2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp
Điều chế trực tiếp (direct modulation) hay còn gọi là điều chế nội (internal modulation) đƣợc sử dụng trong các hệ thống tốc độ thấp. Trong kiểu điều chế này, mạch điều chế nằm ngay trong bộ phát laser và tín hiệu điều chế đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích chạy qua laser. Dòng điện kích thích thay đổi theo tín hiệu thông tin từ giá trị dƣới mức ngƣỡng đến giá trị trên mức ngƣỡng, ví dụ bit đầu vào là “1” thì laser phát ánh sáng và bit đầu vào là “0” thì laser tắt. Hình sau đây mô tả một mạch phát quang sử dụng kỹ thuật điều chế trực tiếp:
_ + Dữ liệu Giám sát ra VDC Phân cực - 5,2V VBB VDRIVE Q1 Q2 Q3 Q4 LD PD
Hình 2.2 Mạch phát quang sử dụng Laser Diode
Dữ liệu phát đƣợc đƣa vào cực B của transistor Q1, cực B của transistor Q2 đƣợc cố định bởi nguồn phân cực VBB. Khi tín hiệu ngõ vào lớn hơn VBB, Q1 dẫn và Q2 tắt, dòng qua LD (Laser Diode) giảm làm LD ngƣng phát sáng. Ngƣợc lại khi tín hiệu ngõ vào nhỏ hơn VBB, Q1 tắt và Q2 dẫn, dòng qua LD tăng làm LD phát sáng. Q3 đóng vai
trò cung cấp nguồn dòng ổn định cho mạch vi sai Q1 và Q2. Q4 kết hợp với mạch hồi tiếp dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) ổn định dòng qua LD dƣới tác động của nhiệt độ, cũng nhƣ cung cấp tín hiệu cho việc giám sát nhiệt độ làm việc của LD phục vụ công việc cảnh báo và bảo dƣỡng cho bộ phát quang. Vai trò của photodiode PD là thu ánh sáng từ laser phát ra và tạo ra dòng quang điện tỷ lệ với công suất phát quang của laser. Vì vậy khi công suất quang ngõ ra thay đổi (do sự thay đổi của nhiệt độ) dòng quang điện sẽ thay đổi làm cho dòng điện phân cực cũng thay đổi theo bù lại những thay đổi trong công suất quang của laser [4]. Nhƣợc điểm của kỹ thuật điều chế trực tiếp:
Băng thông điều chế bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser.
Hiện tƣợng chirp làm tăng độ rộng phổ của xung ánh sáng (đối với laser DFB).
Không ứng dụng đƣợc trong các hệ thống đòi hỏi công suất phát quang lớn (>30mW) nhƣ các mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp.
Kỹ thuật điều chế ngoài (external modulation) có thể khắc phục đƣợc những hạn chế của kỹ thuật điều chế trực tiếp.
2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế ngoài
Tại tốc độ 10 Gb/s và cao hơn, kỹ thuật điều chế trực tiếp không đáp ứng đƣợc do những hạn chế đã nêu ở trên. Lúc này ngƣời ta sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài. Điều chế ngoài (external modulation) là một kỹ thuật mà tín hiệu đƣợc điều chế ở một bộ điều chế riêng biệt nằm ngoài laser. Nhƣ vậy lúc này ánh sáng do laser phát ra là sóng liên tục (Continuous Wave – CW) nên tránh đƣợc hiện tƣợng chirp cũng nhƣ khắc phục đƣợc sự hạn chế về băng thông và công suất phát.
Bộ điều chế ngoài PD
Điện tử kích thích Tín hiệu vào (xung RZ hoặc NRZ) CW
Tín hiệu quang sau khi điều chế
Hình 2.3 Sơ đồ khối của một bộ điều chế ngoài
Trong phần này chúng ta tìm hiểu về hai bộ điều chế sử dụng trong kiểu điều chế ngoài: Mach-Zehnder Modulator và Electroabsorption Modulator.
a. Mach-Zehnder Modulator
Mach-Zehnder Modulator là bộ điều chế giao thoa kế chế tạo từ vật liệu LiNbO3 (Lithium Niobate), là loại vật liệu có chiết suất phụ thuộc vào điện áp phân cực. Ánh
sáng do laser phát ra đi vào bộ giao thoa kế đƣợc chia thành hai phần bằng nhau. Khi không có điện áp phân cực thì ở đầu ra của bộ giao thoa, hai thành phần này không bị dịch pha và kết hợp với nhau tạo thành sóng ánh sáng có dạng nhƣ ban đầu. Khi có điện áp phân cực thì ở đầu ra của bộ giao thoa, hai thành phần này lệch pha 180o và triệt tiêu lẫn nhau, có nghĩa là ánh sáng đã đƣợc điều biến về cƣờng độ. Sự lệch pha giữa hai thành phần ánh sáng là do vận tốc khác nhau trên hai đƣờng đi có chiết suất khác nhau (vận tốc của ánh sáng phụ thuộc vào chiết suất của môi trƣờng ánh sáng truyền qua). Độ lệch pha giữa hai thành phần này cũng có thể điều khiển đƣợc bằng cách hiệu chỉnh điện áp phân cực. Bộ điều chế Mach-Zehnder đƣợc chia làm 2 loại, loại một cực và loại hai cực:
Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực (Single-Drive Mach-Zehnder Interferometer Modulator – SDMZIM):
Hai ống dẫn sóng chia đôi tín hiệu quang vào, một trong hai tín hiệu quang đƣợc điều chế bởi điện áp v(t), sau đó hai tín hiệu quang đƣợc cộng lại tại đầu ra. Ta có công thức sau xác định tín hiệu quang tại đầu ra [8]:
* ( )+ , (2.2)
với Vπ là điện áp phân cực ngƣỡng, sao cho nếu đặt v(t) = Vπ thì độ dịch pha giữa hai tín hiệu bằng π, Vπ càng nhỏ thì càng tốt.
Nếu v(t) = 0 thì độ dịch pha giữa 2 tín hiệu bằng 0, đầu ra có tín hiệu quang (ON):
* ( )+ [ ] .
Nếu v(t) = Vπ thì độ dịch pha giữa 2 tín hiệu bằng π, đầu ra không có tín hiệu quang (OFF): [ ( )] [ ] [ ] [ ] . +v(t) -v(t) Tín hiệu quang vào Tín hiệu quang ra
Hình 2.4 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực
Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực (Dual-Drive Mach-Zehnder Interferometer Modulator – DDMZIM):
Khác với bộ điều chế một cực, ở bộ điều chế hai cực cả hai tín hiệu quang đƣợc điều chế bởi v1(t) và v2(t) [8]: * ( ) ( )+. (2.3) +v1(t) -v1(t) +v2(t) -v2(t) Tín hiệu quang vào Tín hiệu quang ra
Hình 2.5 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực
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 không 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 không 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 thông 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 khôi 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, dòng điện sau photodiode (không 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 ngoài 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 công thức (1.6) hàng ngàn lần cho nên ngƣời ta quan tâm nhiều hơn đến tạp quang và OSNR.
Nếu hệ thống không sử dụng khuếch đại quang thì không 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, công 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 yêu cầu công 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 công suất, không 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 không 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 thông 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 không 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 công suất của tín hiệu quang và công suất của tín hiệu LO (Ps ≪ PLO), R là đáp ứng của photodiode. Dòng điện thu đƣợc sau photodiode [11]: