NGHIÊN cứu bộ KHUẾCH đại LASER TRONG hệ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT

Số hình Tên hình TrangHình 1.1 Quá trình phát triển của thông tin sợi quang 4Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang 4Hình 1.3 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin qua

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGÔ VĂN HÙNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU BỘ KHUẾCH ĐẠI LASER TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN QUANG COHERENT

HẢI PHÒNG - 2016

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGÔ VĂN HÙNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU BỘ KHUẾCH ĐẠI LASER TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN QUANG COHERENT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG; MÃ SỐ: D52027

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn : ThS NGUYỄN THANH VÂN

HẢI PHÒNG - 2016

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn thực hiện đồ án là

cô th.s Nguyễn Thanh Vân đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình lựa chọn đề

tài và hỗ trợ chúng em trong quá trình thực hiện đề tài

Sau gần 2 tháng học tập, làm việc với sự giúp đỡ tận tình của cô giáo hướngdẫn, cùng với sự đóng góp nhiệt tình của bạn bè đã tạo điều kiện để em hoànthành đồ án này Bản thân em đã học hỏi, tiếp thu được những kiến thức bổ ích,những kinh nghiệm quý báu, những bài học quý giá khi thực hiện đồ án này Qua những kinh nghiệm làm đồ án,em sẽ không ngừng trau dồi, nâng caokiến thức Đồng thời góp phần nhỏ bé của mình vào sự nghiệp giáo dục củanước nhà, từng bước nâng cao vị thế người Việt Nam trên thế giới

Vì thời gian hạn hẹp và trình độ hiểu biết còn hạn chế, nên đồ án của em cònnhững thiếu sót không tránh khỏi Em rất mong được sự thông cảm, đóng góp ýkiến và sửa đổi của quý thầy cô

Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, gia đình và bạn bè đã hỗ trợcho em trong suốt thời gian vừa qua

Em xin trân thành cảm ơn!

Hải phòng, ngày 4, tháng 5 năm 2016 Sinh viên thực hiện đồ án :

Ngô Văn Hùng

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan:

Đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân em, đượcthực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức được học và khảo sát thực

tế, có tham khảo qua một số tài liệu chính quy nhưng không phải là saochép ,được thực hiện dựa trên sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn là

cô Th.s Nguyễn Thanh Vân

Một lần nữa em xin khẳng định về sự chung thực của đồ án, nếu có bất kỳ sựsao chép nào em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện đồ án :

Ngô Văn Hùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương I :Tổng quan về hệ thống thông tin quang 2

1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang 2

1.2 Sơ đồ nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 4

1.2.1Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin quang 4

1.2.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 5

1.3 Đặc điểm của hệ thống thông tin quang 6

1.3.1Ưu điểm của hệ thống thông tin quang 6

1.3.2 Nhược điểm của hệ thống thông tin quang 8

1.4 Những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang 9

1.4.1 Những tồn tại của hệ thống quang 9

1.4.2 Xu hướng phát triển của hệ thống quang 9

1.5 Kết luận 12

CHƯƠNG II: 13

2.1 Tiến trình phát triển công nghệ truyền tải quang: 13

2.2 Giới thiệu hệ thống Coherent: 15

2.3 Các kỹ thuật điều chế quang coherent 16

2.3.1 Kỹ thuật điều chế ASK 16

2.3.2 kỹ thuật điều chế PSK 17

2.3.3 Kỹ thuật điều chế FSK 18

2.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống Coherent 18

2.5 Máy thu quang Coherent 19

2.5.1 Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang coherent: 19

2.5.2 Các nguyên lý tách sóng 21

2.6 Một số tham số đánh giá hệ thống Coherent: 23

2.6.1 Nhiễu: 23

2.6.2 Tỉ số SNR: 25

2.7 Ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ thống Coherent 26

2.7.1 Ưu điểm: 26

2.7.2 Nhược điểm: 28

2.7.3 Ứng dụng trong thực tiễn của hệ thống Coherent 28

2.7.3.1 Giải pháp 100 Gb/s DP-QPSK của hãng Ciena 28

2.7.3.2 FLASHWAVE 9500 cho các mạng Metro 29

2.7.3.3 FLASHWAVE S660 cho truyền dẫn cáp quang biển 31

CHƯƠNG III : 33

3.1 Tổng quát về kỹ thuật khuếch đại quang 33

3.1.1 Giới thiệu khuếch đại quang 33

3.1.2 Phân loại khuếch đại quang 37

3.2 Nguyên lý cơ bản 37

3.2.1 Mô tả cơ bản 38

3.2.2 Nguyên lý khuếch đại 39

3.3 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của SLA 46

3.3.1 Cấu trúc cơ bản của SLA 46

3.3.2 Hoạt động của SLA 46

3.3.3 Đặc tính bộ khuếch đại FPA và TWA 49

3.4 Các ứng dụng của SLA 52

3.4.1 Các khối độ lợi trong các mạng quang học 52

3.4.2 Bộ khuếch đại tăng cường 53

3.4.3 Bộ khuếch đại đường dây và các tầng khuếch đại 54

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng

2 OTDM Optical Time Division

5 DD Direct Detector Tách sóng trực tiếp

Keying

Điều chế khóa dịch biên độ

8 SLA Semiconductor Optical

Amplifier

Khuếch đại Laser bán dẫn

Amlplifier

Khuếch đại quang sợi

Spontaneous Emission noise

Nhiễu phát xạ tự phát được khếch đại

11 FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bước sóng

Amplifier

khuếch đại sóng chạy

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hình Tên hình Trang

Hình 1.1 Quá trình phát triển của thông tin sợi quang 4Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang 4Hình 1.3 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 6Hình 1.4 Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang 12Hình 2.1 Sự phát triển tốc độ và dung lượng của các công

Hình 2.9 Sự phụ thuộc độ nhạy vào tốc độ truyền dẫn 28Hình 2.10 Khoảng cách trạm lặp phụ thuộc vào tốc độ truyền 28Hình 2.11 Mô tả kiến trúc mạng đường dài 100Gb/s của hãng

