Ghep kenh quang

H thng thụng tin quang B mụn truyn dn
Mở đầu
Sợi quang với các u điểm nổi trội đã trở thành đờng truyền viễn thông chủ đạo hiện
nay. Băng thông của sợi quang rất rộng tới hàng trăm THz cho phép truyền dẫn số siêu tốc
độ. Các phơng pháp ghép kênh tín hiệu đã đợc thực hiện để tận dụng năng lực truyền dẫn
của sợi quang. Ghép kênh trong miền tín hiệu điện có thể tạo ra luồng số hàng chục Gbit/s
nhng khó có thể tăng nhanh do công nghệ tích hợp mạch điện tử bị giới hạn. Các phơng
pháp ghép kênh trong miền tín hiệu quang cho hiệu quả nâng tốc độ truyền dẫn lên nhanh
chóng tới hàng trăm Gbit/s thậm chí tới hàng Tbit/s mà không phụ thuộc vào công nghệ
mạch điện. Hiện nay các hệ thống thông tin quang thế hệ mới đang kết hợp cả 2 công nghệ
ghép kênh tín hiệu điện và ghép kênh tín hiệu quang. Trong phần ghép kênh quang đang phổ
biến là ghép kênh bớc sóng (Wavelength Devision Multiplexing) và ghép kênh thời gian
(Optical time Division Multiplexing - OTDM). Bài giảng sẽ giới thiệu về các phơng pháp
ghép kênh quang này.
Nội dung
PHN 1: GHẫP KấNH QUANG
I. Ghép kênh quang theo bớc sóng (WDM)
1- Khái niệm
Ghép kênh theo bớc sóng (WDM) là ghép các kênh tín hiệu quang có bớc sóng
khác nhau trên một sợi quang. Mỗi kênh tín hiệu quang đợc truyền dẫn ở một bớc sóng
trong dải bớc sóng công tác của sợi quang.
2- Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
Hệ thống WDM có thể là 1 hớng (dùng 2 sợi quang) hoặc 2 hớng (dùng 1 sợi quang),
số lợng kênh tùy theo yêu cầu. Trong khuyn cỏo ITU-G.692 cỏc kờnh cỏch nhau mt khong
50 GHz (tng ng vi khong cỏch bc súng l 0.4nm).
Sơ đồ tổng quát của hệ thống ghép kênh theo bớc sóng đợc minh hoạ nh hình 1.
Trên hình 1 là hệ thống ghép 4 kênh quang theo bớc sóng (1 hớng). Bốn nguồn phát
quang (LD1, LD2, LD3 và LD4) riêng biệt làm việc với các bớc sóng khác nhau (1, 2, 3,
4). Tín hiệu điện từ các kênh (kênh 1, kênh 2, kênh 3, kênh 4) riêng biệt đợc đa vào điều
chế với từng sóng mang quang tơng ứng bằng bộ điều chế trong hoặc ngoài. Sau khi điều chế
tín hiệu quang mang tin tức tại đầu ra của các nguồn quang với các bớc sóng tơng ứng (1,

