Các hệ thống sóng ánh sáng WDM hiện đại thƣờng ứng dụng nhiều kênh nhằm đƣa dung lƣợng hệ thống lên đến trên 1Tb/s. Đối với những hệ thống này, kỹ thuật quản lý tán sắc phải tƣơng thích với băng thông rộng của tín hiệu đa kênh. Trong mục này, chúng ta sẽ bàn đến những vấn đề quản lý tán sắc có liên quan đến các hệ thống có dung lƣợng lớn.
3.9.1 Bù tán xạ băng rộng
Một tín hiệu WDM yêu cầu phải có băng thông 30 nm hoặc lớn hơn cho dù nó đƣợc chia thành các gói phổ ~ 0,1 nm (tùy vào tốc độ bit của các kênh riêng biệt). Đối với các kênh 10Gb/s, tán sắc bậc ba không có vai trò đáng kể do các xung quang có chiều rộng tƣơng đối ( >10 ps) đƣợc sử dụng cho các kênh riêng biệt. Tuy nhiên, do đặc tính phụ thuộc vào bƣớc sóng của β2, hoặc tham số tán sắc
D, hệ số tán sắc tích lũy ở mỗi kênh sẽ có sự khác nhau. Mọi mô hình quản lý tán sắc đều phải đồng thời bù đƣợc GVD của tất cả các kênh để đạt đƣợc tính hiệu dụng trong thực tiễn. Có một số giải pháp đã đƣợc sử dụng để bù tán sắc trong các hệ thống WDM. Có thể sử dụng cách tử sợi băng rộng đơn hoặc cách tử nhiều sợi cùng với các dải dừng đƣợc điều hƣởng cho từng kênh riêng biệt. Hoặc, có thể tận dụng đặc tính tuần hoàn của phổ WDM và sử dụng sợi quang có hệ số truyền dẫn tuần hoàn cực đại. Giải pháp phổ biến nhất ứng dụng DCF trong các hệ thống WDM trên cơ sở thiết kế hợp lý DCF.
Xét trƣờng hợp một, các cách tử sợi quang. Một cách tử sợi dịch tần có thể có dải dừng rộng 10 nm nếu có đủ chiều dài. Thí nghiệm năm 1999 đã ứng dụng một cách tử sợi dịch tần có băng thông 6nm trong hệ thống WDM bốn kênh, mỗi kênh hoạt động ở tốc độ bit 40 Gb/s. Khi băng thông tín hiệu WDM lớn hơn nhiều so với 6 nm, thì có thể sử dụng các cách tử dịch tần xếp tầng sao cho mỗi cách tử phụ trách một kểnh và có thể bù đƣợc tán sắc của nó. Ƣu điểm của kỹ thuật này là các cách tử sợi đƣợc thiết kế để phù hợp với GVD của mỗi kênh. Hình 3.18 mô tả mô hình cách tử xếp tầng trong hệ thống WDM bốn kênh. Cứ mỗi 80 km, một bộ gồm bốn cách tử sẽ bù đƣợc GVD cho tất cả các kênh trong khi đó hai bộ khuếch đại quang sẽ lo khắc phục các suy hao. Cho đến năm 2000, giải pháp này đƣợc ứng dụng cho hệ thống WDM 32 kênh có băng thông rộng 18 nm. Sáu bộ cách tử
dịch tần có dải dừng rộng 6 nm mỗi cách tử đã đƣợc xếp tầng để bù đồng thời GVD cho đồng thời tất cả các kênh.
Giải pháp nhiều cách tử đã trở nên khá bế tắc khi có quá nhiều dải tần với băng thông tín hiệu vƣợt quá 30 nm. Một bộ lọc FP có nhiều các đỉnh truyền đƣợc bố trí cách nhau theo chu kỳ thông qua dải phổ tự do của bộ lọc. Thiết bị lọc này có thể bù GVD cho tất cả các kênh nếu (i) tất cả các kênh có cự ly đều và (ii) dải phổ tự do của bộ lọc tƣơng ứng với cự ly của kênh. Vấn đề khó khăn là thiết kế các bộ lọc FP có lƣợng tán sắc lớn. Một loại cách tử sợi mới, gọi là cách tử sợi lấy mẫu đã đƣợc thiết kế để giải quyết vấn đề này. Cách tử loại này có nhiều dải dừng và đƣợc chế tạo tƣơng đối dễ. Không phải chỉ là một cách tử dài dạng đơn mà còn là cách tử nhiều độ dài ngắn đƣợc sắp xếp với cự ly đều giữa chúng. (Từng phân đoạn ngắn là một mẫu do đó mới có tên gọi là cách tử dạng mẫu). Cự ly bƣớc sóng giữa các đỉnh đa hệ số phản xạ đƣợc quyết định bởi chu kỳ mẫu và có thể điều chỉnh đƣợc trong quá trình chế tạo. Ngoài ra, nếu mỗi mẫu đều đƣợc dịch tần, các đặc điểm tán sắc của từng đỉnh đa hệ số phản xạ cũng đƣợc quản lý bằng các dịch tần. Kỹ thuật cách tử này đƣợc đƣa ra lần đầu tiên năm 1995 để bù đồng thời tán sắc sợi cho khoảng cách 240 km đối với các kênh 10 Gb/s. Thí nghiệm năm 1999 đã sử dụng loại cách tử dạng mẫu cho hệ thống WDM bốn kênh. Do số lƣợng kênh tăng nên sẽ càng khó hơn nữa trong việc bù GVD cùng một lúc cho tất cả các kênh ở cùng một thời điểm.
Hình 3.18: Các cách tử xếp tầng đƣợc sử dụng để bù tán sắc trong hệ thống WDM
Việc sử dụng các DCF hệ số góc âm sẽ là giải pháp đơn giản nhất để kiểm soát tán sắc trong các hệ thống WDM dung lƣợng lớn với số lƣợng nhiều các kênh. Thực vậy, các DCF đó đƣợc phát triển và thƣơng mại hóa trong những năm 1990 và đƣợc sử dụng trong các hệ thống WDM mật độ cao. Việc phải có hệ số góc tán sắc âm cũng là điều dễ hiểu nếu xét điều kiện ( 3.20a ), Mục 3.4 dành cho các kênh đơn. Phải thỏa mãn đƣợc điều kiện này cho tất cả các kênh, tức là:
D1(λn)L1 +D2(λn)L2 = 0 ( 3.58 )
Trong đó λn là bƣớc sóng của kênh thứ n. Do hệ số góc tán sắc S hoặc tán sắc cấp ba β3 có giá trị dƣơng hữu hạn nên D1 sẽ tăng cùng với bƣớc sóng của cả sợi đã dịch tán sắc và sợi tiêu chuẩn. Do đó, tán sắc tích lũy D1L1 sẽ khác nhau ở mỗi kênh. Nếu cùng một DCF phải làm việc cho tất cả các kênh thì hệ số góc tán sắc của nó phải mang dấu âm và có giá trị sao cho Phương trình (3.58) đƣợc thỏa mãn cho tất cả các kênh.
Với Dj(λn) = Dj + Sj(λn−λc) trong phương trình (3.58), trong đó Dj ( j = 1,2) là giá trị tại bƣớc sóng λc của kênh trung tâm, khi đó hệ số góc tán sắc của DCF sẽ là:
S2 = −S1(L1/L2) = S1(D2/D1) ( 3.59 )
Trong đó chúng ta áp dụng điều kiện ( 3.20a ) cho kênh trung tâm. Phƣơng trình này cho biết tỷ lệ S/D, gọi là hệ số góc tán sắc tương đối, sẽ có cùng một giá trị ở cả hai loại sợi đƣợc sử dụng để thiết lập ánh xạ tán sắc. Đối với sợi chuẩn có
D ≈ 16 ps/(km-nm) và S ≈ 0.05 ps/(km-nm2), thì tỷ lệ này vào khoảng 0.003 nm−1. Do vậy, đối với DCF có D≈−100 ps/(km-nm), thì hệ số góc tán sắc sẽ vào khoảng −0.3 ps/(km-nm2). Các DCF này đã đƣợc thƣơng mại hóa. Trong trƣờng hợp là các sợi dịch tán sắc thì tỷ lệ S/D có thể vƣợt mức 0.02 nm−1. Sẽ là khó khăn trong việc chế tạo DCF có giá trị hệ số góc tán sắc tƣơng đối lớn đến nhƣ vậy cho dù các DCF hai mode có thể tạo ra giá trị 0.01 nm−1 (xem Hình 3.7). Các sợi tán sắc nghịch đảo đã đƣợc chế tạo để dấu của cả D và S đều có thể đảo chiều so với các sợi dịch tán sắc thƣờng. Ánh xạ tán sắc trong trƣờng hợp này đƣợc lập trên cơ sở các chiều dài cân bằng của hai loại sợi.
Có nhiều thí nghiệm trong những năm 1990 đã chứng minh đƣợc tính hữu dụng của các DCF cho hệ thống WDM. Trong thí nghiệm năm 1995, 8 kênh với cự ly 1,6 nm, tốc độ bit 20 Gb/s đã đƣợc truyền đi 232 km chiều dài sợi tiêu chuẩn thông qua các DCF. Tán sắc dƣ ở mỗi kênh là tƣơng đối nhỏ (≈ 100 ps/nm cho toàn nhịp) do các kênh đều đƣợc bù đồng thời bởi các DCF. Còn ở thí nghiệm năm 2001, các DCF băng rộng đƣợc sử dụng để truyền tín hiệu WDM 1Tb/s (101 dải tần, tốc độ 10Gb/s) đi 9000 km. Tốc độ lớn nhất là 11 Tb/s khi đó cũng đã đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng các sợi tán sắc nghịch đảo trong một thí nghiệm truyền tín hiệu 273 kênh, tốc độ mỗi kênh 40 Gb/s qua đồng thời các băng tần C, L và S (kết quả trong toàn bộ băng thông của hơn 100 nm).
3.9.2 Bù tán sắc điều hướng
Sẽ là khó khăn nếu phải đảm bảo bù GVD toàn diện cho tất cả các kênh trong hệ thống WDM. Một lƣợng nhỏ tán sắc dƣ sẽ tồn tại và là vấn đề cần phải giải quyết trong các hệ thống đƣờng dài. Trong nhiều thí nghiệm, một kỹ thuật bù sau đƣợc thông qua trong đó tán sắc dƣ thừa ở mỗi kênh riêng đƣợc bù bằng cách bổ sung chiều dài của DCF (hoặc cách tử sợi) tại đầu cuối máy thu (tinh chỉnh tán sắc). Kỹ thuật này là không phù hợp với hệ thống WDM thƣơng mại vì một số lý do. Thứ nhất, khi tốc độ bit của kênh đơn tăng lên 40 Gb/s thì giá trị cho phép của tán sắc dƣ sẽ nhỏ đến mức những thay đổi do nhiệt độ trong GVD sẽ trở nên đáng kể. Vì vậy, cách tốt nhất là phải thực hiện một mô hình bù tán sắc điều hƣớng để có thể kiểm soát đƣợc GVD cho mỗi kênh theo phƣơng thức động lực.
Đã có một số kỹ thuật bù tán sắc điều hƣởng đƣợc xây dựng và sử dụng trong việc thực nghiệm hệ thống. Hầu hết đều tận dụng hệ cách tử Bragg sợi do tán sắc của hệ thống có thể đƣợc điều hƣởng bằng cách thay đổi chu kỳ lƣới ňΛ. Ở một mô hình, cách tử đƣợc thiết kế có dịch tần phi tuyến (bƣớc sóng Bragg tăng phi tuyến dọc theo chiều dài cách tử) có thể đƣợc thay đổi bằng cách kéo căng cách tử bằng một bộ chuyển đổi điện áp. Ở một cách khác, cách tử không có dịch tần hay dịch tần tuyến tính mà chỉ sử dụng gradient nhiệt độ để tạo ra dịch tần có thể kiểm soát. Ở cả hai trƣờng hợp thì những biến đổi do nhiệt độ hay ứng suất trong chỉ số mode ň sẽ làm thay đổi bƣớc sóng Bragg nội nhƣ λB(z) = 2ň(z)Λ(z). Đối với hệ cách tử này, phương trình ( 3.34 ) sẽ đƣợc thay thế bằng:
( 3.60 )
Trong đóτg là độ trễ nhóm và Lg là chiều dài cách tử. Giá trị Dg ở bất kỳ một bƣớc sóng nào cũng có thể đƣợc thay đổi bằng cách điều chỉnh chỉ số mode ň (bằng cách đốt nóng hoặc kéo căng), nhờ đó tạo ra các đặc tính tán sắc điều hƣớng cho cách tử Bragg.
Phân tán nhiệt của hệ cách tử Bragg yêu cầu phải có bộ gia nhiệt màng mỏng đƣợc bố trí ở bề mặt ngoài của sợi với cách tử trong lõi. Độ dày của màng thay đổi theo chiều dài cách tử và tạo ra một gradient nhiệt độ trong suốt quá trình gia nhiệt không đều khi màng đƣợc tích hợp điện áp. Có thể sử dụng một bộ gia nhiệt màng mỏng phân đoạn để phục vụ cho mục đích này. Hình 3.19 mô tả phổ phản xạ của cách tử dài 8 cm với ba mức điện áp và tổng tán sắc DgLg nhƣ là một hàm của điện áp. Cách tử ban đầu không đƣợc dịch tần và có dải dừng hẹp có thể dịch chuyển hoặc mở rộng do cách tử đƣợc dịch tần qua hệ gia nhiệt không đều. Về mặt vật lý, bƣớc sóng Bragg λBthay đổi theo chiều dài của cách tử do chu kỳ quang ň(z)Λ là một đại lƣợng phụ thuộc vào z khi gradient nhiệt độ đƣợc hình thành dọc theo cách tử. Có thể thay đổi tổng tán sắc DgLg trong khoảng −500 đến
−2200 ps/nm cũng bằng phƣơng thức này. Các hệ cách tử nhƣ thế đƣợc sử dụng để tạo ra tán sắc điều hƣởng cho các hệ thống 10 Gb/s.
g L
g g n z dz d d c d d D 0 ) ( 2 ) ( Hình 3.19: (a) Mô tả phổ phản xạ và (b) toàn bộ GVD nhƣ một hàm của điện áp cho cách tử sợi với gradient nhiệt độ.
Khi tốc độ bit đạt 40 Gb/s hoặc lớn hơn thì cần phải dịch tần cách tử để dải dừng đủ rộng cho phổ tín hiệu truyền qua. Dịch tần phi tuyến khi đó sẽ có sự tăng cƣờng kiểm soát đối với thiết bị. Những hệ cách tử dịch tần này đƣợc chế tạo và sử dụng để bù tán sắc điều hƣởng có tốc độ bit 160 Gb/s. Hình 3.20 mô tả tính nhạy của máy thu đo đƣợc trong thí nghiệm 160 Gb/s nhƣ là một hàm của tán sắc định sẵn có và không có cách tử dịch tần tán sắc điều hƣởng. Khi không có cách tử, độ nhạy tối thiểu vào khoảng 91 ps/nm do DCF đƣợc sử dụng đã biến tán sắc thành một hằng số. Một lỗi công suất 4 dB xuất hiện khi GVD thừa biến đổi chỉ vào khoảng 8 ps/nm. Có thể giảm xuống mức dƣới 0,5 dB nếu có bù tán sắc điều hƣởng. Từ các đồ thị theo dõi về tán sắc định sẵn vào khoảng 110 ps/nm ta thấy hệ thống sẽ không thể hoạt động nếu nhƣ không có cách tử nhƣng theo dõi sẽ đƣợc duy trì độ mở rộng nếu sử dụng bù tán sắc điều hƣởng. Thí nghiệm này đã sử dụng các xung quang 2 ps do khe bit chỉ rộng 6,25 ps và tốc độ bit vào khoảng 160 Gb/s. Các tác động của tán sắc bậc ba là đáng phải quan tâm đối với các xung ngắn nhƣ thế.
Hình 3.20: Độ nhạy của máy thu trong thí nghiệm 160 Gb/s, là một hàm của tán sắc dự trƣớc có (hình vuông) và không có (hình tròn) cách tử Bragg dạng sợi (CFBG).
Sự tăng trong đồ thị theo dõi đƣợc mô tả cho 110 ps/nm ở hình bên phải.
3.9.3 Quản lý Tán sắc Bậc Cao
Khi tốc độ bit của một kênh đơn vƣợt mức 40 Gb/s (có thể là do ứng dụng
ghép kênh phân chia theo thời gian) thì các tác động tán sắc bậc ba hoặc bậc cao
hơn sẽ bắt đầu ảnh hƣởng tới tín hiệu quang. Ví dụ, khe bit ở tốc độ 100 Gb/s sẽ
chỉ có độ rộng 10 ps, và một tín hiệu quang RZ sẽ bao gồm các xung có độ rộng
< 5 ps. Để tính khoảng truyền dẫn cực đại L, đƣợc giới hạn bởi tán xạ bậc ba β3,
chỉ khi tán xạ bậc hai đƣợc bù. Ta có:
L ≤ 0.034(|β3|B3)−1 ( 3.61 ) Với tốc độ bit 200 Gb/s, L đƣợc giới hạn 50 km và sẽ chỉ còn 3,4 km ở tốc độ 500 Gb/s nếu chúng ta thay một giá trị cụ thể β3 = 0.08 ps3/km. Rõ ràng là phải sử dụng các kỹ thuật có thể bù đồng thời tán sắc bậc hai và bậc ba khi tốc độ bit của kênh đơn lớn hơn 100 Gb/s. Đã có một số kỹ thuật nhƣ thế đã và đang đƣợc xây dựng.
Cách đơn giản nhất để bù tán sắc bậc ba là sử dụng các DCF có hệ số góc tán sắc âm để cả β2 và β3 có dấu ngƣợc với dấu của các sợi tiêu chuẩn. Có thể biết điều kiện cần để chế tạo loại sợi này bằng cách giải phương trình (3.3) trên cơ sở áp dụng phƣơng pháp biến đổi Fourier. Đối với đƣờng truyền sợi quang có các chiều dài sợi khác nhau là L1 và L2 thì các điều kiện đối với bù tán sắc sẽ là:
Trong đó β2jvà β3j là các tham số tán sắc bậc hai và bậc ba đối với sợi có chiều dài Lj. Điều kiện thứ nhất cũng tƣơng tự nhƣ ở phương trình (3.20a). Áp dụng phương trình ( 3.20b ), ta có thể sử dụng điều kiện thứ hai để tìm tham số tán sắc bậc ba cho DCF:
β32 = (β22/β21)β31 = −(L1/L2)β31. ( 3.63 )
Hình 3.21: Dạng xung sau khi xung đầu vào 2,6 ps đƣợc truyền đi 300 km bằng sợi dịch tán sắc (β2 = 0). Hình trái và phải so sánh sự cải thiện thu đƣợc bằng bù tán sắc
bậc ba.
Yêu cầu này tƣơng tự với yêu cầu đƣợc đặt ra từ phương trình (3.51) đối với các DCF đƣợc sử dụng trong các hệ thống WDM vì β3 có sự liên hệ đến hệ số góc tán sắc S thông qua phương trình (2.11).
Đối với hệ thống kênh đơn, băng thông tín hiệu phải đủ nhỏ ngay cả khi tốc độ bit ở vào khoảng 500 Gb/s để thỏa mãn đƣợc phương trình (3.62) trên một băng thông 4 nm. Có thể đáp ứng đƣợc yêu cầu này bằng một bộ lọc quang hoặc cách tử sợi dịch tần. Trƣớc hết ta xét trƣờng hợp bộ lọc quang. Các mạch sóng ánh sáng phẳng đo đƣợc từ các bộ lọc giao thoa MZ (xem phần 3.5) đã chứng minh đƣợc tính hữu dụng của nó vì các bộ lọc này có khả năng lập trình đƣợc. Ở một thí
