Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn

Ta thấy, khi V

in= 0 => E

out=E

in, khi V

in= V => Eout= 0. Như vậy, tùy vào điện thế phân cực mà cường độ quang ngõ ra của MZM biến thiên từ 0 đếnE

in

(hay từ trạng thái ON đến OFF).

Hình 2.8 mơ tả bộ MZM phân cực đôi. Trong cách phân cực này, cả hai nhánh của MZM đều được phân cực với điện thế đối xứng (V t1( ) V t2( )).

Tín hiệu ra Tín hiệu vào

Điện cực

44

Hình 2.8. Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi

Ngõ ra của bộ MZM phân cực đôi cũng là sự kết hợp của cả hai nhánh như trường hợp phân cực đơn.

                        V V i V V j E

Eout in exp 1 exp 2

2 (2.6)

Có thể dùng bộ điều chế MZM để điều chế tín hiệu quang theo các dạng như OOK, BPSK, QPSK

2.1.3.3 Điều chế I-Q

Trong cơng nghệ OFDM quang, người ta có thể sử dụng kỹ thuật điều chế I-Q. Sơ đồ khối kỹ thuật điều chế I-Q trong OFDM quang được mơ tả ở hình 2.9.

Hình 2.9. Sơ đồ khối kỹ thuật thuật điều chế I-Q trong OFDM quang. MZM MZM MZM 900 Tín hiệu thực từ RF OFDM phát Tín hiệu ảo từ RF OFDM phát Tín hiệu đến sợi quang Q I Ống dẫn sóng Điện cực

45

Từ sơ đồ khối ta có thể thấy tín hiệu sau bộ IFFT vẫn là tín hiệu phức. Tín hiệu phức này có thể được biểu diễn thành 2 thành phần là thành phần tín hiệu thực và thành phần tín hiệu ảo, và khi biểu diễn như vậy, phần thực và phần ảo của tín hiệu đều là các tín hiệu thực.

Tiếp theo nó sẽ xử lý từng phần bằng cách cộng thiên áp DC với cả thành phần thực và thành phần ảo. Sau đó cả thành phần thực và thành phần ảo được điều chế gián tiếp sử dụng bộ điều chế ngoài Mach Zehnder MZM. Riêng đối với thành phần tín hiệu ảo, nó bị làm trễ 900

tức là thành phần tín hiệu ảo sẽ truyền ngay sau thành phần tín hiệu thực.

2.1.4. Các phương pháp giải điều chế quang dùng cho OFDM quang

2.1.4.1. Tách sóng trực tiếp

Đối với kỹ thuật tách sóng trực tiếp tín hiệu quang đã điều chế cường độ thì cơ bản là quá trình đếm số lượng hạt photon đến bộ thu. Quá trình này bỏ qua pha và sự phân cực của sóng mang được tạo ra từ linh kiện quang. Các hệ thống như vậy có nhược điểm là nhiễu tạo ra từ bộ tách sóng quang và bộ tiền khuếch đại cao, độ nhạy của tách sóng trực tiếp thấp. Do đó, khi sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp thì cơng suất phóng vào sợi quang phải lớn, điều này dẫn đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến càng trầm trọng hơn.

2.1.4.2. Tách sóng kết hợp (tách sóng coherent)

Để tăng độ nhạy của bộ thu quang ta có thể sử dụng kỹ thuật tách quang coherent, bao gồm tách sóng heterodyne và homodyne.

Trong kỹ thuật tách sóng coherent, trước tiên bộ thu quang sẽ sử dụng phần tử dao động nội bởi một lazer diode ở phía thu để 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, dịng điện kết quả này là sự dịch tần từ miền quang sang miền vô tuyến, và ta có thể áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và giải điều chế lên tín hiệu này ngay trong miền điện. Bộ thu coherent lý tưởng hoạt động trong vùng bước sóng

46

1,3μm đến 1,6μm cần năng lượng của tín hiệu chỉ từ 10 đến 20 photon/bit cũng có thể đạt BER = 9

10 Tuy nhiên, so với các bộ tách sóng trực tiếp thì tách sóng kết hợp phức tạp hơn và nhạy với độ lệch pha.

2.1.4.3. Tách sóng I-Q

Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng I-Q trong OFDM quang được mơ tả ở hình 2.10.

