Chương 3: KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG THÔNG TIN QUANG
3.4 Kỹ thuật bù tán sắc trên đường truyền (dùng sợi quang DCF)
Hai kỹ thuật bù tán sắc trên đường truyền phổ biến và đạt hiệu quả cao là sử dụng cách tử Bragg lệch tần tuyến tính (Linear Chirped Bragg Gratings) và sử dụng sợi bù tán sắc (Dispersion – Compensating Fibers). Trong chương 3 ta chỉ khảo sát phương pháp sử dụng sợi bù tán sắc, còn phương pháp dùng cách tử Bragg lệch tần tuyến tính sẽ được khảo sát kỹ hơn ở chương 4.
Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng sợi bù tán sắc (Dispersion – Compensating Fibers) Như ta biết, các kỹ thuật bù tán sắc được nêu ở phần trước có thể tăng khoảng cách lên gấp đôi nhưng nó không thích hợp cho các hệ thống có cự ly lớn, trong đó tán sắc vận tốc nhóm (GVD) phải được bù dọc đường truyền theo chu kỳ. Để có thể bù tán sắc trên các hệ thống như thế này đòi hỏi phải ở chế độ toàn quang, đặt trên sợi chứ không phải đặt trên bộ phát hay bộ thu. Và sử dụng sợi bù tán sắc là một kỹ thuật như thế.
Việc sử dụng sợi bù tán sắc (DCF) cung cấp kỹ thuật đảm bảo toàn quang và nó có khả năng bù hoàn toàn nếu công suất quang trung bình được giữ ở mức đủ nhỏ để các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang có thể bỏ qua. Để hiểu về mặt vật lý của kỹ thuật này, ta xem xét trường hợp mỗi xung quang được truyền qua hai phần sợi: phần thứ nhất là sợi chuẩn, và phần thứ hai là sợi bù tán sắc.
Bằng cách áp dụng phương trình (3.1-4) cho mỗi phần ta được [1]:
( ) ∫∞ ( ) ( )
∞
− ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ + −
= ω ω β β ω ω
π L L i t d
A i t
L
A 2 21 1 22 2
exp 2 ,
~0 2
, 1 (3.4-1)
trong đó L = L1 + L2 và β2jlà hệ số tán sắc vận tốc nhóm (GVD) đối với phần có chiều dài sợi là Lj ( j=1, 2 ).
Nếu phần sợi bù được chọn sao cho số hạng về pha có chứa biến mất thì xung sẽ được khôi phục thành dạng ban đầu tại cuối sợi bù. Vậy điều kiện để bù tán sắc hoàn toàn là
ω2
0 . . 1 22 2
21L +β L =
β hay D1L1 + D2L2 = 0 (3.4-2) Từ phương trình (3.4-2) ta thấy sợi bù phải có tán sắc vận tốc nhóm tại bước sóng μm
55 ,
1 là D2 < 0, vì đối với sợi chuẩn ta có D1 > 0. Và chiều dài sợi bù phải thỏa:
‐ 34 ‐
1 2 1
2 .L
D
L = D (3.4-3)
mà L2 phải càng nhỏ càng tốt nên D2 càng lớn càng tốt.
Trong thực tế để nâng cấp các hệ thống Thông Tin Quang sử dụng sợi chuẩn hiện có, người 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 [1]. Sợi bù tán sắc giữ nhiệm vụ bù tán sắc vận tốc nhóm, trong khi bộ khuếch đại sẽ đảm đương nhiệm vụ bù suy hao cho sợi. Kỹ thuật này rất hay nhưng có hai vấn đề cần quan tâm đó là: thứ nhất, suy hao của đoạn sợi bù thường lớn (quá 5dB cho một sợi bù tán sắc có chiều dài từ 6 đến 8km). Suy hao xen này có thể được bù lại nhờ việc tăng độ lợi bộ khuếch đại, nhưng ta phải trả giá bằng việc tăng nhiễu tự phát (ASE) do nó cũng được khuếch đại cùng với tín hiệu; thứ hai là đường kính mode của sợi bù tán sắc tương đối nhỏ, diện tích mode hiệu dụng chỉ khoảng . Khi cường độ quang trong sợi bù lớn thì các hiệu ứng phi tuyến tăng đáng kể [1].
20μm2
Những vấn đề trên ta có thể giải quyết bằng cách dùng sợi hai mode được thiết kế với giá trị V 2.5. Các sợi này có suy hao giống như sợi đơn mode nhưng hệ số tán sắc D đối với mode bậc cao hơn có giá trị âm lớn hơn (D = -770ps/km-nm đã được đo với sợi có lõi elip). Một km sợi bù tán sắc loại này có thể bù tán sắc vận tốc nhóm qua 40km sợi truyền dẫn, và suy hao thêm tính cho toàn tuyến nhỏ (vì chiều dài sợi bù lúc này nhỏ).
≈
Việc sử dụng sợi bù tán sắc có hai mode thì cần phải có thiết bị chuyển đổi mode, thiết bị này có khả năng chuyển năng lượng từ mode cơ bản sang mode bậc cao hơn.
Nhiều thiết bị như thế đã được phát triễn và nó có tính tương hợp với mạng. Hơn nữa, nó lại có suy hao xen vào nhỏ. Một yêu cầu đối với bộ chuyển đổi mode là phải không được nhạy với sự phân cực và phải hoạt động với băng thông rộng [1].
Hầu hết các thiết bị chuyển đổi mode trong thực tế là nó dùng sợi có hai mode cùng với một cách tử sợi, cách tử này dùng để ghép giữa hai mode. Chu kỳ cách tử được chọn sao cho tương ứng với sự khác nhau về chiết suất mode giữa hai mode là δn theo công thức sau: Λ=λ/δn và giá trị này thường cỡ 100μm. Cách tử này được gọi là cách tử sợi chu kỳ dài.
Hình 3.3 sau đây trình bày sơ đồ của sợi bù tán sắc hai mode với hai cách tử chu kỳ dài, cùng với đặc tính tán sắc đo đạt được của sợi bù tán sắc loại này.
‐ 35 ‐
2 km HOM- fiber
LPG LPG
LP01 LP02 LP01
- - - -
Dispersion (ps/km-nm)
200 300 400 500
1500 1520 1540 1560 Wavelength (nm)
( a ) (b)
Hình 3.3: a) Sơ đồ sợi bù tán sắc (DCF) sử dụng sợi mode bậc cao hơn (HOM) và hai cách tử chu kỳ dài (LPG) . b) Phổ tán sắc của DCF loại này.
Ta thấy D= - 420ps/(km-nm) tại bước sóng 1550nm và giá trị này thay đổi nhiều theo bước sóng. Điều này cho phép bù tán sắc băng rộng. Thường thì sợi bù tán sắc được thiết kế có D tăng theo bước sóng. Sự phụ thuộc vào bước sóng của D đóng một vai trò quan trọng đối với các hệ thống WDM.
‐ 36 ‐