Hiệu ứng Raman là kết quả của quỏ trỡnh tỏn xạ khụng đàn hồi mà trong
đú photon của ỏnh sỏng tới chuyển một phần năng lượng của mỡnh cho dao
động cơ học của cỏc phần tử cấu thành mụi trường truyền dẫn và phần năng lượng cũn lại được phỏt xạ thành ỏnh sỏng cú bước súng lớn hơn bước súng của ỏnh sỏng tới (ỏnh sỏng với bước súng mới này được gọi là ỏnh sỏng stoke). Khi ỏnh sỏng tớn hiệu truyền trong sợi quang cú cường độ lớn, quỏ trỡnh này trở thành quỏ trỡnh kớch thớch (được gọi là SRS) mà trong đú ỏnh sỏng tớn hiệu đúng vai trũ súng (gọi là bơm Raman) làm cho phần năng lượng của tớn hiệu được chuyển tới bước súng stoke.
Nếu gọi PS(L) là cụng suất của bước súng stoke trong sợi quang thỡ: 0 0 ( ) exp . r s eff g P L P L P K S ⎛ ⎞ = ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ⎠ (4.11) Trong đú:
P0 là cụng suất đưa vào sợi tại bước súng tớn hiệu gr là hệ số khuếch đại Raman.
Seff là diện tớch vựng lừi hiệu dụng.
L là khoảng cỏch ỏnh sỏng lan truyền trong sợi quang.
K đặc trưng cho mối quan hệ về phõn cực giữa tớn hiệu, bước súng stoke và phõn cực của sợi. Đối với sợi thụng thường thỡ K ≈ 2.
Cụng thức (4.11) cú thể dựng để tớnh toỏn mức cụng suất P0 mà tại đú hiệu
ứng SRS ảnh hưởng lớn đến hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman (Pth
0), với Pth0 là cụng suất của tớn hiệu đầu vào mà ứng với nú cụng suất bước súng stoke và bước súng tớn hiệu tại đầu ra là bằng nhau.
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ 0th 32 eff r S P Lg ⎛ ⎞ ≈ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (4.12)
Từ cụng thức (4.12) người ta tớnh toỏn được rằng, đối với hệ thống đơn kờnh
để hiệu ứng SRS cú thểảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thỡ mức cụng suất phải lớn hơn 1W (nếu như hệ thống khụng sử dụng khuếch đại quang trờn
đường truyền). Tuy nhiờn trong hệ thống DWDM thỡ mức cụng suất này sẽ
thấp hơn nhiều vỡ cú hiện tượng khuếch đại đối với cỏc bước súng lớn, trong khi đú cụng suất của cỏc kờnh cú bước súng ngắn hơn lại bị giảm đi (do đó chuyển một phần năng lượng cho cỏc bước súng lớn) làm suy giảm hệ số
OSNR, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Để đảm bảo suy giảm SNR khụng nhỏ hơn 0,5 dB thỡ mức cụng suất của từng kờnh phải thoả món điều kiện sau: N(N )L f x P eff∆ − < 1 10 28 , 10 12 (4.13) Trong đú: N - số kờnh bước súng. ∆f - khoảng cỏch giữa cỏc kờnh bước súng.
Như vậy trong hệ thống DWDM hiệu ứng này cũng hạn chế số kờnh bước súng, khoảng cỏch giữa cỏc kờnh, cụng suất của từng kờnh và tổng chiều dài của hệ thống. Hơn nữa, nếu như bước súng mới tạo ra lại trựng với kờnh tớn hiệu thỡ hiệu ứng này cũng gõy xuyờn kờnh.
4.7.2. Hiệu ứng tỏn xạ Brillouin SBS
Tỏn xạ Brilouin được hiểu như là sự điều chế ỏnh sỏng của năng lượng nhiệt trong vật liệu. Photon ỏnh sỏng vào sợi quang chịu sự tương tỏc khụng tuyến tớnh và tạo ra năng lượng rung động trong thủy tinh cũng như
tạo ra ỏnh sỏng tỏn xạ. Độ dịch tần số và cường độ tỏn xạ biến đổi theo hàm của gúc tỏn xạ, với giỏ trị lớn nhất là ngược với hướng truyền và nhỏ
nhất bằng khụng theo hướng truyền. Do đú tỏn xạ Brilouin chủ yếu về
hướng ngược hướng về nguồn và xa bộ thu, vỡ vậy làm giảm cụng suất ỏnh sỏng tại bộ thu. Mức cụng suất mà tại đú tỏn xạ Brillouin trở nờn đỏng kể
trong sợi quang đơn mode tuõn theo cụng thức : ' 2 2 3 10 6 , 17 ì ì ìλ ìαì∆γ = − a PB (4.14) Trong đú: PB là mức cụng suất (W) cần thiết để tỏn xạ Brilouin trở nờn đỏng kể
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
a là bỏn kớnh sợi quang (àm).
