S chỉ tín hiệu phát, E chỉ tín hiệu thu a) Dãn xung b) ụt biên độ
3.6.2 Cách tử sợi dịch tần
Các cách tử sợi dịch tần có dải dừng tương đối rộng. Chu kỳ quang ňΛ trong cách tử dịch tần không phải là một hằng số mà thay đổi theo chiều dài của nó. Do bước sóng Bragg λB = 2ňΛ biến thiên theo chiều dài cách tử nên các thành phần tần số khác nhau của xung quang được phản xạ tại các điểm khác nhau tùy theo sự thỏa mãn các điều kiện Bragg. Về bản chất, dải dừng của cách tử sợi dịch tần là sự lồng ghép nhiều dải dừng nhỏ, mỗi dải dừng được dịch chuyển tương tự như bước sóng Bragg dọc theo cách tử. Dải dừng đó có chiều rộng vào khoảng vài nanomet.
Hình 3.13 cho thấy hoạt động của cách tử sợi dịch tần, trong đó các thành phần có tần số thấp của một xung sẽ bị trễ nhiều hơn do chu kỳ quang tăng lên (và bước sóng Bragg). Thực tế này phù hợp với GVD dị thường. Cũng loại cách tử này có thể tạo ra GVD thông thường nếu nó được lật lại (hoặc ánh sáng tới từ bên phải). Do vậy, chu kỳ quang ňΛ của cách tử cần phải được giảm để tạo ra GVD thông thường. Từ
hình vẽ, có thể xác định tham số tán sắc Dg của cách tử dịch tần có độ dài Lg bằng cách sử dụng mối tương quan TR = DgLgΔλ, trong đó TR là thời gian vòng khứ hồi bên trong cách tử và Δλ là sự chênh lệch của các bước sóng Bragg tại hai đầu cách tử. Do TR = 2ňLg/c nên tán sắc của cách tử được xác định bằng phương trình:
Dg = 2ň/c(Δλ ) ( 3.34 )
Giả sử Dg ≈ 5 x 107 ps/(km.nm), băng thông cách tử Δλ = 0,2 nm. Như vậy, do giá trị Dg lớn nên một hệ cách tử dịch tần dài 10 cm có thể bù GVD cho 300 km chiều dài sợi tiêu chuẩn.
Cách tử sợi dịch tần được sản xuất bằng những cách khác nhau. Nhưng điều quan trọng là chu kỳ quang ňΛ phải được biến thiên dọc theo cách tử (trục z), như thế sự dịch tần mới được tạo ra khi thay đổi chu kỳ cách tử vật lý Λ hoặc thay đổi hệ số mode hiệu quả ň theo z. Đối với kỹ thuật toàn ảnh chùm tia kép, sự giãn cách biên của đồ thị giao thoa được điều chỉnh không cân xứng bằng cách sử dụng các độ cong khác nhau của các đầu sóng nhiễu và như vậy kết quả là sự biến thiên Λ. Trên thực tế, các thấu kính hình trụ được tích hợp trong một hoặc cả hai nhánh của giao thoa. Trong kỹ thuật lộ sáng kép, một mặt nạ di động sẽ được tích hợp để thay đổi ň dọc theo z trong thời gian lộ sáng đầu tiên. Các cách tử chu kỳ đều sau đó sẽ được viết lên cùng một
phần của sợi bằng kỹ thuật mặt nạ pha. Có thể sử dụng nhiều hiệu chỉnh khác. Ví dụ, các cách tử sợi dịch tần được chế tạo bằng cách mạ hoặc kéo căng sợi, sử dụng các gradient nhiệt độ hoặc khâu chúng lại thành những phần đều nhau.
Hình 3.13: Bù tán sắc bằng cách tử sợi dịch tần tuyến tính: (a) chỉ số n(z) dọc theo chiều dài cách tử.(b) độ phản xạ tần số cao và thấp tại các vị trí khác nhau trong cách tử do sự
biến thiên trong bước sóng Bragg.
Trong năm 1994 đã hiện thực hóa kỹ thuật bù GVD cho 160 km chiều dài sợi tiêu chuẩn, tốc độ bit khoảng 10 – 20 Gb/s. Đến năm 1995, một loại cách tử dịch tần dài 12 cm đã được sử dụng để bù GVD cho 270 km chiều dài sợi với tốc độ bit 10 Gb/s. Sau đó, khoảng cách truyền dẫn đã được tăng lên thành 400 km bằng cách tử sợi dịch tần giảm nhiễu xạ dài 10 cm. Đây là thành quả rất đáng ghi nhận của bộ lọc quang với chiều dài chỉ là 10 cm. Từ phương trình 3.2 ta nên lưu ý khoảng truyền chỉ được giới hạn trong 20 km nếu như không thể bù tán sắc.
Hình 3.14 mô tả hệ số phản xạ đo được và độ trễ nhóm (liên quan tới đạo hàm phase dΦ/dω) là một hàm của bước sóng đối với cách tử 10 cm có băng thông Δλ = 0,12 nm, giá trị này được chọn để đảm bảo tín hiệu 10 Gb/s khớp với dải dừng của cách tử. Đối với loại cách tử này, chu kỳ Λ chỉ có thể thay đổi ở mức 0,008% so với tổng chiều dài. Khả năng bù tán sắc toàn diện thường xuất hiện trong phạm vi phổ có sự biến thiên tuyến tính của dΦ/dω. Hệ số góc của độ trễ nhóm (khoảng 5000 ps/nm) là thước đo cho khả năng bù tán sắc của cách tử. Khi đó cách tử sẽ có khả năng phục hồi tín hiệu 10 Gb/s bằng cách bù GVD cho 400 km chiều dài sợi tiêu chuẩn. Cách tử dịch
tần phải được giảm nhiễu xạ sao cho hệ số ghép nối đạt cực đại ở điểm giữa và bằng 0 ở các điểm cuối cách tử. Giảm nhiễu xạ là yếu tố rất quan trọng trong việc loại bỏ các tín hiệu gợn sóng xuất hiện khi cách tử có hằng số k.
Hình 3.14: Hệ số phản xạ và độ trễ thời gian của cách tử sợi dịch tần tuyến tính có băng thông 0,12 nm.
Từ phương trình 3.34 có thể thấy Dg của cách tử dịch tần được giới hạn cực đại bởi băng thông Δλ trong đó bù GVD là cần thiết và yếu tố chi phối là tốc độ bit β. Có thể tăng thêm khoảng cách truyền dẫn ở tốc độ bit cho trước với điều kiện là dải tần tín hiệu được giảm hoặc máy phát có ứng dụng kỹ thuật dịch tần trước. Khi thử nghiệm hệ thống năm 1996, việc dịch tần trước tín hiệu quang 10 Gb/s được kết hợp với hai cách tử sợi dịch tần, được xếp thành chuỗi tầng, để làm tăng khoảng cách truyền dẫn lên 537 km. Kỹ thuật giảm băng thông cũng có thể được kết hợp với cách tử. Như trong phần 3.3, một mô hình mã hóa nhị phân kép có thể giảm thiểu được băng thông đến 50%. Trong thí nghiệm năm 1996, khoảng cách truyền dẫn của tín hiệu 10 Gb/s được mở rộng thành 700 km khi sử dụng cách tử dịch tần dài 10 cm kết hợp với mô hình nhị phân kép pha xoay chiều. Băng thông của cách tử được giảm xuống chỉ còn 0,073 nm, là quá nhỏ đối với tín hiệu 10 Gb/s nhưng đủ rộng đối với tín hiệu nhị phân kép giảm băng thông.
Hạn chế lớn nhất của cách tử sợi dịch tần là chúng hoạt động như một bộ lọc phản xạ. Một bộ coupler sợi 3 dB đôi khi được sử dụng để tách tín hiệu phản xạ ra khỏi tín hiệu tới. Tuy nhiên, việc sử dụng lại làm suy hao thêm 6 dB do nối ngoài. Một bộ circulator quang có tác dụng hạn chế tổn hao do nối ngoài xuống dưới 2dB rất được
phổ biến trong thực tiễn. Bên cạnh đó cũng có một số kỹ thuật khác được ứng dụng. Hai hoặc nhiều hơn các cách tử sợi có thể được kết hợp với nhau để tạo thành bộ lọc truyền dẫn có tác dụng bù tán sắc mà chỉ gây suy hao nối ngoài tương đối thấp. Một cách tử đơn có thể được biến đổi thành bộ lọc truyền dẫn bằng cách tạo ra một độ lệch pha ở điểm giữa của cách tử. Cách tử Moire khi được tích hợp lên trên hai cách tử dịch tần trên cùng một phân đoạn sợi có thể tạo ra hệ số truyền dẫn cực đại nằm trong dải dừng của nó. Băng thông của các bộ lọc truyền dẫn này là tương đối nhỏ.
Hình 3.15: Mô hình bù tán sắc bằng hai bộ lọc truyền dạng sợi: (a) bộ ghép hai mode dịch tần (b) sợi hai lõi thon.