b) Các ứng dụng của bộ lọc phản xạ Bragg
3.3.1 Các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thốngWDM
Nhìn chung có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành hai loại:
- Hiệu ứng tán xạ:bao gồm các hiệu ứng tán xạ Raman(SRS)và hiệu ứng tán xạ Brillouin(SRB).
- Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang:bao gồm các hiệu ứng tự điều chế dịch pha(SPM),điều chế pha chéo(XPM)và trộn bốn bớc sóng(FWM).
*Hiệu ứng Raman (SRS): là quá trình tán xạ không đàn hồi, trong đó
photon ánh sáng tới chuyển một phần năng lợng của mình cho dao động cơ học
của các phân tử cấu thành môi trờng truyền dẫn, phần năng lợng còn lại đợc phát xạ thành ánh sáng có bớc sóng dài hơn bớc sóng tới. Bớc sóng mới này đợc gọi là bớc sóng Stoke. Khi ánh sáng truyền trong sợi có cờng độ lớn thì quá trình này trở thành quá trình kích thích, trong đó ánh sáng đóng vai trò sóng bơm làm cho phần năng lợng của tín hiệu chuyển vào bớc sóng Stoke. Trong ghép kênh theo b- ớc sóng, hiệu ứng SRS hạn chế số kênh ghép, khoảng cách giữa các bớc sóng, công suất phát mỗi kênh và cự li truyền dẫn của hệ thống. Ngoài ra, nếu bớc sóng Stoke trùng với các bớc sóng tín hiệu sẽ gây ra xuyên âm.
Hiệu ứng SRS tỉ lệ thuận với công suất ánh sáng P và tỉ lệ nghịch với hiệu dụng của lõi sợi quang. Nếu gọi σSRS là ảnh hởng của hiệu ứng SRS thì σSRS ~ P/Aeff
*Hiệu ứng SBS: cũng tơng tự nh hiệu ứng SRS. Nghĩa là tự nó cũng hình thành các bớc sóng Stoke. Điểm khác nhau giữa hai hiệu ứng này là hiệu ứng SBS liên quan tới các photon âm, còn hiệu ứng SRS lại liên quan đến các photon quang. Do có sự khác nhau đó mà chúng có ảnh hởng khác nhau đến hệ thống ghép bớc sóng quang. Trong tán xạ SBS, một phần ánh sáng bị tán xạ do các photon âm và dịch tới bớc sóng dài hơn. Phần ánh sáng tán xạ ngợc truyền theo sợi quang và nếu các bớc sóng của tín hiệu chính trong WDM cùng truyền theo một hớng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh. Tất nhiên, nếu truyền hai hớng các bớc sóng trên cùng một sợi quang thì ảnh hởng của SBS là đáng kể.
ảnh hởng của SBS cũng tỉ lệ thuận với công suất tín hiệu ánh sáng và tỉ lệ nghịch với Aeff của lõi sợi. Nếu gọi σSBS là ảnh hởng của hiệu ứng SBS thì σSBS ~ P/Aeff.
*Hiệu ứngBrillouin (SPM): Đó là hiện tợng khi cờng độ quang đa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng biến đổi theo, gây sự biến đổi pha của sóng quang. Sau khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến tần phổ dãn rộng và tích luỹ theo sự tăng lên của chiều dài. Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang cũng càng lớn, gây ảnh hởng lớn tới hệ thống tốc độ cao.
Hiệu ứng SPM là sự phụ thuộc chiết suất của lõi sợi vào cờng độ ánh sáng truyền trong đó.
n = no + n2I (3.1) Với no là chiết suất tuyến tính.
n2 là hệ số chiết suất phi tuyến (n2 = 3,2.10-20 m2/W và phụ thuộc vào bớc sóng )
I là cờng độ quang.
Khi cờng độ quang đủ lớn thì chiết suất phụ thuộc vào cờng độ quang tức thời. Nếu ánh sáng truyền trong sợi dài L thì dịch pha của tín hiệu quang sẽ bổ sung thêm một lợng là:
φNL(t) = 2πn2LI(t)/λ (3.2)
Đạo hàm phơng trình đó theo thời gian ta nhận đợc
∆ϖ(t) = dφ/dt = (2πn2L/λ)(dI/dt) (3.3) Biểu thức 3.2, 3 .3 cho biết dịch pha phụ thuộc vào cờng độ ánh sáng và hiện tợng này gọi là tự điều chế pha. Nó còn đợc xem nh hiện tợng tự điều chế tần bổ xung, hay còn gọi là chirp.
Đối với trờng quang có cờng độ không đổi, hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha của trờng quang do đó ít ảnh hởng đến chất lợng của hệ thống. Tuy nhiên, đối với các trờng quang có cờng độ thay đổi (nh các xung trong hệ thống thông tin số) thì pha phi tuyến sẽ thay đổi theo thời gian nh công thức 1.3. Sự thay đổi theo thời gian cũng có nghĩa là trong xung tín hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm một giá trị là
∆f = (-1/2π)(dφ/dt) (3.4)
Hiện tợng này gọi là hiện tợng dịch tần phi tuyến làm cho sờn sau của xung dịch đến tần số nhỏ hơn tần số trung tâm và sờn trớc dịch đến tần số lớn hơn tần số trung tâm. Điều này có nghĩa là phổ của tín hiệu bị dãn rộng ra trong quá trình truyền. Đối với hệ thống WDM, khi các kênh quang quá gần nhau thì hiện tợng dãn phổ do SPM gây ra sẽ dẫn tới giao thoa và nhiễu giữa các kênh. ảnh hởng của hiệu ứng SPM cũng tỉ lệ thuận với công suất quang và tỉ lệ nghịch với tiết diện hiệu dụng của sợi quang.
*Hiệu ứng điều chế pha chéo(XPM):Đối với hệ thống WDM thì chiết suất
tại một bớc sóng nào đó phụ thuộc không những vào cờng độ quang của bớc sóng đó mà còn phụ thuộc vào cờng độ quang của các bớc sóng khác. Trong trờng hợp này, chiết suất phi tuyến ứng với bớc sóng thứ i sẽ là:
∆nNL = n2(Ii+ 2N IiIj) (3.5)
Trong đó N là tổng số kênh quang.
Ii là cờng độ của bớc sóng thứ i đang xét Ij là cờng độ quang của bớc sóng thứ j lân cận.
Trong phơng trình 3.5 ta thấy: Số hạng thứ nhất ứng với hiệu ứng SPM, số hạng thứ hai tơng ứng với hiệu ứng XPM. Nếu giả sử công suất của các kênh là nh nhau thì ảnh hởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp 2N lần hiệu ứng SPM. Do vậy, trong hệ thống WDM sử dụng sợi đơn mode thông thờng có thể giảm hiệu ứng XPM bằng cách tăng khoảng cách giữa các bớc sóng ghép.
*Hiệu ứng trộn bốn bớc sóng (FWM): Trong hệ thống WDM, chiết suất
phụ thuộc cờng độ quang không chỉ gây ra hiện tợng tự điều pha mà còn gây ra hiện tợng trộn bốn sóng. Trong hiệu ứng này, 2 hoặc 3 sóng quang có tần số khác nhau sẽ tơng tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới nh 2f1 – f2, f1 + f2 – f3, 2f2 – f3,... Đây gọi là trộn bốn bớc sóng, nghĩa là từ các tần số ban đầu tạo ra tần số thứ t có tổ hợp là từ các tần số trên và nằm sát các tần số đó.
Do việc tạo ra tần số mới từ các tần số cũ nên công suất các tần số cũ sẽ giảm đi đáng kể. Hơn nữa, khi khoảng cách các kênh là bằng nhau thì các tần số mới đuợc tạo ra sẽ rơi vào một trong những kênh tín hiệu và gây nhiễu, làm suy giảm chất lợng hệ thống.ảnh hởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu nh khoảng cách giữa các kênh trong hệ thốngWDM càng nhỏ cũng nh khi khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn. Vì vậy, hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lợng và cự li truyền dẫn. Nếu gọi σFWM là ảnh hởng của hiệu ứng FWM thì σFWM ~ P2/(Aeff2D2). với D là hệ số tán sắc của sợi quang. Tổng số các thành phần mới đợc tạo ra có thể tính nh sau:
M = (N3 –N2)/2 (3.6)
Trong đó N là số kênh ban đầu.