λ là bước súng của nguồn phỏt (àm).
α là suy hao của sợi quang (dB/ km).
∆ν’ là độ rộng phổ của nguồn (GHz).
Hiệu ứng SBS là hiệu ứng tương tự như hiệu ứng SRS, tức là cú sự tạo thành của bước súng stoke với bước súng dài hơn bước súng của ỏnh sỏng tới.
Điểm khỏc nhau chớnh của hai hiệu ứng này là: hiệu ứng SBS liờn quan đến cỏc photon õm học, cũn hiệu ứng SRS liờn quan đến cỏc photon quang. Chớnh do sự khỏc biệt này mà hai hiệu ứng cú những ảnh hưởng khỏc nhau đến hệ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
thống DWDM. Trong hiệu ứng này, một ỏnh sỏng bị tỏn xạ do cỏc photon õm học và làm cho phần ỏnh sỏng bị tỏn xạ này dịch tới bước súng dài hơn (tương
đương với độ dịch tần là khoảng 11GHz tại bước súng 1550 nm). Tuy nhiờn chỉ cú phần ỏnh sỏng bị tỏn xạ theo chiều ngược trở lại (tức là ngược chiều với chiều của tớn hiệu) mới cú thể được truyền đi ở trong sợi quang. Vỡ vậy, trong hệ thống WDM khi tất cả cỏc kờnh đều cựng truyền theo một hướng thỡ hiệu ứng SBS khụng gõy xuyờn õm giữa cỏc kờnh.
Trong tất cả cỏc hiệu ứng phi tuyến thỡ ngưỡng cụng suất để xảy ra hiệu
ứng SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mV. Tuy nhiờn do hiệu ứng SBS giảm tỷ lệ với ∆VB/ ∆VLaser (∆VB là băng tần khuếch đại Brillouin, ∆VLaser là
độ rộng phổ của laser) và băng tần khuếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10 – 100 Mhz) nờn hiệu ứng này cũng khú xảy ra. Chỉ cỏc hệ thống với nguồn phỏt cú độ rộng phổ rất hẹp thỡ mới cú thể bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng SBS. Người ta tớnh toỏn được mức cụng suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS như
sau: 21 eff . B P th eff B kA V V P gL V ∆ + ∆ = ∆ (4.15)
Trong đú: g: là hệ số khuếch đại Brillouin Aeff: là vựng lừi hiệu dụng
∆VB: là băng tần khuếch đại Brillouin ∆VP: là độ rộng phổ của tớn hiệu.
k: đặc trưng cho mối quan hệ về phõn cực giữa tớn hiệu, bước súng stoke và phõn cực của sợi.
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
Như vậy, hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng đến mức cụng suất của từng kờnh và khoảng cỏch giữa cỏc kờnh trong hệ thống WDM. Hiệu ứng này khụng phụ
thuộc vào số kờnh của hệ thống.
4.7.3. Hiệu ứng tựđiều chế pha SPM
Hiệu ứng SPM là hiệu ứng trong đú chiết suất của mụi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ỏnh sỏng truyền trong đú:
2
0 NL 0 2
n n= + ∆n =n +n E (4.16)
Với: - n0 là hệ số chiết suất tuyến tớnh - E là trường quang.
- n2 là hệ số chiết suất phi tuyến
Hiện tượng này tạo nờn sự dịch pha phi tuyến ΦNL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang. Giả sử bỏ qua suy hao quang thỡ sau khoảng cỏch L, pha của trường quang sẽ là:
( 2) 0 2 NL 2 | | 2 const L n n E nL π π λ λ + Φ = = = + Φ (4.17)
Đối với trường quang cú cường độ khụng đổi hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha của trường quang, do đú ớt ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tuy nhiờn đối với cỏc trường quang cú cường độ thay đổi thỡ pha phi tuyến ΦNL sẽ
thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi theo thời gian này cũng cú nghĩa là trong xung tớn hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khỏc với tần số trung tõm ν0 một giỏ trị là δvNL, với: 1 2 NL NL v t δ π ∂Φ ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ∂ ⎝ ⎠ (4.18)
Hiện tượng này cũn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung dịch đến tần số ν<ν0 và sườn trước của xung dịch đến tần số ν>ν0.
Điều này cũng cú nghĩa là phổ của tớn hiệu đó bị gión trong quỏ trỡnh truyền. Trong hệ thống DWDM, đặc biệt khi khoảng cỏch giữa cỏc kờnh gần nhau, hiện tượng dón phổ do SPM cú thể dẫn đến giao thoa gõy nhiễu giữa cỏc kờnh. Hơn nữa, nếu xột đến ảnh hưởng của tỏn sắc thỡ sẽ thấy dạng xung bị
biến đổi dọc theo sợi. Nếu gọi D là hệ số tỏn sắc của sợi thỡ:
Với D<0: thành phần tần số cao sẽ lan truyền nhanh hơn thành phần tần số thấp. Do đú xung bị gión ra.
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
Với D>0: thành phần tần số cao sẽ lan truyền chậm hơn thành phần tần số
thấp làm cho xung bị co lại (nguyờn lý truyền dẫn soliton). Tuy nhiờn, việc tạo ra soliton phải được kiểm soỏt, nếu khụng sẽ cú hiện tượng lỳc đầu xung co lại, sau (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
đú lại dón ra rất nhanh.
4.7.4. Hiệu ứng điều chế pha chộo XPM
Đối với hệ thống WDM, hệ số chiết suất tại một bước súng nào đú khụng chỉ phụ thuộc vào cường độ của bước súng đú mà cũn phụ thuộc vào cường
độ của cỏc bước súng khỏc lan truyền trong sợi. Trong trường hợp này chiết suất phi tuyến ứng với bước súng thứ i sẽ là:
⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + = ∆ ∑ ≠ 2 2 i 2 E N j i j NL n E n (4.19) Với: N: tổng số kờnh quang.
Ei , Ej: cường độ trường quang của bước súng thứ i,j
Số hạng thứ nhất ứng với hiệu ứng SPM, số hạng thứ hai tương ứng với hiệu ứng XPM. Nếu giả sử cụng suất của cỏc kờnh là như nhau thỡ ảnh hưởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp 2N lần hiệu ứng SPM.
XPM cú quan hệ đến phương thức điều chế, khi điều chế ASK thỡ ảnh hưởng đến tớnh năng của hệ thống là lớn nhất. Cú thể thụng qua việc giảm cụng suất của cỏc kờnh tớn hiệu để giảm XPM. Ngoài ra, XPM khụng chỉ
phụ thuộc vào cụng suất của kờnh tớn hiệu mà cũn phụ thuộc vào số kờnh tớn hiệu. Số kờnh tớn hiệu càng nhiều, ảnh hưởng của XPM càng lớn.
4.7.5. Hiệu ứng trộn bốn bước súng FWM
Hiện tượng chiết suất phi tuyến cũn gõy ra một hiệu ứng khỏc trong sợi
đơn mode, đú là hiệu ứng trộn bốn bước súng FWM. Trong hiệu ứng này, 2 hoặc 3 súng quang với cỏc tần số khỏc nhau sẽ tương tỏc với nhau tạo ra cỏc thành phần tần số mới. Tương tỏc này cú thể xuất hiện giữa cỏc bước súng của tớn hiệu trong hệ thống WDM, hoặc giữa bước súng tớn hiệu với tạp õm ASE của cỏc bộ khuếch đại quang, cũng như giữa mode chớnh và mode bờn của một kờnh tớn hiệu. Giả sử cú 3 bước súng với tần số ωi, ωj, ωk thỡ tổ hợp tần số mới tạo ra sẽ là những tần sốωijk thoả món:
ωkjk =ω ω ωi+ j− k (4.20)
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
Theo quan điểm cơ lượng tử, thỡ hiệu ứng FWM là hiệu ứng mà trong đú cú sự phỏ huỷ photon ở một số bước súng và tạo ra một số photon ở cỏc bước súng mới sao cho vẫn bảo toàn về năng lượng và động lượng. Nếu gọi Pijk(L) là cụng suất của bước súng ωijk trong sợi quang thỡ:
6( )2 2 (3) i j k 2 2 2 0 eff 1024 L ( ) 6 P P P .exp(- L) S ijk ijk P L n c π η χ α λ = (4.21) Trong đú: η: hiệu suất của quỏ trỡnh FWM c: là vận tốc ỏnh sỏng trong chõn khụng Seff: diện tớch vựng lừi hiệu dụng Pi, Pj, Pk: cụng suất tương ứng của bước súng λi, λj, λk χ(3): độ cảm phi tuyến bậc 3
