PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT của RADIO OVER FIBER BẰNG VIỆC sử DỤNG bộ điều CHẾ MACH ZEHNDER

Hệthống thông tin quang bao gồm một đầu phát được sử dụng để mã hóa thông tinthành tín hiệu ánh sáng thông qua kênh truyền để truyền tín hiệu đến đích, ở đích cómột đầu thu dùng để tái t

PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CỦA RADIO OVER FIBER BẰNG VIỆC SỬ DỤNG

BỘ ĐIỀU CHẾ MACH ZEHNDER

ASK Amplitude Shift Keying

EAM Electro Absorption Modulator

EOM Electro Optic Modulator

GSM Global System for Mobile communications

IMDD Intensity Modulation with Direct Detection

LED Light Emitting Diode

LiNbO3 Lithium Niobate

MAN Metropolitan Area Network

MZI Mach Zehnder Interferometer

OTDM Optical Time Division Multiplexing

PIN Personal Identification Number

PON Passive Optical Network

RAUs Radio Access Unit / Remote Antenna Unit

RIN Relative Intensity Noise

SCM Sub-Carrier Multiplexing

SDH Synchronous Digital Hierarchy

SONET Synchronous Optical Networking

SNR Signal to Noise Ratio

TDM Time Division Multiplexing

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG

1.1 Giới thiệu

Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu thông tin liên lạc của conngười là điều thiết yếu Bên cạnh đó là sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đã tạo ranhiều loại dịch vụ viễn thông như: thoại, truyền hình, trò chơi trực tuyến… Để cóđược các thành tựu phát triển to lớn đó phải kể đến sự ra đời của cáp sợi quang và

kỹ thuật thông tin trên sợi quang

Thông tin quang là một phương thức dùng ánh sáng để truyền dẫn thông tin Hệthống thông tin quang bao gồm một đầu phát được sử dụng để mã hóa thông tinthành tín hiệu ánh sáng thông qua kênh truyền để truyền tín hiệu đến đích, ở đích cómột đầu thu dùng để tái tạo lại thông tin từ tín hiệu ánh sáng nhận được Kênhtruyền được nói đến ở đây là cáp sợi quang là môi trường mang thông tin từ mộtđiểm đến một điểm khác dưới dạng ánh sáng

Hình 1-1: Hệ thống thông tin quang cơ bản [8]

Hình 1-1 biểu thị một hệ thống thông tin quang cơ bản Dữ liệu đầu vào là các tínhiệu số được gửi tới bộ biến đổi ngõ vào, ở đây tín hiệu được chuyển đổi từ tín hiệuđiện thành tín hiệu quang, nhờ vào bộ phát mà tín hiệu được truyền vào môi trườngtruyền tin là cáp sợi quang sau đó tín hiệu được gửi tới đầu thu và ở bộ biến đổi ngõ

Tín hiệu điện ngõ ra Bộ thu quang (O/E)

Tín hiệu điện

ngõ vào quang (E/O)Bộ phát Cáp sợi quang

ra từ tín hiệu quang chuyển đổi thành tín hiệu điện và được khôi phục lại giống vớitín hiệu ban đầu

Cấu trúc đơn giản của một hệ thống thông tin quang có thể mô tả đơn giản gồm:

- Bộ phát quang E/O: có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệuquang sau đó phát vào sợi quang Khối E/O này thường được gọi là nguồnquang Linh kiện điện tử được sử dụng làm nguồn quang hiện nay là LED vàLASER

- Bộ thu quang O/E: có công dụng chuyển đổi tín hiệu quang thu được thànhtín hiệu điện gốc giống với tín hiệu ở bộ phát Hiện nay, các linh kiện điện tửthường được sử dụng để làm chức năng thu này là PIN và APD và chúngthường được gọi là linh kiện tách sóng quang

- Môi trường truyền tin ở đây là cáp sợi quang

Hình 1-2: Cấu trúc đơn giản của hệ thống thông tin quang

Để thực hiện truyền dẫn giữa 2 điểm, cần phải có 2 sợi quang Hình 1-2 mô tả cấutrúc đơn giản của hệ thống thông tin quang đơn hướng

Nếu cự ly truyền thông tin quá dài thì trên tuyến có thể lắp thêm một hoặc nhiều các

bộ lặp tín hiệu Cấu trúc đơn giản của một bộ lặp tín hiệu được minh họa ở hình 1-3

Hình 1-3: Cấu trúc đơn giản của bộ lặp tín hiệu đơn hướng [1]

Trạm lặp: công suất của tín hiệu quang bị yếu dần khi truyền trên sợi quang cũngbởi vì có suy hao trên sợi quang Nếu khoảng cách truyền thông tin đi quá dài thì tínhiệu quang có thể không đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất rất thấp

và đầu thu không thể nhận dạng được tín hiệu, thì lúc đó ta phải sử dụng các trạmlặp ở trên đường truyền Chức năng chính của trạm lặp là thu nhận tín hiệu quang

đã bị suy giảm, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện Sau đó sửa dạng tín hiệuđiện, tín hiệu điện này được khuếch đại, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu quang Vàcuối cùng đưa tín hiệu quang này lên đường truyền để truyền tới đầu thu Như vậytín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra của trạm lặp đều là tín hiệu quang và trong trạm lặp có

cả khối chuyển đổi quang thành điện và điện thành quang

Các cửa sổ truyền dẫn: Truyền dẫn trong sợi quang sử dụng các bước sóng có phổđiện từ gần vùng hồng ngoại, phía trên vùng ánh sáng nhìn thấy và không thể nhìnthấy được bằng mắt Các bước sóng được sử dụng trong truyền dẫn quang điển hình

là 850 nm, 1310 nm, 1550 nm và 1625 nm Laser thường được dùng cho các bướcsóng 1310 nm hoặc 1550 nm trong ứng dụng sợi quang đơn mode LED được dùngcho bước sóng 850 nm hoặc 1310 nm trong ứng dụng sợi quang đa mode Dải củacác bước sóng được hiểu là một cửa sổ làm việc mà ở đó nó làm việc tốt nhất Mỗicửa sổ là vị trí trung tâm khi bước sóng hoạt động bình thường

