LỜI CẢM ƠNEm xin gởi lời biết ơn chân thành đến những người thân, đến quý Thầy Cô

trong khoa Điện Tử- Viễn Thông, đặc biệt là giáo viên hướng dẫn Thầy Nguyễn Văn Nhị - người đã dìu dắt em trong suốt quá trình làm báo cáo. Xin cảm ơn các bạn sinh viên trong lớp đã giúp đỡ tôi rất nhiều mặt như: phương tiện, sách vở, ý kiến ……

1

MỤC LỤC

- LỜI CẢM ƠN............................................................................................................1- MỤC LỤC..................................................................................................................2- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..............................................3- DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................4- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.............................................................5CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUYÊN ĐỀ...............................................................6CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM TÁN SẮC, CÁC LOẠI TÁN SẮC, ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG THÔNG TIN QUANG.....................................................9

2.1 Khái niệm tán sắc:.............................................................................................92.2 Các loại tán sắc:...............................................................................................10

2.2.1 Tán sắc mode (Modal Dispersion):............................................................112.2.2 Tán sắc trong sợi đơn mode:......................................................................14

2.2.2.1 Tán sắc vận tốc nhóm (GVD – Group Velocity Dispersion)..............152..2.2.2 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion)...............................................162.2.2.3 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion).................................162.2.2.4 Tán sắc bậc cao hơn (Higher-Order Dispersion)...............................192.2.2.5 Tán sắc phân cực mode (Polarization – Mode Dispersion)..............20

2.3 Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang:...........................21CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC TRONG THÔNG TIN QUANG......................................................................................................................24

3.1 Sự cần thiết của việc quản lý tán sắc:...........................................................243.2 Kỹ thuật bù tán sắc trước (Precompensation):............................................263.3 Kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây (In-line) :............................................27

3.3.1 Bù tán sắc bằng sợi quang DCF:...............................................................273.3.2 Bù tán sắc bằng bộ lọc quang:...................................................................283.3.3 Bù tán sắc bằng tín hiệu quang liên hợp pha OPC:...................................283.3.4 Bù tán sắc bằng cách tử Bragg:.................................................................28

3.4 Kỹ thuật bù sau (post compensation):..........................................................29TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................31

2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng ViệtBER Bit Error Rate Tốc độ lỗi BitDW Dispersion Wave Tán sắc ống dẫn sóng DM Dispersion-managed Quản lý tán sắcDCF Dispersion-Compensating Fiber Sợi quang bù tán sắcDFB Distributed Feedback Phân bố hồi tiếpEDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại quang pha trộn

Erbium FSK Frequency Sequency Key Khóa dịch tần GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm IL In-line Kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây LED Light Emitted Diode Nguồn phát dạng LED MD Material Dispersion Tán sắc vật liệu MFD Mode Field Diameter Đường kính của trường mode MD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode S/N Signal to noise Tín hiệu trên nhiễuSMF Single Mode Fiber Sợi đơn modeTF Transversal Filter Bộ lọc ngang WD Waveguide Dispersion Tán sắc ống dẫn sóng WDM Wavelength-Division Multiplexing G.kênh p.chia theo bước sóngOPC Optical phase conjugation Liên hợp pha quangOA Optical Amplifer Bộ khuếch đại PC Post Compensation Kỹ thuật bù sau PC Precompensation Kỹ thuật bù tán sắc trước

3

DANH MỤC CÁC BẢNGBảng 1: danh sách các đặc tính của các loại sợi hiện có trên thị trường. Đặc tính của một số loại sợi quang có tính thương mại trên thị trườngBảng 2: Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết).

4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊHình 1: Minh họa sự mở rộng xung do tán sắcHình 2: Tán sắc gây ra tăng BERHình 3:Sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quangHình 4: Cách thức các luồng sang tương ứng với các mode đi trong sợi quangHình 5: Tán sắc mode trong sợi SI và GIHình 6: Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode. MFD là đường kính trường mode.Hình 7: Tần số chuẩn hóa VHình 8:cho thấy DM, DW và tổng của chúng D = DM + DW của một sợi quang đơn mode thông thườngHình 9: Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đối với sợi chuẩn, sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc.Hình 10: Minh họa tán sắc phân cực modeHình 11: kết quả tính toán xác định lượng công suất tín hiệu bị mất mát cho các hệ thống thông tin quang 2,5Gbit/sHình 12: Công suất quang bị mất khi tăng cự ly truyền dẫn của hệ thống 2,5 Gbit/sHình 13 : Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang và công suất tín hiệu phát; b) Tần số và công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã.Hình 14: Sử dụng sợi DCF trên tuyến quangHình 15:Nguyên lý phương pháp bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg

5

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUYÊN ĐỀViễn thông Việt Nam đang có những bước phát triển mạnh mẽ và vượt bậc, trở thành một trong những ngành kinh tế kỹ thuật mũi nhọn, đóng góp mạnh mẽ vào sự phát triển kinh tế xã hội nói chung của đất nước. Ngành Viễn thông cũng là ngành đi tiên phong và đã đạt được những thành công lớn trong việc “mang chuông đi đánh xứ người” bằng việc Tập đoàn viễn thông Quân đội Viettel mở rộng đầu tư kinh doanh ở các thị trường ngoài nước như Lào, Campuchia, Mozambique, Haiti, Peru và sắp tới là Ucraina, Argentina, Cuba….Vai trò của ngành Viễn Thông rất quan trọng trong cả việc phát triển kinh tế và đảm bảo an ninh Quốc phòng Cuộc sống càng ngày càng được nâng cao, nhu cầu trao đổi thông tin công việc và giải trí của con người ngày càng cao, không chỉ đơn giản là việc truyền thoại truyền thống, nhu cầu truyền dữ liệu càng ngày càng đòi hỏi về băng thông và dung lượng đường truyền.Trong Viễn thông, hệ thống truyền dẫn có hai dạng là vô tuyến và hữu tuyến. Do hệ thống vô tuyến có những hạn chế đặc thù nên truyền dẫn hữu tuyến vẫn là hình thức truyền dẫn hiệu quả và quan trọng nhất. Trong truyền dẫn hữu tuyến sử dụng cáp đồng và cáp quang. Cáp đồng không thể đảm trách được băng thông và dung lượng đường truyền rất lớn từ nhu cầu của con người. Truyền thông sợi quang ra đời đánh dấu một bước phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền dẫn, với những ưu điểm nổi trội như băng thông lớn, tốc độ cao, suy hao thấp…truyền dẫn quang đã trở thành công nghệ truyền dẫn chính trong các ứng dụng tốc độ cao và mạng truyền dẫn đường trục. Truyền dẫn thông tin quang bằng cáp sợi quang từ khi ra dời đến nay đã trải qua nhiều thời kỳ phát triển. Ban đầu là sợi quang đa mode có suy hao cao, với cự ly truyền dẫn vài km đến sợi quang đơn mode có suy hao thấp với cự ly truyền dẫn tăng lên hàng chục, thậm chí hàng trăm km. Cáp quang là giải pháp ưu tiên cho hệ thống viễn thông đường dài và quốc tế có tốc độ truyền dẫn cao và rất cao, sử dụng trên đất liền và vượt đại dương.Tuy nhiên. hệ thống thông tin quang dung lượng lớn sẽ gặp phải 3 vấn đề lớn cần quan tâm như : Suy hao, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến, làm giảm chất lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống. Vấn đề suy hao có thể được giải quyết đơn giản bằng việc sử dụng các bộ khuếch đại quang EDFA trong mạng WDM. Ngày nay, hầu hết các hệ thống truyền dẫn quang được thiết kế hoạt động trong băng C, vùng bước sóng 1530nm – 1565nm, bởi ưu điểm suy hao rất thấp trong vùng này. Các hiệu ứng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải khoảng vài mW với tốc độ bit lên đến 2,5 Gbps. Tuy nhiên ở các tốc độ bit cao hơn như 10 Gbps thì chúng ta phải xem xét các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến. Các ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến có thể giảm đi khi sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn. Vì vậy vấn đề tán sắc là vấn đề lớn nhất của các hệ thống thông tin quang. Khi chúng ta sử dụng các bộ khuếch đại quang EDFA để bù suy hao thì nó lại gia tăng sự tán sắc, một bộ khuếch đại quang không khôi phục tín hiệu được khuếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu. Do đó tán sắc được tích lũy qua các bộ khuếch đại làm giảm khả năng truyền

6

tín hiệu. Như chúng ta đã biết, ảnh hưởng của tán sắc đến tốc độ bit truyền tối đa của sợi quang như sau:

Với dt là tán sắc của sợi quang. Từ công thức trên ta dễ dàng nhận thấy mối quan hệ nghịch đảo giữa tốc độ bit và cự ly truyền dẫn khi một sợi quang có tán sắc là dt Do đó để tăng tốc độ bit truyền dẫn và tăng cự ly truyền dẫn thì phải giảm thông số tán sắc dt xuống mức thấp nhất có thể. Đã có nhiều mô hình điều khiển tán sắc được nghiên cứu suốt thập niên 1990 để hạn chế tác động của tán sắc trong hệ thống thông tin quang. Trong bài chuyên đề này sẽ giới thiệu về các phương pháp bù tán sắc đã được nghiên cứu từ trước đến nay. Có thể phân loại thành 3 phương pháp bù tán sắc gồm kỹ thuật bù trước (Precompensation), kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây (In-line) và kỹ thuật bù sau (post compensation). Trong kỹ thuật bù trên đường dây còn có các loại như : bù tán sắc bằng sợi quang DCF, bằng bộ lọc quang, cách tử Bragg hay bằng tín hiệu quang liên hợp pha. Trong khi hai phương pháp bù trước và bù sau tỏ ra khá hạn chế khi chiều dài tuyến quang lớn, đòi hỏi phải bù tán sắc theo từng chặng thì phương pháp bù tán sắc trên đường truyền tỏ ra rất hiệu quả và được sử dụng khá phổ biến trong thực tế.Mặc dù phương pháp dùng sợi bù tán sắc (DCF) bị hạn chế về suy hao ghép khá lớn, công suất trong sợi quang phải đảm bảo đủ nhỏ để các hiệu ứng phi tuyến không xảy ra và giá thành để lắp đặt cao, tuy nhiên DCF vẫn được sử dụng rộng rãi vì dải bước sóng hoạt động rộng hay khắc phục thời gian trễ nhóm tốt, đặc biệt là tính đơn giản của phương pháp này. Do đó chuyên đề của Nhóm 3 đã quyết định chọn DCF là phương pháp bù tán sắc để nghiên cứu và thảo luận chi tiết trong chương 4 của cuốn báo cáo. Trong kỹ thuật sử dụng DCF này, tán sắc dương trong sợi truyền dẫn được bù với tán sắc âm của DCF xen trên đường truyền. DCF được thiết kế trong một module kích thước nhỏ gọn và có nhiều mức chọn lựa tán sắc. Yêu cầu phải có đối với DCF là suy hao xen thấp, suy hao phụ thuộc phân cực thấp, tính phi tuyến thấp. DCF cũng phải có đường kính lõi nhỏ để cho kích thước module nhỏ lại bởi vì module DCF nên chiếm một không gian nhỏ. Bài báo cáo được chia thành 5 chương như sau: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Khái niệm tán sắc, các loại tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc trong các hệ thống thông tin quang Chương 3: Giới thiệu về các loại kỹ thuật bù tán sắc trước, bù tán sắc sau hay bù tán sắc đường dây

7

CHƯƠNG 2. HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC

8

2.1.Khái niệm tán sắc

Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền qua sợi quang bị giãn ra. Nếu xung giãn ra lớn hơn chu kỳ bít sẽ dẫn tới sự chồng lấp giữa các bít kế cận nhau. Kết quả là đầu thu không nhận diện được bít 1 hay bít 0 đã được truyền đi ở đầu phát, dẫn tới bộ quyết định trong đầu thu sẽ quyết định sai, và khi đó tỉ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm và chất lượng hệ thống giảm. Hình (1) dưới đây minh họa cho sự mở rộng xung do tán sắc.

Gọi D là độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, đơn vị là giây (s). Khi đó D được

xác định bởi trong đó Ti, T0 lần lượt là độ rộng tại điểm một nữa công suất cực đại của xung ngõ vào và ngõ ra của sợi quang (đơn vị là s). Độ tán sắc qua mỗi km sợi quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km. Đối với loại tán sắc phụ thuộc vào bề rộng phổ của nguồn quang thì lúc đó đơn vị được tính là ps/km-nm.

Hình (2)Tán sắc gây ra tăng BER

2.2 Các loại tán sắc

Trong Thông Tin Quang người ta chia ra thành 3 loại tán sắc như sau: tán sắc mode,tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể (trong đó tán sắc sắc thể bao

9

gồm tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu). Khi sợi truyền dẫn là đa mode (tức loại sợi quang có thể truyềncùng lúc nhiều mode sóng khác nhau trong lõi) thì ta có tất cả các loại tán sắc nói trên. Nhưng khi công nghệ chế tạo sợi đã phát triển thì sợi đơn mode ra đời và nó khắc phụcđược tán sắc mode của sợi đa mode. Tuy nhiên, vì bản chất chiết suất Silica là phụ thuộcvào bước sóng, hơn nữa nguồn phát không thể phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ cómột bước sóng) mà là một chùm tia sáng với một độ rộng phổ nào đó. Chính vì thế trong sợi đơn mode vẫn còn tồn tại tán sắc, đó là tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể. Ngày nay, với công nghệ chế tạo phát triển mạnh mẽ người ta đã chế tạo ra được các loại sợi quang mới có mức tán sắc giảm đáng kể. Những sợi này được dùng để lắp đặt trong các mạng mới cần tốc độ bít cao và cự ly lớn. Sau đây ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về các loại tán sắc trong sợi quang.Hình (3) sau đây mô tả sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang

2.2.1 Tán sắc mode (Modal Dispersion):

Một mode sóng có thể được xem là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang. Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường khác nhau, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những Mode sóng. Có thể hình dung gần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng.Tán sắc mode là do năng lượng của ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode. Mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền đến đầu thu của các mode khác nhau là khác nhau gây ra tán sắc. Rõ ràng ta thấy tán sắc mode chỉ tồn tại ở sợi đa mode, do đó muốn loại bỏ tán sắc mode thì ta phải sử dụng sợi đơn mode. Vì vậy khi xét đến tán sắc mode ta chỉ xét ở sợi đa mode.  Như ta đã biết, khẩu độ số (NA) biểu diễn khả năng thu ánh sáng của sợi quang. Khẩu độ

10

số càng lớn thì càng dễ hướng ánh sáng vào sợi quang. Như vậy ta có cảm giác như khẩu độ số càng lớn thì càng tốt. Nhưng điều này là không đúng, có một trở ngại khiến ta không thể tăng khẩu độ số lớn. Để hiểu được điều này ta hãy xem xét các mode trong sợi quang. Sự thật là ánh sáng chỉ có thể truyền trong sợi quang như một tập hợp của những luồng sáng hoặc những tia sáng riêng lẻ. Nói cách khác, nếu ta có khả năng nhìn vào sợi quang ta sẽ thấy một tập hợp những luồng sáng truyền với góc α biến thiên từ 0 đến αc như được minh họa ở hình sau:

Hình (4) Cách thức các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quangNhững luồng sáng khác nhau được gọi là những mode. Ta phân biệt các

mode bằng góc truyền của chúng, hay đánh số thứ tự để chỉ những mode riêng biệt. Nguyên tắc là: góc truyền của mode càng nhỏ thì số thứ tự của mode càng thấp. Như vậy mode truyền dọc theo tâm sợi là mode 0 (hay còn gọi là mode cơ bản) và mode truyền ở góc truyền tới hạn (αc) là mode có số thứ tự lớn nhất có thể của sợi quang. Nhiều mode có thể cùng tồn tại trong sợi quang, và sợi quang có nhiều mode truyền được gọi là sợi đa mode.Số lượng mode: số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính quang và hình học của sợi. Nếu đường kính lõi càng lớn, lõi càng chứa được nhiều mode sóng. Và bước sóng ánh sáng càng ngắn thì sợi quang càng chứa được nhiều mode sóng. Nếu khẩu độ số càng lớn thì số lượng mode sóng sợi thu được càng nhiều. Như vậy có thể kết luận là số lượng mode sóng trong sợi quang tỉ lệ thuận với đường kính sợi (d), khẩu độ số (NA)và tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng sử dụng (λ).Gọi V là tần số chuẩn hóa, ta có:

thì số lượng mode được tính như sau: N=V2/2 (đối với sợi SI), N= V2/4(đối với sợi GI)

Như vậy ta thấy đối với sợi đa mode khi luồng sáng phát ra từ nguồn quang đi vàosợi quang chia thành một tập hợp mode. Trong sợi, công suất quang tổng cộng được mang bởi nhiều mode riêng lẻ, và tại đầu ra những phần nhỏ

11

hợp lại thành luồng ra với công suấtcủa nó. Hình sau sẽ minh họa cho vấn đề trên (với 4 mode làm ví dụ)

Cách thức công suất quang được mang bởi các mode truyền trong sợi quang và gây tán sắc

Từ hình trên ta thấy độ rộng xung tín hiệu sau sợi quang được bắt đầu bằng mode 1và kết thúc bằng mode 4. Do độ trễ về thời gian giữa các mode nên xung tín hiệu bị giãn ra (T0>Ti).

Tán sắc trong sợi SI

12

Hình (5)Tán sắc mode trong sợi GI

2.2.2 Tán sắc trong sợi đơn mode

Như ta đã xét ở phần trên, tán sắc mode là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự hạn chế tốc độ bít trong hệ thống Thông Tin Quang sử dụng sợi đa mode. Điều này không có nghĩa là trong sợi đa mode chỉ có tán sắc mode, mà nó còn chịu ảnh hưởng của nhiều loại tán sắc khác. Tuy nhiên do tán sắc mode có ảnh hưởng lớn hơn cả nên ta chỉ xét tán sắc mode trong sợi đa mode. Để khắc phục tán sắc mode người ta đã chế tạo ra loại sợi quang chỉ truyền một mode sóng, sợi quang như thế được gọi là sợi đơn mode (SMF- Single Mode Fiber). Rõ ràng ta thấy sợi đơn mode đã khắc phục được hoàn toàn tán sắc mode. Vì thế tốc độ truyền dẫn được cải thiện đáng kể và tăng được cự ly thông tin. Tuy nhiên vì sợi đơn mode vẫn được chế tạo từ Silica nên nó sẽ còn chịu ảnh hưởng của các loại án sắc khác như tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode. Trong đó tán sắc sắc thể là nguyên nhân chính gây hạn chế tốc độ bít.

Bây giờ ta sẽ đi khảo sát hiện tượng tán sắc sắc thể trong sợi quang. Ở đây không mất tính tổng quát khi ta xét tán sắc sắc thể trong sợi đơn mode. Có thể nói nguyên nhân sâu xa của tán sắc sắc thể là do bộ phát quang (LED, LAZER) không phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có một bước sóng), mà nó phát ra một chùm tia sáng có bước sóng trung âm (tại công suất phát cực đại) và các bước sóng biên, hay còn gọi là độ rộng phổ nguồn phát. Tức là nguồn phát phát ra ánh sáng nằm trong một dải tần (dải bước sóng). Mà như ta đã biết thì chiết suất của sợi làm từ Silica là một hàm phụ thuộc vào bước sóng (hay tần số), nên vận tốc lan truyền của các thành phần tần số khác nhau là khác nhau, và nó phụ thuộc vào bước sóng theo công thức sau:

Tán sắc sắc thể có hai nguyên nhân sinh ra nó: Thứ nhất như ta biết là các thành phần tần số khác nhau di chuyển với vận tốc khác nhau, và tán sắc do nguyên nhân này người ta gọi là tán sắc vật liệu, đây là nguyên nhân chủ yếu của tán sắc sắc thể. Tuy nhiên còn có thành phần tán sắc thứ hai là tán sắc ống dẫn sóng, mà nguyên nhân sinh ra nó là do năng lượng ánh sáng truyền đi có một phần trong lõi và một phần trong lớp bọc. Sự phân bố năng lượng giữa lõi và lớp bọc là một hàm của bước sóng, cụ thể là nếu bước sóng dài hơn thì năng lượng trong lớp bọc nhiều hơn. Như vậy nếu bước sóng thay đổi, sự phân bố năng lượng sẽ thay đổi và kết quả là hệ số lan truyền β cũng thay đổi. Đây chính là sự giải thích cho tán sắc ống dẫn sóng.

Bên cạnh tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode, trong sợi quang còn tồn tại một loại tán sắc không kém phần quan trọng đó là tán sắc vận tốc nhóm. Như ta đã biết, ưu điểm chính của sợi đơn mode là không có tán sắc mode bởi vì năng lượng đưa vào xung chỉ được chuyên chở bởi một mode đơn duy nhất. Tuy

13

nhiên sự mở rộng xung không biến mất hoàn toàn, vì vận tốc nhóm của mode cơ bản thì phụ thuộc vào tần số do tán sắc sắc thể. Kết quả là các thành phần phổ khác nhau của xung truyền có vận tốc nhóm khác nhau một chút, và tán sắc có nguyên nhân như trên được gọi là tán sắc vận tốc nhóm.

2.2.3 Tán sắc vận tốc nhóm (GVD – Group Velocity Dispersion)

Xét sợi đơn mode có chiều dài L. Một thành phần phổ riêng biệt tại bước sóng λ có tần số góc là ω sẽ đến ngõ ra cuối sợi quang sau một độ trễ về mặt thời gian là T=L/vg

Trong đó vg là vận tốc nhóm và được định nghĩa là:

(1)

Bằng cách áp dụng (β là hằng số lan truyền) vào phương

trình(1) ta có thể tính được trong đó ng là chiết suất nhóm và được cho bởi :

(2) Sự phụ thuộc vào tần số của vận tốc nhóm dẫn đến sự mở rộng xung, đơn

giản là bởivì các thành phần phổ khác nhau của xung bị tán sắc trong suốt sự lan truyền và không đến ngõ ra của sợi cùng một lúc. Nếu Δω là độ rộng phổ của xung thì phạm vi mở rộng xung đối với sợi có chiều dài L được cho bởi:

(3)

trong đó phương trình (1) được sử dụng để biến đổi. Tham số được gọi là tham số tán sắc vận tốc nhóm . Nó quyết định xung quang bị mở rộng bao nhiêu khi lan truyền trong sợi.

Trong một số hệ thống Thông Tin Quang, sự trải ra về mặt tần số Δω được quyết định bởi dải các bước sóng Δλ đã phát bởi nguồn quang. Thông thường ta sử dụng Δλ thay cho Δω Bằng cách sử dụng

Phương trình (3) có thể được viết lại:

(4) trong đó

(5)

14

D được gọi là hệ số tán sắc và có đơn vị là ps/km-nm. [1] Ảnh hưởng của tán sắc lên tốc độ bít B có thể được ước tính bằng cách sử dụng điều kiện B. ΔT<1. Bằng cách sử dụng ΔT trong phương trình (4) thì điều kiện này trở thành:

(6)Phương trình này cho ta một ước tính về tích B.L của sợi quang đơn

mode. Đối với sợi quang đơn mode chuẩn thì D tương đối nhỏ trong vùng bước sóng 1,3µm (D xấp xỉ1ps/km-nm) . Đối với Lazer bán dẫn có độ rộng phổ Δλ từ 2 đến 4nm thì giá trị B.L có thể vượt quá 100Gbps-km . Trong thực tế ta có các hệ thống hoạt động tại bước sóng1,3µm cótốc độ bít là 2Gbps với khoảng cách trạm lặp từ 40 đến 50km. Giá trị B.L của sợi đơn modecó thể vượt quá 1Tbps-km khi Lazer bán dẫn đơn mode được sử dụng để giảm Δλ dưới1nm.

Hệ số tán sắc D thay đổi đáng kể khi bước sóng làm việc dịch ra khỏi 1,3 µm. Sự phụ thuộc vào bước sóng của D là do sự phụ thuộc vào tần số của chiết suất mode n. Từ phương trình (5) D có thể được viết lại:

(7)trong đó phương trình (2) được sử dụng để biến đổi. Người ta đã chứng minh được D có thể được viết như là tổng của hai số hạng: [1] D = DM + DW (8) trong đó DM là tán sắc vật liệu, DW là tán sắc ống dẫn sóng và được cho bởi:

(8)

(9)

ở đây n2g là chiết suất nhóm của lớp bọc, V là tần số chuẩn hóa, b là hằng số lantruyền chuẩn hóa, Δ là sự chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc. Trong các phương trình từ (8) đến (10) thì tham số Δ được xem là độc lập với tần số.

2.2.4 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion)

Tán sắc vật liệu xãy ra do chiết suất của Silica (nguyên liệu được sử dụng để chế tạo sợi quang) thay đổi theo tần số quang ω (tức phụ thuộc vào bước sóng tín hiệu). Hình sau đây sẽ cho thấy sự phụ thuộc vào bước sóng của chiết suất (n) và chiết suất nhóm (ng) trong dải từ 0,5µm đến 1,6µm đối với sợi Silica nóng chảy.

15

Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo bước sóng của silica nóng chảy

Tán sắc vật liệu (DM) có liên hệ với độ dốc của ng bởi công thức (9) như sau:

Mà vì dng /dλ= 0 tại bước sóng 1,276µm nên DM = 0 tại λZD=1,276µm (λZD

được gọi là bước sóng tán sắc 0). Hệ số tán sắc DM âm khi λ< λZD và dương khi λ> λZD. Trongdải bước sóng từ 1,25 đến 1,66 µm thì DM có thể được xấp xỉ bằng công thức :

(11)Lưu ý: λZD chỉ bằng 1,276 µm đối với sợi Silica thuần khiết. Giá trị của

λZD có thể thay đổi trong dải từ 1,27 đến 1,29 µm đối với sợi quang mà lõi và lớp bọc được pha tạp chất để thay đổi chiết suất. Bước sóng tán sắc 0 (λZD) của sợi quang cũng phụ thuộc vào bán kính lõi (a) và bước nhảy chiết suất (Δ) của sợi quang.

2.2.5 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion)

Trong sợi đa mode, tán sắc ống dẫn sóng là một phần nhỏ trong tán sắc tổng, do đó thường thấy thuật ngữ tán sắc sắc thể và tán sắc chất liệu có thể sử dụng hoán chuyển cho nhau khi xét sợi đa mode. Nhưng đối với sợi đơn mode thì tán sắc ống dẫn sóng lại là một thành phần tán sắc quan trọng. Tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc lẫn nhau và do đó ta phải xét chúng cùng nhau . Do xấp xỉ nên ta có thể bỏ qua sự phụ thuộc để xét riêng chúng.

16

Tán sắc ống dẫn sóng xuất hiện là do ánh sáng được truyền bởi cấu trúc là sợi quang.Cơ chế gây ra tán sắc ống dẫn sóng trong sợi đơn mode như sau: Sau khi đi vào sợi quang,một xung ánh sáng mang thông tin sẽ được phân bố giữa lõi và lớp bọc như được minh họa ở hình sau:

Hình (6) Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode. MDF là đường kính trường mode.

Hai thành phần ánh sáng trong lõi và lớp bọc truyền với vận tốc khác nhau (do lõi vàlớp bọc có chiết suất khác nhau), nên đến cuối sợi quang vào các thời điểm khác nhau gâyra tán sắc.Từ hình trên ta thấy tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào sự phân bố trường modegiữa lõi và lớp bọc, tức phụ thuộc vào đường kính của trường mode (MFD – Mode FieldDiameter) mà MFD lại phụ thuộc vào bước sóng, do đó tán sắc ống dẫn sóng là phụ thuộcvào bước sóng.Tán sắc ống dẫn sóng (DW) được tính như trong phương trình (10) và phụ thuộcvào tham số V ( tần số chuẩn hóa ) của sợi.

Hình sau cho thấy sự thay đổi của d(Vb)/dV và Vd2(Vb)/dV2 theo V

Tần số chuẩn hóa VTừ hình ta thấy cả d(Vb)/dV và Vd2(Vb)/dV2 đều dương nên theo công

thức (10) thì DW âm trong toàn bộ dải bước sóng từ 0 đến 1,6µm.Hình sau đây sẽ cho thấy DM , DW và tổng của chúng D= DM + DW của

một sợi quang đơn mode thông thường.

17

Tán sắc tổng cộng D và sự phân bố tương đối của tán sắc chất liệu (DM) và tán sắc ống dẫn sóng (DW) của sợi đơn mode thường. Bước sóng tán sắc 0 (λZD)

dịch đến giá trị cao hơn nhờ sự phân bố ống dẫn sóng.Ta thấy tán sắc ống dẫn sóng (DW) làm cho bước sóng tán sắc 0 (λZD) dịch

khoảng 30 đến 40nm để tán sắc tổng (D) bằng 0 ở gần bước sóng 1,31µm. Ngoài ra, tán sắc ống dẫn sóng còn làm giảm tán sắc tổng từ giá trị tán sắc vật liệu (DM) trong dải bước sóng từ 1,3µm đến 1,6µm. Giá trị tiêu biểu của D là từ 15 đến 18ps/(km-nm) ở gần bước sóng1,55µm. Khi D lớn sẽ hạn chế hoạt động của hệ thống tại bước sóng 1,55 µm. Vì DW phụ thuộc vào tham số sợi như bán kính lõi a và sự chênh lệch chiết suất Δ nên ta có thể thiết kế sợi để bước sóng tán sắc 0 dịch đến lân cận giá trị 1,55µm. Sợi như thế gọi là sợi dịch tán sắc. Ta còn có thể ghép sự phân bố ống dẫn sóng để D tương đối nhỏ qua một dải bước sóng từ 1,3µm đến 1,6µm, sợi loại này gọi là sợi san bằng tán sắc.

Hình sau đây cho thấy các ví dụ tiêu biểu về sự phụ thuộc bước sóng của D đối với sợi chuẩn (sợi thường), sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc.

Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đối với sợi chuẩn, sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc.

2.2.6 Tán sắc bậc cao hơn (Higher-Order Dispersion)

Từ phương trình (6) ta thấy giá trị B.L của sợi đơn mode có thể tăng lên đến vô cùng khi hoạt động tại bước sóng tán sắc 0 (λZD) vì D=0. Tuy nhiên các ảnh hưởng tán sắc không biến mất hoàn toàn tại bước sóng tán sắc 0. Các xung

18

quang vẫn bị trải rộng do ảnh hưởng của tán sắc bậc cao hơn. Tán sắc tổng (D) không thể bằng 0 tại tất cả các bước sóng trong dải phổ của một xung tập trung tại bước sóng tán sắc 0. Rõ ràng là sự phụ thuộc vào bước sóng của D sẽ đóng một vai trò quan trọng trong sự mở rộng xung. Các ảnh hưởng của tán sắc bậc cao hơn bị chi phối bởi độ dốc tán sắc S=dD/dλ, tham số S còn được gọi là tham số tán sắc vi phân.

Giá trị của độ dốc tán sắc (S) đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống WDM hiện nay. Vì S > 0 đối với hầu hết các loại sợi, các kênh khác nhau có giá trị GVD hơi khác nhau. Điều này gây khó khăn cho việc bù tán sắc tất cả các kênh cùng một lúc. Để giải quyết vấn đề này, các loại sợi quang mới đã được phát triển, chúng có S không những nhỏ (độ dốc tán sắc giảm) mà còn âm (sợi tán sắc ngược). Bảng sau cho ta danh sách các đặc tính của các loại sợi hiện có trên thị trường.

Đặc tính của một số loại sợi quang có tính thương mại trên thị trường:

Từ phương trình (6) ta thấy giới hạn tốc độ bít của kênh hoạt động tại bước sóng tán sắc 0 (λZD) là vô cùng lớn. Tuy nhiên không đúng như thế, vì S sẽ trở thành nhân tố giới hạn trong trường hợp này. Chúng ta có thể ước tính tốc độ bít giới hạn bằng việc chú ý là đối với nguồn có độ rộng phổ Δλ giá trị hiệu dụng của hệ số tán sắc trở thành D=S.Δλ[1]và phương trình (6) trở thành :

(12)Đối với Lazer bán dẫn đa mode có Δλ = 2nm và một sợi quang dịch tán

sắc có S=0,05ps/(km-nm2) tại bước sóng 1,55µm thì B.L đạt 5Tbps-km (giá trị này sẽ được cải thiện nếu dùng Lazer bán dẫn đơn mode).

2.2.7 Tán sắc phân cực mode (Polarization – Mode Dispersion)

  Nguồn gốc của sự mở rộng xung trong trường hợp này có liên quan đến

sự khúc xạ hai lần (Birefringence) của sợi ( lần lượt là chiết suất mode của các mode phân cực trực giao). Sự không đối xứng tròn của lõi tạo ra sự phản xạ hai lần do chiết suất mode ứng với các thành phần phân cực

19

trực giao của mode cơ bản là khác nhau. Nếu xung ngõ vào kích cả hai thành phần phân cực thì nó trở nên rộng hơn do hai thành phần tán sắc dọc theo sợi có vận tốc nhóm khác nhau. Hiện tượng này gọi là tán sắc phân cực mode (PMD).

Trong những sợi có Bm là hằng số (ví dụ sợi duy trì phân cực) sự mở rộng xung ước tính từ độ trễ về mặt thời gian giữa hai trạng thái phân cực trong suốt quá trình lan truyền xung là ΔT. Đối với sợi có chiều dài L thì ΔT được cho bởi:

(13)

trong đó x, y dùng để chỉ hai mode phân cực trực giao; Δβ1có liên hệ với chênh lệch vận tốc nhóm của hai trạng thái phân cực. Phương trình (1) được sử dụng để có sự liên hệ giữa vgvới hằng số lan truyền β, và ΔT/L là đại lượng để đánh giá PMD. Đối với sợi duy trì phân cực thì ΔT/L lớn (khoảng 1ns/km) khi hai thành phần được kích bằng nhau tại ngõ vào của sợi, nhưng có thể giảm đến 0 nhờ đưa ánh sáng dọc một trục chính .

Đối với sợi thường thì hơi khác vì Birefringence thay đổi dọc theo chiều dài sợi một cách ngẫu nhiên. Đối với một xung quang, trạng thái phân cực còn khác đối với các thành phần phổ khác nhau của xung. Trạng thái phân cực cuối cùng không là sự quan tâm đối với hầu hết các hệ thống Thông Tin Quang vì Photodetector dùng trong bộ thu không nhạy với trạng thái phân cực trừ khi sử dụng tách sóng Coherent. Vấn đề ảnh hưởng đến các hệ thống như thế này không phải là trạng thái phân cực ngẫu nhiên nhưng xung lại bị mở rộng do sự thay đổi ngẫu nhiên của Birefringence.

Một xung quang không được phân cực dọc theo hai trạng thái chính chia làm hai phần lan truyền với tốc độ khác nhau. Độ trễ nhóm vi sai ΔT lớn nhất đối với hai trạng thái phân cực chính. Hình (10) minh họa tán sắc phân cực mode

20

2.3 Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang:

Khi sử dụng EDFA trên tuyến thì vấn đề suy hao đã được giải quyết, cự ly truyền dẫn được nâng lên rõ rệt, nhưng tổng tán sắc cũng tăng lên. Do đó, lại yêu cầu phải giải quyết vấn đề tán sắc, nếu không, không thể thực hiện được việc truyền thông tin tốc độ cao và truyền dẫn cự ly dài. Bây giờ, ảnh hưởng của hiệu ứng tán sắc sợi quang lại là một yếu tố hạn chế chủ yếu, nhất là đối với hệ thống tốc độ cao lại càng thể hiện rõ rệt. Ví dụ, sợi quang G. 652 tán sắc ở tốc độ 2,5 Gbit/s cự ly bị hạn chế ở khoảng 928 km, nếu tốc độ tăng lên 10 Gbit/s thì cự ly truyền dẫn bị hạn chế chỉ còn 58 km. Bảng 2.4 nói về cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp.Bản chất của tán sắc là sự giãn rộng xung tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi quang. Tán sắc ảnh hưởng đến các sợi đơn mode bao gồm: tán sắc vận tốc nhóm, tán sắc phân cực mode, tán sắc bậc cao và tán sắc dẫn sóng.

Phương pháp xác định ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống thông tin quang thông qua tính toán quỹ công suất hệ thống PB bằng việc thiết kế độ dài tuyến được thiết lập theo công thức (14).

(14)

Trong đó Pt(t) : công suất tín hiệu phát có tính cả ảnh hưởng chirp phi tuyến.

G: độ khuếch đại của các bộ EDFA.

PM : công suất dự phòng của hệ thống

PD : công suất tổn thất do tán sắc, đây chính là công suất tương đương do năng lượng phổ của xung tín hiệu bị dãn ra ngoài khe thời gian đã định sinh ra.

21

Pp : công suất đền bù lượng công suất mất mát.Ps (G,NF): độ nhạy thu có tính cả ảnh hưởng của bộ khuếch đại và nhiễu của EDFA

Ns , Nc là số mối hàn và số mối nối quang

Hình sau đây là kết quả tính toán tìm thấy sự mất mát công suất của hệ thống do tán sắc gây ra đối với hệ thống 1 Gbit/s và 2,5 Gbit/s. Kết quả cho thấy hệ thống 2,5 Gbit/s bị tổn thất công suất hệ thống nhiều hơn so với hệ thống 1 Gbit/s với cùng một giá trị tán sắc. Đối với tốc độ bít 2,5 Gbit/s, công suất bị mất mát là không đáng kể khi tán sắc nhỏ hơn 100ps/nm. Tuy nhiên, mất mát công suất tăng dần dần trong khoảng từ 100ps/nm đến200ps/nm. Khi tán sắc vượt quá 200ps/nm, lượng công suất quang bị tổn thất rất nhanh. Ở giá trị 300ps/nm thì công suất mất mát đã lên tới 4dB. Trong khi đó ở tốc độ 1 Gbit/s, sự mất mát công suất trong trường hợp này gần bằng 0 khi tán sắc nhỏ hơn 100ps/nm, tới giátrị 760ps/nm thi công suất mất mát là 4 dB. Như vậy, rõ ràng rằng tán sắc làm giới hạn đáng kể tốc độ truyền dẫn của hệ thống thông tin quang.

Hình (11) Kết quả tính toán lượng công suất bị tổn thất phụ thuộc vào tán sắc

cho hệ thống 1Gbit/s và 2,5 Gbit/s. Hình dưới là kết quả tính toán xác định lượng công suất tín hiệu bị mất mát cho các hệ thống thông tin quang 2,5Gbit/s với các Laser có phổ rộng 0,1 nm, 0,2 nm, và 0,3 nm. Từ kết quả thu được có thể thấy rằng nhìn chung, lượng công suất bị tổn thất sẽ tăng nhanh khi cự ly truyền dẫn tăng.

22

Hình (12) Công suất quang bị mất khi tăng cự ly truyền dẫn của hệ thống 2,5 Gbit/s.

Như vậy, mặc dù các hệ thống cùng bị mất công suất khi cự ly truyền dẫn tăng. Tuynhiên, các nguồn phát khác nhau sẽ gây ra sự mất tín hiệu cũng khác nhau. Khi độ rộng phổnguồn phát là 0,1 nm, mất mát công suất xảy ra là 4,5 dB khi cự ly truyền dẫn dài 52 km. Đối với các hệ thống có phổ nguồn phát phát rộng 0,2 nm và 0,3 nm, công suất bị tổn thấttương ứng là 4,5 dB tại 26 km và 6,2 dB tại cự ly chỉ còn 18 km. Khi tăng cự ly vượt quá các giá trị ở trên, tín hiệu bị mất quá lớn và không thể thiết kế được hệ thống thực tiễn kể cảcó sử dụng khuếch đại quang sợi. Đây là các hệ thống sử dụng sợi G.652 có hệ tán sắcD=18ps/km.nm. Như vậy, trong hệ thống thông tin quang, ngoài suy hao quang, có nhiều tham số tương tác tới tán sắc sợi gây ảnh hưởng tới hệ thống và làm mất đi đáng kể lượng công suất tín hiệu. Đó là các tham số: Cự ly truyền dẫn, tham số tán sắc, tốc độ bít của hệ thống và phổ nguồn phát.

23

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC TRONGTHÔNG TIN QUANG

3.1 Sự cần thiết của việc quản lý tán sắc

 Như chúng ta đã xem xét ở Chương 2 ảnh hưởng của tán sắc có tác động rất lớn đếnchất lượng hệ thống thông tin quang nói chung và hệ thống thông tin quang tốc độ caoWDM nói riêng. Tán sắc gây ra hiện tượng dãn rộng xung, gây méo tín hiệu, làm tăng cáclỗi bit xảy ra, ảnh hưởng lớn đến tốc độ truyền dẫn của hệ thống. Có thể giảm thiểu ảnhhưởng của tán sắc vận tốc nhóm ( GVD ) nếu sử dụng các laser phổ hẹp và khi càng gần với bước sóng tán sắc zero λZD

của sợi quang. Tuy nhiên không phải lúc nào cũng kết hợp giữa bước sóng hoạt động λ và λZD . Có thể lấy ví dụ về các hệ thống trên mặt đất thuộc thế hệthứ ba hoạt động gần bước sóng λ=1,55 µm.Và sử dụng các thiết bị phát quang laze hồitiếp phân tán ( DFB ). Những hệ thống như vậy nhìn chung đều sử dụng mạng lưới cápquang được xây dựng trong những năm 1980 bao gồm hơn 50 triệu km chiều dài của sợiđơn mode “ tiêu chuẩn ” với λZD ≈1,31µm.

Do tham số tán sắc D ≈ 16 ps/(km.nm) trong dải bước sóng 1,55µmcủa sợi đơn mode, do đó GVD sẽ hạn chế tính năng khi tốc độ bitvượt quá 2Gb/s. Để điều biến trực tiếp laze DFB, chúng ta có thể sử dụng phương trình:B.L.|D|.σλ ≤1/4 (với σλ là độ rộng phổ nguồn RMS trong của nguồn) để ước tính khoảngcách truyền dẫn tối đa như sau:

(1)

24

Trong đó sλ là độ rộng RMS của phổ xung đã được dãn rộng đáng kể bởi dịch tầnsố. Khi sử dụng D = 16 ps/(km.nm) và sλ = 0,15 nm trong phương trình (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 như thế thường sử dụng các thiết bị tái tạo điện tử nằm cách nhau 40 km,và không tận dụng được tính khả dụng của các bộ khuếch đại quang. Ngoài ra, tốc độ bitcủa chúng cũng không thể vượt quá 2,5 Gb/s vì lý do cự ly của thiết bị tái tạo là quá nhỏ đểcó thể đảm bảo khả thi về mặt kinh tế.

Tính năng của hệ thống có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng thiết bị điềuchế ngoài, như vậy có thể tránh được hiện tượng dãn rộng phổ do dịch tần số. Cách nàyđược ứng dụng các loại máy phát laze DFB thương mại với một bộ điều chế tích hợp gắnliền. Với sλ = 0 hạn chế được hạn chế khi máy phát sử dụng loại sợi tiêu chuẩn. Khoảngcách truyền giới hạn khi đó sẽ được tính như sau:

(2)

Trong đó β2 là hệ số GVD liên quan tới D. Nếu thay giá trị β2 = -20 ps2/km, tại bướcsóng 1,55µm, thì L < 500 km và đạt tốc độ 2,5 Gb/s. Mặc dù đã được cải thiện đáng kể sovới laze DFB điều chế trực tiếp, nhưng giới hạn tán sắc này vẫn đáng được lưu tâm khi cácthiết bị khuếch đại đường truyền được sử dụng để bù suy hao. Hơn nữa, nếu tốc độ bit đạt10 Gb/s, khoảng cách truyền giới hạn GVD sẽ giảm xuống chỉ còn 30 km, đây là mức quáthấp để các thiết bị khuếch đại quang có thể được sử dụng trong việc thiết kế các hệ thống bước sóng ánh sáng như vậy. Từ phương trình 2 ta có thể thấy rằng giá trị GVD tương đốilớn của sợi đơn mode tiêu chuẩn sẽ làm hạn chế tính năng của các hệ thống 1,55µm đượcthiết kế để sử dụng trong mạng lưới viễn thông hiện có khi tốc độ bit đạt 10 Gb/s hoặc caohơn nữa.

Đã có một số mô hình quản lý tán sắc được đưa ra để giải quyết vấn đề mang tínhthực tiễn này. Nền tảng của những mô hình đó là khá đơn giản và có thể hiểu được dựa trên phương trình lan truyền được viết như sau:

(3)Trong đó A là biên độ bao xung. Những ảnh hưởng của tán sắc bậc ba

được ký hiệulà β3. Trong thực tế, ký hiệu này có thể sẽ không được sử dụng nếu |β2| lớn hơn 0,1 ps2/km.Giải phương trình (3) sẽ được kết quả như sau :

(4)

25

Xét khi β3= 0, ta có kết quả như sau:

Vvv (5)Trong đó, Ã (0, ω)là khai triển Fourier của A (0, t).

Sự suy biến gây ra tán sắc của tín hiệu quang là do hệ số pha đạt giá trị exp(iβ2zω/2)  bởi các thành phần phổ của xung trong quá trình lan truyền trong sợi. Tất cả các mô hìnhquản lý tán sắc đều cố gắng loại bỏ hệ số pha này nhằm phục hồi lại các tín hiệu đầu vào,đã được áp dụng trong máy phát, máy thu hoặc dọc theo đường truyền sợi quang.

3.2 Kỹ thuật bù tán sắc trước (Precompensation)

Kỹ thuật này dựa trên nguyên lý chung là sửa đặc tính xung ngõ vào của bộ phát trước khi đưa vào sợi, đó là thay đổi biên độ phổ của xung ngõ vào Ā(0,ω) như sau:

trong đó L là chiều dài sợi. Khi đó tán sắc vận tốc nhóm (GVD) sẽ được bù chínhxác và xung vẫn giữ nguyên dạng tại ngõ ra.Kỹ thuật này gồm có kỹ thuật Prechirp, kỹ thuật mã hóa Novel và kỹ thuật Prechirp phi tuyến.

Điều chế FM và AM tín hiệu quang cùng một lúc thì không cần thiết đối với việc bùtán sắc, nên người ta dùng khóa dịch tần (FSK) cho việc truyền tín hiệu. Tín hiệu FSK đượcthực hiện bằng việc chuyển mạch bước sóng của Lazer lệch nhau một lượng là Δλ giữa bít0 và bít 1. Hai bước sóng sẽ lan truyền trong sợi với tốc độ hơi khác nhau.

Thời gian trễ giữa bít 1 và bít 0 phụ thuộc vào việc dịch bước sóng Δλ và được tínhtheo công thức:

và ta chọn Δλ sao cho Sự trễ này tạo ra tín hiệu quang ba mức tại đầu thu. Hình sau đây cho ta

thấy sự trìhoãn một bít tạo ra tín hiệu quang ba mức như thế nào. Do tán sắc của sợi nên tín hiệu FSK sẽ chuyển sang tín hiệu có biên độ được điều chế. Và tín hiệu này có thể được giải mã ở đầuthu nhờ sử dụng bộ tích phân điện kết hợp với mạch quyết định bít.

26

Hình (13) Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang và công suất tín hiệu phát; b) Tần số và công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã.

Một phương pháp khác là mã hóa cặp nhị phân có thể làm giảm băng thông của tínhiệu còn 50%. Trong phương pháp mã hóa này, hai bít kế tiếp nhau trong chuỗi nhị phângộp lại hình thành một mã cặp nhị phân ba mức ở tốc độ bít chỉ bằng một nữa. Vì tán sắcvận tốc nhóm (GVD) phụ thuộc vào độ rộng băng của tín hiệu, nên khoảng cách truyền cóthể tăng nhờ giảm băng tần của tín hiệu.Tốc độ bít 10Gbps sử dụng mã hóa cặp nhị phân thì cự ly truyền dẫn có thể tăngthêm 30 đến 40km so với mã hóa nhị phân.Mã hóa cặp nhị phân có thể kết hợp với kỹ thuật lệch tần trước.Trong thực tế đã truyền được tín hiệu tốc độ bít 10Gbps qua cự ly 160km sợi thườngnhờ kết hợp mã hóa cặp nhị phân với bộ điều chế ngoài có C > 0.

3.3 Kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây (In-line)

3.3.1 Bù tán sắc bằng sợi quang DCF

Các kỹ thuật bù tán sắc trước đó có thể tăng khoảng cách lên gấp đôi nhưng nókhông thích hợp cho các hệ thống có cự ly lớn, trong đó tán sắc vận tốc nhóm (GVD) phảiđược bù dọc theo đường dây truyền dẫn theo chu kì. Các kỹ thuật bù trên các hệ thống nhưthế này phải đảm bảo ở chế độ toàn quang, đặt trên sợi (chứ không phải đặt trên bộ phát hay bộ thu). Và một loại sợi được biết đến đó là sợi bù tán sắc.Trong thực tế để nâng cấp các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi chuẩn hiện có,người ta thêm vào một đoạn sợi bù tán sắc (với chiều dài từ 6 đến 8km) đối với các bộkhuếch đại quang đặt cách nhau 60 đến 80km. Sợi bù tán sắc sẽ bù tán sắc vận tốc nhóm(GVD), trong khi đó bộ khuếch đại sẽ đảm đương nhiệm vụ bù suy hao cho sợi. Người ta thường sử dụng sợi DCF kết hợp với các bộ khuếch đại OA (thường sửdụng bộ EDFA) để bù tán sắc trên tuyến quang, và tùy vào vị trí đặt DCF mà có các kiểu bù như sau:

27

Hình (14) Sử dụng sợi DCF trên tuyến quangChi tiết về sợi DCF sẽ được nói rõ ở chương sau.

Kỹ thuật bù bằng cách sử dụng các bộ bù tán sắc quang điện tử có thể tăng khoảngcách truyền lên 2 lần, tuy nhiên nó lại không phù hợp với các hệ thống đường dài, hệ thốngnày yêu cầu GVD phải được bù liên tục theo chu kỳ dọc theo đường truyền. Đặc biệt trongcác hệ thống toàn quang việc sử dụng các bộ bù tán sắc quang điện tử là không phù hợp. Vìthế người ta đã nghĩ ra một sợi quang đặc biệt gọi là sợi quang bù tán sắc (DCF :Dispersion Compensating Fiber). Việc sử dụng sợi DCF cho các hệ thống toàn quang có thể bù GVD một cách đáng kể nếu công suất quang trung b?nh được giữ đủ nhỏ thể các hiệuứng phi tuyến bên trong sợi là không đáng kể.

Việc sử dụng sợi DCF để bù tán sắc hết sức đơn giản là chỉ cần đặt sợi DCF xen vàogiữa, do đặc điểm của sợi DCF là có độ tán sắc âm, nghĩa là khi tín hiệu xung ánh sáng điqua sợi này thì xung ánh sáng đó sẽ co lại dần, hiện tượng này ngược với sợi SMF – xungánh sáng bị giãn ra do tán sắc, do đó việc xung ánh sáng bị giãn ra đã giải quyết được.

Sợi quang DCF phải có hệ số tán sắc GVD(Group-Velocity Dispersion ) ở 1,55µmlà D2<0 còn trong sợi quang thông thường D1>0. Hơn nữa chiều dài sợi quang cũng đượclựa chọn thỏa điều kiện :

Trong thực tế người ta cố gắng để chọn L2 nhỏ nhất nếu có thể, trường hợp này xảykhi sợi DCF có giá trị âm D2 rất nhỏ (hay |D2| rất lớn)

28

Hệ số tán sắc D có giá trị -420ps /(nm.km) ở bước sóng 1550nm và thay đổi nhiềuở các bước sóng khác. Đây là một đặc tính quan trọng cho phép bù tán sắc băng rộng. Nóimột cách tổng quát sợi DCF được thiết kế để D tăng theo bước sóng. Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D là một đặc tính quan trọng để DCF có thể hoạt động trongcác hệ thống WDM.

Phổ tán sắc của sợi DCFĐây là phương pháp đơn giản nhất đế quản lý tán sắc trong các hệ thống

WDM dunglượng cao với số lượng kênh lớn nghĩa của đường bao tán sắc được hiểu từ điều kiện

Nhưng chỉ áp dụng cho một kênh, khi có nhiều kênh để thỏa mãn cho tất cả các kênhthỉ cần điều kiện :

Trong đó: λn là bước sóng của kênh thứ n.D1 tăng với bước sóng tăng cho cả hai sợi chuẩn và sợi dịch tán sắc, kết

quả là tánsắc tích lũy D1L1 là khác nhau cho mỗi kênh. Nếu cùng một DCF phải làm việc cho tất cảcác kênh, đường bao tán sắc của nó nên âm và có giá trị để thỏa mãn cho tất cả các kênh.Đường bao tán sắc của DCF:

Trong đó : S là đường bao tán sắc (ps/(nm2km)Tỷ số S/D là đường bao tán sắc quan hệ (1/nm)Với sợi chuẩn D≈16ps/nm.km và S≈0.05ps/nm.km, tỷ số này khoảng 0.003nm-1.Vìthế, cho DCF với D≈- 100ps/nm.km thì đường bao tán sắc khoảng -0.3 ps/nm2km.

29

Để bù tán sắc cho một khoảng cách 90 Km cho sợi G.652 ta cần phải sử dụng xấp xỉ9 Km DCF. Thông số suy hao điển hình của DCF thông thường gấp tới trên 3 lần so với sợiquang chuẩn, hệ số tán sắc phân cực mode PMD cũng gấp đôi, do đó diện tích hiệu dụngcủa DCF là vô cùng nhỏ.

3.3.2 Bù tán sắc bằng bộ lọc quang

  Nguyên lý của phương pháp này như sau: giả sử hàm truyền đạt của bộ lọc quang làH(ω) thì ảnh hưởng của nó đối với pha của xung tín hiệu được thể hiện bởi công thức

Bằng cách triển khai pha của H(ω) theo chuỗi Taylor và giữ ở số hạng bậc hai sẽ có:

ở đây

m = 0, 1,... được ước lượng tại tần số sóng mang quang ω0 Pha hằng số và trễ thời gian sẽ không ảnh hưởng đến dạng xung và có thể bỏ qua. Pha phổdo sợi sinh ra được bù bằng cách chọn bộ lọc quang sao cho có

khi đó xung cóthể được phục hồi hoàn toàn

30

Có nhiều loại bộ lọc quang có hàm truyền đạt phù hợp với yêu cầu này và có thểđược sử dụng làm các bộ bù tán sắc trong đó đặc biệt nổi bật là các loại bộ lọc cấu trúc buồng cộng hưởng Fabry Perot và bộ lọc giao thoa kế Mach Zehnder.

3.3.3 Bù tán sắc bằng tín hiệu quang liên hợp pha OPC

Kỹ thuật OPC (Optical phase conjugation) – liên hợp pha quang đòi hỏi 1 phần từquang phi tuyến mà có thể tạo ra tín hiệu pha liên hợp. Thông thường người ta dùng phương pháp trộn 4 bước sóng (FWM- Four wave mixing) trong vùng phi tuyến, vì bảnthân sợi quang tự nó là một môi trường phi tuyến, (cách đơn giản là dùng một sợi quang dàivài km được thiết kế một cách đặc biệt để tối đa hiệu ứng FWM).Tiềm năng của kỹ thuật OPC đã được chứng minh ở một thử nghiệm 1999 với 1 bộkết hợp cơ bản FWM được sử dụng bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ở tốc độ 40 Gb/s trênchiều dài 140 km sợi quang tiêu chuẩn.

Hầu hết các cuộc thí nghiệm về bù tán sắc được nghiên cứu trên khoảng cách truyềnlà vài trăm km. Đối với đường truyền dài hơn nó đặt ra vấn đề kỹ thuật OPC có thể bù tánsắc vận tốc nhóm GVD cho chiều dài lên đến hàng ngàn km sợi quang mà được dùng các bộ khuếch đại bù suy hao được hay không. Trong 1 thử nghiệm mô phỏng, tín hiệu tốc độ10 Gb/s có thể truyền trên 6000 km trong khi chỉ sử dụng công suất trung b?nh dưới mức3mW để giảm hiệu ứng phi tuyến sợi quang. Trong 1 nghiên cứu khác cho thấy bộ khuếch đại đóng 1 vai trò quan trọng. Với khoảng cách truyền trên 9000 km có thể thực hiện được bằng cách giữ các bộ khuếch đại cho mỗi đoạn 40 km. Sự lựa chọn bước sóng hoạt động, đặc biệt là bước sóng tán sắc không có ý nghĩa then chốt. Trong vùng tán sắc dị thường, công suất của tín hiệu biến đổi tuần hoàn dọc chiều dài sợi quang. Điều này có thể dẫn tới việc tạo ra các (dải biên) sideband do hiện tượng bất ổn điều chế. Tính không ổn định này có thể được tránh nếu thông số tán sắc tương đối lớn(D>10 ps/(km-nm)). Đây là trường hợp đối với sợi quang chuẩn bước sóng gần 1.55μm. Hiển nhiên rằng khoảng cách truyền tối đa luôn là vấn đề quan trọng đối với nhiều hang sảnxuất, như kỹ thuật trộn 4 bước sóng FWM, khoảng cách dùng bộ khuếch đại có thể giảm xuống dưới 3000 km.

3.3.4 Bù tán sắc bằng cách tử Bragg(có trong tài liệu khác)

Nguyên lý chế tạo sợi cách tử để bù tán sắc dựa trên điều kiện phản xạ Bragg:

2n 3.4

31

Trong đó:n = 1, 2, 3, ... là bước của cách tử là bước sóng ánh sáng

Hình (15) Nguyên lý phương pháp bù tán sắc bằng cách tử sợi BraggSợi cách tử Bragg được chế tạo bằng cách dùng tia tử ngoại chiếu qua một

mặt nạ ánh sáng vào sợi quang đơn mode chuẩn để tạo ra các vùng có chiết suất khác nhau phân bố dọc theo chiều dài z của sợi. Để bù lại tán sắc vận tốc nhóm GVD, chu kỳ quang của cách tử được chế tạo sao cho n giảm dọc theo độ dài của nó để cho ra GVD chuẩn (2>0). Trong sợi quang đơn mode tiêu chuẩn, các thành phần tần số cao của xung sẽ lan truyền nhanh hơn các thành phần tần số thấp. Vì bước sóng Bragg giảm dọc theo độ dài cách tử cho nên các thành phần tần số cao sẽ di chuyển thêm vào cách tử trước khi được phản xạ và phải chịu trễ nhiều hơn các thành phần tần số thấp. Như vậy trễ tương đối được xuất hiện do cách tử sẽ bù lại GVD do sợi và bù được tán sắc sợi. Tham số tán sắc D g của cách tử có độ dài Lg được xác định bằng mối liên hệ sau

R g gT D L 3.4Trong đó TR là thời gian đi vòng ở bên trong cách tử và là sự sai khác về

các bước sóng Bragg tại hai đầu của cách tử. Vì

2 gg

LT

c

cho nên tán sắc cách tử được cho bởi biểu thức sau

2Rg

g

T nD

L c

3.4Trên thực tế các loại sợi bù tán sắc cách tử Bragg đã được thương mại hóa

rộng rãi trên thị trường vì chúng có ưu điểm là thiết bị hoàn toàn thụ động, kích thước nhỏ gọn trong khi bù được lượng tán sắc lớn, dễ dàng trong việc ghép nối với sợi quang và suy hao xen nhỏ. Tuy nhiên chúng cũng có một nhược điểm là cần sự ổn định về nhiệt độ cao do chỉ một thay đổi nhỏ về chiều dài sợi cách tử cũng có thể làm thay đổi hoàn toàn đặc tính bù tán sắc của chúng.

32

3.4 Kỹ thuật bù sau (post compensation)

Các kỹ thuật trong miền điện có thể được dùng để bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD) trong máy thu. Ta dễ dàng cân bằng ảnh hưởng của tán sắc bằng kỹ thuật điện nếu sợi quang hoạt động như một hệ thống tuyến tính

Việc bù sẽ dễ dàng hơn nếu bộ thu Heterodyne được sử dụng để tách tín hiệu: bộ thu này đầu tiên chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu vi ba tại tần số trung tần IF ωIF và vẫn giữ thông tin về biên độ và pha. Một bộ lọc thông dải hoạt động ở tần số vi ba với đáp ứng xung có hàm truyền đạt là:

trong đó L là chiều dài sợi. Bộ lọc này sẽ khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu của tín hiệu nhận được. Kỹ thuật này thực tế nhất đối với hệ thống Coherent.  Nhưng ta biết là bộ thu Coherent thường không thực tế (vì một số lý do) so với bộ tách sóng trực tiếp, và mạch điện tuyến tính không thể bù GVD trong trường hợp này. Vấn đề là do thông tin về pha bị mất khi tách sóng trực tiếp do bộ tách sóng chỉ đáp ứng biên độ quang. Khi đó một kỹ thuật cân bằng không tuyến tính có thể được sử dụng.

Một phương pháp khác nữa là việc quyết định một bít được thực hiện sau khi xem xét dạng sóng (dạng tương tự) qua một khoảng nhiều bít xung quanh bít ta cần quyết định. Khó khăn của kỹ thuật này là đòi hỏi mạch điện logic hoạt động tại tốc độ bít của tín hiệu và tính phức tạp của nó tăng theo hàm mũ của số lượng bít qua nó (số lượng bít mà một xung quang bị trải rộng ra do GVD).Kỹ thuật cân bằng về mặt điện thường bị giới hạn do tốc độ bít đạt được thấp và khoảng cách truyền ngắn.

Một kỹ thuật cân bằng quang – điện dựa trên một bộ lọc ngang (transversal filter) đã được đưa ra. Trong kỹ thuật này bộ chia công suất tại máy thu chia tín hiệu quang nhận được thành nhiều nhánh, các nhánh có độ trễ khác nhau. Tín hiệu quang trên mỗi nhánh được chuyển sang dòng điện nhờ sử dụng các photodetector có độ nhạy có thể thay đổi, và tổng dòng điện quang được sử dụng cho mạch quyết định bít. Kỹ thuật này có thể tăng khoảng cách truyền dẫn lên gấp ba lần đối với hệ thống hoạt động ở tốc độ 5Gbps.

33

TÀI LIỆU THAM KHẢO[1] TS. Lê Quốc Cường, ThS. Đỗ Việt Em, ThS. Phạm Quốc Hợp, ThS. Nguyễn Huỳnh Minh Tâm, “ Hệ Thống Thông Tin Quang – Tập 1 và tập 2 ”, năm 2009, Nhà xuất bản Thông Tin và Truyền Thông. [2] Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan, “Optical Networks A Practical erspective”, Second Edition, Morgan KaufMann Publishers. [3] Govind P.Agrawal, “Fiber-Optic Communications Systems”, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc,2002.

34

35