THIẾT kế sợi TINH THỂ QUANG cấu TRÚC bát GIÁC ỨNG DỤNG bù tán sắc TRONG hệ THỐNG DWDM

THIẾT kế sợi TINH THỂ QUANG cấu TRÚC bát GIÁC ỨNG DỤNG bù tán sắc TRONG hệ THỐNG DWDM THIẾT kế sợi TINH THỂ QUANG cấu TRÚC bát GIÁC ỨNG DỤNG bù tán sắc TRONG hệ THỐNG DWDM THIẾT kế sợi TINH THỂ QUANG cấu TRÚC bát GIÁC ỨNG DỤNG bù tán sắc TRONG hệ THỐNG DWDM THIẾT kế sợi TINH THỂ QUANG cấu TRÚC bát GIÁC ỨNG DỤNG bù tán sắc TRONG hệ THỐNG DWDM THIẾT kế sợi TINH THỂ QUANG cấu TRÚC bát GIÁC ỨNG DỤNG bù tán sắc TRONG hệ THỐNG DWDM THIẾT kế sợi TINH THỂ QUANG cấu TRÚC bát GIÁC ỨNG DỤNG bù tán sắc TRONG hệ THỐNG DWDM THIẾT kế sợi TINH THỂ QUANG cấu TRÚC bát GIÁC ỨNG DỤNG bù tán sắc TRONG hệ THỐNG DWDM

CHƯƠNG

1

LAN TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG

Sợi quang là môi trường truyền dẫn suy hao thấp trên một dải tần số rộng Đặc tính suy hao thấp cho phép truyền tín hiệu với khoảng cách dài với tốc độ cao trước khi chúng được khuếch đại Với hai đặc tính suy hao thấp và dải thông cao nên hệ thống thông tin sợi quang được sử dụng rộng rãi Chương này sẽ thảo luận các nguyên lý cơ bản lan truyền ánh sáng trong sợi quang, bắt đầu từ mô hình quang hình học đơn giản tới các phương trình truyền dẫn xung dựa trên hệ phương trình

Maxwell

1.1 Hệ phương trình Maxwell và các khái niệm

Giống như các hiện tượng trường điện từ, ánh sáng truyền dẫn trong sợi quang cũng tuân theo hệ các phương trình Maxwell:

(1.1)

(1.2) (1.3)

(1.4)

Với E và H tương ứng là các vectơ điện trường và từ trường, D và B là mật

độ thông lượng tương ứng D và B có liên hệ với E và H như sau:

(1.5) (1.6)

Trong đó ε là hằng số điện môi và µ là độ từ thẩm của môi trường chân không, P là vector gây ra bởi sự phân cực điện trường, M là đại lượng gây ra bởi sự phân cực từ trường Trong môi trường là sợi quang thì M = 0

Việc xác định các hiện tượng về trường điện từ ta có thể xác định thông qua các phương trình Maxwell Bằng cách lấy đạo hàm của phương trình (1.1) và dùng các phương trình (1.2) (1.5) (1.6), khử B và D theo E và P ta được :

2 2 0

2 2 2

1 × ×E= - E- P

1.2 Phương trình truyền dẫn

Tính chất đối xứng trong sợi được thể hiện trên hệ tọa độ trụ như sau :

2 2 0





  (1.12)

E và H thỏa mãn các phương trình Maxwell từ (1.1) đến (1.4) và chỉ có 2 trong 6 thành phần của E và H theo 3 hướng tọa độ là độc lập với nhau Người ta thường lựa chọn và là 2 thành phần độc lập với nhau và biểu diễn các thành

κ=  n k12 02- 2     (1.16) Tương tự với thành phần , các thành phần tiếp tuyến của và tại điều kiện biên vẫn tiếp tục xuyên qua mặt phân cách lõi vỏ và yêu cầu các thành phần

giống như các thành phần này tại được tiếp cận từ bên trong hoặc bên ngoài lõi Sự cân bằng các thành phần trường tại dẫn đến phương trình đặc trưng của phương pháp xác định hằng số lan truyền β trong sợi :

đó là , với m=0 thì nó chính là điện trường ngang và từ trường ngang Với m > 0 thì các modes sợi là các mode lai, cả 6 thành phần của trường điện từ đều khác không

1.3 Các đặc tính mode cơ bản

Phân bố trường E(r, t) tương ứng với có ba thành phần khác 0 đó là , hoặc trong tọa độ Decac là E x, E y và E z thì hai thành phần là trội hơn hẳn Vì vậy mà mode sợi cơ bản này được phân cực tuyến tính theo hướng trục x và trục y tùy thuộc vào hai thành phần E x và E y thành phần nào trội hơn Trong trường hợp này ngay cả sợi đơn mode cũng không thực sự là mode duy nhất

vì nó còn có thể hỗ trợ 2 modes phân cực trực giao

Hai modes phân cực trực giao trong sợi đơn mode là sự suy giảm trong điều kiện lý tưởng Trong thực tế sự biến đổi ngẫu nhiên không theo quy tắc nào về hình dạng của lõi theo chiều dài của sợi làm cho 2 modes phân cực trực giao nhau chỉ suy giảm một chút Sự kết hợp hai thành phần phân cực này là ngẫu nhiên, và phân cực ánh sáng truyền trong sợi Duy trì phân cực trong sợi có thể duy trì tuyến tính nếu ánh sáng đi vào và truyền dẫn dọc theo một trục chính, giả sử là trục x, điện trường của mode sợi cơ bản được xấp xỉ bởi :

 r,ω = ˆ    x,y exp iβ     

E x A  F   z (1.19) Với là hằng số chuẩn hóa Phân bố ngang bên trong lõi xác định bởi :

 x,y = 0 κρ         ρ a

F J  (1.20) Với là khoảng cách vật lý Bên ngoài lõi trường giảm theo hàm mũ như sau:

 x,y = a 0 κa exp -γ ρ-a    

   (1.21)

Với trong phương trình được xấp xỉ chủ yếu về mặt khai triển tiệm cận và một thừa số cố định được cộng vào để đảm bảo sự ngang bằng của 2 phương trình khi , hằng số truyền dẫn trong phương trình (1.19) đạt được bằng cách giải phương trình (1.17) Tần số của không chỉ phụ thuộc vào mà còn phụ thuộc vào  Sự đánh giá thường yêu cầu một số nghiệm của phương trình (1.17) mặc dù các biểu thức tích phân xấp xỉ có thể đạt được trong các trường hợp cụ thể, chỉ số hiệu dụng của mode có liên quan tới :

Sử dụng phân bố cho bởi phương trình (1.20) và (1.21) là khá phức tạp trong thực tế, với mode sợi cơ bản thì có thể xấp xỉ bởi phân bố Gaussian :

x,y exp (x + / ]

F   y w (1.22) Với tham số độ rộng w được xác định bằng cách điều chỉnh phân bố chính xác với dạng Gaussian

1.4 Điều kiện đơn mode

Số modes được hỗ trợ trong một sợi cụ thể tại một bước sóng phụ thuộc vào các tham số thiết kế, đó là bán kính lõi a và độ chênh lệch chiết suất lõi vỏ Một tham số rất quan trọng của mỗi mode là tần số cắt, tần số này được xác định bởi điều kiện , và được định nghĩa :

 2 2

0 1 2

V= ca= k a n - n (1.23)

Phương trình đặc trưng (1.17) có thể được sử dụng để xác định giá trị của V

ở các chế độ khác nhau Chúng ta chủ yếu chú ý đến sợi đơn mode nên trong các thảo luận ta sẽ chỉ nghiên cứu với sợi hỗ trợ duy nhất 1 mode Sợi đơn mode chỉ hỗ trợ mode cũng là mode cơ bản Tất cả các mode khác sẽ vượt quá giới hạn nếu V < với là giá trị nhỏ nhất của phương trình hay , giá trị này cũng là giá trị tham số thiết kế, sự suy hao sẽ tăng nếu V/Vc giảm Do đó sợi quang được thiết kế với V gần bằng và bước sóng giới hạn λc của sợi đơn mode có thể thu được bằng cách sử dụng và V=2.405 trong phương trình (1.23), với giá trị với a= thì sợi quang sẽ hỗ trợ đơn mode với Trong thực tế bán kính lõi nên thấp hơn 2 để sợi quang sẽ hỗ trợ một mode với ánh sáng trong vùng nhìn thấy

1.5 Phương trình truyền dẫn xung cơ bản

Nghiên cứu hầu hết các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang có liên quan đến việc sử dụng các xung ngắn với độ rộng xung khác nhau trong khoảng 10ns đến 10fs Khi 1 xung truyền dẫn trong sợi quang thì 2 thành phần tán sắc và phi tuyến đều ảnh hưởng của hình dạng và phổ Trong phần này chúng ta sẽ đi tìm phương trình truyền dẫn cơ bản của các xung sáng trong sợi tán sắc phi tuyến, điểm bắt đầu

là phương trình sóng (1.7) dùng phương trình (1.8) chúng ta có thể viết lại dưới dạng như sau:

rất bé vì , giả định cuối cùng là giá trị xung ngắn khoảng 0,1ps, sự xấp xỉ theo đường bao biến đổi chậm, dùng để tách các thành phần khác nhau của điện trường, và được viết dưới dạng :

1r,t r,t exp -i + c.c

  (1) 

     (1.30)

Trong đó ( ) là hằng số điện môi, có thể dùng để xác định chiết suất và hệ

số hấp thụ, tuy nhiên chúng đều có cường độ phụ thuộc vào :

=n+ |E| =α+  |E|  

n n   (1.31)

Sử dụng biểu thức chúng ta sẽ xác định được hệ số phi tuyến và hệ số hấp thụ hai photon :

 

 3 0    3

2 xxxx 2 xxxx

33

ta có thể tìm được dạng của hai phương trình như sau:

 

2 2 0

1.6 Phương trình sóng đặc trưng cho sự lan truyền của sóng điện từ trong môi trường suy hao

Trong phần này chúng ta sẽ khảo sát sự lan truyền của điện từ ngang (TEM) phẳng trong môi trường có suy hao Trước khi đi vào chi tiết ta sẽ nhắc lại khái niệm về sóng TEM phẳng

Hình 1.4 Sóng điện từ ngang TEM [6]

Thuật ngữ phẳng có nghĩa là các sóng được phân cực trong cùng một mặt phẳng Trên hình 1.4 trường điện E được phân cực trong mặt phẳng x-z vì vậy E thay đổi biên độ nhưng không thay đổi định hướng : nó không bao giờ rời khỏi mặt phẳng x-z Tương tự như trường từ luôn nằm trong mặt phẳng y-z Chúng ta nói E được phân cực x còn H có phân cực y

Thuật ngữ ngang có nghĩa là các vectơ E và H đều vuông góc với hướng lan truyền tức là trục z trên hình 1.4

Như vậy sóng TEM có dạng như sau :

( ) 0

( , ) az j t z

E z t E e e   (1.41) Với E là biên độ trường điện, α là hằng số suy hao, β = / v là hằng số lan truyền pha, v là vận tốc truyền sáng trong môi trường

Lấy phần thực của 1.41 ta thu được :

0

E z t E e  t z (1.42) Tương tự với thành phần từ trường ta được hệ thức sau :

0

H z t H e  t z (1.43) Đây chính là hai phương trình sóng đặc trưng cho sự lan truyền của sóng điện từ trong môi trường có suy hao

1.7 Kết Luận

Chương này cho ta một cái nhìn tổng quan về sợi quang, gồm có cấu tạo, các phương trình truyền dẫn xung cơ bản, các điều kiện mode hay là các phương trình truyền dẫn sóng trong những môi trường khác nhau, đó là những lý thuyết cơ sở cực

kì quan trọng để chúng ta có thể hiểu được tính chất của những sợi quang thông thường và sợi quang đặc biệt sẽ được thảo luận ở các chương tiếp theo

CHƯƠNG

2

TÁN SẮC VÀ BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN QUANG

Các hệ thống thông tin quang hiện nay, nhất là các hệ thống tốc độ bít cao, phần lớn hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm nhằm sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) để tăng cự ly truyền dẫn Tuy vậy, sợi quang đơn mode tiêu chuẩn có hệ số tán sắc trong vùng bước sóng này là rất lớn Tán sắc lớn

sẽ làm méo tín hiệu và tạo ra hiện tượng giao thoa giữa các kí tự do sự giãn xung tại các khe thời gian làm xuống cấp chất lượng truyền dẫn và hậu quả thậm chí có thể không chấp nhận được Chương này chúng ta sẽ nghiên cứu hiện tượng, nguyên nhân, ảnh hưởng của tán sắc cũng như việc bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang

2.1 Hiện tượng, ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống quang

Hiện tượng biến dạng của tín hiệu quang khi truyền qua sợi quang được gọi

là tán sắc Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu tương tự và làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu số Sự tán sắc làm hạn chế dải thông của đường truyền dẫn quang

Độ tán sắc của sợi quang kí hiệu là D, đơn vị là [S] được xác định bởi công thức :

2 2

0 i

D   (2.1) Trong đó i, 0 là độ rộng của xung vào và xung ra, đơn vị là [S] Độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị [ns/km] hay [ps/km]

Đối với tán sắc do chất liệu, người ta đánh giá độ tán sắc trên mỗi km sợi ứng với mỗi nm của bề rộng phổ của nguồn quang, lúc đó đơn vị sẽ được tính là [ps/(nm.km)]

Tán sắc làm cho các xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng ra

và điều này gây nên méo tín hiệu Nhìn chung, khi xung bị dãn sẽ dẫn tới méo tín hiệu và làm xuống cấp đặc tính hệ thống Xung tín hiệu dãn quá giới hạn gây hiện tượng che phủ của các xung kề nhau, và khi sự che phủ vượt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang sẽ không còn phân biệt nổi các tín hiệu này nữa gây nên lỗi tín hiệu Trong trường hợp này ta có thể hiểu rằng tán sắc đã gây ra giới hạn truyền dẫn

2.2 Các loại tán sắc

Trong thông tin quang người ta chia ra ba loại tán sắc bao gồm : tán sắc mode, tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể ( tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu ) Khi sợi quang là sợi đa mode thì tồn tại hầu như tất cả các loại tán sắc trên Nhưng khi công nghệ chế tạo sợi đã phát triển, sợi đơn mode ra đời và nó đã khắc phục được tán sắc mode của sợi đa mode Tuy nhiên vì bản chất chiết suất Silica phụ thuộc vào bước sóng và nguồn phát không thể phát ra ánh sáng đơn sắc mà là chùm tia sáng với độ rộng phổ nào đó Chính vì thế mà trong sợi đơn mode vẫn tồn tại tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể Ngày nay với công nghệ phát triển cao, người ta đã chế tạo ra được các loại sợi quang có mức tán sắc giảm đáng kể Những sợi này dùng để lắp đặt trong các mạng tốc độ bít cao

và cự ly lớn Sau đây sẽ là các khái niệm cơ bản về các loại tán sắc trong sợi quang

2.2.1 Tán sắc mode

Một mode sóng có thể được xem là trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường khác nhau, trạng thái ổn định của các đường này gọi là các mode sóng

Tán sắc mode là do năng lượng ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode Mỗi mode lại lan truyền với vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền của các mode

là khác nhau dẫn đến hiện tượng tán sắc

Như vậy có thể thấy được, tán sắc mode chỉ xảy ra trong sợi đa mode Số lượng mode trong sợi quang phụ thuộc vào đặc tính quang và hình học của sợi Số lượng mode sóng tỉ lệ thuận với đường kính (d) của sợi, khẩu độ số (NA) và tỷ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng sử dụng (λ)

Gọi V là tần số chuẩn hóa ta có :

Tán sắc trong sợi SI

Tán sắc trong sợi GI Hình 2.1 Tán sắc trong sợi đa mode 2.2.2 Tán sắc trong sợi đơn mode

Như đã đề cập ở trên, tán sắc mode là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự hạn chế tốc độ bít trong hệ thống thông tin quang sử dụng sợi đa mode Điều này không

có nghĩa là trong sợi đa mode chỉ có tán sắc mode mà nó còn chịu ảnh hưởng của

nhiều loại tán sắc khác Tuy nhiên thì tán sắc mode là có ảnh hưởng lớn hơn cả Để khắc phục tán sắc mode người ta đã chế tạo ra sợi quang chỉ truyền một mode sóng hay còn gọi là sợi đơn mode và khi đó sợi này đã khắc phục hoàn toàn được tán sắc mode

Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu về tán sắc sắc thể trong sợi quang Nguyên nhân sâu xa của tán sắc sắc thể là do bộ phát quang không phát ra ánh sáng đơn sắc mà

nó phát ra một chùm tia sáng có bước sóng trung tâm tại công suất phát cực đại Tán sắc sắc thể có hai nguyên nhân sinh ra nó : Thứ nhất là do các thành phần tần số khác nhau di chuyển với vận tốc khác nhau, và tán sắc do nguyên nhân này là tán sắc vật liệu, và đây cũng là nguyên nhân chủ yếu của tán sắc sắc thể Tuy nhiên còn

có thành phần tán sắc thứ hai là tán sắc ống dẫn sóng mà nguyên nhân sinh ra nó là

do năng lượng ánh sáng truyền đi có một phần trong lõi và một phần trong lớp vỏ bọc Sự phân bố năng lượng giữa lõi và vỏ bọc là một hàm của bước sóng, cụ thể là bước sóng dài hơn sẽ làm năng lượng của lớp bọc nhiều hơn Như vậy nếu bước sóng thay đổi thì sự phân bố năng lượng sẽ thay đổi và kết quả là hệ số lan truyền cũng thay đổi Đây chính là nguyên nhân của tán sắc ống dẫn sóng

Bên cạnh tán sắc sắc thể và tán sắc mode thì trong sợi quang còn tồn tại một loại tán sắc không kém phần quan trọng đó là tán sắc vận tốc nhóm Bây giờ chúng

ta sẽ tìm hiểu chi tiết ảnh hưởng của từng loại tán sắc này

2.2.2.1 Tán sắc vận tốc nhóm ( GVD)

Xét sợi đơn mode có chiều dài L Một thành phần phổ riêng biệt tại bước sóng λ có tần số góc là  sẽ đến đầu ra của sợi quang sau một độ trễ về mặt thời gian là T = L v trong đó / g v là vận tốc nhóm được định nghĩa như sau : g

1

g

d v d

Nếu  là độ rộng phổ của xung thì phạm vi mở rộng xung đối với sợi có chiều dài L được cho bởi :

2

2 2

2 2

B L D   (2.8) Phương trình này cho một ước tính về tích B.L của sợi quang đơn mode Đối với sợi đơn mode chuẩn thì D tương đối nhỏ trong vùng bước sóng 1,3 µm và thay

đổi đáng kể khi bước sóng dịch khỏi 1,3 µm Sự phụ thuộc vào bước sóng của D là

do sự phụ thuộc vào tần số của chiết suất mode n, khi đó ta có thể viết lại :

2 2 2

M

dn dn D

truyền chuẩn hóa,  là sự chênh lệch chiết suất lõi vỏ

2.2.2.2 Tán sắc vật liệu

Tán sắc vật liệu xảy ra do chiết suất của silica thay đổi theo tần số quang :

Hình 2.2 Sự phụ thuộc của chiết suất n và chiết suất nhóm n g vào bước

sóng[6]

Tán sắc vật liệu có liên hệ với độ dốc của n g theo công thức :

1 ng M

d D

2.2.2.3 Tán sắc ống dẫn sóng

Trong sợi đa mode tán sắc ống dẫn sóng chiếm một phần nhỏ trong tán sắc tổng, do đó ta có thể coi tán sắc sắc thể chính là tán sắc vật liệu, song đối với sợi đơn mode thì tán sắc dẫn sóng lại chiếm thành phần quan trọng Tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng phụ thuộc lẫn nhau do đó ta phải xét cùng nhau

Tán sắc ống dẫn sóng xuất hiện là do ánh sáng được truyền bởi cấu trúc sợi quang Cơ chế gây ra dạng tán sắc này được thể hiện như sau : Sau khi đi vào sợi quang, một xung ánh sáng mang thông tin sẽ được phân bố giữa lõi và lớp bọc, khi

đó hai thành phần ánh sáng trong lõi và lớp bọc sẽ truyền với vận tốc khác nhau, khi đến cuối sợi quang ở những thời điểm khác nhau gây ra tán sắc Tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào phân bố trường mode giữa lõi và lớp bọc, tức là phụ thuộc vào đường kính trường mode ( MFD – Mode Field Diameter) mà MFD lại phụ thuộc bước sóng, do đó tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào bước sóng

chiết suất mode ứng với các thành phần phân cực trực giao của mode cơ bản là khác nhau Nếu xung ngõ đầu vào kích thích cả hai thành phần phân cực thì nó trở nên rộng hơn do hai thành phần tán sắc dọc theo sợi có vận tốc nhóm khác nhau Hiện tượng này gọi là tán sắc phân cực mode

Hình 2.3 : Hình ảnh minh họa cho tán sắc phân cực mode [6]

2.3 Các phương pháp bù tán sắc trong sợi quang

Như chúng ta đã biết ảnh hưởng của tán sắc có tác động rất lớn đến chất lượng của hệ thống thông tin quang nói chung và hệ thống thông tin quang tốc độ cao WDM nói riêng Tán sắc gây ra hiện tượng giãn xung, gây méo tín hiệu, làm tăng các lỗi bít xảy ra, ảnh hưởng lớn đến tốc độ truyền dẫn của hệ thống

Đã có một số mô hình quản lý tán sắc được đưa ra để giải quyết vấn đề này, nền tảng của những mô hình đó là khá đơn giản và được hiểu dựa trên phương trình lan truyền sau:

3 2

Khi 3 = 0 ta được kết quả sau :

2 2

1( , ) (0, ) exp

Trong đó A (0, ) là khai triển Fourier của A(0, t)

Sự suy biến gây ra tán sắc của tín hiệu quang là do hệ số pha đạt giá trị

2

exp(i z / 2) bởi các thành phần phổ của xung trong quá trình lan truyền trong sợi Tất cả các mô hình quản lý tán sắc đều cố gắng loại bỏ hệ số pha này nhằm phục hồi lại các tín hiệu đầu vào, đã được áp dụng trong máy phát, máy thu hoặc dọc theo đường truyền sợi quang

2.3.1 Kĩ thuật bù tán sắc trước

Kĩ thuật này dựa trên nguyên lý chung là sửa đặc tính xung ngõ vào của bộ phát trước khi đưa vào sợi, đó là thay đổi biên độ của xung ngõ vào như sau :

2 2

Kĩ thuật này gồm có kỹ thuật Prechirp, kĩ thuật mã hóa Novel và kĩ thuật Prechirp phi tuyến

Điều chế FM và AM tín hiệu quang cùng một lúc thì không cần thiết đối với việc bù tán sắc nên người ta dùng khóa dịch tần (FSK) cho việc truyền tín hiệu Tín hiệu FSK được thực hiện bằng việc chuyển mạch bước sóng của Laser lệch nhau một lượng là  giữa bít 0 và 1 Hai bước sóng sẽ lan truyền trong sợi với tốc độ hơi khác nhau

Một phương pháp khác là mã hóa cặp nhị phân có thể giảm băng thông của tín hiệu còn 50% Trong phương pháp mã hóa này, hai bít kế tiếp nhau trong chuỗi nhị phân gộp lại hình thành một mã cặp nhị phân 3 mức ở tốc độ bít chỉ bằng một

nửa Vì tán sắc vận tốc nhóm phụ thuộc độ rộng băng của tín hiệu nên khoảng cách truyền có thể tăng nhờ giảm băng tần của tín hiệu

Tốc độ bít 10Gbps sử dụng mã hóa cặp nhị phân thì cự ly truyền dẫn có thể tăng thêm 30 đến 40 km so với mã hóa nhị phân

Mã hóa cặp nhị phân có thể kết hợp với kĩ thuật lệch tần trước Trong thực tế

đã truyền được tín hiệu tốc độ bít 10Gbps qua cự ly 160km sợi thường nhờ kết hợp

mã hóa cặp nhị phân với bộ điều chế ngoài có C > 0

2.3.2 Kĩ thuật bù tán sắc trên đường dây

2.3.2.1 Bù tán sắc bằng sợi quang DCF

Các kĩ thuật bù tán sắc trước đó có thể tăng khoảng cách lên gấp đôi nhưng

nó không thích hợp cho các hệ thống có cự ly lớn, trong đó tán sắc vận tốc nhóm phải được bù dọc theo đường dây truyền dẫn theo chu kì Các kĩ thuật bù trên các hệ thống như thế này phải đảm bảo trên toàn dải quang, đặt trên sợi, và một loại sợi được biết đến là sợi bù tán sắc

Trên thực tế để nâng cấp các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi chuẩn hiện có, người ta thêm vào đó một sợi bù tán sắc ( chiều dài từ 6 đến 8km ) đối với các bộ khuếch đại quang đặt cách nhau 60 đến 80 km Sợi bù tán sắc sẽ bù tán sắc vận tốc nhóm, trong khi bộ khuếch đại sẽ có nhiệm vụ bù suy hao trong sợi

Người ta thường sử dụng sợi DCF kết hợp với các bộ khuếch đại OA (thường sử dụng bộ EDFA) để bù tán sắc trên tuyến quang

2.3.2.2 Bù tán sắc bằng sợi lọc quang

Nguyên lý của phương pháp này như sau : giả sử hàm truyền đạt của bộ lọc quang là H( ) thì ảnh hưởng của nó đối với pha của xung tín hiệu được thể hiện bằng công thức :

2

1 2

Bằng cách triển khai pha của H( ) theo chuỗi Taylor và giữ ở số hạng bậc 2

ta được :

0 1 2

1( ) ( ) exp ( ) ( ) exp







 được ước lượng tại tần số sóng mang quang 0 Pha hằng

số 0 và trễ thời gian 1 sẽ không ảnh hưởng đến dạng xung và có thể bỏ qua Pha phổ do sợi sinh ra được bù bằng cách chọn bộ lọc quang sao cho có 2  2Lkhi

đó xung có thể được phục hồi hoàn toàn :

2.3.2.3 Bù tán sắc bằng tín hiệu quang liên hợp pha OPC

Kĩ thuật OPC đòi hỏi một phần tử 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 đã 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 )

Tiềm năng của kĩ thuật này đã được chứng minh trong một thử nghiệm năm

1999 với 1 bộ kết hợp cơ bản FWM được sử dụng bù tán sắc vận tốc nhóm ở tốc độ 40Gb/s trên chiều dài 140km sợi quang tiêu chuẩn

Hầu hết các cuộc thí nghiệm về bù tán sắc được nghiên cứu trên khoảng truyền là vài trăm km Đối với đường truyền dài hơn nó đặt ra vấn đề kĩ 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 suy hao có được hay không Trong một thí nghiệm mô phỏng,

tín hiệu tốc độ 10Gb/s có thể truyền trên 6000 km trong khi chỉ sử dụng công suất trung bình dưới mức 3mW để giảm hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang Trong một nghiên cứu khác cho thấy bộ khuếch đại đóng một vai trò quan trọng Với khoảng cách truyền trên 9000km có thể thực hiện được bằng cách giữ các bộ khuếch đại cho mỗi đoạn 40km 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, công suất của tín hiệu biến đổi tuần hoàn dọc theo chiều dài sợi, điều này có thể dẫn tới việc tạo ra các dải biên do hiện tượng bất ổn điều chế

2.3.2.4 Bù tán sắc bằng cách tử Bragg

Nguyên lý chế tạo sợi cách tử để bù tán sắc dựa trên điều kiện phản xạ Bragg

có dạng : 2n 

Trong đó là bước của cách tử

Hình 2.4 Nguyên lý phương pháp bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg

Sợi cách tử Bragg được chế tạo bằng cách dùng tia tử ngoại chiếu qua một mặt

nạ ánh sáng vào sợi quang đơn mode chuẩn để tạo ra các vùng có chiết suất khác nhau phân bố dọc theo chiều dài sợi, để bù lại tán sắc vận tốc nhóm, chu kỳ quang của cách tử được chế tạo sao cho n giảm dọc theo độ dài của nó để cho ra GVD chuẩn Trong sợi quang đơn mode tiêu chuẩn thì các thành phần tần số cao sẽ lan truyền nhanh hơn các thành phần tần số thấp Vì bước sóng Bragg giảm dọc theo độ dài cách tử cho nên các thành phần tần số cao sẽ di chuyển vào cách tử trước khi

phản xạ và phải chịu trễ nhiều hơn các thành phần tần số thấp Như vậy trễ tương đối được xuất hiện do cách tử sẽ bù lại GVD do sợi và bù được tán sắc

Việc sử dụng sợi cách tử Bragg để bù tán sắc có rất nhiều ưu điểm, do đó nó được sử dụng rộng rãi trong thực tế Ưu điểm đầu tiên có thể nói đến là kích thước của nó khá khiêm tốn trong khi bù được lượng tán sắc lớn, dễ dàng trong việc ghép nối sợi quang Tuy nhiên nhược điểm của nó là cần sự ổn định về nhiệt độ cao vì chỉ một thay đổi nhỏ về chiều dài sợi cách tử cũng có thể làm thay đổi hoàn toàn đặc tính bù tán sắc của nó

2.3.3 Kỹ thuật bù sau

Các kĩ thuật trong miền điện có thể được dùng để bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD) trong máy thu Ta dễ dàng cân bằng ảnh hưởng của tán sắc bằng kĩ thuật điện nếu sợi quang hoạt động như một hệ thống tuyến tính

Việc bù sẽ dễ dàng hơn nếu bộ thu được sử dụng để tách tín hiệu : bộ thu này đầu tiên chuyển tín hiệu quang thanh tín hiệu viba tại tần số trung tâm IF và vẫn giữ thông tin về biên độ và pha Một bộ lọc thông dải hoạt động ở tần số vi ba với đáp ứng xung có hàm truyền đạt là :

2 2

2.4 Kết Luận

Chương này đã trình bày tổng quát về khái niệm tán sắc, các loại tán sắc, ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang, chúng ta cũng tìm hiểu được hầu hết các phương pháp bù tán sắc như kĩ thuật bù trước, bù sau hay bù tán sắc bằng sợi DCF…Các phương pháp bù tán sắc trước và bù tán sắc sau có những hạn chế khi chiều dài tuyến quang lớn, chính vì vậy mà phương pháp bù tán sắc đường dây

đã được sử dụng phổ biến và hiệu quả nhất trong thực tế, trong đó nổi bật nhất là hai phương pháp sử dụng sợi DCF và cách tử Bragg

là một sự lựa chọn cho truyền thông dung lượng cao Trong truyền thông đường dài mỗi kênh hệ thống phi tuyến có thể hỗ trợ các tốc độ lên đến 10Gb/s

3.1 Tổng quan về Soliton

3.1.1 Khái niệm về Soliton

Soliton là thuật ngữ biểu diễn các xung lan truyền qua khoảng cách dài mà không thay đổi hình dạng xung bởi nó đưa ra khả năng đặc biệt để truyền các xung không nhạy cảm với tán sắc

Sự tồn tại của Soliton trong sợi quang và sử dụng chúng cho truyền thông quang đã được đề nghị từ những năm 1973 và đến năm 1980 Soliton đã được chứng minh bằng thực nghiệm Tiềm năng của Soliton trong truyền dẫn quang đường dài được khẳng định vào năm 1988 trong một thí nghiệm mà suy hao sợi được bù bằng

kĩ thuật khuếch đại Raman

Hệ thống Soliton quang mặc dù chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế song với những tiềm năng vốn có của nó, rất có thể sẽ được phát triển rộng rãi sau này

3.1.2 Soliton sợi

Sự tồn tại của Soliton sợi là kết quả của sự cân bằng giữa tán sắc vận tốc nhóm GVD và tự điều chế pha SPM, cả hai đều hạn chế khả năng truyền thông tin trong sợi Đặc biệt hơn là một xung bị dịch có thể được nén trong suốt giai đoạn đầu của quá trình lan truyền bất cứ khi nào tham số GVD 2và hệ số chirp C trái dấu nhau SPM đưa ra một sự dịch trên xung quang sao cho C > 0 Vì 2 <0 ở vùng bước sóng 1,55 µm nên điều kiện 2.C < 0 được thỏa mãn Hơn nữa sự dịch chuyển bởi SPM phụ thuộc công suất nên dưới điều kiện nào đó,SPM và GVD có thể kết hợp sao cho sự dịch bởi SPM là đúng hướng để loại bỏ sự mở rộng xung do GVD gây ra Như vậy xung quang có thể lan truyền không biến dạng dưới dạng của một Soliton

3.1.3 Phương trình Schorodinger phi tuyến

Việc mô tả toán học của các Soliton sợi yêu cầu giải hàm sóng trong môi trường phi tuyến tán sắc Hàm sóng này được suy ra từ phương trình Maxwell và được thỏa mãn bởi đường bao xung biến đổi chậm ( , )A z t trong đó có sự có mặt

của cả GVD và hiệu ứng phi tuyến sợi

Ở đây ta quan tâm đến sợi đơn mode, lúc này sự lan truyền ánh sáng có thể

mô tả bằng hàm vô hướng với điện trường E như sau :

0 0

E r  z t R r A z t z t (3.1) Trong đó R là hàm trường ngang, A là đường bao thời gian biến đổi chậm Ảnh hưởng của tính phi tuyến lên các đặc tính dẫn có thể bỏ qua vì sự khác nhau về chỉ số chiết suất lõi vỏ là lớn hơn sự biến đổi phi tuyến trong mặt cắt chiết

suất Ảnh hưởng của tính phi tuyến lên sự dịch chuyển theo chiều dọc có thể được ước tính bằng cách lấy trung bình tích n I2 trên phần cắt trong sợi

2 2

Tham số 2 và  tương ứng cho ảnh hưởng của GVD và SPM, giả sử 3 =

0 và đặt   (t 1z) /T0,  z L/ D, U  A/ P0 , thay vào phương trình (3.5) ta sẽ được :

2 2

3.1.4 Phân loại Soliton và tiến trình của nó

Mặc dù NSE của Soliton cho cả GVD bình thường và dị thường nhưng các Soliton sáng chỉ được tìm thấy trong trường hợp tán sắc dị thường (2<0) Soliton sáng được sử dụng hầu hết trong các hệ thống truyền thông quang Vì 2 < 0 nên hàm sóng có dạng :

2

2 2 2

1

02

1

02

nó sẽ không thay đổi trong suốt quá trình truyền khi N=1, còn khi N > 1 thì dạng đầu vào được khôi phục tại  m / 2 Xung quang tương ứng với N=1 được gọi là Soliton cơ bản Xung quang ứng với N > 1 gọi là Soliton bậc cao và N được gọi là bậc của Soliton Chu kỳ z0 là khoảng cách mà các Soliton bậc cao khôi phục lại dạng gốc của chúng :

2 0 0

Một thuộc tính quan trọng của Soliton là chúng rất ổn định, chống lại sự nhiễu loạn Bởi vậy, thậm chí Soliton yêu cầu một hình dạng riêng và công suất đỉnh thỏa mãn 1P L0 D nó cũng có thể được tạo ra ngay cả khi công suất đỉnh lệch khỏi điều kiện lý tưởng

Hình 3.1 Thời gian phát triển trong chu kỳ Soliton bậc 1 tới bậc 3, xung

phân chia gần z = 0.5 [6] 03.1.5 Soliton tối

Hàm NSE có thể giải bằng phương pháp tán xạ ngược ngay cả trong trường hợp tán sắc bình thường Dạng cường độ của kết quả đưa ra một độ dốc trong nền đồng bộ, và độ dốc này không thay đổi trong quá trình lan truyền trong sợi Những nghiệm như vậy của NSE được gọi là Soliton tối Mặc dù đã được khám phá từ những năm 1970 song chỉ mới gần đây Soliton tối mới được nghiên cứu hoàn toàn

Hàm NSE mô tả Soliton tối được cho bởi :

2

2 2

Hình 3.2 Đặc tính pha và cường độ của Soliton tối với một vài giá trị của

bộ miễn là cường độ nền đồng dạng trong khoảng của độ dốc

Soliton tối bậc cao không cho phép một dạng tiến triển hoàn toàn sau mỗi chu kì như Soliton sáng bậc cao Với N >1 xung đầu vào hình thành một Soliton tối

cơ bản bằng việc thu hẹp độ rộng của nó trong quá trình phát ra nhiều cặp Soliton tối

Có thể tạo ra các cặp Soliton tối bằng nhiều cách khác nhau như sử dụng giao thoa kế Mach-Zender, chuyển đổi phi tuyến tín hiệu trong sợi giảm tán sắc và chuyển đổi một tín hiệu mã NRZ thành tín hiệu RZ, sau đó thành các Soliton tối Năm 1995 trong một thí nghiệm tín hiệu 10Gb/s đã truyền qua 1200km bằng việc

sử dụng các Soliton tối

Do tính không đối xứng của các Soliton tối xuất phát từ đáp ứng thời gian của mạch điện tạo ra chúng làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn Vì vậy chúng ít được sử dụng hơn so với các Soliton sáng trong hệ thống quang thực tế

3.2 Hệ thống truyền dẫn Soliton

Trong những năm gần đây, kĩ thuật thông tin quang đã được đưa vào khai thác trên mạng viễn thông đáp ứng nhu cầu gia tăng của các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại Truyền thông Soliton quang qua quá trình nghiên cứu lâu dài đã được thừa nhận là một kĩ thuật tiên tiến giúp tăng dung lượng và tính linh hoạt của các đặc tính truyền thông đang tồn tại, đáp ứng nhu cầu truyền dẫn cao

và đường dài

3.2.1 Mô hình hệ thống chung

Cũng như hệ thống quang thông thường, hệ thống Soliton cũng bao gồm phần phát, kênh truyền dẫn và phần thu được mô tả như sau :

Hình 3.3 Mô hình chung của hệ thống truyền dẫn Soliton

Máy phát quang là một diode laser điều chế các xung quang trực tiếp, vì vậy

mà sự lệch tần ở đầu ra là không đáng kể Tín hiệu đầu vào là các bit 0 hoặc 1, mỗi bít 1 là một Soliton cơ bản

Kênh truyền dẫn là các đoạn sợi quang đơn mode, mỗi đoạn theo sau là một

bộ khuếch đại quang sợi EDFA dùng để bù suy hao sợi, tuy nhiên lại sinh ra nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE ( Amplified Spontaneous Emission ) làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn

Bộ thu quang bao gồm một photodiode, một bộ lọc điện, và một bộ lọc quang Tín hiệu quang thu được thường được chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu

điện Các bộ lọc quang đặt trước photodiode để làm giảm nhiễu ASE do các bộ khuếch đại đưa ra

3.2.2 Truyền thông tin giữa các Soliton

Trong hệ thống thông tin quang, mã NRZ thường được sử dụng để truyền dẫn thông tin vì độ rộng băng tần tín hiệu của nó nhỏ hơn khoảng 50% so với mã

RZ Tuy nhiên trong truyền dẫn Soliton, mã NRZ không được sử dụng vì độ rộng Soliton phải là một phần nhỏ của khe bít để chắc chắn rằng các Soliton lân cận nhau được tách riêng Vì vậy người ta sử dụng mã RZ để mã hóa thông tin trong truyền dẫn Soliton Yêu cầu này được dùng để biểu diễn mối quan hệ giữa độ rộng Soliton (T ) và tốc độ bít (B): 0

Hình 3.4 Dãy bít Soliton mã RZ Mỗi Soliton chiếm một phần nhỏ của khe bit sao

cho các Soliton lân cận được đặt xa nhau

Với biên độ xung là :

0 2 0

P T

Khoảng cách T giữa các xung lân cận xác định tốc độ bít B của hệ thống B

truyền thông ( B = 1/T ) Vấn đề đặt ra là các Soliton đặt gần nhau như thế nào để B

không gây sự tương tác lẫn nhau giữa chúng Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ rằng tương tác Soliton không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các Soliton lân cận mà còn phụ thuộc vào pha và biên độ tương đối của 2 Soliton Nếu các giá trị này không được lựa chọn đúng, một sự va chạm tuần hoàn giữa các Soliton sẽ xảy ra

Ta có thể giải hàm NSE bao hàm cả sự tương tác Soliton với điều kiện xung đầu vào gồm một cặp Soliton :

( , ) sec ( ) sec [ ( )]exp( )

u o t  h q r h r q i (3.18) Với r là biên độ tương đối của 2 Soliton,  là pha tương đối giữa 2 Soliton lân cận Với r=1, các Soliton có biên độ bằng nhau :

  = 0 : Các Soliton hút nhau sao cho chúng va chạm định kỳ theo chiều dài sợi

  =  /4 : Các Soliton hút nhau rồi lại tách khỏi nhau

  = /2 : Các Soliton đẩy nhau ngày càng mạnh khi khoảng cách lan truyền tăng