Nếu v1(t) và v2(t) bằng 0 thì độ dịch pha giữa hai tín hiệu bằng 0, đầu ra có tín hiệu quang (ON):
[ ] .
Nếu v1(t) = Vπ/2 và v2(t) = –Vπ/2 thì độ dịch pha giữa 2 tín hiệu bằng π, đầu ra khơng có tín hiệu quang (OFF):
[ ( ) ( )]
* ( ) ( ) ( ) ( )+ .
Nếu v1(t) = v2(t) = v(t), tín hiệu sẽ đƣợc điều chế pha tùy vào giá trị của v(t). Trong các bộ điều chế Mach-Zehnder hiện đại, có thể thực hiện điều chế với băng thông lên đến 75 GHz. Điện áp điều chế 5V nhƣng có thể giảm xuống dƣới 3V với một thiết kế phù hợp [10].
b. Electroabsorption Modulator
Thƣờng đƣợc gọi là bộ điều chế sử dụng hiệu ứng hấp thụ điện quang, xem hình 2.6 [10]. Đây là bộ điều chế sử dụng nguyên lý của hiệu ứng Franz-Keldysh: Khi khơng có điện áp đặt lên chất bán dẫn thì bƣớc sóng của ánh sáng tới dài hơn bƣớc sóng cắt của chất bán dẫn và ánh sáng sẽ truyền qua bình thƣờng. Ngƣợc lại khi có điện áp đặt lên chất bán dẫn thì độ rộng dải cấm (bandgap) của nó giảm và lớp bán dẫn sẽ hấp thụ ánh sáng tới (khi độ rộng dải cấm giảm thì bƣớc sóng cắt tăng lên).
p-contact Absorbing MQW layers p-type n-type n-type substrate Hình 2.6 Bộ điều chế Electroabsorption
Một ƣu điểm của bộ điều chế Electroabsorption so với bộ điều chế Mach- Zehnder là vật liệu chế tạo cũng là chất bán dẫn nhƣ vật liệu chế tạo laser, nên có thể tích hợp với các loại laser (DFB và DBR) trên một chip. Ngoài ra, điện áp điều chế cũng nhỏ hơn, chỉ một vài volt tại tốc độ bit lên đến 40 Gb/s. Do đó bộ điều chế này thƣờng đƣợc sử dụng trong các hệ thống WDM. Vào năm 2001, ngƣời ta đã giới thiệu một bộ điều chế Electroabsorption tích hợp có băng thơng lớn hơn 50 GHz và có khả năng hoạt động ở tốc độ bit lên đến 100 Gb/s [10].
2.1.3 Kỹ thuật điều chế On-Off Keying (OOK)
Hệ thống DWDM mà chúng tã đã trình bày trong chƣơng 1 thƣờng đƣợc gọi là hệ thống IM/DD, sử dụng kỹ thuật điều chế cƣờng độ (Intensity Modulation – IM) kết hợp với tách sóng trực tiếp (Direct Detection – DD). Cụ thể hơn, kỹ thuật điều chế sử dụng ở đây là On-Off Keying (khóa On-Off). Phần này chỉ trình bày thêm một số đặc điểm của kỹ thuật điều chế này cũng nhƣ ƣu nhƣợc điểm của nó.
Q I [0] [1] Ea -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 P (dBm) Tần số 193,1 THz 40 Gbps NRZ OOK
Các đặc điểm của điều chế OOK:
Điện trƣờng trong mặt phẳng phức: - Data = “0” → e(t) = 0 → tắt. - Data = “1” → e(t) = Ea → mở.
Mã hóa 1 bit trên 1 ký tự quang (1 bit/1 optical symbol).
Độ rộng phổ tỷ lệ với bit rate hoặc symbol rate, có nghĩa là tăng tốc độ bit lên bao nhiêu lần thì cũng tăng độ rộng phổ lên bấy nhiêu lần.
Tần số và pha của tín hiệu quang có thể thay đổi trong phạm vi cho phép.
Có thể sử dụng điều chế trực tiếp hoặc điều chế ngoài.
Sơ đồ máy phát quang và bộ điều chế: xem hình 1.4, 2.2 và 2.3.
a. Máy thu trong điều chế OOK:
BPF LPF Clock recovery Tín hiệu quang vào Dữ liệu đã khơi phục Bo Vphân cực i(t) v(t) Be Clock Khuếch đại Optical Electrical
Hình 2.8 Sơ đồ máy thu OOK
Tín hiệu quang rơi trực tiếp lên photodiode mà không qua “sơ chế” bằng LO (bộ dao động nội).
