Các kỹ thuật điện có thể đƣợc ứng dụng để bù GVD trong máy thu. Nguyên lý của phƣơng pháp này là cho dù tín hiệu quang có bị suy biến bởi GVD thì những ảnh hƣởng của tán sắc vẫn có thể đƣợc cân bằng nếu sợi đóng vài trò là một
hệ tuyến tính. Nhƣ vậy là khá đơn giản trong việc bù tán sắc nếu máy thu Heterođin đƣợc sử dụng để tách tín hiệu. Máy thu Heterođin trƣớc hết sẽ biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu vi sóng ở một tần số trung gian ωIF trong khi vẫn bảo toàn biên độ và thông số của pha. Một bộ lọc lấy dải vi sóng có phản ứng xung đƣợc tính theo hàm truyền:
H(ω) = exp[−i(ω −ωIF)2β2L/2] (3.18)
Trong đó, L là chiều dài sợi, sẽ có tác dụng phục hồi lại nguyên dạng tín hiệu thu. Kết luận này dựa trên phần lý thuyết của hệ tuyến tính có áp dụng
phương trình (3.5) với z = L. Kỹ thuật này mang tính thực tiễn cao nhất đối với bù tán sắc xét trong các hệ thống sóng ánh sáng coherent. Trong thí nghiệm truyền dẫn năm 1992, một đường vi băng dài 31,5 cm đã đƣợc sử dụng để cân bằng tán sắc. Công dụng của nó đã có hiệu quả trong việc truyền tín hiệu 8 Gb/s đi 188 km và có độ tán sắc là 18,5 ps/(km.nm). Còn trong thí nghiệm năm 1993, kỹ thuật này đƣợc phát triển để tách sự đồng tần bằng cách ứng dụng truyền dẫn đơn băng biên, khi đó tín hiệu 6 Gb/s có thể đƣợc phục hồi tại máy thu sau khi đã trải qua quãng đƣờng 270 km trên sợi tiêu chuẩn. Các đƣờng vi băng đƣợc thiết kế để bù GVD cho quãng đƣờng dài 4900 km khi hệ thống sóng ánh sáng hoạt động ở tốc độ bit 2,5 Gb/s.
Hình 3.6 Tán sắc giới hạn khoảng cách truyền dẫn nhƣ là một hàm của công suất phát đối với các xung Gaussian(m=1) và siêu Gaussian ( m=3 ) ở tốc độ bit là 4 và 8
Gb/s. Các đƣờng ngang tƣơng ứng với trƣờng hợp tuyến tính.
Việc sử dụng máy thu coherent thƣờng không mang tính thực tế bằng việc sử dụng một bộ cân bằng tán sắc điện cho một máy thu tách sóng trực tiếp. Trong trƣờng hợp này, mạch điện tử tuyến tính không có khả năng bù GVD. Vấn đề nằm ở chỗ các thông số pha sẽ bị mất trong quá trình tách trực tiếp bởi thiết bị tách sóng quang sẽ chỉ có phản ứng với cƣờng độ quang. Do đó, không có kỹ thuật cân bằng tuyến tính nào có thể phục hồi tín hiệu đã vƣợt ra ngoài vị trí khe bit của nó. Tuy nhiên, một số kỹ thuật cân bằng phi tuyến đƣợc phát triển cho phép phục hồi các tín hiệu đã bị suy yếu. Một mặt, ngƣỡng quyết định, thƣờng đƣợc cố định tại tâm biểu đồ dạng mắt, sẽ khác nhau tùy theo các bit trƣớc đó. Mặt khác việc quyết định về một bit cho trƣớc sẽ đƣợc thực hiện sau khi đã kiểm nghiệm dạng sóng tƣơng tự trên các bit bao quanh bit nghiên cứu. Khó khăn lớn nhất khi thực hiện các kỹ thuật này là việc chúng đòi hỏi phải có các mạch logic điện tử hoạt động ở tốc độ bit và độ phức tạp của chúng tăng theo cấp số mũ. Theo đó, sự cân bằng điện sẽ chỉ đƣợc áp dụng với các tốc độ bit thấp và khoảng cách truyền dẫn trong phạm vi chiều dài tán sắc.
Một kỹ thuật cân bằng quang điện tử dựa trên cơ chế lọc ngang cũng đƣợc đƣa ra. Một bộ tách công suất tại máy thu sẽ có nhiệm vụ tách tín hiệu quang nhận đƣợc thành các nhánh. Các đƣờng trễ sợi quang sẽ tạo ra những biến trễ khác nhau trong các nhánh khác nhau. Tín hiệu quang trong mỗi nhánh sẽ đƣợc chuyển đổi thành dòng quang điện bằng cách sử dụng bộ tách sóng quang có độ nhạy biến thiên và dòng quang điện tổng sẽ đƣợc sử dụng trong mạch quyết định. Kỹ thuật này có thể làm tăng khoảng cách truyền dẫn gần khoảng hệ số 3 cho hệ thống sóng ánh sáng hoạt động ở tốc độ 5Gb/s.
3.4 Các sợi bù tán sắc
Các kỹ thuật trƣớc có thể làm tăng khoảng cách truyền dẫn của hệ thống giới hạn tán sắc theo hệ số 2 tuy nhiên lại không phù hợp với các hệ thống đƣờng dài khi mà GVD phải đƣợc bù định kỳ trong suốt chiều dài đƣờng truyền dẫn. Đối với các hệ thống này thì cần nhất là phải có kỹ thuật quản lý tán sắc có ứng dụng sợi thuần quang. Một loại sợi đặc biệt có tên là sợi bù tán sắc (DCF) đã đƣợc phát triển. DCF hỗ trợ thực hiện kỹ thuật thuần quang có khả năng bù toàn diện GVD nếu công suất quang trung bình đƣợc duy trì đủ thấp để những ảnh hƣởng phi tuyến bên trong sợi quang là không đáng kể. Kỹ thuật này phát huy đƣợc tính năng tuyến tính của phương trình (3.3).
Để hiểu rõ tính vật lý trong kỹ thuật quản lý tán sắc này, xét điều kiện từng xung quang lan truyền trong hai phân đoạn sợi, thì khi đó phân đoạn thứ hai sẽ là DCF. Áp dụng phương trình (3.5) cho từng phân đoạn sợi, ta thu đƣợc :
L L i t d i à t L A ( ) 2 exp ) , 0 ( 2 1 ) , ( 2 21 1 22 2 ( 3.19 )
Trong đó, L = L1 + L2 và β2 là tham số GVD cho phân đoạn sợi có chiều dài Lj (j = 1, 2). Nếu phân đoạn DCF đƣợc chọn với giá trị sao cho giới hạn pha ω2 bị triệt tiêu, thì xung sẽ đƣợc phục hồi hình dạng ban đầu tại điểm cuối của DCF. Điều kiện bù tán sắc lý tƣởng là β21L1+ β22L2= 0, hoặc
D1L1+ D2L2 = 0 ( 3.20a )
Từ phương trình ( 3.20a ) ta thấy DCF phải đạt GVD 1,55 µm (D2 < 0) bởi vì các chuẩn sợi viễn thông có D1 > 0. Ngoài ra, chiều dài của sợi phải thỏa mãn:
Để đảm bảo tính thực tiễn, L2 phải càng nhỏ càng tốt. Chỉ khả thi nếu DCF có giá D2 âm lớn. Mặc dù ý tƣởng sử dụng DCF đƣợc ứng dụng từ năm 1980, nhƣng phải đến khi xuất hiện bộ khuếch đại quang trong năm 1990 thì DCF mới đƣợc phát triển mạnh. Một giải pháp thực tế để nâng cấp các hệ thống sóng ánh sáng mặt đất trong đó tận dụng các chuẩn sợi hiện có là bổ sung một module DCF (DCF đạt 6 – 8 km) vào bộ khuếch đại quang có cự ly 60 – 80 km. DCF có khả năng bù GVD trong khi bộ khuếch đại sẽ khắc phục độ suy hao sợi . Phƣơng thức này rất phổ biến nhƣng lại kèm theo hai vấn đề. Một, tổn hao do nối ngoài của module DCF thƣờng vƣợt mức 5dB. Có thể bù tổn hao này bằng cách tăng độ khuếch đại nhƣng sẽ gây nhiễu tăng dần từ các bức xạ tự phát đƣợc khuếch đại (ASE). Hai, do đƣờng kính mode của DCF là tƣơng đối nhỏ nên vùng mode hiệu quả chỉ ≈ 20 µm2. Khi gặp cƣờng độ quang lớn hơn bên trong DCF với công suất đầu vào cho trƣớc, những ảnh hƣởng phi tuyến sẽ tăng lên đáng kể.
