Nghiên cứu bộ thu DPSK sử dụng giao thoa kế Michelson với faraday quay gương

Nguyễn Thế Quang và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 111 - 116 
111 
NGHIÊN CỨU BỘ THU DPSK SỬ DỤNG GIAO THOA KẾ MICHELSON 
VỚI FARADAY QUAY GƯƠNG 
Nguyễn Thế Quang1,*, Nguyễn Hồng Kiểm1, Kouhei Shimazaki2, Naoto Kishi2 
1Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn 
2Đại học Điện-Thông tin Tokyo, Nhật Bản 
TÓM TẮT 
Tín hiệu điều chế khóa dịch pha vi sai DPSK (differential phase shift keying) có vai trò quan trọng 
trong hệ thống thông tin quang thế hệ tiếp theo. Trong bài báo này, chúng tôi tiến hành khảo sát bộ 
thu DPSK sử dụng giao thoa kế Michelson MCI (Michelson interferometer). MCI cấu thành từ 
Faraday quay gương FRM (Faraday rotator mirrors) để giảm ảnh hưởng của phân cực. FRM hoạt 
động như một gương liên hợp pha để tạo ra một bộ trễ pha 900. Bộ thu DPSK sử dụng MCI được 
so sánh với bộ thu DPSK thông thường Kylia sử dụng bộ giao thoa Mach-Zehnder Kylia-MZI 
(Mach-Zehnder interferometer) với các thông số tỉ lệ lỗi bit BER (bit error rate), sự biến động 
phân cực của tín hiệu và sự thay đổi của bước sóng tín hiệu. Các kết quả thí nghiệm cho thấy, bộ 
thu DPSK sử dụng MCI có ưu điểm hơn về độ nhạy thu, tín hiệu thu được ít bị ảnh hưởng của 
phân cực, cũng như ít phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu. 
Từ khóa: Thông tin quang sợi; bộ thu DPSK; biến động phân cực; giao thoa kế Michelson; 
Faraday quay gương 
ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Ngày nay, điện thoại thông minh, máy tính 
bảng là những thiết bị đầu cuối trở nên thông 
dụng, những nhu cầu về truyền tin dung 
lượng lớn như hội nghị trực tuyến,... tăng lên 
đáng kể. Hơn nữa những công nghệ trong 
tương lai gần như 5G, IoT, cũng cần đến 
mạng thông tin dung lượng cao. Để đáp ứng 
nhu cầu này thì thông tin quang sợi là một 
giải pháp đang được sử dụng [1], [2]. Trong 
thập kỷ 1990, bộ khuếch đại toàn quang 
EDFA (Erbium doped fiber amplifiers) cũng 
như hệ thống ghép kênh phân chia theo bước 
sóng WDM (wavelength division 
multiplexing) được đưa vào sử dụng thì điều 
chế cường độ-tách sóng trực tiếp IM-DD 
(intensity modulation - direct detection) cho 
tín hiệu OOK (on-off keying) được sử dụng 
rộng rãi. Tuy nhiên, IM-DD sẽ bị hạn chế về 
tốc độ và số lượng kênh trong hệ thống 
WDM. Do vậy, những kỹ thuật điều chế 
quang tiên tiến như điều chế khóa dịch pha vi 
sai DPSK (differential phase shift keying) 
đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi 
trong hệ thống thông tin quang vì những ưu 
điểm vượt trội so với tín hiệu OOK về độ 
*
Tel: 0968 506069, Email: quangnt@mta.edu.vn 
nhạy thu. So với tín hiệu OOK thì tín hiệu 
DPSK sẽ ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phi 
tuyến, tán sắc bước sóng, tán sắc mode phân 
cực hơn nên sẽ thích hợp với hệ thống đường 
trục trong tương lai [3]-[5]. 
