Chuyên đề Kỹ thuật điều khiển tán sắc

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. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 22 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 [ ]1( ) 1 exp( ) 2MZ H iω ωτ= + (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. 6. CÁCH TỬ SỢI QUANG BRAGG (Fiber Bragg Gratings) Cách tử Bragg hoạt động như 1 bộ lọc quang ,dựa trên hiện tượng băng chặn (stopband), vùng tần số mà hầu hết tất cả những ánh sáng tới bị phản xạ lại. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 23 2 2 , 0 ng B B ππ πδ κλ λ λ Γ= − = Băng chặn này được tập trung chủ yếu tại bước sóng Bragg Với là chu kỳ cách tử, n là chiết suất trung bình. Sóng truyền hướng tới và hướng về có bước sóng gần với bước sóng Bragg và kết quả là tạo ra 1 hệ số phản xạ độc lập tần số cho tia tới trên toàn băng thông Thực chất cách tử quang sợi hoạt động như 1 bộ lọc phản xạ, đã được sử dụng để bù tán sắc và được đề xuất thực hiện từ thập niên 80. 6.1 Chu kỳ cách tử đồng nhất (Uniform-Period Gratings) Xét 1 cách tử đơn giản nhất khi n là 1 hàm biến đổi tuần hoàn ( ) cos(2 / )gn z n n zπ= + ∧ Với gn là độ sâu điều chế. Cách tử Bragg được phân tích dựa trên việc sử dụng phương trình lưỡng mode (coupled-mode equations) mà nó mô tả sóng truyền hướng tới và sóng truyền hướng về /dA dz i A i Af f bδ κ= + (6.1) /b b fdA dz i A i Aδ κ−= − (6.2) Với fA và bA là biên độ phổ của 2 sóng và : (6.3) κ là hệ số kết hợp Phương trình kết hợp có thể được giải dựa trên bản chất tuyến tính. Hàm truyền đạt của cách tử: (6.4) Hình 6.1 : Độ lớn(a) và pha(b) của hệ số phản xạ cách tử sợi quang đồng nhất với gLκ =2 và gLκ =3 Với gL là độ dài cách tử. 2 2 2q δ κ= − Hình 6.1 trên cho thấy độ lớn và pha của hệ số phản xạ tương ứng với gLκ =2 và gLκ =3. Hệ số phản xạ cách tử gần đạt 100% khi gLκ =3 ∧ 2B nλ = ∧ )sin((0)( ) ( ) (0) gb f B i qLAH w r w A κ λ= = = Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 24 B qβ β= ± Tuy nhiên khi pha gần như trong vùng tuyến tính, cách tử làm cho sự tán sắc chỉ tồn tại bên ngoài stop band (băng chặn) Lưu ý rằng hằng số lan truyền Thông số tán sắc của cách tử quang sợi được cho bởi: (6.5) Với gv là vận tốc nhóm( Group velocity) của xung, tần số sóng mang Hình 6.2: Tán sắc vận tốc nhóm GVD . Mô tả hàm 2 gβ theo thông số δ tương ứng với các giá trị của hệ số κ trong khoảng 1-10 Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) của cách tử tùy thuộc vào thông sốδ GVD bất thường ở tần số cao hoặc vùng “blue” của băng chặn (stop band) khi δ là tuyệt đối và tần số sóng mang vượt quá tần số Bragg. Ngược lại GVD trở lại bình thường ( 2 gβ >0) ở vùng tần số thấp hoặc vùng “red” của băng chặn. Vùng “red” này có thể dùng để “bù” cho vùng bất thường của GVD của sợi quang tiêu chuẩn. Vì 2 gβ có thể vượt quá 1000 . Một cách tử đơn dài 2 cm có thể được dùng để bù GVD cho sợi quang dài 100km. Tuy nhiên tán sắc bậc 3 của cách tử bị suy hao và biến đổi nhanh . Dùng cách tử sợi quang đồng nhất để bù tán sắc. Vấn đề có thể giải quyết bằng cách sử dụng kỹ thuật làm mịn (apodization) tại nơi chiết suất không đồng nhất của cách tử. Kết quả là z phụ thuộc vào κ . Trong thực tế kỹ thuật làm mịn apodization xảy ra 1 cách tự nhiên khi mà tia Gaussian sử dụng cho 2 /p s cm 2 2 2 3 2 32 2 3/ 2 2 2 5/ 2 sgn( ) / 3 / , ( ) ( ) g gg gv