Chương 1 Quá trình hình thành và phát triển công nghệ Coherent OFDM-WDM quang (CO-OFDM-WDM) với các nội dung: Sự hình thành công nghệ CO - OFDM – WDM, tổng quan về các công nghệ thành phần: công nghệ Coherent (CO), công nghệ ghép kênh quang theo tần số trực giao (OFDM) và công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) và tiến trình phát triển của công nghệ CO-OFDM- WDM quang 1. Sự hình thành công nghệ CO - OFDM - WDM Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức, trong đó thông tin trở thành động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Trong xã hội đó, Internet và nhu cầu trao đổi thông tin của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu có những bước tăng trưởng đột biến về lưu lượng cùng nhiều dịch vụ mới băng rộng, các dịch vụ tích hợp và đa phương tiện. Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng viễn thông đã, đang và cần phải có khả năng linh hoạt cao, tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng và đa dịch vụ đáp ứng mọi nhu cầu trao đổi thông tin của xã hội.
Để đáp ứng nhu cầu đó, các nhà khoa học và công nghệ, các tổ chức viễn thông quốc tế, các hãng cung cấp thiết bị, các nhà khai thác,… luôn luôn tìm mọi giải pháp công nghệ mới để phát triển các hệ thống viễn thông. Chính vì thế, trong thập niên gần đây các giải pháp công nghệ viễn thông đã có những thay đổi và phát triển rất nhanh. Để tạo ra một giải pháp công nghệ truyền thông không chỉ có khả năng truyền tải tốc độ cao mà còn có chất lượng cao, trong kỹ thuật thông tin quang các nhà khoa học đã nghiên cứu đưa ra giải pháp tích hợp 3 công nghệ truyền dẫn quang tiên tiến. Đó là sự tích hợp các công nghệ quang Coherent (CO) với công nghệ ghép 12 kênh quang theo tần số trực giao (OFDM) và công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) và gọi là Hệ thống Coherent OFDM quang dung lượng lớn ghép băng trực giao, ký hiệu là OBM-OFDM (Orthogonal-band-multiplexed OFDM).
Để tạo ra các tính năng truyền tải tốc độ cao và chất lượng cao của công nghệ CO – OFDM-WDM quang, người ta đã kết hợp các ưu việt của 3 công nghệ quang thành phần Coherent (CO), công nghệ ghép kênh quang theo tần số trực giao (OFDM) và công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM). Cụ thể, người ta đã kết hợp các ưu việt của 3 công nghệ quang thành phần sau đây: 1. Công nghệ Coherent quang là một công nghệ có các đặc tính ưu việt sau: - Công nghệ Coherent quang là một giải pháp tạo ra khả năng nâng cao dung lượng của hệ thống. - Công nghệ Coherent quang cho phép nâng cao độ nhạy thu.
- Công nghệ Coherent quang cho phép nâng cao tốc độ truyền dẫn. Công nghệ OFDM quang là công nghệ ghép kênh theo tần số trực giao có các đặc tính ưu việt sau: - Công nghệ OFDM quang cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần số, tạo ra dung lượng lớn, - Công nghệ OFDM quang có thể giải quyết vấn đề tán sắc do kênh truyền sợi quang gây ra, - Công nghệ OFDM quang cho phép thông tin tốc độ cao, loại bỏ nhiễu liên sóng mang,… 3. Công nghệ WDM quang là công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (ghép băng tần trực giao) cho phép sử dụng hiệu quả băng thông của sợi quang, tạo ra hệ thống truyền dẫn quang có dung lượng rất lớn. Trên cơ sở đó, người ta đã tạo nên công nghệ CO-OFDM-WDM quang không chỉ là có chất lượng truyền dẫn cao, mà còn là công nghệ sử dụng hiệu quả băng thông của sợi quang và là hệ thống truyền dẫn quang dung lượng siêu lớn.
13 Mặc dù, công nghệ CO-OFDM-WDM mới được nghiên cứu và phát triển thử nghiệm, nhưng đây là một hướng mới rất hứa hẹn và sẽ là giải pháp công nghệ truyền tải thông tin của xã hội hiện tại và trong tương lai. Do đó, các nhà khoa học, các hãng sản xuất thiết bị đang tập trung nghiên cứu chế tạo các hệ thống thông tin quang CO-OFDM-WDM cho mạng truyền thông trong tương lai. Để hiểu rõ các ưu việt của 3 công nghệ quang thành phần, dưới đây luận văn sẽ trình bày những vấn đề cơ bản của các công nghệ quang thành phần này. Tổng quan về các công nghệ thành phần 1.
Công nghệ thông tin quang Coherent 1. Một số hạn chế của hệ thống thông tin quang truyền thống Trong kỹ thuật thông tin quang truyền thống, người ta thường sử dụng công nghệ IM-DD, tức là sử dụng công nghệ điều chế cường độ ánh sáng ở phía phát và tách sóng quang trực tiếp ở phía thu. Công nghệ này có những hạn chế như: - Khi các phần tử phát quang (LED, LD) và thu quang (PIN photodiode, APD) hoạt động ở tốc độ cao sẽ xuất hiện méo biên độ và méo pha (trong truyền dẫn analog) và méo sườn trước và sườn sau của xung tín hiệu truyền dẫn (trong truyền dẫn digital) - Tách sóng trực tiếp tín hiệu quang đã điều chế cường độ là quá trình đã bỏ qua đặc tính pha và sự phân cực của sóng mang quang được tạo ra từ linh kiện quang. - Nhiễu của bộ thu tách sóng trực tiếp và bộ tiền khuếch đại cao.
