5.3. Mất mát công suất trong hệ thống thông tin quang
5.3.3 Chirp tần số trong hệ thống
Nói đến đặc tính của hệ thống thông tin quang thì chirp tần số lμ một trong những hiệu ứng quan trọng lμm giới hạn đặc tính hệ thống hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm. Như
ta đã biết, điều chế cường độ trong các laser bán dẫn luôn kèm theo sự biến đổi về pha hay còn gọi lμ sự điều biến về pha, bởi vì yếu tố lμm tăng độ rộng phổ laser sẽ tạo ra sự thay đổi về chỉ số chiết suất. Các xung ánh sáng có sự dịch pha theo thời gian đ−ợc gọi lμ xung bị chirp. Kết cục lμ chirp tần số tác động lên xung ánh sáng lμm cho phổ của nó bị dãn đáng kể. Sự dãn phổ như vậy sẽ có ảnh hưởng tới dạng xung tại đầu ra sợi quang lμ do tán sắc sợi, vμ nó lμm xuống cấp đặc tính hệ thống.
Tính toán chính xác sự mất mát công suất do chirp gây ra lμ rất khó bởi vì chirp tần số phụ thuộc vμo cả dạng vμ độ rộng xung ánh sáng. Tuy nhiên đối với các xung chữ nhật có thể tiếp cận theo cách hiểu sau đây. Do có sự dịch phổ, công suất có trong phần bị chirp của xung sẽ chạy ra ngoμi khe thời gian của bit trong quá trình xung lan truyền trong sợi quang. Suy hao công suất trong tr−ờng hợp nμy sẽ lμm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tại bộ thu quang vμ dẫn tới mất mát công suất hệ thống. Mất mát công suất do chirp gây ra cã thÓ viÕt nh− sau [36]:
( )
⎭⎬
⎫
⎩⎨
⎧ ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ + Δ −
⎟⎟ Δ
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
−
−
= c c c c
c B LD t
t LD B
P π λ λ
3 1 2 3 8
1 4 log
20 2
2
10 (5-18)
ở đây Δλc lμ sự dịch phổ có liên quan tới chirp, tc lμ độ dμi chirp. Bộ thu ở đây đã đ−ợc giả thiết lμ sử dụng photodiode p-i-n. Sự mất mát công suất lμ lớn hơn so với bộ thu APD
-24 -23 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
Tham số tán sắc, BLDσλ
Độ nhạy thu (dBm)
BER = 10-12 Be = 1,7 GHz RL = 50 Ω λ= 1545 nm
vμ tuỳ thuộc vμo hệ số nhiễu trội của APD. Phương pháp nμy gặp phải một vấn đề lμ Δλc vμ tc xuất hiện nh− các tham số tự do vμ cần phải đ−ợc xác định cho từng laser thông qua các phép đo thực nghiệm về chirp tần số. Lý do lμ ở chỗ chirp có tác động tới đặc tính hệ thống, nh−ng việc tính toán ở đây lại không mô tả đ−ợc đầy đủ.
Chirp tần số hầu nh− tăng tuyến tính trên toμn bộ độ rộng xung trong hệ thống thông tin tốc độ cao (Gbit/s). Điều nμy cũng có thể xảy ra đối với các hệ thống thông tin tốc độ thấp nếu như xung quang có các sườn lên vμ xuống không dựng đứng mμ lại có thời gian lên vμ xuống khá dμi. Nh− vậy lý t−ởng thì xung phải vuông nh−ng thực tế lại có dạng Gaussian. Khi chúng ta giả thiết có xung Gaussian vμ chirp tần số tuyến tính thì có thể dựa vμo việc phân tích về chirp ở chương-2 để xác định sự mất mát công suất của hệ thống do chirp gây ra. Xung Gaussian bị chirp vẫn có dạng Gaussian nh−ng công suất
đỉnh của nó sẽ giảm do có sự dãn xung. Khi đó sự dãn xung tại thiết bị thu đ−ợc viết nh−
sau [37,38]:
2 / 2 1
2 0 2 2 2 0 2
2 1 2
−
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
−⎛
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
= σ
β σ
β L L
bc C (5-19)
ở đây C lμ hệ số chirp, β2 lμ tham số tán sắc vận tốc nhóm. Nh− vậy, xuất hiện sự mất mát công suất hệ thống do chirp gây ra. Công suất bị mất mát Pc có thể xác định bằng cách sử dụng quan hệ độ rộng xung đầu vμo σ0 với tốc độ bit B đ−ợc cho lμ 4σ0 ≤ 1/B vμ nh− vậy mất mát công suất đ−ợc tính bằng dB có thể viết nh− sau:
[ ( ) ( 2 )2]
2 2 2 2
10 1 8 8
log
5 B C L B L
Pc =− − β − β (5-20)
Từ sự mất mát công suất nh− vậy, sẽ dẫn đến công suất tín hiệu tới bộ thu quang bị giảm lμm cho tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR giảm. Kết quả lμ độ nhạy thu bị giảm theo sự mất mát công suất nμy, vμ ta có thể tìm ra đ−ợc sự suy giảm độ nhạy thu của hệ thống.
Hình 5.4 lμ kết quả mμ chúng tôi tính toán mô phỏng độ nhạy thu của bộ thu có khuếch
đại quang OAR (Optically amplified receiver) phụ thuộc vμo tích tán sắc-cự ly với các giá
trị của tham số chirp khác nhau [42]. Độ nhạy thu ở đây đ−ợc tính cho tốc độ 10 Gbit/s vμ BER = 10-12 với các tham số bộ thu nh− sau: tham số tán sắc D bằng 18 ps/km.nm, băng tần điện bằng 7,5 GHz, điện trở tải 50 Ω; bộ thu có khuếch đại quang lμm tiền khuếch đại với độ khuếch đại G lμ 30 dB vμ hình ảnh nhiễu bằng 5 dB. Trong phép tính toán nμy, tham số tán sắc vận tốc nhóm β2 lấy giá trị âm vì hệ thống hoạt động tại vùng bước sóng 1550 nm, đ−ờng cong chirp C = 0 mô tả tr−ờng hợp hệ thống truyền tín hiệu xung không bị chirp, đường chấm đứt nét thể hiện độ nhạy thu cao nhất khi không có tán sắc. Ta thấy rằng đặc tính hệ thống bị xuống cấp nghiêm trọng khi các xung bị chirp ở giá trị dương của C cao. Trong khi đó có một điều hấp dẫn lμ có sự xuất hiện một vùng giá trị tán sắc nμo đó cho phép cải thiện độ nhạy thu ứng với chirp C có giá trị âm. Điều đó có nghĩa lμ nếu nh− tạo ra chirp C có giá trị âm, đặc tính hệ thống sẽ đ−ợc cải thiện ở một vùng cự ly truyền dẫn nhất định. Có điều lưu ý rằng đây lμ sự tính toán sơ bộ, tuy nhiên nó được xem
nh− cách tiếp cận đáng tin cậy hiện nay vì kết quả tính toán đã phản ánh rất sát thực với hiện trạng thực tế [42].
Thực ra đã có một số công trình nghiên cứu phân tích về ảnh hưởng của chirp tuyến tính trong hệ thống thông tin quang cách đây từ hơn mười năm vμ đã thu được các kết quả
khả quan [39,40,41]. Tuy nhiên, thời điểm đó công nghệ còn ch−a đủ điều kiện kiểm chứng, nhất lμ ở các hệ thống tốc độ cao. Trong thực tế sự mất mát công suất hệ thống của chirp còn phụ thuộc vμo nhiều yếu tố, chẳng hạn nh− ảnh h−ởng của chirp có thể bị giảm khi đặt thiên áp laser phát ở dưới mức ngưỡng. Tuy nhiên, khi thiên áp dưới mức ngưỡng sẽ lμm giảm tỷ số phân biệt Rext = P1/P0, trong đó P1 vμ P0 tương ứng lμ các công suất quang nhận đ−ợc ứng với các bit “1” vμ “0”, vμ khi Rext giảm sẽ lμm giảm độ nhạy thu vμ lại xuất hiện mất mát quỹ công suất hệ thống. Hình 5.5 lμ kết quả tính toán dựa trên biểu thức (4-80) đ−ợc cho trong ch−ơng-4 vμ tham khảo kết quả [43] nhằm thể hiện mối quan hệ t−ơng tác nμy.
Hình 5.4. Độ nhạy thu của bộ thu quang 10 Gbit/s có tiền khuếch đại quang phụ thuộc vμo tán sắc sợi với các giá trị chirp khác nhau.
Việc loại trừ vấn đề về chirp của laser bán dẫn có thể thực hiện thông qua sử dụng bộ
điều chế ngoμi để phát tín hiệu khi laser hoạt động liên tục. Đây lμ giải pháp ứng dụng thực tiễn hiện nay cho các hệ thống thiết bị phát. Trong các thiết bị nμy, thông th−ờng bộ
điều chế đ−ợc tổ hợp với laser DFB thμnh thiết bị đơn chiếc. Tham số C có giá trị gần nh−
bằng 0 tại thiết bị nμy. Hơn nữa, nhờ việc áp dụng công nghệ nh− vậy mμ bộ điều chế ngoμi đ−ợc dùng nh− một thiết bị để điều chế pha của sóng quang để sao cho đạt đ−ợc giá
trị của chirp C lμ âm. Khi đó độ điều chế ngoμi đóng vai trò tác động nh− lμ bộ bù tán sắc nh− đã thể hiện ở hình 5.4. Điều nμy ngụ ý rằng hiện t−ợng chirp tần số lại trở thμnh có lợi khi kết hợp với ảnh h−ởng của tán sắc.
-40 -38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -24 -22 -20
0 500 1000 1500 2000
Hệ số tán sắc ì Cự ly (ps/nm)
Độ nhạy thu quang tại BER = 10-12 (dBm)
C = 2 1 C = 0 C = -0.5
C = -1
Hình 5.5. Mất mát công suất vμ tỷ số phần biệt lμ một hμm của tán sắc sợi.