Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng điều chế pha chéo liên hệ thống WDM

Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng lưới dung lượng 20Gb/s, 40Gb/s, 80Gb/s, 240Gb/s… với nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi, tốc độ mỗi kênh là 2,5Gb/s, 10Gv/s… Để đáp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGHỆ AN - 01/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Đầu đề đồ án:

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

4 Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ):

Họ tên giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Mạnh Toàn 1 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ./ /20

2 Ngày hoàn thành đồ án: ./ /20

Ngày tháng năm 2013

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2013

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Trần Võ Hiếu Số hiệu sinh viên:0851080329 Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49 Giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Mạnh Toàn Cán bộ phản biện: 1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

(Ký, ghi rõ họ và tên)

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN WDM 1

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Nguyên lý cơ bản về WDM 1

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng 2

1.2.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống WDM 2

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng hai sợi 3

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng một sợi 3

Hình 1.4: Tách kênh sử dụng lăng kính 8

Hình 1.5: Tách /ghép các bước sóng bằng cách tử nhiễu xạ 8

Hình 1.6: Bước sóng có tán sắc bằng không, λ0 và sườn tại tán sắc không, S0 20

Hình 1.7: Tán sắc thay đổi như một hàm theo bước sóng với một vật liệu cho trước .21

Hình 2.1: Minh hoạ một lá chắn Kerr 36

Hình 2.2: Tp thay đổi theo hàm của góc phân cực đầu vào θ với các đỉnh công suất khác nhau 41

Hình 2.3: Mức truyền của sợi lưỡng chiết có độ dài L=LB 43

Hình 2.4: Dạng xung và phổ của các xung bơm và dò, nét đứt là vị trí xung đầu vào [6] 48

Hình 2.5: Nén xung do XPM trong vùng tán sắc thường 50

2.4 Quan hệ giữa khoảng cách kênh và tán sắc với XPM 51

2.4.1 Khoảng cách kênh 52

Hình 2.6: Kết nối sợi quang của mạng LEANET dùng trong thí nghiệm (a) và sơ đồ khối thí nghiệm (b) [7] 52

Hình 2.7: Sự phụ thuộc của méo XPM vào khoảng cách kênh [7] 54

2.4.2 Tán sắc trong sợi quang 54

Hình 2.8: Sơ đồ khối của thí nghiệm [8] 55

2.5 Kết luận 56

CHƯƠNG III ẢNH HƯỞNG CỦA XPM LÊN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WDM 57

3.2 Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM tổng quát 57

3.2.1 Giới hạn khoảng cách truyền dẫn 57

Hình 3.1: Méo xung do XPM 58

Hình 3.2: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu XPM trong [8] 58

Hình 3.3: XPM và SPM với các kênh được điều chế tại 2,5 Gb/s, sợi DSF, có độ trễ ban đầu khác nhau [8] 59

Hình 3.4: Méo XPM cho kênh dò (a) sợi DSF, (b) sợi SSMF [8] 59

Hình 3.5: Công suất giảm sau các chặng thay đổi khi thay đổi số lượng chặng [9] 61

Hình 3.6: Phổ của kênh 2 sau 12 chặng bù trước trong thí nghiệm (a) và mô phỏng (b) [9] 62

3.2.2 Méo cường độ do XPM 63

3.2.3 Giảm hệ số phẩm chất Q 69

Hình 3.7: Hệ số Q theo tán sắc dư 70

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của WM vào số lượng kênh 71

3.2.4 Xuyên kênh giữa các kênh có tốc độ bit khác nhau do XPM 72

Hình 3.9: Xuyên kênh theo băng tần điện thu 73

Hình 3.10: Xuyên kênh theo băng tần điện thu 74

Hình 3.11: Xuyên kênh XPM phụ thuộc vào tán sắc 74

3.2.5 Ảnh hưởng của XPM lên hệ thống WDM được quản lý về tán sắc 75

Hình 3.12: Hàm truyền đạt của sợi SMF theo các sơ đồ bù tán sắc khác nhau 76

Hình 3.13: Méo XPM theo các tỉ lệ bù tán sắc khác nhau với sơ đồ bù trước 77

Hình 3.14 Méo XPM với các tỉ lệ bù tán sắc khác nhau với sơ đồ bù sau 77

Hình 3.15: Hai cấu hình bù tán sắc khác nhau cho kết quả khác nhau 78

Hình 3.16: Ảnh hưởng của XPM thay đổi theo số chặng m 78

Hình 3.17: Ảnh hưởng của tỉ lệ bù trong hệ thống năm chặng 78

3.3 Một số giải pháp khắc phục ảnh hưởng của XPM trong hệ thống WDM 79

3.3.1 Dùng bộ triệt XPM 79

Hình 3.18: Thí nghiệm với 10 kênh có và không có XS [11] 80

Hình 3.19: Suy giảm độ nhạy cho kênh 6 81

Hình 3.20: So sánh suy giảm khi có và không có XS 82

3.3.2 Các sơ đồ bù tán sắc thích hợp 82

Hình 3.21: Xuyên kênh thay đổi theo bù tán sắc 83

Hình 3.22: Hệ số mx tích luỹ sau các chặng 84

Hình 3.23: Hệ số mx tăng theo khoảng cách 84

Hình 3.24: Dạng sóng sau 6 chặng 85

3.4 Kết luận 85

KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

LỜI NÓI ĐẦU

Trước nhu cầu thông tin ngày càng tăng về tính đa dạng và chất lượng dịch vụ của người dùng Mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network) đang là xu hướng phát triển của viễn thông trên thế giới Trong cấu trúc NGN, mạng truyền tải lưu lượng là khâu quan trọng nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên mạng, trong đó mạng truyền dẫn được xem là huyết mạch chính Mạng truyền tải quang với công nghệ ghép kênh quang WDM (Wavelength Division Multiplex) có những ưu điểm vượt trội được xem là nền tảng cho mạng NGN Trên thực tế, công nghệ ghép kênh quang WDM được đánh giá là một công nghệ đã chín muồi và có nhiều tiến bộ trong thiết kế mạng viễn thông Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng lưới dung lượng 20Gb/s, 40Gb/s, 80Gb/s, 240Gb/s… với nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi, tốc độ mỗi kênh là 2,5Gb/s, 10Gv/s…

Để đáp ứng nhu cầu dung lượng ngày càng tăng hiện nay, xu hướng của các hệ thống thông tin quang là hướng tới tốc độ và khoảng cách không lặp lớn hơn, cũng như tăng số lượng kênh bước sóng trên một sợi quang Tuy nhiên khi tiến đến các giới hạn lớn về tốc độ như vậy thì một số đặc tính của môi trường truyền dẫn trở nên càng quan trọng Hạn chế do suy hao gây ra không còn là vấn đề với các hệ thống truyền dẫn WDM với sự xuất hiện của các bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) nhưng các hiệu ứng phi tuyến trong môi trường sợi quang vẫn là một vấn đề lớn thách thức các nhà thiết kế Trong đó, điều chế pha chéo XPM (Cross Phase Modulation) là hiệu ứng phi tuyến có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng hệ thống WDM

Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng điều chế pha chéo lên hệ thống WDM” tập trung nghiên tìm hiểu về những hạn chế và các giải pháp khắc phục mà

XPM gây ra đối với một hệ thống truyền dẫn WDM tổng quát, gồm 3 chương:

Chương I Tổng quan về hệ thống truyền dẫn WDM

Chương II Điều chế pha chéo XPM

Chương III Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM

Do hạn chế năng lực nên đồ án không tránh được những sai sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy, cô và các bạn để bổ sung và hoàn thiện

đồ án

Em xin trân trọng cảm ơn giảng viên hướng dẫn - Ths PHẠM MẠNH TOÀN, người đã hết sức tận tình chỉ bảo, bổ sung kiến thức cho em, giúp em hoàn thành tốt

đồ án Trân trọng cảm ơn các các thầy cô trong Khoa Điện Tử Viễn thông đã tạo điều kiện giúp đỡ trong trong suốt thời gian học tập và hoàn thành chương trình đào tạo

Nghệ An, tháng 01 năm 2013

Sinh viên

Trần Võ Hiếu

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ WDM,trình bày nguyên lý hoạt động cơ bản của một hệ thống WDM, tìm hiểu các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM, các tham số ảnh hưởng đến tuyến tryền dẫn sử dụng công nghệ WDM Đồ án nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng XPM, nghiên cứu một số hiện tượng do XPM hệ thống WDM Đồ án cũng đi sâu nghiên cứu những ảnh hưởng của XPM lên hệ thống truyền dẫn WDM như giới hạn khoảng cách truyền dẫn,gây méo cường độ, giảm hệ số phẩm chất và gây ra hiện tượng xuyên kênh Bên cạnh

đó đồ án cũng trình bày một số giải pháp khắc phục sự ảnh hưởng của XPM lên WDM như dùng bộ triệt tiêu XPM và sử dụng các sơ đồ bù tán sắc thích hợp

ABSTRACT

This thesis was studied an overview of WDM technology, presents the basic principle of operation of a WDM system, learn the basic components in WDM systems, the parameters affecting online tryenuse technology WDM Do project to study the effects of XPM effects, study a number of phenomena by XPM WDM system Do system project also studied in depth the effects of XPMWDM transmission system to limit the transmission distance, causing distortion intensity, reduce the quality factor and cause cross kenh The program also presents some solutions to overcome ofXPM effect on WDM as using and eliminating XPM using appropriate dispersion compensation scheme

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng 2

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng hai sợi 3

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng một sợi 3

Hình 1.4: Tách kênh sử dụng lăng kính 8

Hình 1.5: Tách /ghép các bước sóng bằng cách tử nhiễu xạ 8

Hình 1.6: Bước sóng có tán sắc bằng không, λ0 và sườn tại tán sắc không, S0 20

Hình 1.7: Tán sắc thay đổi như một hàm theo bước sóng với một vật liệu cho trước .21

Hình 2.1: Minh hoạ một lá chắn Kerr 36

Hình 2.2: Tp thay đổi theo hàm của góc phân cực đầu vào θ với các đỉnh công suất khác nhau 41

Hình 2.3: Mức truyền của sợi lưỡng chiết có độ dài L=LB 43

Hình 2.4: Dạng xung và phổ của các xung bơm và dò, nét đứt là vị trí xung đầu vào [6] 48

Hình 2.5: Nén xung do XPM trong vùng tán sắc thường 50

Hình 2.6: Kết nối sợi quang của mạng LEANET dùng trong thí nghiệm (a) và sơ đồ khối thí nghiệm (b) [7] 52

Hình 2.7: Sự phụ thuộc của méo XPM vào khoảng cách kênh [7] 54

Hình 2.8: Sơ đồ khối của thí nghiệm [8] 55

Hình 3.1: Méo xung do XPM 58

Hình 3.2: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu XPM trong [8] 58

Hình 3.3: XPM và SPM với các kênh được điều chế tại 2,5 Gb/s, sợi DSF, có độ trễ ban đầu khác nhau [8] 59

Hình 3.4: Méo XPM cho kênh dò (a) sợi DSF, (b) sợi SSMF [8] 59

Hình 3.5: Công suất giảm sau các chặng thay đổi khi thay đổi số lượng chặng [9] 61

Hình 3.6: Phổ của kênh 2 sau 12 chặng bù trước trong thí nghiệm (a) và mô phỏng (b) [9] 62

Hình 3.7: Hệ số Q theo tán sắc dư 70

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của WM vào số lượng kênh 71

Hình 3.9: Xuyên kênh theo băng tần điện thu 73

Hình 3.10: Xuyên kênh theo băng tần điện thu 74

Hình 3.11: Xuyên kênh XPM phụ thuộc vào tán sắc 74

Hình 3.12: Hàm truyền đạt của sợi SMF theo các sơ đồ

bù tán sắc khác nhau 76

Hình 3.13: Méo XPM theo các tỉ lệ bù tán sắc khác nhau với sơ đồ bù trước 77

Hình 3.14 Méo XPM với các tỉ lệ bù tán sắc khác nhau với sơ đồ bù sau 77

Hình 3.15: Hai cấu hình bù tán sắc khác nhau cho kết quả khác nhau 78

Hình 3.16: Ảnh hưởng của XPM thay đổi theo số chặng m 78

Hình 3.17: Ảnh hưởng của tỉ lệ bù trong hệ thống năm chặng 78

Hình 3.18: Thí nghiệm với 10 kênh có và không có XS [11] 80

Hình 3.19: Suy giảm độ nhạy cho kênh 6 81

Hình 3.20: So sánh suy giảm khi có và không có XS 82

Hình 3.21: Xuyên kênh thay đổi theo bù tán sắc 83

Hình 3.22: Hệ số mx tích luỹ sau các chặng 84

Hình 3.23: Hệ số mx tăng theo khoảng cách 84

Hình 3.24: Dạng sóng sau 6 chặng 85

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

mảng

tạp Erbium

Telecommunications Union

Liên minh Viễn thông quốc tế

Fiber

Sợi quang tán sắc đã dịch không

về không

SONET Synchronous Optical NETwork Mạng quang đồng bộ

sóng

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN WDM

1.1 Giới thiệu chương

Mạng truyền tải với công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM với nhiều ưu điểm vượt trội đang là nền tảng của mạng thế hệ mới NGN WDM đã và đang cung cấp cho mạng lưới dung lượng 40Gb/s, 80Gb/s, 240Gb/s…với nhiều bước sóng được truyền trên một sợi quang, tốc độ mỗi kênh 2,5Gb/s, 10Gb/s…Chương 1 trình bày khái niệm, nguyên lý cơ bản của WDM và các thành phần trong cấu trúc hệ thống WDM như: Bộ phát quang, bộ thu quang, bộ tách ghép kênh, bộ khuyếh đại và sợi quang Các tham số chất lượng hệ thống cũng được xem xét trong chương này

độ đáp ứng của mạch điện tử Sự chênh lệch giữa băng tần điện và băng tần quang gây ra hiện tượng nút cổ chai, do đó không thể tận dụng hết băng tần khổng lồ này Các bước đột phá mới đây (dung lượng cỡ Tb/s) là kết quả của sự kết hợp giữa WDM và EDFA

Khái niệm về WDM cũng tương tự như FDM, các tín hiệu mang tin khác nhau điều chế các tín hiệu quang tại các bước sóng khác nhau và kết hợp rồi truyền đi trên một sợi quang Lăng kính và cách tử nhiễu xạ được dùng để kết hợp (ghép) hoặc phân chia (tách) các tín hiệu có màu (bước sóng) khác nhau

Các tín hiệu quang được phát trên các bước sóng khác nhau λ1 , λ2 , , λN sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang nhờ bộ ghép (MUX - Multiplexer) Các bộ ghép phải đảm bảo có suy hao nhỏ Tín hiệu sau khi ghép được truyền trên sợi quang tới đầu thu Phía thu thực hiện tách các luồng tín hiệu qua bộ giải ghép

DEMUX sau đó các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tín hiệu từ các bước sóng riêng rẽ.

Nguyên lý ghép WDM được minh hoạ như trên hình 1.1:

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng

Ngoài hệ thống truyền dẫn ghép bước sóng sử dụng hai sợi còn có sơ đồ ghép

sử dụng một sợi như trong hình 1.3 Các sóng mang có bước sóng λ1 …λN được điều biến bởi các tín hiệu điện từ N kênh và phát theo một hướng Các sóng mang có bước sóng λN+1 …λ2N cũng được điều biến bởi tín hiệu điện từ N kênh và phát theo hướng ngược lại Phương pháp này đòi hỏi các bộ khuếch đại quang phải có khả năng khuếch đại trên cả hai chiều và yêu cầu nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất lượng của bộ tách kênh

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng hai sợi

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng một sợi

1.2.3 WDM và DWDM

Các hệ thống WDM được chia thành hai loại: WDM thông thường và DWDM (Dense WDM - ghép mật độ cao) Các hệ thống có trên 8 bước sóng tích cực trên một sợi quang thường được coi là DWDM còn các hệ thống có ít hơn 8 bước sóng tích cực trên một sợi quang được coi là WDM thông thường

WDM theo chuẩn của ITU về thuật ngữ có nghĩa là hai (hoặc nhiều hơn) tín hiệu ghép trên cùng một sợi quang, trong đó một tín hiệu trong dải 1550 nm và một tín hiệu trong dải 1310 nm Mới đây, ITU đã chuẩn hoá hệ thống có khoảng cách kênh 20 nm để sử dụng cho WDM, dùng các bước sóng giữa 1310 nm và 1610 nm Nhiều bước sóng WDM dưới 1470 nm được coi là không thể sử dụng với sợi quang theo khuyến nghị G.652 do có suy hao lớn trong dải 1310-1470 nm Những sợi

quang mới theo các khuyến nghị G.652 C và G.652.D đã gần như loại bỏ được một số đỉnh suy hao và cho phép hoạt động trên toàn bộ 20 kênh WDM của ITU trong các mạng nội thị

Đặc điểm chính của WDM theo chuẩn ITU là các tín hiệu chưa có khoảng cách thích hợp cho khuếch đại bằng EDFA Nguyên nhân là do khoảng cách truyền hạn chế của WDM, chỉ khoảng 60 km với tín hiệu 2,5 Gb/s, chỉ đủ cho các ứng dụng mạng nội thị Việc giảm các yêu cầu về mặt quang đã kéo theo việc giảm chi phí cho các linh kiện WDM, xấp xỉ chi phí cho các linh kiện không WDM WDM cũng được sử dụng cho các mạng cáp TV, tại đó các bước sóng khác nhau được sử dụng cho các tín hiệu luồng lên và xuống Trong các hệ thống này, các bước sóng thường được phân chia rộng, chẳng hạn tín hiệu luồng xuống tại 1310 nm trong khi tín hiệu luồng lên tại 1550 nm

DWDM - WDM mật độ cao, chỉ những tín hiệu quang được ghép trong dải

1550 nm, tận dụng được khả năng khuếch đại của EDFA (hiệu quả lớn nhất với các bước sóng từ 1530 - 1560 nm) Một hệ thống DWDM cơ bản có những thành phần chủ yếu như sau: một bộ ghép kênh đầu cuối, bộ khuếch đại EDFA có thể tích hợp vào trong bộ ghép này hoặc tách riêng, một thiết bị đầu cuối quang trung gian, còn gọi là bộ ghép quang xen/rẽ, một bộ tách kênh đầu cuối, kênh giám sát quang Các bước sóng WDM được đặt trong hệ thống có khoảng cách kênh chính xác là 100GHz (khoảng 0,8 nm), với tần số tham khảo cố định khoảng 190,10 THz (1552,52 nm) Hệ thống chính được đặt bên trong băng tần khuếch đại sợi quang nhưng có thể mở rộng cho các băng tần rộng hơn Các hệ thống DWDM ngày nay

sử dụng khoảng cách kênh 50 GHz hoặc thậm chí là 25 GHz và có thể có đến 160 kênh Các hệ thống DWDM đắt hơn rất nhiều so với WDM vì các bộ phát laser cần phải ổn định hơn so với WDM thông thường Các hệ thống DWDM yêu cầu điều khiển nhiệt độ chính xác trong các laser phát để tránh sự “kéo trôi” bước sóng trung tâm rất hẹp Thêm vào đó, DWDM có xu hướng sử dụng trong các mức cao của hệ thống truyền thông, chẳng hạn như đường trục Internet và do đó được kết hợp với các tốc độ điều chế cao, tuy nhiên thị trường cho các thiết bị DWDM cũng có mức hiệu năng cao, tương ứng với giá thành cao Nói cách khác, các thiết bị DWDM chỉ cần với số lượng nhỏ Những đổi mới gần đây trong các hệ thống truyền tải DWDM

bao gồm các module thu phát có khả năng điều chỉnh phần mềm, hoạt động với 40 hoặc 80 kênh [2]

1.3 Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM

Ta xét các thành phần cơ bản trong hệ thống truyền dẫn WDM: bộ phát quang,

bộ thu quang, bộ lọc quang, các bộ tách/ghép kênh quang, bộ khuếch đại quang và sợi quang

1.3.1 Bộ phát quang

Bộ phát quang là thiết bị tích cực phía phát Các bộ phát quang hiện nay thường

sử dụng nguồn quang là laser phản hồi phân tán DFB (Distributed Feedback laser)

và laser phản xạ Bragg phân bố (Distributed Bragg Reflector Laser) Laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang được nghiên cứu, ưu điểm của nguồn loại này là phổ hẹp và ổn định tần số cao Nhìn chung các nguồn quang phải đảm bảo một số yêu cầu như sau: độ chính xác của bước sóng phát, độ rộng đường phổ hẹp, dòng ngưỡng thấp, có khả năng điều chỉnh được bước sóng, tính tuyến tính và nhiễu thấp Các yêu cầu trên đối với nguồn quang đều nhằm tránh các loại nhiễu, đảm bảo tính

ổn định, giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, tỉ lệ lỗi BER thấp và đảm bảo chất lượng truyền dẫn của hệ thống

Để đáp ứng các yêu cầu trên, nguồn quang sử dụng trong các bộ phát thường

là các laser đơn mode Laser loại này có laser phát mặt (SEL - Surface Emitting Laser) và các cấu trúc có hốc cộng hưởng lựa chọn tần số Ở cấu trúc laser phát

Bragg cấp hai [2]

Bộ phản xạ lựa chọn tần số là các cách tử nhăn, chính là lớp ống dẫn sóng thụ động nằm kề vùng tích cực Sóng quang lan truyền song song với cách tử Hoạt động của các laser dựa trên nguyên lý bộ phản xạ cách tử Bragg phân tán Các laser loại này thể hiện hoạt động mode dọc đơn khá tốt, ít nhạy cảm với nhiệt độ và dòng điều khiển

Trong loại laser phản hồi phân tán, cách tử để chọn bước sóng bao phủ toàn bộ vùng tích cực Tại một bước sóng cụ thể, các mode phát của laser đặt đối xứng nhau qua bước sóng phản xạ Bragg Biên độ của các mode phát laser cấp cao hơn giảm

một cách đáng kể so với biên độ bậc 0 Mode cấp 1 thường có biên độ giảm hơn 30

dB so với biên độ của mode cấp 0 Cách tử của laser DFB được khắc vào một trong các lớp để tạo ra chiết suất thay đổi theo chu kỳ Thường tránh khắc cách tử trực tiếp vào lớp tích cực vì nó có thể làm tăng mức độ tái hợp không bức xạ Về mặt lý thuyết, laser DFB có lớp chống phản xạ ở hai đầu Hai mode bậc 0 ở hai bên bước sóng Bragg có hệ số khuếch đại giống nhau và nếu cấu trúc hoàn toàn đối xứng thì hai đỉnh này đồng thời được phát Như vậy để laser làm việc ở chế độ đơn mode, đặc tính cộng hưởng là không đối xứng Muốn vậy có thể dịch cách tử đi khoảng 1/4 hoặc đơn giản là sử dụng lớp vỏ phản xạ có hệ số phản xạ cao ở một đầu và đầu kia là lớp chống phản xạ

Đối với laser phản xạ Bragg phân tán, các cách tử được đặt ở các đầu của các lớp tích cực của laser để thay thế cho các gương được dùng trong hốc cộng hưởng Fabry-Perot Trong laser phản xạ phân tán (DR - Distributed Reflector) gồm có các

bộ phản xạ phân tán tích cực và thụ động Cấu trúc này cải thiện được các đặc tính phát laser của laser DFB và DBR thông thường, hoạt động có hiệu quả cao, công suất đầu ra lớn

Các loại laser này có độ rộng phổ rất hẹp (0,1 - 0,3 nm) và hoạt động rất ổn định Chúng thường được ổn định nhiệt độ bằng các bộ làm lạnh Peltier có điều khiển Tuy nhiên cần lưu ý là trong laser DFB phải có ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt được độ phản xạ cao, tính chọn lọc mode tốt Hiệu suất ghép công suất giữa vùng tích cực và thụ động là yếu tố chủ yếu quyết định đến chất lượng của laser Nhìn chung, trong laser DFB không có yêu cầu ghép công suất giữa vùng tích cực

và thụ động nên vật liệu chế tạo dễ dàng hơn laser DBR Do cấu trúc DFB và DBR khác nhau nên chúng có một số đặc tính khác nhau Điểm khác biệt quan trọng giữa hai loại laser này là đặc tính phụ thuộc nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng trong laser DBR

có sự chuyển đổi từ mode này sang mode khác, còn DFB thể hiện đặc tính ổn định trong một dải nhiệt độ rộng

Một bộ phát của một kênh (một bước sóng) thường gồm một laser DFB, sau đó

là một bộ điều chế, thường ở bên ngoài máy phát laser, đặc biệt là khi tốc độ điều chế cao Sự phát triển của các mạch quang tích hợp gần đây đã giảm giá thành của các máy phát, trong đó chip laser, bộ khuếch đại quang được tích hợp trong một gói

Các gói này có thể cho công suất đầu ra là 40 dBm cho dòng kích thích khoảng 40

mA Ánh sáng từ nguồn quang phải được điều chế với dòng bit mang thông tin cần truyền bằng phương pháp điều biến cường độ Quá trình điều biến phải có độ tuyến tính cao để tránh sự phát sinh các hài không cần thiết và sự méo dạng tín hiệu do điều biến qua lại, gây nhiễu cho quá trình giải điều chế ở phía thu Các gói DFB kết hợp với các bộ điều chế trên một chip làm cho cả khối có độ di tần thấp, tốc độ điều chế cao Tuy nhiên chúng cũng có một số hạn chế như độ rộng phổ hẹp làm cho chúng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu do sự phản hồi từ các liên kết

1.3.2 Bộ tách/ghép kênh quang

Chức năng bộ tách kênh quang là nhận tín hiệu từ sợi quang - một tia sáng bao gồm nhiều tần số sóng quang khác nhau Bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận được thành các tín hiệu tại tần số khác nhau Nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngược lại: nó nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng vào trong một tia sáng để truyền vào sợi quang Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh

là thiết bị tách/ghép kênh thụ động và thiết bị tách/ghép kênh tích cực Thiết bị tách/ghép kênh thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu

xạ và các bộ lọc Các thiết bị tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị thụ động với các bộ lọc điều hưởng trong đó mỗi bộ lọc cộng hưởng với một tần số nhất định Trong phần này ta xem xét một số kỹ thuật tách/ghép kênh quang[6] và các bộ ghép xen/rẽ quang

Một kỹ thuật đơn giản để tách/ghép ánh sáng là sử dụng một lăng kính (hình 1.4) Đặt chùm tia sáng gồm nhiều bước sóng ra khỏi sợi quang tại tiêu điểm một thấu kính hội tụ Ra khỏi thấu kính sẽ là một chùm sáng trắng song song chiếu vào

bề mặt một lăng kính, mỗi bước sóng thành phần khúc xạ theo một góc khác nhau

do chiết suất lăng kính phụ thuộc vào bước sóng Đặt tiếp một thấu kính sau lăng kính, các tia cùng màu khi ra khỏi lăng kính song song với nhau sẽ được hội tụ đến một điểm Các sợi quang riêng lẻ đặt tại tiêu điểm của thấu kính sẽ thu được ánh sáng theo các màu khác nhau (hay có bước sóng khác nhau) mang tín hiệu Trường hợp ghép các kênh tín hiệu vào một sợi quang cũng sử dụng các linh kiện trên nhưng thực hiện theo quy trình ngược lại

Hình 1.4: Tách kênh sử dụng lăng kính

Một kỹ thuật khác là sử dụng cách tử nhiễu xạ, kỹ thuật này dựa trên các nguyên lý về nhiễu xạ của giao thoa quang Khi một nguồn sáng đa sắc chiếu vào một cách tử nhiễu xạ, mỗi bước sóng sẽ bị nhiễu xạ theo một góc khác nhau và chiếu đến những điểm khác nhau trong không gian Sử dụng thấu kính hội tụ ta có thể hội tụ các bước sóng này vào các sợi quang riêng biệt Trên hình 1.5 biểu diễn cách tử dùng để tách sóng

là các bước sóng khác nhau được giao thoa tối đa tại các vị trí khác nhau tương ứng với các cổng đầu ra.

Một kỹ thuật khác dùng các bộ lọc giao thoa trong các thiết bị và được gọi là bộ lọc màng mỏng hoặc bộ lọc giao thoa nhiều lớp Bằng cách định vị các bộ lọc có những màng mỏng trong các tuyến quang có thể phân loại (tách kênh) các bước sóng Đặc tính của mỗi bộ lọc là nó phát một kênh (bước sóng) trong khi khúc xạ các kênh (bước sóng khác) Bằng cách xếp tầng các thiết bị này có thể tách kênh cho nhiều bước sóng

Trong các kỹ thuật nói trên, AWG và các bộ lọc màng mỏng đang tăng lên đáng kể Các bộ lọc cho độ ổn định và độ cách ly giữa các kênh rất tốt với chi phí vừa phải, tuy nhiên chúng có nhược điểm là suy hao xen khá cao AWG là thiết bị phụ thuộc phân cực (có thể bù được), cho đáp ứng phổ bằng phẳng cùng với suy hao xen thấp Trở ngại lớn nhất của thiết bị này là nhạy cảm với nhiệt độ nên không thể hoạt động trong tất cả các môi trường Ưu điểm lớn nhất là có thể được thiết kế đồng thời cho cả ghép kênh và tách kênh Với số lượng kênh lớn thì sử dụng AWG

sẽ tốt hơn vì khi đó việc sử dụng các bộ lọc màng mỏng xếp tầng là không thực tế.Giữa các điểm ghép và tách kênh trong hệ thống có một vùng có nhiều bước sóng tồn tại Việc thêm hoặc tách một hoặc nhiều bước sóng tại một số điểm trên đường truyền là rất cần thiết Do đó cần có các bộ ghép xen/rẽ để thực hiện các chức năng này Ngoài các chức năng kết hợp hoặc phân chia các bước sóng, các OADM còn có khả năng gỡ bỏ một số kênh trong khi chuyển tiếp các kênh còn lại OADM là một phần quan trọng để tiến đến mục tiêu của mạng toàn quang

OADM cũng tương tự như một bộ ghép xen/rẽ SONET (ADM) về nhiều chi tiết, ngoại trừ đặc điểm chỉ xen hoặc rẽ các bước sóng quang và không có sự chuyển đổi quang - điện nào Có hai loại thiết bị OADM Thế hệ đầu tiên là một thiết bị cố định được cấu hình vật lý để rẽ một số bước sóng cụ thể đã định trước trong khi xen thêm các bước sóng khác Thế hệ thứ hai có khả năng cấu hình lại và có thể chọn lựa linh hoạt các bước sóng để xen/rẽ

Các bộ lọc màng mỏng đã phát triển thành một công nghệ được chọn lựa cho OADM trong các hệ thống WDM đô thị hiện nay vì chúng có giá thành thấp và độ

ổn định cao Để phát triển thế hệ thứ hai của OADM, các công nghệ khác như cách

tử và bộ truyền vòng sợi quang khả chỉnh cũng đang được phát triển

1.3.3 Bộ khuếch đại quang

Suy hao đã hạn chế độ dài mà sợi quang có thể truyền tín hiệu nguyên vẹn trước khi phải tái tạo Trước khi có các bộ khuếch đại quang người ta đã phải sử dụng các bộ lặp cho mỗi tín hiệu phát đi Bộ khuếch đại quang có khả năng khuếch đại tất cả các bước sóng cùng lúc mà không cần chuyển đổi quang - điện - quang(OEO) Ngoài việc sử dụng trong các kết nối quang, các bộ khuếch đại còn được dùng để khuếch đại công suất tín hiệu sau khi ghép kênh hoặc trước khi tách kênh vì cả hai trường hợp này đều gây ra suy hao trong hệ thống Ngày nay trong tất cả các hệ thống WDM đều sử dụng bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier: bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium) Nó đóng vai trò quan trọng giúp cho hệ thống có khả năng mang những trọng tải lớn trên những khoảng cách dài Phần này trình bày một số đặc điểm cơ bản của EDFA

Erbium là một nguyên tố đất hiếm, khi được kích thích nó phát ra ánh sáng có

trong các hệ thống WDM Một tín hiệu khá yếu đến sợi quang được pha tạp Erbium, sợi quang được bơm với bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm bằng một laser bơm Ánh sáng bơm này kích thích các phân tử Erbium để giải phóng năng lượng

dự trữ của chúng và phát ánh sáng có bước sóng 1550 nm Khi quá trình này tiếp tục dọc theo sợi quang thì tín hiệu sẽ mạnh dần lên Bơm ở bước sóng 1480 nm có hiệu suất thấp hơn so với bơm ở bước sóng 980 nm nhưng lại có công suất bơm cao hơn Các phát xạ tự phát trong EDFA cũng dẫn đến tạp âm cho tín hiệu và xác định

hệ số tạp âm trong một bộ khuếch đại

Các tham số quan trọng trong bộ khuếch đại EDFA bao gồm: hệ số khuếch đại, độ phẳng khuếch đại, mức tạp âm và công suất đầu ra Các bộ khuếch đại này

có khả năng cho độ khuếch đại đến 45 dB (10500 lần) và khuếch đại dải bước sóng từ 30 nm đến 35 nm (1535 nm - 1565 nm) Theo lý thuyết thì hệ số nhiễu của EDFA đạt được giới hạn lượng tử (giới hạn này gây ra do phát xạ tự phát) Thực nghiệm cho thấy hệ số nhiễu của bộ khuếch đại đạt được xấp xỉ 3 dB, giá trị thực

tế từ 3.5 đến 6 dB Một ưu điểm của EDFA là bộ khuếch đại có độ nhạy phân cực thấp, do đó có thể mắc chuỗi các bộ khuếch đại EDFA có các đặc tính bão hoà tốt

do công suất bão hoà tăng tuyến tính với công suất bơm.Thời gian sống dài ở

loại bộ khuếch đại khác Trạng thái kích thích có thể tích luỹ công suất bơm trong một thời gian dài, do đó công suất bơm trong yêu cầu để giữ được mức năng lượng đủ lớn trong một bộ khuếch đại thường rất thấp, chỉ 10 mW đến 20 mW để đạt đến hệ số khuếch đại tín hiệu 30 dB Với các tín hiệu ở các bước sóng khác nhau sự xuyên nhiễu đa kênh trong bộ khuếch đại rất thấp do thời gian sống ở các trạng thái kích thích dài, mật độ hạt ở trạng thái kích thích không thể đáp ứng những thay đổi tín hiệu quá nhanh từ bước sóng này xuyên qua bước sóng khác Cũng vì lý do này, EDFA là bộ khuếch đại không méo thậm chí trong trường hợp bão hoà sâu Hiển nhiên EDFA có thể tích hợp trong một mạng quang vì có cấu tạo dựa trên một đoạn sợi Silic Nhược điểm chính của EDFA là phổ khuếch đại không bằng phẳng mà xuất hiện các đỉnh khuếch đại, hệ số khuếch đại không như nhau đối với mọi bước sóng

Tuỳ thuộc yêu cầu hệ thống mà bộ khuếch đại có thể ở các vị trí khác nhau trên tuyến và có yêu cầu kỹ thuật riêng, có thể chia làm ba loại: BA, LA và PA

BA (Booster Amplifier) là bộ khuếch đại công suất có công suất vào lớn, được

sử dụng ngay sau bộ phát để tăng mức công suất tín hiệu Do công suất đầu ra khá cao nên có thể bỏ qua tạp âm ASE Bộ khuếch đại đường dây LA (Line Amplifier) là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp Yêu cầu đối với

bộ khuếch đại loại này là có công suất vào nhỏ, công suất ra lớn và nhiễu gây ra nhỏ nhất Bộ tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier) là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng ngay trước bộ thu để tăng độ nhạy thu Để đạt được mức tạp

âm ASE thấp người ta sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng nguồn phát Bản thân bộ khuếch đại gây ra nhiễu cho hệ thống Sau mỗi bộ khuếch đại tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR giảm nên thông thường sau ba bộ khuếch đại phải đặt thêm bộ lặp để khôi phục tín hiệu

1.3.4 Bộ thu quang

Bộ thu quang thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành điện Bộ thu phải thích hợp với bộ phát cả về bước sóng sử dụng và phương thức điều chế, đồng thời phải được thiết kế để đưa ra mức tín hiệu phù hợp

Cấu trúc bộ thu quang gồm có bộ tách sóng quang, các bộ khuếch đại tín hiệu

và các mạch xử lý tín hiệu Toàn bộ cấu trúc này thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang phát ở đầu sợi từ phía phát tới thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này tới mức đủ lớn để nó có thể tạo thuận lợi cho các bước xử lý tiếp theo như quá trình tái tạo tín hiệu Độ phức tạp của mạch giải điều chế phụ thuộc vào phương pháp điều chế được sử dụng

Bộ thu quang thường sử dụng photodiode làm phần tử tách sóng quang Có hai loại photodiode là PIN và APD Photođioe PIN yêu cầu công suất thấp nhưng kém nhạy cảm, chỉ hoạt động trên một dải tần số hẹp và cần có bộ khuếch đại phía trước APD do có hiệu ứng nhân thác nên dòng quang điện được khuếch đại ngay trong diode, cho tín hiệu lớn nên không cần bộ tiền khuếch đại và thường được sử dụng trong các tuyến thông tin quang đường dài

Cấu tạo của một photodiode thông thường bao gồm một lớp tiếp giáp p-n phân cực ngược tạo ra một vùng nghèo hấp thụ photon, sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống

đi về hai phía p hoặc n tạo thành dòng điện chạy trên mạch ngoài Photodiode PIN

có thêm một lớp bán dẫn i (nguyên chất) giữa hai lớp p-n, chiều rộng của lớp bán dẫn I được xác định sao cho tất cả photon đi vào đều được hấp thụ tại lớp bán dẫn i APD có cấu tạo gồm bốn lớp p+-i-p-n+ Lớp i hấp thụ photon đi vào, lớp p-n+ có điện trở suất lớn nhất hình thành vùng nhân điện tử để xảy ra hiệu ứng nhân thác, cho phép khuếch đại dòng quang điện ngay trong APD

Trong bộ thu có một số tham số quan trọng như đáp ứng phổ, thời gian lên, độ rộng băng tần nguồn thu, các loại nhiễu, tỉ số tín hiệu trên tạp âm và độ nhạy máy thu Đáp ứng phổ là một hàm của bước sóng, liên quan mật thiết đến bộ tách sóng được dùng Các loại nhiễu gồm có nhiễu nhiệt và nhiễu lượng tử Độ nhạy máy thu

là mức công suất nhỏ nhất của tín hiệu tới mà máy thu vẫn thu được tín hiệu với tỉ

số lỗi bit BER yêu cầu

1.3.5 Sợi quang

Nhiệm vụ chính của sợi quang là dẫn sóng ánh sáng với một lượng suy hao nhỏ nhất Trong hệ thống truyền dẫn quang, sợi quang đóng vai trò là phương tiện truyền dẫn Hiện nay, sợi quang đơn mode tuân theo khuyến nghị G.652 được sử dụng nhiều nhất Giá trị tán sắc bằng không nằm ở bước sóng 1310 nm, tán sắc tại vùng 1550 nm rất lớn, cỡ 18 ps/nm/km Tuy nhiên, suy hao ở vùng bước sóng 1550

nm nhỏ hơn trong vùng 1310 nm và bộ khuếch đại EDFA làm việc tại vùng này nên người ta sử dụng sợi quang tán sắc đã dịch (DSF - Dispersion Shifted Fiber) Sợi quang DSF tuân theo khuyến nghị G.653, có tán sắc bằng không tại bước sóng 1550

nm, thích hợp sử dụng trong các hệ thống WDM thông thường Tuy nhiên do hiệu ứng trộn bốn sóng xảy ra mạnh nên nó không được sử dụng trong các hệ thống kênh mật độ dày đặc DWDM Trong các hệ thống DWDM người ta sử dụng sợi NZ-DSF (Non-zero DSF), loại sợi này có mức tán xạ thấp tại cửa sổ thứ ba Một loại sợi mới cũng đang được phát triển cho truyền dẫn WDM là sợi HDSF (Half-Dispersion - shifted Single-mode Fiber) Loại sợi này có bước sóng cắt nhỏ hơn 1500 nm, bước sóng có tán sắc bằng không lớn hơn 1450 nm và nhỏ hơn 1500 nm, tại bước sóng hoạt động 1560 nm thì tán sắc còn khoảng 6 đến 11 ps/nm/km

Gần đây, tập đoàn điện tử Sumitomo của Nhật đã tuyên bố vừa phát triển được loại sợi quang mới sử dụng cho các hệ thống WDM có tên gọi PureMetro Đây là sợi NZ-DSF đa chức năng, có các đặc điểm rất tốt cho cả các hệ thống WDM đô thị

và các đường trung kế Dải bước sóng sử dụng cho truyền dẫn DWDM trong các đường trung kế là băng C (1530 nm -1565 nm) và băng L (1565 nm - 1625 nm) tại phía bước sóng dài Các đặc điểm về tán sắc của sợi PureMetro tại dải bước sóng này được xác định thận trọng để cho phép sử dụng PureMetro trong các mạng WDM trung kế hiện có Các ứng dụng của sợi PureMetro đối với các thiết bị truyền dẫn hiện có cho phép truyền dẫn DWDM với khoảng cách kênh 1 nm hoặc nhỏ hơn Trong các mạng đô thị, truyền dẫn ở khoảng cách ngắn và trung bình sử dụng WDM đã trở thành xu thế Xuất phát từ quan điểm của dải truyền dẫn và chi phí, các bộ khuếch đại quang và các sợi quang bù tán sắc sẽ không được sử dụng nữa

Vì vậy đường truyền dẫn cần phải có suy hao nhỏ và tán sắc nhỏ trên một dải rộng

Để đạt được những yêu cầu này, PureMetro được thiết kế là sợi NZ-DSF đầu tiên có

suy hao hấp thụ OH thấp và có tán sắc thấp, cân bằng trong dải bước sóng từ 1280

nm đến 1625 nm Đây là loại sợi quang thích hợp để xây dựng các mạng WDM đô thị Sợi quang này có khả năng ứng dụng trong các đường trung kế khoảng cách lớn cũng như các mạng đô thị Người ta dự đoán sợi quang này sẽ được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống WDM thông thường và DWDM

1.4 Các tham số trong hệ thống truyền dẫn WDM

1.4.1 Các tham số trong các bộ tách ghép kênh

1.4.1.1 Dải kênh

Hiệu suất của một bộ tách/ghép kênh phụ thuộc vào khả năng cách ly các kênh đầu vào và các kênh đầu ra Mỗi dải kênh được đặc trưng bởi các tham số sau:

a Bước sóng trung tâm kênh

Bước sóng trung tâm đo được thường dùng để đặc trưng cho một kênh của bộ lọc hoặc bộ tách /ghép kênh Bước sóng trung tâm là bước sóng trung bình của bước sóng cắt trên và dưới, không nhất thiết phải là bước sóng truyền dẫn lớn nhất.Tham số bước sóng trung tâm rất có ý nghĩa với những bộ lọc có dạng phổ đối xứng hoặc gần đối xứng Nhìn chung, bước sóng trung tâm được định nghĩa như điểm giữa của các bước sóng có sườn giảm xuống 3 dB trên hai bên của bước sóng truyền dẫn đỉnh Với một phân phối hoàn toàn đối xứng, bước sóng trung tâm có thể

là bước sóng truyền dẫn đỉnh nhưng đây là trường hợp hiếm có Trong thực tế, những thay đổi tương đối nhỏ trong hình dạng phổ cũng dẫn đến những thay đổi đáng kể trong bước sóng trung tâm Bộ phát của kênh hoạt động gần bước sóng nhỏ, thường là một trong các bước sóng theo chuẩn của ITU Do đó bước sóng trung tâm cũng phải càng gần các bước sóng này càng tốt, chẳng hạn như các bước sóng kênh của ITU Các bước sóng cắt trên và dưới là các bước sóng mà tại đó suy hao xen đạt đến một giá trị nhất định, thường là 3dB

b Khoảng cách kênh

Trong các hệ thống mạng hiện có, người ta sử dụng cả các kênh có khoảng cách đều và các kênh có khoảng cách không đều Các kênh có khoảng cách đều được dùng nhiều nhất trong các hệ thống ITU, khoảng cách là 100GHz Khoảng cách kênh không đều được dùng để tối thiểu hoá và dự đoán các hiệu ứng phi tuyến như trộn bốn sóng FWM phát sinh khi hai hoặc nhiều hơn hai bước sóng tương tác để

sinh ra bước sóng mới Với khoảng cách kênh đều hiện tượng FWM sẽ gây ra nhiễu giữa các kênh.

c Băng thông tại -3 dB và một số giá trị khác

Băng thông là độ rộng phổ mà qua đó mức truyền dẫn vượt ra ngoài một số giá trị cố định Băng thông sẽ không còn nhiều ý nghĩa nếu không kể đến một mức ngưỡng cụ thể Băng thông xác định dải phổ mà qua đó thiết bị có thể hoạt động có hiệu quả Biết được băng tần tại hai mức hoặc nhiều hơn có thể chỉ ra dạng đường viền của dải Các giá trị có suy hao cao (-20 dB hoặc -30dB) rất có ích trong việc dự đoán xuyên âm có thể xảy ra trong các kênh DWDM liền kề Mức ngưỡng cụ thể được sử dụng phụ thuộc vào sự cách ly các kênh liền kề, tuỳ theo nhu cầu của một ứng dụng mạng cụ thể

d Sự cách ly và xuyên kênh

Nói một cách rộng rãi, sự cách ly kênh và xuyên âm mô tả sự loại bỏ tín hiệu từ một kênh liền kề hoặc các kênh khác trong một thiết bị đa kênh Phép đo thực hiện lấy đặc điểm băng thông của mỗi kênh vào trong báo cáo và thường được ghi rõ trong các điều kiện xấu nhất Cách giải thích về sự cách ly và xuyên âm chỉ khác nhau rất ít Trong khi sự cách ly kênh mô tả sự loại bỏ công suất tín hiệu từ hoặc đến một kênh khác thì xuyên kênh mô tả công suất bị rò gỉ qua một dải kênh từ các kênh khác Sự cách ly là giá trị nhỏ nhất tính theo dBm mà tại đó thiết bị đo kiểm loại bỏ các tín hiệu bên ngoài còn xuyên kênh chỉ sự khác biệt giữa công suất đầu vào lớn nhất với công suất rò gỉ nhỏ nhất, tính theo dB

Ngoài việc đo đạc và đánh giá các trường hợp xuyên kênh xấu nhất giữa hai hay nhiều kênh trong một hệ thống WDM, người dùng còn phải xác định các mức xuyên kênh có thể chấp nhận được Thông thường, cách ly các kênh liền kề với giá trị 25 dB trở lên là đủ Tuy nhiên, khi mạng ngày càng trở nên phức tạp và các bộ thu cần phải đủ độ tin cậy để đối phó với các mức công suất tín hiệu thấp thì cần phải có sự cách ly cao hơn Cũng vì lý do đó, sự cách ly giữa các kênh không liền

kề cũng phải được tính đến khi thiết kế hệ thống, mặc dù trước đây có thể bỏ qua tham số này

e Gợn sóng tại đỉnh công suất kênh theo bước sóng

Đáp ứng phổ của một thiết bị WDM không bao giờ được phẳng hoàn toàn Các đặc điểm về suy hao xen đã cho thấy suy hao tại một giá trị riêng lẻ nhưng không

mô tả được sự biến đổi của suy hao qua dải thông hoặc kênh ITU Sự biến đổi hay

là sự khác biệt giữa giá trị suy hao nhỏ nhất và lớn nhất qua một dải thông, được gọi

là gợn sóng (người ta cũng dùng một đại lượng ngược lại là độ phẳng để mô tả đặc điểm này) Độ gợn sóng trong một kênh cho người thiết kế hệ thống thông tin về những thay đổi có thể xảy ra trong công suất phát khi bước sóng truyền dẫn thay đổi trong một dải thông nhỏ Trong nhiều ứng dụng, độ gợn sóng quá mức là không thể chấp nhận được Một tham số quan trọng khác là sườn gợn sóng lớn nhất, tính bằng

sự thay đổi suy hao trên sự thay đổi bước sóng Sử dụng tham số này người thiết kế

hệ thống có thể quyết định công suất kênh thay đổi bao nhiêu cho một sự thay đổi nhỏ trong bước sóng phát

1.4.1.2 Các hiệu ứng phụ thuộc phân cực

Tại một điểm bất kỳ trong mạng quang, trạng thái phân cực của năng lượng quang về cơ bản là không được biết Nó phụ thuộc vào hình dạng đường đi của sợi quang, vào sự lưỡng chiết do sự không đối xứng trong môi trường truyền dẫn - do bản chất hoặc do nhiệt, sức căng, sức nén - cũng như nhiều hiệu ứng quang khác trong các thành phần mạng

Vì các đặc điểm của nhiều thành phần được sử dụng trong các mạng quang thay đổi như một hàm của trạng thái phân cực nên các đặc điểm của kênh như suy hao xen, tần số trung tâm, băng tần cũng thay đổi theo phân cực Chính vì vậy, để đảm bảo độ tin cậy, một nhà thiết kế mạng cần phải xem xét đến trường hợp xấu nhất khi phụ thuộc phân cực của tất cả các thành phần được sử dụng trong hệ thống Suy hao, băng tần và tần số trung tâm đặc biệt rất nhạy với trạng thái phân cực Mỗi thông số trên phải được đo tại các trạng thái phân cực khác nhau bằng cách sử dụng

bộ điều khiển phân cực Kết quả thay đổi chính là sự phụ thuộc phân cực của mỗi thông số Trong trường hợp lý tưởng, quá trình đo kiểm sẽ được thực hiện cho tất cả các trạng thái phân cực nhưng thông thường thì chỉ cần một số trường hợp ngẫu nhiên Sau đây ta xét một vài phép đo cụ thể

a Suy hao phụ thuộc phân cực PDL (Polarization Dependent Loss)

PDL là sự thay đổi của suy hao qua một dải trạng thái phân cực Nó được xác định giữa tỉ số truyền trong các trạng thái phân cực tốt nhất và xấu nhất và được tính theo dB Khi một nửa giá trị của PDL cộng với suy hao xen, mà suy hao xen

được đo trong trạng thái không phân cực thì đó là trường hợp suy hao xấu nhất trong thành phần tại một bước sóng cụ thể (thường là bước sóng hoạt động nhỏ) Nhìn chung, PDL có giá trị thấp nhất trong băng thông, cao hơn trong vùng chuyển tiếp và cao nhất trong dải dừng của bộ lọc Hầu hết các nhà sản xuất thành phần mạng và người dùng đều thấy rằng đo PDL tại trung tâm kênh và biên dải thông là

đủ Với hầu hết các ứng dụng thì yêu cầu đặt ra là PDL nhỏ hơn 0,1 dB Một số tham số khác cũng thay đổi theo phân cực là bước sóng trung tâm và băng tần Chúng cũng được đánh giá tương tự như PDL

b Tán sắc mode phân cực PMD (Polarization Mode Dispersion)

PMD là kết quả khi hai thành phần phân cực của một tín hiệu truyền trong sợi quang với các vận tốc khác nhau và vượt ra ngoài pha dọc theo sợi Hiệu ứng này cùng với sự xuất hiện của PDL và chirp của bộ phát làm méo dạng và nới rộng xung tín hiệu và ảnh hưởng đến tỉ lệ lỗi trong các hệ thống số, đồng thời có thể gây ra méo hài nghiêm trọng trong các hệ thống tương tự như các mạng CATV Dưới điều kiện chiếm ưu thế trong các mạng quang, PMD tích luỹ thống kê theo hàm căn bậc hai của khoảng cách chứ không phải là tuyến tính theo độ dài cuả sợi quang Vì vậy mặc dù PMD tổng quát được tính theo đơn vị thời gian (ps) nhưng hệ số của PMD (giá trị trên một đơn vị độ dài) được tính theo trễ trên căn bậc hai của đơn vị khoảng cách (ps/km) Tuy nhiên, với các thành phần như các bộ tách/ghép kênh thì quá trình PMD được xác định trước nên thông thường ta chỉ quan tâm đến PMD tổng cộng của thiết bị (hoặc mỗi kênh của thiết bị) Do vậy mà thành phần PMD thường được tính đơn giản theo đơn vị thời gian (ps)

1.4.1.3 Suy hao xen IL (Insertion Loss)

Suy hao xen của một thành phần là độ lệch giữa công suất đầu vào và đầu ra của thành phần mạng đó IL xác định suy hao công suất trong thiết bị tại một bước sóng cụ thể hoặc qua một dải phổ và được tính theo công suất sau:

)/)lg((

10)

cho bất cứ bước sóng truyền dẫn nào Trong thực tế, đây là cách mà hầu hết các nhà sản xuất sử dụng để xác định suy hao xen của kênh Cần phải chú ý rằng bước sóng ITU đưa ra không nhất thiết phải là bước sóng trung tâm của dải thông Phương pháp này được áp dụng khi đã biết trước độ rộng kênh, nhưng một số linh kiện có xu hướng sử dụng cho các ứng dụng chung nên không thể xác định trước các điều kiện làm việc cụ thể Trong tình huống này thì cách tốt nhất để mô tả IL là tính toán bước sóng trung tâm của dải thông sau đó tính IL tại bước sóng đó Phương pháp này được

áp dụng trong các thiết bị đơn kênh hoặc các thiết bị có dải thông đối xứng

Chưa có một chuẩn nào được chấp nhận khi đưa ra định nghĩa về IL với sự có mặt của PDL Một định nghĩa khá hợp lý đã được các tổ chức chuẩn hoá đề xuất Đầu tiên cần phải đo IL với một nguồn đã được khử phân cực PDL biến thiên từ max tới min theo giá trị này Khi đó IL có thể được định nghĩa như một trường hợp suy hao tốt nhất khi trạng thái phân cực tại đầu vào thiết bị kiểm tra đo thử (DUT) của một nguồn phân cực hoàn toàn (laser) đã được điều chỉnh Trường hợp suy hao xấu nhất là tổng của IL và PDL Các số liệu quan trọng khi so sánh giá trị IL của nhiều thiết bị khác nhau gồm có ảnh hưởng của các connector và tính đồng đều của

IL qua các kênh trong một thiết bị đa kênh

1.4.1.4 Tính định hướng

Tính định hướng đôi khi còn được dùng để chỉ xuyên kênh đầu gần, là một phép đo sự cách ly giữa các cổng đầu vào của một thiết bị nhiều đầu vào Tham số này đặc biệt quan trọng trong bộ ghép kênh vì tại đây công suất phản xạ trở lại bộ phát cần có giá trị tối thiểu

Người dùng phải có một kết cuối không phản xạ tại đầu ra của thiết bị để đo tính định hướng Nếu không đảm bảo được điều này thì các tia phản xạ tại bề mặt sợi quang sẽ làm sai lệch kết quả đo Thông thường chỉ cần thực hiện các phép đo tính định hướng tại các bước sóng kênh nhỏ Ta có thể chèn một tín hiệu vào một kênh tại bước sóng được thiết kế và đo công suất phản xạ trở lại một đầu vào khác

Độ lệch giữa công suất chèn vào và công suất phản xạ trở lại chính là tính định hướng cho một sự kết hợp kênh cụ thể Các phép đo có thể tiến hành với các kênh kết hợp Tuy nhiên điều này khiến cho việc tự động hoá các phép đo trở nên khó khăn, đặc biệt là với các thiết bị có số kênh lớn

1.4.1.5 Suy hao phản hồi

Khi ánh sáng được bơm vào một linh kiện quang như connector, bộ ghép kênh hay chính là sợi quang, một phần năng lượng được truyền đi, một phần bị hấp thụ

và một phần phản xạ trở lại Trong các hệ thống quang sợi, ánh sáng bị phản xạ do tán xạ Rayleigh và phản xạ Fresnel Tán xạ Rayleigh xảy ra bên trong bản thân sợi quang như một hệ quả không thể tránh khỏi do tương tác giữa phần năng lượng ánh sáng được phát và các phân tử sợi quang Vì vậy tán xạ Rayleigh phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của thuỷ tinh, đồng thời cũng phụ thuộc vào bước sóng Độ lớn của tán xạ Rayleigh vào khoảng -75 dB trên mét cho sợi quang điển hình tại bước sóng 1550nm, ảnh hưởng của tham số này có thể xem xét qua các kết nối dài Phản

xạ Fresnel xảy ra tại các bề mặt rời rạc (connector, adapter…), là hệ quả của các lỗ hổng không khí, sự mất liên kết và những chiết suất không phù hợp với nhau

Người ta không mong muốn công suất quang phản hồi do một số lý do như sau:-Tham số này đóng góp vào suy hao công suất tổng

- Các bộ phát laser hiệu suất cao dùng trong các hệ thống DWDM rất nhạy với ánh sáng phản xạ, vì ánh sáng này có thể làm giảm nghiêm trọng độ ổn định của laser và đến tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR của hệ thống Trong những trường hợp nhất định, công suất phản hồi lớn có thể phá huỷ bộ phát laser

- Ánh sáng phản xạ có thể bị phản xạ trong hướng đi Những phản xạ truyền theo hướng đi này làm chậm tín hiệu ban đầu, gây ra các vấn đề tại phần giải điều chế Hiện tượng này được gọi là giao thoa đa đường (MPI)

- Sự phản xạ xảy ra bên trong một bộ khuếch đại EDFA có thể dẫn đến MPI cộng và đóng góp tạp âm bộ khuếch đại rất lớn

Xem xét đến tất cả các khía cạnh trên thì một thành phần có hệ số phản xạ -55

sóng Tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng được gọi chung là tán sắc sắc thể của sợi quang.

Tán sắc sắc thể không phải là một vấn đề nếu một kênh quang được đặc trưng bởi một bước sóng, nhưng ngay cả các kênh hẹp nhất cũng có băng tần hạn chế Thậm chí một nguồn đơn sắc lý tưởng cũng không thể có độ rộng đường phổ bằng không khi được điều chế vì thực tế nguồn này đang mang tín hiệu Thêm vào đó, một số hiện tượng trong thực tế, ví dụ như hiện tượng chirp, có thể dẫn đến việc nới rộng xung, ảnh hưởng đến độ rộng nguồn phát

Vì vậy mỗi một kênh cho trước được đặc trưng bởi một dải các bước sóng có khoảng cách gần mà không phải là một bước sóng đơn lẻ Bởi vì các bước sóng khác nhau lan truyền theo các tốc độ khác nhau (hoặc theo vận tốc nhóm khác nhau) nên một xung vuông tại đầu vào sẽ rộng ra khi nó đi qua nhiều kết nối quang sợi Trong nhiều trường hợp, xung này trộn lẫn với các xung liền kề, làm cho việc khôi phục tín hiệu chính xác trở nên khó khăn Khi tốc độ bit và độ dài tuyến tăng lên, ảnh hưởng của tán sắc sắc thể cũng lớn hơn

Hình 1.6: Bước sóng có tán sắc bằng không, λ0 và sườn tại tán sắc không, S0

Tán sắc sắc thể của một kết nối quang được tích luỹ theo khoảng cách và được tính theo sự thay đổi trễ nhóm trên một đơn vị độ dài, ps/nm Hệ số trễ là tán sắc cho một loại sợi quang cụ thể và được tính tổng quát theo đơn vị ps/(nm.km) Tán sắc sắc thể của một hệ thống rất nhạy với sự tăng số lượng và độ dài của span, với

sự tăng tốc độ bit Việc giảm khoảng cách kênh và tăng số lượng kênh không ảnh hưởng nghiêm trọng đến tán sắc sắc thể Các hiệu ứng của tán sắc sắc thể giảm khi

giảm giá trị tán sắc sắc thể tuyệt đối của sợi quang và khi bù tán sắc Đối với các hệ thống WDM sử dụng sợi quang G.652 cần phải chú ý hơn đến tán sắc sắc thể vì tán sắc rất lớn trong vùng 1550 nm.

Hình 1.7: Tán sắc thay đổi như một hàm theo bước sóng với một vật liệu cho trước

1.4.2.2 Tán sắc mode phân cực PMD

Mô tả một sợi quang lý tưởng tương đối đơn giản: làm thế nào năng lượng truyền dọc theo sợi, các mode phân cực mà sợi quang này có tại các bước sóng cho trước Tuy nhiên, khi các sợi quang thực tế kết hợp lại trong cáp và cáp được lắp đặt thì rất khó để có được sợi quang lý tưởng Trong suốt quá trình sản xuất sợi quang, các tác động trong lõi và vỏ sợi được cố định lại, bao gồm cả tính lưỡng chiết không thể dự đoán của sợi quang Ngoài ra, các tác động cơ học của việc quấn các sợi quang trong cáp đôi dẫn đến sức căng bất đối xứng, sức căng này tăng lên khi cáp lại được uốn quang một trục Mỗi lần ra khỏi phạm vi ban đầu, cáp tiếp tục chịu các sức ép lớn hơn khi nó được lắp đặt cũng như khi tăng các khoảng trống, các connector… Tất cả các tác động cơ học này đều dẫn đến kết quả là xuất hiện sự biến dạng giả ngẫu nhiên bên trong sợi quang, sự biến dạng này làm nhiễu loạn hình dạng tròn hoặc tính đồng tâm của lõi bên trong vỏ, hoặc kéo dài hay uốn nhọn phần lõi

Tán sắc mode phân cực là cơ chế cơ bản mà qua đó các hiện tượng trên ảnh hưởng đến hiệu suất Tại một điểm bất kỳ dọc theo sợi quang, một xung ánh sáng

đã được phân cực có thể bị phân chia thành các thành phần được sắp xếp theo hai trục trực giao của sợi quang: một trục nhanh và một trục chậm Cần chú ý là các trục này không nhất thiết phải tương ứng với một trạng thái phân cực tuyến tính

Trong cáp quang thực tế, tính định hướng của các trục này và sự khác nhau tương đối về tốc độ truyền tương ứng với mỗi trục (liên quan trực tiếp đến độ lớn của sự lưỡng chiết bên trong) thay đổi dọc theo đường dẫn quang Trong mỗi đoạn của sợi quang, hướng của các trục lưỡng chiết thay đổi (có thể coi là ghép mode) Trong mỗi đoạn xuất hiện thời gian trễ giữa các phần của ánh sáng theo trục nhanh và ánh sáng theo trục chậm Vì tính hướng tương đối của các trục này trong các phần là khác nhau nên xung tín hiệu trải rộng theo thời gian

Với những bước sóng cụ thể, trạng thái phân cực của ánh sáng được đưa vào sợi quang có thể chỉnh sửa để xung không trải rộng Trong thực tế, có hai trạng thái phân cực trực giao tồn tại Chúng là các trạng thái phân cực cơ bản, một tương ứng với thời gian truyền xung nhanh nhất và một ứng với thời gian lan truyền xung chậm nhất Sự khác biệt giữa hai thời gian truyền xung này được gọi là trễ nhóm vi sai (DGD) tương ứng với bước sóng đó và PMD được xác định là giá trị trung bình theo bước sóng của DGD

Các hệ số tạo ra PMD không thể đo riêng rẽ nên hiện tượng này phải được xem xét như một sự thay đổi cố định, không ổn định và chỉ mang tính phỏng đoán Quá trình phỏng đoán này cho kết quả là sự nới rộng các xung mang tin, có thể làm giảm khả năng giải mã chính xác tại bộ thu Do đó PMD là một tham số giới hạn tốc độ truyền dẫn Tham số này được đo bằng đơn vị ps Bởi vì mỗi yếu tố mới dọc theo sợi quang đều góp thêm vào ảnh hưởng của yếu tố trước đó nhưng kết quả cuối cùng là làm tăng PMD nên đơn vị thích hợp cho các hệ số đặc trưng cho PMD là

chia làm nhiều phần PMD tổng cộng bởi công thức sau:

PMD tot =(∑N(PMD N) )2 1/ 2 (1.2)Ảnh hưởng của PMD trong một hệ thống rất nhạy với sự tăng tốc độ bit của kênh, tăng số lượng chặng, tăng số kênh PMD không chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của sự giảm khoảng cách kênh Tuy nhiên hiệu ứng này giảm khi được điều khiển hình dạng sợi quang tốt hơn hoặc tăng sự ghép mode Ảnh hưởng của kỹ thuật bù tán sắc sắc thể đến PMD không rõ ràng nhưng người ta vẫn đang tiếp tục nghiên cứu PMD là một vấn đề quan trọng hơn đối với các lắp đặt WDM sử dụng sợi quang cũ G.652 so với các hệ thống sử dụng các sợi G.652 mới, G.653, G.655

1.4.2.3 Tán sắc mode phân cực bậc hai

Tán sắc mode phân cực bậc hai là tham số có liên quan đến sự biến thiên của tán sắc mode phân cực theo bước sóng Cho đến những năm gần đây thì tham số này vẫn ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu suất của mạng Tuy nhiên, khi tốc độ bit đạt đến 10 Gb/s và cao hơn nữa thì tham số này có thể trở nên quan trọng làm giảm chất lượng hệ thống PMD bậc hai luôn có mặt trong những sợi quang đơn mode dài nếu có PMD bậc một (Trong thực tế có một mối liên quan đơn giản về mặt toán học giữa hai loại PMD đối với các trường hợp sợi quang được ghép) Mặc

dù vậy, PMD bậc hai thông thường chỉ làm giảm chất lượng hệ thống khi kết nối có tán sắc sắc thể hoặc hiện tượng chirp tại nguồn phát Mức độ suy giảm này có thể cùng bậc với tán sắc sắc thể và tỉ lệ với độ dài kết nối, không giống như PMD bậc một Do đó cần xem xét cụ thể với những kết nối đường dài Tuy nhiên, trái với tán sắc sắc thể, PMD bậc hai ảnh hưởng có tính chất xác suất.(behave stochasticlly).PMD bậc hai ảnh hưởng đến các số liệu phân phối xác suất DGD, tăng lên khi

có yêu cầu tỉ số lỗi bit nhỏ Tham số này phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của DGD theo hàm của bước sóng Tuy nhiên tham số này còn phụ thuộc nhiều hơn vào sự thay đổi hướng của trạng thái phân cực đầu ra (véc tơ tán sắc phân cực) như là một hàm của tần số quang

1.4.2.4 Các hiệu ứng phi tuyến

Tính phi tuyến trong sợi quang có những hiệu ứng tương tự như các hệ thống vật lý khác, là cơ học hoặc điện tử Tính phi tuyến làm phát sinh các hài và các tần

số khác nhau Các tín hiệu phát sinh này lại gây ra các suy hao không mong muốn trong các mạng truyền thông quang

Tính phi tuyến của sợi quang không phải do quá trình sản xuất hay thiết kế, nó

là một đặc điểm sẵn có của năng lượng điện từ khi qua một phương tiện vật lý Các nhà thiết kế và người sử dụng các hệ thống truyền thông quang sợi cần đặc biệt quan tâm đến tham số này, vì tính nhất quán cao của năng lượng laser mà các hệ thống này sử dụng Độ lớn của trường điện cần thiết đối với một mức công suất phát cho trước tăng lên cùng với mức độ nhất quán trong bước sóng Chính vì vậy, ngay cả các mức công suất vừa phải trong các hệ thống WDM nhất quán cao cũng dẫn đến các mức trường điện đủ lớn để gây ra các hiệu ứng phi tuyến

Tính phi tuyến của sợi quang trở nên đáng chú ý khi cường độ tín hiệu laser (công suất trên một đơn vị diện tích) đạt đến giá trị ngưỡng Đồng thời, các hiệu ứng phi tuyến cũng trở thành tất yếu sau khi các tín hiệu vượt qua một độ dài nào đó của sợi quang, phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của cấu trúc và các điều kiện hoạt động của sợi quang

Trong thực tế, trường điện (E) của tín hiệu lan truyền tỉ lệ với công suất tín

hiệu P lần hệ số phi tuyến n 2 chia cho diện tích hiệu dụng A eff của lõi sợi theo công thức sau:

E z dz( + )=E z( ) exp[(−α/ 2+iβ γ+ P z t( , ) / 2) ]dz (1.3)

Trong đó α là suy hao sợi quang, β là pha của sóng lan truyền, γ là hệ số phi tuyến,

γ=(2π/λ)(n2/Aeff) Giả sử chùm ánh sáng lan truyền theo dạng Gausse thì ta có

A eff =π(MFD)2 (1.4)với MFD là đường kính trường mode Đối với sợi quang dịch tán sắc G.653 và sợi

quang dịch tán sắc non-zero G.655 thì A eff xấp xỉ bằng 50 đến 60 μm2, trong khi đó

sợi quang chưa dịch tán sắc G.652 có A eff xấp xỉ bằng 80 μm2 Độ dài sợi quang hiệu

dụng L eff cũng có tác dụng như A eff Với những sợi quang đơn mode điển hình thì L eff

thường có giá trị 20 km

Các hiệu ứng phi tuyến thường chia thành hai loại, phụ thuộc vào sự thay đổi của γ Đó là hiện tượng tán xạ và hiện tượng chiết suất Với hiện tượng tán xạ, tín hiệu laser bị tán xạ bởi các sóng âm (các phonon âm thanh) hoặc các dao động trong phân tử sợi quang (các phonon ánh sáng) và sẽ bị dịch đến các bước sóng dài hơn Hai hiện tượng tán xạ thường thấy là tán xạ ngược Brillouin kích thích (hiện tượng phonon âm) và tán xạ Raman kích thích (hiện tượng phonon quang) Trong các hiện tượng chiết suất, công suất tín hiệu đủ cao để chiết suất không thể coi là hằng số nữa mà xấp xỉ theo công thức sau:

0 2

với n 0 là chiết suất tuyến tính, I là cường độ tín hiệu, n 2 là hệ số phi tuyến (khoảng 2 đến 3.10-16 cm2/W với sợi quang silic) Các hiện tượng chiết suất bao gồm tự điều chế pha SPM, điều chế pha chéo XPM và hiệu ứng trộn bốn sóng Dưới đây là những nét cơ bản về các hiệu ứng phi tuyến nói trên

a Tán xạ ngược Brillouin kích thích SBS

Trong hiệu ứng này, tín hiệu laser tạo ra các vùng tuần hoàn hoặc thay đổi chiết suất, có nghĩa là một cách tử tuần hoàn truyền đi như một sóng âm từ tín hiệu Những phản xạ do cách tử ảo này gây ra xuất hiện như ánh sáng tán xạ ngược, được khuếch đại và tác động do hiệu ứng Doppler dịch tần số thấp hơn (bước sóng dài hơn) Hiệu ứng SBS dẫn đến một tín hiệu lan truyền theo hướng đi không ổn định

và rất nhiễu vì rất nhiều năng lượng quang bị tán xạ ngược

Với các sợi quang G.653 tại bước sóng 1552 nm chẳng hạn thì tín hiệu bị tán xạ ngược bị dịch xuống phía dưới khoảng 10,7 GHz (=0,085 nm) với băng tần khoảng

60 MHz Với sợi quang G.652 trong cùng cửa sổ, tín hiệu bị tán xạ ngược bị dịch xuống khoảng 11 GHz (+0,088 nm) với băng tần khoảng 30 MHz Theo kinh nghiệm thì nên xem xét SBS như một vấn đề về điện thế (potential) nếu ánh sáng đơn sắc trên 6 dBm được đưa vào sợi quang

Nhiều kỹ thuật đã được phát triển để khử SBS trong các hệ thống thực tế Kỹ thuật thông dụng nhất là rung nhanh (~50 kHz) sóng mang qua một dải tần khoảng 1GHz, lớn hơn rất nhiều so với băng tần SBS 30 đến 60 MHz

b Tán xạ Raman kích thích SRS

ngược Brillouin Tuy nhiên, tần số tín hiệu lại bị dịch đến những tần số thấp hơn rất nhiều (từ 10 đến 15 THz trong cửa sổ 150 nm, hoặc tại bước sóng dài hơn 100 nm) với băng tần rộng hơn nhiều (khoảng 7 THz hay 55 nm) Trong các hệ thống WDM hiệu ứng này là sự chuyển công suất từ các kênh bước sóng ngắn đến các kênh bước sóng dài hơn

c Tự điều chế pha SPM

Khi cường độ tín hiệu laser trở nên quá cao, tín hiệu có tự điều chế pha Việc điều chế này nới rộng phổ của tín hiệu và tạm thời nới rộng hoặc nén tín hiệu, phụ thuộc vào dấu (âm hay dương) của tán sắc sắc thể Một sự dịch chuyển các bước sóng ngắn xảy ra tại phần đuôi của tín hiệu và dịch chuyển các bước sóng dài tại phần đầu tín hiệu

Trong các hệ thống WDM, sự nới rộng phổ do SPM gây ra trong một kênh tín hiệu có thể giao thoa với các tín hiệu liền kề SPM tăng lên khi công suất kênh đưa vào tăng lên trong một sợi quang cố định với diện tích hiệu dụng cố định, khi tốc độ