Các kỹ thuật bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang

2.2.1 Kỹ thuật bù sau

Đây là kỹ thuật điện có thể đƣợc sử dụng để bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ở trong bộ thu quang. Kỹ thuật này dựa trên nguyên tắc: Mặc dù tín hiệu quang đã bị suy giảm do GVD gây ra, nhƣng ngƣời ta có thể cân bằng các ảnh hƣởng của tán sắc bằng phƣơng pháp điện nếu nhƣ sợi quang đóng vai trò nhƣ một hệ thống tuyến tính. Nếu nhƣ bộ thu quang heterodyne Coherent mà đƣợc dùng để tách tín hiệu thì việc bù tán sắc là tƣơng đối dễ dàng. Điều này có thể hiểu đƣợc thông qua việc

21

phân tích về bộ thu quang trên. Bộ thu Heterodyne trƣớc hết biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu viba tại trung tần 𝜔𝑡𝑡trong khi vẫn bảo toàn cả thông tin về biên độ và pha. Bộ lọc băng thông của đáp ứng xung đƣợc chi phối bởi hàm chuyển đổi sau đây:

𝐻(𝜔) = 𝑒𝑥𝑝 −𝑡 𝜔 − 𝜔𝑡𝑡 2𝛽2𝐿

2 (2.6)

Với L là độ dài tuyến sợi quang, bộ lọc cần hoàn lại đƣợc dạng tín hiệu gốc từ tín hiệu thu đƣợc. Đây là kỹ thuật thực tế nhất đối với bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang Coherent. Trong thực tế việc sử dụng bộ thu Coherent là không khả thi, sử dụng bộ lọc tán sắc bằng điện đối với bộ thu tách sóng trực tiếp thì đƣợc sử dụng thực tế hơn nhiều. Mạch điện tuyến tính sẽ không thể bù tán sắc vận tốc nhóm GVD trong trƣờng hợp này đƣợc. Vấn đề đặt ra là tờn bộ các thông tin về pha sẽ bị mất trong quá trình thu trực tiếp vì bộ tách sóng quang chỉ đáp ứng với cƣờng độ quang mà thôi. Nếu vậy, sẽ không có kỹ thuật cần bằng tuyến tính nào có thể khôi phục đƣợc tín hiệu vốn trải rộng ra ngoài khe bit đã định. Tuy nhiên có một vài kỹ thuật cân bằng phi tuyến đã đƣợc nghiên cứu, các kỹ thuật này cho phép khôi phục tín hiệu bị xuống cấp. Đầu tiên phải kể đến phƣơng pháp áp dụng ngƣỡng quyết định, ngƣỡng này đã đƣợc giữ cố định tại tâm của sơ đồ hình mắt, và đƣợc thay đổi tùy thuộc vào các bit đứng trƣớc nó. Trong một phƣơng pháp khác. Ngƣời ta quyết định bit đã cho sau khi kiểm tra dạng sóng analog trên một khoảng nhiều bit xung quanh bit cần giải quyết. Sự khó khăn chủ yếu đối với tất cả các kỹ thuật này là chúng yêu cầu các mạch logic điện phải hoạt động tại tốc độ bit và có tính phức tạp tăng theo hàm mũ với số bit mà ở đó xung quang bị dãn do sự dãn xung từ GVD. Nhƣ vây, gải pháp cân bằng điện chỉ dùng cho các hệ thống có tốc độ bit thấp và cự ly truyền dẫn chỉ khoảng vài độ dài tán sắc.

Ngoài ra còn có một kỹ thuật cân bằng quang điện khác nữa, lỹ thuật này dựa vào bộ lọc quang. Với kỹ thuật này, bộ chia công suất tại thiết bị thu quang thực

22

hiện chia tín hiệu thu đƣợc thành vài nhánh. Các đƣờng dây trễ cấu tạo là sợi quang đƣợc dùng trong kỹ thuật bù này sẽ tạo ra các giá trị dễ thay đổi trong các nhánh khác nhau. Tín iệu quang trong mỗi một nhánh đƣợc biến đổi thành dòng photo nhờ các bộ tách sóng quang có độ nhạy máy thu biến đổi, và dòng phôt tổng sẽ đƣợc mạch quyết định xử lý. Kỹ thuật này có thể mở rộng cự ly truyền dẫn tăng 3 lần tại tốc độ bit 5Gbit/s.

