Hiệu ứng quang phi tuyến là sự biến đổi tính chất quang học của hệ vật chất khi truyền ánh sáng có công suất lớn. Hiệu ứng phi tuyến có thể xảy ra trong hệ thống DWDM do: hệ thống có tốc độ tín hiệu cao ( > 10 Gbps mỗi kênh ) và công suất tín hiệu lớn.
Hiệu ứng phi tuyến chia ra làm 2 loại. Loại thứ nhất sinh ra tán xạ không đàn hồi kích thích, trong đó ánh sáng chuyển một phần năng lượng của nó tới môi trường phi tuyến. Hai hiệu ứng chính thuộc loại này là tán xạ do kích thích Raman (SRS) và tán xạ do kích thích Brillouin (SBS). Loại thứ hai là hiệu ứng phi tuyến đàn hồi do chiết suất môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ lan truyền trong môi trường đó. Hiệu ứng này làm dịch pha và dịch tần phi tuyến, gây ra các hiện tượng : điều chế tự dịch pha (SPM), điều chế chéo pha (XPM) và trộn bốn sóng (FWM) [4].
Hiệu ứng tán xạ Raman bị kích thích SRS (Stimulated Raman Scattering)
Hiệu ứng Raman do tán xạ trong đó ánh sáng chuyển một phần năng lượng cho các phonon của các phân tử vật liệu cấu thành sợi quang, phần năng lượng còn lại phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng tín hiệu tới, gọi là sóng Stoke. Khi ánh sáng tín hiệu có công suất lớn truyền vào sợi quang, nó đóng vai trò sóng bơm Raman khuếch đại sóng Stoke. Mức công suất của tín hiệu P0 mà tại đó hiệu ứng SRS ảnh hưởng lớn đến hệ thống, gọi là ngưỡng Raman PSRSth . Đây là mức công suất của tín hiệu đầu vào mà sóng Stoke được khuếch đại có công suất bằng với bước sóng tín hiệu đầu ra.
PSRSth ≈ (32Aeff
LgR ) (2.11)
Trong đó: Aeff là diện tích lõi hiệu dụng
L là chiều dài sợi quang mà ánh sáng truyền qua gR là hệ số khuếch đại Raman
53
Đối với hệ thống đơn kênh, để hiệu ứng SRS ảnh hưởng đến hệ thống thì công suất kênh phải lớn hơn 1W. Tuy nhiên, trong hệ thống DWDM thì các công suất các kênh thấp hơn nhiều do công suất chuyển từ bước sóng ngắn sang bước sóng dài, làm suy giảm hệ số OSNR. Để đảm bảo suy giảm OSRN không nhỏ hơn 0,5 dB thì mức công suất của từng kênh phải thoả mãn:
P < 1028
N(N−1)Leff∆f (2.12)
Với N là số kênh bước sóng
Δf là khoảng cách giữa các kênh Leff là chiều dài hiệu dụng của tuyến
Như vậy trong hệ thống DWDM, hiệu ứng này làm hạn chế số lượng kênh, khoảng cách các kênh, công suất của từng kênh và chiều dài truyền dẫn của hệ thống. Hơn nữa nếu bước sóng mới tạo ra trùng với kênh tín hiệu thì sẽ gây nên xuyên nhiễu giữa các kênh.
Hạn chế SRS bằng cách: giảm khoảng cách giữa các kênh bước sóng, duy trì mức công suất từng kênh thấp hơn ngưỡng SRS bằng cách giảm khoảng cách giữa các bộ khuếch đại, dùng sợi quang có tán sắc…
Hiệu ứng tán xạ Brillouin bị kích thích SBS (Stimulated Brillouin Scattering)
Hiệu ứng SBS tương tự như hiệu ứng SRS, một phần ánh sáng bị tán xạ và bị chuyển năng lượng tới bước sóng dài hơn (sóng Stoke). Điểm khác nhau chính của 2 hiệu ứng này là SBS liên quan đến các sóng âm, còn SRS liên quan đến sóng quang. Trong hiệu ứng SBS chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược với chiều tín hiệu mới có thể truyền đi trong sợi quang. Vì vậy hệ thống DWDM truyền cùng chiều thì SBS không gây nhiễu xuyên âm giữa các kênh.