Tách sóng theo quy luật bình phƣơng, dịng điện sau photodiode (khơng xét đến nhiễu):
I(t) = R.|e(t)|2, với R là đáp ứng của photodiode. (2.4) - Dòng điện tƣơng ứng với bit 0: I(t) = R.|0|2 = 0.
- Dòng điện tƣơng ứng với bit 1: I(t) = R.|Ea|2.
- Nếu coi R = 1, thì khoảng cách (về điện) giữa 2 mức tín hiệu tƣơng ứng với bit 0 và 1 là |Ea|2.
Nếu hệ thống sử dụng khuếch đại quang thì ngồi các loại nhiễu đã nêu trong mục 1.3.3, trong bộ thu quang còn xuất hiện loại nhiễu ASE (thƣờng đƣợc gọi là tạp quang). Khi đi qua photodiode tạp quang này trộn với tín hiệu quang tạo ra 2 thành phần nhiễu [8]:
,
trong các hệ thống đƣờng dài thì (Psig-ase + Pase-ase) lớn hơn nhiễu trong cơng thức (1.6) hàng ngàn lần cho nên ngƣời ta quan tâm nhiều hơn đến tạp quang và OSNR.
Nếu hệ thống khơng sử dụng khuếch đại quang thì khơng có tạp quang và nhiễu sau photodiode có phân bố xác suất dạng Gaussian. Ngƣợc lại, nếu hệ thống có sử dụng khuếch đại quang thì có tạp quang và nhiễu sau photodiode có phân bố xác suất dạng χ (Chi). Xem trên hình 2.9:
Hình 2.9 Mật độ phân bố xác suất Gaussian và χ
b. Các dạng xung quang cơ bản
NRZ (Non Return-to-Zero): Có độ rộng xung bằng độ rộng bit, cơng suất quang chiếm 100% thời gian bit 1.
66%-RZ: Công suất quang chiếm 66% thời gian của bit 1, độ rộng xung tại điểm -3dB của công suất đỉnh bằng 66% độ rộng chuẩn Ts của xung. Độ rộng phổ lớn hơn khoảng 1,3 lần so với dạng NRZ.
50%-RZ: Công suất quang chiếm 50% thời gian của bit 1, độ rộng xung tại điểm -3dB của công suất đỉnh bằng 50% độ rộng chuẩn Ts của xung. Độ rộng phổ lớn hơn khoảng 1,5 lần so với dạng NRZ.
33%-RZ: Công suất quang chiếm 33% thời gian của bit 1, độ rộng xung tại điểm -3dB của công suất đỉnh bằng 33% độ rộng chuẩn Ts của xung. Độ rộng phổ lớn hơn khoảng 1,7 lần so với dạng NRZ.
Ta có một số nhận xét sau:
- Xung càng hẹp thì phổ càng rộng nên dễ bị ảnh hƣởng của CD.
- Xung hẹp thì OSNR tức thời cao, nói chung dạng xung 50%-RZ và 66%-RZ đƣợc lợi khoảng 2 dB và 1,7 dB OSNR so với dạng xung NRZ.
- Xung hẹp quá: công suất đỉnh xung giảm mạnh khi hai phân cực tách ra do ảnh hƣởng của PMD, rất khó bù phi tuyến.
- Xung NRZ dễ bị ảnh hƣởng giữa các ký tự (Inter-Symbol-Interference - ISI) và vì u cầu cơng suất phát cao nên bị ảnh hƣởng xấu của các hiệu ứng phi tuyến. ⇒ 66%-RZ đƣợc khuyến nghị dùng trong các hệ thống đƣờng dài do tính miễn nhiễm của nó tốt nhất đối với CD, PMD, phi tuyến.
0 1 Popt Popt 1 0 t t Ts 1 Ts 1 0,5 0,5 3 d B 3 d B 16,67% 66% 33% 33% Hình 2.10 Xung 66%-RZ và xung 33%-RZ
c. Ƣu nhƣợc điểm của điều chế OOK:
Ƣu điểm:
- Thiết kế máy thu và máy phát đơn giản.
- Tín hiệu ít chịu ảnh hƣởng của những dao động về tần số và pha của laser. - Có thể dùng laser phổ rộng, giá thành thấp.
- Sai pha do SPM và XPM ít ảnh hƣởng đến BER của máy thu, vì máy thu làm việc với cơng suất, khơng làm việc với pha của tín hiệu.
Nhƣợc điểm:
- Độ nhạy của máy thu không cao.
- Bị giới hạn về tốc độ bit (≤ 10 Gb/s) do chịu ảnh hƣởng của tán sắc màu và tán sắc phân cực mode cũng nhƣ hiệu ứng phi tuyến khi truyền dẫn ở tốc độ cao. - Hệ thống IM/DD thƣờng thực hiện bù tán sắc bằng sợi DCF có hệ số suy hao lớn (~0,5 dB/km) và diện tích hiệu dụng nhỏ (12-15 μm2
), nên phải sử dụng thêm một tầng khuếch đại và làm tăng tính phi tuyến của sợi quang.
Để khắc phục những hạn chế này, người ta có xu hướng sử dụng các kỹ thuật điều chế trong thông tin quang Coherent kết hợp với tách sóng Coherent. Phần sau đây sẽ trình bày về kỹ thuật điều chế trong hệ thống Coherent.
2.2 Điều chế trong hệ thống Coherent 2.2.1 Cơ bản về thông tin quang Coherent 2.2.1 Cơ bản về thông tin quang Coherent
Thông tin quang Coherent đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi trong những năm 1980, chủ yếu là do máy thu Coherent có độ nhạy cao giúp kéo dài khoảng cách truyền dẫn. Tuy nhiên việc thiết kế máy thu là quá phức tạp và dƣờng nhƣ là điều khơng thể vào thời điểm đó. Vào những năm 1990, sự ra đời của khuếch đại quang EDFA cùng với công nghệ ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM) đã làm nên một bƣớc ngoặt trong lịch sử truyền thông sợi quang. Ƣu điểm của WDM là thiết kế đơn giản, kết hợp giữa điều chế cƣờng độ và tách sóng trực tiếp (IM/DD). Các hệ thống WDM đƣợc triển khai rộng khắp trên toàn thế giới và phát triển cực kỳ nhanh chóng. Từ đó thơng tin quang Coherent chìm vào quên lãng.
Năm 2005, sau 20 năm bị lãng quên, thông tin quang Coherent đã quay trở lại và hiện nay đang trở thành vấn đề đƣợc quan tâm hàng đầu tại các hãng sản xuất thiết bị cũng nhƣ các nhà khai thác mạng. Hệ thống IM/DD đã dần lộ rõ những hạn chế của nó mà cơ bản nhất là hạn chế về năng lực truyền dẫn trong khi dung lƣợng trên đƣờng truyền đang ngày một tăng. Nhƣ chúng ta đã biết, hệ thống IM/DD sử dụng dạng điều chế nhị phân (hai trạng thái On và Off), và hạn chế của dạng điều chế này là hiệu suất phổ không cao. Hiệu suất phổ bị giới hạn ở mức 1 bit/s/Hz/phân cực [11], ngƣời ta thƣờng gọi là giới hạn Nyquist. Điều này càng làm cho thông tin quang Coherent đƣợc chú ý hơn ở thời điểm hiện nay.
Điểm khác biệt lớn nhất giữa tách sóng Coherent và tách sóng trực tiếp là: ở tách sóng trực tiếp, tín hiệu quang rơi trực tiếp trên photodiode mà không qua sự “chế biến” nào. Trong khi tách sóng Coherent, tín hiệu quang đƣợc trộn với tín hiệu từ bộ dao động nội (LO) trƣớc khi đi vào bộ tách sóng (hình 2.11):
LPF, Sample, Decision LO LPF PD Es(t) ELO(t)
ωIF = ωs – ωLO Dữ liệu ra
Bộ trộn
OPLL
Hình 2.11 Sơ đồ khối máy thu quang Coherent
Trong máy phát quang Coherent cổ điển, bộ điều chế tín hiệu sử dụng các kỹ thuật điều chế nhƣ ASK, FSK, PSK..., sóng laser phát ra ánh sáng liên tục có tần số
góc ωs (= 2πfs). Ở bộ dao động nội của máy thu, laser phát ra ánh sáng có tần số góc ωLO, nếu ωs = ωLO thì ta có kiểu tách sóng homodyne, ngƣợc lại ta có kiểu tách sóng heterodyne. Dĩ nhiên nếu ở máy phát sử dụng dạng điều chế FSK thì ở máy thu khơng sử dụng tách sóng homodyne.
- Es(t) = As cos(ωst + ϕs), (2.6)
- ELO(t) = ALO cos(ωLOt + ϕLO). (2.7)
Công suất của tín hiệu quang tại đầu vào photodiode [10]:
√ , (2.8)
với ωIF = ωs – ωLO là tần số góc của tín hiệu trung tần, Ps và PLO là cơng suất của tín hiệu quang và cơng suất của tín hiệu LO (Ps ≪ PLO), R là đáp ứng của photodiode. Dòng điện thu đƣợc sau photodiode [11]:
√ . (2.9)
Với tách sóng homodyne: ωIF = 0 ⇒ √ . (2.10)
Nếu pha của LO đƣợc khóa với pha của tín hiệu thì ϕs = ϕLO và dịng tín hiệu homodyne: √ . Ta nhớ lại rằng, dịng tín hiệu sau photodiode trong tách sóng trực tiếp (cơng thức 2.4) đƣợc cho bởi I(t) = R.|e(t)|2
= R.Ps(t), Ps(t) là cơng suất tín hiệu quang trƣớc photodiode. Nếu coi cơng suất tín hiệu quang trung bình là ̅ thì cơng suất tín hiệu điện trung bình (sau photodiode) đƣợc nhân lên với một hệ số 4PLO/ ̅ khi sử dụng tách sóng homodyne, và mức tăng có thể vƣợt quá 20 dB [10]. Nhƣ vậy khi LO có cơng suất đủ lớn ta có thể tăng mức tín hiệu thu đƣợc mà khơng cần bộ tiền khuếch đại, do đó giảm đƣợc nhiễu trong bộ thu quang. Tách sóng Coherent có thể làm tăng độ nhạy của máy thu lên 20 dB so với tách sóng trực tiếp.
Một số hạn chế của hệ thống Coherent cổ điển:
Tần số và pha của laser máy phát phải rất ổn định. Cần có kỹ thuật nhƣ ổn định nhiệt độ của laser ở nhiệt độ thấp 10-2 – 10-3
K để đảm bảo độ ổn định tần số trong khoảng 10-20GHz/K. Điều này đã hạn chế sự phát triển thông tin quang Coherent trong một thời gian dài.
Đồng bộ pha giữa LO của máy thu và máy phát trong trƣờng hợp homodyne rất khó thực hiện, yêu cầu LO phải có độ ổn định tần số cao và mạch OPLL (vịng khóa pha quang) phải có băng thơng đủ lớn để điều chỉnh những sai lệch về tần số và pha giữa laser phát và thu.
Tín hiệu điều chế pha chịu ảnh hƣởng của CD nhiều hơn so với tín hiệu điều chế cơng suất do CD gây sai pha tuyến tính.
Tín hiệu điều chế pha chịu ảnh hƣởng lớn của tính chất phi tuyến của sợi quang thơng qua hiệu ứng tự điều chế pha (SPM) và điều chế pha chéo (XPM).
2.2.2 Máy thu trong hệ thống Coherent hiện đại:
Để khắc phục những hạn chế nêu trên, ngƣời ta đã nghiên cứu các kỹ thuật điều chế mới hiệu quả hơn, cùng với đó là chế tạo máy thu Coherent hiện đại với những tính năng tiên tiến.
LO 90o PD1 PD2 PD3 PD4 Tín hiệu thu Đa dạng pha IQ(t) II(t) Giải mã Đánh giá pha Equalizer Phục hồi clock ADC Tín hiệu đã đƣợc giải điều chế
Hình 2.12 Máy thu quang Coherent hiện đại
Máy thu đa dạng pha (Phase diversity): Thu cả phần thực và phần ảo của tín hiệu (xem hình 2.12), dịng điện trong phần thu thực và ảo [11]:
√ { } , (2.11)
√ { } , (2.12) ⇒ √ { } , (2.13)
với ϕsig(t) là pha tín hiệu, ϕs(t) là pha điều chế, ϕn(t) = ϕsn(t) – ϕLO(t) là nhiễu pha tổng cộng và ϕsn(t) là nhiễu pha.
Máy thu đa dạng phân cực (Polarization diversity): Tín hiệu thu đƣợc chia làm hai phân cực vng góc x và y. Mỗi phân cực trộn với một phân cực của tín hiệu LO tạo ra hai tín hiệu hỗn hợp. Mỗi tín hiệu hỗn hợp đƣợc giải điều chế riêng rẽ và sau đó cộng lại để đƣa vào mạch “sample and detection”.
Máy thu đa dạng pha kết hợp đa dạng phân cực, sử dụng kiểu tách sóng homodyne (hình 2.13): Tín hiệu sau bộ PBS đƣợc cho bởi [11]:
[ ] [√ √ ] , (2.14) [ ] √ [ ] , (2.15)
PBS (Polarization Beam Splitter) là bộ tách phân cực. Hai bộ lai ghép quang 90o (90o Optical Hybrid) tạo ra điện trƣờng từ E1 đến E8 [11]:
, (2.16) , (2.17) , (2.18) ( ) (2.19) 90o Optical Hybrid 90o Optical Hybrid PBS PBS IPD1 IPD2 IPD3 IPD4 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 Đa dạng pha Đa dạng phân cực Ein ELO Ein,x ELO,x Ein,y ELO,y
Hình 2.13 Máy thu đa dạng pha kết hợp đa dạng phân cực
Dòng điện thu đƣợc từ PD1 đến PD4 [11]:
√ { } , (2.20)
√ { } , (2.21)
√ { } , (2.22)
Từ (2.20), (2.21), (2.22) và (2.23) suy ra:
√ { } , (2.24)
√ { } . (2.25)
Đánh giá pha (Phase Estimation): Dùng các mạch xử lý tín hiệu số triệt tiêu sai pha do nhiễu gây ra nên khơng cần mạch khóa pha OPLL để đồng bộ pha của LO (Free-running LO). Hình sau đây miêu tả về kỹ thuật đánh giá pha Feed-forward:
Tách pha – Giải mã x M Tách pha ÷ M Esexp{j[ϕs(t)+ϕn(t)]} [ϕs(t)+ϕn(t)] ϕs(t) (Es)Mexp{jM[ϕs(t)+ϕn(t)]} =(Es)Mexp{jMϕn(t)} Vì Mϕs(t)=2π Mϕn(t) ϕn(t) Tín hiệu đã đƣợc giải điều chế Từ Equalizer
Hình 2.14 Kỹ thuật đánh giá pha Feed-forward
Kiểm sốt phase của tín hiệu thu đƣợc trong miền điện bằng các mạch xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing – DSP), không phải trong miền quang. Cấu trúc và chức năng của một bộ xử lý tín hiệu số sẽ đƣợc trình bày trong mục 2.4.
2.2.3 Một số dạng điều chế trong Coherent
Điều chế trong thông tin quang Coherent là rất phong phú và đa dạng, sau đây liệt kê một số dạng điều chế đã và đang đƣợc nghiên cứu, từ đơn giản đến phức tạp:
- ASK, FSK, PSK: điều chế cơ bản trong Coherent cổ điển. - BPSK: Binary PSK: điều chế pha 2 trạng thái.
- QPSK: Quadrature PSK: điều chế pha vng góc (4 trạng thái). - 8-PSK: điều chế pha 8 trạng thái.
- DPSK (DBPSK): Differential PSK: điều chế pha vi sai 2 trạng thái. - DQPSK: Differential QPSK: điều chế pha vi sai 4 trạng thái.
- M-ADPSK: điều chế pha kết hợp công suất M trạng thái (M = 4, 8, 16…).
- DP-QPSK (PM-QPSK, PDM-QPSK): Dual Polarization QPSK: điều chế pha vng góc phân cực kép (ghép phân cực).
- M-QAM: M-Quadrature Amplitude Modulation: điều chế biên độ vng góc (hay cầu phƣơng) M trạng thái (M = 8, 16, 32…).
- DP-OFDM: Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - ghép phân cực… Sau đây chúng ta đƣa ra một số so sánh giữa các dạng điều chế khác nhau:
Bảng 2.1 DP-QPSK và DP-MQAM [12] Gbit/s Số phân Gbit/s Số phân cực Gsymbol/s Lƣới (GHz) Bit/symbol Dạng điều chế OSNR min (dB) 112 2 28 50 2 DP-QPSK 12,6 224 2 28 50 4 DP-16QAM 17,4 448 2 112 200 2 DP-QPSK 18,6