Để tách sóng tín hiệu DPSK, một bộ thu 
DPSK được sử dụng để chuyển đổi từ tín hiệu 
pha sang tín hiệu biên độ. Cho đến nay, bộ 
thu DPSK tiến hành bằng phương thức tách 
ánh sáng thu được rồi cho chúng giao thoa 
với nhau. Tuy nhiên, phương pháp này không 
ổn định bởi phân cực của ánh sáng bị dao 
động do tính lưỡng chiết suất của sợi quang 
[6]. Khi ánh sáng truyền trong sợi quang, 
trạng thái phân cực của ánh sáng sẽ bị thay 
đổi. Hơn nữa, khi sợi quang bị tác động thì 
trạng thái phân cực cũng sẽ bị dao động theo 
thời gian. Để giữ được trạng thái phân cực 
của ánh sáng trong sợi quang thì phải dùng 
sợi quang duy trì trạng thái phân cực PMF 
(polarization maintaining fiber). Tuy nhiên 
sợi này có chi phí rất cao. Đồng thời những 
thiết bị sử dụng trong hệ thống bắt buộc cũng 
phải duy trì được trạng thái phân cực của ánh 
sáng. Do vậy bộ thu DPSK có cấu trúc sợi 
quang khó được triển khai. Faraday quay 
gương FRM (Faraday rotator mirrors) là một 
thiết bị hầu như không phụ thuộc vào biến 
Nguyễn Thế Quang và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 111 - 116 
112 
động phân cực của tín hiệu nên được nhiều 
nhà nghiên cứu quan tâm. FRM hoạt động 
như một gương liên hợp pha bằng việc tạo ra 
một bộ chậm pha 900. 
Trong bài báo này, nhóm tác giả đã khảo sát 
thực nghiệm bộ thu DPSK sử dụng giao thoa 
Michelson MCI (Michelson interferometer) 
với FRM. Bộ thu quang này sử dụng ưu điểm 
của FRM đó là hạn chế ảnh hưởng phân cực 
của tín hiệu quang. Một tín hiệu 10 Gb/s 
NRZ-DPSK được tiến hành thí nghiệm để so 
sánh bộ thu DPSK sử dụng MCI với bộ thu 
DPSK thông dụng Kylia sử dụng bộ giao thoa 
Mach-Zehnder Kylia-MZI (Mach-Zehnder 
interferometer) với tham số mẫu mắt, tỉ lệ lỗi 
bit BER (bit error rate). So với bộ thu Kylia-
MZI, tín hiệu DPSK của bộ thu sử dụng MCI 
tại BER=10-9 được cải thiện 2,0 dB. Tại bộ 
thu DPSK sử dụng MCI, thiệt hại công suất 
tại BER=10-9 chỉ nhỏ hơn 0,3 dB khi thay đổi 
tốc độ biến động phân cực. Hơn nữa, bộ thu 
DPSK sử dụng MCI không phụ thuộc nhiều 
vào bước sóng của tín hiệu trong băng C. 
CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ GIAO THOA KẾ 
MICHELSON 
Nguyên lý hoạt động của MCI với FRM được 
mô tả trong Hình 1(a). Tín hiệu ánh sáng từ 
nguồn quang LD (laser diode) được chia ra 
làm 2 thành phần sau khi đi qua bộ tách/ghép. 
Hai thành phần này lần lượt đi đến FRM1, 
FRM2. 
Hoạt động của FRM được mô tả trên Hình 
1(b). FRM được tạo nên bởi phần tử gương, 
thấu kính và Faraday quay cách tử để quay 
phân cực 450. Ánh sáng vào sau khi đi qua 
thấu kính, Faraday quay cách tử thì phân cực 
của nó sẽ bị quay đi một góc 450. Sau đó, ánh 
sáng được phản xạ tại gương, rồi tiếp tục 
quay ngược lại và đi qua Faraday quay cách 
tử. Khi đó, phân cực của ánh sáng phản xạ 
tiếp tục bị quay một góc 450 như trên Hình 
1(b). Như vậy, tại một điểm bất kì thì phân 
cực của ánh sáng vào và ánh sáng phản xạ 
trực giao với nhau. Do đó, trạng thái phân cực 
của tia phản xạ sẽ không phụ thuộc vào chiết 
suất của sợi quang. 
Sau khi 2 thành phần ánh sáng lần lượt được 
phản xạ tại FRM1, FRM2, chúng được hợp 
lại tại bộ tách/ghép và giao thoa với nhau. Giả 
sử khoảng cách từ bộ tách/ghép đến FRM1, 
FRM2 lần lượt là 
1L , 2L thì 2 thành phần tín 
hiệu ánh sáng 
1(t)e , 2 (t)e sẽ được thể hiện 
theo công thức: 
1 1 1(t) exp[i( t )]e A   (1) 
 2 2 2(t) exp[i( t )]e A   (2) 
với 1A , 2A lần lượt là biên độ của 2 thành 
phần tín hiệu ánh sáng 1(t)e , 2 (t)e . Tại bộ 
tách sóng quang PD (photodetector), biên độ 
của tín hiệu ánh sáng tỷ lệ với bình phương 
cường độ từ trường. Giả sử cường độ ánh 
sáng sau khi giao thoa là 
2
(t)e thì ta có: 
2 2
1 2(t) (t) (t)e e e 
2 2
1 1 1 1 1 22 cos( )A A A A   
cos( )A B  (3) 
2 2
1 1(A A A , 1 22B A A , 1 2 )   
Theo công thức (3) thì cường độ ánh sáng sau 
khi giao thoa 
2
(t)e sẽ biến đổi theo hiệu số 
pha của 2 phần tín hiệu ánh sáng  . Trong 
trường hợp 2 tín hiệu ánh sáng có cùng bước 
sóng thì bộ giao thoa này được gọi là bộ tách 
sóng homodyne, được ứng dụng để thu tín 
hiệu DPSK. 
Hình 1. Nguyên lý hoạt động của (a) bộ giao thoa kế 
Michelson MCI và (b) Faraday quay gương FRM 
Nguyễn Thế Quang và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 111 - 116 
113 
CẤU HÌNH THÍ NGHIỆM 
Hình 2. Cấu hình thí nghiệm của bộ thu DPSK (a) 
sử dụng MCI và (b) sử dụng MZI. Auto PC 
(polarization controller): Bộ điều chỉnh phân cực 
tự động, ODL (optical delay line): Bộ trễ quang, 
PS (phase shift): Bộ dịch pha, FRM (Faraday 
rotator mirror): Faraday quay gương. 
Cấu hình thí nghiệm của bộ thu DPSK sử 
dụng MCI được thể hiện trên Hình 2(a). Một 
tín hiệu quang 10 Gb/s NRZ-DPSK được tạo 
ra bằng một nguồn laser diode tại bước sóng 
1551,3 nm đưa vào bộ điều chế DPSK. Sau 
khi đi qua bộ điều chỉnh phân cực tự động 
Auto PC (polarization controller) và bộ cầu 
xoay, tín hiệu 10 Gb/s NRZ-DPSK này được 
cho qua bộ tách/ghép 3 dB để chia ra thành 2 
nhánh. Hai tín hiệu này được phản xạ tại 
FRM1, FRM2 và sau đó giao thoa với nhau 
tại bộ tách/ghép 3 dB. Một nhánh sẽ được đặt 
bộ trễ quang ODL (optical delay line) để điều 
chỉnh trễ 1 bit. Khi giao thoa, thông tin pha sẽ 
được biến đổi thành thông tin biên độ. Một 
nhánh còn lại sẽ đặt thêm bộ dịch pha PS 
(phase shift) để đồng bộ pha của FRM bằng 
cách điều chỉnh điện áp của bộ PS. Tín hiệu 
giao thoa được lấy ra từ bộ cầu xoay và được 
đưa vào phân tích bằng các máy đo mẫu mắt, 
BER. Hình 2(b) mô tả cấu hình thí nghiệm 
của bộ thu DPSK sử dụng MZI. Tương tự như 
bộ thu DPSK sử dụng MCI, sau khi đi qua bộ 
Auto PC, tín hiệu 10 Gb/s NRZ-DPSK được 
cho qua bộ tách/ghép 3 dB để chia ra thành 2 
nhánh. Một nhánh sẽ được đặt bộ ODL để 
điều chỉnh trễ 1 bit, nhánh còn lại sẽ đặt thêm 
bộ PS. Hai tín hiệu sau đó giao thoa với nhau 
tại bộ tách/ghép 3 dB và được đưa vào các 
máy đo mẫu mắt, BER. 
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 
Hình 3. Mẫu mắt của tín hiệu 10 Gb/s NRZ-DPSK 
với (a) bộ thu Kylia-MZI và (b) bộ thu sử dụng 
MCI (50 ps/div.) 
Hình 3(a), (b) lần lượt thể hiện mẫu mắt của 
tín hiệu 10 Gb/s NRZ-DPSK khi sử dụng bộ 
thu Kylia-MZI và bộ thu sử dụng MCI. Kết 
quả cho thấy, mẫu mắt của tín hiệu DPSK khi 
sử dụng MCI mở to, rõ nét hơn bộ thu Kylia-
MZI. Nguyên nhân là do độ rộng xung của bit 
“1” và “0” của chuỗi bit ngẫu nhiên không 
đồng đều, do đó điểm giao của chúng sẽ bị 
lệch đi. Hơn nữa, trong bộ thu Kylia-MZI, bộ 
trễ 1 bit hoạt động không chính xác nên cũng 
dẫn đến độ sai lệch độ rộng xung giữa bit “1” 
và “0”. 
Hình 4. Đặc tính BER của tín hiệu 10 Gb/s NRZ-
DPSK với bộ thu DPSK sử dụng MCI và bộ thu 
Kylia-MZI 
Hình 4 là kết quả đo BER của tín hiệu 10 
Gb/s NRZ-DPSK khi sử dụng bộ thu Kylia-
MZI, và bộ thu sử dụng MCI. So với bộ thu 
Kylia-MZI, tín hiệu DPSK của bộ thu sử 
dụng MCI tại BER=10-9 được cải thiện 2,0 
dB. Có được kết quả này là do bộ trễ 1 bit 
trong bộ thu sử dụng MCI được thiết lập 
chính xác hơn. Như vậy bộ thu DPSK sử 
Nguyễn Thế Quang và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 111 - 116 
114 
dụng MCI có ưu điểm hơn về độ nhạy thu so 
với bộ thu Kylia-MZI. 
Hình 5. Mẫu mắt của tín hiệu 10Gb/s NRZ-DPSK 
với bộ thu DPSK sử dụng MCI và bộ thu Kylia-
MZI với tốc độ biến động phân cực (a) scan1, (b) 
scan 4, (c) scan8 (50 ps/div.) 
Để khảo sát bộ thu DPSK sử dụng MCI khi 
có sự biến động phân cực của tín hiệu, Auto 
PC được đặt trước MCI để tiến hành đo mẫu 
mắt, BER. Ở đây, Auto PC có tốc độ biến 
động là 8 mức với mức càng cao thì tốc độ 
biến động phân cực càng nhanh. Hình 5(a), 
(b), (c) lần lượt so sánh mẫu mắt của tín hiệu 
10 Gb/s NRZ-DPSK đối với máy thu Kylia-
MZI và máy thu sử dụng MCI trong trường 
hợp tốc độ biến động phân cực là scan1 (mức 
1), scan4 (mức 4), scan8 (mức 8). Kết quả 
cho thấy bộ thu DPSK sử dụng MCI đều cho 
mẫu mắt rõ nét trong tất cả tốc độ biến động 
phân cực. Ngược lại không thể quan sát được 
mẫu mắt của tín hiệu DPSK với bộ thu Kylia-
MZI trong mọi tốc độ biến động phân cực. Có 
thể nói rằng bộ thu DPSK sử dụng MCI không 
phụ thuộc vào tốc độ biến động phân cực. 
