Việc xử lý thành công các tham số quan trọng của sóng ánh sáng như biên độ, tần số, pha và các thành phần phân cực là một tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật thông tin quang Coherent. Trong kỹ thuật điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp đã khơng xử dụng thực tiếp các tham số này.
Quá trình tận dụng các tham số nói trên đã tạo ra cho thơng tin quang chuyển sang một chế độ hoạt động hồn tồn mới mà trong đó các yếu tố thành phần của sóng ánh sáng có được cơ hội để thể hiện vai trị của mình.
Các tiến bộ của kỹ thuật về hệ thống được thực hiện qua các vấn đề sau:
1.Tạo ra một hệ thống có năng lực truyền dẫn cao:
Năng lực truyền dẫn của hệ thống được thể hiện bằng cự ly đường truyền xa với tốc độ rất cao. Ở đây tham số quan trọng là độ nhạy thu. Nhờ đó
Coherent có thể đạt được tốc độ 10Gbit/s với cự ly truyền dẫn từ 200 đến 300 km và độ nhạy thu có thể đạt được hơn -90dBm.
Như vậy so với hệ thống IM – DD thì độ nhạy thu của hệ thống coherent lớn hơn rất nhiều. Độ nhạy thu cao có được ở trong hệ thống coherent là do dòng điện quang cho ra lớn.
Nếu cùng một công suất quang tới bề mặt của bộ tách sóng quang thì hệ thống IM – DD cho ra dòng quang điện.
IphIM = R.Ps.
Còn hệ thống Coherent cho ra dòng quang điện là:
Trong đó: R: hệ số đáp ứng của bộ tách sóng.
Ps: Cơng suất quang tới bề mặt bộ tách sóng. PLO: Cơng suất quang của bộ dao động nội.
IF: Tần số trung gian. : độ dịch pha.
Như vậy: IphCOH > IphIM.
Độ nhạy thu cao tạo ra hiệu quả rõ ràng: + Cải thiện được tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N.
+ Tăng tính thực hiện của kỹ thuật điều biến và giải điều biến coherent.
2. Tận dụng được băng tần rất rộng của sóng ánh sáng nói chung và sợi quang Single mode: chung và sợi quang Single mode:
Trước tiên phải thấy rằng băng tần của sóng ánh sáng là rất lớn. Băng tần của sóng ánh sáng đạt hơn 200Thz. Mặt khác do sự cải tiến công nghệ không ngừng, kỹ thuật chế tạo sợi quang đã tạo các loại sợi đơn mode thơng dụng nó có dải tần 30THz. Do vậy việc tận dụng được dải tần này của hệ thống thông tin quang Coherent là một tiến bộ rất lớn và là một trong những giải pháp có hiệu quả nhất trong việc tận dụng các băng tần rộng này.
sóng quang chỉ thu tín hiệu ánh sáng thì thay đó là một bộ tách sóng quang trung bình bình phương, điều này cho phép có thể tăng tốc độ đường truyền trên sợi đơn mode thông thường một cách đáng kể.
3. Hệ thống Coherent cho phép truyền một số lượng lớn kênh: kênh:
Hệ thống thơng tin quang kết hợp có khả năng truyền một lượng rất lớn các băng tần kênh quang nhờ các kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM và ghép kênh quang theo tần số OFDM.
Trong phương pháp ghép kênh quang theo thời gian OTDM một số lượng lớn thông tin được truyền đi trên sợi dẫn quang. Do sợi đơn mode có dải tần rộng cho nên việc tăng kênh ghép theo thời gian sẽ tận dụng được giải tần này. Nhờ giải phảp OTDM, các kênh của tín hiệu DCM tốc độ cao được ghép thành chuỗi tín hiệu ánh sáng tốc độ cao hơn. Các bộ ghép và giải ghép quang OMUX và ODEMUX hiện nay đã tạo ra đường truyền đạt tốc độ 60Gbit/s trong phịng thí nghiệm. Trong khi đó các thiết bị ghép thơng thường dùng các thành phần điện tử thông thường bị giới hạn ở dải tần 20Gbit/s.
Trong phương pháp ghép kênh quang theo tần số OFDM, thì hàng ngàn kênh quang sẽ được truyền đồng thời trên một sợi dẫn quang nhờ quá trình biến đổi các tần số khác nhau thành các tín hiệu song song. Đã có nhiều kết quả nghiên cứu và thực nghiệm chứng tỏ khả năng tận dụng băng tần của sợi nhờ phương pháp OFDM là rất lớn.