1.2 Bộ phát quang

Bộ phát quang có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang và đưatín hiệu quang vào sợi quang để truyền dẫn Sơ đồ khối tổng quát của một bộ phátquang gồm có một nguồn quang, một bộ điều chế và một bộ ghép nối với sợi quang

Hình 1-4: Sơ đồ khối bộ thu quang

Các nguồn laser bán dẫn (LD) hoặc diode phát quang (LED) được dùng như nhữngnguồn quang Tín hiệu quang được tạo ra bằng việc điều biến sóng mang quang Cóhai phương thức điều biến: điều biến trực tiếp và điều biến ngoài Ở phương thứcđiều biến trực tiếp tín hiệu điện được đưa vào để biến đổi dòng bơm trực tiếp nguồnquang thông qua mạch kích thích mà không cần sử dụng bộ điều biến ngoài.Phương thức điều chế ngoài thường hay sử dụng cho hệ thống tốc độ cao Ở đâynguồn quang thường sử dụng là laser diode phát ra ánh sáng liên tục, còn tín hiệuđiện điều biến sóng mang quang thông qua bộ điều biến ngoài

Có 2 loại nguồn phát ánh sáng chính được sử dụng cho sợi quang: LD và LED Mỗiloại sẽ có những ưu điểm và nhược điểm của riêng nó được liệt kê trong bảng sau:

Bảng 1-1: Bảng so sánh LED và Laser [3]

LED thường được dùng ở các bước sóng 850 nm và 1310 nm, trong khi laser đượcdùng chủ yếu ở bước sóng 1310 nm và 1550 nm

LED: thường được dùng trong các hệ thống có tốc độ dữ liệu thấp hơn, hệ thống sợi

đa mode khoảng cách ngắn hơn bởi vì giới hạn băng thông vốn có của nó và côngsuất đầu ra thấp hơn Được dùng nhiều trong các ứng dụng có tốc độ dữ liệu cỡhàng trăm MHz trái ngược với tốc độ dữ liệu của laser là GHz

LD (Laser diode): được dùng trong các ứng dụng có khoảng cách truyền dài hơn vàtốc độ dữ liệu cao hơn Bởi vì LD có công suất đầu ra lớn hơn LED, nó có khả năngtruyền thông tin trên cự ly xa Do đó, thực tế LD có độ rộng phổ hẹp hơn, nó có thểđáp ứng truyền đạt băng thông cáp quang trên khoảng cách dài Truyền dẫn tốc độcao sử dụng LD mang lại hiệu quả hơn nhiều hơn những nhược điểm đồng thời chiphí cũng đắt theo.

1.3 Sợi quang

Cấu tạo cơ bản của sợi quang:

Hình 1-5: Cấu trúc cơ bản của sợi quang [1]

Sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có 2 lớp như sau:

- Lớp trong cùng là lõi có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằngthủy tinh có chiết suất n1 được gọi là lõi sợi (core)

- Lớp thứ bên ngoài cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp

vỏ bọc (cladding) có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc nhựaplastic, có chiết suất n2 < n1

Ánh sáng truyền từ đầu bên này đến đầu bên kia của sợi quang bằng cách phản xạtoàn phần tại mặt ngăn cách giữa lõi và lớp vỏ bọc, và được định hướng trong lõi

Hình 1-6: Cơ chế ánh sáng lan truyền trong sợi quang [1]

Vai trò của một kênh thông tin là để truyền tải tín hiệu quang từ bộ phát tới bộ thu

mà tránh làm méo dạng tín hiệu Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử dụng sợiquang như là kênh thông tin vì các sợi quang thủy tinh có thể truyền dẫn ánh sáng

quang khi truyền dẫn nhất là trong trường hợp các sợi đa mode do mức độ dãn xung

cỡ xấp xỉ 10 ns/km Do vậy hầu hết các hệ thống thông tin quang ngày nay sử dụngsợi đơn mode có mức độ dãn xung nhỏ hơn nhiều (< 0,1 ns/km)

Có 3 loại cáp sợi quang cơ bản được sử dụng trong hệ thống thông tin quang:

- Sợi đa mode chiết suất bậc: có chiết suất khúc xạ biến đổi từ thấp đến cao rồixuống thấp khi được tính từ lớp vỏ tới lõi quay ngược lại vỏ Thuật ngữ “đamode” được dùng ý nói là có nhiều mode làm việc trong sợi quang Sợi đamode chiết suất bậc được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ bit thấp

và băng rộng (< 1GHz) trong khoảng cách ngắn (<3 km) như mạng nội bộ(LAN) hoặc mạng đường trục cỡ nhỏ

- Sợi đơn mode chiết suất bậc cho phép chỉ một đường, hoặc cho 1 mode ánhsáng đi qua sợi quang Các sợi đơn mode được dùng trong các ứng dụng màtrong đó yêu cầu suy hao tín hiệu thấp và tốc độ dữ liệu cao Vì sợi đơnmode cho phép chỉ một mode hay tia sáng để truyền nên thường dùng trongcác tuyến đường dài mà ở đó khoảng cách lặp hay là khuếch đại đạt tối đa.Hạn chế chính của sợi đơn mode là tương đối khó khăn để làm việc vì kíchthước lõi của nó nhỏ Chỉ dùng nguồn phát lazer là chủ yếu

