- Với r=1 (Các soliton có biên độ bằng nhau)
3.1.5 Máy phát soliton
Hệ thống truyền thông soliton quang yêu cầu một nguồn quang có khả năng tạo các xung picogiây không chirp ở tốc độ lặp cao với hình dạng gần giống nhất với dạng hàm “sech”. Nguồn phát có thể vận hành ở bước sóng gần 1,55µm, tại đó suy hao sợi là nhỏ nhất và các bộ khuyếch đại quang sợi
EDFA có thể hoạt động một cách hiệu quả để bù suy hao sợi. Laser bán dẫn được sử dụng chung cho cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến.
Có nhiều máy phát soliton khác nhau. Trong thời kỳ đầu, truyền dẫn soliton sử dụng kỹ thuật chuyển mạch khuyếch đại để phát xung quang picogiây trong khoảng 20→40ps. Về mặt nguyên lý nó sẽ định thiên laser dưới ngưỡng và bơm nó cao trên ngưỡng định kỳ bởi việc cung cấp xung dòng. Tốc độ lặp lại được xác định bằng tần số điều chế và thường xấp xỉ 1
→10GHz. Nhược điểm của kỹ thuật này là các xung phát bị chirp do sự thay đổi chiết suất cảm ứng sóng mang theo hệ số tăng cường độ rộng phổ
c
β . Tuy nhiên xung có thể được tạo ra gần như không chirp bằng việc cho nó qua một sợi quang với tán sắc GVD bình thường (β2>0) mà nén xung ở
cùng thời gian (chú ý kỹ thuật này tạo các xung với sự lệch tần sao cho tham số C<0).
Trong thí nghiệm chứng minh kỹ thuật này, xung quang 14ps ở tốc độ lặp 3GHz đã được tạo ra bằng việc cho xung chuyển mạch khuyếch đại qua một sợi dịch tán sắc, duy trì phân cực dài 3,7km với 23ps2/km
2 =
β ở bước
sóng 1,55µm. Một bộ khuyếch đại quang sợi EDFA đã được sử dụng để
khuyếch đại xung quang tới mức công suất yêu cầu cho soliton cơ bản. Trong một thí nghiệm khác một, các xung chuyển mạch khuyếch đại được khuyếch đại và nén đồng thời trong một EDFA sau khi đã qua một bộ lọc quang băng hẹp. Xung quang rộng 17ps ở tốc độ lặp 6-24GHz đã được tạo ra.
Laser khóa mode cũng thích hợp cho truyền thông soliton và thường được ưa dùng hơn vì dãy xung khóa mode phát từ laser như vậy bị chirp ít bị chirp hơn. Sự khóa mode tích cực thường được sử dụng bởi điều chế dòng laser ở tần số bằng hiệu tần số giữa 2 mode dọc lân cận. Tuy nhiên, một laser bán dẫn đơn có chiều dài hốc tương đối ngắn (thường 5mm hoặc ngắn hơn) làm cho tần số điều chế lớn hơn 50GHz. Để khắc phục nhược điểm này, một laser hốc mở rộng được đưa ra sử dụng để tăng chiều dài hốc cũng như mở rộng tần số điều chế. Trong một cách giải quyết thực tế, người ta sử dụng phần đuôi heo nối cố định với máy phát quang để làn hốc mở rộng bằng việc khắc một cách tử sợi chirp.
Việc sử dụng cách tử sợi bị chirp cung cấp một bước sóng ổn định đến 0,1nm trong khi mở ra một cơ chế tự điều hòa mà cho phép laser khóa mode có tần số điều chế trong khoảng rộng các giá trị. Một bộ làm nóng nhiệt được sử dụng để điểu hòa bước sóng hoạt động qua một dãy 7nm bằng việc thay đổi bước cách tử. Nguồn laser như vậy sản xuất xung giống soliton có độ rộng 20ps ở tốc độ 10Gb/s và đã được sử dụng trong nhiều thí nghiệm truyền dẫn quang.
Trở ngại chính của laser bán dẫn hốc mở rộng từ chính bản chất ghép của nó. Một nguồn đơn khối của xung picôgiây được ưa dùng hơn trong thực tế và nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để sản xuất các nguồn xung như vậy. Các laser bán dẫn đơn khối với chiều dài hốc khoảng 4mm có thể được khóa mode tích cực để tạo dãy xung 10GHz. Sự khóa mode thụ động của laser phản xạ phân bố Bragg đơn khối (DBR: distributed bragg reflected) cũng đã tạo ra các xung 3,5ps ở tốc độ lặp 40GHz. Một lựa chọn khác mở ra khi người ta tích hợp một bộ điều chế hấp thụ điện với một laser bán dẫn. Những máy phát như vậy được sử dụng chung cho cả hệ thống quang không soliton. Chúng cũng được dùng sản xuất dãy xung dựa trên bản chất phi tuyến của đáp ứng hấp thụ của bộ điều chế. Xung không chirp trong khoảng 10-20ps ở tốc độ lặp 20GHz đã được tạo bằng kỹ thuật này. Và đến năm
1996, tốc độ lặp của laser tích hợp điều chế đã tăng đến 50GHz. Hiệu ứng giam lượng tử trong bộ điều chế giếng đa lượng tử cũng đã được sử dụng để sản xuất dãy xung phù hợp với truyền dẫn soliton.
Các laser sợi đơn mode ra đời, đưa ra sự thay thế nguồn bán dẫn dù chúng vẫn sử dụng các laser bán dẫn để bơm. Một bộ khuyếch đại quang sợi EDFA được đặt bên trong một khe Fabry-Perot (FP) hoặc hốc vòng để làm laser sợi. Cả kỹ thuật khóa mode thụ động và tích cực đều được sử dụng để sản xuất các xung quang ngắn. Sự khóa mode tích cực yêu cầu điều chế ở hàm điều hòa bậc cao theo khoảng cách mode dọc vì chiều dài hốc tương đối lớn(>1m) thường được sử dụng cho laser sợi. Các laser sợi khóa mode điều hòa như vậy sử dụng một bộ điều chế LiNbO3 trong hốc và đã được dùng trong nhiều thí nghiệm truyền dẫn soliton. Người ta cũng có thể sử dụng một bộ khuyếch đại laser bán dẫn cho sự khóa mode tích cực để sản xuất các xung ngắn hơn 10ps ở tốc độ lặp 20GHz. Laser khóa mode thụ động sử dụng một thiết bị giếng đa lượng tử mà hoạt động như một bộ hấp thụ bão hòa nhanh hoặc sử dụng tính phi tuyến sợi để tạo ra sự dịch pha mà đưa đến một bộ hấp thụ bão hòa hiệu quả. Tốc độ lặp của laser sợi như vậy tương đối thấp và khó điều khiển, làm cho chúng không thích hợp với hệ thống truyền thống soliton.
Trong một thí nghiệm khác, dạng xung phi tuyến trong sợi thay đổi tán sắc được sử dụng để tạo ra các xung soliton cực ngắn. Ý tưởng cơ bản là bơm một tia sóng liên tục (CW: continuous wave) có sự điều chế sin yếu vào một sợi như vậy. Sự kết hợp các hiệu ứng GVD, SPM và sự giảm tán sắc đã chuyển đổi tín hiệu điều chế sin thành một dãy soliton cực ngắn. Tốc độ lặp của xung thì bị chi phối bởi tần số điều chế sin ban đầu, thường được tạo ra bởi việc phách 2 tín hiệu quang. Hai laser bán dẫn phản hồi phân bố (DFB: distributed feedback) hoặc một laser sợi hai mode cũng có thể được sử dụng cho mục đích này. Năm 1993, kỹ thuật này dẫn đến sự phát triển của nguồn sợi tích hợp có khả năng sản xuất dãy xung soliton ở tốc độ lặp cao sử dụng tán sắc răng cưa bằng việc kết nối các đoạn sợi tán sắc thấp và cao. Một laser sợi lưỡng tần được sử dụng để tạo ra tín hiệu phách và sản xuất dãy xung soliton rộng 2,2ps ở tốc độ lặp 59GHz. Trong một thí nghiệm khác, xung 3ps ở tốc độ lặp 40GHz đã được tạo ra sử dụng một laser DFB đơn mà đầu ra của nó được điều chế bởi bộ điều chế Mach-Zender trước khi đặt nó trong sợi thay đổi tán sắc với dạng tán sắc răng cưa.
Một phương pháp đơn giản khác là tạo dãy xung điều chế pha ở đầu ra một laser bán dẫn DFB đặt sau một bộ lọc băng thông quang. Sự điều chế pha tạo ra các dải biên FM trên cả hai biên của tần số sóng mang và bộ lọc quang lựa chọn các giải biên trên một phía của sóng mang. Thiết bị như vậy sẽ tạo ra một dãy xung ổn định rộng 20ps ở tốc độ lặp được điều chỉnh bởi
một bộ điều chế pha. Nó cũng có thể sử dụng như một nguồn lưỡng bước sóng bằng việc lọc các giải biên trên cả hai biên của tần số sóng mang với khoảng cách kênh 0,8nm ở bước sóng 1,5µm. Một kỹ thuật khác lại sử dụng
bộ điều chế Mach-Zender đơn, được kích thích bởi một dòng dữ liệu điện mã NRZ để chuyển đổi đầu ra CW của laser DFB thành một dòng bit quang mã RZ. Những xung quang này mặc dù không có dạng “sech” của một soliton nhưng chúng vẫn được dùng trong hệ thống soliton vì khả năng tiến triển thành một soliton của sợi như đã thảo luận trong phần 2.4.2