Do đó độ nhạy của hệ thống tách sóng thấp,… 1. Cấu trúc của hệ thống thông tin quang coherent Đặc điểm cấu trúc của thông tin quang Coherent: Để khắc phục các hạn chế của hệ thống IM-DD, người ta đã phát triển công nghệ thông tin quang coherent. Trong hệ thống thông tin quang coherent người ta 14 thường sử dụng kỹ thuật điều biến quang gián tiếp ở phía phát và giải điều biến quang gián tiếp ở phía thu. Tức là: - Ở phía phát, có một nguồn quang phát ra ánh sáng dao động nội với bước sóng 1 (thường là laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp phát ra ánh sáng liên tục).
Tín hiệu truyền dẫn được đưa vào điều biến với tín hiệu ánh sáng dao động nội tạo thành tín hiệu ánh sáng truyền dẫn và được ghép vào sợi quang. Bộ điều biến quang ngoài thường được sử dụng là các mạch quang tổ hợp, ví dụ như LiNb03 - Mach- Zehnde Modulator. - Ở phía thu, cũng có một nguồn quang (thường là laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp phát ra ánh sáng liên tục) phát ra ánh sáng dao động nội với bước sóng 2. Tín hiệu ánh sáng thu được đưa vào trộn với tín hiệu ánh sáng dao động nội phía thu.
Khi tần số của tín hiệu ánh sáng tới và tín hiệu từ bộ dao động nội phía thu giống nhau thì bộ thu hoạt động ở chế độ Homodyne, và tín hiệu điện tái tạo được là tín hiệu dải nền. Còn khi tần số của tín hiệu ánh sáng tới và tín hiệu từ bộ dao động nội phía thu lệch nhau thì bộ thu hoạt động ở chế độ Heterodyne, và phổ của tín hiệu điện ở ngõ ra của bộ tách sóng quang là tín hiệu trung tần IF (intermediate frequency). IF là tín hiệu có chứa tín hiệu thông tin cần truyền (tức tín hiệu dải nền) và tín hiệu thông tin cần truyền này có thể thu được bằng cách sử dụng kỹ thuật giải điều chế điện. Như vậy, sẽ có 2 loại bộ thu quang coherent: Bộ thu Homodyne khi 1 = 2 Bộ thu Heterodyne khi 1 2 Tương ứng, sẽ có 2 loại hệ thống thông tin quang coherent: Hệ thống thông tin quang Homodyne khi 1 = 2 Hệ thống thông tin quang Heterodyne khi 1 2 15 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống thông tin quang coherent Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang Coherent được mô tả như trong hình 1.
Sơ đồ hệ thống thông tin quang coherent Các khối chức năng trong sơ đồ hệ thống: - DE (Driver electronic): thực hiện khuếch đại tín hiệu ngõ vào nhằm tạo tín hiệu có mức phù hợp với các khối sau. - CWL (Continuous Wave Laser): bộ dao động quang sử dụng laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp phát ra ánh sáng liên tục có bước sóng λ1. - LC (Laser Control): nhằm ổn định bước sóng phát ra của dao động quang. - LLO (Laser Local Oscilator): bộ tạo dao động nội tại bộ thu sử dụng laser bán dẫn tạo ra tín hiệu quang có bước sóng λ2.
Sau đó đưa tín hiệu tổng tới 16 photodiode để thực hiện tách sóng trực tiếp theo quy luật bình phương. Để thực hiện đúng với nghĩa tách sóng coherent thì coupler quang phải tổ hợp các tín hiệu quang có phân cực giống nhau. Khi tần số của tín hiệu tới và tín hiệu từ bộ dao động nội giống nhau thì bộ thu hoạt động ở chế độ Homodyne, và tín hiệu điện tái tạo được là tín hiệu giải nền. Còn khi tần số của tín hiệu tới và tín hiệu từ bộ dao động nội lệch nhau thì bộ thu hoạt động ở chế độ Heterodyne, và phổ của tín hiệu điện ở ngõ ra của khối DEC là dạng trung tần IF (Intermediate frequency).
IF này là dạng tín hiệu khác có chứa tín hiệu thông tin mà chúng ta muốn truyền đi (tức tín hiệu dải nền), và tín hiệu thông tin này chúng ta có thể thu được bằng cách sử dụng kỹ thuật giải điều chế điện. - LOC (Local Oscillator Control): nhằm điều khiển pha và tần số của tín hiệu dao động nội ổn định. - AMP (Amplifier): khuếch đại tín hiệu điện sau khi tách sóng quang. - DEMOD (Demodulator): khối này chỉ cần thiết khi bộ thu hoạt động ở chế độ Heterodyne.
Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang Coherent Bộ phát quang Sơ đồ bộ phát quang trong hệ thống quang coherent. Thành phần thực và ảo (I/Q) từ hai ngõ ra của bộ điều chế tín hiệu OFDM được chuyển đổi từ miền điện sang miền quang nhờ hai bộ điều chế ngoài MZM như mô tả trên hình 1. Sau đó, tín hiệu quang tại đầu ra của hai bộ MZM được điều chế cầu phương (vuông góc) cộng lại và đưa vào sợi quang để truyền đi. Quá trình được thực hiện như sau: 1.
Tín hiệu quang do một Lazer Diot LD1 sinh ra được đưa đến hai bộ MZM 2. Tín hiệu quang trên mỗi MZM tương ứng là eLI và eLQ đóng vai trò là sóng mang quang, các sóng mang này được điều chế pha để mang tín hiệu I/Q 17 tương ứng, ngõ ra mỗi bộ MZM chính là tín hiệu quang đã được điều chế pha. Một trong hai bộ MZM, tín hiệu sau đó được dịch 1 góc 90 cộng với tín hiệu của bộ MZM còn lại và phóng vào sợi quang.