Điều khiển tán sắc

ên sợi quang Phần 3 chỉ ra rằng hiện tượng chirp do SPM có thể mang lại lợi ích với một thiết kế thích hợp Sự thay đổi này thường sử dụng với với một thiết kế riêng biệt. Soliton quang học cũng sử dụng SPM (Truyền dẫn quang soliton cũng dùng hiện tượng SPM để có được một số ưu điểm) Tuy nhiên, ở phần lớn hệ thống thông tin quang , các hiệu ứng phi tuyến do SPM gây ra làm giảm chất lượng rõ rệt, đặc bịêt là khi các tín hiệu truyền đi trên khoảng cách dài phải sử dụng nhiều bộ khuyếch đại quang. Công nghệ OPC khác với các mô hình bù tán sắc khác ở một điều quan trọng: Trong những điều kiện nhất định, nó có thể bù đồng thời cho cả GVD và SPM. Tính năng này của OPC được lưu ý vào đầu những năm 1980 và được nghiên cứu rộng rãi sau 1993 . Dễ dàng để thấy là cả GVD và SPM đều được bù một cách tuyệt đối mà không có sự suy hao quang nào. Sự lan truyền xung trong sợi quang có suy hao cho bởi phương trình Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 32 2 22 22 2 iA A i A A A z t β αγ∂ ∂+ = −∂ ∂ (7.2.1) Với thành phần 3β bị bỏ qua và α là suy hao của sợi quang. Khi α=0, A* thoả các phương trình giống nhau khi ta tính liên hợp phức của pt (7.1.4). và đổi z thành –z. Kết quả là OPC khoảng giữa phổ có thể bù đồng thời cho SPM và GVD. Sự suy hao có thể phá huỷ 1 thuộc tính quan trọng của khoảng giữa phổ OPC. Lí do rất dễ thấy là nếu chúng ta lưu ý rằng sự thay đổi pha của SPM phụ thuộc vào công suất. thì pha thay đổi lớn ở nửa đầu đường dẫn quang hơn là nửa thứ 2, và OPC không thể bù cho các hiệu ứng phi tuyến. Phương trình (7.2.1) có thể dùng để nghiên cứu tác động của sự suy hao. Bằng cách thay: ( , ) ( , )exp( / 2)A z t B z t zα= − (7.2.2) Phương trình. (7.2.1) có thể viết lại 2 22 2 ( )2 iB B i z B B z t β γ∂ ∂+ =∂ ∂ (7.2.3) Với ( ) exp( )z zγ γ α= − . Hiệu ứng của suy hao quang có thể tương đương với trường hợp không lỗi nhưng với tham số phi tuyến phụ thuộc z. Bằng cách tính liên hiệp phức của Eq (7.2.3) và thay đổi z thành –z, dễ dàng để thấy sự bù tán sắc toàn phần SPM xảy ra khi và chỉ khi ( ) ( )z L zγ γ= − Điều kiện này không thể được thoả mãn khi α ≠ 0 Một cách nữa có thể giải quyết vấn đề là khuyếch đại tín hiệu sau OPC để công suất tín hiệu trở nên bằng với mức công suất đầu vào trước khi nó đến nửa thứ 2 của đường dẫn quang. Mặc dù cách này làm giảm sự tác động của SPM, nhưng nó vẫn không thể bù tán sắc toàn phần được. Nguyên nhân có thể được hiểu rằng: sự truyền dẫn của tín hiệu pha kết hợp tương đương với việc truyền một tín hiệu time-reseverd . Vì vậy. sự bù SPM toàn phần xảy ra khi và chỉ khi biến thiên công suất đối xứng quanh điểm giữa phổ , vì thế, ( ) ( )z L zγ γ= − ở phương trình (7.2.3). Sự khuyếch đại quang không đuợc thoả mãn ở trường hợp này. Nó tương tự với sự bù SPM nếu các tín hiệu được khuếch đại đủ để công suất không thay đổi trong 1 khoảng lớn trong mỗi trạng thái khuếch đại. Tuy nhiên, điều này không thực tế bởi nó đòi hòi các bộ khuếch ở khoảng cách gần nhau. Sự bù tán sắc toàn phần cho cả GVD và SPM có thể được tìm được bởi cách sử dụng các sợi quang giảm tán sắc (dispersion decreasing fibers) cho 2β giảm trên chiều dài sợi quang. Để xem một mô hình đựơc thực hiện như thế nào, giả thiết rằng 2β ở phương trình (7.2.3) là một hàm của z Bằng cách biến đổi: Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 33 0 ( ) z z dzζ γ= ∫ 2c p sk k k= − ( ) /j j ck n w w c= Z Dλ (7.2.4) Pt (7.2.3) có thể viết lại 2 2 2( )2 B i Bb i B B t ζζ ∂ ∂+ =∂ ∂ (7.2.5) Với 2( ) ( ) / ( )b ζ β ζ γ ζ= Cả GVD và SPM đều đựơc bù nếu ( ) ( )Lb bζ ζ ζ= − , Lζ là giá trị của ζ khi z=L. Điều kiều này được thoả mãn tự động thì sự giảm tán sắc giống như ( )zγ , để 2 ( ) ( )β ζ γ ζ= và ( ) 1b ζ = . Vì suy hao quang làm ( )zγ giảm theo hàm mũ exp( )zα− cả GVD và SPM có thể bù chính xác ở các sợi quang giảm tán sắc mà có GVD giảm theo hàm mũ exp( )zα− Cách tiếp cận này phổ biến và được sử dụng khi các bộ khuyếch đại quang được sử dụng. 7.3 Tín hiệu liên hợp pha (Phase-conjugated Signal): Kỹ thuật OPC( Optical phase conjugation) – liên hợp pha quang đòi hỏi 1 phần từ quang phi tuyến mà có thể tạo ra tín hiệu pha liên hợp . Thông thường người ta dùng phương pháp trộn 4 bước sóng (FWM- Four wave mixing) trong vùng phi tuyến, vì bản thân sợi quang tự nó là một môi trường phi tuyến, (cách đơn giản là dùng một sợi quang dài vài km được thiết kế một cách đặc biệt để tối đa hiệu ứng FWM) Kỹ thuật FWM trong sợi quang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi Để dùng hiện tượng FWM cần một nguồn bơm tại tần số wp được dịch từ tần số của tín hiệu sw một lượng nhỏ (~0.5THz) . Sợi quang phi tuyến tạo ra tín hiệu liên hợp pha quang tại tần số . Miễn là thỏa mãn điều kiện phù hợp pha. Với là số lượng xung quang tại tần số wj Điều kiện phù hợp góc pha thỏa mãn nếu bước sóng tán sắc không của sợi quang được chọn (trùng với bước sóng bơm) đồng thời với bước sóng bơm. Điều này đã được thông qua trong 1 cuộc thí nghiệm 1993 Lần đầu tiên chứng minh được rằng tiềm năng của kỹ thuật OPC trong việc bù tán sắc. Trong 1 thí nghiệm khác 1 tín hiệu ( bước sóng 1546nm) được kết hợp góc pha bằng cách sử dụng FWM cho 23 km sợi quang với bước sóng pump “bơm” là 1549 nm . Tín hiệu ở tốc độ bit 6-Gb/s được phát trên 152 km sợi quang tiêu chuẩn với điều chế FSK. Một thí nghiệm khác nữa là 1 tín hiệu 10 Gb/s có thể phát trên 360 km. 2c p sw w w= + Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 34 2 3 2 32 p c c L L β δ β β δ β += + c c sw wδ = − Kỹ thuật OPC khoảng giữa phổ được thực hiện cho 21 km sợi quang bằng cách sử dụng tia “pump” laser mà bước sóng của nó được cân chỉnh một cách chính xác với bước sóng tán sắc không. Bước sóng tín hiệu và pump lệch nhau 3.8 nm. Hình 7.1: Thí nghiệm bù tán sắc trong đảo khoảng giữa phổ trên 21 km chiều dài sợi quang Cách thực hiện để tạo ra tín hiệu pha liên hợp hợp. 1 bộ lọc dải thông bandpass được sử dụng để tạo ra tín hiệu pha liên hợp . Nhiều nhân tố cần phải được xem xét trong kỹ thuật pha kết hợp khoảng giữa phổ trong thực tế. Trước hết vì bước sóng tín hiệu thay đổi từ sw thành 2c p sw w w= − tại bộ tạo pha liên hợp. Thông số tán sắc vận tốc nhóm GVD 2β bị thay đổi. Kết quả là , xảy ra bù tán sắc toàn phần chỉ khi bộ kết hợp góc quang lệch rất nhỏ so với điểm giữa của đường quang. Ví trí chính xác pL có thể được xác định bằng cách sử dụng điều kiện Với L là tổng chiều dài . Khai triển 2 ( )cwβ thành chuổi Taylor tại tần số ,s pw L thì tìm được: (7.3) Với khoảng dịch tần số của tín hiệu bằng kỹ thuật OPC. Đối với khoảng dịch bước sóng chuẩn 6nm, góc pha thay đổi khoảng 1%. Một nhân tố thứ 2 cần chú ý là quá trình trộn 4 bước sóng (FWM) trong sợi quang là độ nhạy phân cực vì phân cực của tín hiệu không được điều khiển bởi sợi quang, nó thay đổi tại bộ tạo pha kết hợp theo cách thức ngẫu nhiên. Ảnh hưởng của biến đổi ngẫu 2 2( ) ( )( )s p c pw L w L Lβ β= − Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 35 1 2p pw w≠1 2c p p sw w w w= + − nhiên này tác động đến hiệu suất FWM và làm cho kỹ thuật FWM không phù hợp với mục đích thực tế. Tuy nhiên sự phối hợp có thể giảm bớt độ nhạy phân cực. 2 tia “pump” trực giao tại bước sóng khác nhau ở vị trí đối xứng của bước sóng tán xạ không của sợi quang được sử dụng. Sự sắp xếp này có 1 thuận lợi khác là sóng kết hợp góc quang có thể được tạo ra tại tần số của bản thân tín hiệu bằng cách chọn lọc bước sóng tán xạ không ZDλ để trùng với tần số tín hiệu Từ mối quan hệ: với . Độ nhạy phân cực của OPC cũng thu được bằng cách sử dụng một nguồn bơm (pump) đơn kết hợp với cách tử sợi quang và một thiết bị đối xứng kết hợp trực giao (orthoconjugate mirror) nhưng thiết bị này làm việc trong mode phản xạ và cần các sóng kết hợp riêng biệt từ tín hiệu bằng cách dùng bộ ghép 3-dB hoặc bộ cách ly vòng. Hiệu suất tương đối thấp của quá trình OPC trong sợi quang cũng có lợi. Điển hình là hiệu suất chuyển đổi cη dưới 1% khiến nó phải khuếch đại tín hiệu pha kết hợp . Thực tế suy hao của pha kết hợp vượt quá 20 dB. Tuy nhiên, quá trình FWM thì không phải là 1 quá trình hiệu suất thấp. Thực vậy, phân tích phương trình FWM cho thấy rằng cη tăng lên đáng kể bằng cách tăng công suất pupm và giảm công suất tín hiệu. Nó có thể vượt quá 100 % mức công suất và khác biệt bước sóng “pump” (bơm) . (Cần tránh sử dụng nguồn bơm công suất cao do ảnh hưởng của hiện tượng phát xạ kích thích Brillouin) Công suất (nguồn bơm) pump cao thường được hạn chế vì SBS. Tuy nhiên có thể loại bỏ SBS bằng cách điều chế nguồn bơm tại tần số ~100Mz. Trong 1 thí nghiệm 1994, 35 % hiểu suất chuyển đổi được tạo ra bằng kỹ thuật này. Quá trình FWM trong 1 bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) cũng được sử dụng để tạo ra tín hiệu pha kết hợp dùng vào việc bù tán sắc. Công trình này đã được thực hiện trong 1 cuộc thí nghiệm 1993 và chứng minh được rằng tín hiệu truyền ở tốc độ 2.5 Gb/s. Được điều chế bằng bằng các laser bán dẫn truyền trên 100 km chiều dài sợi quang chuẩn. Sau đó trong 1 thí nghiệm 1995, tương tự đã truyền được tín hiệu với tốc độ lên đến 40 Gb/s trên chiều dài 200 km sợi quang chuẩn. Khả năng duy trì FWM trong SOA được đề xuất vào năm 1987và kỹ thuật này được sử dụng trong chuyển đổi bước sóng. Ưu điểm chính là tín hiệu kết hợp góc có thể được tạo ra trong 1 thiết bị dài 1 nm. Hiệu suất chuyển đổi cao hơn so với FWM trong sợi quang vì nó được khuếch đại. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 36 Bằng cách lựa chọn chính xác sóng bơm - điều hướng tín hiệu, thu được hiệu suất chuyển đổi lớn hơn 100% ( độ lợi thu được cho tín hiệu kết hợp góc quang) cho kỹ thuật FWM trong SOAs. Ống dấn sóng phân cực tuần hoàn LiNbO3 được sử dụng để tạo ra các bộ chuyển đổi phổ băng rộng, tín hiệu pha kết hợp được tạo ra bằng cách sử dụng các quá trình phi tuyến bậc hai liên tiếp. Các quá trình này là các quá trình phù hợp pha (quasi-phase- matched) nhờ vào chu kỳ cực của tinh thể. Đối với thiết bị OPC chỉ bỉ suy hao 7 dB và có khả năng bù tán sắc cho 4 kênh tín hiệu tốc độ 10 Gb/s trên chiều dài 150 km sợi quang chuẩn. Tiềm năng của kỹ thuật OPC đã được chứng minh ở một thử nghiệm 1999 với 1 bộ kết hợp cơ bản FWM được sử dụng bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ở tốc độ 40 Gb/s trên chiều dài 140 km sợi quang tiêu chuẩn Hầu hết các cuộc thí nghiệm về bù tán sắc được nghiên cứu trên khoảng cách tuyền là vài trăm km. Đối với đường truyền dài hơn nó đặt ra vấn đề kỹ thuật OPC có thể bù tán sắc vận tốc nhóm GVD cho chiều dài lên đến hàng ngàn km sợi quang mà được dùng các bộ khuếch đại bù suy hao được hay không. Trong 1 thử nghiệm mô phỏng, tín hiệu tốc độ 10 Gb/s có thể truyền trên 6000 km trong khi chỉ sử dụng công suất trung bình dưới mức 3 mW để giảm hiệu ứng phi tuyến sợi quang. Trong 1 nghiên cứu khác cho thấy bộ khuếch đại đóng 1 vai trò quan trọng. Với khoảng cách truyền trên 9000 km có thể thực hiện được bằng cách giữ các bộ khuếch đại cho mỗi đoạn 40 km. Sự lựa chọn bước sóng hoạt động , đặc biệt là bước sóng tán sắc không có ý nghĩa then chốt. Trong vùng tán sắc dị thường <0, Công suất của tín hiệu biến đổi tuần hoàn dọc chiều dài sợi quang . Điều này có thể dẫn tới việc tạo ra các (dải biên) sideband do hiện tượng bất ổn điều chế Tính không ổn định này có thể được tránh nếu thông số tán sắc tương đối lớn (D>10 ps/(km-nm)). Đây là trường hợp đối với sợi quang chuẩn bước sóng gần 1.55 . Hiển nhiên rằng khoảng cách truyền tối đa luôn là vấn đề quan trọng đối với nhiều hãng sản xuất, như kỹ thuật trộn 4 bước sóng FWM, khoảng cách dùng bộ khuếch đại có thể giảm xuống dưới 3000 km. Sử dụng kỹ thuật OPC cho hệ thống quang đường dài (long haul lightwave system) đòi hỏi sử dụng các bộ khuếch đại quang và bộ pha kết hợp. 2 phần tử quang này có thể ghép lại thành 1 bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại tham số (parametric amplifiers) - Mạch khuếch đại thường dùng linh kiện diod biến đổi điện dung, trong đó điện dung thay đổi theo chu kì của tín hiệu, nó không chỉ tạo ra tín hiệu pha kết hợp trong suốt tiến trình FWM mà còn khuếch đại tín hiệu. Phân tích cho hệ thống quang đường dài cho thấy tín hiệu vào (20 đến 30 ps) có thể truyền dọc chiều dài lên đến hàng ngàn km sợi quang mặc 2β mµ Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 37 dù tán sắc vận tốc nhóm GVD cao. Tổng khoảng cách truyền có thể vượt quá 15.000 km cho sợi quang tán sắc thay đổi. với 22 2 /ps kmβ = − gần với bước sóng 1,55 . Kỹ thuật pha kết hợp không được sử dụng trong thực tế khi các bộ khuếch đại tham số chưa thông dụng trong thương mại. Phần kế tiếp tập trung vào kỹ thuật thông dụng sử dụng để điều khiển tán sắc trong hệ thống quang đường dài. 8. HỆ THỐNG QUANG ĐƯỜNG DÀI: Chương này tập trung vào hệ thống quang đường dài, việc điều khiển tán sắc sẽ giúp cho việc mở rộng khoảng cách truyền từ 10km cho đến vài trăm km. Vấn đề quan trọng Là điều khiển tán sắc như thế nào để có thể sử dụng được cho hệ thống đường dài với Khoảng cách có thể lên đến hàng ngàn km. Nếu tín hiệu quang được lặp lại mỗi 100-200 km. Tất cả các kỹ thuật được đề cập trong chương này sẽ hoạt động tốt vì hiệu ứng phi tuyến không được tích lũy trong hệ thống đường dài. Ngược lại nếu tín hiệu được duy trì Trong miền quang bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại chu kỳ thì các hiệu ứng phi tuyến như SPM, XPM(cross phase modulation) và FWM sẽ được giới hạn. Do đó tác động của hiệu ứng phi tuyến lên chế độ hoạt động của hệ thống điều khiển tán sắc đã được nghiên cứu 1 cách sâu sắc Trong chương này sẽ tập trung vào hệ thống quang đường dài mà bản đồ điều khiển tán sác và suy hao được sử dụng đồng thờiPeriodic Dispersion Maps ( Bản đồ tán sắc tuần hoàn) Hình 8.1: Vòng lặp quang dùng để phát tín hiệu ở tốc độ 10 Gb/s trên khoảng cách 10.000 km sợi quang chuẩn sử dụng SCF. mµ Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 38 1 1 2 2( ) / mD D L D L L= + Khi không có hiệu ứng phi tuyến, tổng tán sắc vận tốc nhóm GVD tích lũy trên chiều dài hàng ngàn km có thể được bù tại đầu thu cuối cùng của hệ thống. Lý do là mỗi xung quang được tái tạo lại như gốc trong thời bit của hệ thống tuyến tính, ngay cả khi nó được trải rộng trên vài thời bit trước khi GVD được bù. Sự tương tác phi tuyến xung quang cùng kênh (intrachannel effects), và trên các kênh lân cận trong hệ thống WDM làm giảm chất lượng tín hiệu đến mức mà việc bù tán sắc GVD tại phía thu cũng không thể thực hiện được trong mạng đường dài. Một giải pháp đơn giản là kỹ thuật periodic dispersion management (điều khiển tán sắc tuần hoàn) .Ý tưởng cơ bản khá đơn giản là dùng bộ trộn quang với tán sắc vận tốc nhóm GVD dương và âm trong 1 chu kỳ để tổng tán sắc trên mỗi chu kỳ gần bằng 0. Mô hình đơn giản nhất chỉ sử dụng 2 sợi quang có độ tán sắc ngược nhau và chiều dài tán sắc trung bình: (8.1) Với jD là tán sắc sợi quang có chiều dài jL (j=1,2) và 1 2mL L L= + là chu kỳ của bản đồ tán sắc. Nếu D~0 thì tán sắc được bù trên mỗi chu kỳ. Chiều dài mL là 1 thông số thiết kế tự do mà có thể được chọn để phù hợp với yêu cầu làm việc của hệ thống. Thực tế, thông thường chọn mL bằng với khoảng khuếch đại amplifier spacing AL . Điển hình 80m AL L Km= = cho hệ thống quang mặt đất nhưng sẽ giảm xuống còn khoảng 5 km cho hệ thống dưới mặt biển. Do sự cân nhắc về chi phí, các cuộc thí nghiệm sử dụng 1 vòng lặp quang làm tín hiệu quay vòng nhiều lần để tái tạo cho hệ thống quang đường dài. Hình 8.1 chỉ ra sơ đồ vòng lặp quang. Nó đã được sử dụng với tốc độ 10 Gb/s khoảng cách truyền 10.000 km sợi quang chuẩn với suy hao chu kỳ và điều khiển tán sắc . 2 bộ chuyển mạch quang quyết định vòng tuần hoàn. Chiều dài vòng lặp và số vòng xác định tổng khoảng cách truyền.Chiều dài vòng lặp chuẩn điển hình là 300-500 km. Chiều dài của DCF được chọn thỏa mãn pt 8.1 và được thiết lập 2 1 1 2/L D L D= − cho bù tán sắc toàn phần (D=0) Một bộ lọc bandpass quang cũng được thêm vào bên trong vòng lặp để giảm ảnh hưởng của nhiễu khuếch đại. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 39 8.1 Lý thuyết cơ sở: Ảnh hưởng chính của hiện tượng phi tuyến lên chế độ làm việc của hệ thống đơn kênh là SPM. Như đã trình bày trước đây sự truyền tia quang của mộ chuổi bit quang bên trong một hệ thống quản lý điều khiển tán sắc được khống chế bằng phương trình Schrodinger phi tuyến. pt (7.2.1) 2 22 22 2 dA A ii A A A dz t β αγ∂− + = −∂ (8.2) Với sự khác biệt chính 2 ,β γ và α là hàm chu kỳ hiện tại theo z bởi vì giá trị khác biệt của chúng giữa 2 hoặc nhiều đoạn sợi quang được dùng để tạo bản đồ tán sắc. Bù suy hao tại các bộ khuếch đại có thể được bao gồm bởi việc thay đổi thông số suy hao hợp lý tại những vùng khuếch đại Phương trình 8.2 làm rõ định lượng để xem xét nghiên cứu hệ thống điều khiển tán sắc. Nó vô cùng hữu ích để ước lượng giới hạn cuối cùng trong phương trình này (8.3) Thay vào Phương trình 8.2 2 22 2 ( ) ( ) 0 2 zB Bi z B B z t β γ∂ ∂− + =∂ ∂ (8.4) Với sự thay đổi công suất dọc sợi quang điều khiển tán sắc được bao gồm 1 tham số phi tuyến thay đổi theo chù kỳ 0 ( ) exp( ( ) ) z z z dzγ γ α= −∫ Phân tích chi tiết việc thiết kế một hệ thống điều khiển tán sắc có thể đạt được bằng cách giải phương trình 8.4 bằng phương pháp biến phân (variational approach). Điều này dựa trên nhận xét là một xung Gauss chirped vẫn duy trì được dạng tuyến tính mặc dù biên độ, độ rộng và chirp của nó thay đổi trong khi lan truyền. Do các hiệu ứng phi tuyến là tương đối yếu so với tán sắc tại mỗi đoạn sợi quang, dạng xung có khuynh hướng duy trì dạng Gauss. Do đó ta có thể giả sử rằng xung lan truyền dọc theo sợi quang có dạng xung Gauss chirped sao cho: 2 2( , ) exp[ (1 ) / 2 ]B z t a iC t T iφ= − + + (8.5) Với a là biên độ, T là độ rộng, là phase. 4 tham số này thay đổi theo z. 1 phương pháp khác rất hữu dụng để tìm sự phụ thuộc z của các tham số này. Phương trình 8.4 có thể được suy ra từ phương trình Euler-Lagrange : φ (8.6) 0 1( , ) ( , ) exp ( ) 2 z A z t B z t z dzα⎡ ⎤= −⎢ ⎥⎣ ⎦∫ Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 40 Theo những phương pháp khác nhau chúng ta có thể giải phương trình để tìm 4 thông số a,T,C và . Phương trình phase có thể bỏ qua nếu nó không kết hợp được với 3 phương trình kia. Phương trình biên độ có thể kết hợp thấy rằng tổ hợp không thay đổi theo z và liên hệ với xung đầu vào Eo : 2 0a T Eπ= . Do đó Cần phải giải 2 phương trình sau: Bằng cách đặt 0γ = . Lưu ý rằng tì số 2 2(1 ) /C T+ liên quan đến độ rộng phổ của xung là hằng số trong môi trường truyền dẫn tuyến tính Ta có thể thay nó bằng 1 giá trị ban đầu 2 20 0(1 ) /C T+ Với To và Co là độ rộng và hệ số chirp của xung vào trước khi nó được đưa vào hệ thống điều khiển tán sắc của sợi quang. Hai phương trình trên có thể được giải bằng phương pháp giải tích và theo phương pháp tổng hợp sau: Phương pháp này có vẻ phức tạp nhưng nó dễ dàng cho việc tính tích phân. Thực tế giá trị của T và C tại cuối của chu kỳ đầu tiên ( z=Lm) được cho bởi: Với 22 0/md L Tβ= và 2β là giá trị GVD trung bình. Dễ dàng thấy rằng khi 2 0β = thì cả T và C trở thành giá trị ban đầu tại mỗi chu kỳ của bản đồ tán sắc Giống như chức năng như 1 bộ phát tuyến tính. Khi GVD trung bình khác 0, T và C thay đổi sau mỗi chu kỳ bản đồ và sự phát xung thì không tuần hoàn. Khi phần phi tuyến không đáng kể, các thông số của xung không thể trở về giá trị ban đầu của nó trong bù tán sắc toàn phần (d=0). Trong nhiều cuộc thí nghiệm, hệ thống phi tuyến làm việc tốt nhất khi bù GVD chỉ là 90-95% để phần tán sắc còn lại được giữ lại sau mỗi chu kỳ bản đồ. Trên thực tế, nếu xung vào sao cho 2β <0 , thì xung tại cuối sợi quang có thể ngắn hơn xung đầu vào. Hoạt động này có thể xảy ra trong hệ thống tuyến tính và theo phương trình 8.10 0 0C d < . Nó cũng vẫn tồn tại 1 phần trong hệ thống phi tuyến. φ 2a T (8.7) (8.8) (8.9) (8.10) Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 41 Nhận xét này dẫn đến việc chấp nhận dạng xung trên các liên kết sợi quang có điều khiển tán sắc. Nếu bản đồ tán sắc được tạo ra để làm giản xung trong phần đầu và được nén trong phần thứ 2 thì tác động của hiệu ứng phi tuyến có thể được giảm đáng kể. Lý do như sau: Công suất đỉnh của xung được hạn chế đáng kế trong phần đầu bởi vì sự mở rộng (giản) nhanh chóng của xung chirped trong khi ở phần thứ 2 thì chậm hơn bởi vì suy hao sợi quang tích lũy. Những liên kết sợi quang điều khiển tán sắc như thế được gọi là những chặng truyền dẫn tựa-tuyến tính (tức là chỉ tuyến tính trên một đoạn ngắn). Kết quả cho trong công thức 8.9 cũng áp dụng được cho những liên kết như vậy. Do các xung quang trải rộng một cách đáng kể ra khỏi khe bit của chúng vượt qua (lớn hơn) hệ số của mỗi chu kỳ bản đồ, sự chồng chập có thể làm giảm hiệu suất hệ thống khi hiệu ứng phi tuyến đáng kể. Các hiệu ứng này sẽ được xem xét trong mục kế tiếp. Nếu công suất đỉnh quá lớn đến mức không còn duy trì được tính tựa-tuyến tính, ta phải giải các công thức 8.7 và 8.8 với sự có mặt của các số hạng phi tuyến. Không có phương án giải tích nào được dùng trong trường hợp này. Tuy nhiên có thể tìm được 0( )mT L T= , 0( )mC L C= (8.11) Phải đảm bảo rằng xung được khôi phục về dạng ban đầu tại mỗi chu kỳ bản đồ tán sắc. Các xung truyền qua hệ thống điều khiển tán sắc trong hệ thống tuần hoàn và được gọi là dispersion-managed solitons sẽ được trình bày trong chương 9. 8.2 Hiệu ứng tương tác phi tuyến đồng kênh (Intrachannel Nonlinear Effects): Việc xem xét hiệu ứng phi tuyến rất quan trọng trong hệ thống điều khiển tán sắc bởi vì nó được tăng lên trong sợi quang bù tán sắc DCF vì hiệu ứng giảm ở vùng lõi. Sự sắp xếp các bộ khuếch đại sau DCF là có lợi vì tín hiệu yếu đủ để hiệu ứng phi tuyến ít ảnh hưởng . Sự đánh giá 1 cách lạc quan về hiệu suất của hệ thống sử dụng những bản đồ tán sắc khác nhau được nghiên cứu rất kỹ. Trong 1 thí nghiệm 1994, Một vòng quang dài 1000 km bao gồm 31 bộ khuếch đại được sử dụng 3 bản đồ tán sắc khác nhau. Khoảng cách tối đa truyến lên đến 12.000 km đã được thực hiện trong trường hợp sợi quang có GVD bình thường được bù tán sắc trong sợi quang có GVD bất thường của sợi quang đường dài. Trong 1 thí nghiệm 1995 , tín hiệu 80 Gb/s bao gồm 8 kênh ghép 10 Gb/s với khoảng kênh (channel spacing) được truyền bên trong vòng lặp quang. Tổng khoảng cách truyền giới hạn ở 1171 km bởi vì những hiệu ứng phi tuyến khác nhau. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 42 Bù tán sắc GVD toàn phần trong mỗi chu kỳ bản đồ tán sắc không phải là giải pháp tốt nhất khi có sự hiện diện của hiệu ứng phi tuyến. Phương pháp số thường được sử dụng để tối ưu việc thiết kế hệ thống điều khiển tán sắc. Nói chung vùng tán sắc vận tốc nhóm GVD nên giữ tương đối lớn để triệt hiệu ứng phi tuyến, và phải cực tiểu tán sắc trung bình trên tất cả các kênh. Trong 1 thí nghiệm vào 1998, tín hiệu ở vận tốc 40 Gb/s được truyền trên khoảng cách 2000 km sợi quang chuẩn sử dụng 1 bản đồ tán sắc novel. Sau đó khoảng cách được tăng lên 16.500 km tại tốc độ thấp hơn( 10Gb/s) bằng cách đặt 1 bộ khuếch đại quang ngay sau DCF trong vòng lặp quang. Vì hiệu ứng phi tuyến là 1 nhân tố quan trọng. Giới hạn chủ yếu xuất phát từ việc giản xung trong sợi quang chuẩn của bản đồ tán sắc, kết quả là sự tác động lẫn nhau giữa xung chổng chập gần nhau. Những hiệu ứng phi tuyến này được nghiên cứu sâu hơn và được liên hệ với hiệu ứng Hiệu ứng Intrachannel (hiệu ứng tương tác đồng kênh) để phân biệt nó với hiệu ứng phi tuyến xuyên kênh.(Interchannel nonlinear effect) xảy ra khi xung ở 2 kênh lân cận có bước sóng khác nhau chồng chập ở miền thời gian. Nguồn gốc của hiệu ứng phi tuyến đồng kênh có thể thấy từ phương trình: 2 22 2 ( ) ( ) 0 2 zB Bi z B B z t β γ∂ ∂− + =∂ ∂ Bằng cách đưa 3 xung lân cận , 1 2 3B B B B= + + Thay vào ta có: Số hạng phi tuyến đầu tiên tương ứng với SPM. Hai số hạng kế tiếp là kết quả từ hiệu ứng XPM sinh ra bởi hai xung khác nhau. Số hạng cuối cùng giống như FWM. Mặc dù thông thường nó được xem là hiệu ứng FWM trong kênh (intrachannel) nhưng điều đó có một chút thiếu chính xác vì cả 3 xung có cùng bước sóng.Tuy nhiên thành phần này có thể tạo ra 1 xung mới trong miền thời gian. Những xung này xuất hiện như 1 xung “ghost”. Xung này có thể tác động đến hiệu suất hệ thống đáng kể nếu chúng rơi vào thời bit 0 (the 0-bit time slots) (8.12) (8.13) (8.14) Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 43 Hiệu ứng XPM tương tác đồng kênh chỉ ở phase tín hiệu nhưng độ lệch pha thì phụ thuộc vào thời gian. Tác động của hiệu ứng XPM và FWM lên hệ thống tùy thuộc vào sự lựa chọn bản đồ tán sắc. Nói chung đánh giá hệ thống điều khiển tán sắc tùy thuộc vào nhiều thông số thiết kế như công suất, khoảng cách khuếch đại và vị trí của DCF. Trong 1 thí nghiệm vào năm 2000. một tín hiệu 40 Gb/s được truyền vượt đại dương, mặc dù nó chỉ sử dụng sợi quang chuẩn, sử dụng phương pháp điểu chế đồng bộ đường dây được đề nghị đầu tiên. Truyền giả tuyến tính ở tốc độ 320 Gb/s cũng được xác nhận ở khoảng cách truyền 200 km mà độ tán sắc của nó là 5.7 ps(km-nm) được bù bằng cách sử dụng DCF 9. HỆ THỐNG QUANG DUNG LƯỢNG CAO Các hệ thống thông tin quang WDM hiện đại sử dụng một số lượng lớn các kênh để truyền lưu lượng lên đến 1Tbps. Với hệ thống như thế này, kỹ thuật điều khiển tán sắc phải có khả năng hoạt động trên băng rộng với tín hiệu đa kênh. Ở mục này chúng ta sẽ bàn về kỹ thuật điều khiển tán sắc trong các hệ thống dung lượng cao. 9.1 Bù tán sắc băng rộng : Thông thường tín hiệu WDM sử dụng băng thông khoảng 30nm hoặc cao hơn, nó là băng thông tổng cộng từ các kênh đơn có băng thổng khoảng 0,1nm (phụ thuộc vào tốc độ bit của từng kênh) của các kênh đơn. Với các kênh 10Gbps, thành phần tán sắc thứ ba không đóng vai trò chủ chốt như đối với các xung có bề rộng >10ps. Tuy nhiên vì các bước sóng là độc lập với các giá trị β2 và hệ số tán sắc D nên tán sắc sẽ có sự khác nhau giữa các kênh. Do đó để bù tán sắc trong các hệ thống WDM thì mô hình bù tán sắc phải có thể thực hiện được việc bù tán sắc GVD trên tất cả các kênh đồng thời. Phương pháp đầu tiên sử dụng một cách tử quang băng rộng hoặc nhiều cách tử quang có băng chặn (stop band) tương ứng để bù tán sắc cho các kênh. Một phương pháp khác dựa vào phổ WDM bằng cách sử dụng một bộ lọc quang với các đỉnh chu kỳ truyền tương ứng. Một phương pháp khác sử dụng sợi DCF cho các hệ thống WDM bằng các sợi quang bù tán sắc DCF được thiết kế phù hợp cho việc truyền đa kênh băng rộng. Ở phương pháp đầu tiên sử dụng cách tử quang. Một cách tử quang bị chirp có thể có một băng thông dừng bề rộng khoảng 10nm tương ứng với chiều dài cách tử. Vì thế cách tử này có thể được sử dụng trong hệ thống WDM nếu số lượng kênh đủ nhỏ (thông thường là <10) khi đó thì băng thông tổng cộng của tín hiệu sẽ vừa với băng thông chặn của cách tử. Thực nghiệm vào năm 1999, cách tử bị chirp băng thông 6nm được dùng trong hệ thống Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 44 WDM bốn kênh, mỗi kênh có tốc độ 40Gbps. Khi băng thông tín hiệu WDM lớn hơn, có thể sử dụng nhiều cách tử chirp ghép tầng nối tiếp với nhau để mỗi cách tử phản xạ một kênh và bù tán sắc cho kênh đó. Ưu điểm của phương pháp này là các cách tử có thể được biến đổi để tương ứng với tán sắc GVD trên mỗi kênh. Hình 9.1 mô tả mô hình ghép tầng cách tử trong hệ thống WDM bốn kênh. Cứ mỗi 80km, một bộ bù tán sắc gồm 4 cách tử được sử dụng để bù tán sắc cho tất cả các kênh trong khi hai bộ khuyếch đại quang được dùng để bù suy hao. Việc mở rộng số cách tử đã được làm trong thực tế. Vào năm 2000, hệ thống WDM đã được mở rộng lên 32 kênh với băng thông 18nm. Sáu cách tử chirp với 6nm băng chặn được ghép tầng để bù tán sắc GVD cho tất cả các kênh. Hình 9.1 : Mô hình ghép tầng cách tử để bù tán sắc trong hệ thống WDM Sử dụng nhiều cách tử làm tăng tính cồng kềnh của bộ bù tán sắc khi số lượng kênh lớn với băng thông tín hiệu khoảng 30nm . Bộ lọc FP với nhiều đỉnh truyền với các đỉnh phổ truyển của bộ lọc cách nhau theo chu kỳ. Bộ lọc như thế có thể bù tán sắc GVD của tất cả các kênh nếu tất cả các kênh được phân chia khoảng cách bằng nhau và dải phổ tự do của bộ lọc tương ứng với khoảng cách kênh. Khi phải làm việc với một lượng tán sắc lớn việc thiết kế bộ lọc FP là rất khó khăn. Một loại cách tử mới được gọi là cách tử quang mẫu (sampled fiber grating) đã được phát triển để giải quyết vấn đề này. Cách tử này có nhiều băng chặn và dễ chế tạo. Thay vì là làm một cách tử đơn dài, người ta làm nhiều cách tử ngắn kết hợp lại với nhau và có khoảng cách phù hợp (mỗi một cách tử ngắn này được gọi là một mẫu nên cách tử loại này được gọi là cách tử quang mẫu). Khoảng cách bước sóng giữa các đỉnh phản xạ được xác định qua các chu kỳ mẫu và được điều khiển trong quá trình chế tạo. Hơn nữa nếu "mẫu" bị chirp, thì đặc tính tán sắc của mỗi đỉnh phản xạ cũng bị ảnh hưởng bởi lượng chirp này. Cách tử đầu tiên được sử dụng vào năm 1995 để bù tàn sắc đồng thời cho hai kênh 10 Gbps với khoảng cách truyền 240km. Thực nghiệm vào Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 45 năm 1999 sử dụng cách tử quang mẫu cho hệ thống WDM bốn kênh. Khi số lượng kênh tăng, nó trở nên càng khó hơn trong việc bù tán sắc GVD ở tất cả các kênh đồng thời. Việc sử dụng sợi DCF độ dốc tán sắc âm được đưa ra như một giải pháp đơn giản nhất để điều khiển tán sắc trong các hệ thống WDM dung lượng cao với số lượng kênh lớn. Sợi DCF loại này đã được phát triển và thương mại hóa vào những năm 1990 và được sử dụng trong trong các hệ thống WDM dung lượng cao. Sự cần thiết của độ dốc sắc âm có thể được hiểu qua phương trình 4.2 ở mục 4 cho kênh đơn. Điều kiện này cũng phải thỏa cho tất cả các kênh 1 1 2 2( ) ( ) 0n nD L D Lλ λ+ = (9.1) Với nλ là bước sóng của kênh thứ n. Vì giá trị giới hạn dương của đường tán sắc S hoặc thành phần tán sắc thứ ba β3, D1 tăng theo bước sóng ở cả sợi quang thường và sợi quang dịch tán sắc. Kết quả là tán sắc tích lũy D1L1 khác nhau giữa các kênh. Nếu sử dụng cùng sợi DCF cho tất cả các kênh, độ dốc tán sắc của nó sẽ âm và có giá trị thỏa phương trình 9.1. Giá trì ( ) ( )j n j j n cD D Sλ λ λ= + − với Dj (j=1,2) là giá trị tán sắc ở kênh trung tâm, độ dốc tán sắc của sợi DCF là : 2 1 1 2 1 2 1( / ) ( / )S S L L S D D= − = (9.2) Ta có thể sử dụng phương trình 4.2 cho kênh trung tâm. Phương trình này chỉ ra rằng hệ số S/D được gọi là đường dốc quan hệ tán sắc (Relative Dispersion Slope), và giống nhau ở cả hai sợi quang . Đối với sợi quang tiêu chuẩn hệ số tán sắc 16 / ( )D ps km nm≈ − và độ dốc tán sắc 20,05 / ( )S ps km nm≈ − , hệ số S/D sẽ vào khoảng 0,003 nm-1. Do đó, với sợi DCF có 100 / ( )D ps km nm≈ − − , độ dốc tán sắc sẽ vào khoảng -0,3ps(km-nm2). Đối với sợi quang dịch tán sắc, hệ số S/D có thể vào khoảng 0,02 nm-1. Việc sản xuất sợi DCF có độ dốc tán sắc lớn rất khó khăn, sợi DCF hai mode chỉ có thể có giá trị khoảng 0,01nm-1 như trong hình 4.1. Sợi quang như thế này còn được gọi là sợi quang đảo tán sắc (Reverse- Dispersion Fiber) là sợi quang có giá trị D và S có giả trị đảo âm so với sợi quang thông thường. Nhiều thực nghiệm vào những năm 1990 để đánh giá việc sử dụng sợi DCF trong hệ thống WDM. Thực nghiệm vào năm 1995, 8 kênh với khoảng cách kênh là 1,6nm, mỗi kênh hoạt động ở tốc độ 20Gbps đã truyền đi được khoảng cách 232km trên sợi quang tiêu chuẩn bằng nhiều sợi DCF. Giá trị tán sắc của mỗi kênh nhỏ và vào khoảng xấp xỉ 100ps/nm, ngoài ra toàn bộ các kênh cũng được bù tán sắc đồng thời bởi sợi DCF. Thực Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 46 nghiệm vào năm 2001, sợi DCF băng rộng được sử dụng để truyến tín hiệu quang WDM 1-Tbps (bao gồm 101 kênh) với mỗi kênh ở tốc độ 10Gbps ở khoảng cách 9000km. Tốc độ cao nhất được thử nghiệm là 11 Tbps với 273 kênh mỗi kênh có tốc độ 40Gbps trên đồng thời các băng C, L, S (do đó băng thông tổng cộng vào khoảng hơn 100nm). 9.2 Bù tán sắc điều khiển được (Tunable Dispersion Compensation) Khó có thể bù tán sắc hoàn toàn trên tất cả các kênh trong hệ thống WDM. Vẫn còn một lượng nhỏ tán sắc tồn tại trong các hệ thống quang đường dài. Trong nhiều thí nghiệm thực tế, kỹ thuật bù sau được thực hiện bằng cách thêm vào sợi DCF (hoặc cách tử quang) ở bộ thu. Kỹ thuật này không phù hợp cho các hệ thống WDM thương mại vì một số lý do. Đầu tiên, lượng tán sắc không phải lúc nào cũng có thế xác định một cách chính xác do những thay đổi không điều khiển được trên các phần của tuyến quang. Thứ hai, việc thay đổi chiều dài tuyến lại liên quan đến cả việc phải cấu hình lại mạng quang. Thứ ba, khi tốc độ một kênh đơn tăng lên khoảng 40Gbps, giá trị tán sắc mà hệ thống có thể chịu đựng được trở nên nhỏ và dẫn đến dễ bị tác động ngay cả khi có sự thay đổi nhỏ về môi trường chẳng hạn như nhiệt độ làm biến động giá trị tán sắc GVD. Vì những lý do này, mô hình bù tán sắc điều khiển được đã được đưa ra cho phép điều khiển việc bù tán sắc ở mỗi kênh một cách linh hoạt. Một vài kỹ thuật bù tán sắc điều khiển được đã được phát triển và thử nghiệm trong thực tế. Hầu hết trong số chúng đều sử dụng cách tử Bragg là loại cách tử mà tán sắc có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kỳ cách tử nΛ . Ở một mô hình, cách tử được chế tạo với hiệu ứng chirp phi tuyến (bước sóng Bragg tăng phi tuyến dọc theo chiều dài cách tử), cách tử này có thể thay đổi bằng cách kéo dài cách tử bằng biến thiên điện áp. Một mô hình khác, cách tử được chế tạo không có cả hiệu ứng chirp tuyến tính và phi tuyến mà sử dụng Gradient nhiệt độ để tạo ra các chirp điều khiển. Trong cả hai trường hợp, bằng cách thay đổi nhiệt độ hoặc chiều dài cách tử làm cho hệ số mode n cũng thay đổi theo dẫn đến bước sóng Bragg cũng thay đổi và bằng ( ) 2 ( ) ( )B z n z zλ = Λ . Hế số tán sắc của cách tử theo công thức 6.6 được thay thế thành : 0 2( ) ( ) gL g g d dD n z dz d c d τλ λ λ ⎛ ⎞= = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠∫ (9.3) Với τg là độ trễ nhóm Lg là chiều dài cách tử. Giá trị Dg ở bất kỳ bước sóng nào có thể được thay đổi bằng cách thay đổi hệ số mode n (thông qua đốt nóng hoặc thay đổi chiều dài), kết quả là đặc tính tán sắc có thế điều chỉnh được trong cách tử Bragg. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 47 Phân bố quá trình đốt của cách tử Bragg yêu cầu đầu đốt rất mỏng được đặt ngoài bề mặt sợi quang ở trong lõi của cách tử. Độ mỏng của đầu đốt thay đổi dọc theo chiều dài cách tử tạo ra gradient nhiệt thông qua quá trình đốt không động bộ. Hình 9.2 biểu diễn phổ phản xạ và đồ thị quan hệ giữa tán sắc tổng DgLg và điện áp đốt của cách tử dài 8cm. Cách tử ban không xảy ra hiệu ứng chirp và có phổ chặn hẹp nhưng nó có thể dịch và mở rộng phổ chặn khi cách tử bị chirp qua quá trình đốt nóng không đồng bộ. Bước sóng Bragg Bλ thay đổi dọc theo cách tử vì chu kỳ quang ( )n z Λ trở nên độc lập với z khi quá trình gradient nhiệt được thiết lập dọc theo cách tử. Tán sắc tổng cộng DgLg có thể được thay đổi trong dài -500 đến -2200 ps/nm. Cách tử loại này có thể được dùng để điều khiển tác sắc cho các hệ thống 10 Gbps. Hình 9.2 : Phổ phản xạ và đồ thị tán sắc theo điện áp đốt của phương pháp gradient nhiệt Khi tốc độ lên đến 40 Gbps hoặc cao hơn, cần thiết phải gây hiệu ứng chirp lên cách tử để băng chặn mở rộng đủ để cho toàn bộ phổ tín hiệu đi qua. Việc sử dụng quá trình chirp phi tuyến được sử dụng để tăng khả năng điều khiển trên loại thiết bị có tốc độ cao này. Cách tử chirp đã được chế tạo và sử dụng cho kỹ thuật bù tán sắc điều chỉnh được ở tốc độ 160Gbps. Hình 9.3 đồ thị quan hệ giữa độ nhạy thu và tán sắc ở tốc độ 160Gbps khi dùng và không dùng cách tử chirp Bragg điều chỉnh được. Khi không sử dụng cách tử, độ nhạy nhỏ nhất ở mức tán sắc 91ps/nm do sợi DCF có giá trị tán sắc cố định. Độ nhạy thu giảm đến 4dB khi giá trị tán sắc thay đổi quanh mức 91ps/nm khoảng 8ps/nm. Tuy nhiên nó chỉ thay đổi khoảng 0,5dB nếu sử dụng kỹ thuật bù tán sắc điều chỉnh được. Giản đồ mắt ở mức tán sắc 110ps/nm chỉ ra rằng hệ thống sẽ trở nên không thể hoạt đọng được nếu không có cách tử chirp Bragg bằng quá trình bù tán sắc điều khiển được duy trì ‘mắt’ vẫn Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 48 mở trong giản đồ. Thực nghiệm sử dụng xung quang 2ps với khe bit 6,25ps và tốc độ truyền là 160Gbps. Tác động của thành phần tán sắc thứ ba trở nên rất quan trọng đối với các xung ngắn. Chúng ta sẽ thảo luận ở phần tiếp theo. 9.3 Điều khiển tán sắc bằng thành phần tán sắc bậc cao : Khi tốc độ của một kênh đơn lên đớn 40Gbps, thành phần tán sắc bậc ba hoặc cao hơn tác động gây ảnh hưởng cho tín hiệu quang. Một ví dụ, một bit ở tốc độ 100Gbps chỉ có bề rộng 10ps còn nếu là xung quang RZ thì bề rộng xung chỉ <5ps. Khoảng cách truyền tối đa giới hạn bởi thành phần tán sắc thứ ba được tính theo công thức 9.4. 3 1 30,034( )L Bβ −≤ (9.4) Với B là tốc độ truyền. Ở tốc độ 200Gbps, L bị giới hạn ở khoảng cách 50km và giảm xuống chỉ còn 3,4km với tốc độ truyền 500Gbps với giá trị β3 thường dùng là 0,08 ps3/km. Rõ ràng, cần phải có kỹ thuật để bù đồng thời cả thành phần tán sắc bậc hai và bậc ba khi tốc độ một kênh lên đến 100Gbps. Giải pháp đơn giản nhất để bù thành phần tán sắc bậc ba là sử dụng sợi DCF có độ dốc tán sắc âm và có cả hai thành phần β2 và β3 là đều ngược lại so với β2 và β3 của sợi quang tiêu chuẩn. Điều kiện cần cho việc thiết kế sợi quang loại này là sợi quang có được bằng cách giải phương trình 1.3 sử dụng biến đổi Fourier. Đối với tuyến quang sử dụng hai sợi quang khác nhau có chiều dài L1 và L2 điều kiện để bù tán sắc được là : 21 1 22 2 0L Lβ β+ = và 31 1 32 2 0L Lβ β+ = (9.5) Với β2j và β3j là các thông số tán sắc bậc hai và bậc ba của sợi quang có chiều dài Lj. Điều kiện đầu tiên tương tự như phương trình 4.2. Bằng cách sử dụng biểu thức 4.3 kết hợp với điều kiện thứ hai có thể xác định được thông số tán sắc bậc ba của sợi DCF như sau : 32 22 21 31 1 2 31( / ) / ( / )L Lβ β β β β= = − (9.6) Điều kiện này gần giống với phương trình 9.2 đã xác định ở mục trước cho sợi DCF trong hệ thống WDM vì β3 liên quan đến độ dốc tán sắc S. Với hệ thống đơn kênh, băng thông tín hiệu đủ nhỏ khoảng 4nm để tốc độ có thể đạt 500Gbps và thỏa điều kiện 9.5. Yêu cầu này cũng có thể được đáp ứng dễ dàng ở các bộ lọc quang và cách tử chirp quang. Trong trường hợp bộ lọc quang. Mạch sóng quang phẳng dựa trên nhiều bộ lọc giao thoa MZ dễ dàng đáp ứng được yêu cầu nêu trên do khả năng có thể lập trình được vốn có của các bộ lọc. Một thực nghiệm với bộ lọc được thiết Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 49 kế để có độ dốc tán sắc -15,8 ps/nm trên băng thông 170 GHz. Bộ cân bằng hạn chế biến động lớn của tín hiệu ở phía cuối và giảm độ rộng của đỉnh chính từ 4,6 đến 3,8ps. Hình 9.3 : Dạng xung ngõ ra khi truyền với khoảng cách 300km khi không và có dùng sợi dịch tán sắc Các cách tử quang chirp thường được sử dụng trong thực tế vì tính toàn quang của mạng. Các cách tử quang dài (~1m) được phát triển vào năm 1997. Vào năm 1998, cách tử quang chirp phi tuyến 6nm đã được sử dụng bù tán sắc bậc ba ở khoảng cách 60km. Việc ghép tầng các cách tử quang có thể tạo ra một bộ bù tán sắc có đặc tính tán sắc tùy ý và có khả năng bù các tán sắc bậc cao. Cách tử quang mảng ống dẫn sóng (Arrayed-Waveguide Grating) hoặc cách tử quang mẫu cũng có thể bù tán sắc cho các thành phần tán sắc bậc hai và bậc ba đồng thời. Mặc dù cách tử quang mẫu chirp phi tuyến có thể bù tán sắc điều khiển được cho nhiều kênh đồng thời, nhưng băng thông của nó bị giới hạn. Cách tử quang mảng ống dẫn sóng kết hợp với bô lọc pha theo không gian có thể bù độ dốc tán sắc trên một băng thông lớn đến 8THz với các hệ thống đá kênh 40Gbps. Việc truyền tín hiệu tín hiệu 100Gbps với khoảng cách 10.000km đã được khảo sát bằng việc sử dụng kỹ thuật quang pha kết hợp giữa (midway optical phase conjugation) kết hợp với bù tán sắc bậc ba. Một vài thử nghiệm trong việc truyền kênh đơn với tốc độ hơn 200Gbps đã được thực hiện. Người ta cũng đã tiến hành thử nghiệm với chu kỳ bit 2ps, nếu sử dụng mã RZ thì bề rộng xung chỉ có 1ps tương ứng với tốc độ truyền 500Gbps sử dụng sợi DCF hoặc cách tử quang chirp để bù tán sắc β3 trên băng thông 4nm. Thực nghiệm vào năm 1996 tín hiệu 400Gbps được truyền sử dụng kỹ thuật bù tán sắc kết hợp với xung phát 0,98ps trong khe thời gian 2,5ps. Nếu không bù thành phần tán sắc bậc ba, xung sẽ mở rộng ra 2,3ps sau 40km truyền và độ rộng chân xung mở rộng ra đến 5-6ps . Với việc bù tán sắc từng phần thành phần tán sắc bậc ba sẽ khắc phục việc chân xung bị mở rộng và bề rộng xung giảm Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 50 xuống còn 1,6ps do đó tín hiệu 400Gbps sẽ dễ dàng khôi phục ở đầu thu. Xung ánh sáng hẹp 0,4ps được dùng vào năm 1998 để truyền tốc độ 640Gbps. Thực nghiệm vào năm 2001 đã nâng tốc độ truyền lên 1,28 Tbps bằng cách truyền xung có độ rộng 380fs trên chiều dài 70km. Việc truyền thông tin với xung hẹp yêu cầu phải thực hiện bù đồng thời thành phần tán sắc bậc hai, ba và bậc bốn. Nếu thực hiện điều chế sin pha phù hợp các xung chirp trước khi truyền đi qua sợi quang bù tán sắc GVD, nó có thể bù được cả tán sắc bậc ba và bậc bốn. 9.4 Bù tán sắc phân cực mode PMD PMD là tác động mở rộng xung quang do các biến đổi ngẫu nhiên của hiện tượng lượng chiết/khúc xạ kép dọc theo chiều dài sợi quang. Việc mở rộng này càng làm xung bị mở rộng hơn nữa bên cạnh việc dãn rộng xung do GVD. Các kỹ thuật điều khiển tán săc góp phần tác động lên GVD nhưng gần như không đả động gì đến ảnh hưởng của PMD. Chính vì lý do này PMD là một trong những đối tượng quan tâm đặc biệt trong các hệ thống điều khiển hiện đại. Trước khi xem xét các kỹ thuật sử dụng cho bù tán sắc PMD, chúng ta tiến hành ước lượng các thông số trong các hệ thống không bù tán sắc. Giá trị RMS (căn bình phương trung bình) độ mở rộng của xung với chiều dài L được tính theo công thức ( ) 1/22T PT D Lσ ≡ ∆ = với Dp là hệ số PMD và ∆T là độ trễ tương đối theo hai nguyên lý trạng thái phân cực (PSP). Ký hiệu σT biểu thị giá trị trung bình. Giá trị tức thời của ∆T dao động trong một dải rộng theo thời gian do nhiệt độ và các thông số môi trường khác. Nếu ∆T lớn hơn khe bit (bit slot) hệ thống sẽ ngưng hoàn toàn hoạt động. Hoạt động của hệ thống bị giới hạn bởi PMD được phân loại dựa trên khái niệm xác suất ngừng đột xuất, xác suất này phải dưới giá trị qui định (thường là 10-5 hay 5 phút/năm). Xác suất này được tính theo ∆T dựa trên phân bố Maxwell. Một cách tổng quát, giá trị RMS σT phải nhỏ hơn khe bit TB với tốc độ bit là B=1/TB. Giá trị nhỏ của nằm trong khoảng 0,1 đến 0,15 tùy theo loại điều chế (RZ, CRZ hoặc NRZ) và các thông số của xung ngõ vào. Với mô hình 10%, chiều dàu hệ thống và tốc độ bit phải thỏa điều kiện 2 2(10 )PB L D −< (9.7) Trong các tuyến quang cũ sử dụng sợi quang tiêu chuẩn, điều kiện 9.7 trờ thành 2 4 210 ( )B L Gbps km< − nếu sử dụng 1 /PD ps km= . Do sợi quang yêu cầu phải bù tán sắc PMD ở tốc độ 10Gbps và khoảng cách truyền 100km, do đó trong các sợi quang hiện đại thông thường hệ số tán sắc PMD 0,1 /PD ps km< . Với hệ thống được thiết kế để sử Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 51 dụng sợi quang này thì B2L phải ở mức 106 (Gbps)2-km. Kết quả là, bù tán sắc PMD không cần phải thực hiện ở tốc độ 10Gbps nhưng cần phải thực hiện ở tốc độ 40Gbps với khoảng cách truyền 600km. Các ước lượng chính xác hơn dựa vào lý thuyết PMD đã được phát triển trong nhiều năm gần đây. Hình 9.4: Mô hình bù tán sắc PMD quang và điện Như đã đề cập ở trên tán sắc phân cực mode hạn chế hoạt động của