Chuyên đề điều khiển tán sắc

Chuyên đề điều khiển tán sắc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THÔNG TIN QUANG NÂNG CAO

NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CHUYÊN ĐỀ

ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3

ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC 6

1 CẦN THIẾT PHẢI ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC 6

2 MÔ HÌNH BÙ TRƯỚC (PRECOMPENSATION) 9

2.1 Kỹ thuật Prechirp 9

2.2 Kỹ thuật mã hóa Novel: 12

2.3 Kỹ thuật Prechirp phi tuyến: 14

3 KỸ THUẬT BÙ SAU 16

4 SỢI QUANG BÙ TÁN SẮC 17

5 BỘ LỌC QUANG 19

6 CÁCH TỬ SỢI QUANG BRAGG (Fiber Bragg Gratings) 22

6.1 Chu kỳ cách tử đồng nhất (Uniform-Period Gratings) 23

6.2 Chirped Fiber Gratings: (Cách tử sợi quang Chirped) 26

6.3 Bộ ghép mode Chirped (chirped mode couplers) 29

7 LIÊN HỢP PHA QUANG OPC 30

7.1 Nguyên lý hoạt động: 30

7.2 Bù tán sắc bằng tự điều chế pha (Compensation of Self-Phase Modulation ) 31

7.3 Tín hiệu liên hợp pha (Phase-conjugated Signal): 33

8 HỆ THỐNG QUANG ĐƯỜNG DÀI: 37

8.1 Lý thuyết cơ sở: 39

8.2 Hiệu ứng tương tác phi tuyến đồng kênh (Intrachannel Nonlinear Effects): 41

9 HỆ THỐNG QUANG DUNG LƯỢNG CAO 43

9.1 Bù tán sắc băng rộng : 43

9.2 Bù tán sắc điều khiển được (Tunable Dispersion Compensation) 46

9.3 Điều khiển tán sắc bằng thành phần tán sắc bậc cao : 48

9.4 Bù tán sắc phân cực mode PMD 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đồ thị quan hệ tốc độ truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng phổ của nguồn đi-ốt phát quang bằng 0, 1 và 5 nm 7

Hình 2.1: Đồ thị mô tả độ giãn rộng xung theo khoảng cách truyền với xung đầu vào là xung chirp Gauss trong trường hợp β2>0 10

Hình 2.2: Mô hình kỹ thuật prechirp dùng để bù tán sắc 11

Hình 2.3: Bù tán sắc sử dụng mã hóa FSK 12

Hình 2.4: Đồ thị cường độ sáng theo thời gian tín hiệu 16 Gbps khoảng cách truyền 70km sử dụng sợi quang tiêu chuẩn có và không có sử dụng kỹ thuật nén tán sắc 14

Hình 2.5: đồ thị quan hệ giữa khoảng cách truyền bị giới hạn do tán sắc GVD và mức công suất truyền trung bình 15

Hình 4.1: Mô hình sợi DCF hai mode sử dụng cách tử chu kỳ dài 19

Hình 5.1: Mô hình kết hợp giữa bộ lọc quang và khuyếch đại quang 20

Hình 5.2 : Mô hình bộ lọc quang sử dụng giao thoa Mach-Zehnder 21

Hình 6.1 : Độ lớn(a) và pha(b) của hệ số phản xạ cách tử sợi quang đồng nhất với kL g =2 và k L g =3 23

Hình 6.2: Tán sắc vận tốc nhóm GVD Mô tả hàm g theo thông số δ tương ứng với các giá trị của hệ số k trong khoảng 1-10 24

Hình 6.3: Tín hiệu phát (đường liền nét) và trễ( đường chấm) , hàm của bước sóng cho cách tử đồng nhất k (z) thay đổi từ 0-6 c m  1

trên chiều dài cách tử 11cm 25

Hình 6.4 Cách tử quang Chirped dùng bù tán sắc a/ chiết suất n(z) theo chiều dài cách tử b/ hệ số phản xạ ở tần số thấp và cao tại những vùng khác nhau trong cách tử 27

Hình 6.5: Hệ số phản xạ và thời gian trễ trong cách tử quang Chirped tuyến tính 27

với băng thông 0.12nm 27

Hình 6.6: Sơ đồ bù tán sắc bằng cách dùng 2 bộ lọc phát fiber –base transmission filter 29 Hình 7.1: Thí nghiệm bù tán sắc trong đảo khoảng giữa phổ trên 21 km chiều dài sợi quang 34

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 37

Hình 9.1 : Mô hình ghép tầng cách tử để bù tán sắc trong hệ thống WDM 44

Hình 9.2 : Phổ phản xạ và đồ thị tán sắc theo điện áp đốt của phương pháp gradient nhiệt 47

Hình 9.3 : Dạng xung ngõ ra khi truyền với khoảng cách 300km khi không 49

và có dùng sợi dịch tán sắc 49

Hình 9.4: Mô hình bù tán sắc PMD quang và điện 51

Hình 9.5: Bù tán sắc điều chỉnh được sử dụng cách tử quang chirp khúc xạ kép 52

Hình 9.6: Đồ thị quan hệ giữa hệ số mở rộng xung và giá trị DGD trung bình 53

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát khuếch đại

DCF Dispersion-Compensating Fiber Sợi quang bù tán sắc

DDF Dispersion-Decreasing Fiber Sợi quang giảm tán sắc

DWDM Dense Wavelength-Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao

EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại quang pha

trộn Erbium

hưởng

FWHM Full-Width at Half-Maximum Độ rộng tại nửa cực đại

NTE Network Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối mạng

tuyến

NSE Nonlinear Schr¨odinger Equation Phương trình Schrodinger

OAT Optically amplified transmitter Bộ phát khuếch đại quang

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ rẽ bước sóng quang

OAR Optically amplified receiver Bộ thu khuếch đại quang

OPU Optical Preamplification Unit Khối tiền khuếch đại quang

OSC Optical Transmission Section Kênh giám sát quang

PIM Polarization-Interleaved multiplexing Ghép xen kênh phân cực

PMD Polarization-Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode

Charge, and Multiplication

Sự hấp thụ, pha trộn, phí tổn

và khuếch đại riêng biệt

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán

dẫn

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman

SSFS Soliton Self-frequency Shift Dịch tần số Soliton

WDM Wavelength-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

bước sóng

WADM Wavelength Division Multiplexing

Access Mạng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh

theo bước sóng

Ở mục 1 giải thích sự cần thiết phải điều khiển tán sắc Mục 2 và 3 dành toàn bộ cho các phương thức được dùng ở đầu phát và đầu thu để điều khiển tán sắc Ở mục 1.4 đến mục1.6 giới thiệu phương pháp sử dụng các phần tử quang tán sắc cao trên đường cáp quang.

Kỹ thuật sử dụng tín hiệu quang pha kết hợp hay còn được gọi là kỹ thuật đảo khoảng giữa phổ (midspan spectral inversion) sẽ được giới thiệu ở mục 7 Mục 8 giới thiệu về điều khiển tán sắc trong các hệ thống đường dài Mục 9 tập trung vào các hệ thống dung lượng cao như các hệ thống băng rộng Kỹ thuật bù tán sắc phân cực mốt (PMD) cũng

sẽ được

đề cập trong mục này

1 CẦN THIẾT PHẢI ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC

Tán sắc làm giãn bề rộng xung ánh sáng truyền trong sợi quang làm giới hạn hoạt động của hệ thống truyền dẫn quang Như ta đã biết hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) cóthể được tối thiểu hóa bằng la-de có độ rộng phổ hẹp (xem hình 1.1 quan hệ giữa tốc độ truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng phổ của nguồn đi-ốt phát quang bằng 0, 1 nm và 5 nm) và không bị tán sắc ở bước sóng tán sắc không λZD Tuy nhiên, trong thực tế, hệ thống truyền dẫn quang thường hoạt động ở bước sóng λ khác với bước sóng tán sắc không λZD Một ví dụ trong thực tế là hệ thống thông tin quang trên bộ hoạtđộng ở bước sóng 1,55 µm sử dụng la-de phát DFB, các hệ thống này sử dụng cáp sợi

quang đơn mốt “tiêu chuẩn” với bước sóng tán sắc không λZD là 1,31 µm hệ thống nàyđược xây dựng trong suốt thập niên 1980 ở Hoa Kỳ và có chiều dài khoảng 50 triệu km.

Do có tán sắc tại vùng bước sóng 1,55 µm, nên tán sắc GVD hạn chế hoạt động của hệ thống ở tốc độ 2Gbps

Hình 1.1: Đồ thị quan hệ tốc độ truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng

phổ của nguồn đi-ốt phát quang bằng 0, 1 và 5 nm

Đối với la-de phát DFB điều chế trực tiếp, chúng ta có thể sử dụng phương trình 1.1 để ước lượng khoảng cách truyền tối đa

Với s là giá trị căn trung bình bình phương (RMS) bề rộng của phổ xung bị mở rộng do

tần số chirp (sự thay đổi tần số theo thời gian) Hế thống có hệ số tán sắc D=16 nm) và s= 0,15nm hoạt động ở tốc độ B = 2,5 Gbps theo công thức 1.1 ta có thể tính ra được L= 42 km Vì thế, đối với các hệ thống sử dụng thiết bị tái tạo tín hiệu bằng điện

ps/(km-tử, khoảng cách giữa các bộ tái tạo tín hiệu vào khoảng 40km Hơn nữa việc sử dụng các bộ

tái tạo tín hiệu làm hạn chế khả năng tăng tốc độ truyền dẫn của hệ thống, bởi nếu muốn tăng tốc độ truyền phải thu nhỏ khoảng cách giữa các bộ tái tạo tín hiệu dẫn đến chi phí đầu tư sẽ tăng cao

Hoạt động của hệ thống có thể được cải thiện đáng kể bằng việc sử dụng một bộ điều chếngoài để tránh được việc mở rộng phổ do tần số chirp Lựa chọn này đã được ứng dụng vào thực tế bằng các bộ phát sử dụng la-de DFB với bộ điều chế ngoài tích hợp Trongtrường hợp s=0, khoảng cách truyền giới hạn theo công thức

Với β2 là hệ số tán sắc vận tốc nhóm GVD Nếu ta sử dụng giá trị thông dụng của hệ số

tán sắc vận tốc nhóm GVD β2= -20ps2/km ở bước sóng 1,55 µm, áp dụng công thức 1.2 ta tính được khoảng cách truyền L<500 km ở tốc độ 2,5 Gbps Ta thấy việc sử dụng la-de DFB cải thiện rất nhiều khoảng cách truyền của hệ thống, tuy nhiên khoảng cách do giới hạn tán sắc này vẫn chưa tương ứng với khoảng cách các bộ khuyếch đại trên đường dây(in-line) thường được dùng để bù suy hao Hơn nữa, nếu tăng tốc độ truyền dữ liệu lên 10Gbps, tán sắc vận tốc nhóm GVD sẽ làm giới hạn khoảng cách truyền xuống còn 30 km Dựa vào biểu thức 1.2 mô tả mối quan hệ giữa giới hạn khoảng cách truyền và tán sắc vậntốc nhóm GVD ở sợi đơn mốt tiêu chuẩn, ta có thể dễ dàng tính ra được giới hạn khoảng cách của hệ thống hoạt động ở bước sóng 1,55 µm tốc độ 10 Gbps hoặc cao hơn

Nhiều mô hình điều khiển tán sắc được nghiên cứu để tìm cách để giải quyết vấn đề thực tiễn về khoảng cách truyền nêu trên Ý tưởng cơ bản của tất cả các mô hình được xây

dựng dựa trên phương trình truyền xung

Tán sắc làm ảnh hưởng đến tín hiệu quang truyền đi trong hệ thống nguyên nhân gây ra là

do phần tử pha exp (i2z2 / 2) , xuất hiện trong quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang.Tất cả các mô hình điều khiển tán sắc đều tìm cách triệt tiêu phần tử pha này để tín hiệu

ngõ vào có thể khôi phục được ở đầu thu.

2 MÔ HÌNH BÙ TRƯỚC (PRECOMPENSATION)

Ý tưởng thực hiện phương pháp này là thực hiện điều khiển tán sắc bằng cách điều chỉnh các đặc tính của các xung ngõ vào ở bộ phát trước khi truyền đi trong sợi quang Ý tưởngnày được thực hiện dựa vào phương trình 1.4 Phương trình này sẽ chỉ còn thành phần

biên độ phổ biến thiên A(0, t ) trong trường hợp tán sắc GVD được loại bỏ Rõ ràng, để

thực hiện điều này biên độ phổ ở đầu phát phải được bù thêm một thành phần theo biểu thức 2.1 để triệt tiêu tác động do GVD gây nên:

(1.1)Với L là chiều dài sợi quang, GVD sẽ được bù một cách chính xác và xung vẫn sẽ giữđược hình dạng của nó ở đầu ra của sợi quang Tuy nhiên, không dễ dàng giải quyết vấn

đề này bằng việc thay đổi biên độ phổ đầu phát theo như biểu thức 2.1 trong thực tế Một cách đơn giản hơn, người ta sử dụng hiệu ứng chirp ở xung ngõ vào làm tối thiểu hóa tác động giãn rộng xung của tán sắc GVD Do tần số chirp được đưa vào bộ phát trước khi truyền xung, nên kỹ thuật này được gọi là kỹ Prechirp

2.1 Kỹ thuật Prechirp

Cách đơn giản để hiểu được nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật Prechirp là dựa vào lýthuyết truyền xung chirp Gauss trong sơi quang Biên độ ở ngõ vào dưới tác động của hiệu ứng chirp được biểu diễn bằng công thức 2.2

Với C là hệ số chirp, dựa vào hình 2.1 ta thấy rằng với giá trị C mà β2C<0 thì xung ngõvào sẽ bị nén lại khi truyền đi trong sợi quang Vì thế với xung chirp thích hợp ta có thể truyền được với khoảng cách dài hơn trước khi xung truyền bị giãn rộng đến mức không còn thu được nữa Ta sẽ thử đánh giá sự cải thiện này với độ giãn rộng xung cho phép là

2 nghĩa là chu kì xung thu được chia cho chu kì xung ban đầu T1/T0= 2 , khoảng cáchtruyền sẽ được xác định theo công thức:

tối đa của hệ thống là 2 lần khi C=1/ 2 Do đó kỹ thuật prechirp cần được tối ưu mộtcách kỹ lưỡng để có được giá trị C hợp lý nhất Trong thực tế hình dạng xung chỉ xấp xỉ xung Gauss, nên kỹ thuật prechirp có thể giúp cải thiện được đến 2 lần khoảng cách truyền nếu tối ưu hợp lý Vào khoảng cuối năm 1986, mô hình Super-Gaussian cho việc truyềntín hiệu NRZ đã được đưa ra nhằm nâng cải thiện hơn nữa khoảng cách truyền dẫn quang.

Hình 2.1: Đồ thị mô tả độ giãn rộng xung theo khoảng cách truyền với xung đầu vào là

xung chirp Gauss trong trường hợp β2>0

Kỹ thuật prechirp được xem xét trong suốt thập niên 1980 sử dụng các la-de điều chế trực tiếp Xung chirp do các la-de này tạo ra là do sự thay đổi chỉ số cảm ứng sóng mang (carrier-induced index) được mô tả bằng hệ số tăng bề rộng phổ βC Không may là

hệ số chirp C âm (C= - βC) đối với các la-de điều chế trực tiếp Do hệ số β2 của sợi quang tiêu chuẩn hoạt động ở bước sóng 1,55 µm cũng âm, vì thế điều kiện β2.C<0 không thỏa mãn Như trong hình 2.1 ta thấy khi hiện tượng chirp xuất hiện trong quá trình điều chế trực tiếp

mà β2.C>0 sẽ làm tăng thêm độ giãn xung do GVD gây ra, vì thế làm giảm khoảng cách truyền Vì thế đã có một số mô hình được đưa ra vào thập niên 1980 dựa vào việc tìm hình dạng xung phát khác phù hợp hơn nhằm cải thiện khoảng cách truyền

Trong trường hợp sử dụng bộ điều chế ngoài, các xung quang gần như không bị hiện tượng chirp, vì thế để tạo ra tín hiệu chirp người ta sử dụng các bộ điều tần FM Kỹ thuật prechirp trong trường hợp này tạo ra tần số chirp với hệ số chirp C dương nhằm thỏa điều

kiện β2.C<0 Đã có nhiều mô hình được đưa ra nhằm thực hiện điều này, hình 2.2 là một

Hình 2.2: Mô hình kỹ thuật prechirp dùng để bù tán sắc

Ở hình 2.2 khi có tín hiệu FM sử dụng sóng mang quang theo sau đó sẽ tạo ra tín hiêu AM phát ra ngoài, tín hiệu này chứa các xung chirp Một số các chirp được hạn chế như sau Giả rằng hình dạng xung là Gauss, tín hiệu quang có thể được viết

E(0, t)  A0 exp(t2

/ T 2 ) exp i0 (1  sin m t)t  (1.4)Với tần số 0 của xung được điều chế hình sin tại tần số m với độ quá điều chế là δ Ở

gần trung tâm của xung sin(m t)  m t khi đó phương trình 2.4 sẽ trở thành

⎡ 1  iC ⎛ t E(0, t )  A exp  ⎞2 ⎤

Điều chế pha của sóng mang quang cũng làm cho chirp dương, phương trình 2.4 có thể được viết lại thành:

bộ điều chế LiNbO3 cho giá trị C trong khoảng 0,6 đến 0,8 Các giá trị thực nghiệm này tương ứng với phương trình 2.3 của lý thuyết truyền xung Gauss Những dạng khác của các bộ điều chế bán dẫn như bộ điều chế hấp thụ điện (Electroabsorption Modulator) hoặc

bộ điều chế Mach-Zehnder (MZ) cũng tạo ra các xung quang có hệ số chirp C>0, vì thế cải thiện được khả năng truyền dẫn tín hiệu quang do hạn chế được tác động của tán sắc Với

sự phát triển của các la-de DFB chứa các phần tử Li đơn (monoLithically) tích hợp trong các bộ điều chế hấp thụ điện (Electroabsorption Modulator) đã tiếp tục làm cải thiện rất nhiều kỹ thuật Prechirp trong thực tế Vào năm 1996 tín hiệu NRZ 10Gbps đã truyền đi được khoảng 100km sử dụng sợi quang tiêu chuẩn với những bộ điều chế ngoài này làm

với tốc độ khác nhau Khoảng thời gian trễ giữa bit 0 và bit 1 được xác định dựa trên

khoảng bước sóng dịch ∆λ và bằng T  DL Độ dịch bước sóng ∆λ được chọn sao cho T  1/ B Hình 2.3 chỉ làm thế nào một bit bị trễ tạo ra được ba mức tín hiệu quang

tại bộ thu Xét về mặt bản chất, do tán sắc trong sợi quang, tín hiệu FSK bị chuyển thànhtín hiệu bị điều chế cả biên độ Tín hiệu được giải mã tại đầu thu bằng cách sử dụng bộtích phân điện kết hợp với mạch quyết định

Nhiều thực nghiệm đã được thực hiện để đánh giá kỹ thuật bù tán sắc nêu trên Tất cả cácthử nghiệm này nhằm đến việc tăng khoảng cách truyền ở bước sóng 1,55µm tốc độ 10Gbps hoặc cao hơn sử dụng sợi quang tiêu chuẩn Vào năm 1994, việc truyền tín hiệu 10Gbps qua một khoảng cách 253km sử dụng sợi quang tiêu chuẩn đã thực hiện được Cho đến năm 1998, trên sợi quang tiêu chuẩn người ta đã truyền đi được tín hiệu 40 Gbps với khoảng cách truyền là 86km Rõ ràng so sánh với mục trước, khoảng cách truyền đã đượccải thiện đáng kể hơn nhiều khi sử dụng kỹ thuật FSK

Một cách khác để tăng khoảng cách truyền dựa vào việc truyền tín hiệu quang có băng thông nhỏ hơn tốc độ truyền chẳng hạn như kỹ thuật sử dụng mã tắt mở (On-Off) Một mô hình để thực hiện việc tạo ra tín hiệu quang có băng thông nhỏ hơn tốc độ truyền là sử dụng mã hóa nhị phân kép (duobinary coding), kỹ thuật này có thể làm giảm băng thông đến 50% Mô hình đơn giản nhất để tạo mã nhị phân kép là sử dụng hai bit liên tiếp trong chuỗi bit cộng lại với nhau, kết quả là tạo ra được mã nhị phân kép ba mức bán tốc Do tác động của GVD phụ thuộc vào băng thông tín hiệu, nên khoảng cách truyền cũng có thể được cái thiện do giảm băng thông Điều này đã được chứng tỏ trong thực nghiệm

Thực nghiệm vào năm 1994 đã so sánh hai mô hình nhị phân và nhị phân kép, một tín hiệu

10 Gbps có thể truyền được ở khoảng cách 30 đến 40 km bằng cách thay thế mã nhị phân thông thường bằng mã nhị phân kép Kỹ thuật sử dụng mã nhị phân kép có thể kết hợp với kỹ thuật Prechirp Tín hiệu 10 Gbps đã truyền đi được 160km trên sợi quang tiêu chuẩn khi kết hợp mã nhị phân kép với một bộ điều chế ngoài tạo tần số chirp có C>0 Trong thực tế, xuất hiện hiện tượng đảo pha khi tín hiệu nhị phân kép được tạo

ra, hiện tượng này giúp cải thiện hoạt động của hệ thống khi sử dụng mã nhị phân kép Một mô hình điều khiển tán sắc mới được gọi là mô hình tạo dạng pha nhị phân (phase-shaped binary), để tận dụng những ưu điểm của hiện tượng đảo pha Sử dụng phương thức truyền

nhị phân kép yêu cầu phải tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N và phải có bộ giải mã ở đầu thu Mặc dù có những hạn chế như thế nhưng lợi ích do nó đem lại góp phần cải thiệnđáng kể hoạt động cho các hệ thống ở tốc độ 10Gbps và cao hơn

2.3 K ỹ thuật Prechirp phi tu y ến:

Một kỹ thuật bù tán khác được gọi là kỹ thuật prechirp phi tuyến được đưa ra vào năm

1989 bằng cách khuyếch đại ở ngõ ra bộ phát bằng bộ khuyếch đại bán dẫn quang SOA hoạt động ở chế độ có độ lợi bão hòa Ở chế độ có độ lợi bão hòa xảy ra các biến đổi phụ thuộc thời gian của mật độ sóng mang, do đó xuất hiện hiệu ứng chirp bên cạnh việc khuyếch đại xung truyền Hiệu ứng chirp phụ thuộc vào dạng xung ngõ vào, và gần như là tuyến tính với hầu hết các xung SOA không những khuyếch đại đơn thuần xung truyền

mà còn làm cho chirp có thông số C>0 Do xuất hiện hiệu ứng chirp này, xung ngõ vào cóthể bị nén lại trong sợi quang có β2<0 Hiện tượng nén xung này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm với các xung 40ps kết quả là các xung này bị nén lại còn 23ps khi truyền đi18km trong sợi quang tiêu chuẩn

Hình 2.4: Đồ thị cường độ sáng theo thời gian tín hiệu 16 Gbps khoảng cách truyền 70km

sử dụng sợi quang tiêu chuẩn có và không có sử dụng kỹ thuật chirp SOA

Khả năng nén tán sắc của kỹ thuật này được thực nghiệm vào năm 1989 bằng việc truyềntín hiệu 16 Gbps sử dụng la-de bán dẫn chế độ khóa lỗ ngoài (mode-locked external-cavity semiconductor laser) ở khoảng cách truyền 70km Hình 2.4 so sánh đồ thị cường độ sáng của tín hiệu theo thời gian của tín hiệu ánh sáng có sử dụng và không sử dụng kỹ thuật néntán sắc Từ phương trình 1.2, khi không xét đến ảnh hưởng của chirp khoảng cách truyềntín hiệu 16Gbps bị giới hạn bởi GVD vào khoảng 14km với sợi quang có D=15ps/(km- nm) Sử dụng bộ khếch đại ở vùng có độ lợi bão hòa làm tăng khoảng cách truyền gấp năm lần, chính vì ưu điểm này đã làm cho kỹ thuật bù tán sắc này được quan tâm rất nhiều Ngoài ra kỹ thuật này cũng bù suy hao ghép và suy hao chèn ở bộ phát bằng cách

khuyếch đại tín hiệu trước khi đưa nó vào sợi quang Vì thế, kỹ thuật sử dụng la-de SOA

Hình 2.5: đồ thị quan hệ giữa khoảng cách truyền bị giới hạn do tán sắc GVD và mức

công suất truyền trung bình

Do γ>0 đối với các sợi quang silica, vì thế bản thân sợi quang có thể được dùng để gây rahiệu ứng chirp lên xung Ý tưởng này được đưa ra vào năm 1986 Bằng việc sử dụng các soliton thứ tự cao đi qua tầng nén đầu đã đem lại nhiều cải thiện đáng kể Hình 2.5 đồ thị quan hệ giữa khoảng cách truyền bị giới hạn do tán sắc GVD và mức công suất truyền trung bình ở hệ thống 4 và 8 Gbps Đồ thị này chỉ ra rằng hoàn toàn có thể tăng gấp đôi khoảng cách truyền bằng cách tối ưu lại mức công suất trung bình của tín hiệu ngõ vào ở mức khoảng 3 mW.

3 KỸ THUẬT BÙ SAU

Các kỹ thuật điện tử có thể được dùng để bù tán sắc GVD tại bộ thu Ý tưởng của phương pháp này là mặc dù tín hiệu quang có thể bị suy biến do GVD, nhưng ta có thể cân bằng điện tử tán sắc này của sợi quang bằng hàm truyền tương ứng nhằm triệt tiêu thành phầntán sắc β2 Nó có thể dễ dàng bù tán sắc nếu sử dụng bộ thu Heterodyne để nhận dạng tínhiệu Bộ thu Heterodyne đầu tiên sẽ chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu vi sóng ở tần sốtrung tần ωIF với đầy đủ thông tin về biên độ và pha Bộ lọc thông dải (bandpass) vi sóng

có đáp ứng xung theo hàm truyền:

để cân bằng tán sắc, thực nghiệm này đã truyền tín hiệu 8 Gbps đi một khoảng cách 188

km với sợi quang tiêu chuẩn có tán sắc D=18,5 ps/(km-nm) Thí nghiệm vào năm 1993, sử dụng kỹ thuật phát hiện homodyne để truyền tín dải bên đơn (single sideband), và kết quả

là tín hiệu 6 Gbps có thể khôi phục được tại đầu thu cách đó 270 km sử dụng sợi quang tiêu chuẩn Đường truyền vi dải (microstrip) có thể được thiết kế để bù tán sắc GVD trênsợi quang có chiều dài 4900km tốc độ 2,5Gbps

Thông thường người ta sử dụng bộ cân bằng tán sắc điện tử trong thực tế như một bộ tách sóng thu trực tiếp (direct-detection receiver) Một mạch điện tử tuyến tính không thể bùtán sắc GVD, các thông tin về pha hoàn toàn bị mất trong suốt quá trình tách sóng trực tiếp Đáp ứng của tách sóng quang chỉ đơn thuần nhận biết cường độ tín hiệu quang Kết quả là không một kỹ thuật tuyến tính nào có thể khôi phục lại tín hiệu bị giãn rộng Tuy vậy, một vài kỹ thuật cân bằng phi tuyến đã được phát triển cho phép khôi phục lại tín hiệu ban đầu từ tín hiệu thu bị tác động bởi tán sắc Ở phương pháp đầu tiên

"ngưỡng

quyết định" (Decision threshold) sẽ được giữ ở cố định trung tâm của giản đồ mắt (eye

2 2

diagram), đây là giản đồ phụ thuộc nhiều vào các bit trước đó Một phương pháp khác, bộthu sẽ quyết định bit thu được sau quá trình kiểm tra dạng tín hiệu tương tự trên đường bao bit ở khoảng thời gian giữa các bit Khó khăn chính của tất cả các kỹ thuật này là các mạch điện tử logic phải hoạt động ở tốc độ bit cao và độ phức tạp của nó tăng theo hàm số

mũ với số lượng các bit có xung quang bị giãn rộng do GVD Do đó, cân bằng điện tửthường bị giới hạn là hoạt động ở tốc độ thấp và khoảng cách truyền không cao

Kỹ thuật cân bằng quang điện tử dựa vào sợi quang ngang (transversal fiber) đã được giới thiệu Ở kỹ thuật này, một bộ chia công suất ở đầu thu chua tín hiệu quang nhận được thành nhiều nhánh Độ trễ đường dây trên các nhánh sẽ khác nhau, tín hiệu quang trên mỗi nhánh này được chuyển thành dòng quang điện bằng các bộ tách sóng quang độ nhạy thayđổi và các dòng quang điện này sẽ được cộng lại với nhau sau đó đưa vào mạch quyếtđịnh Kỹ thuật này có thể tăng khoảng cách truyền thêm 3 lần đối với các hệ thống 5Gbps

4 SỢI QUANG BÙ TÁN SẮC

Kỹ thuật bù trước có thể tăng khoảng cách truyền lên 2 lần, tuy nhiên nó lại không phù hợp với các hệ thống đường dài, hệ thống này 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 Vì thế người ta đã nghĩ ra một sợi quang đặc biệt gọi là sợi quang bù tán sắc (DCF : Dispersion Compensating Fiber) Việc sử dụng sợi DCF cho các hệ thống toàn quang có thể bù GVD một cách đáng kể nếu công suất quang trung bình được giữ đủ nhỏ thể các hiệu ứng phi tuyến bên trong sợi là không đáng kể

Để hiểu bản chất vật lý của kỹ thuật điều khiển tán sắc này, ta đánh giá xung quang truyền

đi trong hai sợi quang trong đó sợi thứ hai là sợi DCF Sử dụng công thức 1.4 phương trình truyền ánh sáng quang :

còn trong sợi quang thông thường D1>0 Hơn nữa chiều

dài sợi quang cũng được lựa chọn thỏa điều kiện :

giới hạn quanh mức V  1 Phần nhỏ các mode còn lại được truyền ở lớp bọc (cladding),

là nơi chiết suất nhỏ, ống dẫn sóng làm gia tăng thêm GVD và kết quả là hệ số tán sắc có

giá trị D ∼ 100 ps / (km  nm) Thiết kế làm giảm lớp bọc thường được sử dụng trong

thực tế sản xuất sợi DCF Tuy nhiên, sợi DCF lại có suy hao lớn do sự gia tăng suy hao douốn cong (   0, 4  0, 6dB / km ) Hệ

số D /  thường được sử dụng và gọi là hệ số phẩm

chất M của sợi DCF Vào năm 1997, sợi DCF với M  250 ps / (nm  dB) đã có thể chế

tạo được

Cùng với sự xuất hiện của sợi DCF một giải pháp thực tế để cải thiện các hệ thống quang mặt đất là thêm vào tuyến sợi quang tiêu chuẩn hiện có các module DCF (với khoảng 6-8km sợi DCF) kết hợp với các bộ khuyếch đại quang ở các khoảng 60-80km Sợi DCF bùtán sắc GVD trong khi các bộ khuếch đại bù lại phần suy hao của sợi quang Mô hình này còn tồn tại hai vấn đề Đầu tiện là suy hao chèn của các module DCF thông thưởng khoảng 5dB Suy hao chèn có thể được bù bằng cách tăng độ lợi của các bộ khuyếch đại

tuy nhiên việc tăng độ lợi lại làm tăng nhiễu ASE (nhiễu do khuyếch đại bức xạ tự phát) Vấn đề thứ hai, liên quan bán kính trường mode nhỏ của sợi DCF, nó chỉ xấp xỉ ~20 µm2 .Khi công suất quang lớn đưa vào DCF như công suất ngõ vào, các hiệu ứng phi tuyến sẽtăng đáng kể

Các vấn đề liên quan đến sợi DCF có thể được giải quyết bằng cách sử dụng sợi quang hai mode được thiết kế với tần số chuẩn hóa V của mode có thứ tự cao hơn ở gần

điểm cutoff hơn ( V  2, 5 ) Chẳng hạn như các sợi quang có cùng suy hao như sợi quang đơn mode, nhưng được thiết kế để hệ số tán sắc D của mode có thứ tự cao có giá trị

âm nhỏ và bằng khoảng -770ps/(km-nm) 1km chiều dài của sợi DCF có thể bù GVD cho khoảng

40km tuyến cáp quang, việc thêm vào sợi DCF chiều dài như thế cũng làm tăng đáng kểsuy hao quang trên toàn tuyến

Việc sử dụng sợi DCF hai mode yêu cầu một thiết bị chuyển đổi mode có khả năng chuyển đổi năng lượng từ mode cơ bản sang mode có thứ tự cao hơn Đã có một số thiết bị

chuyển đổi mode toàn quang được phát triển Thiết bị chuyển đổi mode toàn quang đượcdựa trên quan điểm về tính tương thích trong mạng toàn quang, và giảm suy hao chèn Một yêu cầu nữa đối với thiết bị chuyển đổi mode là nó phải được phân cực mạnh và hoạt động với băng thông rộng Hầu hết các bộ chuyển đổi mode trong thực tế sử dụng sợi quang haimode với một cách tử quang để ghép nối giữa hai mode Chu kỳ cách tử  được chọn saocho độ sai khác hệ số mode giữa hai mode là  n thỏa    /  nvà thông thường nó xấp

xỉ 100 µm Vì các cách tử được gọi là cách tử quang chu kỳ dài Hình 4.1 chỉ ra mô hình sợi DCF hai mode với cách tử chu kỳ dài

Hình 4.1: Mô hình sợi DCF hai mode sử dụng cách tử chu kỳ dài

Các đặc tính tán sắc đo được của sợi DCF được chỉ ra ở hình 4.1b Hệ số tán sắc D có giátrị 420ps /  km  nm ở bước bước sóng 1550nm và thay đổi nhiều ở các bước sóngkhác Đây là một đặc tính quan trọng cho phép bù tán sắc băng rộng Nói một cách tổng

quát sợi DCF được thiết kế để D tăng theo bước sóng Sự phụ thuộc vào bước sóng của

hệ số tán sắc D là một đặc tính quan trọng để DCF có thể hoạt động trong các hệ thốngWDM Phần này sẽ được để cập ở mục 9

5 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 Hầu hết trong số nghiên cứu mới này là các bộ lọc cân bằng quang (Optical Equalizing Filter) Các bộ lọc giao thoa (Interferometric Filter) sẽ được giới thiệu trong mục này, mục tiếp theo sẽ trình bày về các cách tử quang

Chức năng của bộ lọc quang có thể được diễn tả qua công thức 1.4 Tác động của GVDlên tín hiệu quang được biểu hiện thông qua phần tử pha exp(i z2 / 2) , hiển nhiên là bộ

lọc quang có hàm truyền sẽ triệt tiêu phần tử pha này để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.Tuy nhiên, không có bộ lọc quang nào có hàm truyền phù hợp hoàn toàn để bù tán sắc GVD một cách chính xác Một số bộ lọc quang có khả năng bù tán sắc riêng bằng cách bắt chước hàm truyền lý tưởng Nếu bộ lọc được đặt sau sợi quang có chiều dài L, tín hiệuquang sẽ được lọc và có thể được viết lại bằng cách sử dụng biểu thức 1.4

 d m  / d m (m  0,1, ) được đánh giá ở tần số sóng mang quang ω0 Hằng số pha

0 và thời gian trễ 1 không tác động vào hình dạng xung và có thể được bỏ qua Xung phatạo ra bởi sợi quang có thể được bù bằng cách chọn bộ lọc có 2  2 L Xung sẽ được khôi phục hoàn toàn chỉ khi H ()  1 và phần tử thứ 3 trong khai triển Taylor ở phươngtrình 5.2 phải âm Hình 5.1 mô tả mô hình kết hợp giữa bộ lọc quang và khuyếch đại quang để bù đồng thời tán sắc GVD và suy hao Hơn nữa, bộ lọc quang có thể giảm nhiễu khuyếch đại nếu băng thông bộ lọc nhỏ hơn băng thông bộ khuyếch đại

Hình 5.1: Mô hình kết hợp giữa bộ lọc quang và khuyếch đại quang.

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 Một ví dụ đơn giản của bộ

2

lọc quang là sử dụng giao thoa Fabry-Perot Thực ra phổ truyềnH FP của giao thoaFabry-Perot có thể được xác định thông qua hệ số khuyếch đại Fabry-Perot ở phương trình

5.2b với G=1 Để bù tán sắc, chúng ta cần một tần số độc lập về pha của hàm truyềnH(ω), được xác định bằng việc đánh giá các thành phần ánh sáng truyền giữa hai gương.

Giao thoa Fabry-Perot phản chiếu được gọi là giao thoa Gires-Tournois, được thiết kế để

có thể phản xạ 100% Hàm truyền đạt ở phương trình 5.3

(5.2b) (5.3)Với hằng số H0 đặc trưng cho suy hao tổng cộng, r là hệ số phản xạ trước gương và T là thời gian truyền đi về (round-trip) bên trong hốc FP Do H FP  là độc lập tần số, chỉ cóphổ pha được thay đổi bởi bộ lọc FP Tuy nhiên, thành phần pha     củaHFP    có

nhiều điểm khác biệt hơn Đây là hàm tuần hoàn có các cực tại các giá trị cộng hưởng FP.Tại vùng lân cận của mỗi cực, tồn tại một vùng phổ mà tại đó sự thay đổi về pha gần như

là hàm bậc 2 Bằng cách khai triển  ( ) bằng chuỗi Taylor, biểu thức 2 sẽ là

Hình 5.2 : Mô hình bộ lọc quang sử dụng giao thoa Mach-Zehnder.

Giao thoa Mach-Zehnder cũng có thể được ứng dụng để chế tạo các bộ lọc quang Giaothoa MZ trong sợi quang có thể được tạo ra bằng cách kết nối hai bộ ghép nối có hướng (directional coupler) mắc nối tiếp như trong hình 5.2b Bộ ghép đầu tiên chia tín hiệu ngõ vào thành hai phần bằng nhau, hai thành phần này sẽ có sự sai pha nếu có sự sai khác về chiều dài nhánh của bộ ghép Tín hiệu có thể thoát ra khỏi một trong hai cổng ngõ ra phụ thuộc vào tần số ánh sáng và chiều dài nhánh của bộ ghép Hàm truyền đại tại port ngõ ra

bộ ghép sẽ là

H MZ( )  1 1  exp(i )

2

(5.5)

Với τ là độ trễ giữa hai nhánh của bộ ghép tạo giao thoa MZ

Một bộ giao thoa MZ đơn không thể sử dụng làm bộ lọc quang mà phải có một chuỗi nhiều bộ tạo giao thoa ghép tầng với nhau để tạo thành bộ lọc cân bằng Bộ lọc như thế cóthể được chế tạo theo kiểu mạch sóng quang phẳng (planar lightwave cỉcuit) bằng cách sử dụng các ống dẫn sóng thủy tinh Hình 5.2 a mô tả cấu trúc thiết bị nêu trên Thiết bị với kích thước 52x71mm2 có suy hao là 8dB Nó bao gồm 12 bộ ghép nối với chiều dài nhánh không đồng bộ ghép tầng nối tiếp với nhau Một đầu đốt bằng Crôm được sử dụng ở một nhánh của mỗi bộ giao thoa MZ để tạo ra quang nhiệt nhằm điều khiển xung quang Ưu điểm chính của thiết bị này là đặc tính cân bằng tán sắc có thể đưcọ điều khiển bằng chiềudài nhánh và số lượng bộ giao thoa MZ

Hoạt động của bộ lọc MZ có thể được biểu diễn qua hình 5.2b Thiết bị được thiết kế để các thành phần tần số cao sẽ được truyền đi ở nhánh có chiều dài lớn hơn của bộ giao thoa

MZ Kết quả là, chúng sẽ trễ hơn các thành phần tần số thấp do được truyền ở các nhánhngắn Hàm truyển H(ω) có thể được xác định được qua phân tích mạch và được dùng đểtối ưu thiết kế cũng như hoạt động của thiết bị Thực nghiệm vào năm 1994 với một mạch sóng quang phẳng có năm bộ giao thoa MZ tạo ra độ trễ 836 ps/nm Thiết bị này chỉ có vài

cm chiều dài nhưng lại có khả năng bù tán sắc cho khoảng 50km sợi quang tiêu chuẩn Hạn chế chính của thiết bị này chính là 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 Ở thiết bị này, GVD có thể thay đổi từ -1006 đến

834ps/nm

Cách tử Bragg hoạt động như 1 bộ lọc quang ,dựa trên hiện tượng băng chặn (stopband),

vùng tần số mà hầu hết tất cả những ánh sáng tới bị phản xạ lại.

Băng chặn này được tập trung chủ yếu tại bước sóng Bragg B  2n 

Với  là chu kỳ cách tử, n là chiết suất trung bình Sóng truyền hướng tới và hướng về

có bước sóng gần với bước sóng Bragg và kết quả là tạo ra 1 hệ số phản xạ độc lập tần sốcho tia tới trên toàn băng thông

Thực chất cách tử quang sợi hoạt động như 1 bộ lọc phản xạ, đã được sử dụng để bù tán sắc và được đề xuất thực hiện từ thập niên 80

6.1 Chu kỳ cách tử đ ồ ng nhất (Uniform-Period Gratings)

Xét 1 cách tử đơn giản nhất khi n là 1 hàm biến đổi tuần hoàn n(z)  n  n g cos(2 z / )Với n g là độ sâu điều chế Cách tử Bragg được phân tích dựa trên việc sử dụng phương trình lưỡng mode (coupled-mode equations) mà nó mô tả sóng truyền hướng tới và sóngtruyền hướng về dA

Lưu ý rằng hằng số lan truyền    B  q

Thông số tán sắc của cách tử quang sợi được cho bởi:

Hình 6.2: Tán sắc vận tốc nhóm GVD Mô tả hàm g theo thông số  tương ứng với

các giá trị của hệ số  trong khoảng 1-10Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) của cách tử tùy thuộc vào thông số  GVD bất thường ở tần

số cao hoặc vùng “blue” của băng chặn (stop band) khi  là tuyệt đối và tần số sóng mang vượt quá tần số Bragg Ngược lại GVD trở lại bình thường (  g

>0) ở vùng tần số thấphoặc vùng “red” của băng chặn Vùng “red” này có thể dùng để “bù” cho vùng bất thườngcủa GVD của sợi quang tiêu chuẩn Vì g có thể vượt quá 1000 p s 2 / c m

Một cách tử đơn dài 2 cm có thể được dùng để bù GVD cho sợi quang dài 100km Tuynhiên tán sắc bậc 3 của cách tử bị suy hao và biến đổi nhanh Dùng cách tử sợi quangđồng nhất để bù tán sắc

Vấn đề có thể giải quyết bằng cách sử dụng kỹ thuật làm mịn (apodization) tạinơi chiết suất không đồng nhất của cách tử Kết quả là z phụ thuộc vào  Trong thực tế

kỹ thuật làm mịn apodization xảy ra 1 cách tự nhiên khi mà tia Gaussian sử dụng cho

phép chụp ảnh giao thoa (khi dùng chùm tia cực tím phân bố Gauss để ghi ảnh cách tử.Với các cách tử như trên, hệ số  lớn nhất ở giữa sợi và giảm dần về 2 đầu của sợi Phương pháp chế tạo cách tử tốt hơn là làm cho hệ số k thay đổi tuyến tính dọc theo toàn chiều dài cách tử sợi quang.)

Một cuộc thí nghiệm vào 1996 cho thấy 1 cách tử dài 11cm có thể bù tán sắc đạt được tốc

độ 10Gb/s của tín hiệu truyền trên chiều dài sợi quang 100km Hệ số  (z) thay đổi từ0-6 c m  1

trên chiều dài cách tử

Hình 6.3: Tín hiệu phát (đường liền nét) và trễ( đường chấm) , hàm của bước sóng cho

cách tử đồng nhất  (z) thay đổi từ 0-6 c m  1

trên chiều dài cách tử 11cm

Đặc tính truyền dẫn của cách tử được tính toán bằng cách giải phương trình lưỡng mode bằng phương pháp số học

Đường cong liền nét chỉ ra mối liên hệ giữa trễ nhóm với đạo hàm của pha trong phương

Thực vậy, cách tử bù tán sắc GVD trên 100km chiều dài sợi quang với tốc độ tín hiệu10Gb/s chỉ suy giảm 2% công suất và đạt được tỉ lệ lỗi bit BER = 10 9

Nơi không có cách tử sẽ có độ suy hao rất lớn