên độ tín hiệu Một dãy tín hiệu điện điều khiển bộ điều chế ngoài

là được tạo ra trong bộ mã NRZ, thời gian lên của tín hiệu điện là được sửa lại chothích hợp bằng cách sử dụng một bộ lọc điện và tổng số thời gian lên bằng 25% độrộng xung, thời gian lên diễn giải độ dốc biên của xung NRZ và phụ thuộc vào kiểu bộlọc sử dụng cho tạo dạng xung điện

Đường bao phức của tín hiệu NRZ quang có thể được diễn giải như sau:

Ở đây: Tb là chiều dài bit và h(t) là hình dạng xung ban đầu được tạo ra trong

MZM bởi sự tích chập hình dạng xung và hàm chức năng chuyển đổi bộ lọc an thểhiện hệ số của dãy mã hoá với các giá trị 0 cho khoảng cách (space) và 1 cho dấu(mark) tín hiệu, tương ứng phát tín hiệu quang của các xung NRZ là được minh hoạtrong hình 2.2

Hình 2.2: Phát tín hiệu NRZ 40Gb/s

Ánh sáng của sóng bơm liên tục (CW) là được điều chế ngoài trong một MZMLiNbo3, bộ MZM là được điều khiển bằng điểm cầu phương (quadrature-point) củahàm chức năng chuyển đổi công suất bộ điều chế với một tín hiệu NRZ điện để tạo raxung NRZ cũng có thể được thực hiện với một bộ điều chế hấp thụ điện (EAM)

Điều bất tiện lợi của EAM là liên hệ với tỷ lệ phân biệt-ER nhỏ (10dB) và chirpđiều chế nội Trong một cách khác là điện áp phân cực cho EAM nhỏ và nó có thểđược tích hợp trên cùng một chip với một laser, dẫn đến giảm chi phí sản xuất Dạngsóng tín hiệu và phổ của tín hiệu NRZ quang 40Gb/s được trình bày trong hình 2.3.Một tiêu chuẩn cho độ rộng xung của một tín hiệu quang là chu kỳ làm việc (tỷ lệ làmviệc), chu kỳ làm việc được xác định như là mối liên hệ của độ rộng xung toàn phầntại tối đa 1/2 (FHWM) so với khe bit Trong trường hợp NRZ, chu kỳ làm việc bằng 1,hình 2.3b cho biết các xung NRZ có các biên tín hiệu độ dốc rất lớn Chirp trong hình2.3b là nguyên nhân thực tế bởi chirp bơm CW, chúng tỷ lệ với độ rộng đường sánglaser (line-width) Độ dốc của biên ảnh hưởng đến các đặc tính phi tuyến của truyềndẫn quang trên cơ sở NRZ, làm gia tăng tác động của hiệu ứng SPM và SPM tỷ lệ trựctiếp với độ dốc của các biên tín hiệu, độ dốc của biên mạnh hơn tạo ra các thành phầnphổ mới do bởi hiệu ứng SPM, dẫn đến phổ của tín hiệu bị dãn rộng Làm tăng thêmtác động lẫn nhau giữa SPM và tán sắc tốc độ nhóm (GVD), làm biến đổi SPM gây ra

biến đổi pha thành biến đổi cường độ (PM-IM) và làm ảnh hưởng đáng kể các giới hạn

hệ thống truyền dẫn quang

Các xung NRZ có thành phần phổ quang hẹp do bởi sự chuyển biến giữa haitrạng thái on-off thấp hơn trong các dòng bit NRZ Độ rộng phổ tại mức công suất -30dB của thành phần phổ quang NRZ 40Gb/s lên tới 60GHz (hình 2.3a) Phổ NRZ làđược tập trung và nén chặt xung quanh tần số sóng mang thể hiện một đặc điểm điềuchế quan trọng, chúng nén các tác động hiệu ứng truyền lan khác nhau (vd: GVD vàISI)

Hình 2.3: Tín hiệu NRZ 40Gb/s: a) Phổ quang; b) Hình dạng tín hiệu và chirp

Khi độ rộng phổ được giảm, nó cải thiện dung sai, tán sắc của định dạng điềuchế nhưng làm tăng hiệu ứng ISI giữa các xung, vấn đề này trở nên rõ ràng hơn chokhoảng cách ly giữa các dãy của các dấu, ở đó năng lượng của các dấu lân cận bị biếnđổi trong khe thời gian của khoảng cách ly dẫn đến hiệu ứng ISI và chất lượng hệthống bị suy giảm Phổ hẹp của các xung NRZ mang lại sự thực hiện tốt hơn trong hệthống WDM, cho phép tận dụng tốt hơn băng tần hệ thống và các dấu xung NRZ cótính chất mạnh hơn đối với các tác động tán sắc và dẫn dến dung sai tán sắc cao hơn.Dung sai tán sắc lớn có thể quan trọng trong hệ thống WDM 40Gb/s với số kênh lớnbởi vì sự xuất hiện lâu dài của tán sắc dư, tán sắc dư phụ thuộc vào tổng băng tần hệthống và các kiểu sợi quang truyền dẫn được sử dụng

2.2.2 Điều chế Duobinary

Điều chế Duobinary có thể được diễn giải như là một sự kết hợp của điều chếASK thông thường và khóa dịch pha PSK Tùy thuộc vào việc thực hiện, truyền dẫnDuobinary quang có thể được hiểu như là truyền dẫn đa mức với các bit mã pha và độrộng phổ được suy giảm Công nghệ truyền dẫn duobinary được đưa vào các hệ thốngtruyền dẫn quang tốc độ cao (10Gb/s) để cải thiện dung sai tán sắc Hình 2.4 minh họaquá trình mã hóa của việc phát ra tín hiệu duobinary, tín hiệu này được phát bằng cáchđưa thêm vào các bit đã được làm trễ bằng một chu kỳ bit đối với dòng bit hiện tại.Đường bao phức của tín hiệu duobinary quang là được xác định sử dụng phương trình

1.52, xem xét một hệ số an của 1, 0 và -1 Trong tín hiệu duobinary quang, ba mức nàyđược sắp đặt vào ba trạng thái quang “1”, “0” và “-1” bằng điều chế cả biên độ và phacủa tín hiệu Hai mức “1” và “-1” có cùng cường độ quang nhưng có pha đối nhau

Khoảng cách giữa các mức gần như bằng nhau, tín hiệu duobinary quang có thể đượcđiều chế vào trong một tín hiệu nhị phân với một bộ thu quang tách sóng trực tiếpthông thường Điều này là một thuận lợi quan trọng để giảm tính phức tạp trong các hệthống tương lại.

Hình 2.4: Phát tín hiệu Duobinary 40Gb/s

Cho việc phát duobinary, tín hiệu NRZ điện là được mã trước (pre-coded) trongmột bộ mã (mạch EX-OR) Tín hiệu nhị phân pre-coded là được chuyển đổi thành tínhiệu duobinary 3 mức bởi các bộ lọc điện giới hạn băng (band-limiting) Điều nàyđược giải thích thực tế là quá trình lọc băng hẹp của một tín hiệu điện 2 mức tạo ramột mức tín hiệu được đưa thêm vào, tại đây giới hạn băng của các xung điện tạo raphổ duobinary được giảm đi so với phổ của NRZ thông thường Thực hiện suy giảmphổ phụ thuộc vào kiểu bộ lọc được sử dụng, một bộ lọc cắt gọn (sắc nét) là được ưudùng cho phát tín hiệu duobinary, bộ lọc hình chữ nhật được cho là lý tưởng, nhưngthực hiện thực tế cho kiểu bộ lọc này là khá phức tạp, một bộ lọc duobinary (bộ lọccosin) Bassel bậc 5 hoặc bộ lọc thông thấp (LPF) Bassel-Thomson có thể được sửdụng khá tốt Tần số cắt của bộ lọc LPF =1/4 tốc độ bit, bộ lọc LPF tác động như một

bộ chuyển đổi analog, chúng đồng thời chuyển đổi tín hiệu từ nhị phân tới duobinary

và cắt bỏ các thành phần tần số cao trong phổ tín hiệu duobinary Ba mức tín hiệu “1”,

“0” và “-1” là được đặt vào trong tín hiệu quang bằng một đẩy-kéo (push-pull) MZMLiNbO3, MZM LiNbO3 là được điều khiển bởi tín hiệu duobinary và đó là phiên bản

đã được đảo ngược (hình 2.4) Tại phía thu, tín hiệu đã được điều chế là được pháthiện với một thiết bị thu tách sóng trực tiếp nhị phân thông thường Photo-diode tạiphía thu chuyển đổi tín hiệu duobinary quang thành một tín hiệu duobinary điện Tínhiệu được phát hiện là bị đảo cho tách sóng của tín hiệu nhị phân ban đầu tạo nên một

sự chuyển đổi logic cần thiết cho khôi phục dữ liệu

Hình 2.5, minh họa một phổ quang và hình dạng sóng tín hiệu của một tín hiệuduobinary Do bởi quá trình lọc băng hẹp trong miền điện, độ rộng phổ của tín hiệu làđược giảm đi 2 lần so với tín hiệu NRZ thông thường Dạng sóng tín hiệu cho biết mộthình dạng NRZ điển hình và các xung phát là được mã hóa trong pha (hình 2.5b)

Làm giảm độ rộng phổ của tín hiệu duobinary quang là lý do cho dung sai tánsắc tốt hơn so với tín hiệu NRZ và cho phép cải thiệt hiệu quả phổ trong hệ thốngWDM, hơn nữa là làm nén chặt hiệu ứng SBS trong phổ duobinary quang và sóngmang quang là được nén hiệu quả Trong điều chế duobinary, chế độ hoạt động gần

như tuyến tính (PIN < 2dB/1ch) so với điều chế NRZ, cho biết dung sai tán sắc đượcnâng cao (2 lần) Trong chế độ phi tuyến (PIN > 8dB/1 kênh), cả hai định dạng có đặctính truyền dẫn giống nhau do bởi tác động mạnh của SPM gây ra dãn rộng phổ Gầnđây hiệu quả phổ của điều chế duobinary > 0.4bit/s/Hz được đề xuất cho hệ thốngWDM với các kênh lân cận đồng cực, tại đó một quá trình lọc quang thích hợp là cầnthiết cho thực hiện nâng cao hiệu quả phổ, hiệu quả phổ có thể thực hiện hiệu quả hơntới 1bit/s/Hz bằng cách sử dụng kỹ thuật ghép kênh xen kẽ phân cực giữa các biết lâncận.

Điều không tiện lợi của tín hiệu duobinary giống như tín hiệu NRZ, là một sựliên hệ tác động mạnh của các đặc tính phi tuyến sợi quang, chúng thể hiện các hệ sốgiới hạn chủ yếu cho độ dài truyền dẫn cực đại và chất lượng truyền dẫn có thể đạtđược Có một vài phương pháp đã được đề xuất gần đây để nâng cao dung sai phituyến duobinary Việc bổ xung pre-chirp tại phía phát và có thể thực hiện bởi chirp nội

bộ điều chế, bởi một phần sợi quang hoặc làm giảm băng tần bộ lọc điện cho việc nângcao khả năng truyền dẫn của hệ thống WDM cở sở duobinary, một khả năng khác sẽ là

sự kết hợp của điều chế duobinary với các định dạng điều chế có tính chất mạnh đốivới phi tuyến (RZ, CSRZ) Chúng cho phép một đặc tính phi tuyến tốt hơn (vd:Duobinary Carrier Suppressed RZ_ DCS-RZ, Duobinary RZ_DRZ), ở đây phát xung

có đặc tính phổ duobinary và hình dạng xung RZ Phương pháp điều chế trên cơ sởduobinary mới này cho phép thực hiện hệ thống WDM với một khoảng cách kênh dầyđặc và theo đó phổ quang hẹp hơn và nâng cao hiệu suất truyền dẫn do bởi sử dụnghình dạng tín hiệu RZ Qua thực nghiệm kỹ thuật duobinary trong hệ thống WDM40Gb/s, do bởi dung sai tán sắc lớn, điều chế duobinary là có thể phù hợp cho cácmạng quang vùng đô thị (MANs)

Hình 2.5: Tín hiệu duobinary: a) Phổ quang; b) Hình dạng tín hiệu và chirp

2.3 Định dạng điều chế quang - RZ

Tạo ra tín hiệu của các định dạng điều chế trên cơ sở RZ là được trình bày trongchương này, các định dạng điều chế cơ sở RZ ở đây là các điều chế Return-to-Zero

(RZ), Carrier-Suppressed RZ (CSRZ), Single Side-Band RZ (SSB-RZ) và Chirp RZ(CRZ) Các đặc tính chung của các định dạng này là phổ tín hiệu rộng và tỷ lệ chu kỳlàm việc < 1.

2.3.1 Điều chế RZ

Các xung RZ chỉ chiếm một phần của khe bit, dẫn đến giá trị chu kỳ làm việcnhỏ hơn 1 Các phương pháp khác nhau có thể được sử dụng phát xung RZ., bắt đầuvới một ghép kênh phân chia theo thời gian điện hoặc quang (ETMD/OTDM) của mộtvài kênh tốc độ dữ liệu thấp hơn, đối với một laser có tính hoạt động đột biến cao đưathêm vào bộ điều chế dữ liệu NRZ và việc phát với hai tầng điều chế (MZM1 vàMZM2) để đạt được việc phát với bộ điều chế pha và giao thoa kế đường trễ, tínhphức tạp và chi phí của phát tín hiệu RZ có thể thay đổi Hình 2.6 minh hoạ haiphương pháp khác nhau cho việc phát các xung quang RZ, phương pháp được sử dụngrộng rãi cho việc phát xung RZ sử dụng sử dụng hai tầng điều chế (hình 2.6a), trongtầng điều chế MZM1, xung NRZ quang là được được phát trong một MZM LiNbO3,chúng được điều khiển bởi một tín hiệu NRZ 40Gb/s đã được lọc điện, trong mộtMZM2, một sự chuyển đổi hình dạng từ NRZ thành RZ diễn ra, bộ MZM2 (hình 2.6a)

là được điều khiển bởi một tín hiệu sin-clock 40GHz tại điểm cầu phương point) của hàm chuyển đổi công suất điều chế, mặc dù được sử dụng rộng rãi và thực

(quadrature-tế khá thích hợp nhưng khó thực hiện đồng bộ giữa hai tầng điều chế và hình dạngxung là bị giới hạn bởi các đặc điểm của MZM2 gây ra suy giảm tỷ lệ phân biệt (ER)của xung RZ được phát

Hình 2.6: Phát tín hiệu RZ 40Gb/s: a) Phát thực tế b) Phát lý tưởng

Hình 2.6b minh hoạ sự gần đúng lý tưởng cho việc phát xung RZ, tạo dạngxung RZ là được làm bởi một bộ mã RZ điện 40GHz, bởi vì công nghệ 40GHz thểhiện giới hạn trên của phát tín hiệu điện, cũng vì vậy bộ mã RZ là vẫn chưa có sẵntrong thương mại Để mà giảm tính phức tạp của việc phát, các xung RZ có thể đượcphát bởi một sự kết hợp của bộ điều chế pha và giao thoa kế đường trễ, công nghệ nàykhông yêu cầu đồng bộ của hai tín hiệu điều khiển điện và cho phép độ nhạy lớn

(>2dB), nhưng trễ trong giao thao kế phải được chế tạo chính xác Băng tần bộ điềuchế bị giới hạn là một vấn đề trong trường hợp RZ do bởi phổ quang dãn rộng.

Hình 2.7, minh hoạ hình dạng sóng và phổ quang của tín hiệu RZ 40Gb/s Biên

độ tín hiệu RZ giữa hai bit 1 liền kề trở về zero Cho cùng một công suất trung bìnhcủa xung RZ và xung NRZ, công suất đỉnh của xung RZ bằng hai lần của xung NRZ

và độ rộng xung bằng 1/2 độ rộng xung NRZ, đặc điểm chính của tín hiệu được điềuchế RZ là liên hệ với phổ quang rộng Độ rộng phổ giữa hai biên băng đầu tiên lên tới80GHz

Độ rộng phổ lớn gây ra dung sai tán sắc và hiệu quả phổ bị suy giảm của hệthống WDM dựa trên cơ sở RZ Hình dạng xung RZ cho phép gia tăng tính chất mạnhtới hiệu ứng phi tuyến sợi quang và ảnh hưởng tới của tán sắc mode phân cực (PMD).Một số lượng nhỏ của chirp thực tế trong xung RZ (hình 2.7b) là chirp nội của pump-

CW với độ rộng đường phổ 10GHz Ý nghĩa của phương pháp này là công suất quangcao hơn trên mỗi kênh và dẫn đến cải thiện chiều dài tuyền truyền dẫn tối đa và cải độnhạy thu lên đến 3dB Để cải thiện hơn nữa các đặc điểm truyền dẫn trong một hệthống WDM với một hiệu quả phổ lên đến 0.4bit/Hz là sử dụng các xung còn được gọi

là “Tedon”, Tedon chuẩn cho xung RZ với chu kỳ làm việc giảm (< 0.3) và độ rộngxung quang ngắn (vài ps) Các đặc điểm chủ yếu là gia tăng tính chất mạng đối với phituyến sợi quang nguyên nhân bởi thực tế là các xung quang ngắn tán sắc nhanh hơncác xung quang rộng hơn, cho phép giảm nhanh công suất đỉnh xung Tedon 40Gb/s làđược sử dụng trong cộng nghệ OTDM, độ rộng xung giảm trong trường hợp Tedon có

ý nghĩa phổ tín hiệu rộng hơn, chế tạo công nghệ Tedon ít được quan tâm trong hệthống DWDM với một hiệu quả phổ > 0.4bit/s/Hz

Hình 2.7: Tín hiệu RZ 40Gb/s: a) Phổ quang; b) Hình dạng tín hiệu và chirp

Để cho phép truyền dẫn DWDM cơ sở RZ, quá trình lọc băng hẹp tại phía phát

và phía thu là cần thiết Điều chế RZ là tốt hơn NRZ trong hệ thống WDM 40Gb/sđường dài, bởi vì nó có dung sai phi tuyến lớn hơn Độ dài truyền dẫn tối đa trong các

hệ thống RZ 40Gb/s là được giới hạn  1600km bởi tác động PMD bậc một và bậccao hơn