kênh đơn khi tốc độ bit lớn vợt xa 10Gbps. Để bù tán sắc phân cực mode có nhiều kỹ thuật đã được phát triển có thể phân chia thành kỹ thuật bù PMD quang và bù PMD điện. Hình 9.4 sơ đồ bù tán sắc PMD quang và bù tán sắc PMD điện. Bộ cân bằng PMD điện ở đầu thu dùng để sửa các tác động của PMD sử dụng mô hình lọc ngang. Các bộ lọc chia tín hiệu điện ( )x t thành nhiều nhánh dây rẽ trễ và cùng kết hợp chúng ở ngõ ra 1 0 ( ) ( ) N m m y t c x t mτ− = = −∑ (9.8) Với N là tổng số nhánh rẽ, τ là thời gian trễ và cm là trọng số rẽ của nhánh thứ m. Trọng số rẽ có thể điều chỉnh được bằng các thuật toán điều khiển để đáp ứng nâng cao chất lượng hệ thống. Tín hiệu lỗi đưa vào mạch điện tử điều khiển thường được dựa vào trạng thái đóng của mắt trong giản đồ mắt tại đầu thu. Do kỹ thuật điện tử không thể hạn chế PMD một cách hoàn toàn nên nó ít được nghiên cửu tiếp để giảm trễ PMD so với phương pháp nguyên lý trạng thái phân cực PSP (Principle state of Polarization). Kỹ thuật này có thể hiệu chỉnh được tất cả các nguồn gây thoái hóa dẫn đến “mắt” bị đóng tại đầu thu. Bộ bù tán sắc quang cũng sử dụng dây trễ, nó có thể được chèn vào theo chu kỳ dọc theo chiều dài tuyến quang hoặc chỉ chèn vào ở đầu thu. Thông thường quá trình bù PMD quang được chia ra làm hai giai đoạn, đầu tiên tín hiệu quang được chia thành các nhánh PSP bằng cách sử dụng bộ điều khiển phân cực kết hợp theo sau là bộ chia tia phân cực; ở giai đoạn thứ hai tiến hành kết hợp tín hiệu ở các nhánh PSP trong đó có tín hiệu được điều chỉnh trễ ở một nhánh bằng dây trễ (hình 9.4). Vòng hồi tiếp dùng xác định tín hiệu lỗi để hiệu chỉnh bộ điều khiển phân cực để đáp ứng với các thay đổi của môi trường dọc Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 52 lên sợi quang PSP. Thành công của kỹ thuật này dựa vào tỷ số L/LPMD với L là chiều dài sợi quang, và ( )20 /PMD PL T D= là chiều dài PMD, T0 là bề rộng của xung. Cải thiện đáng kể được mong chờ là đưa khoảng cách truyền được dài nhất có thể và tỷ số này không vượt quá 4. Do chiều dài LPMD vào khoảng 10.000km với 0,1 /PD ps km≈ và T0=10ps nên các bộ bù tán sắc PMD có thể sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang xuyên biển với tốc độ truyền 10Gbps. Một vài kỹ thuật quang khác có thể được dùng để bù tán sắc PMD. Chẳng hạn như bộ bù tán sắc LiNBO3 –based Soleil– Babinet hoạt động dựa trên việc điều khiển phân cực ở cuối đường truyền. Các thiết bị khác như tinh thể sắt 2 và 3 không bền, sợi quang duy trì phân cực kép, bộ lọc quang all-pass và cách tử quang chirp khúc xạ kép. Hình 9.5 chỉ ra nguyên tác hoạt động của bộ bù tán sắc PMD sử dụng cách tử. Do có một lượng lớn khúc xạ kép, hai trường phân cực dọc theo hai trục nhanh và chậm, nó khác so với bước sóng Bragg và gần dịch đến băng chặn. Kết quả là, nó phản xạ tại vị trí khác nhau dọc theo cách tử do đó nhận được giá trị độ trễ nhóm khác và vì thế có thể bù tán sắc PMD, giảm độ trễ nhóm. Độ trễ phụ thuộc vào bước sóng bởi vì quá trình chirp xảy ra tự nhiên trong cách tử. Hơn nữa, nó có thể điều chỉnh được thông qua dịch chuyển nm khoảng cách cách tử. Các bộ bù tán sắc PMD điều chỉnh được rất phù hợp cho các hệ thống WDM. Hình 9.5: Bù tán sắc điều chỉnh được sử dụng cách tử quang chirp khúc xạ kép Các bộ bù tán sắc PMD ở hình 9.4 và 9.5 chỉ loại bỏ thành phần tán sắc PMD bậc 1. Ở tốc độ cao, xung quang đủ ngắn để phổ của chúng trở nên đủ rộng để các thông số PSP không thể là hằng số trên toàn bộ phổ xung. Lúc này các thành phần tán sắc PMD bậc cao bắt đầu có tác động đến hệ thống, thường các hệ thống từ 40Gbps cần phải xem xét ảnh hưởng các của các thành phần tán sắc PMD bậc cao. Do đó có nhiều kỹ thuật bù tán sắc được nghiên cứu để giải quyết vấn đề này. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 53 Các bộ bù tán sắc bậc 1 có thể được đánh giá qua việc xung bị mở rộng được hạn chế như thế nào. Phân tích lý thuyết quá trình bù tán sắc PMD chỉ ra rằng giá trị trung bình hoặc giá trị kỳ vọng của hệ số mở rộng được định nghĩa là 2 2 20/b σ σ= được biểu diễn bởi biểu thức sau, với T0 là bề rộng xung Gaussian không chirp: ( )1/22 2 2 /3 4 1 2 / 3 1c ub b x x⎡ ⎤= + − + −⎣ ⎦ (9.9) Với ( )2 20/ 4x T T= ∆ , ∆T là độ sai khác độ trễ nhóm dọc theo các PSP và bu2 là giá trị trước khi bù tán sắc PMD: ( )1/22 11 1 4 / 3 1 2u b x x⎡ ⎤= + − + −⎣ ⎦ (9.10) Hình 9.6 mô tả hệ số mở rộng bu (đường liền nét) và bc (đường chấm nét) theo tỉ số 0/T T∆ . Việc bù tán sắc, trong trường hợp tốt nhất và xấu nhất tương ứng khi chọn trạng thái phân cực (SOP) ngõ vào cũng được biểu diễn trong hình 9.6. Hình 9.6 có thể được dùng để ước lượng nhằm cải thiện bộ bù tán sắc PMD bậc 1. Hình 9.6: Đồ thị quan hệ giữa hệ số mở rộng xung và giá trị DGD trung bình. Như đã đề cập ở phần trước, giá trị DGD trung bình phải không vượt quá 10% khe bit của hệ thống để đảm bảo xác suất lỗi xảy ra thấp hơn 10-5. Giá trị mở động tối đa gây ra bởi PMD vào khoảng b=1,02. Từ phương trình 9.9 và 9.10 ta thấy rằng giá trị có thể duy trì được các hệ thống bù tán sắc PMD hoạt động là σT lên đến 30%. Bộ bù tán sắc bậc một có thể tăng giá trị chịu đựng của DGD lên nhiều hơn 3. Kết quả là khoảng cách truyền được tăng một cách đáng kể trong các hệ thống bù tán sắc PMD. Một lưu ý rằng bộ bù tán sắc Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 54 PMD đơn không thể dùng cho tất cả các kênh WDM, trong khi yêu cầu đặt ra là có thể dùng chung bộ bù tán sắc này cho tất cả các kênh. Điều này làm cho việc sử dụng các bộ bù tán sắc PMD đường dây trở nên đắt đỏ. Bộ bù tán sắc bằng quang tích hợp trong bộ thu hoặc cân bằng PMD điện tích hợp trong bộ thu là một giải pháp thực tế hơn và cả hai đã được đưa vào thương mại hóa vào năm 2001. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS. Lê Quốc Cường, ThS. Đỗ Việt Em, ThS. Phạm Quốc Hợp, ThS. Nguyễn Huỳnh Minh Tâm, “ Hệ Thống Thông Tin Quang – Tập 1 và tập 2 ”, năm 2009, Nhà xuất bản Thông Tin và Truyền Thông. [2] Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan, “Optical Networks A Practical Perspective”, Second Edition, Morgan KaufMann Publishers. [3] Govind P.Agrawal, “Fiber-Optic Communications Systems”, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc,2002.