Hình 2.10. Sơ đồ khối kỹ thuật thuật tách sóng I-Q trong OFDM quang. Trong tách sóng homodyne, sóng mang quang sử dụng một bộ điều chế điện – Trong tách sóng homodyne, sóng mang quang sử dụng một bộ điều chế điện – quang bao gồm hai bộ MZM riêng biệt được sử dụng để điều chế hai thành phần I/Q của tín hiệu OFDM. Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM được tách làm hai phần I/Q ngay trong miền quang nhờ sử dụng hai bộ thu cân bằng (gồm 4 photo-detector ghép thành 2 bộ) và một bộ ghép lai 0

90 . Bộ thu RF OFDM xử lý tín hiệu OFDM ở băng gốc để khơi phục lại dữ liệu ban đầu.

2.2. Công nghệ Coherent OFDM quang

2.2.1. Tổng quan về công nghệ Coherent OFDM quang

Công nghệ Coherent OFDM quang (CO-OFDM) là sự tích hợp của 2 công nghệ: công nghệ OFDM quang và cơng nghệ quang Coherent. Chính vì vậy, cơng nghệ CO-OFDM sẽ kế thừa được các ưu việt của cả 2 công nghệ Coherent và OFDM quang. Đó là nâng cao độ nhạy máy thu, hiệu suất quang phổ cao, và tăng cường chống lại sự tán sắc. PD2 PD1 Đến bộ thu RF OFDM 900 Tín hiệu từ sợi quang đến LD PD4 PD3 Q I

47

Việc tích hợp 2 cơng nghệ quang Coherent và OFDM quang cịn có tác động hỗ trợ phát huy ưu việt của cả 2 công nghệ:

- Công nghệ OFDM mang đến cho hệ thống coherent hiệu quả tính tốn, dễ dàng ước lượng kênh và pha;

- Công nghệ Coherent đem lại cho OFDM tính tuyến tính cần thiết trong chuyển đổi đường lên từ miền RF sang miền quang (RTO) và trong chuyển đổi đường xuống từ miền quang sang miền RF (OTR). Mà truyền dẫn tuyến tính là mục tiêu quan trọng cho việc thực hiện OFDM.

Giữa các dạng của hệ thống thông tin quang ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), CO-OFDM nổi lên vượt trội bởi nó mang lại hiệu quả về phổ, độ nhạy máy thu, và sự phân cực hoặc độ dung sai tán sắc màu. Kể từ khi xuất hiện khái niệm CO-OFDM, các nghiên cứu lý thuyết và các thí nghiệm được tiến hành rộng rãi. Trong đó phải kể đến cơng trình nghiên cứu và thí nghiệm 100 Gb/s CO- OFDM truyền dẫn qua 1000 Km được chứng minh bởi nhóm nghiên cứu từ đại học Melbourne [5] và NTT [6]. Bởi vì CO-OFDM sử dụng bộ chuyển đổi số sang tương tự (DACs) ở phía phát và cũng duy nhất thí điểm một kênh sóng mang con cơ bản và ước lượng pha, nên rất thuận lợi để đạt được truyền dẫn hiệu suất phổ cao thông qua điều chế bậc cao. Kết quả nghiên cứu 64-QAM trong phân cực đơn và 16-QAM trong phân cực kép đã cho thấy đạt hiệu suất phổ cao cho cả hai loại phân cực này. Như vậy, CO-OFDM được xem là dạng điều chế hiệu quả cho 100 Gb/s thậm chí đạt tốc độ cao hơn do đạt hiệu suất phổ cao. Theo nghiên cứu, CO-OFDM có thể cho tốc độ dữ liệu lên tới 400 Gb/s hoặc cao hơn. Điều quan trọng hơn, CO-OFDM là một dạng điều chế tốc độ mà phần cứng và phần mềm có thể tương thích từ thế hệ hiện hành tới thế hệ tiếp theo bất kể tốc độ truyền dẫn được nâng cấp. Đây là sự tương phản với các dạng điều chế đơn sóng mang thơng thường khác.

2.2.2. Mơ hình hệ thống Coherent OFDM quang

48

Hình 2.11. Mơ hình hệ thống CO-OFDM quang điển hình

Một hệ thống CO-OFDM quang điển hình có thể được chia làm 5 khối cơ bản gồm:

1. Bộ phát RF OFDM có nhiệm vụ điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện 2. Bộ chuyển đổi tín hiệu RTO để chuyển đổi tín hiệu từ miền điện sang miền

quang,

3. Kênh quang là mơi trường truyền dẫn tín hiệu từ phía phát đến phía thu,

4. Bộ chuyển đổi tín hiệu OTR để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện tại phía thu

5. Bộ thu RF OFDM để giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện thành dữ liệu tương ứng với bên truyền.

49

2.2.3. Các khối chức năng cơ bản và nguyên lý trong hệ thống CO-OFDM quang quang

2.2.3.1. Các khối phát và thu RF OFDM

Kiến trúc của bộ phát và bộ thu RF OFDM đã được chỉ ra như trên hình 2.1 ở trên. Trong đó, các tín hiệu đầu vào bộ phát RF OFDM và các tín hiệu đầu ra bộ thu RF OFDM là các tín hiệu ở băng tần cơ bản hoặc băng RF.