- Sợi chiết suất giảm dần có băng rộng cao hơn của sợi đơn mode Với sự tạothành của lõi mà chiết suất khúc xạ giảm xuống theo hình parabol từ trungtâm lõi đến vỏ, ánh sáng truyền qua trung tâm của sợi có chỉ số chiết suất caohơn ánh sáng truyền trong các mode cao

1.4 Bộ thu quang

Bộ thu quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang thu được tại đầu ratuyến sợi quang thành tín hiệu điện Hình 1-11 cho thấy sơ đồ khối một bộ thuquang trong đó bao gồm một bộ ghép nối, một bộ tách sóng quang và một bộ giảiđiều chế Bộ ghép nối để tập trung tín hiệu quang thu được vào bộ tách sóng quang.Các diode thu quang bán dẫn được sử dụng như là các bộ tách sóng quang đểchuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Bộ giải điều chế phụ thuộc vào cácđịnh dạng điều biến được sử dụng mà có cấu trúc một cách cụ thể Các hệ thốngthông tin quang sợi hiện tại hầu hết sử dụng phương thức điều biến cường độ thu

trực tiếp (IM/DD) thì quá trình giải điều chế được thực hiện bởi mạch quyết định đểxác định các bit thông tin thu được là 1 hoặc 0 phụ thuộc vào biên độ tín hiệu điệnthu được

Hình 1-7: Sơ đồ khối bộ thu quang

Hiệu năng của một hệ thống thông tin quang được xác định qua tỉ số lỗi bit (BER)như là xác suất trung bình thu sai bit Hầu hết các hệ thống thông tin quang sợi xácđịnh BER cỡ 10-9 như là yêu cầu tối thiểu khi hoạt động, một số hệ thống thậm chícòn yêu cầu BER rất nhỏ chỉ cỡ 10-14

1.5 Ưu và nhược điểm của hệ thống thông tin quang

Ưu điểm:

- Suy hao thấp: Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài hơn Nếu sosánh cáp đồng thì khoảng cách lớn nhất mà cáp quang có thể truyền là gấp 20lần (100 m và 2000 m) Cáp đồng sẽ bị tăng suy hao khi tần số tín hiệu tăngnhưng cáp quang thì không

- Dải thông rộng: Sợi quang có băng thông rộng cho phép việc thiết lập hệthống truyền dẫn số tốc độ cao Hiện nay băng tần của sợi quang có thể lêntới hàng THz

- Trọng lượng nhẹ: trọng lượng cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng Điều nàygiúp cho cáp quang dễ lắp đặt hơn

- Kích thước nhỏ tạo điều kiện sử dụng trong không gian chật hẹp được tối ưuhơn

- Không bị nhiễu sóng điện từ

- Tính an toàn: Vì là chất điện môi nên không dẫn điện

- Tính bảo mật: Sợi quang rất khó trích tín hiệu Vì nó không bức xạ nănglượng điện từ và ở dạng tín hiệu quang nên rất khó trích lấy thông tin bằngcác phương tiện điện thông thường.

- Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết cácdạng thông tin như số liệu, thoại, video

- Vấn đề sửa chữa: Cần có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng vớicác thiết bị phù hợp

- Vấn đề an toàn lao động: Khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọkín để không bị đâm vào tay Đồng thời không được nhìn trực diện đầu sợiquang hoặc các khớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợichiếu trực tiếp vào mắt bởi vì ánh sáng trong sợi quang là ánh sáng hồngngoại không tốt cho mắt người bình thường

1.6 Yêu cầu của đề tài

Thông tin quang ngày một phát triển đòi hỏi công nghệ cũng ngày một tương xứngtheo Bởi thế mà công nghệ Radio over Fiber (quang vô tuyến) đã ra đời Đồ án tốtnghiệp này sẽ giúp ta hiểu thêm về công nghệ này thông qua việc sử dụng bộ điềuchế ngoài Mach Zehnder Nội dung đề tài tốt nghiệp như sau:

- Tìm hiểu tổng quan về Radio over Fiber và ứng dụng của nó

- Tìm hiểu tổng quan và ứng dụng của bộ lọc Mach Zehnder

- Ứng dụng bộ lọc Mach Zehnder vào công nghệ Radio over Fiber.

- Mô phỏng và phân tích các kết quả có được

1.7 Giải quyết vấn đề

Ta sẽ tìm hiểu về công nghệ quang vô tuyến này đồng thời nắm được nguyên lýhoạt động của nó khi dùng chung với bộ điều chế ngoài Mach Zehnder Sau đó, môphỏng hệ thống quang vô tuyến Radio over Fiber với hai kênh tần số trên nền tảng

là phần mềm OptiSystem Từ việc mô phỏng hệ thống quang vô tuyến bằng cáchnày ta sẽ thấy được ưu điểm mà kỹ thuật này mang lại

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG CỦA RADIO OVER FIBER

2.1 Giới thiệu chung

Radio over fiber được nói đến là một dạng công nghệ đã được nghiên cứu trongthập kỷ vừa qua và được tìm thấy nhiều ứng dụng của nó trong việc xử lý tín hiệuquang (chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, bộ lọc quang vi sóng, tạo dạngsóng tùy ý), hệ thống tạo sóng milimet hay liên kết chuyển đổi lên xuống cho cácứng dụng như mạng truy cập không dây băng thông rộng, xử lý hình ảnh quang phổthiên văn vô tuyến Trong các ứng dụng này thì tín hiệu vô tuyến điển hình xuấthiện trong dải băng sóng milimet được truyền qua sợi quang sử dụng các nguồnlaser và các thiết bị điện quang Việc sử dụng các liên kết sợi quang để phân phốicác tiêu chuẩn truyền thông là ứng dụng thành công của công nghệ RoF, thườngđược gọi là mạng vô tuyến sợi quang (HFR) Do nhu cầu sử dụng đường truyền caonên các mạng HFR đã phát triển và khai thác các dịch vụ như xem phim độ nét cao,chơi trò chơi trực tuyến, trải nghiệm internet

Công nghệ RoF cho phép tập trung các chức năng xử lý tín hiệu RF cần thiết vàomột vị trí dùng chung (gọi là Central Office, CO) và sau đó sử dụng sợi quang đểphân phối tín hiệu RF đến các đơn vị truy cập từ xa (RAU) Điều này giúp tiết kiệmchi phí quan trọng vì RAU có thể được đơn giản hóa đáng kể, vì chúng chỉ cần thựchiện các chức năng chuyển đổi, lọc và khuếch đại Có thể sử dụng các kỹ thuật ghépkênh bước sóng (WDM) để tăng công suất và thực hiện các tính năng mạng tiên tiếnnhư phân bổ tài nguyên động Sơ đồ RAU tập trung và đơn giản hóa này cho phépvận hành và bảo trì hệ thống với chi phí thấp hơn, được phản ánh vào tiết kiệmOPEX của hệ thống, đặc biệt là trong các hệ thống truyền thông không dây băngthông rộng, nơi cần mật độ RAU cao

Hình 2-8: Sơ đồ đơn giản hóa của một hệ thống RoF [10]

- Amp: Bộ khuếch đại điện

CO và RAU thực hiện chuyển đổi tín hiệu điện thành quang (E/O) và quang thànhđiện (O/E) tương ứng Chuyển đổi E/O đạt được bằng cách sử dụng nguồn laserđược điều chế trực tiếp hoặc dùng bộ điều biến quang điện ngoài Chuyển đổi O/Eđược thực hiện bằng cách sử dụng bộ tách sóng quang hoặc bộ cảm biến quang Vềtruyền tải RF, khi tín hiệu được truyền trực tiếp ở tần số hoạt động, có những lợi ích

về chi phí, độ phức tạp và khả năng nâng cấp, vì không cần xử lý tín hiệu RF phứctạp tại RAU bao gồm việc chuyển đổi lên, xuống hoặc hợp kênh, tách kênh ở cácbăng tần cơ sở

Các kỹ thuật RoF và hệ thống truyền dẫn hoàn chỉnh đã được chứng minh cho tần

số lên tới 120 GHz, ứng dụng thành công nhất của công nghệ RoF là truyền các tiêuchuẩn không dây qua các liên kết sợi quang trong các kiến trúc tập trung cho cả ứng

động đa dịch vụ độc lập tiêu chuẩn cho các hệ thống di động, chẳng hạn như GSM,UMTS, LAN không dây (WiFi 802.11 a/b/g/n) và cũng cho các công nghệ mới nổiWiMAX và Ultra-wideband (UWB) Hai yếu tố chính hạn chế hiệu suất truyền tổngthể trong các hệ thống RoF là nguồn quang và kỹ thuật điều chế quang Về nguồnlaser, các laser bán dẫn được điều chế trực tiếp thì được tin dùng hơn do chi phíthấp hơn Đối với các tần số cao hơn bộ phát sử dụng điều chế ngoài

2.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 2-9: Sơ đồ khối cơ bản của kỹ thuật RoF [7]

Trong đó:

- CW: Continuous wave laser (laser phát sóng liên tục)

- LO: Local Oscillator (dao động cục bộ)

- PD: Photodetector (máy phát quang)

- LNA: Low Noise Amplifier (bộ khuếch đại nhiễu thấp)

- BPF: Band Pass Filter (bộ lọc thông dải)

- HPA: High Power Amplifier (bộ khuếch đại công suất cao)

- DCA: Digital Communications Analyzer (máy phân tích truyền thông kỹthuật số)

Các chu kỳ dữ liệu điện được chuyển đổi sang miền quang bằng cách điều chếngoài trong MZM để tạo ra các chu kỳ dữ liệu quang Trong hình trên, các chu kỳ

dữ liệu điện được điều chế bằng OOK được tạo ra Các dao động tần số thấp nhânvới 2 được áp dụng cho MZM thứ hai tại điểm truyền tối thiểu để tạo tín hiệu haidải quang với sóng mang bị triệt tiêu (điều chế triệt tiêu sóng mang) Tín hiệu sóngmilimet được chuyển đổi xuống bằng cách phát hiện homodyne điện sử dụng tín

hiệu LO nhân với 4 và tiếp tục lọc thấp để xác minh hoạt động thích hợp, khôngtruyền dẫn không khí.

2.3 Ưu điểm của công nghệ quang vô tuyến

Suy hao thấp:

- Các tín hiệu được truyền trên sợi quang có suy hao thấp hơn các tín hiệuđược truyền trên các đường khác như cáp kim loại hay phương tiện khôngdây Bằng việc sử dụng sợi quang thì tín hiệu vô tuyến có thể truyền với mộtkhoảng cách xa hơn rất nhiều và giảm được việc sử dụng các bô lặp hay bộkhuếch đại bố sung

- Việc phân phối tín hiệu vi sóng điện tần số cao trong không gian tự do khá làrắc rối và tốn kém Trong không gian tự do thì suy hao là do sự hấp thụ và sựphản xạ tăng theo tần số Trên đường dây truyền tải thì trở kháng tăng khi tần

số tăng điều này làm cho việc suy hao khá lớn Do đó việc truyền các tín hiệu

vô tuyến tần số cao trên đường dài đòi hỏi sự tốn kém của thiết bị Với cácloại sóng có kích thước milimet thì việc truyền qua đường dây là không khảthi mặc dù truyền với khoảng cách khá ngắn Giải pháp để thay thế cho vấn