Hình 2.12 Chuyển mạch hỗn hợp TDM-IP 32Hình 3.1 Phổ suy hao đặc trưng của sợi quang silic kiểu đơn

Hình 3.2 Phổ tán sắc đặc trưng của sợi quang silic kiểu đơn 36Hình 3.3 Cấu trúc một trạm lặp quang điện 37Hình 3.4 Mô hình tổng quát của bộ khuếch đại quang 39Hình 3.6 Các loại SLA cơ bản và phổ độ lợi tương ứng 41Hình 3.7 Các hiện tượng biến đổi quang điện 41Hình 3.8a Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào 44Hình 3.8b Độ lợi khuếch đại theo công suất quang ngõ ra 44Hình 3.9 Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh trong SLA khi

Hình 3.11

Ứng dụng của SLA trong khuếch đại tăng cường,

bộ khuếch đại đường dây và bộ tiền khuếch đại trong các đường truyền quang học

54

Hình 3.12 Ứng dụng khuếch đại tăng cường trong các mạng

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đã bước vào thế kỷ 21, ở đó vai trò của thông tin liên lạc và kiến thức là yếu tố quyết định sự thành công của mỗi nghành, mỗi quốc gia.Với chính sách đi thẳng vào công nghệ hiện đại Việt Nam đã và đang hiện đại hóa mạng lưới viễn thông để hòa nhập với thế giới góp phần không nhỏ cho sự phát triển kinh tế, xã hội trong công cuộc đổi mới đất nước

Trong những năm gần đây, các nước có nền công nghiệp phát triển trên thế giới luôn có mạng viễn thông phát triển với nhiều loại dịch vụ phong phú Việt Nam gần đây nhu cầu thông tin ngày càng tăng đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫnlớn, chất lượng truyền dẫn cao song mạng truyền dẫn ở nhiều nơi chưa đáp ứng được nhu cầu của khách hàng Do vậy bằng kĩ thuật thông tin quang, người ta cóthể tạo ra các hệ thống thông tin có môi trường truyền dẫn nhiều kênh với tốc độcao, độ rộng băng tần lớn truyền tín hiệu đi xa mà tổn hao lại thấp…

Từ khi ra đời cho đến nay hệ thống thông tin quang đã trở thành hệ thống truyền dẫn trọng yếu của mạng lưới viễn thông Nhưng giờ đây, thông tin quang được phát triển lên tầm cao mới ở cả cấp độ mạng truy nhập Có thể thấy rằng

để đáp ứng nhu cầu truyền tải do sự bùng nổ thông tin, hệ thống viễn thông cần phải phát triển cả về quy mô và cấu trúc mạng

Trong hệ thống thông tin quang có một bộ phận rất quan trọng, quyết định đến chất lượng truyền tải thông tin cho toàn bộ hệ thống thông tin quang đó là

bộ khuếch đại laser giúp đảm bảo nguồn thông tin được truyền đi một cách nhanh chóng và chính xác Vì vậy trong thời gian vừa qua em đã tìm hiểu

nghiên cứu và em xin được lựa chọn đề tài:“Nghiên cứu bộ khuếch đại laser trong hệ thống thông tin quang coherent’’

Đồ án tốt nghiệp được chia thành 3 chương:

Chương I:Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Chương II:Tổng quát về hệ thống quang coherent

Chương III:Nghiên cứu bộ khuếch đại laser trong hệ thống thông tin quang

coherent

Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin là hệ thống được sử dụng để truyền thông tin từ nơi nàyđến nơi khác cách nhau hàng trăm met hay hàng ngàn km Thông tin đượctruyền là sóng điện từ có tần số khác nhau từ vài Mhz đến hàng trăm Thz Hệthống thông tin quang truyền tin bằng sóng ánh sáng tần số cao trong cửa sổtruyền sóng của hệ thống quang Các hệ thống quang đã và đang được ứng dụngrộng rãi trong các nước trên thế giới và có khả năng hiện đại hoá mạng lưới viễnthông trên toàn thế giới Chương này trình bày khái quát về quá trình phát triểncủa hệ thống thông tin quang, sơ đồ nguyên lý, đặc điểm, những vấn đề còn tồntại và xu thế phát triển của hệ thống quang hiện nay

1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang

Lịch sử thông tin đã trải qua nhiều hệ thống thông tin khác nhau với các têngọi theo môi trường truyền dẫn hoặc tính chất dịch vụ của hệ thống như là hệthống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh và hệ thốngthông tin quang (hay nói cách khác là có các hệ thống hữu tuyến và hệ thống vôtuyến) Các hệ thống sau được phát triển dựa trên các hệ thống trước đó, nhưngđược cải tiến và hoàn thiện hơn, chúng có cự ly xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linhhoạt và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu củacon người Các hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệtinh có những ưu, nhược điểm riêng Hệ thống thông tin quang là hệ thống thôngtin sử dụng tín hiệu ánh sáng và sợi quang để truyền tin đi xa

Các sóng ánh sáng được sử dụng để truyền tin chủ yếu trong các cửa sổtruyền sóng của thông tin quang là 0,8÷0,9 µm, 1÷1,3 µm và 1,5÷1,7 µm Quátrình phát triển của hệ thống thông tin quang được khái quát như sau:

Từ xưa, con người đã biết dùng ánh sáng để báo hiệu cho nhau biết như dùnglửa, ngọn hải đăng nhưng khi đó chưa có khái niệm về hệ thống thông tin quang

quyển như một môi trường truyền dẫn, nên chịu ảnh hưởng của các điều kiện vềthời tiết Để khắc phục hạn chế này thì Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vôtuyến có khả năng thực hiện trao đổi thông tin giữa người gửi và người nhận ởcách xa nhau Sau đó, A G.Bell đã phát minh ra Photophone, ông đã truyềntiếng nói trên một chùm ánh sáng và có thể truyền tín hiệu tiếng nói trên 213m.Đến đầu những năm 80 thì các hệ thống thông tin đường trục 45 và 90 Mbit/s sửdụng sợi quang được lắp đặt, cuối những năm 80 thì ra đời hệ thống 1,2÷2,4Gbit/s và chuẩn SONET Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/km ở bướcsóng 1550nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao rất thấp.

Các hệ thống quang được ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới với năm thếhệ:

Thế hệ 1 hoạt động ở bước sóng 800nm có tốc độ truyền dẫn là 45/95 Mb/s (ởMỹ), 34/140 Mb/s (ở Châu Âu), 32/100Mb/s (ở Nhật) với khoảng lặp là 10km.Thế hệ 2 làm việc ở bước sóng 1300nm có tốc độ 400÷600 Mb/s và có thể đạttới 4Gb/s với khoảng lặp là 40km

Thế hệ 3 sử dụng Laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1550nm với suy haotrên sợi quang cỡ 0,2 dB/km nhưng có hệ số tán sắc cao tầm 16÷18 ps/nm.km cóthể đạt đến 10Gb/s ở khoảng lặp từ 60÷70 km

Thế hệ thứ 4 sử dụng khuếch đại quang EDFA và ghép kênh quang theo bướcsóng WDM để tăng khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn, có tốc độ 5Gb/s ởkhoảng cách 14300km và đến năm 2000 đã có thể đạt được 100Gb/s xuyên quaĐại Tây Dương (hệ thống TPC 6)

Thế hệ 5 nhằm giải quyết tán sắc của sợi quang và sử dụng công nghệ khuếchđại quang nên có thể đạt 1,2 Tb/s hay 70Gb/s ở cự ly 9400km (truyền dẫnsiliton)

Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang qua năm thế hệ có thểđược minh hoạ như trong Hình 1.1

Biến đổi O/E

Phần tử

đi n ện Nguồn tin

Hình 1.1: Quá trình phát triển của thông tin sợi quang.

Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thếgiới Khi công nghệ chế tạo các phần tử quang càng phát triển, hiện đại thì hệthống thông tin quang ngày càng có khả năng ứng dụng rộng lớn hơn và trởthành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thông

1.2 Sơ đồ nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 1.2.1Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin quang

Một hệ thống quang được tổ chức như Hình 1.2

Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang.

Nguồn tin bao gồm những dữ liệu hình ảnh, âm thanh, tiếng nói hay văn bảnPhần tử điện: có nhiệm vụ biến đổi các nguồn tin ban đầu thành các tín hiệuđiện, các tín hiệu này có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số

Bộ biến đổi E/O: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để phát đi (ở đầuphát thông qua hệ thống bức xạ, điều pha, điều tần)

Sợi quang: là môi trường truyền tín hiệu quang Sợi quang có yêu cầu là phải cóbăng thông rộng, tốc độ cao và suy hao nhỏ

Bộ biến đổi quang điện O/E: biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện (ở đầuthu)

1500 nm Tách sóng trực tiếp

1500 nm Tách sóng Coherent

Truyền dẫn Siliton

Tải tin của hệ thống thông tin quang chính là ánh sáng có tần số rất cao: từ

1014÷1015 Hz

Chuyển tiếp tín hiệu: trên đường truyền thì tín hiệu quang bị suy giảm nên saumột khoảng cách nhất định thì phải thực hiện quá trình chuyển tiếp tín hiệu bằngcách đặt trạm lặp để khuếch đại tín hiệu quang

Khả năng truyền dẫn của hệ thống được đặc trưng bởi băng thông truyền dẫn

và cự ly trạm lặp Hệ thống thông tin quang đã vượt xa các hệ thống thông tinkhác ở cả hai yêu cầu trên

1.2.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang

Các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tínhiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theohướng này Từ đó, cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm: phầnphát quang, phần thu quang và sợi quang được trình bày trong Hình vẽ 1.3 Phần phát quang: Gồm nguồn quang và mạch điều khiển liên kết với nhau.Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tuỳ thuộcvào các kỹ thuật điều biến Nguồn quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn cácmạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điềukhiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin Có hai loại nguồn sáng được sử dụngphổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (LaserDiode)

Mạch điều khiển

Nguồn phát quang

Thu quang

Các thiết bị khác

B chia quang ộ và khoảng cách (Ghz.Km)

Máy phát

B nối quang ộ và khoảng cách (Ghz.Km) Mối hàn sợi

Sợi quang

Chuyển đổi tín hi u ệu

Đầu thu quang

Tín hi u đi n ệu ệu Tín hi u quang ệu

B khuếch ộ và khoảng cách (Ghz.Km) đại

Phát quang Mạch đi n ệu

Hình 1.3: Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang.

Cáp quang: Gồm các sợi quang và các lớp vỏ bọc xung quang để bảo vệ khỏi tác động có hại từ bên ngoài So với các môi trường truyền dẫn khác thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhiều ưu điểm nổi bật hơn đó là: hầu như không chịu ảnhhưởng của môi trường bên ngoài, băng thông truyền dẫn lớn và suy hao nhỏ Với những ưu điểm đó cùng với sự tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực thông tin quang thì sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống xuyên đại dương Chúng đáp ứng được yêu cầu về khoảng cách và còn có thể đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao Sợi quang có 3 loại chính: sợi đơn mode, sợi đa mode chiết suất nhảy bậc và sợi đa mode chiết suất biến đổi Tuỳ thuộc vào hệ thống mà sợi quang được sử dụng là loại nào

Phần thu quang có chức năng chuyển tín hiệu quang thành nguồn tin ban đầu

Nó bao gồm bộ tách sóng quang, bộ khuếch đại và bộ khôi phục tín hiệu Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD

Ngoài ra nếu tuyến quang mà có cự ly dài thì còn có thêm trạm lặp: bao gồm

bộ thu quang, mạch điện tử để khôi phục tái sinh hoặc khuếch đại tín hiệu điện,

bộ phát quang

Các phần tử phụ: các bộ nối, mối nối, các bộ xen tách kênh

1.3 Đặc điểm của hệ thống thông tin quang

1.3.1Ưu điểm của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang nên

nó có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin trước đó,

đó là:

Thứ nhất là tiêu hao truyền dẫn thấp và băng tần truyền dẫn rộng: Sợi quang

có suy hao thấp và băng tần truyền dẫn rộng đến hàng Thz cho phép phát triểncác hệ thống WDM dung lượng lớn, suy hao truyền dẫn của sợi quang tương đốinhỏ, đặc biệt là trong vùng cửa sổ 1300nm và 1550nm Điều đó có nghĩa là hệthống thông tin quang có thể gửi đi nhiều số liệu hơn với khoảng cách lớn hơn

so với các hệ thống thông tin trước đó, do đó, sẽ làm giảm số lượng sợi và giảm

số lượng trạm lặp cần thiết dẫn đến giảm số lượng thiết bị và các phần tử hợpthành, giảm chi phí thiết lập mạng và sự phức tạp của hệ thống

Thứ hai là trọng lượng và kích thước nhỏ: Sợi quang có trọng lượng và kíchthước nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống cáp kim loại, nhất là hệ thống cápngầm trong thành phố Ngoài ra nó cũng có ý nghĩa rất lớn trong công nghệ máybay, vệ tinh, tàu bè Đồng thời, nó còn được ứng dụng trong quân sự, nơi mà yêucầu cáp phải được khôi phục một cách nhanh chóng

Thứ 3 là sự miễn nhiễm ngoài: Cáp sợi quang có tính cách điện nên chúng cótính miễn nhiễm điện từ từ bên ngoài, do đó sợi quang không có sự cảm ứngđiện từ từ bên ngoài và tín hiệu truyền trong sợi quang cũng không gây nhiễu rabên ngoài

Thứ tư là tính cách điện: Sợi quang là một vật cách điện Sợi thuỷ tinh nàyloại bỏ nhu cầu về các dòng điện cho đường thông tin Cáp sợi quang làm bằngchất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cách điện hoàn toàncho nhiều ứng dụng Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạyvòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên cácđường dây thông tin như sét hay những trục trặc về điện

Tiếp theo là an toàn cho tín hiệu: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tincao Một sợi quang không thể bị lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điệnthông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích

để lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang Các tia sáng truyền lan ở tâm sợi quang

là rất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quang đó Thậm chí, nếu đã tríchvào sợi quang được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánhsáng thu được tại đầu cuối Trong khi các tín hiệu thông tin vệ tinh và vi ba cóthể dễ dàng thu và giải mã tín hiệu được

Cuối cùng là sự phong phú về nguyên liệu: Vật liệu chế tạo sợi chủ yếu làSilic rất phong phú và rẻ tiền Chi phí cho việc chế tạo cáp hiện nay phát sinhchủ yếu trong việc chế tạo thuỷ tinh cực sạch từ vật liệu thô Do phong phú vềnguyên liệu nên giá thành của cáp giảm dẫn đến giá thành của hệ thống cũnggiảm theo, nhất là đối với các tuyến đường dài

1.3.2 Nhược điểm của hệ thống thông tin quang

Thông tin quang có rất nhiều ưu điểm do sợi quang mang lại Tuy nhiên, hệ thống thông tin quang cũng có một số nhược điểm sau:

Một là khó sửa chữa khi có sự cố: Khi có sự cố thì các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng với các thiết bị thích hợp

Hai là chi phí đầu tư cao: Các hệ thống thông tin có sẵn trong hạ tầng viễn thônghầu như là cáp đồng nên muốn cải tiến hạ tầng viễn thông cần phải có chi phí lớn mà không phải quốc gia nào cũng có điều kiện để làm ngay mà cần phải làmtừng bước

Ba là vấn đề an toàn lao động: Khi hàn nối sợi quang thì cần phải để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện được mảnh thuỷ tinh trong cơ thể Ngoài ra, không được nhìn trực diện vào đầu sợi quang hay các khớp nối để hở để phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông

tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được, nên không thể điều tiết khi có nguồn năng lượng này, và sẽ gây nguy hại cho mắt.

Bốn là vấn đề biến đổi điện-quang: Trong hệ thống thông tin quang, trước khiđưa một tín hiệu thông tin điện vào sợi quang thì tín hiệu đó phải được chuyển đổi thành sóng ánh sáng mới có thể truyền đi được

Cuối cùng là sợi quang dòn, dễ gãy, khó nối ghép khi sợi bị đứt gãy: Sợi quang được sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thuỷ tinh nên rất dòn và

dễ gãy Kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối sợi khi sợi bị đứt gãy là rất khó khăn, muốn hàn nối cần phải có thiết bị chuyên dụng trong khi với hệ thống cáp đồng trục thì việc đấu nối dây dễ dàng hơn nhiều

1.4 Những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang 1.4.1 Những tồn tại của hệ thống quang

Ngoài những nhược điểm của hệ thống quang được nêu ở trên thì trong hệ thống thông tin quang hiện nay mà chủ yếu là hệ thống quang đơn kênh còn có những tồn tại sau: Các hệ thống quang hiện nay có dụng lượng thấp (<10 Gb/s)

do ảnh hưởng của tán sắc, hiệu ứng phi tuyến sợi, trong khi đó, băng tần của sợi quang là rất lớn (> 1 Thz); Mạch điện trong hệ thống làm hạn chế tốc độ và cự

ly truyền dẫn Khi tốc độ hệ thống đạt đến mấy chục Gb/s thì làm cho cự ly truyền dẫn ngắn lại, bản thân các mạch điện tử không đáp ứng được xung tín hiệu cực hẹp

Việc khắc phục những nhược điểm trên đòi hỏi phải có công nghệ cao và rất tốn kém vì cấu trúc của hệ thống rất phức tạp Hệ thống thông tin quang nhiều kênh sẽ giải quyết các tồn tại trên như sau:

Thứ nhất: Các phần tử quang thay thế các phần tử điện ở những vị trí quan trọng đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử lý tín hiệu cao đã khắc phục được nhược điểm về tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử đã nêu ở trên

Thứ hai: Các phần tử quang tận dụng được phổ hẹp của Laser làm tăng khả năng

sử dụng băng tần lớn của sợi đơn mode nên tạo ra khả năng truyền tải cho các ứng dụng tốc độ cao hiện tại và tương lai

Vì vậy, khi sử dụng hệ thống quang nhiều kênh sẽ làm tăng được dung lượng của hệ thống mà không cần tăng thêm sợi quang, tận dụng được băng tần không hạn chế của sợi

1.4.2 Xu hướng phát triển của hệ thống quang

Với sự phát triển không ngừng của thông tin viễn thông hiện nay thì hệ thốngthông tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới Do

có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với các hình thức thông tin khác về băng thông,suy hao và an toàn tín hiệu mà hệ thống thông tin quang hiện nay giữ vai trò

chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lụcđịa, xuyên đại dương, mạng nội hạt, mạng trung kế Công nghệ quang phát triểnnhư ngày nay đã là tiền đề cho hệ thống thông tin quang phát triển theo xuhướng hiện đại và kinh tế nhất.

Hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang đơn mode có ưu điểm là không

có trễ, không có can nhiễu, suy hao trên đường truyền nhỏ, quãng đường truyền

là ngắn nhất so với sợi đa mode đã làm tăng được khoảng cách của tuyến truyềndẫn quang và tạm thời đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người

Tuy nhiên, do nhu cầu trao đổi thông tin của con người và các loại hình dịch

vụ băng rộng như internet tốc độ cao, FTTX (Fiber To The Home /Building/Premises /Office /Curb/Node), IDTV (Integrated Digital Television) thì dunglượng và tốc độ của các hệ thống quang đơn mode không thể đáp ứng được, mặtkhác, sợi quang đơn mode chỉ truyền được một mode tín hiệu nên không tậndụng được băng thông lớn của sợi quang, mà muốn nâng cao dung lượng của hệthống thì lại phải sử dụng thêm sợi quang nên người ta lại nghĩ đến phương thứccải thiện nhược điểm của hệ thống quang đơn mode Kết quả là hệ thống quangnhiều kênh ra đời, tiêu biểu là hệ thống quang ghép kênh theo bước sóng WDM(Wavelength Division Multiplexing)

Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng ra đời đã làm tăng đáng

kể dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống, đặc biệt là khi sử dụng cáccông nghệ làm giảm các yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ thống truyền dẫn quangnhư suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến; các công nghệ khuếch đại quangEDFA, chuyển mạch gói quang

Các công nghệ khác như ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM(Optical Time Division Multiplexing), truyền dẫn Soliton thì dung lượng đượcđáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp nên giá thành của hệ thống lại trở thànhvấn đề đáng quan tâm, vì vậy, hệ thống WDM đã được nghiên cứu và ứng dụngrộng rãi trong các hệ thống thông tin quang hiện nay Ngoài ra, người ta còn cảitiến công nghệ WDM bằng các công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao

Mạng tuyến quang cấu hình kiểu lưới

Mạng tuyến quang đa tầng

Định tuyến quang Sự phát triển của công nghệ

dịch vụ cáp quang FTTX như VNPT, Viettel hay EVNtelecom Hiện nay, cuộc

cách mạng quang đang được quan tâm trong tầng truyền tải của mạng viễnthông Xu hướng phát triển của mạng quang được minh họa trong Hình 1.4

Hình 1.4 : Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang.

Như vậy, hệ thống thông tin quang đã phát triển không ngừng từ việc táchghép cố định tuyến quang đến chuyển mạch tuyến quang và đang tiến tới các hệthống thông tin quang sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói quang Ở nước ta,thông tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng Các tuyến cápquang được hình thành đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội-Thành Phố HồChí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong hệ thống thông tin toàn quốc Trongtương lai, mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp Tuyến cáp quang sẽ

được đưa đến các tỉnh thành trong cả nước thông qua các nhà mạng cung cấpdịch vụ viễn thông Một số nhà cung cấp dịch vụ đã triển

Với sự phát triển mạnh của các công nghệ thiết bị quang như thiết bị chuyểnmạch quang và chuyển đổi bước sóng thì hệ thống thông tin quang sẽ tiến tớimạng toàn quang chắc chắn sẽ không còn xa

CHƯƠNG II:

TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG QUANG COHERENT

2.1 Tiến trình phát triển công nghệ truyền tải quang:

Với khởi đầu là sự phát triển thành công công nghệ laser và được tiếp nối bằngnhững tiến bộ trong công nghệ vật liệu và xử lý quang học, truyền tải quangtrong mạng viễn thông đã sớm trở thành hiện thực từ những năm 1980 Tronghơn ba mươi năm vừa qua, công nghệ truyền tải quang đã được phát triển nhanhchóng, dung lượng truyền tải tăng lên hơn 10 ngàn lần Quá trình phát triển củacông nghệ truyền tải quang được chia thành ba thời kỳ (thế hệ) tương ứng với ba

xu hướng tiến bộ công nghệ chính bao gồm:

- Thế hệ thứ nhất - Công nghệ ghép kênh theo thời gian TDM: được dựa trên

kỹ thuật ghép kênh trong miền điện

- Thế hệ thứ hai - Công nghệ khuếch đại quang kết hợp với công nghệ ghépkênh theo bước sóng quang WDM: đang được ứng dụng rộng khắp trong cácmạng truyền tải

- Thế hệ thứ ba - Công nghệ coherent số: là công nghệ hiện mới trong quátrình nghiên cứu phát triển

Thế hệ truyền dẫn quang thứ nhất bắt đầu từ năm 1980 đến những năm đầu củathập kỷ 90 Trong giai đoạn này, ghép kênh theo thời gian TDM là công nghệtruyền tải chính trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang Các hệ thống này, cácthiết bị điện và quang tốc độ cao cũng như các bộ khuếch đại quang là chìa khóa

để hiện thực các hệ thống truyền dẫn quang đường trục tốc độ cao Các hệ thốngnày thực hiện ghép kênh TDM lên một bước sóng quang và có khả năng hỗ trợtruyền tải với dung lượng 10 Gbps