2, 3, 4) sẽ đợc kết hợp vào một sợi duy nhất thông qua bộ ghép bớc sóng. Tổ hợp sóng
mang quang đã điều chế đợc ghép vào sợi truyền đến đầu thu (vì bộ ghép phụ thuộc vào bớc
sóng nên đặc tính tiêu hao của nó sẽ khác nhau đối với các bớc sóng khác nhau). Trong h
thng WDM, ngun phỏt quang c dựng l laser. Yờu cu i vi ngun phỏt laser l phi
cú rng ph hp, bc súng phỏt ra n nh, mc cụng sut phỏt nh, bc súng trung
tõm, rng ph phi nm trong gii hn cho phộp.
1
H thng thụng tin quang B mụn truyn dn
Tại đầu thu, Bộ tách bớc sóng (WDM) sẽ phân chia các sóng mang quang có các bớc
sóng khác nhau (1, 2, 3, 4) vào từng nguồn thu quang (PD1, PD2, PD3, PD4) tơng ứng
để khôi phục lại luồng tín hiệu điện tơng ứng với từng kênh nh ở đầu phát.
Với kỹ thuật xử lý ghép bớc sóng cũng không quá phức tạp, hiện nay phơng pháp
ghép kênh theo bớc sóng đang đợc ứng dụng rất rộng rãi.
3- Một số thiết bị ghép-tách kênh quang theo bớc sóng
Thiết bị ghép/tách bớc sóng có nhiều dạng và cấu trúc khác nhau. Một số thiết bị có
tính chất thuận - nghịch, nghĩa là giữa bộ ghép và bộ tách chỉ thay đổi cổng vào và cổng ra.
Thiết bị ghép có các loại: Coupler, bộ lọc, cách tử, lăng kính.
Thiết bị tách có các loại: Bộ lọc, cách tử, lăng kính.
a. B ghộp/tỏch tớn hiu (Coupler)
Coupler l thit b quang dựng ghộp/tỏch cỏc tớn hiu truyn n/t cỏc si quang
khỏc nhau m khụng la chn bc súng. Coupler c ch to bng cỏch t 2 si quang
cnh nhau, sau ú va nung chy chỳng kt hp vi nhau va kộo dón ra to thnh mt
vựng ghộp.
Hình 2: Cấu tạo coupler
Tớn hiu t 2 u vo c kt hp trong vựng ghộp v a ra 2 u ra vi s cú mt
ca c hai tớn hiu ti mi u ra. Nu ch mt u vo cú tớn hiu thỡ tớn hiu s c chia
2 u ra vi gúc lch pha nhau 90
0
. Coupler cú th phõn phi cụng sut ra cỏc cng theo t l
khỏc nhau. Ph bin nht l loi t l 1/2 v c gi l coupler 3dB. Trong h thng WDM

coupler dựng lm b ghộp hoc chia cụng sut ti cỏc im.
2
LD1
LD2
LD3
LD4
WDM
WDM
PD1
PD2
PD3
PD4
Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4
Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4
1
2
3
4
1
2
3
4
1, 2, 3, 4
Hình 1: Hệ thống ghép kênh theo bước sóng

H thng thụng tin quang B mụn truyn dn
b. Thiết bị tách kênh dùng bộ lọc màng mỏng
B lc mng mng cng l mt dng ca giao thao k Fabry-Perot, trong ú cỏc gng
bao quang hc cng hng c hin thc bng nhiu lp mng mng in mụi cú th phn
x c. Khi tia sáng đi vào bộ lọc thì hiện tợng giao thoa ánh sáng xảy ra do phản xạ nhiều
lần trong khoang cộng hởng. B lc ny l b lc di thụng ch cho mt bc súng nht nh
i qua v phn x tt c cỏc bc súng cũn li.
Bộ lọc thông dải cần phải đáp ứng yêu cầu về độ dốc sờn, đờng cong hàm truyền đạt
phải đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau và độ rộng dải thông có dung sai
cho phép để đề phòng dịch bớc sóng trung tâm.
Bộ tách kênh dùng bộ lọc m ng mỏng đ ợc minh hoạ nh hình 4.
Trong bộ tách nhiều bớc sóng sử dụng bộ lọc màng mỏng ta thấy, khi cần tách n
kênh (bớc sóng) tín hiệu thì phải cần n-1 bộ lọc. Do vậy, thiết bị WDM sử dụng bộ lọc
màng mỏng không thích hợp cho hệ thống có quá nhiều bớc sóng hoặc khi các bớc sóng
này quá gần nhau.
c. Thiết bị ghép/tách bớc sóng dùng cách tử
Thiết bị cách tử là một mặt phẳng quang có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng,
trên mặt nó có khắc nhiều rãnh (từ hàng chục đến hàng nghìn rãnh trên một mm).
3
Hình 4: Bộ tách kênh quang dùng bộ lọc m ng mỏng
1, 2,... n
Bộ lọc (1)
1
2
3
4
Bộ lọc (2)
Bộ lọc (3)
Bộ lọc (4)
n

Hình 3: Cấu tạo và đặc tuyến bộ lọc màng mỏng
0
-10
-20
-30
-40
Hm truyn t cụng sut (dB)

0
/
0.998 1 1.002
3 hc cng hng
2 hc cng hng
1 hc cng hng
Chiết suất cao
Chiết suất thấp
Hc cng
hng 1
Hc cng
hng 2
Hc cng
hng 3
Gương phản xạ
1, 2,... n
1
H thng thụng tin quang B mụn truyn dn
Trong WDM cỏch t c dựng nh l mt b tỏch kờnh tỏch cỏc bc súng hoc
nh l mt b ghộp kờnh kt hp cỏc bc súng. Thit b tỏch/ghộp kờnh dựng cỏch t l
thit b cú tớnh cht thun nghch.
Cấu tạo cơ bản của một cách tử đợc minh hoạ nh hình 5.

Cách tử có khả năng tách tia sáng nhiều bớc sóng thành các tia có hớng khác nhau và
mỗi tia là một bớc sóng. Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bớc cách tử) và
góc tới của tia sáng.
Một ứng dụng của cách tử đợc minh họa nh hình sau.
Ngời ta cũng có thể dùng cách tử để ghép n kênh (n bớc sóng) quang.
Trong WDM cỏch t c s dng rng rói l cỏch t Bragg si quang. Cỏch t ny l
on si quang cú s bin i tun hon chit sut mụi trng truyn súng (Tham kho trong
K thut thụng tin quang 2-HVBCVT)
Thiết bị dùng cách tử là thiết bị nhỏ, gọn, đơn giản, tiêu hao thấp và số kênh lớn.
d. Thiết bị ghép/tách bớc sóng dùng lăng kính
Chiết suất của vật liệu phụ thuộc vào bớc sóng Từ công thức của định luật khúc xạ:
n
1
sin = n
2
sin
Góc khúc xạ của tia sáng phụ thuộc vào bớc sóng của tia sáng Ngời ta sử dụng tính
chất chỉ số khúc xạ thay đổi theo bớc sóng ánh sáng để chế tạo thiết bị ghép/tách bớc sóng
dùng lăng kính. Thiết bị loại này có tính thuận nghịch.
Một cấu trúc đơn giản của nó đợc minh hoạ nh hình 7.
4
1, 2, 3
1
2
3
Hình 5: Cách tử tán xạ
1
2
1, 2
Thấu kính hội tụ

Cách tử
Hình 6: Bộ tách bước sóng dùng cách tử và thấu kính
1
2
1, 2
Thấu kính
Lăng kính
Hình 7: Bộ tách bước sóng dùng lăng kính
H thng thụng tin quang B mụn truyn dn
Bộ ghép này có u điểm là có thể tách đợc các tia ngay cả khi ánh sáng có một dải bớc
sóng rộng, nhng giá thành lăng kính cao.
II. Ghép kênh quang theo thời gian (OTDM)
1- Khái niệm
Ghép kênh theo thời gian tín hiệu quang (OTDM) là phơng pháp ghép các xung
quang của các kênh quang khác nhau lên trục thời gian tại các thời điểm khác nhau.
Mỗi thời điểm chỉ có tín hiệu của một kênh quang đợc truyền đi.
Giới hạn dung lợng của hệ thống thông tin quang ghép theo thời gian đợc xác định
bằng độ rộng khe thời gian của kênh quang riêng rẽ (T
B
) và chu kỳ lặp lại của dãy xung laser
(T
L
). Nếu độ rộng xung quang của mỗi kênh là T
B
và chu kì của chuỗi xung là T
L
thì số kênh
đợc ghép là:
N T
L

/ T
B
N
max
= T
L
/ T
B

Thực tế N < N
max
vì hiện tợng tán sắc Đòi hỏi giữa các xung quang cần có một
khoảng thời gian phòng vệ. Độ lớn của khoảng thời gian phòng vệ đợc xác định từ mức
nhiễu giao thoa giữa các kênh.
2- Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo thời gian
Sơ đồ cơ bản của hệ thống ghép kênh quang theo thời gian đợc mô tả nh hình 8
Hình 8 : Hệ thống ghép kênh quang theo thời gian
Trong h thng OTDM, nhiu tớn hiu quang cú tc bit B
T
chia s cựng tn s súng
mang v c ghộp trong min quang to chui bit cú tc NB, vi N l s kờnh.
Phớa mỏy phỏt, mt laser to ra chui xung cú chu k tc bng vi tc bit B
T
ca mt kờnh. Tuy nhiờn, laser s to ra cỏc xung cú rng T
p
sao cho T
p
< T
B
= 1/NB