đề này là phân phối tín hiệu gốc và tín hiệu ở tàn số trung gian thấp (IF) từtrung tâm chuyển mạch đến trạm gốc (BS) Tín hiệu IF hay tín hiệu gốc đượcchuyển lên thành tần số vi sóng hay tần số sóng mm theo yêu cầu tại mỗitrạm gốc sau đó được khuếch đại và bức xạ Vì sợi quang ít suy hao, côngnghệ RoF có thể được sử dụng cho sự phân bố suy hao thấp của sóng mm vàđồng thời đơn giản hóa bộ RAUs Các sợi đơn mode chuẩn được làm từ thủytinh có tổn thất suy hao dưới 0,2 dB/km và 0,5 dB/km ở bước sóng 1550 và1300nm Sợi quang học Polymer, một loại sợi phổ biến có mức độ suy giảmcao từ 10 – 40 dB/km trong vùng từ 500 – 1300 nm Suy hao này thấp hơncáp đồng trục khá nhiều, do đó truyền sóng bằng dạng quang thì có thể tăngkhoảng cách và giảm công suất cần truyền đi đáng kể

Băng thông rộng:

- Sợi quang cung cấp băng thông lớn băng thông khi ghép lại của 3 bước sóng

850 nm, 1310 nm, 1550 nm là 50 THz nhưng ta chỉ sử dụng một lượng khá ítcủa băng thông đó là 1.6 THz Có thể mở rông băng thông bằng việc dùngcác sợi tán sắc thấp hay các kỹ thuật ghép kênh như OTDM và DWDM.Công nghệ RoF dùng ghép kênh con SCM để tăng băng thông quang học sửdụng Trong SCM một vài sóng con điều chế từ dữ liệu số hoặc tương tựđược kết hợp và sử dụng để điều chế tín hiệu quang sau đó được mang trênmột sợi đơn Điều này giúp hệ thống RoF có hiệu quả về chi phí

Miễn nhiễm với nhiễu tần số vô tuyến:

- Đây là đăc điểm đặc trưng của sợi quang đặc biệt là vi sóng Có được điềunày là do tín hiệu được truyền dưới dạng ánh sáng thông qua sợi quang Nhờ

sự miễn nhiễm này nên cáp quang được dùng ưu tiên cho các kết ngán ởbước sóng mm Đồng thời nó cũng cung cấp được sự riêng tư bảo mật caonhờ vào khả năng loại trừ việc nghe trộm

Dễ cài đặt và bảo trì:

- Trong hệ thống RoF các thiệt bị phức tạp và đắt tiền là đầu cuối, nên bộRAUs sẽ đơn giản hơn Các thiết bị điều chế và chuyển mạch được giữ ởthiết bị đầu cuối và được chia sẽ qua RAU Việc này làm cho RAU giảm chiphí lắp đặt và bảo trì hệ thống hiệu quả hơn Chi phí thấp và lắp đặt dễ dàng

là yếu tố quang trong với hệ thống bước sóng mm vì số lượng RAU thườngrất nhiều

Giảm điện năng tiêu thụ:

- RAU đơn giản nên việc tiêu thụ điện giảm Hầu hết thiết bị phức tạp nằm ởthiết bị đầu cuối, nên đôi khi RAU hoạt động ở chế độ thụ động

Vận hành đa truy cập và đa dịch vụ:

- RoF cung cấp tính linh hoạt của hệ thống, tùy thuộc vào từng kỹ thuật tạosóng mà dạng tín hiệu tạo ra cũng sẽ khác nhau (dùng sợi tán sắc thấp, điềuchế sóng con) Cùng một mạng RoF có thể phân phối đa dịch vụ và đa truycập, làm tiết kiệm kinh tế cao

Phân bố nguồn động:

- Trong hệ thống phân phối RoF thì lưu lượng GSM có thể phân bố đều ra phụthuộc vào nhu cầu tiêu dùng, hoàn cảnh, thời gian

2.4 Hạn chế của công nghệ RoF

Vì được điều chế từ tín hiệu tương tự và tách sóng ánh sáng Do đó các hạn chếkhông thể tránh trong hệ thông RoF nói riêng và thông tin tương tự nói chung đó lànhiễu và méo Những hạn chế này gây ảnh hưởng đến hệ số nhiễu (NF) và dải động(DR) trong các tuyến liên kết của RoF Nguồn nhiễu trong đường truyền sợi quangtương tự bao gồm tạp âm cường độ tương đối của tia laser (RIN), nhiễu pha laser,nhiễu bắn của bộ tách sóng quang, nhiễu nhiệt của bộ khuếch đại, tán sắc của sợi.Trong hệ thống RoF dùng sợi đơn mode, tán sắc màu giới hạn chiều dài tuyến vàđồng thời là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF Đối với hệ thống RoFdùng sợi đa mode, tán sắc mode gây giới hạn băng tần và khoảng cách tuyến truyềndẫn Hiện nay thì các hạn chế này vẫn đang tìm cách khắc phục để hệ thống RoFngày càng hoàn thiện hơn

2.5 Ứng dụng công nghệ RoF

Hình 2-10: Ứng dụng của RoF

Hệ thống phân phối video (VDSs): Băng thông lớn được cung cấp từ hệ thống RoF

là một yếu tố quan trọng cho VD Ví dụ điển hình là truyền hình cáp đã sử dụng các

kỹ thuật truyền thông Việc thay thế cáp đồng trục băng thông thấp bằng sợi quangcung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn cho số lượng người dùng nhiều hơn Băngthông cáp đồng trục không quá 1 GHz nhưng băng thông của sợi quang thì hơn giátrị này khá nhiều

