Suy hao của sợi quang và băng thụng 62

Suy hao trong sợi quang đúng một vai trũ rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xỏc định khoảng cỏch giữa phớa phỏt và phớa thu.

Suy hao sợi đƣợc tớnh bằng tỉ số giữa cụng suất quang đầu ra Pout của sợi dẫn quang dài L km với cụng suất quang đầu vào Pin. Nếu gọi  là hệ số suy hao thỡ [8]: 10 log out ( / ) in P dB km L P   (4.1)

Cỏc nguyờn nhõn chớnh gõy suy hao trong sợi quang là: suy hao do hấp thụ ỏnh sỏng, trong đú cú hấp thụ tử ngoại và hấp thụ hồng ngoại. Hấp thụ chủ yếu do hấp thụ điện tử, hấp thụ tạp chất và hấp thụ vật liệu. Ngoài ra cũn phải kể đến suy hao do tỏn sắc, do tớnh khụng đồng nhất quang học của lừi sợi quang gõy ra. Cú ba loại suy hao tỏn xạ cơ bản của lừi sợi quang là tỏn xạ Rayleigh, tỏn xạ Brillouin và tỏn xạ Raman. Cỏc loại suy hao trờn đều phụ thuộc vào bƣớc súng ỏnh sỏng và tạo nờn phổ suy hao của sợi quang. Ngoài những suy hao trong sợi quang vừa nờu trờn cũn cú những suy hao trờn tuyến thụng tin quang, đú là suy hao ghộp nguồn quang vào sợi quang, cũng nhƣ suy hao ghộp ỏnh sỏng vào Photodiode, suy hao nối connector và suy hao hàn giữa hai sợi quang với nhau. Cỏc suy hao này cần đƣợc tớnh toỏn trong quỹ

cụng suất của tuyến thụng tin cỏp sợi quang trong cỏc bài toỏn thiết kế.

Ngoài ra trờn tuyến thụng tin cỏp sợi quang cũn cú suy hao do sợi bị uốn cong. Cú hai loại suy hao do uốn cong là: uốn cong vĩ mụ và uốn cong vi mụ.

4.2 Số kờnh bƣớc súng

Một trong những vấn đề quan trọng là hệ thống sử dụng bao nhiờu kờnh bƣớc súng và số kờnh cực đại hệ thống cú thể sử dụng đƣợc. Số kờnh bƣớc súng sử dụng phụ thuộc vào:

- Khả năng của cụng nghệ đối với cỏc thành phần quang nhƣ:  Khả năng băng tần của sợi quang.

 Khả năng tỏch / ghộp cỏc kờnh bƣớc súng.

- Khoảng cỏch giữa cỏc kờnh bƣớc súng gồm cỏc yếu tố sau:  Tốc độ truyền dẫn của từng kờnh.

 Quĩ cụng suất quang.

 Ảnh hƣởng của cỏc hiệu ứng phi tuyến.  Độ rộng phổ của nguồn phỏt.

 Khả năng tỏch ghộp của hệ thống DWDM.

Mặc dự hệ thống DWDM hoạt động tại vựng cửa sổ truyền dẫn 1550 nm cú khoảng cỏch giữa cỏc kờnh khoảng 100 nm, nhƣng do dải khuếch đại của cỏc thiết bị khuếch đại quang chỉ cú độ rộng khoảng 35 nm (Theo qui định của ITU- T thỡ dải khuếch đại này nằm từ bƣớc súng 1530 nm - 1565 nm) nờn trong thực tế cỏc hệ thống DWDM khụng tận dụng đƣợc hết băng tần của sợi quang.

Gọi ∆λ là khoảng cỏch giữa cỏc kờnh bƣớc súng thỡ tƣơng ứng ta sẽ cú [7]: 2 .      f c (4.2)

Nhƣ vậy tại bƣớc súng λ = 1550 nm, với ∆λ = 35 nm thỡ f = 4,37.1012Hz. Giả sử tốc độ truyền dẫn của mỗi kờnh bƣớc súng là 2.5 Gbps thỡ theo tiờu chuẩn Nyquisst với phổ cơ sở của tớn hiệu là 2x2.5 = 5GHz, thỡ số kờnh bƣớc súng cực đại cú thể đạt đƣợc N = f/5 = 874 kờnh trong dải băng tần khuếch đại quang. Đõy là số kờnh tớnh theo lớ thuyết tuy nhiờn

cú chất lƣợng càng cao. Để trỏnh xuyờn õm giữa cỏc kờnh này cần cú bộ phỏt rất ổn định và một bộ lọc quang cú khả năng chọn lọc bƣớc súng cao.Bất kỡ sự dịch tần nào của nguồn phỏt cũng cú thể làm dón phổ sang kờnh lõn cận.

Dựa vào khả năng cụng nghệ hiện nay, ITU- T đƣa ra qui định về khoảng cỏch giữa cỏc kờnh bƣớc súng là 100 GHz (0.8 nm) hoặc 50 Ghz (0.4 nm) với chuẩn tần số là 193.1 THz .

Với cụng nghệ hiện nay DWDM chủ yếu sử dụng dải băng tần 1530 -1560 nm cũn gọi là băng C:

- 80 ~ 100 kờnh ứng với tốc độ mỗi kờnh là 2,5 Gbps.

- 32 ~ 40 kờnh ứng với tốc độ mỗi kờnh là 10 Gbps.

Dải băng tần từ 1560 - 1600 nm hay cũn gọi băng L đó bắt đầu đem vào sử dụng với:

- 100 ~ 200 kờnh ứng với tốc độ mỗi kờnh là 2,5 Gbps.

- 64 ~ 100 kờnh ứng với tốc độ mỗi kờnh là 10 Gbps.

4.3 Độ rộng phổ của nguồn phỏt

Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phỏt nhằm đảm bảo cho cỏc kờnh bƣớc súng hoạt động một cỏch độc lập với nhau, núi khỏc đi là trỏnh hiện tƣợng chồng phổ ở phớa thu giữa cỏc kờnh lõn cận. Khoảng cỏch giữa những kờnh này phụ thuộc vào đặc tớnh của cỏc thiết bị nhƣ MUX/ DEMUX, bộ lọc, độ dung sai cũng nhƣ mức độ ổn định của cỏc thiết bị này.

Về bản chất, việc ghộp cỏc bƣớc súng khỏc nhau trờn cựng một sợi quang là dựa trờn nguyờn tắc ghộp kờnh theo tần số. Cỏc kờnh khỏc nhau làm việc ở cỏc tần số quang khỏc nhau trong cựng băng thụng của sợi quang. Theo lý thuyết băng thụng của sợi quang rất rộng nờn số lƣợng kờnh bƣớc súng ghộp đƣợc rất lớn (ở cả hai cửa sổ truyền dẫn). Tuy nhiờn trong thực tế cỏc hệ thống WDM thƣờng đi liền với cỏc bộ khuếch đại quang sợi và làm việc chỉ ở cửa sổ bƣớc súng 1550 nm. Vỡ vậy băng tần của sợi quang bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại (từ 1530 nm  1565 nm cho băng C; từ 1570 nm  1603 nm cho băng L). Nhƣ vậy, một vấn đề đặt ra khi ghộp là khoảng cỏch giữa cỏc bƣớc súng phải thoả món đƣợc yờu cầu trỏnh cộng phổ của cỏc kờnh lõn cận ở phớa thu. Khoảng cỏch này phụ thuộc vào đặc tớnh phổ của nguồn

phỏt và cỏc ảnh hƣởng khỏc nhau trờn đƣờng truyền nhƣ tỏn sắc sợi, hiệu ứng phi tuyến...

Một cỏch lý tƣởng, cú thể xem hệ thống WDM nhƣ là sự xếp chồng của cỏc hệ thống truyền dẫn đơn kờnh khi khoảng cỏch giữa cỏc kờnh bƣớc súng đủ lớn và cụng suất phỏt hợp lý. Mối quan hệ giữa phổ cụng suất phớa thu với phổ cụng suất nguồn phỏt đƣợc thể hiện bởi tham số đặc trƣng cho sự gión phổ, kớ hiệu , băng tần tớn hiệu B và bự tỏn sắc D. Nếu gọi  là hệ số đặc trƣng cho sự tƣơng tỏc giữa nguồn phỏt và sợi quang, sẽ cú biểu thức.

. . RMS

B D

   (4.3)

Trong đú:

- B là độ rộng băng tần tớn hiệu truyền dẫn

- D là độ tỏn sắc tƣơng ứng với khoảng cỏch truyền dẫn - RMS là độ gión rộng phổ tớnh theo căn bậc hai.

Độ rộng phổ nguồn phỏt ứng với độ tỏn sắc D : . RMS B D    (4.4)

Nếu tớnh độ rộng phổ tại giỏ trị –20 dB độ rộng phổ sẽ là:

20dB 6,07RMS (4.5)

Nhƣ vậy, từ độ rộng phổ này và khoảng cỏch kờnh bƣớc súng chọn thỡ tỡm đƣợc độ rộng phổ yờu cầu của nguồn phỏt[7].

4.4 Quỹ cụng suất

Trong mụi trƣờng truyền dẫn cỏp sợi quang, quỹ cụng suất là một yếu tố rất quan trọng nhằm bảo đảm cho hệ thống hoạt động bỡnh thƣờng. Suy hao cụng suất trờn toàn tuyến bao gồm : suy hao trờn sợi dẫn quang, trờn cỏc bộ nối quang và tại cỏc mối hàn. Tổng suy hao trờn toàn tuyến nhận đƣợc từ cỏc phõn bổ suy hao liờn tiếp của từng phần tử trờn tuyến. Suy hao của từng phần tử đƣợc tớnh bằng decibel (dB) nhƣ sau :

in out

P P

A10lg (4.6)

Trong đú : Pin và Pout là cỏc cụng suất quang vào và ra của phần tử.

Ngoài cỏc suy hao do cỏc phần tử trờn tuyến quang gõy ra nhƣ đó nờu ở trờn phải cú một lƣợng cụng suất quang dự phũng cho tuổi thọ của cỏc

thành phần, sự thay đổi nhiệt độ và cỏc suy hao tăng lờn ở cỏc thành phần. Dự phũng cho tuyến thƣờng từ 6 đến 8 dB. Chớnh vỡ vậy mà quỹ cụng suất của tuyến cú thể xem nhƣ là suy hao cụng suất tổng PT nằm giữa nguồn phỏt quang và bộ tỏch súng quang. Suy hao tổng này bao gồm suy hao sợi, suy hao bộ nối quang, suy hao mối hàn và dự phũng cho hệ thống. Nếu gọi PS là cụng suất quang của nguồn phỏt đƣợc đƣa vào đầu sợi ghộp với nguồn phỏt và PR là độ nhạy của bộ thu quang thỡ :

PT = PS – PR = 2lC + fL + dự phũng hệ thống (4.7) Với lC là suy hao bộ nối quang

f là suy hao sợi (dB/km) L là cự ly truyền dẫn (km)

Ở đõy ta giả thiết chỉ sử dụng cỏc bộ nối quang ở 2 đầu của tuyến, mà khụng dựng ở giữa tuyến, cũn suy hao hàn sợi lSP đƣợc gỏn vào trong suy hao sợi để đơn giản phộp tớnh.

4.5 Nhiễu xuyờn kờnh

Nhiễu xuyờn kờnh gõy ra do độ cỏch ly của linh kiện quang khụng tốt hoặc do ảnh hƣởng của cỏc hiệu ứng quang học phi tuyến, tớn hiệu của kờnh quang khỏc sẽ rũ rỉ sang kờnh truyền dẫn, hỡnh thành tạp õm xuyờn nhiễu, từ đú ảnh hƣởng đến tớnh năng của hệ thống.

Nhiễu xuyờn kờnh trong hệ thống DWDM bao gồm nhiều loại khỏc nhau và cú thể phõn loại chỳng dựa vào nhiều yếu tố :

Dựa vào cỏc thiết bị của hệ thống:

- Xuyờn nhiễu tuyến tớnh : Do cỏc đặc tớnh khụng lý tƣởng của cỏc thiết bị tỏch kờnh, mức xuyờn nhiễu này chủ yếu phụ thuộc vào kiểu thiết bị tỏch kờnh đƣợc sử dụng cũng nhƣ khoảng cỏch giữa cỏc kờnh. Chớnh vỡ vậy để hạn chế đƣợc nhiễu tuyến tớnh thỡ cỏc thiết bị tỏch kờnh trong hệ thống DWDM phải đạt độ chớnh xỏc càng cao càng tốt, khoảng cỏch giữa cỏc kờnh phải thỏa món cỏc tiờu chuẩn của ITU-T.

- Xuyờn nhiễu phi tuyến: Chủ yếu do cỏc hiệu ứng phi tuyến của sợi quang hoặc điểm nỳt gõy nờn. Trong hệ thống ghộp kờnh quang theo bƣớc súng mật độ dày đặc tỏn xạ bị kớch thớch Raman và trộn tần bốn bƣớc súng là hiệu ứng

phi tuyến chủ yếu, chỳng khụng những gõy ra tổn hao năng lƣợng mà sẽ dẫn đến sự dịch chuyển cụng suất từ kờnh này sang kờnh khỏc, gõy nờn xuyờn nhiễu phi tuyến và ảnh hƣởng khụng tốt tới tớnh năng của hệ thống.

Dựa vào sự giống và khỏc nhau giữa bƣớc súng xuyờn nhiễu và bƣớc súng của tớn hiệu :

- Xuyờn nhiễu khỏc tần số: Bƣớc súng xuyờn nhiễu và bƣớc súng của tớn

hiệu truyền dẫn khụng giống nhau. Đõy là loại nhiễu khụng tớch luỹ và cú thể làm giảm đƣợc xuyờn nhiễu này bằng cỏc bộ lọc ở trƣớc mỏy thu.

- Xuyờn nhiễu cựng tần số: Bƣớc súng xuyờn nhiễu và bƣớc súng tớn hiệu

truyền dẫn giống nhau. Xuyờn nhiễu cựng tần số sinh ra do bản thõn tớn hiệu qua cỏc tuyến khỏc nhau rồi phối ghộp vào nhau nhƣng cú trễ truyền dẫn khỏc nhau, do tớnh năng của linh kiện khụng tốt gõy ra.

4.6 Tỏn sắc

Khi truyền dẫn tớn hiệu số dọc theo sợi quang xuất hiện hiện tƣợng dón xung ở đầu thu. Thậm chớ trong một số trƣờng hợp cỏc xung lõn cận đố lờn nhau. Khi đú khụng phõn biệt đƣợc cỏc xung với nhau nữa, gõy mộo tớn hiệu khi tỏi sinh.

Sở dĩ cú hiện tƣợng mộo này là do tỏn sắc ở bờn trong mode và hiệu ứng giữa cỏc mode gõy ra. Cỏc hiện tƣợng tỏn sắc ở đõy đƣợc giải thớch nhờ việc khảo sỏt trạng thỏi cỏc vận tốc nhúm của cỏc mode truyền dẫn, tức là tốc độ mà năng lƣợng ở trong mode riờng biệt lan truyền dọc theo sợi.

Tỏn sắc bờn trong là sự dón xung ỏnh sỏng xảy ra ngay trong mỗi mode. Hiện tƣợng này khiến cho cỏc xung lõn cận giao thoa với nhau làm cho khả năng phõn biệt giữa cỏc xung với nhau rất khú khăn, gõy ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng tớn hiệu thu đƣợc. Vỡ tỏn sắc bờn trong mode phụ thuộc vào bƣớc súng cho nờn ảnh hƣởng của nú tới mộo dạng tớn hiệu tăng lờn theo độ tăng của độ rộng phổ nguồn phỏt. Độ rộng phổ là dải cỏc bƣớc súng mà nguồn quang phỏt tớn hiệu ỏnh sỏng trờn nú. Cú thể mụ tả dón xung bằng cụng thức

g r s d L d        (4.8)

Trong đú: : độ rộng hiệu dụng (rms) của nguồn phỏt : bƣớc súng trung tõm

g: sự trễ nhúm đối với một đơn vị độ dài L: chiều dài của sợi dẫn quang.

Nhƣ vậy, tỏn sắc tổng cộng trờn sợi dẫn quang gồm hai thành phần chớnh là tỏn sắc giữa cỏc mode và tỏn sắc bờn trong mode. Tỏn sắc bờn trong mode bao gồm tỏn sắc vật liệu và tỏn sắc dẫn súng.

Tỏn sắc vật liệu do chỉ số chiết suất của vật liệu lừi phụ thuộc vào bƣớc súng tạo nờn. Nú gõy ra sự phụ thuộc của bƣớc súng vào vận tốc nhúm của bất kỡ mode nào.

Tỏn sắc dẫn súng phụ thuộc vào thiết kế sợi vỡ hằng số lan truyền mode  phụ thuộc vào tỉ số . Nú thƣờng đƣợc bỏ qua trong sợi đa mode, nhƣng lại cần đƣợc quan tõm ở sợi đơn mode. Gọi là tỏn sắc dẫn súng vỡ hiện tƣợng này thƣờng xảy ra trong cỏc ống dẫn súng kể cả ở súng cao tần và siờu cao tần. Chớnh hiện tƣợng tỏn sắc sẽ sinh ra trễ nhúm. Thời gian trễ nhúm là thời gian trễ của đƣờng bao tớn hiệu điều chế và cũng gần nhƣ thời gian trễ của một xung khi truyền qua sợi quang ứng với một mode nào đú.

Tỏn sắc dẫn súng

Tỏn sắc dẫn súng là do dạng hỡnh học của sợi quang làm cho hằng số truyền lan của từng mode thay đổi đối với cỏc bƣớc súng ỏnh sỏng khỏc nhau. Ảnh hƣởng của tỏn sắc dẫn súng lờn độ gión xung cú thể đƣợc khảo sỏt với điều kiện giả thiết rằng chỉ số chiết suất của vật liệu khụng phụ thuộc vào bƣớc súng.

Tỏn sắc vật liệu

Chiết suất trong sợi dẫn quang thay đổi theo bƣớc súng ỏnh sỏng sẽ gõy ra tỏn sắc vật liệu. Một nguồn sỏng cú phổ gồm nhiều bƣớc súng, cỏc tia sỏng cú bƣớc súng khỏc nhau truyền lan theo cỏc vận tốc khỏc nhau dẫn đến hiện tƣợng dón xung.

Chiết suất vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi quang thay đổi theo bƣớc súng của tớn hiệu ỏnh sỏng n n ( ) . Nếu nguồn bức xạ phỏt quang phỏt ra súng ỏnh sỏng với duy nhất một bƣớc súng 0 thỡ khụng cú hiện tƣợng chờnh lệch về thời gian giữa cỏc thành phần của xung ỏnh sỏng vỡ chỳng lan truyền theo cựng vận tốc pha: 0 ( ) ph c v const n    (4.9)

Tỏn sắc mode

Tỏn sắc mode chỉ ảnh hƣởng đến cỏc sợi đa mode, nú sinh ra do cú nhiều đƣờng khỏc nhau (cỏc mode khỏc nhau) mà một tia sỏng cú thể lan truyền trong sợi đa mode. Dẫn đến tia sỏng truyền qua những quang lộ khỏc nhau và đến đầu kia của sợi quang vào những thời điểm khỏc nhau, làm cho xung truyền dẫn bị gión rộng ra dẫn đến làm giảm tốc độ hiệu dụng tối đa của sợi. Tỏn sắc mode phụ thuộc vào kớch thƣớc của sợi quang, đặc biệt phụ thuộc vào đƣờng kớnh lừi của sợi.

Cỏc phƣơng phỏp để làm giảm thiểu sự ảnh hƣởng của tỏn sắc đến hệ thống DWDM tốc độ cao cú dựng khuếch đại EDFA là:

- Sử dụng sợi quang cú hệ số tỏn sắc nhỏ.

- Bự tỏn sắc bằng phƣơng phỏp tự dịch pha SPM. - Bự tỏn sắc bằng cỏc thành phần bự tỏn sắc thụ động. - Bự tỏn sắc bằng cỏc thiết bị dịch tầng trƣớc.

- Bự tỏn sắc bằng sợi DCF.

- Bự tỏn sắc bằng sợi DCM sử dụng cỏch tử sợi Bragg.

Đối với hệ thống DWDM hiện nay cần phải quan tõm đến ảnh hƣởng của tỏn sắc mode phõn cực (PMD).

Khỏi niệm về tỏn sắc mode phõn cực PMD

Tỏn sắc mode phõn cực PMD là thuộc tớnh cơ bản của sợi quang đơn mode và cỏc thành phần hợp thành. Trong đú năng lƣợng của bất kỡ bƣớc súng nào cũng đƣợc phõn tớch thành hai mode phõn cực trực giao cú vận tốc truyền khỏc nhau. Do vận tốc truyền của hai mode chờnh nhau đụi chỳt nờn thời gian truyền cựng khoảng cỏch là khỏc nhau gõy ra trễ nhúm. Vỡ vậy PMD gõy nờn hiện tƣợng gión rộng xung tớn hiệu làm giảm chất lƣợng truyền dẫn. Về phƣơng diện này ảnh hƣởng của PMD cũng giống nhƣ ảnh hƣởng của tỏn sắc ống dẫn súng. Tuy nhiờn vẫn cú sự khỏc nhau, tỏn sắc