- Với r=1 (Các soliton có biên độ bằng nhau)
4.1.7. Khuyếch đại soliton
Như đã nói ở trên để chống lại ảnh hưởng của suy hao sợi, các soliton được khuyếch đại định kỳ để bù chính xác suy hao sợi, làm cho xung được duy trì hình dạng khi lan truyền trong sợi. Sơ đồ đơn giản nhất cho khuyếch đại giống như trong hệ thống truyền thông không soliton (hình 3.6a). Một bộ khuyếch đại quang được đặt định kỳ dọc theo liên kết sợi và hệ số khuyếch đại của nó được chỉnh sao cho bù chính xác suy hao sợi giữa hai bộ khuyếch đại. Một tham số thiết kế quan trọng là khoảng cách LA giữa các bộ khuyếch đại, khoảng cách này thường được tính toán để đạt giá trị lớn nhất có thể, giúp giảm thiểu chi phí thiết bị. Trong hệ thống quang thông thường, LA thường bằng 80-100km. Nhưng với hệ thống truyền thông quang soliton, khoảng cách này bị giới hạn ở khoảng cách nhỏ hơn nhiều. Đó là vì các bộ khuyếch đại quang chỉ giúp tăng thế năng lượng soliton đến mức đầu vào mà
7060 60 50 40 30 20 10 0 T1/T0 0 20 40 60 80 100 Khoảng cách, z/L D N=1 (3) (2) (1)
không khôi phục dần soliton cơ bản. Các soliton đã được khuyếch đại sẽ sửa dần độ rộng của nó một cách động trong đoạn sợi sau mỗi bộ khuyếch đại. Tuy nhiên, nó cũng làm mất một phần năng lượng dưới dạng sóng tán sắc trong suốt quá trình sửa pha. Phần tán sắc đó có thể được tích lũy đến một mức đáng kể qua một số giai đoạn khuyếch đại và điều này cần phải được tránh. Một cách để giảm phần tán sắc đó là giảm khoảng cách bộ khuyếch đại LA sao cho các soliton không bị đảo lộn nhiều qua khoảng cách đó. Sự mô phỏng bằng số cho thấy rằng đây là trường hợp khi LA là một phần nhỏ của chiều dài tán sắc (LA<<LD). Chiều dài tán sắc LD phụ thuộc cả vào độ rộng xung T0 và tham số tán sắc vận tốc nhóm β2, và có thể thay đổi từ 10- 1000km. Bình thường LD< 50km với hệ thống 10Gb/s vận hành ở bước sóng 1,55µm sử dụng sợi chuẩn. Việc sử dụng các bộ khuyếch đại tập trung yêu
cầu LA<10km - một giá trị nhỏ hơn giá trị mong đợi trong thực tế khi thiết kế. Tuy nhiên, LD cũng có thể vượt quá 200km khi 1ps2/km
2 <
β ở bước
sóng hoạt động. Khoảng cách bộ khuyếch đại từ 30-50km là có thể đạt được
Hình 4.6. Sơ đồ khuyếch đại tập trung (a) và khuyếch đại phân tán (b) để bù suy hao sợi trong hệ thống truyền dẫn soliton
Một giải pháp khác là sử dụng kỹ thuật khuyếch đại phân tán mà các soliton được khuyếch đại dọc theo tuyến sợi để truyền dẫn dữ liệu. Tán xạ Raman kích thích được sử dụng cho mục đích này từ những năm 1985. Sự khuyếch đại phân tán cũng có thể đạt được bằng cách kích tạp sợi truyền dẫn ánh sáng với phần tử hiếm erbium. Hình (3.6b) biễu diễn sơ đồ khuyếch đại phân tán mà các laser bơm tiêm ánh sáng CW trong cả hai hướng sử dụng các coupler sợi. Bước sóng bơm được lựa chọn sao cho nó cung cấp hệ số khuyếch đại ở bước sóng tín hiệu. Vì hệ số khuyếch đại được phân tán qua
Rx Rx Tx Tx Amplifiers Pumping Couplers (a) (b)
toàn bộ chiều dài sợi, các soliton có thể được khuyếch đại đoạn nhiệt trong một cách như vậy mà N được duy trì gần với giá trị đầu vào N=1 dù có suy hao sợi. Thạt vậy, nếu hệ số khuyếch đại được cân bằng chính xác với suy hao sợi ở mỗi điểm trong sợi, N vẫn là 1 và soliton vẫn duy trì chính nó qua một khoảng cách tùy ý. Tuy nhiên, điều này không được thõa mãn trong thực tế vì công suất bơm không ổn định dọc theo sợi. Khoảng cách trạm bơm LA phụ thuộc vào suy hao sợi ở bước sóng bơm và năng lượng soliton có thể lệch một chút từ giá trị đầu vào của nó. Thường LA= 40-50km nếu sự lệch lớn nhất của năng lượng soliton có thể chịu được là 20%. Ở đây LA có thể vượt LD nhiều lần, trái với trường hợp khuyếch đại tập trung LA<<LD. Các thí nghiệm trước đây về khuyếch đại soliton tập trung vào sơ đồ khuyếch đại Raman. Một thí nghiệm năm 1985 đã chứng minh suy hao sợi qua khoảng cách 10km có thể được bù bởi hệ số khuyếch đại Raman trong khi duy trì độ rộng soliton. Hai laser giả màu trung tâm được sử dụng trong thí nghiệm này. Một laser tạo xung 10ps ở bước sóng 1,56µm. Khi vắng
mặt khuyếch đại Raman, soliton bị mở rộng khoảng 50% vì suy hao (T1/T0=
z
eα =1,51 với z=10km, α=0,18dB/km). Khi công suất bơm khoảng 125mW, hệ số khuyếch đại Raman là 1,8dB được bù cho suy hao sợi và xung đầu ra được nhận dạng gần đúng với xung đầu vào.
Một thí nghiệm sau đó được chứng minh sự truyền dẫn soliton qua 4000km sử dụng sơ đồ khuyếch đại Raman. Thí nghiệm này sử dụng vòng lặp sợi 42km mà suy hao của nó đã được bù chính xác bằng việc tiêm vào ánh sáng bơm CW từ laser dải màu trung tâm λ=1,46µm. Các soliton được cho lưu thông nhiều lần dọc theo vòng lặp sợi đến 96 lần mà không tăng độ rộng xung là mấy, cho thấy sự khôi phục xung qua khoảng cách 4000km. Khoảng cách này có thể tới 6000km. Thí nghiệm này được chứng minh năm 1988 mở ra các khả năng truyền các soliton qua đại dương. Trở ngại chính ở đây là sự khuyếch đại Raman yêu cầu các laser bơm phát công suất CW>500mW ở bước sóng 1,46µm. Sẽ là khó khăn để có thể đạt được một
công suất cao như vậy từ các laser bán dẫn và laser dải màu trung tâm. Cho đến năm 1989, với sự ra đời của các bộ lọc khuyếch đại quang sợi EDFA, khó khăn này đã được giải quyết. EDFA có thể thay thế các bộ khuyếch đại thông thường với nhiều ưu điểm:
- Mạch đơn giản, linh hoạt (không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi).
- Có cấu trúc nhỏ, dễ lắp đặt và có thể lắp nhiều EDFA trong cùng một trạm làm cho hệ thống linh hoạt hơn.
- Công suất nguồn nuôi nhỏ nên khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượt biển, cáp có cấu trúc nhỏ nhẹ hơn.
truyền dẫn.
Các thí nghiệm sau này đều sử dụng EDFA để khuyếch đại soliton và các soliton có thể duy trì hình dạng qua khoảng cách dài bất kể bản chất bơm của tiến trình khuyếch đại.