Ngưỡng công suất để xảy ra hiệu ứng SBS thấp chỉ khoảng vài mW. Tuy nhiên do hiệu ứng SBS giảm tỷ lệ với fB/f (fB là băng tần khuếch đa ̣i Brillouin, f là độ rộng phổ của laser) và băng tần khuếch đa ̣i Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10 – 100 MHz) nên hiệu ứng này cũng khó xảy ra. Chỉ các nguồn phát có độ rộng phổ rất hẹp thì mới bi ̣ ảnh hưởng của hiệu ứng SBS. Mức công suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS theo công thức:
54
PSBSth = 21 Aeff
gBLeff. fB+ f
fB (2.13)
Trong đó: Aeff là diện tích lõi hiệu dụng Leff là chiều dài hiệu dụng gB là hệ số khuếch đại Brillouin
Do SBS tạo ra độ lợi theo hướng về phía nguồn phát nên nó làm suy giảm tín hiệu truyền cũng như tạo ra một tín hiệu truyền có cường độ mạnh về phía phát.
Hạn chế hiệu ứng SBS bằng cách duy trì mức công suất từng kênh DWDM thấp hơn ngưỡng SBS, giảm khoảng cách giữa các bộ khuếch đại trong hệ thống đường dài hoặc sử dụng bộ điều chế ngoài cho nguồn quang để có độ rộng phổ lớn…
Hiệu ứng tự điều biến pha SPM(Self Phase Modulation)
Hiệu ứng SPM là sự thay đổi tần số xảy ra do sự dịch pha gây ra bởi chính xung ánh sáng. Sự biến thiên theo thời gian của biên độ xung khi lan truyền trong sợi quang gây nên độ dịch pha phi tuyến của sóng quang thay đổi theo thời gian Φ(t), gây nên sự thay đổi tần số (chirp). Độ dịch pha phi tuyến theo công thức:
Φ = γ.Pin.Leff (2.14) Trong đó: Pin là công suất tín hiệu đầu vào
Leff là chiều dài hiệu dụng
γ là hệ số lan truyền pha phi tuyến, phụ thuộc vào diện tích lõi hiệu dụng và bước sóng tín hiệu, có giá trị khoảng 1 – 5 W-1/km.
Đối với hệ thống có tốc độ bit lớn, sự dịch pha phi tuyến do SPM gây dãn xung đáng kể thậm chí ở mức công suất vừa phải. Ảnh hưởng của SPM không chỉ phụ thuộc vào dấu tham số tán sắc vâ ̣n tốc nhóm GVD mà còn phụ thuộc vào chiều dài của hệ thống. Nếu hệ thống sử dụng bộ khuếch đại quang để bù suy hao sơ ̣i quang thì đô ̣ di ̣ch pha phi tuyến Φ sẽ được tăng lên theo số lượng các bô ̣ khuếch đa ̣i vì hiê ̣u ứng SPM tăng theo bô ̣i số bô ̣ khuếch đa ̣i.
Có thể giảm ảnh hưởng của hiệu ứng này bằng cách sử dụng sợi quang có diện tích hiệu dụng lõi lớn để giảm cường độ ánh sáng trong sợi quang. Sự thay đổi tần số theo thời gian (chirp) sinh ra bởi SPM phụ thuộc vào dạng xung tín hiệu
55
truyền vào sợi quang và mức công suất tức thời trong xung, do đó xung tín hiệu vào có dạng phù hợp cũng có thể giảm ảnh hưởng của SPM.
Hiệu ứng điều biến chéo phaXPM (Cross Phase Modulation)
Sự phu ̣ thuô ̣c cường đô ̣ ánh sáng của chiết suất có thể dấn đến hiê ̣u ứng XPM, điều này xảy ra khi có hai hay nhiều kênh quang truyền đồng thời trong mô ̣t sợi quang trong hệ thống DWDM. Đô ̣ di ̣ch pha phi tuyến cho mô ̣t kênh nào đó phu ̣ thuô ̣c không chỉ vào công suất của chính kênh đó mà còn phu ̣ thuô ̣c vào cường đô ̣ của những kênh khác. Độ dịch pha của kênh thứ i có công thức:
Φ𝑖 = γ.Leff ( Pi + 2∑𝑖≠𝑗𝑃𝑗) (2.15)
Trong đó: γ là hệ số phi tuyến Leff là chiều dài hiệu dụng Pi là công suất kênh thứ i
Hê ̣ số 2 trong phương trình trên cho thấy rằng XPM gây ảnh hưởng gấp đôi so với SPM nếu cùng công suất quang như nhau. Đô ̣ di ̣ch pha tổng phu ̣ thuô ̣c vào công suất của tất cả các kênh và sẽ biến đổi từ bit này đến bit kia phu ̣ thuô ̣c vào chuỗi bit của kênh lân câ ̣n. Công suất kênh bị giới hạn theo công thức:
P < α
γ[2NA−1] (2.16)
Trong đó NA là số lượng kênh và α là hệ số suy hao.
XPM cũng có thể được hạn chế khi tăng khoảng cách giữa các bước sóng, khi đó xung bị trùng lấp trong một khoảng thời gian ngắn do đó ảnh hưởng của XPM là không đáng kể. Do XPM gây nên dãn xung nên việc sử dụng sợi quang đơn mode dịch tán sắc về không cũng giảm ảnh hưởng của XPM. Cũng như SPM, XPM cũng phụ thuộc vào cực ly truyền dẫn, cự ly lớn thì mức ảnh hưởng của phi tuyến sẽ nghiêm trọng, do đó phải thiết kế tuyến truyền dẫn có cự ly truyền dẫn phù hợp.
56
Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM (Four Wave Mixing)
Đây là hiện tượng 2 hoặc 3 sóng có tần số khác nhau tương tác với nhau để sinh ra các thành phần tần số mới. Giả sử có 3 bước sóng với tần số ωi, ωj, ωk thì có thể tạo ra tần số mới là ωijk = ωi ± ωj ± ωk.
Trái với SPM và XPM chỉ có ảnh hưởng đối với các hệ thống tốc độ bit cao, hiệu ứng FWM không phụ thuộc vào tốc độ bit mà phụ thuộc chặt chẽ vào công suất tín hiệu, khoảng cách kênh và hiện tượng tán sắc sắc thể của sợi quang. Việc giảm khoảng cách kênh và tán sắc sắc thể sẽ làm tăng ảnh hưởng của hiệu ứng FWM. Do đó, các ảnh hưởng của FWM phải được xem xét ngay cả ở các hệ thống tốc độ vừa phải khi khoảng cách kênh gần nhau hoặc khi sử dụng sợi quang dịch tán sắc.
Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống DWDM. Hơn nữa, nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể trùng với các kênh tín hiệu, gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống. Do đó hiệu ứng này làm hạn chế dung lượng và chiều dài truyền dẫn của hệ thống DWDM.
Để giảm ảnh hưởng của FWM có thể tăng khoảng cách bước sóng hoặc sử dụng khoảng cách kênh không đều nhau. Hiệu ứng này có quan hệ rất lớn đối với tán sắc của sợi quang, nếu tán sắc sắc thể thấp thì cũng có thể giảm FWM, sử dụng sợi quang dịch tán sắc khác không NZ DSF có thể dùng cho mục đích này. Sự tác động của FWM phụ thuộc vào diện tích hiệu dụng Aeff, chiều dài hiệu dụng Leff và cả cường độ tín hiệu. Do đó sử dụng sợi NZ DSF có Aeff lớn, Leff nhỏ và giảm công suất tín hiệu có thể giảm ảnh hưởng của FWM lên hệ thống.