9. HỆ THỐNG QUANG DUNG LƯỢNG CAO 43
9.4 Bù tán sắc phân cực mode PMD 50
PMD là tác động mở rộng xung quang do các biến đổi ngẫu nhiên của hiện tượng lượng chiết/khúc xạ kép dọc theo chiều dài sợi quang. Việc mở rộng này càng làm xung bị mở
rộng hơn nữa bên cạnh việc dãn rộng xung do GVD. Các kỹ thuật điều khiển tán săc góp phần tác động lên GVD nhưng gần như không đảđộng gì đến ảnh hưởng của PMD. Chính vì lý do này PMD là một trong những đối tượng quan tâm đặc biệt trong các hệ thống điều khiển hiện đại.
Trước khi xem xét các kỹ thuật sử dụng cho bù tán sắc PMD, chúng ta tiến hành ước lượng các thông số trong các hệ thống không bù tán sắc. Giá trị RMS (căn bình phương trung bình) độ mở rộng của xung với chiều dài L được tính theo công thức
( )2 1/2
T T DP L
σ ≡ ∆ = với Dp là hệ số PMD và ∆T là độ trễ tương đối theo hai nguyên lý trạng thái phân cực (PSP). Ký hiệu σT biểu thị giá trị trung bình. Giá trị tức thời của
∆T dao động trong một dải rộng theo thời gian do nhiệt độ và các thông số môi trường khác. Nếu ∆T lớn hơn khe bit (bit slot) hệ thống sẽ ngưng hoàn toàn hoạt động.
Hoạt động của hệ thống bị giới hạn bởi PMD được phân loại dựa trên khái niệm xác suất ngừng đột xuất, xác suất này phải dưới giá trị qui định (thường là 10-5 hay 5 phút/năm). Xác suất này được tính theo ∆T dựa trên phân bố Maxwell. Một cách tổng quát, giá trị
RMS σT phải nhỏ hơn khe bit TB với tốc độ bit là B=1/TB. Giá trị nhỏ của nằm trong khoảng 0,1 đến 0,15 tùy theo loại điều chế (RZ, CRZ hoặc NRZ) và các thông số của xung ngõ vào. Với mô hình 10%, chiều dàu hệ thống và tốc độ bit phải thỏa điều kiện
2 (10 P) 2
B L< D − (9.7) Trong các tuyến quang cũ sử dụng sợi quang tiêu chuẩn, điều kiện 9.7 trờ thành
2 10 (4 )2
B L< Gbps −km nếu sử dụng DP =1 /ps km. Do sợi quang yêu cầu phải bù tán sắc PMD ở tốc độ 10Gbps và khoảng cách truyền 100km, do đó trong các sợi quang hiện
Trang 51 dụng sợi quang này thì B2L phải ở mức 106 (Gbps)2-km. Kết quả là, bù tán sắc PMD không cần phải thực hiện ở tốc độ 10Gbps nhưng cần phải thực hiện ở tốc độ 40Gbps với khoảng cách truyền 600km. Các ước lượng chính xác hơn dựa vào lý thuyết PMD đã được phát triển trong nhiều năm gần đây.
Hình 9.4: Mô hình bù tán sắc PMD quang và điện
Nhưđã đề cập ở trên tán sắc phân cực mode hạn chế hoạt động của kênh đơn khi tốc độ
bit lớn vợt xa 10Gbps. Để bù tán sắc phân cực mode có nhiều kỹ thuật đã được phát triển có thể phân chia thành kỹ thuật bù PMD quang và bù PMD điện. Hình 9.4 sơđồ bù tán sắc PMD quang và bù tán sắc PMD điện. Bộ cân bằng PMD điện ởđầu thu dùng để sửa các tác động của PMD sử dụng mô hình lọc ngang. Các bộ lọc chia tín hiệu điện x t( ) thành nhiều nhánh dây rẽ trễ và cùng kết hợp chúng ở ngõ ra 1 0 ( ) N m ( ) m y t − c x t mτ = =∑ − (9.8) Với N là tổng số nhánh rẽ, τ là thời gian trễ và cm là trọng số rẽ của nhánh thứ m. Trọng số
rẽ có thể điều chỉnh được bằng các thuật toán điều khiển đểđáp ứng nâng cao chất lượng hệ thống. Tín hiệu lỗi đưa vào mạch điện tử điều khiển thường được dựa vào trạng thái
đóng của mắt trong giản đồ mắt tại đầu thu. Do kỹ thuật điện tử không thể hạn chế PMD một cách hoàn toàn nên nó ít được nghiên cửu tiếp để giảm trễ PMD so với phương pháp nguyên lý trạng thái phân cực PSP (Principle state of Polarization). Kỹ thuật này có thể
hiệu chỉnh được tất cả các nguồn gây thoái hóa dẫn đến “mắt” bịđóng tại đầu thu.
Bộ bù tán sắc quang cũng sử dụng dây trễ, nó có thểđược chèn vào theo chu kỳ dọc theo chiều dài tuyến quang hoặc chỉ chèn vào ở đầu thu. Thông thường quá trình bù PMD quang được chia ra làm hai giai đoạn, đầu tiên tín hiệu quang được chia thành các nhánh PSP bằng cách sử dụng bộđiều khiển phân cực kết hợp theo sau là bộ chia tia phân cực; ở
giai đoạn thứ hai tiến hành kết hợp tín hiệu ở các nhánh PSP trong đó có tín hiệu được
điều chỉnh trễở một nhánh bằng dây trễ (hình 9.4). Vòng hồi tiếp dùng xác định tín hiệu lỗi để hiệu chỉnh bộ điều khiển phân cực đểđáp ứng với các thay đổi của môi trường dọc
Trang 52 lên sợi quang PSP. Thành công của kỹ thuật này dựa vào tỷ số L/LPMD với L là chiều dài sợi quang, và ( )2
0/
PMD P
L = T D là chiều dài PMD, T0 là bề rộng của xung. Cải thiện đáng kể được mong chờ là đưa khoảng cách truyền được dài nhất có thể và tỷ số này không vượt quá 4. Do chiều dài LPMD vào khoảng 10.000km với DP ≈0,1 /ps kmvà T0=10ps nên các bộ bù tán sắc PMD có thể sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang xuyên biển với tốc độ truyền 10Gbps.
Một vài kỹ thuật quang khác có thể được dùng để bù tán sắc PMD. Chẳng hạn như bộ bù tán sắc LiNBO3 –based Soleil– Babinet hoạt động dựa trên việc điều khiển phân cực ở
cuối đường truyền. Các thiết bị khác như tinh thể sắt 2 và 3 không bền, sợi quang duy trì phân cực kép, bộ lọc quang all-pass và cách tử quang chirp khúc xạ kép. Hình 9.5 chỉ ra nguyên tác hoạt động của bộ bù tán sắc PMD sử dụng cách tử. Do có một lượng lớn khúc xạ kép, hai trường phân cực dọc theo hai trục nhanh và chậm, nó khác so với bước sóng Bragg và gần dịch đến băng chặn. Kết quả là, nó phản xạ tại vị trí khác nhau dọc theo cách tử do đó nhận được giá trịđộ trễ nhóm khác và vì thế có thể bù tán sắc PMD, giảm độ trễ
nhóm. Độ trễ phụ thuộc vào bước sóng bởi vì quá trình chirp xảy ra tự nhiên trong cách tử. Hơn nữa, nó có thể điều chỉnh được thông qua dịch chuyển nm khoảng cách cách tử. Các bộ bù tán sắc PMD điều chỉnh được rất phù hợp cho các hệ thống WDM.
Hình 9.5: Bù tán sắc điều chỉnh được sử dụng cách tử quang chirp khúc xạ kép
Các bộ bù tán sắc PMD ở hình 9.4 và 9.5 chỉ loại bỏ thành phần tán sắc PMD bậc 1. Ở tốc
độ cao, xung quang đủ ngắn để phổ của chúng trở nên đủ rộng để các thông số PSP không thể là hằng số trên toàn bộ phổ xung. Lúc này các thành phần tán sắc PMD bậc cao bắt đầu có tác động đến hệ thống, thường các hệ thống từ 40Gbps cần phải xem xét ảnh hưởng các của các thành phần tán sắc PMD bậc cao. Do đó có nhiều kỹ thuật bù tán sắc được nghiên cứu để giải quyết vấn đề này.
Trang 53 Các bộ bù tán sắc bậc 1 có thểđược đánh giá qua việc xung bị mở rộng được hạn chế như
thế nào. Phân tích lý thuyết quá trình bù tán sắc PMD chỉ ra rằng giá trị trung bình hoặc giá trị kỳ vọng của hệ số mở rộng được định nghĩa là 2 2 2
0 /
b =σ σ được biểu diễn bởi biểu thức sau, với T0 là bề rộng xung Gaussian không chirp:
( )1/2 2 2 2 / 3 4 1 2 / 3 1 c u b = +b x − ⎡ + x − ⎤ ⎣ ⎦ (9.9) Với ( )2 2 0 / 4
x= ∆T T , ∆T là độ sai khác độ trễ nhóm dọc theo các PSP và bu2 là giá trị
trước khi bù tán sắc PMD: ( )1/2 2 1 1 1 4 / 3 1 2 u b = + −x ⎡ + x − ⎤ ⎣ ⎦ (9.10)
Hình 9.6 mô tả hệ số mở rộng bu (đường liền nét) và bc (đường chấm nét) theo tỉ số
0
/
T T
∆ . Việc bù tán sắc, trong trường hợp tốt nhất và xấu nhất tương ứng khi chọn trạng thái phân cực (SOP) ngõ vào cũng được biểu diễn trong hình 9.6. Hình 9.6 có thể được dùng đểước lượng nhằm cải thiện bộ bù tán sắc PMD bậc 1.
Hình 9.6: Đồ thị quan hệ giữa hệ số mở rộng xung và giá trị DGD trung bình.
Nhưđã đề cập ở phần trước, giá trị DGD trung bình phải không vượt quá 10% khe bit của hệ thống đểđảm bảo xác suất lỗi xảy ra thấp hơn 10-5. Giá trị mởđộng tối đa gây ra bởi PMD vào khoảng b=1,02. Từ phương trình 9.9 và 9.10 ta thấy rằng giá trị có thể duy trì
được các hệ thống bù tán sắc PMD hoạt động là σT lên đến 30%. Bộ bù tán sắc bậc một có thể tăng giá trị chịu đựng của DGD lên nhiều hơn 3. Kết quả là khoảng cách truyền được tăng một cách đáng kể trong các hệ thống bù tán sắc PMD. Một lưu ý rằng bộ bù tán sắc
Trang 54 PMD đơn không thể dùng cho tất cả các kênh WDM, trong khi yêu cầu đặt ra là có thể
dùng chung bộ bù tán sắc này cho tất cả các kênh. Điều này làm cho việc sử dụng các bộ
bù tán sắc PMD đường dây trở nên đắt đỏ. Bộ bù tán sắc bằng quang tích hợp trong bộ thu hoặc cân bằng PMD điện tích hợp trong bộ thu là một giải pháp thực tế hơn và cả hai đã
được đưa vào thương mại hóa vào năm 2001.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TS. Lê Quốc Cường, ThS. Đỗ Việt Em, ThS. Phạm Quốc Hợp, ThS. Nguyễn Huỳnh Minh Tâm, “ Hệ Thống Thông Tin Quang – Tập 1 và tập 2 ”, năm 2009, Nhà xuất bản Thông Tin và Truyền Thông.
[2] Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan, “Optical Networks A Practical Perspective”, Second Edition, Morgan KaufMann Publishers.
[3] Govind P.Agrawal, “Fiber-Optic Communications Systems”, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc,2002.