Chuyên đề Điều khiển tán sắc

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC -----------oOo---------- ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG NÂNG CAO HỆ CAO HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC GVHD: TS. Lê Quốc Cường HVTH: Nguyễn Trần Anh Tuấn Phạm Minh Tú Lớp: CH09ĐT2 TP.HỒ CHÍ MINH, NĂM 2010 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC -----------oOo---------- ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG NÂNG CAO HỆ CAO HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC GV hướng dẫn: TS. Lê Quốc Cường Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trần Anh Tuấn Phạm Minh Tú Lớp: CH09ĐT2 TP.HỒ CHÍ MINH, NĂM 2010 Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 1 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  Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 2 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 gLκ =2 và gLκ =3 ....................................................................................................................... 23  Hình 6.2: Tán sắc vận tốc nhóm GVD . Mô tả hàm 2 gβ theo thông số δ tương ứng với các giá trị của hệ số κ 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 κ (z) thay đổi từ 0-6 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  1cm − Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 3 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 ADM Add Drop Multiplexer Thiết bị xen rẽ BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bít CW Continuous Wave Sóng liên tục DBR Distributed Bragg Reflector Phản xạ phân bố Bragg DCF Dispersion-Compensating Fiber Sợi quang bù tán sắc DDF Dispersion-Decreasing Fiber Sợi quang giảm tán sắc DGP Differential Group Delay Trễ nhóm DM Dispersion-managed Quản lý 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 FM Frequency Modulation Điều chế tần số FP Fabry–Perot Một loại khoang cộng hưởng FRASL Fiber Raman Soliton Laser Laser quang Raman Soliton Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 4 FWHM Full-Width at Half-Maximum Độ rộng tại nửa cực đại FWM Four-Wave Mixing Trộn 4 bước sóng GVD Group-Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm LED Light Emitted Diode Nguồn phát dạng LED MZ Mach–Zehnder Một loại bộ lọc NTE Network Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối mạng NLS Nonlinear Schr¨odinger Schrodinger phi tuyến NOLM Nonlinear Optical-Loop Mirror Gương quang vòng phi tuyến NRZ Nonreturn to Zero Mã NRZ NSE Nonlinear Schr¨odinger Equation Phương trình Schrodinger NSDSF Nonzero-Dispersion-Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc OA Optical Amplifier Khuếch đại quang OAT Optically amplified transmitter Bộ phát khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ rẽ bước sóng quang OBA Optical Booster Amplifier Bộ khuếch đại đệm quang OAR Optically amplified receiver Bộ thu khuếch đại quang OC Optical Channel Kênh quang ODM Optical Demultiplexer Tách bước sóng quang OF Optical Fiber Sợi quang OFC Optical Fiber Cable Cáp sợi quang OM Optical Multiplexer Ghép bước sóng quang OMUX Optical MUX Bộ ghép kênh quang OPA Optical Preamplifier Bộ tiền khuếch đại quang OPU Optical Preamplification Unit Khối tiền khuếch đại quang ORX Optical Receiver Bộ thu quang OSC Optical Transmission Section Kênh giám sát quang OTX Optical Transmitter Bộ phát quang PIM Polarization-Interleaved multiplexing Ghép xen kênh phân cực PMD Polarization-Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode RZ Return to Zero Mã RZ SAGCM Separate Absorption, Grading, Charge, and Multiplication Sự hấp thụ, pha trộn, phí tổn và khuếch đại riêng biệt SNR Signal-To-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SPM Self-Phase Modulation Tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman SSFS Soliton Self-frequency Shift Dịch tần số Soliton TOD Third-Order Dispersion Tán sắc bậc 3 TW Traveling Wave Sóng Traveling Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 5 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 XPM Cross-Phase Modulation Điều chế xuyên pha Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 6 ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC Suy hao quang không còn là giới hạn lớn nhất trong các hệ thống thông tin quang, thay vào đó trong các hệ thống thông tin quang hiện đại giới hạn thường gặp nhất là do tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến gây nên. Suy hao quang được giải quyết một cách dễ dàng bằng các bộ khuyếch đại quang tuy nhiên đi kèm với nó lại làm gia tăng tán sắc, trái ngược với các bộ tái tạo (Regenerator) điện tử, một bộ khuyếch đại quang không khôi phục lại tín hiệu được khuyếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu. Kết quả là, tán sắc tích lũy qua các bộ khuyếch đại làm giảm khả năng truyền tín hiệu. Chính vì lý do này, đã có nhiều mô hình điều khiển tán sắc được nghiên cứu suốt thập niên 1990 để hạn chế tác động của tán sắc trong các hệ thống thông tin quang. Trong bài báo cáo này sẽ giới thiệu một số kỹ thuật đặc biệt dựa vào lý tính của hiện tượng truyền dẫn quang để cải thiện tán sắc trong thực tế. 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 mục 1.6 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) có thể 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 hoạt động ở bước sóng 1,55 µm sử dụng la-de phát DFB, các hệ thống này sử dụng cáp sợi Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 7 quang đơn mốt “tiêu chuẩn” với bước sóng tán sắc không λZD là 1,31 µm hệ thống này được xây dựng trong suốt thập niên 1980 ở Hoa Kỳ và có chiều dài khoảng 50 triệu km. Do có tán sắc ܦ ൎ 16 ݌ݏ/ሺ݇݉ െ ݊݉ሻ 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 1(4 )L B D sλ −< (0.1) Với sλ 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 ps/(km- nm) và sλ = 0,15nm hoạt động ở tốc độ B = 2,5 Gbps theo công thức 1.1 ta có thể tính ra được Lൎ 42 km. Vì thế, đối với các hệ thống sử dụng thiết bị tái tạo tín hiệu bằng điện 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. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 8 Hoạt động của hệ thống có thể được cải thiện đáng kể bằng việc sử dụng một bộ điều chế ngoài 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. Trong trường hợp sλ =0, khoảng cách truyền giới hạn theo công thức 2 1 2(16 )L Bβ −< (0.2) 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 10 Gbps, 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 vận tốc 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 2 3 32 2 3 02 6 iA A A z t t ββ∂ ∂ ∂+ − =∂ ∂ ∂ (0.3) Với A là biên độ hình bao của xung, tác động của thành phần tác sắc khác tán sắc vận tốc nhóm GVD được mô tả qua thông số β3. Trong thực tế giá trị 2β thường được giới hạn không quá 0,1 ps2/km. Phương trình 1.3 được giải ra trong trường hợp β3=0 là 2 2 1( , ) (0, ) exp 2 2 iA z t A z i t dω β ω ω ωπ +∞ −∞ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠∫  (0.4) Hàm (0, )A ω là biến đổi Fourier của A(0,t) Tán sắc làm ảnh hưởng đến tín hiệu quang truyền đi trong hệ thống nguyên nhân gây ra là do phần tử pha exp 22( / 2)i zβ ω , 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. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 9 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 tưởng này được thực hiện dựa vào phương trình 1.4. Phương trình này sẽ chỉ còn thành phần biên độ phổ biến thiên (0, )A ω 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: 2 2(0, ) (0, )exp( / 2)A A i Lω ω ω β⎯⎯→ −  (1.1) Với L là chiều dài sợi quang, GVD sẽ được bù một cách chính xác và xung vẫn sẽ giữ được 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 lý thuyết 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 2 0 0 1(0, ) exp 2 iC tA t A T ⎡ ⎤⎛ ⎞+⎢ ⎥= − ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦ (1.2) Với C là hệ số chirp, dựa vào hình 2.1 ta thấy rằng với giá trị C mà β2C<0 thì xung ngõ vào 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 cách truyền sẽ được xác định theo công thức: 2 2 1 1 D C CL L C + += + (1.3) Với 2 2/D oL T β= là chiều dài tán sắc, trong trường hợp không sử dụng xung chirp Gauss C=0 khi đó L=LD. Tuy nhiên khoảng cách L sẽ tăng khoảng 36% khi C=1. Chú ý rằng L<LD trong trường hợp quá có nhiều giá trị của C. Thực ra, mức độ cải thiện khoảng cách Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 10 tối đa của hệ thống là 2 lần khi C=1/ 2 . Do đó kỹ thuật prechirp cần được tối ưu một cách 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 truyền tín 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 Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 11 mô hình cơ bản, tần số của la-de DFB tạo ra đầu tiên được điều tần FM sau đó được đưa vào bộ điều chế ngoài để điều chế biên độ AM. Kết quả là tín hiệu quang truyền đi được điều chế cả AM và FM. Trên thực tế, sóng mang quang sử dụng trong điều chế FM có thể được thực hiện bằng cách đưa dòng điện nhỏ khoảng 1mA vào la-de DFB. 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 [ ]2 20 0 0(0, ) exp( / )exp (1 sin )mE t A t T i t tω δ ω= − − + (1.4) Với tần số 0ω của xung được điều chế hình sin tại tần số mω với độ quá điều chế là δ. Ở gần trung tâm của xung sin( )m mt tω ω≈ khi đó phương trình 2.4 sẽ trở thành 2 0 0 0 1(0, ) exp exp( ) 2 iC tE t A i t T ω⎡ ⎤⎛ ⎞+⎢ ⎥≈ − −⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦ (1.5) Hệ số chirp C là: 2 0 02 mC Tδω ω= (1.6) Ta thấy rằng hệ số chirp có thể điểu khiển được bằng các thông số điều tần FM là δ và ωm. Điều chế pha của sóng mang quang cũng làm cho chirp dương, phương trình 2.4 có thể được viết lại thành: Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 12 [ ]2 20 0 0(0, ) exp( / )exp cos( )mE t A t T i t i tω δ ω= − − + (1.7) Do sử dụng cosxൎ1-x2/2. Ưu điểm của kỹ thuật điều pha là bản thân bộ điều chế ngoài có thế tự điều chỉnh pha của nó. Phương pháp đơn giản nhất để thực hiện là sử dụng bộ điều chế ngoài có chiết suất điều chỉnh được bằng điện tử, bằng cách này sẽ tạo ra tần số chirp với C>0. Vào cuối những năm 1991 tín hiệu 5 Gbps đã truyền đi được 256 km khi sử dụng 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 bộ phát. 2.2 Kỹ thuật mã hóa Novel: Hình 2.3: Bù tán sắc sử dụng mã hóa FSK Sử dụng kết hợp điều chế AM và FM cho tín hiệu quang không phải là phương pháp duy nhất để bù tán sắc. Một phương thức khác được sử dụng để bù tán sắc là sử dụng điều chế khóa dịch tần FSK để truyền dẫn tín hiệu. Tín hiệu FSK được tạo ra bằng cách chuyển đổi bước sóng của la-de bằng một khoảng ∆λ giữa các bit 0 và bit 1 trong khi công suất phát không đổi. Trong suốt quá trình truyền dọc theo sợi quang, hai bước sóng này truyền đi Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 13 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 λ∆ = ∆ . Độ dịch bước sóng ∆λ được chọn sao cho 1/T 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 thành tín hiệu bị điều chế cả biên độ. Tín hiệu được giải mã tại đầu thu bằng cách sử dụng bộ tích 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 các thử nghiệm này nhằm đến việc tăng khoảng cách truyền ở bước sóng 1,55µm tốc độ 10 Gbps hoặc cao hơn sử dụng sợi quang tiêu chuẩn. Vào năm 1994, việc truyền tín hiệu 10 Gbps 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 được cải 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 thiện đáng kể hoạt động cho các hệ thống ở tốc độ 10Gbps và cao hơn. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 14 2.3 Kỹ thuật Prechirp phi tuyến: 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 có thể 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 đi 18km 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 truyền tín 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 nén tán sắc. Từ phương trình 1.2, khi không xét đến ảnh hưởng của chirp khoảng cách truyền tín 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 Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 15 như một phần tử khuyếch đại đường dây có thể dùng để bù đồng thời suy hao sợi quang và tán sắc GVD. Ở môi trường phi tuyến cũng có thể sử dụng kỹ thuật prechirp cho các xung truyền. Ở môi trường có chiết suất phụ thuộc cường độ quang (Intensity-dependent refractive index) sẽ gây ra hiệu ứng chirp cho các xung quang thông qua hiện tượng tự điều pha SPM. Do đó một kỹ thuật prechirp phi tuyến đơn giản dựa trên hiện tượng này là sử dụng ở ngõ ra bộ phát một sợi quang có chiết suất phụ thuộc cường độ quang với chiều dài phù hợp trước khi đưa tín hiệu quang đó vào tuyến quang cần truyền. Tín hiệu quang ở sợi quang thêm vào là: [ ](0, ) ( ) exp ( )mA t P t i L P tγ= (1.8) Với P(t) là công suất của xung, Lm là chiều dài của môi trường phi tuyến và γ là hệ số phi tuyến. Trong trường hợp các xung Gauss có công thức 2 20 0( ) exp( / )P t P t T= − , hiệu ứng chirp khi đó gần như là tuyến tính, khi đó phương trình 2.8 sẽ xấp xỉ bằng 2 0 0 0 1(0, ) exp exp( ) 2 m iC tA t P i L P T γ⎡ ⎤⎛ ⎞+⎢ ⎥≈ − −⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦ (1.9) Với thông số chirp C=2γLmP0 , thống số phi tuyến γ>0 thì thông số chirp C sẽ dương vì thế có thể thực hiện được việc bù tán sắc. 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 Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 16 Do γ>0 đối với các sợi quang silica, vì thế bản thân sợi quang có thể được dùng để gây ra hiệu 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 phần tán sắc β2. Nó có thể dễ dàng bù tán sắc nếu sử dụng bộ thu Heterodyne để nhận dạng tín hiệu. Bộ thu Heterodyne đầu tiên sẽ chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu vi sóng ở tần số trung 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: ( )2IF 2( ) exp / 2H i Lω ω ω β⎡ ⎤= − −⎣ ⎦ (2.1) Với L là chiều dài sợi quang. Tín hiệu sẽ được khôi phục lại ở đầu thu tín hiệu, kết luận này tuân theo lý thuyết chuẩn của các hệ thống tuyến tính bằng cách sử dụng phương trình 1.4 với z=L. Thực nghiệm vào năm 1992 sử dụng đường dây microstrip chiều dài 31,5 cm 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 trên sợi 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 bù tán 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 Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 17 diagram), đây là giản đồ phụ thuộc nhiều vào các bit trước đó. Một phương pháp khác, bộ thu 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 tử thường 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 thay đổi và các dòng quang điện này sẽ được cộng lại với nhau sau đó đưa vào mạch quyết định. 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 : 2 21 1 22 2 1( , ) (0, )exp ( ) 2 2 iA L t A L L i t dω ω β β ω ωπ +∞ −∞ ⎡ ⎤= + −⎢ ⎥⎣ ⎦∫  (3.1) Với L=L1+L2 và β2j là thông số GVD của sợi quang có chiều dài Lj (j=1,2). Nếu sử dụng sợi DCF sẽ khử thành phần pha ω2, xung truyền sẽ được khôi phục về hình dạng ban đầu ở phía cuối của sợi DCF. Điều kiện để bù tán sắc tốt nhất là 21 1 22 2 0L Lβ β+ = hoặc 1 1 2 2 0D L D L+ = (3.2) Phương trình 4.2 chỉ ra rằng sợi quang DCF phải có hệ số tán sắc GVD ở 1,55µm là D2<0 còn trong sợi quang thông thường D1>0. Hơn nữa chiều dài sợi quang cũng được lựa chọn thỏa điều kiện : Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 18 2 1 2 1( / )L D D L= − (3.3) Trong thực tế người ta cố gắng để chọn L2 nhỏ nhất nếu có thể, trường hợp này xảy khi sợi DCF có giá trị âm D2 rất nhỏ (hay 2D rất lớn). Mặc dù ý tưởng sử dụng sợi DCF được đưa ra vào những năm 1980, nhưng cho mãi sau này khi xuất hiện các bộ khuyếch đại quang vào những năm 1990 thì việc ứng dụng sợi DCF mới được phát triển. Có hai hướng cơ bản để thiết kế sợi DCF. Đầu tiên sợi DCF hỗ trợ đơn mode, nhưng nó được thiết kế với tần số chuẩn hóa V nhỏ. Mode cơ bản được giới hạn quanh mức 1V ≈ . 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 100 / ( )D 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 do uốn cong ( 0,4 0,6 /dB kmα = ÷ ). Hệ số /D α thường được sử dụng và gọi là hệ số phẩm chất M của sợi DCF. Vào năm 1997, sợi DCF với 250 / ( )M 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 bù tán 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 sẽ tăng 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 ( 2, 5V ≈ ). 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 kể suy 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 Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 19 chuyển đổi mode toàn quang được phát triển. Thiết bị chuyển đổi mode toàn quang được dựa 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 hai mode với một cách tử quang để ghép nối giữa hai mode. Chu kỳ cách tử Λ được chọn sao cho độ sai khác hệ số mode giữa hai mode là nδ thỏa / nλ δΛ = và 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 giá trị ( )420ps / km nm− − ở bước bước sóng 1550nm và thay đổi nhiều ở các bước sóng khác. 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 thống WDM. 