Hạn chế lớn nhất mà XPM gây ra cho hệ thống truyền dẫn WDM là giới hạn khoảng cách truyền dẫn. Vấn đề này đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và công bố trên thế giới. Cùng với những đánh giá cả về lý thuyết và thực nghiệm, các nghiên cứu cũng mở ra nhiều biện pháp có thể áp dụng trong thực tế để khắc phục hạn chế này.
Như đã trình bày trong chương 2, XPM là kết quả sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ trong sợi quang silic (hiệu ứng Kerr). Một tín hiệu tại bước sóng λk trải qua dịch pha phi tuyến phụ thuộc công suất quang tại các bước sóng khác. Với các hệ thống WDM gồm M kênh, dịch pha phi tuyến tổng cộng NL
k φ ∆ của kênh thứ k là . . 3 M NL k eff k i i k L P P φ γ ≠ ∆ = + ÷ ∑ (3.1) Số hạng đầu tiên trong biểu thức này là do SPM phụ thuộc vào công suất của riêng kênh được tách sóng. Tổng dùng để tính XPM tăng từ công suất quang trong các kênh lân cận tại đó công suất tích phân trong sợi quang có liên quan đến dịch pha tổng cộng. Điều chế tần số của các kênh bơm dẫn đến điều chế pha ∆φ( )t của kênh dò do XPM.
Trong thí nghiệm [5], hình 3.1 biểu diễn xuyên kênh XPM biến đổi thành méo xung. Méo do XPM được xác định định lượng bằng chỉ số mx.
Hình 3.1 Méo xung do XPM
Cấu hình pump - probe trong hình 3.2 được sử dụng để tách XPM từ các hiệu ứng khác. Laser bơm khả chỉnh phát bước sóng λpump được điều chế ngoài bằng một bộ điều chế hấp thụ điện EAM do bộ tạo chuỗi Anritsu điều khiển (chuỗi xung NRZ, 1-10 Gb/s), trong khi tia dò phát từ laser DFB tại λpr có bộ điều chế Mach-Zehnder tích hợp. Các kênh được kết hợp và được khuếch đại với các bộ khuếch đại EDFA công suất cao. Trong thí nghiệm méo do XPM gây ra tại λpr được nghiên cứu cho các sợi quang đo kiểm khác nhau (L=45 km) theo một chặng cố định biến đổi sợi quang để có biến đổi PM-AM. Một bộ tách kênh dùng cách tử không gian tự do được dùng để chọn λpr (xuyên kênh tốt hơn 30dB với Δλ >0,5 nm). Tín hiệu được tách sóng ra bằng một diode tách sóng tốc độ cao và dạng sóng được hiển thị trên máy hiện sóng. XPM được nghiên cứu trong các giới hạn tán sắc cao và thấp. Với chế độ tán sắc thấp, sợi quang dùng để đo kiểm là sợi DSF, ( D <1 ps/nm/km) trong khi đó đối với kết nối truyền dẫn có tán sắc cao dùng sợi SSMF. Các kết quả thí nghiệm được so sánh với kết nối được bù tán sắc bao gồm sợi SSMF và sợi DCF áp dụng cả sơ đồ bù trước (DCF+SSMF) và bù sau (SSMF+DCF).
Hình 3.3 biểu diễn méo xung do XPM , đạt được trong kết nối tán sắc thấp với khoảng cách kênh Δλ ~0,4 nm và phân cực ngẫu nhiên. Các kênh đều được điều chế, kênh bơm tại 2,5 Gb/s (chuỗi bit 1010…) và kênh dò với chuỗi bit dài hơn. Walk-off
w≈D.Δλ.L nhỏ hơn 1-bit trong phần sợi DSF. Do đó, chirp gây ra do XPM Δv(t) tích
luỹ nội qua dạng sóng của xung.
Hình 3.3 XPM và SPM với các kênh được điều chế tại 2,5 Gb/s, sợi DSF, có độ trễ ban đầu khác nhau
Hình 3.4 Méo XPM cho kênh dò (a)sợi DSF, (b) sợi SSMF
Biến đổi PM-AM trong sợi quang SSMF cho kết quả là chuỗi méo, dễ nhận thấy dạng sóng này chồng lên dạng sóng tín hiệu ban đầu, và tiêu biểu cho trường hợp walk-off. Tại sườn xung kênh dò, các hiệu ứng SPM và XPM có thể quan sát được, trong khi đó, méo chỉ do XPM gây nên. Bằng cách chỉnh độ trễ kênh bơm ban đầu, méo tại các sườn xung do SPM cũng có thể tăng hoặc giảm do XPM. Các kết quả của mô hình thí nghiệm này được cho trong hình 3.4, cho kết quả thống nhất với các kết
quả mô phỏng. Trong hình 3.4a và hình 3.4b, méo XPM của một tín hiệu CW được so sánh giữa sợi DSF và sợi SSMF với cùng tốc độ bit và khoảng cách kênh. mức độ lệch của méo là do walk-off cao trong trường hợp sợi SSMF, làm giảm tích luỹ XPM. chỉ số mx được đo như một hàm của Δλ =λpump-λpr bằng cách thay đổi bước sóng bơm. Với sợi DSF, méo nghiêm trọng xảy ra khi Δλ=±20 nm và giá trị mxlớn nhất tại Δλ nhỏ nhất. Giá trị cực đại thứ hai đạt được khi bước sóng có tán sắc bằng không của sợi DSF (λ0≈1554 nm) được đặt giữa bước sóng bơm và bước sóng dò làm giảm walk-off. Méo xung do XPM giảm rất nhiều khi thay thế sợi DSF bằng sợi SSMF với cùng bước sóng. Là kết quả của walk-off cao trong sợi quang tán sắc, chirp XPM không cục bộ mà phân tán qua xung và méo XPM chỉ có thể quan sát với Δλ <1,5 nm.
Ảnh hưởng của tốc độ bit lên XPM được nghiên cứu trong cấu hình bơm – dò dùng sợi SSMF và có khoảng cách kênh 50 GHz. Trong thí nghiệm, độ dài bit của kênh bơm được thay đổi trong khi thời gian chuyển tiếp xung là không đổi. Chính vì vậy, mức độ chirp XPM gây ra do mỗi chuyển tiếp là không đổi nhưng nhiều chuyển tiếp xảy ra trong kênh bơm trong một khoảng cách thời gian. Trong mô phỏng bằng máy tính cho cùng hệ thống thí nghiệm, thời gian lên của xung thay đổi thêm. Chuyển tiếp xung được tính xấp xỉ như các sườn của một phân phối Gausse với biến κ và T0 = 30 ps. Các giá trị κ lớn dẫn đến chuyển tiếp xung nhọn hơn, giá trị κ = 1,3 tương ứng với thời gian lên của xung trong thí nghiệm. Với một tốc độ bit cho trước, chỉ số XPM tăng theo κ vì mỗi chuyển tiếp trong kênh bơm tạo ra sự tăng chirp XPM. Với thời gian chuyển tiếp xung cho trước, các méo xếp chồng của kênh dò CW theo XPM từ các chuyển tiếp xung bơm lân cận dẫn đến tăng méo tại các chu kỳ bit thấp hơn.
Trong [12] trình bày những hạn chế về khoảng cách truyền dẫn do sự giãn rộng phổ mà XPM gây ra trong hệ thống dùng sợi quang tiêu chuẩn được bù tán sắc. Thí nghiệm được tiến hành trên một cấu hình vòng tuần hoàn gồm sợi SSMF dài 40 km (α = 0,23 dB/km) được bù trước hoặc bù sau chính xác bằng hai cuộn sợi quang bù tán sắc (DCF) Corning dài 3,95 km (D = -87,3 ps/nm.km, α = 0,49 dB/km, suy hao ghép nối DCF/SSMF là 0,7 dB), một bộ điều chế quang âm (AOM) và một coupler 3 dBvới suy hao vòng tổng cộng khoảng 21 dB. Suy hao này được bù bởi một bộ khuếch đại EDFA có khuếch đại phẳng với công suất đầu ra bão hoà +16 dBm và hệ số tạp âm 4,5 dB. Bốn tia laser DFB, phát cách đều nhau 50GHz (0,4 nm) trong dải 1556,4 nm đến 1557,6 nm, được ghép kênh bằng coupler 4x4, được điều chế bằng bộ điều chế hấp thụ điện (EAM) với các chuỗi giả ngẫu nhiên. Tiến hành truyền dẫn đơn kênh và 4 kênh với hai trường hợp bù trước và bù sau với một dải công suất kênh, kết quả được thể hiện trên hình 3.5.
Hình 3.5. Công suất giảm sau các chặng thay đổi khi thay đổi số lượng chặng Khi tiến hành thí nghiệm với kênh đơn 10 Gb/s để xác định ảnh hưởng của SPM, với kết nối được bù trước, khoảng cách truyền dẫn có thể đạt đến trên 20 và 15 chặng (<1000 km) trước khi có tổn hao 3 dB với công suất đầu vào lần lượt là +4 và +8 dBm. Các khoảng cách này bị giảm do bốn kết nối bù sau. Trong sơ đồ bù sau, chirp SPM đạt được làm tăng thêm độ giãn xung với tán sắc âm của DCF. Ngược lại với sơ đồ bù trước, chirp SPM gây nén xung trong sợi SSMF tại cuối mỗi chặng.
Dùng sơ đồ có hai EDFA với DCF đặt giữa hai bộ khuếch đại có thể tối thiểu hoá công suất đưa vào sợi quang, mặc dù điều này làm tăng tính phức tạp khi thiết kế hệ thống. Kết quả cho thấy SPM trong DCF đặt sau EDFA có thể giảm thiệt hại. Thí nghiệm với 4 kênh cách đều nhau 50GHz, cùng công suất trên kênh và bộ khử tương quan SSMF 10,5 km được tiến hành. Thay đổi nhỏ trong thiệt hại so với trường hợp đơn kênh với bù sau do sự giãn rộng xung về thời gian gây ra bởi SPM chiếm ưu thế. Tuy nhiên, sự có mặt của các kênh lân cận trong thí nghiệm WDM bù trước cũng cho kết quả là giảm khoảng cách truyền dẫn lớn nhất có thể xuống dưới 10 chặng. Vấn đề này có hai nguyên nhân. Đầu tiên là jitter định thời do XPM là kết quả của việc giảm độ dài của xung bị nén. Trong sơ đồ đã được bù tán sắc, dịch pha do XPM phân phối dọc theo chiều dài sợi quang phi tuyến dẫn đến méo cường độ do tán sắc còn dư tại phần cuối chặng. Nguyên nhân thứ hai là sự tăng xuyên âm xảy ra giữa các kênh tại bộ thu do giãn rộng phổ mà XPM hoặc SPM gây ra, dẫn đến chuyển các thành phần phổ từ một kênh sang băng tần của các kênh lân cận. Để nghiên cứu mức của xuyên âm, phổ của tín hiệu WDM được đo sau 1, 4, 8 và 12 vòng tuần hoàn của vòng quang bằng máy phân tích phổ và bộ lọc FB. Sự giãn rộng phổ lớn với khoảng cách truyền dẫn được quan sát được ghi trong máy phân tích phổ trong hình 4. Điều này xảy ra trong trường hợp bù trước như là kết quả của các xung bị nén tại đầu chặng dẫn đến SPM và
XPM lớn. Ảnh hưởng của XPM đạt lớn nhất khi các xung trong các kênh lân cận được sắp xếp trong sợi quang phi tuyến. Xung rộng hơn trong cấu trúc bù sau cho thấy giãn phổ thấp hơn.
Hình 3.6 cho thấy phổ FP đo với kênh 2 tại +8 dBm/ kênh với chuỗi bit 1010… sau 12 chặng. Sự chuyển đổi công suất từ sóng mang sang dải biên như một hàm của số chặng được vẽ trong hình 3.6, cho thấy sự giãn rộng phổ do SPM (kênh đơn) và giãn rộng thêm do XPM với 4 kênh được phát.
Hình 3.6 Phổ của kênh 2 sau 12 chặng bù trước trong thí nghiệm (a) và mô phỏng (b) Qua các kết quả mà thí nghiệm [12] đã đạt được ta thấy rằng nguyên nhân chủ yếu làm giảm khoảng cách truyền dẫn của hệ thống WDM là do sự giãn rộng xung (hoặc nén xung tuỳ thuộc vào sơ đồ bù tán sắc được dùng) và jitter định thời xuất phát từ XPM.