Nguyên lý hoạt động của bộ phát RF OFDM đã được trình bày kỹ trong phần 2.1.2.1 và nguyên lý hoạt động của bộ thu RF OFDM đã được trình bày kỹ trong phần 2.1.2.5.

2.2.3.2. Bộ chuyển đổi điện-quang đường lên và chuyển đổi quang-điện đường xuống

Bộ chuyển đổi điện-quang đường lên và chuyển đổi quang-điện đường xuống của hệ thống CO-OFDM được chỉ ra trong hình 2.11. Trong hệ thống CO-OFDM này sử dụng kiến trúc chuyển đổi đường lên và đường xuống theo phương thức điều chế I-Q và tách sóng I-Q.

Trong kiến trúc chuyển đổi đường lên theo phương thức điều chế I-Q, bộ phát quang sử dụng một bộ điều chế I/Q quang, bao gồm hai bộ điều chế MZM để chuyển đổi đường lên phần thực và phần ảo của tín hiệu OFDM s(t) được chỉ ra trong công thức (1.4) từ miền RF sang miền quang; phần thực và phần ảo của s(t) sẽ được đưa đến mỗi bộ điều chế MZM tương ứng để điều chế.

Trong kiến trúc chuyển đổi đường xuống theo phương thức tách sòng I-Q, bộ thu quang OFDM sử dụng hai cặp bộ thu cân bằng và một bộ ghép lai 0

90 để thực hiện tách sóng quang I/Q. Bộ thu RF OFDM thực hiện xử lý tín hiệu OFDM băng tần gốc để khôi phục lại dữ liệu.

Ưu điểm của kiến trúc chuyển đổi trực tiếp là:

50

- Giảm đáng kể yêu cầu băng thông điện cho cả bộ phát và bộ thu.

2.2.3.3. Bộ điều chế I-Q quang cho biến đổi RF sang quang đường lên và biến đổi quang sang RF đường xuống đổi quang sang RF đường xuống

Tín hiệu OFDM trước khi đi vào bộ điều chế MZM là các tín hiệu mơ tả ở các cơng thức 2.1, 2.2 và 2.3. Trong kiến trúc bộ biến đổi RF sang quang đường lên và biến đổi quang sang RF đường xuống theo phương thức điều chế I-Q và tách sịng I- Q (hình 2.11), hai sóng mang 1

1 .ej t

  ,  2  .ej t2 được đưa đến đầu vào của bộ

điều chế I-Q. Tín hiệu quang tại đầu ra của bộ điều chế I-Q là:

      1 1 1 1 . os . . 2 . os . . 2 2 I DC LD LD Q DC LD LD V V E t A c exp j t j V V V A c exp j t j V                             (2.7) I

V và VQ lần lượt là phần thực và phần ảo của tín hiệu liên tục OFDM, thể hiện

như VI .cos1tcos2t, VQ . sin 1tsin2t; VDC là điện thế phân cực bộ

điều chế MZM, V là điện thế phân cực nửa bước sóng ; và LD1,LD1 lần lượt là tần số góc và pha của tín hiệu quang do laser phát ra. Tín hiệu ở đầu ra của bộ điều chế

I-Q quang sẽ là:    LD1 LD1. B( ) E t exp j t j E t (2. (2.8) 1 2 1 2 ( ) ( ) sin sin 2 2 2 2 B M M

E t cos cos t cos t   jcos  t  t 

         

    

(2. 9) Với M  /V là chỉ số điều chế, VDC /V là một sự đổi pha tĩnh, và

( )

B

E t là một tần số dịch của E t( ) trong miền quang.

Trong điều kiện phân cực tối ưu, VDC V giả sử VI và VQ là nhỏ và tính phi tuyến là khơng có ý nghĩa. Cơng thức (2.17) trở thành:

51   ( ). ( 1 1) ( ) ( 1 1) 2 I Q LD LD 2 LD LD AM AM E t   V  jV exp j t j   S t exp j t j (2.10 ) Với S t( )VI  jVQ là tín hiệu liên tục OFDM băng tần cơ bản. A là biên độ sóng quang do Laser LD1 phát ra.

