Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

NỘI DUNG I I.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM Nguyên lý ghép kênh Trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm (Point to Point) thông thường, sợi quang có nguồn phát tách sóng quang phía thu Nguồn phát quang mang tín hiệu ghép vào sợi quang xác định riêng biệt; tách sóng quang tương ứng nhận tín hiệu từ sợi Như vậy, muốn tăng dung lượng hệ thống phải sử dụng thêm sợi quang Kỹ thuật ghép kênh WDM cho phép tăng dung lượng lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bít đường truyền không dùng thêm sợi quang Nó thực truyền luồng quang với bước sóng khác sợi quang Điều thực nguồn phát quang có độ rộng phổ hẹp, hệ thống thông tin thông thường sử dụng phần nhỏ băng tần truyền dẫn sợi quang Hình 1.1 mô tả cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp sợi quang nằm vùng (cửa sổ) 0.85 µm, 1.3 µm, 1.55 µm Hình 1.1 Các vùng bước sóng (cửa sổ) có suy hao nhỏ cho phép truyền nhiều bước sóng Về lý thuyết, truyền dung lượng khổng lồ sợi quang từ nhiều nguồn phát quang làm việc bước sóng cách khoảng hợp lý Tại đầu thu, thực thu tín hiệu quang riêng biệt nhờ trình lọc bước sóng khác Do có, mức suy hao thấp vùng bước sóng 1,5 µm nên vùng sử dụng rộng rãi ghép kênh WDM Hình 1.2 minh họa nguyên lý ghép giải ghép kênh WDM Giả sử hệ thống thiết bị phía phát có nguồn phát quang làm việc bước sóng khác λ1 λ2 λn , , , Các tín hiệu quang phát bước sóng khác ghép vào sợi quang nhờ ghép kênh quang (MUX) Ở đầu thu, tách sóng quang khác nhận lại luồng tín hiệu với cướng sóng riêng rẽ sau qua giải WDM (DEMUX) Hình 1.2 Mô tả trình ghép giải ghép WDM Hình 1.3 mô tả hệ thống truyền dẫn ghép kênh bước sóng quang WDM theo hai chiều Hình 1.3 Hệ thống ghép kênh WDM điểm – điểm Với phương án này, cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hệ thống thông tin hai chiều I.2 Các thông số thiết bị WDM Các thông số để mô tả đặc tính ghép – giải ghép (MUX/EMUX) hỗn hợp là: suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh Các ký hiệu Ι(λ i ) tương ứng tín hiệu ghép có mặt đường chung Ký hiệu tín hiệu đầu vào có bước sóng hiệu có bước sóng λi λk ghép vào cửa thứ k; ký hiệu Oi (λ i ) Ο(λ k ) Ι k (λ k ) tín giải ghép cửa thứ i Dưới đây, xem xét ba thông số thiết bị WDM: + Suy hao xen: Suy hao xen xác định lượng công suất tổn hao xảy tuyến truyền dẫn quang tuyến có thêm thiết bị ghép WDM Suy hao gồm: suy hao điểm ghép nối với thiết bị WDM với sợi quang suy hao than thiết bị ghép gây Vì vậy, thực tế người thiết kế tuyến phải dự trữ vài dB cho đầu Suy hao xen diễn giải tương tự suy hao ghép Couple chung, cần lưu ý WDM xét cho bước sóng đặc trưng: • Đối với thiết bị MUX: Li = −10 log • Đối với thiết bị DEMUX: Li = −10 log Với Li suy hao bước sóng λi O (λ i ) I i (λ i ) Oi (λ i ) I (λ i ) (1.1) (1.2) thiết bị ghép xen vào tuyến truyền dẫn Các tham số phải nhà chế tạo cho biết kênh quang thiết bị + Xuyên kênh: Xuyên kênh mô tả lượng tín hiệu từ kênh bị rò (chuyển) sang kênh khác lân cận Các mức xuyên kênh cho phép nằm dải rộng tùy thuộc vào trường hợp áp dụng, nhìn chung, phải đảm bảo nhỏ -30 dB trường hợp Trong thực tế tồn mức xuyên kênh điều làm suy giảm chất lượng truyền dẫn hệ thống, Khả để tách kênh khác diễn giải suy hao xuyên kênh tính dB: Di (λ k ) = −10 log Trong U i (λ k ) U i (λ k ) I (λ k ) (1.3) lượng tín hiệu không mong muốn bước sóng tín hiệu cửa thứ i, mà có tín hiệu bước sóng λi λk có rò Khi tạo sản phẩm, nhà chế tạo phải cho biết suy hao xuyên