2.1.1. Nguồn phát xung quang rất ngắn
Hệ thống truyền dẫn OTDM là ph−ơng pháp truyền dẫn điều khiển các xung quang. Cần một nguồn phát xung quang ngắn không chỉ để tạo nguồn xung tín hiệu mà còn để tạo tín hiệu điều khiển. Các nguồn phát quang dựa trên laser bán dẫn đ−ợc dùng cho hệ thống truyền dẫn quang vì kích th−ớc nhỏ, ổn định và độ tin cậy cao. Để v−ợt qua các vấn đề liên quan đến nhiễu xuyên kênh, độ rộng xung ánh sáng tại 1/2 biên độ lớn nhất của nó (FWHM) nên nhỏ hơn 1/3 chu kỳ bit. Hơn nữa, độ trôi thời gian (jitter) không đ−ợc v−ợt quá 1/10FWHM.
- Với hệ thống 10Gbps: độ rộng xung ánh sáng phải nhỏ hơn 34ps và độ trôi nhỏ hơn 10ps.
- Với hệ thống 40Gbps: độ rộng xung ánh sáng phải nhỏ hơn 9ps (=25ps/3) và độ trôi nhỏ hơn 2.5ps.
- Với hệ thống 160Gbps: độ rộng xung ánh sáng phải nhỏ hơn 2ps (=6,35ps/3) và độ trôi nhỏ hơn 0.2ps.
Các nguồn phát xung cỡ ps hiện nay đ−ợc bán trên thị tr−ờng chủ yếu là các laser khoá mode dựa trên chất bán dẫn hoặc sợi quang. Để đạt đ−ợc tốc độ cao dựa trên kỹ thuật ghép kênh thời gian có thể thực hiện trong miền quang hoặc miền điện. Với máy phát 40Gbps có thể sử dụng trong miền điện (ETDM) hoặc miền quang (OTDM). Với máy phát tốc độ hơn 40Gbps (160Bpbs, 640Gbps) đều dùng OTDM do tốc độ xử lý hạn chế của các thiết bị điện tử.
Bảng 2.1 Liệt kê các nguồn tạo xung quang tốc độ cao dùng trong thông tin hiện nay.
Chuyển mạch khuếch đại là ph−ơng pháp đơn giản nhất để kích thích laser DFB bằng một xung dòng điện. Về phần độ rộng xung và lệch tần
(chirp), độ rộng xung có thể t−ơng đ−ơng khoảng 5ps với bù chirp bằng sợi quang. Nghĩa là cần bù phi tuyến để làm độ rộng xung nhỏ hơn 3ps do còn chirp phi tuyến.
Bảng 2.1. Nguồn xung quang tốc độ cao
Tần số Chu kỳ Công suất ra Trôi Gain switching ~20Ghz ~20ps Vài mW Lớn EA modulator ~40GHz ~10ps 10àW Nhỏ Mode-locked
semiconductor laser 10Ghz~1Thz Vài ps Vài mW Nhỏ Mode-locked fiber laser ~40Ghz Vài ps Vài mW Nhỏ
Nguồn xung quang dùng bộ điều chế hấp thụ điện (EA) là ph−ơng pháp tạo xung quang bằng cách điều khiển sóng sin biên độ rộng dùng hiệu ứng phi tuyến của đặc tính nhận biết quang. Ph−ơng pháp này có độ trôi (jitter) nhỏ và độ thay đổi tần số tốt. Tuy nhiên nh−ợc điểm là suy hao cao, do đó c−ờng độ đầu ra thấp và độ rộng xung lớn. Để có độ rộng xung 3ps cần nối 2 bộ điều chế EA 40GHz liên tiếp nhau nh−ng vấn đề là suy hao lớn và việc điều chỉnh pha của các sóng sin điều khiển 2 bộ điều chế này rất khó. Laser sợi quang khoá mode thoả mn hầu hết các yêu cầu cho nguồn quang của OTDM 40Gbps và 160Gbps. Tuy nhiên, laser sợi quang khoá mode này có kích th−ớc lớn, giá thành không cao và không ổn định do hốc cộng h−ởng dài.
Với sự phát triển của kỹ thuật ổn định và điều khiển tần số, laser khoá mode bán dẫn có thể tạo ra các xung quang ổn định với tốc độ từ 10GHz đến 1THz. Đây là nguồn xung quang duy nhất có thể tạo ra tần số xung v−ợt quá 100GHz làm nguồn xung quang clock cho trạm lặp quang 3R tốc độ 160Gbps. Nh−ợc điểm của laser bán dẫn khoá mode là tốc độ cố định đ−ợc xác định bằng chiều dài hốc cộng h−ởng và khó khăn trong việc điều chỉnh tần số clock hệ thống. Độ rộng xung ngắn nhất hiện nay cung cấp đ−ợc là 0.8ps.
2.1.2. Ghép kênh phân chia thời gian quang (OTDM)
thời gian, một ph−ơng pháp dùng tín hiệu điện và một ph−ơng pháp dùng tín hiệu quang. Trong phần này chúng ta xem xét đến tách/ghép kênh tín hiệu quang (OTDM).
Các ứng dụng dùng OTDM là: - Máy phát/ máy thu
- Bộ ghép kênh xen/rớt quang (ADM) - Nối chéo quang (XC)
Hình 2.1. là hệ thống thông tin quang tốc độ 160Gb/s dùng kỹ thuật OTDM.
Hình 2.1. Hệ thống OTDM
Phía phát phát đi 4 nhánh tín hiệu 40Gbps ghép kênh OTDM thành 160Gbps. Phía thu tạo các xung điều khiển từ các tín hiệu quang thu đ−ợc, tách kênh thành 4 tín hiệu quang bằng mạch tách kênh quang rồi thu chúng. Xung quang có độ rộng từ 2 đến 3ps.
2.2. Đ−ờng truyền tốc độ cao 2.2.1. Trạm lặp quang 2R/3R 2.2.1. Trạm lặp quang 2R/3R
Cấu trúc cơ bản của trạm lặp quang 3R đ−ợc cho trên hình 2.2. Trạm lặp quang 3R gồm có 3 chức năng là khuếch đại (Reamplification), định thời (Retiming), sửa lại dạng (Reshaping) tín hiệu. Nhiệm vụ của nó là khôi phục lại tín hiệu đ bị suy yếu thành tín hiệu ban đầu. Nếu bỏ chức năng Retiming khỏi 3R ta sẽ đ−ợc trạm lặp quang 2R.
Để thực hiện trạm lặp quang 2R/3R cần các thiết bị quang hoạt động trong suốt với tốc độ tín hiệu và dạng xung. Trong thực tế, có thể thực hiện tái tạo lại tín hiệu bằng các hiệu ứng phi tuyến quang có độ trong suốt cao. Đặc biệt khi áp dụng vào các hệ thống tốc độ cao 40Gbps cần có tốc độ xử lý rất cao cỡ vài ps.
Hình 2.2. Cấu hình cơ bản của trạm lặp toàn quang 3R
Có một số báo cáo về thí nghiệm với trạm lặp quang 3R dùng sợi quang là chuyển mạch cổng quang. Trong trạm lặp 3R cho các xung ngắn vài ps nh− trong hệ thống 40Gbps thì khoảng thời gian chuyển mạch phải đủ nhỏ so với khoảng thời gian xung (25ps). Do đó, sẽ xảy ra vấn đề là nếu tín hiệu có nhiễu trôi (jitter) thì qua chuyển mạch cổng quang nó sẽ chuyển thành nhiễu biên độ Để tránh vấn đề này, chuyển mạch cổng quang dùng bộ sửa dạng xung để chuyển xung sau chuyển đổi sang dạng phẳng hơn (loại bỏ nhiễu).
Trạm lặp quang 3R là kỹ thuật quan trọng cho các mạng quang trong t−ơng lai. Để có thể trao đổi tự do dung l−ợng dữ liệu lớn tốc độ cao Tb/s trong các mạng quang cần mở rộng các chức năng tại nút quang do đó cần có các trạm lặp 3R tốc độ cao. Để thực hiện đ−ợc trạm lặp quang 3R cần có các linh kiện hoạt động ở tốc độ cao. Trong tr−ờng hợp dùng các thiết bị bán dẫn, cần nghiên cứu phát triển các linh kiện không phụ thuộc vào mẫu tín hiệu và trong suốt với dạng sóng. Các linh kiện điện tử mới dùng các chấm l−ợng tử có thể đáp ứng đ−ợc các yêu cầu này. Về phía sợi quang, cần nghiên cứu các loại sợi có hiệu ứng phi tuyến tốt.
2.2.2. Hệ thống điều chế và giải điều chế
và giải điều chế rất cần thiết để phát triển hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Để có thể triển khai đ−ợc hệ thống thôn tin tốc độ cao (hơn 40Gbps) cần nghiên cứu các ph−ơng pháp điều chế và giải điều chế mới và xem xét ảnh h−ởng của nó đến dung l−ợng truyền dẫn và khoảng cách truyền dẫn.
Về dung l−ợng truyền dẫn
Dạng sóng NRZ chủ yếu đ−ợc dùng cho tốc độ 10Gbps. Hiệu quả phổ của NRZ không v−ợt quá đ−ợc 0.5b/s/Hz. Bảng 2.2. liệt kê hiệu quả phổ của NRZ với tốc độ khác nhau.
Bảng 2.2. Hiệu quả phổ của NRZ
Modulation (Gb/s) Wavelength interval (GHz) Spectral efficiency (b/s/Hz)
2.5 100/50/25 0.025/0.05/0.1
10 200/100/50 0.05/0.1/0.2
40 200/100 0.2/0.4
160 400 0.4
Chúng ta thấy, nếu tiếp tục dùng NRZ thì sẽ không đạt đ−ợc mục đích tăng hiệu quả phổ, do đó cần nghiên cứu dạng điều chế mới cho các hệ thống có tốc độ lớn hơn 40Gbps.
Về khoảng cách truyền
Cần duy trì tỷ lệ NRZ và điều khiển ảnh h−ởng của các hiện t−ợng tán sắc và phi tuyến càng nhiều càng tốt để có thể đạt đ−ợc khoảng cách truyền dẫn trong các hệ thống thông tin tốc độ cao t−ơng ứng với hệ thống thông tin quang hiện tại (10Gbps). Một hệ thống điều chế tốt cần phổ điều chế hẹp. Mặt khác, cần khả năng chịu đựng cao của ph−ơng pháp điều chế với các hiệu ứng phi tuyến. Nếu đạt đ−ợc mục đích này thì sẽ cải thiện đ−ợc độ nhạy máy thu (khả năng chịu đựng hiệu ứng phi tuyến tốt sẽ dẫn đến giảm đ−ợc công suất trung bình của đ−ờng truyền), giảm đ−ợc độ rộng xung quang (khả năng chịu đựng hiệu ứng phi tuyến cao dẫn đến giảm thời gian t−ơng tác giữa các xung).
Các hệ thống điều chế và giải điều chế đang đ−ợc nghiên cứu gồm: - CS-RZ (Carrier Suppressed RZ)
- RZ-DPSK
- Optical pre-filtering (post-filtering)
- Điều chế đa mức RZ-DQPSK và 16 APSK - FSK
2.2.3. Bù tán sắc trong hệ thống quang tốc độ cao
Phần này trình bày hiện trạng và các vấn đề bù tán sắc cần thiết để phát triển các hệ thống thông tin quang tốc độ cao.
Trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao cần xem xét tán sắc của sợi quang, của các bộ khuếch đại quang ở các trạm lặp cũng nh− sợi quang trên đ−ờng truyền. Do đó cần có kỹ thuật bù tán sắc. Có thể chia hệ thống bù tán sắc làm 2 loại là kiểu bù cố định và kiểu điều chỉnh đ−ợc. Với hệ thống tốc độ cao hơn 40Gbps cần bù tán sắc thay đổi do:
- Tán sắc của sợi quang thay đổi theo môi tr−ờng (nhiệt độ)
- Khi thay đổi cấu trúc mạng thì l−ợng bù tán sắc tối −u thay đổi đặc biệt tại phía thu.
- Xảy ra sự thăng giáng b−ớc sóng và lọc quang ở nguồn quang
- Công suất ánh sáng thay đổi (ví dụ sự thay đổi số l−ợng b−ớc sóng dẫn đến thay đổi công suất máy phát) có thể làm thay đổi l−ợng bù tán sắc tối −u do sự thay đổi hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang.
Các hệ thống có thể dùng cho WDM là có thể bù tán sắc cho nhiều tín hiệu b−ớc sóng khác nhau. Hiện nay, để thực hiện một hệ thống bù tán sắc thay đổi, cần có hệ thống mạch điều khiển và một hệ thống dò tán sắc để điều khiển thiết bị bù tán sắc thay đổi theo tán sắc đ−ờng truyền.
Tóm lại, hệ thống bù tán sắc cần tiếp tục giải quyết các vấn đề sau: xác định l−ợng tán sắc theo các thông số của hệ thống nh− tốc độ bit, dạng điều chế, cự ly truyền xa, công suất trung bình đ−ờng truyền, sợi quang truyền. Các đặc tính cần cho bộ bù tán sắc là:
- Suy hao thấp, kích th−ớc gọn, công suất tiêu thụ thấp - Khả năng áp dụng cho nhiều kênh
2.2.4. Bù tán xạ mode phân cực
Hiện trạng và các vấn đề liên quan đến kỹ thuật bù tán xạ mode phân cực cho hệ thống thông tin quang tốc độ cao sẽ đ−ợc trình bày trong phần này. Giả sử khả năng chịu tán xạ mode phân cực (PMD) là 10% khe thời gian thì với hệ thống 40Gbps thì dung sai cho phép của PMD là 2,5ps. T−ơng đ−ơng với 625km sợi quang hiện đang dùng (có PMD là 0.01ps/km0.5). Do đó cần xem xét đến ảnh h−ởng của PMD trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, cự ly xa. Có thể nghiên cứu loại sợi quang có PMD gần bằng 0 và hệ thống truyền có chỉ một mode phân cực. Do PMD thay đổi theo thời gian nên cần tìm kiếm ph−ơng pháp bù PMD thay đổi.
Bù PMD dùng mạch điện tử cũng tiếp tục đ−ợc nghiên cứu. Về nguyên tắc, có thể phát hiện đ−ợc nhiễu xuyên kênh và bù cho nó t−ơng tự nh− mạch bù tán sắc. Ph−ơng pháp bù dùng mạch điện tử có −u điểm giá thành thấp, kích th−ớc gọn, bù đ−ợc cho một dải rộng của nhiễu xuyên kênh, không suy hao công suất quang.
Để phát triển hệ thống thông tin quang cần tiếp tục nghiên cứu kỹ thuật bù PMD. Cần có thiết bị giám sát các yếu tố nhạy với mode phân cực và sự thay đổi của các yếu tố này, sự ảnh h−ởng đến số bit lỗi. Hệ thống giám sát hiện nay đang nghiên cứu là trích một phần phổ RF của tín hiệu thu đ−ợc bằng một bộ lọc, ví dụ thành phần tần số của 1/2, 1/4, 1/8 tốc độ bit (ph−ơng pháp này t−ơng ứng với DGD trên 1 bit); một ph−ơng pháp đo tỷ lệ lỗi của tín hiệu thu đ−ợc dùng mạch cổng quyết định có khả năng thiết lập mức quyết định thay đổi; một ph−ơng pháp đo độ giảm phân cực (DOP) bằng tán xạ phân cực (đo không phụ thuộc vào tốc độ bit).
Về vấn đề giá thành và tốc độ, do khó khăn trong việc bù PMD trên một dải b−ớc sóng rộng trong hệ thống truyền dẫn WDM nên mỗi b−ớc sóng cần dùng một bộ bù PMD. Do đó cần bộ bù PMD có giá thành thấp. Để có đ−ợc bộ bù giá thành rẻ cần nghiên cứu một ph−ơng pháp nh− ph−ơng pháp DOP không phụ thuộc vào tốc độ bit.
tr−ờng. Ví dụ, nhiệt độ thay đổi và tốc độ thay đổi, méo thêm vào sợi quang thay đổi. Nhiệt độ thay đổi xảy ra theo từng giờ, từng ngày nh−ng méo thêm vào sợi quang thay đổi rất nhanh. Do đó để theo kịp sự thay đổi phân cực nhanh cần có bộ bù tốc độ cao (khoảng ms).
2.2.5. Sợi quang dùng trong hệ thống 160Gb/s
Sợi quang là một kỹ thuật then chốt trong thực hiện các hệ thống tốc độ cao. Trong phần này sẽ đ−a ra các yêu cầu cho sợi quang, các vấn đề liên quan đến sợi quang trong hệ thống tốc độ cao hơn 40Gbps.
Các vấn đề cần xem xét về đặc tính của sợi quang trong hệ thống truyền dẫn tốc độ cao gồm có 3 vấn đề sau: điều khiển tán sắc, loại bỏ PMD, tăng công suất tín hiệu.
Điều khiển tán sắc
- Giới hạn bù tán sắc bậc 2 và bậc 3 có độ chính xác cao - Bù tán sắc bậc cao (bậc 4)
Kỹ thuật hiện nay dùng sợi quang quản lý tán sắc để giảm suy hao tín hiệu do các hiệu ứng phi tuyến và tán sắc. Tán sắc (tán sắc bậc 2) và độ dốc tán sắc (tán sắc bậc 3) đ−ợc bù bằng sợi quang. Tán sắc bậc 2 là một yếu tố giới hạn tốc độ hệ thống truyền dẫn do nó tỷ lệ với căn bậc của tốc độ bit. Hơn nữa, cần bù tán sắc bậc 3, bậc 4 cho các hệ thống tốc độ hơn 100Gbps.
Loại bỏ PMD
- Kỹ thuật loại bỏ PMD (cải tiến kỹ thuật sợi quang và cấu trúc cáp tối −u) - Truyền phân cực đơn (sợi quang l−ỡng chiết cao)
Giới hạn PMD trong chất l−ợng truyền dẫn tỷ lệ nghịch với tốc độ bit. Giới hạn PMD trong hệ thống 10Gbps gấp 4 lần hệ thống 40Gbps. Vì PMD của sợi quang hiện nay dùng cho truyền dẫn cự ly xa là khoảng 0.1 ps/km0.5). Mục tiêu cho sợi quang và sản phẩm cáp là 1/4 giá trị này.
Giải pháp cho truyền dẫn c−ờng độ tín hiệu cao (điều khiển phi tuyến,
công suất chịu đựng cao, suy hao thấp)
- Cấu trúc sợi quang tập trung công suất thấp - Giảm suy hao
Để duy trì chất l−ợng tín hiệu (SNR) của hệ thống truyền dẫn tốc độ cao ở mức truyền thống cần tăng c−ờng độ tín hiệu trung bình tỷ lệ với tốc độ bit, c−ờng độ tín hiệu đỉnh tỷ lệ với căn bậc 2 của tốc độ bit. Do đó cần quan tâm đến hiệu ứng phi tuyến và sự phá hỏng sợi quang do nhiệt. Các hiệu ứng phi tuyến tỷ lệ với c−ờng độ tín hiệu đỉnh và là yếu tố chính làm giảm chất l−ợng truyền dẫn. Các hiệu ứng chủ yếu là méo dạng sóng do hiện t−ợng tự điều chế pha (SPM) và tán sắc, điều chế xuyên pha trong kênh (XPM), trộn 4 b−ớc sóng (FWM), tán xạ kích thích Raman (SRS)... Một vấn đề cần xem xét là sợi quang sẽ chảy do công suất tín hiệu cao sẽ phát sinh nhiệt đ−a vào sợi quang.
2.3. Bộ khuếch đại trong hệ thống 160Gb/s
Nâng cấp kỹ thuật khuếch đại quang rất cần thiết cho mạng quang nhằm đạt đ−ợc tính trong suốt quang và dung l−ợng truyền dẫn lớn, ổn định. Những yêu cầu cho khuếch đại quang là mở rộng băng thông (400nm hoặc lớn hơn, gồm cả băng SLC, băng U, băng O và băng E), giảm hệ số nhiễu (NF)