Đồ án nghiên cứu tìm hiểu hệ thống thông tin quang kết hợp

Vào những năm của thập kỉ 70, kĩ thuật thông tin quang kết hợp đãđược các nhà nghiên cứu đề cập và chứng minh là có thể sử dụng kĩ thuật đổitần tín hiệu truyền tin trên hệ thống sợi quan

Lời Mở ĐầuTrong những năm gần đây với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế,

Vị thế của Việt Nam ngày càng cao trên trường quốc tế Với xu thế hội nhập

và toàn cầu hoá thì nhu cầu về thông tin liên lạc trở nên vô cùng quan trọng

Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về thông tin liênlạc ngày càng cao Mà các hệ thống thông tin hiện nay không thể đáp ứngđược những yêu cầu về dung lượng và tốc độ truyền dẫn Hầu hết, các hệthống thông tin quang đang khai thác trên mạng lưới hiện nay đều sử dụngcác hệ thống điều biến cường độ và tách sóng trực tiếp IM – DD (IntensityModulation – Derect detection) Tuy nhiên kỹ thuật này vẫn chưa tận dụnghiệu quả băng tần của sợi quang đơn mode hiện nay Vấn đề đặt ra là ta phảitận dụng được băng tần rộng của sóng ánh sáng để không bị lãng phí Do vậyngười ta đã đưa ra một hệ thống thông tin quang mới là hệ thống thông tinquang kết hợp (Coherent optical systems)

Cho đến nay, hệ thống thông tin quang kết hợp vẫn đang ở trong quátrình nghiên cứu và thử nghiệm Tuy nhiên, nó đã chứng tỏ những ưu điểmvượt trội của nó so với hệ thống IM – DD về khả năng nhạy thu, tốc độ truyềndẫn… Nhiều hãng viễn thông nổi tiếng như AT&T, NTT, KDD, Acatel,Intatel… đã cho rằng áp dụng công nghệ thông tin quang vào mạng viễnthông là hướng mạnh nhằm nâng cao khả năng truyền dẫn và kéo dài cự lygiữa các trạm lặp

Với mục đích nghiên cứu tìm hiểu hệ thống thông tin quang kết hợp vềcầu trúc, nguyên lý hoạt động, khả năng áp dụng của hệ thống vào mạng lướiviễn thông Nội dung của đồ án gồm 4 chương:

Chương I: Tổng quan hệ thống thông tin quang kết hợp

Chương II: Các phương pháp điều chế trong hệ thống thông tin quang

kết hợp

Chương III: Máy thu quang coherent và những yếu tố ảnh hưởng đến

độ nhạy máy thu

Chương IV: Những kĩ thuật viễn thông tiên tiến và việc áp dụng vào mạng lưới viễn thông

Để hoàn thành đề tài này em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫnChu Công Cẩn đã tận tình giúp đỡ chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình emlàm đồ án Trong quá trình làm đồ án, em đã cố gắng tìm hiểu công nghệ vàứng dụng thực tế Tuy nhiên do hạn chế về trình độ và giới hạn về mặt tài liệunên không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảođóng góp tận tình của các thầy và các bạn sinh viên để đồ án của em hoànthiện hơn.

Sinh viên

Lê Duy Tùng

MỤC LỤC

Lời Mở Đầu 2

Danh Mục Các Từ Viết Tắt 6

Danh Mục Các Hình Vẽ 9

Chương I 11

Tổng Quan Hệ thống thông tin quang kết hợp 11

(Coherent optical systems) 11

I.Giới thiệu chung: 11

1 Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp: 11

2 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang kết hợp: 12

II Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang kết hợp: 15

III Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang kết hợp: 17

1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống: 17

2 Tách sóng đồng tần (Homodyne Detection): 20

3 Tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection): 21

Kết Luận 24

Chương 2: 25

Các Phương Pháp Điều Chế Trong Hệ Thống Coherent 25

I.Điều chế trong thông tin quang Coherent: 25

1 Các kỹ thuật điều chế: 25

II Kỹ thuật điều chế ngoài laser: 33

1.Giới thiệu chung: 33

2 Bộ điều chế pha (Phase Modulator): 34

3 Bộ điều chế cường độ: 36

III Điều chế phân cực: 38

1.Yêu cầu về trạng thái phân cực của thông tin coherent: 38

2 Các phương pháp điều khiển phân cực: 39

Kết Luận 44

Chương III :Máy thu quang Coherent và những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu 45

I Các nguyên lý tách sóng: 45

II Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang coherent : 45

1.Tách sóng heterodyne đồng bộ 47

2.Tách sóng Heterodyne không đồng bộ 49

3 Tách sóng Homodyne 50

4.Vòng khóa pha trong máy thu quang coherent 51

III Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu: 53

1.Nhiễu pha: 53

2 Nhiễu cường độ: 54

3 Không tương xứng về phân cực: 56

4 Tán sắc trong sợi quang: 56

5 Các yếu tố hạn chế khác: 56

IV.So sánh một số loại thu coherent 57

1 So sánh thu trực tiếp và thu Coherent: 57

2 So sánh thu heterodyne và thu homodyne: 61

Kết Luận 65

Chương IV 66

Khả năng ứng dụng của hệ thống thông tin quang kết hợp và những kỹ thuật tiên tiến 66

I Khả năng áp dụng của kỹ thuật thông tin quang coherent vào mạng lưới 66

1 Khả năng áp dụng vào mạng lưới: 66

2 Những tồn tại trước mắt của hệ thống thông tin quang coherent: 69

II Một số kỹ thuật Coherent tiên tiến: 71

1 Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM: 71

2 Kỹ thuật truyền dẫn phân cựu đa mức: 72

3 Ghép kênh quang theo tần số OFDM: 76

III Kỹ thuật về hệ thống: 78

1.Tạo ra một hệ thống có năng lực truyền dẫn cao: 78

2 Tận dụng được băng tần rất rộng của sóng ánh sáng nói chung và sợi quang Single mode: 79

3 Hệ thống Coherent cho phép truyền một số lượng lớn kênh: 80

4 Hệ thống Coherent cho khả năng lựa chọn độ nhạy thu: 81

IV Tiến bộ Kỹ thuật công nghệ: 82

1.Làm hẹp độ rộng phổ: 83

2 Ổn định tần số và công suất phát: 85

3 Các thiết bị quang thụ động: 85

V Thực trạng thông tin quang trên thế giới: 86

1.Một số giải pháp xử lý tín hiệu dựa trên các hiện tượng thông tin quang kết hợp thực nghiệm ở các nước: 86

2 Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm: 88

Kết Luận 95

Phụ Lục I: Các tham số của sợi đơn mode theo CCITT 96

Phụ Lục II Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi 97

Kết Luận Chung 98

Tài Liệu Tham Khảo 99

Danh Mục Các Từ Viết Tắt

ADC Analog digital converter Chuyển đổi tương tự - số

Control

Bộ điều khiển tần số tự động

CPSK Continous phase shift keying Khoá dịch pha liên tục

DPSK Differrential Shift Keying Khoá dịch pha vi phân

Feedback-laserdiode

Laser phản hồi phân bố

FET Field effect transistor Transistor hiều ứng trường

IM-DD Intensity Modulation –

Derect Detection

Điều biến cường độ - tách sóngtrực tiếp

HCS Hight Coherent Systems Hệ thống có mức độ kết hợp cao

MAN Metropolitan Area Networks Mạng khu vực nội thị

OFDM Optical Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh quang theo tần số

ODEMUX Optical Demultiplexing Giải ghép quang

Multiplexing

Ghép kênh quang theo thời gian

LCS Low Coherent Systems Hệ thống có mức độ kết hợp thấp

PLSK Polarization Shift Keying Khoá dịch phân cực

PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying

Khóa dịch pha cầu phương

Modulation

Điều biên cầu phương

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích

Scattering

Tán xạ Brillouin kích thíchTDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ truyền 13

Hình 1.2 :Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ truyền 14

Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống thống thông tin quang kết hợp 15

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống coherent 18

Hình 1.5: Sơ đồ khối của máy thu đồng tần 20

Hình 1.6: Sơ đồ khối của máy thu đổi tần 22

Hình 1.7: Phổ công suất của hệ thống coherent 23

Hình 2.1: Phổ công suất điều chế tín hiệu ASK 26

Hình 2.2: Phổ công suất của tín hiệu trung tần MSK 27

Hình 2.3: Phổ công suất của tín hiệu trung tần FSk 28

Hình 2.4: Phổ công suất điều chế tín hiệu PSK 29

Hình 2.5: Sơ đồ khoá dịch cực ASK kép, trong đó các trục của bộ phân cực là song song với các trạng thái phân cực 31

Hình 2.6: Đồ thị vectơ của sơ đồ khoá dịch cực bộ dao động nội nằm ở góc 45 0 31

Hình 2.5: Sơ đồ khoá dịch cực ASK kép, trong đó các trục của bộ phân cực là song song với các trạng thái phân cực 32

Hình 2.8: Đồ thì vectơ của sơ đồ khoá dịch cực bộ dao động nội được định hướng theo cùng một phương với một trong các trạng thái phân cực .33

Hình 2.9: Sơ đồ của bộ điều chế pha 35

Hình 2.10: Sơ đồ điều chế ghép cường độ định hướng 37

Hình 2.11: Điều chế cường độ theo nguyên lý giao thoa quang học 38

Hình 2.12 Máy phát trộn phân cực hoặc chuyển đổi phân cực 40

Hình 2.13 Vectơ trạng thái phân cực trực giao ở máy thu để chuyển đổi phân cực 41

Hình 2.9: Máy thu phân cực trực giao 43

Hình 3.1 : Mô hình bộ thu coherent cơ bản 45

Hình 3.2 : Cấu hình bộ thu quang coherent cơ bản 47

Hình 3.3 :Các kỹ thuật khôi phục sóng mang được sử dụng trong bộ thu quang Coherent PSK 49

Hình 3.4 : Tách sóng Heterodyne không đồng bộ 50

Hình 3.6:Bộ thu vòng khóa pha quang sóng mang dẫn đường 52

Hình 3.7 :Bộ thu vòng khóa pha quang Costas 52

Hình 3.8 Bộ thu coherent cân bằng hai nửa 55

Hình 3.9: Sự phụ thuộc tỷ số S/N vào công suất thu 59

Hình 3.10 Mẫu thu coherent 61

Hình 4.1 Nguyên lý của thiết bị tách quang Kerr 72

Hình 4.2: sơ đồ máy điều biên phân cực 73

Hình 4.3 Sơ đồ khối máy thu 75

Hình 4.4.Cấu hình hệ thống thực nghiệm ghép 100 kênh quang theo nguyên lý OFDM 77

Hình 4.5 mức tín hiệu của thực nghiệm OFDM có trạm lặp quang 78

Hình 4.6 Ghép kênh quang TDM 80

Hình 4.7 Ghép kênh quang theo tần số 81

Hình 4.8 cấu trúc laser phản hồi phân bố DFB 83

Hình 4.9 Sơ đồ khối mạch PLL quang để trích lấy clock 88

Hình 4.10 lắp đặt truyền QPSK kết hợp 1.4 Gbit/s với coupler 3x3 sử dụng trong bộ thu 91

Hình 4.11 kết quả đo BER công suất khuếch đại đầu vào cho truyền dẫn đồng bộ QPSK 1,4Gbit/s 92

Chương I Tổng Quan Hệ thống thông tin quang kết hợp

(Coherent optical systems)

I.Giới thiệu chung:

1 Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp:

Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp dùng để chỉ sự đòi hỏi cao

về tính kết hợp thời gian của nguồn phát quang laser và độ kết hợp về khônggian trong bộ tách sóng quang khi trộn tín hiệu quang và tín hiệu quang nội

Vào những năm của thập kỉ 70, kĩ thuật thông tin quang kết hợp đãđược các nhà nghiên cứu đề cập và chứng minh là có thể sử dụng kĩ thuật đổitần tín hiệu truyền tin trên hệ thống sợi quang Nhưng vào thời kì này côngnghệ quang và công nghẹ laser không thoả mãn và đáp ứng được những yêucầu đặt ra

Những năm đầu thập kỉ 80, công nghệ chế tạo sợi quang đã đạt đượcnhững thành tựu to lớn Cáp sợi quang single mode có tiêu hao cỡ nhỏ hơn0,2db/km tại cửa sổ truyền dẫn với bước sóng 1550nm Cùng với sự phát triểncông nghệ cáp sợi quang là công nghệ laser bán dẫn cũng đạt được nhữngbước tiến dài Các nguồn laser đơn mode có cấu trúc dị thể kép và có bướcsóng ổn định tương thích với sợi quang, độ rộng phổ cho phép tán xạ trênđường truyền là không đáng kể Chính nhờ các thành tựu trên việc nghiên cứuthông tin quang kết hợp đã thu được những kết quả tốt đẹp, Có nhiều côngtrình thử nghiệm về hệ thống thông tin quang kết hợp đã được tiến hành ởnhiều nước như: Nhật Bản , Mỹ, Châu Âu Nhiều hãng viễn thông nổi tiếngnhư AT&T, NTT, KDD, Acatel, Itatel… đã cho rằng áp dụng công nghệthông tin quang kết hợp vào mạng viễn thông là hướng mạnh nhằm nâng caokhả năng truyền dẫn và kéo dài cự ly giữa các trạm lặp.

Như ta đã biết trong các hệ thống thông tin quang hiện nay sử dụng kĩthuật điều biến và giải điều chế trực tiếp IM – DD (Intensity Modulation –derect detection) có đặc điểm:

- Đối với các hệ thống thông tin số và tương tự, cường độ ánh sángphát ra ( LED và Laser) được điều chế trực tiếp đối với dòng tínhiệu vào

- Không sử dụng pha của sóng mang để truyền tin

Còn khả năng tách sóng trực tiếp được biểu hiện là ở máy thu quang,tín hiệu được trực tiếp tách ra ở băng tần cơ sở mà không có bất kì sự xử lýhoặc biến đổi nào

Khác với hệ thống IM – DD các hệ thống thông tin quang kết hợp cóđặc điểm sau:

- Tín hiệu thông tin được điều chế ở phía phát với mức độ yêu cầucao về độ rộng phổ tín hiệu, độ ổn định tần số (có thể điều chế trựctiếp hoặc điều chế ngoài)

- Độ phân cực được giữ nguyên trong quá trình truyền

- Trước khi tách sóng ở phía nguồn thu, tín hiệu thông tin được trộnvới tín hiệu dao động nội Như vậy, ánh sáng đã được xử lý trướckhi tới photodiode.

2 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang kết hợp:

2.1 Nâng cao độ nhạy thu:

Trong các hệ thống thông tin quang Coherent có sử dụng phương phápthu homodyne hoặc heterodyne cho phép kéo dài khoảng cách giữa hai trạmlặp, tăng tốc độ trong các tuyến thông tin đường trục và tăng số kênh trongmạng hạt hoặc thuê bao Độ nhạy thu được nâng từ 15 – 20dB so với thu trựctiếp Hình 1.1 biểu diễn sự phụ thuộc độ nhạy thu và tốc độ truyền trong 2trường hợp thu trực tiếp và thu kết hợp với các dữ liệu: tỉ lệ lỗi bit 10-9 cửa sổhoạt động 1550nm (với độ suy hao < 0,2dB/km), sử dụng kỹ thuật điều biến

và tách heterodyne với thu trực tiếp

Hình 1.1: Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ truyềnNhư vậy, khoảng cách giữa hai trạm lặp được nâng lên đến 75 – 100kmthậm chí có thể đạt tới vài trăm km Trên hình 1.2 biểu diễn sự phụ thuộc giữa

độ dài khoảng lặp và tốc độ truyền đối với thu trực tiếp và thu kết hợp

VD: với tốc độ truyền là 1,2Tbit/s khoảng lặp giữa thu trực tiếp là200km và với thu coherent là 280km

Khoảng cách lặp

Tốc độ truyền Gbit/s

Hình 1.2 :Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ truyền

2.2: Nâng cao khả năng truyền dẫn:

Với phương pháp ghép kênh theo tần số, các hệ thống thông tin quangkết hợp có dung lượng truyền lớn Điều này có thể thấy rõ ngay qua ví dụ sau:Nếu trong vùng cửa sổ hoạt động 1550nm (tương ứng với dải tần 200THz)chọn độ rộng phổ để truyền (chẳng hạn 1,47…1,57µm) thì trong vùng này cóthể truyền khoảng 109 kênh thoại tương đương

2.3: Nâng cao khả năng lựa chọn kênh:

Khả năng lựa chọn kênh ở phía thu dựa trên khả năng nguồn thu có thểđiều chỉnh tín hiệu bằng cách thay đổi công suất phát dao động nội Như vậy,người sử dụng có thể lựa chọn được kênh mong muốn trong nhiều kênh ( cáckênh này được ghép theo tần số)

2.4: Kết hợp thu coherent với kỹ thuật khuếch đại quang:

Kết hợp thu coherent với kĩ thuật thu khuếch đại quang có thể tạo nêncác tuyến thông tin số có dung lượng đường truyền lớn và kéo dài khoảngcách giữa hai trạm lặp (có thể đạt tới 10000km) Khả năng này được ứngdụng trong các tuyến thông tin đường trục và tuyến cáp quang biển

Mặt khác, chúng ta cũng thấy rằng sự khác nhau về độ nhạy thu của hai

kĩ thuật thu heterodyne và thu homodyne là 3dB Đây cũng là điểm khác biệtnổi bật của thu kết hợp, bởi vì trong hệ thống thông tin vô tuyến, các nguồnthu đổi tần và đồng tần đều có đặc điểm giống nhau

II Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang kết hợp:

Cấu trúc tổng quát của hệ thông thông tin quang kết hợp trình bày tronghình 1.3:

DE-MOD

CWL LC

Tín

hiệu

vào

Tín hiệu ra

Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống thống thông tin quang kết hợp

+ Bộ điều khiển: Driver

+ Điều chế ngoài: External Modulation

+ Tầng khuếch đại:

+ AFC

Hệ thống thông tin quang kết hợp gồm hai thành phần chính là phầnphát và phần thu

a Phía phát gồm: Mạch điều khiển, laser bán dẫn, bộ điều chế tín hiệu Ngoài

ra còn có thể có thêm bộ khuếch đại công suất, bộ điều khiển công suất khicần thiết

+ Laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mode có độ rộng phổ hẹp, thường

là loại laser DFB có độ rộng phổ 0,1nm, loại laser có bộ cộng hưởng ngoàihoặc laser cách tử có độ rộng phổ khoảng 10 ÷ 100MHZ Các loại LED vàlaser đa mode không thích hợp cho hệ thống Coherent vì độ rộng phổ củanguồn luôn yêu cầu phải hợp hơn độ rộng băng tần của tín hiệu Nguồnlaser cần phải đặt trong một bộ ổn nhiệt, nhiệt độ của nó được điều khiểntrong vùng 0,010C để đảm bảo ổn định tần số Để đền bù sự suy giảm côngsuất phát, người ta đưa thêm bộ hiệu chỉnh công suất tự động Một phầntín hiệu thông tin được trích từ nguồn phát, qua bộ phận điều chỉnh côngsuất tự động, được xử lý và tín hiệu này điều khiển dòng bơm laser banđầu

+ Bộ điều chế ngoài có thể được thực hiện theo hai phương án sau:

- Điều khiển dòng nội xạ của nguồn laser, phương pháp này thườngdùng trong hệ thống điều chế khoá dịch tần FSK (Frequency ShiftKeying)

- Điều chế trường quang phát từ nguồn laser bằng các thiết bị thíchhợp dùng trong hệ thống ASK (Amplinude Shift Keying), PSK(Phase Shift Keying), DPSK (Differential Phase Shift Keying)

- Trong bộ điều biến cần có bộ cách ly quang (Optical Isolator) và sợiquang nhằm ngăn chặn phản xạ quang (optical Reflection) gây mất

ổn định sóng mang quang hoặc độ rộng phổ laser

b Phía thu gồm:

Bộ thu là phần phức tạp nhất của hệ thống và là đặc trưng nhất của hệthống Coherent

Phần thu gồm: Bộ trộn quang laser dao động nội photodiode, bộ tiềnkhuếch đại, bộ giải điều chế ở trung tần và mạch quyết định.

+ Bộ trộn quang là một thiết bị bốn cửa tương tự như ghép hướng siêucao tần Nó có hai trường quang đầu vào (tín hiệu thông tin và sóng dao độngnội) được trộn với nhau và được cộng tuyến tính ở cửa ra của chúng Nó cóthể cấu tạo từ một gương bán phản xạ (phản xạ một nửa), hai lăng kính lậpphương hoặc bộ ghép sợi nóng chảy Để đảm bảo phách đúng tín hiệu với bộsóng dao động nội, một vấn đề cần thiết cần phải đạt được là cả hai trườngquang cần phải đồng hướng trên mặt của photodiode Vì trạng thái phân cựccủa trường tín hiệu dọc theo sợi bị thăng giáng, cho nên cần phải dùng một bộđiều khiển phân cực đặc biệt ở đầu cuối tuyến sợi quang Độ lệch giữa cáctrạng thái phân cực của tín hiệu dao động nội có thể gây ảnh hưởng đến chấtlượng hệ thống Tần số của sóng dao động nội và tín hiệu có thể là giống nhau(đối với thu homodyne) hoặc khác nhau (đối với thu heterodyne) với hiệu số

là bằng trung tần

+ Cấu trúc của laser dao động nội và laser ở phần phát là cơ bản giốngnhau, chỉ có một điểm khác là: trong laser dao động nội có khả năng điềuchỉnh từng tần số phát trong một khoảng rộng để đảm bảo tần số tín hiệu saukhi trộn luôn ổn định

+ Bộ trộn và photodiode hoạt động như một bộ biến đổi tần thấp (khithu heterodyne) hoặc một bộ tách pha (khi thu homodyne) Dòng tín hiệu ởđầu ra bộ tách sóng quang photodiode được đưa đến bộ tiền khuếch đại, rồiđược lọc thông giải để giới hạn độ rộng băng tần nhiễu và sau đó giải điều chếtương ứng với dạng điều chế

Ở đây, chúng ta cần phải lưu ý rằng nhiễu phase trong laser là một vấn

đề quan trọng trong hệ thống Coherent vì nó xác định độ rộng băng tần của bộlọc tần số trung gian, và rõ ràng nó quyết định độ rộng băng tần của tín hiệu.Một phần dòng sau lúc biến đổi quang điện (O – E) được sử dụng để chốt tần

số trung tần (trung gian) tại một giá trị mong muốn thông qua vòng điều khiểntần số tự động AFC Tín hiệu sau bộ tiền khuếch đại được đưa đến bộ lọcvòng và sử dụng điều khiển laser dao động nội bằng một mạch thích hợp

III Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang kết hợp:

1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Hình 1.4 mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống coherent

Điều chế

Lọc và giải điều chế Khuếch đại

Trộn SMF

(ASK, PSK, FSK) Laser diode (w1)

Laser dao động nội(w2)

out in

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống coherent

Giả sử trường điện từ của tín hiệu truyền đi là sóng phẳng có dạng sau:

Es = As.cos[(wst + φs(t)) ] (1.1)Trong đó: As: biên độ của trường tín hiệu quang

s: tần số tín hiệu điện

Φs(t): pha của tín hiệu

Để truyền thông tin người ta có thể sử dụng điều chế biên độ, điều chếtần số, điều chế pha của tín hiệu:

+ Điều chế khoá dịch biên ASK hoặc là khoá đóng mở OOK: Trongphương pháp này φs là hằng số và biên độ As chỉ nhận một trong 2 giá trịtrong mỗi chu kì bit, phụ thuộc giá trị 0 và 1 của tín hiệu truyền đi

+ Điều chế khoá dịch tần FSK: Trường hợp này biên độ As là hằng sốcòn φs(t) nhận các giá trị 1(t) và 2(t) tương ứng với các giá trị của tín hiệunhị phân

+ Điều chế khoá dịch pha PSK: Với phương pháp này thông tin đượctruyền đi thông qua sự thay đổi phase Với sóng hình sin

Φs(t) = sinm(t) Trong đó  là hệ số điều chế phase và m là tần số điều chế

Đối với các hệ thống thu trực tiếp (Derect Detection), tín hiệu điện tới

bộ phát sẽ điều chế biên độ mức công suất quang của nguồn phát laser Nhưvậy, công suất quang sẽ tỉ lệ với mức biên độ tín hiệu điện Tại phía thu tínhiệu quang tới được biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện Dòng được táchtrực tiếp này tỉ lệ với cường độ của tín hiệu quang:

 m s 

s s s

2

2

* s

s s DD

A E E

I   (1.3)

Đối với hệ thống thông tin quang kết hợp tại đầu thu tín hiệu mang tintới trộn với tín hiệu dao động nội tại bộ trộn Tại đầu ra của bộ trộn có tínhiệu tần số trung tần và sau đó tách sóng tín hiệu trung tần này Có 4 phươngpháp giải điều chế tuỳ thuộc vào cách trộn tín hiệu như thế nào (là heterodynehay homodyne) và cách tách tín hiệu (tách đồng bộ hay tách không đồng bộ).Tín hiệu sau khi trộn được đưa đến photodiode Nếu trường dao động quangnội có dạng:

ELO = ALOcos[LOt + φLO(t) ] (1.4)Trong đó, ALO, LO, φLO là biên độ tần số pha của truyền dao động nội

Ta có dao động sau khi tách sóng:

ICOH = (Es + ELO)2

= A s  A LO A s.A LO cos s  LO  t 

2 2

2 2

.cos(t) (1.5)Với: φ(t) = [φs(t) – φLO(t) ] là độ lệch pha giữa tín hiệu truyền tin và tínhiệu dao động nội:

LO

LO E

E cos

s

s E

E





Biểu hiện độ phân cực giữa sóng ánh sáng tín hiệu và sóng dao độngnội, ở đây vẫn sử dụng điều kiện là các số hạng chứa tần số cao không cònsau khi tách sóng.

Khi công suất quang tỷ lệ với cường độ thì tại photodiode có công suấtquang tới là:

P(t) = Ps +PLO +2(Ps.PLO)1/2.cos[(s +LO) + φ(t) ] cos(t) (1.6)

Trong đó Ps và PLO là công suất quang của tín hiệu dao động nội

IF = (s +LO) là tần số trung tần nằm trong dải tần vô tuyến

Từ các biểu thức tính dòng ICOH và P(t) có thể rút ra một vài nhận xétsau:

- Phổ công suất trung bình của dòng tín hiệu tại trung tần bằng tổng phổcông suất của tín hiệu và dao động nội, nhưng của dao động nội là chính

- Méo tín hiệu là do thành phần phase, và những phase chủ yếu donguồn và bộ dao động nội gây ra Đây là nguồn nhiễu chủ yếu của hệ thốngthông tin quang kết hợp

- Thông qua hệ số cos(t) nhận thấy phải có yêu cầu nghiêm ngặt về độphân cực của tín hiệu và của dao động nội

2 Tách sóng đồng tần (Homodyne Detection):

Trường hợp tách sóng đồng tần là khi tần số của tín hiệu và của bộ daođộng nội bằng nhau (IF = 0) Được mô tả như hình vẽ 1.5:

Lọc thông thấp Tín hiệu đến ESE LO

Hình 1.5: Sơ đồ khối của máy thu đồng tầnDòng điện sau khi ra khỏi photodiode được đưa vào bộ lọc thông giải

và tín hiệu được khôi phục trực tiếp tại băng tần cơ sở Lúc này biểu thức trởthành:

) ( cos ).

( cos 2

) ( cos 2

)

P  s  LO  s LO  (1.8)

Trong hệ thống tách sóng đồng tần ta có thể dùng các dạng điều chếthông tin như ASK < thay đổi mức tín hiệu Ps và giữ nguyên (t) không đổi.

Mức “0” ứng với khi Ps = 0

Mức “1” ứng với khi có Ps.Hay là điều chế PSK thay đổi pha s (t) của tín hiệu và giữ nguyên Ps

)

P  s LO  (hoạt động như một bộ khuếch đại tín hiệu) nên độ

nhạy thu sẽ lớn hơn trong trường hợp tách sóng trực tiếp

Mặc dù các máy thu đồng tần mang lại độ nhạy thu cao nhất cho hệthống thông tin quang kết hợp, nhưng rất khó thực hiện vì trong cả hai trườnghợp tách sóng ASK và PSK ở trên có một yêu cầu khắt khe là hai tần số tínhiệu đến và dao động nội phải luôn ổn định và bằng nhau

3 Tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection):

Khi tần số của tín hiệu đến và tần số dao động nội khác nhau thì ta cótrường hợp tách sóng đổi tần

Tần số trung tần fIF = fs – fLO được chọn nằm trong giải sóng vô tuyếnkhoảng vài trục MHZ đến hàng trăm MHZ.

Giá trị cụ thể fIF tuỳ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điều chế được

sử dụng trong hệ thống đó Một yêu cầu đặt ra là cần phải ổn định tần số trunggian trong quá trình hoạt động Hình vẽ 1.6 mô tả sơ đồ khối của máy thuCoherent tách sóng đổi tần Dòng điện ở đầu ra của photodiode được đưa vàomạch lọc và giải điều chế tái tạo lại thông tin ban đầu

Lọc và giải điều chế

Laser dao động nội

đã được khoá tần số

photodiode

Bộ trộn quang

LO E

 t t   t P

P

P t

P LO s. LO cos s LO cos 

2 )

i IF( )  s. LO cos IF( )   cos  (1.11).

Thông thường thành phần dòng một chiều idc bị lọc bỏ thành phần dòngtín hiệu khuếch đại và được giải điều chế để khôi phục lại dòng thông tin sốban đầu:

Nếu thay công suât bằng biên độ trường thì ta được công thức:

 

 t t   t E

E Z

S t

i IF( )  LO. S cos IF( )   cos  (1.12).

Hình 1.7 biểu thị phổ công suất của tín hiệu điều chế của bộ dao độngnội và của tín hiệu trung tần trong hệ thống thông tin quang Coherent Phổcủa tín hiệu trung tần IF bao gồm thành phần băng gốc và thành phần sóngmang của tín hiệu trung tần

Bộ trộn quang Photodiode Lọc và giải điều

chế

Tín hiệu

vào

Tín hiệu ra Dao động

nội P

Kết LuậnTrong chương này ta tìm hiểu khái niệm, ưu điểm, cấu trúc, nguyên lýhoạt động của hệ thống thông tin quang kết hợp, và hai kỹ thuật tách sóng đổitần (heterodyne) và tách sóng đồng tần (homodyne) Trước hết ta thấy rằngkhái niệm thông tin quang kết hợp dùng để chỉ sự đòi hỏi cao về tính kết hợp,

về thời gian nguồn phát quang laser và độ kết hợp không gian trong bộ táchsóng quang khi trộn tín hiệu quang và tín hiệu quang nội Hệ thống Coherent

ra đời đã chứng tỏ được những ưu điểm vượt trội của nó so với hệ thống IM –

DD về khả năng nhạy thu và tốc độ truyền dẫn Cấu trúc của hệ thốngCoherent được trình bày trong hình 1.3 với hai phần phát và thu Trong đóphía thu là quan trọng nhất và đặc trưng nhất trong hệ thống thông tin quangkết hợp Nguyên lý hoạt động được mô tả trong hình 1.4, với tín hiệu truyền

là sóng phẳng và các kĩ thuật điều chế là Ask, FSK, PSK Các thành phầndong điện và công suất phụ thuộc vào cos(t) biểu thị độ lệch phân cực giữasóng tín hiệu đến và sóng dao động nội, có khả năng gây lỗi trong quá trìnhtruyền dẫn Chất lượng của hệ thống và độ nhạy máy thu phụ thuộc vào độlệch phân cực này Do đó việc ổn định độ phân cực là một trong những yêucầu nghiêm ngặt đối với hoạt động của hệ thống Với hai kĩ thuật tách sóngđổi tần và tách sóng đồng tần ta thấy rằng: mặc dù máy thu đồng tần có độnhạy cao nhất nhưng trong hệ thống coherent nhưng khó thực hiện

số và tương tự Về nguyên lý có thể thực hiện được cả điều chế số lẫn điềuchế tương tự, nhưng thực tế điều chế số rất phổ biến còn điều chế tương tự rất

ít Quá trình điều chế lượng tin của nguồn tin được bảo toàn chỉ thay đổi mốitương quan về tần số và công suất của tín hiệu truyền đi

Trong hệ thống sợi quang, điều chế trước lúc truyền dẫn để đạt thêmđược một số điều mong muốn, chẳng hạn:

+ Dịch chuyển băng tần tín hiệu sang vùng tần số mong muốn để tạođiều kiện thuận lợi cho việc ghép kênh

+ Tạo nên những tín hiệu tương hợp với các giao tiếp lớp đường, lớpđoạn, lớp ngang

Một đặc điểm của hệ thống thông tin sợi quang là băng tần của sợiquang rộng, công suất tín hiệu bé cần sử dụng điều chế tín hiệu nhằm duy trìS/N của băng gốc, đồng thời công suất tín hiệu đưa vào kênh truyền dẫn đạtgiá trị tối thiểu

Việc chọn tần số sóng mang phụ thuộc vào băng tần của tín hiệu điềuchế và phương pháp ghép sau đó Còn việc chọn phương pháp điều chế phụthuộc vào yêu cầu đạt tỷ số (S/N) tại máy thu và các yếu tố khác như giáthành và độ phức tạp.

1.1 Điều chế khoá dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) hoặc khoá đóng mở OOK (On – Off Keying):

Đây là cách điều chế sóng mang quang đơn giản nhất và nó cũng thíchhợp như điều chế cường độ Sóng mang điều biến được biểu thị:

) cos(

).

( )

Hình 2.1: Phổ công suất điều chế tín hiệu ASK

Vì một nửa công suất bị lãng phí trong sóng mang cho nên phươngpháp điều chế này không được hiệu quả lắm Có thể sử dụng nó trong hệthống đổi tần (heterodyne) hoặc hệ thống đồng tần (homodyne) Trong hệthống đổi tần tín hiệu IF có thể được giải điều đường bao hoặc giải điều đồngbộ

1.2 Khoá dịch tần FSK (Frequency Shift Keying):

Ở dạng điều chế này biên độ sóng mang giữ không đổi và sóng mangđiều chế được biểu thị:

 t m t f t

E t

E s( )  s cos s  ( ) 2   d (2.2).

Ở đây m(t) có thể nhận các giá trị 1, 2fd là độ lệch tần đỉnh đỉnh vàtham số  = 2.fd/B là chỉ số điều chế Tương ứng với các  khác nhau có các

sơ đồ khác nhau:

+ Ứng với  = 0,5 điều chế được coi là khoá dịch pha tối thiểu MSK(Minimum Shift Keying) dạng phổ công suất ép rất chặt làm cho các sơ đồnày rất thích hợp với các hệ thống tốc độ cao, độ rộng băng tần giữa các điểmkhông  1,5B Dạng phổ công suất của tín hiệu trung tần MSK được biểu thịtrong hình 2.2

P

Độ lệch tần hẹp

B

f IF 0 , 75 f IF f IF 0 , 75B

Hình 2.2: Phổ công suất của tín hiệu trung tần MSK+   0,5  0,7 điều chế được coi là khoá dịch tần pha liên tục(Continous Phase Shift Keying) hoặc là độ lệch tần hẹp, dạng phổ của nócũng rất chặt Như vậy có thể coi MSK là trương hợp riêng của CPSK Giảiđiều tại khối IF có thể thực hiện được bằng bộ phân biệt tần số đường dây trễ

Điều chế MSK có nhiều triển vọng trong hệ thống thông tin quangCoherent Nó có nhiều ưu điểm so với điều chế QPSK thông dụng trong kỹthuật vô tuyến, chẳng hạn như:

- Trong MSK dạng sóng băng gốc trơn tru hơn so với dạng sóngvuông góc đột ngột của QPSK Búp phổ trung tâm chính của MSKbằng 1,5 lần búp phổ chính của QPSK, ngoài ra các búp bên củaMSK rất bé so với búp chính nên việc lọc bỏ dễ hơn

- Dạng sóng của MSK và CPSK có pha liên tục, không có sự chuyểndịch pha đột ngột nên tránh được hiệu giao thoa giữa các kí hiệu docác phần tử phi tuyến gây ra.

+  >>1 điều chế được coi là FSK lệch tần rộng và phổ của nó đượcphân thành hai thành phần, tập trung quanh fIF + f và fIF - f tương ứng vớimỗi thành phần được coi giống như phổ của tín hiệu điều chế ASK nếu  đủlớn Dạng phổ công suất của tín hiệu trung tần FSK được biểu thị trong hình2.3

hệ thống tốc độ cao nhưng có thể dùng cho các hệ thống đơn giản rẻ tiền

+ Các trường hợp trung bình   1 thực tế không quan tâm Vì tần sốcủa tín hiệu không phải là hằng số trong khi điều chế Cho nên sơ đồ FSKkhông thể thực hiện được dù là hệ thống đồng tần số

Việc thực hiện điều chế FSK dòi hỏi các bộ điều chế có khả năng dịchtần số của tín hiệu quang đến Các bộ phận điều chế dựa trên LiNbO3 có thểcho ra sự dịch pha tỷ lệ với điện áp được sử dụng Chúng có thể sử dụng choFSK bằng cách áp dụng các xung điện áp hình tam giác dạng răng cưa vì sựthay đổi pha tuyến tính sẽ tương ứng với sự dịch tần số Giải pháp đơn giản và

thông dụng nhất đối với điều chế FSK là sử dụng khả năng điều chế trực tiếp

và laser bán dẫn

1.3 Điều chế khoá dịch pha PSK:

Trong dạng điều chế khoá dịch pha PSK các chùm bit tín hiệu quangđược phát ra bằng cách điều chế pha s trong biểu thức (2.1) Trong khi đó thìbiên độ As=E0 và tần số o của sóng mang quang được giữ là hằng số Khi đó

có thể viết như sau:

 ( ) 

cos )

E s   (2.3).

Trong đó m(t) nhận các giá trị 0 và 1 và điều này có nghĩa là pha của s

nhận hai giá trị 0 và  Dạng phổ công suất giống như của ASK nhưng cóvạch phổ sóng như thể hiện trong hình 2.4

Có một khía cạnh cần quan tâm đối với dạng điều chế PSK là cường độquang duy trì không đổi trong khi toàn bộ các bit và tín hiệu lại xuất hiện để

có dạng sóng liên tục CW (continous wave) Tách sóng Coherent là cần thiếtđối với dạng điều chế PSK vì toàn bộ thông tin có thể bị mất nếu như tín hiệu

quang được tách trực tiếp mà không trộn nó với sóng quang phát ra từ bộ daođộng nội LO Thực hiện điều chế pha PSK cần tới bộ điều chế ngoài có khảnăng biến đổi pha quang đáp ứng với điện áp được cấp cho nó Cơ chế vật lý

sử dụng các bộ điều chế như vậy được gọi là khúc xạ điện Bất kể một tinhthể điện quang nào có định hướng đúng đều có thể được dùng làm bộ điều chếpha

1.4 Điều chế dạng khóa dịch pha vi phân DPSK (Differential PSK):

Điều chế khoá dịch pha vi phân DPSK cũng giống như điều chế PSK,

có thể viết:

 ( ) 

cos )

P s   (2.5)

Trong thực tế chỉ khác ở quy luật mã vì trong DPSK, thông tin được mãhoá theo sự khác nhau về pha giữa hai bit kế tiếp nhau Ví dụ như: nếu k thểhiện pha của bit thứ k thì sự khác nhau ở đây sẽ là  = k - k-1 được thayđổi bởi  và 0 tuỳ thuộc vào bit thứ k là bit 1 hay 0

Ưu điểm của điều chế DPSK là tín hiệu phát có thể được điều chếthành công cho đến khi pha sóng mang duy trì khá ổn định trên độ dài 2 bit.Điều này thường được dùng trong các hệ thống thực tế, vì không cần các bộgiải điều chế phức tạp mà vẫn cho đặc tính tốt

1.5 Điều chế phân cực:

Phương pháp điều chế phân cực là loại điều chế đặc thù riêng cho hệthống thông tin quang Coherent Dựa trên cơ sở mode cơ bản HE11 lan truyềntrong sợi quang với hai trạng thái phân cực trực giao, có thể coi là hai kênhđộc lập có liên quan đến trạng thái 0 và trạng thái 1 của tín hiệu mã nhị phân

Sơ đồ hệ thống áp dụng khoá dịch phân cực PLSK (Polarization shift keying)

là hệ thống bao gồm điều chế phân cực và phần thu có thể tách và giải điềubiến cả hai trạng thái phân cực

Bộ thu hoạt động theo cách sau: Tín hiệu được kết hợp với sóng của bộdao động nội trong bộ trộn quang và tín hiệu đầu ra của nó được đưa đến bộtách sóng phân cực, ở đây trường tín hiệu được tách thành hai thành phần

trực giao Tuỳ thuộc vào sự định hướng tương đối các trục vevtơ của tín hiệu,trường của bộ dao động nội và bộ chia phân cực có thể theo hai sơ đồ giảiđiều chế khác nhau.

Hình 2.5: Sơ đồ khoá dịch cực ASK kép, trong đó các trục của bộ phân cực là

song song với các trạng thái phân cực

iIFX(t) = I0.m(t).cos.(IFt) (2.6)

iIFY(t) = I0 [1 – m(t) ].cos(IFt) (2.7)Như vậy, mỗi kênh tạo ra một bộ giải điều chế đường bao ASK, sau đócác đầu ra của bộ giải điều chế được trừ với nhau và qua bộ lọc thông thấp

Hình 2.5: Sơ đồ khoá dịch cực ASK kép, trong đó các trục của bộ phân cực là

song song với các trạng thái phân cực

Sơ đồ hình 2.7 các trục của bộ phân chia phân cực hợp thành góc 450,đối với các trạng thái phân cực bộ dao động nội được định hướng theo cùngmột phương với một trong các trạng thái phân cực Như vậy nằm ở góc 450

đối với các trục của bộ chia phân cực như trong hình 2.8 Trong trường hợpnày, có thể chỉ ra rằng một kênh mang tín hiệu điều chế PSK, còn kênh kiamang sóng mang không điều chế ở IF Như vậy, các dòng IF có thể được viếtnhư sau khi bỏ qua các thành phần nhiễu pha

iIFX(t) = I0.cos(IFt) (2.8)

iIFY(t) = I0.cos[IFt + m(t). ] (2.9)

Sau đó giải điều chế được thực hiện bằng cách nhân các đầu ra của 2kênh và cho qua bộ lọc thông thấp, chúng ta nhận được:

Iout(t) = .cos[m(t) ] (2.10)

“ 0 “ y

II Kỹ thuật điều chế ngoài laser:

1.Giới thiệu chung:

Trong hệ thống thông tin quang coherent, kĩ thuật điều chế tín hiệu cóthể thực hiện theo hai phương pháp: điều chế trong và điều chế ngoài Kỹthuật điều chế trong là phương pháp điều chế quen thuộc, bơm trực tiếp dòngtín hiệu vào laser diode Việc điều tần và điều biên theo phương pháp điềuchế trong thực hiện tương đối đơn giản nhưng chỉ thích hợp với các hệ thốngthông tin tốc độ thấp vì ở tốc độ cao laser diode bộc lộ hiện tượng suy giảmcác đặc tính phổ Do đó đối với các hệ thống thông tin tốc độ cao với các cấuhình mạng phức tạp thì phương pháp này ít được sử dụng Lúc này kĩ thuậtđiều chế ngoài xuất hiện đã đáp ứng các hệ thống thông tin hiện đại

Điều chế ngoài là phương pháp điều chế ánh sáng bên ngoài laser Nó

có những ưu điểm sau:

+ Có thể thực hiện các phương thức điều chế như đã nêu ở phần trên kể

cả phương pháp không thu được kết quả ở điều chế trực tiếp, ví dụ như điềupha

+ Tránh được hiệu ứng suy giảm các đặc tính phổ, sự bất ổn định trongđiều chế, đặc biệt ở điều tần và sự nhảy mode của ánh sáng

+ Thích hợp với các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao

+ Là cơ sở để chế tạo các chuyển mạch quang, là xu hướng phát triểncủa mạng viễn thông hiện nay và trong tương lai Nguyên tắc điều chế ngoàidựa trên các mạch quang tích hợp, sử dụng hiệu ứng quang điện của các vậtliệu dẫn sóng điện môi để điều pha, điều biên cho cả tín hiệu tương tự và tínhiệu số Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng quang điện tuyến tính(line eletro – optic effect) được ứng dụng có hiệu quả nhất Đó là do khả năngđáp ứng nhanh (trong phạm vi 10-12s) với hiệu suất cao trong các vật liệuquang như LiNbO3, hoặc các chất bán dẫn như GaAs và InP Nhờ sự pháttriển của các mạch quang tổ hợp trên cơ sở chất bán dẫn và các đặc tính kháccủa chất này mà các hiệu ứng tập trung phần tử tải và hấp thụ điện được khaithác triệt để

2 Bộ điều chế pha (Phase Modulator):

Ở phương pháp điều chế pha người ta sử dụng hiệu ứng quang điệntuyến tính trong đó chiết suất điện môi n của vật liệu thay đổi dưới tác độngcủa một tín hiệu biến đổi đặt vào vật liệu đó làm thay đổi pha của ánh sáng điqua (hình 2.9)

Tín hiệu điều chế (Vmod) được đưa vào điện cực mạch quang tích hợp

và làm thay đổi chiết suất n của phần tử dẫn sóng làm cho tốc độ và thời gianlan truyền qua phần tử dẫn sóng cũng thay đổi Thời gian lan truyền tính theocông thức:

Khi chiết suất thay đổi một lượng n thì thời gian lan truyền thay đổimột lượng tương ứng.

C

L n

t .



Vmod

Hình 2.9: Sơ đồ của bộ điều chế pha

Do đó pha của ánh sáng cũng thay đổi một lượng:

L d

V R n

Trong đó: : là bước sóng trong chân không của bức xạ

R: là hệ số chuyển đổi quang điện

V: hiệu điện thế đặt vào hai cực

d: khoảng cách giữa hai cực

: hiệu suất biểu thị chồng lấn giữa trường điều chế vàtrường dẫn quang

Từ công thức trên ta thấy: sự biến đổi pha của ánh sáng là một hàmthay đổi tuyến tính theo điện áp tín hiệu điều chế đưa vào Bộ điều chế phađôi khi được đặc trưng bởi tích số điện áp V đặt vào và độ dài tác động củaphần tử dẫn sóng L để tạo nên sự lệch pha là  radian của sóng ánh sáng khiđiều chế Các bộ điều chế pha thường được chế tạo trên hợp chất LiNbO3

bằng cách khuếch tán Ti vào tinh thể LiNbO3 Hợp chất này thích hợp chomọi bước sóng sử dụng trong viễn thông Điện áp đặt vào hai cực thường nhỏhơn 10V với suy hao khoảng 2  3 dB và tăng dần lớn hơn 8 GHz Các thiết

bị trong phòng thí nghiệm thường có thể đạt đến băng tần 40GHz

3 Bộ điều chế cường độ:

Điều chế cường độ có thể được thực hiện theo hai phương pháp: điềuchế cường độ ghép định hướng và điều chế cường độ theo nguyên lí giao thoaquang học

a Điều chế cường độ ghép định hướng:

Sơ đồ điều chế ghép định hướng được mô tả trong hình 2.10 Công suấtquang được chia ở lối ra phụ thuộc vào hiệu suất ghép và độ dày tácđộng của chúng Hiều suất ghép phụ thuộc vào chiết suất phản xạ củavật liệu dẫn sóng điện môi Do vậy nếu điều khiển bằng phương phápthay đổi cường độ điện trường E để thay đổi chiết suất của nó thì có thểthay đổi tương quan công suất ở lối ra I và II Nếu quan tâm đến mộttrong hai lối ra thì chúng ta sẽ nhận được sự biến đổi cường độ phù hợpvới tín hiệu điều chế

Tổng công suất vào ra không đổi nên cường độ ánh sáng ở hai lối rabiến đổi bù trừ nhau Do đó ta có thể chọn lối ra I hoặc II cho phù hợp

Bộ điều chế ghép định hướng dựa trên hợp chất LiNbO3 hoặc cũng cóthể chế tạo từ hợp chất bán dẫn GaAs hoặc InP để tạo nên các mạch tổhợp quang Các bộ điều chế hấp thụ điện cũng thu hút sự chú ý nhờkích thước sử dụng rất nhỏ Mặt khác cấu trúc hố lượng tử trong chấtbán dẫn cũng hứa hẹn nâng cao khả năng điều chế Ngoài ra bộ điềuchế này còn được sử dụng như các chuyển mạch quang Bằng sự thayđổi các giá trị E phù hợp công suất ở đầu ra thay đổi tương quan theo tỉ

lệ 100% 0% và 0%  100% Như vậy, có thể đóng vai trò nhưchuyển mạch quang cho phép ánh sáng ở đầu vào đến một trong hai lối

ra I và II tuỳ ý Nếu ghép nhiều tầng chúng ta có thể tạo nên chuyểnmạch nhiều đường.

V1

V2 Masse

Hình 2.10: Sơ đồ điều chế ghép cường độ định hướng

b Điều chế cường độ theo nguyên lí giao thoa quang học:

Máy giao thoa quang học March – Zehnder được sử dụng khá phổ biến.Trên hình 2.11 mô tả nguyên lí điều chế theo phương pháp này

Hình 2.11: Điều chế cường độ theo nguyên lý giao thoa quang học

Nó chủ yếu bao gồm hai phần tử điều pha được xếp theo sơ đồ đẩy kéo

để tối thiểu hoá điện áp đặt vào hai cực mạch tích hợp Nếu ánh sáng đến bộ

rẽ nhánh chữ nhật Y là cùng pha thì công suất ra đạt cực đại Và nếu ánh sángđến bộ rẽ nhánh ngược pha thì công suất lối ra cực tiểu Độ sâu điều chếkhoảng 99% khi điện áp đặt vào và suy hao xen tương đương với bộ điều chếpha Điều chế giao thoa March – Zehnder được sử dụng rộng rãi và đem lạihiệu quả cao

III Điều chế phân cực:

1.Yêu cầu về trạng thái phân cực của thông tin coherent:

Một trong các yêu cầu quan trọng nhất của hệ thống thông tin quangCoherent là các sóng của tín hiệu và của bộ dao động nội đưa đến mặtphotodiode phải có cùng phân cực, nếu không cùng phân cực sẽ làm ảnhhưởng đến biên độ và pha ở đầu ra Ở đây nêu một vài kết quả nghiên cứu ảnhhưởng của sai phân cực đến biên độ và pha, ảnh hưởng đó được thể hiện nhưsau:

cos.log

Sx Lx

Lx Sx

Sx Lx

P

k k

k k

k k

2 Các phương pháp điều khiển phân cực:

2.1 sử dụng các sợi duy trì phân cực:

Thông thường sợi đơn mode lan truyền theo hai mode HE11 phân cựctrực giao nhau, chúng truyền dọc sợi không bị xáo trộn nhưng thực tế các sợi

có vật liệu cấu tạo không hoàn hảo, các nhiễu loạn bên ngoài như ứng suất bềmặt, nhiệt độ, độ uốn, chấn động… làm cho sự phân cực ở đầu ra bị biến đổi.Các sợi bảo toàn phân cực được đặc trưng bởi độ khúc xạ kép mode . = x -

y tức là hiệu các hằng số lan truyền của hai mode trực giao Độ khúc xạ kép

mode  liên quan đến độ dài phách Lp theo công thức: L P 2 Độ dài phách

là độ dài của sợi qua đó trạng thái phân cực quay trở lại trạng thái ban đầu khitín hiệu truyền dọc sợi Người ta thường áp dụng một số biện pháp để đạtđược các sợi bảo toàn phân cực như sau:

 Phương pháp thứ nhất: sản xuất các sợi có  rất thấp, sợi này rất nhạyđối với các tác động bên ngoài nhưng có thể duy trì trạng thái phân cựctrực giao ở đầu vào bất kì

 Phương pháp thứ 2: Tạo ra các sợi có  cao nhằm loại bỏ các tác độngbên ngoài Có thể đạt được độ khúc xạ kép bằng cách tạo ra tính bất đối

xứng trong lõi (ví dụ lõi lệch tâm hoặc các sợi lõi elip) hoặc đưa vàoứng suất bằng cách thiết kế vỏ thích hợp.

Một các khác tạo ra sự đơn mode thật sự bằng cách thiết kế sợi trong đóchỉ lan truyền mode chính còn các mode bị giảm rất thấp, ví dụ như sợiphân cực đơn

2.2 Sử dụng các kỹ thuật trộn và chuyển đổi phân cực:

Phổ thăng giáng phân cực phụ thuộc vào độ dài sợi (phương sai cuả sựthăng giáng tỉ lệ thuận với độ dài sợi), trạng thái sợi, nhưng băng tần của nótrải rộng xấp xỉ từ 0 100Hz hoặc có thể đến 2KHz Như vậy, nó nhỏ hơnnhiều so với tần số điều biến (tốc độ bit) Vì lý do này, ảnh hưởng của nhiễuphân cực có thể được đánh giá trong khoảng thời gian kéo dài hàng ngàn bit

Từ những nhận định trên, người ta tiến hành thêm nhiễu phân cực nhân tạo vànhiễu tự nhiên để làm giảm ảnh hưởng của chúng Nguyên lý hoạt động đượctrình bày như sau:

SMF

Hình 2.12 Máy phát trộn phân cực hoặc chuyển đổi phân cực

Hình 2.12 máy phát trộn phân cực hoặc chuyển đổi phân cực Tín hiệuđiều biến được truyền dọc sợi sau khi qua bộ điều biến phân cực Đó là bộ

quay pha tín hiệu phân cực trực giao một góc 900 Máy thu ở đây là máy thuđổi tần tiêu chuẩn có độ rộng băng tần rộng lớn hơn một ít so với bộ lọc IF.Nếu trạng thái phân cực trực giao đã thu được của tín hiệu quay nhanh giữahai trạng thái trực giao trong khoảng thời gian một bit thì có thể đảm bảo rằngtrung bình một nửa công suất của tín hiệu sẽ được khôi phục lại bộ điều chếphân cực Trong thực tế, trung bình theo thời gian tích vô hướng của trườnggiao động nội và trường tín hiệu sẽ không bao giờ bằng 0.

LO

(A) (B)

0

90

Hình 2.13 Vectơ trạng thái phân cực trực giao ở máy thu để chuyển đổi phân

cực

Có hai bổ xung để thực hiện kỹ thuật này:

+ Trộn phân cực: tần số chuyển đổi bộ phân cực lớn hơn nhiều so vớitốc độ bit, như vậy không cần đồng hồ để đồng bộ điều chế phân cực, vì cónhiều chuyển tiếp trong khoảng thời gian một bit Mặt độ rộng băng tần của

bộ lọc IF rất rộng và do tần số chuyển đổi cao nên các yêu cầu phần cứng đốivới bộ điều chế phân cực trở nên rất nghiêm ngặt

+ Chuyển đổi phân cực đồng bộ: các chuyển tiếp giữa các trạng tháiphân cực trực giao xuất hiện chính xác tại điểm giữa của khe bit Vì vậy, cầnphải đồng bộ với đồng hồ của hệ thống, tuy nhiên cần giảm băng tần của bộlọc và giảm nhẹ các yêu cầu của phần cứng

Mặc dù phương pháp trộn và chuyển đổi phân cực làm giảm độ nhạycủa hệ thống 3 dB và yêu cầu có một bộ điều chế phân cực Nhưng cấu trúc