T

m bo mi xung va vi v trớ ca nú khe thi gian T
B
. u ra ca laser c chia thnh
5
Kênh tín hiệu
số
H thng thụng tin quang B mụn truyn dn
N nhỏnh bng nhau, sau ú c khuch i nu cn thit. B iu ch mi nhỏnh iu ch
cỏc xung quang to ra N chui bit c lp tc bit B
T.
Ghộp N chui bit c thc hin bng k thut lm tr. Theo s ny, chui bit ca
nhỏnh th n c lm tr mt lng (n-1)/(NB
T
), n = 1, 2, , N. u ra ca tt c cỏc nhỏnh
c t hp li to tớn hiu ghộp OTDM tng ng vi tc bit NB
T
.
Phớa thu vic tỏch kờnh cú cỏc k thut khỏc nhau. Tuy nhiờn, tt c cỏc k thut tỏch
kờnh yờu cu tớn hiu ng h cú tn s trựng vi tc mt kờnh. Tớn hiu ng h ny l
dng in s dng cho c ch quang - in, nhng tớn hiu ng h phi l cỏc xung quang
nu tỏch kờnh theo c ch ton quang. Cỏc b gii iu ch thc hin tỏch quang thnh tớn
hiu in v gii iu ch in phự hp phng thc iu ch phớa mỏy phỏt.
Hiện nay phơng pháp ghép kênh theo thời gian đang đợc nghiên cứu thử nghiệm
và từng bớc đa vào ứng dụng hứa hẹn nhiều thành công. ở Nhật đã có hệ thống thơng
mại OTDM 160Gbit/s cự li 70Km.
Sau ghép kênh quang các luồng tín hiệu lại có thể thực hiện điều chế DPSK nhiều
mức để tạo ra luồng tín hiệu quang siêu tốc độ. Các thử nghiệm cho thấy các luồng
OTDM 640Gbit/s qua điều chế 2DPSK, hoặc các luồng OTDM 160Gbit/s qua điều chế

4DPSK thành luồng1,28Tbit/s có khả năng hiện thực.
3- Một số thiết bị ghép-tách kênh quang theo thời gian
Ton b b ghộp OTDM cú th c xõy dng t cỏc si quang n mode (tr b iu
ch cú th l LiNbO
3
hoc l cht bỏn dn). Cỏc dõy tr quang cng c ch to t cỏc on
si, vi tr c iu khin thụng qua chiu di si. Vớ d: 1mm si tng ng tr 5ps
(gi s si cú chit sut 1,5). Vic ghộp tớn hiu cỏc kờnh cú th c thc hin bng cỏc
coupler quang 1ìN.
Vic tỏch cỏc kờnh t tớn hiu OTDM s dng k thut quang - in hoc k thut ton
quang.
a. B iu ch quang (MZM)
Hỡnh 9: B iu ch quang MZM
MZM hay cũn gi l Lithium niobate (LiNbO
3
) modulator cú cu trỳc Mach-Zehnder.
Chit sut ca lithium niobate ph thuc vo in ỏp phõn cc. nh sỏng do laser phỏt ra khi
6
Laser
diode
Fiber
Laser
diode
Fiber
V
G
+V
-V
Hệ thống thông tin quang Bộ môn truyền dẫn
đi vào ống dẫn sóng được chia làm hai phần bằng nhau. Khi không có điện áp phân cực, cả

hai nữa sóng ánh sáng tới không bị dịch pha. Vì vậy, ở đầu ra của bộ điều chế sóng ánh sáng
kết hợp có dạng của sóng ánh sáng ban đầu. Khi có điện áp phân cực, một nửa của sóng tới bị
dịch pha +90
o
vì chiết suất của một nhánh của ống dẫn sóng giảm, làm tăng vận tốc truyền.
Một nữa kia của sóng tới ở nhánh còn lại của ống dẫn sóng bị dịch pha -90
o
vì chiết suất tăng,
làm vận tốc truyền ánh sáng giảm. Kết quả là, hai nữa sóng ánh sáng ở đầu ra của MZM bị
lệch pha 180
o
và triệt tiêu lẫn nhau. Như vậy, ánh sáng ở đầu ra của MZM có thể được điều
khiển bằng tín hiệu điện để thực hiện một quá trình điều chế .
b. Bộ tách kênh quang theo thời gian kiểu quang-điện
Hình 10: Bộ tách kênh thời gian dùng MZ
Kỹ thuật quang - điện sử dụng nhiều bộ điều chế LiNbO
3
loại MZ (Mach Zehnder)
mắc nói tiếp nhau. Mỗi bộ điều chế sẽ loại bỏ đi nửa số kênh (theo cách luân phiên các bit của
tín hiệu vào). Do đó, hệ thống OTDM 8 kênh cần 3 bộ điều chế, được điều khiển cùng tín
hiệu xung đồng hồ dưới dạng điện, nhưng khác nhau về điện áp 4V
0
, 2V
0
, và V
0 .
Ở đây V
0
là
điện áp cần cho độ dịch pha π trong một nhánh của bộ giao thoa MZ. Các kênh khác nhau

được lựa chọn bằng cách thay đổi pha của tín hiệu đồng hồ. Ưu điểm chính của kỹ thuật này
là sử dụng các linh kiện sẵn có. Tuy nhiên nó có nhiều nhược điểm như yêu cầu một lượng
lớn các linh kiện đắt tiền, một số linh kiện này cần điện áp hoạt động cao và quan trọng nhất
là bị giới hạn tốc độ của các bộ điều chế.
c. Bộ tách kênh quang theo thời gian kiểu toàn quang sử dụng gương vòng quang phi
tuyến NOLM
Hình 11: Bộ tách kênh thời gian sử dụng NOLM
Tách kênh tín hiệu OTDM bằng NOLM được hiểu như sau. Tín hiệu đồng hồ là một
chuỗi các xung quang có tốc độ bằng với tốc độ bit của một kênh được đưa vào vòng sao cho
7
Hệ thống thông tin quang Bộ môn truyền dẫn
nó chỉ truyền theo chiều quay kim đồng hồ (Theo/ngược chiều kim đồng hồ -Clock wise/
counter clock wise)
. Tín hiệu OTDM đi vào NOLM sau khi được chia làm hai phần bằng nhau truyền
theo hai hướng ngược nhau bằng coupler 3dB. Tín hiệu đồng hồ gây dịch pha các xung ở một
kênh nào đó trong tín hiệu OTDM ở đoạn sợi quang phi tuyến (xảy ra hiệu ứng điều chế chéo
pha XPM). Công suất tín hiệu quang và chiều dài vòng được chế tạo đủ lớn để tạo ra sự dịch
pha này là π. Kết quả là một kênh được tách ra bởi NOLM, còn các kênh còn lại phản xạ
ngược về cổng vào. Tất cả các kênh có thể được tách cùng lúc bằng cách sử dụng nhiều
NOLM mắc song song nhau.
d. Bộ tách kênh quang theo thời gian kiểu toàn quang sử dụng quang phi tuyến trộn 4
bước sóng FWM
Hình 12: Bộ tách kênh thời gian sử dụng FWM
Tín hiệu OTDM được ghép vào môi trường phi tuyến cùng với tín hiệu đồng hồ (ở
bước sóng khác). Tín hiệu đồng hồ đóng vai trò nguồn bơm để tạo ra FWM. Trong các khe
thời gian mà xung đồng hồ chồng lấp với bit 1 của kênh cần tách, thì WFM sinh ra xung ở
bước sóng mới. Kết quả là chuỗi xung ở bước sóng mới trùng khớp với kênh cần tách. Bộ lọc
quang được sử dụng để lấy kênh được tách ra khỏi tín hiệu OTDM và tín hiệu đồng hồ.

Tham khảo thêm trong tài liệu: Kawanishi OTDM 2004.

8