PMD là tác động mở rộng xung quang do các biến đổi ngẫu nhiên của hiện tƣợng lƣợng chiết/khúc xạ kép dọc theo chiều dài sợi quang. Việc mở rộng này càng làm xung bị mở rộng hơn nữa bên cạnh việc dãn rộng xung do GVD. Các kỹ thuật điều khiển tán săc góp phần tác động lên GVD nhƣng gần nhƣ không đả động gì đến ảnh hƣởng của PMD. Chính vì lý do này PMD là một trong những đối tƣợng quan tâm đặc biệt trong các hệ thống điều khiển hiện đại.
Trƣớc khi xem xét các kỹ thuật sử dụng cho bù tán sắc PMD, chúng ta tiến hành ƣớc lƣợng các thông số trong các hệ thống không bù tán sắc. Giá trị RMS (căn bình phƣơng trung bình) độ mở rộng của xung với chiều dài L đƣợc tính theo công thức: 2 12
T T DP L
với DP là hệ số PMD và Tlà độ trễ theo hai nguyên lý trạng thái phân cực (PSP). Ký hiệu T biểu thị giá trị trung bình. Giá trị tức thời của T dao động trong một dải rộng theo thời gian do nhiệt độ và các thông số môi trƣờng khác. Nếu T lớn hơn khe bit (bit slot) hệ thống sẽ ngƣng hoàn toàn hoạt động.
Hoạt động của hệ thống bị giới hạn bởi PMD đƣợc phân loại dựa trên khái niệm xác suất ngừng đột xuất, xác suất này phải dƣới giá trị qui định (thƣờng là 10-5
75
hay 5 phút/năm). Xác suất này đƣợc tính theo ∆T dựa trên phân bố Maxwell. Một cách tổng quát, giá trị RMS T phải nhỏ hơn khe bit TB với tốc độ bit là B=1/TB. Giá trị nhỏ của nằm trong khoảng 0,1 đến 0,15 tùy theo loại điều chế (RZ, CRZ hoặc NRZ) và các thông số của xung ngõ vào. Với mô hình 10%, chiều dài hệ thống và tốc độ bit phải thỏa mãn điều kiện:
2 2
(10 P)
B L D (3.33)
Trong các tuyến quang cũ sử dụng sợi quang tiêu chuẩn, điều kiện (3.33) trờ
thành 2 4 2
10 ( )
B L Gbps kmnếu sử dụng DP 1ps/ km. Do sợi quang yêu cầu phải bù tán sắc PMD ở tốc độ 10Gbps và khoảng cách truyền 100km, do đó trong các sợi quang hiện đại thông thƣờng hệ số tán sắc PMD DP 0,1ps/ km. Với hệ thống đƣợc thiết kế để sửdụng sợi quang này thì B2L phải ở mức 106 (Gbps)2-km. Kết quả là, bù tán sắc PMD không cần phải thực hiện ở tốc độ 10Gbps nhƣng cần phải thực hiện ở tốc độ 40Gbps với khoảng cách truyền 600km. Các ƣớc lƣợng chính xác hơn dựa vào lý thuyết PMD đã đƣợc phát triển trong nhiều năm gần đây.
Hình 3. 8. Mô hình bù tán sắc PMD quang và điện
Nhƣ đã đề cập ở trên tán sắc phân cực mode hạn chế hoạt động của kênh đơn khi tốc độ bit lớn vợt xa 10Gbps. Để bù tán sắc phân cực mode có nhiều kỹ thuật đã đƣợc phát triển có thể phân chia thành kỹ thuật bù PMD quang và bù PMD điện. Hình 3.8 sơ đồ bù tán sắc PMD quang và bù tán sắc PMD điện. Bộ cân bằng PMD điện ở đầu thu dùng để sửa các tác động của PMD sử dụng mô hình lọc ngang. Các bộ lọc chia tín hiệu điện x( t) thành nhiều nhánh dây rẽ trễ và cùng kết hợp chúng ở ngõ ra
76 1 0 ( ) ( ) N m m y t C x t m (3.34)
Với N là tổng số nhánh rẽ, τ là thời gian trễ và cm là trọng số rẽ của nhánh thứ m. Trọng số rẽ có thể điều chỉnh đƣợc bằng các thuật toán điều khiển để đáp ứng nâng cao chất lƣợng hệ thống. Tín hiệu lỗi đƣa vào mạch điện tử điều khiển thƣờng đƣợc dựa vào trạng thái đóng của mắt trong giản đồ mắt tại đầu thu. Do kỹ thuật điện tử không thể hạn chế PMD một cách hoàn toàn nên nó ít đƣợc nghiên cửu tiếp để giảm trễ PMD so với phƣơng pháp nguyên lý trạng thái phân cực PSP (Principle state of Polarization). Kỹ thuật này có thể hiệu chỉnh đƣợc tất cả các nguồn gây thoái hóa dẫn đến “mắt” bị đóng tại đầu thu.
Bộ bù tán sắc quang cũng sử dụng dây trễ, nó có thể đƣợc chèn vào theo chu kỳ dọc theo chiều dài tuyến quang hoặc chỉ chèn vào ở đầu thu. Thông thƣờng quá trình bù PMD quang đƣợc chia ra làm hai giai đoạn, đầu tiên tín hiệu quang đƣợc chia thành các nhánh PSP bằng cách sử dụng bộ điều khiển phân cực kết hợp theo sau là bộ chia tia phân cực; ở giai đoạn thứ hai tiến hành kết hợp tín hiệu ở các nhánh PSP trong đó có tín hiệu đƣợc điều chỉnh trễ ở một nhánh bằng dây trễ (hình 3.8). Vòng hồi tiếp dùng xác định tín hiệu lỗi để hiệu chỉnh bộ điều khiển phân cực để đáp ứng với các thay đổi của môi trƣờng dọclên sợi quang PSP. Thành công của kỹ thuật này dựa vào tỷ số L/LPMD với L là chiều dài sợi quang, và
2 0
( / )
PMD P
L T D là chiều dài PMD, T0 là bề rộng của xung. Cải thiện đáng kể đƣợc mong chờ là đƣa khoảng cách truyền đƣợc dài nhất có thể và tỷ số này không vƣợt quá 4. Do chiều dài LPMD vào khoảng 10.000km với DP0,1ps/ kmvà T0=10ps nên các bộ bù tán sắc PMD có thể sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang xuyên biển với tốc độ truyền 10Gbps.
Một vài kỹ thuật quang khác có thể đƣợc dùng để bù tán sắc PMD. Chẳng hạn nhƣ bộ bù tán sắc LiNBO3 –based Soleil– Babinet hoạt động dựa trên việc điều khiển phân cực ở cuối đƣờng truyền. Các thiết bị khác nhƣ tinh thể sắt 2 và 3 không bền, sợi quang duy trì phân cực kép, bộ lọc quang all-pass và cách tử quang chirp khúc xạ kép. Hình 3.7 chỉ ra nguyên tác hoạt động của bộ bù tán sắc PMD sử dụng
77
cách tử. Do có một lƣợng lớn khúc xạ kép, hai trƣờng phân cực dọc theo hai trục nhanh và chậm, nó khác so với bƣớc sóng Bragg và gần dịch đến băng chặn. Kết quả là, nó phản xạ tại vị trí khác nhau dọc theo cách tử do đó nhận đƣợc giá trị độ trễ nhóm khác và vì thế có thể bù tán sắc PMD, giảm độ trễ nhóm. Độ trễ phụ thuộc vào bƣớc sóng bởi vì quá trình chirp xảy ra tự nhiên trong cách tử. Hơn nữa, nó có thể điều chỉnh đƣợc thông qua dịch chuyển nm khoảng cách cách tử. Các bộ bù tán sắc PMD điều chỉnh đƣợc rất phù hợp cho các hệ thống WDM.
Hình 3. 9. Bù tán sắc điều chỉnh được sử dụng cách tử quang chirp khúc xạ kép
Các bộ bù tán sắc PMD ở hình 3.8 và 3.9 chỉ loại bỏ thành phần tán sắc PMD bậc 1. Ở tốc độ cao, xung quang đủ ngắn để phổ của chúng trở nên đủ rộng để các thông số PSP không thể là hằng số trên toàn bộ phổ xung. Lúc này các thành phần tán sắc PMD bậc cao bắt đầu có tác động đến hệ thống, thƣờng các hệ thống từ 40Gbps cần phải xem xét ảnh hƣởng các của các thành phần tán sắc PMD bậc cao. Do đó có nhiều kỹ thuật bù tán sắc đƣợc nghiên cứu để giải quyết vấn đề này.
Các bộ bù tán sắc bậc 1 có thể đƣợc đánh giá qua việc xung bị mở rộng đƣợc hạn chế nhƣ thế nào. Phân tích lý thuyết quá trình bù tán sắc PMD chỉ ra rằng giá trị trung bình hoặc giá trị kỳ vọng của hệ số mở rộng đƣợc định nghĩa là
2 2 2
0
/
b đƣợc biểu diễn bởi biểu thức sau, với T0 là bề rộng xung Gaussian không chirp: 1 2 2 2 2 4 1 2 1 3 3 c u x x b b (3.35)
78 Với 2 2 0 / 4 x T T , T là độ sai khác độ trễ nhóm dọc theo các PSP và 2 u b là giá trị trƣớc khi bù tán sắc PMD: 1 2 1 2 1 1 4 / 3 1 2 u b x x (3.36)
Hình 3.8 mô tả hệ số mở rộng bu (đƣờng liền nét) và bc (đƣờng chấm nét) theo tỉ số T /T0. Việc bù tán sắc, trong trƣờng hợp tốt nhất và xấu nhất tƣơng ứng khi chọn trạng thái phân cực (SOP) ngõ vào cũng đƣợc biểu diễn trong hình 3.8. Hình 3.8 có thể đƣợc dùng để ƣớc lƣợng nhằm cải thiện bộ bù tán sắc PMD bậc 1.
Hình 3. 10. Đồ thị quan hệ giữa hệ số mở rộng xung và giá trị DGD trung bình.
Nhƣ đã đề cập ở phần trƣớc, giá trị DGD trung bình phải không vƣợt quá 10% khe bit của hệ thống để đảm bảo xác suất lỗi xảy ra thấp hơn 10-5. Giá trị mở động tối đa gây ra bởi PMD vào khoảng b=1,02. Từ phƣơng trình (3.35) và (3.36) ta thấy rằng giá trị có thể duy trì đƣợc các hệ thống bù tán sắc PMD hoạt động là σT lên đến 30%. Bộ bù tán sắc bậc một có thể tăng giá trị chịu đựng của DGD lên nhiều hơn 3. Kết quả là khoảng cách truyền đƣợc tăng một cách đáng kể trong các hệ thống bù tán sắc PMD. Một lƣu ý rằng bộ bù tán sắc PMD đơn không thể dùng cho tất cả các kênh WDM, trong khi yêu cầu đặt ra là có thể dùng chung bộ bù tán sắc này cho tất cả các kênh. Điều này làm cho việc sử dụng các bộ bù tán sắc PMD đƣờng dây trở nên đắt đỏ. Bộ bù tán sắc bằng quang tích hợp trong bộ thu hoặc cân
79
bằng PMD điện tích hợp trong bộ thu là một giải pháp thực tế hơn và cả hai đã đƣợc đƣa vào thƣơng mại hóa vào năm 2001.