ChuyêN ĐỀ ĐIỀu khiển tán sắC



tải về 1.02 Mb.
trang2/6
Chuyển đổi dữ liệu07.07.2016
Kích1.02 Mb.
1   2   3   4   5   6

3. KỸ THUẬT BÙ SAU
Các kỹ thuật điện tử có thể được dùng để bù tán sắc GVD tại bộ thu. Ý tưởng của phương pháp này là mặc dù tín hiệu quang có thể bị suy biến do GVD, nhưng ta có thể cân bằng điện tử tán sắc này của sợi quang bằng hàm truyền tương ứng nhằm triệt tiêu thành phần

tán sắc β2. th d dàng tán sắc nếu sử dụng b thu Heterodyne để nhận dạng tín
hiệu. Bộ thu Heterodyne đầu tiên sẽ chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu vi sóng ở tần số

trung tần ωIF với đầy đủ thông tin về biên độ và pha. Bộ lọc thông dải (bandpass) vi sóng


có đáp ứng xung theo hàm truyền:


H() exp i
2 L / 2
(2.1)

IF 2
Với L là chiều dài sợi quang. Tín hiệu sẽ được khôi phục lại ở đầu thu tín hiệu, kết luận này tuân theo lý thuyết chuẩn của các hệ thống tuyến tính bằng cách sử dụng phương trình

1.4 với z=L. Thực nghiệm vào năm 1992 sử dụng đường dây microstrip chiều dài 31,5 cm


để cân bằng tán sắc, thực nghiệm này đã truyền tín hiệu 8 Gbps đi một khoảng cách 188 km với sợi quang tiêu chuẩn có tán sắc D=18,5 ps/(km-nm). Thí nghiệm vào năm 1993, sử dụng kỹ thuật phát hiện homodyne để truyền tín dải bên đơn (single sideband), và kết quả

là tín hiệu 6 Gbps có thể khôi phục được tại đầu thu cách đó 270 km sử dụng sợi quang tiêu chuẩn. Đường truyền vi dải (microstrip) có thể được thiết kế để bù tán sắc GVD trên

sợi quang có chiều dài 4900km tốc độ 2,5Gbps.
Thông thường người ta sử dụng bộ cân bằng tán sắc điện tử trong thực tế như một bộ tách sóng thu trực tiếp (direct-detection receiver). Một mạch điện tử tuyến tính không thể bù

tán sắc GVD, các thông tin về pha hoàn toàn bị mất trong suốt quá trình tách sóng trực tiếp. Đáp ứng của tách sóng quang chỉ đơn thuần nhận biết cường độ tín hiệu quang. Kết quả là không một kỹ thuật tuyến tính nào có thể khôi phục lại tín hiệu bị giãn rộng. Tuy vậy, một vài kỹ thuật cân bằng phi tuyến đã được phát triển cho phép khôi phục lại tín hiệu ban đầu từ tín hiệu thu bị tác động bởi tán sắc. Ở phương pháp đầu tiên "ngưỡng



quyết định" (Decision threshold) sẽ được giữ ở cố định trung tâm của giản đồ mắt (eye



diagram), đây là giản đồ phụ thuộc nhiều vào các bit trước đó. Một phương pháp khác, bộ


thu sẽ quyết định bit thu được sau quá trình kiểm tra dạng tín hiệu tương tự trên đường bao bit ở khoảng thời gian giữa các bit. Khó khăn chính của tất cả các kỹ thuật này là các mạch điện tử logic phải hoạt động ở tốc độ bit cao và độ phức tạp của nó tăng theo hàm số

mũ với số lượng các bit có xung quang bị giãn rộng do GVD. Do đó, cân bằng điện tử


thường bị giới hạn là hoạt động ở tốc độ thấp và khoảng cách truyền không cao.
Kỹ thuật cân bằng quang điện tử dựa vào sợi quang ngang (transversal fiber) đã được giới thiệu. Ở kỹ thuật này, một bộ chia công suất ở đầu thu chua tín hiệu quang nhận được thành nhiều nhánh. Độ trễ đường dây trên các nhánh sẽ khác nhau, tín hiệu quang trên mỗi nhánh này được chuyển thành dòng quang điện bằng các bộ tách sóng quang độ nhạy thay

đổi và các dòng quang điện này sẽ được cộng lại với nhau sau đó đưa vào mạch quyết


định. Kỹ thuật này có thể tăng khoảng cách truyền thêm 3 lần đối với các hệ thống 5Gbps
4. SỢI QUANG BÙ TÁN SẮC
Kỹ thuật bù trước có thể tăng khoảng cách truyền lên 2 lần, tuy nhiên nó lại không phù hợp với các hệ thống đường dài, hệ thống này yêu cầu GVD phải được bù liên tục theo chu kỳ dọc theo đường truyền. Đặc biệt trong các hệ thống toàn quang việc sử dụng các bộ

bù tán sắc quang điện tử là không phù hợp. Vì thế 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 bình được giữ đủ nhỏ thể các hiệu ứng phi tuyến bên trong sợi là không đáng kể.


Để hiểu bản chất vật lý của kỹ thuật điều khiển tán sắc này, ta đánh giá xung quang truyền

đi trong hai sợi quang trong đó sợi thứ hai là sợi DCF. Sử dụng công thức 1.4 phương trình truyền ánh sáng quang :





A(L, t) 
1 
A(0,) exp i 2 (

L
L ) it d

(3.1)


2
21 1 22 2


2



Với L=L1+L2 β2j thông số GVD của sợi quang chiều dài Lj (j=1,2). Nếu sử dụng

sợi DCF sẽ khử thành phần pha ω2, xung truyền sẽ được khôi phục về hình dạng ban đầu



ở phía cui của sợi DCF. Điều kiện để bù tán sc tốt nhất là 21L1 22 L2 0 hoặc


D1L1 D2 L2 0

(3.2)



Phương trình 4.2 ch ra rằng sợi quang DCF phải h số n sắc GVD 1,55µm D2<0

còn trong sợi quang thông thường D1>0. Hơn nữa chiều dài sợi quang cũng được lựa chọn thỏa điều kiện :



L2 (D1 / D2 )L1

(3.3)



Trong thực tế nời ta cố gắng để chọn L2 nhỏ nhất nếu có thể, trường hợp này xảy khi sợi


DCF có giá trị âm D2 rất nhỏ (hay D2
rất lớn).

Mặc dù ý tưởng sử dụng sợi DCF được đưa ra vào những năm 1980, nhưng cho mãi sau


này khi xuất hiện các bộ khuyếch đại quang vào những năm 1990 thì việc ứng dụng sợi
DCF mới được phát triển. Có hai hướng cơ bản để thiết kế sợi DCF. Đầu tiên sợi DCF hỗ
trợ đơn mode, nhưng nó được thiết kế với tần số chuẩn hóa V nhỏ. Mode cơ bản được


giới hạn quanh mức
V  1 . Phần nhỏ các mode còn lại được truyền ở lớp bọc (cladding),

là nơi chiết suất nhỏ, ống dẫn sóng làm gia tăng thêm GVD và kết quả là hệ số tán sắc có

giá trị D 100 ps / (km nm) . Thiết kế làm giảm lớp bọc thường được sử dụng trong thực tế sản xuất sợi DCF. Tuy nhiên, sợi DCF lại có suy hao lớn do sự gia tăng suy hao do


uốn cong ( 0, 4 0, 6dB / km ). H số

D /  thường được sử dụng và gọi là hệ số phẩm

chất M của sợi DCF. Vào năm 1997, sợi DCF với M 250 ps / (nm dB) đã có thể chế
tạo được.
Cùng với sự xuất hiện của sợi DCF một giải pháp thực tế để cải thiện các hệ thống quang mặt đất là thêm vào tuyến sợi quang tiêu chuẩn hiện có các module DCF (với khoảng 6-

8km sợi DCF) kết hợp với các bộ khuyếch đại quang ở các khoảng 60-80km. Sợi DCF bù


tán sắc GVD trong khi các bộ khuếch đại bù lại phần suy hao của sợi quang. Mô hình này còn tồn tại hai vấn đề. Đầu tiện là suy hao chèn của các module DCF thông thưởng khoảng 5dB. Suy hao chèn có thể được bù bằng cách tăng độ lợi của các bộ khuyếch đại

tuy nhiên việc tăng độ lợi lại làm tăng nhiễu ASE (nhiễu do khuyếch đại bức xạ tự phát). Vấn đề thứ hai, liên quan bán kính trường mode nhỏ của sợi DCF, nó chỉ xấp xỉ ~20 µm2 .

Khi công suất quang lớn đưa vào DCF như công suất ngõ vào, các hiệu ứng phi tuyến sẽ
tăng đáng kể.
Các vấn đề liên quan đến sợi DCF có thể được giải quyết bằng cách sử dụng sợi quang hai mode được thiết kế với tần số chuẩn hóa V của mode có thứ tự cao hơn ở gần điểm cutoff hơn ( V  2, 5 ). Chẳng hạn như các sợi quang cùng suy hao như sợi quang đơn mode, nhưng được thiết kế để hệ số tán sắc D của mode có thứ tự cao có giá trị âm nhỏ và bằng khoảng -770ps/(km-nm). 1km chiều dài của sợi DCF có thể bù GVD cho khoảng

40km tuyến cáp quang, việc thêm vào sợi DCF chiều dài như thế cũng làm tăng đáng kể


suy hao quang trên toàn tuyến.
Việc sử dụng sợi DCF hai mode yêu cầu một thiết bị chuyển đổi mode có khả năng chuyển đổi năng lượng từ mode cơ bản sang mode có thứ tự cao hơn. Đã có một số thiết bị



chuyển đổi mode toàn quang được phát triển. Thiết bị chuyển đổi mode toàn quang được


dựa trên quan điểm về tính tương thích trong mạng toàn quang, và giảm suy hao chèn. Một yêu cầu nữa đối với thiết bị chuyển đổi mode là nó phải được phân cực mạnh và hoạt động với băng thông rộng. Hầu hết các bộ chuyển đổi mode trong thực tế sử dụng sợi quang hai

mode với một cách tử quang để ghép nối gia hai mode. Chu k cách tử được chọn sao


cho độ sai khác hệ số mode giữa hai mode là  n thỏa    /  n
và thông thường nó xấp

xỉ 100 µm. Vì các cách tử được gọi là cách tử quang chu kỳ dài. Hình 4.1 chỉ ra mô hình sợi DCF hai mode với cách tử chu kỳ dài.


Hình 4.1: Mô hình sợi DCF hai mode sử dụng cách tử chu kỳ dài
Các đặc tính tán sắc đo được của sợi DCF được chỉ ra ở hình 4.1b. Hệ số tán sắc D có giá

trị


420ps / km  nm
ở bước bước sóng 1550nm và thay đổi nhiều ở các bước sóng


khác. Đây là một đặc tính quan trọng cho phép bù tán sắc băng rộng. Nói một 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 trong các hệ thống


WDM. Phần này sẽ được để cập ở mục 9.
5. BỘ LỌC QUANG
Như ở phần trước đề cập nếu sử dụng sợi DCF có chiều dài lớn hơn 5km có thể bù tán sắc GVD cho khoảng 50km sợi quang. Việc thêm vào sợi DCF này làm gia tăng đáng kể suy hao của tuyến quang, điều này gây ảnh hưởng đối với các ứng dụng đường dài. Chính vì lý

do này, một vài mô hình quang khác được nghiên cứu để điều khiển tác động của tán sắc. Hầu hết trong số nghiên cứu mới này là các bộ lọc cân bằng quang (Optical Equalizing Filter) . Các bộ lọc giao thoa (Interferometric Filter) sẽ được giới thiệu trong mục này, mục tiếp theo sẽ trình bày về các cách tử quang.


Chức năng của bộ lọc quang có thể được diễn tả qua công thức 1.4. Tác động của GVD


2
lên tín hiệu quang được biểu hiện thông qua phần tử pha exp(iz2 / 2) , hiển nhiên là bộ






lọc quang có hàm truyền sẽ triệt tiêu phần tử pha này để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.


Tuy nhiên, không có bộ lọc quang nào có hàm truyền phù hợp hoàn toàn để bù tán sắc GVD một cách chính xác. Một số bộ lọc quang có khả năng bù tán sắc riêng bằng cách bắt chước hàm truyền lý tưởng. Nếu bộ lọc được đặt sau sợi quang có chiều dài L, tín hiệu

quang sẽ được lọc và có thể được viết lại bằng cách sử dụng biểu thức 1.4



A(L, t ) 
1 
A(0,)H () exp i L 2 it d

2

2 2



(5.1)

Bằng cách khai triển thành phần pha H(ω) bằng khai truyển Taylor đến bậc 2 ta có :




H ()  H () expi() H () exp
i(

1 2 )
(5.2)

⎡ ⎤

0 1

2 2

Với m

⎣ ⎦

d m / dm (m  0,1, ...) được đánh giá ở tần số sóng mang quang ω0. Hằng số pha



0 và thời gian trễ 1 không tác động vào hình dạng xung và có thể được bỏ qua. Xung pha

tạo ra bởi sợi quang th được bù bằng cách chọn bộ lc 2 2 L . Xung sẽ được

khôi phục hoàn toàn chỉ khi

H () 1 phần tử th 3 trong khai triển Taylor pơng

trình 5.2 phải âm. Hình 5.1 mô tả mô hình kết hợp giữa bộ lọc quang và khuyếch đại quang để bù đồng thời tán sắc GVD và suy hao. Hơn nữa, bộ lọc quang có thể giảm nhiễu khuyếch đại nếu băng thông bộ lọc nhỏ hơn băng thông bộ khuyếch đại.




Hình 5.1: Mô hình kết hợp giữa bộ lọc quang và khuyếch đại quang.
Các bộ lọc quang hoạt động dựa trên nguyên lý giao thoa, đây là nguyên lý tự nhiên của ánh sáng và nó rất nhạy với tần số ánh sáng ở ngõ vào và được ứng dụng trong các bộ lọc quang do các đặc tính truyền dẫn phụ thuộc vào tần số của nó. Một ví dụ đơn giản của bộ

2

lọc quang là sử dụng giao thoa Fabry-Perot. Thực ra phổ truyền

HFP

của giao thoa



Fabry-Perot có thể được xác định thông qua hệ số khuyếch đại Fabry-Perot ở phương trình
5.2b với G=1 . Để bù tán sắc, chúng ta cần một tần số độc lập về pha của hàm truyền

H(ω), được xác định bằng việc đánh giá các thành phần ánh sáng truyền giữa hai gương.



Giao thoa Fabry-Perot phản chiếu được gọi là giao thoa Gires-Tournois, được thiết kế để


có thể phản xạ 100%. Hàm truyền đạt ở phương trình 5.3.
(5.2b) (5.3)


Với hằng số H0 đặc trưng cho suy hao tổng cộng,

2
r là hệ số phản xạ trước gương và T là

thời gian truyền đi về (round-trip) bên trong hốc FP. Do



HFP đc lập tần số, chỉ

phổ pha được thay đổi bởi bộ lọc FP. Tuy nhiên, thành phần pha  của

HFP  có

nhiều điểm khác biệt hơn. Đây là hàm tuần hoàn có các cực tại các giá trị cộng hưởng FP.
Tại vùng lân cận của mỗi cực, tồn tại một vùng phổ mà tại đó sự thay đổi về pha gần như


là hàm bậc 2. Bằng cách khai triển  ( )

bằng chuỗi Taylor, biểu thức 2 sẽ là





2
  2T 2r(1 r) / (1 r)3

(5.4)


2
Ví dụ với một hốc FP 2cm với r=0,8 và   2200 ps2 , bộ lọc quang có thể bù tán sắc GVD


cho khoảng 110km tuyến quang tiêu chuẩn. Thực nghiệm vào năm 1991 sử dụng các thiết
bị toàn quang có thể truyền tín hiệu 8Gbps qua một khoảng 130km sử dụng sợi quang tiêu chuẩn. Các hệ thống này có suy hao chèn khoảng 8dB và được bù bằng việc sử dụng các

bộ khuyếch đại quang. Suy hao 6dB là do bộ ghép quang 3dB sử dụng để chia tín hiệu phản xạ từ các tín hiệu tới. Lượng suy hao này có thể rút giảm xuống còn khoảng 1dB nếu

sử dụng bộ truyền vòng quang (optical circulator), đây là một thiết bị có ba cổng dùng để truyền công suất từ một port đến các port còn lại theo vòng. Tuy nhiên do suy hao cao và băng thông hẹp của các bộ lọc FP đã làm giới hạn chúng trong các hệ thống quang thực tế.


Hình 5.2 : Mô hình bộ lọc quang sử dụng giao thoa Mach-Zehnder.





Giao thoa Mach-Zehnder cũng có thể được ứng dụng để chế tạo các bộ lọc quang. Giao


thoa MZ trong sợi quang có thể được tạo ra bằng cách kết nối hai bộ ghép nối có hướng (directional coupler) mắc nối tiếp như trong hình 5.2b. Bộ ghép đầu tiên chia tín hiệu ngõ vào thành hai phần bằng nhau, hai thành phần này sẽ có sự sai pha nếu có sự sai khác về chiều dài nhánh của bộ ghép. Tín hiệu có thể thoát ra khỏi một trong hai cổng ngõ ra phụ thuộc vào tần số ánh sáng và chiều dài nhánh của bộ ghép. Hàm truyền đại tại port ngõ ra

bộ ghép sẽ là


H MZ
( ) 1 1 exp(i )

2
(5.5)

Với τ là độ trễ giữa hai nhánh của bộ ghép tạo giao thoa MZ.
Một bộ giao thoa MZ đơn không thể sử dụng làm bộ lọc quang mà phải có một chuỗi nhiều bộ tạo giao thoa ghép tầng với nhau để tạo thành bộ lọc cân bằng. Bộ lọc như thế có

thể được chế tạo theo kiểu mạch sóng quang phẳng (planar lightwave cỉcuit) bằng cách sử dụng các ống dẫn sóng thủy tinh. Hình 5.2 a mô tả cấu trúc thiết bị nêu trên. Thiết bị với kích thước 52x71mm2 có suy hao là 8dB. Nó bao gồm 12 bộ ghép nối với chiều dài nhánh không đồng bộ ghép tầng nối tiếp với nhau. Một đầu đốt bằng Crôm được sử dụng ở một nhánh của mỗi bộ giao thoa MZ để tạo ra quang nhiệt nhằm điều khiển xung quang. Ưu điểm chính của thiết bị này là đặc tính cân bằng tán sắc có thể đưcọ điều khiển bằng chiều

dài nhánh và số lượng bộ giao thoa MZ.
Hoạt động của bộ lọc MZ có thể được biểu diễn qua hình 5.2b. Thiết bị được thiết kế để các thành phần tần số cao sẽ được truyền đi ở nhánh có chiều dài lớn hơn của bộ giao thoa MZ. Kết quả là, chúng sẽ trễ hơn các thành phần tần số thấp do được truyền ở các nhánh

ngắn. Hàm truyển H(ω) có thể được xác định được qua phân tích mạch và được dùng để


tối ưu thiết kế cũng như hoạt động của thiết bị. Thực nghiệm vào năm 1994 với một mạch sóng quang phẳng có năm bộ giao thoa MZ tạo ra độ trễ 836 ps/nm. Thiết bị này chỉ có vài

cm chiều dài nhưng lại có khả năng bù tán sắc cho khoảng 50km sợi quang tiêu chuẩn. Hạn chế chính của thiết bị này chính là băng thông hẹp ( ∼ 10GHz ) và nhạy với phân cực ngõ vào. Tuy nhiên, với một bộ lọc quang lập trình được thì tán sắc GVD và bước sóng hoạt động có khả nằng điều chỉnh. Ở thiết bị này, GVD có thể thay đổi từ -1006 đến

834ps/nm.

1   2   3   4   5   6


Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2016
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương