BÁO CÁO THỰC TẬP-ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
oOo



ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THÔNG TIN QUANG NÂNG CAO

HỆ CAO HỌC
NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CHUYÊN ĐỀ



ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC



GVHD: TS. Lê Quốc Cường
HVTH: Nguyễn Trần Anh Tuấn
Phạm Minh Tú

Lớp: CH09ĐT2









TP.HỒ CHÍ MINH, NĂM 2010




HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
oOo

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THÔNG TIN QUANG NÂNG CAO

HỆ CAO HỌC
NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG


CHUYÊN ĐỀ


ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC



GV hướng dẫn: TS. Lê Quốc Cường
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trần Anh Tuấn
Phạm Minh Tú

Lớp: CH09ĐT2

TP.HỒ CHÍ MINH, NĂM 2010
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 1

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ 2
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3
ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC 6
1. CẦN THIẾT PHẢI ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC 6
2. MÔ HÌNH BÙ TRƯỚC (PRECOMPENSATION) 9
2.1 Kỹ thuật Prechirp 9
2.2 Kỹ thuật mã hóa Novel: 12
2.3 Kỹ thuật Prechirp phi tuyến: 14
3. KỸ THUẬT BÙ SAU 16
4. SỢI QUANG BÙ TÁN SẮC 17
5. BỘ LỌC QUANG 19
6. CÁCH TỬ SỢI QUANG BRAGG (Fiber Bragg Gratings) 22
6.1 Chu kỳ cách tử đồng nhất (Uniform-Period Gratings) 23
6.2 Chirped Fiber Gratings: (Cách tử sợi quang Chirped) 26
6.3 Bộ ghép mode Chirped (chirped mode couplers) 29
7. LIÊN HỢP PHA QUANG OPC 30
7.1 Nguyên lý hoạt động: 30
7.2 Bù tán sắc bằng tự điều chế pha (Compensation of Self-Phase Modulation ) 31
7.3 Tín hiệu liên hợp pha (Phase-conjugated Signal): 33
8. HỆ THỐNG QUANG ĐƯỜNG DÀI: 37
8.1 Lý thuyết cơ sở: 39
8.2 Hiệu ứng tương tác phi tuyến đồng kênh (Intrachannel Nonlinear Effects): 41
9. HỆ THỐNG QUANG DUNG LƯỢNG CAO 43

9.1 Bù tán sắc băng rộng : 43
9.2 Bù tán sắc điều khiển được (Tunable Dispersion Compensation) 46
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 2

9.3 Điều khiển tán sắc bằng thành phần tán sắc bậc cao : 48
9.4 Bù tán sắc phân cực mode PMD 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Đồ thị quan hệ tốc độ truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng
phổ của nguồn đi-ốt phát quang bằng 0, 1 và 5 nm 7

Hình 2.1: Đồ thị mô tả độ giãn rộng xung theo khoảng cách truyền với xung đầu vào là
xung chirp Gauss trong trường hợp β2>0 10
Hình 2.2: Mô hình kỹ thuật prechirp dùng để bù tán sắc 11
Hình 2.3: Bù tán sắc sử dụng mã hóa FSK 12
Hình 2.4: Đồ thị cường độ sáng theo thời gian tín hiệu 16 Gbps khoảng cách truyền 70km
sử dụng sợi quang tiêu chuẩn có và không có sử dụng kỹ thuật nén tán sắc 14
Hình 2.5: đồ thị quan hệ giữa khoảng cách truyền bị giới hạn do tán sắc GVD và mức
công suất truyền trung bình 15
Hình 4.1: Mô hình sợi DCF hai mode sử dụng cách tử chu kỳ dài 19
Hình 5.1: Mô hình kết hợp giữa bộ lọc quang và khuyếch đại quang. 20
Hình 5.2 : Mô hình bộ lọc quang sử dụng giao thoa Mach-Zehnder. 21
Hình 6.1 : Độ lớn(a) và pha(b) của hệ số phản xạ cách tử sợi quang đồng nhất với
g
L
κ

=2 và

g
L
κ
=3 23
Hình 6.2: Tán sắc vận tốc nhóm GVD . Mô tả hàm
2
g
β
theo thông số
δ
tương ứng với
các giá trị của hệ số
κ
trong khoảng 1-10 24
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 25
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 27
Hình 6.5: Hệ số phản xạ và thời gian trễ trong cách tử quang Chirped tuyến tính 27
1
cm
−
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 3

với băng thông 0.12nm 27
Hình 6.6: Sơ đồ bù tán sắc bằng cách dùng 2 bộ lọc phát fiber –base transmission filter . 29
Hình 7.1: Thí nghiệm bù tán sắc trong đảo khoảng giữa phổ trên 21 km chiều dài sợi

quang 34
Hình 8.1: Vòng lặp quang dùng để phát tín hiệu ở tốc độ 10 Gb/s trên khoảng cách
10.000 km sợi quang chuẩn sử dụng SCF. 37
Hình 9.1 : Mô hình ghép tầng cách tử để bù tán sắc trong hệ thống WDM 44
Hình 9.2 : Phổ phản xạ và đồ thị tán sắc theo điện áp đốt của phương pháp gradient nhiệt
47
Hình 9.3 : Dạng xung ngõ ra khi truyền với khoảng cách 300km khi không 49
và có dùng sợi dịch tán sắc 49
Hình 9.4: Mô hình bù tán sắc PMD quang và điện 51
Hình 9.5: Bù tán sắc điều chỉnh được sử dụng cách tử quang chirp khúc xạ kép 52
Hình 9.6: Đồ thị quan hệ giữa hệ số mở rộng xung và giá trị DGD trung bình. 53
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát khuếch đại
ADM Add Drop Multiplexer Thiết bị xen rẽ
BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bít
CW Continuous Wave Sóng liên tục
DBR Distributed Bragg Reflector Phản xạ phân bố Bragg
DCF Dispersion-Compensating Fiber Sợi quang bù tán sắc
DDF Dispersion-Decreasing Fiber Sợi quang giảm tán sắc
DGP Differential Group Delay Trễ nhóm
DM Dispersion-managed Quản lý tán sắc
DWDM Dense Wavelength-Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
bước sóng mật độ cao
EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại quang pha
trộ
n Erbium
FM Frequency Modulation Điều chế tần số
FP Fabry–Perot Một loại khoang cộng

hưởng
FRASL Fiber Raman Soliton Laser Laser quang Raman Soliton
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 4

FWHM Full-Width at Half-Maximum Độ rộng tại nửa cực đại
FWM Four-Wave Mixing Trộn 4 bước sóng
GVD Group-Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm
LED Light Emitted Diode Nguồn phát dạng LED
MZ Mach–Zehnder Một loại bộ lọc
NTE Network Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối mạng
NLS Nonlinear Schr¨odinger Schrodinger phi tuyến
NOLM Nonlinear Optical-Loop Mirror Gương quang vòng phi
tuyến
NRZ Nonreturn to Zero Mã NRZ
NSE Nonlinear Schr¨odinger Equation Phương trình Schrodinger
NSDSF Nonzero-Dispersion-Shifted Fiber Sợ
i quang dịch tán sắc
OA Optical Amplifier Khuếch đại quang
OAT Optically amplified transmitter Bộ phát khuếch đại quang
OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ rẽ bước sóng quang
OBA Optical Booster Amplifier Bộ khuếch đại đệm quang
OAR Optically amplified receiver Bộ thu khuếch đại quang
OC Optical Channel Kênh quang
ODM Optical Demultiplexer Tách bước sóng quang
OF Optical Fiber Sợi quang
OFC Optical Fiber Cable Cáp sợi quang
OM Optical Multiplexer Ghép bước sóng quang
OMUX Optical MUX Bộ ghép kênh quang
OPA Optical Preamplifier Bộ tiền khuếch đại quang

OPU Optical Preamplification Unit Khối tiền khuếch đại quang
ORX Optical Receiver Bộ thu quang
OSC Optical Transmission Section Kênh giám sát quang
OTX Optical Transmitter Bộ phát quang
PIM Polarization-Interleaved multiplexing Ghép xen kênh phân cự
c
PMD Polarization-Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode
RZ Return to Zero Mã RZ
SAGCM Separate Absorption, Grading,
Charge, and Multiplication
Sự hấp thụ, pha trộn, phí tổn
và khuếch đại riêng biệt
SNR Signal-To-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán
dẫn
SPM Self-Phase Modulation Tự điều chế pha
SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman
SSFS Soliton Self-frequency Shift Dịch tần số Soliton
TOD Third-Order Dispersion Tán sắc bậc 3
TW Traveling Wave Sóng Traveling
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 5

WDM Wavelength-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo
bước sóng
WADM Wavelength Division Multiplexing
Access
Mạng sử dụng kỹ thuật đa
truy nhập ghép kênh theo
bước sóng

XPM Cross-Phase Modulation Điều chế xuyên pha



















Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 6


ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC


Suy hao quang không còn là giới hạn lớn nhất trong các hệ thống thông tin quang, thay
vào đó trong các hệ thống thông tin quang hiện đại giới hạn thường gặp nhất là do tán sắc
và các hiệu ứng phi tuyến gây nên. Suy hao quang được giải quyết một cách dễ dàng bằng

các bộ khuyếch đại quang tuy nhiên đi kèm với nó lại làm gia tăng tán sắc, trái ngược với
các bộ tái tạo (Regenerator) điện tử, một bộ khuyếch đại quang không khôi phục lại tín
hiệu được khuyếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu. Kết quả là, tán sắc tích lũy qua các bộ
khuyếch đại làm giảm khả năng truyền tín hiệu. Chính vì lý do này, 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 các hệ thống thông tin quang. Trong bài báo cáo này sẽ giới thiệu một số kỹ thuật
đặc biệt dựa vào lý tính của hiện tượng truyền dẫn quang để cải thiện tán sắc trong thực tế.
Ở mục 1 giải thích sự cần thiết phải điều khiển tán sắc. Mục 2 và 3 dành toàn bộ cho các
phương thức được dùng ở đầu phát và đầu thu để điều khiển tán sắc. Ở mục 1.4 đến mục
1.6 giới thiệu phương pháp sử dụng các phần tử quang tán sắc cao trên đường cáp quang.
Kỹ thuật sử dụng tín hiệu quang pha kết hợp hay còn được gọi là kỹ thuật đảo khoảng giữa
phổ (midspan spectral inversion) sẽ được giới thiệu ở mục 7. Mục 8 giới thiệu về điều
khiển tán sắc trong các hệ thống đường dài. Mục 9 tập trung vào các hệ thống dung lượng
cao như các hệ thống băng rộng. Kỹ thuật bù tán sắc phân cực mốt (PMD) cũng sẽ được
đề cập trong m
ục này.
1. CẦN THIẾT PHẢI ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC
Tán sắc làm giãn bề rộng xung ánh sáng truyền trong sợi quang làm giới hạn hoạt động
của hệ thống truyền dẫn quang. Như ta đã biết hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) có
thể được tối thiểu hóa bằng la-de có độ rộng phổ hẹp (xem hình 1.1 quan hệ giữa tốc độ
truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng phổ của nguồn đi-ốt phát quang
bằng 0, 1 nm và 5 nm) và không bị tán sắc ở bước sóng tán sắc không λ
ZD
. Tuy nhiên,
trong thực tế, hệ thống truyền dẫn quang thường hoạt động ở bước sóng λ khác với bước
sóng tán sắc không λ
ZD
. Một ví dụ trong thực tế là hệ thống thông tin quang trên bộ hoạt
động ở bước sóng 1,55 µm sử dụng la-de phát DFB, các hệ thống này sử dụng cáp sợi
Kỹ thuật điều khiển tán sắc

Trang 7

quang đơn mốt “tiêu chuẩn” với bước sóng tán sắc không λ
ZD
là 1,31 µm hệ thống này
được xây dựng trong suốt thập niên 1980 ở Hoa Kỳ và có chiều dài khoảng 50 triệu km.
Do có tán sắc   16 /   tại vùng bước sóng 1,55 µm, nên tán sắc GVD hạn
chế hoạt động của hệ thống ở tốc độ 2Gbps.

Hình 1.1: Đồ thị quan hệ tốc độ truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng
phổ của nguồn đi-ốt phát quang bằng 0, 1 và 5 nm
Đối với la-de phát DFB điều chế trực tiếp, chúng ta có thể sử dụng phương trình 1.1 để
ước lượng khoảng cách truyền tối đa
1
(4 )
L
BDs
λ
−
<
(0.1)
Với
s
λ
là giá trị căn trung bình bình phương (RMS) bề rộng của phổ xung bị mở rộng do
tần số chirp (sự thay đổi tần số theo thời gian). Hế thống có hệ số tán sắc D=16 ps/(km-
nm) và
s
λ
= 0,15nm hoạt động ở tốc độ B = 2,5 Gbps theo công thức 1.1 ta có thể tính ra

được L 42 km. Vì thế, đối với các hệ thống sử dụng thiết bị tái tạo tín hiệu bằng điện tử,
khoảng cách giữa các bộ tái tạo tín hiệu vào khoảng 40km. Hơn nữa việc sử dụng các bộ
tái tạo tín hiệu làm hạn chế khả năng tăng tốc độ truyền dẫn của hệ th
ống, bởi nếu muốn
tăng tốc độ truyền phải thu nhỏ khoảng cách giữa các bộ tái tạo tín hiệu dẫn đến chi phí
đầu tư sẽ tăng cao.
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 8

Hoạt động của hệ thống có thể được cải thiện đáng kể bằng việc sử dụng một bộ điều chế
ngoài để tránh được việc mở rộng phổ do tần số chirp. Lựa chọn này đã được ứng dụng
vào thực tế bằng các bộ phát sử dụng la-de DFB với bộ điều chế ngoài tích hợp. Trong
trường hợp
s
λ
=0, khoảng cách truyền giới hạn theo công thức
21
2
(16 )LB
β
−
<
(0.2)
Với β
2
là hệ số tán sắc vận tốc nhóm GVD. Nếu ta sử dụng giá trị thông dụng của hệ số
tán sắc vận tốc nhóm GVD β
2
= -20ps
2

/km ở bước sóng 1,55 µm, áp dụng công thức 1.2 ta
tính được khoảng cách truyền L<500 km ở tốc độ 2,5 Gbps. Ta thấy việc sử dụng la-de
DFB cải thiện rất nhiều khoảng cách truyền của hệ thống, tuy nhiên khoảng cách do giới
hạn tán sắc này vẫn chưa tương ứng với khoảng cách các bộ khuyếch đại trên đường dây
(in-line) thường được dùng để bù suy hao. Hơn nữa, nếu tăng tốc độ truyền dữ liệu lên 10
Gbps, tán sắc vận tốc nhóm GVD sẽ làm giới hạn khoảng cách truyền xuống còn 30 km.
Dựa vào biểu thức 1.2 mô tả mối quan hệ giữa giới hạn khoảng cách truyền và tán sắc vận
tốc nhóm GVD ở sợi đơn mốt tiêu chuẩn, ta có thể dễ dàng tính ra được giới hạn khoảng
cách của hệ thống hoạt động ở bước sóng 1,55 µm tốc độ 10 Gbps hoặc cao hơn.
Nhiều mô hình điều khiển tán sắc được nghiên cứu để tìm cách để giải quyết vấn đề thực
tiễn về khoảng cách truyền nêu trên. Ý tưởng cơ bản của tất cả các mô hình được xây
dựng dựa trên phương trình truyền xung
23
3
2
23
0
26
iAAA
zt t
β
β
∂∂ ∂
+
−=
∂∂∂
(0.3)
Với A là biên độ hình bao của xung, tác động của thành phần tác sắc khác tán sắc vận tốc
nhóm GVD được mô tả qua thông số β
3

. Trong thực tế giá trị
2
β
thường được giới hạn
không quá 0,1 ps
2
/km. Phương trình 1.3 được giải ra trong trường hợp β
3
=0 là
2
2
1
(,) (0, )exp
22
i
Azt A z i td
ω
βω ω ω
π
+∞
−∞
⎛⎞
=−
⎜⎟
⎝⎠
∫

(0.4)

Hàm (0, )A

ω

là biến đổi Fourier của A(0,t)
Tán sắc làm ảnh hưởng đến tín hiệu quang truyền đi trong hệ thống nguyên nhân gây ra là
do phần tử pha exp
2
2
(/2)iz
βω
, xuất hiện trong quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang.
Tất cả các mô hình điều khiển tán sắc đều tìm cách triệt tiêu phần tử pha này để tín hiệu
ngõ vào có thể khôi phục được ở đầu thu.
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 9

2. MÔ HÌNH BÙ TRƯỚC (PRECOMPENSATION)
Ý tưởng thực hiện phương pháp này là thực hiện điều khiển tán sắc bằng cách điều chỉnh
các đặc tính của các xung ngõ vào ở bộ phát trước khi truyền đi trong sợi quang. Ý tưởng
này được thực hiện dựa vào phương trình 1.4. Phương trình này sẽ chỉ còn thành phần
biên độ phổ biến thiên
(0, )A
ω

trong trường hợp tán sắc GVD được loại bỏ. Rõ ràng, để
thực hiện điều này biên độ phổ ở đầu phát phải được bù thêm một thành phần theo biểu
thức 2.1 để triệt tiêu tác động do GVD gây nên:
2
2
(0, ) (0, )exp( / 2)AAiL
ωωωβ

⎯⎯→−

(1.1)
Với L là chiều dài sợi quang, GVD sẽ được bù một cách chính xác và xung vẫn sẽ giữ
được hình dạng của nó ở đầu ra của sợi quang. Tuy nhiên, không dễ dàng giải quyết vấn
đề này bằng việc thay đổi biên độ phổ đầu phát theo như biểu thức 2.1 trong thực tế. Một
cách đơn giản hơn, người ta sử dụng hiệu ứng chirp ở xung ngõ vào làm tối thiểu hóa tác
động giãn rộng xung của tán sắc GVD. Do tần s
ố chirp được đưa vào bộ phát trước khi
truyền xung, nên kỹ thuật này được gọi là kỹ Prechirp.
2.1
Kỹ thuật Prechirp
Cách đơn giản để hiểu được nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật Prechirp là dựa vào lý
thuyết truyền xung chirp Gauss trong sơi quang. Biên độ ở ngõ vào dưới tác động của
hiệu ứng chirp được biểu diễn bằng công thức 2.2
2
0
0
1
(0, ) exp
2
iC t
At A
T
⎡
⎤
⎛⎞
+
⎢
⎥

=−
⎜⎟
⎢
⎥
⎝⎠
⎣
⎦
(1.2)
Với C là hệ số chirp, dựa vào hình 2.1 ta thấy rằng với giá trị C mà
β
2
C<0 thì xung ngõ
vào sẽ bị nén lại khi truyền đi trong sợi quang. Vì thế với xung chirp thích hợp ta có thể
truyền được với khoảng cách dài hơn trước khi xung truyền bị giãn rộng đến mức không
còn thu được nữa. Ta sẽ thử đánh giá sự cải thiện này với độ giãn rộng xung cho phép là
2 nghĩa là chu kì xung thu được chia cho chu kì xung ban đầu T
1
/T
0
= 2 , khoảng cách
truyền sẽ được xác định theo công thức:

2
2
1
1
D
CC
LL
C

++
=
+
(1.3)
Với
2
2
/
Do
LT
β
=
là chiều dài tán sắc, trong trường hợp không sử dụng xung chirp Gauss
C=0 khi đó L=L
D
. Tuy nhiên khoảng cách L sẽ tăng khoảng 36% khi C=1. Chú ý rằng
L<L
D
trong trường hợp quá có nhiều giá trị của C. Thực ra, mức độ cải thiện khoảng cách
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 10

tối đa của hệ thống là

2

lần khi C=1/
2
. Do đó kỹ thuật prechirp cần được tối ưu một
cách kỹ lưỡng để có được giá trị C hợp lý nhất. Trong thực tế hình dạng xung chỉ xấp xỉ

xung Gauss, nên kỹ thuật prechirp có thể giúp cải thiện được đến 2 lần khoảng cách truyền
nếu tối ưu hợp lý. Vào khoảng cuối năm 1986, mô hình Super-Gaussian cho việc truyền
tín hiệu NRZ đã được đưa ra nhằm nâng cải thiện hơn n
ữa khoảng cách truyền dẫn quang.

Hình 2.1: Đồ thị mô tả độ giãn rộng xung theo khoảng cách truyền với xung đầu vào là
xung chirp Gauss trong trường hợp β2>0
Kỹ thuật prechirp được xem xét trong suốt thập niên 1980 sử dụng các la-de điều chế trực
tiếp. Xung chirp do các la-de này tạo ra là do sự thay đổi chỉ số cảm ứng sóng mang
(carrier-induced index) được mô tả bằng hệ số tăng bề rộng phổ β
C
. Không may là hệ số
chirp C âm (C= - β
C
) đối với các la-de điều chế trực tiếp. Do hệ số β
2
của sợi quang tiêu
chuẩn hoạt động ở bước sóng 1,55 µm cũng âm, vì thế điều kiện β
2
.C<0 không thỏa mãn.
Như trong hình 2.1 ta thấy khi hiện tượng chirp xuất hiện trong quá trình điều chế trực tiếp
mà β
2
.C>0 sẽ làm tăng thêm độ giãn xung do GVD gây ra, vì thế làm giảm khoảng cách
truyền. Vì thế đã có một số mô hình được đưa ra vào thập niên 1980 dựa vào việc tìm hình
dạng xung phát khác phù hợp hơn nhằm cải thiện khoảng cách truyền .
Trong trường hợp sử dụng bộ điều chế ngoài, các xung quang gần như không bị hiện
tượng chirp, vì thế để tạo ra tín hiệu chirp người ta sử dụng các bộ điều tần FM. K
ỹ thuật
prechirp trong trường hợp này tạo ra tần số chirp với hệ số chirp C dương nhằm thỏa điều

kiện β
2
.C<0. Đã có nhiều mô hình được đưa ra nhằm thực hiện điều này, hình 2.2 là một
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 11

mô hình cơ bản, tần số của la-de DFB tạo ra đầu tiên được điều tần FM sau đó được đưa
vào bộ điều chế ngoài để điều chế biên độ AM. Kết quả là tín hiệu quang truyền đi được
điều chế cả AM và FM. Trên thực tế, sóng mang quang sử dụng trong điều chế FM có thể
được thực hiện bằng cách đưa dòng điện nhỏ khoả
ng 1mA vào la-de DFB.


Hình 2.2: Mô hình kỹ thuật prechirp dùng để bù tán sắc
Ở hình 2.2 khi có tín hiệu FM sử dụng sóng mang quang theo sau đó sẽ tạo ra tín hiêu AM
phát ra ngoài, tín hiệu này chứa các xung chirp. Một số các chirp được hạn chế như sau.
Giả rằng hình dạng xung là Gauss, tín hiệu quang có thể được viết
[
]
22
000
(0, ) exp( / )exp (1 sin )
m
Et A tT i tt
ωδω
=− −+
(1.4)
Với tần số
0
ω

của xung được điều chế hình sin tại tần số
m
ω
với độ quá điều chế là δ. Ở
gần trung tâm của xung
sin( )
mm
tt
ω
ω
≈
khi đó phương trình 2.4 sẽ trở thành
2
00
0
1
(0, ) exp exp( )
2
iC t
E
tA it
T
ω
⎡⎤
⎛⎞
+
⎢⎥
≈− −
⎜⎟
⎢⎥

⎝⎠
⎣⎦
(1.5)
Hệ số chirp C là:
2
00
2
m
CT
δω ω
=
(1.6)
Ta thấy rằng hệ số chirp có thể điểu khiển được bằng các thông số điều tần FM là
δ và ω
m
.
Điều chế pha của sóng mang quang cũng làm cho chirp dương, phương trình 2.4 có thể
được viết lại thành:
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 12

[
]
22
000
(0, ) exp( / )exp cos( )
m
Et A tT it i t
ωδ ω
=− −+

(1.7)
Do sử dụng cosx
1-x
2
/2. Ưu điểm của kỹ thuật điều pha là bản thân bộ điều chế ngoài có
thế tự điều chỉnh pha của nó. Phương pháp đơn giản nhất để thực hiện là sử dụng bộ điều
chế ngoài có chiết suất điều chỉnh được bằng điện tử, bằng cách này sẽ tạo ra tần số chirp
với C>0. Vào cuố
i những năm 1991 tín hiệu 5 Gbps đã truyền đi được 256 km khi sử dụng
bộ điều chế LiNbO
3
cho giá trị C trong khoảng 0,6 đến 0,8. Các giá trị thực nghiệm này
tương ứng với phương trình 2.3 của lý thuyết truyền xung Gauss. Những dạng khác của
các bộ điều chế bán dẫn như bộ điều chế hấp thụ điện (Electroabsorption Modulator) hoặc
bộ điều chế Mach-Zehnder (MZ) cũng tạo ra các xung quang có hệ số chirp C>0, vì thế cải
thiện được khả năng truyền dẫn tín hiệu quang do h
ạn chế được tác động của tán sắc. Với
sự phát triển của các la-de DFB chứa các phần tử Li đơn (monoLithically) tích hợp trong
các bộ điều chế hấp thụ điện (Electroabsorption Modulator) đã tiếp tục làm cải thiện rất
nhiều kỹ thuật Prechirp trong thực tế. Vào năm 1996 tín hiệu NRZ 10Gbps đã truyền đi
được khoảng 100km sử dụng sợi quang tiêu chuẩn với những bộ đi
ều chế ngoài này làm
bộ phát.
2.2
Kỹ thuật mã hóa Novel:

Hình 2.3: Bù tán sắc sử dụng mã hóa FSK
Sử dụng kết hợp điều chế AM và FM cho tín hiệu quang không phải là phương pháp duy
nhất để bù tán sắc. Một phương thức khác được sử dụng để bù tán sắc là sử dụng điều chế
khóa dịch tần FSK để truyền dẫn tín hiệu. Tín hiệu FSK được tạo ra bằng cách chuyển đổi

bước sóng của la-de bằng một khoảng
∆λ giữa các bit 0 và bit 1 trong khi công suất phát
không đổi. Trong suốt quá trình truyền dọc theo sợi quang, hai bước sóng này truyền đi
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 13

với tốc độ khác nhau. Khoảng thời gian trễ giữa bit 0 và bit 1 được xác định dựa trên
khoảng bước sóng dịch
∆λ và bằng
TDL
λ
∆
=∆
. Độ dịch bước sóng ∆λ được chọn sao
cho
1/TB∆=
. Hình 2.3 chỉ làm thế nào một bit bị trễ tạo ra được ba mức tín hiệu quang
tại bộ thu. Xét về mặt bản chất, do tán sắc trong sợi quang, tín hiệu FSK bị chuyển thành
tín hiệu bị điều chế cả biên độ. Tín hiệu được giải mã tại đầu thu bằng cách sử dụng bộ
tích phân điện kết hợp với mạch quyết định.
Nhiều thực nghiệm đã
được thực hiện để đánh giá kỹ thuật bù tán sắc nêu trên. Tất cả các
thử nghiệm này nhằm đến việc tăng khoảng cách truyền ở bước sóng 1,55
µm tốc độ 10
Gbps hoặc cao hơn sử dụng sợi quang tiêu chuẩn. Vào năm 1994, việc truyền tín hiệu 10
Gbps qua một khoảng cách 253km sử dụng sợi quang tiêu chuẩn đã thực hiện được. Cho
đến năm 1998, trên sợi quang tiêu chuẩn người ta đã truyền đi được tín hiệu 40 Gbps với
khoảng cách truyền là 86km. Rõ ràng so sánh với mục trước, khoảng cách truyền đã được
cải thiện đáng kể hơn nhiều khi s
ử dụng kỹ thuật FSK.

Một cách khác để tăng khoảng cách truyền dựa vào việc truyền tín hiệu quang có băng
thông nhỏ hơn tốc độ truyền chẳng hạn như kỹ thuật sử dụng mã tắt mở (On-Off). Một mô
hình để thực hiện việc tạo ra tín hiệu quang có băng thông nhỏ hơn tốc độ truyền là sử
dụng mã hóa nhị phân kép (duobinary coding), kỹ thuật này có thể làm giảm bă
ng thông
đến 50%. Mô hình đơn giản nhất để tạo mã nhị phân kép là sử dụng hai bit liên tiếp trong
chuỗi bit cộng lại với nhau, kết quả là tạo ra được mã nhị phân kép ba mức bán tốc. Do tác
động của GVD phụ thuộc vào băng thông tín hiệu, nên khoảng cách truyền cũng có thể
được cái thiện do giảm băng thông. Điều này đã được chứng tỏ trong thực nghiệm.
Thực nghiệm vào năm 1994 đã so sánh hai mô hình nhị phân và nhị phân kép, m
ột tín hiệu
10 Gbps có thể truyền được ở khoảng cách 30 đến 40 km bằng cách thay thế mã nhị phân
thông thường bằng mã nhị phân kép. Kỹ thuật sử dụng mã nhị phân kép có thể kết hợp
với kỹ thuật Prechirp. Tín hiệu 10 Gbps đã truyền đi được 160km trên sợi quang tiêu
chuẩn khi kết hợp mã nhị phân kép với một bộ điều chế ngoài tạo tần số chirp có C>0.
Trong thực tế, xuất hiện hi
ện tượng đảo pha khi tín hiệu nhị phân kép được tạo ra, hiện
tượng này giúp cải thiện hoạt động của hệ thống khi sử dụng mã nhị phân kép. Một mô
hình điều khiển tán sắc mới được gọi là mô hình tạo dạng pha nhị phân (phase-shaped
binary), để tận dụng những ưu điểm của hiện tượng đảo pha. Sử dụng phương thức truyền
nhị phân kép yêu cầu phả
i tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N và phải có bộ giải mã ở đầu
thu. Mặc dù có những hạn chế như thế nhưng lợi ích do nó đem lại góp phần cải thiện
đáng kể hoạt động cho các hệ thống ở tốc độ 10Gbps và cao hơn.
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 14

2.3 Kỹ thuật Prechirp phi tuyến:
Một kỹ thuật bù tán khác được gọi là kỹ thuật prechirp phi tuyến được đưa ra vào năm
1989 bằng cách khuyếch đại ở ngõ ra bộ phát bằng bộ khuyếch đại bán dẫn quang SOA

hoạt động ở chế độ có độ lợi bão hòa. Ở chế độ có độ lợi bão hòa xảy ra các biến đổi phụ
thuộc thời gian của mật độ sóng mang, do đó xuất hiện hiệu ứng chirp bên cạnh vi
ệc
khuyếch đại xung truyền. Hiệu ứng chirp phụ thuộc vào dạng xung ngõ vào, và gần như là
tuyến tính với hầu hết các xung. SOA không những khuyếch đại đơn thuần xung truyền
mà còn làm cho chirp có thông số C>0. Do xuất hiện hiệu ứng chirp này, xung ngõ vào có
thể bị nén lại trong sợi quang có
β
2
<0. Hiện tượng nén xung này đã được kiểm chứng bằng
thực nghiệm với các xung 40ps kết quả là các xung này bị nén lại còn 23ps khi truyền đi
18km trong sợi quang tiêu chuẩn.

Hình 2.4: Đồ thị cường độ sáng theo thời gian tín hiệu 16 Gbps khoảng cách truyền 70km
sử dụng sợi quang tiêu chuẩn có và không có sử dụng kỹ thuật chirp SOA
Khả năng nén tán sắc của kỹ thuật này được thực nghiệm vào năm 1989 bằng việc truyền
tín hiệu 16 Gbps sử dụng la-de bán dẫn chế độ khóa lỗ ngoài (mode-locked external-cavity
semiconductor laser) ở khoảng cách truyền 70km. Hình 2.4 so sánh đồ thị cường độ sáng
của tín hiệu theo thời gian của tín hiệ
u ánh sáng có sử dụng và không sử dụng kỹ thuật nén
tán sắc. Từ phương trình 1.2, khi không xét đến ảnh hưởng của chirp khoảng cách truyền
tín hiệu 16Gbps bị giới hạn bởi GVD vào khoảng 14km với sợi quang có D=15ps/(km-
nm). Sử dụng bộ khếch đại ở vùng có độ lợi bão hòa làm tăng khoảng cách truyền gấp
năm lần, chính vì ưu điểm này đã làm cho kỹ thuật bù tán sắc này được quan tâm rất
nhiều. Ngoài ra kỹ
thuật này cũng bù suy hao ghép và suy hao chèn ở bộ phát bằng cách
khuyếch đại tín hiệu trước khi đưa nó vào sợi quang. Vì thế, kỹ thuật sử dụng la-de SOA
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 15

như một phần tử khuyếch đại đường dây có thể dùng để bù đồng thời suy hao sợi quang và
tán sắc GVD.
Ở môi trường phi tuyến cũng có thể sử dụng kỹ thuật prechirp cho các xung truyền. Ở môi
trường có chiết suất phụ thuộc cường độ quang (Intensity-dependent refractive index) sẽ
gây ra hiệu ứng chirp cho các xung quang thông qua hiện tượng tự điều pha SPM. Do đó
một kỹ thuật prechirp phi tuyến đơn giản dựa trên hiệ
n tượng này là sử dụng ở ngõ ra bộ
phát một sợi quang có chiết suất phụ thuộc cường độ quang với chiều dài phù hợp trước
khi đưa tín hiệu quang đó vào tuyến quang cần truyền. Tín hiệu quang ở sợi quang thêm
vào là:
[
]
(0, ) ( ) exp ( )
m
A
tPt iLPt
γ
=
(1.8)
Với P(t) là công suất của xung, L
m
là chiều dài của môi trường phi tuyến và γ là hệ số phi
tuyến. Trong trường hợp các xung Gauss có công thức
22
00
() exp( / )Pt P t T=−
, hiệu ứng
chirp khi đó gần như là tuyến tính, khi đó phương trình 2.8 sẽ xấp xỉ bằng
2
00

0
1
(0, ) exp exp( )
2
m
iC t
A
tP iLP
T
γ
⎡⎤
⎛⎞
+
⎢⎥
≈− −
⎜⎟
⎢⎥
⎝⎠
⎣⎦
(1.9)
Với thông số chirp C=2
γL
m
P
0
, thống số phi tuyến γ>0 thì thông số chirp C sẽ dương vì
thế có thể thực hiện được việc bù tán sắc.

Hình 2.5: đồ thị quan hệ giữa khoảng cách truyền bị giới hạn do tán sắc GVD và mức
công suất truyền trung bình

Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 16

Do γ>0 đối với các sợi quang silica, vì thế bản thân sợi quang có thể được dùng để gây ra
hiệu ứng chirp lên xung. Ý tưởng này được đưa ra vào năm 1986. Bằng việc sử dụng các
soliton thứ tự cao đi qua tầng nén đầu đã đem lại nhiều cải thiện đáng kể. Hình 2.5 đồ thị
quan hệ giữa khoảng cách truyền bị giới hạn do tán sắc GVD và mức công suất truyền
trung bình ở hệ thống 4 và 8 Gbps.
Đồ thị này chỉ ra rằng hoàn toàn có thể tăng gấp đôi
khoảng cách truyền bằng cách tối ưu lại mức công suất trung bình của tín hiệu ngõ vào ở
mức khoảng 3 mW.
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 β
2
. Nó có thể dễ dàng bù tán sắc nếu sử dụng bộ 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
ω
IF
với đầy đủ thông tin về biên độ và pha. Bộ lọc thông dải (bandpass) vi sóng
có đáp ứng xung theo hàm truyền:
()
2
IF 2
() exp /2Hi L
ωωωβ
⎡

⎤
=−−
⎣
⎦
(2.1)
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, s
ử
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 m
ột 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 đ
ã 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
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 17

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 v
ới 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 đườ
ng 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). Vi
ệc 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 :
2
21 1 22 2
1
(,) (0, )exp ( )
22
i

ALt A L L i t d
ω
ωβ β ω ω
π
+∞
−∞
⎡
⎤
=+−
⎢
⎥
⎣
⎦
∫

(3.1)
Với L=L
1
+L
2
và β
2j
là thông số GVD của sợi quang có chiều dài L
j
(j=1,2). Nếu sử dụng
sợi DCF sẽ khử thành phần pha
ω
2
, xung truyền sẽ được khôi phục về hình dạng ban đầu
ở phía cuối của sợi DCF. Điều kiện để bù tán sắc tốt nhất là

21 1 22 2
0LL
ββ
+
=
hoặc
11 2 2
0DL D L
+
=
(3.2)
Phương trình 4.2 chỉ ra rằng sợi quang DCF phải có hệ số tán sắc GVD ở 1,55
µm là D
2
<0
còn trong sợi quang thông thường D
1
>0. Hơn nữa chiều dài sợi quang cũng được lựa chọn
thỏa điều kiện :
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 18

2121
(/)LDDL
=
−
(3.3)
Trong thực tế người ta cố gắng để chọn L
2
nhỏ nhất nếu có thể, trường hợp này xảy khi sợi

DCF có giá trị âm D
2
rất nhỏ (hay
2
D
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
1V ≈
. 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
100 / ( )
D
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 0,6 /dB km
α
=÷
). Hệ số
/D
α
thường được sử dụng và gọi là hệ số phẩm

chất M của sợi DCF. Vào năm 1997, sợi DCF với
250 / ( )
M
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 t
ại 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 µm
2
.
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 (
2,5V ≈
). Chẳng hạn như các sợi quang có 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 đổ
i 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
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 19

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 n
ối giữa hai mode. Chu kỳ cách tử
Λ
được chọn sao
cho độ sai khác hệ số mode giữa hai mode là
n
δ
thỏa
/ n
λ
δ
Λ=
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 b
ộ 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
lên tín hiệu quang được biểu hiện thông qua phần tử pha
2
2
exp( / 2)iz
βω
, hiển nhiên là bộ
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 20

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 bi
ểu thức 1.4
2
2
1
(,) (0, ) ()exp
22
i
ALt A H L i t d
ω
ωβωωω
π
+∞
−∞
⎛⎞
=−
⎜⎟
⎝⎠
∫

(5.1)
Bằng cách khai triển thành phần pha H(
ω) bằng khai truyển Taylor đến bậc 2 ta có :
[]
2
01 2
1

() ()exp () ()exp( )
2
HH i H i
ωωφω ω φφωφω
⎡
⎤
=≈++
⎢
⎥
⎣
⎦
(5.2)
Với / ( 0,1, )
mm
m
ddm
φφω
==được đánh giá ở tần số sóng mang quang ω
0
. Hằng số pha
0
φ
và thời gian trễ
1
φ
không tác động vào hình dạng xung và có thể được bỏ qua. Xung pha
tạo ra bởi sợi quang có thể được bù bằng cách chọn bộ lọc có
22
L
φβ

=
−
. Xung sẽ được
khôi phục hoàn toàn chỉ khi
() 1H
ω
=
và phần tử thứ 3 trong khai triển Taylor ở phương
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
lọc quang là sử dụng giao thoa Fabry-Perot. Thực ra phổ truyền
2
FP
H
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.
Kỹ thuật điều khiển tán sắc
Trang 21

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 H
0
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
(
)
FP
H
ω
là độc lập tần số, chỉ có
phổ pha được thay đổi bởi bộ lọc FP. Tuy nhiên, thành phần pha
()
φ
ω
của
(
)
FP
H
ω
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
()

φ
ω
bằng chuỗi Taylor, biểu thức
2
φ
sẽ là
23
2
2(1)/(1)Tr r r
φ
=
−+
(5.4)
Ví dụ với một hốc FP 2cm với r=0,8 và
2
2
2200
p
s
φ
≈ , 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 xuố
ng 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.
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 chiề
u dài nhánh của bộ ghép. Hàm truyền đại tại port ngõ ra
bộ ghép sẽ là
[]
1
( ) 1 exp( )
2
MZ
Hi
ω
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 b
ị nêu trên. Thiết bị với

kích thước 52x71mm
2
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 lượ
ng 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 h
ẹp (
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

22

,
0
n
g
B
B
π
ππ
δκ
λλ 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 / )
g
nz n n z
π
=
+∧

Với
g

n
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 A
f
fb
δ
κ
=+
(6.1)

/
bbf
dA dz i A i A
δ
κ
−
=−
(6.2)
Với
f
A
và
b
A
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
g
L
κ
=2 và
g
L
κ
=3
Với
g
L
là độ dài cách tử.
222
q
δ

κ
=−

Hình 6.1 trên cho thấy độ lớn và pha của hệ số phản xạ tương ứng với
g
L
κ
=2 và
g
L
κ
=3.
Hệ số phản xạ cách tử gần đạt 100% khi
g
L
κ
=3
∧
2
B
n
λ
=
∧
)
sin(
(0)
() ()
(0)
g

b
fB
iqL
A
Hw rw
A
κ
λ
== =