Nghiên cứu này cũng tiến hành khảo sát đặc 
tính BER của tín hiệu 10 Gb/s NRZ-DPSK 
đối với cả máy thu Kylia-MZI và máy thu sử 
dụng MCI trong trường hợp xét đến tốc độ 
biến đổi phân cực. Tuy nhiên, máy thu Kylia-
MZI không đo được BER đối với mọi tốc độ 
biến động phân cực. Hình 6 mô tả đặc tính 
BER của tín hiệu 10 Gb/s NRZ-DPSK với bộ 
thu DPSK sử dụng MCI trong các trường hợp 
tốc độ biến động phân cực là scan0 (không có 
sự biến động của phân cực tín hiệu), scan1, 
scan4, scan8. Kết quả cho thấy thiệt hại công 
suất tại BER=10-9 trong tất cả các trường hợp 
khi thay đổi tốc độ biến động phân cực so với 
không có sự biến đổi phân cực (scan0) đều 
nhỏ hơn 0,3 dB. Từ kết quả trên ta có thể kết 
luận là bộ thu DPSK sử dụng MCI phụ thuộc 
rất ít vào phân cực của tín hiệu. 
Hình 6. Đặc tính BER của tín hiệu 10Gb/s NRZ-
DPSK với bộ thu DPSK sử dụng MCI khi thay đổi 
tốc độ biến động phân cực 
Để khảo sát đặc tính bước sóng của bộ thu 
DPSK sử dụng MCI, chúng tôi đã thay đổi 
bước sóng của tín hiệu 10 Gb/s NRZ-DPSK 
trong dải bước sóng băng C (1530 nm ~ 1565 
nm) rồi sau đó xét đặc tính BER, mẫu mắt của 
tín hiệu. Hình 7 mô tả đặc tính BER của tín 
hiệu 10 Gb/s NRZ-DPSK với trường hợp 
bước sóng của tín hiệu  = 1530, 1535, 1540, 
1545, 1550, 1555, 1560, 1565 nm (dải bước 
sóng băng C với khoảng cách bước sóng là 5 
nm). Ta thấy khi bước sóng của tín hiệu thay 
đổi trong băng C, thiệt hại công suất của tín 
hiệu tại BER=10-9 chỉ thay đổi trong khoảng 
0,5 dB. 
Nguyễn Thế Quang và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 111 - 116 
115 
Hình 7. Đặc tính BER của tín hiệu 10 Gb/s NRZ-
DPSK với bộ thu DPSK sử dụng MCI khi thay đổi 
bước sóng của tín hiệu 
Hình 8. Mẫu mắt của tín hiệu 10 Gb/s NRZ-DPSK 
với bộ thu DPSK sử dụng MCI trong trường hợp 
bước sóng của tín hiệu (a) 1530 nm, (b) 1535 nm, 
(c) 1540 nm, (d) 1545 nm, (e) 1550 nm, (f) 1555 
nm, (g) 1560 nm, (h) 1565 nm (50 ps/div.) 
Mẫu mắt của tín hiệu 10 Gb/s NRZ-DPSK 
ứng với các bước sóng trên được mô tả lần 
lượt trong Hình 8(a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), 
(h). Hình phía trên trong mỗi mẫu mắt hiển 
thị tín hiệu điện, trong khi đó hình phía dưới 
hiển thị tín hiệu quang. Các mẫu mắt của tín 
hiệu đều mở to, rõ nét, không có sự khác biệt 
lớn. Để có được kết quả này là do sai số góc 
phản xạ của FRM nhỏ cỡ 01 . Có thể nói rằng 
bộ thu DPSK sử dụng MCI với FRM phụ 
thuộc không đáng kể vào bước sóng của tín 
hiệu trong băng C. 
