Phƣơng pháp quản lý tán sắc này làm thay đổi đặc điểm của các xung đầu vào trong máy phát trƣớc khi đƣợc truyền bên trong đƣờng truyền sợi quang. Ý tƣởng cơ bản có thể đƣợc hiểu từ phương trình ( 3.4 ). Nó bao gồm việc thay đổi biên độ phổ Ã (0, ω) của xung đầu vào theo cách thức làm loại bỏ sự suy biến do GVD, hoặc ít nhất là cũng làm giảm đáng kể. Nếu biên độ phổ thay đổi theo : Ã(0,ω) → Ã (0,ω) exp (−iω2β2L/2) (3.6)
Trong đó, L là chiều dài sợi, thì GVD sẽ đƣợc bù một cách chính xác, và xung sẽ vẫn giữ đƣợc hình dạng tại đầu ra của sợi. Tuy nhiên, không dễ thực hiện
phương trình (3.6). Trong một cách thức đơn giản, xung đầu vào sẽ đƣợc dịch tần phù hợp để giảm thiểu sự dãn rộng xung do GVD. Do sự dịch tần đƣợc áp dụng trong máy phát trƣớc khi xung đƣợc lan truyền, do đó mô hình này đƣợc gọi là mô hình kỹ thuật dịch tần trƣớc.
3.2.1Kỹ thuật dịch tần trước
Khi áp dụng phương trình truyền sóng ( 3.3 ) ở trên, thì sự lan truyền của các xung Gaussian đầu vào trong sợi quang đƣợc thiết lập bằng biên độ ban đầu nhƣ sau :
( 3.7 )
Trong đó : A là biên độ đỉnh.
T0 biểu thị một nửa độ rộng tại điểm cƣờng độ 1/e. Nó có mối liên hệ với độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWHM (full width at half maximum) của xung bởi biểu thức sau :
TFWHM = 2.( ln2.T0 )1/2 ≈ 1,665.T0 ( 3.8 )
Hình 3.1 Sự thay đổi của tham số mở rộng với khoảng cách truyền cho một xung đầu vào Gaussian dịch tần.
Nhƣ hình 3.1, với các giá trị của C khi β2 C < 0, xung đầu vào sẽ đƣợc nén trong sợi tán sắc. Do vậy, nếu xung đƣợc dịch tần hợp lý sẽ có thể lan truyền ở khoảng cách xa hơn trƣớc khi dãn rộng ra ngoài vị trí khe bit của nó. Theo tính toán ban đầu về sự biến đổi, xét trƣờng hợp dãn rộng xung có thể áp dụng hệ số lên tới 2 bằng phƣơng trình sau :
Trong đó T1 là nửa độ rộng xung đƣợc định nghĩa nhƣ T0. Xét với T1/T0 = 2, khoảng truyền đƣợc tính nhƣ sau : LD C C C L 2 2 1 2 1 ( 3.10 )
Trong đó LD = T20/|β2| là chiều dài tán sắc. Đối với các xung Gaussian chƣa dịch tần thì C = 0 và L = LD. Tuy nhiên, L có thể tăng 36% khi C = 1. Cũng phải lƣu ý rằng L < LD khi giá trị của C lớn. Trên thực tế, sự tăng tối đa khi đạt hệ số
2 sẽ xuất hiện nếu C = 1/ 2.
o Xét trƣờng hợp các laze bán dẫn điều chế trực tiếp. Những laze đó đã gây dịch tần xung một cách tự động qua thay đổi chỉ số sóng mang dƣới sự chi phối của hệ số tăng độ rộng dòng βc. Tuy nhiên, tham số dịch tần C lại
mang giá trị âm (C = - βc) đối với các laze bán dẫn điều chế trực tiếp. Vì β2
trong vùng bƣớc sóng 1,55 µm cũng mang giá trị âm đối với các sợi tiêu chuẩn, nên điều kiện β2C < 0 không đƣợc thỏa mãn. Trên thực tế, theo hình 3.1, dịch tần trong quá trình điều chế trực tiếp cũng làm tăng sự dãn rộng xung GVD, do vậy làm giảm khoảng cách truyền dẫn.
o Còn trong trƣờng hợp điều chế ngoài, các xung quang gần nhƣ không phải dịch tần. Kỹ thuật dịch tần trƣớc trong trƣờng hợp này sử dụng một dịch tần số có giá trị tham số dịch tần dƣơng C, do đó điều kiện β2C < 0
đƣợc thỏa mãn. Theo mô hình đƣợc trình bày trong hình 3.2, trƣớc tiên tần số laze DFB đƣợc điều chế tần số (FM) sau đó đầu ra của laze mới đƣợc truyền tới bộ điều chế ngoài để điều chế biên độ (AM). Kết quả là các tín hiệu quang bao gồm cả AM và FM.
Hình 3.2 chỉ rõ, tần số của sóng mang quang đƣợc điều chế, tiếp đến là sự điều chế biên độ ngoài, đã phát sinh tín hiệu chứa xung dịch tần. Số lƣợng dịch tần có thể đƣợc xác định nhƣ sau. Với giả thiết là xung có hình dạng Gauss, khi đó tín hiệu quang sẽ là:
E(0, t) = A0 exp(−t2/T20) exp [−iω0(1+δ sinωmt)t] ( 3.11 )
Trong đó, ω0 là tần số sóng mang của xung đƣợc điều chế theo hình sin với tần số ωm và hệ số điều chế δ. Gần tâm xung, sin(ωmt) ≈ωmt và phương trình (3.11) sẽ đƣợc khai triển thành : exp( ) 2 1 exp ) , 0 ( 0 2 0 0 i t T t iC A t E ( 3.12 ) Trong đó, tham số dịch tần C đƣợc xác định bởi:
C = 2δωmω0T20 ( 3.13 )
Cả dấu và biên độ của tham số dịch tần C đều biến thiên theo sự thay đổi bởi các tham số δ và ωm của phƣơng pháp điều chế FM.
Hình 3.2 Sơ đồ kỹ thuật dịch tần trƣớc đƣợc sử dụng để bù tán sắc: (a) đầu ra FM của laze DFB (b) dạng xung do bộ điều chế ngoài tạo ra c) xung đƣợc dịch tần
trƣớc đƣợc sử dụng trong truyền tín hiệu.
Sự điều chế pha của sóng mang quang học có thể làm cho dịch tần đạt giá trị dƣơng hoặc có thể thay phương trình (3.11) bằng phƣơng trình:
E(0, t) = A0 exp(−t2/T20) exp[−iω0t +iδ cos(ωmt)] ( 3.14 )
Và sử dụng cos x ≈ 1 – x2/2. Một lợi thế của kỹ thuật điều chế pha là bản thân thiết bị điều chế ngoài có thể điều chế pha sóng mang. Đơn giản nhất là sử dụng bộ điều chế ngoài có chỉ số khúc xạ biến thiên điện tử theo phƣơng thức tạo ra dịch tần số C > 0. Đầu năm 1991, tín hiệu đã đƣợc truyền đi với khoảng cách 256 km ở tốc độ 5Gb/s, trong đó có sử dụng bộ điều chế LiNbO3 có giá trị C nằm trong dải 0.6 – 0.8. Các giá trị thực nghiệm này cũng phù hợp với lý thiết xung Gauss là cơ sở của phương trình ( 3.10 ). Các loại điều chế bán dẫn khác, nhƣ điều chế hấp thụ điện hoặc điều chế Mach-Zehnder (MZ), có thể dịch tần đƣợc các xung quang với C > 0, và đƣợc sử dụng để chứng minh khả năng truyền có thể vƣợt giới hạn tán sắc. Với sự phát triển của laze DFB tích hợp trong thiết bị điều chế điện tích hợp liền, việc thực hiện kỹ thuật dịch tần trƣớc trở nên thực tế hơn. Trong thí nghiệm năm 1996, một tín hiệu NRZ 10Gb/s đã đƣợc truyền đi một khoảng cách là 100 km, sử dụng sợi tiêu chuẩn và cùng một loại máy phát nhƣ thế.