Tán sắc giới hạn cự ly truyền dẫn

Trong phần trên, chúng ta đã xem xét tới ảnh hƣởng của tán sắc làm hạn chế năng lực của truyền dẫn của hệ thống. Qua đó có thể thấy rằng ảnh hƣởng của tán sắc vận tốc nhóm GVD có thể đƣợc giảm nhỏ tối thiểu bằng việc sử dụng các nguồn phát laze bán dẫn có độ rộng phổ hẹp và có bƣớc sóng gần với bƣớc sóng có tán sắc bằng không ZD của sợi quang. Tuy nhiên, vấn đề này không phải lúc nào cũng thực

hiện đƣợc trong thực tế, và việc tạo ra các laze có bƣớc sóng ZD là không dễ dàng.

Trong các hệ thống thông tin quang thế hệ thứ ba có bƣớc sóng tại vùng 1550 nnm sử dụng loại nguồn phát laze DFB đây là các hệ thống đang đƣợc khai thác phổ biến trên thế giới. Tham số tán sắc sợi D của hệ thống này vào khoảng 17 ps/km .nm và đã hạn chế đáng kể đặc tính hệ thống khi mà tốc độ bit vƣợt quá 2.5 Gbít/s. Đối với các hệ thống điều chế trực tiếp laze DFB thì cự ly truyền dẫn L bị giới hạn bằng biểu thức sau:

48 1 4 L B D  (2.37)

Ở đây B là tốc độ bit truyền dẫn của hệ thống,  là độ rộng phổ RMS có giá trị tiêu biểu vào khoảng 0,15 nm do có sự giãn phổ sinh ra từ chirp tần số. Nếu nhƣ giá trị tham số tán sắc D = 17 ps/km .nm thì cự ly truyền dẫn tối đa chỉ có thể đạt đƣợc L39km tốc độ bit 2.5 Gbít/s, và trong thực tế thì khoảng lặp cũng là nhƣ vậy. Khi độ rộng  vào khoảng 0,1 nm thì cự ly đƣợc cải thiện khoảng 62 km, và nếu cự ly là cố định cho các khoảng cách trên thực tế giữa hai điểm nhƣ vậy thì ta không thể nâng cấp tốc độ cao hơn 2.5 Gbít/s.

Năng lực hệ thống có thể đƣợc cải thiện đáng kể khi sử dụng điều chế ngoài, và trong trƣờng hợp này có thể tránh đƣợc sự giãn phổ do chirp tần số gây ra. Kỹ thuật điều chế ngoài hiện nay đã đƣợc thƣơng mại trên thực tế, các thiết bị phát quang đã có cấu trúc tổ hợp cả laze DFB và bộ điều chế ngoài thành một thiết bị đơn khối. Cự ly truyền dẫn khi đó phụ thuộc vào tham số vận tốc nhóm 2

và đƣợc giới hạn nhƣ sau: 2 2 1 16 L B   (2.38)

Nếu nhƣ tham số 2 có giá trị tiêu biểu bằng -20 ps2/km .nm tại bƣớc sóng gần 1550 nm thì cự ly lớn nhất vào khoảng 500 km tại tốc độ bit 2.5 Gbít/s. Mặc dù cự ly truyền dẫn đã đƣợc cải thiện đáng kể so với trƣờng hợp điều chế trực tiếp laze DFB, nhƣng sự hạn chế hệ thống do tán sắc gây ra vẫn là mối quan tâm khi hệ thống có sử dụng khuếch đại đƣờng truyền LA. Hơn thế nữa, khi mà tốc độ bit tăng cao hơn, chẳng hạn tới 10 Gbít/s đơn kênh thì cự ly truyền dẫn do GVD gây ra chỉ còn khoảng 30 km. Với khoảng lặp ngắn nhƣ vậy thì có sử dụng bộ khuếch đại quang cũng không giải quyết đƣợc vấn đề gì. Bằng chứng ở đây cho thấy rằng giá trị GVD của sợi đơn mode khá lớn đã giới hạn nghiêm trọng chất lƣợng của hệ thống 1,55m đƣợc thiết kế cho các mạng thông tin quang tốc độ 10 Gbít/s trở lên.

49

Tốc độ SDH SONET Độ dài tuyến sợi Độ dài tuyến sợi

(Gbít/s) NZDSF (km) SSMF (km)

2,5 STM16 OC48 3640 940

10 STM64 OC192 230 60

40 STM256 OC768 14 4

Bảng 2. 5. Cự ly truyền dẫn tối đa ứng với 1dB công suất mất mát do tán sắc đối với sợi NZDSF (4,4 ps/(nm.km)) và SSMF (17 ps/(nm.km))

Tốc độ (Gbít/s) Hệ số PMD hiệu dụng ps/ km 1 0.5 0.25 0,1 2,5 2690 10606 40111 181444 10 168 661 2500 11309 40 10 40 149 676 80 2 8 32 144 160 0 1 3 11 Cự ly truyền dẫn không sử dụng trạm lặp (km)

Bảng 2. 6. Cự ly truyền dẫn tối đa ứng với các giá trị PMD khác nhau

50

CHƢƠNG III. CÁC GIẢI PHÁP BÙ TÁN SẮC 3.1. Sự cần thiết của việc quản lý bù tán sắc

Nhƣ chúng ta đã xem xét ở Chƣơng II ảnh hƣởng của tán sắc có tác động rất lớn đến chất lƣợng hệ thống thông tin quang nói chung và hệ thống thông tin quang tốc độ cao WDM nói riêng. Tán sắc gây ra hiện tƣợng dãn rộng xung, gây méo tín hiệu, làm tăng các lỗi bit xảy ra, ảnh hƣởng lớn đến tốc độ truyền dẫn của hệ thống. Có thể giảm thiểu ảnh hƣởng của tán sắc vận tốc nhóm ( GVD ) nếu sử dụng các laser phổ hẹp và khi càng gần với bƣớc sóng tán sắc zero λZD của sợi quang. Tuy nhiên không phải lúc nào cũng kết hợp giữa bƣớc sóng hoạt động λ với λZD. Có thể lấy ví dụ về các hệ thống trên mặt đất thuộc thế hệ thứ ba hoạt động gần bƣớc sóng λ = 1,55 µm và sử dụng các thiết bị phát quang laze hồi tiếp phân tán ( DFB ). Những hệ thống nhƣ vậy nhìn chung đều sử dụng mạng lƣới cáp quang đƣợc xây dựng trong những năm 1980 bao gồm hơn 50 triệu km chiều dài của sợi đơn mode “ tiêu chuẩn ” với λZD ≈ 1,31 µm. Do tham số tán sắc D ≈ 16 ps/(km.nm) trong dải bƣớc sóng 1,55 µm của sợi đơn mode, do đó GVD sẽ hạn chế tính năng khi tốc độ bit vƣợt quá 2Gb/s. Để điều biến trực tiếp laze DFB, chúng ta có thể sử dụng phƣơng trình: B L D. .   14 ( với  là độ rộng phổ nguồn RMS trong của nguồn ) để ƣớc tính khoảng cách truyền dẫn tối đa nhƣ sau:

  1

4

L B D s  (3.1)

Trong đó, s là độ rộng RMS của phổ xung đã đƣợc dãn rộng đáng kể bởi

dịch tần số. Khi sử dụng D = 16 ps/(km.nm) và s = 0,15 nm trong phương trình 3.1, các hệ thống sóng ánh sáng hoạt động ở tốc độ 2,5 Gb/s đều bị giới hạn ở mức L ≈ 42 km. Thực tế, những hệ thống nhƣ thế thƣờng sử dụng các thiết bị tái tạo điện tử nằm cách nhau 40 km, và không tận dụng đƣợc tính khả dụng của các bộ khuếch đại quang. Ngoài ra, tốc độ bit của chúng cũng không thể vƣợt quá 2,5 Gb/s vì lý do cự ly của thiết bị tái tạo là quá nhỏ để có thể đảm bảo khả thi về mặt kinh tế.

51

Tính năng của hệ thống có thể đƣợc cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng thiết bị điều chế ngoài, nhƣ vậy có thể tránh đƣợc hiện tƣợng dãn rộng phổ do dịch tần số. Cách này đƣợc ứng dụng các loại máy phát laze DFB thƣơng mại với một bộ điều chế tích hợp gắn liền. Với s = 0 hạn chế đƣợc hạn chế khi máy phát sử dụng loại sợi tiêu chuẩn. Khoảng cách truyền giới hạn khi đó sẽ đƣợc tính nhƣ sau:  21 2 16 L  B  (3.2)

Trong đó 2 là hệ số GVD liên quan tới D. Nếu thay giá trị 2 = -20 ps2/km, tại bƣớc sóng 1,55 µm, thì L < 500 km và đạt tốc độ 2,5 Gb/s. Mặc dù đã đƣợc cải thiện đáng kể so với laze DFB điều chế trực tiếp, nhƣng giới hạn tán sắc này vẫn đáng đƣợc lƣu tâm khi các thiết bị khuếch đại đƣờng truyền đƣợc sử dụng để bù suy hao. Hơn nữa, nếu tốc độ bit đạt 10 Gb/s, khoảng cách truyền giới hạn GVD sẽ giảm xuống chỉ còn 30 km, đây là mức quá thấp để các thiết bị khuếch đại quang có thể đƣợc sử dụng trong việc thiết kế các hệ thống bƣớc sóng ánh sáng nhƣ vậy. Từ phương trình 3.2 ta có thể thấy rằng giá trị GVD tƣơng đối lớn của sợi đơn mode tiêu chuẩn sẽ làm hạn chế tính năng của các hệ thống 1,55 µm đƣợc thiết kế để sử dụng trong mạng lƣới viễn thông hiện có khi tốc độ bit đạt 10 Gb/s hoặc cao hơn nữa.

Đã có một số mô hình quản lý tán sắc đƣợc đƣa ra để giải quyết vấn đề mang tính thực tiễn này. Nền tảng của những mô hình đó là khá đơn giản và có thể hiểu đƣợc dựa trên phƣơng trình lan truyền đƣợc viết nhƣ sau:

2 3 3 2 2 3 0 2 6 i A A A z t t            (3.3)

Trong đó A là biên độ bao xung. Những ảnh hƣởng của tán sắc bậc ba đƣợc ký hiệu là 3. Trong thực tế, ký hiệu này có thể sẽ không đƣợc sử dụng nếu 3 lớn hơn 0,1 ps2/km. Giải phương trình (3.3) sẽ đƣợc kết quả nhƣ sau :

2 3 2 3 1 ( , ) (0, ) exp 2 2 6 i i A z t A   z  z i t d               (3.4)

52 Xét khi 3 = 0, ta có kết quả nhƣ sau:

2 2 1 ( , ) (0, ) exp 2 2 i A z t A   z i t d              (3.5) Trong đó, Ã (0, ω) là khai triển Fourier của A (0, t).

Sự suy biến gây ra tán sắc của tín hiệu quang là do hệ số pha đạt giá trị

2

exp(i z / 2)bởi các thành phần phổ của xung trong quá trình lan truyền trong sợi. Tất cả các mô hình quản lý tán sắc đều cố gắng loại bỏ hệ số pha này nhằm phục hồi lại các tín hiệu đầu vào, đã đƣợc áp dụng trong máy phát, máy thu hoặc dọc theo đƣờng truyền sợi quang.

3.2. Kỹ thuật bù tán sắc trƣớc

Kỹ thuật này dựa trên nguyên lý chung là sửa đặc tính xung ngõ vào của bộ phát trƣớc khi đƣa vào sợi, đó là thay đổi biên độ phổ của xung ngõ vào A(0, ) nhƣ sau: 2 2 (0, ) (0, ) exp 2 i A  A    L    (3.6)

Trong đó L là chiều dài sợi. Khi đó tán sắc vận tốc nhóm (GVD) sẽ đƣợc bù chính xác và xung vẫn giữ nguyên dạng tại ngõ ra. Kỹ thuật này gồm có kỹ thuật Prechirp, kỹ thuật mã hóa Novel và kỹ thuật Prechirp phi tuyến.

Điều chế FM và AM tín hiệu quang cùng một lúc thì không cần thiết đối với việc bù tán sắc, nên ngƣời ta dùng khóa dịch tần (FSK) cho việc truyền tín hiệu. Tín hiệu FSK đƣợc thực hiện bằng việc chuyển mạch bƣớc sóng của Lazer lệch nhau một lƣợng là  giữa bít 0 và bít 1. Hai bƣớc sóng sẽ lan truyền trong sợi với tốc độ hơi khác nhau.

Thời gian trễ giữa bít 1 và bít 0 phụ thuộc vào việc dịch bƣớc sóng  và đƣợc tính theo công thức: T  D.L. và ta chọn  sao cho T  1 / B .

Sự trễ này tạo ra tín hiệu quang ba mức tại đầu thu. Hình sau đây cho ta thấy sự trì hoãn một bít tạo ra tín hiệu quang ba mức nhƣ thế nào. Do tán sắc của sợi nên tín hiệu FSK sẽ chuyển sang tín hiệu có biên độ đƣợc điều chế. Và tín hiệu này

53

có thể đƣợc giải mã ở đầu thu nhờ sử dụng bộ tích phân điện kết hợp với mạch quyết định bít.

Hình 3. 1. Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang và công suất tín hiệu phát; b) Tần số và công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã.

Một phƣơng pháp khác là mã hóa cặp nhị phân có thể làm giảm băng thông của tín hiệu còn 50%. Trong phƣơng pháp mã hóa này, hai bít kế tiếp nhau trong chuỗi nhị phân gộp lại hình thành một mã cặp nhị phân ba mức ở tốc độ bít chỉ bằng một nữa. Vì tán sắc vận tốc nhóm (GVD) phụ thuộc vào độ rộng băng của tín hiệu, nên khoảng cách truyền có thể tăng nhờ giảm băng tần của tín hiệu.

Tốc độ bít 10Gbps sử dụng mã hóa cặp nhị phân thì cự ly truyền dẫn có thể tăng thêm 30 đến 40km so với mã hóa nhị phân. Mã hóa cặp nhị phân có thể kết hợp với kỹ thuật lệch tần trƣớc. Trong thực tế đã truyền đƣợc tín hiệu tốc độ bít 10Gbps qua cự ly 160km sợi thƣờng nhờ kết hợp mã hóa cặp nhị phân với bộ điều chế ngoài có C > 0.

3.3. Kỹ thuật bù tán sắc trên đƣờng dây (In-line)

3.3.1. Bù tán sắc bằng sợi quang DCF:

Các kỹ thuật bù tán sắc trƣớc đó có thể tăng khoảng cách lên gấp đôi nhƣng nó không thích hợp cho các hệ thống có cự ly lớn, trong đó tán sắc vận tốc

54

nhóm (GVD) phải đƣợc bù dọc theo đƣờng dây truyền dẫn theo chu kì. Các kỹ thuật bù trên các hệ thống nhƣ thế này phải đảm bảo ở chế độ toàn quang, đặt trên sợi (chứ không phải đặt trên bộ phát hay bộ thu). Và một loại sợi đƣợc biết đến đó là sợi bù tán sắc.

Trong thực tế để nâng cấp các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi chuẩn hiện có, ngƣời ta thêm vào một đoạn sợi bù tán sắc (với chiều dài từ 6 đến 8km) đối với các bộ khuếch đại quang đặt cách nhau 60 đến 80km. Sợi bù tán sắc sẽ bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD), trong khi đó bộ khuếch đại sẽ đảm đƣơng nhiệm vụ bù suy hao cho sợi.

Ngƣời ta thƣờng sử dụng sợi DCF kết hợp với các bộ khuếch đại OA (thƣờng sử dụng bộ EDFA) để bù tán sắc trên tuyến quang, và tùy vào vị trí đặt DCF mà có các kiểu bù nhƣ sau:

Hình 3. 2. Sử dụng sợi DCF trên tuyến quang

3.3.2. Bù tán sắc bằng bộ lọc quang

Nguyên lý của phƣơng pháp này nhƣ sau: giả sử hàm truyền đạt của bộ lọc quang là H() thì ảnh hƣởng của nó đối với pha của xung tín hiệu đƣợc thể hiện bởi công thức: 2 1 2 1 ( , ) (0, ) ( ) 2 j L t A L t A H e d                  (3.7)

55

Bằng cách triển khai pha của H() theo chuỗi Taylor và giữ ở số hạng bậc hai sẽ có:   2 0 1 2 1 ( ) ( ) exp ( ) ( ) exp 2 H   H  i   H  i           (3.8) 0,1... m m m d m d   

  đƣợc ƣớc lƣợng tại tần số sóng mang quang 0. Pha hằng số 0 và trễ thời gian 1 sẽ không ảnh hƣởng đến dạng xung và có thể bỏ qua. Pha phổ do sợi sinh ra đƣợc bù bằng cách chọn bộ lọc quang sao cho có 2  2L khi đó xung có thể đƣợc phục hồi hoàn toàn.

1 ( , ) ( ) ( , ) exp( ) 2 A L t H  A L i T d        (3.9)

Có nhiều loại bộ lọc quang có hàm truyền đạt phù hợp với yêu cầu này và có thể đƣợc sử dụng làm các bộ bù tán sắc trong đó đặc biệt nổi bật là các loại bộ lọc cấu trúc buồng cộng hƣởng Fabry Perot và bộ lọc giao thoa kế Match Zehnder.

3.3.3. Bù tán sắc bằng tín hiệu quang liên hợp pha OPC

Kỹ thuật OPC (Optical phase conjugation) – liên hợp pha quang đòi hỏi 1 phần từ quang phi tuyến mà có thể tạo ra tín hiệu pha liên hợp. Thông thƣờng ngƣời ta dùng phƣơng pháp trộn 4 bƣớc sóng (FWM- Four wave mixing) trong vùng phi tuyến, vì bản thân sợi quang tự nó là một môi trƣờng phi tuyến, (cách đơn giản là dùng một sợi quang dài vài km đƣợc thiết kế một cách đặc biệt để tối đa hiệu ứng FWM).

Tiềm năng của kỹ thuật OPC đã đƣợc chứng minh ở một thử nghiệm 1999 với 1 bộ kết hợp cơ bản FWM đƣợc sử dụng bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ở tốc độ 40 Gb/s trên chiều dài 140 km sợi quang tiêu chuẩn.

Hầu hết các cuộc thí nghiệm về bù tán sắc đƣợc nghiên cứu trên khoảng cách truyền là vài trăm km. Đối với đƣờng truyền dài hơn nó đặt ra vấn đề kỹ thuật OPC có thể bù tán sắc vận tốc nhóm GVD cho chiều dài lên đến hàng ngàn km sợi quang mà đƣợc dùng các bộ khuếch đại bù suy hao đƣợc hay không. Trong 1 thử nghiệm mô phỏng, tín hiệu tốc độ 10 Gb/s có thể truyền trên 6000 km trong

56

khi chỉ sử dụng công suất trung bình dƣới mức 3mW để giảm hiệu ứng phi tuyến sợi quang. Trong 1 nghiên cứu khác cho thấy bộ khuếch đại đóng 1 vai trò quan trọng. Với khoảng cách truyền trên 9000 km có thể thực hiện đƣợc bằng cách giữ các bộ khuếch đại cho mỗi đoạn 40 km. Sự lựa chọn bƣớc sóng hoạt động, đặc biệt là bƣớc sóng tán sắc không có ý nghĩa then chốt. Trong vùng tán sắc dị thƣờng, Công suất của tín hiệu biến đổi tuần hoàn dọc chiều dài sợi quang . Điều này có thể dẫn tới việc tạo ra các (dải biên) sideband do hiện tƣợng bất ổn điều chế