KẾT LUẬN 
Bộ thu DPSK sử dụng MCI với FRM được 
tiến hành khảo sát thực nghiệm. Bộ giao thoa 
MCI này tận dụng ưu điểm của FRM đó là 
hoạt động như một gương liên hợp pha để 
giảm ảnh hưởng của phân cực. Bộ thu DPSK 
này được so sánh với bộ thu Kylia-MZI đối 
với tín hiệu 10 Gb/s NRZ-DPSK. Kết quả thí 
nghiệm thu được cho thấy bộ thu DPSK sử 
dụng MCI có những ưu điểm vượt trội về độ 
nhạy thu, sự ổn định đối với biến đổi phân 
cực của tín hiệu. Hơn nữa, bộ thu DPSK sử 
dụng MCI không phụ thuộc nhiều vào tần số 
của tín hiệu tại băng C. Những kết quả của 
nghiên cứu này là tiền đề để khảo sát của bộ 
thu DPSK sử dụng MCI với FRM dưới ảnh 
hưởng của tham số tán sắc mode phân cực. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. R. Ramaswami, and K. N. Sivarajan (1998), 
Optical networks: a practical perspective, Morgan 
Kaufmann Publishers Inc. 
2. H. Kogelnik (2000), “High-capacity optical 
communications: Personal recollections,” IEEE 
Journal of Selected Topics in Quantum 
Electronics, vol. 6, no. 6, pp. 1279–1286. 
3. W. A. Atia, and R. S. Bondurant (1999), 
“Demonstration of return-to-zero signaling in both 
OOK and DPSK formats to improve receiver 
sensitivity in an optically preamplified receiver,” 
in IEEE Lasers and Electro-Optics Society 12th 
Annual Meeting, paper TuM3, vol. 1. 
4. C. Xu, X. Liu, and X. Wei (2004), “Differential 
phase-shift kevying for high spectral efficiency 
optical transmissions,” IEEE Journal of Selected 
Topics in Quantum Electronics, vol. 20, no. 2, pp. 
281–293. 
Nguyễn Thế Quang và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 111 - 116 
116 
5. A H. Gnauck, P. J. Winzer (2005), “Optical 
phase-shift-keyed transmission,” IEEE Journal of 
Lightwave Technology, vol. 23, no. 1, pp. 115–
130. 
6. A. D. Kersey, M. J. Marrone, and M. A. Davis 
(1991), “Polareation-Insensitive Fiberoptic 
Michelson Interferometer” IEEE Electronics 
Letters, vol. 27, no. 6, pp. 518–519. 
SUMMARY 
INVESTIGATION OF DPSK RECEIVER SYSTEM BY USING MICHELSON 
INTERFEROMETER WITH FARADAY ROTATING MIRROR 
Quang Nguyen-The
1,*
, Nguyen Hong Kiem
1
, Kouhei Shimazaki
2
, Naoto Kishi
2 
1Le Quy Don Technical University; * Email: quangnt@mta.edu.vn 
2The University of Electro-Communications, Tokyo, Japan 
DPSK (differential phase shift keying) have become an important modulation format because of 
suitability for next-generation optical fiber communication systems. In this paper, we report the 
demonstration of a DPSK receiver based on Michelson interferometer (MCI). The MCI configured 
with Faraday rotator mirror to confirm the reduction in polarization sensitivity. The Faraday 
rotator mirror serves as a phase conjugate mirror by creating a phase delay of 90 degrees. The 
performances of the DPSK receiver using MCI and a conventional DPSK receiver Kylia using 
Mach-Zehnder interferometer (MZI) are compared in terms of signal of bit error rate (BER), 
polarization fluctuation. According to the experimental results, the DPSK receiver using MCI 
achieved low distortion, polarization-insensitive as well as wavelength-shift-free operation. 
Keywords: Optical fiber communication; DPSK receiver system; polarization fluctuation; 
Michelson interferometer; Faraday rotator mirror 
Ngày nhận bài: 27/3/2018; Ngày phản biện: 04/4/2018; Ngày duyệt đăng: 31/5/2018 
*
Tel: 0968.506069, Email: quangnt@mta.edu.vn