Bu Tan Sac Trong TTQ Toc Do Cao

7/27/2019 Bu Tan Sac Trong TTQ Toc Do Cao

http://slidepdf.com/reader/full/bu-tan-sac-trong-ttq-toc-do-cao 1/96



Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu

Quách Bá Lâm – Đ04VT1 ii

kiến của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời

cảm ơn chân thành nhất tới cô giáo Lê Thanh Thủy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp

đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án.

Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2008

Sinh viên thực hiện

Quách Bá Lâm



Đồ án tốt nghiệp Mục lục

Quách Bá Lâm – Đ04VT1 iii

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... i MỤC LỤC............................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................... v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................................... viii CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM .......................................... 1

1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM ...................................................................... 1 1.1.1 Giới thiệu về WDM................................................................................ 1 1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WDM ........................................................ 3 1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM .................................................................... 5

1.2 Các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM.............................. 7 1.2.1 Cấu hình điểm – điểm ............................................................................ 7 1.2.2 Cấu hình vòng Ring................................................................................ 8 1.2.3 Cấu hình Mesh...................................................................................... 10

CHƢƠNG II: MỘT SỐ THAM SỐ Ả NH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG HỆTHỐNG WDM ...................................................................................................... 12

2.1 Tán sắc ...................................................................................................... 12 2.1.1 Giới thiệu chung ................................................................................... 12 2.1.2 Tán sắc vật liệu ..................................................................................... 13 2.1.3 Tán sắc dẫn sóng .................................................................................. 15 2.1.4 Tán sắc bậc cao..................................................................................... 17 2.1.5 Tán sắc mode phân cực PMD............................................................... 19

2.2 Các hiệu ứng phi tuyến ............................................................................. 22 2.2.1 Giới thiệu chung ................................................................................... 22 2.2.2 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM ............................................................ 23 2.2.3 Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM ..................................................... 24 2.4.4 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM ............................................................. 25 2.2.5 Hiệu ứng tán xạ Raman ( SRS ) ........................................................... 26 2.4.6 Hiệu ứng tán xạ Brillouin ( SBS ) ........................................................ 28

CHƢƠNG III: CÁC PHƢƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁNSẮC TRONG HỆ THỐNG WDM ........................................................................ 30

3.1 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc .............................................................. 30 3.2 Các mô hình bù trƣớc ............................................................................... 32

3.2.1Kỹ thuật dịch tần trƣớc .......................................................................... 32 3.2.2 Các kỹ thuật mã hóa mới...................................................................... 36

3.2.3 Các kỹ thuật dịch tần trƣớc phi tuyến .................................................. 38

3.3 Các kỹ thuật bù sau................................................................................... 40 3.4 Các sợi bù tán sắc ..................................................................................... 42 3.5 Các bộ lọc quang ...................................................................................... 44 3.6 Các cách tử Bragg sợi ............................................................................... 48

3.6.1 Cách tử chu kỳ đều ............................................................................... 49 3.6.2 Cách tử sợi dịch tần .............................................................................. 52



Đồ án tốt nghiệp Mục lục

Quách Bá Lâm – Đ04VT1 iv

3.6.3 Bộ nối mode dịch tần............................................................................ 56 3.7 Sự kết hợp pha quang ............................................................................... 57

3.7.1 Nguyên lý hoạt động ............................................................................ 57 3.7.2 Bù của tự điều chế pha SPM ................................................................ 58 3.7.3 Tín hiệu kết hợp pha............................................................................. 60

3.8 Các hệ thống sóng ánh sáng đƣờng dài ...................................................... 64 3.8.1 Ánh xạ tán sắc theo chu kỳ................................................................... 64 3.8.2 Nguyên lý đơ n ...................................................................................... 66 3.8.3 Các hiệu ứng phi tuyến trong kênh ...................................................... 69

3.9 Các hệ thống dung lƣợng lớn.................................................................... 71 3.9.1 Bù tán xạ băng rộng.............................................................................. 71 3.9.2 Bù tán sắc điều hƣớng .......................................................................... 74 3.9.3 Quản lý Tán sắc Bậc Cao ..................................................................... 77 3.9.4 Bù PMD ................................................................................................ 80

KẾT LUẬN............................................................................................................ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 87



Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ

Quách Bá Lâm – Đ04VT1 v

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tốc độ tăng dung lƣợng thoại và số liệu theo thời gian ........................... 1 Hình 1.2 Ghép kênh theo bƣớc sóng WDM ............................................................ 3 Hình 1.3 Hệ thống WDM hai kênh. ......................................................................... 4 Hình 1.4 Sự phát triển của công nghệ WDM........................................................... 4 Hình 1.5 Sự tăng nên của dung lƣợng sợi. ............................................................... 5 Hình 1.6 Màu chức năng WDM............................................................................... 5 Hình 1.7 Kiến trúc điểm – điểm............................................................................... 8 Hình 1.8 Cấu hình mạng Ring ................................................................................ 9 Hình 1.9 UPSR bảo vệ trên vòng ring WDM. ....................................................... 10 Hình 1.10 Các kiến trúc vòng ring, điểm điểm, mesh. .......................................... 11 Hình 2.1 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo .............................. 15

bƣớc sóng ở sợi thủy tinh....................................................................................... 15 Hình 2.2 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV2] .............. 16 thay đổi theo tham số V ......................................................................................... 16 Hình 2.3 Tán sắc tổng D và các tán sắc vật liệu DM, DW cho ............................. 17 sợi đơn mode thông dụng....................................................................................... 17 Hình 2.4 Bƣớc sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D đối với các sợi.................. 19 tiêu chuần, sợi dịch tán sắc, và sợi tán sắc phẳng. ................................................. 19 Hình 2.5 Hiện tƣợng tán sắc mode phân cực PMD ............................................... 20 Hình 2.6 : Ảnh hƣởng của hiệu ứng tự điều chế pha SPM .................................... 23 Hình 2.7 Ảnh hƣởng của hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM ............................... 24 Hình 2.8 Hiệu ứng FWM ....................................................................................... 25 Hình 2.9 Giản đồ năng lƣợng của quá trình tán xạ Raman.................................... 26 Hình 2.10 Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic ở bƣớc sóng bơm λ p=1μm .......... 27 Hình 2.11 Ảnh hƣởng của tán xạ Raman ............................................................... 28 Hình 3.1 Sự thay đổi của tham số mở rộng với khoảng cách truyền ..................... 33 cho một xung đầu vào Gaussian dịch tần............................................................... 33 Hình 3.2 Sơ đồ kỹ thuật dịch tần trƣớc đƣợc sử dụng để bù tán sắc: ................... 35 (a) đầu ra FM của laze DFB (b) dạng xung do bộ điều chế ngoài tạo ra c) xungđƣợc dịch tần trƣớc đƣợc sử dụng trong truyền tín hiệu........................................ 35 Hình 3.3 Bù tán sắc sử dụng mã FSK: (a)Tần số và công suất quang của tín hiệutruyền dẫn.(b) Tần số và công suất của tín hiệu thu và dữ liệu giải mã điện ........ 37 Hình 3.4 Các vạch tuyến dọc của tín hiệu 16 Gb/s đƣợc truyền đi ....................... 37 70 km chiều dài sợi tiêu chuần: (a) có và (b) không có SOA gây ra dịch tần. ...... 37

Hình 3.5 Dịch tần áp dụng ngang xung khuếch đại cho một vài giá trị của Ein/Esat.

Một xung đầu vào Gaussian đƣợc thừa nhận cũng nhƣ G0 = 30 dB và βc = 5 ..... 39 Hình 3.6 Tán sắc giới hạn khoảng cách truyền dẫn nhƣ là một hàm của công suất

phát đối với các xung Gaussian(m=1) và siêu Gaussian ( m=3 ) ở tốc độ bit là .. 41 Hình 3.7: (a) Biểu đồ của một DCF có sử dụng sợi mode ..................................... 44

bậc cao (HOM) và hai cách tử chu kỳ dài (LPG). (b) Phổ tán sắc của DCF ......... 44 Hình 3.8 Quản lý tán sắc trong đƣờng truyền sợi đƣờng dài có sử dụng ............. 46




Quách Bá Lâm – Đ04VT1 vi

các bộ lọc quang sau mỗi bộ khuếch đại. Các bộ lọc bù GVD và giảm nhiễu của bộ khuếch đại. ........................................................................................................ 46 Hình 3.9 (a) Một mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng chuỗi giao thoa ................. 47 Mach-Zehnder; (b) tổng quan thiết bị trải rộng. .................................................... 47 Hình 3.10: (a) Cƣờng độ và (b) pha của hệ số phản xạ đƣợc mô tả thành hàm điều

hƣớng δ Lg trong cách tử sợi đều với κLg = 2 ( đƣờng cong liền ) hoặc κLg = 3 (đƣờng cong đứt quãng ). ........................................................................................ 50 Hình 3.11: GVD do cách tử tạo ra đƣợc mô tả là một hàm của δ cho một vài giá trịcủa hệ số ghép κ. .................................................................................................... 51 Hình 3.12: Hệ số truyền (đƣờng nét đứt ) và độ trễ thời gian (đƣờng nét liền) làmột hàm của bƣớc sóng đối với cách tử đều trong đó κ(z) biến thiên tuyến tính từ0 đến 6 cm-1 trên độ dài 11 cm............................................................................... 52 Hình 3.13: Bù tán sắc bằng cách tử sợi dịch tần tuyến tính: (a) chỉ số n(z) dọc theochiều dài cách tử.(b) độ phản xạ tần số cao và thấp tại các vị trí khác nhau trongcách tử do sự biến thiên trong bƣớc sóng Bragg. ................................................. 54 Hình 3.14: Hệ số phản xạ và độ trễ thời gian của cách tử sợi dịch tần tuyến tính có băng thông 0,12 nm................................................................................................ 55 Hình 3.15: Mô hình bù tán sắc bằng hai bộ lọc truyền dạng sợi: (a) bộ ghép haimode dịch tần (b) sợi hai lõi thon. ......................................................................... 56 Hình 3.16: Thiết lập thí nghiệm để bù tán sắc thông qua biến đổi phổ giữa nhịptrong sợi dịch tán sắc dài 21 km. ........................................................................... 61 Hình 3.17: Vòng lặp sợi xoay vòng đƣợc sử dụng để truyền tín hiện 10 Gb/s đi10.000 km chiều dài sợi tiêu chuẩn trên cơ sở áp dụng DCF theo chu kỳ. Các bộ

phận đƣợc sử dụng bao gồm laze điốt (LD), bộ điều chế hấp thụ điện (EA), hệchuyển mạch quang (SW), bộ khuếch đại sợi (EDFA), sợi đơn mode (SMF), và

DCF. ....................................................................................................................... 65

Hình 3.18: Các cách tử xếp tầng đƣợc sử dụng để bù tán sắc ............................... 73 trong hệ thống WDM ............................................................................................. 73 Hình 3.19: (a) Mô tả phổ phản xạ và (b) toàn bộ GVD nhƣ một hàm của điện ápcho cách tử sợi với gradient nhiệt độ. .................................................................... 76 Hình 3.20: Độ nhạy của máy thu trong thí nghiệm 160 Gb/s, là một hàm của tánsắc 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................................................................................................................................. 77 Hình 3.21: Dạng xung sau khi xung đầu vào 2,6 ps đƣợc truyền đi 300 km bằngsợi dịch tán sắc (β2 = 0). Hình trái và phải so sánh sự cải thiện thu đƣợc bằng bùtán sắc bậc ba. ........................................................................................................ 78 Hình 3.22: Mô hình của bộ bù PMD quang (a) và điện (b). ................................. 81 Hình 3.23: Bù PMD điều hƣởng do cách tử sợi dịch tần lƣỡng chiết. .................. 82 (a) Căn nguyên của trễ nhóm vi phân (b) Dịch dải dừng dải dừng do căng cách tử................................................................................................................................. 82




Quách Bá Lâm – Đ04VT1 vii

Hình 3.24: Hệ số mở rộng xung là hàm của DGD trung bình trong bốn trƣờng hợp.Đƣờng chấm mô tả sự tăng do sử dụng bộ bù PMD bậc một. Các vòng tròn bôiđen và rỗng mô tả kết quả mô phỏng số. ............................................................... 84



Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt

Quách Bá Lâm – Đ04VT1 viii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ APS

Automatic Protection

SwitchingChuyển mạch bảo vệ tự động

ATMAsynchronous Transfer

ModeChế độ chuyển tải bất đồng bộ

BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

BLSR Bidirectional Line

Switched RingVòng ring chuyển mạch đƣờng hai chiều

BPF Bandpass filter Bộ lọc thông dải CD Chromatic Dispersion Tán sắc sắc thể

DBR Distributed Bragg

Reflection Phản xạ phân bố Bragg

DCFDispersion Compensating

Fiber

Sợi bù tán sắc

DDFDispersion Decreasing

Fiber Sợi giảm tán sắc

DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép kênh

DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân tán

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc

DWDM Dense WDM WDM mật độ cao

EA

Electroabsorption

Modulator Bộ điều chế hấp thụ điện

EDFAErbium Dopped Fibre

Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi Ebrium

FBG Fiber Gragg Grating Cách tử Bragg sợi FM Frequency Modulation Điều tần

FP Fabry-Perot Khoang cộng hƣởng

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch pha tần số

FWM Four-Wave Mixing Trộn bốn sóng

GVDGroup Velocity

DispersionTán sắc vận tốc nhóm

IOF Inter-Office Facility Thiết bị văn phòng IP Internet Protocol Giao thức Internet

LASER

Light Amplified and

Stimulated Emission of

Radiation

Khuếch đại ánh sáng bức xạ kích thích

MESH Mesh Dạng lƣới MMF Multimode Fibre Sợi đa mode



Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt

Quách Bá Lâm – Đ04VT1 ix

MUX Multiplexer Bộ ghép kênh

MZMach-Zehnder

Interferometer Bộ giao thoa kế Mach-Zehner

NLS Nonlinear Schroedinger Schroedinger phi tuyến

NZDSF

None-Zero Dispersion

Shifted Fiber

Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác

không

OADMOptical Add/Drop

Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang

OPCOptical Phase

ConjugationK ết hợp pha quang

PC Polarization Controller Bộ điều khiển phân cực

PDHPlesiochronous Digital

HierachyPhân cấp cận đồng bộ

PMDPolarization Mode

DispersionTán sắc mode phân cực

PSP Principal State of Polarization Trạng thái phân cực chính

RING Ring Dạng vòng

RMS Root-Mean-Square Trị hiệu dụng

RZ Return to Zero Trở về không

SBSStimulated Brillouin

ScatteringTán xạ Brillouin kích thích

SDHSynchronous Digital

HierachyPhân cấp số đồng bộ

SMF Single Mode Fibre Sợi quang đơn mode

SOA Semiconductor OpticalAmplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SONETSynchronous Optical

Network Mạng quang đồng bộ

SOP State of Polarization Trạng thái phân cực

SPM Self of Polarization Tự điều chế pha

SRSStimulated Raman

ScatteringTán xạ Raman kích thích

SW Optical Switch Hệ chuyển mạch quang

TDMTime Division

MultiplexingGhép kênh theo thời gian

UPSR Unidirectional Path

Switched RingVòng ring chuyển mạch tuyến một chiềuduy nhất

WDMWavelength Division

MultiplexingGhép kênh theo bƣớc sóng

XPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha

ZD Zero-Dispersion Tán sắc bằng không



Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM

Quách Bá Lâm – Đ04VT1 1

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM

1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM

1.1.1 Giới thiệu về WDM Phần dƣới đây chúng ta sẽ tìm hiểu một vài thông tin cần thiết để biết tại

sao Hệ thống ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM) lại là một sự đổi mới

quan trọng trong các mạng quang và những lợi ích mà nó có thể cung cấp.

- Nhu cầu về băng thông : sự bùng nổ nhu cầu băng thông mạng do sự tăng

trƣởng mạnh của lƣu lƣợng số liệu, đặc biệt là giao thức internet (IP). Cứ 6 ÷ 9

tháng dịch vụ cung cấp băng thông tăng gấp đôi trên mạng đƣờng trục. Lƣu lƣợng

Internet tăng 300% mỗi năm trong khi tốc độ tăng trƣởng của lƣu lƣợng thoại chỉ

khoảng 13% mỗi năm (xem hình 1.1). Ở cùng một thời điểm giá trị lƣu lƣợ ng

mạng tăng cao, lƣu lƣợng dữ liệu tự nhiên của nó là rất phức tạp. Lƣu lƣợng trên

mạng đƣờng trục có thể bắt nguồn dựa trên cơ sở mạch (fax và thoại TDM), cơ sở

gói (IP), hoặc cơ sở tế bào (ATM và Frame Relay). Thêm vào đó, có một phần dữ

liệu tăng nhạy cảm với trễ nhƣ thoại qua IP và luồng video.

Hình 1.1 Tốc độ tăng dung lƣợng thoại và số liệu theo thời gian

- Những sự lựa chọn trong việc tăng băng thông : Với thách thức tăng lên

đột ngột của dung lƣợng mạng trong khi chi phí bị rằng buộc, các hãng truyền





thông có hai sự lựa chọn: lắp đặt sợi quang mới hoặc tăng hiệu quả băng thông của

sợi có sẵn.

Lắp đặt sợi mới là các phƣơng pháp truyền thống đƣợc sử dụng với các

hãng truyền thông để mở rộng mạng của họ. Tuy nhiên, triển khai sợi mới là rất

tốn kém. Chi phí lắp đặt sợi mới khoảng 70000 đô trên một dặm, mà chi phí này

hầu hết là các chi phí giấy phép và xây dựng nhiều hơn là chi phí cho chính sợi

quang. Chỉ lắp đặt sợi mới khi cần phải mở rộng bao lấy mạng cơ sở.

Tăng hiệu quả dung lƣợng của sợi có sẵn có thể thực hiện bằng hai cách:

+ Tăng tốc độ bit của các hệ thống có sẵn.

+ Tăng số bƣớc sóng trên một sợi.

Tăng tốc độ bit: sử dụng TDM, dữ liệu thƣờng đƣợc truyền ở tốc độ 2,5

Gbps và tăng đến 10 Gbps; những kết quả gần đây đƣa ra ở tốc độ 40 Gbps. Tuynhiên, các mạch điện tử muốn làm đƣợc điều này thì rất phức tạp và tốn kém, cả

về mua sắm và bảo dƣỡng. Thêm nữa, có những vấn đề kỹ thuật quan trọng có thể

làm hạn chế tính ứng dụng của kỹ thuật này. Ví dụ, truyền dẫn ở 10 G bps qua sợi

đơn mode ( SM ), bị ảnh hƣởng bởi tán sắc màu nhiều hơn 16 lần tốc độ 2,5 Gbps.

Công suất truyền dẫn lớn hơn cũng yêu cầu tốc độ bit cao hơn, đƣa hiệu ứng phi

tuyến có thể ảnh hƣởng đến chất lƣợng dạng sóng. Thêm nữa tán sắc mode phân

cực tác động làm giới hạn khoảng cách xung ánh sáng có thể truyền.

Tăng số bƣớc sóng: trong phƣơng pháp này, nhiều bƣớc sóng đƣợc kết

hợp lại vào trong một sợi đơn. Sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bƣớc

sóng ( WDM ) với một vài bƣớc sóng, hoặc màu sắc ánh sáng có thể ghép đồng

thời mỗi tín hiệu 2,5 Gbps đến 40 Gbps trên một thành phần sợi. Không phải lắp

đặt thêm sợi mới, hiệu quả dung lƣợng của sợi sẵn có có thể tăng từ hệ số 16 or

32. Các hệ thống với 128 và 160 bƣớc sóng đƣợc hoạt động ngày nay, với mật độ

cao hơn.

Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng: WDM làm tăng dung lƣợng truyềncủa môi trƣờng vật lý ( sợi ) sử dụng phƣơng pháp hoàn toàn khác của TDM.

WDM gán các tín hiệu quang vào trong các tần số riêng của ánh sáng ( các bƣớc

sóng hoặc các lam đa λ ) bên trong một dải tần nào đó. Bởi vì mỗi kênh đƣợc

truyền ở một tần số khác nhau, nên chúng ta có thể lựa chọn chúng sử dụng một





bộ điều hƣớng. Một cách khác để nghĩ về WDM là mỗi kênh sẽ có một màu sắc

ánh sáng khác nhau; một số kênh sau đó sẽ làm nên một “ cầu vồng ”.

Hình 1.2 Ghép kênh theo bƣớc sóng WDM

Trong hệ thống WDM, mỗi một bƣớc sóng đƣợc truyền trong sợi, và các tín

hiệu đƣợc phân kênh ở đầu cuối thu. Giống TDM, dung lƣợng kết quả là kết hợp

của các tín hiệu đầu vào, nhƣng WDM mang mỗi tín hiệu đầu vào độc lập khác

nhau. Điều này có nghĩa rằng mỗi kênh có băng thông của riêng mình; tất cả các

tín hiệu đi đến ở cùng một thời điểm, hơn nữa không bị chia ra và mang vào mỗi

khe thời gian.

1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WDM

Hệ thống WDM đầu tiên đƣợc bắt đầu khoảng cuối năm 1980 sử dụng hai bƣớc sóng có khoảng cách rộng trong miền 1310 nm và 1550 nm ( hoặc 850 nm

và 1310 nm ), thỉnh thoảng đƣợc gọi là WDM băng rộng. Hình 1.3 miêu tả một ví

dụ về WDM khuôn mẫu đơn này. Chú ý rằng một đôi sợi đƣợc sử dụng để truyền

và một đôi sợi đƣợc sử dụng để nhận dữ liệu.

Khoảng đầu năm 1990 đƣợc thấy hệ thống WDM thế hệ hai, còn đƣợc gọi

là hệ thống WDM băng hẹp, trong hệ thống này có từ hai đến tám kênh đƣợc sử

dụng. Khoảng cách giữa các kênh này là khoảng 400 Ghz ở cửa sổ bƣớc sóng

1550 nm. Vào giữa năm 1990, các hệ thống WDM mật độ cao ( DWDM ) đƣợcđƣa ra với 16 đến 40 kênh và khoảng cách giữa các kênh là từ 100 đến 200 Ghz.

Vào cuối năm 1990 các hệ thống DWDM đã đƣợc phát triển có dung lƣợng lên tới

64 đến 160 kênh song song, khoảng cách giữa các kênh có mật độ rất dày ở

khoảng 50 hoặc thậm chí 25 Ghz.





Hình 1.3 Hệ thống WDM hai kênh.

Ở hình 1.4 cho thấy, quá trình phát triển của công nghệ có thể đƣợc xemnhƣ sự tăng nên của các bƣớc sóng, thêm vào đó là sự giảm đi của khoảng cách

giữa các bƣớc sóng. Cùng với sự tăng lên của mật độ các bƣớc sóng, các hệ thống

cũng đƣợc cải tiến sao cho có cấu hình mềm dẻo hơn, nhờ vào các chức năng tách

ghép, và năng lực quản lý.

Hình 1.4 Sự phát triển của công nghệ WDM.

Sự tăng trong mật độ các kênh từ công nghệ DWDM đã tạo ra một ảnh

hƣởng sâu sắc đến dung lƣợng mang của sợi. Vào năm 1995, khi mà các hệ thống





10 Gbps đầu tiên đƣợc chứng minh, tốc độ tăng lên của dung lƣợng sợi đƣợc đi lên

theo tính tuyến tính cho mỗi bốn năm một ( hình 1.5 ).

Hình 1.5 Sự tăng nên của dung lƣợng sợi.

1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM

a) Các chức năng của hệ thống WDM

Ở lõi của hệ thống WDM gồm có một số nhỏ các chức năng của lớp vật lý.

Điều này đƣợc miêu tả trong hình 1.6 , cho thấy một WDM màu với bốn kênhthông tin. Mỗi kênh quang chiếm một bƣớc sóng riêng của chính nó.

Hình 1.6 Màu chức năng WDM

Hệ thống WDM thực hiện các chức năng chính sau:





- Phát tín hiệu: Nguồn, các laze bán dẫn, phải đƣợc cung cấp ổn định với

mỗi kênh riêng, độ rộng phổ hẹp để mang dữ liệu số, đƣợc điều chế nhƣ

một tín hiệu tƣơng tự.

- Kết hợp tín hiệu: các hệ thống WDM hiện đại sử dụng các bộ ghép kênh

để kết hợp các tín hiệu. Có một số các suy hao vốn có đi cùng với các bộ

ghép và tách kênh. Các suy hao này phụ thuộc vào số các kênh thông tin

nhƣng có thể đƣợc bù lại bằng các bộ khuếch đại quang, cái mà khuếch đại

tất cả các bƣớc sóng lên mà không cần phẩi biến đổi thành điện.

- Truyền dẫn tín hiệu: các ảnh hƣởng của xuyên nhiễu và suy giảm hay

suy hao tín hiệu quang cần phải đƣợc tính toán trong truyền dẫn sợi quang.

Các ảnh hƣởng này có thể đƣợc giảm bớt bằng cách điều chỉnh các biến

nhƣ khoảng cách kênh, khoảng bƣớc sóng, và các mức công suất laze. Quamột liên kết truyền dẫn, tín hiệu cần phải đƣợc khuếch đại quang lên.

- Tách các tín hiệu nhận được: Ở đầu cuối thu, các tín hiệu đƣợc ghép

phải đƣợc tách ra. Mặc dù, thao tác này đƣợc đƣa ra chỉ là ngƣợc lại của

phƣơng pháp kết hợp tín hiệu nhƣng nó thực sự lại là một công nghệ rất

khó.

- Nhận tín hiệu: Tín hiệu đã đƣợc giải ghép kênh sẽ đƣợc thu bởi các bộ

tách sóng quang.

Với các chức năng này, một hệ thống WDM cũng phải đƣợc trang bị cácgiao diện khách để nhận tín hiệu vào. Chức năng này đƣợc thực hiện bởi các hệ

thống nhận và phát tín hiệu lại. Trên WDM khách là các giao diện sợi quang đƣợc

liên kết với các hệ thống WDM.

b) Các công nghệ cho phép

Mạng quang, không giống SONET/SDH, không dựa vào việc xử lý dữ liệu

điện. Đƣợc hiểu theo nghĩa thông thƣờng, sự phát triển của nó nhiều liên kết

quang hơn liên kết điện. Trong cấu trúc đầu tiên, nhƣ miêu tả ở phần trƣớc, WDMcó dung lƣợng mang các tín hiệu qua hai bƣớc sóng với khoảng cách rộng, và

truyền với một khoảng cách tƣơng đối ngắn. Tại thời điểm xa hơn ở trạng thái ban

đầu này, WDM cần tới cả sự tiến bộ trong các công nghệ sẵn có và cả những phát

minh công nghệ mới nữa. Sự tiến bộ trong các bộ lọc quang và các laze băng hẹp

cho phép WDM đƣợc kết hợp nhiều hơn hai bƣớc sóng tín hiệu trên một sợi. Sự





phát minh ra bộ khuếch đại quang có độ lợi phẳng, đƣợc nối trên đƣờng truyền với

sợi truyền dẫn để khuếch đại tín hiệu quang, làm cho khả năng của các hệ thống

WDM đƣợc tăng lên rất lớn về khoảng cách truyền dẫn.

Các công nghệ khác đã góp phần rất quan trọng trong sự phát triển của hệ

thống WDM bao gồm cả các sợi quang đã đƣợc cải tiến với suy hao thấp hơn và

các đặc tính truyền dẫn quang tốt hơn, các EDFA, và các thiết bị nhƣ là cách tử

Bragg sợi đƣợc sử dụng trong các bộ ghép kênh tách/xen quang.

1.2 Các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM

Các kiến trúc mạng đều đƣợc dựa trên rất nhiều các nhân tố, bao gồm các

kiểu ứng dụng và các giao thức, khoảng cách, mô hình sử dụng và truy nhập, và

các cấu hình mạng sẵn có. Ví dụ xét trong mạng khu vực đô thị, cấu hình điểm

điểm phải đƣợc sử dụng để kết nối các vị trí tổ chức kinh doanh, các cấu hìnhvòng ring để kết nối các thiết bị trong văn phòng ( IOFs ) và để truy cập đến các

khu dân cƣ, và cấu hình mesh phải đƣợc sử dụng cho các kết nối bên trong POP và

kết nối đến các mạng trục đƣờng dài. Trong thực tế, lớp quang phải có khả năng

hỗ trợ nhiều loại cấu hình, bởi vì sự phát triển không ổn định trong các khu vực

này, các cấu hình đó phải đƣợc linh hoạt.

Ngày nay, cấu hình chính trong sự phát triển là cấu hình điểm điểm và vòng

ring. Với các liên kết điểm điểm trên WDM ở giữa các vị trí kinh doanh diện rộng,

chỉ cần có một thiết bị trƣớc khách hàng để biến đổi lƣu lƣợng ứng dụng thành các bƣớc sóng và ghép chúng. Các hãng truyền thông với các cấu hình vòng ring tuyến

tính có thể mở rộng theo hƣớng toàn vòng ring dựa trên cơ sở các OADM. Nhƣ

thế các chuyển mạch và kết nối chéo quang có thể trở nên phổ biến hơn, các mạng

vòng ring và điểm điểm này sẽ đƣợc kết nối đến các mesh, biến các mạng đô thị

quang thành những nền tảng khá linh động.

1.2.1 Cấu h ình điểm – điểm

Cấu hình điểm điểm có thể đƣợc bổ sung hoặc không cần OADM. Các

mạng này có đặc điểm đƣợc tạo bởi các tốc độ kênh cực cao ( 10 đến 40 Gbps ),

tính toàn vẹn và đáng tin cậy của tín hiệu cao, và khả năng phục hồi tuyến nhanh.

Trong các mạng đƣờng dài, khoảng cách giữa các bộ phát và bộ thu có thể là vài

trăm kilomet, và số các bộ khuếch đại yêu cầu giữa các điểm đầu cuối là phải nhỏ

hơn 10. Trong mạng MAN, thƣờng không sử dụng các bộ khuếch đại.





Sự bảo vệ trong các cấu hình điểm điểm có thể đƣợc cung cấp ở trong một

khoảng cách kết hợp. Trong thiết bị thế hệ đầu tiên, tính dự phòng thể hiện ở mức

hệ thống. Các liên kết song song kết nối hệ thống ở các đầu cuối. Sự chuyển giao

trong trƣờng hợp lỗi đƣợc chịu trách nhiệm của các thiết bị khách ( ví dụ nhƣ một

thiết bị chuyển mạch hoặc một bộ định tuyến ), trong khi chính các hệ thốngWDM chỉ cung cấp dung lƣợng.

Trong thiết bị thế hệ hai, tính dự phòng thể hiện ở mức card. Các liên kết

song song kết nối các hệ thống đơn ở đầu cuối đó bao gồm các bộ tách sóng, các

bộ ghép và các CPU. Ở đây sự bảo vệ đƣợc chuyển đến thiết bị WDM, với các

quyết định chuyển mạch dƣới sự điều khiển cục bộ. Cho ví dụ về một kiểu bổ

sung, sử dụng mô hình bảo vệ 1 + 1 dựa trên chuyển mạch bảo vệ tự động SONET

( APS ). Xem hình 1.7.

Hình 1.7 Kiến trúc điểm – điểm.

1.2.2 Cấu hình vòng Ring

Các vòng ring là kiến trúc phổ biến nhất đƣợc tìm thấy ở trong các khu vực

đô thị và các nhịp nối khoảng 10 kilomét. Các vòng ring sợi phải bao gồm ít cũng

khoảng bốn kênh bƣớc sóng, và đặc trƣng là số node ít hơn số kênh. Tốc độ bit

nằm trong dải từ 622 Mbps đến 10 Gbps trên mỗi kênh.

Cấu hình vòng ring có thể đƣợc triển khai với một hoặc nhiều hệ thốngWDM, hỗ trợ nhiều đến nhiều kiểu lƣu lƣợng, hoặc chúng có thể có một trạm hub

và một hoặc một số các node OADM, hoặc trạm vệ tinh ( xem hình 1.8 ). Ở node

hub lƣu lƣợng bắt đầu, đƣợc kết thúc và đƣợc quản lý, và kết nối đến các mạng

khác đã đƣợc thiết lập. Ở các node OADM, các bƣớc sóng đƣợc lựa chọn thì đƣợc





tách và đƣợc xen, trong khi các bƣớc sóng khác thì đƣợc truyền qua (gửi các

kênh). Trong cách này, các kiến trúc vòng ring cho phép các node trên vòng ring

cung cấp truy nhập đến các phần tử mạng nhƣ các bộ định tuyến, các chuyển

mạch, hoặc các máy chủ bằng cách xen hoặc tách các kênh bƣớc sóng trong miền

quang. Tuy nhiên với sự tăng thêm các OADM, tín hiệu tùy thuộc vào sự suy haovà sự khuếch đại có thể đƣợc cần đến.

Hình 1.8 Cấu hình mạng Ring

Các mạng đƣa ra cho ứng dụng WDM trong khu vực đô thị thƣờng đƣợcdựa trên các cấu trúc vòng ring SONET với 1 + 1 sự bảo vệ sợi. Do đó các mô

hình nhƣ Vòng Ring chuyển mạch tuyến một chiều duy nhất ( UPSR ) hoặc Vòng

Ring chuyển mạch đƣờng hai chiều ( BLSR ) có thể đƣợc sử dụng lại để bổ sung

cho WDM. Hình 1.9 cho thấy mô hình UPSR với hai sợi. Ở đây, hub và các node

gửi trên hai vòng xoay ngƣợc nhau, nhƣng cùng sợi bình thƣờng đƣợc sử dụng cho

tất cả các thiết bị nhận tín hiệu; do đó có tên một chiều. Nếu vòng ring làm việc bị

lỗi, thiết bị thu chuyển đến đôi khác. Mặc dù cách này cung cấp dự phòng, không

dùng lại băng thông có thể sử dụng, nhƣ thế sợi dự phòng phải luôn luôn sẵn sàngđể mang lƣu lƣợng làm việc. Mô hình này đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong các

mạng truy nhập.





Hình 1.9 UPSR bảo vệ trên vòng ring WDM.

Các mô hình khác, nhƣ Vòng Ring chuyển mạch đƣờng hai chiều ( BLSR ),

cho phép lƣu lƣợng đi từ node gửi đến node nhận bằng tuyến tuyệt đối tốt nhất.

Bởi vì cách này, BLSR đƣợc coi là thích hợp cho các mạng lõi SONET, đặc biệt là

khi đƣợc thực hiện với bốn sợi.

1.2.3 Cấu hình Mesh

Cấu hình mesh là cấu hình tƣơng lai của các mạng quang. Do sự mở rộng

của nhiều mạng, nên các kiến trúc mạng ring và mạng điểm – điểm sẽ vẫn đƣợc phát triển, nhƣng mesh hứa hẹn đến một cấu hình mạnh mẽ nhất. Phát triển cấu

hình này sẽ có thể cho phép đƣợc đƣa vào cấu hình các kết nối chéo quang và các

chuyển mạch quang. Điều đó sẽ có trong một vài trƣờng hợp thay thế và trong các

trƣờng hợp khác bổ sung các thiết bị WDM cố định.

Từ quan điểm thiết kê, có một tuyến phát triển sẵn có từ cấu hình điểm

điểm đến cấu hình mesh. Bằng cách bắt đầu với các liên kết điểm điểm, đƣợc

trang bị thêm các node OADM ở nơi bắt đầu tính linh động, và rồi sau đó nối liền

chúng, mạng có thể mở rộng vào trong mesh mà không phải thiết kế hoàn toàn lại.

Thêm nữa, các cấu hình vòng ring và mesh có thể đƣợc nối bởi các liên kết điểm

điểm ( xem hình 1.10 ).





Hình 1.10 Các kiến trúc vòng ring, điểm điểm, mesh.

Các mạng mesh WDM sẽ cần đến một cấp độ thông minh bậc cao để thực

hiện các chức năng bảo vệ và quản lý băng thông, kể cả sợi và chuyển mạch bƣớc

sóng. Tuy nhiên, lợi ích trong tính linh hoạt và hiệu suất là rất lớn. Sử dụng sợi có

thể đƣợc mức thấp trong giải pháp vòng ring bởi vì nhu cầu để các sợi bảo vệ trên

mỗi ring, có thể đƣợc tận dụng trong thiết kế mesh. Sự bảo vệ và khôi phục có thể

dựa trên các tuyến thành phần, bằng cách ấy cần một ít đôi sợi cho cùng số lƣợng

của lƣu lƣợng và không ảnh hƣởng các bƣớc sóng không đƣợc dùng đến. Cuối cùng, các mạng mesh sẽ phụ thuộc lớn vào các phần mềm để quản lý.

Một giao thức dựa trên chuyển mạch nhãn đa giao thức ( MPLS ) dƣới sự phát

triển để hỗ trợ chuyển các hƣớng qua một mạng toàn quang. Thêm vào nữa, sự

quản lý sẽ cần đến một kênh không chuẩn để mang thông tin giữa các phần tử

mạng.



Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số ảnh hưởng đến hệ thống WDM


CHƢƠNG II: MỘT SỐ THAM SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾNCHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG WDM

2.1 Tán sắc

2.1.1 Giới thiệu chung

Ta đã biết khi tín hiệu truyền dọc theo sợi quang sẽ bị méo. Méo này là do

tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra. Các hiệu ứng tán sắc

ở đây đƣợc giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode

truyền dẫn ( vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lƣợng ở trong mode riêng biệt

lan truyền dọc theo sợi ). Tán sắc bên trong mode chính là sự dãn xung tín hiệu

ánh sáng xảy ra ở trong một mode. Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bƣớc

sóng cho nên ảnh hƣởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độrộng phổ nguồn phát ( Độ rộng phổ chính là dải các bƣớc sóng mà nguồn quang

phát tín hiệu ánh sáng trên nó ). Nó làm cho các xung quang lan truyền trong sợi

quang bị dãn rộng ra gây méo tín hiệu và làm xuống cấp đặc tính hệ thống. Xung

tín hiệu mà dãn quá rộng sẽ gây ra hiện tƣợng phủ chờm nên các xung kề nhau, và

khi sự phủ chờm vƣợt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang sẽ không còn

phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu, đã làm giới hạn

năng lực truyền dẫn.

Nhƣ vậy tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm hai thành phần chính là

tán sắc giữa các mode ( tán sắc mode ) và tán sắc bên trong mode. Tán sắc bên

trong mode bao gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng.

Tán sắc mode tồn tại trong các sợ i quang đa mode (MM) khi mà các tia

sóng truyền lan trong sợ i theo các đƣờng khác nhau do đó dẫn đến thờ i gian lan

truyền các mode là khác nhau. Tuy nhiên trong thông tin quang chỉ sử dụng sợ i

quang đơn mode (SM) nên không tồn tại tán sắc mode.

Tán sắc vật liệu là một hàm của bƣớc sóng do sự thay đổi chiết suất của vật

liệu làm nên lõi sợi, nên nó tạo ra sự phụ thuộc vận tốc nhóm vào bƣớc sóng ánh

sáng.

Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ đƣợ c khoảng 80% năng lƣợ ng

ở trong lõi vì vậy còn lại 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lƣợ ng ở

trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết k ế sợi vì hằng số lan truyền mode





β là một hàm số của α/ λ (α là bán kính lõi ), nó thƣờng đƣợ c bỏ qua trong sợi đa

mode nhƣng lại r ất cần đƣợc quan tâm ở sợi đơn mode.

Tán sắc tỉ lệ thuận vớ i chiều dài sợi quang và độ r ộng phổ của nguồn

quang. Xung quang ở cuối sợ i quang sẽ bị dãn ra một lƣợng là :

δT = D.Δλ.L ( 2.1 )

Trong đó : D là tham số tán sắc, đặc trƣng cho tán sắc của sợi có đơn vị là

ps/(km.nm).

Δλ là độ r ộng phổ nguồn quang.

L là chiều dài sợ i quang.

Có rất nhiều phƣơng pháp để làm giảm thiểu sự ảnh hƣở ng của tán sắc đến

hệ thống WDM sẽ đƣợc nghiên cứu k ỹ ở Chương 3 còn bây giờ ta sẽ xem xét một

số loại tán sắc có ảnh hƣởng đến chất lƣợng các hệ thống nói chung và hệ thống

WDM nói riêng.

2.1.2 Tán sắc vật liệu

Đối với các bƣớc sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên

nhân chính gây nên hiện tƣợng tán sắc. Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi

cáp quang, ánh sáng truyền trong đó không phải đơn sắc mà có độ rộng phổ xác

định và tốc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau ( do chiết suất là

hàm của bƣớc sóng ). Vì vậy các thành phần có thời gian truyền lệch nhau gây ra

tán sắc vật liệu.

Tán sắc vật liệu DM xuất hiện là do chỉ số chiết suất của thủy tinh, loại vật

liệu dùng để chế tạo ra sợi quang, và những thay đổi của chúng theo tấn số quang

ω. Có thể tính tán sắc vật liệu DM theo công thức sau:

Với n2g là chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi. Dƣới góc độ đơn giản, nguồngốc của tán sắc vật liệu có liên quan tới đặc tính tần số cộng hƣởng mà tại đó vật

liệu sẽ hấp thụ sự phát xạ điện tử. Chỉ số chiết suất n(ω) đƣợc làm xấp xỉ bằng

phƣơng trình Sellmeier:





Với ω j là tần số cộng hƣởng và B j là cƣờng độ dao động.

n là viết thay cho cả n1 và n2 tùy thuộc vào đặc tính phân tán của lõi hay vỏsợi có đƣợc xem xét hay không.

Đối với thủy tinh trong suốt ta có chỉ số nhóm:

ng = n + ω.dn/dω ( 2.4 )

Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bƣớc sóng đã gây ra tán

sắc vật liệu xem hình 2.1. Tán sắc vật liệu DM có rằng buộc với đƣờng bao của ng

bằng công thức ( 2.4 ) suy ra rằng dng/dλ = 0 tại bƣớc sóng λ = 1,27 μm. Bƣớc

sóng này đƣợc coi nhƣ là bƣớc sóng có tán sắc bằng không λZD, vì DM = 0 tại λ = λZD. Tham số tán sắc DM có giá trị âm tại bƣớc sóng dƣới λZD và dƣơng tại

bƣớc sóng ở trên λZD. Trong vùng bƣớc sóng 1,25 ÷ 1,66 μm, tán sắc vật liệu có

thể đƣợc xác định bằng biểu thức nhƣ sau:

Với giá trị λZD = 1,276 μm chỉ đối với sợi thủy tinh thuần khiết. Giá trị này

có thể thay đổi trong dải 1,27 ÷ 1,29 μm đối với các sợi quang có lõi và vỏ đƣợc

pha tạp để thay đổi chỉ số chiết suất. Bƣớc sóng có tán sắc bằng không của sợi

quang cũng phụ thuộc vào bán kính lõi a và bậc chỉ số ∆ thông qua phần dẫn sóng

cho tấn sắc tổng.





Hình 2.1 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bƣớc sóng ở sợi thủy

tinh

2.1.3 Tán sắc dẫn sóng

Cũng giống nhƣ tán sắc vật liệu, ánh sáng truyền trong sợi quang không

đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định cùng với sự phụ thuộc của hằng số lan truyền

là hàm của a/λ nên vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau. Các thành

phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng.

Tán sắc dẫn sóng DW là một thành phần đóng góp vào tham số tán sắc D,

nó phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V ( tham số V ) của sợi quang. Tán sắc dẫn

sóng DW đƣợc tính theo công thức sau:

Với: n2g là chỉ số nhóm của vật liệu.

b là hằng số lan truyền chuẩn.

Với là chỉ số mode, có giá trị nằm trong dải





β = n.k 0 là hằng số lan truyền dọc theo trục sợi.

k 0 = 2π/λ là hằng số lan truyền trong không gian tự do.

∆ là giá trị chênh lệch chiết suất. Đƣợc giả thiết là tham số không phụ thuộc

vào tần số, ∆ = ( n1 – n2 )/n1.

V là tần số chuẩn hóa hay tham số V hay số V.

Ảnh hƣởng của tán sắc dẫn sóng lên độ giãn xung có thể đƣợc khảo sát

trong điều kiện giả thiết rằng: chỉ số chiết suất của vật liệu không phụ thuộc vào

bƣớc sóng.

Hình 2.2 chỉ ra d(Vb)/dV và Vd2(Vb)/dV2 thay đổi theo V. Do cả hai đạo

hàm là dƣơng nên Dw là âm trong toàn bộ vùng bƣớc sóng 0 ÷ 1,6 μm. Điều này

khác nhiều so với tán sắc vật liệu DM có cả giá trị âm và dƣơng tƣơng ứng với

bƣớc sóng thấp hơn hay cao hơn λZD( λZD bƣớc sóng có tán sắc bằng không ).

Hình 2.2 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV

2] thay đổi theo

tham số V

Trong sợi đơn mode, hệ số tán sắc tổng:





D = DM + DW ( 2.9 )

Tác động chính của tán sắc dẫn sóng là để dịch bƣớc sóng λZD đi một lƣợng

30 ÷ 40 nm nhằm để thu đƣợc tán sắc tổng D bằng không tại gần 1310 nm. Nó

cũng làm giảm D từ giá trị DM trong vùng bƣớc sóng 1,3 ÷ 1,6 μm.

Vì tán sắc dẫn sóng DW phụ thuộc vào các tham số sợi quang nhƣ bán kính

lõi a và sự khác nhau về chỉ số chiết suất ∆ nên cho phép có thể thiết kế sợi để sao

cho λZD đƣợc dịch sát tới bƣớc sóng 1,55 μm. Các sợi nhƣ vậy đƣợc gọi là sợi tán

sắc dịch chuyển.

Hình 2.3 Tán sắc tổng D và các tán sắc vật liệu DM, DW cho sợi đơn mode thông

dụng

2.1.4 Tán sắc bậc cao

Nhƣ phân tích ở trên thì ta thấy rằng tích tốc độ và cự ly BL của sợi quangđơn mode có thể tăng vô hạn khi hệ thống hoạt động tại bƣớc sóng có tán sắc bằng

không λZD nơi mà D = 0. Tuy nhiên, các hiệu ứng phân tán vẫn không hoàn toàn

mất đi tại λ = λZD. Các xung quang vẫn còn phải chịu sự dãn do các hiệu ứng phân

tán bậc cao hơn. Đặc trƣng này có thể hiểu rằng tán sắc D không thể đạt đƣợc giá

trị bằng không tại tất cả các bƣớc sóng đƣợc chứa đựng trong phổ xung có tâm tại





λZD. Rõ ràng là sự phụ thuộc của tán sắc D vào bƣớc sóng sẽ tham gia vào quá

trình dãn xung. Các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn đƣợc đặc trƣng bới độ dốc tán

sắc S = dD/dλ hoặc cũng đƣợc viết nhƣ sau:

Trong đó: S cũng đƣợc gọi là tham số tán sắc vi phân.

β3 = dβ2/dω = d3β/dω3 là tham số tán sắc bậc ba.

Tại λ = λZD, β2 = 0, và S tỷ lệ với β3.

Giá trị số của độ dốc tán sắc S đóng vai trò quan trọng trong thiết kế các hệ

thống WDM hiện đại. Từ S > 0 cho hầu hết các sợi quang, các kênh khác nhau có

các giá trị vận tốc gióm GVD khác nhau không đáng kể. Đặc trƣng này làm nó

khó để bù tán sắc cho tất cả các kênh đồng thời. Để giải quyết vấn đề này, các loại

sợi mới đã đƣợc phát triển để cho giá trị S hoặc là nhỏ ( các sợi giảm độ dốc )

hoặc là âm ( các sợi tán sắc ngƣợc ).

Đối với các nguồn phát có độ rộng phổ ∆λ, giá trị hiệu dụng của tham số

tán sắc trở thành D = S. ∆λ. Tích tốc độ bit B và cự ly truyền dẫn L có thể đƣợc

xác định bằng biểu thức:

B.L.|D|.∆λ = B.L.|S|.(∆λ)2

< 1 ( 2.11 )

Đối với một laze bán dẫn đa mode có ∆λ = 2 nm và một sợi quang tán sắcdịch chuyển có S = 0,05 ps/km.nm2 tại λ = 1,55 μm, tích BL có thể tiến tới 5

Tbit/s.km. Để cải thiện đặc tính này hơn nữa thì có thể sử dụng các laze bán dẫn

đơn mode.





Hình 2.4 Bƣớc sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D đối với các sợi tiêu chuần, sợi

dịch tán sắc, và sợi tán sắc phẳng.

2.1.5 Tán sắc mode phân cực PMD

Tán sắc mode phân cực là một đặc tính cơ bản của sợi quang và các thành

phần sợi quang đơn mode trong đó năng lƣợng tín hiệu tại một bƣớc sóng nào đó

bị phân thành hai mode phân cực trực giao. Nguyên nhân chính dẫn đến sự phâncực tr ực giao này là do cấu trúc không hoàn hảo của sợi quang, đƣợ c gọi là sự

chiết quang. Sự khác biệt về chiết xuất sẽ sinh ra vận tốc mode khác nhau, vận tốc

truyền của hai mode khác nhau nên thờ i gian truyền cùng khoảng cách là khác

nhau gây ra trễ nhóm (GVD). Vì vậy PMD gây nên hiện tƣợng giãn rộng xung tín

hiệu làm giảm chất lƣợ ng truyền dẫn. Về phƣơng diện này ảnh hƣở ng của PMD

cũng giống nhƣ ảnh hƣở ng của tán sắc ống dẫn sóng. Tuy nhiên vẫn có sự khác

nhau, tán sắc ống dẫn sóng tƣơng đối ổn định còn PMD trong sợi đơn mode ở bất

kì bƣớc sóng nào cũng không ổn định.





Hình 2.5 Hiện tƣợng tán sắc mode phân cự c PMD

Sự dãn xung có thể đƣợc xác định từ thờ i gian tr ễ ∆T giữa hai thành phần

trực giao trong khi truyền xung. Với sợi quang có độ dài L thì ∆T đƣợc tính nhƣ

sau:

Trong đó: chỉ số phụ x, y dùng để phân biệt hai mode phân cực tr ực

giao.

∆β1 đƣợc gắn liền với sự khác nhau trong vận tốc nhóm cùng

với hai trạng thái chính của sự phân cực. Sự liên hệ giữa vận tốc nhóm vg với hằng số lan truyền β đƣợc cho bới công

thức sau:

vg = ( dβ/dω )-1 ( 2.13 )

Do vậy lƣợng ∆T/L chính là số đo của PMD. Đối với các sợi duy trì phân

cực thì ∆T/L là hoàn toàn lớn ( ~ 1 ns/km ) khi hai thành phần phân cực đƣợc kích

thích bằng nhau tại đầu vào sợi nhƣng có thể bị giảm tới không bằng việc phát xạ

ánh sáng dọc theo một trong các trục cơ bản.

Nhƣng công thức ( 2.13 ) không thể dùng một cách trực tiếp để xác định

PMD đối với các sợi quang tiêu chuẩn trong mạng viễn thống là do tính ghép ngẫu

nhiên giữa hai mode đƣợc sinh ra từ sự xáo trộn ngẫu nhiên của lƣỡng chiết xảy ra

dọc theo sợi. Việc ghép có khuynh hƣớng làm cân bằng thời gian lan truyền cho

hai thành phần phân cực dẫn đến giảm PMD. Trong thực tế thì PMD đƣợc đặc





trƣng bởi giá trị căn trung bình bình phƣơng RMS của ∆T thu đƣợc sau khi lấy

trung bình những xáo trộn ngẫu nhiên. Kết quả thu đƣợc nhƣ sau:

Ở đây lc là độ dài tƣơng quan đƣợc định nghĩa nhƣ là độ dài qua hai thành

phần phân cực có mỗi tƣơng quan; giá trị của nó có thể biến đổi trên dải rộng từ

1m đến 1km đối với các sợi khác nhau, giá trị đặc trƣng ≈ 10m.

Đối với các khoảng cách ngắn nhƣ z << lc , σT = ( ∆β1 ).z từ công thức

(2.14), nhƣ mong đợi đối với sợi duy trì phân cực. Đối với khoảng cách z > 1km,

sự đánh giá tốt nhất của xung mở rộng thu đƣợc sử dụng z >> lc. Cho độ dài sợi là

L, σT đƣợc tính xấp xỉ thành:

Trong đó : D p là tham số tán sắc phân cực với các giá trị tiêu biểu nằm

trong khoảng D p = 0,1 ÷ 1 ps/ km1/2. Do có sự phụ thuộc L1/2 nên sự dãn xung do

PMD là tƣơng đối nhỏ so với các hiệu ứng GVD. Tuy nhiên PMD có thể tr ở thành

nhân tố giớ i hạn cự ly xa của các hệ thống thông tin sợ i quang hoạt động trên các

khoảng cách dài ở những tốc độ bit cao. Ngoài ra trong một số trƣờ ng hợ p PMD

có thể làm xuống cấp nghiêm tr ọng đặc tính hệ thống do dãn xung qua mức.

K ế t lu ận : Tán sắc gây ra những ảnh hƣở ng r ất lớn đến các hệ thống thông

tin quang tốc độ cao nói chung và hệ thống WDM nói riêng. Chúng làm hạn chế

khoảng cách truyền dẫn cũng nhƣ tốc độ của hệ thống, thêm nữa chúng có thể gây

ra lỗi bit, gây xuống cấp nghiêm trọng các đặc tính của hệ thống. Nhằm hạn chế và

loại bỏ chúng, chúng ta cần phải áp dụng những phƣơng pháp bù phù hợp để sao

cho có thể bù đƣợc toàn diện nhất. Đối với các hệ thống WDM chúng ta cần phải

chú trọng hơn hết đến các tán sắc bậc cao và tán sắc mode phân cực, chúng là

những tán sắc chính gây ra những ảnh hƣở ng xấu đến chất lƣợng, cũng nhƣ đặctính của hệ thống này. Chúng ta sẽ đƣợc nghiên cứu các phƣơng pháp bù tán sắc

nói chung và ứng dụng các phƣơng pháp bù tán sắc này vào trong hệ thống WDM

ở chương III.





2.2 Các hiệu ứng phi tuyến

2.2.1 Giới thiệu chung

Các hệ thống thông tin quang đang đƣợc khai thác trên mạng viễn thông

hiện nay đều sử dụng các sợi quang truyền dẫn trong môi trƣờng tuyến tính mà ở đó các tham số sợi không phụ thuộc vào công suất quang. Các hiệu ứng phi tuyến

sợi xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bƣớc sóng và công suất

quang tăng lên. Các hiệu ứng phi tuyến này đã có ảnh hƣởng trực tiếp tới chất

lƣợng truyền dẫn của hệ thống và trở nên rất quan trọng vì sự phát triển của bộ

khuếch đại quang sợi EDFA cùng với sự phát triển của các hệ thống ghép kênh

phân chia theo bƣớc sóng WDM. Để tăng hiệu quả truyền dẫn thông tin có thể

đƣợc thực hiện bằng việc tăng tốc độ bit, giảm khoảng cách giữa các kênh hoặc

kết hợp cả hai phƣơng pháp trên, nên các ảnh hƣởng của tính phi tuyến sợi trở nênrất quan trọng.

Khi công suất trong sợ i quang nhỏ thì sợi quang đƣợc xem nhƣ môi trƣờ ng

tuyến tính, tính phi tuyến của sợ i quang (chủ yếu do chiết suất) có thể bỏ qua. Tuy

nhiên khi công suất ánh sáng trong sợi quang vƣợt quá một ngƣỡng nào đó thì tính

phi tuyến sẽ ảnh hƣởng đến lớn đến quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợ i quang.

Khi đó xuất hiện hiệu ứng phi tuyến trong sợ i quang. Hiệu ứng phi tuyến sẽ gây

một số hiện tƣợng nhƣ : Xuyên âm giữa các kênh quang, suy giảm mức tín hiệu

của từng kênh truyền dẫn ...

Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra thành hai loại:

- Hiệu ứng KERR : sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào công suất

quang: Các hiệu ứng phi tuyến chính nhƣ hiệu ứng tự điều chế pha (SPM), hiệu

ứng điều chế xuyên pha ( XPM ) và hiệu ứng tr ộn bốn bƣớc sóng (FWM).

- Hiệu ứng tán xạ: Phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng vớ i

các phonon ( rung động phân tử ) trong môi trƣờng silica. Có hai hiệu ứng chính

là tán xạ do kích thích Raman (SRS) và tán xạ do kích thích Brillouin (SBS). Mỗi hiệu ứng phi tuyến tùy từng tr ƣờ ng hợp có thể có lợ i hoặc có hại.

Chẳng hạn XPM và FWM thì bất lợ i cho hệ thống đa kênh WDM. SPM và XPM

gây ra sự mở r ộng phổ trong các xung quang mà sau đó tƣơng tác với tán sắc sợ i.

Điều này có thể có lợ i hoặc có hại cho hệ thống truyền thông quang tùy thuộc vào

tán sắc thƣờ ng hay dị thƣờ ng.





2.2.2 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM

Đó là hiện tƣợ ng khi cƣờng độ quang đƣa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ

của sợi quang cũng biến đổi theo, gây sự biến đổi pha của sóng quang. Sau khi kết

hợ p với tán sắc của sợ i quang sẽ dẫn đến tần phổ giãn rộng và tích lũy theo sự tăng

lên của chiều dài. Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số

quang cũng càng lớn, gây ảnh hƣở ng lớ n tớ i hệ thống tốc độ cao.

Hình 2.6 : Ảnh hƣởng của hiệu ứng tự điều chế pha SPM

Hiệu ứng SPM có chiết suất của lõi sợ i phụ thuộc vào cƣờng độ ánh sáng

truyền trong đó. Chỉ số chiết suât biến đổi nhƣ sau:

n ,

j = n j+ n 2

.eff A

P vớ i j=1,2 ( 2.16 )

Trong đó: n2

là hệ số chiết suất phi tuyến, n2

≈ 2,6. 10-20 m2/W

n ,

j là hệ số tuyến tính khúc xạ

Aeff là diện tích vùng nõi hiệu dụng

P là công suất nguồn quang

Hằng số lan truyền β đƣợ c biểu diễn theo công thức:

β = ω.nL/c + ( 3.ω/8.c.n ).χ e.E2 = βL + γ NL.P ( 2.17 )

Với: βL là thành phần tuyến tính của hằng số lan truyền pha

ω là tần số góc của ánh sáng

nL: chiết suất tuyến tính và là nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu

n là chiết suất của môi trƣờ ng

χ e là độ cảm điện

γ NL = (2π/λ)n NL.Aeff là hệ số lan truyền pha phi tuyến.





Do β đƣợc tính theo công thức trên nên sẽ có độ dịch pha bổ xung. Độ dịch

pha này đƣợc tính bằng:

Φ = L∫0 (β – βL)dz = L∫0 γ NL.P(z)dz = γ NL.Pin.Leff ( 2.18 )

Dựa vào công thứ c ( 2.18 ) ta có: độ dịch pha phi tuyến Φ của sóng mang

quang thay đổi theo thời gian do cƣờng độ công suất của xung ánh sáng thay đổi

theo thờ i gian. Sự thay đổi này là do sự thay đổi của công suất đầu vào Pin(t) hay

sự biến thiên theo thờ i gian của biên độ xung khi xung lan truyền dọc theo sợ i

quang. Do Φ thay đổi theo thờ i gian dẫn đến một sự dịch chuyển về tấn số. Hiện

tƣợ ng phi tuyến tƣơng ứng vớ i sự thay đổi tần số xảy ra do sự dịch pha gây ra bở i

chính xung ánh sáng đƣợ c gọi là hiệu ứng tự điều chế pha SPM.

2.2.3 Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM

Trong hệ thống đa kênh WDM, độ dịch pha của một kênh không những phụ

thuộc vào công suất của chính kênh đó mà còn phụ thuộc vào công suất của những

kênh còn lại, dẫn đến hiện tƣợng đƣợ c gọi là điều chế xuyên pha XPM.

Hình 2.7 Ảnh hƣởng của hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM

Trong trƣờ ng hợp này, độ dịch pha phi tuyến của một kênh ( kênh j ) là:

Φ j = γ NL.Leff ( P j + 2∑ Pm ) j = 1,2,3,… M ( 2.19 )

Trong đó: M là tổng số kênh

P j, Pm là công suất kênh j và kênh m ( điều kiện: m ≠ j ).

Hệ số 2 chỉ ra r ằng nếu công suất của các kênh là nhƣ nhau thì ảnh hƣở ng

của hiệu ứng XPM lớ n gấ p 2M lần hiệu ứng SPM. Độ dịch pha tổng bây giờ phụ

thuộc vào tất cả các kênh tín hiệu. Do đó, XPM không chỉ phụ thuộc vào công suât

của kênh tín hiệu mà còn phụ thuộc vào số lƣợng kênh tín hiệu. Số kênh tín hiệu

càng nhiều, ảnh hƣở ng của XPM càng lớ n.





2.4.4 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM

Trong hệ thống WDM sử dụng các tần số f 1…. f n sự phụ thuộc của chiết

suất vào cƣờng độ công suất không chỉ gây ra sự dịch pha trong mỗi kênh mà còn

sinh ra tần số mới nhƣ là 2f i – f j và f i + f j – f k . Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợ ng

tr ộn bốn bƣớc sóng FWM. Trái với SPM và XPM chỉ có ảnh hƣởng đối với các hệ

thống tốc độ bit cao, hiệu ứng tr ộn bốn bƣớc sóng không chỉ phụ thuộc vào tốc độ

bit mà phụ thuộc chặt chẽ vào khoảng cách kênh và tán sắc màu của sợ i. Giảm

khoảng cách kênh và giảm tán sắc màu đều làm tăng ảnh hƣở ng của hiệu ứng tr ộn

bốn bƣớc sóng. Do đó, các ảnh hƣở ng của FWM phải đƣợc xét đến ngay cả ở các

hệ thống tốc độ vừa phải khi khoảng cách kênh gần nhau hoặc khi sử dụng sợ i

dịch chuyển tán sắc.

Giả sử có ba trƣờ ng quang ứng với các tần số là f 1, f 2 và f 3 truyền đồng thờ itrong sợi quang thì sẽ tạo ra trƣờ ng quang mớ i f fwm đƣợc tính theo công thức:

f fwm = f 1 + f 2 – f 3 ( 2.20 )

Hình 2.8 Hiệu ứng FWM

Do việc tạo ra một số tần số mới là tổ hợ p của các tần số tín hiệu nên hiệu

ứng FWM sẽ làm giảm công suât của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Hơn

nữa, nếu khoảng cách các kênh bằng nhau thì tần số mớ i tạo ra có thể rơi vào tần

số các kênh tín hiệu, gây ra xuyên âm các kênh làm giảm chất lƣợ ng hệ thống.

Ảnh hƣở ng của FWM càng lớ n nếu khoảng giữa cách các kênh càng nhỏ

cũng nhƣ khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn. Vì vậy hiệu

ứng FWM sẽ hạn chế dung lƣợng và cự li truyền dẫn của hệ thống WDM.





2.2.5 Hiệu ứng tán xạ Raman ( SRS )

Hiệu ứng tán xạ Raman là quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó gây

ra sự chuyển năng lƣợ ng từ các kênh có bƣớc sóng thấ p sang các kênh có bƣớ c

sóng cao hơn. Sự chuyển năng lƣợ ng từ kênh tín hiệu có bƣớc sóng thấp sang kênh

tín hiệu có bƣớc sóng cao là một hiệu ứng cơ bản làm cơ sở cho khuếch đại quang

và laser. Năng lƣợ ng của photon ở bƣớc sóng λ là hc/λ vớ i hằng số Planck

(6,625.10-34 Js). Do đó, photon của bƣớc sóng thấp có năng lƣợng cao hơn. Sự

chuyển năng lƣợ ng từ tín hiệu bƣớc sóng thấp sang tín hiệu bƣớc sóng cao tƣơng

ứng vớ i sự sinh ra các photon năng lƣợ ng thấ p từ các photon năng lƣợng cao hơn.

Nếu nhƣ trạng thái khởi đầu có năng lƣợ ng thấp hơn năng lƣợ ng của tr ạng

thái cuối, tần số photon phát xạ sẽ nhỏ hơn tần số ánh sáng tới thì ánh sáng tán xạ

đƣợ c gọi là sánh sáng Stoke và quá trình tán xạ đƣợ c gọi là tán xạ Stoke. Ngƣợ clại nếu ánh sáng tán xạ có tần số lớn hơn ánh sáng tới thì ánh sáng tán xạ đƣợ c gọi

là ánh sáng phản Stoke và quá trình tán xạ đƣợ c gọi là tán xạ phản Stoke.

Trạng thái kích thích

Trạng thái đầu

Trạng thái cuối

Photon tán xạ

a)Tán xạ Stoke

Photon tán xạ

Trạng thái cuối

Trạng thái đầu

Trạng thái kích thích

a)Tán xạ phản Stoke

Năng lượng

Hình 2.9 Giản đồ năng lƣợng của quá trình tán xạ Raman

Hiệu ứng tán xạ Raman SRS là một hiệu ứng băng rộng. Hình 2.10 cho

thấy độ lợi là một hàm của khoảng cách bƣớc sóng và gR kéo dài trong một phạm

vi tần số r ất r ộng ( đạt tớ i 40 Thz ) với đỉnh khuếch đại gần độ dịch tần 13 Thz

(điều này là do tính phi tinh thể tự nhiên của thuỷ tinh silic).





Hình 2.10 Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic ở bƣớc sóng bơm λ p=1μm

Công suất ngƣỡng cho SRS đƣợc tính bằng công thức sau :

PthSRS = 16.Aeff / gR .Leff = (16.α.Aeff )/gR ( 2.21 )

Trong đó : α là hệ số suy hao của sợ i.

gR là giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Raman.

Aeff là diện tích vùng lõi hiệu dụng.

Leff là chiều dài hiệu dụng của tuyến.

Leff = ( 1 – e-αL )/α ( 2.22 )

Trong các hệ thống WDM do sử dụng các bộ khuếch đại đƣờng lớn và mật

độ ghép kênh bƣớc sóng cao nên hiệu ứng này cũng gây ra những ảnh hƣởng hạn

chế số kênh bƣớc sóng, khoảng cách giữa các kênh và công suất từng kênh. Hơn

nữa nếu nhƣ bƣớc sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng nàycũng gây xuyên âm giữa các kênh.





Hình 2.11 Ảnh hƣởng của tán xạ Raman

2.4.6 Hiệu ứng tán xạ Brillouin ( SBS )

Hiệu ứng SBS là hiệu ứng tƣơng tự nhƣ hiệu ứng SRS, tức là có sự tạo

thành các bƣớc sóng Stoke với các bƣớc sóng dài hơn bƣớc sóng của ánh sáng tới.

Điểm khác nhau chính của hai hiệu ứng này là: Hiệu ứng SBS liên quang đến các

phonon âm ( phonon ở tần số thấp ) còn hiệu ứng SRS liên quan đến các phonon

quang. Chính sự khác biệt này mà hai hiệu ứng có những ảnh hƣởng khác nhau

đến hệ thống WDM. Trong hiệu ứng này, một phần ánh sáng bị tán xạ do các

phonon âm và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ và dịch tới bƣớc sóng dài hơn(tƣơng đƣơng với độ dịch tần là khoảng 11 Ghz tại bƣớc sóng 1550 nm). Tuy

nhiên chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ là theo chiều ngƣợc lại ( tức là ngƣợc chiều

với chiều truyền tín hiệu ) mới có thể truyền đi trong sợi quang, vì vậy trong hệ

thống WDM khi tất cả các kênh truyền đều cùng truyền theo một hƣớng thì hiệu

ứng SBS không gây ra xuyên âm kênh. Tuy nhiên, SBS cũng có thể tạo nên sự

méo khá quan trọng trong một kênh đơn lẻ. SBS tạo ra độ lợi theo hƣớng ngƣợc

lại với hƣớng lan truyền tín hiệu, nói cách khác là hƣớng về phía nguồn. Vì vậy,

nó làm suy giảm tín hiệu đƣợc truyền cũng nhƣ tạo ra một tín hiệu có cƣờng độ

mạnh về hƣớng phát, nên phải dùng một bộ cách ly để bảo vệ. Hệ số độ lợi SBS gB

xấp xỉ 4.10-11 m/W, không phụ thuộc vào bƣớc sóng.

Công suất ngƣỡng cho SBS đƣợc tính bằng công thức:

PthSBS = 21.Aeff /gB.Leff = 21.α.Aeff /gB ( 2.23 )





Giá trị đặc trƣng gB = 5.10-11

m/W tại λ = 1550 nm. Lấy α = 0,046 1/km =

0,2 dB/km và Aeff = 55 μm2, tính đƣợc PthSBS = 8 mW cho một kênh.

Ngƣời ta còn có thể tính công suất ngƣỡng cho SBS theo công thức:

PthSBS = 4,4.10-3

.d2.λ2.α.∆f watts ( 2.24 )

Trong đó: d là đƣờng kính lõi sợi quang ( μm )

λ là bƣớc sóng hoạt động ( μm )

α là hệ số suy hao ( dB/km )

∆f là độ rộng phổ của nguồn quang ( Ghz )

Khi tính công suât ngƣỡng theo công thức ( 2.24 ) thì công suất ngƣỡng của

SBS có thể tăng đến 10 mW hoặc hơn bằng việc tăng trƣớc băng tần khuyếch đại

tới 200 – 400 Mhz qua sự điều chế pha. Vì thế, SBS giới hạn mức công suất đặt

dƣới 100 mW trong hầu hết các hệ thống thông tin quang.

Từ công thức ( 2.24 ) ta cũng thấy rằng các hệ thống có nguồn phát với độ

rộng phổ hẹp sẽ chịu ảnh hƣởng rất lớn của hiệu ứng SBS. Nhƣ vậy đới với hệ

thống WDM hiệu ứng SBS sẽ gây ảnh hƣởng đến mức công suất của từng kênh và

khoảng cách giữa từng kênh. Nhƣng hiệu ứng này lại không hề phụ thuộc vào số

kênh của hệ thống WDM.

Kết luận: Các hiệu ứng phi tuyến này đều gây ra các ảnh hƣởng rất lớn đến

đặc tính và chất lƣợng của các hệ thống WDM. Chúng gây ra xuyên âm giữa cáckênh, làm suy giảm mức công suất của từng kênh dẫn đến suy giảm hệ số SNR,

ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống. Ngoài ra các ảnh hƣởng của hiệu ứng phi

tuyến đều phụ thuộc vào mức công suất của từng kênh, số lƣợng kênh và khoảng

cách giữa các kênh bƣớc sóng cũng nhƣ khoảng cách truyền dẫn. Vì thế chúng ta

cần phải xem xét, tìm hiểu để lựa chọn các tham số sao cho phù hợp nhằm giảm

bớt những ảnh hƣởng xấu cũng nhƣ khai thác những ƣu điểm của từng hiệu ứng,

để áp dụng vào trong các hệ thống WDM hiện đang rất phát triển và đƣợc ứng

dụng nhiều trên thế giới.



Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc...


CHƢƠNG III: CÁC PHƢƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC

VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC TRONG

HỆ THỐNG WDM

3.1 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc

Nhƣ chúng ta đã xem xét ở Chương II ảnh hƣởng của tán sắc có tác động

rất lớn đến chất lƣợng hệ thống thông tin quang nói chung và hệ thống thông tin

quang tốc độ cao WDM nói riêng. Tán sắc gây ra hiện tƣợng dãn rộng xung, gây

méo tín hiệu, làm tăng các lỗi bit xảy ra, ảnh hƣởng lớn đến tốc độ truyền dẫn của

hệ thống. Có thể giảm thiểu ảnh hƣởng của tán sắc vận tốc nhóm ( GVD ) nếu sử

dụng các laser phổ hẹp và khi càng gần với bƣớc sóng tán sắc zero λ ZD của sợi

quang. Tuy nhiên không phải lúc nào cũng kết hợp giữa bƣớc sóng hoạt động λ

với λZD. Có thể lấy ví dụ về các hệ thống trên mặt đất thuộc thế hệ thứ ba hoạt

động gần bƣớc sóng λ = 1,55 µm và sử dụng các thiết bị phát quang laze hồi tiếp

phân tán ( DFB ). Những hệ thống nhƣ vậy nhìn chung đều sử dụng mạng lƣới cáp

quang đƣợc xây dựng trong những năm 1980 bao gồm hơn 50 triệu km chiều dài

của sợi đơn mode “ tiêu chuẩn ” với λZD ≈ 1,31 µm. Do tham số tán sắc D ≈ 16

ps/(km.nm) trong dải bƣớc sóng 1,55 µm của sợi đơn mode, do đó GVD sẽ hạn

chế tính năng khi tốc độ bit vƣợt quá 2Gb/s. Để điều biến trực tiếp laze DFB,

chúng ta có thể sử dụng phƣơng trình: B.L.|D|.σλ < 1/4 ( với σλ là độ rộng phổnguồn RMS trong của nguồn ) để ƣớc tính khoảng cách truyền dẫn tối đa nhƣ sau:

L < (4B|D|sλ )−1 ( 3.1 )

Trong đó, sλ là độ rộng RMS của phổ xung đã đƣợc dãn rộng đáng kể bởi

dịch tần số. Khi sử dụng D = 16 ps/(km.nm) và sλ = 0,15 nm trong phương trình

3.1, các hệ thống sóng ánh sáng hoạt động ở tốc độ 2,5 Gb/s đều bị giới hạn ở mức

L ≈ 42 km. Thực tế, những hệ thống nhƣ thế thƣờng sử dụng các thiết bị tái tạo

điện tử nằm cách nhau 40 km, và không tận dụng đƣợc tính khả dụng của các bộ

khuếch đại quang. Ngoài ra, tốc độ bit của chúng cũng không thể vƣợt quá 2,5Gb/s vì lý do cự ly của thiết bị tái tạo là quá nhỏ để có thể đảm bảo khả thi về mặt

kinh tế.

Tính năng của hệ thống có thể đƣợc cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng

thiết bị điều chế ngoài, nhƣ vậy có thể tránh đƣợc hiện tƣợng dãn rộng phổ do dịch





062 3

3

3

2

2

2

t

A

t

Ai

z

A

tần số. Cách này đƣợc ứng dụng các loại máy phát laze DFB thƣơng mại với một

bộ điều chế tích hợp gắn liền. Với sλ = 0 hạn chế đƣợc hạn chế khi máy phát sử

dụng loại sợi tiêu chuẩn. Khoảng cách truyền giới hạn khi đó sẽ đƣợc tính nhƣ

sau:

L < (16|β2|B2)−1 ( 3.2 )

Trong đó β 2 là hệ số GVD liên quan tới D. Nếu thay giá trị β 2 = -20 ps2/km,

tại bƣớc sóng 1,55 µm, thì L < 500 km và đạt tốc độ 2,5 Gb/s. Mặc dù đã đƣợc cải

thiện đáng kể so với laze DFB điều chế trực tiếp, nhƣng giới hạn tán sắc này vẫn

đáng đƣợc lƣu tâm khi các thiết bị khuếch đại đƣờng truyền đƣợc sử dụng để bù

suy hao. Hơn nữa, nếu tốc độ bit đạt 10 Gb/s, khoảng cách truyền giới hạn GVD

sẽ giảm xuống chỉ còn 30 km, đây là mức quá thấp để các thiết bị khuếch đại

quang có thể đƣợc sử dụng trong việc thiết kế các hệ thống bƣớc sóng ánh sángnhƣ vậy. Từ phương trình 3.2 ta có thể thấy rằng giá trị GVD tƣơng đối lớn của

sợi đơn mode tiêu chuẩn sẽ làm hạn chế tính năng của các hệ thống 1,55 µm đƣợc

thiết kế để sử dụng trong mạng lƣới viễn thông hiện có khi tốc độ bit đạt 10 Gb/s

hoặc cao hơn nữa.

Đã có một số mô hình quản lý tán sắc đƣợc đƣa ra để giải quyết vấn đề

mang tính thực tiễn này. Nền tảng của những mô hình đó là khá đơn giản và có thể

hiểu đƣợc dựa trên phƣơng trình lan truyền đƣợc viết nhƣ sau:

( 3.3 )

Trong đó A là biên độ bao xung. Những ảnh hƣởng của tán sắc bậc ba đƣợc

ký hiệu là β 3. Trong thực tế, ký hiệu này có thể sẽ không đƣợc sử dụng nếu |β2| lớn

hơn 0,1 ps2/km. Giải phương trình (3.3) sẽ đƣợc kết quả nhƣ sau :

Xét khi β 3 = 0, ta có kết quả nhƣ sau:

2

1),( t z A Ã(0,ω) exp d t i z

i)

2( 2

2 ( 3. 5 )

Trong đó, Ã (0, ω ) là khai triển Fourier của A (0, t).





2

0

02

1exp),0(

T

t iC At A

Sự suy biến gây ra tán sắc của tín hiệu quang là do hệ số pha đạt giá trị

exp(i β 2 z ω /2) bởi các thành phần phổ của xung trong quá trình lan truyền trong

sợi. Tất cả các mô hình quản lý tán sắc đều cố gắng loại bỏ hệ số pha này nhằm

phục hồi lại các tín hiệu đầu vào, đã đƣợc áp dụng trong máy phát, máy thu hoặc

dọc theo đƣờng truyền sợi quang. Ở các mục tiếp theo, chúng ta sẽ chia ra làm batrƣờng hợp cụ thể.

3.2 Các mô hình bù trƣớc

Phƣơng pháp quản lý tán sắc này làm thay đổi đặc điểm của các xung đầu

vào trong máy phát trƣớc khi đƣợc truyền bên trong đƣờng truyền sợi quang. Ý

tƣởng cơ bản có thể đƣợc hiểu từ phương trình ( 3.4 ). Nó bao gồm việc thay đổi

biên độ phổ Ã (0, ω ) của xung đầu vào theo cách thức làm loại bỏ sự suy biến do

GVD, hoặc ít nhất là cũng làm giảm đáng kể. Nếu biên độ phổ thay đổi theo :

Ã(0,ω) → Ã (0,ω) exp (−iω2β2L/2) (3.6)

Trong đó, L là chiều dài sợi, thì GVD sẽ đƣợc bù một cách chính xác, và

xung sẽ vẫn giữ đƣợc hình dạng tại đầu ra của sợi. Tuy nhiên, không dễ thực hiện

phương trình (3.6). Trong một cách thức đơn giản, xung đầu vào sẽ đƣợc dịch tần

phù hợp để giảm thiểu sự dãn rộng xung do GVD. Do sự dịch tần đƣợc áp dụng

trong máy phát trƣớc khi xung đƣợc lan truyền, do đó mô hình này đƣợc gọi là mô

hình kỹ thuật dịch tần trƣớc.

3.2.1Kỹ thuật dịch tần trước

Khi áp dụng phương trình truyền sóng ( 3.3 ) ở trên, thì sự lan truyền của

các xung Gaussian đầu vào trong sợi quang đƣợc thiết lập bằng biên độ ban đầu

nhƣ sau :

( 3.7 )

Trong đó : A là biên độ đỉnh.

T0 biểu thị một nửa độ rộng tại điểm cƣờng độ 1/e. Nó có mối

liên hệ với độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWHM (full

width at half maximum) của xung bởi biểu thức sau :

TFWHM = 2.( ln2.T0 )1/2

≈ 1,665.T0 ( 3.8 )

C tham số dịch tần, gây lệch tần số tuyến tính tác động vào xung.





Hình 3.1 Sự thay đổi của tham số mở rộng với khoảng cách truyền cho một xung

đầu vào Gaussian dịch tần.

Nhƣ hình 3.1, với các giá trị của C khi β 2 C < 0, xung đầu vào sẽ đƣợc nén

trong sợi tán sắc. Do vậy, nếu xung đƣợc dịch tần hợp lý sẽ có thể lan truyền ở

khoảng cách xa hơn trƣớc khi dãn rộng ra ngoài vị trí khe bit của nó. Theo tính

toán ban đầu về sự biến đổi, xét trƣờng hợp dãn rộng xung có thể áp dụng hệ số

lên tới 2 bằng phƣơng trình sau :

Trong đó T1 là nửa độ rộng xung đƣợc định nghĩa nhƣ T0.

Xét với T 1 /T 0 = 2 , khoảng truyền đƣợc tính nhƣ sau :

D LC

C C L

2

2

1

21

( 3.10 )

Trong đó LD = T20/|β2| là chiều dài tán sắc. Đối với các xung Gaussian chƣa

dịch tần thì C = 0 và L = L D. Tuy nhiên, L có thể tăng 36% khi C = 1. Cũng phải

lƣu ý rằng L < L D khi giá trị của C lớn. Trên thực tế, sự tăng tối đa khi đạt hệ số

2 sẽ xuất hiện nếu C = 1/ 2 .

o Xét trƣờng hợp các laze bán dẫn điều chế trực tiếp. Những laze đó đã

gây dịch tần xung một cách tự động qua thay đổi chỉ số sóng mang dƣới sự

chi phối của hệ số tăng độ rộng dòng β c. Tuy nhiên, tham số dịch tần C lại





mang giá trị âm (C = - β c ) đối với các laze bán dẫn điều chế trực tiếp. Vì β 2

trong vùng bƣớc sóng 1,55 µm cũng mang giá trị âm đối với các sợi tiêu

chuẩn, nên điều kiện β 2C < 0 không đƣợc thỏa mãn. Trên thực tế, theo hình

3.1, dịch tần trong quá trình điều chế trực tiếp cũng làm tăng sự dãn rộng

xung GVD, do vậy làm giảm khoảng cách truyền dẫn.

o Còn trong trƣờng hợp điều chế ngoài, các xung quang gần nhƣ không

phải dịch tần. Kỹ thuật dịch tần trƣớc trong trƣờng hợp này sử dụng một

dịch tần số có giá trị tham số dịch tần dƣơng C , do đó điều kiện β 2C < 0

đƣợc thỏa mãn. Theo mô hình đƣợc trình bày trong hình 3.2, trƣớc tiên tần

số laze DFB đƣợc điều chế tần số (FM) sau đó đầu ra của laze mới đƣợc

truyền tới bộ điều chế ngoài để điều chế biên độ (AM). Kết quả là các tín

hiệu quang bao gồm cả AM và FM.

Hình 3.2 chỉ rõ, tần số của sóng mang quang đƣợc điều chế, tiếp đến là sự

điều chế biên độ ngoài, đã phát sinh tín hiệu chứa xung dịch tần. Số lƣợng dịch tần

có thể đƣợc xác định nhƣ sau. Với giả thiết là xung có hình dạng Gauss, khi đó tín

hiệu quang sẽ là:

E(0, t) = A0 exp(−t2/T

20) exp [−iω0(1+δ sinωmt)t] ( 3.11 )

Trong đó, ω0 là tần số sóng mang của xung đƣợc điều chế theo hình sin với

tần số ωm và hệ số điều chế δ. Gần tâm xung, sin(ω

mt) ≈ω

mt và phương trình

(3.11) sẽ đƣợc khai triển thành :

)exp(2

1exp),0( 0

2

0

0 t iT

t iC At E

( 3.12 )

Trong đó, tham số dịch tần C đƣợc xác định bởi:

C = 2δωmω0T2

0 ( 3.13 )

Cả dấu và biên độ của tham số dịch tần C đều biến thiên theo sự thay đổi

bởi các tham số δ và ωm của phƣơng pháp điều chế FM.





Hình 3.2 Sơ đồ kỹ thuật dịch tần trƣớc đƣợc sử dụng để bù tán sắc: (a) đầu ra FM

của laze DFB (b) dạng xung do bộ điều chế ngoài tạo ra c) xung đƣợc dịch tần

trƣớc đƣợc sử dụng trong truyền tín hiệu.

Sự điều chế pha của sóng mang quang học có thể làm cho dịch tần đạt giá

trị dƣơng hoặc có thể thay phương trình (3.11) bằng phƣơng trình:

E(0, t) = A0 exp(−t2/T20) exp[−iω0t +iδ cos(ωmt)] ( 3.14 )

Và sử dụng cos x ≈ 1 – x2/2. Một lợi thế của kỹ thuật điều chế pha là bảnthân thiết bị điều chế ngoài có thể điều chế pha sóng mang. Đơn giản nhất là sử

dụng bộ điều chế ngoài có chỉ số khúc xạ biến thiên điện tử theo phƣơng thức tạo

ra dịch tần số C > 0. Đầu năm 1991, tín hiệu đã đƣợc truyền đi với khoảng cách

256 km ở tốc độ 5Gb/s, trong đó có sử dụng bộ điều chế LiNbO 3 có giá trị C nằm

trong dải 0.6 – 0.8. Các giá trị thực nghiệm này cũng phù hợp với lý thiết xung

Gauss là cơ sở của phương trình ( 3.10 ). Các loại điều chế bán dẫn khác, nhƣ điều

chế hấp thụ điện hoặc điều chế Mach-Zehnder (MZ), có thể dịch tần đƣợc các

xung quang với C > 0, và đƣợc sử dụng để chứng minh khả năng truyền có thể

vƣợt giới hạn tán sắc. Với sự phát triển của laze DFB tích hợp trong thiết bị điều

chế điện tích hợp liền, việc thực hiện kỹ thuật dịch tần trƣớc trở nên thực tế hơn.

Trong thí nghiệm năm 1996, một tín hiệu NRZ 10Gb/s đã đƣợc truyền đi một

khoảng cách là 100 km, sử dụng sợi tiêu chuẩn và cùng một loại máy phát nhƣ thế.





3.2.2 Các kỹ thuật mã hóa mới

a) Phương pháp truyền dẫn hỗ trợ tán sắc

Phƣơng pháp truyền dẫn hỗ trợ tán sắc, sử dụng khuôn dạng khóa dịch tần

(FSK) để truyền dẫn tín hiệu. Tín hiệu FSK phát khi chuyển mạch bƣớc sóng laze bằng một đại lƣợng bất biến Δλ trong khoảng bit 1 và 0 trong khi công suất không

thay đổi. Trong quá trình truyền dẫn bên trong sợi, hai bƣớc sóng có tốc độ gần

nhƣ bằng nhau. Thời gian trễ giữa các bit 1 và 0 đƣợc xác định bởi đại lƣợng

chuyển dịch bƣớc sóng Δλ, trong đó ΔT = DLΔλ. Đại lƣợng dịch bƣớc sóng Δλ

chọn tƣơng ứng với ΔT = 1/B. Hình 3.3 mô tả cách thức một bit trễ sinh ra ba mức

tín hiệu quang ở máy thu. Về bản chất, do tác động của tán sắc sợi mà tín hiệu

FSK đƣợc biến đổi thành dạng tín hiệu điều chế biên độ. Tín hiệu có thể đƣợc giải

mã tại máy thu nếu sử dụng bộ tích phân điện kết hợp với mạch quyết định. Có nhiều thí nghiệm về truyền dẫn đã minh chứng đƣợc sự hữu dụng của

mô hình truyền dẫn hỗ trợ tán sắc. Tất cả các thí nghiệm này đều chú trọng tới

tăng khoảng cách truyền dẫn của hệ thống ánh sáng 1,55 µm ở tốc độ 10Gb/s hoặc

cao hơn bằng cách sử dụng các sợi tiêu chuẩn. Trong năm 1994, việc truyền dẫn

tín hiệu ở tốc độ 10 Gb/s với khoảng cách 253 km đã đƣợc hiện thực hóa. Cho đến

năm 1998, trong thí nghiệm với tốc độ 40Gb/s, tín hiệu đã đƣợc truyền đi 86 km

với sợi tiêu chuẩn. So sánh các giá trị này với giá trị tính toán trong phương trình

(3.2) thì thấy rằng khoảng cách truyền dẫn có thể đƣợc cải thiện nếu có hệ số lớnđƣợc tạo ra trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật FSK.





Hình 3.3 Bù tán sắc sử dụng mã FSK: (a)Tần số và công suất quang của tín hiệu

truyền dẫn.(b) Tần số và công suất của tín hiệu thu và dữ liệu giải mã điện

b) Phương pháp mã hóa nhị phân kép

Một cách khác nữa để tăng khoảng cách truyền dẫn là truyền tín hiệu quang

có băng thông đạt tốc độ bit nhỏ hơn so với tốc độ của kỹ thuật mã hóa đóng-mở

chuẩn. Mô hình sử dụng mã hóa nhị phân kép có tác dụng làm giảm 50% băng

thông tín hiệu. Mô hình nhị phân kép đơn giản nhất là lấy tổng hai bit nối tiếp

trong dòng bit số, tạo thành mã kép nhị phân ba mức có tốc độ bit chỉ còn một

nửa. Do sự suy biến GVD phụ thuộc vào băng thông tín hiệu nên khoảng truyền

phải đƣợc kéo dài để thích hợp với tín hiệu có băng thông giảm bớt.

Hình 3.4 Các vạch tuyến dọc của tín hiệu 16 Gb/s đƣợc truyền đi 70 km chiều dàisợi tiêu chuần: (a) có và (b) không có SOA gây ra dịch tần.Vạch tuyến đáy cho biết

mức nền trong từng trƣờng hợp.

Một thí nghiệm năm 1994 đƣợc xây dựng để so sánh giữa mô hình nhị phân

và mô hình nhị phân kép, trong đó tín hiệu 10 Gb/s có thể đƣợc truyền đi với

khoảng cách xa hơn từ 30 – 40 km nếu thay thế mã nhị phân bằng mã nhị phân

kép. Mô hình nhị phân kép có thể kết hợp với kỹ thuật dịch tần trƣớc. Thực tế,

việc truyền tín hiệu 10 Gb/s tới khoảng cách 160 km bằng sợi tiêu chuẩn đã đƣợc

hiện thực hóa bằng cách kết hợp mã nhị phân kép với bộ điều chế ngoài có khảnăng tạo ra dịch tần số C > 0. Có thể thấy rằng sự đảo pha thƣờng diễn ra khi một

tín hiệu nhị phân kép đƣợc sản sinh chính là một nguyên lý làm gia tăng của mã

nhị phân kép. Việc ứng dụng truyền dẫn nhị phân kép đã làm phức tạp hơn những

yêu cầu về tín hiệu trên nhiễu cũng nhƣ yêu cầu máy thu phải có khả năng giải mã.





Mặc dù vẫn còn những hạn chế, nhƣng việc nâng cấp hệ thống sóng ánh sáng mặt

đất hiện có để đạt tốc độ bit 10 Gb/s và cao hơn nữa là rất cần thiết.

3.2.3 Các kỹ thuật dịch tần trước phi tuyến

Một kỹ thuật dịch tần trƣớc phi tuyến đơn giản, đã đƣợc thực hiện năm

1989, có khả năng làm tăng hiệu suất của máy phát bằng cách sử dụng bộ khuếch

đại quang học bán dẫn (SOA) hoạt động theo cơ chế làm dung hòa độ lợi. Cơ chế

dung hòa độ lợi sẽ gây biến thiên theo thời gian đối với mật độ của sóng mang, do

đó làm dịch tần các xung đƣợc khuếch đại thông qua các biến thiên bởi sóng mang

trong hệ số khúc xạ. Số lƣợng dịch tần đƣợc tính theo phương trình (3.15) và

chúng phụ thuộc vào dạng xung đầu vào ( hình 3.5).

Trong đó: βc là tham số nối biên độ - pha đƣợc gọi chung là hệ số tăng độ

rộng đƣờng, Pin(τ) là công suất vào, τ là thời gian suy giảm, Esat là năng lƣợng bão

hào, h(τ) là toàn bộ độ lợi tích hợp. Ta thấy dịch tần gần nhƣ là tuyến tính đối với

hầu hết các xung. SOA không chỉ làm khuếch đại xung mà còn làm dịch tần xung,

trong đó tham số dịch tần C > 0. Vì vậy mà xung đầu vào có thể đƣợc nén trong

sợi với β 2 < 0. Sự nén đó đã đƣợc quan sát trong thí nghiệm với các xung đầu vào

40 ps đƣợc nén thành các xung 23 ps khi đƣợc truyền qua khoảng cách 18 km

trong sợi tiêu chuẩn.

Ƣu điểm của kỹ thuật này trong việc bù tán sắc đƣợc minh chứng trong

thực nghiệm năm 1989, bằng cách truyền một tín hiệu 16 Gb/s, thu đƣợc từ laze

bán dẫn khoang ngoài khóa mode, đi xa 70 km. Hình 3.4 so sánh tín hiệu bù tán

sắc với tín hiệu không bù tán sắc. Từ phương trình (3.2), không gây dịch tần do

khuếch đại, khoảng truyền dẫn ở tốc độ 16 Gb/s bị giới hạn bởi GVD xuống còn

14 km đối với sợi có D = 15 ps/(km.nm). Việc sử dụng bộ khuếch đại trong cơ chế

dung hòa độ lợi đã làm tăng khoảng truyền lên gấp năm lần. Ngoài ra kỹ thuật nàycòn có thể bù những suy hao do ghép nối và suy hao do chèn thƣờng xuyên xảy ra

trong máy phát bằng cách khuếch đại tín hiệu trƣớc khi đƣợc truyền tới sợi quang.

Nếu SOA đƣợc sử dụng trong bộ khuếch đại đƣờng truyền, kỹ thuật này còn có

thể đồng thời bù suy hao sợi và GVD.





)](exp[)(),0( t P Lit P t A m

Hình 3.5: Dịch tần áp dụng ngang xung khuếch đại cho một vài giá trị của Ein/Esat.

Một xung đầu vào Gaussian đƣợc thừa nhận cũng nhƣ G0 = 30 dB và βc = 5

Có thể sử dụng môi trƣờng phi tuyến để dịch tần trƣớc các xung. Hệ số

khúc xạ theo cƣờng độ đã làm dịch tần các xung quang thông qua hiện tƣợng tự

điều pha (SPM). Do vậy, cách đơn giản để dịch tần trƣớc là đầu ra của máy phát

phải qua sợi có chiều dài phù hợp trƣớc khi đƣợc truyền tới đƣờng truyền sợi

quang. Tín hiệu quang tại điểm đầu vào đƣợc xác định bởi:(3.16 )

Trong đó P(t) là công suất của xung, Lm là chiều dài của môi trƣờng phi

tuyến, và γ là tham số phi tuyến. Trong trƣờng hợp là xung Gauss với P(t) = P o

exp(-t2/To2), dịch tần sẽ gần nhƣ tuyến tính, và phương trình (3.16) có thể đƣợc

tính xấp xỉ nhƣ sau:

)exp(2

1

exp),0( 0

2

00 P LiT

t iC

P t A m

(3.17)

Trong đó tham số di tần C = 2γLmPo. Với γ > 0, tham số dịch tần C sẽ

dƣơng, và do đó là phù hợp với điều kiện bù tán sắc.

Với γ > 0 đối với sợi silica, bản thân sợi truyền có thể đƣợc sử dụng để dịch

tần các xung. Phƣơng pháp này đƣợc đƣa ra nghiên cứu năm 1986, tận dụng





solition bậc cao thông qua giai đoạn bù ban đầu. Hình 3.6 mô tả GVD giới hạn

khoảng cách truyền dẫn nhƣ là một hàm của công suất phát trung bình đối với hệ

thống sóng quang 4 và 8 Gb/s. Trên cơ sở đó, ta có thể gấp đôi khoảng truyền

bằng cách tối ƣu hóa công suất trung bình của tín hiệu đầu vào trong khoảng

3mW.

3.3 Các kỹ thuật bù sau

Các kỹ thuật điện có thể đƣợc ứng dụng để bù GVD trong máy thu. Nguyên

lý của phƣơng pháp này là cho dù tín hiệu quang có bị suy biến bởi GVD thì

những ảnh hƣởng của tán sắc vẫn có thể đƣợc cân bằng nếu sợi đóng vài trò là một

hệ tuyến tính. Nhƣ vậy là khá đơn giản trong việc bù tán sắc nếu máy thu

Heterođin đƣợc sử dụng để tách tín hiệu. Máy thu Heterođin trƣớc hết sẽ biến đổi

tín hiệu quang thành tín hiệu vi sóng ở một tần số trung gian ω IF trong khi vẫn bảotoàn biên độ và thông số của pha. Một bộ lọc lấy dải vi sóng có phản ứng xung

đƣợc tính theo hàm truyền:

H(ω) = exp[−i(ω −ωIF)2β2L/2] (3.18)

Trong đó, L là chiều dài sợi, sẽ có tác dụng phục hồi lại nguyên dạng tín

hiệu thu. Kết luận này dựa trên phần lý thuyết của hệ tuyến tính có áp dụng

phương trình (3.5) với z = L. Kỹ thuật này mang tính thực tiễn cao nhất đối với bù

tán sắc xét trong các hệ thống sóng ánh sáng coherent. Trong thí nghiệm truyền

dẫn năm 1992, một đường vi băng dài 31,5 cm đã đƣợc sử dụng để cân bằng tán

sắc. Công dụng của nó đã có hiệu quả trong việc truyền tín hiệu 8 Gb/s đi 188 km

và có độ tán sắc là 18,5 ps/(km.nm). Còn trong thí nghiệm năm 1993, kỹ thuật này

đƣợc phát triển để tách sự đồng tần bằng cách ứng dụng truyền dẫn đơn băng biên,

khi đó tín hiệu 6 Gb/s có thể đƣợc phục hồi tại máy thu sau khi đã trải qua quãng

đƣờng 270 km trên sợi tiêu chuẩn. Các đƣờng vi băng đƣợc thiết kế để bù GVD

cho quãng đƣờng dài 4900 km khi hệ thống sóng ánh sáng hoạt động ở tốc độ bit

2,5 Gb/s.





Hình 3.6 Tán sắc giới hạn khoảng cách truyền dẫn nhƣ là một hàm của công suất

phát đối với các xung Gaussian(m=1) và siêu Gaussian ( m=3 ) ở tốc độ bit là 4 và 8

Gb/s. Các đƣờng ngang tƣơng ứng với trƣờng hợp tuyến tính.

Việc sử dụng máy thu coherent thƣờng không mang tính thực tế bằng việc

sử dụng một bộ cân bằng tán sắc điện cho một máy thu tách sóng trực tiếp. Trong

trƣờng hợp này, mạch điện tử tuyến tính không có khả năng bù GVD. Vấn đề nằm

ở chỗ các thông số pha sẽ bị mất trong quá trình tách trực tiếp bởi thiết bị táchsóng quang sẽ chỉ có phản ứng với cƣờng độ quang. Do đó, không có kỹ thuật cân

bằng tuyến tính nào có thể phục hồi tín hiệu đã vƣợt ra ngoài vị trí khe bit của nó.

Tuy nhiên, một số kỹ thuật cân bằng phi tuyến đƣợc phát triển cho phép phục hồi

các tín hiệu đã bị suy yếu. Một mặt, ngƣỡng quyết định, thƣờng đƣợc cố định tại

tâm biểu đồ dạng mắt, sẽ khác nhau tùy theo các bit trƣớc đó. Mặt khác việc quyết

định về một bit cho trƣớc sẽ đƣợc thực hiện sau khi đã kiểm nghiệm dạng sóng

tƣơng tự trên các bit bao quanh bit nghiên cứu. Khó khăn lớn nhất khi thực hiện

các kỹ thuật này là việc chúng đòi hỏi phải có các mạch logic điện tử hoạt động ở tốc độ bit và độ phức tạp của chúng tăng theo cấp số mũ. Theo đó, sự cân bằng

điện sẽ chỉ đƣợc áp dụng với các tốc độ bit thấp và khoảng cách truyền dẫn trong

phạm vi chiều dài tán sắc.





Một kỹ thuật cân bằng quang điện tử dựa trên cơ chế lọc ngang cũng đƣợc

đƣa ra. Một bộ tách công suất tại máy thu sẽ có nhiệm vụ tách tín hiệu quang nhận

đƣợc thành các nhánh. Các đƣờng trễ sợi quang sẽ tạo ra những biến trễ khác nhau

trong các nhánh khác nhau. Tín hiệu quang trong mỗi nhánh sẽ đƣợc chuyển đổi

thành dòng quang điện bằng cách sử dụng bộ tách sóng quang có độ nhạy biếnthiên và dòng quang điện tổng sẽ đƣợc sử dụng trong mạch quyết định. Kỹ thuật

này có thể làm tăng khoảng cách truyền dẫn gần khoảng hệ số 3 cho hệ thống sóng

ánh sáng hoạt động ở tốc độ 5Gb/s.

3.4 Các sợi bù tán sắc

Các kỹ thuật trƣớc có thể làm tăng khoảng cách truyền dẫn của hệ thống

giới hạn tán sắc theo hệ số 2 tuy nhiên lại không phù hợp với các hệ thống đƣờng

dài khi mà GVD phải đƣợc bù định kỳ trong suốt chiều dài đƣờng truyền dẫn. Đốivới các hệ thống này thì cần nhất là phải có kỹ thuật quản lý tán sắc có ứng dụng

sợi thuần quang. Một loại sợi đặc biệt có tên là sợi bù tán sắc (DCF) đã đƣợc phát

triển. DCF hỗ trợ thực hiện kỹ thuật thuần quang có khả năng bù toàn diện GVD

nếu công suất quang trung bình đƣợc duy trì đủ thấp để những ảnh hƣởng phi

tuyến bên trong sợi quang là không đáng kể. Kỹ thuật này phát huy đƣợc tính năng

tuyến tính của phương trình (3.3).

Để hiểu rõ tính vật lý trong kỹ thuật quản lý tán sắc này, xét điều kiện từng

xung quang lan truyền trong hai phân đoạn sợi, thì khi đó phân đoạn thứ hai sẽ làDCF. Áp dụng phương trình (3.5) cho từng phân đoạn sợi, ta thu đƣợc :

d t i L Li

Ã t L A

)(

2exp),0(

2

1),( 222121

2 ( 3.19 )

Trong đó, L = L1 + L2 và β 2 là tham số GVD cho phân đoạn sợi có chiều

dài L j (j = 1, 2). Nếu phân đoạn DCF đƣợc chọn với giá trị sao cho giới hạn pha ω2

bị triệt tiêu, thì xung sẽ đƣợc phục hồi hình dạng ban đầu tại điểm cuối của DCF.

Điều kiện bù tán sắc lý tƣởng là β 21 L1

+ β 22 L2 = 0, hoặc D1 L1

+ D2 L2 = 0 ( 3.20a )

Từ phương trình ( 3.20a ) ta thấy DCF phải đạt GVD 1,55 µm (D2 < 0) bởi

vì các chuẩn sợi viễn thông có D1 > 0. Ngoài ra, chiều dài của sợi phải thỏa mãn:

L2 = – (D1/D2)L1 ( 3.20b )







của DCF. Những thiết bị thuần sợi nhƣ vậy cũng đã đƣợc nghiên cứu và chế tạo.

Đặc tính thuần sợi của thiết bị chuyển đổi mode là rất quan trọng đảm bảo sự

tƣơng thích trong mạng sợi. Ngoài ra, phƣơng thức này cũng sẽ giảm thiểu đƣợc

độ tổn hao ghép nối. Loại thiết bị biến đổi mode còn phải có độ nhạy phân cực

bằng 0 và phải hoạt động trên một băng thông rộng. Hầu hết các thiết bị chuyểnđổi mode đều sử dụng sợi hai mode với một cách tử sợi, cái mà sẽ cung cấp ghép

nối giữa hai mode. Chu kỳ cách tử Λ đƣợc chọn để phù hợp với sự chênh lệch chỉ

số mode δň của hai mode (Λ = λ/δň) và thƣờng ≈ 100 µm. Các cách tử đó đƣợc

gọi là cách tử sợi chu kỳ dài. Tham số D có giá trị – 420 ps/(km.nm) ở 1550 nm và

có sự biến thiên lớn theo bƣớc sóng. Đây là một đặc tính quan trọng cho phép thực

hiện bù tán sắc băng thông rộng. Nói tóm lại, các DCF đƣợc thiết kế sao cho |D|

tăng theo bƣớc sóng. Sự phụ thuộc của giá trị D vào bƣớc sóng đóng một vài trò

quan trọng trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM). Vấn

đề này sẽ đƣợc bàn đến trong phần 3.9.

Hình 3.7: (a) Biểu đồ của một DCF có sử dụng sợi mode bậc cao (HOM) và hai cách

tử chu kỳ dài (LPG). (b) Phổ tán sắc của DCF

3.5 Các bộ lọc quang

Một hạn chế của DCF là phải tƣơng đối dài (>5km) để đảm bảo bù GVD

cho đƣờng dây dài trên 50 km và đây chính là nguyên nhân gây tăng đáng kể độ

suy hao liên kết, đặc biệt trong trƣờng hợp các ứng dụng đƣờng dài. Vì lẽ đó, đãcó một số mô hình thuần quang đƣợc phát triển nhằm quản lý tán sắc. Hầu hết đều

đƣợc phân loại dƣới tên các bộ lọc cân bằng quang . Phần này sẽ bàn về các bộ lọc

giao thoa trƣớc khi chuyển sang phần cách tử sợi ở mục tiếp theo.

Chức năng của các bộ lọc quang đƣợc hiểu đơn giản theo phương trình

(3.5). Do GVD tác động tới tín hiệu quang thông qua pha phổ exp(i β 2 zω2 /2), nên





d t ii

H Ã t L A

2

22

exp)(),0(2

1),(

tín hiệu sẽ đƣợc phục hồi nhờ vào một bộ lọc quang với chức năng truyền dẫn.

Tuy nhiên, các bộ lọc quang (ngoại trừ sợi quang) không có chức năng truyền phù

hợp để bù chính xác lƣợng GVD nhƣng có thể bù một phần GVD bằng cách mô

phỏng chức năng truyền lý tƣởng. Xét bộ lọc quang với chức năng truyền H(ω).

Bộ lọc này sử dụng sau khi sợi đạt độ dài L thì tín hiệu quang đƣợc lọc và có thểđƣợc xác định theo phương trình ( 3.5 ):

( 3.21 )

Bằng cách mở rộng pha của H(ω) trong chuỗi Taylor và bình phƣơng số

hạng.

H(ω) = |H(ω)|exp[iυ (ω)]≈ |H(ω)|exp[i(υ0 +υ1ω + 1/2υ2ω2)] ( 3.22 )

Trong đó υm = dm

υ /dωm

(m = 0, 1, …) đƣợc tính theo tần số sóng mang ω0.Hằng số pha υ0 và thời gian trễ υ1 không làm ảnh hƣởng tới dạng xung và có thể

bỏ qua. Pha phổ của sợi đƣợc bù bằng cách chọn bộ lọc quang có υ2 = β 2 L. Xung

sẽ phục hồi hoàn toàn chỉ khi |H(ω)| = 1 và các số hạng bậc ba và bậc cao trong

chuỗi Taylor áp dụng trong phương trình (3.22 ) là không đáng kể. Hình 3.8 cho

thấy cách thức một bộ lọc quang đƣợc kết hợp với bộ khếch đại quang sao cho suy

hao sợi và GVD đều đƣợc bù cùng một lúc. Ngoài ra, bộ lọc quang còn có khả

năng giảm nhiễu khuếch đại nếu băng thông của bộ lọc nhỏ hơn băng thông của bộ

khuếch đại.





)exp(1

)exp(1)( 0

T ir

T ir H H FP

Hình 3.8 Quản lý tán sắc trong đƣờng truyền sợi đƣờng dài có sử dụng các bộ lọc

quang sau mỗi bộ khuếch đại. Các bộ lọc bù GVD và giảm nhiễu của bộ khuếch đại.

Có thể ứng dụng giao thoa có độ nhạy với tần số ánh sáng đầu vào nhƣ là

một bộ lọc quang nhờ vào các tính năng truyền dẫn theo tần số của nó. Lấy ví dụ

đơn giản với bộ giao thoa Fabry-Ferot (FP) dùng trong hốc cộng hƣởng laze, hệ sốkhuếch đại Fabry-Ferot đƣợc tính nhƣ sau:

Trong đó: GFP(v) là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại Fabry-Perot.

R 1 và R 2 là các hệ số phản xạ mặt.

vm tƣơng ứng với các tần số của khoang cộng hƣởng. ∆v2 là khoảng cách theo chiều dọc mode, cũng đƣợc biết nhƣ là

dải phổ thông của khoang FP.

Thực tế, qua phương trình ( 3.23 ), ta có thể đạt đƣợc phổ truyền dẫn |HFP|2

của bộ giao thoa FP bằng cách cho G = 1 nếu suy hao trên đƣờng truyền là không

đáng kể. Để bù tán sắc, chúng ta cần phải có sự phụ thuộc của pha trong hàm

truyền H(ω) vào tần số, hàm truyền này có thể đạt đƣợc bằng cách xét các vòng

khứ hồi giữa hai gƣơng. Bộ giao thoa FP có tính năng phản chiếu, gọi là bộ giao

thoa Gires-Tournois, đƣợc thiết kế có gƣơng sau đạt độ phản chiếu 100%. Hàmtruyền của nó đƣợc cho bởi phƣơng trình:

( 3.24 )

Trong đó hằng số H 0 tham gia vào mọi sự suy hao, |r|2 là hệ số phản xạ

gƣơng trƣớc, và T là thời gian vòng khứ hồi trong hốc cộng hƣởng FP. Do |HFP(ω)|

là một tần số độc lập, nên chỉ có pha phổ mới đƣợc bộ lọc FP biến đổi. Tuy nhiên,

pha Φ(ω) của H FP (ω) thì còn một khoảng khá xa mới đạt độ lý tƣởng. Hàm tuầnhoàn có thể đạt cộng hƣởng FP cực đại. Trong cận biên của mỗi cực đại, miền phổ

sẽ tồn tại với biến số pha bình phƣơng. Bằng cách tăng Φ(ω) trong chỗi Taylor, Φ2

sẽ đƣợc xác định theo phƣơng trình:

Φ2 = 2T2r(1−r)/(1+r)3 ( 3.25 )





Lấy ví dụ, với hốc cộng hƣởng FP dài 2 cm, r = 0,8, Φ2 ~ 2200 ps2 thì bộ

lọc có thể bù GVD cho 110 km đối với sợi tiêu chuẩn. Trong thí nghiệm năm

1991, loại thiết bị thuần sợi đó đã đƣợc sử dụng để truyền tín hiệu 8 Gb/s đi xa

130 km. Suy hao nối ngoài vào khoảng 8 dB đƣợc bù bằng cách tích hợp bộ

khuếch đại quang. Suy hao 6 dB do tác động của bộ ghép sợi 3 dB đƣợc sử dụngđể tách tín hiệu phản xạ từ tín hiệu tới. Suy hao này có thể đƣợc giảm xuống còn

1dB nếu sử dụng bộ circulator quang, là một thiết bị ba cổng có chức năng truyền

công suất từ cổng này sang cổng khác theo hình tròn. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp

này suy hao tƣơng đối lớn và băng thông hẹp của bộ lọc FP sẽ làm giới hạn tính

năng của chúng trong các hệ thống sóng ánh sáng dùng trong thực tiễn.

Hình 3.9 (a) Một mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng chuỗi giao thoa Mach -

Zehnder; (b) tổng quan thiết bị trải rộng.

Bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZ) có thể là một bộ lọc quang. Một bộ giao

thoa MZ thuần sợi đƣợc chế tạo bằng cách kết nối hai bộ nối định hƣớng 3 dB,

nhƣ mô tả trên hình 3.9 (b). Bộ nối thứ nhất chia tín hiệu đầu vào thành hai phần bằng nhau với độ lệch pha khác nhau nếu chiều dài nhánh khác nhau, trƣớc khi

truyền sang bộ nối thứ hai. Tín hiệu có thể thoát ra ngoài qua các cổng đầu ra tùy

thuộc vào tần số và chiều dài nhánh. Hàm truyền cho cổng truy nhập chính đƣợc

xác định nhƣ sau:





Trong đó, τ là độ trễ thêm vào tại phần nhánh dài hơn của bộ giao thoa MZ.

Chỉ một bộ giao thoa MZ không đủ để đóng vai trò là một bộ cân bằng quang

nhƣng là một chuỗi đa tầng có thể đóng vai trò nhƣ là một bộ lọc cân bằng tối ƣu. Những bộ lọc này đƣợc chế tạo theo dạng mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng các

đƣờng sóng silica.

Hình 3.9 (a) là mô hình của thiết bị. Thiết bị có kích thƣớc 52 x 71 mm2 và

có suy hao vi mạch là 8 dB. Nó bao gồm 12 bộ ghép nối với các chiều dài nhánh

không đối xứng. Một bộ gia nhiệt làm bằng chromium đƣợc bố trí trên một nhánh

của từng bộ giao thoa MZ để điều khiển nhiệt quang của pha quang. Lợi thế lớn

nhất của loại thiết bị này là khả năng kiểm soát cân bằng tán sắc khi thay đổi độ

dài nhánh và số lƣợng bộ giao thoa MZ.

Hình 3.9 (b) là nguyên lý hoạt động của bộ lọc MZ. Thiết bị đƣợc thiết kế

đảm bảo các tần số cao hơn có thể lan truyền trong phần nhánh dài hơn của các bộ

giao thoa MZ. Do đó độ trễ sẽ nhiều hơn so với tần số thấp đƣợc truyền trong

khoảng ngắn hơn. Độ trễ tƣơng đối của thiết bị trái ngƣợc với độ trễ tƣơng đối của

sợi quang trong cơ chế tán sắc dị thƣờng. Hàm truyền H(ω) thu đƣợc bằng phép

giải tích và đƣợc sử dụng để tối ƣu hóa hiệu suất và thiết kế thiết bị. Năm 1994,

một mạch sóng ánh sáng phẳng chỉ với năm bộ giao thoa MZ đã có thể tạo ra độtrễ 836 ps/nm. Thiết bị này chỉ dài có vài cm, nhƣng lại có thể bù tán sắc 50 km.

Những hạn chế của loại thiết bị này là băng thông tƣơng đối hẹp (~ 10 GHz) và

tính nhạy đối với độ phân cực đầu vào. Tuy nhiên, nó lại đóng vai trò là bộ lọc

quang đƣợc lập trình có thể điều chỉnh đƣợc GVD cũng nhƣ bƣớc sóng hoạt động.

Ở từng thiết bị, GVD có thể biến thiên từ - 1006 đến 834 ps/nm.

3.6 Các cách tử Bragg sợi

Một cách tử Bragg sợi có thể đóng vai trò là một bộ lọc quang nhờ vào dải

dừng , là một vùng tần số mà trong đó hầu hết các ánh sáng tới đều bị phản xạ trở lại. Dải dừng nằm ở tâm bước sóng Braggg có λ B = 2ňΛ, trong đó Λ là chu kỳ cách

tử và ň là chỉ số mode trung bình. Tính chu kỳ của chỉ số biến thiên có tác dụng

ghép đôi các sóng truyền tiến và truyền lùi và tạo ra bƣớc sóng gần với bƣớc sóng

Bragg, do đó, tạo ra cho tín hiệu tới một hệ số phản xạ phụ thuộc tần số thông qua

băng thông đƣợc quyết định bởi độ bền cách tử . Về bản chất, cách tử sợi chính là





B

g n

B

22

0

)sin()cos(

)sin(

)0(

)0()()(

g g

g

f

b

qLiaLq

qLi

A

Ar H

một bộ lọc phản xạ. Mặc dù việc sử dụng loại cách tử này để bù tán sắc đƣợc đề

xuất trong năm 1980 nhƣng phải đến năm 1990 thì công nghệ chế tạo mới đủ tiên

tiến để đƣa nó vào trong thực tiễn.

3.6.1 Cách tử chu kỳ đều

Xét loại cách tử đơn giản nhất có hệ số phản xạ theo chiều dài luôn biến

thiên theo chu kỳ n(z) = ň + n g cos(2πz/Λ), trong đó n g là độ sâu điều chế (≈ 10-4).

Cách tử Bragg đƣợc phân tích bằng các phương trình ghép mode thể hiện sự kết

hợp giữa sóng truyền tiến và sóng truyền lùi ở một tần số ω cho trƣớc và có thể

khai triển thành:

dAf /dz = iδ Af +iκA b ( 3.27 )

dA b/dz = −iδ A b−iκAf ( 3.28 )

Trong đó A f và Ab là các biên độ phổ của hai sóng và

( 3.29 )

Trong đó δ là sự điều hƣởng từ bƣớc sóng Bragg, k là hệ số ghép nối, và hệ

số hạn chế Г đƣợc xác định nhƣ sau:

Trong đó: ρ là khoảng cách bán kính của tia từ trục.

w là bán kính trƣờng và đƣợc nói đến nhƣ là cỡ vết.

Các phƣơng trình ghép mode có thể đƣợc khai triển bằng giải tích nhờ vào

đặc trƣng tuyến tính của chúng. Hàm truyền đạt của cách tử, đóng vai trò là bộ lọc

phản xạ, đƣợc xác định nhƣ sau:

( 3.31 )

Trong đó q2 = δ2

– k 2 và L g là chiều dài cách tử. Hình 3.10 cho biết hệ số

phản xạ | H(ω)| và pha của H(ω) với kLg = 2 và 3. Hệ số phản xạ của cách tử đạt

xấp xỉ 100% trong dải dừng với kLg = 3. Tuy nhiên, khi pha gần nhƣ tuyến tính thì

tán sắc bởi cách tử sẽ chỉ tồn tại bên ngoài dải dừng. Phải lƣu ý rằng hằng số





truyền β = β B + q, trong đó dấu sẽ phụ thuộc vào dấu của δ và độ mở rộng β trong

chuỗi Taylor đối với sợi nhƣ sau:

Ở đây: ∆ω = ω – ω0 và βm = (dmβ / dωm

) với ω = ω0.

Khi đó tham số tán sắc của cách tử sợi đƣợc xác định nhƣ sau:

2/322

22

2)(

/)sgn(

g g v

,2/522

32

3)

/3

g g v

( 3.33 )

Trong đó, vg là vận tốc nhóm của xung có tần số sóng mang ω0 = 2 πc/ λ0.

Hình 3.10: (a) Cƣờng độ và (b) pha của hệ số phản xạ đƣợc mô tả thành hàm điềuhƣớng δ Lg trong cách tử sợi đều với κLg = 2 ( đƣờng cong liền ) hoặc κLg = 3

( đƣờng cong đứt quãng ).

Hình 3.11 cho biết độ biến thiên của β 2 g với tham số điều hƣởng δ và giá trị

k nằm trong khoảng từ 1 – 10 cm-1. GVD bởi cách tử phụ thuộc vào dấu của giá trị

điều hƣởng δ. GVD có tính dị thƣờng ở vị trí có tần số cao, vị trí δ có giá trị dƣơng

và tần số sóng mang lớn hơn tần số Bragg. Do β 2 g có thể lớn hơn 1000 ps2/cm nên

cách tử với chiều dài 2 cm cũng có thể bù GVD cho 100 km sợi. Tuy nhiên, tán

sắc bậc ba của cách tử, có hệ số truyền dẫn bị giảm sút và sự biến thiên ở tốc độ

nhanh của | H(ω)| đã khiến cho việc sử dụng các cách tử sợi đồng nhất trở nên xa

rời với thực tế.





Hình 3.11: GVD do cách tử tạo ra đƣợc mô tả là một hàm của δ cho một vài giá trị

của hệ số ghép κ.

Khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng kỹ thuật giảm nhiễu xạ trong đó

sự biến thiên chỉ số n g sẽ triệt tiêu sự đồng nhất của cách tử, dẫn đến giá trị k phụ

thuộc vào giá trị z. Đối với những loại cách tử này, k đạt cực đại ở tâm điểm và

giảm dần về 0 ở hai đầu. Một cách tiếp cận ƣu việt hơn đòi hỏi cách tử phải có giá

trị k biến thiên tuyến tính theo suốt chiều dài của cách tử sợi. Trong thí nghiệm

năm 1996, một hệ cách tử dài 11 cm đã đƣợc sử dụng để bù GVD của tín hiệuđƣợc truyền với tốc độ 10Gb/s cho 100 km chiều dài sợi tiêu chuẩn. Hệ số ghép

nối k(z) biến thiên không đáng kể từ 0 đến 6 cm-1 theo chiều dài cách tử. Hình

3.12 mô tả đặc tính truyền dẫn của cách tử đƣợc tính toán bằng cách giải các

phƣơng trình ghép mode. Đƣờng cong liền biểu thị độ trễ nhóm liên quan đến đạo

hàm phase dΦ/dω trong phương trình ( 3.22 ). Trong vùng bƣớc sóng rộng 0,1 nm

gần vùng 1544,2 nm, độ trễ nhóm biến thiên gần nhƣ tuyến tính ở tốc độ 2000

ps/nm, có nghĩa rằng cách tử có thể bù GVD cho 100 km chiều dài sợi tiêu chuẩn

và có hiệu suất truyền dẫn ánh sáng lớn hơn 50%. Mô hình cách tử này đã bù đƣợcGVD cho 106 km chiều dài đối với tín hiệu 10 Gb/s chỉ cần bổ sung công suất

2dB và tỷ lệ lỗi bit (BER) cũng chỉ ở mức 10-9.

Hệ số ghép nối giảm dần dọc theo chiều dài của cách tử có thể đƣợc tận

dụng để bù tán sắc khi bƣớc sóng tín hiệu nằm trong dải dừng và cách tử đóng vai





trò là bộ lọc phản xạ. Các nghiệm số của phƣơng trình ghép mode đối với cách tử

chu kỳ đều trong đó k(z) biến thiên tuyến tính trong khoảng 0 – 12 cm-1

suốt chiều

dài 12 cm cho thấy nhóm trễ hình chữ V, nằm ở trung tâm bƣớc sóng Bragg, có

khả năng bù tán sắc nếu bƣớc sóng của tín hiệu nhiễu đƣợc di chuyển ra khỏi tâm

của dải dừng sao cho phổ tín hiệu tạo ra biến thiên tuyến tính theo độ trễ nhóm.Cách tử có độ dài 8.1 cm có khả năng bù GVD cho 257 km chiều dài sợi tiêu

chuẩn với tín hiệu 10 Gb/s. Mặc dù các cách tử đồng nhất có tác dụng bù tán sắc

nhƣng chúng có mặt hạn chế là dải dừng tƣơng đối hẹp (< 0,1 nm) và không có

hiệu quả ở tốc độ bit cao.

Hình 3.12: Hệ số truyền (đƣờng nét đứt ) và độ trễ thời gian (đƣờng nét liền) là một

hàm của bƣớc sóng đối với cách tử đều trong đó κ(z) biến thiên tuyến tính từ 0 đến

6 cm-1

trên độ dài 11 cm.

3.6.2 Cách tử sợi dịch tần

Các cách tử sợi dịch tần có dải dừng tƣơng đối rộng. Chu kỳ quang ňΛ

trong cách tử dịch tần không phải là một hằng số mà thay đổi theo chiều dài củanó. Do bƣớc sóng Bragg λ B = 2ňΛ biến thiên theo chiều dài cách tử nên các thành

phần tần số khác nhau của xung quang đƣợc phản xạ tại các điểm khác nhau tùy

theo sự thỏa mãn các điều kiện Bragg. Về bản chất, dải dừng của cách tử sợi dịch

tần là sự lồng ghép nhiều dải dừng nhỏ, mỗi dải dừng đƣợc dịch chuyển tƣơng tự





nhƣ bƣớc sóng Bragg dọc theo cách tử. Dải dừng đó có chiều rộng vào khoảng vài

nanomet.

Hình 3.13 cho thấy hoạt động của cách tử sợi dịch tần, trong đó các thành

phần có tần số thấp của một xung sẽ bị trễ nhiều hơn do chu kỳ quang tăng lên (và

bƣớc sóng Bragg). Thực tế này phù hợp với GVD dị thƣờng. Cũng loại cách tử

này có thể tạo ra GVD thông thƣờng nếu nó đƣợc lật lại (hoặc ánh sáng tới từ bên

phải). Do vậy, chu kỳ quang ňΛ của cách tử cần phải đƣợc giảm để tạo ra GVD

thông thƣờng. Từ hình vẽ , có thể xác định tham số tán sắc D g của cách tử dịch tần

có độ dài L g bằng cách sử dụng mối tƣơng quan T R = D g L g Δλ, trong đó T R là thời

gian vòng khứ hồi bên trong cách tử và Δλ là sự chênh lệch của các bƣớc sóng

Bragg tại hai đầu cách tử. Do T R = 2ňL g /c nên tán sắc của cách tử đƣợc xác định

bằng phƣơng trình:

Dg = 2ň/c(Δλ ) ( 3.34 )

Giả sử D g ≈ 5 x 107 ps/(km.nm), băng thông cách tử Δλ = 0,2 nm. Nhƣ vậy,

do giá trị D g lớn nên một hệ cách tử dịch tần dài 10 cm có thể bù GVD cho 300

km chiều dài sợi tiêu chuẩn.

Cách tử sợi dịch tần đƣợc sản xuất bằng những cách khác nhau. Nhƣng

điều quan trọng là chu kỳ quang ňΛ phải đƣợc biến thiên dọc theo cách tử (trục z),

nhƣ thế sự dịch tần mới đƣợc tạo ra khi thay đổi chu kỳ cách tử vật lý Λ hoặc thay

đổi hệ số mode hiệu quả ň theo z. Đối với kỹ thuật toàn ảnh chùm tia kép, sự giãncách biên của đồ thị giao thoa đƣợc điều chỉnh không cân xứng bằng cách sử dụng

các độ cong khác nhau của các đầu sóng nhiễu và nhƣ vậy kết quả là sự biến thiên

Λ. Trên thực tế, các thấu kính hình trụ đƣợc tích hợp trong một hoặc cả hai nhánh

của giao thoa. Trong kỹ thuật lộ sáng kép, một mặt nạ di động sẽ đƣợc tích hợp để

thay đổi ň dọc theo z trong thời gian lộ sáng đầu tiên. Các cách tử chu kỳ đều sau

đó sẽ đƣợc viết lên cùng một phần của sợi bằng kỹ thuật mặt nạ pha. Có thể sử

dụng nhiều hiệu chỉnh khác. Ví dụ, các cách tử sợi dịch tần đƣợc chế tạo bằng

cách mạ hoặc kéo căng sợi, sử dụng các gradient nhiệt độ hoặc khâu chúng lạithành những phần đều nhau.





Hình 3.13: Bù tán sắc bằng cách tử sợi dịch tần tuyến tính: (a) chỉ số n(z) dọc theo

chiều dài cách tử .(b) độ phản xạ tần số cao và thấp tại các vị trí khác nhau trong

cách tử do sự biến thiên trong bƣớc sóng Bragg.

Trong năm 1994 đã hiện thực hóa kỹ thuật bù GVD cho 160 km chiều dài

sợi tiêu chuẩn, tốc độ bit khoảng 10 – 20 Gb/s. Đến năm 1995, một loại cách tử

dịch tần dài 12 cm đã đƣợc sử dụng để bù GVD cho 270 km chiều dài sợi với tốc

độ bit 10 Gb/s. Sau đó, khoảng cách truyền dẫn đã đƣợc tăng lên thành 400 km

bằng cách tử sợi dịch tần giảm nhiễu xạ dài 10 cm. Đây là thành quả rất đáng ghi

nhận của bộ lọc quang với chiều dài chỉ là 10 cm. Từ phương trình ( 3.2 ) ta nên

lƣu ý khoảng truyền chỉ đƣợc giới hạn trong 20 km nếu nhƣ không thể bù tán sắc.

Hình 3.14 mô tả hệ số phản xạ đo đƣợc và độ trễ nhóm (liên quan tới đạo

hàm phase dΦ/dω) là một hàm của bƣớc sóng đối với cách tử 10 cm có băng

thông Δλ = 0,12 nm, giá trị này đƣợc chọn để đảm bảo tín hiệu 10 Gb/s khớp với

dải dừng của cách tử. Đối với loại cách tử này, chu kỳ Λ chỉ có thể thay đổi ở mức

0,008% so với tổng chiều dài. Khả năng bù tán sắc toàn diện thƣờng xuất hiện

trong phạm vi phổ có sự biến thiên tuyến tính của dΦ/dω. Hệ số góc của độ trễnhóm (khoảng 5000 ps/nm) là thƣớc đo cho khả năng bù tán sắc của cách tử. Khi

đó cách tử sẽ có khả năng phục hồi tín hiệu 10 Gb/s bằng cách bù GVD cho 400

km chiều dài sợi tiêu chuẩn. Cách tử dịch tần phải đƣợc giảm nhiễu xạ sao cho hệ

số ghép nối đạt cực đại ở điểm giữa và bằng 0 ở các điểm cuối cách tử. Giảm





nhiễu xạ là yếu tố rất quan trọng trong việc loại bỏ các tín hiệu gợn sóng xuất hiện

khi cách tử có hằng số k.

Hình 3.14: Hệ số phản xạ và độ trễ thời gian của cách tử sợi dịch tần tuyến tính có

băng thông 0,12 nm.

Từ phương trình ( 3.34 ) có thể thấy D g của cách tử dịch tần đƣợc giới hạn

cực đại bởi băng thông Δλ trong đó bù GVD là cần thiết và yếu tố chi phối là tốc

độ bit β. Có thể tăng thêm khoảng cách truyền dẫn ở tốc độ bit cho trƣớc với điều

kiện là dải tần tín hiệu đƣợc giảm hoặc máy phát có ứng dụng kỹ thuật dịch tần

trƣớc. Khi thử nghiệm hệ thống năm 1996, việc dịch tần trƣớc tín hiệu quang 10Gb/s đƣợc kết hợp với hai cách tử sợi dịch tần, đƣợc xếp thành chuỗi tầng, để làm

tăng khoảng cách truyền dẫn lên 537 km. Kỹ thuật giảm băng thông cũng có thể

đƣợc kết hợp với cách tử. Nhƣ trong phần 3.3, một mô hình mã hóa nhị phân kép

có thể giảm thiểu đƣợc băng thông đến 50%. Trong thí nghiệm năm 1996, khoảng

cách truyền dẫn của tín hiệu 10 Gb/s đƣợc mở rộng thành 700 km khi sử dụng

cách tử dịch tần dài 10 cm kết hợp với mô hình nhị phân kép pha xoay chiều. Băng

thông của cách tử đƣợc giảm xuống chỉ còn 0,073 nm, là quá nhỏ đối với tín hiệu

10 Gb/s nhƣng đủ rộng đối với tín hiệu nhị phân kép giảm băng thông. Hạn chế lớn nhất của cách tử sợi dịch tần là chúng hoạt động nhƣ một bộ

lọc phản xạ. Một bộ coupler sợi 3 dB đôi khi đƣợc sử dụng để tách tín hiệu phản

xạ ra khỏi tín hiệu tới. Tuy nhiên, việc sử dụng lại làm suy hao thêm 6 dB do nối

ngoài. Một bộ circulator quang có tác dụng hạn chế tổn hao do nối ngoài xuống

dƣới 2dB rất đƣợc phổ biến trong thực tiễn. Bên cạnh đó cũng có một số kỹ thuật





khác đƣợc ứng dụng. Hai hoặc nhiều hơn các cách tử sợi có thể đƣợc kết hợp với

nhau để tạo thành bộ lọc truyền dẫn có tác dụng bù tán sắc mà chỉ gây suy hao nối

ngoài tƣơng đối thấp. Một cách tử đơn có thể đƣợc biến đổi thành bộ lọc truyền

dẫn bằng cách tạo ra một độ lệch pha ở điểm giữa của cách tử. Cách tử Moire khi

đƣợc tích hợp lên trên hai cách tử dịch tần trên cùng một phân đoạn sợi có thể tạora hệ số truyền dẫn cực đại nằm trong dải dừng của nó. Băng thông của các bộ lọc

truyền dẫn này là tƣơng đối nhỏ.

Hình 3.15: Mô hình bù tán sắc bằng hai bộ lọc truyền dạng sợi: (a) bộ ghép hai

mode dịch tần (b) sợi hai lõi thon.

3.6.3 Bộ nối mode dịch tần

Phần này tập trung vào hai thiết bị sợi hoạt động nhƣ một bộ lọc truyền dẫncho bù tán sắc. Bộ ghép mode dịch tần là một thiết bị thuần sợi đƣợc thiết kế theo

nguyên lý ghép cộng hƣởng phân bố dịch tần. Hình 3.15 mô tả hoạt động của hai

loại thiết bị này. Nguyên lý cơ bản của bộ ghép mode dịch tần này khá đơn giản.

Không phải ghép các sóng lan truyền tiến và lùi của cùng một mode (nhƣ đã tiến

hành trong cách tử sợi), mà cách tử dịch tần ghép hai mode không gian của sợi hai

mode. Loại thiết bị này cũng tƣơng tự nhƣ thiết bị biến đổi mode đã đƣợc trình

bày trong phần 3.4 trong điều kiện có DCF, trừ trƣờng hợp chu kỳ cách tử biến

thiên tuyến tính theo chiều dài của sợi. Tín hiệu đƣợc truyền từ mode cơ bản tớimode bậc cao hơn thông qua cách tử, nhƣng các thành phần tần số khác nhau lại

lan truyền qua các chiều dài khác nhau trƣớc khi đƣợc truyền dẫn do bản chất dịch

tần của cách tử là ghép hai mode lại với nhau. Nếu chu kỳ cách tử tăng theo chiều

dài của bộ ghép thì bộ ghép có thể bù GVD. Tín hiệu tiếp tục lan truyền theo





hƣớng tiến nhƣng lại kết thúc ở mode bậc cao hơn của bộ ghép. Một bộ biến đổi

mode cách tử đều có thể đƣợc sử dụng để biến đổi tín hiệu trở lại mode cơ bản.

Một biến thể khác ở cùng một nguyên lý là ghép nối giữa các mode cơ bản

của sợi hai lõi với các lõi không đồng dạng. Nếu hai lõi có cự ly đủ gần thì việc

ghép nối các sóng tắt dần giữa hai mode sẽ dẫn đến việc truyền năng lƣợng từ lõi

này sang lõi khác, tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp của bộ ghép định hƣớng. Khi cự ly

giữa các lõi giảm dần tuyến tính thì sự truyền năng lƣợng đó sẽ xuất hiện tại nhiều

điểm dọc theo sợi tùy theo tần số của tín hiệu truyền. Do vậy, một sợi hai lõi có cự

ly giảm dần tuyến tính có thể bù GVD. Loại thiết bị này sẽ duy trì tín hiệu đƣợc

truyền theo hƣớng tiến, mặc dù nó truyền dẫn vật lý trên lõi bên cạnh. Có thể thực

hiện mô hình này theo phƣơng thức là một thiết bị nén có ứng dụng các đƣờng

sóng bán dẫn do các siêu mode của hai đƣờng sóng ghép đôi sẽ tạo ra một lƣợng

lớn GVD có thể điều hƣởng đƣợc.

3.7 Sự kết hợp pha quang

Mặc dù việc ứng dụng kết hợp pha quang (OPC) cho bù tán sắc đƣợc đề

xuất từ năm 1979 nhƣng phải đến năm 1993 thì kỹ thuật OPC mới đƣợc thực

nghiệm; kể từ đó nó đã nhanh chóng thu hút đƣợc sự chú ý của mọi ngƣời. Trái

ngƣợc với các mô hình quang khác đƣợc trình bày trong chƣơng này, OPC là một

kỹ thuật quang phi tuyến. Phần này sẽ mô tả về nguyên lý của nó và các ứng dụng

của nó trong các hệ thống sóng ánh sáng thực tiễn.

3.7.1 Nguyên lý hoạt động

Cách đơn giản nhất để hiểu đƣợc cách thức bù GVD của OPC là dựa vào

phương trình 3.3 và thu đƣợc kết quả là :

0*

6

*

2

*3

3

3

2

2

2

t

A

t

Ai

z

A ( 3.35 )

So sánh phương trình 3.3 và phương trình 3.35 ta thấy miền kết hợp pha A*

lan truyền với tham số GVD β 2 có dấu đối xứng. Vậy nếu miền quang có sự kết

hợp pha ở tâm điểm đƣờng truyền sợi thì sự tán sắc ở nửa đầu sẽ đƣợc bù chính

xác ở nửa còn lại của đƣờng truyền dẫn. Do số hạng β 2 không đổi dấu trong sự kết

hợp pha nên OPC không thể bù tán sắc bậc ba. Trên thực tế, nếu giữ nguyên các số





d t i Li L

Ã t L A

2

24

exp,2

*2

1),(*

A A Ait

Ai

z

A

22

2

2

2

2

hạng bậc cao trong khai triển Taylor của phương trình ( 3.32 ) thì OPC có thể bù

các số hạng tán sắc bậc chẵn trong khi không có tác động đến các số hạng bậc lẻ.

Hiệu quả OPC giữa nhịp đối với bù tán sắc đƣợc xác định qua phương trình

( 3.25 ). Miền quang ngay phía trƣớc OPC sẽ đƣợc tính nếu thay giá trị z = L/2 vào

trong phƣơng trình này. Sự lan truyền của miền kết hợp pha A* ở nửa thứ hai sẽ

đƣợc tính nhƣ sau :

( 3.36 )

Trong đó, Ã*(L/2, ω) là phép biến đổi Fourier của A*(L/2, t ) đƣợc khai

triển thành :

Ã*(L/2,ω) = Ã*(0,−ω)exp(−iω2β2L/4). ( 3.37 )

Thay phương trình 3.37 vào phương trình 3.36 ta thu đƣợc A(L,t) = A*(0,t) Nhƣ vậy, trừ trƣờng hợp có sự đảo nghịch pha do tác động của OPC, nếu không

trƣờng đầu vào sẽ đƣợc phục hồi hoàn toàn, và hình dạng xung sẽ đƣợc khôi phục

về trạng thái ban đầu. Do phổ tín hiệu phía sau OPC trở thành ảnh phản xạ của phổ

đầu vào nên kỹ thuật OPC còn đƣợc gọi là nghịch đảo phổ giữa nhịp.

3.7.2 Bù của tự điều chế pha SPM

Hiện tƣợng phi tuyến của SPM sẽ dẫn tới quá trình dịch tần do sợi của tín

hiệu đƣợc phát. Mục 3.3 cho thấy sự dịch tần này có thể đƣợc tận dụng nếu thiếtkế hợp lý. Các solition quang cũng sử dụng SPM để làm lợi. Tuy nhiên, ở hầu hết

các hệ thống sóng ánh sáng, những tác động phi tuyến do SPM đều làm giảm chất

lƣợng của tín hiệu, đặc biệt là khi tín hiệu đƣợc chuyền ở khoảng cách xa và sử

dụng các bộ khuếch đại quang.

Điểm khác biệt lớn nhất giữa kỹ thuật OPC và các mô hình bù tán sắc khác

là : Ở điều kiện nhất định, kỹ thuật OPC có thể bù đồng thời cả GVD và SPM. Đặc

điểm này của OPC đƣợc phát hiện từ đầu những năm 1980 và đƣợc nghiên cứu

rộng rãi sau năm 1993. Cả GVD và SPM sẽ đều đƣợc bù toàn diện nếu sợi không

bị suy hao. Xung lan truyền trong sợi bị suy hao đƣợc kiểm soát bởi phƣơng trình:

( 3.38 )





Trong đó β3 là không đáng kể và α là tham số suy hao sợi. Khi α = 0, A* sẽ

thỏa mãn phƣơng trình, tƣơng tự khi chúng ta tính kết hợp phức phương trình

(3.38) và thay z bằng –z. Do đó, OPC giữa nhịp có thể bù đồng thời SPM và GVD

Suy hao sợi sẽ phá hủy đặc tính quan trọng này của OPC giữa nhịp. Bởi vì

độ lệch pha do SPM gây ra là một đại lƣợng phụ thuộc vào công suất. Do vậy, độ

lệch pha lớn hơn sẽ xuất hiện trong phần đầu tiên của đƣờng dẫn và OPC sẽ không

thể bù lại các tác động phi tuyến. Phương trình ( 3.38 ) có thể đƣợc ứng dụng để

nghiên cứu tầm ảnh hƣởng của suy hao sợi. Bằng cách thay :

A(z, t) = B(z, t)exp(−αz/2) ( 3.39 )

Ta đƣợc phương trình ( 3.38 ) khai triển nhƣ sau :

( 3.40 )

Trong đó, γ(z) = γexp(-αz). Ảnh hƣởng của suy hao sợi theo toán học cũng

tƣơng đƣơng với trƣờng hợp không bị suy hao sợi nhƣng tham số phi tuyến lại phụ

thuộc vào z. Lấy kết hợp phức phương trình ( 3.4 ) và thay z bằng –z, dễ thấy khả

năng bù SPM toàn diện xuất hiện nếu γ(z) = γ(L – z). Điều kiện này không thể

đƣợc thỏa mãn khi α ≠ 0.

Có thể giải quyết vấn đề này bằng cách khuếch đại tín hiệu sau OPC nhằm

cân bằng công suất tín hiệu với công suất đầu vào trƣớc khi tín hiệu đƣợc truyềntới nửa sau của đƣờng truyền sợi quang. Nhƣng cách này chỉ có thể làm giảm tác

động của SPM mà không thể bù toàn diện. Nguyên do là việc truyền tín hiệu kết

hợp pha cũng giống nhƣ truyền tín hiệu với thời gian biến thiên. Do vậy, bù SPM

hoàn toàn chỉ có thể xuất hiện nếu sự biến thiên công suất là đối xứng xung quanh

điểm giữa nhịp mà tại đó OPC thỏa mãn γ(z) = γ(L – z) trong phương trình (3.40 ).

Sự khuếch đại quang không thỏa mãn điều kiện này. Có thể bù đƣợc SPM nếu tín

hiệu đƣợc khuếch đại đủ liên tục để công suất không bị biến đổi lớn trong suốt quá

trình khuếch đại. Nhƣng cách này không thực tế do nó yêu cầu sẽ phải có nhiều bộkhuếch đại có cự ly gần nhau.

Có thể bù hoàn toàn cho cả GVD và SPM bằng cách sử dụng sợi giảm tán

sắc trong đó β2 giảm dần theo chiều dài sợi. Giả sử β2 trong phương trình ( 3.40 )

là một hàm của z. Bằng cách biến đổi :

B Bi

t

Bi

z

B 2

2

2

2

2





z

dz z0

)( ( 3.41 )

Ta khai triển phương trình ( 3.40 ) nhƣ sau :

( 3.42 )

Với b(ξ) = β 2(ξ)/γ(ξ). Cả GVD và SPM đều đƣợc bù nếu b( ξ ) = b( ξ L - ξ ),

trong đó ξ L là giá trị của ξ với z = L. Điều kiện này sẽ đƣợc thỏa mãn khi tán sắc

giảm chính xác theo γ(z) và β 2( ξ ) = γ( ξ ) và b( ξ ) = 1. Do suy hao sợi làm cho γ(z)

giảm theo cấp số mũ exp(-αz) nên cả GVD và SPM trong sợi giảm tán sắc đều

đƣợc bù chính xác, trong đó GVD giảm bằng exp(-αz). Cách thức này là khá phổ

biến và đƣợc ứng dụng trong các bộ khuếch đại đƣờng truyền.

3.7.3 Tín hiệu kết hợp pha

Việc triển khai kỹ thuật OPC giữa nhịp đòi hỏi phải có yếu tố quang phi

tuyến có thể tạo ra tín hiệu kết hợp pha. Phƣơng thức pháp phổ biến nhất là tận

dụng kỹ thuật trộn bốn bước sóng (FWM) trong môi trƣờng phi tuyến. Do bản

thân sợi quang chính là một môi trƣờng phi tuyến nên có thể sử dụng sợi có chiều

dài vài km đƣợc thiết kế đặc biệt nhằm tối ƣu hóa hiệu quả của FWM.

Hiện tƣợng FWM trong các sợi quang đã và đang đƣợc nghiên cứu rộng rãi.Sử dụng nó đòi hỏi phải bơm tần số ω p với độ lệch không đáng kể (≈ 0,5 THz) so

với tần số tín hiệu ωs. Độ phi tuyến của sợi sẽ tạo ra tín hiệu kết hợp pha ở tần số

ωc = 2 ω p – ωs với điều kiện cân pha k c = 2 k p – k s phải đƣợc thỏa mãn, trong đó

k j = n(ω j)ωc/c là số lƣợng sóng trong miền quang có tần số ω j. Điều kiện cân pha

đƣợc thỏa mãn nếu bƣớc sóng tán sắc bằng không của sợi trùng với bƣớc sóng

bơm. Đây là giải pháp đã đƣợc thông qua trong các thí nghiệm năm 1993 trong đó

công dụng của OPC trong bù tán sắc đƣợc chứng minh đầu tiên. Trong một thí

nghiệm, tín hiệu 1546 nm đƣợc kết hợp pha bằng cách sử dụng FWM trong sợi dài23 km có bƣớc sóng bơm là 1549 nm. Tín hiệu 6 Gb/s đƣợc truyền qua khoảng

cách 152 km chiều dài sợi tiêu chuẩn trong thí nghiệm truyền dẫn coherent có sử

dụng FSK. Ở một thí nghiệm khác, tín hiệu 10 Gb/s đƣợc truyền qua khoảng cách

360 km. OPC giữa nhịp đƣợc thực hiện trong sợi dài 21 km bằng cách sử dụng

bơm laze có bƣớc sóng đƣợc điều chỉnh đúng với bƣớc sóng tán sắc bằng không

B Bit Bbi B 2

2

2)(

2





của sợi. Bƣớc sóng bơm và bƣớc sóng tín hiệu có độ lệch là 3,8 nm. Hình 3.16 mô

tả việc thiết lập thí nghiệm, một bộ lọc thông dải (BPF) đƣợc sử dụng để tách tín

hiệu kết hợp pha ra khỏi sóng bơm.

Hình 3.16: Thiết lập thí nghiệm để bù tán sắc thông qua biến đổi phổ giữa nhịp

trong sợi dịch tán sắc dài 21 km.

Cần phải chú ý đến một vài yếu tố khi thực hiện kỹ thuật OPC giữa nhịp.

Một, do bƣớc sóng của tín hiệu thay đổi từ ωs đến ωc = 2ω p – ωs trong thiết bị kết

hợp pha, nên tham số GVD β2 sẽ biến đổi khi tiếp cận với phần nửa sau. Theo đó,

chỉ có thể bù toàn diện nếu bộ kết hợp pha có độ lệch không đáng kể so với tâmcủa đƣờng dẫn sợi quang. Có thể xác định chính xác vị trí L p bằng cách sử dụng

điều kiện β2(ω s) L p = β2(ωc)( L− L p), trong đó L là tổng chiều dài của đƣờng truyền

dẫn. Nếu tăng β2(ωc) trong chuỗi Taylor với tần số tín hiệu (ω s) thì L p đƣợc xác

định nhƣ sau:

( 3.43 )

Trong đó δc = ωc - ωs là độ lệch tần số của tín hiệu do tác động của kỹthuật OPC. Nếu bƣớc sóng tiêu biểu dịch 6 nm thì vị trí của bộ kết hợp pha sẽ dịch

chuyển khoảng 1%. Sự ảnh hƣởng của tán sắc dƣ và SPM trong sợi kết hợp pha

cũng sẽ ảnh hƣởng tới vị trí của bộ kết hợp pha.

Yếu tố thứ hai cần phải giải quyết là phƣơng pháp FWM trong các sợi

quang rất nhạy với quá trình phân cực. Khi phân cực tín hiệu không đƣợc kiểm

32

32

2

c

c p

L

L





soát trong các sợi quang, nó sẽ biến thiên bất kỳ trong OPC. Sự biến thiên đó sẽ

ảnh hƣởng tới hiệu quả của FWM và khiến cho kỹ thuật FWM không còn phù hợp

với thực tiễn. Tuy vậy, mô hình FWM có thể đƣợc thay đổi để loại bỏ tính nhạy

phân cực bằng cách bố trí hai tia bơm phân cực thẳng góc có các bƣớc sóng khác

nhau ở vị trí đối xứng trên mặt đối diện của bƣớc sóng tán sắc bằng không λZD.

Cách này có một lợi thế khác là: sóng kết hợp pha đƣợc sản sinh với tần số bằng

tần số của tín hiệu khi chọn giá trị λZD trùng với tần số của tín hiệu. Đặc điểm này

là hệ quả của hệ thức ωc =ω p1+ω p2−ωs, trong đó ω p1 ≠ ω p2. Có thể đảm bảo tính

không phân cực của OPC bằng cách sử dụng một bơm đơn kết hợp với cách tử sợi

và gương kết hợp vuông góc, tuy nhiên thiết bị này hoạt động theo kiểu phản xạ và

đòi hỏi phải tách sóng kết hợp ra khỏi tín hiệu bằng bộ coupler 3 dB hoặc bộ

circulator quang.

Cũng cần xem xét vấn đề hiệu suất tƣơng đối thấp của tiến trình OPC trong

sợi quang. Cụ thể, hiệu suất biến đổi ηc dƣới 1%, do đó phải khuếch đại tín hiệu

pha kết hợp. Về hiệu quả, suy hao do nối ngoài của bộ kết hợp pha vƣợt 20 dB.

Tuy nhiên, phƣơng pháp FWM lại không phải là một phƣơng pháp có hiệu suất

thấp, nó có thể tạo ra độ khuếch đại thực. Thực vậy, phân tích các phƣơng trình

FWM cho thấy giá trị ηc sẽ tăng đáng kể nếu tăng công suất bơm và giảm công

suất tín hiệu; thậm chí có thể vƣợt mức 100% nếu có thể tối ƣu hóa các mức công

suất và độ lệch bƣớc sóng tín hiệu bơm. Nên tránh các công suất bơm cao do cóthể gây tán xạ Brillouin cảm ứng (SBS). Tuy nhiên, SBS có thể đƣợc hạn chế bằng

cách điều chế bơm chỉ ở tần số ≈ 100 MHz. Ở thí nghiệm năm 1994, kỹ thuật này

chỉ đạt hiệu suất biến đổi 35%.

Phƣơng pháp FWM trong bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) cũng đã và

đang đƣợc sử dụng để tạo ra tín hiệu kết hợp pha bù tán sắc. Giải pháp này sử

dụng lần đầu tiên trong thí nghiệm năm 1993 để truyền dẫn tín hiệu 2,5 Gb/s, thu

đƣợc từ sự điều chế trực tiếp laze bán dẫn, đi 100 km chiều dài sợi tiêu chuẩn. Sau

đó, trong thí nghiệm năm 1995, giải pháp này đƣợc ứng dụng để truyền tín hiệu 40Gb/s đi 200 km chiều dài sợi tiêu chuẩn. Việc đảm bảo FWM có khả năng chống

suy biến cao bên trong các SOA đã đƣợc đề xuất năm 1987 và kỹ thuật này đã

đƣợc ứng dụng rộng rãi trong việc biến đổi bƣớc sóng. Ƣu điểm lớn nhất của nó là

tạo ra tín hiệu kết hợp pha trong một thiết bị chỉ dài có 1 nm với hiệu suất biến đổi

cao hơn so với của FWM trong sợi quang bởi khả năng khuếch đại mặc dù nó





cũng phải chịu suy hao do ghép nối tín hiệu. Nếu áp dụng giải pháp làm mất điều

hƣởng tín hiệu bơm thì có thể đạt hiệu suất chuyển đổi trên 100% (độ khuếch đại

thuần cho tín hiệu kết hợp pha) đối với FWM trong các SOA.

Bƣớc sóng LiNbO3 có điện cực chu kỳ cũng đƣợc sử dụng để tạo ra bộ biến

đổi phổ băng rộng. Tín hiệu kết hợp pha đƣợc tạo ra khi sử dụng các xử lý phi

tuyến bậc hai có cân bằng pha gần nhƣ tuyệt đối. Thiết bị OPC loại này có suy hao

do nối ngoài là 7 dB và có thể bù tán sắc của bốn kênh 10 Gbps cùng một lúc với

chiều dài sợi tiêu chuẩn là 150 km. Ƣu điểm của kỹ thuật OPC đƣợc thực nghiệm

năm 1999 trong đó bộ kết hợp pha theo FWM đƣợc sử dụng để bù GVD cho tín

hiệu 40 Gb/s với chiều dài sợi tiêu chuẩn là 140 km. Từ phương trình (3.2 ) ta thấy

nếu không ứng dụng OPC thì không thể truyền tín hiệu 40 Gb/s đi xa hơn 7 km.

Hầu hết các hoạt động thí nghiệm về bù tán sắc đều liên quan đến khoảngcách truyền vài trăm km. Còn với những ứng dụng đƣờng dài, liệu kỹ thuật OPC

với bộ khuếch đại bù suy hao có thể bù GVD cho đƣờng truyền dẫn vài nghìn km

không? Câu hỏi này đã đƣợc nghiên cứu qua những mô phỏng số, trong đó một tín

hiệu 10 Gb/s đƣợc phát đi xa 6000 km với công suất phát trung bình duy trì dƣới

mức 3mW nhằm làm giảm những tác động của hiệu ứng phi tuyến sợi. Ở một

nghiên cứu khác ghi nhận, cự ly của bộ khuếch đại cũng đóng vai trò rất quan

trọng; có thể truyền xa 9000 km nếu các bộ khuếch đại cách nhau 40 km. Chọn

bƣớc sóng hoạt động tƣơng ứng với bƣớc sóng tán sắc bằng không cũng là mộtyếu tố quan trọng. Trong miền tán sắc dị thƣờng (β2 < 0), biến thiên mang tính chu

kỳ của công suất tín hiệu dọc theo đƣờng truyền dẫn có thể tạo ra các dải biên phụ

do điều biến mất ổn định. Có thể tránh đƣợc sự mất ổn định này nếu tham số tán

sắc tƣơng đối lớn [D > 10 ps/(km.nm)]. Đây là trƣờng hợp khi các sợi tiêu chuẩn

gần đạt mức 1,55 µm. Lƣu ý, khoảng cách truyền dẫn cực đại phụ thuộc vào nhiều

yếu tố, nhƣ hiệu suất FWM, công suất đầu vào và cự ly bộ khuếch đại, tùy thuộc

vào tham số hoạt động.

Sử dụng OPC cho các hệ thống sóng ánh sáng đƣờng dài đòi hỏi phải sửdụng theo chu kỳ các bộ khuếch đại và bộ kết hợp pha. Hai loại thiết bị này kết

hợp làm một bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại tham số vốn không chỉ làm sản

sinh tín hiệu kết hợp pha qua phƣơng pháp FWM mà còn có thể khuếch đại nó.

Quá trình phân tích loại hệ thống đƣờng dài này cho thấy các xung đầu vào từ 20 –

30 ps có thể truyền một quãng đƣờng hàng ngàn km bất kể GVD cao; tổng đƣờng





truyền có thể vƣợt mức 15.000 km đối với các sợi dịch tán sắc có β 2 = – 2ps2/km

và miền 1,55 µm. Kỹ thuật kết hợp pha không đƣợc sử dụng trong thực tiễn do các

bộ khuếch đại tham số vẫn chƣa đƣợc phổ biến về mặt thƣơng mại.

3.8 Các hệ thống sóng ánh sáng đƣờng dài Phần này nghiên cứu các hệ thống sóng ánh sáng mà nếu quản lý đƣợc tán

sắc thì khoảng cách truyền dẫn của chúng sẽ tăng từ 10 km đến vài trăm km. Vấn

đề là làm thế nào để thực hiện quá trình quản lý tán sắc cho các hệ thống đƣờng

dài với mục tiêu khoảng cách truyền dẫn phải đạt đƣợc vài nghìn km. Nếu tín hiệu

quang đƣợc phục hồi bằng điện cứ sau 100-200 km thì các kỹ thuật đƣợc đề cập

trong chƣơng này sẽ hoạt động rất hiệu quả vì những hiệu ứng phi tuyến không

tích lũy lại sau những khoảng cách dài. Nhƣng nếu duy trì tín hiệu trong miền

quang suốt chiều dài đƣờng truyền bằng khuếch đại theo chu kỳ thì những tácđộng phi tuyến nhƣ SPM, điều chế xuyên pha (XPM), và FWM sẽ gây hạn chế tới

hệ thống. Trong phần này, chúng ta sẽ chú trọng các hệ thống sóng ánh sáng

đƣờng dài sử dụng đồng thời các mô hình quản lý tán sắc và suy hao.

3.8.1 Ánh xạ tán sắc theo chu kỳ

Trong trƣờng hợp không có các hiệu ứng phi tuyến, tổng GVD tích lũy qua

hàng nghìn km đƣờng truyền có thể đƣợc bù tại thiết bị thu mà không hề làm giảm

tính năng của hệ thống. Vì mỗi xung quang sẽ khôi phục vị trí khe bit ban đồi củanó đối với một hệ thống tuyến tính (trừ trƣờng hợp bộ khuếch đại gây sai lệch về

thời gian) cho dù nó bị phân tán qua vài khe bit trƣớc khi GVD đƣợc bù. Đây cũng

chẳng còn là vấn đề nếu các hiệu ứng phi tuyến là không đáng kể. Những ảnh

hƣởng phi tuyến giữa các xung quang của cùng một kênh (các hiệu ứng bên trong

kênh) và giữa các xung của các kênh cận kề trong hệ thống WDM (các hiêu ứng

bên ngoài kênh) sẽ làm giảm chất lƣợng tín hiệu xuống mức mà nếu chỉ sử dụng

thuần máy thu thì sẽ không thể bù đƣợc GVD ở các hệ thống đƣờng dài.





Hình 3.17: Vòng lặp sợi xoay vòng đƣợc sử dụng để truyền tín hiện 10 Gb/s đi

10.000 km chiều dài sợi tiêu chuẩn trên cơ sở áp dụng DCF theo chu kỳ. Các bộ

phận đƣợc sử dụng bao gồm laze điốt (LD), bộ điều chế hấp thụ điện (EA), hệ

chuyển mạch quang (SW), bộ khuếch đại sợi (EDFA), sợi đơn mode (SMF), và DCF.

Ứng dụng một giải pháp đơn giản bằng kỹ thuật quản lý tán sắc theo chu

kỳ. Ý tƣởng này là tƣơng đối đơn giản, bao gồm các sợi hỗn hợp, các GVD dƣơng

và âm đƣợc điều chỉnh theo chu kỳ sao cho tổng tán sắc ở từng chu kỳ gần bằng 0.

Đơn giản nhất là sử dụng hai sợi có chiều dài và độ tán sắc đối nhau, trong đó tán

sắc trung bình bằng:

Ď = (D1L1 +D2L2)/Lm ( 3.44 )

Trong đó D j là tán sắc của sợi có chiều dài L j ( j = 1, 2) và Lm = L1 + L2 là

chu kỳ của ánh xạ tán sắc, gọi là chu kỳ ánh xạ. Nếu Ď gần bằng 0 thì tán sắc đƣợc

bù theo từng chu kỳ ánh xạ. Chiều dài Lm là một tham số phi kết cấu có thể đƣợc

chọn sao cho thỏa mãn yêu cầu về tính năng của hệ thống. Thực tế, thƣờng chọn Lm bằng với cự ly bộ khuếch đại L A vì sẽ làm đơn giản kết cấu của hệ thống.

Thƣờng lấy Lm = L A ≈ 80 km với hệ thống sóng ánh sáng mặt đất nhƣng chỉ còn 50

km với các hệ thống ngầm dƣới biển.





Vì lý do kinh phí mà hầu hết các thí nghiệm đều sử dụng vòng lặp sợi

quang trong đó tín hiệu quang bị xoay vòng nhiều lần để mô phỏng hệ thống sóng

ánh sáng đƣờng dài. Hình 3.17 mô tả sơ đồ vòng lặp sợi quang xoay vòng này. Nó

đƣợc dùng để truyền tín hiệu 10 Gb/s đi 10.000 km chiều dài sợi tiêu chuẩn có sự

quản lý tán sắc và suy hao. Hai hệ chuyển mạch quang xác định khoảng thời gianmà dòng bit giả ngẫu nhiên lan truyền bên trong vòng lặp trƣớc khi đến máy thu.

Chiều dài vòng lặp khoảng 300 – 500 km. Chiều dài DCF đƣợc chọn theo phương

trình(3.44 ) và đƣợc thiết lập sao cho L2 = - D1 L1 /D2 để bù đƣợc hoàn toàn (Ď = 0).

Một bộ lọc thông dải quang cũng đƣợc tích hợp bên trong vòng lặp để giảm ảnh

hƣởng của nhiễu bộ khuếch đại.

3.8.2 Nguyên lý đơn

Hiện tƣợng phi tuyến chính gây ảnh hƣởng tới tính năng hệ thống đơn kênhchính là SPM. Sự lan truyền của dòng bit quang bên trong hệ thống quản lý tán sắc

chịu sự chi phối của phƣơng trình phi tuyến Schrodinger (NLS) [(Eq. (3.38)]:

( 3.45 )

Trong đó, khác biệt lớn nhất là β2, γ , và α là những hàm chu kỳ của z bởi

chúng có các giá trị khác nhau trong hai hoặc nhiều hơn hai phân đoạn sợi đƣợc sử

dụng để thiết lập ánh xạ tán sắc. Bù suy hao ở các bộ khuếch đại tập trung cũngđƣợc thực hiện bằng cách thay đổi tham số suy hao tại vị trí đặt bộ khuếch đại.

Tóm lại, phương trình ( 3.45 ) đƣợc giải bằng số để nghiên cứu tính năng

của các hệ thống quản lý tán sắc. Nó có tác dụng loại bỏ số hạng cuối của phƣơng

trình này bằng một phép biến đổi [xem phương trình ( 3.39 )]

A(z, t) = B(z, t)exp

z

dz z0

)(2

1 ( 3.46 )

Phương trình ( 3.45 ) có dạng:

( 3.47 )

Trong đó có thể tính đƣợc sự biến thiên công suất dọc theo chiều dài đƣờng

truyền quản lý tán sắc thông qua tham số phi tuyến biến đổi theo chu kỳ

)( z = γ exp[− z

0

(z)dz].

Ai

A At

A

z

Ai

22

2

2

2

2

0)(2

)( 2

2

22

B B z

t B z

z Bi





Có thể nắm rõ đƣợc kết cấu của hệ thống quản lý tán sắc bằng cách giải

phương trình ( 3.47 ) thông qua phƣơng pháp biến thiên. Công dụng của nó dựa

trên sự quan sát đối với một xung Gauss dịch tần có dạng hàm tuyến tính (γ = 0)

cho dù biên độ, chiều rộng và dịch tần của nó thay đổi trong quá trình lan truyền.

Do các hiệu ứng phi tuyến tƣơng đối yếu trong từng phân đoạn sợi so với các tácđộng của tán sắc nên dạng xung đƣợc duy trì ở dạng Gauss. Do vậy ta giả thiết là

xung sẽ tăng theo suốt chiều dài sợi ở dạng xung Gauss dịch tần sao cho:

B(z, t) = a exp[−(1+iC)t2/2T

2+i Φ], ( 3.48)

Trong đó a là biên độ, T là chiều rộng, C là dịch tần và Φ là pha. Cả bốn

tham số đều biến đổi theo z. Phƣơng pháp biến thiên có tác dụng xác định sự phụ

thuộc vào z của các tham số này. Nhƣ vậy, phương trình ( 3.47 ) có thể có nguồn

gốc từ phƣơng trình Euler -Lagrange có mật độ Lagran nhƣ sau :

( 3.49 )

Theo phƣơng pháp biến thiên, chúng ta có thể tìm đƣợc các phƣơng trình

khai triển cho bốn tham số a, T, C , và Φ. Có thể bỏ qua phƣơng trình pha vì nó

không liên quan gì đến ba phƣơng trình còn lại. Lấy tích phân phƣơng trình biên

độ để thấy đƣợc rằng tổ hợp a2T không biến thiên theo z mà có sự liên hệ tới năng

lƣợng xung đầu vào E 0 theo phƣơng trình a2T = E 0. Do vậy, chỉ cần giải hai

phƣơng trình sau đây :

( 3.50 )

( 3.51 )

Trƣớc hết, xét trƣờng hợp tuyến tính bằng cách cho γ= 0. Lƣu ý rằng tỷ lệ

(1+C2)/T

2 có sự liên quan tới chiều rộng phổ của xung và xung này có giá trị là

một hằng số trong môi trƣờng tuyến tính, chúng ta có thể thay giá trị đó bằng giá

trị ban đầu (1+C20 )/T2

0, trong đó T 0 và C 0 là chiều rộng và dịch tần của các xung

đầu vào trƣớc khi chúng đƣợc truyền trong đƣờng dẫn sợi đƣợc quản lý tán sắc.

Giải tích các phương trình ( 3.50 ) và ( 3.51 ) ta thu đƣợc kết quả tổng quát sau :

T2(z) = T20 +2

z

0

β2(z)C(z)dz, C(z) =C0 +

2

0

22

0

2

0 )(1

dz zT

C ( 3.52 )

2

2

4)()(

2

1*

*

2 t

B z B z

z

B B

z

B B

i Lden

T

C

dz

dT 2

2

220 )1(

2 T C

T

E

dz

dC





Kết quả này nhìn thì phức tạp tuy nhiên lại rất dễ tính tích phân trên ánh xạ

tán sắc hai phân đoạn. Trên thực tế, các giá trị T và C ở cuối chu kỳ ánh xạ đầu

tiên ( z = Lm) đƣợc xác định bởi :

T1 = T0[(1+C0d)2 +d2]1/2, C1 =C0 +(1+C20)d, ( 3.53 )

Trong đó, d = β2Lm/T2

0 và β2 là giá trị GVD trung bình. Dễ thấy khi β2 = 0

thì cả T và C đều quay trở lại giá trị ban đầu của mình khi kết thúc chu kỳ ánh xạ.

Khi GVD trung bình của đƣờng dẫn quản lý tán sắc không bằng 0 thì T và C sẽ

thay đổi sau khi kết thúc mỗi chu kỳ ánh xạ và độ tăng của xung sẽ không theo

chu kỳ.

Khi số hạng phi tuyến là không thể bỏ qua thì các tham số xung sẽ không

phục hồi lại giá trị ban đầu để đạt đƣợc độ bù GVD toàn diện (d = 0). Một số thí

nghiệm đã chứng minh rằng hệ thống phi tuyến chỉ đạt hiệu quả cao nhất khi hệ số bù GVD đạt 90-95%. Trên thực tế, nếu xung đầu vào đƣợc dịch tần ngay từ đầu

sao cho β2C < 0 thì xung ở cuối đƣờng dẫn sợi quang sẽ ngắn hơn so với xung đầu

vào. Hoạt động này là cần thiết cho hệ thống tuyến tính và là hệ quả của phương

trình ( 3.53 ) trong đó C 0d < 0, với hệ thống phi tuyến cũng thế và chính sự quan

sát này đã dẫn tới việc ứng dụng CRZ trong các đƣờng truyền sợi quản lý tán sắc.

Nếu ánh xạ tán sắc đƣợc lập sao cho xung đƣợc mở rộng trong phân đoạn đầu và

nén lại trong phân đoạn hai thì ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến có thể giảm

đi đáng kể. Nguyên do nhƣ sau: Công suất cực đại của xung đƣợc giảm mạnhtrong phân đoạn đầu do sự mở rộng nhanh của các xung dịch tần, trong khi đó ở

phân đoạn hai tốc độ này chậm hơn do có sự suy hao sợi tích lũy. Những đƣờng

truyền dẫn có quản lý tán sắc đó đƣợc gọi là đƣờng truyền gần tuyến tính. Kết quả

từ Phương trình ( 3.52 ) cũng đƣợc áp dụng cho những đƣờng truyền dạng này.

Khi các xung quang phân bố đáng kể ra bên ngoài khe bit sau mỗi chu kỳ ánh xạ

thì chính sự chồng chéo của chúng sẽ làm giảm tính năng của hệ thống khi các

hiệu ứng phi tuyến là không thể bỏ qua. Những hiệu ứng này sẽ đƣợc đề cập đến

trong mục tiếp theo.

Nếu công suất cực đại đầu vào lớn đến mức không thể đạt đƣợc điều kiện

gần tuyến tính thì phải giải phương trình ( 3.50 ) và ( 3.51 ) trong đó có số hạng

phi tuyến. Không phép giải tích nào có thể thực hiện trong trƣờng hợp này. Tuy





nhiên, có thể tìm thấy nghiệm theo chu kỳ của các phƣơng trình này bằng cách tạo

ra các điều kiện biên theo chu kỳ:

T ( Lm) = T 0 , C ( Lm) =C 0, ( 3.54 )

Để đảm bảo rằng xung sẽ phục hồi lại dạng ban đầu khi kết thúc mỗi chu

kỳ ánh xạ. Các xung này lan truyền qua đƣờng dẫn quản lý tan sắc theo một chu

kỳ nhất định và đƣợc gọi là các solition quản lý tán sắc bởi chúng cũng có những

đặc điểm của solition.

3.8.3 Các hiệu ứng phi tuyến trong kênh

Các hiệu ứng phi tuyến đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống

quản lý tán sắc bởi chúng đƣợc gia tăng trong DCF nhờ vào diện tích lõi hiệu dụng

rút gọn của DCF. Việc bố trí bộ khuếch đại sau khi sợi đã đƣợc bù tán sắc sẽ có

tác dụng tốt do tín hiệu khi đó yếu đến mức mà các hiệu ứng phi tuyến trở nên

kém quan trọng hơn cho dù có sự xuất hiện của diện tích hiệu dụng rút gọn của

DCF. Sự tối ƣu hóa tính năng của hệ thống bằng cách sử dụng các ánh xạ tán sắc

đã và đang là một chủ đề lớn trong nghiên cứu. Ở thí nghiệm năm 1994, một vòng

lặp sợi dài 1000 km bao gồm 31 bộ khuếch đại sợi đã đƣợc sử dụng để nghiên cứu

ba ánh xạ tán sắc riêng biệt. Khoảng truyền tối đa khi đó là 12.000 km trong

trƣờng hợp các phân đoạn ngắn của các sợi GVD thƣờng đƣợc sử dụng để bù

GVD dị thƣờng trong các phân đoạn dài. Còn ở thí nghiệm năm 1995, một tín hiệu80 Gb/s, thu đƣợc từ việc tổng hợp tám kênh 10 Gb/s với cự ly các dải là 0,8 nm,

đã đƣợc phát đi bên trong một vòng lặp sợi tuần hoàn. Tổng khoảng cách truyền

dẫn khi đó chỉ giới hạn đến 1171 km do có nhiều hiệu ứng phi tuyến.

Việc bù toàn diện GVD trong từng chu kỳ ánh xạ không phải là giải pháp

tốt nhất khi có hiệu ứng phi tuyến. Có một phƣơng pháp số thƣờng đƣợc sử dụng

để tối ƣu hóa kết cấu của các hệ thống đƣợc giám sát tán sắc. Nhìn chung, các

GVD nội phải đƣợc duy trì tƣơng đối lớn để loại bỏ các hiệu ứng phi tuyến cũng

nhƣ giảm thiểu tán sắc trung bình cho tất cả các kênh. Thí nghiệm năm 1998 đã phát tín hiệu 40 Gb/s đi trên 2000 km chiều dài sợi tiêu chuẩn trên cơ sở một ánh

xạ tán sắc mới. Khi đó khoảng cách tối đa là 16.500 km với tốc độ bit thấp hơn là

10 Gb/s, nguyên lý là phải bố trí bộ khuếch đại quang ngay sau khi sợi đƣợc bù

tán sắc trong vòng lặp sợi tuần hoàn. Do các hiệu ứng phi tuyến đóng một vai trò

quan trọng nên những thí nghiệm này luôn đƣợc định hƣớng tận dụng các đặc tính





solition. Hạn chế lớn nhất là bắt nguồn từ việc xung phát triển mạnh trong phân

đoạn sợi chuẩn của ánh xạ tán sắc, gây ra các phản ứng phi tuyến giữa các xung

chồng cận kề. Những hiệu ứng phi tuyến đó đã đƣợc nghiên cứu một cách kỹ

lƣỡng và có tên là các hiệu ứng trong kênh để phân biệt với các hiệu ứng phi tuyến

giữa các kênh thƣờng xuất hiện khi các xung của hai kênh cận kề với bƣớc sóngkhác nhau chồng lên nhau trong miền thời gian.

Có thể hiểu rõ căn nguyên của các ảnh hƣởng phi tuyến trong kênh từ

phương trình ( 3.47 ) bằng cách xét ba xung cận kề và áp dụng B=B1+B2+B3.

Phương trình ( 3.47 ) khi đó sẽ đƣợc rút gọn thành các phƣơng trình NLS sau đây:

2

1

2

21

2 t

B

z

Bi

+ [(|B1|

2+2|B2|2 +2|B3|

2)B1+B22B∗3 ] = 0 ( 3.55 )

2

2

2

22

2 t

B

z

B

i

+ [(|B2|2

+2|B1|2

+2|B3|2

)B2+2B1B2

*

B3 ] = 0 ( 3.56 )

2

3

2

23

2 t

B

z

Bi

+ [(|B3|

2+2|B1|

2+2|B2|

2)B3+B2

2B∗1 ] = 0 ( 3.57 )

Số hạng phi tuyến đầu tiên phù hợp với SPM. Hai số hạng tiếp theo là kết

quả của XPM do sự tác động của hai xung. Còn số hạng cuối tƣơng tự với FWM.

Số hạng này có thể tạo ra các xung mới trong miền thời gian, và cũng nhƣ FWM

có thể tạo ra cả những sóng mới trong miền phổ. Những xung này đƣợc gọi là các

xung ma. Các xung ma này có thể gây ảnh hƣởng nhiều đến tính năng của hệthống nếu chúng rơi vào các khe thời gian bit 0.

XPM trong kênh chỉ tác động tới pha nhƣng độ lệch pha lại phụ thuộc vào

thời gian. Kết quả dịch tần số sẽ làm sai lệch về thời gian do tán sắc sợi. Ảnh

hƣởng của FWM và XPM trong kênh lên tính năng của hệ thống sẽ tùy thuộc vào

loại ánh xạ tán sắc đƣợc chọn. Nhìn chung, việc tối ƣu hóa các hệ thông đã đƣợc

quản lý tán sắc đều phải dựa trên cơ sở các tham số kết cấu nhƣ công suất phát, cự

ly bộ khuếch đại và vị trí của các DCF. Thí nghiệm năm 2000 đã truyền vƣợt đại

dƣơng một tín hiệu 40Gb/s trong đó sử dụng các sợi tiêu chuẩn, phƣơng pháp điềuchế đồng bộ trong đƣờng. Việc truyền giả tuyến tính một kênh 320 Gb/s đã đƣợc

thực hiện cho khoảng cách trên 200 km, trong đó hệ số tán sắc 5,7 ps/(km-nm)

đƣợc bù bằng các DCF.





3.9 Các hệ thống dung lƣợng lớn

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 đếncác 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 tảmô 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 D1 L1 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 D j(λn) = D j + S j(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 sẽlà:

S 2 = −S 1( L1 /L2) = S 1( 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 trƣờ ng

hợp là các sợ i dịch tán sắc thì tỷ lệ S/D có thể vƣợ t 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 chuẩnthông 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 củatán 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 căngcách 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 λ B( 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 L g là chiều dài cách tử. Giá trị D g 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 hƣớ ng

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 D g L g 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 λ B thay 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 D g L g 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 dz zn

d

d

cd

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 dảidừng 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 điềuhƣởng. 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 biếtđiều 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:

β21L1+β22L2 = 0 và β31L1+β32L2 = 0 ( 3.62 )





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 β 3 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

nghiệm, một bộ lọc nhƣ thế đã đƣợc thiết kế để tạo ra hệ số góc tán sắc – 15,8

ps/nm2 trên một băng thông 170 GHz. Nó đƣợc sử dụng để bù tán sắc bậc ba với

chiều dài sợi dịch tán sắc là 300 km, β3 ≈ 0.05 ps/(km-nm2) ở bƣớc sóng hoạt

động. Hình 3.21 so sánh các dạng xung ở điểm đầu ra của sợi có và không có bùβ3 khi xung 2,6 ps đƣợc truyền đi với khoảng cách 300 km. Bộ bù đã làm loại bỏ

các đuôi dao động và giảm thiểu độ rộng của đỉnh chính từ 4,6 xuống còn 3,8 ps.

Xung tăng độ rộng từ giá trị đầu vào 2,6 ps là hệ quả của tán sắc phân cực mode

(PMD).





Các cách tử sợi dịch tần thƣờng đƣợc ƣu tiên trong thực tiễn do chúng có

bản chất là thuần sợi. Các cách tử sợi dài (≈1m) đến năm 1997 mới đƣợc nghiên

cứu và phát triển để phục vụ cho mục đích này. Trong năm 1998, một cách tử sợi

dịch tần phi tuyến đã có thể bù tán sắc bậc ba trên 6 nm cho một khoảng cách dài

60 km. Việc xếp tầng các cách tử dịch tần có thể sẽ biến thành một bộ bù tán sắc

có các đặc tính tán sắc ngẫu nhiên và có khả năng bù tán sắc cho các bậc cao hơn.

Một cách tử có đƣờng sóng xếp thành dãy hoặc cách tử sợi dạng mẫu có thể bù

đồng thời tán sắc bậc hai và bậc ba. Mặc dù cách tử sợi dạng mẫu đƣợc dịch tần

phi tuyến có thể điều hƣớng tán sắc đồng thời cho một số kênh nhƣng nó lại bị

giới hạn về băng thông. Một cách tử có đƣờng sóng dãy kết hợp với bộ lọc pha

không gian có thể bù hệ số góc tán sắc trên một băng thông rộng 8 THz và thích

hợp cho các hệ thống đa kênh 40 Gb/s. Tính khả thi trong việc truyền một tín hiệu

100 Gb/s qua một quãng đƣờng dài 10.000 km đã đƣợc nghiên cứu trên cơ sở sử

dụng kết hợp pha quang kết hợp với bù tán sắc bậc ba.

Đã có một số thí nghiệm về kênh đơn nghiên cứu khả năng truyền một kênh

đơn có tốc độ bit hơn 200 Gb/s. Giả sử hệ thống RZ yêu cầu phải có 1 khe bit 2 ps

để tận dụng các xung 1 ps thì việc truyền dẫn ở tốc độ bit 500 Gb/s sẽ là khả thi

nếu sử dụng các DCF hoặc các cách tử sợi dịch tần đƣợc thiết kế tạo ra bù β 3 trên

một băng thông 4 nm. Trong thí nghiệm năm 1996, một tín hiệu 400 Gb/s đƣợc

truyền đi bằng cách quản lý tán sắc của sợi quang và phát các xung 0,98 ps bêntrong một khe thời gian 2,5 ps. Nếu không bù đƣợc tán sắc bậc ba, xung sẽ tăng

lên 2,3 ps sau khi đi hết chiều dài 40 km và sẽ tạo ra một đuôi dao động dài trên

5 – 6 ps, là đặc trƣng của tán sắc bậc ba. Trong trƣờng hợp bù đƣợc một phần tán

sắc bậc ba, đuôi dao động sẽ biến mất và độ rộng xung sẽ giảm xuống còn 1,6 ps,

đảm bảo đủ khả năng phục hồi dữ liệu 400 Gb/s với độ chính xác cao. Các xung

quang ngắn vào khoảng 0,4 ps trong năm 1998 đƣợc sử dụng để tạo ra một tốc độ

bit 640 Gb/s. Trong thí nghiệm năm 2001, tốc độ bit đã đƣợc tăng lên 1,28 Tb/s

bằng cách truyền các xung 380 fs qua 70 km chiều dài sợi quang. Việc truyền cácxung ngắn nhƣ thế đòi hỏi phải bù đồng thời tán sắc cấp hai và cấp bốn. Có nghĩa

rằng quá trình điều chế pha hình sin của dạng góc vuông sẽ đƣợc áp dụng cho

xung dịch tần tuyến tính trƣớc khi nó đƣợc truyền qua sợi đã bù GVD. Xung dịch

tần này có thể bù đƣợc tán sắc cấp ba và cấp bốn.





3.9.4 Bù PMD

Nhƣ đã biết trong phần 2.3.5, PMD sẽ làm mở rộng các xung quang do sự

ảnh hƣởng của sự biến thiên ngẫu nhiên trong đặc tính lƣỡng chiết của sợi quang

dọc theo chiều dài của nó. Sự tăng này là một sự tăng bổ sung đối với xung tạo bởi

GVD. Việc quản lý tán sắc có thể loại bỏ hiện tƣợng tăng do GVD nhƣng lại

không có tác dụng gì với hiện tƣợng tăng do PMD. Vì lẽ đó, PMD chính là vấn đề

đáng phải quan tâm trong các hệ thống đƣợc quản lý tán sắc hiện đại.

Trƣớc khi xét đến các kỹ thuật đƣợc ứng dụng để bù PMD chúng ta sẽ dự

đoán về thứ tự chiều dài của các hệ thống chƣa bù. Phương trình ( 2.16 ) cho thấy

xung RMS tăng lên để một liên kết có chiều dài L đƣợc xác định bằng công thức

σT ≡((ΔT)2)1/2 =D p L trong đó D p là tham số PMD và ΔT là hệ số trễ tƣơng đối

theo hai trạng thái phân cực cơ bản (PSPs). Lƣu ý, σT là một giá trị trung bình. Giátrị tức thời của ΔT dao động theo thời gian do ảnh hƣởng của nhiệt độ và các yếu

tố môi trƣờng khác. Nếu ΔT lớn hơn khe bit một khoảng thời gian cho dù là ngắn

thì hệ thống sẽ ngừng hoạt động; đây cũng giống nhƣ là hiện tƣợng fađing hoặc sự

ngưng thƣờng xuất hiện khi hệ thống radio gặp phải những tác động tƣơng tự.

Tính hiệu quả của hệ thống PMD đã giới hạn đƣợc xác định trên cơ sở áp

dụng khái niệm xác suất ngừng. Xác suất này phải thấp hơn so với giá trị định

mức (thƣờng là gần bằng 10-5 hoặc 5 phút/năm) của hệ thống. Có thể tính đƣợc

xác suất này trên cơ sở hiểu rằng ΔT là hệ quả của phân bố Maxwell. Nhìn chung,

giá trị RMS σT chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong khe bit TB ở tốc độ bit B ≡ 1 /TB.

Giá trị chính xác của tỷ lệ này dao động trong khoảng 0,1 – 0,15 tùy theo dạng

điều chế (RZ, CRZ, hoặc NRZ) và đặc điểm của xung đầu vào. Nếu đặt 10% là

tiêu chí bảo toàn thì chiều dài hệ thống và tốc độ bit sẽ thỏa mãn đƣợc điều kiện:

B2L < (10D p)

−2( 3.64 )





Hình 3.22: Mô hình của bộ bù PMD quang (a) và điện (b).

Xét một số ví dụ liên quan. Trong trƣờng hợp đƣờng truyền sợi quang “cũ”

đƣợc lắp đặt với các sợi quang tiêu chuẩn thì điều kiện ( 3.64 ) sẽ trở thành

B2

L < 104

(Gb/s)2

-km nếu chúng lấy giá trị đại diện là D p = 1 ps/ km Loại sợi nàysẽ đòi hỏi bù PMD ở B = 10 Gb/s nếu chiều dài đƣờng truyền vƣợt quá 100 km.

Ngƣợc lại, các sợi quang hiện đại sẽ có D p < 0,1 ps/ km . Đối với những hệ thống

đƣợc thiết kế có sử dụng loại sợi này thì B2 L có thể lớn hơn 106 (Gb/s)2-km. Do

vậy, bù PMD không nhất thiết phải ở mức 10 Gb/s nhƣng có thể sẽ phải ở mức 40

Gb/s nếu chiều dài đƣờng truyền lớn hơn 600 km. Cần phải lƣu ý rằng những dữ

liệu này chỉ mang tính ƣớc đoán.

Những thảo luận trƣớc đó cho thấy rằng PMD có thể sẽ gây hạn chế tới

hiệu quả của hệ thống nếu tốc độ bit của kênh đơn lớn hơn 10 Gb/s. Đã có một số

kỹ thuật nghiên cứu để bù PMD trong hệ thống sóng ánh sáng đã quản lý tán sắc;

có thể phân loại chúng thành quang hoặc điện. Hình 3.22 mô tả nguyên lý cơ bản

của các mô hình bù PMD quang và điện. Một bộ bù PMD điện sẽ hiệu chỉnh các

tác động PMD trong máy thu bằng một bộ lọc ngang. Bộ lọc này sẽ tách tín hiệu

điện x(t) thành các nhánh có sử dụng các đƣờng trễ phân nhánh và sau đó tổng hợp

đầu ra nhƣ sau:

( 3.65 )Trong đó N là tổng số nhánh, τ là thời gian trễ và cm là trọng lƣợng của

nhánh thứ m. Các trọng lƣợng của nhánh đƣợc điều chỉnh bằng động lực trên cơ sở

sử dụng thuật toán điều khiển sao cho làm tăng hiệu quả của hệ thống. Tín hiệu lỗi

để các thiết bị điện điều khiển thƣờng là dựa trên cơ sở “theo dõi” ở máy thu bị

đóng. Kỹ thuật điện này không có khả năng loại bỏ hoàn toàn các tác động PMD

1

0

)()( N

mm mt xct y





do nó không xét đến độ trễ do PMD gây ra giữa hai PSP. Tuy vậy, nó lại xác định

chính xác các nguồn suy biến dẫn tới “theo dõi” bị đóng.

Một bộ bù PMD quang cũng có thể tận dụng đƣợc tính năng của đƣờng trễ.

Bộ bù này có thể đƣợc tích hợp theo chu kỳ dọc theo chiều dài đƣờng truyền

quang (có thể là tại vị trí đặt bộ khuếch đại) hoặc ngay phía trƣớc máy thu. Tín

hiệu bị méo do PMD sẽ đƣợc chia làm hai phần theo các PSP trên cơ sở sử dụng

bộ điều khiển phân cực (PC) cùng với bộ tách tia phân cực; hai phần đó sẽ đƣợc

kết hợp lại sau khi tạo ra đƣợc một độ trễ hiệu chỉnh trong một nhánh xuyên suốt

đƣờng trễ biến thiên (xem hình 3.22). Vẫn cần phải có một vòng lặp hồi tiếp để

thu tín hiệu lỗi cho việc hiệu chỉnh bộ điều khiển phân cực tùy theo biến đổi của

môi trƣờng trong các PSP sợi quang. Sự thành công của kỹ thuật này phụ thuộc

vào tỷ số L/LPMD khi sợi có chiều dài L, trong đó LPMD = (T0/D p)2 là chiều dài của

PMD và các xung có chiều rộng T 0. Do LPMD gần bằng 10.000 km trong khi

D P ≈ 0.1 ps/ km và T0 = 10 ps nên một bộ bù PMD nhƣ thế có thể thích hợp với

những khoảng cách vƣợt đại dƣơng của hệ thống 10 Gb/s.

Hình 3.23: Bù PMD điều hƣởng do cách tử sợi dịch tần lƣỡng chiết.

(a) Căn nguyên của trễ nhóm vi phân (b) Dịch dải dừng dải dừng do căng cách tử.

Ngoài ra cũng có một số giải pháp khác có thể ứng dụng để bù PMD. Ví dụ,

bộ bù Soleil-Babinet sử dụng chất LiNbO3 có khả năng kiểm soát phân cực vô

hạn. Các phần khác bao gồm tinh thể lỏng sắt điện, sợi duy trì phân cực xoắn, bộ





lọc toàn thông quang và cách tử sợi dịch tần lƣỡng chiết. Hình 3.23 mô tả cách

thức hoạt động của bộ bù PMD dựa vào cách tử. Do có tính lƣỡng chiết cao nên

hai thành phần trƣờng đƣợc phân cực dọc theo trục nhanh và chậm sẽ đƣợc phản

xạ ở các vị trí khác nhau trong cách tử và gặp phải một độ trễ nhóm vi phân có thể

bù đƣợc độ trễ nhóm do PMD gây ra. Độ trễ này là một đại lƣợng phụ thuộc vào bƣớc sóng chính bởi đặc tính dịch tần của cách tử. Ngoài ra, có thể hiệu chỉnh vài

nanomet cho độ trễ này bằng cách kéo căng cách tử. Loại thiết bị này có khả năng

bù PMD điều hƣớng và rất phù hợp với các hệ thống WDM.

Xin lƣu ý rằng các bộ bù PMD quang đƣợc mô tả trên Hình 3.22 và 3.23

chỉ có tác dụng loại bỏ các tác động PMD bậc một. Ở tốc độ bit cao, các xung

quang đủ ngắn và phổ của chúng sẽ đủ rộng để PSP không thể là một đại lƣợng

bất biến trên toàn bộ phổ xung. Cần phải lƣu ý tới các tác động PMD ở bậc cao

hơn trong các hệ thống sóng ánh sáng 40 Gb/s để qua đó có thể đƣa ra các giải

pháp bù hợp lý.

Có thể đánh giá đƣợc tính hiệu quả của khả năng bù PMD bậc một bằng

cách xét xem sự mở rộng của xung do PMD gây ra giảm đi bao nhiêu khi chịu tác

động của bộ bù. Phần lý thuyết giải tích của quá trình bù PMD cho thấy giá trị

định mức hoặc trung bình của hệ số mở rộng, b2 =σ2/σ2

0, đƣợc xác định nhƣ dƣới

đây khi xung Gauss chƣa dịch tần có chiều rộng T o:

b2c = b2u +2x/3−

4[(1+2x/3)1/2−

1] ( 3.66 )

Trong đó, x = <(ΔT)2>/4T

20, ΔT là độ tr ễ nhóm vi phân dọc theo các PSP

và b2u là giá trị trƣớc khi bù PMD:

b2

u = 1+x− 1/2 [(1+4x/3)1/2−1]. ( 3.67 )

Hình 3.24 mô tả các hệ số mở rộng bu (đƣờng nét liền) và bc (đƣờng nét

chấm) nhƣ là một hàm của <ΔT>/T0. Hình cũng mô tả những trƣờ ng hợ p xấu nhất

và lý tƣở ng nhất liên quan đến hai lựa chọn về tr ạng thái phân cực đầu vào (SOP).





Hình 3.24: Hệ số mở rộng xung là hàm của DGD trung bình trong bốn trƣờng hợp.

Đƣờng chấm mô tả sự tăng do sử dụng bộ bù PMD bậc một. Các vòng tròn bôi đen

và rỗng mô tả kết quả mô phỏng số.

Có thể sử dụng hình 3.24 để dự đoán hiệu quả tăng lên của bộ bù PMD bậc

một. Nhƣ đã trình bày trƣớc đó, DGD trung bình không đƣợc phép lớn hơn 10%

của khe bit trong các hệ thống không bù để duy trình xác suất ngắn dƣớ i mức 10-5

.

Do vậy, giá trị cho phép của độ mở r ộng xung do PMD tạo ra phải xấ p xỉ b = 1,02.

Từ phương trình ( 3.66 ) và ( 3.67 ) có thể dễ thấy r ằng giá trị này có thể đƣợ c duy

trì trong các hệ thống bù PMD ngay cả khi σT vƣợt quá 30%. Do đó, bộ bù PMD

bậc một có thể làm tăng giá trị cho phép của DGD lên lớn hơn hệ số 3. Kết quả là

khoảng truyền của hệ thống đƣợc bù PMD tăng lên rất nhiều. Lƣu ý, không thể sử

dụng bộ bù PMD đơn cho tất cả các kênh WDM. Đúng hơn là, mỗi kênh phải có

một bộ bù PMD riêng biệt. Một bộ bù quang đƣợc bố trí ngay trƣớc máy thu hoặc

bộ bù PMD điện đƣợc tích hợp bên trong máy thu sẽ là một giải pháp mang tính

thực tiễn; cả hai đều đã đƣợc nghiên cứu trong năm 2001 để phục vụ cho mục đíchứng dụng thƣơng mại.



Đồ án tốt nghiệp Kết luận


KẾT LUẬN

Nhằm hạn chế và loại bỏ ảnh hƣởng của tán sắc đến các hệ thống thông tin

quang tốc độ cao, dung lƣợng lớn nên em đã chọn nghiên cứu đề tài “ Bù tán sắctrong hệ thống thông tin quang tốc độ cao ”. Sau một thời gian tìm hiểu, em đã

hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại học với các nội dung chính sau:

Chƣơng I: Giới thiệu chung về WDM, quá trình phát triển của công nghệ

WDM, các chức năng chính của hệ thống WDM và các công nghệ cho phép hỗ trợ

cho sự phát triển của hệ thống WDM. Đƣa ra các cấu hình mạng điểm điểm, vòng

ring, mesh và cơ chế bảo vệ cho từng cấu hình mạng áp dụng trong mạng WDM

đƣợc ứng dụng ở trong mạng khu vực đô thị, các vị trí tổ chức kinh doanh, các

thiết bị văn phòng, khu dân cƣ.

Chƣơng II: Trình bày hai tham số ảnh hƣởng chính đến chất lƣợng hệ

thống WDM đó là tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến.

+ Tán sắc:

Tìm hiểu các loại tán sắc trên sợi dẫn quang và đƣa ra công thức

tính tham số tán sắc và sự dãn xung ở cuối sợi quang của các loại tán sắc nhƣ: tán

sắc vật liệu, tán sắc dẫn sóng, tán sắc bậc cao và tán sắc mode phân cực. Trong đó

tán sắc bậc cao và tán sắc mode phân cực là những tán sắc chính gây ra những ảnhhƣởng xấu đến chất lƣợng hệ thống WDM.

+ Các hiệu ứng phi tuyến:

Có năm hiệu ứng phi tuyến ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống

WDM. Đó là hiệu ứng tự điều chế pha SPM gây biến đổi pha của sóng quang dẫn

đến tần phổ giãn rộng. Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM đƣợc sinh ra do các

kênh khác nhau trong hệ thống đa kênh WDM tác động vào nhau. Hiệu ứng trộn

bốn sóng FWM tạo ra tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu lân cận sẽ làm

hạn chế dung lƣợng và cự li truyền dẫn của hệ thống WDM. Hiệu ứng tán xạ

Raman SRS gây ra những ảnh hƣởng hạn chế số kênh bƣớc sóng, khoảng cách

giữa các kênh, công suất từng kênh và gây xuyên âm giữa các kênh. Hiệu ứng tán

xạ Brillouin SBS chỉ gây ảnh hƣởng đến mức công suất của từng kênh và khoảng

cách giữa các kênh mà không hề phụ thuộc vào số kênh bƣớc sóng.



Đồ án tốt nghiệp Kết luận


Chƣơng III: Tìm hiểu và nghiên cứu các phƣơng pháp bù tán sắc nhƣ các

mô hình bù trƣớc, các kỹ thuật bù sau, các sợi bù tán sắc, các bộ lọc quang, các

cách tử Bragg sợi, sự kết hợp pha quang và đồng thời đƣa ra những ƣu, nhƣợc

điểm của các phƣơng pháp bù tán sắc này cũng nhƣ tính ứng dụng của chúng trong

các hệ thống thông tin quang. Đồng thời nghiên cứu và ứng dụng các phƣơng pháp bù tán sắc cho hai hệ thống thông tin quang phổ biến là hệ thống sóng ánh sáng

đƣờng dài và hệ thống dung lƣợng lớn.



Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. TS. Vũ Văn San, “Hệ thống thông tin quang – tập 1”. Nhà xuất bản bƣu điện,

Hà nội 7-2003.2. Nguyễn Đức Nhân, “Bài giảng kỹ thuật thông tin quang I”, Học viện công

nghệ bƣu chính viễn thống. 3. Bass M - 2002 - Fiber Optics Handbook Fiber, Devices, And Systems For

Optical Communications - Osa - Mc Graw Hill.

4. Introduction to DWDM technology, June 4-2001, Cisco Systems.

5. Fiber-Optic Communication Systems, Third Edition. Govind P.Agrawal.

Documents

Bu Tan Sac Trong TTQ Toc Do Cao