Các kỹ thuật bù tán sắc trước đó có thể tăng khoảng cách lên gấp đôi nhưng nókhông thích hợp cho các hệ thống có cự ly lớn, trong đó tán sắc vận tốc nhóm (GVD) phảiđược bù dọc theo đường dây truyền dẫn theo chu kì. Các kỹ thuật bù trên các hệ thống nhưthế này phải đảm bảo ở chế độ toàn quang, đặt trên sợi (chứ không phải đặt trên bộ phát hay bộ thu). Và một loại sợi được biết đến đó là sợi bù tán sắc.Trong thực tế để nâng cấp các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi chuẩn hiện có,người ta thêm vào một đoạn sợi bù tán sắc (với chiều dài từ 6 đến 8km) đối với các bộkhuếch đại quang đặt cách nhau 60 đến 80km. Sợi bù tán sắc sẽ bù tán sắc vận tốc nhóm(GVD), trong khi đó bộ khuếch đại sẽ đảm đương nhiệm vụ bù suy hao cho sợi. Người ta thường sử dụng sợi DCF kết hợp với các bộ khuếch đại OA (thường sửdụng bộ EDFA) để bù tán sắc trên tuyến quang, và tùy vào vị trí đặt DCF mà có các kiểu bù như sau:
Hình (14) Sử dụng sợi DCF trên tuyến quang
Kỹ thuật bù bằng cách sử dụng các bộ bù tán sắc quang điện tử có thể tăng khoảngcách truyền lên 2 lần, tuy nhiên nó lại không phù hợp với các hệ thống đường dài, hệ thốngnày yêu cầu GVD phải được bù liên tục theo chu kỳ dọc theo đường truyền. Đặc biệt trongcác hệ thống toàn quang việc sử dụng các bộ bù tán sắc quang điện tử là không phù hợp. Vìthế 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 b?nh được giữ đủ nhỏ thể các hiệuứng phi tuyến bên trong sợi là không đáng kể.
Việc sử dụng sợi DCF để bù tán sắc hết sức đơn giản là chỉ cần đặt sợi DCF xen vàogiữa, do đặc điểm của sợi DCF là có độ tán sắc âm, nghĩa là khi tín hiệu xung ánh sáng điqua sợi này thì xung ánh sáng đó sẽ co lại dần, hiện tượng này ngược với sợi SMF – xungánh sáng bị giãn ra do tán sắc, do đó việc xung ánh sáng bị giãn ra đã giải quyết được.
Sợi quang DCF phải có hệ số tán sắc GVD(Group-Velocity Dispersion ) ở 1,55µmlà D2<0 còn trong sợi quang thông thường D1>0. Hơn nữa chiều dài sợi quang cũng đượclựa chọn thỏa điều kiện :
Trong thực tế người ta cố gắng để chọn L2 nhỏ nhất nếu có thể, trường hợp này xảykhi sợi DCF có giá trị âm D2 rất nhỏ (hay |D2| rất lớn)
Hệ số tán sắc D có giá trị -420ps /(nm.km) ở bước sóng 1550nm và thay đổi nhiềuở các bước sóng khác. Đây là một đặc tính quan trọng cho phép bù tán sắc băng rộng. Nóimột 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 trongcác hệ thống WDM.
Phổ tán sắc của sợi DCF
Đây là phương pháp đơn giản nhất đế quản lý tán sắc trong các hệ thống WDM dunglượng cao với số lượng kênh lớn nghĩa của đường bao tán sắc được hiểu từ điều kiện
Nhưng chỉ áp dụng cho một kênh, khi có nhiều kênh để thỏa mãn cho tất cả các kênhthỉ cần điều kiện :
Trong đó: λn là bước sóng của kênh thứ n.
D1 tăng với bước sóng tăng cho cả hai sợi chuẩn và sợi dịch tán sắc, kết quả là tánsắc tích lũy D1L1 là khác nhau cho mỗi kênh. Nếu cùng một DCF phải làm việc cho tất cảcác kênh, đường bao tán sắc của nó nên âm và có giá trị để thỏa mãn cho tất cả các kênh.Đường bao tán sắc của DCF:
Trong đó : S là đường bao tán sắc (ps/(nm2km)Tỷ số S/D là đường bao tán sắc quan hệ (1/nm)Với sợi chuẩn D≈16ps/nm.km và S≈0.05ps/nm.km, tỷ số này khoảng 0.003nm-1.Vìthế, cho DCF với D≈- 100ps/nm.km thì đường bao tán sắc khoảng -0.3 ps/nm2km.
Để bù tán sắc cho một khoảng cách 90 Km cho sợi G.652 ta cần phải sử dụng xấp xỉ9 Km DCF. Thông số suy hao điển hình của DCF thông thường gấp tới trên 3 lần so với sợiquang chuẩn, hệ số tán sắc phân cực mode PMD cũng gấp đôi, do đó diện tích hiệu dụngcủa DCF là vô cùng nhỏ.
Nguyên lý của phương pháp này như sau: giả sử hàm truyền đạt của bộ lọc quang làH(ω) thì ảnh hưởng của nó đối với pha của xung tín hiệu được thể hiện bởi công thức
Bằng cách triển khai pha của H(ω) theo chuỗi Taylor và giữ ở số hạng bậc hai sẽ có:
ở đây
m = 0, 1,... được ước lượng tại tần số sóng mang quang ω0 Pha hằng số và trễ thời gian sẽ không ảnh hưởng đến dạng xung và có thể bỏ qua. Pha phổdo sợi sinh ra được bù bằng cách chọn bộ lọc quang sao cho có
khi đó xung cóthể được phục hồi hoàn toàn
Có nhiều loại bộ lọc quang có hàm truyền đạt phù hợp với yêu cầu này và có thểđược sử dụng làm các bộ bù tán sắc trong đó đặc biệt nổi bật là các loại bộ lọc cấu trúc buồng cộng hưởng Fabry Perot và bộ lọc giao thoa kế Mach Zehnder.
3.3.3 Bù tán sắc bằng tín hiệu quang liên hợp pha OPC
Kỹ thuật OPC (Optical phase conjugation) – liên hợp pha quang đòi hỏi 1 phần từquang 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 bảnthân sợi quang tự nó là một môi trường phi tuyến, (cách đơn giản là dùng một sợi quang dàivài km được thiết kế một cách đặc biệt để tối đa hiệu ứng FWM).Tiềm năng của kỹ thuật OPC đã được chứng minh ở một thử nghiệm 1999 với 1 bộkết hợp cơ bản FWM được sử dụng bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ở tốc độ 40 Gb/s trênchiều dài 140 km sợi quang tiêu chuẩn.
Hầu hết các cuộc thí nghiệm về bù tán sắc được nghiên cứu trên khoảng cách truyềnlà vài trăm km. Đối với đường truyền dài hơn nó đặt ra vấn đề kỹ thuật OPC có thể bù tánsắc 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 độ10 Gb/s có thể truyền trên 6000 km trong khi chỉ sử dụng công suất trung b?nh dưới mức3mW 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, 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 1.55μm. Hiển nhiên rằng khoảng cách truyền tối đa luôn là vấn đề quan trọng đối với nhiều hang sảnxuất, như kỹ thuật trộn 4 bước sóng FWM, khoảng cách dùng bộ khuếch đại có thể giảm xuống dưới 3000 km.
3.3.4 Bù tán sắc bằng cách tử Bragg(có trong tài liệu khác)
Nguyên lý chế tạo sợi cách tử để bù tán sắc dựa trên điều kiện phản xạ Bragg: 2nΛ =λ 3. Trong đó: n = 1, 2, 3, ... Λ là bước của cách tử λ là bước sóng ánh sáng
Hình (15) Nguyên lý phương pháp bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg
Sợi cách tử Bragg được chế tạo bằng cách dùng tia tử ngoại chiếu qua một mặt nạ ánh sáng vào sợi quang đơn mode chuẩn để tạo ra các vùng có chiết suất khác nhau phân bố dọc theo chiều dài z của sợi. Để bù lại tán sắc vận tốc nhóm GVD, chu kỳ quang của cách tử được chế tạo sao cho nΛ giảm dọc theo độ dài của nó để cho ra GVD chuẩn (β2>0). Trong sợi quang đơn mode tiêu chuẩn, các thành phần tần số cao của xung sẽ lan truyền nhanh hơn các thành phần tần số
thấp. Vì bước sóng Bragg giảm dọc theo độ dài cách tử cho nên các thành phần tần số cao sẽ di chuyển thêm vào cách tử trước khi được phản xạ và phải chịu trễ nhiều hơn các thành phần tần số thấp. Như vậy trễ tương đối được xuất hiện do cách tử sẽ bù lại GVD do sợi và bù được tán sắc sợi. Tham số tán sắc Dg của cách tử có độ dài Lg được xác định bằng mối liên hệ sau
R g g
T =D L ∆λ 3.
Trong đó TR là thời gian đi vòng ở bên trong cách tử và ∆λ là sự sai khác về các bước sóng Bragg tại hai đầu của cách tử. Vì
2 g g L T c π = cho nên tán sắc cách tử được cho bởi biểu thức sau
2 R g g T n D L λ c λ = = ∆ ∆ 3.
Trên thực tế các loại sợi bù tán sắc cách tử Bragg đã được thương mại hóa rộng rãi trên thị trường vì chúng có ưu điểm là thiết bị hoàn toàn thụ động, kích thước nhỏ gọn trong khi bù được lượng tán sắc lớn, dễ dàng trong việc ghép nối với sợi quang và suy hao xen nhỏ. Tuy nhiên chúng cũng có một nhược điểm là cần sự ổn định về nhiệt độ cao do chỉ một thay đổi nhỏ về chiều dài sợi cách tử cũng có thể làm thay đổi hoàn toàn đặc tính bù tán sắc của chúng.
3.4 Kỹ thuật bù sau (post compensation)
Các kỹ thuật trong miền điện có thể được dùng để bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD) trong máy thu. Ta dễ dàng cân bằng ảnh hưởng của tán sắc bằng kỹ thuật điện nếu sợi quang hoạt động như một hệ thống tuyến tính
Việc bù sẽ dễ dàng hơn nếu bộ thu Heterodyne được sử dụng để tách tín hiệu: bộ thu này đầu tiên chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu vi ba tại tần số trung tần IF ωIF và vẫn giữ thông tin về biên độ và pha. Một bộ lọc thông dải hoạt động ở tần số vi ba với đáp ứng xung có hàm truyền đạt là:
trong đó L là chiều dài sợi. Bộ lọc này sẽ khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu của tín hiệu nhận được. Kỹ thuật này thực tế nhất đối với hệ thống Coherent.
Nhưng ta biết là bộ thu Coherent thường không thực tế (vì một số lý do) so với bộ tách sóng trực tiếp, và mạch điện tuyến tính không thể bù GVD trong trường hợp này. Vấn đề là do thông tin về pha bị mất khi tách sóng trực tiếp do bộ tách sóng chỉ đáp ứng biên độ quang. Khi đó một kỹ thuật cân bằng không tuyến tính có thể được sử dụng.
Một phương pháp khác nữa là việc quyết định một bít được thực hiện sau khi xem xét dạng sóng (dạng tương tự) qua một khoảng nhiều bít xung quanh bít ta cần quyết định. Khó khăn của kỹ thuật này là đòi hỏi mạch điện logic hoạt động tại tốc độ bít của tín hiệu và tính phức tạp của nó tăng theo hàm mũ của số lượng bít qua nó (số lượng bít mà một xung quang bị trải rộng ra do GVD).Kỹ thuật cân bằng về mặt điện thường bị giới hạn do tốc độ bít đạt được thấp và khoảng cách truyền ngắn.
Một kỹ thuật cân bằng quang – điện dựa trên một bộ lọc ngang (transversal filter) đã được đưa ra. Trong kỹ thuật này bộ chia công suất tại máy thu chia tín hiệu quang nhận được thành nhiều nhánh, các nhánh có độ trễ khác nhau. Tín hiệu quang trên mỗi nhánh được chuyển sang dòng điện nhờ sử dụng các photodetector có độ nhạy có thể thay đổi, và tổng dòng điện quang được sử dụng cho mạch quyết định bít. Kỹ thuật này có thể tăng khoảng cách truyền dẫn lên gấp ba lần đối với hệ thống hoạt động ở tốc độ 5Gbps.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TS. Lê Quốc Cường, ThS. Đỗ Việt Em, ThS. Phạm Quốc Hợp, ThS. Nguyễn Huỳnh Minh Tâm, “ Hệ Thống Thông Tin Quang – Tập 1 và tập 2 ”, năm 2009, Nhà xuất bản Thông Tin và Truyền Thông.
[2] Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan, “Optical Networks A Practical erspective”, Second Edition, Morgan KaufMann Publishers.
[3] Govind P.Agrawal, “Fiber-Optic Communications Systems”, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc,2002.