7. LIÊN HỢP PHA QUANG OPC 30
7.3Tín hiệu liên hợp pha (Phase-conjugated Signal): 33
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 thường người ta dùng phương pháp trộn 4 bước sóng (FWM- Four wave mixing) trong vùng phi tuyến, vì bản thân sợi quang tự nó là một môi trường phi tuyến, (cách đơn giản là dùng một sợi quang dài vài km được thiết kế một cách đặc biệt để tối đa hiệu ứng FWM)
Kỹ thuật FWM trong sợi quang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi
Để dùng hiện tượng FWM cần một nguồn bơm tại tần số wp được dịch từ tần số của tín hiệu ws một lượng nhỏ (~0.5THz) . Sợi quang phi tuyến tạo ra tín hiệu liên hợp pha quang tại tần số . Miễn là thỏa mãn điều kiện phù hợp pha.
Với là số lượng xung quang tại tần số wj
Điều kiện phù hợp góc pha thỏa mãn nếu bước sóng tán sắc không của sợi quang
được chọn (trùng với bước sóng bơm) đồng thời với bước sóng bơm.
Điều này đã được thông qua trong 1 cuộc thí nghiệm 1993 Lần đầu tiên chứng minh được rằng tiềm năng của kỹ thuật OPC trong việc bù tán sắc. Trong 1 thí nghiệm khác 1 tín hiệu ( bước sóng 1546nm) được kết hợp góc pha bằng cách sử dụng FWM cho 23 km sợi quang với bước sóng pump “bơm” là 1549 nm . Tín hiệu ở tốc độ bit 6-Gb/s
được phát trên 152 km sợi quang tiêu chuẩn với điều chế FSK. Một thí nghiệm khác nữa là 1 tín hiệu 10 Gb/s có thể phát trên 360 km.
2
c p s
Trang 34 2 3 2 3 2 p c c L L β δ β β δ β + = + c wc ws δ = −
Kỹ thuật OPC khoảng giữa phổ được thực hiện cho 21 km sợi quang bằng cách sử
dụng tia “pump” laser mà bước sóng của nó được cân chỉnh một cách chính xác với bước sóng tán sắc không. Bước sóng tín hiệu và pump lệch nhau 3.8 nm.
Hình 7.1: Thí nghiệm bù tán sắc trong đảo khoảng giữa phổ trên 21 km chiều dài sợi quang
Cách thực hiện để tạo ra tín hiệu pha liên hợp hợp. 1 bộ lọc dải thông bandpass được sử
dụng để tạo ra tín hiệu pha liên hợp .
Nhiều nhân tố cần phải được xem xét trong kỹ thuật pha kết hợp khoảng giữa phổ
trong thực tế. Trước hết vì bước sóng tín hiệu thay đổi từ ws thành wc=2wp−ws tại bộ
tạo pha liên hợp. Thông số tán sắc vận tốc nhóm GVD β2 bị thay đổi. Kết quả là , xảy ra bù tán sắc toàn phần chỉ khi bộ kết hợp góc quang lệch rất nhỏ so với điểm giữa của
đường quang. Ví trí chính xác Lpcó thểđược xác định bằng cách sử dụng điều kiện Với L là tổng chiều dài .
Khai triển β2( )wc thành chuổi Taylor tại tần số w Ls, p thì tìm được:
(7.3)
Với khoảng dịch tần số của tín hiệu bằng kỹ thuật OPC.
Đối với khoảng dịch bước sóng chuẩn 6nm, góc pha thay đổi khoảng 1%.
Một nhân tố thứ 2 cần chú ý là quá trình trộn 4 bước sóng (FWM) trong sợi quang là độ nhạy phân cực vì phân cực của tín hiệu không được điều khiển bởi sợi quang, nó thay đổi tại bộ tạo pha kết hợp theo cách thức ngẫu nhiên. Ảnh hưởng của biến đổi ngẫu
2( )w Ls p 2( )(w L Lc p)
Trang 35 1 2 p p w ≠ w 1 2 c p p s w =w +w −w
nhiên này tác động đến hiệu suất FWM và làm cho kỹ thuật FWM không phù hợp với mục
đích thực tế. Tuy nhiên sự phối hợp có thể giảm bớt độ nhạy phân cực. 2 tia “pump” trực giao tại bước sóng khác nhau ở vị trí đối xứng của bước sóng tán xạ không của sợi quang
được sử dụng. Sự sắp xếp này có 1 thuận lợi khác là sóng kết hợp góc quang có thểđược tạo ra tại tần số của bản thân tín hiệu bằng cách chọn lọc bước sóng tán xạ khôngλZD để (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trùng với tần số tín hiệu
Từ mối quan hệ: với .
Độ nhạy phân cực của OPC cũng thu được bằng cách sử dụng một nguồn bơm (pump) đơn kết hợp với cách tử sợi quang và một thiết bị đối xứng kết hợp trực giao (orthoconjugate mirror) nhưng thiết bị này làm việc trong mode phản xạ và cần các sóng kết hợp riêng biệt từ tín hiệu bằng cách dùng bộ ghép 3-dB hoặc bộ cách ly vòng. Hiệu suất tương đối thấp của quá trình OPC trong sợi quang cũng có lợi. Điển hình là hiệu suất chuyển đổi ηcdưới 1% khiến nó phải khuếch đại tín hiệu pha kết hợp .
Thực tế suy hao của pha kết hợp vượt quá 20 dB. Tuy nhiên, quá trình FWM thì không phải là 1 quá trình hiệu suất thấp. Thực vậy, phân tích phương trình FWM cho thấy rằng ηc tăng lên đáng kể bằng cách tăng công suất pupm và giảm công suất tín hiệu. Nó có thể vượt quá 100 % mức công suất và khác biệt bước sóng “pump” (bơm) . (Cần tránh sử dụng nguồn bơm công suất cao do ảnh hưởng của hiện tượng phát xạ kích thích Brillouin)
Công suất (nguồn bơm) pump cao thường được hạn chế vì SBS. Tuy nhiên có thể
loại bỏ SBS bằng cách điều chế nguồn bơm tại tần số ~100Mz. Trong 1 thí nghiệm 1994, 35 % hiểu suất chuyển đổi được tạo ra bằng kỹ thuật này.
Quá trình FWM trong 1 bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) cũng được sử dụng
để tạo ra tín hiệu pha kết hợp dùng vào việc bù tán sắc. Công trình này đã được thực hiện trong 1 cuộc thí nghiệm 1993 và chứng minh được rằng tín hiệu truyền ở tốc độ 2.5 Gb/s.
Được điều chế bằng bằng các laser bán dẫn truyền trên 100 km chiều dài sợi quang chuẩn. Sau đó trong 1 thí nghiệm 1995, tương tự đã truyền được tín hiệu với tốc độ lên
đến 40 Gb/s trên chiều dài 200 km sợi quang chuẩn. Khả năng duy trì FWM trong SOA
được đề xuất vào năm 1987và kỹ thuật này được sử dụng trong chuyển đổi bước sóng. Ưu
điểm chính là tín hiệu kết hợp góc có thểđược tạo ra trong 1 thiết bị dài 1 nm. Hiệu suất chuyển đổi cao hơn so với FWM trong sợi quang vì nó được khuếch đại.
Trang 36 Bằng cách lựa chọn chính xác sóng bơm - điều hướng tín hiệu, thu được hiệu suất chuyển đổi lớn hơn 100% ( độ lợi thu được cho tín hiệu kết hợp góc quang) cho kỹ thuật FWM trong SOAs.
Ống dấn sóng phân cực tuần hoàn LiNbO3 được sử dụng để tạo ra các bộ chuyển
đổi phổ băng rộng, tín hiệu pha kết hợp được tạo ra bằng cách sử dụng các quá trình phi tuyến bậc hai liên tiếp. Các quá trình này là các quá trình phù hợp pha (quasi-phase- matched) nhờ vào chu kỳ cực của tinh thể. Đối với thiết bị OPC chỉ bỉ suy hao 7 dB và có khả năng bù tán sắc cho 4 kênh tín hiệu tốc độ 10 Gb/s trên chiều dài 150 km sợi quang chuẩn. Tiềm năng của kỹ thuật OPC đã được chứng minh ở một thử nghiệm 1999 với 1 bộ
kết hợp cơ bản FWM được 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 được nghiên cứu trên khoảng cách tuyền là vài trăm km. Đối với đường 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 được dùng các bộ khuếch đại bù suy hao được hay không. Trong 1 thử nghiệm mô phỏng, tín hiệu tốc độ
10 Gb/s có thể truyền trên 6000 km trong khi chỉ sử dụng công suất trung bình dưới mức 3 mW 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 được bằng cách giữ các bộ khuếch đại cho mỗi đoạn 40 km. Sự lựa chọn bước sóng hoạt động ,
đặc biệt là bước sóng tán sắc không có ý nghĩa then chốt. Trong vùng tán sắc dị thường <0, 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 tượng bất ổn điều chế
Tính không ổn định này có thể được tránh nếu thông số tán sắc tương đối lớn (D>10 ps/(km-nm)). Đây là trường hợp đối với sợi quang chuẩn bước sóng gần 1.55 . Hiển nhiên rằng khoảng cách truyền tối đa luôn là vấn đề quan trọng đối với nhiều hãng sản xuất, như kỹ thuật trộn 4 bước sóng FWM, khoảng cách dùng bộ khuếch đại có thể
giảm xuống dưới 3000 km.
Sử dụng kỹ thuật OPC cho hệ thống quang đường dài (long haul lightwave system)
đòi hỏi sử dụng các bộ khuếch đại quang và bộ pha kết hợp. 2 phần tử quang này có thể
ghép lại thành 1 bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại tham số (parametric amplifiers) - Mạch khuếch đại thường dùng linh kiện diod biến đổi điện dung, trong đó điện dung thay
đổi theo chu kì của tín hiệu, nó không chỉ tạo ra tín hiệu pha kết hợp trong suốt tiến trình FWM mà còn khuếch đại tín hiệu. Phân tích cho hệ thống quang đường dài cho thấy tín hiệu vào (20 đến 30 ps) có thể truyền dọc chiều dài lên đến hàng ngàn km sợi quang mặc
2
β
m (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trang 37 dù tán sắc vận tốc nhóm GVD cao. Tổng khoảng cách truyền có thể vượt quá 15.000 km cho sợi quang tán sắc thay đổi. với 2
2 2ps km/
β = − gần với bước sóng 1,55 . Kỹ thuật pha kết hợp không được sử dụng trong thực tế khi các bộ khuếch đại tham số chưa thông dụng trong thương mại. Phần kế tiếp tập trung vào kỹ thuật thông dụng sử dụng để điều khiển tán sắc trong hệ thống quang đường dài.