a) Phương pháp truyền dẫn hỗ trợ tán sắc
Phƣơng pháp truyền dẫn hỗ trợ tán sắc, sử dụng khuôn dạng khóa dịch tần (FSK) để truyền dẫn tín hiệu. Tín hiệu FSK phát khi chuyển mạch bƣớc sóng laze bằng một đại lƣợng bất biến Δλ trong khoảng bit 1 và 0 trong khi công suất không thay đổi. Trong quá trình truyền dẫn bên trong sợi, hai bƣớc sóng có tốc độ gần nhƣ bằng nhau. Thời gian trễ giữa các bit 1 và 0 đƣợc xác định bởi đại lƣợng chuyển dịch bƣớc sóng Δλ, trong đó ΔT = DLΔλ. Đại lƣợng dịch bƣớc sóng Δλ chọn tƣơng ứng với ΔT = 1/B. Hình 3.3 mô tả cách thức một bit trễ sinh ra ba mức tín hiệu quang ở máy thu. Về bản chất, do tác động của tán sắc sợi mà tín hiệu FSK đƣợc biến đổi thành dạng tín hiệu điều chế biên độ. Tín hiệu có thể đƣợc giải mã tại máy thu nếu sử dụng bộ tích phân điện kết hợp với mạch quyết định.
Có nhiều thí nghiệm về truyền dẫn đã minh chứng đƣợc sự hữu dụng của mô hình truyền dẫn hỗ trợ tán sắc. Tất cả các thí nghiệm này đều chú trọng tới tăng khoảng cách truyền dẫn của hệ thống ánh sáng 1,55 µm ở tốc độ 10Gb/s hoặc cao hơn bằng cách sử dụng các sợi tiêu chuẩn. Trong năm 1994, việc truyền dẫn tín hiệu ở tốc độ 10 Gb/s với khoảng cách 253 km đã đƣợc hiện thực hóa. Cho đến năm 1998, trong thí nghiệm với tốc độ 40Gb/s, tín hiệu đã đƣợc truyền đi 86 km với sợi tiêu chuẩn. So sánh các giá trị này với giá trị tính toán trong phương trình (3.2) thì thấy rằng khoảng cách truyền dẫn có thể đƣợc cải thiện nếu có hệ số lớn đƣợc tạo ra trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật FSK.
Hình 3.3 Bù tán sắc sử dụng mã FSK: (a)Tần số và công suất quang của tín hiệu truyền dẫn.(b) Tần số và công suất của tín hiệu thu và dữ liệu giải mã điện
b) Phương pháp mã hóa nhị phân kép
Một cách khác nữa để tăng khoảng cách truyền dẫn là truyền tín hiệu quang có băng thông đạt tốc độ bit nhỏ hơn so với tốc độ của kỹ thuật mã hóa đóng-mở chuẩn. Mô hình sử dụng mã hóa nhị phân kép có tác dụng làm giảm 50% băng thông tín hiệu. Mô hình nhị phân kép đơn giản nhất là lấy tổng hai bit nối tiếp trong dòng bit số, tạo thành mã kép nhị phân ba mức có tốc độ bit chỉ còn một nửa. Do sự suy biến GVD phụ thuộc vào băng thông tín hiệu nên khoảng truyền phải đƣợc kéo dài để thích hợp với tín hiệu có băng thông giảm bớt.
Hình 3.4 Các vạch tuyến dọc của tín hiệu 16 Gb/s đƣợc truyền đi 70 km chiều dài sợi tiêu chuần: (a) có và (b) không có SOA gây ra dịch tần.Vạch tuyến đáy cho biết
mức nền trong từng trƣờng hợp.
Một thí nghiệm năm 1994 đƣợc xây dựng để so sánh giữa mô hình nhị phân và mô hình nhị phân kép, trong đó tín hiệu 10 Gb/s có thể đƣợc truyền đi với khoảng cách xa hơn từ 30 – 40 km nếu thay thế mã nhị phân bằng mã nhị phân kép. Mô hình nhị phân kép có thể kết hợp với kỹ thuật dịch tần trƣớc. Thực tế, việc truyền tín hiệu 10 Gb/s tới khoảng cách 160 km bằng sợi tiêu chuẩn đã đƣợc hiện thực hóa bằng cách kết hợp mã nhị phân kép với bộ điều chế ngoài có khả năng tạo ra dịch tần số C > 0. Có thể thấy rằng sự đảo pha thƣờng diễn ra khi một tín hiệu nhị phân kép đƣợc sản sinh chính là một nguyên lý làm gia tăng của mã nhị phân kép. Việc ứng dụng truyền dẫn nhị phân kép đã làm phức tạp hơn những yêu cầu về tín hiệu trên nhiễu cũng nhƣ yêu cầu máy thu phải có khả năng giải mã.
Mặc dù vẫn còn những hạn chế, nhƣng việc nâng cấp hệ thống sóng ánh sáng mặt đất hiện có để đạt tốc độ bit 10 Gb/s và cao hơn nữa là rất cần thiết.
3.2.3 Các kỹ thuật dịch tần trước phi tuyến
Một kỹ thuật dịch tần trƣớc phi tuyến đơn giản, đã đƣợc thực hiện năm 1989, có khả năng làm tăng hiệu suất của máy phát bằng cách sử dụng bộ khuếch đại quang học bán dẫn (SOA) hoạt động theo cơ chế làm dung hòa độ lợi. Cơ chế dung hòa độ lợi sẽ gây biến thiên theo thời gian đối với mật độ của sóng mang, do đó làm dịch tần các xung đƣợc khuếch đại thông qua các biến thiên bởi sóng mang trong hệ số khúc xạ. Số lƣợng dịch tần đƣợc tính theo phương trình (3.15) và chúng phụ thuộc vào dạng xung đầu vào ( hình 3.5).
Trong đó: βc là tham số nối biên độ - pha đƣợc gọi chung là hệ số tăng độ rộng đƣờng, Pin(τ) là công suất vào, τ là thời gian suy giảm, Esat là năng lƣợng bão hào, h(τ) là toàn bộ độ lợi tích hợp. Ta thấy dịch tần gần nhƣ là tuyến tính đối với hầu hết các xung. SOA không chỉ làm khuếch đại xung mà còn làm dịch tần xung, trong đó tham số dịch tần C > 0. Vì vậy mà xung đầu vào có thể đƣợc nén trong sợi với β2 < 0. Sự nén đó đã đƣợc quan sát trong thí nghiệm với các xung đầu vào 40 ps đƣợc nén thành các xung 23 ps khi đƣợc truyền qua khoảng cách 18 km trong sợi tiêu chuẩn.
Ƣu điểm của kỹ thuật này trong việc bù tán sắc đƣợc minh chứng trong thực nghiệm năm 1989, bằng cách truyền một tín hiệu 16 Gb/s, thu đƣợc từ laze bán dẫn khoang ngoài khóa mode, đi xa 70 km. Hình 3.4 so sánh tín hiệu bù tán sắc với tín hiệu không bù tán sắc. Từ phương trình (3.2), không gây dịch tần do khuếch đại, khoảng truyền dẫn ở tốc độ 16 Gb/s bị giới hạn bởi GVD xuống còn 14 km đối với sợi có D = 15 ps/(km.nm). Việc sử dụng bộ khuếch đại trong cơ chế dung hòa độ lợi đã làm tăng khoảng truyền lên gấp năm lần. Ngoài ra kỹ thuật này còn có thể bù những suy hao do ghép nối và suy hao do chèn thƣờng xuyên xảy ra trong máy phát bằng cách khuếch đại tín hiệu trƣớc khi đƣợc truyền tới sợi quang. Nếu SOA đƣợc sử dụng trong bộ khuếch đại đƣờng truyền, kỹ thuật này còn có thể đồng thời bù suy hao sợi và GVD.
)] ( exp[ ) ( ) , 0 ( t P t i L P t A m
Hình 3.5: Dịch tần áp dụng ngang xung khuếch đại cho một vài giá trị của Ein/Esat. Một xung đầu vào Gaussian đƣợc thừa nhận cũng nhƣ G0 = 30 dB và βc = 5
Có thể sử dụng môi trƣờng phi tuyến để dịch tần trƣớc các xung. Hệ số khúc xạ theo cƣờng độ đã làm dịch tần các xung quang thông qua hiện tƣợng tự điều pha (SPM). Do vậy, cách đơn giản để dịch tần trƣớc là đầu ra của máy phát phải qua sợi có chiều dài phù hợp trƣớc khi đƣợc truyền tới đƣờng truyền sợi quang. Tín hiệu quang tại điểm đầu vào đƣợc xác định bởi:
(3.16 )
Trong đó P(t) là công suất của xung, Lm là chiều dài của môi trƣờng phi tuyến, và γ là tham số phi tuyến. Trong trƣờng hợp là xung Gauss với P(t) = Po
exp(-t2/To2), dịch tần sẽ gần nhƣ tuyến tính, và phương trình (3.16) có thể đƣợc tính xấp xỉ nhƣ sau: ) exp( 2 1 exp ) , 0 ( 0 2 0 0 i L P T t iC P t A m (3.17)
Trong đó tham số di tần C = 2γLmPo. Với γ > 0, tham số dịch tần C sẽ dƣơng, và do đó là phù hợp với điều kiện bù tán sắc.
Với γ > 0 đối với sợi silica, bản thân sợi truyền có thể đƣợc sử dụng để dịch tần các xung. Phƣơng pháp này đƣợc đƣa ra nghiên cứu năm 1986, tận dụng
solition bậc cao thông qua giai đoạn bù ban đầu. Hình 3.6 mô tả GVD giới hạn khoảng cách truyền dẫn nhƣ là một hàm của công suất phát trung bình đối với hệ thống sóng quang 4 và 8 Gb/s. Trên cơ sở đó, ta có thể gấp đôi khoảng truyền bằng cách tối ƣu hóa công suất trung bình của tín hiệu đầu vào trong khoảng 3mW.
3.3 Các kỹ thuật bù sau
Các kỹ thuật điện có thể đƣợc ứng dụng để bù GVD trong máy thu. Nguyên lý của phƣơng pháp này là cho dù tín hiệu quang có bị suy biến bởi GVD thì những ảnh hƣởng của tán sắc vẫn có thể đƣợc cân bằng nếu sợi đóng vài trò là một
hệ tuyến tính. Nhƣ vậy là khá đơn giản trong việc bù tán sắc nếu máy thu Heterođin đƣợc sử dụng để tách tín hiệu. Máy thu Heterođin trƣớc hết sẽ biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu vi sóng ở một tần số trung gian ωIF trong khi vẫn bảo toàn biên độ và thông số của pha. Một bộ lọc lấy dải vi sóng có phản ứng xung đƣợc tính theo hàm truyền:
H(ω) = exp[−i(ω −ωIF)2β2L/2] (3.18)
Trong đó, L là chiều dài sợi, sẽ có tác dụng phục hồi lại nguyên dạng tín hiệu thu. Kết luận này dựa trên phần lý thuyết của hệ tuyến tính có áp dụng
phương trình (3.5) với z = L. Kỹ thuật này mang tính thực tiễn cao nhất đối với bù tán sắc xét trong các hệ thống sóng ánh sáng coherent. Trong thí nghiệm truyền dẫn năm 1992, một đường vi băng dài 31,5 cm đã đƣợc sử dụng để cân bằng tán sắc. Công dụng của nó đã có hiệu quả trong việc truyền tín hiệu 8 Gb/s đi 188 km và có độ tán sắc là 18,5 ps/(km.nm). Còn trong thí nghiệm năm 1993, kỹ thuật này đƣợc phát triển để tách sự đồng tần bằng cách ứng dụng truyền dẫn đơn băng biên, khi đó tín hiệu 6 Gb/s có thể đƣợc phục hồi tại máy thu sau khi đã trải qua quãng đƣờng 270 km trên sợi tiêu chuẩn. Các đƣờng vi băng đƣợc thiết kế để bù GVD cho quãng đƣờng dài 4900 km khi hệ thống sóng ánh sáng hoạt động ở tốc độ bit 2,5 Gb/s.
Hình 3.6 Tán sắc giới hạn khoảng cách truyền dẫn nhƣ là một hàm của công suất phát đối với các xung Gaussian(m=1) và siêu Gaussian ( m=3 ) ở tốc độ bit là 4 và 8
Gb/s. Các đƣờng ngang tƣơng ứng với trƣờng hợp tuyến tính.
Việc sử dụng máy thu coherent thƣờng không mang tính thực tế bằng việc sử dụng một bộ cân bằng tán sắc điện cho một máy thu tách sóng trực tiếp. Trong trƣờng hợp này, mạch điện tử tuyến tính không có khả năng bù GVD. Vấn đề nằm ở chỗ các thông số pha sẽ bị mất trong quá trình tách trực tiếp bởi thiết bị tách sóng quang sẽ chỉ có phản ứng với cƣờng độ quang. Do đó, không có kỹ thuật cân bằng tuyến tính nào có thể phục hồi tín hiệu đã vƣợt ra ngoài vị trí khe bit của nó. Tuy nhiên, một số kỹ thuật cân bằng phi tuyến đƣợc phát triển cho phép phục hồi các tín hiệu đã bị suy yếu. Một mặt, ngƣỡng quyết định, thƣờng đƣợc cố định tại tâm biểu đồ dạng mắt, sẽ khác nhau tùy theo các bit trƣớc đó. Mặt khác việc quyết định về một bit cho trƣớc sẽ đƣợc thực hiện sau khi đã kiểm nghiệm dạng sóng tƣơng tự trên các bit bao quanh bit nghiên cứu. Khó khăn lớn nhất khi thực hiện các kỹ thuật này là việc chúng đòi hỏi phải có các mạch logic điện tử hoạt động ở tốc độ bit và độ phức tạp của chúng tăng theo cấp số mũ. Theo đó, sự cân bằng điện sẽ chỉ đƣợc áp dụng với các tốc độ bit thấp và khoảng cách truyền dẫn trong phạm vi chiều dài tán sắc.
Một kỹ thuật cân bằng quang điện tử dựa trên cơ chế lọc ngang cũng đƣợc đƣa ra. Một bộ tách công suất tại máy thu sẽ có nhiệm vụ tách tín hiệu quang nhận đƣợc thành các nhánh. Các đƣờng trễ sợi quang sẽ tạo ra những biến trễ khác nhau trong các nhánh khác nhau. Tín hiệu quang trong mỗi nhánh sẽ đƣợc chuyển đổi thành dòng quang điện bằng cách sử dụng bộ tách sóng quang có độ nhạy biến thiên và dòng quang điện tổng sẽ đƣợc sử dụng trong mạch quyết định. Kỹ thuật này có thể làm tăng khoảng cách truyền dẫn gần khoảng hệ số 3 cho hệ thống sóng ánh sáng hoạt động ở tốc độ 5Gb/s.
3.4 Các sợi bù tán sắc
Các kỹ thuật trƣớc có thể làm tăng khoảng cách truyền dẫn của hệ thống giới hạn tán sắc theo hệ số 2 tuy nhiên lại không phù hợp với các hệ thống đƣờng dài khi mà GVD phải đƣợc bù định kỳ trong suốt chiều dài đƣờng truyền dẫn. Đối với các hệ thống này thì cần nhất là phải có kỹ thuật quản lý tán sắc có ứng dụng sợi thuần quang. Một loại sợi đặc biệt có tên là sợi bù tán sắc (DCF) đã đƣợc phát triển. DCF hỗ trợ thực hiện kỹ thuật thuần quang có khả năng bù toàn diện GVD nếu công suất quang trung bình đƣợc duy trì đủ thấp để những ảnh hƣởng phi tuyến bên trong sợi quang là không đáng kể. Kỹ thuật này phát huy đƣợc tính năng tuyến tính của phương trình (3.3).
Để hiểu rõ tính vật lý trong kỹ thuật quản lý tán sắc này, xét điều kiện từng xung quang lan truyền trong hai phân đoạn sợi, thì khi đó phân đoạn thứ hai sẽ là DCF. Áp dụng phương trình (3.5) cho từng phân đoạn sợi, ta thu đƣợc :
L L i t d i à t L A ( ) 2 exp ) , 0 ( 2 1 ) , ( 2 21 1 22 2 ( 3.19 )
Trong đó, L = L1 + L2 và β2 là tham số GVD cho phân đoạn sợi có chiều dài Lj (j = 1, 2). Nếu phân đoạn DCF đƣợc chọn với giá trị sao cho giới hạn pha ω2 bị triệt tiêu, thì xung sẽ đƣợc phục hồi hình dạng ban đầu tại điểm cuối của DCF. Điều kiện bù tán sắc lý tƣởng là β21L1+ β22L2= 0, hoặc
D1L1+ D2L2 = 0 ( 3.20a )
Từ phương trình ( 3.20a ) ta thấy DCF phải đạt GVD 1,55 µm (D2 < 0) bởi vì các chuẩn sợi viễn thông có D1 > 0. Ngoài ra, chiều dài của sợi phải thỏa mãn:
Để đảm bảo tính thực tiễn, L2 phải càng nhỏ càng tốt. Chỉ khả thi nếu DCF có giá D2 âm lớn. Mặc dù ý tƣởng sử dụng DCF đƣợc ứng dụng từ năm 1980, nhƣng phải đến khi xuất hiện bộ khuếch đại quang trong năm 1990 thì DCF mới đƣợc phát triển mạnh. Một giải pháp thực tế để nâng cấp các hệ thống sóng ánh sáng mặt đất trong đó tận dụng các chuẩn sợi hiện có là bổ sung một module DCF (DCF đạt 6 – 8 km) vào bộ khuếch đại quang có cự ly 60 – 80 km. DCF có khả năng bù GVD trong khi bộ khuếch đại sẽ khắc phục độ suy hao sợi . Phƣơng thức này rất phổ biến nhƣng lại kèm theo hai vấn đề. Một, tổn hao do nối ngoài của module DCF thƣờng vƣợt mức 5dB. Có thể bù tổn hao này bằng cách tăng độ khuếch đại nhƣng sẽ gây nhiễu tăng dần từ các bức xạ tự phát đƣợc khuếch đại (ASE). Hai, do đƣờng kính mode của DCF là tƣơng đối nhỏ nên vùng mode hiệu quả chỉ ≈ 20 µm2. Khi gặp cƣờng độ quang lớn hơn bên trong DCF với công suất đầu vào cho trƣớc, những ảnh hƣởng phi tuyến sẽ tăng lên đáng kể.
Có hai cách thức cơ bản để thiết kế các DCF:
o Một, DCF hỗ trợ mode đơn, tuy nhiên nó đƣợc thiết kế có giá trị tham số sợi V tƣơng đối nhỏ, mode cơ bản chỉ giới hạn V ≈ 1. Khi phân đoạn lớn của mode lan truyền bên trong lớp bọc, chỉ số khúc xạ nhỏ hơn, thì sự tác động của ống dẫn sóng đối với GVD là rất khác nhau, giá trị theo đó D ≈ –100 ps/(km-nm). Thiết kế theo kiểu vỏ lệch thƣờng đƣợc ứng dụng trong thực tiễn để tạo ra các DCF. Nhƣng các DCF cũng sẽ có độ hụt tƣơng đƣơng cao bởi tổn hao do uốn cong có chiều hƣớng tăng lên (α = 0,4 – 0,6 dB/km). Tỷ lệ |D|/α đƣợc sử dụng nhƣ là hệ số chất lƣợng M đối với các DCF. Đến năm 1997, các DCF với M > 250 ps/(nm-dB) mới ra đời.
o Hai, những vấn đề trên đƣợc giải quyết khi sử dụng DCF hỗ trợ hai