vδ κ δ κβ βδ κ δ κ= − =− − 0 02 /w π λ= Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 25 phép chụp ảnh giao thoa. (khi dùng chùm tia cực tím phân bố Gauss để ghi ảnh cách tử. Với các cách tử như trên, hệ số κ lớn nhất ở giữa sợi và giảm dần về 2 đầu của sợi. Phương pháp chế tạo cách tử tốt hơn là làm cho hệ số k thay đổi tuyến tính dọc theo toàn chiều dài cách tử sợi quang.) Một cuộc thí nghiệm vào 1996 cho thấy 1 cách tử dài 11cm có thể bù tán sắc đạt được tốc độ 10Gb/s của tín hiệu truyền trên chiều dài sợi quang 100km. Hệ số κ (z) thay đổi từ 0-6 trên chiều dài cách tử. Hình 6.3: Tín hiệu phát (đường liền nét) và trễ( đường chấm) , hàm của bước sóng cho cách tử đồng nhất κ (z) thay đổi từ 0-6 trên chiều dài cách tử 11cm Đặc tính truyền dẫn của cách tử được tính toán bằng cách giải phương trình lưỡng mode bằng phương pháp số học. Đường cong liền nét chỉ ra mối liên hệ giữa trễ nhóm với đạo hàm của pha trong phương trình [ ] 20 1 21( ) ( ) exp ( ) ( ) exp ( )2H H i H iω ω φ ω ω φ φω φ ω⎡ ⎤= ≈ + +⎢ ⎥⎣ ⎦ . Trong vùng bước sóng 0.1nm gần với bước sóng 1544.2nm, trễ nhóm biến đổi gần như tuyến tính tại tỉ số 2000 ps/nm. Điều này chỉ ra rằng cách tử có thể bù tán sắc cho GVD trên 100 km sợi quang chuẩn . Thực vậy, cách tử bù tán sắc GVD trên 100km chiều dài sợi quang với tốc độ tín hiệu 10Gb/s chỉ suy giảm 2% công suất và đạt được tỉ lệ lỗi bit BER = . Nơi không có cách tử sẽ có độ suy hao rất lớn. Sử dụng cách tử để bù tán sắc khi bước sóng tín hiệu trong phạm vi vùng stop band và bước sóng cách tử như 1 bộ lọc phản xạ. Số lượng trạng thái của phương trình cho chu kỳ 1cm − 1cm − 910− Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 26 cách tử đồng nhất khi κ (z) biến đổi tuyến tính từ 0 đến 12 trên 12 cm chiều dài. Điều này chỉ ra rằng tốc độ trễ nhóm, tập trung ở bước sóng Bragg , có thể được sử dụng cho bù tán sắc nếu bước sóng của tín hiệu tới trong vùng trung tâm của stop band để phổ tín hiệu biến đổi tuyến tính. 1 cách tử dài 8.1 cm có khả năng bù tán sắc GVD trên chiều dài 257 km sợi quang chuẩn với tốc độ 10 Gb/s. Mặc dù cách tử đồng nhất được sử dụng cho bù tán sắc nhưng nó chịu đựng được vùng hẹp của stop band (nhưng vùng băng chặn của chúng là tương đối hẹp (tiêu chuẩn<0.1nm) và do vậy, không thể sử dụng tại tốc độ bit cao. 6.2 Chirped Fiber Gratings: (Cách tử sợi quang Chirped) Cách tử Chirped có vùng băng chặn tương đối rộng (broad stop band) và được đề xuất để bù tán sắc vào khoảng đầu năm 1987 Chu kỳ quang n ∧ trong cách tử chirped không phải là hằng số và thay đổi theo chiều dài của cách tử. Bước sóng Bragg cũng biến đổi suốt chiều dài của cách tử, những thành phần tần số khác của tia tới được phản xạ tại những điểm khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện Bragg được thỏa mãn. Điều quan trọng là, vùng băng chặn của cách tử quang chirped được chồng chập từ nhiều băng chặn con (mini stop band) , trong đó mỗi băng chặn con tạo ra sự một sự thay đổi bước sóng Bragg dọc theo cách tử (giống như bước sóng của cách tử Bragg) . Kết quả là stop band có thể rộng đến vài nm. Trong hình 6.4 ta thấy ở thành phần tần số thấp thì xung sẽ bị trễ bởi vì chu kỳ quang sẽ tăng lên. Theo hình vẽ, thông số tán sắc Dg của một cách tử chiều dài Lg có thể được xác định bằng cách sử dụng quan hệ R g gT D L λ= ∆ với RT là chu kỳ cách tử và λ∆ khác với bước sóng Bragg tại 2 điểm cuối của cách tử. Do 2 /R gT nL c= nên tán sắc cách tử được cho bởi: 2 / ( )gD n c λ= ∆ Ví dụ: gD ~5x ps/(km-nm) cho 1 cách tử có băng thông λ∆ =0.2nm Bởi vì giá trị của gD lớn, cách tử chirped dài 10 cm có thể bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ở chiều dài lên đến 300km (sợi quang chuẩn) 1cm − 710 Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 27 Hình 6.4 Cách tử quang Chirped dùng bù tán sắc a/ chiết suất n(z) theo chiều dài cách tử b/ hệ số phản xạ ở tần số thấp và cao tại những vùng khác nhau trong cách tử Để thực hiện cách tử chirped có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau. Điều quan trọng là chu kỳ quang nΛ thay đổi dọc theo cách tử ( trục z), và do đó sự thay đổi có thể là Λ hoặc chiết suất n theo z. Một số kỹ thuật được đề cập: Dual-beam holographic.Double-exposure technique, Phase- mask technique. Ứng dụng của cách tử quang Chirped vào việc bù tán sắc đã được chứng minh trong thập niên 90 với nhiều thí nghiệm truyền tín hiệu. Hình 6.5: Hệ số phản xạ và thời gian trễ trong cách tử quang Chirped tuyến tính với băng thông 0.12nm Năm 1994 Bù tán sắc GVD cho chiều dài 160 km và tốc độ 10-20Gb/s Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 28 Năm 1995 cách tử chirped dài 12 cm dùng để bù tán sắc cho GVD chiều dài270 km Tốc độ 10Gb/s. Sau đó khoảng cách truyền tăng lên 400 km chỉ sử dụng cách tử chirped dài 10cm. Điều này có 1 sự cách biệt so với khoảng cách 20km khi không dùng cách tử bù tán sắc. Trong hình 6.5 chỉ ra hệ số phản xạ và trễ nhóm (quan hệ với đạo hàm của pha ) theo 1 hàm của bước sóng cho cách tử 10cm với λ∆ =0.12nm , tốc độ 10 Gb/s Tín hiệu được bù trong vùng băng chặn của cách tử. Chu kỳ cách tử Λ thay đổi chỉ 0.008% trên suốt chiều dài của nó Sự bù tán sắc hoàn toàn xảy ra trong vùng phổ mà đạo hàm pha là tuyến tính. Độ dốc của trễ nhóm( khoảng 5000 ps/nm) là 1 đại lượng bù tán sắc của cách tử. Có thể bù tán sắc GVD cho 400 km với tốc độ 10Gb/s. Cách tử chu kỳ giảm dần cần được làm mịn theo cách các hệ số ghép tạo đỉnh ở khoảng giữa cách tử nhưng giảm dần về cuối. Quá trình làm mịn là cần thiết để loại bỏ các gợn sóng xảy ra trong cách tử có hệ số κ . Cách tử gD bị giới hạn bới băng thông λ∆ mà bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD) yêu cầu với tốc độ bit B. Hơn nữa khi khoảng cách truyền tăng tại cùng 1 tốc độ bit thì băng thông tín hiệu giảm và kỹ thuật prechirp được sử dụng tại đầu phát. Trong 1 thử nghiệm hệ thống vào 1996 cho thấy kỹ thuật prechirp của tín hiệu quang 10Gb/s được kết hợp với 2 cách tử quang chirped, ghép nối tiếp để tăng khoảng cách truyền lên đến 537 km. Kỹ thuật thu hẹp băng thông cũng được kết hợp với cách tử. Mô hình mã hóa nhị phân đôi (duobinary) thu hẹp băng thông đến 50%. Trong 1 thí nghiệm 1996. khoảng cách truyền ở tốc đôGb/s được mở rộng đến 700 km bằng cách sử dụng cách tử chirped kết hợp với mô hình mã nhị phân đôi pha luân phiên ( phase-alternating duobinary ). Băng thông cách tử bị thu hẹp xuống 0.073 nm, quá hẹp ở tốc độ tín hiệu 10 Gb/s nhưng đủ rộng cho tín hiệu nhị phân đôi băng thông hẹp. Hạn chế chính của cách tử sợi quang chu kỳ thay đổi là chúng hoạt động giống như một bộ lọc phản xạ (hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ các tia sóng). Một bộ ghép quang 3-dB thường được sử dụng để cách ly giữa sóng phản xạ và sóng tới. Tuy nhiên, phải mất 6-dB cho các suy hao xen (nghĩa là các suy hao xen trong bộ ghép quang 3-dB). Thường trong thực tế người ta dùng bộ cách ly quang vòng (circulator) do nó có thể giảm suy hao xen xuống dưới mức 2dB. /d dwφ /d dwφ Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 29 Vài kỹ thuật khác cũng được sử dụng. 2 hoặc nhiều hơn cách tử quang có thể kết hợp với bộ lọc phát để bù tán sắc với mức suy hao tương đối thấp. Hai hoặc nhiều hơn cách tử quang có thể được kết hợp với nhau tạo thành một bộ lọc phát để được biến đổi thành 1 bộ lọc phát bằng cách tạo ra dịch pha giữa cách tử Cách tử Moier được tạo thành bằng cách đặt chồng 2 cách tử chirped trên cùng 1 đoạn của sợi quang, do đó nó cũng sẽ đạt giá trị đỉnh trong vùng băng chặn của nó. Băng thông của bộ lọc phát này thì tương đối hẹp. Hình 6.6: Sơ đồ bù tán sắc bằng cách dùng 2 bộ lọc phát fiber –base transmission filter 6.3 Bộ ghép mode Chirped (chirped mode couplers) Phần này tập trung vào 2 linh kiện quang hoạt động như một bộ lọc phù hợp cho việc bù tán sắc. Một bộ ghép mode chu kỳ thay đổi là một linh kiện toàn quang được thiết kế dựa trên nguyên lý ghép cộng hưởng phân bố chu kỳ thay đổi. Ý tưởng phía sau bộ ghép cộng hưởng phân bố chu kỳ thay đổi thật đơn giản. Khác với cách ghép các sóng tới và sóng phản xạ trong cùng một mode (như trong cách làm của cách tử sợi quang), cách tử chu kỳ thay đổi ghép hai mode sóng trong cùng một sợi quang hai mode. Linh kiện này tương tự như bộ đổi mode sóng đã đề cập trong mục 4 liên quan đến sợi DCF (sợi bù tán sắc) ngoại trừ chu kỳ cách tử biến đổi tuyến tính dọc theo chiều dài sợi quang. Tín hiệu được chuyển từ mode cơ sở sang mode bậc cao hơn bởi cách tử, nhưng các thành phần tần số khác nhau sẽ di chuyển với các quãng đường khác nhau trước khi được chuyển đổi mode nhờ vào đặc tính chu kỳ thay đổi của cách tử và điều đó dẫn đến việc ghép hai mode sóng lại với nhau (ie. để trở thành mode cao hơn). Nếu chu kỳ cách tử tăng dần dọc theo chiều dài của bộ ghép, bộ ghép có thể bù được GVD (tán sắc vận tốc nhóm). Tín hiệu vẫn lan truyền theo hướng tới cho đến khi được chuyển sang mode cao Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 30 hơn của bộ ghép. Một bộ chuyển đổi mode cách tử chu kỳ đều được dùng để chuyển tín hiệu trở lại mode cơ sở. Cách làm khác cho cùng ý tưởng trên là ghép các mode cơ sở của sợi quang hai lõi với hai lõi này là khác nhau. Nếu hai lõi là đủ gần (về khoảng cách), sóng suy biến giữa các mode sóng sẽ dẫn đến việc chuyển năng lượng từ lõi này sang lõi kia, tương tự như bộ ghép có hướng. Khi khoảng cách giữa hai lõi giảm tuyến tính, sự chuyển năng lượng xảy ra tại nhiều điểm khác nhau dọc theo sợi quang, phụ thuộc vào tần số của tín hiệu lan truyền. Do vậy, một sợi quang 2 lõi với khoảng cách của các lõi giảm tuyến tính có thể bù được GVD. Linh kiện dựa trên nguyên lý này giữ tín hiệu lan truyền theo hướng tới, mặc dù về mặt vật lý có sự chuyển năng lượng sang lõi kế cận. Cách thiết kế này có thể được tích hợp vào cùng một linh kiện bằng cách dùng các ống dẫn sóng bán dẫn do các siêu mode (supermode) sinh ra từ việc ghép hai ống dẫn sóng có thể điều chỉnh được một lượng lớn GVD. 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 22 1( , ) (0, ) exp( ) 2 2 iA z t A w zw iwt dwβπ ∞ ∞ = −∫  (7.1.1) Thu được: * 2 * 3 * 32 2 3 02 6 iA A A z t t ββ∂ ∂ ∂− − =∂ ∂ ∂ (7.1.2) So sánh pt (7.1.1) và (7.1.2) cho thấy vùng pha kết hợp A* lan truyền với hệ số truyền 2β 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 3β 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 Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 31 2 3320 1( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 3 ww n w w w w c βββ β β= ≈ + ∆ + ∆ + ∆ (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 22 1( , ) (0, ) exp 2 2 iA z t A z i t dω β ω ω ωπ +∞ −∞ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠∫  (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: * * 22 1( , ) ( , ) exp( ) 2 2 4 L iA L t A w Lw iwt dwβπ ∞ −∞ = −∫  (7.1.5) Với A* (L/2,ω) là biến đổi Fourier của A* ( L/2,t) và được tính bởi: * * 2 2( / 2, ) (0, ) exp( / 4)A L w A w iw Lβ= − −  (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 Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 32 2 22 22 2 iA A i A A A z t β αγ∂ ∂+ = −∂ ∂ (7.2.1) Với thành phần 3β bị 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: ( , ) ( , )exp( / 2)A z t B z t zα= − (7.2.2) Phương trình. (7.2.1) có thể viết lại 2 22 2 ( )2 iB B i z B B z t β γ∂ ∂+ =∂ ∂ (7.2.3) Với ( ) exp( )z zγ γ α= − . 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 zγ γ= − 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 zγ γ= − 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 quang giảm tán sắc (dispersion decreasing fibers) cho 2β giảm trên chiều dài sợi quang. Để xem một mô hình đựơc thực hiện như thế nào, giả thiết rằng 2β ở phương trình (7.2.3) là một hàm của z Bằng cách biến đổi: Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 33 0 ( ) z z dzζ γ= ∫ 2c p sk k k= − ( ) /j j ck n w w c= Z Dλ (7.2.4) Pt (7.2.3) có thể viết lại 2 2 2( )2 B i Bb i B B t ζζ ∂ ∂+ =∂ ∂ (7.2.5) Với 2( ) ( ) / ( )b ζ β ζ γ ζ= Cả GVD và SPM đều đựơc bù nếu ( ) ( )Lb bζ ζ ζ= − , Lζ là giá trị của ζ khi z=L. Điều kiều này được thoả mãn tự động thì sự giảm tán sắc giống như ( )zγ , để 2 ( ) ( )β ζ γ ζ= và ( ) 1b ζ = . Vì suy hao quang làm ( )zγ giảm theo hàm mũ exp( )zα− cả GVD và SPM có thể bù chính xác ở các sợi quang giảm tán sắc mà có GVD giảm theo hàm mũ exp( )zα− 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 sw một lượng nhỏ (~0.5THz) . Sợi quang phi tuyến tạo ra tín hiệu liên hợp pha quang tại tần số . Miễn là thỏa mãn điều kiện phù hợp pha. Với là số lượng xung quang tại tần số wj Điều kiện phù hợp góc pha thỏa mãn nếu bước sóng tán sắc không của sợi quang được chọn (trùng với bước sóng bơm) đồng thời với bước sóng bơm. 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. 2c p sw w w= + Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 34 2 3 2 32 p c c L L β δ β β δ β += + c c sw wδ = − 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 thực tế. Trước hết vì bước sóng tín hiệu thay đổi từ sw thành 2c p sw w w= − tại bộ tạo pha liên hợp. Thông số tán sắc vận tốc nhóm GVD 2β 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 pL có thể được xác định bằng cách sử dụng điều kiện Với L là tổng chiều dài . Khai triển 2 ( )cwβ thành chuổi Taylor tại tần số ,s pw L thì tìm được: (7.3) Với 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