2.2.2 Kỹ thuật bù trƣớc

Kỹ thuật bù trƣớc là một kỹ thuật áp dụng phƣơng pháp tiếp cận trên cơ sở sửa đổi các đặc tính của các xung tín hiệu đầu vào tại thiết bị phát quang trƣớc khi tín hiệu này đƣợc phát vào tuyến truyền dẫn.Ý tƣởng cốt lõi của phƣơng pháp này xuất phát từ biểu thức (2.5).Nó gắn với việc thay đổi biên độ phổ 𝐴°(0, 𝜔) của xung tín hiệu đầu vào. Nhƣ vậy, sự xuống cấp tín hiệu do tán sắc vận tốc nhóm GVD gây ra sẽ đƣợc hạn chế hay chí ít cũng giảm đƣợc tới mức tối thiểu. Tuy nhiên, giải pháp cụ thể để thực hiện theo ý tƣởng này cho tới nay là không dễ dàng vì việc tính toán để bù chính xác cho GVD là rất phức tạp. Chính vì thế, qua việc nghiên cứu về kỹ thuật này, hiện tại có một cách tiếp cận khác đơn giản hơn, đó là ngƣời ta chủ động cho xung tín hiệu đầu vào chirp hợp lý sao cho có thể giảm thể tối thiểu sự dãn xung do GVD gây ra. Và các giải pháp có thể đƣợc sử dụng nhƣ sau:

2.2.2.1 Kỹ thuật bù chirp

Kỹ thuật bù chirp là một kỹ thuật khá hấp dẫn và đã đƣợc áp dungjroongj rãi. Vì chirp tần số đƣợc áp dụng tại thiết bị phát trƣớc khi phát tín hiệu xung vào tuyến truyền dẫn cho nên kỹ thuật này còn đƣợc gọi là kỹ thuật bù chirp trƣớc (Pre- chirp). Cách đơn giản để hiểu rõ vai trò của chirp trƣớc là dựa trên lý thuyết về sự lan truyền tín hiệu xung bị chirp. Trong trƣờng hợp này, biên độ tín hiệu đầu vào có thể đƣợc viết nhƣ sau: 𝐴 0, 𝑡 = 𝐴0𝑒𝑥𝑝 −1+𝑖𝐶 2 𝑡 𝑇0 2 (2.7)

23

Với C là tham số chirp, khi C có giá trị nằm trong khoảng 𝛽2𝐶 < 0 thì xung đầu vào đƣợc nén trong sợi có tán sắc. Nhƣ vậy, nếu nhƣ xung đƣợc chirp một cách phù hợp thì nó có thể lan truyền trên một cự ly rất dài trƣớc khi bị dãn ra ngoài vị trí khe bit của nó. Ta có thể xem xét một cách định tính sự cải thiện tín hiệu trong trƣờng hợp này chỉ có thể chấp nhận sự dãn xung với hệ số bằng 2.

Khi đó 𝑇1/𝑇2 = 2 và cự ly truyền dẫn có thể tính nhƣ sau:

𝐿 = 𝐶+ 1+2𝐶2

1+𝐶2 𝐿𝐷 (2.8)

Với 𝐿𝐷 = 𝑇02/ 𝛽2 là độ dài tán sắc, với các xung không bị chirp C=0 và

𝐿 = 𝐿𝐷 nhƣng với 𝐶 = −1, L sẽ tăng đến 36.6%. Trong thực tế cải thiện tối ƣu nhất khi 𝐿 = 6khi 𝐶 = − 1 2. Các đặc tính này chỉ rõ rằng kỹ thuật chirp trƣớc đòi hỏi tính tối ƣu cẩn thận. Ngay cả với dạng xung ít khi ở dạng Gaussian trong thực tế thì kỹ thuật chirp trƣớc cũng có thể làm tăng cự ly truyền dẫn với hệ số bằng 2 khi ta áp dụng tốt kỹ thuật này.

Với laser đƣợc điều chế trực tiếp 𝛽2 tại vùng bƣớc sóng 1550 nm lại có giá trị dƣơng đối với sợi tiêu chuẩn cho nên điều kiện 𝛽2𝐶 < 0 không đƣợc thỏa mãn.Trƣờng hợp điều chế ngoài, các xung quang hầu nhƣ không có chirp. Kỹ thuật chirp trƣớc đòi hỏi chirp tần số cần có tham số chirp có giá trị âm để thỏa mãn điều kiện trên.

24

Hình 2.1 là kết quả đo mẫu tín hiệu hình mắt tại cự ly 40 km đo đƣợc ở tín hiệu 10 Gbit/s trong hai trƣờng hợp tham số chirp C lấy các giá trị dƣơng và âm nhờ máy đo phân tích tín hiệu số |37,38|. Khi chirp C có giá trị âm xung đƣợc nén và mẫu hình mắt đƣợc cải thiện rất nhiều vì thế cho phép cải thiện bộ nhạy thu quang. Còn tại C dƣơng xung bị dãn nhiều và làm tiêu hao năng lƣợng phổ tín hiệu sang khe bit lân cận làm giảm độ nhạy thu quang.

Quan sát hình 2.2, tần số của laser DFB đầu tiên đƣợc điều chế tần số FM rồi đầu ra của nó đƣợc cho qua bộ điều chế ngoài để điều chế biên độ AM. Kết quả, tín hiệu quang thể hiện dƣới dạng của AM và FM. Điều chế FM của sóng mạng quang có thể đƣợc thực hiện bằng cách điều chế dòng phun của laser DFB bởi một lƣợng nhỏ (~1mA). Mặc dù việc điều chế trực tiếp DFB nhƣ vậy cũng điều chế theo dạng hình sin đối với công suất quang, nhƣng biên độ sẽ đủ nhỏ để nó không gây nhiễu đối với quá trình tách sóng quang. Nhƣ vậy FM của sóng mang quang theo AM điều chế ngoài sẽ phát ra tín hiệu có chứa các xung bị chirp. Số lƣợng chirp có thể đƣợc xác định theo công thức sau, giả sử dạng xung chirp là Gaussian, khi đó tín hiệu quang có thể đƣợc viết nhƣ sau:

E 0, 𝑡 = 𝐴0𝑒𝑥𝑝 −𝑡2

𝑇02 𝑒𝑥𝑝 −𝑖𝜔0 1 + 𝛿𝑠𝑖𝑛𝜔𝑚𝑡 𝑡 (2.9)

25

Tần số mang 𝜔0 của xung đƣợc điều chế dạng sin tại tần số 𝜔𝑚 với độ sâu điều chế là 𝛿, ở vị trí gần tâm xung 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑚𝑡 ≈ 𝜔𝑚𝑡 và biểu thức này viết lại nhƣ sau:

E 0, 𝑡 = 𝐴0𝑒𝑥𝑝 −1+𝑖𝐶2 𝑇𝑡 2 𝑒𝑥𝑝 −𝑖𝜔0𝑡 (2.10)

Với chirp C đƣợc cho là 𝐶 = 2𝛿𝜔𝑚𝜔0𝑇02, dấu và biên độ của C có thể đƣợc điều khiển bằng cách thay đổi các tham số FM gồm 𝛿 và 𝜔𝑚. Ngoài ra điều chế pha sóng mang quang cũng tạo ra chirp âm. Ƣu điểm của kỹ thuật pha là tự bản thân bộ điều chế ngoài có thể điều chế pha sóng mang. Và đơn giản nhất ta dùng bộ điều chế ngoài có chỉ số chiết suất có thể thay đổi đƣợc theo phƣơng pháp điện. Kết quả năm 1991 ngƣời ta truyền thành công 5Gbit/s trên khảng cách 256 km sử dụng bộ điều chế ngoài LiNBO3 để tạo ra các C trong khoảng -0.6 ÷-0.8 130 . Năm 1996. Thử nghiệm thành công hệ thống 10Gbit/s tín hiệu NRZ trên 100 km. Năm 1999, ngƣời ta thực hiện kỹ thuật này và truyền thành côn tín hiệu 10 Gbit/s trên cự ly truyền dẫn dài tới 120 km sợi đơn mode tiêu chuẩn G.652 mà vẫn đảm bảo tỉ số lỗi bit nhỏ với BER = 10-12[38. 184].

2.2.2.2 Chirp do bộ khuếch đại

Vào năm 1989 xuất hiện kỹ thuật chirp trƣớc đơn giản, kỹ thuật khuếch đại tín hiệu đầu ra bộ điều chế trong một bộ khuếch đại laser bán dẫn hoạt động ở chế độ khuếch đại bão hòa. Bão hòa khuếch đại sẽ dẫn đến những biến đổi hàm thời gian trong mật độ sóng mang, gây ra chirp xung đƣợc khuếch đại thông qua những biến đổi về chỉ số chiết suất do sóng mang sinh ra. Về cơ bản chirp thƣờng tuyến tính trên toàn bộ xung. Bộ khuếch đại laser bán dẫn không khí chỉ khuếch đại xung mà còn tạo ra chirp tần số có tham số C<0. Do có chirp này mà xung đầu vào có thể bị nén trong sợi.

Năm 1989 ngƣời ta tiến hành thực nghiệm truyền tín hiệu 16 Gbit/s thu đƣợc từ

26

một laser bán dẫn cộng hƣởng ngoài gõ mode, cự ly sợi truyền dẫn trong thí nghiệm này là 70 km. Khi không có mặt của chirp do bộ khuếch đại sinh ra, cự ly truyền dẫn tại tốc độ bit 16 Gbit/s bị tán sắc vận tốc nhóm GVD hạn chế lại còn khoảng 14 km cho sợi có tham số tán sắc khá nhỏ là là D=15 ps/nm.km. Việc sử dụng bộ khuếch đại trong chế độ bão hòa khuếch đại đã tăng khoảng cách truyền dẫn lên gấp 5 lần, tạo khả năng bù tán sắc đáng kể. Việc bù tán sắc bằng bộ khuếch đại cũng có thể làm cho các suy hao ghép nối và suy hao xen nhờ việc khuếch đại tín hiệu trƣớc khi truyền nó trên sợi quang. Kỹ thuật này có thể áp dụng đồng thời bù cả suy hao và tán sắc sợi nếu nhƣ bộ khuếch đại laser bán dẫn đƣợc lắp đặt cách nhau đều dần theo chu kỳ dọc theo tuyến truyền dẫn tại nơi có các bộ khuêch đại EDFA.

2.2.2.3 Truyền dẫn hỗ trợ tán sắc

Việc điều chế đồng thời AM và FM tín hiệu quang không có tác dụng triệt đêt trong việc bù tán sắc.Hiện tại, có một cách bù tán sắc dựa vào việc sử dụng điều chế tần số thuần khiết đƣợc gọi là truyền dẫn hỗ trợ tán sắc. Điều chế FSK dùng để phát xung quang nhằm cho bƣớc sóng của laser đƣợc chuyển mạch với một lƣợng hằng số ∆𝜆 giữa bit “0” và “1”. Trong quá trình truyền tín hiệu bên trong sợi có tán sắc, hai bƣớc sóng sẽ lan truyền tại các tốc độ khác nhau nhỏ. Trễ thời gian giữa các bit “0” và “1” đƣợc xác định là sự dịch bƣớc sóng ∆𝜆 và bằng:

∆𝑇 = 𝐷𝐿∆𝜆

Sự dịch chuyển bƣớc sóng ∆𝜆 đƣợc chọn sao cho ∆𝑇 = 1 𝐵 với B là tốc độ bit.

27

Hình 2.3: Bù tán sắc bằng kỹ thuật truyền dẫn hỗ trợ bù tán sắc

Hình 2.3 mô tả cơ chế trễ bit sẽ cho ra tín hiệu quang ba mức thế nào ở thiết bị thu quang. Về bản chất thì có thể nói là do tán sắc, tín hiệu FSK thuần khiết đƣợc biến đổi thành tín hiệu có biên độ đƣợc điều chế. Tín hiệu có thể đƣợc giải mã ở bộ thu nhờ sử dụng mạch tổ hợp điện tử kết hợp với mạch quyết định tại bộ thu.

Nguyên lý của kỹ thuật này đƣợc hiểu đơn giản là: Tín hiệu đƣợc điều tần FSK đƣợc đƣa vào sợi quang tại phía phát. Vì công suất đƣa vào sợi quang thông thƣờng là nhỏ cho nên ta có thể coi sợi quang là môi trƣờng truyền dẫn tuyến tính và các thành phần tần số khác nhau sẽ lan truyền với các tốc độ khác nhau. Do đó, tại một số thời điểm sẽ có hiện tƣợng chồng gối các tần số khác nhau này và xuất hiện giao thoa tăng ích và số còn lại không có tần số điều chế nên cƣờng độ quang sẽ giảm. Vì vậy tín hiệu điều tần FSK ở đầu phát sẽ biến đổi thành tín hiệu điều biên ASK tại đầu thu.

28

Hầu hết các thực nghiệm trên thế giới đều thành công bằng việc sử dụng kỹ thuật FSK này để tăng cự ly truyền dẫn cho hệ thống 10Gbit/s tại bƣớc sóng 1550 nm trên sợi tiêu chuẩn G.652. Từ năm 1995 ngƣời ta có thể truyền dẫn tín

hiệu với tốc độ 20 Git/s trên khoảng cách 53 km. Năm 1998, truyền thành công tín hiệu 40 Gbit/s trên khoảng cách 86 km, nhờ sử dụng kỹ thuật hỗ trợ tán sắc mà cự ly truyền dẫn đƣợc cải thiện đáng kể.

2.2.2.4 Chirp do sợi sinh ra

Nhƣ đã biết chỉ số chiết suất phụ thuộc cƣờng độ của xung phi tuyến có thể gây chirp xung nhờ hiện tƣợng tự điều chế pha SPM. Nhƣ vậy, kỹ thuật chirp trƣớc đơn giản gồm việc cho tín hiệu đầu ra bộ điều chế qua môi trƣờng phi tuyến trƣớc khi phát nó vào sợi truyền dẫn. Tín hiệu quang tại đầu vào sợi nhƣ sau:

𝐴 0, 𝑡 = 𝑃 𝑡 𝑒𝑥𝑝 𝑖𝛾 𝐿𝑚𝑃 𝑡 (2.11)

Với P(t) là công suất của xung, Lm là độ dài môi trƣờng phi tuyến, và 𝛾 là tham số phi tuyến. Với xung Gaussian ta có chirp gần nhƣ tuyến tính:

𝑃 𝑡 = 𝑃0𝑒𝑥𝑝 −𝑇𝑡2

02 (2.12) Biểu thức (2.11) đƣợc viết lại nhƣ sau:

𝐴 0, 𝑡 = 𝑃0𝑒𝑥𝑝 −1+𝑖𝐶

2 −𝑡2

𝑇02 𝑒𝑥𝑝 −𝑖𝛾 𝐿𝑚𝑃0 (2.13)

Tham số chirp C= 2𝛾 𝐿𝑚𝑃0, khi 𝛾 < 0, C âm và nó phù hợp với việc bù tán sắc. Vì 𝛾 <0 trong sợi Silica, cho nên bản thân sợi truyền dẫn có thể đƣợc sử dụng để làm chirp các xung. Hình (2.4) mô tả cự ly truyền dẫn bị giới hạn do GVD nhƣ là một hàm số phụ thuộc vào công suất phát trung bình cho hai hệ thống 4 Gbit/s và 8 Gbit/s. Đó chính là khả năng có thể tăng cự ly truyền dẫn gấp đôi bằng cách tối ƣu công suất từng bit của tín hiệu đầu vào khoảng 3 mW.

29

Ngoài một số phƣơng pháp kể trên còn có mọt vài kỹ thuật bù tán sắc có bản chất tuyến tính và cho khả năng bù hoàn toàn tán sắc vận tốc nhóm GVD của sợi nếu công suất quang trung bình đủ thấp để có thể bỏ qua ảnh hƣởng phi tuyến trong sợi quang.Tín hiệu quang đƣợc truyền trên nhiều mảnh sợi ghép lại có đặc tính tán sắc khác nhau. Ví dụ đối với tín hiệu quang đƣợc truyền trên hai mảnh, nhƣ sau:

𝐴 𝐿, 𝑡 = 2𝜋1 𝐴0 0, 𝑤 𝑒𝑥𝑝 𝑖

2𝑤2 𝛽21𝐿1 + 𝛽22𝐿2 − 𝑖𝑤𝑡 𝑑𝑤

2

∞ (2.13)

Trong đó L=L1+L2, 𝛽21 là tham số tán sắc vận tốc nhóm GVD của mảnh sợi có