Điều khiển vệ tinh: Việc điều khiển ăng ten từ xa đặt tại trạm vệ tinh mặt dất có thểđược thực hiện thông qua cáp quang CO/CS có thể được tập trung tại một điểm cụthể để phục vụ cho nhiều trạm mặt đất điều khiển từ xa Việc lựa chọn triển khai cápquang giữa CO/CS và trạm vệ tinh mặt đất là lựa chọn tốt nhất vì các trạm vệ tinhmặt đất yêu cầu băng thông cao để quản lý hiệu quả hoạt động của các vệ tinh Vàđồng thời nó tiết kiệm được số lượng CO/CS cần dùng

Mạng di động: Mạng di động ngày càng trở nên phổ biến và tất cả nhà cung cấpdịch vụ mạng di động đang triển khai nguồn lực của họ để đối phó với nhu cầu ngàycàng tăng Nói về công suất thì hệ thống RoF cho sự lựa chọn tốt nhất vì cáp quang

cung cấp dung lượng lớn cho đường truyền giữa CO/CS với BS Do đó việc tăngdung lượng là cần thiết để tăng băng thông cho các dịch vụ.

Truyền thông trong giao thông: Hệ thống RoF có thể kiểm soát lưu thông của xebằng cách triển khai số BS dọc tuyến đường Các BS này giao tiếp với các phươngtiện di chuyển trên đường thông qua tín hiệu vi sóng, trong khi đó thì các BS đượckết nối với CO/CS Do các phương tiện di chuyển nhanh cho nên tín hiệu tần số cao

là cần thiết để theo dõi các phương tiện ấy Do đó hệ thống RoF rất phù hợp với hệthống này

Mạng LAN không dây (WLAN): Hiện tại thì WLAN cung cấp dung lượng tối đa là

11 Mbps trên mỗi sóng mang Dung lượng thế hệ tiếp theo dự kiến sẽ là 54 Mbpsvới việc sử dụng sóng tần số cao Hệ thống RoF xuất hiện như là một giải pháp chovấn đề này vì cáp đồng không hiệu quả khi dùng tần số cao

Dịch vụ băng thông rộng cho di động: Sự phát triển nhanh của các dịch vụ băngthông rộng cho di động đòi hỏi băng thông phải lớn Ví dụ điển hình là các dịch vụ4G sử dụng tốc độ bit vào hàng MB Do đó hệ thống RoF là lựa chọn tốt nhất trongviệc giải quyết nhu cầu về độ lớn băng thông để hỗ trợ nhiều người dùng hơn.Không những thế, hệ thống RoF sẽ giúp cung cấp tín hiệu với chất lượng tốt hơn vìcác suy hao, phản xạ và các khuyết điểm khác được giảm đến mức tối thiểu

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG CỦA BỘ ĐIỀU CHẾ

MACH ZEHNDER

3.1 Giới thiệu chung

Trong các hệ thống thông tin quang sợi hiện nay, kỹ thuật điều biến cường độ (IM)vẫn là kỹ thuật sử dụng phổ biến mà ở đó công suất quang biến đổi theo dạng tínhiệu điều biến Kỹ thuật điều biến tín hiệu quang được thực hiện theo 2 cách là điềubiến trực tiếp và điều biến ngoài

Hình 3-11: Hai loại điều chế cơ bản

3.1.1 Điều chế trực tiếp

Điều biến trực tiếp được thực hiện bằng cách điều chế thông tin dữ liệu trực tiếp lêndòng bơm cho nguồn quang Có 2 kiểu tín hiệu điều chế là tín hiệu tương tự và tínhiệu số

Hình 3-12: Điều chế trực tiếp

Điều chế tín hiệu tượng tự, yêu cầu cơ bản là phải đảm bảo tín hiệu quang tạo rađúng như tín hiệu điều chế và không bị méo Với nguồn LED thì độ rộng băng tầnđiều biến thấp nên giới hạn tốc độ dữ liệu điều biến khi sử dụng LED thường chỉkhoảng 100 Mb/s Khi dùng nguồn LD thì có một vài vấn đề gặp phải là trễ bật, daođộng hồi phục và “chirp” tần lớn tốc độ điều biến của LD thưởng ở khoảng 2 Gb/strở xuống

Hình 3-13: Đặc tính ngõ vào và ngõ ra của điều chế trực tiếp [13]

3.1.2 Điều chế ngoài

Điều chế tín hiệu quang không thực hiện bên trong laser mà được thực hiện bởi mộtlinh kiện quang bên ngoài gọi là điều chế ngoài Trong điều chế ngoài cho thấy,

CW cung cấp cho bộ điều chế ngoài Tín hiệu điều biến được đặt vào bộ điều chếngoài để điều biến sóng mang quang.

Có hai kiểu bộ điều chế ngoài thường được sử dụng trong hệ thống thông tin quangsợi đó là bộ điều chế hấp thụ điện (EAM) và bộ điều chế điện quang (EOM) Kiểuđầu tiên dựa vào sự biến đổi hệ số hấp thụ của một vật liệu bán dẫn khi có một điệntrường ngoài đặt vào, còn kiểu thứ hai dựa vào sự thay đổi chiết suất của tinh thểđiện quang dưới tác động của điện trường ngoài

Hình 3-14: Điều chế ngoài

Như chúng ta đã biết, đối với các hệ thống truyền thông dưới 10 Gbit/s, việc biếnđiệu tín hiệu được thực hiện trực tiếp từ việc biến điệu dòng điện bơm của laser bándẫn Tuy nhiên, khi lưu lượng lên đến 10 Gbit/s hay hơn nữa, việc biến điệu trựctiếp này gây nhiều phiền toái, đặc biệt là hiện tượng “chirp”, làm cho tín hiệu bịbiến dạng sau khi được truyền đi xa (>100 km) trên các sợi quang tiêu chuẩn Do

đó, để đạt được sự điều biến ổn định ở các lưu lượng cao, chúng ta cần để laser hoạtđộng ở chế độ dòng điện không đổi và dùng các bộ điều biến ngoài (externalmodulator) Có hai loại điều chế ngoài đó là bộ điều chế Mach Zehnder và bộ điềuchế EA

Hình 3-15: Đặc tính ngõ vào và ngõ ra của điều chế ngoài [13]

3.1.3 Ưu và nhược điểm của hai bộ điều chế

Bảng 3-3: Ưu điểm và nhược điểm của hai bộ điều chế

Điều chế trực tiếp Điều chế ngoài

Ưu điểm

- Đơn giản

- Rẻ vì không cần đếnmạch phức tạp trong quátrình xử lý điều chế

- Băng thông điều chếkhông bị giới hạn

- Không xảy ra hiện tượng

- Băng thông bị giới hạn

- Hiện tượng “chirp” đốivới tín hiệu quang làmtăng độ rộng phổ

- Chậm hơn so với điềuchế gián tiếp hoặc điềuchế ngoài

- Chỉ có thể được sử dụngdưới 3 GHz

- Đắt hơn điều chế trựctiếp

- Mạch điều chế RF tần sốcao sẽ phức tạp hơn

- Suy hao xen cao

- Điện áp điều chế tươngđối cao

Hiện nay các bộ biến điệu điện - quang dùng LiNbO3 (bộ điều chế Mach Zehnder)được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị truyền thông Nguyên nhân chính là bộ biếnđiệu này áp dụng được với rất nhiều phương pháp điều chế (ASK, DPSK ), trongkhi đó EAM chỉ dùng được cho ASK

3.2 Bộ điều chế ngoài Mach Zehnder

Bộ lọc Mach Zehnder là một loại giao thoa kế Sóng đi vào bộ lọc được phân thànhnhiều đường, sau đó được giao thoa với nhau MZI thường được sản xuất dựa trêncác mạch tích hợp quang và thường gồm các coupler 3 dB nối với nhau bằng cácđường có độ dài khác nhau

Hình 3-16: Bộ lọc Mach Zehnder [2]

Trong đó: (a) Bộ lọc MZI được tạo bằng các coupler định hướng 3dB kết nối vớinhau (b) Sơ đồ khối MZI (c) Sơ đồ khối của MZI bống tầng sử dụng các bướcsóng khác nhau ở mỗi tầng

3.2.1 Bộ ghép - tách tín hiệu (Coupler) [2]

Bộ ghép - tách tín hiệu (Coupler) là thiết bị quang dùng để kết hợp các tín hiệutruyền đến từ các sợi quang khác nhau Nếu coupler chỉ cho phép ánh sáng truyềnmột chiều ta gọi là coupler có hướng (directional coupler) Nếu nó cho ánh sángtruyền hai chiều ta gọi là coupler song hướng (bidirectional coupler)

Hình 3-17: Bộ tách - ghép tín hiệu Coupler

Coupler 3 dB là các coupler được dùng để chia công suất tín hiệu ngõ vào thành haiphần bằng nhau ở hai ngõ ra

Nguyên lý hoạt động của coupler: Đặt 2 sợi quang cạnh nhau ánh sáng được ghép

từ sợi này sang sợi kia và ngược lại Nhờ vào vùng ghép các mode ánh sáng truyềnqua sẽ khác so với khi truyền trên sợi quang đơn Khi đó, toàn bộ ánh sáng của từngsợi quang đơn sẽ ghép vào sợi quang ghép (ở vùng ghép), sau đó phần ánh sáng đóđược ghép ngược trở lại sợi quang ban đầu Từ đó ta có công thức tính cường độđiện trường từ đầu ra Eo1, Eo2 được tính theo trường điện từ đầu vào Ei1, Ei2:

Với:

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

- K là hệ số ghép K phụ thuộc vào chiều rộng của sợi quang chiết suất lõi của sợi 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 ta có công thức:

Ta thấy được có sự lệch pha π/2 ở hai đầu ngõ ra Hàm truyền đạt công suất:

(1)

(3)(2)

Hàm truyền đạt công suất Tij có dạng:

Để có coupler 3dB độ dài coupler phải được chọn sao cho kl = (2k+1) π/4 với k là

- Pj: công suất tại ngõ ra j

- Pi: công suất tại ngõ vào

Suy hao phản hồi RL (Return Loss):

RL (dB) = -10 log(P1out/P1in) (12)Ứng dụng:

- Coupler có tỉ số ghép α ≈ 1 được dùng để trích một phần nhỏ tín hiệu quang

để giám sát

- Là thành phần cơ bản tạo nên các thành phần quang khác như bộ chuyểnmạch tĩnh, các bộ điều chế, bộ giao thoa Mach Zehnder, MUX/DEMUX,chuyển mạch và chuyển đổi bước sóng

- Ghép tách sóng trên sợi quang phân bố công suất từ một đầu vào ra hai phầnbằng nhau ở hai đầu ra

3.2.2 Cấu trúc vật lý của bộ Mach Zehnder

Hình 3-19: Mô hình bộ điều chế ngoài Mach Zehnder [13]

Cấu trúc bộ điều chế MZ một điện cực được mô tả bao gồm 2 bộ tách/ghép chữ Ykết nối với nhau trên hai nhánh giữa 2 đầu ra bộ tách thứ nhất và 2 đầu vào bộ ghépthứ hai Cấu hình giao thoa MZ được hình thành từ các ống dẫn sóng trên nền đế vậtliệu điện quang (LiNbO3)

3.2.3 Nguyên lý hoạt động của bộ Mach Zehnder

Ánh sáng đi vào nút giao đầu tiên được tách ra làm 2 phần bằng nhau và đi theo 2đường riêng Vì vậy ánh sáng trên mỗi đường đó sẽ có công suất quang giá trị ít hơn

3 dB so với ánh sáng lúc mới vào Hai nhánh dẫn sóng có chiều dài bằng nhau nên

từ hai nhánh sẽ được trộn pha với nhau Tuy nhiên công suất quang của ngõ ra sẽthấp hơn ngõ vào do tổn hao trong ống dẫn sóng tại các nút giao Suy hao này đượcgọi là suy hao chèn của MZM Các ống dẫn sống làm từ titan được bao phủ bởi mộtlớp chất nền là lithium niobate Đây là một chất liệu có tính quang điện mạnh, nếu

áp một điện áp vào nó thì chỉ số khúc xạ của nó thay đổi, tương đương với việc thayđổi pha Trong MZM ở trên một điện áp đặt vào nhánh trên thì sẽ gây ra sự dịch phacủa nhánh đó Khi điện áp bằng 0, không có sự dịch pha và ta có nhiễu giao thoa,nhưng nếu ta tăng điện áp lên một giá trị nào đó (gọi là Vπ) thì sẽ có sự dịch phatương đối

Hình 3-20: Mô hình nguyên lý hoạt động của Mach Zehnder

Trong đó: (a) khi không có điện áp ngoài và (b) khi có điện áp ngoài Vπ

Nguyên lý hoạt động của bộ điều chế dựa trên sự giao thoa của tín hiệu tại cổng đầu

ra như mô tả trong hình trên Tín hiệu quang đi vào được tách ra thành hai phầnbằng nhau đi trên 2 nhánh của bộ giao thoa Một điện cực kim loại được đặt trênmột nhánh làm thay đổi chiết suất của ống dẫn sóng hay pha của tín hiệu quang điqua khi có một điện áp ngoài đặt vào Tại đầu ra tín hiệu quang trên hai nhánh đượckết hợp lại, ở đây sẽ xảy ra sự giao thoa cộng hưởng hay triệt tiêu tín hiệu phụ thuộc

vào độ lệch pha giữa tín hiệu quang trên hai nhánh Khi có điện áp phân cực, cả hainửa sóng tới không bị dịch pha, ở ngõ ra của bộ điều chế sóng ánh sáng kết hợp sẽ

có dạng của sóng ánh sáng ban đầu Khi có điện áp phân cực một nửa sóng tới bịdịch pha + 900 vì chiết suất của một nhánh giảm, làm tăng vận tốc truyền ánh sáng

và làm giảm độ trễ Một nửa kia của sóng tới ở nhánh còn lại của ống dẫn sống bịdịch pha – 900 vì chiết suất tăng, làm vận tốc truyền ánh sáng giảm và làm tăng độtrễ Kết quả là ngõ ra hai nửa sóng ánh sáng kết hợp lại và bị lệch pha 1800 và triệttiêu nhau Bằng việc đặt một điện áp thích hợp biến đổi theo tín hiệu điện điều chế,cường độ quang đầu ra sẽ được điều biến tương ứng

Sóng mang quang của một nhánh MZM được diễn giải [7]:

Trong đó: E0 là biên độ của sóng mang đầu vào,

ωC là tần số góc của sóng mang đầu vào,

Vπ là điện áp chuyển đổi,

V(t) là điện áp áp vào

Với: Vbias là điện áp phân cực,

Vm là điện áp điều biến,

ωRF là tần số góc tín hiệu điều biến

Đầu ra của MZM có dạng sau:

Trong đó: x = (Vbias / 2Vπ) π là hằng số dịch pha gây ra bởi điện áp phân cực,

3.2.4 Các đại lượng đặc trưng của bộ biến điệu Mach Zehnder

Một đại lượng quan trọng của bộ biến điệu biên độ quang đó là hệ số tắt ER(Extinction Ratio) Đại lượng này mô tả tỉ lệ giữa cường độ cực tiểu và cực đại sinh

ra bởi bộ biến điệu, hay nói cách khác tỉ lệ này mô tả sự phân tách các bit "0" và cácbit "1" trong truyền thông

Với bộ biến điệu MZ như trên ta có hệ số tắt là:

Với Rdis được gọi là hệ số bất đối xứng của hai nhánh của giao thoa kế

Với a, b Giá trị chấp nhận được của một bộ biến điệu dùng trong truyền thông làcao hơn 15 dB

Bên cạnh đó còn có mức độ thay đổi chiết suất theo mức điện áp V đặt vào qua điệncực được xác định bằng:

Ở đây là mức thay đổi chiết suất, r33 là hệ số điện quang (~30.9 pm/V cho LiNbO3),

de là khoảng cách giữa các điện cực Sự thay đổi chiết suất này dẫn tới sự dịch phacủa tín hiệu có bước sóng λ với một lượng

Trong đó L là độ dài của điện cực Một trong những ứng dụng hiệu ứng này là làmcác bộ điều chế pha từ một ống dẫn sóng

Quan hệ của trường quang đầu ra Eout của bộ điều chế với trường quang đầu vào Ein

biểu hiện qua công thức:

Trong đó ϕ(t) là độ dịch pha của tín hiệu quang trên nhánh đặt điện cực biến đổitheo áp đặt vào, ϕ0 là hằng số dịch pha của tín hiệu quang trên nhánh kia, Δϕ = ϕ(t)– ϕ0 là độ lệch pha giữa hai nhánh của bộ điều chế Từ công thức trên, công suất đầu