Có hai cách thức cơ bản để thiết kế các DCF:
o Một, DCF hỗ trợ mode đơn, tuy nhiên nó đƣợc thiết kế có giá trị tham số sợi V tƣơng đối nhỏ, mode cơ bản chỉ giới hạn V ≈ 1. Khi phân đoạn lớn của mode lan truyền bên trong lớp bọc, chỉ số khúc xạ nhỏ hơn, thì sự tác động của ống dẫn sóng đối với GVD là rất khác nhau, giá trị theo đó D ≈ –100 ps/(km-nm). Thiết kế theo kiểu vỏ lệch thƣờng đƣợc ứng dụng trong thực tiễn để tạo ra các DCF. Nhƣng các DCF cũng sẽ có độ hụt tƣơng đƣơng cao bởi tổn hao do uốn cong có chiều hƣớng tăng lên (α = 0,4 – 0,6 dB/km). Tỷ lệ |D|/α đƣợc sử dụng nhƣ là hệ số chất lƣợng M đối với các DCF. Đến năm 1997, các DCF với M > 250 ps/(nm-dB) mới ra đời.
o Hai, những vấn đề trên đƣợc giải quyết khi sử dụng DCF hỗ trợ hai mode có giá trị V sao cho mode bậc cao gần mức V ≈ 2,5. Những sợi loại này có cùng một độ hụt với sợi đơn mode nhƣng lại đƣợc thiết kế để tham số tán sắc D đối với mode bậc cao có giá trị âm lớn hơn. Trên thực tế, các giá trị D ≈ –770 ps/(km.nm) đều đƣợc đo để ứng dụng cho các sợi lõi elip. Một DCF có chiều dài 1 km có khả năng bù GVD cho đƣờng dây dài 40 km mà suy hao tổng cũng chỉ thay đổi không đáng kể.
Việc sử dụng DCF hai mode đòi hỏi phải có thiết bị chuyển đổi mode có khả năng biến đổi năng lƣợng từ mode cơ bản sang mode bậc cao dƣới sự hỗ trợ
của DCF. Những thiết bị thuần sợi nhƣ vậy cũng đã đƣợc nghiên cứu và chế tạo. Đặc tính thuần sợi của thiết bị chuyển đổi mode là rất quan trọng đảm bảo sự tƣơng thích trong mạng sợi. Ngoài ra, phƣơng thức này cũng sẽ giảm thiểu đƣợc độ tổn hao ghép nối. Loại thiết bị biến đổi mode còn phải có độ nhạy phân cực bằng 0 và phải hoạt động trên một băng thông rộng. Hầu hết các thiết bị chuyển đổi mode đều sử dụng sợi hai mode với một cách tử sợi, cái mà sẽ cung cấp ghép nối giữa hai mode. Chu kỳ cách tử Λ đƣợc chọn để phù hợp với sự chênh lệch chỉ số mode δň của hai mode (Λ = λ/δň) và thƣờng ≈ 100 µm. Các cách tử đó đƣợc gọi là cách tử sợi chu kỳ dài. Tham số D có giá trị – 420 ps/(km.nm) ở 1550 nm và có sự biến thiên lớn theo bƣớc sóng. Đây là một đặc tính quan trọng cho phép thực hiện bù tán sắc băng thông rộng. Nói tóm lại, các DCF đƣợc thiết kế sao cho |D| tăng theo bƣớc sóng. Sự phụ thuộc của giá trị D vào bƣớc sóng đóng một vài trò quan trọng trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM). Vấn đề này sẽ đƣợc bàn đến trong phần 3.9.
Hình 3.7: (a) Biểu đồ của một DCF có sử dụng sợi mode bậc cao (HOM) và hai cách tử chu kỳ dài (LPG). (b) Phổ tán sắc của DCF
3.5 Các bộ lọc quang
Một hạn chế của DCF là phải tƣơng đối dài (>5km) để đảm bảo bù GVD cho đƣờng dây dài trên 50 km và đây chính là nguyên nhân gây tăng đáng kể độ suy hao liên kết, đặc biệt trong trƣờng hợp các ứng dụng đƣờng dài. Vì lẽ đó, đã có một số mô hình thuần quang đƣợc phát triển nhằm quản lý tán sắc. Hầu hết đều đƣợc phân loại dƣới tên các bộ lọc cân bằng quang. Phần này sẽ bàn về các bộ lọc giao thoa trƣớc khi chuyển sang phần cách tử sợi ở mục tiếp theo.
Chức năng của các bộ lọc quang đƣợc hiểu đơn giản theo phương trình (3.5). Do GVD tác động tới tín hiệu quang thông qua pha phổ exp(i β2zω2/2), nên
i t d i H Ã t L A 2 2 2 exp ) ( ) , 0 ( 2 1 ) , (
tín hiệu sẽ đƣợc phục hồi nhờ vào một bộ lọc quang với chức năng truyền dẫn. Tuy nhiên, các bộ lọc quang (ngoại trừ sợi quang) không có chức năng truyền phù hợp để bù chính xác lƣợng GVD nhƣng có thể bù một phần GVD bằng cách mô phỏng chức năng truyền lý tƣởng. Xét bộ lọc quang với chức năng truyền H(ω). Bộ lọc này sử dụng sau khi sợi đạt độ dài L thì tín hiệu quang đƣợc lọc và có thể đƣợc xác định theo phương trình ( 3.5 ):
( 3.21 )
Bằng cách mở rộng pha của H(ω) trong chuỗi Taylor và bình phƣơng số hạng.
H(ω) = |H(ω)|exp[iυ (ω)] ≈ |H(ω)|exp[i(υ0 +υ1ω + 1/2υ2ω2)] ( 3.22 ) Trong đó υm = dmυ /dωm (m = 0, 1, …) đƣợc tính theo tần số sóng mang ω0. Hằng số pha υ0 và thời gian trễ υ1 không làm ảnh hƣởng tới dạng xung và có thể bỏ qua. Pha phổ của sợi đƣợc bù bằng cách chọn bộ lọc quang có υ2 = β2L. Xung sẽ phục hồi hoàn toàn chỉ khi |H(ω)| = 1 và các số hạng bậc ba và bậc cao trong chuỗi Taylor áp dụng trong phương trình (3.22) là không đáng kể. Hình 3.8 cho thấy cách thức một bộ lọc quang đƣợc kết hợp với bộ khếch đại quang sao cho suy hao sợi và GVD đều đƣợc bù cùng một lúc. Ngoài ra, bộ lọc quang còn có khả năng giảm nhiễu khuếch đại nếu băng thông của bộ lọc nhỏ hơn băng thông của bộ khuếch đại. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
) exp( 1 ) exp( 1 ) ( 0 T i r T i r H HFP
Hình 3.8 Quản lý tán sắc trong đƣờng truyền sợi đƣờng dài có sử dụng các bộ lọc quang sau mỗi bộ khuếch đại. Các bộ lọc bù GVD và giảm nhiễu của bộ khuếch đại.
Có thể ứng dụng giao thoa có độ nhạy với tần số ánh sáng đầu vào nhƣ là một bộ lọc quang nhờ vào các tính năng truyền dẫn theo tần số của nó. Lấy ví dụ đơn giản với bộ giao thoa Fabry-Ferot (FP) dùng trong hốc cộng hƣởng laze, hệ số khuếch đại Fabry-Ferot đƣợc tính nhƣ sau:
Trong đó: GFP(v) là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại Fabry-Perot. R1 và R2 là các hệ số phản xạ mặt.
vm tƣơng ứng với các tần số của khoang cộng hƣởng.
∆v2 là khoảng cách theo chiều dọc mode, cũng đƣợc biết nhƣ là dải phổ thông của khoang FP.
Thực tế, qua phương trình ( 3.23 ), ta có thể đạt đƣợc phổ truyền dẫn |HFP|2 của bộ giao thoa FP bằng cách cho G = 1 nếu suy hao trên đƣờng truyền là không đáng kể. Để bù tán sắc, chúng ta cần phải có sự phụ thuộc của pha trong hàm truyền H(ω) vào tần số, hàm truyền này có thể đạt đƣợc bằng cách xét các vòng khứ hồi giữa hai gƣơng. Bộ giao thoa FP có tính năng phản chiếu, gọi là bộ giao thoa Gires-Tournois, đƣợc thiết kế có gƣơng sau đạt độ phản chiếu 100%. Hàm truyền của nó đƣợc cho bởi phƣơng trình:
( 3.24 )
Trong đó hằng số H0 tham gia vào mọi sự suy hao, |r|2 là hệ số phản xạ gƣơng trƣớc, và T là thời gian vòng khứ hồi trong hốc cộng hƣởng FP. Do |HFP(ω)| là một tần số độc lập, nên chỉ có pha phổ mới đƣợc bộ lọc FP biến đổi. Tuy nhiên, pha Φ(ω) của HFP(ω) thì còn một khoảng khá xa mới đạt độ lý tƣởng. Hàm tuần hoàn có thể đạt cộng hƣởng FP cực đại. Trong cận biên của mỗi cực đại, miền phổ sẽ tồn tại với biến số pha bình phƣơng. Bằng cách tăng Φ(ω) trong chỗi Taylor, Φ2
sẽ đƣợc xác định theo phƣơng trình:
Lấy ví dụ, với hốc cộng hƣởng FP dài 2 cm, r = 0,8, Φ2 ~ 2200 ps2 thì bộ lọc có thể bù GVD cho 110 km đối với sợi tiêu chuẩn. Trong thí nghiệm năm 1991, loại thiết bị thuần sợi đó đã đƣợc sử dụng để truyền tín hiệu 8 Gb/s đi xa 130 km. Suy hao nối ngoài vào khoảng 8 dB đƣợc bù bằng cách tích hợp bộ khuếch đại quang. Suy hao 6 dB do tác động của bộ ghép sợi 3 dB đƣợc sử dụng để tách tín hiệu phản xạ từ tín hiệu tới. Suy hao này có thể đƣợc giảm xuống còn 1dB nếu sử dụng bộ circulator quang, là một thiết bị ba cổng có chức năng truyền công suất từ cổng này sang cổng khác theo hình tròn. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp này suy hao tƣơng đối lớn và băng thông hẹp của bộ lọc FP sẽ làm giới hạn tính năng của chúng trong các hệ thống sóng ánh sáng dùng trong thực tiễn.
Hình 3.9 (a) Một mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng chuỗi giao thoa Mach- Zehnder; (b) tổng quan thiết bị trải rộng.
Bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZ) có thể là một bộ lọc quang. Một bộ giao thoa MZ thuần sợi đƣợc chế tạo bằng cách kết nối hai bộ nối định hƣớng 3 dB, nhƣ mô tả trên hình 3.9 (b). Bộ nối thứ nhất chia tín hiệu đầu vào thành hai phần bằng nhau với độ lệch pha khác nhau nếu chiều dài nhánh khác nhau, trƣớc khi truyền sang bộ nối thứ hai. Tín hiệu có thể thoát ra ngoài qua các cổng đầu ra tùy thuộc vào tần số và chiều dài nhánh. Hàm truyền cho cổng truy nhập chính đƣợc xác định nhƣ sau:
Trong đó, τ là độ trễ thêm vào tại phần nhánh dài hơn của bộ giao thoa MZ. Chỉ một bộ giao thoa MZ không đủ để đóng vai trò là một bộ cân bằng quang