NGHIÊN CỨU DẠNG ĐIỀU CHẾ RZ VÀ NRZ CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 40Gbs TRÊN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OPTIWAVE

Đồ án tốt nghiệp
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Đi cùng với sự phát triểu của nhân loại thông tin liên lạc trở nên hết sức quan
trọng nó không thể thiếu được trong đời sống của con người đó là một nhu cầu cấp
thiết trong đời sống và phát triển của xã hội. Để đáp ứng được nhu cầu của con người
ngày càng cao. Thông tin quang ra đời và phát triển với nhịp độ rất nhanh trở thành hệ
thống có những tính năng ưu việt vượt bặc hơn hẳn những hệ thông tin hữu tuyến
trước nó.
Các hệ thống thông tin quang ra đời và dần đáp ứng được nhu cầu của con
người và để tìm ra những giải pháp tối ưu cho mạng lưỡi viễn thông toàn cầu và thiết
kế được một mô hình hệ thống tối ưu nhất, em đã lựa chọn đề tài này để so sánh tìm
hiểu xem hai hệ thống sử dụng 2 dạng điều chế NZ và NRZ với hệ thống thông tin
quang 40Gb/s và 80 Gb/s dạng nào cho hệ thống tối ưu hơn, vì vậy, em đã chọn đề tài
này và đi vào tìm hiểu.
Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu các dạng điều chế NRZ và RZ trong hệ thống quang.
- Tìm hiểu hệ thống quang WDM tốc độ cao sử dụng dạng điều chế NRZ và NR.
2. Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu kỹ thuật điều chế tín hiệu quang.
- Nghiên cứu định dạng điều chế NRZ và RZ và các sơ đồ cấu trúc máy phát,
máy thu tương ứng.
- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng Optiwave.
- Nghiên cứu các dạng điều chế RZ và NRZ cho hệ thống quang 40 Gb/s trên
phần mền mô phỏng.
- Thiết kế và xác định các thông số của hệ thống thông tin quang như tốc độ bít,
dung lượng kênh và các thông số sợi quang, bộ khuếch đại…
- Đưa ra các kết quả đánh giá và kết luận.
3. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phầm mềm mô phỏng OPTIWAVE với các linh kiện và cái máy đo giá
trị công suất và hiệu năng BER được lấy ta từ thư viện, so sánhvà suy luận logic để

xây dựng các mô hình tính toán, trên cơ sở đó hình thành các sơ đồ thiết kế hệ thống
thông tin quang theo yêu cầu của bài toán đặt ra và đưa ra kết quả so sánh giữa hai hệ
thống sử dụng hai định dạng điều chế NRZ và RZ.
4. Kết cấu của đề tài,
Đề tài tốt nghiệp được chia làm 4 chương như sau:
Chương I. Tổng quan công nghệ WDM tốc độ cao
Chương II. Định dạng điều chế quang RZ và NRZ
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
Chương III. Thiết kế hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM tốc độ
40Gb/s
Chương IV. Thực hiện mô phỏng và rút ra kết luận
5. Lời cảm ơn
Xin cảm ơn những mãi trường mà em đã đi qua trong suốt thời niên thiếu, em
xin ghi nhớ mãi công ơn của các thầy cô đã dìu dắt em từ buổi học vỡ lòng cho đến
nay.
Em xin chân thành cảm ơn cô giáo LÊ THANH THỦY - Bộ môn Tín hiệu và
Hệ thống – Khoa viễn thông 1 – Học viện công nghệ bưu chính viễn thông đã tận tâm,
nhiệt tình hướng dẫn dạy bảo và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các ban ngành, các thầy cô giáo bộ môn trong
khoa viễn thông 1, cùng ban lãnh đạo học viện công nghệ bưu chính viễn thông đã
giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập ở viện.
Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ cùng anh chị em trong gia đình
đã tạo điều kiện cho em được thực hiện ước mơ của mình, chăm lo và dạy bảo em
trong quá trình học tập xa nhà, để em có một bước nhảy lớn trong cuộc đời làm một
người công dân có ích cho xã hội.
Cuối cùng em xin gửi tới các thầy cô giáo, các anh chị cùng toàn thể các bạn
sinh viên trong khoa viễn thông 1 lời chúc tốt đẹp nhất, sức khoẻ, thịnh vượng và phát
triển, chúc các thầy cô đạt được nhiều thành công hơn nữa trong công cuộc trồng
người.

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WDM TỐC ĐỘ CAO
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
1.1. Giới thiệu
Kỹ thuật mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelangth
Division Mutiplexing) được coi là một cách mạng về băng thông trong mạng xương
sống Internet. Nhu cầu sử dụng băng thông gia tăng ngày một nhanh chóng với nhiều
ứng dụng mới phong phú, ví dụ như thương mạng điện tử, video theo yêu cầu và sự ra
đời của mạng quang WDM đã đưa ra hứa hẹn hết sức ý nghĩa cho nhu cầu bức thiết
trên.Khi sợi quang được đưa vào sử dụng để truyền thông tin thì thách thức đặt ra cho
chúng ta là như cầu sử dụng thông tin này càng mạnh mẽ của con người. khi ngày
càng có nhiều người sử dụng các mạng dữ liệu và mỗi lần sử dụng đó nó đã chiếm một
lượng băng thông đáng kể trong các ứng dụng thông tin của họ vi dụ như lướt web, các
ứng dụng Java, hội nghị truyền hình,…Từ đó nhận thấy như cầu thông tin băng rộng
hết sức bức thiết, và nhu cầu này còn vượt và hơn nữa trong tương lai.
Để thích ứng với sự phát triển không ngừng và thoả mãn yêu cầu về tính linh
hoạt về thay đổi mạng, các công nghệ truyện dẫn khác nhau đã được nghiên cứu, triển
khai thử nghiệm và đưa vào ứng dụng như kĩ thuật TDM, WDM. Trong đó công nghệ
ghép kênh phân chia theo bước sóng được sử dụng một cách rộng rãi. Điều này là do
công nghệ TDM có chi phí kĩ thuật và thiết bị lắm đặt hệ thống tương đối cao, đặc biết
trong TDM gây lãng phí một số kênh thông tin khi mỗi khe thơi gian đươc dữ trữ ngay
cả khi không có dữ liệu để gửi và phía thu khó khăn khi phân biệt các khe thời gian
thuộc về kênh nào để giải ghép kênh tín hiệu. WDM là tiến bộ rất lớn trong công nghệ
truyền thông sợi quang, nó cho phép tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ
bit đường truyền cũng như không cần dùng thêm sợi dẫn quang.
Với WDM, mỗi kênh với một bước song khác nhau và bước sóng ánh sáng này
không anh hưởng lẫn nhau bởi vì chu kỳ dao đông của các kênh khác nhau là hoàn
toàn đập lập với nhau. Khác với hệ thông TDM, mỗi phần tử kênh WDM có thể hoạt
động ở tốc độ bit bất kì và mỗi kênh cũng có thể mang đầy dung lượng của mỗi bước

sóng, chương trình này sẽ bày rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM và các
thành phần của nó.
1.1. Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang WDM
1.1.1. Sơ đồ khối tổng quát
a) Định nghĩa
Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công
nghệ“trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”. Ở
đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để
truyền đi trên một sợi quang, ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách
kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.
b) Sơ đồ khối chức năng
Như minh hoạ trên hình 2.1, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên
một sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
 Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser.
Hiện tại đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng
(Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đối
với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định,
mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải
nằm trong giới hạn cho phép.
 Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác
nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang.
Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín
hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các bộ
tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi,
cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot Khi xét
đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các
kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh,
mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao

phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa
 Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh
hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn
đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất
nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi ).
 Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại
quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Tuy nhiên bộ khuếch đại
Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế, có ba chế độ khuếch đại:
khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại. Khi dùng bộ
khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh
lệch không quá 1 dB).
- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng
đến mức công suất đầu ra của các kênh.
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh
lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng
đối với tất cả các kênh.
 Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách
sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.
c) Phân loại hệ thống
Với cùng một nguyên lý hoạt động có hai loại truyền dẫn trong WDM, đó là:
truyền dẫn đơn hướng và truyền dẫn song hướng.
Hệ thống WDM đơn hướng: Có nghĩa là tất cả các kênh cùng trên một sợi
quang truyền dẫn theo cùng một chiều (Hình 2.2(a)).
Hệ thống WDM song hướng: Có nghĩa là các kênh cùng trên một sợi quang
truyền theo hai hướng khác nhau, dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều
(Hình 2.2(b)).
So với hệ thống WDM một chiều thì hệ thông WDM hai chiều giảm được số

lượng bộ khuếch đại và đường dây, tuy nhiên hệ thống WDM hai chiều thường bị can
nhiễu nhiều kênh, ánh hưởng phản xạ quang, vẫn để cách ly giữa các kênh hai chiều,
trị số và loại hình xuyên âm, đồng thời phải sử dụng bộ khuếch đại quang hai chiều.
Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng, giả sử rằng công nghệ hiện
tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:
 Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao
gấp đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi
so với hệ thống song hướng.
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
 Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển
mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của
liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời.
 Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn
phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn
trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai
chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng.
 Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn
trong hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ
thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ
khuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn
hướng.
1.1.2. Ưu điểm của hệ thống WDM
Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu nhược điểm
của công nghệ WDM như sau:
a) Ưu điểm của công nghệ WDM:
- Tăng băng thông truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóng được
ghép vào để truyền trên một sợi quang.
- Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có
thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: ATM, Gigabit Ethernet, ESCON,

chuyển mạch kênh, IP
- Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng
thông truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng
ở nhiều cấp độ khác nhau.
- Hiện tại, chỉ có duy nhất công nghệ WDM là cho phép xây dựng mô hình mạng
truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt
nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động
b) Nhược điểm của công nghệ WDM:
- Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang (chỉ mới tận
dụng được băng C và băng L).
- Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần.
- Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất khó
triển khai WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn bốn bước sóng khá gay gắt.
1.2. Thành phần trong hệ thống WDM
Các linh kiện được sử dụng trong các mạng quang hiện đại bao gồm các bộ
ghép/tách (couplers), bộ phát tín hiệu quang, bộ thu tín hiệu quang, bù tán sắc, khuếch
đại quang. Mục này sẽ tập trung xem xét nguyên lý hoạt động của các linh kiện nằm
trong các thành phần hệ thống như trình bày ở dưới. Ðối với mỗi linh kiện trước tiên
sẽ đưa ra mô hình mô tả đơn giản sau đó là các mô hình toán học chi tiết.
1.2.1. Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler)
a) Định nghĩa
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) là thiết bị quang dùng để kết hợp các tín hiệu
truyền đến từ các sợi quang khác nhau, nếu coupler chỉ cho phép ánh sáng truyền qua
nó theo một chiều, ta gọi là coupler có hướng (directional coupler). Nếu nó cho phép
ánh sáng đi theo 2 chiều, ta gọi là coupler song hướng (bidirectional coupler).
Coupler thông dụng nhất là coupler FBT (Fused Binconical Taper), Coupler
này được chế tạo bằng cách đặt 2 sợi quang cạnh nhau, sau đó vừa nung chảy để
chúng kết hợp với nhau vừa kéo dãn ra để tạo thành một vùng ghép (coupling region).

Một coupler 2 x 2 đặc trưng bởi tỉ số ghép α (0 <α < 1), α là tỉ lệ công suất ánh sáng
ngõ vào 1 đến ngõ ra 1 so với tổng công suất ánh sáng vào ngõ vào 1. Phần tỉ lệ 1-α
công suất ánh sáng còn lại của ngõ vào 1 sẽ được truyền đến ngõ ra 2. Hình 1.9 là một
coupler FBT 2 x 2 có hướng.
Coupler có thể là chọn lựa bước sóng (wavelength selective) hay không phụ
thuộc vào bước sóng, tương ứng với α phụ thuộc hay không phụ thuộc vào bước sóng.
Trường hợp α=1/2, coupler được dùng để chia công suất tín hiệu ngõ vào thành
hai phần bằng nhau ở hai ngõ ra, Coupler trong trường hợp này được gọi là coupler 3
dB, Coupler hình sao NxN có thể được tạo bằng cách kết nối các coupler 3dB.
b) Nguyên lý hoạt động
Khi hai sợi quang được đặt cạnh nhau, ánh sáng sẽ được ghép từ sợi này sang
sợi kia vàngược lại. Ðó là do quá trình truyền mốt ánh sáng trên sợi quang qua vùng
ghép sẽ khác so vớitruyền trên sợi quang đơn. Khi đó, toàn bộ ánh sáng thuộc một sợi
quang sẽ được ghép hoàn toànsang sợi quang ghép với nó, phần ánh sáng này lại tiếp
tục được ghép ngược trở lại sang sợi quangban đầu theo một chu kì tuần hoàn khép
kín. Kết quả ta có cường độ trường điện từ ở đầu ra củabộ ghép Eo1, Eo2 được tính
theo cường độ trường điện từ đầu vào Ei1, Ei2 theo công thức [1]:
(1.1)
)(
)(
cos(kl) isin(kl)
isin(kl) )cos(
)(
)(
2
1
02
01

















=








−
fE
fE
kl
e
fE
fE

i
i
li
β
Trong đó:
β là hệ số pha của sự truyền ánh sáng trong sợi quang.
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
κ là Hệ số ghép. κ phụ thuộc vào chiều rộng của sợi quang, chiết suất của lõi
sợi và đến khoảng cách gần nhau của hai sợi quang khi thực hiện nung chảy.
Nếu chỉ cho ánh sáng vào ngõ 1 (cho Ei2=0), khi đó công thức (1.1) được
viết lại là:
(1.2) )()cos()(
)()cos()(
1
)2/(
02
101
fEkleefE
fEklefE
i
ili
i
li
πβ
β
−
−
=
=

Ta nhận xét rằng ở 2 đầu ngõ ra có sự lệch phaπ/2. Cũng trong điều kiện này,
ta tính được hàm truyền đạt công suất:
(1.3)
)(sin
)(cos
)(
)(
2
2
12
11








=








kl
kl

fT
fT
Ở đây hàm truyền đạt công suất T
ij
được định nghĩa:
(1.4)
2
2
ii
Eoj
ij
E
E
T =
Từ công thức (1.3) để có coupler 3 dB độ dài coupler phải được chọn sau cho
κl = (2k +1)π/ 4 với k là số không âm.
c) Các thông số cơ bản
Bộ coupler WDM được đặc trưng bởi các thông số sau [2]:
• Suy hao vượt mức Pex (Excess Loss): được định nghĩa:
Hình 1.4: Các thông số đặc trưng của Coupler
(1.5) /log10)(

















−=
∑
i
j
jex
PPdBP
Ở đây:
P
j
: công suất tại ngõ ra j,
P
i
: công suất tại ngõ vào
Theo hình 1.5, P
ex
được tính:
[ ]
(1.6) /)(log10)(
132
PPPdBP
ex
+−=
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5

Đồ án tốt nghiệp
• Suy hao xen IL (Insertion Loss): là tỉ số của công suất tín hiệu ngõ ra so với
ngõ vào tại một bước sóng cụ thể. Suy hao xen là suy hao mà coupler thêm vào
ngõ vào và ngõ ra.
[ ]
(1.7) /log10)(
1212
PPdBIL
−=
• Tỉ số ghép CR (Coupling Ratio): được định nghĩa
(1.8a) log10)(
32
2






+
−=
PP
P
dBCR
CR có thể được biểu diễn theo %:
(1.8b) 100 (%)
32
2
x
PP

P
CR






+
=
Dễ thấy
IL = CR + P
ex
(1.9)
• Tính đồng nhất U (Uniformity): Đặc trưng cho coupler dùng trong trường
hợp chia đôi công suất (50:50). Hệ số này để chỉ độ đồng nhất giữa 2 nhánh của
coupler (bằng 0 trong trường hợp coupler lí tưởng).
U(dB) = IL
max
- IL
min
= 10log[P
3
/P
2
] (1.10)
• Suy hao do phân cực PDL (Polarization-dependent Loss): Là dao động lớn
nhất của suy hao xen do sự thay đổi phân cực ánh sáng đầu vào. Thường chỉ số
này không vượt quá 0.15dB.
• Tính định hướng D (Directivity): Là phần công suất tín hiệu ngõ vào xuất

hiện tại ngõ ra không mong muốn.
D(dB) = -10log[P
4
/P
1
] (1.11)
• Xuyên kênh đầu gần (near-end crosstalk): Dùng để đánh giá tính định hướng
NEC(dB) = -10log[P
3
(λ
1
)/P
1
(λ
1
)] (1.12)
• Suy hao phản hồi RL (Return Loss): Được định nghĩa
RL(dB) = -10log[P
1out
/P
1in
] (1.13)
• Ðộ cách ly (Isolator): Dùng đánh giá phần ánh sáng trên một đường bị ngăn
không đạt đến một đường khác. Ví dụ λ1 là bước sóng truyền từ cổng 1 đến
cổng 2, truyền đến cổng 4 là không mong muốn. Tương tự λ2 truyền từ cổng 1
đến cổng 4, truyền đến cổng 2 là không mong muốn. Khi đó độ cách ly được
định nghĩa như sau:
I
41
(dB) = -10log[P

4
(λ
1
)/P
1
(λ
1
)] (1.14)
I
21
(dB) = -10log[P
2
(λ
2
)/P
1
(λ
2
)] (1.15)
d) Ứng dụng
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
Coupler là linh kiện quang linh hoạt và có thể cho nhiều ứng dụng khác
nhau:Bộ coupler với tỉ số ghép α ≈ 1 được dùng để trích một phần nhỏ tín hiệu quang,
phục vụ cho mục đích giám sát.
• Coupler còn là bộ phận cơ bản để tạo nên các thành phần quang khác, chẳng
hạn như: các bộ chuyển mạch tĩnh, các bộ điều chế, bộ giao thoa Mach-Zehnder
MZI MZI có thể được chế tạo hoạt động như bộ lọc, MUX/DEMUX, chuyển
mạch và bộ chuyển đổi bước sóng.
• Thực hiện ghép/tách bước sóng trên sợi quang. Nhờ điều chỉnh chiều dài ghép

thích hợp khi chế tạo, coupler 2 x 2 ghép 50:50 phân bố công suất ánh sáng từ
một đầu vào ra làm 2 phần bằng nhau ở 2 ngõ ra. Coupler này còn được gọi là
coupler 3 dB, ứng dụng phổ biến nhất.Từ coupler 3 dB, có thể tạo nên bộ
coupler n x n ghép n tín hiệu khác nhau vào một sợi quang.
1.2.2. Bộ phát tín hiệu quang
Vai trò và việc thực hiện của các bộ phát quang càng trở nên quan trọng với
việc gia tăng tốc độ dữ liệu kênh trong hệ thống. Trong khi các bộ phát quang trong
các kênh tốc độ thấp là ít phức tạp và dễ dàng thực hiện bằng phương pháp điều chế
laser trực tiếp, việc thực hiện trở nên phức tạp hơn khi tăng tốc độ dữ liệu, vì vậy yêu
cầu các thành phần quang và điện của hệ thống phải được nâng lên. Các bộ phát quang
truyền thống như hình 1.5, Cần cấp thiết điều chế biên độ/cường độ của ánh sáng laser
tốt hơn được biết như OOK, bởi vì các mức tín hiệu khác nhau cho các dấu và khoảng
cách là được mô tả bởi sự hiện diện của công xuất quang.
Hình 1.5: Thiết lập bộ phát quang điều chế ngoài
Điều chế biên độ có thể thực hiện trực tiếp hoặc điều chế ngoài (giám tiếp) của
diode laser, cho việc thực hiện các hệ thống truyền dẫn với tốc độ dữ liệu kênh lớn hơn
10Gb/s, điều chế ngoài thể hiện một giải pháp tốt hơn bởi vì nó làm cho tác động của
chirp nội laser lên tín hiệu quang suy giảm rất hiệu quả, nhưng tăng tính phức tạp của
bộ phát quang, nó là được thực hiện bởi sự điều chế ánh sáng laser trong một bộ điều
chế ngoài, điều này có thể là một bộ điều chế Mach-Zehnder (MZM) hoặc bộ điều chế
hấp thụ điện (EAM) và được điều khiển bởi tín hiệu điện tương ứng với tốc độ dữ liệu
kênh.
Trong phân này em sử dụng bộ điều chế Mach-Zehnder:
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
Bộ điều chế Mach-Zehnder:
Nguyên lý hoạt động của MZM là dựa cơ sở trên hiệu ứng điện-quang, chúng
được mô tả bởi sự biến đổi của trường điện được đưa vào (V
m
) gây ra sự thay đổi chỉ

số khúc xạ trong các nhánh được điều chế gây ra sự thay đổi hằng số lan truyền vật
liệu β dẫn đến các pha khác nhau trong hai nhánh điều chế. Tín hiệu quang đưa vào E
0
là được phân chia bởi một coupler 3dB chia tín hiệu quang E
0
làm hai phần bằng nhau
E
1
= E
2
và lan truyền trong nhánh trên và nhánh dưới của MZM (hình 1.6).
Hình 1.6: Nguyên lý điều chế Mach-Zehnder; a) Cấu trúc b) Chức năng truyền dẫn
(1.16) )exp(
2
0
21
tj
E
EE
ω
==
Nếu V
m
= 0(volt) thì không có sự thay đổi pha của hai nhánh tại đầu ra của
MZM và có cấu trúc giao thao. Nếu V
m
≠ 0 và > 0(volt) thì tín hiệu trong hai nhánh là
bị dịch pha đối xứng tới mỗi nhánh khác nhau và tín hiệu ra MZM (E
out
) là được cho

bởi:
(1.17) ))
2
(exp()
2
cos(E
))exp()exp((
2
1
0
2211
∆Θ
−
∆Φ
=
∆Φ+∆Φ=
tj
jEjEE
out
ω
Với:
(1.18)
12
12
∆Φ+∆Φ=∆Θ
∆Φ−∆Φ=∆Φ
Phụ thuộc vào sự khác biệt pha ∆Φ giữa các nhánh MZM có thể có hoặc không
có cấu trúc giao thao, dẫn đến điều chế biên độ của tín hiệu đầu vào bộ điều chế. P
out
tại đầu ra của MZM là:

(1.19) )cos1(
2
1
2
cos
0
2
0
∆Φ+=
∆Φ
=
PPP
out
Mối liên hệ P
out
/P
in
cho biết chức năng chuyển đổi công suất của MZM (hình
1.6) được mô tả bởi công suất phụ thuộc trên sự khác biệt pha ∆Φ. Bởi vậy ∆Φ diễn
giải các đặc tính hoạt động (bias-point) của MZM. MZM thông thường là được phân
cực (bias) tại điểm cầu phương “quadrature” ∆Φ=π/2, trong khi phân cực tại điểm
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
“zero” ∆Φ=2π cho phép phát các định dạng điều chế được cải thiện. Xem xét một
trường điện được đưa vào tại MZM, ∆Φ có thể được xác định như:
(1.20)
π
π
V
V

m
=∆Φ
Ở đây: V
m
là điện áp được đưa vào điều chế, V
π
là điện áp yêu cầu để đạt được
sự khác biệt pha nội π. Gía trị V
π
điển hình MZM 40Gb/s là nhỏ hơn 3v (volt). Điều
chế biên độ trong MZM xảy ra cùng bởi một sự điều chế pha. Chúng đưa đến một
chirp điều chế nội được cho bởi:
(1.21) .
1
.
2 dt
dP
Pdt
d
out
out
α
=
Θ
Với α (α-thông số của MZM) xác định số lượng và dấu của chirp tần số. Bởi
một sự kết hợp của thông số αvà chức năng chuyển đổi MZM, giá trị khác biệt của
chirp nội có thể được thực hiện, nếu thông số α là dương, chirp tần số là dương tại
sườn chính của xung, dẫn đến dịch tần số (blue-shift).
Thông số α là được xác định như:
(1.22) )

2
cos(.
21
21
π
π
α
V
V
nn
nn
m
∆−∆
∆+∆
=
Ở đây: ∆n
1
và ∆n
2
thể hiện sự thay đổi chỉ số cho mỗi volt, số hạng đầu tiên của
phương trình (1.22) diễn giải bản chất đối xứng của chức năng điều chế và số hạng thứ
hai diễn giải α phụ thuộc điểm hoạt động (hình 1.6). Phần thực của phương trình
(1.22) cũng được biết như là tham số chirp δ:
(1.23)
21
21
nn
nn
∆−∆
∆+∆

=
δ
Chirp nội của MZM có thể được sử dụng để giảm tán sắc nguyên nhân gây ra
penalty trong tuyến truyền dẫn, bởi vậy chirp nội điều chế phải có dấu đối xứng để
chirp nội làm suy giảm tán sắc. Gía trị chirp điển hình α cho MZM là 0.7 hoặc -0.7.
Điều chế ngoài MZM 40Gb/s là được mô tả bởi tỷ lệ phân biệt lớn (15-25dB), tổn hao
xen thấp (<6dB) và băng tần tương đối lớn (>20GHz), trở ngại của MZM là luôn luôn
phụ thuộc vào sự phân cực mạnh của thiết bị, với hệ quả là sợi quang duy trì phân cực
(PMF) phải được sử dụng để kết nối bộ điều chế tới nguồn laser.
1.2.3. Bù tán sắc
Tán sắc trong các sợi quang truyền dẫn đơn mode thể hiện là một trong các giới
hạn hoạt động truyền dẫn quan trọng nhất trong các hệ thống truyền dẫn ngày nay, dẫn
đến sự suy giảm khoảng cách truyền dẫn cực đại và giảm chất lượng của tín hiệu trên
đường truyền. Tác động của tán sắc trở nên lớn với một hệ thống nâng cấp lên các tốc
độ bit kênh cao hơn 10Gb/s. Một sự giới hạn tán sắc khác là độ dốc tán sắc, chúng thể
hiện một vấn đề trong các hệ thống WDM với một số kênh lớn, dẫn đến giá trị tán sắc
được tích luỹ khác nhau trên mỗi kênh.
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
Tuỳ thuộc vào khoảng cách và việc thực hiện, ở đây bù tán sắc là được làm
trong hệ thống, nó có thể được phân biệt ba phương pháp bù khác nhau: a) kỹ thuật
pre-chirp đặt tại máy phát b) bù tán sắc trong tuyến truyền dẫn (bù in-line) và c) bù tán
sắc đặt tại phía thu (post-chirp) như hình 1.7. Ở sau ý tưởng pre-chirp đặt tại phía phát
là sự bổ xung chirp với dấu đối xứng với chirp sợi quang để chống lại hiệu ứng tán sắc
tốc độ nhóm (GVD) trong sợi quang. Pre-chirp là được thực hiện bởi một vài phương
pháp, vd: khai thác chirp nội của nguồn laser hoặc một bộ điều chế ngoài và bổ xung
cấu trúc phát kết hợp sử dụng đưa thêm các thành phần như là điều chế pha hoặc tạo
mã-pre điện. Thành phần bổ xung chủ yếu của công nghệ này là hiệu quả chi phí, các
hệ thống quang phạm vi truyền dẫn ngắn với các tốc độ bit kênh nhỏ hơn, nhưng trong
việc kết hợp với các kỹ thuật bù tán sắc khác, nó có thể cho phép cải tiến hiệu xuất

ngay cả trong hệ thống truyền dẫn tốc độ bit cao đối với khoảng cách dài.
Hình 1.7: Một số phương pháp bù tán sắc
Bù tán sắc in-line thể hiện giải pháp cho phép công nghệ cho thực hiện hệ thống
truyền dẫn rất dài., bù tán sắc là được thực hiện trong miền quang mà không có sự
chuyển đổi tín hiệu quang-điện, cho phép bù tốt hơn tín hiệu bởi vì pha quang là được
duy trì. điển hình, bù tán sắc là được sử dụng trong tuyến truyền dẫn trên cơ sở từng
span. Việc bù tán sắc in-line có thể thực hiện bởi các thành phần quang khác nhau
như: sợi quang bù tán sắc (DCF), cách tử Bragg sợi quang (FBG), các bộ bù mode bậc
cao hơn (HOM). Nguyên lý hoạt động và đặc tính cơ bản của sợi quang DCF là được
trình bày vì nó được sử dụng cho nghiên cứu truyền dẫn 40Gb/s.
Kỹ thuật post-chirp tại phía thu là được mô tả bởi bù tán sắc trong miền điện,
thông qua sử dụng thuật toán xử lý phức tạp như: tách sóng hợp lý tối đa, tán sắc dư
tích luỹ trong xung quang được phát hiện có thể bù được hiệu quả, phương pháp bù
này là hiệu quả chi phí và kết hợp với bù in-line cho phép nâng cao hoạt động truyền
dẫn.
Sợi quang bù tán sắc DCF
Việc bổ xung thiết bị bù in-line trong tuyến truyền dẫn làm ảnh hưởng hoạt
động truyền dẫn của hệ thống bởi vì sự tương tác của ánh xạ tán sắc với các nhiễu loạn
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
truyền dẫn (vd: nhiễu ASE, phi tuyến…), thiết bị bù tán sắc DCF là được sử dụng cho
thực hiện bù tán sắc in-line.
DCF được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật bù tán sắc in-line trong các hệ
thống truyền dẫn ngày nay, DCF được mô tả bởi bù tán sắc âm lớn và đường kính lõi
nhỏ, gía trị tán sắc âm lớn có thể đạt được bằng cách biến đổi thuộc tính sợi quang
bằng cách tạo chất kích thích lớp phủ sợi quang (bởi fluorine), gia tăng chỉ số khúc xạ
khác nhau giữa lớp phủ và lớp lõi. Sự gia tăng đáng kể tán sắc âm sợi quang có thể đạt
được, sử dụng các thuộc tính chỉ số khúc xạ như kiểu matched-cladding, một kiểu hình
dạng W cho phép thực hiện độ dốc tán sắc âm hoặc kiểu lõi phân đoạn cho phép mở
rộng vùng lõi hiệu dụng bằng việc bổ xung các vòng tròn bao quanh-kiểu làm giảm

lớp phủ.
Một ví dụ của thuộc tính chỉ số khúc xạ DCF là được minh họa trong hình 1.8a
(DCF hình dạng W), với a diễn giải đường kính lõi, b đường kính bao quanh lõi- kiểu
bị làm giảm giống lớp phủ, và c và d chỉ số khúc xạ khác nhau của vùng lõi trung tâm
và vùng lõi kiểu làm giảm giống lớp phủ, thông qua sự thay đổi tỷ lệ giữa lõi trung
tâm và vùng lõi kiểu làm giảm giống lớp phủ, tán sắc âm có thể được mở rộng.
Hình 1.8: Một số đặc điểm sợi quang DCF a) Thuộc tính sợi quang DCF; b) Phổ tán
sắc của SSMF và DCF
Yêu cầu trên DCF là một tán sắc âm lớn (-70 300ps/nm), tổn hao xen thấp, tổn
hao phụ thuộc phân cực thấp (PDL), tán sắc mode phân cực thấp (<
km
ps
5.0
), diện tích
hiệu dụng và độ dốc tán sắc âm lớn (hình 1.8b), tổn hao DCF là được mô tả bởi giá trị
tượng trưng POM, cho như một mối liên hệ tán sắc DCF-D
DCF
và suy hao sợi quang α:
(1.24) .






= dB
nm
ps
D
POM

DCM
α
POM trong DCFs điển hình lớn hơn 150(
dB
nm
ps
.
), DCFs với tán sắc âm lớn là
được mô tả bởi vùng diện tích hiệu dụng nhỏ (A
eff
<20µm
2
), kết quả của chúng trong
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
một dung sai phi tuyến được suy giảm của thiết bị DCF, A
eff
lớn thì có thể từng phần
đạt bằng cách bổ xung các thuộc tính chỉ số khúc xạ đặc biệt (vd: lớp lõi được phân
đoạn). Việc thực hiện bù độ dốc tán sắc là vấn đề tới hạn trong DCF, bởi vì DCF
truyền thống có
β
3
dương, để đạt được bù độ dốc, độ biến đổi tán sắc hướng dẫn sóng
là cần thiết (vd: cấu trúc lớp phủ kép), các DCF có thể bù đồng thời vài kênh, nhưng
bởi sự không hoàn thiện bù độ dốc, một số lượng nhỏ tán sắc dư là còn duy trì.
Thiết lập bù tán sắc
Phụ thuộc vào sự thiết lập và kết hợp của các thiết bị bù trong tuyến truyền dẫn,
có một vài cách sắp xếp khác nhau có thể được sử dụng (hình 1.9), sắp xếp bù tán sắc
cho phép bù tán sắc toàn phần các tán sắc được tích luỹ trong sợi quang truyền dẫn và

phải được thực hiện theo nguyên tắc sau:
D
SMF
.L
SMF
+ D
DCF
.L
DCF
= 0 (1.25)
Ở đây:
D
SMF
, D
DCF
là giá trị bù tán sắc của truyền dẫn và sợi quang bù tán sắc, tương ứng
L
SMF
, L
DCF
là độ dài sợi quang
Nguyên tắc này có thể được đáp ứng bởi đặt các DCF trong các vị trí khác nhau
trong phạm vi tuyến truyền dẫn. Điển hình, một tuyến truyền dẫn bao gồm vài span
ghép nối, phụ thuộc vào cấu trúc span được thực hiện, có thể phân biệt được ba cơ sở
sắp xếp bù tán sắc: bù-pre, bù-hybrid, bù-post (hình 1.9), trong bù-pre và bù-post,
DCF là được đặt trước hoặc sau sợi quang SMF, trong bù-hybrid, 50% tán sắc SMF là
được bù trước SMF và 50% tán sắc còn lại là được bù sau SMF. Cách xử lý hệ thống
có thể khác nhau khi được sắp xếp khác nhau bởi vì sự ảnh hưởng lẫn nhau của các
hiệu ứng tuyến tính và phi tuyến làm biến đổi cho các tốc độ bit khác nhau, làm cho
việc nâng cấp hệ thống là một vấn đề tới hạn.

Hình 1.9: Một số nguyên lý bù tán sắc
Hình 1.10 minh hoạ quá trình bù tán sắc trong sắp xếp bù tán sắc kỹ xảo hơn
được thực hiện trong quá trình ghép nối nhiều span đơn. Sắp xếp bù-post toàn phần
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
cung cấp quá trình bù toàn phần và tái tạo lại tín hiệu sau mỗi span, việc sắp xếp này là
được quan tâm cho bổ xung thực tế bởi vì hình dạng tín hiệu quang là được duy trì sau
mỗi span và tín hiệu thu dễ dàng được phát hiện, đặc tính phi tuyến của phương pháp
này là kém hơn, bởi vì walk-off giữa các kênh lân cận trong hệ thống biến mất sau mỗi
span dẫn đến gia tăng tác động và sự tích luỹ phi tuyến giữa các kênh, phụ thuộc vào
tán sắc nội của sợi quang truyền dẫn, dung sai phi tuyến của việc sắp xếp này là được
cải thiện bởi bổ xung pre-chirp tại phía phát. Cùng một hiệu ứng, có thể đạt được bằng
cách bù dưới (âm) của tán sắc dọc theo tuyến truyền dẫn, tuỳ thuộc vào số % bù dưới,
tán sắc dư tích luỹ biến đổi từ span đến span. Trở ngại của sự tương đương này là cần
thiết đưa thêm vào hoặc một quá trình bù tán sắc có thể điều chỉnh tại điểm cuối hoặc
trong phạm vi tuyến truyền dẫn. Điều này có thể là giới hạn trong hệ thống với tốc độ
bít kênh > 10Gb/s bởi vì dung sai tán sắc bị suy giảm. Gần đây đề xuất bù tán sắc nén
chặt, ở đây bù tán sắc được thực hiện trực tiếp sau khi phát và trước khi thu và nén
được tán sắc ở mức đáng kể bởi vì các xung là bị phân tán trong khi truyền lan, sự sắp
xếp này ít thích hợp cho thực tế, do các kênh quang không thể tiếp cận trong phạm vi
tuyến truyền dẫn.
Hình 1.10: Sắp xếp bù tán sắc trong hệ thống multi-span
Như đã trình bày ở trên, bù duy nhất
β
2
(tán sắc) là không đủ cho bù tán sắc tích
luỹ trong hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, bởi vì sự tồn tại độ dốc tán sắc dẫn đến bước
sóng phụ thuộc tán sắc dư, về mặt lý thuyết, bù độ dốc trọn vẹn có thể thực hiện nếu
độ dốc DCF có thể đo đạc chính xác để:
S

SMF
.L
SMF
+ S
DCF
.L
DCF
= 0 (1.26)
Về thực tế, S có tán sắc âm có thể thực hiện được, nhưng nó không lý tưởng với
S
SMF.
1.2.4. Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium (EDFA)
Các bộ khuyếch đại quang thể hiện một thành phần cốt yếu trong hệ thống
truyền dẫn quang, mặc dù độ suy giảm tối thiểu tại 1.55µm (0.16dB/km), các tổn hao
đáng kể giới hạn hoạt động truyền dẫn với khoảng cách truyền dẫn được gia tăng
(>20km). Khuyếch đại quang có thể sử dụng các khái niệm và cơ cấu khuyếch đại
khác nhau (vd: khuyếch đại quang bán dẫn (SOA), khuyếch đại quang kích thích đất
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
hiếm hoặc khuyếch đại Raman) và tất cả các bộ khuyếch đại này dựa trên các cơ cấu
vật lý khác nhau dẫn đến các đặc tính và vùng thực hiện khác nhau. Các bộ khuyếch
đại sợi quang kích thích đất hiếm cung cấp khuyếch đại quang trong vùng bước sóng
từ 0.5-3.5µm, hầu hết các mẫu quang trọng của kiểu khuyếch đại quang là bộ khuyếch
đại quang kích thích Erbium (EDFA), ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống truyền dẫn quang do bởi thực tế là nó cung cấp khuyếch đại quang hiệu quả
trong vùng 1.55µm.
a) Khuyếch đại quang kích thích Erbium (EDFA)
Nguyên lý hoạt động của EDFA là được trình bày trong hình 1.11, lõi silica của
sợi quang được sử dụng trong EDFA là được kích thích với các ion Er
+

, cấu trúc vô
định hình của silica nới rộng các mức năng lượng Er
+
rời rạc vào trong vùng năng
lượng. Vùng năng lượng tại 980nm đến 1530nm là thuận lợi cho thực hiện khuyếch
đại quang do bởi thị trường luôn có sẵn laser bán dẫn tại 980nm và 1480nm.
Hình 1.11: Nguyên lý EDFA: a) Sự phát xạ kích thích; b) Thực hiện EDFA; c) Phổ
EDFA
Bằng cách bơm Er
+
kích thích sợi quang, electron từ trạng thái nền (ground)
được chuyển lên trạng thái kích thích, nhưng sau một khoảng thời gian ngắn (khoảng
1µs) các electron được kích thích và trở về trạng thái giả bền (metastable). Do bởi
hằng số thời gian của vùng giả bền lớn hơn (khoảng 10µs), các electron tập trung lại
dẫn đến sự lưu giữ nghịch đảo so với trạng thái nền, sau đó các eclectron từ trạng thái
giả bền trở về trạng thái nền phát ra ánh sáng trong dải bước sóng 1.55µs (hình 1.11a).
Bơm quang là được thực hiện với công xuất bơm từ 10mW đến 100mW, hướng bơm
và hướng tín hiệu có thể truyền lan cùng hướng hoặc đối xứng nhau, nếu công suất tín
hiệu là nhỏ thì không có sự khác biệt đáng kể nào trong hai cách bơm trên, bởi vì trong
trường hợp này EDFA là không bão hoà. EDFA thông thường (hình 1.11b) là được
tạo ra của một laser bơm bán dẫn, một bộ coupler ghép tín hiệu và sóng bơm, một sợi
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
quang chất kích thích Er
+
, hai bộ cách ly và một bộ lọc quang tại đầu ra. Gần đây
EDFA có cấu tạo khoảng từ 2 đến 3 tầng khuyếch đại để cho phép cấu hình nhiễu thấp
hơn và độ lợi khuyếch đại lớn hơn và bơm tại 980nm thường được sử dụng bởi vì
chúng cung cấp công suất quang lớn hơn 100mW, cho phép sử dụng sợi quang Er
+

ngắn hơn trong phạm vi EDFA. Chiều dài sợi quang Er
+
điển hình khoảng từ 10-25m,
độ lợi quang từ 20-45dB có thể thực hiện với công suất ra từ 20-50mW. Khuyếch đại
phát xạ kích thích trong một EDFA là xảy ra cùng nhiễu phát xạ tự phát (ASE), nhiễu
ASE không có tính phân cực và cũng không có tính kết hợp, nó có thể được xấp xỉ bởi
cấu hình nhiễu F
EDFA
được xác định cho độ lợi khuyếch đại cao như:
F
EDFA
[dB] ≈ log (2n
sp
) (1.27)
Ở đây: n
sp
là hệ số phát xạ tự phát chúng phụ thuộc vào sự tập hợp electron trong
trạng thái nền (N
1
) và trạng thái kích thích (N
2
):
(1.28)
12
2
NN
N
n
sp
−

=
Để tối thiểu cấu hình nhiễu F
EDFA
tới 3dB, bơm EDFA 980nm có thể đạt
F
EDFA
=3,2dB, trong khi F
EDFA
của EDFA 1480nm là lớn hơn 4dB, do bởi khó thực hiện
sự nghịch đảo tập hợp trọn vẹn. Để giảm tác động của nhiễu ASE, sự truyền lan của
chúng theo hướng ngược lại và xả hết công suất bơm, bộ cách ly là được sử dụng tại
đầu vào và đầu ra của sợi quang Er
+
(hình 1.11b).
Một trong những đặc tính quan trọng nhất đó là phổ độ lợi, EDFA điển hình
cung cấp khuyếch đại quang trong vùng bước sóng rộng (cửa sổ bước sóng) 35-40nm,
hình dạng của phổ độ lợi phụ thuộc vào vài thông số như là cấu trúc và sự tinh khiết
của sợi quang silica, sự tập trung ion Er
+
, chiều dài khuyếch đại cũng như công suất
bơm, sự khác biệt trong phổ độ lợi có thể thấy là phụ thuộc công suất tín hiệu được
đưa vào tại đầu vào EDFA (hình 1.11c).
b) Qúa trình tích luỹ nhiễu ASE trong hệ thống nhiều span
Cho việc mô tả tác động nhiễu ASE trên hiệu suất truyền dẫn, nghiên cứu triển
khai phải được bắt đầu với việc xác định cấu hình nhiễu của tuyến truyền dẫn, chúng
có thể được tính như sự ghép nối cấu hình nhiễu của các thành phần truyền dẫn đơn
(vd: EDFA, Bộ lọc, coupler, chuyển mạch). Bắt đầu với một EDFA, cấu hình nhiễu
được xác định như một mối liên hệ giữa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu quang (OSNR) tại đầu
vào và đầu ra của bộ khuyếch đại:
(1.29)

out
in
EDFA
OSNR
OSNR
F
=
OSNR là được xác định bởi công suất tín hiệu và nhiễu tại đầu vào và đầu ra
tương ứng:
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.12: Một số cấu trúc cơ sở span trong hệ thống nhiều span
(1.30) .
in
out
out
in
EDFA
N
N
S
S
E
=
(1.31)
.).1(
1.
1







−
+=
in
spEDFA
EDFA
N
hvnG
G
Với: S
out
= G
EDFA
.S
in
(1.32)
Và: N
out
= N
in
+ (G
EDFA
- 1).n
sp
.hv (1.33)
Ở đây:n
sp

biểu thị hệ số nghịch đảo của EDFA, N
in
tương ứng với năng lượng điểm
zero W
0
của bộ dao động cơ học lượng tử hoặc sự thăng giám chân không được xác
định như:
W
0
= hv/2 = N
in
(1.34)
Theo phương trình trên F
EDFA
là được cho như:
[ ]
(1.35) .2).1(1.
1
spEDFA
EDFA
EDFA
nG
G
F
−+=
Cho giá trị vô cùng lớn của độ lợi quang (G
EDFA
>>1), cấu hình nhiễu có thể
được suy giảm tới F
EDFA, G>>1

=2.n
sp
, vì vậy đạt được đó là giá trị tối thiểu.
Tác động ASE là phụ thuộc trên cấu trúc cơ sở của span đơn. Cấu hình nhiễu
span F
SPAN
tiêu biểu cho sự kết hợp cấu hình nhiễu của EDFA và sợi quang sử dụng
trong span, cấu hình nhiễu của sợi quang là được cho bởi:
(1.36)
1
,
,
ifib
ifib
G
F
=
Phụ thuộc vào sắp xếp bù tán sắc, một span đơn có thể một vài sợi quang với
các đặc tính nhiễu khác nhau F
fib
là được cho bởi:
(1.37)

1
.
1
1
2,1,1,
2,
1,1,

2,
1,
1,
1,
fibEDFAfib
EDFA
EDFAfib
fib
fib
EDFA
fibSPAN
GGG
F
GG
F
G
F
FF
−
+
−
+
−
+=
Ở đây: G
EDFA, 1
thể hiện cho độ lợi khuyếch đại sau SMF và G
EDFA,2
sau sợi quang
DCF. Thế phương trình 1.35 và 1.36 vào phương trình 1.37 ta có:

SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
F
SPAN
= 1 + 2.n
sp
[G
fib,2
.G
EDFA,2
.(G
EDFA,1
- 1) + (G
EDFA,2
-1)] (1.38)
Vì vậy, F
SPAN
phụ thuộc vào độ dài và sự suy giảm của sợi quang, cũng như độ
lợi và hệ số nghịch đảo của EDFA, tổng độ lợi trên mỗi span G
SPAN
là được xác định
như là kết quả tất cả độ lợi các thành phần và nó là thiết lập 1 để bù tất cả các tổn hao
span:
G
SPAN
= G
fib,1
.G
EDFA,2
.G

fib,2
.G
EDFA,2
= 1 (1.39)
Hình 1.13: Tổng cấu hình nhiễu F
tot
sau 10 Hình 14: Tổng cấu hình nhiễu F
tot
Spans đối với công suất vào (P
DCF
=0 dB) đối với số span (P
SMF
=0 dB, P
DCF
=0dB)
Trong một hệ thống truyền dẫn với N span, F
tot
của hệ thống là được tính như:
[ ]
( )
[ ]
(1.40) 1)1( 21
11
2,1,2,2,
1
−+−+=
−+=
∑
=
EDFAEDFAEDFAfibsp

N
i
itot
GGGGNn
FF
Bởi vậy, n
sp
của EDFA ảnh hưởng đến F
tot
(hình 1.14), độ lợi và cấu hình nhiễu
của EDFA sử dụng trong mỗi span phụ thuộc vào sự liên hệ giữa công suất mong
muốn P
SMF
và P
DCF
. P
DCF
phải nhỏ do bởi gia tăng hiệu ứng phi tuyến, theo đó vùng lõi
nhỏ hơn trong DCF, nếu khác biệt giữa P
SMF
và P
DCF
là lớn, EDFA sau DCF hoạt động
trong vùng độ lợi cao và tác động của nhiễu ASE gia tăng (hình 1.13).
1.2.5. Bộ thu quang
Thu quang tách sóng trực tiếp được minh họa trong hình 1.15 là được sử dụng
cho quá trình nghiên cứu triển khai được sử dụng trong chương này, nó bao gồm một
bộ tiền khuyếch đại quang và sau nó là một bộ lọc quang, bộ tách sóng quang bán dẫn
và một bộ lọc điện.
Hình 1.15: Nguyên lý bộ thu quang: a) Bộ thu tách sóng trực tiếp với một bộ tiền

khuyếch đại EDFA; b) Phân bố nhiễu bắn
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
Bộ lọc quang với băng tần B
opt
làm giảm tác động của nhiễu ASE trên tín hiệu
quang. Trong các hệ thống WDM, đưa thêm vai trò của bộ lọc quang là cách ly kênh
(trong tách kênh), vai trò của bộ lọc điện là cân bằng các tín hiệu đã được tách sóng,
một bộ lọc Bessel-Thomson bậc 3-5 với băng tần 3dB của 0.7x tốc độ bit (vd: 28GHz
cho tốc độ dữ liệu 40GHz) là được sử dụng điển hình. Công suất của ánh sáng đến P
in
tại photo-diode tạo ra một dòng photo I
ph
:
I
ph
= R.P
in
(1.41)
R là đáp ứng của photo-diode được cho bởi:
(1.42)
24.1






≈=
W

A
mhv
e
R
µ
ηλη
Ở đây e là điện tích, η là hiệu xuất lượng tử thể hiện mối liên hệ giữa tỷ lệ
electron được tạo ra và tỷ lệ photon tách động vào, hv là năng lượng photon
(h=2.34.10
-34
). Gía trị R điển hình trong photo-diode 40GHz lên tới 0.6-1 A/W. Gần
đây đưa ra các module photo-diode cho phép thực hiện tác sóng tốc độ cao cho hệ
thống truyền dẫn 40GHz. Photo-diode được mô tả bởi băng tần lớn (>50GHz) và điện
thế hoạt động thấp (-1.5v). Các tín hiệu được tách sóng là được lọc bởi bộ lọc điện với
băng tần B
el
. Qua tách sóng trực tiếp đưa thêm các thành phần nhiễu vào tín hiệu điện
gây ra biến đổi (phách) của mức tín hiệu, gây ra thành phần nhiễu và được gọi là nhiễu
bắn, nó có thể khác biệt giữa phân bố nhiễu bắn khác nhau:
Nhiễu bắn tín hiệu ASE, i
2
sig-ASE
.
Nhiễu bắn ASE-ASE, i
2
ASE-ASE
.
Nhiễu bắn ASE, i
2
ASE-shot

.
Nhiễu bắn tín hiệu, i
2
sig-shot
.
1.3. Vấn đề tồn tại của hệ thống WDM và hướng giải quyết trong tương lai
Với hệ thống WDM, sợi quang cung cấp cho chúng ta tốc độ truyền mong
muốn nhưng băng thông lại bị giới hạn bởi tốc độ xử lý ở các nút, do tốc độ xử lí ở các
nút được thực hiện bằng điện tử, mà tốc độ điện tử lại thấp hơn rất nhiều so với tốc độ
thông tin truyền trong sợi quang (khoảng vài Gbps). Như vậy, tín hiệu quang trên sợi
khi đến nút sẽ được chuyển thành tín hiệu điều chế để thực hiện xử lí điện tử (sự
chuyển đổi quang-điện O/E), sau đó được chuyển đổi lại thành tín hiệu quang để
truyền đi, điều này đã làm giảm tốc độ mạng, giải pháp đặt ra là xây dựng mạng mà
trong đó tín hiệu được xử lý hoàn toàn trong miền quang, gọi là mạng toàn quang.
Trong mạng toàn quang, dữ liệu đi từ nguồn đến đích hoàn toàn dưới dạng quang mà
không cần bất cứ sự chuyển đổi quang - điện nào trên đường đi, việc điều khiển xử lí
chuyển mạch được thực hiện dưới dạng quang, tuy nhiên mạng toàn quang hiện vẫn
chưa được tiến hành thành công bởi những tồn tại của nó, các thiết bị logic hoàn toàn
trong miền quang khó thức hiện hơn nhiều so với các thiết bị logic điện tử, bởi vì,
khác với electron thì các photon không tương tác ảnh hưởng lẫn nhau, thường thì các
thiết bị logic phức tạp đều được tạo ra bằng cách sử dụng công nghệ điện tử, bên cạch
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
đó các trạm lặp bằng quang rất khó thực hiện hơn nhiều so với các trạm lặp bằng điện
tử mặc dù các trạm lặp trong mạng toàn quang được đặt ở những khoảng cách định kì
rất xa nhau.
1.4. Kết luận chương
Chương I đã giúp chúng ta hiểu được cơ bản về mạng quang ghép kênh theo
bước sóng WDM. Quá đó chúng ta cũng đã đi vào tìm hiểu các thành phần cơ bản
trong một hệ thống thông tin quang WDM tốc độ cao, trong chương trên em chỉ chú

trọng đi vào tìm hiểu những thành phần mà em áp dụng vào thiết kết cho chương sau,
từ đó rút ra được sơ đồ thiết kế tổng quát và cách tính toán các thông số của các linh
kiện trong hệ thống quang.
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG II
ĐỊNH DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG RZ VÀ NRZ
2.1. Kỹ thuật điều chế tín hiệu quang
Ta biết trong hệ thông thông tin quang tín hiệu quang trước khi truyền đi được
điều chế biên độ, tần số hoặc pha của sóng mang quang. Điều chế là một quá trình mà
sóng mang bị biến đổi về một vài tham số dưới tác động của tín hiệu mang thông
tin.Về nguyên lý có thể thực hiện được cả điều chế số (digital) và điều chế tương tự
(analog); nhưng trong thực tế việc điều chế số cho hệ thống là rất phổ biến, còn điều
chế tương tự rất ít được áp dụng.
Có thể phân chia điều chế ra làm ba loại sau:
Điều biên-AM: Dạng điều chế này tạo ra bằng cách cho tín hiệu thông tin tác
động vào biên độ với sóng mang quang có tần số cao hơn và lọc sang băng muốn để
truyền đi.
Điều tần-FM: Tín hiệu thông tin tác động vào tần số sóng mang quang làm cho
tần số đầu ra của nó biến đổi phù hợp với quy luật của tín hiệu.
Điều pha-PM: Tín hiệu thông tin tác động vào pha của sóng mang quang toạ
nên độ lệch pha theo quy luật của tín hiệu cần điều chế.
Hình 2.1: Một số nguyên lý điều chế tín hiệu quang
Phát tín hiệu trong hệ thống truyền dẫn quang được hiểu như là điều chế nguồn
laser với một tín hiệu nhị phân điện, theo đó trường điện phức được điều chế là được
cho bởi:
{ }
(1.43) )(cos).().()(
,0
tttetAtE

LLLLL
ϕω
+=


SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
Ở đây:
A
0,L
(t) là biên độ của trường quang
ω
L
là tần số góc quang của nguồn laser
ϕ
L
là pha quang
L
e

thể hiện vec-tơ phân cực của tín hiệu
Bốn thông số này sử dụng cho phát tín hiệu quang, với mỗi thông số có thể
được điều chế bởi một tín hiệu băng gốc nhị phân điện q(t):
∑
∞
−∞=
−=
i
bi
iTtgqtq 1.44 )(.)(

Với q
i
∈[0,1] là hệ số thông tin và g(t) là hình dạng xung băng gốc bị trễ bởi bội
số của chu kỳ bit T
b
. Về cơ bản, phụ thuộc vào thông số tín hiệu đã được điều chế, nó
có khác biệt giữa các dạng điều chế ASK, FSK, PSK, PolSK.
2.1.1. Khóa dịch biên độ (ASK)
ASK được biết như là khóa dịch “on-off” (OOK), là kỹ thuật điều chế cường độ
tín hiệu sóng mang. Trong dạng đơn giản nhất, một nguồn được chuyển mạch giữa hai
trạng thái “on” và “off” (hình 2.1). Sự thể hiện tín hiệu là như sau:
(1.45)
1)q(kT if ,
2
0)q(kT if , 0
)(
1
0
,0





=
==
=
b
b
b

b
L
T
E
A
A
tA
Điều chế ASK là được mô tả bởi mối liên hệ mức năng lượng trong các trạng
thái on (dấu) và off (khoảng cách) được gọi là tỷ lệ phân biệt (ER):
(1.46)
2
0
2
1
A
A
ER =
Giá trị ER phụ thuộc vào phép xấp xỉ sử dụng cho phát tín hiệu: điều chế ngoài
hoặc điều chế trực tiếp của nguồn quang, trong trường hợp điều chế ngoài, ER là được
giới hạn bởi tỷ lệ phân biệt của điều chế ngoài. Gía trị ER điển hình biến đổi từ 8-
12dB phụ thuộc vào tỷ lệ bit tín hiệu. Các định dạng điều chế cơ sở ASK là được mô
tả bởi phát và tách sóng tín hiệu đơn giản với kết quả là tất cả các hệ thống truyền dẫn
quang được sử dụng ngày nay dùng định dạng điều chế cơ sở ASK và có một số định
dạng này sẽ được trình bày chi tiết hơn ở phần sau. Do bởi sử dụng các phương pháp
điều chế khác nhau cho việc phát các các định dạng đó, chúng có hình dạng tín hiệu
khác nhau (vd: return-to-zero hoặc non return-to-zero) và các đặc tính phổ dẫn đến sự
khác biệt cách xử lý truyền dẫn.
2.1.2. Khóa dịch tần số (FSK)
FSK là được thực hiện bởi quá trình chuyển mạch tần số ánh sáng laser giữa hai
giá trị tần số cho dấu và khoảng cách, vì vậy đường bao của tín hiệu quang là được

SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5
Đồ án tốt nghiệp
duy trì không thay đổi, nó phức tạp hơn trong việc thu-phát so với ASK. Biên độ phức
của tín hiệu FSK là được cho bởi phương trình (1.43) với:
(1.48)
1)q(kT if , 2-
0)q(kT if , 2
b
b



=∆
=∆+
=
FSK
FSK
L
f
f
dt
d
π
π
φ
Ở đây: 2πΔf
FSK
là độ dịch tần số giữa các dấu và khoảng cách. Điều chế FSK
được mô tả bởi chỉ số điều chế m
FSK

, nó mô tả mối liên hệ giữa tốc độ bit tín hiệu B và
Δf
FSK
.
(1.49)
2
B
f
m
FSK
FSK
∆
=
Bằng sự biến đổi của m
FSK
, định dạng điều chế FSK khác nhau có thể được thực
hiện (vd: m
FSK
=0.5 - khoá dịch pha tối thiểu (MSK)). Sự khác biệt giữa các định dạng
FSK là được phản ánh trong phổ tín hiệu quang, ở đó m
FSK
là nhỏ hơn cho phép phổ
quang được co lại gọn hơn, các định dạng FSK là không được sử dụng rộng rãi trong
hệ thống truyền dẫn bởi vì sự tách sóng tín hiệu phức tạp. Gần đây, điều chế FSK được
biết như là Định dạng truyền dẫn hỗ trợ tán sắc (DST) và tập trung vào nghiên cứu cho
thực hiện trong các mạng MAN. Bên cạch ý tưởng DST là tín hiệu điều chế FSK (vd:
MSK) tương tác với tán sắc trong tuyến truyền dẫn, gây ra sự chuyển đổi FM-IM (điều
chế tần số- cường độ) của tín hiệu quang dẫn đến tín hiệu bị điều biến sang dạng ASK
tại phía thu, do đó bộ thu tách sóng trực tiếp thông thường có thể được sử dụng. Trở
ngại chính của công nghệ mới này là các thông số phát và thu (vd: m

FSK
và thiết lập bộ
lọc thu) phải được ghép chính xác các đặc tính, đòi hỏi một đặc tính phải chi tiết về tán
sắc trong tuyến truyền dẫn.
2.1.3. Khoá dịch pha (PSK)
PSK sử dụng pha của tín hiệu để mã hoá thông tin. Tín hiệu quang có phổ hẹp
và đường bao tín hiệu không đổi (hình 2.1), chúng cho phép cải thiện dung sai phi
tuyến, nhưng lại nhạy cảm với điều chế pha gây ra hiệu ứng đa kênh và có thể gây lỗi
giải mã tại phía thu. Tại thời điểm này, điều chế PSK cho phép cải thiện độ nhạy thu
(lên đến 6dB) so với điều chế ASK. Phương pháp khoá dịch pha vi sai (DPSK) được
đặc biệt quan tâm. Trong tín hiệu DPSK, thông tin là được mã hoá trong sự thay đổi
pha giữa hai bit kế tiếp.
Tín hiệu DPSK là được trình bày bởi:
[ ]
(1.50)
1)q(kT if ,
0)q(kT if , 0
)1()(
b
b



=
=
=−−
π
ϕϕ
bsignalbsignal
TkkT

Về cơ bản, tín hiệu PSK chỉ cho phép tách sóng kết hợp (coherent), nó đòi hỏi
một bộ dao động nội ở phía thu để so sánh pha tín hiệu đã phát xuất hiện tại phía thu
với pha của tín hiệu dao động nội, tạo ra khả năng thực hiện điều chế khá khó này.
Cũng vậy, một vòng khoá pha (PLL) được yêu cầu để đồng bộ tín hiệu dao động nội
với tín hiệu thu. Điều chế pha PSK hoàn toàn là khó thực hiện, nhưng một vàì mã nhị
SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5