phương pháp bù tán sắc bằng cách sử dụng sợi quang có lõi là cách tử bragg

phương pháp bù tán sắc bằng cách sử dụng sợi quang có lõi là cách tử bragg

Lời nói đầu

Trong thời gian gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự bùng nổ của nhu cầu truyền thông tin trong mạng viễn thông, để đáp ứng nhu cầu đó, chúng ta phải có một mạng truyền dẫn có tốc độ cao, cự ly xa, có cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao… Ở thời điểm hiện nay, chỉ có mạng truyền dẫn quang là đáp ứng được các yêu cầu khắc khe đó Tuy nhiên việc xây dựng được hệ thống thông tin quang như vậy là không đơn giản, khi mà hệ thống được phát triển cho mạng truyền dẫn hiện đại, có nhiều vấn đề cần được giải quyết[1]

Một trong các vấn đề cần được giải quyết đó là tán sắc Cách khắc phục tán sắc thì có nhiều nhưng trong bài nghiên cứu này, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu về phương pháp bù tán sắc bằng cách

sử dụng sợi quang có lõi là cách tử Bragg vì phương pháp này có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác Bài nghiên cứu này sẽ trình bày về tán sắc, bù tán sắc bằng cách tử bragg cũng như các ưu điểm của nó so với các phương pháp khác

Chương 1

Cơ Sở Lý Thuyết 1.Tán sắc:

1.1 Khái niệm tán sắc:

Tán sắc là sự co dãn xung ánh sáng truyền trong sợi quang,hiện tượng này có thể gây chồng lấp giữa các bit kề cận nhau nếu xung có độ dãn lớn hơn chu kỳ bit Tán sắc làm máy thu nhầm lẫn giữa bit 0 và 1 được phát đi ở máy phát Điều này làm tăng tỉ số bit lỗi (Ber) và giảm tỉ

số tín hiệu trên nhiễu (SNR) qua đó làm giảm chất lượng hệ thống thông tin

Hình 1: minh họa tán sắc.[2]

a) xung tại đầu phát b) xung thu được tại đầu thu và thiết bị thu không thể phân biệt được

hai xung kế tiếp

1.2 Định nghĩa tán sắc:

D=

: độ rộng xung vào, đơn vị là giây (s)

: độ rộng xung ra , đơn vị là giây (s)

D: độ tán sắc,đơn vị là giây (s)

1.3 Đơn vị tán sắc

ns/km hoặc ps/km độ trải rộng xung trên một km

ns/nm.km độ trải rộng xung trên mỗi km với độ rộng phổ quang là 1nm

1.4 Các loại tán sắc:

Có 3 loại tán sắc: Tán sắc mode (chỉ xảy ra trong sợi đa mode)

Tán sắc sắc thể

Tán sắc phân cực mode

1.4.1 Tán sắc mode:

Nguyên nhân: Khi sóng ánh sáng được truyền vào sợi đa mode, các mode sẽ lan truyền với

vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian truyền của chúng khác nhau Sự khác nhau về thời gian lan truyền của các mode này gây ra tán sắc mode

Giải thích thêm về mode sóng: Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng

trong sợi quang Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái truyền ổn

định của các đường này được gọi là mode sóng Có thể hình dung gần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng[4]

Hình 2: Tán sắc mode trong sợi đa mode [3]

Công thức tính độ tán sắc mode[4]:

Sợi đa mode SI:

1 mod 2 1

c

= − ≈ V

Sợi đa mode GI:

2 1 mod 2 1

8

c

= − ≈ V

Trong đó:

L là độ dài lan truyền, đơn vị là mét (m)

1

n là chiết suất lõi của sợi quang

c là vận tốc ánh sáng

Vlà độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc

1.4.2 Tán sắc sắc thể:

Có hai loại là tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng.

1.4.2.1Tán sắc vật liệu:

Tán sắc vật liệu xảy ra do sự chênh lệch các vận tốc nhóm của các thành phần phổ khác nhau trong sợi quang

Công thức tính tán sắc vật liệu:

D mat =M mat* *L Vλ

Trong đó:

mat

D là tán sắc vật liệu.

mat

M là hệ số tán sắc vật liệu, đơn vị là ps/(nm.km).

L là chiều dài sợi quang đơn vị là km

λ

V là độ rộng phổ nguồn quang, đơn vị là nm

1.4.2.2 Tán sắc ống dẫn sóng:

Khi ánh sáng truyền trong sợi quang, một phần lớn truyền trong lõi sợi còn một phần nhỏ truyền trong vỏ của sợi quang Vì hai môi trường truyền này có chiết suất khác nhau nên hai phần ánh sáng trên truyền đi với hai vận tốc khác nhau Sự khác biệt này là nguyên nhân của hiện tượng tán sắc ống dẫn sóng

Công thức tính tán sắc ống dẫn sóng:

* *

wg

D

là tán sắc ống dẫn sóng

wg

M

là hệ số tán sắc ống dẫn sóng, đơn vị là ps/(nm.km)

L là chiều dài sợi quang, đơn vị là km

λ

V là độ rộng phổ nguồn quang, đơn vị là nm

Công thức tính tán sắc sắc thể:

* *

chr

D là tán sắc sắc thể.

M= M mat+ M wglà hệ số tán sắc sắc thể.

1.3.3 Tán sắc tổng cộng

Tán sắc tổng cộng được xác định bằng công thức:

mod

1.4.4 Tán sắc phân cực mode:

Mặc dù sợi quang là đơn mode nhưng trên thực tế nó luôn truyền 2 mode sóng Bản chất của ảnh sàng là sóng điện từ nên nó sẽ truyền đi cùng lúc 2 thành phần điện và từ theo phương vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng

Vì vậy nếu chiết suất của sợi quang không đồng nhất trên phương truyền của hai mode, hiện tượng tán sắc phân cực mode xảy ra[4]

Hình 3: minh họa tán sắc phân cực mode [4]

Công thức tính tán sắc phân cực mode

Tán sắc phân cực mode tỉ lệ với căn bậc hai của chiều dài sợi quang[4]:

D PMD =d PMD L

Với d PMD =0, 2 0,5(÷ ps/ km)(hệ số tán sắc phân cực mode).

2 Ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống thông tin quang:

Như đã nói ở trên tán sắc làm trải rộng xung của tìn hiệu nên làm máy thu nhầm lẫn giữa bit

0 và 1, do đó tỉ lệ BER tăng và SNR giảm, làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ viễn thông Ảnh hưởng của hệ thống tán sắc trên sợi quang là một yếu tố hạn chế chủ yếu, nhất là các

hệ thống có tốc độ cao thì ảnh thể hiện càng rõ nét.[5]

Ngoài các ảnh hưởng đã nêu ở trên tán sắc còn có các ảnh hưởng khác đến hệ thống thông tin như:

Giảm cự ly truyền dẫn.

Hình minh họa cự hao tổn công suất của hệ thống thông tin quang 2,5 Gbit/s với các laser có

độ rộng phổ 0.1nm, 0.2nm và 0.3nm Nhìn chung lượng công suất tổn hao tăng nhanh khi cự ly truyền dẫn tăng.[5]

Hình 4: minh họa sự tổn hao công suất trong hệ thống quang 2.5Gbit/s với laser có độ rộng phổ 0.1nm, 0.2nm và 0.3nm.[5]

Đây là các hệ thống sử dụng sợi G.652 có hệ số tán sắc D=18ps/km.nm

Từ hình vẽ trên có thể thấy được tán sắc làm giới hạn cự ly truyền dẫn một cách rõ ràng

Giảm tốc độ truyền dẫn

Hình sau đây là kết quả tính toán sự mất mát công suất của hệ thống do tán sắc gây ra đối với hệ thống 1 Gbit/s và 2,5 Gbit/s Kết quả cho thấy hệ thống 2,5 Gbit/s bị tổn thất công suất hệ thống nhiều hơn so với hệ thống 1 Gbit/s với cùng một giá trị tán sắc[5]

Hình 5: sự mất mát sông suất của hệ thống do tán sắc đối với hệ thống 1Gbit/s và 2.5Gbit/s.

Vậy, ta thấy rằng tán sắc có ảnh hưởng rõ ràng đối với tốc độ truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang

Từ 2 hình vẽ trên ta thấy được tán sắc có ảnh hưởng rõ ràng đến công suất tín hiệu dẫn đến làm giới hạn cự ly truyền và tốc độ truyền của hệ thống thông tin quang

3 Bù tán sắc Tại sao phải bù tán sắc.

Như phân tích ở trên thì 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 mà dãn quá sẽ có thể gây ra hiện tượng xen phủ của các xung kề nhau, và khi sự xen phủ vượt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang không còn phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu Tán sắc đã làm giới hạn năng lực truyền dẫn[6]

Các hệ thống thông tin sợi quang hiện nay, nhất là các hệ thống tốc độ bit 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 (sợiG.652) có hệ số tán sắc tại vùng bước sóng này là rất lớn Tán sắc lớn sẽ làm méo tín hiệu và tạo ra hiện tượng giao thoa giữa các ký tự (ISI-Intersymbol Interference) do sự dãn xung tại các khe thời gian, làm xuống cấp chất lượng truyền dẫn và hậu quả thậm chí có thể không chấp nhận được Nhìn chung, ảnh hưởng của tán sắc đến năng lực truyền dẫn của hệ thống là phức tạp; điều này gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế các hệ thống thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa[6]

Vì những lí do trên ,việc làm giảm tán sắc trong hệ thống thông tin sợi quang (còn được gọi

là bù tán sắc) là vô cùng quan trọng và cần thiết Có rất nhiều phương pháp bù tán sắc và sẽ được trình bày trong chương 2 của bài báo cáo này

Chương 2: Các loại bù tán sắc

2.1 Kỹ thuật bù tán sắc trước (Precompensation)[7]:

Kỹ 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 phổ của xung ngõ vào  như sau:

 

trong đó L là chiều dài sợi Khi đó tán sắc vận tốc nhóm (GVD) sẽ được bù chính xác và xung vẫn giữ nguyên dạng tại ngõ ra

Kỹ thuật này gồm có kỹ thuật Prechirp, kỹ thuật mã hóa Novel và kỹ 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 Lazer lệch nhau một lượng là giữa bít 0 và bít1.Hai bước sóng sẽ lan truyền trong sợi với tốc độ hơi khác nhau

Thời gian trễ giữa bít 1 và bít 0 phụ thuộc vào việc dịch bước sóng và đượctínhtheo công thức:

và ta chọn ∆λ sao cho ∆T=1/B.

Sự trễ này tạo ra tín hiệu quang ba mức tại đầu thu Hình sau đây cho ta thấy sự trì hoãn một bít tạo ra tín hiệu quang ba mức như thế nào Do tán sắc của sợi nên tín hiệu FSK sẽ chuyển sang tín hiệu có biên độ được điều chế Và tín hiệu này có thể được giải mã ở đầu thu nhờ sử dụng bộ tích phân điện kết hợp với mạch quyết định bít

Hình 2.1: Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang và công suất tín hiệu phát; b) Tần số và

công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã

Một phương pháp khác là mã hóa cặp nhị phân có thể làm 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 ba mức ở tốc độ bít chỉ bằng một nữa Vì tán sắc vận tốc nhóm

(GVD) phụ thuộc vào 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 thêm30 đến 40km so với mã hóa nhị phân Mã hóa cặp nhị phân có thể kết hợp với kỹ 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

Ưu điểm:

Mã nhị phân kép sử dụng hai bit liên tiếp trong chuỗi bit cộng lại với nhau à tạo ra được mã nhị phân kép ba mức bán tốc Giảm băng thông đến 50% Nên ta giảm GVD

- Kết hợp với kỹ thuật Prechirp

Nhược điểm :

Yêu cầu phải tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N và phải có bộ giải mã ở đầu thu

2.2 Kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây (In-line)

2.2.1 Bù tán sắc bằng sợi quang DCF (Dispersion Compensation Fiber)

Trong hệ thống quang đường dài yêu cầu GVD phải được bù liên tục theo chu kỳ dọc theo đường truyền Đặc biệt trong các hệ thống toàn quang việc sử dụng các bộ bù tán sắc quang điện

tử là không phù hợp[8] Và một loại sợi được biết đến đó là sợi bù tán sắc Trong thực tế để nâng cấp các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi chuẩn hiện có, người ta thêm vào một đoạn sợi bù tán sắc (với chiều dài từ 6 đến 8km) đối với các bộ khuếch đại quang đặt cách nhau 60 đến 80km Sợi bù tán sắc sẽ bù tán sắc vận tốc nhóm(GVD), trong khi đó bộ khuếch đại sẽ đảm đương nhiệm vụ bù suy hao cho 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, và tùy vào vị trí đặt DCF mà có các kiểu bù như sau[9]:

Hình 2.2.1 Sử dụng sợi DCF trên tuyến quang [9]

- Ưu điểm:

Đơn giản và có độ tin cậy cao

Dải phổ rộng, thường thì DCF bù tán sắc được cho liên tiếp nhiều bước sóng

- Nhược điểm:

Thường thì các sợi DCF có lõi nhỏ, do đó có độ phi tuyến cao Đồng thời suy hao của DCF cũng khá lớn và việc sử dụng kết hợp với các OA truyền trên tuyến quang đường dài sẽ làm tăng nhiễu ASE và nhược điểm của DCF đó là khi cần bù một lượng tán sắc lớn thì phải cần chiều dài

sợi tỉ lệ thuận với lượng tán sắc đó, dẫn đến cồng kềnh, khó khăn cho việc thi công, lắp đặt và chi phí các loại cáp này rất đắt so với cáp quang thông thường[9]

2.2.2 Bù tán sắc bằng bộ lọc quang

Như ở phần trước đề cập nếu sử dụng sợi DCF có chiều dài lớn hơn 5km có thể bù tán sắc GVD cho khoảng 50km sợi quang Việc thêm vào sợi DCF này làm gia tăng đáng kể suy hao của tuyến quang, điều này gây ảnh hưởng đối với các ứng dụng đường dài Chính vì lý do này, một vài mô hình quang khác được nghiên cứu để điều khiển tác động của tán sắc Đó là: bộ lọc cân bằng quang (Optical Equalizing Filter), bộ lọc giao thoa (Interferometric Filter) và cách tử quang FBG (Fiber Bragg Grating)[8]

Các bộ lọc quang hoạt động dựa trên nguyên lý giao thoa, đây là nguyên lý tự nhiên của ánh sáng và nó rất nhạy với tần số ánh sáng ở ngõ vào và được ứng dụng trong các bộ lọc quang do các đặc tính truyền dẫn phụ thuộc vào tần số của nó[8]

Có nhiều loại bộ lọc quang có hàm truyền đạt phù hợp với yêu cầu này và có thể được sử dụng làm các bộ bù tán sắc trong đó đặc biệt nổi bật là các loại bộ lọc cấu trúc buồng cộng hưởng Fabry Perot và bộ lọc giao thoa kế Mach Zehnder[9]

- Ưu điểm: nhỏ gọn (khoảng vài cm chiều dài) nhưng có khả năng bù tán sắc cho một đoạn

dài (khoảng 50km sợi quang tiêu chuẩn)

- Nhược điểm: băng thông hẹp (∼10GHz ) và nhạy với phân cực ngõ vào Tuy nhiên, với một

bộ lọc quang lập trình được thì tán sắc GVD và bước sóng hoạt động có khả nằng điều chỉnh[8]

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

Mặc dù sử dụng kỹ thuật liên hợp pha quang OPC (Optical phase conjugation) cho bù tán sắc được đề nghị từ 1979 nhưng đến 1993 kỹ thuật này mới được đưa vào thí nghiệm Nó gây

sự chú ý rất lớn từ đó Kỹ thuật OPC là một kỹ thuật quang phi tuyến[8]

Hầu hết các cuộc thí nghiệm về bù tán sắc được nghiên cứu trên khoảng cách truyền 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 3mW 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, 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 1.55μm 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[9]

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 Hai phần tử quang này có thể ghép lại thành một bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại tham số 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[8]

2.2.4 Bù tán sắc bằng cách tử Bragg

Bù tán sắc bằng cách dùng cách tử chu kì giảm dần (Chirped Grating) Khi ánh sáng vào sợi quang kiểu này, những bước sóng khác nhau sẽ phản xạ ở những điểm khác nhau, đường đi khác

nhau, dẫn đến bù được tán sắc nếu cấu hình thích hợp[10].

Hình 3.2.4a Cách tử Bragg trong sợi quang chiết suất giảm dần[10]

Giả sử xung tín hiệu đi vào đầu có chu kỳ dài hơn của đoạn cách tử như hình vẽ 3.2.4b Khi

đó, những bước sóng dài hơn sẽ bị phản xạ ở gần phần đầu của đoạn cách tử hơn Nói cách khác, những bước sóng ngắn hơn sẽ phải đi một quãng đường xa hơn trong đoạn cách tử trước khi chúng được phản xạ ngược lại Kết quả là một khoảng thời gian trễ d sẽ được tạo ra giữa thành phần bước sóng ngắn so với thành phần bước sóng dài[11]

e

2 ff 1

c

n L d

=

∆

Trong công thức trên d là khoảng thời gian trễ, neff là chiết xuất hiệu dụng, L là độ dài đoạn cách tử Bragg, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, Δλc là hiệu số giữa bước sóng bị phản xạ

ở đầu đoạn cách tử (thành phần bước sóng dài nhất) so với bước sóng bị phản xạ ở cuối đoạn cách tử (thành phần ngắn nhất)[11]

Hình3.2.4b Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi[11]

Đây là hiện tượng ngược với hiện tượng tán sắc và là nguyên lý của thiết bị bù tán sắc trong mạng thông tin quang dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính[11]

Hình vẽ sau là một mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính