Do trong hệ thống WDM có nhiều bước sóng cùng lan truyền trên một sợi quang, nên hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không chỉ phụ thuộc vào cường độ sáng của bản thân sóng ấy mà còn phụ thuộc vào cường độ của các bước sóng khác lan truyền trong sợi. Trong hệ thống này chiết suất phi tuyến ứng với bước sóng thứ i sẽ là: 2 2 2 Ei Ej NL n n ⎧⎨ ⎫⎬ ⎩ ⎭ ∆ = +∑ (2.34)
Trong đó n2 là hệ số chiết suất phi tuyến, Ei, Ej là cường độ điện trường trong sợi quang của bước sóng thứ i, thứ j.
Từ công thức trên ta thấy: Số hạng thứ nhất ứng với hiệu ứng SPM, số hạng thứ hai ứng với hiệu ứng XPM. Nếu giả sử công suất các kênh là như nhau thì ảnh hưởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp hai lần hiệu ứng SPM.
Hình 2.27 XPM gây ra sự thay đổi trong một chuỗi bit 2.3.4.6 Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing)
Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn
mode, đó là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, nhiều tín hiệu quang có cường độ
tương đối mạnh sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới. Sự tương tác
này có thể xảy ra giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống WDM, hoặc giữa
bước sóng tín hiệu với bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous
một kênh tín hiệu. Giả sử có 3 bước sóng với tần số ωi , ωj , ωk tương tác với nhau thì tần số mới tạo ra có bước sóng là ωijk:
ωijk = ωi ± ωj ± ωk (2.35)
Hình 2.28 FWM gây biến dạng trong các hệ thống WDM:
a) Khoảng cách kênh bằng nhau b) Khoảng cách kênh không bằng nhau.
Theo quan điểm cơ lượng tử thì FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự phá huỷ photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ỏ các bước sóng mới sao cho vẫn bảo toàn về động lượng.
Do việc tạo ra các tần số mới là do sự tương tác của các tần số tín hiệu, nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Nếu
khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi
vào các kênh tín hiệu, gây xuyên nhiễu cho kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống.
Sự suy giảm công suất làm giảm tỉ số SNR dẫn đến làm tăng BER của hệ thống. Các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở vùng cửa sổ bước sóng 1550 nm, tán sắc của sợi quang đơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G.653) là nhỏ hơn 3 ps/nm.km. Từ đó ta thấy, hệ thống WDM làm việc với sợi đơn mode chuẩn thông thường (SSMF) sẽ ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM sử dụng sợi dịch tán sắc DSF (Dispersion Shifted Fiber).
Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ, và mức công suất của mỗi kênh càng lớn. Như vậy hiệu ứng FWM sẽ làm hạn chế dung lượng truyền dẫn của hệ thống WDM.
2.3.4.7 Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tuyến
Với xu thế phát triển công nghệ và linh kiện quang học, hệ thống WDM hiện nay đã tìm được một số phương pháp giải quyết hữu hiệu để khắc phục ảnh hưởng của
những hiệu ứng trên đối với truyền dẫn, nhất là hệ thống WDM có số lượng kênh
quang tương đối ít (nhỏ hơn 16 kênh):
¾ Sử dụng công nghệ điều chế ngoài của bộ kích quang và công nghệ dao động
tần số thấp làm tăng ngưỡng Brillouin có thể khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng băng hẹp SBS.
¾ Hiệu suất trộn tần bốn sóng (FWM) có quan hệ rất lớn đối với tán sắc của
sợi quang, sử dụng sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không (G.655) có thể khắc phục được hiệu ứng FWM, hơn nữa giảm tán sắc của sợi quang, là lựa chọn tốt trong hệ thống WDM tốc độ cao.
¾ Điều chế pha chéo (XPM) có thể khắc phục bằng phương pháp tăng diện tích hiệu dụng vùng lõi của sợi quang đơn mode chuẩn SSMF (G.652).
¾ Tự điều chế pha (SPM) sẽ làm hẹp độ rộng xung quang truyền dẫn, ngược
lại với hiệu ứng dãn xung của tán sắc, ở mức độ nhất định, có thể lợi dụng
SPM để bù sự dãn xung do tán sắc.
2.4 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA
2.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi EDFA
Nhằm bù lại sự suy hao tín hiệu trên đường truyền sợi quang cũng như tại các thiết bị (như các bộ ghép kênh) thì các bộ khuếch đại đã được sử dụng. Trước khi các bộ khuếch đại quang ra đời thì lựa chọn duy nhất là tái tạo lại tín hiệu, nghĩa là nhận tín hiệu và sau đó phát lại nó. Quá trình này được thực hiện bằng các bộ lặp (điển hình là
3R). Một bộ lặp chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khôi phục sau đó chuyển lại thành tín hiệu quang để truyền tiếp. Điều này hạn chế tính trong suốt và tăng chi phí bảo trì của hệ thống.
Kỹ thuật khuếch đại quang chiếm ưu thế hơn nhiều các bộ lặp. Bộ khuếch đại
quang không phụ thuộc vào tốc độ bit và các định dạng tín hiệu. Một hệ thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ nâng cấp hơn nhiều, ví dụ đến một tốc độ bit cao hơn mà
không cần phải thay thế bộ khuếch đại. Hơn nữa các bộ khuếch đại quang có băng
thông lớn nên có thể được dùng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM. Nếu
không với mỗi bước sóng ta phải sử dụng một bộ lặp.
Loại khuếch đại quang điển hình là bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium
Doped Fiber Amplifier - khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium). EDFA được sử
dụng phổ biến hiện nay vì nó có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích
hợp với dải tần hoạt động của hệ thống DWDM. Hình... là cấu tạo bộ khuyếch đại
quang sợi EDFA
Hình 2.29 Cấu tạo bộ khuyếch đại quang sợi EDFA
Phần tử quan trọng nhất của EDFA là một đoạn sợi quang có pha tạp Erbium
(Erbium Doped Fiber - EDF ) có chiều dài từ vài mét đến vài chục mét, sợi này được xem là sợi tích cực vì chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu như có kích thích phù hợp. Đoạn sợi có lõi SiO2 hoặc SiO2-Al2O3 pha trộnthêm Er3+ với nồng độ từ 100 – 2000 ppm (1 ppm = 1 phần triệu). Ánh sáng bơm vào từ Laser được kết hợp với tín hiệu vào nhờ sử dụng bộ ghép (Coupler). Ánh sáng bơm này được truyền dọc EDF và tín hiệu bơm này kích thích các các ion Eribium lên mức năng lượng cao
hơn. Sự dịch chuyển mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra photon, được gọi là bức xạ tự phát nếu không có bất cứ tác động nào từ phía bên ngoài, còn gọi là bức xạ kích thích khi do sự có mặt các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển. Khi tín hiệu dữ liệu được truyền đến EDFA, tín hiệu dữ liệu này đến gặp
các ion Er3+ đã được kích thích ở mức năng lượng cao. Quá trình này làm cho các ion
nhảy từ trạng thái năng lượng cao xuống mức trạng thái năng lượng thấp nên phát ra photon, do đó sẽ khuếch đại công suất tín hiệu lên rồi truyền đi tiếp trong sợi quang.
Trong EDFA ta cũng phải sử dụng bộ cách ly (Isolator) để ngăn không cho tín
hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang
trên đường truyền phản xạ về EDFA.
EDFA cho hệ số khuếch đại lớn, công suất ra lớn và nhiễu thấp, nó làm việc ở bước sóng 1550nm. Trong các hệ thống thông tin quang, để cho các EDFA hoạt động thì cần có nguồn bơm. Các nguồn bơm thực tế là các diod Laser công suất cao dùng để
cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA. Bước sóng hoạt động của Laser bơm là 980nm
hoặc 1480nm, công suất bơm tiêu biểu là từ 10mW - 80mW EDFA có các đặc điểm sau:
¾ Không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi (bộ chuyển đổi O/E và
E/O). Do đó mạch sẽ trở nên linh hoặc hơn.
¾ Công suất nguồn nuôi nhỏ nên khi áp dụng cho các tuyến thông tin vượt
biển, cáp sẽ có cấu trúc nhỏ và nhẹ hơn cáp thường.
¾ Giá thành của hệ thống thấp do cấu trúc của EDFA đơn giản, trọng lượng
nhỏ, khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn được nâng cao.
2.4.2 Các thông số cơ bản của bộ khuếch đại quang sợi EDFA
Công suất bơm và bước sóng bơm
Bước sóng hoạt động của Laser bơm là 980nm hoặc 1480nm, công suất bơm
tiêu biểu là từ 10mW - 80mW. Diode Laser hoạt động tại bước sóng 1550nm, do đó
Hệ số khuếch đại G
Hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở ngõ ra chia cho công suất quang ở ngõ vào và thương được tính theo dB.
Hệ số khuếch đại là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại. Nó đặc trưng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại. Đối với hệ thống WDM, hệ số
khuyếch đại của EDFA phải cao và đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức
chênh lệch không quá 1 dB). Tuy vậy, hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa hệ số khuếch đại. Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại.Hệ số khuếch đại của 1 EDFA thông thường là 20-45dB với công suất ra từ 20-50mW.
Hệ số tạp âm NF (Noise Figure)
Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra tạp
âm. Nguồn tạp âm chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát. Vì sự
phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ tự phát cũng ngẫu nhiên. Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền của các photon tín hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và
biên độ. Bên cạnh đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ được khuếch đại
khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía ngõ ra. Do đó, tại ngõ ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại và công suất tạp âm phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).
Pout = G.Pin + PASE (2.36)
Ảnh hưởng của tạp âm đối với bộ khuếch quang được biểu diễn bởi hệ số tạp âm NF (Noise Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR (Signal to Noise Ratio) do nhiễu của bộ khuếch đại thêm vào. Hệ số NF được cho bởi công thức sau:
Hệ số tạp âm NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Giá trị nhỏ nhất của NF có thể đạt được là 4dB tại bước sóng bơm 1480nm. Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số tạp âm tối thiếu này được gọi là đang hoạt động ở giới hạn lượng tử.
2.4.3 Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại
Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại rất quan trọng đối với hệ thống WDM
kết hợp EDFA. Như ta đã biết, băng tần khuếch đại là không đồng dạng về phổ và thể hiện một vài gợn sóng, sự khác nhau về độ khuếch đại là xãy ra tại các kênh quang có
khoảng cách bước sóng lớn. Trong chuỗi các bộ khuếch đại quang, ngay cả sự khác
nhau như về phổ khuếch đại cũng có thể dẫn tới sự khác biệt lớn về công suất tín hiệu thu được, điều này gây ra sự khác nhau lớn về BER giữa các tín hiệu thu được tới mức không thể chấp nhận được
Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại là làm cho hệ số khuếch đại đồng đều ở các kênh quang riêng rẽ.
Hình 2.30 Phổ khuếch đại của EDFA
¾ Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu đỉnh khuếch đại: xung quanh bước sóng 1530nm và xung quanh bước sóng 1558nm (trong trường hợp có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền).
¾ Đặt các kênh quang tại các bước sóng mà nó cho ra các độ khuếch đại bằng nhau ở điều kiện bơm lớn nhất.
¾ Điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bước sóng sao cho tại đầu thu mức công suất của tất cả các bước sóng là như nhau.
2.5 PhotoDiode
Linh kiện quan trọng nhất của bộ thu quang là bộ tách quang PhotoDiode. PhotoDiode thực hiện chức năng cơ bản là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. PhotoDiode được sử dụng rộng rãi trong bộ thu quang là PIN-PhotoDiode và APD. Chúng ta sẽ tìm hiểu PIN-PhotoDiode.
2.5.1 Cấu tạo của PIN-PhotoDiode
Nguyên tắc biến đổi quang-điện của PIN-PhotoDiode dựa vào nguyên lý biến
đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n được phân cực ngược. Cấu trúc cơ bản và phân bố điện trường của PIN-PhotoDiode được chỉ ra ở hình 2.31.
Hình 2.31 PIN-PhotoDiode: a, Cấu trúc cơ bản ; b,phân bốđiện trường
Cấu tạo của PIN-PhotoDiode bao gồm:
¾ Một tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P+ và N+ làm nền, ở giữa có một lớp
mỏng bán dẫn yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrinsic).
¾ Trên bề mặt của lớp bán dẫn P+ là một điện cực vòng (ở giữa để cho ánh
sáng thâm nhập vào miền I).
¾ Trên lớp bán dẫn P+ phủ một lớp chống phản xạ.
¾ Nguồn một chiều tạo điện áp phân cực ngược cho Diode.
2.5.2 Nguyên lý hoạt động của PIN-PhotoDiode
¾ Khi các photon đi vào lớp P+ có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải
cấm, sẽ sinh ra trong miền P+, I, N+ của PIN-PhotoDiode các cặp điện tử và lỗ trống (chủ yếu ở lớp I).
¾ Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa được sinh ra bị điện trường mạnh
hút về hai phía (điện tử về phía N+ vì có điện áp dương, lỗ trống về miền P+
vì có điện áp âm). Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P+ khuếch
có điện áp dương và lỗ trống mới sinh ra trong miền N+ khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp N+I, rồi chạy về phía về miền P+ vì có điện áp âm.Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN- PhotoDiode một dòng điện và trên tải một điện áp.
¾ Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện
ngoài, vì chúng được sinh ra ở miền P+ và N+ ở cách xa các lớp tiếp giáp P+I và N+I không được khuếch tán vào miền I (do ở khoảng cách xa hơn độ dài khuếch tán của động tử thiểu số), nên chúng lại tái hợp với nhau ngay trong các miền P+ và N+.
¾ Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào PIN-PhotoDiode sẽ sinh
ra một cặp điện tử và lỗ trống và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệ với công suất chiếu vào. Nhưng thực tế không phải như vậy, vì một phần ánh sáng bị tổn thất do phản xạ bề mặt.
¾ Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước
sóng. Vì vậy, lớp P+ không được quá dầy. Miền I càng dầy thì hiệu suất
lượng tử càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tăng lên theo độ dầy của miền này và do đó các photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các
nguyên tử hơn. Miền I phải dày hơn miền P+. Tuy nhiên, độ dài của xung
ánh sáng đưa vào phải đủ lớn hơn thời gian trôi cần thiết để các phần tử
mang điện chạy qua vùng trôi . Do đó, độ dày cũng không được lớn quá vì