Hãng NTT của Nhật Bản đã ghép thành công 100 kênh quang truyền dẫn theo giải pháp OFDM tạo ra đường truyền 100Gbit/s và dùng thực nghiệm để kết luận có thể đưa ra tốc độ đường truyền 1Tbit/s.
Tiến bộ của giải pháp này trong hệ thống thông tin quang kết hợp là việc biến đổi các tần số quang. Các tần số quang được biến đổi trực tiếp mà không cần sự biến đổi quang điện. Đây cũng là một thành cơng của hệ thống trong q trình xử lý tín hiệu trong vùng tần số quang.
Hình 4.7. Ghép kênh quang theo tần số
4. Hệ thống Coherent cho khả năng lựa chọn độ nhạy thu:
Đối với hệ thống thông tin quang điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp IM – DD là hoàn toàn cứng nhắc và tại đầu ra của bộ chuyển đổi quang
điện hồn tồn tuyến tính với đầu vào. Trong khi đó hệ thống thơng tin quang coherent đã cho khả năng tính linh động rất cao mà các hệ thống thông in quang điện đang khai thác trên mạng lưới khơng thể có được. Nhờ kỹ thuật tách sóng kết hợp mà tín hiệu đầu ra của bộ thu quang khơng chỉ phụ thuộc vào sóng mang tín hiệu trên đường truyền mà cịn phụ thuộc cả vào tín hiệu dao động nội. Mặt khác biên độ tín hiệu dao động quang nội hồn tồn có thể chủ động điều chỉnh được. Vì vậy mà độ nhạy thu của hệ thống này cho ta các giá trị khác nhau dựa vào mức tín hiệu dao động quang nội mà ta có thể lự chon. Nhờ vào khả năng lựa chọn độ nhạy thu, người ta cho ra các thiết bị thu Coherent mà trên đó có bộ phận điều chỉnh độ nhạy thu để lựa chọn các kênh quang riêng rẽ. Kết hợp với kỹ thuật ghép kênh quang trên cùng một sợi dẫn quang truyền được nhiều kênh thì việc lựa chọn độ nhạy thu đã giúp cho viếc tách các luồng quang một cách thuận lợi. Chính vì vậy việc áp dụng kỹ thuật quang Coherent và mạng thuê bao, mạng LAN, mạng WAN sắp tới đây là giải pháp tối ưu thoả mãn số lượng kênh thuê bao mà chỉ cần ít sợi dẫn quang. Việc lựa chọn độ nhạy thu khác nhau thường đi đôi với kỹ thuật ghép kênh quang để tận dụng băng tần của sợi. Tiến bộ về khả năng lựa chọn độ nhạy thu đã góp phần giải phóng được dung lượng kênh khi thực hiện truyền dẫn đa mức. Các kênh quang khác nhau sẽ được độ nhạy thu bù trừ về công suất và vì thế nó được cải thiện về chất lượng truyền dẫn.
IV. Tiến bộ Kỹ thuật cơng nghệ:
Để có một hệ thống thông tin quang coherent với những ưu điểm nổi trội so với hệ thống IM – DD, khơng thể khơng nói đến những tiến bộ cơng nghệ nhằm tạo ra tham số hệ thống, tham số thiết bị và các tham số của các thành phần điện tử và quang điện. Trong hệ thống thông tin này, nhiều các yêu cầu khác được đặt ra đã và đang được giải quyết, nhiều kết quả đã đạt được và đáp ứng kịp thời cho hệ thống. Điều này chứng tỏ một nỗ lực lớn lao trong cơng nghệ thơng tin quang. Trọng tâm chính của cơng nghệ là tập trung
quang coherent đều có các laser đặc trưng có độ rộng phổ hẹp và tính ổn định rất cao. Những tiến bộ về kỹ thuật công nghệ bao gồm:
1.Làm hẹp độ rộng phổ:
Trước tiên phải khẳng định các loại nguồn phát quang có độ rộng phổ lớn như các laser đa mode. Diode phát quang LED là không thể sử dụng được trong hệ thống thông tin quang coherent. Trong hệ thống này các đầu phát tín hiệu quang mang thơng tin và bộ dao động quang nội là các loại laser có độ rộng phổ hẹp dưới 1nm. Để thực hiện được điều này các kỹ thuật tập trung vào việc làm hẹp độ rộng phổ của các nguồn bức xạ quang laser nhằm đáp ứng được tốc độ truyền dẫn lớn của hệ thống thông tin quang kết hợp. Bản chất của việc làm hẹp độ rộng phổ là thu hẹp miền hoạt tính của các bức xạ quang laser. Cơng nghệ làm hẹp độ rộng phổ là một tiến bộ rất lớn, nó đã đưa ra được các loại:
- Laser hồi tiếp phân bố DFB có cấu trúc vật liệu là InGaAsP/InP.
Hình 4.8. cấu trúc laser phản hồi phân bố DFB
- Tiếp tục cải tiến loại laser Febry – Perot để tạo nên độ rộng phổ nguồn phát < 0,1nm. Các laser Febry – perot thơng thường sẽ cho
ra phổ đa mode chúng có thể dao động ở mode dọc đơn nhưng không ổn định khi làm việc ở tốc độ cao. Để thực hiện xây dựng các hệ thống thơng tin quang trong mạng viễn thơng có cự ly truyền xa ta cần sử dụng đến các loại diode laser có độ rộng phổ rất hẹp, đó là các laser đa mode. Các laser này chỉ chứa mode dọc và mode ngang đơn. Để tạo ra laser chỉ có mode dọc thì phải giảm được độ dài L của hốc phát laser tới khi mà khoảng cách f của mode bên đã cho ở phương trình (f = C/2Ln) lớn hơn độ rộng phổ của laser. Điều này có nghĩa là chỉ có một mode dọc đơn vào băng tăng ích của thiết bị. Quá trình làm hẹp độ rộng phổ vẫn được tiếp tục, người ta đã thành công trong việc tạo ra độ rộng phổ hẹp bằng cách tăng công suất và độ dài hốc cộng hưởng nhờ các giải pháp giao thoa kế nhận biết được sự biến động tần số quang phát của laser. Đó là một giao thoa kép và phản hồi là một tín hiệu lỗi xếp chồng vào dịng định thiên của laser nhằm để gạt nhiễu pha gốc. Phương pháp này sử dụng có hiệu quả trong việc giảm các biến động có tốc độ thấp, chủ yếu là do nhiệt độ. Tuy vậy thời gian trễ quanh vòng phản hồi hạn chế hệ số giảm nhiễu pha. Phương pháp thứ 2 là dùng một hốc cộng hưởng dài bên ngồi để tăng giá trị Q của nó và do đó tăng được độ nhạy của laser. Tuy nhiên, một yêu cầu đặt ra là thiết bị phải được phủ lớp chống phản xạ để triệt các mode cộng hưởng riêng của nó. Sau đó phản hồi được thực hiên bên ngồi bằng cách sử dụng một cách tử nhiễu xạ làm phần tử chọn lọc tần số ghép trở về miền hoạt tính của laser. Các thực nghiệm của một laser InGaAsP ở bước sóng 1550nm cộng hưởng ngồi đạt được độ rộng đường phổ < 1KHz. Trong tương lai khơng xa người ta cịn tạo ra được các loại modul điều khiển trong đó ghép sẵn laser DFB dịch chuyển một phần tử bước sóng để rạo ra độ rộng phổ rất hẹp.
2. Ổn định tần số và công suất phát:
biết tần số dao động và công suất phát bức xạ của laser bán dẫn lại phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ và dòng điều khiển. Do vậy, để các laser làm việc ổn định trong hệ thống có tốc độ cao là một cơng việc hết sức khó khăn. Hiện nay người ta chế tạo các module có phản hồi kép để đảm bảo tính ổn định của mạch phản hồi này giữ cho công suất ổn định nhờ thay đổi dòng điều khiển. Để ổn định nhiệt độ cho laser, người ta đưa ra các bộ ổn định nhiệt độ và các mạch khuếch đại thuật toán đặc biêt. Với các tổ hợp module này độ ổn định nhiệt độ đạt tới 10-3 đến 10-4.
Tuy nhiên, với kỹ thuật trên việc ổn định nhiệt độ mới chỉ ở lớp cấu trúc nên của laser mà thơi, cịn lớp hoạt tính thì chưa có hiệu quả nên tần số dao động nội vẫn chưa thật ổn định. Để tăng thêm tính ổn định tần số người ta phải sử dụng thêm một mạch phản hồi nữa có khả năng điều chỉnh laser hoạt động có độ ổn định cao.
