Mức độ ảnh h−ởng của các hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc rất nhiều tiết diện hiệu dụng của sợi quang (Aeff). Vùng lõi càng lớn, mật độ ánh sáng ở trong sợi quang càng giảm do đó sẽ giảm ảnh h−ởng của các hiệu ứng phi tuyến, cho phép
tăng công suất lan truyền trong sợi quang, điều này cũng có nghĩa là kéo dài khoảng cách giữa các bộ khuếch đại quang, giảm số bộ khuếch đại trên đ−ờng truyền. Để bù lại suy hao trong sợi quang, hiện tại đối với các hệ thống làm việc ở b−ớc sóng 1550nm ng−ời ta sử dụng khuếch đại quang.
Tán sắc gây dãn xung, méo tín hiệu ảnh h−ởng của tán sắc trong sợi quang tỷ lệ với bình ph−ơng tốc độ truyền dẫn, các hệ thống tốc độ càng cao ảnh h−ởng của tán sắc càng lớn. Để loại bỏ ảnh h−ởng của tán sắc phải dùng các biện pháp bù tán sắc bằng các modul bù tán sắc DCM (Dispersion Compensation Modul) hoặc sợi quang bù tán sắc DCF (Dispersion Compensation Fiber).
Các hiệu ứng phi tuyến cũng là một trong những nguyên nhân làm méo và suy giảm mức tín hiệu, gây xuyên âm giữa các kênh trong hệ thống WDM. Tuy nhiên, các hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi công suất tín hiệu quang đủ lớn, đạt một ng−ỡng nào đó. ảnh h−ởng của hiệu ứng phi tuyến tỷ lệ nghịch với Aeff (đối với hiệu ứng SPM, XPM, SRS, SBS), hoặch A2
eff (đối với hiệu ứng FWM). Trong hệ thống WDM, hiệu ứng FWM có ý nghĩa quan trọng hơn cả. Hiệu suất của hiệu ứng này phụ thuộc vào tán sắc của sợi quang. Với tán sắc bằng không, hiệu ứng xảy ra rất mạnh. Tuy nhiên chỉ cần một l−ợng nhỏ tán sắc cũng làm giảm bớt hiện t−ợng này một cách đáng kể. Do vậy, sợi quang có tán sắc dịch chuyển khác không NZ - DSF đang là mục tiêu của các nhà chế tạo để giảm ảnh h−ởng của hiệu ứng này. Thông th−ờng các sợi quang đ−ợc thiết kế để dịch chuyển tán sắc th−ờng có tiết diện hiệu dụng khoảng 50 - 60àm2 . Các nhà nghiên cứu đang quan tâm đến giải pháp tăng tiết diện hiệu dụng bằng cách thay đổi mặt cắt chiết suất của lõi cáp. Khi tăng Aeff có thể làm giảm hiệu ứng phi tuyến và vì vậy cho phép sợi có thể tiếp nhận đ−ợc công suất tín hiệu lớn và làm tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch đại quang, giảm số l−ợng thiết bị trên tuyến và đạt SNR lớn hơn. Tăng diện tích hiệu dụng Aeff là một trong những mục tiêu chủ yếu trong việc thiết kế các loại quang sợi mới. Đây là một tham số quan trọng khi thiết kế các hệ thống hoạt động ở vùng b−ớc sóng 1550nm, đặc biệt là các hệ thống ghép b−ớc sóng mật độ cao có sử dụng khuếch đại quang.
Sử dụng cáp NZ - DSF là giải pháp hữu hiệu cho việc hạn chế hiệu ứng trộn 4 b−ớc sóng FWM.
Ch−ơng 3: khuếch đại raman
3.1 Giới thiệu chung
Những hệ thống thông tin quang đầu tiên nổi bật lên với kỹ thuật của sợi quang có suy hao thấp. Mặc dù theo thời gian sự phức tạp của hệ thống có tăng lên nh−ng những thành phần cơ bản của hệ thống hầu nh− là giữ nguyên nh− cũ. Nó bao gồm một nguồn quang, một ph−ơng tiện để điều chế quang, ph−ơng tiện truyền dẫn (ở đây là sợi quang) và một bộ tách sóng đầu ra. Trong những ngày đầu của thông tin quang, đối với những chặng dài, suy hao của sợi đ−ợc bù bằng việc sử dụng những trạm lặp điện 3R cồng kềnh. Những bộ lặp điện này th−ờng đắt và nó cũng giới hạn tốc độ của hệ thống. Để khắc phục những khó khăn này thì yêu cầu tất yếu phải có các bộ khuếch đại quang, có hai loại khuếch đại quang nổi bật là khuếch đại quang sợi Erbium và khuếch đại Raman. Ban đầu sự xuất hiện của các hệ thống sử dụng EDFA gần nh− đ−ợc −a thích hơn vì lý do là công suất bơm mà khuếch đại Raman yêu cầu cao hơn đáng kể so với EDFA và công nghệ bơm laser không thể cung cấp công suất nh− thế một cách đáng tin cậy. Tuy nhiên với sự phát triển của công nghệ bơm laser, khuếch đại Raman hiện nay là một thiết bị rất quan trọng để mở rộng khoảng cách chặng truyền dẫn và dung l−ợng hệ thống.
Hiện t−ợng tán xạ Raman đ−ợc tìm ra một cách độc lập và gần nh− đồng thời vào năm 1928 bởi những nhà khoa học ng−ời ấn Độ và ng−ời Nga. Tuy nhiên C.V.Raman đã nhận đ−ợc giải Nobel vật lý năm 1930 cho sự phát hiện ra hiệu ứng Raman này mà không bị chia sẻ với nhóm khoa học ng−ời Nga. Tán xạ Raman đ−ợc hiểu là một sự di chuyển trong tần số của ánh sáng tán xạ do bởi sự t−ơng tác của ánh sáng tới với những kiểu rung động tần số cao của một vật chất trong suốt.
Vào đầu những năm 70, Stolen & Ippen đã quan sát và chứng minh hiện t−ợng khuếch đại Raman trong sợi quang nh−ng suốt những năm 70 và đầu những năm 80, những bộ khuếch đại Raman chủ yếu vẫn đ−ợc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên các thí nghiệm lúc đó dựa trên các Laser màu trung tâm làm
nguồn bơm và nh− vậy không phù hợp với hệ thống thông tin quang th−ơng mại ngày đó. Lúc này, sự ra đời và phát triển của bộ khuếch đại EDFA phù hợp với thực tế hơn vì nó dựa trên nguồn bơm Laser bán dẫn. Các bộ khuếch đại Raman gần nh−
bị lãng quên cho tới cuối những năm 90 khi những nghiên cứu dẫn tới sự phát triển và th−ơng mại hóa những laser công suất lớn. Các bộ khuếch đại Raman đã đ−ợc sử dụng trong rất nhiều thí nghiệm về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo b−ớc sóng đạt đ−ợc kỷ lục về tốc độ và cự ly và khẳng định chất l−ợng rất cao. Từ năm 2003 tới nay, các bộ khuếch đại Raman đ−ợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tốc độ cao, cự ly lớn cỡ hàng ngàn km.
3.2 Khuếch đại Raman
Khuếch đại Raman là một hiệu ứng phi tuyến. Bằng trực giác những hiệu ứng phi tuyến có thể diễn tả bằng ví dụ về một lò xo đơn giản, nếu một tải nhỏ đ−ợc gắn đến một lò xo thì độ dãn của lò xo có quan hệ tuyến tính với tải. Tuy nhiên nếu tải cứ tăng thì sự phụ thuộc này sẽ trở nên không tuyến tính. T−ơng tự nh− vậy, đáp ứng của môi tr−ờng điện môi (nh− là sợi quang) với c−ờng độ ánh sáng chiếu vào hay công suất ánh sáng là phi tuyến và tán xạ Raman là kết quả của một quá trình phi tuyến nh− vậy.
Các bộ khuếch đại Raman làm việc dựa trên một nguyên lý hoàn toàn khác với khuếch đại EDFA hoặc khuếch đại laser thông th−ờng. Trong khuếch đại EDFA và laser thông th−ờng thì nguyên tử đ−ợc bơm tới một mức năng l−ợng cao và sau đó rơi xuống mức năng l−ợng thấp hơn và giải phóng năng l−ợng. Những bộ khuếch đại Raman sử dụng hiện t−ợng tán xạ Raman kích thích (SRS) để tạo ra khuếch đại quang. Ban đầu SRS đ−ợc xem nh− là một hiện t−ợng có hại đối với những hệ thống DWDM có số l−ợng kênh lớn. Trong những hệ thống này, khi ánh sáng truyền trong sợi quang, năng l−ợng có thể bị đánh cắp từ những kênh có b−ớc sóng ngắn và làm tăng biên độ khuếch đại những kênh b−ớc sóng dài hơn.
Hình 3.1 a) chỉ ra phổ truyền điển hình của một hệ thống DWDM 6 kênh b−ớc sóng nằm trong cửa sổ 1550nm. L−u ý rằng tất cả 6 kênh b−ớc sóng có biên độ gần nh− giống nhau.
Trong hình 3.1 b) ta có thể thấy một vài điều khác biệt ở hình ảnh phổ thu đ−ợc của tín hiệu sau khi bị ảnh h−ởng của SRS: đầu tiên là nhiễu nền thì cao hơn một tý; những b−ớc sóng thấp bây giờ có biên độ nhỏ hơn những b−ớc sóng cao hơn, điều này là vì hiệu ứng SRS đã đánh cắp năng l−ợng từ những b−ớc sóng ngắn hơn và lấy năng l−ợng ấy đem cung cấp cho b−ớc sóng dài hơn.
Khuếch đại Raman quang bao gồm nguồn laser bơm công suất cao th−ờng đ−ợc gọi là một laser Raman và một bộ ghép quang WDM hay bộ ghép quang trực tiếp. Sự khuếch đại quang đ−ợc phân bố dọc theo đ−ờng truyền dẫn. Những tín hiệu quang đ−ợc khuếch đại lên tới 10dB và có băng thông khuếch đại rộng lên tới 100nm. Nó có thể dùng trên bất kỳ loại sợi nào. Do đó, nó giảm đ−ợc suy hao chặng và cải thiện hệ số tạp âm của đ−ờng truyền bằng việc làm tăng tín hiệu quang vào đ−ờng truyền.
Hình 3.2 biểu diễn cấu hình của bộ khuếch đại Raman điển hình, hai thành phần quan trọng của khuếch đại quang là laser bơm và bộ circulator. Bộ circulator có tác dụng h−ớng dòng ánh sáng bơm vào đ−ờng truyền ng−ợc lại với dòng tín hiệu với suy hao quang nhỏ nhất.
Hình 3.1 Phổ truyền dẫn DWDM với 6 kênh b−ớc sóng (a) và phổ thu đ−ợc sau khi đi qua sợi dẫn dài bị ảnh h−ởng bởi SRS (b)
Hình 3.3 a) biểu diễn phổ quang của một bộ khuếch đại Raman bơm ng−ợc. Trong tr−ờng hợp này b−ớc sóng bơm là 1535nm và nh− những tr−ờng hợp thông th−ờng biên độ của laser bơm thì phải mạnh hơn nhiều so với tín hiệu.
Hình 3.3 b) biểu diễn tín hiệu thu đ−ợc sau khi đi qua sợi có chiều dài nh− sợi đ−ợc dùng trong SRS ở ví dụ trên. Trong khi biên độ của bơm laser giảm đáng kể thì biên độ của 6 tín hiệu lại tăng lên rất mạnh và tất cả nó có biên độ xấp xỉ nhau. Trong tr−ờng hợp này nhiều năng l−ợng đã bị lấy từ tín hiệu bơm 1535nm và đ−ợc phân phối lại cho 6 tín hiệu.