Chương 4: CÁCH TỬ BRAGG VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC
4.5 Bù tán sắc trong hệ thống dung lượng lớn dùng cách tử Bragg
4.5.4 Bù tán sắc phân cực mode
Tán sắc phân cực mode (PMD) gây ra sự mở rộng xung do sự thay đổi một cách ngẫu nhiên giá trị Birefringence của sợi quang dọc theo chiều dài của nó [1]. Sự mở rộng xung này thêm vào sự mở rộng xung do tán sắc vận tốc nhóm. Việc điều khiển tán sắc có thể loại trừ được sự mở rộng xung do tán sắc vận tốc nhóm nhưng không tác động đến sự mở rộng xung do tán sắc phân cực mode. Vì thế tán sắc phân cực mode là vấn đề chính ta cần quan tâm trong các hệ thống mới được điều khiển tán sắc.
Trước khi xem xét các kỹ thuật được sử dụng để bù tán sắc phân cực mode, ta đi dự đoán độ dài của hệ thống trong các hệ thống không được bù. Phương trình biểu diễn sự mở rộng xung RMS (căn bậc hai của bình phương trung bình) đối với tuyến có chiều dài
‐ 51 ‐
L là: σT ≡ ( )ΔT 2 1/2 =Dp. L trong đó Dp là hệ số tán sắc phân cực mode, ΔT là độ trễ tương đối dọc theo hai trạng thái phân cực chính (PSPs – Principal States of Polarization).
Ta cần chú ý σT chỉ là giá trị trung bình. Giá trị tức thời của ΔT dao động theo thời gian qua một dải rộng do các yếu tố nhiệt độ và các yếu tố môi trường khác. Nếu ΔT vượt quá độ rộng bít thậm chí trong một khoảng thời gian ngắn thì hệ thống sẽ ngừng hoạt động;
điều này còn được gọi là hiện tượng Fading hay Outage analogy tương tự với hiện tượng xãy ra trong các hệ thống vô tuyến [1].
Hoạt động của hệ thống bị giới hạn bởi tán sắc phân cực mode được xác định nhờ sử dụng khái niệm xác suất Outage. Xác suất này có thể được tính bằng cách chú ý là ΔT theo phân bố Maxwellian. Thông thường giá trị σT chỉ là một phần nhỏ của chu kỳ bít TB
tại một tốc độ bít nhất định với B = 1/TB ( B là tốc độ bít ). Giá trị chính xác của phần nhỏ này thay đổi trong dải 0,1 đến 0,15 phụ thuộc vào loại điều chế (RZ hay NRZ) và đặc điểm của xung ngõ vào. Ta sử dụng giá trị 10% xem như là giá trị tiêu chuẩn, chiều dài hệ thống và tốc độ bít phải thoả điều kiện:
2 2.L<(10.Dp)−
B (4.5-3) Đối với các tuyến đã lắp đặt trước đây sử dụng các sợi quang chuẩn thì điều kiện ở phương trình (4.5-3) trở thành B2L < 104(Gb/s)2-km nếu ta sử dụng Dp =1ps/ km. Sợi loại này yêu cầu bù tán sắc phân cực mode tại tốc độ 10Gbps nếu chiều dài tuyến vượt quá 100km. Đối với các sợi loại mới có giá trị Dp =0,1ps/ km thì các hệ thống được thiết kế sử dụng sợi loại này có B2L có thể vượt quá 106(Gb/s)2-km [1]. Như vậy việc bù tán sắc phân cực mode tại tốc độ bít 10Gbps là không cần thiết, nhưng khi tốc độ lên đến 40Gbps hoặc cao hơn và cự ly dài quá 600km thì cần phải bù tán sắc phân cực mode.
Có nhiều kỹ thuật quang khác nhau có thể được sử dụng để bù tán sắc phân cực mode như: bộ bù Soleil-Babinet dựa trên LiNbO3 có thể cung cấp một sự điều khiển phân cực vô hạn, tinh thể lỏng sắt từ, sợi giữ phân cực được xoán lại, các bộ lọc thông quang và cách tử lệch tần Birefringent. Hình 4.13 sau đây cho thấy cách làm việc của một bộ bù tán sắc phân cực mode dựa trên cách tử lệch tần Birefingent.
‐ 52 ‐
‐ 53 ‐
Do giá trị Birefringence lớn nên hai thành phần trường phân cực dọc theo trục nhanh và trục chậm có bước sóng Bragg khác nhau, và băng tần dừng dịch nhau một chút. Kết quả là chúng được phản xạ tại các vị trí khác nhau trong cách tử, và trải qua một độ trễ nhóm khác nhau, điều này có thể bù cho độ trễ nhóm do tán sắc phân cực mode. Độ trễ phụ thuộc vào bước sóng do đặc tính lệch tần của cách tử. Hơn nữa, nó có thể điều chỉnh khoảng vài nm bằng cách kéo căng cách tử. Một thiết bị như thế này có thể cung cấp việc bù tán sắc phân cực mode có thể điều chỉnh được và thích hợp cho các hệ thống WDM.
Ta cần chú ý là bộ bù tán sắc phân cực mode như trên chỉ loại bỏ được các ảnh hưởng của tán sắc phân cực mode bậc nhất. Tại tốc độ bít cao hơn, các xung quang đủ ngắn và phổ của chúng trở nên đủ rộng để các trạng thái phân cực không thể được giả sử là vẫn duy trì hằng số qua toàn bộ phổ xung. Các ảnh hưởng của tán sắc phân cực mode bậc cao hơn trở nên đáng quan tâm đối với các hệ thống có tốc độ bít 40Gbps hoặc lớn hơn, và các kỹ thuật bù chúng cũng đã được đề xuất.
Hiệu quả của việc bù tán sắc phân cực mode bậc nhất có thể thấy được bằng cách xem xét cách giảm sự mở rộng xung bởi một bộ bù tán sắc. Một lý thuyết giải tích của việc bù tán sắc phân cực mode cho thấy giá trị trung bình, hay giá trị mong đợi của hệ số mở rộng xung được định nghĩa: đối với các xung Gaussian không lệch tần có độ rộng T0 như sau [1]:
2 0 2
2 =σ /σ
b Slow Axis (ns) L Δ
Reflected from slow axis Reflected from
fast axis Fast Axis (nf) P
s
t t
Pf
Δt Reflected Signal
(a) Ps
t Pf
Incoming Signal
Hình 4.13: Bù tán sắc phân cực mode có thể thay đổi được nhờ cách tử sợi lệch tần Birefringent. a) Nguồn gốc của độ trễ nhóm sai biệt; b) Sự dịch băng tần
dừng nhờ trải căng cách tử
1547 1549 1551 1553 (b)
λ Tuning: 2,32 nm
Fast Axis Slow Axis
λ (nm)
[(1 2. /3) 1]
4 3 / .
2 1/2
2
2 =b + x − + x −
bc u (4.5-4) trong đó x= (ΔT) /4T02, là độ trễ nhóm vi sai dọc theo trạng thái phân cực, và là giá trị trước khi bù tán sắc phân cực mode [1].
ΔT bu2
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ ⎟ −
⎠
⎜ ⎞
⎝⎛ +
− +
= 1
3 1 4 2 1 1
2 / 1
2 x
x
bu (4.5-5)
Hình 4.14 sau đây cho thấy các hệ số mở rộng xung bu (đường liền nét) và bc (đường chấm chấm) như là một hàm của ΔT /T0. Trên hình ta thấy được sự so sánh giữa
trường hợp tốt nhất và trường hợp xấu nhất tương ứng với hai lựa chọn đặc biệt của hai trạng thái phân cực (SOP – State of Polarization) ngõ vào.
Độ trễ nhóm vi sai trung bình/ độ rộng xung ( ΔT /T0)
Hệ số trãi rộng
Hình 4.14: Hệ số mở rộng xung là một hàm của độ trễ nhóm vi sai trung bình trong bốn trường hợp. Đường chấm chấm cho ta thấy sự cải thiện nhờ sử dụng
bộ bù PMD bậc nhất. Các chấm tròn đen và trắng cho ta thấy kết quả của sự mô phỏng số
Hình 4.14 có thể được sử dụng để ước tính sự cải thiện bởi bộ bù tán sắc phân cực mode bậc nhất. Như ta đã đề cập trước đây, độ trễ nhóm vi sai (DGD) không được vượt quá 10% chu kỳ bít trong các hệ thống không được bù để giữ xác suất Outage dưới 10-5. Vì thế giá trị mở rộng xung do tán sắc phân cực mode có thể chịu được thì gần b = 1,02.
Từ phương trình (4.5-4) và (4.5-5) ta thấy giá trị này có thể được duy trì trong các hệ thống được bù tán sắc phân cực mode ngay cả khi σT vượt quá 30%. Vì vậy một bộ bù
‐ 54 ‐
tán sắc phân cực mode bậc nhất có thể tăng giá trị trễ nhóm vi sai có thể chịu được hơn 3 lần (khi đó tăng đáng kể khoảng cách truyền trong các hệ thống được bù PMD) [1].
Cần lưu ý là một bộ bù tán sắc phân cực mode đơn không thể dùng cho tất cả các kênh trong hệ thống WDM. Vì thế các bộ bù riêng biệt được dùng để bù cho mỗi kênh riêng, điều này làm cho việc bù tán sắc phân cực mode dọc theo tuyến sợi của hệ thống WDM gặp rất nhiều khó khăn về mặt giá thành. Khi đó một bộ bù tán sắc quang được đặt ngay trước máy thu, hay một bộ cân bằng tán sắc phân cực mode điện được gắn vào bộ thu là giải pháp thực tế nhất. Cả hai đã và đang được tiếp tục nghiên cứu để phục vụ cho các ứng dụng có tính thương mại.