Từ cuối những năm 1990 đến nay, những tiến bộ vượt bậc trong công nghệtruyền dẫn quang như công nghệ laser, công nghệ khuyếch đại quang và đặc biệt

là công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM đã góp phần tạo ra sự đột phátrong quá trình phát triển dung lượng của hệ thống truyền tải quang Tương tựvới kỹ thuật ghép kênh theo tần số trong miền tín hiệu điện, nguyên lý cơ bảncủa công nghệ WDM là thực hiện truyền đồng thời các tín hiệu quang thuộcnhiều bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang Do đó, công nghệ WDMcho phép xây dựng những hệ thống truyền tải thông tin quang có dung lượng lớnhơn nhiều so với hệ thống thông tin quang đơn bước sóng Không những thế,công nghệ WDM hiện nay còn có khả năng cho phép mỗi sợi quang mang đồngthời hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn bước sóng (sử dụng DWDM hay ultra-DWDM) và mỗi bước sóng lại có thể truyền dẫn với tốc độ rất cao Hệ thốngtruyền dẫn WDM mới nhất với 40 bước sóng ở tốc độ 40 Gbps/bước sóng đã bắtđầu được triển khai trong một số mạng lõi, và dung lượng truyền dẫn tổng đạtđến 1.6 Tbps Công nghệ truyền dẫn WDM hiện đang là và trong tương lai gầnvẫn sẽ là công nghệ truyền dẫn nền tảng cho mạng toàn quang

Hình 2.1: Sự phát triển tốc độ và dung lượng của các công nghệ truyền tải

quang

Tuy nhiên, để bắt kịp với sự phát triển nhanh chóng của lưu lượng truyền tảitrong tương lai, các công nghệ mới hỗ trợ các hệ thống truyền tải quang 10 Tbit/

s dựa trên tốc độ 100 Gbps/kênh đang được hướng đến Một trong các côngnghệ ứng cử viên hấp dẫn cho các hệ thống WDM tốc độ truyền dẫn nối tiếp 100Gbps là truyền dẫn coherent số quang trong đó kết hợp tách quang coherent và

xử lý tín hiệu số quang

2.2 Giới thiệu hệ thống Coherent:

Để tăng độ nhạy của bộ thu quang chúng ta có thể sử dụng kỹ thuật tách quang coherent Đối với tách sóng trực tiếp DD (Direct Detector), tín hiệu quangđược chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu điện đã được giải điều chế Còn tách sóng coherent, trước tiến bộ thu quang sẽ cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang được tạo ra tại chỗ, sau đó tách tín hiệu quang tổng này thành tín hiệu điện Như vậy, dòng điện kết quả này là sự dịch tần từ miền quang sang miền vôtuyến, và chúng ta có thể áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và giải điều chế tín hiệu điện lên tín hiệu này Bộ thu coherent lý tưởng hoạt động trong vùng bước sóng 1,3µm đến 1,6µm cần năng lượng của tín hiệu chỉ từ 10 đến 20 photon/bit cũng có thể đạt BER = 10-9 Như vậy tách sóng coherent cho ưu điểm lớn nhất trong hệ thống tốc độ cao hoạt động trong vùng bước sóng dài

* Ưu điểm:

- Độ nhạy của bộ thu quang coherent hơn bộ thu tách sóng trực tiếp từ 10dB đến 20dB

- Tăng khoảng cách trạm lặp cho hệ thống trên đất liền và dưới biển

- Tăng tốc độ truyền dẫn mà không cần giảm khoảng cách trạm lặp

- Tăng quỹ công suất để bù các suy hao tại coupler và các thiết bị ghép tách bước sóng

- Cải thiện độ nhạy cho thiết bị đo quang như máy OTDR

* Nhược điểm:

- Tỉ số tín hiệu trên nhiễu nhận được tại đầu ra bộ tách sóng thấp

- Độ nhạy của máy thu không cao làm khoảng cách truyền dẫn bị hạn chế

- Do đặc điểm thu tín hiệu theo nguyên lý tách sóng trực tiếp (không qua đổi tần) nên tự máy thu không thể lựa chọn các kênh quang tùy ý trong môi trường

đa kênh mà phải kết hợp thêm bộ lọc quang, việc này hạn chế khả năng sử dụng chúng trong các mạng truyền dẫn và phân phối đa kênh quang đến trực tiếp các thuê bao trong tương lai

2.3 Các kỹ thuật điều chế quang coherent

2.3.1 Kỹ thuật điều chế ASK

Điều chế khóa dịch biên độ ASK (Ampitude Shift Keying): Sóng điều biênđược tạo ra bằng cách thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ băng gốc tínhiệu

Phương pháp này với các bít 0 và 1 làm thay đổi biên độ của tín hiệu sóngmang, trong đó tốc độ truyền tín hiệu ASK bị giới hạn bởi đặc tính của môitrường

Giả sử điện trường của tín hiệu quang có dạng như sau:

E s (t )= A s (t ) cos ⁡[ w0t+Φ s (t )] (1.1)

Khi điều chế ASK, pha và tần số được giữ nguyên, chỉ có thành phần biên độthay đổi, A s (t )=1 đối với bít 1, A s (t )=0 đối với bít 0 Dạng sóng của tín hiệu ASKđược biểu diễn trong hình sau:

Hình 2.2: Dạng sóng tín hiệu ASK

Khác với các hệ thống quang sử dụng kỹ thuật IMDD, hệ thống quang sửdụng kỹ thuật coherent luồng bít quang của hệ thống được tạo thành bằng cách

sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài thay vì được điều chế trực tiếp bằng laser bándẫn hoặc led Sự khác biệt này là do trong hệ thống coherent, đáp ứng bộ táchsóng quang phụ thuộc vào pha của tín hiệu thu được trong kho đó hệ thốngIMDD thì không có sự thay đổi không mong muốn đó Để giữ pha Φ s khôngthay đổi thì hệ thống coherent cần sử dụng laser bán dẫn hoạt động liên tục tạimột dòng cố định và dùng bộ điều chế ngoại March-Zender

2.3.2 kỹ thuật điều chế PSK

Điều chế dịch pha PSK (Phase Shift Key) là một dạng điều chế thường thấytrong hệ thống thông tin quang coherent Trong điều chế PSK, chuỗi bít quangđược tạo thành bằng cách điều chế Φ s, biên độ As và tần số w0 được giữ nguyên.Tín hiệu điều chế PSK nhị phân được biểu diễn như sau:

E s (t )= A s (t ) cos ⁡[ w0t+b (t ) π ] (1.2)

Với b(t)=1 đối với bít 0 và b(t)=0 đối với bít 1 tương ứng các trường hợp phacủa tín hiệu bằng π và 0 Dạng sóng của tín hiệu PSK được thể hiện trong hìnhsau:

Hình 2.3: Tín hiệu điều chế PSK

Đối với tín hiệu điều chế PSK, pha của sóng mang quang cần được dữ cố định

để thông tin được mang trên đó được lấy ra một cách chính xác tại máy thu Để

đạt một tiêu chuẩn nghiêm ngặt điều chế DPSK là dạng điều chế mà thông tinđược mã hóa theo sự chênh lệch và pha giữa hai bít kế cận chẳng hạn, nếu 𝛷k,

𝛷k-1 biểu diễn pha của bít thứ k và k-1 thì độ lệch pha ∆ Φ=Φ k−Φ k−1 sẽ thay đổi

là π hoặc 0 phụ thuộc vào bít thứ k là 0 hoặc 1 Ưu điểm của DPSK là tín hiệuphát đi có thể được giải điều chế thành công cho đến khi pha của sóng mang duytrì ổn định trong khoảng thời gian hai bít

2.3.3 Kỹ thuật điều chế FSK

Điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying) là kỹ thuật điều chế màthông tin được mã hóa bằng cách dịch tần số sóng mang Với tín hiệu nhị phân,tần số góc ω 0 và ω 0+∆ ω và ω0−∆ ω phụ thuộc vào bít truyền đi là 1 hay 0 Độdịch tần số ∆ ω 2 π được gọi là độ lệch tần số Như vậy độ dịch tần số giữa bít 0 và

1 là 2∆ f Tín hiệu điều chế FSK được biểu diễ như sau:

Hình 2.4: Tín hiệu điều chế FSK

2.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống Coherent

Hình 2.5 mô tả cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang coherent Sơ đồnày cho thấy sự khác biệt chính giữa nó với hệ thống IMDD là phần tách sóng

sử dụng bộ dao động nội

Hình 2.5 Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang coherent

 DE (Drive Electronic): khối này thực hiện khuếch đại tín hiệu ngõ vào

nhằm tạo tín hiệu có mức phù hợp với các khối phía sau

 CWL (Continous Wave Laser): đây là bộ dao động quang sử dụng laser

 LLO (Laser Local Oscillator): đây là bộ dao động nội tại bộ thu sử dụng

nhau thì bộ thu hoạt động ở chế độ Heterodyne, và phổ của tín hiệu điện ở ngõ

ra của khối DEC là dạng trung tần IF

 LOC (Local Oscillator Control): khối này nhằm điều khiển pha và tần số

của tín hiệu dao động nội ổn định

 AMP (Amplifier): khối này khuếch đại tín hiệu điện sau khi tách sóng

quang

 DEMOD (DeModulator): khối này chỉ cần thiết khi bộ thu hoạt động ở

chế độ heterodyne

2.5 Máy thu quang Coherent

2.5.1 Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang coherent:

Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang sử dụng tách sóng Hererodyne vàHomodyne được minh họa ở hình 2.6 Đối với tách sóng Heterodyne, tín hiệutổng giữa tín hiệu vào và tín hiệu dao động nội đi qua bộ tách sóng quang (PINhoặc APD) sẽ tạo ra tín hiệu trung tần IF Tín hiệu IF sau đó được giải điều chếthành tín hiệu dải nền bằng cách sử dụng kỹ thuật tách sóng đồng bộsynchronious hoặc không đồng bộ nonsynchronious Băng thông cần thiết của

bộ thu quang Heterodyne lớn hơn nhiều lần so với bộ tách sóng trực tiếp ở tốc

độ truyền xác định trước Ngoài ra chất lượng của bộ Heterodyne sẽ giảm khitần số của tín hiệu trung tần dao động, cho nên cần bộ điều khiển tần số tự độngAFC để ổn định tần số này thông qua lấy tín hiệu hồi tiếp từ cửa ngõ ra của bộgiải điều chế để điều khiển dòng kích của laser dao động nội

Trong trường hợp tách song Homodyne, pha của tín hiệu dao động nội đượckhóa với tín hiệu vào nên phải sử dụng tách sóng đồng bộ Hơn nữa, kết quả củaquá trình cộng 2 tín hiệu và đưa đến bộ tách sóng quang tạo ra tín hiệu dải nềnnên không cần bộ giải điều chế Vòng hồi tiếp AFC có chức năng ổn định tần sốgiữa 2 tín hiệu

Hình 2.6: Cấu hình bộ thu quang coherent cơ bản

2.5.2 Các nguyên lý tách sóng

Mô hình bộ thu coherent ASK đơn giản được minh họa hình 2.7:

Hình 2.7: Mô hình bộ tách quang cơ bản

Trong đó:

Es=Es cos(ωst + Φs)(2.1)Đặc trưng cho trường tín hiệu vào có biên độ nhỏ Es pha Φs và tần số góc ωs Và

EL=EL cos(ωLt + ΦL) (2.2)Đặc trưng cho trường tín hiệu của bộ dao động nội có biên độ nhỏ EL pha ΦL vàtần số góc ωL

Giả sử cả hai trường điện từ này được tạo ra từ laser bán dẫn có độ lệchpha là Φ=Φs – ΦL Tổng quát Φ=Φ(t) thể hiện mối quan hệ pha giữa 2 trườngchứa thông tin truyền trong trường hợp FSK hay PSK Nếu Φ(t) là một hằng sốthì lúc này thông tin truyền chứa trong Es đối với ASK

Đối với tách sóng Heterodyne, tần số của tín hiệu dao động nội ωL chênhlệch với tần số của tín hiệu vào ωs một khoảng ωIF tức là:

ωs = ωL + ωIF (2.3)

ωIF được gọi là tấn số góc của tín hiệu trung tần TÍn hiệu IF có tần sốthường nằm trong vùng có vô tuyến và có giá trị từ vài chục MHz đến hàng trămMHz Ngược lại, với tách sóng Homodyne không có sự chênh lệch giữa ωs và ωL

tức là ωIF=0 Trong trường hợp này, tín hiệu khôi phục được là tín hiệu dải nền

Trong hai trường hợp tách sóng Heterodyne và Homodyne, bộ tách sóngquang photodiode tạo ra tín hiệu có giá trị dòng là Ip gọi là dòng photon Ip Dòng

Ip này tỉ lệ với cường độ ánh sáng theo quy luật bình phương cường độ trườngtới photodiode:

Ip~ (es + eL)2 (2.4)Thế biểu thức (2.1) và (2.2) vào biểu thức (2.4) :

Ip~ [Es=Es cos(ωst + Φs) + EL=EL cos(ωLt + ΦL)]2 (2.5)Triển khai về phải của biểu thức (2.6), loại bỏ các thành phần tần số caonhư 2ωs và 2ωL cuối cùng ta có :

Ip~ 12E s2

+ 1

2E L

2 + EsEL cos(ωst -ωLt + Φ) (2.6)Nếu biểu diễn theo công suất quang, công suất quang tỉ lệ với bìnhphương cường độ trường, ta có:

Ip~ Ps +PL + 2√P s P Lcos(ωst -ωLt + Φ) (2.7)Với Ps là công suất ánh sáng của tín hiệu vào và PL là công suất ánh sángcủa tín hiệu dao động nội

Nếu tín hiệu quang tới photodiode có công suất P0 thì dòng photon Ip được

ra sẽ bằng

Ip = ηee hf P0 (2.8)Trong đó η là hiệu suất lượng tử của photodiode, e là diện tích của điện tử,

h là hằng số Planck, và f là tấn số ánh sáng; P0 là công suất tới photodiode Do

đó ta có

Ip = ηee hf[Ps +PL + 2√P s P Lcos(ωst -ωLt + Φ) ] (2.9)Khi tín hiệu dao động nội lớn hơn tín hiệu vào thì thành phần AC trongbiểu thức 2.9 là quan trọng hơn cả, vì tín hiệu cần khôi phục tập trung nănglượng ở đây Như vậy chúng ta không quan tâm thành phần DC Và ta thay IP

thành IS với:

IS = 2ηee hf √P s P Lcos(ωst -ωLt + Φ) (2.10)

Với tách sóng Heterodyne ωS ≠ ωL và thế ωIF = ωS – ωL vào 2.10

IS = 2ηee hf √P s P Lcos(ωIFt + Φ) (2.11)Như vậy ở ngõ ra của bộ tách sóng quang tín hiệu Is là tín hiệu trung tần có tần

số ωIF Tần số IF này được ổn định nhờ vòng điều khiển tần số cho laser daođộng nội Thành phần DC của dòng Is được lọc trước khi qua bộ giải điều chếtrung tần này

Đối với tách sóng Homodyne, ωS=ωL nên phương trình 2.10 trở thành:

IS = 2ηee hf √P s P L cos(Φ) (2.12) Hay

IS =2R√P s P Lcos(ωIFt + Φ) (2.13)với R= 2ηee hf là đáp ứng của photodiode

Từ phương trình 2.11 và 2.12 chúng ta thấy rằng dòng điện tín hiệu IS tỉ lệvới √P s chứ không tỉ lệ với PS như trong tách sóng trực tiếp Hơn nữa dòngphoton này còn được khuếch đại với hệ số √P L, hệ số độ lợi này phụ thuộc vàocường độ trường của bộ dao động nội Với hệ số khuếch đại tạo ra từ bộ daođộng nội làm tăng mức tín hiệu thu được mà không cần tiền khuếch đại, do đókhông bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhiệt hay nhiễu dòng tối của photodiode Đó là lý

do tại sao tách sóng coherent cho độ nhạy của bộ thu cao hơn so với tách sóngtrực tiếp

2.6 Một số tham số đánh giá hệ thống Coherent:

2.6.1 Nhiễu:

a) Nhiễu pha:

Nhiễu pha là một trong những yếu tố quan trọng làm giảm độ nhạy máythu trong hệ thống thông tin quang, thường liên quan đến bộ phát quang và bộdao động nội Từ biểu thức:

I (t )=I1(t )−I2(t )=2 R√P s P Lcos{ω IF (t )+ Φ s (t )−Φ L(t)} (2.14)

ta thấy sự thay đổi về pha giữa tín hiệu tới và tín hiệu của bộ dao động nội sẽdẫn đến sự thay đổi về dòng ở ngõ ra, phản ánh bản chất kết hợp của tách sóngcoherent, từ đó làm giảm hệ số SNR Do đó, cả pha của tín hiệu tới và bộ daođộng nội cần phải được giữ ổn định để tránh suy giảm độ nhạy Do đó, các hệthống quang coherent cần phải sử dụng các laser bán dẫn đơn mode có độ rộngphổ hẹp và bước sóng có thể điều chỉnh được để phối hợp tần số sóng mang ωs

với tần số bộ dao động nội ωLO sao cho tạo ra tín hiệu trung tần IF có tần sốđúng yêu cầu

b) Nhiễu cường độ:

Nhiễu cường độ thường không được xét tới trong tách sóng trực tiếpnhưng đối với trường hợp máy thu coherent, nó là một trong những nguyên nhânlàm giảm độ nhạy máy thu

Tất cả công suất của tín hiệu tới và của bộ dao động nội được sử dụngmột cách có hiệu quả tất cả các bộ thu cân bằng đều sử dụng toàn bộ công suấtcủa tín hiệu và tránh được sự mất mát này Đồng thời bộ thu cân bằng cũng sửdụng hết công suất của bộ dao động nội nên dễ dàng cho hệ thống hoạt độngtrong giới hạn của nhiễu lượng tử

Việc sử dụng bộ thu cân bằng với hai bộ tách sóng quang được coi là mộtgiải pháp làm giảm nhiễu cường độ Sơ đồ bộ thu cân bằng:

Hình 2.8: Sơ đồ bộ thu cân bằng

Coupler 2x2 là loại ghép 2dB, nó trộn tín hiệu tới với tín hiệu của bộ daođộng nội Ngõ ra của bộ coupler được rẽ nhánh tới hai bộ tách sóng khác nhau,tạo hai dòng Ip(+) và Ip(-) trên hai nhánh tương ứng: