ChuyêN ĐỀ ĐIỀu khiển tán sắC

tải về 1.02 Mb.

trang	4/6
Chuyển đổi dữ liệu	07.07.2016
Kích	1.02 Mb.
	#1381

1 2 3 4 5 6

7. LIÊN HỢP PHA QUANG OPC
Mặc dù sử dụng kỹ thuật liên hợp pha quang (OPC) cho bù tán sắc được đề nghị từ 1979 nhưng đến 1993 kỹ thuật này mới được đưa vào thí nghiệm. Nó gây sự chú ý rất lớn từ đó. Ngược lại với những gì đề cập trong chương này, kỹ thuật OPC là một kỹ thuật quang phi tuyến. Trong mục này sẽ mô tả nguồn gốc và tập trung vào ứng dụng hệ thống quang trong thực tế

_{7.1 Nguyên lý hoạt động:}
Các đơn giản nhất để hiểu một OPC có thể bù tán sắc vận tốc nhóm GVD là giải phương
_{trình liên hợp phức}

_{Thu được:}

_A₍_z_,_t₎_¹

^2

^_i

2
^^A⁽⁰^,^w⁾^e^x^p(^²


zw² iwt )dw

(7.1.1)

__A^*

_i__²_A^*

__³_A^*

_²_³_₀

_(7.1.2)

_{z 2}

__t²

₆__t³

^So^sánh^pt^(7.1.1)^và^(7.1.2)^cho^t^h^ấ^y^vùng^pha^kết^h^ợp^A*^lan^truyền^v^ới^h^ệ^số^tru^y^ền^₂

của GVD có đảo dấu. Nhận thấy 1 điều rằng, nếu miền quang được kết hợp pha ở giữa liên

kết sợi quang , sự tán sắc trên nửa đầu và nửa sau của liên kết là bù nhau. Vì số hạng ₃

không đổi dấu khi liên hợp pha, OPC không thể bù cho tán sắc bậc 3. Ở đây, dễ dàng thấy

_{rằng, bằng cách giữ các thành phần bậc cao hơn trong khai triển Taylor ở phương trình}

ⁿ₀₁
_₍_w₎_₍_w₎^w____₍__w₎_^²

^{c 2}

(w)²

^³₍__w₎³

(7.1.3)

khi đó OPC có thể bù cho tất cả các thành phần tán sắc bậc chẵn mà không ảnh hưởng
đến các thành phần bậc lẻ.
Tính hiệu quả của liên hợp pha quang khoảng giữa phổ trong việc bù tán sắc có thể được kiểm chứng bằng cách sử dụng phương trình

_

_A₍_z_,_t₎_¹

₂_

_A₍₀_,_₎_e_x_p^⎛ⁱ_

₂₂

_z_²__i__t_⎟_d_

_(7.1.4)

⎞

_^⎜
__^⎝^⎠

Miền quang (optical field) trước OPC tìm được bằng cách sử dụng z = L/2 ở phương trình

_{này. Sự lan truyền của vùng sóng kết hợp pha A* trong phần sau OPC như sau:}

_A_*₍_L_,_t₎_¹
^_{L i}

__A^*₍_,_w₎_e_xp(__L_w²__iw_t₎_dw

_(7.1.5)

²^_

_{2 4}²

Với A* (L/2,ω) là biến đổi Fourier của A* ( L/2,t) và được tính bởi:

2
A^*( L / 2, w)  A^*(0, w) exp(iw² L / 4)

(7.1.6)

Thay phương trình (7.1.6) vào (7.1.5), ta được A(L,t)=A*(0,t).

Vì vậy, ngoại trừ đảo pha do OPC, vùng đầu vào được phục hồi một cách hoàn toàn, và dạng sóng được phục hồi như ban đầu. Vì phổ của tín hiệu sau OPC trở thành đối xứng với phổ ban đầu, kỹ thuật OPC được đề cập như kỹ thuật đảo phổ khoảng giữa.
_{7.2 Bù tán sắc bằng tự điều chế pha (Compensation of Self-Phase Modulation )}
Hiện tượng phi tuyến SPM làm cho sợi quang sinh ra hiện tượng chirp đối với tín hiệu
truyền trên sợi quang
Phần 3 chỉ ra rằng hiện tượng chirp do SPM có thể mang lại lợi ích với một thiết kế thích hợp Sự thay đổi này thường sử dụng với với một thiết kế riêng biệt. Soliton quang học cũng sử dụng SPM (Truyền dẫn quang soliton cũng dùng hiện tượng SPM để có được một

số ưu điểm) Tuy nhiên, ở phần lớn hệ thống thông tin quang , các hiệu ứng phi tuyến do SPM gây ra làm giảm chất lượng rõ rệt, đặc bịêt là khi các tín hiệu truyền đi trên khoảng cách dài phải sử dụng nhiều bộ khuyếch đại quang.

Công nghệ OPC khác với các mô hình bù tán sắc khác ở một điều quan trọng: Trong những điều kiện nhất định, nó có thể bù đồng thời cho cả GVD và SPM. Tính năng này của OPC được lưu ý vào đầu những năm 1980 và được nghiên cứu rộng rãi sau 1993 .

Dễ dàng để thấy là cả GVD và SPM đều được bù một cách tuyệt đối mà không có sự suy hao quang nào. Sự lan truyền xung trong sợi quang có suy hao cho bởi phương trình

2
^^A_ⁱ^₂^

^A__i_

₂_

_{A A  A}

_(7.2.1)

_{z 2}

__t²₂

Với thành phần ₃bị bỏ qua và α là suy hao của sợi quang. Khi α=0, A* thoả các phương trình giống nhau khi ta tính liên hợp phức của pt (7.1.4). và đổi z thành –z. Kết

quả là OPC khoảng giữa phổ có thể bù đồng thời cho SPM và GVD.

Sự suy hao có thể phá huỷ 1 thuộc tính quan trọng của khoảng giữa phổ OPC. Lí
do rất dễ thấy là nếu chúng ta lưu ý rằng sự thay đổi pha của SPM phụ thuộc vào công suất. thì pha thay đổi lớn ở nửa đầu đường dẫn quang hơn là nửa thứ 2, và OPC không thể

bù cho các hiệu ứng phi tuyến. Phương trình (7.2.1) có thể dùng để nghiên cứu tác động

_{của sự suy hao. Bằng cách thay:}

_A₍_z_,_t₎__B₍_z_,_t₎_e_x_p₍___z_/₂₎
_(7.2.2)

Phương trình. (7.2.1) có thể viết lại

2
^^B_ⁱ^₂^

^B__i_₍_z₎_B²_B

_(7.2.3)

_{z 2}

__t²

Với  (z)   exp( z) . Hiệu ứng của suy hao quang có thể tương đương với trường hợp

không lỗi nhưng với tham số phi tuyến phụ thuộc z. Bằng cách tính liên hiệp phức của Eq
(7.2.3) và thay đổi z thành –z, dễ dàng để thấy sự bù tán sắc toàn phần SPM xảy ra khi và

chỉ khi ^⁽^z⁾^^⁽^L^^z⁾Điều kiện này không thể được thoả mãn khi α ≠ 0

Một cách nữa có thể giải quyết vấn đề là khuyếch đại tín hiệu sau OPC để công suất tín hiệu trở nên bằng với mức công suất đầu vào trước khi nó đến nửa thứ 2 của đường dẫn quang. Mặc dù cách này làm giảm sự tác động của SPM, nhưng nó vẫn không

thể bù tán sắc toàn phần được.

Nguyên nhân có thể được hiểu rằng: sự truyền dẫn của tín hiệu pha kết hợp tương
đương với việc truyền một tín hiệu time-reseverd . Vì vậy. sự bù SPM toàn phần xảy ra

khi và chỉ khi biến thiên công suất đối xứng quanh điểm giữa phổ , vì thế, ^⁽^z⁾^^⁽^L^^z⁾

ở phương trình (7.2.3). Sự khuyếch đại quang không đuợc thoả mãn ở trường hợp này. Nó tương tự với sự bù SPM nếu các tín hiệu được khuếch đại đủ để công suất không thay đổi trong 1 khoảng lớn trong mỗi trạng thái khuếch đại. Tuy nhiên, điều này không thực tế bởi nó đòi hòi các bộ khuếch ở khoảng cách gần nhau.
_{Sự bù tán sắc toàn phần cho cả GVD và SPM có thể được tìm được bởi cách sử}

^dụng^các^sợi^quan^g^g^iảm^tán^sắc^(dispersion^decreasing^fibers)^cho^₂
giảm trên chiều dài

sợi quang. Để xem một mô hình đựơc thực hiện như thế nào, giả thiết rằng

_{trình (7.2.3) là một hàm của z Bằng cách biến đổi:}

₂ở phương

z

^^_^⁽^z⁾^d^z

(7.2.4)

Pt (7.2.3) có thể viết lại

^^B_ⁱ

_b₍_₎

²B

2
_{ i B B}

_(7.2.5)

_{ 2}

__t²

^V^ới^b⁽^⁾^^₂⁽^⁾^/^⁽^⁾

^C^ả^GV^D^v^à^SP^M^đều^đự^ơc^b^ùⁿ^ếu^b⁽^⁾^^b⁽^_L^^⁾^,^_L

là giá

_trị_của__khi_z=L._Đ_iều_k_i_ều_này_đư_ợc_th_o_ả_m_ãn_tự_đ_ộ_ng_thì_s_ự_giảm_tán_sắc_giố_n_g_n_hư

^⁽^z⁾, để

^₂⁽^⁾^^⁽^⁾^và

^b⁽^⁾^¹.

_Vì_suy_hao_quang_làm (z)

_g_i_ảm_t_h_eo_h_à_m_m_ũexp( z) _cả_GV_D_v_à_SP_M_c_ó_thể_bù

chính xác ở các sợi quang giảm tán sắc mà có GVD giảm theo hàm mũ ^exp⁽^^^z⁾Cách tiếp cận này phổ biến và được sử dụng khi các bộ khuyếch đại quang được sử dụng.
_{7.3 Tín hiệu liên hợp pha (Phase-conjugated Signal):}
Kỹ thuật OPC( Optical phase conjugation) – liên hợp pha quang đòi hỏi 1 phần từ
quang phi tuyến mà có thể tạo ra tín hiệu pha liên hợp . Thông thường người ta dùng phương pháp trộn 4 bước sóng (FWM- Four wave mixing) trong vùng phi tuyến, vì bản thân sợi quang tự nó là một môi trường phi tuyến, (cách đơn giản là dùng một sợi quang

dài vài km được thiết kế một cách đặc biệt để tối đa hiệu ứng FWM)

Kỹ thuật FWM trong sợi quang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi
_{Để dùng hiện tượng FWM cần một nguồn bơm tại tần số wp được dịch từ tần số của tín}

^hiệu^w_s
một lượng nhỏ (~0.5THz) . Sợi quang phi tuyến tạo ra tín hiệu liên hợp pha quang

tại tần số

^w_c^²^w_p^^w_s

. Miễn là thỏa mãn điều kiện phù hợp pha.

^k_c^²^k_p^^k_s

Với
^k_j^ⁿ⁽^w_j⁾^w_c^/^c

là số lượng xung quang tại tần số wj

^Đ^iều^kiện^ph^ù^h^ợp^góc^pha^t^h^ỏa^m^ãⁿⁿ^ếu^b^ư^ớc^sóng^tán^sắc^khôn^g^_Z_D

_{được chọn (trùng với bước sóng bơm) đồng thời với bước sóng bơm.}

của sợi quang

Điều này đã được thông qua trong 1 cuộc thí nghiệm 1993 Lần đầu tiên chứng

minh được rằng tiềm năng của kỹ thuật OPC trong việc bù tán sắc. Trong 1 thí nghiệm khác 1 tín hiệu ( bước sóng 1546nm) được kết hợp góc pha bằng cách sử dụng FWM cho

23 km sợi quang với bước sóng pump “bơm” là 1549 nm . Tín hiệu ở tốc độ bit 6-Gb/s

được phát trên 152 km sợi quang tiêu chuẩn với điều chế FSK. Một thí nghiệm khác nữa
_{là 1 tín hiệu 10 Gb/s có thể phát trên 360 km.}

Kỹ thuật OPC khoảng giữa phổ được thực hiện cho 21 km sợi quang bằng cách sử

dụng tia “pump” laser mà bước sóng của nó được cân chỉnh một cách chính xác với bước sóng tán sắc không. Bước sóng tín hiệu và pump lệch nhau 3.8 nm.

Hình 7.1: Thí nghiệm bù tán sắc trong đảo khoảng giữa phổ trên 21 km chiều dài sợi quang
Cách thực hiện để tạo ra tín hiệu pha liên hợp hợp. 1 bộ lọc dải thông bandpass được sử
dụng để tạo ra tín hiệu pha liên hợp .
_{Nhiều nhân tố cần phải được xem xét trong kỹ thuật pha kết hợp khoảng giữa phổ}

^trong^t^hự^c^t^ế.^Tr^ư^ớc^h^ết^v^ì^b^ư^ớc^sóng^tín^hiệu^thay^đ^ổⁱ^từ^w_s
^thành^w_c^²^w_p^^w_s
tại bộ

^tạo^pha^liên^hợp.^Thông^số^tán^s^ắ^c^v^ận^tốc^nhó^m^GV^D^₂

bị thay đổi. Kết quả là , xảy ra

_{bù tán sắc toàn phần chỉ khi bộ kết hợp góc quang lệch rất nhỏ so với điểm giữa của}

đường quang. Ví trí chính xác

^L_p^{có t}^h^ể^đư^{ợc xác đ}^ị^{nh bằng cách sử}^d^{ụng điều kiện}

^₂⁽^w_s⁾^L_p^^₂⁽^w_c⁾⁽^L^^L_p⁾
Với L là tổng chiều dài .

^{Khai t}^r^iển^₂⁽^w_c⁾^{thành chuổi}^Taylor^t^ại^tầ^{n số}

^w_s^,^L_p^{thì tìm}^đư^ợc:

^L^p_

^L

₂_c₃

²^₂^^_c^₃
(7.3)

^V^ới^_c

^^w_c

^^w_s

khoảng dịch tần số của tín hiệu bằng kỹ thuật OPC.

Đối với khoảng dịch bước sóng chuẩn 6nm, góc pha thay đổi khoảng 1%.

Một nhân tố thứ 2 cần chú ý là quá trình trộn 4 bước sóng (FWM) trong sợi quang

là độ nhạy phân cực vì phân cực của tín hiệu không được điều khiển bởi sợi quang, nó thay đổi tại bộ tạo pha kết hợp theo cách thức ngẫu nhiên. Ảnh hưởng của biến đổi ngẫu

nhiên này tác động đến hiệu suất FWM và làm cho kỹ thuật FWM không phù hợp với mục

đích thực tế. Tuy nhiên sự phối hợp có thể giảm bớt độ nhạy phân cực. 2 tia “pump” trực giao tại bước sóng khác nhau ở vị trí đối xứng của bước sóng tán xạ không của sợi quang

_{được sử dụng. Sự sắp xếp này có 1 thuận lợi khác là sóng kết hợp góc quang có thể được}

tạo ra tại tần số của bản thân tín hiệu bằng cách chọn lọc bước sóng tán xạ không _Z_Dđể

_{trùng với tần số tín hiệu}

Từ mối quan hệ:

^w_c^^w_p₁^^w_p₂^^w_s

^với^.^w_p₁^^w_p₂

Độ nhạy phân cực của OPC cũng thu được bằng cách sử dụng một nguồn bơm

(pump) đơn kết hợp với cách tử sợi quang và một thiết bị đối xứng kết hợp trực giao
(orthoconjugate mirror) nhưng thiết bị này làm việc trong mode phản xạ và cần các sóng
kết hợp riêng biệt từ tín hiệu bằng cách dùng bộ ghép 3-dB hoặc bộ cách ly vòng. Hiệu suất tương đối thấp của quá trình OPC trong sợi quang cũng có lợi. Điển hình là hiệu suất chuyển đổi _cdưới 1% khiến nó phải khuếch đại tín hiệu pha kết hợp .

Thực tế suy hao của pha kết hợp vượt quá 20 dB. Tuy nhiên, quá trình FWM thì

_{không phải là 1 quá trình hiệu suất thấp. Thực vậy, phân tích phương trình FWM cho thấy}

^rằng^_c
tăng lên đáng kể bằng cách tăng công suất pupm và giảm công suất tín hiệu. Nó

có thể vượt quá 100 % mức công suất và khác biệt bước sóng “pump” (bơm) . (Cần tránh
sử dụng nguồn bơm công suất cao do ảnh hưởng của hiện tượng phát xạ kích thích
Brillouin)
Công suất (nguồn bơm) pump cao thường được hạn chế vì SBS. Tuy nhiên có thể
loại bỏ SBS bằng cách điều chế nguồn bơm tại tần số ~100Mz. Trong 1 thí nghiệm 1994,
35 % hiểu suất chuyển đổi được tạo ra bằng kỹ thuật này.
Quá trình FWM trong 1 bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) cũng được sử dụng
để tạo ra tín hiệu pha kết hợp dùng vào việc bù tán sắc. Công trình này đã được thực hiện trong 1 cuộc thí nghiệm 1993 và chứng minh được rằng tín hiệu truyền ở tốc độ 2.5 Gb/s. Được điều chế bằng bằng các laser bán dẫn truyền trên 100 km chiều dài sợi quang chuẩn. Sau đó trong 1 thí nghiệm 1995, tương tự đã truyền được tín hiệu với tốc độ lên đến 40 Gb/s trên chiều dài 200 km sợi quang chuẩn. Khả năng duy trì FWM trong SOA được đề xuất vào năm 1987và kỹ thuật này được sử dụng trong chuyển đổi bước sóng. Ưu điểm chính là tín hiệu kết hợp góc có thể được tạo ra trong 1 thiết bị dài 1 nm. Hiệu suất

_{chuyển đổi cao hơn so với FWM trong sợi quang vì nó được khuếch đại.}

Bằng cách lựa chọn chính xác sóng bơm - điều hướng tín hiệu, thu được hiệu suất

chuyển đổi lớn hơn 100% ( độ lợi thu được cho tín hiệu kết hợp góc quang) cho kỹ thuật
FWM trong SOAs.
Ống dấn sóng phân cực tuần hoàn LiNbO3 được sử dụng để tạo ra các bộ chuyển
đổi phổ băng rộng, tín hiệu pha kết hợp được tạo ra bằng cách sử dụng các quá trình phi tuyến bậc hai liên tiếp. Các quá trình này là các quá trình phù hợp pha (quasi-phase- matched) nhờ vào chu kỳ cực của tinh thể. Đối với thiết bị OPC chỉ bỉ suy hao 7 dB và có khả năng bù tán sắc cho 4 kênh tín hiệu tốc độ 10 Gb/s trên chiều dài 150 km sợi quang chuẩn. Tiềm năng của kỹ thuật OPC đã được chứng minh ở một thử nghiệm 1999 với 1 bộ

kết hợp cơ bản FWM được sử dụng bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ở tốc độ 40 Gb/s trên chiều dài 140 km sợi quang tiêu chuẩn

Hầu hết các cuộc thí nghiệm về bù tán sắc được nghiên cứu trên khoảng cách tuyền
là vài trăm km. Đối với đường truyền dài hơn nó đặt ra vấn đề kỹ thuật OPC có thể bù tán
sắc vận tốc nhóm GVD cho chiều dài lên đến hàng ngàn km sợi quang mà được dùng các
bộ khuếch đại bù suy hao được hay không. Trong 1 thử nghiệm mô phỏng, tín hiệu tốc độ
10 Gb/s có thể truyền trên 6000 km trong khi chỉ sử dụng công suất trung bình dưới mức 3
mW để giảm hiệu ứng phi tuyến sợi quang. Trong 1 nghiên cứu khác cho thấy bộ khuếch
đại đóng 1 vai trò quan trọng. Với khoảng cách truyền trên 9000 km có thể thực hiện được bằng cách giữ các bộ khuếch đại cho mỗi đoạn 40 km. Sự lựa chọn bước sóng hoạt động ,

đặc biệt là bước sóng tán sắc không có ý nghĩa then chốt. Trong vùng tán sắc dị thường ^²

<0, Công suất của tín hiệu biến đổi tuần hoàn dọc chiều dài sợi quang . Điều này có thể
dẫn tới việc tạo ra các (dải biên) sideband do hiện tượng bất ổn điều chế
_{Tính không ổn định này có thể được tránh nếu thông số tán sắc tương đối lớn}

_{(D>10 ps/(km-nm)). Đây là trường hợp đối với sợi quang chuẩn bước sóng gần 1.55}

^^m_.

Hiển nhiên rằng khoảng cách truyền tối đa luôn là vấn đề quan trọng đối với nhiều hãng sản xuất, như kỹ thuật trộn 4 bước sóng FWM, khoảng cách dùng bộ khuếch đại có thể giảm xuống dưới 3000 km.

Sử dụng kỹ thuật OPC cho hệ thống quang đường dài (long haul lightwave system)
đòi hỏi sử dụng các bộ khuếch đại quang và bộ pha kết hợp. 2 phần tử quang này có thể ghép lại thành 1 bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại tham số (parametric amplifiers) - Mạch khuếch đại thường dùng linh kiện diod biến đổi điện dung, trong đó điện dung thay

đổi theo chu kì của tín hiệu, nó không chỉ tạo ra tín hiệu pha kết hợp trong suốt tiến trình

FWM mà còn khuếch đại tín hiệu. Phân tích cho hệ thống quang đường dài cho thấy tín hiệu vào (20 đến 30 ps) có thể truyền dọc chiều dài lên đến hàng ngàn km sợi quang mặc

dù tán sắc vận tốc nhóm GVD cao. Tổng khoảng cách truyền có thể vượt quá 15.000 km

2
cho sợi quang tán sắc thay đổi. với

___₂_p_s²_/_k_m_g_ần_v_ới_bư_ớc_sóng_1,55^^m_._K_ỹ_th_u_ật

pha kết hợp không được sử dụng trong thực tế khi các bộ khuếch đại tham số chưa thông dụng trong thương mại. Phần kế tiếp tập trung vào kỹ thuật thông dụng sử dụng để điều khiển tán sắc trong hệ thống quang đường dài.

tải về 1.02 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn:

1 2 3 4 5 6