kênh dối với kênh thiết bị Xuyên kênh thường xuất nguyên nhân sau: đặc tính lọc tạo thiết bị ghép kênh không hoàn thiện; phổ nguồn phát chồng lấn sang nhau; hiệu ứng phi tuyến, trường hợp công suất kênh bước sóng lớn + Độ rộng kênh: Độ rộng kênh dải sóng dành cho lênh mà định cho nguồn phát quang riêng Nếu nguồn phát quang nguồn phát Diode Laser độ rộng kênh yêu cầu vào khoảng vài chục nm để đảm bảo không bị nhiễu kênh không ổn định nguồn phát gây Đối với nguồn phát quang Diode LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn 10 đến 20 lần, độ rộng phổ loại nguồn rộng Như vậy, để tránh nhiễu phổ nguồn phát, độ rộng kênh phải đảm bảo đủ lớn, nghĩa phải xác định tùy theo loại nguồn phát Các phần tử hệ thống WDM II Các thành phần thiết bị hệ thống thông tin quang WDM gồm nhiều loại sau: - Nguồn phát quang thu quang; Cáp sợi quang; Thiết bị ghép giải ghép WDM; Thiết bị ghép xen/rẽ OADM; Bộ định tuyến bước sóng; Thiết bị đấu nối chéo quang; Bộ khuếch đại quang;… Các thành phần thiết bị chế tạo dựa thành tựu công nghệ thông tin quang tùy theo đặc điểm có phù hợp khác hệ thống thông tin quang WDM Ta xem xét thiết bị chủ yếu với đặc điểm công nghệ phù hợp với ựng dụng cho hệ thống thông tin quang WDM đại II.1 Sợi quang Chức sợi quang dẫn sóng quang (ánh sáng) xa với mức suy hao nhỏ Sóng ánh sáng truyền sợi quang dựa nguyên lý phản xạ toàn phần bên sợi quang Sợi quang sợi thủy tinh gồm hai lớp (core cladding) có chiết suất khác Hiện sử dụng hai loại sợi chính: sợi đơn mode sợi đa mode Sợi đơn mode có core nhỏ cho mode ánh sáng qua Do đó, độ trung thực tín hiệu tốt khoảng cách truyền dẫn lớn giảm hẳn tán xạ mode Điều làm cho sợi đơn mode có dung lượng băng thông lớn sợi đa mode Do có khả truyền tải thông tin cực lớn suy hao thấp, nên sợi quang đơn mode sử dụng chủ yếu hệ thống thông tin đường dài dung lượng lớn kể DWDM Việc thiết kế sợi quang đơn mode phát triển chục năm gần Hiện ITU-T xây dựng tiêu cho ba loại sợi quang đơn mode sau: + Sợi không dịch chuyển tán sắc (NDSF: Non- Dispersion – Shifted Fiber): Chuẩn NDSF ITU-T đưa G.652 (hay gọi sợi đơn mode chuẩn) thiết kế để sử dụng cửa sổ thứ hai gần 1310 nm, với tán sắc màu gần bước sóng + Sợi chuyển dịch tán sắc (DSF: Dispersion Shifted Fiber): Chuẩn DSF ITU-T đưa khuyến nghị G.653 Ở đây, điểm tán sắc dịch chuyển đến cửa sổ có bước sóng 1550 nm (băng C) Ở cửa sổ này, sợi quang có suy hao thấp nhiều phù hợp với tần số làm việc khuếch đại quang sợi EDFA Tuy nhiên, ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến gần điểm dịch chuyển nên loại sợi không phù hợp sử dụng cho DWDM + Sợi dịch chuyển tán sắc khác (NZ-DSF: Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber): Chuẩn sợi NZ-DSF ITU-T khuyến nghị G.655, loại có mức tán sắc thấp vùng 1550 nm, không không (NZ) nên khắc phục hiệu ứng phi tuyến hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) Do loại sợi sử dụng cho DWDM Bảng 1.1 giới thiệu tham số sợi quang đơn mode theo khuyến nghị ITU-T Bảng 1.1 Các tham số sợi quang đơn mode (theo khuyến nghị ITUT G.652, G.653, G.654) II.2 Thiết bị phát thu WDM Thiết bị phát thu WDM phát triển nhờ sử dụng công nghệ mạng tích hợp quang điện (OEIC: Optic-Electronic Intergrated Circuit), InP Đây thiết bị phát thu WDM tích hợp nguyên khối hoạt động vùng bước sóng 1550 nm với khoảng cách kênh nhỏ hay nm Mặt khác, người ta tạo mạch ánh sáng Plamar chế tạo công nghệ Silica-on-Silicon để phát triển phát thu lai ghép tích hợp Các phần tử mạch tích hợp quang điện OEIC quan trọng cho việc thực công nghệ hệ thống WDM o Có nhiều phương thức để tạo phát WDM nguyên khối: (1) – kết hợp đầu số nguồn Laser bán dẫn DFB DBR, có khả điều khiển độc lập qua cách tử Bragg, ống dẫn sóng thụ động Bộ khuếch đại khuếch đại công suất tín hiệu để tăng công suất phát; (2) – sử dụng nguồn Laser phát mặt có hốc theo chiều đứng (VCSEL: Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) để tạo bố phát WDM có giá thành thấp việc ghép mảng Laser hai chiều làm trải rộng dải bước sóng; (3) – tổ hợp cách tử vào hốc Laser để thực phát tín hiệu số bước sóng Cách tử sử dụng loại định tuyến cách tử dẫn sóng WGR o Các thu WDM nguyên khối thực ghép mảng Photodiode với giải ghép kênh, sử dụng hai phương thức: (1) – giải ghép kênh dùng cách tử lõm Plamar ghép với mảng tách sóng quang; (2) – giải ghép kênh dùng WGR tổ hợp với mảng Photodiode II.3 Bộ khuếch đại quang a Nguyên lý hoạt động: Bộ khuếch đại quang dùng để bù lại công suất tín hiệu quang bị suy hao truyền dẫn qua sợi quang, nhằm để tăng khoảng cách tuyến truyền dẫn Các đặc tính chủ yếu cảu khuếch đại độ khuếch đại, băng tần, công suất cực đại, dải động, xuyên kênh,… Bộ khuếch đại quang gồm hai loại chính: (1) – khuếch đại quang Laser bán dẫn; (2) – khuếch đại quang sợi Hiện phổ biến dùng loại sợi pha tạp Erbium, EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplification) Bộ khuếch đại EDFA đoạn sợi quang khoảng vài mét lõi có cấy ion Erbium Er+ với nồng độ 0.1% Khi có nguồn photon bơm vào, ion Er+ hấp thụ photon nhả điện tử chuyển mức lượng từ mức E1 lên mức kích thích E2 Do tồn mức lượng siêu bền E giữa, nên điện tử chuyển xuống mức E3 theo chế phân rã không xạ Sau 10 ns, điện tử kích thích rơi trở mức E phát xạ photon Hiện tượng xạ bình thường xạ tự phát xạ xảy mạnh theo chế xạ kích thích, tức có mặt photon mang lượng với lượng chuyển dịch mức điện tử, kích thích phát xạ tạo thêm nhiều photon chùm sáng Nhờ vậy, tín hiệu khuếch đại qua sợi pha tạp Erbium Hình 1.4 sơ đồ khối EDFA, gồm có: Coupler, sợi trộn Erbium, Laser bơm hai ngăn cách đặt hai đầu Erbium Hình 1.4 Sơ đồ khối EDFA Tín hiệu qua sợi quang nối qua ngăn cách để loại ánh sáng phản xạ từ sợi vào Bộ ngăn cách đầu EDFA ngăn chặn phản xạ từ sợi Nguồn sáng Laser từ bơm ghép vào EDFA kích thích sợi Erbium để trực tiếp khuếch đại tín hiệu quang qua đó, bước sóng 1550 nm b Khuếch đại sợi quang EDFA hệ thống WDM: Có ba ứng dụng EDFA là: o Khuếch đại công suất (BA: Booster Amplifier): BA EDFA có công suất bão hòa lớn sử dụng sau nguồn phát để tăng mức công suất tín hiệu Do mức công suất lớn nên yêu cầu lọc tạp âm không nghiêm ngặt Tuy nhiên, gây nên số hiệu ứng phi tuyến o Tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier): Là EDFA có mức tạp âm thấp, đặt trước đầu vào thu để tăng độ nhạy thu Để có mức tạp âm thấp, phải sử dụng lọc quang băng hẹp o Khuếch đại đường truyền LA (Line Amplifier): Là EDFA có mức tạp âm thấp, sử dụng đường truyền quang để tăng chiều dài khoảng lặp + Các hạn chế EDFA: Một hạn chế EDFA hệ thống WDM phổ khuếch đại không đồng đều, bước sóng khác khuếch đại với hệ số khác Đặc biệt tồn đỉnh khuếch đại bước sóng 1530 nm Hơn nữa, trường hợp tuyến có sử dụng EDFA hình thành đỉnh khuếch đại bước sóng 1558 nm Như vậy, với nhiều EDFA liên tiếp sử dụng tuyến, dải phổ khuếch đại bị thu hẹp lại (từ 35 nm xuống 10 nm) Để cân hệ số khuếch đại EDFA sử dụng giải pháp sau: • Sử dụng lọc để làm suy hao tín hiệu đỉnh khuếch đại (xung quang bước sóng 1553, 1558 nm) • Điều chỉnh mức công suất bước sóng đầu vào cho đầu thu mức công suất bước sóng Mặc dù EDFA có nhiều triển vọng ứng dụng mạng thông tin quang nay, chưa đáp ứng hết yêu cầu độ rộng độ phẳng phổ tín hiệu Nói chung, băng thông EDFA đạt cỡ 35 nm băng C (từ 1530 đến 1570 nm) Với phát triển công nghệ WDM nên yêu cầu độ rộng băng thông ngày lớn Điều đòi hỏi phải có EDFA có phổ rộng hơn, đời EDFA băng L (1585-1610 nm) khắc phục rào cản băng thông mở cửa sổ WDM Hình 1.5 mô tả phổ quang đầu tuyến thông tin quang DWDM chiều dài 4000 km sử dụng EDFA kết hợp băng tần C (55 kênh bước sóng) L (45 kênh bước sóng) 10 Khi thiết kế hệ thống WDM phải giải nhiều vấn đề tập trung chủ yếu vào vấn đề sau: III.1 Vấn đề suy hao quỹ công suất quang Trong hệ thống thông tin nào, vấn đề quan trọng phải đảm bảo tỷ số SNR cho đầu thu thu tín hiệu với mức BER cho phép Trước đây, chưa có khuếch đại quang, suy hao tín hiệu đường truyền dẫn (do suy hao sợi quang, suy hao mối hàn, suy hao đầu nối,…) bù lại thông qua việc sử dụng trạm lặp điện, trình thực phức tạp Tuy nhiên, khuếch đại quang đời, việc đảm bảo quỹ công suất cho hệ thống không khó khăn nữa, mà vấn đề quan trọng việc bố trí khuếch đại quang cho hợp lý III.2 Vấn đề tán sắc a Các dạng tán sắc Bản chất tán sắc giãn rộng phổ xung tín hiệu truyền dẫn sơị quang Tán sắc gồm: tán sắc mode, tán sắc vật liệu tán sắc dẫn sóng o Tán sắc mode: Tán sắc mode tồn với sợi quang đa mode, mode lan truyền với đường khác thời gian lan truyến khác mode o Tán sắc vật liệu: Tán sắc vật liệu hàm bước sóng thay đổi số chiết suất vật liệu lõi sợi, nên làm cho bước sóng phụ thuộc vào vận tốc nhóm o Tán sắc dẫn sóng: Tán sắc dẫn sóng sợi đơn mode chi giữ khoảng 80% lượng lõi, 20% lượng xung lan truyền vỏ nhanh lan truyền lõi Tán sắc phụ thuộc vào số lan truyền β, β hàm a/λ b Các phương pháp để giảm ảnh hưởng tán sắc 13 Để giảm ảnh hưởng tán sắc gồm có phương pháp làm hẹp độ rộng phổ nguồn tín hiệu phương pháp bù tán sắc như: + Sử dụng sợi quang G.653 (sợi có mức tán sắc không cửa sổ 1550 nm) + Bù tán sắc phương pháp điều biến dịch pha SPM + Bù tán sắc thành phần tán sắc thụ động (bộ kết hợp quay pha bước + + + + sóng sợi tán sắc âm) Bù tán sắc thiết bị dịch tần trước (pre – chirp) Bù tán sắc kỹ thuật DST( Dispersion Supported Trans-mission) Bù tán sắc sợi DCF Bù tán sắc băng module DCM sử dụng cách tử Bragg Ta coi kỹ thuật WDM coi phương pháp giảm ảnh hưởng tán sắc Do sử dụng kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng hệ thống mà tăng tốc độ truyền dẫn kênh tin hiệu Do đó, không xảy hiệu ứng phi tuyến làm tăng ảnh hưởng tán sắc, điển hình hiệu ứng XPM, giới hạn khoảng cách truyền dẫn tán sắc gây hệ thống WDM coi giống với hệ thống TDM đơn kênh có tốc độ tốc độ kênh bước sóng hệ thống WDM Tóm lại, vấn đề tán sắc ảnh hưởng nghiêm trọng hệ thống thông tin quang cự ly xa Ảnh hưởng tán sắc nghiêm trọng tín hiệu quang khuếch đại nhiều lần lặp sử dụng khuếch đại đường truyền LA Trong hệ thống nhiều kênh WDM ảnh hưởng tán sắc không bước sóng (độ dốc tán sắc) Khắc phục tán sắc vấn đề cần giải thiết kế hệ thống thông tin quang WDM cự ly lớn Ta quay lại vấn đề lần sau III.3 Vấn đề xuyên kênh Vấn đề quan khác thiết kế hệ thống WDM giải xuyên kênh Đặc tính hệ thống bị suy giảm có tượng xuyên kênh, nghĩa tượng dẫn đến phần công suất kênh chuyển sang kênh khác Có chuyển đổi ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến bên sợi quang, tượng gọi xuyên kênh phi tuyến phụ thuộc vào chất truyền dẫn phi tuyến kênh thông tin quang 14 Tuy nhiên, xuyên kênh xảy kênh tuyến tính hoàn toàn; trường hợp tính không hoàn hảo phần tử WDM khác như: lọc quang, giải ghép kênh chuyển mạch Dưới sâu phân tích hai loại xuyên kênh a Xuyên kênh tuyến tính: Xuyên kênh tuyến tính chia thành hai loại phụ thuộc vào nguồn gốc Các lọc quang tách kênh thường để rò phần công suất tín hiệu sang kênh lân cận, xen vào qúa trình tách sóng Xuyên kênh gọi xuyên kênh không đồng bước sóng (hay gọi xuyên kênh băng), tính không kết hợp nó, nên ảnh hưởng so với xuyên kênh đồng kênh (hay gọi xuyên kênh băng), xảy định tuyến tín hiệu WDM từ nhiều nút mạng Ta xem xét chi tiết hai loại xuyên kênh tuyến tính thường gặp: + Xuyên kênh gây lọc: Ta xét trường hợp hệ thống sử dụng lọc quang điều chỉnh để chọn kênh số N kênh tới Nếu lọc quang cho qua kênh thứ m, công suất quang tới tách sóng tính: N P = Pm + ∑ Tnm Pn n≠ m Với Pm công suất kênh thứ m (1.4) Tnm hệ số truyền dẫn lọc cho kênh n kênh m chon, Pn công suất kênh n Xuyên kênh xảy Tmn ≠ với m≠n Đây loại xuyên kênh băng thuộc tín hiệu nằm dải phổ mà kênh tách chiếm giữ Để đánh giá tác động xuyên kênh lên chức hệ thống, ta xét việc đền bù công suất xác định tăng thêm công suất thu để hạn chế ảnh hưởng xuyên kênh Dòng photo phát tương ứng với công suất quang tới xác định: 15 N I = Rm Pm + ∑ RnTnm Pn = I ch + I x n≠m Với η m Rm = ηm e / hvm (1.5) đáp ứng tách sóng quang cho kênh thứ m tần số v m hiệu suất lượng tử mà khác nhâu kênh khác Thành phần Ix biểu thị xuyên kênh thêm vào dòng I thu Giá trị phụ thuộc vào dạng bít đạt cực đại tất kênh mang bít “1” (đây trường hợp xấu nhất) Phương pháp đơn giản để tính mức thiệt thòi công suất xuyên kênh đưa vào độ khép hình mắt Thực tế, Ich tăng lên để trì chất lượng hệ thống Hệ số tăng δx Ich tính: δ x = 10 log(1 + X ) (1.6) N X = ∑ RnTnm pn Với n≠m Là lượng công suất xuyên kênh băng Nói cách khác, biểu thị phần công suất bị rò vào kênh cần tách từ kênh khác b Xuyên kênh định tuyến cách tử dẫn sóng WGR: Wavelength Grating Router) Nguồn gốc gây xuyên kênh băng định tuyến cách tử dẫn sóng WGR N×N, tồn N2 kết nối qua tín hiệu WDM có N bước sóng dược chia Xét tín hiệu đầu bước sóng λm N2 -1 tín hiệu giao thoa tín hiệu mong muốn, N-1 tín hiệu bước sóng mang λm , N(N- 1) tín hiệu lại thuộc bước sóng khác loại trừ chúng qua phần tử WDM khác N-1 tín hiệu xuyên kênh bước song 16 giống (xuyên băng) bắt nguồn từ trình lọc không hoàn hảo WGR chồng lấn N đỉnh truyền dẫn Trường quang tổng bao hàm xuyên kênh băng tính: N  −i 2π ct    Em (t ) =  Em + ∑ Em ÷exp  ÷  n≠m   λm  (1.7) Bù công suất trường hợp tính: N I (t ) = RPm (t ) + R ∑ Pm (t ) Pn (t ) × cos[φm (t ) − φn (t )] n≠m Với Pn =|En| công suất (1.8) φ(t ) pha Thực tế, Pn 25, mức xuyên kênh phần tử -40dB Rõ ràng xuyên kênh tuyến tính vấn đề thết kế mạng WDM phải thiết kế cho giảm mức xuyên kênh nhiều tốt Xuyên kênh giảm xuống giải pháp bù thực thu Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống IV WDM Đối với hệ thống thông tin sợi quang, công suất quang không lớn, sợi quang có tính truyền dẫn tuyến tính, sau dùng EDFA, công suất quang tăng lên, điều kiện định sợi quang thể đặc tính truyền dẫn phi tuyến tính, hạn chế lớn tính khuếch đại EDFA hạn chế cự ly truyền dẫn dài trạm lặp Hiện tượng phi tuyến sợi quang chủ yếu ảnh hưởng hiệu ứng tán xạ bao gồm: • Tán xạ kích thích Brillouin (SBS– Stimulated Brillouin Scatering) • Tán xạ kích thích Raman (SRS – Stimulated Raman Scatering) Do ảnh hửng hiệu suất khúc xạ bao gồm: • Hiệu ứng tự điều pha (SPM– Self-Phase Modulation) • Hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM – Cross-Phase Modulation) • Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM – Four-Wave Mixing) Những hiệu ứng phần lớn liên quan đến công suất đưa vào sợi quang IV.1 Tán xạ kích thích Raman Hiệu ứng Raman trình tán xạ mà photon ánh sáng tới chuyển phần lượng cho dao động học phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn phần lượng lại phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn bước sóng ánh sáng tín hiệu tới ( ánh sáng với bước sóng gọi ánh sáng Stocke) Khi ánh sáng tính hiệu truyền 18 sợi quang ( ánh sáng có cường độ lớn), trình trở thành trình kích thích mà ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm ( gọi bơm Raman ) làm phần lượng tín hiệu chuyển tới bước sóng Srocke Nếu gọi Ps(L) công suất bước sóng Stocke sợi quang thì: ( Ps ( L) = P0 exp g r P0 L / ( K Seff )) (4.1) Trong đó: P0 công suất ánh sáng tín hiệu đưa vào gr hệ số tán xạ Raman Seff K diện tích hiệu dụng vùng lõi đặc trưng cho mối quan hệ phân cực tns hiệu , bước sóng Stocke phân cự sợi, thông thường K ≈ L chiều dài tuyến Công thức dùng để tính toán mức công suất P mà hiệu ứng SRS ảnh hưởng lớn tới hệ thống, gọi ngưỡng Raman P 0th ( P0th công suất tín hiệu đầu vào mà ứng với công suất bước sóng Stocke công suất bước sóng tín hiệu đầu nhau) P0th ≈ 32 Seff Lg r (4.2) Qua tính toán cho thấy, hệ thống đơn kênh để hiệu ứng SRS ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống mức công suất phải lớn 1W ( hệ thống không sử dụng khuếch đại quang đường truyền) Tuy nhiên hệ thông WDM mức công suất thấp nhiều có tượng khuyeechs đại bước sóng lớn, công suất kênh có bước sóng ngắn lại bị giảm ( chuyển phần lượng cho 19 bước sóng lớn) làm suy giảm hẹ số SNR, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Để đảm bảo suy giảm không nhỏ 0,5 dB mức công suất kênh phải thỏa mãn: 10,28 x10 P< N ( N − 1) Leff ∆f (4.3) Với N tổng số kênh quang, ∆ƒ khoảng cách kênh Như hệ thống WDM hiệu ứng làm hạn chế số kênh, khoảng cách kênh, công suất kênh tổng chiều dài hệ thống Hơn nữa, bước sóng tạo trùng với kênh tín hiệu hiệu ứng gây xuyên nhiễu kênh IV.2 Tán xạ kích thích Brillouin Hiệu ứng SBS tương tự hiệu ứng SRS, tức có phần ánh sáng bị tán xạ bị dịch tới bước sóng dài bước sóng tới, ánh sáng có bước sóng dài gọi ánh sáng Stocke Điểm khác hai hiệu ứng độ dich tần xảy hiệu ứng SBS nhỏ độ dịch tần xảy hiệu ứng SRS (độ dịch tần hiệu ứng SBS khoảng 11 GHz bước sóng 1550 nm) Trong hiệu ứng SBS có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược lại (tức ngược chiều với chiều tín hiệu) truyền sợi quang Vì hệ thống WDM tất kênh truyền theo hướng hiệu ứng SBS không gây xuyên nhiễu kênh Trong tất hiệu ứng phi tuyến ngưỡng công suất để xảy hiệu ứng SBS thấp nhất, khoảng vài mW Tuy nhiên hiệu ứng SBS giảm tỷ lệ với ∆fB/∆fLaser (∆fB băng tần khuếch đại Brillouin, ∆fLaser độ rộng phổ laser) băng tần khuếch đại Brillouin hẹp (chỉ khoảng 10 - 100 MHz) nên hiệu ứng khó xảy Chỉ nguồn phát có độ rộng phổ hẹp bị ảnh hưởng hiệu ứng SBS Người ta tính toán mức công suất ngưỡng hiệu ứng SBS sau: 20 KAeff ∆v B + ∆v P gLeff ∆v B Pth = 21 (4.4) Trong đó: g hệ số khuếch đại Brillouin Aeff vùng lõi hiệu dụng ∆fP độ rộng phổ tín hiệu K đặc trưng cho mối quan hệ phân cực (thông thường K =2) Như hiệu ứng SBS ảnh hưởng đến mức công suất kênh khoảng cách kênh hệ thống WDM Hiệu ứng không phụ thuộc vào số kênh hệ thống IV.3 Hiệu ứng tự điều pha SPM hiệu ứng xảy cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ sợi quang biến đổi theo (nói cách khác chiết suất môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền đó), ta có: n = n0 + ∆nNL = n0 + n2 E (4.5) Trong đó: n0 chiết suất tuyến tính n2 hệ số chiết suất phi tuyến tính (n2 = 1,22.10-22 sợi SI) E cường độ trường quang Hiệu ứng gây dịch pha phi tuyến ΦNL trường quang lan truyền sợi quang (đạo hàm pha tức tần số) Giả sử bỏ qua suy hao sau khoảng cách L, pha trường quang là: ( 2πnL 2πL n0 + n2 E Φ= = λ λ ) = const + Φ NL (4.6) 21 Đối với trường quang có cường độ không đổi, hiệu ứng SPS làm quay pha trường quang, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Tuy nhiên trường quang có cường độ thay đổi dịch pha phi tuyến ΦNL thay đổi theo thời gian Sự thay đổi theo thời gian có nghĩa trung xung tín hiệu tồn nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm v0 giá trị δvNL, với: δvNL = (-1/2π)(δvNL/δt) (4.7) Hiện tượng gọi tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau xung dịch đến tần số ff0 Điều có nghĩa phổ tín hiệu bị dãn trình truyền, đặc biệt khoảng cách kênh gần nhau, tượng dãn phổ SPM dẫn đến giao thoa gây xuyên nhiễu kênh Nếu xét đến ảnh hưởng tán sắc thấy dạng xung bị biến đổi dọc theo sợi (tán sắc tích luỹ theo tăng lên chiều dài tuyến) Nếu goi D hệ số tán sắc sợi, thì: •Với Df0) lan truyền nhanh thành phần tần số thấp (f< f0), xung bị dãn •Với D>0: thành phần tần số cao (f>f0) lan truyền chậm thành phần tần số thấp (f< f0) làm cho xung bị co lại Sự biến đổi công suất quang nhanh biến đổi tần số quang lớn, làm ảnh hưởng lớn xung hẹp, khó khăn việc nâng cao tốc độ hệ thống IV.4 Hiệu ứng điều chế xuyên pha Do hệ thống WDM có nhiều bước sóng lan truyền sợi quang, nên hệ số chiết suất bước sóng không phụ thuộc vào cường độ sáng thân sóng mà phụ thuộc vào cường độ bước sóng khác lan truyền sợi Trong hệ thống chiết suất phi tuyến ứng với bước sóng thứ i là: 22 { ∆n NL = n2 E i + ∑ E j 2 } (4.8) Trong đó: n2 hệ số chiết suất phi tuyến Ei, Ej cường độ trường quang bước sóng thứ i, thứ j Điều dẫn tới pha tín hiệu bị điều chế cường độ ánh sáng kênh khác gây xuyên nhiễu kênh IV.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng Hiện tượng chiết suất phi tuyến gây hiệu ứng khác sợi đơn mode, hiệu ứng FWM Trong hiệu ứng này, nhiều tín hiệu quang có cường độ tương đối mạnh tương tác với tạo thành phần tần số Sự tương tác xảy bước sóng tín hiệu hệ thống WDM, bước sóng tín hiệu với xạ tự phát khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission) khuếch đại quang, mode mode bên kênh tín hiệu Giả sử có bước sóng với tần số ωi, ωj, ωk tương tác với tần số tạo có bước sóng ωijk Theo quan điểm lượng tử FWM hiệu ứng mà có phá huỷ photon số bước sóng tạo số photon ỏ bước sóng cho bảo toàn động lượng Nếu gọi Pijk(L) công suất bước sóng λijk sợi quang, thì: Pijk ( L ) = η 1024π L ( χ ) Pi Pj Pk exp( − αL ) n0 λ2ijk c S eff2 (4.9) Trong đó: η hiệu suất trình FWM c tốc độ ánh sáng Seff diện tịch hiệu dụng vùng lõi 23 Pi, Pj, Pk công suất tương ứng với bước sóng λi, λj, λk χ(3) độ cảm phi tuyến bậc Hiệu suất η trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp pha Hiệu ứng FWM xảy mạnh điều kiện thoả mãn (tức động lượng photon bảo toàn) Vì sợi quang tồn tán sắc, nên điều kiện phù hợp pha khó xảy Tuy nhiên với môi truờng loại sợi có tán sắc nhỏ kênh có khoảng cách gần điều kiện coi xấp xỉ đạt Do việc tạo tần số tương tác tần số tín hiệu, nên hiệu ứng FWM làm giảm công suất kênh tín hiệu hệ thống WDM Nếu khoảng cách kênh tần số tạo rơi vào kênh tín hiệu, gây xuyên nhiễu cho kênh, làm suy giảm chất lượng hệ thống Sự suy giảm công suất làm giảm tỉ số S/N dẫn đến làm tăng BER hệ thống Các hệ thống WDM chủ yếu làm việc vùng cửa sổ bước sóng 1550 nm, tán sắc sợi quang đơn mode thông thường (sợi G.652) cửa sổ khoảng 18 ps/nm.km, tán sắc sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G.653) nhỏ ps/nm.km Từ ta thấy, hệ thống WDM làm việc với sợi đơn mode chuẩn thông thường (SSMF) bị ảnh hưởng hiệu ứng FWM hệ thống WDM sử dụng sợi dịch tán sắc DSF (Dispersion Shifted Fiber) ảnh hưởng hiệu ứng FWM lớn khoảng cách kênh hệ thống WDM nhỏ, mức công suất kênh lớn Như hiệu ứng FWM làm hạn chế dung lượng truyền dẫn hệ thống WDM IV.6 Phương hướng giải ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến Với xu phát triển công nghệ linh kiện quang học, hệ thống WDM tìm số phương pháp giải hữu hiệu để khắc phục ảnh hưởng hiệu ứng truyền dẫn, hệ thống WDM có số lượng 24 kênh quang tương đối (nhỏ 16 kênh), tổng công suất truy nhập sợi quang thường không lớn +17 dBm, nhỏ nhiều so với trị số ngưỡng gây hiệu ứng SRS, ảnh hưởng SRS; sử dụng công nghệ điều chế kích quang công nghệ dao động tần số thấp khắc phục ảnh hưởng hiệu ứng băng hẹp SBS; Hiệu suất trộn tần bốn sóng (FWM) có quan hệ lớn tán sắc sợi quang, sử dụng sợi quang G.655 khắc phục hiệu ứng FWM, giảm tán sắc sợi quang, lựa chọn tốt hệ thống WDM tốc độ cao; điều chế pha chéo (XPM) thường phát sinh hệ thống WDM có nhiều 32 kênh tín hiệu, khắc phục phương pháp tăng tiết diện hữu dụng vùng lõi sợi quang G.652; tự điều chế pha (SPM) làm hẹp độ rộng xung quang truyền dẫn, ngược lại với hiệu ứng dãn xung tán sắc, mức độ định, lợi dụng SPM để bù dãn xung tán sắc 25 V Tổng kết • Qua tập lớn chúng em phần hiểu rõ phương thức ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) để từ hiểu nguyên lý, thông số phương thức WDM Hiểu sâu thành phần hệ thống WDM sợi quang, phát thu WDM, khuếch đại, tách ghép bước sóng, xen/rẽ bước sóng,… Các vấn đề ảnh hưởng đến hệ thống WDM quang trọng ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến • Tuy nhiên thời gian có hạn kiến thức hạn chế nên chúng em tránh khỏi sai sót Mong cô giáo bảo thêm cho nhóm chúng em Chúng em xin chân thành cảm ơn cô! Tài liệu tham khảo [1] Bài giảng môn mạng truyền tải quang: www.ptit.edu.vn [2] www.google.com.vn [3] www.en.wikipedia.org 26 [4] Vũ Văn San, “Kỹ thuật thông tin quang”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1997 [5] Vũ Văn San, “Hệ thống thông tin quang”, Nhà xuất Bưu điện, Hà Nội, 2003 [6].http://123doc.org/document/2349418-luan-van-thac-si-cntt-he-thong-cap-quangbien-va-ung-dung-thuc-tien.htm [7].http://tai-lieu.com/tai-lieu/cong-nghe-ghep-kenh-quang-theo-buoc-song-wdmva-ung-dung-trong-mang-duong-truc-viet-nam-3345/ [8] Nguyễn Công Hùng, “Bài giảng môn Công nghệ ghép kênh theo bước sóng”, Khoa Điện tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội 2003 27 ... thức WDM Hiểu sâu thành phần hệ thống WDM sợi quang, phát thu WDM, khuếch đại, tách ghép bước sóng, xen/rẽ bước sóng,… Các vấn đề ảnh hưởng đến hệ thống WDM quang trọng ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến. .. FWM lớn khoảng cách kênh hệ thống WDM nhỏ, mức công suất kênh lớn Như hiệu ứng FWM làm hạn chế dung lượng truyền dẫn hệ thống WDM IV.6 Phương hướng giải ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến Với xu phát... tín hiệu K đặc trưng cho mối quan hệ phân cực (thông thường K =2) Như hiệu ứng SBS ảnh hưởng đến mức công suất kênh khoảng cách kênh hệ thống WDM Hiệu ứng không phụ thuộc vào số kênh hệ thống