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 GVD lên tín hiệu quang được biểu hiện thông qua phần tử pha 22exp( / 2)i zβ ω , hiển nhiên là bộ Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 20 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 hiệu quang sẽ được lọc và có thể được viết lại bằng cách sử dụng biểu thức 1.4 2 2 1( , ) (0, ) ( )exp 2 2 iA L t A H L i t dω ω β ω ω ωπ +∞ −∞ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠∫  (5.1) Bằng cách khai triển thành phần pha H(ω) bằng khai truyển Taylor đến bậc 2 ta có : [ ] 20 1 21( ) ( ) exp ( ) ( ) exp ( )2H H i H iω ω φ ω ω φ φω φ ω⎡ ⎤= ≈ + +⎢ ⎥⎣ ⎦ (5.2) Với / ( 0,1,...)m mm d d mφ φ ω= = được đánh giá ở tần số sóng mang quang ω0. Hằng số pha 0φ và thời gian trễ 1φ không tác động vào hình dạng xung và có thể được bỏ qua. Xung pha tạo ra bởi sợi quang có thể được bù bằng cách chọn bộ lọc có 2 2Lφ β= − . Xung sẽ được khôi phục hoàn toàn chỉ khi ( ) 1H ω = và phần tử thứ 3 trong khai triển Taylor ở phương trình 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 lọc quang là sử dụng giao thoa Fabry-Perot. Thực ra phổ truyền 2FPH của giao thoa Fabry-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 truyền H(ω), được xác định bằng việc đánh giá các thành phần ánh sáng truyền giữa hai gương. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 21 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, 2r là hệ số phản xạ trước gương và T là thời gian truyền đi về (round-trip) bên trong hốc FP. Do ( )FPH ω là độc lập tần số, chỉ có phổ pha được thay đổi bởi bộ lọc FP. Tuy nhiên, thành phần pha ( )φ ω của ( )FPH ω 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 ( )φ ω bằng chuỗi Taylor, biểu thức 2φ sẽ là 2 3 2 2 (1 ) / (1 )T r r rφ = − + (5.4) Ví dụ với một hốc FP 2cm với r=0,8 và 22 2200 psφ ≈ , bộ lọc quang có thể bù tán sắc GVD cho khoảng 110km tuyến quang tiêu chuẩn. Thực nghiệm vào năm 1991 sử dụng các thiết bị toàn quang có thể truyền tín hiệu 8Gbps qua một khoảng 130km sử dụng sợi quang tiêu chuẩn. Các hệ thống này có suy hao chèn khoảng 8dB và được bù bằng việc sử dụng các bộ khuyếch đại quang. Suy hao 6dB là do bộ ghép quang 3dB sử dụng để chia tín hiệu phản xạ từ các tín hiệu tới. Lượng suy hao này có thể rút giảm xuống còn khoảng 1dB nếu sử dụng bộ truyền vòng quang (optical circulator), đây là một thiết bị có ba cổng dùng để truyền công suất từ một port đến các port còn lại theo vòng. Tuy nhiên do suy hao cao và băng thông hẹp của các bộ lọc FP đã làm giới hạn chúng trong các hệ thống quang thực tế. Hình 5.2 : Mô hình bộ lọc quang sử dụng giao thoa Mach-Zehnder. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 22 Giao thoa Mach-Zehnder cũng có thể được ứng dụng để chế tạo các bộ lọc quang. Giao thoa 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 [ ]1( ) 1 exp( ) 2MZ H iω ωτ= + (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 có thể 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 chiều dài 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 nhánh ngắn. Hàm truyển H(ω) có thể được xác định được qua phân tích mạch và được dùng để tối 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. 6. CÁCH TỬ SỢI QUANG BRAGG (Fiber Bragg Gratings) 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. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 23 2 2 , 0 ng B B ππ πδ κλ λ λ Γ= − = Băng chặn này được tập trung chủ yếu tại bước sóng Bragg 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 số cho 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 đồng nhất (Uniform-Period Gratings) Xét 1 cách tử đơn giản nhất khi n là 1 hàm biến đổi tuần hoàn ( ) cos(2 / )gn z n n zπ= + ∧ Với gn 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 sóng truyền hướng về /dA dz i A i Af f bδ κ= + (6.1) /b b fdA dz i A i Aδ κ−= − (6.2) Với fA và bA là biên độ phổ của 2 sóng và : (6.3) κ là hệ số kết hợp Phương trình kết hợp có thể được giải dựa trên bản chất tuyến tính. Hàm truyền đạt của cách tử: (6.4) Hình 6.1 : Độ lớn(a) và pha(b) của hệ số phản xạ cách tử sợi quang đồng nhất với gLκ =2 và gLκ =3 Với gL là độ dài cách tử. 2 2 2q δ κ= − Hình 6.1 trên cho thấy độ lớn và pha của hệ số phản xạ tương ứng với gLκ =2 và gLκ =3. Hệ số phản xạ cách tử gần đạt 100% khi gLκ =3 ∧ 2B nλ = ∧ )sin((0)( ) ( ) (0) gb f B i qLAH w r w A κ λ= = = Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 24 B qβ β= ± Tuy nhiên khi pha gần như trong vùng tuyến tính, cách tử làm cho sự tán sắc chỉ tồn tại bên ngoài stop band (băng chặn) Lưu ý rằng hằng số lan truyền Thông số tán sắc của cách tử quang sợi được cho bởi: (6.5) Với gv là vận tốc nhóm( Group velocity) của xung, tần số sóng mang Hình 6.2: Tán sắc vận tốc nhóm GVD . Mô tả hàm 2 gβ theo thông số δ tương ứng với các giá trị của hệ số κ trong khoảng 1-10 Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) của cách tử tùy thuộc vào thông sốδ GVD bất thường ở tần số cao hoặc vùng “blue” của băng chặn (stop band) khi δ là tuyệt đối và tần số sóng mang vượt quá tần số Bragg. Ngược lại GVD trở lại bình thường ( 2 gβ >0) ở vùng tần số thấp hoặc vùng “red” của băng chặn. Vùng “red” này có thể dùng để “bù” cho vùng bất thường của GVD của sợi quang tiêu chuẩn. Vì 2 gβ có thể vượt quá 1000 . Một cách tử đơn dài 2 cm có thể được dùng để bù GVD cho sợi quang dài 100km. Tuy nhiên tán sắc bậc 3 của cách tử bị suy hao và biến đổi nhanh . Dùng cách tử sợi quang đồng nhất để bù tán sắc. Vấn đề có thể giải quyết bằng cách sử dụng kỹ thuật làm mịn (apodization) tại nơi chiết suất không đồng nhất của cách tử. Kết quả là z phụ thuộc vào κ . Trong thực tế kỹ thuật làm mịn apodization xảy ra 1 cách tự nhiên khi mà tia Gaussian sử dụng cho 2 /p s cm 2 2 2 3 2 32 2 3/ 2 2 2 5/ 2 sgn( ) / 3 / , ( ) ( ) g gg gv vδ κ δ κβ βδ κ δ κ= − =− − 0 02 /w π λ= Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 25 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 κ 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 κ (z) thay đổi từ 0-6 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 κ (z) thay đổi từ 0-6 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 trình [ ] 20 1 21( ) ( ) exp ( ) ( ) exp ( )2H H i H iω ω φ ω ω φ φω φ ω⎡ ⎤= ≈ + +⎢ ⎥⎣ ⎦ . Trong vùng bước sóng 0.1nm gần với bước sóng 1544.2nm, trễ nhóm biến đổi gần như tuyến tính tại tỉ số 2000 ps/nm. Điều này chỉ ra rằng cách tử có thể bù tán sắc cho GVD trên 100 km sợi quang chuẩn . Thực vậy, cách tử bù tán sắc GVD trên 100km chiều dài sợi quang với tốc độ tín hiệu 10Gb/s chỉ suy giảm 2% công suất và đạt được tỉ lệ lỗi bit BER = . Nơi không có cách tử sẽ có độ suy hao rất lớn. Sử dụng cách tử để bù tán sắc khi bước sóng tín hiệu trong phạm vi vùng stop band và bước sóng cách tử như 1 bộ lọc phản xạ. Số lượng trạng thái của phương trình cho chu kỳ 1cm − 1cm − 910− Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 26 cách tử đồng nhất khi κ (z) biến đổi tuyến tính từ 0 đến 12 trên 12 cm chiều dài. Điều này chỉ ra rằng tốc độ trễ nhóm, tập trung ở bước sóng Bragg , có thể được sử dụng cho bù tán sắc nếu bước sóng của tín hiệu tới trong vùng trung tâm của stop band để phổ tín hiệu biến đổi tuyến tính. 1 cách tử dài 8.1 cm có khả năng bù tán sắc GVD trên chiều dài 257 km sợi quang chuẩn với tốc độ 10 Gb/s. Mặc dù cách tử đồng nhất được sử dụng cho bù tán sắc nhưng nó chịu đựng được vùng hẹp của stop band (nhưng vùng băng chặn của chúng là tương đối hẹp (tiêu chuẩn<0.1nm) và do vậy, không thể sử dụng tại tốc độ bit cao. 6.2 Chirped Fiber Gratings: (Cách tử sợi quang Chirped) Cách tử Chirped có vùng băng chặn tương đối rộng (broad stop band) và được đề xuất để bù tán sắc vào khoảng đầu năm 1987 Chu kỳ quang n ∧ trong cách tử chirped không phải là hằng số và thay đổi theo chiều dài của cách tử. Bước sóng Bragg cũng biến đổi suốt chiều dài của cách tử, những thành phần tần số khác của tia tới được phản xạ tại những điểm khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện Bragg được thỏa mãn. Điều quan trọng là, vùng băng chặn của cách tử quang chirped được chồng chập từ nhiều băng chặn con (mini stop band) , trong đó mỗi băng chặn con tạo ra sự một sự thay đổi bước sóng Bragg dọc theo cách tử (giống như bước sóng của cách tử Bragg) . Kết quả là stop band có thể rộng đến vài nm. Trong hình 6.4 ta thấy ở thành phần tần số thấp thì xung sẽ bị trễ bởi vì chu kỳ quang sẽ tăng lên. Theo hình vẽ, thông số tán sắc Dg của một cách tử chiều dài Lg có thể được xác định bằng cách sử dụng quan hệ R g gT D L λ= ∆ với RT là chu kỳ cách tử và λ∆ khác với bước sóng Bragg tại 2 điểm cuối của cách tử. Do 2 /R gT nL c= nên tán sắc cách tử được cho bởi: 2 / ( )gD n c λ= ∆ Ví dụ: gD ~5x ps/(km-nm) cho 1 cách tử có băng thông λ∆ =0.2nm Bởi vì giá trị của gD lớn, cách tử chirped dài 10 cm có thể bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ở chiều dài lên đến 300km (sợi quang chuẩn) 1cm − 710 Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 27 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 Để thực hiện cách tử chirped có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau. Điều quan trọng là chu kỳ quang nΛ thay đổi dọc theo cách tử ( trục z), và do đó sự thay đổi có thể là Λ hoặc chiết suất n theo z. Một số kỹ thuật được đề cập: Dual-beam holographic.Double-exposure technique, Phase- mask technique. Ứng dụng của cách tử quang Chirped vào việc bù tán sắc đã được chứng minh trong thập niên 90 với nhiều thí nghiệm truyền tín hiệu. Hình 6.5: Hệ số phản xạ và thời gian trễ trong cách tử quang Chirped tuyến tính với băng thông 0.12nm Năm 1994 Bù tán sắc GVD cho chiều dài 160 km và tốc độ 10-20Gb/s Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 28 Năm 1995 cách tử chirped dài 12 cm dùng để bù tán sắc cho GVD chiều dài270 km Tốc độ 10Gb/s. Sau đó khoảng cách truyền tăng lên 400 km chỉ sử dụng cách tử chirped dài 10cm. Điều này có 1 sự cách biệt so với khoảng cách 20km khi không dùng cách tử bù tán sắc. Trong hình 6.5 chỉ ra hệ số phản xạ và trễ nhóm (quan hệ với đạo hàm của pha ) theo 1 hàm của bước sóng cho cách tử 10cm với λ∆ =0.12nm , tốc độ 10 Gb/s Tín hiệu được bù trong vùng băng chặn của cách tử. Chu kỳ cách tử Λ thay đổi chỉ 0.008% trên suốt chiều dài của nó Sự bù tán sắc hoàn toàn xảy ra trong vùng phổ mà đạo hàm pha là tuyến tính. Độ dốc của trễ nhóm( khoảng 5000 ps/nm) là 1 đại lượng bù tán sắc của cách tử. Có thể bù tán sắc GVD cho 400 km với tốc độ 10Gb/s. Cách tử chu kỳ giảm dần cần được làm mịn theo cách các hệ số ghép tạo đỉnh ở khoảng giữa cách tử nhưng giảm dần về cuối. Quá trình làm mịn là cần thiết để loại bỏ các gợn sóng xảy ra trong cách tử có hệ số κ . Cách tử gD bị giới hạn bới băng thông λ∆ mà bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD) yêu cầu với tốc độ bit B. Hơn nữa khi khoảng cách truyền tăng tại cùng 1 tốc độ bit thì băng thông tín hiệu giảm và kỹ thuật prechirp được sử dụng tại đầu phát. Trong 1 thử nghiệm hệ thống vào 1996 cho thấy kỹ thuật prechirp của tín hiệu quang 10Gb/s được kết hợp với 2 cách tử quang chirped, ghép nối tiếp để tăng khoảng cách truyền lên đến 537 km. Kỹ thuật thu hẹp băng thông cũng được kết hợp với cách tử. Mô hình mã hóa nhị phân đôi (duobinary) thu hẹp băng thông đến 50%. Trong 1 thí nghiệm 1996. khoảng cách truyền ở tốc đôGb/s được mở rộng đến 700 km bằng cách sử dụng cách tử chirped kết hợp với mô hình mã nhị phân đôi pha luân phiên ( phase-alternating duobinary ). Băng thông cách tử bị thu hẹp xuống 0.073 nm, quá hẹp ở tốc độ tín hiệu 10 Gb/s nhưng đủ rộng cho tín hiệu nhị phân đôi băng thông hẹp. Hạn chế chính của cách tử sợi quang chu kỳ thay đổi là chúng hoạt động giống như một bộ lọc phản xạ (hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ các tia sóng). Một bộ ghép quang 3-dB thường được sử dụng để cách ly giữa sóng phản xạ và sóng tới. Tuy nhiên, phải mất 6-dB cho các suy hao xen (nghĩa là các suy hao xen trong bộ ghép quang 3-dB). Thường trong thực tế người ta dùng bộ cách ly quang vòng (circulator) do nó có thể giảm suy hao xen xuống dưới mức 2dB. /d dwφ /d dwφ Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 29 Vài kỹ thuật khác cũng được sử dụng. 2 hoặc nhiều hơn cách tử quang có thể kết hợp với bộ lọc phát để bù tán sắc với mức suy hao tương đối thấp. Hai hoặc nhiều hơn cách tử quang có thể được kết hợp với nhau tạo thành một bộ lọc phát để được biến đổi thành 1 bộ lọc phát bằng cách tạo ra dịch pha giữa cách tử Cách tử Moier được tạo thành bằng cách đặt chồng 2 cách tử chirped trên cùng 1 đoạn của sợi quang, do đó nó cũng sẽ đạt giá trị đỉnh trong vùng băng chặn của nó. Băng thông của bộ lọc phát này thì tương đối hẹp. Hình 6.6: Sơ đồ bù tán sắc bằng cách dùng 2 bộ lọc phát fiber –base transmission filter 6.3 Bộ ghép mode Chirped (chirped mode couplers) Phần này tập trung vào 2 linh kiện quang hoạt động như một bộ lọc phù hợp cho việc bù tán sắc. Một bộ ghép mode chu kỳ thay đổi là một linh kiện toàn quang được thiết kế dựa trên nguyên lý ghép cộng hưởng phân bố chu kỳ thay đổi. Ý tưởng phía sau bộ ghép cộng hưởng phân bố chu kỳ thay đổi thật đơn giản. Khác với cách ghép các sóng tới và sóng phản xạ trong cùng một mode (như trong cách làm của cách tử sợi quang), cách tử chu kỳ thay đổi ghép hai mode sóng trong cùng một sợi quang hai mode. Linh kiện này tương tự như bộ đổi mode sóng đã đề cập trong mục 4 liên quan đến sợi DCF (sợi bù tán sắc) ngoại trừ chu kỳ cách tử biến đổi tuyến tính dọc theo chiều dài sợi quang. Tín hiệu được chuyển từ mode cơ sở sang mode bậc cao hơn bởi cách tử, nhưng các thành phần tần số khác nhau sẽ di chuyển với các quãng đường khác nhau trước khi được chuyển đổi mode nhờ vào đặc tính chu kỳ thay đổi của cách tử và điều đó dẫn đến việc ghép hai mode sóng lại với nhau (ie. để trở thành mode cao hơn). Nếu chu kỳ cách tử tăng dần dọc theo chiều dài của bộ ghép, bộ ghép có thể bù được GVD (tán sắc vận tốc nhóm). Tín hiệu vẫn lan truyền theo hướng tới cho đến khi được chuyển sang mode cao Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 30 hơn của bộ ghép. Một bộ chuyển đổi mode cách tử chu kỳ đều được dùng để chuyển tín hiệu trở lại mode cơ sở. Cách làm khác cho cùng ý tưởng trên là ghép các mode cơ sở của sợi quang hai lõi với hai lõi này là khác nhau. Nếu hai lõi là đủ gần (về khoảng cách), sóng suy biến giữa các mode sóng sẽ dẫn đến việc chuyển năng lượng từ lõi này sang lõi kia, tương tự như bộ ghép có hướng. Khi khoảng cách giữa hai lõi giảm tuyến tính, sự chuyển năng lượng xảy ra tại nhiều điểm khác nhau dọc theo sợi quang, phụ thuộc vào tần số của tín hiệu lan truyền. Do vậy, một sợi quang 2 lõi với khoảng cách của các lõi giảm tuyến tính có thể bù được GVD. Linh kiện dựa trên nguyên lý này giữ tín hiệu lan truyền theo hướng tới, mặc dù về mặt vật lý có sự chuyển năng lượng sang lõi kế cận. Cách thiết kế này có thể được tích hợp vào cùng một linh kiện bằng cách dùng các ống dẫn sóng bán dẫn do các siêu mode (supermode) sinh ra từ việc ghép hai ống dẫn sóng có thể điều chỉnh được một lượng lớn GVD. 7. LIÊN HỢP PHA QUANG OPC Mặc dù sử dụng kỹ thuật liên hợp pha quang (OPC) 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. Ngược lại với những gì đề cập trong chương này, kỹ thuật OPC là một kỹ thuật quang phi tuyến. Trong mục này sẽ mô tả nguồn gốc và tập trung vào ứng dụng hệ thống quang trong thực tế 7.1 Nguyên lý hoạt động: Các đơn giản nhất để hiểu một OPC có thể bù tán sắc vận tốc nhóm GVD là giải phương trình liên hợp phức 22 1( , ) (0, ) exp( ) 2 2 iA z t A w zw iwt dwβπ ∞ ∞ = −∫  (7.1.1) Thu được: * 2 * 3 * 32 2 3 02 6 iA A A z t t ββ∂ ∂ ∂− − =∂ ∂ ∂ (7.1.2) So sánh pt (7.1.1) và (7.1.2) cho thấy vùng pha kết hợp A* lan truyền với hệ số truyền 2β của GVD có đảo dấu. Nhận thấy 1 điều rằng, nếu miền quang được kết hợp pha ở giữa liên kết sợi quang , sự tán sắc trên nửa đầu và nửa sau của liên kết là bù nhau. Vì số hạng 3β không đổi dấu khi liên hợp pha, OPC không thể bù cho tán sắc bậc 3. Ở đây, dễ dàng thấy rằng, bằng cách giữ các thành phần bậc cao hơn trong khai triển Taylor ở phương trình Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 31 2 3320 1( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 3 ww n w w w w c βββ β β= ≈ + ∆ + ∆ + ∆ (7.1.3) khi đó OPC có thể bù cho tất cả các thành phần tán sắc bậc chẵn mà không ảnh hưởng đến các thành phần bậc lẻ. Tính hiệu quả của liên hợp pha quang khoảng giữa phổ trong việc bù tán sắc có thể được kiểm chứng bằng cách sử dụng phương trình 22 1( , ) (0, ) exp 2 2 iA z t A z i t dω β ω ω ωπ +∞ −∞ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠∫  (7.1.4) Miền quang (optical field) trước OPC tìm được bằng cách sử dụng z = L/2 ở phương trình này. Sự lan truyền của vùng sóng kết hợp pha A* trong phần sau OPC như sau: * * 22 1( , ) ( , ) exp( ) 2 2 4 L iA L t A w Lw iwt dwβπ ∞ −∞ = −∫  (7.1.5) Với A* (L/2,ω) là biến đổi Fourier của A* ( L/2,t) và được tính bởi: * * 2 2( / 2, ) (0, ) exp( / 4)A L w A w iw Lβ= − −  (7.1.6) Thay phương trình (7.1.6) vào (7.1.5), ta được A(L,t)=A*(0,t). Vì vậy, ngoại trừ đảo pha do OPC, vùng đầu vào được phục hồi một cách hoàn toàn, và dạng sóng được phục hồi như ban đầu. Vì phổ của tín hiệu sau OPC trở thành đối xứng với phổ ban đầu, kỹ thuật OPC được đề cập như kỹ thuật đảo phổ khoảng giữa. 7.2 Bù tán sắc bằng tự điều chế pha (Compensation of Self-Phase Modulation ) Hiện tượng phi tuyến SPM làm cho sợi quang sinh ra hiện tượng chirp đối với tín hiệu truyền trên 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 b