3. Các thiết bị quang thụ động:
Đối với các hệ thống thơng tin quang coherent có nhiều vấn đề phức tạp, hàng loạt các thiết bị quang thụ động được tạo ra với những cơng nghệ tinh vi và địi hỏi độ chính xác cao, ví dụ như các gương phản xạ một chiều, các lăng kính, các bộ ghép định hướng cho điều chế phân cực, các bộ điều biến quang trực tiếp trong ghép kênh quang OTDM và OFDM, các bộ trộn quang ở đầu thu, các mắt lọc quang, các bộ tách ghép sóng quang, các bộ chia cơng suất quang…
Tất cả các thiết bị kể trên đều địi hỏi trình độ cơng nghệ cao để phát huy hiệu quả của chúng trong hệ thống. Trong hệ thống thơng tin quang kết hợp thì thiết bị này đóng vai trị quan trọng trong cả phía phát và phía thu, nhờ đó mà các kỹ thuật của hệ thống thực hiện một cách hiệu quả: ví dụ như việc tách ghép kênh quang, việc quang hoá dần dần hệ thống.
V. Thực trạng thông tin quang trên thế giới:
1.Một số giải pháp xử lý tín hiệu dựa trên các hiện tượng thông tin quang kết hợp thực nghiệm ở các nước:
1.1. Kỹ thuật truyền dẫn các tín hiệu ở băng rộng ở tốc độ siêu cao:
Đó là các kỹ thuật truyền dẫn tiên tiến trong hệ thống coherent được trình bày trong phần I: kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, kỹ thuật truyền dẫn phân cực đa mức, kỹ thuật ghép kênh quang theo tần số OFDM
1.2 Đồng bộ quang:
Kỹ thuật tách xung clock để tạo ra tín hiệu định thời đồng bộ với tốc độ của tín hiệu thu được là q trình khơng thể thiếu được trong hệ thống ghép kênh quang theo tần số. Trong các hệ thống truyền dẫn quang hiện nay, việc tách xung clock được thực hiện bởi mạch khố pha điện (PLL) sau khi tín hiệu quang thu được đã được biến đổi xuống thành tín hiệu điện. Như vậy, tốc độ xử lý tín hiệu sẽ bị hạn chế bởi băng tần của các bộ biến đổi quang điện và các mạch cách tử. Với các hệ thống ghép kênh quang theo tần số, để khắc phục hạn chế trên, việc tách xung clock sẽ sử dụng cơng nghệ quang với tốc độ xử lý nhanh.
Hình 4.9 dưới đây biểu diễn sơ đồ khối của mạch PLL quang để trích lấy xung clock, với khuếch đại laser (LDA) được sử dụng như một mạch tương quang tốc độ cao. Khi cả tín hiệu quang đến và xung clock do bộ phát xung đưa đến được đưa vào LDA, tín hiệu tương quan của hai thành phần này sẽ được tạo ra với tần số thấp, trong đó có cả hai thành phần f (là độ chênh lệch tần số giữa hai tín hiệu này). Sau khi thực hiện biến đổi tín hiệu tương quan thành tín hiệu điện, sẽ lọc lấy tần số f. Mạch PLL sẽ làm việc khi bộ so sánh phát hiện ra sự chênh lệch giữa thành phần tín hiệu f này với tín hiệu
f dao động chuẩn phát ra. Điện áp điều khiển sẽ được đưa ra tới VCO để
Hãng NTT đã thực hiện thành cơng mạch này khi trích lấy thời gian này ở tần số 10GHz từ một tín hiệu quang đã được điều biến ngẫu nhiên ở tốc độ 10Gbit/s.
Ngồi ra cịn một số kỹ thuật xử lý tín hiệu được các nước tiến hành như lấy mẫu, thực nghiệm hệ thống điều biến phân cực đối cực. Tất cả các giải pháp xử lý tín hiệu đó đều dựa trên thế mạnh của hệ thống thông tin quang coherent và khả năng công nghệ cao trong lĩnh vực quang năng xử lý tín hiệu quang. Điều này giúp cho hệ thống thơng tin quang ngày một vượt xa các hệ thống thông tin điện bị ràng buộc về các giới hạn về mạch điện tử.
2. Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm:
Với các kết quả nghiên cứu thử nghiệm trước đây của các nước và các hãng viễn thơng trên thế giới, thì hệ thống thơng tin quang coherent thể hiện các tham số có nhiều sức thuyết phục như là: Cự li và tốc độ. Điều quan tâm ở đây là tất cả các hệ thống để làm việc ở bước sóng 1550nm, tốc độ bit tối