Bên cạnh suy hao của sợi, tán sắc cũng là một hiệu ứng giới hạn khoảng cách truyền trong tuyến thông tin quang. Trong truyền dẫn quang hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với độ dài và độ rộng phổ nguồn quang là nguyên nhân làm méo xung và nhiễu giữa các kí tự.
Thiết bị bù tán sắc đưa ra một mức tán sắc bằng và ngược lại để điều chỉnh sự giãn xung ánh sáng. Hai loại thiết bị bù tán sắc thường dùng là sợi bù tán sắc và cách tử bù tán sắc.
Sợi bù tán sắc
Sợi bù tán sắc (DCF- Dispersion Compensate Fiber) là loại sợi đặc biệt mà bước sóng của ánh sáng ở vùng cửa sổ 1550nm có hệ số tán sắc không âm với khoảng 80 ps/(nm.km). Do đó 1 km sợi DCF có thể bù tán sắc cho 5 km sợi đơn mode (SMF - Single Mode Fiber), khi hệ số tán sắc của sợi SMF là 17 ps/(nm.km).
Hệ số tán sắc của sợi DCF cũng thay đổi theo tần số như sợi SMF, do đó không thể có khả năng bù tán sắc tốt nếu dải tần số mở rộng. Suy hao của sợi DCF có trị giá cỡ 0,6 dBm/km và lớn hơn sợi SMF.
Cách tử bù tán sắc Bragg
Sử dụng cách tử Bragg (BFG - Bragg Fiber Grating) là một lựa chọn khác để bù tán sắc. Thiết bị này cho suy hao thấp, tuy nhiên nó hoạt động ở mode phản xạ và do đó cần dùng Circulator quang hoặc coupler quang để tách tín hiệu đầu vào và đầu ra. Hiện tại dải băng tần bù tán sắc mới chỉ vài trăm GHz với một BFG (hẹp hơn so với DCF). Băng thông có thể rộng hơn nếu sử dụng các tử dài hoặc cách tử thay thế. Nhưng việc phải thay thêm Circulator quang hoặc coupler quang là một trở ngại.
Phổ của xung quang chứa nhiều thành phần bước sóng khác nhau, khi truyền xung dọc sợi quang, thành phần bước sóng ngắn sẽ đi nhanh hơn thành phần bước sóng dài, đây chính là hiện tượng tán sắc, làm giãn phổ xung quang và có thể gây nên ra xuyên kênh sang các kênh lân cận. Trước đây đã có nhiều giải pháp bù tán sắc như dùng sợi bù tán sắc DCF nhưng cách này thực ra còn nhiều nhược điểm như gây suy hao lớn, gây nên các hiệu ứng phi tuyến khác...
Hình 2.33: Nguyên lý bù tán sắc của cách tử Bragg
Bước cách tử trong cách tử bù tán sắc được dịch đi để phản xạ các bước sóng chậm (bước sóng dài) trước khi các thành phần bước sóng nhanh (bước sóng ngắn) đi đến cuối cách tử sợi và bị phản xạ trở lại. Module bù tán sắc kiểu này cũng sẽ làm co xung đã bị giãn rộng ra trước khi được truyền đi tiếp hoặc được xử lý. Cách tử sợi càng dài mức bù tán sắc càng lớn, phổ thiết bị có thể làm việc càng được mở rộng. Nếu quá trình chế tạo sợi không tốt sẽ gây nên hiện tượng nhấp nhô (ripple) đối với trễ nhóm tín hiệu quang và do đó có thể làm sai khác đi việc bù tán sắc của tín hiệu.
Suy hao của module bù tán sắc kiểu này gây ra bởi: suy hao cố định của circulator và chỗ ghép nối (<2dB), suy hao do cách tử sợi Bragg phụ thuộc vào độ dài (khoảng 0.3dB/m). Ngoài ra suy hao này cũng phụ thuộc dải bước sóng làm việc. Ưu thế của module bù tán sắc dùng cách tử sợi Bragg so với bù tán sắc dùng sợi DCF được cho thấy trong bảng 2.1:
Bảng 2.1: Suy hao của các module bù tán sắc Cách bù tán sắc Suy hao cực tiểu Suy hao thông thường Suy hao cực đại Sợi DCF 40 km 4.4 dB 4.8 dB 6.2 dB Sợi DCF 60 km 6.0 dB 6.5 dB 6.7 dB Sợi DCF 80 km 7.7 dB 8.3 dB 8.9 dB Sợi cách tử bù tán sắc Bragg 2.0 dB 2.5 dB 3.0 dB 2.6. Truyền dẫn sợi quang: 2.6.1. Phân loại sợi: - Sợi quang G.652
Đây là sợi quang đơn mode được sử dụng rộng rãi hiện nay, là sợi quang đơn mode tốt nhất ở bước sóng 1310nm, còn gọi là sợi đơn mode không thay đổi vị trí tán sắc.
Hệ số khúc xạ của loại sợi quang này được chia làm hai loại: lớp bao phối hợp và lớp bao lõm xuống, chúng đều thích hợp với cửa sổ 1310nm và 1550nm. Khi làm việc ở bước sóng 1550nm thì tổn hao truyền dẫn nhỏ nhất, nhưng hệ số tán sắc tương đối lớn. Khi tốc độ ở kênh đơn đạt tới STM-64 thì cần phải dùng biện pháp điều tiết tán sắc, giá thành sẽ tương đối cao.
- Sợi quang G.653
Đây là sợi quang đơn mode có tính năng tốt nhất ở bước sóng 1550nm, còn gọi là sợi quang thay đổi vị trí tán sắc. Thay đổi sự phân bố khúc xạ là cho điểm tán sắc bằng không dịch từ 1310nm đến khu vực bước sóng làm việc 1550nm.
- Sợi quang G.654
Sợi quang này gọi là sợi quang đơn mode tới hạn thay đổi vị trí bước sóng cắt. Thiết kế làm sao giảm được tiêu hao ở bước sóng 1550nm, điểm tán sắc bằng không vẫn ở bước sóng 1310nm, tán sắc ở bước sóng 1550nm vẫn tương đối cao. Chủ yếu sử dụng trong thông tin sợi quang dưới đáy biển, cần có cự ly đoạn tái sinh rất dài.
- Sợi quang G.655
Sợi quang này gọi là sợi quang đơn mode thay đổi vị trí tán sắc khác không, điểm tán sắc bằng không của nó không nằm ở 1550nm mà dịch tới 1570nm hoặc 1510 ÷ 1520nm, do đó làm cho tán sắc ở chỗ 1550nm có một trị số nhất định. Sợi quang này thích hợp để sử dụng ở khu bước sóng 1550nm, hệ số tán sắc của nó không lớn, cự ly bị hạn chế bởi tán sắc là vài trăm km, có hệ số tán sắc nhỏ nhất. Khi khai thác hệ thống ghép kênh bước sóng, nó giảm đáng kể ảnh hưởng của hiệu ứng trộn tần 4 bước sóng.
- Sợi quang có tiết diện hữu hiệu lớn
Sợi quang này thích ứng cho các ứng dụng trong hệ thống DWDM có dung lượng và cự ly truyền dẫn lớn, tiết diện hữu hiệu là 72µm2, điểm tán sắc bằng không nằm ở chỗ 1510nm, chịu được công suất tương đối lớn. Trong hệ thống DWDM có sử dụng EDFA sẽ khắc phục được hiệu ứng phi tuyến.
2.6.2. Sợi quang dịch chuyển vị trí tán sắc khác không NZ-DSF
Trong hệ thống DWDM, việc lựa chọn sợi quang nào thích hợp nhất luôn là vấn đề nghiên cứu của các nhà khoa học. Do tính chất ưu việt của sợi quang G.653 (DSF) ở bước sóng 1550nm mà nó trở thành sợi quang số một khiến mọi người quan tâm tới. Nhưng khi nghiên cứu kỹ thì phát hiện ra rằng tuy trong thông tin bước sóng đơn cự ly dài DSF có tính ưu việt rất lớn, nhưng khi dùng trong hệ thống DWDM thì ở khu vực bước sóng có tán sắc bằng không sẽ xuất hiện vấn đề phi tuyến tính nghiêm trọng, hạn chế việc ứng dụng công nghệ DWDM, trở thành khuyết điểm chủ yếu của DSF (G.653) từ đó dẫn tới một loạt sợi quang mới – sợi quang biến đổi tán sắc khác không
(NZ-DSF). Dưới đây giới thiệu sự hạn chế của DSF và nguyên lý ứng dụng của NZ- DSF.
2.6.2.1. Sự xuất hiện hiệu ứng phi tuyến tính khi dùng DSF và EDFA:
Khi sử dụng EDFA trong đường dây DSF để kéo dài cự ly truyền dẫn, vì mật độ công suất quang truyền dẫn trong sợi quang tăng lên rất nhiều, dẫn tới hiệu ứng phi tuyến tính sẽ làm giảm tính năng chất lượng của hệ thống, nhất là khi ứng dụng trong hệ thống DWDM xuất hiện hiệu ứng “Trộn 4 bước sóng - FWM” thì ảnh hưởng rất lớn tới hệ thống.
Đối với DSF bước sóng có tán sắc bằng không là 1550nm, EDFA cũng thích nghi với bước sóng đó (1550nm), công tác tại bước sóng này thì tán sắc bằng không. Nhưng đối với DWDM, các sóng quang tác dụng lẫn nhau truyền cùng pha, sẽ làm cho FWM càng trở nên nghiêm trọng, thường bước sóng nó sinh ra giống như bước sóng truyền dẫn nào đó, làm giảm đáng kể chất lượng truyền dẫn của hệ thống DWDM.
2.6.2.2. Nguyên lý và ứng dụng của sợi quang NZ-DSF:
Để ngăn cản tốt hiệu ứng FWM, cho phép đưa ra công suất tương đối lớn và nhiều kênh bước sóng trên sợi quang dẫn tới sự ra đời của sợi quang biến đổi vị trí tán sắc khác không (NZ-DSF). Đặc điểm chính của loại sợi quang này là di chuyển điểm tán sắc bằng không của DSF, làm cho trị số tán sắc trong phạm vi 1548 - 1565nm duy trì ở 1.0 ÷ 4.0 ps/nm.km, tránh khỏi khu tán sắc bằng không, nhưng lại có trị số tán sắc tương đối nhỏ, trên hoặc dưới 1550nm (như 1520nm hoặc 1570nm).
Điểm nổi bật khi dùng NZ-DSF là có ưu điểm của cả 2 sợi quang (G.652) và (G.653), đồng thời giải quyết được nhược điểm cố hữu của sợi quang G.652 là bị hạn chế bởi tán sắc và khó thực hiện được DWDM bằng DSF.
So sánh đặc điểm của sợi NZ-DSF và sợi DSF thì ngoài sự dịch chuyển của điểm tán sắc bằng không, các đặc tính khác đều giống nhau. Ở bước sóng 1550nm, có tổn hao và tán sắc nhỏ nhất. Tuy nhiên hệ số tán sắc của nó khác không, nhưng so với sợi quang G.652 đã giảm rất nhiều, mở rộng cự ly bị hạn chế bởi tán sắc chủ yếu là
khai thác thuận lợi hệ thống DWDM nhiều bước sóng trong khu đoạn sóng có tán sắc và tổn hao thấp, mà không bị ảnh hưởng của FWM. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng: tốc độ truyền dẫn của một sợi quang NZ-DSF có thể đạt ít nhất là 80 Gbit/s, sau này khi nâng cấp cũng tương đối linh hoạt, tức là có thể xây dựng hệ thống TDM trước, cũng có thể xây dựng hệ thống DWDM trước, không cần bù, là cách lựa chọn lý tưởng của việc thực hiện truyền dẫn cao tốc cự ly dài. Để sử dụng rộng rãi hệ thống EDFA/DWDM, khi thiết kế và chế tạo NZ-DSF cần xét mấy điểm quan trọng sau:
- Trong khu bước sóng 1540-1565nm cần điều khiển tán sắc ở 1- 4ps/nm.km
- Tăng đường kính trường mode của sợi quang (MFD) để giảm mật độ công suất, giảm hiệu ứng phi tuyến.
- Trong khu bước sóng công tác vẫn phải duy trì tổn hao thấp, xấp xỉ 0.2dB/km.
- Tán sắc của phân cực phải nhỏ hơn 0.05ps/km.
- Phân bố hiệu suất khúc xạ trong lõi sợi quang theo hình tam giác hoặc hình thang.
Tăng đường kính trường mode của sợi quang và dịch chuyển điểm tán sắc bằng không của bước sóng sẽ làm tăng tổn hao uốn cong, cho nên cần phải thiết kế tối ưu.
2.6.3. Sợi quang bù tán sắc DCF
Sợi quang đơn mode 1330nm đã lắp đặt trong hệ thống DWDM ở bước sóng 1550nm có tán sắc trên dưới 17ps/nm.km. Để khắc phục ảnh hưởng của tán sắc bước sóng này, cần phải có công nghệ bù tán sắc để loại trừ tán sắc bước sóng này. Ở đoạn sóng 1550nm, lợi dụng sợi quang bù tán sắc âm lớn (DCF) là phương pháp bù tán sắc hữu hiệu. Tức là trong đường dây truyền dẫn sợi quang đơn mode 1310nm đã lắp đặt, cứ cách mỗi khoảng nhất định lại lắp vào sợi quang có chiều dài đã điều chỉnh tốt để bù tán sắc, làm cho toàn bộ chiều dài đường truyền dẫn có tổng tán sắc bằng không.
2.6.3.1. Nguyên lý cơ bản của bù tán sắc:
Nguyên lý làm việc cơ bản của nó là sau khi truyền dẫn tín hiệu xung qua sợi quang có cự ly dài, do hiệu ứng tán sắc nên xuất hiện dãn xung và méo. Lúc này có thể dùng một đoạn sợi quang bù tán sắc (DCF) để hiệu chỉnh, mục đích là loại bỏ dãn và méo.
Đặc điểm chính của DCF là:
- DCF có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào trong đường dây sợi quang, có thể lắp đặt linh hoạt và thuận lợi.
- Có thể điều khiển được bù tán sắc của DCF mà tính năng vẫn ổn định. - DCF có tán sắc âm rất lớn (bước sóng 1550nm), thường thì sợi quang đơn mode có bù tán sắc, trị số tán sắc cao nhất đạt -300ps/nm.km, sợi quang đa mode có bù tán sắc, trị số tán sắc cao nhất đạt -580ps/nm.km, đủ để triệt tiêu tán sắc dương của sợi quang G.652 ở 1550nm. Đối với hệ thống sợi quang G.652 cũ bước sóng 1310nm thì khi nâng cấp và mở rộng dung lượng (dịch tới khu bước sóng 1550nm) thì chỉ cần một lượng nhỏ DCF và EDFA là đạt được.
- Trong DCF tuy có tổn hao nhưng được bù lại bằng EDFA.
- Cải thiện kết cấu mặt cắt của DCF và công nghệ chế tạo, bù được tán sắc quy mô tương đối lớn, và có được tiêu hao tương đối nhỏ.
2.6.3.2. Tính năng và kết của của sợi bù tán sắc DCF:
Đặc tính chính của DCF là có tán sắc âm tương đối lớn (ở 1550nm) để bù lại tán sắc dương của sợi quang sinh ra khi công tác ở bước sóng 1550nm. Do đó khi xét về đặc tính tán sắc, vẫn thuộc sợi quang chuyển vị trí tán sắc, nhưng so với DCF thì yêu cầu và mục đích rõ ràng khác nhau.
Kết cấu của sợi bù tán sắc DCF
Loại I: Thiết kế mode cơ bản, tức là dùng đường kính trong của sợi quang nhỏ, có được hiệu suất khúc xạ tương đối cao, từ đó thực hiện được tán sắc âm lớn ở bước sóng 1550nm. Đặc điểm của kết cấu này là đơn giản, dễ làm nhưng giá thành cao.
Loại II: Thiết kế mode bậc cao cấp, tức là thông qua tán sắc âm làm việc ở chỗ gần bước sóng tới hạn để bù tán sắc. Đặc điểm của kết cấu này là hiệu quả bù tán sắc cao, nhưng khó thực hiện, tổn hao cũng lớn.
Đánh giá tính năng của sợi DCF
Tính năng chủ yếu của DCF bao gồm tán sắc, tổn hao truyền dẫn, tổn hao kết nối và tổn hao uốn cong…
Tán sắc: Tham số quan trọng nhất để đánh giá DCF là trị số tán sắc, trị số tán sắc càng lớn càng tốt. Vì tán sắc âm lớn có thể rút ngắn được chiều dài của DCF, giảm không gian. Tham số khác có quan hệ với đặc tính tán sắc là độ dốc của đường cong quan hệ giữa tán sắc và bước sóng, vì sợi quang đơn mode có độ lớn tán sắc là dương, do đó tán sắc của DCF phải có độ dốc âm, nhất là ở đoạn bước sóng 1550nm.
Tổn hao truyền dẫn: Vì trong quá trình chế tạo DCF sử dụng kết cấu đặc biệt, do đó tổn hao truyền dẫn thường lớn hơn so với sợi quang bình thường, cần cải tiến điều kiện công nghệ, như dùng lực căng lớn điều khiển được sợi quang để giảm tổn hao.
Tổn hao kết nối: Vì đường kính trường mode của DCF và đường kính trường mode của sợi quang không phối hợp, do đó nếu kết nối trực tiếp hai sợi quang này với nhau sẽ gây ra tổn hao kết nối tương đối lớn. Dùng công nghệ điều chỉnh đường kính của trường mode để giải quyết.
Tổn hao uốn cong: Trong ứng dụng thực tế, sợi quang DCF luôn uốn quanh trục để giảm nhỏ thể tích, cho nên phải điều chỉnh tổn hao uốn. Ví dụ, đối với ống uốn có đường kính là 20mm, tổn hao uốn cong của DCF phải điều chỉnh dưới 1 dB/km.
Xét tổng tổn hao, có thể định nghĩa hệ số phẩn chất của DCF là tổng số giữa tán sắc và tổn hao: ) / ( ) . / ( ) . / ( km dB km nm ps D dB nm ps FOM α = (3.12)
FOM là tham số quan trọng của DCF, dùng để so sánh trực tiếp các loại DCF khác nhau, nó đánh giá tỷ số tín hiệu trên tạp âm quang (OSNR) do DCF gây ra.
Hiện nay trên thế giới dùng phương pháp thiết kế mode cơ bản để thực hiện DCF với FOM đạt tới -300 ps/nm.dB, dùng phương pháp thiết kế mode bậc cao để thực hiện DCF với FOM là -1000ps/nm.dB.
2.6.4. Sợi quang tán sắc bằng phẳng DFF:
Thông tin sợi quang phát triển nhanh chóng, bắt đầu tìm ra con đường phát triển và tận dụng băng tần hữu hiệu, tức là không nên thoả mãn với tán sắc bằng không hoặc tán sắc thấp ở trên một bước sóng nào đó, tốt nhất là không những tổn hao thấp