Hiệu suất η của quỏ trỡnh FWM phụ thuộc vào điều kiện phự hợp về pha. Hiệu ứng FWM xảy ra mạnh chỉ khi điều kiện này được thoả món (tức là
động lượng photon được bảo toàn). Về mặt toỏn học thỡ điều kiện này cú thể
biểu thị như sau:
β ω( ijk)=β ω( )i +β ω( )j −β ω( )k (4.22)
Vỡ trong sợi quang tồn tại tỏn sắc nờn điều kiện phự hợp về pha rất khú xảy ra. Tuy nhiờn, với mụi trường truyền dẫn là loại sợi cú tỏn sắc thấp và khoảng cỏch truyền dẫn là tương đối lớn và cỏc kờnh gần nhau thỡ điều kiện này cú thể coi là xấp xỉđạt được.
Do việc tạo ra cỏc tần số mới là tổ hợp của cỏc tần số tớn hiệu nờn hiệu
ứng FWM sẽ làm giảm cụng suất của cỏc kờnh tớn hiệu trong hệ thống WDM. Hơn nữa, nếu khoảng cỏch giữa cỏc kờnh là bằng nhau thỡ những tần số mới
được tạo ra cú thể rơi vào cỏc kờnh tớn hiệu, gõy xuyờn õm giữa cỏc kờnh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống.
Sự suy giảm cụng suất sẽ làm cho đồ hỡnh mắt của tớn hiệu ở đầu thu bị
thu hẹp lại do đú sẽ làm giảm chất lượng BER của hệ thống. Vỡ cỏc hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở cửa sổ bước súng 1550 nm và do tỏn sắc của sợi quang đơn mode thụng thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18ps/nm.km, cũn tỏn sắc của sợi tỏn sắc dịch chuyển ( sợi G.653 ) xấp xỉ 0
đến 3 ps/nm.km, nờn hệ thống WDM làm việc trờn sợi đơn mode chuẩn thụng thường sẽ ớt bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM làm việc
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
trờn sợi tỏn sắc dịch chuyển.
Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cỏch giữa cỏc kờnh trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khi khoảng cỏch truyền dẫn và mức cụng suất của mỗi kờnh lớn. Vỡ vậy hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống DWDM. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
PHẦN II
THIẾT KẾ TUYẾN DWDM THỰC
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
Chương 5:
THIẾT KẾ TUYẾN DWDM TRấN ĐƯỜNG TRỤC CỦA EVNTELECOM
Trong những năm qua thị trường viễn thụng thế giới núi chung và Việt Nam núi riờng cú những bước phỏt triển nhảy vọt, nhu cầu sử dụng cỏc dịch vụ viễn thụng ngày càng đa dạng và nõng cao, liờn tục cú những dịch vụ viễn thụng mới xuất hiện như Internet băng rộng, di động, WiFi, Wimax, video theo yờu cầu, VPN … với yờu cầu về dung lượng đường truyền ngày một nõng cao.
Hệ thống truyền dẫn quang đường trục Bắc-Nam của EVNTelecom được xõy dựng từ năm 1994 với dung lượng đường truyền cũn hạn chế khụng đỏp
ứng được nhu cầu truyền dẫn thụng tin hiện nay cũng như trong thời gian tới. Vỡ vậy việc xõy dựng kết nối đường trục từ Bắc tới Nam nhằm đảm bảo dung lượng truyền dẫn cho cỏc loại hỡnh viễn thụng của EVNTelecom là cấp thiết.
Chương 5 của luận văn trỡnh bày việc thiết kế tuyến cỏp quang đường trục trờn cơ sở nõng cấp hệ thống thụng tin quang đường trục Bắc - Nam hiện cú của ngành Điện trờn hai tuyến cỏp quang OPGW đường dõy 500kV từ tốc độ
STM-16 lờn hệ thống DWDM.