Đối với hệ thống thụng tin sợi quang, cụng suất quang khụng lớn, sợi quang cú tớnh năng truyền dẫn tuyến tớnh, sau khi dựng EDFA, cụng suất quang tăng lờn, trong điều kiện nhất định sợi quang sẽ thể hiện đặc tớnh truyền dẫn phi tuyến tớnh, hạn chế rất lớn tớnh năng của bộ khuếch đại EDFA và hạn chế cự ly truyền dẫn dài khụng cú trạm lặp.
Hiệu ứng phi tuyến của sợi quang chủ yếu do ảnh hưởng của hiệu ứng tỏn xạ bao gồm:
• Tỏn xạ bị kớch Brillouin (SBS)
• Tỏn xạ bị kớch Raman (SRS)
• Do ảnh hưởng của hiệu suất khỳc xạ bao gồm:
• Tự điều chế pha (SPM)
• Điều chế pha chộo (XPM)
• Trộn tần bốn súng (FWM)
Những hiệu ứng này phần lớn đều liờn quan đến cụng suất đưa vào sợi quang.
VI.1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering):
Hiệu ứng Raman là do quỏ trỡnh tỏn xạ 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 ddược phỏt xạ thành ỏnh sỏng cú bước súng lớn hơn bước súng của ỏnh sỏng tớn hiệu tới (ỏnh sỏng với bước súng mới này được gọi là ỏnh sỏng Stocke). Khi ỏnh sỏng tớn hiệu truyền trong sợi quang (ỏnh sỏng này cú cường độ lớn), quỏ trỡnh này trở thành quỏ trỡnh kớch thớch mà trong đú ỏnh sỏng tớn hiệu đúng vai trũ súng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho một phần năng lượng của tớn hiệu được chuyển tới bước súng Stocke.
Nếu gọi Ps(L) là cụng suất của bước súng Stocke trong sợi quang thỡ: Ps(L) = P0exp(grP0L/(K.Seff)) (3.2)
Trong đú:
P0 là cụng suất của ỏnh sỏng tớn hiệu đưa vào gr là hệ số tỏn xạ Raman
Seff là diện tớch hiệu dụng vựng lừi
K đặc trưng cho mối quan hệ về phõn cực giữa tớn hiệu, bước súng Stocke và phõn cực của sợi, thụng thường K ≈ 2.
L là chiều dài tuyến.
Cụng thức trờn dựng để tớnh toỏn mức cụng suất P0 mà tại đú hiệu ứng SRS ảnh hưởng lớn tới hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman P0th (P0th là cụng suất tớn hiệu đầu vào mà ứng với nú cụng suất của bước súng Stocke và cụng suất của bước súng tớn hiệu tại đầu ra là bằng nhau).
P0th ≈ r eff Lg S 32 (3.3)
Qua tớnh toỏn cho thấy, đối với hệ thống đơn kờnh để hiệu ứng SRS cú thể ảnh 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 WDM 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 SNR, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Để đảm bảo suy giảm khụng nhỏ hơn 0,5 dB thỡ mức cụng suất của từng kờnh phải thoả món:
(N )L f N x P eff∆ − < 1 10 28 , 10 2 (3.4) Với: N là tổng số kờnh quang ∆ƒ là khoảng cỏch giữa cỏc kờnh.
Như vậy trong hệ thống WDM hiệu ứng này làm hạn chế số kờnh, 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 trựng với kờnh tớn hiệu thỡ hiệu ứng này cũn gõy xuyờn nhiễu giữa cỏc kờnh.
VI.2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering):
Hiệu ứng SBS tương tự như hiệu ứng SRS, tức là cú một phần ỏnh sỏng bị tỏn xạ và bị dịch tới bước súng dài hơn bước súng tới, ỏnh sỏng cú bước súng dài hơn này gọi là ỏnh sỏng Stocke. Điểm khỏc nhau của hai hiệu ứng này là độ dich tần xảy ra trong hiệu ứng SBS nhỏ hơn độ dịch tần xảy ra trong hiệu ứng SRS (độ dịch tần trong hiệu ứng SBS là khoảng 11 GHz tại bước súng
1550 nm). Trong hiệu ứng SBS chỉ cú phần ỏnh sỏng bị tỏn xạ theo chiều ngược lại (tức là ngược chiều với chiều tớn hiệu) mới cú thể truyền đi ở trong sợi quang. Vỡ vậy trong hệ thống WDM khi tất cả cỏc kờnh cựng truyền theo một hướng thỡ hiệu ứng SBS khụng gõy xuyờn nhiễu 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 mW. Tuy nhiờn do hiệu ứng SBS giảm tỷ lệ với ∆fB/∆fLaser (∆fB là băng tần khuếch đại Brillouin, ∆fLaser 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 nguồn phỏt cú độ rộng phổ rất hẹp thỡ mới bị ảnh hưởng của hiệu ứng SBS. Người ta tớnh toỏn được mức cụng suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS như sau:
Pth = 21 B P B eff eff v v v gL KA ∆ ∆ + ∆ (3.5) Trong đú:
g là hệ số khuếch đại Brillouin Aeff là vựng lừi hiệu dụng
∆fP là độ rộng phổ của tớn hiệu
K đặc trưng cho mối quan hệ về phõn cực (thụng thường thỡ K =2). 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.
VI.3. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation):
SPM là hiệu ứng xảy ra khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khỳc xạ của sợi quang cũng biến đổi theo (núi cỏch khỏc là chiết suất của mụi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ỏnh sỏng truyền trong đú), ta cú:
n = n0 + ∆nNL = n0 + n2
2
E (3.6)
Trong đú:
n0 là chiết suỏt tuyến tớnh
n2 là hệ số chiết suất phi tuyến tớnh (n2 = 1,22.10-22 đối với sợi SI) E là cường độ trường quang.
Hiệu ứng này gõy ra sự dịch pha phi tuyến ΦNL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang (đạo hàm của pha tức là tần số). Giả sử bỏ qua suy hao thỡ sau khoảng cỏch L, pha của trường quang sẽ là:
( ) NL const n n L nL = + = +Φ = Φ λ π λ π 2 0 2 E2 2 (3.7)
Đối với trường quang cú cường độ khụng đổi, hiệu ứng SPS chỉ làm quay pha của trường quang, do đú ớt ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tuy nhiờn đối với trường quang cú cường độ thay đổi thỡ dịch pha phi tuyến
ΦNL sẽ thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi theo thời gian này cũng cú nghĩa là trung xung tớn hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khỏc với tần số trung tõm v0
một giỏ trị là δvNL, với:
δvNL = (-1/2π)(δvNL/δt) (3.8)
Hiện tượng này cũn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung dịch đến tần số f<f0 và sườn trước của xung dịch đến tần số f>f0. Điều này cũng cú nghĩa là phổ của tớn hiệu đó bị dón trong quỏ trỡnh truyền, đặc biệt khi khoảng cỏch giữa cỏc kờnh gần nhau, hiện tượng dón phổ do SPM cú thể dẫn đến giao thoa gõy xuyờn nhiễu giữa cỏc kờnh.
Nếu xột đến ảnh hưởng của tỏn sắc thỡ sẽ thấy dạng xung bị biến đổi dọc theo sợi (tỏn sắc tớch luỹ theo sự tăng lờn của chiều dài tuyến). Nếu goi D là hệ số tỏn sắc của sợi, thỡ:
Với D<0: thành phần tần số cao (f>f0) sẽ lan truyền nhanh hơn thành phần tần số thấp (f<f0), do đú xung bị dón ra.
Với D>0: thành phần tần số cao (f>f0) sẽ lan truyền chậm hơn thành phần tần số thấp (f<f0) làm cho xung bị co lại.
Sự biến đổi cụng suất quang càng nhanh thỡ sự biến đổi tần số quang cũng càng lớn, làm ảnh hưởng lớn đối với xung hẹp, khú khăn trong việc nõng cao tốc độ trong hệ thống.
VI.4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation):
Do trong hệ thống WDM cú nhiều bước súng cựng lan truyền trờn một sợi quang, nờn hệ số chiết suất tại một bước súng nào đú khụng chỉ phụ thuộc vào cường độ sỏng của bản thõn súng ấy mà cũn phụ thuộc vào cường độ của cỏc bước súng khỏc lan truyền trong sợi. Trong hệ thống này chiết suất phi tuyến ứng với bước súng thứ i sẽ là:
{ +∑ }= = ∆ 2 2 i 2 E Ej NL n n (3.9) Trong đú:
n2 là hệ số chiết suất phi tuyến
Ei, Ej là cường độ trường quang của bước súng thứ i, thứ j.
Điều này dẫn tới pha của tớn hiệu bị điều chế bởi cường độ ỏnh sỏng của cỏc kờnh khỏc và gõy ra xuyờn nhiễu giữa cỏc kờnh.
VI.5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing):
Hiện tượng chiết suất phi tuyến cũn gõy ra một hiệu ứng khỏc trong sợi đơn mode, đú là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, nhiều tớn hiệu quang cú cường độ tương đối mạnh sẽ tương tỏc với nhau tạo ra cỏc thành phần tần số mới. Sự tương tỏc này cú thể xảy ra giữa cỏc bước súng của tớn hiệu trong hệ thống WDM, hoặc giữa bước súng tớn hiệu với bức xạ tự phỏt được khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission) 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 tương tỏc với nhau thỡ tần số mới tạo ra cú bước súng là ωijk.
Theo quan điểm cơ lượng tử thỡ FWM là hiệu ứng mà trong đú cú sự phỏ huỷ photon ở một số bước súng và tạo ra một số photon ỏ cỏc bước súng mới sao cho vẫn bảo toàn về động lượng. Nếu gọi Pijk(L) là cụng suất của bước súng ωijk trong sợi quang, thỡ:
( ) ( ) PPP ( L)S S L c n L P i j k eff ijk ijk χ α λ π η − = 1024 6 2 .exp 2 2 3 2 2 0 6 (3.10) Trong đú:
η là hiệu suất của quỏ trỡnh FWM c là tốc độ ỏnh sỏng
Seff là diện tịch hiệu dụng vựng lừi
Pi, Pj, Pk là cụng suất tương ứng với cỏc bước súng λi, λj, λk
χ(3) là 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 của photon được bảo toàn). Vỡ trong sợi quang tồn tại tỏn sắc, nờn điều kiện phự hợp về pha rất khú xảy ra. Tuy nhiờn với mụi truờng là loại sợi
cú tỏn sắc rất nhỏ và cỏc kờnh cú khoảng cỏch gần nhau thỡ điều kiện này cú thể coi là xấp xỉ đạt được
Do việc tạo ra cỏc tần số mới là do sự tương tỏc của cỏc tần số tớn hiệu, nờn hiệu ứng FWM sẽ làm giảm cụng suất của cỏc kờnh tớn hiệu trong hệ thống WDM. 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 nhiễu cho kờnh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống.
Sự suy giảm cụng suất làm giảm tỉ số S/N dẫn đến làm tăng BER của hệ thống. Cỏc hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở vựng cửa sổ bước súng 1550 nm, tỏn sắc của sợi quang đơn mode thụng thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, cũn tỏn sắc của sợi tỏn sắc dịch chuyển (sợi G.653) là nhỏ hơn 3 ps/nm.km. Từ đú ta thấy, hệ thống WDM làm việc với sợi đơn mode chuẩn thụng thường (SSMF) sẽ ớt bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM sử dụng sợi dịch tỏn sắc DSF (Dispersion Shifted Fiber).
Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cỏch giữa cỏc kờnh trong hệ thống WDM càng nhỏ, và mức cụng suất của mỗi kờnh càng lớn. Như vậy hiệu ứng FWM sẽ làm hạn chế dung lượng truyền dẫn của hệ thống WDM.
VI.6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của cỏc hiệu ứng phi tuyến:
Với xu thế phỏt triển cụng nghệ và linh kiện quang học, hệ thống WDM hiện nay đó tỡm được một số phương phỏp giải quyết hữu hiệu để khắc phục ảnh hưởng của những hiệu ứng trờn đối với truyền dẫn, nhất là hệ thống WDM cú số lượng kờnh quang tương đối ớt (nhỏ hơn 16 kờnh), tổng cụng suất truy nhập sợi quang thường khụng lớn hơn +17 dBm, nhỏ hơn nhiều so với trị số ngưỡng gõy ra hiệu ứng SRS, do đú sẽ khụng cú ảnh hưởng của SRS; sử dụng cụng nghệ điều chế ngoài của bộ kớch quang và cụng nghệ dao động tần số thấp cú thể khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng băng hẹp SBS; Hiệu suất trộn tần bốn súng (FWM) cú quan hệ rất lớn đối với tỏn sắc của sợi quang, sử dụng sợi quang G.655 cú thể khắc phục được hiệu ứng FWM, hơn nữa giảm tỏn sắc của sợi quang, là lựa chọn tốt trong hệ thống WDM tốc độ cao; điều chế pha chộo (XPM) thường phỏt sinh trong hệ thống WDM cú nhiều hơn 32 kờnh tớn hiệu, cú thể khắc phục bằng phương phỏp tăng tiết diện hữu dụng vựng lừi của sợi quang G.652; tự điều chế pha (SPM) sẽ làm hẹp độ rộng xung quang truyền dẫn, ngược lại với hiệu ứng dón xung của tỏn sắc, ở mức độ nhất định, cú thể lợi dụng SPM để bự sự dón xung do tỏn sắc.