2.2.3.4. Tách sóng coherent cho chuyển đổi đường xuống và triệt pha

Có hai kỹ thuật tách sóng Coherent: Tách sóng heterodyne và tách sóng homodyne. Sơ đồ khối tách sóng heterodyne và tách sóng homodyne đã chỉ ra trong phần 1.2.1.2.

Trong kỹ thuật tách sóng heterodyne, tín hiệu OFDM băng gốc trước tiên được đưa lên tần số trung tần fLO1 ở miền điện, sau đó tín hiệu OFDM trung tần được điều chế trên sóng mang quang nhờ một bộ MZM. Ở phía thu tín hiệu quang OFDM trước tiên được chuyển về tín hiệu điện OFDM ở trung tần fLO2. Sau đó việc tách ra các đường I-Q được thực hiện ở miền điện.

Trong tách sóng homodyne, sóng mang quang sử dụng một bộ điều chế điện – quang bao gồm hai bộ MZM riêng biệt được sử dụng để điều chế hai thành phần I-

Q của tín hiệu OFDM. Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM được tách làm hai phần I- Q ngay trong miền quang nhờ sử dụng hai bộ thu cân bằng (gồm 4 photo-detector

ghép thành 2 bộ) và một bộ ghép lai 0

90 . Bộ thu RF OFDM xử lý tín hiệu OFDM ở băng gốc để khơi phục lại dữ liệu ban đầu.

Trong kỹ thuật tách sóng coherent của CO-OFDM, người ta còn sử dụng các bộ ghép lai và tách sóng photo cân bằng. Hình 2.12 là một ví dụ về tách sóng coherent sử dụng bộ ghép lai quang 0

90 có 6 cổng ( gồm 2 đầu vào và 4 đầu ra) và một cặp tách sóng cân bằng (balanced photo-detectors) [1].

52

Hình 2.12. Tách sóng coherent sử dụng bộ ghép lai và tách sóng photo cân bằng. Mục đích chính của tách sóng coherent là:

1. Khơi phục tính tuyến tính cho thành phần I và Q của tín hiệu đến, 2. Tối thiểu hoặc loại bỏ nhiễu mode chung.

Sử dụng 6 cổng ghép lai 0

90 cho tín hiệu tách sóng và thực hiện phân tích trên miền RF, và ứng dụng của nó tới hệ thống quang coherent đơn sóng mang được thực hiện bởi Ly-Gagnon và Savory [1].

Mục đích của 4 cổng đầu ra của bộ ghép lai 0

90 là để tạo ra một sự lệch pha

0

90 cho các thành phần I và Q, và lệch pha 0

180 cho tách sóng cân bằng. Bỏ qua sự không cân bằng và tổn thất của ghép lai quang, các tín hiệu đầu ra E1 4 có thể được biểu diễn như sau:

        1 2 3 4 1 1 , 2 2 1 1 , , 2 2 S LO S LO S LO S LO E E E E E E E E jE E E jE         (2.11)

ES : Tín hiệu vào ELO : Tín hiệu dao động nội PD : Photo-tách sóng Ĩ (t) : Dòng photo tổng

Bộ lai ghép 900

53

Với ES và ELO tương ứng là tín hiệu đến và tín hiệu do bộ dao động nội LO tạo ra. Phân tích tín hiệu đến làm hai thành phần: (i) tín hiệu thu được khi khơng có nhiễu ASE, E tr( ) và (ii) nhiễu ASE, n to( ) như sau:

S r o

E E n (2.12)

Đầu tiên nghiên cứu làm cách nào mà thành phần I của photo tách sóng được sinh ra, và thành phần Q có thể được nhận. Thành phần I đạt được bằng cách sử

dụng một cặp photo-detector, PD1 và PD2 trong hình 2.12. I1 2 có thể được biểu diễn như sau:

  2 2 2 * 1 1 1 2 Re{ E } 2 S LO S LO I  E  E  E  E (2.13)   2 2 2 * 2 2 1 2 Re{ E } 2 S LO S LO I  E  E  E  E (2.14) 2 2 2 * 2 r o 2 Re{ r o} E  E  n  E n (2.15) 2 (1 ( )) LO LO RIN E I I t (2.16)

Với ILo và IRIN( )t là cơng suất trung bình và nhiễu cường độ tương đối (RIN) của laser LO, “Re” hoặc “Im” là biểu diễn phần thực và phần ảo của tín hiệu. Bởi vì tách sóng cân bằng, từ các công thức (2.21), (2.22), thành phần I của dòng quang